JPH067049B2 - 分散的，離間的に解析する光ファイバひずみ計 - Google Patents

分散的，離間的に解析する光ファイバひずみ計

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JPH067049B2
JPH067049B2 JP50343085A JP50343085A JPH067049B2 JP H067049 B2 JPH067049 B2 JP H067049B2 JP 50343085 A JP50343085 A JP 50343085A JP 50343085 A JP50343085 A JP 50343085A JP H067049 B2 JPH067049 B2 JP H067049B2
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    • G01K5/52—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid arranged for free expansion or contraction with electrical conversion means for final indication

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、位相格子の形成及びこの位相格子に照射され
る複数の波長の光によるひずみ分布の光学的検出及び測
定に関する。
発明の背景 アプライドオプティクス第２１巻（１９８２）３０５９
−３０６０ページ記載のエス・ケー・ヤオ他による技術
より、光ファイバセンサを用いて長さ方向に沿って軸方
向のひずみ又は温度の分布を測定することが知られてい
る。この技術によれば、光コア及びそのクラッディング
間の境界における非常に小さな変形によりコアモードか
らクラッディングモードへ結合する測定可能な程度の光
が発生する。これにより、透過損失及び加えられた擾乱
の分布を決める時間領域反射測定，又は一連のクラッデ
ィングタップによる測定が可能となる。
発明の詳細な説明 本発明は、選択された波長の入射された光を伝送するコ
アを含む光導波路によりなるひずみセンサであって、局
部的な物理的又は熱的ひずみの状態に応じて格子の位置
に入射された光の反射又は透過を変化させる１又は複数
の周期的位相格子がコアに形成され、これにより入射光
を変調し反射するひずみセンサを提供する。
図面の簡単な説明 第１図は本発明になる離間的に解析する光ファイバひず
み計の概略図；第２Ａ図〜第２Ｃ図は夫々コアを含む光
導波路の選択された部分において、ひずみを監視される
機械的構造物中の選択された部位Ａ，Ｂ及びＣに対応し
て間幅が異なる格子パターンを示す図； 第３図は光導波路のコアへ入射された広帯域光により生
成される反射光のスペクトル強度を、特定の場所におけ
るひずみを表わすスペクトル線の部位と共に示すグラ
フ； 第４図は光導波路の長さ方向に沿って選択された場所で
間隔が変化する格子パターンを形成する技術を示す概略
図である。
発明の最良な実施態様 第１図は離間的に解析する光ファイバひずみ計１３の概
略図を示す。
ひずみ計１３は入射光の単一又は最低次数モードを透過
するよう作用する光導波路１５又はファイバを具備して
いる。
導波路１５のコア１９としてはゲルマニウムをドープさ
れたシリカ又はガラス繊維が好適である。コア１５は、
可変２ビーム紫外線（３００ナノメートル以下）の干渉
パターンによる書込みあるいは印刷等により形成された
一連の間隔の異なるブラッグ回折格子１６を有する。こ
れらの周期的な格子１６ないし屈折率の変化は強い照射
にさらすことで永久的に形成できる。
第２Ａ図〜第２Ｃ図はコア１９の各部位に対応して波長
の異なる格子１６が形成された様子を示す。
選択された各格子１６は、構造要素２２中の位置に対応
してコア材料の紫外線吸収帯域内の特定の波長の光を横
方向から照射することにより形成される。これは一次吸
収過程であり、夫々特定の間隔及び波長により特徴付け
られた格子１６はコア１９をこれにその軸に対して選択
された余角をもって入射するコヒーレントな２つの共面
ビームにより横側から照射することで形成される。格子
の周期は選択された入射角を変えることにより選択され
る。このようにしてコア１９内の所定の位置に屈折率の
永久的な変化が生じ、選択された波長のコア１９内の光
に影響を及ぼす位相格子が効果的に形成される。
第１図に示す如く、光導波路１５及びコア１９は例えば
一枚の板などよりなる構造要素２２の部分に取り付けあ
るいは埋め込まれる。コア１９はその部位Ａ，Ｂ及びＣ
内に特徴的な周期の屈折率の変化ないし格子１６を含
む。広帯域光源３３又は波長可変レーザーがレンズ３
３′を介してコア１９の外部に露出されている端部に焦
点を合わせる。ビームスプリッタ３４により、コア１９
からの戻りビームは解析のため適切な読み出し部又は分
光計３７へ導かれる。あるいは、コア１９の端部19′よ
り出て行く透過ビームを解析してもよい。
ひずみ計１３からの反射光強度のスペクトルを第３図に
示す。コア１９の端部１９′より出て行く補足的なスペ
クトルも得られる。スペクトルは夫々中心波長がラムダ
Ａ，ラムダＢ及びラムダＣの３本の狭帯域の出力線を含
む。これらの出力信号は、夫々の部位Ａ，Ｂ及びＣにお
ける位相格子１６によるブラッグ反射ないし回折により
生ずる。本実施例では、構造要素２２の部位Ａ，Ｂ及び
Ｃは変形によりひずんでおり、これにより、ファイバー
コアの周期的に変化する部分に圧縮及び／又は膨張を生
ずる。
その結果、これに対応するスペクトル線は第３図に破線
で示す如くに変位する。ここでそれぞれの波長差デルタ
ラムダＡ及びデルタラムダＣはそれぞれの部位Ａ及びＣ
のひずみに比例する。
第４図はファイバーコア１９を強い横方向の紫外線照射
に露出することによるコア１９の一部位における周期的
な擾乱ないし格子１６が形成されることを示す。格子間
隔Δａ及びΔｃは入射して干渉するビーム９９及びビー
ム１０１の入射角により制御される。図より分る如く、
ビーム９９の入射角はコア１９の軸について互いに捕角
（すなわち、それらの合計角度が１８０°）になってい
る。一対の入射ビーム９９は、一本の入射ビーム１０１
の一部分がビームスプリッタ１０３を通り、平行な離間
して配置された反射器１０５で反射することにより得ら
れる。両反射器１０５間の距離を増し、これに対応して
ビーム１０１の入射角を変化させることにより、コア１
９上のビーム９９の入射角が制御される。従って、格子
１６の縞間隔がコア１９の長手方向に任意に可変され、
これにより、ひずみ計１３の位置に応じてひずみ又は温
度を求めることができる。
この技術により、種々の格子間隔を重畳したり共存させ
たりでき、以下説明する応答が得られる。
構造要素２２上、従ってコア１９上に生じる外部擾乱に
対する感度は反射波長のブラッグ条件に依存する。特
に、機械的ひずみ又は温度変化による波長の変化率は、
以下の式で表わされる。
ｄ（ラムダｉ）／ラムダｉ ＝（ｑ＋α）ΔＴ＋｛１＋（ｄｎ／ｄｅ）／ｎ｝ｅ ＝８×１０-6／℃＋８×１０-7／マイクロストレイン ここで、ｑは波長に依存する熱光学係数、 αは膨張係数、 ｅは軸方向又は縦方向のひずみ、 ラムダｉはコア１９に沿った部位ｉの格子で反射される
波長、 ｎは光導波路の屈折率、 ΔＴは温度変化である。
この関係式はファイバセンサの長さ方向に沿う温度変化
に対する補償方法を示唆している。特に、異なる間隔の
重畳された格子を設けた場合、２個の格子の夫々は同じ
レベルのひずみを有するようになるが、ｑが波長に依存
しているので夫々の格子の波長の変化分は異なってく
る。
従って、一対の重畳された格子により一対の反射又は透
過強度のピークが示される。従って温度とひずみの結合
により生じるこれらのピークの変化が減算できる。ひず
みによるこれらのピークの変位量は大きさが同じであ
る。従って、減算後に残った変化分は温度に関係したも
のとなる。そこで、温度差が生じている可能性のあるい
くつかの部位間のひずみ差を知りたい場合、温度要因を
補償することが可能になる。
光弾性及び熱光学的効果は波長に依存しているため、上
記関係により測定中の温度変化を補償できる。換言すれ
ば、興味のある各場所に２個又はそれ以上の格子を重畳
することにより、各測定点において２又はそれ以上のス
ペクトル線が得られる。ひずみは両方のスペクトル線に
等しく影響を与えるが、温度はそうではない。これによ
り、ひずみ及び温度差の大きさを決める十分な情報が得
られる。
上記説明により、本発明の範囲内において本発明の他の
変形例が容易に考えられる。発明の範囲及び境界は以下
に記載するクレームにより明らかされる。
フロントページの続き (72)発明者 スニツツアー，エリアス アメリカ合衆国 マサチユセツツ 02181 ウエルズレイ アイビー ロード 56番 地 (56)参考文献 特開 昭57−171315（ＪＰ，Ａ) 米国特許4400056（ＵＳ，Ａ)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】剛性体内の所定の領域における歪みを測定
    するための歪みセンサであって、 単一のコアと該コアを包囲するクラッドとを有し、該剛
    性体の所定の領域を通過する所定の経路に配置された光
    ファイバであって、該コアは、該光ファイバの使用に先
    立って永久的に設けられた所定の格子間隔の少なくとも
    一つの格子を有する少なくとも一つの測定領域を有し、
    該少なくとも一つの格子領域は、互いに前記所定の格子
    間隔で配置された縞を有する干渉パターンを生成するた
    めに、且つ干渉パターンに対応したコアの屈折率の永久
    変化が前記コアを通じて横方向に延在するように、二つ
    の紫外線を互いの角度が補角をなしてその和が１８０度
    となるように且つ前記コアの長手方向に対して鋭角をな
    すように前記クラッドを通して前記コアに方向付けて照
    射することにより設けられる光ファイバと、 特有な放射成分が少なくとも部分的に前記格子により反
    射されて前記コアの一端に向かって戻るように伝播する
    ように、該剛性体の所定の領域に存在する応力のもとで
    実際の格子間隔に関連する波長を有する少なくとも一つ
    の特有な放射成分を含む所定の波長範囲内の光を前記コ
    アの一端に入射させる手段と、 歪みの大きさの表示としての前記特有な放射成分の存在
    と強度のために射出された光放射を分析するための手段
    を含み、該剛性体の所定の領域内の歪みを表す測定値を
    形成するために前記コアの少なくとも一つの端部から射
    出される光放射を評価するための手段と よりなることを特徴とする歪みセンサ。
  2. 【請求項２】前記測定領域は前記格子の所定の格子間隔
    と異なる格子間隔を有する少なくとも一つの他の格子を
    有し、 前記入射手段は他の特有な放射成分が少なくとも部分的
    に前記他の格子により反射され前記コアの一端に向かっ
    て戻るように伝播するように、該剛性体の所定の領域に
    存在する応力条件のもとで前記他の格子の実際の格子間
    隔に関連する波長を有する少なくとも一つの他の特有な
    放射成分を発するために作動し、 前記評価手段は歪みの大きさの表示として前記他の特有
    な放射成分の存在と強度のために射出された光放射を分
    析するために作動することを特徴とする請求項１記載の
    歪みセンサ。
  3. 【請求項３】前記他の格子は前記ファイバに沿って前記
    一つの格子領域から離れて前記測定領域の格子領域に配
    置されることを特徴とする請求項２記載の歪みセンサ。
  4. 【請求項４】前記他の格子は前記一つの格子領域と少な
    くとも部分的に重畳する前記測定領域の格子領域に配置
    されることを特徴とする請求項２記載の歪みセンサ。
  5. 【請求項５】剛性体の領域内の歪みを測定する歪みセン
    サであって、 単一のコアを有し、前記剛性体の前記領域を通る所定の
    経路内に配置される光ファイバと、 所定の波長範囲内の広帯域光放射を前記単一のコアに射
    出する手段と、 前記所定の格子間隔に対応する特有な波長を確認するた
    めに前記少なくとも一つの格子で反射され前記単一のコ
    アから射出される放射のスペクトルを分析するための手
    段と前記少なくとも一つの分離した領域内の歪みの測定
    をそれから抽出するために前記特有な波長を格納された
    対応する基準波長と比較するための手段とを含んでお
    り、前記領域内の歪みを表す測定値を形成するために前
    記少なくとも一つのコアから射出される光放射を処理す
    る手段とよりなり、 前記単一のコアは、前記ファイバに沿った所定の格子長
    さ及び光スペクトルの可視領域における波長に対応する
    所定の格子間隔を有して前記コア内に全長にわたって形
    成された少なくとも一つの周期的な格子を有し、それに
    よって前記ファイバは前記光格子を含む少なくとも一つ
    の格子領域を有し、前記領域は前記格子長さに実質的に
    等しい測定領域長さを有する少なくとも一つの分離した
    測定領域を有し、 前記少なくとも一つの格子領域は第１及び第２の格子間
    隔がその中に形成された二つの格子を有し、それによっ
    て、前記コアから射出された放射のスペクトルは前記第
    １及び前記第２の格子間隔の各々に対応する二つの特有
    な波長を含み、 光放射を処理するための前記手段は前記少なくとも一つ
    の分離した測定領域内の歪みの温度補正された測定値を
    抽出するために前記特有な波長を二つの対応する基準波
    長と比較することを特徴とする歪みセンサ。
  6. 【請求項６】前記ファイバは各々がその中に形成された
    前記二つの格子有する少なくとも二つの格子領域を有
    し、それによって、少なくとも二つの分離した測定領域
    の各々のための歪みの温度補正された測定値を抽出する
    ために、光放射を処理するための前記手段は前記少なく
    とも二つの格子領域のための前記二つの特有な波長を前
    記二つの対応する基準波長と比較することを特徴とする
    請求項５記載の歪みセンサ。
JP50343085A 1984-08-13 1985-07-31 分散的，離間的に解析する光ファイバひずみ計 Expired - Lifetime JPH067049B2 (ja)

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