JP4417655B2 - Cantilever-like displacement conversion mechanism using fiber Bragg grating - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検査体の変位、傾斜角又はひずみ量を検出するファイバブラッググレーティングセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のファイバブラッググレーティングを使用した片持ち梁状の変位変換機構の一例を図4を参照して説明する。図4において、この変位変換機構は、一端を固定端とし、他端の作用点P1に変位を受ける片持ち梁状の四角形の弾性体の板40の片面41に、ファイバブラッググレーティング42を接着して成る。作用点P1に片面41を押すような変位が発生すると、板40が曲がり、接着したファイバブラッググレーティング42には伸び方向のひずみが発生する。
【0003】
図5は、ファイバブラッググレーティングを使用した測定装置の一例を示す図である。ASE光源50からカプラ51を介してファイバブラッググレーティング42に光を入射させ、ファイバブラッググレーティング42の反射光をカプラ51を介して波長計53に取り込み、ファイバブラッググレーティング42の反射光の測定を行う。
【0004】
図6は、従来のファイバブラッググレーティングを使用した片持ち梁状の変位変換機構の作用点P1に集中荷重又は変位が発生する前及び発生した後のファイバブラッググレーティング反射光のスペクトラムを示す図である。ファイバブラッググレーティング42にひずみが発生すると、ファイバブラッググレーティング反射光のスペクトラムのピークがシフトすることにより、反射光の中心波長が変化する。このことにより、反射光の中心波長の変化量を検出することでひずみ量を測定することができる(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−346722号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまでの片持ち梁状の変位変換機構では、発生するひずみ量が大きくなると板のひずみ分布の不均一によってファイバブラッググレーティング反射光の半値全幅が大きくなり、ひずみの測定精度が劣化する。これにより、ひずみ量の測定範囲を広くとれない、又は精度を維持するために梁長を長くしなければならず小型化が困難であるという問題があった。
【0007】
そこで、本発明の課題は、ひずみ量の測定範囲を広くとることができ、ひずみの測定精度の向上を実現できる片持ち梁状の変位変換機構を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、一端が固定端、他端が変位又は荷重を受ける作用点を持つ自由端となる弾性体による板であって、固定端側から作用点側に向けて幅が漸減する略三角形状の部分ができるように2つの開口を設けた板を備え、該板は前記略三角形状の部分を包囲する四角形の外枠を有し、前記略三角形状の部分の表面に沿ってファイバブラッググレーティングを接着してなる片持ち梁状の構造体からなり、前記ファイバブラッググレーティングにより反射される光の中心波長の変化から、前記作用点にかかる荷重又は変位を検出することを特徴とする片持ち梁状の変位変換機構が提供される。
【0009】
本変位変換機構においては、前記略三角形状の部分の片面に該略三角形状の頂点側から底辺の中点を通る位置に沿って前記ファイバブラッググレーティングを接着することが好ましい。
【0010】
本変位変換機構においては、前記略三角形状の部分の両面にそれぞれ、該略三角形状の頂点側から底辺の中点を通る位置に沿って前記ファイバブラッググレーティングを接着するようにしても良い。
【0011】
【発明の実施の形態】
次に、ファイバブラッググレーティングを使用した本発明による片持ち梁状の変位変換機構について実施の形態を図面を参照して説明する。図1は、ファイバブラッググレーティングを使用した片持ち梁状の変位変換機構の形状を示す図である。
【0012】
本形態では、片持ち梁状の構造体を構成するための板として、一端がベース20に固定され、他端が変位又は荷重を受ける作用点P2を持つ自由端となる弾性体による板であって、固定端側から作用点P2に向けて幅が漸減する略三角形状の板部分11ができるように両側に2つの直角三角形状の開口10aを設けた板10を備えている。そして、ファイバブラッググレーティング15を板10の中央部の略三角形状部分の片面12に接着する。作用点P2は、略三角形状の板部分11の頂点に近い位置にあるように設定する。なお、直角三角形状の開口10aに代えて直角三角形状の切り欠きを設けるようにしても良い。
【0013】
作用点P2に片面12を押すような集中荷重又は変位が発生すると板10が曲がり、接着したファイバブラッググレーティング15には伸び方向のひずみが発生する。
【0014】
この構造体には、光学系として図5で説明したようなASE光源、カプラ、波長計等が接続されるが、光学系の構成は図5に示されるものに限らない。
【0015】
図2は、図1の片持ち梁状の変位変換機構において作用点P2に変位が発生する前と発生した後のファイバブラッググレーティング反射光のスペクトラムを示す図である。ファイバブラッググレーティング15にひずみが発生し、スペクトラムのピークが移動してもスペクトラムの形状及び半値全幅の変化が少ない。
【0016】
図3は本発明による片持ち梁状の変位変換機構を使用した伸縮計の一例を示す図である。この例では、板10における略三角形状の板部分の両面にそれぞれ、略三角形状の頂点側から底辺の中点を通る位置に沿ってファイバブラッググレーティング15A、15Bを接着している。
【0017】
外部からの変位は第一プーリ31に回転として伝えられる。第一プーリ31には同心軸で第二プーリ32が連結されており、両者は連動する。第二プーリ32には、線材33(又はリボン材)で板10の作用点P2(図1参照)の部分が接続されている。一方、板10における作用点P2の反対側と固定部との間にバネ34を配置し、常に線材33に引張力を与える構造にしている。このような構造により、第一プーリ31に生じた変位は、回転軸、第二プーリ32、線材33を経て板10に伝達され、板10に曲げを発生させる。
【0018】
第一プーリ31が正回転の場合バネ34が伸び、ファイバブラッググレーティング15Bには伸び方向のひずみが発生し、ファイバブラッググレーティング15Aには縮方向のひずみが発生する。逆回転の場合バネ34が縮み、ファイバブラッググレーティング15Bには縮方向のひずみが発生し、ファイバブラッググレーティング15Aには伸び方向のひずみが発生する。これは、いわゆる差動検出型の伸縮計である。
【0019】
上記説明で明らかなように、本発明による片持ち梁状の変位変換機構においては、略三角形状の板部分11が受ける曲げモーメントに対し、板部分11表面の応力が一様になるように断面積を変化させているので、略三角形状の板部分11の表面のひずみは一様となる。その結果、略三角形状の板部分11の表面に接着しているファイバブラッググレーティング15も一様にひずむ。ファイバブラッググレーティング15のひずみが一様であるので、図2で説明したように半値全幅の狭いファイバブラッググレーティング反射光のスペクトラムが得られる。
【0020】
ファイバブラッググレーティング反射光の測定は、図5で説明したような光学系によりファイバブラッググレーティング反射光のスペクトラムの重心を検出するか、スペクトラムの強度ピークを検出するので、ファイバブラッググレーティング反射光の半値全幅に変化が少なくなり、ひずみ量の測定範囲を広く取ることができると共に精度の高いひずみの測定が可能となる。
【0021】
さらに、略三角形状の板部分11を形成するために開口10aを設けた場合には、略三角形状の板部分11を包囲する四角形の外枠13(図1参照)があるので、作用点P2で受ける変位に対して、ねじれにくいという効果が得られる。
【0022】
一方、図3に示すように、片持ち梁状の変位変換機構の両面にファイバブラッググレーティング15A、15Bを接着したものにおいては、差動検出することで温度補正が行え、さらに精度の高いひずみの測定が可能となる。温度補正というのは以下の通りである。ファイバブラッググレーティングには、ひずみ量に依存する波長変化と、温度変化に依存する波長変化の両方を加算した波長変化とが発生する。片持ち梁状の変位変換機構の両面に同じ温度特性を持つファイバブラッググレーティング15A、15Bを接着した場合、減算を行うことで温度に依存する波長変化分が相殺され、ひずみに依存する波長変化分だけを取り出すことができる。
【0023】
次に、荷重または圧力を検出する場合には以下の通りとなる。図7を参照して、梁の幅bがb=(b0 /L)xで表される三角梁10における頂点に作用する荷重Pについて言えば、平等強さの三角梁に定義されている以下の公式が適用され得る。
【0024】
b=6Px/σt2
但し、σは応力、tは三角梁10の板厚であり、応力σ=Eε(Eはヤング率、εはひずみ率)で表されるので、上記の式は以下のようになる。
【0025】
P=Eεb0 t2 /6L
三角梁10のたわみ量からひずみ率εを算出することで、上記式から荷重Pまたは圧力を検出することができる。
【0026】
本発明による変位変換機構は、被検査体の変位のみならず、傾斜角又はひずみ量を検出するファイバブラッググレーティングセンサとして適用可能である。
【0027】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によるファイバブラッググレーティングを使用した片持ち梁状の変位変換機構においては、略三角形状の板部分が受ける曲げモーメントに対し、板表面の応力が一様となるため、ファイバブラッググレーティングを一様にひずませせることが可能となる。これにより、ファイバブラッググレーティングの反射光の半値全幅の変化が少なくなり、ひずみ量の測定範囲を広く取ることができると共にひずみの測定精度の向上を図ることができる。
【0028】
また、略三角形状の板部分が均一にひずむため、両面にファイバブラッググレーティングを接着した場合に、それらの位置ずれによるひずみ検出感度のばらつきが少なくなる。
【0029】
さらに、ファイバブラッググレーティングと同等の長さの片持ち梁状の変位変換機構で良いので、センサとしての小型化が可能となり、得られる経済的効果は大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】ファイバブラッググレーティングを使用した本発明による片持ち梁状の変位変換機構の実施の形態を示す図である。
【図2】ファイバブラッググレーティングを使用した本発明による片持ち梁状の変位変換機構における作用点P2に変位が発生する前及び発生した後のファイバブラッググレーティング反射光のスペクトラムを示す図である。
【図3】本発明による片持ち梁状の変位変換機構を使用した伸縮計の一例を示す図である。
【図4】ファイバブラッググレーティングを使用した従来の片持ち梁状の変位変換機構の一例を示す図である。
【図5】ファイバブラッググレーティングを使用した従来の測定装置の一例を示す図である。
【図6】ファイバブラッググレーティングを使用した従来の片持ち梁状の変位変換機構における作用点P1に変位が発生する前及び発生した後のファイバブラッググレーティング反射光のスペクトラムを示す図である。
【図7】本発明による変位変換機構により荷重または圧力を検出する場合の原理を説明するための図である。
【符号の説明】
10、40 弾性体による板
11 略三角形状の板部分
13 外枠
15、15A、15B ファイバブラッググレーティング
20 ベース[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fiber Bragg grating sensor that detects a displacement, an inclination angle, or a strain amount of an object to be inspected.
[0002]
[Prior art]
An example of a cantilever displacement conversion mechanism using a conventional fiber Bragg grating will be described with reference to FIG. In FIG. 4, this displacement conversion mechanism has a fiber Bragg grating 42 bonded to one side 41 of a cantilever-like rectangular
[0003]
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a measuring apparatus using a fiber Bragg grating. Light is incident on the fiber Bragg grating 42 from the ASE light source 50 via the coupler 51, the reflected light of the fiber Bragg
[0004]
FIG. 6 is a diagram showing a spectrum of reflected light of a fiber Bragg grating before and after a concentrated load or displacement is generated at an action point P1 of a cantilever-like displacement conversion mechanism using a conventional fiber Bragg grating. . When distortion occurs in the fiber Bragg grating 42, the peak of the spectrum of the reflected light of the fiber Bragg grating shifts, so that the center wavelength of the reflected light changes. Thus, the amount of distortion can be measured by detecting the amount of change in the center wavelength of the reflected light (see, for example, Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-346722
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional cantilever-like displacement conversion mechanism, when the amount of generated strain increases, the full width at half maximum of the reflected light of the fiber Bragg grating increases due to non-uniform strain distribution of the plate, and the strain measurement accuracy deteriorates. As a result, there is a problem that the measuring range of the strain amount cannot be widened, or the beam length must be increased in order to maintain accuracy, and it is difficult to reduce the size.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to provide a cantilever-like displacement conversion mechanism that can widen the measurement range of the strain amount and can improve the measurement accuracy of the strain.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, it is a plate made of an elastic body in which one end is a fixed end and the other end is a free end having an action point for receiving displacement or load, and the width gradually decreases from the fixed end side toward the action point side. a plate provided with two apertures to allow the triangular shaped portion, the plate has an outer frame of the rectangle surrounding the substantially triangular section, along the surface of the substantially triangular portions It consists of a cantilever-like structure formed by bonding a fiber Bragg grating, and detects a load or displacement applied to the action point from a change in the center wavelength of light reflected by the fiber Bragg grating. A cantilever-like displacement conversion mechanism is provided.
[0009]
In this displacement conversion mechanism, it is preferable that the fiber Bragg grating is bonded to one surface of the substantially triangular portion along a position passing through the midpoint of the base from the apex side of the approximately triangular shape.
[0010]
In this displacement conversion mechanism, the fiber Bragg grating may be adhered to both surfaces of the substantially triangular portion along a position passing from the apex side of the approximately triangular shape to the midpoint of the base.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of a cantilever-like displacement conversion mechanism using a fiber Bragg grating according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing the shape of a cantilever-like displacement conversion mechanism using a fiber Bragg grating.
[0012]
In this embodiment, as a plate for constituting a cantilever-like structure, the elastic plate is a free end having an action point P2 with one end fixed to the
[0013]
When a concentrated load or displacement that pushes one
[0014]
An ASE light source, a coupler, a wavelength meter, and the like as described in FIG. 5 are connected to this structure as an optical system, but the configuration of the optical system is not limited to that shown in FIG.
[0015]
FIGS. 2A and 2B are diagrams showing the spectrum of the reflected light of the fiber Bragg grating before and after the occurrence of displacement at the action point P2 in the cantilever-like displacement conversion mechanism of FIG. Even if the fiber Bragg
[0016]
FIG. 3 is a view showing an example of an extensometer using a cantilever-like displacement conversion mechanism according to the present invention. In this example, fiber Bragg gratings 15A and 15B are bonded to both surfaces of a substantially triangular plate portion of the
[0017]
The displacement from the outside is transmitted to the first pulley 31 as rotation. A second pulley 32 is connected to the first pulley 31 by a concentric shaft, and both are interlocked. The second pulley 32 is connected to a portion of the action point P2 (see FIG. 1) of the
[0018]
When the first pulley 31 rotates in the forward direction, the spring 34 extends, strain in the stretching direction is generated in the fiber Bragg grating 15B, and strain in the contracting direction is generated in the fiber Bragg grating 15A. In the case of reverse rotation, the spring 34 contracts, strain in the contraction direction occurs in the fiber Bragg grating 15B, and strain in the stretch direction occurs in the fiber Bragg grating 15A. This is a so-called differential detection type extensometer.
[0019]
As is clear from the above description, in the cantilever-like displacement conversion mechanism according to the present invention, the stress on the surface of the
[0020]
The fiber Bragg grating reflected light is measured by detecting the center of gravity of the spectrum of the fiber Bragg grating reflected light or detecting the intensity peak of the spectrum by the optical system as described in FIG. Therefore, the measurement range of the strain amount can be widened and the strain can be measured with high accuracy.
[0021]
Furthermore, when the
[0022]
On the other hand, as shown in FIG. 3, in the case where the fiber Bragg gratings 15A and 15B are bonded to both surfaces of the cantilever-like displacement conversion mechanism, the temperature can be corrected by differential detection, and more accurate strain can be obtained. Measurement is possible. The temperature correction is as follows. In the fiber Bragg grating, a wavelength change depending on the amount of strain and a wavelength change obtained by adding both the wavelength change depending on the temperature change are generated. When the fiber Bragg gratings 15A and 15B having the same temperature characteristics are bonded to both surfaces of the cantilever-like displacement conversion mechanism, the change in wavelength depending on the temperature is canceled by subtraction, and the change in wavelength depending on the strain is compensated. Can only take out.
[0023]
Next, when detecting a load or pressure, it is as follows. Referring to FIG. 7, the load P acting on the apex of the
[0024]
b = 6Px / σt 2
However, σ is stress, t is the plate thickness of the
[0025]
P = Eεb 0 t 2 / 6L
By calculating the strain rate ε from the amount of deflection of the
[0026]
The displacement conversion mechanism according to the present invention can be applied as a fiber Bragg grating sensor that detects not only the displacement of the object to be inspected but also the inclination angle or the amount of strain.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, in the cantilever displacement conversion mechanism using the fiber Bragg grating according to the present invention, the stress on the plate surface is uniform with respect to the bending moment received by the substantially triangular plate portion. The fiber Bragg grating can be uniformly distorted. Thereby, the change of the full width at half maximum of the reflected light of the fiber Bragg grating is reduced, the measurement range of the strain amount can be widened, and the measurement accuracy of the strain can be improved.
[0028]
In addition, since the substantially triangular plate portion is uniformly distorted, when fiber Bragg gratings are bonded to both surfaces, variations in strain detection sensitivity due to their positional shifts are reduced.
[0029]
Further, since a displacement conversion mechanism in the form of a cantilever having the same length as that of the fiber Bragg grating may be used, the sensor can be miniaturized and the obtained economic effect is great.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a displacement conversion mechanism in the form of a cantilever according to the present invention using a fiber Bragg grating.
FIGS. 2A and 2B are diagrams showing a spectrum of reflected light of a fiber Bragg grating before and after the occurrence of displacement at an action point P2 in a cantilever-like displacement conversion mechanism according to the present invention using a fiber Bragg grating.
FIG. 3 is a diagram showing an example of an extensometer using a cantilever-like displacement conversion mechanism according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an example of a conventional cantilever-like displacement conversion mechanism using a fiber Bragg grating.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a conventional measuring apparatus using a fiber Bragg grating.
FIGS. 6A and 6B are diagrams showing a spectrum of reflected light of a fiber Bragg grating before and after the occurrence of a displacement at an action point P1 in a conventional cantilever-like displacement conversion mechanism using a fiber Bragg grating.
FIG. 7 is a diagram for explaining the principle when a load or pressure is detected by a displacement conversion mechanism according to the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 40
Claims (3)
前記ファイバブラッググレーティングにより反射される光の中心波長の変化から、前記作用点にかかる荷重又は変位を検出することを特徴とする片持ち梁状の変位変換機構。A plate made of an elastic body having one end as a fixed end and the other end as a free end having an action point for receiving displacement or load, and a substantially triangular portion with a width gradually decreasing from the fixed end side toward the action point side is formed. as a plate provided with two apertures, said plate has an outer frame of the rectangle surrounding the substantially triangular section, bonding the fiber Bragg grating along the surface of the substantially triangular portions A cantilever-like structure
A cantilever-like displacement conversion mechanism that detects a load or displacement applied to the action point from a change in a center wavelength of light reflected by the fiber Bragg grating.
前記略三角形状の部分の片面に該略三角形状の頂点側から底辺の中点を通る位置に沿って前記ファイバブラッググレーティングを接着したことを特徴とする片持ち梁状の変位変換機構。In the cantilever-like displacement conversion mechanism according to claim 1,
A cantilever-like displacement conversion mechanism, wherein the fiber Bragg grating is bonded to one surface of the substantially triangular portion along a position passing through the midpoint of the bottom from the substantially triangular apex side.
前記略三角形状の部分の両面にそれぞれ、該略三角形状の頂点側から底辺の中点を通る位置に沿って前記ファイバブラッググレーティングを接着したことを特徴とする片持ち梁状の変位変換機構。In the cantilever-like displacement conversion mechanism according to claim 1,
A cantilever-like displacement conversion mechanism characterized in that the fiber Bragg grating is bonded to both surfaces of the substantially triangular portion along a position passing through the midpoint of the base from the substantially triangular apex side.
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