JPS63117205A - マイクロベンドファイバオプチックひずみゲージ - 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】 ３、８の言細な３日 ［技術分野］ 本発明は、一般にひずみゲージに関するものであり、特
に、波状プレート間で保持および湾曲される被覆光ファ
イバと、これと同様の熱的条件に曝されるが波状プレー
ト間に保持されない基準光ファイバとを利用する新規か
つ有用なマイクロペンドファイバオブチックひずみゲー
ジ（ストレーンゲージ）に関するものである。

個々の部材と全体の構成との両方の設計が適当かを確認
するために、種々の構造的負荷を測定するために種々の
ひずみゲージが開発されている。

ひずみゲージには現在、測定されるべきテストピースに
接着または溶接される箔、薄いフィルム、またはワイヤ
抵抗素子が含まれる。テストピースに負荷が付与される
と、テストピースおよび接着されたゲージに伸長、圧縮
またはねじれが生ずる。結果的に生じるゲージに誘導さ
れる種々のひずみによってその抵抗が変化する。もし、
ゲージ抵抗がホイートストンブリッジの一つの脚を形成
しているならば、ホイートストーンブリッジは不平衡と
なり、そしてゲージに誘導されたひずみの量に比例しで
ある電圧が形成される。この方法は、今日行なわれてい
る種々のひずみゲージ測定のほとんどのものの基本であ
る。

ひずみ測定が、高い温度のところで行なわれる場合、種
々の困難が生ずる。たとえば、ゲージとテストピースと
の間の膨張度の差によって、そのレンジのほとんどの部
分を使い果たしてしまいそして負荷により誘導された測
定されるべきひずみを覆ってしまう。さらに、正確でそ
して信頼できる測定のためには、抵抗性のひずみゲージ
は、−般に約３１５℃（６００°Ｆ）以下の温度に制限
を受ける。この温度よりも上では、合金の偏析や相転移
や選択的酸化および拡散など物理的および金属学的種々
の効果によって、ゲージ出力に大きな非反復性および非
予測性の変化をそしてしばしばゲージまたはリード線系
に時期尚早の故障を招く。

現在、約３１５℃よりも高い温度で、正確かつ信頼でき
るひずみ測定の行なわれる満足できる方法はない、これ
ら高温度で動作しそしてゲージが低温度で結合可能なよ
う、テストピースの熱膨張度と整合する信頼できそして
安定なひずみゲージが要求されている。

長手支材のような構造部材の伸長測定では、ひずみ測定
で遭遇する問題と同様の種々の問題が生ずる。振動のな
い比較的良好な環境では、伸長は時間とともに緩慢に変
化しよう。この状況では、伸長センサは本質的に直流測
定が可能であることが必要とされる。その結果、伸長セ
ンサのドリフトは極端に低くなければならない。

これは、構造部材が不良環境にあるとき、より複雑であ
る。

燃料効率、エンジン性能および全体の信頼性を改善する
ために、入口および出口の種々の条件の飛行中の監視動
作を行なう計測運転が高効率形航空機には必要である。

この計測運転は、種々の高温度動作条件および種々の振
動を包含する不良のエンジン環境に耐えなければならな
い、光ファイバおよび種々の光学感知方法が、変位、速
度、ひずみ、流れ、温度、粒度分布、ガス組成物および
蛍光を包含する不良環境での種々の測定に適用されてき
た。これら光学感知方法はまた不良環境での圧力測定に
も使用可能である。

光センサは、高温度および大きな電磁場領域で動作する
ようにもまた設計できる。

［発明の概要］ 本発明は、互いに対面しそして互い違いにずれた複数の
歯形を有する一対の波状プレート部材を利用し、この対
面する波状面間に係合する被覆光ファイバを有し、それ
により、光フアイバ中を移動する光がプレート部材に印
加される圧力の程度に応じて変調を受けるひずみゲージ
に向けられるものである。

本発明の一様相では、最初に述べた（第１の）光ファイ
バと構造が同様であるが波状プレート部材間に係合しな
い別の（第２の）光ファイバをひずみゲージの一部分と
して含み、第２の光ファイバは同様の温度条件に曝され
るよう第１の光フアイバ近傍にあり、第２の光ファイバ
を通過しそして第２の光ファイバにより変調される光を
、第１の光ファイバを通過しそして第２の光ファイバに
より変調される光と一緒に使用して、熱−機械オフセッ
ト修正値が発生される。

ガラス光ファイバをアルミニウムまたはポリイミドで被
覆することにより、約４２７℃（約８００″Ｆ）近くで
も使用できるひずみゲージが得られる。ガラスファイバ
を金で被覆することにより、使用できる温度範囲は約５
４０℃（約１０００’Ｆ）近くまで拡張できる。

本発明の別の様相は、設計が簡単で、構造が堅牢でそし
て製造費用が安価でかつ過酷な種々の環境条件に耐える
ひずみゲージを提供することである。

［好ましい実施例の詳細な説明］ マイクロペンドファイバオプチックひずみゲージ１が第
１図に図示されている。ガラスオンガラス式（ｇｌａｓ
ｓ−ｏｎ−ｇｌａｓｓ）光ファイバ１０が以下の公称特
性とともに使用される。

コア径　　　　　　　　１２５μｍ クラツド径　　　　　　１７０μｍ 数値アパーチャ　　　　０．２ 緩衝被覆　　　　　　　４０μｍ厚さのアルミニウムま
たはポリイミド 全体直径　　　　　　　２５０μｍ （ここで、Ｉμｍ＝１０−’ｍ） 上記の被覆をもつファイバは１００，０００　ｐｓｉを
越える引張強さで強靭で丈夫である。マイクロペンドセ
ンサは光強度センサであり、そしてそのようなものとし
て、簡単なオプトエレクトロニクス部品を使用する。ひ
ずみゲージは、テストピースと同様の材料から作られる
波状プレート部材１２．１４間にクランプされる上記の
ファイバ１ｏを有する。テストピースのひずみの変化に
より、プレート分離がそしてクランプ場所で伝送光強度
が変化する。歯形間隔は約３ｍｍである。２つの歯形１
６が一方のプレート部材１２にそして３つの歯形１８が
対向するプレート部材１４にあり、シヌソイド曲線状の
２つの湾曲部（ベント）がファイバ１０に提供される。

ファイバ１０は、ファイバベントの頂点／頂点大きさが
約３００μｍであるよう、プレート部材間で予備負荷（
バイアス圧縮）が与えられる。この形態で、マイクロペ
ンドセンサの感度および再現性は０．００６μｍ９．で
あることが立証された。これら予備負荷状態で、負荷に
伴う波状プレート部材変位の変化は第３図に図示される
ようにほとんど直線的である。第４図から波状プレート
部材の変位に対する出力信号のマイクロペンドセンサの
直線性にも注意されたい。

性能データが、マ°イクロベンドファイバオブチックひ
ずみゲージで得られそして第５図に図示されている。マ
イクロペンドファイバオブチックひずみゲージは、基準
ゲージに関して校正された。

マイクロペンドセンサプレート部材１２．１４は、種々
の異なる方法でテストピースに装着可能である、これら
には端部２１．２２のテストピース面への溶接または接
着が含まれる。無理のない方法は、テストピース面にス
ロットを設けそしてプレート部材をこのスロットに挿入
することであろう、第６図は、プレート部材１２および
１４がスロット２６に係合された状態のテストピース２
０を図示する。プレート部材は、それらの背面２３およ
び２４により互いに強制される。装着方法は、テストピ
ースの種々の構造特性および静的および動的応答の変化
をできるだけ最小限にするよう選択される。

促進動的寿命試験がマイクロペンドセンサで行なわれそ
して２５μｍの頂点変位で１００万サイクル以上の寿命
が確認された。これらの試験は、２０ｋＨｚの繰返し振
動数で行なわれ、その結果マイクロペンドセンサの高振
動応答能力もまた確認された。

マイクロペンドセンサは、第２図で参照番号３０で図示
の発光ダイオード（ＬＥＤ）およびシリコンの光検出器
４０を含む安価な従来のオプトエレクトロニクス部品を
使用する。ＬＥＤをパルス作動しそしてＣＭＯ３集積回
路を使用して、光検出器信号を感知および増幅すること
により、平均電力消耗がセンサあたり１２ｍＷよりも小
さいことが確認された。

上述のようにまた第１図に図示されるように、歯形１６
．１８がファイバ径または予想される最大限の伸長より
も大きいかまたはこれと等しい量だけ重複するよう、マ
イクロペンドセンサは、プレート部材のバイアス変位に
より予備負荷可能である。プレート部材が加熱されると
き、温度に応じた歯形頂点間隔は算定可能である。各プ
レート部材ごとの温度に応じた頂点／頂点歯形間隔の変
化がセンサ出力信号にほとんどわずかの影響しかもたな
いことを示すことも容易である。実際、マイクロベント
波状プレート部材は、歯形頂点が所望される＋１３μｍ
の予備負荷の変位内にあるよう適宜整列できることが期
待できる。この場合、位置決め誤差により生ずる熱的に
誘導される最悪の伸長（ΔＬ）丁は （ΔＬ）ｔ＝ＬαΔＴ により与えられる。

ΔＴに必要とされる熱的動作範囲４００℃をそしてαに
標準的なチタン合金の８．５Ｘ１０−’（１／’Ｃの値
を、そしてＬに１３μｍの位置決め誤差を代入すると、
熱的に誘導される伸長誤差は、（△Ｌ）　；（１３）（
８，５ｘ　　１０−’）（４００）＝　０．０４　μｍ
である。

こうして、１ｃｍのゲージ長さについて、結果的に熱的
に誘導される誤差は（４μ）　５ｔｒａｉｎ（ここで、
１　μ５ｔｒａｉｎ　　はＩμｍ／ｍ）である。

上記の熱−機械的オフセットの補償に加えて、光ファイ
バの光伝送の変化が、光源の強度の変化ならびに光検出
器出力感度のドリフトと同様に補償されねばならない。

本発明により、第２図に図示される方法を用いてこれら
の変化は有効に補償された。第２図に図示されるように
、第２の光ファイバ１１（基準ファイバ）が、波状プレ
ート（第２図では図示せず）間でクランプの行なわれる
信号光ファイバ１０と近接配置される。基準光ファイバ
１１はクランプが行なわれないがその長さに沿って信号
光ファイバと同様の熱環境と出会う。

本発明の主たる利益は、マイクロペンドひすみゲージが
、プレート部材１２および１４の熱膨張係数と試験され
るべきサブストレート材料の熱膨張係数との整合を妨げ
ないことである。これは、抵抗性ひずみゲージのような
従来のひずみゲージでは行なうことができず、モして１
）温度でのレンジを改善し、２）ゲージの熱的出力を減
するという効果を有する。

第３図〜第５図に図示される試験データが、ステンレス
鋼プレートを使用して得られた。一般に、プレート材料
は、下方にある材料の熱膨張係数と整合するよう選択さ
れよう。代替え的に、支配的なひずみの方向が知られて
いるならば、プレート部材とサブストレートの熱膨張係
数は最初ミ、スマッチが行なわれる（すなわち、同様の
感度を維持しつつひずみゲージのレンジを拡大するよう
互いに偏移される）。

プレート部材１２および１４は、プレート部材の熱的劣
化および熱膨張および収縮影響などの種棒の熱的効果に
対する抵抗性を高めるために、溶融シリカまたは別の同
様のセラミックスからも作られる。

本発明のマイクロペンドファイバオブチックひずみゲー
ジの種々の利益を列挙すれば以下の通りである。

４２７℃（８００下）よりも高い動作温度構造部材に波
状マイクロペンドセンサプレートを収容するようスロッ
ト形成が行なわれる場合は特に無理がなく、軽量かつ小
型であること。

直流（Ｄ、Ｃ）から２０ｋＨｚの振動数での０．００５
μｍの精度。

マイクロペンドセンサは、機械的および電気的に温度補
償が可能であり、そして電気信号処理動作はドリフトを
除去するのに使用できること。

複合材料および金属材料との適合性ないし相溶性。この
要求は、波状マイクロペンドセンサプレートを支材材料
またはテストピースと同様の材料から作ることにより満
たされる。

電磁妨害および電磁パルスに対する不感応性。

センサは動作するのに非偏光エネルギーを使用するので
、スパークの危険性は存在せずそして遠隔装着センサが
爆発危険環境に配置可能であること。

不活性ガラス光学材料は腐食に対して抵抗性があること
。

本発明の有効レンジを約５４０’Ｃ （約１０００°Ｆ）まで増加するために、全被着５ｉＯ
ａ光ファイバが、アルミニウムまたはポリイミド被着ガ
ラスファイバの代わりに利用できる。信号ファイバ１０
および基準ファイバ１１の両方がこのように構成できる
。本発明によるそしてこの温度抵抗性を有するひずみゲ
ージは、ボイラの再熱または主蒸気ラインでのクリープ
ひずみの長期測定に役立つ。

このようなゲージの現場取り付けは、容量性の放電スポ
ット溶接によるものとされ、こうして面の準備のための
局所的な研磨およびスケール除去だけが必要とされよう
。本発明のひずみゲージが装着されるべき管に標準的に
使用される絶縁物はゲージの直接領域での除去だけが必
要とされる。

直径がたとえば２ないし３インチの絶縁物の輪切り（プ
ラグ）が除去でき、ゲージが装着され、そしてプラグが
取り替えられる。光フアイバリードが、延長ファイバお
よびひずみ読み取り装置への接続のためプラグで絶縁物
を通じて引き出されよう。

ここで第２図に戻ると、信号光ファイバ１０および基準
光ファイバ１１は両方とも知られている光学スプライス
（結合部）４２を通じてファイバオブチックカップラ４
４へ接続される。

ＬＥＤ３０からの光出力は、３ｄＢカツプラ４４により
二つの部分に分離され、そして分離出力は次にスプライ
サ−４２，４２を通じて信号光ファイバ１０および基準
光ファイバ１１へ結合される。これらのマルチモード光
ファイバは次にそれらの出力信号をデュアル光検出器４
ｏおよびその関連の出力回路４６に供給する。信号Ａお
よびＢは補償されるセンサ信号のために値 （Ａ　−Ｂ）／　（Ａ　＋　８）を形成するため、ディ
ジタル化されそして変換される。

４、　　の８　ｔｉＢ 第１図は、本発明のひずみゲージの部分側面図である。

第２図は、信号ファイバに加えて基準ファイバを使用し
た本発明のひずみゲージのブロック図である。

第３図は、二つの湾曲部を有する本発明の光学ファイバ
についてのひずみ対変位をプロットしたグラフ図である
。

第４図は、ひずみゲージでのプレートの変位に対しひず
みゲージ出力電圧をプロットしたグラフ図である。

第５図は、基準ゲージに関する本発明のマイクロベント
ひずみゲージの校正を図示するグラフ図である。

第６図は、ひずみが測定されるべきテストビースの面に
形成されたスロットでの本発明のひずみゲージの部分側
面図である。

図中の各参照番号が示す主な名称を以下に挙げる。

１　　　：マイクロペンドファイバオブチックひずみゲ
ージ １０　　　：信号光ファイバ １１　　　：基準光ファイバ １２．１４：波状プレート部材（マイクロペンドセンサ
ブレート部材） １６．１８：歯形 ２０　　　：テストピース ２１．２２：端部 ２３．２４：背面 ２６　　　ニスロット ３０　　　：発光ダイオード ４０　　　：光検出器 ４２　　　ニスプライス ４４　　　：ファイバイブチック３ｄＢカツプラ４６　
　　：出力回路 ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、　３ 茨１を− ”１−　　’ＩＬ　ｌ師Ｊ ＦＩＧ、　５

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）一方のプレートの複数の歯形は別のプレートの複
   数の歯形とずれた状態で対面する波状面を有する一対の
   プレートと、 プレートに働きこのプレートを共に移動するための圧力
   に応じてより大きなそしてより小さな程度湾曲せられる
   ため、プレートの前記歯形間でクランプの行なわれる被
   覆光ファイバと、 この光学ファイバに光信号を付与するためこの光ファイ
   バの一端部に接続される光信号付加手段と、 前記プレートに印加される圧力に対応する光信号での種
   々の変調および光信号を読み取るため、前記光ファイバ
   の反対側端部に接続される光検出手段とを備え、 前記光ファイバは光信号を伝送するための信号ファイバ
   から構成されるひずみゲージ。
2. （２）前記光ファイバは、アルミニウム、ポリイミドお
   よび金の一つが被着される特許請求の範囲第１項記載の
   ひずみゲージ
3. （３）前記光ファイバはガラスおよびシリカ（ＳｉＯ＿
   ２）から成る群から選択される材料できたコアを有する
   特許請求の範囲第１項記載のひずみゲージ。
4. （４）前記光信号付加手段と前記光検出手段との間に接
   続され、前記プレート間にクランプ保持される前記信号
   ファイバの湾曲領域と同様の熱的状態に曝されるため一
   部分が前記プレート近傍にある基準ファイバを有する特
   許請求の範囲第４項記載のひずみゲージ。
5. （５）前記光信号付加手段は、 光源と、 この光源からの光を、前記基準および前記信号ファイバ
   に付与される相等しい光信号に分離するため、ファイバ
   オプチックカップラとを備える特許請求の範囲第４項記
   載のひずみゲージ。
6. （６）前記信号および基準ファイバは、ガラスコアおよ
   びクラッドとアルミニウム被覆とを有する特許請求の範
   囲第５項記載のひずみゲージ。
7. （７）前記信号および基準ファイバは、ガラスコアおよ
   びクラッドとポリイミド被覆とを有する特許請求の範囲
   第５項記載のひずみゲージ。
8. （８）前記信号および基準ファイバは、シリカのコアお
   よび金の被覆とを有する特許請求の範囲第５項記載のひ
   ずみゲージ。
9. （９）前記プレートは、前記ひずみゲージにより試験の
   行なわれるべきどんな材料の温度膨張係数とも同様の温
   度膨張係数を有する材料から作られる特許請求の範囲第
   １項記載のひずみゲージ。