JP2018059802A

JP2018059802A - Ｆｂｇセンサ

Info

Publication number: JP2018059802A
Application number: JP2016197249A
Authority: JP
Inventors: 伸太郎福本; Shintaro Fukumoto; 富男中島; Tomio Nakajima
Original assignee: IHI Inspection and Instrumentation Co Ltd
Current assignee: IHI Inspection and Instrumentation Co Ltd
Priority date: 2016-10-05
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2018-04-12

Abstract

【課題】ひずみ変化を含むことなく、温度変化を計測し得るFBGセンサを提供する。【解決手段】FBG部１を形成した光ファイバ２と、光ファイバ２の挿入によりFBG部１を内部に配置する針管３とを備え、針管３は、光ファイバ２の外径に近い内径を備え、FBG部１は、針管３に対して径方向及び軸方向で非接触になるよう片側方向のみで支持される。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバに形成されたFBG部を用いて計測するFBGセンサに関するものである。

近年、光ファイバセンサの１つであるFBG（Fiber Bragg Grating）センサが土木建築分野から航空宇宙分野まで幅広く利用されている。FBGセンサは、光ファイバのコア内に形成されたブラッグ格子によりFBG部を構成し、特定の波長の光信号であるブラッグ波長を反射するようにしたものである。そしてブラッグ波長の利用によりひずみ変化や温度変化を計測するようにしている。

またFBGセンサは、電気抵抗式のひずみゲージと比較し、電気的影響を受けない、防爆性を有する、ひずみ感度が高い、１本の光ファイバで複数点の計測ができる、という優れた特長を持っている。

なお、本発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、下記の特許文献１等が既に存在している。

特開２０１４−２０６４２２号公報

しかしながら、FBGセンサは、被測定物の温度変化を計測する際に、温度変化のみならず、熱膨張に伴うひずみ変化も測定してしまうため、温度変化のみを計測することが困難であった。またFBGセンサを用いる市販の光式温度センサ（os4210 MICRON OPTICS社）は、ハウジング材を含め、小型のものでも径が１．０７ｍｍと大きいため、光ファイバの小さな外径（例えば０．１５ｍｍ）を生かして小型化することが求められていた。更にFBGセンサで温度変化を計測する際には、温度変化を伸び縮みの変化に変換する感温部材を用い、感温部材にFBGセンサを固定して計測するため、感温部材により測定する箇所が制限されるという問題があった。更にまたFBGセンサを被測定物に配置する際には、FBGセンサに張力をかけた状態で接着する必要があるため、手間がかかるという問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、ひずみ変化を含むことなく、温度変化を計測するFBGセンサを提供しようとするものである。

本発明のFBGセンサは、FBG部を形成した光ファイバと、該光ファイバの挿入により前記FBG部を内部に配置する針管とを備え、
前記針管は、光ファイバの外径に近い内径を備え、
前記FBG部は、前記針管に対して径方向及び軸方向で非接触になるよう片側方向のみで支持されたものである。

本発明のFBGセンサにおいて、前記針管は、被測定物に固定される外周面を備え、前記FBG部は、針管との間に摩擦の影響が無い状態で測定するように構成されたことを特徴とするものである。

本発明のFBGセンサにおいて前記針管は、（前記針管の外径）／（前記光ファイバの外径）の比を２．２０以上７．１５以下にすると共に、（前記針管の内径）／（前記光ファイバの外径）の比を１．０６以上５．００以下にすることが好ましい。

本発明のFBGセンサにおいて、前記針管は、外径を０．３３ｍｍ以上１．０７ｍｍ未満にすると共に、内径を０．１６ｍｍ以上０．７５ｍｍ以下にすることが好ましい。

本発明のFBGセンサにおいて、前記FBG部は、耐熱被覆されたものであることが好ましい。

本発明のFBGセンサによれば、FBG部を針管の内部に配置することにより、ひずみ変化を含むことなく、温度変化を計測することができるという優れた効果を奏し得る。

本発明の実施の形態例を示す概念図である。本発明の実施の形態例であって針管の外径、内径、FBG部の外径を示す概念図である。本発明の実施の形態例であって試験装置を示す概念図である。本発明の実施の形態例を試験条件１で試験したものであって熱電対の温度ステップを示すグラフである。本発明の実施の形態例を試験条件１で試験したものであって時間に対するブラッグ波長変化を示すグラフである。本発明の実施の形態例を試験条件１で試験したものであって温度変化とFBGセンサのブラッグ波長の変化を示すグラフである。本発明の実施の形態例を試験条件２で試験したものであって温度変化とFBGセンサのブラッグ波長の変化を示すグラフである。本発明の実施の形態例を試験条件３で試験したものであって温度変化とFBGセンサのブラッグ波長の変化を示すグラフである。

以下、本発明のFBGセンサを実施する形態例を図１、図２を参照して説明する。

実施の形態例のFBGセンサは、FBG部１を形成したシングルモードの光ファイバ２と、光ファイバ２の挿入によりFBG部１を内部に配置する針管３とを備えている。

FBG部１は、光ファイバ２のコア部分に光軸方向に沿って一定の間隔で形成されたブラッグ格子（回折格子）により構成され、光ファイバ２の先端側に位置している。またFBG部１は、温度変化により反射波長を変化させるようになっている。

光ファイバ２は、FBG部１を含め、ポリイミド被覆、アクリル樹脂被覆、メタルコート(ニッケル、金)等の耐熱性素材４で被覆されている。また光ファイバ２は、図２に示すごとく、耐熱性樹脂で被覆されたFBG部１を含めて外径Ｄ_ｆが０．１３ｍｍ以上０．１６ｍｍ以下、好ましくは０．１５ｍｍとなっている。

針管３は、導電性が高く耐久性のある金属であり、ステンレスや銅等で構成されている。また針管３は、スポット溶接可能な外周面３ａを備え、被測定物（検査対象）に固定できるようになっている。更に針管３は、全長の長さを２５０ｍｍ以上４００ｍｍ以下としている。また針管３は、外径Ｄ_Ｏが、FBGセンサを用いた市販の光式温度センサ（os4210 MICRON OPTICS社）より小さい径となっていると共に、内径Ｄ_Ｉが、光ファイバ２を挿入し得る径であり、且つ光ファイバ２の外径Ｄ_ｆに近い径となっている。

また針管３の外径Ｄ_Ｏ及び内径Ｄ_Ｉについて具体的に説明すると、針管３は、（針管３の外径Ｄ_Ｏ）／（光ファイバ２の外径Ｄ_ｆ）の比を２．２０以上７．１５以下にすると共に、（針管３の内径Ｄ_Ｉ）／（光ファイバ２の外径Ｄ_ｆ）の比を１．０６以上５．００以下にしている。更に具体的には、針管３の外径Ｄ_Ｏを０．３３ｍｍ以上１．０７ｍｍ未満にすると共に、針管３の内径Ｄ_Ｉを０．１６ｍｍ以上０．７５ｍｍ以下にしている。更に好ましくは針管３の外径Ｄ_Ｏを０．３５ｍｍ以上１．０６ｍｍ以下、針管３の内径Ｄ_Ｉを０．１７ｍｍ以上０．７０ｍｍ以下にしている。

光ファイバ２と針管３は、光ファイバ２のFBG部１が針管３の内部に位置するように光ファイバ２の先端側が所定の位置まで針管３に挿入されており、FBG部１が針管３に対して径方向及び軸方向で非接触になるよう光ファイバ２の片側方向のみで支持されている。また光ファイバ２と針管３は、針管３の挿入口と光ファイバ２の支持箇所が接着材５により固定されている。これによりFBG部１は、針管３との間に摩擦の影響が無い状態で測定し得るようになっている。ここで光ファイバ２を針管３に挿入した部分の長さは、針管３と光ファイバ２の接続部分からFBG部１へ伝熱の影響が無い長さとなっており、実施例では３００ｍｍの長さにしている。また光ファイバ２を針管３に挿入した部分の長さは、FBG部１へ伝熱の影響が無いならば特に制限されるものではない。

FBGセンサを用いる測定装置は、図３（試験装置を参照）に示すごとくFBG部１（図１参照）に光ファイバ２を介して光を入力する広帯域の光源６と、FBG部１で発生した反射光を分離する光サーキュレータ７と、光サーキュレータ７からの光を処理する光スペクトラムアナライザ８と、光スペクトラムアナライザ８からの信号を処理して記録するＰＣ等の処理記録部９とを備えている。また測定装置は必要に応じて光ファイバアンプ、光スイッチ等の他の計測機器を備えても良い。

以下、本発明のFBGセンサについて試験した試験内容について説明する。

［試験条件１］
試験では、図１に示すごとく、FBG部１を形成したシングルモードの光ファイバ２を、ステンレスの針管３に挿入したものを使用した。光ファイバ２はポリイミドで被覆されると共に外径Ｄ_ｆをポリイミド被覆も含め０．１５ｍｍにし、針管３は、外径Ｄ_Ｏを０．５５ｍｍにし、内径Ｄ_Ｉを０．３０ｍｍにした。またFBG部１を形成した光ファイバ２は、針管３の内部に３００ｍｍほど挿入している。
また試験装置は、図３に示すごとく、広帯域の光源６、光サーキュレータ７、光スペクトラムアナライザ８、ＰＣ等の処理記録部９を用いる。そして温度を比較できるように、熱電対１０のラインを備えた温度計測器１１を用い、温度計測器１１から温度信号をＰＣ等の処理記録部９に送り、比較対照できるようになっている。
更にFBG部１と熱電対１０を並列に並べるようにステンレスプレートの試験片（被測定物）１２にスポット溶接し、電気炉１３の内部に配置している。

［試験結果１］
電気炉１３の温度を徐々に上げ、熱電対１０の温度、FBGセンサのブラッグ波長変化を測定した。
図４には熱電対の温度ステップを示す。なお試験開始温度は２０．３℃であった。図５には、熱電対と同じ時間経過における、時間に対するFBGセンサのブラッグ波長変化を示す。このことから、FBGセンサは温度上昇とともにブラッグ波長も変化する一方、温度を保持したときには波長の変化がないことが明らかである。
図６には、温度変化とブラッグ波長変化の関係を示す。FBGセンサは、室温から４００℃まで温度を上げた時の波長変化（Heating）と、室温に戻したときの波長変化（Natural Cooling）に可逆性が見られた。またFBGセンサは、温度感度が加熱時１３．０×１０^−３ｎｍ／℃となり、自然冷却時１２．８×１０^−３ｎｍ／℃となった。これは、FBGセンサの温度感度が一般的なFBGセンサの温度感度（約１０×１０^−３ｎｍ／℃）と近い感度を得ていることを示している。

［試験条件２］
試験では、針管３の外径Ｄ_Ｏ、内径Ｄ_Ｉを変更したものを使用した。針管３は、外径Ｄ_Ｏを０．３５ｍｍにし、内径Ｄ_Ｉを０．１７ｍｍにした。光ファイバ２は、試験条件１と同じとなるよう、ポリイミドで被覆されると共に外径Ｄ_ｆをポリイミド被覆も含め０．１５ｍｍにしたものを使用した。またFBG部１を形成した光ファイバ２は、針管３の内部に３００ｍｍほど挿入している。
また試験装置は、図３に示すごとく試験条件１に示すものと同じものを使用し、FBG部１と熱電対１０は、配置等の条件を試験条件１と同じにした。

［試験結果２］
試験結果１と同じように熱電対１０の温度、FBGセンサのブラッグ波長変化を測定し、図７に示す温度変化とブラッグ波長変化の関係を得た。
その結果、FBGセンサは、室温から４００℃まで温度を上げた時の波長変化（Heating）と、室温に戻したときの波長変化（Natural Cooling）に可逆性が見られた。またFBGセンサは、温度感度が加熱時１１．９×１０^−３ｎｍ／℃となり、自然冷却時１１．９×１０^−３ｎｍ／℃となった。これは、FBGセンサの温度感度が一般的なFBGセンサの温度感度（約１０×１０^−３ｎｍ／℃）と極めて近い感度を得ていることを示している。

［試験条件３］
試験では、針管３の外径Ｄ_Ｏ、内径Ｄ_Ｉを更に変更したものを使用した。針管３は、外径Ｄ_Ｏを１．０６ｍｍにし、内径Ｄ_Ｉを０．７０ｍｍにした。光ファイバ２は、試験条件１、２と同じとなるよう、ポリイミドで被覆されると共に外径Ｄ_ｆをポリイミド被覆も含め０．１５ｍｍにしたものを使用した。またFBG部１を形成した光ファイバ２は、針管３の内部に３００ｍｍほど挿入している。
また試験装置は、図３に示すごとく試験条件１に示すものと同じものを使用し、FBG部１と熱電対１０は、配置等の条件を試験条件１と同じにした。

［試験結果３］
試験結果１と同じように熱電対１０の温度、FBGセンサのブラッグ波長変化を測定し、図８に示す温度変化とブラッグ波長変化の関係を得た。
その結果、FBGセンサは、室温から４００℃まで温度を上げた時の波長変化（Heating）と、室温に戻したときの波長変化（Natural Cooling）に可逆性が見られた。またFBGセンサは、温度感度が加熱時１３．７×１０^−３ｎｍ／℃となり、自然冷却時１２．２×１０^−３ｎｍ／℃となった。これは、FBGセンサの温度感度が一般的なFBGセンサの温度感度（約１０×１０^−３ｎｍ／℃）と近い感度を得ていることを示している。

このことから、針管３は様々な内径や外径であっても、温度変化とブラッグ波長変化の関係では直線性を有しており、FBG部１は、ひずみ変化を含むことなく、温度変化のみを計測することが明らかである。また針管３はFBG部１にひずみ変化の影響を与えないよう、熱膨張に伴う被測定物のひずみ変化に対応しているといえる。更にポリイミド被覆の光ファイバ２に形成されたFBG部１は、一般的に測定可能な温度範囲の上限が３５０℃前後であるにもかかわらず、針管３を備えることにより、測定可能な温度範囲の上限を４００℃以上に引き上げている。

而して、このような実施の形態例によれば、ひずみ変化を含むことなく、温度変化を計測することができる。またFBGセンサは、全体の寸法が針管３の外径となるため、一般的なFBGセンサを用いる市販の光式温度センサに比べ、寸法を小さくすることができる。更にFBGセンサは、従来必要であった感温部材を不要にするので、測定する箇所の自由度を高めることができる。更にまたFBGセンサのFBG部１は、針管３に対して径方向及び軸方向で非接触になるよう片側方向のみで支持されているので、FBG部１に張力をかけた状態で接着する必要がなく、被測定物に固定する手間を抑制することができる。

実施の形態例において、針管３は、被測定物に固定される外周面３ａを備え、FBG部１は、針管３との間に摩擦の影響が無い状態で測定するように構成されると、FBG部１を被測定物に直接固定することなく、配置することができると共に、ひずみ変化を含むことなく、温度変化を好適に計測することができる。またFBG部１に張力をかけた状態で接着する必要がないので、被測定物に固定する手間を抑制することができる。

実施の形態例において、針管３は、（針管３の外径Ｄ_Ｏ）／（光ファイバ２の外径Ｄ_ｆ）の比を２．２０以上７．１５以下にすると共に、（針管３の内径Ｄ_Ｉ）／（光ファイバ２の外径Ｄ_ｆ）の比を１．０６以上５．００以下にすると、FBGセンサの寸法を小さくすると共に、ひずみ変化を含むことなく、温度変化を好適に計測することができる。ここで（針管３の外径Ｄ_Ｏ）／（光ファイバ２の外径Ｄ_ｆ）の比、（針管３の内径Ｄ_Ｉ）／（光ファイバ２の外径Ｄ_ｆ）の比が範囲外になる場合には、温度変化とブラッグ波長変化の関係で直線性を失い、FBG部１が、ひずみ変化を含むことなく、温度変化のみを計測できなくなるおそれがある。

実施の形態例において、針管３は、外径Ｄ_Ｏを０．３３ｍｍ以上１．０７ｍｍ未満にすると共に、内径Ｄ_Ｉを０．１６ｍｍ以上０．７５ｍｍ以下にすると、FBGセンサの寸法を一層小さくすると共に、ひずみ変化を含むことなく、温度変化を好適に計測することができる。また針管３は、外径Ｄ_Ｏを０．３５ｍｍ以上１．０６ｍｍ以下にすると共に、内径Ｄ_Ｉを０．１７ｍｍ以上０．７０ｍｍ以下にすると、FBGセンサの寸法を更に小さくすると共に、ひずみ変化を含むことなく、温度変化を極めて好適に計測することができる。ここで、針管３の外径Ｄ_Ｏ、内径Ｄ_Ｉが範囲外になる場合には、温度変化とブラッグ波長変化の関係で直線性を失い、FBG部１が、ひずみ変化を含むことなく、温度変化のみを計測できなくなるおそれがある。

実施の形態例において、FBG部１は、耐熱被覆されたものであると、温度変化の計測において温度範囲を広げることができ、温度変化を好適に計測することができる。

尚、本発明のFBGセンサは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ FBG部
２光ファイバ
３針管
３ａ外周面
Ｄ_ｆ光ファイバの外径
Ｄ_Ｉ針管の内径
Ｄ_Ｏ針管の外径

Claims

FBG部を形成した光ファイバと、該光ファイバの挿入により前記FBG部を内部に配置する針管とを備え、
前記針管は、光ファイバの外径に近い内径を備え、
前記FBG部は、前記針管に対して径方向及び軸方向で非接触になるよう片側方向のみで支持されたことを特徴とするFBGセンサ。
前記針管は、被測定物に固定される外周面を備え、前記FBG部は、針管との間に摩擦の影響が無い状態で測定するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のFBGセンサ。
前記針管は、（前記針管の外径）／（前記光ファイバの外径）の比を２．２０以上７．１５以下にすると共に、（前記針管の内径）／（前記光ファイバの外径）の比を１．０６以上５．００以下にしたことを特徴とする請求項１または２に記載のFBGセンサ。
前記針管は、外径を０．３３ｍｍ以上１．０７ｍｍ未満にすると共に、内径を０．１６ｍｍ以上０．７５ｍｍ以下にしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のFBGセンサ。
前記FBG部は、耐熱被覆されたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のFBGセンサ。