(57)【要約】【課題】従来のシステムより計測点数が多く、リアルタイムな計測ができる光ファイバセンシングシステムを提供する【解決手段】光源と、受光部と、歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサとを備えた光ファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバの両端にそれぞれ異なる波長帯域の光を透過または反射する光学フィルタを備え、これら光学フィルタの透過光または反射光の光量の差分を光ファイバに掛かる歪み量として計測する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、受光部と、歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサとを備えた光ファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンサの両端にそれぞれ異なる波長帯域の光を透過または反射する光学フィルタを備え、これら光学フィルタの透過光または反射光の光量の差分を前記光ファイバセンサに掛かる歪み量として前記受光部で計測することを特徴とする光ファイバセンシングシステム。
【請求項２】
一本の光ファイバ上に、歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する部分を複数備え、それぞれの両端に備える前記光学フィルタが全て異なる波長帯域の光を透過または反射するものであることを特徴とする請求項１記載の光ファイバセンシングシステム。
【請求項３】
前記光源が広帯域光源であり、前記受光器が複数の波長帯の光量を検出できることを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバセンシングシステム。
【請求項４】
前記光源が波長可変光源であり、前記受光器が前記波長可変光源の捜引速度に同期することで波長帯を決定することを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバセンシングシステム。
【請求項５】
前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの一方端に前記光源を、他方端に前記受光器をそれぞれ配置し、前記光学フィルタの透過光を計測することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。
【請求項６】
前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの一方端に前記光源と前記受光器を配置し、他方端が終端され、前記光源からの出力光と前記受光器への戻り光を分岐する分岐器を備え、前記光学フィルタの反射光を計測することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。
【請求項７】
前記光学フィルタがファイバブラッググレーティングであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。
【請求項８】
前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの被覆がカーボンコートされていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。
【請求項９】
前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの曲げ損失特性が曲げ直径２０ｍｍ以上でも発生することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。
【請求項１０】
前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサのコアとクラッドの屈折率差が０．５％以内であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。
【請求項１１】
前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバがフォトニック結晶ファイバあるいはホーリーファイバであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いて歪計測を行う光ファイバセンシングシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高度成長期に急激に建設された構造物の劣化が進み、構造物の健全度を評価する方法について、政府を中心に研究が活発に行われている。従来、構造物の歪を計測する方法として、抵抗線ひずみゲージを用いた電気的な方法が主流であったが、信頼性、落雷、電磁ノイズ等の問題があり、これら問題のない光ファイバによる計測（センシング）が注目されている。
【０００３】
光ファイバセンシングシステムには光ファイバの屈曲により透過光量が減衰することを利用したマイクロベンディング法や、光ファイバの伸びによりブリルアン散乱光周波数が変位することを利用したＢｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｅｒ（以下ＢＯＴＤＲ）法や、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（以下ＦＢＧ）の伸びにより反射波長、または透過波長が変位することを利用したＦＢＧ法などがある。
【０００４】
非特許文献１ではマイクロベンディング法を用いた歪みセンシングシステムが提案されている。図６はマイクロベンディング法のセンサ部を示す図である。
【０００５】
図の一方端から入射された光は光ファイバセンサ１０６を透過し、他方端の受光部にて透過損失を測定する。光ファイバセンサ１０６は光ファイバの半径が縮小する方向で歪みを受けた場合、透過損失は増大する。逆に半径が増大する方向の歪みを受けた場合、透過損失は減少する。一般的に歪み量に対し、透過損失は指数関数の関係にあるが、１０×ｌｏｇ（入射光量／１０）−１０×ｌｏｇ（出射光量）で表せば、線形の関係を導き出せ、透過損失から歪み量を容易に導き出せる。
【０００６】
この測定法によれば１本の光ファイバで１点の計測しかできないが、光源から発生する光をパルス光にすることで歪みを受けた位置を特定することが可能となる。パルス光を利用した測定器はＯｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｅｒ（以下ＯＴＤＲ）と呼ばれ、任意の点の反射光量、透過光量が計測できる。
【０００７】
しかしながら、ＯＴＤＲは発生パルス毎に位置を特定するため、リアルタイム計測ができず振動計測などには適さない。また測定箇所が局所的で多点な場合や、広範囲な場合、計測により時間を要し、災害などの緊急を要する計測に適さない。
【０００８】
ＢＯＴＤＲ法もＯＴＤＲと同様にパルス光を利用して位置を特定しているためリアルタイム計測ができない。
【０００９】
非特許文献２は広帯域光源を用い、複数の異なる反射波長を有するＦＢＧを一本の光ファイバで行うＦＢＧ法について述べられている。
【００１０】
図７は非特許文献２に述べるＦＢＧ法の構成を示す図である。
【００１１】
広帯域光源２０１から導出され光は光分岐器２０２を透過し、光ファイバ２０５を透過し、ＦＢＧ２０３に達する。ＦＢＧ２０３にて複数の異なる波長の光が反射され、光ファイバ２０５を透過し、光分岐器２０２を透過し、光スペクトラムアナライザ２０４に到達し、反射波長を検出する。ＦＢＧ２０３は伸縮することで反射波長が変位するため、ＦＢＧ２０３に伸縮方向の歪みを与えれば歪み量を反射波長のシフト量として計測できる。このように広帯域光源２０１を用いることで一本の光ファイバに、複数の異なる反射波長をもつＦＢＧを備えられ、複数の歪み量をリアルタイムに計測することが可能である。
【００１２】
しかしながらＦＢＧ２０３の反射波長帯域はシフト量を考慮して、１本当り４ｎｍ程度と広い波長帯が割り与えられる。これに対し広帯域光源の波長帯域は広くても８０ｎｍ程度であり、ＦＢＧ２０３は１本の光ファイバに対し最大でも２０個程度しか具備できない。
【００１３】
光ファイバセンシングシステムは構造物の計測を目的としており、大規模な計測のため、また道路構造物などを対象とするため、１本当りの光ファイバに対し、より多くのセンサ数を備えることが求められている。
【非特許文献１】轟章  他、日本機械学会論文集６３巻６１５号、Ｎｏ．９６−１９９１１、１９９７年１１月
【非特許文献２】山下真司  他、オプトロニクス社光通信技術の最新資料集、光測定／センサへの応用、１９９５年１２月発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
以上の従来技術では、リアルタイム計測に適さず、また大規模な計測に必要な測定点数に不十分であるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、光源と、受光部と、歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバとを備えた光ファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンサの両端にそれぞれ異なる波長帯域の光を透過または反射する光学フィルタを備え、これら光学フィルタの透過光または反射光の光量の差分を光ファイバセンサに掛かる歪み量として前記受光部で計測することを特徴とする。
【００１６】
さらに、一本の光ファイバ上に、歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する部分を複数備え、それぞれの両端に備える前記光学フィルタが全て異なる波長帯域の光を透過または反射するものであることを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記光源が広帯域光源であり、前記受光器が複数の波長帯の光量を検出できることを特徴とする。あるいは、前記光源が波長可変光源であり、前記受光器が前記波長可変光源の捜引速度に同期することで波長帯を決定することを特徴とする。
【００１８】
さらに、前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの一方端に前記光源を、他方端に前記受光器をそれぞれ配置し、前記光学フィルタの透過光を計測することを特徴とする。あるいは、前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの一方端に前記光源と前記受光器を配置し、他方端が終端され、前記光源からの出力光と前記受光器への戻り光を分岐する分岐器を備え、前記光学フィルタの反射光を計測することを特徴とする。
【００１９】
さらに前記光学フィルタがファイバブラッググレーティングであることを特徴とする。
【００２０】
さらに前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの被覆がカーボンコートされていることを特徴とする。
【００２１】
さらに前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの曲げ損失特性が曲げ直径２０ｍｍ以上でも発生することを特徴とする。
【００２２】
さらに前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサのコアとクラッドの屈折率差が０．５％以内であることを特徴とする。
【００２３】
さらに前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサがフォトニック結晶ファイバあるいはホーリーファイバであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
以上、本発明によれば、光源と、受光部と、歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサとを備えた光ファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンサの両端にそれぞれ異なる波長帯域の光を透過または反射する光学フィルタを備え、これら光学フィルタの透過光または反射光の光量の差分を光ファイバセンサに掛かる歪み量として前記受光部で計測することでリアルタイム計測が可能で、かつ従来の測定方法に比べ、より多点計測ができる光ファイバセンシングシステムを提供することができる。さらにカーボンコートファイバや曲げ損失特性の大きいファイバを用いることでより信頼性の高く、リアルタイム計測、多点計測ができる光ファイバセンシングシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明による光ファイバセンシングシステムについて説明する。図１は本発明の光ファイバセンシングシステムの構成を示す図である。
【００２６】
広帯域光源１、受光部である光スペクトラムアナライザ４、光分岐器２、光学フィルタ３ａ、光学フィルタ３ｂ、光ファイバ５、光ファイバセンサ６で構成されており、各部品は光ファイバで結合されている。光ファイバセンサ６は歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバであり、その両端に配置した光学フィルタ３ａ、３ｂは異なる波長帯域の透過帯域、反射帯域を有する。
【００２７】
なお、光学フィルタ３ａ、３ｂは誘電体多層膜のものでも良いが、ＦＢＧの方が波長帯域の狭いものが容易にでき、波長利用効率が高いので望ましい。ＦＢＧは光ファイバに紫外光を照射させ、屈折率を周期的に変化させ、回折格子とするものであるが、さらに屈折率に分布を持たせアポダイズすることで、波長帯域を狭められ望ましい。またＦＢＧは光ファイバからなり小型なためセンサを小型化できる。
【００２８】
光ファイバセンサ６と光学フィルタ３ａ、３ｂは近接され接合されている方が望ましい。それぞれの距離が開くほど、接合に使う光ファイバの伝送ロスが温度や歪みなどの影響を受け変化しやすくなる。このため光ファイバセンサ６と光学フィルタ３ａ、３ｂは一体化されたモジュールが望ましい。例えば、１本の光ファイバに光ファイバセンサ６となる部分を複数形成し、それぞれの両端に光学フィルタ３ａ、３ｂとなるＦＢＧを形成することもできる。
【００２９】
ただし、複数の光ファイバセンサ６を用いる場合、各光ファイバセンサの距離が短ければ、光学フィルタ３ａ、３ｂを隣り合う光ファイバセンサ６と共用が可能で光学フィルタ３ａ、３ｂの総数を減じることができる。
【００３０】
また、上記光ファイバセンサ６の一方端側に光分岐器２を介して広帯域光源１と光スペクトラムアナライザ４を配置してある。光分岐器２は２分岐カプラでも光サーキュレータでも良い。光スペクトラムアナライザ４は波長の特定と光量を検出するものであればよい。
【００３１】
光源と受光器の組み合わせとして、広帯域光源１と光スペクトラムアナライザ４との組み合わせの他、波長可変光源と光パワーメータとの組み合わせでも良い。波長可変光源の波長捜引速度と光パワーメータの受光を同期させれば、同等な測定が可能となる。厳密な意味でのリアルタイム性は失われるが、波長可変光源の捜引速度は数百Ｈｚの高速なものもあり、十分に高速な計測が可能となる。
【００３２】
図２は光ファイバセンサ６の構成を示す図である。図に示すように直径２０ｍｍ前後の光ファイバを半円状に設置し、半径が変化する方向に歪みが加わることで、歪みを受け屈曲すると透過光が減衰するようにした。
【００３３】
図３は歪み量と透過損失の関係を示す図である。光ファイバセンサ６の半径が縮小する方向の歪みが加わると透過損失は大きくなる。逆に半径が大きくなる方向に歪みが加わると透過損失は減少する。ここでの透過損失は１回の透過損失であり、本実施形態においては光ファイバセンサ６を往復で透過するため、損失は図３の２倍になることが想定できる。
【００３４】
また、光ファイバセンサ６は半円状としたが、円形のものでもコイル状のものでも、あるいは１／４円上、１／８円上でも構わず、巻き長さに比例した損失になる。実装方法にもよるが巻き長さが長くなるほど測定精度が上がることが予想される。また光ファイバを数本のダミーファイバと撚り線状にし、撚り線部を伸縮させることで光ファイバに捻りを加え、透過損失を変化させることも可能である。
【００３５】
次に、本発明の光ファイバセンシングシステムを用いた検出方法を説明する。
【００３６】
広帯域光源１から出力された光は光分岐器２を透過し、光ファイバ５を透過し、光学フィルタ３ａに達する。光学フィルタ３ａで特定波長の光が反射される。光学フィルタ３ａの特定波長以外の波長は透過し、光ファイバセンサ６を透過し、歪み量に応じ透過量が減衰し、光学フィルタ３ｂに達し、光学フィルタ３ａとは異なる特定波長の光が反射される。光学フィルタ３ｂで反射された光は光ファイバセンサ６を再び透過減衰し、光学フィルタ３ａを透過し、光学フィルタ３ａで反射された光と合波され光ファイバ５を透過し、光分岐器２を透過し、光スペクトラムアナライザ４に達し、光学フィルタ３ａと光学フィルタ３ｂのそれぞれの波長に対する光量を検出する。
【００３７】
ここで光学フィルタ３ｂの光量は光ファイバセンサ６を２回透過しているため、光学フィルタ３ａと光学フィルタ３ｂのそれぞれのピーク波長の光量差が光ファイバセンサ６による透過減衰量の２倍であること分かる。
【００３８】
図５は図３から導いた光学フィルタ３ａと光学フィルタ３ｂとそれぞれのピーク波長の光量差と光ファイバセンサ６の歪み量との関係を示す図である。
【００３９】
光ファイバセンサ６にかかる歪み量を±１５００μεとした場合、透過減衰量は±０．２ｄＢとなる。
【００４０】
ここで光学フィルタ３ａ，３ｂがＦＢＧである場合、半値全幅０．２５ｎｍ程度であり、光ファイバセンサ６での最大の透過減衰量は半値（３ｄＢ）より十分小さいため、両方の波長を認識するためには０．２５ｎｍもあれば十分である。広帯域光源１の帯域が８０ｎｍである場合、およそ３２０点の計測が可能となる。
【００４１】
しかし実際は、広帯域光源１の出力と光スペクトラムアナライザ４の感度とのダイナミックレンジは７０ｄＢ程度であり、透過損失の和がこれを超える場合計測できない。本実施例において光ファイバセンサ６は半円状であり、初期の透過損失は０．５ｄＢあり、測定点数は最大で１４０点（７０／０．５）になる。光ファイバセンサを１／４円状や１／８円状とすれば、測定点数を容易に増加できる。また広帯域光源１の出力を向上させたり、光スペクトラムアナライザ４の感度を向上させることで測定点数を増加できる。また、光源に波長可変光源、受光部に光パワーメータを用いればダイナミックレンジは１００ｄＢ以上が可能で測定点数を増加できる。
【００４２】
このように従来、多点でリアルタイム計測が可能であったＦＢＧ式の測定点数が２０点であったのに対し、本発明は大きく測定点数を大幅に増加させることができ、より大規模な多点計測が、リアルタイムで計測できる光ファイバセンシングシステムを提供することができる。
【００４３】
以上の実施形態では光学フィルタ３の反射光を用いたが、透過光を用いることもできる。この場合は、光ファイバセンサ６の一方端側に光源を、他方端側に受光部をそれぞれ配置すればよく、光ファイバセンサ６を透過する回数が１回となるため、より大きいダイナミックレンジがとれ、本発明がより有効的に利用できる。
【００４４】
今ここで光ファイバセンサ６の屈曲に対する信頼性について考えてみる。
【００４５】
光ファイバセンサ６に用いる光ファイバは一般的に光通信用の石英製のものを用いるが、屈曲半径が小さくなるほどクラッドの最外層部の歪みが大きくなり破断確率が高くなる。製造方法や初期選別方法により異なるが、直径２０ｍｍの光ファイバの場合、２０年後の破断確率はおおよそ１ｍ当たり１／１０００と大きい。
【００４６】
ここでクラッド最外層部の歪みを緩和するためには通常用いるＵＶ樹脂の被覆の替わりにカーボンコートすると、おおよそ破断確率が１桁向上し、信頼性が向上し望ましい。
【００４７】
また、屈曲に対し損失特性の大きい光ファイバを用いれば、曲げ直径をより大きくすることができクラッド最外層の歪みが小さくなり信頼性が向上する。曲げ直径を２０ｍｍから３０ｍｍに変更することで、おおよそ２桁破断確率が小さくなり、信頼性が大幅に改善できる。
【００４８】
一般的に光通信用の石英製ファイバは曲げ直径が２０ｍｍ以上になると曲げ損失が発生せず、本発明に用いる光ファイバセンサ６には適さない。
【００４９】
ここで光ファイバの曲げ損失のメカニズムについて説明する。
【００５０】
図４は光ファイバ１０の構造を示す図である。図４に示すように光ファイバ１０はコア１１とクラッド１２等からなる。コア１１はクラッド１２より屈折率が高くなるようにゲルマニウムやリンなどが添加される。このようにコア１１とクラッド１２に屈折率差を設けることで伝搬する光はコア１１とクラッド１２の界面で全反射を起こし、コア１１内に閉じこめられる。全反射条件は屈折率差と界面への入射角１３で決まり、光ファイバ１０を曲げるとコア１１とクラッド１２の界面での入射角１３が変位し、全反射せず一部がクラッド１２に漏れ、損失が発生する。
【００５１】
光通信用に用いる場合、光ファイバ１０は曲げ損失に強いことが望まれコア１１とクラッド１２の屈折率差が大きい方が望ましい。しかし光の伝搬するコア１１へ異物を添加するため屈折率差は限界があり、０．５％から１％程度である。
【００５２】
一方、本発明のように光ファイバセンサに用いる場合、屈折率差が小さい方が望ましく、屈折率差を０．５％以下に設計すれば、直径２０ｍｍ以上の曲げに対しても損失が発生するようになる。
【００５３】
また、近年光通信用の光ファイバ１０としてフォトニック結晶ファイバやホーリーファイバが注目を浴びている。これはクラッド１２に空隙を与え屈折率の低い空気層を設けることで、実効屈折率差を大きくし曲げ損失を低減できる。ここで用いる光ファイバ１０のコア１１はクラッド１２と同じ材質であり、空隙を０にすれば屈折率差がなくなる。空隙率を制御すれば曲げ直径を調整でき、直径２０ｍｍ以上の曲げに対しても損失が発生するようになる。
【００５４】
例えばコア１１の円周にそってクラッド１２に約φ３μｍの空隙を４箇所設けたホーリーファイバを用いると、直径３０ｍｍの光ファイバセンサ６において図３に示す、歪み透過損失特性と同等の特性を得られる。
【００５５】
以上のように従来、多点でリアルタイム計測が可能であったＦＢＧ式の測定点数が２０点であったのに対し、本発明は大きく測定点数を大幅に増加させることができ、より大規模な多点計測が、リアルタイムで計測できる光ファイバセンシングシステムを提供することができ、さらに光ファイバセンサの光ファイバをカーボンコートファイバやホーリーファイバなどを用いることで信頼性の高き光ファイバセンシングシステムを提供することができる。
【実施例１】
【００５６】
図１に示す本発明の光ファイバセンシングシステムを作製した。
【００５７】
広帯域光源１は１５２５ｎｍから１６０５ｎｍの帯域で−１０ｄＢｍ／ｎｍ以上の光を出力するＡＳＥ光源を用いた。光スペクトラムアナライザ４は光通信で一般的に使用されるもので受光感度は−８０ｄＢｍ／ｎｍのものを用いた。光分岐器２には透過損失が０．５ｄＢ程度であり、透過損失の波長特性も０．１ｄＢ未満であるサーキュレータを用いた。光学フィルタ３ａ、３ｂはＦＢＧを用いた。反射率９５％以上、反射スペクトラムの半値全幅０．２５ｎｍ以下、２５℃における反射ピーク波長がそれぞれ１５５０ｎｍのものと１５５５ｎｍのものを使用した。光ファイバセンサ６は図２のように半円状に設置し、最大で±１５００μεの歪みをかけた。
【００５８】
光学フィルタ３ａと３ｂのそれぞれのピーク波長における、光量から透過損失を計測し、両者の差分を光ファイバセンサ６の透過損失量とした。図５に示すとおり予想値と同様な結果を導き出すことができ、本発明の有効性を検証した。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の光ファイバセンシングシステムの構成を示す図である。
【図２】光ファイバセンサの構成を示す図である。
【図３】歪みと透過損失の関係を示す図である。
【図４】光ファイバの曲げ損失のメカニズムを説明するための図である。
【図５】光学フィルタのピーク波長の光量差と光ファイバセンサの歪み量との関係を示す図である。
【図６】マイクロベンディング法のセンサ部を示す図である。
【図７】ＦＢＧ法の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１：広帯域光源
２：光分岐器
３ａ、３ｂ：光学フィルタ
４：光スペクトラムアナライザ
５：光ファイバ
６：光ファイバセンサ
１０：光ファイバ
１１：コア
１２：クラッド
１３：入射角
１０６：光ファイバセンサ
２０１：広帯域光源
２０２：光分岐器
２０３：ＦＢＧ
２０４：光スペクトラムアナライザ
２０５：光ファイバ
【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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