JP2006208264A - Optical fiber sensor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、少なくとも2枚の可撓性を有する樹脂シートを、平面配置の光ファイバを挟んで互いに接着剤で貼り合わせてなる光ファイバセンサに関する。 The present invention relates to an optical fiber sensor in which at least two flexible resin sheets are bonded to each other with an adhesive sandwiching a planar arrangement of optical fibers.
光ファイバを用いた物理量のセンシング方法は多々ある。そのひとつとして、光ファイバに光パルスを入射した時のブリルアン散乱光を利用する光ファイバ歪み検出方法がある。この光ファイバ歪み検出方法は、光ファイバに光パルスを入射した時に入射端に戻ってくる後方散乱光の波長が、光ファイバの歪みに比例して変化(波長シフト)する性質を利用するもので、この後方散乱光すなわちブリルアン散乱光を入射端で検出しその波長シフト量を知ることで、光ファイバの長手方向の任意の位置での光ファイバに加わった歪みを検出することができる。
この光ファイバ歪み検出方法(装置)は、光ファイバ通信システムの保守技術であるOTDR(Optical Time Domain Reflectmetry)を応用したもので、特にB−OTDRとも呼ばれるが、光ファイバを歪み検出対象物(例えばコンクリート構造物等)に取り付けることで、対象物の歪みの検出に利用することができる。
There are many physical quantity sensing methods using optical fibers. One of them is an optical fiber strain detection method that uses Brillouin scattered light when an optical pulse is incident on an optical fiber. This optical fiber strain detection method uses the property that the wavelength of backscattered light returning to the incident end when an optical pulse is incident on the optical fiber changes (wavelength shift) in proportion to the strain of the optical fiber. The strain applied to the optical fiber at an arbitrary position in the longitudinal direction of the optical fiber can be detected by detecting the backscattered light, that is, the Brillouin scattered light at the incident end and knowing the wavelength shift amount.
This optical fiber strain detection method (apparatus) is an application of OTDR (Optical Time Domain Reflectmetry), which is a maintenance technology of an optical fiber communication system, and is also called B-OTDR. By attaching to a concrete structure or the like, it can be used to detect distortion of the object.
また、同様な原理で、光ファイバに曲げが加わった時、生じた歪みから曲げ量を求めることができるので、前記の光ファイバによる歪み検出方法は、対象物の曲げ量を検出する曲げ検出方法(曲げ検出方法)としても利用することができる。 In addition, when the optical fiber is bent according to the same principle, the bending amount can be obtained from the generated strain. Therefore, the strain detection method using the optical fiber is a bending detection method for detecting the bending amount of the object. It can also be used as a (bending detection method).
上記のような光ファイバによる歪み検出方法に用いる歪み検出光ファイバセンサとして、2枚の樹脂シートを平面配置(交差部のない配置)の光ファイバを挟んで互いに接着剤で貼り合わせてなる光ファイバシートを使用することが可能である。 As a strain detection optical fiber sensor used in the above strain detection method using an optical fiber, an optical fiber in which two resin sheets are bonded to each other with an adhesive sandwiching an optical fiber in a planar arrangement (arrangement without intersection) It is possible to use a sheet.
この種の歪み検出光ファイバセンサ用の光ファイバシートは、光機器内あるいは光機器間の光ファイバ配線等に用いる一般的な光ファイバシートと同じ構造であり、図5に示すように、光ファイバ1を挟んで例えば2枚の樹脂シート2、3の全面を接着剤4で貼り合わせた光ファイバシート5を用いていた。図5(ハ)に、樹脂シート3に全面的に塗布された接着剤塗布領域Pをハッチングで示す。なお、樹脂シート2、3は少なくともその一方の表面に接着剤層を持つが、図5(ロ)では両方とも接着剤層を持つように表している。なお、光ファイバシート5の長さは、図では模式的に短く表しているが、歪み検出光ファイバセンサとして用いる場合は、通常は長尺となる。
上記のように、全面接着された2枚の樹脂シート2、3で光ファイバ1を挟持した光ファイバシート5は、光機器間の光ファイバ配線等の用途であれば、光ファイバ配線時には樹脂シートの可撓性が有効に機能して自由度のある光ファイバ配線を実現できる。そして、機器内では、一旦光ファイバ配線が完了した後は、しばしば屈曲するということは殆どなくそのままの状態に保たれるので、2枚の樹脂シート2、3を全面接着した構造であることに特別な不都合はなく、むしろそのような構造が適切である。
As described above, the
しかし、このような構造の光ファイバシート5は、対象物の歪みを検出する歪み検出用光ファイバセンサとして用いる場合、特に、曲げにより生ずる歪み等の物理量を検出するセンサとして用いる場合には、適切でなくなる。
すなわち、曲げセンサとして用いる場合、光ファイバシート5を対象物に貼り付け、対象物の曲げ量、屈曲量を検出することになるが、光ファイバシート5が対象物の曲げとともに曲げられた時、樹脂シート2、3が対象物の表面の湾曲に忠実に沿って滑らかに湾曲するとは必ずしも限らず、部分的に皺が生じる場合が多い。この場合、光ファイバが全面接着された2枚の樹脂シート2、3でがっちり固定された構造であると、樹脂シート2、3に生じた皺の影響で、光ファイバに対象物の表面の歪みとは無関係な歪みが生じる場合があり、検出精度が低下することになる。すなわち、皺の影響により屈曲量に応じた物理量変化が光ファイバに発生しない場合もある。この現象は、曲げが特に大きいときに顕著である。
However, the
That is, when used as a bending sensor, the
また、光ファイバシート5を広い温度範囲で変化する環境で使用する場合には、さらに影響が大きい。例えば自動車のエンジンルーム内では零下〜70℃の温度変化があるが、そのように温度変化の大きい環境に光ファイバセンサとして光ファイバシート5を設置した場合、樹脂シートの温度特性(伸び率など)によって、樹脂シートに生じる皺の態様が異なり、したがって、温度によって光ファイバに与える影響の程度が異なるものとなり、この点でも検出精度が低下する。
また、低温時には、樹脂シートが硬くなって曲げた時の皺も大きくなり易く、この点でも検出精度が低下する。
また、樹脂シートと光ファイバとの熱膨張係数の差により、温度差によっては光ファイバに歪みが加わるおそれもあり、これによってセンシング特性に影響を与え、センサとしての検出精度が低下する。
さらにまた、検出特性精度の劣化問題の他に、光ファイバシートに極端な皺が生じると外観上好ましく無く、製品としての販売は事実上不可能になる。
In addition, when the
Further, at low temperatures, the resin sheet becomes hard and the wrinkle when bent is likely to increase, and the detection accuracy also decreases in this respect.
In addition, due to the difference in thermal expansion coefficient between the resin sheet and the optical fiber, there is a possibility that the optical fiber may be distorted depending on the temperature difference, thereby affecting the sensing characteristics and reducing the detection accuracy as a sensor.
Furthermore, in addition to the problem of deterioration in detection characteristic accuracy, if the optical fiber sheet is extremely wrinkled, it is not preferable in appearance and it is practically impossible to sell it as a product.
本発明は上記背景のもとになされたもので、光ファイバセンサとして対象物に貼り付けられた、或いは配索された光ファイバシートが、対象物の変位により取付面に沿って湾曲した時に、光ファイバが樹脂シートから、取付面の変位量を示さないような物理的な影響を受けて、センサとしての検出精度が低下することのない光ファイバセンサを提供することを目的とする。 The present invention was made based on the above background, and when an optical fiber sheet attached to or routed as an optical fiber sensor is curved along the mounting surface due to the displacement of the object, It is an object of the present invention to provide an optical fiber sensor in which the detection accuracy as a sensor does not deteriorate due to the physical influence that the optical fiber does not show the amount of displacement of the mounting surface from the resin sheet.
上記課題を解決する本発明は、樹脂シートを、平面配置の光ファイバを挟んで互いに接着剤で貼り合わせてなる光ファイバセンサにおいて、前記光ファイバが、前記樹脂シートに局所的に固定されていることを特徴とする。 The present invention for solving the above-described problems is an optical fiber sensor in which a resin sheet is bonded to each other with an adhesive across a planar arrangement of optical fibers, and the optical fiber is locally fixed to the resin sheet. It is characterized by that.
請求項2は、請求項1において、前記光ファイバの固定箇所が2箇所であり、これら固定箇所の間では、前記光ファイバが前記樹脂シートに接着固定されていないことを特徴とする。
請求項3は、請求項1において、前記光ファイバと前記樹脂シートの固定箇所が、前記樹脂シートにおける前記光ファイバの導出部の両端部であることを特徴とする。
請求項4は、請求項1において、前記光ファイバと前記樹脂シートとの固定箇所が一箇所であり、前記光ファイバの少なくともセンシング領域は前記樹脂シートと非接着であることを特徴とする。
請求項5は、請求項1乃至4において、前記光ファイバセンサが歪み検出センサ、あるいは曲げ検出センサであることを特徴する。
A second aspect of the present invention is characterized in that in the first aspect, the optical fiber is fixed at two locations, and the optical fiber is not bonded and fixed to the resin sheet between the fixed locations.
A third aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the fixing positions of the optical fiber and the resin sheet are both ends of the lead-out portion of the optical fiber in the resin sheet.
A fourth aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the fixing position between the optical fiber and the resin sheet is one, and at least a sensing region of the optical fiber is not bonded to the resin sheet.
According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects, the optical fiber sensor is a strain detection sensor or a bending detection sensor.
本発明の光ファイバセンサを例えば曲げセンサとして検出対象物に貼り付けた場合に、樹脂シートが対象物の曲げとともに曲げられた時、樹脂シートが対象物の表面の湾曲に忠実に沿って湾曲せずに部分的な皺が生じる場合がある。このような場合、光ファイバが全面接着された2枚の樹脂シートでがっちり固定された構造であると、樹脂シートに生じた皺の影響で、光ファイバに、対象物の表面の歪みとは無関係な歪み等が生じる場合があり、曲げ検出の精度が低下する。
しかし、光ファイバが2枚の樹脂シート間に局所的に固定されているだけなので、光ファイバが樹脂シートの皺の影響を受けて光ファイバに対象物の表面湾曲とは無関係な歪みが生じることは少なく、光ファイバは対象物の表面湾曲に極力忠実な湾曲をする。したがってセンサとしての検出精度の低下は少ない。
When the optical fiber sensor of the present invention is attached to a detection object as a bending sensor, for example, when the resin sheet is bent together with the bending of the object, the resin sheet is bent along the curvature of the surface of the object. Partial wrinkles may occur. In such a case, if the optical fiber is firmly fixed with two resin sheets bonded to the entire surface, the optical fiber has no relation to the surface distortion of the object due to the effect of wrinkles generated on the resin sheet. Distortion may occur, and the accuracy of bending detection decreases.
However, since the optical fiber is only locally fixed between the two resin sheets, the optical fiber is affected by the wrinkles of the resin sheet, and the optical fiber is distorted regardless of the surface curvature of the object. The optical fiber bends as faithfully as possible to the surface curvature of the object. Therefore, the decrease in detection accuracy as a sensor is small.
以下、本発明を実施した光ファイバセンサについて、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an optical fiber sensor embodying the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施例の光ファイバセンサを示す。
光ファイバセンサの種類としては、例えば歪み検出光ファイバセンサである。
そこで、以下、光ファイバセンサを歪み検出光ファイバセンサと称する場合があるが、光ファイバセンサの種類は歪み検出光ファイバセンサには限定されない。
図1は、光ファイバセンサとしての光ファイバシート15を示すもので、(イ)は平面図、(ロ)は縦断面図、(ハ)は上側の樹脂シートを除いて示した平面図である。この光ファイバシート15は、2枚の樹脂シート2、3を、平面配置の光ファイバ1を挟んで互いに接着剤で貼り合わせている。前記2枚の樹脂シート2、3は、全面ではなく局所的に接着剤で貼り合わされている。なお、光ファイバシート15の長さは、図では模式的に短く表しているが、歪み検出光ファイバセンサとして用いる場合は、対象物に沿って配索されるため通常は長尺となる。
FIG. 1 shows an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention.
As a kind of optical fiber sensor, it is a strain detection optical fiber sensor, for example.
Thus, hereinafter, the optical fiber sensor may be referred to as a strain detection optical fiber sensor, but the type of the optical fiber sensor is not limited to the strain detection optical fiber sensor.
FIG. 1 shows an
図示例の光ファイバシート15は、樹脂シート2、3が長方形をなしかつ光ファイバ1が樹脂シート2、3の長辺に沿って直線状に配置されている。そして、図1(ハ)に下側の樹脂シート3上の接着剤塗布領域Pをハッチングで示したように、光ファイバ1に沿う部分が、長手方向両端近傍を除き無接着とされている。無接着領域をN(図1(ハ)の空白部分)で示す。
この無接着領域Nの幅(光ファイバ長手方向に垂直な方向)は、当該領域N内にて光ファイバの移動を許容できる程度に光ファイバの幅よりも幾分か広くなっている。
樹脂シート2、3は、少なくともその一方が片面感圧接着剤付きの軟質樹脂であるが、図示例では両樹脂シート2、3とも片面感圧接着剤付きの軟質樹脂である。
接着剤としては、ゴム系やアクリル系の常温感圧性接着剤(ないし粘着剤)を用いることができる。
軟質樹脂材料としては、一般に光ファイバシートに用いられている材料を用いることができるが、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート(PET)、低密度あるいは高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン、軟質ポリウレタンなどのフィルムを用いることができる。
光ファイバ1としては、通常、裸ファイバにUV樹脂コーティングを施したいわゆるUV線(径250μm)、あるいは、シリコン樹脂を施したシリコン素線が用いられる。
また、光ファイバは石英系あるいはプラスチック径の光ファイバを用いることができる。
なお、光ファイバ、接着剤、樹脂シートのこれら定義は本発明では共通である。
In the illustrated
The width of the non-bonded area N (direction perpendicular to the longitudinal direction of the optical fiber) is somewhat wider than the width of the optical fiber to the extent that the movement of the optical fiber is allowed in the area N.
At least one of the
As the adhesive, a rubber-based or acrylic room-temperature pressure-sensitive adhesive (or pressure-sensitive adhesive) can be used.
As the soft resin material, materials generally used for optical fiber sheets can be used. For example, polyimide, polyethylene terephthalate (PET), low density or high density polyethylene, polypropylene, polyester, nylon, soft polyurethane, etc. A film can be used.
As the
The optical fiber can be a silica-based or plastic optical fiber.
In addition, these definitions of an optical fiber, an adhesive, and a resin sheet are common in the present invention.
上記の光ファイバシート15は、例えば検出対象物の表面に貼り付けたり、検出対象物の所定箇所に配索して用いる。対象物に曲げなどの変形が生じると、その変形に応じて光ファイバシート15が湾曲し、光ファイバ1も部分的に湾曲して、その結果歪みが生じる。この時、光ファイバ1の一端から光パルスを入射すると、歪みに比例して波長が変化したブリルアン散乱光が入射端に戻ってくる。このブリルアン散乱光を入射端で検出してその波長シフト量を知ることができ、これにより光ファイバ1の長手方向の任意の位置での歪みを検出することができ、その歪み量から光ファイバ1の曲げ量、すなわち、対象物の曲げ量を検出することができる。
The
上記において、対象物の曲げにより、樹脂シート2、3が対象物の表面の湾曲に忠実に沿って湾曲せずに部分的な皺が生じる場合がある。このような場合、光ファイバが、その光ファイバ配線方向、すなわち長手方向において上下の樹脂シートで全面接着され固定された構造であると、樹脂シートに生じた皺の影響で、光ファイバに、対象物の表面の変位とは無関係な歪みが生じる場合がある。
これに対し、この光ファイバシート15は、2枚の樹脂シート2、3が局所的に貼り合わされているだけなので、光ファイバ1が樹脂シートの皺の影響からフリーになる。
その結果、光ファイバ1は対象物の表面湾曲や変位に極力忠実な湾曲をして、光ファイバ1に対象物の湾曲や変位とは無関係な歪みが生じることは少なくなり。したがって、センサとしての検出精度の低下は少ない。
In the above, due to the bending of the target object, the
On the other hand, since this
As a result, the
また、光ファイバシート15を温度変化の大きい環境に設置した場合、樹脂シート2、3の温度によって、樹脂シート2、3に生じる皺の態様が異なるが、2枚の樹脂シート2、3が局所的に貼り合わされているだけなので、この点でも検出精度の低下は少ないと言える。
また、低温時には、樹脂シート2、3が硬くなって曲げた時の皺も大きくなり易いが、その影響を受けることが少ないので、この点でも検出精度の低下が少ないと言える。
また、樹脂シート2、3と光ファイバ1との熱膨張係数の差が大きいことも、温度によって光ファイバに与える影響の程度が異なるものとなるが、その影響を受けることが少ないので、この点でも検出精度の低下が少ないと言える。
なお、光ファイバが樹脂シートに局所的に固定されているとは、図1に図示の如く、光ファイバの長手方向両端を固定する場合だけでなく、特に図示はしないが、一端側の一箇所のみを部分的に固定する場合も含むことは自明である。
光ファイバが長手方向にて一箇所だけ樹脂シートに固定されていれば、光ファイバの他端の移動はフリーな状態である。
そこで、固定箇所を、長手方向の片側の一箇所としてセンサ機能するセンシング領域以外に配置すれば、センシング領域が樹脂シートの皺の影響を受ける恐れがなくなる。
光ファイバは樹脂シートの非接着領域N内を移動するが、その配線パターンは樹脂シートにより規制されているので対象物から外れることは無い。
この効果は、光ファイバの全長が長くなり光ファイバセンサ領域が長くなった場合に特に顕著である。
In addition, when the
In addition, at low temperatures, the
In addition, the difference in the thermal expansion coefficient between the
Note that the optical fiber is locally fixed to the resin sheet as shown in FIG. 1 not only when fixing both ends in the longitudinal direction of the optical fiber, but not particularly illustrated, but at one place on one end side. It is self-evident that only the case where only the part is fixed is included.
If the optical fiber is fixed to the resin sheet at only one position in the longitudinal direction, the movement of the other end of the optical fiber is free.
Therefore, if the fixed portion is disposed in a region other than the sensing region that functions as a sensor on one side in the longitudinal direction, there is no possibility that the sensing region is affected by the wrinkles of the resin sheet.
The optical fiber moves in the non-adhesion region N of the resin sheet, but the wiring pattern is regulated by the resin sheet, so that it does not come off the object.
This effect is particularly remarkable when the total length of the optical fiber is increased and the optical fiber sensor area is increased.
次に、2枚の樹脂シート2、3を局所的に貼り合わせる態様としては種々のパターンが考えられる。例えば、図2に示すように、樹脂シート2、3の長手方向両端近傍の一定長さ部分はシート幅方向全体に接着剤4で貼り合わせるが、長手方向の中間部は、狭い接着剤塗布部が多数分布するようなパターンで、両樹脂シート2、3を貼り合わせてもよい。このようなパターンによる局所的な貼り合わせでも、光ファイバ1に対する樹脂シート2、3の影響を少なくすることができる。両側のやや広い接着剤塗布領域をP、中間部の多数の狭い接着剤塗布部をP’、無接着領域をNで示す。
Next, various patterns can be considered as a mode of locally bonding the two
また、図3に示すように、樹脂シート2、3の全体について、狭い接着剤塗布部が多数分布するようなパターンで、両樹脂シート2、3を貼り合わせてもよい。このようなパターンによる局所的な貼り合わせでも、光ファイバ1に対する樹脂シート2、3の影響を少なくすることができる。樹脂シート3の全体に分布する多数の狭い接着剤塗布部をP’、無接着領域をNで示す。
Further, as shown in FIG. 3, the
上述の各実施例では、樹脂シート2、3が長方形であり、光ファイバ1を直線状に配置したが、例えば図4に示したように、光ファイバ1を、複数回往復するようなパターンで配置する場合も考えられる。但し、光ファイバ1は必ず平面的な配置であって、樹脂シート上で交差する等の立体配置となる場合はない。
In each of the above-described embodiments, the
以上の各実施例において、光ファイバセンサは歪み検出センサであり、光ファイバに加わる歪みを検出するものとして説明してきた。ここで、歪みという言葉は狭義には光ファイバ側面に加わる側圧や、光ファイバの伸縮により発生するものであり、一般的にはB−OTDRを用いて測定される。しかし、本発明に於ける歪みと言う言葉は広義に用いることができ、光ファイバ特性に変動を及ぼすような要因を総称する。したがって、センシング対象物の曲げ、変位により光ファイバ特性に変動が生じた場合には歪みが生じたということができる。
例えば、曲げセンサとしても使用することができる。
例えば、歪みが大きい場合にはレーリー散乱光を測定するOTDRを使用することができ、歪み部分にて曲げ損が大きくなる場合にはパワーロスを測定することにより歪みが加わる箇所と大きさを測定することができる。このような用途に用いられる光ファイバセンサとしては、石英系、樹脂系の光ファイバ以外に光ファイバコアに特殊な周期的屈折率構造を付与したもの、あるいは、光ファイバクラッドに曲げ損失が発生しやすいような構造を付与したものを用いることができる。
In each of the above embodiments, the optical fiber sensor is a strain detection sensor and has been described as detecting strain applied to the optical fiber. Here, in a narrow sense, the term “strain” is generated by a lateral pressure applied to the side surface of the optical fiber or expansion / contraction of the optical fiber, and is generally measured using B-OTDR. However, the term distortion in the present invention can be used in a broad sense, and is a generic term for factors that cause fluctuations in optical fiber characteristics. Therefore, it can be said that distortion occurs when the optical fiber characteristics fluctuate due to bending or displacement of the sensing object.
For example, it can be used as a bending sensor.
For example, when the distortion is large, an OTDR that measures Rayleigh scattered light can be used. When the bending loss increases at the distortion portion, the location and size of the distortion are measured by measuring the power loss. be able to. As an optical fiber sensor used for such applications, in addition to silica-based and resin-based optical fibers, a special periodic refractive index structure is added to the optical fiber core, or bending loss occurs in the optical fiber cladding. What gave the structure which is easy can be used.
1 光ファイバ
2、3 樹脂シート
4 接着剤
15 光ファイバシート(光ファイバセンサ)
P、P’ 接着剤塗布領域
N 無接着領域
1
P, P 'Adhesive application area N No adhesion area
Claims (5)
前記光ファイバが、前記樹脂シートに局所的に固定されていることを特徴とする光ファイバセンサ。 In an optical fiber sensor in which a resin sheet is bonded to each other with an adhesive across a planar arrangement of optical fibers,
An optical fiber sensor, wherein the optical fiber is locally fixed to the resin sheet.
5. The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the optical fiber sensor is a strain detection sensor or a bending detection sensor.
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JP2005022562A JP2006208264A (en) | 2005-01-31 | 2005-01-31 | Optical fiber sensor |
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