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技術 検出装置、インテロゲータ、及びひずみ検出システム

出願人 ミネベアミツミ株式会社
発明者 大原知子北嶌卓也北村厚
出願日 2015年10月14日 (4年8ヶ月経過) 出願番号 2015-202745
公開日 2017年4月20日 (3年2ヶ月経過) 公開番号 2017-075819
状態 特許登録済
技術分野 光学的変換 光学的手段による測長装置
主要キーワード 被計測体 IVアンプ 計測用光 ひずみ計 インテロゲータ 信号強度比 圧縮ひずみ FBGセンサ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (10)

課題

FBGセンサからの戻り光中心波長と、光フィルタフィルタ特性とを、容易に適切な関係に調整することのできる検出装置を提供する。

解決手段

FBGセンサからの戻り光の波長を検出するための検出装置は、前記戻り光を透過光反射光とに分離する光フィルタと、前記光フィルタからの前記透過光を受光する第1光検出器と、前記光フィルタからの前記反射光を受光する第2光検出器と、前記戻り光の前記光フィルタへの入射角が変化するように前記光フィルタを回転させる回転機構とを備える。

概要

背景

温度やひずみの変化を光を用いて検出する光ファイバセンサの一つとして、FBGセンサが知られている。FBGセンサは、円筒状のコアと、コアの一部に形成されたファイバブラッググレーティングとを有する。ファイバブラッググレーティングにおいては、コアの屈折率はコアの軸方向に周期的に変化している。

FBGセンサのコアに軸方向の一方から入射した光のうち、所定の中心波長を有する光はファイバブラッググレーティングにより反射されて戻り光となり、その他の波長成分を有する光はファイバブラッググレーティングを通過する。そして、FBGセンサにひずみや温度変化が生じると、ファイバブラッググレーティングの周期が変化し、ファイバブラッググレーティングによって反射される戻り光の波長は中心波長からシフトする。したがってFBGセンサに広帯域光を入射し、戻り光の波長の中心波長からのシフト量を計測することでFBGセンサに生じた温度やひずみの変化を検知することができる。FBGセンサは、空港港湾プラント等のフェンス乗り越えや不法侵入を検知する侵入検知システムや、ダム河川下水道などの水位リアルタイム監視する水位監視システム、航空・宇宙用圧力計測システム等に活用されている。

特許文献1は、FBGセンサからの反射光ファイバ状ひずみ計測用光学フィルタ透過光と反射光に分離し、透過光の強度と反射光の強度との和及び差に基づいて戻り光の波長を求めるFBGセンシング装置を開示している。

概要

FBGセンサからの戻り光の中心波長と、光フィルタフィルタ特性とを、容易に適切な関係に調整することのできる検出装置を提供する。 FBGセンサからの戻り光の波長を検出するための検出装置は、前記戻り光を透過光と反射光とに分離する光フィルタと、前記光フィルタからの前記透過光を受光する第1光検出器と、前記光フィルタからの前記反射光を受光する第2光検出器と、前記戻り光の前記光フィルタへの入射角が変化するように前記光フィルタを回転させる回転機構とを備える。

目的

本発明は上記の課題を解決することを目的とし、FBGセンサからの戻り光の中心波長と、光フィルタのフィルタ特性とを、容易に適切な関係に調整することのできる検出装置、及びこれを備えるインテロゲータ並びにそのようなインテロゲータを備えるひずみ検出システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

FBGセンサからの戻り光波長を検出するための検出装置であって、前記戻り光を透過光反射光とに分離する光フィルタと、前記光フィルタからの前記透過光を受光する第1光検出器と、前記光フィルタからの前記反射光を受光する第2光検出器と、前記戻り光の前記光フィルタへの入射角が変化するように前記光フィルタを回転させる回転機構とを備える検出装置。

請求項2

前記戻り光をP偏光とS偏光とに分離する偏光フィルタを更に備え、該偏光フィルタで分離された前記戻り光の前記P偏光が前記光フィルタに入射される請求項1に記載の検出装置。

請求項3

前記光フィルタは、ガラス基板と、前記ガラス基板上に積層された誘電体多層膜とを有する請求項1又は2に記載の検出装置。

請求項4

前記回転機構によって前記光フィルタを回転させることによって、前記光フィルタのフィルタ特性を調整する請求項1〜3のいずれか一項に記載の検出装置。

請求項5

前記光フィルタは、所定の波長幅の領域で透過率が直線的に変化するフィルタ特性を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の検出装置。

請求項6

FBGセンサに広帯域光照射する光源と、請求項1〜5のいずれか一項に記載の検出装置と、第1光検出器と第2光検出器からの検出信号を比較する信号比較部とを備えるインテロゲータ

請求項7

前記信号比較部の比較結果に基づいて前記FBGセンサのひずみ量を求める制御部を更に備える請求項6に記載のインテロゲータ。

請求項8

FBGセンサと、請求項6又は7に記載のインテロゲータとを備えるひずみ検出システム

請求項9

さらに、前記FBGセンサの温度を検知する温度センサを備え、前記温度センサの検出温度に応じて前記回転機構を制御して前記光フィルタを回転させる回転機構制御部を備える請求項8に記載のひずみ検出システム。

技術分野

0001

本発明は、ファイバブラッググレーティング(FBG)センサ用の検出装置及びインテロゲータに関する。

背景技術

0002

温度やひずみの変化を光を用いて検出する光ファイバセンサの一つとして、FBGセンサが知られている。FBGセンサは、円筒状のコアと、コアの一部に形成されたファイバブラッググレーティングとを有する。ファイバブラッググレーティングにおいては、コアの屈折率はコアの軸方向に周期的に変化している。

0003

FBGセンサのコアに軸方向の一方から入射した光のうち、所定の中心波長を有する光はファイバブラッググレーティングにより反射されて戻り光となり、その他の波長成分を有する光はファイバブラッググレーティングを通過する。そして、FBGセンサにひずみや温度変化が生じると、ファイバブラッググレーティングの周期が変化し、ファイバブラッググレーティングによって反射される戻り光の波長は中心波長からシフトする。したがってFBGセンサに広帯域光を入射し、戻り光の波長の中心波長からのシフト量を計測することでFBGセンサに生じた温度やひずみの変化を検知することができる。FBGセンサは、空港港湾プラント等のフェンス乗り越えや不法侵入を検知する侵入検知システムや、ダム河川下水道などの水位リアルタイム監視する水位監視システム、航空・宇宙用圧力計測システム等に活用されている。

0004

特許文献1は、FBGセンサからの反射光ファイバ状ひずみ計測用光学フィルタ透過光と反射光に分離し、透過光の強度と反射光の強度との和及び差に基づいて戻り光の波長を求めるFBGセンシング装置を開示している。

先行技術

0005

特開2005−326326号

発明が解決しようとする課題

0006

特許文献1に記載のファイバ状のひずみ計測用光学フィルタは、FBGセンサからの戻り光の中心波長と、ひずみ計測用光学フィルタのフィルタ特性との間にずれが生じ計測誤差が生じるような状況となったとき、FBGセンサからの戻り光の中心波長と計測用光フィルタのフィルタ特性とを適切な関係に調整することが難しい。

0007

本発明は上記の課題を解決することを目的とし、FBGセンサからの戻り光の中心波長と、光フィルタのフィルタ特性とを、容易に適切な関係に調整することのできる検出装置、及びこれを備えるインテロゲータ並びにそのようなインテロゲータを備えるひずみ検出システムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

本発明の第1の態様に従えば、
FBGセンサからの戻り光の波長を検出するための検出装置であって、
前記戻り光を透過光と反射光とに分離する光フィルタと、
前記光フィルタからの前記透過光を受光する第1光検出器と、
前記光フィルタからの前記反射光を受光する第2光検出器と、
前記戻り光の前記光フィルタへの入射角が変化するように前記光フィルタを回転させる回転機構とを備える検出装置が提供される。

0009

第1の態様の検出装置は前記戻り光をP偏光とS偏光とに分離する偏光フィルタを更に備えてもよく、該偏光フィルタで分離された前記戻り光の前記P偏光が前記光フィルタに入射されてもよい。

0010

第1の態様の検出装置において、前記光フィルタは、ガラス基板と、前記ガラス基板上に積層された誘電体多層膜とを有してもよい。

0011

第1の態様の検出装置は、前記回転機構によって前記光フィルタを回転させることによって、前記光フィルタのフィルタ特性を調整してもよい。第1の態様の検出装置において、前記光フィルタは、所定の波長幅の領域で透過率が直線的に変化するフィルタ特性を有し得る。

0012

本発明の第2の態様に従えば、
FBGセンサに広帯域光を照射する光源と、
第1の態様の検出装置と、
第1光検出器と第2光検出器からの検出信号を比較する信号比較部とを備えるインテロゲータが提供される。

0013

第2の態様のインテロゲータは、前記信号比較部の比較結果に基づいて前記FBGセンサのひずみ量を求める制御部を更に備えてもよい。

0014

本発明の第3の態様に従えば、
FBGセンサと、
第2の態様のインテロゲータとを備えるひずみ検出システムが提供される。

0015

第3の態様のひずみ検出システムは、さらに、前記FBGセンサの温度を検知する温度センサを備えてもよく、前記温度センサの検出温度に応じて前記回転機構を制御して前記光フィルタを回転させる回転機構制御部を備えてもよい。

発明の効果

0016

本発明の検出装置及びインテロゲータは、FBGセンサからの戻り光の中心波長と、光フィルタのフィルタ特性とを、容易に適切な関係に調整することができる。

図面の簡単な説明

0017

図1は、本発明の実施形態に係るインテロゲータの構成を示すブロック図である。
図2は、本発明の実施形態に係るFBGセンサ用の検出装置の構成を示す概略図である。
図3は、FBGセンサの動作を説明するための説明図である。
図4は、FBGセンサからの戻り光の中心波長からのシフトを示すグラフである。
図5は、P偏光の入射光に対する光フィルタの透過率の変化を示すグラフである。
図6は、非偏光の入射光に対する光フィルタの透過率の変化を示すグラフである。
図7は、光フィルタに入射する入射光の入射角の変化に対するフィルタ特性の変化を示す。
図8は、本発明の変形例に係るFBGセンサ用の検出装置の構成を示す概略図である。
図9は、光フィルタに入射する入射光の入射角の変化に対するフィルタ特性の変化を示す。

実施例

0018

<実施形態>
本発明の実施形態のインテロゲータについて、図1図7を参照して説明する。

0019

図1に示す通り、本実施形態のインテロゲータ100は、光源10と、カプラ20と、検出部(検出装置)30と、制御部40とを主に有する。

0020

光源10は、掃引レーザ、掃引型レーザの波長範囲カバーするような広帯域光源であり、例えば1520nm〜1580nm程度の波長の光を照射する。

0021

カプラ20は、2本の光ファイバ融着した1×2カプラであり、第1の端部が光ファイバOF1を介して光源10と、第2の端部が光ファイバOF2を介してFBGセンサ200と、第3の端部が光ファイバOF3を介して検出部30と接続されている。カプラ20により、光源10からの光をFBGセンサ200に送ると共に、FBGセンサ200からの戻り光を検出部30に送る。カプラ20は市販の光ファイバカプラを使用することができる。

0022

検出部30は、図2に示す通り、光ファイバOF3と検出部30の光ファイバ31aを接続するフェルール31と、フェルール31及び光ファイバ31aを介して検出部30に入射された光をP偏光とS偏光とに分離する偏光フィルタ32と、偏光フィルタ32からのP偏光の一部を透過し、残りを反射する光フィルタ33と、光フィルタ33を回転軸33aを中心に回転可能に保持する回転機構34と、光フィルタ33を透過した透過光を受光する第1光検出器35と、光フィルタ33によって反射された反射光を受光する第2光検出器36とを主に備える。第1光検出器35及び第2光検出器36は、この実施形態ではフォトダイオードが使われる。

0023

以下では、光ファイバ31aから出射される光の進行方向を「検出部の光軸方向」又は単に「光軸方向」と呼び、それに直交する方向を「直交方向」と呼ぶ。

0024

偏光フィルタ32は、光ファイバ31aからの出射光をP偏光とS偏光とに分離する偏光ビームスプリッタであり、直角プリズムを2つ組合せたキューブ形の偏光ビームスプリッタとすることができる。

0025

偏光フィルタ32の偏光面32sは、検出部の光軸方向に対して45°の角度を有して位置するように設けられている。換言すれば、光ファイバ31aからの出射光が偏光面32sに対して45°の入射角で入射するように配置されている。これにより、光ファイバ31aからの出射光は、偏光面32sを透過して光軸方向に進むP偏光と、偏光面32sに反射されて直交方向に進むS偏光とに分離される。

0026

光フィルタ33は、偏光フィルタ32からのP偏光を透過光と反射光とに分離するビームスプリッタである。光フィルタ33は、ガラス基板33bと、ガラス基板上に形成された誘電体多層膜33fとを有し、誘電体多層膜33fの最表面が入射面33sである。誘電体多層膜33fは、例えばSiO2(n=1.46)、TiO2(n=2.40)、MgF2(n=1.38)等の膜材料から形成されている。光フィルタ33は、これらの材料を蒸着スパッタリング等を用いてガラス基板33b上に積層して形成したり、あるいは市販の光フィルタを用いてもよい。

0027

光フィルタ33は、光ファイバ31aの出射光に対して、入射面33sが45°の角度で配置されている。換言すれば、偏光フィルタ32からのP偏光が光フィルタ33の光軸(入射面33sの法線)に対して45°の入射角で入射するように配置されている。これにより偏光フィルタ32からのP偏光は、光フィルタ33を通過して光軸方向に進む透過光と、入射面33sによって反射されて直交方向に進む反射光とに分離される。

0028

また光フィルタ33のガラス基板33bには、ガラス基板33bを回転させるための回転軸33aが、ガラス基板33bの側部の幅方向中央から外側に突出する2つの凸部として形成されている。

0029

回転機構34は、モータ34mと、モータ34mに取り付けられた駆動ギア34g1と、駆動ギア34g1によって回転される従動ギア34g2とを備え、従動ギア34g2は光フィルタ33の回転軸33aに取り付けられている。モータ34mは後述する制御部40の角度調整部41に接続されている。モータ34mは角度調整部41により制御されて回転し、駆動ギア34g1、従動ギア34g2を介して、光フィルタ33を、回転軸33a中心に回転させる。

0030

第1光検出器35は、検出部30の光軸上に配置されている。また、光フィルタ33と第1光検出器35との間には、集光レンズCL1が配置されており、光フィルタ33を透過した透過光は、集光レンズCL1によって集光されて第1光検出器35に入射する。

0031

第2光検出器36は、光フィルタ33からの反射光を受光するように配置されている。また、光フィルタ33と第2光検出器36との間には、集光レンズCL2が配置されており、光フィルタ33によって反射された反射光は、集光レンズCL2によって集光されて第2光検出器36に入射する。

0032

第1光検出器35及び第2光検出器36は、それぞれ光エネルギー電流に変換する光電変換部(不図示)及び、電流を電圧に変換するIVアンプ(不図示)を介して、後述する制御部40の信号強度比較部42に接続されている。

0033

図1に示すように、制御部40は、検出部30のモータ34mに接続された角度調整部41と、検出部30の第1光検出器35及び第2光検出器36に接続された信号強度比較部(信号比較部)42とを有する。角度調整部41は、インテロゲータ100の操作者等の要求に応じてモータ34mを回転させ、光軸方向に対する光フィルタ33の角度を調整する。信号強度比較部42は、後述するように、第1光検出器35から光電変換部及びIVアンプを介して入力される電圧信号の強度と、第2光検出器36から光電変換部及びIVアンプを介して入力される電圧信号の強度とを比較することで、FBGセンサ200からの光の波長を算出する。

0034

次に、インテロゲータ100とFBGセンサ200とを用いて、被計測物のひずみを計測する方法を説明する。

0035

被計測物に生じるひずみを計測する際には、まず被計測物にFBGセンサ200を取り付ける。次いで光源10から1520nm〜1580nm程度の波長帯域を有する広帯域光を照射し、光ファイバOF1、カプラ20、光ファイバOF2を介してFBGセンサ200に入射させる。

0036

FBGセンサ200は、図3に示す通り、屈折率がnである光ファイバコアCを有し、光ファイバコアCの一部にはファイバブラッググレーティング部fbgが形成されている。ファイバブラッググレーティング部fbgにおいては、光ファイバコアCの屈折率は、光ファイバコアCの軸方向に周期長Λで周期的に変化している。

0037

光ファイバコアCに、光ファイバコアCの軸方向の一方、例えば図3の左側から入射する入射光は、波長λb=2nΛを満たす光のみがファイバブラッググレーティング部fbgで干渉により図3の左側に戻り光として戻され、その他の波長の光は、ファイバブラッググレーティング部fbgを通過して図3の右側に送られる。

0038

本実施形態では、FBGセンサ200にひずみが生じていない場合には、戻り光の波長は、λb=1550nmである。このような、FBGセンサ200にひずみが生じていない状態での戻り光の波長をFBGセンサの中心波長と呼ぶ。

0039

光ファイバOF2を介してFBGセンサ200に入射した広帯域光は、FBGセンサ200にひずみが生じていない状態では、中心波長1550nmの光のみがファイバブラッググレーティングfbgによって反射され、戻り光として光ファイバOF2に戻され、その他の波長の光はファイバブラッググレーティングfbgを通過する。なお、戻り光の波長は厳密には1550nmのみではなく、図4実線で示すように、中心波長1550nmをピークとして長波長側及び短波長側に所定の拡がりを有して分布している。

0040

FBGセンサ200から光ファイバOF2に戻された戻り光は、カプラ20及び光ファイバOF3を介して検出部30に送られ、検出部30の光ファイバ31aから光軸上を偏光フィルタ32に向けて出射される。次いで、偏光フィルタ32の偏光面32sによってP偏光とS偏光とに分離され、偏光面32sを透過したP偏光は光フィルタ33の入射面33sに入射する。なお、偏光面32sで反射されたS偏光は、本実施形態のインテロゲータ100及び検出部30では使用されない。

0041

偏光フィルタ32を通過したP偏光は光フィルタ33に入射し、光フィルタ33によって透過光と反射光とに分離される。ここで、光フィルタ33のフィルタ特性は図5に示す通り、広帯域の光に対して波長1545nm以下の光に対する透過率が約10%、波長1555nm以上の光に対する透過率が約90%である。また波長1545nmから波長1555nmの区間では、光の波長が長くなるに従って透過率が高くなり、波長1550nmの光に対する透過率がほぼ50%である。光フィルタ33は、所定の波長幅の領域、例えば、少なくとも5nm、特に、少なくとも8nm、さらに特に少なくとも10nmの波長幅を有する領域で直線的に透過率が変化するフィルタ特性を有するのが望ましい。

0042

FBGセンサ200からの戻り光は中心波長1550nmをピークとする波長分布を有するため、光フィルタ33に入射するP偏光の波長も同様に、中心波長1550nm付近にピークを有し、短波長側と長波長側とに対称に分布している(図4)。従って、光フィルタ33に入射するP偏光は、その約50%が光フィルタ33を透過し、残りの約50%が光フィルタ33によって反射される。

0043

光フィルタ33を透過した透過光と光フィルタ33で反射された反射光は、それぞれ、第1光検出器35と第2光検出器36によって検出され、いずれも光電変換部、IVアンプを介して、受光した透過光の光量に応じた電圧信号に変換される。そのため、光フィルタ33の透過光の光量に応じた電圧信号と、反射光の光量に応じた電圧信号はほぼ等しくなる。

0044

信号強度比較部42は、透過光の光量に応じた電圧信号と、反射光の光量に応じた電圧信号との比に基づいて、FBGセンサ200からの戻り光の波長を求める。すなわち信号強度比較部42は、透過光の光量に応じた電圧信号と、反射光の光量に応じた電圧信号がほぼ同一であるとの比較結果に基づいて、FBGセンサ200からの戻り光の波長が中心波長1550nmであると決定する。

0045

被計測物にひずみが生じた場合、被計測物に取り付けられたFBGセンサ200にもひずみが生じ、ファイバブラッググレーティング部fbgの周期長Λが変化する。例えば被計測物に伸びひずみが生じ、FBGセンサ200が長手方向に延ばされた場合には、ファイバブラッググレーティング部fbgの周期長Λも延びるため、ファイバブラッググレーティング部fbgでの干渉条件λb=2nΛにより、生じる戻り光の波長λbは中心波長よりも長波長側にシフトする。一例として、図4破線で示す通り、ファイバブラッググレーティング部fbgからの戻り光の波長のピークは1551nmとなる。反対に、被計測物に圧縮ひずみが生じ、FBGセンサ200が長手方向に圧縮された場合には、ファイバブラッググレーティング部fbgの周期長Λも縮むため、ファイバブラッググレーティング部fbgからの戻り光の波長λbは短波長側にシフトする。一例として、図4に一点鎖線で示す通り、ファイバブラッググレーティング部fbgからの戻り光の波長のピークは1549nmとなる。

0046

光フィルタ33は、図5に示す通り、波長が1551nmの光に対して約60%の透過率を有する。したがって、FBGセンサ200からの戻り光の波長のピークが1551nmにシフトしている場合には、光フィルタ33に入射するP偏光の約60%が光フィルタ33を透過し、残りの約40%が光フィルタ33により反射される。それゆえ、透過光の光量に応じた電圧信号と反射光の光量に応じた電圧信号との比は約6対4となる。信号強度比較部42は、透過光の光量に応じた電圧信号と反射光の光量に応じた電圧信号との比が約6対4であるとの比較結果に基づいて、FBGセンサ200からの戻り光の波長のピークが1551nmであると求める。

0047

同様に、FBGセンサ200からの戻り光の波長のピークが1549nmにシフトしている場合には、光フィルタ33に入射するP偏光の約40%が光フィルタ33を透過し、残りの約60%が光フィルタ33により反射される。従って、透過光の光量に応じた電圧信号と反射光の光量に応じた電圧信号との比は約4対6となり、信号強度比較部42は、この比較に基づいて、FBGセンサ200からの戻り光の波長のピークが1549nmであると求める。

0048

制御部40は、上記のように求めたFBGセンサ200からの戻り光の波長に基づいてFBGセンサ200に生じたひずみの量を計測することができ、ひいては被計測物に生じたひずみの量を計測することができる。

0049

上記のように光フィルタ33によりFBGセンサ200からの戻り光を分別することでひずみ量を計測しているが、偏光フィルタ32により光フィルタ33の入射光の偏光方向を調整することでより高精度な計測を実現している。

0050

図6は、本実施形態で用いた光学フィルタ33の非偏光の入射光に対するフィルタ特性を示す。図6に示すフィルタ特性を、同一の光学フィルタ33のP偏光の入射光に対するフィルタ特性(図5)と比較すると、P偏光の入射光に対する光学フィルタ33のフィルタ特性は透過率が所定の波長幅(少なくとも5nm)で直線的に且つ急峻に変化するのに対し、非偏光の入射光に対する光学フィルタ33のフィルタ特性は、透過率が曲線的に変化するだけである。

0051

したがって、FBGセンサ200からの戻り光の波長のピークが中心波長1550nmからシフトした場合、入射光がP偏光であれば、透過光と反射光の量は入射光の波長のシフト量に比例して直線的に変化するが、入射光が非偏光であれば、透過光と反射光の量は、入射光の波長のシフト量には比例せずランダムな変化を示す。よって、偏光フィルタ32を用いてP偏光の入射光を光フィルタ33に入射することで、光フィルタ33のフィルタ特性においてスロープを直線的にすることができ、ひいては制御部40による被計測物のひずみの計測を容易とすることができる。

0052

本実施形態の検出部30は、光フィルタ33に回転機構34を備えることにより、設計誤差や温度変化等の外乱に対する調整機能を有する。光フィルタ33のフィルタ特性は、光フィルタ33に対する入射光の入射角に応じて変化する。具体的には、図7に実線で示す通り、P偏光が45°の入射角を有して入射する場合の光フィルタ33の透過率は、波長が1545nmから1555nmの領域において直線的に変化しており、波長1550nmにおいて約50%である(すなわち図5に示すフィルタ特性である)。

0053

これに対し、P偏光が45°−1°の入射角で入射する場合の光フィルタ33の透過率は、波長が1550nmから1560nmの区間において直線的に変化しており、波長1555nmにおいて約50%であり、P偏光が45°−2°の入射角で入射する場合の光フィルタ33の透過率は、波長が1555nmから1565nmの区間において直線的に変化しており、波長が1560nmにおいて約50%である。

0054

逆にP偏光が45°+1°の入射角で入射する場合の光フィルタ33の透過率は、波長が1540nmから1550nmの区間において直線的に変化しており、波長1545nmにおいて約50%であり、P偏光が45°+2°の入射角で入射する場合の光フィルタ33の透過率は、波長が1535nmから1545nmの区間において直線的に変化しており、波長が1540nmにおいて約50%である。

0055

したがって、回転機構34を用いて光フィルタ33を回転軸33a周りに回転させ、光フィルタ33に入射するP偏光の入射角を調整することで、光フィルタ33の誘電体多層膜33fの構成を変えることなく、光フィルタ33のフィルタ特性を変化させることができることがわかる。

0056

本実施形態のFBGセンサ200は中心波長が1550nmであるが、現実のFBGセンサにおいては、中心波長の設計値は1550nmであっても製造されたFBGセンサの中心波長が、製造誤差により1550.1nmや1549.9nmとなることもある。このような場合には回転機構34を用いて光フィルタ33を回転させることで、光フィルタ33のフィルタ特性のスロープの中心(透過率が50%の点)を、実際に使用されるFBGセンサの中心波長に合わせることができる。

0057

具体的には、実際に使用されるFBGセンサの中心波長が1550.1nmであることが観測された場合には、回転機構34を用いて光フィルタ33を回転し、偏光フィルタ32からのP偏光の入射角をわずかに小さくする。これにより、図7に示す通り光フィルタ33のフィルタ特性のスロープをわずかに長波長側にシフトすることができ、スロープの中心を、FBGセンサの中心波長1550.1nmに合せることにより、ひずみが生じる前の信号強度比較部42の初期値を設定することができる。

0058

また、FBGセンサ200の、ファイバブラッググレーティング部fbgからの戻り光の波長は、FBGセンサ200にひずみが生じた場合のみではなく、FBGセンサ200に温度変化が生じた場合にもシフトする。このような温度変化に起因する戻り光の波長のシフトは、FBGセンサ200を用いて被計測物のひずみを計測する場合には、誤差の要因となる。

0059

本実施形態のインテロゲータ100においては、検出部30の回転機構34を用いて光フィルタ33を回転し、光フィルタ33に入射するP偏光の入射角を変更することで、FBGセンサ200の温度変化により生じる戻り光の波長のシフトを補償することができる。

0060

具体的には、FBGセンサ200の温度変化により、FBGセンサからの戻り光が長波長側にシフトした場合には、回転機構34により光フィルタ33を回転し、偏光フィルタ32からのP偏光の入射角をわずかに小さくする。これにより、図7に示す通り光フィルタ33のフィルタ特性のスロープをわずかに長波長側にシフトすることができ、FBGセンサ200の温度変化に起因して長波長側にシフトした戻り光の波長のピークと、光フィルタのフィルタ特性のスロープの中心とを合わせることができる。すなわち、FBGセンサ200の温度変化により生じる戻り光の波長のシフトを補償することができる。

0061

また、偏光プリズム32からのP偏光の光フィルタ33に対する入射角が、地震などの環境変化や何らかの外乱等の理由により初期値である45°からずれる場合もある。このような場合にも、回転機構34を用いて光フィルタ33を回転することで、P偏光の光フィルタ33に対する入射角を45°に戻すことができる。

0062

上記した回転機構34で光フィルタ33を回転することによる補償は、例えばFBGセンサを用いて被計測体のひずみの計測を開始する前のアライメントとして行うことができる。ひずみ計測の前に、FBGセンサの製造誤差や温度変化を考慮して、FGBセンサからの戻り光の中心波長に光フィルタ33のフィルタ特性のスロープ中心を合わせることで、戻り光の波長のシフトに基づく被計測体のひずみの計測をより正確に行うことができる。

0063

回転機構34を用いて光フィルタ33を回転し、光フィルタ33のフィルタ特性のスロープ中心をFBGセンサ200の中心波長に合わせる具体的な工程は様々であるが、一例として、第1検出部35の受光量に応じた電圧信号と、第2検出部36の受光量に応じた電圧信号とを比較し、これらが一致した場合に、光フィルタ33のフィルタ特性のスロープ中心とFBGセンサ200の中心波長とが一致したと判断することができる。このような調整は、制御部40を用いて自動で行ってもよく、インテロゲータ100の使用者手動で行ってもよい。

0064

本実施形態の検出部(FBGセンサ用の検出装置)30、及びこれを備えるインテロゲータ100の効果を以下にまとめる。

0065

本実施形態の検出部30が有する光フィルタ33は、ガラス基板33b上に、スパッタリングや蒸着等により誘電体多層膜33fを積層することにより形成されている。従って光フィルタ33のフィルタ特性が光フィルタ33の温度変化によって変化することがなく、FBGセンサ200を用いたひずみ計測において、光フィルタの温度変化による誤差の発生を抑制することができる。

0066

本実施形態の検出部30は、回転機構34によって光フィルタ33を回転して光フィルタ33のフィルタ特性を変更することができるため、FBGセンサ200の中心波長と光フィルタ33のフィルタ特性とを、容易に適切な関係に調整することができる。したがって、FBGセンサ200の中心波長が製造誤差等によって設計値と異なる場合や、光フィルタ33のフィルタ特性が製造誤差等によって設計値と異なる場合でも、光フィルタ33を回転させることで、FBGセンサ200の中心波長と光フィルタ33のフィルタ特性のスロープ中心とを一致させることができる。また、FBGセンサ200からの戻り光の波長が、FBGセンサ200の温度変化によってシフトした場合にも、光フィルタ33を回転することで、FBGセンサ200のシフト後の波長と光フィルタ33のフィルタ特性のスロープ中心とを一致させることができる。

0067

本実施形態の検出部30は、偏光フィルタ32を用いてP偏光のみを光フィルタ33に入射させている。したがって、光フィルタ33のフィルタ特性においてスロープが直線的になり、ひいては制御部40におけるFBGセンサ200からの戻り光の波長を求めるための演算が容易である。
<変形例>

0068

次に検出部の変形例について、図8及び図9を参照して説明する。

0069

検出部30Mは、光フィルタ33Mの入射面が光ファイバ31aの出射光に対して105°をなしている。すなわち偏光フィルタ32からのP偏光が、光フィルタ33Mの光軸(入射面に対する法線)に対して15°の入射角で入射し、15°の反射角で反射されるように配置されている。このため第2光検出器36Mは、光フィルタ33Mからの反射光を受光するような位置に配置されている。以下では、上記実施形態の検出部30と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

0070

光フィルタ33Mのフィルタ特性は、光フィルタ33Mに対する入射光の入射角に応じて変化する。具体的には、図9に実線で示す通り、P偏光が15°の入射角で入射する場合の光フィルタ33Mの透過率は、波長が1545nmから1555nmの区間において直線的に変化しており、波長1550nmにおいて約50%である。

0071

これに対し、P偏光が15°−1°の入射角で入射する場合の光フィルタ33Mの透過率は、波長が1548nmから1558nmの区間において直線的に変化しており、波長1552nmにおいて約50%であり、P偏光が15°−2°の入射角で入射する場合の光フィルタ33Mの透過率は、波長が1551nmから1561nmの区間において直線的に変化しており、波長が1556nmにおいて約50%である。

0072

逆にP偏光が15°+1°の入射角を有して入射する場合の光フィルタ33Mの透過率は、波長が1542nmから1552nmの区間において直線的に変化しており、波長1547nmにおいて約50%であり、P偏光が15°+2°の入射角を有して入射する場合の光フィルタ33Mの透過率は、波長が1539nmから1549nmの区間において直線的に変化しており、波長が1544nmにおいて約50%である。

0073

このように、偏光フィルタ32からのP偏光が15°の入射光を有して入射するように配置された光フィルタ33Mのフィルタ特性は、上記実施形態の光フィルタ33のフィルタ特性とは異なり、入射角の変化に対する波長方向のシフト量が少ない。したがって変形例の検出部30Mにおいては、光フィルタ33Mの回転による光フィルタ33Mのフィルタ特性の調整をより精密に行うことができる。また変形例の検出部30Mにおいては、偏光フィルタ32からのP偏光の光フィルタ33Mへの入射角が変動した場合も、その影響が小さい。

0074

上記の実施形態及び変形例で具体的に説明した以外に、次の変形態様を採用することもできる。

0075

上記の実施形態及び変形例では、偏光フィルタ32は、直角プリズムを2つ組合せたキューブ形の偏光ビームスプリッタであったが、これに代えて、平板状の偏光ビームスプリッタ等、任意の偏光ビームスプリッタを使用することができる。また上記の実施形態及び変形例において、偏光フィルタ32を省略することもできる。

0076

上記の実施形態及び変形例では、光フィルタ33の回転軸33aは、光フィルタ33に入射するP偏光の光路と交差するように画成されていたがこれには限られない。光フィルタ33の回転軸33aは、光軸方向及び直交方向に直交して延在していればどのような位置に配置してもよい。

0077

上記の実施形態及び変形例の回転機構34は、モータ34mを有し、角度制御部41によって制御されて光フィルタ33の回転を行っていたが、これには限られない。回転機構34は、光フィルタ33を回転するための機構であればどのような構成であってもよく、例えば光フィルタ33の回転軸33aにつまみを取り付け手動で回転してもよい。

0078

上記の実施形態及び変形例においてはFBGセンサ200の中心波長を1550nmとしたが、FBGセンサの中心波長はどのような値であってもよい。

0079

上記の実施形態において、制御部40は、光フィルタ33の回転量と、光フィルタ33のフィルタ特性のシフト量との関係を予め記憶した記憶部(不図示)を有していてもよい。制御部40の記憶部がこのような関係を記憶している場合には、使用者は、FBGセンサの中心波長を制御部40に入力するだけで、光フィルタ33のフィルタ特性のスロープ中心をFBGセンサの中心波長に合わせることができる。また、FBGセンサ200の近傍に温度センサを設けるとともに、制御部40の記憶部に、FBGセンサ200における温度変化と中心波長のシフト量との関係を記憶させておいてもよい。この構成によれば、制御部40は、温度センサの計測値に基づいてFBGセンサ200における中心波長のシフト量と求め、次いで、予め記憶した光フィルタ33の回転量と光フィルタ33のフィルタ特性のシフト量との関係に基づいて、求めた中心波長のシフト量が補正されるように回転機構34を制御部40により制御して、光フィルタ33を回転させることができる。

0080

上記の実施形態においては、光フィルタ33は偏光フィルタ32からのP偏光が45°の入射角を有して入射するように配置されており、上記の変形例においては、光フィルタ33Mは偏光フィルタ32からのP偏光が15°の入射角を有して入射するように配置されていた。しかしながら光フィルタの配置はこれには限られず、偏光フィルタ32からのP偏光が任意の入射角を有して入射するように配置することができる。なお15°〜45°の入射角を有して入射するように配置することが好ましい。

0081

本発明の特徴を維持する限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

0082

本発明のFBGセンサ用の検出装置、及びインテロゲータによれば、FBGセンサの中心波長と、光フィルタのフィルタ特性とを容易に適切な関係に調整することができ、FBGセンサを用いた計測の精度を向上することができる。

0083

10光源
20カプラ
30、30M 検出部(検出装置)
31フェルール
32偏光フィルタ
33、33M光フィルタ
34回転機構
35 第1光検出器
36、36M 第2光検出器
40 制御部(回転機構制御部)
41角度調整部
42信号強度比較部(信号比較部)
100インテロゲータ
200 FBGセンサ

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