JP2023521128A

JP2023521128A - 光ファイバ圧力センサおよびその感知の方法

Info

Publication number: JP2023521128A
Application number: JP2022561585A
Authority: JP
Inventors: アマド・リザ・ガザーリー; モハマド・ファイザル・ビン・アブド・ラヒム; モド・ファハミ・アズマン; ハイルル・アズハル・アブ・ラシド; エム・ハフィザル・エムディー・ザヒル; モド・リジュアン・モクタル
Original assignee: ペトロリアム・ナショナル・ブルバド・（ペトロナス）
Priority date: 2020-04-08
Filing date: 2021-04-08
Publication date: 2023-05-23
Also published as: EP4133249A1; US20230160765A1; CN116018507A; EP4133249A4; WO2021206537A1; MY197177A

Abstract

コア（１２）であり、その長さに沿って光信号を誘導するための、コア（１２）と、コア（１２）の周りに設けられる複数の応力付与部（１６）を含むクラッド層（１４）とを備える、圧力を測定するための光ファイバ（１０）。複屈折を防止しつつ外圧の付与に応じて強化された対称剪断応力を誘起するために、複数の応力付与部（１６）は、コア（１２）に平行にかつその周りに対称に設けられる。光ファイバ（１０）は、標準的なシングルモード光ファイバと比較して改善された歪み感度を提供する。

Description

本発明は、光ファイバベースの圧力センサおよび光ファイバの長さに沿って圧力を感知する方法に関する。

温度、圧力、力、歪みおよび他のパラメータを測定するために光ファイバを使用して多様なセンサが開発されてきた。光ファイバセンサの利点は、それらの小サイズ、低コスト、柔軟性および他の構造への組み込み可能性である。しかしながら、既存の光ファイバ圧力センサの大部分が、複雑な製作および測定方法を必要とし、かつ油およびガス管または地下油井などの過酷環境で利用されるには不都合である。

典型的な光ファイバ圧力センサは、光ファイバにゲルマニウムなどの材料をドープし、次いでファイバの側面を干渉パターンに曝してコアの屈折率の正弦波変動を発生させることによって光ファイバのコアに形成されるファイバブラッググレーティングを含む。ファイバブラッググレーティングによって反射されるスペクトル包絡線の中心波長は、温度および歪みと共に線形に変化する。したがって、そのような変化を測定して、センサの環境における歪みを導出できる。しかしながら、そのようなファイバブラッググレーティング圧力センサは、製作して動作させるのが困難であり、そして地下井戸などの過酷環境でのファイバの長さに沿った高感度圧力感知のためには多数のこれらの別個のセンサが必要とされる。

別の種類の光ファイバ圧力センサは偏波保持光ファイバを含み、これは複屈折ファイバとしても知られている。そのような光ファイバは、楕円断面を有するコアまたは円形コアの片側にまたはいずれの側にも、コアにクラッド応力が付与されて複屈折を誘起するように設けられる応力付与部を含む。しかしながら、高圧力感度を必要とする大抵の用途にこのセンサを使用することは非常に困難である。これらのセンサ装置の圧力感度を上げるためにそれらと共に追加の装置が設置される必要があるが、しかしながら、これは製造するのをより困難にし、かつ安定性および繰返し性問題を生じさせる。

本発明の目的は、したがって、過酷環境で使用するための高圧力感度の光ファイバ圧力センサを提供することである。

本発明の一態様において、
コアであり、その長さに沿って光信号を誘導するための、コアと、
コアの周りに設けられる複数の応力付与部を含むクラッド層とを備える、圧力を測定するための光ファイバであって、
複屈折を防止しつつ外圧の付与に応じて強化された対称剪断応力を誘起するために複数の応力付与部がコアに平行にかつコアの周りに対称に設けられることを特徴とする、光ファイバが提供される。

１つの実施形態において、クラッド層はシリカから製作され、応力付与部は、ホウケイ酸塩（Ｂ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｌａ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２もしくはＦ＋ＳｉＯ_２ロッドまたは空孔の少なくとも１つから製作される。シリカベースのクラッド層および応力付与部の機械的性質の差異が、外力の付与に応じて強化された対称剪断応力を発生させる。有利には、これは、光ファイバの歪みおよび圧力感度を上げるのに役立つ。

１つの実施形態において、応力付与部は、ファイバの長さに沿ってコアに平行にかつコアの周りに対称に設けられる。有利には、これは、光ファイバ全体の長さに沿った圧力測定に役立つ。

１つの実施形態において、光ファイバは、クラッド層に設けられる孔内に配置される応力付与部を有するシングルモード光ファイバである。有利には、これは、歪みおよび圧力感度が改善されたが標準的な寸法および標準的な操作要件を有する光ファイバを提供するのに役立つ。

有利には、コアの周りの応力付与部の対称配置は、複屈折、異モード偏波感度および光ファイバを通して伝送される光信号の偏波モード分散を防止するのに役立つ。

１つの実施形態において、光ファイバは、地下領域、油井、他の過酷環境で外圧を測定することならびに土木および機械構造のヘルスモニタリングを含む、複数の用途のために使用できる。

本発明の別の態様において、光ファイバの長さに沿って圧力を測定する方法であって、
コア、コアを囲むクラッド層およびコアに平行にかつコアの周りに対称にクラッド層に配される複数の応力付与部を有する光ファイバを設けるステップと、
光ファイバを介して、第１の端において光信号を受信するステップと、
光ファイバを介して、複屈折を誘起することなくコアを通して光信号を送信するステップと、
光ファイバの第１の端において、散乱光信号を受信するステップと、
散乱測定ユニットを使用して散乱光信号を解析して光ファイバ内の歪みを決定するステップとを含む、方法が提供される。

１つの実施形態において、複数の応力付与部は、ホウケイ酸塩（Ｂ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｌａ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２もしくはＦ＋ＳｉＯ_２の少なくとも１つから製作される一対のロッドまたは空孔を含み、外圧の付与に応じて強化された対称剪断応力を発生させるためにクラッド層に配される。有利には、これは、光ファイバの歪みおよび圧力感度を上げるのに役立つ。

有利には、光ファイバは、標準的なシングルモード光ファイバと比較して改善された歪み感度を提供する。

本発明の可能な配置を例示する添付の図面に関して本発明を更に説明することが好都合であろう。本発明の他の配置が可能であり、結果的に添付の図面の詳細は、本発明の先行の説明の概略に優先するとして理解されるものではない。

本発明の一実施形態に係る対称応力付与部を有する光ファイバの概略断面図を例示する。変動する外圧の付与に応じた図１における光ファイバを通る散乱光信号の周波数シフトを例示するプロットである。本発明の一実施形態に係る図１に図示される光ファイバの長さに沿って圧力を測定する方法に関与するステップを示すフロー図を例示する。

図１に関して、本発明の一実施形態に係る複数の対称応力付与部１６を有する光ファイバ１０が例示される。光ファイバ１０は、コア１２の長さに沿って光信号を誘導するためのコア１２およびコア１２の周りに設けられる複数の応力付与部１６を含むクラッド層１４を備える。複数の応力付与部１６は、光ファイバ１０への外圧または力の付与に応じて強化された対称剪断応力を誘起するためにクラッド層１４内に、コア１２に長手方向に平行にかつコア１２の周りに対称に設けられる。

１つの実施形態において、光ファイバ１０は、光ファイバ１０の長さに沿った圧力または力の測定のために使用される。光ファイバ１０のコア１２は、屈折率ｎ_１を有するゲルマニウムドープシリカ（ＧｅＯ_２＋ＳｉＯ_２）から製作される。コア１２は、ｎ_２（ｎ_１＞ｎ_２）の屈折率を有するシリカ（ＳｉＯ_２）から製作されるクラッド層１４によって囲まれる。１つの実施形態において、クラッド層１４内に設けられる応力付与部１６は、ホウケイ酸塩（Ｂ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）ロッドから製作される。代替の実施形態において、応力付与部１６は、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｌａ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２またはＦ＋ＳｉＯ_２ロッドから製作される。別の実施形態において、応力付与部１６として空孔が設けられる。シリカベースのクラッド層１４および応力付与部１６の機械的性質の差異が、光ファイバ１０への均一な外圧または力の付与に応じて強化された対称剪断応力を発生させる。有利には、これは、光ファイバ１０ベースの圧力センサの歪みおよび圧力感度を上げるのに役立つ。

１つの実施形態において、光ファイバ１０は、地下油井および他の過酷環境での外圧または力の測定のために活用できる。一実施形態において、光ファイバ１０は、土木構造の構造ヘルスモニタリングのために活用できる。更に別の実施形態において、光ファイバ１０は、鉄道軌道などの機械構造の構造ヘルスモニタリングのために活用できる。ファイバが静水圧に曝されると、力は歪みに変換され、そしてケーブルはポアソン効果に起因して伸長する。先行技術においては、応力付与部は、複屈折の影響が圧力を測定するために使用できるように異なる機械的性質を有する。しかしながら、本発明によれば、コア１２の周りの応力付与部１６の対称配置は、対称剪断応力を生じさせるのに、かつコア１２を通して光信号を通過させつつ複屈折の発生を防止するのに役立つ。光ファイバ１０への圧力または力は、コア１２を通して伝送される光信号の散乱への歪みの影響を解析することによって測定される。複屈折の非存在は、異モード偏波感度および光ファイバ１０を通して伝送される光信号の偏波モード分散を防止し、それによって既知の方法と比較して所与の歪みに対する測定の精度を改善する。

１つの実施形態において、圧力測定のための光ファイバ１０を製作する方法が開示される。本方法は、屈折率ｎ_１を有するゲルマニウムドープシリカ（ＧｅＯ_２＋ＳｉＯ_２）から製作されるコア１２を備えるプリフォームを形成するステップを含む。コア１２は、ｎ_２（ｎ_１＞ｎ_２）の屈折率を有するシリカ（ＳｉＯ_２）から製作されるクラッド層１４によって囲まれる。応力付与部１６を組み込むために、コア１２に対して平行かつ対称な２つの直交する対の孔がクラッド層１４を通して穿設される。応力付与部１６は、円柱または多角形状などの任意の所望の形状であることができる。このように形成されたプリフォームは引き抜かれまたは押し出されて、中心にコア１２をおよびコア１２を囲んで応力付与部１６を含むクラッド層１４を有するシングルモード光ファイバ１０を形成する。

別の実施形態において、光ファイバ１０の製作は、大きいシリカチューブ内でゲルマニウムドープシリカロッドの周りにシリカロッドを積み重ねることによって光ファイバ１０のプリフォームを形成するステップを含む。ゲルマニウムドープシリカロッドのこの配置はコア１２を形成し、そしてシリカロッド１４の配置はクラッド層１４を形成する。ゲルマニウムドープシリカロッドの周りに対称に積み重ねられる直交する一対のホウケイ酸塩（Ｂ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｌａ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２もしくはＦ＋ＳｉＯ_２ロッドまたは空孔が応力付与部１６を形成する。シリカチューブ内の積み重ねられたロッドは、次いで溶解され引き抜かれて中間プリフォームを形成する。このように形成された中間プリフォームが引き抜かれまたは押し出されて、中心にコア１２をおよびコア１２を囲んで応力付与部１６を含むクラッド層１４を有するシングルモード光ファイバ１０を形成する。

典型的に、このように形成された光ファイバ１０は約１２５μｍの寸法を有して、コア１２が約８．２μｍの寸法を有し、そして応力付与部１６の各々は３６μｍの寸法を有する。

図２に関して、変動する外圧の付与に応じた光ファイバ１０を通る散乱光信号の周波数シフトのプロットが例示される。シリカベースのクラッド層１４、およびコア１２に平行にかつそのいずれの側にも配されかつコア１２を通過する平面に存在する応力付与部１６の機械的性質の差異が、光ファイバ１０への外圧または力の付与に応じて強化された対称剪断応力を誘起する。光ファイバ１０への増強された対称剪断応力は、外力の付与に応じて付与力－歪み変換の拡大を提供し、これにより標準的なシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）と比較して光ファイバ１０ベースの圧力センサの歪みおよび圧力感度を少なくとも２１％改善するのに役立つ。更に、応力付与部１６付きの光ファイバ１０ベースの圧力センサは、外力の付与に応じて標準的なシングルモード光ファイバと比較して無視できるほどのヒステリシスを与える。

図３に関して、本発明の一実施形態に係る、本光ファイバ１０を使用して圧力を測定する方法に関与するステップを示すフロー図が例示される。光ファイバ１０の長さに沿って圧力または力を測定する方法は、ブロック１００に示されるように、コア１２、コア１２を囲むクラッド層１４およびコア１２に平行にかつコア１２の周りに対称にクラッド層１４に配される複数の応力付与部１６を有する光ファイバ１０を設けるステップを含む。ブロック１０２におけるように、光ファイバ１０の第１の端において光信号が受信される。ブロック１０４に示されるように、光ファイバ１０は、複屈折を誘起することなくコア１２を通して受信した光信号を送信する。光信号は、複屈折、異モード偏波感度および偏波モード分散の非存在下で光ファイバ１０を通して送信される。光ファイバ１０を通して送信される光信号は、光ファイバ１０への歪みによって影響される大きさで散乱される。ブロック１０６におけるように、散乱光信号は光ファイバ１０の第１の端において受信される。ブロック１０８に示されるように、散乱測定ユニットを活用して散乱光信号を解析して、光ファイバ１０内の歪みを決定する。１つの実施形態において、散乱測定ユニットは、散乱光信号の固有の散乱スペクトルまたは強度を特定し、続いて光ファイバ１０内の歪みを決定する。クラッド層１４に配される直交する一対のホウケイ酸ロッド１６などの応力付与部１６は、外圧の付与に応じて強化された対称剪断応力を誘起し、これが次いで標準的なシングルモード光ファイバと比較して改善された歪み感度を提供する。

本光ファイバベースの圧力センサが、歪み感度を更に改善するためにコアの周りに追加の対称応力付与部も含み得ることが当業者によって認識されるであろう。

本発明が本ファイバまたは方法の全体の機能に影響せずに本ファイバまたは方法になされる更に追加の変更も含み得ることも当業者によって認識されるであろう。

１０光ファイバ
１２コア
１４クラッド層、シリカロッド
１６応力付与部

Claims

コア（１２）であり、その長さに沿って光信号を誘導するための、コア（１２）と、
前記コア（１２）の周りに設けられる複数の応力付与部（１６）を含むクラッド層（１４）と
を備える、圧力を測定するための光ファイバ（１０）であって、
複屈折を防止しつつ外圧の付与に応じて強化された対称剪断応力を誘起するために前記複数の応力付与部（１６）が前記コア（１２）に平行にかつ前記コア（１２）の周りに対称に設けられることを特徴とする、光ファイバ。
前記応力付与部（１６）が、ホウケイ酸塩（Ｂ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｌａ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２もしくはＦ＋ＳｉＯ_２ロッドまたは空孔の少なくとも１つから製作される、請求項１に記載の光ファイバ（１０）。
前記クラッド層（１４）が、前記応力付与部（１６）を配するために前記コア（１２）の周りに対称に少なくとも２つの直交する対の孔を含む、請求項１に記載の光ファイバ（１０）。
前記クラッド層（１４）および前記応力付与部（１６）の機械的性質の差異が、外圧の付与に応じて強化された対称剪断応力を誘起する、請求項１に記載の光ファイバ（１０）。
前記光ファイバ（１０）がシングルモード光ファイバである、請求項１から４のいずれか一項に記載の光ファイバ（１０）。
前記光ファイバ（１０）が、地下井戸で外圧を測定することならびに土木および機械構造のヘルスモニタリングを含む、複数の用途のために使用される、請求項１から５のいずれか一項に記載の光ファイバ（１０）。
光ファイバ（１０）の長さに沿って圧力を測定する方法であって、
コア（１２）、前記コア（１２）を囲むクラッド層（１４）および前記コア（１２）に平行にかつ前記コア（１２）の周りに対称に前記クラッド層（１４）に配される複数の応力付与部（１６）を有する前記光ファイバ（１０）を設けるステップと、
前記光ファイバ（１０）を介して、第１の端において光信号を受信するステップと、
前記光ファイバ（１０）を介して、複屈折を誘起することなく前記コア（１２）を通して前記光信号を送信するステップと、
前記光ファイバ（１０）の前記第１の端において、散乱光信号を受信するステップと、
散乱測定ユニットを使用して前記散乱光信号を解析して前記光ファイバ（１０）内の歪みを決定するステップとを含む、方法。
前記複数の応力付与部（１６）が、ホウケイ酸塩（Ｂ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２）、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｌａ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２もしくはＦ＋ＳｉＯ_２の少なくとも１つから製作される一対のロッドまたは空孔を含み、外圧の付与に応じて強化された対称剪断応力を発生させるために前記クラッド層（１４）に配される、請求項７に記載の方法。
前記光信号が、複屈折、異モード偏波感度および偏波モード分散の非存在下で前記光ファイバ（１０）を通して送信される、請求項７に記載の方法。
前記光ファイバ（１０）が、標準的なシングルモード光ファイバと比較して改善された歪み感度を提供する、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。