JP3519333B2 - 光ファイバセンサ - Google Patents

光ファイバセンサ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、変位、荷重、圧
力、加速度などの物理量検出を行う光ファイバセンサに
関する。
【0002】
【従来の技術】最近、ファイバブラッググレーティング
(Fiber Bragg Grating:以下FB
Gと略す)と称するファイバ型検出素子を用いた歪みセ
ンサや温度センサの開発が進められている。すなわち、
これらのセンサは、入力する光の進行方向にグレーティ
ング(回折格子)が作製され、光ファイバに書き込まれ
たグレーティングのピッチが歪みや温度によって変化す
ると、その変化に応じてグレーティングからブラッグ反
射する光のピーク波長が変化すること、あるいはグレー
ティングを透過する光のスペクトルが変化(ディップ光
の中心波長が変化)することを利用したものである。
【0003】図11は、従来の光ファイバセンサの構成
を示す部分断面図である。同図において、51は、石英
系光ファイバ等の光ファイバ52上に紫外線硬化樹脂な
どの被覆53を施した光ファイバ心線であり、その被覆
53の一部が1cm〜4cm程度の長さにわたって除去
され、内部の光ファイバ52が露出されるとともに、こ
の露出された光ファイバ52に、ファイバグレーティン
グ54が書き込まれ、その表面に、紫外線硬化樹脂から
なる再被覆55がされている。紫外線硬化樹脂からなる
再被覆55を用いるのは、光ファイバ心線として紫外線
硬化樹脂を被覆したものが多く使用されていること、被
覆が容易であることなどの理由による。
【0004】このようなファイバグレーティング54を
物理量検出のために光ファイバセンサとして応用するの
には、紫外線硬化樹を剥がさず、ファイバグレーティン
グ54部分を被測定物の検出箇所にエポキシ等の樹脂に
より固定することが考えられる。しかしながら、ここで
使用されている一般的な紫外線硬化樹脂は、強度が低
く、クリープ性のある材料であるものがほとんどであ
る。そこで、紫外線硬化樹脂を被覆したまま検出箇所に
張り付けた場合、樹脂自体がクリープをひきおこし、変
位、荷重、圧力、加速度等の物理量がそのままファイバ
グレーティングの伸縮すなわち歪みへと変換されず、物
理量の検出確度を低下させるという問題があった。
【0005】これに変わる手段としては、ファイバグレ
ーティング54の再被覆を行わず、あるいは再被覆した
ものを再除去し、光ファイバ52をむき出しにして、フ
ァイバグレーティング54部分を被測定物の検出箇所に
押し当て、エポキシ等の樹脂で接着固定することが行わ
れている。しかしながら、光ファイバ52の紫外線硬化
樹脂を除去し、石英ガラスをむき出しにして検出箇所に
張り付けた場合、石英ガラスに傷やマイクロクラックを
生じさせ、光ファイバの破断確率を高くするいう問題が
あった。
【0006】これに対し、発明者らは、特願平11−1
84387において、再被覆に熱硬化樹脂からなる被覆
55を使用することを提案した。グレーティング54を
書き込んだ光ファイバ52表面の再被覆材料として、熱
硬化樹脂を使用することにより、耐熱性および耐摩耗性
等を向上させることができる。これにより、樹脂自体が
クリープをひきおこし、物理量の検出確度を低下させる
という問題、光ファイバの破断確率を高くするいう問題
を解決できる。
【0007】しかしながら、ファイバグレーティングを
光ファイバセンサとして取り扱うには、なお、次のよう
な問題があった。 (1)金属等の材料にそのままファイバグレーティング
部分を張り付けるとその弾性変形の範囲は 0.3%程
度の金属に支配され、光ファイバがもつ4%以上という
高弾性領域を利用できない。 (2)荷重、変位、圧力、加速度等の物理量の感度およ
び分解能を自由に選択できる機構が提案されていない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
課題に対処するためになされたもので、ファイバグレー
ティングを光ファイバセンサの検出部として適用するに
あたり、光ファイバがもつ高弾性を利用しつつ、変位、
荷重、圧力、加速度等の物理量を高精度かつ高感度に検
出すること、さらには物理量の感度および分解能を自由
に選択できる機構を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明による光ファイバ
センサは、ファイバグレーティングが書き込まれた光フ
ァイバがファイバグレーティングの両側の光ファイバが
固定器具に固定された歪み検出部を有し、片側の固定器
具が被測定物に直接固定され、他側の固定器具がバネを
介して間接的に被測定物に固定され、被測定物にかかる
変位、荷重、圧力、加速度をファイバグレーティングの
伸縮すなわち歪みを介して反射光又は透過光の波長シフ
ト量として検出することを特徴とする。また、本発明に
よる光ファイバセンサは、ファイバグレーティングが書
き込まれた光ファイバがファイバグレーティングの両側
の光ファイバが固定器具に固定された歪み検出部を有
し、片側の固定器具が被測定物に直接固定され、他側の
固定器具が梃子を介して間接的に被測定物に固定され、
被測定物にかかる変位、荷重、圧力、加速度をファイバ
グレーティングの伸縮すなわち歪みを介して反射光又は
透過光の波長シフト量として検出することを特徴とす
る。 また、本発明による光ファイバセンサは、ファイバ
グレーティングが書き込まれた光ファイバがファイバグ
レーティングの両側の光ファイバが固定器具に固定され
た歪み検出部を有し、片側の固定器具が被測定物に直接
固定され、他側の固定器具がバネ及び梃子を介して間接
的に被測定物に固定され、被測定物にかかる変位、荷
重、圧力、加速度をファイバグレーティングの伸縮すな
わち歪みを介して反射光又は透過光の波長シフト量とし
て検出することを特徴とする。これにより、光ファイバ
の広い弾性領域を利用して被測定物の2点間にかかる変
位、荷重、圧力、加速度等の物理量を高精度に検出でき
る。
【0010】すなわちファイバグレーティングには接触
するものはなく、被測定物にかかる変位、荷重、圧力
等、加速度の物理量の変化は、ファイバグレーティング
の両端における固定器具間の光ファイバにかかる伸縮変
化として変換され、中間部となるファイバグレーティン
グは均一に歪むしくみとなる。これにより光ファイバが
そのまま引き伸ばされ、その歪みは4%にまで及び、広
い弾性領域を利用することが可能となる。
【0011】また、本発明の光ファイバセンサは、ファ
イバグレーティングの少なくともその両端、あるいは全
体にわたって樹脂であらかじめ被覆保護したものを固定
器具に取り付けることを特徴とする。これにより取り付
け以前あるいは取り付ける際の、傷やマイクロクラック
を防ぎ、破断確率を低くすることが可能となる。
【0012】樹脂は熱硬化型のポリイミド樹脂、フェノ
ール樹脂、フッ素樹脂もしくは2液混合で常温硬化型の
エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂がよく、これらは光フ
ァイバの耐熱性、耐摩耗性、耐薬品性、耐水性等を向上
させることができる。
【0013】さらに、ファイバグレーティングの両端が
固定器具に弾性接着剤で接着固定されるか、または樹脂
でそのまま固定器具に固着されるか、あるいは機械的に
クランプ固定されることを特徴とする。固定器具は平
板、あるいは円棒や角棒に溝を切った金具、センサを構
成するバネ、梃子等に挙げられる機構の一部など何でも
よい。また、被測定物の一部を固定器具と見なすことに
より、被測定物に直接固定する場合も本発明を適用でき
る。
【0014】また本発明の光ファイバセンサは、ファイ
バグレーティングの少なくとも両端、あるいは全体にわ
たる保護に無電解メッキもしくは電解メッキするか、そ
の両方で保護することを特徴とする。これにより樹脂で
保護する場合と同様の効果を得ることができる。また固
定器具に固定する際も無電解メッキもしくは電解メッキ
で固定してもよい。
【0015】次に本発明の光ファイバセンサは、被測定
物にかかる変位、荷重、圧力、加速度をファイバグレー
ティングの伸縮を介して反射光又は透過光の波長シフト
量として検出し、その検出分解能と検出幅(検出に要す
るパラメータのスキャン幅)を自由に選択できることを
特徴とする。その一つとしてファイバグレーティングの
両端にある2つの固定器具間の長さを調節し(すなわ
ち、片側の固定器具の位置を調整し)、被測定物に直接
固定すれば、変位量の分解能を選択することができる。
【0016】また片側の固定器具と被測定物の間にバネ
又は/及び梃子を介して間接的に被測定物に固定し、バ
ネ定数又は/及び梃子比を任意に選択すれば、検出する
変位、荷重、圧力、加速度等の物理量の分解能と検出幅
を自由に選択することが可能となる。
【0017】本発明の次の特徴は、光ファイバに反射波
長が異なるファイバグレーティングが書き込まれた複数
の歪み検出部が光ファイバを介して縦列接続されている
ことである。これにより、複数地点からの計測を同時に
或いはまとめて行うことが可能となる。
【0018】また次に、歪み検出部とは反射波長が異な
るファイバグレーティングが書き込まれた光ファイバが
ファイバグレーティングの片側において固定器具に直接
固定され、他側において変位、荷重、圧力、加速度の変
化を全く受けないよう自由固定された温度検出部を有
し、温度検出部が光ファイバを介して歪み検出部と縦列
接続されることを特徴とする。歪み検出部で検出された
波長シフト量から温度検出部で検出された波長シフト量
を演算して差し引くことにより、温度補償が可能とな
る。
【0019】自由固定とは、物理的に固定器具に固定さ
れているが、変位、荷重、圧力、加速度の変化を全く受
けないような状態をいう。なお、このような温度検出部
については、発明者等により、特願平10−27875
4に提案されている。
【0020】
【発明の実施の形態】
【参考例】図1に本発明による光ファイバセンサの参考
の構成を示す。ファイバグレーティング5が書き込ま
れている光ファイバ1を樹脂2で被覆し、光ファイバ1
を保護している。光ファイバ1はファイバグレーティン
グ5の両側において、樹脂2を介して弾性接着剤3でフ
ァイバ固定器具4および6に接着され、固定器具4,6
は被測定物に直接固定される。これにより、被測定物に
かかる変位、荷重、圧力、加速度等の物理量を、ファイ
バグレーティング5の伸縮量を通して、ファイバグレー
ティング5からのブラッグ反射光の波長シフト量あるい
はファイバグレーティング5を透過する光スペクトルの
ディップにおけるピークの変化、すなわち波長シフト量
を検出することにより測定できる。ファイバグレーティ
ング5の部分は固定器具4,6に接着されていないの
で、光ファイバ1がもつ4%以上という高弾性領域をそ
のまま利用でき、高感度、高分解能の検出が可能とな
る。
【0021】ファイバグレーティング5の歪みをδε、
ファイバグレーティング5からの反射光のピーク波長
(あるいはファイバグレーティング5を透過する光スペ
クトルのディップのピーク波長)のシフト量をδλとす
ると(式1)が成立する。ωはファイバグレーティング
5の構造等による定数で波長−歪み係数である。また、
ファイバグレーティング5が書き込まれた光ファイバの
弾性係数をk1、ファイバグレーティング5両側の固定
器具間距離(以下、固定間距離という)をx1、x1の
伸縮量(実質的には光ファイバの伸縮量)をδx1、被
測定物にかかる荷重、圧力、加速度等の力F0の変化量
をδF0とすると、(式2)、(式3)が成立する。 δλ=ω*δε (式1) δx1=x1*δε (式2) δF0=k1*δx1 (式3)
【0022】ω及びk1は既知であるから、x1が選択
され、δλを検出すれば、(式1)よりδεがわかり、
(式2)からは被測定物との変位変化量δx1、(式
3)からは力の変化量δF0がわかる。
【0023】なお、ここではx1の距離を調節すること
で、被測定物の変位量の分解能と検出幅を選択的に決定
することが可能となる。波長分解能をΔδλ、歪み分解
能をΔδε、δx1の変位分解能をΔδx1とすると、
次の式が成立する。 Δδλ=ω*Δδε (式4) Δδx1=x1*Δδε=x1*1/ω*Δδλ (式5)
【0024】波長分解能Δδλは測定器の性能で決ま
り、波長−歪み定数ω、光ファイバの弾性係数k1は既
知であるから、x1が小さいほど変位分解能Δδx1が
小さくなることがわかる
【0025】また検出幅については、波長の検出幅をδ
MAXλ、歪み検出幅をδMAXε、δx1の変位検出幅をδ
MAXx1とすると、次の式が成立する。 δMAXλ=ω*δMAXε (式6) δMAXx1=x1*δMAXε=x1*1/ω*δMAXλ (式7)
【0026】波長−歪み定数ωは既知であるから、固定
間距離x1および波長検出幅δMAXλを大きくすれば変
位の検出幅δMAXx1が大きくなることがわかる。すな
わち固定間距離x1を調節することで、被測定物の変位
量の分解能と検出幅を自由に選択できることがわかる。
【0027】樹脂は、例えば熱硬化型のポリイミド樹脂
が使用される。ポリイミド樹脂を使用した場合には、特
願平11−184387に記載のとおり耐熱性および耐
摩耗性を向上させることができ、また他の樹脂に比べ高
引張り強度と高弾性を示す。また、同じく熱硬化型のフ
ッ素樹脂、フェノール樹脂を使用した場合には、耐薬品
性および耐水性を向上させることができる。なお、2液
混合で常温硬化型のエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂使
用しても良い。それぞれ、長期安定性に優れている。
【0028】
【第1の実施の形態】図2に本発明による光ファイバセ
ンサの第1の実施の形態の構成を示す。参考例と同じ部
位には同じ引用符号を用いて示す(以下、他の実施形態
においても同様)。参考例との差違は、固定器具6が被
測定物に直接固定されておらず、バネ7を介して被測定
物に間接的に固定されている点である。
【0029】光ファイバすなわちファイバグレーティン
グ5の弾性係数をk1、バネ7のバネ係数をk2(選択
可能)、被測定物の変位量をδx0、光ファイバすなわ
ちファイバグレーティング5の伸縮量(詳しくは固定間
距離x1の伸縮量)をδx1、バネの伸縮量をδx2、
被測定物にかかる荷重、圧力、加速度等の力F0の変化
量をδF0とすると次の式が成立する。 δλ=ω*δε (式1) δx1=x1*δε (式2) δF0=k1*δx1=k2*δx2 (式8) δx0=δx1+δx2 (式9)
【0030】弾性係数k1は既知であり、x1およびバ
ネ定数k2が選択され、ファイバグレーティング5、す
なわちx1が伸縮すると、ファイバグレーティング5か
らのブラッグ波長(ファイバグレーティング5からの反
射光のピーク波長あるいはファイバグレーティング5を
透過する光のスペクトルのディップのピーク波長)のシ
フト量δλがシフトし、(式1)、(式2)により伸縮
量δx1が求められ、(式8)により力F0が求めら
れ、また伸縮量δx2が求められ、さらに(式9)によ
り変位量δx0が求められる。
【0031】参考例ではx1が選択されると分解能Δδ
x1と検出幅δMAXx1が決定されたが、ここではバネ
係数k2を選択して、被測定物の変位の分解能Δδx0
と検出幅δMAXx0を選択的に決定することが可能とな
る。すなわち歪み分解能をΔδε、δx1、δx2の分
解能をΔδx1、Δδx2とすれば、被測定物の変位分
解能Δδx0は以下のとおりとなる。 Δδλ=ω*Δδε (式4) Δδx1=x1*1/ω*Δδλ (式5) Δδx0=(1+k1/k2)*x1*1/ω*Δδλ (式10)
【0032】波長分解能Δδλ、波長−歪み定数ω、光
ファイバの弾性係数k1は既知であるので、(式10)
から固定間距離x1を変化させることなく、バネ定数k
2を大きくすればΔδx0を小さくすることができる。
【0033】また検出幅については、波長の検出幅をδ
MAXλ、歪み検出幅をδMAXε、δx1、δx2の変位検
出幅をδMAXx1、δMAXx2とすると被測定物の変位検
出幅δMAXx0は以下のとおりとなる。 δMAXλ=ω*δMAXε (式6) δMAXx0=(1+k1/k2)*x1*1/ω*δMAXλ (式11)
【0034】波長−歪み定数ωは既知であるから、固定
間距離x1を変化させることなく、波長検出幅δMAXλ
を大きく、又は/及びばね係数k2を小さくすれば変位
の検出幅δMAXx0が大きくなることがわかる。よって
バネ定数k2を選択することによって変位量の分解能お
よび検出幅を自由に選択することが可能となる。
【0035】
【第2の実施の形態】図3に本発明による光ファイバセ
ンサの第2の実施の形態の構成を示す。参考例との差違
は、固定器具6が直接被測定物に固定されておらず、梃
子8を介して被測定物に間接的に固定されている点であ
る。9は梃子8と固定器具6とを接続するリンクであ
る。
【0036】ファイバグレーティング5にかかる力F1
の変化量をδF1、歪みをδε、波長−歪み係数をω、
梃子8の支点から固定器具6までの長さをl1、被測定
部すなわち作用点にかかる荷重、もしくは圧力、加速度
による力F0’の変化量をδF0’、梃子8の支点から
作用点までの長さをl2、ファイバグレーティング5の
伸縮量をδx1、被測定物の変位量をδx0’とする
と、次の関係が成立する。 δλ=ω*δε (式1) δx1=x1*δε (式2) δF1=k1*δx1 (式12) δF0’*l2=δF1*l1 (式13) δx0’/l2=δx1/l1 (式14)
【0037】弾性係数k1は既知であり、梃子比l1/
l2が選択されれば、(式1)、(式2)により波長シ
フト量δλから伸縮量δx1が求められ、(式12)に
より力の変化量δF1が求められ、さらに(式13)に
より力の変化量δF0’が求められ、(式14)により
変位量δx0’が求められる。
【0038】すなわち、 δF1=k1*x1/ω*δλ (式15) δF0’=l1/l2*δF1 (式16) δx0’=1/((l1/l2)*k1)*δF1 (式17) となり、ここでブラッグ波長の変化量δλの分解能をΔ
δλ、力の変化量δF1の分解能をΔδF1とすると、
変位量δx0’の分解能Δδx0’、力δF0’の分解
能ΔδF0’の間に次の関係が成立する。
【0039】 ΔδF1=k1*x1/ω*Δδλ (式18) ΔδF0’=l1/l2*ΔδF1 (式19) Δδx0’=1/((l1/l2)*k1)*ΔδF1 (式20) (式18)〜(式20)より、梃子比l1/l2が大き
いほど分解能Δδx0’が向上すること、梃子比l1/
l2が小さいほど分解能δΔF0’が向上することが解
る。
【0040】また検出幅について、波長の検出幅をδ
MAXλ、力δF1の荷重検出幅’をδM AXF1とすると、
変位量δx0’の検出幅δMAXx0’、力δF0’の検
出幅δM AXF0’の間に次の関係が成立する。 δMAXF1=k1*x1/ω*δMAXλ (式21) δMAXF0’=l1/l2*δMAXF1 (式22) δMAXx0’=1/((l1/l2)*k1)*δMAXF1 (式23)
【0041】(式21)〜(式23)より、梃子比l1
/l2およびδMAXλが大きいほど検出幅がδMAXx0’
が大きくなること、梃子比l1/l2を小さく、又は/
及びδMAXλが大きいほど検出幅δMAXF0’が大きくな
ることが解る。よって梃子比l1/l2を選択すること
によって変位、荷重、圧力、加速度等の物理量の分解能
と検出幅を自由に選択することが可能となる。また、
(式14)より、変位δx0’が非常に大きくてもある
いは非常に小さくても、梃子比l1/l2を選択するこ
とによって伸縮量δx1を拡大縮小できるので、伸縮量
δx1を測定することを介して、変位δx0’の測定範
囲を拡大できる。すなわち、梃子比l1/l2を選択す
ることによって感度を調整できる。
【0042】
【第3の実施の形態】図4に本発明による光ファイバセ
ンサの第3の実施の形態の構成を示す。第1の実施の形
に梃子8を追加したもの、すなわち、第2の実施の形
にバネを追加したものである。9は梃子8と固定器具
6とを接続するリンクである。ファイバグレーティング
5にかかる力をF1、梃子の支点から固定器具6までの
長さをl1、梃子の支点から力F0'の作用点(バネ7
との接続点)までの長さをl2、ファイバグレーティン
グ5の伸縮量をδx1、被測定物の変位をδx0"とす
ると、次の関係が成立する。 δλ=ω*δε (式1) δx1=x1*δε (式2) δF1=k1*δx1 (式12) δF0'*l2=δF1*l1 (式13) δF0'=k2*δx0" (式24)
【0043】弾性係数k1は既知であり、バネ定数k
2、梃子比l1/l2が選択されれば、(式1)、(式
2)により波長シフト量δλから伸縮量δx1が求めら
れ、(式12)により力の変化量δF1が求められ、さ
らに(式13)により力の変化量δF0’が求められ、
(式24)により変位δx0”が求められる。また、伸
縮量δx1の分解能Δδx1、変位δx0”の分解能Δ
δx0”、波長シフト量δλの分解能Δδλ、力の変化
量δF1、δF0’の分解能ΔδF1、ΔδF0’の間
に次の関係が成立する。 Δδλ=ω*Δδε (式4) Δδx1=x1*Δδε=x1*1/ω*Δδλ (式5) ΔδF1=k1*x1/ω*Δδλ (式18) ΔδF0’=l1/l2*ΔδF1 (式19) Δδx0”=1/k2*ΔδF0’ (式25)
【0044】(式19)より梃子比l1/l2が小さい
ほど分解能ΔδF0’が向上すること、(式25)より
バネ定数k2が大きいほど分解能Δδx0”が向上する
ことがわかる。
【0045】また検出幅について、波長の検出幅をδ
MAXλ、δF1の荷重検出幅’をδMAXF1とすると、変
位量δx0”の検出幅δMAXx0”、力δF0’の検出
幅δMAXF0’の間に次の関係が成立する。 δMAXF1=k1*x1/ω*δMAXλ (式26) δMAXF0’=l1/l2*δMAXF1 (式27) δMAXx0”=1/k2*δMAXF0’ (式28)
【0046】(式26)〜(式28)より、梃子比l1
/l2又は/及びδMAXλが大きいほど検出幅がδMAX
0’が大きくなること、またバネ定数k2が小さいほど
検出幅δMAXF0’が大きくなることが解る。よってバ
ネ定数k2及び梃子比l1/l2を選択することによっ
て変位、荷重、圧力、加速度等の物理量の分解能及び検
出幅を自由に選択することが可能となる。
【0047】また、(式12)、(式13)、(式2
4)より、 δx0”=(k1/k2)*(l1/l2)*δx1 (式29) なので、変位δx0”が非常に大きくても或は非常に小
さくても、バネ定数k2及び梃子比l1/l2を選択す
ることによって伸縮量δx1を拡大縮小できるので、伸
縮量δx1を測定することを介して、変位δx0”の測
定範囲を拡大できる。すなわち、バネ定数k2及び梃子
比l1/l2を選択することによって感度を調整でき
る。
【0048】
【第4の実施の形態】図5に本発明による第4の実施の
形態の構成を示す。本発明による光ファイバセンサを広
帯域光源と波長検出器を用いたFBG波長シフト検出機
構に適用した例である。第1の実施の形態の光ファイバ
センサ(実質的には歪み検出部、図5ではFBG検出部
と表示)10が光ファイバ11に接続され、さらに、光
カプラ12を介して発光ダイオード等からなる広帯域光
源13及び波長検出器(光スペクトルアナライザ)14
に接続されている。
【0049】広帯域光源13から出射された光は、光カ
プラ12、光ファイバ11を通してFBG検出部10に
導かれる。広帯域光源13から出射された光は、広帯域
に亘る波長の光を含んでいるが、FBG検出部10にお
けるファイバグレーティング5はグレーティング周期、
屈折率等で決まる特定の波長λBの光のみをブラッグ反
射するので、通常は、波長λBの反射光が光カプラ12
を通して波長検出器14で検出されている。他方、FB
G検出部10後方の光ファイバに入射される光は波長λ
Bの位置にディップが生じている。FBG検出部10は
被測定物に固定されており、被測定物にかかる変位、荷
重、圧力、加速度等の物理量が変化すると、ファイバグ
レーティング5に変位δx1が生じ、反射光の波長がλ
BからλB’に変化する。後方の光ファイバケーブルに
入射される光のディップの位置もλB’に変化する。こ
の波長のシフト量δλ=λB’−λBを測定することに
より、変位δx1を計測でき、被測定物にかかる変位δ
x0、荷重、圧力、加速度等の力の変化量δF0を計測
できる。
【0050】また、バネ定数k2又は/及び梃子比l1
/l2を適宜選択することによって変位、荷重、圧力、
加速度等の物理量の分解能及び検出幅を自由に選択する
ことが可能となる。また、変位δx0が大きくても、バ
ネ定数k2選択することによって実測する伸縮量δx1
を小さくできるので、変位δx0の測定範囲を拡大でき
る。なお、光カプラ12の代わりに光サーキュレータを
用いてもよい。
【0051】
【第5の実施の形態】図6に本発明による第5の実施の
形態の構成を示す。本発明による光ファイバセンサを波
長追跡システム18(FBG−IS)(FBG−ISは
FiberBragg Grating Inter
rogation Systemの略)に適用した例で
ある。第4の実施の形態との差違は、光源系と光検出系
がシステム化されている点である。光源は広帯域光源1
3から出射された光は、図5と同様にFBG検出部(
1の実施の形態の光ファイバセンサ)10に入射され、
ここから反射光が得られ、光検出系の波長フィルタ16
を介し受光器17で波長が検出される。ここで基準光源
15はFBG検出部10から反射された光スペクトルの
ピーク、つまりブラック波長の値を校正するために使用
され、基準光源15からは1pm程度の精度で波長校正
された複数の波長の光が出射している。光検出系ではこ
の基準光源15からの光と物理量変化を検出するFBG
検出部10からの反射光を切り替えて、光を検出して精
度の高い波長を検出する。そもそも検出系の波長フィル
タ16は、検出波長のドリフトや温度等の外乱により、
通常では検出される光の波長にズレを生じるが、この基
準光によって波長校正が可能となり第4の実施の形態
比して安定で、精度の高い測定が可能となるのである。
【0052】図9に第5の実施の形態により測定された
変位量δx0と反射波長シフト量δλの関係を示す。反
射波長シフト量δλは変位量δx0に対してリニアに変
化していることがわかる。また、変位量δx0について
は、0〜50mmという広範囲の測定が可能になってい
る。なお、これらの測定値は温度補償がされたものであ
る。
【0053】
【第6の実施の形態】図7に本発明による第6の実施の
形態の構成を示す。それぞれ反射波長が異なるファイバ
グレーティング5が書き込まれた複数個の歪み検出部
(図のFBG検出部)10を光ファイバ11を介して融
着接続、光コネクタ接続、またはメカニカルスプライス
接続により縦列接続を可能としたものである。図7で
は、光源および光検出系に第5の実施の形態で説明した
波長追跡システム18を使用したが、それぞれの光ファ
イバセンサ(FBG検出部)10からの反射波長が異な
るので、1つの光源、1つの波長検出器からなる光測定
系で検出が可能である。また、縦列接続された光ファイ
バセンサを使用することにより、複数地点からの計測を
まとめて行うことが可能となる。
【0054】なお、一本の光ファイバの複数の位置に反
射波長が異なるファイバグレーティング5を書き込んで
も本実施の形態と同様の縦列接続された光ファイバセン
サを作成できる。
【0055】
【第7の実施の形態】図8に本発明による第7の実施の
形態の構成を示す。第4の実施の形態に温度補償用の光
ファイバセンサ(実質的には温度検出部)19を追加
し、温度補償を可能にしたものである。温度補償用の光
ファイバセンサはファイバグレーティング5が歪み検出
用と異なる反射波長λTで書き込まれたものを用い、歪
み検出用の光ファイバセンサ(実質的には歪み検出部)
10に光ファイバにより縦列接続されている。反射波長
が異なるので、波長検出器14は、独立に、歪み検出部
10の波長シフト量δλ、温度検出部19の波長シフト
量δλT*δT(δλTは単位温度当たりの波長シフト
量、δTは温度変化)を検出できる。また、温度検出部
19は一端を変位、荷重、圧力、加速度等の物理量の変
化を全く受けないよう、かつ熱線膨張係数が明らかであ
る材料に張り付けて固定してあり、温度による伸縮のみ
を検出できるようにしてある。波長検出器14において
検出された歪み検出部10の波長シフト量δλより温度
検出部19の波長シフト量δλT*δTを理論的に差し
引くことにより、温度によらない真の反射波長変化量δ
Λを求めることが可能となる。温度検出部における材料
の線膨張係数αB、ファイバグレーティングの温度によ
る屈折率変化に相当する単位温度あたりの波長変化量を
λnとすると、δλ、δλT、δΛの関係は(式3
0)、(式31)で表わされる。 δλT/δT=αB*ω+λn (式30) δΛ=δλ−δλT*δT (式31)
【0056】なお、ここでは、第4の実施の形態への適
用例を説明したが、他の実施の形態にも温度補償が適用
可能である。複数の歪み検出部10が縦列接続されてい
る系においても、それぞれ反射波長が異なるファイバグ
レーティング5を用いれば、温度検出部19は1つでも
十分である。
【0057】図10に本実施形態を用いて測定した変位
量δx0の温度補償効果を示す。図において、黒丸は温
度補償をしない場合の変位量を示し、白抜きの四角形は
温度補償を行った場合の変位量を示す。20℃を基準と
して、−20℃、60℃では約3mmの大きな変位が
0.3mm程度に補償されていることがわかる。
【0058】
【発明の効果】本発明の光ファイバセンサによれば、フ
ァイバグレーティングがもつ4%以上という高弾性領域
を利用し、変位、荷重、圧力、加速度等の物理量をファ
イバグレーティングの伸縮量に変えて高感度、高分解能
で検出できる。さらに変位、荷重、圧力、加速度等の物
理量について、感度および分解能を自由に選択して検出
できる。
【0059】また、縦列接続された光ファイバセンサを
使用することにより、複数地点からの計測を同時に或い
はまとめて行うことが可能となる。また、温度補償を可
能とした光ファイバセンサを使用することにより、温度
に依存しない真の物理量を計測可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による参考例の構成を示す図である。
【図2】本発明による第1の実施の形態の構成を示す図
である。
【図3】本発明による第2の実施の形態の構成を示す図
である。
【図4】本発明による第3の実施の形態の構成を示す図
である。
【図5】本発明による第4の実施の形態の構成を示す図
である。
【図6】本発明による第5の実施の形態の構成を示す図
である。
【図7】本発明による第6の実施の形態の構成を示す図
である。
【図8】本発明による第7の実施の形態の構成を示す図
である。
【図9】本発明による変位量と反射波長シフト量の関係
を示す図である。
【図10】本発明による変位量の温度補償効果を示す図
である。
【図11】従来のファイバ型検出素子の構成を示す部分
断面図である。
【符号の説明】
1 光ファイバ 2 樹脂 3 弾性接着剤 4 固定器具 5 ファイバグレーティング 6 固定器具 7 バネ 8 梃子 9 リンク 10 FBG検出部 11 光ファイバ 12 光カプラ 13 広帯域光源 14 波長検出器 15 基準光源 16 フィルタ 17 受光器 18 波長追跡システム 19 温度検出部 51 光ファイバ心線 52 光ファイバ 53 被覆 54 ファイバグレーティング 55 再被覆
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡部 清昭 東京都品川区南大井六丁目8番2号 株 式会社東京測器研究所内 (56)参考文献 特開2000−39309(JP,A) 特開 平11−108605(JP,A) 実公 平4−46175(JP,Y2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 - 11/30 G01D 5/26 G01L 1/24 G02B 6/00

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ファイバグレーティングが書き込まれた
    光ファイバが該ファイバグレーティングの両側において
    固定器具に固定された歪み検出部を有し、片側の前記固
    定器具が被測定物に直接固定され、他側の前記固定器具
    がバネを介して間接的に被測定物に固定され、該被測定
    物にかかる変位、荷重、圧力、加速度を該ファイバグレ
    ーティングの伸縮を介して反射光又は透過光の波長シフ
    ト量として検出することを特徴とする光ファイバセン
    サ。
  2. 【請求項2】 ファイバグレーティングが書き込まれた
    光ファイバが該ファイバグレーティングの両側において
    固定器具に固定された歪み検出部を有し、片側の前記固
    定器具が被測定物に直接固定され、他側の前記固定器具
    が梃子を介して間接的に被測定物に固定され、該被測定
    物にかかる変位、荷重、圧力、加速度を該ファイバグレ
    ーティングの伸縮を介して反射光又は透過光の波長シフ
    ト量として検出することを特徴とする光ファイバセン
    サ。
  3. 【請求項3】 ファイバグレーティングが書き込まれた
    光ファイバが該ファイバグレーティングの両側において
    固定器具に固定された歪み検出部を有し、片側の前記固
    定器具が被測定物に直接固定され、他側の前記固定器具
    がバネ及び梃子を介して間接的に被測定物に固定され、
    該被測定物にかかる変位、荷重、圧力、加速度を該ファ
    イバグレーティングの伸縮を介して反射光又は透過光の
    波長シフト量として検出することを特徴とする光ファイ
    バセンサ。
  4. 【請求項4】 光ファイバに反射波長が異なるファイバ
    グレーティングが書き込まれた複数の前記歪み検出部が
    光ファイバを介して縦列接続されていることを特徴とす
    る請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光ファイバセ
    ンサ。
  5. 【請求項5】 前記歪み検出部とは反射波長が異なるフ
    ァイバグレーティングが書き込まれた光ファイバが該フ
    ァイバグレーティングの片側において固定器具に直接固
    定され、他側において変位、荷重、圧力、加速度の変化
    を全く受けないよう自由固定された温度検出部を有し、
    該温度検出部が光ファイバを介して前記歪み検出部と縦
    列接続されていることを特徴とする請求項1乃至4のい
    ずれか1項に記載の光ファイバセンサ。
  6. 【請求項6】 光ファイバが少なくともファイバグレー
    ティングの両側 において樹脂で被覆されていることを特
    徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光ファ
    イバセンサ。
  7. 【請求項7】 樹脂が熱硬化型であるポリイミド樹脂、
    フェノール樹脂、フッ素樹脂、もしくは2液混合で常温
    硬化型であるエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂であるこ
    とを特徴とする請求項6記載の光ファイバセンサ。
  8. 【請求項8】 光ファイバが樹脂を介して固定器具に弾
    性接着剤で接着固定され、又は樹脂で固定器具に固着さ
    れ、又は機械的にクランプ固定されていることを特徴と
    する請求項7記載の光ファイバセンサ。
  9. 【請求項9】 光ファイバが少なくともファイバグレー
    ティングの両端において無電解メッキ又は/及び電解メ
    ッキで被覆されていることを特徴とする請求項1乃至5
    のいずれか1項に記載の光ファイバセンサ。
  10. 【請求項10】 光ファイバが無電解メッキ又は電解メ
    ッキにより固定器具に固定されていることを特徴とする
    請求項9記載の光ファイバセンサ。
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