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
【課題】本発明は、安価な構造で温度とひずみを同時に計測できる光ファイバセンサ装置の提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、ＯＦＤＲ方式に適用される光ファイバセンサ装置であって、光ファイバのコアに形成したＦＢＧからなるひずみ検知用のセンサ部３と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部７とを具備した光ファイバセンサＳと、参照用反射端１６と、光源１２と、受光器１３とが備えられ、前記温度検知用光ファイバの光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ＦＢＧのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測する。
【解決手段】本発明は、ＯＦＤＲ方式に適用される光ファイバセンサ装置であって、光ファイバのコアに形成したＦＢＧからなるひずみ検知用のセンサ部３と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部７とを具備した光ファイバセンサＳと、参照用反射端１６と、光源１２と、受光器１３とが備えられ、前記温度検知用光ファイバの光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ＦＢＧのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いた温度とひずみなどの物理量を計測する光ファイバセンサ装置と温度とひずみの計測方法並びに光ファイバセンサに関し、特に温度とひずみを同時に計測できる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを用いた温度やひずみなどの物理量を計測するセンサは、長寿命であること、軽量であること、細径かつ柔軟性があるため、狭い空間で使用可能であること、光ファイバが絶縁性であるため、電磁ノイズに強いことなどから、橋梁やビルなどの巨大構造物および旅客機や人工衛星などの航空、宇宙機器の健全性の評価に用いることが期待されている。
これら構造物の健全性評価を行うための光ファイバセンサに求められる性能として、ひずみ分解能が高いこと、多点のセンサを有すること（検知範囲が広いこと）、リアルタイムで計測できること、などが挙げられる。
【０００３】
これまで種々の光ファイバセンサが提案されているが、前記要求性能を十分に満たす最も有望なものとしてファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating；以下ＦＢＧと略記する）からなる光ファイバセンサが挙げられる。
ＦＢＧとは、光ファイバのコアに周期的な屈折率変化を持たせた光ファイバ型デバイスであり、コアの屈折率変化の周期と実効屈折率によって定まる特定の波長の光を反射する特性を有する。この反射光がブラッグ反射光であり、その反射波長はブラッグ波長と呼ばれる。
このＦＢＧに温度変化やひずみなどが生じると、これに応じてコアの屈折率変化の周期や実効屈折率が変化し、ブラッグ波長がシフトする。このブラッグ波長のシフト量と温度変化量やひずみ量との関係を予め測定しておくことで、ブラッグ波長のシフト量から温度変化やひずみを計測することができる。このＦＢＧからなる光ファイバセンサには、ブラッグ波長のシフト量を計測する手段の測定精度にもよるが、極めて高い分解能で温度変化とひずみを計測することができる特徴がある。
【０００４】
また、このＦＢＧからなる光ファイバセンサを用いて温度変化やひずみ量を計測する手段として、以下の方式が知られている。第１の方式として、１本の光ファイバに対してブラッグ波長の異なる複数のＦＢＧを配置して、全てのＦＢＧのブラッグ反射波長域にわたる測定光を連続的に入射して各ＦＢＧからのブラッグ波長シフト量を計測する波長多重（Wavelength Division Multiplexing ; 以下、ＷＤＭと略記する。）方式を例示することができ、第２の方式として、１本の光ファイバに対してブラッグ波長がほぼ同一の複数のＦＢＧをある一定距離以上の間隔で配置し、全てのＦＢＧのブラッグ波長域にわたる測定光をパルス状に入射して各ＦＢＧからのブラッグ波長光の伝搬遅延時間の差に基づいて各ＦＢＧの位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測する時間多重（Time Division Multiplexing ; 以下、ＴＤＭと略記する。）方式を例示することができ、第３の方式として、１本の光ファイバに対してブラッグ波長がほぼ同一の複数のＦＢＧを任意の間隔で配置して、各ＦＢＧからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用して各ＦＢＧの位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測する光周波数領域反射測定（Optical Frequency Domain Reflectometry ;以下 ＯＦＤＲと略記する。）方式を例示することができる。
【０００５】
これらの計測手段のうち、特許文献１には、ＯＦＤＲ方式の計測方法について詳細が開示されている。特許文献１によると、ＯＦＤＲ方式の計測方法では、１本の光ファイバに複数個配置されたひずみ検知用のＦＢＧが検知したひずみを、リアルタイムで計測することができる利点を有する。
以上説明したとおり、ＦＢＧからなる光ファイバセンサは、ＦＢＧに生じた温度変化やひずみを高い分解能で計測できるのが最大の特徴であり、この温度変化やひずみを計測する手段も豊富にあるという利点を有している。
【０００６】
このＦＢＧからなる光ファイバセンサ以外の光ファイバセンサとしては、特許文献２に記載の如く光ファイバとその末端に設けたミラーからなる光ファイバセンサが開示されている。特許文献２によると、この光ファイバセンサは人物検知センサとして用いられる。この光ファイバセンサ上を人物が通過すると、光ファイバに曲がりが発生し、測定光の強度が変動する。この光ファイバセンサは光ファイバ端面に設けられたミラーに反射した測定光の強度を測定し、その強度から人物の通過の有無を判断するものである。
しかしながら、この特許文献２に記載されている光ファイバセンサは、ひずみ量と測定光の強度変動（光ファイバの曲がり）に定量的な相関関係が無いので、ＦＢＧをセンサとした光ファイバセンサのような正確なひずみ測定ができない問題がある。この特許文献２との比較からも、ＦＢＧからなる光ファイバセンサの有用性は明らかである。
【０００７】
一方、このＦＢＧからなる光ファイバセンサの一般的な問題点として、温度やひずみなどの物理量が複数項目変化すると、それらの変化量を個別に切り分けて測定することができないことが挙げられる。このため、例えば、ひずみ検知用のセンサとして利用する場合は、検知部の温度変化をひずみの変化として捉えることなく、ひずみを計測することができる光ファイバセンサおよびその計測方法が必要であると考えられる。
このような光ファイバセンサおよびその計測方法として、特許文献１に記載の技術では、複数個配置されたＦＢＧのうち、１つをひずみが作用しない（無ひずみ）状態とし、このＦＢＧのブラッグ波長のシフト量を計測することで、光源の波長掃引の不安定性を取り除くとともに、全てのＦＢＧが同一の温度である場合に限り、ひずみ検知用のＦＢＧの温度補正（つまり、ひずみ検知用のＦＢＧに生じる温度変化の計測）を行えることが記載されている。
【０００８】
また、特許文献３には、ダイヤフラムの変位を計測する変位検知用のセンサとなるＦＢＧ（ＦＢＧにかかるひずみ量からダイヤフラムの変位を検知しているので、実際はひずみ検知用のセンサとしてＦＢＧを用いている）と同じベース上に温度検知用のセンサとなるＦＢＧを配置し、予め温度検出用のセンサでベースの温度を計測しておき、変位検出用のセンサのブラッグ波長のシフト量から温度変化に相当する波長シフト量を減算することによりダイヤフラムの変位を計測する技術が開示されている。更に、特許文献４では、ひずみ検知用のセンサとなるＦＢＧと温度補償部材を組み合わせてひずみ検知用のセンサが温度変化によるブラッグ波長のシフトを生じないような構造とする技術が開示されている。
【特許文献１】特許第３７４０５００号公報
【特許文献２】特開２００５−１８４７７２号公報
【特許文献３】特開２０００−２２１０８５号公報
【特許文献４】特開２００５−０９１１５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載されているひずみ検知用のＦＢＧの温度補償方法では、それぞれのひずみ検知用のＦＢＧに生じる温度変化が異なる場合にひずみ検知用のＦＢＧの温度補償ができない問題がある。また、特許文献２に記載されている温度検知用のセンサとなるＦＢＧを設ける方法では、温度変化とひずみ（ダイヤフラムの変位）を検知するために２つのＦＢＧを必要とするため、光ファイバセンサが高価となる問題がある。
更に、特許文献３に記載されているひずみ検知用のＦＢＧでは、温度無依存性構造とするために光ファイバセンサが高価となる上に、ひずみ検知用のＦＢＧに生じる温度変化を計測できない問題がある。
【００１０】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、温度変化とひずみに対する分解能が高く、多点の計測が可能であり、計測のリアルタイム性に優れ、かつ安価な温度とひずみの計測用の光ファイバセンサと温度とひずみの計測方法、並びに、光ファイバセンサ装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の光ファイバセンサ装置は、光ファイバのコアに形成したＦＢＧをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長のシフト量からセンサ部のひずみを計測する光周波数領域反射測定方式に適用される光ファイバセンサ装置であって、光ファイバのコアに形成したＦＢＧからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部とを具備した光ファイバセンサと、参照用反射端と、光源と、受光器とが備えられ、前記温度検知用光ファイバの光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ＦＢＧのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長は４０ｍ以上であることを特徴とする。
本発明において、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバはチューブに遊挿されていることを特徴とする。
本発明において、前記ひずみ検知用のセンサ部となるＦＢＧと、温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端あるいは両端は面状体に取り付けられてなることを特徴とする。
本発明において、前記面状体は金属薄板でも良い。
【００１３】
本発明において、前記ひずみ検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部と、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部は接着層により前記面状体に固定されてなる構造でも良い。
本発明において、前記ひずみ検知用のセンサ部となるＦＢＧの一端部あるいは両端部と、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部が接着層により前記面状体に固定されてなる構造でも良い。
本発明において、前記光ファイバの光路長の計測結果を基に、温度検知用のセンサとなる光ファイバの光路長の変化から温度変化量を計測するとともに、ひずみ検知用のセンサとなるＦＢＧのブラッグ波長のシフト量から温度検知用のセンサとなる光ファイバで計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算してひずみを測定する制御装置は、前記受光器と前記光源に接続した状態で設けられてなる構造でも良い。
【００１４】
本発明の温度とひずみの計測方法は、先のいずれかに記載の光ファイバセンサ装置を用い、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測し、ひずみ検知用のセンサとなるＦＢＧのブラッグ反射波長のシフト量から温度検知用センサ部で計測した温度変化によるブラッグ反射波長の変化量を減算してひずみを計測することを特徴とする。
本発明の温度とひずみの計測方法において、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測するに際し、温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面に設けた反射部からの反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用して温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面の反射部位置を特定して該光ファイバの光路長を計測し、この光路長の変化から温度変化量を計測することができる。
【００１５】
本発明の光ファイバセンサは、光ファイバのコアに形成したＦＢＧをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長のシフト量からセンサ部のひずみや温度を計測する光周波数領域反射測定方式に用いられる光ファイバセンサであって、
光ファイバのコアに形成したＦＢＧからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部とを具備した光ファイバセンサが備えられ、
前記温度検知用光ファイバの光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ＦＢＧのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の光ファイバセンサ装置は、温度検知用のセンサ部が光ファイバとその端末に形成した反射部で構成されているので、温度検知用のセンサ部としてＦＢＧを用いる光ファイバセンサや、温度無依存構造を有する光ファイバセンサと比較して安価な光ファイバセンサとして提供することができる。従って、安価な光ファイバを温度検知用として用い、温度補償した状態でＦＢＧにてひずみを計測することができ、正確なひずみ計測を行うことができる光ファイバセンサ装置を提供することができる。
【００１７】
本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用の光ファイバとして４０ｍ以上の長さの光ファイバを用いると、ＯＦＤＲ方式にて温度検知用のセンサ部を構成する光ファイバの光路長変化を基に温度変化を求める場合、正確な温度計測ができる。
本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用のセンサとなる光ファイバをチューブに遊挿してなる構造にすると、温度検知用のセンサ部にひずみが生じても、チューブのみが伸縮し、その内部に収容されている温度検知用のセンサとなる光ファイバにひずみが作用し難いので、温度検知用のセンサ部となる光ファイバはひずみによる光路長変化が生じない。これにより、正確な温度検知ができる。
更に、本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用のセンサ部となる光ファイバをチューブに遊挿した状態で検知部もしくは面状体に固定するので、ひずみの影響を受けることなく温度計測することができる。
【００１８】
本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用のセンサとなる光ファイバとひずみ検知用のＦＢＧを金属薄板からなる面状体に固定した構造であるので、検知部への取付けが容易となる。また、温度検知用の光ファイバとひずみ検知用のＦＢＧを固定する面状体において、これらを固定した面とは異なる面に接着層を設けることで、検知部への取付けがより容易となる。
本発明の光ファイバセンサ装置において、コネクタを用いて複数の光ファイバセンサを連設している構造であるので、多点にわたる温度とひずみのセンシングが容易に実施できる。また、コネクタの着脱によってセンシングしたい点数の調整が容易にできる。
【００１９】
本発明の光ファイバセンサ装置を用いた温度とひずみの計測方法によれば、ＯＦＤＲ方式の計測器を用いるので温度検知用のセンサとなる光ファイバのファイバ長を短くすることができる。
【００２０】
また、本発明の光ファイバセンサは、温度検知用のセンサ部を光ファイバとその端末に形成した反射部で構成しているので、ＯＦＤＲ方式にて温度検知用のセンサ部の光ファイバの光路長の変化から温度変化を求める際に使用することができ、更に、その温度計測結果を基にＦＢＧにてひずみを計測する場合に温度補償した状態でひずみの計測を行う場合に使用することができる。
従って本発明の光ファイバセンサによれば、温度検知用のセンサ部としてＦＢＧを用いる光ファイバセンサや、温度無依存構造を有する光ファイバセンサと比較して安価な光ファイバセンサとして提供することができる。即ち、安価な光ファイバを温度検知用のセンサとして用い、温度補償した状態でＦＢＧにてひずみを計測することができる光ファイバセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る温度変化とひずみを計測する光ファイバセンサの基本構造について図面を参照して説明するが、本発明が以下に説明する形態に制限されるものではないことは勿論である。
図１は、本発明に係る温度変化とひずみを計測する光ファイバセンサ（温度ひずみ計測センサ）の基本構造を示す構成図である。図１において本実施形態の光ファイバセンサＳは、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）１をコアに備えた光ファイバ２からなるひずみ検知用のセンサ部３と、このセンサ部３に光接続された光ファイバ５の端部に反射部６を形成してなる温度検知用のセンサ部７を備えて構成されている。
【００２２】
ＦＢＧ１は、光ファイバコアの長手方向の屈折率変化分布が一定間隔で変化するように構成したものであり、例えば高屈折率部と低屈折率部とを一定間隔で繰り返す構造としたものである。このＦＢＧ１は高い分解能でひずみ計測できる（高い分解能でブラッグ波長のシフト量を計測できる）光学特性を有するものが望ましい。温度検知用のセンサ部７を構成する光ファイバ５は、その一端側を前記ひずみ検知用のセンサ部１の一端側に光接続し、その他端側の端面に適切な反射率を有する反射部６を備えてなり、かつ、前記ＦＢＧ１と前記反射部６との間の光路長が温度変化に対して大きく変化するような長さを有するものが好ましい。その一例として光ファイバ５は長さ４０ｍ以上の光ファイバであることが望ましい。
【００２３】
次に、図１に示す基本構造の光ファイバセンサＳを備え、光周波数反射測定方式（以下、ＯＦＤＲ方式と略記する。）を適用した光ファイバセンサ装置（温度ひずみ計測センサ装置）の第１の実施形態を図２に示す
この実施形態の光ファイバセンサ装置１０は、光カプラ（ファイバカプラ）１１と、チューナブルレーザ（ＴＬＳ；波長可変光源）１２と、フォトダイオード（ＰＤ；光検出器）１３と、参照用反射端１６と、先の構造の光ファイバセンサＳを備えて概略構成され、チューナブルレーザ１２は光ファイバ１４を介し、フォトダイオード１３は光ファイバ１５を介し光カプラ１１に光接続され、参照用反射端１６は光ファイバ１７を介し、光ファイバセンサＳは光ファイバ１８を介して光カプラ１１に光接続されている。即ち、チューナブルレーザ１２とフォトダイオード１３と参照用反射端１６と光ファイバセンサＳは光ファイバ１４、１５、１７、１８によって光カプラ１１を介し連設された構造とされていて、チューナブルレーザ１２から出射した測定光を光カプラ１１を介して光ファイバ１７と光ファイバセンサＳに入射できるように構成されている。また、光ファイバ１７と光ファイバセンサＳに入射した測定光の一部はそれぞれ反射されるので、光カプラ１１を介してフォトダイオード１３で干渉光として計測することができる。
【００２４】
前記構造の光ファイバセンサ装置１０において、チューナブルレーザ１２は、チューナブルレーザ１２から出射した測定光がひずみ検知用のセンサ部３となるＦＢＧ１および温度検知用のセンサ部７となる光ファイバ５の端面の反射部６で反射してフォトダイオード１３に入射するまでの光路長よりも長いコヒーレント長を有するものが望ましい。また、フォトダイオード１３は、チューナブルレーザ１２から出射する測定光の波長を変化させた際に、参照用反射端１６と反射部６の２つの反射点から得られる光干渉の強度変調を検知できるカットオフ周波数を有するものが望ましい。
【００２５】
図２に示す構造の光ファイバセンサ装置１０を用いて温度とひずみの計測方法を行うには、チューナブルレーザ１２から出射した測定光をＦＢＧ１および光ファイバ５に入射し、反射部６において反射させてフォトダイオード１３で検出し、チューナブルレーザ１２から出射した測定光を参照用反射端１６から反射させてフォトダイオード１３にて検出するが、この際、以下のような計測を行うものとする。
本発明に係る温度とひずみの計測方法において、ひずみ検知用のＦＢＧ１からのブラッグ反射光と、参照用反射端１６からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用して、該ＦＢＧ１の位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測し、それらと同時に、温度検知用のセンサ部７となる光ファイバ５の端面の反射部６と参照用反射端１６からの干渉光強度の周期的変化を利用して温度検知用のセンサ部７となる光ファイバ５の端面の反射部位置を特定して該光ファイバ５の光路長を計測する。
【００２６】
更に、前記計測結果を基に、温度検知用のセンサ部７となる光ファイバ５の光路長の変化から温度変化量を計測するとともに、ひずみ検知用のセンサ部３となるＦＢＧ１のブラッグ波長のシフト量から、温度検知用のセンサ部７で計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算してひずみを計測することができる。
本発明の概要は以上説明の通りであるが、本発明の具体例について以下の各実施例においてより詳細に説明する。
【実施例】
【００２７】
「実施例１」
図３は本発明の実施例１に係る温度ひずみ計測用の光ファイバセンサの概略構成図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ｂ線に沿う断面図である。
図３に示す光ファイバセンサ２０は、先に説明した光ファイバセンサＳと同等構造の光ファイバセンサＳを面状体２１に取り付け、コネクタを備えて構成されている。即ち、本実施例の光ファイバセンサ２０は、ひずみ検知用のＦＢＧ２２とそれに光接続された温度検知用の光ファイバ２３とＦＢＧ２２の入力側となる端部側に光接続された端面をＰＣ研磨したＦＣコネクタ（以下、ＦＣ／ＰＣコネクタと略す）からなるコネクタ２５と、光ファイバ２３の終端部に光接続されたＦＣ／ＰＣコネクタからなる反射部２６と、前記ＦＢＧ２２をその中央部に固定用樹脂にて取り付けた金属薄板等からなる面状体２１と、前記温度検知用の光ファイバ２３を遊挿したルースチューブ２７を具備して構成されている。なお、光ファイバ２３はループ状に巻かれて面状体２１の上面側に設置されている。また、ＦＢＧ２２の部分がひずみ検知用センサ部３０となり、光ファイバ２３の部分が温度検知用センサ部３１とされてなる。
【００２８】
本実施例の光ファイバセンサ２０において、ひずみ検知用のセンサとなるＦＢＧ２２は、フッ化クリプトン（ＫｒＦ）エキシマレーザとユニフォーム位相マスクを用いた一般的な露光方法により作製されたものであり、本実施例では、グレーティング長（センサ長）を９８ｍｍ、ブラッグ波長を約１５４９．５ｎｍ、ブラッグ波長における反射率を１％とした。
【００２９】
本実施例に適用される温度検知用のセンサ部となる光ファイバ２３は、一般的なシングルモードファイバ（以下、ＳＭファイバ）であり、石英ガラスからなるクラッドとゲルマニウム（Ｇｅ）をドーピング石英ガラスからなるコアの屈折率差は、約０．３％とされている。
本実施例では、このＳＭファイバからなる光ファイバ２３のファイバ長を約４０ｍとした。該光ファイバ２３の端面に形成された反射部２６は、フレネル反射（約３．４％の反射率）するファイバ端末やコネクタ端末、全反射（９９％以上の反射率）する金属コーティングを施したファイバ端末など、その端面が適当な反射率を有するものが望ましい。
なお、適当な反射率とは、本発明の温度ひずみセンサを計測する計測器の性能にもよるが、０．００１％以上の反射率であることが望ましい。本実施例では、温度検知用センサとなる光ファイバ２３の端面にＦＣ／ＰＣコネクタ２６を接続した。
【００３０】
前記コネクタ２６が未接続の状態であるとき、その端面はフレネル反射する特性を有する。また、温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３は、その全長をルースチューブ２７に挿入した。温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３をルースチューブ２７に挿入することにより、温度検知用のセンサ部３１にひずみが生じてもルースチューブ２７が伸縮するだけで、挿入された光ファイバ２３が伸縮しない。つまり、温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３はひずみにより光路長が変化しない。ひずみ検知用のセンサ部３０となるＦＢＧ２２における、温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３が接続された部位とは他方の部位は、本発明の温度ひずみセンサを計測する計測器に接続できる接続点を有することが望ましく、本実施例ではこのような接続点をＦＣ／ＰＣコネクタ２５として設けた。
【００３１】
この例の温度ひずみセンサは、温度とひずみを計測する対象となる被測定部(以下、検知部)への取付けが容易となるよう、一面あるいは両面が面状体２１に固定されている。温度ひずみセンサを一面あるいは両面に固定するための面状体２１は金属系材料やプラスチック系材料、ガラス系材料など、平板状であるものであればいかなるものでも構わないが、検知部の温度とひずみを正確に検知するために熱伝導性と弾性率が高い金属系材料が望ましく、さらに該面状体が十分な弾性特性を有するような厚みであることが望ましい。本実施例では、面状体２１を厚さ約０．３ｍｍのステンレス鋼板(ＪＩＳ規定ＳＵＳ３０３)から構成した。
【００３２】
該面状体２１への温度ひずみセンサの固定は、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂からなる接着剤を用いて行う。本実施例では、ひずみ検知用のセンサ部３０となるＦＢＧ２２および温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３を挿入したルースチューブ２７をポリイミド樹脂の接着層３３により面状体２１上に固定した。より詳細には、溶媒としてＮ−メチル−２ピロリジノンを含んだポリアミド酸樹脂を塗布した後に、面状体２１および温度ひずみセンサを２００℃程度に加熱し、Ｎ−メチル−２ピロリジノン溶媒を蒸発させるとともにポリアミド酸樹脂の架橋を促進してポリイミド樹脂に化学変化させて硬化し、固定した。ここで、ひずみ検知用のセンサ部３０となるＦＢＧ２２と温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３を挿入したルースチューブ２７をポリイミド樹脂で固定したのは、耐熱性が高く、弾性率が高い材料であるため、検知部が高温である場合でも使用でき、かつ、検知部のひずみをひずみ検知用センサとなるＦＢＧ２２に確実に伝えることができる。
【００３３】
また、この光ファイバセンサ２０は、検知部への取付けがより容易となるよう、一面あるいは両面を固定する面状体２１の少なくとも一方の面状体２１におけるセンサ固定面とは他方の面の表面に接着層３３ａを設けている。この接着層３３ａには、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂からなる接着剤や、粘着成分を有するテープを用いることができる。本実施例では、両面に粘着成分を有するシリコーン樹脂系のテープの任意の一面を面状体に貼り付けて接着層３３ａを形成した。
【００３４】
次に、前記基本構造の光ファイバセンサ２０を用い、光周波数反射測定方式（ＯＦＤＲ方式）を適用して温度とひずみを計測する方法についてより具体的に説明する。
図４は、本発明の温度とひずみの計測方法を実施するための光ファイバセンサ装置の具体例を示す概略構成図である。この例の光ファイバセンサ装置４０は、３つのファイバカプラ（光カプラ）４１、４２、４３と、チューナブルレーザ（波長可変光源；Ａｇｉｌｅｎｔ製８１６４Ａ）４４と、２つのフォトダイオード（光検出器； New Focus 製２１１７ＦＣ）４５、４６と、３つの参照用反射端Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、先の構成の光ファイバセンサ２０とから概略構成され、これらは光ファイバ５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９、６０によって連設されている。これらの光ファイバ５１〜６０は、測定光の波長に対してシングルモード伝搬が可能なものであれば、いかなるものでも構わなく、一般的なＳＭファイバもしくはＰＡＮＤＡ（Polarization-maintaining AND Absorption-reducing）ファイバなどの偏波保持ファイバを用いることができる。本実施例では、光ファイバ２３と同種のＳＭファイバを使用した。
【００３５】
また、チューナブルレーザ４４は、汎用インターフェイスバス（ＧＰＩＢ）を介して、システムコントローラ（制御装置：National Instruments製PXI-8106）６３に接続され、これにより制御されている。更に、２つのフォトダイオード４５、４６からの信号は、Ａ／Ｄコンバータ（National Instruments製PXI-6115）６４によりサンプリングされ、そのサンプリングデータはシステムコントローラ６３にてＳＴＦＴ（Short-time Fourier transform；短時間フーリエ変換）解析されるようになっている。これらのチューナブルレーザ４４とシステムコントローラ６３とＡ／Ｄコンバータ６４によりＯＦＤＲ方式の計測器が構成される。
【００３６】
本実施例構成のＯＦＤＲ方式の計測器においては、チューナブルレーザ４４は、ある一定速度、ある一定波長範囲で掃引（単調増加もしくは単調減少）された測定光を出射する。本実施例では、１０ｎｍ／ｓの速度で１５４５〜１５５５ｎｍの波長範囲を掃引した測定光を出射した。
チューナブルレーザ４４から出射された測定光は光カプラ４１に入射し、該光カプラ４１にて光パワー分岐されて２つの光干渉計に入射する。
一方の光干渉計は、ファイバカプラ４２、光ファイバ５７とその反射端Ｒ１、光ファイバ５８とその反射端Ｒ２および光ファイバ５３、５４とフォトダイオード４５からなり、反射端Ｒ１と反射端Ｒ２のファィバ長差（光路長差）に応じたトリガを生成している。本実施例では、反射端Ｒ１と反射端Ｒ２のファイバ長差を２００ｍとした。なお、このトリガは以下の方法で生成している。
【００３７】
チューナブルレーザ４４からある一定速度、ある一定波長範囲で掃引された測定光が前記の光干渉計に入射すると、この測定光は反射端Ｒ１と反射端Ｒ２によって反射され、その干渉光がフォトダイオード４５で計測される。フォトダイオード４５の出力した電圧信号は、Ａ／Ｄコンバータ６４によりサンプリングされてデジタル信号に変換され、該デジタル信号がシステムコントローラ６３に取り込まれて解析される。
チューナブルレーザ４４から出射された測定光は一定速度で波長が変化しているので、フォトダイオード４５から出力される電圧信号は、一定の光波数間隔で変動する正弦関数となる。従って、ある一定の電圧値をしきい値とし、システムコントローラ６３上で該しきい値を超えるタイミング（しきい値以下の値からしきい値を上回るタイミング、もしくは、しきい値以上の値からしきい値を下回るタイミング）でトリガを生成することで、生成されたトリガは、ある一定の光波数間隔となる。
なお、このトリガ発生方法は、チューナブルレーザ４４の掃引速度が一定でない場合でも、トリガが発生する光波数間隔は常に一定となる点で非常に効果的である。また、このトリガ発生方法でもチューナブルレーザ４４の波長掃引の不安定性を取り除けない場合は、先の特許文献１に記載されているような波長補正用のＦＢＧを用いても良い。（ただし、このＦＢＧから温度補正は行わない。）
【００３８】
他方の光干渉計は、フォトダイオード４３、光ファイバ５９とその反射端Ｒ３、光ファイバセンサ２０および光ファイバ５５、５６とフォトダイオード４６からなる。この光干渉計では、光ファイバセンサ２０からのブラッグ反射光と反射端Ｒ３からの参照光との千渉光がフォトダイオード４６に入射する。
ここで光ファイバセンサ２０からの反射光は、主にＯＦＤＲ方式の計測器と接続したＦＣ／ＰＣコネクタ２５、ひずみ検知用のセンサとなるＦＢＧ２２および温度検知用のセンサとなる光ファイバ２３の端末ＦＣ／ＰＣコネクタ２６の３箇所を起点としたものである。
【００３９】
本実施例の光干渉計において、フォトダイオード４６に入射する光干渉信号Ｄ２は、それぞれ以下の（１）式で表される。
Ｄ２＝ＲFBG cos (k2nLFBG) ＋ Ｒconnect cos (k2nLconnect) …（１）式
ただし、ＯＦＤＲ方式の計測器と接続したＦＣ／ＰＣコネクタ２５と反射端Ｒ３とによる干渉光は、本発明で利用しないので無視する。
ここで、ＲFBGはＦＢＧ２２と反射端Ｒ３の干渉光強度、Ｒconnectは温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３の端末ＦＣ／ＰＣコネクタ２６と反射端Ｒ３の干渉光強度、kは波数、ｎはＳＭファイバの実効屈折率、LFBGはＦＢＧ２２と反射端Ｒ３のファイバ長差、Lconnectは温度検知用センサ部３１となる光ファイバ２３の端末ＦＣ／ＰＣコネクタ２６と反射端Ｒ３のファイバ長差を示す。本実施例では、LFBGを約２ｍ、Lconnectを約４２ｍとした。つまり、温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３のファイバ長は約４０ｍである。
【００４０】
次いで、得られた光干渉信号Ｄ２をシステムコントローラ６３にてＳＴＦＴ解析することにより、ＲFBG、ＲconnectとnLFBG 、nLconnect を求める。ここでnLFBG、nLconnectは、光ファイバの実効屈折率に光ファイバ長を乗じたものであるので、光路長を示している。本実施例では、得られた光干渉信号を約４０ｍｓ間隔（チューナブルレーザ４４を１０ｎｍ／ｓの速度で掃引しているので、波長に換算すると約４００ｐｍ間隔）に相当するウインドウ幅で抜き出されたデータを１６ビット（２１６）に割り当てて解析した。なお、チューナブルレーザ４４の掃引速度が一定でない場合は、ある一定の時間間隔ではなく、ある一定の光波数間隔（つまり、ある一定の波長間隔）に相当するウインドウ幅で解析しても良い。最後にｎに既知の値を代入することにより光ファイバ長差LFBG、Lconnectを求める。本実施例では、用いたＳＭファイバの代表的な値であるｎ＝１．４４７７２を使用した。
【００４１】
この実施例のＯＦＤＲ方式の計測器を用いて温度ひずみセンサの状態を計測した結果を図５と図６に示す。なお、このときの検知部は２０℃、０με（無ひずみ状態）であった。本実施例の計測器では、ＦＢＧ２２からのブラッグ反射光および光ファイバ２３の端末からの反射光をスペクトログラムで表示する。
図５と図６に示すスペクトログラムは、横軸が波長、縦軸がファイバ位置（反射端Ｒ３を有する光ファイバの長さに相当する位置からのファイバ長差）、色調が反射強度を示す。図５においては、Ｄ２信号を解析した結果のうちファイバ位置１．９〜２．１ｍの範囲を表示したものであり、図６はＤ２信号を解析した結果のうちファイバ位置４２．０〜４２．２ｍの範囲を表示したものである。
図５に得られた全長９８ｍｍの反射がＦＢＧ２２によるものであり、図６に得られた広波長帯域の反射が光ファイバ２３の端末のＦＣ／ＰＣコネクタ２６によるものである。ＦＢＧ２２による反射は１５４９．５２ｎｍで最大強度を示したので、該波長がブラッグ波長である。また、この計測結果よりＦＢＧ２２とＦＣ／ＰＣコネクタ２６とのファイバ長差は４０．００５０ｍであることがわかった（この値をＦＢＧ２２末端からＦＣ／ＰＣコネクタ２６までの距離と定義する）。
【００４２】
次に本発明の光ファイバセンサ２０により計測方法について更に説明する。
以下の説明において、光ファイバセンサ２０で計測した上記の検知部の状態を基準温度（２０℃）、基準ひずみ（０με）とする。
本実施例の光ファイバセンサ２０では、最初に温度検知用のセンサ部となる光ファイバ２３のＯＦＤＲ方式の計測器で表される光ファイバ長から温度を計測する。例えば、基準温度では上記の通り４０．００５０ｍである。この光ファイバ長を基準光ファイバ長としたとき、本実施例のＯＦＤＲ方式の計測器における検知部の温度変化にともなう光ファイバ長の変化量の関係は光ファイバ長に依存する。
図７は、ＯＦＤＲ方式の計測器における検知部の温度と光ファイバ長変化の関係を示すグラフである。この光ファイバ長変化は、光ファイバの実効屈折率の温度依存性および熱膨張による光ファイバ伸び、すなわち光路長変化に依存するものである。これらによる光ファイバ長の変化量は、同種の光ファイバに作製したＦＢＧの温度変化によるブラッグ波長のシフト量から求めることができる。図８は、温度変化によるＦＢＧのブラッグ波長のシフト量を示すグラフである。
【００４３】
図８において、ＦＢＧのブラッグ波長は以下の（２）式で表される。
λＢ＝２ｎΛ … （２）式
ただし、（２）式において、λＢはＦＢＧのブラッグ波長、ｎ は光ファイバの屈折率、Λは屈折率変化の周期を示す。
（２）式において、ＦＢＧが温度変化すると、光ファイバの実効屈折率の温度依存性によりｎが変化し、光ファイバの熱膨張によるファイバ伸びによりΛが変化することになる。つまり、図８は、（２）式におけるｎとΛの変化の総量をＦＢＧの中心波長シフト量として求めた結果である。
一方、ＯＦＤＲ方式の計測器で求める光ファイバ長は、ある一定のｎから光ファイバ長LFBG、Lconnectを計算するので、ｎの変化による光路長変化も光ファイバの熱膨張によるファイバ伸びとみなして計算していることになる。つまり、図７は、ｎとLFBG、Lconnectの変化の総量をLFBG、Lconnectのみの変化として計算した結果である。
【００４４】
図７における検知部の温度と光ファイバ長変化の関係は（３）式で表される。
ΔＬ＝６．４５３６×１０−６・ΔＴ・Ｌ …（３）式
ここで、ΔＬはＯＦＤＲ方式の計測器で計算される光ファイバ長変化（ｍｍ）、ΔＴは検知部温度と基準温度の差（℃）、Ｌは光ファイバ長（ｍｍ）を示す。係数６．４５３６×１０−６は、使用したＳＭファイバの単位温度変化あたりの光路長変化量示すものであり、光ファイバ毎に違う値となる。
本実施例の光ファイバセンサでは、ＯＦＤＲ方式の計測器を用いて温度検知用のセンサ部となる光ファイバ２３のファイバ長変化を計測し、該計測を（３）式に代入してΔＴを求めることにより検知部の温度を計測する。
【００４５】
次に、ひずみ検知用のセンサ部３０となるＦＢＧのブラッグ波長のシフト量から温度検知用のセンサで計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみ計測を行う。なお、光ファイバ長の変化から求めた温度変化におけるＦＢＧのブラッグ波長のシフト量は、図８から求めることができる。図９は、ひずみ変化によるＦＢＧのブラッグ波長のシフト量を示すグラフである。
【００４６】
図９において、ひずみ変化によるブラッグ波長のシフト量は以下の（４）式で表される。
ΔλＢ＝１．１２０６・ε …（４）式
ここで、ΔλＢは、ひずみによるブラッグ波長のシフト量（ｎｍ）、εはひずみ量（με）を示す。係数１．１２０６は、使用したＳＭファイバの単位ひずみ量あたりのブラッグ波長シフト量を示すものであり、光ファイバ毎に異なる値となる。
【００４７】
以上の演算処理を行うことで、本発明の光ファイバセンサ２０を用いて検知部の温度とひずみを計測することが可能となる。なお、これらの演算は本実施例に記載のＯＦＤＲ方式の計測器に備えるシステムコントローラ６３を用いて簡単に行うことができる。
【００４８】
なお、一般的なひずみセンシングにおいて要求されるひずみの計測精度は１０με程度である。つまり、ひずみ変化によるＦＢＧのブラッグ波長シフト量は約０．０１ｎｍの精度で計測できる必要がある。また、ＦＢＧのブラッグ波長が０．０１ｎｍシフトする温度変化量は約１℃である。つまり、１℃の精度で温度計測して温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を差し引いてひずみを計測することにより、要求されるひずみの計測精度を満たすことができる。
【００４９】
本実施例では、ＯＦＤＲ方式の計測器で得られた光干渉信号を約４０ｍｓ間隔に相当するウインドウ幅で抜き出されたデータを１６ビットに割り当てて解析しているが、このときのスペクトログラムは、波長０．００１１ｎｍ刻み、ファイバ位置０．２４ｍｍ刻みで得られる。本発明の光ファイバセンサにおいて１℃の精度で温度計測するには、検知部の温度が１℃変化するとファイバ長が０．２４ｍｍ以上変化する必要があり、先の（３）式からそのときに必要なファイバ長は４０ｍ以上となる。
温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３が４０ｍ以上のとき、温度変化によるブラッグ波長シフト量を差引いてひずみ計測すると０．０１ｎｍの精度でひずみ変化によるＦＢＧ２２のブラッグ波長シフト量を計測することができる。つまり、本発明の光ファイバセンサ２０において、温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３は４０ｍ以上とすることが望ましい。
【００５０】
このように、温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３の長さは、計測器の光ファイバ位置計測分解能によって決まる。より具体的には、計測器の光ファイバ位置計測分解能が高いほど必要な光ファイバの長さは短くなる。ＯＦＤＲ方式の計測器は０．２４ｍｍ刻みと非常に高いファイバ位置計測分解能有するために本発明の光ファイバセンサ２０を計測する手段として非常に有効である。
【００５１】
なお、本発明の第１実施例ではＯＦＤＲ方式の計測器に１つの光ファイバセンサ（温度ひずみセンサ）２０を接続した例を示したが、光ファイバセンサ２０を連設してＯＦＤＲ方式の計測器に複数の光ファイバセンサ２０を接続しても構わない。
係る構成において、ＯＦＤＲ方式の計測器に接続される光ファイバセンサ２０を第１の光ファイバセンサとし、第１の光ファイバセンサに連設される光ファイバセンサを第２の光ファイバセンサとすると、第２の光ファイバセンサは、ひずみ検知用のセンサとなるＦＢＧ２２に連設された接続点を第１の光ファイバセンサ２０における温度検知用の光ファイバ２３の端末の反射点に接続することが望ましい。
即ち、本発明の第１実施例における光ファイバセンサ２０では、第１の光ファイバセンサと第２の光ファイバセンサがＦＣ／ＰＣコネクタで接続されることとなる。このＦＣ／ＰＣコネクタ接続点の反射率は０．０１％であり、ＯＦＤＲ方式の計測器で反射点として計測することができる。つまり、第２の光ファイバセンサを接続しても第１の光ファイバセンサ２０における温度変化を計測することが可能である。このように、本発明の光ファイバセンサおよびその計測方法によると、複数の光ファイバセンサを同時に計測することも可能となる。
【００５２】
本実施形態の光ファイバセンサは、コネクタを用いて複数の光ファイバセンサを連設しているので、多点にわたる温度とひずみのセンシングが容易である。また、コネクタの着脱によってセンシングしたい点数の調整が容易である。
以上説明した本発明に係る光ファイバセンサは、ＯＦＤＲ方式で計測する点で特許文献１に記載の技術と同等であるが、ＦＢＧのブラッグ波長のシフト量から温度変化を計測するのではなく、光ファイバの光路長の変化から温度変化を計測する点で特許文献１に記載の技術とは異なる発明であるといえる。
また、光ファイバ端面に形成した反射部を利用して物理量を計測する点が、特許文献２に記載の技術と同等であるが、特許文献２に記載の技術では、ひずみ（人物の通過）を定性的に計測する手段であり、本発明は温度変化を定量的に計測する手段であることから、これらは異なる発明である。これは、すでに説明したそれぞれの計測方式を鑑みても明白である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は本発明に係る光ファイバセンサの基本構造を示す構成図。
【図２】図２は図１に示す光ファイバセンサを備えた光ファイバセンサ装置の第１の実施形態を示す構成図。
【図３】図３は図１に示す光ファイバセンサを面状体上に取り付けた状態を示す構成図。
【図４】図４は図３に示す光ファイバセンサを備えた光ファイバセンサ装置の第１実施例を示す構成図。
【図５】図５は実施例において得られたファイバ位置１．９〜２．１ｍにおける解析結果のスペクトログラムを示す図。
【図６】図６は実施例において得られたファイバ位置４２．０〜４２．２ｍにおける解析結果のスペクトログラムを示す図。
【図７】図７は実施例に用いた光ファイバの温度変化に対する光路長変化を光ファイバ長変化にみなした際の関係を示す図。
【図８】図８は実施例に用いた光ファイバに形成したＦＢＧの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性を示す図。
【図９】図９は実施例に用いた光ファイバに形成したＦＢＧのひずみ変化に対するブラッグ波長のシフト特性を示す図。
【符号の説明】
【００５４】
Ｓ、２０…光ファイバセンサ、１、２２…ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）、３、３０…ひずみ検知用のセンサ部、５、２３…光ファイバ、６、２６…反射部、７、３１…温度検知用のセンサ部、１０、４０…光ファイバセンサ装置、１１、４１、４２、４３…光カプラ、１２、４４…チューナブルレーザ（波長可変光源）、１３、４５、４６…フォトダイオード（受光器）、１６、Ｒ３…参照用反射端、１４、１５、１７、１８、５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９、６０…光ファイバ、２１…金属薄板、２５、２６…ＦＣ／ＰＣコネクタ、２７…ルースチューブ、３３…ポリイミド樹脂の接着層、３３ａ…接着層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いた温度とひずみなどの物理量を計測する光ファイバセンサ装置と温度とひずみの計測方法並びに光ファイバセンサに関し、特に温度とひずみを同時に計測できる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを用いた温度やひずみなどの物理量を計測するセンサは、長寿命であること、軽量であること、細径かつ柔軟性があるため、狭い空間で使用可能であること、光ファイバが絶縁性であるため、電磁ノイズに強いことなどから、橋梁やビルなどの巨大構造物および旅客機や人工衛星などの航空、宇宙機器の健全性の評価に用いることが期待されている。
これら構造物の健全性評価を行うための光ファイバセンサに求められる性能として、ひずみ分解能が高いこと、多点のセンサを有すること（検知範囲が広いこと）、リアルタイムで計測できること、などが挙げられる。
【０００３】
これまで種々の光ファイバセンサが提案されているが、前記要求性能を十分に満たす最も有望なものとしてファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating；以下ＦＢＧと略記する）からなる光ファイバセンサが挙げられる。
ＦＢＧとは、光ファイバのコアに周期的な屈折率変化を持たせた光ファイバ型デバイスであり、コアの屈折率変化の周期と実効屈折率によって定まる特定の波長の光を反射する特性を有する。この反射光がブラッグ反射光であり、その反射波長はブラッグ波長と呼ばれる。
このＦＢＧに温度変化やひずみなどが生じると、これに応じてコアの屈折率変化の周期や実効屈折率が変化し、ブラッグ波長がシフトする。このブラッグ波長のシフト量と温度変化量やひずみ量との関係を予め測定しておくことで、ブラッグ波長のシフト量から温度変化やひずみを計測することができる。このＦＢＧからなる光ファイバセンサには、ブラッグ波長のシフト量を計測する手段の測定精度にもよるが、極めて高い分解能で温度変化とひずみを計測することができる特徴がある。
【０００４】
また、このＦＢＧからなる光ファイバセンサを用いて温度変化やひずみ量を計測する手段として、以下の方式が知られている。第１の方式として、１本の光ファイバに対してブラッグ波長の異なる複数のＦＢＧを配置して、全てのＦＢＧのブラッグ反射波長域にわたる測定光を連続的に入射して各ＦＢＧからのブラッグ波長シフト量を計測する波長多重（Wavelength Division Multiplexing ; 以下、ＷＤＭと略記する。）方式を例示することができ、第２の方式として、１本の光ファイバに対してブラッグ波長がほぼ同一の複数のＦＢＧをある一定距離以上の間隔で配置し、全てのＦＢＧのブラッグ波長域にわたる測定光をパルス状に入射して各ＦＢＧからのブラッグ波長光の伝搬遅延時間の差に基づいて各ＦＢＧの位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測する時間多重（Time Division Multiplexing ; 以下、ＴＤＭと略記する。）方式を例示することができ、第３の方式として、１本の光ファイバに対してブラッグ波長がほぼ同一の複数のＦＢＧを任意の間隔で配置して、各ＦＢＧからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用して各ＦＢＧの位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測する光周波数領域反射測定（Optical Frequency Domain Reflectometry ;以下 ＯＦＤＲと略記する。）方式を例示することができる。
【０００５】
これらの計測手段のうち、特許文献１には、ＯＦＤＲ方式の計測方法について詳細が開示されている。特許文献１によると、ＯＦＤＲ方式の計測方法では、１本の光ファイバに複数個配置されたひずみ検知用のＦＢＧが検知したひずみを、リアルタイムで計測することができる利点を有する。
以上説明したとおり、ＦＢＧからなる光ファイバセンサは、ＦＢＧに生じた温度変化やひずみを高い分解能で計測できるのが最大の特徴であり、この温度変化やひずみを計測する手段も豊富にあるという利点を有している。
【０００６】
このＦＢＧからなる光ファイバセンサ以外の光ファイバセンサとしては、特許文献２に記載の如く光ファイバとその末端に設けたミラーからなる光ファイバセンサが開示されている。特許文献２によると、この光ファイバセンサは人物検知センサとして用いられる。この光ファイバセンサ上を人物が通過すると、光ファイバに曲がりが発生し、測定光の強度が変動する。この光ファイバセンサは光ファイバ端面に設けられたミラーに反射した測定光の強度を測定し、その強度から人物の通過の有無を判断するものである。
しかしながら、この特許文献２に記載されている光ファイバセンサは、ひずみ量と測定光の強度変動（光ファイバの曲がり）に定量的な相関関係が無いので、ＦＢＧをセンサとした光ファイバセンサのような正確なひずみ測定ができない問題がある。この特許文献２との比較からも、ＦＢＧからなる光ファイバセンサの有用性は明らかである。
【０００７】
一方、このＦＢＧからなる光ファイバセンサの一般的な問題点として、温度やひずみなどの物理量が複数項目変化すると、それらの変化量を個別に切り分けて測定することができないことが挙げられる。このため、例えば、ひずみ検知用のセンサとして利用する場合は、検知部の温度変化をひずみの変化として捉えることなく、ひずみを計測することができる光ファイバセンサおよびその計測方法が必要であると考えられる。
このような光ファイバセンサおよびその計測方法として、特許文献１に記載の技術では、複数個配置されたＦＢＧのうち、１つをひずみが作用しない（無ひずみ）状態とし、このＦＢＧのブラッグ波長のシフト量を計測することで、光源の波長掃引の不安定性を取り除くとともに、全てのＦＢＧが同一の温度である場合に限り、ひずみ検知用のＦＢＧの温度補正（つまり、ひずみ検知用のＦＢＧに生じる温度変化の計測）を行えることが記載されている。
【０００８】
また、特許文献３には、ダイヤフラムの変位を計測する変位検知用のセンサとなるＦＢＧ（ＦＢＧにかかるひずみ量からダイヤフラムの変位を検知しているので、実際はひずみ検知用のセンサとしてＦＢＧを用いている）と同じベース上に温度検知用のセンサとなるＦＢＧを配置し、予め温度検出用のセンサでベースの温度を計測しておき、変位検出用のセンサのブラッグ波長のシフト量から温度変化に相当する波長シフト量を減算することによりダイヤフラムの変位を計測する技術が開示されている。更に、特許文献４では、ひずみ検知用のセンサとなるＦＢＧと温度補償部材を組み合わせてひずみ検知用のセンサが温度変化によるブラッグ波長のシフトを生じないような構造とする技術が開示されている。
【特許文献１】特許第３７４０５００号公報
【特許文献２】特開２００５−１８４７７２号公報
【特許文献３】特開２０００−２２１０８５号公報
【特許文献４】特開２００５−０９１１５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載されているひずみ検知用のＦＢＧの温度補償方法では、それぞれのひずみ検知用のＦＢＧに生じる温度変化が異なる場合にひずみ検知用のＦＢＧの温度補償ができない問題がある。また、特許文献２に記載されている温度検知用のセンサとなるＦＢＧを設ける方法では、温度変化とひずみ（ダイヤフラムの変位）を検知するために２つのＦＢＧを必要とするため、光ファイバセンサが高価となる問題がある。
更に、特許文献３に記載されているひずみ検知用のＦＢＧでは、温度無依存性構造とするために光ファイバセンサが高価となる上に、ひずみ検知用のＦＢＧに生じる温度変化を計測できない問題がある。
【００１０】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、温度変化とひずみに対する分解能が高く、多点の計測が可能であり、計測のリアルタイム性に優れ、かつ安価な温度とひずみの計測用の光ファイバセンサと温度とひずみの計測方法、並びに、光ファイバセンサ装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の光ファイバセンサ装置は、光ファイバのコアに形成したＦＢＧをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長のシフト量からセンサ部のひずみを計測する光周波数領域反射測定方式に適用される光ファイバセンサ装置であって、光ファイバのコアに形成したＦＢＧからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部とを具備した光ファイバセンサと、参照用反射端と、光源と、受光器とが備えられ、前記温度検知用光ファイバの光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ＦＢＧのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長は４０ｍ以上であることを特徴とする。
本発明において、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバはチューブに遊挿されていることを特徴とする。
本発明において、前記ひずみ検知用のセンサ部となるＦＢＧと、温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端あるいは両端は面状体に取り付けられてなることを特徴とする。
本発明において、前記面状体は金属薄板でも良い。
【００１３】
本発明において、前記ひずみ検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部と、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部は接着層により前記面状体に固定されてなる構造でも良い。
本発明において、前記ひずみ検知用のセンサ部となるＦＢＧの一端部あるいは両端部と、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部が接着層により前記面状体に固定されてなる構造でも良い。
本発明において、前記光ファイバの光路長の計測結果を基に、温度検知用のセンサとなる光ファイバの光路長の変化から温度変化量を計測するとともに、ひずみ検知用のセンサとなるＦＢＧのブラッグ波長のシフト量から温度検知用のセンサとなる光ファイバで計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算してひずみを測定する制御装置は、前記受光器と前記光源に接続した状態で設けられてなる構造でも良い。
【００１４】
本発明の温度とひずみの計測方法は、先のいずれかに記載の光ファイバセンサ装置を用い、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測し、ひずみ検知用のセンサとなるＦＢＧのブラッグ反射波長のシフト量から温度検知用センサ部で計測した温度変化によるブラッグ反射波長の変化量を減算してひずみを計測することを特徴とする。
本発明の温度とひずみの計測方法において、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測するに際し、温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面に設けた反射部からの反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用して温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面の反射部位置を特定して該光ファイバの光路長を計測し、この光路長の変化から温度変化量を計測することができる。
【００１５】
本発明の光ファイバセンサは、光ファイバのコアに形成したＦＢＧをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長のシフト量からセンサ部のひずみや温度を計測する光周波数領域反射測定方式に用いられる光ファイバセンサであって、
光ファイバのコアに形成したＦＢＧからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部とを具備した光ファイバセンサが備えられ、
前記温度検知用光ファイバの光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ＦＢＧのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の光ファイバセンサ装置は、温度検知用のセンサ部が光ファイバとその端末に形成した反射部で構成されているので、温度検知用のセンサ部としてＦＢＧを用いる光ファイバセンサや、温度無依存構造を有する光ファイバセンサと比較して安価な光ファイバセンサとして提供することができる。従って、安価な光ファイバを温度検知用として用い、温度補償した状態でＦＢＧにてひずみを計測することができ、正確なひずみ計測を行うことができる光ファイバセンサ装置を提供することができる。
【００１７】
本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用の光ファイバとして４０ｍ以上の長さの光ファイバを用いると、ＯＦＤＲ方式にて温度検知用のセンサ部を構成する光ファイバの光路長変化を基に温度変化を求める場合、正確な温度計測ができる。
本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用のセンサとなる光ファイバをチューブに遊挿してなる構造にすると、温度検知用のセンサ部にひずみが生じても、チューブのみが伸縮し、その内部に収容されている温度検知用のセンサとなる光ファイバにひずみが作用し難いので、温度検知用のセンサ部となる光ファイバはひずみによる光路長変化が生じない。これにより、正確な温度検知ができる。
更に、本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用のセンサ部となる光ファイバをチューブに遊挿した状態で検知部もしくは面状体に固定するので、ひずみの影響を受けることなく温度計測することができる。
【００１８】
本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用のセンサとなる光ファイバとひずみ検知用のＦＢＧを金属薄板からなる面状体に固定した構造であるので、検知部への取付けが容易となる。また、温度検知用の光ファイバとひずみ検知用のＦＢＧを固定する面状体において、これらを固定した面とは異なる面に接着層を設けることで、検知部への取付けがより容易となる。
本発明の光ファイバセンサ装置において、コネクタを用いて複数の光ファイバセンサを連設している構造であるので、多点にわたる温度とひずみのセンシングが容易に実施できる。また、コネクタの着脱によってセンシングしたい点数の調整が容易にできる。
【００１９】
本発明の光ファイバセンサ装置を用いた温度とひずみの計測方法によれば、ＯＦＤＲ方式の計測器を用いるので温度検知用のセンサとなる光ファイバのファイバ長を短くすることができる。
【００２０】
また、本発明の光ファイバセンサは、温度検知用のセンサ部を光ファイバとその端末に形成した反射部で構成しているので、ＯＦＤＲ方式にて温度検知用のセンサ部の光ファイバの光路長の変化から温度変化を求める際に使用することができ、更に、その温度計測結果を基にＦＢＧにてひずみを計測する場合に温度補償した状態でひずみの計測を行う場合に使用することができる。
従って本発明の光ファイバセンサによれば、温度検知用のセンサ部としてＦＢＧを用いる光ファイバセンサや、温度無依存構造を有する光ファイバセンサと比較して安価な光ファイバセンサとして提供することができる。即ち、安価な光ファイバを温度検知用のセンサとして用い、温度補償した状態でＦＢＧにてひずみを計測することができる光ファイバセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る温度変化とひずみを計測する光ファイバセンサの基本構造について図面を参照して説明するが、本発明が以下に説明する形態に制限されるものではないことは勿論である。
図１は、本発明に係る温度変化とひずみを計測する光ファイバセンサ（温度ひずみ計測センサ）の基本構造を示す構成図である。図１において本実施形態の光ファイバセンサＳは、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）１をコアに備えた光ファイバ２からなるひずみ検知用のセンサ部３と、このセンサ部３に光接続された光ファイバ５の端部に反射部６を形成してなる温度検知用のセンサ部７を備えて構成されている。
【００２２】
ＦＢＧ１は、光ファイバコアの長手方向の屈折率変化分布が一定間隔で変化するように構成したものであり、例えば高屈折率部と低屈折率部とを一定間隔で繰り返す構造としたものである。このＦＢＧ１は高い分解能でひずみ計測できる（高い分解能でブラッグ波長のシフト量を計測できる）光学特性を有するものが望ましい。温度検知用のセンサ部７を構成する光ファイバ５は、その一端側を前記ひずみ検知用のセンサ部１の一端側に光接続し、その他端側の端面に適切な反射率を有する反射部６を備えてなり、かつ、前記ＦＢＧ１と前記反射部６との間の光路長が温度変化に対して大きく変化するような長さを有するものが好ましい。その一例として光ファイバ５は長さ４０ｍ以上の光ファイバであることが望ましい。
【００２３】
次に、図１に示す基本構造の光ファイバセンサＳを備え、光周波数反射測定方式（以下、ＯＦＤＲ方式と略記する。）を適用した光ファイバセンサ装置（温度ひずみ計測センサ装置）の第１の実施形態を図２に示す
この実施形態の光ファイバセンサ装置１０は、光カプラ（ファイバカプラ）１１と、チューナブルレーザ（ＴＬＳ；波長可変光源）１２と、フォトダイオード（ＰＤ；光検出器）１３と、参照用反射端１６と、先の構造の光ファイバセンサＳを備えて概略構成され、チューナブルレーザ１２は光ファイバ１４を介し、フォトダイオード１３は光ファイバ１５を介し光カプラ１１に光接続され、参照用反射端１６は光ファイバ１７を介し、光ファイバセンサＳは光ファイバ１８を介して光カプラ１１に光接続されている。即ち、チューナブルレーザ１２とフォトダイオード１３と参照用反射端１６と光ファイバセンサＳは光ファイバ１４、１５、１７、１８によって光カプラ１１を介し連設された構造とされていて、チューナブルレーザ１２から出射した測定光を光カプラ１１を介して光ファイバ１７と光ファイバセンサＳに入射できるように構成されている。また、光ファイバ１７と光ファイバセンサＳに入射した測定光の一部はそれぞれ反射されるので、光カプラ１１を介してフォトダイオード１３で干渉光として計測することができる。
【００２４】
前記構造の光ファイバセンサ装置１０において、チューナブルレーザ１２は、チューナブルレーザ１２から出射した測定光がひずみ検知用のセンサ部３となるＦＢＧ１および温度検知用のセンサ部７となる光ファイバ５の端面の反射部６で反射してフォトダイオード１３に入射するまでの光路長よりも長いコヒーレント長を有するものが望ましい。また、フォトダイオード１３は、チューナブルレーザ１２から出射する測定光の波長を変化させた際に、参照用反射端１６と反射部６の２つの反射点から得られる光干渉の強度変調を検知できるカットオフ周波数を有するものが望ましい。
【００２５】
図２に示す構造の光ファイバセンサ装置１０を用いて温度とひずみの計測方法を行うには、チューナブルレーザ１２から出射した測定光をＦＢＧ１および光ファイバ５に入射し、反射部６において反射させてフォトダイオード１３で検出し、チューナブルレーザ１２から出射した測定光を参照用反射端１６から反射させてフォトダイオード１３にて検出するが、この際、以下のような計測を行うものとする。
本発明に係る温度とひずみの計測方法において、ひずみ検知用のＦＢＧ１からのブラッグ反射光と、参照用反射端１６からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用して、該ＦＢＧ１の位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測し、それらと同時に、温度検知用のセンサ部７となる光ファイバ５の端面の反射部６と参照用反射端１６からの干渉光強度の周期的変化を利用して温度検知用のセンサ部７となる光ファイバ５の端面の反射部位置を特定して該光ファイバ５の光路長を計測する。
【００２６】
更に、前記計測結果を基に、温度検知用のセンサ部７となる光ファイバ５の光路長の変化から温度変化量を計測するとともに、ひずみ検知用のセンサ部３となるＦＢＧ１のブラッグ波長のシフト量から、温度検知用のセンサ部７で計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算してひずみを計測することができる。
本発明の概要は以上説明の通りであるが、本発明の具体例について以下の各実施例においてより詳細に説明する。
【実施例】
【００２７】
「実施例１」
図３は本発明の実施例１に係る温度ひずみ計測用の光ファイバセンサの概略構成図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ｂ線に沿う断面図である。
図３に示す光ファイバセンサ２０は、先に説明した光ファイバセンサＳと同等構造の光ファイバセンサＳを面状体２１に取り付け、コネクタを備えて構成されている。即ち、本実施例の光ファイバセンサ２０は、ひずみ検知用のＦＢＧ２２とそれに光接続された温度検知用の光ファイバ２３とＦＢＧ２２の入力側となる端部側に光接続された端面をＰＣ研磨したＦＣコネクタ（以下、ＦＣ／ＰＣコネクタと略す）からなるコネクタ２５と、光ファイバ２３の終端部に光接続されたＦＣ／ＰＣコネクタからなる反射部２６と、前記ＦＢＧ２２をその中央部に固定用樹脂にて取り付けた金属薄板等からなる面状体２１と、前記温度検知用の光ファイバ２３を遊挿したルースチューブ２７を具備して構成されている。なお、光ファイバ２３はループ状に巻かれて面状体２１の上面側に設置されている。また、ＦＢＧ２２の部分がひずみ検知用センサ部３０となり、光ファイバ２３の部分が温度検知用センサ部３１とされてなる。
【００２８】
本実施例の光ファイバセンサ２０において、ひずみ検知用のセンサとなるＦＢＧ２２は、フッ化クリプトン（ＫｒＦ）エキシマレーザとユニフォーム位相マスクを用いた一般的な露光方法により作製されたものであり、本実施例では、グレーティング長（センサ長）を９８ｍｍ、ブラッグ波長を約１５４９．５ｎｍ、ブラッグ波長における反射率を１％とした。
【００２９】
本実施例に適用される温度検知用のセンサ部となる光ファイバ２３は、一般的なシングルモードファイバ（以下、ＳＭファイバ）であり、石英ガラスからなるクラッドとゲルマニウム（Ｇｅ）をドーピング石英ガラスからなるコアの屈折率差は、約０．３％とされている。
本実施例では、このＳＭファイバからなる光ファイバ２３のファイバ長を約４０ｍとした。該光ファイバ２３の端面に形成された反射部２６は、フレネル反射（約３．４％の反射率）するファイバ端末やコネクタ端末、全反射（９９％以上の反射率）する金属コーティングを施したファイバ端末など、その端面が適当な反射率を有するものが望ましい。
なお、適当な反射率とは、本発明の温度ひずみセンサを計測する計測器の性能にもよるが、０．００１％以上の反射率であることが望ましい。本実施例では、温度検知用センサとなる光ファイバ２３の端面にＦＣ／ＰＣコネクタ２６を接続した。
【００３０】
前記コネクタ２６が未接続の状態であるとき、その端面はフレネル反射する特性を有する。また、温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３は、その全長をルースチューブ２７に挿入した。温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３をルースチューブ２７に挿入することにより、温度検知用のセンサ部３１にひずみが生じてもルースチューブ２７が伸縮するだけで、挿入された光ファイバ２３が伸縮しない。つまり、温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３はひずみにより光路長が変化しない。ひずみ検知用のセンサ部３０となるＦＢＧ２２における、温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３が接続された部位とは他方の部位は、本発明の温度ひずみセンサを計測する計測器に接続できる接続点を有することが望ましく、本実施例ではこのような接続点をＦＣ／ＰＣコネクタ２５として設けた。
【００３１】
この例の温度ひずみセンサは、温度とひずみを計測する対象となる被測定部(以下、検知部)への取付けが容易となるよう、一面あるいは両面が面状体２１に固定されている。温度ひずみセンサを一面あるいは両面に固定するための面状体２１は金属系材料やプラスチック系材料、ガラス系材料など、平板状であるものであればいかなるものでも構わないが、検知部の温度とひずみを正確に検知するために熱伝導性と弾性率が高い金属系材料が望ましく、さらに該面状体が十分な弾性特性を有するような厚みであることが望ましい。本実施例では、面状体２１を厚さ約０．３ｍｍのステンレス鋼板(ＪＩＳ規定ＳＵＳ３０３)から構成した。
【００３２】
該面状体２１への温度ひずみセンサの固定は、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂からなる接着剤を用いて行う。本実施例では、ひずみ検知用のセンサ部３０となるＦＢＧ２２および温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３を挿入したルースチューブ２７をポリイミド樹脂の接着層３３により面状体２１上に固定した。より詳細には、溶媒としてＮ−メチル−２ピロリジノンを含んだポリアミド酸樹脂を塗布した後に、面状体２１および温度ひずみセンサを２００℃程度に加熱し、Ｎ−メチル−２ピロリジノン溶媒を蒸発させるとともにポリアミド酸樹脂の架橋を促進してポリイミド樹脂に化学変化させて硬化し、固定した。ここで、ひずみ検知用のセンサ部３０となるＦＢＧ２２と温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３を挿入したルースチューブ２７をポリイミド樹脂で固定したのは、耐熱性が高く、弾性率が高い材料であるため、検知部が高温である場合でも使用でき、かつ、検知部のひずみをひずみ検知用センサとなるＦＢＧ２２に確実に伝えることができる。
【００３３】
また、この光ファイバセンサ２０は、検知部への取付けがより容易となるよう、一面あるいは両面を固定する面状体２１の少なくとも一方の面状体２１におけるセンサ固定面とは他方の面の表面に接着層３３ａを設けている。この接着層３３ａには、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂からなる接着剤や、粘着成分を有するテープを用いることができる。本実施例では、両面に粘着成分を有するシリコーン樹脂系のテープの任意の一面を面状体に貼り付けて接着層３３ａを形成した。
【００３４】
次に、前記基本構造の光ファイバセンサ２０を用い、光周波数反射測定方式（ＯＦＤＲ方式）を適用して温度とひずみを計測する方法についてより具体的に説明する。
図４は、本発明の温度とひずみの計測方法を実施するための光ファイバセンサ装置の具体例を示す概略構成図である。この例の光ファイバセンサ装置４０は、３つのファイバカプラ（光カプラ）４１、４２、４３と、チューナブルレーザ（波長可変光源；Ａｇｉｌｅｎｔ製８１６４Ａ）４４と、２つのフォトダイオード（光検出器； New Focus 製２１１７ＦＣ）４５、４６と、３つの参照用反射端Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、先の構成の光ファイバセンサ２０とから概略構成され、これらは光ファイバ５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９、６０によって連設されている。これらの光ファイバ５１〜６０は、測定光の波長に対してシングルモード伝搬が可能なものであれば、いかなるものでも構わなく、一般的なＳＭファイバもしくはＰＡＮＤＡ（Polarization-maintaining AND Absorption-reducing）ファイバなどの偏波保持ファイバを用いることができる。本実施例では、光ファイバ２３と同種のＳＭファイバを使用した。
【００３５】
また、チューナブルレーザ４４は、汎用インターフェイスバス（ＧＰＩＢ）を介して、システムコントローラ（制御装置：National Instruments製PXI-8106）６３に接続され、これにより制御されている。更に、２つのフォトダイオード４５、４６からの信号は、Ａ／Ｄコンバータ（National Instruments製PXI-6115）６４によりサンプリングされ、そのサンプリングデータはシステムコントローラ６３にてＳＴＦＴ（Short-time Fourier transform；短時間フーリエ変換）解析されるようになっている。これらのチューナブルレーザ４４とシステムコントローラ６３とＡ／Ｄコンバータ６４によりＯＦＤＲ方式の計測器が構成される。
【００３６】
本実施例構成のＯＦＤＲ方式の計測器においては、チューナブルレーザ４４は、ある一定速度、ある一定波長範囲で掃引（単調増加もしくは単調減少）された測定光を出射する。本実施例では、１０ｎｍ／ｓの速度で１５４５〜１５５５ｎｍの波長範囲を掃引した測定光を出射した。
チューナブルレーザ４４から出射された測定光は光カプラ４１に入射し、該光カプラ４１にて光パワー分岐されて２つの光干渉計に入射する。
一方の光干渉計は、ファイバカプラ４２、光ファイバ５７とその反射端Ｒ１、光ファイバ５８とその反射端Ｒ２および光ファイバ５３、５４とフォトダイオード４５からなり、反射端Ｒ１と反射端Ｒ２のファィバ長差（光路長差）に応じたトリガを生成している。本実施例では、反射端Ｒ１と反射端Ｒ２のファイバ長差を２００ｍとした。なお、このトリガは以下の方法で生成している。
【００３７】
チューナブルレーザ４４からある一定速度、ある一定波長範囲で掃引された測定光が前記の光干渉計に入射すると、この測定光は反射端Ｒ１と反射端Ｒ２によって反射され、その干渉光がフォトダイオード４５で計測される。フォトダイオード４５の出力した電圧信号は、Ａ／Ｄコンバータ６４によりサンプリングされてデジタル信号に変換され、該デジタル信号がシステムコントローラ６３に取り込まれて解析される。
チューナブルレーザ４４から出射された測定光は一定速度で波長が変化しているので、フォトダイオード４５から出力される電圧信号は、一定の光波数間隔で変動する正弦関数となる。従って、ある一定の電圧値をしきい値とし、システムコントローラ６３上で該しきい値を超えるタイミング（しきい値以下の値からしきい値を上回るタイミング、もしくは、しきい値以上の値からしきい値を下回るタイミング）でトリガを生成することで、生成されたトリガは、ある一定の光波数間隔となる。
なお、このトリガ発生方法は、チューナブルレーザ４４の掃引速度が一定でない場合でも、トリガが発生する光波数間隔は常に一定となる点で非常に効果的である。また、このトリガ発生方法でもチューナブルレーザ４４の波長掃引の不安定性を取り除けない場合は、先の特許文献１に記載されているような波長補正用のＦＢＧを用いても良い。（ただし、このＦＢＧから温度補正は行わない。）
【００３８】
他方の光干渉計は、フォトダイオード４３、光ファイバ５９とその反射端Ｒ３、光ファイバセンサ２０および光ファイバ５５、５６とフォトダイオード４６からなる。この光干渉計では、光ファイバセンサ２０からのブラッグ反射光と反射端Ｒ３からの参照光との千渉光がフォトダイオード４６に入射する。
ここで光ファイバセンサ２０からの反射光は、主にＯＦＤＲ方式の計測器と接続したＦＣ／ＰＣコネクタ２５、ひずみ検知用のセンサとなるＦＢＧ２２および温度検知用のセンサとなる光ファイバ２３の端末ＦＣ／ＰＣコネクタ２６の３箇所を起点としたものである。
【００３９】
本実施例の光干渉計において、フォトダイオード４６に入射する光干渉信号Ｄ２は、それぞれ以下の（１）式で表される。
Ｄ２＝ＲFBG cos (k2nLFBG) ＋ Ｒconnect cos (k2nLconnect) …（１）式
ただし、ＯＦＤＲ方式の計測器と接続したＦＣ／ＰＣコネクタ２５と反射端Ｒ３とによる干渉光は、本発明で利用しないので無視する。
ここで、ＲFBGはＦＢＧ２２と反射端Ｒ３の干渉光強度、Ｒconnectは温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３の端末ＦＣ／ＰＣコネクタ２６と反射端Ｒ３の干渉光強度、kは波数、ｎはＳＭファイバの実効屈折率、LFBGはＦＢＧ２２と反射端Ｒ３のファイバ長差、Lconnectは温度検知用センサ部３１となる光ファイバ２３の端末ＦＣ／ＰＣコネクタ２６と反射端Ｒ３のファイバ長差を示す。本実施例では、LFBGを約２ｍ、Lconnectを約４２ｍとした。つまり、温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３のファイバ長は約４０ｍである。
【００４０】
次いで、得られた光干渉信号Ｄ２をシステムコントローラ６３にてＳＴＦＴ解析することにより、ＲFBG、ＲconnectとnLFBG 、nLconnect を求める。ここでnLFBG、nLconnectは、光ファイバの実効屈折率に光ファイバ長を乗じたものであるので、光路長を示している。本実施例では、得られた光干渉信号を約４０ｍｓ間隔（チューナブルレーザ４４を１０ｎｍ／ｓの速度で掃引しているので、波長に換算すると約４００ｐｍ間隔）に相当するウインドウ幅で抜き出されたデータを１６ビット（２１６）に割り当てて解析した。なお、チューナブルレーザ４４の掃引速度が一定でない場合は、ある一定の時間間隔ではなく、ある一定の光波数間隔（つまり、ある一定の波長間隔）に相当するウインドウ幅で解析しても良い。最後にｎに既知の値を代入することにより光ファイバ長差LFBG、Lconnectを求める。本実施例では、用いたＳＭファイバの代表的な値であるｎ＝１．４４７７２を使用した。
【００４１】
この実施例のＯＦＤＲ方式の計測器を用いて温度ひずみセンサの状態を計測した結果を図５と図６に示す。なお、このときの検知部は２０℃、０με（無ひずみ状態）であった。本実施例の計測器では、ＦＢＧ２２からのブラッグ反射光および光ファイバ２３の端末からの反射光をスペクトログラムで表示する。
図５と図６に示すスペクトログラムは、横軸が波長、縦軸がファイバ位置（反射端Ｒ３を有する光ファイバの長さに相当する位置からのファイバ長差）、色調が反射強度を示す。図５においては、Ｄ２信号を解析した結果のうちファイバ位置１．９〜２．１ｍの範囲を表示したものであり、図６はＤ２信号を解析した結果のうちファイバ位置４２．０〜４２．２ｍの範囲を表示したものである。
図５に得られた全長９８ｍｍの反射がＦＢＧ２２によるものであり、図６に得られた広波長帯域の反射が光ファイバ２３の端末のＦＣ／ＰＣコネクタ２６によるものである。ＦＢＧ２２による反射は１５４９．５２ｎｍで最大強度を示したので、該波長がブラッグ波長である。また、この計測結果よりＦＢＧ２２とＦＣ／ＰＣコネクタ２６とのファイバ長差は４０．００５０ｍであることがわかった（この値をＦＢＧ２２末端からＦＣ／ＰＣコネクタ２６までの距離と定義する）。
【００４２】
次に本発明の光ファイバセンサ２０により計測方法について更に説明する。
以下の説明において、光ファイバセンサ２０で計測した上記の検知部の状態を基準温度（２０℃）、基準ひずみ（０με）とする。
本実施例の光ファイバセンサ２０では、最初に温度検知用のセンサ部となる光ファイバ２３のＯＦＤＲ方式の計測器で表される光ファイバ長から温度を計測する。例えば、基準温度では上記の通り４０．００５０ｍである。この光ファイバ長を基準光ファイバ長としたとき、本実施例のＯＦＤＲ方式の計測器における検知部の温度変化にともなう光ファイバ長の変化量の関係は光ファイバ長に依存する。
図７は、ＯＦＤＲ方式の計測器における検知部の温度と光ファイバ長変化の関係を示すグラフである。この光ファイバ長変化は、光ファイバの実効屈折率の温度依存性および熱膨張による光ファイバ伸び、すなわち光路長変化に依存するものである。これらによる光ファイバ長の変化量は、同種の光ファイバに作製したＦＢＧの温度変化によるブラッグ波長のシフト量から求めることができる。図８は、温度変化によるＦＢＧのブラッグ波長のシフト量を示すグラフである。
【００４３】
図８において、ＦＢＧのブラッグ波長は以下の（２）式で表される。
λＢ＝２ｎΛ … （２）式
ただし、（２）式において、λＢはＦＢＧのブラッグ波長、ｎ は光ファイバの屈折率、Λは屈折率変化の周期を示す。
（２）式において、ＦＢＧが温度変化すると、光ファイバの実効屈折率の温度依存性によりｎが変化し、光ファイバの熱膨張によるファイバ伸びによりΛが変化することになる。つまり、図８は、（２）式におけるｎとΛの変化の総量をＦＢＧの中心波長シフト量として求めた結果である。
一方、ＯＦＤＲ方式の計測器で求める光ファイバ長は、ある一定のｎから光ファイバ長LFBG、Lconnectを計算するので、ｎの変化による光路長変化も光ファイバの熱膨張によるファイバ伸びとみなして計算していることになる。つまり、図７は、ｎとLFBG、Lconnectの変化の総量をLFBG、Lconnectのみの変化として計算した結果である。
【００４４】
図７における検知部の温度と光ファイバ長変化の関係は（３）式で表される。
ΔＬ＝６．４５３６×１０−６・ΔＴ・Ｌ …（３）式
ここで、ΔＬはＯＦＤＲ方式の計測器で計算される光ファイバ長変化（ｍｍ）、ΔＴは検知部温度と基準温度の差（℃）、Ｌは光ファイバ長（ｍｍ）を示す。係数６．４５３６×１０−６は、使用したＳＭファイバの単位温度変化あたりの光路長変化量示すものであり、光ファイバ毎に違う値となる。
本実施例の光ファイバセンサでは、ＯＦＤＲ方式の計測器を用いて温度検知用のセンサ部となる光ファイバ２３のファイバ長変化を計測し、該計測を（３）式に代入してΔＴを求めることにより検知部の温度を計測する。
【００４５】
次に、ひずみ検知用のセンサ部３０となるＦＢＧのブラッグ波長のシフト量から温度検知用のセンサで計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみ計測を行う。なお、光ファイバ長の変化から求めた温度変化におけるＦＢＧのブラッグ波長のシフト量は、図８から求めることができる。図９は、ひずみ変化によるＦＢＧのブラッグ波長のシフト量を示すグラフである。
【００４６】
図９において、ひずみ変化によるブラッグ波長のシフト量は以下の（４）式で表される。
ΔλＢ＝１．１２０６・ε …（４）式
ここで、ΔλＢは、ひずみによるブラッグ波長のシフト量（ｎｍ）、εはひずみ量（με）を示す。係数１．１２０６は、使用したＳＭファイバの単位ひずみ量あたりのブラッグ波長シフト量を示すものであり、光ファイバ毎に異なる値となる。
【００４７】
以上の演算処理を行うことで、本発明の光ファイバセンサ２０を用いて検知部の温度とひずみを計測することが可能となる。なお、これらの演算は本実施例に記載のＯＦＤＲ方式の計測器に備えるシステムコントローラ６３を用いて簡単に行うことができる。
【００４８】
なお、一般的なひずみセンシングにおいて要求されるひずみの計測精度は１０με程度である。つまり、ひずみ変化によるＦＢＧのブラッグ波長シフト量は約０．０１ｎｍの精度で計測できる必要がある。また、ＦＢＧのブラッグ波長が０．０１ｎｍシフトする温度変化量は約１℃である。つまり、１℃の精度で温度計測して温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を差し引いてひずみを計測することにより、要求されるひずみの計測精度を満たすことができる。
【００４９】
本実施例では、ＯＦＤＲ方式の計測器で得られた光干渉信号を約４０ｍｓ間隔に相当するウインドウ幅で抜き出されたデータを１６ビットに割り当てて解析しているが、このときのスペクトログラムは、波長０．００１１ｎｍ刻み、ファイバ位置０．２４ｍｍ刻みで得られる。本発明の光ファイバセンサにおいて１℃の精度で温度計測するには、検知部の温度が１℃変化するとファイバ長が０．２４ｍｍ以上変化する必要があり、先の（３）式からそのときに必要なファイバ長は４０ｍ以上となる。
温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３が４０ｍ以上のとき、温度変化によるブラッグ波長シフト量を差引いてひずみ計測すると０．０１ｎｍの精度でひずみ変化によるＦＢＧ２２のブラッグ波長シフト量を計測することができる。つまり、本発明の光ファイバセンサ２０において、温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３は４０ｍ以上とすることが望ましい。
【００５０】
このように、温度検知用のセンサ部３１となる光ファイバ２３の長さは、計測器の光ファイバ位置計測分解能によって決まる。より具体的には、計測器の光ファイバ位置計測分解能が高いほど必要な光ファイバの長さは短くなる。ＯＦＤＲ方式の計測器は０．２４ｍｍ刻みと非常に高いファイバ位置計測分解能有するために本発明の光ファイバセンサ２０を計測する手段として非常に有効である。
【００５１】
なお、本発明の第１実施例ではＯＦＤＲ方式の計測器に１つの光ファイバセンサ（温度ひずみセンサ）２０を接続した例を示したが、光ファイバセンサ２０を連設してＯＦＤＲ方式の計測器に複数の光ファイバセンサ２０を接続しても構わない。
係る構成において、ＯＦＤＲ方式の計測器に接続される光ファイバセンサ２０を第１の光ファイバセンサとし、第１の光ファイバセンサに連設される光ファイバセンサを第２の光ファイバセンサとすると、第２の光ファイバセンサは、ひずみ検知用のセンサとなるＦＢＧ２２に連設された接続点を第１の光ファイバセンサ２０における温度検知用の光ファイバ２３の端末の反射点に接続することが望ましい。
即ち、本発明の第１実施例における光ファイバセンサ２０では、第１の光ファイバセンサと第２の光ファイバセンサがＦＣ／ＰＣコネクタで接続されることとなる。このＦＣ／ＰＣコネクタ接続点の反射率は０．０１％であり、ＯＦＤＲ方式の計測器で反射点として計測することができる。つまり、第２の光ファイバセンサを接続しても第１の光ファイバセンサ２０における温度変化を計測することが可能である。このように、本発明の光ファイバセンサおよびその計測方法によると、複数の光ファイバセンサを同時に計測することも可能となる。
【００５２】
本実施形態の光ファイバセンサは、コネクタを用いて複数の光ファイバセンサを連設しているので、多点にわたる温度とひずみのセンシングが容易である。また、コネクタの着脱によってセンシングしたい点数の調整が容易である。
以上説明した本発明に係る光ファイバセンサは、ＯＦＤＲ方式で計測する点で特許文献１に記載の技術と同等であるが、ＦＢＧのブラッグ波長のシフト量から温度変化を計測するのではなく、光ファイバの光路長の変化から温度変化を計測する点で特許文献１に記載の技術とは異なる発明であるといえる。
また、光ファイバ端面に形成した反射部を利用して物理量を計測する点が、特許文献２に記載の技術と同等であるが、特許文献２に記載の技術では、ひずみ（人物の通過）を定性的に計測する手段であり、本発明は温度変化を定量的に計測する手段であることから、これらは異なる発明である。これは、すでに説明したそれぞれの計測方式を鑑みても明白である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は本発明に係る光ファイバセンサの基本構造を示す構成図。
【図２】図２は図１に示す光ファイバセンサを備えた光ファイバセンサ装置の第１の実施形態を示す構成図。
【図３】図３は図１に示す光ファイバセンサを面状体上に取り付けた状態を示す構成図。
【図４】図４は図３に示す光ファイバセンサを備えた光ファイバセンサ装置の第１実施例を示す構成図。
【図５】図５は実施例において得られたファイバ位置１．９〜２．１ｍにおける解析結果のスペクトログラムを示す図。
【図６】図６は実施例において得られたファイバ位置４２．０〜４２．２ｍにおける解析結果のスペクトログラムを示す図。
【図７】図７は実施例に用いた光ファイバの温度変化に対する光路長変化を光ファイバ長変化にみなした際の関係を示す図。
【図８】図８は実施例に用いた光ファイバに形成したＦＢＧの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性を示す図。
【図９】図９は実施例に用いた光ファイバに形成したＦＢＧのひずみ変化に対するブラッグ波長のシフト特性を示す図。
【符号の説明】
【００５４】
Ｓ、２０…光ファイバセンサ、１、２２…ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）、３、３０…ひずみ検知用のセンサ部、５、２３…光ファイバ、６、２６…反射部、７、３１…温度検知用のセンサ部、１０、４０…光ファイバセンサ装置、１１、４１、４２、４３…光カプラ、１２、４４…チューナブルレーザ（波長可変光源）、１３、４５、４６…フォトダイオード（受光器）、１６、Ｒ３…参照用反射端、１４、１５、１７、１８、５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９、６０…光ファイバ、２１…金属薄板、２５、２６…ＦＣ／ＰＣコネクタ、２７…ルースチューブ、３３…ポリイミド樹脂の接着層、３３ａ…接着層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長のシフト量からセンサ部のひずみを計測する光周波数領域反射測定方式に適用される光ファイバセンサ装置であって、
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部とを具備した光ファイバセンサと、参照用反射端と、光源と、受光器とが備えられ、
前記温度検知用光ファイバの光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ファイバブラッググレーティングのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする光ファイバセンサ装置。
【請求項２】
前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長が４０ｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項３】
前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバがチューブに遊挿されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項４】
前記ひずみ検知用のセンサ部となるファイバブラッググレーティングと、温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端あるいは両端が面状体に取り付けられてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項５】
前記面状体が金属薄板であることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項６】
前記ひずみ検知用のセンサ部となるファイバブラッググレーティングの一端部あるいは両端部と、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部が、接着層により前記面状体に固定されてなることを特徴とする請求項４または５に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項７】
前記ひずみ検知用のセンサ部と温度検知用のセンサ部を備えた光ファイバセンサが、複数、コネクタを介し連接され、これら連接された複数の光ファイバセンサが個々にひずみと温度を計測することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項８】
前記光ファイバの光路長の計測結果を基に、温度検知用のセンサとなる光ファイバの光路長の変化から温度変化量を計測するとともに、ひずみ検知用のセンサとなるファイバブラッググレーティングのブラッグ波長のシフト量から温度検知用のセンサとなる光ファイバで計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算してひずみを測定する制御装置が、前記受光器と前記光源に接続した状態で設けられてなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の光ファイバセンサ装置を用い、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測し、ひずみ検知用のセンサとなるファイバブラッググレーティングのブラッグ反射波長のシフト量から温度検知用センサ部で計測した温度変化によるブラッグ反射波長のシフト量を減算してひずみを計測することを特徴とする温度とひずみの計測方法。
【請求項１０】
前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測するに際し、温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面に設けた反射部からの反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用して温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面の反射部位置を特定して該光ファイバの光路長を計測し、この光路長の変化から温度変化量を計測することを特徴とする請求項９に記載の温度とひずみの計測方法。
【請求項１１】
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量からセンサ部のひずみを計測する光周波数領域反射測定方式に適用される光ファイバセンサであって、
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部が備えられ、
前記温度検知用光ファイバの光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ファイバブラッググレーティングのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項１】
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長のシフト量からセンサ部のひずみを計測する光周波数領域反射測定方式に適用される光ファイバセンサ装置であって、
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部とを具備した光ファイバセンサと、参照用反射端と、光源と、受光器とが備えられ、
前記温度検知用光ファイバの光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ファイバブラッググレーティングのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする光ファイバセンサ装置。
【請求項２】
前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長が４０ｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項３】
前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバがチューブに遊挿されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項４】
前記ひずみ検知用のセンサ部となるファイバブラッググレーティングと、温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端あるいは両端が面状体に取り付けられてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項５】
前記面状体が金属薄板であることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項６】
前記ひずみ検知用のセンサ部となるファイバブラッググレーティングの一端部あるいは両端部と、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部が、接着層により前記面状体に固定されてなることを特徴とする請求項４または５に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項７】
前記ひずみ検知用のセンサ部と温度検知用のセンサ部を備えた光ファイバセンサが、複数、コネクタを介し連接され、これら連接された複数の光ファイバセンサが個々にひずみと温度を計測することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項８】
前記光ファイバの光路長の計測結果を基に、温度検知用のセンサとなる光ファイバの光路長の変化から温度変化量を計測するとともに、ひずみ検知用のセンサとなるファイバブラッググレーティングのブラッグ波長のシフト量から温度検知用のセンサとなる光ファイバで計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算してひずみを測定する制御装置が、前記受光器と前記光源に接続した状態で設けられてなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の光ファイバセンサ装置を用い、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測し、ひずみ検知用のセンサとなるファイバブラッググレーティングのブラッグ反射波長のシフト量から温度検知用センサ部で計測した温度変化によるブラッグ反射波長のシフト量を減算してひずみを計測することを特徴とする温度とひずみの計測方法。
【請求項１０】
前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測するに際し、温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面に設けた反射部からの反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用して温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面の反射部位置を特定して該光ファイバの光路長を計測し、この光路長の変化から温度変化量を計測することを特徴とする請求項９に記載の温度とひずみの計測方法。
【請求項１１】
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量からセンサ部のひずみを計測する光周波数領域反射測定方式に適用される光ファイバセンサであって、
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部が備えられ、
前記温度検知用光ファイバの光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ファイバブラッググレーティングのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする光ファイバセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−９１２９４（Ｐ２０１０−９１２９４Ａ）
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５８８１６（Ｐ２００８−２５８８１６）
【出願日】平成２０年１０月３日（２００８．１０．３）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３日（２００８．１０．３）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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