(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバブラッググレーティング振動センサであって、
ベースと、
片持梁及び片持梁の軸方向に沿って設置された第１ボスと第２ボスを含む振動測定素子と、
該軸方向に沿って振動測定素子にカプセル化され、該振動測定素子の振動を検出するのに用いられるファイバブラッググレーティングと、
を含み、
振動測定素子の第１ボス側の一端はベースに固着され、振動測定素子の第２ボスの一端は垂れ下がり、
前記ベースには、空間的に互いに直交するように装着された複数の振動測定素子が装着されており、
前記複数の振動測定素子における第１振動測定素子の第１ボスと第２ボスの高さは第２振動測定素子の第１ボスと第２ボスの高さと異なることを特徴とするファイバブラッググレーティング振動センサ。
【請求項２】
第１ボスと第２ボスの高さは同じであることを特徴とする請求項１に記載のファイバブラッググレーティング振動センサ。
【請求項３】
第１ボスと第２ボスの高さは片持梁の厚さのＮ倍であり、Ｎの範囲は１以上３以下であることを特徴とする請求項２に記載のファイバブラッググレーティング振動センサ。
【請求項４】
前記複数の振動測定素子によりカプセル化されたファイバブラッググレーティングは直列接続されることを特徴とする請求項１に記載のファイバブラッググレーティング振動センサ。
【請求項５】
前記ファイバブラッググレーティング振動センサの数は３つであることを特徴とする請求項１に記載のファイバブラッググレーティング振動センサ。
【請求項６】
前記ファイバブラッググレーティングを、前記振動の量を算出するためのファイバブラッググレーティング復調器に接続するのに用いられる引出ファイバをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のファイバブラッググレーティング振動センサ。
【請求項７】
前記複数の振動測定素子の間で前記ベースに固定されるワイヤ柱をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のファイバブラッググレーティング振動センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は振動センサに関し、特に、ファイバブラッググレーティング振動センサ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｏｒ）及びその振動測定素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動測定とは物体の振動特性を表現できる関連パラメータを測定するプロセスを指す。振動測定は、故障監視、構造ヘルスモニタリングなどにおいて重要な意味がある。振動測定には、感度と周波数応答が測定の要求を満たすことのできる振動センサを選択しなければならない。現在、振動センサの種類は様々であり、圧電型、電磁式及び光ファイバ振動センサ等を含む。
【０００３】
光ファイバセンシング技術は、光ファイバと光ファイバ通信技術の発展に伴って新たな道を切り開いた新しいセンシング技術である。１９７８年から光ファイバにおいて光誘発のブラッグを形成するグレーティングを発明して以来、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）は光ファイバ通信とセンシングにおいて幅広く応用されている。ファイバブラッググレーティングが初めて歪みと温度センシング実験に応用されて以来、ファイバブラッググレーティングセンサ技術は持続的且つ急速的に成長し、光ファイバセンシング分野における成長が最も速く、最も注目される技術になっている。
【０００４】
これは、ファイバブラッググレーティングにより構成されたセンサが、その他の光ファイバーセンサと比べ、多くの際立つ利点を有するからである。その主な利点としては、センサ素子の体積が小さく、軽やかで隠蔽性が高く、小スペースに設置することができ、ひいては複合材料に嵌め込まれることと、空間ネットワーク形成に便利であり、分解精度を高くするために、光波長多重通信（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）、時分割多重化（ＴＤＭ：Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）及び空間分割多重（ＳＤＭ，Ｓｐａｃｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術を結合して、それぞれのファイバチャネルに複数のファイバブラッググレーティングにより構成された準分布式のセンサノードを設置することができることと、絶対量を測定するために、ファイバブラッググレーティングをセンサ素子として、絶対波長量（固有の波長測定尺度を有する）を出力することと、複合サブ構造のファイバブラッググレーティングの特別なスペクトル特性を利用して、マルチパラメータのインテリジェントセンサ素子等を製造することができることとを含む。
【０００５】
そのため、ファイバブラッググレーティングセンサは、特に大規模の都市工事、配管施設、宇宙船、飛行機、汽船、工業と生産設備等に対する健康安全監視と自動制御に適する。
【０００６】
ファイバブラッググレーティングセンサは、耐電磁干渉、感度が高く、安全且つ信頼でき、耐腐食、分散式測定可能、ネットワーク形成に便利等の様々な利点を有し、特に、一部の特別な場所に応用するのに適し、ファイバブラッググレーティングセンサ技術の応用は既に電力、石油、石油化学、交通と建築等の様々な工業分野に広がっている。公共安全、国防、工業農業安全生産、環境保護等の重大な安全監視分野にも幅広く応用されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願の実施例はファイバブラッググレーティング振動センサを提供することに着目し、感度が高く、周波数範囲が広く、３軸方向又はそのいずれかの軸方向の振動を選択的且つ同時に測定することができる特性の一つ又は複数を有する。
【０００８】
第１様態によれば、本願は、ベースと、片持梁及び片持梁の軸方向に沿って設置された第１ボスと第２ボスを含む振動測定素子、及び該軸方向に沿って振動測定素子にカプセル化され、該振動測定素子の振動を検出するのに用いられるファイバブラッググレーティングとを含むファイバブラッググレーティング振動センサを提供し、振動測定素子の第１ボス側の一端はベースに固着され、振動測定素子の第２ボス側の一端は垂れ下がっている。
【０００９】
第２様態によれば、本願は、片持梁と、片持梁の軸方向に沿って片持梁に設置された第１ボスと第２ボス、及び該軸方向に沿って第１ボスと第２ボスにカプセル化されたファイバブラッググレーティングとを含むファイバブラッググレーティング振動センサに用いられる振動測定素子を提供し、振動測定素子の第１ボス側の一端は前記振動測定素子をベースに固着する固定構造を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本願の実施例によれば、１つのベースに互いに直交する振動測定素子を同時に装着することにより、３つの方向における振動を選択的且つ同時測定することができ、空間振動状況を全面的に測定することができる。また、３軸における振動感度が異なるように選択的に設定するころができ、異なる場所での測定の需要に適応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本願の例示的な実施例によるファイバブラッググレーティング振動センサの構成図である。
【図２】本願の例示的な実施例によるファイバブラッググレーティング振動センサにおける振動測定素子の構成図である。
【図３】本願の例示的な実施例のレール振動測定における応用を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本願の技術的解決手段の目的、構造及び利点をより明瞭にするため、以下、図面に合わせて本発明をさらに詳しく説明する。
【００１３】
図１は本願の例示的な実施例によるファイバブラッググレーティング振動センサ１００の構成図である。ファイバブラッググレーティング振動センサ１００はケージング１１０に固定されることができる。ファイバブラッググレーティング振動センサ１００は、ベース１２０と、振動測定素子１４１、１４２、１４３、及びファイバブラッググレーティング１７１、１７２、１７３とを含む。
【００１４】
説明しやすくするために、以下の実施例において、ファイバブラッググレーティング振動センサ１００は３つの振動測定素子１４１、１４２、１４３及び該当する３つのファイバブラッググレーティング１７１、１７２、１７３を含むが、ファイバブラッググレーティング振動センサ１００は必ずしもこの３つの振動測定素子１４１、１４２、１４３及び該当する３つのファイバブラッググレーティング１７１、１７２、１７３を同時に含むわけではない。
【００１５】
一実施例において、ファイバブラッググレーティング振動センサ１００は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向のうちの一方向の振動測定素子とファイバブラッググレーティングのみを含むように構成されることができる。別の実施例において、ファイバブラッググレーティング振動センサ１００は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向のいずれか２つの方向の振動測定素子とファイバブラッググレーティングを含むように構成されることができる。
【００１６】
もう一つの実施例において、ファイバブラッググレーティング振動センサ１００は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向の３つの方向における振動測定素子とファイバブラッググレーティングを同時に含むように構成されることができる。この場合、ファイバブラッググレーティング振動センサ１００は、３軸ファイバブラッググレーティング振動センサ１００と呼ばれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向の振動を同時に測定することができ、いずれか１つ又２軸方向における振動を測定することもできる。
【００１７】
ベース１２０は、ケージング１１０に固定されることができる。
ベース１２０は、三つの互いに直交する装着面１３１、１３２、１３３を有するように加工されることができる。例えば、ベース１２０は３つの直方体により構成されることができ、この３つの直方体は、例えば左側が最も揃えている。第１と第３の直方体は、水平に配置され互いに平行し且つ位置合わせられており、それらの間の距離は幅方向に第２の直方体を配置するのにちょうど良い。第２の直方体は垂直に配置されている。互いに直交する３つの装着面１３１、１３２、１３３は、例えば、それぞれ第１の直方体の頂面、第２の直方体の底面、及び第３の直方体の左側面を選択する。
【００１８】
ベース１２０は、例えば、装着孔１６１、１６２等を経て、装着ボルト又はネジ等、又はその他の方式により、ケージング１１０の底面に固定されることができる。
３つの振動測定素子のそれぞれは、片持梁形式の本体を含むことができ、ベース１２０に固着されることができる。例えば、３つの振動測定素子１４１、１４２、１４３のそれぞれの一端はそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向において３つの互いに直交する装着面１３１、１３２と１３３に装着されることができる。例えば、３つの振動測定素子１４１、１４２、１４３のそれぞれの片持梁の一端に装着孔を設置し、装着ボルト又はネジを使用してそれぞれ３つの互いに直交する装着面１３１、１３２と１３３に固定することができる。３つの振動測定素子１４１、１４２、１４３は、３つの互いに直交する装着面１３１、１３２と１３３において、空間的にも互いに直交するように装着されることができる。
【００１９】
３つの振動測定素子１４１、１４２、１４３自体は、それぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向に平行することができる。上述のように、振動測定素子１４１、１４２、１４３のそれぞれの片持梁の一端は３つの互いに直交する装着面１３１、１３２と１３３に装着され、振動測定素子１４１、１４２、１４３のそれぞれの片持梁の他端は垂れ下がり、マスブロックの役割を果たす。
【００２０】
３つの振動測定素子１４１、１４２、１４３のそれぞれの振動測定素子は、１つの軸方向における振動を測定することができる。振動測定素子１４１、１４２、１４３は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向における振動をそれぞれ測定する。ここで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向は必要に応じて設置することができ、３つの方向が空間的に互い直交すればよい。
【００２１】
振動測定素子１４１、１４２、１４３には、それぞれファイバブラッググレーティング１７１、１７２、１７３がカプセル化されている。ファイバブラッググレーティング１７１、１７２、１７３は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向における振動をそれぞれ検出する。
【００２２】
振動測定素子１４１、１４２、１４３のそれぞれは、その片持梁方向に沿って設置された２つのボスを含むことができ、該ファイバブラッググレーティング振動センサ１００の感度を調節するのに用いられる。該２つのボスの高さは同じであってもよい。ボスの高さにより感度の拡大倍数が決定され、異なる感度の需要に応じて異なる高さの値を選択することができる。需要に応じて、各振動測定素子は異なるボスの高さを有することができ、例えば、第１振動素子１４１の２つのボスの高さは第２振動素子１４２の２つのボスの高さと異なる。
【００２３】
ファイバブラッググレーティング１７１、１７２、１７３は、例えば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向において振動測定素子１４１、１４２、１４３の表面のボスにカプセル化される（例えば、貼り付ける）。振動測定素子１４１、１４２、１４３の表面におけるボスの構造に対しては、以下、添付の図２に合わせて説明する。
【００２４】
振動測定素子１４１、１４２、１４３のそれぞれにカプセル化されたファイバブラッググレーティング１７１、１７２、１７３は直列接続されることができる。例えば、該直列接続されたファイバブラッググレーティングは、引出ファイバ１９０を介してファイバブラッググレーティング復調器（図示せず）に接続されることができ、ケージング１１０の１つの引出孔１８０を介してケージング１１０に入り、その後、それぞれ第１、第２と第３振動測定素子１４１、１４２、１４３のそれぞれに順にカプセル化されることができる。
【００２５】
該ファイバブラッググレーティングの末端は、ケージング１１０の別の引出孔１８０を介して引き出された後、引出ファイバ１９０を介してファイバブラッググレーティング復調器（図示せず）に接続されることができる。該ファイバブラッググレーティングの引出孔１８０は、例えば、第２振動測定素子１４２から離れるが、第１振動測定素子と第３振動測定素子１４１と１４３の延長線と直交するケージング１１０の側面に設置されることができる。
【００２６】
ファイバブラッググレーティングの配置と安定のために、一実施例において、該ファイバブラッググレーティングはそれぞれ第１振動測定素子１４１と第２振動測定素子１４２の間及び／又は第２振動測定素子１４２と第３振動測定素子１４３の間でワイヤ柱１５１と１５２を避けて前進することができる。ワイヤ柱１５１と１５２は選択可能であり、１つのみであってもよく、同時に２つあってもよく、全部なくてもよい。ワイヤ柱１５１と１５２は、それぞれ第１と第３装着面１３１と１３３に固定され、それぞれ第１と第３装着面１３１と１３３と直交することができる。第１と第３装着面１３１と１３３には、具体的な需要に応じてさらなるワイヤ柱をそれぞれ固定することができる。
【００２７】
Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向のそれぞれの軸方向にそれぞれ振動が発生する場合、３つの振動測定素子１４１、１４２、１４３のそれぞれの片持梁の他端がマスブロックの役割を果たすため、３つの振動測定素子１４１、１４２、１４３のそれぞれの片持梁は振動方向において撓み量の変化が発生する。前記撓み量の変化はそれぞれファイバブラッググレーティング１７１、１７２、１７３のそれぞれの歪み変化を引き起こす。この歪み変化がファイバブラッググレーティング１７１、１７２、１７３により検出された後、引出ファイバ１９０を介してファイバブラッググレーティング復調器（図示せず）に伝達される。
【００２８】
そして、ファイバブラッググレーティング復調器（図示せず）はファイバブラッググレーティング１７１、１７２、１７３のそれぞれの波長変化を算出し、よってＸ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向におけるそれぞれの振動軸方向の振動量を算出する。
【００２９】
図２は本願の例示的な実施例によるファイバブラッググレーティング振動センサにおける振動測定素子の構成図である。該振動測定素子は図１に示された振動測定素子１４１、１４２、１４３のいずれかとされることができる。
【００３０】
振動測定素子は片持梁２００及び片持梁２００の軸方向に沿ってその上に設置された第１ボス２１１と第２ボス２１２を含むことができる。ファイバブラッググレーティング２０６は、片持梁２００の略軸方向に沿って片持梁２００の第１ボス２１１と第２ボス２１２の表面にカプセル化される（例えば、貼り付ける）ことができる。一実施例において、ファイバブラッググレーティング２０６は、幅方向において第１ボス２１１と第２ボス２１２の表面を均等に分けるように配置される。
【００３１】
片持梁２００は、第１ボス２１１における２つの片持梁の装着孔２３１を介して対応する装着面（図示せず）に固定されることができる。例えば、前記２つの片持梁の装着孔２３１において、装着ボルト又はネジを使用して片持梁２００の第１ボス２１１の一端を装着面に固定する。その他の数、その他の形式の片持梁の装着孔、又は装着孔以外のその他の固定構造によって、片持梁２００を対応する装着面（図示せず）に固定することもできる。
【００３２】
図２に示すように、片持梁２００の長さをＬ、厚さをｈ、幅をｂに記載し、第１ボス２１１と第２ボス２１２の同じ高さδは片持梁２００のの厚さｈのＮ倍、即ちδ＝Ｎｈ（Ｎは零より大きい数値である）であり、片持梁２００の等価末端マスブロックの質量はｍである。理論的に、該Ｎ値が大きいほど、ファイバブラッググレーティング振動センサの感度は高くなる。センサーの寸法に対する制限を考える上、該Ｎ値の範囲は一般的に１以上３以下である。後述のように、本願の例示的な実施例によれば、第１と第２ボス２１１、２１２の高さはファイバブラッググレーティング２０６から片持梁の厚さ中心面２４２までの距離を大きくし、そのため、ファイバブラッググレーティング振動センサの感度を著しく向上させることができる。ここで、片持梁の厚さ中心面２４２は片持梁２００が厚さ方向の中心部に位置する仮想平面であり、片持梁２００の厚さ方向における屈曲に従って屈曲する。
【００３３】
図２に示された片持梁２００の第２ボス２１２側の一端は装着面に固定されず垂れ下がり、マスブロックの役割を果たす。片持梁２００は慣性力により屈曲を発生し、その屈曲の曲率半径はρとする。片持梁２００の屈曲によるファイバブラッググレーティング２０６における歪みはεｘと表示する。材料力学の知識によれば、以下の公式が成り立つ。
【数１】
0006271031.tif 000002
ここで、
ｈは片持梁の厚さであり、単位はｍ、
δはボスの高さであり、単位はｍ、
ρは片持梁の曲率半径であり、単位はｍ、
Ｍは慣性力のモーメントであり、単位はＮｍ、
Ｅは片持梁材料のヤング率であり、単位はＧＰａ、
Ｊは片持梁の慣性モーメントであり、単位はｍ４、
Ｌは片持梁の長さであり、単位はｍ、
Ｆは片持梁に印加された慣性力であり、単位はＮ、
ｂは片持梁の幅であり、単位はｍ、
ｍは片持梁の末端の等価質量であり、単位はｇ、
αは外部振動の加速度であり、単位はｍ／ｓ２、
Ｎはボスの高さに片持梁の厚さを除算した比である。
ここで、慣性力のモーメントＭは公式（３）により計算することができ、慣性力Ｆに片持梁のアームＬを乗算した結果である。
片持梁材料のヤング率Ｅは材料によるものであり、片持梁材料が選定された後、Ｅは表から検索することができる。
片持梁の慣性モーメントＪは公式（４）により計算することができ、片持梁の幅ｂと厚さｈが決められた後、Ｊを計算することができる。
片持梁に印加された慣性力Ｆは公式（５）により計算し、等価質量に加速度を乗算し、こちらの加速度が最終的に測定しようとする量である。
片持梁の構造と材料が決められた後、片持梁の等価質量ｍも決められたものとなる。ｍは中間量であり、実際に算出する必要がなく、公式を導き出す過程に使用するだけである。
外部振動の加速度αがセンサにより測定しようとする量である。
【００３４】
公式（１）〜（５）から以下を得られる。片持梁２００の屈曲によるファイバブラッググレーティング２０６における歪みは以下のように表示される。
【数２】
0006271031.tif 000003
片持梁２００にボス２１１、２１２がなく、その他のパラメータはボスがある場合と同じであり、ファイバブラッググレーティング２０６が片持梁２００の表面にカプセル化されたと想定する場合、Ｎの値は零であり、そのため、片持梁２００の屈曲によるファイバブラッググレーティング２０６における歪みは以下のように変わる。
【数３】
0006271031.tif 000004
公式（６）と（７）を比べれば明らか分かるように、ボスがある時のファイバブラッググレーティングにおける歪みはボスがない時のファイバブラッググレーティングにおける歪みの（１＋２Ｎ）倍である。そのため、振動測定素子のその他のサイズが決められた場合、Ｎ値を大きくすることにより加速度αに発生する歪みεを大きくすることができ、よってファイバブラッググレーティング振動センサの感度を向上させることができる。ファイバブラッググレーティング振動センサのＸ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向における振動測定素子のボスの高さはそれぞれ選択することができ、よってこの３つの方向における感度はそれぞれ向上される。ボスを生産する過程において、異なる感度の必要に応じて異なる高さに加工することができ、第１ボスと第２ボスの高さは同じように維持することができる。そのため、一連の感度を有するファイバブラッググレーティング振動センサを提供するために、高さが異なる一連のボスを提供することができる。
【００３５】
実際の需要に応じてＸ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向における感度を測定する要求が異なる可能性があり、同じ可能性もあるため、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向における振動測定素子のそれぞれのボスの高さは同一又は異なるように互いに単独に選択し設置されることができ、よって異なる方向における振動測定の感度に対する需要にそれぞれ適する。
【００３６】
本願の例示的な実施例において、３軸のファイバブラッググレーティング振動センサは３つの振動方向における振動量を同時に測定することができるが、該３軸のファイバブラッググレーティング振動センサでいずれか１つの方向における振動量のみを測定することもできる。
【００３７】
図３は本願の例示的な実施例による３軸のファイバブラッググレーティング振動センサ３１６のレール振動測定における応用を示す図である。該図は３軸のファイバブラッググレーティング振動センサ３１６が装着されたレールの側面図である。レール３１３の両側は一般的に取り付けネジ３１４によってそれぞれ枕木に固定される。３軸のファイバブラッググレーティング振動センサ３１６は、例えば、保持部材３１５によってレール３１３の下方に装着される。鉄道沿線の落石は枕木システムを衝撃してレールの振動を引き起こすことができ、３軸のファイバブラッググレーティング振動センサ３１６はこのような振動を測定することができる。落石が枕木システムを衝撃する角度と落下点が異なるため、発生するレールの３軸方向における振動も異なり、そのため、レールの３軸方向における振動状況から落石の状況を総合的に判定することができる。落石による振動であると判定された場合、即時に警報する。３軸のファイバブラッググレーティング振動センサ３１６はレールの３軸方向のいずれかの方向における振動状況を同時に測定することができる。
本願の例示的な実施例によれば、３軸のファイバブラッググレーティング振動センサ３１６は、例えば、電力、石油、石油化学、交通及び建築等の分野にさらに応用することができる。
【００３８】
以上、図面に合わせて本願の例示的な実施形態を説明したが、本発明の保護範囲はそれに限定されず、当業者であれば、本願により開示された技術範囲内で、種々の変更又は置換の形式を想到できるだろう。
【符号の説明】
【００３９】
１００  振動センサ      １１０  振動センサのケージング
１２０  ベース      １３１、１３２、１３３  装着面
１４１、１４２、１４３  振動測定素子      １５１、１５２  ワイヤ柱
１６１、１６２、１６３  装着孔
１７１、１７２、１７３  ファイバブラッググレーティング
１８０  引出孔      １９０  引出ファイバは      ２００  片持梁
２１１、２１２  ボス      ２３１  片持梁の装着孔
２４２  片持梁の厚さの中心面
２０６  ファイバブラッググレーティング      ３１３  レール
３１４  取り付けネジ      ３１５  保持部材
３１６  ファイバブラッググレーティング振動センサ
【図１】
0006271031.tif 000005
【図２】
0006271031.tif 000006
【図３】
0006271031.tif 000007