JP2021067497A - 光ファイバー検出装置、及び光ファイバー検出装置を用いた機械ひずみの検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より安定的に敷設できるとともに、より高精度で検出を行うことが可能な光ファイバー検出装置を提供する。【解決手段】光ファイバー検出装置は、測定対象物の表面に接触して延びるように設けられた光ファイバーと、光ファイバーの延在方向の一部を、測定対象物の外方から覆うように設けられた金属カバーと、金属カバーの内面と光ファイバーとを固定する固定部と、光ファイバーを延在方向に交差して挟む位置で金属カバーを前記測定対象物に固定する溶接部と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、光ファイバー検出装置、及び光ファイバー検出装置を用いた機械ひずみの検出方法に関する。

例えばガスタービンのように内部に高温の作動流体が流通する機械装置では、運転に伴う入熱によって、各部にひずみ（熱変形）が生じることが知られている。このようなひずみを定量的に検出するための技術として、光ファイバーを用いる方法（ＯＦＤＲ法、ＦＢＧ法）がこれまでに実用化されている。一例としてＯＦＤＲ法では、光ファイバーを測定対象物（タービンの翼や車室）に貼り付けて用いる。測定対象物の温度が上昇すると、光ファイバー自身の熱膨張・屈折率の変化とともに、タービンの伸び（熱膨張・機械的ひずみ）に基づいて光ファイバー自身が伸縮する。光ファイバーには、長手方向の一端からレーザーが入射され、この光ファイバーの各部分から、レイリー散乱光が発生する。このレイリー散乱光を各部分からの反射光として検出する。この時、基準となる参照光と散乱光とを比較することで、光ファイバーの各部分における波長シフト量が求められる。この波長シフト量（光ファイバーによる検出値）は、光ファイバー自身の温度による影響成分と測定対象物の伸びとの関係を表す関数となる。この関数に基づいて、測定対象物の温度から伸び（ひずみ）を得ることができる。従来、光ファイバーは測定対象物の表面に接着剤を用いて固定されることが一般的であった。

特開２００６−２７６１８７号公報

しかしながら、ガスタービンのように高温となる機械装置の表面に対して安定的に接着性能を発揮するような接着剤は、現状では実現されていないか、又は入手性に難がある。その結果、検出精度の維持に困難が生じる場合があった。したがって、接着剤に代わる固定手段としてより安定的な技術が求められるとともに、検出装置としてより高精度で検出を行うことが可能な技術に対する要請が高まっていた。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、より安定的に敷設できるとともに、より高精度で検出を行うことが可能な光ファイバー検出装置、及び光ファイバー検出装置を用いた機械ひずみの検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る光ファイバー検出装置は、測定対象物の表面に接触して延びるように設けられた光ファイバーと、該光ファイバーの延在方向の一部を、前記測定対象物の外方から覆うように設けられた金属カバーと、該金属カバーの内面と前記光ファイバーとを固定する固定部と、前記光ファイバーを延在方向に交差して挟む位置で前記金属カバーを前記測定対象物に固定する溶接部と、を備える。

本開示によれば、より安定的に敷設できるとともに、より高精度で検出を行うことが可能な光ファイバー検出装置、及び光ファイバー検出装置を用いた機械ひずみの検出方法を提供することができる。

本開示の第一実施形態に係る光ファイバー検出システムの構成を示す模式図である。 本開示の第一実施形態に係る光ファイバー検出装置の構成を示す断面図である。 本開示の第二実施形態に係る光ファイバー検出装置の構成を示す断面図である。 本開示の第三実施形態に係る光ファイバー検出装置の構成を示す平面図である。 本開示の第四実施形態に係る光ファイバー検出装置の構成を示す平面図である。 本開示の第四実施形態に係る光ファイバー検出装置を用いた機械ひずみの検出方法の各工程を示すフローチャートである。 光ファイバーの物理特性と温度との関係を表すグラフである。 本開示の第五実施形態に係る光ファイバー検出装置の構成を示す平面図である。

＜第一実施形態＞
（光ファイバー検出システムの構成）
以下、本開示の第一実施形態に係る光ファイバー検出システム１００について、図１と図２を参照して説明する。この光ファイバー検出システム１００は、例えばガスタービンの燃焼器やタービンを含む高温部材に生じるひずみを検出するために用いられる。図１に示すように、光ファイバー検出システム１００は、光源１と、分光器２と、光ファイバー３を含む光ファイバー検出装置７０と、検出器８０と、を備えている。光源１は、レーザーＬを発生させる。レーザーＬの経路上には分光器２が設けられている。分光器２の内部には、複数のガルバノミラーが設けられている。さらに、分光器２には光ファイバー３が接続されており、レーザーＬは分光器２を経てこの光ファイバー３内を進行する。

詳しくは後述するが、光ファイバー３は、測定対象物９０としてのガスタービンの任意の部位（高温部品）に敷設されている。この測定対象物９０の表面温度が変化した場合、光ファイバー３内部では、レイリー散乱による散乱光Ｌｒが生じる。散乱光Ｌｒは、光ファイバー３内部を経て分光器２に戻る。分光器２内で上記のガルバノミラーを経て方向を変えた後、散乱光Ｌｒは検出器８０に到達する。また、この散乱光Ｌｒと同様に、光ファイバー３に進入する前のレーザーＬの一部が他のガルバノミラーによって方向を変え、参照光Ｌｃとして検出器８０に到達する。検出器８０では、これら散乱光Ｌｒと参照光Ｌｃの物理特性を比較することによって、散乱光Ｌｒにおける波長シフト量が得られる。この波長シフト量は、光ファイバー自身の温度変化による影響や、測定対象物９０の伸び（ひずみ）等を変数とする関数となる。即ち、波長シフト量に基づいて、測定対象物９０のひずみが求められる。

（光ファイバー検出装置の構成）
次いで、図２を参照して、光ファイバー検出装置７０の構成について説明する。同図に示すように、光ファイバー検出装置７０は、上記の光ファイバー３と、金属カバー５と、固定部４と、溶接部６と、を有している。光ファイバー３は、測定対象物９０の表面９０Ｓに接触した状態で任意の長さだけ延びている。金属カバー５は、薄板状に形成された金属部品であり、光ファイバー３の延在方向の一部を、測定対象物９０（表面９０Ｓ）の外方から覆っている。固定部４は、金属カバー５の内面と、光ファイバー３とを固定している。光ファイバー３の外面は金などの金属皮膜によって覆われている。固定部４は、この金属皮膜と金属カバー５の内面とを、ロウ付けや半田付けによって固定する。つまり、固定部４は、溶融したロウや半田が凝固することによって形成されている。また、金属カバー５の端縁（つまり、表面９０Ｓに当接する部分）は、スポット溶接等によって形成された溶接部６によって表面９０Ｓに固定されている。言い換えれば、溶接部６は、光ファイバー３の延在方向に交差する方向において、当該光ファイバー３を両側から挟む位置にそれぞれ設けられている。

（作用効果）
上記構成によれば、金属カバー５の内面と光ファイバー３とが固定部４によって固定され、さらに金属カバー５は測定対象物９０に対して溶接部６によって固定されている。これにより、測定対象物９０の表面９０Ｓに光ファイバー３を押し付けるようにしてより強固に固定することができる。一方で、従来この種の装置では、光ファイバーは測定対象物に対して接着剤によって固定されることが一般的であった。上記構成によれば、このような接着剤を用いた場合よりもさらに強固かつ安定的に光ファイバー３を測定対象物９０に対して固定することができる。その結果、光ファイバー検出装置７０、及び光ファイバー検出システム１００によるひずみの検出をより高い精度で実現することができる。

＜第二実施形態＞
次いで、本開示の第二実施形態について、図３を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、金属カバー５１の内側に、主ファイバー３１としての光ファイバー３に加えて、他の光ファイバー（線膨張計測用光ファイバー３２）がさらに敷設されている。この線膨張計測用光ファイバー３２は、金属カバー５１によって、伝熱性を有する材料で筒状に形成された伝熱性保持部７を介して外側から覆われている。なお、この他、伝熱性保持部７として、伝熱性を高めるために伝熱性セメントを用いたり、外気の影響を低減するために断熱セメントを用いたりすることも可能である。また、この線膨張計測用光ファイバー３２は、主ファイバー３１と平行となるように測定対象物９０の表面９０Ｓ上に敷設されている。なお、ここで言う「平行」とは実質的な平行を意味するものであって、設計上の公差や製造上の誤差は許容されるものとする。この伝熱性保持部７は、線膨張計測用光ファイバー３２に対して固定されていない。つまり、線膨張計測用光ファイバー３２は、伝熱性保持部７の内側で、自身の延在方向に熱伸びすることが可能とされている。

ここで、光ファイバー検出装置７０は、以下のような物理量を検出する。まず、光ファイバー３（主ファイバー３１）には、延在方向の一端に設けられた光源１からレーザーＬが入射する。このレーザーＬによって、光ファイバー３の各部でレイリー散乱光Ｌｒが生じる。この散乱光Ｌｒを検出器８０によって検出し、基準となる参照光Ｌｃと比較することで、光ファイバー３の各部における波長シフト量が求められる。この波長シフト量は、光ファイバー３自身の温度変化による線膨張や、測定対象物９０の伸び（ひずみ）等を変数とする関数となる。より具体的には、波長シフト量は、以下Ａ〜Ｃを含む。
Ａ．測定対象物と光ファイバーの線膨張差に基づく応答変化量
Ｂ．光ファイバーの温度変化による応答変化量（つまり、光ファイバーの熱伸びによる応答変化量と、屈折率変化による応答変化量の和）
Ｃ．測定対象物の機械ひずみ

光ファイバー３が測定対象物９０に固定されている場合、上記のＡ、Ｂ、及びＣを合算したものが波長シフト量として検出される。つまり、Ｃ．機械ひずみのみを求めることが難しい。そこで、本実施形態に係る光ファイバー検出装置７０は、主ファイバー３１としての光ファイバー３に加えて、線膨張計測用光ファイバー３２をさらに備えている。この線膨張計測用光ファイバー３２は、その少なくとも一部が測定対象物９０の温度変化に基づく自身の熱伸びのみ（つまり、上記のＢ）を許容する状態で取り付けられている。具体的には上記のように、線膨張計測用光ファイバー３２は、伝熱性保持部７の内側で自在に熱伸びすることが可能とされている。

ここで、当該線膨張計測用光ファイバー３２への入力が温度のみであれば、波長シフト量は、温度のみの関数となる。そのため、この関数を用いて、上記のＢから測定対象物９０の温度を取得することができる。さらに、光ファイバー３に入力されたＡ．測定対象物９０と光ファイバー３の線膨張差に基づく応答変化量も、温度に基づいて算出可能である。このように求められたＡとＢの応答変化量の和を、光ファイバー３によって得られた波長シフト量（Ａ、Ｂ、及びＣの和）から減算することで、Ｃ．測定対象物の機械ひずみを求めることができる。つまり、光ファイバー３自身の温度変化による影響（熱伸び）を除外した上で、測定対象物９０の機械ひずみのみを正確に求めることが可能となる。これにより、測定精度をより一層向上させることができる。

＜第三実施形態＞
次に、本開示の第三実施形態について、図４を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、上述の第二実施形態で説明した線膨張計測用光ファイバー３２の固定の敷設の態様が第二実施形態とは異なっている。具体的には、本実施形態では、金属カバー５としての金属箔５２が測定対象物９０の表面９０Ｓ上に貼付されている。また、この金属箔５２は、一例として測定対象物９０と同一の材料によって形成されている。なお、金属箔５２と測定対象物９０は、必ずしも同一の材料である必要はなく、両者の線膨張係数が同等であればよい。

この金属箔５２上には、上述の主ファイバー３１としての光ファイバー３が溶接部６を介して溶接固定されている。さらに、金属箔５２上であって、主ファイバー３１に対して当該主ファイバー３１の延在方向に交差する方向に間隔をあけて上述の線膨張計測用光ファイバー３２が敷設されている。金属箔５２における線膨張計測用光ファイバー３２が固定される部分は、平面視でＣ字状をなす切り込み部Ｃによって外側から覆われることで、遊離部５２Ｆとされている。この遊離部５２Ｆは、金属箔５２の他の部分と異なり、測定対象物９０の表面９０Ｓに対して固定されておらず、変位可能な状態で当該表面９０Ｓに接触している。線膨張計測用光ファイバー３２は、遊離部５２Ｆに対して溶接部６１によって固定されている。

ここで、上述の第二実施形態と同様に、Ａ．測定対象物９０と光ファイバー３（主ファイバー３１）の線膨張差に基づく応答変化量、Ｂ．光ファイバー３の温度変化による応答変化量（つまり、光ファイバー３の熱伸びによる応答変化量と、屈折率変化による応答変化量の和）、及びＣ．測定対象物９０の機械ひずみとする。上記構成によれば、金属箔５２における線膨張計測用光ファイバー３２と測定対象物９０との間に介在する部分（遊離部５２Ｆ）は、測定対象物９０の表面９０Ｓに対して変位可能な状態で接触している。したがって、この線膨張計測用光ファイバー３２は、測定対象物９０の温度変化に基づく自身の熱伸びのみが許容された状態となっている。ここで、測定対象物９０と金属箔５２の線膨張差による応答変化量をＡ１とし、金属箔５２と光ファイバー３の線膨張差による応答変化量をＡ２とする。すると、線膨張計測用光ファイバー３２への入力は、このＡ２と、Ｂ．光ファイバーの温度変化による応答変化量との和となる。一方で、光ファイバー３への入力は、Ａ．測定対象物９０と光ファイバー３の線膨張差に基づく応答変化量、Ｂ．光ファイバー３の温度変化による応答変化量（つまり、光ファイバー３の熱伸びによる応答変化量と、屈折率変化による応答変化量の和）、及びＣ．測定対象物９０の機械ひずみの和となる。つまり、以下の（１）式、及び（２）式の関係が成立する。
（光ファイバーへの入力）＝Ａ＋Ｂ＋Ｃ ・・・（１）
（線膨張計測用光ファイバーへの入力）＝Ａ２＋Ｂ ・・・（２）
ここで、（１）式と（２）式の差分を求めると、以下の（３）式のようになる。
（１）式―（２）式＝（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）−（Ａ２＋Ｂ）
＝Ｃ＋（Ａ−Ａ２） ・・・（３）
上記の定義により、Ａ−Ａ２＝Ａ１であることから、（４）式の関係が成立する。
Ｃ＋（Ａ−Ａ２）＝Ｃ＋Ａ１ ・・・（４）
上記の構成では、金属箔５２と測定対象物９０とが同一の材料で形成されているため、
Ａ１（測定対象物と金属カバーの線膨張差による応答変化量）は０となる。つまり、上記のように（１）式と（２）式の差分を求めることによって、（４）式からＣの値を求めることができる。このように、線膨張計測用光ファイバー３２による応答量と光ファイバーに３よる応答量を比較することで、測定対象物９０の機械ひずみのみを正確に求めることができる。

＜第四実施形態＞
続いて、本開示の第四実施形態について、図５から図７を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図５に示すように、本実施形態では、光ファイバー３の延在方向に間隔をあけて複数（一例として２つ）の溶接部６が設けられている。これら溶接部６によって、金属カバー５としての金属箔５２に光ファイバー３が固定されている。光ファイバー３の延在中途におけるこれら溶接部６同士の間の部分では、当該光ファイバー３の張力が負となる状態である撓み部３Ｐとされている。一方で、溶接部６を挟んでこの撓み部３Ｐの反対側の部分は延長部３Ｓとされている。延長部３Ｓは、撓み部３Ｐと同様又は撓み部２Ｐよりも撓んだ状態であることが望ましい。

ここで、上記第二実施形態と同様に、Ａ．測定対象物９０と光ファイバー３の線膨張差に基づく応答変化量、Ｂ．光ファイバー３の温度変化による応答変化量（つまり、光ファイバー３の熱伸びによる応答変化量と、屈折率変化による応答変化量の和）、及びＣ．測定対象物９０の機械ひずみとする。光ファイバー３が撓んでいない状態（つまり、張力が０以上である状態）では、測定対象物９０の温度が上がると、光ファイバー３への入力は、Ａ＋Ｂ＋Ｃとなる。一方で、上記構成のように、光ファイバー３に予め撓みが与えられている場合には、測定対象物９０の温度上昇とともに当該測定対象物９０に熱伸びが生じることで、撓みが次第に解消され、ある基準温度Ｔ０（図７参照）に達した時点で上述の張力が０以上となる。その後、検出されるひずみ量は、図７に示す曲線Ａのようになる。（一方で、光ファイバー３に予め撓みが与えられていない場合には、検出されるひずみ量は、図７に示すよう曲線Ｃのようになる。）つまり、この基準温度Ｔ０に達する前の状態では、光ファイバー３には、上記のＢのみが入力され、Ａ、Ｃは入力されない。基準温度Ｔ０に達した後の状態では、上記Ａ、Ｂ、及びＣが入力された状態となる。その結果、比較的高い温度でも光ファイバーの測定限界に達することなく測定を行うことが可能となる。

次いで、図６を参照して、上記の光ファイバー検出装置７０を用いた機械ひずみの検出方法について説明する。この方法では、上述した光ファイバー検出装置７０を、実環境への投入に先立って校正する。図６に示すように、この方法は、第一取付工程Ｓ１と、試験片加熱工程Ｓ２と、補正曲線取得工程Ｓ３と、第二取付工程Ｓ４と、物理特性取得工程Ｓ５と、減算工程Ｓ６と、を含む。

第一取付工程Ｓ１では、光ファイバー検出装置７０を、測定対象物９０と同一の材料で形成された試験片に取り付ける。試験片加熱工程Ｓ２では、光ファイバー３の撓みが解消し、熱伸びが生じた状態となるまで、試験片の温度を上げる。補正曲線取得工程Ｓ３では、試験片の温度と、光ファイバー３の物理特性（上述のＡ＋Ｂ）との関係（補正曲線）を得る。その後、試験片から光ファイバー検出装置７０を試験片から取り外して、測定対象物９０の表面に取り付ける（第二取付工程Ｓ４）。次いで、測定対象物９０の温度、及び光ファイバー３の物理特性（上述のＡ＋Ｂ＋Ｃ）を検出する（物理特性取得工程Ｓ５）。最後に、測定対象物９０上で検出された光ファイバー３の物理特性から、試験片上で検出された光ファイバー３の物理特性を減算することで、測定対象物に生じた機械ひずみ（上述のＣ）を得る（減算工程Ｓ６）。

上記方法では、まず試験片に対して光ファイバー検出装置７０を取り付け、この試験片を光ファイバー３の撓みが解消し、熱伸びが生じた状態となるまで、試験片の温度を上げる。この状態で、試験片の温度と、光ファイバー３の物理特性との関係を得る。試験片には機械ひずみが生じないか、又は無視できる程度にわずかであることから、この工程によって上記のＡ＋Ｂの値が求められる。次いで、光ファイバー検出装置７０を測定対象物９０に取り付け、測定対象物９０の温度、及び光ファイバー３の物理特性を検出する。測定対象物９０では機械ひずみが生じることから、この工程によって、上記Ａ＋Ｂ＋Ｃが求められる。最後に、このＡ＋Ｂ＋Ｃから、上記の試験片によって得られたＡ＋Ｂの値を減算することによって、Ｃ（機械ひずみ）を求めることができる。このように、当該方法によれば、光ファイバー３自身の線膨張（熱伸び）による影響を予め除外した状態で、測定対象物９０の機械ひずみを正確かつ容易に検出・測定することができる。

＜第五実施形態＞
次いで、本開示の第五実施形態について、図８を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、主ファイバー３１としての光ファイバー３に加えて、第四実施形態で説明したものと線膨張計測用光ファイバー３２が併設されている。この線膨張計測用光ファイバー３２は、金属箔５２に対して、溶接部６２によって１点のみで固定されるとともに、当該固定部分（溶接部６２）の両側が撓んだ状態で敷設されている。

ここで、上述の第二実施形態と同様に、Ａ．測定対象物と光ファイバーの線膨張差に基づく応答変化量、Ｂ．光ファイバーの温度変化による応答変化量（つまり、光ファイバーの熱伸びによる応答変化量と、屈折率変化による応答変化量の和）、及びＣ．測定対象物の機械ひずみとする。上記構成のように光ファイバー３に予め撓みが与えられている場合には、測定対象物９０の温度上昇とともに当該測定対象物９０に熱伸びが生じることで、撓みが次第に解消され、ある基準温度に達した時点で上述の張力が０以上となる。つまり、この基準温度に達する前の状態では、光ファイバー３には、上記のＢのみが入力され、Ａ、Ｃは入力されない。基準温度に達した後の状態では、上記Ａ、Ｂ、及びＣが入力された状態となる。つまり、基準温度よりも高い領域では、Ａ＋Ｂ＋Ｃが求められる。ここで、線膨張計測用光ファイバー３２の検出結果によってＢの値は与えられていることから、このＢに対応する測定対象物９０の温度が関数によって求められる。さらに、この温度と測定対象物９０の物性によってＡが求められる。したがって、Ｃの値を算出することができる。このように、上記構成によれば、光ファイバー３自身の線膨張（熱伸び）による影響を予め除外した状態で、測定対象物９０の機械ひずみを正確かつ容易に検出・測定することができる。

以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、上記の各実施形態では、測定対象物９０としてガスタービンの高温部材を例に説明した。しかしながら、測定対象物９０はガスタービンに限定されず、高温となることでひずみを生じる機械装置であればいかなるものも測定対象物９０として適用することが可能である。

＜付記＞
各実施形態に記載の光ファイバー検出装置、及び光ファイバー検出装置を用いた機械ひずみの検出方法は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る光ファイバー検出装置７０は、測定対象物９０の表面９０Ｓに接触して延びるように設けられた光ファイバー３と、該光ファイバー３の延在方向の一部を、前記測定対象物９０の外方から覆うように設けられた金属カバー５と、該金属カバー５の内面と前記光ファイバー３とを固定する固定部４と、前記光ファイバー３を延在方向に交差して挟む位置で前記金属カバー５を前記測定対象物に固定する溶接部６と、を備える。

上記構成によれば、金属カバー５の内面と光ファイバー３とが固定部によって固定され、さらに金属カバー５は測定対象物９０に対して溶接部６によって固定されている。これにより、測定対象物９０の表面９０Ｓに光ファイバー３を押し付けるようにしてより強固に固定することができる。

（２）第２の態様に係る光ファイバー検出装置７０は、前記光ファイバー３に併設され、前記測定対象物９０の表面９０Ｓに対して、少なくとも一部が前記測定対象物９０の温度変化に基づく自身の熱伸びのみを許容する状態で取り付けられている線膨張計測用光ファイバー３２をさらに備える。

ここで、光ファイバー検出装置７０は、以下のような物理量を検出する。まず、光ファイバー３には、延在方向の一端に設けられた光源１からレーザーＬが入射する。このレーザーＬによって、光ファイバー３の各部でレイリー散乱光Ｌｒが生じる。このレイリー散乱光Ｌｒを検出器８０によって検出し、基準となる参照光Ｌｃと比較することで、光ファイバー３の各部における波長シフト量が求められる。この波長シフト量は、光ファイバー３自身の温度変化による影響や、測定対象物９０の伸び（ひずみ）等を変数とする関数となる。より具体的には、波長シフト量は、Ａ．測定対象物９０と光ファイバー３の線膨張差に基づく応答変化量、Ｂ．光ファイバー３の温度変化による応答変化量（つまり、光ファイバー３の熱伸びによる応答変化量と、屈折率変化による応答変化量の和）、及びＣ．測定対象物９０の機械ひずみを含んでいる。

光ファイバー３が測定対象物９０に固定されている場合、上記のＡ、Ｂ、及びＣを合算したものが波長シフト量として検出される。つまり、Ｃ．機械ひずみのみを求めることが難しい。そこで、上記の構成では、線膨張計測用光ファイバー３２をさらに備えている。この線膨張計測用光ファイバー３２は、その少なくとも一部が測定対象物９０の温度変化に基づく自身の熱伸びのみ（つまり、上記のＢ）を許容する状態で取り付けられている。ここで、当該線膨張計測用光ファイバー３２への入力が温度のみであれば、波長シフト量は、温度のみの関数となる。そのため、この関数を用いて、上記のＢから測定対象物９０の温度を取得することができる。さらに、光ファイバー３に入力されたＡ．測定対象物と光ファイバー３の線膨張差に基づく応答変化量も、温度に基づいて算出可能である。このように求められたＡとＢの応答変化量の和を、光ファイバー３によって得られた波長シフト量（Ａ、Ｂ、及びＣの和）から減算することで、Ｃ．測定対象物の機械ひずみを求めることができる。つまり、光ファイバー３自身の温度変化による影響を除外した上で、測定対象物９０の機械ひずみのみを正確に求めることが可能となる。

（３）第３の態様に係る光ファイバー検出装置７０では、前記線膨張計測用光ファイバー３２は、該線膨張計測用光ファイバー３２と前記金属カバー５の内面との間に設けられ、該線膨張計測用光ファイバー３２の延在方向における変位を許容する伝熱性保持部７によって保持されている。

上記構成によれば、伝熱性保持部７によって、線膨張計測用光ファイバー３２の延在方向における変位が許容されている。したがって、この線膨張計測用光ファイバー３２は、測定対象物９０の温度変化に基づく自身の熱伸びが許容された状態となっている。これにより、線膨張計測用光ファイバー３２による応答量と光ファイバー３による応答量を比較することで、測定対象物９０の機械ひずみのみを正確に求めることができる。

（４）第４の態様に係る光ファイバー検出装置７０では、前記金属カバー５は、前記測定対象物９０と同一の金属材料によって形成され、前記金属カバー５における前記線膨張計測用光ファイバー３２と前記測定対象物９０との間に介在する部分（遊離部５２Ｆ）は、該測定対象物９０の表面９０Ｓに対して変位可能な状態で接触している。

ここで、Ａ．測定対象物９０と光ファイバー３の線膨張差に基づく応答変化量、Ｂ．光ファイバー３の温度変化による応答変化量（つまり、光ファイバー３の熱伸びによる応答変化量と、屈折率変化による応答変化量の和）、及びＣ．測定対象物９０の機械ひずみとする。上記構成によれば、金属カバー５における線膨張計測用光ファイバー３２と測定対象物９０との間に介在する部分は、測定対象物９０の表面に対して変位可能な状態で接触している。したがって、この線膨張計測用光ファイバー３２は、測定対象物９０の温度変化に基づく自身の熱伸びのみが許容された状態となっている。ここで、測定対象物９０と金属カバー５の線膨張差による応答変化量をＡ１とし、金属カバー５と光ファイバー３の線膨張差による応答変化量をＡ２とする。すると、線膨張計測用光ファイバー３２への入力は、このＡ２と、Ｂ．線膨張計測用光ファイバー３２の温度変化による応答変化量との和となる。一方で、光ファイバー３への入力は、Ａ．測定対象物９０と光ファイバー３の線膨張差に基づく応答変化量、Ｂ．光ファイバー３の温度変化による応答変化量（つまり、光ファイバー３の熱伸びによる応答変化量と、屈折率変化による応答変化量の和）、及びＣ．測定対象物９０の機械ひずみの和となる。つまり、以下の（１）式、及び（２）式の関係が成立する。
（光ファイバーへの入力）＝Ａ＋Ｂ＋Ｃ ・・・（１）
（線膨張計測用光ファイバーへの入力）＝Ａ２＋Ｂ ・・・（２）
ここで、（１）式と（２）式の差分を求めると、以下の（３）式のようになる。
（１）式―（２）式＝（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）−（Ａ２＋Ｂ）
＝Ｃ＋（Ａ−Ａ２） ・・・（３）
上記の定義により、Ａ−Ａ２＝Ａ１であることから、（４）式の関係が成立する。
Ｃ＋（Ａ−Ａ２）＝Ｃ＋Ａ１ ・・・（４）
上記の構成では、金属カバー５と測定対象物９０とが同一の材料で形成されているため、Ａ１（測定対象物９０と金属カバー５の線膨張差による応答変化量）は０となる。つまり、上記のように（１）式と（２）式の差分を求めることによって、（４）式からＣの値を求めることができる。このように、線膨張計測用光ファイバー３２による応答量と光ファイバー３による応答量を比較することで、測定対象物９０の機械ひずみのみを正確に求めることができる。

（５）第５の態様に係る光ファイバー検出装置７０は、前記光ファイバー３の延在方向に間隔をあけて配列された複数の前記溶接部６を有し、前記光ファイバーにおける前記溶接部６同士の間の部分は撓んだ状態で取り付けられている。

ここで、Ａ．測定対象物９０と光ファイバー３の線膨張差に基づく応答変化量、Ｂ．光ファイバー３の温度変化による応答変化量（つまり、光ファイバー３の熱伸びによる応答変化量と、屈折率変化による応答変化量の和）、及びＣ．測定対象物９０の機械ひずみとする。光ファイバー３が撓んでいない状態（つまり、張力が０以上である状態）では、測定対象物９０の温度が上がると、光ファイバー３への入力は、Ａ＋Ｂ＋Ｃとなる。一方で、上記構成のように、光ファイバー３に予め撓みが与えられている場合には、測定対象物９０の温度上昇とともに当該測定対象物９０に熱伸びが生じることで、撓みが次第に解消され、ある基準温度に達した時点で上述の張力が０以上となる。つまり、この基準温度に達する前の状態では、光ファイバー３には、上記のＢとＣのみが入力され、Ａは入力されない。基準温度に達した後の状態では、上記Ａ、Ｂ、及びＣが入力された状態となる。その結果、比較的高い温度でも光ファイバー３の測定限界に達することなく、幅広い温度領域で測定を行うことが可能となる。

（６）第６の態様に係る光ファイバー検出装置７０は、前記光ファイバー３に併設され、前記金属カバー５に対して１点のみで固定されるとともに、当該固定箇所の両側が撓んだ状態で取り付けられている線膨張計測用光ファイバー３２をさらに有する。

ここで、Ａ．測定対象物９０と光ファイバー３の線膨張差に基づく応答変化量、Ｂ．光ファイバー３の温度変化による応答変化量（つまり、光ファイバー３の熱伸びによる応答変化量と、屈折率変化による応答変化量の和）、及びＣ．測定対象物９０の機械ひずみとする。上記構成のように光ファイバー３に予め撓みが与えられている場合には、測定対象物９０の温度上昇とともに当該測定対象物９０に熱伸びが生じることで、撓みが次第に解消され、ある基準温度に達した時点で上述の張力が０以上となる。つまり、この基準温度に達する前の状態では、光ファイバー３には、上記のＢとＣのみが入力され、Ａは入力されない。基準温度に達した後の状態では、上記Ａ、Ｂ、及びＣが入力された状態となる。一方で、線膨張計測用光ファイバー３２には、常時Ｂのみが入力された状態となる。したがって、光ファイバー３による検出結果から、線膨張計測用光ファイバー３２の検出結果を減算することによって、基準温度よりも低い領域では、Ｃが求められる。一方で、基準温度よりも高い領域では、Ａ＋Ｃが求められる。ここで、線膨張計測用光ファイバー３２の検出結果によってＢの値は与えられていることから、このＢに対応する測定対象物９０の温度が関数によって求められる。さらに、この温度と測定対象物９０の物性によってＡが求められる。したがって、Ｃの値を算出することができる。

（７）第７の態様に係る光ファイバー検出装置７０を用いた機械ひずみの検出方法は、第５の態様に係る光ファイバー検出装置７０を用いた機械ひずみの検出方法であって、前記光ファイバー検出装置７０を、前記測定対象物９０と同一の材料で形成された試験片に取り付ける工程Ｓ１と、前記光ファイバー３の撓みが解消し、熱伸びが生じた状態となるまで、前記試験片の温度を上げる工程Ｓ２と、前記試験片の温度と、前記光ファイバー３の物理特性との関係を得る工程Ｓ３と、前記光ファイバー検出装置７０を前記試験片から取り外して、前記測定対象物９０の表面９０Ｓに取り付ける工程Ｓ４と、前記測定対象物９０の温度、及び前記光ファイバー３の物理特性を検出する工程Ｓ５と、前記測定対象物９０上で検出された前記光ファイバー３の物理特性から、前記試験片上で検出された前記光ファイバー３の物理特性を減算することで、前記測定対象物９０に生じた機械ひずみを得る工程Ｓ６と、を含む。

ここで、Ａ．測定対象物９０と光ファイバー３の線膨張差に基づく応答変化量、Ｂ．光ファイバー３の温度変化による応答変化量（つまり、光ファイバー３の熱伸びによる応答変化量と、屈折率変化による応答変化量の和）、及びＣ．測定対象物９０の機械ひずみとする。上記方法では、まず試験片に対して光ファイバー検出装置７０を取り付け、この試験片を光ファイバー３の撓みが解消し、熱伸びが生じた状態となるまで、前記試験片の温度を上げる。この状態で、試験片の温度と、光ファイバー３の物理特性との関係を得る。試験片には機械ひずみが生じないか、又は無視できる程度にわずかであることから、この工程によって上記のＡ＋Ｂの値が求められる。次いで、光ファイバー検出装置７０を測定対象物９０に取り付け、測定対象物９０の温度、及び光ファイバー３の物理特性を検出する。測定対象物９０では機械ひずみが生じることから、この工程によって、上記Ａ＋Ｂ＋Ｃが求められる。最後に、このＡ＋Ｂ＋Ｃから、上記の試験片によって得られたＡ＋Ｂの値を減算することによって、Ｃ（機械ひずみ）を求めることができる。

１００ 光ファイバー検出システム
１ 光源
２ 分光器
３ 光ファイバー
３１ 主ファイバー
３２ 線膨張計測用光ファイバー
３Ｐ 撓み部
３Ｓ 延長部
４ 固定部
５，５１ 金属カバー
５２ 金属箔
５２Ｆ 遊離部
６，６１，６２ 溶接部
７ 伝熱性保持部
７０ 光ファイバー検出装置
８０ 検出器
９０ 測定対象物
９０Ｓ 表面
Ｃ 切込み部
Ｌ レーザー
Ｌｃ 参照光
Ｌｒ 散乱光

Claims (7)

1. 測定対象物の表面に接触して延びるように設けられた光ファイバーと、
   該光ファイバーの延在方向の一部を、前記測定対象物の外方から覆うように設けられた金属カバーと、
   該金属カバーの内面と前記光ファイバーとを固定する固定部と、
   前記光ファイバーを延在方向に交差して挟む位置で前記金属カバーを前記測定対象物に固定する溶接部と、
   を備える光ファイバー検出装置。
2. 前記光ファイバーに併設され、前記測定対象物の表面に対して、少なくとも一部が前記測定対象物の温度変化に基づく熱伸びのみを許容する状態で取り付けられている線膨張計測用光ファイバーをさらに備える請求項１に記載の光ファイバー検出装置。
3. 前記線膨張計測用光ファイバーは、該線膨張計測用光ファイバーと前記金属カバーの内面との間に設けられ、該線膨張計測用光ファイバーの延在方向における変位を許容する伝熱性保持部によって保持されている請求項２に記載の光ファイバー検出装置。
4. 前記金属カバーは、前記測定対象物と同一の金属材料によって形成され、
   前記金属カバーにおける前記線膨張計測用光ファイバーと前記測定対象物との間に介在する部分は、該測定対象物の表面に対して変位可能な状態で接触している請求項２に記載の光ファイバー検出装置。
5. 前記光ファイバーの延在方向に間隔をあけて配列された複数の前記溶接部を有し、
   前記光ファイバーにおける前記溶接部同士の間の部分は撓んだ状態で取り付けられている請求項１に記載の光ファイバー検出装置。
6. 前記光ファイバーに併設され、前記金属カバーに対して１点のみで固定されるとともに、当該固定箇所の両側が撓んだ状態で取り付けられている線膨張計測用光ファイバーをさらに有する請求項５に記載の光ファイバー検出装置。
7. 請求項５に記載の光ファイバー検出装置を用いた機械ひずみの検出方法であって、
   前記光ファイバー検出装置を、前記測定対象物と同一の材料で形成された試験片に取り付ける工程と、
   前記光ファイバーの撓みが解消し、熱伸びが生じた状態となるまで、前記試験片の温度を上げる工程と、
   前記試験片の温度と、前記光ファイバーの物理特性との関係を得る工程と、
   前記光ファイバー検出装置を前記試験片から取り外して、前記測定対象物の表面に取り付ける工程と、
   前記測定対象物の温度、及び前記光ファイバーの物理特性を検出する工程と、
   前記測定対象物上で検出された前記光ファイバーの物理特性から、前記試験片上で検出された前記光ファイバーの物理特性を減算することで、前記測定対象物に生じた機械ひずみを得る工程と、
   を含む光ファイバー検出装置を用いた機械ひずみの検出方法。

Images