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JP2012088155A - Measuring method using fbg sensor, and device thereof - Google Patents

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JP2012088155A
JP2012088155A JP2010234598A JP2010234598A JP2012088155A JP 2012088155 A JP2012088155 A JP 2012088155A JP 2010234598 A JP2010234598 A JP 2010234598A JP 2010234598 A JP2010234598 A JP 2010234598A JP 2012088155 A JP2012088155 A JP 2012088155A
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JP
Japan
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measured
optical fiber
fbg sensor
fixed
state
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Application number
JP2010234598A
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Japanese (ja)
Inventor
Minoru Yoshida
実 吉田
Masahiro Watanabe
正浩 渡辺
Keiko Nakano
敬子 中野
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】
FBGセンサを用いた計測方法およびその装置において、1箇所のFBGセンサに対して歪みと温度を感知するFBG部と温度のみを感知するFBG部に分けることで、歪みと温度を同時計測することができるようにする。
【解決手段】
コアに回折格子を形成した光ファイバの一部を被測定物の歪みに依存する状態で固定し、コアに回折格子を形成した光ファイバの他の部分を被測定物の歪みに依存しない状態で固定し、光ファイバの被測定物の歪みに依存する状態で固定した部分から検出された信号と光ファイバの被測定物の歪みに依存しない状態で固定した部分から検出された信号とを用いて被測定物のひずみと温度とを計測するようにした。
【選択図】図1
【Task】
In the measurement method and apparatus using the FBG sensor, the strain and temperature can be measured simultaneously by dividing the FBG sensor into one FBG sensor that senses strain and temperature and the FBG part that senses only temperature. It can be so.
[Solution]
Fix a part of the optical fiber with the diffraction grating on the core in a state that depends on the strain of the object to be measured, and fix the other part of the optical fiber with the diffraction grating on the core in a state that does not depend on the distortion of the object to be measured. Using a signal detected from a fixed portion fixed in a state dependent on the strain of the optical fiber to be measured and a signal detected from a portion fixed in a state independent of the strain of the optical fiber to be measured The strain and temperature of the object to be measured were measured.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、光軸方向に形成された回折格子を光ファイバ内に備え、温度と歪みを同時に計測するFBGセンサを用いた計測方法およびその装置に関する。 The present invention relates to a measurement method and apparatus using an FBG sensor that includes a diffraction grating formed in an optical axis direction in an optical fiber and simultaneously measures temperature and strain.

近年、光ファイバを用いて対象物の温度あるいは歪みを計測する手段として、ファイバ・ブラッグ・グレーティング(Fiber Bragg Grating、以下FBGと表記する)を用いるFBGセンサ方式が提案されている。FBGセンサは、光ファイバのコアに一定の間隔で、屈折率の高い部分と、低い部分を周期的に繰り返して回折格子を形成したものである。
図17にFBGセンサの原理を説明する。(a)はFBGセンサに入力する光信号の波長分布を示し、(b)はFBGセンサの断面図を示す。(c)は入力した光信号のうちFBGセンサで反射されて出力された光信号の波長分布を示し、(d)は入力した光信号のうちFBGセンサを透過した光信号の波長分布を示す。光ファイバ500は、石英ガラスで形成された細い物質であるコア501を中心に配置し、その周囲を覆うグラッド502で構成されている。石英ガラスはもろいため、保護被膜503で周囲を被せる。コア501には、ピッチΛで長さLの範囲で周期的な回折格子505が形成されている。この回折格子505は、図示しない方法によって、光ファイバのコア501に紫外光(たとえば波長250nm前後)の干渉縞を照射することで、コア501の屈折率の変化を周期的に変化させることで形成可能である。この回折格子505が形成された部分をFBGセンサと称する。
In recent years, an FBG sensor system using a fiber Bragg grating (hereinafter referred to as FBG) has been proposed as means for measuring the temperature or strain of an object using an optical fiber. In the FBG sensor, a diffraction grating is formed by periodically repeating a high refractive index portion and a low refractive index portion at regular intervals in an optical fiber core.
FIG. 17 illustrates the principle of the FBG sensor. (A) shows the wavelength distribution of the optical signal input to the FBG sensor, and (b) shows a cross-sectional view of the FBG sensor. (C) shows the wavelength distribution of the optical signal reflected and output by the FBG sensor among the input optical signals, and (d) shows the wavelength distribution of the optical signal transmitted through the FBG sensor among the input optical signals. The optical fiber 500 is configured by a grad 502 that is arranged around a core 501 that is a thin material formed of quartz glass and covers the periphery thereof. Since quartz glass is fragile, it is covered with a protective coating 503. In the core 501, a periodic diffraction grating 505 is formed in a range of a length L at a pitch Λ. The diffraction grating 505 is formed by periodically changing the refractive index of the core 501 by irradiating the optical fiber core 501 with interference fringes of ultraviolet light (for example, around 250 nm wavelength) by a method not shown. Is possible. A portion where the diffraction grating 505 is formed is referred to as an FBG sensor.

この干渉縞の間隔を変えれば、コア501に作成する回折格子は任意のピッチで製作可能である。このFBGセンサに多波長λの光信号506を入射すると、λ=NeffΛの関係式により、FBGセンサでは、λの光信号507のみが反射し、他の光信号508はλの光信号507が除去された分布で透過する。ここでNeffは光ファイバの屈折率、Λは回折格子の周期である。FBGセンサの反射波長は、光ファイバの屈折率や回折格子の周期を変化させる物理量によって変化することになる。例えば、FBGセンサに熱変化が生じると、コア501が温度変化による屈折率の変動が発生し、回折格子505の周期が変動するため、反射光507の波長がシフトすることになる。この温度によるシフト量は、1.5μmの波長帯域を使用した場合は、約10pm/℃となる。また、FBGセンサに歪みが生じると、コア501に伸び縮みが発生するため回折格子505の周期が変動する。この歪みによるシフト量は、約1.2pm/μεとなる。そのため、FBGセンサを計測手段に使用する場合、反射波長の変化を計測するだけでは、温度変化による波長変化か、歪みによる波長変化かを特定することが困難である。
温度計測を行う方法として、特許文献1に記載されている方法がある。本方式は、コアに複数の回折格子部が間隔をあけて形成された光ファイバと、温度の測定対象物に固定されるパッドと、測定対象物に形成された溝部に、前記パッドを固定し、前記パッド内の保護管に挿入された光ファイバを配置している。本発明によれば、光ファイバはパッドとともに測定対象に固定されることから、光ファイバを直接測定対象に固定する方法と比較して、測定物の温度計測が容易になる。
歪み測定を行う方法として、特許文献2に記載されている方法がある。本方式は、計測対象に固定されるベースと、そのベースの一面側に弾性変形自在なヒンジを介して互いに対向するように立設された一対の腕部と、その一対の腕部の中間位置を弾性変形自在なヒンジを介して連結する連結部とを有し、計測対象と等しい膨張率を有する材料で一体的に形成され、前記計測対象から前記ベースを伸縮させる力を受けて、前記一対の腕部を互いに反対方向に傾けるファイバ支持体を有しており、そのファイバ支持体の一対の腕部の、連結部から所定距離離れた一端側の位置の間に、第一のFBGファイバの両端が張力のある状態で固定され、その第1のFBGファイバと同一特性の第2のFBGファイバがファイバ支持体の前記一対の腕部の、前記連結部から前記所定距離離れた他端側の位置の間にバランス状態で固定されている。そのため、計測対象物の歪みに対しては、両FBGファイバの反射光の波長変化量の絶対値が等しく、波長変化の方向が逆となり、温度変化に対しては、両FBGファイバによる反射光の波長変化量の絶対値および波長変化の方向が等しくなる。よって、両FBGファイバの波長変化量の減算により温度変化の影響を取り除いた状態で計測対象の歪み成分を正確に検出することが可能となる。
If the interval between the interference fringes is changed, the diffraction grating formed on the core 501 can be manufactured at an arbitrary pitch. When an optical signal 506 having a multi-wavelength λ is incident on the FBG sensor, only the λ B optical signal 507 is reflected by the FBG sensor according to the relational expression λ B = N eff Λ, and the other optical signals 508 are λ B The optical signal 507 is transmitted with the removed distribution. Here, N eff is the refractive index of the optical fiber, and Λ is the period of the diffraction grating. The reflection wavelength of the FBG sensor changes depending on the physical quantity that changes the refractive index of the optical fiber and the period of the diffraction grating. For example, when a thermal change occurs in the FBG sensor, the refractive index of the core 501 changes due to a temperature change, and the period of the diffraction grating 505 changes, so the wavelength of the reflected light 507 shifts. The shift amount due to this temperature is about 10 pm / ° C. when a wavelength band of 1.5 μm is used. Further, when the FBG sensor is distorted, the core 501 is stretched and contracted, so that the period of the diffraction grating 505 varies. The shift amount due to this distortion is about 1.2 pm / με. Therefore, when the FBG sensor is used as a measuring means, it is difficult to specify whether the wavelength change due to temperature change or the wavelength change due to distortion is only measured by measuring the change in reflection wavelength.
As a method for measuring temperature, there is a method described in Patent Document 1. In this method, the pad is fixed to an optical fiber in which a plurality of diffraction grating portions are formed at intervals in a core, a pad fixed to a temperature measurement object, and a groove formed in the measurement object. The optical fiber inserted in the protective tube in the pad is disposed. According to the present invention, since the optical fiber is fixed to the measurement object together with the pad, it is easier to measure the temperature of the measurement object as compared with the method of directly fixing the optical fiber to the measurement object.
As a method for measuring strain, there is a method described in Patent Document 2. In this method, a base fixed to a measurement target, a pair of arm portions erected on one surface side of the base via elastically deformable hinges, and an intermediate position between the pair of arm portions And a connecting portion for connecting the two through elastically deformable hinges, and is integrally formed of a material having an expansion coefficient equal to that of the measurement target, and receives the force for expanding and contracting the base from the measurement target. Of the first FBG fiber between the positions of one end side of the pair of arm portions of the fiber support that are separated by a predetermined distance from each other. Both ends are fixed in tension, and the second FBG fiber having the same characteristics as the first FBG fiber is disposed on the other end side of the pair of arm portions of the fiber support that is separated from the coupling portion by the predetermined distance. Balanced between positions It has been fixed. Therefore, for the distortion of the measurement object, the absolute value of the wavelength change amount of the reflected light of both FBG fibers is equal, the direction of the wavelength change is reversed, and for the temperature change, the reflected light of both FBG fibers is reflected. The absolute value of the wavelength change amount and the direction of the wavelength change are equal. Therefore, it becomes possible to accurately detect the distortion component to be measured in a state in which the influence of the temperature change is removed by subtracting the wavelength change amounts of both FBG fibers.

特開2009−281789号公報JP 2009-281789 A 特開2009−222397号公報JP 2009-222397 A

しかしながら、特許文献1に記載されている温度測定方法では、被測定物の温度変化は測定できるが、その場に生じた歪みは計測できない。また、特許文献2に記載されている歪み測定方法では、温度による歪み補償は可能な歪み測定は可能であるが、正確な温度の測定は出来ない問題があった。いずれも、FBGファイバにおいて温度あるいは歪み単体の測定しか出来ない。
本発明は上述の問題点を鑑みてなしたもので、温度変化と歪み変化が同時に生じる状況においても、FBGセンサを複数本使用することなく、温度変化と歪みを同時に計測できるFBGセンサを用いた計測方法およびその装置を提供することを目的としている。
However, the temperature measurement method described in Patent Document 1 can measure the temperature change of the object to be measured, but cannot measure the strain generated on the spot. In addition, the strain measurement method described in Patent Document 2 has a problem in that accurate temperature measurement cannot be performed although strain measurement capable of compensating for strain by temperature is possible. In either case, only temperature or strain alone can be measured in the FBG fiber.
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an FBG sensor capable of simultaneously measuring temperature change and strain is used without using a plurality of FBG sensors even in a situation where temperature change and strain change occur simultaneously. An object of the present invention is to provide a measurement method and an apparatus therefor.

上記した目的を達成するために、本発明では、FBGセンサを用いた計測方法において、コアに回折格子を形成した光ファイバの一部を被測定物の歪みに依存する状態で固定し、コアに回折格子を形成した光ファイバの他の部分を被測定物の歪みに依存しない状態で固定し、光ファイバの被測定物の歪みに依存する状態で固定した部分から検出された信号と光ファイバの被測定物の歪みに依存しない状態で固定した部分から検出された信号とを用いて被測定物のひずみと温度とを計測するようにした。
また、上記した目的を達成するために、本発明では、FBGセンサを用いた計測装置を、一部を被測定物の歪みに依存する状態で固定して他の部分を被測定物の歪みに依存しない状態で固定したコアに回折格子を形成した光ファイバと、光を発射する光源手段と、この光源手段から発射された光のうち光ファイバに入射して光ファイバの被測定物の歪みに依存する状態で固定された部分の回折格子で反射して光ファイバから出射した反射光と、光ファイバの被測定物の歪みに依存しない状態で固定された部分の回折格子で反射して光ファイバから出射した反射光とを検出する光検出手段と、この光検出手段で反射光を検出して得られた信号を処理して被測定物のひずみと温度とを算出する演算手段と、この演算手段で算出した被測定物のひずみと温度とに関する情報を出力する出力手段とを備えて構成した。
In order to achieve the above object, according to the present invention, in a measurement method using an FBG sensor, a part of an optical fiber in which a diffraction grating is formed on a core is fixed in a state depending on the strain of an object to be measured. The other part of the optical fiber on which the diffraction grating is formed is fixed in a state that does not depend on the distortion of the object to be measured, and the signal detected from the part of the optical fiber that is fixed in a state that depends on the distortion of the object to be measured and the optical fiber The strain and temperature of the object to be measured are measured using a signal detected from a fixed portion that is not dependent on the distortion of the object to be measured.
In order to achieve the above object, in the present invention, a measuring device using an FBG sensor is fixed in a state depending on the distortion of the object to be measured, and the other part is set to be a distortion of the object to be measured. An optical fiber in which a diffraction grating is formed on a core fixed in an independent state, light source means for emitting light, and light emitted from the light source means is incident on the optical fiber to cause distortion of the object to be measured. The reflected light reflected from the diffraction grating of the fixed part in the dependent state and emitted from the optical fiber, and the optical fiber reflected from the diffraction grating of the fixed part in a state independent of the distortion of the optical fiber to be measured A light detecting means for detecting the reflected light emitted from the light, a computing means for processing the signal obtained by detecting the reflected light by the light detecting means to calculate the strain and temperature of the object to be measured, and the computation Of measured object calculated by means It was constructed and an output means for outputting information about the temperature.

上記した本発明のFBGセンサを用いた計測方法及びその計測装置によれば、歪みと温度を同時計測することができる。さらに、同一時間で同一場所の計測が可能となる。さらにまた、一本の光ファイバに複数のFBG部を連結して、FBG部の取り付け方法を同じにすれば複数個所でも歪みと温度の測定ができるという優れた効果を奏する。   According to the measurement method and the measurement apparatus using the FBG sensor of the present invention described above, strain and temperature can be measured simultaneously. Furthermore, it is possible to measure the same place at the same time. Furthermore, if a plurality of FBG parts are connected to a single optical fiber and the FBG part is attached in the same manner, there is an excellent effect that strain and temperature can be measured at a plurality of places.

図1は、本発明を実施する形態の第一例の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a first example of an embodiment for carrying out the present invention. 図2Aは、本発明の実施例1においてFBGセンサを被測定物に取り付けた状態を示すFBGセンサの正面の断面図である。FIG. 2A is a front sectional view of the FBG sensor showing a state in which the FBG sensor is attached to an object to be measured in Example 1 of the present invention. 図2Bは、本発明の実施例1においてFBGセンサを被測定物に取り付けたときのFBGセンサの各領域の条件を示した表である。FIG. 2B is a table showing the conditions of each region of the FBG sensor when the FBG sensor is attached to the object to be measured in Example 1 of the present invention. 図2Cは、本発明の実施例1においてFBGセンサの表面の一部を被測定物の材料と同じ金属でコーティングして被測定物に取り付けた状態を示すFBGセンサの正面の断面図である。FIG. 2C is a front sectional view of the FBG sensor showing a state in which a part of the surface of the FBG sensor is coated with the same metal as the material of the object to be measured and attached to the object to be measured in Example 1 of the present invention. 図2Dの(a)は、本発明の実施例1においてFBGセンサの表面の一部を被測定物の材料と同じ金属の板で覆って被測定物に取り付けた状態を示すFBGセンサの側面の断面図、(b)は正面の断面図である。FIG. 2D is a side view of the FBG sensor showing a state in which a part of the surface of the FBG sensor is covered with the same metal plate as the material of the object to be measured and attached to the object to be measured in Example 1 of the present invention. Sectional drawing and (b) are front sectional drawings. 図3の(a)は多連FBGセンサの正面図、(b)は多連FBGセンサから検出される反射光の波長特性を示すグラフである。FIG. 3A is a front view of a multiple FBG sensor, and FIG. 3B is a graph showing wavelength characteristics of reflected light detected from the multiple FBG sensor. 図4の(a)はFBGセンサから検出される反射光の波長特性を示すグラフ、(b)はFBGセンサから検出された反射光の検出波形に微分処理を施した微分波形信号を示すグラフである。4A is a graph showing the wavelength characteristics of the reflected light detected from the FBG sensor, and FIG. 4B is a graph showing a differential waveform signal obtained by subjecting the detected waveform of the reflected light detected from the FBG sensor to differential processing. is there. 図5は、本発明による表示画面を示した画面の正面図である。FIG. 5 is a front view of a screen showing a display screen according to the present invention. 図6Aは、FBGセンサを被測定物に対してフリーにした状態を示すFBGセンサの正面図である。FIG. 6A is a front view of the FBG sensor showing a state in which the FBG sensor is free with respect to the object to be measured. 図6BはFBGセンサを被測定物に対してフリーにした状態で、被測定物に歪みが生じ前と生じた後のFBGセンサから検出される反射光の波長分布波形を示すグラフである。FIG. 6B is a graph showing a wavelength distribution waveform of reflected light detected from the FBG sensor before and after distortion occurs in the measurement object in a state where the FBG sensor is free with respect to the measurement object. 図7Aは、FBGセンサを被測定物に対してフリーにした状態を示すFBGセンサの正面図である。FIG. 7A is a front view of the FBG sensor showing a state in which the FBG sensor is free with respect to the object to be measured. 図7Bは、FBGセンサを被測定物に対してフリーにした状態で、被測定物に温度変化が生じる前と生じた後のFBGセンサから検出される反射光の波長分布波形を示すグラフである。FIG. 7B is a graph showing a wavelength distribution waveform of reflected light detected from the FBG sensor before and after a temperature change occurs in the measurement object in a state where the FBG sensor is free with respect to the measurement object. . 図8Aは、FBGセンサを被測定物に全面固定された状態を示すFBGセンサの正面図である。FIG. 8A is a front view of the FBG sensor showing a state in which the FBG sensor is entirely fixed to the object to be measured. 図8Bは、FBGセンサを被測定物に全面固定された状態で、被測定物に歪みが生じる前と生じた後のFBGセンサから検出される反射光の波長分布波形を示すグラフである。FIG. 8B is a graph showing a wavelength distribution waveform of reflected light detected from the FBG sensor before and after distortion occurs in the measurement object in a state where the FBG sensor is fixed to the entire measurement object. 図9Aは、FBGセンサを被測定物に全面固定された状態を示すFBGセンサの正面図である。FIG. 9A is a front view of the FBG sensor showing a state in which the FBG sensor is entirely fixed to the object to be measured. 図9Bは、FBGセンサを被測定物に全面固定された状態で、被測定物に温度変化が生じる前と生じた後のFBGセンサから検出される反射光の波長分布波形を示すグラフである。FIG. 9B is a graph showing a wavelength distribution waveform of reflected light detected from the FBG sensor before and after a temperature change occurs in the object under measurement with the FBG sensor fixed to the object under measurement. 図10Aは、本発明の実施例1におけるFBGセンサの一部が被測定物に固定され他の部分が被測定物に対してフリーにした状態を示すFBGセンサの正面図である。FIG. 10A is a front view of the FBG sensor showing a state in which a part of the FBG sensor according to the first embodiment of the present invention is fixed to the object to be measured and the other part is free from the object to be measured. 図10Bは、本発明の実施例1におけるFBGセンサの一部が被測定物に固定され他の部分が被測定物に対してフリーにした状態で被測定物に歪みが生じる前と生じた後のFBGセンサから検出される反射光の波長分布波形を示すグラフである。FIG. 10B shows before and after distortion occurs in the measured object in a state where a part of the FBG sensor in the first embodiment of the present invention is fixed to the measured object and the other part is free with respect to the measured object. It is a graph which shows the wavelength distribution waveform of the reflected light detected from this FBG sensor. 図11Aは、本発明の実施例1におけるFBGセンサの一部が被測定物に固定され他の部分が被測定物に対してフリーにした状態を示すFBGセンサの正面図である。FIG. 11A is a front view of the FBG sensor showing a state in which a part of the FBG sensor according to the first embodiment of the present invention is fixed to the object to be measured and the other part is free with respect to the object to be measured. 図11Bは、本発明の実施例1におけるFBGセンサの一部が被測定物に固定され他の部分が被測定物に対してフリーにした状態で被測定物に温度変化が生じる前と生じた後のFBGセンサから検出される反射光の波長分布波形を示すグラフである。FIG. 11B occurs before and after the temperature change occurs in the measurement object in a state where a part of the FBG sensor in Example 1 of the present invention is fixed to the measurement object and the other part is free with respect to the measurement object. It is a graph which shows the wavelength distribution waveform of the reflected light detected from a later FBG sensor. 図11Cは、本発明の実施例1におけるFBGセンサの一部が被測定物に固定され他の部分が被測定物に対してフリーにした状態を示すFBGセンサの正面図であるFIG. 11C is a front view of the FBG sensor showing a state in which a part of the FBG sensor according to the first embodiment of the present invention is fixed to the object to be measured and the other part is free with respect to the object to be measured. 図11Dは、本発明の実施例1におけるFBGセンサの一部が被測定物に固定され他の部分が被測定物に対してフリーにした状態で被測定物に温度変化が生じる前と生じた後のFBGセンサから検出される反射光の波長分布波形を示すグラフで、しきい値を設定して被測定物に温度変化が生じる前と生じた後の波長幅の変化を求めることを示す。FIG. 11D occurs before and after the temperature change occurs in the measurement object in a state in which a part of the FBG sensor in Example 1 of the present invention is fixed to the measurement object and the other part is free with respect to the measurement object. The graph showing the wavelength distribution waveform of the reflected light detected from the subsequent FBG sensor shows that the threshold value is set to determine the change in the wavelength width before and after the temperature change in the object to be measured. 図12は、本発明を実施するためのフローチャートである。FIG. 12 is a flowchart for carrying out the present invention. 図13Aは、本発明の実施例2におけるFBGセンサを被測定物に固定した状態を示すFBGセンサの正面の断面図である。FIG. 13A is a front sectional view of the FBG sensor showing a state in which the FBG sensor according to the second embodiment of the present invention is fixed to an object to be measured. 図13Bは、本発明の実施例2においてFBGセンサを被測定物に取り付けたときのFBGセンサの各領域の条件を示した表である。FIG. 13B is a table showing conditions of each region of the FBG sensor when the FBG sensor is attached to the object to be measured in Example 2 of the present invention. 図14は、本発明の第3の実施例においてFBGセンサを被測定物に取り付けた状態を表すFBGセンサの正面の断面図である。FIG. 14 is a front sectional view of the FBG sensor showing a state in which the FBG sensor is attached to an object to be measured in the third embodiment of the present invention. 図15は、本発明の実施例4において、実施例1乃至3で説明したFBGセンサを発電機の計測に適用した場合を示すブロック図である。FIG. 15 is a block diagram illustrating a case where the FBG sensor described in the first to third embodiments is applied to measurement of a generator in the fourth embodiment of the present invention. 図16は、本発明の実施例4において、実施例1乃至3で説明したFBGセンサを原子力発電設備の計測に適用した場合を示すブロック図である。FIG. 16 is a block diagram illustrating a case where the FBG sensor described in the first to third embodiments is applied to measurement of a nuclear power generation facility in the fourth embodiment of the present invention. 図17は、光FBGセンサの原理を示した図であり、(a)はFBGセンサに入力する光信号の波長分布を示し、(b)はFBGセンサの断面図を示す。(c)は入力した光信号のうちFBGセンサで反射されて出力された光信号の波長分布を示し、(d)は入力した光信号のうちFBGセンサを透過した光信号の波長分布を示す。17A and 17B are diagrams showing the principle of the optical FBG sensor. FIG. 17A shows the wavelength distribution of the optical signal input to the FBG sensor, and FIG. 17B shows a cross-sectional view of the FBG sensor. (C) shows the wavelength distribution of the optical signal reflected and output by the FBG sensor among the input optical signals, and (d) shows the wavelength distribution of the optical signal transmitted through the FBG sensor among the input optical signals.

以下、本発明の実施例を図面に従って説明する   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1から図12は本発明のFBGセンサの計測方法および計測装置を実施する形態の第一例である。   FIG. 1 to FIG. 12 show a first example of an embodiment for carrying out the FBG sensor measuring method and measuring apparatus of the present invention.

図1と図2に本発明の第一の実施例におけるFBGセンサを用いた計測装置の構成を説明する。   The configuration of a measuring apparatus using the FBG sensor in the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施例におけるFBGセンサを用いた計測装置は、一部にFBGセンサ2が形成された光ファイバ1とFBGセンサ測定部6、演算部7及び制御部8を備えて構成されている。   The measuring apparatus using the FBG sensor in the present embodiment is configured to include an optical fiber 1 in which an FBG sensor 2 is formed in part, an FBG sensor measuring unit 6, a calculation unit 7, and a control unit 8.

光ファイバ1の一部に形成されたFBGセンサ2は、図2Aに示すように、被測定物3に一部分2aをFBGセンサ固定用部材4で固定する。残った一部のFBGセンサ2bは被測定物3の歪みに依存しないようフリーな状態で、光ファイバ固定用部材5で固定する。FBGセンサ固定用部材4と光ファイバ固定用部材5を接着剤とした場合、図2Bに示すように、領域2aに使用する接着剤は、熱膨張係数と硬さを被測定物3と同じとし、領域2bに使用する接着剤は、熱膨張係数、硬さ共に規定はしないが、被測定物3に与える歪み、温度に耐えうるものを選定することが望ましい。   As shown in FIG. 2A, the FBG sensor 2 formed on a part of the optical fiber 1 fixes a part 2 a to the object to be measured 3 with an FBG sensor fixing member 4. The remaining part of the FBG sensor 2b is fixed by the optical fiber fixing member 5 in a free state so as not to depend on the distortion of the object 3 to be measured. When the FBG sensor fixing member 4 and the optical fiber fixing member 5 are used as adhesives, as shown in FIG. 2B, the adhesive used in the region 2a has the same thermal expansion coefficient and hardness as the object 3 to be measured. The adhesive used in the region 2b is not specified in terms of thermal expansion coefficient and hardness, but it is desirable to select an adhesive that can withstand the strain and temperature applied to the object 3 to be measured.

FBGセンサ2の一部分2aをFBGセンサ固定用部材4で固定する方法として、他の方法を図2Cと図2Dに示す。
図2Cにおいて、光ファイバ1のFBGセンサ2bの表面に被測定物3の材質と同じ金属を表面にコーティング600を行う。例えば被測定物3が銅であればコーティング600は銅とすればよい。さらにFBGセンサ2bと被測定物3の固定材601を同じ材質で溶接あるいはロー付けして固定しても同様の効果が得られる。
図2Dにおいて、光ファイバ1のFBGセンサ2bの表面に測定物3の材質と同じ金属で作成した板603を設置する。例えば被測定物3が銅であれば板603は銅とすればよい。板603は、固定具604によりFBGセンサ2bを固定するように押さえ付けて固定しても、同様の効果が得られる。
As a method of fixing the part 2a of the FBG sensor 2 with the FBG sensor fixing member 4, other methods are shown in FIGS. 2C and 2D.
In FIG. 2C, the surface of the FBG sensor 2b of the optical fiber 1 is coated with the same metal as the material of the object 3 to be measured 600. For example, if the DUT 3 is copper, the coating 600 may be copper. Further, the same effect can be obtained even if the FBG sensor 2b and the fixing member 601 of the object to be measured 3 are fixed by welding or brazing with the same material.
In FIG. 2D, a plate 603 made of the same metal as the material of the measurement object 3 is installed on the surface of the FBG sensor 2 b of the optical fiber 1. For example, if the DUT 3 is copper, the plate 603 may be copper. Even if the plate 603 is pressed and fixed so as to fix the FBG sensor 2b by the fixing tool 604, the same effect can be obtained.

いずれの場合でも、FBGセンサ2bを被測定物3に固定されていれば手段を問わない。   In any case, any means can be used as long as the FBG sensor 2b is fixed to the object 3 to be measured.

光ファイバ1は、FBGセンサ2を複数構成することが可能である。図3の(a)に複数FBGセンサの光ファイバ1の形態を、(b)に検出波形を示す。光ファイバ1にFBGセンサ2を任意のピッチに従って、FBGセンサ2−1、2−2、2−3、2−nを作成する。各FBGセンサ2は、図17で示した回折格子505のピッチΛを変化させることにより、反射波長を変えることが可能である。さらに、各反射波長は、推定される測定温度や歪みの変化波長より大きく離すことで、反射波長の重なりを防止することが出来るため、誤検出防止となる。複数のFBGセンサの検出波形は、λ―1、λ―2、λ―3、λ―nとして検出される。   The optical fiber 1 can constitute a plurality of FBG sensors 2. FIG. 3A shows the configuration of the optical fiber 1 of the multiple FBG sensor, and FIG. 3B shows the detected waveform. FBG sensors 2-1, 2-2, 2-3 and 2 -n are formed on the optical fiber 1 in accordance with an arbitrary pitch. Each FBG sensor 2 can change the reflection wavelength by changing the pitch Λ of the diffraction grating 505 shown in FIG. Furthermore, since the reflection wavelengths can be prevented from being overlapped by being separated from the estimated measurement temperature and the strain change wavelength by being separated from each other, it is possible to prevent erroneous detection. The detection waveforms of the plurality of FBG sensors are detected as λ-1, λ-2, λ-3, and λ-n.

FBGセンサ測定部6は、光源9、光サーキュレータ10、光電変換器11、A/D変換器12を備えている。光源9から発した光は、光サーキュレータ10を透過し、光ファイバ1に投光される。FBGセンサ2によって光源9の光は、FBGセンサ2に施された回折格子のピッチに応じた波長のみが反射される。FBGセンサ2で反射した光は、光サーキュレータ10で反射し、光電変換器11で受光する。ここで、光源9は、例えばASE(Amplified Spontaneous Emission)光源のような幅広い波長帯域を有するものを使用する。また、広帯域で波長が掃引可能な、掃引光源を使用してもかまわない。使用する光源の波長範囲は、本発明では1500nmから1590nm程度の波長で説明しているが、使用する光ファイバ1とFBGセンサ2の適用波長が対応していれば、どの波長範囲でもかまわない。光電変換器11は、FBGセンサ2で反射した波長の光を受光するが、出力として波長と光量が検出できるものを使用する。光電変換器11で検出したFBGセンサ2の反射光は、A/D変換器12によりデジタル変換され、演算部7に伝送される。   The FBG sensor measurement unit 6 includes a light source 9, an optical circulator 10, a photoelectric converter 11, and an A / D converter 12. Light emitted from the light source 9 passes through the optical circulator 10 and is projected onto the optical fiber 1. Only the wavelength corresponding to the pitch of the diffraction grating applied to the FBG sensor 2 is reflected from the light of the light source 9 by the FBG sensor 2. The light reflected by the FBG sensor 2 is reflected by the optical circulator 10 and received by the photoelectric converter 11. Here, the light source 9 uses a light source having a wide wavelength band such as an ASE (Amplified Spontaneous Emission) light source. Further, a swept light source capable of sweeping a wavelength in a wide band may be used. The wavelength range of the light source to be used is described in the present invention as a wavelength of about 1500 nm to 1590 nm, but any wavelength range may be used as long as the applied wavelength of the optical fiber 1 to be used corresponds to the FBG sensor 2. The photoelectric converter 11 receives light having a wavelength reflected by the FBG sensor 2, but uses a light whose wavelength and light amount can be detected as an output. The reflected light of the FBG sensor 2 detected by the photoelectric converter 11 is digitally converted by the A / D converter 12 and transmitted to the calculation unit 7.

演算部7は、固定部波長算出器13とフリー部波長算出器14、歪み量算出器15、温度算出器16を備えている。固定部波長算出器13は、FBGセンサ2の固定部分2aで反射した光からの波長を算出するものである。フリー部波長算出器14は、FBGセンサ2のフリー部分2bで反射した光からの波長を算出するものである。歪み量算出器15は、固定部波長算出器13で算出された波長変化を歪みに変換して出力するものである。温度算出器15は、フリー部波長算出器14で算出された波長変化を温度に変換して出力するものである。   The calculation unit 7 includes a fixed part wavelength calculator 13, a free part wavelength calculator 14, a strain amount calculator 15, and a temperature calculator 16. The fixed portion wavelength calculator 13 calculates the wavelength from the light reflected by the fixed portion 2 a of the FBG sensor 2. The free part wavelength calculator 14 calculates the wavelength from the light reflected by the free part 2 b of the FBG sensor 2. The distortion amount calculator 15 converts the wavelength change calculated by the fixed portion wavelength calculator 13 into distortion and outputs the distortion. The temperature calculator 15 converts the wavelength change calculated by the free part wavelength calculator 14 into a temperature and outputs the temperature.

図4に検出波形の波長を算出する一実施例を説明する。図4の(a)に一般的なFBGセンサからの反射光を検出した場合の検出波形20を示す。グラフの横軸は波長、縦軸はFBGセンサからの反射光を検出した反射光検出出力を示す。図4の(b)は、検出波形20に微分処理を施した微分波形21を示す。該微分波形21の、ベースレベル23と微分波形21との交点22を算出することで、検出波形20の中心波長を算出することが可能となる。図1に示した演算部7において、固定部中心算出器13とフリー部中心算出器14における波長の算出は、上述した方法で実行することが出来る。なお、検出波形の波長を求めるためには、他の方法であっても問題はない。   FIG. 4 illustrates an embodiment for calculating the wavelength of the detected waveform. FIG. 4A shows a detection waveform 20 when reflected light from a general FBG sensor is detected. The horizontal axis of the graph indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the reflected light detection output obtained by detecting the reflected light from the FBG sensor. FIG. 4B shows a differentiated waveform 21 obtained by subjecting the detected waveform 20 to a differentiation process. By calculating the intersection point 22 of the differential waveform 21 between the base level 23 and the differential waveform 21, the center wavelength of the detected waveform 20 can be calculated. In the calculation unit 7 shown in FIG. 1, the calculation of the wavelengths in the fixed part center calculator 13 and the free part center calculator 14 can be performed by the method described above. There is no problem even if other methods are used to obtain the wavelength of the detected waveform.

図1において、制御部8は、計測条件入力手段17、表示手段18、出力手段19を備えている。計測条件入力手段17によって測定に必要な条件、測定結果の判定条件を設定する。表示手段18は、測定場所、検出波形の表示、波形中心の表示、算出後の歪み、温度の測定結果などを表示する。出力手段19は、表示手段18によって表示された画面、測定結果、測定条件などを外部メモリや、紙などに出力可能である。   In FIG. 1, the control unit 8 includes measurement condition input means 17, display means 18, and output means 19. The measurement condition input means 17 sets conditions necessary for measurement and determination conditions for measurement results. The display means 18 displays the measurement location, the display of the detected waveform, the display of the waveform center, the distortion after calculation, the temperature measurement result, and the like. The output means 19 can output the screen, measurement results, measurement conditions, etc. displayed by the display means 18 to an external memory or paper.

図5に表示手段18における表示画面の一例を示す。表示画面300は、FBGセンサ2の全波形表示部301、全波形表示301の拡大表示部302、測定場所表示部303、条件設定部304、測定結果表示部305、測定結果グラフ表示部306を備えている。全波形表示部301では、枠307によって拡大する波形を選択可能である。拡大表示部302では、枠307の波形を拡大する。拡大波形では、枠308と枠309が設定可能であり、この枠内での波形処理を行う。閾値310は、枠308と枠309でそれぞれ設定できる。検出波形の処理は、枠308,309内で閾値310以上の波形を用いて波長を演算する。   FIG. 5 shows an example of a display screen on the display means 18. The display screen 300 includes an entire waveform display unit 301 of the FBG sensor 2, an enlarged display unit 302 of the entire waveform display 301, a measurement location display unit 303, a condition setting unit 304, a measurement result display unit 305, and a measurement result graph display unit 306. ing. In the entire waveform display unit 301, a waveform to be enlarged can be selected by a frame 307. In the enlarged display unit 302, the waveform in the frame 307 is enlarged. In the enlarged waveform, a frame 308 and a frame 309 can be set, and waveform processing is performed within this frame. The threshold 310 can be set in each of the frame 308 and the frame 309. In the processing of the detected waveform, the wavelength is calculated using a waveform having a threshold value 310 or more within the frames 308 and 309.

条件設定部304は、測定の開始3041、測定の停止3042、FBGファイバの切り替え3043、条件設定である閾値設定3044、演算範囲設定3045、歪み上限設定3046、温度の上限設定3047が可能である。   The condition setting unit 304 can perform measurement start 3041, measurement stop 3042, FBG fiber switching 3043, threshold setting 3044, calculation range setting 3045, strain upper limit setting 3046, and temperature upper limit setting 3047.

測定結果表示部305は、FBGセンサに対応する歪みと温度の計測結果を表示可能である。条件設定部304で設定した上限設定以上の測定値には、他の検出結果の表示とはことなるハイライト表示が可能である。   The measurement result display unit 305 can display the measurement results of strain and temperature corresponding to the FBG sensor. The measured value that is equal to or higher than the upper limit set by the condition setting unit 304 can be highlighted different from the display of other detection results.

測定結果グラフ表示部306は、測定結果表示部305で表示した歪み、温度の測定結果をグラフ化して表示するものである。   The measurement result graph display unit 306 graphs and displays the measurement results of strain and temperature displayed by the measurement result display unit 305.

以上の構成を備えたFBGセンサを用いた計測装置の動作を説明する。
図6Aは、光ファイバ1のFBGセンサ2が被測定物3に接触しないで、フリーの状態で配置した状態図と、その時の検出波形を示す。図6Bのグラフは、横軸に検出波長、縦軸にFBGセンサの反射光出力を示す。変化を与える前を定常状態とし、波形24が検出される。被測定物3を左右方向に引っ張ることで、被測定物3に歪みを生じさせることが出来る。この歪みが発生した状態でのFBGセンサ2は、波形25が検出される。定常状態の波形24と歪み状態の波形25は変化せず、波長変化がないことが分かる。すなわち、FBGセンサ2がフリーの状態では、被測定物3の歪みが伝達しないため、FBGセンサ2の回折格子が変化しないためである。
The operation of the measuring apparatus using the FBG sensor having the above configuration will be described.
FIG. 6A shows a state diagram in which the FBG sensor 2 of the optical fiber 1 is arranged in a free state without contacting the object 3 to be measured, and a detection waveform at that time. The graph of FIG. 6B shows the detection wavelength on the horizontal axis and the reflected light output of the FBG sensor on the vertical axis. The waveform 24 is detected with the steady state before the change is applied. By pulling the DUT 3 in the left-right direction, the DUT 3 can be distorted. The FBG sensor 2 in a state where this distortion has occurred detects the waveform 25. It can be seen that the steady state waveform 24 and the distorted state waveform 25 do not change and there is no wavelength change. That is, when the FBG sensor 2 is in a free state, the distortion of the DUT 3 is not transmitted, and the diffraction grating of the FBG sensor 2 does not change.

図7Aと図7Bとは、図6Aの状態において、被測定物3が温度上昇した場合の波形変化を示した図である。定常状態では図7Bに示すような波形27が検出される。図7Aに示すように被測定物3に対して温度上昇が生じた場合、FBGセンサ2にも温度変化が伝達し、図7Bに示すような波形28が検出される。定常状態の波形27と比較すると、温度が上昇した場合は、長波長側に波形がシフトしている。すなわち、FBGセンサ2がフリーであっても、周辺温度が上昇することによって、FBGセンサ2の回折格子部での屈折率が変化し、波長が長波長側に移動する。なお、温度が下降して低温に変化した場合は、図示しないが検出波形は、短波長側に移動することは明確である。   FIG. 7A and FIG. 7B are diagrams showing waveform changes when the temperature of the device under test 3 rises in the state of FIG. 6A. In the steady state, a waveform 27 as shown in FIG. 7B is detected. As shown in FIG. 7A, when a temperature rise occurs in the DUT 3, the temperature change is transmitted to the FBG sensor 2 and a waveform 28 as shown in FIG. 7B is detected. Compared to the steady-state waveform 27, when the temperature rises, the waveform is shifted to the longer wavelength side. That is, even if the FBG sensor 2 is free, the refractive index at the diffraction grating portion of the FBG sensor 2 changes due to the increase in the ambient temperature, and the wavelength moves to the longer wavelength side. It should be noted that when the temperature drops and changes to a low temperature, it is clear that the detected waveform moves to the short wavelength side, although not shown.

図8Aは、光ファイバ1のFBGセンサ2が被測定物3に接着剤24などで完全に固定されている状態図、図8Bはその時の検出波形を示す。図8Aの状態において、図6Aと同じ条件で被測定物3を左右方向に引っ張り、歪みを与える。定常状態は波形28であり、歪みが発生した状態では、波形29が検出される。すなわち、FBGセンサ2が被測定物3と同様に歪みが生じるため、FBGセンサ3の回折格子間隔が変化することになり、反射光が長波長側に波形がシフトすることになる。この変化量30は、被測定物3に発生した歪み量に相当する。歪みが圧縮側に作用すれば、図示しないが検出波形は短波長側に移動する。   FIG. 8A is a state diagram in which the FBG sensor 2 of the optical fiber 1 is completely fixed to the object to be measured 3 with an adhesive 24 or the like, and FIG. 8B shows a detection waveform at that time. In the state of FIG. 8A, the DUT 3 is pulled in the left-right direction under the same conditions as in FIG. The steady state is a waveform 28, and a waveform 29 is detected in a state where distortion has occurred. That is, since the FBG sensor 2 is distorted similarly to the object 3 to be measured, the diffraction grating interval of the FBG sensor 3 is changed, and the waveform of the reflected light is shifted to the long wavelength side. This change amount 30 corresponds to the amount of distortion generated in the DUT 3. If the distortion acts on the compression side, the detection waveform moves to the short wavelength side although not shown.

図9Aは、図8Aと同様に光ファイバ1のFBGセンサ2が被測定物3に接着剤24などで完全に固定されている状態を示す。この状態において、被測定物3が温度上昇した場合の波形変化を図9Bに示す。図8Bの場合と同様に定常状態では波形31が検出される。被測定物3に温度上昇が生じた場合、FBGセンサ2に温度変化が伝達し、波形32が検出される。定常状態の波形31と比較すると、変化量33が算出される。この変化量33は、接着剤24の熱による歪みを無視すれば、被測定物3の温度変化を検出している。   FIG. 9A shows a state in which the FBG sensor 2 of the optical fiber 1 is completely fixed to the object to be measured 3 with an adhesive 24 or the like, similarly to FIG. 8A. FIG. 9B shows a waveform change when the temperature of the device under test 3 rises in this state. As in the case of FIG. 8B, the waveform 31 is detected in the steady state. When a temperature rise occurs in the DUT 3, a temperature change is transmitted to the FBG sensor 2, and a waveform 32 is detected. Compared with the steady-state waveform 31, a change amount 33 is calculated. The amount of change 33 detects the temperature change of the DUT 3 if the distortion caused by the heat of the adhesive 24 is ignored.

図10A及び図10Bに本発明における固定方式による波形変化を説明する。図10Aは、図1および図2で説明したように、光ファイバ1のFBGセンサ2の一部分2aをFBGセンサ固定用部材4で被測定物3に固定し、残った一部のFBGセンサ2bは被測定物3の歪みに依存しないようフリーな状態で、光ファイバ固定用部材5により固定した状態を示している。この状態において、図6A及び図8Aで説明したのと同じ条件で被測定物3を左右方向に引っ張る。図10Bで定常状態は波形34であり、歪みが発生した状態では波形35が検出される。波形35において、被測定物3に固定した範囲2aに相当する範囲36aとフリーな状態で固定した範囲2bに相当する範囲36bに着目すると、2つのピークを有した波形となっている。これは、範囲2aを被測定物3に固定したことにより初期歪みが発生し、範囲2aと範囲2bとで回折格子間隔が微小に変化するために、固定した境界で分離された2つの領域にそれぞれピークが発生するものと考えられる。引っ張りによって、被測定物3に歪みが生じるため、範囲2aでは、図8Bで説明したように、波長が長波長側に変化し、変化量37が算出される。一方、範囲2bでは図6Bで説明したように、歪みの影響が無いため波長変化がなく変化量38は0となる。   FIG. 10A and FIG. 10B explain waveform changes due to the fixed method in the present invention. 10A, as described in FIGS. 1 and 2, a part 2a of the FBG sensor 2 of the optical fiber 1 is fixed to the object 3 to be measured by the FBG sensor fixing member 4, and the remaining part of the FBG sensor 2b is A state in which the optical fiber fixing member 5 is fixed in a free state so as not to depend on the distortion of the DUT 3 is shown. In this state, the DUT 3 is pulled in the left-right direction under the same conditions as described in FIGS. 6A and 8A. In FIG. 10B, the steady state is the waveform 34, and the waveform 35 is detected in a state where distortion has occurred. In the waveform 35, focusing on a range 36 a corresponding to the range 2 a fixed to the DUT 3 and a range 36 b corresponding to the range 2 b fixed in a free state, the waveform has two peaks. This is because the initial distortion is generated by fixing the range 2a to the object 3 to be measured, and the diffraction grating interval slightly changes between the range 2a and the range 2b, so that the two regions separated by the fixed boundary are separated. Each peak is considered to occur. Since the measurement object 3 is distorted by the pulling, in the range 2a, as described with reference to FIG. 8B, the wavelength changes to the long wavelength side, and the change amount 37 is calculated. On the other hand, in the range 2b, as described with reference to FIG. 6B, since there is no influence of distortion, there is no wavelength change and the change amount 38 is zero.

図11A及び図11Bは、図7A及び図7B、図9A及び図9Bの場合と同じ条件で被測定物3が温度上昇した場合の波形のピーク位置から波長変化を求める図である。FBGセンサ2は図11Aに示したように被測定物3に固定されている。この状態で検出される波形は、図11Bに示すように、定常状態は、波形39であり、温度上昇によって、波形40に変化する。FBGセンサ2の範囲2aでは、図9Bで説明したように、固定したFBGセンサ2aで温度上昇による屈折率の変化が生じるため、長波長側に波長が変化し、変化量41が算出される。また、範囲2bでは、図6Bで説明したように、フリーの状態であるが被測定物3の温度上昇に伴い、FBGセンサ2bでも屈折率の変化が生じる。そのため、波長変化42が算出される。   11A and 11B are diagrams for obtaining a wavelength change from the peak position of the waveform when the object to be measured 3 rises in temperature under the same conditions as in FIGS. 7A and 7B, FIGS. 9A and 9B. The FBG sensor 2 is fixed to the object to be measured 3 as shown in FIG. 11A. As shown in FIG. 11B, the waveform detected in this state is the waveform 39 in the steady state, and changes to the waveform 40 as the temperature rises. In the range 2a of the FBG sensor 2, as described with reference to FIG. 9B, since the refractive index changes due to the temperature rise in the fixed FBG sensor 2a, the wavelength changes to the long wavelength side, and the change amount 41 is calculated. In the range 2b, as described with reference to FIG. 6B, the refractive index changes in the FBG sensor 2b as the temperature of the object to be measured 3 rises as it is in a free state. Therefore, the wavelength change 42 is calculated.

図11C及び図11Dは温度上昇における波形形状から波長変化を求める図である。FBGセンサ2は、図11Aの場合と同様に、図11Cに示したように被測定物3に固定されている。図11Bと同様に、定常状態は、図11Dに示すような波形39であり、温度上昇によって、波形40に変化する。FBGセンサ2の範囲2aでは温度上昇に伴い、長波長側に波長が変化し、変化量41が算出される。FBGセンサ2の範囲2bでもフリーの状態であるが、被測定物3の温度上昇に伴い、波長変化42が生じる。波形39と波形40に対して閾値52を設定する。閾値52と波形39の交点から波長幅53を求める。次に閾値52と波形40の交点から波長幅54を求める。長波長側の波長幅54と波長幅53の差分54aは、上述した波長変化42と同様となる。さらに差分54bは、波長変化41と同様となる。そのため、差分54bを求めることで被測定物3に生じた温度変化を波長から求めることが可能となる。この方法であると、波形のピーク位置から波長変化を算出しないため、ピーク位置が複数ある場合や、ピーク位置が不明な場合でも対応可能なため、より安定で高感度な計測が可能となる。   FIG. 11C and FIG. 11D are diagrams for obtaining the wavelength change from the waveform shape with the temperature rise. The FBG sensor 2 is fixed to the object to be measured 3 as shown in FIG. 11C as in the case of FIG. 11A. Similarly to FIG. 11B, the steady state is a waveform 39 as shown in FIG. 11D, and changes to a waveform 40 as the temperature rises. In the range 2a of the FBG sensor 2, as the temperature rises, the wavelength changes to the longer wavelength side, and the change amount 41 is calculated. Although the range 2b of the FBG sensor 2 is also free, the wavelength change 42 occurs as the temperature of the device under test 3 rises. A threshold value 52 is set for the waveform 39 and the waveform 40. A wavelength width 53 is obtained from the intersection of the threshold value 52 and the waveform 39. Next, the wavelength width 54 is obtained from the intersection of the threshold value 52 and the waveform 40. The difference 54a between the wavelength width 54 on the long wavelength side and the wavelength width 53 is the same as the wavelength change 42 described above. Further, the difference 54b is the same as the wavelength change 41. Therefore, by obtaining the difference 54b, it is possible to obtain the temperature change generated in the DUT 3 from the wavelength. This method does not calculate the wavelength change from the peak position of the waveform, and can handle even when there are a plurality of peak positions or when the peak position is unknown, thereby enabling more stable and highly sensitive measurement.

すなわち、被測定物3に固定した部分のFBGセンサ2aの波長変化は歪みによって生じたものである、被測定物3に固定しないFBGセンサ2bの波長変化は温度によって生じたものである。そのため、FBGセンサ2bにより、温度測定、FBGセンサ2aとFBGセンサ2bの差分で歪み測定ができる。歪み量と温度は変化した波長に係数を乗ずることで算出が可能である。温度による係数は、1.5μmの波長帯域を使用した場合は、約10pm/℃とり、歪みによる係数は、約1.2pm/μεとなる。使用する波長帯域が1.5μmと異なる場合は、その係数を乗ずれば良い。   That is, the change in wavelength of the FBG sensor 2a fixed to the object to be measured 3 is caused by distortion, and the change in wavelength of the FBG sensor 2b not fixed to the object to be measured 3 is caused by temperature. For this reason, the FBG sensor 2b can perform temperature measurement and strain measurement using the difference between the FBG sensor 2a and the FBG sensor 2b. The amount of strain and temperature can be calculated by multiplying the changed wavelength by a coefficient. When the wavelength band of 1.5 μm is used, the coefficient due to temperature is approximately 10 pm / ° C., and the coefficient due to strain is approximately 1.2 pm / με. If the wavelength band to be used is different from 1.5 μm, the coefficient may be multiplied.

図12に本発明におけるFBGセンサを用いた計測装置の計測フローを説明する。先ず、FBGセンサを被測定物に上述した方法でセットする(S1201)。次に、表示手段18の表示画面300上で検出条件のセットを行い(S1202)、計測を開始する(S1203)。照明光源9により照明光を光ファイバ1に入射させてFBGセンサ2を照射し(S1204)、FBGセンサ2からの反射光を光電変換器11で検出する(S1205)。光電変換器11で検出された反射光の信号はA/D変換器12で増幅されデジタル信号に変換されて演算部7に送られ、固定部波長演算器13で固定FBGの範囲での波長が算出され(S1206)、フリー部波長演算器14でフリーFBGの範囲での波長が算出され(S1207)、固定部波長演算器13で算出された固定FBGの範囲での波長変化量から歪み量を算出し(S1208)、フリー部波長演算器14で算出されたフリーFBGの範囲での波長変化量から温度の算出を行う(S1209)。これらの算出した結果を表示手段18の表示画面300上に表示し(S1210)、算出結果を必要に応じて外部出力を行い(S1211)、測定を終了する。   FIG. 12 illustrates a measurement flow of the measurement apparatus using the FBG sensor according to the present invention. First, the FBG sensor is set on the object to be measured by the method described above (S1201). Next, a detection condition is set on the display screen 300 of the display means 18 (S1202), and measurement is started (S1203). Illumination light is incident on the optical fiber 1 by the illumination light source 9 to irradiate the FBG sensor 2 (S1204), and reflected light from the FBG sensor 2 is detected by the photoelectric converter 11 (S1205). The reflected light signal detected by the photoelectric converter 11 is amplified by the A / D converter 12, converted into a digital signal, sent to the calculation unit 7, and the wavelength in the fixed FBG range is fixed by the fixed unit wavelength calculator 13. Calculated (S1206), the wavelength in the free FBG range is calculated by the free portion wavelength calculator 14 (S1207), and the distortion amount is calculated from the wavelength change amount in the fixed FBG range calculated by the fixed portion wavelength calculator 13. The temperature is calculated (S1208), and the temperature is calculated from the amount of wavelength change in the free FBG range calculated by the free unit wavelength calculator 14 (S1209). These calculated results are displayed on the display screen 300 of the display means 18 (S1210), the calculated results are output externally as necessary (S1211), and the measurement is terminated.

図13A及び図13Bに本発明の第二の実施例を説明する。本実施例においては、図13Aに示すように、FBGセンサ2の領域2aと共に領域2bも被測定物3に固定する点で実施例1と異なる。光ファイバ1のFBGセンサ2の領域2aにおける被測定物3の固定は図1と同様である。領域2bを光ファイバ1と同じ熱膨張係数を持ち、硬さが同じ接着材43で被測定物3に固定する。被測定物3に生じる歪み、温度変化による領域2bの波形変化は図6B、図7Bに示したものと同様となる。この方式によれば、FBGセンサが外部に露出しないため、FBGセンサの保護が可能な効果も奏する。この場合、接着材の物性が同じでなくとも、温度と接着材の伸びの関係を予め求めてデータベースを作成することで、温度上昇による波長変化をデータベースから算出することで所望の温度が計測可能となる。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 13A and 13B. In this embodiment, as shown in FIG. 13A, the area 2 b as well as the area 2 a of the FBG sensor 2 is different from the embodiment 1 in that the area 2 b is fixed to the DUT 3. The measurement object 3 is fixed in the region 2a of the FBG sensor 2 of the optical fiber 1 in the same manner as in FIG. The region 2b has the same thermal expansion coefficient as that of the optical fiber 1 and is fixed to the object to be measured 3 with an adhesive 43 having the same hardness. The distortion in the DUT 3 and the waveform change in the region 2b due to the temperature change are the same as those shown in FIGS. 6B and 7B. According to this method, since the FBG sensor is not exposed to the outside, there is an effect that the FBG sensor can be protected. In this case, even if the physical properties of the adhesive are not the same, it is possible to measure the desired temperature by calculating the wavelength change due to temperature rise from the database by creating a database by preliminarily determining the relationship between the temperature and the elongation of the adhesive It becomes.

図14に第三の実施例を説明する。
本実施例においては、被測定物46には、光ファイバ1のFBGセンサ44とFBGセンサ45が接触しないように溝47、48が形成されている。FBGセンサ44は実施例1で説明した領域2aに相当して被測定物46の歪みと温度を計測するための領域であり、被測定物に接着剤49と接着剤50により撓みが発生しないようなテンションをかけた状態で接着されている。FBGセンサ45は実施例1で説明した領域2bに相当して被測定物46の温度を計測するための領域であり、接着剤50と接着剤51により、フリー状態で接着されている。この方式によれば、FBGセンサ44で歪みと温度計測、FBGセンサ45で温度計測が可能であるため、実施例1の場合と同様の効果を奏する。この方式によればFBGセンサの上部に接着剤を塗布せずに固定できるため、接着剤の影響を除外できる効果も奏する。
FIG. 14 illustrates a third embodiment.
In the present embodiment, the object to be measured 46 is formed with grooves 47 and 48 so that the FBG sensor 44 and the FBG sensor 45 of the optical fiber 1 do not come into contact with each other. The FBG sensor 44 is an area for measuring the strain and temperature of the object to be measured 46 corresponding to the area 2a described in the first embodiment, so that the adhesive 49 and the adhesive 50 do not bend the object to be measured. Bonded in a state of applying a certain tension. The FBG sensor 45 is an area for measuring the temperature of the object to be measured 46 corresponding to the area 2 b described in the first embodiment, and is bonded in a free state by the adhesive 50 and the adhesive 51. According to this method, the strain and temperature can be measured with the FBG sensor 44, and the temperature can be measured with the FBG sensor 45. Therefore, the same effects as in the case of the first embodiment can be obtained. According to this method, since it can fix without applying an adhesive agent on the upper part of an FBG sensor, there also exists an effect which can exclude an influence of an adhesive agent.

次に、本発明によるFBGセンサの適用実施例を説明する。
本実施例では、発電機に適用した場合を説明する。
図15は発電機の模式図である。タービン100は、発電機101のロータ102に接続されている。ステータ103はロータ102に対向配置されている。ステータ103に、本発明で説明したステータ計測用FBGセンサ104を固定する。同様に、ロータ102に、ロータ計測用FBGセンサ105が固定されており、端部は回転軸に設置したロータリジョイント106に接続されている。ロータリジョイント106は、ロータ102の回転によるロータ計測用FBGセンサ105の捩れを防止している。ロータリジョイント106の外側に光ファイバ107を接続し、ステータ103に敷設したステータ計測用FBGファイバ104と共に光FBGファイバ検出装置のFBGセンサ測定部6、演算部7、制御部8に接続される。FBGセンサ測定部6、演算部7、制御部8の構成及び作用は、実施例1で説明したものと同様であり、図12で説明したようなフローに沿って歪み量及び温度が算出される。ステータ計測用FBGセンサ104とロータ計測用FBGセンサ105に設置したFBGセンサは本発明の実施例1乃至3の何れかで説明した固定方式で固定する。また、図3で説明した複数のFBGセンサを使用すれば、ロータ102、ステータ103の多点での計測が可能である。
Next, an application example of the FBG sensor according to the present invention will be described.
In this embodiment, a case where the present invention is applied to a generator will be described.
FIG. 15 is a schematic diagram of a generator. The turbine 100 is connected to the rotor 102 of the generator 101. The stator 103 is disposed to face the rotor 102. The stator measurement FBG sensor 104 described in the present invention is fixed to the stator 103. Similarly, a rotor measurement FBG sensor 105 is fixed to the rotor 102, and an end thereof is connected to a rotary joint 106 installed on a rotation shaft. The rotary joint 106 prevents the rotor measurement FBG sensor 105 from being twisted by the rotation of the rotor 102. An optical fiber 107 is connected to the outside of the rotary joint 106, and is connected to the FBG sensor measurement unit 6, the calculation unit 7, and the control unit 8 of the optical FBG fiber detector together with the stator measurement FBG fiber 104 laid on the stator 103. The configuration and operation of the FBG sensor measurement unit 6, the calculation unit 7, and the control unit 8 are the same as those described in the first embodiment, and the strain amount and temperature are calculated according to the flow described in FIG. . The FBG sensors installed on the stator measuring FBG sensor 104 and the rotor measuring FBG sensor 105 are fixed by the fixing method described in any one of the first to third embodiments of the present invention. If a plurality of FBG sensors described in FIG. 3 are used, measurement at multiple points of the rotor 102 and the stator 103 is possible.

本構成において、発電機の試験時、あるいは定常運転時における発電機内部の歪み、温度計測が運転しながら可能となる。さらに、光ファイバによる計測であるため、磁界の影響が皆無なため、発電機の性能を劣化することがない。   In this configuration, it is possible to measure distortion and temperature inside the generator during operation of the generator or during steady operation. Furthermore, since the measurement is performed using an optical fiber, there is no influence of the magnetic field, and the performance of the generator is not deteriorated.

次に原子力発電などの設備全体に適用した場合の実施例を説明する。
図16は原子力発電設備の模式図である。原子炉150によりタービン160を回転し、タービン160に接続した発電機161により発電可能である。原子炉150、タービン160、冷却装置151はそれぞれ冷却配管152で接続されている。冷却パイプ計測用FBGセンサ153は、冷却配管152の周囲に巻き付けられ、FBGセンサ部はそれぞれ、本発明の実施例1乃至3の何れかで説明した固定方法で固定する。また、設備計測用FBGセンサ154は、原子炉150の建屋周辺に張り巡らし、同様にFBGセンサ部を固定する。各FBGセンサは、光FBGファイバ検出装置のFBGセンサ測定部6、演算部7、制御部8に接続される。FBGセンサ測定部6、演算部7、制御部8の構成及び作用は、実施例1で説明したものと同様であり、図12で説明したようなフローに沿って歪み量及び温度が算出される。図15と同様に冷却パイプ計測用FBGセンサ153、設備計測用FBGセンサ154は複数のFBGセンサを有したものを使用すると多点で同時観察が可能となる。
Next, an embodiment when applied to the entire facility such as nuclear power generation will be described.
FIG. 16 is a schematic diagram of a nuclear power generation facility. The turbine 160 is rotated by the nuclear reactor 150 and power can be generated by the generator 161 connected to the turbine 160. The nuclear reactor 150, the turbine 160, and the cooling device 151 are connected by a cooling pipe 152, respectively. The cooling pipe measuring FBG sensor 153 is wound around the cooling pipe 152, and the FBG sensor unit is fixed by the fixing method described in any one of the first to third embodiments of the present invention. The facility measurement FBG sensor 154 extends around the building of the nuclear reactor 150 and similarly fixes the FBG sensor section. Each FBG sensor is connected to the FBG sensor measurement unit 6, the calculation unit 7, and the control unit 8 of the optical FBG fiber detection device. The configuration and operation of the FBG sensor measurement unit 6, the calculation unit 7, and the control unit 8 are the same as those described in the first embodiment, and the strain amount and temperature are calculated according to the flow described in FIG. . As in FIG. 15, if the cooling pipe measuring FBG sensor 153 and the equipment measuring FBG sensor 154 are provided with a plurality of FBG sensors, simultaneous observation at multiple points is possible.

本構成において、原子炉150の建屋の変形や異常温度上昇などのヘルスモニター、冷却配管152の異常温度上昇、異常歪みが計測可能となり、設備全体の安全監視が可能となる効果も奏する。   In this configuration, it is possible to measure the health monitor such as the deformation of the building of the reactor 150 and the abnormal temperature rise, the abnormal temperature rise and abnormal distortion of the cooling pipe 152, and the effect of enabling the safety monitoring of the entire facility can be achieved.

1・・・光ファイバ 2・・・FBGセンサ 2a・・・固定FBGセンサ
2b・・・フリーFBGセンサ 3・・・被測定物 4・・・FBGセンサ固定用部材 5・・・光ファイバ固定用部材 6・・・FBG波形計測装置
7・・・演算部 8・・・制御部 9・・・光源 10・・・光サーキュレータ 11・・・光電変換器 12・・・A/D変換器 13・・・固定部波長演算器 14・・・フリー部波長演算器 15・・歪み量算出器
16・・・温度算出器 17・・・計測条件入力手段 18・・・表示手段
19・・・出力手段 101・・・発電機 102・・・ロータ 103・・・ステータ 104・・・ステータ計測用FBGセンサ
105・・・ロータ計測用FBGセンサ 106・・・ロータリジョイント
150 原子炉 151・・・冷却装置 152・・・冷却用パイプ
153・・・冷却パイプ計測用FBGセンサ 154・・・設備計測用FBGセンサ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical fiber 2 ... FBG sensor 2a ... Fixed FBG sensor 2b ... Free FBG sensor 3 ... DUT 4 ... FBG sensor fixing member 5 ... Optical fiber fixing Member 6 ... FBG waveform measuring device 7 ... arithmetic unit 8 ... control unit 9 ... light source 10 ... optical circulator 11 ... photoelectric converter 12 ... A / D converter 13 .. Fixed part wavelength calculator 14... Free part wavelength calculator 15... Strain amount calculator 16... Temperature calculator 17... Measurement condition input means 18. DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Generator 102 ... Rotor 103 ... Stator 104 ... Stator measurement FBG sensor 105 ... Rotor measurement FBG sensor 106 ... Rotary joint 150 Reactor 151 ... Cooling device 1 2 ... cooling pipes 153 ... cooling pipe measured FBG sensor 154 ... facilities measuring FBG sensor for.

Claims (12)

コアに回折格子を形成した光ファイバの一部を被測定物の歪みに依存する状態で固定し、
前記コアに回折格子を形成した光ファイバの他の部分を被測定物の歪みに依存しない状態で固定し、
前記光ファイバの被測定物の歪みに依存する状態で固定した部分から検出された信号と前記光ファイバの被測定物の歪みに依存しない状態で固定した部分から検出された信号とを用いて前記被測定物のひずみと温度とを計測する
ことを特徴とするFBGセンサを用いた計測方法。
A part of the optical fiber having a diffraction grating formed in the core is fixed in a state depending on the distortion of the object to be measured,
The other part of the optical fiber having a diffraction grating formed on the core is fixed in a state that does not depend on the distortion of the object to be measured,
Using the signal detected from the portion fixed in a state depending on the strain of the object to be measured of the optical fiber and the signal detected from the portion fixed in a state not dependent on the strain of the object to be measured in the optical fiber A measuring method using an FBG sensor, characterized by measuring strain and temperature of an object to be measured.
前記光ファイバの被測定物の歪みに依存する状態で固定した部分から検出された信号は前記光ファイバの被測定物の歪みに依存する状態で固定した部分の回折格子からの反射光の波長に関する信号であり、前記光ファイバの被測定物の歪みに依存しない状態で固定した部分から検出された信号は前記光ファイバの被測定物の歪みに依存しない状態で固定した部分の回折格子からの反射光の波長に関する信号であることを特徴とする請求項1記載のFBGセンサを用いた計測方法。   The signal detected from the fixed portion of the optical fiber depending on the distortion of the object to be measured relates to the wavelength of the reflected light from the diffraction grating of the fixed portion depending on the distortion of the optical fiber to be measured. A signal detected from a portion fixed in a state not dependent on distortion of the object to be measured in the optical fiber is reflected from a diffraction grating in a portion fixed in a state independent of distortion of the object to be measured in the optical fiber. The measurement method using an FBG sensor according to claim 1, wherein the signal is a signal related to a wavelength of light. 前記光ファイバの一部を被測定物の歪みに依存する状態で固定することを、前記光ファイバの一部を被測定物に接着剤で固定することにより行うことを特徴とする請求項1又は2に記載のFBGセンサを用いた計測方法。   2. The method according to claim 1, wherein fixing the part of the optical fiber in a state depending on strain of the object to be measured is performed by fixing a part of the optical fiber to the object to be measured with an adhesive. A measurement method using the FBG sensor according to 2. 前記光ファイバの一部を被測定物の歪みに依存する状態で固定することを、前記光ファイバの一部に弛みがない状態で前記光ファイバの一部の両端部分を被測定物に接着剤で固定することにより行うことを特徴とする請求項1又は2に記載のFBGセンサを用いた計測方法。   Fixing a part of the optical fiber in a state depending on the strain of the object to be measured, and bonding both end parts of the part of the optical fiber to the object to be measured in a state where the part of the optical fiber is not slack The measurement method using the FBG sensor according to claim 1, wherein the measurement method is performed by fixing with an FBG sensor. 前記光ファイバの他の部分を被測定物の歪みに依存しない状態で固定することを、前記光ファイバの他の部分の端部を被測定物に固定し、前記他の部分のうちの残りの部分を前記被測定物に対してフリーな状態にすることにより行うことを特徴とする請求項1又は2に記載のFBGセンサを用いた計測方法。   Fixing the other part of the optical fiber in a state that does not depend on the strain of the object to be measured, fixing the end of the other part of the optical fiber to the object to be measured, and the remaining part of the other part The measurement method using the FBG sensor according to claim 1, wherein the measurement is performed by making a portion free with respect to the object to be measured. 前記光ファイバの他の部分を被測定物の歪みに依存しない状態で固定することを、前記光ファイバの他の部分を前記光ファイバと同じ熱膨張係数を持ち、前記光ファイバと同じ硬さを持つ接着剤で前記被測定物に固定することにより行うことを特徴とする請求項1又は2に記載のFBGセンサを用いた計測方法。   The other part of the optical fiber is fixed without depending on the strain of the object to be measured. The other part of the optical fiber has the same thermal expansion coefficient as the optical fiber and has the same hardness as the optical fiber. The measurement method using the FBG sensor according to claim 1, wherein the measurement is performed by fixing the object to be measured with an adhesive. 一部を被測定物の歪みに依存する状態で固定して他の部分を被測定物の歪みに依存しない状態で固定したコアに回折格子を形成した光ファイバと、
光を発射する光源手段と、
該光源手段から発射された光のうち前記光ファイバに入射して前記光ファイバの前記被測定物の歪みに依存する状態で固定された部分の回折格子で反射して前記光ファイバから出射した反射光と、前記光ファイバの前記被測定物の歪みに依存しない状態で固定された部分の回折格子で反射して前記光ファイバから出射した反射光とを検出する光検出手段と、
該光検出手段で反射光を検出して得られた信号を処理して前記被測定物のひずみと温度とを算出する演算手段と、
該演算手段で算出した前記被測定物のひずみと温度とに関する情報を出力する出力手段と
を備えたことを特徴とするFBGセンサを用いた計測装置。
An optical fiber in which a diffraction grating is formed on a core in which a part is fixed in a state depending on the distortion of the object to be measured and another part is fixed in a state not depending on the distortion of the object to be measured;
Light source means for emitting light;
Of the light emitted from the light source means, the light is incident on the optical fiber, is reflected by a diffraction grating of a portion fixed in a state depending on the distortion of the object to be measured, and is reflected from the optical fiber. Light detecting means for detecting light and reflected light emitted from the optical fiber by being reflected by a diffraction grating of a portion fixed in a state not depending on distortion of the measurement object of the optical fiber;
Arithmetic means for processing the signal obtained by detecting reflected light with the light detection means to calculate the strain and temperature of the object to be measured;
An measuring device using an FBG sensor, comprising: output means for outputting information on strain and temperature of the object to be measured calculated by the computing means.
前記演算手段は、前記光検出手段で検出した前記光ファイバから出射した反射光の波長の情報を用いて前記被測定物のひずみと温度とを算出することを特徴とする請求項7記載のFBGセンサを用いた計測装置。   8. The FBG according to claim 7, wherein the calculation means calculates strain and temperature of the object to be measured using information on the wavelength of reflected light emitted from the optical fiber detected by the light detection means. Measuring device using a sensor. 前記光ファイバの前記被測定物の歪みに依存する状態で固定した前記一部は、 該光ファイバの一部を接着剤で前記被測定物に固定してあることを特徴とする請求項7又は8に記載のFBGセンサを用いた計測装置。 The part of the optical fiber fixed in a state depending on the strain of the object to be measured is fixed to the object to be measured with an adhesive. 8. A measuring apparatus using the FBG sensor according to 8. 前記光ファイバの前記被測定物の歪みに依存する状態で固定した前記一部は、前記光ファイバの一部に弛みがない状態で前記光ファイバの一部の両端部分を前記被測定物に接着剤で固定してあることを特徴とする請求項7又は8に記載のFBGセンサを用いた計測装置。   The part of the optical fiber fixed in a state depending on the strain of the object to be measured is bonded to both parts of the part of the optical fiber with no slack in the part of the optical fiber. The measuring device using the FBG sensor according to claim 7 or 8, wherein the measuring device is fixed with an agent. 前記光ファイバの前記被測定物の歪みに依存しない状態で固定した前記他の部分は、該他の部分の一部を接着剤で前記被測定物に固定し、該他の部分の残りの部分を前記被測定物に対してフリーな状態にしてあることを特徴とする請求項7又は8に記載のFBGセンサを用いた計測装置。 The other part of the optical fiber fixed in a state not dependent on the distortion of the object to be measured is a part of the other part fixed to the object to be measured with an adhesive, and the remaining part of the other part is fixed. 9. The measuring device using the FBG sensor according to claim 7 or 8, wherein the measuring device is in a free state with respect to the object to be measured. 前記光ファイバの前記被測定物の歪みに依存しない状態で固定した前記他の部分は、該他の部分を前記光ファイバと同じ熱膨張係数を持ち、前記光ファイバと同じ硬さを持つ接着剤で前記被測定物に固定してあることを特徴とする請求項7又は8に記載のFBGセンサを用いた計測方法。   The other part of the optical fiber fixed in a state not dependent on the strain of the object to be measured has the same thermal expansion coefficient as the optical fiber and the same hardness as the optical fiber. The measurement method using the FBG sensor according to claim 7 or 8, wherein the measurement object is fixed to the object to be measured.
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