(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバに荷重を負荷したときの長さの変化を基準に、光学的特性測定により得られた光ファイバのひずみを較正する光ファイバ引張試験による光ファイバひずみセンサ較正装置において、
前記光ファイバの伸びに応じて上下位置が変動する支点部材と、前記支点部材を支点として一端に取り付けた小型負荷重錘により前記光ファイバの下端部を持ち上げるてこ部材とにより構成され、前記光ファイバの変位測定のための部材によって光ファイバにかかる初期荷重を除去する初期荷重除去装置と、
前記初期荷重が除去された光ファイバに対して、負荷重錘により荷重を負荷する荷重負荷装置と、
前記光ファイバの標点区間の上部および下部の変位を非接触で測定し、両者の差から標点区間の長さの変化を測定する変位測定装置と、
前記光ファイバの標点区間の温度を一定に保持する温度制御手段と
を備えたことを特徴とする光ファイバ引張試験による光ファイバひずみセンサ較正装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光ファイバ引張試験による光ファイバひずみセンサ較正装置において、
前記温度制御手段は、二重筒構造の外側と内側の筒間を縦方向に区分した複数の恒温セルと、前記各恒温セルに所定温度の空気を循環させる温度制御装置とにより構成され、前記恒温セルの内側の筒の中に前記光ファイバを配置し、前記各恒温セル内を循環する空気が前記光ファイバに直接あたらない構造であることを特徴とする光ファイバ引張試験による光ファイバひずみセンサ較正装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバの伸縮によるひずみを光学的に測定する「光ファイバひずみセンサ」の較正に用いる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、光ファイバをひずみセンサとして用いる技術の研究・開発が進められている。その中で、例えばブリルアン後方散乱光を利用したひずみ計測技術（特願平４−３６７５１）は、光ファイバの片端から光パルス信号を入力したときに、光ファイバの各位置で生じる散乱光の特性の変化、すなわち光学的特性の変化量（周波数変化等）から光ファイバに生じた機械的特性の変化量（温度やひずみ量等）を求め、散乱光が戻ってくるのに要する時間からその発生位置を測定するものである。
【０００３】
ひずみセンサとして用いられる光ファイバは、光を伝送するガラス媒体と、それを保護するための被覆から構成されており、実際には通信用の光ファイバを流用する場合と、センサ用の光ファイバを利用する場合がある。
【０００４】
通信用光ファイバは、被覆構造から、紫外線硬化型樹脂で被覆された光ファイバ素線、ナイロン系樹脂で被覆された光ファイバ心線、光ファイバ心線をさらに繊維と被覆で保護した光ファイバコードの３種類に大別される。これら通信用光ファイバの機械的特性を測る方法として、通信媒体としての光ファイバを対象とする「光ファイバ機械特性試験法（ＪＩＳ  Ｃ６８２１）」が規定されている。ここでは、光ファイバ素線および光ファイバ心線について、光ファイバ全長に張力を加え、傷による弱い部分をあらかじめ切断することにより除去し、強度を保証するためのスクリーニング試験は定められているものの、引張試験に関する規定は定められていない。光ファイバコードは、スクリーニング試験を経た光ファイバ心線をさらに繊維と被覆で保護して製造したものについて、長さが 500ｍｍ以上の試験片の両端を適切な樹脂で固定し、これに一定の張力を５分間与え、試験後の導通状態を確認する。これらの試験は本来、光ファイバが一定の強度をもつか否かを調べる試験であり、そのひずみやヤング率などの機械的特性を調べるものではない。
【０００５】
そこで、センサ用に流用する光ファイバ素線や光ファイバ心線、あるいはセンサ用の光ファイバの機械的特性を求める方法としては、標点区間が通常数ｃｍ〜数10ｃｍ程度の試験片を用いて行う試験が提案されている。この試験は、温度制御された環境で、光ファイバの被覆あるいは光ファイバガラスの両端を引張試験用治具に樹脂等で固定し、この引張試験用治具を引っ張ることによって行う（参考文献：Taylor,"In situ mechanical measurements of optical fiber coatings", Conf. on Optical Fiber Communication, Technical Direst MG-5, San Diego, CA, 1995) 。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ひずみセンサとして使用する光ファイバは、ガラスに含まれる成分や製造過程の違いにより、光ファイバごとに光学的特性にばらつきがある。そのため、光ファイバをセンサとして用いるひずみ計測技術では、精度を向上させるために光ファイバごとの較正が必要になる。較正は、光ファイバのひずみ（伸び）について、外部から例えば物差しで測る機械的特性測定値と、ファイバに入力した光パルスの後方散乱光から測る光学的特性測定値を一致させることにより行う。
【０００７】
ここで、光パルスを用いたひずみ計測技術の距離分解能は光パルス幅に依存し、現在の技術レベルでは約１ｍが限界である。よって、較正を行うには、標点区間が１ｍ以上の光ファイバについて光学的特性と機械的特性を同時に測定する必要がある。したがって、上述した標点区間が数ｃｍ〜数10ｃｍ程度の試験片を用いて行う試験法では、光ファイバの較正を正確に行うことができなかった。
【０００８】
また、光ファイバの光学的特性と機械的特性は温度の影響を受けるために、温度の制御を行う必要がある。しかし、引張試験機本体を恒温槽などに入れると、計測器自体が温度の影響を受けてしまい、測定結果に影響を与えてしまう。
【０００９】
また、光ファイバは 500ｋｇｆ／ｍｍ2 程度の引張強度をもつが、荷重が負荷されると通常２〜３％、最大で７％程度の伸びが生ずる。そのため、測定用に光ファイバに取り付ける引張試験用治具の重量は、ひずみセンサ較正作業に無視できない影響を与えるおそれがある。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決するものであり、標点区間が１ｍ以上の光ファイバの温度制御を行いながら、光ファイバの光学的特性と機械的特性を同時に測定し、光ファイバの較正を行うことができる光ファイバ引張試験による光ファイバひずみセンサ較正装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光ファイバの伸びに応じて上下位置が変動する支点部材と、支点部材を支点として一端に取り付けた小型負荷重錘により光ファイバの下端部を持ち上げるてこ部材とにより構成され、光ファイバの変位測定のための部材によって光ファイバにかかる初期荷重を除去する初期荷重除去装置と、初期荷重が除去された光ファイバに対して、負荷重錘により荷重を負荷する荷重負荷装置と、光ファイバの標点区間の上部および下部の変位を非接触で測定し、両者の差から標点区間の長さの変化を測定する変位測定装置と、光ファイバの標点区間の温度を一定に保持する温度制御手段とを備える。
【００１２】
本発明装置では、対象となる光ファイバに負荷重錘を直接負荷し、光ファイバの標点区間の変位を測定する構成であるが、光ファイバに負荷重錘を取り付けたり変位を測定するための部材が取り付けられ、それによる初期荷重がかかる。そこで、てこ部材を用いて初期荷重による負荷と逆向きの負荷を光ファイバに与えることにより、初期荷重を除去する。本発明装置では、さらにてこ部材の支点となる支点部材について、光ファイバの伸びに応じて上下位置が変動するように設定する。これにより、光ファイバが負荷重錘の負荷により伸びた場合でも、てこ部材の支点が変化して初期荷重を０にすることができる。
【００１３】
また、本発明装置では、光ファイバの標点区間の上部および下部の変位を非接触で測定することにより、両者の差から標点区間の長さの変化を正確に測定することができる。
【００１４】
また、本発明装置の温度制御では、測定対象の光ファイバおよびその周囲の空間を恒温槽で囲むことにより行う。この恒温槽は、二重筒構造の外側と内側の筒間を縦方向に区分した複数の恒温セルからなっており、温度制御装置と各恒温セルとの間で所定温度の空気を循環させる。このように複数の恒温セルからなり、かつ循環する空気が光ファイバに直接当たらない構成とすることにより、長尺の光ファイバについても効率よく安定した温度制御が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明装置の基本構成を示す。図において、測定対象の光ファイバｆの上端はフレーム１に固定され、その下端に荷重負荷装置３によって負荷重錘が負荷される。また、光ファイバｆにかかる初期荷重は、初期荷重除去装置４により除去される。光ファイバｆは荷重が負荷されると伸びるが、このとき光ファイバｆの上部と下部の一定区間を標点区間とし、この標点区間の変化を上下に設けた変位測定装置２により測定し、光ファイバｆのひずみ（伸び）を求める。光ファイバｆの標点区間は恒温槽６により覆われ、温度制御装置５で任意に設定された一定温度の空気を恒温槽６に循環させることにより、光ファイバｆの標点区間付近の温度制御を行う。光ファイバｆの一端には、光学的特性測定装置７が接続される。
【００１６】
図２は、本発明装置のフレーム１、変位測定装置２、荷重負荷装置３、初期荷重除去装置４の実施例構成を示す。図において、フレーム１は、フレーム本体１１と、光ファイバｆをフレーム本体１１に吊り下げ固定するための上部固定チャック１２により構成される。
【００１７】
変位測定装置２は、上部固定チャック１２によりフレーム本体１１に固定された光ファイバｆの標点区間の両端にあらかじめ取り付けた上部変位検出用チャック２１および下部変位検出用チャック２２と、それぞれの変位を検出する上部変位検出器２３および下部変位検出器２４により構成される。
【００１８】
荷重負荷装置３は、負荷重錘支持棒３１と、それを光ファイバｆの下端に取り付けるための取り付けチャック３２と、複数の円盤状の負荷重錘３３と、負荷重錘調節器３４と、光ファイバｆの負荷荷重を測定するロードセル３５により構成される。負荷重錘調節器３４は、負荷重錘３３を把持するハンドル部と、フレーム本体１１に沿って上下する昇降部により構成され、負荷重錘支持棒３１のテーパ部に円盤状の負荷重錘３３を１枚ずつ積み重ね、光ファイバｆに与える荷重負荷を調整する構成である。
【００１９】
初期荷重除去装置４は、光ファイバｆに取り付けられた上部変位検出用チャック２１、下部変位検出用チャック２２、負荷重錘支持棒３１および取り付けチャック３２により、光ファイバｆにかかる初期荷重を除去するものであり、てこ部材を構成する小型負荷レバー４１および小型負荷重錘４２と、支点部材を構成する負荷重錘支持棒変位検出器４３および小型負荷重錘制御装置４４からなる。光ファイバｆの伸びに対応する負荷重錘支持棒３１の変位を負荷重錘支持棒変位検出器４３により検出し、それに応じて小型負荷レバー４１の支点となる小型負荷重錘制御装置４４を移動させ、小型負荷レバー４１に取り付けた小型負荷重錘４２により、負荷重錘支持棒３１に対して初期荷重に相当する逆向きの荷重を与える構成である。
【００２０】
図３は、本発明装置の恒温槽６の実施例構成を示す。図において、恒温槽６は、二重筒構造の外側と内側の筒間を縦方向に複数に区分した恒温セル６１ａ〜６１ｄにより構成され、各恒温セルと温度制御装置５との間で所定温度の空気を循環させる構造になっている。上部変位検出用チャック２１と下部変位検出用チャック２２とにより設定される光ファイバｆの標点区間は、各恒温セルの内側の筒の中に配置され、各恒温セルを循環する空気が直接光ファイバｆに当たらないようになっている。すなわち、恒温セルの内側の筒が風除け筒の役割を果している。
【００２１】
各恒温セル６１ａ〜６１ｄ内の温度は各恒温セル内に取り付けた温度モニタ６２ａ〜６２ｄにより測定され、温度制御装置５で送出空気の温度を制御することにより、光ファイバｆとその周囲の温度が間接的に制御される。このように、恒温槽６を複数のセルに分けることにより、長尺な光ファイバに対しても効率的な温度制御を行うことができる。なお、恒温セル内に配置された光ファイバｆの変位は、各恒温セルに設けたガラス窓を介して上部変位検出器２３および下部変位検出器２４により測定される。
【００２２】
以下、図１〜図３および図４に示すフローチャートを参照し、本発明装置により光ファイバｆの引張試験を行う際の動作について説明する。まず、光ファイバｆをフレーム１内に設置する（Ｓ１）。これは、光ファイバｆの標点区間の両端に上部変位検出用チャック２１と下部変位検出用チャック２２を取り付け、光ファイバｆの上端を上部固定チャック１２を用いてフレーム本体１１に吊り下げ固定し、その下端に取り付けチャック３２を介して負荷重錘支持棒３１を取り付ける。
【００２３】
次に、光ファイバｆに負荷される初期荷重を初期荷重除去装置４により除去する（Ｓ２）。これは、小型負荷重錘制御装置４４を支点とする小型負荷レバー４１の一端を負荷重錘支持棒３１に固定し、他端に小型負荷重錘４２を取り付ける。このとき、小型負荷重錘４２の重さは、光ファイバｆの負荷荷重を測定するために上部固定チャック１２に取り付けたロードセル３５の示す値が０となるように調整する。本引張試験では、初期荷重を常に０とする必要があるが、光ファイバｆに負荷される荷重により光ファイバｆが伸び縮みする。そこで、負荷重錘支持棒３１の変位を負荷重錘支持棒変位検出器４３により測定し、その変位分だけ支点となる小型負荷重錘制御装置４４を上下移動させることにより、初期荷重を常に０に保つ。
【００２４】
次に、光ファイバｆおよびその周辺の空間の温度制御を行う（Ｓ３）。観音開き構造の恒温セル６１ａ〜６１ｄを開き、その内側の筒の中に上部変位検出用チャック２１と下部変位検出用チャック２２を取り付けた光ファイバｆを設置し、恒温セルを閉じる。そして、温度制御装置５から各恒温セル内に所定温度の空気を循環させることにより、光ファイバｆとその周囲の温度を間接的に制御する。
【００２５】
温度制御装置５により制御された一例として、室温が20℃のときに、各恒温セル内の設定温度を70℃と−20℃としたときの温度分布の測定結果を表１に示す。
【００２６】
温度制御装置５により制御された一例として、室温が20℃のときに、各恒温セル内の設定温度を70℃と−20℃としたときの温度分布の測定結果を表１に示す。
【表１】
0004002367.tif 000002
ここに示すように、光ファイバｆの標点区間に設置された温度センサ６２ａ〜６２ｄにより測定した温度のずれは２度以内であり、恒温槽を複数の恒温セルに分割したことにより温度ムラが最小限に抑えられていることがわかる。
【００２７】
次に、光ファイバｆに対して負荷重錘３３により荷重負荷を与え（Ｓ４）、光ファイバｆの標点区間に生じた変位（光ファイバｆの伸び）を測定する（Ｓ５）。まず、上部変位検出器２３および下部変位検出器２４により、上部変位検出用チャック２１および下部変位検出用チャック２２の変位をそれぞれ測定し、その差分から光ファイバｆの標点区間の変位を測定する。そして、この変位を標点区間の長さで割ると、光ファイバｆに生じたひずみが求まる。本装置を用いた実験では、標点区間の長さは３ｍ±１ｍｍであり、変位測定装置２の計測精度は±５μｍである。このときのひずみの測定誤差は、約± 1.7×10-6である。一方、ブリルアン散乱光を利用した光学的特性測定装置７により観測されるひずみの計測精度は約±５×10-6であり、本装置はブリルアン散乱光を利用した光ファイバひずみセンサの較正装置として十分な性能をもつ。
【００２８】
ここで、各恒温セルの温度を20℃に設定したときの光ファイバｆの応力ひずみ分布を図５に示す。図において、■は本装置による測定値、●はブリルアン散乱光を利用した光学的特性測定装置７による測定値を示す。本装置では、光ファイバｆおよびその周囲の温度を制御しながら、光ファイバｆに生じた変位量を機械的特性および光学的特性の２つを用いて同時に測定することにより、光学的特性測定装置７の較正を行うことができることがわかる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光ファイバ引張試験による光ファイバひずみセンサ較正装置では、次のような効果が得られる。
【００３０】
(1) 光ファイバにかかる初期荷重を除去した後に光ファイバに荷重を直接負荷することにより、その機械的特性と光学的特性を同時かつ正確に測定することができる。
【００３１】
(2) 複数に分割された構造をもつ恒温槽を用いることにより、光ファイバの標点区間が長くなっても効率よく安定した温度制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置の基本構成を示す図。
【図２】本発明装置のフレーム１、変位測定装置２、荷重負荷装置３、初期荷重除去装置４の実施例構成を示す図。
【図３】本発明装置の恒温槽６の実施例構成を示す図。
【図４】本発明装置の動作手順を示すフローチャート。
【図５】本発明装置による光ファイバに生じたひずみの測定結果を示す図。
【符号の説明】
ｆ  光ファイバ
１  フレーム
２  変位測定装置
３  荷重負荷装置
４  初期荷重除去装置
５  温度制御装置
６  恒温槽
７  光学的特性測定装置
１１  フレーム本体
１２  上部固定チャック
２１  上部変位検出用チャック
２２  下部変位検出用チャック
２３  上部変位検出器
２４  下部変位検出器
３１  負荷重錘支持棒
３２  取り付けチャック
３３  負荷重錘
３４  負荷重錘調節器
３５  ロードセル
４１  小型負荷レバー
４２  小型負荷重錘
４３  負荷重錘支持棒変位検出器
４４  小型負荷重錘制御装置
６１ａ〜６１ｄ  恒温セル
６２ａ〜６２ｄ  温度モニタ
【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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