JP4083809B2 - 光ファイバーグレーチング横歪みセンサーシステム - Google Patents

Description

発明の背景
横歪み及び横歪み勾配を測定するための正確で且つ応答性のある環境センサーシステムに対する必要性が存在している。更に、ほぼ温度依存性であり且つ又は温度補償することの可能な横歪み測定に基づいた圧力センサーに対する必要性が存在している。このタイプの横センサーシステムの適用例は、飛行機又は宇宙構造物における横歪みの位置、識別及び測定を包含するものである。これらの構造物は、それらの任務を成し遂げるために、横歪み負荷を含む実時間においてのそれらのステータスの連続的な表示を提供することが可能なものでなければならない。ほぼ温度独立性であるか又は温度補償型の横歪みに基づいたファイバーグレーチング圧力センサーは、液体酸素及び水素タンク及びその他の危険な区域においての圧力を測定するために使用することが可能である。これらのセンサーの土木構造物の適用例は、橋、建物又は高速道路構造物にわたっての横歪み及び鉱山の屋根の横負荷の測定を包含するものである。これらのセンサーは、又、地震やハリケーン等の災害の後における住居及びオフィス用の建物に対する構造上の損傷を識別するために使用することが可能なシステムをサポートするために使用することも可能である。圧力センサーは、食品及び化学物質の処理制御を包含する多様な産業上の適用例に対して使用することが可能である。
これらのセンサーに対するその他の適用例は、製造を増加させ、非破壊的な評価を実施し、構造物に対する健康管理システムを実現し、且つ制御システムを補強するために使用される環境パラメータをモニタするためにセンサーが使用される高度に敏感な構造物の新生の分野を包含している。これらの構造物は実時間でそれらの条件を連続してモニタすることが可能であることを必要とする。それらは、低パワーで極めて長い時間にわたって動作することが可能なものでなければならない。これらの構造物をサポートするために使用されるセンサーは、環境信号における小さな変化を正確に測定することが可能なものであり尚且つ広いダイナミックレンジ能力を維持することが可能なものでなければならない。
これらの要件の多くのものを満足する可能性を有する光ファイバーセンサーに対して光ファイバーグレーチングが提案されている。ファイバーグレーチングは、光ファイバーのコアを例えばゲルマニウム等の物質でドーピングすることによって構成される。光に露呈された場合に、適宜のコアドーパントを有するシリカをベースとしたファイバーの光学的コアの屈折率は修正された屈折率を有するものであることが判明した。フェーズマスク（ｐｈａｓｅ ｍａｓｋ）又は干渉用レーザービームを使用することによって、内部グレーチング構造を発生するファイバーコアの長さに沿って屈折率において多数の変化を発生することが可能であることが証明された。ファイバーグレーチングの形成過程中に周期の間隔を調節することは、そのスペクトル伝送及び反射特性を変化させる。
ファイバーグレーチングが例えば歪み、温度、圧力、又は振動等の環境効果に露呈された場合には、光ファイバーの長さが変化され、従ってファイバーグレーチングの周期が変化される。一例として、Ｗ． Ｗ． Ｍｏｒｅｙは、「分散型ファイーバーグレーチングセンサー（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒｓ）」、第７回光ファイバーセンサー会議のプロシーディングズ、２８５−２８８頁、オーストラリア、シドニー、１９９０年１２月において、典型的な温度変化はアンドリュー（Ａｎｄｒｅｗ）ＰＭファイバーの場合には８３３ｎｍにおいて０．００４３ｎｍ／℃であり且つ８２４ｎｍにおいてコーニングフレックスコア（Ｃｏｒｎｉｎｇ ＦｌｅｘＣｏｒｅ）ファイバーの場合には０．００７４ｎｍ／℃であることを報告している。ファイバーに歪みが発生すると、ファイバーの長さも変化する。ブラック波長変化がＭｏｒｅｙによって測定され、８２０ｎｍにおいてマイクロ歪み当たり５．２×１０^-4ｎｍのシフトが発生していた。
多くの適用例に対して、温度と歪みの両方を同時的に測定することが必要である。Ｅ． Ｕｄｄ及びＴ． Ｅ． Ｃｌａｒｋは、「環境効果を検知するための光ファイバーグレーチングセンサーシステム（Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｆｆｅｃｔｓ）」、米国特許第５，３８０，９９５号において、例えば１．３及び１．５ミクロン等の異なる波長における２つの重畳させたファイバーグレーチングをどのように使用して単一の点における例えば歪みと温度等の２つの環境パラメータを測定することが可能であるかについて記載している。最近、Ｍ． Ｇ． Ｘｕ、Ｈ． Ｇｅｉｇｅｒ及びＪ． Ｐ． Ｄａｋｉｎｇは、「多重点及び段階的−連続的ファイバーグレーチングをベースとしたセンサー：構造上のモニタリングに対する実際的センサー（Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ Ｐｏｉｎｔ ａｎｄ Ｓｔｅｐｗｉｓｅ−Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｆｉｂｒｅ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｂａｓｅｄ Ｓｅｎｓｏｒｓ： Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ？」）、プロシーディングズ・オブ・ＳＰＩＥ、２２９４巻、６９−８０頁、１９９４年において、１．３及び０．８５ミクロンの波長を使用し且つ点測定用の重畳型ファイバーグレーチングを使用して歪み及び温度の同時的測定を検証している。構造物内部の歪みの完全なる測定を行なうためには、３つの歪み成分すべてを測定することが必要であることがしばしばである。Ｒ． Ｍ． Ｍｅａｓｕｒｅｓ、Ｄ． Ｈｏｇｇ、Ｒ． Ｄ． Ｔｕｒｎｅｒ、Ｔ． Ｖａｌｉｓ、Ｍ． Ｊ． Ｇｉｌｉｂｅｒｔｏは、「構造的に一体化させた光ファイバー歪みローゼット（Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｌｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｓｔｒａｉｎ Ｒｏｓｅｔｔｅ」）、プロシーディングズ・オブ・ＳＰＩＥ、９８６巻、３２−４２頁、１９８８年において、３個の別々のファイバーセンサーからなる光ファイバー歪みローゼットを実証している。これらのファイバーセンサーは配列されておらず且つ温度変動を補償する手段が使用されていなかったので、これらのローゼットは、その使用が非常に制限されたものであった。Ｅｒｉｃ Ｕｄｄは、米国特許出願第０８／４３８，０２５号「マルチパラメータ光ファイバーグレーチングシステム（Ｍｕｌｔｉｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ」）において、横歪みを含み３軸の歪み及び温度を測定することを可能とする複屈折ファイバーに書込んだデュアル即ち二重の重畳させたファイバーグレーチングに基づいたファイバーグレーチングセンサーを記載している。然しながら、横歪み測定能力及び圧力及び歪み勾配の支援測定を改善し且つ洗練化することの継続した必要性が存在している。
本発明の簡単な説明
本発明においては、ファイバーグレーチングをシングルモード光ファイーバ上に書込んで横歪みセンサーを形成する。該ファイバーが通常のシングルモードファイバーである場合には、ファイバーへ適用された横歪みがファイバーグレーチングのスペクトル分布を２つのピークへ分割させる。これらの２つのピークの間のスペクトル分離の測定を行なって、該ファイバーの横方向負荷の量を表わすことが可能である。このアプローチは、付与した負荷の方向に関してファイバーグレーチング横方向センサーのオリエンテーション即ち配向状態が未知である場合に有用である。１例として、これは、採鉱シャフトの屋根に関する測定を支援し且つ測定を行なうために使用される引抜成形したビーム内に配置される場合等がある。然しながら、小さな横方向負荷の場合には、スペクトルピークは非常に近接しており、ピークとピークの分離を正確に測定することを困難なものとしている。ファイバーグレーチングを例えば楕円形のコアを有する偏光（分極）持続性ファイバー等の複屈折光ファイバー又は応力複屈折を誘起させるクラッディングの上にファイバーグレーチングを書込むことによって、スペクトルピークの間の明確な分離が可能であり且つ横方向負荷における非常に小さな変化に対して正確な測定を行なうことが可能である。非対称的なファイバークラッディング、例えば楕円形のクラッディング又は側部空気孔が関与する場合等においては、圧力変化が横方向歪みにおける変化を誘起させる。ファイバーグレーチングがこのタイプのファイバーのコアの上に書込まれる場合には、ファイバー圧力センサーを形成するために使用することが可能である。２つの応力によって誘起されるピークの間の空間的な分離は小さなものであるから、温度に起因するピークとピークとの分離における変化は小さい。然しながら、ピークの全体的なスペクトルシフトは、通常のファイバーグレーチングのものと同様の態様で歪み及び温度に応答し、且つＵｄｄ及びＣｌａｒｋによって記載されているようにデュアル重畳型ファイバーグレーチングを使用して測定することが可能である。
本システムは、異なる波長で動作する複数個のファイバーグレーチングを使用することによって、及び又は時分割多重化技術を使用することによって、歪み又は圧力の複数個の測定を支援するために使用することが可能である。
従って、負荷方向とは独立的な横歪みを測定するために通常のシングルモードファイバー上に書込んだファイバーグレーチングからなるセンサーシステムを提供することが本発明の１つの目的である。
本発明の別の目的とするところは、時間的に変化する環境信号の振幅及び位置を測定することの可能な環境センサーシステムを提供することである。
本発明の別の目的とするところは、横歪みにおいて非常に小さな変化を測定することの可能な横歪みセンサーを提供することである。
本発明の別の目的とするところは、圧力を測定することである。
本発明の別の目的とするところは、横歪み勾配を測定することである。
本発明の別の目的とするところは、横歪み勾配を測定し且つ光ファイバーの軸に関するそれらの配向状態を識別することである。
本発明の別の目的とするところは、採鉱シャフトにおける横方向負荷を測定することの可能なシステムを提供することである。
本発明の別の目的とするところは、処理制御用の多点圧力及び温度センサーを提供することである。
本発明の別の目的とするところは、単一の光ファイバー長さに沿って横歪み及び圧力／温度測定の両方を与えることである。本発明の別の目的とするところは、ユーザが矯正動作を行なう必要性の警告を与えるためにダムの信頼性に関する構造上の情報を提供することである。
本発明のこれら及びその他の目的及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の図面を考慮した後に、当業者にとって明らかなものとなる。
【図面の簡単な説明】
図１は環状対称シングルモード光ファイバー上に書込んだファイバーグレーチングの模式図である。
図２は反射モードで動作すべく形態とされた基本的なファイバーグレーチング復調システムを示している。
図３Ａは横方向負荷なしで環状対称光ファイバーに書込んだファイバーグレーチングの反射されたスペクトルの分布を示しており、且つ図３Ｂは横方向負荷が存在する場合の環状対称光ファイバーに書込んだファイバーグレーチングの反射されたスペクトルの分布を示している。
図４は横方向負荷に露呈されるロッド内に形成されている光ファイバーにおける多重型ファイバーグレーチングを示している。
図５はそのコア上にファイバーグレーチングが書込まれている偏光（分極）持続用ファイバーとすることの可能な複屈折光ファイバーを示している。
図６はそのコア上にデュアル重畳型ファイバーグレーチングが書込まれている偏光（分極）持続用ファイバーとすることの可能な複屈折光ファイバーを示している。
図７Ａ及び７Ｂは３Ｍ偏光持続用複屈折ファイバー上に１３００及び１５５０ｎｍで書込んだデュアル重畳型ファイバーグレーチングからの反射されたスペクトルを示している。
図８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ，８Ｅ，８Ｆ，８Ｇは、複屈折偏光持続用ファイバーの種々のタイプの断面を示している。
図９は空気側部孔を有する光ファイバー上にファイバーグレーチングを書込むことに基づいたファイバーグレーチングをベースとした圧力センサーを示している。
図１０は空気孔をシールするために２つの長さの光ファイバーの間でスプライスしたファイバーグレーチングをベースとした圧力センサーを示している。
図１１は単一のファイバーラインにおける一連の多重型ファイバーグレーチングをベースとした圧力センサーを示している。
図１２は多重型ファイバーグレーチングをベースとした圧力センサーの復調（検波）を支援するシステムを示している。
図１３は側部孔ファイバー上に書込んだデュアル重畳型ファイバーグレーチングを有するファイバーグレーチングをベースとした圧力センサーを示している。
図１４は圧力及び温度を測定するためにその上にファイバーグレーチングが書込まれており且つ別の長さの光ファイバー上に第二ファイバーグレーチングが書込まれている側部孔ファイバーとすることが可能な複屈折ファイバーのセクションから構成されているファイバーグレーチングセンサーを示している模式図である。
図１５はファイバーグレーチングが書込まれており且つそれに対して横歪み勾配が付与される複屈折ファイバーを示している模式図である。
図１６はニートな（即ち、小綺麗な）エポキシ樹脂円筒内に埋込まれておりその上にファイバーグレーチングが書込まれており平坦なプレートを介して３００ポンドの負荷が付与される偏光持続用ファイバーからの反射されたスペクトルを示している模式図である。
図１７はニートな（小綺麗な）エポキシ樹脂円筒内に埋込まれておりその上にファイバーグレーチングが書込まれており平坦なプレートを介して４００ポンドの負荷が負荷される偏光持続用ファイバーからの反射されたスペクトルを示している模式図である。
図１８はニートな（小綺麗な）エポキシ樹脂円筒内に埋込まれておりその上にファイバーグレーチングが書込まれており平坦なプレートを介して４５０ポンドの負荷が付与される偏光持続用ファイバーからの反射されたスペクトルを示している模式図である。
図１９は伝送におけるファイバーグレーチングのスペクトルピークを測定するためのテストセットを示した模式図である。
図２０は複屈折偏光持続用ファイバー内に１３００及び１５５０ｎｍにおいて書込んだデュアル重畳型ファイバーグレーチングのスペクトル曲線を示している。
図示した実施例の詳細な説明
図面を参照し、更に詳細には参照番号によれば、図１における２２は環状に対称的なある長さのシングルモード光ファイバーを示している。この光ファイバーのコア２４上にはファイバーグレーチング２６が書込まれている。ファイバーグレーチング２６が、図２に示したように、ファイバーグレーチング復調（検波）システム３０へ取付けられると、例えば歪み及び温度等の環境変化に起因するファイバーグレーチングの周期変化を、ファイバーグレーチングから反射されるか又はそれを透過する光におけるスペクトルシフトを測定することによって決定することが可能である。図２に示した復調システムの場合においては、例えば発光ダイオード等の高帯域光源又は比較的幅の狭い帯域の同調可能な光源とすることの可能な光源３２を使用して、光をファイバー端部３４内へ結合させる。結合された光ビーム３６は、例えばファイバービームスプリッター３８のようなビームスプリッターを介して指向される。ファイバービームスプリッター３８の１つのポートは非反射性の端部４０で終端させることが可能であり、又は、それは付加的なファイバーグレーチングに対する測定を支援するために使用することが可能である。光ビーム３６の一部はビームスプリッター３８の出力ポート４２内へ分割されて光ビーム４４となる。出力ポート４２はスプライス又はコネクタ４６を介してファイバーグレーチング２６へ接続されている。ファイバーグレーチング２６によって反射された光ビーム４４の部分４８は、ビームスプリッター３８へ戻るべく指向され、且つその一部は光ビーム５２としてビームスプリッターポート５０内へ指向される。次いで、この光ビーム５２はスペクトル分析器５４へ入り、それは環境効果によって誘起されたファイバーグレーチング２６の状態における変化に起因する光ビーム５２におけるスペクトルシフトを測定する。
図３Ａは、ファイバーグレーチング２６が横ストレス（応力）に露呈されない場合にスペクトル復調器５４によって決定されるようなファイバーグレーチング２６のスペクトル反射分布を示している。注意すべきことであるが、分布１００においては単一のピークが存在している。これは、存在する場合であっても、誘起された複屈折がほとんど存在しない場合に対応している。横応力がファイバーグレーチング２６へ付与されると、反射分布１００は、図３Ｂに示した１０２のようなデュアルロブ（ｄｕａｌｌｏｂ）即ち２つの山を有する分布が存在するまで分割し始める。横応力の量は、誘起された複屈折に比例し、それはピーク１０６と１０８との間の空間的な分布１０４を決定する。
一時的には、ピークとピークとの分離１０４は比較的温度とは独立している。何故ならば、ピーク１０６及び１０８の両方共ほぼ同一の波長にあり且つ温度はピーク１０６及び１０８の両方をほぼ同一のスペクトルシフトによって同一の全体的な方向に移動させるからである。環状対称単一モードオプチカルファイバーに書込んだファイバーグレーチングを使用するアプローチは、低コストの遠距離通信用の光ファイバーを使用し且つ負荷方向とは独立している横方向感度を有しているという利点を持っている。このことをどのようにして使用することが可能であるかという１つの例として、製造過程中にロッド１６０の中心近くの位置に配置させた一連ファイバーグレーチング１５４，１５６，１５８，．．．を包含する環状対称光ファイバーの図４に示した場合について検討する。その製造は、引抜成形等のプロセスによって行なうことが可能である。ロッド１６０が、建物、採掘坑又はトンネルの屋根である場合がある横方向負荷を担持する構造物内に配置された場合には、その長さに沿って横方向負荷１６２，１６４，１６６における変動に露呈される。次いで、これらの負荷は、ファイバーグレーチング１５４，１５６，１５８の反射されたスペクトル分布のピークからピークへの分離を決定することにより測定することが可能である。
環状対称シングルモード光ファイバーを使用することの１つの欠点は、小さな横方向負荷の場合には、ピークとピークとの分離が測定することが極めて困難な場合があるということである。何故ならば、それらのピークがノイズに埋もれる場合があるからである。この問題を取除くために、ファイバーグレーチングを図５に示したように、偏光（分極）持続用ファイバー２００内にファイバーグレーチングを書込むことが可能である。この場合には、偏光即ち分極持続用ファイバー２００は異なる実効的な屈折率を有する２つのファイバー軸２０２及び２０４を有している。ファイバーグレーチング２０６がファイバー２００上に書込まれる場合には、横応力が、復調器３０によって検査した場合に、図３Ｂと同様な２つの分離されたスペクトルピークを発生させる。又、図６に示したように、離隔された波長において偏光即ち分極持続用ファイバー２００上にデュアル重畳型ファイバーグレーチング２５０及び２５２を書込むことが可能である。これは、４個の実効的なファイバーグレーチングとなり、且つ、Ｅｒｉｃ Ｕｄｄによって米国特許出願第０８／４３８，０２５号において記載されているように、３つの軸の歪み及び温度を測定するために使用することが可能である。
図７Ａ及び７Ｂは３Ｍ会社によって製造された分極（偏光）持続用光ファイバー上に夫々１３００及び１５５０ｎｍで書込んだデュアル重畳型ファイバーグレーチングからのスペクトル反射応答を示している。１３００ｎｍにおけるピークとピークとの分離は約０．４２７ｎｍであり、１５５０におけるピークとピークとの分離は約０．４８８ｎｍである。この分離は、ピークを明確に区別することが可能であり、横歪みを決定するのに必要なピークとピークとの分離の正確な測定を行なうことを可能とするものであるので充分である。
ファイバーグレーチングは３Ｍによって製造された分極持続用ファイバーを含む横歪み検知用に対する妥当性を判別するために幾つかの異なるタイプの分極持続用ファイバー上にファイバーグレーチングを書込んだ。これらのファイバーの各々は図８Ａに断面で示した光ファイバー３００の楕円形クラッディング２９８と同様な楕円形クラッディングを有している。この場合に、ファイバー３００のコア３０２は、環状対称光ファイバー３００を形成するためにその上に重ね合わせたガラス３０６の被覆と異なる硬さを持ったガラスから構成されている楕円形クラッディング構造物２９８によって取り囲まれている。図８Ｂ及び８Ｃの光ファイバー３２０及び３２２の断面に示したものと同様の構造を持ったフジクラ分極維持用光ファイバーも使用した。フジクラファイバーにおいては、環状対称ファイバーコア３２８及び３３０を介して異なる応力を誘起させるために応力ロッド３２４及び３２６を使用する。誘起される応力の量は、応力ロッド３２４及び３２６の間の直径における差として、図８Ａ及び８Ｂに示したような応力ロッドの直径を変化させることによって制御することが可能である。それは、又、応力ロッドの硬さと相対的に周りのガラスの硬さを変化させることによって変化させることも可能である。応力ロッド型のファイバー上にファイバーグレーチングを成功裡に書込んだが、光源に対するファイバーの配向状態及びファイバーグレーチングを書込むために使用したフェーズマスクは、応力ロッドがファイバーコアをマスクすることがないように調節せねばならなかった。図８Ｄに示してあり且つファイバーコア（Ｆｉｂｅｒｃｏｒｅ）によって供給されている３番目のタイプのファイバー３６０は、横歪み測定のためにその上にファイバーグレーチングを書込んだ。ファイバー３６０はソフトなガラス側ピット３６２及び３６４を有している。このファイバー３６０は、側部ピット３６２及び３６４と対称的なファイバー３６０を形成するためにその周りに使用されているガラス３６８との間の硬さにおける差によって発生される円形コア３６６を横断して誘起される応力を有している。これらの全てのファイバータイプはコーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ）によって供給されている楕円形のコアのファイバー３８０，３８２，３８４と同じく横歪み測定のために適切な明確なピークとピークとの分離を実証した（図８Ｅ，８Ｆ，８Ｇ）。ファイバー３８０，３８２，３８４は、楕円形のコア３９０，３９２，３９４を有する一連の光ファイバー断面を示している。テストしたコーニングのファイバーは円形クラッディング内の楕円形のコアを有するものであったが、横歪み感度を増強させるのに役立つような態様でクラッディング構造を調節することが可能である。ファイバー３８０は平坦な側部３９６を有しており、ファイバー３８２は楕円コア３９２の主軸４０１に平行に配向されている応力ロッド３９８及び４００を有しており、一方ファイバー３８４は楕円コア３９４の主軸４０６と垂直に配向されている応力ロッド４０２及び４０４を有している。横方向感度を増加させるのに役立つようなその他の幾何学的形状を有することも可能である。
光ファイバー内にファイバーグレーチングを書込むことによって形成される横歪みセンサーの１つの適用例は圧力の測定である。図９はファイバーグレーチングをベースとした圧力センサー４５０を示している。それは、ファイバーグレーチング４５４が書込まれているファイバーコア４５２から構成されている。４５０のクラッディング４５６内にはデュアル側部孔４５８及び４６０が閉じ込められており、それらは空気又はその他の気体及び物質を収容することが可能である。センサー４５０は光ファイバー４７０及び４７２の長さにスプライス即ち接合することが可能であり、それらは図１０に示したようにシングルモード光ファイバーとすることが可能である。外側圧力がセンサー４５０へ付与されると、それは主軸４７４及び４７６に沿ってファイバー圧力センサー４５０の複屈折を変化させる。ファイバー圧力センサー４５０の感度は、側部孔４７８及び４８０の寸法及び幾何学的形状を変更することによって調節することが可能である。
ファイバー圧力センサー４５０は図１１に示したように多重化させることが可能である。この場合には、約波長λ₁のところに中心位置決めされたファイバーグレーチング５０２を有するファイバー圧力センサー５００が光ファイバーセグメント５０４及び５０６の間でスプライス即ち接合される。セグメント５０６は、更に、約波長λ₂のところに中心位置決めされたファイバーグレーチング５１０を有するファイバー圧力センサー５０８へスプライス即ち接合される。光ファイバーセグメント５１２は、ファイバー圧力センサー５０８の他端とそのファイバーグレーチング５１６がほぼ波長１３のところに位置決めされているファイバー圧力センサー５１４との間にスプライス即ち接合される。ファイバー圧力センサー５１４の反対側の端部は光ファイバーセグメント５１８へスプライス即ち接合される。このように、多数のファイバーグレーチングをベースとした圧力センサーを一体的にスプライス即ち接合させ、且つ波長分割多重化を使用して多重化させることが可能である。更に、ファイバーグレーチングの反射率が光源から更に離れているファイバーグレーチング圧力センサーを「シェーディング」することを回避するために１００％未満である限り、同様の波長で動作するファイバーグレーチングをベースとした圧力センサーを使用することによって時分割多重化技術を使用することも可能である。
図１２は多重化させたファイバーグレーチングをベースとした圧力センサー５５２，５５４，５５６のシステム５５０を示している。例えば発光ダイオードのような広帯域光源又は同調可能な狭い帯域の光源とすることの可能な光源５５８を使用して光ビーム５６０をファイバー端部５６２へ結合させることが可能である。光ビーム５６０はビームスプリッタ５６４内へ通過し、そこで、光ビーム５６６と５６８とに分割される。光ビーム５６８は終端されている端部５７０を介してシステムの外部へ出る（変形例として、光ビーム５６８は別の１組のファイバーグレーチング圧力センサーを照明するために使用することが可能である）。光ビーム５６６はファイバーグレーチング圧力センサー５５２に入り且つこの光ビーム５６６の一部は光ビーム５７４としてファイバーグレーチング５７２から反射される。光ビーム５７４はビームスプリッタ５６４へ戻り且つその一部は光ビーム５７８としてビームスプリッタ５７６の端部へ指向される。次いで、光ビーム５７８はスペクトル復調器５８０へ入り、該復調器はスキャニングファブリ・ペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）フィルター又は音響・光学同調可能フィルターをベースとしたシステムとすることが可能であり且つ圧力によって誘起された複屈折に起因するピークとピークとの分離を表わす出力が出力５８２として読取られる。これは、圧力５８４を読取るために解釈することが可能である。分布の全体的なスペクトルシフトは軸方向歪み及び温度に依存しこれが読み出し５８６である。
軸歪みが圧力のみに起因するものであってその他のタイプの負荷に起因するものではない場合には、歪み及び温度を決定するために単一のファイバーグレーチングで充分な場合がある。然しながら、一般的には、軸方向負荷の存在は、長手軸方向に誘起された歪みも測定することを必要とする。このことは、図３に示したようなデュアル即ち二重の重畳型ファイバーグレーチングを使用することによって行なうことが可能である。この場合には、ファイバーグレーチングをベースとした圧力センサー６００は波長λ₁におけるファイバーグレーチング６０２を有しており、その上に波長λ₂における２番目のファイバーグレーチング６０４が重畳されている。これは４つの実効的なファイバーグレーチングを形成し、それは３つの軸の歪み及び温度を測定するために使用することが可能である。
別のアプローチが図１４に示されている。この場合には、波長λ₁におけるファイバーグレーチング６５２を具備するファイバーグレーチングをベースとした圧力センサー６５０が波長λ₂におけるファイバーグレーチング６５６を具備する環状対称ファイバー６５４の第二セグメントと多重化動作される。ファイバーグレーチング６５２はファイバーグレーチング６５６と異なって横歪みに応答する。特に、圧力によって誘起される複屈折はファイバーグレーチング６５２からの反射されるか又は透過された信号における測定可能なスペクトルピークとスペクトルピークとの分離を発生させる。然しながら、ファイバーグレーチング６５６は歪み及び温度に依存する全体的なスペクトルシフトを具備する単一のピークを有している。ファイバーグレーチング６５２及び６５６の全体的なスペクトルシフト（ファイバーグレーチング６５２に対するピークからピークへの分離を平均）を比較することによって、歪み及び温度を測定することが可能である。ファイバーグレーチング６５２及び６５６を異なるタイプの光ファイバーセグメント６５０及び６５４上に書込むことによって、歪み及び温度の２つの未知数における２つの方程式をインバートさせる容易性は、付加的な自由度によって簡単化させることが可能である。然しながら、注意すべきことであるが、このような方法は、存在するとしても、短時間での温度及び歪みの変動が殆ど存在しない環境において有用なものである。何故ならば、グレーチング６５２及び６５４は同一の場所に存在するものではないからである。
注意すべきことであるが、図９乃至１４においてファイバーグレーチングをベースとした圧力センサーを示すために側部孔型の複屈折ファイバーを使用したが、例えば図８に示したようなその他のタイプの非対称的分極（偏光）持続用ファイバーをその代わりに使用することも可能である。
横歪みセンサーの別の適用例は横歪み勾配の測定である。図１５は複屈折光ファイバーに基づいたファイバーグレーチングをベースとした横歪みセンサー７００を示している。ファイバーグレーチング７０２は主軸７０８及び７１０を有する複屈折光ファイバー７０６のコア７０４上に書込まれている。横歪み勾配７１２及び７１４が軸７０８及び７１０に沿って付与されると、歪み勾配の結果として、ピークスペクトル分布内に変化が発生する。
図１６は、ニート（ｎｅａｔ）な即ち小綺麗なエポキシの円筒内にモールドされており且つ３００ポンドで平行な平坦なプレートで横方向に負荷がかけられたそのコア上に１５５０ｎｍファイバーグレーチングを書込んだファイバーコア（Ｆｉｂｅｒｃｏｒｅ）の偏光（分極）持続用ファイバーの結果を示している。両方のピークを明確に見ることが可能であるが、反射スペクトルのある程度の拡散が発生している。図１７は４００ポンドの負荷における結果的に発生した反射スペクトルを示している。横軸のうちの１つに対応する右側のピークは横歪み勾配に起因して広く拡散し始めており、一方他方はいまだにその元の形状をある程度維持している。図１８は、４５０ポンドの負荷を印加した場合の結果を示している。この場合には、横軸のうちの１つは横歪み勾配に起因してかなりの拡散を示しており、一方他方は丁度実質的な歪みを示し始めたところである。この拡散の幅及び強度スペクトルを測定することによって、横歪み勾配を測定することが可能である。
従って、これまで説明した本発明は全て反射で動作するものとして説明した。又、歪み、圧力及び歪み勾配の測定のために透過型で横歪みセンサーを動作させることが可能である。図１９は基本的な形態５００を示している。広帯域光源又は同調可能な狭い帯域の光源とすることの可能な光源５０２が、ファイバー端部５０４内へ光を結合させ且つ光ファイバー５０８を伝搬する光ビーム５０６を発生する。光ビーム５０６は光ファイバー５０８内に書込まれている１個又はそれ以上のファイバーグレーチング５１０へ伝搬する。ファイバーグレーチング５１０の領域内における光ファイバー５０８は複屈折型とすることが可能であり及び・又は先の知見に関連して説明したような幾何学的な形状とさせることが可能である。光ビーム５０６の一部は光ビーム５１２としてファイバーグレーチング５１０を貫通して通過し且つ光ファイバー５０８に沿って出力スペクトル分析器／プロセサ５１４へ指向される。スペクトル分析器／プロセサ５１４は出力５１６を発生し、それは横歪み、圧力又は歪み勾配を表わすことが可能である。
図２０Ａ及び図２０Ｂは図１９に示したものと同様の形態を使用するデュアル重畳型ファイバーグレーチング横方向センサーからの透過された出力スペクトルを示している。この場合に使用される光源は中心波長が１３００及び１５５０ｎｍで動作する端部射出型の発光ダイオードから構成されている。これらの光源は波長分割多重化要素を使用して単一の実効的な光源に結合させるか又は個別的に使用することが可能である。図２０Ａ及び２０Ｂに示したデータに対応するファイバーグレーチングはフジクラ（Ｆｕｊｉｋｕｒａ）偏光（分極）持続用光ファイバー上の実質的に同一の位置に１３００及び１５５０ｎｍで書込んだ。図２０Ａは２つの透過ディップの間のピークからピークへの分離が１３００ｎｍにおいて約０．３２０ｎｍであることを示している。図２０Ｂは、２つの透過ディップの間のピークからピークへの分離が１５５０ｎｍにおいて約０．４０６ｎｍであることを示している。図２０Ａ及び２０Ｂから理解される様に、図１９と同様な透過形態においての動作も、先の図に関連して説明したものと同様の態様で、横歪み、圧力又は歪み勾配を決定するためにピークからピークへの測定を行なうことを可能とする。先の図について説明した反射形態を使用することと比較して図１９に関連する透過型アプローチの１つの欠点は、横方向ファイバーセンサーの両方の端部へのアクセスを必要とするということである。ある適用例においては、特に、検知領域と情報が処理されるべき区域との間でかなりの距離が存在する場合には、かなりのコストを付加する場合がある。
従って、圧力、温度及び横歪み勾配を測定し且つそのための全ての目的及び利点を満足するために使用することの可能な新規な横歪みセンサーについて示し且つ説明した。本発明の多くの変更、修正、変形例、使用及び適用例は、本明細書及び添付の図面を考慮した後に当業者にとって自明なものとなる。このような変更、修正、変形例及びその他の使用及び適用例の全ては本発明の精神及び範囲から逸脱するものではなく以下の請求の範囲によってのみ制限される本発明によってカバーされるものである。

Claims (25)

1. 光ファイバーにおける横応力を検知するシステムにおいて、
   第一光ビームを発生する光源、
   前記光源からの第一光ビームを受取り且つそれを第二及び第三光ビームへ分割させるべく接続されているビームスプリッタ、
   前記ビームスプリッタからの前記第二光ビームを受取るべく接続されている光ファイバー、前記光ファイバーは、横応力に露呈させるためにその中に形成されている第一光学的グレーチングを有しており、前記光学的グレーチングは前記第二光ビームの一部をスペクトル強度の２つの最大値をもった第四光ビームとして反射し、該２つの最大値のスペクトル間隔は前記第一光学的グレーチングにおける前記光ファイバーへ付与された横応力と共に変化し、
   前記スペクトル強度の２つの最大値のスペクトル間隔を測定し且つ前記光ファイバーにおける横応力を表わす第一出力を発生させる検知器
   を有するシステム。
2. 請求項１において、前記検知器が前記第四光ビームの一部を受取るために前記ビームスプリッタへ接続されているシステム。
3. 請求項１において、前記光ファイバーがその周りに付与される圧力に対して非対称的な物理的応答を持った複屈折光ファイバーであり、それにより、前記横応力を表わす第一出力が前記第一光学的グレーチングにおける前記複屈折光ファイバーへ付与された圧力を表わすものであるシステム。
4. 請求項１において、前記検知器が前記スペクトル強度の２つの最大値のスペクトル間隔を測定して前記第一光学的グレーチングにおいて前記光ファイバーへ付与された横応力を表わす第一出力を発生するシステム。
5. 請求項１において、前記検知器が前記スペクトル強度の２つの最大値のうちの少なくとも１つのスペクトル拡散を測定し且つ前記第一光学的グレーチングにおいて前記光ファイバーへ付与された横歪み勾配を表わす第一出力を発生するシステム。
6. 請求項１において、前記第一光学的グレーチングが、
   第一グレーチング間隔を有しており、従って前記第一光学的グレーチングはほぼ第一周波数で第二光ビームの第一部分を反射し、前記光ファイバーは、更に、
   第二光学的グレーチングを有しており、前記第二光学的グレーチングは、前記第二光学的グレーチングにおいて前記光ファイバーへ付与された横応力と共にそのスペクトル間隔が変化するスペクトル強度の２つの最大値を持った第五光ビームとして前記第二光ビームの第二部分を反射させるために横応力へ露呈させるために前記第一光学的グレーチングと同一の位置に位置されており、前記第二光学的グレーチングは、前記第一グレーチング間隔と異なる第二グレーチング間隔を有しており、従って前記第二光学的グレーチングは前記第一周波数と異なる第二周波数周りにおいて前記第二光ビームの第二部分を反射させる、
   システム。
7. 請求項１において、前記第一光学的グレーチングが、
   第一グレーチング間隔を有しており、従って前記第一光学的グレーチングは第四光ビームとして第一周波数周りにおいて前記第二光ビームの第一部分を反射し、前記光ファイバーは、更に、
   横応力へ露呈するために前記第一光学的グレーチングから離隔している第二光学的グレーチングを有しており、前記第二光学的グレーチングは前記第二光学的グレーチングへ付与される横応力と共にスペクトル間隔が変化するスペクトル強度の２つの最大値を持った第五光ビームとして前記第二光ビームの第二部分を反射させ、前記第二光学的グレーチングは、
   前記第一グレーチング間隔と異なる第二グレーチング間隔を有しており、従って前記第二光学的グレーチングは前記第一周波数と異なる第二周波数周りにおいて前記第二光ビームの第二部分を反射させる、
   システム。
8. 請求項７において、前記検知器が第四及び第五光ビームにおけるスペクトル強度の２つの最大値を測定して第四光ビームにおけるスペクトル強度の２つの最大値を表わす第一出力及び第五光ビームにおけるスペクトル強度の２つの最大値を表わす第二出力を発生するシステム。
9. 請求項１において、前記光ファイバーがその周りに付与される圧力に対して非対称的な物理的応答を有する第一複屈折光ファイバーであり、且つ、それにより、横応力を表わす第一出力がそれに対して付与される圧力を表わしており、前記第一光学的グレーチングが、
   第一グレーチング間隔を有しており、従ってそれは第一周波数周りにおいて第二光ビームの第一部分を反射し、前記システムは、更に、
   その周りに付与される圧力に対する非対称的な物理的応答を有する前記第一複屈折光ファイバーへ接続している第二複屈折光ファイバーを有しており、前記第二複屈折ファイバーは、
   横応力に露呈させるための第二光学的グレーチングを有しており、前記第二光学的グレーチングは第二光ビームの第二部分をスペクトル間隔が前記第二光学的グレーチングへ付与される横応力と共に変化するスペクトル強度の２つの最大値を有する第五光ビームとして反射させ、前記第二光学的グレーチングが、
   前記第一グレーチング間隔とは異なる第二グレーチング間隔を有しており、従って前記第二光学的グレーチングは前記第一周波数とは異なる第二周波数周りにおいて前記第二光ビームの第二部分を反射する、
   システム。
10. 請求項９において、前記第一複屈折光ファイバーが非複屈折光ファイバーによって前記第二複屈折光ファイバーへ接続されているシステム。
11. その上に光学的グレーチングを書込んだ光ファイバーに対する横応力の付与を検知する方法において、
    第一光ビームを発生し、
    横応力がそれに対して付与されている場合に前記第一光ビームを光学的グレーチング上に入射させて前記第一光学的グレーチングにおいて前記光ファイバーへ付与された横応力と共にそのスペクトル間隔が変化するスペクトル強度の２つの最大値を持った第一光ビームの一部の反射を発生させ、
    前記スペクトル強度の２つの最大値を検知し、
    前記スペクトル強度の２つの検知した最大値から前記光ファイバーへ付与した横応力を表わす第一出力を発生させる、
    方法。
12. 請求項１１において、前記スペクトル強度の２つの最大値を検知する場合に、
    前記スペクトル強度の２つの最大値の間の間隔を検知し、且つ前記スペクトル強度の２つの最大値を表わす第一出力を発生させる場合に、
    前記スペクトル強度の２つの最大値の間隔を表わす第一出力を発生する、
    方法。
13. 請求項１２において、前記光ファイバーが複屈折光ファイバーであり、前記光学的グレーチングにおいて前記複屈折光ファイバーへ付与された圧力は前記光学的グレーチングに対して横応力を発生させ、且つ前記スペクトル強度の２つの最大値を表わす第一出力を発生させる場合に、
    前記光学的グレーチングにおいて前記複屈折光ファイバーへ付与される圧力を表わす第一出力を発生する、
    方法。
14. 請求項１２において、前記第一光学的グレーチングが第一スペクトルを反射し、且つ前記光ファイバーが前記第一スペクトルと異なる第二スペクトルを反射する第二光学的グレーチングを有する複屈折光ファイバーであり、前記第二光学的グレーチングにおいて前記複屈折光ファイバーへ付与された圧力は前記第二光学的グレーチングに対して横応力を発生し、前記スペクトル強度の２つの最大値を表わす第一出力を発生させる場合に、
    前記第一光学的グレーチングにおいて前記複屈折光ファイバーへ付与された圧力及びその温度を表わす第一出力を発生し、且つ
    前記第二光学的グレーチングにおいて前記複屈折光ファイバーへ付与された圧力及びその温度を表わす第二出力を発生し、従って圧力及び温度を前記第一及び第二出力から派生させることが可能である方法。
15. 請求項１４において、前記第一及び第二光学的グレーチングが同一の位置に位置されている方法。
16. 請求項１４において、前記第一及び第二光学的グレーチングが、基本的に同一の圧力及び温度に露呈されるように位置されている方法。
17. 請求項１１において、前記光ファイバーが非複屈折光ファイバーであり、前記光学的グレーチングにおいて前記複屈折光ファイバー周りに付与された歪み勾配がそのスペクトルがスペクトル強度の２つの最大値のうちの少なくとも１つを拡散させるように前記光学的グレーチングに対して横応力を発生させ、前記スペクトル強度の２つの最大値を表わす第一出力を発生させる場合に、
    前記光学的グレーチングにおいて前記非複屈折光ファイバー周りに付与される歪み勾配を表わす第一出力を発生させる、
    方法。
18. 圧力の付与を検知するシステムにおいて、
    第一光ビームを発生する光源、
    前記第一光ビームを受取るべく接続されている複屈折光ファイバー、前記複屈折光ファイバーは、前記複屈折光ファイバーへ付与される圧力によって発生される横応力へ露呈させるためにその中に第一光学的グレーチングが形成されており、前記第一光学的グレーチングは第一光ビームの第一部分をスペクトル強度の２つの最大値を持った第二光ビームとして反射させ、前記スペクトル強度の最大値のスペクトル間隔は前記第一光学的グレーチングにおいて前記複屈折光ファイバーへ付与される圧力と共に変化し、
    前記第二光ビームのスペクトル強度の２つの最大値を測定し且つ前記複屈折光ファイバーに付与された圧力を表わす第一出力を発生する検知器、
    を有するシステム。
19. 請求項１８において、前記検知器が前記第二光ビームのスペクトル強度の２つの最大値の間隔を測定し且つそれからの第一光学的グレーチングへ付与される圧力を表わす第一出力を発生するシステム。
20. 請求項１８において、前記複屈折光ファイバーが、更に、
    前記複屈折光ファイバーによって付与された圧力及びその温度によって発生される横応力へ露呈させるためにその中に形成されている第二光学的グレーチングを有しており、前記第二光学的グレーチングは、スペクトル強度の２つの最大値をもった第三光ビームとして前記第一部分と異なる周波数において前記第一光ビームの第二部分を反射させ、前記第三光ビームのスペクトル強度の最大値のスペクトル間隔は、前記第二光学的グレーチングにおいて前記複屈折光ファイバーへ付与される圧力及びその温度と共に変化し、前記検知器は、更に、前記第三光ビームのスペクトル強度の２つの最大値の間隔を測定し且つ前記第二光学的グレーチングへ付与される圧力及びその温度を表わす第二出力を発生する、
    システム。
21. 光ファイバーにおける横歪みを検知するシステムにおいて、
    第一光ビームを発生する光源、
    前記光源から第一光ビームを受取るべく接続されている光ファイバー、前記光ファイバーは、横応力に露呈させるためにその中に形成されている第一光学的グレーチングを具備しており、前記第一光学的グレーチングは前記第一光学的グレーチングにおいて前記光ファイバーへ付与された横方向に付与された応力と共にそのスペクトル間隔が変化するスペクトル強度の２つの最小値を持った第二光ビームとして前記第一光ビームの一部を透過させ、
    スペクトル強度の２つのスペクトル最小値を測定し且つそのスペクトル間隔を表わす第一出力を発生する検知器、
    を有するシステム。
22. 請求項２１において、前記光ファイバーがその周りに付与される圧力に対して非対称的な物理的応答を有する複屈折光ファイバーであり、前記横応力を表わす第一出力が前記第一光学的グレーチングにおいて前記複屈折光ファイバーへ付与される圧力を表わすシステム。
23. 請求項２１において、前記第一光学的グレーチングが、
    第一グレーチング間隔を有しており、従って前記第一光学的グレーチングは第一周波数周りにおいて前記第一光ビームの一部を透過させ、前記光ファイバーが、更に、
    横応力へ露呈させるために前記第一光学的グレーチングと同一の位置に位置している第二光学的グレーチングを有しており、前記第二光学的グレーチングは、前記第二光学的グレーチングにおいて前記光ファイバーへ付与される横応力と共にそのスペクトル間隔が変化するスペクトル強度の２つの最小値をもった第三光ビームとして前記第一光ビームの第二部分を透過させ、前記第二光グレーチングが、
    前記第一グレーチング間隔と異なる第二グレーチング間隔を有しており、従って前記第二光学的グレーチングは、前記第一周波数と異なる第二周波数周りにおいて前記第二光ビームの第二部分を透過させる、
    システム。
24. 請求項２１において、前記第一光学的グレーチングが、
    第一グレーチング間隔を有しており、従って前記第一光学的グレーチングは第一周波数周りの前記第一光ビームの第一部分を第三光ビームとして透過させ、前記光ファイバーは、更に、
    横応力へ露呈させるために前記第一光学的グレーチングから比較されている第二光学的グレーチングを有しており、前記第二光学的グレーチングは、前記第二光学的グレーチングへ付与される横応力と共にそのスペクトル間隔が変化するスペクトル強度の２つの最大値を持った第四光ビームとして前記第一光ビームの第二部分を透過させ、前記第二光学的グレーチングは、
    前記第一グレーチング間隔とは異なった第二グレーチング間隔を有しており、従って前記第二光学的グレーチングは、前記第一周波数とは異なった第二周波数周りにおいて前記第二光ビームの第二部分として反射させる、
    システム。
25. 請求項２４において、前記検知器は前記第三及び第四光ビームにおけるスペクトル強度の２つの最大値を測定して前記第三光ビームにおけるスペクトル強度の２つの最大値を表わす第一出力及び前記第四光ビームにおけるスペクトル強度の２つの最大値を表わす第二出力を発生させるシステム。

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