JPH04204114A - 分布型光ファイバセンサ - 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】 「産業上の利用分野」 本発明は、光ファイバを用いた分布型センサに係り、さ
らに詳しくは任意の形状をした構造部材における温度、
歪み等の物理量を測定することができる分布型光フアイ
バセンサに関スる。

「従来の技術」 近年、航空機や船舶等の大型乗用物において機体や船体
の軽量化が強く要望されており、繊維強化プラスチック
（Ｆ　ＲＰ）等の複合材料を機体や船体に用いる試みか
盛んに行われている。

このように航空機の機体や船舶の船体等に複合材料を用
いると従来のアルミ合金等を用いる場合と比較して軽量
化が可能になるばかりでなく、機体や船体中の複雑な形
状をした構造部材の成型が容易になるという利点もある
。すなわち、従来の構成材料であるアルミ合金等を使用
する場合では、これらの材料をプレスで折り曲げたり、
機械で削ったりして加工し、これらをリヘノト等で組み
合わせて構造部材に成型する必要があった。しかしなが
らＦＲＰ等の複合材料を用いて構造部材を成型するには
、まず、ンート状にしたプリプレグ（繊維にエボキ／樹
脂等を含浸させて半硬化状態にしたもの）を多数用意し
、これらを型の上に重ねていき、次いでこれらを圧力が
まの中に入れて所定の温度と圧力をかけて硬化させるこ
とにより成型することができる。このため、かなり複雑
な形状をした構造部材においても一体成型が可能になる
。

このようなＦＲＰ等の複合材料からなる複雑形状をした
構造部材において、成型時や使用時における任意の点で
の温度や歪みを測定することは成型条件の確立、構造材
料の疲労の検知または破損点の検出の点から非常に重要
である。

従来このような構造部材の温度の測定には金属からなる
抵抗温度計等が用いられ、歪みの測定には金属箔や半導
体からなる歪みゲージ等が用いられていた。

「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、前述したようにこのような温度計や歪み
ゲージは主として金属材料から製造される。このため、
これらの材料を構造部材の内部に入れて使用するとその
部分の強度が低下してしま　□うという問題点があった
。

またこのような温度計や歪みゲージを用いた場合には、
構造部材中の１点のみしか温度や歪みを測定できないと
いう不満があった。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、任意の形状
をした複合材料等からなる構造部材の温度や歪等の物理
量を、構造部材の強度を低下させずに多数点測定するこ
とができるセンサを提供することを目的とする。

「課題を解決するための手段」 本発明の分布型光フアイバセンサでは、任意の形状を有
する構造部材に光ファイノ＼を多数回屈曲させて配設し
、この先ファイノ・により前記構造部材の物理量を検出
することを課題解決の手段とした。

ここで、任意の形状を有する構造部材に光ファイバを多
数回屈曲させて配設する方法としては、以下の２つの方
法が好適である。まず第１の方法は、構造部材を製造す
る際に同時にその内部もしくは外部に光ファイバを多数
回屈曲させて配設する方法である。この方法で構造部材
に光ファイ／　ｓ−’を配設した場合は、成型時におけ
る構造部材の表面や内部の温度、歪み等を測定すること
ができる。

この場合、構造部材をなす構造材料の特性に影響を与え
ないために、光フアイバ全体を金属材料を含まない材料
で構成することが望ましい。光ファイバ裸線の表面をコ
ーティングする一次被覆（プライマリ−コーティング）
としては、信号の損失が大きくならない程度に硬く、か
つ薄いことが好ましい。このためエポキシアクリレート
、ウレタン樹脂等のヤング率の大きい材料を光フアイバ
裸線上に薄く付けることが望ましい。

第２の方法は、構造部材を製造する際に構造部材の適所
に樹脂、ＦＲＰあるいは金属パイプ等からなる中空管を
配置し、後でこの中空管の中に光ファイバを挿入する方
法である。この方法では構造部材の特性を評価する任意
の時点で光ファイバを挿入することができる。このため
構造部材の成型後、中空管内に光ファイバを挿入すれば
、成型時の熱によって光ファイバにダメージを与えるこ
とがない。

「作用」 本発明の分布型光フアイバセンサでは、任意の形状を有
する構造部材に光ファイバを多数回屈曲させて配設し、
この光ファイバにより前記構造部材の物理量を検出する
ものであるため、光ファイバの長手方向の多数点での光
の位相、偏波、損失、散乱等を検出することにより、光
ファイバに接した構造材料の温度、歪み等の物理量を求
めることができる。

「実施例１」 以下、図面を参照して本発明の分布型光フアイバセンサ
について詳しく説明する。

第１図は本発明の分布型光フアイバセンサを航空機の翼
部に形成した一例を示すものである。

第１図において、符号１は航空機の翼部の型材である。

この型材１の表面には光ファイバ２が等間隔に巻き付け
られセンサ部１４を構成している。

またこの上にはカーボンファイバからなるファイバ層３
が形成され、さらにこの上にはポリエステルからなる樹
脂層４が塗布されている。そして最上部にはポリエステ
ルからなる樹脂塗布層５が形成され、全体として翼部６
をなしている。

次にこの分布型光フアイバセンサを航空機の翼部に形成
する方法について第２図ないし第５図に沿って説明する
。

まず第２図に示すように航空機の翼部の型材ｌの表面に
光ファイバ２を等間隔に巻き付ける。次いでこの上に第
３図に示すようにカーボンファイバからなるファイバ層
３を形成する。さらにこの上に第４図に示すようにポリ
エステルからなる樹脂層４を塗布する。その後、この上
にポリエステルからなる樹脂をモールドを利用して流し
込んで樹脂塗布層５を形成し、これらをオートクレーブ
内に入れ圧力と温度をかけて固化させる。このようにし
て第５図に示すような光ファイバ２を含有する翼部６か
成型される。

次に第６図に本発明の分布型光フアイバセンサに接続さ
れる検知装置の一例について示す。

この検知装置１３は、光ファイバ２、光源７、検出部８
、信号処理部９、表示装置１０、制御機器１１から概略
構成される。この検知装置１３は、温度、振動、圧力、
電界、磁界等の変化により光フアイバ２中を伝播する光
の位相、偏波、損失、散乱等が変化することを利用した
Ｏ　Ｔ　Ｄ　Ｒ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａ
ｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）手法を用いたもの
である。この検知装置１３は、光ファイバ２における光
の位相、偏波、損失、散乱等を高感度で検知し信号処理
することにより、温度、振動、圧力、音響、電界、磁界
、放射線等の種々の物理量を高精度で計測するものであ
る。

光ファイバ２としては、主としてＧｌ（グレーデッドイ
ンチ、クス）石英系ファイバが用いられ、その先端部は
第２図に示すような分布型光フアイバセンサのセンサ部
１４をなしている。

光源７は、高出力・狭パルス幅のレーザ光を繰り返しパ
ルスとして光フアイバ２中に照射するもので、ＹＡＧレ
ーザ等が好適に用いられる。

検出部８は、照射された繰り返しパルスにより光フアイ
バ２中に生じるラマン散乱光、ブリリアン散乱光、レー
リー散乱光やフレネル反射光を高感度で検出するもので
ある。

信号処理部９は、検出部８から出力された信号に、例え
ば、繰り返しパルスに対する積分処理等、必要な処理を
行い、この処理されたデータを出力するものである。

表示装置１０は、信号処理部９から出力された測定デー
タや処理結果を表示するものて、テスクトップフンピユ
ータ等から構成されている。

制御機器１１は、信号処理部９から出力されたデータに
基つき制御を要する各種機器に制御信号を出力したり、
他のシステムに必要な処理や指示を行うものである。

次に、この検知装置１３を用いて温度分布計測を行う場
合について説明する。

まず、光［７により、高出力・狭パルス幅のレーザ光を
繰り返しパルスとして光フアイバ２中に照射させる。す
ると、このパルスは光フアイバ２中を伝播し、第２図に
示したようなセンサ部１４に入射する。

このセンサ部１４において、光ファイバ２の構成分子で
ある二酸化ケイ素（ＳｉＯｚ）の熱振動により周波数が
減少した９　４０　ｎｉのストークス光と、逆に同じ周
波数だけ周波数が増加した８７０ｎｍのアンチストーク
ス光とから構成されるラマン散乱光が生じる。ここで、
アンチストークス光の強度はセンサ部１４の各位置にお
ける温度に対応したものとなっている。このため検出部
８によりストークス光とアンチストークス光それぞれの
光強度を検出し、信号処理部９によりストークス光とア
ンチストークス光の比を求めて機械的ストレス等による
光損失の影響を取り除き、この比と予め求められた後方
ラマン散乱光の特性表とを比較することにより、翼部６
内における光ファイバ２の長手方向の多数点の温度（分
解能約０．５ｍ程度）を求めることができる。

前述したようにこの分布型光フアイバセンサでは、翼部
６内に巻き回されたセンサ部１４を有している。このた
め、光ファイバを分解能の長さ（約０．５ｍ）以内に所
定回数巻き回すことにより、センサ部１４の長さ方向の
分解能をさらに向上させることができる。

従ってこの分布型光フアイバセンサによれば、翼部６の
温度の測定を高分解能でかつ容易に行うことができる。

さらにこの分布型光フアイバセンサでは、センサ部１４
が主として石英ガラスからなる光ファイバ２によって形
成されているため、本質的に安全でかつ翼部６０強度を
低下させることがない。

次に、この検知装置１３を用いて歪み分布計測を行う場
合について説明する。

まず、光源７により、高出力・狭パルス幅のレーザ光を
繰り返しパルスとして光フアイバ２中に照射させる。す
ると、このパルスは光フアイバ２中を伝播し、第２図に
示したようなセンサ部１４に入射する。そしてこのセン
サ部１４内の光フアイバ２中にブリリアン散乱を生じさ
せる。このブリリアン散乱光の周波数に合わせてプロー
ブパルス光を反対側から照射し、検出部８によりこの時
のブリリアン散乱光の強度を検出する。

ここで、翼部６内に形成されたセンサ部１４の光フアイ
バ２中に歪み分布があれば、この歪み分布によりブリリ
アン散乱光の周波数が変化する。

このため、検出部８によりブリリアン散乱光の周波数変
化を検出し、信号処理部９によりデータに変換すること
によって、翼部６内における光ファイバ２の長手方向の
多数点の歪みの大きさを求めることができる。

前述したようにこの分布型光フアイバセンサでは、翼部
６内に巻き回されたセンサ部１４を有している。このた
め、センサ部１４における光ファイバ２か翼部６の歪み
を高感度で検知することができる。

従ってこの分布型光フアイバセンサによれば、翼部６の
疲労の検知、破損点の検出を容易に行うことができる。

さらにこの分布型光フアイバセンサでは、センサ部１４
が主として石英ガラスからなる光ファイバ２によって形
成されているため、本質的に安全でかつ翼部６の強度を
低下させることがない。

「実施例２」 第１図ζ己示した航空機の翼部をなす複合材料の成型時
の温度を測定した。測定に際しては、まず航空機の翼部
の型材１上にテフロン管を配設する。

このテフロン管としては、外径か１０ｆｆｌｆｆ１１内
径が５１のものを用いた。次いて第３図ないし第５図に
示した方法と同様にして光ファイバ２が巻かれた型材１
の上にカーホンファイバからなるファイバ層３、ポリエ
ステルからなる樹脂層４を形成し、さらにこの上にポリ
エステルからなる樹脂塗布層５を吹付塗布して形成した
。次に、エアブロン工法により外径が２５０μｍ、内径
が１２５μｍのＧＩ　（グレーデ、ドインデノクス）石
英ファイバを前記中空管内に挿入した後、翼部６全体を
オートクレーブ内に入れ圧力と温度をかけて固化させた
。

この時、中空管内に挿入された石英ファイバによって翼
部６内の温度分布を翼部６全体にわたって測定すること
ができた。

なお、前記樹脂塗布層５としては、ポリエステルだけで
な（、エポキシ、ポリウレタン等も利用できる。

「発明の効果」 以上説明したように本発明の分布型光フアイバセンサは
、任意の形状を有する構造部材に光ファイバを多数回屈
曲させて配設し、この光ファイバにより前記構造部材の
物理量を検出するものであるため、光ファイバの長手方
向の多数点での光の位相、偏波、損失、散乱等を検出す
ることにより、光ファイバに接した構造材料の温度、歪
み等の物理量を求めることができる。

従って本発明の分布型光フアイバセンサによれば、構造
材料の疲労の検知、破損点の検出を容易に行うことがで
きる。

また本発明の分布型光フアイバセンサでは、構造部材に
光ファイバを多数回屈曲させて配設しているため、複雑
な形状を有する構造部材においても構造部材の強度を低
下させることなく、安全でかつ容易に物理量の測定を行
うことができる。

また本発明の分布型光フアイバセンサでは、任意の形状
を有する構造部材に光ファイバを多数回屈曲させて配設
している。このため、温度測定においては、光ファイバ
をその分解能（約０．５ｍ）の長さ以内に多数回屈曲さ
せることにより、構造部材の長さ方向において分解能を
さらに向上させることができる。また、歪み測定におい
ては、光ファイバが構造部材の歪みを高感度で検知する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の分布型光フアイバセンサを航空機の翼
部に形成した一例を示す斜視図、第２図ないし第５図は
同分布型光フアイバセンサを航空機の翼部に形成する工
程を示す過程図、第６図は本発明の分布型光フアイバセ
ンサに接続される検知装置の一例を示す概略図である。 ２・・・・光ファイバ、１４　・・・センサ部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 任意の形状を有する構造部材に光ファイバを多数回屈曲
   させて配設し、この光ファイバにより前記構造部材の物
   理量を検出することを特徴とする分布型光ファイバセン
   サ。