WO2005095909A1

WO2005095909A1 - 振動計測装置

Info

Publication number: WO2005095909A1
Application number: PCT/JP2005/005756
Authority: WO
Inventors: Kazuro Kageyama
Original assignee: Toudai Tlo, Ltd.
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2005-10-13
Also published as: JP2005283469A

Abstract

　本発明は、振動計測における指向性を制御できる振動計測装置を提供するものである。　この装置は、光源と導波路２と検出部とを備えている。光源は、導波路２に入力光を入力するものである。導波路２は、例えば光ファイバにより構成されている。導波路２は、計測すべき振動が加えられる長円部１２０を有している。　長円部１２０は、入力光が通過するものとなっている。検出部は、長円部１２０を通過した導波路２からの出力光と入力光との間での周波数変化を検出する。　長円部１２０は、円弧部１２１と直線部１２２とを備えている。　円弧部１２１の曲率半径ｒと、直線部１２２の長さｌとの比ｌ／Ｒを調整することにより、振動計測における指向性を制御することができる。

Description

明細書

振動計測装置

技術分野

[0001] 本発明は、振動を計測するための装置に関するものである。

背景技術

[0002] 物体中を伝播する弾性波（弾性振動）や機械構造物の振動を計測するために、従来からピエゾなどの圧電素子を用いた振動センサが用いられている。しかしながら、この技術では、測定可能な周波数帯域が限られていたり、付加的質量が被測定物に影響を与えたり、ゲージ長を大きくとれないといった問題があった。

[0003] また、レーザドッブラ光ファイバセンサを振動センサに応用することが提案されている。この方法の原理は、概略次の通りである。まず、光ファイバの一端に光源を接続する。ファイバの他端には、入力光を反射してファイバに戻す反射鏡を取り付ける。光ファイバに振動が加わると、ファイバの伸縮に伴レ、、ファイバ中での光路長が変化する。光路長の時間変化を dL/dtとすると、ファイバ端で反射する光は、ドップラー効果により、 dLZdtに比例して、その周波数が変化する。したがって、ファイバ端からの反射光と入力光との周波数変化を計測することで、振動を計測することができる。このようなセンサは、広帯域ではあるが、低感度であるという解決課題を有している。

[0004] ところで、本発明者は、光ファイバを湾曲させ、この湾曲部に振動を与えて、入力光と、ファイバを通過した出力光との間での周波数変化を観察した。その結果、湾曲部におレ、て、微少振動に対応した周波数変化が発生してレ、るとレ、う知見を既に得てレ、る。

[0005] この知見に基づき、本発明者は、下記特許出願を行っている。

特許文献 1：国際公開 WO03/002956公報

[0006] この文献記載の技術の概要を、図 1に基づいて説明する。この振動計測装置は、入力部 1と光ファイバ 2と検出部 3と A〇M (Acoustic Optical Modulator) 4とを備えている。

[0007] 入力部 1は、光ファイバ 2に入力光を入力するものである。具体的には、入力部 1は、半導体や気体などを用いたレーザである。入力部 1は、力ブラ 21を介して光フアイノ 2に接続されている。入力部 1とカプラ 21との間には、入力光の一部を AOM4に送るためのハーフミラー 11が配置されてレ、る。

[0008] 光ファイバ 2は、計測すべき振動が加えられる湾曲部 20を有している。湾曲部 20は、光ファイバ 2を周回することによって形成されている。湾曲部 20は、振動を計測すべき箇所に配置される。例えば、湾曲部 20は、接着剤や接着テープなどの固定手段により、被計測箇所に固定される。

[0009] 検出部 3は、湾曲部 20を通過した、光ファイバ 2からの出力光と、入力部 1からの入力光との間での周波数変化を検出するものである。具体的には、ハーフミラー 11、 A 〇M4 (後述）、ハーフミラー 31を介して送られた入力光と、光ファイバ 2からの出力光とのビートをとり、ビート周波数の変化を検出できるようになっている。これにより、入出力光間の周波数変化を検出している。検出部 3は、力ブラ 22を介してファイバ 2に接続されている。

[0010] AOM4は、入力光周波数 f を変化させて、 f +f (f は正負を含む。）とすることが

0 0 M M

できるようになってレ、る。そのような AOMの構成は周知である。

[0011] この装置を用いた振動計測方法は以下の通りである。

まず、ファイバ 2の湾曲部 20を、任意の固定手段 (例えば接着剤）を用いて、被計測箇所に配置する。一方、ファイバ 2には、入力部 1から入力光を送っておく。この状態で、湾曲部 20に振動（弾性波）が加わると、振動に応じて、湾曲部 20を通過する光の周波数が変化する。すなわち、出力光の周波数が変化する。この周波数変化を検出部 3で検出する。これにより、湾曲部 20に加えられた振動を周波数変化として検出すること力 Sできる。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0012] ところで、本発明者は、前記の知見に加えて、振動計測における指向性を制御できる、円弧部の形状についての知見を得た。

[0013] 本発明は、この知見に基づいてなされたもので、振動計測における指向性を制御できる振動計測装置を提供することを目的としている。課題を解決するための手段

[0014] 本発明に係る振動計測装置は、入力部と導波路と検出部とを備えている。前記入力部は、前記導波路に入力光を入力するものである。前記導波路は、計測すべき振動が加えられる長円部を有している。前記長円部は、前記入力光が通過するものとなっている。前記検出部は、前記長円部を通過した前記導波路からの出力光と前記入力光との間での周波数変化を検出するものである。

[0015] 前記長円部は、二つの円弧部と、これら二つの円弧部の開口部分を繋ぐ二つの直線部とを備えることができる。

[0016] 前記導波路は、例えば光ファイバである。

[0017] 前記長円部は、前記光ファイバを周回することにより形成することもできる。

[0018] 前記振動計測装置は、振動計測における指向性を有していてもよい。

[0019] 本発明に係る振動計測方法は、前記振動計測装置における前記円弧部の曲率半径 Rと前記直線部の長さ 1との比を調整することにより、振動計測における指向性を制御する構成となっている。

発明の効果

[0020] 本発明によれば、振動計測における指向性を制御できる振動計測装置を提供すること力 Sできる。

発明を実施するための最良の形態

[0021] 本発明の一実施形態に係る振動計測装置および計測方法について、図 2を参照しながら以下に説明する。この実施形態の説明においては、特許文献 1に記載された、図 1の装置と同様の構成については、同一符号を付して説明を簡略化する。

[0022] この振動計測装置では、図 1の湾曲部 20に代えて、長円部 120が用いられている。長円部 120は、 1本の導波路としての光ファイバ 2を長円状に周回させることにより構成されている。長円部 120は、二つの円弧部 121と、これら二つの円弧部 121の開口部分を繋ぐ二つの直線部 122とを備えている。直線部 122どうしは、この実施形態ではほぼ平行となっている。

[0023] 直線部 122としては、曲率半径が円弧部 121に対して有意に大きい（つまり直線に近レ、）形状であればよい。また、円弧部 121の曲率は一定でなくても良い。したがつて、長円部 120の形状としては、扁平な楕円状であってもよい。

[0024] 光ファイバ 2の種類としては、特に限定されず、例えば GI型、 SI型、シングルモード型、マルチモード型などの適宜のものが利用可能である。また、光ファイバ 2に代えて

、他の種類の導波路 (例えば中空金属パイプや、ガラス基板にマイクロ加工された光路）を用いることも可能である。

[0025] 光ファイバ 2またはそれに代わる導波路の材質としては、可逆的変形すなわち弾性変形をするものが好ましい。弾性体には、鋼などの金属材料、ガラスやセラミック、プラスチックなどの、ほとんど全ての工業材料が含まれる。

[0026] つぎに、前記装置を用いた振動計測方法の一例を説明する。

まず、ファイバ 2の長円部 120を、任意の固定手段 (例えば接着剤や接着テープ)を用いて、被計測箇所に配置する。固定手段は任意である。また、長円部 120に振動が伝達できれば、長円部 120は固定されていなくても良い。

[0027] —方、ファイバ 2には、入力部 1から入力光を送っておく。この状態で、長円部 120 に振動（弾性波）が加わると、振動に応じて、長円部 120を通過する光の周波数が変化する。すなわち、出力光の周波数が変化する。この周波数変化を検出部 3で検出する。これにより、長円部部 20に加えられた振動を周波数変化として検出することができる。長円部 120において検出できる振動は、原理的には、円弧部 121の半径方向へのベクトル成分を有する振動であると考えられる。

[0028] また、 AOM4を用いることにより、検出部 3に入力される入力光の周波数を変えることができる。 AOM4での周波数変化量を変えることにより、長円部 120を通過した光の周波数変化が正方向なのか負方向なのかを知ることができる。

[0029] ここまでの動作は、前記した特許文献 1記載の技術と同様である。ただし、本実施形態の装置では、下記の理由により、振動計測における指向性を得ることができる。し力も、この指向性は、円弧部 121の曲率半径 Rと直線部 122の長さ 1との比率を変えることにより制御されうる。その理由を以下に記載する。

[0030] 図 3に模式的に示すような、伸縮 ·湾曲が可能な任意の導波路 Γの一端 A (光源）力も光を入射し、他端 B (観測点）で観測した場合、光のドップラー効果により生じる光の周波数変化 f は次式のように表される。 r ⁿeq f )「 IB ⁿeqf f ，

f_D =—— - ~~ [v»rJ_A—— ^q- ~~ K - ynds

[0031] ただし、 fと cは、光源の周波数と真空中における光の速度、 n は光の導波路の等

0 0 eq 価屈折率、ベクトル Vは線素 dsの変位速度ベクトル、 κは線素 dsの曲率、ベクトル rとベクトル nはそれぞれ、線素 dsの単位方向ベクトルと単位法線ベクトルである。

[0032] なお、図 3における導波路 Γの端 Aと端 Bには、光源 (入力部）と検出部とが取り付けられているものとする。この場合、両端は動力ない（あるいは導波路と一緒に動く）ので、上式の第 1項は零となる。導波路の一部を被測定物に貼り付けた場合、湾曲部以外の導波路での変形 *伸縮が無視できる場合は、近似的に両端 A、 Bは、貝占り付けられた湾曲部の端とみなすことができる。

[0033] 以下に、レ、くつかの導波路形状について感度の計算を行う。ただし、測定対象領域

(積分領域）においてひずみ速度分布は一様であると仮定し、 x、 y方向軸ひずみ速度をそれぞれ，、せん断ひずみ速度を

とする。

[0034] (1)円形状の場合

図 4に示すような、真円ループ状導波路の場合のひずみ速度と周波数シフトの関係の理論式は以下の通りである。なお、ここで; Iは任意の比例定数である。ただし、物理的には、 λは、導波路中の光の波長に相当している。

ループが Ν卷の場合、湾曲部と振動発生部との間に存在するコーティング層や接着層などでのひずみの伝達係数 (較正係数）をとして、 f は以下のようになる。 f_D = -K_a [έ_χ + ε ) = -K_< ^{η 1} (ε +έ₂)

c₀ [0036] ただし、 R は、 N卷したループの半径の平均値である。 N卷では感度が N倍となる。

av

また真円形状の場合、座標系の取り方によらない、いわゆる主ひずみ速度を計測している。つまり指向 '性はない。

[0037] (2) U字型の場合

図 5に示すような、長さ 1の直線部と半径 Rの半円部からなる、 U字型導波路の場合の理論式は次のようになる。

[0038] 長手方向（X方向）と横方向（y方向）のひずみの感度の比 S は、

となり、 1/Rの比が大きいほど、指向性と長手方向の感度はともに高くなる。

[0039] (3)長円形状の場合

図 2に示すような、両端が半径 Rで平行部の長さが 1の長円形状の場合の理論式は次式となる。

[0040] 感度の比 S は、以下のように表せる。 = 1

[0041] 長円形状の場合においても、指向性と感度が 1/Rに比例して大きくなることは、 U字型と同じである。 N卷の場合は、全体の感度が N倍になることは、真円の場合と同じである。せん断ひずみ速度成分はドップラー周波数シフトには影響を与えない。

[0042] したがって、本実施形態の装置によれば、 1ZRの比を調整することにより、振動計測における指向性を制御することができるという利点がある。他の構成および利点は、特許文献 1記載の技術と同様である。

[0043] なお、前記実施形態の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らなレ、。図面の簡単な説明

[0044] [図 1]従来の振動計測装置の概略を説明するための説明図である。

[図 2]本発明の一実施形態に係る振動計測装置における長円部の形状を示す説明図である。

[図 3]導波路形状に基づく指向性制御を説明するための説明図である。

[図 4]導波路形状に基づく指向性制御を説明するための説明図である。

[図 5]導波路形状に基づく指向性制御を説明するための説明図である。

符号の説明

[0045] 1 入力部

2 光ファイバ

20 湾曲部

3 検出部

120 長円部

121 円弧部

122 直線部

Claims

請求の範囲

[1] 入力部と導波路と検出部とを備えており、

前記入力部は、前記導波路に入力光を入力するものであり、

前記導波路は、計測すべき振動が加えられる長円部を有し、

前記長円部は、前記入力光が通過するものとなっており、

前記検出部は、前記長円部を通過した前記導波路からの出力光と前記入力光との間での周波数変化を検出するものであることを特徴とする振動計測装置。

[2] 前記長円部は、二つの円弧部と、これら二つの円弧部の開口部分を繋ぐ二つの直線部とを備えていることを特徴とする請求項 1記載の振動計測装置。

[3] 前記導波路は光ファイバであることを特徴とする請求項 1記載の振動計測装置。

[4] 前記長円部は、前記光ファイバを周回することにより形成されていることを特徴とする請求項 3記載の振動計測装置。

[5] 振動計測における指向性を有することを特徴とする請求項 1〜4のいずれ力 4項に記載の振動計測装置。

[6] 請求項 2記載の振動計測装置を用いた振動計測方法であって、前記円弧部の曲率半径 Rと前記直線部の長さ 1との比を調整することにより、振動計測における指向性を制御することを特徴とする振動計測方法。