(57)【要約】【課題】本発明の主な課題は、スペクトルアナライザを必要としない荷重監視装置及び荷重監視方法を提供することである。【解決手段】本発明による荷重監視装置は、センサ用のファイバグレーティング１０及びリファレンス用のファイバグレーティング１２を備えた光ロードセルと２、センサ用のファイバグレーティング及びリファレンス用のファイバグレーティングを通過する波長が可変な光を出力する波長可変光源２２と、波長可変光源から出力される光の波長を掃引する手段２６と、センサ用のファイバグレーティング及びリファレンス用のファイバグレーティングからの反射光の時間間隔を測定する手段３０とを備えている。この構成によると、監視されるべき荷重が反映されるセンサ用のファイバグレーティング及びリファレンス用のファイバグレーティングからの反射光の波長差が時間差として検出されるので、スペクトルアナライザを用いることなしに荷重を監視することができる。【選択図】　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ用のファイバグレーティング及びリファレンス用のファイバグレーティングを備えた光ロードセルと、
前記センサ用のファイバグレーティング及び前記リファレンス用のファイバグレーティングを通過する波長が可変な光を出力する波長可変光源と、
前記波長可変光源から出力される光の波長を掃引する手段と、
前記センサ用のファイバグレーティング及び前記リファレンス用のファイバグレーティングからの反射光の時間間隔を測定する手段とを備えた負荷監視装置。
【請求項２】
前記光ロードセルは負荷の印加により歪が生じるセンサ部と負荷の印加により歪が生じないリファレンス部とを一体に有するセンサフレームを更に備え、
前記センサ用のファイバグレーティング及び前記リファレンス用のファイバグレーティングはそれぞれ前記センサ部及び前記リファレンス部に取り付けられている請求項１記載の負荷監視装置。
【請求項３】
前記光ロードセルは光ファイバにより直列に接続された複数のセルからなり、
前記掃引する手段は、前記波長可変光源の可変範囲で波長を掃引する間だけ前記波長可変光源が光を出力するように制御する手段を含む請求項１記載の負荷監視装置。
【請求項４】
前記波長可変光源は波長の可変範囲が異なる複数の光源からなり、
前記複数の光源から出力された光を波長分割多重して前記光ロードセルに供給するための光マルチプレクサを更に備えた請求項１記載の負荷監視装置。
【請求項５】
センサ用のファイバグレーティング及びリファレンス用のファイバグレーティングを備えた光ロードセルに波長が可変な光を供給するステップと、
前記前記波長が可変な光の波長を掃引するステップと、
前記センサ用のファイバグレーティング及び前記リファレンス用のファイバグレーティングからの反射光の時間間隔を測定するステップとを備えた負荷監視方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はファイバグレーティングを有する光ロードセルを利用した負荷（荷重）監視装置及び負荷監視方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、センサ用のファイバグレーティング及びリファレンス用のファイバグレーティングを備えた光ロードセルと、センサ用のファイバグレーティング及びリファレンス用のファイバグレーティングを通過する非コヒーレントな光を出力する光源と、センサ用のファイバグレーティング及びリファレンス用のファイバグレーティングからの反射光のスペクトルを検出するスペクトルアナライザとを備えた負荷監視装置が公知である。
【０００３】
センサ用のファイバグレーティングは、監視されるべき負荷による応力がそれを伸ばす方向に作用するように設けられており、リファレンス用のファイバグレーティングは、同応力がそれに作用しないように設けられている。リファレンス用のファイバグレーティングを用いているのは、ファイバグレーティングでの反射波長が温度に依存して変化することに起因する測定誤差をキャンセルするためである。
【０００４】
ファイバグレーティングはグレーティングピッチで定まる特定のブラッグ波長の光を反射させる。従って、負荷による応力の変化がブラッグ波長の変化に変換され、これをスペクトルアナライザで検出することにより負荷を測定又は監視することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、スペクトルアナライザその他の分光器は、回転格子を機械的に精密に回転させるような構造を有しているため、装置構成が複雑になると共に高価なものとなり、加えて測定精度が低いという問題がある。また、機械的な構造であることから測定に時間を要し、また、測定されたデータからスペクトルを得るために複雑な演算処理が必要であり、応答性が低いという問題もある。
【０００６】
よって、本発明の目的は、スペクトルアナライザを必要としない負荷監視装置及び負荷監視方法を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は以下の説明から明らかになる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、センサ用のファイバグレーティング及びリファレンス用のファイバグレーティングを備えた光ロードセルと、センサ用のファイバグレーティング及びリファレンス用のファイバグレーティングを通過する波長が可変な光を出力する波長可変光源と、波長可変光源から出力される光の波長を掃引する手段と、センサ用のファイバグレーティング及びリファレンス用のファイバグレーティングからの反射光の時間間隔を測定する手段とを備えた負荷監視装置が提供される。
【０００９】
この構成によると、監視されるべき負荷が反映されるセンサ用のファイバグレーティング及びリファレンス用のファイバグレーティングからの反射光の波長差が時間差として検出されるので、スペクトルアナライザを用いることなしに負荷を監視することができる。
【００１０】
本発明の他の側面によると、センサ用のファイバグレーティング及びリファレンス用のファイバグレーティングを備えた光ロードセルに波長が可変な光を供給するステップと、波長が可変な光の波長を掃引するステップと、センサ用のファイバグレーティング及びリファレンス用のファイバグレーティングからの反射光の時間間隔を測定するステップとを備えた負荷監視方法が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の望ましい実施の形態を添付図面に従って詳細に説明する。
【００１２】
図１を参照すると、本発明に適用可能な光ロードセル２が示されている。光ロードセル２は、負荷の印加により歪が生じるセンサ部４と負荷の印加により歪が生じないリファレンス部６とを一体に備えたセンサフレーム７を有している。センサ部４の両端にはネジ孔８及び１０が形成されており、これらを用いて負荷がかけられたときに引張り応力がセンサ部４に生じ、それによりセンサ部４が伸びる方向に歪が生じるようになっている。
【００１３】
センサ部４には監視側センサ（センサ用のファイバグレーティング）１０が固着されており、リファレンス部６にはリファレンス側センサ（リファレンス用のファイバグレーティング）１２が固着されている。監視側センサ１０及びリファレンス側センサ１２は測定用の光が伝搬する光ファイバ１４の途中に直列に挿入されている。
【００１４】
図２を参照すると、監視側センサ１０及びリファレンス側センサ１２の各々として用いることができるファイバグレーティングＦＢＧが示されている。ファイバグレーティングＦＢＧは、比較的高屈折率なコア部１６とコア部１６を囲むように設けられた比較的低屈折率なクラッド部１８とを有する光ファイバに紫外線を照射する等して、屈折率が周期的に変化する部分からなるセンサ部２０を形成することで得ることができる。
【００１５】
ファイバグレーティングＦＢＧにおいては、センサ部２０での屈折率変化の周期に応じて決定されるブラッグ反射波長の光を反射させる。センサフレーム７のセンサ部４に引張り応力が加えられてセンサ部４と共に監視側センサ１０が伸びると、その屈折率変化の周期が大きくなり、ブラッグ反射波長が長くなる。従って、ブラッグ反射波長の変化によりセンサ部４に加えられた負荷を測定乃至は監視することができる。
【００１６】
図３は本発明による負荷監視装置の第１実施形態を示すブロック図である。波長可変光源２２は、監視側センサ１０及びリファレンス側センサ１２のブラッグ反射波長の変動範囲を含む範囲で可変な波長を有する光を出力する。波長可変光源２２から出力された光は、光カプラ２４を介して光ファイバ１４に供給されて監視側センサ１０及びリファレンス側センサ１２へ送られる。
【００１７】
監視側センサ１０及びリファレンス側センサ１２でのブラッグ反射により生じた特定波長の光は、光ファイバ１４を逆向きに伝搬して、光カプラ２４を介してフォトダイオード等からなる受光器２８に入力する。受光器２８は受けた光をそのパワーに応じたレベルの電気信号に変換し、その電気信号は時間間隔測定器３０に供給される。
【００１８】
この実施形態では、可変波長光源２２から出力される光の波長を掃引（走査）するために、波長制御回路２６が可変波長光源２２に接続されている。例えば一定の割合で波長を増大させてゆくと、監視側センサ１０からの反射光とリファレンス側センサ１２からの反射光の波長差が時間差として検出されるので、これを時間間隔測定器３０で検出することにより、スペクトルアナライザを用いることなしに負荷を監視することができる。
【００１９】
図４は波長の走査の例を示すグラフであり、縦軸は波長可変光源２２から出力される光の波長、横軸は時間である。ここでは、時刻ｔ０で波長はλ０であり、その時点から時間に対して一定の割合で波長が増大し、時刻ｔ１で波長はλ１となっている。
【００２０】
センサフレーム７のセンサ部４に負荷が加わっていない場合には、監視側センサ１０及びリファレンス側センサ１２でのブラッグ反射波長は等しく、これらの間の光学距離は無視し得るので、それぞれの反射光は同じタイミングで受光器２８により検出される。センサ部４に負荷が加わると監視側センサ１０でのブラッグ反射波長はリファレンス側センサ１２でのブラッグ反射波長よりも長くなるので、監視側センサ１０からの反射光はリファレンス側センサ１２からの反射光よりも遅れて受光器２８に到達することになる。
【００２１】
図５は反射光強度の時間変化の例を示すグラフであり、縦軸は反射光強度、横軸は時間である。ここでは、監視側センサ１０に応力が加えられているときのブラッグ反射波長がλ１であり、そのときのリファレンス側センサ１２のブラッグ反射波長がλ０であるとしている。この場合、時刻ｔ０でリファレンス側センサ１２からの反射光が先ず検出され、それに遅れて時刻ｔ１で監視側センサ１０からの反射光が検出されるので、図５に示されるような結果となる。この時間間隔はレファレンス側センサ１２と同じであった監視側センサ１０のブラッグ反射波長が負荷の印加により変化したものであるので、時間間隔と負荷の関係を予め知っておくことで、時間間隔から負荷を算出することができる。
【００２２】
図６は本発明による負荷監視装置の第２実施形態を示すブロック図である。この実施形態は、図３に示される実施形態と対比して、複数の光ロードセル２（＃１，＃２及び＃３）が光ファイバ１４に沿って直列に設けられている点で特徴付けられる。光ロードセル２（＃１，＃２及び＃３）の各々は監視側センサ１０及びリファレンス側センサ１２を有している。
【００２３】
この構成によると、１回の波長掃引により反射光の対がセル毎に戻ってくるので、光ロードセル２（＃１，＃２及び＃３）の各々に関して負荷を監視することができる。これは、各セルにおける監視側センサ１０及びリファレンス側センサ１２間の光学距離は無視することができるのに対して、セル間の光学的距離は無視されない程に大きいので、それによる反射光の戻り時間の差に応じてどのセルかを容易に特定することができるからである。
【００２４】
図７は図６に示される実施形態におけるタイミングチャートを示している。光ロードセル２（＃１，＃２及び＃３）からの反射光の判別を容易にするために、波長制御回路２６は、波長可変光源２２の可変範囲で波長を掃引する間だけ波長可変光源２２が光を出力するように制御を行っている。光ロードセル２（＃１，＃２及び＃３）からの反射光の対が時間軸上で３つ並んでおり、これらが分離可能であることがわかる。
【００２５】
図８は波長検出精度の改善を説明するためのグラフである。波長検出精度は波長の変化を経過時間で除して得た数値で表すことができ、これが小さいほうが検出精度が良好である。具体的には次の通りである。
【００２６】
（１）で示されるように、波長がλ０からλ１に変化したときのこれらの差を得るのに時刻がｔ０からｔ１まで要する場合、波長検出精度Ｋは次式で与えられる。
【００２７】
Ｋ＝（λ１−λ０）／（ｔ１−ｔ０）＝Δλ／Δｔ
これに対して、（２）で示されるように波長がλ０からλ１に変化したときのこれらの差を得るのに時刻がｔ０からｔ２（ｔ２＝ａ・ｔ１）まで要する場合、波長検出精度Ｋ´は次式で与えられる（１＜ａ）。
【００２８】
Ｋ´＝（λ１−λ０）／（ｔ２−ｔ０）＝Δλ／ａ・Δｔ
従って、Ｋ´＝Ｋ／ａとなり、波長の掃引をゆっくり実施した方が波長の検出精度が向上することが理解できる。
【００２９】
図９は本発明による負荷監視装置の第３実施形態を示すブロック図である。ここでは、図６の第２実施形態と同様に複数の光ロードセル２（＃１，＃２及び＃３）が用いられている。また、負荷測定のダイナミックレンジを拡大するために、波長可変光源２２、光カプラ２４、波長制御装置２６及び受光器２８が複数の組として用いられており、これらに対して共通の時間間隔測定器３０が設けられている。
【００３０】
各波長可変光源２２から各光カプラ２４を介して出力された光はＷＤＭカプラ（光マルチプレクサ）３２によって共通の光ファイバ１４に送り出されて、光ロードセル２（＃１，＃２及び＃３）に供給される。ここで、複数の波長可変光源２２には、異なる波長の掃引範囲が割り当てられている。
【００３１】
従って、本実施形態によると、波長の掃引可能な範囲を波長可変光源２２の台数に応じて拡大することができ、これに従って負荷測定のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００３２】
図１０は本発明による負荷監視装置の第４実施形態を示すブロック図であり、ここでは、送電線の負荷監視に適用した例が示されている。複数の光ロードセル２が送電線３４に沿って設けられており、送電線３４の各位置での負荷が監視されるようになっている。送電線３４の各位置での負荷は例えば降雪地帯において大きく変動し得るので、これを監視して適切な処置をすることが要求される。
【００３３】
これまでに説明した実施形態と同様、光ロードセル２を監視のための位置と光学的に接続するために光ファイバ１４及び光カプラ２４が用いられている。波長可変光源２２に対応してレーザダイオード（ＬＤ）３６及びその駆動回路３８が設けられ、波長制御回路２６に対応してＬＤ３６からの波長モニタ信号に基き駆動回路３８を制御する制御回路４０が設けられている。
【００３４】
また、受光器２８に対応してフォトダイオード（ＰＤ）４２が設けられており、その出力信号は増幅回路４４により増幅されてオシロスコープ４６に入力されている。オシロスコープには同期用にＬＤ駆動回路３８からの信号も供給されており、ＰＣ制御回路４８によって、オシロスコープ４６を用いた時間間隔の測定が実施されるようになっている。
【００３５】
ＬＤ３６から出力される光の波長を掃引する速度を３０ｎｍ／ｍｓとすると、監視側センサ１０からの反射光の遅延量は、０．１ｎｍの波長変動あたり３．３μｓｅｃとなり、通常のオシロスコープで十分に時間差を測定することができる。
【００３６】
このように、本発明によると、負荷の監視に従来のようなスペクトルアナライザが不用になるので、測定精度が向上し、迅速な監視が可能になると共に、装置の低コスト化が可能になる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、スペクトルアナライザを必要としない負荷監視装置及び負荷監視方法の提供が可能になるという効果が生じる。その結果、正確で且つ迅速な負荷の監視が可能になると共に監視装置の低コスト化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に適用可能な光ロードセルの構成を示す図である。
【図２】図２はファイバグレーティングの構造及び動作を説明するための図である。
【図３】図３は本発明による負荷監視装置の第１実施形態を示すブロック図である。
【図４】図４は波長の走査（掃引）の例を示すグラフである。
【図５】図５は反射光量の時間変化の例を示すグラフである。
【図６】図６は本発明による負荷監視装置の第２実施形態を示すブロック図である。
【図７】図７は図６の実施形態におけるタイミングチャートを示すグラフである。
【図８】図８は波長検出精度の改善を説明するためのグラフである。
【図９】図９は本発明による負荷監視装置の第３実施形態を示すブロック図である。
【図１０】図１０は本発明による負荷監視装置の第４実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
２　光ロードセル
４　センサ部
６　リファレンス部
７　センサフレーム
１０　監視側センサ
１２　リファレンス側センサ
１４　光ファイバ
２２　波長可変光源
２４　光カプラ
２６　波長制御回路
２８　受光器
３０　時間間隔測定器
【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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【図８】
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【図９】
2004144686.tif 000011
【図１０】
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