JP6781775B2 - ファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置及びその感度並びに耐久性調節方法 - Google Patents

ファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置及びその感度並びに耐久性調節方法 Download PDF

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Description

本発明は、ファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置に係り、より詳しくは、測定対象の変位によって伸縮されるファイバブラッググレーティングセンサを用いて変位を測定するファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置及びその感度並びに耐久性調節方法に関する。
一般的に、光ファイバセンサ（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒ）は、光ファイバを透過する光の強さ、光ファイバの屈折率及び長さ、モード、及び偏光状態の変化などを用いて、被測定量を推定するセンサである。
光ファイバの主成分は、石英ガラスであり、光ファイバセンサは、屈折率がやや高くなるように、ゲルマニウムを添加した光ファイバの中心であるコア部分と、中心を保護する二重層のクラッド部分とからなる。
光ファイバのコアより入射された光は、屈折率の高いコア層と、屈折率の低いクラッド層との境界面で反射して、光ファイバのコア部分に沿って伝搬される。
このような光ファイバセンサは、用途により、強さ型、位相型、回折格子型、モード変調型、偏光型、分布測定型などに区分され、電圧、電流、温度、圧力、ストレーン、回転率、音響、ガス濃度などの様々な測定値を提供する。
光ファイバセンサは、超精密の広帯域測定が可能であり、電磁波の影響を受けず、遠隔測定が容易であり、センサ部で電気を使用せず、シリカ材質の優れた耐腐食性であって、使用環境に対する制約がほとんどないという特徴を有する。
光ファイバセンサの代表的なものは、ファイバブラッググレーティングセンサ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ）タイプの光ファイバセンサである。
ファイバブラッググレーティングセンサは、一ストランドの光ファイバに複数のファイバブラッググレーティングを、一定の長さに沿って刻んだ後、温度や強度などの外部の条件変化によって、各格子で反射される光の波長が変わる特性を用いたセンサである。
従って、ファイバブラッググレーティングセンサは、格子（ｇｒａｔｉｎｇ）が形成された光ファイバに、物理的な力の作用によって変形が生じたとき、格子における光屈折変化が誘発され、このような屈折変化を測定して、光ファイバの歪率を測定することで、光ファイバが固定される構造物の歪率を測定して、構造物に作用する荷重及び応力が分かる。
ファイバブラッググレーティングセンサは、光ファイバのコア部の屈折率を一定の周期に変化させたもので、特定波長の光のみを選択的に反射する。
このようなファイバブラッググレーティングセンサは、固有の波長値を有し、電磁波の影響を受けないなど、物理的な特性が非常に優れて、従来の電気式ゲージを代替する優れた物理量測定素子であって、近年、その活用範囲が急速度で増大している。
そのため、ファイバ格子センサは、光ファイバ内で屈折率の高い物質から低い物質に光が進行するとき、その境界面で一定の角度内の光が全て反射される全反射の原理を用いて、歪率、角度、加速度、変位、温度、圧力変位などを感知する感知センサとして用いられている。
例えば、本発明者は、特許文献１（大韓民国特許登録番号第１０−１０５７３０９号、２０１１．８．１６．公告）及び、特許文献２（大韓民国特許登録番号第１０−００９９２６２８号、２０１０．１１．５．公告）などＦＢＧセンサを用いた技術を開示し登録を受けている。
一般的に、光ファイバは、エネルギー損失が非常に少なくて、送受信するデータのロス率が低く、外部要因による影響をほとんど受けないというメリットがある。
このような光ファイバは、鉄の熱膨脹係数に比べて、約１／２０に熱膨脹係数が小さく、延伸率が約３〜５％以上であると、破断しやすいという特性がある。
特に、ファイバブラッググレーティングセンサは、単位面積当たりの引張力が非常に高いことに対して、直径が約１２５μmと非常に小さいため、外部の衝撃に破断しやすくなり、建物や橋脚などの被測定物への付着においては、非常に纎細な作業が求められる。
すなわち、ファイバブラッググレーティングセンサは、製造工程上、延伸率が約０．５〜１％以上であると、破断するか、損傷が発生するという問題があった。
従って、ファイバブラッググレーティングセンサの感度及び耐久性などの特性を考えて、ＦＢＧセンサの破断及び損傷を防止する技術の開発が望まれている。
一方、ファイバブラッググレーティングセンサは、内部で温度変化による屈折率の変化によって、他の波長を表わすことがある。
これによって、従来は、ケース内に一対の金属棒を同一線上に設置し、一対の金属棒の間に温度補償用のファイバブラッググレーティングセンサを設置したりしたが、金属棒が熱変形すると、精度が低下し、精密な温度補償が不可であるという問題があった。
本発明の目的は、上記したような問題点を解決するためになされたものであって、測定対象の変位によって伸縮されるファイバブラッググレーティングセンサを用いて変位を測定するファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置を提供することである。
本発明の他の目的は、ファイバブラッググレーティングセンサの感度と耐久性を調節して、破断及び損傷を防止することができるファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置ならびにその感度及び耐久性調節方法を提供することである。
本発明の更に他の目的は、ファイバブラッググレーティングセンサの温度変化による屈折率の変化を補償することができるファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置ならびにその感度及び耐久性調節方法を提供することである。
上記目的を達成するための本発明によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置は、ファイバブラッググレーティングセンサを用いた加速度センサに適用される場合、外形を形成するケースと、前記ケース内に垂直方向に沿って所定の間隔だけ離隔設置される第１及び第２の光ファイバと、前記第１及び第２の光ファイバの間に設置され、前記第１及び第２の光ファイバに荷重を印加する荷重印加手段とを含み、測定対象の振動による前記荷重印加手段の上下動によって、前記第１及び第２の光ファイバに設置された各ファイバブラッググレーティングセンサより出力される波長の変化を用いて、加速度の方向及びサイズを測定することを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置は、ファイバブラッググレーティングセンサを用いた歪センサに適用される場合、所定の間隔だけ離隔設置される一対の取付部材と、前記一対の取付部材の間に水平方向に沿って設置される第３及び第４の光ファイバと、前記第３及び第４の光ファイバの間に設置され、前記第３及び第４の光ファイバに印加される張力によって、一定の位置に固定される連結手段とを含み、互いに異なるストランド数で設置された前記第３及び第４の光ファイバより選択的にいずれか１つに、ファイバブラッググレーティングセンサを設置して、測定感度及び耐久性の調節が可能であることを特徴とする。
更に、上記目的を達成するため、本発明によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置及びその感度及び耐久性調節方法は、連結手段の両側に互いに異なるストランド数で設置された一対の光ファイバのうちから選択的にいずれか１つにファイバブラッググレーティングセンサを設置して、前記ファイバブラッググレーティングセンサで測定される感度、及び前記ファイバブラッググレーティングセンサの耐久性の調節が可能であることを特徴とする。
本発明によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置によると、互いに並んで設置された一対の光ファイバの間に荷重印加手段を設けることで、振動の発生時、一対の光ファイバにそれぞれ作用する引張力及び圧縮力の変化を用いて、加速度を測定することができる。
また、本発明によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置ならびにその感度及び耐久性調節方法によると、互いに異なるストランド数で設置された一対の光ファイバの選択的にいずれか１つにファイバブラッググレーティングセンサを設置することで、歪センサの測定感度及び耐久性を調節することができる。
本発明によると、測定対象の変位を精度高く測定する場合は、一対の光ファイバのうち、ストランド数の少ない光ファイバにファイバブラッググレーティングセンサを設置することで、測定感度を高めることができる。
一方、本発明によると、測定対象の変位が大きい場合は、一対の光ファイバのうち、ストランド数の多い光ファイバにファイバブラッググレーティングセンサを設置することで、光ファイバ及びファイバブラッググレーティングセンサの耐久性を向上することができる。
また、本発明によると、一対の取付部材に設置された連結手段と、第３及び第４の設置部材の２以上に温度補償用のファイバブラッググレーティングセンサが設けられた第５の光ファイバを緩く設置することで、温度変化による補償値を精度高く調節することができる。
更に本発明によると、互いに異なるストランド数で設けられる一対の光ファイバの長さ比を調節して、各光ファイバの実際の歪率の絶対値を調節することができる。
また、本発明によると、センサ固定装置を用いて、平面形状の測定対象のみならず、付着面が不均一であるか、トンネルのように曲率がある面又は底が左右に捻れた面に歪センサを設置することで、測定対象の変位を精度高く測定できる。
本発明によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた加速度センサの構成図である。（実施例１） 本発明によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた歪センサの正面図である。（実施例２） 図２における歪センサの平面図である。 本発明によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた歪センサの構成図である。（実施例３） 本発明によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた歪センサの構成図である。（実施例４） 測定対象に設置された歪センサを示す図である。 測定対象に設置された歪センサを示す図である。
以下、本発明の好適な実施例による測定対象の変位によって伸縮されるファイバブラッググレーティングセンサを用いて変位を測定する、ファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置ならびにその感度及び耐久性の調節方法を、添付の図面を参照して詳細に説明する。
本発明は、測定対象の変位によって伸縮されるファイバブラッググレーティングセンサを用いて変位を測定する過程において、ファイバブラッググレーティングセンサの感度及び耐久性を調節して、ファイバブラッググレーティングセンサのダメージを防止する。
以下、ファイバブラッググレーティングセンサを用いた加速度センサと歪センサの構成を、第１及び第２の実施例に区分して詳細に説明する。
図１は、本発明によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた加速度センサの構成図である。
以下、‘左側’、‘右側’、‘前方’、‘後方’、‘上方’及び‘下方’の方向を指示する用語は、各図面に示す状態を基準に、それぞれの方向を指示することと定義する。
本発明によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた加速度センサ１０は、図１に示すように、外形を形成するケース１１と、ケース１１内に垂直方向に沿って、所定の間隔だけ離隔設置される第１及び第２の光ファイバ１２、１３と、第１及び第２の光ファイバ１２、１３の間に設置され、第１及び第２の光ファイバ１２、１３に荷重を与える荷重印加手段１４とを含む。
ケース１１は、横及び縦の長さに比べて、高さが長い直方体状からなり、測定対象に取り付けられるか、ボルトなどを用いて固定設置される。
このようなケース１１の上端と下端の間には、第１及び第２の光ファイバ１２、１３が設置される第１及び第２の設置部材１５、１６が設けられる。
第１及び第２の設置部材１５、１６は、設置過程及び設置済みの後、第１及び第２の光ファイバ１２、１３のダメージや変形を防止するために、円板状からなる。
第１及び第２の光ファイバ１２、１３はそれぞれ、ケース１１内に上下方向に沿って、所定の間隔だけ離隔して並んで設置され、第１及び第２の光ファイバ１２、１３のいずれか１以上には、１以上のファイバブラッググレーティングセンサ（図示せず）が設置される。
荷重印加手段１４は、所定の荷重で製造され、第１の光ファイバ１２と第２の光ファイバ１３の中央部にそれぞれ取り付けられる。
ここで、荷重印加手段１４は、六面体状であるが、円板状であってもよい。
すなわち、荷重印加手段１４が円板状からなる場合、第１及び第２の光ファイバ１２、１３はそれぞれ、荷重印加手段１４の外周面に取り付けられるか、０．５回以上巻回した状態で設置される。
ここで、荷重印加手段１４の左右両側には、荷重印加手段１４の左右方向への移動を制限するガイド１７が各々設置される。
そして、荷重印加手段１４の上側及び下側にはそれぞれ、過度な変位の発生による光ファイバの損傷を防止するために、荷重印加手段１４の変位を制限する変位制限手段１８が設置される。
第１及び第２の光ファイバ１２、１３は、互いに異なる回数だけ巻回して、互いに異なるストランド数で設置される。
例えば、第１の光ファイバ１２は、第１の設置部材１５と荷重印加手段１４にそれぞれ、０．５回ずつ巻かれ、計２ストランドで設けられ、第２の光ファイバ１３は、第２の設置部材１６と荷重印加手段１４にそれぞれ１回ずつ巻かれて、計４ストランドで設けられる。
このように、第１及び第２の光ファイバ１２、１３の間に荷重印加手段１４が設置されることによって、第１及び第２の光ファイバ１２、１３の上部には、荷重印加手段１４の荷重によって引張力が発生し、第１及び第２の光ファイバ１２、１３の下部には荷重印加手段１４により圧縮力が発生する。
一方、荷重印加手段１４が上下方向に振動する場合、第１及び第２の光ファイバ１２、１３にはそれぞれ、引張力と圧縮力が交番的に発生する。
例えば、荷重印加手段１４が上方に移動する場合、第１及び第２の光ファイバ１２、１３の上部に作用する引張力が除去されて圧縮力が作用し、第１及び第２の光ファイバ１２、１３の下部には、圧縮力が除去されて引張力が作用する。
また、荷重印加手段１４が下方に移動すると、第１及び第２の光ファイバ１２、１３の上部に作用する圧縮力が除去されて引張力が作用し、第１及び第２の光ファイバ１２、１３の下部には、引張力が除去されて圧縮力が作用する。
従って、本発明は、第１及び第２の光ファイバの上部及び下部に各々、計４つのファイバブラッググレーティングセンサを設置して、振動発生による各ファイバブラッググレーティングセンサより出力される波長変化を用いて、加速度の方向及びサイズを正確に測定することができる。
このように、本発明は、互いに並んで設置された一対の光ファイバの間に荷重印加手段を設置することで、振動の発生時、一対の光ファイバに各々作用する引張力及び圧縮力の変化を用いて、加速度を測定することができる。
図２は、本発明の第２実施例によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた歪センサの正面図であり、図３は、図２における歪センサの平面図である。
本発明の第２実施例によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた歪センサ２０は、図２及び図３に示すように、所定の間隔だけ離隔設置される一対の取付部材２１と、一対の取付部材２１の間に水平方向に沿って設置される第３及び第４の光ファイバ２２、２３と、また、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の間に設置され、第３及び第４の光ファイバ２２、２３に与えられる張力によって、一定の位置に固定される連結手段２４とを含む。
取付部材２１は、略四角板や六面体状からなり、測定対象に取り付けられるか、ボルトなどを用いて固定設置される。
このような一対の取付部材２１にはそれぞれ、第３及び第４の光ファイバ２２、２３が設置される第３及び第４の設置部材２５、２６が設けられる。
第３及び第４の設置部材２５、２６は、光ファイバ及びファイバブラッググレーティングセンサの設置過程及び設置完了後の第３及び第４の光ファイバ２２、２３の損傷や変形を防止するために、円板状からなる。
第３及び第４の光ファイバ２２、２３はそれぞれ、一対の取付部材２１の間に左右方向に沿って設置され、第３及び第４の光ファイバ２２、２３には、１以上のファイバブラッググレーティングセンサ（図示せず）が設置される。
連結手段２４は、第３及び第４の光ファイバ２２、２３に荷重が与えられることを最小化するために、アルミニウムのような軽金属材質又は合成樹脂材質を用いて、円板状又はリング状からなる。
ここで、連結手段２４と、第３及び第４の設置部材２５、２６の外周面には、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の各ストランドが設置される複数の取付溝２７が形成される。
取付溝２７は、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の各ストランド、連結手段、第３及び第４の設置部材２５、２６の外周面の間で作用する摩擦力を増加して、各ストランドを固定するように、Ｖ字状に形成される。
すなわち、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の各ストランドがＶ字状の取付溝２７内で、２つのラインを介して線接触することによって、第３及び第４の光ファイバ２２、２３、連結手段２４、第３及び第４の設置部材２５、２６の間の摩擦力を増加することができる。
本発明は、これに限定されるものではなく、取付溝２７の下端部を平面に形成して、３つのラインを介して線接触させるか、取付溝２７を半円状又はＵ字状に形成して、面接触させるようにしてもよい。
そのため、第３及び第４の光ファイバ２２、２３はそれぞれ、円板状からなる連結手段２４と、第３及び第４の設置部材２５、２６の外周面に、少なくとも０．５回以上巻回した状態で設置される。
特に、第３及び第４の光ファイバ２２、２３は、互いに異なる回数だけ巻かれて、互いに異なるストランド数で設置される。
例えば、第３の光ファイバ２２は、図２及び図３に示すように、第３の設置部材２５と連結手段２４にそれぞれ、１回ずつ巻かれて、計４ストランドで設置され、第４の光ファイバ２３は、第４の設置部材２６と連結手段２４にそれぞれ、２回ずつ巻かれて、計８ストランドで設置される。
ここで、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の歪率は、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の長さ比及び断面積比によって変化することによって、本実施例では、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の長さ及び直径は、同一に設定される。
本発明は、これに限定されるものではなく、第３の光ファイバ２２を１ストランド以上設置し、第４の光ファイバ２３を２ストランド以上設置して、第３及び第４の光ファイバ２２、２３を互いに異なるストランド数で設置してもよい。
このように、第３及び第４の光ファイバ２２、２３を、互いに異なるストランド数で設置することによって、第３及び第４の光ファイバ２２、２３にかかる全体張力は同一であり、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の各ストランドに作用する張力はストランド数によって変更される。
すなわち、第３及び第４の光ファイバ２２、２３をそれぞれ、４ストランドと８ストランドで設置した場合、第３の光ファイバ２２の各ストランドに作用する張力は、第４の光ファイバ２３の各ストランドに作用する張力の２倍となる。
表１は、光ファイバの張力による変化量テーブルである。
Figure 0006781775
表１には、直径が約１２５μmで、基準波長が１５５０ｎｍである光ファイバにおいて、張力による変化量を記載している。
表１に示すように、光ファイバより出力される波長は、張力変化量１００ｇによって、約１．３２ｎｍ変化し、光ファイバの長さが約１０００με変化して、長さ変化量が０．１％の場合、約１．２ｎｍ変化する。
このような張力変化量と長さ変化量による光ファイバの波長変化を用いると、測定対象の歪率測定が可能である。
そのため、本実施例において、第３及び第４の光ファイバ２２、２３に作用する張力変化量が各々、４００ｇである場合、第３の光ファイバ２２の各ストランドに作用する張力は、約１００ｇであり、第４の光ファイバの各ストランドに作用する張力は、約５０ｇとなる。
これによって、第３の光ファイバ２２より出力される波長は、各ストランドに作用する張力変化量１００ｇによって、約１．３２ｎｍ変化し、第４の光ファイバ２３より出力される波長は、各ストランドに作用する張力変化量５０ｇによって、約０．６６ｎｍ変化する。
そして、第３の光ファイバ２２の長さ変化量は、第４の光ファイバ２３の長さ変化量の２倍となる。
従って、第３の光ファイバ２２より出力される波長は、各ストランドに作用する張力変化量１００ｇによって、約１．３２ｎｍ変化し、第４の光ファイバ２３より出力される波長は、各ストランドに作用する張力変化量５０ｇによって、約０．６６ｎｍ変化する。
このように、本発明は、連結手段を用いて、両側に互いに異なるストランド数を有する一対の光ファイバを設置することで、各光ファイバの張力変化量及び長さ変化量による波長変化を用いて、測定対象の歪率を測定することができる。
また、本発明は、ストランド数の少ない第３の光ファイバに、ファイバブラッググレーティングセンサを設置して、測定感度を高めることができる。
一方、本発明は、ストランド数の多い第４の光ファイバにファイバブラッググレーティングセンサを設置して、長さ変化量を減少させることで、ファイバブラッググレーティングセンサの耐久性を向上することができる。
このように、本発明は、互いに異なるストランド数で設置された一対の光ファイバのうち、選択的にいずれか１つにファイバブラッググレーティングセンサを設置することで、歪センサの測定感度及び耐久性を調節することができる。
一方、図２及び図３において、第３及び第４の光ファイバの外側端はそれぞれ、両側より引き出されることが示されるが、本発明は、第３及び第４の光ファイバのうち、ファイバブラッググレーティングセンサが設置される１つの側端を外部に引き出すように設置される。
第３及び第４の光ファイバにそれぞれ、ファイバブラッググレーティングセンサが設置される場合は、各光ファイバの側端を外部に引き出すように設置される。
一方、本発明は、ファイバブラッググレーティングセンサを加速度センサ１０と歪センサ２０に適用した状態で、温度変化によるファイバブラッググレーティングセンサの屈折率変化によって波長変化を防止するために、温度補償用のファイバブラッググレーティングセンサを、更に含むことができる。
図４は、本発明の第３実施例によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた歪センサの構成図である。
本発明の好適な実施例によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた歪センサ２０は、図４に示すように、図２を参照して説明した歪センサ２０の構成と同様であり、単に、連結手段２４と、第３及び第４の設置部材２５、２６のうちから２以上に選択的に設置され、一側に温度補償用のファイバブラッググレーティングセンサ（図示せず）が設置される第５の光ファイバ２８をさらに含む。
ここで、第５の光ファイバ２８は、第３及び第４の光ファイバ２２、２３と別に設けられ、連結手段２４と第３の設置部材２５に設置されるか、連結手段２４と第４の設置部材２６に設置されるか、又は連結手段２４と第３及び第４の設置部材２５、２６に、いずれも設置可能である。
ここで、第５の光ファイバ２８は、張力変化によって出力される波長の変化が生じることを防止するため、連結手段２４と第３及び第４の設置部材２５、２６のうちから２つ以上に張力が作用しないように緩く設置可能である。
そこで、前記温度補償用のファイバブラッググレーティングセンサは、張力変化によらず、温度変化で変化した波長に出力することができる。
一方、本実施例では、第５の光ファイバが、第３及び第４の光ファイバと別に設けられることと説明したが、本発明は、第３又は第４の光ファイバを、連結手段と設置部材に更に１回以上緩く設置し、ファイバブラッググレーティングセンサを設置してもよい。
そして、本実施例では、第２実施例で説明した歪センサに適用することと説明したが、本発明は、第１実施例で説明した勾配センサに第５の光ファイバを適用して、温度補償値を精度高く調節することができる。
このように、本発明は、一対の取付部材の間に設置された連結手段と第３及び第４設置部材のうちから２以上に温度補償用のファイバブラッググレーティングセンサが設けられた第５の光ファイバを緩く設置して、温度変化による補償値を精度高く調節することができる。
一方、本発明は、第３の光ファイバと第４の光ファイバの長さ比を調節して、歪率を調節することができる。
図５は、本発明の第４実施例によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた歪センサの構成図である。
本発明の第４実施例によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた歪センサ２０は、図５に示すように、図２及び図３を参照して説明した構成と同様であり、単に、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の長さ比を互いに異なるように変更することができる。
すなわち、連結手段２４の位置を調節して、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の長さ比を調節することができる。
例えば、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の長さ比は、２：１、５：１、１：２など様々に設定可能である。
ここで、第３及び第４の光ファイバ２２、２３にかかる全体張力は、同一であることから、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の全体の歪率は、長さ比が変化しても常に同一である。
しかし、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の長さ比が２：１から５：１に増加すると、第３及び第４の光ファイバ２２、２３のそれぞれの実歪率の絶対値は、増加する。
一方、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の長さ比が減少すると、第３及び第４の光ファイバ２２、２３の実際歪率の絶対値は、減少する。
従って、本発明は、第３の光ファイバの長さを増加させ、第４の光ファイバの長さを減少させて、光ファイバ及びファイバブラッググレーティングセンサの耐久性を向上させることができる。
このように、本発明は、互いに異なるストランド数で設けられる一対の光ファイバの長さ比を調節して、各光ファイバの実際歪率の絶対値を調節することができる。
ついで、図６及び図７を参照して、本発明によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた歪センサの設置方法を詳細に説明する。
図６及び図７は、測定対象に設置された歪センサを示す図である。
図６には、平面状の測定対象に設置された歪センサを示しており、図７には、測定対象の付着面が不均一であるか、トンネルのように曲率のある面又は底が左右に捻れた面に設置された歪センサを示している。
本発明によるファイバブラッググレーティングセンサを用いた歪センサ２０は、図５及び図６に示すようなセンサ固定装置３０を用いて、測定対象に設置される。
センサ固定装置３０は、内部に歪センサ２０が収容される保護管３１と、保護管３１の両端を測定対象に固定する一対の固定ブラケット３２とを含む。
各固定ブラケット３２は、上部からみると、断面が略‘十’字状のブロックに設けられ、各固定ブラケット３２の対向する側面にはそれぞれ、保護管３１の両端が結合される。
各固定ブラケット３２は、上下方向に沿って貫通して締め付けられる固定ボルト３３によって、平面状の測定対象に固定される。
このために、各固定ブラケット３２の両側にはそれぞれ、固定ボルト３３が締め付けられる締結孔が形成される。
このような各固定ブラケット３２の外側端には、歪センサ２０に設けられた第３及び第４の光ファイバ２２、２３の両端を各々固着剤で固定する固定溝が形成される。
そのため、作業者は、前記のように構成されるセンサ固定装置３０の保護管３１内に歪センサ２０を配置した状態で、保護管３１の両端を各々一対の固定ブラケット３２に結合する。
この時、各固定ブラケット３２と保護管３１の両端が結合した部位にはそれぞれ、歪センサ２０を保護し、セットされた波長を維持するセットボルト３４が結合した状態である。
セットボルト３４は、一対の固定ブラケット３２のいずれか１つにのみ、設置可能である。
そして、一対の固定ブラケット３２を測定対象上に配置した後、各固定ブラケット３２に形成される締結孔を介して、固定ボルト３３を締め付けて、測定対象に固定する。
この時、作業者は、計測対象の変位が歪センサ２０に敏感に伝達されるように、各セットボルト３４を緩めて、設置を完了する。
このように、センサ固定装置３０を用いて平面状の測定対象に設置された歪センサ２０は、測定対象の微細な変位を測定することができる。
実験によると、本発明による歪センサ２０は、分解能約１μεまで精度高く測定可能であることを確認した。
一方、本発明による歪センサ２０は、測定対象の付着面が不均一であるか、トンネルのように曲率がある面又は底が左右に捻れた面に設置する場合、図７に示すセンサ固定装置３０を用いて設置することができる。
センサ固定装置３０は、図７に示すように、図６を参照して説明したセンサ固定装置３０の構成と同様であり、単に、保護管３１に設置するに当たり、一対の固定ブラケット３２を上下前後左右の方向に回転させて、角度調節可能に結合することができる。
このため、保護管３１の両端にはそれぞれ、固定具３５が結合され、各固定具３５の外側端にはそれぞれ、ボール３６が結合される。
各固定ブラケット３２は、ボール３６を中心に、上下部で互いに結合して結合角度を調節する上部ブラケット３７と下部ブラケット３８とを含む。
ここで、各固定具３５は、略六面体状のボディ４１と、ボディ４１の外側端に連結され、外周面に結合されたボール３６を用いて、各固定ブラケット３２と結合角度調節可能に結合される結合部４２とを含む。
ボディ４１の内側端には、保護管３１が結合される結合空間４３が設けられ、結合空間４３の外側端は、圧縮力による測定対象の変位の発生時、ボディ４１と保護管３１の接触を防止するために、所定の間隔、例えば約３mm離れて設置される。
各ボール３６の中央部には、固定具（３６）の結合部４２が結合される結合孔が形成される。
このようなボール３６は、完全なリング状に形成されることができるが、弾性を用いて結合部４２の外周面に結合した状態を維持するために、ボール３６の一側には、開放部３９が形成される。
従って、作業者は、開放部３９を中心に、ボール３６の両端が互いに離れるように開けた後、各結合部４２の外側端に結合し、ボール３６は、本来の形状に戻るために、作用する弾性力によって、結合部４２に安定して結合した状態を維持することができる。
ここで、歪センサ２０の両側端に設けられる第３及び第４の設置部材２５、２６と取付部材２１とはそれぞれ、一対の固定具３５に設けられた各結合部４２内に設置される。
上部ブラケット３７と下部ブラケット３８の中央部にはそれぞれ、ボール３６が挿入される挿入溝が形成され、上部ブラケット３７と下部ブラケット３８は、両側に形成された組立孔に締め付けられる組立ボルト４０によって組み立てられる。
そして、下部ブラケット３８の両端には、測定対象に固定するための固定ボルト３３が締め付けられる固定孔が形成される。
そこで、作業者は、前記のように構成されたセンサ固定装置３０に設けられた一対の下部ブラケット３８を、面が不均一であるか、トンネルのように曲率がある面又は底が左右に捻れた付着面に配置する。
この時、一対の下部ブラケット３８は、各固定具３５に設置された一対のボール３６間の距離に対応する距離だけ離れた状態で、固定ボルト３３によって測定対象に固定される。
そして、作業者は、各下部ブラケット３８及びボール３６の上部に上部ブラケット３７を配置した後、組立ボルト４０を締め付けて、上部ブラケット３７と下部ブラケット３８を組み立てる。
このように、本発明は、センサ固定装置を用いて、平面状の測定対象だけでなく、付着面が不均一であるか、トンネルのように曲率がある面又は底が左右に捻れた面に歪センサを設置して、測定対象の変位を精度高く測定することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を前記実施例によって具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。
本発明は、互いに異なるストランド数で設けられる一対の光ファイバの間に荷重印加手段を設置することで、勾配を測定し、連結手段を設置することで、各光ファイバで作用する感度及び耐久性を調節するファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置の技術に適用される。

Claims (11)

  1. ファイバブラッググレーティングセンサを用いた加速度センサに適用される場合、
    外形を形成するケースと、
    前記ケース内に垂直方向に沿って所定の間隔だけ離隔設置される第１及び第２の光ファイバと、
    前記第１及び第２の光ファイバの間に設置され、前記第１及び第２の光ファイバに荷重を印加する荷重印加手段と、を含み、
    測定対象の振動による前記荷重印加手段の上下動によって、前記第１及び第２の光ファイバに設置された各ファイバブラッググレーティングセンサより出力される波長の変化を用いて、加速度の方向及びサイズを測定し、
    前記第１及び第２の光ファイバはそれぞれ、前記荷重印加手段の外周面に、互いに異なる回数分巻かれて、互いに異なるストランド数で設置されることを特徴とするファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置。
  2. 前記第１及び第２の光ファイバのいずれか１以上には、１以上のファイバブラッググレーティングセンサが設置され、
    前記ケースの上端と下端の間には、前記第１及び第２の光ファイバの一端部が設置される第１及び第２の設置部材が設けられ、
    前記荷重印加手段と第１及び第２の設置部材はそれぞれ、円板状からなることを特徴とする請求項１に記載のファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置。
  3. ファイバブラッググレーティングセンサを用いた歪センサに適用される場合、
    所定の間隔だけ離隔設置される一対の取付部材と、
    前記一対の取付部材の間に水平方向に沿って設置される第３及び第４の光ファイバと、
    前記第３及び第４の光ファイバの間に設置され、前記第３及び第４の光ファイバに印加される張力によって、一定の位置に固定される連結手段と、を含み、
    互いに異なるストランド数で設置された前記第３及び第４の光ファイバより選択的にいずれか１つに、ファイバブラッググレーティングセンサを設置して、測定感度及び耐久性の調節が可能であることを特徴とするファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置。
  4. 前記連結手段は、前記第３及び第４の光ファイバに荷重が印加されることを防止するために、軽金属材質又は合成樹脂材質を用いた円板状からなり、
    前記第３及び第４の光ファイバは、前記連結手段の外周面に互いに異なる回数だけ巻かれて、互いに異なるストランド数で設置されることを特徴とする請求項３に記載のファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置。
  5. 前記連結手段の外周面には、前記第３及び第４の光ファイバの各ストランドと連結手段の間の摩擦力を増加するように、複数の設置溝が形成され、
    前記設置溝は、Ｖ字状、又はＶ字状の下端部が平面状からなることを特徴とする請求項４に記載のファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置。
  6. 前記ファイバブラッググレーティングセンサは、測定対象の変位を測定する感度を増加させる場合、前記第３及び第４の光ファイバのうち、ストランド数の少ない光ファイバに設置されることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載のファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置。
  7. 前記ファイバブラッググレーティングセンサは、耐久性を増大する場合、前記第３及び第４の光ファイバのうち、ストランド数の多い光ファイバに設置されることを特徴とする請求項６に記載のファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置。
  8. 前記歪センサは、センサ固定装置を用いて測定対象に設置され、
    前記センサ固定装置は、内部に前記歪センサが収容される保護管と、前記保護管の両端を測定対象に固定する一対の固定ブラケットとを含むことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載のファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置。
  9. 前記保護管の両端にはそれぞれ、固定具が結合され、
    各固定具の外側端にはそれぞれ、ボールが結合され、
    各固定ブラケットは、前記ボールを中心に、上下部で互いに結合する上部ブラケットと下部ブラケットを含み、
    前記固定ブラケットは、前記固定具に設置されたボールを中心に回転して、前記固定具の結合角度調節が可能であることを特徴とする請求項８に記載のファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置。
  10. 連結手段の両側に互いに異なるストランド数で設置された一対の光ファイバのうちから選択的にいずれか１つにファイバブラッググレーティングセンサを設置して、前記ファイバブラッググレーティングセンサで測定される感度、及び前記ファイバブラッググレーティングセンサの耐久性の調節が可能であることを特徴とするファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置の感度及び耐久性調節方法。
  11. （ａ）一対の取付部材の間に前記連結手段を配置し、前記一対の光ファイバを前記連結手段に互いに異なる回数で巻回して、互いに異なるストランド数で設置する段階と、
    （ｂ）前記一対の光ファイバのうち、相対的にストランド数の少ない光ファイバに前記ファイバブラッググレーティングセンサを設置して、測定対象の変位を測定する感度を増加させる段階と、
    （ｃ）前記一対の光ファイバのうち、相対的にストランド数の多い光ファイバに、前記ファイバブラッググレーティングセンサを設置して、前記ファイバブラッググレーティングセンサの耐久性を増大する段階と、を含むことを特徴とする請求項１０に記載のファイバブラッググレーティングセンサを用いた変位測定装置の感度及び耐久性調節方法。
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