(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動を検出するシステムであって、
ファイバ・レーザと、
前記ファイバ・レーザの反射ミラーとなり、かつ振動を受けるセンサとなるファイバ・ブラッグ・グレーティング（以下、ＦＢＧという。）と、
前記ファイバ・レーザによりレーザ化された前記ＦＢＧからの反射光の強度を電気信号に変換する光電変換部とを備え、
前記ファイバ・レーザは、リング型で、前記ＦＢＧを反射ミラーとして、前記ＦＢＧの反射波長を包含する波長域において光増幅機能を有する光アンプにより、前記ＦＢＧのブラッグ波長を発振波長とするレーザであり、
前記ＦＢＧが受ける振動を、レーザ化されたＦＢＧ反射光の強度変化として検出することを特徴とする振動検出システム。
【請求項２】
前記振動検出システムは、
光サーキュレータと光カップラとを備え、
前記ＦＢＧと前記光サーキュレータの入射／出射ポートとは光ファイバで接続され、前記光サーキュレータの入射ポートと出射ポート間は途中、前記光カップラおよび前記光アンプが挿入され、光ファイバで接続されることを特徴とする請求項１記載の振動検出システム。
【請求項３】
前記振動検出システムは、前記ＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧの一部、または前記ＦＢＧ以外の箇所を、被検体に接触させて、ＦＢＧセンサに共振特性を持たせ、振動を被検体との接触箇所を介して光ファイバに流入させることを特徴とする請求項１記載の振動検出システム。
【請求項４】
前記振動検出システムは、光フィルタを備えることを特徴とする請求項１記載の振動検出システム。
【請求項５】
振動を検出するシステムであって、
ファイバ・レーザと、
前記ファイバ・レーザの反射ミラーとなり、かつ振動を受けるセンサとなるＦＢＧと、
前記ファイバ・レーザによりレーザ化された前記ＦＢＧからの反射光の強度を電気信号に変換する光電変換部とを備え、
前記ファイバ・レーザは、同一のブラッグ波長を有する二つの前記ＦＢＧの間に増幅媒体を備え、
前記ＦＢＧが受ける振動を、レーザ化されたＦＢＧ反射光の強度変化として検出することを特徴とする振動検出システム。
【請求項６】
前記電気信号に対して周波数フィルタ処理を行う信号処理部を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の振動検出システム。
【請求項７】
前記ＦＢＧを複数備えることにより多点計測を行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の振動検出システム。
【請求項８】
前記ＦＢＧを、可動式ＦＢＧセンサとし、該可動式ＦＢＧセンサを被検体に接触させることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の振動検出システム。
【請求項９】
前記ファイバ・レーザによりレーザ化されたＦＢＧ反射光を用いて、前記振動の検出をすると同時に、ひずみ又は温度を計測することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の振動検出システム。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動検出システムを備えることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項１１】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動検出システムを用いて、超音波伝搬状況を測定することにより、被検体の健全性を評価することを特徴とする材料健全性評価装置。
【請求項１２】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動検出システムを用いて、材料破壊時に生じるアコースティック・エミッションを検出して、被検体の健全性を評価することを特徴とする材料健全性評価装置。
【請求項１３】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動検出システムを用いて、衝撃負荷を検知することを特徴とする防犯防災装置。
【請求項１４】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動検出システムを用いて、衝撃負荷を検知して、衝撃位置を標定することを特徴とする防犯防災装置。
【請求項１５】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動検出システムを用いて、振動を検知し、振動の状況から機械の異常を診断することを特徴とする異常検知装置。
【請求項１６】
ファイバ・レーザは、リング型で、振動を受けるセンサとなるＦＢＧを反射ミラーとして、前記ＦＢＧの反射波長を包含する波長域において光増幅機能を有する光アンプにより、前記ＦＢＧのブラッグ波長を発振波長とするレーザであり、
前記ファイバ・レーザによりレーザ化された前記ＦＢＧからの反射光の強度を電気信号に変換することにより、前記ＦＢＧが受ける振動を、レーザ化された前記ＦＢＧ反射光の強度変化として検出することを特徴とする振動検出方法。
【請求項１７】
ファイバ・レーザは、振動を受けるセンサとなるＦＢＧを反射ミラーとして、同一のブラッグ波長を有する二つの前記ＦＢＧの間に設けられた増幅媒体により、前記ＦＢＧのブラッグ波長を発振波長とするレーザであり、
前記ファイバ・レーザによりレーザ化された前記ＦＢＧからの反射光の強度を電気信号に変換することにより、前記ＦＢＧが受ける振動を、レーザ化された前記ＦＢＧ反射光の強度変化として検出することを特徴とする振動検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバ・レーザを利用して、ファイバ・ブラッグ・グレーティングにより、低周波振動から超音波域の振動を検出するシステムおよび該システムを用いた装置並びに振動検出方法に関する。例えば、超音波探傷装置、アコースティック・エミッション（ＡＥ）センサ、材料（構造体を含む）健全性評価装置等に有用なシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波には、材料中を伝搬するとき、超音波が欠陥箇所で大きな分散及び減衰を受けることから、その伝搬状況が欠陥がない場合とある場合とで異なるという性質がある。この性質を利用した材料の欠陥検出法が超音波探傷であり、従来は超音波センサとして圧電素子が多用されてきた。また材料に微視破壊が発生するとアコースティック・エミッション（ＡＥ）が放出されることから、ＡＥを検出することで材料の微視破壊状況を監視することができる。ＡＥは超音波域の弾性波であることから、超音波センサと同様にＡＥセンサに圧電素子が多用されている。
【０００３】
しかしながら、電気センサである圧電素子は電磁波障害を受けることや引火性雰囲気では使用できないなどの問題がある。近年、これらの問題を解決できる超音波・ＡＥセンサとして光ファイバセンサの一種であるファイバ・ブラッグ・グレーティング（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ、以下「ＦＢＧ」とも呼ぶ。）が期待されている。
【０００４】
ＦＢＧをセンサとする超音波又はＡＥ検出システムは、光源としてレーザまたは広帯域光を用いる二種類に大別される。レーザを用いる場合は、ＦＢＧ反射スペクトルの反射率変化が大きな波長で発振するレーザを、光サーキュレータを介してＦＢＧに入射することで、ＦＢＧが受ける超音波やＡＥ振動に同期したＦＢＧ反射光強度を得ることができる。広帯域光源を用いる場合は、ＦＢＧ反射波長域を包含する広帯域光を、光サーキュレータを介してＦＢＧに入射し、ＦＢＧ反射波長域において透過または反射特性が急峻に変化する光フィルタに、ＦＢＧ反射光を入射することで、超音波・ＡＥ振動に同期した光フィルタ透過または反射光強度を得ることができる。また光フィルタを、広帯域光源と光サーキュレータの間に設置しても同様の機能が得られる。発明者による非特許文献１には、それぞれの光源を用いたＦＢＧによる超音波検出及び超音波探傷を行った実験が示されている。また、従来技術として、発明者らによる特許文献１乃至５がある。
【０００５】
ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）は、光ファイバの導光路であるコアの屈折率がファイバ軸方向に周期的に変化した構造を持ち、式（１）で表されるブラッグ波長λＢを中心とする狭帯域光を反射する。
【０００６】
【数１】
0005586011.tif 000002
【０００７】
ｎは屈折率、Λは屈折率変化の周期間隔（グレーティング間隔）を表す。ＦＢＧが温度またはひずみ変化を受けると、屈折率ｎおよびグレーティング間隔Λが変化し、それに伴いブラッグ波長λＢが変化する（式（１）参照）。ひずみおよび温度変化がもたらすブラッグ波長変化量は、通信分野で汎用されている１．５５μｍ帯にブラッグ波長を持つＦＢＧにおいて、それぞれ１．２ｐｍ／マイクロひずみ、および１４ｐｍ／℃である。超音波やＡＥといった弾性波は、高々数マイクロひずみ程度の微弱な振動をもたらすことから、ＦＢＧが超音波やＡＥを受信した場合、そのブラッグ波長は高々数ｐｍ程度しか変化しない。一般に構造物の健全性評価に利用されているＦＢＧはグレーティング長１〜２０ｍｍのものが多く、反射スペクトル全幅は高々１〜２ｎｍ程度である。このためＦＢＧが大きな温度またはひずみ変化を受けた場合は、ブラッグ波長が大きく変化して、レーザ光源を用いたシステムでは、レーザ波長がＦＢＧの反射波長域から外れてしまうことがある。また広帯域光源を用いたシステムでも、ＦＢＧの反射スペクトルと光フィルタの透過または反射特性が急峻に変化する波長域が交差しない状況になる。このような場合、ＦＢＧが受ける超音波やＡＥを検出することができなくなる。
【０００８】
そこで波長可変レーザまたはチューナブルフィルタを用いて、ＦＢＧのブラッグ波長変化に応じて、レーザ波長、または光フィルタの光学特性が変化する波長を、制御することが考えられる。しかし、高速にＦＢＧのブラッグ波長が変動する場合は、これらの制御がブラッグ波長変化に追随できず、超音波やＡＥを検出することができない。特にＡＥは材料破壊時に発生する瞬時のひずみ変化に伴う現象であることから、ＡＥ発生時には高速なブラッグ波長変動が生じる。このため波長可変レーザやチューナブルフィルタを用いた計測システムではＡＥを検出することは困難であると考えられる。
【０００９】
この問題を解決するため、ＦＢＧを被検体に取り付けずに被検体を伝搬する超音波やＡＥを検出する技術が、発明者による特許文献３の「材料健全性評価装置」に開示されている。従来のＦＢＧによる超音波やＡＥ検出においてはＦＢＧを被検体に取り付けていたが、この技術ではＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧ以外の箇所を被検体に接触させる。被検体を伝搬する超音波やＡＥは、光ファイバの接触箇所を介して、光ファイバに流入し、そして光ファイバ中を伝搬して、ＦＢＧを超音波・ＡＥ振動させる。ＦＢＧが被検体に取り付けられていないことから、ＦＢＧのブラッグ波長は、被検体が受けるひずみに無関係になる。しかし、温度変化に伴うＦＢＧのブラッグ波長変化をなくすことはできず、温度変化が生じる環境での超音波やＡＥ検出に問題が残る。
【００１０】
また、発明者による特許文献４の「ＡＥ・超音波検出システム、及びそれを備えた材料監視装置並びに非破壊検査装置」では、二つのファブリ・ペローフィルタを用いたＦＢＧのブラッグ波長に依存しない超音波・ＡＥ検出技術を開示している。この従来技術は、ＦＢＧに広帯域光を入射し、ＦＢＧ反射光を二つのファブリ・ペローフィルタに入射することを特徴としている。二つのファブリ・ペローフィルタは、ＦＢＧの反射スペクトル全幅とほぼ等しいＦＳＲ（Ｆｒｅｅ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｒａｎｇｅ：周期的な透過特性を有するファブリ・ペローフィルタの透過率ピーク波長の間隔）を有し、透過率ピーク波長がＦＳＲ／４だけ異なるものである。この技術では、ＦＢＧのブラッグ波長に関係なく、少なくとも片方のファブリ・ペローフィルタ透過光強度はＦＢＧが受ける超音波又はＡＥ振動に同期して変動することになり、ブラッグ波長変化に依存しない超音波又はＡＥ検出が可能である。
【００１１】
特許文献４に記載された超音波・ＡＥ検出システムでは、第一にＦＢＧの反射スペクトル全幅にほぼ等しいＦＳＲを有する二つのファブリ・ペローフィルタを揃える、第二に二つのファブリ・ペローフィルタの透過率ピーク波長をＦＳＲ／４ずらす必要がある。しかし第一の必要条件であるＦＢＧの反射スペクトル全幅及びファブリ・ペローフィルタのＦＳＲを精密に制御することは、これらの製造において困難なことであり、システム構成要素が高価になる要因となる。また第二の必要条件である二つのファブリ・ペローフィルタの透過率ピーク波長をＦＳＲ／４ずらすためには、透過率ピーク波長制御用の温度調節器をファブリ・ペローフィルタに取り付ける、または多数のファブリ・ペローフィルタを準備してその中から透過率ピーク波長がＦＳＲ／４ずれた二つのファブリ・ペローフィルタを選択する必要がある。このように、特許文献４の技術では、システム構成要素が高価であること、およびシステム構成要素数が多くなる問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−３２６３２６号公報
【特許文献２】特開２００５−００９９３７号公報
【特許文献３】特開２００７−２４０４４７号公報
【特許文献４】特開２００８−０４６０３６号公報
【特許文献５】特開２００６−１３２９５２号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｈｉｒｏｓｈｉ  Ｔｓｕｄａ，“Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  ａｎｄ  Ｄａｍａｇｅ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ＣＦＲＰ  ｕｓｉｎｇ  Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｓｅｎｓｏｒｓ”，  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．６６，ｐ．６７６−６８３（２００６）
【非特許文献２】Ｈｉｒｏｓｈｉ  Ｔｓｕｄａ  ａｎｄ  Ｊｕｎｇ−Ｒｙｕｌ  Ｌｅｅ，“Ｓｔｒａｉｎ  ａｎｄ  Ｄａｍａｇｅ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  ｏｆ  ＣＦＲＰ  ｉｎ  Ｉｍｐａｃｔ  Ｌｏａｄｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｓｙｓｔｅｍ”，  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｖｏｌ．６７，ｐ．１３５３−１３６１（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来の広帯域光を光源とした超音波・ＡＥ検出システムをさらに改良した技術を、発明者は、既に出願している（特許出願２０１０−０１１５２６号「振動検出システム、該システムを用いた装置及び振動検出方法」、以下「関連特許出願」という。）。該関連特許出願には、従来の広帯域光を光源とした超音波・ＡＥ検出システムの光フィルタを不要にした、ひずみ、および温度変動条件下での超音波・ＡＥ検出技術を示した。この技術では広帯域光を入射したときのＦＢＧ反射光強度を電気信号に変換し、その電気信号の平均化処理や適切な周波数フィルタ処理によりＦＢＧが受ける超音波・ＡＥを検出するものである。またＦＢＧの被検体への取り付け方を工夫してＦＢＧセンサに共振特性を持たせることで超音波・ＡＥ検出感度を向上させることができる。この技術に基づく超音波・ＡＥ検出システムは構成要素数が少なく、かつ高価な要素がないことから小型・軽量、かつ安価に組み立てることができる。
【００１５】
前記関連特許出願における第６の実施の形態ではＡＥ検出を想定して、応答信号の平均化処理を施さずに材料中を伝搬する超音波を検出した実験結果を示した。そこではＦＢＧセンサに共振特性を持たせ、センサの共振周波数近傍を通過させるバンドパスフィルタ処理をセンサ信号に施すことで平均化処理なしで超音波を検出することができたと記した。しかし、超音波・ＡＥを漏れなく検出するためにはセンサ信号に対して、そのセンサが持つ複数の共振周波数毎のバンドパスフィルタ処理を行う必要があり、信号処理が複雑になる問題がある。また検出される応答信号のＳ／Ｎ比が低く、超音波・ＡＥ応答波形を収録する際、信号収録のトリガー設定が簡単でないと考えられる。またＦＢＧを被検体と接着させた非共振構造を持つＦＢＧセンサでは平均化処理なしでは超音波・ＡＥ検出ができないことから、超音波・ＡＥに対する検出感度をさらに向上させる必要がある。
【００１６】
本発明はこれらの問題を解決するものであり、ひずみおよび温度変動条件下で、超音波又はＡＥを検出する高信頼性の検出システムを実現することを目的とする。また、本発明は、超音波やＡＥの検出能を改善することを目的とする。また、本発明は、構成要素数が少なく、かつ高価な要素がなく、小型で軽量、かつ安価に組み立てることができるシステムを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するために、センサであるＦＢＧを反射ミラーとするファイバ・レーザを構成し、ＦＢＧ反射光を高強度、かつ狭帯域化する。つまりＦＢＧのブラッグ波長を発振波長とするレーザを得る。尚、本明細書では以下、ファイバ・レーザを用いてＦＢＧ反射光を高強度、かつ狭帯域化することを、ＦＢＧ反射光をレーザ化すると記す。該レーザ化されたＦＢＧからの反射光を光電変換器に入射して反射光強度を電気信号に変換することで、ＦＢＧが受信する超音波・ＡＥに対応する応答信号を得るものである。
【００１８】
本発明は、ＦＢＧセンサが書き込まれた光ファイバのＦＢＧの一部、またはＦＢＧ以外の箇所を被検体に取り付けることにより、ＦＢＧセンサに共振構造を持たせるものである。該共振構造を有するＦＢＧセンサを用いることで、センサ応答周波数特性の制御、ならびに超音波・ＡＥ検出能をさらに向上させることができる。
【００１９】
本発明の意義について説明する。
本発明者による前記関連特許出願に記した実験で用いた広帯域光源の光出力の波長依存性を、図２５に示す。このときはブラッグ波長１，５５０ｎｍのＦＢＧを用いて実験を行った。波長１，５５０ｎｍ近傍では光出力が波長増加に従い、若干低下している。したがって前記関連特許出願に記した技術では広帯域光源のわずかな光出力の波長依存性を利用して、超音波がもたらすブラッグ波長変化に伴うＦＢＧ反射光強度のわずかな変化を電気信号に変換して周波数フィルタ処理や平均化処理により検出している。このように光源の有するわずかな光出力の波長依存性を利用して超音波検出ができるという事実から、超音波検出感度向上にはＦＢＧ反射光の高強度化が有効な手段と考えられる。たとえば図２６のように超音波振動によりブラッグ波長が波長Ａから波長Ｂの間を振動し、光出力が１から０．５の間で変化する場合を考える。今、波長ＡにおいてＦＢＧ反射光強度１０を得ることができる光源を利用した場合、超音波振動により１０から５の反射光強度変化が生じることから超音波振動により生じる光強度変化は５となる。次に、波長ＡにおいてＦＢＧ反射光強度１００を得ることができる光源を利用した場合、超音波振動により１００から５０の反射光強度変化が生じることから超音波振動により生じる光強度変化は５０となる。したがって高強度のＦＢＧ反射光を得ることができる光源を用いることで超音波振動により生じる光強度の変化は大きくなることから超音波検出の高感度化が期待できる。そこでＦＢＧのブラッグ波長においてレーザ光を得ることができるファイバ・レーザを光源とするという発想に至った。
【００２０】
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。
【００２１】
本発明の装置は、振動検出システムであり、ファイバ・レーザと、ファイバ・レーザの反射ミラーとなるファイバ・ブラッグ・グレーティング（以下、ＦＢＧという。）と、ファイバ・レーザによりレーザ化されたＦＢＧからの反射光強度を電気信号に変換する光電変換部とを備えることを特徴とする。本発明の検出対象となる振動は、サブＨｚの振動を含む２０ｋＨｚ以下の振動、超音波、またはアコースティック・エミッションである。本発明の振動検出システムは、光アンプと、光サーキュレータと、光カップラとを備える。ファイバ・レーザは、センサとなるＦＢＧを反射ミラーとして、前記ＦＢＧの反射波長を包含する波長域において光増幅機能を有する光アンプにより、前記ＦＢＧのブラッグ波長を発振波長とするレーザであることを特徴とする。具体的には、ＦＢＧと光サーキュレータの入射／出射ポートとは光ファイバで接続され、前記光サーキュレータの入射ポートと出射ポート間は途中、光カップラおよび光アンプが挿入され、光ファイバで接続される。ＦＢＧからの反射光は光サーキュレータを介して、光カップラと光アンプが挿入された環状の光ファイバを巡り、前記光アンプにおいて増幅され、前記光サーキュレータを介して前記ＦＢＧに入射され、再び前記ＦＢＧにおいて反射され、前記光アンプが挿入されている光ファイバ環状部でＦＢＧ反射光が増幅される過程を繰り返し、前記ＦＢＧのブラッグ波長を発振波長とするレーザが作られる。
【００２２】
本発明の振動検出システムは、ＦＢＧセンサに共振特性を持たせることを特徴とする。ＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧの一部、またはＦＢＧ以外の箇所を、被検体に接触させて、ＦＢＧセンサに共振特性を持たせることによりセンサの応答周波数特性を制御することができる。振動は、被検体との接触箇所を介して光ファイバに流入させることを特徴とする。前記光ファイバ共振部長さを調整して、前記共振周波数を制御することができ、超音波・ＡＥ検出感度の周波数特性を制御することができる。
【００２３】
本発明の振動検出システムは、光フィルタを備えるようにしてもよい。本発明の振動検出システムにおいて、ファイバ・レーザは、同一のブラッグ波長を有するＦＢＧの間に増幅媒体を備える構造にすることができる。
本発明の振動検出システムは、光電変換部で変換された電気信号に対して周波数フィルタ処理を行う信号処理部を備えることを特徴とする。例えば、前記周波数フィルタ処理は、共振特性に基づく共振周波数帯域近傍のバンドパスフィルタ処理である。
【００２４】
本発明の振動検出システムは、可動式の構成とすることができる。非共振型の構造をとる場合は、ＦＢＧを、被検体よりも超音波伝搬速度の遅い媒体または１ｍｍ以下の媒体に接触させることにより、可動式ＦＢＧセンサとし、該可動式ＦＢＧセンサを被検体に接触させるとよい。共振型の構造をとる場合は、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧの一部、またはＦＢＧ以外の箇所を、被検体よりも超音波伝搬速度の遅い媒体または１ｍｍ以下の媒体に接触させることにより、共振特性をもつ可動式ＦＢＧセンサとし、該可動式ＦＢＧセンサを被検体に接触させるとよい。
【００２５】
本発明の振動検出システムは、ＦＢＧセンサを複数備えることにより多点計測を行うことができる。本発明の振動検出システムを用いて、超音波伝搬状況を測定することにより、被検体の健全性を評価する材料健全性評価装置、超音波探傷装置、または材料破壊時に生じるアコースティック・エミッションを検出する装置を提供する。また、本発明の振動検出システムは、サブＨｚの低周波振動や衝撃負荷を検出する装置を供する。また、本発明の振動検出システムを用いて、低周波振動や衝撃負荷を検出することにより、機械の異常診断、防犯・防災ための装置を提供する。また多点計測を行うことにより衝撃位置を標定することができる。
【００２６】
本発明の方法は、振動検出方法であり、ファイバ・レーザの反射ミラーとなるＦＢＧを備え、前記ファイバ・レーザによりレーザ化された前記ＦＢＧからの反射光強度を電気信号に変換することにより振動を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、歪み及び温度が変動する状況においても、ＦＢＧを用いて超音波やＡＥを検出することができる。また、本発明によればシステム構成要素数が少なく、システムの小型化・軽量化・低価格化の実現、ならびに信頼性を向上させることができる。また、本発明によれば、ファイバ・レーザによりレーザ化されたＦＢＧ反射光の光強度変化から高感度に超音波・ＡＥ応答を検出することができる。また、ＦＢＧセンサに共振構造を持たせることにより、超音波やＡＥの検出能を改善、および応答波形の周波数特性を制御することができる。
【００２８】
本発明によれば、サブＨｚオーダの低周波振動から２０ｋＨｚを超える超音波域に亘る範囲の振動を検出することができる。応答信号の平均化処理なしで超音波を検出することができるので、材料破壊が発生するときに放出されるアコースティック・エミッション（ＡＥ）を的確に検出できる。また、周期性のある超音波振動を用いて応答信号を得る場合は、共振構造を有するＦＢＧセンサは受信する超音波の周波数に近接する共振周波数において高い成分強度を有する応答を示すので、適切な周波数フィルタ処理をすることにより、超音波やＡＥの検出能をより改善することができる。
【００２９】
また、本発明は、ＦＢＧセンサを可動式にすることにより、被検体の検査に便利な装置とすることができる。
【００３０】
また、本発明は、波長分離技術を利用して一本の光ファイバラインに複数のＦＢＧセンサを配置することができ、非常にシンプルな振動検出センサ網を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に対応する超音波計測実験に用いたシステムを表す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に対応する超音波計測実験に用いたシステムを表す図。
【図３】関連特許出願で開示した振動検出システムを表す図。
【図４】光源に（ａ）広帯域光を用いた場合（図３に示したシステム）、（ｂ）ファイバ・レーザを用いた場合（図１および２のシステム）に光電変換器に入射されるＦＢＧ反射スペクトルを示す図。
【図５】図１のシステムを用いて、周波数を変化させた３周期正弦波励起超音波に対する非共振構造を有するＦＢＧセンサ応答波形で、正弦波の周波数を（ａ）は１００ｋＨｚ、（ｂ）は２００ｋＨｚ、（ｃ）は３００ｋＨｚ、（ｄ）は４００ｋＨｚにしたときの応答波形を示す図。
【図６】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、それぞれ図５（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示した応答波形の周波数特性を示す図。
【図７】図２のシステムを用いて、周波数を変化させた３周期正弦波励起超音波に対する光ファイバ共振部長さ５０ｍｍの共振構造を有するＦＢＧセンサ応答波形で、正弦波の周波数を（ａ）は１００ｋＨｚ、（ｂ）は２００ｋＨｚ、（ｃ）は３００ｋＨｚ、（ｄ）は４００ｋＨｚにしたときの応答波形を示す図。
【図８】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、それぞれ図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示した応答波形の周波数特性を示す図。
【図９】第３の実施の形態のシステムを表す図 。
【図１０】第３の実施の形態のシステムにおけるバックグラウンドノイズの周波数特性を示す図。
【図１１】材料中を伝搬する超音波に対する共振構造を有するＦＢＧセンサ応答波形で、（ａ）は図３に示した関連特許出願で提案したシステムを用いて５００ｋＨｚのローパスフィルタ処理した応答波形、（ｂ）は図３に示した関連特許出願で提案したシステムを用いて１７０ｋＨｚのバンドパスフィルタ処理した応答波形、（ｃ）は図９に示したシステムを用いて３０ｋＨｚ−５００ｋＨｚのバンドパスフィルタ処理した応答波形を示す図。
【図１２】第４の実施の形態における、ペンシル芯圧折により発生させた疑似ＡＥに対する共振構造を持つＦＢＧセンサの応答信号と信号計測の際に用いたトリガーレベルを図中の横点線で示した図。
【図１３】第５の実施の形態における、材料中を伝搬する超音波に対する非共振構造を有するＦＢＧセンサ応答波形で、図９に示したシステムを用いて平均化処理なしで、３０ｋＨｚ−５００ｋＨｚのバンドパスフィルタ処理した応答波形を示す図。
【図１４】第６の実施の形態における、ペンシル芯圧折により発生させた疑似ＡＥに対する非共振構造を持つＦＢＧセンサの応答信号と信号計測の際に用いたトリガーレベルを図中の横点線で示した図。
【図１５】第７の実施の形態の超音波探傷を表す図。
【図１６】第９の実施の形態のセンサ部を可動式にした装置を表す図。
【図１７】第１０の実施の形態の光スイッチを利用する多点計測装置を表す図。
【図１８】第１０の実施の形態のチューナブルフィルタを利用する多点計測装置を表す図。
【図１９】第１０の実施の形態の波長分離技術を利用する同時多点計測装置を表す図。
【図２０】第１１の実施の形態の平板上に落球衝撃を与えたときの、（ａ）は非共振構造を有するＦＢＧセンサの応答信号、（ｂ）は共振構造を有するＦＢＧセンサの応答信号を示す図。
【図２１】片持ち梁に自由振動を与えたときの、（ａ）ひずみゲージにより測定されたひずみ曲線、（ｂ）ＦＢＧセンサ出力を示した図。
【図２２】第１３の実施の形態の光フィルタを信号復調に用いるシステムにファイバ・レーザを光源として組み合わせた装置を表す図。
【図２３】第１４の実施の形態のグレーティングタイプのファイバ・レーザを用いたシステム構成の例を表す図。
【図２４】第１５の実施の形態の超音波とひずみ・温度を同時計測するシステム構成を表す図。
【図２５】関連特許出願に記載した実験で使用した広帯域光源の光出力波長依存性を表す図。
【図２６】光出力の波長依存性を表した図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明は、サブＨｚ（１Ｈｚ未満）オーダの低周波振動から２０ｋＨｚを超える超音波域の振動を検出するシステムに関し、該振動として、２０ｋＨｚまでの振動およびこれより高い周波数の超音波を、検出するためのシステムである。また、超音波検出と同様にＡＥ検出、およびこれらの検出を利用する超音波探傷装置、アコースティック・エミッション（ＡＥ）センサ、材料（構造体）健全性評価装置に適用できる。以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００３３】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態は、ＦＢＧセンサを用いた超音波応答検出の基本的な形態である。本実施の形態の超音波検出システムは、ファイバ・レーザにより、ＦＢＧからの反射光をレーザ化して、ＦＢＧが受ける超音波を検出することを最大の特徴とするものである。本実施の形態の超音波検出システムは、光アンプと、光サーキュレータと、ＦＢＧと、光カップラと、光電変換器と波形収録器とを備える。本実施の形態の超音波検出システムにおいて、ＦＢＧと光サーキュレータの入射／出射ポートとは光ファイバで接続され、光サーキュレータの入射ポートと出射ポート間は途中、光カップラ、および光アンプが挿入され、光ファイバで接続される。ＦＢＧからの反射光は光サーキュレータを介して、光カップラと光アンプが挿入された環状の光ファイバを巡り、光アンプにおいて増幅され、光サーキュレータを介してＦＢＧに入射される。そして再びＦＢＧにおいて反射され、光アンプが挿入されている光ファイバ環状部でＦＢＧ反射光が増幅される過程を繰り返し、ＦＢＧのブラッグ波長を発振波長とするレーザが作られる。つまりＦＢＧを反射ミラーとしたファイバ・レーザが形成されている。このレーザ化されたＦＢＧ反射光の一部を光カップラから取り出し、光電変換器に入射し、電気信号に変換される。この電気信号は、必要に応じてフィルタ処理および増幅された後、波形収録器に収録される。本実施の形態では、光電変換器からの電気信号を、平均化処理することにより、ＦＢＧが受ける超音波を検出し、波形収録器の表示部に表示したり、記録装置に記録したりする。該平均化処理は、以下の実験で示すように、超音波発振子への励起信号入力により励起された超音波に対する応答信号波形を複数回加算平均して得られる。例えば、スパイク励起超音波発振子の励起信号をトリガーとして、平均化処理器で加算平均するとよい。また、波形収録器に、平均化処理機能を持たせてもよい。
【００３４】
図１及び図２は、本発明の振動検出システムを説明するための超音波計測実験に用いたシステムの模式図であり、第１および第２の実施の形態を理解するための図である。図１の超音波計測実験システムは、光アンプ１２、光サーキュレータ１３、ＦＢＧ１４、光カップラ１５、超音波発振子１１、光電変換器１６、フィルタ・増幅器１７、波形収録器１８からなり、接着箇所１９で光ファイバは超音波発振子１１に接着している。図２の超音波計測実験システムは、光アンプ２２、光サーキュレータ２３、ＦＢＧ２４、光カップラ２５、超音波発振子２１、光電変換器２６、フィルタ・増幅器２７、波形収録器２８からなり、接着箇所２９で、ＦＢＧを有する光ファイバは超音波発振子２１に接着している。
【００３５】
図１を参照して以下説明する。図１の超音波計測実験用システムにおいて、ＦＢＧ１４と光サーキュレータ１３の入射／出射ポートは光ファイバで接続され、光サーキュレータ１３の入射ポートと出射ポート間は途中、光カップラ１５、および光アンプ１２が挿入され、光ファイバで接続される。ＦＢＧ１４からの反射光は光サーキュレータ１３を介して、光カップラ１５と光アンプ１２が挿入された環状の光ファイバを巡り、光アンプ１２において増幅され、光サーキュレータ１３を介してＦＢＧ１４に入射される。そして再びＦＢＧ１４において反射され、光アンプ１２が挿入されている光ファイバ環状部でＦＢＧ反射光が増幅される過程を繰り返し、ＦＢＧのブラッグ波長を発振波長とするレーザが作られる。つまりＦＢＧ１４を反射ミラーとしたファイバ・レーザが形成されている。このレーザ化されたＦＢＧ反射光の一部を光カップラ１５から取り出し、光電変換器１６に入射し、電気信号に変換される。この電気信号は、必要に応じてフィルタ処理および増幅された後、波形収録器１８に収録される。図１及び図２のシステムは、図３に示した関連特許出願で示した広帯域光源を用いた検出システムの光源をファイバ・レーザに置換したことが特徴である。なお、図３に示した前記関連特許出願の超音波計測実験システムは、広帯域光源２、光サーキュレータ３、ＦＢＧ４、超音波発振子１、光電変換器５、増幅器６、フィルタ７、波形収録器８からなり、接着箇所９で、ＦＢＧを有する光ファイバは超音波発振子２１に接着している。
【００３６】
図４（ａ）および（ｂ）に、それぞれ光源に図３に示した広帯域光、および図１または２に示したファイバ・レーザを用いたときに、光電変換器に入射されるＦＢＧ反射スペクトルを示す。ファイバ・レーザによるＦＢＧ反射光のレーザ化により、ＦＢＧ反射光は高強度化され、かつブラッグ波長を中心とする更に狭帯域のスペクトルになる。図４に示すように、市販されている広帯域光源を用いた場合（図４（ａ））、ＦＢＧ反射光パワーのＳ／Ｎ比は２０ｄＢ程度であるのに対し、ファイバ・レーザを用いた場合（図４（ｂ））はＳ／Ｎ比６０ｄＢ以上の反射光を得ることができる。
【００３７】
ＦＢＧを書き込んだ光ファイバに超音波を伝搬させるため、図１または図２のように超音波発振子に光ファイバの一部を接着させた。超音波発振子は励起信号入力により超音波振動し、接着箇所を介して光ファイバに超音波が流れる。図１では、ＦＢＧが超音波発振子に貼り付けられている。図２では、ＦＢＧを有する光ファイバの一部が超音波発振子に接着され、ＦＢＧを備える光ファイバ（ＦＢＧセンサとも呼ぶ）は、光ファイバ接着点と光ファイバ自由端の間を往復伝搬する超音波を検出することから、その応答は共振特性を示す。そこで本発明では、光ファイバ接着点から自由端までの光ファイバの長さを「光ファイバ共振部長さ」と定義する。図２に、光ファイバ共振部長さＬを図示する。
【００３８】
本実施の形態で用いたＦＢＧのグレーティング長は１０ｍｍで、本明細書に記した他の実施の形態においても１０ｍｍ長のＦＢＧを用いた。また用いた光アンプはＣバンド（１５３０−１５６５ｎｍ）用エルビウム添加光ファイバアンプで、Ｃバンドにおける光を増幅する機能を有する。
【００３９】
超音波発振子に入力する励起信号に周期性のある正弦波を用いたとき、発振される超音波の周波数は励起信号正弦波の周波数と一致する。つまり発振される超音波の周波数を制御することができる。ここでは超音波周波数がＦＢＧセンサの応答信号に与える影響を評価するため、１００ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの３周期の正弦波で励起された超音波に対する応答信号を収録した。
【００４０】
ＦＢＧセンサとして、光ファイバ共振部長さが０ｍｍ、つまりＦＢＧ全長を超音波発振子に貼り付けた非共振構造のＦＢＧセンサを用い、中心周波数２５０ｋＨｚの超音波発振子を１００ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの３周期の正弦波で励起して発生させた超音波に対する応答信号を収録した。図５（ａ）〜（ｄ）に、超音波励起正弦波信号の周波数を１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、３００ｋＨｚ、４００ｋＨｚとして、図１のシステムを用いて５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚのバンドパスフィルタ、および５１２回の平均化処理を施して収録された応答波形を示す。また各応答波形の周波数特性を図６（ａ）〜（ｄ）に示す。非共振構造を持つＦＢＧセンサの超音波応答は応答継続時間が短く、また応答信号は超音波周波数を中心とした広帯域な周波数特性を持つ。
【００４１】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、第１の実施の形態と、共振構造を持つＦＢＧセンサとした点で異なっており、その他の構成は同じであり、第２の実施の形態の超音波検出システムは、第１の実施の形態と同様、光アンプと、光サーキュレータと、ＦＢＧと、光カップラと、光電変換器と、波形収録器とを備える。本実施の形態の振動検出システムでは、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧの一部、またはＦＢＧ以外の箇所を、被検体に接触させて、ＦＢＧセンサに共振特性を持たせる。超音波振動を、被検体との接触箇所を介して光ファイバに流入させる。そして、レーザ化されたＦＢＧ反射光の一部を光カップラから取り出し、光電変換器に入射し、電気信号に変換する。
【００４２】
第２の実施の形態を説明するために、ＦＢＧセンサの構造以外は図１と同様の超音波計測実験について、図２を参照して説明する。
【００４３】
ＦＢＧセンサとして、光ファイバ共振部長さ５０ｍｍの共振構造を持つＦＢＧセンサを用い、中心周波数２５０ｋＨｚの超音波発振子を１００ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの３周期の正弦波で励起して発生させた超音波に対する応答信号を収録した。図７（ａ）〜（ｄ）に、超音波励起正弦波信号の周波数を１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、３００ｋＨｚ、４００ｋＨｚとして、図２のシステムを用いて５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚのバンドパスフィルタ、および５１２回の平均化処理を施して収録された応答波形を示す。また各応答波形の周波数特性を図８（ａ）〜（ｄ）に示す。共振構造を有するＦＢＧセンサにおいては光ファイバ共振部を往復伝搬する超音波を検出することから、応答強度が徐々に減衰する応答を示すことが知られており、図７からもその特徴が確認できる。
【００４４】
ＦＢＧセンサを図２のように取り付けたとき、このＦＢＧセンサ２４は光ファイバ共振部長さを梁の長さとする片持ち梁と同じ共振特性を示すことになり、共振周波数ｆｒ,ｎは式（２）で与えられる。
【００４５】
【数２】
0005586011.tif 000003
【００４６】
ここでｖ、およびＬは、それぞれ光ファイバ中の超音波伝搬速度、および光ファイバ共振部長さを表す。
【００４７】
用いた光ファイバは前記関連特許出願で使用した光ファイバと同種であり、この光ファイバの超音波伝搬速度は５，０６０ｍ／ｓと評価されている。この超音波伝搬速度５，０６０ｍ／ｓを式（２）に代入して計算される次数ｎが１〜７の共振周波数は７５．９、１２７、１７７、２２８、２７８、３２９、３８０ｋＨｚである。
【００４８】
励起信号周波数を１００、２００、３００、および４００ｋＨｚにしたときの応答信号は励起信号周波数に近接する共振周波数付近に大きな周波数成分強度を有しており（図８中の数字は最大成分強度が現れた周波数を表す）、前記関連特許出願の第４の実施の形態（広帯域光を光源とし、共振特性を持たせたＦＢＧセンサの超音波応答に超音波周波数が及ぼす影響を利用した形態）と同様の結果を得た。
【００４９】
以上、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバを超音波発振子表面に貼り付けて、非共振構造（第1の実施の形態）、および共振構造（第２の実施の形態）を持つＦＢＧセンサの光ファイバを伝搬する超音波に対する応答結果を示したが、前記関連特許出願と同様の結果を得ることができた。
【００５０】
本発明はセンサであるＦＢＧを反射ミラーとするファイバ・レーザを光源に用い、センサが受信する超音波振動をレーザ化されたＦＢＧ反射光の強度変化として検出する。ファイバ・レーザは、ＦＢＧの受けるひずみ、および温度変化に依存することなく、常にそのブラッグ波長でレーザ発振することから、ＦＢＧの受けるひずみ、および温度に関係しない超音波検出が可能である。
【００５１】
なお、本発明の実施の形態では、光アンプにエルビウム添加光ファイバアンプ、つまり希土類添加光ファイバアンプを用いているが、ファイバラマンアンプや半導体光アンプを用いることやそれらを組み合わせても同様の効果が得られることは明らかである。
【００５２】
また本発明の実施の形態では、共振構造を有するＦＢＧセンサの例として光ファイバの被検体への接着箇所と自由端の間にＦＢＧがある場合のみを挙げているが、光ファイバの被検体への接着箇所と光サーキュレータの間にＦＢＧがある構造を取っても共振構造を有するＦＢＧセンサとして機能することは明らかである。
【００５３】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では、第２の実施の形態で説明した超音波検出システムを、材料中を伝搬する超音波検出に適用し、その検出感度を調べた例を、示す。図９に、第３の実施の形態のシステムを表す。図９のシステムは、光アンプ３２、光サーキュレータ３３、ＦＢＧ３４、光カップラ３５、超音波発振子３１、光電変換器３６、フィルタ・増幅器３７、波形収録器３８からなり、接着箇所３９で、ＦＢＧを有する光ファイバを被検体３０に接着している。被検体３０には超音波発振子３１が固定されている。
【００５４】
前記関連特許出願に開示した技術と本実施の形態が提案する技術に基づく超音波検出の感度を比較した。前記関連特許出願の第６の実施の形態では材料中を伝搬する超音波を平均化処理なしで共振構造を有するＦＢＧセンサにより検出できること示した。そこで図９に示す実験セットアップを組み立て、前記関連特許出願の第６の実施の形態の実験と、超音波発振子、超音波励起信号、超音波発振子−光ファイバ接着点間距離、超音波を伝搬させる材料を同じ条件にして、本実施の形態に基づき超音波応答を得た。被検体３０に厚さ１ｍｍのアルミ板を用い、超音波発振子−光ファイバ接着点間距離を１５０ｍｍにして、中心周波数２５０ｋＨｚの超音波発振子３１をスパイク波励起して被検体３０に超音波４０を伝搬させた。用いたＦＢＧセンサ３４はグレーティング長１０ｍｍ、光ファイバ共振部長さが３８．５ｍｍの共振構造を持つ。尚、前記関連特許出願の第６の実施の形態ではグレーティング長２０ｍｍ、光ファイバ共振部長さ２２ｍｍのＦＢＧセンサを用いていたが、グレーティング長、および光ファイバ共振部長さが超音波検出感度に及ぼす影響は小さいと考えられる。
【００５５】
図９に示した実験セットアップにおいて超音波が伝搬していない状態でのＦＢＧセンサ出力、つまりバックグラウンドノイズの周波数特性を図１０に示す。１２ｋＨｚに最大成分強度を有するノイズがあり、周波数３０ｋＨｚ以上では最大成分強度の１％以下のノイズレベルになった。そこで図９に示した実験セットアップにおけるフィルタを３０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚのバンドパスに設定して、被検体中を伝搬するスパイク波励起超音波を平均化処理せずに収録した。
【００５６】
図１１（ａ）（ｂ）に前記関連特許出願の第６の実施の形態（図３の振動検出システムをＡＥ検出に適用した例）の応答信号、同図（ｃ）に本実施の形態で提案するシステムから得られた応答信号を示す。同図（ａ）は、前記関連特許出願の振動検出システム（図３参照）をＡＥ検出に適用した例において、フィルタをカットオフ周波数５００ｋＨｚのローパスフィルタに設定した際に得られた応答波形である。前記関連特許出願で提案したシステムからは応答信号の平均化処理なし、およびローパスフィルタ処理では超音波応答を識別できない。前記関連特許出願（段落７５，７６）には、図１１（ａ）の応答波形の周波数成分強度を調べるとＦＢＧセンサの１次の共振周波数１７３ｋＨｚ（式（２）にｎ＝１，ｖ＝５，０６０ｍ／ｓ、Ｌ＝２２ｍｍを代入して得られる）において大きな成分強度が現れていることから、１次の共振周波数近傍のバンドパスフィルタ処理が超音波応答検出に有効であることが考えられ、１７０ｋＨｚを中心周波数とするバンドパスフィルタ処理し応答波形を得たことが記されている。該応答波形を図１１（ｂ）に示す。
【００５７】
一方、本実施の形態が提案するシステムから得られた超音波応答は３０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの広帯域なバンドパスフィルタ処理を行っているが、図１１（ａ）、（ｂ）よりも明確に超音波を検出している。
【００５８】
前記関連特許出願および本発明の第２の実施の形態の実験結果から明らかなように共振構造を持つＦＢＧセンサは検出する超音波の周波数に近い共振周波数において高い成分強度を有する応答を示す。前記関連特許出願（段落７７，７８）には、共振構造を有するＦＢＧセンサを用いた場合、ＦＢＧセンサの出力である光電変換器出力に対し、ＦＢＧセンサの共振周波数毎の狭帯域バンドパスフィルタ処理を施すことが漏れなく超音波を検出するために必要であると記されている。このため同技術に基づく平均化処理なしの超音波応答検出においては複数の狭帯域バンドパスフィルタ処理を施す複雑な信号処理を必要とする。
【００５９】
一方、本実施の形態に基づく超音波検出システムで用いたＦＢＧセンサの光ファイバ共振部長さは３８．５ｍｍであったことから共振周波数は次数０から高次の順に、３２．９ｋＨｚ、９８．６ｋＨｚ、１６４ｋＨｚ、２３０ｋＨｚと６６ｋＨｚ毎増加し、この実施の形態においては０〜７次までの共振周波数を含む広帯域なバンドパスフィルタ処理により、高感度に超音波を検出していることになる。このことから本発明により高感度で広帯域な超音波検出が可能で、超音波・ＡＥ検出の実用上において前記関連特許出願と比較して、大きな改善が図られた。
【００６０】
第３の実施の形態では検出される超音波の周波数が不明な場合の例を挙げたが、もし検出される超音波の周波数が既知の場合、光電変換部から出力される電気信号をフィルタ処理や増幅処理等の信号処理をする際に、該フィルタ処理として、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバにおける、被検体との接触点と自由端との間の光ファイバ共振部長さに基づいて決定される共振周波数を通過させる周波数フィルタ処理をすることで、高感度な超音波検出が可能となる。また、光ファイバ共振部長さを調整して、共振周波数を制御することもできる。
【００６１】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態は、共振構造を持つＦＢＧセンサを備える超音波検出システムをＡＥ検出に適用した例である。
【００６２】
日本非破壊検査協会規格「アコースティック・エミッション変換子の感度劣化測定方法」にはシャープペンシルの芯を圧折した際に発生する弾性波を疑似ＡＥとして変換子の感度を校正する方法が記されている。そこでシャープペンシル芯を被検体上で圧折して、被検体に疑似ＡＥを伝搬させて本発明に基づいた超音波検出システムで疑似ＡＥに対する応答収録を試みた。
【００６３】
図９に示した実験セットアップの超音波発振子を取り外し、ＦＢＧセンサの被検体への接着点−シャープペンシル芯圧折箇所間距離を２５０ｍｍとして、光ファイバ共振部長さ３８．５ｍｍのＦＢＧセンサのシャープペンシル芯圧折により発生させた疑似ＡＥに対する応答を収録した。応答信号収録のためのトリガー信号に３０ｋＨｚ〜１ＭＨｚのバンドパスフィルタ処理された光電変換器出力を用いた。トリガーレベルはバックグラウンドノイズにより誤って収録トリガーが掛からないように設定した。
【００６４】
図１２にシャープペンシル芯圧折により発生させた疑似ＡＥに対する応答信号を示す。この計測におけるトリガーレベルは７ｍＶで、図中横点線で示されている。同図から分かるように疑似ＡＥ発生前のノイズはトリガーレベルと比較して十分に小さい。この結果から本発明に基づくシステムによりＡＥを検出できることがわかる。
【００６５】
（第５の実施の形態）
非共振構造を持つＦＢＧセンサを用いて第３の実施の形態と同様の実験、つまり平均化処理なしで被検体を伝搬する超音波の検出を試みた。図９で用いた実験セットアップにおいて、ＦＢＧ全体を被検体に接着させて、非共振構造を持つＦＢＧセンサにして、超音波発振子−光ファイバ接着点間距離を１５０ｍｍにして、中心周波数２５０ｋＨｚの超音波発振子をスパイク波励起して被検体に超音波を伝搬させた。３０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚのバンドパルフィルタ処理されたＦＢＧセンサの応答波形を図１３に示す。共振構造を有する場合と同様に明確に超音波を検出していることが確認できる。前記関連特許出願の第７の実施の形態では非共振構造を持つＦＢＧセンサは平均化処理なしでは被検体を伝搬する超音波を検出できないことが記されているが、本発明で提案する検出システムを用いることで非共振構造を持つＦＢＧセンサ、つまりＦＢＧを被検体に直接貼り付けた状態でも被検体を伝搬する超音波を検出できる。
【００６６】
（第６の実施の形態）
第６の実施の形態は、非共振構造を持つＦＢＧセンサを備える超音波検出システムをＡＥ検出に適用した例である。非共振構造を持つＦＢＧセンサを用いて第４の実施の形態と同様の実験、つまりシャープペンシル芯圧折による疑似ＡＥ計測を試みた。第４の実施の形態で用いた実験セットアップにおいてＦＢＧ全体を被検体に接着させて、非共振構造を持つＦＢＧセンサにして、ＦＢＧセンサの被検体への接着点−シャープペンシル芯圧折箇所間距離を２５０ｍｍとして、シャープペンシル芯圧折により発生させた疑似ＡＥに対する非共振構造を持つＦＢＧセンサの応答を収録した。応答信号収録のためのトリガー信号に３０ｋＨｚ〜１ＭＨｚのバンドパスフィルタ処理された光電変換器出力を用いた。トリガーレベルはバックグラウンドノイズにより誤って収録トリガーが掛からないように設定した。
【００６７】
図１４にシャープペンシル芯圧折により発生させた疑似ＡＥに対する応答信号を示す。この計測におけるトリガーレベルは７ｍＶで、図中横点線で示されている。同図から分かるように疑似ＡＥ発生前のノイズはトリガーレベルと比較して十分に小さい。この結果から本発明に基づくシステムにより非共振構造を持つＦＢＧセンサを使ってもＡＥを検出できることがわかる。
【００６８】
（第７の実施の形態）
超音波が材料中を伝搬するとき超音波は欠陥箇所で大きな分散、及び減衰を受けることから、その伝搬状況は欠陥がない場合と異なる。これを利用した材料の欠陥検出法が超音波探傷であり、超音波探傷に本発明に基づく超音波検出システムを利用することができる。第７の実施の形態は、本発明の超音波検出システムを利用して、超音波探傷を行う例である。図１５に、本実施の形態の超音波探傷装置を示す。図１５の超音波探傷装置は、光アンプ４２、光サーキュレータ４３、ＦＢＧ４４、光カップラ４５、光電変換器４６、フィルタ・増幅器４７、波形収録器４８からなり、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバを被検体３０に接触させている。超音波発振子３１をＦＢＧ４４の光ファイバ軸方向の延長線上に取り付け、超音波発振子３１から発振される超音波４０をセンサであるＦＢＧ４４で検出する。
【００６９】
図１５の超音波探傷装置を用いて、超音波発振子から材料中に超音波を伝搬させ、ＦＢＧセンサで超音波を検出し、応答信号の強度、また周波数特性変化から超音波発振子−センサ間に損傷部位があるかどうかを検査することができる。つまり超音波発振子３１とＦＢＧ４４を結ぶ線上に損傷４１がある場合は、損傷がない場合と比較して応答信号の強度が低下する、また異なる応答周波数特性が現れることから、損傷の有無を識別することができる。
【００７０】
（第８の実施の形態）
上記した各実施の形態で示した超音波検出のための信号処理について、次のような形態をとることができる。各実施の形態では、超音波・ＡＥ応答を明確に取り出すために、波形収録器での信号収録前に周波数フィルタ処理を行っているが、信号収録後に同処理を行って同様に超音波・ＡＥ応答の取り出してもよい。またセンサ出力に対する周波数フィルタ処理の他に、バックグラウンドノイズ成分を除去するスペクトルサブトラクション処理なども、超音波・ＡＥ検出に有効な手段であり、設けることができる。
【００７１】
また、共振構造を持つＦＢＧセンサは、超音波やＡＥ受信時に共振周波数において大きな成分強度を有する応答信号を出力する。そこで共振型ＦＢＧセンサを用いて、超音波やＡＥ応答を収録する際に、センサの共振周波数をロックインアンプの測定信号周波数に設定し、ロックインアンプ出力を収録トリガーとするとよい。
【００７２】
また、ＦＢＧセンサの構造が非共振又は共振に関わらず、平均化処理は超音波応答を取り出すための有効な手段であり、各実施の形態で示したフィルタ処理と適宜組み合わせることができる。
【００７３】
（第９の実施の形態）
第９の実施の形態では、超音波送受信点を移動させながら超音波を検出する場合を示す。既に示した実施の形態では、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバを被検体に貼り付けた場合について示した。しかし、多くの超音波探傷では超音波送受信点を移動させながら欠陥位置を同定するため、超音波発振子およびＦＢＧセンサの両方ともに可動式とした方が実用的であり便利である。ＦＢＧセンサを可動式とする技術が、特許文献５に開示されているが、本発明に基づく超音波検出システムのセンサ部においても、上記特許文献５と同様の可動部構造を構成して、ＦＢＧセンサを可動式とすることもできる。
【００７４】
図１６は、上記実施の形態で示した超音波検出システムを可動式にした装置である。図１６に示すように、ＦＢＧ５４を書き込んだ光ファイバの一部を可動用治具５１に取り付け、被検体３０を伝わる超音波を、可動用治具５１を介して光ファイバに伝える。例えば、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバのＦＢＧ５４の一部、またはＦＢＧ以外の箇所を、超音波伝搬速度の遅い媒体または厚さ１ｍｍ以下の薄い媒体（可動治具５１に相当）に、接着箇所５９で接触させることにより、共振特性を持たせた可動式ＦＢＧセンサとするとよい。可動式ＦＢＧセンサを被検体３０に接触させることで、被検体を伝搬する超音波またはＡＥを検出する。図１６に示した装置において、可動式のための構造以外は、図９に示したシステムと同様であり、光アンプ５２、光サーキュレータ５３、光カップラ５５、光電変換器５６、フィルタ・増幅器５７、波形収録器５８からなる。
【００７５】
図１６には、共振型ＦＢＧセンサの例を図示したが、非共振構造ＦＢＧセンサを可動用治具に取り付けて可動式の振動検出システムとすることができる。具体的には、ＦＢＧを、被検体よりも超音波伝搬速度の遅い媒体または厚さ１ｍｍ以下の薄い媒体に接触させることにより、可動式ＦＢＧセンサとし、その可動式ＦＢＧセンサを被検体に接触させることで、被検体を伝搬する超音波またはＡＥを検出する。
【００７６】
ＦＢＧセンサを可動式とすることにより、超音波検出ならびに超音波探傷検査を容易に行うことができる。
【００７７】
（第１０の実施の形態）
本実施の形態では、既に示した実施の形態を応用して、複数のＦＢＧを有するシステムに拡張する場合を示す。
【００７８】
本発明の超音波検出システムを用いて多点計測するための装置を、図１７に示す。図１７の多点計測装置は、光アンプ６２と、光サーキュレータ６３と、光カップラ６５と、複数のＦＢＧ（１、２・・・ｎ）と、光電変換器６６と、波形収録器６８と、光スイッチ６４とを備え、フィルタ・増幅器６７は必要に応じて設けられる。光アンプ６２で反射光をレーザ化するＦＢＧ（１、２・・・ｎ）を、光スイッチ６４を用いて選択する。
【００７９】
本発明の超音波検出システムを用いて多点計測するための装置を、図１８に示す。図１８の多点計測装置は、光アンプ７２と、光サーキュレータ７３と、光カップラ７５と、複数のＦＢＧ（１、２・・・ｎ）と、光電変換器７６と、波形収録器７８と、チューナブルフィルタ７９とを備え、フィルタ・増幅器７７は必要に応じて設けられる。このチューナブルフィルタ７９が任意の一つのＦＢＧの反射スペクトルを透過する性質を持つ場合、光アンプ７２で反射光をレーザ化するＦＢＧを、チューナブルフィルタを用いて選択することができる。チューナブルフィルタを図１８の光カップラと光電変換器の間、または光サーキュレータとＦＢＧセンサの間に配置しても同様の機能を有する。
【００８０】
本発明の超音波検出システムを用いて同時多点計測するための装置を、図１９に示す。図１９の同時多点計測装置は、光アンプ８２と、光サーキュレータ８３と、光カップラ８５と、複数のＦＢＧ（１、２・・・ｎ）と、光電変換器８６と、波形収録器８８と、光分波器８９とを備え、フィルタ・増幅器８７は必要に応じて設けられる。図１９の同時多点計測装置は、ブラッグ波長の異なる複数のＦＢＧからのレーザ化された反射光を、波長により出力ラインの異なる光分波器８９に通し、それぞれのＦＢＧからのレーザ化された反射光強度を異なるライン（λ１、λ２、・・・λｎ）に出力させ、各ＦＢＧからのレーザ化された反射光強度を測定することにより、同時に複数のレーザ化されたＦＢＧ反射強度を測定する。図１９に図示した例ではＦＢＧセンサは一本の光ファイバ上に限定されているが、光サーキュレータの入射／出射ポートに１×Ｎ光スイッチ、または１×Ｎ光カップラを接続することにより、複数本の光ファイバ上にＦＢＧセンサを設けたセンサ網に拡張することができる。
【００８１】
（第１１の実施の形態）
衝撃負荷の検知は構造物の健全性評価のみではなく、防犯・防災検知において重要な技術である。そこで第１１の実施の形態は、本発明を防犯・防災検知装置に適用する例である。本発明が提案する振動検出システムを用いて衝撃負荷を検出した実験を示す。図９の実験セットアップにおいて超音波発振子を取り外し、ＦＢＧセンサから１５０ｍｍ離れた被検体表面に３０ｍｍの高さから重さ２．７ｇのセラミックボールを落球した際の衝撃振動を非共振構造、および共振構造を持つＦＢＧセンサで検出することを試みた。
【００８２】
図２０（ａ）および（ｂ）に、それぞれ非共振構造、および光ファイバ共振部長さ３８．５ｍｍの共振構造を持つＦＢＧセンサが検出した落球衝撃応答波形を示す。この応答波形の計測においてフィルタは３０ｋＨｚをカットオフ周波数とするハイパスフィルタに設定した。尚、この波形収録ではバックグラウンドノイズを除去するために３０ｋＨｚのハイパスフィルタ処理を施したが、衝撃時の応答信号強度はバックグラウンドノイズレベルと比較して非常に大きく、衝撃負荷の検出にフィルタ処理する必要はないことを確認している。共振構造を取る場合、光ファイバ共振部に流入した衝撃振動が往復伝搬するため、非共振構造を持つセンサよりも応答継続時間が長くなっているが、ＦＢＧセンサの共振構造の有無に関係なく落球衝撃を高感度に検出していることが分かる。
【００８３】
このように本発明に基づく振動検出システムを用いてＦＢＧセンサから衝撃負荷の発生を検出できることから、第１０の実施の形態を利用して複数のＦＢＧセンサを被検体に配置して、各ＦＢＧセンサが検出する衝撃負荷の検出時間差から衝撃位置を標定することも可能である。衝撃負荷の検出や衝撃負荷位置の標定は防犯や防災技術における検出装置や警報装置に適用できる。
【００８４】
（第１２の実施の形態）
第１２の実施の形態において本発明の振動検出システムを超音波帯域以下の周波数の振動、つまり２０ｋＨｚ以下の振動検出に適用する例である。２０ｋＨｚ以下の振動検出に適用した実験例を示す。図９のシステムにおいて超音波発振子を取り外し、被検体の片端をバイス等の固定治具で固定して片持ち梁構造とし、ＦＢＧセンサはＦＢＧ全長が被検体に接着された非共振構造にした。またひずみ計測のためＦＢＧ近傍に抵抗式ひずみゲージを取り付けた。片持ち梁構造の被検体に自由振動を与えた際のＦＢＧセンサ、およびひずみゲージの出力をカットオフ周波数１００Ｈｚのローパスフィルタ処理を施して収録した。
【００８５】
片持ち梁に自由振動を与えた際のひずみゲージが測定したひずみ変化、およびＦＢＧセンサ応答をそれぞれ図２１（ａ）、および（ｂ）に示す。同図（ａ）のひずみ変化から分かるようにこの試験においては時間約０．２ｓに片持ち梁に曲げを与え、時間約０．５ｓに曲げ負荷を解除して梁を自由振動させた。その後、試験時間約３．２ｓに再び梁に曲げを与えた。このときの片持ち梁の振動周波数は約７．５Ｈｚである。同図（ｂ）に示したＦＢＧセンサの出力はひずみゲージの出力と逆相であるが、ひずみゲージから評価されたひずみ変化と同様の信号変化を示していることが分かる。このように本発明の振動検出システムを用いてＦＢＧセンサからＨｚオーダの振動も検出が可能であることから、さらに低周波の１Ｈｚ未満のサブＨｚオーダの低周波振動も検出可能である。
【００８６】
（第１３の実施の形態）
第１３の実施の形態は、ファイバ・レーザを光源として用い、復調用光フィルタとを組み合わせた例である。図２２に、光フィルタを信号復調に用いるシステムにファイバ・レーザを光源として組み合わせた装置を示す。図２２の超音波計測システムは、光アンプ９２と、光サーキュレータ９３と、ＦＢＧ９４と、光カップラ９５と、光フィルタ９９と、光電変換器９６と、波形収録器９８とを備える。光カップラ９５を介してＦＢＧ反射光を、光フィルタに入射する。
【００８７】
本発明の特徴であるファイバ・レーザを光源として用いることにより、図４に示したように、ＦＢＧの反射スペクトルは広帯域光源を用いた場合と比較して狭帯域で、かつ高強度になる。また、復調用光フィルタに関する構造は従来技術を採用することができる。例えば、非特許文献１に、従来の広帯域光源を利用した超音波検出の多くはＦＢＧセンサからの反射光を光フィルタに入射し、そのフィルタ反射、または透過光強度変化がＦＢＧが受ける超音波振動に対応することを利用している例がある。
【００８８】
本実施の形態にように、ファイバ・レーザを光源に利用することにより狭帯域・高強度のＦＢＧ反射スペクトルを得ることから広帯域光源を利用するよりも高感度な振動検出が可能となる。
【００８９】
（第１４の実施の形態）
本実施の形態は、ファイバ・レーザの共振器構造として、第１の実施の形態等とは異なる構造を用いる例である。ファイバ・レーザの共振器構造には共振器の両端にＦＢＧを形成するＦＢＧ型と、環状の共振器を形成するリング型の二種類に分類される。図２３に、共振器の両端にＦＢＧを形成するＦＢＧ型の共振器構造を用いた超音波計測システムを示す。第１乃至１３の実施の形態では、リング型のファイバ・レーザを用いた場合のみを記したが、図２３（ａ）（ｂ）に示すようなＦＢＧ型のファイバ・レーザを用いても、上記した実施の形態を実現できる。
【００９０】
図２３（ａ）の超音波計測システムは、ポンプ光源１０２、光サーキュレータ１０３、ＦＢＧセンサ１〜ＦＢＧセンサｎ、光分波器１０４、光電変換器１０６、波形収録器１０８を備える。ＦＢＧセンサ１・・・ＦＢＧセンサｎは、それぞれ同一ブラッグ波長を持つ二つのＦＢＧからなる。図２３（ａ）に示すように、同一のブラッグ波長からなるＦＢＧの間に増幅媒体を挿入することで、そのブラッグ波長でレーザ発振する反射光を得ることができる。たとえば増幅媒体として希土類添加ファイバを用いた場合、ポンプ光をＦＢＧが書き込まれたファイバに入射することで、レーザ化されたＦＢＧ反射光を得ることができる。この場合、同一ブラッグ波長を持つ二つのＦＢＧが一つのセンサとして機能する。また図２３（ａ）に示すように一本のファイバ上に複数のセンサを配置することができる。
【００９１】
図２３（ｂ）は、ＦＢＧを増幅機能を有する希土類添加ファイバに書き込んだ例である。図２３（ｂ）の超音波計測システムは、図２３（ａ）と同様、ポンプ光源１０２、光サーキュレータ１０３、ＦＢＧ（λ１）〜ＦＢＧ（λ２）、光分波器１０４、光電変換器１０６、波形収録器１０８を備える。各ＦＢＧにセンサとしての機能を持たせることができ、さらに同図のように容易に多重化することができる。
【００９２】
図２３には希土類添加ファイバ増幅を利用したＦＢＧ型ファイバ・レーザを例示したが、ファイバラマン増幅を利用しても同様の効果を得ることができる。
【００９３】
（第１５の実施の形態）
本実施の形態は、ファイバ・レーザを光源として用い、被検体の受けるひずみや温度を計測する例である。
【００９４】
ファイバ・レーザによりＦＢＧのブラッグ波長を発振波長とするレーザ光を得ることができる。ＦＢＧのブラッグ波長は、ひずみおよび温度に比例して変化することから、ＦＢＧを被検体に貼り付ける、または埋め込むことにより、ブラッグ波長変化から被検体が受けるひずみや温度を測定することができる。ＦＢＧのブラッグ波長を定量測定する手法としては、光スペクトルアナライザ、または波長計などの計測器を用いる方法と、波長により透過特性の異なる光フィルタを用いて波長変化を光強度変化に変換する方法がある。なお光フィルタを用いたブラッグ波長測定法は非特許文献２に詳細が記されている。
【００９５】
本実施の形態について、図２４を参照して説明する。図２４に、超音波とひずみ・温度を同時計測するシステム構成を示す。図２４のシステムは、光アンプ１１２、光サーキュレータ１１３、ＦＢＧ１１４、光カップラ１１５、ひずみ計測用光フィルタ１１９、光電変換器１１６、波形収録器１１８を備える。図２４に示したように、レーザ化されたＦＢＧ反射光を光カップラ１１５から超音波検出用に取り出す以外に、ひずみまたは温度測定用に広帯域に透過特性が変化する光フィルタ１１９に入れ、光フィルタ透過光および反射光出力を、光電変換器に入れる。光フィルタ１１９を介した光電変換器出力からブラッグ波長を一意的に評価することができ、被検体が受けるひずみや温度を定量的に評価することができる。このシステムにより超音波、ＡＥのみではなく、被検体が受けるひずみや温度も同時に定量評価することができる。また図２４における光フィルタを光スペクトルアナライザ、または波長計に置換しても同様の機能を持たせることができる。
【００９６】
また、本発明の超音波検出システムは、実施の形態で示した超音波探傷による欠陥検出、ＡＥ検出による損傷発生検知、および振動検知による機械の異常発生検知、衝撃負荷位置の標定、防犯・防災検知、ひずみ及び温度計測等の装置に適用することができる。
【００９７】
本発明では、各実施の形態で示した信号処理を適宜組み合わせて実施することができる。なお、上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は、超音波探傷による欠陥検出、ＡＥ検出による損傷発生検知、および振動検知による機械の異常発生検知、防犯・防災検知等に有用である。
【符号の説明】
【００９９】
１、１１、２１、３１    超音波発振子
２    広帯域光源
３、１３、２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３、９３、１０３、１１３    光サーキュレータ
４、１４、２４、３４、４４、５４、９４、１１４    ＦＢＧ
５、１６、２６、３６、４６、５６、６６、７６、８６、９６、１０６、１１６    光電変換器
６    増幅器
７    フィルタ
８、１８、２８、３８、４８、５８、６８、７８、８８、９８、１０８、１１８    波形収録器
９、１９、２９、３９、５９    接着箇所
１２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２、９２、１１２    光アンプ
１５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５、９５、１１５    光カップラ
１７、２７、３７、４７、５７、６７、７７、８７    フィルタ・増幅器
３０    被検体
４０    超音波
４１    損傷
５１    可動用治具
６４    光スイッチ
７９    チューナブルフィルタ
８９、１０４    光分波器
９９    光フィルタ
１０２    ポンプ光源
１１９    ひずみ計測用光フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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