JP5196483B2 - 振動又は弾性波検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動又は弾性波検出装置に関する発明である。

本発明は、ファイバーブラッグ格子（ＦＢＧ）を利用して、振動、ひずみ、アコースティック・エミッション（ＡＥ）および超音波を検出する振動又は弾性波検出装置に関するもので、構造物の健全性評価等に適用することができる技術に関する。

従来、振動および弾性波の検出には、それぞれひずみゲージおよび圧電素子が広く用いられている。しかしながら、ひずみゲージおよび圧電素子は、電磁波障害を受けることから電磁波雰囲気では振動および弾性波計測が出来ない。また、圧電素子は、狭帯域な応答周波数特性を有することから検出する振動又は弾性波周波数帯域に合わせて圧電素子の種類を変更する必要があるなどの欠点がある。

近年、上記したひずみゲージまたは圧電素子による振動又は弾性波計測の問題を解決するため光ファイバセンサの一種であるＦＢＧを用いた振動又は弾性波計測技術が注目されている。ＦＢＧは光ファイバの導光路であるコアのファイバ軸方向に周期的にわずかに屈折率を変化させた構造を取り、次の式（１）で与えられるブラッグ波長λＢを中心とする狭帯域光を反射する特徴を有する。

λＢ＝２ｎΛ ………（１）
ここでｎ、およびΛはコアの屈折率、および屈折率変化の周期間隔を表す。

ＦＢＧがひずみ、または温度変化を受けたとき、そのブラッグ波長はひずみ、または温度に比例して変化することが知られている。そのためＦＢＧが微小で高速なひずみ振動をもたらす弾性波（ＡＥ、または超音波）を受けたときは、ＦＢＧのブラッグ波長は弾性波と同期して振動する。

これまでに利用されてきた広帯域光を光源とし、ＦＢＧをセンサとする振動又は弾性波検出システムを図１に示す。ＦＢＧセンサの反射波長域を含む広帯域光を光サーキュレータ４を介してＦＢＧセンサに入射し、ＦＢＧセンサからの反射光を光サーキュレータ４を介して光学フィルタに入射する。

光学フィルタの透過光、または反射光を光電変換器５に入射し、その光強度を電気信号に変換する。弾性波受信に伴うＦＢＧのブラッグ波長の変動は１ｐｍ（ピコメートル、１０のマイナス１２乗）レベル、またはそれ以下の微小なものである。この微小なブラッグ波長の振動を高感度で検出するためには、光学フィルタはＦＢＧのブラッグ波長近傍、数ｐｍ〜数十ｐｍの狭い波長域で急峻な特性変化を有する必要がある。

室温、無ひずみ条件下でブラッグ波長１５５０ｎｍを有するＦＢＧは温度１℃あたりブラッグ波長は約１４ｐｍ、１マイクロひずみあたり約１．２ｐｍ変化する。このため図１に示したシステムで光学フィルタの光学特性が変化する波長が固定の場合、ＦＢＧセンサが１０℃以上の温度変化、または１００マイクロひずみを超えるひずみ変化を受けた際、ＦＢＧセンサのブラッグ波長は光学フィルタの狭帯域な特性変化波長域から外れて、弾性波を検出できなくなる。

そのため光学フィルタには波長可変フィルタを用い、ＦＢＧセンサの温度、ひずみ変化に伴うブラッグ波長の変動に応じて、光学フィルタの特性変化波長域を制御する必要がある。しかしながら現在市販されている計測器を用いてブラッグ波長の評価を行い、その結果に基づいて波長可変フィルタを制御するには少なくとも１秒程度かかる。

このため連続的なひずみ変化を与えるような振動を受ける部材においては波長可変フィルタを用いたシステムで弾性波を検出することは不可能である。また波長可変フィルタは高価であることもこのシステムの欠点となっている。

本発明者は、特開２００８−０４６０３６では光フィルタとして波長ＦＳＲ毎に周期的な透過域を有するファブリ・ペローフィルタを用いてＦＢＧセンサが大きなひずみ、または温度変化を受けてブラッグ波長が大きく変動しても弾性波を常時検出可能とする発明を提案した（特許文献１参照）。

この発明では、ＦＢＧの反射波長幅と同等なＦＳＲを有する二つのファブリ・ペローフィルタの透過域をＦＳＲ／４だけ異なるように温度調節器を用いて設定する。上記した仕様を満たす二つのファブリ・ペローフィルタを、図１中で並列配置して光学フィルタとすることで、ＦＢＧセンサがひずみ、または温度変化を受けてブラッグ波長が変動しても、ＦＢＧセンサの反射特性が単調変化する波長域に常にどちらかのファブリ・ペローフィルタの透過域が存在することになり、弾性波の検出が常時可能になる。

特開２００８−０４６０３６

上記特許文献１記載の発明は、ファブリ・ペローフィルタ、およびその透過域を制御するための温度調節器を要することから、装置自体が高価になる欠点がある。また、上記した波長可変フィルタやファブリ・ペローフィルタを用いた弾性波計測システムでは、これらの装置をチャンネル毎に揃える必要がある。そのため多チャンネルで弾性波計測を行うとき、非常にコストのかかる装置となる。

本発明は、上記従来の問題を解決することを目的とするものであり、構成が簡単で、しかも弾性波応答や振動に対する応答信号の信号ノイズ比を改善可能な振動又は弾性波検出装置を実現することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの反射波長域を含む広帯域光を、受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧに入射し、受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの透過光または反射光の強度変化から受信部ＦＢＧが受ける振動又は弾性波を計測する振動又は弾性波検出装置において、受信部ＦＢＧがひずみまたは温度変化を受けても受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの反射光分布が常に交差するように受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧを被検体に取り付けることを特徴とする振動又は弾性波検出装置を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの反射波長域を含む広帯域光を、受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧに入射し、受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの透過光または反射光の強度変化から受信部ＦＢＧが受ける振動およびひずみを計測する振動又は弾性波検出装置において、受信部ＦＢＧが受ける温度変化をフィルタであるＦＢＧにも等しく受けさせることを特徴とする振動又は弾性波検出装置を提供する。

一つのＦＢＧに局所的なひずみを導入して反射特性に二つのピークを持たせることで、受信部ＦＢＧとフィルタ部ＦＢＧの二つの機能を一つのＦＢＧに持たせる構成としてもよい。

本発明の振動又は弾性波検出装置は、任意の箇所で振動又は弾性波検出するために利用されるものである。

本発明によれば、構成が簡単で、しかも弾性波応答や振動に対する応答信号の信号ノイズ比を改善可能な振動又は弾性波検出装置を得ることができる。

本発明に係る弾性波計測装置および計測方法の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。

図２は、本発明の全体構成を説明する図である。この図２に示すように、本発明では、ＦＢＧから成る受信部１（以下、「受信部ＦＢＧ」という。）およびＦＢＧから成るフィルタ部２（以下、「フィルタ部ＦＢＧ」という。）が設けられている。なお、図２中、受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２の順番を逆にしても以下に述べる振動又は弾性波を検出する機能は変わらない。

広帯域光源３から、受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２の反射波長域を含む広帯域光を、光サーキュレータ４を介して受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２に入射し、受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２からの反射光を光サーキュレータ４を介して光強度を電気信号に変換する光電変換器５に入射し、その電気信号を収録し、必要に応じて表示する装置（信号収録・表示装置）６に接続されている。

図２のように、受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２が直列に配置されている場合、図２の光電変換器５に入射される受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２からの反射光強度は、受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２の反射光強度分布曲線で囲まれる面積で表される。

被検体がある温度において無ひずみ状態では、受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２の反射光分布は、図３（ａ）で表されるものとする。

受信部ＦＢＧ１に弾性波が到達して、受信部ＦＢＧ１に微小な引張りと圧縮が交互に現れるひずみ変化が生じた場合を考える。受信部ＦＢＧ１が引張りを受けた場合は、図３（ｂ）のように、受信部ＦＢＧ１のブラッグ波長が長波長側にシフトし、両反射光分布曲線が交差する面積が減少し、両反射光分布曲線で囲まれる面積が増加することから光電変換器５出力は増加する。

逆に受信部ＦＢＧ１が圧縮を受けた場合は、図３（ｃ）のように、両反射光分布曲線で囲まれる面積が減少することから光電変換器５出力は低下する。このように受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２の反射光分布が常時、交差する場合においては上記した原理に基づいて弾性波を検出することができる。

しかしながら受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２の反射光分布曲線が完全に分離するほど大きなひずみや温度変化を受けた場合、反射光分布曲線が交差していないため弾性波を受信部ＦＢＧ１が受けても光電変換器５出力に変化は現れない。ひずみや温度変化（参考：ＦＢＧの反射光分布は、温度変化により熱膨張に起因する熱ひずみの他、光ファイバの光学特性である光弾性定数が温度に依存し、温度変化に伴うひずみと光弾性定数の変化を受けてブラッグ波長は変動する。）に関係なく、図３のように受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２の反射光分布を常時交差させるための手段として、以下の二つが考えられる。

第一の手段は、ＦＢＧの一部を接着材で被検体表面に固定する、または被検体内部に埋め込み固定することによりＦＢＧの一部にひずみが残留できるようにする。即ち、図２６に示すように、一つのＦＢＧの一部を被検体に接着または埋め込んで受信部ＦＢＧ１とし、残りの非接着部、または非埋め込み部をフィルタ部ＦＢＧ２とする。この構成では、受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２は光ファイバ軸方向に連続しており、接着または埋め込み界面が、受信部ＦＢＧ１−フィルタ部ＦＢＧ２の界面となる。

このように、ＦＢＧの一部に残留ひずみを与えることにより、ＦＢＧに二つの異なるひずみ状態が存在することになる。そのため二つの異なるブラッグ波長の反射光分布が現れ、残留ひずみを制御することで二つの反射光分布を交差させることができる。ＦＢＧの接着、または埋め込み時の圧着力、および光ファイバ軸方向の引張り、または圧縮力の調整によりＦＢＧに与える残留ひずみを制御することができる。

第二の手段は、図２７に示すように、二つのＦＢＧをそれぞれ受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２として用い、両ＦＢＧの反射光分布が交差するように被検体表面、または内部に両ＦＢＧを取り付ける。

ここで、具体的な被検体への受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２の取り付け構造例を以下に挙げる。

構造例１：
二つの個別のＦＢＧを、図４（ａ）において、受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２として、図３に示すように二つのＦＢＧの反射光分布が交差するように、被検体７の表面または被検体７の内部に取り付ける。

被検体７が温度、およびひずみ変化を受けても、両反射光分布が交差するように受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２が受ける温度、およびひずみに差が現れない箇所に取り付ける。また受信部ＦＢＧ１が受けるひずみや温度変化が微小で、両反射光分布が交差する条件を崩さない場合はフィルタ部を未接着とする取り付け構造も可能である。

構造例２：
図４（ｂ）に示すように被検体７が受けるひずみを伝えることなく、被検体７を伝搬する弾性波を導波する板（導波板と呼ぶ）を被検体７に取り付け、導波板に二つの個別のＦＢＧを受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２として図３に示すように二つのＦＢＧの反射光分布が交差するように接着させる。

なお、光ファイバと同じ熱膨張率を有する部材を導波板８に用いることで、フィルタ部ＦＢＧ２が導波板８に接着されていなくても、受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２は温度変化により同じブラッグ波長変化を受けることになる。このため温度変化が生じても受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２の反射光分布が交差する条件は崩れることがない。

構造例３：
この取付構造は、図４（ｃ）に示すように、被検体７に取り付けた導波板８に接着した部分が受信部ＦＢＧ１となり、非接着部分がフィルタ部ＦＢＧ２となるように取り付ける。受信部ＦＢＧ１に局所的な残留ひずみを与えることで図３に示すような二つのピークが存在し、両反射光分布が交差する反射特性を持つＦＢＧを構成することができる。なお、図４（ｃ）では接着された受信部ＦＢＧ１を光サーキュレータ４と結合させても、非接着のフィルタ部ＦＢＧ２を光サーキュレータ４と結合させても機能は変わらない。

このとき導波板８に光ファイバとは異なる熱膨張率の部材を用いた場合、温度変化により受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２が受けるブラッグ波長変化は異なる。このため弾性波検出に必要な受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２の反射光分布が交差する条件が崩れる恐れがある。光ファイバと同じ熱膨張率を有する部材を導波板８に用いた場合、温度変化に伴う両者が受けるブラッグ波長変化は同じで、弾性波検出感度を保つことができる。

上述したように導波板８に受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２を取り付けた場合、被検体７が受けるひずみ変化は受信部、およびフィルタ部ＦＢＧ２のブラッグ波長に全く影響を与えない。また温度変化が生じても導波板８に光ファイバと同じ熱膨張率を有する部材を用いることで、受信部、およびフィルタ部ＦＢＧ２のブラッグ波長は同様に変化することになる。つまり被検体７が受ける温度やひずみ変化に関係なく弾性波検出に必要な両反射光分布が交差する条件を崩すことがなく、弾性波検出感度を保つことができる。

また、受信部ＦＢＧ１が受けるひずみや温度変化が微小で、両反射光分布が交差する条件を崩さない場合は、導波板８を介さず、図２８に示すように、受信部ＦＢＧ１を、接着剤によって被検体７に固定することで局所的残留ひずみを与えた状態で、フィルタ部ＦＢＧ２とともに、直接、被検体７に取り付ける構成としてよい。

構造例４：
被検体７よりも音速の低い材料を被検体７表面に水などのカップラントを介して接触させると弾性波の導波板８として機能する（特開２００６−１３２９５２号公報）。また、被検体７との音速の大小に関わらず板厚を薄くしていくと導波板８として機能する。

例えば、図４（ｄ）に示すように導波板８に二つの個別のＦＢＧを、受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２として、図３に示すように、二つのＦＢＧの反射光分布が交差するように接着させる。このような受信部ＦＢＧ１を貼り付けた導波板８は被検体７の任意の箇所に取り付けることが出来、可動式弾性波検出部として機能する。

なお、温度変化を受けても受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２の反射光分布が交差する条件を崩さないような光ファイバと同じ熱膨張率を有する部材を導波板８として用いた場合は、フィルタ部ＦＢＧ２を導波板８へ未接着とする取り付け構造も可能である。

局所的残留ひずみを与えて交差する反射光分布を持たせた受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２を、図２９に示すように貼り付けた導波板８は、温度変化が微小で反射光分布が交差する条件が崩れない場合、または導波板８に光ファイバと同じ熱膨張率の部材を用いることにより、可動式弾性波検出部として機能する。

受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２の被検体７または導波板８への取り付けの際、受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２に広帯域光を入射し、光スペクトルアナライザを用いて受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２からの反射光分布の交差状況を確認しながら作業することが好ましい。

構造例５：
受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２を同じ温度を受けるように被検体７に取り付けることで、被検体７の可聴域振動や変形によるひずみを計測することが可能である。受信部ＦＢＧ１と同じ温度変化をフィルタ部ＦＢＧ２に与え、被検体７が受けるひずみを受信部ＦＢＧ１に伝えるための構造例として、図５（ａ）、（ｂ）のように被検体７の二点を光ファイバと同じ熱膨張率の部材で接続し、その接続部材にＦＢＧ受信部のみを接着させ、フィルタ部ＦＢＧ２は受信部と同じ温度を受ける範囲に設置する。

なお、図５（ａ）は、受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２は、それぞれ個別のＦＢＧで構成されている。図５（ｂ）は、受信部ＦＢＧ１に局所的残留ひずみを導入することで、受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２が、単一ＦＢＧで構成され、単一ＦＢＧに二つの機能を持たせた検出部を表している。

また、温度変化を無視しても良い場合は、導波板８を介することなく、図３０に示すように、被検体７表面または内部に、受信部ＦＢＧ１を取り付けることで振動、ひずみ計測が可能である。

構造例６：
振動・ひずみ検出部として導波板８を介さず図５（ｃ）に示すように直接、受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２を取り付けることも可能である。受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２を被検体７の異なる箇所に貼り付ける。このとき両ＦＢＧは同じ温度を受けるように設置する。受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２の貼り付け箇所におけるひずみの差を測定することができる。なお、図４と図５は、共通する構造が示されているが、図４はすべて弾性波計測用のセンサ構造であり、図５はすべてひずみ・振動計測用のセンサ構造である。

二つのＦＢＧを受信部とフィルタ部に用いる場合、フィルタ部ＦＢＧ２のグレーティング長を受信部ＦＢＧ１と比較して短くする、またはフィルタにチャープＦＢＧを用いることで図６のように受信部の反射特性と比較して広い波長域の反射特性をフィルタ部ＦＢＧ２に持たせることができる。

図６のように受信部の反射特性と比較して広い波長域の反射特性をフィルタ部ＦＢＧ２に持たせた場合、受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２からの反射光強度は受信部ＦＢＧ１のブラッグ波長におけるフィルタ部ＦＢＧ２の反射率の高さに比例することになる。

したがって、受信部ＦＢＧ１のひずみ変化に伴うブラッグ波長変化を受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２からの反射光強度として検出することができることから、図６のような光学特性を有する二つのＦＢＧの組み合わせは振動・ひずみ検出センサとして機能することになる。このようなセンサにおいては反射特性の異なるＦＢＧの組み合わせることで振動・ひずみ測定が可能なひずみ範囲を制御することができる。

ＦＢＧの一部を被検体７に接着剤で貼り付けて、ＦＢＧに局所的残留ひずみを導入して反射特性に二つのピークを持たせることで、１つのＦＢＧに、受信部とフィルタ部の二つの機能を持たせ、被検体７を伝搬する弾性波を検出した実験を実施例１として以下説明する。

この実施例１の振動又は弾性波検出装置を図７に示す。この実施例１では、弾性波を伝搬させる被検体７としてアルミ板を用い、ＦＢＧの半分の長さの部分を接着材で被検体７に固定させて受信部ＦＢＧ１とし、残りの非接着のＦＢＧをフィルタ部ＦＢＧ２とした。超音波発振子９には信号発生器１０から超音波励起信号が送られ、超音波発振子９から被検体７に超音波を伝搬させるような構成とした。

一方、広帯域光源３からの広帯域光を光サーキュレータ４を通して受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２に入射し、受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２からの反射光は、光サーキュレータ４を通して光電変換器５に送られ、そこで反射光強度は電気信号に変換される構成とした。そして、光電変換器５出力は、信号増幅器１１、電気信号フィルタ１２を通して信号収録・表示装置６に送られる構成とした。

被検体７を伝搬する超音波は被検体７と接着している受信部ＦＢＧ１を通過し、受信部ＦＢＧ１の反射光分布は超音波振動に同期して振動することになる。一方、フィルタ部ＦＢＧ２の反射光分布は超音波の影響を受けず固定されていることから、図３を用いて説明したように光電変換器５出力が超音波振動に同期して変化することになる。

この実施例１では、超音波検出感度が最大になるように被検体７であるアルミ板にひずみを与えることで、受信部ＦＢＧ１にひずみを与え、超音波検出感度が最大となるように受信部ＦＢＧ１の反射特性を制御した。

図８に、被検体７に接着する前の受信部ＦＢＧ１反射特性と、実施例１のようにＦＢＧの一部を接着し超音波検出感度が最大となった場合の受信部とフィルタ部の二つの機能を持たせたＦＢＧ反射特性を、比較して示す。被検体７に接着する前の反射光分布には一つの反射光ピークが存在した。被検体７にＦＢＧの一部を接着した場合は、接着部にひずみを与えることにより、接着部である受信部ＦＢＧ１と非接着部であるフィルタ部ＦＢＧ２からの２つの反射ピークが現れた（図８参照）。

受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２の反射光分布を模式図で示すと、図９のように表すことができる。反射率の高さ、つまり反射光強度が異なるのは受信部とフィルタ部のグレーティング長さが異なっていることに起因していると考えられる。

被検体７を伝搬した超音波を、図７に示すような振動又は弾性波検出装置で検出した応答信号を、図１０に示す。尚、超音波応答波形収録においては、５１２回の平均化処理を行った。図１０の一番下にフィルタ処理を行わなかった場合の応答波形を示す。試験時間０ｍｓ以降から現れる信号が超音波に対する応答である。

この未フィルタ処理信号の周波数成分強度を調べた結果を図１１に示す。この場合、４００ｋＨｚ以下に高い周波数成分強度が現れた。そこで電気信号フィルタを用いて低周波通過処理を行った。１００から５００ｋＨｚまでの低周波通過処理を行った応答波形を図１０の上５つに示す。このように電気信号フィルタによるフィルタ処理を施すことで、この振動又は弾性波検出装置を用いてさらに明確な超音波応答の検出が可能になった。

材料の破壊に伴い発生するＡＥの検出を模擬することを目的に、シャープペンシル芯の圧折時に発生するＡＥを検出した実験を実施例２として説明する。用いた振動又は弾性波検出装置は、図７において超音波発振子の代わりにシャープペンシル芯の圧折を被検体７上で行い、被検体７に擬似ＡＥを伝搬させた。

それ以外は、図７と同じ振動又は超音波検出装置を用いている。ただし偶発的に生じる材料破壊に伴うＡＥ信号の検出を模擬しているため、応答波形収録において平均化処理は行っていない。

図１２にシャープペンシル芯圧折時の擬似ＡＥ応答波形を示す。図１２の一番下が電気信号フィルタ１２によるフィルタ処理を行わなかった場合の応答波形である。ノイズに埋もれて擬似ＡＥが検出できたのか識別できない。

この未フィルタ処理波形の周波数成分強度を図１３に示す。平均化処理を行っていないこの応答波形にはノイズ成分が多く含まれ、広い周波数特性が現れた。しかし、一般に破壊発生に伴うＡＥは数１００ｋＨｚ以下の帯域を計測すれば破壊検知には十分である。そこでペンシル芯圧折時の応答信号を５０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、および２００ｋＨｚをカットオフ周波数として低周波通過フィルタ処理した。

それらの結果を図１２の上３つのグラフに示す。このように低周波通過フィルタ処理を施すことで高周波ノイズに埋もれていた擬似ＡＥ信号を本振動又は弾性波検出装置を用いて検出することが可能になった。

実施例１および実施例２で説明した振動又は弾性波検出装置では、一つのＦＢＧに局所的残留ひずみを与えることで弾性波検出可能な受信部とフィルタ部ＦＢＧ２の反射光分布が交差する図８のような反射光分布を持たせている。

このような特徴を有する反射特性は、上記構造例１〜４として示したＦＢＧの取り付け構造でも実現できることから、これらの取り付け構造により、同様に弾性波検出が可能である。

被検体７に局所的残留ひずみを導入したＦＢＧを貼り付けて、振動を計測した実験を実施例３として説明する。用いた振動又は弾性波検出装置は、図１４に示すようにＦＢＧ１３の約半分の長さを接着材１４で被検体７の表面に貼り付け、残りは被検体７と接着させずにひずみを与えない状態にした。

接着部のＦＢＧは、被検体７と同じひずみを受けることから受信部ＦＢＧ１として機能し、非接着部のＦＢＧは、接着部ＦＢＧのひずみに伴うブラッグ波長の変動を反射光強度に変換するフィルタ部ＦＢＧ２としての役割を果たすことになる。

広帯域光は、光サーキュレータ４を通して、受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２に入射され、受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２からの反射光は、光サーキュレータ４を介して、光電変換器５に入射され、光強度は、電気信号に変換されて信号収録・表示装置６に保存される。

被検体７を、図１４のように片持ち梁として、自由端に曲げ負荷を与えて自由振動させたときの光電変換器５出力を収録した。また参照のためひずみゲージを受信部ＦＢＧ１（接着部１４）の隣に貼り付けて、ひずみも同時に収録した。

片持ち梁の自由振動時における光電変換器５出力とひずみゲージから測定されたひずみを図１５に示す。試験開始の曲げ負荷を与えた際の引っ張りひずみの増加に伴い、光電変換器５出力は、あるひずみを超えてから増加率が低下し、最大引っ張りひずみ時に最大出力を示した。

その後、自由振動により引張り−圧縮が周期的に現れるひずみ変化に対して、試験時間約５秒までの光電変換器５出力は、周期的なひずみ変化とは同期しない応答挙動を示した。しかしそれ以降は、ひずみ変化と一致する周期的な光電変換器５出力が観察された。

周期的なひずみ変化と同期しない光電変換器５出力が現れた時点の応答を、図１６に拡大して示す。光電変換器５出力の極大点は、ひずみの極大、または極小点に対応する。また、光電変換器５出力の極小点は３０マイクロひずみ程度の圧縮ひずみを受けるときである。

このような光電変換器５出力−ひずみ関係から、ひずみに伴う受信部ＦＢＧ１、およびフィルタ部ＦＢＧ２の反射光分布変化は、次のように考えられる。尚、図３を用いて説明したように受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２からの反射光強度はそれぞれの反射光分布曲線で囲まれる面積に比例する。

無ひずみの状態では、図１８（ｃ）のように受信部ＦＢＧ１のブラッグ波長がフィルタ部ＦＢＧ２のそれよりも長波長側にあり、両者の反射光分布は交差していた。そして圧縮を受けると、図１８（ｄ）のように、受信部ＦＢＧ１のブラッグ波長が低周波側にシフトした。

このとき、両反射光分布曲線で囲まれる面積が同１８（ｃ）の場合と比較して減少することから、反射光強度は低下した。そして３０マイクロひずみ程度の圧縮を受けると受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２からの反射光分布が重なり合う図１８（ｅ）の反射分布に移行し、反射光強度は極小になった。

さらに圧縮を受けると図１８（ｆ）のように受信部ＦＢＧ１のブラッグ波長がフィルタ部のそれよりも低波長側にシフトし、反射光分布が重なり合う面積が増加することから反射光強度は増加した。その後、圧縮ひずみから引張りひずみに転じるようになると、二つの反射光分布は図１８（ｆ）から図１８（ｂ）へと変化した。そして圧縮の場合と同様に引張りひずみの極大点で反射光強度は極大になった。

ひずみと光電変換器５出力が同期して周期的変化を示した時点の両応答挙動を図１７に拡大して示す。この振動における受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２の反射光分布の位置関係は図１８（ｂ）から図１８（ｄ）の範囲で変化したと考えられる。

また、曲げによる引張りひずみを最初に与えた試験時間２秒付近でひずみが線形に増加しているときに、光電変換器５出力増加率が低下した理由は次の通りである。受信部ＦＢＧ１が大きな引張りひずみを受けると図１８（ａ）のように理想的には受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２からの反射光分布は分離されるべきである。

しかし、この実施例３では、一つのＦＢＧの半分を受信部ＦＢＧ１、残りをフィルタ部ＦＢＧ２とする構成であった。このような構成では、受信部ＦＢＧ１が大きな引張りひずみを受けたときに実際に得られる反射光分布は、図１９の３００マイクロ引っ張りひずみを与えたときの反射光分布のように受信部ＦＢＧ１、およびフィルタ部ＦＢＧ２の反射ピークは離れているが、反射強度の低い領域では両分布は分離せずに交差している。

そして、さらに大きなひずみを与えた４００マイクロ引っ張りひずみでは、受信部ＦＢＧ１、およびフィルタ部ＦＢＧ２に対応する大きな反射光分布が長波長側、および短波長側に存在するが、その中間に小さな反射ピークが現れている。このように一つのＦＢＧで受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２を構成する場合は、大きなひずみを受けたとき、反射光分布が完全に分離せずに、反射光強度の低い領域が拡がっていくことになる。

このように、反射光強度の低い領域の拡がりをもたらすような大きな引張りひずみの領域では、ひずみの増加に伴い光電変換器５出力は増加率を下げながらも増加することになる。受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２を個別のＦＢＧで構成した場合、大きなひずみを受けると反射光分布は完全に分離し、光電変換器５出力は飽和すると考えられる。

このような実験結果から、次のことが言える。受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２を個別のＦＢＧで構成し、受信部ＦＢＧ１のブラッグ波長がフィルタ部ＦＢＧ２のそれよりも長波長側にある場合を考える。受信部ＦＢＧ１が圧縮を受けてフィルタ部ＦＢＧ２のブラッグ波長よりも低波長側にシフトすると、振動に対する応答の位相が反転する。

また、逆に受信部ＦＢＧ１が引っ張りを受けて受信部ＦＢＧ１のブラッグ波長が長波長側にシフトして、受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２の反射光分布が完全に分離したとき、光電変換器５出力は飽和する。ここでは、受信部ＦＢＧ１のブラッグ波長がフィルタ部ＦＢＧ２のそれよりも長波長側にある場合を挙げたが、逆の関係でも同様なことが言える。

ひずみがある値を超えたかどうかを判別したい場合、そのひずみからもたらされる受信部ＦＢＧ１のブラッグ波長シフト量を無ひずみ状態における受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２のブラッグ波長差に設定する、または受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２の反射光分布が完全に分離するように設定する。

受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２のひずみ測定対象物（被検体７）への取り付け時に、受信部ＦＢＧ１に与える残留ひずみを制御すること、また反射特性の異なる受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２を用いることで、受信部ＦＢＧ１とフィルタ部ＦＢＧ２とのブラッグ波長差や反射光分布が分離するための波長差を容易に制御することができる。

このような反射特性を有するＦＢＧを用いることで、しきい値となるひずみ以下では振動によりもたらされるひずみと同期した光電変換器５出力が得られる。そして、しきい値以上のひずみが生じると、光電変換器５出力に位相反転挙動（図１６参照）や飽和が現れることになり、過ひずみが加わったことを識別することができる。

実施例３の振動又は弾性波検出装置による、ひずみ、振動測定では一つのＦＢＧに局所的残留ひずみを与えて二つのピークを持つ反射光分布を持たせている。このような特徴を有する反射特性は課題を解決するための上記構造例５および構造例６に記載したＦＢＧの取り付け構造でも実現できることから、これらの取り付け方により同様にひずみ、振動測定が可能である。

ここで記載したＡＥ、超音波検出、またはひずみ・振動計測を多点で行う場合は、図２０、２１に示したシステムにより受信部ＦＢＧ１が受信するＡＥ、超音波、ひずみ・振動を多点同時計測することが可能であると考えられる。

広帯域光を１×Ｎカップラで分岐し、分岐された広帯域光をそれぞれの受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２に入射し、その反射光、または透過光強度を光電変換器５で電気信号に変換し、信号収録・表示装置６に出力するシステムである。

受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２の透過光強度と反射光強度の変化は、位相反転の関係にあることから、図２１に示したようなＦＢＧの透過光強度を測定する場合でも、反射光強度を測定する図２０と同様な検出が可能と考えられる。

図２２および図２３に示すシステムのように受信部、およびフィルタ部ＦＢＧ２への広帯域光の入射を光スイッチにより選択することによりＡＥ、超音波、振動計測を行いたいＦＢＧを選択することができる。

受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２からの透過光と反射光強度の変化は、位相反転の関係にあるので、図２４のように受信部ＦＢＧ１およびフィルタ部ＦＢＧ２からの透過光と反射光の両方を光電変換器５に入射し、どちらかの光電変換器５の位相を反転させて合成することで弾性波応答や振動に対する応答信号の信号ノイズ比を改善することができる。さらに、参考文献（Tsudaら、Composites Science and Technology 2007 Vol.67 p.1353-1361）に記した方法を用いてひずみを定量評価することができる。

図２５のように一本の光ファイバ上に反射波長域の異なる複数の受信部、およびフィルタ部ＦＢＧ２を設け、これらの反射波長域をカバーする広帯域光を入射して、その反射光を光分波器を用いてそれぞれのＦＢＧからの反射光のみを光電変換器５に入れることにより、多点同時にＡＥ・超音波検出、またはひずみ・振動計測を行うことができる。

以上、本発明に係る振動又は弾性波検出装置の最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は、このような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。

本発明に係る振動又は弾性波検出装置は、上記構成のとおりであるから、構造物が運用中に受ける振動やひずみを測定することで、構造物が異常な稼働状況に置かれていないかを判断することができる。また材料が破壊するときにはアコースティック・エミッション（ＡＥ）が発生することから、ＡＥを検出することにより構造物の破損を検知することができる。また超音波を利用して材料・構造物の損傷状態を非破壊で検査することができる。

広帯域光を利用した従来のＦＢＧセンサ弾性波検出システムの構成図である。 広帯域光を利用した本発明に基づくＦＢＧセンサ弾性波検出システムの構成図である。 本発明に基づき、受信部ＦＢＧがひずみを受けた場合の受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの反射特性を表した図である。 本発明に基づいた弾性波検出のための受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの構成例を示した図である。 本発明に基づいた振動・ひずみ検出のための受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの構成例を示した図である。 異なる反射特性を有する受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧを組み合わせた場合の反射特性模式図である。 本発明に基づき単一ＦＢＧから受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧを構成させ、超音波検出した実験、実施例１におけるシステム構成を示した図面である。 単一ＦＢＧの一部を被検体に接着させることにより受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧを構成させたことによる反射スペクトルの変化を示した図です。 受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの反射特性を模式的に示した図である。 実施例１における超音波応答波形を示した図である。 実施例１において収録した未フィルタ処理波形の周波数解析結果を示した図である。 実施例２における擬似ＡＥ検出波形を示した図である。 実施例２において収録した未フィルタ処理波形の周波数解析結果を示した図である。 実施例３において用いた実験システムの構成図である。 実施例３における片持ち梁自由振動時の光電変換器出力およびひずみゲージ出力を示した図である。 実施例３において周期的なひずみ変化と同期しない光電変換器出力が現れた時点の応答を拡大した図である。 実施例３において周期的なひずみ変化と同期した光電変換器出力が現れた時点の応答を拡大した図である。 実施例３におけるひずみ変化に伴う受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの反射特性変化を示した図である。 単一ＦＢＧから構成される受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧにおいて引張りひずみを印加し続けた場合の反射特性変化を示した図である。 多点同時にＡＥ・超音波検出、またはひずみ・振動計測を行うためのシステム構成例（その１）を示した図である。 多点同時にＡＥ・超音波検出、またはひずみ・振動計測を行うためのシステム構成例（その２）を示した図である。 多点に取り付けたＦＢＧセンサを選択してＡＥ・超音波検出、振動・ひずみ計測を行うためのシステム構成例（その１）を示した図である。 多点に取り付けたＦＢＧセンサを選択してＡＥ・超音波検出、振動・ひずみ計測を行うためのシステム構成例（その２）を示した図である。 応答信号の信号ノイズ比を改善するためにＦＢＧの反射光および透過光を合成するためのシステム構成図である。 一本の光ファイバ上に複数のＦＢＧを配置して、多点同時にＡＥ・超音波検出、またはひずみ・振動計測を行うためのシステム構成例を示す図である。 実施例１の第１の手段を説明する図である。 実施例１の第２の手段を説明する図である。 実施例１の構造例３を説明する図である。 実施例１の構造例４を説明する図である。 実施例１の構造例５を説明する図である。

符号の説明

１ 受信部ＦＢＧ
２ フィルタ部ＦＢＧ
３ 広帯域光源
４ 光サーキュレータ
５ 光電変換器
６ 信号収録・表示装置
７ 被検体
８ 導波板
９ 超音波発振子
１０ 信号発生器
１１ 信号増幅器
１２ 電気信号フィルタ
１３ ＦＢＧ
１４ 接着剤

Claims (2)

1. 受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの反射波長域を含む広帯域光を、受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧに入射し、受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの透過光または反射光の強度変化から受信部ＦＢＧが受ける振動又は弾性波を計測する振動又は弾性波検出装置において、
   受信部ＦＢＧがひずみまたは温度変化を受けても受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの反射光分布が常に交差するように受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧを被検体に取り付け、
   一つのＦＢＧに局所的なひずみを導入して反射特性に二つのピークを持たせることで、受信部ＦＢＧとフィルタ部ＦＢＧの二つの機能を一つのＦＢＧに持たせることを特徴とする振動又は弾性波検出装置。
2. 受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの反射波長域を含む広帯域光を、受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧに入射し、受信部ＦＢＧおよびフィルタ部ＦＢＧの透過光または反射光の強度変化から受信部ＦＢＧが受ける振動およびひずみを計測する振動又は弾性波検出装置において、
   受信部ＦＢＧが受ける温度変化をフィルタであるＦＢＧにも等しく受けさせ、
   一つのＦＢＧに局所的なひずみを導入して反射特性に二つのピークを持たせることで、受信部ＦＢＧとフィルタ部ＦＢＧの二つの機能を一つのＦＢＧに持たせることを特徴とする振動又は弾性波検出装置。