JP7047366B2 - 光ファイバセンサ - Google Patents
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Description
本発明の第1実施形態に係る光ファイバセンサの一例について図1~図5を用いて説明する。
(全体構成)
第1実施形態に係る光ファイバセンサ10は、図1に示されるように、光ファイバ12と、光ファイバ12に形成された第一ファイバブラッググレーティング14と、光ファイバ12に形成された第二ファイバブラッググレーティング16とを有している。さらに、光ファイバセンサ10は、第二ファイバブラッググレーティング16が形成された部分の光ファイバ12の外周面に一体的に取り付けられた異特性部材20を備えている。
次に、光ファイバセンサ10を用いて、測定対象部材の歪み、及び温度を導出する方法について説明する。
予め、第一FBG14が形成された部分の光ファイバ12と、第二FBG16が形成された部分の光ファイバ12との熱膨張特性及び縦弾性係数について取得する。具体的には、縦弾性係数として、光ファイバ12の歪みと中心反射波長との関係を取得する。また、熱膨張特性として、光ファイバ12の温度と中心反射波長との関係を取得する。なお、熱膨張特性及び縦弾性係数については、例えば、解析又は実測等によって取得することができる。
温度を一定にした状態(例えば、20〔℃〕一定にした状態)で、第一FBG14が形成された部分に荷重を負荷したときのこの部分の光ファイバ12の歪みと、中心反射波長との関係を取得する。同様に、第二FBG16が形成された部分に荷重を負荷したときのこの部分の光ファイバ12の歪みと、中心反射波長との関係を取得する。これにより、図4に示されるように、横軸が歪み〔με〕で、縦軸が中心反射波長〔nm〕のグラフが、作成される。本実施形態では、図4に示すグラフ中の線L1が、第一FBG14が形成された部分の光ファイバ12の特性であって、線L2が、第二FBG16が形成された部分の光ファイバ12の特性である。
温度変化の影響による歪みだけが生じるように、初期歪みを0〔με〕とした状態で、第一FBG14が形成された部分の光ファイバ12の温度と、中心反射波長との関係を取得する。同様に、第二FBG16が形成された部分の光ファイバ12の温度と、中心反射波長との関係を取得する。これにより、図5に示されるように、横軸が温度〔℃〕で、縦軸が中心反射波長〔nm〕のグラフが、作成される。本実施形態では、図5に示すグラフ中の線L11が、第一FBG14が形成された部分の光ファイバ12の特性であって、線L12が、第二FBG16が形成された部分の光ファイバの特性である。
図2に示されるように、光ファイバセンサ10を測定対象部材Jの平面J1に接触させて、光ファイバセンサ10を測定対象部材Jに取り付ける。
光ファイバセンサ10における第一FBG14の中心反射波長、及び第二FBG16の中心反射波長を測定するための測定ユニット50は、図3に示されるように、広帯域光源52と、波長計54と、ファイバカプラ56とを備えている。
光ファイバセンサ10を測定対象部材Jに取り付けた初期状態に対する、第一FBG14によって反射された中心反射波長のずれ量〔nm〕を「ΔλFBG1」とし、第二FBG16によって反射された中心反射波長のずれ量〔nm〕を「ΔλFBG2」とする。さらに、初期状態も対する、測定対象部材Jの歪みの変化量を、「Δε」とし、測定対象部材Jの温度の変化量を、「ΔT」とする。さらに、予め取得した第一FBG14が形成された部分の光ファイバ12の熱膨張特性、及び予め取得した第二FBG16が形成された部分の光ファイバ12の熱膨張特性から下記式(1)が成り立つ。
以上説明したように、光ファイバセンサ10において、第一FBG14が形成された部分の光ファイバ12、及び第二FBG16が形成された部分の光ファイバ12に取り付けられている異特性部材20を、測定対象部材Jを構成する平面J1に接触させることができる。このため、測定対象部材Jの温度の変化、及び歪みの変化に起因して生じる中心反射波長のずれ量を測定する測定精度が向上する。そして、前述した式(4)を用いることで、測定対象部材Jの歪、及び温度が導出される。このため、一対のファイバブラッググレーティング(FBG)を用いる構成において、一方のFBGが形成された部分を測定対象部材から隙間を空けて離間させる場合と比して、測定対象部材の歪みと温度とを導出する精度を向上させることができる。
また、光ファイバ12の外周面に異特性部材20を一体的に取り付けることで、第一FBG14が形成された部分の光ファイバ12の縦弾性係数と、第二FBG16が形成された部分の光ファイバ12の縦弾性係数が異なっている。このため、例えば、光ファイバの材質を部分的に変えることで縦弾性係数を異ならせる場合と比して、簡易な構成で、縦弾性係数を異ならせることができる。
本発明の第2実施形態に係る光ファイバセンサの一例について図6を用いて説明する。なお、第2実施形態に係る光ファイバセンサについては、第1実施形態に係る光ファイバセンサ10と異なる部分を主に説明する。
本発明の第3実施形態に係る光ファイバセンサの一例について図7を用いて説明する。なお、第3実施形態に係る光ファイバセンサについては、第1実施形態に係る光ファイバセンサ10と異なる部分を主に説明する。
本発明の第4実施形態に係る光ファイバセンサの一例について図8を用いて説明する。なお、第4実施形態に係る光ファイバセンサについては、第2実施形態に係る光ファイバセンサ110と異なる部分を主に説明する。
12 光ファイバ
12B クラッド
14 第一ファイバブラッググレーティング(第一FBG)
16 第二ファイバブラッググレーティング(第二FBG)
20 異特性部材
110 光ファイバセンサ
120 異特性部材
210 光ファイバセンサ
220 保持部材
310 光ファイバセンサ
320 保持部材
Claims (7)
- 光ファイバに形成された第一ファイバブラッググレーティングと、
光ファイバに形成された第二ファイバブラッググレーティングと、を備え、
前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性とが異なり、かつ、前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数とが異なり、
前記第一ファイバブラッググレーティングと前記第二ファイバブラッググレーティングとは、一本の光ファイバに形成されている光ファイバセンサ。 - 光ファイバに形成された第一ファイバブラッググレーティングと、
光ファイバに形成された第二ファイバブラッググレーティングと、を備え、
前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性とが異なり、かつ、前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数とが異なり、
前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、前記光ファイバのクラッドの熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記光ファイバのクラッドの縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された異特性部材が一体的に取り付けられ、
前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、前記異特性部材の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記異特性部材の縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された他の異特性部材が一体的に取り付けられている光ファイバセンサ。 - 光ファイバに形成された第一ファイバブラッググレーティングと、
光ファイバに形成された第二ファイバブラッググレーティングと、を備え、
前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの熱膨張特性とが異なり、かつ、前記第一ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数と、前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの縦弾性係数とが異なり、
前記光ファイバに張力が付与されている状態で前記光ファイバを保持する保持部材を備える光ファイバセンサ。 - 前記第二ファイバブラッググレーティングが形成された部分の光ファイバの外周面には、前記光ファイバのクラッドの熱膨張係数とは異なる熱膨張係数で、かつ、前記光ファイバのクラッドの縦弾性係数とは異なる縦弾性係数の材料で形成された異特性部材が一体的に取り付けられている請求項1に記載の光ファイバセンサ。
- 前記異特性部材は、金属材料で形成されている請求項4に記載の光ファイバセンサ。
- 前記異特性部材は、非磁性材料で形成されている請求項4に記載の光ファイバセンサ。
- 前記異特性部材、及び前記他の異特性部材は、非磁性材料で形成されている請求項2に記載の光ファイバセンサ。
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