JP2005134199A - Fiber type sensor and sensing system using it - Google Patents

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Michitaka Okuda
通孝 奥田
Hiromi Yasujima
弘美 安島
Yusuke Takei
裕介 武井
Yoshiyuki Shigeoka
義之 重岡
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problems of a conventional contact type fiber sensor having a structure wherein an FBG is not completely stuck to a measuring part because the sensor does not have fundamentally a mechanism for pressing equally from above, wherein a distortion of the measuring part is not transferred to the FBG to thereby fail to function as the sensor in the case where the sensor is not stuck and fixed sufficiently and equally onto the measuring part, or a peak of a reflected waveform is distorted to thereby fail to measure a wavelength shift caused by the distortion when the FBG is unequally distorted in the length direction and fixed, or sometimes the sensor part easily peels off by fluctuation of the environment such as a temperature or a humidity because the sensor part is exposed to the external environment. <P>SOLUTION: A part having the fiber Bragg grating (FBG) of an optical fiber is fixed in a fixing layer, and both surfaces of the fixing layer are sandwiched by a sheet comprising an elastic material, to thereby form the FBG sensor part, and one surface of the FBG sensor part is stuck to the measuring part through a sticking layer, and a pressing plate is provided on the other surface through a buffer layer. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ファイバブラッググレーテイング（Fiber Bragg Grating：略してＦＢＧ）を用いて、歪み、振動を測定するファイバ型センサ、及びそれを用いたセンシングシステムに関するものである。   The present invention relates to a fiber type sensor that measures strain and vibration using fiber Bragg grating (abbreviated as FBG), and a sensing system using the same.

ＦＢＧは、ファイバのコアに一定の周期の屈折率変動を有する回折格子を記録することにより得られるもので、そのＦＢＧは、温度、歪み、振動を受けることにより、内部の回折格子の周期ｄ（図３のＦＢＧ部５参照）が変化し、回折格子からの反射光のピーク波長λが変化する。   The FBG is obtained by recording a diffraction grating having a refractive index fluctuation with a constant period in the core of the fiber. The FBG is subjected to temperature, strain, and vibration, and thereby has a period d ( 3) and the peak wavelength λ of the reflected light from the diffraction grating changes.

ファイバ型センサ１５は、その変化量を換算することにより、温度、歪量を測定するものである。   The fiber type sensor 15 measures temperature and strain by converting the amount of change.

ＦＢＧ部５が形成される光ファイバ１は、長距離伝送が可能であることや電磁的ノイズを受けないことが利点であり、１本の光ファイバ１に異なる周期の回折格子からなるＦＢＧ部５を複数設置することにより、１本の光ファイバ１に多数のＦＢＧセンサ部を設置することができる。   The optical fiber 1 in which the FBG unit 5 is formed is advantageous in that long-distance transmission is possible and that it is not subject to electromagnetic noise, and the FBG unit 5 is composed of diffraction gratings with different periods on one optical fiber 1. A plurality of FBG sensor units can be installed in one optical fiber 1 by installing a plurality of optical fibers.

図９は、ＦＢＧを用いてセンシングシステムとした従来例であり、３ｄＢ分岐のファイバカプラ１２の一方のポートに広帯域光源１１と波長計１３を接続して、もう一方のポートに複数のＦＢＧセンサ部１０を直列に接続したものである。   FIG. 9 shows a conventional example of a sensing system using an FBG. A broadband light source 11 and a wavelength meter 13 are connected to one port of a 3 dB branch fiber coupler 12, and a plurality of FBG sensor units are connected to the other port. 10 are connected in series.

広帯域光源１１から出射した光は、ファイバカプラ１２で２分岐し、ファイバ型センサ１５に入射する。   The light emitted from the broadband light source 11 is bifurcated by the fiber coupler 12 and enters the fiber type sensor 15.

ＦＢＧ部５で反射した光は、ファイバカプラ１２に戻り２分岐され、反射光の半分が波長計１３に入射することで、ファイバ型センサ１５内のＦＢＧ部５での反射波長を計測することができる。   The light reflected by the FBG unit 5 returns to the fiber coupler 12 and is branched into two, and half of the reflected light is incident on the wavelength meter 13 so that the reflected wavelength at the FBG unit 5 in the fiber type sensor 15 can be measured. it can.

ＦＢＧの製法は、外径２５０μｍのファイバ素線の保護被覆を剥がし、外径１２５μｍの石英硝子のクラッド部を露出する。   In the FBG manufacturing method, the protective coating of the fiber strand having an outer diameter of 250 μm is peeled off, and the cladding portion of the quartz glass having an outer diameter of 125 μm is exposed.

そこに紫外線照射をしてファイバコア内に誘起屈折率変化による周期的な屈折率変動を生じさせ、ＦＢＧ部５を形成する。   The FBG portion 5 is formed by irradiating with ultraviolet rays to cause a periodic refractive index variation due to the induced refractive index change in the fiber core.

このようにして製作したＦＢＧセンサ部１０として用いる場合、被測定部７に紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂で再被覆または未被覆の状態で、エポキシ系接着剤により被測定部と固定する。   When used as the FBG sensor unit 10 manufactured as described above, the measured portion 7 is fixed to the measured portion with an epoxy adhesive in a state where the measured portion 7 is recoated or uncoated with an ultraviolet curable resin or a thermosetting resin.

又はＦＢＧ部５を保護する為、被測定部７上に薄いフィルム状のシート３を介し、その上にＦＢＧ部５を樹脂により固着して用いるものもある（特許文献１，２参照）。
特開２００１−１３３３４ 特開２００１―２９６１１０ Alternatively, in order to protect the FBG part 5, there is also one in which the FBG part 5 is fixed on the measured part 7 with a resin through a thin film sheet 3 (see Patent Documents 1 and 2).
JP2001-13334 JP 2001-296110 A

しかしながら、こうした特許文献１，２の従来技術では、被測定部７に対しＦＢＧ部５の固着が充分でないと、被測定部７の変動を正確に伝達することは難しく、正確な測定、信頼性のある固着をすることができない。   However, in the prior arts of Patent Documents 1 and 2, if the FBG unit 5 is not sufficiently fixed to the measured part 7, it is difficult to accurately transmit the fluctuation of the measured part 7, and accurate measurement and reliability are achieved. It cannot be fixed.

即ち、基本的に上方から均等に押圧する機構がなく、ＦＢＧを完全に被測定部に密着させる構造ではない。 That is, there is basically no mechanism for evenly pressing from above, and the FBG is not completely in close contact with the part to be measured.

また、センサが被測定部に充分かつ均等に密着固定されていればよいが、そうでない場合、被測定部の歪みがＦＢＧ部に十分に伝わらずセンサとして機能しない。   In addition, the sensor only needs to be sufficiently and evenly fixed to the measured part, but otherwise, the distortion of the measured part is not sufficiently transmitted to the FBG part and does not function as a sensor.

また、ＦＢＧが長さ方向に不均一な歪み、固定を行うと、反射波形のピークが歪み、歪みによる波長シフトが計測できない。   If the FBG is distorted and fixed nonuniformly in the length direction, the peak of the reflected waveform is distorted, and the wavelength shift due to the distortion cannot be measured.

また、センサ部が外部環境にさらされており、温度湿度等の環境変動によりセンサ部が容易に剥がれる場合がある。   Further, the sensor unit is exposed to the external environment, and the sensor unit may be easily peeled off due to environmental fluctuations such as temperature and humidity.

上記に鑑みて本発明は、光ファイバのファイバブラッググレーテイング（ＦＢＧ）を有する部分を固定層の中に固定し、該固定層の両面を弾性材料からなるシートで挟持してＦＢＧセンサ部とし、前記該ＦＢＧセンサ部の一方面を接着層を介して被測定部に密着し、他面には緩衝層を介して押圧板を有することを特徴とするものである。   In view of the above, the present invention fixes the portion of the optical fiber having fiber Bragg grating (FBG) in a fixed layer, and sandwiches both sides of the fixed layer with a sheet made of an elastic material to form an FBG sensor unit. One side of the FBG sensor part is in close contact with the part to be measured through an adhesive layer, and a pressure plate is provided on the other side through a buffer layer.

また、光ファイバのファイバブラッググレーテイング（ＦＢＧ）を有する部分を固定層の中に固定し、該固定層の一方面を弾性材料からなるシートを介して接着層で被測定部に密着し、他方面には緩衝層を介してシートで覆い、該シートの縁部を押圧板で固定して上記緩衝層に引っ張り応力を与えたことを特徴とするものである。   In addition, a portion of the optical fiber having fiber Bragg grating (FBG) is fixed in the fixed layer, and one surface of the fixed layer is closely attached to the measured portion with an adhesive layer through a sheet made of an elastic material. The sheet is covered with a sheet through a buffer layer, and the edge of the sheet is fixed with a pressing plate to give a tensile stress to the buffer layer.

さらに、上記ファイバ型センサを複数個直列接続して上記センサ部を被測定部に密着し、ファイバカプラを介して広帯域光源及び波長計に接続してなることを特徴とするものである。   Further, a plurality of the fiber type sensors are connected in series, the sensor part is closely attached to the part to be measured, and connected to a broadband light source and a wavelength meter via a fiber coupler.

これにより、簡素な構造でセンサ部全体を押圧、固定することができる。   Thereby, the whole sensor part can be pressed and fixed with a simple structure.

またセンサ部全面を押圧、均等に密着固定させると同時に剥がれることのないファイバセンサを実現することができる。   In addition, it is possible to realize a fiber sensor that presses the entire surface of the sensor unit and fixes it uniformly and at the same time does not peel off.

さらに上記のファイバ型センサを複数個接続、被測定部に固着、ファイバカプラを介して、広帯域光源と波長計と接続し、正確な測定と環境変動に対し、信頼性のあるセンシングシステムが実現できる。   In addition, a plurality of the above-mentioned fiber type sensors are connected, fixed to the part to be measured, and connected to a broadband light source and a wavelength meter via a fiber coupler to realize a reliable sensing system for accurate measurement and environmental fluctuations. .

以上から、本発明によるファイバ型センサを用いることにより、以下のような優れた効果を実現することができる。   From the above, the following excellent effects can be realized by using the fiber type sensor according to the present invention.

また、緩衝部を介した押圧手段により、ＦＢＧセンサ部全体に対し、均等に押圧し、その圧力を平均化、正確な測定をすることができる。   Moreover, it can press uniformly with respect to the whole FBG sensor part with the press means via a buffer part, the pressure can be averaged, and an exact measurement can be performed.

また、固定層上のシートにより、押圧力をセンサ部全体に平均化すると同時に内部のＦＢＧを保護することができる。   Further, the sheet on the fixed layer can average the pressing force over the entire sensor unit and at the same time protect the internal FBG.

また、固定層上のシートの側面を伸ばしそれでセンサ部全体を押圧することにより、簡素な構造でセンサ部全体を押圧、固定することができ、センサ部全面を押圧、均等に密着固定させると同時に、温湿度が変化する厳しい外部環境においても剥がれることのなく、正確に測定可能なファイバセンサを実現することができる。   In addition, by extending the side surface of the sheet on the fixing layer and pressing the entire sensor unit, the entire sensor unit can be pressed and fixed with a simple structure, and the entire sensor unit is pressed and fixed at the same time. It is possible to realize a fiber sensor that can be measured accurately without being peeled even in a severe external environment where temperature and humidity change.

また、上記ファイバ型センサを複数個直列に接続、被測定部に設置、広帯域光源、波長計と接続することにより、高信頼なセンシングシステムが実現できる。   In addition, a highly reliable sensing system can be realized by connecting a plurality of the above-described fiber type sensors in series, installing them in a measured part, and connecting them to a broadband light source and a wavelength meter.

以下、本発明のファイバ型センサの一実施形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment of the fiber type sensor of the present invention will be described.

図１、図２、図３は、本発明のファイバ型センサの第１の実施形態の構成を示したものである。   1, FIG. 2, and FIG. 3 show the configuration of the first embodiment of the fiber type sensor of the present invention.

図１（ａ）は、上面からみた概観図、（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図、図２は、第１図（ｂ）のＢ−Ｂ断面図、図３は、図１（ｂ）のＣ部を示した詳細図である。   FIG. 1A is a schematic view viewed from above, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 1B, and FIG. It is the detail figure which showed the C section.

本発明のファイバ型センサ１５は、図１に示したようにＦＢＧ部５を有するファイバ１を１本乃至複数本をフィルム状のシート３上の固定層４により固定したものである。   The fiber type sensor 15 of the present invention is one in which one or a plurality of fibers 1 having an FBG portion 5 are fixed by a fixing layer 4 on a film-like sheet 3 as shown in FIG.

ＦＢＧ部５は光ファイバ１の保護被覆を剥がし、外径１２５μｍのクラッドを露出させ、その部分に一定の周期ｄの屈折率変動を有する回折格子を、紫外線照射プロセスを用いることにより設けたものであり、その長さは１０〜１５ｍｍ程度である。   The FBG section 5 is a structure in which a protective coating of the optical fiber 1 is peeled off, a cladding having an outer diameter of 125 μm is exposed, and a diffraction grating having a refractive index variation with a constant period d is provided in that portion by using an ultraviolet irradiation process. There is a length of about 10 to 15 mm.

回折格子の周期ｄは、使用する露光用マスクのパターンを変えること等で対応可能であり、それにより反射する光のピーク波長λを設定することができる。   The period d of the diffraction grating can be dealt with by changing the pattern of the exposure mask to be used, and thereby the peak wavelength λ of the reflected light can be set.

図２の温度検出用のファイバ型センサとしては、温度検出部６は、ファイバ１のＦＢＧ部５を固定層４内の一部設けた空間にたるませた状態で両端を固定層４にて固定したものである。   As the fiber type sensor for temperature detection of FIG. 2, the temperature detection unit 6 fixes both ends with the fixed layer 4 in a state where the FBG portion 5 of the fiber 1 is slackened in a partly provided space in the fixed layer 4. It is a thing.

そうすることによりＦＢＧ部５は温度変化による石英の線膨張で回折格子の周期ｄに影響し、反射光のピーク波長λが変化するため、温度変化を算出することができる。   By doing so, the FBG section 5 affects the period d of the diffraction grating due to the linear expansion of quartz due to the temperature change, and the peak wavelength λ of the reflected light changes, so that the temperature change can be calculated.

温度検出部６のＦＢＧ部５は光ファイバ１に保護被覆を付けた状態で設置した方が信頼性上好ましい。   It is preferable in terms of reliability that the FBG unit 5 of the temperature detection unit 6 is installed in a state where a protective coating is attached to the optical fiber 1.

又、歪検出用のファイバ型センサとしては、ＦＢＧ部５の保護被覆も剥がさず付けた状態で設置してもよいが、その場合、シート３、固定層４との線膨張係数など材料特性を合わせた方が、異なる材質の境界でのクリープの発生がなく好ましい。   In addition, as a fiber type sensor for strain detection, it may be installed with the protective coating of the FBG portion 5 not being peeled off. In that case, the material characteristics such as the coefficient of linear expansion with the sheet 3 and the fixed layer 4 can be set. It is preferable to combine them because there is no creep at the boundary between different materials.

シート３の材質は、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ガラス繊維強化プラスチック、ガラスがよく、高弾性材で滑りがないため歪み応力の伝達に優れ、光ファイバを線形的に歪ませることができる。   The material of the sheet 3 is polyimide resin, epoxy resin, fluororesin, polyester resin, polycarbonate resin, glass fiber reinforced plastic, and glass. It is a highly elastic material and does not slip, so it has excellent strain stress transmission, and the optical fiber is linear. Can be distorted.

これらの材料は、ＦＢＧセンサ部１０の耐熱性、耐薬品性、耐水性を向上させることができる。   These materials can improve the heat resistance, chemical resistance, and water resistance of the FBG sensor unit 10.

又、ＦＢＧ部５をシート３に固定する固定層４の材質は、シート３と同様にポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂がよく、ＦＢＧセンサ部１０の耐熱性、耐薬品性、耐水性、耐久性を向上させることができる。   Further, the material of the fixing layer 4 for fixing the FBG part 5 to the sheet 3 is preferably a polyimide resin, an epoxy resin, a polyester resin, a fluororesin, or a phenol resin, like the sheet 3, and the heat resistance and chemical resistance of the FBG sensor part 10 are good. , Water resistance and durability can be improved.

押圧板２は、緩衝層８を介してＦＢＧセンサ部１０全体を上面から押して被測定部７の面上に均一に密着させるためのもので、押圧板２の両側を被測定部７の両側面に固定する。   The pressing plate 2 is for pressing the entire FBG sensor unit 10 from the upper surface through the buffer layer 8 so that the FBG sensor unit 10 is in close contact with the surface of the measured portion 7. Secure to.

押圧板２は、アルミニウム、ステンレス、銅などの金属材料の他、樹脂材料を用いてもよい。   The pressing plate 2 may use a resin material in addition to a metal material such as aluminum, stainless steel, or copper.

特に押圧板２を金属材料とした場合、固定に溶接を使用することができ、あるいは接着、半田付けによる方法など使い分けすることがきる。   In particular, when the pressing plate 2 is made of a metal material, welding can be used for fixing, or a method such as adhesion or soldering can be used properly.

緩衝層８は、押圧板２からの加重を固定層４の全体に均一化するためのもので、緩衝層８が加重により歪むことで、ＦＢＧセンサ部１０の全面に数百グラム程度の加重がかかるようにする。   The buffer layer 8 is for uniformizing the weight from the pressing plate 2 over the entire fixed layer 4. When the buffer layer 8 is distorted by the weight, a weight of about several hundred grams is applied to the entire surface of the FBG sensor unit 10. Do so.

ＦＢＧセンサ部１０に掛かる加重は、緩衝層８の面積、材質、歪量、その弾性係数により決まる。   The load applied to the FBG sensor unit 10 is determined by the area, material, strain amount, and elastic coefficient of the buffer layer 8.

材料としては、ゴム系材料、ウレタン系材料、シリコン系材料、ポリエチレン系材料の高弾性材を使用することができ、各材料の弾性係数と緩衝層材の面積と歪みによりＦＢＧセンサ部１０への適切な付加荷重を設定することができる。   As a material, a high-elastic material such as a rubber-based material, a urethane-based material, a silicon-based material, or a polyethylene-based material can be used, and the FBG sensor unit 10 is provided with an elastic coefficient of each material and an area and strain of the buffer layer material. Appropriate additional load can be set.

図３は、図１（ｂ）Ｃ部詳細を示したもので、センサ部のＦＢＧ部の詳細を示したものであり、反射光のピーク波長λは、以下の式で示される。   FIG. 3 shows details of the C part in FIG. 1 (b), showing details of the FBG part of the sensor part, and the peak wavelength λ of the reflected light is expressed by the following equation.

λ＝２×ｎ×ｄ（ｎ：ファイバコアの等価屈折率、ｄ：ＦＢＧの格子間隔）
光ファイバ１が伸びるとそれに合わせ周期ｄが長くなるため、反射光のピーク波長λは長くなり長波長側にシフトし、逆に光ファイバ１が縮むと短波長側にシフトする。 λ = 2 × n × d (n: equivalent refractive index of fiber core, d: lattice spacing of FBG)
When the optical fiber 1 is extended, the period d becomes longer accordingly, so that the peak wavelength λ of the reflected light becomes longer and shifts to the longer wavelength side. Conversely, when the optical fiber 1 contracts, it shifts to the shorter wavelength side.

接着層９、シート３、固定層４には、高い弾性を有するポリイミド系、エポキシ系の材料などを使用することにより、被測定部７で発生する歪みを、広範囲に滑りなくＦＢＧ部５に伝達することができる。   The adhesive layer 9, the sheet 3, and the fixing layer 4 are made of polyimide or epoxy material having high elasticity, so that the distortion generated in the measured part 7 is transmitted to the FBG part 5 without slipping over a wide range. can do.

接着層９はＦＢＧセンサ部１０のシート３に薄くのばし被測定部７に接着されるが、接着時に生じる不均一な歪みを平均化する為には、押圧板２から荷重を付加して被測定部７とＦＢＧセンサ部１０の密着性を強化するとよい。   The adhesive layer 9 is thinly bonded to the sheet 3 of the FBG sensor unit 10 and bonded to the measured part 7. However, in order to average the non-uniform distortion that occurs during bonding, a load is applied from the pressing plate 2 to be measured. The adhesion between the part 7 and the FBG sensor part 10 may be strengthened.

それにより、貼り付け型ファイバセンサの歪み出力Δεは、
Δε＝α×Δλ（α：波長歪係数、Δλ：ＦＢＧの波長シフト量）となる。 Thereby, the strain output Δε of the pasted fiber sensor is
Δε = α × Δλ (α: wavelength distortion coefficient, Δλ: FBG wavelength shift amount).

図７（ｂ）は、波長シフト量と歪の関係を示したもので、本発明のファイバ型センサ１５を使用した場合、押圧板２によりＦＢＧセンサ部１０の下面での滑りもなく正確に機能しており、設計値通りの特性を示しているが、従来例の場合は、歪みが大きくなると途中で滑りが生じ、波長が短波長側にシフトし、正確な歪量の測定ができない。   FIG. 7B shows the relationship between the wavelength shift amount and the strain. When the fiber type sensor 15 of the present invention is used, the pressure plate 2 functions accurately without slipping on the lower surface of the FBG sensor unit 10. However, in the case of the conventional example, when the strain becomes large, slipping occurs in the middle, the wavelength shifts to the short wavelength side, and the amount of distortion cannot be measured accurately.

図４は、本発明による３軸型センサの実施形態で、ＦＢＧ部５を有する光ファイバ１を３本４５°間隔で回転した状態で固定したものであり、各光ファイバ１同士の交差部分は、歪みによる干渉をなくす為、各光ファイバ１のＦＢＧ部５が重ならないようにしているが、基本的な構造は図１の実施形態の場合と同じものである。   FIG. 4 shows an embodiment of a three-axis sensor according to the present invention, in which three optical fibers 1 having FBG portions 5 are fixed in a state of being rotated at 45 ° intervals. In order to eliminate interference due to distortion, the FBG portions 5 of the optical fibers 1 are not overlapped, but the basic structure is the same as in the embodiment of FIG.

図５は、本発明によるファイバ型センサ１５の他の実施形態で、上面のシート３を押圧板２として使用した場合の実施形態である。   FIG. 5 is an embodiment in which the upper surface sheet 3 is used as the pressing plate 2 in another embodiment of the fiber type sensor 15 according to the present invention.

その場合、緩衝層８はシート３の下に設置され、それを介してファイバ１を固定している固定層４を押圧する。   In that case, the buffer layer 8 is placed under the sheet 3 and presses the fixing layer 4 fixing the fiber 1 through it.

その時の押圧力は、上面のシート３を両側からＰの加重が掛かった場合、２×Ｐｓｉｎθで示される。   The pressing force at that time is represented by 2 × P sin θ when P is applied to the upper sheet 3 from both sides.

図６は、図５のファイバ型センサ１５を円筒状の被測定部７に密着した場合の実施形態で、弾力性のある固定層４と押圧板２により、円筒形状に対してもＦＢＧセンサ部１０の下面を被測定部７の面に密着して固定して歪み測定することができる。   FIG. 6 shows an embodiment in which the fiber type sensor 15 of FIG. 5 is in close contact with the cylindrical portion to be measured 7, and the FBG sensor portion is also applied to the cylindrical shape by the elastic fixing layer 4 and the pressing plate 2. The lower surface of 10 can be closely attached to the surface of the portion to be measured 7 and fixed to measure the strain.

本発明の実施例として、図１に示したファイバ型センサを製作して評価した。   As an example of the present invention, the fiber type sensor shown in FIG. 1 was manufactured and evaluated.

フィルム状のシート３には、長さ４５ｍｍ幅２０ｍｍ厚さ５０μｍのポリイミドフィルムを用い、固定層４はシート３と同じサイズの厚さ０．５ｍｍのエポキシ系樹脂の接着剤を用い、光ファイバ１のＦＢＧ部５は、長さ１５ｍｍで中心波長が１５５３ｎｍに設定されたものを用い、１０００マイクロストレインの引っ張り歪みを与えて固定した。   A polyimide film having a length of 45 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 50 μm is used for the film-like sheet 3, and an epoxy resin adhesive having a thickness of 0.5 mm that is the same size as that of the sheet 3 is used for the optical fiber 1. The FBG portion 5 was fixed at a length of 15 mm and a center wavelength set at 1553 nm, with a tensile strain of 1000 microstrain.

ここでマイクロストレインとは、歪みεのことであり、Ｌをもとの長さ、ΔＬを伸びた長さとしたときε＝ΔＬ／Ｌで表される無次元数であり、例えば、Ｌ＝１０００（ｍｍ）、ΔＬ＝０．０１（ｍｍ）とすると歪みεは、
ε＝０．０１／１０００＝０．０００１＝１００×１０−６＝１００マイクロストレイン
という言い方をする。 Here, the microstrain is a strain ε, which is a dimensionless number represented by ε = ΔL / L where L is an original length and ΔL is an extended length. For example, L = 1000 (Mm) and ΔL = 0.01 (mm), the strain ε is
ε = 0.01 / 1000 = 0.0001 = 100 × 10 −6 = 100 microstrain

歪検出用としてのＦＢＧ部５は保護被服を剥がし、温度検出用としてのＦＢＧ部５は、固定層４がない空間を設け、保護被覆を再コートした状態でたるませて設置した。   The FBG part 5 for strain detection peeled off the protective clothing, and the FBG part 5 for temperature detection was installed by providing a space without the fixed layer 4 and recoating the protective coating.

その上に長さ５０ｍｍ幅２０ｍｍ厚さ５０μｍのポリイミドフィルムを固定して、上面に厚さ１ｍｍのウレタン製の緩衝層８を設け、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板からなる押圧板２により０．５Ｎで押圧して全体を密着して固定した。   A polyimide film having a length of 50 mm, a width of 20 mm and a thickness of 50 μm is fixed thereon, and a urethane buffer layer 8 having a thickness of 1 mm is provided on the upper surface. The whole was pressed and fixed with 5N.

次に、比較例として図１０（ａ）で示したファイバ型センサ１５も製作した。   Next, a fiber type sensor 15 shown in FIG. 10A was also manufactured as a comparative example.

シート３にはサイズは長さ４５ｍｍ幅２０ｍｍ厚さ５０μｍのポリイミドフィルムを使用し、ＦＢＧ部５は、中心波長１５５７ｎｍのもので、１０００マイクロストレインの引っ張り歪みを与え、厚さ０．５ｍｍ程度のエポキシ系接着剤からなる固定層４に固定した。   The sheet 3 uses a polyimide film having a length of 45 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 50 μm. The FBG portion 5 has a central wavelength of 1557 nm, gives a tensile strain of 1000 microstrain, and has an epoxy thickness of about 0.5 mm. It fixed to the fixing layer 4 which consists of a system adhesive.

測定系は、図９に示した測定系を用い、広帯域光源１１として出力１３ｄＢｍのＣバンドＡＳＥ光源、波長計１３としては確度±１．５ｐｍ、測定時間０．５秒のものを使用し、ファイバカプラ１２の２分岐側に各ファイバ型センサ１５を並列接続したものである。   The measurement system shown in FIG. 9 is used, a C-band ASE light source having an output of 13 dBm is used as the broadband light source 11, and a wavelength meter 13 having an accuracy of ± 1.5 pm and a measurement time of 0.5 seconds is used. Each fiber type sensor 15 is connected in parallel to the two branch sides of the coupler 12.

上記各ファイバ型センサ１５を長さ３０ｃｍ幅２０ｃｍの厚さ１ｍｍの鋼板の中心部に平行に設置固定し、各光ファイバ１の端をファイバカプラ１２と接続し、鋼板をたわませることにより歪みを与え、その反射波長を波長計１３で測定をした。   Each fiber type sensor 15 is installed and fixed in parallel to the center of a steel plate having a length of 30 cm and a width of 20 cm and a thickness of 1 mm, the end of each optical fiber 1 is connected to the fiber coupler 12, and the steel plate is warped. The reflection wavelength was measured with a wavelength meter 13.

図７はその測定結果で、（ａ）は１０００マイクロストレインの歪量を一定に固定した状態での波長シフト量と時間との関係である。   FIG. 7 shows the measurement results. FIG. 7A shows the relationship between the wavelength shift amount and time when the strain amount of 1000 microstrain is fixed.

本発明のファイバ型センサ１５による計測結果は、波長シフトが殆どなく、非常に安定した状態を維持している。   The measurement result obtained by the fiber type sensor 15 of the present invention has almost no wavelength shift and maintains a very stable state.

これに対し比較例では、ＦＢＧセンサ部５の下面と被測定部７との面での滑りの影響で、波長シフト量が時間経過と共に変化しており、正確な測定を維持することができない。   On the other hand, in the comparative example, the wavelength shift amount changes with time due to slippage between the lower surface of the FBG sensor unit 5 and the surface to be measured 7, and accurate measurement cannot be maintained.

図７（ｂ）は、歪量（１００〜１２００マイクロストレイン）と波長シフト量の関係であるが、本発明のファイバ型センサ１５は、設計値に近い値で波長がシフトしている。   FIG. 7B shows the relationship between the strain amount (100 to 1200 microstrain) and the wavelength shift amount. In the fiber type sensor 15 of the present invention, the wavelength is shifted by a value close to the design value.

これに対して比較例では、歪量が大きくなると、被測定部７の面または、固定層４内でクリープが生じて歪みが大きくなる。   On the other hand, in the comparative example, when the amount of strain increases, creep occurs in the surface of the portion to be measured 7 or in the fixed layer 4 and the strain increases.

そのため不連続に波長がシフトして波長シフト量が線形で推移しない為、その分歪誤差が生じる。   Therefore, the wavelength shifts discontinuously, and the wavelength shift amount does not change linearly, so that a distortion error is generated accordingly.

図８は、上記本発明の実施例と比較例のファイバ型センサ１５に温度補償を施し、歪量を測定した場合のグラフである。   FIG. 8 is a graph when temperature compensation is performed on the fiber type sensor 15 of the embodiment of the present invention and the comparative example, and the amount of strain is measured.

本発明の実施例の場合、温度補償に再現性があり、温度変動により生じる歪量の影響を殆ど除去できる。   In the case of the embodiment of the present invention, the temperature compensation is reproducible, and the influence of the strain amount caused by the temperature fluctuation can be almost eliminated.

比較例の場合は、十分な密着ができない為に温度補償に再現性がなく、温度変動により生じる歪量の影響によりばらつきが発生する。   In the case of the comparative example, since sufficient adhesion cannot be achieved, the temperature compensation is not reproducible, and variation occurs due to the influence of the strain amount caused by the temperature fluctuation.

以上の結果から、本発明によるファイバ型センサ１５を用いることにより、被測定部７への密着性が向上、温度変化などの環境変動に対し強く、正確な測定を維持することができることを示した。   From the above results, it was shown that by using the fiber type sensor 15 according to the present invention, the adhesion to the measured portion 7 is improved, it is strong against environmental fluctuations such as temperature change, and accurate measurement can be maintained. .

本発明によるファイバ型センサの外観図であり、（ａ）は本発明によるファイバ型センサの上面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is an external view of the fiber type sensor by this invention, (a) is a top view of the fiber type sensor by this invention, (b) is AA sectional drawing of Fig.1 (a). 本発明の図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。It is BB sectional drawing of FIG.1 (b) of this invention. 図１（ｂ）のＣ部詳細を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the C section detail of FIG.1 (b). 本発明によるファイバ型センサの３軸センサであり（ａ）は図４（ｂ）のＤ−Ｄ断面図、（ｂ）は本発明のファイバ型３軸センサの断面図である。3A is a cross-sectional view of the fiber type sensor according to the present invention, FIG. 4A is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG. 4B, and FIG. 本発明の他のファイバ型センサの断面図である。It is sectional drawing of the other fiber type sensor of this invention. 図５に示したファイバ型センサを被測定部に取付けた断面図である。It is sectional drawing which attached the fiber type sensor shown in FIG. 5 to the to-be-measured part. 本発明と従来のファイバ型センサの特性を比較したグラフであり、（ａ）は波長シフト量と時間の関係、（ｂ）は、波長シフト量と歪みの関係を示したグラフである。It is the graph which compared the characteristic of this invention and the conventional fiber type sensor, (a) is the graph which showed the relationship between wavelength shift amount and time, (b) is the graph which showed the relationship between wavelength shift amount and distortion. 本発明と従来のファイバ型センサの温度特性を示したグラフである。It is the graph which showed the temperature characteristic of this invention and the conventional fiber type sensor. ファイバ型センサを用いたシステム構成の模式図である。It is a schematic diagram of a system configuration using a fiber type sensor. 従来のファイバ型センサを示した図であり、（ａ）（ｂ）は従来例の上面図及び断面図である。It is the figure which showed the conventional fiber type sensor, (a) (b) is the top view and sectional drawing of a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

１．光ファイバ
２．押圧板
３．シート
４．固定層
５．ＦＢＧ部
６．温度検出部
７．被測定部
８．緩衝層
９．接着層
１０．ＦＢＧセンサ部
１１．広帯域光源
１２．ファイバカプラ
１３．波長計
１４．測定部
１５．ファイバ型センサ 1. 1. Optical fiber 2. Press plate Sheet 4. Fixed layer 5. FBG section 6. 6. Temperature detection unit Section to be measured 8. Buffer layer 9. Adhesive layer 10. FBG sensor unit 11. Broadband light source 12. Fiber coupler 13. Wavemeter 14. Measurement unit 15. Fiber type sensor

Claims (3)

光ファイバのファイバブラッググレーテイング（ＦＢＧ）を有する部分を固定層の中に固定し、該固定層の両面を弾性材料からなるシートで挟持してＦＢＧセンサ部とし、前記該ＦＢＧセンサ部の一方面を接着層を介して被測定部に密着し、他面には緩衝層を介して押圧板を有することを特徴とするファイバ型センサ。 A portion of the optical fiber having fiber Bragg grating (FBG) is fixed in a fixed layer, and both sides of the fixed layer are sandwiched between sheets made of an elastic material to form an FBG sensor unit, and one side of the FBG sensor unit A fiber type sensor characterized by having a pressure plate on the other surface through a buffer layer. 光ファイバのファイバブラッググレーテイング（ＦＢＧ）を有する部分を固定層の中に固定し、該固定層の一方面を弾性材料からなるシートを介して接着層で被測定部に密着し、他方面には緩衝層を介してシートで覆い、該シートの縁部を押圧板で固定して上記緩衝層に引っ張り応力を与えたことを特徴とするファイバ型センサ。 A portion of the optical fiber having fiber Bragg grating (FBG) is fixed in a fixed layer, and one surface of the fixed layer is closely attached to the portion to be measured with an adhesive layer through a sheet made of an elastic material. Is a fiber type sensor characterized in that it is covered with a sheet through a buffer layer, the edge of the sheet is fixed with a pressing plate, and tensile stress is applied to the buffer layer. 請求項１または２のいずれかに記載のファイバ型センサを複数個直列接続して上記センサ部を被測定部に密着し、ファイバカプラを介して広帯域光源及び波長計に接続してなることを特徴とするセンシングシステム。 A plurality of fiber-type sensors according to claim 1 or 2 are connected in series, the sensor part is closely attached to a part to be measured, and connected to a broadband light source and a wavelength meter via a fiber coupler. Sensing system.
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