JP3848660B2

JP3848660B2 - 損傷検知装置

Info

Publication number: JP3848660B2
Application number: JP2004137516A
Authority: JP
Inventors: 寛明筒井; 昭夫川又; 順一木元; 暁磯江
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2004-05-06
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2024-05-06
Also published as: JP2005321223A

Description

本発明は、光ファイバを用いて損傷を検知可能な損傷検知装置に関する。

評価対象物である構造体を破壊することなく、構造体の損傷を検知する非破壊検査には、目視検査、ＡＥ法および超音波探傷法などの種々の技術がある。

図２３は、目視検査を模式的に示す図である。目視検査では、検査者の目視によって構造体の損傷の有無を検知する。

図２４は、ＡＥ法による非破壊検査を模式的に示す図である。ＡＥ（Acoustic
Emission）法では、構造体物が変形したり亀裂が発生したりするときに放出される、材料がそれまで蓄えていた歪みエネルギーによる弾性波を、構造体の表面部に設置したＡＥセンサで検出して、構造体の損傷を検知する。

図２５は、超音波探傷法による非破壊検査を模式的に示す図である。超音波探傷法では、探触子から構造体に超音波を入射して、内部欠陥における反射波の有無によって、構造体の損傷を検知する。

たとえば目視検査では、人為的ミスによって、構造体の損傷を見落としたりする危険性がある。またＡＥ法および超音波探傷法では、構造体の形状が複雑になると、適用が困難となるだけでなく、構造体の損傷検知のために多大な労力およびコストを要する。

このような問題を解決するために、構造体に設けられる複数本の光ファイバを用いて、各光ファイバの一端部から光信号を送信して、各光ファイバの他端部で光ファイバを通過した光信号を受信し、受信した光信号に基づいて、構造体の損傷を検知する装置がある（たとえば特許文献１〜３参照）。

米国特許第４９３６６４９号明細書米国特許第５０１５８４２号明細書米国特許第５６３８１６５号明細書

このような従来技術では、複数の部材から構成される構造体における、構成部材同士が接合される箇所が損傷しているか否かを検知することができない。また複数系統の光ファイバを通過した光信号に基づいて、構造体の損傷のおおよその位置を検出するので、該当する光ファイバのどの位置で損傷しているかを精度よく特定することが困難である。また各光ファイバを透過した光信号を検出する検出手段が光ファイバの本数と同数必要となる。また構造体の損傷の位置を検出するために、複数系統の光ファイバを通過した複数の光信号に基づいて演算するので、演算が複雑となる。

したがって本発明の目的は、光ファイバを用いて構成される光路形成体の損傷を判定して、構造体の損傷を容易に検知できる損傷検知装置を提供することである。

請求項１記載の本発明は、（ａ）複数の構成部材が接合されて構成される構造体の損傷を検知するための損傷検知装置であって、
（ｂ）光ファイバを用いて構成される光路形成体であり、
（ｂ１）各構成部材に挟み込まれて構造体に設けられ、
（ｂ２）互いに異なる周波数の光信号を反射する複数のセンサ部が、間隔をあけて形成される光路形成体と、
（ｃ）光路形成体の一端部から光路形成体に、各センサ部によって反射されるべき周波数成分および各センサ部を透過すべき周波数成分を含む評価用光信号を送信する送信手段と、
（ｄ）光路形成体の一端部および他端部で、送信手段から送信された評価用光信号を受信する受信手段と、
（ｅ）受信手段で受信された評価用光信号に基づいて、各センサ部によって反射されるべき周波数成分の有無および強度ならびに各センサ部を透過すべき周波数成分の有無および強度から、光路形成体の損傷の有無および位置を判定する判定手段とを含むことを特徴とする損傷検知装置である。

請求項２記載の本発明は、判定手段は、各センサ部で反射されるべき周波数成分の一部の周波数成分が欠落または強度低下している場合、欠落または強度低下している周波数成分に対応するセンサ部のうち光路形成体の最も一端部寄りのセンサ部と、欠落または強度低下していない周波数成分に対応するセンサ部のうち光路形成体の最も他端部寄りのセンサ部との間で、損傷が生じていると判定することを特徴とする。

請求項３記載の本発明は、判定手段は、各センサ部で反射されるべき周波数成分の欠落および強度低下がなく、かつ各センサ部を透過すべき周波数成分が欠落また強度低下している場合、光路形成体の最も他端部寄りのセンサ部と、光路形成体の他端部との間で、損傷が生じていると判定することを特徴とする。

請求項１記載の本発明によれば、構造体に設けられる光路形成体は、光ファイバを用いて構成され、互いに異なる周波数の光信号を反射する複数のセンサ部が、間隔をあけて形成される。この光路形成体にその一端部から、各センサ部によって反射されるべき周波数成分および各センサ部を透過すべき周波数成分を含む評価用光信号が、送信手段によって送信される。光路形成体の一端部および他端部で、光路形成体から出射する評価用光信号を受信可能に受信手段が設けられ、各センサ部で反射された評価用光信号および各センサ部を透過した評価用光信号が、受信手段によって受信される。この受信手段で受信された評価用光信号に基づいて、各センサ部によって反射されるべき周波数成分の有無および強度ならびに各センサ部を透過すべき周波数成分の有無および強度から、光路形成体の損傷の有無および位置が、判定手段によって判定される。したがって光路形成体の損傷の有無および位置から、構造体の損傷の有無および損傷箇所を検知することができる。

また構造体の損傷を検知するにあたって、光ファイバを用いて構成される光路形成体を利用するので、箔形歪ゲージを用いる構成などに比べて、強度的な信頼性が高く、またノイズが少なく、高い精度で損傷の有無を検知することができる。さらに光路形成体は、各構成部材に挟み込まれて設けられている。複数の構造部材が接合されて構成される構造体では、構造体に外力が作用した場合、各構造部材同士の接合状態が解除されやすいので、各構造部材に挟み込むように光路形成体を設けることによって、構成部材同士の接合状態が解除されているか否かを検知することができる。

請求項２記載の本発明によれば、各センサ部で反射されるべき周波数成分の一部の周波数成分が欠落または強度低下している場合、判定手段で、欠落または強度低下している周波数成分に対応するセンサ部のうち光路形成体の最も一端部寄りのセンサ部と、欠落または強度低下していない周波数成分に対応するセンサ部のうち光路形成体の最も他端部寄りのセンサ部との間で、損傷が生じていると判定される。このようにして各センサ部間で生じている光路形成体の損傷の位置を判定し、構造体の損傷の有無と損傷箇所とを検知することができる。

請求項３記載の本発明によれば、各センサ部で反射されるべき周波数成分の欠落および強度低下がなく、かつ各センサ部を透過すべき周波数成分が欠落また強度低下している場合、判定手段で、光路形成体の最も他端部寄りのセンサ部と、光路形成体の他端部との間で、損傷が生じていると判定される。このようにして各センサ部のうち最も他端部寄りのセンサ部と、他端部との間で生じている光路形成体の損傷の位置を判定し、構造体の損傷の有無と損傷箇所とを検知することができる。

図１は、本発明の損傷検知装置によって損傷の有無を検知する対象となる構造体１０を示す斜視図であり、（１）は、表面側を示す斜視図であり、（２）は、裏面側を示す斜視図である。構造体１０は構造部材である板部材１１に構造部材である複数の補強部材１２が接合、具体的には接着剤によって接着されて構成される。板部材１１の材質は、たとえばポリイミド樹脂などの高分子樹脂をマトリックスとするプリプレグシート（prepreg sheet）を板厚方向に積層して硬化成型したものに、光ファイバで構成される光ファイバセンサ１３が埋め込み成型される複合材料である。プリプレグ（pre-impregnated materialsの略称）シートは、マトリックスである樹脂を予め強化繊維基材に含浸させた成型用中間基材である。

図２は、図１（２）のセクションＩＩを拡大して示す平面図である。図３は、図２の切断面線Ｓ３−Ｓ３から見た断面図である。図４は、図３の切断面線Ｓ４−Ｓ４から見た断面図である。図５は、補強部材１２を示す平面図である。構造体１０の少なくとも損傷位置を検知したい箇所には、光路構成体である光ファイバセンサ１３が設けられる。図２では、理解を容易にするために光ファイバセンサ１３が露出しているように見えているけれども、実際には、図３および図４に示すように板部材１１に埋め込み成型されていたり、板部材１１と補強部材１２とによって挟み込まれていたり、補強部材１２同士に挟み込まれていたりして露出してはいない。

板部材１１に埋め込み成型される光ファイバセンサ１３は、板部材１１の損傷位置を検知したい領域全体を蛇行するように配置される。さらに詳細に述べると、板部材１１の予め定める領域１１ａにおいて、光ファイバセンサ１３は、板部材１１の長手方向に沿って長く延びて、板部材１１の幅方向に所定の間隔をあけるようにして、幅方向上流側から幅方向下流側へと蛇行するように配置される。また板部材１１の前記領域１１ａとは異なる予め定める領域１１ｂにおいて、光ファイバセンサ１３は、板部材１１の幅方向に沿って長く延びて、板部材１１の長手方向に所定の間隔をあけるようにして、長手方向上流側から長手方向下流側へと蛇行するように配置される。このように板部材１１の各領域１１ａ，１１ｂにおいて、光ファイバセンサ１３の長く延びる方向は、互いに垂直となっているけれども、板部材１１の製造の都合で決定することができ、長手方向だけに長く延びても、幅方向だけに長く延びてもよい。

また図３に示すように、補強部材１２同士に挟み込まれる光ファイバセンサ１３は、補強部材１２の長手方向中央部同士で挟み込まれて、補強部材１２の長手方向一端部同士および長手方向他端部同士に挟み込まれていない。このような図３に示すように限ることなく、補強部材１２同士に挟み込まれる光ファイバセンサ１３は、参照符号１３Ａに示すように、補強部材１２の長手方向全体にわたって補強部材１２同士に挟み込まれてもよい。

光ファイバセンサ１３の配置間隔は、構造体１０において予想される損傷、または目標とする大きさの損傷に対応可能な寸法とする。板部材１１と補強部材１２との間に挟み込まれる光ファイバセンサ１３の配置位置は、たとえば図４に示すように、２つの補強部材１２が幅方向に接合されている補強部材１２の幅方向を寸法をＢとしたとき、一方の補強部材１２の端部からＢ／４の位置、および他方の補強部材１２の端部からＢ／４の位置としてもよい。また板部材１１と補強部材１２との間に挟み込まれる光ファイバセンサ１３の、板部材１１と補強部材１２の長手方向端部とによって挟み込まれる部分は、図５に示すように、湾曲して延びている。これによって板部材１１と補強部材１２との間に挟み込まれる光ファイバセンサ１３は１本で済む。またこのように延びる光ファイバセンサ１３の隙間に他の光ファイバセンサを配置することによって、隙間を補間することができる。

図６は、板部材１１と補強部材１２とが接合される前の状態を示す断面図である。補強部材１２は、詳細に述べると、図６に示すように、長手方向に垂直な断面がＬ字状の部材である。一対の補強部材１２が接合されて、図４に示すように長手方向に垂直な断面形状が略Ｔ字状の部材となる。光ファイバセンサ１３は、補強部材１２の長手方向に沿って延びるように配置され、前述のように接合される一対の補強部材１２によって挟み込まれ、補強部材１２同士が接着剤によって接着される。このとき光ファイバセンサ１３は、補強部材１２と補強部材１２との間のほぼ中央に配置される。

また光ファイバセンサ１３は、補強部材１２の長手方向に沿って延びるように配置され、前述のように接合された補強部材１２と板部材１１とによって挟み込まれ、補強部材１２と板部材１１とは、コキュアと呼ばれる一体成型によって接着される。このとき光ファイバセンサ１３は、板部材１１または補強部材１２に対して、その外径の半分を超えて埋まらないように配置される。前述のように接合された補強部材１２と板部材１１との間には空間が形成されるので、この空間に充填材１４が充填されるとともに、光ファイバセンサ１３が、補強部材１２の長手方向に沿って延びるように配置され、充填材１４と補強部材１２とに挟み込まれる。このように光ファイバセンサ１３は、補強部材１２同士に挟み込まれ、補強部材１２と板部材１１とに挟み込まれ、補強部材１２と充填材１４とに挟み込まれるので、少なくとも構造体１０に外力が与えられていない状態では、配置位置がずれることなく安定して保持される。

図７（１）は、光ファイバセンサ１３を示す断面図であり、図７（２）は、一般的な光ファイバ１００を示す断面図である。光ファイバセンサ１３は、評価情報を得るための評価用光信号が通過する光路を形成する光路形成体である。図７（２）に示す光通信に用いられる一般的な光ファイバ１００は、コア１００ａの外径が９．５マイクロメートルで、クラッド１００ｂの外径が１２５マイクロメートルで、被膜１００ｃの外径が２５０マイクロメートルである。一方、図７（１）に示す光ファイバセンサ１３は、コア１３ａの外径が８．５マイクロメートルまたは２０マイクロメートル、クラッド１３ｂの外径が４０マイクロメートル、被膜１３ｃの外径が５２マイクロメートルとなっており、従来の光ファイバ１００に比べて細径となっている。光ファイバセンサ１３の被膜１３ｃの材質は、板部材１１への埋め込み成型時に溶融しないような融点の充分に高い、たとえばポリイミド樹脂であってもよい。このように光ファイバセンサ１３は、非常に細径であるので、板部材１１に埋め込まれる状態、補強部材１２同士に挟み込まれる状態、補強部材１２と板部材１１とに挟み込まれる状態、および補強部材１２と充填材１４とに挟み込まれる状態でも、構造体１０の強度を低下させることを可及的に防止することができる。

図８は、板部材１１に埋め込まれる、または板部材１１と補強部材１２とに挟み込まれる光ファイバセンサ１３の連結構造５０を示す断面図である。光ファイバセンサ１３の光ファイバ５１は、板部材１１に外方から挿入される他の外部光ファイバ５２と光伝達可能に接続されて評価用光信号を外部に伝達する。たとえば光ファイバ５１と外部光ファイバ５２とは、その端面同士が突き合わされて、物理的に接続される。光ファイバセンサ１３の連結構造５０は、板部材１１に埋め込まれる、または板部材１１と補強部材１２とに挟み込まれる嵌合管５４と、挟持スリーブ５３と、光ファイバセンサ１３とを含む。

光ファイバセンサ１３の光ファイバ５１の一端部５１ａには、光ファイバ５１を挟持スリーブ５３に保持固定させるためにフェルール５６が設けられる。フェルール５６は、円筒状に形成され、光ファイバ５１の一端部５１ａの外周部を全周にわたって覆う。また保護部材５７は、光ファイバ５１のフェルール５６から露出する露出部５１ｃのうち、フェルール寄りの光ファイバ部分５１ｄを覆う。保護部材５７は、弾発性および復元性を有する。保護部材５７は、光ファイバ５１の露出部５１ｃが中心軸線を通り、かつフェルール５６の他端部５６ｂ側端面と底面とが接する円錐状に形成され、光ファイバ５１の一部分５１ｄを覆う。

フェルール５６は、挟持スリーブ５３の他端部５３ｂ側から挟持スリーブ５３の内方に挿入され、フェルール５６の一端部５６ａは、挟持スリーブ５３の長手方向の略中央位置まで挿入される。挟持スリーブ５３は、挟持スリーブ５３内に挿入されるフェルール５６の外周部分を、ほぼ全周にわたって内方に押圧するようにして挟持する。挟持スリーブ５３は、断面形状が略Ｃ字状となるような、半径方向に挿通するスリット状の切り欠きが形成され、切り欠きが長手方向両端にわたって延びる略円筒状に形成される。挟持スリーブ５３は、切り欠きによって半径方向の変形が容易になり、半径方向に可撓性および弾発性を有する。

挟持スリーブ５３の内径は、円管状に形成される嵌合管５４に挿入された状態で、フェルール５６の外径と同一または外径より若干小さく形成される。光ファイバセンサ１３が挟持スリーブ５３に挿入されると、挟持スリーブ５３が変形して、挟持スリーブ５３は、フェルール５６の外周面と当接し、光ファイバセンサ１３を挟持する。フェルール５６を挟持する挟持スリーブ５３は、嵌合管５４の軸線方向他端部５４ｂ側から挿入される。挟持スリーブ５３は、嵌合管５４に対して半径方向に隙間を形成した状態で配置される。また挟持スリーブ５３は、軸線方向に対して嵌合管５４よりも短く形成され、嵌合管５４の両端部５４ｂ、５４ｃから没入した位置に配置される。

フェルール５６の一端部５６ａは、挟持スリーブ５３に挟持され、フェルール５６の他端部５６ｂは、嵌合管５４の他端部５４ｂから嵌合管外方に突出して配置される。嵌合管５４には、その他端部５４ｂ側の開口を塞ぐように接着剤５８が詰められる。接着剤５８によって、フェルール５６は、嵌合管５４に固定される。接着剤５８は、嵌合管５４内に配置される挟持スリーブ５３にまで達することなく、嵌合管５４の他端部５４ｂの内周とフェルール５６の外周との間を塞ぐ。

フェルール５６が接着剤５８によって固定された嵌合管５４は、板部材１１の一端部１１ｃに埋設される。嵌合管５４の軸線方向一端面５４ａは、構造体１１の一端面１１ｄと面一に形成される。嵌合管５４は、板部材１１の厚み方向に略垂直な方向に延びる。嵌合管５４および挟持スリーブ５３は、たとえば金属またはセラミックスなどからなり、板部材１１の成形前の状態である前駆体に、考えられる加熱温度よりも、強度が大きく低下する温度が高く、成形時に考えられる応力よりも破壊強度が高くかつ熱膨張率の小さい材料が選ばれる。

またフェルール５６の他端部５６ｂは、部分的に嵌合管５４から露出し、板部材１１内に埋設され、直接板部材１１と接触する。光ファイバ５１の一端部５１ａは、板部材１１の内部に配置され、板部材１１の一端面５０ｂおよび嵌合管５４の軸線方向一端面５４ａから没入して配置される。また板部材１１の外部に位置する他の外部光ファイバ５２が、嵌合管５４の一端面５４ａから挿入される。外部光ファイバ５２は、板部材１１に埋設される光ファイバ５１とほぼ同様の構成を有し、一端部５２ａをフェルール７３が覆う。外部光ファイバ５２の一端部５２ａを覆うフェルール７３は、埋設される光ファイバセンサ１３のフェルール５６と同一の外径を有する。外部光ファイバ５２を覆うフェルール７３は、挟持スリーブ５３の一端部側５３ａから挟持スリーブ５３の内方に向かって挿入され、外部光ファイバ５２の一端面５２ｂが、埋設される光ファイバ５１の一端面５１ｂと突き合わされる。板部材１１の外方から嵌合管５４内に延びる外部光ファイバ５２の一端部５２ａを覆うフェルール７３は、嵌合管５４に接着剤５５によって固定される。接着剤５５は、嵌合管５４の一端部５４ｃ側の開口を塞ぎ、接着剤５５は、嵌合管５４内に配置される挟持スリーブ５３にまで達することなく、嵌合管５４の一端部５４ｃの内周とフェルール７３の外周との間の空隙を埋める。

外部光ファイバ５２を覆うフェルール７３が、がたつきなく挟持スリーブ５３に挟持されることによって、板部材１１に埋設される光ファイバ５１の光軸と外部光ファイバ５２の光軸とを一致させる。この各光ファイバ５１，５２の接続は、各端面同士５１ｂ，５２ｂが当接することによって光伝達可能に接続される。

表１は、構造体１０における光ファイバセンサ１３の配置に関する設計項目を示す表である。

光ファイバセンサ１３を埋め込む位置は、板部材１１を構成する複合材料の損傷特性に基づいて決定される。光ファイバセンサ１３を埋め込む厚み方向の位置は、板部材１１の内部亀裂および剥離の厚み方向の分布に基づいて決定される。光ファイバセンサ１３の埋め込み配置間隔は、板部材１１の内部亀裂および剥離の厚み方向に垂直な面内方向の分布、板部材１１の大きさ、ならびに光ファイバの曲げ損失特性に基づいて決定される。光ファイバセンサ１３の埋め込み本数は、構造体１０の損傷評価に必要な本数となるような冗長性、および光ファイバセンサ１３の特性に基づいて決定される。光ファイバセンサ１３の構造体１０からの取出し位置は、（ａ）板部材１１および補強部材１２を含む構造体１０の構造、（ｂ）複数の構造（ａ）を含む組立構造、（ｃ）前記組立構造を組立てるときに設けられるファスナ位置に基づいて決定される。

図９は、本発明の実施の一形態の損傷検知装置２０を模式的に示す図である。損傷検知装置２０は、光ファイバセンサ１３を用いて構造体１０に対して非破壊検査を行って、損傷を検知する装置であって、光源２１、光検知器２２、ＦＢＧセンサシステム２３、データレコーダ２４および解析評価可視化システム２５を含んで構成される。

図１０は、光ファイバセンサ１３に形成されるブラッグ格子２６を模式的に示す断面図である。図１１は、ブラッグ格子２６の特性を説明するために評価用光信号の一例を示すグラフであり、図１１（１）はブラッグ格子２６に到達した信号Ｉ_Ｏを示し、図１１（２）は、ブラッグ格子２６で反射される信号を示す。図１１（１）および（２）において、横軸は波長λを示し、縦軸は強度を示す。

この光ファイバセンサ１３は、光ファイバを用いて構成され、その光ファイバの中途部にブラッグ格子２６が設けられるブラッグ格子形光ファイバ（Fiber Bragg Grating ；略称：ＦＢＧ）センサである。センサ部であるブラッグ格子２６は、軸線方向に格子間隔ｄを有して形成される回折格子である。このブラッグ格子２６は、次式（１）で示される波長λ_Ｒの光を反射し、残余の光を透過する特性を有している。
λ_Ｒ＝２×ｄ×ｎ …（１）

ここでｎは、ブラッグ格子２６が形成される部分における光ファイバのコアにおける屈折率である。式（１）から分かるように、ブラッグ格子２６は、格子間隔ｄおよび屈折率ｎに基づく波長λ_Ｒの光だけを反射する特性を有している。

光ファイバセンサ１３が設けられる構造体１０に荷重が作用し、構造体１０に歪が生じると、構造体１０の歪に追従して光ファイバセンサ１３も同様に歪を生じる。ブラッグ格子２６が歪を生じると、ブラッグ格子２６の格子間隔ｄが変化する。これによって反射する光の波長λ_Ｒが、図１１（２）に示すように、歪の大きさに対応してシフトすなわち変化する。このようにブラッグ格子２６は、構造体１０に作用する荷重によって光学的特性が変化し、構造体１０に作用する荷重に対応した波長λ_Ｒの光を反射する。

したがって図１１（１）に示すように、外力が作用していない歪のない自然状態においてブラッグ格子２６が反射する波長λ_Ｒおよびその近傍の波長を含む光信号を、ブラッグ格子２６を有する光ファイバセンサ１３に送信し、反射して戻ってくる光信号を受信して、その光信号の波長からブラッグ格子２６における歪を求めることができる。これによって構造体１０の歪を求め、構造体１０に作用する荷重を求めることが可能になる。

図１２は、光ファイバセンサ１３、光源２１および光検知器２２を模式的に示す図である。光ファイバセンサ１３には、複数のブラッグ格子２７が、相互に間隔をあけて、具体的には一定間隔毎に、形成されている。図１２では、理解を容易にするために、光ファイバセンサ１３には、３個のブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃが形成されている。これら各ブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃは、構造体１０への荷重の作用状態に関わらず、反射する光の波長が互いに異なるように、格子間隔ｄ_Ａ，ｄ_Ｂ，ｄ_Ｃおよび屈折率ｎ_Ａ，ｎ_Ｂ，ｎ_Ｃが設定されている。詳細に説明すると、各ブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃが、外力の作用していない自然状態において反射する波長λ_ＲＡ，λ_ＲＢ，λ_ＲＣを含み、かつ構造体１０に作用する荷重の変化に伴って各ブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃにおいて反射する光の波長λ_ＲＡ，λ_ＲＢ，λ_ＲＣが変化する範囲を、各ブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃの反射波長帯域として、各ブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃの反射波長帯域が相互に異なるように形成される。

本実施の形態では、光ファイバセンサ１３におけるコアの屈折率は、全長にわたって同一の屈折率に形成され、各ブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃにおける屈折率ｎ_Ａ，ｎ_Ｂ，ｎ_Ｃは同一である。各ブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃは、自然状態における格子間隔ｄ_Ａ，ｄ_Ｂ，ｄ_Ｃが相互に異なるように形成され、相互に異なる反射波長帯域の波長λ_ＲＡ，λ_ＲＢ，λ_ＲＣの光を反射するように構成されている。このように光ファイバセンサ１３は、光ファイバを用いて構成されて構造体１０に設けられ、評価用光信号の透過特性が相互に異なる複数のブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃが形成される。

送信手段である光源２１は、たとえばレーザ発振器で実現され、光ファイバセンサ１３の一端部１３ａに接続される。光源２１は、各ブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃでそれぞれ反射される周波数成分（波長帯域）の全てと、全てのブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃを透過する周波数成分（波長帯域）とを含む評価用光信号を、光ファイバセンサ１３の一端部１３ａから送信する。受信手段である光検知器２２は、光ファイバセンサ１３の他端部１３ｂに接続される。光検知器２２は、光源２１から送信され、各ブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃを透過して光ファイバセンサ１３を通過した評価用光信号を受信して、その評価用光信号の光強度を測定する。

また光ファイバセンサ１３の一端部１３ａには、光スペクトルアナライザ（Optical
Spectrum Analizer ；略称：ＯＳＡ）２７がさらに接続される。受信手段であるＯＳＡ２７は、光源２１から送信され、ブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃでそれぞれ反射されて光ファイバセンサ１３を通過した評価用光信号を受信して、その評価用信号をスペクトル解析する。また光ファイバセンサ１３の一端部１３ａと光源２１およびＯＳＡ２７との間には、サーキュレータ２８が接続される。サーキュレータ２８は、光源２１からの評価用光信号を光ファイバセンサ１３の他端部１３ｂに向けて透過し、光ファイバセンサ１３の他端部１３ｂから一端部１３ａに向かう評価用光信号をＯＳＡ２７に向けて透過する。このように光検知器２２およびＯＳＡ２７によって、光ファイバセンサ１３の両端部から戻る評価用光信号が受信される。

また光ファイバセンサ１３の一端部１３ａとサーキュレータ２８とは、コネクタ２０ａによって着脱可能に連結されてもよい。また光ファイバセンサ１３の他端部１３ｂと光検知器２２とは、コネクタ２０ｂによって着脱可能に連結されてもよい。

図９に示すＦＢＧセンサシステム２３は、ＯＳＡ２７を含んで構成され、各ブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃで反射した評価用光信号の波長シフト量に基づいて、構造体１０の歪を測定する。データレコーダ１５は、ハードディスクドライブなどの記憶装置で実現され、光検知器２２からの光強度およびＦＢＧセンサシステム２３からの歪を記憶する。判定手段である解析評価可視化システム２５は、たとえばパーソナルコンピュータまたはワークステーションなどの電子計算装置で実現され、データレコーダ１５に記憶される光強度および歪に基づいて光ファイバセンサ１３の損傷を判定し、その判定結果を表示装置に表示する。

図１３は、解析評価可視化システム２５による損傷判定を模式的に示す図である。図１４は、光強度に基づく光ファイバセンサ１３の損傷の判定を説明するための図である。構造体１０のある部分（以後「損傷部位」と表記する場合がある）が損傷して、光ファイバセンサ１３の前記損傷部位に配置される部分が変形したり損傷したりすると、その部分を通過する評価用光信号の光強度が損失する。解析評価可視化システム２５は、光検知器２２からの光強度の時系列データに基づいて、式（２）に示す、損傷後の評価用光信号の光強度Ｉ_Ｒを損傷前の評価用光信号の光強度Ｉ_０で除算した基準化光強度ＮＯＩを求める。
ＮＯＩ＝Ｉ_Ｒ／Ｉ_０ …（２）

光ファイバセンサ１３が変形すると、ＯＳＡ２７によって受信される評価用光信号は、各ブラッグ格子２６の歪に対応した波長成分を有している。各ブラッグ格子２６の歪は、構造体１０の各ブラッグ格子２６が配置される部位（以後「評価部位」と表記する場合がある）の歪と同一である。この歪は、構造体１０に荷重が作用することによって発生し、歪の大きさは荷重に対応している。したがってＯＳＡ２７によって受信される評価用光信号は、構造体１０の評価部位に作用する荷重に対応した評価情報として、歪を表す評価情報を有している。ＦＢＧセンサシステム２３は、ＯＳＡ２７によって受信された評価用光信号から、その評価用光信号に含まれる波長成分に基づいて、構造体１０における各評価部位の歪を表す評価情報を取得する。つまり光ファイバセンサ１３内で反射して戻る評価用光信号を受信することによって、構造体１０における歪を生じている部位およびその歪の大きさを検出することができる。

このように各ブラッグ格子２６を形成した光ファイバセンサ１３を用いる構成では、１つの光ファイバセンサ１３、１つの光源２１および１つのＯＳＡ２７によって、複数の箇所における荷重に関する情報、すなわち歪を取得することができる。これによって簡単かつ小形の構成で装置を実現することができ、構造体１０への、形状および寸法の影響を可及的に小さくするこができる。

ＯＳＡ２７は、各ブラッグ格子２６からの評価用光信号を受信して、スペクトル解析を行い、パワースペクトル密度（Power Spectrum Density；略称：ＰＳＤ）を求める。以上のようにして求めたＮＯＩが予め定める閾値Ａ以下、かつパワースペクトル密度ＰＳＤを変数とする関数Ｆ（ＰＳＤ）が予め定める閾値Ｂ以上であれば、光ファイバセンサ１３の構造体１０における配置情報に基づいて、構造体１０に損傷部位が有ることを特定して、その損傷程度を推定することができる。閾値Ａ，Ｂは、数多くのクーポンレベルまたは構造要素レベルの試験結果に基づいて設定される値である。

図１５は、歪に基づく光ファイバセンサ１３の損傷の判定を説明するための図である。光ファイバセンサ１３において、ブラッグ格子２６を３個程度設け、ＯＳＡ２７によって各ブラッグ格子２６からの評価用光信号を実時間で測定し、各ブラッグ格子２６からＯＳＡ２７への評価用光信号の到達時間がブラッグ格子２６毎にことなることを利用して、式（３）に示す関数Ｆの逆問題を解くことで、構造体１０の損傷部位の位置（ｘ，ｙ）を特定することができる。

式（３）において、ｘ，ｙは、構造体１０の損傷部位の位置の座標を表し、添字ｉ，ｊは、ブラッグ格子２６の番号を表し、ｄＳは、ブラッグ格子２６と損傷部位の位置（ｘ，ｙ）との距離を表し、ｄｔは、各ブラッグ格子２６からの評価用光信号の到達時間の差を表し、Ｖは、構造体１０における歪波の速度を表し、クーポンレベルまたは構造要素レベルの試験結果および理論値に基づいて設定される。Ｆは目的関数であり、損傷部位の位置（ｘ，ｙ）の関数であり、ｄＳ，ｄｔ，Ｖと仮の値（ｘ，ｙ）から求めることができる。Ｆの値が最小となる最適値（ｘ，ｙ）を最適化手法によって求める。式（３）は、実測から求めた歪波速度と、設定した歪波速度との差の２乗で表される関数である。

図１６は、光源２１から送信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示す図である。光源から送信される評価用光信号には、たとえば１３１０ナノメートルの波長の光を含む、広範囲の波長域の光が含まれる。この波長域の光には、光ファイバセンサ１３のブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃで反射される波長λ_ＲＡ，λ_ＲＢ，λ_ＲＣの光が含まれ、これらの光強度は互いに等しい。また評価用光信号には、中心波長λ_Ｄが１５５０ナノメートルの波長域の光がさらに含まれ、この光は、光ファイバセンサ１３のブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃを透過する。

図１７（１）は、構造体１０に損傷が無い場合のＯＳＡ２７で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示し、図１７（２）は、構造体１０に損傷が無い場合の光検知器２２で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示す図である。構造体１０に損傷が無い場合、光源２１から送信された図１６に示す評価用光信号は、光ファイバセンサ１３の各ブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃでそれぞれ反射される。ブラッグ格子２６Ａでは、波長λ_ＲＡの評価用光信号が反射され、ブラッグ格子２６Ｂでは、波長λ_ＲＢの評価用光信号が反射され、ブラッグ格子２６Ｃでは、波長λ_ＲＣの評価用光信号が反射されて、これらの評価用光信号がＯＳＡ２７によって受信される。光ファイバセンサ１３の各ブラッグ格子２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃを透過した波長λ_Ｄの評価用光信号は、光検知器２２で受信される。

図１８（１）は、構造体１０に損傷が有る場合のＯＳＡ２７で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示し、図１８（２）は、構造体１０に損傷が有る場合の光検知器２２で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示す図である。図１８（１）に示すように、波長λ_ＲＡの評価用光信号だけがＯＳＡ２７で受信されているので、構造体１０の光ファイバセンサ１３のブラッグ格子２６Ａとブラッグ格子２６Ｂとの間の位置で損傷している、具体的には光ファイバセンサ１３が破断する程度に損傷していると解析評価可視化システム２５によって判定される。

図１９（１）は、構造体１０に損傷が有る場合のＯＳＡ２７で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示し、図１９（２）は、構造体１０に損傷が有る場合の光検知器２２で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示す図である。図１６に示すように、波長λ_ＲＡ，λ_ＲＢ，λ_ＲＣの評価用光信号がＯＳＡ２７で受信されているけれども、波長λ_Ｄの評価用光信号が光検知器２２で受信されていないので、構造体１０の光ファイバセンサ１３のブラッグ格子２６Ｃと光ファイバセンサ１３の他端部１３ｂとの間の位置で損傷している、具体的には光ファイバセンサ１３が破断する程度に損傷していると解析評価可視化システム２５によって判定される。

図２０は、構造体１０に損傷が有る場合のＯＳＡ２７で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示す図である。図２０に示すように波長λ_ＲＡ，λ_ＲＢ，λ_ＲＣの評価用光信号がＯＳＡ２７で受信されているけれども、波長λ_ＲＣの評価用光信号は残余の評価用光信号に比べて光強度が低い。したがって光ファイバセンサ１３の波長λ_ＲＢの評価用光信号を反射するブラッグ格子２６Ｂと、波長λ_ＲＣの評価用光信号を反射するブラッグ格子２６Ｃとの間で損傷していると判定され、構造体１０のその位置において損傷が有ると解析評価可視化システム２５によって判定される。

図２１は、構造体１０に損傷が有る場合の光検知器２２で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示す図である。図２１に示すように、光検知器２２で受信される波長λ_Ｄの評価用光信号の光強度は、図１７（２）に示す構造体１０に損傷が無い場合の光強度に比べて低い。したがってこの光ファイバセンサ１３には損傷があると解析評価可視化システム２５によって判定される。このような判定は、構造体１０を複数の領域に分割して、各領域に光ファイバセンサ１３を設けた場合に、どの領域が損傷しているかを判断するときに有効である。

図２２は、解析評価可視化システム２５によって表示される損傷判定結果を示す図である。解析評価可視化システム２５は、評価対象物である構造体１０に損傷が有ると判定した場合、参照符号Ｐ１に示すように損傷が有ることを示す「ＤＡＭＡＧＥ」を表示するとともに、構造体１０の損傷部位の位置Ｐ２を示す平面図を表示する。

以上のように本実施の形態の構造体１０および損傷検知装置２０によれば、構造体１０は、板部材１１と補強部材１２とが接合される箇所に、光ファイバセンサ１３が設けられて、板部材１１に複数の補強部材１２が接合されて形成される。光ファイバセンサ１３は、光ファイバを用いて構成され、評価用光信号の透過特性が相互に異なる複数のブラッグ格子２６が形成される。これによって、光源２１によって、この光ファイバセンサ１３に評価用光信号を送信して、光検知器２２およびＯＳＡ２７によって光ファイバセンサ１３を通過した受信された評価用光信号に基づいて、解析評価可視化システム２５が構造体１０の損傷位置を検知することによって、構造体１０の各構成部材同士が接続される箇所のうち、どこが損傷しているかを検知することができる。

また本実施の形態の構造体１０および損傷検知装置２０によれば、光ファイバセンサ１３は、外力によって構成部材同士の接合状態が解除され易い箇所に配置されるので、構造体１０に外力が与えられたときに、構成部材同士の接合状態が解除されているか否かを検知することができる。

また本実施の形態の損傷検知装置２０によれば、光ファイバセンサ１３が構造体１０に設けられ、前記光ファイバセンサ１３に光源２１から評価用光信号が送信され、光ファイバセンサ１３を通過した評価用光信号が光検知器２２およびＯＳＡ２７で受信される。光ファイバセンサ１３は、光ファイバを用いて構成されて評価用光信号の透過特性が相互に異なる複数のブラッグ格子２６が形成されている。光源２１から送信された評価用光信号は、各ブラッグ格子２６の透過特性に対応した信号となり、光検知器２２およびＯＳＡ２７によって受信される。解析評価可視化システム２５は、受信した評価用光信号に基づいて、光ファイバセンサ１３の損傷を容易に判定することができる。これによって光ファイバセンサ１３が設けられる構造体１０の損傷を検知することができる。このように構造体１０の損傷を判定するにあたって、光ファイバを用いて構成される光ファイバセンサ１３を利用している。このような構成は、箔形歪ゲージを用いる構成に比べて、強度的な信頼性が高く、またノイズが少なく、高精度な損傷の判定が可能になる。

また本実施の形態の損傷検知装置２０によれば、光ファイバセンサ１３の各ブラッグ格子２６は、相互に異なる周波数成分の光を反射する特性を有し、光源２１は、各ブラッグ格子２６でそれぞれ反射される周波数成分の全てと、全てのブラッグ格子２６を透過する周波数成分とを含む評価用光信号を、光ファイバセンサ１３の一端部１３ａから送信し、光検知器２２およびＯＳＡ２７は、光ファイバセンサ１３の両端部から戻る評価用光信号を受信する。これによって各ブラッグ格子２６で反射された評価用光信号は、ＯＳＡ２７によっていずれのブラッグ格子２６で反射された評価用光信号であるかを特定できるので、たとえば評価用光信号の強度および有無に基づいて、いずれのブラッグ格子２６間において光ファイバセンサ１３が損傷しているかを確実かつ容易に判定することができる。したがって光ファイバセンサ１３が設けられる構造体１０の損傷箇所を検知することができる。また全てのブラッグ格子２６を透過する周波数成分の評価用光信号が光検知器２２によって受信されると、光ファイバセンサ１３全体にわたって損傷が無いと判断することもできる。

本実施の形態の損傷検知装置２０は、ブラッグ格子２７で反射した評価用光信号をスペクトル解析するＯＳＡ２７を有する構成であるけれども、ＯＳＡ２７の代わりに、たとえば波長検出器であってもよい。

また本実施の形態の損傷検知装置２０では、ブラッグ格子２７を透過した評価用光信号は、光検知器２２によってその光強度が測定されるとしたけれども、これに限ることはない。光検知器２２は、ブラッグ格子２７を透過した評価用光信号をスペクトル解析する構成であってもよい。

また本実施の形態の損傷検知装置２０では、光ファイバセンサ１３の一端部１３ａに光源２１およびＯＳＡ２７が接続され、光ファイバセンサ１３の他端部１３ｂに光検知器２２が接続される構成であるけれども、これに限ることはない。たとえば光ファイバセンサ１３の一端部１３ａに光源２１およびＯＳＡ２７に加えて光検知器を接続してもよく、さらに光ファイバセンサ１３の他端部１３ｂに光検知器２２に加えて光源、ＯＳＡおよびサーキュレータを接続するような構成であってもよい。このような構成で、光ファイバセンサ１３の両端部の光源から互い違いに評価用光信号を送信して、ブラッグ格子２６で反射した評価用光信号を、光ファイバセンサ１３の両端部に接続されるＯＳＡでスペクトル解析をするとともに、ブラッグ格子２６を透過した評価用光信号を、光ファイバセンサ１３の両端部に接続される光検知器で光強度を測定するようにしてもよい。これによって光ファイバセンサ１３の損傷位置を、さらに精度良く検知することができる。

また本実施の形態の損傷検知装置２０では、光ファイバセンサ１３の他端部１３ｂに光検知器２２が接続される構成であるけれども、この光検知器２２が無い構成であってもよい。

本発明の損傷検知装置によって損傷の有無を検知する対象となる構造体１０を示す斜視図であり、（１）は、表面側を示す斜視図であり、（２）は、裏面側を示す斜視図である。図１（２）のセクションＩＩを拡大して示す平面図である。図２の切断面線Ｓ３−Ｓ３から見た断面図である。図３の切断面線Ｓ４−Ｓ４から見た断面図である。補強部材１２を示す平面図である。板部材１１と補強部材１２とが接合される前の状態を示す断面図である。（１）は、光ファイバセンサ１３を示す断面図であり、（２）は、一般的な光ファイバ１００を示す断面図である。板部材１１に埋め込まれる、または板部材１１と補強部材１２とに挟み込まれる光ファイバセンサ１３の連結構造５０を示す断面図である。本発明の実施の一形態の損傷検知装置２０を模式的に示す図である。光ファイバセンサ１３に形成されるブラッグ格子２６を模式的に示す断面図である。ブラッグ格子２６の特性を説明するために評価用光信号の一例を示すグラフであり、（１）はブラッグ格子２６に到達した信号Ｉ_Ｏを示し、（２）は、ブラッグ格子２６で反射される信号を示す。光ファイバセンサ１３、光源２１および光検知器２２を模式的に示す図である。解析評価可視化システム２５による損傷判定を模式的に示す図である。光強度に基づく光ファイバセンサ１３の損傷の判定を説明するための図である。歪に基づく光ファイバセンサ１３の損傷の判定を説明するための図である。光源２１から送信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示す図である。（１）は、構造体１０に損傷が無い場合のＯＳＡ２７で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示し、（２）は、構造体１０に損傷が無い場合の光検知器２２で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示す図である。（１）は、構造体１０に損傷が有る場合のＯＳＡ２７で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示し、（２）は、構造体１０に損傷が有る場合の光検知器２２で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示す図である。（１）は、構造体１０に損傷が有る場合のＯＳＡ２７で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示し、（２）は、構造体１０に損傷が有る場合の光検知器２２で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示す図である。構造体１０に損傷が有る場合のＯＳＡ２７で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示す図である。

構造体１０に損傷が有る場合の光検知器２２で受信される評価用光信号をスペクトル解析したものを示す図である。解析評価可視化システム２５によって表示される損傷判定結果を示す図である。目視検査を模式的に示す図である。ＡＥ法による非破壊検査を模式的に示す図である。超音波探傷法による非破壊検査を模式的に示す図である。

符号の説明

１０構造体
１１板部材
１２補強部材
１３光ファイバセンサ
２０損傷検知装置
２１光源
２２光検知器
２５解析評価可視化システム
２６ブラッグ格子
２７ＯＳＡ

Claims

（ａ）複数の構成部材が接合されて構成される構造体の損傷を検知するための損傷検知装置であって、
（ｂ）光ファイバを用いて構成される光路形成体であり、
（ｂ１）各構成部材に挟み込まれて構造体に設けられ、
（ｂ２）互いに異なる周波数の光信号を反射する複数のセンサ部が、間隔をあけて形成される光路形成体と、
（ｃ）光路形成体の一端部から光路形成体に、各センサ部によって反射されるべき周波数成分および各センサ部を透過すべき周波数成分を含む評価用光信号を送信する送信手段と、
（ｄ）光路形成体の一端部および他端部で、送信手段から送信された評価用光信号を受信する受信手段と、
（ｅ）受信手段で受信された評価用光信号に基づいて、各センサ部によって反射されるべき周波数成分の有無および強度ならびに各センサ部を透過すべき周波数成分の有無および強度から、光路形成体の損傷の有無および位置を判定する判定手段とを含むことを特徴とする損傷検知装置。
判定手段は、各センサ部で反射されるべき周波数成分の一部の周波数成分が欠落または強度低下している場合、欠落または強度低下している周波数成分に対応するセンサ部のうち光路形成体の最も一端部寄りのセンサ部と、欠落または強度低下していない周波数成分に対応するセンサ部のうち光路形成体の最も他端部寄りのセンサ部との間で、損傷が生じていると判定することを特徴とする請求項１に記載の損傷検知装置。
判定手段は、各センサ部で反射されるべき周波数成分の欠落および強度低下がなく、かつ各センサ部を透過すべき周波数成分が欠落また強度低下している場合、光路形成体の最も他端部寄りのセンサ部と、光路形成体の他端部との間で、損傷が生じていると判定することを特徴とする請求項１または２に記載の損傷検知装置。