(57)【要約】【課題】FBG光ファイバセンサを用いた衝撃探知システムを構成する。【解決手段】複合材構造物Ｚを伝播する弾性波を３以上の光ファイバセンサ３０で検出する。１の光ファイバセンサにつき２以上の光学フィルタを対応させ、それらの光学フィルタを通してセンサの出力値を得て、これを演算処理し、弾性波の発生源であるところの複合材構造物に負荷された衝撃の位置及び大きさを算出する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を反射するグレーディングが複数設けられ隣り合うグレーディング間の距離が変化すると反射光の波長域が変化するグレーティング部がコア部に形成されてなり、被検体を伝播する弾性波に応じて前記波長域を振動させ、前記被検体の一直線上にない異なる位置に設けられた３以上の光ファイバセンサと、
少なくとも前記波長域の所望の振動域を含む程度以上に広帯域の光を前記コア部に入力する光源と、
前記光ファイバセンサの出力端に接続され、一の光ファイバセンサの出力に対して異なる通過域の２以上の光学フィルタと、
前記被検体に衝撃が負荷された時に得られる前記３以上の光ファイバセンサの前記光学フィルタを介した出力値を演算処理して前記被検体上の衝撃が負荷された位置を特定する演算処理装置とを備える衝撃探知システム。
【請求項２】
前記演算処理装置は、前記被検体に衝撃が負荷された時に得られる前記光ファイバセンサの前記光学フィルタを介した出力値を演算処理して前記被検体上に負荷された衝撃の大きさを特定することを特徴とする請求項１に記載の衝撃探知システム。
【請求項３】
前記演算処理装置は、前記３以上の光ファイバセンサのそれぞれについて前記衝撃を振動源とする伝播速度の異なる２つの弾性波の到達時間の差を計測し、この計測結果に基づき前記被検体上の衝撃が負荷された位置を特定することを特徴とする請求項１に記載の衝撃探知システム。
【請求項４】
前記演算処理装置は、前記４以上の光ファイバセンサのそれぞれについて前記衝撃を振動源とする同じ伝播速度の弾性波の到達時間を計測し、この計測結果に基づき前記被検体上の衝撃が負荷された位置を特定することを特徴とする請求項１に記載の衝撃探知システム。
【請求項５】
前記光学フィルタは、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）型光フィルタであることを特徴とする請求項１に記載の衝撃探知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバセンサを用いた衝撃探知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、航空機等の機体のような、素材に対する強度と軽量化の双方が要求される分野においては、このような要求に応えるために、CFRP等の複合材料の大幅な適用化が不可欠である。
このような複合材料の損傷、欠陥等の探知を行う装置として、特許文献１には、FBG（Fiber Bragg Grating）光ファイバセンサを用いた損傷探知装置が記載されている。光ファィバは、昨今では細径化（例えば、直径52[μm]）が進んでおり、構造物に埋め込んでも、当該構造物の強度の低下をほとんど生じないため、その設置に関して自由度が高いという利点を備えている。
【０００３】
特許文献１記載の発明によれば、複合材構造物の所定箇所に固定配置されたピエゾ素子と、ピエゾ素子に信号を伝達する導線と、ピエゾ素子との間に複合材構造物を構成する複合材料を挟んで固定配置されコア部に所定の波長光を反射するグレーティング部を有する光ファイバセンサと、コア部に光照射を行う光源と、グレーティング部からの反射光の特性を検出する特性検出手段とを用い、ピエゾ素子により加振し特性検出手段の出力の変化から損傷を探知する。また、特性検出手段としては、グレーティング部からの反射光の周波数特性を検出するスペクトラムアナライザ等が用いられる。
【特許文献１】特開２００５−９８９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１記載の発明によっては、対象構造物の任意の位置に、任意の大きさの衝撃をうけた時、その衝撃の有無や位置や大きさを特定することはできない。
【０００５】
本発明は、光ファイバセンサを用いた衝撃傷探知システムを構成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、光を反射するグレーディングが複数設けられ隣り合うグレーディング間の距離が変化すると反射光の波長域が変化するグレーティング部がコア部に形成されてなり、被検体を伝播する弾性波に応じて前記波長域を振動させ、前記被検体の一直線上にない異なる位置に設けられた３以上の光ファイバセンサと、
少なくとも前記波長域の所望の振動域を含む程度以上に広帯域の光を前記コア部に入力する光源と、
前記光ファイバセンサの出力端に接続され、一の光ファイバセンサの出力に対して異なる通過域の２以上の光学フィルタと、
前記被検体に衝撃が負荷された時に得られる前記３以上の光ファイバセンサの前記光学フィルタを介した出力値を演算処理して前記被検体上の衝撃が負荷された位置を特定する演算処理装置とを備える衝撃探知システムである。
【０００７】
請求項２記載の発明は、前記演算処理装置は、前記被検体に衝撃が負荷された時に得られる前記光ファイバセンサの前記光学フィルタを介した出力値を演算処理して前記被検体上に負荷された衝撃の大きさを特定することを特徴とする請求項１に記載の衝撃探知システムである。
【０００８】
請求項３記載の発明は、前記演算処理装置は、前記３以上の光ファイバセンサのそれぞれについて前記衝撃を振動源とする伝播速度の異なる２つの弾性波の到達時間の差を計測し、この計測結果に基づき前記被検体上の衝撃が負荷された位置を特定することを特徴とする請求項１に記載の衝撃探知システムである。
【０００９】
請求項４記載の発明は、前記演算処理装置は、前記４以上の光ファイバセンサのそれぞれについて前記衝撃を振動源とする同じ伝播速度の弾性波の到達時間の差を計測し、この計測結果に基づき前記被検体上の衝撃が負荷された位置を特定することを特徴とする請求項１に記載の衝撃探知システムである。
【００１０】
請求項５記載の発明は、前記光学フィルタは、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）型光フィルタであることを特徴とする請求項１に記載の衝撃探知システムである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光ファイバセンサを用いて被検体に負荷された衝撃の位置又は位置及び大きさを探知することができる。
本発明によれば、光ファイバセンサを用いているので、航空機の機体等の被検体に埋め込みや貼り付け等によって容易にセンサを設置することができ、被検体の移動中、停止中に拘わらず、即座に衝撃の有無を判断し、衝撃を受けた場合はその衝撃の位置又は位置及び大きさを探知し、オペレータや他のシステムに知らせることができ、安全運行に役立たせることができる。オペレータや他のシステムは衝撃の位置又は位置及び大きさを知ることにより、損傷や破壊などの予測やそれらの探索、点検の必要性を測ることができる。また、衝撃負荷の履歴を被検体の寿命予測や事故分析に利用することもでき、安全運行に役立たせることができる。
本発明によれば、一の光ファイバセンサに対して異なる通過域の２以上の光学フィルタを対応させているので、正確に弾性波の情報を取得することができ、衝撃の有無、位置や大きさの特定精度を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
【００１３】
図１は、複合材構造物Ｚの衝撃探知を行う衝撃探知システム１０の概略構成図である。本実施形態では、複合材構造物を被検体とする。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態の衝撃探知システム１０は、衝撃２１の探知を行うべき複合材構造物Ｚの所定の箇所に埋め込みや貼着等により設置された光ファイバセンサ３０と、光ファイバセンサ３０から得られる反射光の波長特性を検出するスペクトラムアナライザ４２と、スペクトラムアナライザ４２の出力値を演算処理する演算処理装置５０とを備えている。なお、スペクトラムアナライザ４２の電源装置４３を図示した。図示しないが、光ファイバセンサ３０は一直線上にない異なる位置に３以上又は４以上設けられる。
【００１５】
光ファイバセンサ３０は、FBG（Fiber Bragg Grating）光ファイバセンサであり、図２(a)の概略構成図に示すように、コア部３２に所定の波長光を反射するグレーティング部３３を有し、光ファイバ３４に構成されている。
光ファイバ３４は、その一端部においてスペクトラムアナライザ４２に接続されており、当該スペクトラムアナライザ４２が有する光源により、所定範囲の波長帯域を網羅する照射光がコア部３２に入射される。このスペクトラムアナライザ４２から入射する光は、コア部３２を伝播してグレーティング部３３でその一部の波長光のみが反射される。
【００１６】
図２(b)は、コア部３２の光進行方向における屈折率変化を示す線図であり、図中の範囲Ｌがグレーティング部３３における屈折率を示している。
かかる図に示すように、グレーティング部３３は、コア部３２の屈折率を一定の周期で変化するように構成されている。グレーティング部３３は、かかる屈折率の変化している境界部分で特定の波長の光のみ選択的に反射する。このグレーティング部３３に振動によりひずみ等の外乱が加えられると格子間隔の変化(伸縮)に伴なって反射光の波長が変化する。
ここで、FBG光ファイバセンサの反射光の波長変化ΔλBは、コアの実効屈折率をn、グレーティング間隔をΛ、ポッケルス係数をP11,P12、ポアソン比をν、印加歪をε、ファイバ材の温度係数をα、温度変化をΔTとすると次式で表される(Alan D. Kersey, Fiber Grating Sensors”JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 15, No. 8, 1997)。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
したがって、グレーティング部３３に振動が伝播すると、グレーティング部３３の歪み量εに変化を生じ、その結果、歪み量εに応じて反射光の波長が変動することとなる。振動がその振動源から良好に伝達されれば、グレーティング部３３は大きく歪みを生じ、波長の変化量ΔλBは大きく変動することとなるし、振動がその振動源から良好に伝達されない場合は、グレーティング部３３は小さく歪みを生じ、波長の変化量ΔλBは小さく変動することとなる。
【００１９】
図３(a)に光ファイバセンサとこれに接続したスペクトラムアナライザ４２の構成例を示す。図３(a)に示すように、スペクトラムアナライザ４２は、光源６１と、光サーキュレータ６２と、ＡＷＧモジュール６３と、光電変換器６０とを備える。本構成例では、反射波長の異なる４つの光ファイバセンサ３０ａ〜ｄが直列に設けられた光ファイバ３４をスペクトラムアナライザ４２に接続する。最少構成として光ファイバセンサ３０は３つ必要であるが、本構成例のように、１本の光ファイバに直列に形成された光ファイバセンサを用いてもよいし、異なる複数の光ファイバに形成された３以上の光ファイバセンサを用いてもよい。
【００２０】
光源６１は、光ファイバセンサ３０ａ〜ｄの反射波長の所望の振動域を含む広帯域の光源である。光ファイバセンサの反射波長特性が光源の波長帯域外にまで変化すると、反射光は生じないため、光源の波長帯域は振動の検出範囲を限定することとなる。衝撃により光ファイバセンサ３０ａ〜ｄの反射波長が振動しても、常に完全な反射光が出射されるように十分に広い帯域の光源とすることが好ましい。光ファイバセンサの反射波長の振動域は、光ファイバセンサの特性、衝撃及び被検体の材料の性質に依存する。
光サーキュレータ６２は、光源６１からの光を光ファイバセンサ３０ａ〜ｄ側へ進行させ、返ってきた光ファイバセンサ３０a〜ｄからの反射光をＡＷＧモジュール６３の入力ポートＰ０へと導出する。光サーキュレータ６２により導出された反射光は光ファイバ６９によりＡＷＧモジュール６３の入力ポートＰ０に導入される。
【００２１】
ＡＷＧモジュール６３は、ＡＷＧ基板６４を有する。ＡＷＧ基板６４には、光導波路技術によりガラス基板上にモノリシック集積された光波回路が形成されている。ＡＷＧ基板６４上の光波回路は、入出力スラブ導波路６５，６６とアレイ導波路６７と、出力導波路６８とを有し、入力ポートＰ０に並列接続された通過域の異なる８つの光学フィルタを構成している。ＡＷＧ基板６４上の光波回路は、波長多重された入力光を分配して８つの光学フィルタに通すことより波長分離し、８つの出力ポートＰ１〜Ｐ８にパラレル出力する。但し、実用時の出力ポートは８つに限定されない。
【００２２】
８つの出力ポートＰ１〜Ｐ８に対応する各光学フィルタの通過域を図３(b)のスペクトル図に示す。例えば図３(b)で、中心波長λ２の反射波長を有する光ファイバセンサ３０ｂの反射光入力分布７０が通過域７１に重なる部分に相当する反射光を一の光学フィルタが通過させ出力ポートＰ３へ出力すると共に、これに並行して通過域７２に重なる部分に相当する反射光を他の光学フィルタが通過させ出力ポートＰ４へ出力する。１つの光ファイバセンサ３０ｂに対応させる光学フィルタを出力ポートＰ３、Ｐ４に対応する２つの光学フィルタとしてもよいし、例えば出力ポートＰ３〜Ｐ５の３つ、出力ポートＰ２〜Ｐ６の５つなどとしてもよい。光ファイバセンサの反射波長の振動域は、未知の衝撃に依存するので、これを考慮して１つの光ファイバセンサに対応させる光学フィルタの数及び分布を設定する。
【００２３】
代表して、１つの光ファイバセンサ３０からの反射光に対し２つの光学フィルタを用いた処理内容を図４を参照して説明する。
図４(b)に示すように、光ファイバセンサ３０からの反射光の入力分布７３Ｔが現れる。衝撃負荷時には、衝撃位置を振源位置とする弾性波が複合材構造物Ｚを伝播し、光ファイバセンサ３０は複合材構造物Ｚを伝播する弾性波に応じて出力する反射光の波長を振動させる。この波長の振動を図示すると図４(a)の入力波７３Ｗとなる。
この波長の振動により、図４(b)に示す反射光入力分布７３Ｔは、上位、下位に交互にシフトして微小に振動し、波長の値は増減を繰り返す。
このような波長振動において、図中７３Ｃは、反射光入力分布７３Ｔの中心波長の振動中心である。一方の光学フィルタの通過域７５Ｔの中心波長７５Ｃは振動中心７３Ｃの上域に固定されている。また、他方の光学フィルタの通過域７４Ｔの中心波長７４Ｃは振動中心７３Ｃの下域に固定されている。
さらに、反射光入力分布７３Ｔの静止時において、上位の通過域７５Ｔの下位側のスロープ７５Ｔ−１は、反射光入力分布７３Ｔの上位側のスロープ７３Ｔ−１に交わる。
同様に、反射光入力分布７３Ｔの静止時において、下位の通過域７４Ｔの上位側のスロープ７４Ｔ−１は、反射光入力分布７３Ｔの下位側のスロープ７３Ｔ−２に交わる。
反射光入力分布７３Ｔに対し以上の位置関係に通過域７５Ｔ及び通過域７４Ｔを固定することにより、反射光の波長振動を高感度に検出することができる。
上位の光学フィルタは反射光入力分布７３Ｔが通過域７５Ｔに重なる部分に相当する反射光を通過させて出力する。同様に、下位の光学フィルタは反射光入力分布７３Ｔが通過域７５Ｔに重なる部分に相当する反射光を通過させて出力する。
【００２４】
したがって、反射光の波長の値が増加して反射光入力分布７３Ｔが上位にシフトすると、通過域７５Ｔを有する上位の光学フィルタの出力値は増加し、通過域７４Ｔを有する下位の光学フィルタの出力値は減少する。逆に、反射光の波長の値が減少して反射光入力分布７３Ｔが下位にシフトすると、通過域７５Ｔを有する上位の光学フィルタの出力値は減少し、通過域７４Ｔを有する下位の光学フィルタの出力値は増加する。
そのため、反射光の中心波長の変化が図４(a)に示す入力波７３Ｗにより振動する時、通過域７５Ｔを有する上位の光学フィルタの出力値は、図４(c)に示す出力波７５Ｗを生成し、通過域７４Ｔを有する下位の光学フィルタの出力値は、図４(c)に示す出力波７４Ｗを生成する。図４(c)に示すように、出力波７４Ｗと出力波７５Ｗは逆位相の波動となる。なお、入力波７３Ｗは衝撃に依存する。未知の衝撃に対応するために、上位と下位のそれぞれに２以上の通過域の異なる光学フィルタを配置する方法をとってもよい。必要な３以上の光ファイバセンサのそれぞれに以上のような構成の複数の光学フィルタを対応させる。これに応じて、ＡＷＧモジュール６３のチャンネル数やＡＷＧモジュール６３の数を必要数設ける。
【００２５】
以上の原理により、図３に示すスペクトラムアナライザ４２は、出力ポートＰ１〜Ｐ８に光波を出力し、これらを光電変換器６０により電気信号に変化して外部出力する。スペクトラムアナライザ４２の出力は、図示しないインターフェースを介してＡ／Ｄ変換されて演算処理装置５０に入力される。
【００２６】
演算処理装置５０は、スペクトラムアナライザ４２の出力値に基づき、以下の方式１若しくは方式２又はその他の方式による衝撃の位置及び大きさを算出するための演算処理を行う。また、演算処理装置５０は演算結果の記録を行う。
本実施形態の演算処理装置５０は、電子計算機により構成される。例えば、演算処理装置５０は、プログラムに従い演算処理を行うＣＰＵと、そのプログラムを記憶するＲＯＭと、スペクトラムアナライザ４２からの入力値データやプログラムに従った演算過程及び演算結果のデータを記憶するＲＡＭと、スペクトラムアナライザ４２とデータの送受を図るインターフェースと、演算結果の表示データを適正なフォーマットの画像信号に変換して表示モニタに出力する画像出力インターフェースと、上記各構成間での各種指令又はデータの伝送を行うデータバスとを備えて構成される。
【００２７】
〔方式１〕
まず、１つの方式として３つの光ファイバセンサを用いる方法につき図５を参照して説明する。図５に示すように、一直線上にない異なる３点に光ファイバセンサ３０ｅ，３０ｆ，３０ｇが構造用複合材Ｚに設置される。
衝撃により発生した振動は波として構造中を伝播する。このとき伝播する波は先行して光ファイバセンサ３０に到達するS0波（Ｐ波）と遅れて到達するA0波（Ｓ波）で構成される。この二つの波は伝播速度が異なるため、到達時間に差が発生する。光ファイバセンサ３０を用いることにより、高精度の検出が可能となるため、到達時間差がわずかであってもそれぞれの波を個々に識別することが可能である。得られる到達時間差と既知である伝播速度差から波の伝播距離、すなわち衝撃２１-各センサ間の距離が算出できる。
以上の原理により演算処理装置５０は、スペクトラムアナライザ４２からの入力値データに基づき、未知の衝撃２１から各光ファイバセンサ３０ｅ，３０ｆ，３０ｇまでの伝播距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を算出する。すなわち、演算処理装置５０は、各光ファイバセンサ３０ｅ，３０ｆ，３０ｇで検知して得られた弾性波のデータを対象に解析処理して、S0波とA0波の到達時間差を算出し、これに既知である伝播速度差を乗じて衝撃２１から各光ファイバセンサ３０ｅ，３０ｆ，３０ｇまでの伝播距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を算出する。
さらに、演算処理装置５０は、各光ファイバセンサ３０ｅ，３０ｆ，３０ｇを中心とし、それぞれ伝播距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を半径とした３つの円Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の交点を衝撃２１の位置として同定する演算を行う。
このとき、高精度化等のため、４以上の光ファイバセンサ３０の検出値を利用してもよい。
また、演算処理装置５０は、スペクトラムアナライザ４２からの入力値データに基づき、光ファイバセンサ３０ｇで検知した弾性波の振動エネルギーを算出する。さらに演算処理装置５０は、衝撃と最も近い伝播距離Ｌ３と、これに対応する光ファイバセンサ３０ｇで検知した弾性波の振動エネルギーの大きさに基づき、衝撃の大きさを算出する。衝撃の大きさの算出に、２以上の光ファイバセンサ３０の検出値を利用してもよい。
【００２８】
〔方式２〕
次に、他の１つの方式として４つの光ファイバセンサを用いる方法につき図６を参照して説明する。図６に示すように、異なる４点に光ファイバセンサ３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈが構造用複合材Ｚに設置される。
演算処理装置５０は、４つの光ファイバセンサ３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈのそれぞれについて衝撃２１を振動源とする同じ伝播速度の弾性波（例えばS0波）の到達時点を計測する。すなわち、演算処理装置５０は、各光ファイバセンサ３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈで検知して得られた弾性波のデータを対象に解析処理して、弾性波（例えばS0波）の到達時点を算出する。この結果に基づき演算処理装置５０は、最も早くその弾性波が到達した光ファイバセンサ３０ｈと、他の３つの光ファイバセンサ３０ｅ，３０ｆ，３０ｇとの各到達時間差を算出する。さらに演算処理装置５０は、得られる到達時間差に既知である伝播速度を乗じて対象とする弾性波の伝播距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を算出する。さらに、演算処理装置５０は、各光ファイバセンサ３０ｅ，３０ｆ，３０ｇを中心とし、それぞれ伝播距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を半径とした３つの円Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の共通外接円Ｃ０の中心を衝撃２１の位置として同定する演算を行う。
また、演算処理装置５０は、スペクトラムアナライザ４２からの入力値データに基づき、光ファイバセンサ３０ｈで検知した弾性波の振動エネルギーを算出する。さらに演算処理装置５０は、最も短い光ファイバセンサ３０ｈで検知した振動のエネルギーの大きさと、上記の衝撃位置同定演算で得られた円Ｃ０の半径とに基づき、衝撃の大きさを算出する。
なお、高精度化等のため、より多くの光ファイバセンサ３０の検出値を利用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る衝撃探知システムの概略構成図である。
【図２】光ファイバセンサの概略構成図(a)、及び光進行方向におけるグレーティング部の屈折率変化を示す線図(b)である。
【図３】光ファイバセンサとこれに接続したスペクトラムアナライザの構成図(a)、及び８つの光学フィルタの通過域を示すスペクトル図(b)である。
【図４】光学フィルタに対する入力波波形(a)、２つの光学フィルタの通過域を示すスペクトル図(b)及び光学フィルタの出力波波形(c)である。
【図５】本発明の一実施形態に係る衝撃位置を同定する一つの方式を説明するための平面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る衝撃位置を同定する他の方式を説明するための平面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  衝撃探知システム
３０  光ファイバセンサ
３２  コア部
３３  グレーティング部
４２  スペクトラムアナライザ
５０  演算処理装置
６３  ＡＷＧモジュール
６４  ＡＷＧ基板
６５，６６  入出力スラブ導波路
６７  アレイ導波路
６８  出力導波路
Ｐ０  入力ポート
Ｐ１〜Ｐ８  出力ポート
７０，７３Ｔ  反射光入力分布  
７１，７２，７４Ｔ，７５Ｔ  通過域
７３Ｃ  振動中心
【図１】
2008139170.tif 000004
【図２】
2008139170.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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