Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

JP6864375B2 - 光ファイバセンサ - Google Patents

光ファイバセンサ Download PDF

Info

Publication number
JP6864375B2
JP6864375B2 JP2018503308A JP2018503308A JP6864375B2 JP 6864375 B2 JP6864375 B2 JP 6864375B2 JP 2018503308 A JP2018503308 A JP 2018503308A JP 2018503308 A JP2018503308 A JP 2018503308A JP 6864375 B2 JP6864375 B2 JP 6864375B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fbg
optical fiber
base member
bragg wavelength
fbg portion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018503308A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2017150476A1 (ja
Inventor
正人 若原
正人 若原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CMIWS CO., LTD.
Original Assignee
CMIWS CO., LTD.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CMIWS CO., LTD. filed Critical CMIWS CO., LTD.
Publication of JPWO2017150476A1 publication Critical patent/JPWO2017150476A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6864375B2 publication Critical patent/JP6864375B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35306Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
    • G01D5/35309Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
    • G01D5/35316Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Bragg gratings
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/161Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by interferometric means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/0011Arrangements for eliminating or compensation of measuring errors due to temperature or weight
    • G01B5/0014Arrangements for eliminating or compensation of measuring errors due to temperature or weight due to temperature
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/242Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
    • G01L1/246Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using integrated gratings, e.g. Bragg gratings
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/02Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
    • G01L11/025Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means using a pressure-sensitive optical fibre

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

本発明は、光ファイバセンサに関し、特に、FBG(Fiber Bragg Grating)部を備える光ファイバと、当該光ファイバを支持するベース部材とを備える光ファイバセンサに関する。
近年、FBG(Fiber Bragg Grating)が形成された光ファイバを使用した光ファイバセンサが圧力センサや歪みセンサ等として使用されている。この種の光ファイバセンサは、光ファイバの変形に応じたFBG部のブラッグ波長の変化に基づいて圧力や歪み量等を計測する。
公知のように、ブラッグ波長は、光ファイバの屈折率と回折格子の格子間隔とによって定まる。そのため、温度が変化した場合の屈折率の変動や、光ファイバの膨張・収縮によってもブラッグ波長が変化することになる。すなわち、温度管理がなされていない環境下では、ブラッグ波長の変化が、計測対象の圧力や歪みに起因して発生したものであるか、温度変化に起因して発生したものであるかを区別することができない。したがって、計測対象の圧力や歪みを正確に取得するためには、温度変化に起因するブラッグ波長の変化を除外するための温度補償が必要になる。
このような温度補償の手法として、例えば、温度変化に起因するブラッグ波長の変化のみを計測するための温度補償用FBG部を配置する手法がある(例えば、特許文献1、2等)。温度補償用FBG部は、圧力や歪み等を計測するための計測用FBG部の近傍に配置される。計測用FBG部による計測値は、温度補償用FBG部の計測値に基づいて補正される。この場合、計測用FBG部と温度補償用FBG部は直列に配置されてもよく、並列に配置されてもよい。
また、他の手法として、圧力や歪み等を計測するための計測用FBG部に、温度変化に起因するブラッグ波長の変化を抑制する物理的構造を採用する手法がある(例えば、特許文献3、4等)。特許文献3は、光ファイバを支持するゲージベースに、空隙を設けてバネ性を持たせた薄肉部により2つの厚肉部を連結した物理的構造を採用した歪みゲージを開示している。この構造では、ゲージベースの厚肉部が計測対象に固定される。温度上昇に伴って厚肉部が膨張すると薄肉部が両側から圧縮される。この圧縮力の大きさが、計測用FBG部に発生するブラッグ波長の変化をキャンセルする大きさとなるように、ゲージベース各部の寸法が設計されている。また、特許文献4は、計測用FBG部と、歪みが印加される被測定部とを、温度補償部材を介在させて固定した歪みセンサを開示している。温度補償部材は、光ファイバの熱膨張係数に対して正負が逆の値の熱膨張係数を有する材料から形成されている。
さらに、他の手法として、特許文献5は、引張力が加わると不均一な歪みを発生する部分を有する引張部材に、均一な格子間隔を有するFBG部を接着固定した力学的センサを開示している。この構成では、引張力が加わるとFBG部の格子間隔が不均一になり、反射波の帯域幅が広がる。一方、温度変化の場合は、ブラッグ波長は変化するが帯域幅は変化しない。その結果、帯域幅の変化を計測することで温度変化の影響のない歪みを計測できるとしている。
特開2000−221085号公報 特開2000−346722号公報 特開2008−134155号公報 特開2012−202684号公報 特開2000−097786号公報
しかしながら、以上のような従来の温度補償方法にはそれぞれ問題があり、十分に満足できるものではない。
計測用FBG部と温度補償用FBG部とを備える構成では、特許文献1に開示されているように、計測用FBG部のブラッグ波長と温度補償用FBG部のブラッグ波長とは互いに異なる波長に設定される。これにより、それぞれのFBG部において反射された光を容易に特定することが可能になる。しかしながら、このような構成では、計測用FBG部と温度補償用FBG部とを直列、並列のいずれの配置にした場合であっても、複数のFBG部が必要となるため、光ファイバセンサが高価になってしまう。なお、特許文献2が開示する技術では、反射光の波長ではなく光強度を計測しているため、計測用FBG部のブラッグ波長と温度補償用FBG部のブラッグ波長とが同一になっている。しかしながら、同一のブラッグ波長であっても、FBG部を光ファイバの2箇所に加工する必要があるため、光ファイバセンサが高価になってしまうことに変わりはない。
公知のように、光ファイバにFBG部を形成する加工方法としては、マスクを通じて光ファイバに紫外光を照射する方法が広く使用されている。当該マスクの光ファイバと対向する面には一定周期で複数条の溝が形成されており、当該マスクを通過した紫外光は、光ファイバに、溝の周期によって定まる周期の干渉縞(紫外光の強弱)を形成する。本加工方法では、この干渉縞を利用して光ファイバのコアに周期的な屈折率変化を生じさせる。このようなマスクは非常に高価であるため、使用するマスクは1種類とし、異なるブラッグ波長のFBG部を形成する場合には、加工対象の光ファイバに張力を付与して軸方向に引き延ばした状態で露光する手法も使用されている。
以上のような加工方法では、同一の光ファイバに異なるブラッグ波長を有するFBG部を近接して形成することは困難であり、計測用FBG部と温度補償用FBG部とは数十mm程度離れた状態で形成される。そのため、計測用FBG部と温度補償用FBG部とを備える光ファイバセンサを小型化することは難しい。計測用FBG部と温度補償用FBG部とを異なる光ファイバに形成した構成の光ファイバセンサでも、2本の光ファイバが必要であるため、光ファイバセンサを小型化することは難しい。
加えて、光ファイバセンサの計測精度の観点では、計測用FBG部と温度補償用FBG部とを近接した位置に配置することが好ましい。例えば、光ファイバセンサの計測対象物が温度分布を有する剛体(例えば、コンクリート壁等)である場合、計測用FBG部と温度補償用FBG部とが数十mm離れていると、計測用FBG部の温度と温度補償用FBG部の温度との間に差が生じる結果、計測値(歪み量)に非常に大きな誤差が生じる可能性がある。計測用FBG部と温度補償用FBG部とが別々の光ファイバに形成されている場合、計測用FBG部と温度補償用FBG部とを近接して配置することは比較的容易である。また、計測用FBG部及び温度補償用FBG部が1本の光ファイバに形成されている場合でも、光ファイバ上で両者が大きく離れているときは、光ファイバを屈曲させることで計測用FBG部と温度補償用FBG部とを近接して配置することができる。しかしながら、これらの構成では、計測用FBG部と温度補償用FBG部との間の光ファイバの存在や、2本の光ファイバの存在のため、小型化を実現することは困難である。
なお、所望のブラッグ波長に対応する複数のマスクを使用して光ファイバを加工することで同一の光ファイバに異なるブラッグ波長を有するFBG部を近接して形成することは可能である。しかしながら、このような方法を採用した場合、所望のブラッグ波長ごとに高価なマスクを用意する必要があるため、光ファイバセンサがより高価になってしまう。
一方、特許文献3、4が開示するような、温度変化に起因するブラッグ波長の変化を抑制する物理的構造を採用する構成では、その物理的構造は、例えば、標準的な熱膨張係数を使用して設計されることになる。しかしながら、このような熱膨張係数は純粋な材料から得られたものであり、市販されている量産材料の熱膨張係数は、標準的な熱膨張係数と完全に一致していないことが容易に想定できる。すなわち、この種の光ファイバセンサは熱膨張係数に個体差があるため、画一的な物理的構造による温度補償では温度補償精度にバラツキが発生しやすい。また、熱膨張係数自体も温度依存性を有しているため、物理的構造を使用した温度補償では、熱膨張係数が一定とみなせる限られた範囲でしか使用することができない。そのため、計測対象の温度ごとに光ファイバセンサを用意する必要もあることになる。さらに、物理的構造を使用した温度補償では、温度変化に応じて物理的構造が変形するための時間が必要である。そのため、温度変化に短時間で応答できない。
また、特許文献5が開示する技術では、帯域幅の変化を検出する必要がある。そのため、従来、計測器等により反射波のブラッグ波長(ピーク波長)を検出することで圧力や歪みを計測していたユーザは、当該技術を採用するために、反射波の帯域幅を検知する計測器等を新たに導入する必要がある。
本発明は、このような従来技術の課題を鑑みてなされたものであって、1本の光ファイバにおいて、異なるブラッグ波長を有するFBG部を極めて近接した状態で容易に配置することができる光ファイバセンサを提供することを目的とする。また、このような構造を利用して、温度補償が可能な小型の光ファイバセンサを提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明は以下の技術的手段を採用している。まず、本発明は、1本の光ファイバと、当該光ファイバを支持するベース部材とを備える光ファイバセンサを前提としている。そして、本発明に係る光ファイバセンサは、ベース部材の光ファイバ配置面に設けられた固定位置において、当該固定位置の一方側の光ファイバと、当該固定位置の他方側の光ファイバとのそれぞれにFBG(Fiber Bragg Grating)部が配置される状態で当該光ファイバをベース部材に固定する第1の固定部材を備える。また、固定位置の一方側で、当該一方側の光ファイバのFBG部である第1のFBG部に張力が付与された状態で光ファイバをベース部材に固定する第2の固定部材を備える。さらに、固定位置の他方側で、当該他方側の光ファイバのFBG部である第2のFBG部に第1のFBG部における張力とは異なる張力が付与された状態、かつ当該第2のFBG部のブラッグ波長が第1のFBG部のブラッグ波長と異なる状態で光ファイバをベース部材に固定する第3の固定部材を備える。
本発明の光ファイバセンサでは、固定位置の一方側の光ファイバの第1のFBG部に付与される張力と、固定位置の他方側の光ファイバの第2のFBG部に付与される張力とが異なる状態で光ファイバがベース部材に固定される。そのため、例えば、張力が付与されていない状態における第1のFBG部のブラッグ波長と張力が付与されていない状態における第2のFBG部のブラッグ波長とが同一である場合でも、各FBG部のブラッグ波長を所望のブラッグ波長に調整することができる。また、このような調整ができるため、1本の光ファイバにおいて、異なるブラッグ波長を有するFBG部を極めて近接した状態で配置した小型の光ファイバセンサを比較的容易に実現することができる。
例えば、この光ファイバセンサにおいて、光ファイバが単一のブラッグ波長を有する1つのFBG部を備える構成を採用することができる。この場合、当該FBG部の一部分が第1のFBG部を構成し、他の一部分が第2のFBG部を構成する。また、光ファイバが同一のブラッグ波長を有するFBG部を2つ備える構成を採用することもできる。この場合、一方のFBG部が第1のFBG部を構成し、他方のFBG部が第2のFBG部を構成する。
また、以上の光ファイバセンサにおいて、予め取得された第1のFBG部のブラッグ波長の温度依存性と予め取得された第2のFBG部のブラッグ波長の温度依存性とに基づいて、いずれか一方のFBG部のブラッグ波長の変化に対する温度補正を行う構成を採用することができる。これにより、温度補償が可能な小型の光ファイバセンサを実現することができる。
さらに、以上の光ファイバセンサにおいて、ベース部材が圧力検知用のダイヤフラムを備え、第1のFBG部と第2のFBG部との一方がダイヤフラムに当接して配置され、他方がダイヤフラムとは異なる位置に配置される構成を採用することができる。また、以上の光ファイバセンサにおいて、ベース部材が互いに独立して移動可能な第1のベース部材と第2のベース部材とを備え、第1のFBG部と第2のFBG部との一方が第1のベース部材に配置され、他方のFBG部の少なくとも一部が第1のベース部材と第2のベース部材との間に配置される構成を採用することもできる。
本発明によれば、1本の光ファイバにおいて、異なるブラッグ波長を有するFBG部を極めて近接した状態で配置した小型の光ファイバセンサを比較的容易に実現することができる。また、このような構造を利用して、温度補償が可能な小型の光ファイバセンサを実現することができる。
図1(a)及び図1(b)は、本発明の一実施形態における光ファイバセンサの基本構成の一例を示す概略構成図である。 図2は、本発明の一実施形態における光ファイバセンサの反射光スペクトルの一例を示す図である。 図3(a)から図3(c)は、本発明の一実施形態における光ファイバセンサの反射光スペクトルの変化の一例を示す図である。 図4(a)及び図4(b)は、本発明の一実施形態における光ファイバセンサのブラッグ波長の温度依存性の一例を示す図である。 図5は、本発明の一実施形態における光ファイバセンサによる温度補償の具体例を示す図である。 図6(a)から図6(f)は、本発明の一実施形態における光ファイバセンサの組立手順の一例を示す図である。 図7(a)及び図7(b)は、本発明の一実施形態における光ファイバセンサの他の基本構成の一例を示す概略構成図である。 図8は、本発明の一実施形態における光ファイバセンサの反射光スペクトルの一例を示す図である。 図9(a)及び図9(b)は、本発明の一実施形態における圧力センサの一例を示す図である。 図10(a)から図10(d)は、本発明の一実施形態における歪みセンサの一例を示す図である。 図11(a)から図11(d)は、本発明の一実施形態における歪みセンサの一例を示す図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。まず、本発明に係る光ファイバセンサの基本構成について説明する。この基本構成は、ベース部材上に1本の光ファイバが固定される構成を有している。
図1は、本実施形態における光ファイバセンサの基本構成の一例を示す概略構成図である。図1(a)は、ベース部材の光ファイバ設置面を示す模式図である。また、図1(b)は、ベース部材に固定される前の光ファイバを示す模式図である。なお、この例では、光ファイバは、光を伝搬するコアと、コアの周囲を取り囲みコア中を伝搬する光をコア側に反射させるクラッドとが中心から順に配置された構造を有する。図1(a)及び図1(b)では、光ファイバはコアとコアの周囲に配置されたクラッドを模式的に示している。
図1(a)に示すように、光ファイバセンサ1は、光ファイバ10、ベース部材20、第1の固定部材31、第2の固定部材32及び第3の固定部材33を備える。なお、図面では、第1の固定部材31、第2の固定部材32及び第3の固定部材33は、外形のみを破線で示している。
第1の固定部材31は、ベース部材20の光ファイバ配置面に設けられた固定位置30において、光ファイバ10をベース部材20に固定する。ここで、光ファイバ10は、固定位置30の一方側の光ファイバ10(以下、光ファイバ10aという。)と、固定位置30の他方側の光ファイバ10(以下、光ファイバ10bという。)とのそれぞれにFBG(Fiber Bragg Grating)部が配置される状態でベース部材20に固定される。特に限定されないが、第1の固定部材31には、例えば、紫外線硬化型接着剤を使用することができる。ここでは、スポット状に塗布した紫外線硬化型接着剤を固定部材31として使用している。
図1(b)に示すように光ファイバ10には、単一のブラッグ波長を有する1つのFBG部11が形成されており、この例では、FBG部11の略中央が固定位置30に固定されている。そのため、FBG部11は、固定位置30の一方側と固定位置30の他方側とのそれぞれに配置されることになる。以下では、固定位置30の一方側のFBG部11を第1のFBG部11aという。また、固定位置30の他方側のFBG部11を第2のFBG部11bという。なお、図1(a)及び図1(b)では、便宜上、コアに等間隔で直線を付すことでFBG部を表現している。また、当該直線の間隔により、FBG部に付与された張力を模式的に示している。
第2の固定部材32は、固定位置30の一方側で、一方側の光ファイバ10aのFBG部である第1のFBG部11aに張力(プリテンション)が付与された状態で光ファイバ10をベース部材20に固定する。特に限定されないが、ここでは、第1の固定部材31と第2の固定部材32は、図1(a)に示すように、第1のFBG部11aの両端をベース部材20に固定することで光ファイバ10をベース部材20に固定している。この構成では、例えば、張力が付与されていない状態におけるFBG部11のブラッグ波長がλ0であるとすると、張力が付与された第1のFBG部11aのブラッグ波長は、λ0とは異なる波長λ1(λ1>λ0)になる。特に限定されないが、第2の固定部材32には、例えば、紫外線硬化型接着剤を使用することができる。ここでは、スポット状に塗布した紫外線硬化型接着剤を固定部材32として使用している。
第3の固定部材33は、固定位置30の他方側で、他方側の光ファイバ10bのFBG部である第2のFBG部11bに第1のFBG部11aにおける張力とは異なる張力が付与された状態で光ファイバ10をベース部材20に固定する。特に限定されないが、ここでは、第1の固定部材31と第3の固定部材33は、図1(a)に示すように、第2のFBG部11bの両端をベース部材20に固定することで光ファイバ10をベース部材20に固定している。この構成では、例えば、第2のFBG部11bにおける張力が第1のFBG部11aにおける張力よりも小さいとすると、張力が付与された第2のFBG部11bのブラッグ波長は、λ1とは異なる波長λ2(λ1>λ2>λ0)になる。特に限定されないが、第3の固定部材33には、例えば、紫外線硬化型接着剤を使用することができる。ここでは、スポット状に塗布した紫外線硬化型接着剤を固定部材33として使用している。
なお、ここでは、特に好ましい形態として、第2のFBG部11bに張力が付与された状態を例示しているが、第2のFBG部11bの張力は、第1のFBG部11aに付与される張力と異なっていればよい。すなわち、本発明において、第2のFBG部11bに付与される「第1のFBG部における張力とは異なる張力」には、張力がゼロの場合も含まれる。この場合、第2のFBG部11bのブラッグ波長はλ0になる。
図2は、上述の光ファイバセンサ1の光ファイバ10に、第1のFBG部11aのブラッグ波長及び第2のFBG部11bのブラッグ波長を含む広帯域幅の光を入射した場合の反射光のスペクトル(以下、反射光スペクトルという。)を示す図である。図2において、横軸は反射光の波長に対応し、縦軸は反射光の強度に対応する。図2に示すように、反射光スペクトルは、第1のFBG部11aのブラッグ波長λ1と第2のFBG部11bのブラッグ波長λ2とのそれぞれにピークを有することになる。
次いで、上述の反射光スペクトルの変化について説明する。ここでは、第1のFBG部11aが温度補償用のFBG部として機能し、第2のFBG部11bが圧力計測用のFBG部として機能する場合を例示する。このような状況は、例えば、光ファイバセンサ1が圧力検知用のダイヤフラムを備える圧力センサである場合、第1のFBG部11aがダイヤフラムとは異なる位置に配置され、かつ第2のFBG部11bがダイヤフラムに当接して配置された状態に対応する。
図3は、温度変化や圧力変化が生じた場合の、上述の反射光スペクトルの変化の一例を示す図である。図3(a)は、ダイヤフラムに付与される圧力に変化がない状態で、光ファイバセンサ1に温度変化(温度上昇)のみが生じた場合の反射光スペクトルの変化を示す模式図である。図3(b)は、温度が一定の状態で、ダイヤフラムに付与される圧力の変化(圧力上昇)のみが生じた場合の反射光スペクトルの変化を示す模式図である。図3(c)は、光ファイバセンサ1に温度変化(温度上昇)及びダイヤフラムに付与される圧力の変化(圧力上昇)が同時に生じた場合の反射光スペクトルの変化を示す模式図である。なお、図3(a)〜図3(c)では、変化前の反射光スペクトルを破線で示している。
図3(a)に示すように、温度変化のみが生じた場合、温度補償用の第1のFBG部11a、圧力計測用の第2のFBG部11bのいずれにも温度変化により屈折率変動及び膨張が生じる。そのため、いずれのFBG部11a、11bのブラッグ波長も大きくなる方向にシフトする。また、図3(b)に示すように、圧力変化のみが生じた場合、圧力変化に伴うダイヤフラムの変形に応じて圧力計測用の第2のFBG部11bのブラッグ波長は大きくなる方向にシフトする。このとき、温度補償用の第1のFBG部11aには何ら変化が生じないため、第1のFBG部11aのブラッグ波長は変化しない。
温度変化と圧力変化とがともに生じた場合、以上の変化が組み合わさった状態になる。すなわち、図3(c)に示すように、第1のFBG部11aのブラッグ波長には温度変化に応じた波長シフトのみが発生し、第2のFBG部11bのブラッグ波長には温度変化に応じた波長シフトと圧力変化に応じた波長シフトとが重畳して発生することになる。
例えば、図3(c)において、第1のFBG部11aのブラッグ波長のシフト量が0.1nmであり、第2のFBG部11bのブラッグ波長のシフト量が0.6nmであるとする。この場合、図3(a)における温度変化のみによる波長シフト量が、第1のFBG部11aと第2のFBG部11bとで同一であると仮定すると、0.6nm−0.1nm=0.5nmが図3(b)における圧力変化のみによるブラッグ波長のシフト量ということになる。このように、第1のFBG部11aのブラッグ波長のシフト量と、第2のFBG部11bのブラッグ波長のシフト量とを計測することで、温度補償を実現することが可能になる。
しかしながら、より厳密には、図3(a)に示すような、温度変化のみによる第1のFBG部11aのブラッグ波長のシフト量と、温度変化のみによる第2のFBG部11bのブラッグ波長のシフト量とは完全には一致しない。これは、第1のFBG部11aと第2のFBG部11bとでは、光ファイバ10の固定状態(例えば、ブラッグ波長の温度依存性が各固定部材31、32、33の量や固定幅等)や、第1のFBG部11a、第2のFBG部11bに付与される張力の大きさが異なることに起因すると考えられる。
図4は、第1のFBG部のブラッグ波長及び第2のFBG部のブラッグ波長の温度依存性の一例を示す図である。図4(a)が温度補償用の第1のFBG部11aの温度依存性を示す図であり、図4(b)が圧力計測用の第2のFBG部11bの温度依存性を示す図である。図4(a)、図4(b)において、横軸は温度に対応し、縦軸はブラッグ波長のシフト量に対応する。
図4(a)及び図4(b)に示すように、いずれのFBG部のブラッグ波長も温度変化に対して高い線形性を有している。また、温度変化に対するブラッグ波長の変化量(すなわち、単位温度変化に対するブラッグ波長のシフト量)は、第1のFBG部11aと第2のFBG部11bとで異なっていることが理解できる。
このように、光ファイバセンサ1では、温度変化が生じた場合の第1のFBG部11aのブラッグ波長のシフト量と第2のFBG部11bのブラッグ波長のシフト量とが異なるため、本実施形態では下記の式(1)に基づいて温度補償を行う。
(Δλ2−Δλ1×K2/K1)×A (1)
式(1)において、差分Δλ1は温度補償用のFBG部(ここでは、第1のFBG部11a)のブラッグ波長のシフト量である。差分Δλ2は圧力計測用のFBG部(ここでは、第2のFBG部11b)のブラッグ波長のシフト量である。定数K1は温度補償用のFBG部の温度変化に対するブラッグ波長の変化量(すなわち、図4(a)に示す温度依存性の傾き)である。定数K2は圧力計測用のFBG部の温度変化に対するブラッグ波長の変化量(すなわち、図4(b)に示す温度依存性の傾き)である。定数Aはブラッグ波長のシフト量を計測対象に応じた値に変換するための係数である。ここでは、係数Aは、ブラッグ波長のシフト量を圧力値に変換するための係数になる。
なお、上述のように、FBG部の温度変化に対するブラッグ波長の変化量には、光ファイバ10の固定状態や、第1のFBG部11a、第2のFBG部11bに付与される張力の大きさに起因して、光ファイバセンサ1ごとに個体差が生じることになる。しかしながら、定数K1、K2は、恒温槽等内で、周囲温度を変化させながら各FBG部11a、11bのブラッグ波長のシフト量を計測することで容易に取得することができる。したがって、光ファイバセンサ1ごとに取得した定数K1、K2を使用して、式(1)により温度補償を行うことで光ファイバセンサ1の個体差を反映した温度補償を実施することができる。その結果、極めて精度の高い温度補償を実施することが可能になる。
図5は、本実施形態の光ファイバセンサ1である圧力センサにおける温度補償の具体例を示す図である。ここでは、上述の圧力センサを水深10cmに配置した状態で水温を18℃から22℃の範囲で変化させた場合に計測した圧力値を例示している。図5において横軸は経過時間に対応し、縦軸は圧力値に対応する。また、図5では、式(1)に基づく温度補正を実施した圧力値を実線で示し、ダイヤフラムに当接して配置したFBG部のブラッグ波長のシフト量に上述の係数Aを乗算することにより求めた温度補償なしの圧力値を破線で示している。なお、図5では、経過時間が20秒から300秒超までの間で圧力センサを水深10cmに維持している。
図5から理解できるように、温度補償をしていない圧力値は温度変化に応じて大きく変動している。これに対し、温度補償をした圧力値は、水深10cmの圧力値である100kgf/mを正確に示していることが理解できる。
続いて、光ファイバセンサ1の組立て手順について説明する。図6は、本実施形態における光ファイバセンサ1の組立て手順の一例を示す図である。まず、図6(a)に示すように、単一のブラッグ波長を有する光ファイバ10に張力が付与され、FBG部11が軸方向に沿って引き延ばされる。
次いで、図6(b)及び図6(c)に示すように、張力が付与された光ファイバ10が、ベース部材20の光ファイバ設置面に、固定位置30に固定される光ファイバ10の部位(ここでは、FBG部11の中央)を位置合わせした状態で配置される。このとき、光ファイバ10に付与される張力の大きさを調整することで、第1のFBG部11aのブラッグ波長を比較的容易に所望の波長に調整することができる。当該状態で、図6(c)に示すように、固定位置30において第1の固定部材31により光ファイバ10がベース部材20に接着固定される。また、第1のFBG部11aを挟んで固定位置30と反対側の位置において第2の固定部材32により光ファイバ10がベース部材20に接着固定される。
第1の固定部材31及び第2の固定部材32による光ファイバ10の固定が完了すると、図6(d)に示すように、光ファイバ10に付与された張力が解除される。その後、図6(e)に示すように、第2のFBG部11bに、第1のFBG部11aに付与された張力と異なる張力が付与され、第2のFBG部11bが光ファイバ10の軸方向に引き延ばされる。このとき、第2のFBG部11bに付与される張力の大きさを調整することで、第2のFBG部11bのブラッグ波長を所望の波長に調整することができる。
当該状態で、図6(f)に示すように、第2のFBG部11bを挟んで固定位置30と反対側の位置において、第3の固定部材33により光ファイバ10がベース部材20に接着固定される。
以上のようにして組み立てられた光ファイバセンサ1は、例えば、ベース部材20の光ファイバ設置面の裏面が計測対象物に固定される。計測対象物への光ファイバセンサ1の固定には、公知の任意の手法を採用することができる。例えば、紫外線硬化型接着剤により光ファイバセンサ1を計測対象物に固定することができる。
以上説明したように、本実施形態の光ファイバセンサ1によれば、第1のFBG部11aに付与される張力と、第2のFBG部11bに付与される張力とが異なる状態で光ファイバ10がベース部材20に固定される。そのため、張力が付与されていない状態における第1のFBG部11aのブラッグ波長と張力が付与されていない状態における第2のFBG部11bのブラッグ波長とが同一である場合でも、各FBG部11a、11bのブラッグ波長を所望のブラッグ波長に調整することができる。また、このような調整ができるため、1本の光ファイバ10上において、異なるブラッグ波長を有するFBG部11a、11bを極めて近接した状態で配置した小型の光ファイバセンサ1を比較的容易に実現することができる。
また、上述のように、光ファイバ10に形成された単一のブラッグ波長を有する1つのFBG部11により、第1のFBG部11a及び第2のFBG部11bを構成する場合は、光ファイバ10に形成するFBG部11が1つであるため、非常に低コストで製造することができる。
さらに、光ファイバセンサ1において、予め取得された第1のFBG部11aのブラッグ波長の温度依存性と予め取得された第2のFBG部11bのブラッグ波長の温度依存性とに基づいて、いずれか一方のFBG部のブラッグ波長の変化に対する温度補正を行う構成を採用すれば、温度補償が可能な小型の光ファイバセンサ1を実現することができる。
また、第1のFBG部11aのブラッグ波長と予め取得された第2のFBG部11bのブラッグ波長とが異なっているため、歪みや圧力の計測やブラッグ波長の温度依存性を取得する際に各ピークの移動を追跡すればよい。したがって、ブラッグ波長の変化を従来手法により容易に計測することができる。
なお、以上では、単一のブラッグ波長を有する1つのFBG部11を備える光ファイバ10により、第1のFBG部11a及び第2のFBG部11bを形成した。この構成では、第1のFBG部11aと第2のFBG部11bとの間(すなわち、第1の固定部材31直下)にもFBG部が存在している。そのため、図2に示すように、反射光スペクトルにおいて2つのブラッグ波長の間の反射光強度が大きくなっている。ブラッグ波長のピーク検知のダイナミックレンジをより大きくする観点では、2つのブラッグ波長の間の反射光強度はより低いことが好ましい。
図7は、本実施形態における光ファイバセンサの他の基本構成の一例を示す概略構成図である。図7(a)は、ベース部材の光ファイバ設置面を示す模式図である。また、図7(b)は、ベース部材に固定される前の光ファイバを示す模式図である。
図7(b)に示すように、この光ファイバセンサ2では、光ファイバ10に、同一のブラッグ波長を有する第1のFBG部11aと、第2のFBG部11bとが所定の間隔をおいて形成されている。そして、図7(a)に示すように、第1のFBG部11aと第2のFBG部11bとの間の光ファイバ10が固定位置30に固定されている。他の構成は、上述の光ファイバセンサ1と同様である。
図8は、上述の光ファイバセンサ2の光ファイバ10に、第1のFBG部11aのブラッグ波長及び第2のFBG部11bのブラッグ波長を含む広帯域幅の光を入射した場合の反射光スペクトルを示す図である。図8において、横軸は反射光の波長に対応し、縦軸は反射光の強度に対応する。
図8に示すように、反射光スペクトルは、光ファイバセンサ1と同様に、第1のFBG部11aのブラッグ波長λ1と第2のFBG部11bのブラッグ波長λ2とのそれぞれにピークを有する。また、光ファイバセンサ2では、第1の固定部材31直下にFBG部が存在しないため、反射光スペクトルにおいて2つのブラッグ波長の間の反射光強度が、図2に示す光ファイバセンサ1の反射光強度に比べて小さくなっている。したがって、本構成によれば、ブラッグ波長のピーク検知のダイナミックレンジをより大きくすることができ、特に、複数の光ファイバセンサ2を直列接続する場合等に好適である。
なお、図7(b)に示すような、同一のブラッグ波長を有する2つのFBG部は、例えば、図1(b)に示す1つのFBG部11を形成する際に使用するマスクにおいて、第1のFBG部11aと第2のFBG部11bとの間に相当する部分にテープ等の遮光部材を配置することで比較的容易に作成することができる。このような手法によれば、同一のブラッグ波長を有する2つのFBG部を同時に形成できるため、非常に低コストで製造することができる。
以下、以上で説明した光ファイバセンサ1を圧力センサ及び一軸の歪みセンサ(歪みゲージ)に適用した事例について簡単に説明する。
図9は、光ファイバセンサ1として説明した基本構成を圧力センサに適用した事例を示す図である。図9(a)は、当該圧力センサを示す概略平面図であり、図9(b)は、図9(a)において光ファイバに沿う概略断面図である。なお、図9(a)では、説明のため、圧力検知用のダイヤフラムの図示を省略している。
図9(a)、図9(b)に示すように、圧力センサ3は、光ファイバ10、ベース部材21、第1の固定部材31、第2の固定部材32及び第3の固定部材33を備える。図9(a)に示すように、ベース部材21は、圧力計測部として機能する円形の貫通孔が形成された円環状の円環部22と温度計測部として機能する延出部23とが連結した形状を有している。延出部23は、平面視において、円環部22の直径方向に沿って延出された所定幅の板状材により構成されている。光ファイバ10は、平面視において円環部22の中心を通過する状態で延出部23の延出方向に沿って配置される。
ベース部材21は、光ファイバ10の直径よりも大きな厚みを有しており、円環部22及び延出部23における光ファイバ10の配置位置には、光ファイバ10を収容する溝部が形成されている。
図9(b)に示すように、平面視で円形のダイヤフラム40は、円環部22の貫通孔を横断する状態で配置された光ファイバ10と当接する状態で、円環部22に外周が固定支持されている。したがって、光ファイバ10は、ダイヤフラム40とベース部材21との間に配置されることになる。
以上の構成では、円環部22と延出部23との連結点が上述の固定位置30になり、固定位置30において第1の固定部材31により光ファイバ10がベース部材21に固定される。そして、例えば、固定位置30と反対側の延出部23の端部において、光ファイバ10が第2の固定部材32によりベース部材21に固定される。また、固定位置30と貫通孔を挟んで対向する円環部22の位置において、光ファイバ10が第3の固定部材33によりベース部材21に固定される。したがって、この構成では、上述の第1のFBG部11aがダイヤフラム40に接することのない延出部23に配置され、上述の第2のFBG部11bが円環部22においてダイヤフラム40に当接して配置されることになる。すなわち、第1のFBG部11aが温度補償用のFBG部として機能し、第2のFBG部11bが圧力計測用のFBG部として機能することになる。なお、図9(a)に示すように、この例では、第2のFBG部11bは、固定位置30から円環部22の中心(ダイヤフラム40の中心)にわたって配置されている。また、特に限定されないが、第2のFBG部11bは、ダイヤフラム40に接着固定されている。
以上で説明したように、この圧力センサ3では、温度補償用の第1のFBG部11aと圧力計測用の第2のFBG部11bとが極めて近接して配置される。そのため、温度補償精度が高く、かつ小型の圧力センサを実現することができる。また、温度変化がFBG部により計測される構成であるため、温度が短時間で変化する動的な温度変化に対しても短時間で対応することができる。
図10は、光ファイバセンサ1として説明した基本構成を一軸の歪みセンサ4に適用した事例を示す図である。ここでは、歪みセンサ4の構造をその組立工程及びその設置方法とともに説明する。
図10(a)の平面図に示すように、歪みセンサ4は、光ファイバ10、ベース部材25、第1の固定部材31、第2の固定部材32及び第3の固定部材33を備える。図10(a)に示すように、ベース部材25は、互いに独立して移動可能な第1のベース部材25aと第2のベース部材25bとを備える。第1のベース部材25a及び第2のベース部材25bは平面視矩形状の板状部材により構成されている。特に限定されないが、この例では、第2のベース部材25b上に温度補償用のFBG部として機能する第1のFBG部11aが配置される。そのため、光ファイバ10の配置方向に沿う第2のベース部材25bの長さが、光ファイバ10の配置方向に沿う第1のベース部材25aの長さよりも大きくなっている。なお、歪み計測用のFBG部として機能する第2のFBG部11bは、少なくとも一部が第1のベース部材25aと第2のベース部材25bとの間に配置される。
図10(a)に示すように、光ファイバ10は、互いに隣接して配置された状態の第1のベース部材25a及び第2のベース部材25bに固定される。このとき、光ファイバ10には張力が付与されている。この例では、第2のベース部材25b上に上述の固定位置30が設定され、固定位置30において第1の固定部材31により光ファイバ10が第2のベース部材25bに固定される。また、第2のベース部材25b上に配置された第1のFBG部11aを挟んで固定位置30と反対側の位置において、第2の固定部材32により光ファイバ10が第2のベース部材25bに固定される。また、第1のベース部材25aと第2のベース部材25bとにわたって配置された第2のFBG部11bを挟んで固定位置30と反対側の位置において、第3の固定部材33により光ファイバ10が第1のベース部材25aに固定される。
第1の固定部材31、第2の固定部材32及び第3の固定部材33による光ファイバ10の固定が完了すると、光ファイバ10に付与された張力が解除される。その後、図10(b)に示すように、第1のベース部材25aと第2のベース部材25bとが、光ファイバ10の配置方向に沿って離間される。そして、当該離間により形成された第1のベース部材25aと第2のベース部材25bとの間の隙間にスペーサ50が挿入される。したがって、第1のベース部材25aと第2のベース部材25bとの離間により、第2のFBG部11bには、第1のFBG部11aに付与された張力よりも大きな張力が付与されることになり、スペーサ50により当該状態が維持されることになる。以上により、歪みセンサ4の組立てが完了する。
以上のようにして組み立てられた歪みセンサ4は、例えば、第1のベース部材25a及び第2のベース部材25bの裏面(光ファイバ設置面の反対側の面)のうち、歪み計測用のFBG部として機能する第2のFBG部11bと対向する部分が計測対象物に固定される。計測対象物への歪みセンサ4の固定には、公知の任意の手法を採用することができる。例えば、図10(c)に示すように、紫外線硬化型接着剤60により歪みセンサ4を計測対象物に固定することができる。
計測対象物への固定が完了すると、図10(d)に示すように、スペーサ50が離脱される。なお、この構成では、第1のFBG部11aに付与される張力よりも、第2のFBG部11bに付与される張力の方が大きい。そのため、歪みセンサ4の反射光スペクトルは、図2や図8の場合とは異なり、温度補償用のFBG部として機能する第1のFBG部11aのブラッグ波長が、歪み計測用のFBG部として機能する第2のFBG部11bのブラッグ波長よりも小さくなる。
以上で説明したように、この歪みセンサ4では、温度補償用の第1のFBG部11aと歪み計測用の第2のFBG部11bとが極めて近接して配置される。そのため、温度補償精度が高く、かつ小型の歪みセンサを実現することができる。また、温度変化がFBG部により計測される構成であるため、温度が短時間で変化する動的な温度変化に対しても短時間で対応することができる。
図11は、光ファイバセンサ1として説明した基本構成を一軸の歪みセンサ5に適用した事例を示す図である。ここでは、歪みセンサ5の構造をその組立工程及びその設置方法とともに説明する。
図11(a)の平面図に示すように、歪みセンサ5は、光ファイバ10、ベース部材26、第1の固定部材31、第2の固定部材32及び第3の固定部材33を備える。図11(a)に示すように、ベース部材26は、互いに独立して移動可能な第1のベース部材26aと第2のベース部材26bとを備える。第1のベース部材26a及び第2のベース部材26bは平面視矩形状の板状部材により構成されている。特に限定されないが、この例では、第2のベース部材26b上に温度補償用のFBG部として機能する第1のFBG部11aが配置される。そのため、光ファイバ10の配置方向に沿う第2のベース部材26bの長さが、光ファイバ10の配置方向に沿う第1のベース部材26aの長さよりも大きくなっている。
また、この例では、光ファイバ10の配置方向に沿う第2のベース部材26bの長さの伸縮を可能とするため、第2のベース部材26bには略矩形状の貫通孔27が形成されている。光ファイバ10が固定される第2のベース部材26bは、当該貫通孔27部分を圧縮変形させることで、光ファイバ10の配置方向に沿う第2のベース部材26bの長さが一旦縮められた状態になっている。この例では、光ファイバ10の配置方向に沿った貫通孔27の外縁部分28が第2のベース部材26bの他の部分に比べて細くなっている。そのため、上述の圧縮変形の際に当該外縁部分28は、図11(a)に示すように外方に突出する状態になる。なお、上述の歪みセンサ4と同様に、歪み計測用のFBG部として機能する第2のFBG部11bは、少なくとも一部が第1のベース部材26aと第2のベース部材26bとの間に配置される。
図11(a)に示すように、光ファイバ10は、所定の間隔をおいて互いに隣り合って配置された状態の第1のベース部材26a及び第2のベース部材26bに固定される。このとき、光ファイバ10には張力が付与されている。この例では、第2のベース部材26b上に上述の固定位置30が設定され、固定位置30において第1の固定部材31により光ファイバ10が第2のベース部材26bに固定される。また、第2のベース部材26bの貫通孔27を横断する状態で配置された第1のFBG部11aを挟んで固定位置30と反対側の位置において、第2の固定部材32により光ファイバ10が第2のベース部材26bに固定される。また、第1のベース部材26aと第2のベース部材26bとにわたって配置された第2のFBG部11bを挟んで固定位置30と反対側の位置において、第3の固定部材33により光ファイバ10が第1のベース部材26aに固定される。なお、第1のベース部材26aと第2のベース部材26bとの間の間隔は、例えば、図示しないスペーサを介在させることで設けることができる。
第1の固定部材31、第2の固定部材32及び第3の固定部材33による光ファイバ10の固定が完了すると、光ファイバ10に付与された張力が解除される。その後、図11(b)、図11(c)に示すように、圧縮変形された貫通孔27を、圧縮変形前の状態に再変形することで、光ファイバ10の配置方向に沿う第2のベース部材26bの長さが伸ばされる。したがって、第2のベース部材26bの長さが伸びることで、第1のFBG部11aには、第2のFBG部11bに付与された張力よりも大きな張力が付与されることになる。以上により、歪みセンサ5の組立てが完了する。なお、上述の再変形は、図11(b)に示すように外方に突出した外縁部分28の形状を圧縮変形前の状態に戻すことで実現することができる。
以上のようにして組み立てられた歪みセンサ5は、例えば、第1のベース部材26a及び第2のベース部材26bの裏面のうち、歪み計測用のFBG部として機能する第2のFBG部11bと対向する部分が計測対象物に固定される。計測対象物への歪みセンサ5の固定には、公知の任意の手法を採用することができる。例えば、図11(d)に示すように、紫外線硬化型接着剤60により歪みセンサ5を計測対象物に固定することができる。
以上で説明したように、この歪みセンサ5では、温度補償用の第1のFBG部11aと歪み計測用の第2のFBG部11bとが極めて近接して配置される。そのため、温度補償精度が高く、かつ小型の歪みセンサを実現することができる。また、温度変化がFBG部により計測される構成であるため、温度が短時間で変化する動的な温度変化に対しても短時間で対応することができる。
なお、上述した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、上記実施形態では、特に好ましい形態として第1の固定部材31、第2の固定部材32、第3の固定部材33として紫外線硬化型接着剤を例示したが、光ファイバ10をベース部材に固定可能であれば、任意の材料を使用することができる。また、ベース部材の材質も特に限定されず、計測対象に応じて任意に選択することができる。
本発明によれば、1本の光ファイバにおいて、異なるブラッグ波長を有するFBG部を極めて近接した状態で配置することができ、光ファイバセンサとして有用である。
1、2 光ファイバセンサ
3 圧力センサ(光ファイバセンサ)
4、5 歪みセンサ(光ファイバセンサ)
10 光ファイバ
11 FBG部
11a 第1のFBG部
11b 第2のFBG部
20、21、25、26 ベース部材
25a、26a 第1のベース部材
25b、26b 第2のベース部材
30 固定位置
31 第1の固定部材
32 第2の固定部材
33 第3の固定部材

Claims (6)

  1. 1本の光ファイバと、前記光ファイバを支持するベース部材とを備える光ファイバセンサであって、
    前記ベース部材の光ファイバ配置面に設けられた固定位置において、当該固定位置の一方側の前記光ファイバと、当該固定位置の他方側の前記光ファイバとのそれぞれにFBG(Fiber Bragg Grating)部が配置される状態で前記光ファイバを前記ベース部材に固定する第1の固定部材と、
    前記固定位置の一方側で、当該一方側の前記光ファイバのFBG部である第1のFBG部に張力が付与された状態で前記光ファイバを前記ベース部材に固定する第2の固定部材と、
    前記固定位置の他方側で、当該他方側の前記光ファイバのFBG部である第2のFBG部に前記第1のFBG部における張力とは異なる張力が付与された状態、かつ当該第2のFBG部のブラッグ波長が前記第1のFBG部のブラッグ波長と異なる状態で前記光ファイバを前記ベース部材に固定する第3の固定部材と、
    を備える光ファイバセンサ。
  2. 前記光ファイバは、単一のブラッグ波長を有する1つのFBG部を備え、当該FBG部の一部分が前記第1のFBG部を構成し、他の一部分が前記第2のFBG部を構成する請求項1に記載の光ファイバセンサ。
  3. 前記光ファイバは、同一のブラッグ波長を有するFBG部を2つ備え、一方のFBG部が前記第1のFBG部を構成し、他方のFBG部が前記第2のFBG部を構成する請求項1に記載の光ファイバセンサ。
  4. 予め取得された前記第1のFBG部のブラッグ波長の温度依存性と予め取得された前記第2のFBG部のブラッグ波長の温度依存性とに基づいて、いずれか一方のFBG部のブラッグ波長の変化に対する温度補正を行う請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の光ファイバセンサ。
  5. 前記ベース部材が圧力検知用のダイヤフラムを備え、
    前記第1のFBG部と前記第2のFBG部との一方が前記ダイヤフラムに当接して配置され、他方がダイヤフラム上とは異なる位置に配置される請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光ファイバセンサ。
  6. 前記ベース部材が互いに独立して移動可能な第1のベース部材と第2のベース部材とを備え、
    前記第1のFBG部と前記第2のFBG部との一方が前記第1のベース部材に配置され、他方のFBG部の少なくとも一部が前記第1のベース部材と前記第2のベース部材との間に配置される請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光ファイバセンサ。
JP2018503308A 2016-03-01 2017-02-27 光ファイバセンサ Active JP6864375B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016039481 2016-03-01
JP2016039481 2016-03-01
PCT/JP2017/007582 WO2017150476A1 (ja) 2016-03-01 2017-02-27 光ファイバセンサ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2017150476A1 JPWO2017150476A1 (ja) 2018-12-20
JP6864375B2 true JP6864375B2 (ja) 2021-04-28

Family

ID=59743917

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018503308A Active JP6864375B2 (ja) 2016-03-01 2017-02-27 光ファイバセンサ

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10663324B2 (ja)
EP (1) EP3425343A4 (ja)
JP (1) JP6864375B2 (ja)
WO (1) WO2017150476A1 (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3789737B1 (en) * 2018-05-04 2022-10-12 Cmiws Co., Ltd. Open/close detection sensor
US11506520B2 (en) * 2019-10-30 2022-11-22 Raytheon Company Systems and methods for real-time, nondestructive monitoring of energetic materials
CN114905549B (zh) * 2022-04-14 2024-01-16 上海交通大学 用于绳驱柔性机器人末端三维力感知方法及系统
CN115164729B (zh) * 2022-06-10 2023-05-30 澳门大学 正负双向测量的、不受振动影响的光纤光栅位移传感器

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5721802A (en) * 1996-06-13 1998-02-24 Corning Incorporated Optical device and fusion seal
US5892860A (en) * 1997-01-21 1999-04-06 Cidra Corporation Multi-parameter fiber optic sensor for use in harsh environments
DE19808222A1 (de) * 1998-02-27 1999-09-02 Abb Research Ltd Faser-Bragg-Gitter Drucksensor mit integrierbarem Faser-Bragg-Gitter Temperatursensor
JP2000097786A (ja) 1998-09-25 2000-04-07 Furukawa Electric Co Ltd:The 力学的力センサ
JP3736156B2 (ja) 1998-11-27 2006-01-18 富士電機システムズ株式会社 ブラッググレーティング圧力センサ
JP2000346722A (ja) 1999-06-07 2000-12-15 Furukawa Electric Co Ltd:The 力学センサ
JP2005091151A (ja) * 2003-09-17 2005-04-07 Hitachi Cable Ltd Fbgひずみゲージ
BRPI0501790B1 (pt) * 2005-05-17 2019-02-12 Petroleo Brasileiro S.A. - Petrobras Sistemas com transdutor de posição a fibra óptica e de leitura remota e método de calibração da posição
JP4897445B2 (ja) 2006-11-28 2012-03-14 株式会社共和電業 光ファイバ式ひずみゲージ
JP5155702B2 (ja) * 2008-03-13 2013-03-06 アンリツ株式会社 歪計測装置
US9476294B2 (en) * 2010-01-29 2016-10-25 Baker Hughes Incorporated Device and method for discrete distributed optical fiber pressure sensing
JP2012202684A (ja) 2011-03-23 2012-10-22 Toyota Industries Corp Fbgひずみセンサ
JP2012225729A (ja) * 2011-04-19 2012-11-15 Toyota Industries Corp Fbgひずみセンサ

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2017150476A1 (ja) 2018-12-20
US20180156641A1 (en) 2018-06-07
EP3425343A1 (en) 2019-01-09
EP3425343A4 (en) 2019-04-17
WO2017150476A1 (ja) 2017-09-08
US10663324B2 (en) 2020-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6864375B2 (ja) 光ファイバセンサ
US20070193362A1 (en) Fiber optic strain gage
JP5150445B2 (ja) 光ファイバセンサ装置および温度とひずみの計測方法と光ファイバセンサ
US20140123764A1 (en) Fiber Bragg Grating Pressure Sensor with Adjustable Sensitivity
US5196694A (en) Temperature compensated self-referenced fiber optic microbend pressure transducer
JP6258391B2 (ja) 温度補償のファイバブラッググレイティングフィルタ装置
WO2006094352A1 (en) Temperature compensating bragg grating optical device
CN103105138A (zh) 一种光纤光栅应变灵敏度的校准装置和方法
May-Arrioja et al. Fiber optic pressure sensor using a conformal polymer on multimode interference device
JP6301963B2 (ja) 歪みセンサ及び歪みセンサの設置方法
JP2003222507A (ja) 光ファイバセンサ及びそれを利用した歪み監視システム
JP2005091151A (ja) Fbgひずみゲージ
WO2012144272A1 (ja) Fbgひずみセンサ
JP2000097786A (ja) 力学的力センサ
JP2005055450A (ja) 光ファイバ式ひずみゲージ
JP4868593B2 (ja) 光ファイバセンサ
JP6736044B2 (ja) 歪みセンサ及び歪みセンサの取付治具
KR100685186B1 (ko) 광섬유 기반의 가속도계/경사계
JP2005351663A (ja) Fbg湿度センサ及びfbg湿度センサを用いた湿度測定方法
JP3755601B2 (ja) Fbg式温度センサ
US8590385B2 (en) High pressure fiber optic sensor system
JP2019109057A (ja) 光ファイバセンサ
JP2012202686A (ja) Fbg振動センサ
JP2008185456A (ja) 光ファイバ温度センサの製造方法及び光ファイバ温度センサシステムの製造方法
US20120318067A1 (en) Fluid Pressure Monitoring Apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200207

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210304

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210326

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6864375

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250