技術紹介FBG センサ、ひずみゲージ、および加速度ピックアップ
はりによる片持ち梁の振動計測性能の比較
福本伸太郎 *1

中島富男 *2

Fukumoto Shintaro

Nakajima Tomio

アルミ合金製片持ち梁を用いて、FBG センサ、ひずみゲージ、および加速度ピックアップの振動計測性能の比較を行った。固定端直近の振動に着目することにより、応力や固有振動数の評価が容易となる。
その結果、FBG センサは、ひずみゲージや加速度ピックアップの応答周波数帯域以上の振動モードまで、計測が可能であることがわかった。
キーワード：FBG センサ、ひずみ計測、振動計測、光ファイバセンサ、同時計測測可能な周波数範囲が限定される。一方、FBG セ

1. はじめにンサは、光を用いて計測するので、電磁誘導によ

近年、光ファイバセンサの 1 つである FBG セン

るノイズを受けず、フィルタも必要ない。そのたサが、土木建築分野や航空宇宙分野まで広く利用め、計測可能な周波数範囲が限定されず、広範囲されている。FBG センサは、温度変化とひずみのの計測が可能と考えられる。

両方の計測ができる。構造物に適用する場合、ひ以上を踏まえ、本研究では、片持ち梁固定端直ずみセンサとして使用されることが多い。また、

近の振動に着目し、FBG センサ、ひずみゲージ、FBG センサの機械的性質を考慮すると、振動や衝および加速度ピックアップの計測性能の比較をし（1）撃の計測も可能であることが報告されている 。

た。さらに FEM（有限要素法）による固有値解

一般的に、梁構造物では、外力が加わると、固析結果との比較をした。

定端部が最大応力の発生箇所となり、破壊の起点

2. FBG センサの特徴となる。その箇所において、ひずみと加速度を同時に計測することで、構造物の健全性評価が可能

ま ず、FBG セ ン サ の 原 理 に つ い て 説 明 す る。になると考えられる。また一般的に、計測時には、

図 1 に FBG センサの構造図を示す。FBG センサ

使用環境や他の機器による電気的な影響に注意しとはファイバ・ブラッグ・グレーティング（Fiberなければならない。ひずみゲージや加速度ピック

Bragg Grating）の略称であり、本センサは電気抵アップでは、電気的な影響を受けやすく、振動波抗式ひずみゲージと比較し、電気的影響を受けな形のノイズを除去するフィルタ（ローパス、およい、防爆性を有する、ひずみ感度が高い、1 本のびハイパスフィルタ）を使用する。そのため、計光ファイバで複数点の計測ができる、といった特*1：研究開発センター*2：総務部 課長

研究開発グループ—46—

長を持つ。FBG センサは、光ファイバのコア内

図 2 に ASE 光源（増幅自然光源）および FBGにブラッグ格子と呼ばれる回折格子を形成し、特センサの透過光スペクトルを、図 3 に FBG セン

定の波長のみを反射する機能を持たせた光ファイサの反射光スペクトルを示す。図 2、図 3 より、バ型デバイスである。FBG によって反射した波透過光は 1550 nm 以外の波長スペクトルを、反射長 lB は、式（1）で表せる。

光は 1550 nm のみの波長スペクトルを示している（1）lB = 2ne Lことがわかる。

ここで、ne は光ファイバの屈折率、L は回折格

ブラッグ波長 lB は、ひずみ、および温度に応子の周期である。式（1）を満たす波長で強い反答して変化する。図 4 および図 5 に、FBG のひ射が生じ、それ以外の波長は透過する。この反射ずみと温度をそれぞれ独立に変化させたときのブした波長はブラッグ波長と呼ばれる。

ラッグ波長変化を示す。それぞれ直線性を示して

図1

図2

FBG センサの構造図

ASE 光源および FBG センサの透過光スペクトル

図4

図3

FBG センサの反射光スペクトル

図5

ひずみとブラッグ波長の関係—

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温度とブラッグ波長の関係

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3.3 試験セットアップ

おり、ひずみ、および温度の計測が可能となる。
図 4 から求めたひずみ感度は 1.24 pm/me、図 5 か各試験片に FBG センサ、ひずみゲージ、およびら求めた温度感度は約 10 pm/℃である。各図にお加速度ピックアップを貼り付けた。図 6 に試験片ける直線の傾きが感度を表す。これらの値は文①、図 7 に試験片②のセットアップ図を示す。試（2）献で示されているものと同等の結果である。

験片①においては Point 1、2 に FBG センサ、ひずみゲージ、および加速度ピックアップを、試験片

3. 試験内容②においては Point 1、2、3 に FBG センサ、および3.1 試験概要ひずみゲージを配置した。今回の試験では、固定片持ち梁を用いて、FBG センサ、ひずみゲージ、端直近以外の場所での固有振動数を算出し、各値および加速度ピックアップによる固定端直近の振に差がないかを確認した。試験片①において、ひ動計測性能の比較を行った。なお、衝撃印加は、ずみゲージには KFG-5-120-C1-23（株式会社共和電ハンマリングショックによるものである。

業）、加速度ピックアップには 2222C（ENDEVCO 社）を使用した。また試験片②において使用した加速3.2 試験片度ピックアップは、AS-50B（共和電業）である。

本試験では、試験片①、および試験片②の 2 種

なお、ひずみゲージは、試験片①で使用したもの類を使用した。試験片①の寸法は長さ 165 mm、と同じである。FBG センサについては、
1 本の光ファ幅 70 mm、厚さ 4 mm、試験片②は長さ 400 mm、イバで複数点の計測ができるという特徴を生かし、幅 75 mm、厚さ 4 mm であり、材質はともにアル試験片①では 2 点の計測を、試験片②では 3 点のミ合金（AL7075-T6）である。

計測を 1 本の光ファイバで行った。図 8 に、試験

図6

図7

試験片①のセットアップ図

図8

試験片②のセットアップ図

試験片②の治具設置状況、および固定端直近の各センサ設置状況—

48—

片②の治具設置状況、および固定端直近の各セン

ピ ッ ク ア ッ プ で は お よ そ 5000 m/s2 の 加 速 度 でサ設置状況を示す。

あった。また、図 10 より、試験片②におけるそれぞれの値は、およそ ±40 me のひずみ、50 m/s24. 試験結果の加速度であった。これらの結果より、FBG セ

4.1 ひずみ波形と加速度波形

ンサでは、ひずみゲージと同等のひずみ計測が可

図 9 に 試 験 片 ① Point 1、 図 10 に 試 験 片 ②能であることが確認できた。

Point 1 における各センサの信号波形を示す。なお、
4.2 周波数解析結果

試験片①における計測では、サンプリング周波数を 500 kHz、試験片②では 5000 Hz とした。サン

図 11 に 試 験 片 ① Point 1、 図 12 に 試 験 片 ②

プリング周波数とは、1 秒間の計測点数である。

Point 1 における各センサの周波数解析結果を示

周波数解析時の周波数帯域は、サンプリング周波す。 図 11 の 横 軸 に 示 す 周 波 数 範 囲 は 1 Hz ～数の半分となる。図 9 より、試験片①における250 kHz、図 12 は 0.1 Hz ～ 2.5 kHz である。なお

衝撃印加による振動は、FBG センサ、およびひ図中の各ピークは、曲げ振動による固有振動数をずみゲージではおよそ ±100 me のひずみ、加速度示している。各図より、FBG センサでは、曲げ 1

図 9 試験片① Point  1 における各センサ信号波形

図 10 試験片② Point 1 における各センサ信号波形

図 11

図 12

試験片① Point 1 における各センサの周波数解析結果—49—

試験片② Point 1 における各センサの周波数解析結果
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次～ 6 次の固有振動数が確認できる。一方、ひず5. 固有値解析

みゲージでは曲げ 1 次は確認できるが、それ以降においては、ノイズとの識別が難しい。加速度ピッFEM（有限要素法）を用いて、固有値解析を実クアップは、図 11 ではひずみゲージとほぼ同様施した。モデルは 4 節点四辺形要素、最小メッシュであり、図 12 では曲げ 1 次も確認できなかった。

は 1 mm である。試験片①の周波数解析範囲はこれらはノイズ除去のためにフィルタ（ローパス、30 kHz まで、試験片②は 1 kHz までとした。図およびハイパスフィルタ）を使用したためである。

13 に固有値解析例として、試験片①の曲げ 6 次以上の測定結果より、FBG センサでは、15 Hz ～のモード図を示す。なお、色の変化は変位分布で100 kHz の固有振動数を得ることができ、ひずみある。

ゲージや加速度ピックアップよりも広範囲の振動試験片①に対する FEM 解析モデルと、FBG センサで得られた固有振動数の比較を表 1 に、試計測が可能であることが確認できた。
また、各センサの傾向として、固定端直近以外験片②に対する両者の比較を表 2 に示す。表 1の場所での固有振動数も、固定端直近と同じ結果

および表 2 より、FBG センサと FEM 解析の結果となった。

は、曲げ 6 次までにおいて、誤差が 2％未満であっ

図 13
表1

試験片①の曲げ 6 次のモード図

試験片①に対する FEM 解析モデルと、FBG センサで得られた固有振動数比較—

表250—試験片②に対する FEM 解析モデルと、FBG センサで得られた固有振動数比較た。これらの結果から、FBG センサによる計測は、まってきている。FBG センサ自体は、ガラス製十分信頼性があるといえる。なお、試験片の物性なので劣化しないが、長期間計測のためには、接値から求めた厳密解と FEM 解析の結果は同等で着や養生方法の問題を解決する必要がある。これあった。

らの課題が解決できれば、より広範囲の条件下でFBG センサによる計測が可能となる。

6. まとめ

参考文献

本研究において、アルミ合金製片持ち梁を用いて、FBG センサ、ひずみゲージ、および加速度ピッ（1） 中 島 富 男、 廣 瀬 尚 哉、 早 川 努、 荒 川 敬 弘：

クアップの振動計測性能の比較をした。その結果、

FBG センサによる振動計測の自動車用車輪

FBG センサでは、ひずみゲージや加速度ピック

台上試験への適用、日本機械学会論文集 80

アップの応答周波数帯域以上の振動モードまで計巻、816 号、2014（2） Othonos, A. and Kalli, K. ： Fiber Bragg Grating,

測が可能であることがわかった。
これまで当社では、FBG センサを動的センサ

Artech House Publishers, 1999, pp.98-99

として使用してきたが、長期間計測の需要が高研究開発センター
研究開発グループ

総務部課長

福本伸太郎

中島  富男TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

TEL. 045-791-3513
FAX. 045-791-3539—51—

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