JP4742336B2 - Optical fiber strain sensor and measuring instrument using it - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバー歪みセンサーとそれを用いた測定機器に関し、特に、光ファイバーグレーティングを用いた歪みセンサーとそれを用いた水圧、水位、水深、流速、流向等を測定する測定機器に関するものである。 The present invention relates to an optical fiber strain sensor and a measuring instrument using the same, and more particularly to a strain sensor using an optical fiber grating and a measuring instrument that measures water pressure, water level, water depth, flow velocity, flow direction, and the like using the same.
光ファイバーグレーティングは、図7(非特許文献1)に示したように、光ファイバーのコア中の屈折率をその軸方向に一定周期で変化させてブラッグ回折格子を形成してなるもので、入射光の中その周期に対応する波長の光を高効率でブラッグ反射して反射光として入射側へ戻し、ブラッグ反射されなかった成分を透過光として透過させるものである。以下、光ファイバーグレーティングを“FBG”と称する。 As shown in FIG. 7 (Non-Patent Document 1), the optical fiber grating is formed by changing the refractive index in the core of the optical fiber in the axial direction at a constant period to form a Bragg diffraction grating. Among them, light with a wavelength corresponding to the period is Bragg-reflected with high efficiency and returned to the incident side as reflected light, and the components not Bragg-reflected are transmitted as transmitted light. Hereinafter, the optical fiber grating is referred to as “FBG”.
FBGは、高感度で信頼性が高く、さらに長期間安定に動作する歪みセンサーとして、崖崩れや建造物の崩落防止等の防災監視用センサーとして注目されているが、光の波長の変化を計測するため、波長計若しくはスペクトラムアナライザーのような高価な装置を必要とするため、システム価格が割高となり、実用化の上での障害となっている。 FBG is attracting attention as a sensor for disaster prevention monitoring such as prevention of landslides and building collapse as a strain sensor that is highly sensitive, highly reliable, and operates stably for a long period of time, but measures changes in the wavelength of light. Therefore, since an expensive device such as a wavelength meter or a spectrum analyzer is required, the system price is expensive, which is an obstacle to practical use.
しかし、歪みセンサーは崖崩れ、トンネル壁の崩落、橋の振動、建物の揺れ振動等の計測に必要な素子であり、高度な安全を求める現代社会において災害を未然に防ぎ、社会不安を解消するには、このような素子が安価で、しかも、簡便に測定が実施できることが必須である。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバーグレーティング以外の波長計等を用いることなく、高感度、高信頼性で長期間安定に動作する光ファイバー歪みセンサーとそれを用いた測定機器を提供することである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a high-sensitivity, high-reliability optical fiber strain sensor that operates stably over a long period of time without using a wavelength meter other than an optical fiber grating, and the like. It is to provide a measuring instrument using the.
本発明の光ファイバー歪みセンサーは、光ファイバーグレーティングを用いた歪センサーであって、弾性板の表面及び裏面にそれぞれ別々の光ファイバーグレーティングが固定されてなり、光源から一方の光ファイバーグレーティングに入射させて反射された光成分を他方の光ファイバーグレーティングに入射させ、その他方の光ファイバーグレーティングを透過した光強度又は反射した光強度を検出することにより弾性板の歪みを検出することを特徴とするものである。 The optical fiber strain sensor of the present invention is a strain sensor using an optical fiber grating, in which separate optical fiber gratings are fixed on the front surface and the back surface of the elastic plate, respectively, and is incident on one optical fiber grating from the light source and reflected. The distortion of the elastic plate is detected by making the light component incident on the other optical fiber grating and detecting the intensity of the light transmitted through the other optical fiber grating or the intensity of the reflected light.
この場合に、一方の光ファイバーグレーティングと他方の光ファイバーグレーティングの中心反射波長が相互にわずかにずれ、かつ、反射スペクトル相互が一部重なるように構成されていることが望ましい。 In this case, it is desirable that the center reflection wavelengths of one optical fiber grating and the other optical fiber grating are slightly shifted from each other and the reflection spectra partially overlap each other.
また、以上の光ファイバー歪みセンサーの弾性板の一面に被測定圧力が加わるように構成することにより、その圧力を検出するように構成して本発明の光ファイバー歪みセンサーを用いた測定機器を構成することができる。 In addition, by configuring the measurement plate so that a pressure to be measured is applied to one surface of the elastic plate of the optical fiber strain sensor, the measurement device using the optical fiber strain sensor of the present invention is configured to detect the pressure. Can do.
その際、光ファイバー歪みセンサーの弾性板の被測定圧力が加わる一面に対向した他の面に弾性部材を配置するようにしてもよい。 In that case, you may make it arrange | position an elastic member in the other surface facing one surface where the to-be-measured pressure of the elastic board of an optical fiber strain sensor applies.
このような本発明の光ファイバー歪みセンサーを用いた測定機器は、例えば、水圧計、水位計、水深計、流速計、流向計の何れかに用いることができる。 Such a measuring instrument using the optical fiber strain sensor of the present invention can be used for any of a water pressure gauge, a water level gauge, a water depth gauge, a velocimeter, and a flow direction meter, for example.
本発明の光ファイバー歪みセンサーにおいては、弾性板の表面及び裏面にそれぞれ別々の光ファイバーグレーティングが固定されてなり、光源から一方の光ファイバーグレーティングに入射させて反射された光成分を他方の光ファイバーグレーティングに入射させ、その他方の光ファイバーグレーティングを透過した光強度又は反射した光強度を検出することにより弾性板の歪みを検出するようにしたので、光ファイバーグレーティング以外の波長計等を用いることなく、高感度、高信頼性で長期間安定に動作する光ファイバー歪みセンサーを極めて安価に提供でき、このような光ファイバー歪みセンサーを用いて水圧、水位、水深、流速、流向等を測定する測定機器を安価に構築することができ、これまで高価であったため普及しなかった光ファイバーグレーティングを用いた歪みセンサー等を普及させることができる。 In the optical fiber strain sensor of the present invention, separate optical fiber gratings are fixed to the front and back surfaces of the elastic plate, respectively, and the light component incident on one optical fiber grating from the light source is incident on the other optical fiber grating. The strain of the elastic plate is detected by detecting the intensity of the light transmitted through or reflected by the other optical fiber grating. Therefore, high sensitivity and high reliability can be obtained without using a wavelength meter other than the optical fiber grating. Optical fiber strain sensors that operate stably for long periods of time can be provided at a very low cost, and measurement devices that measure water pressure, water level, water depth, flow velocity, flow direction, etc. can be constructed at low cost using such fiber optic strain sensors. Was not popular because it was expensive so far It can be spread strain sensors or the like using the fiber grating.
また、本発明の光ファイバー歪みセンサーにおいては、歪み表す波長情報は光強度信号へと変換され、しかも、差動型となるため、2つの光ファイバーグレーティングが全く同じ環境になるようにすることで、温度の影響が自動的に補償される利点がある。 Further, in the optical fiber strain sensor of the present invention, the wavelength information representing the strain is converted into a light intensity signal and becomes a differential type, so that the two optical fiber gratings are in exactly the same environment. There is an advantage that the influence of the is automatically compensated.
以下に、本発明の光ファイバー歪みセンサーとそれを用いた測定機器の原理と実施例を説明する。 Hereinafter, the principle and examples of the optical fiber strain sensor of the present invention and the measuring instrument using the same will be described.
図1は、本発明の光ファイバー歪みセンサーの基本構造を説明するための図であり、金属やプラスチック等の弾性体からなるダイアフラム1の表面に第1FBG2が裏面に第2FBG3が相互に略平行にそれぞれ固定されて構成されている。
FIG. 1 is a diagram for explaining the basic structure of an optical fiber strain sensor according to the present invention. The first FBG 2 is on the front surface of the
このような構成であるので、ダイアフラム1が図で右に曲がると、第1FBG2が伸び、第2FBG3が縮む。逆に、図の左に曲がる場合は、この逆となる。
Because of such a configuration, when the
いま、光源5から3dBカプラー4を介して第1FBG2に光を入射させ、第1FBG2からの反射光を3dBカプラー4を経由して光源5方向とは別の方向へ取り出し、第2FBG3へ入射させる。第1FBG2からの反射光の一部は第2FBG3を透過する。この透過光を光検出器6で信号出力7として取り出す。
Now, light is incident on the
このような構成において、光検出器6で検出される波長成分は、第1FBG2の反射波長成分と第2FBG3の透過光波長成分とが一致している部分である。
In such a configuration, the wavelength component detected by the
図2にFBGの反射スペクトルの1例を示す。図2に示すように、FBGからの反射波長は、ピーク波長を中心に狭い波長範囲で両側に急激に減衰する反射特性を持つ。 FIG. 2 shows an example of the FBG reflection spectrum. As shown in FIG. 2, the reflection wavelength from the FBG has a reflection characteristic that abruptly attenuates on both sides in a narrow wavelength range centering on the peak wavelength.
図1の構成において、伸縮のない状態で、第1FBG2と第2FBG3の中心反射波長が一致するようにしてもよいが、図3に示すように、例えば第1FBG2が相対的に若干長波長側へずれ、かつ、反射スペクトル相互が一部重なるように設定されているとき、信号出力7は図4のようになる。ここで、歪み率が正の方向はダイアフラム1が右に曲がるときに対応する。
In the configuration of FIG. 1, the center reflection wavelengths of the
このように、本発明の光ファイバー歪みセンサーは、1つの金属やプラスチック等の弾性板1の表裏に2つのFBG2、3を固定し、光源5からの光を一方のFBG2に入射させた後、その一方のFBG2からの反射光をカプラー4を介して取り出し、さらにこの反射光を他方のFBG3に入射させる。このとき、2つのFBG2、3の中心反射波長にわずかの差異があり、反射スペクトルに重なりがあるとき、他方のFBG3からの反射光はこのスペクトルの重なり部分の成分となる。弾性板1が歪んでFBG2、3の一方が伸び、他方は縮むとき、反射スペクトルの重なり部分が大きい方向に動くと、一方のFBG2で反射され、他方のFBG3を透過する光強度は小さくなり、重なり部分が小さい方向に動くと、一方のFBG2で反射され、他方のFBG3を透過する光強度は大きくなる。
As described above, the optical fiber strain sensor according to the present invention fixes two
したがって、一方のFBG2で反射され、他方のFBG3を透過する光強度を観測することにより、FBG2、3が固定されている弾性板1の歪みを検知できることとなる。
Therefore, by observing the light intensity reflected by one
なお、一方のFBG2で反射され、かつ、他方のFBG3で反射された光の強度を利用するようにしてもよいが、他方のFBG3で反射された光を取り出すのに3dBカプラー4と同様のもう1つのカブラーの追加が必要となる。図5は、FBG2からの反射光を信号出力7とする場合の出力である。図4の透過光を利用する場合と極性が異なるが、どちらでも歪み率に比例した出力を得ることができることが分かる。
The intensity of the light reflected by one
本発明の光ファイバー歪みセンサーにおいては、温度が変化したときに両方のFBG2、3が同時に同じ方向に同じ量だけ変動することから、その変動が相互に相殺されて差動出力には現れない。
In the optical fiber strain sensor of the present invention, when the temperature changes, both
ここで、3dBカプラー4は、光源5からの光を第1FBG2側へ透過し、第1FBG2からの反射光を光源5方向とは別の方向へ導くもので、ハーフミラー、偏光ビームスプリッター等の光学素子が使用できるが、全体を光導波路型に構成するには、Y字状の分岐導波路、方向性結合器等を用いることができる。また、光源5と3dBカプラー4、3dBカプラー4と第1FBG2、3dBカプラー4と第2FBG3、第2FBG3と光検出器6を結ぶ光路は、光ファイバー等の光導波路を用いて一体型の構成することが望ましい。
Here, the 3 dB coupler 4 transmits the light from the
以上のような本発明の光ファイバー歪みセンサーは、弾性板1の歪みの程度によって圧力を検出する各種測定機器、例えば水圧計、水位計、水深計、流速計、流向計等の各種測定機器に用いることができる。水圧計の応用例を図6に示す。図6(a)は水圧計の断面図、(b)は正面図である。表裏に2つのFBGを取り付けたダイアフラム10が保護ジャケットの金属管11内に取り付けられており、ダイアフラム10の一方の面は窓12からの水圧15を受け、他方の面はエアバッグ13に接している。エアバッグ13の空気圧を1atmとしてあるとすると、水圧15がこれ以上の圧力のときは、エアバッグ13が収縮してダイアフラム10を曲げることになる。この曲げ量はダイアフラム10の歪み率として上記のように検知され、その歪み率から圧力が算出される。さらに、この水圧計を水深に換算すれば、水位計となる。なお、図6の符号14は、ダイアフラム10に固定された一方のFBGへ光源からの光を送り、他方のFBGからの透過光又は反射光を取り出す光ファイバーケーブルの取り入れ口を示す。
The optical fiber strain sensor of the present invention as described above is used for various measuring devices that detect pressure depending on the degree of strain of the
なお、圧力を検出するのに、ダイアフラム10の裏面に被測定圧力に対抗する圧力として1atmのエアバッグ13を用いているが、ダイアフラム10自体をブルトン管のように、圧力によって変形する物体を用いてもよい。
In order to detect the pressure, a 1 atm airbag 13 is used as a pressure against the pressure to be measured on the back surface of the
以上、本発明の光ファイバー歪みセンサーとそれを用いた測定機器をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。なお、本発明の光ファイバー歪みセンサーにおいて、ダイアフラムの表裏の面にFBGを固定するには、ダイアフラムの伸び縮みを正確にFBGに伝達させるために、接着材を用いるよりもダイアフラムの面に溝を切ってその中にFBGを埋め込むようにすることが望ましい。 As mentioned above, although the optical fiber distortion sensor of this invention and the measuring instrument using the same have been demonstrated based on the principle and Example, this invention is not limited to these Examples, A various deformation | transformation is possible. In the optical fiber strain sensor of the present invention, in order to fix the FBG to the front and back surfaces of the diaphragm, a groove is cut in the surface of the diaphragm rather than using an adhesive in order to accurately transmit the expansion and contraction of the diaphragm to the FBG. It is desirable to embed the FBG in it.
1…ダイアフラム
2…第1FBG
3…第2FBG
4…3dBカプラー
5…光源
6…光検出器
7…信号出力
10…表裏に2つのFBGを取り付けたダイアフラム(本発明)
11…保護ジャケット(金属管)
12…窓
13…エアバッグ
14…光ファイバーケーブルの取り入れ口
15…水圧
1 ...
3 ... 2nd FBG
4 ... 3
11 ... Protective jacket (metal tube)
12 ... Window 13 ...
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