JP6709241B2 - 診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、診断装置に関する。

光ファイバセンサでは、光源の光が光ファイバを通って計測部に至り、計測部が設置された対象物からの外乱の影響で光の特性（強度、位相、周波数、波長、偏波など）が変化する。この光の特性を受光部で計測することで、対象物の物理量や化学量を計測することができる（例えば、特許文献１、２）。

特開２００５−９８９２１号公報 特許第６１５９０９５号公報

光ファイバセンサは、電気式センサに比べて耐久性が高く、長期に亘った自動計測が可能である。しかし、光ファイバセンサ自体が正常に機能するか否かのチェックに人手を要すると、光ファイバセンサによる計測の完全な自動化が実現できない。

本発明は、このような課題に鑑み、光ファイバセンサによる計測を自動化することが可能な診断装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の診断装置は、対象物に設置された光ファイバセンサと、エラーを表示する表示部と、対象物を振動させる加振部と、光ファイバセンサによる複数の対象物のそれぞれについて測定データを収集する収集処理を行う収集処理部と、収集処理の開始前に、光ファイバセンサの断線の有無を判断し、光ファイバセンサが断線している場合、破断部を特定して表示部に表示させ、光ファイバセンサが断線していない場合、光ファイバセンサのキャリブレーションの出力値を取得し、出力値が適正範囲に含まれ、かつ、対象物への加振中の反射光の波長が前回に比べて有意差がないとき、収集処理部に収集処理を開始させ、出力値が適正範囲に含まれないとき、または、出力値が適正範囲に含まれ、かつ、対象物への加振中の反射光の波長が前回に比べて有意差があるとき、エラーを表示部に表示させる出力する自己診断処理を行う自己診断部と、を備える。

収集された測定データに基づいて、光ファイバセンサが組み込まれた構造体の健全性を診断する健全性診断部を備えてもよい。

適正範囲は、応力および温度に関連付けて設定されてもよい。

本発明によれば、光ファイバセンサによる計測を自動化することが可能となる。

診断装置の構成を示すブロック図である。 加振部および光ファイバセンサの説明図である。 自己診断処理の流れを示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、診断装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、診断装置１００は、記憶部１１０と、操作部１１２と、表示部１１４と、加振部１１６と、光ファイバセンサ１１８と、スペクトラムアナライザ１２０と、制御部１２２とを含んで構成される。

記憶部１１０は、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等で構成される。記憶部１１０には、後述するキャリブレーションの適正範囲が示されるテーブル情報が記憶される。操作部１１２は、例えば、キーボードや表示部１１４に重畳されるタッチパネルで構成される。操作部１１２は、ユーザの操作入力を受け付ける。表示部１１４は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ(Electro Luminescence)ディスプレイ等で構成される。

加振部１１６は、例えば、シートに取り付けられた複数の圧電素子（ピエゾ素子）で構成される。

図２は、加振部１１６および光ファイバセンサ１１８の説明図である。図２（ａ）には、対象物ＴＧに加振部１１６および光ファイバセンサ１１８が設けられた様子を示す。図２（ｂ）には、光ファイバセンサ１１８の内部構造を示す。

対象物ＴＧは、例えば、航空機や建築物などの構造体の一部である。対象物ＴＧは、複数あり、加振部１１６および光ファイバセンサ１１８は、複数の対象物ＴＧごとに設けられる。ここでは、対象物ＴＧが板状の部材である場合を例に挙げて説明する。ただし、対象物ＴＧの形状は問わない。加振部１１６および光ファイバセンサ１１８は、対象物ＴＧの形状に合わせて適切な態様で、対象物ＴＧに取り付けられる（設置される）。

加振部１１６の圧電素子には、不図示の導線が接続されている。導線から圧電素子に電圧が印加されると、圧電効果により圧電素子の厚みが変化する。複数の圧電素子のうち、任意の圧電素子にパルス電圧を印加することで、対象物ＴＧのうち、電圧が印加された圧電素子近傍に振動が生じる。こうして、加振部１１６は、対象物ＴＧを振動させる。

光ファイバセンサ１１８は、例えば、内在型である。すなわち、光ファイバセンサ１１８は、光ファイバ自体がセンサ素子として機能する。ただし、光ファイバセンサ１１８は、光ファイバを他のセンサ素子との光の伝送路としてのみ機能させる外部型であってもよい。光ファイバセンサ１１８は、例えば、接着剤によって対象物ＴＧに接着される。

図２（ｂ）に示すように、光ファイバセンサ１１８では、コーティングやクラッドの内部にコア１１８ａが設けられる。コア１１８ａには光が通る。コア１１８ａから外側に向う光は、クラッドによって反射されてコア１１８ａに戻される。

コア１１８ａには、グレーティング部１１８ｂが設けられる。グレーティング部１１８ｂは、コア１１８ａの他の部位に比べて屈折率が異なる。グレーティング部１１８ｂは、光ファイバの軸線方向に離隔して複数設けられる。グレーティング部１１８ｂによって、屈折率が周期的に変化する（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating、ファイバブラッググレーティング）。

広帯域のスペクトルを持った光は、グレーティング部１１８ｂにおいて、ブラッグ波長と呼ばれる特定の波長に対して互いに強め合う方向に干渉する。これによって、グレーティング部１１８ｂでは、広帯域のスペクトルを持った光のうち、特定の波長成分のみが反射される。それ以外の波長の光は、グレーティング部１１８ｂを透過する。

グレーティング部１１８ｂに外乱が加えられると、反射光の波長が変動する。反射光の波長の変化を測定することで、グレーティング部１１８ｂに加えられた外乱が計測される。

図１に示すスペクトラムアナライザ１２０は、光ファイバセンサ１１８に接続される。スペクトラムアナライザ１２０は、光源および受光部を有する。光源から広帯域のスペクトルを持った光が発光し、光ファイバセンサ１１８に到達する。上記のように、光ファイバセンサ１１８では、一部の光が反射する。スペクトラムアナライザ１２０の受光部は、反射光を受光する。

スペクトラムアナライザ１２０は、所定の波長帯域における光強度分布を検出する。スペクトラムアナライザ１２０は、受光部が受光した反射光の波長を検出する。スペクトラムアナライザ１２０によって検出された波長は、不図示のＡ／Ｄ変換器によってＡ／Ｄ変換されて、制御部１２２に出力される。

制御部１２２は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路により、診断装置１００全体を管理および制御する。また、制御部１２２は、加振制御部１３０、収集処理部１３２、健全性診断部１３４、自己診断部１３６としても機能する。

加振制御部１３０は、加振部１１６に電圧を印加して、加振部１１６に対象物ＴＧへ振動を印加させる（加振させる）。

収集処理部１３２は、複数の対象物ＴＧそれぞれについて、光ファイバセンサ１１８による計測を行う。収集処理部１３２は、上記のように、スペクトラムアナライザ１２０に広帯域のスペクトルを持った光を発光させ、反射光の波長を検出させる。収集処理部１３２は、反射光の波長によって、グレーティング部１１８ｂに加えられた外乱の要因となった対象物ＴＧの変化を測定する。

光ファイバセンサ１１８には、例えば、対象物ＴＧの歪み（応力）や温度など、測定の対象となる物理量が予め設定される。すなわち、歪み測定用の光ファイバセンサ１１８や温度測定用の光ファイバセンサ１１８などが設けられる。

収集処理部１３２は、歪み測定用の光ファイバセンサ１１８からの反射光から、対象物ＴＧの歪みを測定する。また、収集処理部１３２は、温度測定用の光ファイバセンサ１１８からの反射光から、対象物ＴＧの温度を測定する。

また、加振制御部１３０が加振部１１６を制御して対象物ＴＧに加振しているときに、収集処理部１３２が、歪み測定用の光ファイバセンサ１１８からの反射光から、対象物ＴＧの歪みを測定してもよい。加振部１１６の圧電素子から光ファイバセンサ１１８までの間に、対象物ＴＧに欠損などがあると、欠損がない場合と比較して、測定される歪み（振動）が異なる。これにより、対象物ＴＧの欠損の検出が可能となる。

こうして、収集処理部１３２は、光ファイバセンサ１１８による対象物ＴＧの測定データを収集する収集処理を行う。

健全性診断部１３４は、収集された測定データに基づいて、光ファイバセンサ１１８が組み込まれた構造体の健全性を診断する健全性診断処理を行う。例えば、構造体である航空機に診断装置１００が用いられる場合、航空機の一部である対象物ＴＧに光ファイバセンサ１１８が取り付けられる。航空機が運航された後も、任意のタイミングで収集処理および健全性診断処理が遂行される。

健全性診断処理では、収集された対象物ＴＧの測定データから、構造体の健全性を診断する。例えば、上記のように、対象物ＴＧの欠損が検出されたり、歪みや温度が異常値を示すと、健全性が低い評価値として算出されたりする。

健全性診断部１３４は、健全性診断処理の結果を表示部１１４に表示させる。健全性診断処理の結果によっては、作業者による部品点検や部品交換などのメンテナンスが行われる。

ところで、光ファイバセンサ１１８は、電気式センサに比べて耐久性が高く、長期に亘った自動計測が可能である。しかし、上記のように、光ファイバセンサ１１８は、対象物ＴＧに接着剤などで取り付けられている。そのため、経年劣化により接着剤が剥がれたり、光ファイバセンサ１１８が破断したりするといった事態が生じるおそれがある。光ファイバセンサ１１８自体が正常に機能するか否かのチェックに人手を要すると、光ファイバセンサ１１８による計測の完全な自動化が実現できない。

そこで、自己診断部１３６は、収集処理部１３２による収集処理の開始前に、自己診断処理を行う。以下、自己診断処理について、フローチャートを参照しながら詳述する。

図３は、自己診断処理の流れを示すフローチャートである。図３に示す処理は、収集処理の前に実行される。

（Ｓ２００）
自己診断部１３６は、スペクトラムアナライザ１２０に広帯域のスペクトルを持った光を発光させる。そして、自己診断部１３６は、スペクトラムアナライザ１２０の受光部がグレーティング部１１８ｂで反射した反射光を受光して、スペクトラムアナライザ１２０からの光信号の出力があるか否かを判定する。光信号の出力がなければ、光ファイバセンサ１１８が断線（破断）しているものとして、Ｓ２０２に処理を移す。光信号の出力があれば、光ファイバセンサ１１８の断線はないものとして、Ｓ２０６に処理を移す。

（Ｓ２０２）
自己診断部１３６は、収集処理で用いられるスペクトラムアナライザ１２０とは別のスペクトラムアナライザ（不図示）に発光させ、反射光を受光するまでの時間（応答時間）を計測する。ここでは、別のスペクトラムアナライザが用いられる場合について説明した。ただし、発光から反射光の受光までの時間が計測できれば、スペクトラムアナライザ１２０が用いられてもよいし、他の測定機器が用いられてもよい。

光ファイバセンサ１１８が断線していて、Ｓ２００ではグレーティング部１１８ｂで反射した反射光による光信号の出力がなくとも、破断箇所で反射した反射光による光信号は計測できる。自己診断部１３６は、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）の原理に基づき、発光から受光までの時間などから、破断が生じている箇所（例えば、センサ素子（グレーティング部１１８ｂ）が断線しているか、ケーブル部（光ファイバ）が断線しているかなど）を特定する。

（Ｓ２０４）
自己診断部１３６は、特定した破断部を表示部１１４に表示（報知）させ（エラーを出力し）、当該自己診断処理を終了する。

（Ｓ２０６）
自己診断部１３６は、キャリブレーション計測処理を行う。具体的に、自己診断部１３６は、スペクトラムアナライザ１２０に対し、キャリブレーション用に予め設定された強度の光を発光させ、反射光による光信号を出力させる。

（Ｓ２０８）
自己診断部１３６は、キャリブレーションの出力値が適正範囲に含まれるか否かを判定する。自己診断部１３６は、不図示の温度計によって測定された構造体近傍の温度を取得する。また、自己診断部１３６は、例えば、不図示の重量センサによって測定された構造体の重量（または、構造体に搭載された積載物の総重量）から、構造体の対象物ＴＧに作用する応力を導出する。

そして、自己診断部１３６は、記憶部１１０に記憶された適正範囲のテーブル情報を読み出す。ここで、キャリブレーションの適正範囲は、応力および温度に関連付けて設定される。自己診断部１３６は、取得された温度と、導出された応力に対応する適正範囲を、テーブル情報から特定する。

こうして、自己診断部１３６は、キャリブレーションの出力値が適正範囲に含まれるか否かを判定する。キャリブレーションの出力値が適正範囲に含まれる場合、光ファイバセンサ１１８の接着剤に劣化はないものとして、Ｓ２１２に処理を移す。キャリブレーションの出力値が適正範囲に含まれない場合、光ファイバセンサ１１８の接着剤に劣化があるものとして、Ｓ２１０に処理を移す。

（Ｓ２１０）
自己診断部１３６は、表示部１１４に光ファイバセンサ１１８の接着剤に劣化がある旨、表示（報知）させ（エラーを出力し）、当該自己診断処理を終了する。

（Ｓ２１２）
加振制御部１３０は、加振部１１６を制御して対象物ＴＧに加振（振動を印加）する。

（Ｓ２１４）
自己診断部１３６は、対象物ＴＧに加振中、スペクトラムアナライザ１２０に広帯域のスペクトルを持った光を発光させ、反射光の波長を検出させる。自己診断部１３６は、反射光の波長が、前回の測定値に対して有意差があるか否かを判定する。有意差があれば、光ファイバセンサ１１８の接着剤の一部または全部が剥離しているものとして、Ｓ２１６に処理を移す。有意差がなければ、光ファイバセンサ１１８の接着剤に剥離はないものとして、当該自己診断処理を終了する。

（Ｓ２１６）
自己診断部１３６は、表示部１１４に光ファイバセンサ１１８の接着剤に剥離がある旨、表示（報知）させ（エラーを出力し）、当該自己診断処理を終了する。

上記の自己診断処理においてエラーの出力がなければ、健全性診断部１３４による健全性診断処理が行われる。

このように、診断装置１００では、光ファイバセンサ１１８自体が正常に機能するか否かの診断が、上記の自己診断処理で行われる。そのため、診断に人手を要することがなく、自己診断処理から収集処理および健全性診断処理までの完全な自動化が可能となる。例えば、光ファイバセンサ１１８が高所にあったり、構造体の他の部品を取り外さなければ検査できないような場合であったりしても、簡単に自己診断処理が行えることから、作業負担が軽減される。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、ファイバブラッググレーティング方式の光ファイバセンサ１１８を例に挙げて説明したが、光ファイバセンサ１１８は、他の方式であってもよい。光の波長に限らず、他の特性（強度、位相、周波数、偏波）の変化を利用して、対象物ＴＧの物理量や化学量が計測されてもよい。

また、上述した実施形態では、健全性診断部１３４を備える場合について説明したが、健全性診断部１３４は必須構成ではない。ただし、健全性診断部１３４を備えることで、自己診断処理から収集処理および健全性診断処理までの完全な自動化が可能となる。

また、上述した実施形態では、加振部１１６を備える場合について説明したが、加振部１１６は必須構成ではない。ただし、加振部１１６を備えることで、健全性診断処理では、欠損の検出が可能となる。また、自己診断処理では、接着剤の剥離の検出が可能となる。

また、上述した実施形態では、適正範囲は、応力および温度に関連付けて設定される場合について説明したが、適正範囲は他の物理量に関連付けてもよい。ただし、応力および温度は、キャリブレーションの出力値に与える影響が大きい。そのため、適正範囲が、応力および温度に関連付けて設定されることで、光ファイバセンサ１１８を適切に評価できる。

本発明は、診断装置に利用することができる。

ＴＧ 対象物
１００ 診断装置
１１６ 加振部
１１８ 光ファイバセンサ
１３２ 収集処理部
１３４ 健全性診断部
１３６ 自己診断部

Claims (3)

1. 対象物に設置された光ファイバセンサと、
   エラーを表示する表示部と、
   前記対象物を振動させる加振部と、
   前記光ファイバセンサによる複数の前記対象物のそれぞれについて測定データを収集する収集処理を行う収集処理部と、
   前記収集処理の開始前に、前記光ファイバセンサの断線の有無を判断し、前記光ファイバセンサが断線している場合、破断部を特定して前記表示部に表示させ、前記光ファイバセンサが断線していない場合、前記光ファイバセンサのキャリブレーションの出力値を取得し、前記出力値が適正範囲に含まれ、かつ、前記対象物への加振中の反射光の波長が前回に比べて有意差がないとき、前記収集処理部に前記収集処理を開始させ、前記出力値が前記適正範囲に含まれないとき、または、前記出力値が前記適正範囲に含まれ、かつ、前記対象物への加振中の反射光の波長が前回に比べて有意差があるとき、エラーを前記表示部に表示させる自己診断処理を行う自己診断部と、
   を備える診断装置。
2. 収集された前記測定データに基づいて、前記光ファイバセンサが組み込まれた構造体の健全性を診断する健全性診断部を備える請求項１に記載の診断装置。
3. 前記適正範囲は、応力および温度に関連付けて設定される請求項１または２に記載の診断装置。

Images