JP2006064680A - 光ファイバ振動センサ - Google Patents

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Soichi Kobayashi
壮一 小林
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Abstract

【課題】本発明の目的は上記の従来技術の問題点を解決し小型で安価な高周波特性を有する光ファイバ振動センサを提供することにある。
【解決手段】上記の目的を達成するために本発明に係わる光ファイバ振動センサは光ファイバを特殊な形状にテーパ加工し細径部分を形成するとともにケースのなかに固定する構造を採用した。
【選択図】 図２

Description

本発明は光ファイバ方式振動センサに関するものである。さらに詳述すれば構造が簡単で高い周波数特性を有する低価格な光ファイバ方式振動センサに関するものである。
光ファイバを伝播する光波には振幅（光強度）、周波数（波長）、位相、および偏波面という４つの属性がある。光ファイバセンサは本質的に低損失、広帯域であるためこのような光の属性の変化を検出することによって各種の小型、安価、高信頼の分布型や遠隔型センサへ適用できる。このうち光ファイバ振動センサは振動によるこれらの属性の変化を検出するものであり地震計や飛行機や橋梁の信頼性評価などへの適用が期待されている。従来の振動センサは大きくわけて光強度と位相の変化を検出する方式が使われている。
このうち光の位相変化を検出するものはいわゆる高精度光干渉計測とよばれておりマイケルソン干渉計やリング干渉計を用いるものである。たとえば非特許文献１にはマイケルソン光干渉計を構成した計測システムが使用されている。この方法においては光干渉計を構成するために２個の光方向性結合器が必要である。また偏光による干渉雑音を抑えるために特殊な光ファイバ、光源、光デバイスが必要であるので一般的に構造が複雑で高価である。非特許文献１には振動が計測システムに印加された場合に光ファイバに振動による応力を伝達するトランスジューサとして錘が使われている。従って振動センサとしての応答特性は通常は５０Ｈｚ程度と低い。
新藤雄吾、吉川隆「光ファイバにおける駿河湾での地震観測」沖テクニカルレビュー、２００３年１月１９３号Ｖｏｌ．７０，Ｎｏ．１
光ファイバ振動センサのもうひとつの方法である光強度の変化を計測するタイプとしては振動による光結合の変化を測定するものである。たとえば特許文献１には片もち梁にミラーを貼り付け入射光をミラーで反射しその反射光を受光する光学系が使用されている。この光学系では振動によるミラーの位置ずれによる結合量の変化を検出し振動を検出するものである。この場合にも光学系が複雑であり片もち梁が錘となるため応答特性が数１０Ｈｚと低い。
公開平９−２５７８２８
以上のように従来の光ファイバ振動センサは高精度の光干渉計を必要としたり複雑なトランスジューサの機構系を必要としていたので高価で高周波特性の測定に難点があった。
本発明の目的は上記の従来技術の問題点を解決し小型で安価な高周波特性を有する光ファイバ振動センサを提供することにある。
上記の目的を達成するために本発明に係わる光ファイバ振動センサは光ファイバを特殊な形状にテーパ加工し細径部分を形成するとともにケースの中に固定する構造を採用した。
以上説明したように本発明の振動センサはテーパ状に細径加工した光ファイバ自体をセンサに使うので小型、安価、かつ高周波特性にすぐれた光ファイバ振動センサを提供できる。またオールファイバ型なので分布型振動計測システムが実現でき地震計や構造物の信頼性のモニターなどへのニーズに適用できる。
図１以下の図を用いて本発明振動センサの実施例を説明する。図１ａは光ファイバ１の一部にメタルコーティング２を施した光ファイバを示している。光ファイバ１は石英系であり外径は１２５μｍ、コア直径は５０μｍのマルチモード光ファイバである。図１ｂはメタルコーティング間の部分をトーチ３あるいはヒータで加熱、延伸しテーパ部４ａ，４ｂと細径光ファイバ部５を形成する方法を示している。中心部の細径光ファイバの長さは振動が印加時に高調波が発生しないように２５ｍｍ以下とし細径部の外径は２μｍとした。実験の結果メタルコーティング間の距離は４５から８５ｍｍの範囲が望ましく本実施例では５０ｍｍとした。
図１ｃは延伸した光ファイバを固定台６に接着剤７で固定する方法を示す。固定台には半割の石英パイプを用いた。光ファイバの固定台への接着は図２に示すように通常の外径部分８ａ，８ｂとテーパ部分９ａ，９ｂの左右２箇所ずつで固定した。この接着工程においては光ファイバがたるまない程度に張力をかけながら低収縮率の紫外線硬化樹脂を用いて固定した。
図２は延伸光ファイバが固定された固定台がケース１０に収納される実装図を示している。ケース１０には固定台と同心円の断面をもつ金属たとえばステンレスチューブを用いた。はじめに固定台６はケース８に挿入され接着剤１１で固定した。
ケースの気密はハンダ封止で行った。本実施例では図３に示すようなハーメティックシールを行うために光ファイバのメタルコーティング部分にハンダを塗布し金属チューブのケース１０の出入り口の蓋１２ａ、１２ｂ上の細くした部分を細くしその部分の内壁にハンダを塗布し光ファイバ上のハンダと金属チューブ内のハンダが十分溶け合う温度で金属チューブを加熱しハーメティックシール１３ａ、１３ｂを施した。
光ファイバ１は外径２５０μｍの素線を用いるがフィールドで使用する場合には強度を保つため図４に示すように心線をケブラー入りの光コード１４ａ，１４ｂに収納しケースに防水ゴムカバー１５を施して一体化センサーモジュールとした。
上記の本発明実施例の振動センサを加振器上に設置し半導体レーザを光源とし振動振幅と周波数を変えながら受光器で出力成分のスペクトルを解析したところその周波数応答特性が４ＫＨｚまであることが確認された。
図５に本発明振動センサを用いた分布型センサシステムを示す。送信部１６は複数個の異なった発振波長λ１からλ４をもつ半導体レーザ１７と合波器１８からなる。送信部からの光は合分流器１９によって本発明振動センサが分布状に設置された光ファイバケーブル２０側に結合される。振動センサは光ファイバケーブル２０上の離散的な位置に設置される。振動センサ部２１には特定の波長（この場合にはλ１）が透過しそれ以外の波長は反射するようなフィルタ２２が使用されており透過した光はシングルモード光ファイバ２３とマルチモード光ファイバ２４を効率よく変換するモード変換部２５を介して本発明振動センサ２６に結合される。振動センサを通過した光は出力端に設置されたミラー２７で反射し該振動センサと該フィルタを再び透過して送信側に伝播され該合分流器１９で受信部２８に導かれる。一方フィルタ２２で反射された波長λ１以外の光は次の振動センサ部に導かれ最初の振動センサー部２１と同様に波長λ２のみが透過して光強度が振動の影響を受ける。
受信部は分波器２９と複数の受光器３０から構成される。光ファイバケーブル２０に離散的に設置された振動センサに付随するフィルタの透過波長はそれぞれ２９の分波器の通過域と一致しており特定の光検出器の出力は特定の場所の振動情報に対応するように設計されている。このようにすれば光ケーブルの長手方向の離散的な場所の振動が遠隔的に一括計測できる。
本発明振動センサのセンサ部の作製方法の概念図 本発明振動センサのパッケージ実装図 本発明振動センサのハーメティックシール実装図 本発明振動センサと光コードとの結合図 本発明振動センサを用いた分布型センサの構成図
符号の説明
１ マルチモード光ファイバ
２ メタルコーティング
３ トーチ
４ａ 延伸テーパ部
４ｂ 延伸テーパ部
５ 延伸細径部
６ 固定台
７ 接着剤
８ａ 通常外径部分の固定部
８ｂ 通常外径部分の固定部
９ａ テーパ部分の固定部
９ｂ テーパ部分の固定部
１０ 金属ケース
１１ 接着剤
１２ａケースの蓋
１２ｂケースの蓋
１３ａハーメティックシール部
１３ｂハーメティックシール部
１４ａ光コード
１４ｂ光コード
１５ 防水ゴムカバー
１６ 送信部
１７ 半導体レーザ
１８ 合波器
１９ 合分流器
２０ 光ファイバケーブル
２１ 振動センサ部
２２ 光フィルタ
２３ シングルモード光ファイバ
２４ マルチモード光ファイバ
２５ モード変換部
２６ 本発明振動センサ
２７ ミラー
２８ 受信部
２９ 分波器
３０ 光検出器

Claims (3)

  1. マルチモード光ファイバをテーパ状に延伸し中心部に細径光ファイバ部分を有する光ファイバをケースの中の固定台に固定することを特徴とする光ファイバ振動センサ
  2. 請求項第１項記載の振動センサにおける延伸工程において細径光ファイバの直径が０．５μｍと１０μｍの間の範囲にあることを特徴とする光ファイバ振動センサ
  3. 請求項第一項記載の前記振動センサーと特定の波長を透過するフィルタとミラーを有する振動センサユニットを光ファイバケーブルの長手方向に複数配置した分布型光ファイバ振動センサ
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