JP3740500B2

JP3740500B2 - OFDR multi-point strain measuring device

Info

Publication number: JP3740500B2
Application number: JP2002375302A
Authority: JP
Inventors: 寛隆井川; 時雄葛西; 功山口; 英晶村山; 征蔵 ▲高▼木
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP2004205368A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバーブラッググレーティング(ＦＢＧ)を１本の光ファイバーに複数個配置したＯＦＤＲ方式の多点歪み計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ埋め込み型のセンサーは、その軽量性、強度、小さなサイズそして柔軟性より、スマート構造・材料への適用が期待されるものであり、その適用先としては、航空・宇宙機器の健全性評価、大型人工衛星等の柔軟構造物の振励計測などが考えられる。最初の健全性評価としては、運用中の航空・宇宙機器の歪みを計測することによる機体構造の健全性評価が可能である。その際必要となるセンサーとしての条件は、高い空間分解能、計測のリアルタイム性が挙げられよう。また、各運用間の構造残留歪みの経年変化をモニタリングすることによる健全性の評価も考えられる。この際必要となる条件は、絶対、歪みが計測可能であるかということになる。
人工衛星の振動計測には、加速度センサーが主に使用されているが、衛星全体システムの制限から、チャンネル数の制限がある。しかし、光ファイバセンサーのような単純構成の分布型センサーが可能となれば、人工衛星の振動特性把握に対する寄与は大きなものとなる。その際には、当然ながら計測周波数に対応した応答性が要求される。
【０００３】
これまで光ファイバを用いたセンサー系としては様々なものが提案されている。その一つに光ファイバのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたFiber Bragg Grating (ＦＢＧ)を、１本の光ファイバに複数個配置し、ＦＢＧが存在する位置の歪み、温度を計測するシステムがある。この方法では、広帯域の波長を有する入射光を用い、反射光の波長の変化量を観測して歪み、温度の計測を行う。ＦＢＧは１０ｍｍ程度の大きさであり一般的な歪みゲージのように局所的な計測を行うことが可能であり、さらに歪みゲージと異なり絶対歪みの計測も可能である。また、現在製品化されているシステムでは、数十Ｈｚ程度の応答速度を有する。因みにこの種のものとして特許文献１「多点型歪み及び温度センサ」がある。これは多点での計測に適し、しかも温度と共に正確な歪みを計測できる多点型歪み及び温度センサを提供することを目的としたもので、図１０に示すように歪みに応じて光反射ピーク波長が変化するＦＢＧａを光ファイバｂに直列に複数挿入し、この光ファイバｂの一端より各ＦＢＧａからの特定波長ｌの反射光量をＯＴＤＲ（Optica1 Time Domain Ref1ectometory）で測定すると共に、光ファイバｂ中からの後方散乱光をＢＯＴＤＲ（Brillouin Optica1 Time Domain Ref1ectometory）で測定することにより光ファイバｂの長手方向に沿った温度分布を求め、この温度分布に基づき各ＦＢＧａの温度依存による反射光量変化分を補正し、この温度補正された反射光量から各ＦＢＧａにおける正確な歪み量を求めるというものである。パルス状の入力光を使用し、反射光の到達時間により位置の特定を行う。しかし、この測定方式は反射光の波長のシフト量を検出するため、計測レンジ及び光源帯域の広さにより、１本の光ファイバ当たりの計測点数(ＦＢＧセンサーの数)が制限される。多重化の方法もいくつか提案されているが、システムが複雑化するため、いずれも安定性、コストなどの面の問題を有している。
【０００４】
これらを踏まえ、本発明者らが注目したのは、Optical Flequency Domain Reflectometry(ＯＦＤＲ)を使用したシステムである。このシステムは、ＦＢＧ型センサーの多重化技術の一つにも分類できるもので、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたファイバー・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を１本の光ファイバーに複数個配置すると共に、波長可変型の狭帯域光源を用い、計測部からの反射光と参照反射面からの反射光の干渉による光強度変化を見てＦＢＧセンサーの位置を測定し特定するものである。これまで、Childersらによる８ｍの光ファイバーに８００個のＦＢＧを配置し、４本の光ファイバーで計３０００点以上の歪み同時計測を行った例が報告（非特許文献１，非特許文献２）されているが、計測とデータのオフライン解析には数分の時間を要している。
すなわち、従来の解析方式では高速フーリエ変換及びその逆変換を用いて、個別のＦＢＧに対して反射特性を求めていた。従来技術では静的計測のみを行っていたが、将来的な構造物等の動的計測を念頭に置いた場合、従来の解析手法では計測の高速化は困難であると考える。また、従来の解析手法では、個々のＦＢＧの反射特性を求める方法に関して十分な記載がなされていない。更には、従来の解析手法では、光源の波長出力値を基準にＦＢＧセンサー部での歪み量を求めていた。この場合、計測精度が光源の波長出力精度大きく左右されるといった問題点があった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１４１９２２号公報
【非特許文献１】
Brook A. Childers aand etc.,“Use of 3000 Bragg Grating Strain Sensor Distributed on Four Eight-Meter Optical Fibers During Static Load Tests of a Composite Structure,”SPIE's 8th International Symposium on Smart Structure and Materials, Newport Beach, Califorornia, March4-8, 2001.
【非特許文献２】
Mark Frogatt and Jason Moore “Distributed measurement of static strain in an optical fober with multiple Bragg gratings at nominally equal wavelengths”APPLIDE OPTICS Vol.37 No.10, 1 April 1998.
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記の問題点を踏まえ、光ファイバーに複数個のＦＢＧを配置し、ＯＦＤＲを用いた多点歪み計測システムにおいて、データ解析手法の改善を行い、計測のリアルタイム性、応答速度の向上を目指すことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
提案するＯＦＤＲ式光ファイバー多点歪み計測装置は、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたファイバー・ブラッグ・グレーティング(ＦＢＧ)を１本の光ファイバーに複数個配置して、光の干渉強度の周期的変化を利用してＦＢＧセンサーの位置を特定し各ＦＢＧの反射光中心光波数の変化量からＦＢＧセンサーが存在する位置の歪みや温度を計測するシステムを応用したものであり、新規の技術的思想として
１従来の解析方式では個別のＦＢＧ毎に高速フーリエ変換及びその逆変換を用いていたが、本方式ではこれをデジタルのバンドパスフィルターを利用することでその処理速度を高速化できる。
２上記、バンドパスフィルター後の取得データに対して、その絶対値に対してさらにローパスフィルターをかけることで光強度の包絡線を求めて歪み量の解析を行うことで計測時の安定性を確保することが可能となる。
３ＦＢＧアレイの応用として、ＦＢＧのひとつを光源波長補正及び温度補正のための参照(リファレンス)として利用することで、歪み計測精度の飛躍的な向上が可能となる。
４ファイバー上にＦＢＧを配置する間隔と同じ光路差の全反射終端をもつ参照用干渉器を備え、該参照用干渉器のディテクタで計測される光強度をトリガーとして、各ＦＢＧからの反射光の強度をディテクタで計測する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のＯＦＤＲによる歪計測手法の原理について説明する。光ファイバ多点歪み計測において、問題になるのは、計測点の位置と歪みを、如何に特定するかという点である。ここでは、簡単な１個のＦＢＧを有するＯＦＤＲ光ファイバセンサ系を例に挙げ、センサ位置と歪みがその反射特性に与える影響を示す。
まず、光ファイバセンサー系の反射特性についてであるが、波長可変型レーザ光源（ＶＳ）、光強度ディテクタ（Ｄ）、全反射終端（Ｒ）、及びＦＢＧセンサー（ＦＢＧ）を図１に示すように配置して光ファイバで結線する。波長可変型光源から入射されたある波長を持ったレーザー光は、カプラ（Ｃ）で分岐され、反射終端及びＦＢＧセンサー部で反射し、その後カプラで再び合成され、ディテクタでその強度が検出される。ＦＢＧからの反射光は、ある波長の光のみを強く反射するため、横軸を光波数ｋとその反射光強度の関係は、図１下段右のような形となる。また、ピークを示す光波数ｋの値は、ＦＢＧの特性に基づき当該ＦＢＧ部での歪みの大きさに依存して変化する。ここで、光波数ｋと波長λの値は以下の関係を有する。
ｋ＝２π／λ (１)
一方、ＦＢＧからの反射光と全反射終端Ｒからの反射光は光路差２Ｌを有するので、光ファイバの屈折率をｎとするとその光には２ｎＬの位相差が生じ、合成された光信号は以下に示すように、光波数ｋに依存して正弦関数的に変化する。全反射終端Ｒからの反射光とＦＢＧからの反射光の光強度が等しかったとすると次式のように
Ａｍｐ＿ＩＴＦ＝ＡCOS(２ｎＬｋ） (２)
すなわち、この関係は図１下段中央に示すようになる。
前述した二つの作用により、ディテクタで検出される光強度は、光波数ｋに対して図１下段左に示すように、ある周期とピークを持った形で変化するものとなる。この周期から行路差２ＬつまりＦＢＧセンサーの位置を、ピークを示す光波数ｋの値から歪みの値を推定することが可能となる。
ＦＢＧが複数個存在する場合においても、それぞれのＦＢＧに対応して光路差が異なるため、その光路差に依存する周波数に着目することによりそれぞれのＦＢＧの位置が決定され、またそれぞれピークを示す光波数を求めることにより各ＦＢＧでの否みの値を決定することができる。
【０００９】
次ぎにデータの解析手法について説明する。データ解析の大まかな流れを、図２に示した。図中左側にChildersらが行った解析（非特許文献１，２）の流れを、右側に本発明の解析の流れを示している。Childersらは、最初にディテクタで観測された光強度を、光波数ｋの関数としてＰＣに取り込んだ後に解析を行っている。前述したように、観測される光強度を光波数の関数として表した場合、行路差２Ｌは周波数のように作用する。従って、光波数の関数に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行なうと、光ファイバ上に複数のＦＢＧが存在する場合には、各ＦＢＧからの反射光強度が、図中上のグラフのようにそれぞれの位置に対応して分離された形で表される。一つのＦＢＧに着目して、フィルターを介してその位置の成分のみを抜き出し逆高速フーリエ変換を施すと、着目したＦＢＧからの反射光の強度のみが、図中下のグラフのように光波数の関数として求まる。ここで、ピークを示す光波数はＦＢＧでの歪みの値に比例して変化するので、その変化量を観測することにより、着目したＦＢＧでの歪み量を検出することができる。Childersらは、上記のデータ処理をオフラインで行っている。
【００１０】
ところで、光ファイバ上にＦＢＧを複数配置したとしても、それぞれのセンサーの光ファイバ上での位置を予め把握し確定しておくことは一般に可能なことである。即ち各ＦＢＧ間の距離Ｌを既知としておけば、前述したように光路差２Ｌに基づく位相差２ｎＬが周波数のように作用するので、予め各ＦＢＧに対応してバンドパスフィルターを設計しておき、ディテクタで計測される光強度に対してフィルタリングを行えば、着目したＦＢＧからの反射光を選択的に観測することができる。これが本発明の基本的技術思想である。すなわち、従来手法のＦＦＴ処理から逆ＦＦＴ処理までのプロセスを抜きにして直接下のグラフの信号を抽出する。この信号抽出手法は従来の高速フーリエ変換を行う信号処理に比べ格段に処理時間が短縮できる。その後は、上記と同様の手順で光波数のピーク値の遷移量を求め、着目したＦＢＧでの歪み値が求められる。この信号処理手法は、バンドパスフィルターの設計などの手間はあるが、一旦システムが仕上がれば計測時の演算量が大幅に軽減されるので、オンラインリアルタイムの計測を可能にするものと考えられる。
【００１１】
図３に複数のＦＢＧからの反射光と参照反射面からの反射光が合成された光の強度をディテクタにより計測したときの計測結果を、縦軸に光強度を横軸に光波数をとって表示したものである。右の図はピーク部分の横軸を拡大して表示したものである。行路差による干渉により、光強度が光波数に対して周期的に変化していることが見て取れる。
１つのＦＢＧに着目し、参照反射面との行路差に対応して決まる周波数のみを通すバンドパスフィルターを設計し、図１に示した計測結果に対してこのフィルター処理を施す。これにより、着目したＦＢＧからの反射光の成分のみを抜き出すことができる。図４がその結果であるが、単一周期を持った波が振幅変調している形となっている。図４の左側に示すように、ＦＢＧはある光波数の光のみを強く反射する特性を持つ。反射光の強度が最大になる光波数を中心光波数と呼ぶこととし、該中心光波数はＦＢＧに作用する歪みや温度によって値が変化する。図４の最大値を示す光波数をそのまま中心光波数とすることは可能であるが、右側に示す拡大図から分かるように最大値付近は微妙に振幅が変化しているため、安定した中心光波数を得ることは困難となる。そこで、本発明では安定した中心光波数を抽出する手法を提示する。
【００１２】
本発明では、図４に示される波形の包絡線信号を作り、その信号から中心光波数を得ることとする。すなわち、図４に示す波形に対して絶対値をとり、適当なデジタルローパスフィルターによる処理を施すことにより着目ＦＢＧからの反射特牲が得られる。その得られた信号が図５に示す波形である。この波形のピーク値から光波数を特定することになるがこのピーク値近傍は細かく振れているため、本発明では、包絡線信号のピーク波形において最大振幅値の所定比率の値を示す上下両側光波数の値の中心値を検出光波数として割り出す方法を採用した。最大振幅値の所定比率として本発明者はピーク値の１／２をとるようにしたが、必ずしも１／２に特定されるものではない。同じ振幅値をとる２つの光波数の中央値を、中心光波数として採用することにより、反射特性最大値付近の細かな変動を取り除くことができ、中心光波数として非常に安定した値を得ることが可能となる。
この処理を複数のＦＢＧに対して施し、各ＦＢＧからの中心光波数を抽出する。５個のＦＢＧを用いた場合の結果をまとめて図６に示す。個々のＦＢＧの反射光の中心光波数は各ＦＢＧに作用する歪みと温度によって変化する。ここでは、歪みが作用しない１つのＦＢＧ（図６ではＦＢＧ５）の中心光波数を基準として、その他のＦＢＧの中心光波数変化を求める。これにより光源の不安定性を取り除くことができるし、また全てのＦＢＧが同一温度であるとすれば温度補正も可能となって、各ＦＢＧセンサー部の正確な歪みを得ることができる。
【００１３】
【実施例１】
次に、本発明に係る光ファイバセンサー系の実施例の概要を示す。図７はその基本構成を示す図で、図中の波線で囲まれた部分が筐体(430mm×330mm×105mm)に収納されており、その重量は6.2ｋｇである。主要構成品は以下の通りである。
Ｄ1,Ｄ2,Ｄ3,Ｄ4 光強度ディテクタ
Ｃ1 ５％−９５％広帯域カップラ
Ｃ2-Ｃ5 ５０％−５０％広帯域カップラ
Ｒ1-Ｒ4 全反射が起きるような終端
ＦＣ／ＰＣ1-3 光ファイバ結合用FC/PCコネクタ
ＢＮＣ1-3 光強度電圧変換出力用BNCコネクタ
ＦＢＧ1-2 ＦＢＧを５個配置した光ファイバ
計測部である５個のＦＢＧを配置した光ファイバの模式図を図８に示す。模式図ではＦＢＧ部は太く記載されているが、実際はレーザー光を用いてファイバ・コア部の屈折率を周期的に変化させることにより製作されており、光ファイバ一般部分と太さの変化はない。また、今回作製したＦＢＧの光透過特性を計測した結果を、図９に示す。このＦＢＧでは波長1550.2ｍｍの光の透過特性が0.18ｄＢとなっている。これは、その波長の光を４％程度ＦＢＧ部で反射していることを表す。他のすべてのＦＢＧも、これとほぼ同じ反射率特性有する。
計測は波長可変型光源よりレーザー光を供給し、波長をスイープさせながらディテクタ部で反射光の強度を測定する。前述したようにデータ処理には高速フーリエ変換やデジタルのフィルターを使用するので、一定間隔の光波数毎に計測を行う必要がある。そのため、本実施例では図７の上部に対応する参照用干渉器を別に用意する。ディテクタＤ1で計測される光強度は、次式のように表される光波数間隔△ｋで周期的に変化する。
△ｋ＝π／ｎＬ（３）
光波数に対して周期的に変化するディテクタＤ1での光強度をトリガーとして使用して、センサー部である各ＦＢＧからの反射光の強度をディテクタＤ2、Ｄ3で計測する。データ取得には一般的なＡ／Ｄコンバーターを用い、ＰＣにて解析を行なうようにした。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の多点歪計測装置は、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたＦＢＧを１本の光ファイバーに複数個配置して、光の干渉強度の周期的変化を利用するＯＦＤＲにおいて、検出光信号を予め帯域を設定したバンドパスフィルターを介することにより、特定位置のＦＢＧからの信号を分離抽出するようにしたので、従来の個別のＦＢＧ毎に高速フーリエ変換及びその逆変換をしていた信号処理に較べ格段に解析処理が行なえるようになった。
また、バンドパスフィルター後段のデータ信号に対して、その絶対値に対してさらにローパスフィルターを通すことで周波数に対する光強度の包絡線信号を求める手段と、該包絡線信号のピーク波形において最大振幅値の例えば１／２などの所定比率の位置にある両側光波数の値の中心値を中心光波数として割り出す手段と、該中心光波数に基づき歪み量の解析を行う手段とを備えた本発明の多点歪計測装置では、安定した中心光波数が得られるため、精度の良い歪量の解析が可能となった。
【００１５】
更に、複数のＦＢＧを配置した中で、歪が掛かっていないひとつのＦＢＧのデータを光源波長補正及び温度補正のためのリファレンスとして利用する本発明の多点歪計測装置は、歪み計測精度の飛躍的な向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基礎となるＯＦＤＲの原理を説明する図である。
【図２】従来技術と本発明の検出データの解析方法の比較図である。
【図３】複数のＦＢＧと参照反射面からの合成反射光の強度を波長に対して示した図である。
【図４】バンドパスフィルタを介して特定のＦＢＧに対応する合成反射光を抽出し、その光の強度を波長に対して示した図である。
【図５】図４の波形の絶対値の包絡線波形から中心波長を決める方法を説明する図である。
【図６】５つのＦＢＧの反射特性を示す図である。
【図７】本発明の１実施例である光ファイバセンサー系の構成を示す図である。
【図８】複数のＦＢＧを１本のファイバに配置したものを模式的に示した図である。
【図９】ＦＢＧの光透過特性を示す図である。
【図１０】従来のＦＢＧを用いた多点歪み及び温度センサの基本構成を示す図である。
【符号の説明】
ＶＳ波長可変型レーザ光源Ｄディテクタ
Ｒ全反射終端Ｃカップラ
ＦＢＧＦＢＧセンサ
ＦＣ／ＰＣ光ファイバ結合用コネクタ
ＢＮＣ光強度電圧変換用出力コネクタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an OFDR multi-point distortion measuring apparatus in which a plurality of fiber Bragg gratings (FBGs) are arranged on one optical fiber.
[0002]
[Prior art]
Optical fiber embedded sensors are expected to be applied to smart structures and materials due to their light weight, strength, small size, and flexibility. For example, excitation measurement of a flexible structure such as a large artificial satellite can be considered. As the first soundness evaluation, it is possible to evaluate the soundness of the airframe structure by measuring the distortion of operating aerospace equipment. The necessary sensor conditions are high spatial resolution and real-time measurement. It is also possible to evaluate the soundness by monitoring the secular change of structural residual strain between operations. The necessary condition at this time is whether or not distortion can be measured.
An accelerometer is mainly used for vibration measurement of artificial satellites, but the number of channels is limited due to the limitations of the entire satellite system. However, if a distributed sensor with a simple configuration such as an optical fiber sensor becomes possible, the contribution to grasping the vibration characteristics of an artificial satellite will be significant. In that case, of course, responsiveness corresponding to the measurement frequency is required.
[0003]
Various sensor systems using optical fibers have been proposed so far. For example, multiple fiber bragg gratings (FBGs) with a periodic refractive index structure in the core of the optical fiber are arranged in one optical fiber, and the strain and temperature at the position where the FBG exists are measured. There is a system to do. In this method, incident light having a broadband wavelength is used, the amount of change in the wavelength of reflected light is observed, distortion and temperature are measured. The FBG has a size of about 10 mm and can perform local measurement like a general strain gauge. Furthermore, unlike a strain gauge, it can also measure absolute strain. In addition, the currently commercialized system has a response speed of about several tens of Hz. Incidentally, there is Patent Document 1 “Multi-point strain and temperature sensor” as this type. The purpose of this is to provide a multi-point strain and temperature sensor suitable for multi-point measurement and capable of measuring accurate strain along with temperature. As shown in FIG. A plurality of FBGas having different wavelengths are inserted in series in the optical fiber b, and the amount of reflected light of a specific wavelength 1 from each FBGa is measured by OTDR (Optica1 Time Domain Ref1ectometory) from one end of the optical fiber b. The temperature distribution along the longitudinal direction of the optical fiber b is obtained by measuring the backscattered light from the BOTDR (Brillouin Optica1 Time Domain Ref1ectometory), and the amount of reflected light change due to the temperature dependence of each FBGa is corrected based on this temperature distribution Then, an accurate distortion amount in each FBGa is obtained from the temperature-corrected reflected light amount. Using pulsed input light, the position is specified by the arrival time of the reflected light. However, since this measurement method detects the shift amount of the wavelength of the reflected light, the number of measurement points (number of FBG sensors) per optical fiber is limited by the measurement range and the width of the light source band. Several multiplexing methods have been proposed. However, since the system becomes complicated, all of them have problems such as stability and cost.
[0004]
Based on these, the present inventors have focused on a system using Optical Frequency Domain Reflectometry (OFDR). This system can be categorized as one of the FBG sensor multiplexing technologies. A fiber Bragg grating (FBG) with a periodic refractive index structure in the core of the optical fiber is used as a single optical fiber. A plurality of arrangements are used, and a wavelength variable type narrow-band light source is used, and the position of the FBG sensor is measured and specified by observing the light intensity change due to the interference between the reflected light from the measuring unit and the reflected light from the reference reflecting surface is there. Up to now, an example has been reported in which 800 FBGs are arranged on an 8 m optical fiber by Childers et al., And a total of 3000 or more strains are simultaneously measured using four optical fibers (Non-patent Document 1, Non-patent Document 2). However, measurement and offline analysis of data takes several minutes.
That is, in the conventional analysis method, the reflection characteristics are obtained for individual FBGs using fast Fourier transform and its inverse transform. In the prior art, only static measurement was performed. However, considering dynamic measurement of a future structure or the like, it is difficult to speed up the measurement with the conventional analysis method. In addition, the conventional analysis method does not sufficiently describe a method for obtaining the reflection characteristics of individual FBGs. Further, in the conventional analysis method, the distortion amount in the FBG sensor unit is obtained based on the wavelength output value of the light source. In this case, there is a problem that the measurement accuracy greatly depends on the wavelength output accuracy of the light source.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-10-141922 [Non-Patent Document 1]
Brook A. Childers aand etc., “Use of 3000 Bragg Grating Strain Sensor Distributed on Four Eight-Meter Optical Fibers During Static Load Tests of a Composite Structure,” SPIE's 8th International Symposium on Smart Structure and Materials, Newport Beach, Califorornia, March4 -8, 2001.
[Non-Patent Document 2]
Mark Frogatt and Jason Moore “Distributed measurement of static strain in an optical fober with multiple Bragg gratings at nominally equal wavelengths” APPLIDE OPTICS Vol.37 No.10, 1 April 1998.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is to improve the data analysis method in a multi-point strain measurement system using OFDR by arranging a plurality of FBGs on an optical fiber based on the above-mentioned problems, and to improve the real-time property of measurement and the response speed. The aim is to improve.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The proposed OFDR optical fiber multi-point strain measuring device has multiple optical fiber Bragg gratings (FBGs) with a periodic refractive index structure in the core of the optical fiber, so that the optical interference A system that uses the periodic change in intensity to identify the position of the FBG sensor and measures the distortion and temperature of the position where the FBG sensor exists from the amount of change in the reflected light center light wave number of each FBG. As the technical idea of the conventional analysis method, Fast Fourier Transform and its inverse transform were used for each FBG in the conventional analysis method, but in this method, the processing speed is increased by using a digital bandpass filter. it can.
2 above, the acquired data after band-pass filter, ensure stability during measurement by the analysis of the distortion amount calculated envelope of the light intensity by applying a further low-pass filter with respect to the absolute value It becomes possible to do.
3 As one application of the FBG array, by using one of the FBGs as a reference for light source wavelength correction and temperature correction, it is possible to dramatically improve distortion measurement accuracy.
A reference interferometer having a total reflection termination having the same optical path difference as the interval at which the FBGs are arranged on the four fibers is provided, and the light intensity measured by the detector of the reference interferometer is used as a trigger to reflect the reflected light from each FBG. The intensity is measured with a detector.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The principle of the strain measurement method using OFDR of the present invention will be described. In optical fiber multipoint strain measurement, the problem is how to specify the position and strain of the measurement point. Here, an OFDR optical fiber sensor system having a simple single FBG is taken as an example, and the influence of sensor position and distortion on its reflection characteristics is shown.
First, regarding the reflection characteristics of the optical fiber sensor system, the wavelength tunable laser light source (VS), the light intensity detector (D), the total reflection terminal (R), and the FBG sensor (FBG) are shown in FIG. Arrange and connect with optical fiber. The laser light having a certain wavelength incident from the wavelength tunable light source is branched by the coupler (C), reflected by the reflection terminal and the FBG sensor, and then synthesized again by the coupler, and its intensity is detected by the detector. . Since the reflected light from the FBG strongly reflects only light of a certain wavelength, the relationship between the light wave number k and the intensity of the reflected light is on the horizontal axis as shown in the lower right of FIG. The value of the light wave number k indicating the peak changes depending on the magnitude of distortion in the FBG portion based on the characteristics of the FBG. Here, the values of the light wave number k and the wavelength λ have the following relationship.
k = 2π / λ (1)
On the other hand, the reflected light from the FBG and the reflected light from the total reflection terminal end R have an optical path difference of 2L. Therefore, if the refractive index of the optical fiber is n, the light has a phase difference of 2nL, and the combined optical signal is As will be shown below, it varies sinusoidally depending on the light wave number k. If the light intensity of the reflected light from the total reflection terminal R and the reflected light from the FBG are equal, Amp_ITF = ACOS (2nLk) (2)
That is, this relationship is as shown in the lower center of FIG.
With the above-described two actions, the light intensity detected by the detector changes with a certain period and peak as shown in the lower left of FIG. From this cycle, the path difference 2L, that is, the position of the FBG sensor, and the value of distortion can be estimated from the value of the light wave number k indicating the peak.
Even in the case where there are a plurality of FBGs, the optical path difference differs depending on each FBG. Therefore, by focusing on the frequency depending on the optical path difference, the position of each FBG is determined, and each light wave showing a peak. By determining the number, it is possible to determine the rejection value in each FBG.
[0009]
Next, a data analysis method will be described. The general flow of data analysis is shown in FIG. In the figure, the flow of analysis (Non-Patent Documents 1 and 2) performed by Childers et al. Is shown on the left side, and the flow of analysis of the present invention is shown on the right side. Childers et al. Analyze the light intensity first observed by the detector after taking it into the PC as a function of the light wave number k. As described above, when the observed light intensity is expressed as a function of the light wave number, the path difference 2L acts like a frequency. Therefore, when fast Fourier transform (FFT) is performed on the function of the light wave number, when there are a plurality of FBGs on the optical fiber, the reflected light intensity from each FBG is as shown in the upper graph in the figure. It is expressed in a separated form corresponding to each position. Focusing on one FBG and extracting only the component at that position through a filter and applying inverse fast Fourier transform, only the intensity of the reflected light from the focused FBG is shown as the light wave number as shown in the lower graph in the figure. It is obtained as a function. Here, since the light wave number indicating the peak changes in proportion to the value of distortion in the FBG, the amount of distortion in the focused FBG can be detected by observing the amount of change. Childers et al. Perform the above data processing offline.
[0010]
By the way, even if a plurality of FBGs are arranged on the optical fiber, it is generally possible to grasp and determine the position of each sensor on the optical fiber in advance. That is, if the distance L between the FBGs is known, the phase difference 2nL based on the optical path difference 2L acts like a frequency as described above, so a bandpass filter is designed in advance corresponding to each FBG, If the light intensity measured by the detector is filtered, the reflected light from the focused FBG can be selectively observed. This is the basic technical idea of the present invention. In other words, the signal from the lower graph is directly extracted without the processes from the conventional FFT process to the inverse FFT process. This signal extraction method can significantly reduce the processing time as compared with conventional signal processing that performs fast Fourier transform. After that, the amount of transition of the peak value of the light wave number is obtained by the same procedure as described above, and the distortion value in the focused FBG is obtained. Although this signal processing method requires time and effort such as designing a band-pass filter, once the system is finished, the amount of computation at the time of measurement is greatly reduced, and it is considered that online real-time measurement is possible.
[0011]
FIG. 3 shows the measurement result when the intensity of the light obtained by combining the reflected light from the plurality of FBGs and the reflected light from the reference reflecting surface is measured by the detector, the light intensity on the vertical axis and the light wave number on the horizontal axis. It is displayed. The right figure is an enlarged display of the horizontal axis of the peak portion. It can be seen that the light intensity periodically changes with respect to the light wave number due to interference due to the path difference.
Focusing on one FBG, a band-pass filter that passes only the frequency determined in accordance with the path difference from the reference reflecting surface is designed, and this filtering process is performed on the measurement result shown in FIG. Thereby, only the component of the reflected light from the focused FBG can be extracted. FIG. 4 shows the result, in which a wave having a single period is amplitude-modulated. As shown on the left side of FIG. 4, the FBG has a characteristic of strongly reflecting only light of a certain light wave number. The light wave number at which the intensity of the reflected light is maximized is referred to as the central light wave number, and the value of the central light wave number varies depending on the strain acting on the FBG and the temperature. The light wave number showing the maximum value in FIG. 4 can be used as the center light wave number as it is. However, as can be seen from the enlarged view shown on the right side, the amplitude slightly changes near the maximum value. It is difficult to get a number. Therefore, the present invention presents a technique for extracting a stable center light wave number.
[0012]
In the present invention, an envelope signal having the waveform shown in FIG. 4 is created, and the center light wave number is obtained from the signal. That is, the reflection characteristic from the focused FBG can be obtained by taking an absolute value with respect to the waveform shown in FIG. 4 and performing processing by an appropriate digital low-pass filter. The obtained signal is the waveform shown in FIG. Although the number of light waves is specified from the peak value of this waveform, the vicinity of this peak value fluctuates finely. Therefore, in the present invention, both the upper and lower light waves indicating the predetermined ratio of the maximum amplitude value in the peak waveform of the envelope signal. The method of calculating the center value of the number value as the detected light wave number was adopted. The present inventor tried to take 1/2 of the peak value as the predetermined ratio of the maximum amplitude value, but it is not necessarily specified to be 1/2. By adopting the central value of the two light wave numbers having the same amplitude value as the central light wave number, it is possible to eliminate fine fluctuations near the maximum value of the reflection characteristics, and to obtain a very stable value as the central light wave number. Is possible.
This process is performed on a plurality of FBGs, and the central light wave number from each FBG is extracted. The results in the case of using 5 FBGs are shown together in FIG. The central light wave number of the reflected light of each FBG varies depending on the strain acting on each FBG and the temperature. Here, the central light wave number change of the other FBGs is obtained with reference to the center light wave number of one FBG (FBG 5 in FIG. 6) to which no distortion acts. As a result, instability of the light source can be removed, and if all the FBGs are at the same temperature, temperature correction can be performed, and accurate distortion of each FBG sensor unit can be obtained.
[0013]
[Example 1]
Next, an outline of an embodiment of the optical fiber sensor system according to the present invention will be described. FIG. 7 is a diagram showing the basic configuration. A portion surrounded by a wavy line in the drawing is housed in a casing (430 mm × 330 mm × 105 mm), and its weight is 6.2 kg. The main components are as follows.
D1, D2, D3, D4 Light intensity detector C1 5% -95% Broadband coupler C2-C5 50% -50% Broadband coupler R1-R4 Termination FC / PC1-3 FC / PC for optical fiber coupling where total reflection occurs Connector BNC1-3 Light intensity voltage conversion output BNC connector FBG1-2 A schematic diagram of an optical fiber having five FBGs, which is an optical fiber measuring unit having five FBGs, is shown in FIG. In the schematic diagram, the FBG portion is shown thick, but in reality, it is manufactured by periodically changing the refractive index of the fiber core portion using laser light, and there is no change in thickness with the general portion of the optical fiber. . Moreover, the result of having measured the light transmission characteristic of FBG produced this time is shown in FIG. In this FBG, the transmission characteristic of light having a wavelength of 1550.2 mm is 0.18 dB. This indicates that light of that wavelength is reflected by the FBG part by about 4%. All other FBGs have approximately the same reflectivity characteristics.
In the measurement, laser light is supplied from a wavelength tunable light source, and the intensity of reflected light is measured by a detector while sweeping the wavelength. As described above, since fast Fourier transform and digital filters are used for data processing, it is necessary to perform measurement for each number of light waves at regular intervals. Therefore, in this embodiment, a reference interferor corresponding to the upper part of FIG. 7 is prepared separately. The light intensity measured by the detector D1 periodically changes at a light wave number interval Δk expressed as the following equation.
Δk = π / nL (3)
Using the light intensity at the detector D1, which periodically changes with respect to the light wave number, as a trigger, the intensity of the reflected light from each FBG which is a sensor unit is measured by the detectors D2, D3. A general A / D converter was used for data acquisition, and analysis was performed on a PC.
[0014]
【The invention's effect】
The multipoint strain measurement apparatus of the present invention is an OFDR that uses a periodic change in the interference intensity of light by arranging a plurality of FBGs having a periodic refractive index structure in the core of an optical fiber in one optical fiber. Since the detection light signal is separated and extracted from the FBG at a specific position by passing through a band pass filter in which a band is set in advance, the fast Fourier transform and its inverse transform are performed for each individual individual FBG. Analysis processing can now be performed much more than signal processing that has been done.
Further , a means for obtaining an envelope signal of light intensity with respect to frequency by passing a low-pass filter for the absolute value of the data signal after the band pass filter, and a maximum amplitude value in the peak waveform of the envelope signal For example, comprising: means for calculating a central value of both side light wave numbers at a predetermined ratio such as ½ as a center light wave number; and means for analyzing the amount of distortion based on the center light wave number. The multi-point strain measurement apparatus can obtain a stable central light wave number, and thus enables accurate analysis of the strain amount.
[0015]
Furthermore, the multi-point strain measurement apparatus of the present invention that uses data of one FBG that is not distorted as a reference for light source wavelength correction and temperature correction among a plurality of FBGs is a leap in distortion measurement accuracy. Improvement is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of OFDR as the basis of the present invention.
FIG. 2 is a comparison diagram between a conventional technique and a detection data analysis method according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing the intensity of combined reflected light from a plurality of FBGs and a reference reflecting surface with respect to wavelength.
FIG. 4 is a diagram in which combined reflected light corresponding to a specific FBG is extracted through a bandpass filter, and the intensity of the light is shown with respect to wavelength.
5 is a diagram for explaining a method of determining a center wavelength from an envelope waveform of an absolute value of the waveform in FIG.
FIG. 6 is a diagram showing reflection characteristics of five FBGs.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an optical fiber sensor system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram schematically showing a plurality of FBGs arranged in one fiber.
FIG. 9 is a diagram showing light transmission characteristics of FBG.
FIG. 10 is a diagram showing a basic configuration of a multipoint strain and temperature sensor using a conventional FBG.
[Explanation of symbols]
VS Tunable laser light source D Detector R Total reflection termination C Coupler FBG FBG sensor FC / PC Optical fiber coupling connector BNC Light intensity voltage conversion output connector

Claims

A plurality of fiber Bragg gratings (FBGs) having a periodic refractive index structure in the core of the optical fiber are arranged on one optical fiber so that the reflected light from the measuring unit and the reflected light from the reference reflecting surface In a measurement method (OFDR) using a periodic change of interference intensity, a signal from an FBG at a specific position is instantaneously transmitted through a bandpass filter in which a light intensity signal detected as a function of the light wave number is set in advance. A multi-point strain measuring device characterized by having a function of separating the two.

To the band-pass filter downstream of the data signal, a predetermined maximum amplitude value in the means for obtaining an envelope signal intensity corresponding to the frequency by passing the further low-pass filter with respect to the absolute value, the peak waveform of the envelope signal 2. The multipoint distortion measuring apparatus according to claim 1, further comprising means for determining a central value of both upper and lower light wave numbers indicating a ratio value as a center light wave number, and means for analyzing a distortion amount based on the center light wave number.