(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ひずみを検出する光ファイバひずみ検出装置において、
光ファイバを保持するセンサ部と、
センサ部内において、保持された光ファイバに形成され、ほぼ同一の温度領域に配置された第１ＦＢＧ部と第２ＦＢＧ部と、
光ファイバに広帯域の光を送出し、反射光を受信する測定装置とを備え、
センサ部にひずみが作用すると、第１ＦＢＧ部と第２ＦＢＧ部に差動的に張力が作用し、第１ＦＢＧ部と第２ＦＢＧ部から反射してくる反射光の波長が変化することを特徴とする、
光ファイバひずみ検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光ファイバひずみ検出装置において、
センサ部は、相対的に移動可能な第１保持具と第２保持具とを備え、
第１保持具と第２保持具が相対的に移動すると、第１ＦＢＧ部と第２ＦＢＧ部に差動的に張力が作用することを特徴とする、
光ファイバひずみ検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光ファイバひずみ検出装置において、
光ファイバを固定する第１固定点と第２固定点と、
第１固定点と第２固定点に対して移動可能で、光ファイバを保持する移動体とを備え、
第１固定点と移動体の光ファイバに第１ＦＢＧ部を配置し、第２固定点と移動体の光ファイバに第２ＦＢＧ部を配置し、
移動体が移動すると、第１ＦＢＧ部と第２ＦＢＧ部に差動的に張力が作用することを特徴とする、光ファイバひずみ検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバに生じるひずみの検出に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバのＦＢＧ部にひずみが発生すると、ブラッグ波長が変化する。しかし、ブラッグ波長は、温度変化でも変化が生じる。例えば、波長が１５５０ｎｍ帯の光の場合、ひずみ変化に対しては、１．２ｐｍ／μεであり、温度変化に対しては、１０ｐｍ／℃である。このように、ひずみ測定に対する温度の影響は、約９με／℃と非常に大きい。そのため、別に正確に温度を測定して補正しなければならなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
＜イ＞本発明は、光ファイバに発生するひずみと温度によるひずみの変化分を分離することにある。
＜ロ＞また、本発明は、ひずみを正確に求めることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ひずみを検出する光ファイバひずみ検出装置において、光ファイバを保持するセンサ部と、センサ部内において、センサ部に保持された光ファイバに形成され、ほぼ同一の温度領域に配置された第１ＦＢＧ部と第２ＦＢＧ部と、光ファイバに広帯域の光を送出し、反射光を受信する測定装置とを備え、センサ部にひずみが作用すると、第１ＦＢＧ部と第２ＦＢＧ部に差動的に張力が作用し、第１ＦＢＧ部と第２ＦＢＧ部から反射してくる反射光の波長が変化することを特徴とする、光ファイバひずみ検出装置、又は、前記光ファイバひずみ検出装置において、センサ部は、相対的に移動可能な第１保持具と第２保持具とを備え、第１保持具と第２保持具が相対的に移動すると、第１ＦＢＧ部と第２ＦＢＧ部に差動的に張力が作用することを特徴とする、光ファイバひずみ検出装置、又は、前記光ファイバひずみ検出装置において、光ファイバを固定する第１固定点と第２固定点と、第１固定点と第２固定点に対して移動可能で、光ファイバを保持する移動体とを備え、第１固定点と移動体の光ファイバに第１ＦＢＧ部を配置し、第２固定点と移動体の光ファイバに第２ＦＢＧ部を配置し、移動体が移動すると、第１ＦＢＧ部と第２ＦＢＧ部に差動的に張力が作用することを特徴とする、光ファイバひずみ検出装置にある。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【０００６】
＜イ＞光ファイバひずみ検出装置
光ファイバひずみ検出装置は、光ファイバのＦＢＧ部を有するセンサ部を利用してひずみを検出するものであり、光ファイバを利用したひずみ計や傾斜計などがある。光ファイバひずみ検出装置の構成例を図１に示す。図１には、光ファイバ３に複数個のセンサ部１（Ｓ１、Ｓ２、・・・、Ｓｎ）が配置されている。光ファイバ３の一端に測定器２１や演算装置２２を備えた測定装置２が接続されている。測定装置２は、光ファイバ３に送出光スペクトルを送り、光ファイバ３から反射してくる反射光スペクトルを受信する。
【０００７】
＜ロ＞光ファイバのＦＢＧ部
光ファイバ３は、周囲にクラッド部３５、内部にコア部３４を有している。ＦＢＧ部３３は、特定の波長の光を反射するものであり、図２に一例を示してあり、コア部３４の屈折率が一定周期で変化している素子である。光ファイバ３に広帯域光を入射すると、屈折率の周期に応じた波長の光（ブラッグ波長）がＦＢＧ部３３で反射される。ＦＢＧ部３３にひずみが発生すると、ブラッグ波長の波長が変化し、ひずみを検出することができる。なお、広帯域光とは、ＦＢＧ部３３が歪で変化しても、少なくとも反射できる波長を含むものであれば良い。当然、もっと多くの波長を含むより広帯域であっても良い。
【０００８】
なお、図２では、光ファイバのＦＢＧ部は、屈折率の変化ピッチが一定の素子を示してあるが、特定の波長の光を反射するものであれば良く、例えば、屈折率の変化ピッチがチャ−プ型（変化ピッチが一定の割合で変化し、特定の複数波長を反射する）素子を使用することもできる。
【０００９】
＜ハ＞センサ部
センサ部１は、少なくとも２個のＦＢＧ部３３、３３を備え、差動的に動作する構成になっている。なお、差動的に動作するとは、一方に張力が強まるように作用すると他方に張力が弱まるように動作することを意味している。この構成にすることにより、ひずみと温度をそれぞれ独立して、かつ、同時に測定することができ、ＦＢＧ部３３の高精度の基本特性を活かすことができる。なお、２個のＦＢＧ部３３、３３は、ほぼ同じ温度の領域に配置する。また、２個のＦＢＧ部３３、３３は、２本の光ファイバ３、３に形成されていても、また、同一の光ファイバ３に形成されていてもよい。
【００１０】
＜ニ＞ひずみ計のセンサ部
光ファイバ検出装置の例としてひずみ計を説明する。ひずみ計１のセンサ部１の一例を図３（Ａ）に示す。ひずみ計１は、一対の保持具、第１保持具１１、第２保持治具１２を備え、１本の光ファイバ３を保持している。一対の保持具は、連結バネ等の連結材１４で光ファイバが伸縮する方向（矢印の向きＸ）に相対的に移動可能に配置される。第１保持具１１は、第１保持部１１１と第２保持部１１２を備え、その個所で光ファイバ３を保持する。第２保持具１２は、第１保持部１２１を備え、光ファイバ３を保持する。第２保持具１２の第１保持部１２１は、第１保持具１１の第１保持部１１１と第２保持部１１２の間の光ファイバ３を保持する。第１保持具１１の第１保持部１１１と第２保持具１２の第１保持部１２１の間には、第１ＦＢＧ部３３１が配置され、第２保持具１２の第１保持部１２１と第１保持具１２の第２保持部１１２の間には、第２ＦＢＧ部３３２が配置される。連結材１４は、一対の保持具１１、１２の移動を妨げないように構成される。これにより、第２保持具１２が第１保持具１１に対して相対的に移動すると、第１ＦＢＧ部３３１と第２ＦＢＧ部３３２は、差動的にひずみが生じる。即ち、一方のＦＢＧ部３３は、ひずみが大きくなり、他方のＦＢＧ部３３は、ひずみが小さくなる。
【００１１】
＜ホ＞測定装置
測定装置２は、光ファイバ３に広帯域の光信号を送出し、光ファイバ３から反射してきた光信号を受信して、第１ＦＢＧ部３３１と第２ＦＢＧ部３３２のひずみを測定するものである。測定装置２の測定器２１は、光ファイバ３の一端に接続され、広帯域の光信号を送出し、光ファイバ３から戻ってきたブラッグ波長を測定する。図１では、１本の光ファイバ３に複数個のセンサ部１（Ｓ１、Ｓ２、・・・、Ｓｎ）を配置し、広帯域の送出光スペクトルを光ファイバ３へ送出し、光ファイバ３から戻ってきた反射光スペクトルは、各センサ部１（Ｓ１、Ｓ２、・・・、Ｓｎ）の第１ＦＢＧ部３３１と第２ＦＢＧ部３３２による一対のブラッグ波長を含んでいる。なお、複数のセンサ部を１本の光ファイバ３に直列に配置する場合、ブラック波長を異ならせることで、各センサ１の識別をする。
【００１２】
測定装置２の演算装置２２は、測定器２の測定値を演算処理するものであり、測定器２１と一体に構成されていても良い。演算装置２２は、例えばパソコンを使用し、複数個のセンサ部１（Ｓ１、Ｓ２、・・・、Ｓｎ）の第１ＦＢＧ３３１部と第２ＦＢＧ部３３２からのフラッグ波長の測定値を演算処理して、それらのひずみ量や温度を求める。
【００１３】
＜ヘ＞ひずみの算出
図３を用いて、ひずみ計のひずみの測定例を示す。第２保持具１２がＸの＋方向（図３（Ａ）の右方向）に移動すると、光ファイバ３の第１ＦＢＧ部３３１は伸張し、張力が大きくなり、逆に、第２ＦＢＧ部３３２は縮小し、張力が小さくなる。従って、第１ＦＢＧ部３３１と第２ＦＢＧ部３３２は、差動的に張力が作用し、それぞれのＦＢＧ部３３１とＦＢＧ部３３２に差動的にひずみが発生する。また、一対の保持具１１、１２がＸの−方向に移動すると、第１ＦＢＧ部３３１は縮小し、張力が小さくなり、第２ＦＢＧ部３３２は伸張し、張力が大きくなる。従って、一対の保持具がどちらに移動しても、差動的に張力が作用し、それぞれのＦＢＧ部３３１とＦＢＧ部３３２に差動的にひずみが発生する。
【００１４】
図３（Ｂ）は、センサ部１が初期状態、即ち、センサ部１にひずみが発生しておらず、一対の保持具（第１保持具と第２保持具）が相対的に移動していない際の第１ＦＢＧ部３３１（左側の信号）と第２ＦＢＧ部３３２（右側の信号）からのブラッグ波長（ピーク）を示している。
【００１５】
図３（Ｃ）は、第２保持具がＸの＋方向（図３（Ａ）の右側）に移動した際のブラッグ波長（ピーク）の変化を示している。第１ＦＢＧ部３３１は伸張し、第２ＦＢＧ部３３２は縮小し、差動的に作動する。その結果、第１ＦＢＧ部３３１のブラッグ波長は大きくなり、ピークは右側に移動し、第２ＦＢＧ部３３２のブラッグ波長は短くなり、ピークは左側に移動する。
【００１６】
図３（Ｄ）は、図３（Ｃ）とは反対に、第２保持具がＸの−方向（図３（Ａ）の左側）に移動した際のブラッグ波長の変化を示している。第１ＦＢＧ部３３１は縮小し、第２ＦＢＧ部３３２は伸張し、差動的に作動する。その結果、第１ＦＢＧ部３３１のブラッグ波長は小さくなり、ピークは左側に移動し、第２ＦＢＧ部３３２のブラッグ波長は長くなり、ピークは右側に移動している。
【００１７】
図３（Ｅ）は、図３（Ａ）と同様に初期状態にあり、ただ、図３（Ａ）の状態から温度が上昇した状態を示している。第１ＦＢＧ部３３１と第２ＦＢＧ部３３２のブラッグ波長は、共に長くなり、両ピークは右側に移動して、同じ変化を示している。従って、両ピークの中間値の変化ΔＴ（初期状態の２つのピークの中間値Ｔｂ−温度変化後の中間値Ｔｅ）から温度変化を求めることができる。なお、２つのピークの中間値又は和を取るので、ひずみによるブラッグ波長の変化は打ち消される。
【００１８】
第２保持部１２が右方向に相対移動したことによる２つのピークの間隔の変化δλ（初期状態の２つのピークの間隔Δλｂ−右方向移動後の２つのピークの間隔Δλｃ）から、センサ部１に作用したひずみ量を求めることができる。なお、温度によるブラッグ波長の変化は、このように差を取ることにより打ち消されるので、ひずみ量に温度の変化は影響しない。
【００１９】
第２保持部１２が左方向に相対移動したことによる２つのピークの間隔の変化δλ（初期状態の２つのピークの間隔Δλｂ−左方向移動後の２つのピークの間隔Δλｄ）から、センサ部１に作用したひずみ量を同様に求めることができる。なお、ブラッグ波長の波長変化について記載してあるが、振動数ｆの変化として扱っても算出することはできる。
【００２０】
このように測定装置２により、ひずみは、２つのピークの間隔又は差を測定することにより求まり、温度は、両ピークの中点又は和を測定することにより求まる。また、光ファイバひずみ検出装置の波長測定の誤差は、両ピークに同じ作用をするので、差動的に動作するひずみ測定については、キャンセルすることができる。
【００２１】
なお、図３では、光ファイバのＦＢＧ部は、屈折率の変化ピッチが一定の素子を示してあるが、屈折率の変化ピッチがチャ−プ型（変化ピッチが一定の割合で変化する）素子の場合、２つのピークではなく、１つの台形状の波形となり、これらの幅と中点の位置を測定することにより、ひずみと温度を測定することができる。
【００２２】
＜ト＞ひずみ計の他のセンサ部形状
ひずみ計１の他のセンサ部を図４に示す。ひずみ計１は、一対の保持具１１、１２を備え、２本の光ファイバ３１、３２を保持している。一対の保持具１１、１２は、光ファイバ３が伸縮する方向（矢印の向きＸ）に相対的に移動可能に配置される。第１保持具１１は、第１保持部１１１と第２保持部１１２を備え、第２保持具１２は、第１保持部１２１と第２保持部１２２を備えている。
【００２３】
一方の光ファイバ、第１光ファイバ３１は、第１保持具１１の第１保持部１１１と、第２保持具１２の第１保持部１２１で保持される。他方の光ファイバ、第２光ファイバ３２は、第１保持具１１の第２保持部１１２と、第２保持具１２の第２保持部１２２で保持される。第１光ファイバ３１の第１保持部１１１と１２１の間には、第１ＦＢＧ部３３１が配置され、第２光ファイバ３２の第２保持部１１２と１２２の間には、第２ＦＢＧ部３３２が配置される。第１光ファイバ３１と第２光ファイバ３２は相互に分離した２本でもよく、また、端でつながっていて一本でもよい。一対の保持具１１、１２の間に外筒１３を配置し、ひずみ計１内部への異物の侵入を防止する。外筒１３は、一対の保持具１１、１２の移動を妨げないように構成される。
【００２４】
一対の保持具１１、１２が離間する方向（Ｘの＋方向）に移動すると、第１ＦＢＧ部３３１は伸張し、ひずみが大きくなり、第２ＦＢＧ部３３２は縮小し、ひずみが小さくなる。従って、第１ＦＢＧ部３３１と第２ＦＢＧ部３３２は、差動的に張力が作用していることになる。また、一対の保持具１１、１２が接近する方向（Ｘの−方向）に移動すると、第１ＦＢＧ部３３１は縮小し、ひずみが小さくなり、第２ＦＢＧ部３３２は伸張し、ひずみが大きくなる。従って、ＦＢＧ部３３１とＦＢＧ部３３２に差動的にひずみが発生する。
【００２５】
＜チ＞傾斜計のセンサ部
光ファイバ検出装置の例として傾斜計を説明する。傾斜計のセンサ部１として、図５に検出原理図を示す。傾斜計のセンサ部１は、一対の固定点（第１固定点４２と第２固定点４３）と移動体４１との間に光ファイバ３を張ったものである。第１ＦＢＧ部３３１を移動体４１と第１固定点４２との間に張り、第２ＦＢＧ部３３２を移動体４１と第２固定点４３との間に張る。
【００２６】
傾斜計４が左右（φ方向）に傾斜すると移動体４１が左右（−側、＋側）どちらかに移動するので、第１ＦＢＧ部３３１と第２ＦＢＧ部３３２に差動的に張力がかかる。例えば、図５の右側（＋側）に傾斜すると、第１ＦＢＧ部３３１の張力が強くなり、第２ＦＢＧ部３３２の張力が弱くなり、第１ＦＢＧ部３３１と第２ＦＢＧ部３３２に差動的にひずみが発生する。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、次のような効果を得ることができる。
＜イ＞本発明は、光ファイバに発生する張力と温度によるひずみの変化分を分離することができる。
＜ロ＞また、本発明は、張力を正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバひずみ検出装置の説明図
【図２】光ファイバのＦＢＧ部の説明図
【図３】ひずみ計のセンサ部の説明図
【図４】他のひずみ計のセンサ部の説明図
【図５】傾斜計の説明図
【符号の説明】
１・・・センサ部
１１・・第１保持具
１１１・第１保持部
１１２・第２保持部
１２・・第２保持具
１２１・第１保持部
１２２・第２保持部
１３・・外筒
２・・・検出装置
２１・・検出器
２２・・演算装置
３・・・光ファイバ
３１・・第１光ファイバ
３２・・第２光ファイバ
３３・・ＦＢＧ部
３３１・第１ＦＢＧ部
３３２・第２ＦＢＧ部
３４・・コア部
３５・・グラッド部
４・・・傾斜計
４１・・移動体
４２・・第１固定点
４３・・第２固定点
【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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