JP3180959B2 - センサ用光ファイバおよびセンサシステム - Google Patents

センサ用光ファイバおよびセンサシステム

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JP3180959B2 JP50265698A JP50265698A JP3180959B2 JP 3180959 B2 JP3180959 B2 JP 3180959B2 JP 50265698 A JP50265698 A JP 50265698A JP 50265698 A JP50265698 A JP 50265698A JP 3180959 B2 JP3180959 B2 JP 3180959B2
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/31—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter and a light receiver being disposed at the same side of a fibre or waveguide end-face, e.g. reflectometers
    • G01M11/3109—Reflectometers detecting the back-scattered light in the time-domain, e.g. OTDR

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Description

【発明の詳細な説明】 「技術分野」 本発明は、光伝送路、センサ素子の両機能を備えて光
の伝送損失から各種の情報を検出するセンサ用光ファイ
バ、センサシステムに係る技術分野に属する。さらに詳
しくは、光の伝送損失からの検出情報の検出感度、検出
情報の種類についての改良の技術に関する。
「背景技術」 光ファイバの光伝送路情報の検出手段として、OTDR
（Optical Time Domain Reflectometry）法がある。こ
の手段は、光ファイバにレーザ光等の光パルスを入射さ
せ、光伝送の途中から入射側（後方）に反射して戻って
くる後方散乱光を時間分解して測定するもので、光伝送
路の任意の位置の情報を実時間で測定することができる
ものである。
この検出手段を利用するものとしては、測定機器であ
るOTDP装置に光ファイバを接続して光伝送路として配設
するとともに線状センサとして機能させ、後方散乱光の
うち温度依存性の高いラマン散乱光を利用して、光ファ
イバの配設ライン周囲の温度に係る情報を検出したり、
後方散乱光のうち散乱強度の高いレーリ散乱光を利用し
て、光ファイバの配設ライン周囲の歪みに係る情報を検
出する技術が知られている。
なお、ラマン散乱光については、散乱強度が微弱で入
射光の波長と散乱光の波長とが異なるという特徴があ
り、測定機器であるOTDR装置や付属機器が複雑で高価に
なる傾向がある。このため、レーリ散乱光を利用する技
術の汎用化が期待されている。
前述の従来のレーリ散乱光を利用する技術では、レー
リ散乱光が温度、歪み等に対する検出感度が低いという
特徴から、光ファイバの配設ライン周囲の温度、歪み等
に係る情報を検出する手段としての実用化が困難である
という問題点がある。
「発明の開示」 本発明の第１の技術的課題は、レーリ散乱光によるOT
DR法を利用した検出情報の検出感度を高めることのでき
るセンサ用光ファイバを提供することにある。
本発明の第２の技術的課題は、レーリ散乱光によるOT
DR法を利用した多種類の同時的に得られる検出情報の検
出感度を高めることのできるセンサシステムを提供する
ことにある。
本発明の第１の技術的課題の解決方法は、光伝送路と
して配設される光ファイバである本線体と、本線体の中
途部に融着により接続され本線体のコアと径の異なるコ
アを有した長さの短い光ファイバであるセンサ素子とを
備え、本線体とセンサ素子との界面で光をリークさせて
なるセンサ用光ファイバとして構成される。
この解決方法では、光伝送路である本線体の中途部に
ヘテロ構造体であるセンサ素子が配置され、本線体を伝
送された光の一部をセンサ素子との界面でクラッドへリ
ークさせて、本線体の配設ラインの周囲の温度、歪み等
によるレーリ散乱光の変化を大きくすることにより、検
出情報の検出感度を高めることができる。また、本線
体、センサ素子が汎用化されている融着技術で接続さ
れ、製造が安価、容易に行われる。さらに、外装構造が
従来とほとんど変わらないため、一般的な光ファイバ布
設技術を利用して配設することができる。
また、本発明の第１の技術的課題の他の解決方法は、
前述の構成において、センサ素子は本線体の中途部に規
則的または不規則的な間隔を介して多数個接続されてい
ることを特徴とするセンサ用光ファイバとして構成され
る。
この解決方法では、本線体の配設ラインに沿ったレー
リ散乱光の変化が分布把握され、検出情報の検出感度が
より高められるとともに検出情報の検出範囲が長帯化す
る。
また、本発明の第１の技術的課題の他の解決方法は、
前述の構成において、本線体の光ファイバとセンサ素子
の光ファイバとの伝送モードが異なることを特徴とする
センサ用光ファイバとして構成される。
この解決方法では、センサ素子で伝送モードのモード
変換が起こるため、本線体の配設ラインの周囲の温度、
歪み、液体の付着等によるレーリ散乱光の変化がより大
きくなって、検出情報の検出感度がより高められる。
また、本発明の第１の技術的課題の他の解決方法は、
光伝送路として配設される光ファイバである本線体と、
本線体の中途部に融着により接続され本線体のコアと屈
折率の異なる光伝送可能な材質で長さが短く形成された
センサ素子とを備え、本線体とセンサ素子との界面で光
をリークさせてなるセンサ用光ファイバとして構成され
る。
この解決方法では、前述と同様の作用、効果が奏され
るが、本線体を伝送された光のほとんど全部をセンサ素
子との界面でリークさせることができ、本線体の配設ラ
インの周囲の温度、歪み等によるレーリ散乱光の変化が
極端に大きくなる。従って、センサ素子における光の伝
送損失が高くなるものの、検出情報の検出感度がより高
められることになる。
また、本発明の第１の技術的課題の他の解決方法は、
前述の構成において、センサ素子は本線体の中途部に規
則的または不規則的な間隔を介して多数個接続されてい
ることを特徴とするセンサ用光ファイバとして構成され
る。
この解決方法では、前述と同様の作用、効果が奏され
る。
また、本発明の第１の技術的課題の他の解決方法は、
前述の構成において、センサ素子は本線体の中途部に１
個のみ接続されていることを特徴とするセンサ用光ファ
イバとして構成される。
この解決方法では、センサ素子における光の伝送損失
が高くなるため、本線体の配設ラインの一点集中の検出
に有効的に使用される。
本発明の第２の技術的課題の解決方法は、センサ用光
ファイバと、センサ用光ファイバの後方散乱光を利用し
てセンサ用光ファイバの配設ラインの周囲の情報を検出
する測定機器とを備えてなるセンサシステムにおいて、
センサ用光ファイバは、光伝送路として配設される光フ
ァイバである本線体と、本線体の中途部に接続され本線
体のコアと径の異なるコアを有した長さの短い光ファイ
バであるセンサ素子とを備えて本線体とセンサ素子との
界面で光をリークさせてなり、センサ素子の個数、接続
間隔、コアの径を異ならせて複数本が配設され、センサ
用光ファイバと測定機器との間には、検出に利用するセ
ンサ用光ファイバを選択切換えする光スイッチが接続さ
れていることを特徴とするセンサシステムとして構成さ
れる。
この解決方法では、前述と同様の作用、効果を奏する
各センサ用光ファイバからそれぞれ異なる検出情報が同
時に伝送され、光スイッチで選択切換えされた検出情報
が測定機器で測定されるため、多種類の同時的に得られ
る検出情報の検出感度を高めることができる。
また、本発明の第２の技術的課題の他の解決方法は、
センサ用光ファイバと、センサ用光ファイバの後方散乱
光を利用してセンサ用光ファイバの配設ラインの周囲の
情報を検出する測定機器とを備えてなるセンサシステム
において、センサ用光ファイバは、光伝送路として配設
される光ファイバである本線体と、本線体の中途部に接
続される本線体のコアと屈折率の異なる光伝送可能な材
質で長さが短く形成されたセンサ素子とを備えて本線体
とセンサ素子との界面で光をリークさせてなり、センサ
素子の個数、接続間隔を異ならせて複数本が配設され、
センサ用光ファイバと測定機器との間には、検出に利用
するセンサ用光ファイバを選択切換えする光スイッチが
接続されていることを特徴とするセンサシステムとして
構成される。
この解決方法では、前述の請求の範囲４の作用、効果
を奏する各センサ用光ファイバからそれぞれ異なる検出
情報が同時に伝送され、光スイッチで選択切換えされた
検出情報が測定機器で測定されるため、多種類の同時的
に得られる検出情報の検出感度を高めることができる。
前述の各解決方法の検出情報の対象となるものとして
は、歪み、温度、火災、浸水、振動、破断、角度等が挙
げられる。また、前述の各解決方法は、他のセンサ類と
の協同が可能である。
「図面の簡単な説明」 図１は、本発明に係るセンサ用光ファイバを示す使用
状態図である。図２は、図１の表示部の表示の拡大図で
ある。図３は、図１の要部の拡大断面図である。図４
は、図３の変形例を示す図である。図５は、図３、図４
の変形例を示す図である。図６は、図１の別の使用例を
示す使用状態図である。図７は、本発明に係るセンサシ
ステムを示すブロック図である。
「発明を実施するための最良の形態」 以下、本発明に係るセンサ用光ファイバおよびセンサ
システムを実施するための最良の形態を図面に基いて説
明する。
図１〜図６は、本発明に係るセンサ用光ファイバの形
態を示している。
この形態では、図１に示すように、測定機器であるOT
DR装置１に光ファイバを接続したOTDR法の実施装置から
なる構成に組込まれてなるものを示してある。なお、OT
DR装置１は、波形表示が可能な表示部11や光パルスの発
振を制御可能な操作部12等を備えている。
この形態は、図３〜図５に詳細に示されるように、OT
DR装置１に接続された光ファイバが本線体２と長さｃが
比較的短いセンサ素子３とから構成されてなるものであ
る。そして、本線体２、センサ素子３からなる光ファイ
バは、被検出対象Ｓに沿って配設される。なお、本線体
２、センサ素子３からなる光ファイバの外装構造が従来
とほとんど変わらないため、一般的な光ファイバ布設技
術を利用することができる。
本線体２、センサ素子３は、ともに、コア21、31と、
コア21、31と外周を囲むクラッド22、32と、クラッド2
2、32の外周を囲む図示しない外皮部とからなる。ただ
し、本線体２のコア21の径ａとセンサ素子３のコア31の
径ｂとは、本線体２のコア21の径ａが大（図３参照）ま
たはセンサ素子３のコア31の径ｂが大（図４参照）のよ
うに異なっている。本線体２、センサ素子３の伝送モー
ド（単一モード型、多モード型）は、同一、非同一の組
合わせを選択することが可能である。さらに、センサ素
子３については、図５に示すように、本線体２のコア21
と屈折率の異なる光伝送可能な材質で形成して、コア3
1、クラッド32の内外積層構造を備えないようにするこ
ともできる。
なお、図３に示したセンサ素子３については、波長1.
3μｍで単一モード型である本線体２のコア21の径ａが
約9.0μｍ（OZ Optics社製、SMJ−3Y−1300−9/125）に
対して、単一モードであるセンサ素子３のコア31の径ｂ
が約3.0μｍ（Newport社製、Ｆ−SA）または約5.0μｍ
（Newport社製、Ｆ−SF）を融着したところ、センサ素
子３の長さｃが２〜10mm程度で検出感度を顕著に高める
ことができた。
また、本線体２、センサ素子３は、軸線に直交する界
面４で同軸に接続されている。この接続には、汎用化さ
れている放電による融着手段が採用される。従って、安
価、容易な製造が可能である。なお、センサ素子３は、
図面では本線体２の軸方向へ規則的な間隔を介して４個
配置されている。
この形態によると、配設された本線体２が光伝送路と
なって、OTDR装置１から光パルスが伝送される。伝送さ
れた光パルスは、本線体２の中途部にあるヘテロ構造体
である各センサ素子３との界面４で一部がクラッド22、
32にリークする（図５に示したセンサ素子３では、ほと
んど全部がセンサ素子３全体にリークする）。また、本
線体２、センサ素子３の伝送モードが異なる場合には、
モード変換に伴う伝送損失も生ずる。従って、OTDR装置
１の表示部11には、図２に示すように、リーク、モード
変換による伝送損失がレーリ散乱光の変化として４つの
段差Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで表示されることになる。なお、本
線体２、センサ素子３が機械的なコネクタ等で接続され
ず融着で接続され、各接続点の接続精度が均等化されて
いるため、各段差Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの波形が近似すること
になる。なお、段差Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの前には、屈折率の
差によって生じるフレネル反射成分の小さなピークが生
じる場合もある。
この結果、被検出対象Ｓに温度、歪み等に係る変化が
生ずると、前述のリークによる伝送損失が増加したり、
モード変換効率が変化するため、前記段差Ａ、Ｂ、Ｃ、
Ｄが増減してOTDR装置１の表示部11に表示されることに
なる。即ち、段差Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄがない場合に比して、
被検出対象Ｓの温度、歪み等に係る変化の検出感度が高
くなる。また、段差Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの増減の対比から、
被検出対象Ｓの温度、歪み等に係る変化の位置を確実に
検出することができる。
なお、図５に示したセンサ素子３では、本線体２を伝
送された光のほとんど全部をセンサ素子３との界面でリ
ークさせるため、本線体２の配設ラインの周囲の温度、
歪み等によるレーリ散乱光の変化が極端に大きくなる。
従って、検出情報の検出感度がより高められるものの、
センサ素子３における光の伝送損失が高くなることか
ら、本線体２にセンサ素子３を１個のみ接続するのが有
効な接続構造となる。
図６は、被検出対象Ｓに対して、本線体２、センサ素
子３を２ライン配設した例を示してある。各ラインは、
スプリッタ等の接続器５を介して分岐されている。
図６に示した使用例によると、被検出対象Ｓの温度、
歪み等に係る変化を多面的に検出することが可能にな
る。なお、この使用例では、２ラインを個別に検出動作
させることもできるし、比較、演算手段を備えて２ライ
ンを同時に検出動作させて総合表示させることもでき
る。
図７は、本発明に係るセンサシステムの形態を示して
いる。
この形態では、前述の本発明に係るセンサ用光ファイ
バがセンサ素子３の個数、接続間隔、コア31の径ｂ等を
異ならせて複数本配設され、異なる検出情報を同時に伝
送するように構成されている。各センサ用光ファイバの
検出情報は、センサ用光ファイバが集束された光スイッ
チ６により選択切換えされて、測定機器であるOTDR装置
１に入力されるようになっている。光スイッチ６は、コ
ントローラ７で選択切換制御される。コントローラ７
は、演算装置を内蔵してOTDR装置１から送信された検出
情報を総合、解析してモニタ８に表示する。
この形態によると、各センサ用光ファイバからそれぞ
れ異なる検出情報が同時に伝送され、光スイッチ６で選
択切換えされた検出情報がOTDR装置１で測定されるた
め、多種類の同時的に得られる検出情報の検出感度を高
めることができる。また、これ等の検出情報は、コント
ローラ７で解析されてモニタ８に波形よりも高度の表現
手段（グラフ、動画等）で表示される。なお、コントロ
ーラ７は、複数の検出情報を総合して解析することも可
能である。
「産業上の利用可能性」 本発明の用途としては、以下のものが考えられる。
（１）一般ビル、高層ビル、高速道路、高架橋、トンネ
ル、ダム、飛行場、港湾設備、工場設備等の建築構造物
の歪み、疲労、破断等の検出。
（２）航空機の機体、船舶の船体、自動車の車体、鉄道
車両の車体、宇宙船の船体、宇宙ステーションの船体等
の移動構造体の歪み、疲労、破断等の検出。
（３）鉄骨、壁材、床材、天井材、接続用ボルト等の一
般建築材料の歪み、疲労、破断等の検出。
（４）オイルパイプライン、ガスライン、水道ライン、
電力ケーブル、通信ケーブル（地上、海底）等のライフ
ラインの歪み、疲労、破断等の検出。
（５）建造物、公園、屋外施設の侵入、環境保全の監
視。
（６）地殻変動、地盤沈下の監視（地震予知）。
（７）生体の監視、観察。
（８）液体付着の検知。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−125607（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−78002（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−286739（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−130447（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−86510（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−63921（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−57706（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/00 G01B 11/16 G01D 5/26 G01K 11/12 G01M 11/00

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光伝送路として配設される光ファイバであ
    る本線体と、本線体の中途部に融着により接続され本線
    体のコアと径の異なるコアを有した長さの短い光ファイ
    バであるセンサ素子とを備え、本線体とセンサ素子との
    界面で光をリークさせてなるセンサ用光ファイバ。
  2. 【請求項２】請求の範囲１のセンサ用光ファイバにおい
    て、センサ素子は本線体の中途部に規則的または不規則
    的な間隔を介して多数個接続されていることを特徴とす
    るセンサ用光ファイバ。
  3. 【請求項３】請求の範囲１または２のセンサ用光ファイ
    バにおいて、本線体の光ファイバとセンサ素子の光ファ
    イバとの伝送モードが異なることを特徴とするセンサ用
    光ファイバ。
  4. 【請求項４】光伝送路として配設される光ファイバであ
    る本線体と、本線体の中途部に融着により接続され本線
    体のコアと屈折率の異なる光伝送可能な材質で長さが短
    く形成されたセンサ素子とを備え、本線体とセンサ素子
    との界面で光をリークさせてなるセンサ用光ファイバ。
  5. 【請求項５】請求の範囲４のセンサ用光ファイバにおい
    て、センサ素子は本線体の中途部に規則的または不規則
    的な間隔を介して多数個接続されていることを特徴とす
    るセンサ用光ファイバ。
  6. 【請求項６】請求の範囲４のセンサ用光ファイバにおい
    て、センサ素子は本線体の中途部に１個のみ接続されて
    いることを特徴とするセンサ用光ファイバ。
  7. 【請求項７】センサ用光ファイバと、センサ用光ファイ
    バの後方散乱光を利用してセンサ用光ファイバの配設ラ
    インの周囲の情報を検出する測定機器とを備えてなるセ
    ンサシステムにおいて、センサ用光ファイバは、光伝送
    路として配設される光ファイバである本線体と、本線体
    の中途部に接続され本線体のコアと径の異なるコアを有
    した長さの短い光ファイバであるセンサ素子とを備えて
    本線体とセンサ素子との界面で光をリークさせてなり、
    センサ素子の個数，接続間隔，コアの径を異ならせて複
    数本が配設され、センサ用光ファイバと測定機器との間
    には、検出に利用するセンサ用光ファイバを選択切換え
    する光スイッチが接続されていることを特徴とするセン
    サシステム。
  8. 【請求項８】センサ用光ファイバと、センサ用光ファイ
    バの後方散乱光を利用してセンサ用光ファイバの配設ラ
    インの周囲の情報を検出する測定機器とを備えてなるセ
    ンサシステムにおいて、センサ用光ファイバは、光伝送
    路として配設される光ファイバである本線体と、本線体
    の中途部に接続され本線体のコアと屈折率の異なる光伝
    送可能な材質で長さが短く形成されたセンサ素子とを備
    えて本線体とセンサ素子との界面で光をリークさせてな
    り、センサ素子の個数，接続間隔を異ならせて複数本が
    配設され、センサ用光ファイバと測定機器との間には、
    検出に利用するセンサ用光ファイバを選択切換えする光
    スイッチが接続されていることを特徴とするセンサシス
    テム。
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