JP6450132B2 - Optical fiber strain gauge, optical fiber strain sensor, and optical fiber strain sensing system - Google Patents

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本発明は、光ファイバを用いてひずみを検知する技術に関し、特に、ポリマ光ファイバを用いたひずみゲージ、該ひずみゲージを用いたひずみセンサ、および該ひずみセンサを用いたひずみセンシングシステムに関するものである。   The present invention relates to a technique for detecting strain using an optical fiber, and more particularly to a strain gauge using a polymer optical fiber, a strain sensor using the strain gauge, and a strain sensing system using the strain sensor. .

ひずみゲージは、物体のひずみを測定するための力学的センサとして広く利用されており、測定したひずみ量から応力センサとしても利用されている。従来から様々な種類のひずみゲージが提案・使用されているが、光ファイバを用いたひずみゲージは、光ファイバが電磁界の影響を受けないため電磁ノイズに強いという特長や、光ファイバであるが故に長い領域のセンシングに有利という特長ある。   The strain gauge is widely used as a mechanical sensor for measuring the strain of an object, and is also used as a stress sensor based on the measured strain amount. Various types of strain gauges have been proposed and used in the past, but strain gauges using optical fibers are optical fibers that are resistant to electromagnetic noise because they are not affected by electromagnetic fields. Therefore, it has the advantage that it is advantageous for long-range sensing.

例えば、特許文献１（特開2005−140752）には、衝撃による光ファイバの透過光量の変化から衝撃を検出する衝撃センサにおいて、上記光ファイバがフッ素系クラッドの内部にシリコン系樹脂コアを配して構成されていることを特徴とする衝撃センサが、開示されている。特許文献１によると、衝撃によって光ファイバが断線しにくく、衝撃が小さくても光ファイバが変形しやすいため微量の衝撃も検知できる衝撃センサを提供できる、とされている。   For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-140752), in an impact sensor that detects an impact from a change in the amount of light transmitted through the optical fiber due to an impact, the optical fiber has a silicon-based resin core disposed inside a fluorine-based cladding. An impact sensor is disclosed that is configured as described above. According to Patent Document 1, it is said that the optical fiber is not easily broken by an impact, and the optical fiber is easily deformed even if the impact is small, so that it is possible to provide an impact sensor that can detect a small amount of impact.

また、特許文献２（特開2005−241417）には、衝撃を検知するためのプラスチック光ファイバと、該プラスチック光ファイバの外周部に所定の厚さで被覆するゴム層と、該ゴム層によって被覆されたプラスチック光ファイバの外周部をその長手方向に沿って露出させて収容する樋状に形成されたラック部材と、該ラック部材の内側に形成され、収容される上記プラスチック光ファイバに衝撃に応じた変形を与える凸状部材とを備えたことを特徴とする衝撃検知光ファイバセンサが、開示されている。特許文献２によると、電磁ノイズに強く、衝撃による機械的劣化の少ない高精度の衝撃検知光ファイバセンサを提供できる、とされている。   Further, Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-241417) discloses a plastic optical fiber for detecting an impact, a rubber layer covering the outer periphery of the plastic optical fiber with a predetermined thickness, and a coating with the rubber layer. A rack member formed in a bowl shape that exposes and accommodates the outer peripheral portion of the plastic optical fiber along its longitudinal direction, and the plastic optical fiber that is formed and accommodated inside the rack member in response to an impact. An impact-detecting optical fiber sensor is disclosed that includes a convex member that gives deformation. According to Patent Document 2, it is possible to provide a highly accurate impact detection optical fiber sensor that is resistant to electromagnetic noise and has little mechanical deterioration due to impact.

上述したような従来の光ファイバセンサは、外部応力による光ファイバの変形に起因した光の伝送損失の変化を検出するにあたって、検知感度を高めるために（すなわち、光ファイバの伝送損失を増大させるために）、光ファイバに軟質のコア材料を用いたり、外部応力に応じて光ファイバにマイクロベンドを生じさせるような変形補助部材を用いたりしている。   The conventional optical fiber sensor as described above is used to increase the detection sensitivity (that is, to increase the transmission loss of the optical fiber) when detecting the change in the optical transmission loss due to the deformation of the optical fiber due to external stress. In addition, a soft core material is used for the optical fiber, or a deformation assisting member that generates a microbend in the optical fiber in response to an external stress is used.

特開２００５−１４０７５２号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-140752 特開２００５−２４１４１７号公報JP 2005-241417 A

前述したように、光ファイバを用いたひずみゲージの特長（例えば、電磁界の影響を受けない、長い領域のセンシングに有利）は大変魅力的であり、利用分野の拡大が強く期待されている。   As described above, the characteristics of a strain gauge using an optical fiber (for example, it is not affected by an electromagnetic field and is advantageous for sensing in a long region) are very attractive, and expansion of the application field is strongly expected.

しかしながら、現状の光ファイバひずみゲージは、他のひずみゲージ（例えば、金属箔ひずみゲージ、半導体ひずみゲージ）に比して感度が低いという弱点があり、本来有するポテンシャルを上手く活用できていない。そのため、光ファイバひずみゲージの感度向上が強く望まれている。   However, the current optical fiber strain gauges have a weak point that they are less sensitive than other strain gauges (for example, metal foil strain gauges, semiconductor strain gauges), and the inherent potential cannot be utilized well. Therefore, an improvement in sensitivity of the optical fiber strain gauge is strongly desired.

したがって、本発明の目的は、従来よりも感度の高い光ファイバひずみゲージ、該ひずみゲージを用いた光ファイバひずみセンサ、および該ひずみセンサを用いた光ファイバひずみセンシングシステムを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical fiber strain gauge with higher sensitivity than before, an optical fiber strain sensor using the strain gauge, and an optical fiber strain sensing system using the strain sensor.

（I）本発明の一つの態様は、光ファイバを用いたひずみゲージであって、前記光ファイバは、樹脂製コアと前記コアを覆う樹脂製クラッドとを有するポリマ光ファイバであり、前記コアに所定の色素が分散配合されていることを特徴とする光ファイバひずみゲージを、提供する。   (I) One aspect of the present invention is a strain gauge using an optical fiber, wherein the optical fiber is a polymer optical fiber having a resin core and a resin clad covering the core. An optical fiber strain gauge is provided in which a predetermined dye is dispersed and blended.

本発明は、上記の光ファイバひずみゲージ（I）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）前記所定の色素が、シアニン誘導体、フタロシアニン誘導体、ローダミン誘導体、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、フルオレセイン誘導体、およびピラン誘導体のいずれかである。
（ii）前記所定の色素は、前記コアの樹脂に対して0.01質量％以上1質量％以下で配合されている。
（iii）前記ポリマ光ファイバは、偏波保持のマルチモード光ファイバである。 The present invention can add the following improvements and changes to the above-described optical fiber strain gauge (I).
(I) The predetermined dye is any one of a cyanine derivative, a phthalocyanine derivative, a rhodamine derivative, a perylene derivative, a coumarin derivative, a fluorescein derivative, and a pyran derivative.
(Ii) The predetermined pigment is blended in an amount of 0.01% by mass to 1% by mass with respect to the core resin.
(Iii) The polymer optical fiber is a polarization-maintaining multimode optical fiber.

（II）本発明の他の一態様は、光ファイバひずみゲージと、光源と、前記光ファイバひずみゲージを伝搬した光を検出する光検出器とを有する光ファイバひずみセンサであって、前記光ファイバひずみゲージが、上記の本発明に係る光ファイバひずみゲージであり、前記光源は、前記所定の色素の吸収波長を含む波長領域の光を出力する光源であることを特徴とする光ファイバひずみセンサを、提供する。   (II) Another aspect of the present invention is an optical fiber strain sensor including an optical fiber strain gauge, a light source, and a photodetector that detects light propagated through the optical fiber strain gauge, the optical fiber An optical fiber strain sensor, wherein the strain gauge is an optical fiber strain gauge according to the present invention, and the light source is a light source that outputs light in a wavelength region including an absorption wavelength of the predetermined dye. ,provide.

本発明は、上記の光ファイバひずみセンサ（II）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（iv）前記光源は、直線偏光を出力する光源である。
（v）前記光ファイバひずみゲージが、光コネクタを介して複数接続されている。 The present invention can add the following improvements and changes to the above-described optical fiber strain sensor (II).
(Iv) The light source is a light source that outputs linearly polarized light.
(V) A plurality of the optical fiber strain gauges are connected via an optical connector.

（III）本発明の更に他の一態様は、光ファイバひずみセンサと制御・信号処理装置とを有する光ファイバひずみセンシングシステムであって、前記光ファイバひずみセンサが、上記の本発明に係る光ファイバひずみセンサであり、前記制御・信号処理装置は、前記光源および前記光検出器と接続されていることを特徴とする光ファイバひずみセンシングシステムを、提供する。   (III) Still another aspect of the present invention is an optical fiber strain sensing system having an optical fiber strain sensor and a control / signal processing device, wherein the optical fiber strain sensor is an optical fiber according to the present invention. The optical fiber strain sensing system is a strain sensor, wherein the control / signal processing device is connected to the light source and the photodetector.

本発明によれば、従来よりも感度の高い光ファイバひずみゲージ、該ひずみゲージを用いた光ファイバひずみセンサ、および該ひずみセンサを用いた光ファイバひずみセンシングシステムを提供することができる。本発明のより具体的な作用効果については、追って詳述する。   According to the present invention, it is possible to provide an optical fiber strain gauge with higher sensitivity than before, an optical fiber strain sensor using the strain gauge, and an optical fiber strain sensing system using the strain sensor. More specific functions and effects of the present invention will be described in detail later.

本発明に係る光ファイバひずみゲージの一例を示す斜視透視模式図である。It is a perspective see-through schematic diagram showing an example of an optical fiber strain gauge according to the present invention. 図１の光ファイバひずみゲージに外部応力が負荷されたときの挙動例を示す斜視透視模式図である。It is a perspective see-through schematic diagram showing an example of behavior when an external stress is applied to the optical fiber strain gauge of FIG. 本発明に係る光ファイバひずみセンサの一例を示す平面模式図である。It is a plane schematic diagram which shows an example of the optical fiber strain sensor which concerns on this invention. 本発明に係る光ファイバひずみセンシングシステムの一例を示す平面模式図である。1 is a schematic plan view showing an example of an optical fiber strain sensing system according to the present invention. 本発明の光ファイバひずみセンシングシステムを建築物に敷設した例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example which laid the optical fiber distortion | strain sensing system of this invention in the building. 実施例１および比較例１における負荷した荷重と透過した光強度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the load and the transmitted light intensity in Example 1 and Comparative Example 1.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、同義の部材や部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することがある。また、本発明は、ここで取り挙げた実施形態に限定されるものではなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol may be attached | subjected to the member and site | part which are synonymous, and the overlapping description may be abbreviate | omitted. Further, the present invention is not limited to the embodiments described here, and can be appropriately combined and improved without departing from the technical idea of the invention.

（光ファイバひずみゲージ）
図１は、本発明に係る光ファイバひずみゲージの一例を示す斜視透視模式図である。図１に示したように、光ファイバひずみゲージ101は、樹脂製コア102と該コア102を覆う樹脂製クラッド103とを有するポリマ光ファイバであり、コア102の屈折率はクラッド103の屈折率よりも高い。また、コア102中には色素104が沈殿物の無いように分散配合されている。なお、図１においては、色素104が分散配合されていることをイメージし易いように、色素104を誇張して描いている。 (Optical fiber strain gauge)
FIG. 1 is a perspective schematic view showing an example of an optical fiber strain gauge according to the present invention. As shown in FIG. 1, the optical fiber strain gauge 101 is a polymer optical fiber having a resin core 102 and a resin clad 103 covering the core 102, and the refractive index of the core 102 is higher than the refractive index of the clad 103. Is also expensive. In addition, the pigment 104 is dispersed and blended in the core 102 so that there is no precipitate. In FIG. 1, the dye 104 is exaggerated so that it is easy to imagine that the dye 104 is dispersed and blended.

光ファイバのモード種類に特段の限定はなく、シングルモードであってもよいし、マルチモードであってもよい。光源および光検出器との光軸調整容易性や、光ファイバ同士の接続容易性の観点からは、マルチモード光ファイバがより好ましい。   The mode type of the optical fiber is not particularly limited, and may be a single mode or a multimode. A multi-mode optical fiber is more preferable from the viewpoint of easy adjustment of the optical axis between the light source and the light detector and ease of connection between the optical fibers.

また、本発明の光ファイバひずみゲージは、ひずみゲージとしての基本性能（例えば、ひずみ量検知）に加えて、ひずみ位置を検知することができる。さらに、偏波保持光ファイバを用いることによって、ひずみ方向を検知することができる。ひずみ位置検知やひずみ方向検知は、本発明の光ファイバひずみゲージにおける特異的な作用効果である。ひずみ位置検知・ひずみ方向検知の基本原理は、後述する。   Moreover, the optical fiber strain gauge of the present invention can detect a strain position in addition to basic performance (for example, strain amount detection) as a strain gauge. Furthermore, the strain direction can be detected by using a polarization maintaining optical fiber. Strain position detection and strain direction detection are specific effects in the optical fiber strain gauge of the present invention. The basic principle of strain position detection and strain direction detection will be described later.

本発明の光ファイバひずみゲージのベースとなるポリマ光ファイバの素材に特段の限定はなく、従前のポリマ光ファイバの素材（例えば、ポリメチルメタクリレート（PMMA）、ポリカーボネート（PC）、フッ素系樹脂）を好適に用いることができる。また、偏波保持光ファイバを利用する場合にも素材に特段の限定はなく、従前の素材（例えば、メチルメタクリレート（MMA）とベンジルメタクリレート（BzMA）との共重合体、MMAとBzMAと2,2,2-トリフルオロエチルメタクリレートとの三元共重合体、アモルファスフッ素樹脂）を好適に用いることができる。   There is no particular limitation on the material of the polymer optical fiber that is the base of the optical fiber strain gauge of the present invention, and the material of the conventional polymer optical fiber (for example, polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), fluorine resin) is used. It can be used suitably. In addition, when using polarization maintaining optical fiber, the material is not particularly limited. For example, a conventional material (for example, a copolymer of methyl methacrylate (MMA) and benzyl methacrylate (BzMA), MMA and BzMA, 2, A terpolymer with 2,2-trifluoroethyl methacrylate, an amorphous fluororesin) can be preferably used.

コア102中に分散配合する色素104は、コア102中を伝搬させる光の波長帯に吸収域を有する物質を用いる。例えば、コア102中を伝搬させる光として可視光帯の光を用いる場合、可視光帯に吸収域を有する色素を用いる。色素104は、照射されたエネルギーを吸収して発光する物質（例えば、蛍光物質）を用いてもよい。   As the dye 104 dispersedly blended in the core 102, a substance having an absorption region in the wavelength band of light propagating in the core 102 is used. For example, when light in the visible light band is used as the light propagating through the core 102, a dye having an absorption region in the visible light band is used. The dye 104 may be a substance that absorbs irradiated energy and emits light (for example, a fluorescent substance).

また、色素104は、光ファイバひずみゲージ101における検知感度を上げるため（光ファイバの変形による光伝送損失の変化量を大きくするため）、異方性の高い結晶形状（例えば、板形状、鱗形状、棒形状）を有する物質であることが好ましい。さらに、色素104をコア102中に沈殿物の無いように分散させるため、コア102を作製する際に使用する溶媒に可溶であることが望ましい。   In addition, the dye 104 has a highly anisotropic crystal shape (for example, plate shape, scale shape) in order to increase the detection sensitivity in the optical fiber strain gauge 101 (to increase the amount of change in optical transmission loss due to deformation of the optical fiber). It is preferable that the substance has a rod shape. Further, in order to disperse the dye 104 in the core 102 so that there is no precipitate, it is desirable that the dye 104 is soluble in a solvent used when the core 102 is manufactured.

上記のような観点から、色素104としては、例えば、シアニン誘導体、フタロシアニン誘導体、ローダミン誘導体、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、フルオレセイン誘導体、ピラン誘導体を好ましく用いることができる。   From the above viewpoint, as the dye 104, for example, a cyanine derivative, a phthalocyanine derivative, a rhodamine derivative, a perylene derivative, a coumarin derivative, a fluorescein derivative, or a pyran derivative can be preferably used.

色素104の配合量がコア102の樹脂に対して0.01質量％未満では、色素量が少な過ぎて本発明の作用効果が得られない。また、配合量の上限はひずみ検知感度と光伝送損失から最適値が存在する。ひずみ検知感度は色素104がより多く添加されている方が良好な影響を与える。光伝送損失には、色素104の吸収に由来するもの、色素104そのものによって引き起こされるレイリー散乱に由来するもの、色素104の沈殿物によって起こされるミー散乱に由来するものが存在する。これらのうち、ミー散乱が引き起こされる程の大きさの粒子は配合量が増加することで発生数が増加するが、濾過等で除去可能であり、光ファイバの作製の段階で濾過による除去を行うことが好ましい。一方で、色素による吸収は配合量の増加に伴い増加し、色素104の配合量が1質量％超になると、色素による吸収が光伝送損失の主な要因となり、その結果、入射光の長距離伝搬が難しくなる。したがって、配合量の上限は1重量％が好ましく、より好ましくは0.5重量％である。したがって、色素104の配合量は、0.01質量％以上1質量％以下が好ましく、0.01質量％以上0.5質量％以下がより好ましい。   When the blending amount of the dye 104 is less than 0.01% by mass with respect to the resin of the core 102, the amount of the dye is too small to obtain the effects of the present invention. Further, the upper limit of the blending amount has an optimum value from strain detection sensitivity and optical transmission loss. The strain detection sensitivity has a better effect when more dye 104 is added. The light transmission loss includes those derived from absorption of the dye 104, those derived from Rayleigh scattering caused by the dye 104 itself, and those derived from Mie scattering caused by precipitation of the dye 104. Of these particles, the size of particles that cause Mie scattering increases as the blending amount increases, but the number of particles increases, but can be removed by filtration or the like, and is removed by filtration at the stage of optical fiber production. It is preferable. On the other hand, the absorption due to the dye increases as the blending amount increases, and when the blending amount of the dye 104 exceeds 1% by weight, the absorption due to the dye becomes a major factor in the light transmission loss. Propagation becomes difficult. Therefore, the upper limit of the amount is preferably 1% by weight, more preferably 0.5% by weight. Therefore, the blending amount of the dye 104 is preferably 0.01% by mass or more and 1% by mass or less, and more preferably 0.01% by mass or more and 0.5% by mass or less.

（光ファイバひずみゲージの製造方法）
本発明に係る光ファイバひずみゲージの製造方法は、上述の光ファイバひずみゲージ101の構成を有するポリマ光ファイバが結果として得られる限り特段の限定はないが、例えば、次のような製造方法を利用できる。
（１）クラッドとなる樹脂チューブ（クラッド用樹脂チューブ）を用意する。
（２）コアとなる樹脂溶液に所定の色素を溶解させたコア用樹脂溶液を用意する。コア用樹脂溶液はあらかじめ濾過し、沈殿物を除去しておく。
（３）コア用樹脂溶液をクラッド用樹脂チューブに充填し、該コア用樹脂溶液を重合してプリフォームを作製する。
（４）プリフォームに対し、従前のポリマ熱成形法（例えば、熱延伸）を施してポリマ光ファイバを製造する。 (Manufacturing method of optical fiber strain gauge)
The optical fiber strain gauge manufacturing method according to the present invention is not particularly limited as long as the polymer optical fiber having the above-described configuration of the optical fiber strain gauge 101 is obtained as a result. For example, the following manufacturing method is used. it can.
(1) A resin tube (cladding resin tube) to be a clad is prepared.
(2) Prepare a core resin solution in which a predetermined pigment is dissolved in a core resin solution. The core resin solution is filtered in advance to remove the precipitate.
(3) Fill the core resin solution into the clad resin tube and polymerize the core resin solution to prepare a preform.
(4) A polymer optical fiber is manufactured by subjecting the preform to a conventional polymer thermoforming method (for example, thermal stretching).

（ひずみ検出原理）
つぎに、本発明の光ファイバひずみゲージにおけるひずみ検出原理を説明する。 (Strain detection principle)
Next, the principle of strain detection in the optical fiber strain gauge of the present invention will be described.

図２は、図１の光ファイバひずみゲージに外部応力が負荷されたときの挙動例を示す斜視透視模式図である。図２に示したように、外部応力が負荷されて光ファイバひずみゲージ101が変形すると、コア102中に分散配合されている色素104の配向状態（分散状態）が、応力方向に対応して変化する。その結果、入射光の吸収量や、コア102からクラッド103への光の染み出し量などが変化する。これらの光量の変化を検出することによって、外部応力を検知・計測することができる。   FIG. 2 is a perspective schematic diagram showing an example of behavior when an external stress is applied to the optical fiber strain gauge of FIG. As shown in FIG. 2, when an external stress is applied and the optical fiber strain gauge 101 is deformed, the orientation state (dispersion state) of the dye 104 dispersed and mixed in the core 102 changes corresponding to the stress direction. To do. As a result, the amount of incident light absorbed, the amount of light leaked from the core 102 to the cladding 103, and the like change. By detecting these changes in the amount of light, external stress can be detected and measured.

上述したように、本発明の光ファイバひずみゲージにおけるひずみ検出は、外部応力に対応した色素配向状態（色素分散状態）の変化に基づいている。言い換えると、外部応力の種類と色素配向状態（色素分散状態）の変化との対応関係を予め把握しておけば、圧縮応力のみならず、曲げ応力、引張応力、捻り応力などの複数種の外部応力を１つの光ファイバひずみゲージで検知・計測することができる。   As described above, strain detection in the optical fiber strain gauge of the present invention is based on a change in the dye orientation state (dye dispersion state) corresponding to the external stress. In other words, if the correspondence between the types of external stress and changes in the dye orientation state (dye dispersion state) is known in advance, not only compressive stress but also multiple types of external stress such as bending stress, tensile stress, and torsional stress. Stress can be detected and measured with a single optical fiber strain gauge.

色素104として、照射されたエネルギーを吸収して発光する物質（例えば、蛍光物質）を用いた場合、透過光の光量変化という現象以外に、発光および発光量を検出・計測することで、光ファイバひずみゲージ101の検知感度を更に向上させることができる。また、入射光としてパルス光を用い、光ファイバひずみゲージ101の両端で検出される発光信号の時間差を計測することにより、光ファイバひずみゲージ101への応力負荷位置を判定することができる。前述したように、応力負荷位置の検知は、本発明の光ファイバひずみゲージにおける特異的な作用効果の一つである。   When a substance that absorbs irradiated energy and emits light (for example, a fluorescent substance) is used as the dye 104, in addition to the phenomenon of change in the amount of transmitted light, the optical fiber can be detected and measured. The detection sensitivity of the strain gauge 101 can be further improved. In addition, by using pulsed light as incident light and measuring a time difference between light emission signals detected at both ends of the optical fiber strain gauge 101, a stress load position on the optical fiber strain gauge 101 can be determined. As described above, the detection of the stress load position is one of the specific effects in the optical fiber strain gauge of the present invention.

また、外部応力に対応して色素配向状態（色素分散状態）が変化すると、入射光に対する偏光吸収の強度比が変化する。そこで、ベースとなる光ファイバとして偏波保持光ファイバを用い、偏光吸収の強度比を計測すると、逆算的に光ファイバの変形状態を推定することができ、光ファイバひずみゲージ101への応力負荷方向を判定することができる。応力負荷方向の検知も、本発明の光ファイバひずみゲージにおける特異的な作用効果の一つである。   Further, when the dye orientation state (dye dispersion state) changes corresponding to the external stress, the intensity ratio of polarized light absorption with respect to incident light changes. Therefore, if a polarization-maintaining optical fiber is used as the base optical fiber and the intensity ratio of polarized light absorption is measured, the deformation state of the optical fiber can be estimated inversely, and the direction of stress load on the optical fiber strain gauge 101 Can be determined. The detection of the stress load direction is also one of the specific effects in the optical fiber strain gauge of the present invention.

（光ファイバひずみセンサ）
図３は、本発明に係る光ファイバひずみセンサの一例を示す平面模式図である。図３に示したように、光ファイバひずみセンサ201は、上述の光ファイバひずみゲージ101と、光ファイバひずみゲージ101の端部に配設され色素104の吸収波長を含む波長領域の光を出力する光源202と、光ファイバひずみゲージ101を伝搬した光を検出する光検出器203とを有する。 (Optical fiber strain sensor)
FIG. 3 is a schematic plan view showing an example of an optical fiber strain sensor according to the present invention. As shown in FIG. 3, the optical fiber strain sensor 201 outputs the above-described optical fiber strain gauge 101 and light in a wavelength region that is disposed at the end of the optical fiber strain gauge 101 and includes the absorption wavelength of the dye 104. A light source 202 and a photodetector 203 that detects light propagated through the optical fiber strain gauge 101 are included.

なお、光検出器203は、図２において光ファイバひずみゲージ101の一方の端部（光源202と反対側）のみに配設されているが、光ファイバひずみゲージ101の両端部に配設されてもよい。また、光ファイバひずみセンサ201は、光源202から光ファイバひずみゲージ101へ光を導入するためのレンズや位置合わせ冶具などを有していてもよい。   In FIG. 2, the photodetector 203 is disposed only at one end of the optical fiber strain gauge 101 (on the side opposite to the light source 202), but is disposed at both ends of the optical fiber strain gauge 101. Also good. In addition, the optical fiber strain sensor 201 may include a lens or an alignment jig for introducing light from the light source 202 to the optical fiber strain gauge 101.

光源202に特段の限定はなく、光ファイバを用いた通信（光通信）に通常用いられる光源（例えば、波長400〜1200 nmのレーザ光源）を用いることができ、色素104の吸収または励起スペクトルのピークに近い波長を照射することが望ましい。照射する光は、連続光であってもよいしパルス光であってもよい。偏波保持光ファイバを用いた光ファイバひずみゲージ101に光を導入する場合、直線偏光を入射することが好ましいため、光源202に偏光方向制御機構が付与されていることが好ましい。   The light source 202 is not particularly limited, and a light source usually used for communication (optical communication) using an optical fiber (for example, a laser light source having a wavelength of 400 to 1200 nm) can be used. It is desirable to irradiate a wavelength close to the peak. The light to be irradiated may be continuous light or pulsed light. When light is introduced into the optical fiber strain gauge 101 using the polarization maintaining optical fiber, it is preferable that the linearly polarized light is incident. Therefore, the light source 202 is preferably provided with a polarization direction control mechanism.

光検出器203にも特段の限定はなく、光通信に通常用いられる光検出器（例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、マルチチャンネル分光器）を用いることができるが、光源202からの入射光と色素104からの発光との両方の光を同時検出できることが好ましい。入射光としてパルス光を用いる場合には、光源202と同期して測定できるように、時間分解能が高い光検出器203を用いることが好ましい。   The photodetector 203 is not particularly limited, and a photodetector (for example, a photodiode, a phototransistor, or a multichannel spectrometer) that is usually used for optical communication can be used. It is preferable that both of the light emitted from 104 can be detected simultaneously. When pulsed light is used as incident light, it is preferable to use a photodetector 203 with high time resolution so that measurement can be performed in synchronization with the light source 202.

（光ファイバひずみセンシングシステム）
本発明に係る光ファイバひずみセンシングシステムは、上述の光ファイバひずみセンサと制御・信号処理装置とを有し、該制御・信号処理装置が、光源および光検出器と接続されている。図４は、本発明に係る光ファイバひずみセンシングシステムの一例を示す平面模式図である。 (Optical fiber strain sensing system)
An optical fiber strain sensing system according to the present invention includes the above-described optical fiber strain sensor and a control / signal processing device, and the control / signal processing device is connected to a light source and a photodetector. FIG. 4 is a schematic plan view showing an example of an optical fiber strain sensing system according to the present invention.

図４に示したように、光ファイバひずみセンシングシステム301は、光ファイバひずみゲージ101と、光ファイバひずみゲージ101の端部に配設され色素104の吸収波長を含む波長領域の光を出力する光源202と、光ファイバひずみゲージ101を伝搬した光を検出する光検出器203と、光源および光検出器を制御しかつ光検出器の信号処理を行う制御・信号処理装置302とを有している。制御・信号処理装置302は、光源202および光検出器203と接続されている。   As shown in FIG. 4, the optical fiber strain sensing system 301 includes an optical fiber strain gauge 101 and a light source that is disposed at the end of the optical fiber strain gauge 101 and outputs light in a wavelength region including the absorption wavelength of the dye 104. 202, a photodetector 203 that detects light propagated through the optical fiber strain gauge 101, and a control / signal processing device 302 that controls the light source and the photodetector and performs signal processing of the photodetector. . The control / signal processing device 302 is connected to the light source 202 and the photodetector 203.

図４においては、複数の光ファイバひずみゲージ101が光コネクタ303を介して連結されている例を示した。これにより、１つの光ファイバひずみゲージ101よりも広範囲（より長い領域）でのセンシングを行うことができる。   FIG. 4 shows an example in which a plurality of optical fiber strain gauges 101 are connected via an optical connector 303. Thus, sensing can be performed in a wider range (longer region) than one optical fiber strain gauge 101.

また、光コネクタ303として光分波器を用い、該光分波器を介して光検出器203と制御・信号処理装置302とを追加接続してもよい。これにより、複数箇所で同時に外部応力が負荷された場合でも、応力負荷位置を正しく検知することができる。なお、正確な信号処理を行うため、制御・信号処理装置302が複数存在する場合は、それらは互いに接続されていることが好ましい。   Further, an optical demultiplexer may be used as the optical connector 303, and the photodetector 203 and the control / signal processing device 302 may be additionally connected via the optical demultiplexer. Thereby, even when external stress is simultaneously applied at a plurality of locations, the stress load position can be correctly detected. In order to perform accurate signal processing, when there are a plurality of control / signal processing devices 302, they are preferably connected to each other.

図５は、本発明の光ファイバひずみセンシングシステムを建築物に敷設した例を示す模式図である。図５に示したように、建築物400の表面や構造体内部に光ファイバひずみセンサ201を敷設し、建築物400内にある制御・信号処理装置302と接続することにより、建築物400のひずみ状態をモニタリングすることができる。これは、大型構造物のヘルスモニタリングを非破壊で行えることにつながる。   FIG. 5 is a schematic diagram showing an example in which the optical fiber strain sensing system of the present invention is laid on a building. As shown in FIG. 5, an optical fiber strain sensor 201 is laid on the surface of the building 400 or inside the structure, and connected to a control / signal processing device 302 in the building 400, whereby the strain of the building 400 is The condition can be monitored. This leads to non-destructive health monitoring of large structures.

以下、実施例に基づいて本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. The present invention is not limited to these examples.

（実施例１の作製）
まず、クラッド用樹脂チューブとしてPMMAチューブを用意し、コア用樹脂溶液としてMMAとBzMAとの共重合体（質量比82：12）に対してローダミン誘導体（ローダミン6G、発光化合物、0.05質量％）を添加混合した樹脂溶液を用意した。つぎに、コア用樹脂溶液をクラッド用樹脂チューブに充填し、該コア用樹脂溶液を重合してプリフォームを作製した。得られたプリフォームに対して熱延伸を施して、実施例１のポリマ光ファイバ（色素分散配合ポリマ光ファイバ）を作製した。得られたポリマ光ファイバのコア径／クラッド外径は、667μm／1000μmであった。 (Production of Example 1)
First, a PMMA tube is prepared as a resin tube for cladding, and a rhodamine derivative (rhodamine 6G, luminescent compound, 0.05% by mass) is prepared as a core resin solution with respect to a copolymer of MMA and BzMA (mass ratio 82:12). An added and mixed resin solution was prepared. Next, the core resin solution was filled in a clad resin tube, and the core resin solution was polymerized to prepare a preform. The obtained preform was hot-drawn to produce a polymer optical fiber of Example 1 (dye dispersion blended polymer optical fiber). The core diameter / clad outer diameter of the obtained polymer optical fiber was 667 μm / 1000 μm.

（比較例１の作製）
従来技術の基準となる比較例１として、コアに色素を配合していないポリマ光ファイバ（色素非配合ポリマ光ファイバ）を作製した。製造方法は、コア用樹脂溶液に色素を添加しないこと以外は上記実施例１と同様にした。 (Production of Comparative Example 1)
As Comparative Example 1 serving as a standard of the prior art, a polymer optical fiber in which a dye is not blended in a core (dye-unblended polymer optical fiber) was produced. The production method was the same as in Example 1 except that no dye was added to the core resin solution.

（外部応力感度試験）
実施例１および比較例１のポリマ光ファイバを長さ1 mで切り出し、試験用の光ファイバひずみゲージを用意した。光源としてレーザ光源（波長530 nm）を用い、光検出器として光パワーメータを用いて光ファイバひずみセンサを組み上げた。光ファイバひずみゲージの中央部（長さ0.4 m）に対して平板を用いて均等に荷重を負荷して、透過した光強度を測定した。結果を図６に示す。 (External stress sensitivity test)
The polymer optical fibers of Example 1 and Comparative Example 1 were cut out at a length of 1 m, and test optical fiber strain gauges were prepared. An optical fiber strain sensor was assembled using a laser light source (wavelength 530 nm) as the light source and an optical power meter as the photodetector. A load was evenly applied to the center portion (length 0.4 m) of the optical fiber strain gauge using a flat plate, and the transmitted light intensity was measured. The results are shown in FIG.

図６は、実施例１および比較例１における負荷した荷重と透過した光強度との関係を示すグラフである。図６に示したように、比較例１では、測定した荷重範囲で光強度にほとんど変化が見られなかった。これに対し、実施例１では、荷重の負荷を増加させると光強度が明確に低下し、負荷した荷重を除去すると光強度が回復することが確認された。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between the loaded load and the transmitted light intensity in Example 1 and Comparative Example 1. As shown in FIG. 6, in Comparative Example 1, the light intensity hardly changed in the measured load range. On the other hand, in Example 1, it was confirmed that when the load is increased, the light intensity is clearly reduced, and when the applied load is removed, the light intensity is recovered.

また、光検出器の検出波長を分散配合した色素（ローダミン6G）の発光波長として同様の測定を行ったところ、荷重の負荷を増加させると発光強度が増大し、負荷した荷重を除去すると発光強度が元に戻ることが確認された。   In addition, when the same measurement was performed as the emission wavelength of the dye (rhodamine 6G) in which the detection wavelength of the photodetector was dispersed and mixed, the emission intensity increased when the load was increased, and the emission intensity when the applied load was removed. Has been confirmed to return.

上記の実験結果から、本発明に係る光ファイバひずみゲージ、および該ひずみゲージを用いた光ファイバひずみセンサは、従来の光ファイバを用いたそれらよりも非常に高い感度を有することが実証された。   From the above experimental results, it was proved that the optical fiber strain gauge according to the present invention and the optical fiber strain sensor using the strain gauge have much higher sensitivity than those using the conventional optical fiber.

（実施例２）
コア用樹脂溶液に添加混合する色素として、ピラン誘導体（4-(ジシアノメチレン)-2-メチル-6-(4-ジメチルアミノスチリル)-4H-ピラン：DCM2、発光化合物、0.1質量％）を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてポリマ光ファイバ（色素分散配合ポリマ光ファイバ）を作製した。 (Example 2)
Pyran derivative (4- (dicyanomethylene) -2-methyl-6- (4-dimethylaminostyryl) -4H-pyran: DCM2, luminescent compound, 0.1% by mass) is used as a dye added to and mixed with the core resin solution. A polymer optical fiber (dye-dispersed blended polymer optical fiber) was produced in the same manner as in Example 1 except that.

つぎに、光源としてレーザ光源（波長490 nm）を用いたこと以外は実施例１と同様にして、光ファイバひずみセンサを組み上げ、その後、外部応力感度試験を行った。その結果、実施例１と同様に、荷重の負荷を増加させると透過光強度が低下して発光強度が増大し、負荷した荷重を除去すると透過光強度および発光強度が元に戻ることが確認された。   Next, an optical fiber strain sensor was assembled in the same manner as in Example 1 except that a laser light source (wavelength 490 nm) was used as the light source, and then an external stress sensitivity test was performed. As a result, as in Example 1, it was confirmed that when the load was increased, the transmitted light intensity decreased and the emitted light intensity increased, and when the applied load was removed, the transmitted light intensity and the emitted light intensity were restored. It was.

（実施例３）
コア用樹脂溶液に添加混合する色素として、フタロシアニン誘導体（2,9,16,23-テトラ-ターシャリブチル銅フタロシアニン、非発光化合物、0.01質量％）を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてポリマ光ファイバ（色素分散配合ポリマ光ファイバ）を作製した。 Example 3
As in Example 1, except that a phthalocyanine derivative (2,9,16,23-tetra-tertiarybutyl copper phthalocyanine, non-luminescent compound, 0.01% by mass) was used as the dye added to and mixed with the core resin solution. Thus, a polymer optical fiber (dye-dispersed polymer optical fiber) was produced.

つぎに、光源としてレーザ光源（波長670 nm）を用いたこと以外は実施例１と同様にして、光ファイバひずみセンサを組み上げ、その後、外部応力感度試験を行った。その結果、実施例１と同様に、荷重の負荷を増加させると透過光強度が低下し、負荷した荷重を除去すると透過光強度が元に戻ることが確認された。   Next, an optical fiber strain sensor was assembled in the same manner as in Example 1 except that a laser light source (wavelength 670 nm) was used as the light source, and then an external stress sensitivity test was performed. As a result, as in Example 1, it was confirmed that the transmitted light intensity decreased when the load was increased, and the transmitted light intensity was restored when the applied load was removed.

上述した実施形態は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、本発明は、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。   The above-described embodiment has been specifically described to help understanding of the present invention, and the present invention is not limited to having all the configurations described. For example, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Furthermore, a part of the configuration of each embodiment can be deleted, replaced with another configuration, or added with another configuration.

101…光ファイバひずみゲージ、102…コア、103…クラッド、104…色素、
201…光ファイバひずみセンサ、202…光源、203…光検出器、
301…光ファイバひずみセンシングシステム、302…制御・信号処理装置、
303…光コネクタ、400…建築物。 101 ... Optical fiber strain gauge, 102 ... Core, 103 ... Cladding, 104 ... Dye,
201 ... Optical fiber strain sensor, 202 ... Light source, 203 ... Photodetector,
301 ... Optical fiber strain sensing system, 302 ... Control / signal processing device,
303 ... Optical connector, 400 ... Building.

Claims (7)

光ファイバを用いたひずみゲージであって、
前記光ファイバは、所定のメタクリレート系共重合体製で円形断面のコアと前記コアを覆う樹脂製で同心円形断面のクラッドとからなる偏波保持のマルチモードポリマ光ファイバであり、
前記コアに所定の色素が分散配合されており、当該所定の色素は、前記コア中を伝搬させる光の波長帯に吸収域を有する物質または照射されたエネルギーを吸収して発光する物質からなり、かつ板状、鱗状または棒状の結晶形状を有する物質であることを特徴とする光ファイバひずみゲージ。 A strain gauge using optical fiber,
The optical fiber is a polarization-maintaining multimode polymer optical fiber made of a predetermined methacrylate-based copolymer and having a circular cross-section core and a resin-covered concentric circular cross-section cladding.
A predetermined dye is dispersed and blended in the core, and the predetermined dye is made of a substance having an absorption region in a wavelength band of light propagating through the core or a substance that emits light by absorbing irradiated energy, An optical fiber strain gauge characterized by being a substance having a plate-like, scale-like or rod-like crystal shape . 請求項１に記載の光ファイバひずみゲージにおいて、The optical fiber strain gauge according to claim 1,
前記所定のメタクリレート系共重合体は、メチルメタクリレートとベンジルメタクリレートとの共重合体、またはメチルメタクリレートとベンジルメタクリレートと2,2,2-トリフルオロエチルメタクリレートとの三元共重合体であることを特徴とする光ファイバひずみゲージ。The predetermined methacrylate copolymer is a copolymer of methyl methacrylate and benzyl methacrylate, or a terpolymer of methyl methacrylate, benzyl methacrylate and 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate. Optical fiber strain gauge. 請求項１又は請求項２に記載の光ファイバひずみゲージにおいて、
前記所定の色素が、シアニン誘導体、フタロシアニン誘導体、ローダミン誘導体、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、フルオレセイン誘導体、およびピラン誘導体のいずれかであることを特徴とする光ファイバひずみゲージ。 In the optical fiber strain gauge according to claim 1 or 2 ,
The optical fiber strain gauge, wherein the predetermined dye is any one of a cyanine derivative, a phthalocyanine derivative, a rhodamine derivative, a perylene derivative, a coumarin derivative, a fluorescein derivative, and a pyran derivative. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光ファイバひずみゲージにおいて、
前記所定の色素は、前記コアの樹脂に対して0.01質量％以上1質量％以下で配合されていることを特徴とする光ファイバひずみゲージ。 In the optical fiber strain gauge according to any one of claims 1 to 3,
The optical fiber strain gauge, wherein the predetermined dye is blended in an amount of 0.01% by mass to 1% by mass with respect to the resin of the core. 光ファイバひずみゲージと、光源と、前記光ファイバひずみゲージを伝搬した光を検出する光検出器とを有する光ファイバひずみセンサであって、
前記光ファイバひずみゲージが、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光ファイバひずみゲージであり、
前記光源は、前記所定の色素の吸収波長を含む波長領域の直線偏光を出力する光源であり、
前記光検出器は、透過光の光量変化または該光量変化と発光量、ならびに偏光吸収の強度比を計測する検出器であることを特徴とする光ファイバひずみセンサ。 An optical fiber strain sensor having an optical fiber strain gauge, a light source, and a photodetector for detecting light propagated through the optical fiber strain gauge,
The optical fiber strain gauge is the optical fiber strain gauge according to any one of claims 1 to 4,
The light source, Ri source der for outputting linearly polarized light in a wavelength region including an absorption wavelength of the predetermined dye,
The optical detector is a detector for measuring a change in the amount of transmitted light or a change in the amount of light and a light emission amount, and an intensity ratio of polarized light absorption . 請求項５に記載の光ファイバひずみセンサにおいて、
前記光ファイバひずみゲージが、光コネクタを介して複数接続されていることを特徴とする光ファイバひずみセンサ。 The optical fiber strain sensor according to claim 5 ,
An optical fiber strain sensor, wherein a plurality of the optical fiber strain gauges are connected via an optical connector. 光ファイバひずみセンサと制御・信号処理装置とを有する光ファイバひずみセンシングシステムであって、
前記光ファイバひずみセンサが、請求項５又は請求項６に記載の光ファイバひずみセンサであり、
前記制御・信号処理装置は、前記光源および前記光検出器と接続されており、前記光検出器で計測した前記光量変化または計測した前記光量変化と前記発光量、ならびに計測した前記強度比に基づいて信号処理する機構を有することを特徴とする光ファイバひずみセンシングシステム。 An optical fiber strain sensing system having an optical fiber strain sensor and a control / signal processing device,
The optical fiber strain sensor is the optical fiber strain sensor according to claim 5 or claim 6 ,
The control / signal processing device is connected to the light source and the light detector, and is based on the light amount change measured by the light detector or the measured light amount change and the light emission amount, and the measured intensity ratio. An optical fiber strain sensing system characterized by having a signal processing mechanism .
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