JPH02126127A - ファイバー光圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はファイバー光圧力センサに関するもので、これ
はセンサに課される圧力の作用でその光学特性を変化さ
せられるように光ファイバーをサンドインチ状の方法で
取り囲む圧力部材を含むものである。

かかる種類のセンサは、米国特許第４３４２９０７号に
開示されており、これには、光フアイバー手段により応
力、温度、圧力等を測定する光センサが記載されている
。かかる光ファイバは変形することが可能で、従ってそ
の中の光伝送が変化する。

上記文献の、第１１図を参照すると、センサは外部から
適用される圧力の検出が可能である。該センサは光ファ
イバーに圧力を課す２個の半円筒固体部より形成され、
これにより該ファイバーは変形する。しかしながら、半
円筒面体部構成であるため、上記センサは、巻き付けお
よび変形することができるケーブルを構成することがで
きないのは明らかである。更に、地中における埋設適合
性又は、かかる操作条件における検出に関しては何も記
載されていない。

解決すべき問題は、侵入者（ｉ　ｎ　ｔｒｕｄｅｒ）は
、侵入者の重量がセンサーに作用することを知ることな
く侵入者の存在を検出するために、位置の周辺保護を設
けることのできる圧力センサの実現であり、従って、専
門家でなくとも操作及び設置が簡単であるように、多く
の位置（ｌａｒｇｅ　５ｉｔｅ）でセンサが必要である
。

かかる問題の解決方法は連続ケーブルにより形成される
圧力センサで、該ケーブルは埋設可能で、少くとも１本
の光ファイバーを含み、埋設された場合、光ファイバー
は地表面帯に課された圧力の全体の長さ成分に沿って検
出可能であり、該圧力部材は軸方向に繰り返し構造を有
し、また上流構造物と下流構造物により形成され、これ
らは、光ファイバーの方向に圧力が課される地表面帯か
らの方向で見て光ファイバーの前と後ろに位置し、上流
構造物の幅は少なくとも約１　ｃｍである。

上流構造物は、圧力の適用領域がケーブルに直接的でな
い場合でも、課された圧力の成分を捕らえ、また、かか
る成分を光ファイバーに適用することをもたらし、一方
、下流構造物は、ケーブルを地中に埋設した場合に、光
ファイバーの位置を保持することをもたらす。従って、
周辺保護モードにおいて、センサは巻きを解いて、所定
の深さで地中に埋設される。該センサは所定の地面帯を
被うべきであり、従って、広い横方向ゾーンに対して高
い効率を達成し、更に、もし存するならかかるパッセー
ジ帯における侵入者を検出するようまがりくねった型に
設置する。作用は侵入者の重量により生ずる。かかる重
量は、ケーブル上に垂直に課されないかもしれず、従っ
て得られる圧力はセンサの方向にわずかに向いており、
小さい；しかじ、これらはやはり検出されねばならない
。

裸の光ファイバーを埋設すると、作用力は極めて弱くな
る。実際には、表面に課された重量による圧力は減衰す
るが、その理由の一つは核力が土壌中に分散するからで
あり、もう一つは光ファイバーは極めて小さい直径を有
する（０．１　ｍｍのオーダーである）からである。従
って土壌の性質及び光ファイバーの深さに応じて極めて
多大な感度の損失が生じ、それは、１５ｃｍの深さに対
してファクター１０００と同程度の高さとなる。

しかしながら作用力は距離の関数として光フアイバー上
に直線的に作用しないので、ケーブルから離れて課され
た小さい横方向の力に対するケーブルの検出度は最大に
高められなければならない。

本発明において、感度の上記損失の一部を回復し、横方
向の検出度を富めるため、光ファイバーの直径に対して
大きい横方向のディメンションを有するシート間に光フ
ァイバーを設ける。上流構造及び下流構造の幅は少なく
とも約１　ｃｍでなければならず、これは、クラットガ
ラスの１２５マイクロメートル（２５０マイクロメート
ル）の１００倍（５０倍）に相当する。

更に、ケーブルは操作者により設置されなければならな
いので、材料は頑強でなければならない。

本発明において、ケーブルの圧力部材は連続構造又はセ
グメント構造を有する。

第１の例においては、上流及び下流構造物は、屈曲手段
が設けられている２個の半硬質連続シートより形成され
、従って上記シートは、各領域で各シートに対し最大接
触面でそのシートの長さに沿って任意のゾーンで曲げる
ことが可能である。

“′半硬質°゛とはシートが圧力を伝達するのに十分硬
（、また、その軸方向に巻くのに十分可撓性であること
を意味するものと理解すべきである。

第２の例においては、圧力部材の上流及び下流構造物は
一定の離隔されたセグメントにより形成され、従ってケ
ーブルは巻き付け可能であり、また横断方向に屈曲する
ことも可能である。

上流及び下流構造物は、侵入者の重量の影響下での過度
の局部変形を回避するように、十分固定されてなければ
ならず、更に捕獲した力を光ファイバーにほぼ完全に伝
達しなければならない。構成材料は保護クラッドを介し
て光ファイバーを圧縮できるよう十分に堅くなければな
らない。上流構造物の表面は有効な検出が行われるよう
に十分大きくなくてはならない。

２つの構造物は横方向の力の検出に関し明らかに異なる
特性を有しており、これを様々な例を挙げて説明する。

本発明を、図面を参照しながら次の例により説明する。

第１図には、地表面１０及びポイントＡに課された単位
面積Ｐ当りの力が示されている。問題は、地表面、」二
のポイントＯから垂直に深さＩ］及びポインｌ−Ａから
の距ｉｌＤに位置するポインｌ−Ｂでの合力を知ること
である。Ａで課された力Ｐは、ＡからＢ方向に有効分Ｐ
１を有する。かかる有効分Ｐ１は距離りを超えて、土壌
により伝達され、ポイントＢで力Ｑとして、減衰形で現
れる。かかる力Ｑは鉛直成分Ｑｖと水平成分Ｑｈに分解
される。

ケーブル区分がポイントＢと一敗すると仮定する。角Ｏ
ＢＡをｙと称すると、第一の近似式Ｑ＝ｋ　−ＰＩ／Ｄ
Ｔ′で、結局 （式中、ｋは減衰係数を示す）と表される。

力ＰがポイントＢに垂直に０で課される場合、Ｂに課さ
れる力ＱはＱｏで表され、従って口ｏ＝ｋ・Ｐ　／Ｈ”
となる。

任意の角ｙで課される力Ｐとして、Ｇｏに関しては 鉛直成分ば　ＱシーＱｏ　ｅｏｓ’ｙ 水平成分は　Ｑｈ＝Ｑｏ　ｃｏｓ’ｙ−ｓｉｎ　ｙで表
される。

有効分０ν、　Ｑｈを各々水平及び鉛直表面ｓｈ及びＳ
νに適用すると適用力（Ａｐｐｌｉｅｄ　ｆｏｒｃｅ）
（１）　　Ｆｖ＝Ｓｈ−Ｑｏ−ｃｏｓ’ｙ（２）　　Ｆ
ｈ＝Ｓｖ・Ｑｏ−ｃｏｓ’ｙ−ｓｉｎ　ｙが得られる。

ｙが４５″より大きいときは同じ表面エリアに関してＦ
ｈはＦｖより大きく、ｙが４５°より小さい時はその逆
であることは明らかである。このようにケーブルに直角
でなく適用された力の検出をする場合には垂直受は表面
が有効である。それにも拘わらず、ケーブルにほぼ直角
方向に課した力を検出することも必要で、これは、水平
表面でこれらの力の検出能力を保存するものである。従
って、本発明において遠隔力の検出の可能性が高まる一
方、ケーブルにほぼ直角に課した力の検出の可能性も過
度に減じることがない。

２個の半円筒固定部により形成される圧力部材を含む従
来のセンサはかかる特性を有していない。

現実から離れて、巻き付き、屈曲することの可能なケー
ブルを形成することは想定せず、従来の文献にはかかる
ことへの達成方法は全く記載されておらず、圧力部材の
構造はケーブルに直角でなく課される力の検出に対し能
率的に利用できる構造にはなっておらず、従ってこれら
は、強力な減衰形でのみ、ケーブルに到達することが可
能であった。第２図には、かかる圧力部材を示す。圧力
ＰをポイントＡに課した場合、第１の近似として、Ａか
ら生ずる力の有効分を受ける直径ｄを有する上部半円筒
部はスライスＭＮに等しいと言えるであろう。ＭＮは、
約０．５ｄ　（１＋ｃｏｓ　ｙ）であることは容易に計
算できる。単純な場合では、かかる結果及び式（１）と
（２）は圧力部材の所定の表面に対して、得られる検出
度ＤＣ曲線を獲得できる。かかる検出度曲線は角ｙの関
数として第３図に任意の単位で表されている。曲線１は
水平スライスに関するものでセンサの光ファイバーの上
部に位置するものである（ＤＣはＣｏ５ｙに比例）。

曲線２は水平スライス及び垂直スライスに関するもので
、これらは交互になるように位置しており、同じ長さを
有する（ＯＣは１／２（ｃｏｓ　ｙ　＋ｓｉｎ　ｙ）に
比例）。

曲線３は曲線２と同様の場合のものであるが、垂直スラ
イスは２倍の長さを有する（ＤＣは１／３ｃｏｓ　ｙ　
＋２ｓｉｎ　ｙ）に比例）。

曲線４は曲線２と同様の場合のものであるが、垂直スラ
イスは３倍の長さを有する（ＤＣは１／４ｅｏｓ　ｙ　
＋３ｓｉｎ　ｙ）に比例）。

曲線５は上部素子が半円筒形状であるセンサに関するも
のである。

曲線２．３及び４に対応する構造物は、特に、ケーブル
の横方向感度の増大に有効である。これは、これらがｙ
の最大角を有するからである。小さい角度ｙに対するこ
れらのより低い感度は障害を形成せず、その理由はこれ
らの角度で検出されるべき力はより強力で、従ってセン
サの全体にわたる検出度はより均一だからである。

したがって、理解しやすく、専門家でなくとも装備しや
すいあまり複雑でないケーブル（ａ　ｌｅｓｓｃｏｍｐ
ｌｅｘ　ｃａｂｌｅ）を得るように、横方向の感度が増
大されるべきか、より低い横方向の検出を受信すべきか
に応じて本発明のケーブル構造を有する異なるタイプの
センサが使用できる。ケーブルを、上流及び下流構造物
が連続しているケーブル（第４へ、　４Ｂ、　４Ｃ，５
，６へ及び６Ｂ図）と、これ等が連続していない（第７
および８図）ケーブルに区別することがでる。

第４Δ、　４Ｂ、　４Ｃ図は垂直力に有効であるケーブ
ルに関するものである。上流構造物２２と下流構造物２
１があり、光ファイバー２０を中に包む構成である。

これらの構造は力を伝達するため半硬質連続シート状か
ら成り該シートは更に、軸方向ｘｘ’に巻き付けできる
ように十分可撓性である。従ってリール上に巻き取るこ
とができる。該シートは平面又はわずかな局面プレート
である。一般には、該シー）はフラット状でない表面を
有するが、この場合、上記表面に対し最大接触平面であ
ることを言及しておく。

使用している間、ケーブルを曲がりくねったスタイルに
アレンジすることが一般に必要であり、換言すれば、例
えば障害物のような輪郭に応じ、また最大効率で最大表
面をカバーできるように屈曲しなければならない。屈曲
後、上流表面を残すために、上流表面に対して、屈曲は
シートの平面でほとんど行われなければならない。従っ
て上流及び下流構造物はかかる屈曲ができるようにノツ
チ２３状で設けられる。かかる場合、屈曲手段は各シー
トの反対サイドに設けた対の周縁ノツチにより形成され
る。これらは側構造物上に設けなくともよい。

かかる屈曲を可能にする他の方法を第５図に示す。かか
る場合、上流及び下流構造物はアコーデオン状の型で折
りたたまれている。前述の如くこれらにはノツチが含ま
れている。

第６Ａ及び６Ｂ図には、横方向の力に対する感度が検出
される２個のセンサが示されている。かかる場合、上流
構造物には突出硬質中央リブが備えられ、これらはシー
トに対する最大接触面にほぼ平行に広がる圧力の成分を
感知するものである。それは一連の中央リブ２７．２８
．２９を有し、各々上流構造物のシートの連続した２個
の任意のノツチの間に設けられている。リブ２７の表面
は、上流構造物（第６Ａ図）のシートの表面に対して、
ほぼ直角である。リブ２８．２９は交互に、上流構造物
の上流シートに対する最大接触面に関して４５°及び４
５゜の角に向いている。これらのリブによりインタセプ
トされる力はシート２２により光ファイバー２０に伝達
される。このように上流構造物はシート２２及びリブ２
７．２８．２９により形成される。

第７図には」二流及び下流構造物が、連続していないケ
ーブルが示されている。第７図には上流構造物２２のみ
が示されている。構造物はセグメント状で、該セグメン
トには、一定の間隔があり、これによりケーブルの軸方
向の巻き付け及び横断方向の屈曲を可能にする。ケーブ
ルの軸方向における２個の連続したセグメントの上流及
び下流構造物を分離している距離は、ケーブルの周縁部
よりも中央部での方が小さい（距離３７）ことを確実に
することが可能となる。上流構造物は、シート、細条又
は硬質あるいは半硬質半円筒部より形成され、下流構造
物はシート又は硬質部あるいは半硬質細条により形成さ
れる。一方の上流構造物のシート又は細条及びもう一方
の下流構造物のシート又は細条は可撓性細条３１により
相互連結されており、これらはわずかに広がることがで
き、またノツチ３３を含むフレキシブルクラッド３４を
備えている。

第８図には、セグメントより形成される圧力部材が示さ
れており、該セグメントの連続上流構造物はほぼ直角方
向に作用する圧力の有効成分をかわるがわる検出する。

各セグメントは例えば２枚のプレー１−２２．２１より
成り、これらは上流及び下流構造物を形成し、また交互
に水平及び垂直に備えられている。ケーブルを地面に設
置する場合には、プレートの各対を鉛直に対して約４５
°の角度になるように配置することができる。各セグメ
ントは、ケーブルの巻付け及び屈曲を可能にするため前
のセグメントから十分に一定の間隔をあけである。該装
置はセグメントを連結する可撓性エンベロブを備える。

第９Ａ及び９Ｂ図は上流及び下流構造物の連結に関する
ものである。第９Ａ図には、上流構造物２２及び下流構
造物２１の周縁部材に沿ってこれらを一緒に締結するク
ランプバンド４０が示される。かかるバンドは圧着、折
りたたみ、はんだづけ又は任意の他の固着手段で固着す
ることが可能である。第９Ｂ図には他の連結部材が示さ
れ、これは、構造物２２及び２１の周縁部に沿ってこれ
らの、はさみつけ又は折りたたみから成る。このように
、上流及び下流構造物は周縁クランプバンド手段により
、あるいは、横方向の側端をはさみつけ、折りたたみ又
ははんだ付けにより連結される。

上記の全ての場合において上流及び下流構造物は可撓性
エンベロブ３４．４１を一緒に保持することができ、該
エンベロブは、構造物を連結し、また、ケーブルの緊張
を確実にすることができる。かかる可撓性エンベロブは
光ファイバーに対する力の伝達を減衰しない。２枚の板
の連結もまたクランプバントを用いることなく可撓性エ
ンベロブ４１により実現できる。

上記したケーブルの例には中央光ファイバー２０が含ま
れる。複数の光ファイバを上流及び下流構造物の間に設
けることが可能なのは明らかであり、これによりケーブ
ルの検出度は増加する。所定の与えられたケーブル長を
用いる場合には、２本の光ファイバーをまず好ましい長
さに切断し、その後光連続性が確実となるように連結す
る。かかる連結は、通常用いる方法によりなされる。

第１０図は本発明のケーブル装置の一例を、図示したも
のである。これは、所定の地表面を被うためまがりくね
って配設される。ライトエミッタ４２（例えば偏光レー
ザー）を一端に備え、ケーブルにより伝送される光を、
電子検出回路に連結する検出器４３により偏光器４４を
介して検出する。かかる回路は、例えば光ファイバーの
光弾性により該ファイバー内に誘引され現れる偏光の変
化を測定する。ケーブルの２つの部分を分離している距
離は例えば０．２０から１ｍである。該プレートは、例
えば幅がわずか数センチメートル（例えば１〜１０ｃｍ
）で、厚さがミリメートルの何十分の−（例えば０．２
〜０．４ｍｍ）である鋼シートである。銅の合金（例え
ばクリソカル（ＣＨＲＹＳＯＣＡＬ）　、商品名）、堅
固なプラスチック、複合材料のような他の材料も適して
いる。光ファイバーは、例えばプラスチック保護クラッ
ドを備えた直径１２５マイクロメートルのガラスクラン
ドにより被覆された直径１０マイクロメートルのガラス
コアより形成され、従って得られる外形の直径は、約２
５０マイクロメートルとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は力の成分を示した図、 第２図は半円筒圧力部材に対する力の適用を示す図、 第３図はケーブルの軸と力の適用ポイントとの間の距離
の関数として、圧力部材の異なる方向に関する検出感度
曲線を示す図、 第４Ａ図はノツチ状連結構造を有する圧力部材を含むケ
ーブルの平面図、 第４Ｂ図および第４Ｃ図はそれぞれ第４八図に示すケー
ブル断面図、 第５図は、アコーデオン状の連続構造を有する圧力部材
を含むケーブルを示す斜視図、第６Ａ、　６Ｂ図は適用
力に関して９０’ヌは４５°の方向に向いたリブを備え
る連続圧力部材を含む２個のケーブルの斜視図、 第７図はセグメント圧力部材を含むケーブルを示す図、 第８図は、セグメントが２・つのほぼ直行方向に交互に
向いているセグメント圧力部材を含むケープルを示す図
、 第９Ａ、　９Ｂ図は上流及び下流構造を連結する２種の
手段を示す図、 第１０図は光学検出部材に関するケーブル装置の一例を
示す図である。 １０・・・地表面　　　　　　２０・・・光ファイバ２
１・・・下流構造　　　　　２２・・・上流構造物２２
、２３・・・ノツチ　　　　２７．２８．２９・・・リ
ブ３１・・・可撓性ストリップ　３４．４１・・・可撓
性エンプロプ３７・・・距離　　　　　　　４０・・・
クランプバンド４２・・・ライトエミッタ　　４３・・
・検出器４４・・・偏光器 ＦＩＧ、　５ ０フ ピフ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、センサに課される圧力の作用でその光学特性を変化
   させられるように光ファイバーをサンドイッチ状の方法
   で取り囲む圧力部材を含むファイバー光圧力センサにお
   いて、連続ケーブルにより形成される圧力センサで、該
   ケーブルは埋設可能で、少くとも１本の光ファイバーを
   含み、埋設された場合、光ファイバーは地表面帯に課さ
   れた圧力の全体の長さ成分に沿って検出可能であり、該
   圧力部材は軸方向に繰り返し構造を有し、また上流構造
   物と下流構造物により形成され、これらは、光ファイバ
   ーの方向に圧力が課される地表面帯からの方向で見て光
   ファイバーの前と後ろに位置し、上流構造物の幅は少な
   くとも約１ｃｍであることを特徴とするファイバー光圧
   力センサ。 ２、上流及び下流構造物は、屈曲手段が設けられている
   ２個の半硬質連続シートより形成され、従って上記シー
   トは、各ゾーンで各シートに対し最大接触面でそのシー
   トの長さに沿って任意のゾーンで曲げることが可能であ
   ることを特徴とする請求項１記載のセンサ。 ３、屈曲手段がアコーデオン状の型で上記シートを折り
   込むことにより形成されることを特徴とする請求項２記
   載のセンサ。 ４、屈曲手段は各シートの反対サイドに設けた対の周縁
   ノッチにより形成されたことを特徴とする請求項２記載
   のセンサ。 ５、上流構造物には少なくとも１つの突出固定中央リブ
   が備えられ、これらはシートに対する最大接触面にほぼ
   平行に広がる圧力成分を感知するものであることを特徴
   とする請求項４記載のセンサ。 ６、上流構造物には一連の中央リブを含み、各々が上流
   構造物のシートの任意の連続した２個のノッチの間に位
   置することを特徴とする請求項５記載のセンサ。 ７、リブの表面は、上流構造物のシートの表面に対して
   、ほぼ直角であることを特徴とする請求項６記載のセン
   サ。 ８、リブは交互に、上流構造物のシートに対する最大接
   触面に関して４５°及び−４５°の角に向いていること
   を特徴とする請求項６記載のセンサ。 ９、圧力部材の上流及び下流構造物はセグメント状で、
   該セグメントには、一定の間隔があり、これによりケー
   ブルの軸方向の巻き付け及び横断方向の屈曲を可能にす
   ることを特徴とする請求項１記載のセンサ。 １０、セグメントは等しく更に、ケーブルの曲げに対し
   て、２個の連続セグメントの一方を上流構造物、もう一
   方を下流構造物に分離する距離はケーブルの周縁部より
   中央部での方が小さいことを特徴とする請求項９記載の
   センサ。 １１、圧力部材は、セグメントにより形成され、その連
   続上流及び下流構造物が、ほぼ直角方向に作用する圧力
   成分を交互に検出することを特徴とする請求項９記載の
   センサ。 １２、上流構造物はシート、細条又は硬質あるいは半硬
   質半円筒部より形成され、下流構造物はシート又は硬質
   あるいは半硬質細条により形成されることを特徴とする
   請求項１０又は１１記載のセンサ。 １３、一方の上流構造物のシート又は細条及びもう一方
   の下流構造物のシート又は細条は可撓性細条により相互
   連結されていることを特徴とする請求項１２記載のセン
   サ。 １４、上流及び下流構造物を光ファイバーの周りの位置
   に保持するように、該構造物にはフレキシブルエンベロ
   プを備えることを特徴とする請求項１から１３のいずれ
   か１つの項に記載のセンサ。 １５、上流及び下流構造物は周縁クランプバンド手段に
   より、または横方向の端部をはさみつけ、折りたたみあ
   るいは、はんだ付けすることにより、またはフレキシブ
   ルエンベロプの手段により連結することを特徴とする請
   求項１から１４のいずれか１つの項記載のセンサ。