(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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センサで反射される反射光を反射又は透過させるフィルタとを備えており、
上記広帯域光源から入射され上記ＦＢＧセンサで反射される反射光を、上記フィルタに入射させ、該フィルタよる反射光を光信号として第１の光電変換器により電気信号に変換するとともに、該フィルタによる透過光を光信号として第１の光電変換器により電気信号に変換し、これら電気信号に変換した透過光又は反射光の信号の一方の位相を反転させて、他方と加算する処理を行って得られた信号の振幅変化により上記ＦＢＧセンサの反射光の波長変化乃至ＦＢＧセンサが受けたひずみ変化を検出することを特徴とする光ファイバひずみセンサ装置。
【請求項２】
上記フィルタは、ＦＢＧフィルタ又は誘電体多層膜フィルタであることを特徴とする請求項１記載の光ファイバひずみセンサ装置。
【請求項３】
ＦＢＧを書き込んだ光ファイバから成るＦＢＧセンサを被検体に取り付け、該ＦＢＧセンサに広帯域波長光を入射し、該ＦＢＧの反射光をフィルタに入射させて、該ＦＢＧの反射光の波長変化に対して、フィルタによる反射光と透過光は逆位相で変化することを利用し、
上記フィルタよる反射光を光信号として第１の光電変換器により電気信号に変換するとともに、該フィルタによる透過光を光信号として第１の光電変換器により電気信号に変換し、これら電気信号に変換した透過光又は反射光の信号の一方の位相を反転させて、他方と加算する処理を行って得られた信号の振幅変化により上記ＦＢＧセンサの反射光の波長変化乃至ＦＢＧセンサが受けたひずみ変化を検出することを特徴とする光ファイバひずみセンサを用いたひずみ検出方法。
【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ための方法に関するものであり、より詳細には、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のAEをする際に、また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。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。
【０００３】
【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。
【０００４】
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）。
【０００５】
さらに、FBGセンサのブラッグ波長変化に関しては従来、光スペクトルアナライザーを用いて計測されてきた。
【０００６】
【非特許文献１】
I. Perez, H.-L. Cui and E. Udd, 2001 SPIE, Vol. 4328, p.209-215
【０００７】
【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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【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、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センサで反射される反射光を反射又は透過させるフィルタとを備えており、上記広帯域光源から入射され上記ＦＢＧセンサで反射される反射光を、上記フィルタに入射させ、該フィルタよる反射光を光信号として第１の光電変換器により電気信号に変換するとともに、該フィルタによる透過光を光信号として第１の光電変換器により電気信号に変換し、これら電気信号に変換した透過光又は反射光の信号の一方の位相を反転させて、他方と加算する処理を行って得られた信号の振幅変化により上記ＦＢＧセンサの反射光の波長変化乃至ＦＢＧセンサが受けたひずみ変化を検出することを特徴とする光ファイバひずみセンサ装置を提供する。
【００１５】
上記フィルタは、FBGフィルタ又は誘電体多層膜フィルタであることを特徴とする。
【００１７】
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るＦＢＧセンサを被検体に取り付け、該ＦＢＧセンサに広帯域波長光を入射し、該ＦＢＧの反射光をフィルタに入射させて、該ＦＢＧの反射光の波長変化に対して、フィルタによる反射光と透過光は逆位相で変化することを利用し、上記フィルタよる反射光を光信号として第１の光電変換器により電気信号に変換するとともに、該フィルタによる透過光を光信号として第１の光電変換器により電気信号に変換し、これら電気信号に変換した透過光又は反射光の信号の一方の位相を反転させて、他方と加算する処理を行って得られた信号の振幅変化により上記ＦＢＧセンサの反射光の波長変化乃至ＦＢＧセンサが受けたひずみ変化を検出することを特徴とする光ファイバひずみセンサを用いたひずみ検出方法を提供する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る光ファイバひずみセンサ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。
【００２０】
（FBGの動作原理）
図１によりFBGの動作原理を説明する。FBGは光ファイバの中心部（コア）の屈折率を周期的に変化させた構造を取り、屈折率と屈折率変化の間隔の積の二倍を中心波長（「ブラッグ波長」と呼ぶ。）とする狭帯域の光信号のみを反射する。
【００２１】
図１に示すように、FBGに広帯域光を入射すると、FBGの透過光はブラッグ波長帯域が欠けた強度分布を取る。またFBGの反射光は、ブラッグ波長を中心とする狭帯域の光強度分布をとる。図１中の光サーキュレータ４は、端子１からの光を端子２にのみ送り、端子２からの光を端子３にのみ送りこむような光学素子である。
【００２２】
FBGがひずみと温度変化を受けたとき、ブラッグ波長は変化する。具体的には、温度を一定にした場合、図２に示すようにFBGが引張りひずみを受けるとブラッグ波長は増加し、圧縮ひずみを受けるとブラッグ波長は減少する。
【００２３】
（実施例）
図３は、本発明に係る光ファイバひずみセンサ装置の構成及びそれを利用したひずみ変化の検出方法を説明する図である。
【００２４】
本発明に係る光ファイバひずみセンサ装置５では、FBGセンサ６、第１の光サーキュレータ７、第２の光サーキュレータ８及びFBGフィルタ９が、光ファイバ１０を介して接続されている。FBGセンサ６は、被検体に取り付けられるように構成されている。フィルタは、FBGフィルタ９の代わりに、誘電体多層膜フィルタでもよい。
【００２５】
そして、第１の光サーキュレータ７には光ファイバを介して広帯域光源１１に接続されている。第１の光サーキュレータ７には光ファイバ１０を介して第１の光電変換器１２が接続されている。FBGフィルタ９には第２の光電変換器１３が接続されている。
【００２６】
図３に示すように、広帯域光源１１からの光を第１の光サーキュレータ７を介して、被検体に取り付けられたFBGセンサ６に送る。FBGセンサ６からの反射光は第１の光サーキュレータ７を介して、第２の光サーキュレータ８に入射される。そしてFBGフィルタ９に入射する。FBGフィルタ９に入射した光を、透過光と、第１及び第２の光サーキュレータ７、８を介して得られる反射光との二つの光信号として第１及び第２の光電変換器１２、１３により電気信号に変換する。
【００２７】
第１の光電変換器１２の出力とFBGセンサ６が受けるひずみとの関係を図４において説明する。図４（ａ）にFBGセンサ６、及びフィルタの反射特性をそれぞれ実線、及び点線で表す。ひずみなしの場合におけるFBGセンサ６のブラッグ波長をλＳとする。FBGセンサ６からの反射光の強度分布は図４（ａ）の中央図の実線で囲まれる領域で表される。
【００２８】
この強度分布を有する光がFBGフィルタ９に入射される。FBGフィルタ９は点線で表される反射特性を有することから、FBGフィルタ９からの反射光強度を検出する第１の光電変換器１２の出力は実線と点線で囲まれる領域が重なり合う領域（斜線領域）の面積に比例することになる。
【００２９】
FBGセンサ６が圧縮ひずみを受けると、FBGセンサ６のブラッグ波長が減少してλＳ’(＜λＳ)になる。一方、FBGフィルタ９のブラッグ波長λＦは変化しないため、両者の反射特性が重なり合う面積は増加する。したがって第１の光電変換器１２の出力はひずみなしの場合と比較すると高くなる。一方、FBGセンサ６が引張りひずみを受けた場合、FBGセンサ６のブラッグ波長が増加してλＳ’’(＞λＳ)になる。
【００３０】
この場合、両者の反射特性が重なり合う面積は減少し、第１の光電変換器１２の出力は低下することになる。第１の光電変換器１２の出力はひずみなしの状態を基準として考えるとFBGセンサ６に圧縮ひずみがかかると出力は増加、引張りひずみがかかると出力は低下することになる。
【００３１】
FBGフィルタ９の透過率は透過率＝１−反射率で与えられる。センサが受けるひずみ変化に対するセンサの反射、及びフィルタの透過特性を図４（ｂ）に示す。上記した考え方からFBGフィルタ９の透過光強度を検出する第２の光電変換器１３の出力は圧縮ひずみ時は低下、引張りひずみ時は増加することになる。
【００３２】
しかし、実際のFBGの反射特性は、図４（ａ）、（ｂ）に示したような単純な形とは異なり、実際は図６ような反射特性を示す。このように複雑な反射特性のため、たとえば引張りひずみが増加した場合においても必ずしもFBGフィルタ９の反射光強度を検出する第１の光電変換器１２の出力が単調に増加するとは限らない。また第２の光電変換器１３の場合においても同様のことが言える。つまり第２の光電変換器１３の出力はFBGセンサ６が受けるひずみ変化に対して非線形変化を取る。
【００３３】
しかしFBGフィルタ９の透過光、反射光強度はFBGセンサ６が受けるひずみ変化に対して、お互いに逆位相の関係があること、また反射率＝1−透過率の関係から、透過光、または反射光いずれかの位相を反転して加算して得られる信号はFBGセンサ６が受けるひずみ変化に対して線形変化すると考えられる。
【００３４】
（実験例）
本発明に係る光ファイバひずみセンサ装置５及びそれを利用したひずみ検出方法の作用を説明するために、そしてその効果を実証するために、以下、本発明の実験例を説明する。
【００３５】
図５に示す計測装置１４は、図３に示す本発明に係る光ファイバひずみセンサ装置５を基本構成とし、被検体１５に振動を付与する構成として、信号発生器１６、信号増幅器１７及びAE発振子（圧電素子）１８を付設し、さらに第１及び第２の光電変換器１２、１３の信号SR、STを計測し表示する手段としてオシロスコープ１９が設けられて成るものである。この計測装置１４を用いて本発明に係る光ファイバひずみセンサ装置５及びそれを利用したひずみ検出方法を実証する実験を行った。
【００３６】
この実験では、信号発生器１６から180kHzを中心周波数とするトーン・バースト信号を発生させ、信号増幅器１７（利得＝４０ｄｂ）で増幅した信号を共振周波数180kHzのAE発振子１８に印加した。FBGセンサ６は、被検体１５にひずみゲージセメントを用いて接着させた。そして、AE発振子１８を用いて被検体１５に高速なひずみ変化を与えるとともに、波長帯域1520〜1620nmを有する広帯域光源１１からの光を第１の光サーキュレータ７を介して、FBGセンサ６に入射した。
【００３７】
このようにしてFBGセンサ６でそのひずみ変化を検出した。AE発振子１８が与える高速なひずみ変化は、材料の微視破壊時に生じる弾性波放出（AE）と同レベルの周波数、ひずみを有することから、AEを計測していることと同じことになる。
【００３８】
FBGセンサ６からの反射光は第１の光サーキュレータ７を介して、第２の光サーキュレータ８に入射される。そしてFBGフィルタ９に入射して、FBGフィルタ９の透過光及び反射光は、それぞれ第２の光電変換器１３及び第１の光電変換器１２で検出される。第１及び第２の光電変換器１２、１３で電気信号に変換された信号SR、STをオシロスコープで計測した。
【００３９】
この実験で用いたFBGセンサ６とFBGフィルタ９の反射特性を図６に示す。FBGセンサ６、及びFBGフィルタ９は、それぞれ1550.33、及び1550.18nmのブラッグ波長を有する。
【００４０】
（実験結果その１：波形再現性）
図７に、▲１▼AE発振子１８に送られた信号、▲２▼第１及び第２の光電変換器１２、１３からの信号SR、ST、▲３▼信号処理された信号（SR−ST）の４つを示す。第１及び第２の光電変換器１２、１３からの信号SR、STは、互いに逆位相の関係になっている。しかしひずみがない場合を基準レベルとして考えたとき、引張、圧縮ひずみを受けて変動する出力レベルは対称ではなく、AE発振子１８に送った信号とは異なる波形となった。
【００４１】
これはFBGセンサ６、及びフィルタの反射特性の複雑な形状が起因している。しかしながら信号STを逆位相にして信号SRと加算することにより（実際には両者の差を取る）得られる信号は、AE発振子１８に送られた信号と同じ形状の波形を取った。
【００４２】
（実験結果その２：周波数解析）
図７に示した信号の周波数成分強度解析を行った結果を図８に示す。AE発振子１８への入力信号は180kHzを中心周波数とする信号である。第１及び第２の光電変換器からの信号SR及び信号STは低周波成分にも高い強度が現れ、送信信号とは異なる周波数成分強度分布を有した。一方、信号処理された信号は送信信号と一致する周波数成分強度を取った。
【００４３】
（実験結果その３：AEに対するFBGセンサ６と圧電センサと応答の比較）
圧電センサは、従来、AE計測に多用されてきたセンサである。そこでAEに対するFBGセンサ６と市販されている圧電センサとの応答の比較を行った。その結果、図９に示すように信号処理されて得られたFBGセンサ６からの信号と圧電素子センサから得られた信号は同じ挙動を示した。
【００４４】
この信号処理を施すことにより従来からAE計測に多用されている圧電素子と同様にAEセンサとしてFBGセンサ６を利用できることが実証された。また図９に示した信号の周波数成分強度解析を行った結果を図１０に示す。FBGセンサ６と圧電素子センサから検出された信号は同様の特性を有した。
【００４５】
以上の実験により、本発明は次のような作用効果を生じることが実証された。圧電素子から発振されたトーン・バースト波形のAEをFBGセンサ６でとらえ、フィルタとしてFBGフィルタ９を用いて本提案による信号処理を行った。FBGフィルタ９の透過波と反射波の波形はAEの原波形を再現することはできない。しかし本提案による信号処理された波形はAEの原波形を再現することができた。
【００４６】
またFBGフィルタ９からの反射波、及び透過波の周波数成分強度を解析すると原波形とは特徴が異なる周波数成分強度分布を有した。一方、信号処理された波形は原波形の周波数成分強度分布と良く一致する結果を得た。
【００４７】
またAEを検出するために従来から多用されている市販の圧電素子センサのAE検出波形との比較を行った。その結果、FBGセンサ６からの反射波を信号処理した波形は圧電素子センサから得られた波形と同様の挙動を示し、また周波数成分強度解析結果も両者が良く一致する結果を示した。
【００４８】
以上、実施例により本発明に係る光ファイバひずみセンサ装置及びひずみの検出方法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。
【００４９】
【発明の効果】
以上の構成から成る本発明に係る光ファイバひずみセンサ装置によると、FBGセンサを用いてAEを検出することができる。フィルタの透過波のみを用いてAEを計測する手法と比較して、本手法はより正確なAE計測を可能にする。またこの手法は衝撃負荷による高速なひずみ変化の検出においても有効である。
【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】  FBGセンサを用いたひずみ変化検出システムを説明する図である。
【図４】  FBGセンサを用いたひずみ変化検出の原理図を説明する図である。
【図５】実証試験システムを説明する図である。
【図６】  FBGセンサとフィルタの反射特性を説明する図である。
【図７】  FBGセンサにより検出されたAE波形を示す図である。
【図８】  FBGセンサが検出した信号の周波数成分強度を示す図である。
【図９】  AEに対するFBG、及び圧電センサの応答の比較を示す図である。
【図１０】  FBG、及び圧電センサ信号の周波数成分強度を示す図である。
【符号の説明】
１、２、３  第１の光サーキュレータの端子
４  光サーキュレータ
５  光ファイバひずみセンサ装置
６  FBGセンサ
７  第１の光サーキュレータ
８  第２の光サーキュレータ
９  FBGフィルタ
１０  光ファイバ
１１  広帯域光源
１２  第１の光電変換器
１３  第２の光電変換器
１４  計測装置
１５  被検体
１６  信号発生器
１７  信号増幅器
１８  AE発振子（圧電素子）
１９  オシロスコープ
【図１】
0003837525.tif 000002
【図２】
0003837525.tif 000003
【図３】
0003837525.tif 000004
【図４】
0003837525.tif 000005
【図５】
0003837525.tif 000006
【図６】
0003837525.tif 000007
【図７】
0003837525.tif 000008
【図８】
0003837525.tif 000009
【図９】
0003837525.tif 000010
【図１０】
0003837525.tif 000011