JP2021071369A - 光ファイバセンシングシステム、損傷監視方法、及び損傷箇所画像化方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】２００℃〜８００℃の高温環境下でも超音波を測定することが可能であり、かつ、微視的な損傷箇所を検出することが可能なファイバブラッググレーティングを用いた光ファイバセンシングシステムを提供する。【解決手段】本実施形態に係る光ファイバセンシングシステムは、超音波励起部３０と、超音波計測部４０と、超音波データ処理部５０と、を備える光ファイバセンシングシステムであって、超音波計測部４０は、入射レーザ光源１と、分光用サーキュレータ２と、超音波検出センサ３と、光検出器４と、を備え、超音波検出センサ３は、２つ以上のファイバブラッググレーティング２２を備える超音波検出用光ファイバ２３と２つ以上の超音波伝達部２１と、を備え、超音波伝達部２１とファイバブラッググレーティング２２とが接触していない。【選択図】図１
Description
本発明は、光ファイバセンシングシステム、損傷監視方法、及び損傷箇所画像化方法に関する。
火力発電用ボイラー、ガスタービン、航空機エンジンなどの高温環境で稼働する設備の事故を防止するため、事前に事故の予兆を検知する技術が求められている。特に２００℃〜８００℃の間の高温環境下において、事故の予兆を検知する技術が求められている。微視的な損傷は、それ自体が進展して破壊につながったり、又は破断のきっかけになったりするため、事故の予兆を知るためには、微視的な損傷（微細なき裂）を設備の稼働中に非破壊で検知できることが好ましい。ここで、微視的な損傷とは、設備の稼働に影響がない範囲の損傷をいう。
設備を非破壊で検査する方法として超音波を用いる方法がある。内部に微細なき裂などがある場合、超音波が反射又は散乱されるため、その波形の変化から微細なき裂の有無を非破壊で判定することができる。
一般的に超音波測定に用いられる素子は、圧電セラミックスＰＺＴ素子である。しかし、汎用のＰＺＴ素子は、使用可能な温度の上限が２００℃と低く、火力発電用ボイラーなどの高温設備での使用に適さない。また、高温に対応したＰＺＴ素子の研究も進んでいるが、温度変化による感度の低下や周波数帯域の制限の問題がある。
超音波測定に用いられる素子としては、他には光ファイバセンサがある。光ファイバとは、光が伝播するコアと、その外周を被覆するクラッドからなる線材である。光ファイバは、石英ガラスでできているため、耐熱性に優れる。そのため、光ファイバセンサは、高温用超音波センサに適用できる可能性がある。
超音波を検出できる光ファイバセンサとしては、ファイバブラッググレーティングがある。ファイバブラッググレーティングとは、光ファイバに紫外レーザを照射し、光ファイバ中のコアに回折格子（屈折率変調）を形成したものをいう。ファイバブラッググレーティングは、屈折率変調の周期に合致した波長の光のみを反射し、他の波長の光は通過する。超音波によって、コア内の屈折率変調の周期が変化するため、超音波を検出することができる。しかし、通常のファイバブラッググレーティングは、高温でファイバブラッググレーティングが消失するという課題がある。
特許文献１には、検出素子部をファイバブラッググレーティング型光ファイバで構成し、光ファイバと等しい線膨張係数をもつ基板上に固着された歪検出用センサと、温度補償用センサとを、光ファイバにより直列又は並列に接続することにより、検出感度高く歪を検出する光ファイバセンサが開示されている。特許文献２には、ファイバブラッググレーティングセンサの反射帯域内の波長を有する波長可変レーザのレーザ光をファイバブラッググレーティングセンサに入射させ、ファイバブラッググレーティングセンサからの反射光を光電変換器により電気信号に変換して、超音波・ＡＥの検出波形を得ることを特徴とする光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置が開示されている。
しかし、特許文献１及び２に開示の方法では、超音波を測定するために、被測定物にファイバブラッググレーティングセンサを設置しなければならない。そのため、６００℃以上になると、ファイバブラッググレーティングの反射光スペクトルの強度が急激に減少してしまうため、超音波を測定することができないという課題がある。また、特許文献１に開示の方法では、微視的な損傷箇所が特定できないという課題がある。
本発明は、上記に記載された課題に鑑みてなされた発明であって、２００℃〜８００℃の高温環境下でも超音波を測定することが可能であり、かつ、微視的な損傷箇所を検出することが可能なファイバブラッググレーティングを用いた光ファイバセンシングシステムを提供することを目的とする。また、この光ファイバセンシングシステムを用いた損傷監視方法、及び損傷箇所画像化方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
＜１＞ 本発明の一態様に係る光ファイバセンシングシステムは、超音波を励起する超音波励起部と、超音波を計測し、超音波データを得る超音波計測部と、前記超音波データを処理する超音波データ処理部とを備える光ファイバセンシングシステムであって、前記超音波計測部は、入射光を照射する入射レーザ光源と、第１の光ファイバを介して前記入射レーザ光源と接続され、入射光と反射光とを分ける分光用サーキュレータと、前記分光用サーキュレータと接続され、前記入射光に対し、前記超音波に応じて変化する前記反射光を前記分光用サーキュレータに送る超音波検出センサと、前記分光用サーキュレータと第２の光ファイバを介して接続され、前記分光用サーキュレータから送られた前記反射光を電気信号に変換する光検出器と、を備え、前記超音波検出センサは、２つ以上のファイバブラッググレーティングを備える超音波検出用光ファイバと、前記ファイバブラッググレーティングに超音波を伝達する２つ以上の超音波伝達部と、を備え、前記超音波伝達部と前記ファイバブラッググレーティングとが接触していない。
＜２＞ 上記＜１＞に記載の光ファイバセンシングシステムは、前記超音波励起部がレーザ光源であってもよい。
＜３＞ 上記＜1＞又は＜２＞に記載の光ファイバセンシングシステムは、前記ファイバブラッググレーティングが位相シフトファイバブラッググレーティングであってもよい。
＜４＞ 上記＜１＞又は＜２＞に記載の光ファイバセンシングシステムは、前記ファイバブラッググレーティングが高温域での超音波測定及び温度計測が可能な再生ファイバブラッググレーティングであってもよい。
＜５＞ 上記＜１＞又は＜２＞に記載の光ファイバセンシングシステムは、前記ファイバブラッググレーティングが高温域での超音波測定及び温度計測が可能な再生位相シフトファイバブラッググレーティングであってもよい。
＜１＞ 本発明の一態様に係る光ファイバセンシングシステムは、超音波を励起する超音波励起部と、超音波を計測し、超音波データを得る超音波計測部と、前記超音波データを処理する超音波データ処理部とを備える光ファイバセンシングシステムであって、前記超音波計測部は、入射光を照射する入射レーザ光源と、第１の光ファイバを介して前記入射レーザ光源と接続され、入射光と反射光とを分ける分光用サーキュレータと、前記分光用サーキュレータと接続され、前記入射光に対し、前記超音波に応じて変化する前記反射光を前記分光用サーキュレータに送る超音波検出センサと、前記分光用サーキュレータと第２の光ファイバを介して接続され、前記分光用サーキュレータから送られた前記反射光を電気信号に変換する光検出器と、を備え、前記超音波検出センサは、２つ以上のファイバブラッググレーティングを備える超音波検出用光ファイバと、前記ファイバブラッググレーティングに超音波を伝達する２つ以上の超音波伝達部と、を備え、前記超音波伝達部と前記ファイバブラッググレーティングとが接触していない。
＜２＞ 上記＜１＞に記載の光ファイバセンシングシステムは、前記超音波励起部がレーザ光源であってもよい。
＜３＞ 上記＜1＞又は＜２＞に記載の光ファイバセンシングシステムは、前記ファイバブラッググレーティングが位相シフトファイバブラッググレーティングであってもよい。
＜４＞ 上記＜１＞又は＜２＞に記載の光ファイバセンシングシステムは、前記ファイバブラッググレーティングが高温域での超音波測定及び温度計測が可能な再生ファイバブラッググレーティングであってもよい。
＜５＞ 上記＜１＞又は＜２＞に記載の光ファイバセンシングシステムは、前記ファイバブラッググレーティングが高温域での超音波測定及び温度計測が可能な再生位相シフトファイバブラッググレーティングであってもよい。
＜６＞ 本発明の一態様に係る損傷監視方法は、＜１＞〜＜５＞のいずれか１つに記載の光ファイバセンシングシステムを用いた損傷監視方法であって、初期超音波データを取得する初期状態確認工程と、測定超音波データを取得する超音波測定工程と、前記初期超音波データと前記測定超音波データとを比較して、損傷の有無を判定する損傷判定工程と、を備え、前記初期状態確認工程は、被監視物に２つ以上の前記超音波伝達部を設置する設置工程と、前記入射光の波長を掃引して２つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの初期反射スペクトルを確認する初期反射スペクトル確認工程と、前記初期反射スペクトルに対し、前記初期反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である初期半値波長を確認する初期半値波長確認工程と、前記ファイバブラッググレーティングの前記初期半値波長の初期入射光を入射する初期入射工程と、前記被監視物上に前記超音波を励起し、前記初期入射光に対する反射光強度の時間変化データである前記初期超音波データを取得する初期超音波データ取得工程と、を備え、前記超音波測定工程は、前記入射光の波長を掃引して２つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの超音波測定前の反射スペクトルである測定前反射スペクトルを確認する測定前反射スペクトル確認工程と、２つ以上の前記測定前反射スペクトルに対し、測定前反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である測定半値波長を確認する測定半値波長確認工程と、前記測定半値波長の測定入射光を入射する測定入射工程と、前記被監視物上に前記超音波を励起し、前記測定入射光に対する反射光強度の時間変化データである前記測定超音波データを取得する測定超音波データ取得工程と、を備える。
＜７＞ 本発明の他の態様に係る損傷監視方法は、＜４＞又は＜５＞に記載の光ファイバセンシングシステムを用いた損傷監視方法であって、初期超音波データを取得する初期状態確認工程と、測定超音波データを取得する超音波測定工程と、前記初期超音波データと前記測定超音波データとを比較して、損傷の有無を判定する損傷判定工程と、
を備え、前記初期状態確認工程は、被監視物に２つ以上の前記超音波伝達部を設置する設置工程と、前記入射光の波長を掃引して２つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの初期反射スペクトルを確認する初期反射スペクトル確認工程と、２つ以上の前記初期反射スペクトルに対し、前記初期反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である初期半値波長を確認する初期半値波長確認工程と、前記ファイバブラッググレーティングの前記初期半値波長の初期入射光を入射する初期入射工程と、前記被監視物上に前記超音波を励起し、前記初期入射光に対する反射光強度の時間変化データである初期超音波データを取得する測定超音波データ取得工程と、を備え、前記超音波測定工程は、前記入射光の波長を掃引して２つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの超音波測定前の反射スペクトルである測定前反射スペクトルを確認する測定前反射スペクトル確認工程と、前記測定前反射スペクトルのピーク波長と前記初期反射スペクトルのピーク波長との差から２つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの温度を計測する温度計測工程と、２つ以上の前記測定前反射スペクトルに対し、測定前反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である測定半値波長を確認する測定半値波長確認工程と、前記測定半値波長の測定入射光を入射する測定入射工程と、前記被監視物上に前記超音波を励起し、前記測定入射光に対する反射光強度の時間変化データである測定超音波データを取得する測定超音波データ取得工程と、を備える。
を備え、前記初期状態確認工程は、被監視物に２つ以上の前記超音波伝達部を設置する設置工程と、前記入射光の波長を掃引して２つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの初期反射スペクトルを確認する初期反射スペクトル確認工程と、２つ以上の前記初期反射スペクトルに対し、前記初期反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である初期半値波長を確認する初期半値波長確認工程と、前記ファイバブラッググレーティングの前記初期半値波長の初期入射光を入射する初期入射工程と、前記被監視物上に前記超音波を励起し、前記初期入射光に対する反射光強度の時間変化データである初期超音波データを取得する測定超音波データ取得工程と、を備え、前記超音波測定工程は、前記入射光の波長を掃引して２つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの超音波測定前の反射スペクトルである測定前反射スペクトルを確認する測定前反射スペクトル確認工程と、前記測定前反射スペクトルのピーク波長と前記初期反射スペクトルのピーク波長との差から２つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの温度を計測する温度計測工程と、２つ以上の前記測定前反射スペクトルに対し、測定前反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である測定半値波長を確認する測定半値波長確認工程と、前記測定半値波長の測定入射光を入射する測定入射工程と、前記被監視物上に前記超音波を励起し、前記測定入射光に対する反射光強度の時間変化データである測定超音波データを取得する測定超音波データ取得工程と、を備える。
＜８＞ 本発明の一態様に係る損傷箇所画像化方法は、超音波を励起する超音波励起部と、超音波を計測し、超音波データを得る超音波計測部と、前記超音波データを処理する超音波データ処理部とを備え、前記超音波計測部は、入射光を照射する入射レーザ光源と、第１の光ファイバを介して前記入射レーザ光源と接続され、入射光と反射光とを分ける分光用サーキュレータと、前記分光用サーキュレータと接続され、前記入射光に対し、前記超音波に応じて変化する前記反射光を前記分光用サーキュレータに送る超音波検出センサと、前記分光用サーキュレータと第２の光ファイバを介して接続され、前記分光用サーキュレータから送られた前記反射光を電気信号に変換する光検出器と、を備え、前記超音波検出センサは、１つ以上のファイバブラッググレーティングを備える超音波検出用光ファイバと、前記ファイバブラッググレーティングに超音波を伝達する１つ以上の超音波伝達部と、を備え、前記超音波伝達部と前記ファイバブラッググレーティングとが接触していない、光ファイバセンシングシステムを用いた損傷箇所画像化方法であって、被監視物に１つ以上の前記超音波伝達部を設置する設置工程と、前記入射光の波長を掃引して１つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの反射スペクトルを確認する反射スペクトル確認工程と、前記反射スペクトル確認工程で得られた１つ以上の前記反射スペクトルに対し、前記反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である半値波長を確認する半値波長確認工程と、
画像化の中心位置となる前記超音波伝達部に最も近い前記ファイバブラッググレーティングの前記半値波長の入射光を入射する入射工程と、前記超音波励起部を用い、前記被監視物上で超音波を励起する位置を変えながら複数回超音波を励起し、励起された超音波による反射光強度の時間変化である超音波データを各超音波励起毎に取得する連続超音波データ取得工程と、取得した超音波データと超音波励起箇所の位置情報とから画像化する画像化工程と、を備える。
画像化の中心位置となる前記超音波伝達部に最も近い前記ファイバブラッググレーティングの前記半値波長の入射光を入射する入射工程と、前記超音波励起部を用い、前記被監視物上で超音波を励起する位置を変えながら複数回超音波を励起し、励起された超音波による反射光強度の時間変化である超音波データを各超音波励起毎に取得する連続超音波データ取得工程と、取得した超音波データと超音波励起箇所の位置情報とから画像化する画像化工程と、を備える。
本発明の上記態様によれば、２００℃〜８００℃の高温環境下でも超音波を測定することが可能であり、かつ、微視的な損傷箇所を検出することができる。
〔実施形態１〕
以下、図面を参照しながら本実施形態に係る光ファイバセンシングシステム、損傷監視方法を説明する。
以下、図面を参照しながら本実施形態に係る光ファイバセンシングシステム、損傷監視方法を説明する。
＜光ファイバセンシングシステム＞
本実施形態に係る光ファイバセンシングシステム１００は、図１に示すように、超音波励起部３０、超音波計測部４０、及び超音波データ処理部５０を備える。以下、各部について説明する。
本実施形態に係る光ファイバセンシングシステム１００は、図１に示すように、超音波励起部３０、超音波計測部４０、及び超音波データ処理部５０を備える。以下、各部について説明する。
（超音波励起部）
超音波励起部３０は、被監視物６０上に超音波を励起できれば特に限定されない。超音波励起部３０としては、高耐熱圧電素子、レーザ光源などが挙げられる。レーザ光源を超音波励起部３０として用いた場合、被監視物６０にレーザを照射して照射点において生じる熱膨張により、超音波を励起する。そのため、レーザ光源を常温環境に設置して、高温の被監視物６０にレーザを照射して超音波を励起することが可能となる。レーザ光源を用いれば、温度条件によらず、安定して超音波を励起することができる。
超音波励起部３０は、被監視物６０上に超音波を励起できれば特に限定されない。超音波励起部３０としては、高耐熱圧電素子、レーザ光源などが挙げられる。レーザ光源を超音波励起部３０として用いた場合、被監視物６０にレーザを照射して照射点において生じる熱膨張により、超音波を励起する。そのため、レーザ光源を常温環境に設置して、高温の被監視物６０にレーザを照射して超音波を励起することが可能となる。レーザ光源を用いれば、温度条件によらず、安定して超音波を励起することができる。
（超音波測定部）
超音波計測部４０は、入射レーザ光源１、分光用サーキュレータ２、超音波検出センサ３、光検出器４、第１の光ファイバ５、及び第２の光ファイバ６を備える。以下、各部について説明する。
超音波計測部４０は、入射レーザ光源１、分光用サーキュレータ２、超音波検出センサ３、光検出器４、第１の光ファイバ５、及び第２の光ファイバ６を備える。以下、各部について説明する。
［入射レーザ光源］
入射レーザ光源１は、第１の光ファイバ５と接続される。入射レーザ光源１から照射されるレーザ光は、第１の光ファイバ５を通り、分光用サーキュレータ２に送られる。
入射レーザ光源１は、第１の光ファイバ５と接続される。入射レーザ光源１から照射されるレーザ光は、第１の光ファイバ５を通り、分光用サーキュレータ２に送られる。
入射レーザ光源１は、レーザ光の波長を変えることができる波長可変レーザ光源である（チューナブルレーザ）。超音波検出センサ３中にある全てのファイバブラッググレーティング２２の反射スペクトルが得られるのであれば、波長可変領域は特に限定されない。
例えば図１の場合であれば、波長可変領域は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、ファイバブラッググレーティング２２ｂ、ファイバブラッググレーティング２２ｃ、ファイバブラッググレーティング２２ｄの反射スペクトルが得られるのであれば、特に限定されない。
例えば図１の場合であれば、波長可変領域は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、ファイバブラッググレーティング２２ｂ、ファイバブラッググレーティング２２ｃ、ファイバブラッググレーティング２２ｄの反射スペクトルが得られるのであれば、特に限定されない。
［分光用サーキュレータ］
分光用サーキュレータ２は、第１の光ファイバ５、超音波検出センサ３、及び第２の光ファイバ６と接続される。分光用サーキュレータ２は、第１の光ファイバ５を介して入射レーザ光源１から入射されたレーザ光（入射光）を超音波検出センサ３に送る。また、分光用サーキュレータ２は、超音波検出センサ３から戻ってきた反射光を第２の光ファイバ６を介し、光検出器４に送る。
分光用サーキュレータ２は、第１の光ファイバ５、超音波検出センサ３、及び第２の光ファイバ６と接続される。分光用サーキュレータ２は、第１の光ファイバ５を介して入射レーザ光源１から入射されたレーザ光（入射光）を超音波検出センサ３に送る。また、分光用サーキュレータ２は、超音波検出センサ３から戻ってきた反射光を第２の光ファイバ６を介し、光検出器４に送る。
［超音波検出センサ］
超音波検出センサ３は、超音波伝達部２１及び超音波検出用光ファイバ２３を備える。超音波検出センサ３は、分光用サーキュレータ２と接続される。また、超音波検出用光ファイバ２３は、超音波伝達部２１を介して被監視物６０に設置され、被監視物６０とは直接接触していない。超音波検出センサ３は、入射レーザ光源１から入射してきたレーザ光に対し、被監視物６０を伝達してきた超音波に応じて変化した反射光を分光用サーキュレータ２に戻す。
超音波検出センサ３は、超音波伝達部２１及び超音波検出用光ファイバ２３を備える。超音波検出センサ３は、分光用サーキュレータ２と接続される。また、超音波検出用光ファイバ２３は、超音波伝達部２１を介して被監視物６０に設置され、被監視物６０とは直接接触していない。超音波検出センサ３は、入射レーザ光源１から入射してきたレーザ光に対し、被監視物６０を伝達してきた超音波に応じて変化した反射光を分光用サーキュレータ２に戻す。
超音波伝達部２１は、被監視物６０を伝達してきた超音波をファイバブラッググレーティング２２を有する超音波検出用光ファイバ２３に伝達する。超音波伝達部２１の数と超音波検出用光ファイバ２３にあるファイバブラッググレーティング２２の数は等しい。超音波伝達部２１から伝達された超音波によって、対応するファイバブラッググレーティング２２の屈折率変調の間隔が変動し、屈折率変調の間隔の変動に応じた反射光が分光用サーキュレータ２に戻される。図１の場合では、超音波伝達部２１ａを通った超音波は、ファイバブラッググレーティング２２ａで反射光強度の時間変化（超音波データ）という形で検出される。
超音波伝達部２１は、超音波を伝達する機能があれば特に限定されない。超音波伝達部２１には、２００℃〜８００℃の高温環境下で超音波を効率よく伝達するために、被監視物６０と超音波検出用光ファイバ２３とを耐熱接着剤で接着した耐熱接着部を用いてよい。耐熱接着剤は、被監視物６０の温度に応じて適宜選択できる。耐熱接着剤は、例えばカーボンペーストを使用することができる。
超音波検出用光ファイバ２３は、２つ以上のファイバブラッググレーティング２２を備える。超音波検出用光ファイバ２３内に生じる超音波による軸方向歪成分は、中心軸上では、縦波モードによる成分のみが存在する。そのため、ファイバブラッググレーティング２２によって測定されるのは、基本縦波モードのみとなる。光ファイバの直径よりも被監視物６０中のラム波の振幅がはるかに大きいため、縦波はほとんど分散性が無い。従って、超音波伝達部２１に対し接触しないように設けてもファイバブラッググレーティング２２は、超音波伝達部２１におけるラム波モードの挙動をそのまま測定することができる。ここで、ラム波とは、振動面が被監視物６０の表面に対し垂直で、なおかつ、伝播方向に同じ振動成分をもつ波である。
超音波伝達部２１はファイバブラッググレーティング２２と接触しないように設けられている。即ち、超音波伝達部２１はファイバブラッググレーティング２２と離隔して設けられている。ファイバブラッググレーティング２２の位置は、被監視物６０と接触していなければ、特に限定されない。例えば、超音波伝達部２１とファイバブラッググレーティング２２との間の距離は１ｍｍ〜１ｍの範囲とすることができる。ファイバブラッググレーティング２２を室温となる領域に置くことで、超音波伝達部２１から送られてきた超音波を測定することができる。また、ファイバブラッググレーティング２２が超音波伝達部２１と接触していないため、被監視物６０の歪の影響を受けずに超音波測定をすることができる。
超音波検出センサ３は、２つ以上のファイバブラッググレーティング２２を備えるため、微細なき裂の位置を判別することができる。具体的な微細なき裂の位置の判定方法について図１を例にして説明する。超音波励起部３０で励起された超音波は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、及び２２ｄで検知される。図１のように被監視物６０が均一な材質であり、微細なき裂２５が超音波伝達部２１ｃと超音波伝達部２１ｄとの間にある場合、ファイバブラッググレーティング２２ｄで検出される超音波データは微細なき裂２５の影響で反射散乱されるため、ファイバブラッググレーティング２２ａ、２２ｂ、２２ｃの超音波データと異なることになる。そのため、超音波データの比較から微細なき裂が超音波伝達部２１ｃとファイバブラッググレーティング２２ｄとの間にあることを判定することができる。各ファイバブラッググレーティング２２は、それぞれの反射波長が異なるように設計する。
ファイバブラッググレーティング２２には、例えば、位相シフトファイバブラッググレーティングを用いてもよい。位相シフトファイバブラッググレーティングは、屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したファイバブラッググレーティングをいう。位相シフトファイバブラッググレーティングは、π位相シフト点の近傍での歪に応答するため、有効センサゲージ長は０．５ｍｍ以下と極めて短い。そのため、位相シフトファイバブラッググレーティングを用いることで、高周波数までの広帯域にわたる超音波を測定することができる。
超音波検出センサ３は、耐熱性の被覆層で覆われていてもよい。耐熱被覆層としては、Ｎｉめっき、Ａｕめっき、Ａｇめっき、又はカーボン層を用いることができる。被覆層があっても効率よく超音波を伝達することができる。
［光検出器］
光検出器４は、分光用サーキュレータ２と接続される。超音波検出センサ３から送られてきた反射光は、分光用サーキュレータ２、第２の光ファイバ６を通り、光検出器４に送られる。光検出器４は、送られてきた反射光を電気信号に変換する。
光検出器４は、分光用サーキュレータ２と接続される。超音波検出センサ３から送られてきた反射光は、分光用サーキュレータ２、第２の光ファイバ６を通り、光検出器４に送られる。光検出器４は、送られてきた反射光を電気信号に変換する。
［第１の光ファイバ及び第２の光ファイバ］
第１の光ファイバ５及び第２の光ファイバ６には、例えば、光の分散が小さいシングルモードの光ファイバを用いることができる。第１の光ファイバ５は、入射レーザ光源１及び分光用サーキュレータ２を接続する。第２の光ファイバ６は、分光用サーキュレータ２及び光検出器４を接続する。
第１の光ファイバ５及び第２の光ファイバ６には、例えば、光の分散が小さいシングルモードの光ファイバを用いることができる。第１の光ファイバ５は、入射レーザ光源１及び分光用サーキュレータ２を接続する。第２の光ファイバ６は、分光用サーキュレータ２及び光検出器４を接続する。
（超音波データ処理部）
超音波データ処理部５０は、電気信号に変換した反射光強度の時間変化（超音波データ）を記録する。超音波データ処理部５０は、例えば、設備稼働前の超音波データの波形パターンと設備稼働後の超音波データの波形パターンとを比較して、波形のピーク位置の時間差が一定の閾値を超えた場合又は波形のピーク強度が一定の閾値を下回った場合、微細なき裂２５が発生したと判定する。超音波データ処理部５０は、閾値を超えた超音波データから、発生時期、発生個所を特定する。一方、温度の変化を含む外部環境のノイズの影響で超音波の波形が複雑になることで、１つの特徴量から損傷を判定困難な場合には、超音波データから到達時間・最大振幅・周波数など複数の特徴量を抽出して、機械学習で波形の類似性を分析する。その分析結果から損傷の判定もしくは損傷の進展度合いを評価することができる。
超音波データ処理部５０は、電気信号に変換した反射光強度の時間変化（超音波データ）を記録する。超音波データ処理部５０は、例えば、設備稼働前の超音波データの波形パターンと設備稼働後の超音波データの波形パターンとを比較して、波形のピーク位置の時間差が一定の閾値を超えた場合又は波形のピーク強度が一定の閾値を下回った場合、微細なき裂２５が発生したと判定する。超音波データ処理部５０は、閾値を超えた超音波データから、発生時期、発生個所を特定する。一方、温度の変化を含む外部環境のノイズの影響で超音波の波形が複雑になることで、１つの特徴量から損傷を判定困難な場合には、超音波データから到達時間・最大振幅・周波数など複数の特徴量を抽出して、機械学習で波形の類似性を分析する。その分析結果から損傷の判定もしくは損傷の進展度合いを評価することができる。
光ファイバセンシングシステム１００は、入射光レーザ光源１の波長を超音波データ処理部５０のデータに基づいて制御する図示しないレーザ制御部、超音波励起部３０の超音波の励起位置、励起開始時間等を制御する図示しない超音波制御部を更に備えていてもよい。また、光ファイバセンシングシステム１００を室温環境で使用する場合は、超音波伝達部２１には、被監視物６０と超音波検出用光ファイバ２３とを通常の接着剤で接着した接着部を用いてもよい。
＜損傷監視方法＞
光ファイバセンシングシステム１００を用いた損傷監視方法Ｓ１００について、図２を用いて説明する。ここでは、２００℃〜８００℃の高温環境下における損傷監視方法の一例を説明する。Ｓ１００は、初期の超音波データを取得する初期状態確認工程Ｓ２０と、測定超音波データを取得する超音波測定工程Ｓ３０と、初期超音波データと測定超音波データとを比較して、損傷の有無を判定する損傷判定工程Ｓ４０とを備える。
光ファイバセンシングシステム１００を用いた損傷監視方法Ｓ１００について、図２を用いて説明する。ここでは、２００℃〜８００℃の高温環境下における損傷監視方法の一例を説明する。Ｓ１００は、初期の超音波データを取得する初期状態確認工程Ｓ２０と、測定超音波データを取得する超音波測定工程Ｓ３０と、初期超音波データと測定超音波データとを比較して、損傷の有無を判定する損傷判定工程Ｓ４０とを備える。
（初期状態確認工程）
初期状態確認工程Ｓ２０は、被監視物６０に２つ以上の超音波伝達部２１を設置する設置工程Ｓ１、レーザ光（入射光）の波長を掃引して２つ以上のファイバブラッググレーティング２２の初期反射スペクトルを確認する初期反射スペクトル確認工程Ｓ２と、初期反射スペクトルに対し、初期反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である初期半値波長を確認する初期半値波長確認工程Ｓ３と、ファイバブラッググレーティング２２の初期半値波長のレーザ光（初期入射光）を入射する初期入射工程Ｓ４と、被監視物６０上に超音波を励起し、初期入射光に対する反射光強度の時間変化データである初期超音波データを取得する初期超音波データ取得工程Ｓ５とを備える。初期状態確認工程Ｓ２０において、設備稼働前（微細なき裂が発生する前）の装置の超音波データを記録収集する。初期入射工程Ｓ４及び初期超音波データ取得工程Ｓ５は、全てのファイバブラッググレーティング２２の超音波データを取得するまで繰り返し、測定を行う。図１の場合は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの超音波データを取得するまで、初期入射工程Ｓ４及び初期超音波データ取得工程Ｓ５の工程を繰り返す。
初期状態確認工程Ｓ２０は、被監視物６０に２つ以上の超音波伝達部２１を設置する設置工程Ｓ１、レーザ光（入射光）の波長を掃引して２つ以上のファイバブラッググレーティング２２の初期反射スペクトルを確認する初期反射スペクトル確認工程Ｓ２と、初期反射スペクトルに対し、初期反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である初期半値波長を確認する初期半値波長確認工程Ｓ３と、ファイバブラッググレーティング２２の初期半値波長のレーザ光（初期入射光）を入射する初期入射工程Ｓ４と、被監視物６０上に超音波を励起し、初期入射光に対する反射光強度の時間変化データである初期超音波データを取得する初期超音波データ取得工程Ｓ５とを備える。初期状態確認工程Ｓ２０において、設備稼働前（微細なき裂が発生する前）の装置の超音波データを記録収集する。初期入射工程Ｓ４及び初期超音波データ取得工程Ｓ５は、全てのファイバブラッググレーティング２２の超音波データを取得するまで繰り返し、測定を行う。図１の場合は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの超音波データを取得するまで、初期入射工程Ｓ４及び初期超音波データ取得工程Ｓ５の工程を繰り返す。
［設置工程］
設置工程Ｓ１は、超音波伝達部２１及び超音波検出用光ファイバ２３を被監視物６０に設置する。超音波検出用光ファイバ２３中のファイバブラッググレーティング２２の数は、被監視物６０の大きさ等に応じて適宜調整することができる。超音波伝達部２１は、超音波検出用光ファイバ２３中のファイバブラッググレーティング２２の数に応じて設置する。一般のファイバブラッググレーティングや位相シフトファイバブラッググレーティングは、高温で消失する。また、６００℃以上で、一般のファイバブラッググレーティングや位相シフトファイバブラッググレーティングの反射光スペクトルの強度が急激に減少してしまう。そのため、ファイバブラッググレーティング２２は、温度が室温付近となる位置まで超音波伝達部２１と離隔して設置する。また、超音波検出用光ファイバ２３は、超音波伝達部２１を介して被監視物６０に設置され、被監視物６０とは直接接触していない。
設置工程Ｓ１は、超音波伝達部２１及び超音波検出用光ファイバ２３を被監視物６０に設置する。超音波検出用光ファイバ２３中のファイバブラッググレーティング２２の数は、被監視物６０の大きさ等に応じて適宜調整することができる。超音波伝達部２１は、超音波検出用光ファイバ２３中のファイバブラッググレーティング２２の数に応じて設置する。一般のファイバブラッググレーティングや位相シフトファイバブラッググレーティングは、高温で消失する。また、６００℃以上で、一般のファイバブラッググレーティングや位相シフトファイバブラッググレーティングの反射光スペクトルの強度が急激に減少してしまう。そのため、ファイバブラッググレーティング２２は、温度が室温付近となる位置まで超音波伝達部２１と離隔して設置する。また、超音波検出用光ファイバ２３は、超音波伝達部２１を介して被監視物６０に設置され、被監視物６０とは直接接触していない。
［初期反射スペクトル確認工程］
初期反射スペクトル確認工程Ｓ２では、被監視物６０の稼働前に、入射レーザ光源１の入射光の波長を変えて、ファイバブラッググレーティング２２の反射スペクトル（初期反射スペクトル）を取得する。図１の場合は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの反射スペクトルを取得する。
初期反射スペクトル確認工程Ｓ２では、被監視物６０の稼働前に、入射レーザ光源１の入射光の波長を変えて、ファイバブラッググレーティング２２の反射スペクトル（初期反射スペクトル）を取得する。図１の場合は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの反射スペクトルを取得する。
［初期半値波長確認工程］
初期半値波長確認工程Ｓ３では、初期反射スペクトル確認工程Ｓ２で得られたファイバブラッググレーティング２２の反射スペクトルから半値波長（初期半値波長）を取得する。半値波長は、反射スペクトルのピーク強度をＩｍａｘとしたときに、強度がＩｍａｘ／２となる波長で且つ、短波長側の波長とする。図１の場合、各半値波長は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの反射スペクトルからそれぞれ取得する。
初期半値波長確認工程Ｓ３では、初期反射スペクトル確認工程Ｓ２で得られたファイバブラッググレーティング２２の反射スペクトルから半値波長（初期半値波長）を取得する。半値波長は、反射スペクトルのピーク強度をＩｍａｘとしたときに、強度がＩｍａｘ／２となる波長で且つ、短波長側の波長とする。図１の場合、各半値波長は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの反射スペクトルからそれぞれ取得する。
［初期入射工程］
初期入射工程Ｓ４では、ファイバブラッググレーティング２２の反射スペクトルの半値波長に調整したレーザ光（半値波長光）を入射レーザ光源１から入射する。半値波長光は、初期超音波データ取得工程Ｓ５が完了するまで、入射し続ける。ファイバブラッググレーティング２２の半値波長は初期半値波長確認工程Ｓ３で取得したものとなる。
初期入射工程Ｓ４では、ファイバブラッググレーティング２２の反射スペクトルの半値波長に調整したレーザ光（半値波長光）を入射レーザ光源１から入射する。半値波長光は、初期超音波データ取得工程Ｓ５が完了するまで、入射し続ける。ファイバブラッググレーティング２２の半値波長は初期半値波長確認工程Ｓ３で取得したものとなる。
［初期超音波データ取得工程］
初期超音波データ取得工程Ｓ５では、超音波励起部３０を用い、被監視物６０上の任意の箇所で超音波を励起する。超音波を励起後、超音波を励起した時間を０秒とし、ファイバブラッググレーティング２２の反射光強度の時間変化を光検出器４を用いて電気信号に変換し、初期超音波データとして超音波データ処理部５０を用いて記録する。ここで取得される超音波データは、ファイバブラッググレーティング２２に対応する超音波伝達部２１で取得した超音波データとなる。図１を用いて説明すると、ファイバブラッググレーティング２２ａの半値波長のレーザ光を入射した場合は、超音波伝達部２１ａの超音波データとなる。超音波の励起箇所は、ファイバブラッググレーティング２２で超音波を測定できる限り限定されない。超音波を励起した励起点から超音波伝達部２１までの間の超音波伝播経路上に微細なき裂２５が存在すれば、超音波の波形は変化する。そのため、励起点を変えて測定した複数の初期超音波データを取得しておくことで、微細なき裂２５の位置を特定しやすくなる。
初期超音波データ取得工程Ｓ５では、超音波励起部３０を用い、被監視物６０上の任意の箇所で超音波を励起する。超音波を励起後、超音波を励起した時間を０秒とし、ファイバブラッググレーティング２２の反射光強度の時間変化を光検出器４を用いて電気信号に変換し、初期超音波データとして超音波データ処理部５０を用いて記録する。ここで取得される超音波データは、ファイバブラッググレーティング２２に対応する超音波伝達部２１で取得した超音波データとなる。図１を用いて説明すると、ファイバブラッググレーティング２２ａの半値波長のレーザ光を入射した場合は、超音波伝達部２１ａの超音波データとなる。超音波の励起箇所は、ファイバブラッググレーティング２２で超音波を測定できる限り限定されない。超音波を励起した励起点から超音波伝達部２１までの間の超音波伝播経路上に微細なき裂２５が存在すれば、超音波の波形は変化する。そのため、励起点を変えて測定した複数の初期超音波データを取得しておくことで、微細なき裂２５の位置を特定しやすくなる。
（超音波測定工程）
超音波測定工程Ｓ３０は、レーザ光（入射光）の波長を掃引して２つ以上のファイバブラッググレーティング２２の測定前反射スペクトルを確認する測定前反射スペクトル確認工程Ｓ６と、測定前反射スペクトルに対し、測定前反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である測定半値波長を確認する測定半値波長確認工程Ｓ７と、ファイバブラッググレーティング２２の測定半値波長のレーザ光（測定入射光）を入射する測定入射工程Ｓ８と、被監視物６０上に超音波を励起し、測定入射光に対する反射光強度の時間変化データである測定超音波データを取得する測定超音波データ取得工程Ｓ９とを備える。超音波測定工程Ｓ３０において、被監視物６０稼働時の超音波データを記録収集する。測定入射工程Ｓ８及び測定超音波データ取得工程Ｓ９は、全てのファイバブラッググレーティング２２の超音波データを取得するまで繰り返し、測定を行う。図１の場合は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの超音波データを取得するまで、測定入射工程Ｓ８及び測定超音波データ取得工程Ｓ９の工程を繰り返す。
超音波測定工程Ｓ３０は、レーザ光（入射光）の波長を掃引して２つ以上のファイバブラッググレーティング２２の測定前反射スペクトルを確認する測定前反射スペクトル確認工程Ｓ６と、測定前反射スペクトルに対し、測定前反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である測定半値波長を確認する測定半値波長確認工程Ｓ７と、ファイバブラッググレーティング２２の測定半値波長のレーザ光（測定入射光）を入射する測定入射工程Ｓ８と、被監視物６０上に超音波を励起し、測定入射光に対する反射光強度の時間変化データである測定超音波データを取得する測定超音波データ取得工程Ｓ９とを備える。超音波測定工程Ｓ３０において、被監視物６０稼働時の超音波データを記録収集する。測定入射工程Ｓ８及び測定超音波データ取得工程Ｓ９は、全てのファイバブラッググレーティング２２の超音波データを取得するまで繰り返し、測定を行う。図１の場合は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの超音波データを取得するまで、測定入射工程Ｓ８及び測定超音波データ取得工程Ｓ９の工程を繰り返す。
［測定前反射スペクトル確認工程］
測定前反射スペクトル確認工程Ｓ６では、被監視物６０の稼働時に、入射レーザ光源１の入射光の波長を変えて、ファイバブラッググレーティング２２の反射スペクトル（測定前反射スペクトル）を取得する。図１の場合は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの反射スペクトルを取得する。
測定前反射スペクトル確認工程Ｓ６では、被監視物６０の稼働時に、入射レーザ光源１の入射光の波長を変えて、ファイバブラッググレーティング２２の反射スペクトル（測定前反射スペクトル）を取得する。図１の場合は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの反射スペクトルを取得する。
［測定半値波長確認工程］
測定半値波長確認工程Ｓ７では、測定前反射スペクトル確認工程Ｓ６で得られたファイバブラッググレーティング２２の反射スペクトルから半値波長（測定半値波長）を取得する。図１の場合、各半値波長は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの反射スペクトルからそれぞれ取得する。
測定半値波長確認工程Ｓ７では、測定前反射スペクトル確認工程Ｓ６で得られたファイバブラッググレーティング２２の反射スペクトルから半値波長（測定半値波長）を取得する。図１の場合、各半値波長は、ファイバブラッググレーティング２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの反射スペクトルからそれぞれ取得する。
［測定入射工程］
測定入射工程Ｓ８では、ファイバブラッググレーティング２２の反射スペクトルの半値波長に調整したレーザ光（半値波長光）を入射レーザ光源１から入射する。半値波長光は、測定超音波データ取得工程Ｓ９が完了するまで、入射し続ける。ファイバブラッググレーティング２２の半値波長は測定半値波長確認工程Ｓ７で取得したものとなる。
測定入射工程Ｓ８では、ファイバブラッググレーティング２２の反射スペクトルの半値波長に調整したレーザ光（半値波長光）を入射レーザ光源１から入射する。半値波長光は、測定超音波データ取得工程Ｓ９が完了するまで、入射し続ける。ファイバブラッググレーティング２２の半値波長は測定半値波長確認工程Ｓ７で取得したものとなる。
［測定超音波データ取得工程］
測定超音波データ取得工程Ｓ９は、超音波励起部３０を用い、被監視物６０上の任意の箇所で超音波を励起する。超音波を励起後、超音波を励起した時間を０秒とし、ファイバブラッググレーティング２２の反射光強度の時間変化を光検出器４を用いて電気信号に変換し、測定超音波データとして超音波データ処理部５０を用いて記録する。ここで取得される超音波データは、ファイバブラッググレーティング２２に対応する超音波伝達部２１で取得した超音波データとなる。図１を用いて説明すると、ファイバブラッググレーティング２２ａの半値波長のレーザ光を入射した場合は、超音波伝達部２１ａの超音波データとなる。超音波の励起箇所は、ファイバブラッググレーティング２２で超音波を測定できる限り限定されない。超音波を励起した励起点から超音波伝達部２１までの間の超音波伝播経路上に微細なき裂２５が存在すれば、超音波の波形は変化する。そのため、超音波の励起点の位置を変えて複数の超音波データを取得し、超音波伝達部２１の位置と励起点の位置との関係及び各励起点毎の超音波データを比較することで、より詳細に微細なき裂２５の位置を特定することができる。
測定超音波データ取得工程Ｓ９は、超音波励起部３０を用い、被監視物６０上の任意の箇所で超音波を励起する。超音波を励起後、超音波を励起した時間を０秒とし、ファイバブラッググレーティング２２の反射光強度の時間変化を光検出器４を用いて電気信号に変換し、測定超音波データとして超音波データ処理部５０を用いて記録する。ここで取得される超音波データは、ファイバブラッググレーティング２２に対応する超音波伝達部２１で取得した超音波データとなる。図１を用いて説明すると、ファイバブラッググレーティング２２ａの半値波長のレーザ光を入射した場合は、超音波伝達部２１ａの超音波データとなる。超音波の励起箇所は、ファイバブラッググレーティング２２で超音波を測定できる限り限定されない。超音波を励起した励起点から超音波伝達部２１までの間の超音波伝播経路上に微細なき裂２５が存在すれば、超音波の波形は変化する。そのため、超音波の励起点の位置を変えて複数の超音波データを取得し、超音波伝達部２１の位置と励起点の位置との関係及び各励起点毎の超音波データを比較することで、より詳細に微細なき裂２５の位置を特定することができる。
（損傷判定工程）
損傷判定工程Ｓ４０では初期状態確認工程Ｓ２０で取得した初期超音波データと超音波測定工程Ｓ３０で得た測定超音波データとを超音波データ処理部５０を用いて、損傷の判定をする。例えば、記録した超音波データ間の波形パターンを比較して、波形のピーク位置の時間差が一定の閾値を超えた場合又は波形のピーク強度が一定の閾値を下回った場合、損傷（微細なき裂２５）が発生したと判定することができる。超音波データ処理部５０は、例えば、特定の時間ごとに測定した超音波データ間の比較から、微細なき裂２５が発生時期を特定できる。同様に、例えば、測定時期が同じである超音波伝達部２１の超音波データ間の比較から微細なき裂２５の発生個所を特定できる。
損傷判定工程Ｓ４０では初期状態確認工程Ｓ２０で取得した初期超音波データと超音波測定工程Ｓ３０で得た測定超音波データとを超音波データ処理部５０を用いて、損傷の判定をする。例えば、記録した超音波データ間の波形パターンを比較して、波形のピーク位置の時間差が一定の閾値を超えた場合又は波形のピーク強度が一定の閾値を下回った場合、損傷（微細なき裂２５）が発生したと判定することができる。超音波データ処理部５０は、例えば、特定の時間ごとに測定した超音波データ間の比較から、微細なき裂２５が発生時期を特定できる。同様に、例えば、測定時期が同じである超音波伝達部２１の超音波データ間の比較から微細なき裂２５の発生個所を特定できる。
光ファイバセンシングシステム１００を用いて測定した、微細なき裂２５の発生前後の超音波データを図３に示す。図３において、縦軸はファイバブラッググレーティング２２からの反射光強度（超音波の振幅）を示し、横軸は、超音波励起部３０で超音波を励起した時点（０秒）からの時間を示す。図３の実線は、微細なき裂２５を発生させる前の被監視物６０の超音波データを示す。図３の破線は、被監視物６０に引張荷重を印加し、微細なき裂を発生させた後の超音波データを示す。図３に示すように、微細なき裂２５が発生することで、超音波ピークの強度（振幅）は低下し、また超音波ピークの時間も遅れるようになる。損傷が大きくなるほど、超音波ピークの強度は低下し、また、超音波ピークの時間がより遅れるようになる。そのため、各ファイバブラッググレーティング２２の超音波データを分析することで、損傷個所と損傷度合いを特定することができる。
以上の例では、閾値で損傷の有無を判定する方法を説明したが、異なる損傷状態とその超音波データの変化のデータを収集して、数値解析を行う事で、損傷状態を定量化することができる。被監視物６０の損傷の大きさや数から計算した損傷密度、超音波のピーク振幅及びピーク時間（超音波到達時間）との関係の一例を図４に示す。図４において、横軸は、損傷密度を示し、左の縦軸は、損傷発生前の超音波到達時間を０秒とした場合の到達時間差を示し、右の縦軸は超音波のピークの振幅（強度）を示す。実線は、超音波ピークの位置（超音波到達時間）を示し、破線は、超音波ピークの振幅を示す。この例でいえば、到達時間差が１μｓより大きい場合又は振幅値が０．２２よりも小さい場合、損傷が注意するレベルにあると判定する。図４のように、被監視物６０と同じ材質の試料における損傷密度と超音波ピークの関係を調査しておくことで、損傷状態を定量的に判定することができる。また、外部環境のノイズの影響などで、超音波の波形が変化する場合は、複数の波形の特徴量を機械学習で分析することで、損傷状態を判定することができる。
また、以上の例では、２００℃〜８００℃の高温環境下での光ファイバセンシングシステム１００を用いた損傷監視方法を説明したが、光ファイバセンシングシステム１００は、２００℃〜８００℃の高温環境下だけでなく、−５０〜２００℃の環境化でも使用することができる。−５０℃〜２００℃の温度範囲で使用した場合、本開示の損傷監視方法は、圧電素子を用いた場合と比較して、高密度にセンサを設置しても被監視物６０に負担をかけずに測定することができるという利点がある。圧電素子は電子デバイスで、そのシステムを構造物に実装するにあたって、電源供給や情報交換用の配線は問題となってくる。また、構造物に設置された圧電素子は、大きなたわみなどを受けるとすぐに割れてしまうという耐久性上の問題も抱えている。一方、本開示の光ファイバセンシングシステム１００の場合には、複数のファイバブラッググレーティング２２を備えた超音波検出用光ファイバ２３と超音波伝達部２１のみを被監視物６０に配置し、光ファイバセンシングシステム１００を構成する他のハードウェアを遠隔して設置する。そうすることで、高密度でセンサを配置しても、被監視物６０に余計な負担をほとんどかけないようにすることができる。加えて、超音波計測時の温度を把握すれば、損傷検知の精度をさらに向上することができる。また、光ファイバセンシングシステム１００は、８００℃超の温度域でも超音波を測定することができる。この場合は、超音波検出用光ファイバ２３にはサファイアファイバを用いることができる。
〔実施形態２〕
次に、第２の実施形態に係る光ファイバセンシングシステム１１０を図５を用いて説明する。なお、この第２実施形態においては、上述の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
次に、第２の実施形態に係る光ファイバセンシングシステム１１０を図５を用いて説明する。なお、この第２実施形態においては、上述の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
＜光ファイバセンシングシステム＞
本実施形態に係る光ファイバセンシングシステム１１０は、図５に示すように、超音波励起部３０、超音波計測部４０ａ、及び超音波データ処理部５０を備える。超音波計測部４０ａは、入射レーザ光源１、分光用サーキュレータ２、超音波検出センサ３ａ、光検出器４、第１の光ファイバ５、及び第２の光ファイバ６を備える。第１実施形態とは、超音波検出センサ３ａを備える点で第１実施形態と異なる。
本実施形態に係る光ファイバセンシングシステム１１０は、図５に示すように、超音波励起部３０、超音波計測部４０ａ、及び超音波データ処理部５０を備える。超音波計測部４０ａは、入射レーザ光源１、分光用サーキュレータ２、超音波検出センサ３ａ、光検出器４、第１の光ファイバ５、及び第２の光ファイバ６を備える。第１実施形態とは、超音波検出センサ３ａを備える点で第１実施形態と異なる。
［超音波検出センサ］
超音波検出センサ３ａは、超音波伝達部２１及び超音波検出用光ファイバ２３ａを備える。超音波検出センサ３ａは、分光用サーキュレータ２と接続される。超音波検出センサ３ａは、入射レーザ光源１から入射してきたレーザ光（レーザ光）に対し、被監視物６０を伝達してきた超音波に応じて変化した反射光を分光用サーキュレータ２に戻す。
超音波検出センサ３ａは、超音波伝達部２１及び超音波検出用光ファイバ２３ａを備える。超音波検出センサ３ａは、分光用サーキュレータ２と接続される。超音波検出センサ３ａは、入射レーザ光源１から入射してきたレーザ光（レーザ光）に対し、被監視物６０を伝達してきた超音波に応じて変化した反射光を分光用サーキュレータ２に戻す。
超音波検出用光ファイバ２３ａは、ファイバブラッググレーティング３２を備える。ファイバブラッググレーティング３２は、高温域でも消失しない再生ファイバブラッググレーティング、又は再生位相シフトファイバブラッググレーティングである。再生ファイバブラッググレーティングとは、ファイバブラッググレーティングに９００℃以上の高温でアニーリング処理を行う事で、一度消失したファイバブラッググレーティングを再生させたファイバブラッググレーティングをいう。この再生ファイバブラッググレーティングは、１０００℃まで加熱しても、ファイバブラッググレーティングを消失しないため、高温環境下に置くことができる。再生位相シフトファイバブラッググレーティングは、位相シフトファイバブラッググレーティングに対し、９００℃以上の高温でアニーリング処理を行い、ファイバブラッググレーティングを再生したファイバブラッググレーティングであり、再生ファイバブラッググレーティングと同様に、１０００℃まで加熱しても、ファイバブラッググレーティングを消失しない。そのため、再生ファイバブラッググレーティング又は再生位相シフトファイバブラッググレーティングを用いることで、２００℃〜８００℃の高温域でも超音波測定や温度計測が可能となる。
超音波伝達部２１はファイバブラッググレーティング３２と接触しないように設けられている。また、ファイバブラッググレーティング３２が超音波伝達部２１と接触していないため、被監視物６０の歪の影響を受けずに超音波測定をすることができる。また、ファイバブラッググレーティング３２が耐熱性を有する再生ファイバブラッググレーティング又は再生位相シフトファイバブラッググレーティングであるため、各ファイバブラッググレーティング３２の反射波長のシフトから温度も同時に測定することができる。
超音波検出センサ３ａは、２つ以上のファイバブラッググレーティング３２を備えるため、微細なき裂の位置を判別することができる。具体的な微細なき裂の位置の判定方法について図５を例にして説明する。超音波励起部３０で励起された超音波は、ファイバブラッググレーティング３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、及び３２ｄで検知される。図５のように微細なき裂２５が超音波伝達部２１ｃと超音波伝達部２１ｄとの間にある場合、ファイバブラッググレーティング３２ｄで検出される超音波データは微細なき裂２５の影響で反射散乱されるため、ファイバブラッググレーティング３２ａ、３２ｂ、３２ｃの超音波データと異なることになる。そのため、超音波データの比較から微細なき裂が超音波伝達部２１ｃと超音波伝達部２１ｄとの間にあることを判定することができる。ファイバブラッググレーティング３２において、各ファイバブラッググレーティング３２は、それぞれの反射波長が異なるように設計する。
温度変化によって、被監視物６０の弾性係数が変化するため、被監視物６０を伝達する超音波は、温度の影響を受ける。ファイバブラッググレーティング３２の反射スペクトルの波長シフトから得たファイバブラッググレーティング３２の温度を用い、補正をすることで、超音波への温度の影響を除去することができる。そのため、上記の損傷箇所の特定をより精密に行う事が出来る。
＜損傷監視方法＞
光ファイバセンシングシステム１１０を用いた損傷監視方法Ｓ１１０について、図６を用いて説明する。ここでは、２００℃〜８００℃の高温環境下における損傷監視方法の一例を説明する。Ｓ１１０は、初期の超音波データを取得する初期状態確認工程Ｓ２０ａと、測定超音波データを取得する超音波測定工程Ｓ３０ａと、初期超音波データと測定超音波データとを比較して、損傷の有無を判定する損傷判定工程Ｓ４０ａとを備える。
光ファイバセンシングシステム１１０を用いた損傷監視方法Ｓ１１０について、図６を用いて説明する。ここでは、２００℃〜８００℃の高温環境下における損傷監視方法の一例を説明する。Ｓ１１０は、初期の超音波データを取得する初期状態確認工程Ｓ２０ａと、測定超音波データを取得する超音波測定工程Ｓ３０ａと、初期超音波データと測定超音波データとを比較して、損傷の有無を判定する損傷判定工程Ｓ４０ａとを備える。
（初期状態確認工程）
初期状態確認工程Ｓ２０ａは、被監視物６０に２つ以上の超音波伝達部２１を設置する設置工程Ｓ１ａ、レーザ光（入射光）の波長を掃引して２つ以上のファイバブラッググレーティング３２の初期反射スペクトルを確認する初期反射スペクトル確認工程Ｓ２ａと、初期反射スペクトルに対し、初期反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である初期半値波長を確認する初期半値波長確認工程Ｓ３ａと、２つ以上のファイバブラッググレーティング３２の初期半値波長のレーザ光（初期入射光）を入射する初期入射工程Ｓ４ａと、被監視物６０上に超音波を励起し、１つ以上の初期入射光に対する反射光強度の時間変化データである初期超音波データを取得する初期超音波データ取得工程Ｓ５ａとを備える。初期状態確認工程Ｓ２０ａにおいて、設備稼働前の微細なき裂が発生する前の装置の超音波データを記録収集する。初期入射工程Ｓ４ａ及び初期超音波データ取得工程Ｓ５ａは、全てのファイバブラッググレーティング３２の超音波データを取得するまで繰り返し、測定を行う。図５の場合は、ファイバブラッググレーティング３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの超音波データを取得するまで、初期入射工程Ｓ４ａ及び初期超音波データ取得工程Ｓ５ａの工程を繰り返す。
初期状態確認工程Ｓ２０ａは、被監視物６０に２つ以上の超音波伝達部２１を設置する設置工程Ｓ１ａ、レーザ光（入射光）の波長を掃引して２つ以上のファイバブラッググレーティング３２の初期反射スペクトルを確認する初期反射スペクトル確認工程Ｓ２ａと、初期反射スペクトルに対し、初期反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である初期半値波長を確認する初期半値波長確認工程Ｓ３ａと、２つ以上のファイバブラッググレーティング３２の初期半値波長のレーザ光（初期入射光）を入射する初期入射工程Ｓ４ａと、被監視物６０上に超音波を励起し、１つ以上の初期入射光に対する反射光強度の時間変化データである初期超音波データを取得する初期超音波データ取得工程Ｓ５ａとを備える。初期状態確認工程Ｓ２０ａにおいて、設備稼働前の微細なき裂が発生する前の装置の超音波データを記録収集する。初期入射工程Ｓ４ａ及び初期超音波データ取得工程Ｓ５ａは、全てのファイバブラッググレーティング３２の超音波データを取得するまで繰り返し、測定を行う。図５の場合は、ファイバブラッググレーティング３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの超音波データを取得するまで、初期入射工程Ｓ４ａ及び初期超音波データ取得工程Ｓ５ａの工程を繰り返す。
［設置工程］
設置工程Ｓ１ａは、超音波伝達部２１及び超音波検出用光ファイバ２３ａを被監視物６０に設置する。超音波検出用光ファイバ２３ａ中のファイバブラッググレーティング３２の数は、被監視物６０の大きさ等に応じて適宜調整することができる。超音波伝達部２１は、超音波検出用光ファイバ２３ａ中のファイバブラッググレーティング３２の数に応じて設置する。ファイバブラッググレーティング３２は、超音波伝達部２１と接触しないように設置するが、被監視物６０の温度を測定するため、１ｍｍ〜１ｍ以内に設置する。また、超音波検出用光ファイバ２３ａは、超音波伝達部２１を介して被監視物６０に設置され、被監視物６０とは直接接触していない。
設置工程Ｓ１ａは、超音波伝達部２１及び超音波検出用光ファイバ２３ａを被監視物６０に設置する。超音波検出用光ファイバ２３ａ中のファイバブラッググレーティング３２の数は、被監視物６０の大きさ等に応じて適宜調整することができる。超音波伝達部２１は、超音波検出用光ファイバ２３ａ中のファイバブラッググレーティング３２の数に応じて設置する。ファイバブラッググレーティング３２は、超音波伝達部２１と接触しないように設置するが、被監視物６０の温度を測定するため、１ｍｍ〜１ｍ以内に設置する。また、超音波検出用光ファイバ２３ａは、超音波伝達部２１を介して被監視物６０に設置され、被監視物６０とは直接接触していない。
［初期反射スペクトル確認工程］
初期反射スペクトル確認工程Ｓ２ａでは、被監視物６０の稼働前に、入射レーザ光源１の入射光の波長を変えて、ファイバブラッググレーティング３２の反射スペクトル（初期反射スペクトル）を取得する。図５の場合は、ファイバブラッググレーティング３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの反射スペクトルを取得する。また、温度計測で用いる反射スペクトルのピーク強度Ｉｍａｘの波長も取得する。
初期反射スペクトル確認工程Ｓ２ａでは、被監視物６０の稼働前に、入射レーザ光源１の入射光の波長を変えて、ファイバブラッググレーティング３２の反射スペクトル（初期反射スペクトル）を取得する。図５の場合は、ファイバブラッググレーティング３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの反射スペクトルを取得する。また、温度計測で用いる反射スペクトルのピーク強度Ｉｍａｘの波長も取得する。
［初期半値波長確認工程］
初期半値波長確認工程Ｓ３ａでは、初期反射スペクトル確認工程Ｓ２ａで得られたファイバブラッググレーティング３２の反射スペクトルから半値波長（初期半値波長）を取得する。半値波長は、反射スペクトルのピーク強度をＩｍａｘとしたときに、強度がＩｍａｘ／２となる波長で且つ、短波長側の波長とする。図５の場合、各半値波長は、ファイバブラッググレーティング３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの反射スペクトルからそれぞれ取得する。
初期半値波長確認工程Ｓ３ａでは、初期反射スペクトル確認工程Ｓ２ａで得られたファイバブラッググレーティング３２の反射スペクトルから半値波長（初期半値波長）を取得する。半値波長は、反射スペクトルのピーク強度をＩｍａｘとしたときに、強度がＩｍａｘ／２となる波長で且つ、短波長側の波長とする。図５の場合、各半値波長は、ファイバブラッググレーティング３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの反射スペクトルからそれぞれ取得する。
［初期入射工程］
初期入射工程Ｓ４ａでは、ファイバブラッググレーティング３２の反射スペクトルの半値波長に調整したレーザ光（半値波長光）を入射レーザ光源１から入射する。半値波長光は、初期超音波データ取得工程Ｓ５ａが完了するまで、入射し続ける。ファイバブラッググレーティング３２の半値波長は初期半値波長確認工程Ｓ３ａで取得したものとなる。
初期入射工程Ｓ４ａでは、ファイバブラッググレーティング３２の反射スペクトルの半値波長に調整したレーザ光（半値波長光）を入射レーザ光源１から入射する。半値波長光は、初期超音波データ取得工程Ｓ５ａが完了するまで、入射し続ける。ファイバブラッググレーティング３２の半値波長は初期半値波長確認工程Ｓ３ａで取得したものとなる。
［初期超音波データ取得工程］
初期超音波データ取得工程Ｓ５ａでは、超音波励起部３０を用い、被監視物６０上の任意の箇所で超音波を励起する。超音波を励起後、超音波を励起した時間を０秒とし、ファイバブラッググレーティング３２の反射光強度の時間変化を光検出器４を用いて電気信号に変換し、初期超音波データとして超音波データ処理部５０を用いて記録する。ここで取得される超音波データは、ファイバブラッググレーティング３２に対応する超音波伝達部２１で取得した超音波データとなる。図５を用いて説明すると、ファイバブラッググレーティング３２ａの半値波長のレーザ光を入射した場合は、超音波伝達部２１ａの超音波データとなる。超音波の励起箇所は、ファイバブラッググレーティング３２で超音波を測定できる限り限定されない。超音波を励起した励起点から超音波伝達部２１までの間の超音波伝播経路上に微細なき裂２５が存在すれば、超音波の波形は変化する。そのため、励起点を変えて測定した複数の初期超音波データを取得しておくことで、微細なき裂２５の位置を特定しやすくなる。
初期超音波データ取得工程Ｓ５ａでは、超音波励起部３０を用い、被監視物６０上の任意の箇所で超音波を励起する。超音波を励起後、超音波を励起した時間を０秒とし、ファイバブラッググレーティング３２の反射光強度の時間変化を光検出器４を用いて電気信号に変換し、初期超音波データとして超音波データ処理部５０を用いて記録する。ここで取得される超音波データは、ファイバブラッググレーティング３２に対応する超音波伝達部２１で取得した超音波データとなる。図５を用いて説明すると、ファイバブラッググレーティング３２ａの半値波長のレーザ光を入射した場合は、超音波伝達部２１ａの超音波データとなる。超音波の励起箇所は、ファイバブラッググレーティング３２で超音波を測定できる限り限定されない。超音波を励起した励起点から超音波伝達部２１までの間の超音波伝播経路上に微細なき裂２５が存在すれば、超音波の波形は変化する。そのため、励起点を変えて測定した複数の初期超音波データを取得しておくことで、微細なき裂２５の位置を特定しやすくなる。
（超音波測定工程）
超音波測定工程Ｓ３０ａは、レーザ光（入射光）の波長を掃引して２つ以上のファイバブラッググレーティング３２の測定前反射スペクトルを確認する測定前反射スペクトル確認工程Ｓ６ａと、測定前反射スペクトルのピーク波長と初期反射スペクトルのピーク波長との差からファイバブラッググレーティングの温度を計測する温度計測工程Ｓ１０と、測定前反射スペクトルに対し、測定前反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である測定半値波長を確認する測定半値波長確認工程Ｓ７ａ、ファイバブラッググレーティング３２の測定半値波長のレーザ光（測定入射光）を入射する測定入射工程Ｓ８ａと、被監視物６０上に超音波を励起し、測定入射光に対する反射光強度の時間変化データである測定超音波データを取得する測定超音波データ取得工程Ｓ９ａとを備える。超音波測定工程Ｓ３０ａにおいて、被監視物６０稼働時の超音波データを記録収集する。測定入射工程Ｓ８ａ及び測定超音波データ取得工程Ｓ９ａは、全てのファイバブラッググレーティング２２の超音波データを取得するまで繰り返し、測定を行う。図５の場合は、ファイバブラッググレーティング３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの超音波データを取得するまで、測定入射工程Ｓ８ａ及び測定超音波データ取得工程Ｓ９ａの工程を繰り返す。
超音波測定工程Ｓ３０ａは、レーザ光（入射光）の波長を掃引して２つ以上のファイバブラッググレーティング３２の測定前反射スペクトルを確認する測定前反射スペクトル確認工程Ｓ６ａと、測定前反射スペクトルのピーク波長と初期反射スペクトルのピーク波長との差からファイバブラッググレーティングの温度を計測する温度計測工程Ｓ１０と、測定前反射スペクトルに対し、測定前反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である測定半値波長を確認する測定半値波長確認工程Ｓ７ａ、ファイバブラッググレーティング３２の測定半値波長のレーザ光（測定入射光）を入射する測定入射工程Ｓ８ａと、被監視物６０上に超音波を励起し、測定入射光に対する反射光強度の時間変化データである測定超音波データを取得する測定超音波データ取得工程Ｓ９ａとを備える。超音波測定工程Ｓ３０ａにおいて、被監視物６０稼働時の超音波データを記録収集する。測定入射工程Ｓ８ａ及び測定超音波データ取得工程Ｓ９ａは、全てのファイバブラッググレーティング２２の超音波データを取得するまで繰り返し、測定を行う。図５の場合は、ファイバブラッググレーティング３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの超音波データを取得するまで、測定入射工程Ｓ８ａ及び測定超音波データ取得工程Ｓ９ａの工程を繰り返す。
［測定前反射スペクトル確認工程］
測定前反射スペクトル確認工程Ｓ６ａでは、被監視物６０の稼働時に、入射レーザ光源１の入射光の波長を変えて、ファイバブラッググレーティング３２の反射スペクトル（測定前反射スペクトル）を取得する。図５の場合は、ファイバブラッググレーティング３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの反射スペクトルを取得する。
測定前反射スペクトル確認工程Ｓ６ａでは、被監視物６０の稼働時に、入射レーザ光源１の入射光の波長を変えて、ファイバブラッググレーティング３２の反射スペクトル（測定前反射スペクトル）を取得する。図５の場合は、ファイバブラッググレーティング３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの反射スペクトルを取得する。
［温度計測工程］
温度計測工程１０では、測定前反射スペクトルのピーク強度の波長と初期反射スペクトルのピーク強度の波長との差からファイバブラッググレーティング３２の温度を計測する。具体的には、下記式（１）から、温度を算出する。
温度計測工程１０では、測定前反射スペクトルのピーク強度の波長と初期反射スペクトルのピーク強度の波長との差からファイバブラッググレーティング３２の温度を計測する。具体的には、下記式（１）から、温度を算出する。
ここで、ΔλＢはピーク波長のシフト量、Λは、屈折率変調の周期、ｎは光ファイバの有効屈折率、Ｔは温度、ΔＴは温度の変化量を意味する。
［測定半値波長確認工程］
測定半値波長確認工程Ｓ７ａでは、測定前反射スペクトル確認工程Ｓ６ａで得られたファイバブラッググレーティング３２の反射スペクトルから半値波長（測定半値波長）を取得する。図５の場合、各半値波長は、ファイバブラッググレーティング３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの反射スペクトルからそれぞれ取得する。
測定半値波長確認工程Ｓ７ａでは、測定前反射スペクトル確認工程Ｓ６ａで得られたファイバブラッググレーティング３２の反射スペクトルから半値波長（測定半値波長）を取得する。図５の場合、各半値波長は、ファイバブラッググレーティング３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの反射スペクトルからそれぞれ取得する。
［測定入射工程］
測定入射工程Ｓ８ａでは、ファイバブラッググレーティング３２の反射スペクトルの半値波長に調整したレーザ光（半値波長光）を入射レーザ光源１から入射する。半値波長光は、測定超音波データ取得工程Ｓ９ａが完了するまで、入射し続ける。ファイバブラッググレーティング３２の半値波長は測定半値波長確認工程Ｓ７ａで取得したものとなる。
測定入射工程Ｓ８ａでは、ファイバブラッググレーティング３２の反射スペクトルの半値波長に調整したレーザ光（半値波長光）を入射レーザ光源１から入射する。半値波長光は、測定超音波データ取得工程Ｓ９ａが完了するまで、入射し続ける。ファイバブラッググレーティング３２の半値波長は測定半値波長確認工程Ｓ７ａで取得したものとなる。
［測定超音波データ取得工程］
測定超音波データ取得工程Ｓ９ａは、超音波励起部３０を用い、被監視物６０上の任意の箇所で超音波を励起する。超音波を励起後、超音波を励起した時間を０秒とし、ファイバブラッググレーティング３２の反射光強度の時間変化を光検出器４を用いて電気信号に変換し、測定超音波データとして超音波データ処理部５０を用いて記録する。ここで取得される超音波データは、ファイバブラッググレーティング３２に対応する超音波伝達部２１で取得した超音波データとなる。図５を用いて説明すると、ファイバブラッググレーティング３２ａの半値波長のレーザ光を入射した場合は、超音波伝達部２１ａの超音波データとなる。超音波の励起箇所は、ファイバブラッググレーティング３２で超音波を測定できる限り限定されない。超音波を励起した励起点から超音波伝達部２１までの間の超音波伝播経路上に微細なき裂２５が存在すれば、超音波の波形は変化する。そのため、超音波の励起点の位置を変えて複数の超音波データを取得し、超音波伝達部２１の位置と励起点の位置との関係及び各励起点毎の超音波データを比較することで、より詳細に微細なき裂２５の位置を特定することができる。
測定超音波データ取得工程Ｓ９ａは、超音波励起部３０を用い、被監視物６０上の任意の箇所で超音波を励起する。超音波を励起後、超音波を励起した時間を０秒とし、ファイバブラッググレーティング３２の反射光強度の時間変化を光検出器４を用いて電気信号に変換し、測定超音波データとして超音波データ処理部５０を用いて記録する。ここで取得される超音波データは、ファイバブラッググレーティング３２に対応する超音波伝達部２１で取得した超音波データとなる。図５を用いて説明すると、ファイバブラッググレーティング３２ａの半値波長のレーザ光を入射した場合は、超音波伝達部２１ａの超音波データとなる。超音波の励起箇所は、ファイバブラッググレーティング３２で超音波を測定できる限り限定されない。超音波を励起した励起点から超音波伝達部２１までの間の超音波伝播経路上に微細なき裂２５が存在すれば、超音波の波形は変化する。そのため、超音波の励起点の位置を変えて複数の超音波データを取得し、超音波伝達部２１の位置と励起点の位置との関係及び各励起点毎の超音波データを比較することで、より詳細に微細なき裂２５の位置を特定することができる。
（損傷判定工程）
損傷判定工程Ｓ４０ａでは初期状態確認工程Ｓ２０で取得した初期超音波データと超音波測定工程Ｓ３０で得た測定超音波データと温度計測工程Ｓ１０で測定した温度とを超音波データ処理部５０を用いて、損傷の判定をする。例えば、Ｓ３０で得た測定超音波データを温度計測工程Ｓ１０で得た温度に基づいて補正し、補正後の測定超音波データと初期超音波データとを比較して、波形のピーク位置の時間差が一定の閾値を超えた場合又は、波形のピーク強度が一定の閾値を下回った場合、損傷（微細なき裂２５）が発生したと判定する。超音波データの補正は、事前に被監視物６０と同じ材質の試料の温度と超音波データとの関係を分析し、その分析結果を基に行う。超音波データ処理部５０は、例えば、特定の時間ごとに測定した超音波データ間の比較から、微細なき裂２５が発生時期を特定できる。同様に、例えば、測定時期が同じである超音波伝達部２１の超音波データ間の比較から微細なき裂２５の発生個所を特定できる。
損傷判定工程Ｓ４０ａでは初期状態確認工程Ｓ２０で取得した初期超音波データと超音波測定工程Ｓ３０で得た測定超音波データと温度計測工程Ｓ１０で測定した温度とを超音波データ処理部５０を用いて、損傷の判定をする。例えば、Ｓ３０で得た測定超音波データを温度計測工程Ｓ１０で得た温度に基づいて補正し、補正後の測定超音波データと初期超音波データとを比較して、波形のピーク位置の時間差が一定の閾値を超えた場合又は、波形のピーク強度が一定の閾値を下回った場合、損傷（微細なき裂２５）が発生したと判定する。超音波データの補正は、事前に被監視物６０と同じ材質の試料の温度と超音波データとの関係を分析し、その分析結果を基に行う。超音波データ処理部５０は、例えば、特定の時間ごとに測定した超音波データ間の比較から、微細なき裂２５が発生時期を特定できる。同様に、例えば、測定時期が同じである超音波伝達部２１の超音波データ間の比較から微細なき裂２５の発生個所を特定できる。
以上の例では、２００℃〜８００℃の高温環境下での光ファイバセンシングシステム１１０を用いた損傷監視方法を説明したが、光ファイバセンシングシステム１１０は、２００℃〜８００℃の高温環境下だけでなく、−５０〜２００℃の環境化でも使用することができる。−５０℃〜２００℃の温度範囲で使用した場合、本開示の損傷監視方法は、圧電素子を用いた場合と比較して、高密度にセンサを設置しても被監視物６０に負担をかけずに測定することができるという利点がある。圧電素子は電子デバイスで、そのシステムを構造物に実装するにあたって、電源供給や情報交換用の配線は問題となってくる。また、構造物に設置された圧電素子は、大きなたわみなどを受けるとすぐに割れてしまうという耐久性上の問題も抱えている。一方、本開示の光ファイバセンシングシステム１１０の場合には、複数のファイバブラッググレーティング３２を備えた超音波検出用光ファイバ２３ａと超音波伝達部２１のみを被監視物６０に配置し、光ファイバセンシングシステム１１０を構成する他のハードウェアを遠隔して設置する。そうすることで、高密度でセンサを配置しても、被監視物６０に余計な負担をほとんどかけないようにすることができる。それに加え、超音波計測時の温度を把握すれば、損傷検知の精度をさらに向上することができる。また、光ファイバセンシングシステム１１０は、８００℃超の温度域でも超音波を測定することができる。この場合は、超音波検出用光ファイバ２３ａにはサファイアファイバを用いることができる。
〔実施形態３〕
次に、第３の実施形態に係る光ファイバセンシングシステム１２０を図７を用いて説明する。なお、この第３実施形態においては、上述の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
〔実施形態３〕
次に、第３の実施形態に係る光ファイバセンシングシステム１２０を図７を用いて説明する。なお、この第３実施形態においては、上述の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
＜光ファイバセンシングシステム＞
本実施形態に係る光ファイバセンシングシステム１２０は、図７に示すように、超音波励起部３０、超音波計測部４０ｂ、及び超音波データ処理部５０ａを備える。超音波計測部４０ｂは、入射レーザ光源１、分光用サーキュレータ２、超音波検出センサ３ｂ、光検出器４、第１の光ファイバ５、及び第２の光ファイバ６を備える。第１実施形態とは、超音波検出センサ３ｂを備える点で第１実施形態及び第２実施形態と異なる。
本実施形態に係る光ファイバセンシングシステム１２０は、図７に示すように、超音波励起部３０、超音波計測部４０ｂ、及び超音波データ処理部５０ａを備える。超音波計測部４０ｂは、入射レーザ光源１、分光用サーキュレータ２、超音波検出センサ３ｂ、光検出器４、第１の光ファイバ５、及び第２の光ファイバ６を備える。第１実施形態とは、超音波検出センサ３ｂを備える点で第１実施形態及び第２実施形態と異なる。
［超音波検出センサ］
超音波検出センサ３ｂは、超音波伝達部２１ａ及び超音波検出用光ファイバ２３ｂを備える。超音波検出用光ファイバ２３ｂは、ファイバブラッググレーティング４２ａを備える。超音波検出センサ３ｂは、分光用サーキュレータ２と接続される。超音波検出センサ３ｂは、入射レーザ光源１から入射してきたレーザ光（レーザ光）に対し、被監視物６０を伝達してきた超音波に応じて変化した反射光を分光用サーキュレータ２に戻す。
超音波検出センサ３ｂは、超音波伝達部２１ａ及び超音波検出用光ファイバ２３ｂを備える。超音波検出用光ファイバ２３ｂは、ファイバブラッググレーティング４２ａを備える。超音波検出センサ３ｂは、分光用サーキュレータ２と接続される。超音波検出センサ３ｂは、入射レーザ光源１から入射してきたレーザ光（レーザ光）に対し、被監視物６０を伝達してきた超音波に応じて変化した反射光を分光用サーキュレータ２に戻す。
［超音波データ処理部]
超音波データ処理部５０ａは、複数個所で励起した超音波を電気信号に変換した反射光強度の時間変化（超音波データ）を記録して損傷個所を画像化する。損傷個所の画像化に際し、超音波励起部３０を用い、被監視物６０上の超音波励起箇所を変えながら複数回超音波を励起する。各超音波励起毎に、超音波を励起した時間を０秒とし、ファイバブラッググレーティング４２ａの反射光強度の時間変化を光検出器４を用いて電気信号に変換し、超音波データとして超音波データ処理部５０ａを用いて記録する。得られた超音波データを基に、超音波データ処理部５０ａは、超音波を励起した各超音波励起点毎に反射光強度で輝度変調してプロットし、画像化する。
超音波データ処理部５０ａは、複数個所で励起した超音波を電気信号に変換した反射光強度の時間変化（超音波データ）を記録して損傷個所を画像化する。損傷個所の画像化に際し、超音波励起部３０を用い、被監視物６０上の超音波励起箇所を変えながら複数回超音波を励起する。各超音波励起毎に、超音波を励起した時間を０秒とし、ファイバブラッググレーティング４２ａの反射光強度の時間変化を光検出器４を用いて電気信号に変換し、超音波データとして超音波データ処理部５０ａを用いて記録する。得られた超音波データを基に、超音波データ処理部５０ａは、超音波を励起した各超音波励起点毎に反射光強度で輝度変調してプロットし、画像化する。
＜損傷箇所画像化方法＞
光ファイバセンシングシステム１２０を用いた損傷箇所画像化方法Ｓ１２０について、図８を用いて説明する。損傷箇所画像化方法Ｓ１２０は、被監視物６０に超音波伝達部２１ａを設置する設置工程Ｓ１ｂ、レーザ光（入射光）の波長を掃引してファイバブラッググレーティング４２ａの反射スペクトルを確認する反射スペクトル確認工程Ｓ２ｂと、取得した反射スペクトルに対し、反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である半値波長を確認する半値波長確認工程Ｓ３ｂと、ファイバブラッググレーティング４２ａの半値波長のレーザ光（入射光）を入射する入射工程Ｓ４ｂと、超音波励起部３０を用い超音波を励起する位置を変えながら複数回超音波を励起し、励起された超音波による反射光強度の時間変化である超音波データを各超音波励起毎に取得する連続超音波データ取得工程Ｓ１１と、取得した超音波データと超音波励起箇所の位置情報とから画像化する画像化工程Ｓ１２と、を備える。
光ファイバセンシングシステム１２０を用いた損傷箇所画像化方法Ｓ１２０について、図８を用いて説明する。損傷箇所画像化方法Ｓ１２０は、被監視物６０に超音波伝達部２１ａを設置する設置工程Ｓ１ｂ、レーザ光（入射光）の波長を掃引してファイバブラッググレーティング４２ａの反射スペクトルを確認する反射スペクトル確認工程Ｓ２ｂと、取得した反射スペクトルに対し、反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である半値波長を確認する半値波長確認工程Ｓ３ｂと、ファイバブラッググレーティング４２ａの半値波長のレーザ光（入射光）を入射する入射工程Ｓ４ｂと、超音波励起部３０を用い超音波を励起する位置を変えながら複数回超音波を励起し、励起された超音波による反射光強度の時間変化である超音波データを各超音波励起毎に取得する連続超音波データ取得工程Ｓ１１と、取得した超音波データと超音波励起箇所の位置情報とから画像化する画像化工程Ｓ１２と、を備える。
［設置工程］
設置工程Ｓ１ｂは、超音波伝達部２１ａ及び超音波検出用光ファイバ２３ｂを被監視物６０に設置する。超音波伝達部２１ａとファイバブラッググレーティング４２ａの設置個所は、適宜調整することができる。
設置工程Ｓ１ｂは、超音波伝達部２１ａ及び超音波検出用光ファイバ２３ｂを被監視物６０に設置する。超音波伝達部２１ａとファイバブラッググレーティング４２ａの設置個所は、適宜調整することができる。
［反射スペクトル確認工程］
反射スペクトル確認工程Ｓ２ｂでは、入射レーザ光源１から照射される入射光の波長を変えて、ファイバブラッググレーティング４２ａの反射スペクトルを取得する。
反射スペクトル確認工程Ｓ２ｂでは、入射レーザ光源１から照射される入射光の波長を変えて、ファイバブラッググレーティング４２ａの反射スペクトルを取得する。
［半値波長確認工程］
半値波長確認工程Ｓ３ｂでは、反射スペクトル確認工程Ｓ２ｂで得られたファイバブラッググレーティング４２ａの反射スペクトルから半値波長を取得する。
半値波長確認工程Ｓ３ｂでは、反射スペクトル確認工程Ｓ２ｂで得られたファイバブラッググレーティング４２ａの反射スペクトルから半値波長を取得する。
［入射工程］
入射工程Ｓ４ｂでは、ファイバブラッググレーティング４２ａの反射スペクトルの半値波長に調整したレーザ光（半値波長光）を入射レーザ光源１から入射する。半値波長光は、連続超音波データ取得工程Ｓ１１が完了するまで、入射し続ける。ファイバブラッググレーティング４２ａの半値波長は初期半値波長確認工程Ｓ３ａで取得したものとなる。
入射工程Ｓ４ｂでは、ファイバブラッググレーティング４２ａの反射スペクトルの半値波長に調整したレーザ光（半値波長光）を入射レーザ光源１から入射する。半値波長光は、連続超音波データ取得工程Ｓ１１が完了するまで、入射し続ける。ファイバブラッググレーティング４２ａの半値波長は初期半値波長確認工程Ｓ３ａで取得したものとなる。
［連続超音波データ取得工程］
連続超音波データ取得工程Ｓ１１では、超音波励起部３０を用い、被監視物６０上の超音波励起箇所を変えながら連続して超音波を励起する。各超音波励起毎に、超音波を励起した時間を０秒とし、ファイバブラッググレーティング４２ａの反射光強度の時間変化を光検出器４を用いて電気信号に変換し、超音波データとして超音波データ処理部５０ａを用いて記録する。また、同時に、超音波励起箇所の座標データも超音波データ処理部５０ａを用いて記録する。超音波の励起箇所は、例えば、超音波伝達部２１ａを中心として縦横１００点、合計１００００点程度の格子状とすることができる。
連続超音波データ取得工程Ｓ１１では、超音波励起部３０を用い、被監視物６０上の超音波励起箇所を変えながら連続して超音波を励起する。各超音波励起毎に、超音波を励起した時間を０秒とし、ファイバブラッググレーティング４２ａの反射光強度の時間変化を光検出器４を用いて電気信号に変換し、超音波データとして超音波データ処理部５０ａを用いて記録する。また、同時に、超音波励起箇所の座標データも超音波データ処理部５０ａを用いて記録する。超音波の励起箇所は、例えば、超音波伝達部２１ａを中心として縦横１００点、合計１００００点程度の格子状とすることができる。
［画像化工程］
画像化工程Ｓ１２では、超音波を励起した各超音波励起点毎に反射光強度で輝度変調してプロットし、画像化する。超音波伝達部２１ａを画像化の中心位置とし、計測時刻順で連続描画することで、超音波が発信したような画像を取得することができる。画像化することで、図９のように損傷箇所（破線で囲まれた領域）を可視化することができる。
画像化工程Ｓ１２では、超音波を励起した各超音波励起点毎に反射光強度で輝度変調してプロットし、画像化する。超音波伝達部２１ａを画像化の中心位置とし、計測時刻順で連続描画することで、超音波が発信したような画像を取得することができる。画像化することで、図９のように損傷箇所（破線で囲まれた領域）を可視化することができる。
以上の実施形態では、超音波伝達部２１ａとファイバブラッググレーティング４２ａが一つの場合で損傷箇所の画像化方法を説明したが、超音波伝達部２１ａとファイバブラッググレーティング４２ａは複数存在していてもよい。その場合、画像化の中心位置となる超音波伝達部に最も近いファイバブラッググレーティングの半値波長の入射光を入射し、画像化の中心となる超音波伝達部の周囲で超音波を励起して、複数の超音波データを収集し、収集した超音波データを基に画像化する。
なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
１ 入射レーザ光源
２ 分光用サーキュレータ
３ 超音波検出センサ
４ 光検出器
５ 第１の光ファイバ
６ 第２の光ファイバ
２１ 超音波伝達部
２２ ファイバブラッググレーティング
３０ 超音波励起部
４０ 超音波計測部
５０ 超音波データ処理部
６０ 被監視物
１００ 光ファイバセンシングシステム
２ 分光用サーキュレータ
３ 超音波検出センサ
４ 光検出器
５ 第１の光ファイバ
６ 第２の光ファイバ
２１ 超音波伝達部
２２ ファイバブラッググレーティング
３０ 超音波励起部
４０ 超音波計測部
５０ 超音波データ処理部
６０ 被監視物
１００ 光ファイバセンシングシステム
Claims (8)
- 超音波を励起する超音波励起部と、
超音波を計測し、超音波データを得る超音波計測部と、
前記超音波データを処理する超音波データ処理部と
を備える光ファイバセンシングシステムであって、
前記超音波計測部は、
入射光を照射する入射レーザ光源と、
第１の光ファイバを介して前記入射レーザ光源と接続され、入射光と反射光とを分ける分光用サーキュレータと、
前記分光用サーキュレータと接続され、前記入射光に対し、前記超音波に応じて変化する前記反射光を前記分光用サーキュレータに送る超音波検出センサと、
前記分光用サーキュレータと第２の光ファイバを介して接続され、前記分光用サーキュレータから送られた前記反射光を電気信号に変換する光検出器と、
を備え、
前記超音波検出センサは、
２つ以上のファイバブラッググレーティングを備える超音波検出用光ファイバと、
前記ファイバブラッググレーティングに超音波を伝達する２つ以上の超音波伝達部と、
を備え、
前記超音波伝達部と前記ファイバブラッググレーティングとが接触していない光ファイバセンシングシステム。 - 前記超音波励起部がレーザ光源である請求項１に記載の光ファイバセンシングシステム。
- 前記ファイバブラッググレーティングが位相シフトファイバブラッググレーティングである請求項１又は２に記載の光ファイバセンシングシステム。
- 前記ファイバブラッググレーティングが高温域での超音波測定及び温度計測が可能な再生ファイバブラッググレーティングである請求項１又は２に記載の光ファイバセンシングシステム。
- 前記ファイバブラッググレーティングが高温域での超音波測定及び温度計測が可能な再生位相シフトファイバブラッググレーティングである請求項１又は２に記載の光ファイバセンシングシステム。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光ファイバセンシングシステムを用いた損傷監視方法であって、
初期超音波データを取得する初期状態確認工程と、
測定超音波データを取得する超音波測定工程と、
前記初期超音波データと前記測定超音波データとを比較して、損傷の有無を判定する損傷判定工程と、
を備え、
前記初期状態確認工程は、
被監視物に２つ以上の前記超音波伝達部を設置する設置工程と、
前記入射光の波長を掃引して２つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの初期反射スペクトルを確認する初期反射スペクトル確認工程と、
前記初期反射スペクトルに対し、前記初期反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である初期半値波長を確認する初期半値波長確認工程と、
前記ファイバブラッググレーティングの前記初期半値波長の初期入射光を入射する初期入射工程と、
前記被監視物上に前記超音波を励起し、
前記初期入射光に対する反射光強度の時間変化データである前記初期超音波データを取得する初期超音波データ取得工程と、
を備え、
前記超音波測定工程は、
前記入射光の波長を掃引して２つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの超音波測定前の反射スペクトルである測定前反射スペクトルを確認する測定前反射スペクトル確認工程と、
２つ以上の前記測定前反射スペクトルに対し、測定前反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である測定半値波長を確認する測定半値波長確認工程と、
前記測定半値波長の測定入射光を入射する測定入射工程と、
前記被監視物上に前記超音波を励起し、
前記測定入射光に対する反射光強度の時間変化データである前記測定超音波データを取得する測定超音波データ取得工程と、
を備える損傷監視方法。 - 請求項４又は５に記載の光ファイバセンシングシステムを用いた損傷監視方法であって、
初期超音波データを取得する初期状態確認工程と、
測定超音波データを取得する超音波測定工程と、
前記初期超音波データと前記測定超音波データとを比較して、損傷の有無を判定する損傷判定工程と、
を備え、
前記初期状態確認工程は、
被監視物に２つ以上の前記超音波伝達部を設置する設置工程と、
前記入射光の波長を掃引して２つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの初期反射スペクトルを確認する初期反射スペクトル確認工程と、
２つ以上の前記初期反射スペクトルに対し、前記初期反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である初期半値波長を確認する初期半値波長確認工程と、
前記ファイバブラッググレーティングの前記初期半値波長の初期入射光を入射する初期入射工程と、
前記被監視物上に前記超音波を励起し、
前記初期入射光に対する反射光強度の時間変化データである初期超音波データを取得する測定超音波データ取得工程と、
を備え、
前記超音波測定工程は、
前記入射光の波長を掃引して２つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの超音波測定前の反射スペクトルである測定前反射スペクトルを確認する測定前反射スペクトル確認工程と、
前記測定前反射スペクトルのピーク波長と前記初期反射スペクトルのピーク波長との差から２つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの温度を計測する温度計測工程と、
２つ以上の前記測定前反射スペクトルに対し、測定前反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である測定半値波長を確認する測定半値波長確認工程と、
前記測定半値波長の測定入射光を入射する測定入射工程と、
前記被監視物上に前記超音波を励起し、
前記測定入射光に対する反射光強度の時間変化データである測定超音波データを取得する測定超音波データ取得工程と、
を備える損傷監視方法。 - 超音波を励起する超音波励起部と、
超音波を計測し、超音波データを得る超音波計測部と、
前記超音波データを処理する超音波データ処理部と
を備え、
前記超音波計測部は、
入射光を照射する入射レーザ光源と、
第１の光ファイバを介して前記入射レーザ光源と接続され、入射光と反射光とを分ける分光用サーキュレータと、
前記分光用サーキュレータと接続され、前記入射光に対し、前記超音波に応じて変化する前記反射光を前記分光用サーキュレータに送る超音波検出センサと、
前記分光用サーキュレータと第２の光ファイバを介して接続され、前記分光用サーキュレータから送られた前記反射光を電気信号に変換する光検出器と、
を備え、
前記超音波検出センサは、
１つ以上のファイバブラッググレーティングを備える超音波検出用光ファイバと、
前記ファイバブラッググレーティングに超音波を伝達する１つ以上の超音波伝達部と、
を備え、
前記超音波伝達部と前記ファイバブラッググレーティングとが接触していない、光ファイバセンシングシステムを用いた損傷箇所画像化方法であって、
被監視物に１つ以上の前記超音波伝達部を設置する設置工程と、
前記入射光の波長を掃引して１つ以上の前記ファイバブラッググレーティングの反射スペクトルを確認する反射スペクトル確認工程と、
前記反射スペクトル確認工程で得られた１つ以上の前記反射スペクトルに対し、前記反射スペクトルのピーク強度の半値に対応する波長である半値波長を確認する半値波長確認工程と、
画像化の中心位置となる前記超音波伝達部に最も近い前記ファイバブラッググレーティングの前記半値波長の入射光を入射する入射工程と、
前記超音波励起部を用い、前記被監視物上で超音波を励起する位置を変えながら複数回超音波を励起し、励起された超音波による反射光強度の時間変化である超音波データを各超音波励起毎に取得する連続超音波データ取得工程と、
取得した超音波データと超音波励起箇所の位置情報とから画像化する画像化工程と、
を備える損傷箇所画像化方法。
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| CN115014763A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-09-06 | 武汉理工大学 | 用于主轴故障监测的光纤光栅测量系统及优化方法 |
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