JP7306565B2 - テープ心線を用いた測定装置及び測定方法 - Google Patents
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Description
本開示は、曲率及び捩率を測定する測定装置及び測定方法に関する。
光ファイバを用いた形状センシングが注目されている。光ファイバの形状(軌跡)を解析するためには、光ファイバに加わる曲率と捩率を取得する必要がある。
ファイバ曲げによって反射光の波長が変わる(ブラッグ波長がシフトする)FBG(Fiber Bragg Grating)が付与されたマルチコア光ファイバを用い、OFDR(Optical Frequency Domain Reflectmetry)等によって各コアの長手方向の歪み分布を測定し、同一地点における各コアの歪みから得られる断面方向の歪み分布に基づいて、曲率と捩率を算出する技術が提案されている(例えば、非特許文献1及び2参照)。
"Shape sensing using multi-core fiber optic cable and parametric curve solutions", Optics Express, Vol.20, No.3, pp.2967-2973
"Bend measurement using Bragg gratings in multicore fibre", Electronics letters, vol.36, no.2, pp.120-121
FBGマルチコア光ファイバのような特殊な光ファイバは非常に高価であるため、より安価なセンサ媒体を利用した曲率・捩率取得方法および装置が必要とされている。そこで、本開示は、安価なセンサ媒体を利用した曲率・捩率取得方法および装置の提供を目的とする。
上記目的を達成するために、本開示は、光ファイバを用いた形状センシングにおいて、センサ媒体としてテープ心線を用い、B-OTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)またはOFDR等の反射測定法により各心線の長手方向の歪み分布を測定し、テープ心線における内側と外側の光ファイバに加わる歪量の差に基づいて、テープ心線に加わる曲率及び捩率を取得する。
具体的には、本開示に係る測定装置は、
複数の心線が平行に配列されているテープ心線と、
前記複数の心線での歪み量を測定する歪み測定部と、
前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量を用いて、前記テープ心線の曲率及び捩率を求める演算処理部と、
を備える。
複数の心線が平行に配列されているテープ心線と、
前記複数の心線での歪み量を測定する歪み測定部と、
前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量を用いて、前記テープ心線の曲率及び捩率を求める演算処理部と、
を備える。
具体的には、本開示に係る測定方法は、
測定装置が実行する測定方法であって、
前記測定装置は、複数の心線が平行に配列されているテープ心線と接続されており、
前記測定装置が、
前記複数の心線での歪み量を測定し、
前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量を用いて、前記テープ心線の曲率及び捩率を求める。
測定装置が実行する測定方法であって、
前記測定装置は、複数の心線が平行に配列されているテープ心線と接続されており、
前記測定装置が、
前記複数の心線での歪み量を測定し、
前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量を用いて、前記テープ心線の曲率及び捩率を求める。
本開示によれば、汎用的なテープ心線をセンサ媒体に利用するため、形状センシングの低コスト化が可能となる。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
図1に、テープ心線の一例を示す。テープ心線は、光ファイバ素線である心線91-1~91-4が複数本、平行に並べて樹脂で被覆されている。図では一例として、4本の心線91-1~91-4が配列されている例を示す。各心線91-1~91-4は被覆で互いに結合されている。そのため、x軸方向の変位(曲げ)に対しては各心線91-1~91-4に加わる歪みは等しいが、xy平面上の回転(捩れ)に対しては内側に配置されている心線91-2及び91-3よりも外側に配置されている心線91-1及び91-4の心線の方が大きな歪みが加わる。また、テープ心線の剛性から、y軸方向には曲がらず、x軸方向の曲げ又は捩じれのみが生じると仮定することができる。
そこで、本開示は、
・各心線91-1~91-4に加わる歪み増加量、及び
・内側に配置されている心線91-2及び91-3と外側に配置されている心線91-1及び91-4に加わる歪み量の差
を解析し、テープ心線91の曲率と捩率を算出する。
・各心線91-1~91-4に加わる歪み増加量、及び
・内側に配置されている心線91-2及び91-3と外側に配置されている心線91-1及び91-4に加わる歪み量の差
を解析し、テープ心線91の曲率と捩率を算出する。
(実施形態1)
図2に、本開示に係るシステム構成例を示す。本開示に係るシステムは、測定装置10及びテープ心線91を備える。テープ心線91は、センサ媒体として用いられ、形状センシングを行う被測定対象92に敷設されている。テープ心線91は、図1に示すような、4本の心線が配列された汎用的なテープ心線を用いることができる。
図2に、本開示に係るシステム構成例を示す。本開示に係るシステムは、測定装置10及びテープ心線91を備える。テープ心線91は、センサ媒体として用いられ、形状センシングを行う被測定対象92に敷設されている。テープ心線91は、図1に示すような、4本の心線が配列された汎用的なテープ心線を用いることができる。
測定装置10は、歪み測定部として機能する光計測器11、演算処理部12及び記憶部13を備える。測定装置10はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
光計測器11は、テープ心線91に含まれる各心線91-1~91-4の歪みを測定する。光計測器11は、光ファイバ長手方向の歪み分布を測定可能な任意の光測定器であり、例えば、B-OTDR(Brillouin OTDR)又はOFDRが例示できる。
演算処理部12は、光計測器11の測定した歪みを用いて、各心線91-1~91-4の歪み分布を測定し、これを用いてテープ心線91の曲率と捩率を算出する。
演算処理部12は、光計測器11の測定した歪みを用いて、各心線91-1~91-4の歪み分布を測定し、これを用いてテープ心線91の曲率と捩率を算出する。
記憶部13は、テープ心線91を用いて予め測定された、曲率と歪み量の関係、及び捩率と歪み量の関係を記憶する。
図3にテープ心線91の曲率と歪み量の関係の一例を示す。テープ心線91の曲率が増加すると、内側の心線91-2及び91-3の歪み量と外側の心線91-1及び91-4の歪み量の両方が同じように増加する。そのため、演算処理部12は、内側の心線91-2及び91-3の歪み量と外側の心線91-1及び91-4の歪み量が同程度である場合、心線91-1~91-4の少なくともいずれかの歪み量を用い、歪み量に応じた曲率を導出することができる。
図4にテープ心線91の捩率と歪み量の関係の一例を示す。捩率が増加すると、外側の心線91-1及び91-4の歪み量が内側の心線91-2及び91-3の歪み量よりも大きくなる。そのため、演算処理部12は、外側の心線91-1及び91-4の歪み量が内側の心線91-2及び91-3の歪み量よりも大きい場合、心線91-1~91-4の少なくともいずれかの歪み量を用い、歪み量に応じた捩率を導出することができる。
図5に、本開示に係る測定装置が実行するフローの一例を示す。
測定装置10は、ステップS101~S103を実行する。
S101:光計測器11は、各心線91-1~91-4の歪み分布を測定する。
S102:演算処理部12は、測定した歪み分布を予め測定された歪み参照データと比較し、各心線91-1~91-4の歪み変化量の分布を算出する。
S103:各心線91-1~91-4の歪み変化量の分布を用いて、テープ心線91の曲率および捩率を算出する。
測定装置10は、ステップS101~S103を実行する。
S101:光計測器11は、各心線91-1~91-4の歪み分布を測定する。
S102:演算処理部12は、測定した歪み分布を予め測定された歪み参照データと比較し、各心線91-1~91-4の歪み変化量の分布を算出する。
S103:各心線91-1~91-4の歪み変化量の分布を用いて、テープ心線91の曲率および捩率を算出する。
図6に、手順S101で測定した歪み量の分布の一例を示す。光計測器11は、各心線91-1~91-4に信号光を入射し、各心線91-1~91-4からの戻り光を用いて、光計測器11からの各距離での歪み量を測定する。これにより、演算処理部12は、各区間S1~S5での歪み量を取得する。
手順S102では、演算処理部12は、手順S101で測定した歪みの歪み分布から、予め測定された基準となる歪み分布(歪みがないときの分布データ)を減算することにより、歪み変化量の分布を算出する。
図7に、歪み変化量の分布の一例を示す。区間S2では、内側の心線91-2及び91-3の歪み量と外側の心線91-1及び91-4の歪み量がほぼ等しい。区間S4では、外側の心線91-1及び91-4の歪み量が、内側の心線91-2及び91-3の歪み量よりも大きい。区間S1、S3、S5では歪み量の増加はない。
手順S103では、演算処理部12は、手順S102で取得した「歪み変化量」と、記憶部13に記憶されている「曲率と歪み量の関係、捩率と歪み量の関係」を用いて、各地点におけるテープ心線91の曲率と捩率の分布を算出する。例えば、区間S2では、内側と外側の歪み量がほぼ等しい。そのため、演算処理部12は、図3に示すような曲率と歪み量の関係を用いて、ひずみ量に応じた曲率を導出する。例えば、区間S4では、内側と外側の歪み量が異なる。そのため、演算処理部12は、図4に示すような捩率と歪み量の関係を用いて、ひずみ量に応じた捩率を導出する。これにより、図8に示すような、光計測器11から各地点での曲率及び捩率を測定することができる。
(実施形態2)
本実施形態では、ねじれ方向の取得について説明する。本実施形態のシステム構成は、実施形態1と同様であり、光ファイバ長手方向の歪み分布を測定する光測定器11を用いる。ただし、予め捩られた状態でテープ心線91を被測定対象92に敷設する。そして、実施形態1と同様に手順S101~S103を実行するが、手順S103が以下の点で異なる。
本実施形態では、ねじれ方向の取得について説明する。本実施形態のシステム構成は、実施形態1と同様であり、光ファイバ長手方向の歪み分布を測定する光測定器11を用いる。ただし、予め捩られた状態でテープ心線91を被測定対象92に敷設する。そして、実施形態1と同様に手順S101~S103を実行するが、手順S103が以下の点で異なる。
本実施形態ではテープ心線91が予めねじられている。そのため、図9に示すように、予め歪みが予め発生している。そのため、歪み量が基準から増加した場合、演算処理部12は、予めねじった方向と同じ方向のねじれが加わったと判定する。一方、歪み量が基準から減少した場合、演算処理部12は、予めねじった方向と逆方向のねじれが加わったと判定する。なお、基準と比較する歪み量は、予め発生している内側と外側の歪み量の差を用いてもよい。
(発明のポイント)
・センサ媒体として汎用的なテープ心線を使用する。
・B-OTDRやOFDR等によって各心線の長手方向の歪み分布を測定する。
・テープ心線における内側と外側の光ファイバに加わる歪量の差からテープ心線の曲率と捩率を算出する。
・テープ心線の剛性から、y軸方向には曲がらず、x軸方向の曲げ又は捩じれのみが生じると仮定する。
・センサ媒体として汎用的なテープ心線を使用する。
・B-OTDRやOFDR等によって各心線の長手方向の歪み分布を測定する。
・テープ心線における内側と外側の光ファイバに加わる歪量の差からテープ心線の曲率と捩率を算出する。
・テープ心線の剛性から、y軸方向には曲がらず、x軸方向の曲げ又は捩じれのみが生じると仮定する。
(効果)
汎用的なテープ心線をセンサ媒体として使用するため、マルチコアファイバ等の特殊なセンサ媒体を使用する方法と比べて、安価に曲率・捩率を取得できる方法および装置を提供することができる。
汎用的なテープ心線をセンサ媒体として使用するため、マルチコアファイバ等の特殊なセンサ媒体を使用する方法と比べて、安価に曲率・捩率を取得できる方法および装置を提供することができる。
本開示は情報通信産業に適用することができる。
10:測定装置
11:光計測器
12:演算処理部
13:記憶部
91:テープ心線
91-1、91-2、91-3、91-4:心線
92:被測定対象
11:光計測器
12:演算処理部
13:記憶部
91:テープ心線
91-1、91-2、91-3、91-4:心線
92:被測定対象
Claims (4)
- 複数の心線が平行に配列されているテープ心線と、
前記複数の心線での歪み量を測定する歪み測定部と、
前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量を用いて、前記テープ心線の曲率及び捩率を求める演算処理部と、
を備える測定装置。 - 曲率と歪み量の関係及び捩率と歪み量の関係を記憶する記憶部を備え、
前記演算処理部は、
前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量の変化が略等しい場合、前記記憶部に記憶されている曲率と歪み量の関係を用いて、前記歪み測定部の測定した歪み量に応じた曲率を導出し、
前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量の変化が異なる場合、前記記憶部に記憶されている捩率と歪み量の関係を用いて、前記歪み測定部の測定した歪み量に応じた捩率を導出する、
請求項1に記載の測定装置。 - 前記テープ心線は、予め捩られており、
前記テープ心線の捩率と歪み量の関係、及び予め捩られていることによる歪み量の基準値を記憶する記憶部を備え、
前記演算処理部は、
前記複数の心線の歪み量が前記基準値よりも大きい場合、前記テープ心線が予め捩られている方向と同じ方向にねじれが加わったと判定し、
前記複数の心線の歪み量が前記基準値よりも小さい場合、前記テープ心線が予め捩られている方向と逆方向にねじれが加わったと判定する、
請求項1又は2に記載の測定装置。 - 測定装置が実行する測定方法であって、
前記測定装置は、複数の心線が平行に配列されているテープ心線と接続されており、
前記測定装置が、
前記複数の心線での歪み量を測定し、
前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量を用いて、前記テープ心線の曲率及び捩率を求める、
測定方法。
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2020
- 2020-03-05 JP JP2022504896A patent/JP7306565B2/ja active Active
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