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技術 光ファイバ振動センサ

出願人 日立電線株式会社
発明者 熊谷達也大貫渉
出願日 2008年4月24日 (12年8ヶ月経過) 出願番号 2008-114129
公開日 2008年12月25日 (11年11ヶ月経過) 公開番号 2008-309776
状態 特許登録済
技術分野 機械的振動・音波の測定
主要キーワード 物理的外乱 折返点 折返し点 実体図 左右回り 光ファイバ遅延 ピエゾセラミック オープンループ型
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2008年12月25日)のものです。
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図面 (8)

課題

検出感度のよい光ファイバ振動センサを提供する。

解決手段

光ファイバ振動センサは、光源と、受光器と、光分岐結合部と、信号処理ユニットと、光ファイバからなるファイバループ部を含む。ファイバループ部を構成する光ファイバの一部が光ファイバ振動センサの本体の筐体内に設けられ、上記ファイバループ部を構成する光ファイバの他の部分は振動検出用光ファイバとして上記筐体の外部に敷設される。

概要

背景

従来、ループ状光ファイバ中に左右両回りの光を伝搬させ、周回した左右両回り光を干渉させ、その干渉光強度変化を測定することで光ファイバに加えられた物理的外乱振動、衝撃)を検出するセンサとして、図7のようなサニャック干渉方式の振動センサが知られている。

図7において、光ファイバ振動センサ101は、光源102と、受光器103と、光ファイバからなるファイバループ部104と、該ファイバループ部104に上記光源102からの光を左右両回りに入射させると共に、上記ファイバループ部104から出射された左右両回りの出射光を干渉させて干渉光を上記受光器に導く光分岐結合部105と、上記受光器103が受光した干渉光の受信信号を処理する信号処理ユニット106とを備え、上記ファイバループ部104を構成する光ファイバを振動検出用光ファイバとして振動検出対象物に敷設したものである。

ファイバループ部104をフェンスに敷設しておくと、フェンスが揺れたとき、ファイバループ部104に回転角速度が生じたときと同じような受光信号が得られる。サニャック干渉方式振動センサでは、振動数振幅の絶対値は検出できないが、あらかじめ何か特定のものがフェンスに当たったときの受光信号の変化を調べて比較用サンプルとしておき、その後検出される受光信号の変化を比較用サンプルと比較して特定のものがフェンスに当たったことを認識するようにできる。この方式は、立ち入り禁止区域民家などで人がフェンスを揺すったことを検知したり、道路鉄道防護壁落石で揺れたことを検知することに応用できる。

特開2003−247887号公報

概要

検出感度のよい光ファイバ振動センサを提供する。光ファイバ振動センサは、光源と、受光器と、光分岐結合部と、信号処理ユニットと、光ファイバからなるファイバループ部を含む。ファイバループ部を構成する光ファイバの一部が光ファイバ振動センサの本体の筐体内に設けられ、上記ファイバループ部を構成する光ファイバの他の部分は振動検出用光ファイバとして上記筐体の外部に敷設される。

目的

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、良好かつ均一の検出感度を有する光ファイバ振動センサを提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
4件
牽制数
1件

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請求項1

光源と、受光器と、光を分岐又は結合する光分岐結合部と、上記受光器からの受信信号を処理する信号処理ユニットと、上記光分岐結合部により分岐された光をそれぞれ左回り光・右回り光として伝搬するファイバループ部と、上記光源、上記受光器、上記光分岐結合部、上記信号処理ユニット及び上記ファイバループ部の一部を収納する筐体とを備え、上記光分岐結合部の一側が上記光源と上記受光器に接続され、他側が上記ファイバループ部に接続された光ファイバ振動センサにおいて、上記光分岐結合部は、上記光源及び上記受光器が接続される第1光カプラと、上記第1光カプラからの光を偏光する偏光子と、上記偏光子からの光を分岐して上記ファイバループ部にそれぞれ入射すると共に上記ファイバループ部からの出射光を結合する第2光カプラとを備え、上記ファイバループ部には位相変調器が設けられると共に、上記ファイバループ部を構成する光ファイバの一部が遅延用光ファイバとして上記筐体内に設けられ、上記ファイバループ部を構成する残りの光ファイバは振動検出用光ファイバとして上記筐体の外部に敷設されることを特徴とする光ファイバ振動センサ。

請求項2

上記遅延用光ファイバは、上記ファイバループ部を構成する光ファイバの少なくとも半分の長さを有することを特徴とする請求項1記載の光ファイバ振動センサ。

請求項3

上記振動検出用光ファイバは、並列に並べた2心の光ファイバの一端同士を直接または折り返し用光ファイバを用いて接続して形成されることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ振動センサ。

請求項4

上記振動検出用光ファイバは、上記筐体の外部に設けられた上記ファイバループ部の折り返し部を有し、可撓性を有するチューブ内に設けられることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ振動センサ。

請求項5

上記筐体と、該筐体に対して着脱自在に設けられた上記振動検出用光ファイバとを備えることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ振動センサ。

請求項6

上記光源、上記受光器、上記光分岐結合部に用いられる光ファイバ及び上記ファイバループ部を構成する光ファイバが偏波面保存ファイバであることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ振動センサ。

請求項7

光源と、受光器と、左回り光・右回り光を伝搬するループ構造を備えたファイバループ部と、一側が上記光源と上記受光器に接続され、他側が上記ファイバループ部に接続され、光源から出力された光を分岐して上記ファイバループ部に入力し、ファイバループから出力された光を結合して受光器に入力する光分岐結合部と、左回り光と右回り光に位相差を与える位相変調器とからなり、ファイバループ部の一部は測定対象に敷設されるセンサケーブルを構成し、ファイバループ部の少なくとも半分はセンサケーブル外に設けられることを特徴とする光ファイバ振動センサ。

請求項8

センサケーブルは並列に配置された2つの光ファイバ部からなることを特徴とする請求項7に記載の光ファイバ振動センサ。

請求項9

ファイバループ部の半分の部分の一部は光ファイバ遅延部を構成することを特徴とする請求項7に記載の光ファイバ振動センサ。

請求項10

光分岐結合部は偏光子を有することを特徴とする請求項7に記載の光ファイバ振動センサ。

請求項11

2つの光ファイバ部は1本の光ファイバを折り返すことにより形成されることを特徴とする請求項7記載の光ファイバ振動センサ。

技術分野

0001

本発明は、検出感度のよい光ファイバ振動センサに関する。

背景技術

0002

従来、ループ状光ファイバ中に左右両回りの光を伝搬させ、周回した左右両回り光を干渉させ、その干渉光強度変化を測定することで光ファイバに加えられた物理的外乱振動、衝撃)を検出するセンサとして、図7のようなサニャック干渉方式の振動センサが知られている。

0003

図7において、光ファイバ振動センサ101は、光源102と、受光器103と、光ファイバからなるファイバループ部104と、該ファイバループ部104に上記光源102からの光を左右両回りに入射させると共に、上記ファイバループ部104から出射された左右両回りの出射光を干渉させて干渉光を上記受光器に導く光分岐結合部105と、上記受光器103が受光した干渉光の受信信号を処理する信号処理ユニット106とを備え、上記ファイバループ部104を構成する光ファイバを振動検出用光ファイバとして振動検出対象物に敷設したものである。

0004

ファイバループ部104をフェンスに敷設しておくと、フェンスが揺れたとき、ファイバループ部104に回転角速度が生じたときと同じような受光信号が得られる。サニャック干渉方式振動センサでは、振動数振幅の絶対値は検出できないが、あらかじめ何か特定のものがフェンスに当たったときの受光信号の変化を調べて比較用サンプルとしておき、その後検出される受光信号の変化を比較用サンプルと比較して特定のものがフェンスに当たったことを認識するようにできる。この方式は、立ち入り禁止区域民家などで人がフェンスを揺すったことを検知したり、道路鉄道防護壁落石で揺れたことを検知することに応用できる。

0005

特開2003−247887号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、特開2003−247887号公報に開示されるサニャック干渉方式振動センサは、ファイバループ部104の場所によって感度が異なるという感度特性を有する。これは、ファイバループ部104のループ長方向中央部近傍では、光分岐結合部で分岐された左右両回りの光がほぼ同時刻に通過するため、振動による位相差が発生しにくいことによる。特に、ファイバループ部104の中間点では感度はゼロとなる。このため、ファイバループ部104が敷設された振動検出対象物において、場所によって振動を検知する感度が不均一になる。

0007

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、良好かつ均一の検出感度を有する光ファイバ振動センサを提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

上記目的を達成するために本発明は、光源と、受光器と、光を分岐又は結合する光分岐結合部と、上記受光器からの受信信号を処理する信号処理ユニットと、上記光分岐結合部により分岐された光をそれぞれ左回り光・右回り光として伝搬するファイバループ部と、上記光源、上記受光器、上記光分岐結合部、上記信号処理ユニット及び上記ファイバループ部の一部を収納する筐体とを備え、上記光分岐結合部の一側が上記光源と上記受光器に接続され、他側が上記ファイバループ部に接続された光ファイバ振動センサにおいて、上記光分岐結合部は、上記光源及び上記受光器が接続される第1光カプラと、上記第1光カプラからの光を直線偏光する偏光子と、上記偏光子からの光を分岐して上記ファイバループ部にそれぞれ入射すると共に上記ファイバループ部からの出射光を結合する第2光カプラとを備え、上記ファイバループ部には位相変調器が設けられると共に、上記ファイバループ部を構成する光ファイバの一部が光ファイバ遅延部として上記筐体内に設けられ、上記ファイバループ部を構成する残りの光ファイバは振動検出用光ファイバとして上記筐体の外部に敷設されるものである。

0009

上記光ファイバ遅延部は、上記ファイバループ部を構成する光ファイバの少なくとも半分の長さを有してもよい。

0010

上記振動検出用光ファイバは、並列に並べた2心の光ファイバの一端同士を直接または折り返し用光ファイバを用いて接続して形成されてもよい。

0011

上記振動検出用光ファイバは、上記筐体の外部に設けられた上記ファイバループ部が折り返されると共に可撓性を有するチューブ内に設けられてもよい。

0012

上記筐体と、該筐体に対して着脱自在に設けられた上記振動検出用光ファイバとを備えてもよい。

0013

上記光源、上記受光器、上記光分岐結合部に用いられる光ファイバ及び上記ファイバループ部を構成する光ファイバが偏波面保存ファイバであってもよい。

0014

更に、本発明は、光源と、
受光器と、
左回り光・右回り光を伝搬するループ構造を備えたファイバループ部と、
一側が上記光源と上記受光器に接続され、他側が上記ファイバループ部に接続され、光源から出力された光を分岐して上記ファイバループ部に入力し、ファイバループから出力された光を結合して受光器に入力する光分岐結合部と、
左回り光と右回り光に位相差を与える位相変調器とからなり、
ファイバループ部の一部は測定対象に敷設されるセンサケーブルを構成し、ファイバループ部の少なくとも半分はセンサケーブル外に設けられることを特徴とする光ファイバ振動センサを提供する。

0015

センサケーブルは並列に配置された2つの光ファイバ部で構成してもよい。

0016

ファイバループ部の半分の部分の一部は光ファイバ遅延部を構成してもよい。

0017

光分岐結合部は偏光子を有してもよい。

0018

2つの光ファイバ部は1本の光ファイバを折り返すことにより形成してもよい。

発明の効果

0019

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

0020

(1)検出感度がよい。

発明を実施するための最良の形態

0021

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

0022

(光ファイバ振動センサ1の構成)
図1図2(a)、図2(b)、図3(a)、図3(b)及び図4に示されるように、本願発明に係る光ファイバ振動センサ1は、筐体10aを含む振動センサ本体10と、振動センサ本体10の筐体10a外に敷設される振動検出用光ファイバ9とで構成される。

0023

図1に示されるように、振動センサ本体10は、光源2と、受光器3と、光を分岐又は結合する光分岐結合部5と、受光器3からの受信信号を処理する信号処理ユニット7と、筐体10aと、一部が振動検出用光ファイバ9として筐体10aの外に敷設されるファイバループ部(光閉回路)4とを備える。

0024

ファイバループ部4は、筐体10a内に、位相変調器6と、光ファイバ遅延部8を備える。光ファイバ遅延部8は、ファイバループ部4の半分の長さを有する光ファイバ8bを備える。各部の詳しい構成については、後段にて説明する。

0025

光源2には、可干渉距離の短いレーザダイオード(LD)や、スーパールミネッセントダイオードSLD)を用い、受光器3には、フォトダイオード(PD)を用いる。光源2、受光器3にはそれぞれ接続用光ファイバが接続され、後述する光分岐結合部5と接続される。

0026

光分岐結合部5は、光源2及び受光器3に接続される第1光カプラ18aと、後述するファイバループ部に接続される第2光カプラ18bと、第1光カプラ18aと第2光カプラ18bとの間に接続される偏光子19とを備えたものである。

0027

図1及び図2(a)に示されるように、偏光子19は、第1光カプラ18aと第2光カプラ18bとを接続する光ファイバ19aの一部をコイル状に形成すると共に、コア複屈折を大きくしたファイバ型の偏光子である。

0028

図1点線によって示されるように、ファイバループ部4は、光分岐結合部5を構成する第2光カプラ18bに接続されると共に、第2光カプラ18bにより分岐された光が、それぞれ左回り・右回りに周回(伝搬)するように光路を形成した光ファイバからなる。

0029

ファイバループ部4を周回した左回り光、右回り光の干渉光強度はcosφ(φ;サニャック位相差)に比例するため、微妙な位相差に対する検出感度が低くなる。そこで、微妙な位相差に対する検出感度をあげるために、左回り光、右回り光にπ/2相当の位相差を生じさせる位相変調器6が設けられる。

0030

ファイバループ部4に設けられた位相変調器6は、ファイバループ部4を伝搬する左回り光・右回り光にそれぞれ相対的に時間遅れのある位相変調をかけるものである。

0031

本実施の形態では、図2(b)に示されるように、位相変調器6は、円筒状のピエゾセラミックPZT)6aにファイバループ部4の一部を形成する光ファイバ6bを巻き付けて形成し、円筒形のPZT6aへ印加する電圧により円筒形のPZT6aに巻き付けた光ファイバ6bを伸縮させて伝搬光位相変調するものとした。

0032

信号処理ユニット7は、受光器3から出力された受信信号を処理して、振動が生じた場所、振動の大きさ等を特定する。また、光源2の出力レベルを制御するとともに、位相変調器6の変調レベルも制御する。

0033

図3(a)及び図3(b)に示されるように、光ファイバ遅延部8は、ボビン8aとボビン8aに巻き回して所定の長さの光ファイバ8bを一箇所に集中させて配置したものである。本実施の形態では、光ファイバ遅延部8の光ファイバ8bは、ファイバループ部4の光路長の半分以上に相当する長さを有する。光ファイバ遅延部8の光ファイバ8bは、一方向(CW)に巻いた部分8b−1と反対方向(CCW)に巻いた部分8b−2とにより形成され、一方向に巻いた部分(CW部)8b−1と反対方向に巻いた部分(CCW部)8b−2とでは、互いにファイバ長巻き回数を等しくして、光ファイバ8bのCW部8b−1とCCW部8b−2の断面積ループ面積)が等しくなるように形成される。例えば、光ファイバ遅延部8を構成するファイバループ部4の光ファイバ8bの中間点M1を適宜決定し、この中間点M1で折り返した片側部分反対側部分とを平行に揃えてボビン8aの周囲に巻き取ることにより形成するとよい。

0034

これにより、振動センサ本体10(すなわち筐体10a)に衝撃や振動が加わる、又は振動センサ本体10が回転するなどした場合でも、筐体10a内に収納された光ファイバ遅延部8が回転運動を検知せず、振動の検出に誤動作を生じることがない。

0035

一方、振動検出用光ファイバ9は、振動検出対象物に敷設するようになっており、好適には図4の形態で形成される。

0036

図1の光ファイバ振動センサ1は、従来の装置と以下の点で異なる。従来の装置では、ファイバループ部104の全長を振動検出対象物に敷設するようになっている。一方、図1に示される光ファイバ振動センサ1では、ファイバループ部4が、振動検出対象物には敷設されない光ファイバ遅延部8の光ファイバ8bと振動検出対象物に敷設する振動検出用光ファイバ9により構成される点が異なる。

0037

光源2、受光器3、光分岐結合部5に用いられる光ファイバ及びファイバループ部4を構成する光ファイバは、偏波面保存ファイバであるのが好ましい。

0038

図1及び図4に示されるように、振動検出用光ファイバ9は、振動センサ本体10の筐体10aの外部に敷設される。本実施の形態では、振動検出用光ファイバ9を振動センサ本体10に対して着脱自在に設ける構造とした。つまり、ファイバループ部4は、振動センサ本体10内に設けられる位相変調器6や光ファイバ遅延部8などを構成する光ファイバと、振動センサ本体10の外部に設けられる振動検出用光ファイバ9とからなり、振動センサ本体10内のファイバループ部4の一部分を構成する光ファイバと、振動センサ本体10外のファイバループ部4の他の部分を構成する振動検出用光ファイバ9とは、振動センサ本体10の筐体外部に設けられるレセプタクル部11,12により接続される。

0039

図4に示されるように、振動センサ本体10には、筐体10aの外表面にレセプタクル部11,12が設けられ、振動検出用光ファイバ9の両端に設けられた光コネクタ13a,13bと接続される。これにより、ファイバループ部4の一部を構成する振動センサ本体10内の光ファイバと、同じくファイバループ部4の他の部分を構成する振動検出用光ファイバ9とが接続され、ファイバループ部4が構成される。振動検出用光ファイバ9を振動センサ本体10に対して着脱自在に設けることで、フェンス等への振動検出用光ファイバ9の敷設が容易となる。

0040

振動検出用光ファイバ9は、並列に並べた2心の光ファイバ14a,14bと、これら2心の光ファイバ14a,14bの一端で2心の光ファイバ14a,14bを接続する接続部15とを備えるものである。2心の光ファイバ14a,14bは、可撓性チューブ16に収容される。

0041

ここでは、振動検出用光ファイバ9と可撓性チューブ16の全体をセンサケーブル17と呼ぶ。センサケーブル17は、ファイバループ部4の一部からなり往復光のために並列に配置された光ファイバ14a,14bと、光ファイバ14a,14bを1本にまとめる可撓性チューブ16とからなり、振動センサ本体10に対して着脱自在に構成されている。センサケーブル17を振動検出対象物に敷設し、そのセンサケーブル17を振動センサ本体10に装着することで振動検出が可能になる。例えば、振動検出用光ファイバ9を金網製フェンスに敷設する場合、樹脂締結具を用いてセンサケーブル17を金網に締結する。

0042

本実施の形態では、2心の光ファイバ14a,14bを可撓性チューブ16内に備えた光ファイバケーブルを用いて振動検出用光ファイバ9を構成した。接続部15は、光ファイバケーブルの先端の光ファイバコーティングを所定の距離(例えば10mm)だけリムーブして2心の光ファイバを露出させ、その2心の光ファイバ14a,14bを接続して、その接続部をリコートして形成される。その後、接続部15を含む部分的にリムーブされた2心の光ファイバ14a,14bを光ファイバ収納ケース(図示せず)に許容曲げ径の範囲内で収納する構成とした。

0043

収納ケースは樹脂又は金属製からなり、接続部15、及びリムーブされた2心の光ファイバ14a,14bは、収納ケースに樹脂によりポッティングして固定される。1本の光ファイバを折り返して振動検出用光ファイバ9を構成してもよいが、ケーブルをフェンスに固定する作業の際の取り扱い等を考慮すると、2心の光ファイバを有する光ファイバケーブルを用いて、2心の光ファイバを接続して、振動検出用光ファイバ9を提供するする構成のほうが好ましい。

0044

(光ファイバ振動センサ1の動作)
次に、光ファイバ振動センサ1の動作を説明する。

0045

光ファイバ振動センサ1は、サニャック干渉方式振動センサであり、ファイバループ部4を構成する光ファイバ14(すなわち14a又は14b)に振動が加わると、受光器3で検出される光信号の強度が変化する。

0046

このとき、光ファイバ14に加わる振動の振動周波数をfm、振動が加えられた場所(光ファイバ14上の長手方向位置)における左右回り光の伝搬遅延時間差τ、左右回り光の位相差をφとすると、時間tの関数としての位相差φは、以下の関係式(1)で与えられる。

0047

φ(t)=A・sin(2π・fm・τ/2)・cos(2π・fm・t)
…(1)
ここで、Aは、振動の強度(振幅)に関する定数である。

0048

ファイバループ部4の中間点M1では、左右回り光が同時刻に到達するので、伝搬遅延時間差τ=0となる。このとき、光ファイバ14に加わる振動があったとしても、関係式(1)より位相差φ=0となる。つまり、ファイバループ部4の中間点M1では、振動に対する感度はゼロである。

0049

ファイバループ部4の中間点M1から外れた場所では伝搬遅延時間差τが0以外の特定の値を持つので、光ファイバ14に加わる振動があれば位相差φに値が生じる。中間点M1から離れるに従い伝搬遅延時間差τが大きくなるので、強度が同じ振動に対して位相差φが大きい。つまり、中間点M1から離れるに従い振動に対する感度は増大する。なお、伝搬遅延時間差τは非常に小さい値である。従って、関係式(1)中の正弦関数一次式近似できる。

0050

具体的には、ファイバループ部4の全長を400mとし、光ファイバコア屈折率n、光速cから伝搬遅延時間差τの最大値を求めると、
τ=L・n/c
=(400×1.47/(3×108))
=1.96×10-6
となる。

0051

このとき、振動周波数fmを最大で100Hzとすると、(fm・τ)は約2×10-4であり、非常に小さいので、関係式(1)の正弦関数は一次式で近似できる。よって、位相差φが伝搬遅延時間差τに比例する。すなわち、サニャック干渉方式振動センサの感度は伝搬遅延時間差τに比例する。

0052

このように、サニャック干渉方式振動センサは、ファイバループ部の場所によって感度が異なるという感度特性を有する。

0053

図5は、伝搬遅延時間差τを横軸にとり、位相差φに基づく振動検出信号強度を縦軸にとった感度特性図である。図5に示されるように、振動検出信号強度は伝搬遅延時間差τに比例する。伝搬遅延時間差τはファイバループ部4の中間点M1からの距離の関数であるから、横軸にファイバループ部4上の場所を示し、ファイバループ部4の感度特性図とすることができる。

0054

したがって、従来の光ファイバ振動センサ101によれば、ファイバループ部104の全体を振動検出対象物に敷設すると、振動検出対象物に敷設されたファイバループ部104の場所によって振動を検知する感度が不均一になる。具体的には、ファイバループ部104の中間点では感度がゼロとなる。中間点の近辺は感度が大変に小さく、中間点からの距離が増大するに従い感度が増大してファイバループ部104の入出射側(光ファイバカプラ直近)で感度が最大となる。

0055

本願発明の光ファイバ振動センサ1では、光ファイバ遅延部8がファイバループ部4を構成する光ファイバの全長の半分以上の長さを有することで、例えば、ファイバループ部4の中間点M1を振動検出用光ファイバ9の一端側と筐体10aとの接続点であるレセプタクル部11に設ける構造とすることができる。そして、振動検出用光ファイバ9の他端側をレセプタクル部12に接続することで、振動検出用光ファイバ9は一端側から他端側まで、振動検出用光ファイバ9の一端側からの距離に比例して感度がゼロから高くなっていく構造となる。また、振動検出用光ファイバ9の中間(折返し点)Cを含む接続部15では、レセプタクル部11近傍の感度とレセプタクル部12近傍の感度との中間の感度となる。

0056

本願発明では、筐体10a外に設けられた振動検出用光ファイバ9を1本の可撓性チューブ16内に設けることによりセンサケーブル17を構成することで、センサケーブル17は、往復光のために並列して設けられている2心の光ファイバ14a,14bの感度分布を重ね合わせると、長手方向における場所に関わらず均一となる。

0057

図6(a)は、センサケーブル17における振動センサ本体10との接続点から折返点Cまでの距離を横軸にとり、位相差φに基づく振動検出信号強度を縦軸にとった感度特性図である。本発明のセンサケーブル17の感度は、図6(a)の実線で示されるように、長手方向に一定である。破線で示されるように2本の光ファイバ14a,14bの感度が重畳されて一定値となることが分かる。

0058

表1は、ファイバループ部の全長を4Lとし、図4に示されるファイバループ部4の各測定点P1〜P6における右回り距離と左回り距離を示す。このとき、光ファイバ遅延部8、振動検出用光ファイバ9以外を構成する光ファイバは、光ファイバ遅延部8の光ファイバ8b、振動検出用光ファイバ9と比較して無視できる程度に短いものとする。例えば、ファイバループ部の全長は400m、位相変調器6を構成する光ファイバは1mである。

0059

0060

図4において、xは、センサ本体10とセンサケーブル17の測定点の間の距離である。表1に示されるように、レセプタクル部11へ接続される測定点P1では右回り距離と左回り距離は(2L,2L)となる。光レセプタクル部12へ接続される測定点P6では右回り距離と左回り距離は(4L,0)となる。ここで、光ファイバ遅延部8の光ファイバ8bの長さが2L、振動検出用光ファイバ9の長さが2Lだからである。本体10から距離xの測定点P2及びP5では右回り距離と左回り距離は、(2L+x,2L−x)及び(4L−x,x)となる。

0061

図4の各測定点P1〜P6における左右回り距離差(表1では「差」と表記)は、0と4L(P1とP6)、2xと4L−2x(P2とP5)、2Lと2L(P3とP4)となる。伝搬遅延時間差τは左右回り距離差に比例し、感度は伝搬遅延時間差τに比例するので、表1における差をそのまま感度としてみなすことができる。振動検出用光ファイバ9における左回り光と右回り光に対する光ファイバ14a,14bの感度を足し合わせると、場所によらず4Lとなる。この感度特性は、図6(a)の感度特性と一致する。

0062

つまり、本実施の形態の光ファイバ振動センサでは、センサケーブル17の任意の箇所に振動が生じても、一定の感度で振動を検知することができる。

0063

これまでの実施形態では、光ファイバ遅延部8の光ファイバ8bの長さが2L、振動検出用光ファイバ9の長さが2Lであり、ファイバループ部4の長さの半分が光ファイバ遅延部8の光ファイバ8bに相当する。

0064

しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、光ファイバ遅延部8の光ファイバ8bの長さがファイバループ部4の長さの半分以上であれば同様の効果が得られる。光ファイバ遅延部8の光ファイバ8bの長さがファイバループ部4の長さの半分を超えていると、図6(a)の本体接続点(例えば、図4のP1、P6)における振動検出信号強度が0より大となり、光ファイバ14a,14bの感度の及び全体の感度のグラフが上にシフトされ、感度(振動検出信号強度)は測定点によらず均一となる。

0065

図6(b)は、光ファイバ遅延部8の光ファイバ8bの長さがファイバループ部4の長さの半分を超えている場合の、センサケーブル17における振動センサ本体10との接続点から折返点Cまでの距離を横軸にとり、位相差φに基づく振動検出信号強度を縦軸にとった感度特性図である。図6(b)に示すように、全体の感度は非常に改善されている。

0066

また、上記の実施形態では、振動検出用光ファイバ9として、振動センサ本体10の筐体10aの外に設けられる光ファイバ14の全長を測定対象であるフェンス等に敷設した。しかし、光ファイバ振動センサ1の筐体10aから離れた場所にある測定対象の振動を検出する場合には、筐体10a側の光ファイバ14の一部は振動検出用光ファイバ9として用いる必要がない。従って、振動検出用光ファイバ9以外の光ファイバ14の部分にファイバループ部4の中間点M1が存在するような場合には、光ファイバ遅延部8の光ファイバ8bの長さはファイバループ部4の全長の半分以下でよい。

0067

換言すれば、ファイバループ部4の一部が、測定対象に敷設されるセンサケーブル17を構成する場合に、ファイバループ部4の少なくとも半分の部分がセンサケーブル17外であれば、光ファイバ振動センサ1の振動検出感度を改善することが可能である。更に、並列に配置された光ファイバ14a,14bからなる振動検出光ファイバ9をセンサケーブル17とすることにより、光ファイバ振動センサ1の振動検出感度を均一にすることができる。

0068

上記の実施形態では、ファイバループ部4を構成する光ファイバの一部である光ファイバ6bを用いて位相変調器6を形成し、所定の周波数正弦波電圧を印加して伝搬光の位相を変調するオープンループ型の光ファイバ振動センサを構成したが、本願発明はこれに限らない。検知される伝搬光の位相を位相変調器にフィードバックするクローズドループ型の光ファイバ振動センサを構成してもよい。

0069

上記の実施形態では、光分岐結合部5に第1光カプラ18aと第2光カプラ18bを用いるダブルカプラ方式を採用したが、本願発明はこれに限らない。両端に2ポートを有する光カプラを用い、一端には光源2と受光器3を接続し、他端にはファイバループ部4の入出射側を接続するシングルカプラ方式としてもよい。さらに、光分岐結合部5に設けた偏光子19を省略してもよい。

図面の簡単な説明

0070

本発明の一実施形態を示す光ファイバ振動センサの構成図である。
図2において、(a)は偏光子の斜視図であり、(b)は位相変調器の斜視図である。
図3において、(a)は光ファイバ遅延部の斜視図であり、(b)は光ファイバ遅延部を側面視した説明図である。
図1の光ファイバ振動センサの実体図である。
サニャック干渉方式振動センサにおけるファイバループ部の感度特性図である。
図6において、(a)、(b)は本発明におけるセンサケーブル(振動検出用光ファイバ)の感度特性図である。
従来の光ファイバ振動センサの構成図である。

符号の説明

0071

1光ファイバ振動センサ
2光源
3受光器
4ファイバループ部
5光分岐結合部
6位相変調器
7信号処理ユニット
8光ファイバ遅延部
9振動検出用光ファイバ
17 センサケーブル

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