WO2005028995A1 - Ｆｂｇセンシングシステム - Google Patents

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WO2005028995A1
WO2005028995A1 PCT/JP2004/013519 JP2004013519W WO2005028995A1 WO 2005028995 A1 WO2005028995 A1 WO 2005028995A1 JP 2004013519 W JP2004013519 W JP 2004013519W WO 2005028995 A1 WO2005028995 A1 WO 2005028995A1
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WO
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light
wavelength
bragg
fbg
output
Prior art date
Application number
PCT/JP2004/013519
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English (en)
French (fr)
Inventor
Yusuke Takei
Hiromi Ajima
Michitaka Okuta
Original Assignee
Kyocera Corporation
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Filing date
Publication date
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Priority to EP04773177A priority patent/EP1672312A1/en
Priority to CA002539482A priority patent/CA2539482A1/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/165—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by means of a grating deformed by the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements

Definitions

  • the present invention relates to an FBG sensing device that performs strain measurement using an FBG made of an optical fiber.
  • a fiber 'Bragg' grating (FBG) is used for strain measurement of a structure in combination with a broadband light source or a variable wavelength light source.
  • the FBG is obtained by changing the refractive index of the core 103c of the optical fiber at a constant interval D, and the light incident on the optical fiber is determined by the interval D and the refractive index of the core 103c.
  • Light of a certain wavelength is reflected, and other wavelengths are transmitted.
  • the reflection wavelength is displaced by a change in the interval D due to the strain applied to the FBG 103 or a change in the refractive index due to the temperature.
  • the temperature characteristic of the FBG103 is about 0.01 nm / ° C, and the strain characteristic is about 0.0012 ⁇ / ⁇ . This property is used for temperature measurement and strain measurement.
  • Patent Document 1 discloses a method of using a broadband light source as a light source.
  • a method using a Fabry-Perot filter (hereinafter referred to as FP filter) using a source has been proposed.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the configuration shown in Patent Document 1. As shown in FIG.
  • Light derived from the broadband light source 101 passes through the optical splitter 102 and the optical fiber 108, and reaches the FBG 103.
  • the FBG 103 reflects light of a specific wavelength, and the reflected light passes through the optical fiber 108, the optical splitter 102, and the FP filter 104, and reaches the light receiver 105.
  • the arriving light is converted into a current in the light receiver 105.
  • the FP filter 104 is an interferometer using an etalon plate, and drives the distance between two parallel etalon plates by a piezoelectric element to control the interference distance.
  • the light transmitted through the FP filter is light of a specific wavelength determined by the interference distance.
  • the wavelength can be set for the driving voltage.
  • Patent Document 2 proposes an FBG sensing device in which an FP filter is used as a light source and a wavelength variable light source is used. This device detects the reflection spectrum from the FBG based on the amount of received light corresponding to the drive voltage of the FP filter, and specifies the reflection peak wavelength.
  • a device using such an FP filter requires a driving unit for driving the FP filter, which causes a problem in reliability.
  • the number of data becomes enormous, and a high-precision arithmetic processor is required.
  • the use of such an arithmetic processor is a factor of poor reliability.
  • the FP filter has a wavelength subtraction frequency of about 10 to 100 Hz. According to Non-Patent Document 1, the response speed of wavelength measurement is required to be 100 to 200 Hz assuming vibration measurement during an earthquake. For this reason, devices using FP filters are not suitable for vibration measurement.
  • Patent Document 3 proposes to use two narrow-band filters without a driving unit in the wavelength measuring unit.
  • Fig. 10A shows the wavelength measurement unit in the FBG sensing device shown in Patent Document 3. Is shown.
  • a broadband light source 201 a 2x2 coupler 202 for splitting light
  • an FBG 203 as a strain sensor
  • a 2x2 force bra 207 for splitting light
  • a narrow-band filter 204 with wavelength dependence a receiver 205
  • an optical fiber 208 optical fiber
  • Light output from the broadband light source 201 passes through the 2 ⁇ 2 coupler 202, passes through the optical fiber 208, and is guided to the FBG 203.
  • the FBG 203 a specific wavelength is reflected, transmitted through the optical fiber 208, returned to the 2 ⁇ 2 coupler 202, branched, guided to the 2 ⁇ 2 coupler 207, further branched into two of A and B, and narrowed to the narrow band filter 204. , And is converted into an electric signal by the optical receiver 205.
  • the narrow-band filter 204 has wavelength dependence as shown in FIG. 10B, and can detect the reflected wavelength of the FBG 203.
  • an SLD super 'luminescence' diode
  • an ASE Amplitude Modulation
  • a broadband light source is generally used as a broadband light source.
  • the ASE light source emits spontaneous emission light of a wide band and high power by injecting excitation light of a specific wavelength into an optical fiber doped with erbium. An output approximately 100 times (20 dB higher) than the SLD light source can be obtained. By using a higher power light source, the measurement point (FBG) for the light source can be located at a more remote location.
  • the output of the ASE light source is not a sufficiently large value of about 1 lOdBmZnm.
  • the narrow-band filter 204 has the wavelength dependence as shown in FIG. 10B, attenuated light is input to the optical receiver 205.
  • the attenuation in the narrow-band filter 204 is about 20 dB at the maximum (the bottom of the spectrum in FIG. 10B).
  • the minimum light receiving sensitivity of the optical receiver 205 is about _50 dBm, considering the output of the light source and the attenuation of the narrow band filter 204, the allowable range due to the optical fiber transmission loss is only about 20 dB. Considering the loss of other components and the margin of the system, the allowable range becomes smaller. That is Cannot measure sufficiently long distance.
  • Non-Patent Document 2 describes an FBG sensing device that uses a broadband light source and performs FBGs having a plurality of different reflection wavelength bands with a single optical fiber.
  • FIG. 17 is a diagram showing a configuration of the FBG sensing device described in Non-Patent Document 2.
  • Light derived from the broadband light source 101 passes through the optical splitter 102, passes through the optical fiber 108, and reaches the FBG 103.
  • Light of a plurality of different wavelengths is reflected by the FBG 103, passes through the optical fiber 108, passes through the optical splitter 102, reaches the wavelength detector 110, and detects the reflected wavelength.
  • one optical fiber can be provided with FBGs having a plurality of different reflection wavelengths, and a plurality of strains and temperature amounts can be measured simultaneously.
  • a broadband light source uses a SLD (Super Luminecent Diode) light source or an ASE (Amplified Sponteneous Emission) light source.
  • SLD Super Luminecent Diode
  • ASE Amplitude-Demand Spectra-Diode
  • Their wavelength band is about 30 nm to 50 nm.
  • the operating band of one FBG 103 has a temperature characteristic of about 0.01 nm / ° C and a distortion characteristic of about 0.0012 ⁇ / ⁇ , and thus ranges from 0 ° C to 50, for example.
  • the reflection wavelength band of the FBG103 is about 0.2 nm in half width, and when this is taken into consideration, the band used for one FBG103 is about 3 lnm.
  • a band of 4 nm or more is used for one FBG in consideration of margin.
  • the number of FBG103s in different reflection wavelength bands is about 10.
  • Patent Document 1 JP-A-2003-21576
  • Patent Literature 2 JP 2001-511895
  • Patent Document 3 JP-A-2000-223761
  • Non-Patent Document 1 Akira Mita, Proceedings of the 25th Workshop on Lightwave Sensing Technology, June 2000, LST25-16, PP111—116
  • Non-patent document 2 Shinji Yamashita et al., Latest collection of optical communication technology of Optronitas, application to optical measurement / sensor, published December 1995
  • the conventional technique has a problem that the drive unit is provided in the light source and the wavelength measurement unit and is not suitable for high-speed measurement such as vibration measurement, which has low reliability.
  • the drive unit is provided in the light source and the wavelength measurement unit and is not suitable for high-speed measurement such as vibration measurement, which has low reliability.
  • high production costs such as wavelength tunable light sources and broadband light sources, and high production costs are used for the wavelength detection unit. The production cost is lower than that of the electric system, which is the mainstream in the field of structural strain measurement. There was a drawback that would be very high.
  • the present invention is suitable for high-speed measurement such as vibration measurement with high reliability because there is no drive unit in the light source or the wavelength measurement unit, and remote measurement with sufficiently large light source output can be sufficiently performed.
  • the first object is to provide an FBG sensing device that is inexpensive to manufacture and can construct a system with simple data processing.
  • a second object of the present invention is to provide an FBG sensing device having high wavelength use efficiency.
  • the first FBG strain sensing device has one or more light sources that output light of a fixed output wavelength, and is separated from the center wavelength. Therefore, the fiber Bragg grating has one or two or more fiber Bragg gratings having a reflection wavelength band having an attenuation range in which the amount of reflection is attenuated and reflecting light output from the light source. A receiver for receiving the light reflected by the corresponding fiber 'Bragg' grating,
  • the distortion is detected by detecting an amount of reflected light that changes in accordance with the attenuation region that changes due to distortion generated in the fiber 'Bragg' grating.
  • the reflection wavelength band refers to the range in which a certain level of reflection is obtained, which spreads on both sides of the center wavelength where the reflection is greatest, for example, a band in which reflection of 15 dB or more is obtained, and a band in which reflection of 20 dB or more is obtained. Is defined as follows.
  • an output wavelength of the light source is on a shorter wavelength side than the center wavelength.
  • the output of the light source may be such that the logarithmic conversion value of the reflected light amount is approximately linear with respect to the distortion amount generated in the Fino Bragg grating. It is preferable to set the wavelength.
  • a logarithmic conversion value of the amount of light reflected from the FBG and a distortion generated in the FBG is linear.
  • the output wavelength of the light source is set so that the relationship between the amount of reflected light and the fiber Bragg grating becomes linear.
  • the amount of light reflected from the FBG is approximately linear with respect to the amount of distortion generated in the FBG. Is more preferable.
  • a first FBG strain sensing device includes an optical splitter that splits output light of the light source into a plurality of light beams, and the fiber “Bragg” grating is connected to an output port of the splitter. Ttere, teyore, Further, the first FBG strain sensing apparatus according to the present invention is arranged such that the same number of the fiber 'Bragg' dampings as the number of the light sources are provided, and the light sources output lights of different wavelengths from each other. ⁇ The Bragg's grating may reflect one of the different wavelengths of light output by the light source.
  • the first FBG strain sensing device further includes a multiplexer / demultiplexer having a plurality of first input / output terminals and a second input / output terminal, wherein the light sources are connected to the first input / output terminals, respectively.
  • the fiber 'Bragg' grating may be connected in series to the second input / output terminal.
  • the first FBG strain sensing device further includes a first multiplexer / demultiplexer and a second multiplexer / demultiplexer each having a plurality of first input / output terminals and second input / output terminals, and the light source is provided.
  • the fiber 'Bragg' grating is connected to the first input / output terminal of the first multiplexer / demultiplexer, respectively, and the fiber 'Bragg' grating is connected to the first input / output terminal of the second multiplexer / demultiplexer, respectively.
  • the second input / output terminal of the second multiplexer / demultiplexer may be connected to the second input / output terminal of the second multiplexer / demultiplexer.
  • At least one of the fiber 'Bragg' gratings is installed as a reference fiber 'Bragg' grating in an environment which does not affect strain and temperature, and is provided with a reference fiber 'Bragg' grating. Based on the amount of reflected light from the grating, it is possible to detect the amount of change in the amount of reflected light from other Fino Bragg gratings.
  • the first FBG strain sensing device further includes light source output control means for controlling the output of the light source, wherein at least one of the fiber 'Bragg' gratings is used as a reference fiber 'Bragg' grating to provide strain and strain.
  • the light source output control means controls the output of the light source corresponding to the reference fiber 'Bragg' grating so that the amount of light reflected by the reference fiber 'Bragg' grating is constant in an environment where the temperature is not affected.
  • a control signal may be generated, and all of the plurality of light sources may be controlled based on the control signal.
  • the light source is a kinecoherent light source.
  • the second FBG strain sensing device provides a pair of fiber "Bragg" gratings in which the reflection wavelength band of incident light shifts due to temperature change and strain, respectively. And a light source.
  • One of the pair of fiber 'Bragg' gratings is installed so as to receive temperature change and strain simultaneously, and the other is installed so as to receive only the above temperature change.
  • the amount of distortion generated in one of the fiber 'Bragg' gratings is detected based on the bandwidth of the combined reflection statra in which the reflected waves from the 'Bragg' grating are combined.
  • the first FBG sensing device uses the light of a fixed output wavelength output from the light source to change due to the distortion generated in the Fino Bragg grating. Since the distortion is detected by detecting the amount of reflected light that changes in accordance with the attenuation range, there is no need to provide a drive unit in the light source or wavelength measurement unit, so high-speed operation such as vibration measurement with high reliability is possible. Suitable for measurement, remote measurement is possible. Further, according to the present invention, it is possible to provide an FBG sensing device capable of constructing a system with low manufacturing cost and simple data processing.
  • the second FBG sensing device is arranged such that one of the pair of Fino Bragg gratings is installed so as to receive a temperature change and a strain at the same time, and the other is only the temperature change. And the amount of distortion generated in one of the fiber 'Bragg' gratings based on the bandwidth of the combined reflection spectrum in which the reflected waves from the pair of Fino 'Bragg' gratings are combined. Because only the strain can be measured without being affected by the temperature change.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an FBG sensing device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a reflection spectrum of an FBG that changes according to a distortion amount.
  • Garden 3 is a diagram showing the reflection loss with respect to the distortion in the FBG, and shows the case where the output wavelength of the light source is 11, 12, ⁇ 3, ⁇ 4.
  • FIG. 4 is a diagram showing a relationship between FBG distortion and reflection loss in the FBG sensing device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of an FBG sensing device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of an FBG sensing device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram showing an example of a configuration of a conventional FBG sensing device.
  • FIG. 10A is a block diagram showing another example of the configuration of the conventional FBG sensing device.
  • FIG. 10B is a diagram showing transmission characteristics of a filter in the conventional FBG sensing device shown in FIG. 10A.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of an FBG sensing device according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing a reflection spectrum at 25 ° C. of two huino Bragg's dartings in the FBG sensing device of the seventh embodiment.
  • FIG. 13 In the FBG sensing device of the seventh embodiment, a reflection spectrum obtained by multiplexing the reflected waves from two fibers “Bragg.Grating”. The amount of each distortion is shown.
  • 15 is a diagram showing the relationship between the temperature and the half width in the FBG sensing device of the seventh embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram schematically showing a fiber Bragg grating.
  • FIG. 17 is a block diagram showing a configuration of a conventional FBG sensing device.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of the FBG sensing device according to the first embodiment.
  • the FBG sensing device of the first embodiment includes a light source 1, a light receiver 4, an optical splitter 2, an FBG 3, and an optical fiber 8, and the components are connected by an optical fiber.
  • the optical splitter 2 may be a two-branch force bra or an optical circulator.
  • the light source 1, the light receiver 4, and the light splitter 2 may be constituted by an optically coupled integrated module.
  • the length of the optical fiber 8 can be set arbitrarily according to the measurement distance to which it is not limited, and may be within lm or 10 km or more.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a change in the reflection spectrum of the FBG 3 according to the amount of distortion.
  • the reflection wavelength band is defined as a range of about 0.8 nm in which reflection of -15 dB or more is obtained.
  • the reflection wavelength band includes an attenuation region on both sides of the center wavelength where the amount of reflection attenuates as the distance from the center wavelength increases.
  • the amount of distortion here is generated by extending FBG3.
  • the amount of shift in the reflection wavelength of FBG3 due to distortion changes linearly with the amount of distortion, and as the amount of distortion increases, it shifts (shifts) to longer wavelengths while keeping the shape of the reflection spectrum almost constant. .
  • the reflection characteristic indicated by the symbol R0 is the reflection characteristic in the state of zero distortion.
  • FBG FBG
  • a wavelength displacement of 1.2 pm occurs for a strain of 1 ⁇ .
  • the reflection characteristic indicated by the sign of R1 is the distortion characteristic at 100 ⁇
  • the reflection characteristic indicated by the sign of R2 is the distortion characteristic.
  • the reflection characteristic at 200 ⁇ and the reflection characteristic indicated by the reference sign of R2 are the reflection characteristics at 300 ⁇ distortion.
  • the light output from the light source 1 passes through the optical splitter 2 and the optical fiber 8, and reaches the FBG 3.
  • FBG3 light of a specific wavelength is reflected at a specific intensity determined by the reflection characteristics of the FBG. For example, if the wavelength of the light source 1 is 1556 ⁇ 7 nm (the wavelength indicated by ⁇ 2 in Fig. 2), the amount of distortion of the FBG3 is S0 / i ⁇ , and the return loss is OdB. The force of the FBG3 is 100 / i ⁇ When the distortion of the FBG3 increases, the reflection wavelength band of FBG3 shifts (the characteristic is indicated by the sign of R1 in Fig.
  • the reflection loss changes to -5dB.
  • the intensity of the reflected light changes according to the amount of distortion.
  • the reflected light passes through the optical fiber 8, is branched by the optical splitter 2, reaches the light receiver 4, and is converted into an electric signal having an intensity corresponding to the amount of reflected light at the light receiver 4. In this way, the displacement of the reflected light amount can be detected based on the converted electric signal, and the amount of distortion exerted on FBG3 can be detected.
  • the amount of distortion applied to the FBG 3 is measured by the displacement of the amount of reflected light, and thus has the following advantages.
  • the FBG sensing device of the first embodiment does not need to use a complicated wavelength detector as a light receiver, so that the configuration is simple and the data obtained in the light receiver 4 is also simple. . Therefore, according to the first embodiment, a high-speed and highly reliable measurement method can be proposed.
  • the light source 1 is desirably a light source having a narrow wavelength spectrum.
  • the full width at half maximum (13 dB) of FBG3 is about 0.2 nm.
  • the center wavelength shifts according to the amount of distortion, but the reflectance at the center wavelength and the deformation of the spectrum curve are not observed.
  • the spectrum of light source 1 has an extremely wide wavelength band. Assuming that the line spectrum is narrow and 156.6 nm, the reflection loss at each distortion amount is shown in FIG. 2 as the position of the intersection of the wavelength ⁇ 3 with the dotted line and the reflection loss spectrum at each distortion amount. . On the other hand, it can be easily predicted from Fig.
  • the spectrum of the light source 1 be sufficiently narrower than the reflection wavelength band of the FBG3 in order to perform more accurate measurement.
  • a narrow-band light source that easily obtains high output is suitable, and transmission loss due to the optical fiber 8 can be sufficiently compensated for, and is also suitable for long-distance measurement.
  • the reflection wavelength band of FBG3 it is clear that using a broader full width at half maximum reduces the reflection loss and is suitable for longer distance measurement.
  • the DFB laser used as the light source for optical communication has a full width at half maximum of the output wavelength of lpm or less, which is a sufficiently narrow band, and is suitable for the present invention.
  • the output of the DFB laser is more than 15 dB higher than that of a high-output broadband light source (ASE light source), which is as high as 5 dBm or more.
  • ASE light source a high-output broadband light source
  • the light source 1 can arbitrarily select an output wavelength.
  • the reflection wavelength of the FBG3 and the output wavelength of the light source are set so that the measurement sensitivity of the distortion is high.
  • the manufacturing variation of the reflection wavelength of the FBG3 is about 0.5 nm, and the output wavelength of the light source 1 is small. If fixed, the relationship between the reflected wavelength of FBG3 and the output wavelength of the light source may deviate from the desired range.
  • the above-mentioned DFB laser can adjust the output wavelength by about 1 nm by controlling the temperature of the laser, which is also desirable as the light source of the present invention.
  • the output wavelength of the light source 1 be set to a shorter wavelength range than the reflection peak wavelength when no distortion force is applied to the FBG3.
  • the output wavelength of the light source 1 is 156.8 nm, which is a longer wavelength region than the reflection peak wavelength when there is no distortion of the FBG3, when there is no distortion (FIG.
  • the reflection loss is almost the same when R0 at ⁇ and when there is distortion (R1 at 100 ⁇ in Fig. 2), and the amount of distortion cannot be measured.
  • the output wavelength of light source 1 is shorter than the reflection peak wavelength of FBG3 when there is no distortion, the reflection loss is uniquely determined with respect to the amount of distortion, and the problem that the amount of distortion cannot be measured arises. Absent.
  • the amount of strain in FIG. 2 is shown by the strain of elongation, the strain due to shrinkage only needs to be in a wavelength range shorter than the reflection peak wavelength when the output wavelength of the light source 1 shrinks to the maximum in the FBG3.
  • FIG. 3 shows the return loss with respect to the amount of distortion in the FBG 3, and shows the output wavelengths of four different light sources 1.
  • ⁇ ⁇ to ⁇ 4 correspond to the wavelengths indicated by ⁇ 1 to 14 in FIG. 2, respectively.
  • ⁇ 1 is the force that is the reflection peak wavelength of FBG3 when there is no distortion.At ⁇ 2, a wavelength slightly shorter than this wavelength, the logarithmic conversion value of the amount of distortion and the return loss is approximately linear. become.
  • a log amplifier electric amplifier that performs logarithmic conversion
  • the amount of distortion is linearly expressed with respect to the amount of electricity, and an extremely simple measuring device can be configured.
  • a simpler system can be proposed by adjusting the output wavelength of the light source 1 so that the logarithmic conversion value of the reflected light amount from the FBG 3 is approximately linear with the distortion amount.
  • the system can be further improved.
  • the configuration can be simplified. That is, it is sufficient that the wavelength of the reflection spectrum of FBG3 and the reflection loss (logarithmic conversion value) show a linear relationship in FIG.
  • the configuration of the system can be simplified.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of an FBG sensing device according to a second embodiment of the present invention. It is composed of a light source 11, a light receiver 14, optical splitters 12, 15, an FBG 13, and an optical fiber 18, and each component is connected by an optical fiber.
  • the optical splitter 12 may be a two-branch power bra or an optical circuit illuminator.
  • the light output from the light source 11 is split by the optical splitter 15 and enters the optical splitter 12, respectively.
  • the light quantity is reduced to about 1/2 (-3 dB).
  • the amount of light when four branches are reduced to 1Z4 (-6 dB).
  • the DFB laser which is a general narrow-band light source, has a sufficiently large output and the light intensity decreases. Also, a higher output can be obtained than a broadband light source, which is suitable for long-distance measurement.
  • the light After being split by the optical splitter 15, the light passes through the optical splitter 12 and the optical fiber 18 as in the first embodiment and reaches the FBG 13. Then, light of a specific wavelength is reflected by the FBG 13. As described in the first embodiment, the reflection loss of the FBG 13 changes in accordance with the amount of distortion.
  • the reflected light passes through the optical fiber 18 and is incident on the optical receiver 14 by the optical splitter 12.
  • the light receiver 14 linearly converts the displacement of the reflected light amount into an electric signal, and detects the amount of distortion applied to the FBG 13.
  • the power described in the example in which the output of the light source 11 is split into two is not limited to this.
  • the present invention is not limited to this, and the output of the light source 11 may be split into three or more. Good. By branching the output of the light source 11 in this way, it is possible to detect the distortion amounts at a plurality of locations with one light source.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of an FBG sensing device according to a third embodiment of the present invention.
  • the FBG sensing device according to the third embodiment includes light sources 21a and 21b, a light receiver 24, an optical splitter 22, FBGs 23a and 23b, an optical wavelength multiplexer / demultiplexer 26, and an optical fiber 28.
  • the components are connected by optical fibers.
  • the optical splitter 22 may be a two-branch power bra or an optical circulator.
  • the light source 21, the light receiver 25, and the optical splitter 22 may be configured as an integrated module that is optically coupled.
  • the lights output from the light sources 21a and 21b pass through the optical splitter 22, enter the optical wavelength multiplexer / demultiplexer 26, and combine there. Is done.
  • the light sources 21a and 21b output light having different wavelengths, and the output wavelengths of the light sources 21a and 2 lb are adjusted to be within the reflection wavelength bands of the FBGs 23a and 23b, respectively.
  • the light multiplexed by the optical wavelength multiplexer / demultiplexer 26 passes through the optical fiber 28, reaches the FBGs 23a and 23b, and is reflected. Since the FBGs 23a and 23b transmit light outside the reflection wavelength band, they are not affected by each other.
  • the reflection loss changes according to the amount of distortion.
  • the lights reflected by the FBGs 23a and 23b pass through the optical fiber 28, enter the wavelength multiplexer / demultiplexer 26, are demultiplexed by the wavelength multiplexer / demultiplexer 26, and The light reaches the respective light receivers 24 via the optical splitters 22 and is converted into electric signals.
  • the amount of light reflected from the FBGs 23a and 23b is detected based on the converted electric signal, and the amount of distortion in the FBGs 23a and 23b is detected.
  • the optical wavelength multiplexer / demultiplexer 26 is used, a single optical fiber 28 can detect a plurality of distortion amounts.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration of an FBG sensing device according to a fourth embodiment of the present invention. It is composed of light sources 31a and 31b, two light receivers 34, two optical splitters 32, FBGs 33a and 33b, and optical wavelength multiplexer / demultiplexers 36 and 37, and each component is connected by an optical fiber.
  • the optical splitter 32 may be a two-branch power bra or an optical circulator.
  • the lights output from the light sources 31a and 31b pass through the optical splitter 32, enter the optical wavelength multiplexer / demultiplexer 36, and are multiplexed by the optical wavelength multiplexer / demultiplexer 36.
  • Each of the light sources 31a and 31b outputs light of a different wavelength, and is adjusted to be within the reflection wavelength band of each of the FBGs 33a and 33b.
  • the multiplexed light passes through the optical fiber 38, is demultiplexed by the optical wavelength multiplexer / demultiplexer 37, reaches the FBGs 33a and 33b, respectively, and is reflected.
  • the reflection loss of each of the FBG33s 33a and 33b is displaced in accordance with the amount of distortion.
  • the reflected light is multiplexed by an optical wavelength multiplexer / demultiplexer 37, passes through an optical fiber 38, is demultiplexed by a wavelength multiplexer / demultiplexer 36, passes through the respective optical splitters 32, and is The light reaches the light receiver 34 and is converted into an electric signal.
  • the amount of distortion in the FBGs 33a and 33b is detected from the amount of received light converted into an electric signal.
  • the optical wavelength multiplexer / demultiplexers 36 and 37 are used, a plurality of distortion amounts can be detected by one optical fiber 38.
  • one FBG 23a is installed at a position where it is not subjected to distortion, and is affected by temperature.
  • the temperature is controlled by a Peltier element or a heater. Temperature control by these methods is a method that does not require power supply, which requires electric power supply by electrical control.As a method of mounting on an invar with a negative linear thermal expansion coefficient and giving shrinkage to the FBG, the temperature characteristics can be reduced. You can adopt a method to cancel.
  • light output from the light sources 21 a and 21 b passes through the optical splitter 22 and is transmitted to the optical wavelength multiplexer / demultiplexer 26. It is incident and multiplexed there.
  • Each of the light sources 21a and 21b is configured to output light of a different wavelength.
  • the output wavelength of one light source 21a is within the reflection wavelength band of the FBG23a
  • the output wavelength of the other light source 21b is the reflection wavelength of the FBG23b. It is tuned to a wavelength within the wavelength band.
  • the light multiplexed by the optical wavelength multiplexer / demultiplexer 26 passes through the optical fiber 28, reaches the FBG 23a and 23b, respectively, and is reflected.
  • the FBG23 transmits light outside the reflection wavelength band, and is not affected by each other.
  • the reflection loss of the FBG23b is displaced according to the amount of distortion, but the reflection loss does not change because the FBG23a is installed so as not to receive distortion.
  • the reflected light passes through an optical fiber 28, is split by a wavelength multiplexer / demultiplexer 26, is split by each optical splitter 22, reaches a light receiver 24, and is converted into an electric signal. In this way, the amount of distortion in the FBGs 23a and 23b is detected based on the electric signal corresponding to the amount of reflected light.
  • the amount of reflected light that enters the light receiver 24 from the FBG 23b changes, and the amount of distortion of the FBG 23b cannot be accurately detected.
  • the change in the amount of reflected light due to the transmission loss of the optical fiber 28 of the FBG23a and the FBG23b is the same. Can be accurately detected.
  • the amount of strain can be accurately detected regardless of the load applied to the optical fiber 18.
  • FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the FBG sensing device of the sixth embodiment.
  • This FBG sensing device is different from the FBG sensing device of FIG. 6 in that the light source is such that the amount of light received by the light receiving unit 44a is always constant.
  • the configuration is the same as that of the fourth embodiment except that a light source output control circuit 49 for controlling the output of the light source is connected to the light sources 41a and 41b.
  • the FBG 43a is installed at a position where it is not subject to distortion, as in the fifth embodiment, and is controlled so as not to be affected by temperature. .
  • the light output from the light sources 41a and 41b passes through the optical splitter 42, is input to the optical wavelength multiplexer / demultiplexer 46, and is multiplexed there.
  • Each of the light sources 41a and 41b is configured to output light of a different wavelength from each other.
  • the output wavelength of the light source 41b is within the reflection wavelength band of the FBG 43a, and the output wavelength of the light source 41b is the reflection wavelength of the FBG 43b. Adjusted to be in band.
  • the light multiplexed by the optical wavelength multiplexer / demultiplexer 46 passes through the optical fiber 48, reaches the FBGs 43a and 43b, and is reflected.
  • each FBG 43 transmits light outside the reflection wavelength band, light within the reflection wavelength band of the FBG 43b is transmitted without being affected by the FBG 43a.
  • the FBG 43b is a force in which the reflection loss is displaced in accordance with the amount of distortion.
  • the FBG 43a is installed so as not to receive the distortion, so that the reflection loss does not change.
  • the light reflected by the FBGs 43a and 43b passes through the optical fiber 48, enters the wavelength multiplexer / demultiplexer 46, and is demultiplexed there.
  • the light demultiplexed by the wavelength multiplexer / demultiplexer 46 passes through the optical splitter 42 and reaches the photodetector 44, where it is converted into an electric signal.
  • the amount of distortion in the FBGs 43a and 43b can be detected and lost based on the electric signal converted so as to correspond to the amount of reflected light.
  • the amount of reflected light from the FBG 43a received by the photodetector 44a The output of the light source 41a is controlled by the light source output control circuit 49 so that the output of the light source 41b is controlled at the same time, and the amount of light reflected from the FBG 43a is always constant by controlling the output of the light source 41b, and the light source 41b is simultaneously controlled. Therefore, the amount of distortion of the FBG 43b can be accurately detected.
  • the light sources 41a and 41b are DFB lasers
  • the output of the light source shows a substantially proportional relationship with the laser current. Therefore, the variation (ratio) of the laser current generated in the light source 41a may be given to the light source 42b.
  • the FBG43a is installed without affecting the amount of distortion (and temperature), and the light sources 41a and 41b are controlled so that the reflected light amount of the FBG43a force is constant, whereby the light is applied to the optical fiber 18.
  • the distortion amount can be accurately detected regardless of the load.
  • Fig. 8 is a diagram in which the control function of the light source is added to Fig. 6. Similarly, even in the configuration in which the control function of the light source is added to Fig. 7, the amount of distortion is accurately detected regardless of the load applied to the optical fiber 18. I can know.
  • a DFB laser As a light source in the above embodiment, a DFB laser is used as an example. However, if a laser with a low coherency such as a ring laser using an EDF is used, a stable output can be obtained due to the influence of temperature fluctuation of the optical fiber.
  • the FBG sensing device of the seventh embodiment uses a broadband light source, and uses two or more FBGs to measure distortion based on the bandwidth of the combined spectrum of the reflected waves. This is different from the previously described embodiment.
  • a distortion from which the influence of a temperature change has been removed can be obtained only by measuring the bandwidth of the combined spectrum.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of the FBG sensing device according to the seventh embodiment.
  • the FBG sensing device of the seventh embodiment includes a broadband light source 51, a wavelength detector 54, an optical splitter 52, an FBG 53a, an FBG 53b, and an optical fiber 58, and each component is connected by an optical fiber. .
  • the FBG sensing device of the seventh embodiment is configured so that one of the two fibers 'Bragg' gratings 53a and 53b, It is installed to receive both change and distortion at the same time, and the other Fino ⁇ Bragg 'grating 53a is installed to receive only temperature change, based on the bandwidth of the combined reflection spectrum in which the reflected waves are combined. It is characterized by detecting the amount of distortion generated in the Fino Ku 'Bragg' grating 53b.
  • Bragg. Grating 5 3b is a reflection spectrum of the substantially equal waveband range It is desirable that the reflection spectrum, which is preferable to be shared, shares more parts.
  • the optical splitter 52 may be a two-branch power bra or an optical circulator.
  • the fiber 'Bragg' grating 53b generates strain by pulling both ends, and is fixed to a solid having the same linear thermal expansion coefficient as the fiber 'Bragg' grating 53b.
  • Fiber 'Bragg' linear thermal expansion of the grating 53b is small Invar etc. good linear thermal expansion similarly as a solid to small fixture secured and 10- 6 or less.
  • the amount of distortion is not directly measured, but the amount of distortion is converted from the amount of wavelength shift.
  • the amount of strain of the fiber 'Bragg grating 53b' varies linearly with the shift amount of the reflection wavelength of the fiber 'Bragg grating 53b, and a wavelength displacement of 0.0012 nm may occur for 1 ⁇ s of strain. It is known, and the distortion amount is measured using this relationship.
  • the 'Bragg' rating 53a should not be fixed at both ends.
  • the light output from the broadband light source 51 passes through the optical splitter 52 and the optical fiber 58, and the fiber “Bragg” grating 53a Reach Then, light of a specific wavelength is reflected by the fiber 'Bragg' grating 53a.
  • Light having a wavelength other than the specific wavelength passes through the fiber 'Bragg' grating 53a and reaches the fiber 'Bragg' grating 53b, where the light of a different specific wavelength that has been changed due to distortion is changed by the fiber Bragg grating 53b. It is reflected.
  • the light reflected by the Fino-ku 'Bragg' grating 53b is transmitted through the fiber 'Bragg' grating 53a, is multiplexed with the light reflected by the Fino-ku 'Bragg' grating 53a, and is transmitted through the optical fiber 58.
  • a wavelength detector 54 is reached via 52. Then, the wavelength detector 54 is connected to the fiber 'Bragg' The combined light with a rating of 53b is detected.
  • FIG. 12 is a diagram showing reflection spectra (no distortion, state) of each of the fiber 'Bragg' gratings 53a and 53b at 25 ° C.
  • the Brain gratings 53a and 53b both have a central wavelength near 1553.9 nm, have a reflection wavelength band with a half width of about 0.2 nm, and share almost all bands. You can see that it is doing. It is clear that the more shared areas, the higher the wavelength utilization efficiency.
  • FIG. 13 shows a reflection stratum in which the reflected wave from the Fino-ku 'Bragg' grating 53a and the reflection wave from the Fino-ku 'Bragg' grating 53b are combined in the configuration of the seventh embodiment.
  • the combined reflection spectrum when the amount of distortion applied to the 'Bragg' grating 53b is changed is also shown.
  • the fiber 'Bragg grating 53a is not affected by the distortion, and only the reflected light of the strained fiber' Bragg 'grating 53b is wavelength-shifted due to the distortion. It is considered that the spread of the wavelength band is related to the amount of distortion.
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the amount of distortion and the wavelength band (half-width) of the combined reflection spectrum.
  • the solid line is an actually measured value, which indicates that it can be approximated by a straight line indicated by a dotted line.
  • the half-width of the combined reflected spectrum of the Finno 'Bragg gratings 53a and 53b is almost proportional to the amount of distortion.
  • FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the temperature and the half-width of the combined reflection spectrum when the amount of strain applied to the fiber 'Bragg' grating 53b is kept constant.
  • the half-value width is confirmed to fluctuate by 0.05 nm due to a temperature change from 0 ° C to 50 ° C. This is due to the temperature characteristics of a single fiber Bragg grating (approx. (Z ° C) when it changes by about 5 ° C, which is equivalent to about 1Z10. From FIG. 14, the fluctuation amount of 0.05 nm is about ⁇ 20 ⁇ in terms of the amount of strain, which is an error value in the strain measurement of several hundred ⁇ , which indicates that the temperature compensation can be performed in the present embodiment. It is confirmed.
  • a fiber 'Bragg' grating 53 having substantially equal reflection wavelength bands 53 a and finoku 'Bragg' grating 53b are used for strain measurement, the other is used for temperature compensation, and the temperature variation is measured by measuring the bandwidth of the combined reflected spectrum. It is possible to measure the amount of distortion that is not affected by.
  • the temperature-compensated strain can be measured in the reflection wavelength band of one fiber 'Bragg' grating, so that two different reflection wavelength bands in the related art can be used.
  • the wavelength utilization efficiency can be doubled from the conventional measurement method.
  • the Fino-ku "Bragg" gratings 53a and 53b have an example in which the reflection spectrum has a large ripple. It is thought that it is.
  • the use of fiber Bragg's gratings with improved ripple by apodization technology is expected to reduce the temperature fluctuation.
  • Light source 1 used a DFB laser commonly used in optical communication.
  • the maximum output is about 3mW and the output wavelength is around 1556nm.
  • the full width at half maximum of the wavelength spectrum is 1 pm. It also has a temperature control function. By setting the control temperature between 15 ° C and 35 ° C, the output wavelength peak can be adjusted by about 1 nm. In this experiment, it was adjusted to 1556.70 nm.
  • the photodetector 4 also used a pin photodiode generally used in optical communication.
  • the light receiving sensitivity is -50 dBm
  • the wavelength band is 100 nm-1600 nm, with flat characteristics.
  • the relationship between the amount of received light and the current is linear from -50 dBm to OdBm.
  • a circulator having a transmission loss of about 0.5 dB and a wavelength characteristic of the transmission loss of less than 0.1 dB was used.
  • the FBG3 used had a reflectance of 95% or more, a full width at half maximum of reflection spectrum of 0.25 nm or less, and a reflection peak wavelength of 1556.72 nm.
  • FIG. 4 shows the results of this example.
  • FBG23a or FBG33a the same as FBG3 was used.
  • FBG23b or FBG33b the one with a reflection peak wavelength of 1533.52 nm was used.
  • a multiplexer / demultiplexer that multiplexes / demultiplexes light at a wavelength of 1545 nm or more and 1545 nm or less was used.
  • the transmission characteristics in each wavelength range are less than 0.1 dB at 20 nm.
  • the following FBG sensing device according to a seventh embodiment of the present invention was manufactured.
  • the broadband light source 51 an ASE light source that outputs light of ⁇ 10 dBm / nm or more in a band from 1530 nm to 1560 nm was used.
  • the wavelength detector 54 an optical spectrum analyzer generally used in optical communication was used.
  • a circulator having a transmission loss of about 0.5 dB and a wavelength characteristic of the transmission loss of less than 0.1 dB was used.
  • the fiber 'Bragg' gratings 53a and 53b had a reflectance of 95% or more, a full width at half maximum of reflection spectrum of 0.25 nm or less, and a reflection peak wavelength at 25 ° C of 1553.9 nm.
  • the transmission loss at wavelengths other than the reflection wavelength is about 0.1 dB.
  • the fiber 'Bragg' grating 53b was given a strain of 200 ⁇ ⁇ , and the fiber 'Bragg' gratings 53a and 53b were both placed in a constant temperature sodium bicarbonate, and the fiber 'Bragg' grating 53a at 0 ° C to 50 ° C was used. The half width of the combined reflected light of 53b was confirmed. As a result, it was confirmed that the temperature characteristics were almost the same as those in FIG. The error of the distortion amount is about ⁇ 10% based on 25 ° C. Similarly, different strains were applied to the fiber 'Bragg' grating 53b, and it was confirmed that the same result was obtained.
  • an inexpensive FBG sensing device that is suitable for high-speed measurement such as vibration measurement, can perform remote measurement sufficiently far, is inexpensive, and has simple data processing.

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Abstract

　信頼性が高く、振動計測のような高速測定に適しており、遠隔計測が出来、安価で、かつデータ処理が感嘆なＦＢＧセンシング装置を提供するために、固定された出力波長の光を出力する１又は２以上の光源と、中心波長から離れるにしたがって反射量が減衰する減衰域を持った反射波長帯域を有し、光源から出力された光を反射する１又は２以上のファイバ・ブラッグ・グレーティングと、ファイバ・ブラッグ・グレーティングにそれぞれ対応して設けられ、対応するファイバ・ブラッグ・グレーティングで反射された光を受光する受光器とを備え、ファイバ・ブラッグ・グレーティングに生じた歪によって変移する減衰域に対応して変化する反射光量を検出して歪みを検出する。

Description

技術分野
[0001] 本発明は、光ファイバからなる FBGを用いて歪計測を行う FBGセンシング装置に 関するものである。
背景技術
[0002] 近年、高度成長期に建設された明多くの構造物の劣化が進み、構造物の健全度を評 価する方法について、政府を中心に研田究が活発に行われている。従来、構造物の歪 を計測する方法として、抵抗線ひずみゲージを用いた電気的な方法が主流であった 力 信頼性、落雷、電磁ノイズ等の問題があり、これら問題のない光ファイバによる計 測（センシング）が注目されている。また光ファイバは伝送損失が小さいため、遠隔監 視が可能であり注目されている。
[0003] この光ファイバセンシング分野においては、ファイバ'ブラッグ'グレーティング（FB G)が、広帯域光源や波長可変光源と組み合わせて、構造物の歪計測に用いられて いる。
FBGは、図 16に示すように、光ファイバのコア 103cの屈折率を一定の間隔 Dで変 化させたものであり、光ファイバに入射した光は、間隔 Dとコア 103cの屈折率で決ま る波長の光を反射し、それ以外の波長は透過する。このため、反射波長は、 FBG10 3に架力る歪による間隔 Dの変化や、温度による屈折率の変化で変位する。通常、 F BG103の温度特性は、約 0. 01nm/°Cであり、歪特性は約 0. 0012ηπι/ μ εで ある。この特性を利用し温度計測や歪計測に使用される。
[0004] すなわち、 FBGに応力が加わり延び縮みする（FBGが歪む）と、グレーティング間 隔が変移し FBGの反射波長が変化する。この FBGを構造物の測定個所に取り付け 、広帯域光源や波長可変光源の光を入射し、反射波長を測定することで FBGの歪 み、すなわち構造物の歪みが計測できる。また、高速に測定することで構造物の振 動も測定でき、地震計としても応用される。
[0005] 例えば、 FBGの反射波長を測定する方法として、特許文献 1では光源に広帯域光 源を用い、フアブリペローフィルタ（以下 FPフィルタと示す。）を用いた方法が提案さ れている。
図 9は特許文献 1に示された構成の概略を示す図である。
広帯域光源 101から導出された光は光分岐器 102と光ファイバ 108を透過し、 FB G103に達する。この FBG103では特定波長の光が反射されて、その反射光は、光 ファイバ 108、光分岐器 102及び FPフィルタ 104を透過して、受光器 105に到達す る。到達した光りは、受光器 105において電流に変換される。
[0006] FPフィルタ 104はエタロン板を用いた干渉器であり、 2枚の平行に向き合うエタロン 板の間隔を圧電素子により駆動させ、干渉距離を操作する。 FPフィルタを透過する 光は干渉距離によって決まる特定波長の光である。干渉距離を任意の長さに変化さ せることで広帯域光源 101から出力される全ての波長帯域の反射光を検知できる。 圧電素子は電圧により駆動距離が決まるため駆動電圧に対し、波長を設定すること ができる。駆動電圧に対応した受光器 105の光量を検出することで FBG103からの 反射スペクトラムを検知し、反射ピーク波長を特定することができる。
[0007] また、特許文献 2においては FPフィルタを光源に用いて、波長可変光源とした FB Gセンシング装置が提案されている。この装置は、 FPフィルタの駆動電圧に対応した 受光量により、 FBGからの反射スペクトラムを検知し、反射ピーク波長を特定するとい うものである。
こうした FPフィルタを用いた装置は、 FPフィルタを駆動するための駆動部が必要と なり、信頼性に問題が生じる。また、測定領域のスペクトラムに応じた全ての波長の光 量を検知する必要があるため、データ数は膨大になり、高精度な演算処理機が必要 になる。こうした演算処理機を使用することは信頼性が劣る要因となる。また、 FPフィ ルタは波長揷引周波数が 10Hzから 100Hz程度である。非特許文献 1によれば波長 計測の応答速度は、地震時の振動計測を想定すると 100— 200Hzが求められてい る。このため FPフィルタを用いた装置は振動計測に適さない。
[0008] 特許文献 3においては波長計測部に駆動部を持たない 2つ狭帯域フィルタを用い ることが提案されている。
図 10Aは、特許文献 3に示された FBGセンシング装置における波長計測部につい て示している。
広帯域光源 201、光を分岐する 2 X 2カプラ 202、歪みセンサーである FBG203、 光を分岐する 2 X 2力ブラ 207、波長依存性を持つ狭帯域フィルタ 204、受光器 205 および光ファイバ 208で構成されている。
広帯域光源 201から出力された光は 2 X 2カプラ 202を経由し、光ファイバ 208を透 過し、 FBG203に導力れる。 FBG203では特定の波長が反射され、光ファイバ 208 を透過し、 2 X 2カプラ 202に戻り、分岐され 2 X 2カプラ 207に導かれてさらに Aと B の 2つに分岐されて狭帯域フィルタ 204を通過し受光器 205で電気信号に変換され る。
[0009] 狭帯域フィルタ 204は図 10Bに示すような波長依存性を持ち、 FBG203の反射波 長を検出することが出来る。
これらの装置では、一般に広帯域光源には SLD (スーパー 'ルミネッセンス 'ダイォ ード）光源や ASE (Amplified Sponteneous Emisson)光源が用いられる。
ASE光源はエルビウムの添加された光ファイバに特定波長の励起光を入射するこ とで、広帯域かつ高出力の自然放出光を発生させる。およそ SLD光源の 100倍（20 dB向上）の出力が得られる。より高出力な光源を使用することで、光源に対する測定 箇所 (FBG)をより遠隔地に配置することを可能となる。
[0010] 光ファイバの伝送損失が小さいことは既に述べた力 その損失量はおよそ 0. 25dB
Zkmである。光源の出力が 100倍、すなわち 20dB向上すれば、遠隔計測が可能な 距離はおよそ 40km (往復で 80km： 80km X 0. 25dB/km= 20dB)延ばすことが できる。
し力 ながら、 ASE光源の出力は一 lOdBmZnm程度と十分に大きい値ではない。 図 10Aに示す構成においては、狭帯域フィルタ 204が図 10Bに示すような波長依存 性を持っため、受光器 205には減衰した光が入力される。一般的に狭帯域フィルタ 2 04での減衰量は最大（図 10Bのスペクトラムの裾部）で 20dB程度である。受光器 20 5の最小受光感度は _50dBm程度であるため、光源の出力と狭帯域フィルタ 204の 減衰量を考えると、光ファイバの伝送損失による許容範囲は 20dB程度し力ない。他 の部品の損失や、システムのマージンを考えると更に許容範囲は小さくなる。つまり 十分に遠隔距離をとる測定が出来ない。
[0011] また、歪計測を行う場合、歪特性だけでなぐ温度特性も考慮する必要があり、歪変 化による反射波長の変位分を温度変化の反射波長変位分力 差し引く必要がある。 このため歪計測を行う場合は 2個の異なる反射波長帯域を有する FBGを用いる必要 力 sある。
非特許文献 2は広帯域光源を用い、複数の異なる反射波長帯域を有する FBGを 一本の光ファイバで行う FBGセンシング装置について述べられている。
図 17は非特許文献 2に述べる FBGセンシング装置の構成を示す図である。 広帯域光源 101から導出され光は光分岐器 102を透過し、光ファイバ 108を透過し 、 FBG103に達する。 FBG103にて複数の異なる波長の光が反射され、光ファイバ 1 08を透過し、光分岐器 102を透過し、波長検出器 1 10に到達し、反射波長を検出す る。
このように広帯域光源 101を用いることで一本の光ファイバに、複数の異なる反射 波長をもつ FBGを備えられ、複数の歪、温度量を同時に計測することが可能である。
[0012] —般に広帯域光源には SLD (Super Luminecent Diode)光源や ASE (Ampli fied Sponteneous Emission)光源が用いられる力 それらの波長帯域は 30nmか ら 50nm程度である。
ここで広帯域光源 101の帯域に対する FBGの数量について説明する。
1個の FBG103の使用帯域は、先に述べたように温度特性が約 0. 01nm/°C、歪 特性は約 0. 0012ηπι/ μ εであるため、例えば 0°Cから 50。Cまで温度領域で ± 10 00 μ εの歪量を計測する場合、 0. 01nm X 50°C + 0. 0012nm X 2000 x ε = 2. 9nm必要となる。更に FBG103の反射波長帯域は半値幅で 0. 2nm程度であり、こ れを考慮すると 1個の FBG103の使用帯域は 3. lnm程度必要となる。一般的には マージンを考慮して、一個の FBGに対して 4nm以上の帯域が使用される。以上によ り異なる反射波長帯域の FBG103の数量は 10個程度になる。
[0013] 歪計測を行う場合、先に述べたとおり歪計測用と温度補償用の 2個の FBG103が 必要となり、歪計測数は 5点となる。歪計測に求められる点数は 10点以下のものもあ るが、数十点以上の規模もあり、十分な点数ではない。 計測箇所を増やす手段として広帯域光源の帯域を増やすことが容易に考えられ、 既に lOOnm程度の帯域をもつ光源も市販されている力 FBG103の種類が増える ため積極的には利用されていない。現在は光ファイバの本数を増やすことで対処さ れてレ、るのが一般的である。
[0014] 特許文献 1 :特開 2003—21576号
特許文献 2：特表 2001— 511895号
特許文献 3 :特開 2000—223761号
非特許文献 1 :三田 彰、第 25回光波センシング技術研究会講演論文集、 2000年 6 月、 LST25-16, PP111— 116
非特許文献 2 :山下真司 他、ォプトロ二タス社光通信技術の最新資料集、光測定/ センサへの応用、 1995年 12月発行
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0015] 以上のように、従来技術では、光源や波長計測部に駆動部があり信頼性が低ぐ振 動計測のような高速測定に適さない問題があった。また、駆動部がなく高速測定に適 しているものでも光源出力が不十分で遠隔計測が十分に出来ないといった欠点があ つた。また波長可変光源や広帯域光源といった製造コストの高いものや、波長検出 部についても製造コストが高いものを使用しており、構造物歪計測分野の主流である 電気式と比較して、製造コストが非常に高くなる欠点があった。
そこで、本発明は、光源や波長計測部に駆動部がなく信頼性が高ぐ振動計測の ような高速測定に適しており、かつ光源出力が十分に大きぐ遠隔計測が十分に出 来、かつ製造コストが安価で、かつデータ処理が簡素なシステムの構築が可能な FB Gセンシング装置を提供することを第 1の目的とする。
また、以上の従来技術では、歪計測を行う場合、歪計測用 FBGと温度補償用 FBG を一組で使用する必要があり、波長帯域の利用効率が悪いといった欠点があった。 そこで、本発明は、で波長利用効率の高レ、 FBGセンシング装置を提供することを 第 2の目的とする。
課題を解決するための手段 [0016] 以上の目的を達成するために、本発明に係る第 1の FBG歪センシング装置は、固 定された出力波長の光を出力する 1又は 2以上の光源と、中心波長から離れるにした がって反射量が減衰する減衰域を持った反射波長帯域を有し、前記光源から出力さ れた光を反射する 1又は 2以上のフアイノ^ブラッグ'グレーティングと、前記ファイバ' ブラッグ'グレーティングにそれぞれ対応して設けられ、対応するファイバ'ブラッグ' グレーティングで反射された光を受光する受光器とを備え、
前記ファイバ'ブラッグ 'グレーティングに生じた歪によって変移する前記減衰域に 対応して変化する反射光量を検出して前記歪みを検出することを特徴とする。
ここで、反射波長帯域とは、反射が最も大きい中心波長の両側に広がる、一定以上 の反射が得られる範囲をいい、例えば、 15dB以上の反射が得られる帯域、 20dB 以上の反射が得られる帯域とレ、うように定義される。
[0017] 本発明に係る第 1の FBG歪センシング装置において、前記光源の出力波長は前 記中心波長より短波長側にあることが好ましい。
また、本発明に係る第 1の FBG歪センシング装置では、前記反射光量の対数換算 値が前記フアイノ^ブラッグ 'グレーティングに生じる歪量に対して近似的に線形とな るように、前記光源の出力波長を設定することが好ましい。
本発明に係る第 1の FBG歪センシング装置では、前記出力波長を含む一定の波 長域にある任意の波長の光に対して、前記 FBGからの反射光量の対数換算値と FB Gに生じる歪量の関係が線形であることがさらに好ましい。
[0018] また、本発明に係る第 1の FBG歪センシング装置において、前記反射光量と前記 ファイバ .ブラッグ ·グレーティングの関係が線形になるように、前記光源の出力波長 を設定することが好ましい。
上記 FBG歪センシング装置では、前記出力波長を含む一定の波長域にある任意 の波長の光に対して、前記 FBGからの反射光量が FBGに生じる歪量に対して、近 似的に線形であることがさらに好ましい。
[0019] 本発明に係る第 1の FBG歪センシング装置は、前記光源の出力光を複数に分岐 する光分岐器を備え、前記ファイバ'ブラッグ'グレーティングが前記分岐器の出力ポ ートに接続されてレ、てもよレ、。 また、本発明に係る第 1の FBG歪センシング装置は、前記ファイバ'ブラッグ 'ダレ 一ティングを前記光源の数と同じ数だけ設け、前記光源は互いに異なる波長の光を 出力するようにし、前記ファイバ ·ブラッグ 'グレーティングが前記光源が出力する前 記異なる波長の光のうちの 1つを反射するようにしてもよい。
[0020] 上記第 1の FBG歪センシング装置は、複数の第 1入出力端子と第 2入出力端子を 有する合分波器をさらに備え、前記光源が前記第 1入出力端子にそれぞれ接続され 、前記第 2入出力端子に、前記ファイバ 'ブラッグ'グレーティングが直列に接続され ていてもよい。
[0021] 上記第 1の FBG歪センシング装置は、それぞれ複数の第 1入出力端子と第 2入出 力端子を有する第 1合分波器と第 2合分波器とをさらに備え、前記光源が前記第 1合 分波器の第 1入出力端子にそれぞれ接続され、前記ファイバ'ブラッグ'グレーティン グが前記第 2合分波器の第 1入出力端子にそれぞれ接続され、第 1合分波器の第 2 入出力端子と第 2合分波器の第 2入出力端子とが接続されていてもよい。
[0022] 上記第 1の FBG歪センシング装置では、前記ファイバ'ブラッグ'グレーティングの 少なくとも 1つを基準ファイバ'ブラッグ'グレーティングとして歪および温度に影響の なレ、環境に設置し、基準ファイバ ·ブラッグ'グレーティングの反射光量を基準として、 他のフアイノ^ブラッグ ·グレーティングの反射光量の変化量を検出するようにできる。
[0023] 上記第 1の FBG歪センシング装置では、前記光源の出力を制御する光源出力制 御手段をさらに備え、前記ファイバ 'ブラッグ'グレーティングの少なくとも 1つを基準フ アイバ 'ブラッグ 'グレーティングとして歪および温度に影響のない環境に設置し、前 記光源出力制御手段が、基準ファイバ'ブラッグ'グレーティングによる反射光量が一 定になるように前記基準ファイバ'ブラッグ'グレーティングに対応する光源の出力を 制御する制御信号を発生して、その制御信号に基づレ、て前記複数の光源すベてを 制御するようにしてもよい。
[0024] さらに、第 1の FBGセンシング装置では、前記光源カインコヒーレントな光源である ことが好ましい。
[0025] 本発明に係る第 2の FBG歪センシング装置は、それぞれ温度変化や歪を受けるこ とで入射された光の反射波長帯域が変移する 1対のファイバ'ブラッグ'グレーティン グと光源とを備え、上記 1対のファイバ'ブラッグ'グレーティングの一方は温度変化と 歪を同時に受けるように設置し、他方は上記温度変化のみを受けるように設置し、上 記 1対のファイバ'ブラッグ'グレーティングからの反射波が合波された合成反射スぺ タトラムの帯域幅に基づいて一方のファイバ'ブラッグ 'グレーティングに生じた歪量を 検出することを特徴とする。
[0026] また、本発明に係る第 2の FBG歪センシング装置では、歪が無い状態における前 記 1対のファイバ'ブラッグ'グレーティングの反射波長帯域は、略一致することが好ま しい。
このように、歪計測用 FBGと温度補償用 FBGを同一波長帯で用いることで波長利 用効率の高レ、 FBGセンシング装置を提供することができる。
発明の効果
[0027] 以上の本発明に係る第 1の FBGセンシング装置は、光源から出力された固定され た出力波長の光を用いて、前記フアイノ^ブラッグ'グレーティングに生じた歪によつ て変移する前記減衰域に対応して変化する反射光量を検出して歪みを検出するよう にしているので、光源や波長計測部に駆動部を設ける必要がないので、信頼性が高 ぐ振動計測のような高速測定に適しており、遠隔計測が可能である。また、本発明 によれば、製造コストが安価で、かつデータ処理が簡素なシステムの構築が可能な F BGセンシング装置を提供することができる。
[0028] また、本発明に係る第 2の FBGセンシング装置は、 1対のフアイノ^ブラッグ.グレー ティングのうちの一方は温度変化と歪を同時に受けるように設置し、他方は上記温度 変化のみを受けるように設置し、上記 1対のファイノく 'ブラッグ 'グレーティングからの 反射波が合波された合成反射スペクトラムの帯域幅に基づいて一方のファイバ 'ブラ ッグ'グレーティングに生じた歪量を検出するようにしたので、温度変化による影響を 受けることなく歪のみを測定できる。
図面の簡単な説明
[0029] [図 1]本発明に係る第 1の実施形態の FBGセンシング装置の構成を示すブロック図 である。
[図 2]歪量に応じて変移する FBGの反射スペクトラムを示す図である。 園 3]FBGにおけるひずみに対する反射損失を示す図であり、光源の出力波長が、 1 1, 1 2, λ 3, λ 4である場合についてそれぞれ示している。
園 4]本発明に係る実施例 1の FBGセンシング装置における、 FBGのひずみと反射 損失の関係を示す図である。
園 5]本発明に係る第 2の実施形態の FBGセンシング装置の構成を示すブロック図 である。
園 6]本発明に係る第 3の実施形態の FBGセンシング装置の構成を示すブロック図 である。
園 7]本発明に係る第 4の実施形態の FBGセンシング装置の構成
である。
園 8]本発明に係る第 6の実施形態の FBGセンシング装置の構成
である。
[図 9]従来の FBGセンシング装置の構成の一例を示すブロック図である。
[図 10A]従来の FBGセンシング装置の構成の他の例を示すブロック図である。
[図 10B]図 10Aに示す従来の FBGセンシング装置におけるフィルタの透過特性を示 す図である。
園 11]本発明に係る第 7の実施形態の FBGセンシング装置の構成を示すブロック図 である。
[図 12]第 7の実施形態の FBGセンシング装置における 2つのフアイノ^ブラッグ 'ダレ 一ティングの 25°Cでの反射スペクトラムを示す図である。
[図 13]第 7の実施形態の FBGセンシング装置において、 2つのファイバ'ブラッグ.グ レーティングからの反射波を合波した反射スペクトラムであり、ファイバ'ブラッグ 'ダレ 一ティングに架かる歪量を変化させてそれぞれの歪量にっレ、て示してレ、る。
園 14]第 7の実施形態の FBGセンシング装置における歪量と反射波長帯域（半値幅 )の関係を示す図である。
園 15]第 7の実施形態の FBGセンシング装置における温度と半値幅の関係を示す 図である。
[図 16]ファイバ ·ブラッグ ·グレーティングの概略を示す図である。 [図 17]従来の FBGセンシング装置の構成を示すブロック図である。
符号の説明
[0030] 1, 11 , 21a, 21b, 31a, 31b, 41a, 41b 光源、
2, 12, 15, 22, 32 光分岐器、
3. 13, 23a, 23b, 33a, 33b, 43a, 43b, 53a, 53b FBG、
4. 14, 24a, 24b, 34a, 34b, 44a, 44b, 54a, 54b 受光器、
8, 18, 28, 38, 48, 58 光ファイバ、
26, 36, 37, 46 光波長合分波器、
49 光源出力制御回路、
51 広帯域光源。
発明を実施するための最良の形態
[0031] 第 1の実施形態
以下に本発明に係る第 1の実施形態の FBGセンシング装置について説明する。 図 1は第 1の実施形態の FBGセンシング装置の構成を示すブロック図である。 第 1の実施形態の FBGセンシング装置は、光源 1、受光器 4、光分岐器 2、 FBG3 および光ファイバ 8で構成されており、各部品間は光ファイバで結合されている。光分 岐器 2は 2分岐力ブラでも光サーキユレータでも良い。また、光源 1、受光器 4、光分 岐器 2は光学的に結合されている一体化モジュールで構成しても良い。光ファイバ 8 の長さには制限はなぐ計測距離に応じて任意に設定でき、 lm以内でも 10km以上 であってもよい。
[0032] 図 2は歪量に応じた FBG3の反射スペクトラムの変化を示す図であり、例えば、反射 波長帯域は、 -15dB以上の反射が得られる約 0. 8nm幅の範囲と定義される。この ように定義すると、反射波長帯域には中心波長の両側に中心波長から離れるに従つ て、反射量が減衰する減衰域が含まれる。ここでの歪量は FBG3を伸ばすことにより 、発生させている。 FBG3の反射波長の歪によるシフト量は、歪量に対して線形的に 変化し、歪み量が大きくなるにしたがって、反射スペクトラムの形状をほぼ一定に保つ たまま長波長側に変移 (シフト)する。このように、本実施形態では、歪に対応して反 射波長範囲が変移する際、減衰域の傾き及びスペクトラムの全体の形状が変化しな レ、ことが好ましい。この図 2において、 R0の符号を付して示す反射特性は歪み 0の状 態における反射特性である。この FBGでは、一般に 1 μ εの歪に対し 1. 2pmの波長 変位が生じることが知られている。この関係に基づいて、波長シフト量から歪量を換 算すると、 R1の符号を付して示す反射特性は歪み 100 μ εのときの反射特性、 R2 の符号を付して示す反射特性は歪み 200 μ εのときの反射特性、 R2の符号を付し て示す反射特性は歪み 300 μ εのときの反射特性ということになる。
[0033] 以上のように構成された第 1の実施形態の FBGセンシング装置において、光源 1か ら出力された光は、光分岐器 2と光ファイバ 8を透過して、 FBG3に達する。そして、 F BG3では特定波長の光が FBGの反射特性で定まる特定の強度で反射される。例え ば、光源 1の波長が 1556 · 7nm (図 2の λ 2で示す波長）である場合、 FBG3の歪量 力 S0 /i εのとき、反射損失は OdBである力 FBG3に 100 /i εの歪が懸かると FBG3 の反射波長帯域は変移し（図 2において R1の符号で示す特性になる）、反射損失は -5dBに変化する。このように歪量に応じて反射光の強度が変化する。この反射され た光は光ファイバ 8を透過して、光分岐器 2によって分岐されて受光器 4に達し、受光 器 4において反射光量に対応する強度を有する電気信号に変換される。このようにし て、変換された電気信号に基づいて反射光量の変位を検出することができ、 FBG3 に懸力る歪量の検出が可能となる。
[0034] このようにして、第 1の実施形態の FBGセンシング装置では、 FBG3に懸かる歪量 を反射光量の変位により計測しているので、以下のような利点がある。
すなわち、第 1の実施形態の FBGセンシング装置は、受光器として、複雑な波長検 出器を用いる必要がないことから、構成が簡単であり、受光器 4において得られるデ ータも簡素である。従って、第 1の実施形態によれば、高速かつ信頼性の高い計測 方法を提案できる。
また、第 1の実施形態の FBGセンシング装置において、光源 1は波長スペクトラム が狭帯域な光源が望ましい。
[0035] 図 2に示すように FBG3の半値全幅（一 3dB)は 0. 2nm程度である。また、図 2に示 すように、歪量に応じて中心波長は変移するが中心波長における反射率、及びスぺ クトラム曲線の変形は見られない。今仮に光源 1のスペクトラムが波長帯域が極めて 狭レ、 1556. 6nmの線スペクトラムであるとすると、図 2において、各歪量での反射損 失は、 λ 3の波長を点線と各歪量の反射損失スペクトラムとの交点の位置として示さ れる。一方、光源 1のスペクトラムが広く FBGの反射波長帯域より広くなると歪量に応 じた反射損失は変位量が小さくなることが図 2から容易に予想できる。このように、より 精度の高い計測をするために光源 1のスペクトラムは FBG3の反射波長帯域より十分 に狭いことが望ましい。
[0036] このように本発明では、高出力を得やすい狭帯域光源が適しており、光ファイバ 8に よる伝送損失を十分に補償することができ長距離計測にも適している。 FBG3の反射 波長帯域について、より半値全幅の広いものを用いれば反射損失が小さくなり、より 長距離な計測に適すことが分かる。
[0037] 光通信用光源に使用される DFBレーザーは出力波長の半値全幅は lpm以下と十 分に狭帯域であり本発明に適している。また、 DFBレーザーの出力は、 5dBm以上と 高ぐ高出力な広帯域光源 (ASE光源）より 15dB以上高い。
また、光源 1は任意に出力波長を選択できることが望ましい。 FBG3の反射波長と 光源の出力波長とは、歪みの測定感度が高くなるように設定されるが、一般的に FB G3の反射波長の製造バラツキは 0. 5nm程度あり、光源 1の出力波長が固定されて いると、 FBG3の反射波長と光源の出力波長の関係力 望ましい範囲をはずれる場 合が生じる。
先に述べた DFBレーザーはレーザーの温度を制御することで出力波長を lnm程 度調整することが可能であり、その点からも本発明の光源として望ましい。
また、光源 1の出力波長は、 FBG3に歪力かかっていない時の反射ピーク波長より 短波長域に設定することが望ましレ、。
[0038] 図 2を参照しながら説明すると、例えば、光源 1の出力波長が FBG3の歪がない時 の反射ピーク波長より長波長域の 1556. 8nmにある場合、歪がない場合（図 2の Ο μ εの時の R0)と歪がある場合（図 2の 100 μ εの時の R1)の反射損失がほぼ同じで 歪量が計測できない。光源 1の出力波長が、 FBG3の歪がない時の反射ピーク波長 より短波長域にあれば、歪量に対し反射損失は一義的に決まり、歪量の計測ができ ないというような問題は生じない。 図 2の歪量は伸びの歪で示しているが、収縮による歪についても、光源 1の出力波 長が FBG3における最大に縮んだ時の反射ピーク波長より短波長域にあれば良い。
[0039] 図 3は、 FBG3における歪み量に対する反射損失を示しており、 4つの異なる光源 1 の出力波長についてそれぞれ示している。尚、図 3において、 λ ΐから λ 4はそれぞ れ図 2の λ 1から; 14で示される波長にそれぞれ対応している。ここで、 λ 1は歪がな い時の FBG3の反射ピーク波長である力 この波長よりわずかに短い波長の λ 2にお レ、て歪量と反射損失の対数換算値は近似的に線形的になる。このとき受光器 5の電 気出力にログアンプ (対数変換する電気増幅器）を使用すれば、歪量は電気量に対 し線形的に示され、極めて簡素な計測装置が構成できる。このように FBG3からの反 射光量の対数換算値が、歪量と近似的に線形的であるように、光源 1の出力波長を 調整すれば、より簡素なシステムを提案できる。
[0040] また、 え 2のような特定波長だけではなぐ任意の波長で FBG3の反射光量の対数 換算値が、歪量と近似的に線形的になるように FBG3を設計すれば、よりシステムの 構成を簡素にすることができる。すなわち図 2において FBG3の反射スペクトラムの波 長と反射損失 (対数換算値)が線形的な関係を示していれば良い。さらに任意の波 長で FBG3の反射光量力 歪量と近似的に線形的になるように、すなわち FBG3の 反射スペクトラムの波長と反射損失の絶対量が線形的な関係を示すように設計すれ ば、さらにシステムの構成が簡素にできる。
[0041] 第 2の実施形態
次に本発明の第 2の実施形態について説明する。
図 5は本発明の第 2の実施形態を示す FBGセンシング装置の構成図である。光源 11、受光器 14、光分岐器 12、 15、 FBG13および光ファイバ 18で構成されており、 各部品は光ファイバで結合されている。光分岐器 12は 2分岐力ブラでも光サーキユレ ータでも良い。
光源 11から出力された光は光分岐器 15によって分岐されて光分岐器 12にそれぞ れ入射される。尚、光分岐器を通過することにより、光量はおよそ 1/2 (— 3dB)に低 下する。 4分岐した場合の光量は 1Z4 (— 6dB)に低下する。先に述べたように一般 的な狭帯域光源である DFBレーザーは、出力が十分に大きいため光量が低下して も広帯域光源より高い出力が得られ、長距離計測に適している。
光分岐器 15で分岐された後は、第 1の実施形態と同様に光分岐器 12と光ファイバ 18とを透過し、 FBG13に達する。そして、 FBG13で特定波長の光が反射される。 F BG13は、第 1の実施形態で説明したように歪量に応じて反射損失が変位する。反 射された光は光ファイバ 18を透過し、光分岐器 12によって受光器 14に入射される。 受光器 14において反射光量の変位を線形的に電気信号に変換し、 FBG13に懸か る歪量を検出する。
[0042] 尚、ここでは、光源 11の出力を 2つに分岐する例で説明した力 本発明はこれに限 られるものではなぐ光源 11の出力を 3以上に分岐するようにして構成してもよい。 このように、光源 11の出力を分岐することで、一つの光源で複数の箇所の歪量を検 出することが可能となる。
[0043] 第 3の実施形態
次に本発明の第 3の実施形態について説明する。
図 6は本発明の第 3の実施形態を示す FBGセンシング装置の構成を示すブロック 図である。第 3の実施形態を示す FBGセンシング装置は、光源 21a、 21b、受光器 2 4、光分岐器 22、 FBG23a、 23b、光波長合分波器 26および光ファイバ 28で構成さ れており、各部品は光ファイバで結合されている。光分岐器 22は 2分岐力ブラでも光 サーキユレータでも良い。また光源 21、受光器 25、光分岐器 22は光学的に結合さ れている一体化モジュールとして構成してもよい。
[0044] 第 3の実施形態を示す FBGセンシング装置において、光源 21a、 21bから出力され た光はそれぞれ、光分岐器 22を透過して、光波長合分波器 26に入射されてそこで 合波される。光源 21a、 21bは、互いに異なる波長の光を出力しており、光源 21a、 2 lbの出力波長はそれぞれ、 FBG23a、 23bの反射波長帯域内にあるように調整され ている。光波長合分波器 26で合波された光は、光ファイバ 28を透過して、 FBG23a 、 23bに達し、反射される。 FBG23a, 23bは反射波長帯域外の光を透過させるため 、互いの影響は受けない。第 1の実施形態で説明したように、 FBG23は歪量に応じ て反射損失が変位する。 FBG23a, 23bで反射された光はそれぞれ光ファイバ 28を 透過して、波長合分波器 26に入射され、波長合分波器 26で分波され、それぞれの 光分岐器 22を介して、それぞれの受光器 24に達し、電気信号に変換される。
[0045] 以上のようにして、変換された電気信号に基づいて、 FBG23a、 23bからの反射光 量が検出され、 FBG23a、 23bにおける歪量が検知される。このように光波長合分波 器 26を用いれば 1本の光ファイバ 28により複数の歪量を検知することが出来る。
[0046] 第 4の実施形態
次に本発明の第 4の実施形態について説明する。
図 7は本発明の第 4の実施形態を示す FBGセンシング装置の構成を示すブロック 図である。光源 31a, 31b、 2つの受光器 34、 2つの光分岐器 32、 FBG33a, 33bお よび光波長合分波器 36、 37で構成されており、各部品は光ファイバで結合されてい る。光分岐器 32は 2分岐力ブラでも光サーキユレータでも良い。
[0047] 光源 31a、 31bから出力された光はそれぞれ、光分岐器 32を透過し、光波長合分 波器 36に入射されて、光波長合分波器 36で合波される。各光源 31a、 31bはそれぞ れ異なる波長の光を出力しており、各 FBG33a、 33bの反射波長帯域内にあるように 調整されている。合波された光は光ファイバ 38を透過し、光波長合分波器 37で分波 されてそれぞれ FBG33a、 33bに達し、反射される。第 1の実施形態と同様に FBG3 3a, 33bはそれぞれ、歪量に応じて反射損失が変位する。反射された光は光波長合 分波器 37で合波され、光ファイバ 38を透過し、波長合分波器 36で分波され、それぞ れの光分岐器 32を透過し、それぞれの光受光器 34に達し、電気信号に変換される 。第 1の実施形態と同様に電気信号に換算された光受光量から FBG33a、 33bにお ける歪量を検知する。このように光波長合分波器 36, 37を用いれば 1本の光ファイバ 38により複数の歪量を検知することが出来る。また、 FBG33a (あるいは FBG33b)と 光波長合分波器 37の間で光ファイバの断線等の障害が起きても、 FBG33b (あるレ、 は FBG33a)は障害の影響を受けないため、より信頼性の高いシステムを提案できる
[0048] 第 5の実施形態
次に本発明の第 5の実施形態について説明する。
本発明の第 5の実施形態は、図 6に示す構成の FBGセンシング装置において、ひ とつの FBG23aが歪を受けることのない位置に設置されており、また温度の影響を受 けなレ、ようにペルチヱ素子やヒーターなどで温度制御されてレ、る。これらによる温度 制御は電気的制御で給電が必要になる力 給電の必要がない方法として、線熱膨張 係数が負の特性をもつインバー等に実装して、 FBGに縮みを与えることで温度特性 をキャンセルする方法を採用してもょレ、。
[0049] 以上のように構成された第 5の実施形態の FBGセンシング装置において、光源 21 a、 21bから出力された光は、光分岐器 22を透過して、光波長合分波器 26に入射さ れてそこで合波される。各光源 21a、 21bはそれぞれ異なる波長の光を出力するよう に構成されており、一方の光源 21aの出力波長は、 FBG23aの反射波長帯域内、他 方の光源 21bの出力波長は、 FBG23bの反射波長帯域内の波長に調整されている 。光波長合分波器 26で合波された光は、光ファイバ 28を透過してそれぞれ、 FBG2 3a、 23bに達し、反射される。それぞれ FBG23は反射波長帯域以外の光は透過す るため、互いの影響は受けない。第 1の実施形態で説明したように、 FBG23bは歪量 に応じて反射損失が変位するが、 FBG23aは歪を受けないように設置されているた め反射損失は変化しない。反射された光は光ファイバ 28を透過し、波長合分波器 26 で分波され、それぞれの光分岐器 22で分岐されて、それぞれ受光器 24に達し、電 気信号に変換される。このようにして、反射光量に対応する電気信号に基づいて FB G23a、 23bにおける歪量を検知する。
[0050] ここで、光ファイバ 28に物理的な負荷が加わり光ファイバ 28の透過損失に変化が 生じた場合を考える。
この場合、 FBG23bから受光器 24に入る反射光量が変化し、 FBG23bの歪量を正 確に検知するができなレ、。しかしながら FBG23aと FBG23bの光ファイバ 28の透過 損失による反射光量の変化は同じであるから、 FBG23aの反射光量の変化分を FB G23bにおける反射光量の変化から除くことにより補償が可能となり、 FBG23bに掛 力る歪量を正確に検知することができる。
このように歪量（および温度）の影響を受けることのなレ、 FBG23aを設置することで、 光ファイバ 18に加わる負荷に関係なく歪量を正確に検知することが出来る。
また、図 7に示す第 4の実施形態の FBGセンシング装置においても、 FBG33aをひ ずみと温度の影響のなレ、ように設置することで、同様な効果が得られる。 [0051] 第 6の実施形態
次に本発明の第 6の実施形態について説明する。
図 8は第 6の実施形態の FBGセンシング装置の構成を示すブロック図であり、この F BGセンシング装置は、図 6の FBGセンシング装置において、受光部 44aの受光量が 常に一定になるように光源の出力を制御する光源出力制御回路 49が光源 41a， 41 bに接続されている以外は、第 4の実施形態と同様に構成される。
また、図 8に示す構成の FBGセンシング装置において、第 5の実施形態と同様に F BG43aが歪を受けることのない位置に設置されており、また温度の影響を受けない ように制御されている。
[0052] 第 6の実施形態の FBGセンシング装置において、光源 41a、 41bから出力された光 は光分岐器 42を透過して、光波長合分波器 46に入力されてそこで合波される。各 光源 41a、 41bは互いに異なる波長の光を出力するように構成されており、光源 41a の出力波長は、 FBG43aの反射波長帯域内にあるように、光源 41bの出力波長は、 FBG43bの反射波長帯域内にあるように調整されている。光波長合分波器 46で合 波された光は、光ファイバ 48を透過して FBG43a、 43bに達し、反射される。それぞ れの FBG43は、反射波長帯域以外の光は透過させるため、 FBG43bの反射波長帯 域内の光は FBG43aの影響を受けることなく透過される。第 1の実施形態で説明した ように、 FBG43bは歪量に応じて反射損失が変位する力 FBG43aは歪を受けなレヽ ように設置されているため反射損失は変化しなレ、。 FBG43a、 43bで反射された光は それぞれ光ファイバ 48を透過して、波長合分波器 46に入射されてそこで分波される 。波長合分波器 46で分波された光はそれぞれ光分岐器 42を透過して、受光器 44に 達し、そこで電気信号に変換される。このようにして、第 6の実施形態では、反射光量 に対応するように変換された電気信号に基づいて、 FBG43a、 43bにおける歪量を 検失口すること力 Sできる。
[0053] 一般に、光ファイバに物理的な負荷が加わり光ファイバの透過損失に変化が生じ、 それぞれの FBGから受光器に入る反射光量が変化した場合、 FBGの歪量を正確に 検知できなくなる。
し力 ながら、第 6の実施形態では、受光器 44aで受ける FBG43aからの反射光量 を常に一定になるように光源出力制御回路 49で光源 41aの出力を制御するとともに 、光源 41bの出力を制御することで、 FBG43aからの反射光量は常に一定となり、ま た光源 41bを同時に制御するため、 FBG43bの歪量を正確に検知することができる 。光源 41a、 41bが DFBレーザーである場合、光源出力はレーザー電流とほぼ比例 関係を示すため、光源 41aに生じたレーザー電流の変動量 (比率）を光源 42bに与 えればよい。
[0054] このように歪量（および温度）に影響のなレ、 FBG43aを設置し、さらに FBG43a力 の反射光量を一定になるように光源 41a、 41bを制御することで光ファイバ 18に加わ る負荷に関係なく歪量を正確に検知することが出来る。
また、図 8は図 6に光源の制御機能を付加した図である力 同様に図 7に光源の制 御機能を付加した構成でも、光ファイバ 18に加わる負荷に関係なく歪量を正確に検 知することが出来る。
以上の実施形態における光源として、 DFBレーザーを例に挙げているが EDFを用 いたリングレーザー等のコヒーレンシ一が低いレーザーを用いると、光ファイバの温度 変動などの影響により安定した出力が得られる。
[0055] 第 7の実施形態
以下に、本発明に係る第 7の実施形態の FBGセンシング装置について説明する。 この第 7の実施形態の FBGセンシング装置は、広帯域光源を用いている点、及び 2 つ以上の FBGを用いて、その反射波の合成スペクトラムの帯域幅を基に歪を測定し ている点が前に説明した実施の形態とは異なっている。このように構成された第 7の 実施形態の FBGセンシング装置では、合成スペクトラムの帯域幅を測定するだけで 、温度変化の影響が除去された歪が得られる。
[0056] 図 11は第 7の実施形態の FBGセンシング装置の構成を示す図である。
第 7の実施形態の FBGセンシング装置は、広帯域光源 51、波長検出器 54、光分 岐器 52、 FBG53a、 FBG53b、光ファイバ 58で構成されており、各部品は光フアイ バで結合されている。
ここで、特に第 7の実施形態の FBGセンシング装置は、 2つのファイバ'ブラッグ 'グ レーティング 53a、 53bのうちの一方のファイバ'ブラッグ 'グレーティング 53bは温度 変化と歪を同時に受けるように設置し、他方のフアイノ^ブラッグ 'グレーティング 53a は温度変化のみを受けるように設置して、それらからの反射波が合成された合成反 射スペクトラムの帯域幅に基づいてファイノく 'ブラッグ 'グレーティング 53bに生じた歪 量を検出することを特徴としてレ、る。
[0057] 以上のように構成される第 7の実施形態の FBGセンシング装置では、ファイバ 'ブラ ッグ.グレーティング 53aとファイバ.ブラッグ.グレーティング 53bはほぼ等しい波長帯 域の反射スペクトラムを有していることが好ましぐ反射スペクトラムがより多く部分を 共有していることが望ましい。また、光分岐器 52は 2分岐力ブラでも光サーキユレータ でも良い。
このファイバ'ブラッグ 'グレーティング 53bは両端を引っ張ることで、歪を生じさせ、 ファイバ'ブラッグ'グレーティング 53bと同等の線熱膨張係数を有する固体に固定す る。ファイバ'ブラッグ 'グレーティング 53bの線熱膨張は 10— 6以下と小さぐ固定する 固体としては同様に線熱膨張の小さいインバー等が良い。ここで歪量の計測につい ては直接行わず、波長シフト量から歪量を換算している。一般にファイバ 'ブラッグ · グレーティング 53bの歪量はファイバ'ブラッグ 'グレーティング 53bの反射波長のシフ ト量に対し、線形的に変化し、 1 μ sの歪に対し 0. 0012nmの波長変位が生じること が知られており、この関係を用いて歪量は計測される。一方ファイノく 'ブラッグ 'グレー ティング 53aは両端ともに固定しないようにする。
[0058] 以上のように構成される第 7の実施形態の FBGセンシング装置において、広帯域 光源 51から出力された光は、光分岐器 52及び光ファイバ 58を透過して、ファイバ' ブラッグ'グレーティング 53aに達する。そして、ファイバ'ブラッグ 'グレーティング 53a で特定波長の光が反射される。また、特定波長以外の波長の光は、ファイバ 'ブラッ グ 'グレーティング 53aを透過し、ファイバ'ブラッグ 'グレーティング 53bに達し、フアイ ノ^ブラッグ.グレーティング 53bでは、歪により変化した異なる特定波長の光が反射 される。ファイノく 'ブラッグ'グレーティング 53bで反射された光はファイバ'ブラッグ 'グ レーティング 53aを透過し、ファイノく 'ブラッグ 'グレーティング 53aで反射された光と 合波され光ファイバ 58を透過し、光分岐器 52を介して波長検出器 54に達する。そし て、波長検出器 54は、ファイバ'ブラッグ 'グレーティング 53aとファイノく 'ブラッグ 'グ レーティング 53bの合波された光を検出する。
[0059] 図 12は、ファイバ'ブラッグ 'グレーティング 53a、 53bのそれぞれの 25°Cでの反射 スペクトラム（歪の無レ、状態）を示す図である。
図 12によれほ'、ファイノく 'ブラッグ'グレーティング 53a、 53bはともに 1553. 9nm近 傍に中心波長をもち、半値幅が約 0. 2nmの反射波長帯域を有し、ほぼ全ての帯域 を共有していることが分かる。共有領域が多いほど、波長利用効率は高いことは明ら かである。
図 13は第 7の実施形態の構成における、ファイノく 'ブラッグ 'グレーティング 53aから の反射波とファイノく 'ブラッグ 'グレーティング 53bの反射波が合波された反射スぺタト ラムを示しており、ファイバ'ブラッグ 'グレーティング 53bに架かる歪量を変化させた 場合の合波された反射スペクトラムも合わせて示してレ、る。第 7の実施形態の構成で は、合波された反射スペクトラムから、ファイノく 'ブラッグ 'グレーティング 53a、 53bそ れぞれのピーク波長を検出することは難しいことが分かる（図 13)。
[0060] し力 ながら、ファイバ'ブラッグ ·グレーティング 53aは歪の影響は受けておらず、 歪の架力るファイバ'ブラッグ 'グレーティング 53bの反射光のみが歪により波長シフト していることから、反射波長帯域の広がりは歪量と関係していると考えられる。
図 14は、歪量と合成された反射スペクトラムの波長帯域（半値幅）の関係を示す図 である。図 14において、実線は実測値であり、点線で示す直線で近似できることが分 力る。このようにファイノく 'ブラッグ 'グレーティング 53a、 53bの合波された反射スぺク トラムの半値幅は歪量とほぼ比例関係にあることが分かる。
図 15は、ファイバ'ブラッグ 'グレーティング 53bに架かる歪量を一定にしたときの、 温度と合成反射スペクトラムの半値幅の関係を示す図である。
図 15に示すように半値幅は、 0°Cから 50°Cの温度変化により 0. 05nmの変動が確 認されるが、これはファイバ'ブラッグ.グレーティングの単体の温度特性（約 0. Olnm Z°C)の 5°C程度変化したときの変動量であり、約 1Z10に相当する。図 14から、変 動量 0. 05nmは歪量に換算して ± 20 μ ε程度であり、数百 μ εの歪計測において 誤差程度の値となり、本実施形態にぉレ、て温度補償できることが確認される。
[0061] このように、ほぼ等しい反射波長帯域を有するファイバ'ブラッグ'グレーティング 53 aとファイノく 'ブラッグ'グレーティング 53bの一方を歪計測用に用レ、、他方を温度補 償に用レ、、それらの合波された反射スペクトラムの帯域幅を計測することで、温度変 化の影響を受けることなぐ歪量を計測することが可能になる。以上のように、第 7の 実施形態の構成によれば、ファイバ'ブラッグ'グレーティング 1つ分の反射波長帯域 で温度補償された歪を計測できるので、従来の 2つの異なる反射波長帯域を使用し ていた計測方法より、波長利用効率を 2倍にすることが可能となる。
[0062] 以上の実施形態においては、ファイノく'ブラッグ 'グレーティング 53a、 53bは図 12 に示すように反射スペクトラムのリプルの大きいものを使用した例を示した力 このリブ ルは温度特性に起因していることが考えられる。アポダイゼーシヨンという技術によりリ プルを改善したファイバ ·ブラッグ'グレーティングを用いれば温度の変動量はより小 さくできるものと予想される。
実施例 1
[0063] 本発明の第 1の実施形態に示す FBGセンシング装置を作成した。
光源 1は光通信で一般的に使用される DFBレーザーを用いた。最大出力は約 3m Wで出力波長は 1556nm近傍である。波長スペクトラムの半値全幅は 1 pmである。 また温度制御機能を持つており、制御温度を 15°C— 35°Cに設定することで出力波 長のピークはおよそ lnm操作することができる。本実験では 1556. 70nmに調整し た。
受光器 4も光通信で一般的に使用されるピンフォトダイオードを用いた。受光感度 は- 50dBmであり、波長帯域は lOOOnm— 1600nmで平坦な特性を得ている。また 受光量と電流の関係も- 50dBm— OdBmまで線形的である。
光分岐器 2には透過損失が 0. 5dB程度であり、透過損失の波長特性も 0. ldB未 満であるサーキユレータを用いた。
FBG3は反射率 95%以上、反射スペクトラムの半値全幅 0. 25nm以下、反射ピー ク波長が 1556. 72nmのものを使用した。
[0064] 本実施例の結果を図 4に示す。
図 2に示す波長 λ 2における結果とほぼ等しい結果が得られた。近似曲線との誤差 は歪量で 10 μ ε以下でほぼ一致していることを確認した。 同様に本発明の第 3、第 4、第 5および第 6の実施形態についても FBGセンシング 装置を作製し、第 1の実施形態に基づく実験と同様な結果が得られた。
FBG23aまたは FBG33aについては FBG3と同じものを用レ、、 FBG23bまたは FB G33bには反射ピーク波長が 1533. 52nmのものを使用した。光波長合分波 26、 36 、 37には 1545nm以上と 1545nm以下に合分波する合分波器を用いた。それぞれ の波長域での透過特性は波長依存性が 20nmで 0. ldB以下である。
実施例 2
[0065] 以下の本発明に係る第 7の実施形態の FBGセンシング装置を作製した。
広帯域光源 51として、 1530nmから 1560nmの帯域で— 10dBm/nm以上の光を 出力する ASE光源を用いた。波長検出器 54には光通信で一般的に使用される光ス ぺクトラムアナライザを用いた。光分岐器 52には透過損失が 0. 5dB程度であり、透 過損失の波長特性も 0. ldB未満であるサーキユレータを用いた。ファイバ'ブラッグ' グレーティング 53a、 53bは反射率 95%以上、反射スペクトラムの半値全幅 0. 25nm 以下、 25°Cにおける反射ピーク波長が 1553. 9nmのものを使用した。反射波長以 外の波長における透過損失は約 0. ldBである。
[0066] ファイバ'ブラッグ 'グレーティング 53bに 200 μ εの歪を与え、ファイバ'ブラッグ 'グ レーティング 53a、 53bともに恒温ネ曹に入れ、 0°Cから 50°Cのファイバ'ブラッグ 'グレ 一ティング 53a、 53bの合波された反射光の半値幅を確認した。その結果、図 15とほ ぼ同様な温度特性になることを確認した。歪量の誤差は 25°Cを基準として約 ± 10% 程度になる。同様に異なる歪量をファイバ'ブラッグ 'グレーティング 53bに与え、同様 な結果になることを確認した。
産業上の利用可能性
[0067] 以上、本発明によれば、振動計測のような高速測定に適しており、十分遠くの遠隔 計測が出来、安価で、かつデータ処理が簡単な FBGセンシング装置を提供すること ができる。

Claims

請求の範囲
[1] 固定された出力波長の光を出力する 1又は 2以上の光源と、
中心波長から離れるにしたがって反射量が減衰する減衰域を持った反射波長帯域 を有し、前記光源から出力された光を反射する 1又は 2以上のファイバ'ブラッグ 'ダレ 前記ファイバ 'ブラッグ'グレーティングにそれぞれ対応して設けられ、対応するファ ィバ 'ブラッグ'グレーティングで反射された光を受光する受光器とを備え、
前記ファイバ'ブラッグ'グレーティングに生じた歪によって変移する前記減衰域に 対応して変化する反射光量を検出して前記歪みを検出することを特徴とする FBG歪
[2] 前記出力波長が前記中心波長より短波長側にあることを特徴とする請求項 1記載の FBG歪センシング装置。
[3] 前記反射光量の対数換算値が前記ファイバ 'ブラッグ'グレーティングに生じる歪量 に対して近似的に線形となるように、前記光源の出力波長を設定したことを特徴とす る請求項 1記載の FBG歪センシング装置。
[4] 前記出力波長を含む一定の波長域にある任意の波長の光に対して、前記 FBGから の反射光量の対数換算値と FBGに生じる歪量の関係が線形である請求項 3記載の FBGセンシング装置。
[5] 前記反射光量と前記ファイバ ·ブラッグ 'グレーティングの関係が線形になるように、前 記光源の出力波長を設定したことを特徴とする請求項 1記載の FBG歪センシング装 置。
[6] 前記出力波長を含む一定の波長域にある任意の波長の光に対して、前記 FBGから の反射光量が FBGに生じる歪量に対して、近似的に線形である請求項 5記載の FB
[7] 前記光源の出力光を複数に分岐する光分岐器を備え、前記ファイバ'ブラッグ 'ダレ 一ティングは前記分岐器の出力ポートに接続されたことを特徴とする請求項 1から 6 のいずれ力 1つに記載の FBGセンシング装置。
[8] 前記ファイバ 'ブラッグ'グレーティングは前記光源の数と同じ数だけ設けられており、 前記光源は互いに異なる波長の光を出力し、前記フアイノ^ブラッグ 'グレーティング は、前記光源が出力する前記異なる波長の光のうちの 1つを反射することを特徴とす る請求項 1一 6のうちのいずれか 1つに記載の FBGセンシング装置。
[9] 複数の第 1入出力端子と第 2入出力端子を有する合分波器をさらに備え、前記光源 が前記第 1入出力端子にそれぞれ接続され、前記第 2入出力端子に、前記ファイバ' ブラッグ 'グレーティングが直列に接続された請求項 8記載の FBGセンシング装置。
[10] それぞれ複数の第 1入出力端子と第 2入出力端子を有する第 1合分波器と第 2合分 波器とをさらに備え、前記光源が前記第 1合分波器の第 1入出力端子にそれぞれ接 続され、前記ファイバ *ブラッグ'グレーティングが前記第 2合分波器の第 1入出力端 子にそれぞれ接続され、第 1合分波器の第 2入出力端子と第 2合分波器の第 2入出 力端子とが接続された請求項 8記載の FBGセンシング装置。
[11] 前記ファイバ ·ブラッグ ·グレーティングの少なくとも 1つを基準ファイバ ·ブラッグ ·グ レーティングとして歪および温度に影響のない環境に設置し、基準ファイバ'ブラッグ 'グレーティングの反射光量を基準として、他のファイバ'ブラッグ'グレーティングの 反射光量の変化量を検出することを特徴とする請求項 8から 9のうちのいずれ力 1つ に記載の FBGセンシング装置。
[12] 前記光源の出力を制御する光源出力制御手段をさらに備え、前記ファイバ 'ブラッ グ ·グレーティングの少なくとも 1つを基準ファイバ ·ブラッグ ·グレーティングとして歪お よび温度に影響のない環境に設置し、
前記光源出力制御手段は、基準ファイバ'ブラッグ'グレーティングによる反射光量が 一定になるように前記基準ファイバ'ブラッグ'グレーティングに対応する光源の出力 を制御する制御信号を発生して、その制御信号に基づレ、て前記複数の光源すベて を制御することを特徴とする請求項 8から 9のいずれかに記載の FBGセンシング装置
[13] 前記光源がインコヒーレントな光源であることを特徴とする請求項 1から 11のいずれ 力 1つに記載の FBGセンシング装置。
[14] それぞれ温度変化や歪を受けることで入射された光の反射波長帯域が変移する 1対 のファイノく.ブラッグ 'グレーティングと光源とを備え、 上記 1対のファイノ 'ブラッグ'グレーティングの一方は温度変化と歪を同時に受け るように設置し、他方は上記温度変化のみを受けるように設置し、上記 1対のファイバ 'ブラッグ ·グレーティングからの反射波が合波された合成反射スペクトラムの帯域幅 に基づいて一方のファイノく 'ブラッグ 'グレーティングに生じた歪量を検出することを 特徴とする FBGセンシング装置。
[15] 歪が無い状態における前記 1対のファイバ'ブラッグ'グレーティングの反射波長帯域 は、略一致することを特徴とする請求項 14記載の FBGセンシング装置。
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