JP3598297B2

JP3598297B2 - Ｆｂｇ式変換器における温度補償構造

Info

Publication number: JP3598297B2
Application number: JP2002088880A
Authority: JP
Inventors: 一徳山賀; 栄一菅井; 清一藤田
Original assignee: NTT Advanced Technology Corp
Current assignee: NTT Advanced Technology Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP2003287435A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中間にＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を形成した光ファイバを用い、ＦＢＧに作用させる張力を測定すべき物理量に応じて変化させて、この物理量を計測するＦＢＧ式変換器における温度補償構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＢＧは、光ファイバ中を光波が伝搬しているとき、ブラッグ波長と呼ばれる或る特定の波長の光を反射する機能を持った光ファイバである。ＦＢＧのブラッグ波長は、ＦＢＧに作用させる張力（ＦＢＧのひずみ）に応じて変化する性質がある。そのため、ＦＢＧは、例えばひずみ検知素子として利用できる。
【０００３】
然し、ＦＢＧのブラッグ波長は温度によっても変化する性質があり、その変化率（零点移動量）はひずみ相当で約＋８×１０^−６／℃（波長シフト量が９〜１０ｐｍ／℃）になる。従って、ＦＢＧを用いて被測定物のひずみ等の物理量を計測する場合、ＦＢＧの温度補償が必要になる。そこで、従来は、一般的に、被測定物の計測に併せて雰囲気温度を測定し、測定された雰囲気温度に応じ後処理で補正する方法（温度補正方法）を採用している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記温度補正法では、雰囲気温度の測定が別途必要になるため、コスト高になる不具合がある。また、温度補正のための後処理が必要となるため手間がかかるという不具合もある。
【０００５】
本発明は、以上の点に鑑み、雰囲気温度の測定を不要としたＦＢＧ式変換器における温度補償構造を提供することをその課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、中間にＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を形成した光ファイバを用い、ＦＢＧに作用させる張力を測定すべき物理量に応じて変化させて、この物理量を計測するＦＢＧ式変換器において、前記ＦＢＧに作用させる張力を雰囲気温度に応じて可変させるバイメタル部材を設け、このバイメタル部材により該雰囲気温度に応じた前記ＦＢＧのブラッグ波長の変化を抑制するように温度補償を行うことを特徴とする。
【０００７】
ＦＢＧのブラッグ波長は、温度変化と張力変化との何れに対しても正の変化を生じ、雰囲気温度の上昇によるブラッグ波長の増加分だけ張力低下でブラッグ波長を減少させることにより、雰囲気温度でブラッグ波長が変化しないように温度補償することができる。本発明は、この原理を利用したものであり、雰囲気温度に応じたバイメタル部材のたわみ変化により、ＦＢＧに作用させる張力が雰囲気温度によるブラッグ波長の変化を抑制する（好ましくは相殺する）ように自動的に可変され、温度補償が為される。従って、雰囲気温度の測定が不要になり、コストダウンを図ることができる。
【０００８】
ここで、光ファイバをＦＢＧの両側の固定部において被測定物に固定して、測定すべき物理量たる被測定物のひずみを計測するＦＢＧ式変換器においては、前記両側の固定部のうちの少なくとも一方をバイメタル部材を介して被測定物に固定しておく。そして、ＦＢＧに作用させる張力を雰囲気温度に応じバイメタル部材により可変させることにより、該雰囲気温度に応じた前記ＦＢＧのブラッグ波長の変化を抑制するように温度補償を行うことができる。
【０００９】
この場合、被測定物のひずみ計測箇所の両側に固定される一対の筒状ケースを設け、これら両筒状ケースに光ファイバを貫通させて、ＦＢＧの両側の固定部を少なくとも一方にバイメタル部材を介在させた状態で両筒状ケースの内面に固定すると共に、両筒状ケース間の隙間を伸縮自在なカバー部材で密閉することが好ましい。これによれば、ＦＢＧおよびバイメタル部材が外部環境に対し遮蔽され、耐環境性が向上する。
【００１０】
ところで、前記被測定物の線膨張係数が比較的大きいような場合には、雰囲気温度の上昇に伴う被測定物の熱膨張によってＦＢＧの両側の固定部の間隔が広がってＦＢＧに作用させる張力が増加し、ひいてはＦＢＧのブラッグ波長が増加する。つまり、ＦＢＧのブラッグ波長は、雰囲気温度が上昇すると、該ブラッグ波長自体の温度特性に起因する増加分に加えて、被測定物の熱膨張に伴うＦＢＧの張力増加の分だけ余分に増加する。そこで、この被測定物の熱膨張の影響を補償するために、前記バイメタル部材は、前記雰囲気温度に応じた前記ＦＢＧのブラッグ波長の変化を抑制すると共に、前記被測定物の熱膨張に伴う該ＦＢＧの張力変化を抑制する形状変化が雰囲気温度に応じて生じるように構成されていることが好ましい。このようなバイメタル部材の形状変化は、より具体的には、例えば雰囲気温度が上昇したとき、バイメタル部材が、ブラッグ波長自体の温度特性に起因する該ブラッグ波長の変化を抑制する場合よりも、被測定物の熱膨張に伴うＦＢＧの張力増加の分だけさらに余分に、該ＦＢＧの張力を減少させる方向にたわみ変形するように、バイメタル部材の材質、形状、サイズ等を設定しておくことで実現される。
【００１１】
これにより、雰囲気温度の変化に伴うＦＢＧ自体のブラッグ波長の変化に加えて、被測定物の熱膨張に伴うＦＢＧの張力変化の影響も補償することができる。
【００１２】
また、円弧形状の金属帯を備え、該金属帯の両端間の切欠き部を通る前記円弧形状の直径方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に直交する前記円弧形状の直径方向をＹ軸方向として、前記金属帯のＹ軸方向両側部をＹ軸方向の自由度を持つように支持部材で支持し、前記金属帯の前記切欠き部とは反対側のＸ軸方向部分に設けた入力部に測定すべき物理量の変化に応じた外力を作用させると共に、ＦＢＧが前記切欠き部に張り渡されるように、光ファイバをＦＢＧの両側の固定部において前記金属帯の両端に固定して成るＦＢＧ式変換器も考えられている。このものでは、入力部に作用する外力により金属帯がＹ軸方向を長径方向とする楕円状にひずみ、このひずみにより切欠き部の幅が広がってＦＢＧに作用させる張力が増し、入力部に作用する外力、即ち、測定すべき物理量が計測される。このような変換器においては、前記支持部材をバイメタル部材で構成することにより、ＦＢＧに作用させる張力を雰囲気温度に応じバイメタル部材により前記金属帯を介して可変させることにより、雰囲気温度に応じたＦＢＧのブラッグ波長の変化を抑制するように温度補償を行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施形態を図１（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図１（ａ），（ｂ）はそれぞれ、被測定物Ｗのひずみを計測するＦＢＧ式変換器の正面図、側面図を示している。この変換器は、中間にＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）１を形成した光ファイバ２を備えており、この光ファイバ２をＦＢＧ１の両側の固定部２ａ，２ａにおいて被測定物Ｗに固定して、ＦＢＧ１に作用させる張力が被測定物Ｗのひずみに応じて変化するようにしている。そして、光ファイバ２を図外の波長測定器に接続し、ＦＢＧ１に作用させる張力の変化に伴うブラッグ波長の変化に基づいて被測定物Ｗのひずみを計測する。
【００１４】
ここで、ブラッグ波長はＦＢＧ１の張力だけでなく温度によっても変化する。そこで、本実施形態では、ＦＢＧ１の温度補償のため、ＦＢＧ１の両側の固定部２ａ，２ａをそれぞれ帯状のバイメタル部材３，３を介して被測定物Ｗに固定している。両バイメタル部材３，３は、被測定物Ｗのひずみ計測箇所の両側にそれぞれ基端部において固定金具４，４により固定されており、両バイメタル部材３，３の自由端（図では上端）にＦＢＧ１の両側の固定部２ａ，２ａをＦＢＧ１に所定の張力を付与した状態で接着剤等により固定している。
【００１５】
両バイメタル部材３，３のたわみ方向は、両者の自由端同士が雰囲気温度の上昇で接近し、雰囲気温度の下降で離間する方向にたわむように設定され、また、温度に対するブラッグ波長の変化率に応じたたわみ力が発生するように各バイメタル部材３の形状（板厚、長さ、幅）を設定している。そのため、雰囲気温度が上昇又は下降すると、ＦＢＧ１の張力が温度変化に応じ所要の変化率で減少又は増加する。従って、雰囲気温度の上昇によるブラッグ波長の増加分はＦＢＧ１の張力減少に伴うブラッグ波長の減少で相殺される。また、雰囲気温度の低下によるブラッグ波長の減少分はＦＢＧ１の張力増加に伴うブラッグ波長の増加で相殺される。これにより、雰囲気温度の変化によってブラッグ波長が変化しないように温度補償することができる。
【００１６】
また、被測定物Ｗの外力によるひずみを被測定物Ｗの熱膨張による影響を除外して計測することが要求される場合には、バイメタル部材３のたわみ変化が被測定物Ｗの線膨張係数を加味した値になるようにバイメタル部材３のたわみ変形特性（雰囲気温度に応じたたわみ変形特性）を設定する。より具体的には、雰囲気温度が上昇したとき、ブラッグ波長自体の温度特性によるブラッグ波長の増加分のみを補償する場合よりも、被測定物Ｗの熱膨張に伴うＦＢＧ１の張力増加分を相殺し得る量だけ余分に、両バイメタル部材３，３が、その自由端同士が接近する方向にたわむように、両バイメタル部材３，３のたわみ変形特性を設定しておく。これによりＦＢＧ１の両側の固定部２ａ，２ａ間の距離が被測定物Ｗの熱膨張で変化することを防止することができる。尚、バイメタル部材３のたわみ変形特性は、例えば、該バイメタル部材３を構成する低膨張率側及び高膨張率側の材質や、バイメタル部材３の形状、サイズ等によって調整することが可能である。
【００１７】
尚、上記第１実施形態では、バイメタル部材３を真直形状のものとしたが、図２に第２実施形態として示す如く、湾曲形状のバイメタル部材３を用いることも可能である。この場合、第２実施形態のバイメタル部材３は、その自由端が被測定物Ｗの法線方向に変位しつつ被測定物Ｗの長手方向に変位するようにたわみ変化し、この長手方向の変位を利用して温度補償を行う。
【００１８】
また、図３に第３実施形態として示す如く、固定金具４を基端部に二股状等の光ファイバ挿通部４ａを有するものに形成し、固定金具４に逆Ｕ字状のバイメタル部材３を取り付けて、被測定物Ｗの表面側にのびるバイメタル部材３の自由端に前記固定部２ａを固定しても良い。これによれば、ＦＢＧ１が被測定物Ｗの表面に接近し、被測定物Ｗのひずみを精度良く計測できるようになる。
【００１９】
また、上記実施形態では、ＦＢＧ１の両側の固定部２ａ，２ａを共にバイメタル部材３，３を介して被測定物Ｗに固定したが、図４に第４実施形態として示す如く、ＦＢＧ１の両側の固定部２ａ，２ａのうちの一方のみをバイメタル部材３を介して被測定物Ｗに固定しても良い。この場合、他方の固定部２ａは高さを揃えるためのスペーサ金具５を介して被測定物Ｗに固定する。尚、この場合、バイメタル部材３は、前記第２あるいは第３実施形態のもののように湾曲形状に形成されていてもよい。
【００２０】
次に、図５に示す第５実施形態について説明する。このものでは、一対の筒状ケース６，６を用意して、両筒状ケース６，６を同心に対向させた状態で、それぞれの外端のフランジ部６ａ，６ａにおいて被測定物Ｗのひずみ計測箇所の両側に固定している。そして、両筒状ケース６，６の内面にそれぞれバイメタル部材３，３をその基端部において固定金具４，４により固定すると共に、光ファイバ２を両筒状ケース６，６に貫通させ、ＦＢＧ１の両側の固定部２ａ，２ａを両バイメタル部材３，３の自由端に接着剤等で固定している。
【００２１】
これによれば、ＦＢＧ１の両側の固定部２ａ，２ａがそれぞれバイメタル部材３と筒状ケース６とを介して被測定物Ｗに固定されることになり、上記実施形態と同様に被測定物Ｗのひずみを計測できると共に、雰囲気温度でブラッグ波長が変化しないように温度補償することができる。更に、このものでは、両筒状ケース６，６間の隙間をベローズ等の伸縮自在なカバー部材７で密閉しており、そのため、ＦＢＧ１およびバイメタル部材３が外部環境に対し遮蔽され、耐環境性が向上する。尚、第４実施形態と同様にＦＢＧ１の両側の固定部２ａ，２ａのうちの一方のみをバイメタル部材３を介して筒状ケース６に固定しても良い。
【００２２】
最後に、第６実施形態を図６及び図７を参照して説明する。この実施形態は、ボーリング孔内の地下水中に沈めて地下水位を計測するＦＢＧ式変換器であり、上端が閉塞された筒状の変換器本体１１を備えている。変換器本体１の下部には筒部材１４が内挿され、この筒部材１４の上端に該筒部材１４の軸心側に張り出すように形成された仕切板部１４ａにより、変換器本体１１の内部の空間が仕切板部１４ａの上側の主室１２と下側の副室１３（筒部材１４の内部の空間）とに画成されている。そして、主室１２に後記詳述する起歪体を収納すると共に、副室１３に受圧部材たるベローズ１５を仕切板部１４ａの下面に密着させた状態で収納している。また、変換器本体１１の下端に螺着されるキャップ１６に形成した透孔１６ａを介して副室１３に導入される水圧によりベローズ１５が押し上げられるようにしている。尚、水圧を受ける受圧部材はベローズ１５に限られるものではなく、例えば、ダイアフラムであっても良い。また、筒部材１４の外周面にＯリング１７を装着して、主室１２に水が侵入しないようにしている。
【００２３】
起歪体は、円弧形状の金属帯１８で構成されている。ここで、金属帯１８の両端間の切欠き部１８ａを通る円弧形状の直径方向をＸ軸方向、これに直交する円弧形状の直径方向をＹ軸方向とする。このとき、金属帯１８は、Ｘ軸方向が上下方向になり、且つ、切欠き部１８ａが上方を向く姿勢で主室１２に収納されている。主室１２には、仕切板部１４ａの上面に立設したブラケット１９が配置されており、このブラケット１９の上端に、Ｙ軸方向に弾性的に開閉自在な二股形状の支持部材２０をボルト２１を介して垂設している。そして、この支持部材２０に金属帯１８のＹ軸方向両側部をそれぞれボルト２２，２２により連結している。これにより、金属帯１８のＹ軸方向両側部は、変換器本体１１に対しＹ軸方向の自由度を持って支持され、金属帯１８がＹ軸方向を長径方向とする楕円形状にひずみ得るようになる。
【００２４】
金属帯１８の切欠き部１８ａとは反対側のＸ軸方向部分、即ち、金属帯１８の下端部は該金属帯１８に外力を作用させる入力部１８ｂとなっており、この入力部１８ｂを、ベローズ１５の下端から立設したロッド１５ａの上部のねじ部に締結している。この構成によって、水圧によりベローズ１５が押し上げられると、入力部１８ｂにロッド１５ａを介して上方への外力が作用し、金属帯１８はＹ軸方向を長径方向とする楕円形状にひずむ。
【００２５】
そして、金属帯１８の上記ひずみを検知するため、図７に示す如く、中間にＦＢＧ１を形成した光ファイバ２を、ＦＢＧ１がＹ軸方向に延在して切欠き部１８ａに張り渡されるように、ＦＢＧ１の両側の固定部２ａ，２ａにおいて金属帯１８の両端に接着剤２３で固定している。金属帯１８がＹ軸方向を長径方向とする楕円形状にひずむと、切欠き部１８ａの幅が広がってＦＢＧ１に作用させる張力が増し、ＦＢＧ１のブラッグ波長が変化する。従って、ブラッグ波長を測定することで金属帯１８のひずみを検知でき、金属帯１８の外力―ひずみ特性から入力部１８ｂに作用する外力、即ち、水圧（地下水位）を計測できる。尚、金属帯１８の熱膨張に起因するひずみによる変換器の零点の温度影響を小さくするため、金属帯１８は線膨張係数の小さな材料、例えば、合金中で線膨張係数が最小（１×１０^−６／℃未満）のスーパーインバで形成することが望ましい。
【００２６】
変換器本体１１の上端には、上方にのびる一対の保護チューブ２４が液密に取り付けられており、光ファイバ２を保護チューブ２４に挿通して、ボーリング孔の外部に配置する図外の波長測定器に接続する。尚、主室１２は、大気圧変動を補償するため、保護チューブ２４を介して大気側に開放されている。また、保護チューブ２４の先端には、大気中の湿度侵入を防止するため除湿剤室（図示せず）が設けられている。
【００２７】
ここで、前記支持部材２０は、その二股部が雰囲気温度の上昇でＹ軸方向内側にたわみ、雰囲気温度の下降でＹ軸方向外側にたわむようにしたバイメタル部材（例えば低膨張率側が３６Ｎｉ―Ｆｅ合金、高膨張率側が２２Ｎｉ―４Ｃｒ―Ｆｅ合金から成るバイメタル部材）で構成されている。そのため、雰囲気温度が上昇すると、支持部材２０を介して金属帯１８に作用するＹ軸方向内側へのたわみ力により切欠き部１８ａの幅が狭められて、ＦＢＧ１の張力が減少する。また、雰囲気温度が下降すると、支持部材２０を介して金属帯１８に作用するＹ軸方向外側へのたわみ力により切欠き部１８ａの幅が広げられて、ＦＢＧ１の張力が増加する。従って、雰囲気温度の上昇によるブラッグ波長の増加分はＦＢＧ１の張力減少に伴うブラッグ波長の減少で相殺される。また、雰囲気温度の低下によるブラッグ波長の減少分はＦＢＧ１の張力増加に伴うブラッグ波長の増加で相殺される。これにより、雰囲気温度でブラッグ波長が変化しないように温度補償することができる。
【００２８】
尚、第６実施形態の変換器は、水圧（地下水位）以外の圧力の計測にも使用でき、更に、金属帯１８の入力部１８ｂに被測定物に接触する測定子を連結して、被測定物の変位を計測することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の第１実施形態を示す正面図、（ｂ）その側面図。
【図２】本発明の第２実施形態を示す正面図。
【図３】本発明の第３実施形態を示す正面図。
【図４】本発明の第４実施形態を示す正面図。
【図５】本発明の第５実施形態を示す切断正面図。
【図６】本発明の第６実施形態を示す切断正面図。
【図７】図６のＢ部の拡大図。
【符号の説明】
１…ＦＢＧ、２…光ファイバ、２ａ…固定部、３…バイメタル部材、６…筒状ケース、７…カバー部材、１８…金属帯、１８ａ…切欠き部、１８ｂ…入力部、２０…支持部材（バイメタル部材）。

Claims

中間にＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を形成した光ファイバを用い、ＦＢＧに作用させる張力を測定すべき物理量に応じて変化させて、この物理量を計測するＦＢＧ式変換器において、
前記ＦＢＧに作用させる張力を雰囲気温度に応じて可変させるバイメタル部材を設け、このバイメタル部材により該雰囲気温度に応じた前記ＦＢＧのブラッグ波長の変化を抑制するように温度補償を行うことを特徴とするＦＢＧ式変換器における温度補償構造。
中間にＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を形成した光ファイバを前記ＦＢＧの両側の固定部において被測定物に固定して、測定すべき物理量たる被測定物のひずみを計測するＦＢＧ式変換器において、
前記両側の固定部のうちの少なくとも一方をバイメタル部材を介して被測定物に固定し、前記ＦＢＧに作用させる張力を雰囲気温度に応じて前記バイメタル部材により可変させることにより、該雰囲気温度に応じた前記ＦＢＧのブラッグ波長の変化を抑制するように温度補償を行うことを特徴とするＦＢＧ式変換器における温度補償構造。
前記被測定物のひずみ計測箇所の両側に固定される一対の筒状ケースを備え、これら両筒状ケースに前記光ファイバを貫通させて、前記ＦＢＧの両側の固定部を、少なくとも一方に前記バイメタル部材を介在させた状態で前記両筒状ケースの内面に固定すると共に、前記両筒状ケース間の隙間を伸縮自在なカバー部材で密閉することを特徴とする請求項２記載のＦＢＧ式変換器における温度補償構造。
前記バイメタル部材は、前記雰囲気温度に応じた前記ＦＢＧのブラッグ波長の変化を抑制すると共に、前記被測定物の熱膨張に伴う該ＦＢＧの張力変化を抑制する形状変化が雰囲気温度に応じて生じるように構成されていることを特徴とする請求項２又は３記載のＦＢＧ式変換器における温度補償構造。
円弧形状の金属帯を備え、該金属帯の両端間の切欠き部を通る前記円弧形状の直径方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に直交する前記円弧形状の直径方向をＹ軸方向として、前記金属帯のＹ軸方向両側部をＹ軸方向の自由度を持つように支持部材で支持し、前記金属帯の前記切欠き部とは反対側のＸ軸方向部分に設けた入力部に測定すべき物理量の変化に応じた外力を作用させると共に、中間にＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を形成した光ファイバを、前記ＦＢＧが前記切欠き部に張り渡されるように、前記ＦＢＧの両側の固定部において前記金属帯の両端に固定して成るＦＢＧ式変換器において、
前記支持部材をバイメタル部材で構成し、前記ＦＢＧに作用させる張力を雰囲気温度に応じ前記バイメタル部材により前記金属帯を介して可変させることにより、該雰囲気温度に応じた前記ＦＢＧのブラッグ波長の変化を抑制するように温度補償を行うことを特徴とするＦＢＧ式変換器における温度補償構造。