JP5049108B2 - Optical fiber sensor - Google Patents

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本発明は、光ファイバのコアにグレーティング部が形成されたセンサ用光ファイバを、そのグレーティング部に張力をかけた状態でファイバ支持体で支持し、そのファイバ支持体で被測定物の力を受けてグレーティング部に伸縮による歪みを加え、反射波長を変化させる光ファイバセンサにおいて、センサ用光ファイバのグレーティング部に負荷された張力自体により光ファイバ支持体自身が変形し、グレーティング部にかかる張力が低下することを抑制するための技術に関する。   In the present invention, a sensor optical fiber having a grating portion formed on the core of an optical fiber is supported by a fiber support in a state where tension is applied to the grating portion, and the force of the object to be measured is received by the fiber support. In an optical fiber sensor that changes the reflection wavelength by applying distortion due to expansion and contraction to the grating part, the optical fiber support itself is deformed by the tension applied to the grating part of the optical fiber for the sensor, and the tension applied to the grating part is reduced. It is related with the technique for suppressing doing.

従来から変位、速度、加速度、温度などの検出器としての種々の電気式センサが用いられているが、これらの電気式センサは、落雷や電磁ノイズに弱いため、その使用環境が限定される。そこで、近年では落雷や電磁ノイズの影響を受けない光ファイバセンサに関心が集まっており、特に、光ファイバのコアにファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部を有するセンサ用光ファイバは、感度が高い等の理由から注目されている。   Conventionally, various electric sensors are used as detectors for displacement, speed, acceleration, temperature, and the like. However, these electric sensors are limited to lightning strikes and electromagnetic noises, so that their use environment is limited. Therefore, in recent years, there has been an interest in optical fiber sensors that are not affected by lightning strikes or electromagnetic noise. In particular, optical fibers for sensors having a grating part in which a fiber Bragg grating is formed in the core of the optical fiber have high sensitivity. It is attracting attention for such reasons.

センサ用光ファイバに形成されたグレーティング部は、特定波長の光を反射し、他の波長の光を通過させる。この反射波長はブラッグ波長と呼ばれ、グレーティング部に加えられた歪みや温度により変化する。このため歪みセンサや温度センサとして利用することができる。   The grating section formed in the sensor optical fiber reflects light of a specific wavelength and allows light of other wavelengths to pass through. This reflection wavelength is called a Bragg wavelength, and changes depending on strain and temperature applied to the grating portion. Therefore, it can be used as a strain sensor or a temperature sensor.

例えば、次の特許文献1、2には、センサ用光ファイバのグレーティング部を挟んだ2つの位置を接着剤等で支持体に固定し、温度や歪みによるブラッグ波長の変化を測定する方法が開示されている。   For example, the following Patent Documents 1 and 2 disclose a method of measuring changes in Bragg wavelength due to temperature and strain by fixing two positions sandwiching the grating portion of the optical fiber for a sensor to a support with an adhesive or the like. Has been.

特開2003−014491号公報JP 2003-014491 A 特開2003−302256号公報JP 2003-302256 A

なお、グレーティング部を有する光ファイバを歪みセンサとして用いる場合、そのグレーティング部に張力がかからなくなると、そのブラッグ波長は変化しなくなり、そのグレーティング部はセンサとして正常に動作しなくなる。   When an optical fiber having a grating part is used as a strain sensor, the Bragg wavelength does not change when the tension is not applied to the grating part, and the grating part does not operate normally as a sensor.

したがって、センサ用光ファイバのグレーティング部には通常、予め所定の張力を与えた状態(プリテンションという)で支持体に固定し、たとえ、圧縮方向の張力が加わったとしても、プリテンションが消費されるまではその変位に対応したブラッグ波長の変化を得ることができるようにしている。   Therefore, the grating portion of the sensor optical fiber is usually fixed to the support in a state where a predetermined tension is applied in advance (referred to as pre-tension). Even if tension in the compression direction is applied, the pre-tension is consumed. Until then, it is possible to obtain a change in Bragg wavelength corresponding to the displacement.

上記のようなセンサ構造では、ファイバを支持する支持体の構造としてプリテンションを保持するだけの剛性が必要である。   In the sensor structure as described above, it is necessary to have a rigidity sufficient to hold the pretension as the structure of the support that supports the fiber.

しかし、支持体の剛性が被測定物の剛性に比べて無視できなくなると、被測定物に生じる変位が支持体の影響を受けてしまうため、被測定物の変位を正確に測定することが困難になる。   However, if the rigidity of the support is not negligible compared to the rigidity of the object to be measured, it is difficult to accurately measure the displacement of the object to be measured because the displacement generated in the object is affected by the support. become.

また、支持体の剛性にかかわらず、その構造が撓むような外力が加わった場合、必ずしも外力に比例してセンサ用光ファイバがその長手方向(伸縮方向)に変形するものではないという問題があった。   In addition, there is a problem that the sensor optical fiber is not necessarily deformed in the longitudinal direction (stretching direction) in proportion to the external force when an external force that causes the structure to bend is applied regardless of the rigidity of the support. It was.

例えば図12(a)のように、被測定物2にネジ19、19で固定されてその変位を受けるベース12の上に一対の腕部13、14が平行に立設された構造のファイバ支持体11を考え、その腕部13、14の中間の位置にセンサ用光ファイバ1のグレーティング部1aが挟まれ状態で且つ、所定のプリテンションTをかけてセンサ用光ファイバ1を接着剤15で固定し、被測定物2からベース12を両端から押す方向に大きな外力Fが加わった場合、図12(b)のように、ベース12が上に凸に湾曲し、その結果腕部13、14の間隔がひろがってしまい、本来は被測定物2の変位に合わせて収縮しなければならないグレーティング部1aが逆に伸張してしまう場合がある。   For example, as shown in FIG. 12 (a), a fiber support having a structure in which a pair of arms 13 and 14 are erected in parallel on a base 12 that is fixed to a device under test 2 with screws 19 and 19 and receives the displacement. Considering the body 11, the grating portion 1 a of the sensor optical fiber 1 is sandwiched between the arms 13 and 14, and the sensor optical fiber 1 is bonded with the adhesive 15 by applying a predetermined pretension T. When a large external force F is applied in a direction in which the base 12 is pushed from both ends by the object to be measured 2 as shown in FIG. In other words, the grating portion 1a, which originally has to contract in accordance with the displacement of the object 2 to be measured, may expand in the opposite direction.

これを解決する方法として、例えば図13(a)のように、ベース12と腕部13、14との間に弾性変形可能なヒンジ16、17を設けて、ベース12に対して腕部13、14が傾くことができる構造とし、点線で示すようなベース12の湾曲をヒンジ16、17で吸収することが考えられる。   As a method for solving this, for example, as shown in FIG. 13A, hinges 16 and 17 that are elastically deformable are provided between the base 12 and the arm portions 13 and 14, and the arm portion 13, It is conceivable that the base 14 can be tilted and the curvature of the base 12 as shown by the dotted line is absorbed by the hinges 16 and 17.

ところが、このようにベース12の湾曲を吸収するヒンジ16、17を設けた構造では、センサ用光ファイバ1に与えたプリテンションによりヒンジ16、17が弾性変形して、図13(b)のように腕部13、14が互いに近づく方向に傾いてその間隔が狭くなり張力がT−γに減少し、測定できる圧縮方向の変位幅が張力γに相当する分だけ減少してしまう。   However, in the structure in which the hinges 16 and 17 that absorb the curvature of the base 12 are provided in this way, the hinges 16 and 17 are elastically deformed by the pretension applied to the sensor optical fiber 1, and as shown in FIG. When the arm portions 13 and 14 are inclined toward each other, the distance between the arms 13 and 14 decreases, and the tension decreases to T-γ. The measurable displacement width in the compression direction decreases by an amount corresponding to the tension γ.

例えば、ヒンジ16、17が十分に柔らかくT≒γの場合、前記プリテンションの全てが消費されてしまい、圧縮方向の変位は、測定できなくなるという問題が発生する。   For example, when the hinges 16 and 17 are sufficiently soft and T≈γ, all of the pre-tension is consumed, and the displacement in the compression direction cannot be measured.

本発明は、上記問題を解決して、プリテンションを減少させることなく、被測定物の伸縮に伴いファイバ支持体のベースに加わる外力をグレーティング部が長手方向に変形する力に変換して、被測定物の伸縮に比例したセンサの伸縮を得ることができる光ファイバセンサを提供することを目的としている。   The present invention solves the above-mentioned problem, converts the external force applied to the base of the fiber support body as the object to be measured expands and contracts into a force that deforms the grating portion in the longitudinal direction without reducing the pretension. An object of the present invention is to provide an optical fiber sensor capable of obtaining the expansion and contraction of the sensor in proportion to the expansion and contraction of the measurement object.

前記目的を達成するために、本発明の請求項1の光ファイバセンサは、
被測定物に固定されるベース(22)と、前記ベースの一面側に弾性変形自在なヒンジ(23、24)を介して互いに対向するように立設された一対の腕部(25、26)と、前記一対の腕部の中間位置を弾性変形自在なヒンジ(27、28)を介して連結する連結部(29)とを有し、前記被測定物から前記ベースを伸縮させる力を受けて、前記一対の腕部を互いに反対方向に傾けるファイバ支持体(21)と、
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部(1a)を有し、前記ファイバ支持体の一対の腕部の、前記連結部と重ならない一端側の位置の間に、前記グレーティング部が挟まれる状態で張力をもって前記腕部に固定されたセンサ用光ファイバ(1)と、
前記ファイバ支持体の前記一対の腕部の、前記連結部と重ならない他端側の位置の間に、前記センサ用光ファイバの張力による前記一対の腕部の傾動を規制し、該張力とバランスさせるための引張力が付与された状態で、前記腕部に固定されたバランス力付与手段(30、1′)とを備えている。
In order to achieve the above object, an optical fiber sensor according to claim 1 of the present invention comprises:
A base (22) fixed to the object to be measured and a pair of arms (25, 26) erected so as to face each other via hinges (23, 24) that are elastically deformable on one surface side of the base And a connecting portion (29) for connecting intermediate positions of the pair of arm portions via elastically deformable hinges (27, 28), and receiving a force for expanding and contracting the base from the object to be measured. A fiber support (21) for inclining the pair of arms in opposite directions;
A grating portion (1a) in which a fiber Bragg grating is formed, and tension is applied in a state in which the grating portion is sandwiched between positions on one end side of the pair of arm portions of the fiber support that do not overlap the connecting portion. And an optical fiber for sensor (1) fixed to the arm part,
The tilt of the pair of arm portions due to the tension of the optical fiber for the sensor is regulated between the position of the other end side of the pair of arm portions of the fiber support that does not overlap the connecting portion, and the tension and balance are controlled. And a balance force applying means (30, 1 ') fixed to the arm portion in a state where a tensile force is applied.

また、本発明の請求項2の光ファイバセンサは、請求項1記載の光ファイバセンサにおいて、
前記バランス力付与手段は、前記一対の腕部の、前記連結部と重ならない他端側の位置の間に固定された光ファイバ(30)であることを特徴とする。
The optical fiber sensor according to claim 2 of the present invention is the optical fiber sensor according to claim 1,
The balance force applying means is an optical fiber (30) fixed between the pair of arm portions at a position on the other end side that does not overlap the connecting portion.

また、本発明の請求項3の光ファイバセンサは、請求項2記載の光ファイバセンサにおいて、
前記前記バランス力付与手段としての光ファイバが、ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部(1a′)を有する光ファイバ(1′)であって、該グレーティング部が前記一対の腕部の間に挟まれた状態で固定されていることを特徴とする。
Moreover, the optical fiber sensor of Claim 3 of this invention is the optical fiber sensor of Claim 2,
The optical fiber as the balancing force applying means is an optical fiber (1 ′) having a grating part (1a ′) in which a fiber Bragg grating is formed, and the grating part is sandwiched between the pair of arm parts. It is fixed in a fixed state.

また、本発明の請求項4の光ファイバセンサは、請求項1〜3のいずれかに記載の光ファイバセンサにおいて、
前記ファイバ支持体のベースは、前記ヒンジの一方を介して前記腕部の一方が立設された第1ベース部(42)と、該第1ベースと分離され、前記ヒンジの他方を介して前記腕部の他方が立設された第2ベース部(43)とにより分割形成されていることを特徴とする。
Moreover, the optical fiber sensor of Claim 4 of this invention is an optical fiber sensor in any one of Claims 1-3,
The base of the fiber support is separated from the first base by the first base part (42) in which one of the arm parts is erected through one of the hinges, and The other arm portion is divided and formed by a second base portion (43) provided upright.

このように、本発明の光ファイバセンサは、被測定物に固定されるベースと、ベースの一面側に弾性変形自在なヒンジを介して互いに対向するように立設された一対の腕部と、その一対の腕部の中間位置を弾性変形自在なヒンジを介して連結する連結部とを有する構造とし、センサ用光ファイバのグレーティング部を、ファイバ支持体の一対の腕部の、連結部と重ならない一端側の位置の間に挟まれる状態で張力をもって固定するとともに、ファイバ支持体の一対の腕部の、連結部と重ならない他端側の位置の間にセンサ用光ファイバの張力とバランスさせるための引張力を付与して、一対の腕部が張力により傾動することを規制するバランス力付与手段を備えている。   As described above, the optical fiber sensor of the present invention includes a base that is fixed to an object to be measured, and a pair of arm portions that are erected on one surface side of the base via elastically deformable hinges, A connecting portion for connecting the intermediate position of the pair of arms via an elastically deformable hinge, and the grating portion of the optical fiber for the sensor is overlapped with the connecting portion of the pair of arms of the fiber support. Fix with tension in a state of being sandwiched between positions where one end does not become, and balance the tension of the optical fiber for the sensor between the positions on the other end where the pair of arms of the fiber support does not overlap with the connecting portion The balance force provision means which provides the tension | tensile_strength for this and regulates that a pair of arm part tilts with tension | tensile_strength is provided.

このため、ヒンジを介してベースに立設された一対の腕部でセンサ用光ファイバを支持し、ベースの撓み等の伸縮以外の変形の影響を取り除くことができる構造でありながら、センサ用光ファイバに付与された張力による腕部の傾動を規制して、センサ用光ファイバに所望の張力を付与することができる。   For this reason, the sensor optical fiber is supported by a pair of arm portions erected on the base via the hinge so that the influence of deformation other than expansion and contraction such as bending of the base can be removed. A desired tension can be applied to the sensor optical fiber by restricting the tilting of the arm due to the tension applied to the fiber.

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明を適用した光ファイバセンサ20の構造を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows the structure of an optical fiber sensor 20 to which the present invention is applied.

この光ファイバセンサ20のファイバ支持体21は、被測定物の上に固定されてその変位による力を受けて伸縮するベース22と、ベース22の上面側に、弾性変形可能なヒンジ23、24を介して互いに対向するようにほぼ平行に立設された一対の腕部25、26と、腕部25、26の中間位置の間を、弾性変形可能なヒンジ27、28を介して連結する連結部29とを有している。なお、このファイバ支持体21は、例えば金属、合成樹脂等により一体的に形成され、ベース22、腕部25、26および連結部29は、ファイバの張力では変形しない程度の剛性を有し、各ヒンジ23、24、27、28は、一対の腕部25、26および連結部29が含まれる平面に沿った面内で弾性変形可能となり、その面と直交する方向(ファイバ支持体21の厚さ方向)への変形が規制される形状となっている。   The fiber support 21 of the optical fiber sensor 20 is fixed on the object to be measured and expands and contracts by receiving the force of the displacement, and elastically deformable hinges 23 and 24 on the upper surface side of the base 22. A pair of arm portions 25, 26 erected substantially in parallel so as to face each other, and a connecting portion for connecting between intermediate positions of the arm portions 25, 26 via hinges 27, 28 that can be elastically deformed 29. The fiber support 21 is integrally formed of, for example, metal, synthetic resin, or the like, and the base 22, the arm portions 25 and 26, and the connecting portion 29 have such rigidity that they are not deformed by fiber tension. The hinges 23, 24, 27, 28 can be elastically deformed in a plane along a plane including the pair of arm portions 25, 26 and the coupling portion 29, and are orthogonal to the plane (the thickness of the fiber support 21. Direction).

腕部25、26の一端側(図1で下端)で連結部29と重ならない位置の間には、ファイバブラッググレーティングが形成されたセンサ用光ファイバ1のグレーティング部1aが、そのグレーティング部1aを挟む2点において、張力(プリテンション)Tを持って固定されており、腕部25、26の他端側(図1で上端)で連結部29と重ならない位置の間には、センサ用光ファイバ1に付与されたプリテンションTとほぼ等しい張力T′を付与して、センサ用光ファイバ1に付与されたプリテンションTによる腕部25、26の傾動を規制するバランス力付与手段としての光ファイバ30が固定されている。なお、ここでは、腕部25、26に対するセンサ用光ファイバ1および光ファイバ30の固定を接着剤31によって行っているが、各ファイバ表面がメタライズ加工されている場合には、腕部25、26に半田付けして固定することもできる。   Between the position where one end side (the lower end in FIG. 1) of the arm portions 25 and 26 does not overlap with the connecting portion 29, the grating portion 1a of the optical fiber for sensor 1 in which the fiber Bragg grating is formed is connected to the grating portion 1a. At two points sandwiched, the sensor light is fixed between the positions that are fixed with tension (pretension) T and do not overlap with the connecting portion 29 on the other end side (upper end in FIG. 1) of the arm portions 25 and 26. Light as a balance force applying means that applies a tension T ′ substantially equal to the pretension T applied to the fiber 1 and restricts the tilting of the arm portions 25 and 26 due to the pretension T applied to the sensor optical fiber 1. The fiber 30 is fixed. Here, the sensor optical fiber 1 and the optical fiber 30 are fixed to the arm portions 25 and 26 by the adhesive 31. However, when each fiber surface is metalized, the arm portions 25 and 26 are fixed. It can also be fixed by soldering.

このように腕部25、26の中間位置をヒンジ27、28を介して連結部29で連結したリンク構造では、図2のように、腕部25のヒンジ27を中心とする右回りのモーメントと左回りのモーメントは、
L1・T=L2・T′
の条件で平衡状態となる。
Thus, in the link structure in which the intermediate positions of the arm portions 25 and 26 are connected by the connecting portion 29 via the hinges 27 and 28, as shown in FIG. 2, the clockwise moment about the hinge 27 of the arm portion 25 is The counterclockwise moment is
L1 ・ T = L2 ・ T '
Equilibrium is achieved under the following conditions.

説明が容易となるように、L1=L2、T=T′とし、ベース22に外力がかかっていない状態で、且つ腕部25、26がベース22に対して垂直に立ち、連結部29がベース22と平行な状態を基準状態として、その動作を説明する。   For ease of explanation, L1 = L2, T = T ′, no external force is applied to the base 22, and the arm portions 25, 26 stand perpendicular to the base 22, and the connecting portion 29 is the base. The operation will be described with reference to a state parallel to 22 as a reference state.

なお、図示しないが、この光ファイバセンサ20を用いた測定系としては、例えば広帯域光源から光サーキュレータを介してセンサ用光ファイバ1の一端側に入射し、そのセンサ用光ファイバ1のグレーティング部1aで反射して一端側に戻ってきた光を、光サーキュレータを介して波長計測器に入射する構成や、可変波長光源で波長掃引した光を光サーキュレータを介してセンサ用光ファイバ1の一端側に入射し、そのセンサ用光ファイバ1のグレーティング部1aで反射して一端側に戻ってきた光を、光サーキュレータを介して受光器に入射し、受光器への入射光強度がピークになるタイミングにおける可変波長光源の掃引波長を検出する構成等が考えられる。   Although not shown, a measurement system using the optical fiber sensor 20 is, for example, incident on one end side of the sensor optical fiber 1 from a broadband light source via an optical circulator, and the grating portion 1a of the sensor optical fiber 1 The light reflected and returned to one end side is incident on the wavelength measuring instrument via the optical circulator, or the light swept by the variable wavelength light source is sent to the one end side of the sensor optical fiber 1 via the optical circulator. The incident light, reflected by the grating portion 1a of the sensor optical fiber 1 and returned to the one end side, enters the light receiver through the optical circulator, and at a timing when the incident light intensity to the light receiver reaches a peak. A configuration for detecting the sweep wavelength of a variable wavelength light source is conceivable.

ここで、図3(a)のように基準状態の光ファイバセンサ20に対して被測定物2による外力Fがベース22を伸ばす方向に加わった場合、腕部25、26は、図3(b)のように、ハの字状に傾き、腕部25、26に支持されているセンサ用光ファイバ1のグレーティング部1aに対する張力がT+αに増し、その増分αに応じてブラッグ波長が長くなる。   Here, when the external force F by the DUT 2 is applied to the optical fiber sensor 20 in the reference state in the direction of extending the base 22 as shown in FIG. ), The tension with respect to the grating portion 1a of the sensor optical fiber 1 supported by the arm portions 25 and 26 increases to T + α, and the Bragg wavelength becomes longer according to the increment α.

また、図4(a)のように、基準状態の光ファイバセンサ20に対して被測定物2による外力Fがベース22を縮める方向に加わった場合、腕部25、26は図4(b)のように、逆ハ字状に傾き、センサ用光ファイバ1のグレーティング部1aに対する張力がT−αに減少して、その縮小分αに応じてブラッグ波長が短くなる。   Further, as shown in FIG. 4A, when the external force F by the DUT 2 is applied to the optical fiber sensor 20 in the reference state in the direction in which the base 22 is contracted, the arm portions 25 and 26 are as shown in FIG. In this manner, the sensor is inclined in an inverted C shape, the tension of the sensor optical fiber 1 with respect to the grating portion 1a is reduced to T-α, and the Bragg wavelength is shortened according to the reduction α.

そして、図5(a)のようにベース22の両端を例えばネジ19、19で被測定物2に固定された基準状態の光ファイバセンサ20に対して被測定物2による外力Fがベース22をさらに縮める方向にさらに強く加わって、ベース22が図5(b)のように湾曲した場合であっても、その湾曲による腕部25、26の逆ハ字状の傾きの増加はヒンジ23、24が吸収して、腕部25、26の動きに悪影響を与えない。   Then, as shown in FIG. 5 (a), an external force F by the object to be measured 2 applies the base 22 to the optical fiber sensor 20 in a reference state in which both ends of the base 22 are fixed to the object to be measured 2 with screws 19, 19, for example. Even when the base 22 is further bent in the shrinking direction and the base 22 is bent as shown in FIG. 5B, the increase in the reverse C-shaped inclination of the arm portions 25 and 26 due to the bending is caused by the hinges 23 and 24. Does not adversely affect the movement of the arms 25 and 26.

また、この実施形態の光ファイバセンサ20では、光ファイバ30により腕部25、26の上端間に引っ張り力を与えているため、腕部25、26、センサ用光ファイバ1および光ファイバ30で形成される四辺形の中に連結部29が横架された変形しにくい略日の字構造となり、センサ用光ファイバ1のプリテンションによる腕部25、26の傾きを防ぐことができ、その所望のプリテンションを与えることができる。   Further, in the optical fiber sensor 20 of this embodiment, since the tensile force is applied between the upper ends of the arm portions 25 and 26 by the optical fiber 30, the arm portions 25 and 26, the sensor optical fiber 1 and the optical fiber 30 are formed. The connecting portion 29 is horizontally mounted in the quadrilateral to be deformed and has a substantially sun-shaped structure which is difficult to be deformed, and the inclination of the arm portions 25 and 26 due to the pre-tension of the sensor optical fiber 1 can be prevented. Pretension can be given.

即ち、仮に図6(a)のように光ファイバ30が無い場合で、センサ用光ファイバ1にプリテンションTを与えた場合、そのプリテンションTによる回転モーメントがヒンジ23、24にかかって図6(b)のようにヒンジ23、24を変形させ、その結果腕部25、26が逆ハの字に傾きプリテンションがT−γに減少してしまう。   That is, if the pre-tension T is applied to the sensor optical fiber 1 when the optical fiber 30 is not provided as shown in FIG. 6A, the rotational moment due to the pre-tension T is applied to the hinges 23 and 24, and FIG. As shown in (b), the hinges 23 and 24 are deformed, and as a result, the arm portions 25 and 26 are inclined in a reverse letter C and the pretension is reduced to T-γ.

これに対し、上記実施形態のように光ファイバ30によりバランス用の張力を与えることで、腕部25、26の回転モーメントを極めて小さくしてヒンジ23、24の変形を抑制することができ、プリテンションの消費を抑制できる。   On the other hand, by applying tension for balancing by the optical fiber 30 as in the above embodiment, the rotational moment of the arm portions 25 and 26 can be made extremely small, and deformation of the hinges 23 and 24 can be suppressed. Tension consumption can be suppressed.

また、バランス力付与手段として光ファイバ30を用いて、周囲の温度、湿度などに対してセンサ用光ファイバ1と同等の伸縮特性をもたせることで、環境変化の影響をより受けないものにすることかできる。   Further, by using the optical fiber 30 as a balance force imparting means, and having an expansion / contraction characteristic equivalent to that of the sensor optical fiber 1 with respect to ambient temperature, humidity, etc., it is made less susceptible to environmental changes. I can do it.

また、図7のように、バランス力付与手段として光ファイバ30の代わりにセンサ用光ファイバ1と同様にグレーティング部1a′を有する光ファイバ1′を用いてもよい。この場合、例えばセンサ用光ファイバ1と同一伸縮特性のものを用いることで、環境変化の影響をより受けにくくすることかできる。また、同一伸縮特性、同一反射特性の光ファイバ1′であればセンサ用としても用いることができ、例えば、測定用の光をスイッチで切り替えて光ファイバ1、1′に対して選択的に入射できるようにし、一方の光ファイバに異常が発生した場合に他方を使う等の利用が可能である。   Further, as shown in FIG. 7, an optical fiber 1 ′ having a grating portion 1 a ′ may be used as a balance force applying means in the same manner as the sensor optical fiber 1 instead of the optical fiber 30. In this case, for example, by using one having the same expansion and contraction characteristics as the sensor optical fiber 1, it is possible to make it less susceptible to environmental changes. Further, the optical fiber 1 'having the same expansion and contraction characteristics and the same reflection characteristics can be used for the sensor. For example, the measurement light is switched by a switch and selectively incident on the optical fibers 1 and 1'. It is possible to use the other optical fiber when an abnormality occurs in one of the optical fibers.

また、図8に示す光ファイバセンサ20′のように、ベース22′を、一方のヒンジ23を介して一方の腕部25が立設された第1ベース部42と、第1ベース42と分離され、他方のヒンジ24を介して他方の腕部26が立設された第2ベース部43とで分割形成することもできる。   Further, like the optical fiber sensor 20 ′ shown in FIG. 8, the base 22 ′ is separated from the first base 42 and the first base 42 in which one arm 25 is erected via one hinge 23. It is also possible to divide and form the second base portion 43 on which the other arm portion 26 is erected via the other hinge 24.

この場合でも、被測定物2の伸縮に応じて第1ベース部42と第2ベース部43の間隔が変化し、腕部25、26が互いに反対方向に傾いて、センサ用光ファイバ1のブラッグ波長が変化する。   Even in this case, the distance between the first base portion 42 and the second base portion 43 changes according to the expansion and contraction of the object 2 to be measured, and the arm portions 25 and 26 are inclined in directions opposite to each other. Wavelength changes.

また、上記説明では、ベース22の下面全体が被測定物2に接触固定されているものとしたが、上記のようにベース22を分割構造にした場合、被測定物2に対する各ベース42、43の固定位置を選択できるように構成しておくことで、ファイバ支持体21に与える変位量を可変できる。   In the above description, the entire bottom surface of the base 22 is fixed to the object to be measured 2. However, when the base 22 is divided as described above, the bases 42 and 43 for the object to be measured 2 are used. The displacement amount given to the fiber support 21 can be varied by configuring so that the fixed position can be selected.

例えば、図9(a)のように、各ベース42、43の内側を被測定物2に固定(この例ではネジ44による固定)した場合にはその固定位置間の間隔Laにおいて生じた被測定物2の伸び分(あるいは縮み分)だけベース42、43の間隔を変化させるが、図9(b)のように、各ベース42、43の外側を被測定物2に固定した場合には、その固定位置間の間隔Lbにおいて生じた被測定物2の伸び分(あるいは縮み分)だけベース42、43の間隔を変化させることになり、感度がLb/La倍になる。ただし、ファイバの伸びにも限界があるので、感度を優先したい場合にはベースの固定位置間隔を大きくとり、測定範囲を広くとりたい場合にはベースの固定位置間隔を小さくするという選択が可能となる。   For example, as shown in FIG. 9A, when the insides of the bases 42 and 43 are fixed to the object to be measured 2 (in this example, fixed by screws 44), the measurement to be performed occurs at the interval La between the fixed positions. The distance between the bases 42 and 43 is changed by the extension (or contraction) of the object 2, but when the outside of each base 42 and 43 is fixed to the object 2 to be measured as shown in FIG. The distance between the bases 42 and 43 is changed by the extension (or contraction) of the DUT 2 generated at the interval Lb between the fixed positions, and the sensitivity becomes Lb / La times. However, since there is a limit to the fiber elongation, it is possible to select a larger base fixed position interval when priority is given to sensitivity and a smaller base fixed position interval when a wider measurement range is desired. Become.

また、前記実施形態では、センサ用光ファイバ1とバランス力付与手段としての光ファイバ30(または光ファイバ1′)を腕部25、26の表面に固定していたが、これは本発明を限定するものではなく、図10のように、腕部25、26の上部側と下部側の中央を貫通する穴45、46、47、48にファイバを通した状態で固定してもよい。   In the above embodiment, the sensor optical fiber 1 and the optical fiber 30 (or the optical fiber 1 ') as the balance force imparting means are fixed to the surfaces of the arm portions 25 and 26, but this limits the present invention. Instead, as shown in FIG. 10, the fibers may be fixed through holes 45, 46, 47, 48 that penetrate the centers of the upper and lower sides of the arm portions 25, 26.

また、図11のように、ベース22側からヒンジ23、24を通過して腕部25、26の下部中央まで連続するスリット50にセンサ用光ファイバ1を通して固定し、腕部25の上面から上部中央まで連続するスリット51と、腕部26の上面から上部中央まで連続するスリット52とに光ファイバ30(あるいは光ファイバ1′)を通して固定してもよい。   Also, as shown in FIG. 11, the sensor optical fiber 1 is fixed to a slit 50 that passes from the base 22 side through the hinges 23 and 24 to the lower center of the arm portions 25 and 26, and is fixed from the upper surface of the arm portion 25 to the upper portion. The optical fiber 30 (or the optical fiber 1 ') may be fixed to the slit 51 that continues to the center and the slit 52 that continues from the upper surface of the arm portion 26 to the upper center.

上記の各実施形態で、センサ用光ファイバ1を腕部25、26の下部側(ベース22に近い位置)に固定し、バランス力付与手段(光ファイバ30、光ファイバ1′)を腕部25、26の上部側(ベース22から遠い位置)に固定していたが、逆に、センサ用光ファイバ1を腕部25、26の上部側(ベース22から遠い位置)に固定し、バランス力付与手段(光ファイバ30、光ファイバ1′)を腕部25、26の下部側(ベース22に近い位置)に固定してもよい。   In each of the above embodiments, the sensor optical fiber 1 is fixed to the lower side of the arm portions 25 and 26 (position close to the base 22), and the balance force applying means (the optical fiber 30 and the optical fiber 1 ') is fixed to the arm portion 25. , 26 is fixed to the upper side (a position far from the base 22), but conversely, the sensor optical fiber 1 is fixed to the upper side of the arm portions 25, 26 (a position far from the base 22) to give a balance force. The means (the optical fiber 30 and the optical fiber 1 ′) may be fixed to the lower side of the arm portions 25 and 26 (position close to the base 22).

このようにセンサ用光ファイバ1を腕部25、26の上部側(ベース22から遠い位置)に固定した場合、例えば腕部25、26を長くしたり、連結部29をベース22に近い位置に設けることで、ベース22の僅かな伸縮変化に対して、腕部25、26の上端間の距離をより大きく変化させることができ、高感度化ができる。   When the sensor optical fiber 1 is fixed to the upper side of the arm portions 25 and 26 (a position far from the base 22) in this way, for example, the arm portions 25 and 26 are lengthened, or the connecting portion 29 is positioned close to the base 22. By providing, the distance between the upper ends of the arm portions 25 and 26 can be changed more greatly with respect to a slight expansion / contraction change of the base 22, and the sensitivity can be increased.

また、上記実施形態では、ファイバ支持体21を一体構造としたが、ベース22、腕部25、26、連結部29をそれぞれ別体とし、板バネなどからなるヒンジ23、24、27、28を介して接続して構成してもよい。また、バランス力付与手段としてはファイバでなく、巻きバネ等であってもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the fiber support body 21 was made into integral structure, the base 22, the arm parts 25 and 26, and the connection part 29 are each made into a different body, and hinges 23, 24, 27, and 28 which consist of leaf | plate springs etc. are provided. It may be configured to connect via. Further, the balance force applying means may be a winding spring instead of a fiber.

本発明の実施形態の構成図Configuration diagram of an embodiment of the present invention 実施形態の平衡条件を説明するための図The figure for demonstrating the equilibrium conditions of embodiment 実施形態の動作説明図Operation explanatory diagram of the embodiment 実施形態の動作説明図Operation explanatory diagram of the embodiment 実施形態の動作説明図Operation explanatory diagram of the embodiment バランス力付与手段が無い場合の動作説明図Operation explanatory diagram when there is no balance force applying means 本発明の他の実施形態を示す図The figure which shows other embodiment of this invention 本発明の他の実施形態を示す図The figure which shows other embodiment of this invention ベース分割型の場合の被測定物への取付位置と感度との関係を説明するための図Diagram for explaining the relationship between the mounting position on the object to be measured and sensitivity in the case of the base split type 本発明の他の実施形態を示す図The figure which shows other embodiment of this invention 本発明の他の実施形態を示す図The figure which shows other embodiment of this invention ベースの変形の影響を説明するための図Diagram for explaining the effect of base deformation ヒンジを用いてベースの変形の影響をなくす例を示す図The figure which shows the example which eliminates the influence of the deformation of the base using the hinge

符号の説明Explanation of symbols

1……センサ用光ファイバ、1a……グレーティング部、1′……光ファイバ、1a′……グレーティング部、20……光ファイバセンサ、21……ファイバ支持体、22、22′……ベース、23、24……ヒンジ、25、26……腕部、27、28……ヒンジ、29……連結部、30……光ファイバ、42……第1ベース部、43……第2ベース部、44……ネジ、45〜48……穴、50〜52……スリット   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical fiber for sensors, 1a ... Grating part, 1 '... Optical fiber, 1a' ... Grating part, 20 ... Optical fiber sensor, 21 ... Fiber support body, 22, 22 '... Base, 23, 24 ... Hinge, 25, 26 ... Arm part, 27, 28 ... Hinge, 29 ... Connecting part, 30 ... Optical fiber, 42 ... First base part, 43 ... Second base part, 44 ... Screw, 45 to 48 ... Hole, 50 to 52 ... Slit

Claims (4)

被測定物に固定されるベース(22)と、前記ベースの一面側に弾性変形自在なヒンジ(23、24)を介して互いに対向するように立設された一対の腕部(25、26)と、前記一対の腕部の中間位置を弾性変形自在なヒンジ(27、28)を介して連結する連結部(29)とを有し、前記被測定物から前記ベースを伸縮させる力を受けて、前記一対の腕部を互いに反対方向に傾けるファイバ支持体(21)と、
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部(1a)を有し、前記ファイバ支持体の一対の腕部の、前記連結部と重ならない一端側の位置の間に、前記グレーティング部が挟まれる状態で張力をもって前記腕部に固定されたセンサ用光ファイバ(1)と、
前記ファイバ支持体の前記一対の腕部の、前記連結部と重ならない他端側の位置の間に、前記センサ用光ファイバの張力による前記一対の腕部の傾動を規制し、該張力とバランスさせるための引張力が付与された状態で、前記腕部に固定されたバランス力付与手段(30、1′)とを備えた光ファイバセンサ。
A base (22) fixed to the object to be measured and a pair of arms (25, 26) erected so as to face each other via hinges (23, 24) that are elastically deformable on one surface side of the base And a connecting portion (29) for connecting intermediate positions of the pair of arm portions via elastically deformable hinges (27, 28), and receiving a force for expanding and contracting the base from the object to be measured. A fiber support (21) for inclining the pair of arms in opposite directions;
A grating portion (1a) in which a fiber Bragg grating is formed, and tension is applied in a state in which the grating portion is sandwiched between positions on one end side of the pair of arm portions of the fiber support that do not overlap the connecting portion. And an optical fiber for sensor (1) fixed to the arm part,
The tilt of the pair of arm portions due to the tension of the optical fiber for the sensor is regulated between the position of the other end side of the pair of arm portions of the fiber support that does not overlap the connecting portion, and the tension and balance are controlled. An optical fiber sensor comprising balance force applying means (30, 1 ') fixed to the arm portion in a state in which a tensile force is applied.
前記バランス力付与手段は、前記一対の腕部の、前記連結部と重ならない他端側の位置の間に固定された光ファイバ(30)であることを特徴とする請求項1記載の光ファイバセンサ。   2. The optical fiber according to claim 1, wherein the balance force applying means is an optical fiber (30) fixed between a position on the other end side of the pair of arm portions that does not overlap the connecting portion. Sensor. 前記前記バランス力付与手段としての光ファイバが、ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部(1a′)を有する光ファイバ(1′)であって、該グレーティング部が前記一対の腕部の間に挟まれた状態で固定されていることを特徴とする請求項2記載の光ファイバセンサ。   The optical fiber as the balancing force applying means is an optical fiber (1 ′) having a grating part (1a ′) in which a fiber Bragg grating is formed, and the grating part is sandwiched between the pair of arm parts. The optical fiber sensor according to claim 2, wherein the optical fiber sensor is fixed in a fixed state. 前記ファイバ支持体のベースは、前記ヒンジの一方を介して前記腕部の一方が立設された第1ベース部(42)と、該第1ベースと分離され、前記ヒンジの他方を介して前記腕部の他方が立設された第2ベース部(43)とにより分割形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光ファイバセンサ。   The base of the fiber support is separated from the first base by the first base part (42) in which one of the arm parts is erected through one of the hinges, and The optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the other of the arm portions is divided and formed by a second base portion (43) provided upright.
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