JP4570222B2

JP4570222B2 - Optical pressure sensor

Info

Publication number: JP4570222B2
Application number: JP2000290403A
Authority: JP
Inventors: 正樹出雲; 和郎栗原
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2000-09-25
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2020-09-25
Also published as: JP2002098604A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を用いた光式圧力センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＢＧを用いた光式圧力センサーは特開平１１−２１８４５８号公報に開示されている。従来のこのタイプの光式圧力センサーは、図９に示すように、長さ方向の一部にＦＢＧ12を形成した光ファイバ10と、圧力の変化を歪みの変化に変換する感圧部材例えばダイヤフラム14とを備え、光ファイバ10のＦＢＧ12の部分を接着剤16によりダイヤフラム14に固定した構造となっている。
【０００３】
この光式圧力センサーは例えば図１０のように筐体に組み込まれる。すなわち、ダイヤフラム14はその周縁を筐体18に気密に固定される。光ファイバ10は筐体18内に適当な余長を残し、筐体18の気密蓋20を光ケーブル22の形態で貫通して外部に導出される。なお24は温度検出用のＦＢＧである。
【０００４】
この圧力センサーでは、ダイヤフラム14に外圧がかかると、ダイヤフラム14が歪み、ＦＢＧ12に伸び歪みが発生する。したがって、光ファイバ10の一端から光を入射し、ＦＢＧ12からのブラッグ反射光を観察すると、ＦＢＧ12の伸び歪みにより反射光の波長が変化するので、その波長シフト量を測定することにより、圧力を測定できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光式圧力センサーは、光ファイバのＦＢＧの部分を接着剤によってダイヤフラムに直接固定しているため、接着剤がセンサーの温度特性に影響を与えており、高い測定精度が要求される場合に、十分な測定精度を得ることが困難であった。またセンサーのダイナミックレンジは、ダイヤフラムの材料特性（弾性限界）により制限されるため、ダイナミックレンジを大きくすることが困難であった。
【０００６】
本発明の第一の目的は、より測定精度を向上させた光式圧力センサーを提供することにある。
本発明の第二の目的は、ダイナミックレンジを大きくとることのできる光式圧力センサーを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記第一及び第二の目的を達成するため本発明は、圧力の変化を歪みの変化に変換するダイヤフラムに、光ファイバの長さ方向の一部に形成したＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を取り付けてなる光式圧力センサーにおいて、前記ダイヤフラム上に二つの固定ブロックを間隔をあけて固定し、この二つの固定ブロック上に前記光ファイバのＦＢＧの両側の２点のみをＦＢＧにたるみがないように固定したことを特徴とするものである。
【０００９】
また本発明の光式圧力センサーは、ＦＢＧに張力をかけた状態で光ファイバを感圧部材に固定することが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の関連技術を示す。この光式圧力センサーは、長さ方向の一部にＦＢＧ12を形成した光ファイバ10と、圧力の変化を歪みの変化に変換するダイヤフラム14とを備えており、前記光ファイバ10のＦＢＧ12とその付近の被覆を除去して、ＦＢＧ12の両側の２点のみを接着剤16によりダイヤフラム14に固定したものである。
【００１１】
このようにすると、ＦＢＧ12は接着剤16の温度伸縮の影響をほとんど受けなくなり、接着剤16のセンサーの温度特性への影響が従来より小さくなるため、測定精度を高めることができる。
【００１２】
なお光ファイバ10をダイヤフラム14に固定する固定材としては、接着剤16の代わりに半田を使用することもできる。半田は接着剤に比べ、線膨張係数が感圧部材に近いため、センサーの温度特性への影響が小さく、より測定精度を高めることが可能となる。
【００１３】
図２は本発明の一実施形態を示す。この光式圧力センサーは、光ファイバ10のＦＢＧ12の両側の２点のみをダイヤフラム14に固定する際に、ＦＢＧ12をダイヤフラム14から浮かして固定したものである。ＦＢＧ12をダイヤフラム14から浮かして固定するためには、ダイヤフラム14に二つの固定ブロック26を固定し、この固定ブロック26の上に、光ファイバ10のＦＢＧ12の両側の２点を接着剤又は半田等の固定材により固定するとよい。このような構成にすると、ダイヤフラム14に圧力が印加されたときに、ＦＢＧ12の部分の歪み量が拡大されるので、圧力センサーとしてのダイナミックレンジを大きくとることができる。
【００１４】
次に図２のタイプの光式圧力センサーについて、固定ブロックの間隔及び高さと、ＦＢＧの歪みとの関係を、シミュレーションにより確認した結果を説明する。シミュレーションのモデルは次のとおりである。
ダイヤフラム：材質ＳＵＳヤング率20000kg/mm² ポアソン比0.3
寸法半径60mm 厚さ0.55mm
光ファイバ：ヤング率7000kg/mm² ポアソン比0.2
圧力荷重：0.2kg/cm²ステップで１kg/cm²まで印加
【００１５】
図３は固定ブロックの間隔を15mm、図４は同20mm、図５は同30mmとした場合の、ダイヤフラムにかかる圧力と光ファイバの歪み（ＦＢＧの歪み）との関係を示す。いずれも固定ブロックの高さは１mm、３mm、５mmの３種類である。また図６は固定ブロックの高さと光ファイバの歪みとの関係（圧力１kg/cm²の場合）を示す。以上のシミュレーション結果によると、固定ブロックの間隔が小さいほど、また固定ブロックの高さが高いほど、大きな光ファイバ歪みが得られることが分かる。
【００１６】
固定ブロックの間隔は、ＦＢＧ区間長より大きく、ダイヤフラムの直径より小さい値となるが、上記の検討結果を考慮すると、10〜60mmにすることが好ましい。また固定ブロックの高さは、光ファイバ直径より大きく、歪み増幅率が10倍程度になる高さ以下となるが、上記の検討結果を考慮すると、0.125〜７mmにすることが好ましい。歪み増幅率が大きくなると、圧力センサー１台あたりのダイナミックレンジが大きくなり、直列に接続できる圧力センサーの台数が減ることになる。従来の全長接着の場合には、10台の圧力センサーが直列に接続できるため、歪み増幅率は10が上限となる。
【００１７】
また図１又は図２のようにＦＢＧ12の両側の２点をダイヤフラム14に固定する場合には、ＦＢＧ12に張力をかけた状態で固定することが好ましい。このようにすると、低圧力域の不感帯をなくし、かつＦＢＧ12の部分の信頼性を向上させることができる。図７（ａ）、（ｂ）はＦＢＧに張力をかけないで固定した場合と、張力をかけて固定した場合の、圧力と波長差（波長シフト量）の関係を実験により求めたものである。この実験結果によれば、ＦＢＧに張力をかけて固定することにより低圧力域の測定精度が大幅に改善されることが分かる。また従来の全長接着の場合は、ＦＢＧが接着剤でモールドされ、強度が保たれているが、本発明の２点接着の場合は、ＦＢＧ部分がガラスむき出しとなるため、ＦＢＧが収縮したときに座屈して破断するおそれがある。ＦＢＧに張力をかけておけば、これを防止できる。
【００１８】
ＦＢＧ12に張力をかけて固定するには、例えば図８のような治具を用いるとよい。この治具28は、一対の鉄（磁性材料）製のガイドフレーム30の下部に一定の間隔でガイドブロック32を設けたものである。使用方法は次のとおりである。まずガイドブロック32の間にＦＢＧ12を位置させて光ファイバ10をガイドフレーム30の外面に沿わせ、その片側を磁石よりなる固定具34で一方のガイドフレーム30に固定し、反対側を磁石よりなる仮固定具36で他方のガイドフレーム30に仮止めする。この状態で、治具28をダイヤフラム14上にセットする。次に仮固定具36を取り外し、ガイドフレーム30の内側に垂らした光ファイバ10におもり38を取り付ける。このおもり38も磁石で構成できる。次にＦＢＧ12の両側の光ファイバ10を接着剤でダイヤフラム14に固定する。固定完了後、おもり38を取り外し、固定具34を取り外して、治具28を除去する。このようにすれば、ＦＢＧ12に所定の張力をかけた状態で、光ファイバ10をダイヤフラム14に簡単に固定することができる。
【００２０】
【実施例】
次に本発明の光式圧力センサーの試作、試験結果を説明する。試作した光式圧力センサーは図２のタイプである。固定ブロックは外径５mm、高さ３mmの円柱形で、固定ブロックの間隔は15mmとした。固定ブロックは直径120mmのダイヤフラムの中央部に接着剤により固定し、光ファイバは固定ブロックの頂部に設けた溝部に接着剤により固定した。試作した２点接着方式の光式圧力センサーと、従来の全長接着方式の光式圧力センサーについて、測定精度を比較した結果を表１に示す。測定精度は、温度範囲５〜30℃で、フルスケール１kg/cm²に対する測定誤差（％）の小ささとした。２点接着方式の方が、測定誤差が小さく、温度特性にすぐれていることが分かる。
【００２１】
【表１】

【００２２】
この実施例では、ダイヤフラムに取り付ける固定ブロックとして円柱状のものを用いたが、角柱状のものを使用することもできる。ただし、接合部の応力集中を押さえるためには、固定ブロックは円柱状のものを用いることが好ましい。
また、ＦＢＧの部分はガラスがむき出しとなるため、この部分の強度を向上させるためには、ＦＢＧの部分を金属（金、ニッケル等）や樹脂（ポリイミド、ナイロン等）でコーティングすることが好ましい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ダイヤフラム上に二つの固定ブロックを間隔をあけて固定し、この二つの固定ブロック上に前記光ファイバのＦＢＧの両側の２点のみをＦＢＧにたるみがないように固定したことにより、ＦＢＧが接着剤の温度伸縮の影響をほとんど受けなくなるため、測定精度の高い光式圧力センサーを得ることができると共に、光式圧力センサーのダイナミックレンジを大きくとることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光式圧力センサーの関連技術を示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。
【図２】本発明に係る光式圧力センサーの一実施形態を示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。
【図３】図２の光式圧力センサーで、固定ブロックの間隔を15mmにした場合の、圧力と光ファイバの歪み（ＦＢＧの歪み）との関係を示すグラフ。
【図４】同じく固定ブロックの間隔を20mmにした場合の、圧力と光ファイバの歪みとの関係を示すグラフ。
【図５】同じく固定ブロックの間隔を30mmにした場合の、圧力と光ファイバの歪みとの関係を示すグラフ。
【図６】図２の光式圧力センサーの、固定ブロックの高さと光ファイバの歪みとの関係を示すグラフ。
【図７】本発明の光式圧力センサーで、（ａ）ＦＢＧに張力をかけない場合と、（ｂ）ＦＢＧに張力をかけた場合の、圧力と波長差の関係を示すグラフ。
【図８】ＦＢＧに張力をかけて光ファイバをダイヤフラムに固定する方法の一例を示す説明図。
【図９】従来の光式圧力センサーを示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。
【図１０】光式圧力センサーの全体構造を示す断面図。
【符号の説明】
10：光ファイバ
12：ＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）
14：ダイヤフラム
16：接着剤
26：固定ブロック[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical pressure sensor using an FBG (optical fiber Bragg diffraction grating).
[0002]
[Prior art]
An optical pressure sensor using FBG is disclosed in JP-A-11-218458. As shown in FIG. 9, a conventional optical pressure sensor of this type includes an optical fiber 10 in which an FBG 12 is formed in a part in the length direction, and a pressure sensitive member that converts a change in pressure into a change in strain, such as a diaphragm 14. The FBG 12 portion of the optical fiber 10 is fixed to the diaphragm 14 with an adhesive 16.
[0003]
This optical pressure sensor is incorporated in a housing as shown in FIG. That is, the periphery of the diaphragm 14 is airtightly fixed to the housing 18. The optical fiber 10 leaves an appropriate extra length in the housing 18, passes through the hermetic lid 20 of the housing 18 in the form of an optical cable 22, and is led out to the outside. Reference numeral 24 denotes an FBG for temperature detection.
[0004]
In this pressure sensor, when an external pressure is applied to the diaphragm 14, the diaphragm 14 is distorted and an elongation strain is generated in the FBG 12. Therefore, when light is incident from one end of the optical fiber 10 and the Bragg reflected light from the FBG 12 is observed, the wavelength of the reflected light changes due to the elongation strain of the FBG 12, so the pressure is measured by measuring the wavelength shift amount. it can.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional optical pressure sensor, the FBG portion of the optical fiber is directly fixed to the diaphragm with an adhesive, so that the adhesive affects the temperature characteristics of the sensor and high measurement accuracy is required. It was difficult to obtain sufficient measurement accuracy. Further, since the dynamic range of the sensor is limited by the material properties (elastic limit) of the diaphragm , it is difficult to increase the dynamic range.
[0006]
A first object of the present invention is to provide an optical pressure sensor with improved measurement accuracy.
A second object of the present invention is to provide an optical pressure sensor capable of increasing the dynamic range.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above first and second objects, the present invention provides an FBG (optical fiber Bragg diffraction grating) formed on a part of the length of an optical fiber on a diaphragm that converts a change in pressure into a change in strain. In the attached optical pressure sensor, two fixed blocks are fixed on the diaphragm with a space therebetween, and only two points on both sides of the FBG of the optical fiber are not slackened on the two fixed blocks. it is characterized in that there was a solid boss on.
[0009]
In the optical pressure sensor of the present invention, it is preferable that the optical fiber is fixed to the pressure-sensitive member in a state where tension is applied to the FBG.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows the related art of the present invention. This optical pressure sensor includes an optical fiber 10 having an FBG 12 formed in a part of its length direction, and a diaphragm 14 for converting a change in pressure into a change in strain. The FBG 12 of the optical fiber 10 and its vicinity And the two points on both sides of the FBG 12 are fixed to the diaphragm 14 with an adhesive 16.
[0011]
In this way, the FBG 12 is hardly affected by the temperature expansion and contraction of the adhesive 16, and the influence of the adhesive 16 on the temperature characteristics of the sensor is smaller than before, so that the measurement accuracy can be improved.
[0012]
As a fixing material for fixing the optical fiber 10 to the diaphragm 14, solder can be used instead of the adhesive 16. Since solder has a linear expansion coefficient close to that of a pressure-sensitive member as compared with an adhesive, the influence on the temperature characteristics of the sensor is small, and the measurement accuracy can be further increased.
[0013]
FIG. 2 shows an embodiment of the present invention. In this optical pressure sensor, when only two points on both sides of the FBG 12 of the optical fiber 10 are fixed to the diaphragm 14, the FBG 12 is floated and fixed from the diaphragm 14. In order to float and fix the FBG 12 from the diaphragm 14, two fixing blocks 26 are fixed to the diaphragm 14, and two points on both sides of the FBG 12 of the optical fiber 10 are bonded on the fixing block 26 with an adhesive or solder. It is good to fix with a fixing material. With such a configuration, when a pressure is applied to the diaphragm 14, the amount of distortion in the FBG 12 portion is increased, so that the dynamic range as a pressure sensor can be increased.
[0014]
Next, a description will be given of the result of confirming the relationship between the spacing and height of the fixed blocks and the distortion of the FBG with respect to the optical pressure sensor of the type shown in FIG. The simulation model is as follows.
Diaphragm: Material SUS Young's modulus 20000kg / mm ² Poisson's ratio 0.3
Dimensions Radius 60mm Thickness 0.55mm
Optical fiber: Young's modulus 7000kg / mm ² Poisson's ratio 0.2
Pressure load: applied at 0.2kg / cm ² step up to 1kg / cm ² [0015]
3 shows the relationship between the pressure applied to the diaphragm and the strain of the optical fiber (FBG strain) when the interval between the fixed blocks is 15 mm, FIG. 4 is 20 mm, and FIG. 5 is 30 mm. In all cases, there are three types of fixed block heights: 1 mm, 3 mm, and 5 mm. FIG. 6 shows the relationship between the height of the fixed block and the strain of the optical fiber (when the pressure is 1 kg / cm ² ). According to the above simulation results, it can be understood that the smaller the interval between the fixed blocks and the higher the height of the fixed blocks, the greater the optical fiber distortion.
[0016]
The interval between the fixed blocks is larger than the FBG section length and smaller than the diameter of the diaphragm, but is preferably 10 to 60 mm considering the above examination results. Further, the height of the fixed block is larger than the diameter of the optical fiber and is not more than a height at which the distortion amplification factor is about 10 times. However, considering the above examination results, it is preferably 0.125 to 7 mm. As the strain amplification factor increases, the dynamic range per pressure sensor increases, and the number of pressure sensors that can be connected in series decreases. In the case of conventional full-length bonding, 10 pressure sensors can be connected in series, so the strain amplification factor is limited to 10.
[0017]
When fixing two points on both sides of the FBG 12 to the diaphragm 14 as shown in FIG. 1 or FIG. 2, it is preferable to fix the FBG 12 in a state where tension is applied. In this way, the dead zone in the low pressure region can be eliminated and the reliability of the FBG 12 portion can be improved. 7A and 7B show the relationship between pressure and wavelength difference (wavelength shift amount) obtained by experiments when the FBG is fixed without applying tension and when it is fixed with tension. . According to this experimental result, it can be seen that the measurement accuracy in the low pressure region is greatly improved by fixing the FBG with tension. In the case of conventional full length adhesion, FBG is molded with an adhesive and the strength is maintained, but in the case of the two-point adhesion of the present invention, the FBG portion is exposed to the glass, so when the FBG contracts. There is a risk of buckling and breaking. This can be prevented by applying tension to the FBG.
[0018]
In order to fix the FBG 12 with tension, for example, a jig as shown in FIG. 8 may be used. This jig 28 is provided with guide blocks 32 at regular intervals below a pair of guide frames 30 made of iron (magnetic material). The usage is as follows. First, the FBG 12 is positioned between the guide blocks 32, the optical fiber 10 is placed along the outer surface of the guide frame 30, one side thereof is fixed to one guide frame 30 by a fixture 34 made of magnets, and the other side is made of magnets. A temporary fixing tool 36 is temporarily fixed to the other guide frame 30. In this state, the jig 28 is set on the diaphragm 14. Next, the temporary fixture 36 is removed, and a weight 38 is attached to the optical fiber 10 hung inside the guide frame 30. This weight 38 can also be comprised with a magnet. Next, the optical fibers 10 on both sides of the FBG 12 are fixed to the diaphragm 14 with an adhesive. After the fixing is completed, the weight 38 is removed, the fixture 34 is removed, and the jig 28 is removed. In this way, the optical fiber 10 can be easily fixed to the diaphragm 14 with a predetermined tension applied to the FBG 12.
[0020]
【Example】
Next, trial manufacture and test results of the optical pressure sensor of the present invention will be described. The prototype optical pressure sensor is of the type shown in FIG. The fixed blocks were cylindrical with an outer diameter of 5 mm and a height of 3 mm, and the interval between the fixed blocks was 15 mm. The fixed block was fixed to the center of a 120 mm diameter diaphragm with an adhesive, and the optical fiber was fixed to a groove provided on the top of the fixed block with an adhesive. Table 1 shows the results of comparison of measurement accuracy of the prototype two-point adhesion type optical pressure sensor and the conventional full length adhesion type optical pressure sensor. The measurement accuracy was a temperature range of 5 to 30 ° C. and a small measurement error (%) with respect to 1 kg / cm ² of full scale. It can be seen that the two-point bonding method has smaller measurement error and better temperature characteristics.
[0021]
[Table 1]

[0022]
In this embodiment, a cylindrical block is used as the fixed block attached to the diaphragm, but a prismatic block can also be used. However, in order to suppress the stress concentration at the joint, it is preferable to use a columnar fixing block.
Further, since the glass of the FBG portion is exposed, in order to improve the strength of this portion, it is preferable to coat the FBG portion with a metal (gold, nickel, etc.) or a resin (polyimide, nylon, etc.).
[0023]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, two fixed blocks are fixed on the diaphragm at intervals, and only two points on both sides of the FBG of the optical fiber are not slackened on the two fixed blocks. the fixed it as, for FBG is not affected little by temperature expansion and contraction of the adhesive, it is possible to obtain a high optical pressure sensor measurement accuracy may take the dynamic range of the optical pressure sensor increases .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a related technique of an optical pressure sensor according to the present invention, and FIG.
Figure 2 illustrates an embodiment of the optical pressure sensor according to the present invention, (a) is a plan view, (b) a front view.
3 is a graph showing the relationship between pressure and optical fiber strain (FBG strain) when the interval between fixed blocks is 15 mm in the optical pressure sensor of FIG. 2;
FIG. 4 is a graph showing the relationship between pressure and strain of an optical fiber when the interval between fixed blocks is 20 mm.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between pressure and strain of an optical fiber when the interval between fixed blocks is 30 mm.
6 is a graph showing the relationship between the height of the fixed block and the strain of the optical fiber in the optical pressure sensor of FIG.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between pressure and wavelength difference when (a) no tension is applied to the FBG and (b) a tension is applied to the FBG in the optical pressure sensor of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an example of a method for fixing an optical fiber to a diaphragm by applying tension to the FBG.
FIG. 9 shows a conventional optical pressure sensor, (a) is a plan view, and (b) is a front view.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the overall structure of the optical pressure sensor.
[Explanation of symbols]
10: Optical fiber
12: FBG (optical fiber Bragg diffraction grating)
14: Diaphragm
16: Adhesive
26: Fixed block

Claims

圧力の変化を歪みの変化に変換するダイヤフラムに、光ファイバの長さ方向の一部に形成したＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を取り付けてなる光式圧力センサーにおいて、前記ダイヤフラム上に二つの固定ブロックを間隔をあけて固定し、この二つの固定ブロック上に前記光ファイバのＦＢＧの両側の２点のみをＦＢＧにたるみがないように固定したことを特徴とする光式圧力センサー。In an optical pressure sensor in which an FBG (optical fiber Bragg diffraction grating) formed on a part of the length of an optical fiber is attached to a diaphragm that converts a change in pressure into a change in strain , two fixed on the diaphragm block is fixed at intervals of, optical pressure sensor, characterized in that only two points on either side of the FBG of the optical fiber in the two fixed on the block was solid boss so there is no slack in the FBG.

ＦＢＧに張力をかけた状態で固定したことを特徴とする請求項１に記載の光式圧力センサー。The optical pressure sensor according to claim 1 , wherein the FBG is fixed in a tensioned state.