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JP4286382B2 - Fiber tension sensor for temperature tension measurement - Google Patents
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JP4286382B2 - Fiber tension sensor for temperature tension measurement - Google Patents

Fiber tension sensor for temperature tension measurement Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建造物や船、飛行機などの構造物の局所的な温度や張力の測定に利用されるセンサに係り、ファイバグレーティングの反射光ピークあるいは透過損失ピークの温度依存性および張力依存性を利用してひとつのファイバグレーティングで温度および張力を測定可能とする温度張力測定ファイバグレーティングセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
ファイバグレーティングは光ファイバの長さ方向に、コアの屈折率やコア径の周期的な変化などの摂動を形成したグレーティング部を有するものである。そして、この周期的な変化の周期(グレーティングピッチ)を比較的狭く設計することによって、光ファイバのコアに伝送される光のうち、特定波長帯の光が反射される特性が得られる。その結果、反射光の波長スペクトルにおいては、特定波長帯の反射光のピーク(以下、反射光ピークという)が生じる。また、透過光の波長スペクトルにおいては、前記反射光ピークに対応する波長帯に透過損失のピーク(以下、透過損失ピークという)が得られる。
【0003】
この種のファイバグレーティングは、温度変化に応じてグレーティング部のコアの実効屈折率が変化することから、反射光ピークあるいは透過損失ピークの中心波長(以下、特に断りがない場合は、まとめてピークの中心波長というものとする。)が変化することを利用して温度センサとして用いることができる。
前記中心波長は、通常、ピークの最大値の半値を与える波長範囲の中心の波長をいう。
また、ファイバグレーティングに応力(張力)が印加され、光ファイバの長さが変化することにより、そのグレーティングピッチが変化することから、前記中心波長が変化することを利用して、張力センサとして用いることができる。
【0004】
そして、例えば各種の建築物や構造物にファイバグレーティングを用いたファイバグレーティングセンサを埋め込んで、その波長スペクトルのピークの中心波長を検出することによって、グレーティング部が位置する測定点の温度や歪みを光学的に遠隔測定する測定系を構築することができる。
【0005】
他のセンシング技術では測定点が増加するとその増加数に応じて測定器を増加させる必要があり、コストが高くなるが、ファイバグレーティングセンサは、時間分割技術や波長分割技術を用いると、測定器などの高価なものを増加させなくても、比較的安価なファイバグレーティングの数を増やすことによって複数の測定点の温度や張力を測定することができ、コストの観点から非常に有利である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のファイバグレーティングセンサにおいては、上述のようなピークの中心波長の変化が温度変化によるものなのか張力変化によるものなのかを分離して検出することが困難であった。したがって、温度と張力の両方を高精度で測定できるものが求められていた。
【0007】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、温度と張力を分離して測定できるファイバグレーティングセンサを提供することを課題とする。
さらに、ひとつのファイバグレーティングセンサで、温度と張力の両方を高精度で測定できるものを提供することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明においては以下のよう解決手段を提案する。第1の発明は、1本の光ファイバの被覆層を一部除去して露出させた裸光ファイバのコアに、その長さ方向にこのコアの屈折率が周期的に変化してなるグレーティング部が複数形成されてなり、これら複数のグレーティング部を形成した裸光ファイバの外周上に合成樹脂層が一体に設けられ、前記光ファイバに張力が印加された際に、前記合成樹脂層の長さ方向の位置によってグレーティング部に印加される張力の大きさが異なるために、前記複数のグレーティング部のグレーティングピッチの変化量が相互に異なるようになっており、前記合成樹脂層の外面に補強材が一体化されていることを特徴とする温度張力測定ファイバグレーティングセンサである。
第2の発明は、1本の光ファイバの被覆層を一部除去して露出させた裸光ファイバのコアに、その長さ方向にこのコアの屈折率が周期的に変化してなるグレーティング部が複数形成されてなり、これら複数のグレーティング部を形成した裸光ファイバの外周上の少なくともひとつのグレーティング部の上に、厚さ0.5mm以上の合成樹脂層が設けられ、前記光ファイバに張力が印加された際に、前記複数のグレーティング部のグレーティングピッチの変化量が相互に異なるようになっており、前記合成樹脂層の外面に補強材が一体化されていることを特徴とする温度張力測定ファイバグレーティングセンサである。
第3の発明は、第1又は第2の発明のファイバグレーティングセンサにおいて、前記補強材が、負の線膨張係数を有する材料からなことを特徴とする温度張力測定ファイバグレーティングセンサである。
本発明において単に光ファイバという場合は、裸光ファイバの上に被覆層が設けられた光ファイバ素線もしくは光ファイバ心線などを包含するものとする。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1はファイバグレーティングの一例を示した説明図であって、図中符号1はシングルモード型の裸光ファイバである。この裸光ファイバ1は、高屈折率のコア1aとその周囲に同心円状に設けられた低屈折率のクラッド1bとから構成されている。そして、コア1a(光ファイバ)の長さ方向の一部には、局所的にコア1aの屈折率が長さ方向に周期的に変化しているグレーティング部4が設けられている。
【0010】
コア1aはゲルマニウム添加石英ガラスからなり、クラッド1bは純石英ガラスまたはフッ素添加石英ガラスから形成されている。
グレーティング部4は、例えば以下のようにして、ゲルマニウム添加石英ガラスに特定波長帯の紫外光を照射すると、その屈折率が上昇する、いわゆるフォトリフラクティブ効果を利用して製造することができる。
【0011】
まず、裸光ファイバ1の外周上に紫外線硬化型樹脂などからなる被覆層が設けられた光ファイバ素線を用意し、この被覆層の一部を除去して裸光ファイバ1を露出させる。
一方、石英ガラスなどの光を透過する材料からなり、その片面に所定の周期で複数の格子が形成された位相マスクを用意し、前記裸光ファイバ1の側面に、その格子の形成面が対峙するように配置する。そして、この位相マスクを介して波長240nm付近の紫外光を照射すると、位相マスクの格子によって干渉縞を生じ、紫外光の強度パターンが形成される。その結果、前記干渉縞が生じた部分のコア1aの屈折率が変化し、干渉部分の周期に対応した周期でコアの屈折率が周期的に変化しているグレーティング部4が得られる。
【0012】
図2(a),図2(b)は本発明の温度張力測定ファイバグレーティングセンサ(以下、FGセンサと記す)の第1の実施形態例を示したもので、図2(a)は図2(b)に示したA−Aにおける断面図、図2(b)は側断面図である。
このFGセンサにおいては、裸光ファイバ1の上に紫外線硬化型樹脂などからなる被覆層5が設けられた光ファイバ素線(光ファイバ)の途中の被覆層5を除去して露出させた裸光ファイバ1に、ふたつの反射型のグレーティング部4A,4Bが設けられたファイバグレーティングが用いられている。
【0013】
裸光ファイバ1の長さ方向において、グレーティング部4Aは露出した裸光ファイバ1の中央付近に設けられ、グレーティング部4Bは一方の被覆層5の終端近くに設けられている。
また、グレーティング部4A,4Bにおいて得られるピークの中心波長が異なるように、グレーティング部4A,4Bのグレーティングピッチは異なっている。図3はこのFGセンサの反射光の波長スペクトルを示したもので、ピークaがグレーティング部4Aの反射光ピーク、ピークbがグレーティング部4Bの反射光ピークである。
【0014】
そして、露出した裸光ファイバ1と、この裸光ファイバ1の両側の被覆層5の終端を含む部分は、断面半円の柱状の補強材7とともに円管状の合成樹脂製チューブ(一括被覆層)9内におさめらている。
補強材7の側面の曲面部7aは合成樹脂製チューブ9の内壁に接触しており、ファイバグレーティングは、補強材7の側面の平面部7bと合成樹脂製チューブ9の内壁とに囲まれた空間の中心付近に配置されている。そして、裸光ファイバ1の外面および被覆層5の外面と、平面部7aおよび合成樹脂製チューブ9の内壁との間には合成樹脂層11が充填されて、補強構造12が構成されている。換言すると、合成樹脂層11の外面に補強材7が一体化されている。
【0015】
合成樹脂製チューブ9は合成樹脂層11と補強材7とを一体化するために設けられているもので、ポリエチレンなどからなる熱収縮チューブを用いると、FGセンサの作製時の操作性が良好で、かつ合成樹脂製チューブ9内に隙間が形成されにくく、好ましい。この例において、補強材7はミラクロンPH−33(日本ガイシ製)を用いている。
【0016】
合成樹脂製チューブ9の外径は、スペース効率の観点から好ましくは1〜10mm、さらに好ましくは1.5〜3mmとされる。
合成樹脂製チューブ9の厚さは特に限定しないが、通常0.1〜0.6mmとされる。0.1mm未満の場合は合成樹脂製チューブ9を設けた効果が得られず、0.6mmをこえると合成樹脂層11のグレーティング部4A,4Bに対する作用に影響する場合がある。この例において、合成樹脂製チューブ9の内径は4.3mm、外径は4.8mmで、合成樹脂製チューブ9の厚さは0.25mmである。
【0017】
また、合成樹脂製チューブ9(合成樹脂層11)の長さ(以下、単に長さという場合は裸光ファイバ1の長さ方向の長さとする。)は3〜500mm、好ましくは5〜50mmである。3mm未満の場合は グレーティング部4A,4Bに印加される張力の大きさの差が小さくなり、感度が低下する場合がある。500mmをこえるとスペース効率が低下するため不都合である。この例において合成樹脂製チューブ9の長さは40mmである。
【0018】
この例において、裸光ファイバ1の外径は約125μm、被覆層5を含む外径は約250μmである。
また、合成樹脂製チューブ9内の被覆層5が除去された裸光ファイバ1の長さは30mm、裸光ファイバ1の両側の合成樹脂製チューブ9内の被覆層5,5の長さは、それぞれ5mmである。
【0019】
グレーティング部4A,4Bの長さ(グレーティング長)は、好ましくはそれぞれ0.5〜10mmとされるが、グレーティング部4A,4Bの特性によって適宜調整される。この例においてはグレーティング部4Aのグレーティング長が2mm、グレーティング部4Bのグレーティング長が2mmである。
グレーティング部4A,4Bのグレーティングピッチは反射型の特性を得るために、1μm以下、好ましくは0.34〜0.58μmとされるが、上述のようにグレーティング部4Aとグレーティング部4Bのグレーティングピッチは相互に異なっている。
【0020】
グレーティング部4A,4B間の距離は4〜400mm、好ましくは8〜30mmとされる。8mm未満の場合はグレーティング部4A,4B間の張力の印加量の差が小さくなり、不都合な場合がある。30mmをこえると温度差が無視できなくなり、グレーティング部4A,4Bの温度が均一にならず、不都合な場合がある。
また、グレーティング部4B側の合成樹脂製チューブ9の端部からグレーティング部4Bまでの距離は、この例において10mmである。この距離はグレーティング部4A,4Bに印加される張力によるグレーティングピッチの変化量の差によって適宜調整される。
【0021】
合成樹脂層11としてはポリエチレンなどが用いられる。
また、合成樹脂層11は、FGセンサを埋め込む被測定物の材料のヤング率よりも大きいヤング率を有する材料から構成すると、グレーティング部4A,4Bが張力以外の測定点における歪みの影響を受け難く、好ましい。
被測定物の材料が多岐に渡るため、合成樹脂層11のヤング率の範囲を限定することは困難であるが、通常は1MPa以上、実質的には10〜100MPaとされる。
【0022】
また、被測定物内にFGセンサを設置する際に、光ファイバの被覆層5のみを被測定物内に埋め込み、合成樹脂製チューブ9と合成樹脂層11が被測定物に接触しないように、被測定物内に空洞などを設けて設置することができれば、同様にグレーティング部4A,4Bが張力以外の測定点における歪みの影響を受け難く、好ましい。この場合は被測定物のヤング率を考慮して合成樹脂層11のヤング率を決定する必要はなく、例えば合成樹脂層11のヤング率は0.1MPa以上、実質的には1〜1000MPaとされる。
この例において、合成樹脂層11はポリエチレンならなり、そのヤング率は55MPaである。
【0023】
裸光ファイバ1の外周上の合成樹脂層11の厚さは、その材料やFGセンサの特性などによって適宜調整されるが、少なくとも0.1mm以上、好ましくは0.2〜1.0mmとする。
この例において、合成樹脂層11の厚さは最小値が0.4mm、最大値が0.6mmである。
【0024】
補強材7としてはセラミックスなどが用いられる。また、補強材7の線膨張係数が負であると、合成樹脂層11と一体化したときの線膨張係数が裸光ファイバ1を構成する石英ガラスと近くなり、好ましい。
すなわち、合成樹脂の線膨張係数は、石英ガラスよりも大きいため、温度変化によって、グレーティング部4A,4Bのピークの中心波長は、コア1aの実効屈折率の変化のみならず、合成樹脂層11の膨張、収縮の影響を受けて変化する。この影響は、予め測定しておくことによって補正可能である。
しかし、この例においては、合成樹脂層11の線膨張係数と補強材7の線膨張係数とが打ち消し合うことによって、これらの合成樹脂層11と補強材7とを一体化したときの線膨張係数が裸光ファイバ1の材料の線膨張係数と実質的に等しくなっている。よって、合成樹脂層11の温度変化に伴う膨張、収縮を補正する必要がなく、さらに測定精度を向上させることができる。
【0025】
石英ガラスの線膨張係数は5×10-7〜6×10-7程度であり、またポリエチレンなどの合成樹脂の線膨張係数は例えば1×10-4〜4×10-4程度であるため、補強材7の材料の線膨張係数は−20×10-5〜−4×10-5であると好ましい。
この例において、合成樹脂層11の線膨張係数は4×10-4であり、補強材7はセラミックスであり、その線膨張係数は−5×10-5である。
補強材7は必須の構成ではないが、このように合成樹脂層11の線膨張係数を調整できる他、FGセンサの機械的な強度が向上するため、補強材7を設けると好ましい。
【0026】
このFGセンサは以下のようにして製造することができる。
まず、加熱前の合成樹脂製チューブ9内に補強材7をおさめる。一方、ファイバグレーティングの裸光ファイバ1とその両側の被覆層5の終端を、合成樹脂層11を構成するチューブ内におさめ、さらにこのチューブを合成樹脂製チューブ9内におさめる。
ついで、合成樹脂製チューブ9の外部から加熱すると、合成樹脂製チューブ9が収縮するとともに、合成樹脂層11を構成するチューブが溶融して合成樹脂製チューブ9内の隙間に充填され、合成樹脂層11となる。そして、この合成樹脂が硬化するにともなって補強材7、合成樹脂層11、ファイバグレーティングおよび合成樹脂製チューブ9が一体化し、補強構造12が得られる。
【0027】
このFGセンサにおいては、グレーティング部4A,4Bが形成された裸光ファイバ1の外周上に合成樹脂層11が一体に設けられており、合成樹脂層11内の裸光ファイバ1は、合成樹脂層11に均一な保持力で保持されている。
よって、測定点における歪みによって補強構造12から引き出された光ファイバ素線に張力がかかると、この張力は合成樹脂層11内で徐々に減衰する。その結果、合成樹脂層11の長さ方向における中心付近において、裸光ファイバ1に印加される張力が小さくなり、合成樹脂層11の端部に向かって印加される張力が大きくなる張力の強度分布が形成される。
【0028】
そして、グレーティング部4A,4Bは、合成樹脂層11の長さ方向における中心付近と端部付近に設けられているため、グレーティング部4A,4Bに印加される張力の大きさが異なるものとなる。その結果、グレーティング部4,4Bのグレーティングピッチの変化量が異なり、波長スペクトルにおけるピークの中心波長の変化量が相互に異なるものとなる。
【0029】
一方、温度変化に対しては、グレーティング部4A,4Bは近接しており、同じ屈折率変化によって同じ中心波長の変化量を示す。
よって、グレーティング部4A,4Bにおける反射光の波長スペクトルあるいは透過光の波長スペクトルをモニタしたとき、それぞれのピークの中心波長の変化量が異なる場合は張力が印加されたことになり、前記変化量が同じである場合は温度変化が生じたことになる。
【0030】
測定点において、温度変化と歪みが同時に発生した場合はそれぞれのピークの中心波長の差から張力を測定し、張力変化分を差し引いた後の中心波長の変化から温度を測定することによって、温度と張力を同時に測定することができる。
この例において、グレーティング部の数はふたつであるが、複数であって、温度に対する中心波長の変化量がほぼ等しく、かつ張力に対する中心波長の変化が相互に異なっていれば特に限定するものではない。
【0031】
このように、このFGセンサにおいては、波長スペクトルのピークの中心波長の変化が温度によるものなのか張力によるものなのかを判別することができる。よって、温度と張力を分離して測定でき、これらの測定精度が向上する。また、ひとつのFGセンサで温度と張力を測定できるため、コストおよびスペース効率の点で有利である。
また、このFGセンサを構成する補強構造12は、合成樹脂層11,補強材7,合成樹脂製チューブ9からなるコンパクトな構成であるため、設置場所を選ばず、適用可能箇所が広範囲となる。また、簡単な構成であり、低コストである。
【0032】
図4は本発明のFGセンサの第2の実施形態例を示した側断面図である。
このFGセンサにおいては、裸光ファイバ1の上に紫外線硬化型樹脂などからなる被覆層5が設けられた光ファイバ素線の途中の被覆層を2箇所除去して露出させた裸光ファイバ1,1に、それぞれ反射型のグレーティング部4C,4Dが設けられたファイバグレーティングが用いられている。
【0033】
グレーティング部4Cを形成した裸光ファイバ1の外周上には、第1の実施形態例の補強構造12と同様の構成の補強構造12Cが設けられている。このグレーティング部4Cは合成樹脂製チューブ9(合成樹脂層11)の長さ方向の中心付近に位置している。
【0034】
この例において、合成樹脂製チューブ9の内径と外径は第1の実施形態例と同様である。
また、合成樹脂製チューブ9(合成樹脂層11)の長さについての好ましい範囲も第1の実施形態例と同様である。
さらに、合成樹脂製チューブ9内の被覆層5が除去された裸光ファイバ1の長さ、裸光ファイバ1の両側の合成樹脂製チューブ9内の被覆層5の長さは第1の実施形態例と同様である。
【0035】
グレーティング部4C,4Dのグレーティング長、グレーティングピッチおよび相互間の距離は、それぞれ第1の実施形態例のグレーティング部4A,4Bと同様である。
合成樹脂層11の厚さ、ヤング率などの条件は第1の実施形態例と同様である。
【0036】
一方、グレーティング部4Dを形成した裸光ファイバ1の上には、被覆層5の材料と同様の紫外線硬化型樹脂などによって形成された再被覆層5Aが設けられている。再被覆層5Aの外径は、被覆層5の外径とほぼ等しく、この例においては約250μmとされている。この再被覆層5Aは、例えば裸光ファイバ1にグレーティング部4Dを形成した後、この裸光ファイバ1の上に未硬化の紫外線硬化型樹脂を塗布し、そこに紫外光を照射して硬化させて形成したものである。
【0037】
このファイバグレーティングにおいては、グレーティング部4Cの上には補強構造12Cを構成する比較的厚い合成樹脂層11が設けられているため、測定点における歪みに対してグレーティング部4Cにかかる張力が小さく、グレーティング部4Dの上には光ファイバ素線の被覆層5と同程度の薄い再被覆層5Aが設けられているため、測定点における歪みに対してグレーティング部4Dにかかる張力が大きくなる。その結果、グレーティング部4C,4Dにおけるグレーティングピッチの変化量を異ならしめることができる。
グレーティング部4Cに印加される張力の大きさは、合成樹脂層11の材料のヤング率、合成樹脂層11の厚さおよび長さなどを変更することによって調節することができる。
【0038】
また、測定点における温度変化に対するグレーティング部4C,4Dの波長スペクトルのピークの中心波長の変化量は、裸光ファイバ1の外周上に設けられているものが合成樹脂層11と再被覆層5Aであり、それぞれ異なるため、等しくはない。しかしながら、合成樹脂層11による影響はそれ程大きいものではなく、予め温度変化に対する合成樹脂層11と再被覆層5Aのグレーティング部4C,4Dに対する影響を調べておくことによって補正可能な範囲である。
よって、この構成においても、温度と張力を分離して測定することができ、上述の第1の実施形態例と同様の効果が得られる。
【0039】
図5は本発明の第3の実施形態例を示したもので、第2の実施形態例と異なる点は、ふたつのグレーティング部4E,4Fの両方の上に、合成樹脂層11のヤング率が異なる以外は補強構造12Cと同様の構成の補強構造12E,12Fが設けられている点である。
グレーティング部4E,Fは、それぞれ合成樹脂製チューブ9,9(合成樹脂層11,11)の長さ方向の中心付近に位置している。
グレーティング部4E,4Fは、第2の実施形態例のグレーティング部4C,4Dと同様のものである。
【0040】
この例において、ふたつの補強構造12E,12Fを構成する部材のサイズは第2の実施形態例の補強構造12Cと等しくなっている。ただし、ふたつの合成樹脂層11,11の材料は、例えばポリエチレンなどからなり、同じであるが、そのヤング率は異なっている。この例においては、補強構造12Eを構成する合成樹脂層11のヤング率が10MPa、補強構造12Fを構成する合成樹脂層11のヤング率が100MPaである。これら合成樹脂層11,11のヤング率の差はFGセンサの特性によって適宜調整することができるが、通常20〜200MPaとされる。
【0041】
このファイバグレーティングにおいては、グレーティング部4E,4Fの外周上に設けられた合成樹脂層11,11のヤング率が異なっているため、測定点の歪みに対してグレーティング部4E,4Fにかかる張力がそれぞれ異なるものとなる。すなわち、ヤング率が大きいもの程グレーティング部に印加される張力が小さく、ヤング率が大きいもの程グレーティング部に印加される張力が大きくなる。よって測定点の歪みに対して、グレーティング部4E,4Fにおけるグレーティングピッチの変化量が異なり、波長スペクトルの中心波長の変化量が、相互に異なるものとなる。
一方、温度変化に対するグレーティング部4E,4Fの波長スペクトルの中心波長の変化量はほぼ等しくなるため、第1の実施形態例と同様に温度と張力を分離して測定することができる。
【0042】
また、このFGセンサにおいては、補強構造12E,12Fを構成する合成樹脂層11を、ヤング率が同じ材料から形成し、合成樹脂層11,11の長さを相互に異なるものとすることによっても同様の効果を得ることができる。
すなわち、上述のようにグレーティング部が合成樹脂層11の長さ方向の中心付近に位置する程、測定点の歪みに対してグレーティング部にかかる張力の大きさが小さくなる。したがって、一方の長さを長くして、その中心付近にグレーティング部を配置することによって、他方の合成樹脂層11内のグレーティング部よりも測定点の歪みに対するグレーティングピッチの変化量を小さくし、ふたつのグレーティング部の波長スペクトルのピークの中心波長の変化量に差異を設けることができる。これら合成樹脂層11,11の長さの差はFGセンサの特性によって適宜調整することができるが、通常5〜300mmとされる。
【0043】
図6は、本発明のFGセンサを用いた測定系の一例を示した模式図である。
この測定系は、第一測定点ないし第四測定点において、温度と張力を測定するもので、1本の光ファイバ素線13に、その長さ方向にそって、図2に示した補強構造12を備えたFGセンサが、4つ間隔をあけて形成されている。
【0044】
第一測定点の補強構造12内にはグレーティング部4G,4Hが形成され、第二測定点の補強構造12内にはグレーティング部4I,4Jが形成され、第三測定点の補強構造12内にはグレーティング部4K,4Lが形成され、第四測定点の補強構造12内にはグレーティング部4M,4Nが形成されている。これらグレーティング部4G,…,4Nのそれぞれの反射光ピークの中心波長は、それぞれ所定波長ずつ異なるように設定されている。
また、この光ファイバ素線13の第四測定点側の端部は常法によって無反射終端とされている。一方、第一測定点側の光ファイバ素線13の端部は3dBカプラを介して光源とスペクトルアナライザに接続されている。
【0045】
そして、光源から光ファイバ素線13に比較的広い波長帯の光を入射して、反射光の波長スペクトルをスペクトルアナライザで検出すると、図7に示したように、グレーティング部4G,…,4Nにそれぞれ対応するピークg,…,nが得られる。
そして、ピークg,hの中心波長の変化を測定することによって、第一測定点の温度と張力を測定することができる。同様にしてピークi,…,nの中心波長の変化を測定することによって第二測定点ないし第四測定点の温度と張力を測定することができる。
【0046】
したがって、ひとつの光源とスペクトルアナライザによって、複数の測定点における測定可能な測定系を構成でき、低コストである。
この測定系においては反射光の波長スペクトルを検出したが、第四測定点側の光ファイバ素線13の端部にスペクトルアナライザを接続して、グレーティング部4G,…,4Nの透過光の波長スペクトルを検出し、透過損失ピークの中心波長の変化を測定することによっても同様に温度と張力を測定することができる。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のFGセンサにおいては、波長スペクトルのピークの中心波長の変化が温度によるものなのか張力によるものなのかを判別することができる。よって、温度と張力を分離して測定でき、これらの測定精度が向上する。また、ひとつのFGセンサで温度と張力を測定できるため、コストおよびスペース効率の点で有利である。
また、コンパクトな構成であるため、設置場所を選ばず、適用可能箇所が広範囲となる。また、簡単な構成であり、低コストである。
さらに、合成樹脂層の外面に負の線膨張係数を有する材料からなる補強材が一体化することによって、合成樹脂層と補強材とを一体化したときの線膨張係数が裸光ファイバを構成する石英ガラスと近くなり、合成樹脂層の温度変化に伴う膨張、収縮を補正する必要がなく、さらに測定精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ファイバグレーティングの一例を示した説明図であって、図中符号1は
【図2】 本発明の温度張力測定ファイバグレーティングセンサの第1の実施形態例を示したもので、図2(a)は図2(b)に示したA−Aにおける断面図、図2(b)は側断面図である。
【図3】 FGセンサの反射光の波長スペクトルを示したグラフである。
【図4】 本発明のFGセンサの第2の実施形態例を示した側断面図である。
【図5】 本発明のFGセンサの第3の実施形態例を示した側断面図である。
【図6】 本発明のFGセンサを用いた測定系の一例を示した模式図である。
【図7】 図6に示した測定系において得られる反射光の波長スペクトルの一例を示したグラフである。
【符号の説明】
1…裸光ファイバ、1a…コア、1b…クラッド、
4A,4B,4C,4D,4E,4F…グレーティング部、5…被覆層、
11…合成樹脂層、12,12C,12E,12F…補強構造、
13…光ファイバ素線(光ファイバ)。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sensor used to measure local temperature and tension of a structure such as a building, a ship, or an airplane. The present invention relates to the temperature dependence and tension dependence of a reflected light peak or transmission loss peak of a fiber grating. The present invention relates to a temperature tension measurement fiber grating sensor that can measure temperature and tension with a single fiber grating.
[0002]
[Prior art]
The fiber grating has a grating portion in which perturbations such as a periodic change in the refractive index of the core and the core diameter are formed in the length direction of the optical fiber. And by designating the period (grating pitch) of this periodic change comparatively narrow, the characteristic in which the light of a specific wavelength band is reflected among the lights transmitted to the core of an optical fiber is acquired. As a result, in the wavelength spectrum of the reflected light, a peak of reflected light in a specific wavelength band (hereinafter referred to as a reflected light peak) occurs. In the wavelength spectrum of transmitted light, a transmission loss peak (hereinafter referred to as a transmission loss peak) is obtained in a wavelength band corresponding to the reflected light peak.
[0003]
In this type of fiber grating, since the effective refractive index of the core of the grating portion changes according to the temperature change, the center wavelength of the reflected light peak or transmission loss peak (hereinafter, unless otherwise noted, the peak wavelength is collectively It can be used as a temperature sensor by utilizing the fact that the center wavelength is changed.
The center wavelength usually refers to the wavelength at the center of a wavelength range that gives a half value of the maximum value of the peak.
In addition, since stress (tension) is applied to the fiber grating and the length of the optical fiber changes, the grating pitch changes. Therefore, it can be used as a tension sensor by utilizing the change in the center wavelength. Can do.
[0004]
For example, by embedding a fiber grating sensor using a fiber grating in various buildings and structures and detecting the center wavelength of the peak of the wavelength spectrum, the temperature and strain at the measurement point where the grating part is located can be optically measured. It is possible to construct a measurement system for remote measurement.
[0005]
In other sensing technologies, if the number of measurement points increases, it is necessary to increase the number of measuring instruments according to the number of increases, which increases the cost, but fiber grating sensors use time division technology or wavelength division technology to measure Even if the expensive ones are not increased, the temperature and tension at a plurality of measurement points can be measured by increasing the number of relatively inexpensive fiber gratings, which is very advantageous from the viewpoint of cost.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional fiber grating sensor, it has been difficult to separately detect whether the change in the center wavelength of the peak as described above is due to a temperature change or a tension change. Therefore, what can measure both temperature and tension with high accuracy has been demanded.
[0007]
This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it a subject to provide the fiber grating sensor which can isolate | separate and measure temperature and tension | tensile_strength.
It is another object of the present invention to provide a single fiber grating sensor that can measure both temperature and tension with high accuracy.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention proposes solving means as follows. The first aspect of the present invention is a grating portion in which a core of a bare optical fiber exposed by removing a part of a coating layer of one optical fiber, and the refractive index of the core periodically changing in the length direction. A synthetic resin layer is integrally provided on the outer periphery of the bare optical fiber in which the plurality of grating portions are formed, and when the tension is applied to the optical fiber, the length of the synthetic resin layer is formed. Depending on the position of the direction Because the magnitude of the tension applied to the grating part is different, The amount of change in the grating pitch of the plurality of grating portions is different from each other. And a reinforcing material is integrated on the outer surface of the synthetic resin layer. A fiber tension sensor for measuring temperature tension, which is characterized in that:
According to a second aspect of the present invention, there is provided a grating portion in which a core of a bare optical fiber exposed by removing a part of a coating layer of one optical fiber, the refractive index of the core periodically changing in the length direction. A synthetic resin layer having a thickness of 0.5 mm or more is provided on at least one grating portion on the outer periphery of the bare optical fiber formed with the plurality of grating portions, and tension is applied to the optical fiber. Is applied, the amount of change in the grating pitch of the plurality of grating portions becomes different from each other. And a reinforcing material is integrated on the outer surface of the synthetic resin layer. A fiber tension sensor for measuring temperature tension, which is characterized in that:
3rd invention is the fiber grating sensor of 1st or 2nd invention, The reinforcing material is From materials with negative linear expansion coefficient Ru This is a temperature tension measuring fiber grating sensor.
In the present invention, the term “optical fiber” includes an optical fiber or an optical fiber having a coating layer on a bare optical fiber.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an explanatory view showing an example of a fiber grating. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a single mode bare optical fiber. The bare optical fiber 1 includes a high refractive index core 1a and a low refractive index cladding 1b concentrically provided around the core 1a. A grating portion 4 in which the refractive index of the core 1a locally changes periodically in the length direction is provided in a part of the core 1a (optical fiber) in the length direction.
[0010]
The core 1a is made of germanium-added quartz glass, and the clad 1b is made of pure quartz glass or fluorine-added quartz glass.
The grating portion 4 can be manufactured by utilizing a so-called photorefractive effect that increases the refractive index of the germanium-added quartz glass when irradiated with ultraviolet light in a specific wavelength band, for example, as follows.
[0011]
First, an optical fiber strand having a coating layer made of an ultraviolet curable resin or the like provided on the outer periphery of the bare optical fiber 1 is prepared, and a part of the coating layer is removed to expose the bare optical fiber 1.
On the other hand, a phase mask made of a material that transmits light, such as quartz glass, and having a plurality of gratings formed on one side with a predetermined period is prepared, and the side on which the grating is formed faces the side of the bare optical fiber 1. Arrange to do. When ultraviolet light having a wavelength of about 240 nm is irradiated through this phase mask, interference fringes are generated by the grating of the phase mask, and an ultraviolet light intensity pattern is formed. As a result, the refractive index of the core 1a in the part where the interference fringes are generated changes, and the grating part 4 in which the refractive index of the core periodically changes in a period corresponding to the period of the interference part is obtained.
[0012]
2 (a) and 2 (b) show a first embodiment of a temperature tension measuring fiber grating sensor (hereinafter referred to as an FG sensor) of the present invention. FIG. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. 2B, and FIG.
In this FG sensor, the bare light exposed by removing the coating layer 5 in the middle of the optical fiber (optical fiber) in which the coating layer 5 made of an ultraviolet curable resin or the like is provided on the bare optical fiber 1. A fiber grating provided with two reflection-type grating portions 4A and 4B is used for the fiber 1.
[0013]
In the length direction of the bare optical fiber 1, the grating portion 4 </ b> A is provided near the center of the exposed bare optical fiber 1, and the grating portion 4 </ b> B is provided near the end of one coating layer 5.
Moreover, the grating pitches of the grating portions 4A and 4B are different so that the center wavelengths of the peaks obtained in the grating portions 4A and 4B are different. FIG. 3 shows the wavelength spectrum of the reflected light of the FG sensor. The peak a is the reflected light peak of the grating portion 4A, and the peak b is the reflected light peak of the grating portion 4B.
[0014]
The exposed bare optical fiber 1 and the portion including the ends of the covering layer 5 on both sides of the bare optical fiber 1 are formed into a cylindrical synthetic resin tube (collective covering layer) together with a columnar reinforcing material 7 having a semicircular cross section. It is contained within 9.
The curved surface portion 7 a on the side surface of the reinforcing material 7 is in contact with the inner wall of the synthetic resin tube 9, and the fiber grating is a space surrounded by the flat surface portion 7 b on the side surface of the reinforcing material 7 and the inner wall of the synthetic resin tube 9. It is arranged near the center. A synthetic resin layer 11 is filled between the outer surface of the bare optical fiber 1 and the outer surface of the coating layer 5, and the flat portion 7 a and the inner wall of the synthetic resin tube 9, thereby forming a reinforcing structure 12. In other words, the reinforcing material 7 is integrated with the outer surface of the synthetic resin layer 11.
[0015]
The synthetic resin tube 9 is provided in order to integrate the synthetic resin layer 11 and the reinforcing material 7. When a heat shrinkable tube made of polyethylene or the like is used, the operability at the time of manufacturing the FG sensor is good. And it is hard to form a gap in the tube 9 made of synthetic resin, which is preferable. In this example, the reinforcing material 7 uses Miraclone PH-33 (manufactured by NGK).
[0016]
The outer diameter of the synthetic resin tube 9 is preferably 1 to 10 mm, more preferably 1.5 to 3 mm, from the viewpoint of space efficiency.
The thickness of the synthetic resin tube 9 is not particularly limited, but is usually 0.1 to 0.6 mm. If it is less than 0.1 mm, the effect of providing the synthetic resin tube 9 cannot be obtained, and if it exceeds 0.6 mm, the action of the synthetic resin layer 11 on the grating portions 4A and 4B may be affected. In this example, the inner diameter of the synthetic resin tube 9 is 4.3 mm, the outer diameter is 4.8 mm, and the thickness of the synthetic resin tube 9 is 0.25 mm.
[0017]
The length of the synthetic resin tube 9 (synthetic resin layer 11) (hereinafter simply referred to as the length in the length direction of the bare optical fiber 1) is 3 to 500 mm, preferably 5 to 50 mm. is there. If it is less than 3 mm, the difference in the magnitude of the tension applied to the grating portions 4A and 4B becomes small, and the sensitivity may decrease. If it exceeds 500 mm, the space efficiency is lowered, which is inconvenient. In this example, the length of the synthetic resin tube 9 is 40 mm.
[0018]
In this example, the outer diameter of the bare optical fiber 1 is about 125 μm, and the outer diameter including the coating layer 5 is about 250 μm.
The length of the bare optical fiber 1 from which the covering layer 5 in the synthetic resin tube 9 is removed is 30 mm, and the length of the covering layers 5 and 5 in the synthetic resin tube 9 on both sides of the bare optical fiber 1 is Each is 5 mm.
[0019]
The lengths (grating lengths) of the grating portions 4A and 4B are preferably 0.5 to 10 mm, respectively, but are appropriately adjusted depending on the characteristics of the grating portions 4A and 4B. In this example, the grating length of the grating portion 4A is 2 mm, and the grating length of the grating portion 4B is 2 mm.
The grating pitches of the grating portions 4A and 4B are set to 1 μm or less, preferably 0.34 to 0.58 μm in order to obtain a reflection type characteristic, but the grating pitch of the grating portions 4A and 4B is as described above. They are different from each other.
[0020]
The distance between the grating portions 4A and 4B is 4 to 400 mm, preferably 8 to 30 mm. If it is less than 8 mm, the difference in the amount of tension applied between the grating portions 4A and 4B becomes small, which may be inconvenient. If it exceeds 30 mm, the temperature difference cannot be ignored, and the temperatures of the grating portions 4A and 4B are not uniform, which may be inconvenient.
The distance from the end of the synthetic resin tube 9 on the side of the grating portion 4B to the grating portion 4B is 10 mm in this example. This distance is appropriately adjusted according to the difference in the change amount of the grating pitch due to the tension applied to the grating portions 4A and 4B.
[0021]
As the synthetic resin layer 11, polyethylene or the like is used.
Further, when the synthetic resin layer 11 is made of a material having a Young's modulus larger than the Young's modulus of the material to be measured in which the FG sensor is embedded, the grating portions 4A and 4B are hardly affected by distortion at measurement points other than the tension. ,preferable.
Since there are a wide variety of materials for the object to be measured, it is difficult to limit the range of the Young's modulus of the synthetic resin layer 11, but it is usually 1 MPa or more, and substantially 10 to 100 MPa.
[0022]
Also, when installing the FG sensor in the object to be measured, only the optical fiber coating layer 5 is embedded in the object to be measured so that the synthetic resin tube 9 and the synthetic resin layer 11 do not contact the object to be measured. If the cavity can be installed in the object to be measured, it is preferable that the grating portions 4A and 4B are similarly less susceptible to distortion at measurement points other than tension. In this case, it is not necessary to determine the Young's modulus of the synthetic resin layer 11 in consideration of the Young's modulus of the object to be measured. For example, the Young's modulus of the synthetic resin layer 11 is 0.1 MPa or more, substantially 1 to 1000 MPa. The
In this example, the synthetic resin layer 11 is made of polyethylene, and its Young's modulus is 55 MPa.
[0023]
The thickness of the synthetic resin layer 11 on the outer periphery of the bare optical fiber 1 is appropriately adjusted depending on the material, the characteristics of the FG sensor, and the like, but is at least 0.1 mm or more, preferably 0.2 to 1.0 mm.
In this example, the synthetic resin layer 11 has a minimum thickness of 0.4 mm and a maximum value of 0.6 mm.
[0024]
Ceramics or the like are used as the reinforcing material 7. Moreover, it is preferable that the linear expansion coefficient of the reinforcing material 7 is negative because the linear expansion coefficient when integrated with the synthetic resin layer 11 is close to that of the quartz glass constituting the bare optical fiber 1.
That is, since the linear expansion coefficient of the synthetic resin is larger than that of quartz glass, the center wavelength of the peaks of the grating portions 4A and 4B is not only the change of the effective refractive index of the core 1a but also the synthetic resin layer 11 due to the temperature change. Changes under the influence of expansion and contraction. This influence can be corrected by measuring in advance.
However, in this example, the linear expansion coefficient when the synthetic resin layer 11 and the reinforcing material 7 are integrated by canceling out the linear expansion coefficient of the synthetic resin layer 11 and the linear expansion coefficient of the reinforcing material 7. Is substantially equal to the linear expansion coefficient of the material of the bare optical fiber 1. Therefore, it is not necessary to correct the expansion and contraction accompanying the temperature change of the synthetic resin layer 11, and the measurement accuracy can be further improved.
[0025]
The linear expansion coefficient of quartz glass is 5 × 10 -7 ~ 6 × 10 -7 The coefficient of linear expansion of a synthetic resin such as polyethylene is, for example, 1 × 10 -Four ~ 4x10 -Four Therefore, the coefficient of linear expansion of the material of the reinforcing material 7 is −20 × 10 -Five ~ -4x10 -Five Is preferable.
In this example, the linear expansion coefficient of the synthetic resin layer 11 is 4 × 10. -Four The reinforcing material 7 is ceramic, and its linear expansion coefficient is −5 × 10 -Five It is.
Although the reinforcing material 7 is not an essential configuration, it is preferable to provide the reinforcing material 7 because the linear expansion coefficient of the synthetic resin layer 11 can be adjusted as described above and the mechanical strength of the FG sensor is improved.
[0026]
This FG sensor can be manufactured as follows.
First, the reinforcing material 7 is put in the synthetic resin tube 9 before heating. On the other hand, the ends of the bare optical fiber 1 of the fiber grating and the covering layer 5 on both sides thereof are placed in a tube constituting the synthetic resin layer 11, and this tube is further placed in a synthetic resin tube 9.
Next, when the synthetic resin tube 9 is heated from the outside, the synthetic resin tube 9 contracts, and the tube constituting the synthetic resin layer 11 melts and fills the gap in the synthetic resin tube 9. 11 As the synthetic resin hardens, the reinforcing material 7, the synthetic resin layer 11, the fiber grating, and the synthetic resin tube 9 are integrated to obtain the reinforcing structure 12.
[0027]
In this FG sensor, the synthetic resin layer 11 is integrally provided on the outer periphery of the bare optical fiber 1 in which the grating portions 4A and 4B are formed, and the bare optical fiber 1 in the synthetic resin layer 11 is composed of the synthetic resin layer. 11 is held with a uniform holding force.
Therefore, when a tension is applied to the optical fiber drawn from the reinforcing structure 12 due to the strain at the measurement point, the tension is gradually attenuated in the synthetic resin layer 11. As a result, in the vicinity of the center of the synthetic resin layer 11 in the length direction, the tension applied to the bare optical fiber 1 is reduced and the tension applied to the end of the synthetic resin layer 11 is increased. Is formed.
[0028]
Since the grating portions 4A and 4B are provided near the center and near the end in the length direction of the synthetic resin layer 11, the magnitudes of tension applied to the grating portions 4A and 4B are different. As a result, the amount of change in the grating pitch of the grating portions 4 and 4B is different, and the amount of change in the center wavelength of the peak in the wavelength spectrum is different from each other.
[0029]
On the other hand, the grating portions 4A and 4B are close to the temperature change, and show the same amount of change in the center wavelength due to the same refractive index change.
Therefore, when the wavelength spectrum of the reflected light or the wavelength spectrum of the transmitted light in the grating sections 4A and 4B is monitored, if the amount of change in the center wavelength of each peak is different, tension is applied, and the amount of change is If they are the same, a temperature change has occurred.
[0030]
When temperature change and strain occur at the measurement point at the same time, measure the tension from the difference in the center wavelength of each peak, and measure the temperature from the change in the center wavelength after subtracting the tension change. Tension can be measured simultaneously.
In this example, the number of grating portions is two, but there is no particular limitation as long as there are a plurality of grating portions, the amount of change in the center wavelength with respect to temperature is substantially equal, and the change in center wavelength with respect to tension is different from each other. .
[0031]
Thus, in this FG sensor, it is possible to determine whether the change in the center wavelength of the peak of the wavelength spectrum is due to temperature or tension. Therefore, temperature and tension can be measured separately, and the measurement accuracy is improved. Moreover, since temperature and tension can be measured with one FG sensor, it is advantageous in terms of cost and space efficiency.
Further, since the reinforcing structure 12 constituting the FG sensor is a compact configuration including the synthetic resin layer 11, the reinforcing material 7, and the synthetic resin tube 9, the applicable location is wide regardless of the installation location. In addition, the configuration is simple and the cost is low.
[0032]
FIG. 4 is a side sectional view showing a second embodiment of the FG sensor of the present invention.
In this FG sensor, a bare optical fiber 1, which is exposed by removing two coating layers in the middle of an optical fiber in which a coating layer 5 made of an ultraviolet curable resin or the like is provided on the bare optical fiber 1, is exposed. 1, a fiber grating provided with reflective grating portions 4C and 4D is used.
[0033]
A reinforcing structure 12C having the same configuration as the reinforcing structure 12 of the first embodiment is provided on the outer periphery of the bare optical fiber 1 in which the grating portion 4C is formed. The grating portion 4C is located near the center in the length direction of the synthetic resin tube 9 (synthetic resin layer 11).
[0034]
In this example, the inner diameter and outer diameter of the synthetic resin tube 9 are the same as those in the first embodiment.
Moreover, the preferable range about the length of the synthetic resin tube 9 (synthetic resin layer 11) is the same as that of the first embodiment.
Further, the length of the bare optical fiber 1 from which the coating layer 5 in the synthetic resin tube 9 is removed, and the length of the coating layer 5 in the synthetic resin tube 9 on both sides of the bare optical fiber 1 are the first embodiment. Similar to the example.
[0035]
The grating lengths, grating pitches, and distances between the grating portions 4C and 4D are the same as those of the grating portions 4A and 4B in the first embodiment.
Conditions such as the thickness and Young's modulus of the synthetic resin layer 11 are the same as those in the first embodiment.
[0036]
On the other hand, on the bare optical fiber 1 on which the grating portion 4D is formed, a re-coating layer 5A formed of the same ultraviolet curable resin as the material of the coating layer 5 is provided. The outer diameter of the re-coating layer 5A is substantially equal to the outer diameter of the covering layer 5, and in this example is about 250 μm. For example, after forming the grating portion 4D on the bare optical fiber 1, the re-coating layer 5A is coated with an uncured ultraviolet curable resin on the bare optical fiber 1 and then cured by irradiating with ultraviolet light. Is formed.
[0037]
In this fiber grating, since the relatively thick synthetic resin layer 11 constituting the reinforcing structure 12C is provided on the grating portion 4C, the tension applied to the grating portion 4C with respect to the strain at the measurement point is small. Since a thin re-coating layer 5A similar to the coating layer 5 of the optical fiber is provided on the part 4D, the tension applied to the grating part 4D increases with respect to the strain at the measurement point. As a result, the amount of change in the grating pitch in the grating portions 4C and 4D can be made different.
The magnitude of the tension applied to the grating portion 4C can be adjusted by changing the Young's modulus of the material of the synthetic resin layer 11, the thickness and length of the synthetic resin layer 11, and the like.
[0038]
Further, the amount of change in the center wavelength of the peak of the wavelength spectrum of the grating parts 4C and 4D with respect to the temperature change at the measurement point is that provided on the outer periphery of the bare optical fiber 1 is the synthetic resin layer 11 and the re-coating layer 5A. Yes, because they are different, they are not equal. However, the influence by the synthetic resin layer 11 is not so great, and it can be corrected by investigating the influence of the synthetic resin layer 11 and the re-coating layer 5A on the grating portions 4C and 4D in advance with respect to the temperature change.
Therefore, also in this configuration, temperature and tension can be measured separately, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0039]
FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention. The difference from the second embodiment is that the Young's modulus of the synthetic resin layer 11 is formed on both of the two grating portions 4E and 4F. Except for the difference, the reinforcing structures 12E and 12F having the same configuration as the reinforcing structure 12C are provided.
The grating portions 4E and F are located near the center in the length direction of the synthetic resin tubes 9 and 9 (synthetic resin layers 11 and 11), respectively.
The grating parts 4E and 4F are the same as the grating parts 4C and 4D of the second embodiment.
[0040]
In this example, the size of the members constituting the two reinforcing structures 12E and 12F is equal to the reinforcing structure 12C of the second embodiment. However, the materials of the two synthetic resin layers 11 and 11 are made of, for example, polyethylene and are the same, but their Young's moduli are different. In this example, the Young's modulus of the synthetic resin layer 11 constituting the reinforcing structure 12E is 10 MPa, and the Young's modulus of the synthetic resin layer 11 constituting the reinforcing structure 12F is 100 MPa. The difference in Young's modulus between these synthetic resin layers 11 and 11 can be adjusted as appropriate depending on the characteristics of the FG sensor, but is usually 20 to 200 MPa.
[0041]
In this fiber grating, since the Young's modulus of the synthetic resin layers 11 and 11 provided on the outer circumferences of the grating portions 4E and 4F is different, the tension applied to the grating portions 4E and 4F with respect to the strain at the measurement point is different. It will be different. That is, the greater the Young's modulus, the smaller the tension applied to the grating portion, and the greater the Young's modulus, the greater the tension applied to the grating portion. Therefore, the amount of change in the grating pitch in the grating sections 4E and 4F differs with respect to the distortion at the measurement point, and the amount of change in the center wavelength of the wavelength spectrum differs from one another.
On the other hand, since the amount of change in the center wavelength of the wavelength spectrum of the grating portions 4E and 4F with respect to temperature change is substantially equal, temperature and tension can be measured separately as in the first embodiment.
[0042]
Further, in this FG sensor, the synthetic resin layer 11 constituting the reinforcing structures 12E and 12F is formed from a material having the same Young's modulus, and the lengths of the synthetic resin layers 11 and 11 are different from each other. Similar effects can be obtained.
That is, as the grating portion is positioned near the center in the length direction of the synthetic resin layer 11 as described above, the magnitude of the tension applied to the grating portion with respect to the distortion at the measurement point becomes smaller. Therefore, by increasing the length of one side and arranging the grating portion near the center thereof, the amount of change in the grating pitch with respect to the distortion at the measurement point is made smaller than the grating portion in the other synthetic resin layer 11, and A difference can be provided in the amount of change in the center wavelength of the peak of the wavelength spectrum of the grating portion. The difference in length between the synthetic resin layers 11 and 11 can be adjusted as appropriate depending on the characteristics of the FG sensor, but is usually 5 to 300 mm.
[0043]
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of a measurement system using the FG sensor of the present invention.
This measurement system measures temperature and tension at the first measurement point to the fourth measurement point. The reinforcing structure shown in FIG. 2 extends along one optical fiber 13 along its length. FG sensors having 12 are formed at intervals of four.
[0044]
Grating portions 4G and 4H are formed in the reinforcing structure 12 at the first measurement point, and grating portions 4I and 4J are formed in the reinforcing structure 12 at the second measurement point. The grating portions 4K and 4L are formed, and the grating portions 4M and 4N are formed in the reinforcing structure 12 at the fourth measurement point. The center wavelengths of the reflected light peaks of these grating portions 4G,..., 4N are set to be different from each other by a predetermined wavelength.
Further, the end of the optical fiber 13 on the fourth measurement point side is a non-reflective terminal by a conventional method. On the other hand, the end of the optical fiber 13 on the first measurement point side is connected to a light source and a spectrum analyzer via a 3 dB coupler.
[0045]
Then, when light having a relatively wide wavelength band is incident on the optical fiber 13 from the light source and the wavelength spectrum of the reflected light is detected by the spectrum analyzer, as shown in FIG. 7, the grating portions 4G,. Each corresponding peak g,..., N is obtained.
And the temperature and tension | tensile_strength of a 1st measurement point can be measured by measuring the change of the center wavelength of the peaks g and h. Similarly, the temperature and tension at the second measurement point to the fourth measurement point can be measured by measuring the change in the center wavelength of the peaks i,..., N.
[0046]
Therefore, a measurement system capable of measuring at a plurality of measurement points can be configured with one light source and a spectrum analyzer, and the cost is low.
In this measurement system, the wavelength spectrum of the reflected light was detected, but the spectrum analyzer was connected to the end of the optical fiber 13 on the fourth measurement point side, and the wavelength spectrum of the transmitted light of the grating portions 4G,. The temperature and tension can be measured in the same manner by measuring the change in the center wavelength of the transmission loss peak.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, in the FG sensor of the present invention, it can be determined whether the change in the center wavelength of the peak of the wavelength spectrum is due to temperature or tension. Therefore, temperature and tension can be measured separately, and the measurement accuracy is improved. Moreover, since temperature and tension can be measured with one FG sensor, it is advantageous in terms of cost and space efficiency.
Moreover, since it is a compact structure, an applicable location becomes a wide range regardless of an installation location. In addition, the configuration is simple and the cost is low.
Further, the reinforcing material made of a material having a negative linear expansion coefficient is integrated on the outer surface of the synthetic resin layer, so that the linear expansion coefficient when the synthetic resin layer and the reinforcing material are integrated constitutes a bare optical fiber. Since it is close to quartz glass, it is not necessary to correct the expansion and contraction accompanying the temperature change of the synthetic resin layer, and the measurement accuracy can be further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of a fiber grating.
FIG. 2 shows a first embodiment of a temperature tension measuring fiber grating sensor of the present invention. FIG. 2 (a) is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2 (b), and FIG. b) is a sectional side view.
FIG. 3 is a graph showing a wavelength spectrum of reflected light of an FG sensor.
FIG. 4 is a side sectional view showing a second embodiment of the FG sensor of the present invention.
FIG. 5 is a side sectional view showing a third embodiment of the FG sensor of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of a measurement system using the FG sensor of the present invention.
7 is a graph showing an example of a wavelength spectrum of reflected light obtained in the measurement system shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Bare optical fiber, 1a ... Core, 1b ... Cladding,
4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F ... grating part, 5 ... coating layer,
11 ... Synthetic resin layer, 12, 12C, 12E, 12F ... Reinforcing structure,
13: An optical fiber (optical fiber).

Claims (3)

1本の光ファイバの被覆層を一部除去して露出させた裸光ファイバのコアに、その長さ方向にこのコアの屈折率が周期的に変化してなるグレーティング部が複数形成されてなり、
これら複数のグレーティング部を形成した裸光ファイバの外周上に合成樹脂層が一体に設けられ、前記光ファイバに張力が印加された際に、前記合成樹脂層の長さ方向の位置によってグレーティング部に印加される張力の大きさが異なるために、前記複数のグレーティング部のグレーティングピッチの変化量が相互に異なるようになっており、前記合成樹脂層の外面に補強材が一体化されていることを特徴とする温度張力測定ファイバグレーティングセンサ。
A bare optical fiber core exposed by removing a part of the coating layer of one optical fiber is formed with a plurality of grating portions in which the refractive index of the core periodically changes in the length direction. ,
Periphery on the synthetic resin layer of the plurality of grating sections formed was bare optical fiber is provided integrally, when the tension in the optical fiber is applied, the grating portion by the position of the length direction of the synthetic resin layer Since the magnitude of the applied tension is different, the amount of change in the grating pitch of the plurality of grating portions is different from each other, and the reinforcing material is integrated on the outer surface of the synthetic resin layer. Features a fiber tension sensor that measures temperature tension.
1本の光ファイバの被覆層を一部除去して露出させた裸光ファイバのコアに、その長さ方向にこのコアの屈折率が周期的に変化してなるグレーティング部が複数形成されてなり、
これら複数のグレーティング部を形成した裸光ファイバの外周上の少なくともひとつのグレーティング部の上に、厚さ0.5mm以上の合成樹脂層が設けられ、前記光ファイバに張力が印加された際に、前記複数のグレーティング部のグレーティングピッチの変化量が相互に異なるようになっており、前記合成樹脂層の外面に補強材が一体化されていることを特徴とする温度張力測定ファイバグレーティングセンサ。
A bare optical fiber core exposed by removing a part of the coating layer of one optical fiber is formed with a plurality of grating portions in which the refractive index of the core periodically changes in the length direction. ,
A synthetic resin layer having a thickness of 0.5 mm or more is provided on at least one grating portion on the outer periphery of the bare optical fiber in which the plurality of grating portions are formed, and when a tension is applied to the optical fiber, A temperature tension measuring fiber grating sensor , wherein the change amounts of the grating pitches of the plurality of grating portions are different from each other, and a reinforcing material is integrated with an outer surface of the synthetic resin layer .
請求項1または2に記載のファイバグレーティングセンサにおいて、前記補強材が、負の線膨張係数を有する材料からなことを特徴とする温度張力測定ファイバグレーティングセンサ。In the fiber grating sensor according to claim 1 or 2, wherein the reinforcing material, the temperature tension measuring fiber grating sensor, wherein ing of a material having a negative coefficient of linear expansion.
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WO2008054429A2 (en) * 2005-11-15 2008-05-08 Zolo Technologies, Inc. All-fiber architecture for an embedded flight sensor for aeropropulsion applications
FR2988444B1 (en) * 2012-03-20 2016-01-15 Snecma DETECTION OF A FOREIGN OBJECT IMPACT AT THE ENTRANCE OF AN AIRCRAFT ENGINE
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