JP3790815B2

JP3790815B2 - 光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価方法及び装置

Info

Publication number: JP3790815B2
Application number: JP2002021254A
Authority: JP
Inventors: 浩津田; 純治高坪; 高志飯島
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: JP2003222571A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバセンサを用いた材料の損傷発生、及び損傷状況を検出する方法及び装置に関するものである。さらに詳しくは、構造体の特性評価技術、材料の欠陥検出、材料の変形・破壊などの測定に利用するための光ファイバセンサを用いた損傷評価方法及び装置に関し、例えば、自動車、航空機、橋梁、建築物などの損傷評価に利用可能な損傷評価方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、材料の損傷を評価する方法として次のような技術がある。
（１）光ファイバセンサによる歪計測がある。しかしながら微小な欠陥の発生に伴う弾性波放出を歪計測からとらえることは不可能である。
【０００３】
（２）圧電素子型AEセンサを用いて弾性波放出を検知する方法がある。この方法では圧電素子を利用することから電磁気障害の影響を受けること、歪計測ができないなどの欠点がある。
【０００４】
（３）圧電素子と超音波発生素子を一枚のシートに載せて材料内部に埋め込む又は貼り付けて、材料の損傷状況を評価する技術がある（スマートパッチと呼ばれる技術でアメリカ・スタンフォード大学で開発された。）。しかしながら圧電素子では歪を計測することはできない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の技術で生じるような問題点のない新規な技術を実現することを目的とするものであり、特に、光ファイバセンサから得られる光信号に波形処理を行い、材料の損傷の発生と状況、及び歪を評価する材料の損傷評価方法及び評価装置を実現することを課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、FBGを書き込んだ光ファイバであるFBGセンサを被検体に取り付け、該FBGセンサに広帯域波長光を入力し、該FBGセンサから特定の波長を有する光信号のみを反射させ、該反射光を、上記FBGセンサと同じ光弾性定数及び格子間隔を有するFBGを書き込んだ光ファイバであるFBGフィルタを用いてフィルタ処理し、上記被検体の損傷発生に伴う弾性波放出で発生する高周波信号のみを光電変換器により電気信号に変換し、該電気信号から上記被検体の損傷発生状況を調べることを特徴とする光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価方法を提供する。
【０００７】
上記FBGセンサと超音波発生素子を一枚の高分子シートで支持し、該シートを材料内部に埋め込む又は表面に貼り付け、上記超音波発生素子から超音波を発生させ、そのときに得られる上記FBGセンサからの出力に上記フィルタ処理を施し、該処理で得られる波形から材料の損傷状況を調べることを特徴とする。
【０００８】
上記FBGセンサからの反射光を光スペクトルアナライザーに入力することにより、上記被検体が受ける歪を評価することを特徴とする。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するために、上記被検体に取り付けられる検出ライン、広帯域光源、光スペクトルアナライザ及び波形収録装置を有する光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価装置であって、上記検出ラインは、光ファイバで互いに接続されたFBGセンサ、光サーキュレータ、光分配器、FBGフィルタ及び光電変換器とを備え、上記光サーキュレータは広帯域光源に接続されており、上記光分配器は光スペクトルアナライザに接続されており、上記光電変換器は波形収録装置に接続されており、上記FBGセンサは、上記被検体に取り付けられていることを特徴とする光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価方法を提供する。
【００１０】
上記FBGセンサと超音波発生素子を一枚の高分子シート上で支持し、該シートを被検体内部に埋め込む又は表面に貼り付けられるような構成とし、上記超音波発生素子から超音波を発生させ、そのときに得られるFBGセンサからの出力に上記ＦＢＧフィルタでフィルタ処理を施し、該処理で得られた波形から材料の損傷を調べることのできることを特徴とする。
【００１１】
上記FBGセンサからの反射光を上記光スペクトルアナライザーに入力することにより、上記被検体が受ける歪を評価可能とすることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価方法及び評価装置の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下説明する。
【００１３】
まず、本発明の概要、基本的な原理を説明する。FBG（フアイバ・ブラッグ・グレーティング）センサ（以下、この被検体に取り付けた光ファイバをFBGセンサと言う。）が被検体が取り付けられており、このFBGセンサに広帯域波長光を入力すると、FBGセンサからは特定の波長を有する光信号のみが反射される。このFBGセンサが歪を受けると、その反射波の波長が歪とともに変化する。また、被検体に衝撃荷重などが加わった場合、その際に発生する弾性波放出する。
【００１４】
これらを、同じ光弾性定数、及び格子間隔を有するFBGを書き込んだ光ファイバ（以下、これをFBGフィルタと言う。）によりフィルタ処理し、弾性波放出にともない発生する高周波信号のみを光電変換器により電気信号に変換する。この電気信号から被検体の損傷発生状況を調べることができ、さらに、FBGセンサからの反射光を光スペクトルアナライザーに入力することにより、被検体が受ける歪を評価することが出来る。
【００１５】
FBGセンサと超音波発生素子を一枚のポリイミドなどの高分子シートの上に載せ、このシートを被検体内部に埋め込む又は表面に貼り付ける。超音波発生素子から超音波を発生させ、そのときに得られるFBGセンサからの出力に上記フィルタ処理を施し、その波形から材料の損傷状況を調べ、被検体の損傷状況を調べ、評価することができる。
【００１６】
また、複数のFBGセンサを用いて弾性波放出を検知した場合、各FBGセンサが受信する信号の到達時間差から弾性波放出の発生箇所を特定することができる。このようにして、被検体の損傷発生、及び損傷状況の位置を評定することができる。
【００１７】
（実施例）
次に、本発明に係る光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価方法及び評価装置の実施例の全体構成を図１で説明する。本発明に係る光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価装置１は、被検体２の所定の方向の異なる箇所に夫々取り付けられる一対の検出ライン、即ち二つの検出ライン３、４を有し、さらに一対の検出ライン３、４に共通の広帯域光源５、光スペクトルアナライザ６、波形収録装置７を有する。又、本発明に係る光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価装置１は、超音波発生素子８を有する。
【００１８】
各検出ライン３、４は、光ファイバ９、９’で互いに接続されたFBGセンサ１０、１０’光サーキュレータ１１、１１’光分配器１２、１２’FBGフィルタ１３、１３’及び光電変換器１４、１４’とから構成される。光サーキュレータ１１、１１’は広帯域光源５に接続されている。光分配器１２、１２’は、光スペクトルアナライザ６に接続されている。光電変換器１４、１４’は波形収録装置７に接続されている。
【００１９】
広帯域光源５（通常、出力される光は波長帯域1300〜1600nm、周波数では190〜230THzの範囲を有する）からの光は、光サーキュレータ１１、１１’を介し、FBGセンサ１０、１０’に入力するように構成されている。
【００２０】
FBGセンサ１０、１０’は、接着剤により被検体２に貼り付けられるか、又は被検体２内部に埋め込まれている。具体的には、光ファイバ９、９’及びFBGセンサ１０、１０’を一枚のシートに載せることによりセンサの位置を固定することができ、さらに、このシートに超音波発生素子８を載せ、被検体２の表面に貼り付ける、又は内部に埋め込む。
（作用）
【００２１】
上記構成から成る本発明に係る光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価方法及び評価装置１の作用を説明する。図２に模式的に示すように、FBGセンサ１０、１０’は、屈折率ｎとその屈折率の異なる格子間隔Λに依存した特定の波長λ_Ｂ（λ_Ｂ＝２ｎΛ）の光のみを反射する特徴を持ち、この反射波長λ_Ｂをブラッグ波長と呼ぶ。FBGセンサ１０、１０’のブラッグ波長は、FBGセンサ１０、１０’が歪を受けたとき変化することが知られている。
【００２２】
即ち、被検体２にき裂などの欠陥が発生した場合、その際に放出される弾性波がFBGセンサ１０、１０’から反射されるブラッグ波長の光信号に重畳される。通常、欠陥発生により発生する弾性波は最大で数MHz程度の周波数の信号になる。
【００２３】
このFBGセンサ１０、１０’からの反射波を光サーキュレータ１１及び光分配器１２を介して、FBGセンサ１０、１０’と同一のブラッグ波長を有するFBGフィルタ１３、１３’に通す。このFBGフィルタ１３、１３’においてブラッグ波長の信号は反射され、欠陥発生により生じた弾性波に対応した信号のみがFBGフィルタ１３、１３’を通過する。
【００２４】
この信号を光電変換器１４、１４’により電気信号に変換し、波形収録装置７などの波形収録装置７に表示及び記録させる。この波形収録装置７に表示・記録された波形を観察することにより被検体２に欠陥が生じたかどうかを調べることができる。
【００２５】
FBGセンサ１０、１０’からの反射波を光サーキュレータ１１、１１’を通過した段階で光分配器１２、１２’を通して、光スペクトルアナライザー６に入力する。光スペクトルアナライザー６は入力された光の波長ごとの強度（光の周波数成分強度）を表示する装置である。光スペクトルアナライザー６に表示された強度の高い波長を評価することにより、FBGセンサ１０、１０’が貼り付けられている、又は埋め込まれている箇所で被検体２が受けている歪を評価することができる。
【００２６】
図３に示すように、超音波発生素子８から発生される弾性振動は被検体２にき裂などの欠陥が存在した場合、欠陥箇所で反射、又は迂回する。そのため欠陥の存在の有無により超音波発生素子８から発せられた弾性振動に対するFBGセンサ１０、１０’の応答波形には相違が現れる。
【００２７】
これより被検体２にき裂などの欠陥の存在の有無を調べることができる。また、複数個のFBGセンサ１０、１０’を被検体２に取り付け、弾性振動に対する各センサからの応答波形を調べることにより、欠陥の存在箇所を評価することができる。
【００２８】
このようにして、FBGセンサ１０、１０’は歪を受けると、その反射波の波長が歪とともに変化する。このシステムにより材料の損傷発生、及び損傷状況のみではなく、歪も同時に評価できる。
【００２９】
ところで、この実施例の損傷評価装置１では、一対の検出ライン３、４を有する例を示したが、この例では二つのFBGセンサ１０、１０’を被検体２に貼り付けることで、上記した信号処理を行い、各FBGセンサ１０、１０’が弾性波を検出した時間差を評価することにより欠陥の発生箇所を特定することができる。さらに、二対以上の検出ラインを互いの方向を異ならせて設けた構成としてもよい。これにより、各対の時間差を評価することにより、より詳しい欠陥の発生箇所を特定することができる。
【００３０】
以上、本発明に係る光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価方法及び装置の実施の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は、このような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
以上の構成から成る本発明によれば、光ファイバセンサにより材料の損傷発生時にともなう弾性波放出を検出することができ、超音波発生素子により材料に存在する損傷状況を調べることができる。また光周波数成分強度解析から材料が受けている歪を測定することができ、被検体の損傷状況を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価方法及び装置の実施例を説明するための図である。
【図２】本発明の基本原理であるFBGセンサが歪を受けると、その反射波の波長が歪とともに変化する点を説明する図である。
【図３】本発明の基本原理である超音波発生素子により超音波を発生させて、そのときに計測されるFBGセンサ信号の波形から、被検体の損傷状況を調べ、評価する点を説明する図である。
【符号の説明】
１光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価装置
２被検体
３、４検出ライン
５広帯域光源
６光スペクトルアナライザ
７波形収録装置
８超音波発生素子
９、９’ 光ファイバ
１０、１０’ FBGセンサ
１１、１１’ 光サーキュレータ
１２、１２’ 光分配器
１３、１３’ FBGフィルタ
１４、１４’ 光電変換器

Claims

ＦＢＧを書き込んだ光ファイバであるＦＢＧセンサを被検体である材料に取り付け、該ＦＢＧセンサに波長帯域１３００〜１６００ｎｍの範囲内の広帯域波長光を入力し、上記被検体で放出される超音波による歪みを前記ＦＢＧセンサに受けさせて、該ＦＢＧセンサで特定の波長を有する光信号を反射光として反射させ、該反射光を、上記ＦＢＧセンサと同じ光弾性定数及び格子間隔を有するＦＢＧを書き込んだ光ファイバであるＦＢＧフィルタを用いてフィルタ処理し、該フィルタ処理から得られる上記ＦＢＧセンサが受ける上記超音波に起因する最大で数ＭＨｚの高周波信号のみを光電変換器により電気信号に変換し、該電気信号から上記被検体の損傷発生状況を調べる材料の損傷評価方法において、
上記ＦＢＧを書き込んだ光ファイバであるＦＢＧセンサと超音波発生素子を一枚の高分子シートで支持し、該シートを被検体である材料内部に埋め込む又は表面に貼り付け、上記超音波発生素子から超音波を発生させて、上記被検体に上記超音波を放出する、また被検体から発生した弾性波放出を上記ＦＢＧセンサが受けることを特徴とする光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価方法。
上記ＦＢＧセンサからの反射光を光スペクトルアナライザーに入力し、光の波長ごとの強度を表示し、強度の高い波長を評価することにより、上記被検体が受ける歪を評価することを特徴とする請求項１記載の光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価方法。
被検体に取り付けられる検出ライン、波長帯域１３００〜１６００ｎｍの広帯域光源、光スペクトルアナライザ及び波形収録装置を有する光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価装置であって、
上記検出ラインは、ＦＢＧセンサ、光サーキュレータ、光分配器、ＦＢＧフィルタ及び光電変換器の順に、光ファイバで互いに接続されたＦＢＧセンサ、光サーキュレータ、光分配器、ＦＢＧフィルタ及び光電変換器とを備え、
上記光サーキュレータは広帯域光源に接続されており、
上記ＦＢＧセンサは、上記被検体に取り付けられ、上記被検体で放出される超音波による歪みを受けて、特定の波長を有する光信号を反射光として反射し、
上記ＦＢＧフィルタは、上記ＦＢＧセンサと同じ光弾性定数及び格子間隔を有するＦＢＧを書き込んだ光ファイバであり、上記反射光にフィルタ処理を施し、該フィルタ処理で得られるものであって上記被検体の損傷発生に伴う弾性波放出で発生する上記超音波に起因する最大で数ＭＨｚの高周波信号のみを光電変換器により電気信号に変換し、該電気信号から上記被検体の損傷発生状況を調べるものであり、
上記光電変換器は波形収録装置に接続されており、
上記ＦＢＧを書き込んだ光ファイバであるＦＢＧセンサと上記超音波を放出する超音波発生素子を一枚の高分子シートで支持し、該シートは被検体である材料内部に埋め込む又は表面に貼り付られ、上記超音波発生素子から超音波を発生させて、上記被検体に上記超音波を放出するものであることを特徴とする光ファイバセンサを用いた材料の損傷評価装置。
上記光分配器は、光スペクトルアナライザに接続されており、上記ＦＢＧセンサからの反射光を入力し、光の波長ごとの強度を表示し、強度の高い波長を評価することにより上記被検体が受ける歪を評価可能であることを特徴とする請求項３記載の損傷評価装置。