JP4009390B2

JP4009390B2 - Bragg grating vibrometer

Info

Publication number: JP4009390B2
Application number: JP14817599A
Authority: JP
Inventors: 彰三田; 俊一片岡; 治夫須田
Original assignee: TOKYO SOKUSHIN CO., LTD.; Shimizu Corp
Current assignee: TOKYO SOKUSHIN CO., LTD.; Shimizu Corp
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2019-05-27
Also published as: JP2000337955A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は構造物や鋼材に生じる歪みなどの検知対象位置で生じる物理的変動を遠隔測定するブラッグ格子型振動計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被測定物である各種構造物や鋼材などに作用する振動、圧力などの物理的変動を測定するには、その被測定物にセンサーを直接固定している。そして、そのセンサーによる検出原理は電磁式、歪みゲージ式、差動トランス方式などがある。まず、電磁式は、永久磁石の磁界中に置かれた振り子のコイルが振動に応じた相対変位によって磁束を切ると、コイルに振動速度に比例する誘導起電力が生じることから、この現象を利用し、振動を電気的に測定する方式である。歪みゲージ式は、小さな片持ち梁の板バネの先端に錘を取り付けたもので、振動又は傾斜に応じてこの板バネに生じる曲げ歪みを板バネの両面に貼り付けたストレインゲージで電気抵抗の変化として検出するものである。差動トランス方式は、二個のコイルを同一磁路の中に置いて、一方を交流で励振すると、他方に電流が誘起される現象が相互インダクタンスと呼ばれていて、これを利用して二次コイルを二個使用してその電圧差を取り出すものであり、電位差は振動の大きさ、傾斜量、圧力の大きさに比例して変化する構造となっている。
このようにセンサーを電磁式、歪みゲージ式、差動トランス方式とした何れの測定装置においてもデータが電気信号として測定機器本体に送り込まれるようにしたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した各種方式のセンサーを備えた測定装置は全て微弱な電気信号を扱うため、センサーを強力な電界または磁界の近傍に置くとこれら電界や磁界の影響を受けてその電気信号が変化し、正常な測定をしなくなるという欠点がある。また、落雷などの高電圧を受けると、センサー内部の電子部品が破壊されるので、信頼性の低下の一因となっている。
そこで本発明は、検知対象位置に発生した振動、傾斜、圧力、温度変化などの物理的変動を光ファイバーの歪みや温度変化に変換させ、その歪みや温度変化がブラッグ格子の格子間隔を変化させることにより、特定の波長の光が光ファイバー内で反射するようになり、その状況における光データ（光信号）から前記物理的変動における物理量変化を検出できる点に着目したものである。これにより、本発明は上記各種従来方式の測定装置が共通の欠点である強電界、強磁界からの影響をセンサーの部分が受けず、そして、センサーから送出する測定のデータも変化しないようにすることを課題とし、測定精度及び信頼性に高いブラッグ格子型振動計を得ることを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を考慮してなされたもので、測定機器本体６から検知対象位置まで光ファイバーケーブル１を延設し、前記光ファイバーケーブル１は光ファイバー３にブラッグ格子４を設けてなるブラッグ格子型光ファイバーとしたセンサー２が長さ方向に直列状態にして配置されていて、測定機器本体６から光入射しブラッグ格子４で反射された反射光の波長成分を光データとして前記測定機器本体６で検出するブラッグ格子型振動計であって、前記センサー２には、前記光ファイバー３に一端を取り付けた受け座８と、前記光ファイバー３に一端を取り付け、かつ前記受け座８に支点９を介して支持されて光ファイバー３の長手方向に直交する方向に振動可能にしたカンチレバー式の振り子７と、前記振り子７の自由端側に位置する重垂１０とが設けられ、前記センサー２に光ファイバー３の長手方向に直交する方向に振動が加わったときに、前記重垂１０の慣性により前記振り子７の光ファイバー３に対する作用点１１が光ファイバー３の長さ方向に作用してブラッグ格子４の格子間隔を変化させ、ブラッグ格子４からの常時反射光と異なる波長の反射光の送り返しによりセンサー２に加わる振動を検知する構成としたことを特徴とするブラッグ格子型振動計を提供して、上記課題を解消するものである。
【０００５】
【作用】
光ファイバーの歪みがブラッグ格子の格子間隔を変化させることにより、特定の波長の光が光ファイバー内で反射するようになるものであって、これを説明すると、図１に示すように、検知対象位置まで延設される光ファイバーケーブル１のセンサー２は芯線としての光ファイバー３からなるものであって、該光ファイバー３に屈折率が長さ方向に周期的に変化するブラッグ格子（ＦＢＧ：ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ）４が設けられて、センサー２はブラッグ格子型光ファイバーとして構成されている。即ち、このセンサー２では、光ファイバー３内の屈折を部分的に変化させて光の干渉が起こるようにしたもので、その屈折率が変化する部分を等間隔にした格子状領域を前記ブラッグ格子４としていて、図２に示すように入射光Ｉの内、特定の波長成分の反射光Ｒのみを反射させるようにしている。なお、ブラッグ格子４で反射される光の波長λＢは、ブラッグ波長と呼ばれて下式で示される。
λＢ＝２ｎＡ
ここで、ｎは光ファイバーの屈折率、Ａは格子の間隔である。
【０００６】
このブラッグ格子４に有するセンサー２は特定の波長成分のみを反射することができることから多重化伝送に好適である。即ち、センサー２では、入射光Ｉがブラッグ格子４に入射する前は図２（ａ）に示すような波長成分であるのに対して、グラッグ格子４を透過した入射光Ｉでは、図２（ｂ）に示すように、一部の波長成分λＢが反射されて含まない状態となり、また、そのブラッグ格子４で反射した光は、図２（ｃ）に示すように波長成分λＢのみの反射光Ｒとなる。
上記式からわかるように反射される光の波長は、光ファイバー３の屈折率と格子間隔に依存しているので、検知対象の物理的変動によってセンサー２に生じる歪みや温度変化から屈折率と格子間隔が変ることとなり反射する波長成分が変化する（例えば図２（ｃ）の仮想線で波長成分が変化した反射光を示す）。即ち、反射される波長成分を光データとして検出することにより、センサー２に加わる歪みや温度などの物理的変動を高精度に計測することができる。
このセンサー２のブラッグ格子４ではブラッグ波長以外の光を透過させるため、透過した光をさらに利用して透過させる複数のセンサーを直列に接続した、いわゆるセンサーの多重化が構成できる（図３参照）。多重化できる個数は、入射光Ｉの帯域とセンサーの計測範囲（ブラッグ波長の変化する範囲）に依存する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
つぎに本発明を実施の形態に基づいて説明する。
図３は測定装置５であるブラッグ格子型振動計を示すもので、測定機器本体６から光ファイバーケーブル１が検知対象位置に延設される状態が概略的に示されており、その光ファイバーケーブル１にあっては光ファイバー３にブラッグ格子を設けてなるブラッグ格子型光ファイバーとしたセンサー２が長さ方向に直列状態にして配列されて多重化した構成とされ、また、測定機器本体６にあっては６０がレーザー光源であり、矢印Ｉが入射光を、矢印Ｒが反射光を示しており、戻ってくる反射光Ｒを得ることで、検知対象位置での物理的変動を遠隔測定できるようにしたものである。なお、多重化されたセンサー２は同一の波長の反射光を返すようにしたものとしたり、或いは異なる波長の反射光を返すものとすることができ、勿論、センサー２を一つとすることも可能である。
【０００８】
図４は本発明のブラッグ格子型振動計のセンサーの概略図である。７は一端を光ファイバー３に取り付けた受け座８の先端との対応個所を支点９として支えられるようにして光ファイバー３に取り付けられたカンチレバー式の振り子であり、その振り子７の自由端側に重垂１０が設けられている。
このセンサー２に対して図面での上下方向（光ファイバー３の長手方向に直交する方向であり、矢印Ａ方向で振動方向を示す）に振動が加わると、重垂１０に慣性力が作用し、振り子７の作用点１１の部分は矢印Ｂ方向（光ファイバー長さ方向）に運動する。光ファイバー３には作用点１１の運動により応力が作用してブラッグ格子４が反応し、常時センサーに送り込まれている入射光により生じて常時送り返されている反射光とは異なる波長の反射光が送り返される。よってセンサー２に加わる振動を検知することができる。
【０００９】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、測定機器本体から検知対象位置まで光ファイバーケーブルを延設し、前記光ファイバーケーブルは光ファイバー３にブラッグ格子を設けてなるブラッグ格子型光ファイバーとしたセンサー２が長さ方向に直列状態にして配置されていて、測定機器本体から光入射しブラッグ格子で反射された反射光の波長成分を光データとして前記測定機器本体で検出するブラッグ格子型振動計であって、前記センサーには、前記光ファイバーに一端を取り付けた受け座と、前記光ファイバーに一端を取り付け、かつ前記受け座に支点を介して支持されて光ファイバーの長手方向に直交する方向に振動可能にしたカンチレバー式の振り子と、前記振り子の自由端側に位置する重垂とが設けられ、前記センサーに光ファイバーの長手方向に直交する方向に振動が加わったときに、前記重垂の慣性により前記振り子の光ファイバーに対する作用点が光ファイバーの長さ方向に作用してブラッグ格子の格子間隔を変化させ、ブラッグ格子からの常時反射光と異なる波長の反射光の送り返しによりセンサーに加わる振動を検知する構成としたことを特徴とするものである。このように、光ファイバーのセンサーとしてブラッグ格子型光ファイバーを用いていることから、そのブラッグ格子側に生じる歪みで通常とは波長の異なる反射光として返されるようにして、その反射光を光信号として計測するようにしているため、この測定装置におけるセンサー部分や光ファイバー部分を強い磁界や電界が生じる個所に配置しても光信号が損なわれることが無く検知対象位置での物理的変動である振動を正確に計測できる。そして、同じくセンサーを光ファイバーにブラッグ格子を設けたものとしているため、落雷があったとしてもそのセンサー部分が損傷することがなく、信頼性の高い測定装置とすることができるなど、実用性に優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るブラッグ格子型振動計におけるセンサーのブラッグ格子型光ファイバーを示す説明図である。
【図２】センサーでの光透過の状態を示すもので、（ａ）は入射光における波長成分をグラフで示す説明図、（ｂ）透過光における波長成分をグラフで示す説明図、（ｃ）は反射光の波長成分が変化する状態をグラフで示す説明図である。
【図３】本発明の一例を示す説明図である。
【図４】本発明の一例におけるセンサーを概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
１…光ファイバーケーブル
２…センサー
３…光ファイバー
４…ブラッグ格子
５…測定装置
６…測定機器本体
７…振り子
９…支点
１１…作用点
１４…カンチレバー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Bragg grating type vibrometer that remotely measures a physical variation that occurs at a detection target position such as a strain generated in a structure or a steel material.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to measure physical fluctuations such as vibration and pressure acting on various structures or steel materials, which are measured objects, sensors are directly fixed to the measured objects. And the detection principle by the sensor includes an electromagnetic type, a strain gauge type, a differential transformer type and the like. First, the electromagnetic type uses this phenomenon because when the pendulum coil placed in the magnetic field of a permanent magnet cuts the magnetic flux due to relative displacement in response to vibration, an induced electromotive force is generated in the coil in proportion to the vibration speed. In this method, vibration is electrically measured. In the strain gauge type, a weight is attached to the tip of a small cantilever leaf spring, and a bending strain generated in the leaf spring in response to vibration or inclination is applied to both sides of the leaf spring with an electrical resistance. This is detected as a change. In the differential transformer method, a phenomenon in which two coils are placed in the same magnetic path and one of them is excited with an alternating current and a current is induced in the other is called mutual inductance. The voltage difference is taken out by using two secondary coils, and the potential difference changes in proportion to the magnitude of vibration, the amount of inclination, and the magnitude of pressure.
As described above, data is sent to the measuring device main body as an electric signal in any measuring device using a sensor as an electromagnetic type, a strain gauge type, or a differential transformer type.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, since all measuring devices equipped with the various types of sensors described above handle weak electrical signals, placing the sensor in the vicinity of a strong electric field or magnetic field changes the electrical signal under the influence of these electric and magnetic fields. There is a drawback that normal measurement is not performed. In addition, when a high voltage such as a lightning strike is received, the electronic components inside the sensor are destroyed, which contributes to a decrease in reliability.
Therefore, the present invention converts physical fluctuations such as vibration, inclination, pressure, and temperature change generated at the detection target position into optical fiber distortion and temperature change, and the distortion and temperature change change the lattice spacing of the Bragg grating. Thus, the light having a specific wavelength is reflected in the optical fiber, and attention is paid to the fact that the physical quantity change due to the physical variation can be detected from the optical data (optical signal) in the situation. As a result, the present invention prevents the sensor portion from being affected by the strong electric field and strong magnetic field, which are common disadvantages of the above-mentioned various conventional measuring apparatuses, and prevents the measurement data sent from the sensor from changing. The object is to obtain a Bragg grating type vibrometer having high measurement accuracy and reliability.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in consideration of the above problems, and an optical fiber cable 1 is extended from a measuring device body 6 to a detection target position. The optical fiber cable 1 is a Bragg grating type optical fiber in which a Bragg grating 4 is provided on an optical fiber 3. The sensor 2 is arranged in series in the length direction, and the measuring device body 6 detects the wavelength component of the reflected light incident from the measuring device body 6 and reflected by the Bragg grating 4 as optical data. It is a Bragg grating type vibrometer, and the sensor 2 is supported by a receiving seat 8 having one end attached to the optical fiber 3, one end attached to the optical fiber 3, and supported by the receiving seat 8 via a fulcrum 9. A cantilever-type pendulum 7 that can vibrate in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the optical fiber 3, and a weight positioned on the free end side of the pendulum 7. 10, and when the vibration is applied to the sensor 2 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the optical fiber 3, the action point 11 of the pendulum 7 with respect to the optical fiber 3 is the length of the optical fiber 3 due to the inertia of the suspension 10. The Bragg grating is characterized in that it acts on the direction to change the lattice spacing of the Bragg grating 4 and detects vibration applied to the sensor 2 by sending back reflected light having a wavelength different from that of the constantly reflected light from the Bragg grating 4. providing a mold vibrometer, Ru der which solve the above problems.
[0005]
[Action]
By distortion of the optical fiber to vary the lattice spacing of the Bragg grating, there is the light of a specific wavelength so that reflected within an optical fiber, to describe this, as shown in FIG. 1, the detection target position The sensor 2 of the optical fiber cable 1 extending to the center is composed of an optical fiber 3 as a core wire, and the optical fiber 3 has a Bragg grating (FBG) 4 whose refractive index periodically changes in the length direction. The sensor 2 is configured as a Bragg grating type optical fiber. That is, in the sensor 2, the refraction in the optical fiber 3 is partially changed so that light interference occurs, and a lattice-like region in which the portions where the refractive index changes are equally spaced is the Bragg grating 4 As shown in FIG. 2, only the reflected light R having a specific wavelength component is reflected from the incident light I. The wavelength λB of the light reflected by the Bragg grating 4 is called a Bragg wavelength and is expressed by the following equation.
λB = 2nA
Here, n is the refractive index of the optical fiber, and A is the lattice spacing.
[0006]
Since the sensor 2 included in the Bragg grating 4 can reflect only a specific wavelength component, it is suitable for multiplexed transmission. That is, in the sensor 2, the incident light I has a wavelength component as shown in FIG. 2A before entering the Bragg grating 4, whereas the incident light I transmitted through the Gragg grating 4 has the wavelength component shown in FIG. As shown in FIG. 2B, a part of the wavelength component λB is reflected and is not included, and the light reflected by the Bragg grating 4 is reflected light of only the wavelength component λB as shown in FIG. R.
As can be seen from the above formula, the wavelength of the reflected light depends on the refractive index of the optical fiber 3 and the grating interval. Changes, and the reflected wavelength component changes (for example, the reflected light whose wavelength component is changed is indicated by an imaginary line in FIG. 2C). That is, by detecting the reflected wavelength component as optical data, physical fluctuations such as strain and temperature applied to the sensor 2 can be measured with high accuracy.
Since the Bragg grating 4 of the sensor 2 transmits light other than the Bragg wavelength, so-called sensor multiplexing can be configured in which a plurality of sensors that transmit light further through the light are connected in series (see FIG. 3). . The number that can be multiplexed depends on the band of the incident light I and the measurement range of the sensor (the range in which the Bragg wavelength changes).
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the present invention will be described based on embodiments.
FIG. 3 shows a Bragg grating type vibrometer which is a measuring device 5 , schematically showing a state in which the optical fiber cable 1 is extended from the measuring device body 6 to the detection target position. In this case, the sensor 2 as a Bragg grating type optical fiber in which a Bragg grating is provided on the optical fiber 3 is arranged and multiplexed in series in the length direction. Is a laser light source, arrow I indicates incident light, arrow R indicates reflected light, and the reflected light R that is returned is obtained so that the physical variation at the detection target position can be remotely measured. It is. The multiplexed sensors 2 can return reflected light of the same wavelength, or can return reflected light of different wavelengths. Of course, the sensor 2 can be one. It is.
[0008]
Figure 4 is a schematic view of the sensor of the Bragg grating type vibrometer according to the invention. Reference numeral 7 denotes a cantilever pendulum attached to the optical fiber 3 so as to be supported as a fulcrum 9 at a point corresponding to the tip of the receiving seat 8 attached at one end to the optical fiber 3. 10 is provided.
When vibration is applied to the sensor 2 in the vertical direction in the drawing (the direction perpendicular to the longitudinal direction of the optical fiber 3 and the vibration direction is indicated by the arrow A), an inertial force acts on the suspension 10 and the pendulum 7 of the action point 11 moves in the arrow B direction (optical fiber length direction). Stress is applied to the optical fiber 3 due to the movement of the action point 11 and the Bragg grating 4 reacts, and reflected light having a wavelength different from that of the reflected light that is caused by the incident light always sent to the sensor and is always sent back is sent back. It is. Therefore, vibration applied to the sensor 2 can be detected.
[0009]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, an optical fiber cable is extended from the measuring instrument main body to the detection target position, and the optical fiber cable is a Bragg grating type optical fiber in which a Bragg grating is provided on the optical fiber 3. A Bragg grating type vibrometer that is arranged in series and detects the wavelength component of the reflected light incident from the measuring instrument body and reflected by the Bragg grating as optical data by the measuring instrument body. A receiving seat with one end attached to the optical fiber, a cantilever-type pendulum attached to the optical fiber with one end and supported by the receiving seat via a fulcrum and capable of vibrating in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the optical fiber; A pendulum located on the free end side of the pendulum, and a length of optical fiber on the sensor. When vibration is applied in a direction perpendicular to the direction, the action point of the pendulum with respect to the optical fiber acts in the length direction of the optical fiber due to the inertia of the suspension, and the lattice spacing of the Bragg grating is changed. The present invention is characterized in that vibration applied to the sensor is detected by sending back reflected light having a wavelength different from that of the reflected light . Thus, from the fact that by using a Bragg grating optical fiber as a sensor of the optical fiber, and usually in distortion occurring on the Bragg grating side so as to be returned as different reflection light wavelengths, the reflected light as an optical signal Since measurement is performed, the sensor part and optical fiber part in this measuring device are placed in a place where a strong magnetic field or electric field is generated, so that the optical signal is not impaired and vibration that is a physical fluctuation at the detection target position is detected. Accurate measurement. Also, because the sensor is also provided with a Bragg grating on the optical fiber, even if there is a lightning strike, the sensor part will not be damaged, and it can be a highly reliable measurement device, etc. It is effective.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing a Bragg grating type optical fiber of a sensor in a Bragg grating type vibrometer according to the present invention.
2A and 2B show a state of light transmission through a sensor. FIG. 2A is an explanatory diagram showing a wavelength component in incident light as a graph, FIG. 2B is an explanatory diagram showing a wavelength component in transmitted light as a graph, and FIG. These are explanatory drawings which show the state in which the wavelength component of reflected light changes in a graph.
3 is an explanatory diagram showing an example of the onset bright.
FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing a sensor according to an example of the present invention .
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical fiber cable 2 ... Sensor 3 ... Optical fiber 4 ... Bragg grating 5 ... Measuring apparatus 6 ... Measuring device main body 7 ... Pendulum 9 ... Supporting point 11 ... Action point 14 ... Cantilever

Claims

An optical fiber cable 1 is extended from a measuring device body 6 to a detection target position, and the optical fiber cable 1 is arranged in a series state in the longitudinal direction with a sensor 2 as a Bragg grating type optical fiber in which a Bragg grating 4 is provided on an optical fiber 3. A Bragg grating type vibrometer that detects the wavelength component of the reflected light incident from the measuring instrument body 6 and reflected by the Bragg grating 4 as optical data by the measuring instrument body 6;
The sensor 2 has a receiving seat 8 with one end attached to the optical fiber 3, and a direction attached to the optical fiber 3 with one end and supported by the receiving seat 8 via a fulcrum 9 and perpendicular to the longitudinal direction of the optical fiber 3. A cantilever-type pendulum 7 that can be vibrated, and a suspension 10 located on the free end side of the pendulum 7,
When vibration is applied to the sensor 2 in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the optical fiber 3, the action point 11 of the pendulum 7 with respect to the optical fiber 3 acts in the length direction of the optical fiber 3 due to the inertia of the suspension 10. A Bragg grating-type vibrometer, wherein the vibration of the sensor 2 is detected by changing the grating interval of the grating 4 and sending back reflected light having a wavelength different from that of the constantly reflected light from the Bragg grating 4 .