(57)【要約】【課題】外力が付与された位置を簡単に特定できる装置を提供すること。【解決手段】送信用の光ファイバ１１と受信用の光ファイバ１２を有する外力検出装置において、送信用の光ファイバ１１を伝播する光波が受信用の光ファイバ１２に伝播できるように形成されたセンサ部２を備え、センサ部２の送信用の光ファイバ１１に外力が付与されると、送信用の光ファイバ１１を伝播する光波が受信用の光ファイバ１２に伝播する、外力検出装置。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信用光ファイバと受信用の光ファイバを有する外力検出装置において、
送信用の光ファイバを伝播する光波が受信用の光ファイバに伝播できるように形成されたセンサ部を備え、
センサ部の送信用光ファイバに外力が付与されると、送信用の光ファイバを伝播する光波が受信用の光ファイバに伝播することを特徴とする、外力検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の外力検出装置において、
センサ部は、送信用の光ファイバと受信用の光ファイバが接近して配置されていることを特徴とする、外力検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の外力検出装置において、
センサ部の送信用の光ファイバに外力が付与されると、該光ファイバの曲率半径が変化することを特徴とする、外力検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載の外力検出装置において、
送信用の光ファイバの所定箇所を固定する固定部を備えることを特徴とする、外力検出装置。
【請求項５】
請求項１に記載の外力検出装置において、
センサ部は、送信用の光ファイバを周囲に巻くための巻き部材を備え、
該光ファイバに張力の外力が付与されると、巻き部材に巻かれた該光ファイバの曲率半径が小さくなることを特徴とする、外力検出装置。
【請求項６】
請求項１に記載の外力検出装置において、
受信用の光ファイバは、送信用の光ファイバから光波を受信する以外の箇所において、光波が光ファイバ内に入射しないように遮蔽材を設けてあることを特徴とする、外力検出装置。
【請求項７】
請求項１に記載の外力検出装置において、
送信用の光ファイバを伝播させる光波は、パルスレーザであることを特徴とする、外力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いて歪分布などの外力を検出する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバにより歪分布を測定する方式として、後方ブリルアン散乱方式、ブリルアン利得の検出方式、ファイバグレーティング方式などの測定装置がある。しかし、これらの測定装置は構成が複雑でコストが高いため、用途が限定されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
＜１＞本発明は、歪などの外力が付与された場所または距離と、歪などの外力の量を、高速度かつ高精度に特定できる装置を提供することにある。
＜２＞また、本発明は、低価格な歪などの外力検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、送信用光ファイバと受信用の光ファイバを有する外力検出装置において、送信用の光ファイバを伝播する光波が受信用の光ファイバに伝播できるように形成されたセンサ部を備え、センサ部の送信用光ファイバに外力が付与されると、送信用の光ファイバを伝播する光波が受信用の光ファイバに伝播する、外力検出装置にある。
【０００５】
また、本発明は、送信用及び受信用の光ファイバを有する歪分布検出装置において、送信用の光ファイバを伝播する光波が受信用の光ファイバに伝播できるように形成されたセンサ部を備え、センサ部の送信用と受信用の光ファイバに外力が付与されると、送信用の光ファイバを伝播する光波が曲がりによる散乱によって、逆方向に伝播させる、歪分布検出装置にある。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、次のような効果を得ることができる。
＜１＞本発明は、歪などの外力が付与された場所または距離と、歪などの外力の量を、高速度かつ高精度に特定できる装置を提供するができる。
＜２＞また、本発明は、低価格な歪などの外力検出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【０００８】
＜１＞外力検出装置
外力検出装置は、送信用の光ファイバ１１と受信用の光ファイバ１２を用い、送信用の光ファイバ１１に作用する外力を検出するものであり、例えば、歪分布などの外力を検出する歪分布検出装置となる。外力検出装置は、例えば図１に示すように、光波を送る送信用の光ファイバ１１と固定部に伸縮力が付与され、光ファイバに歪み、伸びなどが発生すると光ファイバから光波が漏れるセンサ部２、２、・・・と、センサ部２で漏れた光波を受ける受信用の光ファイバ１２と、送信用の光ファイバ１１に光波を送信する光源４１と、受信用の光ファイバ１２を伝播してきた光波を検出する光検出器４２と、光検出器４２で検出した受信信号を処理する信号処理部５を備えている。信号処理部５は、送信用の光ファイバ１１から光波が漏れたセンサ部２の位置及び強度を求めるものであり、例えば、光検出器４２からの受信信号とフォトダイオード４３からのトリガ信号によりＡ／Ｄ変換器５１でデジタル変換の動作を開始し、演算処理装置（ＣＰＵ）５２で信号を処理し、処理結果を表示装置５３に表示する。なお、光源・検出部４は光源４１、光検出器４２、フォトダイオード４３を有している。この外力検出装置は、従来の後方ブリルアン散乱方式やブリルアン利得検出方式などのスベクトル分析による複雑な信号処理装置を使用することなく、パルス光の時間と強度から、歪などの外力の位置と量を検出することができるため、極めて簡便な信号処理法であることが特長である。
【０００９】
＜２＞送信用と受信用の光ファイバ
送信用と受信用の光ファイバ１１、１２は、並行して配置しても、又は、一部離間していても良く、少なくとも、センサ部２で光波が送信用の光ファイバ１１から受信用の光ファイバ１２に伝播できればよい。受信用の光ファイバ１２は、送信用の光ファイバ１１から漏れ出た光波以外の光波が入り込まない構造が望ましい。そこで、なるべく、受信用の光ファイバ１２の周囲を遮蔽材１３で蔽うと良い。例えば、センサ部２１の受信用の光ファイバ１２は、送信用の光ファイバ１１から来る光波が入射する箇所を除いて、黒く塗って遮蔽すると良い。
【００１０】
送信用と受信用の光ファイバ１１、１２は、破損や劣化などに対する保護のためにサヤ管１４などで覆うと良い。張力などの外力が送信用の光ファイバ１１に付与されるためには、少なくとも、外力の付与が必要な箇所のサヤ管１４を伸縮自在にするとよい。
【００１１】
送信用の光ファイバ１１を固定する固定部３、３、・・・を設ける。特に複数のセンサ部２、２、・・・を設けた場合、外力によって影響を受けるセンサ部２を特定するために、各センサ部２間に固定部３を設けるとよい。これにより、固定部３と３間の光ファイバに外力が作用すると、その間のセンサ部２のみが外力の影響を受け、そのセンサ部２の歪量を検出することができる。
【００１２】
＜３＞センサ部
センサ部２は、送信用の光ファイバ１１に外力が付与されると、送信用の光ファイバ１１から光波が漏れ、漏れた光波が受信用の光ファイバ１２に入り込むためのものであり、送信用の光ファイバ１１と送信用の光ファイバ１２を近接するなど、種々の構成をとることができる。センサ部２１は、例えば図２（Ａ）〜（Ｄ）に示されるように、曲げ部材２１に送信用の光ファイバ１１及び受信用の光ファイバ１２が湾曲して取り付けられている。
【００１３】
図２において、少なくとも送信用の光ファイバ１１に引っ張り力である外力が付与されると、送信用の光ファイバ１１（又は、送受信用の光ファイバ１１、１２に引っ張り力である外力が付与されると、両光ファイバ１１、１２）は図２（Ｃ）の状態から図２（Ｄ）の状態に変形し、湾曲部２３の曲率半径が大きなＲから小さなｒに変化する。その結果、送信用の光ファイバ１１のコア部に伝播していた光波が小さな曲率半径ｒの箇所で外部のクラッドに漏れ出る。漏れ出た光波は、隣接する受信用の光ファイバ１２のコア内部に入り込み、受信用の光ファイバ１２のコア中を伝播する。外力が付与されない場合、送信用の光ファイバ１１の湾曲部の曲率半径Ｒは大きく、漏れ出る光波の量は、僅かであるか、殆どない。その結果、受信用の光ファイバ１２を伝播する光量の差で歪量、又は外力の強さを測定することができる。
【００１４】
図２の曲げ部材２１は、Ｓ字が変形をした形状を有しており、送信用と受信用の光ファイバ１１、１２を共に湾曲することができる。図２の曲げ部材２１は、光ファイバに３点で接するが、外力の付与により湾曲部２３の曲率が変化するなら、２点又は４点以上で接する構造でも良い。
【００１５】
＜４＞センサ部の他の構造
センサ部２の他の構造例を図３に示す。図３（Ａ）のセンサ部２は、送信用の光ファイバ１１と受信用の光ファイバ１２を撚り合わせた構造、即ちひねりを加えた構造である。ひねりの回数は、例えば、光ファイバ２ｃｍの間に３回とする。図３（Ｂ）のセンサ部２は、巻き部材２２の周囲に、送信用の光ファイバ１１と受信用の光ファイバ１２を撚り合わせた構造、即ち向きを逆に巻いた構造であり、図３（Ｃ）のセンサ部２は、巻き部材２２の周囲に、送信用の光ファイバ１１と受信用の光ファイバ１２を同じ向きに揃えて巻いた構造である。
【００１６】
図３（Ａ）のセンサ部２の光ファイバは、引っ張り力の外力が作用すると、光ファイバが相互に押し合い、光ファイバがより強く湾曲し、曲率半径が小さくなる。図３（Ｂ）のセンサ部２の光ファイバは、引っ張り力の外力が作用すると、光ファイバが巻き部材２２に強く押し付けられ、光ファイバがより湾曲し、曲率半径が小さくなる。図３（Ｃ）のセンサ部２の光ファイバは、引っ張り力の外力が作用すると、光ファイバが巻き部材２２に強く押し付けられ、光ファイバがより湾曲し、曲率半径が小さくなる。
【００１７】
＜５＞歪の測定
歪検出装置による歪分布の測定は、光源からパルスレーザーなどの発振パルスを送信用の光ファイバ１１に送信する。多数のパルス光を送信用の光ファイバに送出し、受信用の光ファイバから伝播してきた多数のパルス光を測定し、測定値の平均を取ることにより、歪の距離分布を測定精度を高めて測定することができる。
【００１８】
図４は、Ｘ軸に送信用の光ファイバ１１の距離Ｌ（信号の伝播時間ｔ）、Ｙ軸に発振パルスを繰り返し出力した時間（パルス信号の間隔時間）、Ｚ軸に受信した散乱強度（受信用の光ファイバで検出した信号の強度）を示している。図４には、１つのパルス信号において、各センサ部２に対応した位置Ｘ１、Ｘ２、・・に散乱強度の山が示されている。センサ部２の間隔を狭くすると、隣接するセンサ部２による散乱強度の山が重なり、識別が困難となる。そのため、山の識別ができなくなるまで、センサ部２の密度（距離分解能）を高めることができる。
【００１９】
パルス信号を周期的に出すと、各センサ部の散乱強度の変化から、光ファイバに付与される歪の変化を知ることができる。また、パルス信号の発振間隔を狭め、多数のパルス信号を出し、多数のパルス信号の検出値を平均化すると、ほぼ同一の歪に対して正確な歪の値を求めることができる。
【００２０】
図５には、図２（Ａ）、（Ｂ）の構造のセンサ部２を使用し、送信用と受信用の光ファイバ１１、１２の固定部が変位し、光ファイバに歪率ε＝ΔＸ／Ｘ（％）（固定部の距離Ｘに対する変位量ΔＸの割合）を付与した時の受信用の光ファイバ１２で検出した受信パワーの値（ｎＷ）のグラフを示す。この図５から歪率と受信パワーとは、ほぼ比例関係にあり、歪率ε＝０％〜１％において、受信パワーが１０ｎＷ〜６０ｎＷであり、十分測定可能であることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】歪検出装置の説明図
【図２】センサ部の構造と説明図
【図３】他のセンサ部の構造図
【図４】各パルス信号に対する、センサ部の位置の散乱強度のグラフ図
【図５】光ファイバに付与された歪率と受信パワーの関係を示す図
【符号の説明】
【００２２】
１１・・送信用の光ファイバ
１２・・受信用の光ファイバ
１３・・遮蔽材
１４・・サヤ管
２・・・センサ部
２１・・曲げ部材
２２・・巻き部材
２３・・湾曲部
３・・・固定部
４・・・光源・検出部
４１・・光源
４２・・光検出器
４３・・フォトダイオード
５・・・信号処理部
５１・・Ａ／Ｄ変換器
５２・・演算処理装置
５３・・表示装置
【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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