技術紹介

ホプキンソン棒を用いたファイバ・ブラッグ・グレーティング（FBG）
センサの周波数特性の評価

中島 富男＊
N a k a j i m a To m i o

ホプキンソン棒試験法を用いてファイバ・ブラッグ・グレーティング（FBG: Fiber Bragg Grating）センサの周波数特性を評価した。使用したホプキンソン棒は長さ 2m、直径 30mm のステンレス鋼製の直棒である。ホプキンソン棒を用いて高周波数成分を有する弾性波パルスを発生させることができる。弾性波パルスは棒の軸方向に伝播するため、棒表面に接着されたセンサ（FBG センサ及び半導体ひずみゲージ）により軸方向のひずみを計測することが可能である。FBG センサと半導体ひずみゲージの計測結果は時系列波形及び周波数解析結果の両方において良い一致を見た。計測された弾性波パルスの周波数解析結果から、FBG センサにより 100kHz までの高速ひずみ変化を計測することが可能であることを示すことができた。FBG センサのひずみ計測システムは高速な現象の計測要求がある宇宙 ･ 航空分野の計測技術として適用できるものと期待できる。
キーワード：FBG センサ、動ひずみ計測、ホプキンソン棒、周波数特性評価
ひずみセンサや温度センサとしても広く利用され１．緒言ている（1）。FBG センサを静的また準静的な計測方

ファイバ・ブラッグ・グレーティング（FBG:

法により構造体のヘルスモニタリングに適用した

Fiber Bragg Grating）センサは電気抵抗式ひずみ例は数多く報告されている。また、FBG センサ

ゲージの適用が難しい構造体の健全性監視（ヘルが数 MHz 程度までの高速な応答性を有することスモニタリング）用センサとして期待されている。

は広く知られており、FBG センサを受信用の超FBG は光ファイバコアに周期的な屈折率変化を音波センサやアコースティックエミッション

紫外線レーザーの照射により格子状に生じさせた（AE）センサとして利用しようという試みもなさものである。FBG は光学的には一次元の回折格れている（2）。

子として機能し、格子間隔Λと FBG 部の屈折率

一方、動的な構造ヘルスモニタリングの要求がの波長の光のみを強く反射する性

宇宙航空技術分野にある。超音波検査（UT）や質 が あ る。 こ の 波 長 は ブ ラ ッ グ 波 長（BraggAE と言った計測方法だけでなく、ひずみや加速wavelength）と呼ばれる。FBG は光通信用のフィ度などの物理量を高速に計測できることは構造体ルタとして多用されているが、格子間隔Λと屈折監視技術として重要である。

から 2 Λ率はそれぞれ長さと温度に感度を有するため、＊研究開発センター 研究開発グループ 課長—

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IIC では FBG センサを用いた高速動ひずみの計

18—

10/09/17 18:46測システムの研究を進めてきた。10kHz 程度までである。そして、第三の帯域は透過率と反射率が（3）のひずみを計測できることは既に確認している 。

波長に対して変化する波長帯域 3 である。FBG

本研究の延長として、より高速なひずみまで計測センサのブラッグ波長がこの波長帯域 3 の中で変可能かを検討することとした。その一環として、化すると、フィルタの透過ポートと反射光ポート高速なひずみパルスを発生できるホプキンソン棒の光強度も同時に変化する。光学フィルタの透過（4）を用いた方法により評価することを試みた 。そ光ポートの光強度を PT、反射光ポートの光強度の結果、100kHz 程度までの動ひずみの計測が可を PR とすれば、PT と PR から式（1）に示す無次能であることが確認できたので、その結果を報告

元量 R 値を定義することができる。

する。
（1）

２．FBG センサの計測システム
FBG センサの計測システムはさまざまな方式

FBG センサのブラッグ波長がひずみにより変が提案されているが、IIC では Davis and Kersey が化すると、同時に無次元量 R 値も変化する。事1994 年に提案し、その後津田らが研究を進めて前に R 値とブラッグ波長の関係を取得しておけいる光学フィルタの透過特性と反射特性を利用す

ば、PT と PR を同時に計測することにより R 値を（5），（6）。本手法は FBG センサ知ることができ、R 値とブラッグ波長の校正特性からの反射光を、入射光、透過光及び反射光の 3からブラッグ波長を推定することが可能となる。

つの入出力端子を持つ光学フィルタに入射し、光PT と PR を高速に計測することは実用的ではない

学フィルタを透過する光強度と反射する光強度かため、代わりにフォトダイオードを用いた光で変ら FBG センサ反射光を復調する方法である。図換器により PT と PR を電圧 VT と VR に変換して計１に FBG センサのブラッグ波長を計測するため測する。電圧に変換することにより連続的な計測に使用する光学フィルタの透過率と反射率の例をが 可 能 と な る。VT と VR を 使 用 す る と、 式（1）示す。図１において、このフィルタは三つの帯域は下記の式（2）のように書き換えられる。

る方式を採用してきたを持つことがわかる。第一の帯域は透過率が大きく、反射率が小さい波長帯域 1 である。第二の帯（2）域は透過率が小さく、反射率が大きい波長帯域 2
図 2 に R 値とブラッグ波長の関係の例を示す。
図 3 には本手法の計測システムのブロックダイアグラムを示す。本システムは広帯域光源と光サーキュレータと 3 ポートの光学フィルタと二つの光電変換器により構成される。
3．ホプキンソン棒による高周波弾性波試験法
ホプキンソン棒による試験は衝撃加速度を計測する加速度計の校正方法としてしばしば利用

図1

光学フィルタの透過率と反射率の例（8）される（7），。今回の試験ではステンレス鋼の直径—

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30mm、長さ 2 ｍの直棒を使用した。

する弾性波パルスの持続時間はおよそ 100μsec

ホプキンソン棒は長手方向の二ヶ所で小さなベである。発生した弾性波パルスは棒の軸方向に伝アリングボールにより支持され、軸方向に自由に播し、もう一方の端面で反射する。ホプキンソン移動できる。ホプキンソン棒の片端の端面に衝撃棒による試験においては、反射する前の弾性波パを印加すると弾性波パルスが生成され、棒の軸方ルスのみを使用することが一般的である。弾性波向に伝播する。本試験ではアルミ製の径 14mm、パルスは棒の表面に軸方向に接着されたセンサに長さ 30mm の飛翔体をエアコンプレッサによる空よりひずみとして計測することができる。図 4 に気圧で加速し、ホプキンソン棒に衝突させることホプキンソン棒試験装置の構成を示す。

により弾性波パルスを発生させた。本手法で発生

４．試験条件試験はブラッグ波長の異なる二つの FBG セン
サと、比較のための二種類の半導体ひずみゲージをホプキンソン棒の表面に軸方向のひずみを計測するように接着して実施した。二つの FBG セン
サはホプキンソン棒の曲げひずみを除去できるように棒の周方向において 180°位相のずれを持つように配置した。軸方向の位置は同じである。

図2

比較用の半導体ひずみゲージもホプキンソン棒

光学フィルタの R 値とブラッグ波長の関係の例の軸方向には同一な箇所に接着した。周方向においては、二つの FBG センサの配置と同様の理由により、曲げひ ずみを除去できるように配置した。
また、半導体ひずみゲージは温度変化によるホイーストンブリッジのバランスを安定化させるため、2 アクティブ・2 ダミーの 4 ゲージ法によりブリッジ回路を結線した。
表 1 に使用した FBG センサの代表的な仕様を図3示す。 同様に、表 2 に使用した半導体ひずみゲー

ひとつの FBG センサ用の計測ブロックダイアグラム

図4ジの代表的な仕様を示す。計測対象の弾性波パル

FBG センサ試験装置の構成—

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表1FBG センサ代表仕様値

FBG sensor’s numberSupplierCenter wavelength at roomtemperature
Band width at -3dB
Grating length

表2
Strain gage’snumber
Supplier
Strain gage’s type
Gage length
Gage factor

ワースペクトラム密度（PSD）を示す。図 6 より、

No.1
AVENSYS

No.2
FUJIKURA

1550nm1560nm

0.4nm
5mm

0.8nm
2mm

FBG センサ及び二つの半導体ひずみゲージの信号は 100kHz までの周波数帯域を含んでいることがわかる。宇宙用ロケットの段間分離時の火工品によって発生する衝撃加速度は 50kH 程度までが評価対象とされており、100kHz までの帯域の動ひずみゲージ代表仕様値ひずみが計測できることは十分に有効と考える。

No.1

No.2

KYOWA
KSP-1-350-E41mm
150

KYOWA
KSN-2-120-E4-162mm-100

図 7 に今回使用したひずみアンプの出力電圧を示す。図 2、図 5、図 6 及び図 7 より、FBG センサのダイナミックレンジは半導体ひずみゲージより広いことがわかる。一方、ノイズレベルはほぼ同等であることもわかった。

スを明瞭に計測するため、10MHz のサンプリン
グ周波数と垂直軸 12bit の AD 変換器（NIPCI-６．結言6115）を使用した。

ホプキンソン棒を用いて励起された高速弾性波

５．試験結果パルスを二つの FBG センサと二種類の半導体ひ図 5 に本試験において取得した弾性波パルスをひずみ時系列波形として計測した例を示す。図
5 は FBG センサの信号と半導体ひずみゲージの信号の 3 本の線があるが、判別が難しいほど良い一致を示している。
なお、一つの FBG センサの信号には電気抵抗式ひずみゲージをシングルアクティブゲージで計測した場合と同様に弾性波パルスの圧縮ひずみと図5ホプキンソン棒の曲げひずみが含まれている。電気抵抗式ひずみゲージではホイーストンブリッジ

FBG センサ及び半導体ひずみゲージで測定された弾性波パルス結線を 2 アクティブ結線とすることにより曲げひずみを除去することが可能である。一方、FBGセンサの場合には、ホプキンソン棒の周方向に180 度位相をずらして接着した二つの FBG セン
サの同一時刻におけるブラッグ波長シフトの平均値を求めることにより曲げひずみを除去した。図5 において、FBG センサのブラッグ波長からひずみへの換算には一般値である 1.2pm/μεを使用した。

図6

図 6 に図 5 の時系列波形を周波数解析したパ—DJ618_04_ホプキンソン棒_05[018-022].indd 21

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ひずみのパワースペクトラム密度
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ずみゲージより計測した。それぞれのセンサで計38:pp.37-44測された結果は時系列波形及び周波数解析結果の2）Tsuda, H., Sato, E., Nakajima, T., et al., 2009,“Acoustic emission measurement using a strain-

両方において良い一致を示した。
今 回 の 試 験 の 結 果 は、FBG セ ン サ に よ り

insensitive ﬁber Bragg grating sensor under varying

100kHz までの高速なひずみを計測することが可

load conditions”, OPTICS LETTERS, 34(19):pp.

能であることを明瞭に示すものであった。また、

2942-2944

FBG センサと半導体ひずみゲージの信号の比較

3） 中 島、 津 田、 荒 川、 秋 宗、2008、“FBG セ ン

から、FBG センサのダイナミックレンジは半導サによる高速ひずみ計測”、日本非破壊検査

体ひずみゲージよりも広いことが示された。一方、

協 会 平 成 20 年 春 季 講 演 大 会 講 演 概 要 集、

ノイズレベルは 100kHz 程度まで同等であった。

pp.133-134

今回使用した FBG センサの計測システムは高4）中島、2006、“衝撃加速度を用いた加速度計校速現象の取扱が必要な宇宙航空用の構造体の試験正方法について”、IIC REVIEW 35:pp.44-53や監視に有効であることが示されたと考える。

5）Davis, M.A, Kersey, A.D, 1994,＂All-fibre Bragg
grating strain-sensor demodulation technique usinga wavelength division coupler＂, Electronics Letters,
Vol30, pp.75-77
6）Tsuda,H., Lee, J. R., 2007, ＂Strain and damage
monitoring of CFRP in impact loading using a ﬁber
Bragg grating sensor system＂、Compos. Sci.
Technol., 67, pp. 1353-1361
7）Davies, R.M.A.,1948, ＂A Critical Study of

図7

半導体ひずみゲージを接続したひずみアンプの出力電圧

Hopkinson Pressure Bar ＂, Phil.Trans.
A,240,pp.375-457
8）Ueda, K., Umeda, A., 1993, ＂Chracterization of

参考文献

Shock Accelerometers Using Davies Bar and Strain1） 中島、 荒川、2007、“FBG センサによる高速gages＂, EXPERIMETAL MECHANICS, 33(3),動 ひ ず み 計 測 に つ い て ”、IIC REVIEW

pp.228-233

研究開発センター
研究開発グループ

課長

中島 富男

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547—

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