(57)【要約】【課題】ＦＢＧセンサの検知できる歪み変化の要因である温度変化と圧力変化について、歪み変化を正確に分離することで、圧力変化のみによる効果を観測する。【解決手段】ＦＢＧセンサ部の受圧部に取り付けるＦＢＧに圧力と温度計測用（第２）ＦＢＧと温度計測用（第１）ＦＢＧとを備え、第２ＦＢＧによる計測結果から第１ＦＢＧによる計測結果を差し引くことで、圧力を計測する。また、第２ＦＢＧと第１ＦＢＧとの中心間距離を１５−２５ｍｍとし、ＦＢＧ端間の距離を６−２０ｍｍとする。さらに、上記の圧力と温度による歪み計測センサ受圧面に設置される上記の温度による歪み計測センサは、受圧面を支える保持部に設ける。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
ＦＢＧセンサ部の受圧部に取り付けられるファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサ部が圧力と温度による歪み計測用ＦＢＧと温度による歪み計測用ＦＢＧを備え、上記の圧力と温度による歪み計測用ＦＢＧによる計測結果から上記の温度による歪み計測用ＦＢＧによる計測結果を差し引くことで、圧力を計測することを特徴とする温度補正機能付き圧力センサ。
【請求項２】
上記の圧力と温度による歪み計測用ＦＢＧと上記の温度による歪み計測用ＦＢＧの中心が１５−２５ｍｍ離れた位置に配置され、上記ＦＢＧ端間の距離が６−２０ｍｍ離れていることを特徴とする請求項１に記載の温度補正機能付き圧力センサ。
【請求項３】
上記の圧力と温度による歪み計測センサ受圧面に設置される上記の温度による歪み計測センサは、上記受圧面を支える保持部に位置することを特徴とする請求項１に記載の温度補正機能付き圧力センサ。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この考案は、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）センサを用いて圧力や温度変化による光ファイバセンサ部のひずみ変化を検出するための温度補正機能付き圧力センサに関している。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気式歪みゲージなどを用いた圧力計および水位計は、センサに付加された歪み変化を、電気的回路で抵抗値の変化として検出し、圧力変化に変換するものである。しかし、これらは、電磁波障害の影響を受け易い等の問題がある。
【０００３】
近年、光ファイバにグレーティングを施したセンサで応力による変位を検出するいくつかの方法が提案されている。図５に、ＦＢＧのブラッグ反射波長をセンサに利用する原理を示す。図５（ａ）は、ＦＢＧが形成された光ファイバを示す。この光ファイバに図５（ｂ）に示すブラッグ波長を含むスペクトルを持った光を入射すると、図５（ｃ）に示す光成分がＦＢＧを透過し、図５（ｄ）に示す光が反射される。ＦＢＧをセンサに用いる場合は、この反射光のスペクトルのシフト量を計測することがよく行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１（特開２０００−１１１３１９号公報）には、検出感度が高く、温度補償され、取り扱い易く、外部環境から保護された信頼性の高い歪み検出用の光ファイバセンサが開示されている。これは、検出素子部をファイバグレーティング型光ファイバで構成し、光ファイバと等しい線膨張係数をもつ基板上に固着された歪み検出用センサと、変位の収束されない温度補償用センサとを、光ファイバにより直列または並列に接続するものである。
【０００５】
しかし、非特許文献１（土木学会応用力学論文集  Ｖｏｌ．６（２００３年８月））に記載された光ファイバを用いる応力センサでは、急激な温度変化に対応できないなどの問題点がある旨、報告されている。
【０００６】
また、特許文献２（特開２００３−１４４９１号公報）には、温度係数の調整が可能な光ファイバセンサが開示されている。これは、圧力や歪みを計測する光ファイバセンサの温度補償用ＦＢＧのグレーティング部を低熱膨張材で覆い、グレーティング部の両側の光ファイバを高熱膨張材で覆うと共に、高熱膨張材の長さを変えることにより、温度補償用ＦＢＧを覆う低熱膨張材及び高熱膨張材からなる連結体の温度係数が補償対象物の温度係数に等しくなるようするものである。
【０００７】
特に、Ｃバンド帯１５３０〜１５６０ｎｍの範囲にブラッグ波長がある二つのＦＢＧを利用して、一方のＦＢＧで被検体のひずみを計測し、他方を圧力の影響を受けないようにする場合に注目するとは、温度上昇によりセンサ全体が膨張することや、被検体（センサ）全体への圧力の影響が存在するため、上記の特許文献２に開示に沿った構成とすることもできるが、比較的小さなサイズのセンサで正確な値を示すことは不可能であった。
【特許文献１】特開２０００−１１１３１９号公報
【特許文献２】特開２００３−１４４９１号公報
【非特許文献１】土木学会応用力学論文集  Ｖｏｌ．６（２００３年８月）
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００８】
ＦＢＧセンサに検知できる歪み変化をもたらす要因として、温度変化と圧力変化があるので、この２要因による歪み変化を正確に分離することにより、圧力変化のみによる歪み変化量を観測できるようにする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本考案は、ＦＢＧセンサの検知できる歪み変化の要因である温度変化と圧力変化について、歪み変化を正確に分離することで、圧力変化のみによる効果を観測するものである。このため、ＦＢＧセンサ部の受圧部に取り付けるＦＢＧに圧力と温度計測用（第２）ＦＢＧと温度計測用（第１）ＦＢＧとを備え、第２ＦＢＧによる計測結果から第１ＦＢＧによる計測結果を差し引くことで、圧力を計測する。また、第２ＦＢＧと第１ＦＢＧとの中心間距離を１５〜２５ｍｍとし、ＦＢＧ端間の距離を６〜２０ｍｍとする。さらに、上記の圧力と温度による歪み計測センサ受圧面に設置される上記の温度による歪み計測センサは、受圧面を支える保持部に設けるものである。
【００１０】
一つの方法として、光ファイバセンサが利用しやすいＣバンド帯と呼ばれる１５３０〜１５６０ｎｍの波長範囲で、光ファイバの一箇所に二つのＦＢＧをブラッグ波長が異なるように設け、温度と歪みを精度良く分離することが考えられる。これは、原理的には可能である、現在の計測技術で実用を図ることは困難である。
【００１１】
他の構成として、１５３０〜１５６０ｎｍの波長範囲にそれぞれ異なるブラッグ波長がある二つのＦＢＧを設ける場合を考える。まず、圧力の変化を検知する受圧面に設置した第２のＦＢＧセンサで、圧力変化による効果と環境温度変化による効果との和による光ファイバの歪みを計測する。また、受圧面を支える保持部に、温度変化によって生じる光ファイバの歪みのみを計測する第１のＦＢＧセンサを配置する。第２のＦＢＧセンサによる歪み量から第１のＦＢＧセンサによる歪み量を引くことで、圧力値のみを検出することができる。この構成にすることで、機構が安価で、特殊な装置が不要であることから、高い実用性が期待できる。
【００１２】
たとえば、ブラッグ波長の異なる二つのＦＢＧの一方（第２ＦＢＧ）で被検体のひずみを計測し、他方（第１ＦＢＧ）を圧力の影響を受けないようにし、さらに熱伝導率の小さい部材で固定して、計測する、という方法がある。後者の構造は、例えば、グレーティング部を含むセンサ部を溶媒を充填したステンレス管の中に挿入し、エポキシ系接着剤で固定する。このステンレス管を被検体に接触するようにして測定する。この構成によって、ステンレス管に封入されたＦＢＧは被検体のひずみを受けることなく、温度変化のみを受けてブラッグ波長が変動する。また、前者のＦＢＧは、被検体に直接貼り付け、被検体の受ける温度変化および歪み変化を受けてブラッグ波長が変動する。
【００１３】
この場合のブラッグ波長変動は、次のようにそれぞれのブラッグ波長で正規化して表すことができる。
（１）おもに温度変化を受ける第１ＦＢＧでは、ブラッグ波長（λ1）変動の要因は温度変化のみであることから次式で表される。
【００１４】
【数１】
0003141361.tif 000003
【００１５】
（２）おもに温度変化と圧力変化を受ける第２ＦＢＧでは、そのブラッグ波長（λ2）は、温度と圧力により変動し、次式で表される。
【００１６】
【数２】
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ここで、Ｔは温度、εはストレイン、Ｋは添え字それぞれの比例係数、Δはそれぞれの変化分を表す。
【００１７】
数１と数２のそれぞれの左辺を測定し、数１の結果を数２に代入することでストレインの変化を得ることができることは明らかである。この場合、ＫTに関し、数１と数２が等しくない場合は、等しくなるように補正して代入する。
【００１８】
このような処理を、一つの受圧面を有する小型のセンサで実現する場合には、それぞれのＦＢＧの配置の問題がきわめて重要である。１つのＦＢＧが圧力と温度変化と歪み変化が観測でき、他方のセンサでは温度変化だけを観測できることが望ましい。以下に説明するように、そのため両者のグレーティング長さを考慮してグレーティングの中心間距離を適切にとることが重要である。
【００１９】
多くの実験の結果、ＦＢＧ長を１５から２５ｍｍの範囲にあるとし、ＦＢＧ端間の距離を６から２０ｍｍの範囲にあるとすることで解決できることが確認された。また、グレーティング中心間の距離が、（１）１５ｍｍより近い場合には温度変化と歪み変化との影響を分離することが難しく、（２）２５ｍｍを超えると２つのＦＢＧの温度に差異が生じるため誤差が大きくなること、（３）同様に、クレーティング端部間の距離が２０ｍｍを超える場合にはセンサの温度に差異が生じるため誤差が大きくなること、（４）６ｍｍ未満では圧力と温度の影響を分離することが難しく測定値に誤差を生じること、等がわかった。
【００２０】
センサの取り付けに関しては、次の様にする。第２ＦＢＧ（波長λ2）を備える光ファイバは、圧力デバイスに接着剤（即乾性の接着剤）で固定し、第１ＦＢＧ（波長λ1）を備える光ファイバ温度センサ用ＦＢＧは、固定せず応力付加による膨張時に移動できる状態におく。
【考案の効果】
【００２１】
この考案の温度補正機能付き圧力センサを用いることで、ＦＢＧセンサが検知する歪みの要因となる温度変化と圧力変化について、歪みのみを分離でき、圧力のみによる歪み量が観測できる。本考案を用いて、例えば、温度変化のある工業用タンクの水位も正確に計測することが可能であり、ダム・湖沼・河川などの季節による温度変化のある水位のモニタリング評価に用いることができる。
【考案を実施するための最良の形態】
【００２２】
本考案に係る温度補正機能付き圧力センサの実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下説明する。
【実施例１】
【００２３】
本考案の温度補正機能付き圧力センサの構成を図１に示す。保護管の先にＦＢＧセンサ部（直径５０ｍｍ）を備え、光ファイバは、保護管を通ってＦＢＧセンサ部の２つのＦＢＧに接続されている。検出用の入射光は、上記光ファイバから上記ＦＢＧに入射し、そこでブラッグ波長の光が反射される。歪み検出には、この反射光の波長を用いる。第２ＦＢＧ（λ2＝１５５１．１０７ｎｍ＠２０℃）は、温度・圧力センサとして受圧部中央に接着剤で固定し、第１ＦＢＧ（λ1＝１５５６．３４８ｎｍ＠２０℃）は、温度センサとして第２ＦＢＧ中心からＬ1離れた位置（センサ端部間でＬ2）に配置した。第１ＦＢＧは固定せず、センサ本体に接触した状態である。本実施例では、Ｌ1は２０ｍｍ、Ｌ2は１０ｍｍである。
【００２４】
本考案の温度補正機能付き圧力センサの校正は、ＦＢＧセンサ部を水を封入した圧力容器に入れ、温度を室温から上昇させた後加圧して波長λ1とλ2を測定することで行なった。
【００２５】
室温での圧力測定結果を図４（ａ）、(ｂ)に示す。温度・圧力センサと温度センサから波長を計測し換算式に手計算することで、圧力を±０．１ＭＰａで測定できることが確認された。より具体的には、
１）０ｋＰａ時のブラッグ波長をλ1（０）、ｔ℃をｔ0とするとき、ｔ℃時のλ1（０）は、次の様であった。
λ1（０）＝Ｄ×（ｔ0）2＋Ｅ×（ｔ0）＋Ｆ
２）また、ブラッグ波長と温度Ｔとの関係は次の様であった。
温度換算式：温度Ｔ＝Ａ×（λ1）2＋Ｂ×（λ1）−Ｃ
３）これらから、ブラッグ波長と温度とを、圧力へ次の式で換算できることが分かる。
圧力換算式：圧力Ｐ＝（Ｇ×（ｔ0）2−Ｈ×（ｔ0）＋Ｊ）×（λ2−λ1（０））
ここで、Ａ＝-13.8724、Ｂ＝43135.95、Ｃ＝33532294、Ｄ＝2.87E-05、Ｅ＝0.03233、Ｆ＝1555.52、Ｇ＝0.0091、Ｈ＝2.0021、Ｊ＝923.19、である。
【実施例２】
【００２６】
本考案の温度補正機能付き圧力センサの他の構成を図２に示す。保護管の先にＦＢＧセンサ部（直径７０ｍｍ）を備え、光ファイバは、保護管を通ってＦＢＧセンサ部の２つのＦＢＧに接続されている。検出用の入射光は、上記光ファイバから上記ＦＢＧに入射し、そこでブラッグ波長の光が反射される。歪み検出には、この反射光の波長を用いる。第２ＦＢＧ（λ2＝１５４４．９５ｎｍ＠２０℃）は、温度・圧力センサとして受圧部中央に接着剤で固定し、第１ＦＢＧ（λ1＝１５５５．９７０８ｎｍ＠２０℃）は、温度センサとしてを第２ＦＢＧ中心からＬ1離れた位置（センサ端部間でＬ2）に配置した。第１ＦＢＧは固定せず、センサ本体に接触した状態である。本実施例ではＬ1は２０ｍｍ、Ｌ2は１０ｍｍである。
【００２７】
ＦＢＧセンサ部を水を封入した圧力容器に入れ、温度を室温から上昇させた後加圧して波長λ1とλ2測定した。温度を変えて圧力測定をした結果を表４に示した。圧力測定結果を図４（ａ）、(ｂ)に示す。
【００２８】
実施例１の場合と同様に、第１ＦＢＧと第２ＦＢＧのブラッグ波長の測定結果から波長を計測し、上記３）のブラッグ波長と温度とから圧力への換算式と同様に、圧力を±０．１２ＭＰａの誤差で測定できることが確認された。
４）この場合、ブラッグ波長と温度Ｔとの関係は次の様であった。
温度換算式：温度Ｔ＝Ｆ×（λｔ）2+Ｇ×（λｔ）−Ｈ−Ｋ
５）また、ブラッグ波長と温度とから圧力への換算式は、次のようになった。
圧力換算式：圧力Ｐ＝（Ａ×Ｔ＋B）×（λp−（Ｃ×Ｔ＋Ｄ）＋Ｅ−Ｊ
ここで、Ａ＝-1.8093、Ｂ＝918.39、Ｃ＝0.0334、Ｄ＝1555.2834、Ｅ＝3.1、Ｆ＝-13.8668584、Ｇ＝42954.6309、Ｈ＝33264340.89、Ｊ(補正値Ｐa）＝-0.04、Ｋ（補正値℃）＝0.01である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
この考案は、季節により温度が変化するダム・湖沼・河川の水位計測の他に、センサ回路に電流を通さないことから電波雑音の影響をうけづらくまた、防爆性があり、種々の液体を種々の温度で保管する工業用タンクの水位計測や、発酵や呼吸で温度が変化する穀類タンクや醸造タンクなどにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本考案の第１の実施形態を示す模式図である。
【図２】本考案の第２の実施形態を示す模式図である。
【図３】第１の実施形態の温度補正機能付き圧力センサによる測定結果を示す図である。
【図４】第２の実施形態の温度補正機能付き圧力センサによる測定結果を示す図である。
【図５】ＦＢＧのブラッグ反射波長をセンサに利用する原理を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  ＦＢＧセンサ部
２  第２ＦＢＧ
３  第１ＦＢＧ
４  光ファイバ
５  保護管
【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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