WO2021176667A1 - テープ心線を用いた測定装置及び測定方法 - Google Patents

テープ心線を用いた測定装置及び測定方法 Download PDF

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curvature
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中村　篤志
飯田　大輔
博之 押田
岡本　達也
友和 小田
脇坂　佳史
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日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0028—Force sensors associated with force applying means
    • G01L5/0042—Force sensors associated with force applying means applying a torque

Definitions

  • the present disclosure relates to a measuring device and a measuring method for measuring curvature and torsion.
  • Shape sensing using optical fiber is attracting attention.
  • it is necessary to obtain the curvature and torsional coefficient applied to the optical fiber.
  • the strain distribution in the longitudinal direction of each core is determined by OFDR (Optical Frequency Domine Reflectometry) or the like.
  • OFDR Optical Frequency Domine Reflectometry
  • an object of the present disclosure is to provide a method and an apparatus for acquiring a curvature / torsion of a curve using an inexpensive sensor medium.
  • the present disclosure uses a tape core wire as a sensor medium in shape sensing using an optical fiber, and uses a reflection measurement method such as B-OTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer) or OFDR for each core.
  • B-OTDR Bendouin Optical Time Domain Reflectometer
  • OFDR Orthogonal Reflectometer
  • the measuring device is A tape core wire in which multiple core wires are arranged in parallel, A strain measuring unit that measures the amount of strain on the plurality of core wires, and a strain measuring unit.
  • the measurement method according to the present disclosure is described. It is a measurement method performed by a measuring device.
  • the measuring device is connected to a tape core wire in which a plurality of core wires are arranged in parallel.
  • the measuring device The amount of strain on the plurality of core wires is measured, and The curvature and torsion of the tape core wire are obtained by using the amount of strain between the core wire arranged at the center and the core wire arranged at the outer edge of the plurality of core wires.
  • a general-purpose tape core wire is used as a sensor medium, it is possible to reduce the cost of shape sensing.
  • This is an example of a system configuration according to the present disclosure.
  • An example of the relationship between the curvature and the amount of strain is shown.
  • An example of the relationship between the torsion and the amount of strain is shown.
  • An example of the flow executed by the measuring device according to the present disclosure is shown.
  • An example of the distribution of the strain amount measured in step S101 is shown.
  • An example of the distribution of the strain change amount is shown.
  • An example of measuring the curvature and torsion at each point is shown.
  • An example of the relationship between the torsional curve and the amount of strain in the second embodiment is shown.
  • FIG. 1 shows an example of a tape core wire.
  • the tape core wire consists of a plurality of core wires 91-1 to 91-4, which are optical fiber strands, arranged in parallel and coated with resin.
  • core wires 91-1 to 91-4 are connected to each other by a coating. Therefore, the strain applied to each core wire 91-1 to 91-4 is equal for the displacement (bending) in the x-axis direction, but the core arranged inside for the rotation (twist) on the xy plane.
  • the core wires 91-1 and 91-4 arranged outside the wires 91-2 and 91-3 are more distorted. Further, due to the rigidity of the tape core wire, it can be assumed that the tape core wire does not bend in the y-axis direction and only bends or twists in the x-axis direction.
  • this disclosure is based on -The amount of increase in strain applied to each core wire 91-1 to 91-4, and-core wires 91-2 and 91-3 arranged inside and core wires 91-1 and 91-4 arranged outside.
  • the difference in the amount of strain applied to the tape core wire 91 is analyzed, and the curvature and torsion of the tape core wire 91 are calculated.
  • FIG. 2 shows an example of a system configuration according to the present disclosure.
  • the system according to the present disclosure includes a measuring device 10 and a tape core wire 91.
  • the tape core wire 91 is used as a sensor medium and is laid on the object to be measured 92 for shape sensing.
  • As the tape core wire 91 a general-purpose tape core wire in which four core wires are arranged can be used as shown in FIG.
  • the measuring device 10 includes an optical measuring instrument 11 that functions as a strain measuring unit, an arithmetic processing unit 12, and a storage unit 13.
  • the measuring device 10 can also be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided through a network.
  • the optical measuring instrument 11 measures the strain of each core wire 91-1 to 91-4 included in the tape core wire 91.
  • the optical measuring instrument 11 is an arbitrary optical measuring instrument capable of measuring the strain distribution in the longitudinal direction of the optical fiber, and examples thereof include B-OTDR (Brillouin OTDR) and OFDR.
  • the arithmetic processing unit 12 measures the strain distribution of each core wire 91-1 to 91-4 using the strain measured by the optical measuring instrument 11, and calculates the curvature and torsion of the tape core wire 91 using this. do.
  • the storage unit 13 stores the relationship between the curvature and the strain amount and the relationship between the torsion ratio and the strain amount, which are measured in advance using the tape core wire 91.
  • FIG. 3 shows an example of the relationship between the curvature of the tape core wire 91 and the amount of strain.
  • the arithmetic processing unit 12 has the core wires 91-1 to 91-1 to Using at least one of the strain amounts of 91-4, the curvature corresponding to the strain amount can be derived.
  • FIG. 4 shows an example of the relationship between the torsional coefficient of the tape core wire 91 and the amount of strain.
  • the arithmetic processing unit 12 determines the core wires 91-1 to 91-. Using at least one of the strain amounts of 4, it is possible to derive the torsional curve according to the strain amount.
  • FIG. 5 shows an example of the flow executed by the measuring device according to the present disclosure.
  • the measuring device 10 executes steps S101 to S103.
  • S101 The optical measuring instrument 11 measures the strain distribution of each core wire 91-1 to 91-4.
  • S102 The arithmetic processing unit 12 compares the measured strain distribution with the strain reference data measured in advance, and calculates the distribution of the strain change amount of each core line 91-1 to 91-4.
  • S103 The curvature and torsion of the tape core wire 91 are calculated using the distribution of the strain change amount of each core wire 91-1 to 91-4.
  • FIG. 6 shows an example of the distribution of the strain amount measured in the procedure S101.
  • the optical measuring instrument 11 incidents signal light on the core wires 91-1 to 91-4, and uses the return light from the core wires 91-1 to 91-4 at each distance from the optical measuring instrument 11. Measure the amount of strain in.
  • the arithmetic processing unit 12 acquires the amount of distortion in each section S1 to S5.
  • step S102 the arithmetic processing unit 12 subtracts the strain distribution (distribution data when there is no distortion) as a reference measured in advance from the strain distribution of the strain measured in step S101, thereby distributing the amount of change in strain. Is calculated.
  • FIG. 7 shows an example of the distribution of the strain change amount.
  • the amount of strain on the inner core wires 91-2 and 91-3 and the amount of strain on the outer core wires 91-1 and 91-4 are substantially equal.
  • the strain amount of the outer core wires 91-1 and 91-4 is larger than the strain amount of the inner core wires 91-2 and 91-3. There is no increase in the amount of strain in the sections S1, S3, and S5.
  • the arithmetic processing unit 12 uses the “strain change amount” acquired in the procedure S102 and the “relationship between the curvature and the strain amount, and the relationship between the torsion rate and the strain amount” stored in the storage unit 13.
  • the distribution of the curvature and torsion of the tape core wire 91 at each point is calculated.
  • the arithmetic processing unit 12 derives the curvature according to the strain amount by using the relationship between the curvature and the strain amount as shown in FIG.
  • the amount of strain on the inner side and the amount of strain on the outer side are different.
  • the arithmetic processing unit 12 derives the twist ratio according to the strain amount by using the relationship between the twist ratio and the strain amount as shown in FIG. As a result, the curvature and torsional curve at each point can be measured from the optical measuring instrument 11 as shown in FIG.
  • Embodiment 2 In this embodiment, acquisition of the twisting direction will be described.
  • the system configuration of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, and the optical measuring device 11 for measuring the strain distribution in the longitudinal direction of the optical fiber is used.
  • the tape core wire 91 is laid on the object to be measured 92 in a pre-twisted state.
  • the procedures S101 to S103 are executed in the same manner as in the first embodiment, but the procedure S103 is different in the following points.
  • the tape core wire 91 is twisted in advance. Therefore, as shown in FIG. 9, distortion is generated in advance. Therefore, when the amount of strain increases from the reference, the arithmetic processing unit 12 determines that the twist in the same direction as the twisted direction has been applied in advance. On the other hand, when the amount of strain is reduced from the reference, the arithmetic processing unit 12 determines that the twist in the direction opposite to the twisted direction has been applied in advance. As the amount of strain to be compared with the reference, the difference between the amount of strain generated in advance and the amount of strain on the outside may be used.
  • (Point of invention) -Use a general-purpose tape core wire as the sensor medium. -Measure the strain distribution in the longitudinal direction of each core wire by B-OTDR, OFDR, etc. -Calculate the curvature and torsion of the tape core wire from the difference in the amount of strain applied to the inner and outer optical fibers of the tape core wire. -It is assumed that due to the rigidity of the tape core wire, it does not bend in the y-axis direction and only bends or twists in the x-axis direction.
  • This disclosure can be applied to the information and communication industry.
  • Measuring device 11 Measuring device 11: Optical measuring instrument 12: Arithmetic processing unit 13: Storage unit 91: Tape core wire 91-1, 91-2, 91-3, 91-4: Core wire 92: Target to be measured

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Abstract

本開示は、安価なセンサ媒体を利用した曲率・捩率取得方法および装置の提供を目的とする。　本開示は、複数の心線が平行に配列されているテープ心線と、前記複数の心線での歪み量を測定する歪み測定部と、前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量を用いて、前記テープ心線の曲率及び捩率を求める演算処理部と、を備える測定装置である。

Description

テープ心線を用いた測定装置及び測定方法
　本開示は、曲率及び捩率を測定する測定装置及び測定方法に関する。
　光ファイバを用いた形状センシングが注目されている。光ファイバの形状（軌跡）を解析するためには、光ファイバに加わる曲率と捩率を取得する必要がある。
　ファイバ曲げによって反射光の波長が変わる（ブラッグ波長がシフトする）ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　Ｇｒａｔｉｎｇ）が付与されたマルチコア光ファイバを用い、ＯＦＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｒｙ）等によって各コアの長手方向の歪み分布を測定し、同一地点における各コアの歪みから得られる断面方向の歪み分布に基づいて、曲率と捩率を算出する技術が提案されている（例えば、非特許文献１及び２参照）。
"Ｓｈａｐｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ　ｆｉｂｅｒ　ｏｐｔｉｃ　ｃａｂｌｅ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｃｕｒｖｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ"，　Ｏｐｔｉｃｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓ，　Ｖｏｌ．２０，　Ｎｏ．３，　ｐｐ．２９６７－２９７３ "Ｂｅｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｕｓｉｎｇ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇｓ　ｉｎ　ｍｕｌｔｉｃｏｒｅ　ｆｉｂｒｅ"，　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｌｅｔｔｅｒｓ，　ｖｏｌ．３６，　ｎｏ．２，　ｐｐ．１２０－１２１
　ＦＢＧマルチコア光ファイバのような特殊な光ファイバは非常に高価であるため、より安価なセンサ媒体を利用した曲率・捩率取得方法および装置が必要とされている。そこで、本開示は、安価なセンサ媒体を利用した曲率・捩率取得方法および装置の提供を目的とする。
　上記目的を達成するために、本開示は、光ファイバを用いた形状センシングにおいて、センサ媒体としてテープ心線を用い、Ｂ－ＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）またはＯＦＤＲ等の反射測定法により各心線の長手方向の歪み分布を測定し、テープ心線における内側と外側の光ファイバに加わる歪量の差に基づいて、テープ心線に加わる曲率及び捩率を取得する。
　具体的には、本開示に係る測定装置は、
　複数の心線が平行に配列されているテープ心線と、
　前記複数の心線での歪み量を測定する歪み測定部と、
　前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量を用いて、前記テープ心線の曲率及び捩率を求める演算処理部と、
　を備える。
　具体的には、本開示に係る測定方法は、
　測定装置が実行する測定方法であって、
　前記測定装置は、複数の心線が平行に配列されているテープ心線と接続されており、
　前記測定装置が、
　前記複数の心線での歪み量を測定し、
　前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量を用いて、前記テープ心線の曲率及び捩率を求める。
　本開示によれば、汎用的なテープ心線をセンサ媒体に利用するため、形状センシングの低コスト化が可能となる。
テープ心線の一例であり、（ａ）は側面図を示し、（ｂ）は断面図を示す。 本開示に係るシステム構成例である。 曲率と歪み量の関係の一例を示す。 捩率と歪み量の関係の一例を示す。 本開示に係る測定装置が実行するフローの一例を示す。 手順Ｓ１０１で測定した歪み量の分布の一例を示す。 歪み変化量の分布の一例を示す。 各地点での曲率及び捩率の測定例を示す。 実施形態２における捩率と歪み量の関係の一例を示す。
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
　図１に、テープ心線の一例を示す。テープ心線は、光ファイバ素線である心線９１－１～９１－４が複数本、平行に並べて樹脂で被覆されている。図では一例として、４本の心線９１－１～９１－４が配列されている例を示す。各心線９１－１～９１－４は被覆で互いに結合されている。そのため、ｘ軸方向の変位（曲げ）に対しては各心線９１－１～９１－４に加わる歪みは等しいが、ｘｙ平面上の回転（捩れ）に対しては内側に配置されている心線９１－２及び９１－３よりも外側に配置されている心線９１－１及び９１－４の心線の方が大きな歪みが加わる。また、テープ心線の剛性から、ｙ軸方向には曲がらず、ｘ軸方向の曲げ又は捩じれのみが生じると仮定することができる。
　そこで、本開示は、
・各心線９１－１～９１－４に加わる歪み増加量、及び
・内側に配置されている心線９１－２及び９１－３と外側に配置されている心線９１－１及び９１－４に加わる歪み量の差
　を解析し、テープ心線９１の曲率と捩率を算出する。
（実施形態１）
　図２に、本開示に係るシステム構成例を示す。本開示に係るシステムは、測定装置１０及びテープ心線９１を備える。テープ心線９１は、センサ媒体として用いられ、形状センシングを行う被測定対象９２に敷設されている。テープ心線９１は、図１に示すような、４本の心線が配列された汎用的なテープ心線を用いることができる。
　測定装置１０は、歪み測定部として機能する光計測器１１、演算処理部１２及び記憶部１３を備える。測定装置１０はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
　光計測器１１は、テープ心線９１に含まれる各心線９１－１～９１－４の歪みを測定する。光計測器１１は、光ファイバ長手方向の歪み分布を測定可能な任意の光測定器であり、例えば、Ｂ－ＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　ＯＴＤＲ）又はＯＦＤＲが例示できる。
　演算処理部１２は、光計測器１１の測定した歪みを用いて、各心線９１－１～９１－４の歪み分布を測定し、これを用いてテープ心線９１の曲率と捩率を算出する。
　記憶部１３は、テープ心線９１を用いて予め測定された、曲率と歪み量の関係、及び捩率と歪み量の関係を記憶する。
　図３にテープ心線９１の曲率と歪み量の関係の一例を示す。テープ心線９１の曲率が増加すると、内側の心線９１－２及び９１－３の歪み量と外側の心線９１－１及び９１－４の歪み量の両方が同じように増加する。そのため、演算処理部１２は、内側の心線９１－２及び９１－３の歪み量と外側の心線９１－１及び９１－４の歪み量が同程度である場合、心線９１－１～９１－４の少なくともいずれかの歪み量を用い、歪み量に応じた曲率を導出することができる。
　図４にテープ心線９１の捩率と歪み量の関係の一例を示す。捩率が増加すると、外側の心線９１－１及び９１－４の歪み量が内側の心線９１－２及び９１－３の歪み量よりも大きくなる。そのため、演算処理部１２は、外側の心線９１－１及び９１－４の歪み量が内側の心線９１－２及び９１－３の歪み量よりも大きい場合、心線９１－１～９１－４の少なくともいずれかの歪み量を用い、歪み量に応じた捩率を導出することができる。
　図５に、本開示に係る測定装置が実行するフローの一例を示す。
　測定装置１０は、ステップＳ１０１～Ｓ１０３を実行する。
　Ｓ１０１：光計測器１１は、各心線９１－１～９１－４の歪み分布を測定する。
　Ｓ１０２：演算処理部１２は、測定した歪み分布を予め測定された歪み参照データと比較し、各心線９１－１～９１－４の歪み変化量の分布を算出する。
　Ｓ１０３：各心線９１－１～９１－４の歪み変化量の分布を用いて、テープ心線９１の曲率および捩率を算出する。
　図６に、手順Ｓ１０１で測定した歪み量の分布の一例を示す。光計測器１１は、各心線９１－１～９１－４に信号光を入射し、各心線９１－１～９１－４からの戻り光を用いて、光計測器１１からの各距離での歪み量を測定する。これにより、演算処理部１２は、各区間Ｓ１～Ｓ５での歪み量を取得する。
　手順Ｓ１０２では、演算処理部１２は、手順Ｓ１０１で測定した歪みの歪み分布から、予め測定された基準となる歪み分布（歪みがないときの分布データ）を減算することにより、歪み変化量の分布を算出する。
　図７に、歪み変化量の分布の一例を示す。区間Ｓ２では、内側の心線９１－２及び９１－３の歪み量と外側の心線９１－１及び９１－４の歪み量がほぼ等しい。区間Ｓ４では、外側の心線９１－１及び９１－４の歪み量が、内側の心線９１－２及び９１－３の歪み量よりも大きい。区間Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５では歪み量の増加はない。
　手順Ｓ１０３では、演算処理部１２は、手順Ｓ１０２で取得した「歪み変化量」と、記憶部１３に記憶されている「曲率と歪み量の関係、捩率と歪み量の関係」を用いて、各地点におけるテープ心線９１の曲率と捩率の分布を算出する。例えば、区間Ｓ２では、内側と外側の歪み量がほぼ等しい。そのため、演算処理部１２は、図３に示すような曲率と歪み量の関係を用いて、ひずみ量に応じた曲率を導出する。例えば、区間Ｓ４では、内側と外側の歪み量が異なる。そのため、演算処理部１２は、図４に示すような捩率と歪み量の関係を用いて、ひずみ量に応じた捩率を導出する。これにより、図８に示すような、光計測器１１から各地点での曲率及び捩率を測定することができる。
（実施形態２）
　本実施形態では、ねじれ方向の取得について説明する。本実施形態のシステム構成は、実施形態１と同様であり、光ファイバ長手方向の歪み分布を測定する光測定器１１を用いる。ただし、予め捩られた状態でテープ心線９１を被測定対象９２に敷設する。そして、実施形態１と同様に手順Ｓ１０１～Ｓ１０３を実行するが、手順Ｓ１０３が以下の点で異なる。
　本実施形態ではテープ心線９１が予めねじられている。そのため、図９に示すように、予め歪みが予め発生している。そのため、歪み量が基準から増加した場合、演算処理部１２は、予めねじった方向と同じ方向のねじれが加わったと判定する。一方、歪み量が基準から減少した場合、演算処理部１２は、予めねじった方向と逆方向のねじれが加わったと判定する。なお、基準と比較する歪み量は、予め発生している内側と外側の歪み量の差を用いてもよい。
（発明のポイント）
・センサ媒体として汎用的なテープ心線を使用する。
・Ｂ－ＯＴＤＲやＯＦＤＲ等によって各心線の長手方向の歪み分布を測定する。
・テープ心線における内側と外側の光ファイバに加わる歪量の差からテープ心線の曲率と捩率を算出する。
・テープ心線の剛性から、ｙ軸方向には曲がらず、ｘ軸方向の曲げ又は捩じれのみが生じると仮定する。
（効果）
　汎用的なテープ心線をセンサ媒体として使用するため、マルチコアファイバ等の特殊なセンサ媒体を使用する方法と比べて、安価に曲率・捩率を取得できる方法および装置を提供することができる。
　本開示は情報通信産業に適用することができる。
１０：測定装置
１１：光計測器
１２：演算処理部
１３：記憶部
９１：テープ心線
９１－１、９１－２、９１－３、９１－４：心線
９２：被測定対象

Claims (4)

  1. 　複数の心線が平行に配列されているテープ心線と、
    　前記複数の心線での歪み量を測定する歪み測定部と、
    　前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量を用いて、前記テープ心線の曲率及び捩率を求める演算処理部と、
    　を備える測定装置。
  2. 　曲率と歪み量の関係及び捩率と歪み量の関係を記憶する記憶部を備え、
    　前記演算処理部は、
    　前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量の変化が略等しい場合、前記記憶部に記憶されている曲率と歪み量の関係を用いて、前記歪み測定部の測定した歪み量に応じた曲率を導出し、
    　前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量の変化が異なる場合、前記記憶部に記憶されている捩率と歪み量の関係を用いて、前記歪み測定部の測定した歪み量に応じた捩率を導出する、
    　請求項１に記載の測定装置。
  3. 　前記テープ心線は、予め捩られており、
    　前記テープ心線の捩率と歪み量の関係、及び予め捩られていることによる歪み量の基準値を記憶する記憶部を備え、
    　前記演算処理部は、
    　前記複数の心線の歪み量が前記基準値よりも大きい場合、前記テープ心線が予め捩られている方向と同じ方向にねじれが加わったと判定し、
    　前記複数の心線の歪み量が前記基準値よりも小さい場合、前記テープ心線が予め捩られている方向と逆方向にねじれが加わったと判定する、
    　請求項１又は２に記載の測定装置。
  4. 　測定装置が実行する測定方法であって、
    　前記測定装置は、複数の心線が平行に配列されているテープ心線と接続されており、
    　前記測定装置が、
    　前記複数の心線での歪み量を測定し、
    　前記複数の心線のうちの中央に配列されている心線と外縁に配列されている心線との歪み量を用いて、前記テープ心線の曲率及び捩率を求める、
    　測定方法。
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