JP4102291B2 - Ofdr方式の歪連続分布計測装置 - Google Patents
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Description
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BrillouinOptical Time Dcmain Reflectometry(BOTDR)方式では、光ファイバ内の歪み・温度に依存して光周波数が変化するBrillouin散乱光を検出し、光ファイバに沿った連続的な計測を行うことが可能である。また、光ファイバのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたFiberBragg 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もある。このような中で、本発明者らが注目したのはOpticalFrequency Domain Reflectometry(OFDR)を使用したシステムである。(非特許文献1参照)
最初に、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9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9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9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9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。この干渉強度の周期から行路差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、その光路差に対応して検出される干渉強度の周波数は異なるものとなり、その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。
しかし、従来システムの計測方式ではFBGは個別のものがファイバー上に分離して(離散的に)複数配置されることが前提であり、歪みを測定できる箇所もファイバー上の部分部分でしかなかった。また、従来の解析法は個別のFBGからの検出信号を取り出すために反射特性に基づく分別処理を行わなければならず、その解析アルゴリズムも単純なものとはいえなかった。
Brooks A.Childers and etc.,"Use of 3000 Bragg Grating Strain SensorsDistributed on Four Eight-Meter Optical Fibers During Static Load Tests of aComposite Structure", SPIE's 8thInternational Symposium on Smart Structures and Materials, Newport Beach,California, March 4-8,2001 井川他3名 "OFDRを用いた光ファイバ多点歪み計測システムの開発" 第44回構造強度に関する講演会講演集、平成14年7月24〜26日
また、本発明のOFDR方式の光ファイバー歪み計測装置は、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造をもたせたFBGを1本の光ファイバーの所定位置に連続的及び複数個離散的に配置したものであるから、構造体の所望箇所にFBGを配置することにより該FBGが存在する区間及び位置の歪みや温度を連続して計測することができる。
この反射光強度計測結果に対しスペクトログラム解析を適用する。この解析は、まず、レーザー光源の波長を連続的に変化させ、各波長における反射光強度を計測してデータを蓄積する。次に、図1に示すようにレーザー光源の波長を横軸に、反射光強度を縦軸とした座標にこの計測結果をプロットする。続いて、このグラフに対しスライディングウィンドウを適用し波長に対応する時間毎の離散フーリエ変換を行い、スペクトログラムを得る。本発明の最終的なスペクトログラムにおいては、時間は光源の波長を、縦軸のフーリエ変換における周波数は反射面(FBG)の位置を、そして強度(濃度)は各波長・各反射位置における反射光強度を表すものとなる。このスペクトログラム解析結果を図2に示す。このグラフから、5個のFBGがおよそ30mm間隔配置されていることが分かる。さらに、各FBG内からの反射光強度が最大になる波長がそれぞれ異なっていることも観察される。この反射光強度が最大となる波長の変化量をモニタリングすれば、各FBG内での歪み量を求めることが可能となる。
また、FBG部の長さが比較的短い場合の結果をここでは示したが、センサー部が長いFBGを使用した場合においても、同様の解析手法で連続的な歪み分布の計測が可能である。
第一の干渉器は図3の上部に相当する。前節に述べたディジタル的なデータ処理を行うためには、一定間隔の光波数毎の計測を行う必要がある。第一の干渉器はこのために使用される。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Δkで周期的に変化する。
Δk=π/nL (3)
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、FBGからの反射光の強度をディテクタD2,D3で計測する。
第二の光学干渉器は図3の中部に相当する。この光学干渉器に取付けられているFBGが歪み計測を行うセンサー部となる。反射面R3とFBGセンサー部の行路差が、前述した周波数として観測され、それを基にセンサー位置を特定する。
第三の光学干渉器は図3の下部に相当し、ここには波長の基準となる参照FBGが存在する。歪みの計測には、波長の変化量をモニタリングすることになるが、そのためには正確な波長が必要となる。しかし、波長可変光源の波長出力値は十分な精度を持っていない。そこで、今回の計測装置では参照FBGを別に用意し、その反射光強度が最大となる波長を基準として、センサーFBGの反射波長の変化量をモニタリングすることとした。
初めに、長方形のアルミニウム板にFBGセンサー及び歪みゲージを接着し5連FBGセンサーを作り、試験片の両端に力を掛けて引張り試験を行い、一定の歪みを与えた。こうして得られた歪みゲージ出力値と各FBGの反射光波長変化量の関係を図4に示す。歪みゲージ出力と波長変化量は非常に良い線形関係を持っていることが分る。最小2乗法を適用すると、感度係数は0.816[με/pm]となる。以降示すFBGによる歪み計測結果は、この感度係数を用いたものである。
このときの5連FBGからの反射光強度計測結果を図6の左上に示す。このグラフを光源波長について拡大すると右上表示のものとなり、一定周期の信号が振幅変調された形態となっていることが分かる。また、反射光強度計測結果をスペクトログラム解析したものを図6の左下に示す。この図の波線間部分を拡大したものが図6の右下に示されているが、5個のFBGによって分離されている状況が観察される。
因みにこのゲージ長100mmのFBGセンサーからの反射光強度計測結果を図8の左上に示す。このグラフを光源波長について拡大すると右上表示のものとなり、やはり一定周期の信号が振幅変調された形態となっていることが分かる。また、反射光強度計測結果をスペクトログラム解析したものを図8の左下に示す。この図の波線間部分を拡大したものが図8の右下に示されているが、100mmの区間にわたり連続した変化として状況が観察される。
VS 波長可変型光源
R 全反射終端
C(C1〜C5) カプラ
Claims (1)
- 光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造をもたせたFBGを1本の光ファイバーの所望領域に配置して、FBG反射光と位置基準用反射面からの反射光の干渉強度の周期的変化に基づいて当該FBGセンサーの位置を特定するOFDR方式の測定装置において、前記所望領域にはFBGを複数個離散的に配置又は長いゲージ長で配置すると共に、レーザー光源の波長を連続的に変化させ、各波長における干渉光強度を計測してデータを蓄積する手段と、レーザー光源の波長を横軸に、干渉光強度を縦軸とした座標にこの計測結果をプロットする手段と、このグラフに対しスライディングウィンドウを適用し波長に対応する時間毎の離散フーリエ変換を行う解析手段とを備えるものとし、FBG内各位置の反射中心波長分布の情報を含むスペクトログラムを得、これよりFBG反射光中心波長の変化量からFBG内の歪みや温度の連続的な分布を計測可能としたことを特徴とするOFDR方式の光ファイバー歪み又は温度計測装置。
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