JP2019109057A - Optical fiber sensor - Google Patents
Optical fiber sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019109057A JP2019109057A JP2017240250A JP2017240250A JP2019109057A JP 2019109057 A JP2019109057 A JP 2019109057A JP 2017240250 A JP2017240250 A JP 2017240250A JP 2017240250 A JP2017240250 A JP 2017240250A JP 2019109057 A JP2019109057 A JP 2019109057A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical fiber
- different
- bragg grating
- thermal expansion
- fbg
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Abstract
Description
本発明は、光ファイバセンサに関する。 The present invention relates to an optical fiber sensor.
特許文献１に記載の光ファイバセンサでは、一対のファイバブラッググレーティングを用いて測定対象部材の歪み、及び温度を求めるようになっている。 In the optical fiber sensor described in Patent Document 1, the strain and temperature of a member to be measured are determined using a pair of fiber Bragg gratings.
従来の光ファイバセンサでは、一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分と、他方のファイバブラッググレーティングが形成された部分とが同様の構成とされている。さらに、一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分については、変位が拘束されないように測定対象部材に取り付けられている。また、他方のファイバブラッググレーティングが形成された部分については、変位が拘束されるように測定対象部材に取り付けられている。そして、変位が拘束されていない一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分による測定結果によって、変位が拘束されるように測定対象部材に取り付けられている他方のファイバブラッググレーティングが形成された部分による測定結果の温度を補償する。 In the conventional optical fiber sensor, the portion in which one fiber Bragg grating is formed and the portion in which the other fiber Bragg grating is formed have the same configuration. Furthermore, the portion where one fiber Bragg grating is formed is attached to the member to be measured so that displacement is not restricted. In addition, the portion where the other fiber Bragg grating is formed is attached to the measurement target member so that the displacement is constrained. And by the measurement result by the part in which one fiber Bragg grating is not constrained in displacement, the measurement by the part in which the other fiber Bragg grating is attached to the measuring object member so that the displacement is constrained Compensate for the resulting temperature.
この構成においては、外部温度変化に伴う熱膨張だけを一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分に生じさせるため、一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分を測定対象部材から隙間を空けて離間させる必要がある。このため、変位が拘束されるように測定対象部材に取り付けられている他方のファイバブラッググレーティングが形成された部分による測定結果の温度を補償する精度が低下してしまう。 In this configuration, only the thermal expansion accompanying the external temperature change is generated in the portion where one fiber Bragg grating is formed, so the portion where one fiber Bragg grating is formed is separated from the member to be measured with a gap. There is a need. For this reason, the accuracy of compensating for the temperature of the measurement result by the portion on which the other fiber Bragg grating attached to the measurement target member is formed so as to constrain the displacement is lowered.
本願発明の課題は、一対のファイバブラッググレーティングを用いる構成において、一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分を測定対象部材から隙間を空けて離間させる場合と比して、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることである。 The problem of the present invention is that in the configuration using a pair of fiber Bragg gratings, distortion and temperature of the measurement target member as compared with the case where a portion where one fiber Bragg grating is formed is separated from the measurement target member with a gap. To improve the accuracy of deriving
本発明の請求項１に係る光ファイバセンサは、光ファイバに形成された第一ファイバブラッググレーティングと、光ファイバに形成された第二ファイバブラッググレーティングと、を備え、前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性とが異なり、かつ、前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数とが異なることを特徴とする。 An optical fiber sensor according to claim 1 of the present invention comprises a first fiber bragg grating formed in an optical fiber and a second fiber bragg grating formed in an optical fiber, wherein the first fiber bragg grating is formed. Thermal expansion characteristics of the optical fiber in the selected portion and the thermal expansion characteristics of the optical fiber in the portion in which the second fiber Bragg grating is formed, and the optical fiber in the portion in which the first fiber Bragg grating is formed And the longitudinal elastic modulus of the optical fiber in the portion where the second fiber Bragg grating is formed.
上記構成によれば、予め、第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数と、第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数とが夫々取得される。 According to the above configuration, the thermal expansion characteristics and longitudinal elastic modulus of the optical fiber in the portion where the first fiber Bragg grating is formed, and the thermal expansion characteristics and the longitudinal length of the optical fiber in the portion where the second fiber Bragg grating is formed The modulus of elasticity is obtained respectively.
そして、第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバ、及び第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバを測定対象部材から隙間を空けて離間させることなく、光ファイバセンサが測定対象部材に取り付けられる。さらに、第一ファイバブラッググレーティングから反射される中心反射波長の変化、及び第二ファイバブラッググレーティングから反射される中心反射波長の変化を測定する。 Then, the optical fiber sensor measures the optical fiber without separating the optical fiber of the portion where the first fiber Bragg grating is formed and the optical fiber of the portion where the second fiber Bragg grating is formed from the member to be measured. It is attached to the member. Furthermore, the change in central reflection wavelength reflected from the first fiber Bragg grating and the change in central reflection wavelength reflected from the second fiber Bragg grating are measured.
この測定結果と、予め取得した熱膨張特性及び縦弾性係数とによって、測定対象部材の歪みと温度とを導出する。このように、隙間を空けて離間させることなく光ファイバセンサが測定対象部材に取り付けられているため、一対のファイバブラッググレーティングを用いる構成において、一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分を測定対象部材から隙間を空けて離間させる場合と比して、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。 The strain and temperature of the member to be measured are derived from the measurement results and the thermal expansion characteristics and longitudinal elastic modulus obtained in advance. As described above, since the optical fiber sensor is attached to the measurement target member without leaving a space between the members, in a configuration using a pair of fiber Bragg gratings, the portion where one fiber Bragg grating is formed is the measurement target member The accuracy of deriving the strain and the temperature of the member to be measured can be improved as compared to the case where the gap is separated and the gap is separated.
本発明の請求項２に係る光ファイバセンサは、請求項１に記載の光ファイバセンサにおいて、前記第一ファイバブラッググレーティングと前記第二ファイバブラッググレーティングとは、一本の光ファイバに形成されていることを特徴とする。 An optical fiber sensor according to claim 2 of the present invention is the optical fiber sensor according to claim 1, wherein the first fiber Bragg grating and the second fiber Bragg grating are formed in a single optical fiber. It is characterized by
上記構成によれば、第一ファイバブラッググレーティングと第二ファイバブラッググレーティングとは、一本の光ファイバに形成されており、直列に配置されている。このため、第一ファイバブラッググレーティングと第二ファイバブラッググレーティングとが別個の光ファイバに形成されている場合と比して、部品点数を削減することができる。 According to the above configuration, the first fiber Bragg grating and the second fiber Bragg grating are formed in a single optical fiber and arranged in series. Therefore, the number of parts can be reduced as compared to the case where the first fiber Bragg grating and the second fiber Bragg grating are formed in separate optical fibers.
本発明の請求項３に係る光ファイバセンサは、請求項１又は２に記載の光ファイバセンサにおいて、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、前記光ファイバのクラッドの熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記光ファイバのクラッドの縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された異特性部材が一体的に取り付けられていることを特徴とする。 An optical fiber sensor according to claim 3 of the present invention is the optical fiber sensor according to claim 1 or 2, wherein the outer peripheral surface of the optical fiber in the portion where the second fiber Bragg grating is formed is A different-characteristic member formed of a material having a thermal expansion coefficient different from that of the cladding and a longitudinal elastic coefficient different from that of the cladding of the optical fiber is integrally attached. I assume.
上記構成によれば、第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、光ファイバのクラッドの熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記光ファイバのクラッドの縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された異特性部材が一体的に取り付けられている。これにより、第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数と、第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数とが異なっている。 According to the above configuration, the outer peripheral surface of the optical fiber in the portion where the second fiber Bragg grating is formed has a thermal expansion coefficient different from the thermal expansion coefficient of the optical fiber cladding, and the length of the optical fiber cladding Different-characteristic members formed of a material having a longitudinal elastic modulus different from the elastic modulus are integrally attached. Thereby, the thermal expansion characteristics and longitudinal elastic modulus of the optical fiber of the portion where the first fiber Bragg grating is formed, and the thermal expansion characteristics and longitudinal elastic modulus of the optical fiber of the portion where the second fiber Bragg grating is formed are different. ing.
このように、光ファイバの外周面に異特性部材を一体的に取り付けることで、光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数を異ならせる。このため、光ファイバの材質を部分的に変えることで光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数を異ならせる場合と比して、簡易な構成で光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数を異ならせることができる。 Thus, the thermal expansion characteristics and the longitudinal elastic modulus of the optical fiber are made different by integrally attaching the different-characteristic member to the outer peripheral surface of the optical fiber. For this reason, the thermal expansion characteristics and the longitudinal elastic modulus of the optical fiber are made to differ by a simple configuration as compared with the case where the thermal expansion characteristics and the longitudinal elastic modulus of the optical fiber are made different by partially changing the material of the optical fiber. be able to.
本発明の請求項４に係る光ファイバセンサは、請求項１又は２に記載の光ファイバセンサにおいて、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、前記光ファイバのクラッドの熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記光ファイバのクラッドの縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された異特性部材が一体的に取り付けられ、前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、前記異特性部材の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記異特性部材の縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された他の異特性部材が一体的に取り付けられていることを特徴とする。 An optical fiber sensor according to a fourth aspect of the present invention is the optical fiber sensor according to the first or second aspect, wherein an outer peripheral surface of the optical fiber in a portion where the second fiber Bragg grating is formed is A different property member formed of a material having a thermal expansion coefficient different from the thermal expansion coefficient of the cladding and a longitudinal elastic coefficient different from the longitudinal elastic coefficient of the optical fiber cladding is integrally attached, the first fiber A material having a thermal expansion coefficient different from the thermal expansion coefficient of the different characteristic member and a longitudinal elastic coefficient different from the longitudinal elastic coefficient of the different characteristic member on the outer peripheral surface of the optical fiber in the portion where the Bragg grating is formed And the other different characteristic members formed in the above are integrally attached.
上記構成によれば、第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、光ファイバのクラッドの熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記光ファイバのクラッドの縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された異特性部材が一体的に取り付けられている。さらに、第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、異特性部材の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、異特性部材の縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された他の異特性部材が一体的に取り付けられている。これにより、第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数と、第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数とが異なっている。 According to the above configuration, the outer peripheral surface of the optical fiber in the portion where the second fiber Bragg grating is formed has a thermal expansion coefficient different from the thermal expansion coefficient of the optical fiber cladding, and the length of the optical fiber cladding Different-characteristic members formed of a material having a longitudinal elastic modulus different from the elastic modulus are integrally attached. Furthermore, on the outer peripheral surface of the optical fiber in the portion where the first fiber Bragg grating is formed, longitudinal elasticity different from the thermal expansion coefficient of the different characteristic member and different from the longitudinal elastic coefficient of the different characteristic member Other dissimilar members formed of coefficient material are integrally attached. Thereby, the thermal expansion characteristics and longitudinal elastic modulus of the optical fiber of the portion where the first fiber Bragg grating is formed, and the thermal expansion characteristics and longitudinal elastic modulus of the optical fiber of the portion where the second fiber Bragg grating is formed are different. ing.
このように、光ファイバの外周面に異特性部材、及び他の異特性部材を一体的に取り付けることで、光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数を異ならせる。このため、光ファイバの材質を部分的に変えることで光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数を異ならせる場合と比して、簡易な構成で光ファイバの熱膨張特性及び縦弾性係数を異ならせることができる。 As described above, by integrally attaching the different characteristic member and the other different characteristic member to the outer peripheral surface of the optical fiber, the thermal expansion characteristics and the longitudinal elastic modulus of the optical fiber are made different. For this reason, the thermal expansion characteristics and the longitudinal elastic modulus of the optical fiber are made to differ by a simple configuration as compared with the case where the thermal expansion characteristics and the longitudinal elastic modulus of the optical fiber are made different by partially changing the material of the optical fiber. be able to.
本発明の請求項５に係る光ファイバセンサは、請求項３に記載の光ファイバセンサにおいて、前記異特性部材は、金属材料で形成されていることを特徴とする。 An optical fiber sensor according to a fifth aspect of the present invention is the optical fiber sensor according to the third aspect, wherein the different property member is formed of a metal material.
上記構成によれば、異特性部材は、金属材料で形成されている。このため、異特性部材が樹脂材料で形成される場合と比して、異特性部材が伸縮による光ファイバの伸縮量が増える。 According to the above configuration, the different-characteristic member is formed of a metal material. Therefore, the amount of expansion and contraction of the optical fiber due to the expansion and contraction of the different-characteristic member is increased as compared with the case where the different-characteristic member is formed of a resin material.
これにより、第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性を、第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性に対して大きく異ならせることができる。そうすると、予め取得する熱膨張特性の差違が明確になり、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。 As a result, the thermal expansion characteristics of the optical fiber in the portion where the second fiber Bragg grating is formed can be largely different from the thermal expansion characteristics of the optical fiber in the portion where the first fiber Bragg grating is formed. Then, the difference between the thermal expansion characteristics to be acquired in advance becomes clear, and the accuracy of deriving the strain and temperature of the member to be measured can be improved.
本発明の請求項６に係る光ファイバセンサは、請求項３に記載の光ファイバセンサにおいて、前記異特性部材は、非磁性材料で形成されていることを特徴とする。 An optical fiber sensor according to a sixth aspect of the present invention is the optical fiber sensor according to the third aspect, wherein the different property member is formed of a nonmagnetic material.
上記構成によれば、異特性部材は、非磁性部材で形成されている。このため、例えば、磁界による異特性部材の歪みが抑制されることで、異特性部材が磁性部材で形成されている場合と比して、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。 According to the above configuration, the different characteristic member is formed of the nonmagnetic member. Therefore, for example, the distortion of the different-characteristic member due to the magnetic field is suppressed, thereby improving the accuracy of deriving the distortion and temperature of the measurement target member as compared to the case where the different-characteristic member is formed of the magnetic member. It can be done.
本発明の請求項７に係る光ファイバセンサは、請求項４に記載の光ファイバセンサにおいて、前記異特性部材、及び前記他の異特性部材は、非磁性材料で形成されていることを特徴とする。 An optical fiber sensor according to a seventh aspect of the present invention is the optical fiber sensor according to the fourth aspect, wherein the different characteristic member and the other different characteristic member are formed of nonmagnetic material. Do.
上記構成によれば、異特性部材及び他の異特性部材は、非磁性部材で形成されている。このため、例えば、磁界による異特性部材及び他の異特性部材の歪みが抑制されることで、異特性部材及び他の異特性部材が磁性部材で形成されている場合と比して、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。 According to the above configuration, the different characteristic member and the other different characteristic member are formed of nonmagnetic members. For this reason, for example, distortion of the different characteristic member and the other different characteristic member due to the magnetic field is suppressed, so that the object to be measured is compared with the case where the different characteristic member and the other different characteristic member are formed of magnetic members. The accuracy of deriving the strain and temperature of the member can be improved.
本発明の請求項８に係る光ファイバセンサは、請求項１〜７の何れか１項に記載の光ファイバセンサにおいて、前記光ファイバに張力が付与されている状態で前記光ファイバを保持する保持部材を備えることを特徴とする。 An optical fiber sensor according to an eighth aspect of the present invention is the optical fiber sensor according to any one of the first to seventh aspects, wherein the optical fiber is held with tension applied to the optical fiber. It is characterized by including a member.
上記構成によれば、保持部材は、光ファイバに張力が付与されている状態で光ファイバを保持している。これにより、測定対象部材の負の歪みについても導出することができる。 According to the above configuration, the holding member holds the optical fiber in a state in which the optical fiber is tensioned. Thereby, it is also possible to derive negative distortion of the measurement target member.
本発明では、一対のファイバブラッググレーティングを用いる構成において、一方のファイバブラッググレーティングが形成された部分を測定対象部材から隙間を空けて離間させる場合と比して、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。 In the present invention, in the configuration using a pair of fiber Bragg gratings, the strain and temperature of the member to be measured are compared with the case where the portion where one fiber Bragg grating is formed is separated from the member to be measured with a gap. The accuracy of derivation can be improved.
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る光ファイバセンサの一例について図１〜図５を用いて説明する。
（全体構成）
第１実施形態に係る光ファイバセンサ１０は、図１に示されるように、光ファイバ１２と、光ファイバ１２に形成された第一ファイバブラッググレーティング１４と、光ファイバ１２に形成された第二ファイバブラッググレーティング１６とを有している。さらに、光ファイバセンサ１０は、第二ファイバブラッググレーティング１６が形成された部分の光ファイバ１２の外周面に一体的に取り付けられた異特性部材２０を備えている。
First Embodiment
An example of the optical fiber sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
(overall structure)
As shown in FIG. 1, the optical fiber sensor 10 according to the first embodiment includes an optical fiber 12, a first fiber Bragg grating 14 formed in the optical fiber 12, and a second fiber formed in the optical fiber 12. And a Bragg grating 16. Furthermore, the optical fiber sensor 10 is provided with the different-characteristic member 20 integrally attached to the outer peripheral surface of the optical fiber 12 in the portion where the second fiber Bragg grating 16 is formed.
光ファイバセンサ１０は、第一ファイバブラッググレーティング１４、又は第二ファイバブラッググレーティング１６によって反射される中心反射波長の変化を測定して、測定対象部材の歪み、温度等を導出するためのセンサである。 The optical fiber sensor 10 is a sensor for measuring a change in central reflection wavelength reflected by the first fiber Bragg grating 14 or the second fiber Bragg grating 16 to derive distortion, temperature, and the like of a member to be measured. .
光ファイバ１２は、石英ガラスによって形成されており、外径が１００〔μｍ〕とされている。そして、光ファイバ１２は、光伝播用のコア１２Ａと、このコア１２Ａを覆い、コア１２Ａの屈折率よりも小さな屈折率を有するクラッド１２Ｂと、図示せぬバッファコーティングとを有している。本実施形態では、クラッド１２Ｂの熱膨張係数は、０．５５×１０−６〔／Ｋ〕（〔／℃〕）とされている。 The optical fiber 12 is made of quartz glass and has an outer diameter of 100 μm. The optical fiber 12 has a core 12A for light propagation, a cladding 12B covering the core 12A and having a refractive index smaller than that of the core 12A, and a buffer coating (not shown). In the present embodiment, the thermal expansion coefficient of the cladding 12B is set to 0.55 × 10 −6 [/ K] ([/ ° C.]).
また、第一ファイバブラッググレーティング１４（以下「第一ＦＢＧ１４」）は、光ファイバ１２のコア１２Ａに屈折率変調（回折格子）が生じるようにコア１２Ａに形成されている。本実施形態では、第一ＦＢＧ１４は、光ファイバ１２の長手方向において５〔ｍｍ〕に亘って形成されている。 Further, the first fiber Bragg grating 14 (hereinafter, "first FBG 14") is formed in the core 12A so that refractive index modulation (diffraction grating) occurs in the core 12A of the optical fiber 12. In the present embodiment, the first FBG 14 is formed over 5 mm in the longitudinal direction of the optical fiber 12.
さらに、第二ファイバブラッググレーティング１６（以下「第二ＦＢＧ１６」）は、光ファイバ１２のコア１２Ａに屈折率変調（回折格子）が生じるようにコア１２Ａに形成されており、第一ＦＢＧ１４と直列に配置されている。本実施形態では、第二ＦＢＧ１６は、光ファイバ１２の長手方向において５〔ｍｍ〕に亘って形成されている。 Furthermore, the second fiber Bragg grating 16 (hereinafter referred to as "second FBG 16") is formed on the core 12A so that refractive index modulation (diffraction grating) occurs in the core 12A of the optical fiber 12, and in series with the first FBG 14 It is arranged. In the present embodiment, the second FBG 16 is formed over 5 mm in the longitudinal direction of the optical fiber 12.
異特性部材２０は、金属材料であるニッケルで形成されており、厚さ４〔μｍ〕とされている（図に示す厚さについては誇張して記載している）。本実施形態では、メッキ工法を用いて、異特性部材２０が、光ファイバ１２の長手方向において第二ＦＢＧ１６が形成された部分を含む光ファイバ１２の外周面に一体的に取り付けられている。これにより、異特性部材２０は、光ファイバ１２が光ファイバ１２の長手方向に伸縮すると、光ファイバ１２と一体となって光ファイバ１２の長手方向に伸縮するようになっている。つまり、「一体的に取り付けられる」とは、光ファイバ１２が長手方向に伸縮すると、光ファイバ１２と一体となって同じ量だけ、光ファイバ１２の長手方向に伸縮するように取り付けられることである。 The different-characteristic member 20 is formed of nickel, which is a metal material, and has a thickness of 4 μm (the thickness shown in the drawing is described in an exaggerated manner). In the present embodiment, the different-characteristic member 20 is integrally attached to the outer peripheral surface of the optical fiber 12 including the portion where the second FBG 16 is formed in the longitudinal direction of the optical fiber 12 using a plating method. Thereby, when the optical fiber 12 expands and contracts in the longitudinal direction of the optical fiber 12, the different-characteristic member 20 expands and contracts in the longitudinal direction of the optical fiber 12 integrally with the optical fiber 12. That is, “integrally attached” means that when the optical fiber 12 is expanded and contracted in the longitudinal direction, the optical fiber 12 is attached so as to expand and contract in the longitudinal direction of the optical fiber 12 by the same amount. .
そして、本実施形態では、異特性部材２０の熱膨張係数は、クラッド１２Ｂの熱膨張係数と異なり、１３．４×１０−６〔／Ｋ〕（〔／℃〕）とされている。さらに、異特性部材２０の縦弾性係数（ヤング率）は、クラッド１２Ｂの縦弾性係数と異なっている。これにより、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性と、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性とが異なり、かつ、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の縦弾性係数と、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の縦弾性係数が異なっている。ここで、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の縦弾性係数、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の縦弾性係数とは、この部分の光ファイバ１２の軸方向の歪みと応力の比例定数である。 Further, in the present embodiment, the thermal expansion coefficient of the different-characteristic member 20 is 13.4 × 10 −6 [/ K] ([/ ° C.]), unlike the thermal expansion coefficient of the cladding 12B. Furthermore, the longitudinal elastic modulus (Young's modulus) of the different property member 20 is different from the longitudinal elastic modulus of the cladding 12B. Thereby, the thermal expansion characteristics of the optical fiber 12 in the portion where the first FBG 14 is formed and the thermal expansion characteristics of the optical fiber 12 in the portion where the second FBG 16 is formed, and the first FBG 14 is formed The longitudinal elastic modulus of the portion of the optical fiber 12 and the longitudinal elastic modulus of the portion of the optical fiber 12 where the second FBG 16 is formed are different. Here, the longitudinal elastic modulus of the optical fiber 12 in the portion where the first FBG 14 is formed and the longitudinal elastic modulus of the optical fiber 12 in the portion where the second FBG 16 is formed are the axial strain of the optical fiber 12 in this portion. And the proportional constant of stress.
（歪み及び温度の導出）
次に、光ファイバセンサ１０を用いて、測定対象部材の歪み、及び温度を導出する方法について説明する。
予め、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２と、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２との熱膨張特性及び縦弾性係数について取得する。具体的には、縦弾性係数として、光ファイバ１２の歪みと中心反射波長との関係を取得する。また、熱膨張特性として、光ファイバ１２の温度と中心反射波長との関係を取得する。なお、熱膨張特性及び縦弾性係数については、例えば、解析又は実測等によって取得することができる。
(Derivation of strain and temperature)
Next, a method of deriving distortion and temperature of a measurement target member using the optical fiber sensor 10 will be described.
The thermal expansion characteristics and the longitudinal elastic modulus of the optical fiber 12 in the portion where the first FBG 14 is formed and the optical fiber 12 in the portion where the second FBG 16 is formed are acquired in advance. Specifically, the relationship between the strain of the optical fiber 12 and the central reflection wavelength is acquired as the longitudinal elastic coefficient. In addition, the relationship between the temperature of the optical fiber 12 and the central reflection wavelength is acquired as the thermal expansion characteristic. In addition, about a thermal expansion characteristic and a longitudinal elastic modulus, it can acquire by analysis or measurement etc., for example.
−歪みと中心反射波長との関係−
温度を一定にした状態（例えば、２０〔℃〕一定にした状態）で、第一ＦＢＧ１４が形成された部分に荷重を負荷したときのこの部分の光ファイバ１２の歪みと、中心反射波長との関係を取得する。同様に、第二ＦＢＧ１６が形成された部分に荷重を負荷したときのこの部分の光ファイバ１２の歪みと、中心反射波長との関係を取得する。これにより、図４に示されるように、横軸が歪み〔με〕で、縦軸が中心反射波長〔ｎｍ〕のグラフが、作成される。本実施形態では、図４に示すグラフ中の線Ｌ１が、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の特性であって、線Ｌ２が、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の特性である。
-Relationship between distortion and central reflection wavelength-
In a state in which the temperature is constant (for example, a state in which the temperature is constant at 20 ° C.), the strain of the optical fiber 12 in this portion and the central reflection wavelength when a load is applied to the portion where the first FBG 14 is formed. Get the relationship. Similarly, the relationship between the distortion of the optical fiber 12 of this portion when a load is applied to the portion where the second FBG 16 is formed, and the central reflection wavelength is acquired. As a result, as shown in FIG. 4, a graph is created in which the horizontal axis is strain [με] and the vertical axis is central reflection wavelength [nm]. In the present embodiment, the line L1 in the graph shown in FIG. 4 is the characteristic of the optical fiber 12 in the portion where the first FBG 14 is formed, and the line L2 is the optical fiber 12 in the portion where the second FBG 16 is formed. Characteristic of
そして、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２における単位歪み当たりの中心反射波長の変化を、「∂λＦＢＧ１／∂ε」とする。さらに、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２における単位歪み当たりの中心反射波長の変化を、「∂λＦＢＧ２／∂ε」とする。 Then, the change of the central reflection wavelength per unit strain in the optical fiber 12 of the portion where the first FBG 14 is formed is taken as “∂λ FBG1 / ∂ε”. Further, the change of the central reflection wavelength per unit strain in the optical fiber 12 in the portion where the second FBG 16 is formed is taken as “∂λ FBG2 / ∂ε”.
−温度と中心反射波長との関係−
温度変化の影響による歪みだけが生じるように、初期歪みを０〔με〕とした状態で、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の温度と、中心反射波長との関係を取得する。同様に、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の温度と、中心反射波長との関係を取得する。これにより、図５に示されるように、横軸が温度〔℃〕で、縦軸が中心反射波長〔ｎｍ〕のグラフが、作成される。本実施形態では、図５に示すグラフ中の線Ｌ１１が、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の特性であって、線Ｌ１２が、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバの特性である。
-Relation between temperature and central reflection wavelength-
The relationship between the temperature of the optical fiber 12 in the portion where the first FBG 14 is formed and the central reflection wavelength is acquired in a state in which the initial distortion is 0 με so that only distortion due to the influence of temperature change occurs. Similarly, the relationship between the temperature of the optical fiber 12 in the portion where the second FBG 16 is formed and the central reflection wavelength is acquired. As a result, as shown in FIG. 5, a graph is created in which the horizontal axis is the temperature (° C.) and the vertical axis is the central reflection wavelength (nm). In the present embodiment, the line L11 in the graph shown in FIG. 5 is the characteristic of the optical fiber 12 in the portion where the first FBG 14 is formed, and the line L12 is an optical fiber in the portion where the second FBG 16 is formed. It is a characteristic.
そして、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２における単位温度当たりの中心反射波長の変化を、「∂λＦＢＧ１／∂Ｔ」とする。さらに、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２における単位温度当たりの中心反射波長の変化を、「∂λＦＢＧ２／∂Ｔ」とする。 Then, the change of the central reflection wavelength per unit temperature in the optical fiber 12 of the portion where the first FBG 14 is formed is taken as “∂λ FBG1 / ∂T”. Furthermore, the change of the central reflection wavelength per unit temperature in the optical fiber 12 in the portion where the second FBG 16 is formed is “∂λ FBG2 / ∂T”.
−光ファイバセンサ１０の取付け−
図２に示されるように、光ファイバセンサ１０を測定対象部材Ｊの平面Ｊ１に接触させて、光ファイバセンサ１０を測定対象部材Ｊに取り付ける。
-Mounting of the optical fiber sensor 10-
As shown in FIG. 2, the optical fiber sensor 10 is attached to the measurement target member J by bringing the optical fiber sensor 10 into contact with the plane J1 of the measurement target member J.
具体的には、光ファイバ１２の長手方向において、一対の取付部材３０で第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６を挟むように、一対の取付部材３０を配置する。一対の取付部材３０で挟まれた部分の光ファイバ１２に予め決められた張力が付与されるように、かつ、一対の取付部材３０で挟まれた部分の光ファイバ１２が、測定対象部材Ｊと一体となって伸縮するように、光ファイバセンサ１０を測定対象部材Ｊに取り付ける。そして、第一ＦＢＧ１４が形成された光ファイバ１２の部分の少なくとも一部、及び異特性部材２０の少なくとも一部が、平面Ｊ１と接触するようにする。本実施形態では、第一ＦＢＧ１４が形成された光ファイバ１２の部分、及び異特性部材２０が、平面Ｊ１と接触している。 Specifically, in the longitudinal direction of the optical fiber 12, the pair of attachment members 30 is disposed so as to sandwich the first FBG 14 and the second FBG 16 with the pair of attachment members 30. A portion of the optical fiber 12 sandwiched by the pair of attachment members 30 is provided with the measurement target member J such that a predetermined tension is applied to the optical fiber 12 of the portion sandwiched by the pair of attachment members 30. The optical fiber sensor 10 is attached to the measurement target member J so as to expand and contract integrally. Then, at least a part of the portion of the optical fiber 12 in which the first FBG 14 is formed, and at least a part of the different property member 20 are in contact with the plane J1. In the present embodiment, the portion of the optical fiber 12 in which the first FBG 14 is formed, and the different characteristic member 20 are in contact with the plane J1.
−測定ユニット−
光ファイバセンサ１０における第一ＦＢＧ１４の中心反射波長、及び第二ＦＢＧ１６の中心反射波長を測定するための測定ユニット５０は、図３に示されるように、広帯域光源５２と、波長計５４と、ファイバカプラ５６とを備えている。
-Measurement unit-
The measurement unit 50 for measuring the center reflection wavelength of the first FBG 14 and the center reflection wavelength of the second FBG 16 in the optical fiber sensor 10 is, as shown in FIG. 3, a broadband light source 52, a wavemeter 54, a fiber And a coupler 56.
広帯域光源５２は、所定間隔毎に波長の異なる赤外線を、ファイバカプラ５６を通して、光ファイバセンサ１０の一端へ出射するようになっている。本実施形態では、広帯域光源５２は、一例として、１０００〔ｎｍ〕から１８００〔ｎｍ〕の波長の赤外線を光ファイバセンサ１０の一端へ出射するようになっている。 The broadband light source 52 emits infrared light of different wavelengths at predetermined intervals through the fiber coupler 56 to one end of the optical fiber sensor 10. In the present embodiment, the broadband light source 52 emits infrared light having a wavelength of 1000 nm to 1800 nm to one end of the optical fiber sensor 10 as an example.
波長計５４は、第一ＦＢＧ１４又は第二ＦＢＧ１６によって反射され、光ファイバセンサ１０の一端から出射した光を、ファイバカプラ５６を通して受光するようになっている。 The wave meter 54 is configured to receive the light reflected by the first FBG 14 or the second FBG 16 and emitted from one end of the optical fiber sensor 10 through the fiber coupler 56.
ファイバカプラ５６は、広帯域光源５２から出射した光を光ファイバセンサ１０の一端へ導き、光ファイバセンサ１０の一端から出射した光を波長計５４へ導くようになっている。 The fiber coupler 56 guides the light emitted from the broadband light source 52 to one end of the optical fiber sensor 10, and guides the light emitted from one end of the optical fiber sensor 10 to the wavemeter 54.
この構成において、波長計５４によって、光ファイバセンサ１０を測定対象部材Ｊに取り付けた初期状態に対する、第一ＦＢＧ１４によって反射された中心反射波長のずれ量〔ｎｍ〕と、第二ＦＢＧ１６によって反射された中心反射波長のずれ量〔ｎｍ〕とが測定される。 In this configuration, the shift amount [nm] of the central reflection wavelength reflected by the first FBG 14 with respect to the initial state in which the optical fiber sensor 10 is attached to the measurement target member J by the wavemeter 54 and the second FBG 16 The shift amount [nm] of the central reflection wavelength is measured.
−歪み、温度の導出方法−
光ファイバセンサ１０を測定対象部材Ｊに取り付けた初期状態に対する、第一ＦＢＧ１４によって反射された中心反射波長のずれ量〔ｎｍ〕を「ΔλＦＢＧ１」とし、第二ＦＢＧ１６によって反射された中心反射波長のずれ量〔ｎｍ〕を「ΔλＦＢＧ２」とする。さらに、初期状態も対する、測定対象部材Ｊの歪みの変化量を、「Δε」とし、測定対象部材Ｊの温度の変化量を、「ΔＴ」とする。さらに、予め取得した第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性、及び予め取得した第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性から下記式（１）が成り立つ。
-Derivation method of strain and temperature-
The shift amount [nm] of the central reflection wavelength reflected by the first FBG 14 with respect to the initial state in which the optical fiber sensor 10 is attached to the measurement target member J is “Δλ FBG1 ”, and the central reflection wavelength of the central reflection wavelength reflected by the second FBG 16 The deviation amount [nm] is "Δλ FBG2 ". Furthermore, the amount of change in strain of the measurement target member J, which also corresponds to the initial state, is “Δε”, and the amount of change in temperature of the measurement target member J is “ΔT”. Further, the following equation (1) is satisfied from the thermal expansion characteristics of the optical fiber 12 of the portion where the first FBG 14 is formed and the thermal expansion characteristics of the optical fiber 12 of the portion where the second FBG 16 is obtained beforehand. .
そして、この式（１）を、下記に示すように、式（２）、式（３）と変形し、式（４）を導き出す。 And this Formula (1) is deform | transformed with Formula (2) and Formula (3) as shown below, and Formula (4) is derived | led-out.
そして、予め取得している∂λＦＢＧ１／∂ε、∂λＦＢＧ２／∂ε、∂λＦＢＧ１／∂Ｔ、及び∂λＦＢＧ２／∂Ｔの値、並びに、光ファイバセンサ１０を測定対象部材Ｊに取り付けることで測定されたΔλＦＢＧ１、及びΔλＦＢＧ２を、式（４）に代入する。これにより、例えば、波長計５４が、Δε、ΔＴを導出（算出）し、光ファイバセンサ１０を測定対象部材Ｊに取り付けた初期状態での測定対象部材Ｊの予め取得された歪み、及び予め取得された温度を考慮して、測定対象部材Ｊの歪み、及び温度を導出する。 Then, the values of ∂λ FBG1 / ∂ε, ∂λ FBG2 / ∂ε, ∂λ FBG1 / ∂T, and ∂λ FBG2 / ∂T obtained in advance, and the optical fiber sensor 10 as a measurement target member J The Δλ FBG1 and Δλ FBG2 measured by mounting are substituted into the equation (4). Thereby, for example, the wavelength meter 54 derives (calculates) Δε and ΔT, and the distortion acquired in advance of the measurement target member J in the initial state in which the optical fiber sensor 10 is attached to the measurement target member J The distortion of the object member J and the temperature are derived in consideration of the determined temperature.
（まとめ）
以上説明したように、光ファイバセンサ１０において、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２、及び第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２に取り付けられている異特性部材２０を、測定対象部材Ｊを構成する平面Ｊ１に接触させることができる。このため、測定対象部材Ｊの温度の変化、及び歪みの変化に起因して生じる中心反射波長のずれ量を測定する測定精度が向上する。そして、前述した式（４）を用いることで、測定対象部材Ｊの歪、及び温度が導出される。このため、一対のファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を用いる構成において、一方のＦＢＧが形成された部分を測定対象部材から隙間を空けて離間させる場合と比して、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。
(Summary)
As described above, in the optical fiber sensor 10, the different-characteristic member 20 attached to the optical fiber 12 of the portion where the first FBG 14 is formed and the optical fiber 12 of the portion where the second FBG 16 is formed is measured It can be made to contact the plane J1 which constitutes object member J. For this reason, the measurement precision which measures the shift | offset | difference amount of the center reflection wavelength produced resulting from the change of the temperature of the measuring object member J, and the change of distortion improves. And distortion and temperature of measurement object member J are derived by using a formula (4) mentioned above. For this reason, in the configuration using a pair of fiber Bragg gratings (FBGs), the distortion and temperature of the measurement target member are greater than in the case where the portion where the one FBG is formed is separated from the measurement target member with a gap. The accuracy of derivation can be improved.
また、第一ＦＢＧ１４と第二ＦＢＧ１６とは、一本の光ファイバ１２に形成されており、直列に配置されている。このため、第一ＦＢＧ１４と第二ＦＢＧ１６とが別個の光ファイバに形成される場合と比して、部品点数を削減することができる。 Further, the first FBG 14 and the second FBG 16 are formed in one optical fiber 12 and are arranged in series. Therefore, the number of parts can be reduced as compared to the case where the first FBG 14 and the second FBG 16 are formed in separate optical fibers.
また、光ファイバ１２の外周面に異特性部材２０を一体的に取り付けることで、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性と、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性とが異なっている。このため、例えば、光ファイバの材質を部分的に変えることで光ファイバの熱膨張特性を異ならせる場合と比して、簡易な構成で光ファイバ１２の熱膨張特性を異ならせることができる。
また、光ファイバ１２の外周面に異特性部材２０を一体的に取り付けることで、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の縦弾性係数と、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の縦弾性係数が異なっている。このため、例えば、光ファイバの材質を部分的に変えることで縦弾性係数を異ならせる場合と比して、簡易な構成で、縦弾性係数を異ならせることができる。
Further, by integrally attaching the different property member 20 to the outer peripheral surface of the optical fiber 12, the thermal expansion characteristics of the optical fiber 12 in the portion where the first FBG 14 is formed and the optical fiber in the portion where the second FBG 16 is formed The thermal expansion properties of T.12 are different. Therefore, for example, by partially changing the material of the optical fiber, the thermal expansion characteristics of the optical fiber 12 can be made different with a simple configuration as compared with the case where the thermal expansion characteristics of the optical fiber are made different.
Further, by integrally attaching the different characteristic member 20 to the outer peripheral surface of the optical fiber 12, the longitudinal elastic modulus of the optical fiber 12 in the portion where the first FBG 14 is formed and the optical fiber in the portion where the second FBG 16 is formed The longitudinal modulus of elasticity of 12 is different. Therefore, for example, the longitudinal elastic modulus can be made different with a simple configuration as compared with the case where the longitudinal elastic modulus is made different by partially changing the material of the optical fiber.
また、異特性部材２０は、金属材料であるニッケルで形成されている。このため、異特性部材２０が樹脂材料で形成される場合と比して、剛性が高くなる。これにより、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性及び縦弾性係数を、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性及び縦弾性係数に対して大きく異ならせることができる。このため、前述した∂λＦＢＧ１／∂εと、∂λＦＢＧ２／∂εとの相違、及び∂λＦＢＧ１／∂Ｔと∂λＦＢＧ２／∂Ｔとの相違が明確になり、測定対象部材Ｊの歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。 Further, the different characteristic member 20 is formed of nickel which is a metal material. For this reason, rigidity becomes high compared with the case where the different characteristic member 20 is formed with a resin material. Thereby, if the thermal expansion characteristics and longitudinal elastic modulus of the optical fiber 12 in the portion where the second FBG 16 is formed differ greatly from the thermal expansion characteristics and longitudinal elastic modulus of the optical fiber 12 in the portion where the first FBG 14 is formed. You can Therefore, the difference between 相違 λ FBG1 / 1ε and ∂λ FBG2 / ∂ε, and the difference between ∂λ FBG1 / ∂T and ∂λ FBG2 / ∂T become clear, and the measurement target member J The accuracy of deriving distortion and temperature can be improved.
また、異特性部材２０は、金属材料であるニッケルで形成されている。異特性部材２０を樹脂材料で形成せて、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性及び縦弾性係数を、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性及び縦弾性係数に対して異ならせる場合と比して、異特性部材２０を薄くすることができる。これにより、第二ＦＢＧ１６と測定対象部材Ｊが近づくことで、さらに、測定対象部材Ｊの歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。 Further, the different characteristic member 20 is formed of nickel which is a metal material. The thermal expansion characteristics and longitudinal elastic modulus of the optical fiber 12 in the portion where the second FBG 16 is formed by forming the different characteristic member 20 with a resin material, and the thermal expansion characteristics of the optical fiber 12 in the portion where the first FBG 14 is formed The different-characteristic member 20 can be thinner as compared with the case where the longitudinal modulus of elasticity is different. Thereby, when the second FBG 16 and the measurement target member J approach each other, it is possible to further improve the accuracy of deriving the distortion and the temperature of the measurement target member J.
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る光ファイバセンサの一例について図６を用いて説明する。なお、第２実施形態に係る光ファイバセンサについては、第１実施形態に係る光ファイバセンサ１０と異なる部分を主に説明する。
Second Embodiment
An example of the optical fiber sensor according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, about the optical fiber sensor which concerns on 2nd Embodiment, the part different from the optical fiber sensor 10 which concerns on 1st Embodiment is mainly demonstrated.
図６に示す光ファイバセンサ１１０の異特性部材１２０は、非磁性部材であるポリイミド樹脂で形成されている。そして、異特性部材１２０は、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の外周面に、図示せぬ接着剤を用いて一体的に取り付けられている。 The different property member 120 of the optical fiber sensor 110 shown in FIG. 6 is formed of polyimide resin which is a nonmagnetic member. The different-characteristic member 120 is integrally attached to the outer peripheral surface of the optical fiber 12 in the portion where the second FBG 16 is formed, using an adhesive (not shown).
このように、異特性部材１２０が非磁性部材であるポリイミド樹脂で形成されていることで、測定対象部材Ｊの周りに磁界が生じる場合に、磁界による異特性部材１２０の歪みが抑制される。これにより、異特性部材が磁性部材で形成されている場合と比して、測定対象部材Ｊの歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。 Thus, when the different characteristic member 120 is formed of a polyimide resin which is a nonmagnetic member, when a magnetic field is generated around the measurement target member J, distortion of the different characteristic member 120 due to the magnetic field is suppressed. Thereby, compared with the case where the different-characteristic member is formed of the magnetic member, it is possible to improve the accuracy of deriving the distortion and the temperature of the measurement target member J.
なお、第２実施形態の光ファイバセンサ１１０の他の作用については、異特性部材が金属材料で形成されることで生じる第１実施形態の光ファイバセンサ１０の作用以外の作用と同様である。 The other operations of the optical fiber sensor 110 according to the second embodiment are similar to the operations other than the operation of the optical fiber sensor 10 according to the first embodiment, which are caused by the different characteristic member being formed of a metal material.
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る光ファイバセンサの一例について図７を用いて説明する。なお、第３実施形態に係る光ファイバセンサについては、第１実施形態に係る光ファイバセンサ１０と異なる部分を主に説明する。
Third Embodiment
An example of the optical fiber sensor according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, about the optical fiber sensor which concerns on 3rd Embodiment, the part different from the optical fiber sensor 10 which concerns on 1st Embodiment is mainly demonstrated.
第３実施形態に係る光ファイバセンサ２１０は、図７に示されるように、光ファイバ１２と、第一ＦＢＧ１４と、第二ＦＢＧ１６と、異特性部材２０と、光ファイバ１２に張力が付与されている状態で光ファイバ１２を保持する保持部材２２０とを備えている。そして、本実施形態では、一例として、金属材料で形成された測定対象部材Ｊの歪み、及び温度を測定するために、光ファイバセンサ２１０が用いられる。 In the optical fiber sensor 210 according to the third embodiment, as shown in FIG. 7, tension is applied to the optical fiber 12, the first FBG 14, the second FBG 16, the different property member 20, and the optical fiber 12. And a holding member 220 for holding the optical fiber 12 in the state where it is held. And in this embodiment, in order to measure distortion and temperature of measurement object member J formed with a metallic material as an example, optical fiber sensor 210 is used.
保持部材２２０は、光ファイバ１２の長手方向（以下「ファイバ長手方向」、図中矢印Ｄ１）から第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６を挟むように配置された一対の固定部材２３０を備えている。さらに、保持部材２２０は、ファイバ長手方向に対して交差する方向（以下「ファイバ交差方向」、図中矢印Ｄ２）から第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６を挟み、かつ、一対の固定部材２３０の間に配置された一対の支持部材２４０を備えている。 The holding member 220 includes a pair of fixing members 230 disposed so as to sandwich the first FBG 14 and the second FBG 16 from the longitudinal direction of the optical fiber 12 (hereinafter referred to as “fiber longitudinal direction”, arrow D1 in the figure). Further, the holding member 220 sandwiches the first FBG 14 and the second FBG 16 from a direction crossing the fiber longitudinal direction (hereinafter, “fiber crossing direction”, arrow D2 in the figure), and between the pair of fixing members 230 It has a pair of support members 240 arranged.
一対の固定部材２３０は、測定対象部材Ｊと同様の金属材料で形成されており、ファイバ交差方向に延びており、長手方向に直交する断面は、ファイバ長手方向に延びた矩形状とされている。そして、固定部材２３０は、光ファイバ１２を挟み込む一方部材２３０Ａ及び他方部材２３０Ｂを備えている。 The pair of fixing members 230 is formed of the same metal material as the measurement target member J, extends in the fiber crossing direction, and the cross section orthogonal to the longitudinal direction is a rectangular shape extending in the fiber longitudinal direction . The fixing member 230 includes one member 230A and the other member 230B that sandwich the optical fiber 12.
一対の支持部材２４０は、測定対象部材Ｊと同様の金属材料で形成されており、前述したように、ファイバ交差方向から第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６を挟むように配置されている。また、支持部材２４０は、ファイバ長手方向に延びており、断面矩形状とされている。そして、一方の支持部材２４０の一端は、一方の固定部材２３０の長手方向の一端に固定され、一方の支持部材２４０の他端は、他方の固定部材２３０の長手方向の一端に固定されている。さらに、他方の支持部材２４０の一端は、一方の固定部材２３０の長手方向の他端に固定され、他方の支持部材２４０の他端は、他方の固定部材２３０の長手方向の他端に固定されている。 The pair of support members 240 is formed of the same metal material as the measurement target member J, and, as described above, is disposed to sandwich the first FBG 14 and the second FBG 16 from the fiber crossing direction. Further, the support member 240 extends in the longitudinal direction of the fiber and has a rectangular cross section. Then, one end of one support member 240 is fixed to one end of one fixing member 230 in the longitudinal direction, and the other end of one support member 240 is fixed to one end of the other fixing member 230 in the longitudinal direction. . Furthermore, one end of the other support member 240 is fixed to the other end of the one fixing member 230 in the longitudinal direction, and the other end of the other support member 240 is fixed to the other end of the other fixing member 230 in the longitudinal direction. ing.
この構成において、保持部材２２０は、光ファイバ１２に張力が付与されている状態で光ファイバ１２を保持している。そして、光ファイバセンサ２１０は、一対の固定部材２３０を測定対象部材Ｊと接触させ、測定対象部材Ｊに取り付けられる。これにより、光ファイバセンサ２１０は、測定対象部材Ｊの負の歪みについても検出することができる。 In this configuration, the holding member 220 holds the optical fiber 12 in a state in which the optical fiber 12 is tensioned. Then, the optical fiber sensor 210 is attached to the measurement target member J by bringing the pair of fixing members 230 into contact with the measurement target member J. Thereby, the optical fiber sensor 210 can also detect negative distortion of the measurement target member J.
なお、第３実施形態の光ファイバセンサ２１０の他の作用については、第１実施形態の光ファイバセンサ１０の作用と同様である。 The other actions of the optical fiber sensor 210 of the third embodiment are the same as the actions of the optical fiber sensor 10 of the first embodiment.
＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態に係る光ファイバセンサの一例について図８を用いて説明する。なお、第４実施形態に係る光ファイバセンサについては、第２実施形態に係る光ファイバセンサ１１０と異なる部分を主に説明する。
Fourth Embodiment
An example of the optical fiber sensor according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, about the optical fiber sensor which concerns on 4th Embodiment, the part different from the optical fiber sensor 110 which concerns on 2nd Embodiment is mainly demonstrated.
第４実施形態に係る光ファイバセンサ３１０は、図８に示されるように、光ファイバ１２と、第一ＦＢＧ１４と、第二ＦＢＧ１６と、異特性部材１２０と、光ファイバ１２に張力が付与されている状態で光ファイバ１２を保持する保持部材３２０とを備えている。そして、本実施形態では、一例として、非磁性部材である樹脂材料で形成された測定対象部材Ｊの歪み、及び温度を測定するために、光ファイバセンサ３１０が用いられる。 In the optical fiber sensor 310 according to the fourth embodiment, as shown in FIG. 8, tension is applied to the optical fiber 12, the first FBG 14, the second FBG 16, the different property member 120, and the optical fiber 12. And a holding member 320 for holding the optical fiber 12 in the state where it is held. And in this embodiment, in order to measure distortion and temperature of measurement object member J formed with a resin material which is a nonmagnetic member as an example, optical fiber sensor 310 is used.
保持部材３２０は、ファイバ長手方向から第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６を挟むように配置された一対の固定部材３３０を備えている。さらに、保持部材３２０は、第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６が形成されている部分の光ファイバ１２を支持される支持プレート３４０を備えている。 The holding member 320 includes a pair of fixing members 330 disposed so as to sandwich the first FBG 14 and the second FBG 16 in the longitudinal direction of the fiber. Further, the holding member 320 is provided with a support plate 340 which supports the optical fiber 12 in a portion where the first FBG 14 and the second FBG 16 are formed.
一対の固定部材３３０及び支持プレート３４０は、測定対象部材Ｊと同様の樹脂材料で形成されている。そして、一対の固定部材３３０が、第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６が形成されている部分の光ファイバ１２を、光ファイバ１２に張力が付与された状態で支持プレート３４０に固定するようになっている。 The pair of fixing members 330 and the support plate 340 are formed of the same resin material as the measurement target member J. The pair of fixing members 330 is configured to fix the optical fiber 12 in a portion where the first FBG 14 and the second FBG 16 are formed to the support plate 340 in a state where the optical fiber 12 is tensioned. .
この構成において、光ファイバセンサ３１０は、支持プレート３４を測定対象部材Ｊに接触させ、測定対象部材Ｊに取り付けられる。これにより、光ファイバセンサ３１０は、測定対象部材Ｊの負の歪みについても検出することができる。 In this configuration, the optical fiber sensor 310 is attached to the measurement target member J by bringing the support plate 34 into contact with the measurement target member J. Thus, the optical fiber sensor 310 can also detect negative distortion of the measurement target member J.
なお、第４実施形態の光ファイバセンサ３１０の他の作用については、第２実施形態の光ファイバセンサ１０の作用と同様である。 The other actions of the optical fiber sensor 310 of the fourth embodiment are the same as the actions of the optical fiber sensor 10 of the second embodiment.
なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の外周面に異特性部材２０が一体的に取り付けられたが、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の外周面に他の異特性部材を一体的に取り付けてもよい。この場合には、他の異特性部材の熱膨張係数及び縦弾性係数を、異特性部材２０の熱膨張係数及び縦弾性係数と異ならせる。これにより、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性及び縦弾性係数と、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性及び縦弾性係数とを容易に異ならせることができる。この場合に、例えば、異特性部材、及び他の異特性部材を、非磁性材料で形成させることで、磁界による異特性部材及び他の異特性部材の歪みが抑制することができる。 It should be noted that although the invention has been described in detail with respect to particular embodiments, the invention is not limited to such embodiments, and it is possible to take on various other embodiments within the scope of the invention. It is clear to the person skilled in the art. For example, in the above embodiment, the different property member 20 is integrally attached to the outer peripheral surface of the optical fiber 12 in the portion where the second FBG 16 is formed, but the outer periphery of the optical fiber 12 in the portion where the first FBG 14 is formed Other different characteristic members may be integrally attached to the surface. In this case, the thermal expansion coefficient and the longitudinal elastic modulus of the other different property member are made different from the thermal expansion coefficient and the longitudinal elastic modulus of the different property member 20. Thereby, if the thermal expansion characteristics and longitudinal elastic modulus of the optical fiber 12 in the portion where the first FBG 14 is formed and the thermal expansion characteristics and longitudinal elastic modulus of the optical fiber 12 in the portion where the second FBG 16 is formed are easily different. You can In this case, for example, by forming the different characteristic member and the other different characteristic member from nonmagnetic materials, distortion of the different characteristic member and the other different characteristic member due to the magnetic field can be suppressed.
また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、光ファイバセンサ１０、１１０、２１０、３１０を測定対象部材Ｊに取り付けた状態で、第一ＦＢＧ１４及び第二ＦＢＧ１６が形成されている部分の光ファイバ１２が測定対象部材Ｊから離間する場合は、測定対象部材Ｊの熱を光ファイバセンサ１０、１１０、２１０、３１０に伝達する熱伝達ペーストを、光ファイバセンサ１０、１１０、２１０、３１０と測定対象部材Ｊとの間に配置してもよい。本実施形態の光ファイバセンサ１０、１１０、２１０、３１０では、測定対象部材Ｊとの間に隙間を設ける必要はないからである。 Further, although not particularly described in the above embodiment, in a state where the optical fiber sensors 10, 110, 210, and 310 are attached to the measurement target member J, the light of the portion where the first FBG 14 and the second FBG 16 are formed When the fiber 12 is separated from the measurement target member J, the heat transfer paste for transferring the heat of the measurement target member J to the optical fiber sensors 10, 110, 210, 310 is measured with the optical fiber sensors 10, 110, 210, 310 You may arrange | position between object members J. FIG. In the optical fiber sensors 10, 110, 210, and 310 of the present embodiment, it is not necessary to provide a gap between the optical fiber sensor 10 and the measurement target member J.
また、上記実施形態では、異特性部材を用いることで、第一ＦＢＧ１４が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性と、第二ＦＢＧ１６が形成された部分の光ファイバ１２の熱膨張特性とを異ならせたが、光ファイバの断面を部分的に変えたり、光ファイバの部材を部分的に変えること等で熱膨張特性を異ならせてもよい。 Further, in the above embodiment, by using the different property member, the thermal expansion characteristic of the optical fiber 12 in the portion where the first FBG 14 is formed and the thermal expansion characteristic of the optical fiber 12 in the portion where the second FBG 16 is formed However, the thermal expansion characteristics may be made different by partially changing the cross section of the optical fiber or by partially changing the members of the optical fiber.
また、上記第１実施形態では、一本の光ファイバ１２に、第一ＦＢＧ１４と第二ＦＢＧ１６とが形成されたが、第一ＦＢＧ１４と第二ＦＢＧ１６とが夫々別個の光ファイバに形成されてもよい（図９参照）。しかし、この場合には、第一ＦＢＧ１４と第二ＦＢＧ１６とが一本の光ファイバ１２に形成されることで奏する作用は奏しない。 Moreover, in the said 1st Embodiment, although 1st FBG14 and 2nd FBG16 were formed in one optical fiber 12, even if 1st FBG14 and 2nd FBG16 are each formed in a separate optical fiber Good (see Figure 9). However, in this case, the action achieved by forming the first FBG 14 and the second FBG 16 in one optical fiber 12 is not achieved.
また、上記第３、４実施形態では、保持部材２２０、３２０は、測定対象部材Ｊが形成される部材と同様の部材で形成されたが、保持部材２２０、３２０が、測定対象部材Ｊとは異なる部材で形成されてよい。この場合には、第１実施形態で説明した、「歪みと中心反射波長との関係」及び「温度と中心反射波長との関係」を改めて取得する必要がある。 Moreover, in the said 3rd, 4th embodiment, although the holding members 220 and 320 were formed by the member similar to the member in which the measurement object member J is formed, the holding members 220 and 320 are the measurement object members J. It may be formed of different members. In this case, it is necessary to obtain again the “relation between distortion and central reflection wavelength” and “the relation between temperature and central reflection wavelength” described in the first embodiment.
１０ 光ファイバセンサ
１２ 光ファイバ
１２Ｂ クラッド
１４ 第一ファイバブラッググレーティング（第一ＦＢＧ）
１６ 第二ファイバブラッググレーティング（第二ＦＢＧ）
２０ 異特性部材
１１０ 光ファイバセンサ
１２０ 異特性部材
２１０ 光ファイバセンサ
２２０ 保持部材
３１０ 光ファイバセンサ
３２０ 保持部材
10 optical fiber sensor 12 optical fiber 12B cladding 14 first fiber Bragg grating (first FBG)
16 Second Fiber Bragg Grating (Second FBG)
20 different characteristic member 110 optical fiber sensor 120 different characteristic member 210 optical fiber sensor 220 holding member 310 optical fiber sensor 320 holding member
Claims (8)
光ファイバに形成された第二ファイバブラッググレーティングと、を備え、
前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性とが異なり、かつ、前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数とが異なる光ファイバセンサ。 A first fiber Bragg grating formed in an optical fiber;
A second fiber Bragg grating formed in an optical fiber;
The thermal expansion characteristics of the optical fiber in the portion where the first fiber Bragg grating is formed and the thermal expansion characteristics of the optical fiber in the portion where the second fiber Bragg grating is formed are different, and the first fiber Bragg grating is different An optical fiber sensor in which the longitudinal elastic modulus of the optical fiber in the portion where the second fiber Bragg grating is formed is different from the longitudinal elastic modulus of the optical fiber in the portion where the second fiber Bragg grating is formed.
前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、前記異特性部材の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記異特性部材の縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された他の異特性部材が一体的に取り付けられている請求項１又は２に記載の光ファイバセンサ。 The outer peripheral surface of the optical fiber in the portion where the second fiber Bragg grating is formed has a thermal expansion coefficient different from the thermal expansion coefficient of the clad of the optical fiber and the longitudinal elastic coefficient of the clad of the optical fiber Different-characteristic members formed of materials with different longitudinal elastic moduli are integrally attached;
The outer peripheral surface of the optical fiber in the portion where the first fiber Bragg grating is formed has a thermal expansion coefficient different from the thermal expansion coefficient of the different characteristic member and a longitudinal length different from the longitudinal elastic coefficient of the different characteristic member The optical fiber sensor according to claim 1 or 2, wherein another different characteristic member formed of a material of elastic modulus is integrally attached.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017240250A JP7047366B2 (en) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | Fiber optic sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017240250A JP7047366B2 (en) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | Fiber optic sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2019109057A true JP2019109057A (en) | 2019-07-04 |
| JP7047366B2 JP7047366B2 (en) | 2022-04-05 |
Family
ID=67179465
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017240250A Active JP7047366B2 (en) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | Fiber optic sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7047366B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021019678A1 (en) * | 2019-07-30 | 2021-02-04 | 三菱電機株式会社 | Temperature measuring system and method for manufacturing same |
| KR20230093968A (en) * | 2021-12-20 | 2023-06-27 | 호남대학교 산학협력단 | Gelatin Coated Fiber Bragg Grating Optic Humidity Sensing System |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000111319A (en) * | 1998-09-30 | 2000-04-18 | Ntt Advanced Technology Corp | Optical fiber sensor |
| JP2000221085A (en) * | 1998-11-27 | 2000-08-11 | Fuji Electric Co Ltd | Bragg grating pressure sensor |
| JP2000329626A (en) * | 1999-05-17 | 2000-11-30 | Fujikura Ltd | Temperature tension measuring fiber grating sensor |
| JP2002098604A (en) * | 2000-09-25 | 2002-04-05 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Optical pressure sensor |
| JP2003014491A (en) * | 2001-06-28 | 2003-01-15 | Hitachi Cable Ltd | Optical fiber sensor |
| US20080227349A1 (en) * | 2007-03-14 | 2008-09-18 | Eyck Lawrence G Ten | Temperature sensing fabric |
| JP2014085589A (en) * | 2012-10-25 | 2014-05-12 | Nippon Steel & Sumitomo Metal | Optical fiber sensor and method for manufacturing optical fiber sensor |
-
2017
- 2017-12-15 JP JP2017240250A patent/JP7047366B2/en active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000111319A (en) * | 1998-09-30 | 2000-04-18 | Ntt Advanced Technology Corp | Optical fiber sensor |
| JP2000221085A (en) * | 1998-11-27 | 2000-08-11 | Fuji Electric Co Ltd | Bragg grating pressure sensor |
| JP2000329626A (en) * | 1999-05-17 | 2000-11-30 | Fujikura Ltd | Temperature tension measuring fiber grating sensor |
| JP2002098604A (en) * | 2000-09-25 | 2002-04-05 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Optical pressure sensor |
| JP2003014491A (en) * | 2001-06-28 | 2003-01-15 | Hitachi Cable Ltd | Optical fiber sensor |
| US20080227349A1 (en) * | 2007-03-14 | 2008-09-18 | Eyck Lawrence G Ten | Temperature sensing fabric |
| JP2008224670A (en) * | 2007-03-14 | 2008-09-25 | General Electric Co <Ge> | Temperature detecting cloth |
| JP2014085589A (en) * | 2012-10-25 | 2014-05-12 | Nippon Steel & Sumitomo Metal | Optical fiber sensor and method for manufacturing optical fiber sensor |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021019678A1 (en) * | 2019-07-30 | 2021-02-04 | 三菱電機株式会社 | Temperature measuring system and method for manufacturing same |
| KR20230093968A (en) * | 2021-12-20 | 2023-06-27 | 호남대학교 산학협력단 | Gelatin Coated Fiber Bragg Grating Optic Humidity Sensing System |
| KR102650198B1 (en) * | 2021-12-20 | 2024-03-20 | 호남대학교 산학협력단 | Gelatin Coated Fiber Bragg Grating Optic Humidity Sensing System |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP7047366B2 (en) | 2022-04-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7068869B1 (en) | Passive athermal fiber bragg grating strain gage | |
| JP6781775B2 (en) | Displacement measuring device using a fiber Bragg grating sensor and its sensitivity and durability adjustment method | |
| JP2008541122A (en) | Optical fiber position transducer with magnetostrictive material and position calibration method | |
| US6072922A (en) | Cryogenic fiber optic temperature sensor | |
| JP2008545124A (en) | Optical strain gauge | |
| JP2001221615A (en) | Optical fiber sensor | |
| WO2012023219A1 (en) | Polarization maintaining fiber and optical fiber sensor using same | |
| US9798078B2 (en) | Temperature compensated fiber bragg's grating filter | |
| US8641274B2 (en) | Polarization-maintaining fiber and optical fiber sensor using same | |
| JP4897445B2 (en) | Optical fiber strain gauge | |
| KR101611792B1 (en) | FBG Strain Sensor Probe for Temperature Compensation and Method for Sensing thereof | |
| JP7047366B2 (en) | Fiber optic sensor | |
| JP6864375B2 (en) | Fiber optic sensor | |
| JP2005091151A (en) | Fbg strain gauge | |
| JP2003344183A (en) | Fiber grating temperature sensor and temperature measurement system | |
| JP2000097786A (en) | Mechanical force sensor | |
| JP2005055450A (en) | Optical fiber strain gage | |
| JP3711905B2 (en) | Optical fiber grating strain sensor and strain measurement method | |
| JP2012225729A (en) | Fbg distortion sensor | |
| JP4403674B2 (en) | Optical fiber sensor | |
| JP6397369B2 (en) | Displacement measuring system and displacement measuring method | |
| RU167005U1 (en) | SPECTRAL DEFORMATION CONVERTER | |
| WO2023004760A1 (en) | Temperature-compensating optical fiber strain gauge with variable range | |
| JP6736044B2 (en) | Strain sensor and jig for mounting the strain sensor | |
| CN209181734U (en) | Applied on strain gauge substrate and corresponding strain gauge |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20201008 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20210825 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210907 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20211004 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220222 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220307 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7047366 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |