基礎講座

光ファイバセンサ（ガラスで作る広域防災・構造物の神経網）
小川雅英

１．はじめに我が国では多雨化傾向が強まり、大雨による洪水、地震や津波による自然災害が多発しております。このような状況から防災の考え方も「防災から減災へ」と、発想の転換が求

図−１

電気式センサと光ファイバセンサとの違いめられており、迅速でかつ、きめ細かな情報の収集と正確な情報提供が、国民の生命と財産を守るために重要になっています。今回、御紹介する光ファイバセンサは、センサ自体が強度的に保護されているガラス（光学受動部品）の新しいセンサで、道路・河川に整備されている光ファイバ網に直接接続し、各種の情報を収集して広域防災の情報提供に資す

図−２

電気式センサと光ファイバセンサの設置個所機器構成の違いることが期待されているものです。

２．光ファイバセンサとは？

し、光ファイバセンサでは、センサ部がガラスで、半導体、コンデンサ意味しています。

３．光ファイバセンサの特長

従来型の電気式センサと光ファイ等の電子部品を使いません。光ファバセンサとの違いを示します（図−イバセンサの駆動には光源を使いま・電源が不要で停電に影響しない１）。従来型の電気式センサは、半す。光源の光を光ファイバセンサに（光源から入射した光の変化を捉導体、抵抗、コンデンサといった電入射させ、周囲の物理量によって生えるので、センサ部に電源は必要子部品で構成されるのが一般的でじる透過光や反射光の変化を受光器としません）す。また電子部品で構成するため、で捉えます。電気式センサにおける・センサ部に銅線、電子部品を使わこれらを駆動するための電源（電圧「電流」が「光」に変わったと考えるとないので雷に強い（素子にガラス／電流）が必要となります。電源かイメージしやすいと思います。光フの線を接続した構成なので、高電ら電圧／電流を加え、センサ部でのァイバセンサを利用して広域のモニ圧、電気的ノイズ、落雷に対して温度、歪、圧力といった物理量の変タリングシステムを構築することも高い耐性を持っている）

化を電圧／電流の変化として捉える

は、屋外の設備を銅線や電子部品で・電源機器、避雷器、伝送・信号変のが電気式センサです。これに対はなく、ガラスで構築できることを換器、収納箱、局舎が不要となる

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Kensetsu Denki Gijyutsu

Vol.177 2012. 3

セミナー

タイプ
センサ種別

分布

FBG

ポイント
単点多点

●

●

ファラデー（偏光）

●

干渉

●

レイリー散乱（OTDR）●

ラマン散乱（ROTDR）●

ブリルアン散乱（BOTDR）●

表−１

光ファイバセンサの種類

歪

温度

振動
加速度

圧力

●

●

●

●

●

電流
磁界

曲げ

断線

ON/OFF
光スイッチ■FBGに加わる歪を計測
構造物の歪、水位計、温度計、圧力計、振動計、構造物ヘルスモニタリング●●■電線に流れる電流を計測
・光CT、電流センサ 等■磁石の近接を検知
・開閉検知、浸水検知、雨量計、光スイッチ等■光ファイバに加わる振動を計測
・落石、土砂崩壊検知、衝撃検知等■高感度で振動、加速度、衝撃等を計測
・光ファイバジャイロ、ソナー等●●●

用途／応用例■光ファイバの断線、曲げ、伝送損失を計測
・落石検知、侵入検知、土砂崩壊検知等●●■光ファイバの長手方向の温度分布計測
・ケーブル／プラント温度監視、火災検知●■光ファイバの長手方向の歪分布計測
・構造物の歪計測、ヘルスモニタリング（光ファイバセンサで変化した光は、道路や河川に敷設した光ファイバで長距離伝送できる）（ 図−２）
・光ファイバで接続するので外来電気的ノイズの影響を受けにくい

図−３

FBG光ファイバセンサ（センサ信号を伝送機器を介して送信する必要がありません）

バに直列にFBGを接続し、各々のと干渉光が発生します。干渉は光波・１心の光ファイバに多点のセンサ

FBGの反射波長を変えておくことの重なりで発生し、光の波長は数を配置することができる（光ファで、１心の光ファイバ上に多点にμmと非常に短いため、干渉型センイバ網を有効に活用できる）

FBGを配置することができます。

サは非常に敏感なセンサとなりま・光ファイバの長手方向の温度や歪現在世界で最も広く応用されているす。光ファイバジャイロやソナーな光ファイバセンサです。

どに利用されています。

■ファラデー（偏光）型■散乱光型（分布型）の分布量を計測できる

４．光ファイバセンサの種類（表−１）

光の進行方向と同じ方向の磁界に光ファイバ自体をセンサとし、長よって光の偏光面が回転する現象を手方向の温度や歪の分布を計測しま

FBGは、光ファイバ内に微細加利用したセンサで、電流計測、振す。光ファイバ内で散乱される光に工したセンサ（図−３）で、屈折率の動、磁石の近接等を計測できます。

は、レイリー散乱、ラマン散乱、ブ異なる層を光ファイバ内に多段に作

ファラデー型近接センサは、光ファリルアン散乱の３種類があり、これり込んで回折格子の役割をさせるこ

イバの先端に取り付けたファラデーらの散乱光を検知することで、光フとで、ある特定の波長の光のみを反素子（磁界によって偏光角が変化すァイバ長手方向の断線、温度、歪等射させ、それ以外の波長の光を透過る結晶素子）により磁石の磁界によを計測することができます。

します。もともとは光通信機器用のって光を透過／反射する特性を持■その他

光フィルタとして工業化されていま

ち、ON/OFF信号を遠隔検知できま断線検知（光ワイヤーセンサ）、鉄したが、反射波長が層の間隔に依存す。電気的ノイズの大きな箇所での道ガード下への衝突検知、光パルスするので、構造物やダイアフラムにスイッチや転倒マス式雨量計、道路型の風速計等への応用も検討されてFBGを張り付けることで、応力、歪、冠水センサ等に利用されています。

います。

圧力、温度等を遠方から計測するこ

■干渉型

■FBG型
（Fiber Bragg Grating）とができます。また１本の光ファイ光ファイバ内に２つの波を入れる

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ファイバセンサ国際会議（OFS-21）の論文数は363件、このうち、ポイファラデー型電流センサのようント型／多点型センサは84％、分布に、古くから存在していた光ファイ型は16％でした。採択論文の地域別

バセンサもありますが、海外では、割合では、アジア太平洋地域（169石油掘削時の地層内温度や、風力発件）、ヨーロッパ（113件）、アメリカ

電機のプロペラの歪計測、電力ケー（75件）、中東（６件）で、国別では、

ブルの温度監視等への適用が進んで第１位中国（95件）、第２位日本（38いるようです。国内では光電流セン件）となっています。広域モニタリセンシングすることが可能な時代とサ、光ファイバジャイロ、データセングへの適用はこれからですが、道なりました。また老朽化した橋梁等

ンタサーバールームの温度監視をは路、河川や地域情報化等で光ファイの構造物の維持管理（橋梁のヘルス

じめ光雨量計（写真−１）、冠水センバ網が整備されたのはごく最近で、モニタリング）への応用も検討が進サなどへの適用が始まっています。

これら光ファイバ網を活用して遠んでいます。

2011年５月に開催された第21回光方、広域の様々な物理量をリモート

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写真−１ 光ファイバ式雨量計（ファラデー型応用センサ）（おがわまさひで：古河電気工業（株））