JP5150445B2 - Optical fiber sensor device, temperature and strain measurement method, and optical fiber sensor - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバを用いた温度とひずみなどの物理量を計測する光ファイバセンサ装置と温度とひずみの計測方法並びに光ファイバセンサに関し、特に温度とひずみを同時に計測できる技術に関する。 The present invention relates to an optical fiber sensor device that measures physical quantities such as temperature and strain using an optical fiber, a temperature and strain measurement method, and an optical fiber sensor, and more particularly to a technique that can simultaneously measure temperature and strain.
光ファイバを用いた温度やひずみなどの物理量を計測するセンサは、長寿命であること、軽量であること、細径かつ柔軟性があるため、狭い空間で使用可能であること、光ファイバが絶縁性であるため、電磁ノイズに強いことなどから、橋梁やビルなどの巨大構造物および旅客機や人工衛星などの航空、宇宙機器の健全性の評価に用いることが期待されている。
これら構造物の健全性評価を行うための光ファイバセンサに求められる性能として、ひずみ分解能が高いこと、多点のセンサを有すること(検知範囲が広いこと)、リアルタイムで計測できること、などが挙げられる。
Sensors that measure physical quantities such as temperature and strain using optical fibers have a long life, are lightweight, and have a small diameter and flexibility, so they can be used in narrow spaces, and optical fibers are insulated. Therefore, it is expected to be used for the evaluation of the soundness of aerospace equipment such as huge structures such as bridges and buildings, passenger planes and artificial satellites.
The performance required for optical fiber sensors for evaluating the soundness of these structures includes high strain resolution, a multipoint sensor (wide detection range), and real-time measurement capability. .
これまで種々の光ファイバセンサが提案されているが、前記要求性能を十分に満たす最も有望なものとしてファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating;以下FBGと略記する)からなる光ファイバセンサが挙げられる。
FBGとは、光ファイバのコアに周期的な屈折率変化を持たせた光ファイバ型デバイスであり、コアの屈折率変化の周期と実効屈折率によって定まる特定の波長の光を反射する特性を有する。この反射光がブラッグ反射光であり、その反射波長はブラッグ波長と呼ばれる。
このFBGに温度変化やひずみなどが生じると、これに応じてコアの屈折率変化の周期や実効屈折率が変化し、ブラッグ波長がシフトする。このブラッグ波長のシフト量と温度変化量やひずみ量との関係を予め測定しておくことで、ブラッグ波長のシフト量から温度変化やひずみを計測することができる。このFBGからなる光ファイバセンサには、ブラッグ波長のシフト量を計測する手段の測定精度にもよるが、極めて高い分解能で温度変化とひずみを計測することができる特徴がある。
Various optical fiber sensors have been proposed so far, and the most promising one that sufficiently satisfies the required performance is an optical fiber sensor comprising a fiber Bragg grating (hereinafter abbreviated as FBG).
The FBG is an optical fiber type device in which the core of the optical fiber has a periodic refractive index change, and has a characteristic of reflecting light of a specific wavelength determined by the core refractive index change period and the effective refractive index. . This reflected light is Bragg reflected light, and the reflected wavelength is called Bragg wavelength.
When a temperature change or strain occurs in the FBG, the period of the refractive index change of the core and the effective refractive index change accordingly, and the Bragg wavelength shifts. By measuring the relationship between the Bragg wavelength shift amount and the temperature change amount and strain amount in advance, the temperature change and strain can be measured from the Bragg wavelength shift amount. The optical fiber sensor made of FBG has a feature that it can measure temperature change and strain with extremely high resolution, depending on the measurement accuracy of the means for measuring the shift amount of the Bragg wavelength.
また、このFBGからなる光ファイバセンサを用いて温度変化やひずみ量を計測する手段として、以下の方式が知られている。第1の方式として、1本の光ファイバに対してブラッグ波長の異なる複数のFBGを配置して、全てのFBGのブラッグ反射波長域にわたる測定光を連続的に入射して各FBGからのブラッグ波長シフト量を計測する波長多重(Wavelength Division Multiplexing ; 以下、WDMと略記する。)方式を例示することができ、第2の方式として、1本の光ファイバに対してブラッグ波長がほぼ同一の複数のFBGをある一定距離以上の間隔で配置し、全てのFBGのブラッグ波長域にわたる測定光をパルス状に入射して各FBGからのブラッグ波長光の伝搬遅延時間の差に基づいて各FBGの位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測する時間多重(Time Division Multiplexing ; 以下、TDMと略記する。)方式を例示することができ、第3の方式として、1本の光ファイバに対してブラッグ波長がほぼ同一の複数のFBGを任意の間隔で配置して、各FBGからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用して各FBGの位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測する光周波数領域反射測定(Optical Frequency Domain Reflectometry ;以下 OFDRと略記する。)方式を例示することができる。 In addition, the following methods are known as means for measuring temperature change and strain using an optical fiber sensor made of FBG. As a first method, a plurality of FBGs having different Bragg wavelengths are arranged for one optical fiber, and measurement light over the Bragg reflection wavelength region of all the FBGs is continuously incident, so that the Bragg wavelengths from each FBG are incident. A wavelength division multiplexing (Wavelength Division Multiplexing; hereinafter abbreviated as WDM) method for measuring the shift amount can be exemplified. As a second method, a plurality of Bragg wavelengths that are substantially the same for one optical fiber are used. FBGs are arranged at intervals of a certain distance or more, measurement light over the Bragg wavelength range of all FBGs is incident in pulses, and the position of each FBG is determined based on the difference in propagation delay time of Bragg wavelength light from each FBG. A time division multiplexing (Time Division Multiplexing; hereinafter abbreviated as TDM) method for measuring the amount of shift of the Bragg wavelength can be illustrated as a third method. As described above, a plurality of FBGs having substantially the same Bragg wavelength are arranged at an arbitrary interval with respect to one optical fiber, and the period of the interference intensity between the Bragg reflected light from each FBG and the reflected light from the reference reflection end An optical frequency domain reflection measurement (Optical Frequency Domain Reflectometry; hereinafter abbreviated as “OFDR”) system that specifies the position of each FBG using a change and measures the shift amount of the Bragg wavelength can be exemplified.
これらの計測手段のうち、特許文献1には、OFDR方式の計測方法について詳細が開示されている。特許文献1によると、OFDR方式の計測方法では、1本の光ファイバに複数個配置されたひずみ検知用のFBGが検知したひずみを、リアルタイムで計測することができる利点を有する。
以上説明したとおり、FBGからなる光ファイバセンサは、FBGに生じた温度変化やひずみを高い分解能で計測できるのが最大の特徴であり、この温度変化やひずみを計測する手段も豊富にあるという利点を有している。
Among these measurement means, Patent Document 1 discloses details of the OFDR measurement method. According to Patent Document 1, the OFDR measurement method has an advantage that the strain detected by a plurality of strain detection FBGs arranged in one optical fiber can be measured in real time.
As described above, the optical fiber sensor made of FBG has the greatest feature that it can measure temperature changes and strains generated in the FBGs with high resolution, and has an advantage that there are many means for measuring these temperature changes and strains. have.
このFBGからなる光ファイバセンサ以外の光ファイバセンサとしては、特許文献2に記載の如く光ファイバとその末端に設けたミラーからなる光ファイバセンサが開示されている。特許文献2によると、この光ファイバセンサは人物検知センサとして用いられる。この光ファイバセンサ上を人物が通過すると、光ファイバに曲がりが発生し、測定光の強度が変動する。この光ファイバセンサは光ファイバ端面に設けられたミラーに反射した測定光の強度を測定し、その強度から人物の通過の有無を判断するものである。
しかしながら、この特許文献2に記載されている光ファイバセンサは、ひずみ量と測定光の強度変動(光ファイバの曲がり)に定量的な相関関係が無いので、FBGをセンサとした光ファイバセンサのような正確なひずみ測定ができない問題がある。この特許文献2との比較からも、FBGからなる光ファイバセンサの有用性は明らかである。
As an optical fiber sensor other than the optical fiber sensor made of FBG, as disclosed in
However, since the optical fiber sensor described in
一方、このFBGからなる光ファイバセンサの一般的な問題点として、温度やひずみなどの物理量が複数項目変化すると、それらの変化量を個別に切り分けて測定することができないことが挙げられる。このため、例えば、ひずみ検知用のセンサとして利用する場合は、検知部の温度変化をひずみの変化として捉えることなく、ひずみを計測することができる光ファイバセンサおよびその計測方法が必要であると考えられる。
このような光ファイバセンサおよびその計測方法として、特許文献1に記載の技術では、複数個配置されたFBGのうち、1つをひずみが作用しない(無ひずみ)状態とし、このFBGのブラッグ波長のシフト量を計測することで、光源の波長掃引の不安定性を取り除くとともに、全てのFBGが同一の温度である場合に限り、ひずみ検知用のFBGの温度補正(つまり、ひずみ検知用のFBGに生じる温度変化の計測)を行えることが記載されている。
On the other hand, as a general problem of the optical fiber sensor made of FBG, when a plurality of physical quantities such as temperature and strain change, it is not possible to individually measure and measure these changes. For this reason, for example, when used as a strain detection sensor, an optical fiber sensor capable of measuring strain without capturing a temperature change of the detection unit as a change in strain and a measurement method thereof are considered necessary. It is done.
As such an optical fiber sensor and a measuring method thereof, in the technique described in Patent Document 1, one of a plurality of FBGs is placed in a state in which no strain acts (no strain), and the Bragg wavelength of the FBG is set. By measuring the shift amount, instability of the wavelength sweep of the light source is removed, and only when all the FBGs are at the same temperature, temperature correction of the strain detection FBG (that is, occurs in the strain detection FBG). It is described that temperature change can be measured).
また、特許文献3には、ダイヤフラムの変位を計測する変位検知用のセンサとなるFBG(FBGにかかるひずみ量からダイヤフラムの変位を検知しているので、実際はひずみ検知用のセンサとしてFBGを用いている)と同じベース上に温度検知用のセンサとなるFBGを配置し、予め温度検出用のセンサでベースの温度を計測しておき、変位検出用のセンサのブラッグ波長のシフト量から温度変化に相当する波長シフト量を減算することによりダイヤフラムの変位を計測する技術が開示されている。更に、特許文献4では、ひずみ検知用のセンサとなるFBGと温度補償部材を組み合わせてひずみ検知用のセンサが温度変化によるブラッグ波長のシフトを生じないような構造とする技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1に記載されているひずみ検知用のFBGの温度補償方法では、それぞれのひずみ検知用のFBGに生じる温度変化が異なる場合にひずみ検知用のFBGの温度補償ができない問題がある。また、特許文献2に記載されている温度検知用のセンサとなるFBGを設ける方法では、温度変化とひずみ(ダイヤフラムの変位)を検知するために2つのFBGを必要とするため、光ファイバセンサが高価となる問題がある。
更に、特許文献3に記載されているひずみ検知用のFBGでは、温度無依存性構造とするために光ファイバセンサが高価となる上に、ひずみ検知用のFBGに生じる温度変化を計測できない問題がある。
However, the strain compensation FBG temperature compensation method described in Patent Document 1 has a problem that temperature compensation of strain detection FBGs cannot be performed when the temperature change occurring in each strain detection FBG is different. In addition, in the method of providing an FBG serving as a temperature detection sensor described in
Furthermore, in the strain detection FBG described in
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、温度変化とひずみに対する分解能が高く、多点の計測が可能であり、計測のリアルタイム性に優れ、かつ安価な温度とひずみの計測用の光ファイバセンサと温度とひずみの計測方法、並びに、光ファイバセンサ装置の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and has high resolution with respect to temperature change and strain, is capable of multipoint measurement, is excellent in real-time measurement, and is inexpensive and an optical fiber for measuring temperature and strain. An object is to provide a sensor, a method for measuring temperature and strain, and an optical fiber sensor device.
本発明の光ファイバセンサ装置は、光ファイバのコアに形成したFBGをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長のシフト量からセンサ部のひずみを計測する光周波数領域反射測定方式に適用される光ファイバセンサ装置であって、光ファイバのコアに形成したFBGからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部とを具備した光ファイバセンサと、参照用反射端と、光源と、受光器とが備えられ、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測するに際し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面に設けた反射部からの反射光と前記参照用反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面の反射部位置を特定して、該光ファイバの光路長を計測し、この光路長の変化量から温度変化を計測し、前記FBGのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする。 The optical fiber sensor device of the present invention uses an FBG formed in the core of an optical fiber as a sensor, and from the periodic change in the interference intensity of the Bragg reflected light from the sensor and the reflected light from the reference reflection end, An optical fiber sensor device that is applied to an optical frequency domain reflection measurement system that specifies a position and measures the distortion of the sensor unit from the shift amount of the wavelength of Bragg reflected light from the sensor, and is formed in the core of the optical fiber A light having a strain detection sensor unit made of FBG and a temperature detection sensor unit made of a temperature detection optical fiber connected to the strain detection sensor unit and provided with a reflection part at its end. and the fiber sensor, a referential reflecting end, a light source, the light receiver and is provided with a total of a temperature change from the fiber length variation of the sensor portion to become the optical fiber for the temperature sensing In doing so, by utilizing the periodic change in the interference intensity of the reflected light from the reflection portion provided on the end face of the optical fiber serving as the temperature detection sensor portion and the reflection light from the reference reflection end, the temperature detection identifies the reflection portion position of the optical fiber end face serving as a sensor unit measures the optical path length of the optical fiber, the temperature change is measured from the change amount of the optical path length of this, the shift amount of the Bragg wavelength of the FBG The strain is measured by subtracting the shift amount of the Bragg wavelength corresponding to the measured temperature change.
本発明において、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長は40m以上であることを特徴とする。
本発明において、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバはチューブに遊挿されていることを特徴とする。
本発明において、前記ひずみ検知用のセンサ部となるFBGと、温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端あるいは両端は面状体に取り付けられてなることを特徴とする。
本発明において、前記面状体は金属薄板でも良い。
In the present invention, the optical fiber serving as the temperature detecting sensor section has a fiber length of 40 m or more.
In the present invention, the optical fiber serving as the temperature detecting sensor part is loosely inserted into a tube.
In the present invention, one end or both ends of the FBG serving as the strain detecting sensor unit and the optical fiber serving as the temperature detecting sensor unit are attached to a planar body.
In the present invention, the planar body may be a thin metal plate.
本発明において、前記ひずみ検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部と、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部は接着層により前記面状体に固定されてなる構造でも良い。
本発明において、前記ひずみ検知用のセンサ部となるFBGの一端部あるいは両端部と、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部が接着層により前記面状体に固定されてなる構造でも良い。
本発明において、前記光ファイバの光路長の計測結果を基に、温度検知用のセンサとなる光ファイバの光路長の変化から温度変化量を計測するとともに、ひずみ検知用のセンサとなるFBGのブラッグ波長のシフト量から温度検知用のセンサとなる光ファイバで計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算してひずみを測定する制御装置は、前記受光器と前記光源に接続した状態で設けられてなる構造でも良い。
In the present invention, one end or both ends of the optical fiber to be the strain detecting sensor part and one end or both end parts of the optical fiber to be the temperature detecting sensor part are fixed to the planar body by an adhesive layer. The structure made may be sufficient.
In the present invention, one end portion or both end portions of the FBG serving as the strain detection sensor portion and one end portion or both end portions of the optical fiber serving as the temperature detection sensor portion are fixed to the planar body by an adhesive layer. It may be a structure.
In the present invention, based on the measurement result of the optical path length of the optical fiber, the temperature change amount is measured from the change of the optical path length of the optical fiber to be a temperature detection sensor, and the Bragg of the FBG to be a strain detection sensor. The control device that measures the distortion by subtracting the shift amount of the Bragg wavelength corresponding to the temperature change measured by the optical fiber serving as a temperature detection sensor from the shift amount of the wavelength is connected to the light receiver and the light source. The structure provided may be sufficient.
本発明の温度とひずみの計測方法は、先のいずれかに記載の光ファイバセンサ装置を用い、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測し、ひずみ検知用のセンサとなるFBGのブラッグ反射波長のシフト量から温度検知用センサ部で計測した温度変化によるブラッグ反射波長の変化量を減算してひずみを計測することを特徴とする。 The temperature and strain measurement method of the present invention uses any one of the optical fiber sensor devices described above, measures the temperature change from the amount of change in the fiber length of the optical fiber serving as the temperature detection sensor section, The distortion is measured by subtracting the change amount of the Bragg reflection wavelength due to the temperature change measured by the temperature detection sensor unit from the shift amount of the Bragg reflection wavelength of the FBG serving as the detection sensor .
本発明の光ファイバセンサは、光ファイバのコアに形成したFBGをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長のシフト量からセンサ部のひずみや温度を計測する光周波数領域反射測定方式に用いられる光ファイバセンサであって、
光ファイバのコアに形成したFBGからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部とを具備した光ファイバセンサが備えられ、
前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測するに際し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面に設けた反射部からの反射光と前記参照用反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面の反射部位置を特定して、該光ファイバの光路長を計測し、この光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ファイバブラッググレーティングのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする。
The optical fiber sensor of the present invention uses the FBG formed in the core of the optical fiber as a sensor, and the position of the sensor is detected from the periodic change in interference intensity between the Bragg reflected light from the sensor and the reflected light from the reference reflection end. And an optical fiber sensor used in an optical frequency domain reflection measurement method for measuring strain and temperature of the sensor unit from the shift amount of the wavelength of the Bragg reflected light from the sensor,
A temperature detecting sensor comprising a strain detecting sensor portion made of FBG formed in the core of the optical fiber and a temperature detecting optical fiber connected to the strain detecting sensor portion and provided with a reflection portion at an end thereof. An optical fiber sensor comprising a portion,
When measuring the temperature change from the change in the fiber length of the optical fiber serving as the temperature detecting sensor part, the reflected light from the reflecting part provided on the end face of the optical fiber serving as the temperature detecting sensor part and the reference using a periodic variation of the interference intensity of the reflected light from the reflecting end, the identify the reflection portion position of the optical fiber end face serving as a sensor unit for temperature detection, to measure the optical path length of the optical fiber, this The temperature change is measured from the change amount of the optical path length, and the strain is measured by subtracting the shift amount of the Bragg wavelength corresponding to the measured temperature change from the shift amount of the Bragg wavelength of the fiber Bragg grating. To do.
本発明の光ファイバセンサ装置は、温度検知用のセンサ部が光ファイバとその端末に形成した反射部で構成されているので、温度検知用のセンサ部としてFBGを用いる光ファイバセンサや、温度無依存構造を有する光ファイバセンサと比較して安価な光ファイバセンサとして提供することができる。従って、安価な光ファイバを温度検知用として用い、温度補償した状態でFBGにてひずみを計測することができ、正確なひずみ計測を行うことができる光ファイバセンサ装置を提供することができる。 In the optical fiber sensor device of the present invention, the temperature detection sensor unit is composed of an optical fiber and a reflection unit formed at the end thereof. Therefore, an optical fiber sensor using FBG as the temperature detection sensor unit, Compared to an optical fiber sensor having a dependency structure, it can be provided as an inexpensive optical fiber sensor. Therefore, it is possible to provide an optical fiber sensor device that can use an inexpensive optical fiber for temperature detection, measure strain with the FBG in a temperature compensated state, and perform accurate strain measurement.
本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用の光ファイバとして40m以上の長さの光ファイバを用いると、OFDR方式にて温度検知用のセンサ部を構成する光ファイバの光路長変化を基に温度変化を求める場合、正確な温度計測ができる。
本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用のセンサとなる光ファイバをチューブに遊挿してなる構造にすると、温度検知用のセンサ部にひずみが生じても、チューブのみが伸縮し、その内部に収容されている温度検知用のセンサとなる光ファイバにひずみが作用し難いので、温度検知用のセンサ部となる光ファイバはひずみによる光路長変化が生じない。これにより、正確な温度検知ができる。
更に、本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用のセンサ部となる光ファイバをチューブに遊挿した状態で検知部もしくは面状体に固定するので、ひずみの影響を受けることなく温度計測することができる。
In the optical fiber sensor device of the present invention, when an optical fiber having a length of 40 m or more is used as the temperature detection optical fiber, the optical path length change of the optical fiber constituting the temperature detection sensor unit by the OFDR method is used. When calculating temperature changes, accurate temperature measurement is possible.
In the optical fiber sensor device of the present invention, when an optical fiber serving as a temperature detection sensor is loosely inserted into the tube, even if the temperature detection sensor section is distorted, only the tube expands and contracts. Since the strain hardly acts on the optical fiber serving as the temperature detection sensor housed in the optical fiber, the optical fiber serving as the temperature detection sensor section does not change the optical path length due to the strain. Thereby, accurate temperature detection can be performed.
Furthermore, in the optical fiber sensor device of the present invention, the temperature measurement is performed without being affected by the strain because the optical fiber to be a temperature detection sensor is fixed to the detection unit or the planar body while being loosely inserted into the tube. be able to.
本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用のセンサとなる光ファイバとひずみ検知用のFBGを金属薄板からなる面状体に固定した構造であるので、検知部への取付けが容易となる。また、温度検知用の光ファイバとひずみ検知用のFBGを固定する面状体において、これらを固定した面とは異なる面に接着層を設けることで、検知部への取付けがより容易となる。
本発明の光ファイバセンサ装置において、コネクタを用いて複数の光ファイバセンサを連設している構造であるので、多点にわたる温度とひずみのセンシングが容易に実施できる。また、コネクタの着脱によってセンシングしたい点数の調整が容易にできる。
Since the optical fiber sensor device of the present invention has a structure in which an optical fiber serving as a temperature detection sensor and an FBG for strain detection are fixed to a planar body made of a thin metal plate, the attachment to the detection unit is facilitated. In addition, in the planar body for fixing the temperature detection optical fiber and the strain detection FBG, an adhesive layer is provided on a surface different from the surface on which these are fixed, thereby facilitating attachment to the detection unit.
Since the optical fiber sensor device of the present invention has a structure in which a plurality of optical fiber sensors are connected in series using connectors, temperature and strain sensing over multiple points can be easily performed. In addition, the number of points to be sensed can be easily adjusted by attaching / detaching the connector.
本発明の光ファイバセンサ装置を用いた温度とひずみの計測方法によれば、OFDR方式の計測器を用いるので温度検知用のセンサとなる光ファイバのファイバ長を短くすることができる。 According to the temperature and strain measurement method using the optical fiber sensor device of the present invention, since the OFDR type measuring instrument is used, the fiber length of the optical fiber serving as a temperature detection sensor can be shortened.
また、本発明の光ファイバセンサは、温度検知用のセンサ部を光ファイバとその端末に形成した反射部で構成しているので、OFDR方式にて温度検知用のセンサ部の光ファイバの光路長の変化から温度変化を求める際に使用することができ、更に、その温度計測結果を基にFBGにてひずみを計測する場合に温度補償した状態でひずみの計測を行う場合に使用することができる。
従って本発明の光ファイバセンサによれば、温度検知用のセンサ部としてFBGを用いる光ファイバセンサや、温度無依存構造を有する光ファイバセンサと比較して安価な光ファイバセンサとして提供することができる。即ち、安価な光ファイバを温度検知用のセンサとして用い、温度補償した状態でFBGにてひずみを計測することができる光ファイバセンサを提供することができる。
Further, in the optical fiber sensor of the present invention, the temperature detection sensor part is composed of the optical fiber and the reflection part formed at the end thereof, so that the optical path length of the optical fiber of the temperature detection sensor part in the OFDR method. It can be used to determine the temperature change from the change in temperature, and can also be used to measure strain in a temperature compensated state when measuring strain with FBG based on the temperature measurement result. .
Therefore, according to the optical fiber sensor of the present invention, it can be provided as an inexpensive optical fiber sensor as compared with an optical fiber sensor using FBG as a temperature detecting sensor part or an optical fiber sensor having a temperature-independent structure. . That is, it is possible to provide an optical fiber sensor that can measure strain with an FBG in a state where temperature is compensated using an inexpensive optical fiber as a sensor for temperature detection.
以下、本発明に係る温度変化とひずみを計測する光ファイバセンサの基本構造について図面を参照して説明するが、本発明が以下に説明する形態に制限されるものではないことは勿論である。
図1は、本発明に係る温度変化とひずみを計測する光ファイバセンサ(温度ひずみ計測センサ)の基本構造を示す構成図である。図1において本実施形態の光ファイバセンサSは、FBG(ファイバブラッググレーティング)1をコアに備えた光ファイバ2からなるひずみ検知用のセンサ部3と、このセンサ部3に光接続された光ファイバ5の端部に反射部6を形成してなる温度検知用のセンサ部7を備えて構成されている。
Hereinafter, the basic structure of an optical fiber sensor for measuring temperature change and strain according to the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is of course not limited to the embodiments described below.
FIG. 1 is a configuration diagram showing a basic structure of an optical fiber sensor (temperature strain measurement sensor) for measuring temperature change and strain according to the present invention. In FIG. 1, an optical fiber sensor S of the present embodiment includes a strain
FBG1は、光ファイバコアの長手方向の屈折率変化分布が一定間隔で変化するように構成したものであり、例えば高屈折率部と低屈折率部とを一定間隔で繰り返す構造としたものである。このFBG1は高い分解能でひずみ計測できる(高い分解能でブラッグ波長のシフト量を計測できる)光学特性を有するものが望ましい。温度検知用のセンサ部7を構成する光ファイバ5は、その一端側を前記ひずみ検知用のセンサ部1の一端側に光接続し、その他端側の端面に適切な反射率を有する反射部6を備えてなり、かつ、前記FBG1と前記反射部6との間の光路長が温度変化に対して大きく変化するような長さを有するものが好ましい。その一例として光ファイバ5は長さ40m以上の光ファイバであることが望ましい。
The FBG 1 is configured such that the refractive index change distribution in the longitudinal direction of the optical fiber core changes at regular intervals. For example, the FBG 1 has a structure in which a high refractive index portion and a low refractive index portion are repeated at regular intervals. . The FBG 1 desirably has an optical characteristic capable of measuring strain with high resolution (measuring the shift amount of the Bragg wavelength with high resolution). The optical fiber 5 constituting the temperature detecting sensor unit 7 is optically connected at one end thereof to one end side of the strain detecting sensor unit 1 and has an appropriate reflectance at the other end surface. And having a length such that the optical path length between the FBG 1 and the reflecting
次に、図1に示す基本構造の光ファイバセンサSを備え、光周波数反射測定方式(以下、OFDR方式と略記する。)を適用した光ファイバセンサ装置(温度ひずみ計測センサ装置)の第1の実施形態を図2に示す
この実施形態の光ファイバセンサ装置10は、光カプラ(ファイバカプラ)11と、チューナブルレーザ(TLS;波長可変光源)12と、フォトダイオード(PD;光検出器)13と、参照用反射端16と、先の構造の光ファイバセンサSを備えて概略構成され、チューナブルレーザ12は光ファイバ14を介し、フォトダイオード13は光ファイバ15を介し光カプラ11に光接続され、参照用反射端16は光ファイバ17を介し、光ファイバセンサSは光ファイバ18を介して光カプラ11に光接続されている。即ち、チューナブルレーザ12とフォトダイオード13と参照用反射端16と光ファイバセンサSは光ファイバ14、15、17、18によって光カプラ11を介し連設された構造とされていて、チューナブルレーザ12から出射した測定光を光カプラ11を介して光ファイバ17と光ファイバセンサSに入射できるように構成されている。また、光ファイバ17と光ファイバセンサSに入射した測定光の一部はそれぞれ反射されるので、光カプラ11を介してフォトダイオード13で干渉光として計測することができる。
Next, a first optical fiber sensor device (temperature strain measurement sensor device) including the optical fiber sensor S having the basic structure shown in FIG. 1 and employing an optical frequency reflection measurement method (hereinafter abbreviated as OFDR method) is applied. An embodiment is shown in FIG. 2. An optical
前記構造の光ファイバセンサ装置10において、チューナブルレーザ12は、チューナブルレーザ12から出射した測定光がひずみ検知用のセンサ部3となるFBG1および温度検知用のセンサ部7となる光ファイバ5の端面の反射部6で反射してフォトダイオード13に入射するまでの光路長よりも長いコヒーレント長を有するものが望ましい。また、フォトダイオード13は、チューナブルレーザ12から出射する測定光の波長を変化させた際に、参照用反射端16と反射部6の2つの反射点から得られる光干渉の強度変調を検知できるカットオフ周波数を有するものが望ましい。
In the optical
図2に示す構造の光ファイバセンサ装置10を用いて温度とひずみの計測方法を行うには、チューナブルレーザ12から出射した測定光をFBG1および光ファイバ5に入射し、反射部6において反射させてフォトダイオード13で検出し、チューナブルレーザ12から出射した測定光を参照用反射端16から反射させてフォトダイオード13にて検出するが、この際、以下のような計測を行うものとする。
本発明に係る温度とひずみの計測方法において、ひずみ検知用のFBG1からのブラッグ反射光と、参照用反射端16からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用して、該FBG1の位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測し、それらと同時に、温度検知用のセンサ部7となる光ファイバ5の端面の反射部6と参照用反射端16からの干渉光強度の周期的変化を利用して温度検知用のセンサ部7となる光ファイバ5の端面の反射部位置を特定して該光ファイバ5の光路長を計測する。
In order to perform the temperature and strain measurement method using the optical
In the temperature and strain measurement method according to the present invention, the position of the FBG 1 is determined using the periodic change in the interference intensity of the Bragg reflected light from the strain detecting FBG 1 and the reflected light from the
更に、前記計測結果を基に、温度検知用のセンサ部7となる光ファイバ5の光路長の変化から温度変化量を計測するとともに、ひずみ検知用のセンサ部3となるFBG1のブラッグ波長のシフト量から、温度検知用のセンサ部7で計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算してひずみを計測することができる。
本発明の概要は以上説明の通りであるが、本発明の具体例について以下の各実施例においてより詳細に説明する。
Further, based on the measurement result, the temperature change amount is measured from the change in the optical path length of the optical fiber 5 serving as the temperature detecting sensor unit 7, and the Bragg wavelength shift of the FBG 1 serving as the strain detecting
The outline of the present invention has been described above, but specific examples of the present invention will be described in more detail in the following embodiments.
「実施例1」
図3は本発明の実施例1に係る温度ひずみ計測用の光ファイバセンサの概略構成図であり、図3(a)は平面図、図3(b)は図3(a)のA−B線に沿う断面図である。
図3に示す光ファイバセンサ20は、先に説明した光ファイバセンサSと同等構造の光ファイバセンサSを面状体21に取り付け、コネクタを備えて構成されている。即ち、本実施例の光ファイバセンサ20は、ひずみ検知用のFBG22とそれに光接続された温度検知用の光ファイバ23とFBG22の入力側となる端部側に光接続された端面をPC研磨したFCコネクタ(以下、FC/PCコネクタと略す)からなるコネクタ25と、光ファイバ23の終端部に光接続されたFC/PCコネクタからなる反射部26と、前記FBG22をその中央部に固定用樹脂にて取り付けた金属薄板等からなる面状体21と、前記温度検知用の光ファイバ23を遊挿したルースチューブ27を具備して構成されている。なお、光ファイバ23はループ状に巻かれて面状体21の上面側に設置されている。また、FBG22の部分がひずみ検知用センサ部30となり、光ファイバ23の部分が温度検知用センサ部31とされてなる。
"Example 1"
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an optical fiber sensor for temperature strain measurement according to the first embodiment of the present invention, FIG. 3A is a plan view, and FIG. 3B is an AB view of FIG. It is sectional drawing which follows a line.
An
本実施例の光ファイバセンサ20において、ひずみ検知用のセンサとなるFBG22は、フッ化クリプトン(KrF)エキシマレーザとユニフォーム位相マスクを用いた一般的な露光方法により作製されたものであり、本実施例では、グレーティング長(センサ長)を98mm、ブラッグ波長を約1549.5nm、ブラッグ波長における反射率を1%とした。
In the
本実施例に適用される温度検知用のセンサ部となる光ファイバ23は、一般的なシングルモードファイバ(以下、SMファイバ)であり、石英ガラスからなるクラッドとゲルマニウム(Ge)をドーピング石英ガラスからなるコアの屈折率差は、約0.3%とされている。
本実施例では、このSMファイバからなる光ファイバ23のファイバ長を約40mとした。該光ファイバ23の端面に形成された反射部26は、フレネル反射(約3.4%の反射率)するファイバ端末やコネクタ端末、全反射(99%以上の反射率)する金属コーティングを施したファイバ端末など、その端面が適当な反射率を有するものが望ましい。
なお、適当な反射率とは、本発明の温度ひずみセンサを計測する計測器の性能にもよるが、0.001%以上の反射率であることが望ましい。本実施例では、温度検知用センサとなる光ファイバ23の端面にFC/PCコネクタ26を接続した。
An
In this embodiment, the fiber length of the
The appropriate reflectance is preferably a reflectance of 0.001% or more, although it depends on the performance of the measuring instrument that measures the temperature strain sensor of the present invention. In the present embodiment, the FC /
前記コネクタ26が未接続の状態であるとき、その端面はフレネル反射する特性を有する。また、温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23は、その全長をルースチューブ27に挿入した。温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23をルースチューブ27に挿入することにより、温度検知用のセンサ部31にひずみが生じてもルースチューブ27が伸縮するだけで、挿入された光ファイバ23が伸縮しない。つまり、温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23はひずみにより光路長が変化しない。ひずみ検知用のセンサ部30となるFBG22における、温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23が接続された部位とは他方の部位は、本発明の温度ひずみセンサを計測する計測器に接続できる接続点を有することが望ましく、本実施例ではこのような接続点をFC/PCコネクタ25として設けた。
When the
この例の温度ひずみセンサは、温度とひずみを計測する対象となる被測定部(以下、検知部)への取付けが容易となるよう、一面あるいは両面が面状体21に固定されている。温度ひずみセンサを一面あるいは両面に固定するための面状体21は金属系材料やプラスチック系材料、ガラス系材料など、平板状であるものであればいかなるものでも構わないが、検知部の温度とひずみを正確に検知するために熱伝導性と弾性率が高い金属系材料が望ましく、さらに該面状体が十分な弾性特性を有するような厚みであることが望ましい。本実施例では、面状体21を厚さ約0.3mmのステンレス鋼板(JIS規定SUS303)から構成した。
In the temperature strain sensor of this example, one surface or both surfaces are fixed to the
該面状体21への温度ひずみセンサの固定は、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂からなる接着剤を用いて行う。本実施例では、ひずみ検知用のセンサ部30となるFBG22および温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23を挿入したルースチューブ27をポリイミド樹脂の接着層33により面状体21上に固定した。より詳細には、溶媒としてN−メチル−2ピロリジノンを含んだポリアミド酸樹脂を塗布した後に、面状体21および温度ひずみセンサを200℃程度に加熱し、N−メチル−2ピロリジノン溶媒を蒸発させるとともにポリアミド酸樹脂の架橋を促進してポリイミド樹脂に化学変化させて硬化し、固定した。ここで、ひずみ検知用のセンサ部30となるFBG22と温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23を挿入したルースチューブ27をポリイミド樹脂で固定したのは、耐熱性が高く、弾性率が高い材料であるため、検知部が高温である場合でも使用でき、かつ、検知部のひずみをひずみ検知用センサとなるFBG22に確実に伝えることができる。
The temperature strain sensor is fixed to the
また、この光ファイバセンサ20は、検知部への取付けがより容易となるよう、一面あるいは両面を固定する面状体21の少なくとも一方の面状体21におけるセンサ固定面とは他方の面の表面に接着層33aを設けている。この接着層33aには、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂からなる接着剤や、粘着成分を有するテープを用いることができる。本実施例では、両面に粘着成分を有するシリコーン樹脂系のテープの任意の一面を面状体に貼り付けて接着層33aを形成した。
In addition, the
次に、前記基本構造の光ファイバセンサ20を用い、光周波数反射測定方式(OFDR方式)を適用して温度とひずみを計測する方法についてより具体的に説明する。
図4は、本発明の温度とひずみの計測方法を実施するための光ファイバセンサ装置の具体例を示す概略構成図である。この例の光ファイバセンサ装置40は、3つのファイバカプラ(光カプラ)41、42、43と、チューナブルレーザ(波長可変光源;Agilent製8164A)44と、2つのフォトダイオード(光検出器; New Focus 製2117FC)45、46と、3つの参照用反射端R1、R2、R3と、先の構成の光ファイバセンサ20とから概略構成され、これらは光ファイバ51、52、53、54、55、56、57、58、59、60によって連設されている。これらの光ファイバ51〜60は、測定光の波長に対してシングルモード伝搬が可能なものであれば、いかなるものでも構わなく、一般的なSMファイバもしくはPANDA(Polarization-maintaining AND Absorption-reducing)ファイバなどの偏波保持ファイバを用いることができる。本実施例では、光ファイバ23と同種のSMファイバを使用した。
Next, a method for measuring temperature and strain by using the
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a specific example of an optical fiber sensor device for carrying out the temperature and strain measurement method of the present invention. The optical
また、チューナブルレーザ44は、汎用インターフェイスバス(GPIB)を介して、システムコントローラ(制御装置:National Instruments製PXI-8106)63に接続され、これにより制御されている。更に、2つのフォトダイオード45、46からの信号は、A/Dコンバータ(National Instruments製PXI-6115)64によりサンプリングされ、そのサンプリングデータはシステムコントローラ63にてSTFT(Short-time Fourier transform;短時間フーリエ変換)解析されるようになっている。これらのチューナブルレーザ44とシステムコントローラ63とA/Dコンバータ64によりOFDR方式の計測器が構成される。
The
本実施例構成のOFDR方式の計測器においては、チューナブルレーザ44は、ある一定速度、ある一定波長範囲で掃引(単調増加もしくは単調減少)された測定光を出射する。本実施例では、10nm/sの速度で1545〜1555nmの波長範囲を掃引した測定光を出射した。
チューナブルレーザ44から出射された測定光は光カプラ41に入射し、該光カプラ41にて光パワー分岐されて2つの光干渉計に入射する。
一方の光干渉計は、ファイバカプラ42、光ファイバ57とその反射端R1、光ファイバ58とその反射端R2および光ファイバ53、54とフォトダイオード45からなり、反射端R1と反射端R2のファィバ長差(光路長差)に応じたトリガを生成している。本実施例では、反射端R1と反射端R2のファイバ長差を200mとした。なお、このトリガは以下の方法で生成している。
In the OFDR measuring instrument of the configuration of this embodiment, the
The measurement light emitted from the
One optical interferometer is composed of a
チューナブルレーザ44からある一定速度、ある一定波長範囲で掃引された測定光が前記の光干渉計に入射すると、この測定光は反射端R1と反射端R2によって反射され、その干渉光がフォトダイオード45で計測される。フォトダイオード45の出力した電圧信号は、A/Dコンバータ64によりサンプリングされてデジタル信号に変換され、該デジタル信号がシステムコントローラ63に取り込まれて解析される。
チューナブルレーザ44から出射された測定光は一定速度で波長が変化しているので、フォトダイオード45から出力される電圧信号は、一定の光波数間隔で変動する正弦関数となる。従って、ある一定の電圧値をしきい値とし、システムコントローラ63上で該しきい値を超えるタイミング(しきい値以下の値からしきい値を上回るタイミング、もしくは、しきい値以上の値からしきい値を下回るタイミング)でトリガを生成することで、生成されたトリガは、ある一定の光波数間隔となる。
なお、このトリガ発生方法は、チューナブルレーザ44の掃引速度が一定でない場合でも、トリガが発生する光波数間隔は常に一定となる点で非常に効果的である。また、このトリガ発生方法でもチューナブルレーザ44の波長掃引の不安定性を取り除けない場合は、先の特許文献1に記載されているような波長補正用のFBGを用いても良い。(ただし、このFBGから温度補正は行わない。)
When measurement light swept from the
Since the wavelength of the measurement light emitted from the
This trigger generation method is very effective in that the interval of light wave numbers generated by the trigger is always constant even when the sweep speed of the
他方の光干渉計は、フォトダイオード43、光ファイバ59とその反射端R3、光ファイバセンサ20および光ファイバ55、56とフォトダイオード46からなる。この光干渉計では、光ファイバセンサ20からのブラッグ反射光と反射端R3からの参照光との千渉光がフォトダイオード46に入射する。
ここで光ファイバセンサ20からの反射光は、主にOFDR方式の計測器と接続したFC/PCコネクタ25、ひずみ検知用のセンサとなるFBG22および温度検知用のセンサとなる光ファイバ23の端末FC/PCコネクタ26の3箇所を起点としたものである。
The other optical interferometer includes a
Here, the reflected light from the
本実施例の光干渉計において、フォトダイオード46に入射する光干渉信号D2は、それぞれ以下の(1)式で表される。
D2=RFBG cos (k2nLFBG) + Rconnect cos (k2nLconnect) …(1)式
ただし、OFDR方式の計測器と接続したFC/PCコネクタ25と反射端R3とによる干渉光は、本発明で利用しないので無視する。
ここで、RFBGはFBG22と反射端R3の干渉光強度、Rconnectは温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23の端末FC/PCコネクタ26と反射端R3の干渉光強度、kは波数、nはSMファイバの実効屈折率、LFBGはFBG22と反射端R3のファイバ長差、Lconnectは温度検知用センサ部31となる光ファイバ23の端末FC/PCコネクタ26と反射端R3のファイバ長差を示す。本実施例では、LFBGを約2m、Lconnectを約42mとした。つまり、温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23のファイバ長は約40mである。
The optical interferometer of the present embodiment, the optical interference signal D 2 that enters the
D 2 = R FBG cos (k2nL FBG ) + R connect cos (k2nL connect ) (1) However, the interference light by the FC /
Here, R FBG is the interference light intensity between the FBG 22 and the reflection end R3, R connect is the interference light intensity between the terminal FC /
次いで、得られた光干渉信号D2をシステムコントローラ63にてSTFT解析することにより、RFBG、RconnectとnLFBG 、nLconnect を求める。ここでnLFBG、nLconnectは、光ファイバの実効屈折率に光ファイバ長を乗じたものであるので、光路長を示している。本実施例では、得られた光干渉信号を約40ms間隔(チューナブルレーザ44を10nm/sの速度で掃引しているので、波長に換算すると約400pm間隔)に相当するウインドウ幅で抜き出されたデータを16ビット(216)に割り当てて解析した。なお、チューナブルレーザ44の掃引速度が一定でない場合は、ある一定の時間間隔ではなく、ある一定の光波数間隔(つまり、ある一定の波長間隔)に相当するウインドウ幅で解析しても良い。最後にnに既知の値を代入することにより光ファイバ長差LFBG、Lconnectを求める。本実施例では、用いたSMファイバの代表的な値であるn=1.44772を使用した。
Then, by STFT analysis of the obtained optical interference signal D 2 by the
この実施例のOFDR方式の計測器を用いて温度ひずみセンサの状態を計測した結果を図5と図6に示す。なお、このときの検知部は20℃、0με(無ひずみ状態)であった。本実施例の計測器では、FBG22からのブラッグ反射光および光ファイバ23の端末からの反射光をスペクトログラムで表示する。
図5と図6に示すスペクトログラムは、横軸が波長、縦軸がファイバ位置(反射端R3を有する光ファイバの長さに相当する位置からのファイバ長差)、色調が反射強度を示す。図5においては、D2信号を解析した結果のうちファイバ位置1.9〜2.1mの範囲を表示したものであり、図6はD2信号を解析した結果のうちファイバ位置42.0〜42.2mの範囲を表示したものである。
図5に得られた全長98mmの反射がFBG22によるものであり、図6に得られた広波長帯域の反射が光ファイバ23の端末のFC/PCコネクタ26によるものである。FBG22による反射は1549.52nmで最大強度を示したので、該波長がブラッグ波長である。また、この計測結果よりFBG22とFC/PCコネクタ26とのファイバ長差は40.0050mであることがわかった(この値をFBG22末端からFC/PCコネクタ26までの距離と定義する)。
The results of measuring the state of the temperature strain sensor using the OFDR measuring instrument of this example are shown in FIGS. In addition, the detection part at this time was 20 degreeC and 0 microepsilon (no distortion state). In the measuring instrument of the present embodiment, the Bragg reflected light from the
In the spectrograms shown in FIGS. 5 and 6, the horizontal axis indicates the wavelength, the vertical axis indicates the fiber position (fiber length difference from the position corresponding to the length of the optical fiber having the reflection end R3), and the color tone indicates the reflection intensity. FIG. 5 shows a range of fiber positions 1.9 to 2.1 m among the results of analyzing the D 2 signal, and FIG. 6 shows fiber positions 42.0 to of the results of analyzing the D 2 signal. The range of 42.2m is displayed.
The reflection of 98 mm in total length obtained in FIG. 5 is due to the
次に本発明の光ファイバセンサ20により計測方法について更に説明する。
以下の説明において、光ファイバセンサ20で計測した上記の検知部の状態を基準温度(20℃)、基準ひずみ(0με)とする。
本実施例の光ファイバセンサ20では、最初に温度検知用のセンサ部となる光ファイバ23のOFDR方式の計測器で表される光ファイバ長から温度を計測する。例えば、基準温度では上記の通り40.0050mである。この光ファイバ長を基準光ファイバ長としたとき、本実施例のOFDR方式の計測器における検知部の温度変化にともなう光ファイバ長の変化量の関係は光ファイバ長に依存する。
図7は、OFDR方式の計測器における検知部の温度と光ファイバ長変化の関係を示すグラフである。この光ファイバ長変化は、光ファイバの実効屈折率の温度依存性および熱膨張による光ファイバ伸び、すなわち光路長変化に依存するものである。これらによる光ファイバ長の変化量は、同種の光ファイバに作製したFBGの温度変化によるブラッグ波長のシフト量から求めることができる。図8は、温度変化によるFBGのブラッグ波長のシフト量を示すグラフである。
Next, a measuring method using the
In the following description, the state of the detection unit measured by the
In the
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the temperature of the detector and the change in optical fiber length in the OFDR measuring instrument. This change in the optical fiber length depends on the temperature dependence of the effective refractive index of the optical fiber and the elongation of the optical fiber due to thermal expansion, that is, the change in the optical path length. The change amount of the optical fiber length due to these can be obtained from the shift amount of the Bragg wavelength due to the temperature change of the FBG manufactured in the same type of optical fiber. FIG. 8 is a graph showing the shift amount of the Bragg wavelength of the FBG due to temperature change.
図8において、FBGのブラッグ波長は以下の(2)式で表される。
λB=2nΛ … (2)式
ただし、(2)式において、λBはFBGのブラッグ波長、n は光ファイバの屈折率、Λは屈折率変化の周期を示す。
(2)式において、FBGが温度変化すると、光ファイバの実効屈折率の温度依存性によりnが変化し、光ファイバの熱膨張によるファイバ伸びによりΛが変化することになる。つまり、図8は、(2)式におけるnとΛの変化の総量をFBGの中心波長シフト量として求めた結果である。
一方、OFDR方式の計測器で求める光ファイバ長は、ある一定のnから光ファイバ長LFBG、Lconnectを計算するので、nの変化による光路長変化も光ファイバの熱膨張によるファイバ伸びとみなして計算していることになる。つまり、図7は、nとLFBG、Lconnectの変化の総量をLFBG、Lconnectのみの変化として計算した結果である。
In FIG. 8, the Bragg wavelength of the FBG is expressed by the following equation (2).
λ B = 2nΛ (2) where λ B is the Bragg wavelength of FBG, n Represents the refractive index of the optical fiber, and Λ represents the period of refractive index change.
In equation (2), when FBG changes in temperature, n changes due to the temperature dependence of the effective refractive index of the optical fiber, and Λ changes due to fiber elongation due to thermal expansion of the optical fiber. That is, FIG. 8 shows the result of obtaining the total amount of change of n and Λ in the equation (2) as the central wavelength shift amount of the FBG.
On the other hand, since the optical fiber length L FBG and L connect are calculated from a certain n, the optical fiber length calculated by the OFDR measuring instrument is regarded as the fiber elongation due to the thermal expansion of the optical fiber. Will be calculated. That is, FIG. 7 shows the result of calculating the total amount of changes in n, L FBG , and L connect as changes only in L FBG and L connect .
図7における検知部の温度と光ファイバ長変化の関係は(3)式で表される。
ΔL=6.4536×10−6・ΔT・L …(3)式
ここで、ΔLはOFDR方式の計測器で計算される光ファイバ長変化(mm)、ΔTは検知部温度と基準温度の差(℃)、Lは光ファイバ長(mm)を示す。係数6.4536×10−6は、使用したSMファイバの単位温度変化あたりの光路長変化量示すものであり、光ファイバ毎に違う値となる。
本実施例の光ファイバセンサでは、OFDR方式の計測器を用いて温度検知用のセンサ部となる光ファイバ23のファイバ長変化を計測し、該計測を(3)式に代入してΔTを求めることにより検知部の温度を計測する。
The relationship between the temperature of the detection unit and the change in optical fiber length in FIG.
ΔL = 6.4536 × 10 −6 · ΔT · L (3) where ΔL is the change in optical fiber length (mm) calculated by the OFDR measuring instrument, and ΔT is the difference between the detector temperature and the reference temperature. (° C.) and L indicate the optical fiber length (mm). The coefficient of 6.4536 × 10 −6 indicates the amount of change in the optical path length per unit temperature change of the used SM fiber, and has a different value for each optical fiber.
In the optical fiber sensor of the present embodiment, an OFDR type measuring instrument is used to measure the change in the fiber length of the
次に、ひずみ検知用のセンサ部30となるFBGのブラッグ波長のシフト量から温度検知用のセンサで計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみ計測を行う。なお、光ファイバ長の変化から求めた温度変化におけるFBGのブラッグ波長のシフト量は、図8から求めることができる。図9は、ひずみ変化によるFBGのブラッグ波長のシフト量を示すグラフである。
Next, strain measurement is performed by subtracting the Bragg wavelength shift amount corresponding to the temperature change measured by the temperature detection sensor from the Bragg wavelength shift amount of the FBG serving as the strain
図9において、ひずみ変化によるブラッグ波長のシフト量は以下の(4)式で表される。
ΔλB=1.1206・ε …(4)式
ここで、ΔλBは、ひずみによるブラッグ波長のシフト量(nm)、εはひずみ量(με)を示す。係数1.1206は、使用したSMファイバの単位ひずみ量あたりのブラッグ波長シフト量を示すものであり、光ファイバ毎に異なる値となる。
In FIG. 9, the shift amount of the Bragg wavelength due to the strain change is expressed by the following equation (4).
Δλ B = 1.1206 · ε (4)
Here, Δλ B is the Bragg wavelength shift amount (nm) due to strain, and ε is the strain amount (με). The coefficient 1.1206 indicates the Bragg wavelength shift amount per unit strain amount of the used SM fiber, and has a different value for each optical fiber.
以上の演算処理を行うことで、本発明の光ファイバセンサ20を用いて検知部の温度とひずみを計測することが可能となる。なお、これらの演算は本実施例に記載のOFDR方式の計測器に備えるシステムコントローラ63を用いて簡単に行うことができる。
By performing the above arithmetic processing, it is possible to measure the temperature and strain of the detection unit using the
なお、一般的なひずみセンシングにおいて要求されるひずみの計測精度は10με程度である。つまり、ひずみ変化によるFBGのブラッグ波長シフト量は約0.01nmの精度で計測できる必要がある。また、FBGのブラッグ波長が0.01nmシフトする温度変化量は約1℃である。つまり、1℃の精度で温度計測して温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を差し引いてひずみを計測することにより、要求されるひずみの計測精度を満たすことができる。 The strain measurement accuracy required in general strain sensing is about 10 με. That is, the Bragg wavelength shift amount of the FBG due to the strain change needs to be able to be measured with an accuracy of about 0.01 nm. Further, the temperature change amount by which the Bragg wavelength of the FBG is shifted by 0.01 nm is about 1 ° C. That is, by measuring the temperature with an accuracy of 1 ° C. and subtracting the shift amount of the Bragg wavelength corresponding to the temperature change, the strain can be measured to satisfy the required strain measurement accuracy.
本実施例では、OFDR方式の計測器で得られた光干渉信号を約40ms間隔に相当するウインドウ幅で抜き出されたデータを16ビットに割り当てて解析しているが、このときのスペクトログラムは、波長0.0011nm刻み、ファイバ位置0.24mm刻みで得られる。本発明の光ファイバセンサにおいて1℃の精度で温度計測するには、検知部の温度が1℃変化するとファイバ長が0.24mm以上変化する必要があり、先の(3)式からそのときに必要なファイバ長は40m以上となる。
温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23が40m以上のとき、温度変化によるブラッグ波長シフト量を差引いてひずみ計測すると0.01nmの精度でひずみ変化によるFBG22のブラッグ波長シフト量を計測することができる。つまり、本発明の光ファイバセンサ20において、温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23は40m以上とすることが望ましい。
In this embodiment, the optical interference signal obtained by the OFDR measuring instrument is analyzed by assigning data extracted at a window width corresponding to an interval of about 40 ms to 16 bits. The spectrogram at this time is The wavelength is obtained in increments of 0.0011 nm and fiber positions in increments of 0.24 mm. In order to measure the temperature with an accuracy of 1 ° C. in the optical fiber sensor of the present invention, the fiber length needs to change by 0.24 mm or more when the temperature of the detection unit changes by 1 ° C. The required fiber length is 40 m or more.
When the
このように、温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23の長さは、計測器の光ファイバ位置計測分解能によって決まる。より具体的には、計測器の光ファイバ位置計測分解能が高いほど必要な光ファイバの長さは短くなる。OFDR方式の計測器は0.24mm刻みと非常に高いファイバ位置計測分解能有するために本発明の光ファイバセンサ20を計測する手段として非常に有効である。
As described above, the length of the
なお、本発明の第1実施例ではOFDR方式の計測器に1つの光ファイバセンサ(温度ひずみセンサ)20を接続した例を示したが、光ファイバセンサ20を連設してOFDR方式の計測器に複数の光ファイバセンサ20を接続しても構わない。
係る構成において、OFDR方式の計測器に接続される光ファイバセンサ20を第1の光ファイバセンサとし、第1の光ファイバセンサに連設される光ファイバセンサを第2の光ファイバセンサとすると、第2の光ファイバセンサは、ひずみ検知用のセンサとなるFBG22に連設された接続点を第1の光ファイバセンサ20における温度検知用の光ファイバ23の端末の反射点に接続することが望ましい。
即ち、本発明の第1実施例における光ファイバセンサ20では、第1の光ファイバセンサと第2の光ファイバセンサがFC/PCコネクタで接続されることとなる。このFC/PCコネクタ接続点の反射率は0.01%であり、OFDR方式の計測器で反射点として計測することができる。つまり、第2の光ファイバセンサを接続しても第1の光ファイバセンサ20における温度変化を計測することが可能である。このように、本発明の光ファイバセンサおよびその計測方法によると、複数の光ファイバセンサを同時に計測することも可能となる。
In the first embodiment of the present invention, an example is shown in which one optical fiber sensor (temperature strain sensor) 20 is connected to an OFDR measuring instrument. However, an OFDR measuring instrument is provided by connecting the
In such a configuration, when the
That is, in the
本実施形態の光ファイバセンサは、コネクタを用いて複数の光ファイバセンサを連設しているので、多点にわたる温度とひずみのセンシングが容易である。また、コネクタの着脱によってセンシングしたい点数の調整が容易である。
以上説明した本発明に係る光ファイバセンサは、OFDR方式で計測する点で特許文献1に記載の技術と同等であるが、FBGのブラッグ波長のシフト量から温度変化を計測するのではなく、光ファイバの光路長の変化から温度変化を計測する点で特許文献1に記載の技術とは異なる発明であるといえる。
また、光ファイバ端面に形成した反射部を利用して物理量を計測する点が、特許文献2に記載の技術と同等であるが、特許文献2に記載の技術では、ひずみ(人物の通過)を定性的に計測する手段であり、本発明は温度変化を定量的に計測する手段であることから、これらは異なる発明である。これは、すでに説明したそれぞれの計測方式を鑑みても明白である。
Since the optical fiber sensor of the present embodiment has a plurality of optical fiber sensors connected in series using a connector, it is easy to sense temperature and strain across multiple points. In addition, the number of points to be sensed can be easily adjusted by attaching / detaching the connector.
The optical fiber sensor according to the present invention described above is the same as the technique described in Patent Document 1 in that the measurement is performed by the OFDR method, but the temperature change is not measured from the shift amount of the Bragg wavelength of the FBG. It can be said that the invention differs from the technique described in Patent Document 1 in that the temperature change is measured from the change in the optical path length of the fiber.
Moreover, although the point which measures a physical quantity using the reflection part formed in the optical fiber end surface is equivalent to the technique of
S、20…光ファイバセンサ、1、22…ファイバブラッググレーティング(FBG)、3、30…ひずみ検知用のセンサ部、5、23…光ファイバ、6、26…反射部、7、31…温度検知用のセンサ部、10、40…光ファイバセンサ装置、11、41、42、43…光カプラ、12、44…チューナブルレーザ(波長可変光源)、13、45、46…フォトダイオード(受光器)、16、R3…参照用反射端、14、15、17、18、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60…光ファイバ、21…金属薄板、25、26…FC/PCコネクタ、27…ルースチューブ、33…ポリイミド樹脂の接着層、33a…接着層。
S, 20 ... Optical fiber sensor, 1, 22 ... Fiber Bragg grating (FBG), 3, 30 ... Sensor unit for strain detection, 5, 23 ... Optical fiber, 6, 26 ... Reflection unit, 7, 31 ... Temperature
Claims (10)
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部とを具備した光ファイバセンサと、参照用反射端と、光源と、受光器とが備えられ、
前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測するに際し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面に設けた反射部からの反射光と前記参照用反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面の反射部位置を特定して、該光ファイバの光路長を計測し、この光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ファイバブラッググレーティングのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする光ファイバセンサ装置。 Using the fiber Bragg grating formed in the core of the optical fiber as a sensor, the position of the sensor is specified from the periodic change in the interference intensity of the Bragg reflected light from the sensor and the reflected light from the reference reflection end, and An optical fiber sensor device applied to an optical frequency domain reflection measurement method for measuring distortion of a sensor unit from a shift amount of a wavelength of Bragg reflected light from a sensor,
A sensor unit for strain detection made of a fiber Bragg grating formed in the core of the optical fiber, and a temperature detection optical fiber made of a temperature detection optical fiber connected to the sensor unit for strain detection and provided with a reflection part at the end. An optical fiber sensor comprising a sensor unit, a reference reflection end, a light source, and a light receiver,
When measuring the temperature change from the change in the fiber length of the optical fiber serving as the temperature detecting sensor part, the reflected light from the reflecting part provided on the end face of the optical fiber serving as the temperature detecting sensor part and the reference using a periodic variation of the interference intensity of the reflected light from the reflecting end, the identify the reflection portion position of the optical fiber end face serving as a sensor unit for temperature detection, to measure the optical path length of the optical fiber, this The temperature change is measured from the change amount of the optical path length, and the strain is measured by subtracting the shift amount of the Bragg wavelength corresponding to the measured temperature change from the shift amount of the Bragg wavelength of the fiber Bragg grating. An optical fiber sensor device.
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部が備えられ、
前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測するに際し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面に設けた反射部からの反射光と前記参照用反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面の反射部位置を特定して、該光ファイバの光路長を計測し、この光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ファイバブラッググレーティングのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする光ファイバセンサ。 Using the fiber Bragg grating formed in the core of the optical fiber as a sensor, the position of the sensor is specified from the periodic change in the interference intensity of the Bragg reflected light from the sensor and the reflected light from the reference reflection end, and An optical fiber sensor applied to an optical frequency domain reflection measurement method for measuring a strain of a sensor unit from a change in wavelength of Bragg reflected light from a sensor,
A sensor unit for strain detection made of a fiber Bragg grating formed in the core of the optical fiber, and a temperature detection optical fiber made of a temperature detection optical fiber connected to the sensor unit for strain detection and provided with a reflection part at the end. The sensor part is provided,
When measuring the temperature change from the change in the fiber length of the optical fiber serving as the temperature detecting sensor part, the reflected light from the reflecting part provided on the end face of the optical fiber serving as the temperature detecting sensor part and the reference using a periodic variation of the interference intensity of the reflected light from the reflecting end, the identify the reflection portion position of the optical fiber end face serving as a sensor unit for temperature detection, to measure the optical path length of the optical fiber, this The temperature change is measured from the change amount of the optical path length, and the strain is measured by subtracting the shift amount of the Bragg wavelength corresponding to the measured temperature change from the shift amount of the Bragg wavelength of the fiber Bragg grating. Optical fiber sensor.
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