JP4839846B2

JP4839846B2 - 光ファイバセンサの検査方法及び光ファイバセンサの検査装置

Info

Publication number: JP4839846B2
Application number: JP2006007365A
Authority: JP
Inventors: 英敬清末; 正浩長嶋; 篤志茂木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-01-16
Also published as: JP2007187612A

Description

この発明は、ファイバブラッグ格子（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ）（以下、単に「ＦＢＧ」という。）センサを有する光ファイバに光を入射し、ＦＢＧセンサによる反射光の波長ごとの波長シフトを計測して、侵入者等による外力の有無を検知する光ファイバセンサに関し、特に、光ファイバセンサの故障を検出する光ファイバセンサの検査方法及び光ファイバセンサの検査装置に関するものである。

従来、光ファイバセンサの侵入検知装置としては、フェンス等のセンサ設置場所における破壊を検知する偏波変動検出器（ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ；ＯＴＤＲ）とＦＢＧセンサとを併用したものがあった（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３２２２４号公報（第１図）

光ファイバセンサによる侵入検知装置として、従来、ＦＢＧセンサによる反射光の波長シフト量や偏波変動を測定し、侵入者等による外力や光ファイバの切断の検知を行うものがあった。しかし、この種の従来の装置では、ＦＢＧセンサの異常や故障が発生していても、その異常等の検出を行うことはできないという課題があった。

この発明は、前記したような課題を解決するためになされたもので、光ファイバセンサの光受信部の異常や故障を検査し得る新規な光ファイバセンサの検査方法及びその検査装置を提供することを目的とするものである。

請求項１の発明に係る光ファイバセンサの検査方法は、外力の有無を検知する光ファイバセンサの検査方法であって、ブラッグ格子間隔が異なり、外力により共振反射波長が波長シフトする複数のブラッグ格子センサを有し、前記各ブラッグ格子センサの共振反射波長の波長間隔を、前記光ファイバセンサが、前記各ブラッグ格子センサの共振反射波長の波長シフトを検出する閾値よりも広く設定した光ファイバに前記各ブラッグ格子センサの共振反射波長を包含する波長範囲の光を入射し、この照射された光が前記各ブラッグ格子センサから反射された複数の波長を有する反射光を光受信部により受信し、その受信した前記各ブラッグ格子センサから反射された複数の波長を有する反射光のスペクトルからノイズレベルを検出し、前記光受信部が正常な場合におけるノイズレベルをあらかじめ基準ノイズレベルとして設定し、その基準ノイズレベルと前記光受信部により受信したノイズレベルとを比較してその差の絶対値が所定範囲を超えたときに、前記光受信部を故障であると判定するものである。

請求項２の発明に係る光ファイバセンサの検査装置は、外力の有無を検知する光ファイバセンサの検査装置であって、ブラッグ格子間隔が異なり、外力により共振反射波長が波長シフトする複数のブラッグ格子センサを有し、前記各ブラッグ格子センサの共振反射波長の波長間隔を、前記光ファイバセンサが、前記各ブラッグ格子センサの共振反射波長の波長シフトを検出する閾値よりも広く設定した光ファイバと、この光ファイバに対して、前記各ブラッグ格子センサの共振反射波長を包含する波長範囲の光を出射する光源と、この光源から照射された光が前記各ブラッグ格子センサにより反射された複数の波長を有する反射光を受信する光受信部と、その受信したノイズレベルを含めて前記各ブラッグ格子センサにより反射された複数の波長を有する反射光のスペクトルを検出するスペクトル検出部と、その検出されたスペクトルからノイズレベルを検出するノイズレベル検出部と、前記光受信部が正常なときに、前記ノイズレベル検出部より検出されたノイズレベルをあらかじめ基準ノイズレベルと設定し、その基準ノイズレベルと前記光受信部により受信したノイズレベルとを比較して、その差の絶対値が所定範囲を超えたときに、前記光受信部を故障であると判定する判定部とを備えたことを特徴とするものである。

以上のように、請求項１に係る発明によれば、ブラッグ格子間隔が異なる各ブラッグ格子センサから反射された複数の波長を有する反射光を光受信部により受信し、その受信した複数の波長を有する反射光のスペクトルからノイズレベルを検出し、前記光受信部が正常な場合におけるノイズレベルをあらかじめ基準ノイズレベルとして設定し、その基準ノイズレベルと前記光受信部により受信したノイズレベルとを比較することにより、光受信部の異常や故障を検知できる光ファイバセンサの検査方法を得ることができる。

請求項２に係る発明によれば、ブラッグ格子間隔が異なる各ブラッグ格子センサから反射された複数の波長を有する反射光を光受信部により受信し、その受信した複数の波長を有する反射光のスペクトルからノイズレベルを検出し、前記光受信部が正常な場合におけるノイズレベルをあらかじめ基準ノイズレベルとして設定し、その基準ノイズレベルと前記光受信部により受信したノイズレベルとを比較することにより、光受信部の異常や故障を検知できる光ファイバセンサの検査装置を得ることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサの検査装置について、図１〜図６を用いて説明する。図１は、実施の形態１に係る光ファイバセンサの検査装置のシステム構成図である。図２は、ブラッグ格子センサの基本動作図で、図２（ａ）は、光ファイバセンサの透視図、図２（ｂ）は、ブラッグ格子の拡大図である。図３は、ブラッグ格子の外力による反射光の波長シフト図、図４は、実施の形態１に係る光ファイバセンサの検査装置の反射レベル図（光受信部正常時）、図５は、実施の形態１に係る光ファイバセンサの検査装置の反射レベル図（光受信部故障（異常）時）、図６は、実施の形態１に係る光ファイバセンサの検査装置の検査フローチャートである。図１〜図６において、１は光ファイバ、２は光ファイバ１に設けられたブラッグ格子間隔の異なる複数のブラッグ格子センサで、後述のように、面振動センサ、張力センサ及び荷重センサが含まれる。そして、このブラッグ格子センサ２は、それらのセンサの一種類を複数用いる場合やそれらのセンサの複数種類をそれぞれ一つだけ用いる場合も含まれ、用途に応じて適宜使用される。３は、光ファイバ１に光（送信光）を入射するレーザ光源を含む光源で、この光源により発した光は光ファイバ１に供給され、光源３と光ファイバ１とは光学的にカップリングさせている。４は、各ブラッグ格子センサ２により反射された各波長の反射光を受信する光受信部である。５は、光源３からの光（送信光）を光ファイバ１に入射し、光ファイバ１に設けた各ブラッグ格子センサ２からの反射光を光受信部４に送るためのサーキュレータである。６は、光受信部４により受信した反射光の波長ごとのスペクトルを検出するスペクトル検出部、７は、スペクトル検出部６により検出されたスペクトルと基準レベルとを波長ごとに比較して、スペクトルの有無を判定する判定部である。また、８は、面振動センサのブラッグ格子センサ２が設置されたフェンス、また、９は、張力センサが設置されたフェンス、さらに１０は、荷重センサが上部に設置された壁面である。１１は、フェンス９に設けられた光ファイバ１のブラッグ格子センサ２付近に接続され、フェンス９の上部に張られた検知線である。１２は、壁面１０の上部に設けられた天板、１３は、天板１２の下部に位置し、光ファイバ１のブラッグ格子センサ２を跨ぎ設けられた屈曲弾性体、１４は光ファイバ１のクラッド、１５は光ファイバのコアである。また、１９は、判定部７を含めて装置全体に制御信号や指令信号などを送り制御する制御部である。２０は、制御部１９を操作する操作部、２１は、判定部７からの出力を表す情報を表示器に表示又は音声出力装置から音声によって出力する出力部である。なお、２２は、ブラッグ格子センサ２を設けた光ファイバ１を含む光接続器で、図１に示すように、例えば、荷重センサ、張力センサ及び面振動センサを互いに接続するものである。ここで、図中及び明細書中のｉは、ｉ＝１，２，…，６で、一般的には、ｉ＝Ｎ（整数）である。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

まず、図１〜図３とを用いて、実施の形態１に係る光ファイバセンサの検査装置の基本動作について説明する。まず、光ファイバセンサとして使用するブラッグ格子センサ２は、図２に示すように、クラッド１４に包まれたコア１５内に設けられたブラッグ格子は、波長λΒ，格子間隔（周期長）Λ，コア１５の屈折率ｎとすると、λΒ＝２ｎΛという関係が成り立ち、光ファイバに入射した光はブラッグ格子において、波長λΒの光を反射するという特性がある。一方、この光ファイバに外力が加わり、ブラッグ格子にたわみや歪みが生じると、そのブラッグ格子間隔が変わり、反射光の波長がシフトするという特性を有している。したがって、その波長シフトを計測（観測）することにより、光ファイバセンサを設置した位置に侵入者などが侵入すると、その外力がブラッグ格子センサに加わるため、侵入検知に利用することができる。図３に示すように、波長シフトは反射光のスペクトルを波長λ（ｉ）とした場合、ブラッグ格子がたわみや歪みにより、波長λ（ｉ）の前後にシフトすることを示している。±Δλは、波長シフトを検知する閾値である。

図１において、光源３は、広帯域ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ（ＡＳＥ）光源を使用する。広帯域ＡＳＥ光源は、例えば波長範囲が１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍ，１５２０〜１６２０ｎｍなど種々のものがあるが、ブラッグ格子センサの数やその共振反射波長から適切なのものを選択すればよい。光源３から送られてくる光（送信光）を共振反射波長が広帯域ＡＳＥ光源の波長範囲に含まれる波長λ（１）〜λ（６）のブラッグ格子センサ２が設けられた光ファイバに送信する。なお、λ（１）〜λ（６）は、波長の短い順に並んでおり、λ（１），λ（２）のブラッグ格子センサ２を面振動センサ、λ（３）〜λ（５）のブラッグ格子センサ２を張力センサ（テンションセンサ）、λ（６）のブラッグ格子センサ２を荷重センサとして設置している。ここで、共振反射波長λ（１）〜λ（６）は、波長シフトの検出する閾値±Δλを、１ｎｍとしたとき、ブラッグ格子センサ２の帯域間隔は５ｎｍ程度でよい。

次に、光ファイバセンサの侵入検知装置について、その具体的動作を説明する。光源３からの送信光は、サーキュレータ５から光ファイバ１に送られ、各ブラッグ格子センサ２から反射光がサーキュレータ５に戻ってくる。反射光は、サーキュレータ５により光受信部４に送られる。光受信部４は、反射光を受信して反射光の受信ビデオ信号を生成して、スペクトル検出部６に送る。スペクトル検出部６で受信ビデオ信号のスペクトルの強度を検出して、判定部７によりスペクトルの強度が波長シフトし、波長シフト量が閾値Δλを超えたか否かで、ブラッグ格子センサに外力が加わっているかどうかを判定する（図３）。閾値は、ブラッグ格子センサごとに値を変更して、センサの感度を設置場所の環境に応じて変更することが可能である。そして、出力部２１は、表示装置や音声出力装置から構成されており、判定部７から送られてくる判定結果に従って、外力を検知したことを表す情報を表示器に表示し、また、音声出力装置から音声（警報音）によって出力する。なお、図１において、外力が加わっている状態とは、
「フェンス８に侵入者などにより振動が与えられると、フェンス８の網に編み込まれた面振動センサのブラッグ格子センサ２に外力が加わり、反射光の波長シフトが生じる」
「フェンス９の上部に張られた検知線１１に侵入者などが接触して振動が与えられると、張力センサのブラッグ格子センサ２に外力が加わり、反射光の波長シフトが生じる」
「壁面１０の上部に設けられた天板１２に侵入者などが上ると、天板１２の下部に位置し、荷重センサのブラッグ格子センサ２を跨ぎ設けられた屈曲弾性体１３が曲り、ブラッグ格子センサ２に外力が加わり、反射光の波長シフトが生じる」
である。

次に、図１を用いて、本発明である光ファイバセンサの検査方法及びその検査装置について説明する。制御部１９は、事前に設定されたタイミングでの内部処理や操作部２０から送られてくる操作コマンドに応答して、光ファイバセンサ１の検査を実行するのための種々の制御信号や指令信号を生成して、光ファイバセンサの検査装置の全体と各部の動作タイミングを制御する。なお、事前に設定されたタイミングとは、光ファイバセンサ１の侵入検知の合間や定期検査時などを想定している。また、間欠的に検査を実行することも想定される。検査が実行されると、制御部１９から光源３へ送信光発光の指令信号が送られ、光源３がサーキュレータ５に送信光を送られる。サーキュレータ５は、光源３から送られてくる送信光を光ファイバ１に送り、光ファイバ１に設けられた各ブラッグ格子センサ２からの反射光を光受信部４に送る。光受信部４は、サーキュレータ５から送られてくる反射光を取り込み、増幅して反射光のアナログ信号をＡ／Ｄしてデジタル信号に変換し、反射光の受信ビデオ信号としてスペクトル検出部６に送る。スペクトル検出部６は、制御部１９の指令信号により、光受信部４から送られてくるデジタル信号の受信ビデオ信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して、ノイズレベルを含めて反射光のスペクトルを求めてノイズレベル検出部２３に送る。ノイズレベル検出部２３は、反射光のスペクトルからノイズレベルを検出し、判定部７に送る。制御部１９の制御・指令信号により、判定部７は、光受信部４が正常なときに、ノイズレベル検出部２３より検出されたノイズレベルをあらかじめ基準ノイズレベルである強度Ｎと設定し、その強度Ｎと光受信部４により受信したノイズレベルとを比較して、光受信部４に異常や故障があると判定する。基準ノイズレベルは、事前に光受信部４のスペックから判定部７に記憶されておいてもよいし、光ファイバセンサの検査装置設置後に、実測値を判定部７に記憶させもよい。続いて、図４，図５を用いて、判定部７の詳細説明をする。

図４，図５では、λ（１）〜λ（６）が、各ブラッグ格子センサ２から反射光レベル、強度Ｎが光受信部４正常時のノイズレベルである基準ノイズレベル、強度Ｎ_{ｆａｉｌｕｒｅ}が光受信部４異常時のノイズレベルの基準ノイズレベル、強度Ｐが光受信部４正常時のλ（１）〜λ（６）の反射レベル、強度Ｐ_{ｆａｉｌｕｒｅ}が光受信部４異常時のλ（１）〜λ（６）の反射光レベル、所定範囲がＴｄＢに当たる。制御部１９が、判定部７に対して制御信号を供給し、ノイズレベル検出部２３により検出されたノイズレベルと基準ノイズレベルとの差分の絶対値が所定範囲を超えた波長を判定部７に検出させる。制御部１９から供給された指令信号により、判定部７がノイズレベル検出部２３により検出されたノイズレベルである強度Ｎ_{ｆａｉｌｕｒｅ}（この時点で、光受信部４が正常か異常かの判定はできていないが、便宜上、ノイズレベル検出部２３により検出されたノイズレベルを強度Ｎ_{ｆａｉｌｕｒｅ}とする）と正常時のノイズレベルである基準ノイズレベル強度Ｎとの差の絶対値が、所定範囲ＴｄＢを超えたノイズレベルの有無について判定する。つまり、図５に示す光ファイバセンサの検査装置の反射レベルは、光受信部４の増幅機能が異常時の反射レベルであるが、光受信部４の増幅機能が異常、又は故障しており、反射光のスペクトル強度が全体的に下がってしまい、ファイバセンサの侵入検知装置が正常に作動しなくなってしまうので、ノイズレベルと正常時の基準ノイズレベルとを比較することにより、光受信部４の増幅機能が故障であると判定することができる。判定部７の判定結果を出力部２１に送るようにとの指令信号が制御部１９から判定部７に送られ、検査の結果を表すメッセージが出力部２１に送られ、光受信部の増幅機能の異常や故障を表す情報が表示や警報音によって出力する。ちなみに、ブラッグ格子センサ２，光源３，光受信部４の種類にも拠るが、本実施の形態では、基準ノイズレベルと所定範囲とは、それぞれ、−３０ｄＢｍと６ｄＢとしている。

次に、判定部７の運用について、図６を用いて説明する。制御部１９が制御信号や指令信号により、判定部７は、ノイズレベル検出部２３により検出されたノイズレベルに対して、ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３の処理を行う。ＳＴＥＰ１では、制御部１９から供給された指令信号により、判定部７は、ノイズレベル検出部２３により検出されたノイズレベルＮ_{ｆａｉｌｕｒｅ}とノイズレベルの基準ノイズレベルである強度Ｎとの差分の絶対値が、所定値ＴｄＢ以下のときに（｜Ｎ−Ｎ_{ｆａｉｌｕｒｅ}｜≦ＴｄＢ）、光受信部４が正常であると判定し、ＳＴＥＰ３に送る、それ以外は、ＳＴＥＰ２に進み、光受信部４が故障であると判定し、ＳＴＥＰ３に送る。ＳＴＥＰ３は、制御部１９からの指令により、ＳＴＥＰ１又は、ＳＴＥＰ２の判定結果（検査の結果）を表すメッセージを出力部２１に送る。出力部２１は、光受信部４の異常や故障を表す情報を表示や音声によって出力する。

以上のように、この発明の実施の形態によれば、光ファイバセンサの侵入検知装置の異常や故障を検査するために、装置の運用を停止する必要が無く、侵入検知の合間や事前に設定されたタイミングで、反射光の反射レベルであるスペクトルの強度からノイズレベルを検出して利用するので、特別なハードを装置に追加する必要がなく、光受信部４の増幅機能の保守管理ができる。

この発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサの検査装置のシステム構成図である。ブラッグ格子センサの基本動作図である。ブラッグ格子の外力による反射光の波長シフト図である。この発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサの検査装置の反射レベル図（光受信部正常時）である。この発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサの検査装置の反射レベル図（光受信部故障（異常）時）である。この発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサの検査装置の検査フローチャートである。

符号の説明

１…光ファイバ、２…ブラッグ格子センサ、３…光源、４…光受信部、５…サーキュレータ、６…スペクトル検出部、７…判定部、８…フェンス、９…フェンス、１０…壁面、１１…検知線、１２…天板、１３…屈曲弾性体、１４…クラッド、１５…コア、１９…制御部、２０…操作部、２１…出力部、２２…光接続器、２３…光源故障判定部

Claims

外力の有無を検知する光ファイバセンサの検査方法であって、ブラッグ格子間隔が異なり、外力により共振反射波長が波長シフトする複数のブラッグ格子センサを有し、前記各ブラッグ格子センサの共振反射波長の波長間隔を、前記光ファイバセンサが、前記各ブラッグ格子センサの共振反射波長の波長シフトを検出する閾値よりも広く設定した光ファイバに前記各ブラッグ格子センサの共振反射波長を包含する波長範囲の光を入射し、この照射された光が前記各ブラッグ格子センサから反射された複数の波長を有する反射光を光受信部により受信し、その受信した前記各ブラッグ格子センサから反射された複数の波長を有する反射光のスペクトルからノイズレベルを検出し、前記光受信部が正常な場合におけるノイズレベルをあらかじめ基準ノイズレベルとして設定し、その基準ノイズレベルと前記光受信部により受信したノイズレベルとを比較してその差の絶対値が所定範囲を超えたときに、前記光受信部を故障であると判定する光ファイバセンサの検査方法。
外力の有無を検知する光ファイバセンサの検査装置であって、ブラッグ格子間隔が異なり、外力により共振反射波長が波長シフトする複数のブラッグ格子センサを有し、前記各ブラッグ格子センサの共振反射波長の波長間隔を、前記光ファイバセンサが、前記各ブラッグ格子センサの共振反射波長の波長シフトを検出する閾値よりも広く設定した光ファイバと、この光ファイバに対して、前記各ブラッグ格子センサの共振反射波長を包含する波長範囲の光を出射する光源と、この光源から照射された光が前記各ブラッグ格子センサにより反射された複数の波長を有する反射光を受信する光受信部と、その受信したノイズレベルを含めて前記各ブラッグ格子センサにより反射された複数の波長を有する反射光のスペクトルを検出するスペクトル検出部と、その検出されたスペクトルからノイズレベルを検出するノイズレベル検出部と、前記光受信部が正常なときに、前記ノイズレベル検出部より検出されたノイズレベルをあらかじめ基準ノイズレベルと設定し、その基準ノイズレベルと前記光受信部により受信したノイズレベルとを比較して、その差の絶対値が所定範囲を超えたときに、前記光受信部を故障であると判定する判定部とを備えた光ファイバセンサの検査装置。