(57)【要約】【課題】光ファイバーセンサを用いた歪み又は温度の計測装置において、コストパフォーマンスの優れた高精度な多点計測装置を提供する。【解決手段】歪み又は温度に応じて反射光強度が変化する光ファイバーセンサからの反射光強度をOTDRで計測することにより歪み又は温度を計測する装置において、光ファイバーセンサからの反射光強度１と後方散乱光強度の一定区間の平均２のデシベル値の差が占める面積３、即ち光ファイバーセンサからの反射光強度１と後方散乱光強度の一定区間の平均２の比の積算値を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪み又は温度に応じて反射光強度が変化する光ファイバーセンサからの反射光強度をOTDRで計測することにより歪み又は温度を計測する装置において、光ファイバーセンサからの反射光強度と後方散乱光強度の比を算出する手段を有することを特徴とする歪み又は温度の計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の光ファイバーセンサからの反射光強度と後方散乱光強度の比として、光ファイバーセンサからの反射光強度と後方散乱光強度の比の積算値を用いることを特徴とする請求項１記載の計測装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の後方散乱光強度として、後方散乱光強度の一定区間の平均を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の計測装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２記載の光ファイバーセンサを光カプラで接続した系を計測する多点計測装置であって、光ファイバーセンサが具備する反射装置と類似した温度特性を持つ参照反射装置を、上記光カプラと類似した温度特性を持つ光カプラで接続し、光ファイバーセンサからの反射光強度と参照反射装置からの反射光強度との比を算出する手段を有することを特徴とする請求項１から請求項３記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバーセンサを利用して歪み又は温度を計測する計測装置において、特に多点計測に適した計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
歪み又は温度の計測方法には電気的な変化を計測する方法と、光の反射または透過特性の変化を計測する方法がある。電気的な歪み計測方式としては歪みにより電気抵抗値が変化する歪ゲージが、また温度計測方式としては温度変化により起電力が変化する熱電対が工業的に広く使用されているが、爆発性雰囲気下では防爆構造を取る必要があり、また電磁ノイズや落雷の影響を受けやすいため、危険場所や広域の計測に利用する場合には高価になるという欠点もある。
【０００３】
光の特性変化を計測する各方式は、電気的な変化を計測する方法に比較して高価ではあるが、センサ取り付け部に電源やデータ伝送装置が不要であり、また落雷や電磁ノイズの影響を受けないという特徴があるため、一部実用化が始まりつつある。光の特性変化を計測する代表的な方法としては、FBG（Fiber Bragg Grating）方式（例えば、非特許文献１参照）、BOTDR（Brillouin Optical Time Domain
Reflectometer）方式（例えば、非特許文献２参照）、およびOSMOS（Optical Strand Monitoring  System）方式（例えば、非特許文献３参照）が知られている。
【０００４】
FBG方式はFBGからの反射光の波長シフトを、またBOTDR方式はブリルアン後方散乱光の波長シフトを計測することにより、歪み又は温度を計測する方法であり、一般的に計測装置が高価である。また、波長シフトは歪みおよび温度の変化により発生するため、歪みを計測する場合には温度を計測して補正する必要があり、計測系が高価になる要因となっている。
【０００５】
OSMOS方式は、光ファイバーセンサからの光の損失を測定することにより歪みを測定するため計測装置自体は比較的安価であるが、光ファイバーセンサ１個に対して１台の計測装置が必要であるため、多点計測系ではやはり高価になる。
【０００６】
さらに、光の特性変化により歪みを計測する全ての方法において、光ファイバーに歪みを与えるため、ワイブル分布を用いた光ファイバーの寿命管理が必要であり、この制約が光ファイバーに加える歪みの範囲を制限したり光ファイバーセンサの寿命を制限したりする要因になる。
【０００７】
一方、比較的安価な光の反射や損失の計測装置であるOTDR（Optical Time Domain Reflectometer）は、光ファイバーの損失測定を行うことにより、光ファイバー網の異常検知に活用されてきた（非特許文献４）。またOTDRを意識した、安価なアナログ型変位センサも提案されている（特許文献１参照）。しかし、OTDRによる損失の計測精度は一般的に５％程度と低く、歪みまたは温度の計測装置としては不十分であるため、未だ実用化されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２８４２８７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】”Fiber Bragg Gratings: Fundamentals and Applicationsin Telecommunications and Sensing”, Othonos,A. andKalli,K., Artech House, Norwood, ２０００.
【非特許文献２】「ブリルアン分光による光ファイバーのひずみ分布測定」,堀口他２名, 電子情報通信学会論文誌 B-１,Vol.７３, No.２, pp.１４４-１５２, １９９０.
【非特許文献３】「光学ストランドを用いた構造物のモニタリングシステムに関する基礎的研究」,山下他３名, 土木学会第５５会年次学術講演会, Vol.３２９, ２０００.
【非特許文献４】「分岐光線路の遠隔個別損失分布測定」, 田中他２名, 電子情報通信学会総合大会講演論文集, 通信(２), ５０４, １９９６.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、光ファイバーセンサにより安価で高精度な歪み又は温度の多点計測ができない点である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、歪み又は温度に応じて反射光強度が変化する光ファイバーセンサからの反射光強度をOTDRで計測することにより歪み又は温度を計測する装置において、センサからの反射光強度と後方散乱光強度の比の積算値を算出する手段を有することにより、安価で高精度な歪み又は温度の多点計測系の計測装置を提供する。
【００１２】
上記後方散乱光強度として後方散乱光強度の一定区間の平均値を用いることにより、後方散乱光強度に一定のノイズを含む場合でも高精度な歪み又は温度の計測装置を提供する。
【００１３】
上記光ファイバーセンサを光カプラで接続した系を計測する計測装置であって、光ファイバーセンサが具備する反射装置と類似した温度特性を持つ参照反射装置を、上記光カプラと類似した温度特性を持つ光カプラで接続し、光ファイバーセンサからの反射光強度と参照反射装置からの反射光強度との比を算出することにより、広い温度範囲に渡り高精度な歪み又は温度の計測装置を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
OTDRで計測した光ファイバーセンサからの反射光強度と後方散乱光強度の比を算出することにより、光源の強度の変化や光ファイバーの損失の変化に依存しない歪み又は温度の計測が可能になる。さらに、光ファイバーセンサからの反射光強度と後方散乱光強度の比の積算値を算出することにより、高精度な歪み又は温度の計測が可能になる。
【００１５】
上記後方散乱光強度として一定区間の平均の後方散乱光強度を用いることにより、後方散乱光強度に一定のノイズを含む場合でも高精度な歪み又は温度の計測が可能になる。
【００１６】
光ファイバーセンサを光カプラで接続した系を計測する計測装置において、光ファイバーセンサが具備する反射装置と類似した温度特性を持つ参照反射装置を、上記光カプラと類似した温度特性を持つ光カプラで接続し、光ファイバーセンサからの反射光強度と参照反射装置からの反射光強度との比を算出することにより、広い温度範囲に渡り高精度な歪み又は温度の計測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明における第１又は第２の実施形態に係るセンサからの反射光強度と一定区間の平均の後方散乱光強度の比の積算値を示す図である。
【図２】後方散乱光強度の一定区間の平均値の算出方法を示す図である。
【図３】光ファイバーセンサの温度依存性を補償するために設置する参照反射装置の接続図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１、図２を参照して本発明の第１および第２の実施の形態について説明する。OTDRから出射される光強度は非線形散乱が起こるし閾値以下であるため、後方散乱光強度１ａは、その場所における前進光強度に比例する線形拡散光が主体である。このため、図１あるいは図２に示す通り、後方散乱光強度は、OTDRからの距離に応じて右肩下がりの勾配を持つ直線にノイズを重ね合わせた１ａに示す波形となる。また、光ファイバーセンサからの反射光強度１は、後方散乱光強度１ａと重なり合っている。
【００１９】
光ファイバーセンサを反射波形の有無によりON/OFFの判定を行う接点センサであれば、ある一定の閾値を設け、この閾値を基準にON/OFFの判定を行うことにより実現できる。しかし、光ファイバーセンサからの反射光強度の絶対値は、前進光強度に比例し、また前進光強度は、光源の強度や光ファイバー経路の損失に応じて変化するため、歪み又は温度に応じて反射光強度が変化するアナログ的な光ファイバーセンサとして利用するためには、前進光強度の影響を除去することが不可欠である。一方、後方散乱光強度も前進光強度に比例するため、後方散乱光強度に対する光ファイバーセンサからの反射光強度の比を取ることにより前進光強度の影響を除去することが可能になる。
【００２０】
数式１の関係から、デシベル表示された光ファイバーセンサからの反射光強度A と後方散乱光強度Bの差は、光ファイバーセンサからの反射光強度Aと後方散乱光強度Bの比のデシベル表示を意味する。図１および図２の縦軸はデシベル[dB]で表示されているため、光ファイバーセンサからの反射光強度１と後方散乱光強度の一定区間の平均２の差が占める面積３は、光ファイバーセンサからの反射光強度と後方散乱光強度の比のデシベル表示の積算値であることがわかる。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
光ファイバーセンサからの反射光強度と後方散乱光強度の比を取る代表的な実施の形態としては、デシベル表示において、
（１）光ファイバーセンサからの反射光強度から反射光直前の後方散乱光強度を差し引く(第１の実施の形態）、
（２）光ファイバーセンサからの反射光強度から反射光直前の後方散乱光強度の一定区間の平均２ａを差し引く(第２の実施の形態）、
（３）光ファイバーセンサからの反射光強度から後方散乱光強度の一定区間の平均２を差し引く(第２の実施の形態）、
などの方法がある。（３）の積算値が図１の面積３であり、積算値を求めることにより計測精度を大幅に改善することが可能になる。
【００２３】
後方散乱光強度の一定区間の平均２を算出する方法としては、図２に示す通り、後方散乱光強度の一定区間の平均２から一定の幅の閾値バンド幅５を設け、後方散乱光強度がこのバンド幅にある場合のみ後方散乱光強度の一定区間の平均２の算出対象とすると比較的簡単に算出可能である。また一定区間とは、その位置を含む前後の一定区間であり、ノイズの影響を十分緩和できる程度に長く、かつ右肩下がりの勾配に追随できる程度に短く設定しなければならない。具体的な一定区間は１０mから１kmの間で設定するが、ノイズが大きい程長く設定すると安定した計測が可能になる。
【００２４】
図３を参照して本発明の第３の実施の形態について説明する。歪み又は温度に応じて反射光強度が変化する光ファイバーセンサ８からの反射光強度をOTDR ６により計測する系において、分岐カプラ７により一部の前進光を光ファイバーセンサに導くことにより、多点計測が可能になる。一般的に、光ファイバーセンサに用いる反射体および分岐カプラはできるだけ温度依存性の小さい機器を選定することにより、広い温度範囲で高精度な歪み又は温度を計測することが可能になる。しかし、光ファイバーの種類あるいは利用温度範囲によっては、光ファイバーセンサに用いる反射装置や分岐カプラの温度依存性が無視できない場合がある。
【００２５】
このような場合には、温度依存性を補償するため、光ファイバーセンサの近傍にファイバーセンサが具備する反射装置と類似した温度特性を持つ参照反射装置９を配置し、光ファイバーセンサを接続した光カプラと類似温度特性を持つ光カプラで接続する。そして、デシベル表示された光ファイバーセンサからの反射光強度と参照反射装置からの反射光強度の差を用いて歪み又は温度を計測する。前述の通り、デシベル表示された光強度の差を取ることにより光強度の比のデシベル表示になるため、光ファイバーセンサからの反射光強度と類似する温度特性を持つ参照反射装置からの反射光強度の温度依存性が打ち消し合い、光ファイバーセンサの温度依存性が補償されるため、広い温度範囲で高精度な多点計測系を構成することができる。なお、参照反射装置９は必ずしも全ての光ファイバーセンサに対応して設置する必要は無い。類似する温度変動を呈する箇所に設置された全ての光ファイバーセンサが参照する１個の参照反射装置９を設け、その近辺の全センサで参照することにより、さらにコストパフォーマンスの高い系を構築することが可能である。
【００２６】
以下の実施例により、本発明の第２の実施の形態を用いて、光ファイバーセンサからの反射光強度と後方散乱光強度の比の積算値、即ちデシベル値の差の積算値を算出する効果を示す。
【実施例】
【００２７】
本実施例は、光ファイバーセンサにマイクロメータで歪みを与え、歪みの算出方法により、どの程度誤差が発生するかを実験したものである。本発明の第２の実施の形態において、単に光ファイバーセンサからの反射光強度のピーク値と後方散乱光強度の比を用いた場合に比較して、反射光強度と後方散乱光強度の比の積算値を用いる算出方法の誤差は約１/３程度になっており、積算値を用いることにより計測精度が大幅に改善することが証明された。
【００２８】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の歪み計測装置は、気体や液体の圧力を計測する圧力計や液面のレベルを計測するレベル計として利用することが可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１    光ファイバーセンサからの反射光強度
１ａ  後方散乱光強度
２    後方散乱光強度の一定区間の平均
２ａ  光ファイバーセンサからの反射光直前の後方散乱光強度の一定区間の平均
３    光ファイバーセンサからの反射光強度と後方散乱光強度の一定区間の平均のデシベル値の差が占める面積
４    光ファイバーセンサからの反射光強度のピーク値
５    後方散乱光強度の一定区間の平均から一定の幅の閾値バンド幅
６    OTDR
７    分岐カプラ
８    歪み又は温度に応じて反射光強度が変化する光ファイバーセンサ
９    光ファイバーセンサが具備する反射装置と類似した温度特性を持つ参照反射装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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