(57)【要約】【課題】ファイバ・ブラッグ・グレーティング（以下「ＦＢＧ」という。）センサを用いてひずみ変化を検出するとともに、材料・構造体の微視損傷発生にともなう弾性波放出（アコースティック・エミッション。以下、「ＡＥ」という。）を検出可能とする。【解決手段】ＦＢＧセンサと、広帯域光源と、ＦＢＧセンサから伝送される反射光を分岐するカップラーと、カップラーで分岐された反射光をそれぞれ反射又は透過させるひずみ計測用のフィルタ及びＡＥ検出用のフィルタと、を備え、計測用のフィルタ及びＡＥ検出用のフィルタは、二種類の波長のそれぞれに対応して互いに透過率が異なり、ひずみ計測用のフィルタ及びＡＥ検出用のフィルタの透過光又は反射光は、ブラッグ波長の変化により強度が変化し、これらを光電変換器で電気信号に変換してひずみ変化とＡＥを同時に検出する。【選択図】    図３
2005009937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＢＧを書き込んだ光ファイバから成り被検体に取り付けられるＦＢＧセンサと、該ＦＢＧセンサに広帯域波長光を入射するための広帯域光源と、上記ＦＢＧセンサから伝送される反射光を分岐するカップラーと、該カップラーで分岐された反射光をそれぞれ反射又は透過させるひずみ計測用のフィルタ及びＡＥ検出用のフィルタと、を備えて成る光ファイバセンサを用いたひずみとＡＥの計測装置であって、
上記ひずみ計測用のフィルタ及びＡＥ検出用のフィルタは、二種類の波長のそれぞれに対応して互いに透過率が異なり、
上記ひずみ計測用のフィルタ及びＡＥ検出用のフィルタの透過光又は反射光は、ブラッグ波長の変化により強度が変化し、これらを光電変換器で電気信号に変換してひずみ変化とＡＥを同時に検出することを特徴とする光ファイバひずみとＡＥの計測装置。
【請求項２】
上記光電変換器で電気信号に変換して得られたひずみ変化に係る情報に基づいて、上記ＡＥ検出用のＡＥ検出用のフィルタの透過率が変化する波長帯を制御し、上記ＡＥ検出用のフィルタの透過光強度、反射光強度、又は透過光強度と反射光強度の差からＡＥを計測することができることを特徴とする請求項１記載の光ファイバセンサを用いたひずみとＡＥの計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はファイバ・ブラッグ・グレーティング（以下「ＦＢＧ」という。）センサを用いてひずみ変化を検出するとともに、材料・構造体の微視損傷発生にともなう弾性波放出（アコースティック・エミッション。以下、「ＡＥ」という。）を検出するものである。
【０００２】
そしてこの発明は、圧電素子を用いて弾性波を発生させ構造体の健全性評価を行う際に、さらには衝撃負荷による高速なひずみ変化を検出する際に適用することができる。
【０００３】
即ち、本発明は、材料や構造体の負荷、および損傷状態を調べるためのひずみと微視破壊発生にともなうＡＥを一つのＦＢＧセンサで同時に計測する際に適用することができる。本発明は、自動車、航空機、橋梁、建築物などの健全性評価への利用が期待されるものである。
【０００４】
【従来の技術】
従来、ＡＥの検出には圧電素子を用いて、衝撃負荷の検出にはひずみゲージを用いて計測される技術が用いられている。
【０００５】
又、ＦＢＧセンサからの反射波をＦＢＧセンサのブラッグ波長とほぼ等しいブラッグ波長を有するＦＢＧに通して、その透過光からＡＥを検出する手法が米国で提案されている（非特許文献１参照）。
【０００６】
さらに、ＦＢＧセンサのブラッグ波長変化に関しては従来、ＦＢＧセンサからの反射波波長を光スペクトルアナライザーにより計測してひずみを測定している。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｉ．  Ｐｅｒｅｚ，  Ｈ．−Ｌ．  Ｃｕｉ  ａｎｄ  Ｅ．  Ｕｄｄ，  ２００１  ＳＰＩＥ，  Ｖｏｌ．  ４３２８，  ｐ．２０９−２１５
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＡＥの検出に圧電素子を用いる技術は、計測パラメータが直接電気信号に変換されて計測するため、電磁波障害の影響を受ける欠点があった。
【０００９】
又、ＦＢＧセンサは計測パラメータを光信号に変換するため電磁波障害を受けないが、検出された波形はかならずしもＡＥの原波形を再現することができず、波形にひずみが現れる場合がある。
【００１０】
さらに、ＦＢＧセンサのブラッグ波長変化を光スペクトルアナライザーを用いて計測する技術は、光スペクトルアナライザーのサンプリング速度は通常、毎秒１サンプリング程度であるこのため衝撃荷重による高速なひずみ変化やＡＥのような数百ｋＨｚの周波数特性を持つ微小なひずみ変化を追随して検出することはできない。このため高速のひずみ変化を追随して検出することはできないという問題がある。
【００１１】
本発明は、このような従来の問題点を解決することを目的とするものであり、次のような特徴を備えた光ファイバひずみセンサを実現することを課題とする。
（１）ＡＥや衝撃負荷による高速なひずみ変化をＦＢＧセンサで検出する際に正確にひずみ変化を検出することができる
（２）フィルタの反射特性を変えることにより、ＦＢＧセンサ一本で微小なひずみ変化であるＡＥから大きなひずみ変化が生じる衝撃負荷までの幅広いひずみ変化を検出することができる。
（３）ＦＢＧセンサは計測パラメータを光信号に変換するため電磁波障害を受けない。
（４）一個のＦＢＧセンサでひずみとＡＥの両方を計測するもので、材料・構造物健全性評価の際に重要なひずみ、ＡＥ計測においてセンサ数を少なくする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバから成り被検体に取り付けられるＦＢＧセンサと、該ＦＢＧセンサに広帯域波長光を入射するための広帯域光源と、上記ＦＢＧセンサから伝送される反射光を分岐するカップラーと、該カップラーで分岐された反射光をそれぞれ反射又は透過させるひずみ計測用のフィルタ及びＡＥ検出用のフィルタと、を備えて成る光ファイバセンサを用いたひずみとＡＥの計測装置であって、上記ひずみ計測用のフィルタ及びＡＥ検出用のフィルタは、二種類の波長のそれぞれに対応して互いに透過率が異なり、上記ひずみ計測用のフィルタ及びＡＥ検出用のフィルタの透過光又は反射光は、ブラッグ波長の変化により強度が変化し、これらを光電変換器で電気信号に変換してひずみ変化とＡＥを同時に検出することを特徴とする光ファイバひずみとＡＥの計測装置を提供する。
【００１３】
上記光電変換器で電気信号に変換して得られたひずみ変化に係る情報に基づいて、上記ＡＥ検出用のＡＥ検出用のフィルタの透過率が変化する波長帯を制御し、上記ＡＥ検出用のフィルタの透過光強度、反射光強度、又は透過光強度と反射光強度の差からＡＥを計測することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る光ファイバセンサを用いたひずみとＡＥ計測装置の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下説明する。
【００１５】
（ＦＢＧの動作原理）
本発明の説明に入る前に、本発明の基本となっているＦＢＧの原理を図１において説明する。広帯域光源からの光を光サーキュレータの端子▲１▼から、端子▲２▼につながれたＦＢＧセンサ（ＦＢＧを書き込んだ光ファイバ）に入射する。
【００１６】
ＦＢＧセンサからは、屈折率ｎと屈折率変化の間隔Λの積の二倍で与えられるλＢを中心波長（本明細書ではこれを「ブラッグ波長」と呼ぶ。）とする狭帯域の光成分が反射され、それ以外の光成分はＦＢＧセンサを透過する。光サーキュレータは図に示すように端子▲２▼につながれたＦＢＧセンサからの反射光を端子▲３▼へ送る。
【００１７】
図２は、ブラッグ波長とＦＢＧセンサの受けたひずみとの関係を示す図である。ＦＢＧセンサがひずみを受けたとき、屈折率変化を設けた間隔と屈折率が変化する。今、ＦＢＧセンサがファイバ軸方向にεのひずみを受けたとき、ブラッグ波長λＢの変化ΔλＢは、一定温度条件下で、次の数１で与えられることが知られている。
【００１８】
【数１】
2005009937.tif 000003
【００１９】
ここでｐｅは光弾性定数（＝０．２１３）であり、εはＦＢＧが受ける光ファイバ軸方向ひずみである。従って、ＦＢＧセンサが引っ張りひずみを受けたとき、ブラッグ波長は長波長側へ、圧縮ひずみをうけたときは短波長側へ移動する。例えば、ブラッグ波長１５５０ｎｍのＦＢＧセンサが１×１０−６のひずみ変化を受けたとき、１．２ｐｍだけブラッグ波長が変化（シフト）する。要するに、ＦＢＧセンサからの反射波の中心波長はＦＢＧが受けるひずみ変化に比例して変動する。
【００２０】
（本発明の特徴）
【００２１】
本発明の特徴を以下説明する。本発明では、高速にブラッグ波長の変化を計測するために、波長に伴い透過率の異なるフィルタにＦＢＧセンサからの反射光を通し、ブラッグ波長の変化を光強度の変化に変換する。
【００２２】
そして、ＦＢＧセンサからの反射光を光サーキュレータを介して１×２カップラーにより、二つのファイバに伝送分岐し、それぞれ二種類の波長にともない透過率の異なるひずみ計測用フィルタとＡＥ検出用のフィルタに通す。両方のフィルタの透過光及び反射光はブラッグ波長の変化により強度が変化する。これらを光電変換器で検出することにより、ひずみ変化とＡＥを同時に検出することができる。
【００２３】
ひずみ計測用フィルタはＡＥ検出用フィルタと比較すると広い波長範囲で透過率が変化する特性を有するものとする。ひずみなしでのブラッグ波長が１５５０ｎｍのＦＢＧセンサでは１×１０−６ひずみ当たり１．２ｐｍの波長シフトが生じることから、被検査対象物が最大±１％のひずみを受けることが想定される場合、ひずみにより±１２ｎｍのブラッグ波長変化が生じることになる。そのため１５３８〜１５６２ｎｍの波長範囲で透過率が変動するフィルタによりひずみ変化が測定できる。
【００２４】
ＦＢＧをＡＥ検出用フィルタとして用いて、この計測システムからＡＥを検出する構成は、本発明者が、すでに特願２００２−３４０１９７において提案している。ＡＥ検出のためにはＦＢＧセンサからの反射波長帯域がＡＥ検出用フィルタの透過率変化波長帯域中にあることが必要である。
【００２５】
ＡＥ検出用フィルタの透過率変化は０．４  ｎｍ以内程度の非常に狭い波長域に限られることから、大きなひずみ変化が生じた場合においてはセンサからの反射光のブラッグ波長が大きく変動して、ＡＥ検出用フィルタの透過率変化波長範囲から外れることがある。このためＡＥ検出用フィルタはその透過率変化波長帯が被検査物が受けるひずみに応じて変化するチューナブルフィルタであることが好ましい。
【００２６】
ひずみ計測用フィルタの透過光、および反射光を光電変換器により電気信号に変換して、ひずみを計測する。このひずみ情報に基づいて、ＡＥ検出用のチューナブルフィルタの動作波長域（透過率が変化する波長帯）を制御する。  そしてチューナブルフィルタの透過光、または反射光強度、または透過光強度と反射光強度の差からＡＥを計測することができる。
【００２７】
このシステムによりひずみ計測用フィルタを通した信号からひずみが計測され、ＡＥ検出用フィルタを通した信号からＡＥが計測される。以下、さらに図面を利用して本発明の実施例１〜３を説明をする。
【００２８】
（実施例１）
図３は、本発明に係る光ファイバセンサを用いたひずみとＡＥの計測装置を説明する図である。この図３において、広帯域光源からの光を光サーキュレータを介して、ＦＢＧセンサに入射する。ＦＢＧセンサは被測定物に固定されている。
【００２９】
ＦＢＧセンサからの反射光は光サーキュレータを介して、１×２カップラーに通される。１×２カップラーはＦＢＧセンサからの反射光を２本の光ファイバに分岐する。一本の光ファイバはひずみ計測用のフィルタへ、もう一本はＡＥ検出用のチューナブルフィルタへつながっている。
【００３０】
それぞれのフィルタの透過光、および反射光は光電変換器につながれ、それぞれの光強度は電気信号に変換される。フィルタの反射光はフィルタの前段に光サーキュレータをつけることにより取り出すことが出来る。ひずみ計測用フィルタの透過光強度と反射光強度からひずみを計測することができる。
【００３１】
光電変換器Ｓｓｔはチューナブルフィルタ制御部に接続されている。チューナブルフィルタ制御部ではひずみ変化により移動したブラッグ波長を評価し、チューナブルフィルタの動作波長域（透過率が変化する波長域）制御のための信号をチューナブルフィルタへ送る。
【００３２】
図４は、ひずみ計測用フィルタを用いたひずみ計測原理を示す図である、図４において、ＦＢＧセンサがひずみを受けるとブラッグ波長が変化する。透過率が波長にともない変化するフィルタにＦＢＧセンサからの反射光を通して得られる透過光、および反射光強度はブラッグ波長の位置により変化する。
【００３３】
例えば、図４の上の図に示すように、長波長になるに従い透過率が減少するフィルタにＦＢＧセンサからの反射光を通した場合、ＦＢＧセンサが圧縮ひずみを受けた場合（ブラッグ波長が短波長側へシフト）、フィルタの透過光強度は増加する。
【００３４】
また、図４の下の図に示すように、引張ひずみを受けた場合（ブラッグ波長が長波長側へシフト）、フィルタの透過光強度は低下することになる。この透過光強度変化を光電変換器により電気信号に変換することにより、電気信号強度としてブラッグ波長変化を評価することができる。
【００３５】
また反射光強度に関しては反射率＝１−透過率の関係から同じ原理によりブラッグ波長変化にともない信号強度が変化する。つまりフィルタの透過光強度と反射光強度はひずみにより変化することになる。しかし光電変換器が受光する強度は光ファイバコネクタの接続のたびに変化する。これはコネクタ接続部のアライメントのずれから引き起こされる。このため透過光、または反射光強度単独ではひずみを定量評価することはできない。透過光強度と反射光強度の差を両強度の和で割った値からひずみを定量評価することができる。
【００３６】
図５の上の図は、ＦＢＧセンサによるＡＥの検出原理を説明する図である。ＡＥによるひずみ変化は微小なのでＦＢＧセンサによりＡＥを検出するためにはひずみ計測と比較して透過率が変化している波長域が狭いフィルタが必要である。ＦＢＧセンサからの反射光のブラッグ波長はＡＥにより微小ではあるが変化を受ける。
【００３７】
このブラッグ波長変化を狭帯域の透過率変化をもつフィルタに通すことにより強度変化に変換させる。例えば図５に示すようにＡＥがない場合にＦＢＧセンサからはブラッグ波長λｓの反射光が戻ってきて、ＡＥ検出用フィルタの透過率変化の中心波長をλＦとする。ＦＢＧセンサがＡＥによるひずみ変化を受けることによりブラッグ波長は変化する。ブラッグ波長は圧縮、および引張ひずみではそれぞれλｓ’、  およびλｓ’’に変化する。
【００３８】
フィルタの透過光強度はＡＥによるひずみ変化により斜線で表される面積に比例して変化する。そのためＡＥによるひずみ変化によりフィルタの透過光強度を電気信号に変換する光電変換器の出力は図５の下図のようになる。反射光強度に関しても、反射率＝１−透過率の関係から同様にＡＥを検出したとき反射光強度は変化する。また透過光と反射光信号強度の両者の差も同じ原理でＡＥにより変化する。
【００３９】
ＡＥを検出するためのフィルタとして誘電体多層膜フィルタ、ＦＢＧがある。またこの図の例ではＡＥ検出用フィルタにバンドパスフィルタを挙げたが、ローパス、ハイパスフィルタを用いても良い。
【００４０】
図６は、ひずみ変化にともなうチューナブルフィルタ動作波長帯の移動を示す図である。ＡＥを検出するためのフィルタは透過率が変化している波長域が０．４ｎｍ程度である。
【００４１】
このため大きなひずみ変化を受け、ブラッグ波長が数ｎｍ移動したときはＡＥ検出用のフィルタの透過率が変化している波長域からＦＢＧセンサの反射光の波長域は外れてしまうことになる。このためＡＥ計測のためにはひずみ計測用のフィルタにより計測されたひずみ変化に応じてＡＥ計測用のフィルタの動作波長域を変化させる必要がある。
【００４２】
チューナブルフィルタは外部からの制御信号により、動作波長域を変化させることができる。ＡＥ計測用のフィルタとしてチューナブルフィルタとすることにより、ＦＢＧセンサが受けるひずみに応じてＡＥ計測用のフィルタの動作波長域を制御する。このときチューナブルフィルタの動作波長域の制御にひずみ計測用のフィルタの透過光強度と反射光強度の差を両強度の和で割った値から評価されるひずみ情報を用いる。
【００４３】
（実施例２）
図７は、本発明の実施例２を示し、複数のＦＢＧセンサによる同時多点ひずみ、ＡＥ計測可能とする構成である。ブラッグ波長の異なるＦＢＧセンサを直列に配列することにより多点で同時にひずみとＡＥを計測する装置を示す。ＦＢＧセンサ列からの反射光は光分波器によりそれぞれのＦＢＧセンサからの信号に分離されて出力される。なお、図７においては図面の簡略化のためにフィルタ前段の光サーキュレータとフィルタの反射光の取り出しは図示しない。
【００４４】
図８は、本発明の実施例３を示し、複数のＦＢＧセンサによる特定箇所のひずみ、ＡＥ計測可能とする構成を示す。ブラッグ波長の異なるＦＢＧセンサを直列に配列し、特定のＦＢＧセンサが貼り付けられている箇所のひずみとＡＥを計測する装置を示す。
【００４５】
光サーキュレータからのＦＢＧセンサ列からの反射光をチューナブルフィルタを通して、所望するＦＢＧセンサからの反射光成分のみを取り出す。また、ひずみ計測用のフィルタの動作波長帯もそれに連動させて変化させる。なお、図８においては、図面の簡略化のためにフィルタ前段の光サーキュレータとフィルタの反射光の取り出しは削除して表現している。
【００４６】
以上、実施例により本発明に係る光ファイバセンサを用いたひずみとＡＥ計測装置の実施の形態を実施例に基づいて説明したが、このような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろ実施例があることは言うまでもない。
【００４７】
【発明の効果】
以上の構成から成る光ファイバセンサを用いたひずみとＡＥ計測装置によると、ＦＢＧセンサを用いてひずみとＡＥの両方を同時に一個のセンサで計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＦＢＧの原理図を説明する図である。
【図２】ブラッグ波長とひずみとの関係を説明する図である。
【図３】本発明の実施例１を説明する図である。
【図４】実施例１の作用を説明する図である。
【図５】実施例１の作用を説明する図である。
【図６】実施例１の作用を説明する図である。
【図７】本発明の実施例２を説明する図である。
【図８】本発明の実施例３を説明する図である。
【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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