(57)【要約】【課題】ＦＢＧセンサを用いた計測方法およびその装置において、1箇所のＦＢＧセンサに対して歪みと温度を感知するＦＢＧ部と温度のみを感知するＦＢＧ部に分けることで、歪みと温度を同時計測することができるようにする。【解決手段】コアに回折格子を形成した光ファイバの一部を被測定物の歪みに依存する状態で固定し、コアに回折格子を形成した光ファイバの他の部分を被測定物の歪みに依存しない状態で固定し、光ファイバの被測定物の歪みに依存する状態で固定した部分から検出された信号と光ファイバの被測定物の歪みに依存しない状態で固定した部分から検出された信号とを用いて被測定物のひずみと温度とを計測するようにした。【選択図】図１
2012088155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアに回折格子を形成した光ファイバの一部を被測定物の歪みに依存する状態で固定し、
前記コアに回折格子を形成した光ファイバの他の部分を被測定物の歪みに依存しない状態で固定し、
前記光ファイバの被測定物の歪みに依存する状態で固定した部分から検出された信号と前記光ファイバの被測定物の歪みに依存しない状態で固定した部分から検出された信号とを用いて前記被測定物のひずみと温度とを計測する
ことを特徴とするＦＢＧセンサを用いた計測方法。
【請求項２】
前記光ファイバの被測定物の歪みに依存する状態で固定した部分から検出された信号は前記光ファイバの被測定物の歪みに依存する状態で固定した部分の回折格子からの反射光の波長に関する信号であり、前記光ファイバの被測定物の歪みに依存しない状態で固定した部分から検出された信号は前記光ファイバの被測定物の歪みに依存しない状態で固定した部分の回折格子からの反射光の波長に関する信号であることを特徴とする請求項１記載のＦＢＧセンサを用いた計測方法。
【請求項３】
前記光ファイバの一部を被測定物の歪みに依存する状態で固定することを、前記光ファイバの一部を被測定物に接着剤で固定することにより行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のＦＢＧセンサを用いた計測方法。
【請求項４】
前記光ファイバの一部を被測定物の歪みに依存する状態で固定することを、前記光ファイバの一部に弛みがない状態で前記光ファイバの一部の両端部分を被測定物に接着剤で固定することにより行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のＦＢＧセンサを用いた計測方法。
【請求項５】
前記光ファイバの他の部分を被測定物の歪みに依存しない状態で固定することを、前記光ファイバの他の部分の端部を被測定物に固定し、前記他の部分のうちの残りの部分を前記被測定物に対してフリーな状態にすることにより行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のＦＢＧセンサを用いた計測方法。
【請求項６】
前記光ファイバの他の部分を被測定物の歪みに依存しない状態で固定することを、前記光ファイバの他の部分を前記光ファイバと同じ熱膨張係数を持ち、前記光ファイバと同じ硬さを持つ接着剤で前記被測定物に固定することにより行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のＦＢＧセンサを用いた計測方法。
【請求項７】
一部を被測定物の歪みに依存する状態で固定して他の部分を被測定物の歪みに依存しない状態で固定したコアに回折格子を形成した光ファイバと、
光を発射する光源手段と、
該光源手段から発射された光のうち前記光ファイバに入射して前記光ファイバの前記被測定物の歪みに依存する状態で固定された部分の回折格子で反射して前記光ファイバから出射した反射光と、前記光ファイバの前記被測定物の歪みに依存しない状態で固定された部分の回折格子で反射して前記光ファイバから出射した反射光とを検出する光検出手段と、
該光検出手段で反射光を検出して得られた信号を処理して前記被測定物のひずみと温度とを算出する演算手段と、
該演算手段で算出した前記被測定物のひずみと温度とに関する情報を出力する出力手段と
を備えたことを特徴とするＦＢＧセンサを用いた計測装置。
【請求項８】
前記演算手段は、前記光検出手段で検出した前記光ファイバから出射した反射光の波長の情報を用いて前記被測定物のひずみと温度とを算出することを特徴とする請求項７記載のＦＢＧセンサを用いた計測装置。
【請求項９】
前記光ファイバの前記被測定物の歪みに依存する状態で固定した前記一部は、      該光ファイバの一部を接着剤で前記被測定物に固定してあることを特徴とする請求項７又は８に記載のＦＢＧセンサを用いた計測装置。
【請求項１０】
前記光ファイバの前記被測定物の歪みに依存する状態で固定した前記一部は、前記光ファイバの一部に弛みがない状態で前記光ファイバの一部の両端部分を前記被測定物に接着剤で固定してあることを特徴とする請求項７又は８に記載のＦＢＧセンサを用いた計測装置。
【請求項１１】
前記光ファイバの前記被測定物の歪みに依存しない状態で固定した前記他の部分は、該他の部分の一部を接着剤で前記被測定物に固定し、該他の部分の残りの部分を前記被測定物に対してフリーな状態にしてあることを特徴とする請求項７又は８に記載のＦＢＧセンサを用いた計測装置。
【請求項１２】
前記光ファイバの前記被測定物の歪みに依存しない状態で固定した前記他の部分は、該他の部分を前記光ファイバと同じ熱膨張係数を持ち、前記光ファイバと同じ硬さを持つ接着剤で前記被測定物に固定してあることを特徴とする請求項７又は８に記載のＦＢＧセンサを用いた計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光軸方向に形成された回折格子を光ファイバ内に備え、温度と歪みを同時に計測するＦＢＧセンサを用いた計測方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバを用いて対象物の温度あるいは歪みを計測する手段として、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ、以下ＦＢＧと表記する）を用いるＦＢＧセンサ方式が提案されている。ＦＢＧセンサは、光ファイバのコアに一定の間隔で、屈折率の高い部分と、低い部分を周期的に繰り返して回折格子を形成したものである。  
図１７にＦＢＧセンサの原理を説明する。（ａ）はＦＢＧセンサに入力する光信号の波長分布を示し、（ｂ）はＦＢＧセンサの断面図を示す。（ｃ）は入力した光信号のうちＦＢＧセンサで反射されて出力された光信号の波長分布を示し、（ｄ）は入力した光信号のうちＦＢＧセンサを透過した光信号の波長分布を示す。光ファイバ５００は、石英ガラスで形成された細い物質であるコア５０１を中心に配置し、その周囲を覆うグラッド５０２で構成されている。石英ガラスはもろいため、保護被膜５０３で周囲を被せる。コア５０１には、ピッチΛで長さＬの範囲で周期的な回折格子５０５が形成されている。この回折格子５０５は、図示しない方法によって、光ファイバのコア５０１に紫外光（たとえば波長２５０ｎｍ前後）の干渉縞を照射することで、コア５０１の屈折率の変化を周期的に変化させることで形成可能である。この回折格子５０５が形成された部分をＦＢＧセンサと称する。
【０００３】
この干渉縞の間隔を変えれば、コア５０１に作成する回折格子は任意のピッチで製作可能である。このＦＢＧセンサに多波長λの光信号５０６を入射すると、λＢ＝ＮｅｆｆΛの関係式により、ＦＢＧセンサでは、λＢの光信号５０７のみが反射し、他の光信号５０８はλＢの光信号５０７が除去された分布で透過する。ここでＮｅｆｆは光ファイバの屈折率、Λは回折格子の周期である。ＦＢＧセンサの反射波長は、光ファイバの屈折率や回折格子の周期を変化させる物理量によって変化することになる。例えば、ＦＢＧセンサに熱変化が生じると、コア５０１が温度変化による屈折率の変動が発生し、回折格子５０５の周期が変動するため、反射光５０７の波長がシフトすることになる。この温度によるシフト量は、１.５μｍの波長帯域を使用した場合は、約１０ｐｍ／℃となる。また、ＦＢＧセンサに歪みが生じると、コア５０１に伸び縮みが発生するため回折格子５０５の周期が変動する。この歪みによるシフト量は、約１．２ｐｍ／μεとなる。そのため、ＦＢＧセンサを計測手段に使用する場合、反射波長の変化を計測するだけでは、温度変化による波長変化か、歪みによる波長変化かを特定することが困難である。
温度計測を行う方法として、特許文献１に記載されている方法がある。本方式は、コアに複数の回折格子部が間隔をあけて形成された光ファイバと、温度の測定対象物に固定されるパッドと、測定対象物に形成された溝部に、前記パッドを固定し、前記パッド内の保護管に挿入された光ファイバを配置している。本発明によれば、光ファイバはパッドとともに測定対象に固定されることから、光ファイバを直接測定対象に固定する方法と比較して、測定物の温度計測が容易になる。
歪み測定を行う方法として、特許文献２に記載されている方法がある。本方式は、計測対象に固定されるベースと、そのベースの一面側に弾性変形自在なヒンジを介して互いに対向するように立設された一対の腕部と、その一対の腕部の中間位置を弾性変形自在なヒンジを介して連結する連結部とを有し、計測対象と等しい膨張率を有する材料で一体的に形成され、前記計測対象から前記ベースを伸縮させる力を受けて、前記一対の腕部を互いに反対方向に傾けるファイバ支持体を有しており、そのファイバ支持体の一対の腕部の、連結部から所定距離離れた一端側の位置の間に、第一のＦＢＧファイバの両端が張力のある状態で固定され、その第１のＦＢＧファイバと同一特性の第２のＦＢＧファイバがファイバ支持体の前記一対の腕部の、前記連結部から前記所定距離離れた他端側の位置の間にバランス状態で固定されている。そのため、計測対象物の歪みに対しては、両ＦＢＧファイバの反射光の波長変化量の絶対値が等しく、波長変化の方向が逆となり、温度変化に対しては、両ＦＢＧファイバによる反射光の波長変化量の絶対値および波長変化の方向が等しくなる。よって、両ＦＢＧファイバの波長変化量の減算により温度変化の影響を取り除いた状態で計測対象の歪み成分を正確に検出することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２８１７８９号公報
【特許文献２】特開２００９−２２２３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されている温度測定方法では、被測定物の温度変化は測定できるが、その場に生じた歪みは計測できない。また、特許文献２に記載されている歪み測定方法では、温度による歪み補償は可能な歪み測定は可能であるが、正確な温度の測定は出来ない問題があった。いずれも、ＦＢＧファイバにおいて温度あるいは歪み単体の測定しか出来ない。
本発明は上述の問題点を鑑みてなしたもので、温度変化と歪み変化が同時に生じる状況においても、ＦＢＧセンサを複数本使用することなく、温度変化と歪みを同時に計測できるＦＢＧセンサを用いた計測方法およびその装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的を達成するために、本発明では、ＦＢＧセンサを用いた計測方法において、コアに回折格子を形成した光ファイバの一部を被測定物の歪みに依存する状態で固定し、コアに回折格子を形成した光ファイバの他の部分を被測定物の歪みに依存しない状態で固定し、光ファイバの被測定物の歪みに依存する状態で固定した部分から検出された信号と光ファイバの被測定物の歪みに依存しない状態で固定した部分から検出された信号とを用いて被測定物のひずみと温度とを計測するようにした。
また、上記した目的を達成するために、本発明では、ＦＢＧセンサを用いた計測装置を、一部を被測定物の歪みに依存する状態で固定して他の部分を被測定物の歪みに依存しない状態で固定したコアに回折格子を形成した光ファイバと、光を発射する光源手段と、この光源手段から発射された光のうち光ファイバに入射して光ファイバの被測定物の歪みに依存する状態で固定された部分の回折格子で反射して光ファイバから出射した反射光と、光ファイバの被測定物の歪みに依存しない状態で固定された部分の回折格子で反射して光ファイバから出射した反射光とを検出する光検出手段と、この光検出手段で反射光を検出して得られた信号を処理して被測定物のひずみと温度とを算出する演算手段と、この演算手段で算出した被測定物のひずみと温度とに関する情報を出力する出力手段とを備えて構成した。
【発明の効果】
【０００７】
上記した本発明のＦＢＧセンサを用いた計測方法及びその計測装置によれば、歪みと温度を同時計測することができる。さらに、同一時間で同一場所の計測が可能となる。さらにまた、一本の光ファイバに複数のＦＢＧ部を連結して、ＦＢＧ部の取り付け方法を同じにすれば複数個所でも歪みと温度の測定ができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明を実施する形態の第一例の構成を示すブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施例１においてＦＢＧセンサを被測定物に取り付けた状態を示すＦＢＧセンサの正面の断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施例１においてＦＢＧセンサを被測定物に取り付けたときのＦＢＧセンサの各領域の条件を示した表である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の実施例１においてＦＢＧセンサの表面の一部を被測定物の材料と同じ金属でコーティングして被測定物に取り付けた状態を示すＦＢＧセンサの正面の断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄの（ａ）は、本発明の実施例１においてＦＢＧセンサの表面の一部を被測定物の材料と同じ金属の板で覆って被測定物に取り付けた状態を示すＦＢＧセンサの側面の断面図、（ｂ）は正面の断面図である。
【図３】図３の（ａ）は多連ＦＢＧセンサの正面図、（ｂ）は多連ＦＢＧセンサから検出される反射光の波長特性を示すグラフである。
【図４】図４の（ａ）はＦＢＧセンサから検出される反射光の波長特性を示すグラフ、（ｂ）はＦＢＧセンサから検出された反射光の検出波形に微分処理を施した微分波形信号を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明による表示画面を示した画面の正面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、ＦＢＧセンサを被測定物に対してフリーにした状態を示すＦＢＧセンサの正面図である。
【図６Ｂ】図６ＢはＦＢＧセンサを被測定物に対してフリーにした状態で、被測定物に歪みが生じ前と生じた後のＦＢＧセンサから検出される反射光の波長分布波形を示すグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、ＦＢＧセンサを被測定物に対してフリーにした状態を示すＦＢＧセンサの正面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、ＦＢＧセンサを被測定物に対してフリーにした状態で、被測定物に温度変化が生じる前と生じた後のＦＢＧセンサから検出される反射光の波長分布波形を示すグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは、ＦＢＧセンサを被測定物に全面固定された状態を示すＦＢＧセンサの正面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、ＦＢＧセンサを被測定物に全面固定された状態で、被測定物に歪みが生じる前と生じた後のＦＢＧセンサから検出される反射光の波長分布波形を示すグラフである。
【図９Ａ】図９Ａは、ＦＢＧセンサを被測定物に全面固定された状態を示すＦＢＧセンサの正面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、ＦＢＧセンサを被測定物に全面固定された状態で、被測定物に温度変化が生じる前と生じた後のＦＢＧセンサから検出される反射光の波長分布波形を示すグラフである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の実施例１におけるＦＢＧセンサの一部が被測定物に固定され他の部分が被測定物に対してフリーにした状態を示すＦＢＧセンサの正面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の実施例１におけるＦＢＧセンサの一部が被測定物に固定され他の部分が被測定物に対してフリーにした状態で被測定物に歪みが生じる前と生じた後のＦＢＧセンサから検出される反射光の波長分布波形を示すグラフである。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の実施例１におけるＦＢＧセンサの一部が被測定物に固定され他の部分が被測定物に対してフリーにした状態を示すＦＢＧセンサの正面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の実施例１におけるＦＢＧセンサの一部が被測定物に固定され他の部分が被測定物に対してフリーにした状態で被測定物に温度変化が生じる前と生じた後のＦＢＧセンサから検出される反射光の波長分布波形を示すグラフである。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明の実施例１におけるＦＢＧセンサの一部が被測定物に固定され他の部分が被測定物に対してフリーにした状態を示すＦＢＧセンサの正面図である
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、本発明の実施例１におけるＦＢＧセンサの一部が被測定物に固定され他の部分が被測定物に対してフリーにした状態で被測定物に温度変化が生じる前と生じた後のＦＢＧセンサから検出される反射光の波長分布波形を示すグラフで、しきい値を設定して被測定物に温度変化が生じる前と生じた後の波長幅の変化を求めることを示す。
【図１２】図１２は、本発明を実施するためのフローチャートである。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の実施例２におけるＦＢＧセンサを被測定物に固定した状態を示すＦＢＧセンサの正面の断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の実施例２においてＦＢＧセンサを被測定物に取り付けたときのＦＢＧセンサの各領域の条件を示した表である。
【図１４】図１４は、本発明の第３の実施例においてＦＢＧセンサを被測定物に取り付けた状態を表すＦＢＧセンサの正面の断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施例４において、実施例１乃至３で説明したＦＢＧセンサを発電機の計測に適用した場合を示すブロック図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施例４において、実施例１乃至３で説明したＦＢＧセンサを原子力発電設備の計測に適用した場合を示すブロック図である。
【図１７】図１７は、光ＦＢＧセンサの原理を示した図であり、（ａ）はＦＢＧセンサに入力する光信号の波長分布を示し、（ｂ）はＦＢＧセンサの断面図を示す。（ｃ）は入力した光信号のうちＦＢＧセンサで反射されて出力された光信号の波長分布を示し、（ｄ）は入力した光信号のうちＦＢＧセンサを透過した光信号の波長分布を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例を図面に従って説明する
【実施例１】
【００１０】
図１から図１２は本発明のＦＢＧセンサの計測方法および計測装置を実施する形態の第一例である。
【００１１】
図１と図２に本発明の第一の実施例におけるＦＢＧセンサを用いた計測装置の構成を説明する。
【００１２】
本実施例におけるＦＢＧセンサを用いた計測装置は、一部にＦＢＧセンサ２が形成された光ファイバ１とＦＢＧセンサ測定部６、演算部７及び制御部８を備えて構成されている。
【００１３】
光ファイバ１の一部に形成されたＦＢＧセンサ２は、図２Ａに示すように、被測定物３に一部分２ａをＦＢＧセンサ固定用部材４で固定する。残った一部のＦＢＧセンサ２ｂは被測定物３の歪みに依存しないようフリーな状態で、光ファイバ固定用部材５で固定する。ＦＢＧセンサ固定用部材４と光ファイバ固定用部材５を接着剤とした場合、図２Ｂに示すように、領域２ａに使用する接着剤は、熱膨張係数と硬さを被測定物３と同じとし、領域２ｂに使用する接着剤は、熱膨張係数、硬さ共に規定はしないが、被測定物３に与える歪み、温度に耐えうるものを選定することが望ましい。
【００１４】
ＦＢＧセンサ２の一部分２ａをＦＢＧセンサ固定用部材４で固定する方法として、他の方法を図２Ｃと図２Ｄに示す。
図２Ｃにおいて、光ファイバ１のＦＢＧセンサ２ｂの表面に被測定物３の材質と同じ金属を表面にコーティング６００を行う。例えば被測定物３が銅であればコーティング６００は銅とすればよい。さらにＦＢＧセンサ２ｂと被測定物３の固定材６０１を同じ材質で溶接あるいはロー付けして固定しても同様の効果が得られる。
図２Ｄにおいて、光ファイバ１のＦＢＧセンサ２ｂの表面に測定物３の材質と同じ金属で作成した板６０３を設置する。例えば被測定物３が銅であれば板６０３は銅とすればよい。板６０３は、固定具６０４によりＦＢＧセンサ２ｂを固定するように押さえ付けて固定しても、同様の効果が得られる。
【００１５】
いずれの場合でも、ＦＢＧセンサ２ｂを被測定物３に固定されていれば手段を問わない。
【００１６】
光ファイバ１は、ＦＢＧセンサ２を複数構成することが可能である。図３の（ａ）に複数ＦＢＧセンサの光ファイバ１の形態を、（ｂ）に検出波形を示す。光ファイバ１にＦＢＧセンサ２を任意のピッチに従って、ＦＢＧセンサ２−１、２−２、２−３、２−ｎを作成する。各ＦＢＧセンサ２は、図１７で示した回折格子５０５のピッチΛを変化させることにより、反射波長を変えることが可能である。さらに、各反射波長は、推定される測定温度や歪みの変化波長より大きく離すことで、反射波長の重なりを防止することが出来るため、誤検出防止となる。複数のＦＢＧセンサの検出波形は、λ―１、λ―２、λ―３、λ―ｎとして検出される。
【００１７】
ＦＢＧセンサ測定部６は、光源９、光サーキュレータ１０、光電変換器１１、Ａ／Ｄ変換器１２を備えている。光源９から発した光は、光サーキュレータ１０を透過し、光ファイバ１に投光される。ＦＢＧセンサ２によって光源９の光は、ＦＢＧセンサ２に施された回折格子のピッチに応じた波長のみが反射される。ＦＢＧセンサ２で反射した光は、光サーキュレータ１０で反射し、光電変換器１１で受光する。ここで、光源９は、例えばＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源のような幅広い波長帯域を有するものを使用する。また、広帯域で波長が掃引可能な、掃引光源を使用してもかまわない。使用する光源の波長範囲は、本発明では１５００ｎｍから１５９０ｎｍ程度の波長で説明しているが、使用する光ファイバ１とＦＢＧセンサ２の適用波長が対応していれば、どの波長範囲でもかまわない。光電変換器１１は、ＦＢＧセンサ２で反射した波長の光を受光するが、出力として波長と光量が検出できるものを使用する。光電変換器１１で検出したＦＢＧセンサ２の反射光は、Ａ／Ｄ変換器１２によりデジタル変換され、演算部７に伝送される。
【００１８】
演算部７は、固定部波長算出器１３とフリー部波長算出器１４、歪み量算出器１５、温度算出器１６を備えている。固定部波長算出器１３は、ＦＢＧセンサ２の固定部分２ａで反射した光からの波長を算出するものである。フリー部波長算出器１４は、ＦＢＧセンサ２のフリー部分２ｂで反射した光からの波長を算出するものである。歪み量算出器１５は、固定部波長算出器１３で算出された波長変化を歪みに変換して出力するものである。温度算出器１５は、フリー部波長算出器１４で算出された波長変化を温度に変換して出力するものである。
【００１９】
図４に検出波形の波長を算出する一実施例を説明する。図４の（ａ）に一般的なＦＢＧセンサからの反射光を検出した場合の検出波形２０を示す。グラフの横軸は波長、縦軸はＦＢＧセンサからの反射光を検出した反射光検出出力を示す。図４の（ｂ）は、検出波形２０に微分処理を施した微分波形２１を示す。該微分波形２１の、ベースレベル２３と微分波形２１との交点２２を算出することで、検出波形２０の中心波長を算出することが可能となる。図１に示した演算部７において、固定部中心算出器１３とフリー部中心算出器１４における波長の算出は、上述した方法で実行することが出来る。なお、検出波形の波長を求めるためには、他の方法であっても問題はない。
【００２０】
図１において、制御部８は、計測条件入力手段１７、表示手段１８、出力手段１９を備えている。計測条件入力手段１７によって測定に必要な条件、測定結果の判定条件を設定する。表示手段１８は、測定場所、検出波形の表示、波形中心の表示、算出後の歪み、温度の測定結果などを表示する。出力手段１９は、表示手段１８によって表示された画面、測定結果、測定条件などを外部メモリや、紙などに出力可能である。
【００２１】
図５に表示手段１８における表示画面の一例を示す。表示画面３００は、ＦＢＧセンサ２の全波形表示部３０１、全波形表示３０１の拡大表示部３０２、測定場所表示部３０３、条件設定部３０４、測定結果表示部３０５、測定結果グラフ表示部３０６を備えている。全波形表示部３０１では、枠３０７によって拡大する波形を選択可能である。拡大表示部３０２では、枠３０７の波形を拡大する。拡大波形では、枠３０８と枠３０９が設定可能であり、この枠内での波形処理を行う。閾値３１０は、枠３０８と枠３０９でそれぞれ設定できる。検出波形の処理は、枠３０８，３０９内で閾値３１０以上の波形を用いて波長を演算する。
【００２２】
条件設定部３０４は、測定の開始３０４１、測定の停止３０４２、ＦＢＧファイバの切り替え３０４３、条件設定である閾値設定３０４４、演算範囲設定３０４５、歪み上限設定３０４６、温度の上限設定３０４７が可能である。
【００２３】
測定結果表示部３０５は、ＦＢＧセンサに対応する歪みと温度の計測結果を表示可能である。条件設定部３０４で設定した上限設定以上の測定値には、他の検出結果の表示とはことなるハイライト表示が可能である。
【００２４】
測定結果グラフ表示部３０６は、測定結果表示部３０５で表示した歪み、温度の測定結果をグラフ化して表示するものである。
【００２５】
以上の構成を備えたＦＢＧセンサを用いた計測装置の動作を説明する。
図６Ａは、光ファイバ１のＦＢＧセンサ２が被測定物３に接触しないで、フリーの状態で配置した状態図と、その時の検出波形を示す。図６Ｂのグラフは、横軸に検出波長、縦軸にＦＢＧセンサの反射光出力を示す。変化を与える前を定常状態とし、波形２４が検出される。被測定物３を左右方向に引っ張ることで、被測定物３に歪みを生じさせることが出来る。この歪みが発生した状態でのＦＢＧセンサ２は、波形２５が検出される。定常状態の波形２４と歪み状態の波形２５は変化せず、波長変化がないことが分かる。すなわち、ＦＢＧセンサ２がフリーの状態では、被測定物３の歪みが伝達しないため、ＦＢＧセンサ２の回折格子が変化しないためである。
【００２６】
図７Ａと図７Ｂとは、図６Ａの状態において、被測定物３が温度上昇した場合の波形変化を示した図である。定常状態では図７Ｂに示すような波形２７が検出される。図７Ａに示すように被測定物３に対して温度上昇が生じた場合、ＦＢＧセンサ２にも温度変化が伝達し、図７Ｂに示すような波形２８が検出される。定常状態の波形２７と比較すると、温度が上昇した場合は、長波長側に波形がシフトしている。すなわち、ＦＢＧセンサ２がフリーであっても、周辺温度が上昇することによって、ＦＢＧセンサ２の回折格子部での屈折率が変化し、波長が長波長側に移動する。なお、温度が下降して低温に変化した場合は、図示しないが検出波形は、短波長側に移動することは明確である。
【００２７】
図８Ａは、光ファイバ１のＦＢＧセンサ２が被測定物３に接着剤２４などで完全に固定されている状態図、図８Ｂはその時の検出波形を示す。図８Ａの状態において、図６Ａと同じ条件で被測定物３を左右方向に引っ張り、歪みを与える。定常状態は波形２８であり、歪みが発生した状態では、波形２９が検出される。すなわち、ＦＢＧセンサ２が被測定物３と同様に歪みが生じるため、ＦＢＧセンサ３の回折格子間隔が変化することになり、反射光が長波長側に波形がシフトすることになる。この変化量３０は、被測定物３に発生した歪み量に相当する。歪みが圧縮側に作用すれば、図示しないが検出波形は短波長側に移動する。
【００２８】
図９Ａは、図８Ａと同様に光ファイバ１のＦＢＧセンサ２が被測定物３に接着剤２４などで完全に固定されている状態を示す。この状態において、被測定物３が温度上昇した場合の波形変化を図９Ｂに示す。図８Ｂの場合と同様に定常状態では波形３１が検出される。被測定物３に温度上昇が生じた場合、ＦＢＧセンサ２に温度変化が伝達し、波形３２が検出される。定常状態の波形３１と比較すると、変化量３３が算出される。この変化量３３は、接着剤２４の熱による歪みを無視すれば、被測定物３の温度変化を検出している。
【００２９】
図１０Ａ及び図１０Ｂに本発明における固定方式による波形変化を説明する。図１０Ａは、図１および図２で説明したように、光ファイバ１のＦＢＧセンサ２の一部分２ａをＦＢＧセンサ固定用部材４で被測定物３に固定し、残った一部のＦＢＧセンサ２ｂは被測定物３の歪みに依存しないようフリーな状態で、光ファイバ固定用部材５により固定した状態を示している。この状態において、図６Ａ及び図８Ａで説明したのと同じ条件で被測定物３を左右方向に引っ張る。図１０Ｂで定常状態は波形３４であり、歪みが発生した状態では波形３５が検出される。波形３５において、被測定物３に固定した範囲２ａに相当する範囲３６ａとフリーな状態で固定した範囲２ｂに相当する範囲３６ｂに着目すると、２つのピークを有した波形となっている。これは、範囲２ａを被測定物３に固定したことにより初期歪みが発生し、範囲２ａと範囲２ｂとで回折格子間隔が微小に変化するために、固定した境界で分離された２つの領域にそれぞれピークが発生するものと考えられる。引っ張りによって、被測定物３に歪みが生じるため、範囲２ａでは、図８Ｂで説明したように、波長が長波長側に変化し、変化量３７が算出される。一方、範囲２ｂでは図６Ｂで説明したように、歪みの影響が無いため波長変化がなく変化量３８は０となる。
【００３０】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、図７Ａ及び図７Ｂ、図９Ａ及び図９Ｂの場合と同じ条件で被測定物３が温度上昇した場合の波形のピーク位置から波長変化を求める図である。ＦＢＧセンサ２は図１１Ａに示したように被測定物３に固定されている。この状態で検出される波形は、図１１Ｂに示すように、定常状態は、波形３９であり、温度上昇によって、波形４０に変化する。ＦＢＧセンサ２の範囲２ａでは、図９Ｂで説明したように、固定したＦＢＧセンサ２ａで温度上昇による屈折率の変化が生じるため、長波長側に波長が変化し、変化量４１が算出される。また、範囲２ｂでは、図６Ｂで説明したように、フリーの状態であるが被測定物３の温度上昇に伴い、ＦＢＧセンサ２ｂでも屈折率の変化が生じる。そのため、波長変化４２が算出される。
【００３１】
図１１Ｃ及び図１１Ｄは温度上昇における波形形状から波長変化を求める図である。ＦＢＧセンサ２は、図１１Ａの場合と同様に、図１１Ｃに示したように被測定物３に固定されている。図１１Ｂと同様に、定常状態は、図１１Ｄに示すような波形３９であり、温度上昇によって、波形４０に変化する。ＦＢＧセンサ２の範囲２ａでは温度上昇に伴い、長波長側に波長が変化し、変化量４１が算出される。ＦＢＧセンサ２の範囲２ｂでもフリーの状態であるが、被測定物３の温度上昇に伴い、波長変化４２が生じる。波形３９と波形４０に対して閾値５２を設定する。閾値５２と波形３９の交点から波長幅５３を求める。次に閾値５２と波形４０の交点から波長幅５４を求める。長波長側の波長幅５４と波長幅５３の差分５４ａは、上述した波長変化４２と同様となる。さらに差分５４ｂは、波長変化４１と同様となる。そのため、差分５４ｂを求めることで被測定物３に生じた温度変化を波長から求めることが可能となる。この方法であると、波形のピーク位置から波長変化を算出しないため、ピーク位置が複数ある場合や、ピーク位置が不明な場合でも対応可能なため、より安定で高感度な計測が可能となる。
【００３２】
すなわち、被測定物３に固定した部分のＦＢＧセンサ２ａの波長変化は歪みによって生じたものである、被測定物３に固定しないＦＢＧセンサ２ｂの波長変化は温度によって生じたものである。そのため、ＦＢＧセンサ２ｂにより、温度測定、ＦＢＧセンサ２ａとＦＢＧセンサ２ｂの差分で歪み測定ができる。歪み量と温度は変化した波長に係数を乗ずることで算出が可能である。温度による係数は、１.５μｍの波長帯域を使用した場合は、約１０ｐｍ／℃とり、歪みによる係数は、約１．２ｐｍ／μεとなる。使用する波長帯域が１.５μｍと異なる場合は、その係数を乗ずれば良い。
【００３３】
図１２に本発明におけるＦＢＧセンサを用いた計測装置の計測フローを説明する。先ず、ＦＢＧセンサを被測定物に上述した方法でセットする（Ｓ１２０１）。次に、表示手段１８の表示画面３００上で検出条件のセットを行い（Ｓ１２０２）、計測を開始する（Ｓ１２０３）。照明光源９により照明光を光ファイバ１に入射させてＦＢＧセンサ２を照射し（Ｓ１２０４）、ＦＢＧセンサ２からの反射光を光電変換器１１で検出する（Ｓ１２０５）。光電変換器１１で検出された反射光の信号はＡ/Ｄ変換器１２で増幅されデジタル信号に変換されて演算部７に送られ、固定部波長演算器１３で固定ＦＢＧの範囲での波長が算出され（Ｓ１２０６）、フリー部波長演算器１４でフリーＦＢＧの範囲での波長が算出され（Ｓ１２０７）、固定部波長演算器１３で算出された固定ＦＢＧの範囲での波長変化量から歪み量を算出し（Ｓ１２０８）、フリー部波長演算器１４で算出されたフリーＦＢＧの範囲での波長変化量から温度の算出を行う（Ｓ１２０９）。これらの算出した結果を表示手段１８の表示画面３００上に表示し（Ｓ１２１０）、算出結果を必要に応じて外部出力を行い（Ｓ１２１１）、測定を終了する。
【実施例２】
【００３４】
図１３Ａ及び図１３Ｂに本発明の第二の実施例を説明する。本実施例においては、図１３Ａに示すように、ＦＢＧセンサ２の領域２ａと共に領域２ｂも被測定物３に固定する点で実施例１と異なる。光ファイバ１のＦＢＧセンサ２の領域２ａにおける被測定物３の固定は図１と同様である。領域２ｂを光ファイバ１と同じ熱膨張係数を持ち、硬さが同じ接着材４３で被測定物３に固定する。被測定物３に生じる歪み、温度変化による領域２ｂの波形変化は図６Ｂ、図７Ｂに示したものと同様となる。この方式によれば、ＦＢＧセンサが外部に露出しないため、ＦＢＧセンサの保護が可能な効果も奏する。この場合、接着材の物性が同じでなくとも、温度と接着材の伸びの関係を予め求めてデータベースを作成することで、温度上昇による波長変化をデータベースから算出することで所望の温度が計測可能となる。
【実施例３】
【００３５】
図１４に第三の実施例を説明する。
本実施例においては、被測定物４６には、光ファイバ１のＦＢＧセンサ４４とＦＢＧセンサ４５が接触しないように溝４７、４８が形成されている。ＦＢＧセンサ４４は実施例１で説明した領域２ａに相当して被測定物４６の歪みと温度を計測するための領域であり、被測定物に接着剤４９と接着剤５０により撓みが発生しないようなテンションをかけた状態で接着されている。ＦＢＧセンサ４５は実施例１で説明した領域２ｂに相当して被測定物４６の温度を計測するための領域であり、接着剤５０と接着剤５１により、フリー状態で接着されている。この方式によれば、ＦＢＧセンサ４４で歪みと温度計測、ＦＢＧセンサ４５で温度計測が可能であるため、実施例１の場合と同様の効果を奏する。この方式によればＦＢＧセンサの上部に接着剤を塗布せずに固定できるため、接着剤の影響を除外できる効果も奏する。
【実施例４】
【００３６】
次に、本発明によるＦＢＧセンサの適用実施例を説明する。
本実施例では、発電機に適用した場合を説明する。
図１５は発電機の模式図である。タービン１００は、発電機１０１のロータ１０２に接続されている。ステータ１０３はロータ１０２に対向配置されている。ステータ１０３に、本発明で説明したステータ計測用ＦＢＧセンサ１０４を固定する。同様に、ロータ１０２に、ロータ計測用ＦＢＧセンサ１０５が固定されており、端部は回転軸に設置したロータリジョイント１０６に接続されている。ロータリジョイント１０６は、ロータ１０２の回転によるロータ計測用ＦＢＧセンサ１０５の捩れを防止している。ロータリジョイント１０６の外側に光ファイバ１０７を接続し、ステータ１０３に敷設したステータ計測用ＦＢＧファイバ１０４と共に光ＦＢＧファイバ検出装置のＦＢＧセンサ測定部６、演算部７、制御部８に接続される。ＦＢＧセンサ測定部６、演算部７、制御部８の構成及び作用は、実施例１で説明したものと同様であり、図１２で説明したようなフローに沿って歪み量及び温度が算出される。ステータ計測用ＦＢＧセンサ１０４とロータ計測用ＦＢＧセンサ１０５に設置したＦＢＧセンサは本発明の実施例１乃至３の何れかで説明した固定方式で固定する。また、図３で説明した複数のＦＢＧセンサを使用すれば、ロータ１０２、ステータ１０３の多点での計測が可能である。
【００３７】
本構成において、発電機の試験時、あるいは定常運転時における発電機内部の歪み、温度計測が運転しながら可能となる。さらに、光ファイバによる計測であるため、磁界の影響が皆無なため、発電機の性能を劣化することがない。
【実施例５】
【００３８】
次に原子力発電などの設備全体に適用した場合の実施例を説明する。
図１６は原子力発電設備の模式図である。原子炉１５０によりタービン１６０を回転し、タービン１６０に接続した発電機１６１により発電可能である。原子炉１５０、タービン１６０、冷却装置１５１はそれぞれ冷却配管１５２で接続されている。冷却パイプ計測用ＦＢＧセンサ１５３は、冷却配管１５２の周囲に巻き付けられ、ＦＢＧセンサ部はそれぞれ、本発明の実施例１乃至３の何れかで説明した固定方法で固定する。また、設備計測用ＦＢＧセンサ１５４は、原子炉１５０の建屋周辺に張り巡らし、同様にＦＢＧセンサ部を固定する。各ＦＢＧセンサは、光ＦＢＧファイバ検出装置のＦＢＧセンサ測定部６、演算部７、制御部８に接続される。ＦＢＧセンサ測定部６、演算部７、制御部８の構成及び作用は、実施例１で説明したものと同様であり、図１２で説明したようなフローに沿って歪み量及び温度が算出される。図１５と同様に冷却パイプ計測用ＦＢＧセンサ１５３、設備計測用ＦＢＧセンサ１５４は複数のＦＢＧセンサを有したものを使用すると多点で同時観察が可能となる。
【００３９】
本構成において、原子炉１５０の建屋の変形や異常温度上昇などのヘルスモニター、冷却配管１５２の異常温度上昇、異常歪みが計測可能となり、設備全体の安全監視が可能となる効果も奏する。
【符号の説明】
【００４０】
１・・・光ファイバ    ２・・・ＦＢＧセンサ    ２ａ・・・固定ＦＢＧセンサ
２ｂ・・・フリーＦＢＧセンサ    ３・・・被測定物    ４・・・ＦＢＧセンサ固定用部材    ５・・・光ファイバ固定用部材    ６・・・ＦＢＧ波形計測装置
７・・・演算部    ８・・・制御部    ９・・・光源    １０・・・光サーキュレータ    １１・・・光電変換器    １２・・・Ａ／Ｄ変換器    １３・・・固定部波長演算器    １４・・・フリー部波長演算器    １５・・歪み量算出器
１６・・・温度算出器    １７・・・計測条件入力手段    １８・・・表示手段
１９・・・出力手段    １０１・・・発電機    １０２・・・ロータ          １０３・・・ステータ    １０４・・・ステータ計測用ＦＢＧセンサ
１０５・・・ロータ計測用ＦＢＧセンサ    １０６・・・ロータリジョイント
１５０  原子炉    １５１・・・冷却装置    １５２・・・冷却用パイプ
１５３・・・冷却パイプ計測用ＦＢＧセンサ    １５４・・・設備計測用ＦＢＧセンサ。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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