JP4732209B2

JP4732209B2 - 光ファイバセンサおよびその製造方法

Info

Publication number: JP4732209B2
Application number: JP2006080339A
Authority: JP
Inventors: 志明田中; 毅下道; 信行御園
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP2007256052A

Description

本発明は、測定対象物の変形に起因する歪み量を正確に検出することができる光ファイバセンサおよび該光ファイバセンサの製造方法に関する。

構造物の変形に起因する歪みを検出することは、その構造物の安定性等を判断する上で非常に重要である。例えば、発電所、プラント等に配設された配管について、その歪みを検知することにより、配管減肉に伴う局部膨張箇所および膨張の度合いを特定することができ、重大事故の発生を未然に防止することができる。そして配管に限らず、その他様々な構造物についても歪みの検知により重要な情報を得ることができる。

従来、このような配管等の構造物の歪みを検知するセンサとして、例えば、光ファイバを利用したものが種々提案されている。これは、光ファイバの長手方向の歪み量の連続的な分布を高精度に観測できるものであり、非線形現象の一つであるブリルアンシフト散乱光の周波数シフト量が光ファイバの歪みに依存することを利用したものである。電気式センサが電源を必要とし、誘導電流等のノイズの影響を受け易く、その施工にもコストと手間を要するのに対し、このような光ファイバセンサは、これらの問題点を解決できるものとして注目されてきている。

光ファイバセンサは、測定対象の構造物に布設すれば、該測定対象物の歪みの発生に伴って自身にも歪みが生じるため、前述の原理にしたがって、容易に測定対象物の歪みを検出することが可能である。
しかし、光ファイバの歪みは、測定対象物の変形だけでなく、該光ファイバの温度変化によっても生じてしまう。例えば、測定対象物が熱膨張している場合、あるいは温度変化の大きい場所に測定対象物が設けられている場合には、該測定対象物の変形に起因する歪み量と、該測定対象物あるいは熱源から光ファイバに伝達される熱に起因する歪み量とを合わせたものが検出されてしまう。すなわち、熱に起因する歪み量がノイズとなってしまい、正確な歪み量の検出ができないのである。この問題点を解決するものとして、歪みを検出する光ファイバと、測定対象物の変形に伴う歪みの影響を受けない温度補償用の光ファイバとを併設した光ファイバセンサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２２８３７８号公報

すなわち、特許文献１等に記載されている光ファイバセンサは、検出した歪み量から、温度補償用の光ファイバで検出した温度変化による歪み量を差し引いて補正することで、より正確な測定対象物の歪み量を検出しようとするものである。
しかし、これら光ファイバセンサは、温度補償用の光ファイバが極めて高温（例えば数百℃程度）の環境下で使用されることを考慮されたものではなく、使用環境が制限され、その検出精度にも限界があるという問題点がった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、極めて高温の環境化においても、測定対象物の歪み量を正確に検出することができ、製造および布設も容易に行うことができる光ファイバセンサおよびその製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、
請求項１に記載の発明は、同一の基材上に歪み検知用光ファイバと温度補償用光ファイバとが併設された光ファイバセンサであって、前記歪み検知用光ファイバは、前記基材上に固定されて配設され、前記温度補償用光ファイバは、その外周上において固着されることなく耐熱性を有する繊維で被覆され、該被覆繊維層を前記基材に固定して、前記基材上に配設されており、前記温度補償用光ファイバが該被覆繊維層内側でその長手方向に伸縮可能とされていることを特徴とする光ファイバセンサである。
請求項２に記載の発明は、前記耐熱性を有する繊維が、アラミド繊維およびガラス繊維からなる群から選ばれる一種以上であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサである。
請求項３に記載の発明は、前記耐熱性を有する繊維が、前記温度補償用光ファイバの外周に沿って、該光ファイバの長手方向に対して縦添えまたは横巻きされていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバセンサである。
請求項４に記載の発明は、前記歪み検知用光ファイバと前記温度補償用光ファイバとが、固定剤を用いて前記基材上に一括して配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光ファイバセンサである。
請求項５に記載の発明は、前記歪み検知用光ファイバおよび／または前記温度補償用光ファイバが、同一の基材上に複数配設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光ファイバセンサである。

請求項６に記載の発明は、温度補償用光ファイバを、その外周上において耐熱性を有する繊維で固着させることなく被覆し、該被覆繊維層と歪み検知用光ファイバとを同一の基材上に固定して、温度補償用光ファイバが該被覆繊維層内側でその長手方向に伸縮可能な状態で、該温度補償用光ファイバと歪み検知用光ファイバとを同一の基材上に併設することを特徴とする光ファイバセンサの製造方法である。

本発明によれば、極めて高温の環境下においても、測定対象物の歪みを正確に検知することができる光ファイバセンサが得られ、該光ファイバセンサの製造および布設も容易に行うことができる。

以下、本発明について図面を参照しながら詳しく説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に何ら限定されるものではない。また、以下において「歪み」とは、特に断りのない限り、「光ファイバの長手方向の歪み」を指すものとする。

図１は、本発明の光ファイバセンサの一例を示すものであり、光ファイバの長手方向に垂直な面で切断した時の斜視図である。
光ファイバセンサ１は、同一の基材２上に、歪み検知用光ファイバ３と温度補償用光ファイバ４とが併設されている。
歪み検知用光ファイバ３は、基材２上に固定剤６により固定されて配設されている。したがって、歪み検知用光ファイバ３は、測定対象物の歪みに伴って一体となって歪みを生じるようになっている。

一方、図２は温度補償用光ファイバ４が、耐熱性を有する繊維（以下、耐熱性繊維と略記することがある）５で被覆されている様子を示す拡大縦断面図である。温度補償用光ファイバ４は、その外周４１上において、耐熱性繊維５で被覆されているが、該繊維５は、温度補償用光ファイバ４の外周４１表面においては、該光ファイバ４の長手方向への伸縮を妨げないように隙間無く添えられているだけである。したがって、後述するように光ファイバセンサ製造時に固定剤６を塗布した際は、耐熱性繊維５からなる被覆繊維層５０外表面およびその近傍は該固定剤６で固化されるのに対し、該被覆繊維層５０より内側へは該固定剤６は浸潤しないため、温度補償用光ファイバ４は、被覆繊維層５０内表面には固着されていない。すなわち、温度補償用光ファイバ４は、その長手方向に沿って、被覆繊維層５０の内側で、温度変化に応じて伸縮可能（以下、ルースと略記することがある）となっている。

耐熱性繊維５の、温度補償用光ファイバ４への被覆のさせ方は、前述のように被覆繊維層５０の内側で温度補償用光ファイバ４がルースであれば特に限定されない。ただし、製造が容易であることから、該繊維５を温度補償用光ファイバ４の長手方向に外周４１上に沿わせる方法（以下、縦添えと略記する）、または、該繊維５を外周４１上でコイル状に巻く方法（以下、横巻きと略記する）が好ましい。横巻きする場合には、コイルのピッチ等は特に限定されない。

本発明においては、被覆繊維層５０の厚みは、温度補償用光ファイバ４の温度変化による歪みの検知を妨げない範囲であれば特に限定されず、耐熱性繊維５の種類あるいは光ファイバセンサの使用環境等に応じて適宜調整すれば良い。

一方、このように被覆された温度補償用光ファイバ４は、基材２上に配設されているが、固定剤６により基材２上に固定されているのは被覆繊維層５０である。被覆繊維層５０の外表面は前記固定剤６によって固化されて形状を保持しており、被覆繊維層５０の内表面は固化されていない。そして前述のように、被覆繊維層５０の内側では、温度補償用光ファイバ４はルースとなっている。したがって、該温度補償用光ファイバ４は、基材２上に配設されながらも、基材２にはその長手方向に沿って固定されてはいないことになる。すなわち、温度補償用光ファイバ４は、測定対象物の歪みには影響されることが無く、測定対象物の歪みは検出せずに、該温度補償用光ファイバ４自身の温度変化に伴う伸縮による歪みのみを検出できるようになっている。

本発明においては、被覆繊維層５０の内側で温度補償用光ファイバ４はルースになっており、具体的には、被覆繊維層５０と温度補償用光ファイバ４との間の引抜き強力を１５ｍｇ／ｍｍ以下とすることが好ましい。

また、歪み検知用光ファイバ３と温度補償用光ファイバ４とは、同一の固定剤６を用いて一括して基材２上に配設されている。本発明においては、このように歪み検知用光ファイバ３と温度補償用光ファイバ４とを、必ずしも同一の固定剤を用いて一括して配設する必要はなく、例えば、同一または異なる固定剤を用いて別々に配設しても良い。ただし、同一の固定剤を用いて一括して配設すれば、光ファイバセンサの製造工程を簡略化することができ、低コストで製造することができる。

前記固定剤６としては、熱硬化性樹脂等の樹脂フォームを用いることが好ましい。このような樹脂フォームとしては従来公知のものを用いれば良く、特に限定されない。

歪み検知用光ファイバ３と温度補償用光ファイバ４との間の距離は、歪みを測定する環境下においてこれら光ファイバの温度がほぼ同じとなる限り、特に限定されない。

本発明において、温度補償用光ファイバ４の被覆に用いる繊維の材質は、耐熱性を有するものであれば特に限定されないが、適度な柔軟性をあわせ持つものが好ましく、このような好ましい材質としては、例えば、アラミド繊維およびガラス繊維等を挙げることができる。そして、アラミド繊維およびガラス繊維からなる群から選ばれる一種以上を耐熱性繊維５として用いることが好ましい。このような耐熱性繊維を用いることにより、本発明の光ファイバセンサ１を、例えば、数百℃という極めて高温の環境下においても用いることができる。

本発明において、基材２としては可撓性を有するものを用いることが好ましく、このような好ましいものとして、例えば、ステンレス等の各種金属、可撓性および耐熱性を有する各種樹脂等を挙げることができる。
また、基材２は、シート状の形状であることが好ましい。

また、ここでは図示しないが、本発明の光ファイバセンサは、前記固定剤６の層上にポリイミド等からなるシート状の保護層が設けられたものでも良い。

本発明においては、歪み検知用光ファイバ３および温度補償用光ファイバ４として、光ファイバ単心線、光ファイバ素線等を用いることができる。なかでも、耐久性の向上および長寿命化の観点から、外周に強靭なカーボンコート層を設けたカーボンコート光ファイバ（光ファイバ心線等）を用いることが好ましい。

本発明の光ファイバセンサ１は耐熱性を有し、しかも前述のように、温度補償用光ファイバ４が耐熱性繊維５で被覆されルースな状態となっているので、通常の使用環境下はもとより、従来では使用困難であった数百度という極めて高温の環境下においても、高い精度で測定対象物の歪み量を測定することができる。

本発明の光ファイバセンサ１は、基材２上に歪み検知用光ファイバ３および温度補償用光ファイバ４が固定剤６を用いて併設されており、該併設部位がその長手方向に突条となっている。本発明においては、固定剤６からなる層をどこもほぼ同じ厚みとなるようにしても良いが、図１に示すように、固定剤６の使用量を減らすことが好ましく、製造コストを低減できるだけでなく、得られる光ファイバセンサ１の歪み測定精度を向上させることができる。

また、本発明の光ファイバセンサ１は構造が簡便であるので、歪み検知用光ファイバ３および／または温度補償用光ファイバ４を、同一の基材２上に複数配設して光ファイバセンサとしても良い。このように歪みの検出点を複数設けることで、測定対象物の歪み検出の精度をより向上させることができる。

本発明の光ファイバセンサは、基材を布設面として測定対象物に布設して用いる。測定対象物が変形して歪みを生じると、光ファイバセンサも一体的に歪みを生じるので、この時の歪みを検出する。歪みの検出は、例えば、光ファイバにブリルアン散乱光の観測用の光パルス試験器（いわゆるＢＯＴＤＲ）を接続し、光パルス試験器を用いて光ファイバの光試験を行ってブリルアン散乱光を観測することで行う。具体的には、光ファイバに試験光を入射すると、該光ファイバの長手方向に歪みが生じている場合には、後方散乱光の一つであるブリルアン散乱光を生じ、該ブリルアン散乱光の波長は入射した試験光の波長からずれているため、この周波数シフト量から該光ファイバの歪み量を検出することができる。また、試験光入射後に、ブリルアン散乱光が前記光パルス試験器で受光、観測されるまでの時間（戻り時間）を検知することにより、光ファイバに歪みが生じている位置の概略を把握することができる。

このようにして、光ファイバの歪み量および歪み位置を検出することで、測定対象物の歪み量および歪み位置を特定することができる。
しかし、光ファイバに温度変化が生じると、該光ファイバで実際に検出される歪み量は、測定対象物の歪み量と、光ファイバの温度変化に伴って生じる光ファイバ自身の歪み量とを合わせたものとなってしまう。
本発明の光ファイバセンサでは、歪み検知用光ファイバ３で検出した歪み量から、温度補償用光ファイバ４で検出した歪み量を差し引くことにより、高精度に測定対象物の歪み量を測定することができる。すなわち、前述の通り、温度補償用光ファイバ４は、被覆繊維層５０の内側ではルースになっているので、測定対象物の歪みに伴って自身が歪みを生じることが無く、該温度補償用光ファイバ４自身の温度変化に伴う伸縮による歪み量のみを検出する。したがって、測定対象物の歪みに伴う歪み量と自身の温度変化に伴う自身の伸縮による歪み量との総和を検出する歪み検知用光ファイバ３の歪み量検出値から、前記温度補償用光ファイバ４の歪み量検出値を差し引けば、測定対象物の歪み量を正確に測定できる訳である。

このような温度の影響の補正は、具体的には、以下のようにして行う。すなわち、温度補償用光ファイバ４の光試験データから、ブリルアン散乱光の入射光に対する周波数の温度変化によるシフト量を求め、該シフト量を、歪み検知用光ファイバ３の光試験によって検出されたブリルアン散乱光の周波数のシフト量から差し引くことで、歪み検知用光ファイバ３の測定対象物の歪みに起因するブリルアン散乱光の周波数のシフト量を求めることができる。

あるいは、温度補償用光ファイバ４への入射光のラマン散乱光の後方散乱光を光パルス試験器で受光検出したデータから、ブリルアン散乱光の検出データを補正する手法を採用しても良い。温度補償用光ファイバ４への光の入射により検出されるラマン散乱光の後方散乱光は、該温度補償用光ファイバ４の温度によって強度が変化するので、検出されるラマン散乱光の後方散乱光の強度は、該温度補償用光ファイバ４の部分的な温度の違いに対応して異なる。そして、検出波形（ストークス光と反ストークス光のＯＴＤＲ波形）の散乱強度から両者の強度比をとり、所定の理論式から温度を求めれば良い。

以下、本発明の光ファイバセンサの製造方法について説明する。
図３は、温度補償用光ファイバに耐熱性繊維を縦添えで被覆する場合の、光ファイバセンサの製造工程の一例を示す工程図である。なお、図３および後に説明する図４においては、図１および２で説明したものと同一のものを指す場合には、図１および２で用いた符号をそのまま用いており、これらについての詳細な説明は省略する。

ロール状に巻かれた温度補償用光ファイバ４、および被覆繊維層５０を形成するための耐熱性繊維５を、同時に成形ノズル３１内に導入し、温度補償用光ファイバ４の外周４１上に耐熱性繊維５を、外周４１上に固着させることなく縦添えする。この際、温度補償用光ファイバ４の外周４１表面が耐熱性繊維５で隙間無く添えられ、かつ、外周４１上に形成された被覆繊維層５０の内側で、温度補償用光ファイバ４がルースになるように、被覆繊維層５０と温度補償用光ファイバ４との間の引抜き強力を調整する。

成形ノズル３１から引き出された、被覆済みの温度補償用光ファイバ４を、さらに歪み検知用光ファイバ３と同時に固定剤塗布器３２に導入し、該塗布器３２内で熱硬化性樹脂（すなわち固定剤６）単量体を含有する溶液をこれらに同時に塗布して、温度補償用光ファイバ４の被覆繊維層５０および歪み検知用光ファイバ３の表面をそれぞれ前記溶液で覆う。この時、前記溶液は、被覆繊維層５０の外表面から外表面近傍の内部まで浸潤し得るが、温度補償用光ファイバ４の外周４１表面は耐熱性繊維５で隙間無く添えられているので、前記溶液は温度補償用光ファイバ４の外周４１表面と被覆繊維層５０の内表面との間には浸潤しない。

続いて、前記溶液を塗布された、被覆済みの温度補償用光ファイバ４および歪み検知用光ファイバ３に対して一方から基材２を添えて、これらを加熱炉３３へ同時に導入する。該加熱炉３３の内部は、前記単量体が硬化するために必要な温度以上の温度に設定されており、該加熱炉３３の出口からは、温度補償用光ファイバ４の被覆繊維層５０と歪み検知用光ファイバ３が基材２上に固定されたものが引き出される。これは、その後の引取までの間に固定剤である熱硬化性樹脂の硬化が完了して本発明の光ファイバセンサ１となり、最後にロール状に巻き取られる。

このようにして得られた光ファイバセンサ１は、歪み検知用光ファイバ３と温度補償用光ファイバ４が基材２上に併設されたものであり、歪み検知用光ファイバ３は基材２上に固定剤６で固定されている。一方、温度補償用光ファイバ４の被覆繊維層５０の外表面近傍は、固定剤６で固化されてその形状を保持しているのに対し、温度補償用光ファイバ４の外周４１表面と被覆繊維層５０の内表面との間には固定剤６が浸潤していないので固着されておらず、さらに被覆繊維層５０と温度補償用光ファイバ４との間の引抜き強力が調整されているので、温度補償用光ファイバ４は、被覆繊維層５０の内側でルースになっており、基材２上ではその長手方向に伸縮可能となっている。

なお、ここでは、歪み検知用光ファイバ３と温度補償用光ファイバ４とを、同一の固定剤６を用いて、基材２上に一括して配設した例を示したが、同一または異なる固定剤を用いて別々に配設しても良い。ただし、ここに示すように、同一の固定剤を用いて一括して配設する方が、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができるので好ましい。

図４は、温度補償用光ファイバに耐熱性繊維を横巻きで被覆する場合の、光ファイバセンサの製造工程の一例を示す工程図である。
本製造工程では、温度補償用光ファイバに耐熱性繊維を横巻きで被覆すること以外は、前述の製造工程と同じであるので、詳細な説明は省略する。

以下、具体的実施例により、本発明についてさらに詳しく説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。
基材としてＳＵＳ３０４、歪み検知用光ファイバおよび温度補償用光ファイバとして耐熱性コーティングを施した光ファイバ（内径０．１２５ｍｍの石英ガラスを内径０．２５〜１．０ｍｍとなるように耐熱性樹脂でコーティングしたもの）、耐熱性繊維としてアラミド繊維、固定剤としてポリイミド、耐熱エポキシ樹脂をそれぞれ用いて、本発明の光ファイバセンサを製造した。具体的には、図３に示した製造工程により、温度補償用光ファイバに耐熱性繊維を縦添えで被覆して該被覆繊維層の厚みを０．１５〜１．５ｍｍとし、該被覆済み温度補償用光ファイバと歪み検知用光ファイバとを基材上に一括して配設して、光ファイバセンサを製造した。
そして、該光ファイバセンサを、測定対象物である鉄製配管に２５℃で布設し、鉄製配管の表面温度を３００℃まで上昇させた際の、該鉄製配管の歪み量の測定を行った。この時並行して、該鉄製配管上に歪みゲージを固定して、歪みゲージによる鉄製配管の歪み量の測定も行い、両測定値の比較を行うことで、本発明の光ファイバセンサの歪み測定精度の確認を行った。結果を表１に示す。

表１に示す結果から、各温度において、光ファイバセンサで検出した歪み量は、歪みゲージで検出した歪み量とほぼ一致した値となった。すなわち、本発明の光ファイバセンサは、常温から３００℃という極めて高い温度まで幅広い温度帯において、極めて高精度に鉄製配管の歪み量を測定できることが確認された。

以上のように、本発明の光ファイバセンサは、同一の基材上に歪み検知用光ファイバおよび温度補償用光ファイバが併設されており、歪み検知用光ファイバは基材上に固定され、温度補償用光ファイバは、その外周上を耐熱性繊維で被覆されて該耐熱性繊維層の内部でルースになっている。このような構成をとることで、歪み検知用光ファイバは測定対象物と一体となって歪み、温度補償用光ファイバは測定対象物の歪みに影響されることなく、自身の温度変化によってのみ歪むので、歪み検知用光ファイバの検出値を温度補償用光ファイバの検出値で補正することで、測定対象物の歪み量を高い精度で測定することができる。しかも、従来では使用困難であった極めて高温の環境下においても使用することができる。
また、本発明の光ファイバセンサは、構造が簡便なので低コストで容易に製造することができ、測定対象物に布設するだけで良く、歪み量の測定も簡便に行うことができる。

発電所、プラント等に配設された配管をはじめとする、極めて高温の環境下における各種構造物の歪みの測定に有用である。

本発明の光ファイバセンサの一例を示す斜視図である。本発明の光ファイバセンサのうち、温度補償用光ファイバが、耐熱性繊維で被覆されている様子を示す拡大縦断面図である。温度補償用光ファイバに耐熱性繊維を縦添えで被覆する場合の、本発明の光ファイバセンサの製造工程の一例を示す工程図である。温度補償用光ファイバに耐熱性繊維を横巻きで被覆する場合の、本発明の光ファイバセンサの製造工程の一例を示す工程図である。

符号の説明

１・・・光ファイバセンサ、２・・・基材、３・・・歪み検知用光ファイバ、４・・・温度補償用光ファイバ、４１・・・温度補償用光ファイバの外周、５・・・耐熱性を有する繊維、５０・・・被覆繊維層

Claims

同一の基材上に歪み検知用光ファイバと温度補償用光ファイバとが併設された光ファイバセンサであって、
前記歪み検知用光ファイバは、前記基材上に固定されて配設され、
前記温度補償用光ファイバは、その外周上において固着されることなく耐熱性を有する繊維で被覆され、該被覆繊維層を前記基材に固定して、前記基材上に配設されており、
前記温度補償用光ファイバが該被覆繊維層内側でその長手方向に伸縮可能とされていることを特徴とする光ファイバセンサ。
前記耐熱性を有する繊維が、アラミド繊維およびガラス繊維からなる群から選ばれる一種以上であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
前記耐熱性を有する繊維が、前記温度補償用光ファイバの外周に沿って、該光ファイバの長手方向に対して縦添えまたは横巻きされていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバセンサ。
前記歪み検知用光ファイバと前記温度補償用光ファイバとが、固定剤を用いて前記基材上に一括して配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光ファイバセンサ。
前記歪み検知用光ファイバおよび／または前記温度補償用光ファイバが、同一の基材上に複数配設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光ファイバセンサ。
温度補償用光ファイバを、その外周上において耐熱性を有する繊維で固着させることなく被覆し、該被覆繊維層と歪み検知用光ファイバとを同一の基材上に固定して、温度補償用光ファイバが該被覆繊維層内側でその長手方向に伸縮可能な状態で、該温度補償用光ファイバと歪み検知用光ファイバとを同一の基材上に併設することを特徴とする光ファイバセンサの製造方法。