WO2012144272A1 - Ｆｂｇひずみセンサ - Google Patents

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WO2012144272A1
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fbg
temperature compensation
compensation member
optical fiber
measured
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祐樹 杉本
功 今岡
顕次 柴田
嘉文 須崎
岩田　弘
Kiyoshi NAKAGAWA (中川 清)
Original Assignee
株式会社豊田自動織機
国立大学法人香川大学
独立行政法人国立高等専門学校機構
中川 香保里
中川　光
中川 直
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    • G01L1/26—Auxiliary measures taken, or devices used, in connection with the measurement of force, e.g. for preventing influence of transverse components of force, for preventing overload

Definitions

  • the present invention relates to an FBG strain sensor that measures the strain amount of an object to be measured, and more particularly, to a configuration for performing temperature compensation according to the ambient temperature at the time of measurement.
  • an FBG strain sensor using an FBG is used as a strain sensor for measuring a strain amount.
  • the FBG is a diffraction grating in which the refractive index of the core of the optical fiber is changed by a predetermined length period (grating period) along the axial direction, and the incident light to the optical fiber depends on the grating period. Only light of a specific wavelength (Bragg wavelength) is reflected, and the remaining light is transmitted. When distortion occurs in the FBG, the grating period changes, and the Bragg wavelength also changes accordingly. Therefore, the amount of distortion can be measured based on the amount of change in the Bragg wavelength.
  • the optical fiber thermally expands according to the ambient temperature, which is the ambient temperature at the time of measuring the strain, and the grating period also changes accordingly. Therefore, the Bragg wavelength of the FBG also changes according to the ambient temperature. Have. Therefore, in order to measure an accurate strain amount of the object to be measured, it is necessary to perform temperature compensation according to the ambient temperature.
  • Patent Document 1 discloses an optical fiber sensor that performs temperature compensation using two FBGs formed as detection element portions.
  • one of the FBGs is provided for close contact with a liquid crystal polymer substrate fixed to a steel cord that is an object to be measured, for measuring the amount of strain.
  • the other side of the FBG is provided for temperature compensation in a relaxed state with respect to the liquid crystal polymer substrate.
  • the Bragg wavelength of the strain measurement FBG varies depending on the strain amount of the steel cord applied through the liquid crystal polymer substrate and the thermal expansion amount of the optical fiber according to the ambient temperature.
  • the strain amount of the steel cord is not applied to the relaxed temperature compensating FBG, its Bragg wavelength changes due to the amount of thermal expansion of the optical fiber according to the ambient temperature.
  • the sensor described in Patent Document 1 performs temperature compensation by subtracting the change amount of the Bragg wavelength of the temperature compensation FBG from the change amount of the Bragg wavelength of the strain amount measurement FBG, and measures the strain amount of the steel cord.
  • These two FBGs can be arranged in series or in parallel, and when arranged in series, two FBGs are formed in one optical fiber.
  • two optical fibers that is, an optical fiber on which a strain amount measuring FBG is formed and an optical fiber on which a temperature compensating FBG is formed are provided on a liquid crystal polymer substrate.
  • the optical fiber sensor described in Patent Document 1 requires two FBGs for strain amount measurement and temperature compensation, the entire sensor can be downsized or the configuration of the entire sensor can be simplified. Has the problem of being difficult. Specifically, when two FBGs are arranged in series in the optical fiber sensor described in Patent Document 1, the length dimension along the axial direction of the portion where the FBGs are arranged is inevitably large. It becomes difficult to reduce the size. Also, when two FBGs are arranged in parallel, two optical fibers are provided on the liquid crystal polymer substrate, so that it is necessary to supply incident light and detect reflected light to the two optical fibers, respectively. The configuration of the entire sensor becomes complicated.
  • the present invention has been made to solve such problems, and has an object to provide an FBG strain sensor that realizes temperature compensation with a simple configuration without increasing the size of the entire sensor. To do.
  • An FBG strain sensor includes an optical fiber having an FBG that changes a wavelength of reflected light with respect to incident light and a wavelength of transmitted light with respect to incident light in accordance with the amount of strain applied from the measurement target part.
  • An FBG strain sensor that measures the amount of strain of a measured portion based on the amount of change in the wavelength of light or the amount of change in the wavelength of transmitted light, wherein the FBG is fixed to one surface and the other surface is measured And a temperature compensating member that is fixable to the temperature compensation member.
  • the FBG strain sensor can be applied to a vehicle sensor that detects a vehicle collision.
  • the vehicle sensor in this case has a plurality of FBGs in which the vehicle has a plurality of parts to be measured, and an optical fiber is provided in the plurality of parts to be measured, and corresponding FBGs from at least one of the plurality of parts to be measured. A vehicle collision is detected based on the amount of strain applied to the vehicle.
  • temperature compensation in a strain sensor using FBG, temperature compensation can be performed with a simple configuration without increasing the size of the entire sensor.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration of an FBG in the FBG strain sensor according to the first embodiment. It is the schematic which shows the structure of the vehicle sensor using the FBG sensor which concerns on Embodiment 2 of this invention.
  • FIG. 1 schematically shows an FBG strain sensor 1 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the FBG strain sensor 1 is a sensor that measures strain generated in the measurement target W using an optical fiber 2, and light emitted from a light source (not shown) is incident from one end side of the optical fiber 2.
  • the optical fiber 2 has an FBG (fiber Bragg grating) 3 that reflects light having a specific wavelength called a Bragg wavelength with respect to incident light from the light source. Arranged on the side.
  • FBG fiber Bragg grating
  • the optical fiber 2 is formed of quartz glass or the like, and includes a core 4 through which incident light L1 from a light source (not shown) propagates, and a cladding 5 that covers the outer periphery of the core 4. ing.
  • the FBG 3 is a diffraction grating in which the refractive index of the core 4 is changed by a length period ⁇ along the axial direction, that is, a grating period ⁇ .
  • the FBG 3 reflects only light having a Bragg wavelength with respect to the incident light L1 as reflected light L2. The remaining light is transmitted as transmitted light L3.
  • the length period ⁇ in the FBG 3 is one of the elements that define the wavelength (Bragg wavelength) of the reflected light L2, and when an axial distortion occurs in the FBG 3 and the grating period ⁇ is changed, The Bragg wavelength also changes. That is, the strain amount of the FBG 3 can be measured based on the amount of change of the Bragg wavelength before and after the occurrence of strain, specifically, the shift amount of the center wavelength of the reflected light L2.
  • the FBG 3 is formed by irradiating the core 4 of the optical fiber 2 with ultraviolet rays or the like.
  • the FBG strain sensor 1 includes a flat plate-shaped temperature compensation member 11 provided between the optical fiber 2 and the part to be measured W.
  • the optical fiber 2 passes through the temperature compensation member 11.
  • the temperature compensation member 11 is formed in a rectangular shape with the direction indicated by the arrow A in FIG. 1 as the longitudinal direction, and the optical fiber 2 is fixed to the upper surface 11a, which is one surface thereof, and the other surface is A certain lower surface 11b side can be fixed to the part to be measured W. Further, the temperature compensation member 11 is arranged so that the longitudinal direction (see arrow A) and the longitudinal direction of the optical fiber 2 are along each other, and the FBG 3 is located at substantially the center of the upper surface 11a of the temperature compensation member 11. ing.
  • the optical fiber 2 and the upper surface 11a of the temperature compensation member 11 are fixed by the adhesive 12 over the entire surface where they abut.
  • the lower surface 11b of the temperature compensation member 11 is fixed to the upper surface Wa of the part to be measured W by the adhesive 13 at two locations along the longitudinal direction. Therefore, when distortion occurs in the measurement target W in the direction indicated by the arrow A, the distortion is applied to the temperature compensation member 11 via the adhesive 13 at two locations. Further, since the optical fiber 2 is entirely bonded to the upper surface 11a of the temperature compensation member 11, the strain applied to the temperature compensation member 11 from the measurement target portion W is directly applied to the FBG 3. ing.
  • the pair of adhesives 13 provided on the lower surface 11b of the temperature compensation member 11 are arranged such that the distance d1 is equal to or longer than the length d2 of the FBG 3, and the FBG 3 is attached to the upper surface 11a. It arrange
  • the temperature compensation member 11 is made of glass having a coefficient of thermal expansion of zero, so that the temperature compensation member 11 does not expand due to changes in the ambient temperature.
  • the optical fiber 2 has a positive coefficient of thermal expansion, and is expanded and contracted by thermal expansion accompanying a change in ambient temperature.
  • the Bragg wavelength that is the wavelength of the reflected light L2 from the FBG 3 is defined by the grating period ⁇ of the FBG 3. Therefore, when the optical fiber 2 expands and contracts according to the ambient temperature, the grating period ⁇ of the FBG 3 also changes accordingly, so that the Bragg wavelength changes.
  • the coefficient of thermal expansion is not limited to the case where the coefficient of thermal expansion is almost zero as in the case of zero thermal expansion glass, but refers to the case where the coefficient of thermal expansion is almost zero. Including a case where is not more than ⁇ 1 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C.
  • the optical fiber 2 is fixed to the temperature compensation member 11 having a thermal expansion coefficient of zero by the adhesive 12 over the entire surface where the optical fiber 2 abuts, the expansion and contraction of the FBG 3 is constrained by the temperature compensation member 11. It has become. That is, since the thermal expansion of the FBG 3 according to the ambient temperature is suppressed by the temperature compensation member 11 that does not cause thermal expansion, only the strain of the part to be measured W is applied to the FBG 3 regardless of the ambient temperature. It has become.
  • the optical fiber 2 in the first embodiment has been described as having a positive thermal expansion coefficient, the effect of suppressing the thermal expansion of the FBG 3 by the temperature compensation member 11 is that the optical fiber 2 has a negative thermal expansion coefficient. The same applies to the case of having. Further, the coefficient of thermal expansion of the temperature compensation member 11 can be made zero by adjusting manufacturing conditions such as preparation of glass components as materials.
  • the FBG strain sensor 1 is fixed to the upper surface Wa of the part W to be measured by the adhesive 13 applied to both ends of the lower surface 11 b of the temperature compensation member 11.
  • a light source (not shown) is connected to one end side of the optical fiber 2.
  • a measuring instrument (not shown) to which the reflected light L2 from the FBG 3 (see FIG. 2) is input is connected to one end side of the optical fiber 2. This measuring device calculates the amount of distortion of the portion to be measured W based on the amount of change in the reflected light L2 before and after the occurrence of strain at the portion to be measured W, that is, the amount of shift of the Bragg wavelength.
  • the FBG strain sensor 1 When the FBG strain sensor 1 is fixed to the measurement target W, incident light L1 is incident on the optical fiber 2 from a light source (not shown).
  • the FBG 3 reflects Bragg wavelength light as reflected light L2 with respect to the incident light L1, and transmits the remaining light as transmitted light L3 (see FIG. 2).
  • the agent 12 is sequentially applied to the FBG 3.
  • the strain of the part to be measured W is applied to the FBG 3 and the FBG 3 expands, the grating period ⁇ (see FIG. 2) of the FBG 3 also expands, so the wavelength of the reflected light L2 (Bragg wavelength) also changes.
  • the optical fiber 2 since the optical fiber 2 has a positive coefficient of thermal expansion, the optical fiber 2 tends to expand in the direction along the longitudinal direction A by thermal expansion corresponding to the ambient temperature at the time of strain measurement.
  • the optical fiber 2 since the optical fiber 2 is fixed to the temperature compensation member 11 having a thermal expansion coefficient of zero on the entire surface in contact with the temperature compensation member 11, and the expansion and contraction of the FBG 3 is restricted by the temperature compensation member 11, the extension of the FBG 3 is performed. Is suppressed. Therefore, the FBG 3 is in a state in which temperature compensation is performed with respect to the ambient temperature, that is, the Bragg wavelength shift due to thermal expansion of the FBG 3 does not occur, and the Bragg wavelength is shifted only by the strain of the measurement target W. Therefore, the strain amount of the part W to be measured is measured without error due to the ambient temperature.
  • the temperature compensation member 11 is provided between the part to be measured W and the FBG 3 of the optical fiber 2, strain generated in the part to be measured W is applied to the FBG 3 via the temperature compensation member 11. Since the temperature compensation member 11 is formed of a material having a coefficient of thermal expansion of zero, it does not thermally expand according to the ambient temperature when measuring the strain amount. Since the FBG 3 is fixed to such a temperature compensation member 11, the FBG 3 is constrained by the temperature compensation member 11, and the thermal expansion of the FBG 3 according to the ambient temperature is suppressed.
  • the FBG strain sensor 1 can perform temperature compensation with a simple configuration without increasing the size of the entire sensor.
  • the temperature compensation member 11 is a flat plate member, the configuration of the FBG strain sensor 1 becomes simpler and the size in the height direction can be suppressed, so that the entire sensor can be further downsized.
  • Embodiment 2 an FBG strain sensor according to Embodiment 2 of the present invention will be described.
  • the FBG strain sensor according to the second embodiment is applied as a vehicle sensor that detects a vehicle collision.
  • the same reference numerals as those shown in FIGS. 1 and 2 are the same or similar components, and thus detailed description thereof is omitted.
  • the vehicle sensor 21 detects a collision of the vehicle 30 in order to operate a device such as an air bag, for example.
  • a portion to be measured W is provided at a plurality of locations such as both sides of the rear portion.
  • a single optical fiber 2 is routed inside the body 31 so as to pass through each measured portion W, and the optical fiber 2 is installed at a plurality of locations corresponding to each measured portion W. It has FBG3 similar to the form 1.
  • Each FBG 3 is fixed to a temperature compensation member 11 attached to the part W to be measured, and the FBG 3 and the temperature compensation member 11 form a sensor unit 22.
  • Each sensor unit 22 has the same configuration as the FBG strain sensor 1 shown in FIG. That is, the vehicle sensor 21 is obtained by installing the FBG strain sensor 1 according to the first embodiment on each measured portion W of the body 31 and connecting them via a single optical fiber 2.
  • a light source (not shown) and a detection unit (not shown) for detecting a change in Bragg wavelength are connected to one end of the optical fiber 2. Further, the detection unit is electrically connected to a control unit (not shown) of the vehicle 30 and can output a detection result of the Bragg wavelength to the control unit.
  • the control unit determines that the vehicle 30 has collided and activates the airbag or the like.
  • temperature compensation is performed with respect to the ambient temperature as in the FBG strain sensor 1 in the first embodiment, so that malfunction does not occur due to a temperature change in the vehicle 30.
  • the vehicle 30 can be compensated for temperature only by drawing one optical fiber 2 into the vehicle 30. Therefore, the vehicle sensor 21 can be constructed with a simple configuration. In addition, each sensor unit can be reduced in size as in the first embodiment, and therefore can be easily installed in a narrow place in the vehicle 30.
  • Each sensor in the first and second embodiments is configured to measure the strain amount of the measurement target W based on the change amount of the wavelength of the reflected light L2 from the FBG 3, but is not limited to this configuration. It is also possible to measure the amount of strain based on the amount of change in the wavelength of the transmitted light L3. Since the transmitted light L3 is obtained by removing the reflected light L2 from the incident light L1 incident on the optical fiber 2, the amount of shift of the Bragg wavelength can be obtained from the transmitted light L3. Therefore, even when the strain amount is measured based on the transmitted light L3, the same effect as in the first and second embodiments can be obtained.
  • a light source is connected to one end side of the optical fiber 2, and a measuring instrument is connected to the other end side.
  • the shape of the temperature compensation member 11 is not limited. What is necessary is just to be able to apply the distortion amount of the to-be-measured part W to FBG3, for example, it can be set as polygonal shapes, such as a square which does not have a longitudinal direction, circular shapes, etc.
  • the temperature compensation member is not limited to a plate-like member, and may be a cylindrical member or a rod-like member, for example. Even in this case, strain measurement and temperature compensation can be performed on a single measurement target W with a single FBG, so that temperature compensation can be performed with a simple configuration without increasing the size of the entire sensor. It becomes.
  • the portion to be measured W in Embodiment 1 is shown in FIG. 1 as a rectangular member, the shape of the portion to be measured W is not limited, and the FBG strain sensor according to the present invention is the portion to be measured W. It is not limited to including.
  • the present invention relates to an FBG strain sensor that can be fixed to a part to be measured, and may be an FBG strain sensor in a state before being fixed to the part to be measured.
  • the temperature compensation member 11 in the first and second embodiments is fixed to the measured portion W by the pair of adhesives 13 applied to both ends thereof, but the temperature compensation member 11 and the measured portion W are bonded to each other. It is not limited to performing by these, and fixing these in two places used as the both ends of a temperature compensation member. What is necessary is just to be able to fix so that the distortion which arises in the to-be-measured part W is applied to the temperature compensation member 11, for example, using other fixing methods, such as welding, or fixing in two or more places including parts other than both ends. Is possible.

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Abstract

　センサ全体を大型化することなく、簡単な構成で温度補償を行うことを実現したＦＢＧひずみセンサを提供することを目的とする。　ＦＢＧひずみセンサ１は、ＦＢＧ３が形成された光ファイバ２と、光ファイバ２を被測定部Ｗに固定するための温度補償部材１１とを備えている。光ファイバ２と温度補償部材１１とは、これらが当接する全面において接着剤１２によって固定されている。一方、温度補償部材１１と被測定部Ｗとは、温度補償部材１１の両端部において接着剤１３によって固定されている。温度補償部材１１は、熱膨張係数がゼロである材料から形成されており、ＦＢＧ３の伸縮が温度補償部材１１によって拘束されている。したがって、雰囲気温度に応じたＦＢＧ３の熱膨張は温度補償部材１１によって抑制された状態となっており、被測定部Ｗに生じるひずみのみがＦＢＧ３に印加される。

Description

ＦＢＧひずみセンサ
　この発明は、被測定物のひずみ量を測定するＦＢＧひずみセンサに係り、特に、測定時の雰囲気温度に応じた温度補償を行うための構成に関する。
　近年、ひずみ量を測定するひずみセンサとして、ＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）を用いたＦＢＧひずみセンサが用いられる。ＦＢＧとは、光ファイバのコアの屈折率を軸方向に沿った所定の長さ周期（グレーティング周期）で変化させた回折格子であって、光ファイバへの入射光に対し、グレーティング周期に応じた特定の波長（ブラッグ波長）の光のみを反射し、残りの光を透過するという特性を有している。ＦＢＧにひずみが発生するとグレーティング周期が変化し、それに伴ってブラッグ波長も変化するため、ブラッグ波長の変化量に基づいてひずみ量を測定することが可能となる。ここで、光ファイバは、ひずみ量の測定時における周囲温度である雰囲気温度に応じて熱膨張し、それに応じてグレーティング周期も変化するため、ＦＢＧのブラッグ波長は、雰囲気温度によって変化するという特性も有している。したがって、被測定物の正確なひずみ量を測定するためには、雰囲気温度に応じた温度補償を行うことが必要となる。
　例えば特許文献１には、検出素子部として形成された２つのＦＢＧを用いて温度補償を行う光ファイバセンサが開示されている。これによれば、ＦＢＧの一方はひずみ量測定用として、被測定物である鋼索に固定される液晶ポリマ基板に対して密着するように設けられている。また、ＦＢＧの他方は温度補償用として、液晶ポリマ基板に対して弛んだ状態で設けられている。ひずみ量測定用ＦＢＧのブラッグ波長は、液晶ポリマ基板を介して印加される鋼索のひずみ量と、雰囲気温度に応じた光ファイバの熱膨張量とに起因して変化する。一方、弛んだ状態の温度補償用ＦＢＧには鋼索のひずみ量が印加されないため、そのブラッグ波長は、雰囲気温度に応じた光ファイバの熱膨張量に起因して変化する。すなわち、特許文献１に記載のセンサは、ひずみ量測定用ＦＢＧのブラッグ波長の変化量から温度補償用ＦＢＧのブラッグ波長の変化量を減算することによって温度補償を行い、鋼索のひずみ量を測定するものである。尚、これらの２つのＦＢＧは直列または並列に配置可能となっており、直列に配置する場合、２つのＦＢＧが一本の光ファイバに形成される。一方、ＦＢＧを並列に配置する場合は２本の光ファイバ、すなわち、ひずみ量測定用ＦＢＧが形成された光ファイバと、温度補償用ＦＢＧが形成された光ファイバとが液晶ポリマ基板に設けられる。
特開２０００－１１１３１９号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の光ファイバセンサは、ひずみ量測定用と温度補償用との２つのＦＢＧを必要とするため、センサ全体を小型化すること、またはセンサ全体の構成を簡単にすることが困難であるという問題点を有している。具体的には、特許文献１に記載の光ファイバセンサにおいて２つのＦＢＧを直列に配置する場合、ＦＢＧが配置される部位の軸方向に沿った長さ寸法は必然的に大きくなるため、センサ全体を小型化することが困難となる。また、２つのＦＢＧを並列に配置する場合、２本の光ファイバが液晶ポリマ基板に設けられるため、入射光の供給や反射光の検出を２本の光ファイバに対してそれぞれ行うことが必要となり、センサ全体の構成が複雑になる。
　この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、センサ全体を大型化することなく、簡単な構成で温度補償を行うことを実現したＦＢＧひずみセンサを提供することを目的とする。
　この発明に係るＦＢＧひずみセンサは、被測定部から印加されるひずみ量に応じて、入射光に対する反射光の波長と入射光に対する透過光の波長とを変化させるＦＢＧを有する光ファイバを備え、反射光の波長の変化量または透過光の波長の変化量に基づいて、被測定部のひずみ量を測定するＦＢＧひずみセンサであって、一方の面にＦＢＧが固定され、他方の面を被測定部に固定可能な温度補償部材をさらに備え、温度補償部材は、熱膨張係数がゼロである材料から形成される。
　また、上記ＦＢＧひずみセンサは、車両の衝突を検知する車両用センサに適用することが可能である。この場合の車両用センサは、車両が複数の被測定部を有し、光ファイバが複数の被測定部に設けられる複数のＦＢＧを有し、複数の被測定部の少なくとも１つから対応するＦＢＧに印加されるひずみ量に基づいて、車両の衝突を検知する。
　この発明によれば、ＦＢＧを用いたひずみセンサにおいて、センサ全体を大型化することなく、簡単な構成で温度補償を行うことが可能となる。
この発明の実施の形態１に係るＦＢＧひずみセンサの構成を概略的に示す斜視図である。 実施の形態１に係るＦＢＧひずみセンサにおけるＦＢＧの構成を示す概略図である。 この発明の実施の形態２に係るＦＢＧセンサを用いた車両用センサの構成を示す概略図である。
　以下に、この発明の実施の形態について添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
　図１に、この発明の実施の形態１に係るＦＢＧひずみセンサ１を概略的に示す。ＦＢＧひずみセンサ１は、光ファイバ２を利用して被測定部Ｗに発生するひずみを測定するセンサであって、光ファイバ２の一端側からは、図示しない光源から発せられる光が入射される。また、光ファイバ２は、光源からの入射光に対してブラッグ波長と呼ばれる特定の波長の光を反射するＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）３を有しており、ＦＢＧ３が被測定部Ｗの上方側に配置されている。
　ここで、図２を参照すると、光ファイバ２は石英ガラス等から形成されており、図示しない光源からの入射光Ｌ１が伝播するコア４と、コア４の外周部を覆うクラッド５とから構成されている。ＦＢＧ３は、コア４の屈折率を軸方向に沿った長さ周期Λ、すなわちグレーティング周期Λで変化させた回折格子であり、入射光Ｌ１に対してブラッグ波長の光のみを反射光Ｌ２として反射し、残りの光を透過光Ｌ３として透過させる。
　また、ＦＢＧ３における長さ周期Λは、反射光Ｌ２の波長（ブラッグ波長）を規定する要素の１つとなっており、ＦＢＧ３に軸方向のひずみが発生してグレーティング周期Λが変化すると、それに伴ってブラッグ波長も変化する。すなわち、ひずみの発生前後におけるブラッグ波長の変化量、具体的には、反射光Ｌ２の中心波長のシフト量に基づいて、ＦＢＧ３のひずみ量を測定可能となっている。尚、一例として、ＦＢＧ３は、光ファイバ２のコア４に紫外線等を照射することによって形成される。
　図１に戻って、ＦＢＧひずみセンサ１は、光ファイバ２と被測定部Ｗとの間に設けられた平板状の温度補償部材１１を備えており、光ファイバ２は、温度補償部材１１を介して被測定部Ｗに固定される。温度補償部材１１は、図１の矢印Ａで示される方向を長手方向とする長方形に形成されており、その一方の面である上部表面１１ａに光ファイバ２が固定されるとともに、他方の面である下部表面１１ｂ側を被測定部Ｗに固定可能となっている。また、温度補償部材１１は、その長手方向（矢印Ａ参照）と光ファイバ２の長手方向とが互いに沿うように配置されており、温度補償部材１１の上部表面１１ａのほぼ中央にＦＢＧ３が位置している。
　光ファイバ２と温度補償部材１１の上部表面１１ａとは、これらが当接する全面で接着剤１２によって固定されている。一方、温度補償部材１１の下部表面１１ｂは、被測定部Ｗの上部表面Ｗａに対し、長手方向に沿った両端部の二箇所で接着剤１３によって固定されている。したがって、矢印Ａで示す方向において被測定部Ｗにひずみが発生すると、そのひずみが二箇所の接着剤１３を介して温度補償部材１１に印加されるようになっている。また、温度補償部材１１の上部表面１１ａには光ファイバ２が全面的に接着されているため、被測定部Ｗから温度補償部材１１に印加されたひずみが、そのままＦＢＧ３に印加されるようになっている。
　尚、温度補償部材１１の下部表面１１ｂに設けられた一対の接着剤１３は、それらの間隔ｄ１がＦＢＧ３の長さｄ２以上となるように配置されており、ＦＢＧ３は、上部表面１１ａにおいて接着剤１３同士の間隔ｄ１の内側に対応する部位に配置されている。また、これらの接着剤１３は、被測定部Ｗに対して温度補償部材１１を固定可能とするものであり、ＦＢＧひずみセンサ１における一対の取り付け部材を構成している。
　温度補償部材１１は、熱膨張係数がゼロであるガラスを材料として形成されており、雰囲気温度の変化に伴う温度補償部材１１の熱膨張が生じないようになっている。一方、光ファイバ２は正の熱膨張係数を有しており、雰囲気温度の変化に伴う熱膨張によって伸縮するようになっている。ここで、図２を用いて上述したように、ＦＢＧ３からの反射光Ｌ２の波長であるブラッグ波長は、ＦＢＧ３のグレーティング周期Λによって規定される。したがって、光ファイバ２が雰囲気温度に応じて伸縮すると、それに伴ってＦＢＧ３のグレーティング周期Λも変化するため、ブラッグ波長が変化することになる。尚、熱膨張係数がゼロであるとは、零熱膨張ガラスのように熱膨張係数が完全にゼロである場合に限らず、熱膨張係数がほとんどゼロである場合を指し、例えば、熱膨張係数が±１×１０-6／℃以下である場合を含む。
　しかしながら、光ファイバ２は、熱膨張係数がゼロである温度補償部材１１に対し、これらが当接する全面で接着剤１２によって固定されているため、ＦＢＧ３の伸縮が温度補償部材１１によって拘束された状態となっている。すなわち、雰囲気温度に応じたＦＢＧ３の熱膨張は、熱膨張が生じない温度補償部材１１によって抑制されているため、ＦＢＧ３には、雰囲気温度にかかわらず被測定部Ｗのひずみのみが印加される状態となっている。尚、この実施の形態１における光ファイバ２は正の熱膨張係数を有するものとして上述したが、温度補償部材１１によってＦＢＧ３の熱膨張を抑制するという効果は、光ファイバ２が負の熱膨張係数を有している場合においても同様である。また、温度補償部材１１の熱膨張係数は、例えば材料であるガラスの成分の調合等といった製造条件を調整することによってゼロとすることが可能となる。
　次に、この発明の実施の形態１に係るＦＢＧひずみセンサ１を用いて、被測定部Ｗに発生したひずみを測定する場合の動作について説明する。
　図１に示すように、まず、温度補償部材１１の下部表面１１ｂにおける両端に塗布された接着剤１３により、ＦＢＧひずみセンサ１が被測定部Ｗの上部表面Ｗａに固定される。次いで、光ファイバ２の一端側には、図示しない光源が接続される。また、光ファイバ２の一端側には、光源の他に、ＦＢＧ３からの反射光Ｌ２（図２参照）が入力される図示しない測定器が接続される。この測定器は、被測定部Ｗでのひずみの発生前後における反射光Ｌ２の変化量、すなわちブラッグ波長のシフト量に基づいて、被測定部Ｗのひずみ量を算出するものである。
　被測定部ＷにＦＢＧひずみセンサ１が固定されると、図示しない光源から光ファイバ２に入射光Ｌ１が入射される。入射光Ｌ１に対し、ＦＢＧ３はブラッグ波長の光を反射光Ｌ２として反射し、残りの光を透過光Ｌ３として透過する（図２参照）。このような状態で、図１の矢印Ｂ１、Ｂ２で示されるように被測定部Ｗに軸方向Ａに沿ったひずみが発生すると、そのひずみが二箇所の接着剤１３、温度補償部材１１、接着剤１２を順次介してＦＢＧ３に印加される。被測定部ＷのひずみがＦＢＧ３に印加されてＦＢＧ３が伸張すると、ＦＢＧ３のグレーティング周期Λ（図２参照）も伸張するため、反射光Ｌ２の波長（ブラッグ波長）も変化する。
　ここで、光ファイバ２は正の熱膨張係数を有しているため、ひずみの測定時における雰囲気温度に応じた熱膨張により、光ファイバ２は長手方向Ａに沿った方向に伸張しようとする。しかしながら、光ファイバ２は、熱膨張係数がゼロである温度補償部材１１に対し、これらが当接する全面で固定されており、ＦＢＧ３の伸縮が温度補償部材１１によって拘束されているため、ＦＢＧ３の伸張が抑制されている。したがって、ＦＢＧ３は、雰囲気温度に対する温度補償が行われた状態、すなわちＦＢＧ３が熱膨張することに起因するブラッグ波長のシフトが生じず、被測定部Ｗのひずみのみによってブラッグ波長がシフトする状態となっており、被測定部Ｗのひずみ量が雰囲気温度による誤差なく測定される。
　このように、被測定部Ｗと光ファイバ２のＦＢＧ３との間に温度補償部材１１を設けたので、被測定部Ｗに生じるひずみが温度補償部材１１を介してＦＢＧ３に印加される。温度補償部材１１は熱膨張係数がゼロである材料から形成されているため、ひずみ量の測定時における雰囲気温度に応じて熱膨張することがない。このような温度補償部材１１にＦＢＧ３を固定したので、ＦＢＧ３が温度補償部材１１に拘束された状態となり、雰囲気温度に応じたＦＢＧ３の熱膨張が抑制される。ＦＢＧ３には、雰囲気温度にかかわらず被測定部Ｗのひずみのみが印加される状態となっているため、一箇所の被測定部Ｗに対してひずみの測定と温度補償とを行うために、複数のＦＢＧを用いることや複数の光ファイバを用いること、すなわちひずみ量測定用ＦＢＧ及び温度補償用ＦＢＧを用いることを必要としない。したがって、ＦＢＧひずみセンサ１において、センサ全体を大型化することなく、簡単な構成で温度補償を行うことが可能となる。
　また、温度補償部材１１は平板状の部材としたので、ＦＢＧひずみセンサ１の構成がより簡単になるとともに高さ方向の寸法が抑えられるため、センサ全体をより小型化することが可能となる。
実施の形態２．
　次に、この発明の実施の形態２に係るＦＢＧひずみセンサについて説明する。この実施の形態２に係るＦＢＧひずみセンサは、車両の衝突を検知する車両用センサとして適用されたものである。尚、以下に説明する実施の形態において、図１、２に示される符号と同一の符号は同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
　図３に示すように、車両用センサ２１は、例えばエアバッグ等の機器を作動させるために車両３０の衝突を検知するものであって、車両３０は、例えばボディー３１の前部、中間部及び後部における両側等、複数の箇所に被測定部Ｗを有している。
　また、ボディー３１の内部には、各被測定部Ｗを通るように一本の光ファイバ２が引き回されており、光ファイバ２は、各被測定部Ｗに対応する複数の箇所に、実施の形態１と同様のＦＢＧ３を有している。各ＦＢＧ３は、被測定部Ｗに張り付けられた温度補償部材１１に固定されており、ＦＢＧ３と温度補償部材１１とがセンサ部２２を形成している。各センサ部２２は、図１に示されるＦＢＧひずみセンサ１と同様の構成を有するものである。すなわち、車両用センサ２１は、実施の形態１におけるＦＢＧひずみセンサ１をボディー３１の各被測定部Ｗにそれぞれ設置し、それらを一本の光ファイバ２を介して接続したものである。尚、光ファイバ２の一端には、図示しない光源と、ブラッグ波長の変化を検知する図示しない検知部とが接続されている。また、検知部は、車両３０の図示しない制御部に電気的に接続されており、制御部に対してブラッグ波長の検知結果を出力可能となっている。
　以上のように構成される車両用センサ２１において、車両３０が衝突を起こして各被測定部Ｗの少なくとも一箇所にひずみが生じると、ひずんだ箇所に対応するＦＢＧ３におけるブラッグ波長の変化が検知される。図示しない制御部は、ブラッグ波長が変化したことを示す信号が入力されると、車両３０が衝突したと判定してエアバッグ等を作動させる。尚、車両用センサ２１では、実施の形態１におけるＦＢＧひずみセンサ１と同様に、雰囲気温度に対する温度補償が行われるため、車両３０内の温度変化に起因して誤作動を起こすこともない。
　このように、ＦＢＧ３及び温度補償部材１１を複数として車両３０内の複数の被測定部Ｗに配置したので、一本の光ファイバ２を車両３０内に引き回すだけで、温度補償を行いつつ車両３０の衝突を検知することが可能となるため、簡単な構成で車両用センサ２１を構築することができる。また、各センサ部は、実施の形態１と同様に小型化することが可能であるため、車両３０内の狭い場所にも容易に設置することができる。
　実施の形態１、２における各センサは、ＦＢＧ３からの反射光Ｌ２の波長の変化量に基づいて被測定部Ｗのひずみ量を測定するように構成されたが、この構成に限定されるものではなく、透過光Ｌ３の波長の変化量に基づいてひずみ量を測定することも可能である。透過光Ｌ３は、光ファイバ２に入射される入射光Ｌ１から反射光Ｌ２を除いたものとなるため、透過光Ｌ３からブラッグ波長のシフト量を求めることも可能となっている。したがって、透過光Ｌ３に基づいてひずみ量を測定するように構成した場合においても、実施の形態１、２と同様の効果を得ることができる。尚、被測定部Ｗのひずみ量を透過光Ｌ３に基づいて測定する場合には光ファイバ２の一端側に光源が接続され、他端側に測定器が接続される。
　実施の形態１、２における温度補償部材１１は、図１の矢印Ａで示される方向を長手方向とする長方形に形成されているが、温度補償部材１１の形状を限定するものではない。被測定部Ｗのひずみ量をＦＢＧ３に印加可能であればよく、例えば、長手方向を有さない正方形等の多角形や円形等に形成とすることが可能である。また、温度補償部材は板状の部材に限定されるものでもなく、例えば筒状の部材や棒状の部材とすることも可能である。この場合においても、一箇所の被測定部Ｗに対するひずみ測定及び温度補償を単一のＦＢＧで行うことができるため、センサ全体を大型化することなく、簡単な構成で温度補償を行うことが可能となる。
　実施の形態１における被測定部Ｗは矩形の部材として図１に示されているが、被測定部Ｗの形状を限定するものではなく、また、本発明に係るＦＢＧひずみセンサが被測定部Ｗを含むことに限定するものでもない。本発明は、被測定部に固定可能なＦＢＧひずみセンサに関するものであり、被測定部に固定される前の状態にあるＦＢＧひずみセンサであってもよい。
　実施の形態１、２における温度補償部材１１は、その両端部に塗布された一対の接着剤１３によって被測定部Ｗに固定されたが、温度補償部材１１と被測定部Ｗとの固定を接着によって行うこと、及びこれらの固定を温度補償部材の両端部となる二箇所で行うことに限定するものではない。被測定部Ｗに生じるひずみが温度補償部材１１に印加されるように固定できればよく、例えば溶接等の他の固定方法を用いることや、両端部以外の部位を含む二箇所以上で固定することも可能である。

Claims (6)

  1. 　被測定部から印加されるひずみ量に応じて、入射光に対する反射光の波長と前記入射光に対する透過光の波長とを変化させるＦＢＧを有する光ファイバを備え、
    　前記反射光の波長の変化量または前記透過光の波長の変化量に基づいて、前記被測定部の前記ひずみ量を測定するＦＢＧひずみセンサであって、
    　一方の面に前記ＦＢＧが固定され、他方の面を前記被測定部に固定可能な温度補償部材をさらに備え、
    　前記温度補償部材は、熱膨張係数がゼロである材料から形成されるＦＢＧひずみセンサ。
  2. 　前記温度補償部材は、平板状の部材である請求項１に記載のＦＢＧひずみセンサ。
  3. 　前記被測定部に対して前記温度補償部材を固定可能な一対の取り付け部材をさらに備え、
    　前記一対の取り付け部材は、前記ＦＢＧの長さ以上の間隔をおいて、前記温度補償部材の前記他方の面に配置されており、
    　前記ＦＢＧは、前記温度補償部材の前記一方の面において前記間隔の内側に対応する部位に配置される請求項１または２に記載のＦＢＧひずみセンサ。
  4. 　前記光ファイバ及び前記温度補償部材は長手方向をそれぞれ有し、
    　前記温度補償部材の長手方向と前記光ファイバの長手方向とが互いに沿うように配置される請求項１～３のいずれか一項に記載のＦＢＧひずみセンサ。
  5. 　前記一対の取り付け部材は、前記温度補償部材の両端部に配置される請求項３または４のいずれか一項に記載のＦＢＧひずみセンサ。
  6. 　請求項１～５のいずれか一項に記載のＦＢＧひずみセンサを用いて車両の衝突を検知する車両用センサであって、
    　前記車両は複数の被測定部を有し、
    　前記光ファイバは前記複数の被測定部に設けられる複数のＦＢＧを有し、
    　前記複数の被測定部の少なくとも１つから対応する前記ＦＢＧに印加されるひずみ量に基づいて、前記車両の衝突を検知する車両用センサ。
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