(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量から検知部のひずみや温度変化を計測する光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ）方式の光ファイバセンサ装置に用いられる光ファイバセンサであって、
ファイバブラッググレーティングからなるひずみや温度変化を計測するための複数のセンシング部と、これら複数のセンシング部の間に設けられ、ひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置特定のための光学マーキング部を備え、
前記光学マーキング部は、ファイバブラッググレーティングが配置されておらず、その長さは０．６ｍｍ以上、２ｍｍ以下であり、
前記光ファイバセンサ装置は、前記光ファイバセンサを計測して前記光学マーキング部の光ファイバ位置を特定するとともに、前記光学マーキング部を基準の光ファイバ位置とし、該基準の光ファイバ位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定する制御装置を備えていることを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項２】
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量から検知部のひずみや温度変化を計測する光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ）方式の光ファイバセンサ装置に用いられる光ファイバセンサであって、
ファイバブラッググレーティングからなるひずみや温度変化を計測するための複数のセンシング部と、これら複数のセンシング部の間に設けられ、ひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置特定のための光学マーキング部を備え、
前記光学マーキング部は、前記センシング部のファイバブラッググレーティングとは異なる反射率のファイバブラッググレーティングからなり、その長さは０．６ｍｍ以上、２ｍｍ以下であり、
前記光ファイバセンサ装置は、前記光ファイバセンサを計測して前記光学マーキング部の光ファイバ位置を特定するとともに、前記光学マーキング部を基準の光ファイバ位置とし、該基準の光ファイバ位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定する制御装置を備えていることを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項３】
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量から検知部のひずみや温度変化を計測する光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ）方式の光ファイバセンサ装置に用いられる光ファイバセンサであって、
ファイバブラッググレーティングからなるひずみや温度変化を計測するための複数のセンシング部と、これら複数のセンシング部の間に設けられ、ひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置特定のための光学マーキング部を備え、
前記光学マーキング部は、前記センシング部のファイバブラッググレーティングとはブラッグ波長の異なるファイバブラッググレーティングからなり、その長さは０．６ｍｍ以上、２ｍｍ以下であり、
前記光ファイバセンサ装置は、前記光ファイバセンサを計測して前記光学マーキング部の光ファイバ位置を特定するとともに、前記光学マーキング部を基準の光ファイバ位置とし、該基準の光ファイバ位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定する制御装置を備えていることを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項４】
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量から検知部のひずみや温度変化を計測する光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ）方式により請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバセンサを計測して前記光学マーキング部の光ファイバ位置を特定することを特徴とする光ファイバセンサの計測方法。
【請求項５】
前記光学マーキング部を基準の光ファイバ位置とし、該基準の光ファイバ位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定することを特徴とする請求項４に記載の光ファイバセンサの計測方法。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバセンサと、参照用反射端を備えた参照用光ファイバと、波長可変光源と、受光器とが、光カプラを介し光接続されてなることを特徴とする光ファイバセンサ装置。
【請求項７】
前記波長可変光源から前記光ファイバセンサに測定光を入射させて得られる反射光と、前記参照用光ファイバから得られる反射光が受光器に入力され、これら反射光の干渉信号の周期的変化を利用して前記光ファイバセンサ及び該光ファイバセンサに設けた光学マーキング部の光ファイバ位置を特定する制御装置が付設されてなることを特徴とする請求項６記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項８】
前記制御装置に、前記光学マーキング部を基準の光ファイバ位置とし、該光ファイバ位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定する機能が具備されてなることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記受光器から得られた干渉光をフーリエ変換解析することで、前記光ファイバセンサ長手方向の微小区間毎の反射波長と反射強度を示すスペクトログラムを得る機能を有することを特徴とする請求項８に記載の光ファイバセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating ; 以下、ＦＢＧと略記する。）をセンサとして、ひずみや温度変化を計測する光ファイバセンサと該光ファイバセンサの計測方法と光ファイバセンサ装置に関し、特にひずみや温度変化が生じた光ファイバ位置を高い空間分解能で特定できる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを用いた温度やひずみなどの物理量を計測するセンサは、長寿命であること、軽量であること、細径かつ柔軟性があるため、狭い空間で使用可能であること、光ファイバが絶縁性であるため、電磁ノイズに強いことなどから、橋梁やビルなどの巨大構造物および旅客機や人工衛星などの航空、宇宙機器の健全性の評価に用いることが期待されている。
これら構造物の健全性評価を行うための光ファイバセンサに求められる性能として、ひずみ分解能が高いこと、多点のセンサを有すること（センシング範囲が広いこと）、リアルタイムで計測できること、などが挙げられる。
【０００３】
これまで種々の光ファイバセンサが提案されているが、前記要求性能を十分に満たす最も有望なものとしてＦＢＧからなる光ファイバセンサが挙げられる。
ＦＢＧとは、光ファイバのコアに周期的な屈折率変化を持たせた光ファイバ型デバイスであり、コアの屈折率変化の周期と実効屈折率によって定まる特定の波長の光を反射する特性を有し、この反射光（ブラッグ反射光と呼ばれる）の波長（ブラッグ波長）は、以下の（１）式で表される。
λＢ＝２ｎeff Λ  …  （１）式
ただし、（１）式において、λＢはブラッグ波長、ｎeff は光ファイバの実効屈折率、Λは屈折率変化の周期を示す。
【０００４】
このＦＢＧにひずみや温度変化などが生じると、これに応じてコアの屈折率変化の周期（主にひずみによる）や実効屈折率（主に温度変化による）が変化し、ブラッグ波長がシフトする。このブラッグ波長のシフト量とひずみ量や温度変化量との関係を予め測定しておくことで、ブラッグ波長のシフト量からひずみや温度変化を計測することができる。このＦＢＧをセンサとする光ファイバセンサには、ブラッグ波長のシフト量を計測する手段の測定精度にもよるが、極めて高い分解能でひずみや温度変化を計測することができる特徴がある。
【０００５】
また、このＦＢＧからなる光ファイバセンサを用いてひずみや温度変化を計測する手段として、以下の複数の方式が知られている。第１の方式として、１本の光ファイバに対してブラッグ波長の異なる複数のＦＢＧを配置して、全てのＦＢＧのブラッグ反射波長域にわたる測定光を連続的に入射して各ＦＢＧからのブラッグ波長シフト量を計測する波長多重（Wavelength Division Multiplexing ; 以下、ＷＤＭと略記する。）方式を例示することができ、第２の方式として、１本の光ファイバに対してブラッグ波長がほぼ同一の複数のＦＢＧをある一定距離以上の間隔で配置し、全てのＦＢＧのブラッグ波長域にわたる測定光をパルス状に入射して各ＦＢＧからのブラッグ波長光の伝搬遅延時間の差に基づいて各ＦＢＧの位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測する時間分割多重（Time Division Multiplexing ; 以下、ＴＤＭと略記する。）方式を例示することができ、第３の方式として、１本の光ファイバに対してブラッグ波長がほぼ同一の複数のＦＢＧを任意の間隔で配置して、各ＦＢＧからのブラッグ反射光と参照光の周期的変化を利用して各ＦＢＧの位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測する光周波数領域反射測定（Optical Frequency Domain Reflectometry ; 以下ＯＦＤＲと略記する。）方式を例示することができる。
【０００６】
これらの計測手段のうち、ＯＦＤＲ方式では、ＦＢＧの配置されている光ファイバ位置を特定するとともに、ＦＢＧ内に生じる分布的なひずみや温度変化を高い空間分解能で計測できる、つまり、ＦＢＧ長手方向を微小区問に区切り、その区間ごとのひずみや温度変化を計測できるという特徴を有することが非特許文献１に記載されている。この非特許文献１によると、ＯＦＤＲ方式では、ＦＢＧ長手方向を０．６〜１．６ｍｍの微小区間に区切ってその区間ごとのひずみや温度変化を計測できることを開示している。つまり、ＯＦＤＲ方式ではひずみや温度変化が生じた光ファイバ位置を１ｍｍ程度の空間分解能で特定することができる。
また、ＯＦＤＲ方式で広範囲のセンシングを行うには、ほぼ同一のブラッグ波長のＦＢＧを近接して複数配置することで実現できる。非特許文献２によると、ＯＦＤＲ方式では１本の光ファイバに８００個のＦＢＧを配置して計測することが可能である。
【０００７】
一方、上記で説明したＷＤＭ方式やＴＤＭ方式では、計測原理上、ＯＦＤＲ方式のようなＦＢＧ内に生じる分布的なひずみや温度変化を計測することができない。そこで、１ｍｍ程度のグレーティング長からなる複数のＦＢＧを近接して配置し、個々のＦＢＧのブラッグ波長シフト量から分布的なひずみや温度変化を計測する方法を考え得るが、ＷＤＭ方式では、配置するＦＢＧの個数に制限されるために比較的広範囲のセンシングを行うには、個々のＦＢＧ間の距離を数十ｃｍ〜数ｍ以上離す必要がある。例えば、光強度の減衰が小さいＣバンド帯（１５２０〜１５７０ｎｍ）を個々のＦＢＧのブラッグ波長に割り当てると、計測するひずみ範囲にもよるが、２０個のＦＢＧを配置するのが限界である。また、ＴＤＭ方式は、測定光のパルス幅に制限されて個々のＦＢＧを２．５ｍ以上離す必要がある。つまり、ＷＤＭ方式やＴＤＭ方式では、１ｍｍ程度の空間分解能でひずみや温度変化が生じた光ファイバ位置を特定することができない。なお、上記で説明したＷＤＭ方式やＴＤＭ方式の計測性能については、非特許文献３に解説されている。
【０００８】
以上説明したとおり、ＦＢＧからなる光ファイバセンサをＯＦＤＲ方式で計測することにより、ひずみや温度変化が生じた光ファイバ位置を１ｍｍ程度の高い空間分解能で特定することができるという、従来の光ファイバセンシング技術にはない特徴を提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３７４０５００号公報
【非特許文献１】H. Murayama, H. Igawa, K. Kageyama. K. Ohta, I. Ohsawa, K.  Uzawa, M. Kanai, T. Kasai and I. Yamaguchi, "Distributed Strain Measurement with High Spatial Resolution Using Fiber Bragg Gratings and Optical Frequency Domain Reflectometry," Proceedings OFS-18, ThC5 (2006)
【非特許文献２】B. Childers, M. E. Froggatt, S. G. Allison, T, C. Moore, D.A. Hare, C. F. Batten and D. C. Jegley, "Use of 3000 Bragg grating strain sensors distributed on four eight-meter optical fibers during static load tests of a composite structure," Proceed1ings SPIE’s 8 th International Symposium on SmartStructure and Materia1s, Vo1. 4332, pp. 133-142 (2001)
【非特許文献３】熊谷幸樹,本山寛,田村琢之、小林薫、山本郁夫、森山守, "ＴＤＭ方式光ファイバセンシングによるトンネル履工のひずみ計測, "第４１回光波センシング技術研究会講演予稿集,  ＬＳＴ４１−２２,ｐｐ. １４５−１５１（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ＦＢＧからなる光ファイバセンサを用いてＯＦＤＲ方式でひずみや温度変化を実際に計測する場面において、いくつかの問題点がある。係る問題点について、図８を用いて以下に説明する。
図８は、ＦＢＧからなる光ファイバセンサをＯＦＤＲ方式で計測し、構造物に生じるひずみを計測する場合の一例を示す概略図である。図８の構造では、構造物１００から４０ｍ離れた建築物１０１の屋内に１ｍｍの空間分解能を有するＯＦＤＲ方式の計測器１０２を配置し（本計測器の詳細については後記する）、この計測器１０２に全長４００００ｍｍ（４０ｍ）の光ファイバ１０３とその先に連設された全長５００ｍｍのＦＢＧからなる光ファイバセンサ１０５を接続している。
【００１１】
このＦＢＧからなる光ファイバセンサ１０５は、センシングの対象となる構造物１００に埋め込んで設けられているが、ＦＢＧに生じる温度変化を計測する目的でその一部のみ構造物１００に埋め込んでいない部分（以下、温度変化計測部と略す）１０６を設けている。このようにＦＢＧに生じる温度変化を計測するのは、ＦＢＧはひずみと温度変化のいずれに対しても感度を有するので、この温度変化計測部１０６であらかじめＦＢＧに生じる温度変化を計測しておき、構造物１００に埋め込んだＦＢＧに生じるひずみと温度変化のうち、温度変化による影響を差し引いてＦＢＧ（構造物）に生じるひずみを計測するためである。この全長５００ｍｍのＦＢＧは、計測器側２５０ｍｍを構造物１００に埋め込み、次の１ｍｍを温度変化計測部とし、残りの２４９ｍｍを再び構造物に埋め込む構成とされている。
ここで、ＯＦＤＲ方式の空問分解能が１ｍｍというのは、光ファイバ０〜１ｍｍの区間、４００００ｍｍ〜４０００１ｍｍの区間というように、光ファイバ長手方向に対して１ｍｍ刻みにＦＢＧの配置されている光ファイバ位置を特定していくとともに、ＦＢＧが配置されている箇所では、この１ｍｍ区間内の平均的なひずみや温度変化を計測することと定義する（以下、ｘ〜ｘ＋１ｍｍの区間のことを、ｘｍｍの地点と略して記載する）。
【００１２】
図８に示す構造において、４０ｍの光ファイバ１０３および光ファイバセンサ１０５が、ある基準温度（例えば２０℃）、基準ひずみ（例えば０με）にある状態でＯＦＤＲ方式により計測を行う。ＯＦＤＲ方式では、光ファイバの光路長を実測することができるので、以下の（２）式に示す関係式から光ファイバ長を算出してＦＢＧの光ファイバ位置の特定とするとともに、該ＦＢＧ内の分布的なひずみと温度変化の計測を行う。
Ｌ＝ｌ／ｎeff  …（２）式
（２）式においてＬは光ファイバ長、ｌは光ファイバの光路長、ｎeff  は光ファイバの実効屈折率を示す。
【００１３】
この計測により、計測器上におけるＦＢＧの光ファイバ位置を特定し、更に該ＦＢＧにおける温度変化計測部の光ファイバ位置を特定する。温度変化計測部１０６の計測器上における光ファイバ位置特定は、例えば、光ファイバ上における温度変化計測部をスポットヒータなどにより加熱してＯＦＤＲ方式で計測することで行うことができる。つまり、加熱によりブラッグ波長がシフトした位置を計測器上における温度変化計測部１０６の光ファイバ位量と特定することができる。なお、ＯＦＤＲ方式では、ｎeff  は常に基準温度（２０℃）における実効屈折率を用いて計測する。つまり、光ファイバに温度変化が生じて実効屈折率が変化すると、実効的に光ファイバ長が変化したものとみなして計測することとなる。これは、例えば、温度変化計測部１０６で求めた温度に対する光ファイバの実行屈折率を用いて再演算して補正することが考えられるが、これは光ファイバ長手方向の温度が均一である場合にのみ適用できるので、実用的ではない。例えば、４０ｍの光ファイバ１０３と構造物１００の環境温度が少しでも異なると、このような補正を行うことはできなくなる。
【００１４】
次に、４０ｍの光ファイバ１０３および光ファイバセンサ１０５が、ある基準温度、基準ひずみにある状態において本願発明者がＯＦＤＲ方式による計測を行った結果、計測器上においてＦＢＧが４００００ｍｍ（４０ｍ）の光ファイバ位置にあり、該ＦＢＧに備えた温度変化計測部１０６は４０２５０ｍｍの光ファイバ位置であることを確認した。このＯＦＤＲ方式の計測器により構造物１００に生じるひずみを計測するには、最初に温度変化計測部（計測器上において４０２５０ｍｍの光ファイバ位置）１０６のブラッグ波長の変化から温度変化を計測し、しかる後に構造物１００に埋め込んだＦＢＧのブラッグ波長の変化から温度変化による影響を差し引いて構造物１００に生じるひずみを計測すれば良い。この計測を繰り返すことにより、構造物１００に生じるひずみを常時計測することができる。
次に、この構造物１００のひずみ計測において、構造物１００が光ファイバセンサ長手方向に対して一様に０．４％のひずみが生じたと仮定する。このとき、構造物１００に埋め込んだＦＢＧは構造物１００とともに０．４％伸びるので、温度変化計測部前段の光ファイバセンサの光ファイバ長は２５１ｍｍとなる。従って、実際の光ファイバ上では温度変化計測部が４０２５１ｍｍの光ファイバ位置に存在することになる。しかしながら、温度変化計測は計測器上で４０２５０ｍｍの光ファイバ位置を計測するので、この場合、温度変化を正確に計測することができなくなってしまう。
【００１５】
また、この構造物１００のひずみ計測において、環境温度が４℃上昇し、光ファイバの実効屈折率が変化したと仮定する（構造物１００には、ファイバ長変化をもたらさない程度の微小なひずみが発生していると仮定する）。前記の通り、ＯＦＤＲ方式ではこの光ファイバの実効屈折率変化を光ファイバ長の変化とみなして計測する。
図９に、４０ｍの光ファイバに温度変化が生じた際の実効的な光ファイバ長変化を示す。温度が４℃変化すると、実効的な光ファイバ変化長は約１ｍｍとなる。つまり、実際の光ファイバ上では温度変化計測部が４０２５１ｍｍの実効的な光ファイバ位置に存在することになる。従って、上記の例と同様に温度変化を正確に計測することができなくなってしまう。
以上説明した通り、ＯＦＤＲ方式では、空間分解能が極めて高いために、構造物に発生するひずみや環境温度変化による微小な光路長変化を検知してしまい、結果としてこれが計測の空問分解能やひずみや温度変化の計測精度を低下させてしまう問題がある。
【００１６】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、高い空間分解能でひずみや温度変化が生じた光ファイバの位置を特定することができる光ファイバセンサおよびその計測方法と光ファイバセンサ装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量から検知部のひずみや温度変化を計測する光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ）方式の光ファイバセンサ装置に用いられる光ファイバセンサであって、ファイバブラッググレーティングからなるひずみや温度変化を計測するための複数のセンシング部と、これら複数のセンシング部の間に設けられ、ひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置特定のための光学マーキング部を備え、前記光学マーキング部は、ファイバブラッググレーティングが配置されておらず、その長さは０．６ｍｍ以上、２ｍｍ以下であり、前記光ファイバセンサ装置は、前記光ファイバセンサを計測して前記光学マーキング部の光ファイバ位置を特定するとともに、前記光学マーキング部を基準の光ファイバ位置とし、該基準の光ファイバ位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定する制御装置を備えている光ファイバセンサを提供する。
【００１８】
本発明は、光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量から検知部のひずみや温度変化を計測する光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ）方式の光ファイバセンサ装置に用いられる光ファイバセンサであって、ファイバブラッググレーティングからなるひずみや温度変化を計測するための複数のセンシング部と、これら複数のセンシング部の間に設けられ、ひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置特定のための光学マーキング部を備え、前記光学マーキング部は、前記センシング部のファイバブラッググレーティングとは異なる反射率のファイバブラッググレーティングからなり、その長さは０．６ｍｍ以上、２ｍｍ以下であり、前記光ファイバセンサ装置は、前記光ファイバセンサを計測して前記光学マーキング部の光ファイバ位置を特定するとともに、前記光学マーキング部を基準の光ファイバ位置とし、該基準の光ファイバ位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定する制御装置を備えている光ファイバセンサを提供する。
【００１９】
本発明は、光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量から検知部のひずみや温度変化を計測する光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ）方式の光ファイバセンサ装置に用いられる光ファイバセンサであって、ファイバブラッググレーティングからなるひずみや温度変化を計測するための複数のセンシング部と、これら複数のセンシング部の間に設けられ、ひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置特定のための光学マーキング部を備え、前記光学マーキング部は、前記センシング部のファイバブラッググレーティングとはブラッグ波長の異なるファイバブラッググレーティングからなり、その長さは０．６ｍｍ以上、２ｍｍ以下であり、前記光ファイバセンサ装置は、前記光ファイバセンサを計測して前記光学マーキング部の光ファイバ位置を特定するとともに、前記光学マーキング部を基準の光ファイバ位置とし、該基準の光ファイバ位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定する制御装置を備えている光ファイバセンサを提供する。
【００２０】
本発明の光ファイバセンサの計測方法は、光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量から検知部のひずみや温度変化を計測する光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ）方式により請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバセンサを計測して前記光学マーキング部の光ファイバ位置を特定する。
本発明の光ファイバセンサの計測方法において、前記光学マーキング部を基準の光ファイバ位置とし、該基準の光ファイバ位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定してもよい。
【００２１】
本発明は、前記光ファイバセンサと、参照用反射端を備えた参照用光ファイバと、波長可変光源と、受光器とが、光カプラを介し光接続されてなる光ファイバセンサ装置を提供する。
本発明の光ファイバセンサ装置は、前記波長可変光源から前記光ファイバセンサに測定光を入射させて得られる反射光と、前記参照用光ファイバから得られる反射光が受光器に入力され、これら反射光の干渉信号の周期的変化を利用して前記光ファイバセンサ及び該光ファイバセンサに設けた光学マーキング部の光ファイバ位置を特定する制御装置が付設されてなることが好ましい。
本発明の光ファイバセンサ装置は、前記制御装置に、前記光学マーキング部を基準の光ファイバ位置とし、該光ファイバ位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定する機能が具備されてなることが好ましい。
本発明の光ファイバセンサ装置は、前記制御装置に、前記受光器から得られた干渉光をフーリエ変換解析することで、前記光ファイバセンサ長手方向の微小区間毎の反射波長と反射強度を示すスペクトログラムを得る機能を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の光ファイバセンサにおいて、ひずみや温度変化をセンンングした光ファイバ位置を特定するための光学マーキング部をＦＢＧからなる複数のセンシング部の間に設けることで、高い空間分解能でひずみや温度変化が生じた光ファイバ位置を特定することができる。
本発明の光ファイバセンサにおいて、光学マーキング部にＦＢＧを配置しないことにより、光学マーキング部の光ファイバ位置が明瞭に認識可能で製造が容易な光ファイバセンサを提供することができる。
本発明の光ファイバセンサにおいて、光学マーキング部をセンシング部とは特性が異なるＦＢＧで構成することにより、光学マーキング部の光ファイバ位置が明瞭に認識可能で、該部もセンシング部として活用可能な光ファイバセンサを提供することができる。
本発明の光ファイバセンサにおいて、光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ）方式により計測することで、上記効果を確実に得ることができる。
【００２３】
本発明の光ファイバセンサ装置において、ひずみや温度変化をセンンングした光ファイバ位置を特定するための光学マーキング部をＦＢＧからなる複数のセンシング部の間に設けた光ファイバセンサを設け、波長可変光源から前記光ファイバセンサと参照用光ファイバに入射させて両方からの反射光を受光器で受けて干渉信号を得ることができ、この干渉信号の周期的変化を利用して高い空間分解能でひずみや温度変化が生じた光ファイバ位置を特定することができる。
また、前記干渉信号から光ファイバセンサ長手方向の微小区間毎の反射波長と反射強度を示すスペクトログラムを得る制御装置を備えることで、このスペクトログラムを基に、光学マーキング部を基準として高い空間分解能でひずみや温度変化が生じた光ファイバ位置を自動的に特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は本発明に係る光ファイバセンサを備えた光ファイバセンサ装置の一例を示す構成図。
【図２】図２は実施例１の光ファイバセンサを示す構成図。
【図３】図３は実施例１の光ファイバセンサを備えた光ファイバセンサ装置の一例を示す構成図。
【図４】図４は実施例１の光ファイバセンサを用いて光ファイバセンサの計測方法を実施して得られたスペクトログラムの一例を示す図。
【図５】図５は実施例１の光ファイバセンサを用いて構造物に生じるひずみを計測する場合の一例を示す構成図。
【図６】図６は実施例２の光ファイバセンサを用いて光ファイバセンサの計測方法を実施して得られたスペクトログラムの一例を示す図。
【図７】図７は実施例３の光ファイバセンサを用いて光ファイバセンサの計測方法を実施して得られたスペクトログラムの一例を示す図。
【図８】図８はＦＢＧをセンサとする光ファイバセンサを用いてＯＦＤＲ方式で構造物に生じるひずみを計測する場合の説明図。
【図９】図９は４０ｍの光ファイバに温度変化が生じた場合の実効的な光ファイバ長変化を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る光ファイバセンサの第１の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明が以下に説明する実施形態に制限されるものではないことは勿論である。
図１は、本発明に係る光ファイバセンサの基本構造と、その基本構造の光ファイバセンサを計測器系に組み込んでなる光ファイバセンサ装置を示す構成図である。
図１において本実施形態の光ファイバセンサＳは、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）１をコアに備えた光ファイバからなるセンシング部２を複数、図１の実施形態においては２つ、光学マーキング部３を介し連続してなる構造とされている。
図１におけるセンシング部２として、例えば、グレーティング長が１〜１００ｍｍ程度のＦＢＧからなる構造を適用することができ、複数のセンシング部２の間に設けられた光学マーキング部３は、例えば、０．６ｍｍ〜２ｍｍ程度の長さに形成される。
ＦＢＧ１は、光ファイバコアの長手方向の屈折率変化分布が一定間隔で変化するように構成したものであり、例えば高屈折率部と低屈折率部とを一定間隔で繰り返すコア構造としたものである。このＦＢＧ１は高い分解能でひずみ計測ができる（高い分解能でブラッグ波長のシフト量を計測できる）光学特性を有するものが望ましい。
【００２６】
前記光学マーキング部３とは、第１の例としてＦＢＧを配置していない光ファイバからなるもの、第２の例としてセンシング部２を構成するＦＢＧ１とは反射率の異なるＦＢＧからなるもの、第３の例としてセンシング部２を構成するＦＢＧ１とはブラッグ波長が異なるＦＢＧからなるもの、第４の例として複数のブラッグ波長を有するＦＢＧからなるものを例示することができる。要は、光学マーキング部３とは、センシング部２を構成するＦＢＧ１に対し、後述する光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ）方式により計測する場合に、センシング部２とは異なるスペクトログラムとして認識できる構造とする必要がある。
【００２７】
図１に示す基本構造の光ファイバセンサＳを備えた光ファイバセンサ装置Ｋは、光ファイバ４と光ファイバセンサＳに光接続された延長ファイバ５と、この延長ファイバ５を光ファイバ４を介して接続したファイバカプラ（光カプラ）６と、このファイバカプラ６に接続された参照用光ファイバ７と、チューナブルレーザ（波長可変光源）８と、フォトダイオード（光検出器）９と、これらをファイバカプラ６に接続するための光ファイバ１０、１１を具備してなる。また、前記参照用ファイバ７の終端部には反射端７ａが形成されている。
【００２８】
本発明の光ファイバセンサＳの計測方法に用いるＯＦＤＲ方式の計測器においてチューナブルレーザ８は、チューナブルレーザ８から出射した測定光を光ファイバセンサで反射してフォトダイオード９に入射するまでの光路長よりも長いコヒーレンス長を有するものが望ましい。フォトダイオード９は、チューナブルレーザ８から出射する測定光の波長を変化させた際に２つの反射点から得られる光干渉の強度変調を検知できるカットオフ周波数を有するものが望ましい。
前記構造の光ファイバセンサＳは、ＯＦＤＲ方式で計測することにより、計測器上においてセンシング部２と光学マーキング部３を認識し、光学マーキング部３の光ファイバ位置を特定することができる。
【００２９】
以下、図１を参照して本発明に係る光ファイバセンサの計測方法について説明する。
本発明に係る光ファイバセンサＳの計測方法において、光ファイバセンサを構成するＦＢＧからのブラッグ反射光と参照用ファイバ７の反射端７ａからの参照光の干渉信号の周期的変化を利用して光ファイバセンサＳおよび該センサに設けた光学マーキング部３の光ファイバ位置を特定することができる。
本発明に係る光ファイバセンサＳの計測方法において、特定した光学マーキング部３を基準の光ファイバ位置とし、当該光ファイバ位置からの光路長差から、ひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定することが望ましい。
次に、前記実施形態に基づいて、本発明の光ファイバセンサの一例を以下の実施例１に詳述するが、以下の実施例１は単なる例示であり、本発明を限定するものではない。
【実施例】
【００３０】
「実施例１」
図２は、実施例１の光ファイバセンサを示す概略図である。実施例１の光ファイバセンサＳ１は、１本のシングルモードファイバ（以下、ＳＭファイバと略称する。）２０に備えたＦＢＧからなる複数のセンシング部２１と、これらセンシング部２１の間に設けられてＦＢＧを配置してない光ファイバからなる光学マーキング部２２とからなる。この例の光ファイバセンサＳ１では、９８ｍｍのグレーティング長を有するＦＢＧを１ｍｍの光学マーキング部を隔てて５連配置し、その全長を４９４ｍｍとしている。
【００３１】
図３は、実施例１の光ファイバセンサＳ１を用いて光ファイバセンサの計測方法を実施するためのＯＦＤＲ方式の光ファイバセンサ装置の一例を示すもので、この例のセンサ装置３０は、３つのファイバカプラ（光カプラ）３１、３２、３３と、チューナブルレーザ（波長可変光源；Ａｇｉｌｅｎｔ製８１６４Ａ）３４と、２つのフォトダイオード（光検出器； New Focus 製２１１７ＦＣ）３５、３６と、３つの参照用反射端Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、先の構成の光ファイバセンサＳ１とから概略構成され、これらは光ファイバ４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、５０によって連設されている。これらの光ファイバ４１〜５０は、測定光の波長に対してシングルモード伝搬が可能なものであれば、いかなるものでも構わなく、一般的なＳＭファイバもしくはＰＡＮＤＡ（Polarization-maintaining AND Absorption-reducing）ファイバなどの偏波保持ファイバを用いることができる。本実施例では、光ファイバセンサと同種のＳＭファイバを使用した。
【００３２】
また、チューナブルレーザ３４は、汎用インターフェイスバス（ＧＰＩＢ）を介して、システムコントローラ（制御装置：National Instruments製PXI-8106）５３に接続され、これにより制御されている。更に、２つのフォトダイオード３５、３６からの信号は、Ａ／Ｄコンバータ（National Instruments製PXI-6115）５４に入力されてサンプリングされ、そのサンプリングデータはシステムコントローラ５３にて解析されるようになっている。
【００３３】
本実施例のＯＦＤＲ方式の計測器において、チューナブルレーザ３４は、ある一定速度、ある一定波長範囲で掃引（単調増加もしくは単調減少）された測定光を出射する。本実施例では、１０ｎｍ／ｓの速度で１５４５〜１５５５ｎｍの波長範囲を掃引した測定光を出射した。
チューナブルレーザ３４から出射された測定光はファイバカプラ３１に入射し、該ファイバカプラ３１にて光パワー分岐されて２つの光干渉計に入射する。
一方の光干渉計は、ファイバカプラ３２、光ファイバ４７とその反射端Ｒ１、光ファイバ４８とその反射端Ｒ２および光ファイバ４３、４４とフォトダイオード３５からなり、反射端Ｒ１と反射端Ｒ２のファィバ長差（光路長差）に応じたトリガを生成している。本実施例では、反射端Ｒ１と反射端Ｒ２のファイバ長差を１００ｍとした。なお、このトリガは以下の方法で生成している。
【００３４】
チューナブルレーザ３４からある一定速度、ある一定波長範囲で掃引された測定光を前記の光干渉計に入射すると、この測定光は反射端Ｒ１と反射端Ｒ２によって反射され、その干渉光がフォトダイオード３５で計測される。フォトダイオード３５で取得した電圧信号は、Ａ／Ｄコンバータ５４によりサンプリングされてデジタル信号に変換され、該デジタル信号がシステムコントローラ５３に取り込まれて解析される。
チューナブルレーザ３４から出射された測定光は一定速度で波長が変化しているので、フォトダイオード３５で計測される電圧信号は、一定の光波数間隔で変動する正弦関数となる。従って、ある一定の電圧値をしきい値とし、システムコントローラ５３上で該しきい値を超えるタイミング（しきい値以下の値からしきい値を上回るタイミング、もしくは、しきい値以上の値からしきい値を下回るタイミング）でトリガを生成することで、生成されたトリガは、ある一定の光波数間隔となる。
【００３５】
なお、このトリガ発生方法は、チューナブルレーザ３４の掃引速度が一定でない場合でも、トリガが発生する光波数間隔は常に一定となる点で非常に効果的である。また、このトリガ発生方法でもチューナブルレーザ３４の波長掃引の不安定性を取り除けない場合は、先の特許文献１に記載されているような波長補正用のＦＢＧを用いても良い。（ただし、このＦＢＧから温度補正は行わない。）
【００３６】
他方の光干渉計は、ファイバカプラ３３、光ファイバ４９とその反射端Ｒ３、光ファイバセンサＳ１および光ファイバ４５、４６とフォトダイオード３６からなる。この光干渉計では、光ファイバセンサＳ１からのブラッグ反射光と反射端Ｒ３からの参照光との千渉光がフォトダイオード３６に入射する。
【００３７】
以上の如く得られた干渉光は、システムコントローラ５３にて約４０ｍｓ間隔（チューナブルレーザ３４を１０ｎｍ／ｓの速度で掃引しているので、波長に換算すると約４００ｐｍ問隔）に相当するウインドウ幅で短時間フーリエ変換（Short-time Fourier transform；以下、ＳＴＦＴと略記する。）解析することにより、スペクトログラムとして表すことができる。このスペクトログラムは、光ファイバセンサＳ１の長手方向の微小区問（この区間が空間分解能に相当する）毎の反射波長と反射強度を示す。
【００３８】
図３に示す構造の光ファイバセンサ装置を用いて光ファイバセンサを計測して得られたスペクトログラムの一例を図４に示す。
本スペクトログラムにおいて、横軸が波長（ｎｍ）、縦軸がファイバ位置（反射端Ｒ３を有する光ファィバＳ１の長さに相当する位置からの光ファィバ長差）、色調が反射強度を示す。なお、本スペクトログラムは、光ファイバセンサを後述する４０ｍの光ファイバヘ連設して計測している。図４に示す如く、９８ｍｍのグレーティング長を有するＦＢＧからなる５連のセンシング部２１とこれらの間に設けたＦＢＧを配置していない１ｍｍの光学マーキング部２２が明瞭に計測できている。この計測結果より、光ファイバセンサＳ１に備えた光学マーキング部２２の計測器上における光ファイバ位置は、４００９８ｍｍ、４０１９７ｍｍ、４０２９６ｍｍ、４０３９５ｍｍであることが確認できた。
【００３９】
本発明に係る光ファイバセンサの計測方法では、光学マーキング部２２を基準の光ファイバ位置とし、該光ファイバ位置からの光路長差から、ひずみや温度変化をセンシングした位置を特定することが望ましい。係る計測方法について、図５を用いて以下に説明する。
図５では、構造物５８から４０ｍ離れた建築物５５の屋内に本実施例のＯＦＤＲ方式の計測器５６（図３に示すチューナブルレーザ３４とステムコントローラ５３とＡ／Ｄコンバータ５４および光ファイバセンサＳ１を除いた光学回路）を配置し、この計測器５６に全長４００００ｍｍ（４０ｍ）の光ファイバ５７とその先に連設された本実施例の全長４９４ｍｍの光ファイバセンサＳ１を接続している。この光ファイバセンサＳ１は、計測器側２５０ｍｍを構造物５８に埋め込み、次の１ｍｍを温度変化計測部５９として構造物５８には埋め込まず、残りの２４３ｍｍを再び構造物５８に埋め込む構成とした。
【００４０】
次に、図５に示す通り、温度変化計測部５９に最も近い光学マーキング部２２の光ファイバ位置を０ｍｍとし、各部を該光学マーキング部２２からの相対光ファイバ位置として表示する補正を行った。表示補正の結果、温度変化計測部は、計測器上で−４６ｍｍの相対光ファィバ位置となった。
つまり、本実施例では、計測器上で−４６ｍｍの相対光ファイバ位置で予め温度変化を計測しておき、構造物５８に埋め込んだ光ファイバセンサに生じるひずみと温度変化のうち、温度変化による影響を差し引いて構造物５８に生じるひずみを計測する。
次に、この構造物５８のひずみ計測において、構造物５８が光ファイバ長手方向に対して一様に０．４％のひずみが生じたと仮定する。この時、構造物５８に埋め込んだＦＢＧは構造物５８とともに０．４％伸びるが、基準となる光学マーキング部２２から温度変化計測部までの実際の光ファイバ長は４６ｍｍでほぼ変わらない（正確には４６．１８４ｍｍ）。つまり、構造物５８にひずみが生じても計測器上の−４６ｍｍの相対光ファイバ位置で温度変化計測することで正確な温度変化計測を行うことができる。
【００４１】
また、この構造物５８のひずみ計測において、環境温度が４℃上昇し、光ファイバの実効屈折率が変化したと仮定する（構造物５８には、ファイバ長変化をもたらさない程度の微小なひずみが発生していると仮定する）。この時、光ファイバの実効屈折率が変化して実効的な光ファイバ長変化が生じるが、基準となる光学マーキング部２２から温度変化計測部５９までの実効的な光ファイバ長は４６ｍｍでほぼ変わらない。つまり、環境温度が変化しても計測器上の−４６ｍｍの相対光ファイバ位置で温度変化計測することで正確な温度変化計測を行うことができる。
以上説明した通り、本発明によれば光ファイバセンサＳ１に光学マーキング部２２を設け、ＯＦＤＲ方式により該部を特定するとともに、該部を基準位置として該位置からの光路長差からひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定することで、高い空間分解能で光ファイバ位置を特定することができる。
【００４２】
なお、本実施例では、所望の計測位置（温度変化計測部４２）から４６ｍｍ離れたところに光学マーキング部を設けたが、光ファイバセンサＳ１の設計（光学マーキング部２２の配置位置）や施工方法（光ファイバセンサの貼り付け位置）によりこれらを近付けることは容易である。これらを近付ければ近付けるほど、実際の光ファイバ位置と計測器上の光ファイバ位置は近くなる。また、複数のセンサ部は、すべて同じ光学マーキング部２２を基準のファイバ位置として計測する必要はなく、各センサ部に最も近接する光学マーキング部を基準のファイバ位置として計測することで、より高い空間分解能でひずみや温度変化をセンシングした光ファイバ位置を特定することができる。
【００４３】
「他の実施例」
ところで、本発明に係る光学マーキング部２２は、前記した通り、ＯＦＤＲ方式の計測方法でセンシング部２１とは異なるスペクトログラムを得られる構造となっていればいかなる構造でも良く、例えば、センシング部２１と反射率が異なるＦＢＧからなる構造、センシング部２１とはブラッグ波長が異なるＦＢＧからなる構造、複数のブラッグ波長を有するＦＢＧからなる構造のいずれかとすることができる。
【００４４】
反射率が異なるＦＢＧを配置した例を実施例２として、複数のブラッグ波長を有するＦＢＧを配置した例を実施例３として以下に説明する。なお、これらの実施例２、３は、それぞれの光学マーキング部の構成が光学マーキング部として活用できることを明瞭に示すためのものであり、本発明のセンシング部と光学マーキング部からなる光ファイバセンサそのものを示すものではない。
【００４５】
「実施例２」
低反射率部、中反射率部、高反射率部の３領域からなるＦＢＧを作製した。このＦＢＧから得られたスペクトログラムを図６に示す。
図６に示す如く、それぞれの反射率に応じてスペクトログラムの色調は明瞭に変化しており、光学マーキング部をセンシング部よりも高反射率、あるいは低反射率とすることで、光学マーキング部の認識が可能であることが示された。
【００４６】
「実施例３」
１つのブラッグ波長を有する部、２つのブラッグ波長を有する部、３つのブラッグ波長を有する部の３領域からなるＦＢＧを作製した。このＦＢＧから得られたスペクトログラムを図７に示す。
図７に示す如くそれぞれのブラッグ反射光が明瞭に観察できることより、光学マーキング部をセンシング部とはブラッグ波長の異なるＦＢＧで構成する、あるいは、光学マーキング部を複数のブラッグ波長を有するＦＢＧで構成することで、認識が可能であることが示された。
なお、先の実施例１で示したＦＢＧを配置しない光ファイバからなる光学マーキング部には、製造が容易であるという利点があり、実施例２および実施例３で示したＦＢＧを配置する光学マーキング部には、該マーキング部であってもひずみや温度変化のセンシングが可能であるという利点がある。
【００４７】
また、これらのマーキング部はＯＦＤＲ測定器の空間分解能以上の長さよりも長ければ、いかなる長さでも構わないが、長くしすぎると、実施例１で示したＦＢＧを配置しない光学マーキング部では、センシングできない領域が長くなってしまうという欠点があり、実施例２および実施例３で示したＦＢＧを配置する光学マーキング部では、製造が困難となる欠点がある。現状のＯＦＤＲ計測器の分解能が０．６〜１．６ｍｍであることを考えると、光学マーキング部の長さは０．６〜２ｍｍ程度とするのが好ましい。
【符号の説明】
【００４８】
Ｓ、Ｓ１…光ファイバセンサ、１…ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）、２、２１…センシング部、３、２２…光学マーキング部、５、５７…延長ファイバ、６、３１、３２、３３…ファイバカプラ（光カプラ）、７…参照用ファイバ、７ａ…反射端、８、３４…チューナブルレーザ（波長可変光源）、９、３５、３６…フォトダイオード（受光器）、１０、１１…光ファイバ、２０…光ファイバ、Ｋ、３０…光ファイバセンサ装置、３５、３６…フォトダイオード（受光器）、４、７、１０、１１、４１〜５０…光ファイバ、５３…システムコントローラ（制御装置）、５４…Ａ／Ｄコンバータ、７ａ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…反射端。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図４】
0005413931.tif 000008
【図６】
0005413931.tif 000009
【図７】
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