(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪計測方向の複数箇所に被計測物への固定箇所を有する第一取付板と、この第一取付板に歪計測方向に沿わせて固定された第一光ファイバグレーティングと、線膨張係数が被計測物と同じ第二取付板と、この第二取付板の線膨張方向に沿わせて固定された第二光ファイバグレーティングとを備えたことを特徴とする光ファイバグレーティング歪センサ。
【請求項２】
第一ファイバグレーティングと第二ファイバグレーティングとが直列に接続されており、第一ファイバグレーティングの反射波長と、第二ファイバグレーティングの反射波長とが異なることを特徴とする請求項１記載の光ファイバグレーティング歪センサ。
【請求項３】
第一取付板のヤング率と断面積との積が被計測物のヤング率と断面積との積よりも十分小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバグレーティング歪センサ。
【請求項４】
歪計測方向の複数箇所に被計測物への固定箇所を有する第一取付板を被計測物に固定し、この第一取付板に歪計測方向に沿わせて固定された第一光ファイバグレーティングにより反射波長変化を検出し、線膨張係数が被計測物と同じ第二取付板を前記第一取付板の近傍に設置し、この第二取付板の線膨張方向に沿わせて固定された第二光ファイバグレーティングにより反射波長変化を検出し、第一光ファイバグレーティングの反射波長変化から第二光ファイバグレーティングの反射波長変化を差し引いて被計測物の歪による反射波長変化とすることを特徴とする歪計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバグレーティングの反射波長変化を利用した歪計測に係り、特に、被計測物への固定が簡単で、複雑な補正計算や特殊光ファイバが不要な光ファイバグレーティング歪センサ及び歪計測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバグレーティング（以下、ＦＢＧと言う）は、光ファイバコアの紫外光誘起屈折率変化を用いて光ファイバコアにブラッグ回折格子を形成したもので、非常に狭帯域な特性を持つ反射型フィルタとして機能することが知られている。その形成方法や原理は、「ファイバグレーティングとその応用」指宿康弘ほか、社団法人電子通信学会、信学技報TECNICAL REPORT OF IEICE PS98-9.OFT98-10(1998-06) （以下、文献１という）に示されているので、ここでは省略する。
【０００３】
このＦＢＧの性質を利用して種々の物理量を計測できることが知られている。その計測技術については、例えば、「光ファイバグレーティングを用いたセンシング」飯山宏一、オプトロニュース(1999)No.6 p29-31 （以下、文献２という）や「光ファイバグレーティングによる精密計測技術」石川真二、応用物理第６９巻第６号(2000)（以下、文献３という）に紹介されている。
【０００４】
ＦＢＧは、温度と歪との２つの変位に影響されて反射波長が変化する。文献２にあるように、温度に関しては約０．０１ｎｍ／℃、歪に関しては約０．００１ｎｍ／μεの変化率を有するので、歪計測においては温度変化による影響が大きく、補正などの対策が必要となる。文献２には、
▲１▼複数のセンサ（温度計）の信号から特定の物理量（歪）を計算により求める
▲２▼ガラスの線膨張係数と屈折率温度係数とを設計することにより、温度−反射波長特性を平坦にした特殊光ファイバを使用する
などの例が紹介されている。
【０００５】
また、▲３▼として、ＦＢＧに歪が加わらないように被計測物にＦＢＧを固定し、歪計測用ＦＢＧの波長変化と前記歪が加わらないＦＢＧの波長変化とを差し引き、被計測物の線膨張係数とガラスの線膨張係数との差を補正して先の波長変化から歪を計算する方法も考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
▲１▼の場合には、温度計が別計測系として必要になり、効率が悪く、また、複雑な補正計算が必要になる。
【０００７】
▲２▼の場合には、特殊な光ファイバを製造する必要があり、システムが高価になる。
【０００８】
▲３▼の場合には、ＦＢＧに歪を加えない固定方法が必要であり、また、複雑な補正計算が必要になる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、被計測物への固定が簡単で、複雑な補正計算や特殊光ファイバが不要な光ファイバグレーティング歪センサ及び歪計測方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の光ファイバグレーティング歪センサは、歪計測方向の複数箇所に被計測物への固定箇所を有する第一取付板と、この第一取付板に歪計測方向に沿わせて固定された第一光ファイバグレーティングと、線膨張係数が被計測物と同じ第二取付板と、この第二取付板の線膨張方向に沿わせて固定された第二光ファイバグレーティングとを備えたものである。
【００１１】
第一ファイバグレーティングと第二ファイバグレーティングとが直列に接続されている場合には、第一ファイバグレーティングの反射波長と、第二ファイバグレーティングの反射波長とを異ならせる必要がある。
【００１２】
第一取付板のヤング率と断面積との積は被計測物のヤング率と断面積との積よりも十分小さくてもよい。
【００１３】
また、本発明の歪計測方法は、歪計測方向の複数箇所に被計測物への固定箇所を有する第一取付板を被計測物に固定し、この第一取付板に歪計測方向に沿わせて固定された第一光ファイバグレーティングにより反射波長変化を検出し、線膨張係数が被計測物と同じ第二取付板を前記第一取付板の近傍に設置し、この第二取付板の線膨張方向に沿わせて固定された第二光ファイバグレーティングにより反射波長変化を検出し、第一光ファイバグレーティングの反射波長変化から第二光ファイバグレーティングの反射波長変化を差し引いて被計測物の歪による反射波長変化とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１５】
図１に本発明のＦＢＧ歪センサの取り付け構造を示す。また、図２に歪計測部の構造を示す。
【００１６】
図１及び図２に示されるように、第一取付板１は、歪計測方向に伸びた直線部２と長手方向の２箇所に形成されたフランジ部３とからなる。フランジ部３は、被計測物（この例では鋼材）Ｔへの固定に使用される。両フランジ部３にはそれぞれ２つの固定穴４が設けられている。各固定穴４にボルト５を挿通し、これらのボルト５を被計測物Ｔに形成したナット又は被計測物Ｔの裏側に設けたナット（図示せず）に締結させることにより、第一取付板１が被計測物Ｔに固定される。このとき、被計測物Ｔの歪計測方向への伸縮に第一取付板１の直線部２の伸縮が一致するよう堅固に固定される。ここでは、第一取付板１をアルミで構成するが、第一取付板１を取り付けたことによって被計測物Ｔの歪が緩和されないよう、第一取付板１のヤング率及び断面積を被計測物Ｔに比べて十分小さくしてある。即ち、第一取付板１のヤング率と断面積との積が被計測物Ｔのヤング率と断面積との積よりも十分小さい。
【００１７】
この第一取付板１に歪計測方向に沿わせて第一ＦＢＧ６が樹脂（接着剤）７により固定されている。ＦＢＧは光ファイバの長手方向に波長オーダの周期的な屈折率変化部を形成したものである。第一ＦＢＧ７は光ファイバ８の途中の一部に形成されており、この光ファイバ８の図示しない遠隔の一端には、光源及び反射波長を計測する波長計測器が設けられている。これにより、第一ＦＢＧ７における反射波長変化を検出することができる。第一取付板１に第一ＦＢＧ７を固定したものを歪計測部（又は歪計測用モジュール）９と呼ぶ。
【００１８】
温度計測部は、図１の歪計測部９と類似の構造であるため図２に括弧で符号を示す。第二取付板１１は、線膨張係数が被計測物Ｔと同じになるよう材料が選択されている。この例では被計測物Ｔが鋼材であるので、第二取付板１１も鋼材が使用されている。第二取付板１１は、第一取付板１の近傍に直線部２，１２同士が平行になるよう設置される。第二取付板１１は、片側のフランジ部１３がボルト５で被計測物Ｔに固定されるが、反対側のフランジ部１３は固定されない。即ち、第二取付板１１は一箇所のみで被計測物Ｔに固定され、反対端が解放されることにより、被計測物Ｔの歪が第二取付板１１に加わらないようになっている。
【００１９】
この第二取付板１１の線膨張方向に沿わせて第二ＦＢＧ１６が樹脂１７により固定されている。第二ＦＢＧ１６は、第一ＦＢＧ６と同様に光ファイバ１８の一部に形成されており、光ファイバ１８の図示しない一端には、光源及び反射波長を計測する波長計測器が設けられている。これにより、第二ＦＢＧ１６における反射波長変化を検出することができる。第二取付板１１に第二ＦＢＧ１６を固定したものを温度計測部（温度計測用モジュール）１９と呼ぶ。
【００２０】
図示しないが、波長計測器で得られた２つのＦＢＧ６，１６の反射波長変化を基に歪を演算する演算部が設けられているものとする。
【００２１】
尚、図１の例では、第一ＦＢＧ６の光ファイバ８と第二ＦＢＧの光ファイバ１８とが共通になっており、光源及び波長計測器が共通に使用できる。この場合、各ＦＢＧ６，１６の反射波長は互いに異ならせる。
【００２２】
また、図１には示さないが、各ＦＢＧに保護カバーを被せても良い。
【００２３】
次に、歪計測の原理を詳しく説明する。
【００２４】
歪計測部９は、被計測物Ｔに堅固に固定されているので、被計測物Ｔに随伴して歪計測方向に弾性的に伸縮する。その際、第一取付板１のヤング率と断面積との積が被計測物Ｔに比べて十分に小さいので、被計測物Ｔの歪が緩和されることがない。第一取付板１に固定されている第一ＦＢＧ６は、第一取付板１と同様に長手方向に歪む。これにより、第一ＦＢＧ６には反射波長変化が生じ、その反射波長変化は波長計測器で計測されるが、この反射波長変化は、被計測物Ｔの熱膨張・収縮による成分と温度による第一ＦＢＧ６の反射波長変化成分とを含んでいる。
【００２５】
一方、温度計測部１９は、歪計測部９の近傍に配置され、かつ被計測物Ｔに片端が固定されているので、歪計測部９とほぼ同じ温度環境にある。温度計測部１９は、反対端が解放されることにより、被計測物Ｔの歪が加わらない。第二取付板１１は、被計測物Ｔと同じ材料なので、被計測物Ｔと同様に熱膨張・収縮する。従って、温度計測部１９には、第二取付板１１の線膨張と第二ＦＢＧ１６の温度による反射波長変化とが生じる。これにより、第二ＦＢＧ１６には反射波長変化が生じ、その反射波長変化は波長計測器で計測される。
【００２６】
演算部にて、歪計測部９で計測した反射波長変化から温度計測部１９で計測した反射波長変化を差し引くと、被計測物Ｔの熱膨張・収縮による影響と、ＦＢＧの温度特性とを同時に補正することができる。
【００２７】
ここで、線膨張係数をα、ブラッグ波長をλB 、屈折率をｎとしたとき、温度ｔと反射波長λの変化との関係は、
【００２８】
【数１】
0003711905.tif 000002
【００２９】
で示される。線膨張係数αは、第二取付板の線膨張係数（＝被計測物の線膨張係数）にほぼ一致するため、歪計測部９の反射波長変化から温度計測部１９の反射波長変化を差し引けば、その差から被計測物Ｔの歪を求めることができる。
【００３０】
また、歪と反射波長変化との関係は、歪による反射波長変化をｄλ／ｄεとすると、
【００３１】
【数２】
0003711905.tif 000003
【００３２】
で示される。但し、Ｐe は歪屈折率変化、ｐ11、ｐ12はポッケルス係数、νはポアソン比、ｎcoreはコアの屈折率である。
【００３３】
そこで、前記反射波長変化の差から（２）式を用いて歪が計算できる。
【００３４】
本発明のＦＢＧ歪センサは、ＦＢＧを多段に直列接続して多点歪計測を行うことができる。その場合、各ＦＢＧの波長は、反射波長変化の温度係数及び歪係数とダイナミックレンジとを考慮して、隣り合う波長間の間隔を設計するとよい。温度係数は約０．０１ｎｍ／℃、歪係数は約０．００１ｎｍ／μεである。
【００３５】
図３に、他の実施形態によるＦＢＧ歪センサを示す。
【００３６】
このＦＢＧ歪センサは、直線部３２とフランジ部３３とからなる取付板３１が図１の第一取付板１と同様に被計測物Ｔの歪に擾乱を与えない材料で構成され、この取付板３１に別の直線部４２の一端が接合されている。接合されている直線部４２は線膨張係数が被計測物Ｔと同じ材料で構成される。それぞれの直線部３２，４２に第一ＦＢＧ６、第二ＦＢＧ１６を固定することにより、歪計測部と温度計測部とが一体的に構成されている。この構成においても、第一ＦＢＧ６には被計測物Ｔの歪が伝わり、第二ＦＢＧ１６には被計測物Ｔの歪が伝わらずに温度要因のみが検出できるので、歪計測部と温度計測部と反射波長変化の差から歪が計算できる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３８】
（１）温度計測部１９の第二取付板１１の線膨張係数を被計測物Ｔと一致させ、さらに、温度計測部１９の一端を解放して歪が加わらないようにしたので、温度要因による反射波長変化を取り出すことができ、歪計測部９で計測した反射波長変化から温度計測部１９で計測した反射波長変化を差し引くことにより、被計測物Ｔの熱膨張・収縮による影響と、ＦＢＧの温度特性とを同時に補正することができる。
【００３９】
（２）第一取付板１のヤング率と断面積との積を被計測物Ｔのヤング率と断面積との積よりも十分小さくしたので、被計測物Ｔの歪を緩和することなく、正確に歪が計測できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すＦＢＧ歪センサの取り付け構造図である。
【図２】本発明に用いる歪計測部の構造図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示すＦＢＧ歪センサの構造図である。
【符号の説明】
１  第一取付板
２、１２  直線部
３、１３  フランジ部
４  固定穴
６  第一ＦＢＧ
７、１７  樹脂（接着剤）
８、１８  光ファイバ
９  歪計測部（歪計測用モジュール）
１１  第二取付板
１６  第二ＦＢＧ
１９  温度計測部（温度計測用モジュール）
【図１】
0003711905.tif 000004
【図２】
0003711905.tif 000005
【図３】
0003711905.tif 000006