JP5232982B2 - OPTICAL FIBER SENSOR HAVING OPTICAL MARKING PART FOR LOCATION OF OPTICAL FIBER, MEASURING METHOD OF OPTICAL FIBER SENSOR, AND OPTICAL FIBER SENSOR DEVICE - Google Patents

OPTICAL FIBER SENSOR HAVING OPTICAL MARKING PART FOR LOCATION OF OPTICAL FIBER, MEASURING METHOD OF OPTICAL FIBER SENSOR, AND OPTICAL FIBER SENSOR DEVICE Download PDF

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    • G01M11/3172Reflectometers detecting the back-scattered light in the frequency-domain, e.g. OFDR, FMCW, heterodyne detection

Description

本発明は、ファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating ; 以下、FBGと略記する。)をセンサとして、ひずみや温度変化を計測する光ファイバセンサと該光ファイバセンサの計測方法と光ファイバセンサ装置に関し、特にひずみや温度変化が生じた光ファイバ位置を高い空間分解能で特定できる技術に関する。   The present invention relates to an optical fiber sensor that measures strain and temperature change using a fiber Bragg grating (hereinafter abbreviated as FBG) as a sensor, a measuring method of the optical fiber sensor, and an optical fiber sensor device. The present invention relates to a technology capable of specifying the position of an optical fiber in which distortion or temperature change has occurred with high spatial resolution.
光ファイバを用いた温度やひずみなどの物理量を計測するセンサは、長寿命であること、軽量であること、細径かつ柔軟性があるため、狭い空間で使用可能であること、光ファイバが絶縁性であるため、電磁ノイズに強いことなどから、橋梁やビルなどの巨大構造物および旅客機や人工衛星などの航空、宇宙機器の健全性の評価に用いることが期待されている。
これら構造物の健全性評価を行うための光ファイバセンサに求められる性能として、ひずみ分解能が高いこと、多点のセンサを有すること(センシング範囲が広いこと)、リアルタイムで計測できること、などが挙げられる。
Sensors that measure physical quantities such as temperature and strain using optical fibers have a long life, are lightweight, and have a small diameter and flexibility, so they can be used in narrow spaces, and optical fibers are insulated. Therefore, it is expected to be used for the evaluation of the soundness of aerospace equipment such as huge structures such as bridges and buildings, passenger planes and artificial satellites.
The performance required for optical fiber sensors for evaluating the soundness of these structures includes high strain resolution, a multi-point sensor (wide sensing range), and real-time measurement. .
これまで種々の光ファイバセンサが提案されているが、前記要求性能を十分に満たす最も有望なものとしてFBGからなる光ファイバセンサが挙げられる。
FBGとは、光ファイバのコアに周期的な屈折率変化を持たせた光ファイバ型デバイスであり、コアの屈折率変化の周期と実効屈折率によって定まる特定の波長の光を反射する特性を有し、この反射光(ブラッグ反射光と呼ばれる)の波長(ブラッグ波長)は、以下の(1)式で表される。
λ=2neff Λ … (1)式
ただし、(1)式において、λはブラッグ波長、neff は光ファイバの実効屈折率、Λは屈折率変化の周期を示す。
Various optical fiber sensors have been proposed so far, and the most promising one that sufficiently satisfies the required performance is an optical fiber sensor made of FBG.
An FBG is an optical fiber type device in which the core of an optical fiber has a periodic refractive index change, and has a characteristic of reflecting light of a specific wavelength determined by the core refractive index change period and the effective refractive index. The wavelength (Bragg wavelength) of the reflected light (referred to as Bragg reflected light) is expressed by the following equation (1).
λ B = 2n eff Λ (1) where λ B is the Bragg wavelength, n eff is the effective refractive index of the optical fiber, and Λ is the period of the refractive index change.
このFBGにひずみや温度変化などが生じると、これに応じてコアの屈折率変化の周期(主にひずみによる)や実効屈折率(主に温度変化による)が変化し、ブラッグ波長がシフトする。このブラッグ波長のシフト量とひずみ量や温度変化量との関係を予め測定しておくことで、ブラッグ波長のシフト量からひずみや温度変化を計測することができる。このFBGをセンサとする光ファイバセンサには、ブラッグ波長のシフト量を計測する手段の測定精度にもよるが、極めて高い分解能でひずみや温度変化を計測することができる特徴がある。   When strain or temperature changes occur in the FBG, the refractive index change period (mainly due to strain) and effective refractive index (mainly due to temperature change) of the core change accordingly, and the Bragg wavelength shifts. By measuring the relationship between the shift amount of the Bragg wavelength, the strain amount, and the temperature change amount in advance, the strain and temperature change can be measured from the Bragg wavelength shift amount. The optical fiber sensor using the FBG as a sensor has a feature that it can measure strain and temperature change with extremely high resolution, depending on the measurement accuracy of the means for measuring the shift amount of the Bragg wavelength.
また、このFBGからなる光ファイバセンサを用いてひずみや温度変化を計測する手段として、以下の複数の方式が知られている。第1の方式として、1本の光ファイバに対してブラッグ波長の異なる複数のFBGを配置して、全てのFBGのブラッグ反射波長域にわたる測定光を連続的に入射して各FBGからのブラッグ波長シフト量を計測する波長多重(Wavelength Division Multiplexing ; 以下、WDMと略記する。)方式を例示することができ、第2の方式として、1本の光ファイバに対してブラッグ波長がほぼ同一の複数のFBGをある一定距離以上の間隔で配置し、全てのFBGのブラッグ波長域にわたる測定光をパルス状に入射して各FBGからのブラッグ波長光の伝搬遅延時間の差に基づいて各FBGの位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測する時間分割多重(Time Division Multiplexing ; 以下、TDMと略記する。)方式を例示することができ、第3の方式として、1本の光ファイバに対してブラッグ波長がほぼ同一の複数のFBGを任意の間隔で配置して、各FBGからのブラッグ反射光と参照光の周期的変化を利用して各FBGの位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測する光周波数領域反射測定(Optical Frequency Domain Reflectometry ; 以下OFDRと略記する。)方式を例示することができる。   Further, the following methods are known as means for measuring strain and temperature change using an optical fiber sensor made of FBG. As a first method, a plurality of FBGs having different Bragg wavelengths are arranged for one optical fiber, and measurement light over the Bragg reflection wavelength region of all the FBGs is continuously incident, so that the Bragg wavelengths from each FBG are incident. A wavelength division multiplexing (Wavelength Division Multiplexing; hereinafter abbreviated as WDM) method for measuring the shift amount can be exemplified. As a second method, a plurality of Bragg wavelengths that are substantially the same for one optical fiber are used. FBGs are arranged at intervals of a certain distance or more, measurement light over the Bragg wavelength range of all FBGs is incident in pulses, and the position of each FBG is determined based on the difference in propagation delay time of Bragg wavelength light from each FBG. A time division multiplexing (Time Division Multiplexing; hereinafter abbreviated as TDM) method for measuring the shift amount of the Bragg wavelength can be exemplified, and As a method, a plurality of FBGs having substantially the same Bragg wavelength are arranged at an arbitrary interval with respect to one optical fiber, and the periodic change of the Bragg reflected light and the reference light from each FBG is used. An optical frequency domain reflection measurement (Optical Frequency Domain Reflectometry; hereinafter abbreviated as “OFDR”) method for specifying the position and measuring the shift amount of the Bragg wavelength can be exemplified.
これらの計測手段のうち、OFDR方式では、FBGの配置されている光ファイバ位置を特定するとともに、FBG内に生じる分布的なひずみや温度変化を高い空間分解能で計測できる、つまり、FBG長手方向を微小区問に区切り、その区間ごとのひずみや温度変化を計測できるという特徴を有することが非特許文献1に記載されている。この非特許文献1によると、OFDR方式では、FBG長手方向を0.6〜1.6mmの微小区間に区切ってその区間ごとのひずみや温度変化を計測できることを開示している。つまり、OFDR方式ではひずみや温度変化が生じた光ファイバ位置を1mm程度の空間分解能で特定することができる。
また、OFDR方式で広範囲のセンシングを行うには、ほぼ同一のブラッグ波長のFBGを近接して複数配置することで実現できる。非特許文献2によると、OFDR方式では1本の光ファイバに800個のFBGを配置して計測することが可能である。
Among these measuring means, in the OFDR method, the position of the optical fiber where the FBG is arranged can be specified, and the distributed strain and temperature change generated in the FBG can be measured with high spatial resolution. Non-Patent Document 1 describes that it has a feature that it can be divided into minute sections and measure strain and temperature change for each section. According to this Non-Patent Document 1, it is disclosed that the OFDR method can measure the strain and temperature change for each section by dividing the FBG longitudinal direction into minute sections of 0.6 to 1.6 mm. That is, in the OFDR method, the position of the optical fiber where the distortion or temperature change has occurred can be specified with a spatial resolution of about 1 mm.
In addition, in order to perform wide-range sensing by the OFDR method, it can be realized by arranging a plurality of FBGs having substantially the same Bragg wavelength close to each other. According to Non-Patent Document 2, it is possible to measure by placing 800 FBGs in one optical fiber in the OFDR method.
一方、上記で説明したWDM方式やTDM方式では、計測原理上、OFDR方式のようなFBG内に生じる分布的なひずみや温度変化を計測することができない。そこで、1mm程度のグレーティング長からなる複数のFBGを近接して配置し、個々のFBGのブラッグ波長シフト量から分布的なひずみや温度変化を計測する方法を考え得るが、WDM方式では、配置するFBGの個数に制限されるために比較的広範囲のセンシングを行うには、個々のFBG間の距離を数十cm〜数m以上離す必要がある。例えば、光強度の減衰が小さいCバンド帯(1520〜1570nm)を個々のFBGのブラッグ波長に割り当てると、計測するひずみ範囲にもよるが、20個のFBGを配置するのが限界である。また、TDM方式は、測定光のパルス幅に制限されて個々のFBGを2.5m以上離す必要がある。つまり、WDM方式やTDM方式では、1mm程度の空間分解能でひずみや温度変化が生じた光ファイバ位置を特定することができない。なお、上記で説明したWDM方式やTDM方式の計測性能については、非特許文献3に解説されている。   On the other hand, in the WDM method and the TDM method described above, it is impossible to measure distributed strain and temperature change generated in the FBG as in the OFDR method due to the measurement principle. Therefore, a method of arranging a plurality of FBGs each having a grating length of about 1 mm close to each other and measuring distributed strain and temperature change from the Bragg wavelength shift amount of each FBG can be considered, but in the WDM method, it is arranged. In order to perform a relatively wide range sensing because the number of FBGs is limited, it is necessary to separate the distances between the individual FBGs from several tens of cm to several m or more. For example, when the C band band (1520 to 1570 nm) where the attenuation of light intensity is small is assigned to the Bragg wavelength of each FBG, depending on the strain range to be measured, it is the limit to arrange 20 FBGs. Further, the TDM method is limited by the pulse width of the measurement light, and it is necessary to separate individual FBGs by 2.5 m or more. That is, in the WDM system or the TDM system, it is impossible to specify the position of the optical fiber in which distortion or temperature change occurs with a spatial resolution of about 1 mm. Note that the measurement performance of the WDM method and TDM method described above is described in Non-Patent Document 3.
以上説明したとおり、FBGからなる光ファイバセンサをOFDR方式で計測することにより、ひずみや温度変化が生じた光ファイバ位置を1mm程度の高い空間分解能で特定することができるという、従来の光ファイバセンシング技術にはない特徴を提供することができる。
特許第3740500号公報 H. Murayama, H. Igawa, K. Kageyama. K. Ohta, I. Ohsawa, K. Uzawa, M. Kanai, T. Kasai and I. Yamaguchi, "Distributed Strain Measurement with High Spatial Resolution Using Fiber Bragg Gratings and Optical Frequency Domain Reflectometry," Proceedings OFS-18, ThC5 (2006) B. Childers, M. E. Froggatt, S. G. Allison, T, C. Moore, D. A. Hare, C. F. Batten and D. C. Jegley, "Use of 3000 Bragg grating strain sensors distributed on four eight-meter optical fibers during static load tests of a composite structure," Proceed1ings SPIE’s 8 th International Symposium on Smart Structure and Materia1s, Vo1. 4332, pp. 133-142 (2001) 熊谷幸樹,本山寛,田村琢之、小林薫、山本郁夫、森山守, "TDM方式光ファイバセンシングによるトンネル履工のひずみ計測, "第41回光波センシング技術研究会講演予稿集, LST41−22,pp. 145−151(2008)
As described above, by measuring an optical fiber sensor made of FBG by the OFDR method, the position of the optical fiber in which distortion or temperature change has occurred can be specified with a high spatial resolution of about 1 mm. Features that are not in the technology can be provided.
Japanese Patent No. 3740500 H. Murayama, H. Igawa, K. Kageyama. K. Ohta, I. Ohsawa, K. Uzawa, M. Kanai, T. Kasai and I. Yamaguchi, "Distributed Strain Measurement with High Spatial Resolution Using Fiber Bragg Gratings and Optical Frequency Domain Reflectometry, "Proceedings OFS-18, ThC5 (2006) B. Childers, ME Froggatt, SG Allison, T, C. Moore, DA Hare, CF Batten and DC Jegley, "Use of 3000 Bragg grating strain sensors distributed on four eight-meter optical fibers during static load tests of a composite structure, "Proceed1ings SPIE's 8 th International Symposium on Smart Structure and Materia1s, Vo1. 4332, pp. 133-142 (2001) Kouki Kumagai, Hiroshi Motoyama, Yasuyuki Tamura, Jun Kobayashi, Ikuo Yamamoto, Mamoru Moriyama, "Strain measurement of tunnel construction using TDM optical fiber sensing," Proceedings of the 41st Lightwave Sensing Technology Research Group, LST 41-22, pp. 145-151 (2008)
しかしながら、FBGからなる光ファイバセンサを用いてOFDR方式でひずみや温度変化を実際に計測する場面において、いくつかの問題点がある。係る問題点について、図8を用いて以下に説明する。
図8は、FBGからなる光ファイバセンサをOFDR方式で計測し、構造物に生じるひずみを計測する場合の一例を示す概略図である。図8の構造では、構造物100から40m離れた建築物101の屋内に1mmの空間分解能を有するOFDR方式の計測器102を配置し(本計測器の詳細については後記する)、この計測器102に全長40000mm(40m)の光ファイバ103とその先に連設された全長500mmのFBGからなる光ファイバセンサ105を接続している。
However, there are some problems in a scene where strain and temperature change are actually measured by the OFDR method using an optical fiber sensor made of FBG. Such a problem will be described below with reference to FIG.
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating an example of measuring strain generated in a structure by measuring an optical fiber sensor made of FBG by the OFDR method. In the structure of FIG. 8, an OFDR measuring instrument 102 having a spatial resolution of 1 mm is disposed indoors in a building 101 40 m away from the structure 100 (details of this measuring instrument will be described later). An optical fiber 103 having a total length of 40,000 mm (40 m) and an optical fiber sensor 105 made of FBG having a total length of 500 mm connected to the tip of the optical fiber 103 are connected.
このFBGからなる光ファイバセンサ105は、センシングの対象となる構造物100に埋め込んで設けられているが、FBGに生じる温度変化を計測する目的でその一部のみ構造物100に埋め込んでいない部分(以下、温度変化計測部と略す)106を設けている。このようにFBGに生じる温度変化を計測するのは、FBGはひずみと温度変化のいずれに対しても感度を有するので、この温度変化計測部106であらかじめFBGに生じる温度変化を計測しておき、構造物100に埋め込んだFBGに生じるひずみと温度変化のうち、温度変化による影響を差し引いてFBG(構造物)に生じるひずみを計測するためである。この全長500mmのFBGは、計測器側250mmを構造物100に埋め込み、次の1mmを温度変化計測部とし、残りの249mmを再び構造物に埋め込む構成とされている。
ここで、OFDR方式の空問分解能が1mmというのは、光ファイバ0〜1mmの区間、40000mm〜40001mmの区間というように、光ファイバ長手方向に対して1mm刻みにFBGの配置されている光ファイバ位置を特定していくとともに、FBGが配置されている箇所では、この1mm区間内の平均的なひずみや温度変化を計測することと定義する(以下、x〜x+1mmの区間のことを、xmmの地点と略して記載する)。
The optical fiber sensor 105 made of FBG is embedded in the structure 100 to be sensed, but only a part of the optical fiber sensor 105 is not embedded in the structure 100 for the purpose of measuring a temperature change occurring in the FBG ( (Hereinafter abbreviated as a temperature change measuring unit) 106. The temperature change that occurs in the FBG is measured in this way because the FBG has sensitivity to both strain and temperature change. Therefore, the temperature change that occurs in the FBG is measured in advance by the temperature change measuring unit 106. This is because the strain generated in the FBG (structure) is measured by subtracting the influence of the temperature change from the strain and temperature change generated in the FBG embedded in the structure 100. This FBG having a total length of 500 mm is configured so that the measuring instrument side 250 mm is embedded in the structure 100, the next 1 mm is used as a temperature change measuring unit, and the remaining 249 mm is embedded in the structure again.
Here, the spatial resolution of the OFDR system is 1 mm because the optical fiber in which FBGs are arranged in increments of 1 mm with respect to the longitudinal direction of the optical fiber, such as a section of optical fiber 0 to 1 mm and a section of 40000 mm to 40001 mm. As the position is specified, it is defined that the average strain or temperature change in this 1 mm section is measured at the place where the FBG is arranged (hereinafter, the section of x to x + 1 mm is defined as xmm Abbreviated as point).
図8に示す構造において、40mの光ファイバ103および光ファイバセンサ105が、ある基準温度(例えば20℃)、基準ひずみ(例えば0με)にある状態でOFDR方式により計測を行う。OFDR方式では、光ファイバの光路長を実測することができるので、以下の(2)式に示す関係式から光ファイバ長を算出してFBGの光ファイバ位置の特定とするとともに、該FBG内の分布的なひずみと温度変化の計測を行う。
L=l/neff …(2)式
(2)式においてLは光ファイバ長、lは光ファイバの光路長、neff は光ファイバの実効屈折率を示す。
In the structure shown in FIG. 8, measurement is performed by the OFDR method in a state where the 40 m optical fiber 103 and the optical fiber sensor 105 are at a certain reference temperature (for example, 20 ° C.) and a reference strain (for example, 0 με). In the OFDR method, since the optical path length of the optical fiber can be measured, the optical fiber length is calculated from the relational expression shown in the following formula (2) to specify the position of the optical fiber of the FBG, and within the FBG Measure distributed strain and temperature change.
L = l / n eff (2) In equation (2), L is the optical fiber length, l is the optical path length of the optical fiber, and n eff is the effective refractive index of the optical fiber.
この計測により、計測器上におけるFBGの光ファイバ位置を特定し、更に該FBGにおける温度変化計測部の光ファイバ位置を特定する。温度変化計測部106の計測器上における光ファイバ位置特定は、例えば、光ファイバ上における温度変化計測部をスポットヒータなどにより加熱してOFDR方式で計測することで行うことができる。つまり、加熱によりブラッグ波長がシフトした位置を計測器上における温度変化計測部106の光ファイバ位量と特定することができる。なお、OFDR方式では、neff は常に基準温度(20℃)における実効屈折率を用いて計測する。つまり、光ファイバに温度変化が生じて実効屈折率が変化すると、実効的に光ファイバ長が変化したものとみなして計測することとなる。これは、例えば、温度変化計測部106で求めた温度に対する光ファイバの実行屈折率を用いて再演算して補正することが考えられるが、これは光ファイバ長手方向の温度が均一である場合にのみ適用できるので、実用的ではない。例えば、40mの光ファイバ103と構造物100の環境温度が少しでも異なると、このような補正を行うことはできなくなる。 By this measurement, the optical fiber position of the FBG on the measuring instrument is specified, and further, the optical fiber position of the temperature change measurement unit in the FBG is specified. The optical fiber position specification on the measuring instrument of the temperature change measuring unit 106 can be performed, for example, by heating the temperature change measuring unit on the optical fiber with a spot heater or the like and measuring it by the OFDR method. That is, the position where the Bragg wavelength is shifted by heating can be specified as the optical fiber level of the temperature change measuring unit 106 on the measuring instrument. In the OFDR method, n eff is always measured using the effective refractive index at the reference temperature (20 ° C.). In other words, when the temperature change occurs in the optical fiber and the effective refractive index changes, the optical fiber length is effectively changed and the measurement is performed. This can be corrected by, for example, recalculating using the effective refractive index of the optical fiber with respect to the temperature obtained by the temperature change measuring unit 106, but this is when the temperature in the longitudinal direction of the optical fiber is uniform. It is not practical because it can only be applied. For example, if the ambient temperature of the 40 m optical fiber 103 and the structure 100 are slightly different, such correction cannot be performed.
次に、40mの光ファイバ103および光ファイバセンサ105が、ある基準温度、基準ひずみにある状態において本願発明者がOFDR方式による計測を行った結果、計測器上においてFBGが40000mm(40m)の光ファイバ位置にあり、該FBGに備えた温度変化計測部106は40250mmの光ファイバ位置であることを確認した。このOFDR方式の計測器により構造物100に生じるひずみを計測するには、最初に温度変化計測部(計測器上において40250mmの光ファイバ位置)106のブラッグ波長の変化から温度変化を計測し、しかる後に構造物100に埋め込んだFBGのブラッグ波長の変化から温度変化による影響を差し引いて構造物100に生じるひずみを計測すれば良い。この計測を繰り返すことにより、構造物100に生じるひずみを常時計測することができる。
次に、この構造物100のひずみ計測において、構造物100が光ファイバセンサ長手方向に対して一様に0.4%のひずみが生じたと仮定する。このとき、構造物100に埋め込んだFBGは構造物100とともに0.4%伸びるので、温度変化計測部前段の光ファイバセンサの光ファイバ長は251mmとなる。従って、実際の光ファイバ上では温度変化計測部が40251mmの光ファイバ位置に存在することになる。しかしながら、温度変化計測は計測器上で40250mmの光ファイバ位置を計測するので、この場合、温度変化を正確に計測することができなくなってしまう。
Next, as a result of measurement by the inventor of the present invention in a state where the optical fiber 103 and the optical fiber sensor 105 of 40 m are at a certain reference temperature and reference strain, light having an FBG of 40,000 mm (40 m) is measured on the measuring instrument. It was in the fiber position, and it was confirmed that the temperature change measuring unit 106 provided in the FBG was a 40250 mm optical fiber position. In order to measure the strain generated in the structure 100 with this OFDR measuring instrument, first, the temperature change is measured from the change of the Bragg wavelength of the temperature change measuring unit (40250 mm optical fiber position on the measuring instrument) 106. What is necessary is just to measure the distortion which arises in the structure 100 by subtracting the influence by a temperature change from the change of the Bragg wavelength of FBG embedded in the structure 100 later. By repeating this measurement, the strain generated in the structure 100 can be constantly measured.
Next, in the strain measurement of the structure 100, it is assumed that the structure 100 is uniformly strained 0.4% with respect to the longitudinal direction of the optical fiber sensor. At this time, since the FBG embedded in the structure 100 extends 0.4% together with the structure 100, the optical fiber length of the optical fiber sensor in the previous stage of the temperature change measurement unit is 251 mm. Therefore, on the actual optical fiber, the temperature change measuring unit is present at the optical fiber position of 40251 mm. However, since temperature change measurement measures an optical fiber position of 40250 mm on a measuring instrument, in this case, temperature change cannot be measured accurately.
また、この構造物100のひずみ計測において、環境温度が4℃上昇し、光ファイバの実効屈折率が変化したと仮定する(構造物100には、ファイバ長変化をもたらさない程度の微小なひずみが発生していると仮定する)。前記の通り、OFDR方式ではこの光ファイバの実効屈折率変化を光ファイバ長の変化とみなして計測する。
図9に、40mの光ファイバに温度変化が生じた際の実効的な光ファイバ長変化を示す。温度が4℃変化すると、実効的な光ファイバ変化長は約1mmとなる。つまり、実際の光ファイバ上では温度変化計測部が40251mmの実効的な光ファイバ位置に存在することになる。従って、上記の例と同様に温度変化を正確に計測することができなくなってしまう。
以上説明した通り、OFDR方式では、空間分解能が極めて高いために、構造物に発生するひずみや環境温度変化による微小な光路長変化を検知してしまい、結果としてこれが計測の空問分解能やひずみや温度変化の計測精度を低下させてしまう問題がある。
Further, in the strain measurement of the structure 100, it is assumed that the environmental temperature has increased by 4 ° C. and the effective refractive index of the optical fiber has changed (the structure 100 has a small strain that does not cause a change in fiber length. Assume that it has occurred). As described above, in the OFDR method, the effective refractive index change of the optical fiber is regarded as a change of the optical fiber length and is measured.
FIG. 9 shows an effective change in the optical fiber length when a temperature change occurs in the 40 m optical fiber. When the temperature changes by 4 ° C., the effective optical fiber change length is about 1 mm. That is, on an actual optical fiber, the temperature change measurement unit exists at an effective optical fiber position of 40251 mm. Therefore, the temperature change cannot be accurately measured as in the above example.
As explained above, since the OFDR method has a very high spatial resolution, it detects a slight change in the optical path length due to a distortion occurring in the structure or a change in the environmental temperature. There is a problem that the measurement accuracy of the temperature change is lowered.
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、高い空間分解能でひずみや温度変化が生じた光ファイバの位置を特定することができる光ファイバセンサおよびその計測方法と光ファイバセンサ装置の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide an optical fiber sensor capable of specifying the position of an optical fiber in which distortion or temperature change occurs with high spatial resolution, a measuring method thereof, and an optical fiber sensor device. And
本発明の光ファイバセンサは、光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量から検知部のひずみや温度変化を計測する光周波数領域反射測定(OFDR)方式に用いられる光ファイバセンサであって、ファイバブラッググレーティングからなるひずみや温度変化を計測するための複数のセンシング部と、これら複数のセンシング部の間に設けられ、ひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置特定のための光学マーキング部を備え、前記光学マーキング部は、複数のブラッグ波長を有するファイバブラッググレーティングからなる。 The optical fiber sensor of the present invention uses a fiber Bragg grating formed in the core of an optical fiber as a sensor, and the sensor detects a periodic change in interference intensity between Bragg reflected light from the sensor and reflected light from a reference reflection end. An optical fiber sensor used in an optical frequency domain reflection measurement (OFDR) method for measuring the distortion and temperature change of the detection unit from the amount of change in the wavelength of the Bragg reflected light from the sensor. A plurality of sensing units consisting of a Bragg grating for measuring strain and temperature changes, and an optical marking unit for identifying the position of an optical fiber that is provided between these sensing units and senses strain and temperature changes, The optical marking unit includes a fiber Bragg grating having a plurality of Bragg wavelengths. Consisting of.
本発明の光ファイバセンサにおいて、前記光学マーキング部は、0.6mm以上、2mm以下の長さであることを特徴とする。
In the optical fiber sensor of the present invention, the optical marking portion has a length of 0.6 mm or more and 2 mm or less.
本発明の光ファイバセンサの計測方法は、光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量から検知部のひずみや温度変化を計測する光周波数領域反射測定(OFDR)方式により請求項1〜6のいずれかに記載の光ファイバセンサを計測して前記光学マーキング部の光ファイバ位置を特定することを特徴とする。
本発明の光ファイバセンサの計測方法において、前記光学マーキング部を基準の光ファイバ位置とし、該基準の光ファイバ位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定しても良い。
The measurement method of the optical fiber sensor of the present invention uses a fiber Bragg grating formed in the core of the optical fiber as a sensor, and periodically changes the interference intensity of the Bragg reflected light from the sensor and the reflected light from the reference reflection end. The optical frequency domain reflection measurement (OFDR) method that specifies the position of the sensor and measures strain and temperature change of the detection unit from the amount of change in wavelength of Bragg reflected light from the sensor. The optical fiber sensor of the above-mentioned is measured, The optical fiber position of the said optical marking part is specified, It is characterized by the above-mentioned.
In the measurement method of the optical fiber sensor of the present invention, the optical marking portion is used as a reference optical fiber position, and the position of the optical fiber that senses strain or temperature change is identified from the optical path length difference from the reference optical fiber position. good.
本発明の光ファイバセンサ装置は、前記波長可変光源から前記光ファイバセンサに測定光を入射させて得られる反射光と、前記参照用光ファイバから得られる反射光が受光器に入力自在とされ、これら反射光の干渉信号の周期的変化を利用して前記光ファイバセンサ及び該光ファイバセンサに設けた光学マーキング部の光ファイバ位置を特定する制御装置が付設されてなることを特徴とする。
本発明の光ファイバセンサ装置は、前記の制御装置に、前記光学マーキング部を基準の光ファイバ位置とし、該基準の光ファイバ位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定する機能が具備されてなることを特徴とする。
本発明の光ファイバセンサ装置は、前記制御装置に、前記受光器から得られた干渉光をフーリエ変換解析することで、前記光ファイバセンサ長手方向の微小区間毎の反射波長と反射強度を示すスペクトログラムを得る機能を有することを特徴とする。
In the optical fiber sensor device of the present invention, reflected light obtained by allowing measurement light to enter the optical fiber sensor from the wavelength tunable light source and reflected light obtained from the reference optical fiber can be freely input to a light receiver, The optical fiber sensor and a control device for specifying the optical fiber position of the optical marking portion provided on the optical fiber sensor by using the periodic change of the interference signal of the reflected light are provided.
In the optical fiber sensor device of the present invention, an optical fiber position obtained by sensing a strain or a temperature change from the optical path length difference from the reference optical fiber position is set as the reference optical fiber position in the control device. A specific function is provided.
The optical fiber sensor device of the present invention is a spectrogram indicating the reflection wavelength and the reflection intensity for each minute section in the longitudinal direction of the optical fiber sensor by analyzing the interference light obtained from the light receiver in the control device by Fourier transform analysis. It has the function to obtain
本発明の光ファイバセンサにおいて、ひずみや温度変化をセンンングした光ファイバ位置を特定するための光学マーキング部をFBGからなる複数のセンシング部の間に設けることで、高い空間分解能でひずみや温度変化が生じた光ファイバ位置を特定することができる。
本発明の光ファイバセンサにおいて、光学マーキング部にFBGを配置しないことにより、光学マーキング部の光ファイバ位置が明瞭に認識可能で製造が容易な光ファイバセンサを提供することができる。
本発明の光ファイバセンサにおいて、光学マーキング部をセンシング部とは特性が異なるFBGで構成することにより、光学マーキング部の光ファイバ位置が明瞭に認識可能で、該部もセンシング部として活用可能な光ファイバセンサを提供することができる。
本発明の光ファイバセンサにおいて、光周波数領域反射測定(OFDR)方式により計測することで、上記効果を確実に得ることができる。
In the optical fiber sensor of the present invention, by providing an optical marking portion for identifying the position of an optical fiber that has been subjected to a strain or temperature change between a plurality of sensing portions made of FBG, the strain and temperature change can be achieved with high spatial resolution. The resulting optical fiber position can be identified.
In the optical fiber sensor of the present invention, by not arranging the FBG in the optical marking part, it is possible to provide an optical fiber sensor that can clearly recognize the optical fiber position of the optical marking part and is easy to manufacture.
In the optical fiber sensor of the present invention, the optical marking portion is made of FBG having different characteristics from the sensing portion, so that the optical fiber position of the optical marking portion can be clearly recognized, and this portion can also be used as the sensing portion. A fiber sensor can be provided.
In the optical fiber sensor of the present invention, the above-mentioned effect can be obtained with certainty by measuring by the optical frequency domain reflection measurement (OFDR) method.
本発明の光ファイバセンサ装置において、ひずみや温度変化をセンンングした光ファイバ位置を特定するための光学マーキング部をFBGからなる複数のセンシング部の間に設けた光ファイバセンサを設け、波長可変光源から前記光ファイバセンサと参照用光ファイバに入射させて両方からの反射光を受光器で受けて干渉信号を得ることができ、この干渉信号の周期的変化を利用して高い空間分解能でひずみや温度変化が生じた光ファイバ位置を特定することができる。
また、前記干渉信号から光ファイバセンサ長手方向の微小区間毎の反射波長と反射強度を示すスペクトログラムを得る制御装置を備えることで、このスペクトログラムを基に、光学マーキング部を基準として高い空間分解能でひずみや温度変化が生じた光ファイバ位置を自動的に特定することができる。
In the optical fiber sensor device of the present invention, an optical fiber sensor provided with an optical marking part for identifying the position of an optical fiber that has been subjected to strain or temperature change is provided between a plurality of sensing parts made of FBG. An interference signal can be obtained by receiving the reflected light from both the optical fiber sensor and the reference optical fiber with a light receiver, and using this periodic change of the interference signal, distortion and temperature can be obtained with high spatial resolution. The optical fiber position where the change has occurred can be identified.
In addition, by providing a control device that obtains a spectrogram indicating the reflection wavelength and the reflection intensity for each minute section in the longitudinal direction of the optical fiber sensor from the interference signal, distortion is performed with high spatial resolution based on the spectrogram based on the optical marking portion. It is possible to automatically identify the position of the optical fiber where the temperature change has occurred.
以下、本発明に係る光ファイバセンサの第1の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明が以下に説明する実施形態に制限されるものではないことは勿論である。
図1は、本発明に係る光ファイバセンサの基本構造と、その基本構造の光ファイバセンサを計測器系に組み込んでなる光ファイバセンサ装置を示す構成図である。
図1において本実施形態の光ファイバセンサSは、ファイバブラッググレーティング(FBG)1をコアに備えた光ファイバからなるセンシング部2を複数、図1の実施形態においては2つ、光学マーキング部3を介し連続してなる構造とされている。
図1におけるセンシング部2として、例えば、グレーティング長が1〜100mm程度のFBGからなる構造を適用することができ、複数のセンシング部2の間に設けられた光学マーキング部3は、例えば、0.6mm〜2mm程度の長さに形成される。
FBG1は、光ファイバコアの長手方向の屈折率変化分布が一定間隔で変化するように構成したものであり、例えば高屈折率部と低屈折率部とを一定間隔で繰り返すコア構造としたものである。このFBG1は高い分解能でひずみ計測ができる(高い分解能でブラッグ波長のシフト量を計測できる)光学特性を有するものが望ましい。
Hereinafter, a first embodiment of an optical fiber sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is of course not limited to the embodiments described below.
FIG. 1 is a configuration diagram showing a basic structure of an optical fiber sensor according to the present invention and an optical fiber sensor device in which the optical fiber sensor having the basic structure is incorporated in a measuring instrument system.
In FIG. 1, the optical fiber sensor S of the present embodiment includes a plurality of sensing units 2 made of an optical fiber having a fiber Bragg grating (FBG) 1 in the core, two in the embodiment of FIG. 1, and an optical marking unit 3. The structure is continuous.
As the sensing unit 2 in FIG. 1, for example, a structure made of FBG with a grating length of about 1 to 100 mm can be applied, and the optical marking unit 3 provided between the plurality of sensing units 2 is, for example, 0. It is formed to a length of about 6 mm to 2 mm.
The FBG 1 is configured so that the refractive index change distribution in the longitudinal direction of the optical fiber core changes at a constant interval. For example, the FBG 1 has a core structure in which a high refractive index portion and a low refractive index portion are repeated at a constant interval. is there. This FBG 1 desirably has an optical characteristic capable of measuring strain with high resolution (measuring the shift amount of the Bragg wavelength with high resolution).
前記光学マーキング部3とは、第1の例としてFBGを配置していない光ファイバからなるもの、第2の例としてセンシング部2を構成するFBG1とは反射率の異なるFBGからなるもの、第3の例としてセンシング部2を構成するFBG1とはブラッグ波長が異なるFBGからなるもの、第4の例として複数のブラッグ波長を有するFBGからなるものを例示することができる。要は、光学マーキング部3とは、センシング部2を構成するFBG1に対し、後述する光周波数領域反射測定(OFDR)方式により計測する場合に、センシング部2とは異なるスペクトログラムとして認識できる構造とする必要がある。   The optical marking part 3 is made of an optical fiber in which no FBG is arranged as a first example, and the optical marking part 3 is made of an FBG having a reflectance different from that of the FBG 1 constituting the sensing part 2 as a second example. As an example, an FBG having a different Bragg wavelength from the FBG 1 constituting the sensing unit 2 and a fourth example having an FBG having a plurality of Bragg wavelengths can be exemplified. In short, the optical marking unit 3 has a structure that can be recognized as a spectrogram different from the sensing unit 2 when the FBG 1 constituting the sensing unit 2 is measured by an optical frequency domain reflection measurement (OFDR) method described later. There is a need.
図1に示す基本構造の光ファイバセンサSを備えた光ファイバセンサ装置Kは、光ファイバ4と光ファイバセンサSに光接続された延長ファイバ5と、この延長ファイバ5を光ファイバ4を介して接続したファイバカプラ(光カプラ)6と、このファイバカプラ6に接続された参照用光ファイバ7と、チューナブルレーザ(波長可変光源)8と、フォトダイオード(光検出器)9と、これらをファイバカプラ6に接続するための光ファイバ10、11を具備してなる。また、前記参照用ファイバ7の終端部には反射端7aが形成されている。   An optical fiber sensor device K including the optical fiber sensor S having the basic structure shown in FIG. 1 includes an optical fiber 4, an extension fiber 5 optically connected to the optical fiber sensor S, and the extension fiber 5 via the optical fiber 4. A connected fiber coupler (optical coupler) 6, a reference optical fiber 7 connected to the fiber coupler 6, a tunable laser (wavelength variable light source) 8, a photodiode (photodetector) 9, and a fiber Optical fibers 10 and 11 for connecting to the coupler 6 are provided. A reflection end 7 a is formed at the end of the reference fiber 7.
本発明の光ファイバセンサSの計測方法に用いるOFDR方式の計測器においてチューナブルレーザ8は、チューナブルレーザ8から出射した測定光を光ファイバセンサで反射してフォトダイオード9に入射するまでの光路長よりも長いコヒーレンス長を有するものが望ましい。フォトダイオード9は、チューナブルレーザ8から出射する測定光の波長を変化させた際に2つの反射点から得られる光干渉の強度変調を検知できるカットオフ周波数を有するものが望ましい。
前記構造の光ファイバセンサSは、OFDR方式で計測することにより、計測器上においてセンシング部2と光学マーキング部3を認識し、光学マーキング部3の光ファイバ位置を特定することができる。
In the OFDR type measuring instrument used in the measuring method of the optical fiber sensor S of the present invention, the tunable laser 8 reflects the measurement light emitted from the tunable laser 8 by the optical fiber sensor and enters the photodiode 9. Those having a coherence length longer than the length are desirable. The photodiode 9 desirably has a cutoff frequency that can detect intensity modulation of optical interference obtained from two reflection points when the wavelength of measurement light emitted from the tunable laser 8 is changed.
The optical fiber sensor S having the above-described structure can recognize the sensing unit 2 and the optical marking unit 3 on the measuring instrument and measure the optical fiber position of the optical marking unit 3 by measuring by the OFDR method.
以下、図1を参照して本発明に係る光ファイバセンサの計測方法について説明する。
本発明に係る光ファイバセンサSの計測方法において、光ファイバセンサを構成するFBGからのブラッグ反射光と参照用ファイバ7の反射端7aからの参照光の干渉信号の周期的変化を利用して光ファイバセンサSおよび該センサに設けた光学マーキング部3の光ファイバ位置を特定することができる。
本発明に係る光ファイバセンサSの計測方法において、特定した光学マーキング部3を基準の光ファイバ位置とし、当該光ファイバ位置からの光路長差から、ひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定することが望ましい。
次に、前記実施形態に基づいて、本発明の光ファイバセンサの一例を以下の実施例1に詳述するが、以下の実施例1は単なる例示であり、本発明を限定するものではない。
Hereinafter, the measuring method of the optical fiber sensor according to the present invention will be described with reference to FIG.
In the measuring method of the optical fiber sensor S according to the present invention, light is generated by using the periodic change of the Bragg reflected light from the FBG constituting the optical fiber sensor and the interference signal of the reference light from the reflecting end 7a of the reference fiber 7. The optical fiber position of the fiber marking S and the optical marking part 3 provided in the sensor can be specified.
In the measuring method of the optical fiber sensor S according to the present invention, the specified optical marking portion 3 is used as a reference optical fiber position, and the position of the optical fiber that senses strain or temperature change is specified from the optical path length difference from the optical fiber position. It is desirable to do.
Next, based on the said embodiment, an example of the optical fiber sensor of this invention is explained in full detail in the following Example 1, but the following Example 1 is only an illustration and does not limit this invention.
「実施例1」
図2は、実施例1の光ファイバセンサを示す概略図である。実施例1の光ファイバセンサS1は、1本のシングルモードファイバ(以下、SMファイバと略称する。)20に備えたFBGからなる複数のセンシング部21と、これらセンシング部21の間に設けられてFBGを配置してない光ファイバからなる光学マーキング部22とからなる。この例の光ファイバセンサS1では、98mmのグレーティング長を有するFBGを1mmの光学マーキング部を隔てて5連配置し、その全長を494mmとしている。
"Example 1"
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the optical fiber sensor according to the first embodiment. The optical fiber sensor S1 according to the first embodiment is provided between a plurality of sensing units 21 made of FBG provided in one single mode fiber (hereinafter abbreviated as SM fiber) 20 and the sensing units 21. And an optical marking portion 22 made of an optical fiber in which no FBG is arranged. In the optical fiber sensor S1 of this example, five FBGs having a grating length of 98 mm are arranged with a 1 mm optical marking portion therebetween, and the total length is 494 mm.
図3は、実施例1の光ファイバセンサS1を用いて光ファイバセンサの計測方法を実施するためのOFDR方式の光ファイバセンサ装置の一例を示すもので、この例のセンサ装置30は、3つのファイバカプラ(光カプラ)31、32、33と、チューナブルレーザ(波長可変光源;Agilent製8164A)34と、2つのフォトダイオード(光検出器; New Focus 製2117FC)35、36と、3つの参照用反射端R1、R2、R3と、先の構成の光ファイバセンサS1とから概略構成され、これらは光ファイバ41、42、43、44、45、46、47、48、49、50によって連設されている。これらの光ファイバ41〜50は、測定光の波長に対してシングルモード伝搬が可能なものであれば、いかなるものでも構わなく、一般的なSMファイバもしくはPANDA(Polarization-maintaining AND Absorption-reducing)ファイバなどの偏波保持ファイバを用いることができる。本実施例では、光ファイバセンサと同種のSMファイバを使用した。   FIG. 3 shows an example of an OFDR type optical fiber sensor device for carrying out the optical fiber sensor measurement method using the optical fiber sensor S1 of the first embodiment. Fiber coupler (optical coupler) 31, 32, 33, tunable laser (tunable wavelength light source: 8164A manufactured by Agilent) 34, two photodiodes (photodetector; 2117FC manufactured by New Focus) 35, 36, and three references The reflection end R1, R2, R3 for use and the optical fiber sensor S1 having the above-described configuration are roughly configured, and these are connected in series by optical fibers 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50. Has been. These optical fibers 41 to 50 may be any optical fibers that can propagate in the single mode with respect to the wavelength of the measurement light, and are general SM fibers or PANDA (Polarization-maintaining AND Absorption-reducing) fibers. A polarization maintaining fiber such as can be used. In this embodiment, the same type of SM fiber as the optical fiber sensor was used.
また、チューナブルレーザ34は、汎用インターフェイスバス(GPIB)を介して、システムコントローラ(制御装置:National Instruments製PXI-8106)53に接続され、これにより制御されている。更に、2つのフォトダイオード35、36からの信号は、A/Dコンバータ(National Instruments製PXI-6115)54に入力されてサンプリングされ、そのサンプリングデータはシステムコントローラ53にて解析されるようになっている。   The tunable laser 34 is connected to and controlled by a system controller (control device: PXI-8106 manufactured by National Instruments) 53 via a general-purpose interface bus (GPIB). Further, signals from the two photodiodes 35 and 36 are input to an A / D converter (PXI-6115 made by National Instruments) 54 and sampled, and the sampling data is analyzed by the system controller 53. Yes.
本実施例のOFDR方式の計測器において、チューナブルレーザ34は、ある一定速度、ある一定波長範囲で掃引(単調増加もしくは単調減少)された測定光を出射する。本実施例では、10nm/sの速度で1545〜1555nmの波長範囲を掃引した測定光を出射した。
チューナブルレーザ34から出射された測定光はファイバカプラ31に入射し、該ファイバカプラ31にて光パワー分岐されて2つの光干渉計に入射する。
一方の光干渉計は、ファイバカプラ32、光ファイバ47とその反射端R1、光ファイバ48とその反射端R2および光ファイバ43、44とフォトダイオード35からなり、反射端R1と反射端R2のファィバ長差(光路長差)に応じたトリガを生成している。本実施例では、反射端R1と反射端R2のファイバ長差を100mとした。なお、このトリガは以下の方法で生成している。
In the OFDR measuring instrument of the present embodiment, the tunable laser 34 emits measurement light that is swept (monotonically increased or monotonously decreased) at a certain constant speed and in a certain wavelength range. In this example, measurement light was swept in a wavelength range of 1545 to 1555 nm at a speed of 10 nm / s.
The measurement light emitted from the tunable laser 34 enters the fiber coupler 31, and the optical power is branched by the fiber coupler 31 and enters the two optical interferometers.
One optical interferometer is composed of a fiber coupler 32, an optical fiber 47 and its reflection end R1, an optical fiber 48 and its reflection end R2, and optical fibers 43 and 44 and a photodiode 35. The fiber of the reflection end R1 and reflection end R2 is provided. A trigger corresponding to the length difference (optical path length difference) is generated. In this embodiment, the fiber length difference between the reflection end R1 and the reflection end R2 is 100 m. This trigger is generated by the following method.
チューナブルレーザ34からある一定速度、ある一定波長範囲で掃引された測定光を前記の光干渉計に入射すると、この測定光は反射端R1と反射端R2によって反射され、その干渉光がフォトダイオード35で計測される。フォトダイオード35で取得した電圧信号は、A/Dコンバータ54によりサンプリングされてデジタル信号に変換され、該デジタル信号がシステムコントローラ53に取り込まれて解析される。
チューナブルレーザ34から出射された測定光は一定速度で波長が変化しているので、フォトダイオード35で計測される電圧信号は、一定の光波数間隔で変動する正弦関数となる。従って、ある一定の電圧値をしきい値とし、システムコントローラ53上で該しきい値を超えるタイミング(しきい値以下の値からしきい値を上回るタイミング、もしくは、しきい値以上の値からしきい値を下回るタイミング)でトリガを生成することで、生成されたトリガは、ある一定の光波数間隔となる。
When measurement light swept from the tunable laser 34 at a certain speed and in a certain wavelength range is incident on the optical interferometer, the measurement light is reflected by the reflection end R1 and the reflection end R2, and the interference light is reflected by the photodiode. Measured at 35. The voltage signal acquired by the photodiode 35 is sampled and converted into a digital signal by the A / D converter 54, and the digital signal is taken into the system controller 53 and analyzed.
Since the wavelength of the measurement light emitted from the tunable laser 34 changes at a constant speed, the voltage signal measured by the photodiode 35 becomes a sine function that varies at constant light wave number intervals. Therefore, a certain voltage value is set as a threshold value, and the timing at which the threshold value is exceeded on the system controller 53 (the timing at which the threshold value is exceeded or below the threshold value, or the value at or above the threshold value is set). By generating a trigger at a timing (below the threshold value), the generated trigger has a certain light wave number interval.
なお、このトリガ発生方法は、チューナブルレーザ34の掃引速度が一定でない場合でも、トリガが発生する光波数間隔は常に一定となる点で非常に効果的である。また、このトリガ発生方法でもチューナブルレーザ34の波長掃引の不安定性を取り除けない場合は、先の特許文献1に記載されているような波長補正用のFBGを用いても良い。(ただし、このFBGから温度補正は行わない。)   This trigger generation method is very effective in that the interval of light wave numbers generated by the trigger is always constant even when the sweep speed of the tunable laser 34 is not constant. If the instability of the wavelength sweep of the tunable laser 34 cannot be removed even with this trigger generation method, an FBG for wavelength correction as described in the above-mentioned Patent Document 1 may be used. (However, temperature correction is not performed from this FBG.)
他方の光干渉計は、ファイバカプラ33、光ファイバ49とその反射端R3、光ファイバセンサS1および光ファイバ45、46とフォトダイオード36からなる。この光干渉計では、光ファイバセンサS1からのブラッグ反射光と反射端R3からの参照光との千渉光がフォトダイオード36に入射する。   The other optical interferometer includes a fiber coupler 33, an optical fiber 49 and its reflection end R 3, an optical fiber sensor S 1, optical fibers 45 and 46, and a photodiode 36. In this optical interferometer, the interference light of the Bragg reflected light from the optical fiber sensor S1 and the reference light from the reflection end R3 enters the photodiode 36.
以上の如く得られた干渉光は、システムコントローラ53にて約40ms間隔(チューナブルレーザ34を10nm/sの速度で掃引しているので、波長に換算すると約400pm問隔)に相当するウインドウ幅で短時間フーリエ変換(Short-time Fourier transform;以下、STFTと略記する。)解析することにより、スペクトログラムとして表すことができる。このスペクトログラムは、光ファイバセンサS1の長手方向の微小区問(この区間が空間分解能に相当する)毎の反射波長と反射強度を示す。   The interference light obtained as described above has a window width corresponding to an interval of about 40 ms by the system controller 53 (the tunable laser 34 is swept at a speed of 10 nm / s, so that the wavelength is converted to a wavelength of about 400 pm). And a short-time Fourier transform (hereinafter abbreviated as STFT), and can be expressed as a spectrogram. This spectrogram shows the reflection wavelength and the reflection intensity for each minute section (this section corresponds to the spatial resolution) in the longitudinal direction of the optical fiber sensor S1.
図3に示す構造の光ファイバセンサ装置を用いて光ファイバセンサを計測して得られたスペクトログラムの一例を図4に示す。
本スペクトログラムにおいて、横軸が波長(nm)、縦軸がファイバ位置(反射端R3を有する光ファィバS1の長さに相当する位置からの光ファィバ長差)、色調が反射強度を示す。なお、本スペクトログラムは、光ファイバセンサを後述する40mの光ファイバヘ連設して計測している。図4に示す如く、98mmのグレーティング長を有するFBGからなる5連のセンシング部21とこれらの間に設けたFBGを配置していない1mmの光学マーキング部22が明瞭に計測できている。この計測結果より、光ファイバセンサS1に備えた光学マーキング部22の計測器上における光ファイバ位置は、40098mm、40197mm、40296mm、40395mmであることが確認できた。
FIG. 4 shows an example of a spectrogram obtained by measuring the optical fiber sensor using the optical fiber sensor device having the structure shown in FIG.
In this spectrogram, the horizontal axis indicates the wavelength (nm), the vertical axis indicates the fiber position (the difference in optical fiber length from the position corresponding to the length of the optical fiber S1 having the reflection end R3), and the color tone indicates the reflection intensity. The spectrogram is measured by connecting an optical fiber sensor to a 40 m optical fiber, which will be described later. As shown in FIG. 4, the five sensing units 21 made of FBG having a grating length of 98 mm and the 1 mm optical marking unit 22 in which no FBG is provided between them can be clearly measured. From this measurement result, it was confirmed that the optical fiber positions on the measuring instrument of the optical marking unit 22 included in the optical fiber sensor S1 were 40098 mm, 40197 mm, 40296 mm, and 40395 mm.
本発明に係る光ファイバセンサの計測方法では、光学マーキング部22を基準の光ファイバ位置とし、該光ファイバ位置からの光路長差から、ひずみや温度変化をセンシングした位置を特定することが望ましい。係る計測方法について、図5を用いて以下に説明する。
図5では、構造物58から40m離れた建築物55の屋内に本実施例のOFDR方式の計測器56(図3に示すチューナブルレーザ34とステムコントローラ53とA/Dコンバータ54および光ファイバセンサS1を除いた光学回路)を配置し、この計測器56に全長40000mm(40m)の光ファイバ57とその先に連設された本実施例の全長494mmの光ファイバセンサS1を接続している。この光ファイバセンサS1は、計測器側250mmを構造物58に埋め込み、次の1mmを温度変化計測部59として構造物58には埋め込まず、残りの243mmを再び構造物58に埋め込む構成とした。
In the measurement method of the optical fiber sensor according to the present invention, it is desirable to use the optical marking portion 22 as a reference optical fiber position, and specify the position where the strain or temperature change is sensed from the optical path length difference from the optical fiber position. Such a measuring method will be described below with reference to FIG.
In FIG. 5, the OFDR system measuring instrument 56 of this embodiment (the tunable laser 34, the stem controller 53, the A / D converter 54, and the optical fiber sensor shown in FIG. 3) is placed indoors in a building 55 40m away from the structure 58. The optical circuit excluding S1) is disposed, and the measuring instrument 56 is connected to the optical fiber 57 having a total length of 40,000 mm (40 m) and the optical fiber sensor S1 having a total length of 494 mm, which is connected to the end of the optical fiber 57. The optical fiber sensor S1 has a configuration in which 250 mm on the measuring instrument side is embedded in the structure 58, and the next 1 mm is not embedded in the structure 58 as the temperature change measurement unit 59, and the remaining 243 mm is embedded in the structure 58 again.
次に、図5に示す通り、温度変化計測部59に最も近い光学マーキング部22の光ファイバ位置を0mmとし、各部を該光学マーキング部22からの相対光ファイバ位置として表示する補正を行った。表示補正の結果、温度変化計測部は、計測器上で−46mmの相対光ファィバ位置となった。
つまり、本実施例では、計測器上で−46mmの相対光ファイバ位置で予め温度変化を計測しておき、構造物58に埋め込んだ光ファイバセンサに生じるひずみと温度変化のうち、温度変化による影響を差し引いて構造物58に生じるひずみを計測する。
次に、この構造物58のひずみ計測において、構造物58が光ファイバ長手方向に対して一様に0.4%のひずみが生じたと仮定する。この時、構造物58に埋め込んだFBGは構造物58とともに0.4%伸びるが、基準となる光学マーキング部22から温度変化計測部までの実際の光ファイバ長は46mmでほぼ変わらない(正確には46.184mm)。つまり、構造物58にひずみが生じても計測器上の−46mmの相対光ファイバ位置で温度変化計測することで正確な温度変化計測を行うことができる。
Next, as shown in FIG. 5, the optical fiber position of the optical marking part 22 closest to the temperature change measurement part 59 was set to 0 mm, and correction was performed so that each part was displayed as a relative optical fiber position from the optical marking part 22. As a result of the display correction, the temperature change measurement unit was at a relative optical fiber position of −46 mm on the measuring instrument.
That is, in this embodiment, the temperature change is measured in advance at a relative optical fiber position of −46 mm on the measuring instrument, and the influence of the temperature change among the strain and the temperature change generated in the optical fiber sensor embedded in the structure 58 is measured. The strain generated in the structure 58 is measured by subtracting.
Next, in the strain measurement of the structure 58, it is assumed that the structure 58 has a strain of 0.4% uniformly in the longitudinal direction of the optical fiber. At this time, the FBG embedded in the structure 58 extends 0.4% together with the structure 58, but the actual optical fiber length from the reference optical marking unit 22 to the temperature change measurement unit is 46 mm, which is almost unchanged (exactly 46.184 mm). That is, even if the structure 58 is distorted, accurate temperature change measurement can be performed by measuring the temperature change at the relative optical fiber position of −46 mm on the measuring instrument.
また、この構造物58のひずみ計測において、環境温度が4℃上昇し、光ファイバの実効屈折率が変化したと仮定する(構造物58には、ファイバ長変化をもたらさない程度の微小なひずみが発生していると仮定する)。この時、光ファイバの実効屈折率が変化して実効的な光ファイバ長変化が生じるが、基準となる光学マーキング部22から温度変化計測部59までの実効的な光ファイバ長は46mmでほぼ変わらない。つまり、環境温度が変化しても計測器上の−46mmの相対光ファイバ位置で温度変化計測することで正確な温度変化計測を行うことができる。
以上説明した通り、本発明によれば光ファイバセンサS1に光学マーキング部22を設け、0FDR方式により該部を特定するとともに、該部を基準位置として該位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定することで、高い空間分解能で光ファイバ位置を特定することができる。
In the strain measurement of the structure 58, it is assumed that the environmental temperature has increased by 4 ° C. and the effective refractive index of the optical fiber has changed (the structure 58 has a small strain that does not cause a change in fiber length. Assume that it has occurred). At this time, the effective refractive index of the optical fiber changes and an effective optical fiber length change occurs. However, the effective optical fiber length from the optical marking unit 22 serving as a reference to the temperature change measuring unit 59 changes substantially at 46 mm. Absent. In other words, even if the environmental temperature changes, accurate temperature change measurement can be performed by measuring the temperature change at a relative optical fiber position of −46 mm on the measuring instrument.
As described above, according to the present invention, the optical fiber sensor S1 is provided with the optical marking portion 22, and the portion is specified by the 0FDR method, and the strain or temperature change is determined from the optical path length difference from the position using the portion as a reference position. By specifying the position of the optical fiber that senses, the position of the optical fiber can be specified with high spatial resolution.
なお、本実施例では、所望の計測位置(温度変化計測部42)から46mm離れたところに光学マーキング部を設けたが、光ファイバセンサS1の設計(光学マーキング部22の配置位置)や施工方法(光ファイバセンサの貼り付け位置)によりこれらを近付けることは容易である。これらを近付ければ近付けるほど、実際の光ファイバ位置と計測器上の光ファイバ位置は近くなる。また、複数のセンサ部は、すべて同じ光学マーキング部22を基準のファイバ位置として計測する必要はなく、各センサ部に最も近接する光学マーキング部を基準のファイバ位置として計測することで、より高い空間分解能でひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定することができる。   In this embodiment, the optical marking unit is provided at a position 46 mm away from the desired measurement position (temperature change measurement unit 42). However, the design of the optical fiber sensor S1 (arrangement position of the optical marking unit 22) and the construction method. It is easy to make these close to each other by (the attachment position of the optical fiber sensor). The closer these are, the closer the actual optical fiber position is to the optical fiber position on the measuring instrument. In addition, it is not necessary for all of the plurality of sensor units to measure the same optical marking unit 22 as the reference fiber position, and by measuring the optical marking unit closest to each sensor unit as the reference fiber position, a higher space can be obtained. The position of the optical fiber that senses strain and temperature changes can be specified with resolution.
「他の実施例」
ところで、本発明に係る光学マーキング部22は、前記した通り、OFDR方式の計測方法でセンシング部21とは異なるスペクトログラムを得られる構造となっていればいかなる構造でも良く、例えば、センシング部21と反射率が異なるFBGからなる構造、センシング部21とはブラッグ波長が異なるFBGからなる構造、複数のブラッグ波長を有するFBGからなる構造のいずれかとすることができる。
"Other examples"
By the way, as described above, the optical marking unit 22 according to the present invention may have any structure as long as the spectrogram different from the sensing unit 21 can be obtained by the OFDR measurement method, for example, the sensing unit 21 and the reflection unit. A structure made of FBG having a different rate, a structure made of FBG having a different Bragg wavelength from the sensing unit 21, or a structure made of FBG having a plurality of Bragg wavelengths can be used.
反射率が異なるFBGを配置した例を実施例2として、複数のブラッグ波長を有するFBGを配置した例を実施例3として以下に説明する。なお、これらの実施例2、3は、それぞれの光学マーキング部の構成が光学マーキング部として活用できることを明瞭に示すためのものであり、本発明のセンシング部と光学マーキング部からなる光ファイバセンサそのものを示すものではない。   An example in which FBGs having different reflectances are arranged will be described as Example 2, and an example in which FBGs having a plurality of Bragg wavelengths are arranged will be described as Example 3. In addition, these Examples 2 and 3 are for showing clearly that the structure of each optical marking part can be utilized as an optical marking part, and the optical fiber sensor itself which consists of the sensing part and optical marking part of this invention. It does not indicate.
「実施例2」
低反射率部、中反射率部、高反射率部の3領域からなるFBGを作製した。このFBGから得られたスペクトログラムを図6に示す。
図6に示す如く、それぞれの反射率に応じてスペクトログラムの色調は明瞭に変化しており、光学マーキング部をセンシング部よりも高反射率、あるいは低反射率とすることで、光学マーキング部の認識が可能であることが示された。
"Example 2"
An FBG composed of three regions of a low reflectance part, a medium reflectance part, and a high reflectance part was produced. The spectrogram obtained from this FBG is shown in FIG.
As shown in FIG. 6, the color tone of the spectrogram is clearly changed according to each reflectance, and the optical marking portion is recognized by setting the optical marking portion to have a higher reflectance or lower reflectance than the sensing portion. Was shown to be possible.
「実施例3」
1つのブラッグ波長を有する部、2つのブラッグ波長を有する部、3つのブラッグ波長を有する部の3領域からなるFBGを作製した。このFBGから得られたスペクトログラムを図7に示す。
図7に示す如くそれぞれのブラッグ反射光が明瞭に観察できることより、光学マーキング部をセンシング部とはブラッグ波長の異なるFBGで構成する、あるいは、光学マーキング部を複数のブラッグ波長を有するFBGで構成することで、認識が可能であることが示された。
なお、先の実施例1で示したFBGを配置しない光ファイバからなる光学マーキング部には、製造が容易であるという利点があり、実施例2および実施例3で示したFBGを配置する光学マーキング部には、該マーキング部であってもひずみや温度変化のセンシングが可能であるという利点がある。
"Example 3"
An FBG composed of three regions of a part having one Bragg wavelength, a part having two Bragg wavelengths, and a part having three Bragg wavelengths was produced. The spectrogram obtained from this FBG is shown in FIG.
Since each Bragg reflected light can be clearly observed as shown in FIG. 7, the optical marking part is composed of an FBG having a Bragg wavelength different from that of the sensing part, or the optical marking part is composed of an FBG having a plurality of Bragg wavelengths. It was shown that recognition is possible.
Note that the optical marking portion made of the optical fiber in which the FBG is not arranged as shown in the first embodiment has an advantage that it is easy to manufacture, and the optical marking in which the FBG shown in the second and third embodiments is arranged. The portion has an advantage that even the marking portion can sense strain and temperature change.
また、これらのマーキング部はOFDR測定器の空間分解能以上の長さよりも長ければ、いかなる長さでも構わないが、長くしすぎると、実施例1で示したFBGを配置しない光学マーキング部では、センシングできない領域が長くなってしまうという欠点があり、実施例2および実施例3で示したFBGを配置する光学マーキング部では、製造が困難となる欠点がある。現状のOFDR計測器の分解能が0.6〜1.6mmであることを考えると、光学マーキング部の長さは0.6〜2mm程度とするのが好ましい。   These marking portions may have any length as long as they are longer than the spatial resolution of the OFDR measuring device. However, if the marking portions are too long, the optical marking portion shown in Example 1 where the FBG is not disposed is used for sensing. There is a drawback that the area that cannot be processed becomes long, and the optical marking portion in which the FBG shown in the second and third embodiments is arranged has a drawback that it is difficult to manufacture. Considering that the resolution of the current OFDR measuring instrument is 0.6 to 1.6 mm, the length of the optical marking portion is preferably about 0.6 to 2 mm.
図1は本発明に係る光ファイバセンサを備えた光ファイバセンサ装置の一例を示す構成図。FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of an optical fiber sensor device including an optical fiber sensor according to the present invention. 図2は実施例1の光ファイバセンサを示す構成図。FIG. 2 is a configuration diagram illustrating the optical fiber sensor according to the first embodiment. 図3は実施例1の光ファイバセンサを備えた光ファイバセンサ装置の一例を示す構成図。FIG. 3 is a configuration diagram illustrating an example of an optical fiber sensor device including the optical fiber sensor according to the first embodiment. 図4は実施例1の光ファイバセンサを用いて光ファイバセンサの計測方法を実施して得られたスペクトログラムの一例を示す図。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a spectrogram obtained by performing the optical fiber sensor measurement method using the optical fiber sensor of the first embodiment. 図5は実施例1の光ファイバセンサを用いて構造物に生じるひずみを計測する場合の一例を示す構成図。FIG. 5 is a configuration diagram illustrating an example of measuring strain generated in a structure using the optical fiber sensor according to the first embodiment. 図6は実施例2の光ファイバセンサを用いて光ファイバセンサの計測方法を実施して得られたスペクトログラムの一例を示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a spectrogram obtained by implementing the optical fiber sensor measurement method using the optical fiber sensor of the second embodiment. 図7は実施例3の光ファイバセンサを用いて光ファイバセンサの計測方法を実施して得られたスペクトログラムの一例を示す図。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a spectrogram obtained by implementing the measurement method of the optical fiber sensor using the optical fiber sensor of the third embodiment. 図8はFBGをセンサとする光ファイバセンサを用いてOFDR方式で構造物に生じるひずみを計測する場合の説明図。FIG. 8 is an explanatory diagram in the case of measuring strain generated in a structure by the OFDR method using an optical fiber sensor using FBG as a sensor. 図9は40mの光ファイバに温度変化が生じた場合の実効的な光ファイバ長変化を示す図。FIG. 9 is a diagram showing an effective change in optical fiber length when a temperature change occurs in a 40 m optical fiber.
符号の説明Explanation of symbols
S、S1…光ファイバセンサ、1…ファイバブラッググレーティング(FBG)、2、21…センシング部、3、22…光学マーキング部、5、57…延長ファイバ、6、31、32、33…ファイバカプラ(光カプラ)、7…参照用ファイバ、7a…反射端、8、34…チューナブルレーザ(波長可変光源)、9、35、36…フォトダイオード(受光器)、10、11…光ファイバ、20…光ファイバ、K、30…光ファイバセンサ装置、35、36…フォトダイオード(受光器)、4、7、10、11、41〜50…光ファイバ、53…システムコントローラ(制御装置)、54…A/Dコンバータ、7a、R1、R2、R3…反射端。   S, S1 ... Optical fiber sensor, 1 ... Fiber Bragg grating (FBG), 2, 21 ... Sensing unit, 3, 22 ... Optical marking unit, 5, 57 ... Extension fiber, 6, 31, 32, 33 ... Fiber coupler ( Optical coupler), 7 ... Reference fiber, 7a ... Reflection end, 8, 34 ... Tunable laser (wavelength variable light source), 9, 35, 36 ... Photodiode (receiver), 10, 11 ... Optical fiber, 20 ... Optical fiber, K, 30 ... Optical fiber sensor device, 35, 36 ... Photodiode (light receiver), 4, 7, 10, 11, 41-50 ... Optical fiber, 53 ... System controller (control device), 54 ... A / D converter, 7a, R1, R2, R3... Reflection end.

Claims (8)

  1. 光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量から検知部のひずみや温度変化を計測する光周波数領域反射測定(OFDR)方式に用いられる光ファイバセンサであって、
    ファイバブラッググレーティングからなるひずみや温度変化を計測するための複数のセンシング部と、これら複数のセンシング部の間に設けられ、ひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置特定のための光学マーキング部を備え、
    前記光学マーキング部は、複数のブラッグ波長を有するファイバブラッググレーティングからなることを特徴とする光ファイバセンサ。
    Using the fiber Bragg grating formed in the core of the optical fiber as a sensor, the position of the sensor is specified from the periodic change in the interference intensity of the Bragg reflected light from the sensor and the reflected light from the reference reflection end, and An optical fiber sensor used in an optical frequency domain reflection measurement (OFDR) method for measuring distortion and temperature change of a detection unit from a change amount of a wavelength of Bragg reflected light from a sensor,
    Equipped with multiple sensing units consisting of fiber Bragg gratings for measuring strain and temperature changes, and an optical marking unit provided between these multiple sensing units to identify the position of optical fibers that senses strain and temperature changes. ,
    The optical marking sensor is composed of a fiber Bragg grating having a plurality of Bragg wavelengths .
  2. 前記光学マーキング部は、0.6mm以上、2mm以下の長さであることを特徴とする請求項に記載の光ファイバセンサ。 The optical fiber sensor according to claim 1 , wherein the optical marking portion has a length of 0.6 mm or more and 2 mm or less.
  3. 光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量から検知部のひずみや温度変化を計測する光周波数領域反射測定(OFDR)方式により請求項1または2のいずれかに記載の光ファイバセンサを計測して前記光学マーキング部の光ファイバ位置を特定することを特徴とする光ファイバセンサの計測方法。 Using the fiber Bragg grating formed in the core of the optical fiber as a sensor, the position of the sensor is specified from the periodic change in the interference intensity of the Bragg reflected light from the sensor and the reflected light from the reference reflection end, and The optical fiber sensor according to claim 1 or 2 is measured by an optical frequency domain reflection measurement (OFDR) method of measuring distortion or temperature change of a detection unit from a change amount of a wavelength of Bragg reflected light from the sensor. An optical fiber sensor measuring method, wherein an optical fiber position of the optical marking portion is specified.
  4. 前記光学マーキング部を基準の光ファイバ位置とし、該基準の光ファイバ位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定することを特徴とする請求項に記載の光ファイバセンサの計測方法。 4. The optical fiber according to claim 3 , wherein the optical marking portion is used as a reference optical fiber position, and an optical fiber position in which a strain or a temperature change is sensed is determined from an optical path length difference from the reference optical fiber position. Sensor measurement method.
  5. 請求項1または2のいずれかに記載の光ファイバセンサと、参照用反射端を備えた参照用光ファイバと、波長可変光源と、受光器とが、光カプラを介し光接続されてなることを特徴とする光ファイバセンサ装置。 An optical fiber sensor according to claim 1 or 2, a reference optical fiber having a referential reflecting end, and the variable wavelength light source, that the light receiver, formed by through optical connecting optical coupler An optical fiber sensor device.
  6. 前記波長可変光源から前記光ファイバセンサに測定光を入射させて得られる反射光と、前記参照用光ファイバから得られる反射光が受光器に入力され、これら反射光の干渉信号の周期的変化を利用して前記光ファイバセンサ及び該光ファイバセンサに設けた光学マーキング部の光ファイバ位置を特定する制御装置が付設されてなることを特徴とする請求項に記載の光ファイバセンサ装置。 Reflected light obtained by allowing measurement light to enter the optical fiber sensor from the wavelength tunable light source and reflected light obtained from the reference optical fiber are input to a light receiver, and periodic changes in interference signals of the reflected light are detected. 6. The optical fiber sensor device according to claim 5 , further comprising a control device for specifying the optical fiber position of the optical fiber sensor and an optical marking portion provided on the optical fiber sensor.
  7. 前記制御装置に、前記光学マーキング部を基準の光ファイバ位置とし、該光ファイバ位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定する機能が具備されてなることを特徴とする請求項に記載の光ファイバセンサ装置。 The control device is provided with a function of setting the optical marking portion as a reference optical fiber position and identifying an optical fiber position sensing a strain or temperature change from an optical path length difference from the optical fiber position. The optical fiber sensor device according to claim 6 .
  8. 前記制御装置は、前記受光器から得られた干渉光をフーリエ変換解析することで、前記光ファイバセンサ長手方向の微小区間毎の反射波長と反射強度を示すスペクトログラムを得る機能を有することを特徴とする請求項に記載の光ファイバセンサ装置。 The control device has a function of obtaining a spectrogram indicating a reflection wavelength and a reflection intensity for each minute section in the longitudinal direction of the optical fiber sensor by performing Fourier transform analysis on the interference light obtained from the light receiver. The optical fiber sensor device according to claim 7 .
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