JP5197054B2 - ひずみ計測装置及びその計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、FBGセンサを用いてひずみを計測するひずみ計測装置及びその計測方法に関するものである。

一般に、対象物のひずみを計測する場合には種々の温度補償手法を用いた計測手段が使用されており、電気抵抗型の歪みゲージでは計測対象とひずみゲージの線膨張率をあわせることや、ホイーストンブリッジ上で温度補償する等が行われている。また、ひずみゲージの代わりに光ファイバを介してひずみ変化や温度変化を計測するものがある（例えば、特許文献１、２参照）。

また、近年、対象物のひずみを計測する例には、FBG（Fiber Bragg Grating）センサを用いて計測するものがある（例えば、特許文献３参照）。FBGセンサは、ブラッグ波長と呼ばれる特定の波長のみを反射することを特徴としており、ブラッグ波長は計測対象物のひずみと温度の両方の変化に感度を有している。

このようにFBGセンサはひずみ変化と温度変化の両方に感度を有することから、FBGセンサを用いて対象物のひずみを計測する際には、対象物で生じたひずみ変化と共に温度変化を含んだ状態でブラッグ波長に変化を生じる。そのため、FBGセンサによるひずみ計測においては、対象物用のひずみ変化と温度変化の両方によってブラッグ波長が変化するFBGセンサと、対象物の温度変化のみを測定するための温度計測用のFBGセンサとの二つのFBGセンサを備え、対象物用のFBGセンサによるひずみ計測時の温度変化を、温度計測用のFBGセンサで温度補償するように構成している。
特開２００５−１６４３２６号公報 特開２００６−８４２９２号公報 特開２００７−１１４０７２号公報

しかしながら、このように対象物用のFBGセンサと温度計測用のFBGセンサとを備えて温度補償する場合には、FBGセンサの配置等の構造が複雑になると共に、FBGセンサの使用個数が増加して製造コストが増加するという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、温度計測専用のFBGセンサを備えることなく温度補償を行えるFBGセンサ用のひずみ計測装置及びその計測方法を提供することを目的としている。

本発明は、FBGセンサを配置する光ファイバと、該光ファイバへ光を連続的に出力し且つ前記FBGセンサのブラッグ波長範囲を含む広帯域の光源と、前記FBGセンサのブラッグ波長で発生した反射光を分離する光サーキュレータと、前記反射光を連続的に処理する処理手段とを備え、
前記処理手段は、
FBGセンサからのブラッグ波長のシフト量の時間履歴データを取得するデータ計測部と、
該データ計測部の時間履歴データから、特定時刻のブラッグ波長シフト信号時間データと、該特定時刻の時間的に前とさらに後に取得したブラッグ波長シフト信号時間データとを保持するデータ保持部と、
該データ保持部に保持された、特定時刻のブラッグ波長シフト信号時間データと、該特定時刻の時間的に前とさらに後に取得したブラッグ波長シフト信号時間データとの集合から移動平均値を演算する平均値演算部と、
前記特定時刻に前記データ計測部で計測されたブラッグ波長シフトデータから、前記平均値演算部で演算された移動平均値を減算する温度補償演算部と、
該温度補償演算部からの出力データを用い、温度補償されたひずみを計測するひずみの演算部と備えたことを特徴とするひずみ計測装置、に係るものである。

本発明のFBGセンサ用のひずみ計測装置において、前記処理手段は、前記データ計測部で計測される毎時のデータで前記特定時刻を連続的に更新するように構成されることが好ましい。

本発明は、FBGセンサを配置する光ファイバと、該光ファイバへ光を連続的に出力し且つ前記FBGセンサのブラッグ波長範囲を含む広帯域の光源と、前記FBGセンサのブラッグ波長で発生した反射光を分離する光サーキュレータと、前記反射光を連続的に処理する処理手段とを備えるひずみ計測方法であって、
前記処理手段は、
FBGセンサからのブラッグ波長のシフト量の時間履歴データをデータ計測部により取得する段階と、
該データ計測部の時間履歴データから、特定時刻のブラッグ波長シフト信号時間データと、該特定時刻の時間的に前とさらに後に取得したブラッグ波長シフト信号時間データとをデータ保持部により保持する段階と、
該データ保持部に保持された、特定時刻のブラッグ波長シフト信号時間データと、該特定時刻の時間的に前とさらに後に取得したブラッグ波長シフト信号時間データとの集合から平均値演算部により移動平均値を演算する段階と、
前記特定時刻に前記データ計測部で計測されたブラッグ波長シフトデータから、前記平均値演算部で演算された移動平均値を、温度補償演算部により減算する段階と、
該温度補償演算部からの出力データを用い、ひずみの演算部により温度補償されたひずみを計測する段階と備えたことを特徴とするひずみ計測方法、に係るものである。

本発明のFBGセンサ用のひずみ計測方法において、前記処理手段は、前記データ計測部で計測される毎時のデータで前記特定時刻を連続的に更新することが好ましい。

上記した本発明のひずみ計測装置及びその計測方法によれば、ひずみ変化に対して温度変化が時間的に十分にゆっくりとした変化であることの違いを利用することにより、ブラッグ波長の長時間の移動平均量を算出して温度変化に相当するブラッグ波長の変化量を求め、温度変化計測専用のFBGセンサを用いることなく、ひずみと温度変化の両方を計測するFBGセンサにより、温度補償されたひずみを計測し得ると共に、FBGセンサの使用個数を減らして製造コストを低減することができるという種々の優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
図１〜図５は本発明のひずみ計測装置及びその計測方法を実施する形態例である。

FBGセンサ用のひずみ計測装置は、対象物（図示せず）の複数個所に配置された複数のFBGセンサ１と、複数のFBGセンサ１を連ねるように配置する光ファイバ２と、光ファイバ２へ光を連続的に出力する光源３と、FBGセンサ１のブラッグ波長で発生した反射光を分離する光サーキュレータ４と、反射光を処理する処理手段５とを備えている。

光ファイバ２は、光源３から光サーキュレータ４へ入射光を導波する第一の光ファイバ部２ａと、光サーキュレータ４からFBGセンサ１へ入射光を導波する第二の光ファイバ部２ｂと、光サーキュレータ４から分岐してFBGセンサ１からの反射光を処理手段５へ導波する第三の光ファイバ部２ｃとを備えている。

FBGセンサ１は、光ファイバ２のコア部分に光軸方向に沿って一定の間隔で回折格子を形成しており、検査対象のひずみや温度変化により反射波長を変化させ、検査対象のひずみ変化及び温度変化を検出するようになっている。

光源３は、第一の光ファイバ部２ａへ光を連続的に出力する広帯域のものが適用されている。

光サーキュレータ４は、光ファイバ２の入射光または反射光による導波の方向を制御するように構成されており、具体的には、光源３からの入射光を第二の光ファイバ部２ｂへ導波させると共に、FBGセンサ１からの反射光を第三の光ファイバ部２ｃへ導波させるようになっている。

処理手段５は、図２に示す如く、反射光の信号データを受けて時間履歴データを取得するデータ計測部６と、データ計測部６に接続されて時間履歴データを受けるデータ保持部７と、データ保持部７に接続される平均演算処理部８と、データ計測部６及び平均演算処理部８に接続される温度補償演算部（演算部）９と、温度補償演算部９に接続されてブラッグ波長のシフト量からひずみを求める演算部１０とを備えている。

以下本発明のFBGセンサ用のひずみ計測装置及びその計測方法を実施する形態例の作用を説明する。

対象物について、ひずみを計測する際には、初めに、広帯域の光源３から計測光を光ファイバ２の第一の光ファイバ部２ａへ連続的に照射し、計測光（入射光）を光サーキュレータ４により第二の光ファイバ部２ｂへ透過し、対象物の計測部位から物理量の信号を発するようにFBGセンサ１でブラッグ波長の反射光を発生させる。次に、FBGセンサ１によりブラッグ波長の反射光を発生させた後には、反射光が、光ファイバ２の第二の光ファイバ部２ｂを通じて光サーキュレータ４により反射光を分離して第三の光ファイバ部２ｃを介して処理手段５へ入射する。

処理手段５では、データ計測部６で反射光の信号データを時間毎に計測してブラッグ波長のシフト量の時間履歴データを取得し、時間履歴データを温度補償演算部９に送ると共にデータ保持部７に送り（ステップＳ１，Ｓ２）、データ保持部７では、時間履歴データから、ブラッグ波長変化信号時間データ（ブラッグ波長データ）と、該信号時間データの前後に取得した前後時間のブラッグ波長変化信号時間データ（ブラッグ波長データ）とを保持し、さらにブラッグ波長変化信号時間データと、前後時間のブラッグ波長変化信号時間データとを平均値演算部８へ送り（ステップＳ３）、平均値演算部８では、ブラッグ波長変化信号時間データ及び前後時間のブラッグ波長変化信時間号データから、十分に長い時間でのブラッグ波長の移動平均量（温度変化に相当するブラッグ波長の変化量）を求め、移動平均量のデータを温度補償演算部９へ送り（ステップＳ４）、温度補償演算部９では、データ計測部６によるブラッグ波長変化信号時間データ（ブラッグ波長の時間履歴）から移動平均量を減算してブラッグ波長の温度による変化量を補償し、さらに、この補償したブラッグ波長変化信号時間データを演算部１０へ送り（ステップＳ５）、演算部１０では、温度補償したブラッグ波長変化信号時間データ（ブラッグ波長のシフト量）から所定の制御プログラム（関数処理）を介して対象物のひずみ変化を求める。

また、温度による変化量（温度変化に相当するブラッグ波長の変化量）を補償するデータ処理を具体的な他の例で説明すると、データ処理は、図３に示す如く、データ計側部で時刻（ｔｂ）に計測したブラッグ波長変化信号時間データ（図３ではＢ０）と、十分にゆったりとした時間の時刻幅（ｔｂ−２からｔｂ２まで）で計測した前後時間のブラッグ波長変化信号時間データ（図３ではＢ−２，Ｂ−１，Ｂ１，Ｂ２）とから移動平均処理して移動平均量Ｃを求め、更にブラッグ波長変化信号時間データＢ０から移動平均量Ｃを減算し（図３ではＤ０＝Ｂ０−Ｃ）、温度による変化量を補償する。

ここで、FBGセンサ１で検出されるブラッグ波長のシフト量は、Δλ＝αΔＴ＋βΔＺ（Δλ：シフト量、ΔＴ：温度による変化量、ΔＺ：ひずみ量、α、β：定数）で示されるように、温度による変化量とひずみ量が互いに関連することなく、シフト量に対して別個独立に影響すると共に、温度による変化量は、ひずみ量の変化時間と同程度の時間で変化することがなく、ひずみ量の変化時間に対して十分にゆっくりとした時間で変化することから、本発明の装置及び方法では、測定点数を増やすように時間分解能を高め、温度変化とひずみ変化とを分離し得るようにしている。

また、対象物をFBGセンサ１で測定する際には、例えば、ひずみが一秒より小さい時間で変化するような条件で温度変化が数10秒で変化する場合には、ブラッグ波長の移動平均量を算出する際に、少なくとも10秒以上でブラッグ波長変化信号時間データの移動平均量を算出するように前後時間幅を設定する。

ここで、具体的な測定結果として温度補償が無い場合と温度補償が有る場合とを示すと、対象物を回転体とし、FBGセンサ１によりブラッグ波長を測定した際のひずみ履歴で、図４に示す如く温度補償が無い場合（図４の仮想線）には、回転体の発熱等により１周期ごとのピークの上端位置が時間経過に伴って徐々に上昇し、ひずみ変化に対して温度変化の影響があることが明らかであり、一方、本発明の温度補償が有る場合（図４の実線）には、他の条件が同じであっても、１周期ごとのピークの上端位置が時間経過にかかわらず、ほぼ一定範囲内であり、ひずみ変化に対して温度変化の影響がないことが明らかである。更に、ピークの上端位置の履歴を示すひずみ最大履歴において、図５に示す如く従来例の如く温度補償が無い場合（図５の仮想線）には時間経過に伴って平均値が徐々に上昇し、ひずみ変化に対して温度変化の影響があることが明らかであり、一方、本発明の温度補償が有る場合（図５の実線）は、他の条件が同じであっても、時間経過にかかわらず、平均値がほぼ一定範囲内であり、ひずみ変化に対して温度変化の影響がないことが明らかである。

而して、このように実施の形態例によれば、ひずみ変化に対して温度変化が時間的に十分にゆっくりとした変化であることの違いを利用することにより、ブラッグ波長の長時間の移動平均量を算出して温度変化に相当するブラッグ波長の変化量を求め、温度変化に相当するブラッグ波長の変化量のみを計測するためのFBGセンサ１（温度変化計測専用のFBGセンサ）を用いることなく、ひずみと温度変化の両方を計測する最低１つのFBGセンサにより、温度補償されたひずみを計測し得ると共に、FBGセンサの使用個数を減らして製造コストを低減することができる。また、対象物の測定は、回転体にFBGセンサ１を配置してひずみ変化を測定するもので良いし、コンクリート等にFBGセンサ１を埋設してひずみ変化を測定するものでも良いし、FBGセンサ１を配置することができ且つひずみ変化を生じるものならば特に制限されるものではない。

実施の形態例において、処理手段５は、データ計測部６でFBGセンサ１で生じた反射光からブラッグ波長のシフト量の時間履歴データを取得し、次にデータ保持部７により、時間履歴データから、ブラッグ波長変化信号時間データと、信号時間データの前後に取得した前後時間のブラッグ波長変化信号時間データとを保持し、更に、平均演算処理部８により、ブラッグ波長変化信号時間データ及び前後時間のブラッグ波長変化信号時間データから、前記ブラッグ波長変化信号時間データの時間よりも十分に長い時間でのブラッグ波長の移動平均量を求め、また温度補償演算部９で反射光のブラッグ波長変化信号時間データから移動平均量を減算すると、移動平均処理により温度による変化量を容易且つ好適に算出するので、容易に温度補償し得ると共に、FBGセンサ１の使用個数を減らして製造コストを低減することができる。

また、実施の形態例において、対象物を回転体とした場合、対象物をFBGセンサ１で測定する際のサンプリング周波数は回転体の回転数の10倍以上であると共に、ブラッグ波長の移動平均量を算出する際のブラッグ波長変化信号時間の前後時間幅は回転体が10回以上回転する時間であると、温度による変化量を最適に算出することができる。ここで、対象物をFBGセンサ１で測定する際のサンプリング周波数が回転体の回転数と同等の場合には、ブラッグ波長変化を詳細集録できないという問題があり、対象物をFBGセンサ１で測定する際のサンプリング周波数が高すぎると、データ点数が多すぎて移動平均計算処理時間の負荷が大きく、即時性のある信号の監視ができなくなるという問題がある。また、ブラッグ波長の移動平均量を算出する際のブラッグ波長変化信号時間の前後時間幅が回転体の回転数と同等の場合には、対象物の温度変化を抽出できず、温度による変化量を算出することができないという問題があり、ブラッグ波長の移動平均量を算出する際のブラッグ波長変化信号時間の前後時間幅が回転体の数万回転分のように大きい場合には、移動平均量を出すためのデータ量が増大すると共に温度による変化量が大きくなり過ぎ、移動平均量を減算した時のデータ差にばらつきを生じるという問題があり、ブラッグ波長変化信号時間の前後時間幅は回転体の数千回転以下が好ましく、さらに数百回転以下が好ましい。

尚、本発明のFBGセンサ用のひずみ計測装置及びその計測方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態例の構成を示すブロック図である。 処理手段の構成及び処理のフローを示すブロック図である。 移動平均の処理を示す概念図である。 FBGセンサで計測したブラッグ波長であって温度補償有りの場合と温度補償なしの場合とを示すひずみ履歴のグラフである。 FBGセンサで計測したブラッグ波長であって温度補償有りの場合と温度補償なしの場合とを示すひずみ最大値履歴のグラフである。

符号の説明

１ FBGセンサ
２ 光ファイバ
３ 光源
４ 光サーキュレータ
５ 処理手段
６ データ計測部
７ データ保持部
８ 平均演算処理部
９ 温度補償演算部（演算部）

Claims (4)

1. FBGセンサを配置する光ファイバと、該光ファイバへ光を連続的に出力し且つ前記FBGセンサのブラッグ波長範囲を含む広帯域の光源と、前記FBGセンサのブラッグ波長で発生した反射光を分離する光サーキュレータと、前記反射光を連続的に処理する処理手段とを備え、
   前記処理手段は、
   FBGセンサからのブラッグ波長のシフト量の時間履歴データを取得するデータ計測部と、
   該データ計測部の時間履歴データから、特定時刻のブラッグ波長シフト信号時間データと、該特定時刻の時間的に前とさらに後に取得したブラッグ波長シフト信号時間データとを保持するデータ保持部と、
   該データ保持部に保持された、特定時刻のブラッグ波長シフト信号時間データと、該特定時刻の時間的に前とさらに後に取得したブラッグ波長シフト信号時間データとの集合から移動平均値を演算する平均値演算部と、
   前記特定時刻に前記データ計測部で計測されたブラッグ波長シフトデータから、前記平均値演算部で演算された移動平均値を減算する温度補償演算部と、
   該温度補償演算部からの出力データを用い、温度補償されたひずみを計測するひずみの演算部と備えたことを特徴とするひずみ計測装置。
2. 前記処理手段は、前記データ計測部で計測される毎時のデータで前記特定時刻を連続的に更新するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のひずみ計測装置。
3. FBGセンサを配置する光ファイバと、該光ファイバへ光を連続的に出力し且つ前記FBGセンサのブラッグ波長範囲を含む広帯域の光源と、前記FBGセンサのブラッグ波長で発生した反射光を分離する光サーキュレータと、前記反射光を連続的に処理する処理手段とを備えるひずみ計測方法であって、
   前記処理手段は、
   FBGセンサからのブラッグ波長のシフト量の時間履歴データをデータ計測部により取得する段階と、
   該データ計測部の時間履歴データから、特定時刻のブラッグ波長シフト信号時間データと、該特定時刻の時間的に前とさらに後に取得したブラッグ波長シフト信号時間データとをデータ保持部により保持する段階と、
   該データ保持部に保持された、特定時刻のブラッグ波長シフト信号時間データと、該特定時刻の時間的に前とさらに後に取得したブラッグ波長シフト信号時間データとの集合から平均値演算部により移動平均値を演算する段階と、
   前記特定時刻に前記データ計測部で計測されたブラッグ波長シフトデータから、前記平均値演算部で演算された移動平均値を、温度補償演算部により減算する段階と、
   該温度補償演算部からの出力データを用い、ひずみの演算部により温度補償されたひずみを計測する段階と備えたことを特徴とするひずみ計測方法。
4. 前記処理手段は、前記データ計測部で計測される毎時のデータで前記特定時刻を連続的に更新することを特徴とする請求項３に記載のひずみ計測方法。

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