(57)【要約】      （修正有）【課題】ＦＢＧセンサーを用いた振動検出装置において、振動検出ＦＢＧセンサーの温度測定を可能とし、測定結果に対して温度補正をかけずに測定結果がそのまま事象変化として確認できるようにする。【解決手段】  光ファイバーケーブルで接続された光源１からの光をＦＢＧセンサー２で反射し、該反射光をＦＢＧセンサー２と同等の反射波長特性を有すフィルター用ＦＢＧ３で反射させて受光器４で観察し、ＦＢＧセンサー２に加えられた振動を検出すると共に、フィルタ用ＦＢＧ３をペルチェ素子９０で加熱・冷却可能とし、フィルタ用ＦＢＧ３の温度を変化させ、フィルタ用ＦＢＧ３からの反射光の強度が最大となるようにペルチェ素子９０を温調制御すると、そのときのフィルタ用ＦＢＧ３の温度がＦＢＧセンサー２の温度となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーケーブルに接続された振動検出光ファイバーグレーティングセンサーに光を射出する光源装置と、前記光源装置からの反射光を観測することによって前記振動検出光ファイバーグレーティングセンサーに加えられた振動を検出する復調器を有した光ファイバーグレーティングセンサーを用いた振動検出装置であって、
前記復調器は、前記振動検出光ファイバーグレーティングセンサーからの反射光を受光フィルタとして導光し、反射光を観察する当該振動検出光ファイバーグレーティングセンサーの光ファイバーグレーティングと同等の反射波長特性を有するフィルタ用光ファイバーグレーティングと、前記フィルタ用光ファイバーグレーティングを加熱・冷却する温度調節手段と、前記フィルタ用光ファイバーグレーティングの温度を変化させて該フィルタ用光ファイバーグレーティングからの反射光の強度が最大となるように前記温度調節手段を制御する温度制御手段とを有することを特徴とする光ファイバーグレーティングセンサーを用いた振動検出装置。
【請求項２】
前記復調器は、前記フィルタ用光ファイバーグレーティングの温度を検知する温度検知手段を有することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバーグレーティングセンサーを用いた振動検出装置。
【請求項３】
前記光ファイバーケーブルには反射波長の異なる前記振動検出光ファイバーグレーティングセンサーが複数接続され、前記複数の振動検出光ファイバーグレーティングセンサーに対応して前記復調器を夫々設け、前記各復調器のフィルタ用光ファイバーグレーティングの反射波長を対応する振動検出光ファイバーグレーティングセンサーと同等の反射波長としたことを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバーグレーティングセンサーを用いた振動検出装置。
【請求項４】
前記振動検出光ファイバーグレーティングセンサーは、Ｕ字形状に形成された金属製のばね部材からなる振動弾性体と、前記振動弾性体のＵ字外周面に固着したファイバーグレーティングとにより構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバーグレーティングセンサーを用いた振動検出装置。
【請求項５】
前記振動検出光ファイバーグレーティングセンサーは、先端がテーパー面に形成された金属製の円柱部材からなる振動弾性体と、前記振動弾性体のテーパー面に巻回したファイバーグレーティングとにより構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバーグレーティングセンサーを用いた振動検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光ファイバーグレーティングセンサーを用いた振動検出装置に係り、特にがけ崩れ、土砂崩れなどの前兆を検出する検出装置、自動車，航空機の異常振動の検出装置、材料が変形、破壊する際に弾性波を発生するＡＥ（Accoustic Emission）現象を検出する光ファイバーグレーティングセンサーを用いた振動検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバーグレーティングセンサーを用いた測定装置は、水位計、圧力計、地中歪み計、水温計、構造物歪み計などの用途がある。
【０００３】
光ファイバーグレーティング（Fiber Bragg Grating）は、ファイバーのコア部の屈折率を周期的に変化させたもので、グレーティング長、周期、屈折率増加量を変化させることにより、特定の波長（ブラッグ波長）の光を任意に反射させることができる特性を備えているものとして知られている。
【０００４】
そこで、この光ファイバーグレーティング（以下ＦＢＧと称す）の特性を利用し、FBGが温度変化，圧力変化等によって変位したことを反射光の波長の変化で検出し、温度、圧力、歪などを測定できるようにした測定装置が提案されている（特許文献１）。
【０００５】
温度、圧力は結果としてＦＢＧセンサに歪みを生じさせ、この歪みは反射光の波長変化をもたらすため、正確に波長の値を知る必要がある。このため、ＦＢＧセンサに導く光源として波長可変のレーザー装置を用いることになる。
【０００６】
これに対し、ＦＢＧセンサを用いて振動を検出する場合、ＦＢＧセンサには周期的な伸縮変位が与えられるため、光源の波長を可変としなくても、所定の波長の光をＦＢＧセンサに導光すると、歪みが加わっていない基準状態での反射光の波長を該光源の波長とした場合、該基準状態における反射光の強度が最も強いピークレベルを示す波形が得られる。
【０００７】
したがって、周期的に発生する反射光のピークレベルの間隔を計測することにより振動数が求められることになる。
【特許文献１】特開２００１―３１１６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した振動検出装置において、振動の検出は上述のように反射光の波長を求める必要がないため、波長一定の光源を使用することができるが、振動検出ポイントの温度を併せて測定しようとする場合、別に波長を可変とするレーザー装置を用意すると共に、振動測定ポイントに温度測定用のＦＢＧセンサを別に用意しなければならない。そして、波長変化量-温度換算テーブルを用いて各振動検出ポイントの温度を求めるという煩わしさが生じる。
【０００９】
本願発明の目的は、温度測定用に専用のＦＢＧセンサを設けることを要せず、また測定結果に対して温度補正などの手間をかけずに測定結果がそのまま事象変化として確認できる光ファイバーグレーティングセンサーを用いた振動検出装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明の目的を実現する構成は、請求項１に記載のように、光ファイバーケーブルに接続された振動検出光ファイバーグレーティングセンサーに光を射出する光源装置と、前記光源装置からの反射光を観測することによって前記振動検出光ファイバーグレーティングセンサーに加えられた振動を検出する復調器を有した光ファイバーグレーティングセンサーを用いた振動検出装置であって、前記復調器は、前記振動検出光ファイバーグレーティングセンサーからの反射光を受光フィルタとして導光し、反射光を観察する当該振動検出光ファイバーグレーティングセンサーの光ファイバーグレーティングと同等の反射波長特性を有するフィルタ用光ファイバーグレーティングと、前記フィルタ用光ファイバーグレーティングを加熱・冷却する温度調節手段と、前記フィルタ用光ファイバーグレーティングの温度を変化させて該フィルタ用光ファイバーグレーティングからの反射光の強度が最大となるように前記温度調節手段を制御する温度制御手段とを有することを特徴とするものである。
【００１１】
上記した構成において、前記復調器は、前記フィルタ用光ファイバーグレーティングの温度を検知する温度検知手段を有する。
【００１２】
上記した構成において、前記光ファイバーケーブルには反射波長の異なる前記振動検出光ファイバーグレーティングセンサーが複数接続され、前記複数の振動検出光ファイバーグレーティングセンサーに対応して前記復調器を夫々設け、前記各復調器のフィルタ用光ファイバーグレーティングの反射波長を対応する振動検出光ファイバーグレーティングセンサーと同等の反射波長とした。
【００１３】
上記した構成において、前記振動検出光ファイバーグレーティングセンサーは、Ｕ字形状に形成された金属製のばね部材からなる振動弾性体と、前記振動弾性体のＵ字外周面に固着したファイバーグレーティングとにより構成した。
【００１４】
上記した構成において、前記振動検出光ファイバーグレーティングセンサーは、先端がテーパー面に形成された金属製の円柱部材からなる振動弾性体と、前記振動弾性体のテーパー面に巻回したファイバーグレーティングとにより構成した。
【００１５】
上記した構成では、振動検出用光ファイバーグレーティングセンサー（ＦＢＧセンサ）を例えば破壊が予想される物体に接着剤などを用いて結合させ、比較的波長範囲の広いＳＬＤ，ＡＳＥ等の光源光をこのＦＢＧセンサに入射させ、その反射波長を検出すると、振動検出ＦＢＧセンサに加わった振動に応じて反射波長がシフトするため、観察するフィルタ用ＦＢＧからの反射光の輝度に波長シフトと相対した変化が発生し、振動を検出可能となる。
【００１６】
一方、フィルタ用ＦＢＧの温度が振動検出ＦＢＧセンサの温度と異なると、フィルタ用ＦＢＧの反射波長は振動検出ＦＢＧセンサからの反射光の波長と異なるため、観察するフィルタ用ＦＢＧからの反射光の輝度は当然に低い値となる。このフィルタ用ＦＢＧを加熱あるいは冷却して振動検出ＦＢＧセンサの温度に近づけるとフィルタ用ＦＢＧの反射波長が振動検出ＦＢＧセンサの反射光の波長に近づいてくるので、観察するフィルタ用ＦＢＧからの反射光の輝度が高くなり、該輝度が最も高いときがフィルタ用ＦＢＧの温度が振動検出ＦＢＧセンサの温度と一致したと推測することができる。そこで、そのときのフィルタ用ＦＢＧの温度を測定すれば振動検出ＦＢＧセンサの温度を測定することができることになる。フィルタ用ＦＢＧを加熱・冷却する手段として、ペルチェ素子を用いることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、振動検出光ファイバーグレーティングセンサーを振動検出ポイントに配置してがけ崩れ、土砂崩れなどの振動を伴う前兆の検出、自動車，航空機の異常振動の検出などの振動検出を一定波長の光源を用いて行うと共に、振動検出光ファイバーグレーティングセンサーの温度も併せて計測することができる。
【００１８】
また、複数箇所の振動検出ポイントに対しても対応することができ、低周波、高周波振動も検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１〜図３は本発明の第１の実施の形態を示す。
【００２１】
図１は光ファイバーグレーティングセンサーを用いた振動検出装置の概略構成を示す図で、光源装置１と復調器Ａにより計測装置を構成しており、この計測装置と振動検出ＦＢＧセンサにより振動検出装置を構成している。
【００２２】
図１において、１はＡＳＥ（Amplified Spontaneus Emission）光源あるいはＳＬＤ（Super Luminescence Diode）光源を光源とする光源装置で、該光源は比較的波長範囲の広いものが用いられており、ピーク波長（λ0）を中心として両側にある程度の広がりを持った特性（発光強度‐波長との関係）を備えている。
【００２３】
２は測定対象に配置された振動検出ＦＢＧセンサで、特定温度での反射波長が光源装置１の光源の波長λ0に一致させるようにしている。なお、振動検出ＦＢＧセンサ２の具体的な構成については図６、図７に示しているが、これらの構造については後述する。
【００２４】
光源装置１と振動検出ＦＢＧセンサ２とは通信用光ファイバーケーブルＯＦにより接続され、光源装置１の光源からの光（以下通信光と称す）が通信用光ファイバーケーブルＯＦを通して振動検出ＦＢＧセンサ２に導光される。
【００２５】
通信用光ファイバーケーブルＯＦには、光源装置１の近くにビームスプリッタとして機能する光ファイバー用方向性カップラー（以下通信用カップラーと略す）８が設けられ、光源装置１からの通信光を振動検出ＦＢＧセンサ２に向けて通過させ、振動検出ＦＢＧセンサ２からの反射光を後述する復調器Ａ側に導くようにしている。
【００２６】
復調器Ａは、通信用カップラー８から導かれた反射光（以下第１の反射光とする）が入射する、該通信用カップラー８と同構造の光ファイバー用方向性カップラー（以下フィルタ用カップラーと略す）８０を有しており、このフィルタ用カップラー８０を通過した第１の反射光を振動検出ＦＢＧセンサ２のＦＢＧと反射波長および温度-歪み特性等が同一のフィルタ用ＦＢＧ３に導光するようにしている。そして、フィルタ用ＦＢＧ３で反射した反射光（以下第２の反射光とする）を受光器４に出力している。
【００２７】
ここでフィルタ用ＦＢＧ３の作用を図２を参照して以下に説明する。
【００２８】
図２（ａ）（ｂ）は、横軸に反射光の波長、縦軸に受光レベルを示しており、図２（ａ）は、振動検出ＦＢＧセンサ２とフィルタ用ＦＢＧ３とに温度差がない場合における破線で示す第１の反射光（波長λ１）の波形と、実線で示す第２の反射光（波長λ´）の波形を示す。また、図２（ｂ）は振動検出ＦＢＧセンサ２とフィルタ用ＦＢＧ３とに温度差がある場合における破線で示す第１の反射光（波長λ１）の波形と、実線で示す第２の反射光（波長λ´）の波形を示す。
【００２９】
図２（ａ）に示すように、振動検出用ＦＢＧセンサ２の温度とフィルタ用ＦＢＧ３の温度が同じであれば、第１の反射光の反射強度がピークとなる波長を略等しくした第２の反射光として受光器４に受光される。しかし、図２（ｂ）に示すように、振動検出用ＦＢＧセンサ２の温度とフィルタ用ＦＢＧ３の温度が異なると、ＦＢＧ３に導光された第１の反射光の反射波長と、ＦＢＧ３の反射波長に差が生じているので、第２の反射光は第１の反射光の反射波長とは異なる波長（λ´）をピークとする波形となる。しかも強度レベルも実際には低下している。
【００３０】
このことから、ＦＢＧ３の温度を調節すると、第２の反射光の強度レベルが変化し、振動検出用ＦＢＧセンサ２の温度と同じになると第２の反射光の強度レベルが最も高い値を示すことになる。
【００３１】
すなわち、受光器４からの出力には、振動成分である交流分が含まれると共に、第２の反射光の反射強度が直流成分として含まれることになる。
【００３２】
そこで、本実施の形態では、受光器４で受光した第２の反射光の光エネルギーを電気信号に変換し、変換した電気信号の交流分を振動検出回路部Ｂに出力し、反射強度である直流分を温度制御回路部Ｃへ夫々出力する。
【００３３】
振動検出回路部Ｂは、コンデンサ７と増幅器５０とにより構成し、受光器４で光電変換された電気信号の直流分をコンデンサ７でカットし、増幅器５０で増幅後振動波形として検出される。
【００３４】
一方、フィルタＦＢＧ３にはＦＢＧ３の温度を検出する温度センサ９が設けられ、また温度制御回路部Ｃで温調制御されるペルチェ素子９０によりフィルタＦＢＧ３を加熱、冷却して所定の温度に調節できるようにしている。
【００３５】
温度制御回路部Ｃは、受光器４で光電変換された電気信号の直流分は増幅器５で増幅された後、Ａ/Ｄ変換器６で第２の反射光の強度レベルを示すデジタル信号に変換されてＣＰＵ１０に出力される。ＣＰＵ１０は第２の反射光の強度レベルが最大になるようにペルチェ素子９０に対する通電制御を行なっており、ペルチェ素子９０の温度を温度センサ９により測定することにより、反射光の強度レベルが最大になったときの温度は振動検出ＦＢＧセンサ２の温度となる。
【００３６】
したがって、振動検出ポイントに温度測定用のＦＢＧセンサを設けることなく振動検出ポイントの温度を測定することができ、しかも波長が固定の光源を用いて振動検出と温度測定を実現することができる。
【００３７】
図４はペルチェ素子とフィルタＦＢＧ３との関係及びペルチェ素子の公知のブリッジトランジスタによるＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）方式の駆動回路を示し、ペルチェ素子５００上に固定したアルミブロックなどの温度伝導率の良い金属製の円柱部材５０１にフィルタＦＢＧ３を巻き付けて温度制御用モジュールを構成したもので、５０２は温度センサである。
【００３８】
図３はこのような温度制御モジュールによる温調制御を説明する図である。図３（ａ）は、振動検出ＦＢＧセンサ２とフィルタＦＢＧ３とに温度差があり、第１の反射光の反射波長λ１と第２の反射光の反射波長λ１´に波長ずれが発生している場合を示し、フィルタ用ＦＢＧ３の方が振動検出ＦＢＧセンサ２より高温のとき、フィルタ用ＦＢＧ３の温度を下げていけば第２の反射光の反射波長λ１´が増加し、したがって反射出力（波長λ１の波形と波長λ１´の波形の重なる部分の面積）は低下し、低温側に移動したとき反射出力は上昇する。
【００３９】
したがって、このときはフィルタ用ＦＢＧ３が現在より低温になるようにペルチェ素子９０の温度を制御して反射出力が最大となるよう、つまり振動検出ＦＢＧセンサ２の反射波長にフィルタ用ＦＢＧ３の反射波長が完全に一致するように制御すれば良いことになる。このときの温調制御と反射レベルの関係を示したのが図３（ｂ）である。
【００４０】
以上のように、本実施の形態によれば、フィルタ用ＦＢＧ３の温度調節を行なうことで安定した振動検出と、振動検出ポイントの温度を測定することが可能となる。
【００４１】
第２の実施の形態
図５は本発明の第２の実施の形態を示す。
【００４２】
図１に示す第１の実施の形態は、一つの振動検出ＦＢＧセンサ２を用いた場合を例にしたもので、測定装置を構成する復調器Ａは一つの振動検出ＦＢＧセンサ２に対応して設けられている。
【００４３】
本実施の形態は、通信用光ファイバーケーブルＯＦに複数の振動検出Ｆ
ＢＧセンサ２１〜２４を接続し、また測定装置には複数の振動検出ＦＢＧセンサ２１〜２４に対応して夫々復調器Ａ１〜Ａ４が設けられており、各復調器Ａ１〜Ａ４のフィルタ用ＦＢＧ３ａ〜３ｄは光ファイバーケーブルＯＦ１を介して直列に接続されている。
【００４４】
振動検出ＦＢＧセンサ２１〜２４は、反射波長が僅かに異なっており、フィルタ用ＦＢＧ３ａ〜３ｄの反射波長もこれに併せたものが用いられている。
【００４５】
したがって、振動検出ＦＢＧセンサ２１から反射した第１の反射光は第１の復調器Ａ１の第１のフィルタ用ＦＢＧ３ａに達すると第２の反射光として第１のフィルタ用カップラー８０ａから第１の受光器４ａに出力される。この第１の復調器Ａ１は第１の実施の形態に示す復調器Ａと同様の動作を行って振動と振動検出ＦＢＧセンサ２１の温度を検出する。
【００４６】
同様に、振動検出ＦＢＧセンサ２２から反射した第１の反射光は第２の復調器Ａ２の第２のフィルタ用ＦＢＧ３ｂに達すると第２の反射光として第２のフィルタ用カップラー８０ｂから第２の受光器４ａに出力される。また、振動検出用ＦＢＧセンサ２３、２４から反射した各第１の反射光は夫々第３の復調器Ａ３（不図示）、第４の復調器Ａ４で夫々第２の反射光として第３、第４のフィルタ用ＦＢＧ３ｃ（不図示）、３ｄに達すると第２の反射光として夫々第３の受光器４ｃ（不図示）、第４の受光器４ｄに出力される。
【００４７】
したがって、本実施の形態によれば、光源装置１に設けた波長固定の光源を用いて複数ポイントでの振動の検出と同時に温度の検出が可能となる。
【００４８】
このような複数の振動検出ＦＢＧセンサは、例えばがけ崩れあるいは土砂崩れの前兆として発生する振動を検出する場所、自動車或いは航空機の複数箇所に配置され、異常振動の検出に用いられる。
【００４９】
第３の実施の形態
図６及び図７は振動検出ＦＢＧセンサの構成を示す第３の実施の形態である。
【００５０】
図６に示す振動検出ＦＢＧセンサ２は低周波振動検出用で、ベリリウム銅をＵ字形状に形成して板バネ構造とした振動弾性体６０２の一方の先端部を支柱６００に固定し、また自由端をなす他方の先端部に錘６０１を固定することで、矢印Ｂ方向に振動検知軸を持たせている。そして、振動弾性体６０２のＵ字部の外周面に沿ってＦＢＧ２ａを接着剤により接着固定している。
【００５１】
したがって、矢印Ｂ方向の振動が支柱６００を介して振動弾性体６０２に伝達されると、振動弾性体６０２に固定されているＦＢＧ２ａが長さ方向に伸縮歪が発生する。
【００５２】
また、図７に示す振動検出ＦＢＧセンサ２は高周波振動検出用で、振動減衰性の低い金属部材を用いて一種の音響ホーンを構成しており、円柱形状に形成した振動弾性体７００の先端部に円錐形状のテーパー部７０２を有し、このテーパー部７０２の先端に振動弾性体７００の外径と略同径のストッパー板７０１が形成されている。そして、このテーパー部７０２にＦＢＧ２ａが多重に巻回されており、ＦＢＧ２ａは外径がストッパー板７０１の外径となるまで軸方向に亘って略同径に巻回されている。
【００５３】
図７に示す振動検出ＦＢＧセンサ２は、軸方向に振動検知軸を有し、軸方向の振動が振動弾性体７００に伝達されると、テーパー部７０２の外径が変位するので、この変位によりＦＢＧ２ａの長さ方向に伸縮が発生する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す光ファイバーグレーティングセンサーを用いた振動検出装置のブロック図。
【図２】図１に示す振動検出装置による温度検出を説明するための波形図。
【図３】図１のフィルタ用ＦＢＧの温調制御を説明する図。
【図４】図１のペルチェ素子を用いた温度制御用モジュールを示す図。
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す光ファイバーグレーティングセンサーを用いた振動検出装置のブロック図。
【図６】本発明の第３の実施の形態示す低周波用の振動検出ＦＢＧセンサを示す図。
【図７】本発明の第３の実施の形態を示す高周波用の振動検出ＦＢＧセンサを示す図。
【符号の説明】
【００５５】
Ａ（Ａ１〜Ａ４）  復調器
Ｂ  振動検出回路部
Ｃ  温度制御回路部
ＯＦ、ＯＦ１  光ファイバー
１  光源装置
２、２１〜２４  振動検出ＦＢＧセンサ
２ａ  ＦＢＧ
３（３ａ〜３ｄ）  フィルタ用ＦＢＧ
４（４ａ〜４ｄ）  受光器
５、５０  増幅器
６  Ａ/Ｄ変換器
７  コンデンサ
８  光ファイバー用方向性カップラー
８０（８０ａ〜８０ｄ）  フィルタカップラー
９、５０２  温度センサ
９０（９０ａ〜９０ｄ）、５００  ペルチェ素子
１０  ＣＰＵ
５０１  円柱部材
７００  振動弾性体
７０１  ストッパー板
７０２  テーパー部
【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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