JP2000258642A - Optical fiber suitable for measurement of strain with high resolution and method for measurement of physical quantity - Google Patents
Optical fiber suitable for measurement of strain with high resolution and method for measurement of physical quantityInfo
- Publication number
- JP2000258642A JP2000258642A JP11061513A JP6151399A JP2000258642A JP 2000258642 A JP2000258642 A JP 2000258642A JP 11061513 A JP11061513 A JP 11061513A JP 6151399 A JP6151399 A JP 6151399A JP 2000258642 A JP2000258642 A JP 2000258642A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- core
- fiber
- optical fiber
- grating
- ultraviolet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、高分解能歪測定に
適した光ファイバ心線、光ファイバコード、および光フ
ァイバケーブル、ならびにこれらを用いた歪測定方法な
どの物理量測定方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber cord, an optical fiber cord, and an optical fiber cable suitable for high-resolution strain measurement, and a physical quantity measuring method such as a strain measuring method using the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光ファイバに張力が印加され伸び歪が生
じていると、光ファイバは劣化してゆくため、光通信線
路の長期信頼性を確保するには、光ケーブルの製造時、
敷設時、および適用環境使用時の各段階において光ファ
イバの歪を正確に測定することが必要になる。従来、こ
のような歪を測定する方法としては、歪の発生に伴う光
信号遅延時間の変化を直接に時間軸上で測定する光パル
ス法や、正弦波変調信号の位相変化から歪を測定する位
相法が用いられていた。2. Description of the Related Art When tension is applied to an optical fiber and an elongation strain is generated, the optical fiber deteriorates.
It is necessary to accurately measure the strain of the optical fiber at each stage of installation and use of the application environment. Conventionally, as a method of measuring such a distortion, an optical pulse method of directly measuring a change in an optical signal delay time due to the occurrence of the distortion on a time axis, or measuring the distortion from a phase change of a sine wave modulation signal The phase method was used.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】上記の歪測定方法によ
れば、歪を高い精度で測定できるが、光ファイバの長手
方向に沿って歪が不均一に分布する場合は、長手方向に
沿って平均化した歪の値を検知することしかできなかっ
た。According to the above-mentioned strain measuring method, strain can be measured with high accuracy. However, when the strain is unevenly distributed along the longitudinal direction of the optical fiber, the strain is measured along the longitudinal direction. Only the averaged distortion value could be detected.
【０００４】光ファイバの強度劣化は最大歪によって決
定されるため、歪の平均値が小さい場合であっても、局
所的に大きな最大歪が発生していると、その部分で光フ
ァイバの劣化が大きく進行することになる。このため、
長手方向に平均した歪値だけを測定していたのでは、光
ファイバの信頼性を充分に保証することはできなくな
る。[0004] Since the strength deterioration of an optical fiber is determined by the maximum distortion, even if the average value of the distortion is small, if a large maximum distortion is locally generated, the deterioration of the optical fiber at that portion will occur. It will progress greatly. For this reason,
If only the strain value averaged in the longitudinal direction is measured, the reliability of the optical fiber cannot be sufficiently guaranteed.
【０００５】そこで、歪分布を光ファイバの長手方向に
沿って測定する方法が提案されている。この方法は、音
波および周波数変換を伴う光波の非線形相互作用を分析
する技術と、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflecto
metry）に類似した時間領域測定技術とを融合させた方
法である。Therefore, a method for measuring the strain distribution along the longitudinal direction of the optical fiber has been proposed. This method is based on a technique for analyzing nonlinear interaction between sound waves and light waves accompanied by frequency conversion, and an OTDR (Optical Time Domain Reflector).
This is a method that combines a time domain measurement technique similar to that of the conventional method.
【０００６】しかしながら、この方法では光パルス幅に
よって距離分解能（時間分解能）が限定され、従来、数
１０ｃｍ程度以下の高分解能を達成することはできかっ
た。他方、光ファイバケーブル内に収納された光ファイ
バ心線は、通常、数１０ｃｍ程度のピッチで螺旋状に撚
られている。このため、上記従来の測定方法によって
は、光ファイバに生じている最大歪を高い精度で測定す
ることができなかった。However, in this method, the distance resolution (time resolution) is limited by the light pulse width, and conventionally, it has not been possible to achieve a high resolution of about several tens cm or less. On the other hand, the optical fiber core wire housed in the optical fiber cable is usually helically twisted at a pitch of about several tens cm. For this reason, the conventional measuring method cannot measure the maximum strain occurring in the optical fiber with high accuracy.
【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、数ｍｍ〜数百ｍｍとい
う高い分解能を持つ測定が可能な光ファイバおよび物理
量測定方法を提供することにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical fiber and a physical quantity measuring method capable of measuring with a high resolution of several mm to several hundred mm. is there.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明による光ファイバ
心線は、反射特性または透過特性の異なる複数種類のフ
ァイバグレーティングが書き込まれた光ファイバ心線で
あって、前記複数種類のファイバグレーティングは、少
なくとも、第１の波長を有する光を反射または透過する
第１のファイバグレーティングと、前記第１の波長とは
異なる第２の波長を有する光を反射または透過する第２
のファイバグレーティングとを含んでおり、前記第２の
ファイバグレーティングは、前記第１のファイバグレー
ティングが形成されている位置から軸方向に沿って離れ
た位置に形成されていることを特徴とする。SUMMARY OF THE INVENTION An optical fiber core according to the present invention is an optical fiber core on which a plurality of types of fiber gratings having different reflection characteristics or transmission characteristics are written. At least a first fiber grating that reflects or transmits light having a first wavelength, and a second fiber grating that reflects or transmits light having a second wavelength different from the first wavelength.
Wherein the second fiber grating is formed at a position along the axial direction away from the position where the first fiber grating is formed.
【０００９】前記ファイバグレーティングは、コアと、
前記コアを囲むクラッドと、前記クラッド層の外周面に
形成された紫外線透過型紫外線硬化樹脂層とを備えてお
り、前記ファイバグレーティングは、前記紫外線透過型
紫外線硬化樹脂層を通して前記コアに照射された紫外線
によって前記コア内に書き込まれたものであることが好
ましい。[0009] The fiber grating includes a core,
A cladding surrounding the core, and an ultraviolet transmission type ultraviolet curing resin layer formed on an outer peripheral surface of the cladding layer, wherein the fiber grating is irradiated on the core through the ultraviolet transmission type ultraviolet curing resin layer. It is preferable that the core is written in the core by ultraviolet rays.
【００１０】本発明によるファイバコードは、本発明の
光ファイバ心線を備えていることを特徴とする。A fiber cord according to the present invention is provided with the optical fiber core of the present invention.
【００１１】本発明によるファイバケーブルは、本発明
の光ファイバ心線を備えていることを特徴とする。[0011] A fiber cable according to the present invention includes the optical fiber core wire according to the present invention.
【００１２】本発明による光ファイバ心線の製造方法
は、グレーティングが書き込まれるべきコアと前記コア
を囲むクラッドとを備えたファイバ構造の外周面を紫外
線透過型紫外線硬化樹脂から形成した被覆層で覆う工程
と、第１の紫外線を前記被覆層に照射することによって
前記被覆層を硬化させる工程と、第２の紫外線を前記被
覆層の外側から前記コアに対して照射することによっ
て、反射特性または透過特性の異なる複数種類のファイ
バグレーティングを前記コアの異なる位置に書き込む工
程とを包含することを特徴とする。In the method for manufacturing an optical fiber core according to the present invention, the outer peripheral surface of a fiber structure having a core on which a grating is to be written and a clad surrounding the core is covered with a coating layer formed of an ultraviolet-transmitting ultraviolet-curable resin. Irradiating a first ultraviolet ray to the coating layer to cure the coating layer; and irradiating a second ultraviolet ray to the core from outside the coating layer to obtain a reflection property or a transmission property. Writing a plurality of types of fiber gratings having different characteristics at different positions of the core.
【００１３】本発明による物理量測定方法は、前記何れ
かの光ファイバ心線に対して、前記第１および第２の波
長を含む広帯域の光を入射する工程と、前記広帯域光の
うち、前記複数種類のファイバグレーティングの各々に
よって選択的に反射された光を検知して、前記複数種類
のファイバグレーティングの各々に生じている物理的状
態を個別に検出する工程とを包含する。[0013] In the physical quantity measuring method according to the present invention, a step of injecting a broadband light including the first and second wavelengths into any one of the optical fiber cores; Detecting the light selectively reflected by each of the types of fiber gratings and individually detecting a physical state occurring in each of the plurality of types of fiber gratings.
【００１４】好ましい実施形態では、前記物理的状態
が、軸方向歪、屈曲量、および温度の少なくともひとつ
を含む。In a preferred embodiment, the physical state includes at least one of an axial strain, a bending amount, and a temperature.
【００１５】[0015]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００１６】まず、図１を参照する。図１には、光ファ
イバの素線部分が示されている。この光ファイバ素線
は、ファイバグレーティング２１が書き込まれたコア２
と、コア２の周りに形成されたクラッド３とから構成さ
れている。First, reference is made to FIG. FIG. 1 shows a strand portion of an optical fiber. This optical fiber is a core 2 on which a fiber grating 21 is written.
And a clad 3 formed around the core 2.
【００１７】グレーティング２１は、軸方向に沿ってコ
ア２の屈折率が周期Λ（例えば０．３〜０．６μｍ）で
変化した短周期の屈折率変調構造を有している。この周
期Λとコア２１の平均屈折率とによって規定されるブラ
ッグ（Bragg）波長を持つ光がグレーティング２１によ
って選択的に反射されることになる。なお、本願明細書
において、ブラッグ波長を「反射ピーク波長」と呼ぶこ
とがある。The grating 21 has a short-period refractive index modulation structure in which the refractive index of the core 2 changes with a period で (for example, 0.3 to 0.6 μm) along the axial direction. Light having a Bragg wavelength defined by the period Λ and the average refractive index of the core 21 is selectively reflected by the grating 21. In the present specification, the Bragg wavelength may be referred to as a “reflection peak wavelength”.
【００１８】上述のようにブラッグ波長は周期Λに依存
して変化するため、熱または外力などによってファイバ
に歪が発生すると、その歪みが発生している部分におけ
る周期Λが無歪状態の値から変化（シフト）することに
なる。この変化の大きさ（シフト量）は、ブラッグ波長
（反射ピーク波長）のシフト量として光学的に観測でき
る。本発明では、複数のファイバグレーティングを用
い、各ファイバグレーティングの物理的状態の変化に起
因して発生した反射ピーク波長のシフト量を検出する。
その結果、長いファイバ上に生じた複数箇所における応
力等をセンシングすることが可能となる。As described above, since the Bragg wavelength changes depending on the period 、, when strain is generated in the fiber due to heat or external force, the period に お け る in the portion where the strain is generated is changed from the value in the unstrained state. It will change (shift). The magnitude of this change (shift amount) can be optically observed as the shift amount of the Bragg wavelength (reflection peak wavelength). In the present invention, a plurality of fiber gratings are used, and a shift amount of a reflection peak wavelength generated due to a change in a physical state of each fiber grating is detected.
As a result, it is possible to sense the stress and the like at a plurality of locations generated on the long fiber.
【００１９】次に、図２を参照しながら、本発明のセン
サに用いる光ファイバ心線の構成とグレーティング作製
方法の実施形態を説明する。図２には、グレーティング
２１が書き込まれるコア２と、コア２の周りに形成され
たクラッド３と、クラッド３の外表面を被覆する被覆層
４とから構成された光ファイバ心線１が示されている。Next, an embodiment of a configuration of an optical fiber core wire used for the sensor of the present invention and a grating manufacturing method will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows an optical fiber core 1 including a core 2 on which a grating 21 is written, a clad 3 formed around the core 2, and a coating layer 4 covering the outer surface of the clad 3. ing.
【００２０】本実施形態で用いるコア２には、通常仕様
の光ファイバのコアに含まれているＧｅと同程度の濃度
を有するＧｅがドープされている。ここで、通常仕様の
光ファイバとは、前記光ファイバ心線１に接続される光
ファイバ心線のことである。このような光ファイバ心線
のコアには、通常、比屈折率差が０．９％程度になる量
のＧe がドープされている。The core 2 used in this embodiment is doped with Ge having the same concentration as Ge contained in the core of the optical fiber of the normal specification. Here, the normal specification optical fiber is an optical fiber core connected to the optical fiber core 1. The core of such an optical fiber core is usually doped with Ge so that the relative refractive index difference becomes about 0.9%.
【００２１】図示されている光ファイバ心線１のコア２
には、光誘起屈折率変化を定常的に高めるためには、Ｇ
ｅに加えて、Ｓｎ、Ｓｎ及びＡl 、または、Ｓｎ，Ａｌ
及びＢのドーパントをコア２にドープしておくことが好
ましい。例えば、上記の通常仕様の光ファイバのコアと
同量（比屈折率差が０．９％となる程度の量）のＧｅに
加え、濃度１００００ｐｐｍ以上、好ましくは濃度１０
０００〜１５０００ｐｐｍのＳｎ、或いは、このような
濃度のＳｎ及び濃度１０００ｐｐｍ以下のＡl等を共ド
ープすればよい。このようなドープは、種々の公知方法
によって行えばよく、例えば液浸により行う場合には、
上記ＧｅやＳｎの化合物（Ｓｎの場合、例えばＳｎＣｌ
2・２Ｈ2Ｏ）をメチルアルコールと混合し、その溶液の
中に浸漬すればよい。The core 2 of the optical fiber core 1 shown in FIG.
In order to constantly increase the photoinduced refractive index change, G
e, Sn, Sn and Al, or Sn, Al
And B dopants are preferably doped in the core 2. For example, in addition to the same amount of Ge as that of the core of the above-mentioned normal specification optical fiber (an amount such that the relative refractive index difference becomes 0.9%), a concentration of 10,000 ppm or more, preferably a concentration of 10 ppm or more.
000 to 15000 ppm of Sn, or such a concentration of Sn and 1000 ppm or less of Al may be co-doped. Such doping may be performed by various known methods, for example, when performing by immersion,
The above compounds of Ge and Sn (in the case of Sn, for example, SnCl
2 · 2H 2 O) was mixed with methyl alcohol, it may be immersed in the solution.
【００２２】被覆層４は、コア２及びクラッド３からな
る光ファイバ素線の線引き工程に引き続いてシングルコ
ート法によって、少なくとも３０μｍ程度の膜厚になる
ように形成されたものである。本実施形態では、被覆層
４の材料として、ある波長帯域の紫外線（第１の紫外
線）で硬化する特性と、他の波長帯域の紫外線（第２の
紫外線）を透過する特性の両方を備えた樹脂を用いる。
このような樹脂を本願明細書では「紫外線透過型紫外線
硬化樹脂」と称することがある。The coating layer 4 is formed so as to have a thickness of at least about 30 μm by a single coating method following the step of drawing the optical fiber consisting of the core 2 and the clad 3. In the present embodiment, the material of the coating layer 4 has both the property of curing with ultraviolet light (first ultraviolet light) in a certain wavelength band and the property of transmitting ultraviolet light (second ultraviolet light) in another wavelength band. Use resin.
Such a resin may be referred to as an “ultraviolet transmission type ultraviolet curable resin” in the present specification.
【００２３】この紫外線透過型紫外線硬化樹脂は、グレ
ーティング２１の書き込みのためにコアに照射する特定
波長帯（例えば２４０ｎｍ〜２７０ｎｍの波長帯）の紫
外線を少なくとも透過させる（好ましくは、この紫外線
を殆ど吸収せずに透過させる）一方で、上記特定波長帯
よりも短い波長または長い波長の紫外線を吸収して硬化
反応を生じさせる。つまり、同じ樹脂ではあるが、波長
によって紫外線吸収特性が異なり、特定波長帯では紫外
線透過型である一方、上記特定波長帯よりも短い波長域
または長い波長域では紫外線硬化型であるような樹脂を
用いて被覆層４を形成することになる。The ultraviolet-transmissive ultraviolet-curable resin transmits at least ultraviolet rays of a specific wavelength band (for example, a wavelength band of 240 nm to 270 nm) to be irradiated on the core for writing the grating 21 (preferably, the ultraviolet rays hardly absorb the ultraviolet rays). On the other hand, absorbs ultraviolet light having a wavelength shorter or longer than the specific wavelength band to cause a curing reaction. In other words, although the same resin has different ultraviolet absorption characteristics depending on the wavelength, it is an ultraviolet-transmitting resin in a specific wavelength band, and an ultraviolet-curing resin in a shorter wavelength region or a longer wavelength region than the specific wavelength band. To form the coating layer 4.
【００２４】本実施形態では、ウレタン系アクリレート
もしくはエポキシ系アクリレートに対し、例えば２４０
ｎｍよりも短い波長域または２７０ｎｍよりも長い波長
域の紫外線を受けて硬化反応を開始・促進させるような
光開始剤（フォトイニシエータ）を配合した樹脂を「紫
外線透過型紫外線硬化樹脂」として用いる。In the present embodiment, for example, a urethane acrylate or an epoxy acrylate is used,
A resin containing a photoinitiator (photoinitiator) that initiates and promotes a curing reaction by receiving ultraviolet rays in a wavelength range shorter than nm or a wavelength range longer than 270 nm is used as an “ultraviolet-transmissive ultraviolet-curable resin”.
【００２５】このような樹脂の層で光ファイバの外周面
を被覆した後、まず、その被覆層に対して第１の紫外線
を照射し、被覆層４を硬化する。After coating the outer peripheral surface of the optical fiber with such a resin layer, first, the coating layer is irradiated with first ultraviolet rays to cure the coating layer 4.
【００２６】硬化した被覆層４によって被覆された状態
の光ファイバ心線１に対して第２の紫外線を照射する前
に、コア２に対して水素充填を行うことが光誘起屈折率
変化を高める上で好ましい。従って、本実施形態では、
この高圧水素充填を行う。具体的には、光ファイバ心線
１を水素が充填された密閉容器内に入れ、室温状態でほ
ぼ２０ＭＰａの圧力下で約２週間放置すればよい。Hydrogen filling the core 2 before irradiating the optical fiber core 1 covered with the cured coating layer 4 with the second ultraviolet ray increases the photoinduced refractive index change. Preferred above. Therefore, in this embodiment,
This high-pressure hydrogen filling is performed. Specifically, the optical fiber core wire 1 may be placed in a sealed container filled with hydrogen and left at room temperature under a pressure of about 20 MPa for about two weeks.
【００２７】次に、光ファイバ心線１の外側、つまり、
被覆層４の外側から第２の紫外線を照射することにより
コア２に対しグレーティング２１の書き込みを行う。グ
レーティング２１の書き込みは、周知の種々の方法を採
用して行えばよく、例えば位相マスク法により行う場合
には、光ファイバ心線１の側方直前に格子状の位相マス
ク５を配設し、この位相マスク５に対しＮｄ−ＹＡＧレ
ーザ源から例えばその４倍波長（４ω）である２６６ｎ
ｍのコヒーレント紫外レーザ光をシリンドリカルレンズ
系６により集光した状態で照射すればよい。これによ
り、上記紫外レーザ光が位相マスク５及び被覆層４を透
過し、コア２に対し位相マスク５の格子ピッチに対応し
たグレーティングピッチの部分の屈折率が増大されてブ
ラッググレーティング２１が書き込まれることになる。
第２の紫外線の波長は、例えば１５０〜４００ｎｍであ
り、照射エネルギーは０．１〜１０ｋＪ／ｃｍ2であ
る。Next, the outside of the optical fiber core 1, that is,
The grating 21 is written on the core 2 by irradiating the second ultraviolet ray from outside the coating layer 4. The writing of the grating 21 may be performed by using various well-known methods. For example, when the writing is performed by the phase mask method, a lattice-shaped phase mask 5 is disposed immediately before the side of the optical fiber core 1. The Nd-YAG laser source applies, for example, 266n, which is four times the wavelength (4ω) thereof, to the phase mask 5.
Irradiation may be performed in a state where the m coherent ultraviolet laser light is focused by the cylindrical lens system 6. As a result, the ultraviolet laser beam passes through the phase mask 5 and the coating layer 4, and the refractive index of the portion of the core 2 corresponding to the grating pitch corresponding to the grating pitch of the phase mask 5 is increased, whereby the Bragg grating 21 is written. become.
The wavelength of the second ultraviolet ray is, for example, 150 to 400 nm, and the irradiation energy is 0.1 to 10 kJ / cm 2 .
【００２８】本実施形態では、図１または図２に示す構
造のファイバグレーティング２１をひとつのコア２内
に、軸方向に沿って間隔を置きながら、複数個形成す
る。例えば、長さ５〜２０ｍｍの短周期ファイバグレー
ティングを１００ｍｍ間隔で１０個以上形成する。この
とき、各ファイバグレーティングの反射率を４〜５％と
し、また、反射される光の中心波長を僅かずつ（例えば
０．５ｎｍ間隔で）シフトさせる。このようなファイバ
グレーティングを一本のファイバ心線に書き込むには、
例えば、一種類の位相マスク５および紫外線を用いなが
ら、一本のファイバ心線に印加する張力を段階的に変化
させながらグレーティングの書き込みを行えばよい。グ
レーティング書き込み時の張力が異なることによって、
たとえ書き込み時の格子間隔が一定でも張力開放時にお
ける各グレーティングの格子間隔が相互に変化すること
になる。In the present embodiment, a plurality of fiber gratings 21 having the structure shown in FIG. 1 or FIG. 2 are formed in one core 2 at intervals along the axial direction. For example, ten or more short-period fiber gratings having a length of 5 to 20 mm are formed at 100 mm intervals. At this time, the reflectance of each fiber grating is set to 4 to 5%, and the center wavelength of the reflected light is slightly shifted (for example, at 0.5 nm intervals). To write such a fiber grating on one fiber core,
For example, the writing of the grating may be performed while using one type of phase mask 5 and ultraviolet rays and changing the tension applied to one fiber core in a stepwise manner. Due to the difference in tension when writing the grating,
Even if the lattice spacing at the time of writing is constant, the lattice spacing of each grating changes when the tension is released.
【００２９】図３は、このようにして１本の光ファイバ
心線１にｎ個のファイバグレーティングＦＢＧ1〜ＦＢ
Ｇnを書き込んだセンサの構成を示している（ｎは２以
上の整数）。この例では、広帯域光源３１および分光器
３２がカプラ３３を介して光ファイバ心線１に結合され
ている。広帯域光源３１、分光器３２およびカプラ３３
は、光学測定系３０を構成している。FIG. 3 shows that n fiber gratings FBG 1 -FBG are added to one optical fiber core 1 in this manner.
The configuration of the sensor in which Gn is written is shown (n is an integer of 2 or more). In this example, a broadband light source 31 and a spectroscope 32 are coupled to the optical fiber core 1 via a coupler 33. Broadband light source 31, spectroscope 32 and coupler 33
Constitutes the optical measurement system 30.
【００３０】本実施形態では、広帯域光源３１として、
例えばスーパールミネッセンスダイオード光源（ＳＬＤ
光源）を用いることができ、また、分光器３２として、
例えば分解能が０．１ｎｍ以下の赤外波長領域の分光器
を用いることができる。In this embodiment, as the broadband light source 31,
For example, a super luminescence diode light source (SLD
Light source), and as the spectroscope 32,
For example, a spectroscope in the infrared wavelength region having a resolution of 0.1 nm or less can be used.
【００３１】次に、図３を参照しながら、この光ファイ
バ心線１を用いて応力分布が測定できることの基本的原
理を説明する。Next, with reference to FIG. 3, the basic principle of the fact that the stress distribution can be measured using the optical fiber 1 will be described.
【００３２】まず、広帯域光源３１から出た広帯域光
（測定光）は、カプラ３３を経て光ファイバ心線１に入
射する。この広帯域光は、まず、ファイバグレーティン
グＦＢＧ1に入射する。入射した広帯域光のうち、ファ
イバグレーティングＦＢＧ1の周期Λ1で決まる反射ピー
ク波長λ1の光が選択的に左方へ反射される。波長λ1の
反射光はカブラ３３を介して分光器３２に入射する。光
ファイバ心線１の上方には透過光スペクトルが模式的に
示され、光ファイバ心線１の下方には反射光スペクトル
が模式的に示されている。First, the broadband light (measurement light) emitted from the broadband light source 31 enters the optical fiber 1 through the coupler 33. The broadband light is first incident on the fiber grating FBG 1. Of the incident broadband light, light having a reflection peak wavelength λ 1 determined by the period Λ 1 of the fiber grating FBG 1 is selectively reflected to the left. The reflected light having the wavelength λ 1 is incident on the spectroscope 32 via the fogger 33. Above the optical fiber core 1, a transmitted light spectrum is schematically shown, and below the optical fiber core 1, a reflected light spectrum is schematically shown.
【００３３】第１のファイバグレーティングＦＢＧ1に
入射した広帯域光のうち、ファイバグレーティングＦＢ
Ｇ1で反射されなかった帯域成分は、次のファイバグレ
ーティングＦＢＧ2に入射する。ここで同様に、第２の
ファイバグレーティングＦＢＧ2の周期Λ2で決まる反射
ピーク波長λ2の光が選択的に左方へ反射され、波長λ2
の反射光はカブラ３３を介して分光器３２に入射するこ
とになる。Of the broadband light incident on the first fiber grating FBG 1 , the fiber grating FB
Band component that has not been reflected by the G 1 enters the next fiber grating FBG 2. Here, similarly, light having a reflection peak wavelength λ 2 determined by the period Λ 2 of the second fiber grating FBG 2 is selectively reflected to the left, and the wavelength λ 2
Is incident on the spectroscope 32 via the fogger 33.
【００３４】なお、図３に示す構成例では、ファイバグ
レーティングＦＢＧ1〜ＦＢＧnの反射ピーク波長λ1〜
λnが、光ファイバ心線１の入射端側から遠ざかるにつ
れて大きくなるようにファイバグレーティングＦＢＧ1
〜ＦＢＧnが作製されている。すなわち、λ1＜λ2＜・・・
λn-1＜λnの関係が成立している。In the configuration example shown in FIG. 3, the reflection peak wavelengths λ 1 to FBG 1 of the fiber gratings FBG 1 to FBG n are set.
The fiber grating FBG 1 is set such that λ n increases as the distance from the incident end side of the optical fiber core 1 increases.
~FBG n has been made. That is, λ 1 <λ 2 <...
The relationship of λ n-1 <λ n holds.
【００３５】図４は、図３の装置を用いて測定した反射
光スペクトルである。図４の上方に記載しているスペク
トルは光ファイバ心線に応力を印加する前の状態に得た
反射光スペクトルである。これに対して、図４の下方に
記載しているスペクトルは、上記光ファイバ心線に対し
て応力を印加した状態の反射光スペクトルである。ここ
では、光ファイバ心線を螺旋状に捻った状態におき、光
ファイバ心線の各部に種々の異なる応力が発生するよう
にした。そのため、光ファイバ心線の部位に応じて発生
する応力や歪みが変化し、それに応じて各ファイバグレ
ーティングの物理的状態が異なっている。その結果、応
力印加前の反射光ピーク値から応力印加後の反射光ピー
ク値へのシフト量がファイバグレーティング毎に異なっ
ている。FIG. 4 is a reflected light spectrum measured using the apparatus of FIG. The spectrum shown in the upper part of FIG. 4 is the reflected light spectrum obtained before applying stress to the optical fiber core. On the other hand, the spectrum shown in the lower part of FIG. 4 is a reflected light spectrum when stress is applied to the optical fiber core. Here, the optical fiber was placed in a helically twisted state, and various different stresses were generated in each part of the optical fiber. Therefore, the stress and strain generated according to the portion of the optical fiber core change, and the physical state of each fiber grating differs accordingly. As a result, the amount of shift from the peak value of the reflected light before the stress is applied to the peak value of the reflected light after the stress is applied is different for each fiber grating.
【００３６】反射光ピーク値のシフト量から伸び歪と圧
縮歪を同時に検出することができる。波長シフト量と歪
との関係は、事前に、その対応関係を測定し、記録して
おけばよい。Elongation strain and compression strain can be detected simultaneously from the shift amount of the reflected light peak value. The relationship between the wavelength shift amount and the distortion may be measured and recorded in advance.
【００３７】なお、上記実施形態では、反射光ピーク波
長のシフト量から軸方向歪を測定しているが、反射光の
半値全幅のシフト量から心線の屈曲量を求めることもで
きる。ただし、その場合は、反射率の高いファイバグレ
ーティングを形成しておく必要がある。In the above embodiment, the axial distortion is measured from the shift amount of the peak wavelength of the reflected light. However, the bending amount of the cord can be obtained from the shift amount of the full width at half maximum of the reflected light. However, in that case, it is necessary to form a fiber grating having a high reflectance.
【００３８】また、本実施形態では、紫外線透過型紫外
線硬化樹脂でクラッド層を被覆した後、この樹脂層を剥
がすことなく、樹脂層を透過するように紫外線をコアに
照射し、それによってグレーティングを書き込んでい
る。このような製造方法によれば、グレーティング書き
込み後も光ファイバ心線は高い機械的強度を発揮するこ
とができる。その結果、大きな歪を測定することが可能
になる。もし、樹脂層を除去した状態でグレーティング
を書き込む方法を採用した場合、光ファイバ心線の機械
的強度が著しく低下するため、１％程度の軸方向歪みで
ファイバ心線が破断するおそれがある。これに対して本
実施形態の方法で製造した光ファイバ心線によれば、そ
の５〜６倍の機械的強度が確保されるため、５％の歪ま
で安定した測定を実施することが可能である。In the present embodiment, after the cladding layer is coated with an ultraviolet-transmissive ultraviolet-curing resin, the core is irradiated with ultraviolet rays so as to pass through the resin layer without peeling off the resin layer. Writing. According to such a manufacturing method, the optical fiber core wire can exhibit high mechanical strength even after writing the grating. As a result, a large strain can be measured. If the method of writing the grating with the resin layer removed is adopted, the mechanical strength of the optical fiber core is significantly reduced, and the fiber core may be broken by about 1% axial strain. On the other hand, according to the optical fiber core manufactured by the method of the present embodiment, the mechanical strength of 5 to 6 times that of the optical fiber is ensured, so that it is possible to perform stable measurement up to 5% strain. is there.
【００３９】図５は、上記の光ファイバを用いて測定し
た反射ピーク波長と温度との関係を示している。この測
定に用いた光ファイバには３個のグレーティングを１９
０ｍｍ間隔で形成した。FIG. 5 shows the relationship between the reflection peak wavelength measured using the optical fiber and the temperature. In the optical fiber used for this measurement, three gratings were used.
It was formed at 0 mm intervals.
【００４０】３個のファイバグレーティングの反射ピー
ク波長は、２５℃雰囲気温度において、それぞれ、１５
３５．３ｎｍ、１５３９．６ｎｍおよび１５４２．４ｎ
ｍであった。このようなファイバを恒温槽に入れ、測定
光を一端から入射させながら恒温槽の温度を−４５℃か
ら７５℃まで変化させた。その時得られた反射ピーク波
長の温度依存性が図５に示されている。図５から、全て
の反射ピーク波長が温度に依存して等しい割合でシフト
している様子がわかる。The reflection peak wavelength of each of the three fiber gratings was 15 at an ambient temperature of 25 ° C.
35.3 nm, 1539.6 nm and 1542.4 n
m. Such a fiber was put in a thermostat, and the temperature of the thermostat was changed from -45 ° C to 75 ° C while measuring light was incident from one end. FIG. 5 shows the temperature dependence of the reflection peak wavelength obtained at that time. From FIG. 5, it can be seen that all the reflection peak wavelengths are shifted at an equal rate depending on the temperature.
【００４１】次に、図６（ａ）および図６（ｂ）を参照
しながら、本発明による物理量センサを用いて二次元的
な応力分布を検知する方法を説明する。Next, a method for detecting a two-dimensional stress distribution using the physical quantity sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 6 (a) and 6 (b).
【００４２】この例では、上記実施形態で用いて光ファ
イバ心線と同様の光ファイバ心線を含む光ファイバ７０
が道路７２の中に埋設されている。光ファイバ７０の一
方の端部は監視装置７１に接続されている。監視装置７
１は、内部に図３の光学測定系３０と同様の構成を含ん
でいる。In this example, an optical fiber 70 including an optical fiber core similar to the optical fiber core used in the above embodiment is used.
Are buried in the road 72. One end of the optical fiber 70 is connected to the monitoring device 71. Monitoring device 7
1 includes the same configuration as the optical measurement system 30 in FIG.
【００４３】図６（ｂ）に示すように、光ファイバ７０
は二次元的な広がりを持つ監視区域内に蛇行して埋設さ
れている。光ファイバ７０は多数のファイバグレーティ
ングを内蔵しており、各ファイバグレーティングの反射
ピーク波長は少しずつ異なっている。As shown in FIG. 6B, the optical fiber 70
Is meanderingly buried in a two-dimensional surveillance area. The optical fiber 70 has a large number of built-in fiber gratings, and the reflection peak wavelength of each fiber grating is slightly different.
【００４４】図６（ａ）に示すように、自動車７３およ
び７４等が道路７２上に存在すると、その影響で光ファ
イバ７０の対応部分に応力が発生する。前述した原理に
基づいて、監視装置７１は光ファイバ７０上の軸方向応
力分布を検知することができるので、図６（ｂ）に示す
監視区域のどの部分にどの程度の応力が発生しているか
を検出することが可能になる。As shown in FIG. 6A, when automobiles 73 and 74 are on the road 72, a stress is generated in a corresponding portion of the optical fiber 70 due to the influence. Based on the principle described above, the monitoring device 71 can detect the axial stress distribution on the optical fiber 70, and therefore, how much stress is generated in which part of the monitoring area shown in FIG. Can be detected.
【００４５】この例によれば、ファイバグレーティング
を用いているため高い精度で応力・歪が測定でき、しか
も、一本のファイバを用いて多点計測が実現する。ま
た、ファイバグレーティングは数十ｍｍ間隔で形成する
ことが可能であるため、位置についての高い分解能が得
られる。According to this example, since the fiber grating is used, stress and strain can be measured with high accuracy, and multipoint measurement can be realized using one fiber. Further, since the fiber grating can be formed at intervals of several tens of mm, a high position resolution can be obtained.
【００４６】[0046]
【発明の効果】本発明の光ファイバ心線、ファイバコー
ドおよびファイバケーブルによれば、複数種類のファイ
バグレーティングが書き込まれているため、数ｍｍ〜数
百ｍｍという高い分解能を持つ歪測定が可能になる。According to the optical fiber core, the fiber cord and the fiber cable of the present invention, since a plurality of types of fiber gratings are written, strain measurement having a high resolution of several mm to several hundred mm can be performed. Become.
【００４７】本発明の物理量測定方法によれば、歪だけ
ではなく、屈曲量や温度についても、光ファイバの多数
の点に値を軸方向に分解してリアルタイムで検知するこ
とが可能になる。また、光ファイバを空間的に配置すれ
ば、二次元的または三次元的な応力分布を精度良く検知
することも可能になる。According to the physical quantity measuring method of the present invention, not only the strain but also the bending quantity and the temperature can be detected in real time by resolving the values in a number of points of the optical fiber in the axial direction. Further, if the optical fibers are spatially arranged, it is possible to accurately detect a two-dimensional or three-dimensional stress distribution.
【図１】本発明による光ファイバ心線の実施形態を示す
断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of an optical fiber core according to the present invention.
【図２】本発明によるファイバグレーティングの作製方
法を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a method of manufacturing a fiber grating according to the present invention.
【図３】本発明による物理量測定方法の実施形態を説明
するための構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram for explaining an embodiment of a physical quantity measurement method according to the present invention.
【図４】本発明による物理量測定方法によって得られた
反射ピーク波長の温度依存性を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing temperature dependence of a reflection peak wavelength obtained by a physical quantity measuring method according to the present invention.
【図５】本発明による物理量測定方法によって得られた
反射光スペクトルを示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing a reflected light spectrum obtained by the physical quantity measuring method according to the present invention.
【図６】（ａ）は、本発明による物理量センサの光ファ
イバを道路内に埋設した例を示す模式図であり、（ｂ）
は、埋設された光ファイバの平面レイアウトを示す図で
ある。FIG. 6A is a schematic diagram showing an example in which an optical fiber of a physical quantity sensor according to the present invention is embedded in a road, and FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a planar layout of an embedded optical fiber.
１ 光ファイバ心線 ２ コア ３ クラッド ４ 被覆層 ２１ グレーティング DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical fiber core wire 2 Core 3 Cladding 4 Coating layer 21 Grating
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA65 CC40 FF48 FF58 LL02 LL42 2H050 AB05X AB07X AB18X AC81 AC82 AC84 BB05Q BB07Q BB14Q BB17Q BB33Q ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2F065 AA65 CC40 FF48 FF58 LL02 LL42 2H050 AB05X AB07X AB18X AC81 AC82 AC84 BB05Q BB07Q BB14Q BB17Q BB33Q
Claims (7)
類のファイバグレーティングが書き込まれた光ファイバ
心線であって、 前記複数種類のファイバグレーティングは、少なくと
も、第１の波長を有する光を反射または透過する第１の
ファイバグレーティングと、前記第１の波長とは異なる
第２の波長を有する光を反射または透過する第２のファ
イバグレーティングとを含んでおり、 前記第２のファイバグレーティングは、前記第１のファ
イバグレーティングが形成されている位置から軸方向に
沿って離れた位置に形成されていることを特徴とする光
ファイバ心線。1. An optical fiber core on which a plurality of types of fiber gratings having different reflection characteristics or transmission characteristics are written, wherein the plurality of types of fiber gratings reflect or transmit at least light having a first wavelength. A first fiber grating, and a second fiber grating that reflects or transmits light having a second wavelength different from the first wavelength, wherein the second fiber grating includes the first fiber grating. An optical fiber core formed at a position separated in the axial direction from a position where the fiber grating is formed.
外周面に形成された紫外線透過型紫外線硬化樹脂層とを
備えており、 前記ファイバグレーティングは、前記紫外線透過型紫外
線硬化樹脂層を通して前記コアに照射された紫外線によ
って前記コア内に書き込まれたものであることを特徴と
する請求項１に記載の光ファイバ心線。2. The fiber grating, comprising: a core; a clad surrounding the core; and an ultraviolet-transmissive ultraviolet-curable resin layer formed on an outer peripheral surface of the clad layer. The optical fiber core according to claim 1, wherein the core is written in the core by ultraviolet rays applied to the core through a transmission type ultraviolet curable resin layer.
線を備えたファイバコード。3. A fiber cord comprising the optical fiber core according to claim 1.
線を備えたファイバケーブル。4. A fiber cable comprising the optical fiber core according to claim 1.
と前記コアを囲むクラッドとを備えたファイバ構造の外
周面を紫外線透過型紫外線硬化樹脂から形成した被覆層
で覆う工程と、 第１の紫外線を前記被覆層に照射することによって前記
被覆層を硬化させる工程と、 第２の紫外線を前記被覆層の外側から前記コアに対して
照射することによって、反射特性または透過特性の異な
る複数種類のファイバグレーティングを前記コアの異な
る位置に書き込む工程と、を包含することを特徴とする
光ファイバ心線の製造方法。5. A step of covering an outer peripheral surface of a fiber structure having a core on which a grating is to be written and a clad surrounding the core with a coating layer formed of a UV-transmissive UV-curable resin; Curing the coating layer by irradiating a layer, and irradiating a second ultraviolet ray to the core from outside the coating layer to form a plurality of types of fiber gratings having different reflection characteristics or transmission characteristics. Writing at different positions on the core.
線に対して、前記第１および第２の波長を含む広帯域の
光を入射する工程と、 前記広帯域光のうち、前記複数種類のファイバグレーテ
ィングの各々によって選択的に反射された光を検知し
て、前記複数種類のファイバグレーティングの各々に生
じている物理的状態を個別に検出する工程とを包含する
物理量測定方法。6. A step of injecting a broadband light including the first and second wavelengths into the optical fiber core wire according to claim 1 or 2, Detecting the light selectively reflected by each of the fiber gratings and individually detecting the physical state occurring in each of the plurality of types of fiber gratings.
および温度の少なくともひとつを含むことを特徴とする
請求項６に記載の物理量測定方法。7. The physical state includes an axial strain, a bending amount,
7. The physical quantity measuring method according to claim 6, comprising at least one of a temperature and a temperature.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11061513A JP2000258642A (en) | 1999-03-09 | 1999-03-09 | Optical fiber suitable for measurement of strain with high resolution and method for measurement of physical quantity |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11061513A JP2000258642A (en) | 1999-03-09 | 1999-03-09 | Optical fiber suitable for measurement of strain with high resolution and method for measurement of physical quantity |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000258642A true JP2000258642A (en) | 2000-09-22 |
Family
ID=13173254
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11061513A Pending JP2000258642A (en) | 1999-03-09 | 1999-03-09 | Optical fiber suitable for measurement of strain with high resolution and method for measurement of physical quantity |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000258642A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111780921A (en) * | 2020-08-07 | 2020-10-16 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | Calibration method of fiber bragg grating three-dimensional stress monitoring sensor |
| CN112949055A (en) * | 2021-02-24 | 2021-06-11 | 西安交通大学 | Calibration method for large strain measurement of surface-adhered polymer optical fiber sensor |
-
1999
- 1999-03-09 JP JP11061513A patent/JP2000258642A/en active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111780921A (en) * | 2020-08-07 | 2020-10-16 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | Calibration method of fiber bragg grating three-dimensional stress monitoring sensor |
| CN111780921B (en) * | 2020-08-07 | 2021-05-11 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | Calibration method of fiber bragg grating three-dimensional stress monitoring sensor |
| CN112949055A (en) * | 2021-02-24 | 2021-06-11 | 西安交通大学 | Calibration method for large strain measurement of surface-adhered polymer optical fiber sensor |
| CN112949055B (en) * | 2021-02-24 | 2023-04-11 | 西安交通大学 | Calibration method for large strain measurement of surface-adhered polymer optical fiber sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rao et al. | Novel fiber-optic sensors based on long-period fiber gratings written by high-frequency CO 2 laser pulses | |
| Zubia et al. | Plastic optical fibers: An introduction to their technological processes and applications | |
| Song et al. | Simultaneous measurement of temperature and strain using two fiber Bragg gratings embedded in a glass tube | |
| JP2000258190A (en) | Sensor employing fiber grating and physical quantity measuring method | |
| CN1061471C (en) | Optical device packaging | |
| US7379643B2 (en) | Optical fiber sensor based on retro-reflective fiber Bragg gratings | |
| US6925230B2 (en) | Long period chiral fiber grating apparatus | |
| EP1591809B1 (en) | Optical fiber sensor based on retro-reflective fiber bragg gratings | |
| CN100367016C (en) | Fibre-optical temperature measuring device and measurement thereof | |
| US20050232541A1 (en) | Optical fiber sensor based on retro-reflective fiber bragg gratings | |
| WO2012023219A1 (en) | Polarization maintaining fiber and optical fiber sensor using same | |
| Hongo et al. | Applications of fiber Bragg grating sensors and high‐speed interrogation techniques | |
| Echevarria et al. | Uniform fiber Bragg grating first-and second-order diffraction wavelength experimental characterization for strain-temperature discrimination | |
| KR101529610B1 (en) | Apparatus and Sensing System for Fiber Bragg Grating Probes Having Controlled Sensitivity and Method for Sensing and Manufacturing thereof | |
| Tokarev et al. | UV-transparent fluoropolymer fiber coating for the inscription of chirped Bragg gratings arrays | |
| KR101052352B1 (en) | Fabrication method of optical fiber sensor using initial stress | |
| JP2001208915A (en) | Optical fiber cable and method of measuring distortion | |
| KR100774372B1 (en) | Sensor for simultaneous measurement of bending and temperature based on sampled chirped fiber bragg grating | |
| CN102539011B (en) | Temperature sensor based on phosphor-doped fiber radiation induced attenuation thermosensitivity | |
| JP2000258642A (en) | Optical fiber suitable for measurement of strain with high resolution and method for measurement of physical quantity | |
| JP2001042142A (en) | Manufacture of fiber grating and temperature sensor using fiber grating | |
| Chaubey et al. | Design and development of long-period grating sensors for temperature monitoring | |
| Idrisov et al. | Optimisation of fibre Bragg gratings inscription in multicore fibres | |
| Cusano et al. | Fiber Bragg gratings evanescent wave sensors: A view back and recent advancements | |
| Watanabe et al. | High sensitivity optical-fiber temperature sensor with solid cladding material based on multimode interference |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050616 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050628 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20051115 |