(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング状の光路を伝搬するレーザ光を生成するリングレーザ共振器と、
前記リング状の光路を伝搬するレーザ光が入射するように前記リングレーザ共振器に設けられ、透過光の波長方向における透過率分布特性が被検物体の振動に応じて変化するファイバ・ブラッグ・グレーティングと、
前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングの透過光から不要な周波数帯域における成分を除去する光フィルタと、
前記不要な周波数帯域における成分が除去された前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングの透過光に基づいて前記振動を検出する検出系と、
を備える振動検出装置。
【請求項２】
前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングを位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングで構成した請求項１記載の振動検出装置。
【請求項３】
前記検出系は、前記リングレーザ共振器において生じる複数の縦モードのうち、前記位相シフト・ファイバ・ブラッグ・グレーティングを透過する最大の強度を有する縦モードの強度の変化に基づいて前記振動を検出するように構成される請求項２記載の振動検出装置。
【請求項４】
前記検出系は、前記透過率分布特性が前記振動以外の環境因子によって前記波長方向に閾値を超えるシフト量でシフトした場合には、前記シフト量に対応する別の縦モードの強度の変化に基づいて前記振動を検出するように構成される請求項３記載の振動検出装置。
【請求項５】
前記光フィルタを、光サーキュレータを介して前記リングレーザ共振器に接続した請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動検出装置。
【請求項６】
前記光フィルタをアポダイズド・ファイバ・ブラッグ・グレーティングで構成した請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動検出装置。
【請求項７】
前記リングレーザ共振器に設けられ、前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングの透過光を増幅して再び前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングに入射させる光増幅器を更に備え、
前記検出系は、前記光増幅器により１回以上増幅することによって所定の強度となった前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングの透過光に基づいて前記振動を検出するように構成される請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動検出装置。
【請求項８】
前記被検物体に超音波による振動を付加する超音波送信系を更に備え、
前記検出系は、前記超音波による前記被検物体の振動を検出するように構成される請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動検出装置。
【請求項９】
前記検出系は、前記被検物体において生じるアコースティック・エミッションによる振動を検出するように構成される請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動検出装置。
【請求項１０】
前記検出系は、検出された前記振動に基づいて前記被検物体の欠陥を検出するように構成される請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動検出装置。
【請求項１１】
リング状の光路を伝搬するレーザ光を生成するステップと、
透過光の波長方向における透過率分布特性が被検物体の振動に応じて変化するファイバ・ブラッグ・グレーティングに前記リング状の光路を伝搬するレーザ光を入射させるステップと、
前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングの透過光から不要な周波数帯域における成分を除去するステップと、
前記不要な周波数帯域における成分が除去された前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングの透過光に基づいて前記振動を検出するステップと、
を有する振動検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、振動検出装置及び振動検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ファイバ・ブラッグ・グレーティング(FBG: Fiber Bragg Grating)やアレイ導波路格子(AWG: Arrayed Waveguide Grating)を用いて超音波振動等の振動を検出する技術が知られている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１９６７４４号公報
【特許文献２】特開２００７−２３２３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、より良好なSNR (Signal to Noise Ratio)で超音波やアコースティック・エミッション(AE: Acoustic Emission)等による振動を検出することが可能な振動検出装置及び振動検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態に係る振動検出装置は、リングレーザ共振器、ファイバ・ブラッグ・グレーティング、光フィルタ及び検出系を備える。リングレーザ共振器は、リング状の光路を伝搬するレーザ光を生成する。ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、前記リング状の光路を伝搬するレーザ光が入射するように前記リングレーザ共振器に設けられ、透過光の波長方向における透過率分布特性が被検物体の振動に応じて変化する。光フィルタは、前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングの透過光から不要な周波数帯域における成分を除去する。検出系は、前記不要な周波数帯域における成分が除去された前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングの透過光に基づいて前記振動を検出する。
また、本発明の実施形態に係る振動検出方法は、リング状の光路を伝搬するレーザ光を生成するステップと、透過光の波長方向における透過率分布特性が被検物体の振動に応じて変化するファイバ・ブラッグ・グレーティングに前記リング状の光路を伝搬するレーザ光を入射させるステップと、前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングの透過光から不要な周波数帯域における成分を除去するステップと、前記不要な周波数帯域における成分が除去された前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングの透過光に基づいて前記振動を検出するステップとを有する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の実施形態に係る振動検出装置及び振動検出方法によれば、より良好なSNRで超音波やAE等による振動を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態に係る振動検出装置の構成図。
【図２】図１に示すFBGとして用いられるPS-FBGの透過光の波長スペクトル及び光フィルタとして用いられるAFBGの反射光の波長スペクトルの一例を示す図。
【図３】図２に示すような透過スペクトルを有するPS-FBGによって抽出される主縦モードLmのシミュレーション結果を示す図。
【図４】PS-FBGにおけるレーザ光の測定レンジの自己調整機能を説明する図。
【図５】PS-FBGにおいて測定レンジの自己調整が生じた例を示す図。
【図６】図１に示す振動検出装置により検出された超音波振動を、他の検出装置による検出結果と比較して示す図。
【図７】図１に示す振動検出装置により検出された異なる周波数を有する検出信号のエネルギを、PZTセンサを用いた場合の結果と比較して示す図。
【図８】図１に示す振動検出装置により検出された異なる周波数を有する検出信号のSNRを、PZTセンサを用いた場合の結果と比較して示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態に係る振動検出装置及び振動検出方法について添付図面を参照して説明する。
【０００９】
（構成および機能）
図１は本発明の実施形態に係る振動検出装置の構成図である。
【００１０】
振動検出装置１は、アルミニウム等の金属や炭素繊維強化プラスチック(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics)等の複合材で構成される被検物体Ｏにおいて生じた振動を検出するシステムである。そのために、振動検出装置１は、光学系２及び検出系３を有する。
【００１１】
光学系２は、リング状の光ファイバ４に、光ファイバ増幅器５、FBG６、光サーキュレータ７、光カプラ(OC: optical coupler)８及び第１の偏光制御器(PC: polarization controller)９を接続して構成することができる。また、光サーキュレータ７によりリング状の光ファイバ４から分岐する光ファイバの端部には、反射型の光フィルタ１０が接続される。換言すれば、好適には、光フィルタ１０が、光サーキュレータ７を介してリング状の光ファイバ４に接続される。光サーキュレータ７と光フィルタ１０との間にも必要に応じて第２のPC１１が接続される。但し、光サーキュレータ７、第２のPC１１及び光フィルタ１０を省略してもよい。
【００１２】
リング状の光ファイバ４には、例えば、光を単一のモードで伝送するシングルモード・光ファイバを用いることができる。リング状の光ファイバ４はリング状のレーザ光を生成するリングレーザ共振器として機能する。
【００１３】
リング共振器としてのリング状の光ファイバ４にレーザ光を入射させると、レーザ光の共振現象によってリング共振器の共振周波数に応じた複数の縦モードが不連続に生じる。尚、縦モードは、光軸方向（光伝播方向）における電磁界のモードであり、半値幅が極めて小さい波長方向における線状の複数のスペクトルに相当する。特に、リングレーザ共振器では、多数の縦モードが生じる。
【００１４】
光ファイバ増幅器５の具体例としては、図示されるようにエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA: erbium doped fiber amplifier)が代表的である。EDFAは、光ファイバのコア部にエルビウム・イオンを添加した光ファイバ増幅器５である。
【００１５】
FBG６は、リング状のレーザ光が入射するようにリングレーザ共振器としてのリング状の光ファイバ４上に設けられる。FBG６は、図示されるように位相シフトFBG (PS-FBG: Phase-shifted FBG)で構成することが最適である。PS-FBGは、屈折率の周期的な変動に局所的な位相シフトを導入したFBGである。実用的な例として、屈折率の周期的な変動の位相を互いに１８０度シフトさせた２つのFBGを接続することによってPS-FBGを作製することができる。
【００１６】
PS-FBGの透過光の波長方向におけるスペクトルは、帯域幅が極めて狭く鋭い波形を有するスペクトルとなる。従って、FBG６としてPS-FBGを用いると、リング状の光ファイバ４を伝播するレーザ光の共振によって生じる複数の縦モードから特定の縦モードのみを選択的に透過させることが可能となる。つまり、PS-FBGは、複数の縦モードから特定の縦モードを抽出するための光学フィルタ素子として機能する。
【００１７】
FBG６は、被検物体Ｏの振動とともに振動するように被検物体Ｏに取り付けられる。例えば、高音響インピーダンスを有する超音波カプラントを用いてFBG６を被検物体Ｏに密着させることができる。従って、被検物体Ｏが、超音波やAEによって振動すると、振動がFBG６に伝播する。
【００１８】
被検物体Ｏに振動が付与されて歪による変位が生じると、振動が伝播するFBG６が被検物体Ｏとともに伸縮する。一方、FBG６が伸縮すると、FBG６のブラッグ(Bragg)波長がシフトする。この結果、FBG６の透過光の波長スペクトルは、FBG６の伸縮量に応じて波長方向に変化する。つまり、FBG６の透過光の波長スペクトルは、被検物体Ｏの振動の振幅に応じたシフト量で波長方向に変化する。換言すれば、FBG６の透過光の波長方向における透過率分布特性が、被検物体Ｏの振動に応じて変化する。
【００１９】
従って、FBG６を透過する縦モードの強度が、被検物体Ｏの振動の強度に応じた量だけ変化することになる。このため、FBG６を透過した縦モードの強度の時間変化を観測することによって、被検物体Ｏの振動を検出することができる。このように、好適にはPS-FBGで構成されるFBG６は、レーザ光の共振によって生じる複数の縦モードから特定の縦モードを選択する光学フィルタ素子としての機能に加え、被検物体Ｏの振動を検出するための光学センサとしての機能を有している。このため、超音波振動を被検物体Ｏに付与する場合であれば、FBG６を超音波受信センサとして用いることができる。
【００２０】
FBG６への入射光は、光ファイバ増幅器５によって生成される。また、FBG６から出射するFBG６の透過光は、リング状の光ファイバ４を伝播して光ファイバ増幅器５により増幅される。そして、光ファイバ増幅器５により増幅されたFBG６の透過光は、再びリング状の光ファイバ４を伝播してFBG６に入射する。このように、光ファイバ増幅器５は、FBG６に光を入射することによって生じる、被検物体Ｏの振動に応じた波長スペクトルを有するFBG６の透過光を増幅して再びFBG６に入射させる役割を担っている。
【００２１】
光サーキュレータ７は、リング状の光ファイバ４から入射するレーザ光を光フィルタ１０に向けて出射し、光フィルタ１０において反射したレーザ光を再びリング状の光ファイバ４に出射する光学素子である。
【００２２】
OC８は、リング状の光ファイバ４からレーザ光の一部を分岐させる光学素子である。OC８において分岐したレーザ光は、検出光として検出系３に出力される。
【００２３】
第１のPC９及び第２のPC１１は、それぞれレーザ光の偏光状態を制御するための光学素子である。具体的には、第１のPC９及び第２のPC１１によってレーザ光の指向性が良好となるように、偏光状態が制御される。
【００２４】
光フィルタ１０は、FBG６の透過光から不要な波長帯域における成分を除去するための光学素子である。光フィルタ１０は、図示されるように反射型のアポダイズド・FBG(AFBG: apodized FBG)で構成することができる。AFBGは、透過光又は反射光の波長スペクトルに出現するサイドローブ(side lobe)を抑制したFBGである。
【００２５】
光フィルタ１０としてAFBGを用いるとノイズが少ない光信号を得ることができる。このため、リング状の光ファイバ４に光フィルタ１０としてAFBGを接続すれば、FBG６の透過光におけるノイズを抑制することができる。そして、ノイズが抑制されたFBG６の透過光を次のFBG６への入射光として用いることが可能となる。
【００２６】
図２は、図１に示すFBG６として用いられるPS-FBGの透過光の波長スペクトル及び光フィルタ１０として用いられるAFBGの反射光の波長スペクトルの一例を示す図である。
【００２７】
図２において横軸は光の波長を示し、縦軸は光の強度を示す。また図２中の破線は、PS-FBGの透過スペクトルを示し、実線はAFBGの反射スペクトルを示す。図２に示すように、PS-FBGの透過スペクトルには極めて狭い帯域を有するピークが存在する。一方、PS-FBGよりも広帯域の反射スペクトルを有するAFBGのブラッグ波長をPS-FBGのブラッグ波長と同等にすると、図２に示すようにAFBGの反射スペクトルのピークがPS-FBGの透過スペクトルのピークをカバーするようになる。
【００２８】
従って、PS-FBGの透過スペクトルの中心波長に対応する波長帯域におけるPS-FBGの透過光は、AFBGにおいて反射される。逆に、PS-FBGを透過する不要な長い波長成分及び短い波長成分は、AFBGの反射スペクトルの波長帯域の外部となる。このため、AFBGによってPS-FBGの透過光から不要な波長成分を除去することができる。つまり、PS-FBGを透過し、かつAFBGで反射するレーザ光は、PS-FBGの透過スペクトルのピークの波長帯域における波長を有するレーザ光となる。このように、PS-FBGとAFBGとを組合わせることによって、特定の波長を有するレーザ光を検出するための、帯域幅が極めて狭い光学フィルタを形成することができる。
【００２９】
一方、光路長が長いリング状の光ファイバ４を伝播するレーザ光の共振によって図２の一点鎖線で示すような複数の縦モード(L-mode)が波長方向に生じる。複数の縦モードはPS-FBGに入射するが、PS-FBGを透過する縦モードは、PS-FBGの透過スペクトルのピークの波長帯域における波長を有する縦モードとなる。従って、PS-FBGの透過特性を適切に調節することによって、特定の振幅又は波長を有する主縦モードLmを選択的に透過させることが可能となる。
【００３０】
図３は、図２に示すような透過スペクトルを有するPS-FBGによって抽出される主縦モードLmのシミュレーション結果を示す図である。
【００３１】
図３において横軸は光の波長を示し、縦軸は光の相対強度を示す。図３に示すうように、波長が異なる多数の縦モードがリングレーザ共振器によって生成される。これに対して、鋭い透過スペクトルを有するPS-FBGによって特定の波長を有する主縦モードLmを選択的に透過させることができる。
【００３２】
ところで、PS-FBGのブラッグ波長は、温度変化や準静的歪の変化等の環境因子によって変化する。このため、温度等の劇的な変化によってPS-FBGのブラッグ波長が大きくシフトすると、PS-FBGによって選択される主縦モードLmの波長が、PS-FBGの透過スペクトルの帯域外となる可能性がある。換言すれば、主縦モードLmの波長が、測定レンジ外となる恐れがある。しかしながら、リング状の光ファイバ４では、図２に示すように複数の縦モードが生じる。このため、PS-FBGによるレーザ光の波長方向における測定レンジの自己調整を行うことができる。
【００３３】
図４はPS-FBGにおけるレーザ光の測定レンジの自己調整機能を説明する図である。
【００３４】
図４において横軸は波長を示し、縦軸方向は相対強度を示す。図４の実線はPS-FBGの透過スペクトル及び透過スペクトルに対応してPS-FBGを透過する主縦モードLmを示す。また、破線は光損失を示す。
【００３５】
PS-FBGに振動が付加されると、PS-FBGの透過スペクトルが波長方向に僅かにシフトする。これに対して、温度等の環境因子に大きな変化があると、PS-FBGの透過スペクトルが波長方向に大きくシフトする。この結果、PS-FBGの透過スペクトルは、点線で示すようなスペクトルとなる。
【００３６】
そうすると、PS-FBGを透過する主縦モードは、環境因子の変化によってシフトする前にPS-FBGを透過していた主縦モードLmに隣接する縦モードLm'となる。すなわち、PS-FBGを透過する主縦モードが異なる波長のレーザ光となる。これは、PS-FBGが設置される場所における温度等の環境が変化しても、PS-FBGを透過する主縦モードの波長が自己調節され、常にPS-FBGをリングレーザが透過することを意味している。
【００３７】
このように、異なる波長を有する複数の縦モードから特定の波長を有する主縦モードをPS-FBGを用いて選択する方式によって検出光を生成すると、温度等の環境変化に追従することが可能なセンサを形成することができる。
【００３８】
図５はPS-FBGにおいて測定レンジの自己調整が生じた例を示す図である。
【００３９】
図５(A)及び(B)において各横軸は時間を示し、各縦軸はPS-FBGを透過する主縦モードの強度に対応する直流電気信号の相対電圧を示す。また、図５(C)において、横軸は図５に示す電気信号の周波数を示し、縦軸は図５に示す電気信号の相対強度を示す。
【００４０】
図５(A)は、温度を時間的に変化させた場合におけるPS-FBGの透過光に対応する電気信号の電圧変化を示している。図５(A)に示すように、温度変化に伴ってPS-FBGを透過する主縦モードの強度が安定的かつ略線形に徐々に低下する。これは、温度変化に伴ってPS-FBGの透過スペクトルが波長方向に徐々にシフトし、光損失が大きくなるためであると考えられる。
【００４１】
ところが、温度の変化量が閾値を超えると、PS-FBGを透過する主縦モードの強度が急激に変化する。これは、FBGの透過スペクトルが温度変化によって波長方向に大きくシフトし、強度の測定対象となる主縦モードが隣接する縦モードに遷移したためである。
【００４２】
図５(B)は、図５(A)に示す電気信号の不連続部分における拡大図である。図５(A)及び(B)に示すように、PS-FBGを透過する縦モードの波長の自己調整によって、大きな温度変化が生じても、安定的な主縦モードの振幅測定が可能である。つまり、PS-FBGの狭いダイナミックレンジを調整するためのフィードバック制御を行うことなく、安定的に主縦モードの振幅測定を行うことができる。
【００４３】
尚、図５(C)は、図５(A)に示す電気信号の安定状態における部分の高速フーリエ変換 (FFT: fast Fourier transform)の結果を示している。図５(C)によれば、レーザ光の緩和振動(relaxation oscillation)に起因して、低周波領域にピークが出現している。
【００４４】
以上のようにPS-FBGを透過し、かつAFBGで反射した主縦モードLmを光ファイバ増幅器５及びリングレーザの共振によって増幅させることができる。増幅した主縦モードLmは、再びPS-FBGに入射する。このため、主縦モードLmの増幅を複数回繰返すことによって主縦モードLmの振幅を所定の振幅まで増幅することができる。
【００４５】
検出系３は、光ファイバ増幅器５により１回以上増幅することによって所定の強度となったFBG６の透過光に基づいて被検物体Ｏの振動を検出するシステムである。従って、検出系３は、OC８によってリング状の光ファイバ４から分岐する光ファイバの出力側に接続される。
【００４６】
被検物体Ｏの振動の検出には、上述した例のように、PS-FBGによって抽出された主縦モードLmの振幅を参照することが感度及び精度の向上等の観点から好適である。すなわち、リング状の光ファイバ４において生じる複数の縦モードのうち、PS-FBGを透過する最大の強度を有する縦モードLmの強度の変化に基づいて被検物体Ｏの振動を検出することができる。尚、PS-FBGの透過率分布特性が被検物体Ｏの振動以外の温度等の環境因子によって波長方向に閾値を超えるシフト量でシフトした場合には、シフト量に対応する別の縦モードの強度の変化に基づいて被検物体Ｏの振動が検出されることになる。
【００４７】
この場合、被検物体Ｏの振動によるPS-FBGの透過スペクトルの波長方向における微小なシフトによって主縦モードLmの振幅が変化する。従って、主縦モードLmの振幅の時間変化が被検物体Ｏの振動波形に対応することになる。このため、主縦モードLmの振幅の時間変化として被検物体Ｏの振動を検出することができる。更に、被検物体Ｏの振動の振幅と主縦モードLmの振幅との関係を表すテーブル又は関数を予め準備し、主縦モードLmの振幅の時間変化を被検物体Ｏの振動波形に変換するようにしてもよい。
【００４８】
一例として、検出系３は、例えば、光スペクトラムアナライザ(OSA: optical spectrum analyzer)１２、光検出器(PD: Photo Detector)１３、電気スペクトラムアナライザ(ESA: electrical spectrum analyzer)１４、オシロスコープ１５及び欠陥検出部１６を用いて構成することができる。具体的には、OC８から検出系３に出力される検出光が、OSA１２及びPD１３の一方又は双方に入力するように光伝送路を構成することができる。PD１３において検出された検出光は、検出光の振幅波形に対応する振幅波形を有する電気信号に変換されてESA１４、オシロスコープ１５及び欠陥検出部１６にそれぞれ出力される。
【００４９】
OSA１２では光学式に検出光の波長スペクトルを観察することができる。すなわち、OSA１２の画面には、横軸を波長とし、縦軸を検出光の強度とする２次元のグラフが表示される。一方、ESA１４では、検出光に対応する電気信号の波長スペクトルを観察することができる。すなわち、ESA１４の画面には、横軸を波長とし、縦軸を検出光に対応する電気信号の強度とする２次元のグラフが表示される。
【００５０】
また、オシロスコープ１５では、検出光に対応する電気信号の強度の時間変化を観察することができる。すなわち、オシロスコープ１５の画面には、横軸を時間とし、縦軸を検出光に対応する電気信号の強度とする２次元のグラフが表示される。そして、主縦モードLm等のFBG６の透過光の振幅の時間変化を観察することができる。
【００５１】
主縦モードLm等のFBG６の透過光の振幅の時間変化は、上述のように、被検物体Ｏに振動があったことを表している。このため、オシロスコープ１５において、超音波ラム波等の超音波による被検物体Ｏの振動や被検物体Ｏにおいて生じるAEによる振動を検出することができる。
【００５２】
欠陥検出部１６では、被検物体Ｏにおける欠陥を検出することができる。被検物体Ｏの欠陥は、オシロスコープ１５において検出された振動又は検出光の振幅波形に基づいて検出することができる。
【００５３】
例えば、欠陥の無い被検物体Ｏに超音波振動を付与した場合における検出光の波形パターンを予め記憶しておくことができる。そして、観測された検出光の波形パターンと、記憶した検出光の波形パターンとの間における最小２乗誤差や相互相関関数値等の乖離量を表す指標が一定の閾値を超えた場合に被検物体Ｏに欠陥が存在すると判定することができる。或いは、AEによる振動が検出された場合には、被検物体Ｏに欠陥が存在すると判定することもできる。
【００５４】
以上のような構成要素の他、振動検出装置１には、超音波送信系１７及び超音波受信系１８を更に構成要素として設けることができる。超音波送信系１７は、被検物体Ｏに超音波による振動を付加するためのシステムである。一方、超音波受信系１８は、被検物体Ｏを伝播する超音波振動を受信するためのシステムである。超音波送信系１７及び超音波受信系１８は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT: lead zirconate titanate)等の圧電素子を用いて構成することができる。
【００５５】
超音波送信系１７を振動検出装置１に設ければ、超音波振動を被検物体Ｏに付与して欠陥の有無を検査する超音波探傷検査装置として振動検出装置１を用いることができる。更に、超音波受信系１８を振動検出装置１に設ければ、超音波受信系１８で受信された超音波波形と、検出系３において光学的に検出光の振幅波形として検出された超音波波形との比較によって光学系２及び検出系３の校正（キャリブレーション）を行うことが可能となる。
【００５６】
（動作および作用）
次に振動検出装置１の動作および及び作用について説明する。
【００５７】
振動検出装置１を用いて被検物体Ｏの非破壊探傷検査を行う場合には、超音波送信系１７から被検物体Ｏに超音波振動が負荷される。このため、被検物体Ｏからリング状の光ファイバ４に設けられたPS-FBG等のFBG６に超音波振動が伝播する。そうすると、FBG６の透過光の波長方向における透過率分布特性が被検物体Ｏの振動波形に応じて変化する。AEによって生じる振動が被検物体Ｏに伝播した場合も同様である。
【００５８】
一方、光ファイバ増幅器５がFBG６にレーザ光を入射する。これにより、FBG６に光を入射することによって生じる、被検物体Ｏの振動波形に応じた波長スペクトルを有するFBG６の透過光がFBG６から放出される。FBG６から出射された透過光は、光サーキュレータ７を介してAFBG等で構成される光フィルタ１０に入射する。この結果、FBG６の透過光からノイズ成分が除去された光フィルタ１０の反射光が光サーキュレータ７を介してリング状の光ファイバ４に入射する。
【００５９】
このため、ノイズ成分が除去されたFBG６の透過光は、光ファイバ増幅器５に入射して増幅される。光ファイバ増幅器５において増幅されたFBG６の透過光は、再びFBG６に入射する。そして、同様なFBG６の透過光からのノイズ成分の除去及びノイズ成分が除去されたFBG６の透過光の増幅が適切な回数だけ繰返される。具体的には、FBG６の透過光が十分な強度となるまでFBG６の透過光の増幅が繰返される。
【００６０】
そして、１回以上増幅することによって所定の強度となったFBG６の透過光が検出系３に出力される。そうすると、検出系３のオシロスコープ１５では、FBG６の透過光に基づいて被検物体Ｏの振動が検出される。特に、FBG６としてPS-FBGを用いた場合には、PS-FBGの透過光として主縦モードを抽出することができる。このため、PS-FBGの透過スペクトルのシフトに伴う主縦モードの振幅の時間変化として被検物体Ｏの振動を検出することができる。尚、OSA１２及びESA１４では、FBG６の透過スペクトルを観測することができる。
【００６１】
更に、欠陥検出部１６では、オシロスコープ１５において検出された振動又はFBG６の透過光の振幅の波形パターンに基づいて被検物体Ｏにおける欠陥の有無が判定される。例えば、被検物体Ｏに付加された超音波振動と、オシロスコープ１５で検出された超音波振動の相違に基づいて欠陥を検出することができる。また、超音波振動が被検物体Ｏに付加されない場合に、オシロスコープ１５で振動が検出された場合には、欠陥が存在すると判定することができる。このようにして被検物体Ｏの探傷検査を行うことができる。
【００６２】
つまり以上のような振動検出装置１は、リングレーザ共振器内に光学センサとしてのPS-FBG等のFBG６と、AFBG等の光フィルタ１０とを組み込み、リングレーザによって形成されるFBG６の透過光の主縦モードの振幅を観測することによって被検物体Ｏの振動を計測するようにしたものである。
【００６３】
（効果）
このため、振動検出装置１によれば、良好なSNRで高感度に被検物体Ｏの振動を検出することができる。その結果、平均化（アベレージング）が不要となり、計測時間及び計測回数を従来よりも低減させることができる。更に、良好な精度で被検物体Ｏの振動を検出することができる。これらの効果は、FBG６としてPS-FBGを用いた場合及びAFBG等の光フィルタ１０を振動検出装置１に設けた場合に特に顕著である。
【００６４】
このため、航空機等の材料として用いられる複合材の内部において欠陥が発生する際に生じるAEによる振動のように、エネルギレベルの小さい振動であっても検出することが可能となる。
【００６５】
図６は、図１に示す振動検出装置１により検出された超音波振動を、他の検出装置による検出結果と比較して示す図である。
【００６６】
図６(A), (B), (C), (D)において各横軸は時間を示し、縦軸は電気信号の電圧を示す。図６(A)は、被検物体に超音波振動を付加するために交流の電気信号として超音波振動子に印加された入力信号の電圧波形を示す。図６(A)に示すように５周期の正弦波信号を超音波信号に変換して被検物体に送信した。
【００６７】
図６(B)は、PZTをセンサとする超音波振動の検出システムによる超音波振動の検出信号の電圧波形を示す。また、図６(C)は、ファイバ・リングレーザ(FRL: fiber ring laser)上に配置されていないPS-FBGをセンサとする別の超音波振動の検出システムを用いて１２８回取得した検出信号のアベレージングを行って得られた超音波振動の検出信号の電圧波形を示す。尚、図６(C)中の点線は、アベレージングを行わない場合における超音波振動の検出信号の電圧波形を示している。
【００６８】
一方、図６(D)は、PS-FBGをFRL上に配置した振動検出装置１によってアベレージングを行わずに取得された超音波振動の検出信号の電圧波形を示す。
【００６９】
図６に依れば、PZTをセンサとする超音波振動の検出システム、PS-FBGをセンサとする超音波振動の検出システム及びPS-FBGをFRL上に配置した振動検出装置１のいずれを用いた場合においても、概ね同一の到達時刻に超音波振動が検出されていることが確認できる。
【００７０】
また、振動検出装置１による超音波振動の検出信号の振幅は、PS-FBG又はPZTをセンサとする超音波振動の検出システムによる超音波振動の検出信号の振幅よりも大きいことが確認できる。これは、振動検出装置１の感度がPS-FBG又はPZTをセンサとするシステムの感度よりも高いことを示している。つまり、透過スペクトルに鋭いピークが存在するPS-FBGで主縦モードを選択して振幅を測定する透過光の検出方式によって、振動の検出感度を向上できることが確認できる。
【００７１】
図７は、図１に示す振動検出装置１により検出された異なる周波数を有する検出信号のエネルギを、PZTセンサを用いた場合の結果と比較して示す図である。
【００７２】
図７において横軸は検出信号の周波数を示し、縦軸は検出信号のエネルギを示す。また、図７中の黒の丸印は振動検出装置１の検出信号のエネルギを、黒の四角印はPZTセンサを用いたシステムの検出信号のエネルギを、白の丸印は振動検出装置１の検出信号に重畳するノイズのエネルギを、白の四角印はPZTセンサを用いたシステムの検出信号に重畳するノイズのエネルギを、それぞれ示す。
【００７３】
図７に示すように、PS-FBGをFRL上に配置した振動検出装置１を用いて超音波振動を検出信号として検出する場合、ノイズ成分のエネルギがPZTセンサを用いたシステムを用いる場合に比べて大きいものの、検出信号については、振動検出装置１を用いた方がエネルギが大きくなることが確認できる。しかも、いずれの周波数においても超音波振動の検出信号のエネルギがPZTセンサを用いたシステムを用いた場合に比べて大きくなっている。
【００７４】
特に、PZTセンサを用いたシステムを用いる場合には、特定の周波数において検出信号のエネルギが低下しているが、PS-FBGをFRL上に配置した振動検出装置１を用いる場合には、いずれの周波数においても検出信号のエネルギの低下は見られない。
【００７５】
図８は、図１に示す振動検出装置１により検出された異なる周波数を有する検出信号のSNRを、PZTセンサを用いた場合の結果と比較して示す図である。
【００７６】
図８において横軸は検出信号の周波数を示し、縦軸は検出信号のSNRを示す。また、図８中の白丸印は振動検出装置１の検出信号のSNRを、白の四角印はPZTセンサを用いたシステムの検出信号のSNRを、２つの実線は各SNRのプロットデータのスムージングによって得られた曲線を、それぞれ示す。
【００７７】
図８に示すように、検出信号のSNRについても検出信号のエネルギと同様な傾向があることを確認することができる。すなわち、振動検出装置１を用いた場合には、いずれの周波数においても超音波振動の検出信号のSNRがPZTセンサを用いたシステムを用いた場合に比べて大きくなっている。しかも、振動検出装置１を用いた場合には、SNRの周波数変化がPZTセンサを用いたシステムを用いた場合に比べてより滑らかである。
【００７８】
図７及び図８に示す結果から振動検出装置１における振動の周波数応答特性が、PZTセンサを用いたシステムに比べて良好であることが確認できる。
【００７９】
以上のような効果に加え、振動検出装置１ではチューナブルレーザ等の高価な機器が不要である。従って、安価な構成で被検物体Ｏの振動を検出することができる。
【００８０】
更に、FBG６としてPS-FBGを用いて複数の縦モードから特定の縦モードを選択する構成とすれば、温度変化等の環境変化による影響を低減させることができる。すなわち、環境の影響に対してロバストとなる。具体的には、透過光のレーザモードを適切な波長を有するレーザモードに自己調整することができる。
【００８１】
その結果、透過スペクトルに鋭いピークを有するPS-FBGを用いた高感度な振動の測定と、測定レンジの広帯域化を両立させることができる。このため、温度等の環境変化に対応するための調整が容易となる。
【００８２】
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。
【符号の説明】
【００８３】
１  振動検出装置
２  光学系
３  検出系
４  リング状の光ファイバ
５  光ファイバ増幅器
６  FBG
７  光サーキュレータ
８  光カプラ(OC: optical coupler)
９  第１の偏光制御器(PC: polarization controller)
１０  光フィルタ
１１  第２の偏光制御器(PC: polarization controller)
１２  光スペクトラムアナライザ(OSA: optical spectrum analyzer)
１３  光検出器(PD: Photo Detector)
１４  電気スペクトラムアナライザ(ESA: electrical spectrum analyzer)
１５  オシロスコープ
１６  欠陥検出部
１７  超音波送信系
１８  超音波受信系
Ｏ  被検物体
【図１】
0005855693.tif 000002
【図２】
0005855693.tif 000003
【図３】
0005855693.tif 000004
【図４】
0005855693.tif 000005
【図５】
0005855693.tif 000006
【図６】
0005855693.tif 000007
【図７】
0005855693.tif 000008
【図８】
0005855693.tif 000009