光ファイバセンサおよび計測装置
【課題】ＦＢＧセンサに生じる温度変化の影響を取り除いて歪のみを取り出す。
【解決手段】光ファイバセンサ２０のファイバ支持体２１は、計測対象に固定されるベース２２の一面側にヒンジ２３、２４を介して一対の腕部２５、２６が互いに対向するように立設され、その腕部２５、２６の中間位置を連結部２９がヒンジ２７、２８を介して連結し、計測対象と等しい膨張率を有する材料で一体的に形成され、計測対象からベース２２を伸縮させる力を受けて腕部２５、２６を互いに反対方向に傾ける構造を有している。腕部２５、２６の連結部２９から所定距離離れた一端側の位置の間に、グレーティング部１ａを有するセンサ用光ファイバ１の両端が張力のある状態で固定され、その光ファイバ１と同一特性のセンサ用光ファイバ１′が腕部２５、２６の連結部２９から所定距離離れた他端側の位置の間にバランス状態で固定されている。
【解決手段】光ファイバセンサ２０のファイバ支持体２１は、計測対象に固定されるベース２２の一面側にヒンジ２３、２４を介して一対の腕部２５、２６が互いに対向するように立設され、その腕部２５、２６の中間位置を連結部２９がヒンジ２７、２８を介して連結し、計測対象と等しい膨張率を有する材料で一体的に形成され、計測対象からベース２２を伸縮させる力を受けて腕部２５、２６を互いに反対方向に傾ける構造を有している。腕部２５、２６の連結部２９から所定距離離れた一端側の位置の間に、グレーティング部１ａを有するセンサ用光ファイバ１の両端が張力のある状態で固定され、その光ファイバ１と同一特性のセンサ用光ファイバ１′が腕部２５、２６の連結部２９から所定距離離れた他端側の位置の間にバランス状態で固定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コアにグレーティング部が形成されたＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）方式の光ファイバを用いて計測対象に生じた歪みを検出するための光ファイバセンサにおいて、光ファイバセンサの出力に対する温度の影響を抑制するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビル・橋梁などの構造物や設備機器等の機械類の耐久性、疲労、損傷、寿命等（以下、これらをまとめて健全性という）を把握・診断するため、その構造物や機械類に生じる歪みの分布や歪みの履歴（歪みの進行速度、最大歪量や動特性の変化等）の計測が要求されることがある。
【０００３】
従来の構造物における健全性モニタリングでは、構造物の所要部位（例えば、鉄骨の溶接部や接合部、補強用垂直ブレス材等の応力集中部）に電気式の歪みゲージや加速度センサを取り付けて歪みを計測している。
【０００４】
しかし、歪みゲージなどの電気式センサでは、センサ部および信号伝送部に電磁ノイズ・雷対策や防錆加工などの様々な処理が必要であることから、最近ではこれを必要としない光ファイバセンサを用いた健全性モニタリングが注目されている。光ファイバセンサは、光信号を用いるため、電磁ノイズに強く、防爆性があり、防錆加工が不要で、屋外で長期間使用できる耐久性を有しており、健全性モニタリングに適している。
【０００５】
上記用途の光ファイバセンサの一つに、ＦＢＧ（Fibber Bragg Grating）方式のものがある（以下この光ファイバセンサをＦＢＧセンサと記す）。
【０００６】
このＦＢＧセンサは、光ファイバのコア部の屈折率を光の進行方向に周期的に変化させ、グレーティングとしたものである。
【０００７】
ＦＢＧセンサのグレーティング部（感応部）は、次式（１）に示すように、屈折率変化の周期ｄと、実効的な屈折率ｎ０とによって定まるブラッグ波長λＢおよびその近傍の波長の光のみを反射し、その他の波長の光を透過させる。
【０００８】
λＢ＝２ｎ０ｄ ……（１）
【０００９】
式（１）からグレーティング部の屈折率ｎ０または周期ｄが変化するとグレーティング部から反射されるブラッグ波長λＢも変化することがわかる。
【００１０】
例えば、ＦＢＧセンサのグレーティング部に外力が負荷されて光ファイバの軸方向に歪εが生じると、それに応じてグレーティング部が伸縮して周期ｄが変化するとともに、実効的な屈折率ｎ０も変化する。この周期と屈折率の変化によって生じるブラッグ波長のシフト量ΔλＢは、次式（２）で与えられる。
【００１１】
ΔλＢ１≒λＢ・（１−ρＣ）・ε ……（２）
ただし、ρＣは光弾性係数であり、歪εによるグレーティング部の実効的な屈折率変化を表す量である。
【００１２】
上式（２）から、ＦＢＧセンサのグレーティング部を測定対象に固定した上でブラッグ波長のシフト量ΔλＢ１を検出すれば、そのグレーティングブラッグ波長が固定された測定対象の歪εを計測することができる。
【００１３】
ただし、ＦＢＧセンサのグレーティング部の周期ｄと実効的な屈折率ｎ０は、外力だけでなく、温度変化ΔＴによっても変化する。次式（３）は、式（１）の両辺を温度で偏微分して温度変化ΔＴとシフト量ΔλＢ２の関係を求めたものである。
【００１４】
ΔλＢ２＝λＢζΔＴ＋λＢαΔＴ ……（３）
ここで、ζは温度変化ΔＴに伴う周期ｄの変化率、αは温度変化ΔＴに伴う屈折率ｎ０の変化率である。
【００１５】
したがって、ＦＢＧセンサのグレーティング部に外力と温度変化ΔＴが同時に負荷されたときのブラッグ波長のシフト量は、次式（４）のように表される。
【００１６】
Δλｆｂｇ＝ΔλＢ１＋ΔλＢ２ ……（４）
【００１７】
つまり、ＦＢＧセンサで実際に検出されるブラッグ波長のシフト量Δλｆｂｇは、外力と温度変化の影響を含んだ結果であり、測定対象に生じた歪εによるシフト量ΔλＢ１だけを検出するためには、温度変化によるシフト量ΔλＢ２を取り除くための温度補償が必要となる。
【００１８】
光ファイバセンサの従来の温度補償方法として、次の特許文献１には、図８に示すように、線形膨張係数が光ファイバと等しい基板６３上に、歪計測用ＦＢＧセンサ６１を固着するとともに、基板６３上に変位が拘束されないように弛んだ状態で温度補償用ＦＢＧセンサ６２を固着し、両ＦＢＧセンサ６１、６２で検出されるブラッグ波長のシフト量の差により歪εを計測する方法が提案されている。
【００１９】
【特許文献１】特許第２９８３０１８号公報
【００２０】
また、次の特許文献２には、図９に示すように、Ｘ方向に相対的に移動可能な第１保持具６４と第２保持具６５の間に第１ＦＢＧセンサ６１と第２ＦＢＧセンサ６２とを一方の張力が強まると他方の張力が弱まるように固定し、両ＦＢＧセンサ６１、６２で検出されるブラッグ波長のシフト量の差によってＸ方向の歪εを計測する方法が開示されている。
【００２１】
【特許文献２】特開２００２−２５７５２０号公報
【００２２】
さらに、次の特許文献３には、図１０に示すように、歪計測用ＦＢＧセンサ６１の両端を取付け板６７、６８で計測対象５０に固定するとともに、計測対象５０と熱膨張率が等しい取付け板６９で温度補償用ＦＢＧセンサ６２の一端のみを計測対象５０に固定し、両ＦＢＧセンサ６１、６２で検出されるブラッグ波長のシフト量の差によって歪εを計測する方法が開示されている。
【００２３】
【特許文献３】特許第３７１１９０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかし、上記特許文献１〜３に開示された温度補償方法は、実際にＦＢＧセンサで検出されるブラッグ波長のシフト量から全ての温度変化の影響を取り除くことができず、計測対象の歪を精度よく計測できない問題点がある。
【００２５】
一般にＦＢＧセンサは、図８に示したように、基板６３などの固定板に接着剤などにより取り付けられたうえで計測対象５０の表面に固定される。固定板の熱膨張率がＦＢＧセンサと異なる場合には、温度変化ΔＴに伴う固定板の伸縮がＦＢＧセンサに伝達され、ブラッグ波長のシフト量に固定板の伸縮の影響が反映される。また、計測対象５０の熱膨張率が固定板と異なる場合には、温度変化ΔＴに伴う計測対象５０の伸縮が固定板を介してＦＢＧセンサに伝達され、ブラッグ波長のシフト量に計測対象５０の伸縮の影響が反映される。したがって、実際にＦＢＧセンサで検出されるブラッグ波長のシフト量の温度補償を行うためには、温度変化ΔＴによってＦＢＧセンサ自体に生じる影響（ΔλＢ２）だけでなく、ＦＢＧセンサに連結された固定板や計測対象の温度変化による伸縮の影響を取り除く必要がある。
【００２６】
具体的にはＦＢＧセンサの線膨張率αと固定板の線膨張率βとが異なると、温度変化ΔＴに伴う固定板の伸縮によってＦＢＧセンサが（β−α）ΔＴに等しい歪を受ける。この固定板伸縮の影響は、次式（１１）のブラッグ波長λＢのシフト量ΔλＢ３となり、検出される温度変化ΔＴの影響によるシフト量Δλsensorは、式（１２）で表される。
【００２７】
ΔλＢ３＝λＢ（１−ρＣ）（β−α）ΔＴ ……（１１）
Δλsensor＝ΔλＢ２＋ΔλＢ３ ……（１２）
【００２８】
また、固定板の線膨張率βと計測対象５０の線膨張率γが異なる場合には、温度変化ΔＴに伴う計測対象５０の伸縮によってＦＢＧセンサが固定板を介して（γ−β）ΔＴに等しい歪を受ける。この計測対象５０の伸縮の影響は、次式（１３）のブラッグ波長のシフト量となり、検出される温度変化ΔＴの影響によるシフト量Δλtargetは、式（１４）で表される。なお、式（１３）のηは歪拡大率であり、計測対象５０の伸縮によって固定板に生じる歪のうち、ＦＢＧセンサに伝達される実効的な歪の割合を示し、固定板の構造により決定される係数である。
【００２９】
ΔλＢ4＝λＢη（１−ρＣ）（γ−β）ΔＴ ……（１３）
Δλtarget＝ΔλＢ２＋ΔλＢ３＋ΔλＢ4 ……（１４）
【００３０】
他方、外力によって生じる計測対象５０の歪εも固定板を介してＦＢＧセンサに伝達されるが、この外力の影響によるシフト量ΔλＢ５は、歪拡大率ηを用いて次式（１５）で表され、外力と温度変化ΔＴとが同時に負荷された場合、式（１６）のシフト量Δλallが検出されることになる。
【００３１】
ΔλＢ５＝λＢη（１−ρＣ）ε ……（１５）
Δλall ＝ΔλＢ２＋ΔλＢ３＋ΔλＢ4＋ΔλＢ5 ……（１６）
【００３２】
よって、ＦＢＧセンサで計測対象５０の歪εを精度よく計測するためには、検出される式（１６）のシフト量Δλallから、温度変化ΔＴの影響による式（１４）のシフト量Δλtargetを取り除く必要がある。
【００３３】
これに対し、図８に示した温度補償方法では、歪計測用ＦＢＧセンサ６１において式（１６）のシフト量Δλallが検出され、両ＦＢＧセンサ６１、６２のシフト量の差は、（ΔλＢ３＋ΔλＢ4＋ΔλＢ5）となる。ここで、ＦＢＧセンサの線膨張率αと固定板（基板６３）の線膨張率βとが等しいことから、式（１１）のシフト量ΔλＢ３は０となるが、次式（２１）のように、求めたいシフト量以外にも温度変化ΔＴに依存す項ΔλＢ４（＝λＢη（１−ρＣ）（γ―β）ΔＴ）が残ってしまい、温度変化ΔＴの影響を取り除くことができない。また、図８の方法では、温度補償用ＦＢＧセンサ６２を弛んだ中空状態で保持しているため、外部から加わる振動に応じて温度補償用ＦＢＧセンサ６２が変形し易く、長期にわたる計測期間中に歪εの計測精度が劣化する恐れがある。
【００３４】
Δλall −ΔλＢ２＝ΔλＢ４＋ΔλＢ
＝λＢη（１−ρＣ）（γ―β）ΔＴ＋λＢη（１−ρＣ）ε……（２１）
【００３５】
また、図９に示した温度補償方法では、第１保持具６４と第２保持具６５とが相対的に移動すると、第１ＦＢＧセンサ６１と第２ＦＢＧセンサ６２とに逆向きの力が加わるので、両ＦＢＧセンサ６１、６２で検出される外力による歪εの影響は（式（１５）のシフト量ΔλＢ５）は、符号が逆向きとなる。また。温度変化ΔＴに伴う計測対象５０の伸縮の影響（式（１３）のシフト量ΔλＢ４）も符号が逆向きとなる。即ち、第１ＦＢＧセンサ６１では、式（１６）のシフト量Δλall（＋）が検出されるのに対し、第２ＦＢＧセンサ６２では、ΔλＢ4、ΔλＢ5の符号が逆向きのシフト量Δλall（−）が（＝ΔλＢ２＋ΔλＢ３−ΔλＢ4−ΔλＢ5）が検出される。したがって、両ＦＢＧセンサ６１、６２のシフト量の差は、次式（２２）となり、やはり温度変化ΔＴに依存す項２ΔλＢ４（＝２λＢη（１−ρＣ）（γ―β）ΔＴ）が残ってしまい、求めたい計測対象５０の歪εの成分ΔλＢ５のみを取り出すことはできない。
【００３６】
Δλall（＋）−Δλall（−）＝２ΔλＢ４＋２ΔλＢ５
＝２λＢη（１−ρＣ）（γ―β）ΔＴ＋λＢη（１−ρＣ）ε……（２２）
【００３７】
さらに、図１０に示した温度補償方法では、温度計測用ＦＢＧセンサ６２の固定板６９の線膨張率βを計測対象５０の線膨張率γと等しくしているため、ＦＢＧセンサ６２で検出される固定板の伸縮による歪の影響は次式（２３）のシフト量ΔλＢ３′となる。即ち、歪計測用ＦＢＧセンサ６１では、式（１６）のシフト量Δλallが検出されるのに対し、温度補償用ＦＢＧセンサ６２では、温度変化ΔＴの影響による式（３）のシフト量ΔλＢ２と式（２３）のシフト量ΔλＢ３′とを重ね合わせたシフト量Δλsensor（＝ΔλＢ２＋ΔλＢ３′）が検出される。したがって、両ＦＢＧセンサ６１、６２のシフト量の差は次式（２４）となり、やはり、温度変化ΔＴに依存する項（η−１）（１−ρＣ）（γ―α）ΔＴが残ってしまい、計測対象５０の歪εを精度よく計測することができない。また、温度計測用モジュールは、片持ち梁構造であるため、長期にわたる計測期間中に温度補償用ＦＢＧセンサ６２が変形して計測精度が劣化する恐れがある。
【００３８】
ΔλＢ３′＝λＢη（１−ρＣ）（γ―α）ΔＴ ……（２３）
Δλall−Δλsensor
＝（η−１）（１−ρＣ）（γ―α）ΔＴ＋λＢη（１−ρＣ）ε……（２４）
【００３９】
上述した温度変化ΔＴに依存する項、即ち式（２１）、（２２）、（２４）の第１項は、その温度変化ΔＴを無視できるような短期的な歪計測であれば大きな問題とはならないが、構造物の小さな歪を長期にわたり計測する健全性モニタリングのように場合には大きな問題となる。
【００４０】
本発明は、上記問題を解決して、ＦＢＧセンサに生じる温度変化ΔＴの影響を取り除いて歪のみを取り出す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している。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の光ファイバセンサは、
計測対象に固定されるベース（２２）と、前記ベースの一面側に弾性変形自在なヒンジ（２３、２４）を介して互いに対向するように立設された一対の腕部（２５、２６）と、前記一対の腕部の中間位置を弾性変形自在なヒンジ（２７、２８）を介して連結する連結部（２９）とを有し、前記計測対象と等しい膨張率を有する材料で一体的に形成され、前記計測対象から前記ベースを伸縮させる力を受けて、前記一対の腕部を互いに反対方向に傾けるファイバ支持体（２１）と、
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ）を有し、前記ファイバ支持体の一対の腕部の、前記連結部から所定距離離れた一端側の位置の間に、前記グレーティング部が挟まれる状態で張力をもって前記腕部に固定された第１のセンサ用光ファイバ（１）と、
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ）を有し、前記ファイバ支持体の前記一対の腕部の、前記連結部から前記所定距離離れた他端側の位置の間に、前記第１のセンサ用光ファイバの張力による前記一対の腕部の傾動を規制し、該張力とバランスさせるための引張力が付与された状態で前記腕部に固定され、前記第１のセンサ用光ファイバと同一特性の第２のセンサ用光ファイバ（１′）とを備えている。
【００４２】
また、本発明の請求項２の計測装置は、
前記請求項１記載の光ファイバセンサ（２０）と、
前記光ファイバセンサの前記第１のセンサ用光ファイバおよび第２のセンサ用光ファイバに光を入射し、それぞれのグレーティング部による反射光の波長を検出する反射光波長検出手段（４１）と、
所定期間における前記第１のセンサ用光ファイバの反射光波長の変化量と、前記所定期間における前記第２のセンサ用光ファイバの反射光波長の変化量とをそれぞれ検出する波長変化量検出手段（４３）と、
前記波長変化量検出手段によって検出された前記第１のセンサ用光ファイバの波長変化量と前記第２のセンサ用光ファイバの波長変化量との減算により、前記計測対象の歪みに伴う波長変化量を算出する歪み成分算出手段（４４）とを備えている。
【発明の効果】
【００４３】
このように、本発明の光ファイバセンサは、計測対象に固定されるベース（２２）と、そのベースの一面側に弾性変形自在なヒンジ（２３、２４）を介して互いに対向するように立設された一対の腕部（２５、２６）と、その一対の腕部の中間位置を弾性変形自在なヒンジ（２７、２８）を介して連結する連結部（２９）とを有し、計測対象と等しい膨張率を有する材料で一体的に形成され、前記計測対象から前記ベースを伸縮させる力を受けて、前記一対の腕部を互いに反対方向に傾けるファイバ支持体（２１）を有しており、そのファイバ支持体の一対の腕部の、連結部から所定距離離れた一端側の位置の間に、グレーティング部を有する第１のセンサ用光ファイバ（１）の両端が張力のある状態で固定され、その第１のセンサ用光ファイバと同一特性の第２のセンサ用光ファイバ（１′）がファイバ支持体の前記一対の腕部の、前記連結部から前記所定距離離れた他端側の位置の間にバランス状態で固定されている。
【００４４】
このため、計測対象の歪みに対しては、両センサ用光ファイバのグレーティング部による反射光の波長変化量の絶対値が等しく、波長変化の方向が逆となり、温度変化に対しては、両センサ用光ファイバのグレーティング部による反射光の波長変化量の絶対値および波長変化の方向が等しくなる。よって、両センサ用光ファイバの波長変化量の減算により温度変化の影響を取り除いた状態で計測対象の歪み成分を正確に検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した光ファイバセンサ２０の構造およびそれを用いた計測装置４０を示している。
【００４６】
この光ファイバセンサ２０のファイバ支持体２１は、計測対象の上に固定されてその変位による力を受けて伸縮するベース２２と、ベース２２の上面側に、弾性変形可能なヒンジ２３、２４を介して互いに対向するようにほぼ平行に立設された一対の腕部２５、２６と、腕部２５、２６の中間位置の間を、弾性変形可能なヒンジ２７、２８を介して連結する連結部２９とを有している。なお、このファイバ支持体２１は、計測対象と同一の膨張率を有する金属、半導体、合成樹脂等の材料により一体的に形成され、ベース２２、腕部２５、２６および連結部２９は、ファイバの張力では変形しない程度の剛性を有し、各ヒンジ２３、２４、２７、２８は、一対の腕部２５、２６および連結部２９が含まれる平面に沿った面内で弾性変形可能となり、その面と直交する方向（ファイバ支持体２１の厚さ方向）へ変形することも規制する形状となっている。
【００４７】
腕部２５、２６の一端側（図１で下端）で連結部２９から所定距離Ｌ離れた位置の間には、ファイバブラッググレーティングが形成された第１のセンサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａが、そのグレーティング部１ａを挟む２点において、張力（プリテンション）Ｔｅを持って固定されている。
【００４８】
また、腕部２５、２６の他端側（図１で上端）で連結部２９から所定距離Ｌ離れた位置の間には、第１のセンサ用光ファイバ１と同一特性を有し、ベース２２に外力がかかっていない状態で、且つ腕部２５、２６がベース２２に対して垂直に立ち、連結部２９がベース２２と平行な基準状態において、第１のセンサ用光ファイバ１に付与されたプリテンションＴｅと等しい張力Ｔｅを付与して、第１のセンサ用光ファイバ１に付与されたプリテンションＴｅによる腕部２５、２６の傾動を規制する第２のセンサ用光ファイバ１′が固定されている。なお、ここでは、腕部２５、２６に対する両センサ用光ファイバ１、１′の固定を接着剤３１によって行っているが、各ファイバ表面がメタライズ加工されている場合には、腕部２５、２６に半田付けして固定することもできる。
【００４９】
このように腕部２５、２６の中間位置をヒンジ２７、２８を介して連結部２９で連結したリンク構造で、は、図２のように、腕部２５のヒンジ２７を中心とする右回りのモーメントと左回りのモーメントは共にＬ・Ｔｅで平衡状態となる。
【００５０】
計測装置４０は、上記構造のファイバセンサ２０の他に反射光波長検出手段４１および演算部４２を有している。
【００５１】
反射光波長検出手段４１は、例えば広帯域光源から光サーキュレータを介して２つのセンサ用光ファイバ１、１′の一端側に入射し、センサ用光ファイバ１、１′のグレーティング部１ａでそれぞれ反射して一端側に戻ってきた反射光を、光サーキュレータを介して波長計測器に入射してその波長を検出する構成や、可変波長光源で波長掃引した光を、光サーキュレータを介してセンサ用光ファイバ１、１′の一端側に入射し、グレーティング部１ａでそれぞれ反射して一端側に戻ってきた光を、光サーキュレータを介して受光器に入射し、受光器への入射光強度がピークになるタイミングにおける可変波長光源の掃引波長を検出する構成等が考えられる。
【００５２】
演算部４２は、反射光波長検出手段５１によって検出された反射光の波長から計測対象の歪みを検出するために、波長変化量検出手段４３と歪み成分算出手段４４とを有している。
【００５３】
波長変化量検出手段４３は、所定期間における第１のセンサ用光ファイバ１の反射光波長の変化量と、所定期間における第２のセンサ用光ファイバ１′の反射光波長の変化量とをそれぞれ検出する。
【００５４】
また、歪み成分算出手段４４は、波長変化量検出手段４３によって検出された第１のセンサ用光ファイバ１の波長変化量と、第２のセンサ用光ファイバ１′の波長変化量との減算により、計測対象の歪みに伴う波長変化量を算出する。
【００５５】
ここで、温度変化が無い状態において、図３（ａ）のように基準状態の光ファイバセンサ２０に対して計測対象５０の歪による外力Ｆがベース２２を伸ばす方向に加わった場合、腕部２５、２６は、図３（ｂ）のように、ハの字状に傾き、腕部２５、２６に支持されている第１のセンサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａに対する張力がＴｅ＋ΔＴｅに増し、その増分ΔＴｅに応じてブラッグ波長（反射光波長：以下同様）が長くなる。逆に第２のセンサ用光ファイバ１′のグレーティング部１ａに対する張力がＴｅ−ΔＴｅに減少し、その減少分ΔＴｅに応じてブラッグ波長が短くなる。
【００５６】
また、図４（ａ）のように、基準状態の光ファイバセンサ２０に対して計測対象５０の歪による外力Ｆがベース２２を縮める方向に加わった場合、腕部２５、２６は図４（ｂ）のように、逆ハ字状に傾き、第１のセンサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａに対する張力がＴｅ−ΔＴｅに減少して、その減少分ΔＴｅに応じてブラッグ波長が短くなり、第２のセンサ用光ファイバ１′のグレーティング部１ａに対する張力がＴｅ＋ΔＴｅに増し、その増加分ΔＴｅに応じてブラッグ波長が長くなる。
【００５７】
一方、計測対象５０の歪による外力Ｆが加わっていない状態で、温度変化ΔＴがある場合で、例えば図５（ａ）のように、計測対象５０が伸びた場合、それと膨張率が等しいファイバ支持体２１全体が計測対象５０と一体的に膨張し、前記基準状態を保持したまま腕部２５、２６の間隔が拡がり、両センサ用光ファイバ１、１′の張力はともにＴｅ＋ΔＴｅ′に増し、その増加分ΔＴｅ′に応じてブラッグ波長が長くなる。
【００５８】
逆に、図５（ｂ）のように、計測対象５０が縮んだ場合、それと線膨張率が等しい光ファイバセンサ２０全体が計測対象５０と同等に収縮し、基準状態のまま腕部２５、２６の間隔が狭まり、両センサ用光ファイバ１、１′の張力はともにＴｅ−ΔＴｅ′に減少し、その減少分ΔＴｅ′に応じてブラッグ波長が短くなる。
【００５９】
上記構造の光ファイバセンサ２０において、計測対象５０の歪εに伴う外力と温度変化ΔＴとが同時に負荷された場合、第１のセンサ用光ファイバ１において発生する反射光波長のシフト量Δλall（＋）と、第２のセンサ用光ファイバ１′において発生する反射光波長のシフト量Δλall（−）は、前述の各パラメータΔλＢ２〜ΔλＢ5を用いて、次式（３１）、（３２）でそれぞれ表され、それらが前記波長変化量検出手段４３により検出されることになる。
【００６０】
Δλall（＋） ＝ΔλＢ２＋ΔλＢ３＋ΔλＢ4＋ΔλＢ5 ……（３１）
Δλall（−） ＝ΔλＢ２＋ΔλＢ３−ΔλＢ4−ΔλＢ5 ……（３２）
【００６１】
そして、歪み成分算出手段４４により、上記シフト量の差Δλｄｉｆが、次式（３３）の演算で求められる。
【００６２】
Δλｄｉｆ＝Δλall（＋）−Δλall（−）＝２ΔλＢ４＋２ΔλＢ５
＝２λＢη（１−ρＣ）（γ―β）ΔＴ＋２λＢη（１−ρＣ）ε……（３３）
【００６３】
ここで、センサ支持体２１の熱膨張率βは計測対象５０の熱膨張率γと等しい（ΔλＢ４＝０）ので、上式（３３）の第１項目は０となり、上記シフト量の差Δλｄｉｆは、次式（３３）′となる。
【００６４】
Δλｄｉｆ＝２λＢη（１−ρＣ）ε……（３３）′
【００６５】
したがって、計測の基準となるブラッグ波長λＢ、歪拡大率η、光弾性係数ρＣをあらかじめ演算部４２に記憶しておくことで、計測によって得られたシフト量の差Δλｄｉｆから計測対象５０に負荷された歪εを次式（３４）で求めることができる。
【００６６】
ε＝Δλｄｉｆ／［２λＢη（１−ρＣ）］……（３４）
【００６７】
なお、上記シフト量を次式（３５）のように加算すると計測対象５０の歪の影響を取り除いて温度変化ΔＴのみに依存する値が得られる。
【００６８】
Δλall（＋）＋Δλall（−）＝２ΔλＢ２＋２ΔλＢ３
＝２（λＢζΔＴ＋λＢαΔＴ）＋２λＢη（１−ρＣ）（β−α）ΔＴ…（３５）
【００６９】
したがって、この式から温度変化ΔＴを算出することも可能であり、上記の歪算出において、例えば僅かな膨張率差によって生じる温度変化に伴う誤差をさらに極小化することもできる。
【００７０】
前記実施形態では、両センサ用光ファイバ１、１′を腕部２５、２６の表面に固定していたが、これは本発明を限定するものではなく、図６のように、腕部２５、２６の上部側と下部側の中央を貫通する穴４５、４６、４７、４８にファイバを通した状態で固定してもよい。
【００７１】
また、図７のように、ベース２２側からヒンジ２３、２４を通過して腕部２５、２６の下部中央まで連続するスリット７０に一方のセンサ用光ファイバ１を通して固定し、腕部２５の上面から上部中央まで連続するスリット７１と、腕部２６の上面から上部中央まで連続するスリット７２とに他方のセンサ用光ファイバ１′を通して固定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施形態の構成図
【図２】実施形態の平衡条件を説明するための図
【図３】実施形態の動作説明図
【図４】実施形態の動作説明図
【図５】実施形態の動作説明図
【図６】本発明の他の実施形態を示す図
【図７】本発明の他の実施形態を示す図
【図８】従来装置の概略構成図
【図９】従来装置の概略構成図
【図１０】従来装置の概略構成図
【符号の説明】
【００７３】
１、１′……センサ用光ファイバ、１ａ……グレーティング部、２０……光ファイバセンサ、２１……ファイバ支持体、２２……ベース、２３、２４……ヒンジ、２５、２６……腕部、２７、２８……ヒンジ、２９……連結部、４０……計測装置、４１……反射光波長検出手段、４２……演算部、４３……波長変化量検出手段、４３……歪成分算出手段、４５〜４８……穴、５０……計測対象、７０〜７２……スリット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コアにグレーティング部が形成されたＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）方式の光ファイバを用いて計測対象に生じた歪みを検出するための光ファイバセンサにおいて、光ファイバセンサの出力に対する温度の影響を抑制するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビル・橋梁などの構造物や設備機器等の機械類の耐久性、疲労、損傷、寿命等（以下、これらをまとめて健全性という）を把握・診断するため、その構造物や機械類に生じる歪みの分布や歪みの履歴（歪みの進行速度、最大歪量や動特性の変化等）の計測が要求されることがある。
【０００３】
従来の構造物における健全性モニタリングでは、構造物の所要部位（例えば、鉄骨の溶接部や接合部、補強用垂直ブレス材等の応力集中部）に電気式の歪みゲージや加速度センサを取り付けて歪みを計測している。
【０００４】
しかし、歪みゲージなどの電気式センサでは、センサ部および信号伝送部に電磁ノイズ・雷対策や防錆加工などの様々な処理が必要であることから、最近ではこれを必要としない光ファイバセンサを用いた健全性モニタリングが注目されている。光ファイバセンサは、光信号を用いるため、電磁ノイズに強く、防爆性があり、防錆加工が不要で、屋外で長期間使用できる耐久性を有しており、健全性モニタリングに適している。
【０００５】
上記用途の光ファイバセンサの一つに、ＦＢＧ（Fibber Bragg Grating）方式のものがある（以下この光ファイバセンサをＦＢＧセンサと記す）。
【０００６】
このＦＢＧセンサは、光ファイバのコア部の屈折率を光の進行方向に周期的に変化させ、グレーティングとしたものである。
【０００７】
ＦＢＧセンサのグレーティング部（感応部）は、次式（１）に示すように、屈折率変化の周期ｄと、実効的な屈折率ｎ０とによって定まるブラッグ波長λＢおよびその近傍の波長の光のみを反射し、その他の波長の光を透過させる。
【０００８】
λＢ＝２ｎ０ｄ ……（１）
【０００９】
式（１）からグレーティング部の屈折率ｎ０または周期ｄが変化するとグレーティング部から反射されるブラッグ波長λＢも変化することがわかる。
【００１０】
例えば、ＦＢＧセンサのグレーティング部に外力が負荷されて光ファイバの軸方向に歪εが生じると、それに応じてグレーティング部が伸縮して周期ｄが変化するとともに、実効的な屈折率ｎ０も変化する。この周期と屈折率の変化によって生じるブラッグ波長のシフト量ΔλＢは、次式（２）で与えられる。
【００１１】
ΔλＢ１≒λＢ・（１−ρＣ）・ε ……（２）
ただし、ρＣは光弾性係数であり、歪εによるグレーティング部の実効的な屈折率変化を表す量である。
【００１２】
上式（２）から、ＦＢＧセンサのグレーティング部を測定対象に固定した上でブラッグ波長のシフト量ΔλＢ１を検出すれば、そのグレーティングブラッグ波長が固定された測定対象の歪εを計測することができる。
【００１３】
ただし、ＦＢＧセンサのグレーティング部の周期ｄと実効的な屈折率ｎ０は、外力だけでなく、温度変化ΔＴによっても変化する。次式（３）は、式（１）の両辺を温度で偏微分して温度変化ΔＴとシフト量ΔλＢ２の関係を求めたものである。
【００１４】
ΔλＢ２＝λＢζΔＴ＋λＢαΔＴ ……（３）
ここで、ζは温度変化ΔＴに伴う周期ｄの変化率、αは温度変化ΔＴに伴う屈折率ｎ０の変化率である。
【００１５】
したがって、ＦＢＧセンサのグレーティング部に外力と温度変化ΔＴが同時に負荷されたときのブラッグ波長のシフト量は、次式（４）のように表される。
【００１６】
Δλｆｂｇ＝ΔλＢ１＋ΔλＢ２ ……（４）
【００１７】
つまり、ＦＢＧセンサで実際に検出されるブラッグ波長のシフト量Δλｆｂｇは、外力と温度変化の影響を含んだ結果であり、測定対象に生じた歪εによるシフト量ΔλＢ１だけを検出するためには、温度変化によるシフト量ΔλＢ２を取り除くための温度補償が必要となる。
【００１８】
光ファイバセンサの従来の温度補償方法として、次の特許文献１には、図８に示すように、線形膨張係数が光ファイバと等しい基板６３上に、歪計測用ＦＢＧセンサ６１を固着するとともに、基板６３上に変位が拘束されないように弛んだ状態で温度補償用ＦＢＧセンサ６２を固着し、両ＦＢＧセンサ６１、６２で検出されるブラッグ波長のシフト量の差により歪εを計測する方法が提案されている。
【００１９】
【特許文献１】特許第２９８３０１８号公報
【００２０】
また、次の特許文献２には、図９に示すように、Ｘ方向に相対的に移動可能な第１保持具６４と第２保持具６５の間に第１ＦＢＧセンサ６１と第２ＦＢＧセンサ６２とを一方の張力が強まると他方の張力が弱まるように固定し、両ＦＢＧセンサ６１、６２で検出されるブラッグ波長のシフト量の差によってＸ方向の歪εを計測する方法が開示されている。
【００２１】
【特許文献２】特開２００２−２５７５２０号公報
【００２２】
さらに、次の特許文献３には、図１０に示すように、歪計測用ＦＢＧセンサ６１の両端を取付け板６７、６８で計測対象５０に固定するとともに、計測対象５０と熱膨張率が等しい取付け板６９で温度補償用ＦＢＧセンサ６２の一端のみを計測対象５０に固定し、両ＦＢＧセンサ６１、６２で検出されるブラッグ波長のシフト量の差によって歪εを計測する方法が開示されている。
【００２３】
【特許文献３】特許第３７１１９０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかし、上記特許文献１〜３に開示された温度補償方法は、実際にＦＢＧセンサで検出されるブラッグ波長のシフト量から全ての温度変化の影響を取り除くことができず、計測対象の歪を精度よく計測できない問題点がある。
【００２５】
一般にＦＢＧセンサは、図８に示したように、基板６３などの固定板に接着剤などにより取り付けられたうえで計測対象５０の表面に固定される。固定板の熱膨張率がＦＢＧセンサと異なる場合には、温度変化ΔＴに伴う固定板の伸縮がＦＢＧセンサに伝達され、ブラッグ波長のシフト量に固定板の伸縮の影響が反映される。また、計測対象５０の熱膨張率が固定板と異なる場合には、温度変化ΔＴに伴う計測対象５０の伸縮が固定板を介してＦＢＧセンサに伝達され、ブラッグ波長のシフト量に計測対象５０の伸縮の影響が反映される。したがって、実際にＦＢＧセンサで検出されるブラッグ波長のシフト量の温度補償を行うためには、温度変化ΔＴによってＦＢＧセンサ自体に生じる影響（ΔλＢ２）だけでなく、ＦＢＧセンサに連結された固定板や計測対象の温度変化による伸縮の影響を取り除く必要がある。
【００２６】
具体的にはＦＢＧセンサの線膨張率αと固定板の線膨張率βとが異なると、温度変化ΔＴに伴う固定板の伸縮によってＦＢＧセンサが（β−α）ΔＴに等しい歪を受ける。この固定板伸縮の影響は、次式（１１）のブラッグ波長λＢのシフト量ΔλＢ３となり、検出される温度変化ΔＴの影響によるシフト量Δλsensorは、式（１２）で表される。
【００２７】
ΔλＢ３＝λＢ（１−ρＣ）（β−α）ΔＴ ……（１１）
Δλsensor＝ΔλＢ２＋ΔλＢ３ ……（１２）
【００２８】
また、固定板の線膨張率βと計測対象５０の線膨張率γが異なる場合には、温度変化ΔＴに伴う計測対象５０の伸縮によってＦＢＧセンサが固定板を介して（γ−β）ΔＴに等しい歪を受ける。この計測対象５０の伸縮の影響は、次式（１３）のブラッグ波長のシフト量となり、検出される温度変化ΔＴの影響によるシフト量Δλtargetは、式（１４）で表される。なお、式（１３）のηは歪拡大率であり、計測対象５０の伸縮によって固定板に生じる歪のうち、ＦＢＧセンサに伝達される実効的な歪の割合を示し、固定板の構造により決定される係数である。
【００２９】
ΔλＢ4＝λＢη（１−ρＣ）（γ−β）ΔＴ ……（１３）
Δλtarget＝ΔλＢ２＋ΔλＢ３＋ΔλＢ4 ……（１４）
【００３０】
他方、外力によって生じる計測対象５０の歪εも固定板を介してＦＢＧセンサに伝達されるが、この外力の影響によるシフト量ΔλＢ５は、歪拡大率ηを用いて次式（１５）で表され、外力と温度変化ΔＴとが同時に負荷された場合、式（１６）のシフト量Δλallが検出されることになる。
【００３１】
ΔλＢ５＝λＢη（１−ρＣ）ε ……（１５）
Δλall ＝ΔλＢ２＋ΔλＢ３＋ΔλＢ4＋ΔλＢ5 ……（１６）
【００３２】
よって、ＦＢＧセンサで計測対象５０の歪εを精度よく計測するためには、検出される式（１６）のシフト量Δλallから、温度変化ΔＴの影響による式（１４）のシフト量Δλtargetを取り除く必要がある。
【００３３】
これに対し、図８に示した温度補償方法では、歪計測用ＦＢＧセンサ６１において式（１６）のシフト量Δλallが検出され、両ＦＢＧセンサ６１、６２のシフト量の差は、（ΔλＢ３＋ΔλＢ4＋ΔλＢ5）となる。ここで、ＦＢＧセンサの線膨張率αと固定板（基板６３）の線膨張率βとが等しいことから、式（１１）のシフト量ΔλＢ３は０となるが、次式（２１）のように、求めたいシフト量以外にも温度変化ΔＴに依存す項ΔλＢ４（＝λＢη（１−ρＣ）（γ―β）ΔＴ）が残ってしまい、温度変化ΔＴの影響を取り除くことができない。また、図８の方法では、温度補償用ＦＢＧセンサ６２を弛んだ中空状態で保持しているため、外部から加わる振動に応じて温度補償用ＦＢＧセンサ６２が変形し易く、長期にわたる計測期間中に歪εの計測精度が劣化する恐れがある。
【００３４】
Δλall −ΔλＢ２＝ΔλＢ４＋ΔλＢ
＝λＢη（１−ρＣ）（γ―β）ΔＴ＋λＢη（１−ρＣ）ε……（２１）
【００３５】
また、図９に示した温度補償方法では、第１保持具６４と第２保持具６５とが相対的に移動すると、第１ＦＢＧセンサ６１と第２ＦＢＧセンサ６２とに逆向きの力が加わるので、両ＦＢＧセンサ６１、６２で検出される外力による歪εの影響は（式（１５）のシフト量ΔλＢ５）は、符号が逆向きとなる。また。温度変化ΔＴに伴う計測対象５０の伸縮の影響（式（１３）のシフト量ΔλＢ４）も符号が逆向きとなる。即ち、第１ＦＢＧセンサ６１では、式（１６）のシフト量Δλall（＋）が検出されるのに対し、第２ＦＢＧセンサ６２では、ΔλＢ4、ΔλＢ5の符号が逆向きのシフト量Δλall（−）が（＝ΔλＢ２＋ΔλＢ３−ΔλＢ4−ΔλＢ5）が検出される。したがって、両ＦＢＧセンサ６１、６２のシフト量の差は、次式（２２）となり、やはり温度変化ΔＴに依存す項２ΔλＢ４（＝２λＢη（１−ρＣ）（γ―β）ΔＴ）が残ってしまい、求めたい計測対象５０の歪εの成分ΔλＢ５のみを取り出すことはできない。
【００３６】
Δλall（＋）−Δλall（−）＝２ΔλＢ４＋２ΔλＢ５
＝２λＢη（１−ρＣ）（γ―β）ΔＴ＋λＢη（１−ρＣ）ε……（２２）
【００３７】
さらに、図１０に示した温度補償方法では、温度計測用ＦＢＧセンサ６２の固定板６９の線膨張率βを計測対象５０の線膨張率γと等しくしているため、ＦＢＧセンサ６２で検出される固定板の伸縮による歪の影響は次式（２３）のシフト量ΔλＢ３′となる。即ち、歪計測用ＦＢＧセンサ６１では、式（１６）のシフト量Δλallが検出されるのに対し、温度補償用ＦＢＧセンサ６２では、温度変化ΔＴの影響による式（３）のシフト量ΔλＢ２と式（２３）のシフト量ΔλＢ３′とを重ね合わせたシフト量Δλsensor（＝ΔλＢ２＋ΔλＢ３′）が検出される。したがって、両ＦＢＧセンサ６１、６２のシフト量の差は次式（２４）となり、やはり、温度変化ΔＴに依存する項（η−１）（１−ρＣ）（γ―α）ΔＴが残ってしまい、計測対象５０の歪εを精度よく計測することができない。また、温度計測用モジュールは、片持ち梁構造であるため、長期にわたる計測期間中に温度補償用ＦＢＧセンサ６２が変形して計測精度が劣化する恐れがある。
【００３８】
ΔλＢ３′＝λＢη（１−ρＣ）（γ―α）ΔＴ ……（２３）
Δλall−Δλsensor
＝（η−１）（１−ρＣ）（γ―α）ΔＴ＋λＢη（１−ρＣ）ε……（２４）
【００３９】
上述した温度変化ΔＴに依存する項、即ち式（２１）、（２２）、（２４）の第１項は、その温度変化ΔＴを無視できるような短期的な歪計測であれば大きな問題とはならないが、構造物の小さな歪を長期にわたり計測する健全性モニタリングのように場合には大きな問題となる。
【００４０】
本発明は、上記問題を解決して、ＦＢＧセンサに生じる温度変化ΔＴの影響を取り除いて歪のみを取り出す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している。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の光ファイバセンサは、
計測対象に固定されるベース（２２）と、前記ベースの一面側に弾性変形自在なヒンジ（２３、２４）を介して互いに対向するように立設された一対の腕部（２５、２６）と、前記一対の腕部の中間位置を弾性変形自在なヒンジ（２７、２８）を介して連結する連結部（２９）とを有し、前記計測対象と等しい膨張率を有する材料で一体的に形成され、前記計測対象から前記ベースを伸縮させる力を受けて、前記一対の腕部を互いに反対方向に傾けるファイバ支持体（２１）と、
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ）を有し、前記ファイバ支持体の一対の腕部の、前記連結部から所定距離離れた一端側の位置の間に、前記グレーティング部が挟まれる状態で張力をもって前記腕部に固定された第１のセンサ用光ファイバ（１）と、
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ）を有し、前記ファイバ支持体の前記一対の腕部の、前記連結部から前記所定距離離れた他端側の位置の間に、前記第１のセンサ用光ファイバの張力による前記一対の腕部の傾動を規制し、該張力とバランスさせるための引張力が付与された状態で前記腕部に固定され、前記第１のセンサ用光ファイバと同一特性の第２のセンサ用光ファイバ（１′）とを備えている。
【００４２】
また、本発明の請求項２の計測装置は、
前記請求項１記載の光ファイバセンサ（２０）と、
前記光ファイバセンサの前記第１のセンサ用光ファイバおよび第２のセンサ用光ファイバに光を入射し、それぞれのグレーティング部による反射光の波長を検出する反射光波長検出手段（４１）と、
所定期間における前記第１のセンサ用光ファイバの反射光波長の変化量と、前記所定期間における前記第２のセンサ用光ファイバの反射光波長の変化量とをそれぞれ検出する波長変化量検出手段（４３）と、
前記波長変化量検出手段によって検出された前記第１のセンサ用光ファイバの波長変化量と前記第２のセンサ用光ファイバの波長変化量との減算により、前記計測対象の歪みに伴う波長変化量を算出する歪み成分算出手段（４４）とを備えている。
【発明の効果】
【００４３】
このように、本発明の光ファイバセンサは、計測対象に固定されるベース（２２）と、そのベースの一面側に弾性変形自在なヒンジ（２３、２４）を介して互いに対向するように立設された一対の腕部（２５、２６）と、その一対の腕部の中間位置を弾性変形自在なヒンジ（２７、２８）を介して連結する連結部（２９）とを有し、計測対象と等しい膨張率を有する材料で一体的に形成され、前記計測対象から前記ベースを伸縮させる力を受けて、前記一対の腕部を互いに反対方向に傾けるファイバ支持体（２１）を有しており、そのファイバ支持体の一対の腕部の、連結部から所定距離離れた一端側の位置の間に、グレーティング部を有する第１のセンサ用光ファイバ（１）の両端が張力のある状態で固定され、その第１のセンサ用光ファイバと同一特性の第２のセンサ用光ファイバ（１′）がファイバ支持体の前記一対の腕部の、前記連結部から前記所定距離離れた他端側の位置の間にバランス状態で固定されている。
【００４４】
このため、計測対象の歪みに対しては、両センサ用光ファイバのグレーティング部による反射光の波長変化量の絶対値が等しく、波長変化の方向が逆となり、温度変化に対しては、両センサ用光ファイバのグレーティング部による反射光の波長変化量の絶対値および波長変化の方向が等しくなる。よって、両センサ用光ファイバの波長変化量の減算により温度変化の影響を取り除いた状態で計測対象の歪み成分を正確に検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した光ファイバセンサ２０の構造およびそれを用いた計測装置４０を示している。
【００４６】
この光ファイバセンサ２０のファイバ支持体２１は、計測対象の上に固定されてその変位による力を受けて伸縮するベース２２と、ベース２２の上面側に、弾性変形可能なヒンジ２３、２４を介して互いに対向するようにほぼ平行に立設された一対の腕部２５、２６と、腕部２５、２６の中間位置の間を、弾性変形可能なヒンジ２７、２８を介して連結する連結部２９とを有している。なお、このファイバ支持体２１は、計測対象と同一の膨張率を有する金属、半導体、合成樹脂等の材料により一体的に形成され、ベース２２、腕部２５、２６および連結部２９は、ファイバの張力では変形しない程度の剛性を有し、各ヒンジ２３、２４、２７、２８は、一対の腕部２５、２６および連結部２９が含まれる平面に沿った面内で弾性変形可能となり、その面と直交する方向（ファイバ支持体２１の厚さ方向）へ変形することも規制する形状となっている。
【００４７】
腕部２５、２６の一端側（図１で下端）で連結部２９から所定距離Ｌ離れた位置の間には、ファイバブラッググレーティングが形成された第１のセンサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａが、そのグレーティング部１ａを挟む２点において、張力（プリテンション）Ｔｅを持って固定されている。
【００４８】
また、腕部２５、２６の他端側（図１で上端）で連結部２９から所定距離Ｌ離れた位置の間には、第１のセンサ用光ファイバ１と同一特性を有し、ベース２２に外力がかかっていない状態で、且つ腕部２５、２６がベース２２に対して垂直に立ち、連結部２９がベース２２と平行な基準状態において、第１のセンサ用光ファイバ１に付与されたプリテンションＴｅと等しい張力Ｔｅを付与して、第１のセンサ用光ファイバ１に付与されたプリテンションＴｅによる腕部２５、２６の傾動を規制する第２のセンサ用光ファイバ１′が固定されている。なお、ここでは、腕部２５、２６に対する両センサ用光ファイバ１、１′の固定を接着剤３１によって行っているが、各ファイバ表面がメタライズ加工されている場合には、腕部２５、２６に半田付けして固定することもできる。
【００４９】
このように腕部２５、２６の中間位置をヒンジ２７、２８を介して連結部２９で連結したリンク構造で、は、図２のように、腕部２５のヒンジ２７を中心とする右回りのモーメントと左回りのモーメントは共にＬ・Ｔｅで平衡状態となる。
【００５０】
計測装置４０は、上記構造のファイバセンサ２０の他に反射光波長検出手段４１および演算部４２を有している。
【００５１】
反射光波長検出手段４１は、例えば広帯域光源から光サーキュレータを介して２つのセンサ用光ファイバ１、１′の一端側に入射し、センサ用光ファイバ１、１′のグレーティング部１ａでそれぞれ反射して一端側に戻ってきた反射光を、光サーキュレータを介して波長計測器に入射してその波長を検出する構成や、可変波長光源で波長掃引した光を、光サーキュレータを介してセンサ用光ファイバ１、１′の一端側に入射し、グレーティング部１ａでそれぞれ反射して一端側に戻ってきた光を、光サーキュレータを介して受光器に入射し、受光器への入射光強度がピークになるタイミングにおける可変波長光源の掃引波長を検出する構成等が考えられる。
【００５２】
演算部４２は、反射光波長検出手段５１によって検出された反射光の波長から計測対象の歪みを検出するために、波長変化量検出手段４３と歪み成分算出手段４４とを有している。
【００５３】
波長変化量検出手段４３は、所定期間における第１のセンサ用光ファイバ１の反射光波長の変化量と、所定期間における第２のセンサ用光ファイバ１′の反射光波長の変化量とをそれぞれ検出する。
【００５４】
また、歪み成分算出手段４４は、波長変化量検出手段４３によって検出された第１のセンサ用光ファイバ１の波長変化量と、第２のセンサ用光ファイバ１′の波長変化量との減算により、計測対象の歪みに伴う波長変化量を算出する。
【００５５】
ここで、温度変化が無い状態において、図３（ａ）のように基準状態の光ファイバセンサ２０に対して計測対象５０の歪による外力Ｆがベース２２を伸ばす方向に加わった場合、腕部２５、２６は、図３（ｂ）のように、ハの字状に傾き、腕部２５、２６に支持されている第１のセンサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａに対する張力がＴｅ＋ΔＴｅに増し、その増分ΔＴｅに応じてブラッグ波長（反射光波長：以下同様）が長くなる。逆に第２のセンサ用光ファイバ１′のグレーティング部１ａに対する張力がＴｅ−ΔＴｅに減少し、その減少分ΔＴｅに応じてブラッグ波長が短くなる。
【００５６】
また、図４（ａ）のように、基準状態の光ファイバセンサ２０に対して計測対象５０の歪による外力Ｆがベース２２を縮める方向に加わった場合、腕部２５、２６は図４（ｂ）のように、逆ハ字状に傾き、第１のセンサ用光ファイバ１のグレーティング部１ａに対する張力がＴｅ−ΔＴｅに減少して、その減少分ΔＴｅに応じてブラッグ波長が短くなり、第２のセンサ用光ファイバ１′のグレーティング部１ａに対する張力がＴｅ＋ΔＴｅに増し、その増加分ΔＴｅに応じてブラッグ波長が長くなる。
【００５７】
一方、計測対象５０の歪による外力Ｆが加わっていない状態で、温度変化ΔＴがある場合で、例えば図５（ａ）のように、計測対象５０が伸びた場合、それと膨張率が等しいファイバ支持体２１全体が計測対象５０と一体的に膨張し、前記基準状態を保持したまま腕部２５、２６の間隔が拡がり、両センサ用光ファイバ１、１′の張力はともにＴｅ＋ΔＴｅ′に増し、その増加分ΔＴｅ′に応じてブラッグ波長が長くなる。
【００５８】
逆に、図５（ｂ）のように、計測対象５０が縮んだ場合、それと線膨張率が等しい光ファイバセンサ２０全体が計測対象５０と同等に収縮し、基準状態のまま腕部２５、２６の間隔が狭まり、両センサ用光ファイバ１、１′の張力はともにＴｅ−ΔＴｅ′に減少し、その減少分ΔＴｅ′に応じてブラッグ波長が短くなる。
【００５９】
上記構造の光ファイバセンサ２０において、計測対象５０の歪εに伴う外力と温度変化ΔＴとが同時に負荷された場合、第１のセンサ用光ファイバ１において発生する反射光波長のシフト量Δλall（＋）と、第２のセンサ用光ファイバ１′において発生する反射光波長のシフト量Δλall（−）は、前述の各パラメータΔλＢ２〜ΔλＢ5を用いて、次式（３１）、（３２）でそれぞれ表され、それらが前記波長変化量検出手段４３により検出されることになる。
【００６０】
Δλall（＋） ＝ΔλＢ２＋ΔλＢ３＋ΔλＢ4＋ΔλＢ5 ……（３１）
Δλall（−） ＝ΔλＢ２＋ΔλＢ３−ΔλＢ4−ΔλＢ5 ……（３２）
【００６１】
そして、歪み成分算出手段４４により、上記シフト量の差Δλｄｉｆが、次式（３３）の演算で求められる。
【００６２】
Δλｄｉｆ＝Δλall（＋）−Δλall（−）＝２ΔλＢ４＋２ΔλＢ５
＝２λＢη（１−ρＣ）（γ―β）ΔＴ＋２λＢη（１−ρＣ）ε……（３３）
【００６３】
ここで、センサ支持体２１の熱膨張率βは計測対象５０の熱膨張率γと等しい（ΔλＢ４＝０）ので、上式（３３）の第１項目は０となり、上記シフト量の差Δλｄｉｆは、次式（３３）′となる。
【００６４】
Δλｄｉｆ＝２λＢη（１−ρＣ）ε……（３３）′
【００６５】
したがって、計測の基準となるブラッグ波長λＢ、歪拡大率η、光弾性係数ρＣをあらかじめ演算部４２に記憶しておくことで、計測によって得られたシフト量の差Δλｄｉｆから計測対象５０に負荷された歪εを次式（３４）で求めることができる。
【００６６】
ε＝Δλｄｉｆ／［２λＢη（１−ρＣ）］……（３４）
【００６７】
なお、上記シフト量を次式（３５）のように加算すると計測対象５０の歪の影響を取り除いて温度変化ΔＴのみに依存する値が得られる。
【００６８】
Δλall（＋）＋Δλall（−）＝２ΔλＢ２＋２ΔλＢ３
＝２（λＢζΔＴ＋λＢαΔＴ）＋２λＢη（１−ρＣ）（β−α）ΔＴ…（３５）
【００６９】
したがって、この式から温度変化ΔＴを算出することも可能であり、上記の歪算出において、例えば僅かな膨張率差によって生じる温度変化に伴う誤差をさらに極小化することもできる。
【００７０】
前記実施形態では、両センサ用光ファイバ１、１′を腕部２５、２６の表面に固定していたが、これは本発明を限定するものではなく、図６のように、腕部２５、２６の上部側と下部側の中央を貫通する穴４５、４６、４７、４８にファイバを通した状態で固定してもよい。
【００７１】
また、図７のように、ベース２２側からヒンジ２３、２４を通過して腕部２５、２６の下部中央まで連続するスリット７０に一方のセンサ用光ファイバ１を通して固定し、腕部２５の上面から上部中央まで連続するスリット７１と、腕部２６の上面から上部中央まで連続するスリット７２とに他方のセンサ用光ファイバ１′を通して固定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施形態の構成図
【図２】実施形態の平衡条件を説明するための図
【図３】実施形態の動作説明図
【図４】実施形態の動作説明図
【図５】実施形態の動作説明図
【図６】本発明の他の実施形態を示す図
【図７】本発明の他の実施形態を示す図
【図８】従来装置の概略構成図
【図９】従来装置の概略構成図
【図１０】従来装置の概略構成図
【符号の説明】
【００７３】
１、１′……センサ用光ファイバ、１ａ……グレーティング部、２０……光ファイバセンサ、２１……ファイバ支持体、２２……ベース、２３、２４……ヒンジ、２５、２６……腕部、２７、２８……ヒンジ、２９……連結部、４０……計測装置、４１……反射光波長検出手段、４２……演算部、４３……波長変化量検出手段、４３……歪成分算出手段、４５〜４８……穴、５０……計測対象、７０〜７２……スリット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象に固定されるベース（２２）と、前記ベースの一面側に弾性変形自在なヒンジ（２３、２４）を介して互いに対向するように立設された一対の腕部（２５、２６）と、前記一対の腕部の中間位置を弾性変形自在なヒンジ（２７、２８）を介して連結する連結部（２９）とを有し、前記計測対象と等しい膨張率を有する材料で一体的に形成され、前記計測対象から前記ベースを伸縮させる力を受けて、前記一対の腕部を互いに反対方向に傾けるファイバ支持体（２１）と、
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ）を有し、前記ファイバ支持体の一対の腕部の、前記連結部から所定距離離れた一端側の位置の間に、前記グレーティング部が挟まれる状態で張力をもって前記腕部に固定された第１のセンサ用光ファイバ（１）と、
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ）を有し、前記ファイバ支持体の前記一対の腕部の、前記連結部から前記所定距離離れた他端側の位置の間に、前記第１のセンサ用光ファイバの張力による前記一対の腕部の傾動を規制し、該張力とバランスさせるための引張力が付与された状態で前記腕部に固定され、前記第１のセンサ用光ファイバと同一特性の第２のセンサ用光ファイバ（１′）とを備えた光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記請求項１記載の光ファイバセンサ（２０）と、
前記光ファイバセンサの前記第１のセンサ用光ファイバおよび第２のセンサ用光ファイバに光を入射し、それぞれのグレーティング部による反射光の波長を検出する反射光波長検出手段（４１）と、
所定期間における前記第１のセンサ用光ファイバの反射光波長の変化量と、前記所定期間における前記第２のセンサ用光ファイバの反射光波長の変化量とをそれぞれ検出する波長変化量検出手段（４３）と、
前記波長変化量検出手段によって検出された前記第１のセンサ用光ファイバの波長変化量と前記第２のセンサ用光ファイバの波長変化量との減算により、前記計測対象の歪みに伴う波長変化量を算出する歪み成分算出手段（４４）とを備えた計測装置。
【請求項１】
計測対象に固定されるベース（２２）と、前記ベースの一面側に弾性変形自在なヒンジ（２３、２４）を介して互いに対向するように立設された一対の腕部（２５、２６）と、前記一対の腕部の中間位置を弾性変形自在なヒンジ（２７、２８）を介して連結する連結部（２９）とを有し、前記計測対象と等しい膨張率を有する材料で一体的に形成され、前記計測対象から前記ベースを伸縮させる力を受けて、前記一対の腕部を互いに反対方向に傾けるファイバ支持体（２１）と、
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ）を有し、前記ファイバ支持体の一対の腕部の、前記連結部から所定距離離れた一端側の位置の間に、前記グレーティング部が挟まれる状態で張力をもって前記腕部に固定された第１のセンサ用光ファイバ（１）と、
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部（１ａ）を有し、前記ファイバ支持体の前記一対の腕部の、前記連結部から前記所定距離離れた他端側の位置の間に、前記第１のセンサ用光ファイバの張力による前記一対の腕部の傾動を規制し、該張力とバランスさせるための引張力が付与された状態で前記腕部に固定され、前記第１のセンサ用光ファイバと同一特性の第２のセンサ用光ファイバ（１′）とを備えた光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記請求項１記載の光ファイバセンサ（２０）と、
前記光ファイバセンサの前記第１のセンサ用光ファイバおよび第２のセンサ用光ファイバに光を入射し、それぞれのグレーティング部による反射光の波長を検出する反射光波長検出手段（４１）と、
所定期間における前記第１のセンサ用光ファイバの反射光波長の変化量と、前記所定期間における前記第２のセンサ用光ファイバの反射光波長の変化量とをそれぞれ検出する波長変化量検出手段（４３）と、
前記波長変化量検出手段によって検出された前記第１のセンサ用光ファイバの波長変化量と前記第２のセンサ用光ファイバの波長変化量との減算により、前記計測対象の歪みに伴う波長変化量を算出する歪み成分算出手段（４４）とを備えた計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２２２３９７（Ｐ２００９−２２２３９７Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６４０７０（Ｐ２００８−６４０７０）
【出願日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
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