JP2014032054A - Acceleration sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】一つのセンサによって並進加速度と回転加速度を精度よく測定することができしかも設置が容易である加速度センサを提供する。
【解決手段】測定対象Mの加速度を測定するセンサであって、測定対象Mに両端が固定された、弾性材料によって形成された支持部材3と、支持部材3の両端間の中間に設けられた慣性部材4と、支持部材3に取り付けられたセンサ部10と、を備えており、センサ部10は、光ファイバー11にファイバブラッググレーティングが形成されたFBG部12を2つ有しており、2つのFBG部12は、両者の軸方向が互いに平行となるように、支持部材3における慣性部材4を挟む位置に取り付けられている。
【選択図】図1An acceleration sensor that can accurately measure translational acceleration and rotational acceleration with a single sensor and is easy to install.
A sensor for measuring the acceleration of a measuring object M, provided at both ends of the measuring object M and provided between the supporting member 3 made of an elastic material and between the both ends of the supporting member 3. The inertia member 4 and the sensor part 10 attached to the support member 3 are provided. The sensor part 10 has two FBG parts 12 in which a fiber Bragg grating is formed on an optical fiber 11, and includes two The FBG portion 12 is attached at a position sandwiching the inertia member 4 in the support member 3 so that both axial directions are parallel to each other.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、加速度センサに関する。さらに詳しくは、ファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating:FBG)が形成された光ファイバーを使用した加速度センサに関する。 The present invention relates to an acceleration sensor. More specifically, the present invention relates to an acceleration sensor using an optical fiber in which a fiber Bragg grating (FBG) is formed.
ファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating:FBG)とは、光ファイバーのコアに周期的な屈折率変化を形成したものである。FBGを設けた光ファイバーの場合、光を入射すると、FBGの特性に基づいて特定の波長の光が透過または反射する。このため、FBGの部分に歪が発生すると、FBGの変形(伸長または収縮)に基づいてグレーティングの格子間隔が変動し、透過または反射する光の周波数や波長が変化する。 A fiber Bragg grating (FBG) is one in which a periodic refractive index change is formed in the core of an optical fiber. In the case of an optical fiber provided with an FBG, when light is incident, light having a specific wavelength is transmitted or reflected based on the characteristics of the FBG. For this reason, when distortion occurs in the FBG portion, the grating interval of the grating varies based on deformation (elongation or contraction) of the FBG, and the frequency or wavelength of light transmitted or reflected changes.
FBGのこのような性質を利用して、振動や加速度を測定することが行われている(例えば、特許文献1、2)。
The vibration and acceleration are measured using such properties of the FBG (for example,
特許文献1、2の技術では、FBGが形成された光ファイバーに直接おもり等が連結されており、光ファイバーの伸縮を直接測定することにより振動を測定している。そして、特許文献2には、並進加速度、及び回転角加速度の計測が可能である旨の記載がある。
In the techniques of
しかるに、特許文献1の技術では、両端が固定された光ファイバーの中間におもりが取り付けられているだけであるので、おもりがどの方向に移動しているかを把握することができない。したがって、振動等が生じていることは検出できても、加速度の方向を特定することはできない。
また、特許文献2では、6本以上の光ファイバーを使用するので、並進加速度及び回転角加速度を計測できる可能性はあるものの、構造が非常に複雑になる。
しかも、特許文献1、2の技術では、おもりの荷重が直接光ファイバーに加わることになるので、おもりに加わる加速度が大きくなると、光ファイバーが損傷してしまう可能性がある。
However, in the technique of
In
Moreover, in the techniques of
一方、光ファイバーを直接おもりに連結するのではなく、おもりに連結された部材(支持部材)に光ファイバーのFBGを取り付け、その支持部材の変形をFBGによって検出して、加速度を測定する技術が開発されている(特許文献3)。 On the other hand, instead of connecting the optical fiber directly to the weight, a technology has been developed to measure the acceleration by attaching the FBG of the optical fiber to a member (support member) connected to the weight and detecting the deformation of the support member by the FBG. (Patent Document 3).
特許文献3には、測定対象物自体あるいはその測定対象物に取り付けられた剛体で形成された固定部と、固定部の下面から固定端を支持されて鉛直方向に吊り下げられ他端が自由端とされた弾性体からなる検知体と、検知体の自由端に固定された錘と、検知体に設けられたファイバブラッググレーティング(センサFBG)と、光源を内蔵し反射波長を計測する波長計測器と、を備えた光式加速度計が開示されている。
In
特許文献3の光式加速度計では、測定対象物に加速度が生じたときに、固定部は測定対象物と一体で運動するが錘は慣性運動するため、両者間において加速度差が生じ、この加速度差によって検知体が屈曲し検知体に取り付けられているセンサFBGも屈曲(変形)する。センサFBGの変形割合は測定対象物の加速度に応じて変化するので、センサFBGの変形割合、つまり、センサFBGの伸縮歪を検知することによって、測定対象物の加速度を検出することができるのである。
In the optical accelerometer of
しかるに、特許文献3の光式加速度計では、一方向の加速度、つまり、検知体の屈曲方向と平行な方向の加速度しか測定できないので、測定対象物の加速度の方向が変化するような場合、つまり、回転加速度を測定するには、複数の光式加速度計を使用しなければならない。しかも、回転加速度を精度よく測定するには、複数の光式加速度計の相対的な位置を正確に位置決めてして設置しなければならないので、光式加速度計の設置に手間とコストがかかるという問題がある。
However, since the optical accelerometer of
本発明は上記事情に鑑み、一つのセンサによって並進加速度と回転加速度を精度よく測定することができしかも設置が容易である加速度センサを提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an acceleration sensor that can accurately measure translational acceleration and rotational acceleration with a single sensor and that is easy to install.
第1発明の加速度センサは、測定対象の加速度を測定するセンサであって、測定対象に両端が固定される、弾性材料によって形成された支持部材と、該支持部材の両端間の中間に設けられた慣性部材と、前記支持部材に取り付けられたセンサ部と、を備えており、該センサ部は、光ファイバーにファイバブラッググレーティングが形成されたFBG部を2つ有しており、2つのFBG部は、両者の軸方向が互いに平行となるように、前記支持部材における慣性部材を挟む位置に取り付けられていることを特徴とする。
第2発明の加速度センサは、第1発明において、前記2つのFBG部は、前記慣性部材を挟んで互いに対称となるように設けられていることを特徴とする。
第3発明の加速度センサは、第1または第2発明において、前記支持部材が板状の部材によって形成されており、前記2つのFBG部は、各FBG部の軸方向と前記支持部材の軸方向とが互いに平行となるように、各FBG部が前記支持部材の表面に固定されていることを特徴とする。
第4発明の加速度センサは、測定対象の加速度を測定するセンサであって、測定対象に固定される固定部材と、先端が自由端となるように基端が前記固定部材に固定された、弾性材料によって形成された一対の支持部材と、該一対の支持部材の先端に設けられた一対の慣性部材と、該一対の支持部材に取り付けられたセンサ部と、を備えており、前記一対の支持部材は、前記固定部材を挟んで互いに対称となるように設けられており、前記センサ部は、光ファイバーにファイバブラッググレーティングが形成されたFBG部を2つ有しており、該2つのFBG部は、両者の軸方向が互いに平行となるように前記一対の支持部材にそれぞれ取り付けられていることを特徴とする。
第5発明の加速度センサは、第4発明において、前記2つのFBG部は、前記固定部材を挟んで互いに対称となるように設けられていることを特徴とする。
第6発明の加速度センサは、第4または第5発明において、前記一対の支持部材が板状の部材によって形成されており、前記一対の支持部材は、該一対の支持部材の中心軸が、同一の基準面上に位置しかつ該基準面内に沿って揺動するように配設されており、前記2つのFBG部は、各FBG部の軸方向が前記基準面と互いに平行となるように、各FBG部が前記一対の支持部材にそれぞれ固定されていることを特徴とする。
第7発明の加速度センサは、第1乃至6のいずれかに発明において、前記センサ部は、一本の光ファイバーにファイバブラッググレーティングを2ヶ所形成して、前記2つのFBG部を形成していることを特徴とする。
An acceleration sensor according to a first aspect of the invention is a sensor for measuring acceleration of a measurement object, and is provided in the middle between both ends of the support member formed of an elastic material, both ends of which are fixed to the measurement object. An inertia member, and a sensor portion attached to the support member. The sensor portion has two FBG portions each having a fiber Bragg grating formed on an optical fiber. The two FBG portions are The support member is attached to a position sandwiching the inertia member so that the axial directions of the both are parallel to each other.
The acceleration sensor according to a second aspect is characterized in that, in the first aspect, the two FBG portions are provided so as to be symmetric with respect to the inertia member.
The acceleration sensor according to a third aspect of the present invention is the acceleration sensor according to the first or second aspect, wherein the support member is formed by a plate-like member, and the two FBG portions include an axial direction of each FBG portion and an axial direction of the support member. Each FBG part is being fixed to the surface of the said supporting member so that may become mutually parallel.
An acceleration sensor according to a fourth aspect of the present invention is a sensor for measuring the acceleration of a measurement object, and includes a fixing member fixed to the measurement object and an elastic member having a base end fixed to the fixing member so that the tip is a free end. A pair of support members formed of a material; a pair of inertia members provided at the tips of the pair of support members; and a sensor unit attached to the pair of support members. The members are provided so as to be symmetric with respect to the fixing member, and the sensor unit includes two FBG units in which fiber Bragg gratings are formed on an optical fiber, and the two FBG units are The pair of support members are attached so that both axial directions are parallel to each other.
According to a fifth invention, in the fourth invention, the two FBG portions are provided so as to be symmetrical to each other with the fixing member interposed therebetween.
According to a sixth aspect of the present invention, in the fourth or fifth aspect of the invention, the pair of support members are formed by plate-like members, and the pair of support members have the same central axis of the pair of support members. The two FBG portions are arranged so as to swing along the reference plane, and the two FBG portions are arranged such that the axial directions of the respective FBG portions are parallel to the reference surface. The FBG portions are fixed to the pair of support members, respectively.
According to a seventh aspect of the present invention, in the acceleration sensor according to any one of the first to sixth aspects, the sensor unit includes two fiber Bragg gratings formed on one optical fiber to form the two FBG units. It is characterized by.
第1発明によれば、支持部材の両端を測定対象に取り付けておけば、測定対象の移動加速度が変化すると、測定対象と慣性部材との間で移動加速度に差が生じる。すると、この移動加速度の差に起因して、支持部材には、移動加速度の差に対応した変形、つまり、測定対象の加速度に対応した変形が生じる。支持部材には、センサ部のFBG部が取り付けられているので、支持部材の変形に対応して、FBG部にも歪が発生する。このため、FBG部の歪を測定すれば、支持部材に発生している変形を把握できるので、この支持部材の変形に基づいて、測定対象の加速度を測定することができる。しかも、2つのFBGが慣性部材を挟むように設けられているので、2つのFBGの変形状態に基づいて、測定対象の並進加速度だけでなく、回転加速度も測定することができる。
第2発明によれば、測定対象の並進加速度および回転加速度を正確に測定することができる。
第3発明によれば、支持部材はその表面と交差する方向にその移動が制限されるので、支持部材の表面の法線方向と加速度を測定したい方向とを一致させれば、所定の方向の加速度を精度よく測定することができる。
第4発明によれば、固定部材を測定対象に取り付けておけば、測定対象の移動加速度が変化すると、固定部材と慣性部材との間(言い換えれば測定対象と慣性部材との間)で移動量に差が生じる。すると、この移動加速度に差に起因して、支持部材には、移動加速度に差に対応した変形、つまり、測定対象の加速度に対応した変形が生じる。一対の支持部材には、センサ部のFBG部がそれぞれ取り付けられているので、一対の支持部材の変形に対応して、各FBG部にも歪が発生する。したがって、各FBG部の歪を測定すれば、一対の支持部材に発生している変形を把握できるので、この一対の支持部材の変形に基づいて、測定対象の加速度を測定することができる。しかも、一対の支持部材が固定部材を挟むように設けられている。つまり、2つのFBGが固定部材を挟むように設けられているので、2つのFBGの変形状態に基づいて、測定対象の並進加速度だけでなく、回転加速度も測定することができる。
第5発明によれば、測定対象の並進加速度および回転加速度を正確に測定することができる。
第6発明によれば、一対の支持部材の変形が基準面に沿った方向に制限されるので、基準面が加速度を測定したい方向となるようにすれば、所定の方向の加速度を精度よく測定することができる。
第7発明によれば、光ファイバーが一本だけであるので、複数のFBG部の歪測定を一つの装置で行うことができる。したがって、センサを使用した際に、測定機器などを小型化簡素化できる。
According to the first invention, if both ends of the support member are attached to the measurement object, a difference in the movement acceleration occurs between the measurement object and the inertia member when the movement acceleration of the measurement object changes. Then, due to the difference in movement acceleration, the support member undergoes deformation corresponding to the difference in movement acceleration, that is, deformation corresponding to the acceleration of the measurement target. Since the FBG portion of the sensor portion is attached to the support member, distortion occurs in the FBG portion in response to the deformation of the support member. For this reason, since the deformation | transformation which has generate | occur | produced in the support member can be grasped | ascertained if the distortion of an FBG part is measured, the acceleration of a measuring object can be measured based on the deformation | transformation of this support member. In addition, since the two FBGs are provided so as to sandwich the inertia member, not only the translational acceleration of the measurement object but also the rotational acceleration can be measured based on the deformation state of the two FBGs.
According to the second invention, the translational acceleration and rotational acceleration of the measurement object can be accurately measured.
According to the third aspect of the present invention, the movement of the support member is limited in the direction intersecting the surface of the support member. Therefore, if the normal direction of the surface of the support member matches the direction in which the acceleration is to be measured, Acceleration can be accurately measured.
According to the fourth aspect of the invention, if the fixed member is attached to the measurement target, the movement amount between the fixed member and the inertia member (in other words, between the measurement target and the inertia member) when the movement acceleration of the measurement target changes. There will be a difference. Then, due to the difference in the movement acceleration, the support member undergoes deformation corresponding to the difference in movement acceleration, that is, deformation corresponding to the acceleration of the measurement target. Since the FBG portions of the sensor portions are respectively attached to the pair of support members, the FBG portions are also distorted corresponding to the deformation of the pair of support members. Therefore, if the strain of each FBG portion is measured, the deformation occurring in the pair of support members can be grasped, and the acceleration of the measurement object can be measured based on the deformation of the pair of support members. Moreover, a pair of support members are provided so as to sandwich the fixing member. That is, since the two FBGs are provided so as to sandwich the fixing member, not only the translational acceleration of the measurement object but also the rotational acceleration can be measured based on the deformation state of the two FBGs.
According to the fifth aspect, the translational acceleration and rotational acceleration of the measurement object can be accurately measured.
According to the sixth aspect of the present invention, the deformation of the pair of support members is limited to the direction along the reference plane. Therefore, if the reference plane is set to the direction in which the acceleration is to be measured, the acceleration in a predetermined direction is accurately measured. can do.
According to the seventh invention, since there is only one optical fiber, strain measurement of a plurality of FBG units can be performed with one apparatus. Therefore, when the sensor is used, the measuring device and the like can be reduced in size and simplified.
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本実施形態の加速度センサ1は、ファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating:FBG)が形成された光ファイバーを使用して、センサが取り付けられた測定対象Mに対して加わる加速度を測定するためのセンサであって、一つの加速度センサ1によって、並進加速度だけでなく、回転加速度も測定できるようにしたことに特徴を有している。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The
本発明の加速度センサ1は、電磁波などの影響により、電気的なセンサを使用することが難しい装置であって、並進加速度だけでなく、回転加速度が発生する可能性がある測定対象Mに取り付けて使用することができる。例えば、自動車や飛行機、鉄道などに取り付けて使用することができるが、測定対象Mはとくに限定されない。
The
(本実施形態の加速度センサ1の説明)
図1に示すように、本実施形態の加速度センサ1は、測定対象Mに取り付けられる支持部材3と、支持部材3に設けられた慣性部材4と、支持部材3に取り付けられるセンサ部10と、を備えている。
(Description of the
As shown in FIG. 1, the
(支持部材3について)
まず、支持部材3は、軸方向に沿って延びた長尺な部材であって、その軸方向の両端が測定対象Mに取り付けられるものである。例えば、測定対象Mが、図1(A)に示すような互いに離間した一対の壁面W1,W2を有する場合であれば、支持部材3の両端をそれぞれ一対の壁面W1,W2に固定すればよい。
(About support member 3)
First, the
この支持部材3は、弾性を有する素材によって形成された部材であり、両端間で撓んだりして変形することができるようになっている。
例えば、支持部材3として、金属製の棒材やワイヤー等を使用することができるが、板状の部材が好ましい。板状の部材であれば、ほぼその表面の法線方向に沿った撓み変形しかしないと考えることができる。すると、後述するように、センサ部10で測定対象Mの加速度を測定したときに、測定された加速度の方向を正確に特定できる。言い換えれば、支持部材3が撓む方向の加速度だけを測定できるので、測定対象Mに加わる所定の方向の加速度の測定精度を高くすることができる。例えば、図1(A)において、支持部材3が紙面に垂直な方向に幅を有する板材であれば、支持部材3は、板状の表面の法線方向、言い換えれば、図1の上下方向(つまり板材の厚さ方向)にしか撓むことができない。したがって、支持部材3が撓む方向である、図1の上下方向の加速度だけしか測定できないので、測定された加速度の方向を正確に特定できる。
The
For example, a metal bar or a wire can be used as the
(慣性部材4について)
図1(A)に示すように、支持部材3の両端間の中間部には、おもりなどの慣性部材4が設けられている。言い換えれば、慣性部材4は、支持部材3を介して測定対象Mに取り付けられている。この慣性部材4は、測定対象Mに加速度が加わったときに、支持部材3をその両端間で撓ませることができる程度の質量を有するように形成されている。
なお、測定対象Mに加速度が加わったときに、支持部材3自身の質量だけで支持部材3に撓みが発生する場合には、慣性部材4を設けなくてもよいが、慣性部材4を設けておけば、加速度に対する測定感度を向上させることができる点で好ましい。
(Inertial member 4)
As shown in FIG. 1A, an
When the acceleration is applied to the measurement target M, if the
(センサ部10について)
図1に示すように、本実施形態の加速度センサ1はセンサ部10を備えている。このセンサ部10は、ファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating:FBG)が形成された部分(以下、FBG部12という)を有する2本の光ファイバー11を備えている。
(About sensor unit 10)
As shown in FIG. 1, the
まず、FBGとは、光ファイバーのコアに周期的な屈折率変化を形成したものである。FBGを設けた光ファイバーの場合、光を入射すると、FBGの特性に基づいて特定の波長の光が透過または反射する。一方、FBGが変形(伸長または収縮)すると、この変形に伴ってグレーティングの格子間隔が変動し、透過または反射する光の波長が変化する。このため、光ファイバーにFBGを形成して、FBGが形成された部分を物体に取り付けて、光ファイバーに光を入射し、FBGを透過または反射する光の周波数の変化(周波数シフト)や波長の変化(波長シフト)を測定する。すると、この周波数シフトや波長シフトに基づいて、物体においてFBGが取り付けられている部分の変形を把握することができるのである。 First, FBG is one in which a periodic refractive index change is formed in the core of an optical fiber. In the case of an optical fiber provided with an FBG, when light is incident, light having a specific wavelength is transmitted or reflected based on the characteristics of the FBG. On the other hand, when the FBG is deformed (elongated or contracted), the lattice spacing of the grating varies with the deformation, and the wavelength of the transmitted or reflected light changes. For this reason, an FBG is formed on an optical fiber, a part where the FBG is formed is attached to an object, light is incident on the optical fiber, and a change in frequency (frequency shift) or a change in wavelength of light transmitted or reflected through the FBG ( Wavelength shift). Then, based on this frequency shift and wavelength shift, it is possible to grasp the deformation of the part where the FBG is attached to the object.
本実施形態の加速度センサ1のセンサ部10では、光ファイバー11のコアにFBGを形成してFBG部12が設けられており、この光ファイバー11におけるFBG部12が上記支持部材3に取り付けられている。具体的には、FBG部12は、測定対象Mに対して加速度が加わって支持部材3がその両端間で撓んだときに、その軸方向の長さが変化するように支持部材3に取り付けられている。例えば、支持部材3が板状の部材によって形成されている場合には、2つのFBG部12は、各FBG部12の軸方向(図1(A)では左右方向)と支持部材3の軸方向(図1(A)では左右方向)とが互いに平行となるように支持部材3の表面に固定される。
In the
図1に示すように、光ファイバー11は、その一端が制御装置CDに接続可能に設けられている。具体的には、光ファイバー11の一端にはカプラ等が設けられており、このカプラ等を制御装置CDに接続すれば、制御装置CDから光ファイバー11に対して所定の強度を有する入射光を供給でき、また、入射光がFBG部12で反射された反射光を制御装置CDが受光可能となるようになっている。
また、制御装置CDは、受光した反射光の周波数または波長を測定し、測定された周波数または波長に基づいてFBG部12の変形(歪)を算出する機能を有している。言い換えれば、制御装置CDは、反射光の周波数シフトまたは波長シフトに基づいて、FBG部12の歪、つまり、支持部材3の変形を算出する機能を有しているのである。
As shown in FIG. 1, one end of the
The control device CD has a function of measuring the frequency or wavelength of the received reflected light and calculating the deformation (distortion) of the
なお、制御装置CDには、例えば、光スペクトラムアナライザーなどを使用できるが、反射光の周波数や波長を検出できる機能を有していればよい。
また、光ファイバー11は、その一端だけでなく、その他端も制御装置CDに接続されていてもよい。この場合には、反射光だけでなく、FBG部12を透過した透過光を測定することも可能となるので、この透過光および/または反射光の周波数シフトまたは波長シフトに基づいて、FBG部12の歪、つまり、支持部材3の変形を算出することも可能となる。
For example, an optical spectrum analyzer or the like can be used for the control device CD, but it is sufficient if it has a function of detecting the frequency and wavelength of the reflected light.
Further, the
(本実施形態の加速度センサ1による加速度測定の説明)
つぎに、図1および図2に基づいて、本実施形態の加速度センサ1による加速度測定について説明する。
なお、図2では、支持部材3などの動きを理解しやすくするために、センサ部10は省略している。
また、以下では、反射光の周波数シフトに基づいてFBG部12の歪を検出する場合を説明するが、反射光の波長の変化に基づいてFBG部12の歪を検出することもできるのは、いうまでもない。
(Description of acceleration measurement by the
Next, acceleration measurement by the
In FIG. 2, the
In the following description, the case where the distortion of the
図1に示すように、測定対象Mにおける一対の対向する壁面W1,W2間に本実施形態の加速度センサ1を固定する。具体的には、支持部材3の両端を壁面W1,W2にそれぞれ固定する。なお、支持部材3は板状の部材であって図1における上下方向にしか撓まないようになっており、その一方の面(図1および図2では上側の面)に2つのFBG部12が設けられている。
As shown in FIG. 1, the
図1の状態から、測定対象Mが図2(A)に示す矢印の方向に運動した場合、慣性部材4と測定対象Mとを連結する支持部材3が弾性を有しているので、慣性部材4は慣性によって測定対象Mの移動に追従できない。このため、両者の間には、移動加速度の差が生じ、支持部材3は、慣性部材4と測定対象Mの壁面W1,W2との間で同じ方向(図2(A)では下向き)に撓む。すると、支持部材3の撓みによってFBG部12に歪が発生するから、その状態で制御装置CDから光ファイバー11に光を入射すると、FBG部12からの反射光および/または透過光には周波数シフトが生じる。
When the measuring object M moves from the state of FIG. 1 in the direction of the arrow shown in FIG. 2A, the supporting
ここで、測定対象M(つまり、壁面W1,W2を有する物体)が同じ速度で同じ方向に移動した場合には、2つのFBG部12の周波数シフトはほぼ同じ傾向を示す。具体的には、一方のFBG部12における周波数シフトが周波数が高くなる方向にシフトした場合には、他方のFBG部12でも周波数シフトが周波数が高くなる方向にシフトする。
したがって、2つのFBG部12の周波数シフトに基づいて、制御装置CDが、測定対象Mに並進加速度が加わっている状態であることを判断することができる。
Here, when the measurement object M (that is, the object having the wall surfaces W1 and W2) moves in the same direction at the same speed, the frequency shifts of the two
Therefore, based on the frequency shift of the two
また、図1の状態から、測定対象M(つまり、壁面W1,W2を有する物体)が図2(B)に示すように慣性部材4を中心として回転するように運動した場合にも、慣性部材4は慣性によって測定対象Mの移動に追従できない。このため、両者の間には、移動加速度の差が生じ、支持部材3は、慣性部材4と測定対象Mの壁面W1,W2との間で撓み、FBG部12に歪が発生する。このとき、並進加速度が加わる場合と異なり、支持部材3は逆方向に撓むので、2つのFBG部12の周波数シフトは逆の傾向を示す。具体的には、一方のFBG部12における周波数シフトは周波数が高くなる方向にシフトするが、他方のFBG部12における周波数シフトは周波数が低くなる方向にシフトする。
したがって、2つのFBG部12の周波数シフトに基づいて、制御装置CDが、測定対象Mに回転加速度が加わっている状態であることを判断することができる。
In addition, when the measurement object M (that is, the object having the wall surfaces W1 and W2) moves from the state of FIG. 1 so as to rotate around the
Therefore, based on the frequency shift of the two
なお、測定対象Mの回転中心と慣性部材4の中心とがズレている場合には、測定対象Mに回転加速度が加わっても、並進加速度が加わっている場合と同様に、支持部材3は、慣性部材4と測定対象Mの壁面W1,W2との間で同じ方向に撓む。しかし、回転加速度が加わった場合には、回転中心から2つのFBG部12までの距離に差ができる。このため、2つのFBG部12が設けられている位置において、支持部材3は同じ方向に撓んでも撓み量には差が生じ、周波数シフト量に差が生じる。したがって、2つのFBG部12における周波数シフト量を比較すれば、測定対象Mの回転中心と慣性部材4の中心とがズレていても、測定対象Mに回転加速度が加わっている状態であることを判断することができる。そして、周波数シフト量の差を算出すれば、慣性部材4から測定対象Mの回転中心までの距離を算出することもできる。
In addition, when the rotation center of the measuring object M and the center of the
以上のごとくであるから、本実施形態の加速度センサ1を使用すれば、一つの加速度センサ1でも、加速度センサ1が取り付けられた測定対象Mの並進加速度と回転加速度の両方を測定することができるのである。
As described above, if the
(FBG部12の配設位置について)
なお、支持部材3に対して、2つのFBG部12を取り付ける取り付け方はとくに限定されないが、上述したように、支持部材3が板状の部材で形成されている場合には、2つのFBG部12を、その軸方向が板状の部材の軸方向と一致するように設けることが好ましい。この場合、支持部材3はその表面と交差する方向にその移動が制限されるので、支持部材3の表面の法線方向と加速度を測定したい方向とを一致させれば、所定の方向の加速度を精度よく測定することができる。
(Regarding the location of the FBG 12)
The mounting method for attaching the two
また、上記例では、2つのFBG部12を支持部材3の一方の面、つまり、支持部材3における同じ側の面に取り付けた場合を説明した。しかし、2つのFBG部12は、必ずしも同じ側の面に設けなくてもよく、逆側の面に設けてもよい。この場合には、周波数シフトの傾向が上記例とは逆の傾向となる。つまり、並進加速度が測定対象Mに加わった場合には2つのFBG部12の周波数シフトは逆の傾向を示し、回転加速度が測定対象Mに加わった場合には2つのFBG部12の周波数シフトは同じ傾向を示すようになる。
In the above example, the case where the two
さらに、2つのFBG部12は、慣性部材4を挟むように取り付けられていればよい。
しかし、支持部材3の各端部から慣性部材4までの距離が同じである場合、つまり、支持部材3が慣性部材4を挟んで対称となるように測定対象Mに設けられているような場合には、2つのFBG部12も慣性部材4を挟んで互いに対称となるように設けられていることが好ましい。この場合には、慣性部材4を挟んで対称な位置に発生する歪に基づいて加速度を算出するので、測定対象Mの並進加速度および回転加速度を正確に測定することができるという利点が得られる。また、光信号処理を簡単にすることができる場合もある。
Furthermore, the two
However, when the distance from each end of the
(支持部材3および慣性部材4について)
また、支持部材3の曲げ剛性はとくに限定されず、また、慣性部材4の質量もとくに限定されない。これらは、測定対象Mに加わる最大加速度や、加速度を測定する精度に合わせて適宜適切に設定すればよい。
そして、支持部材3の形状や素材ももちろん限定されないが、バネ鋼やリン青銅を素材として、振動モードが単純な形状とすれば、精度を向上させることができるので好ましい。
(About the
Further, the bending rigidity of the
Of course, the shape and material of the
同様に、慣性部材4の質量もとくに限定されず、測定対象Mに加速度が加わったときに、支持部材3に曲げや撓みなどの変形を生じさせることができる程度の質量であればよい。そして、慣性部材4の形状や素材ももちろん限定されないが、密度の大きい材料を素材として、慣性モーメントの大きい形状とすれば、精度を向上させることができるので好ましい。
Similarly, the mass of the
例えば、測定対象Mが車両などであれば、支持部材3として、両端間の長さが50〜100mm程度、厚さが0.2〜0.5mm程度のリン青銅製の板材を使用し、慣性部材4として質量約6g(素材:鉛)などを使用すれば、測定対象Mに加わる並進加速度や回転加速度を精度よく測定することができるし、センサを小型化できるなどの利点が得られる。
For example, if the measurement target M is a vehicle or the like, a phosphor bronze plate material having a length between both ends of about 50 to 100 mm and a thickness of about 0.2 to 0.5 mm is used as the
(他の実施形態の加速度センサ1)
測定対象Mが上記のごとき一対の壁面W1,W2を有していない場合であっても、図1(B)に示すように、一対の壁面2a,2bを有するケース2を設けて、このケース2内に支持部材3を配設して、このケース2を測定対象Mに取り付ければよい。すると、上述した場合と同様に、測定対象Mの加速度を測定することができる。
(
Even if the measurement object M does not have the pair of wall surfaces W1 and W2 as described above, a
とくに、ケース2内に支持部材3等を封入した場合には、本実施形態の加速度センサ1を一体のセンサセットとして取り扱うことができる。この場合、センサ部10の光ファイバー11が他の部材と干渉して損傷したりすることを防ぐことができるので、本実施形態の加速度センサ1の取り扱い性が向上する。そして、ケース2を測定対象Mに取り付けるだけで加速度センサ1を測定対象Mに設置できるので、本実施形態の加速度センサ1を測定対象Mに取り付けるための作業工数も少なくすることができる。
In particular, when the
また、上記例では、センサ部10が、FBG部12を有する光ファイバー11を2本使用する場合を説明した。
しかし、図3(A)に示すように、1本の光ファイバー11にFBG部12を2箇所設けて、支持部材3において慣性部材14を挟む位置に各FBG部12を設けてもよい。この場合には、制御装置CDを減らすことができるので、加速度センサ1を用いた測定のために必要な設備を小型化簡素化できるので好ましい。
In the above example, the case where the
However, as shown in FIG. 3A, two
さらに、図3(B)に示すように、測定対象Mの一対の壁面W1,W2間に弾性をほとんど有しない固定部材5を固定し、この固定部材5に一対の支持部材3,3を設けて、この一対の支持部材3,3にそれぞれセンサ部10のFBG部12,12を取り付けてもよい。
Further, as shown in FIG. 3B, a fixing
この場合には、一対の支持部材3,3を弾性材料によって形成し、一対の支持部材3,3を、その先端が自由端となるようにその基端を固定部材5に固定する。つまり、一対の支持部材3,3の先端がその基端を支点として揺動できるように(言い換えれば、一対の支持部材3,3が撓むことができるように)、一対の支持部材3,3を固定部材5に固定する。例えば、図3(B)であれば、固定部材5の軸方向、つまり、一対の壁面W1,W2の法線方向(図3では左右方向)に沿って揺動できるように、一対の支持部材3,3を固定する。そして、一対の支持部材3,3の先端に慣性部材4をそれぞれ設ける。すると、一対の壁面W1,W2間に支持部材3を設けた場合(図1参照)と同様に、測定対象Mの加速度が発生すると、一対の支持部材3,3が撓んで変形する。この変形を一対の支持部材3,3に設けた2つのFBG部12の周波数シフトに基づいて測定すれば、測定対象Mの加速度が並進加速度であるか、また、回転加速度であるかを把握することができる。
In this case, the pair of
とくに、一対の支持部材3,3の中心軸が、同一の基準面上に位置しかつ基準面内に沿って揺動するように配設されている場合には、2つのFBG部12,12を、その軸方向が基準面と互いに平行となるように一対の支持部材3,3にそれぞれ固定することが好ましい。この場合、一対の支持部材3,3の変形が基準面に沿った方向に制限されているので、基準面の面方向が加速度を測定したい方向と平行となるようにすれば、所定の方向、つまり、基準面の面方向に沿って発生する加速度を精度よく測定することができる。
In particular, when the central axes of the pair of
そして、図3(B)に示すような構造とした場合には、図1に示すような構造とした場合に比べて、加速度センサ1の設計の自由度が高くなるという利点が得られる。
When the structure shown in FIG. 3B is used, an advantage that the degree of freedom in designing the
本発明の加速度センサは、電気的なノイズが発生する電気自動車などの装置や構造物などの加速度や振動の測定に適している。 The acceleration sensor of the present invention is suitable for measuring acceleration and vibration of devices and structures such as electric vehicles that generate electrical noise.
1 加速度センサ
3 支持部材
4 慣性部材
5 固定部材
10 センサ部
11 光ファイバー
12 FBG部
M 測定対象
DESCRIPTION OF
Claims (7)
測定対象に両端が固定される、弾性材料によって形成された支持部材と、
該支持部材の両端間の中間に設けられた慣性部材と、
前記支持部材に取り付けられたセンサ部と、を備えており、
該センサ部は、
光ファイバーにファイバブラッググレーティングが形成されたFBG部を2つ有しており、
2つのFBG部は、
両者の軸方向が互いに平行となるように、前記支持部材における慣性部材を挟む位置に取り付けられている
ことを特徴とする加速度センサ。 A sensor for measuring acceleration of a measurement object,
A support member formed of an elastic material, both ends of which are fixed to the measurement target;
An inertia member provided in the middle between both ends of the support member;
A sensor unit attached to the support member,
The sensor unit is
It has two FBG parts with fiber Bragg gratings formed on the optical fiber,
The two FBG parts are
An acceleration sensor, which is attached to a position where the inertia member of the support member is sandwiched so that both axial directions are parallel to each other.
前記慣性部材を挟んで互いに対称となるように設けられている
ことを特徴とする請求項1記載の加速度センサ。 The two FBG parts are
The acceleration sensor according to claim 1, wherein the acceleration sensor is provided so as to be symmetrical with respect to the inertia member.
前記2つのFBG部は、
各FBG部の軸方向と前記支持部材の軸方向とが互いに平行となるように、各FBG部が前記支持部材の表面に固定されている
ことを特徴とする請求項1または2記載の加速度センサ。 The support member is formed of a plate-shaped member;
The two FBG parts are
3. The acceleration sensor according to claim 1, wherein each FBG portion is fixed to a surface of the support member so that an axial direction of each FBG portion and an axial direction of the support member are parallel to each other. .
測定対象に固定される固定部材と、
先端が自由端となるように基端が前記固定部材に固定された、弾性材料によって形成された一対の支持部材と、
該一対の支持部材の先端に設けられた一対の慣性部材と、
該一対の支持部材に取り付けられたセンサ部と、を備えており、
前記一対の支持部材は、
前記固定部材を挟んで互いに対称となるように設けられており、
前記センサ部は、
光ファイバーにファイバブラッググレーティングが形成されたFBG部を2つ有しており、
該2つのFBG部は、
両者の軸方向が互いに平行となるように前記一対の支持部材にそれぞれ取り付けられている
ことを特徴とする加速度センサ。 A sensor for measuring acceleration of a measurement object,
A fixing member fixed to the measurement object;
A pair of support members formed of an elastic material, the base end of which is fixed to the fixing member such that the tip is a free end;
A pair of inertia members provided at the tips of the pair of support members;
A sensor unit attached to the pair of support members,
The pair of support members are
Provided so as to be symmetric with respect to the fixing member,
The sensor unit is
It has two FBG parts with fiber Bragg gratings formed on the optical fiber,
The two FBG parts are
An acceleration sensor, wherein the acceleration sensor is attached to the pair of support members so that both axial directions are parallel to each other.
前記固定部材を挟んで互いに対称となるように設けられている
ことを特徴とする請求項4記載の加速度センサ。 The two FBG parts are
The acceleration sensor according to claim 4, wherein the acceleration sensor is provided so as to be symmetrical with respect to the fixing member.
前記一対の支持部材は、
該一対の支持部材の中心軸が、同一の基準面上に位置しかつ該基準面内に沿って揺動するように配設されており、
前記2つのFBG部は、
各FBG部の軸方向が前記基準面と互いに平行となるように、各FBG部が前記一対の支持部材にそれぞれ固定されている
ことを特徴とする請求項4または5記載の加速度センサ。 The pair of support members are formed by plate-like members,
The pair of support members are
The central axes of the pair of support members are disposed on the same reference plane and are oscillated along the reference plane.
The two FBG parts are
6. The acceleration sensor according to claim 4, wherein each FBG portion is fixed to the pair of support members so that axial directions of the FBG portions are parallel to the reference plane.
一本の光ファイバーにファイバブラッググレーティングを2ヶ所形成して、前記2つのFBG部を形成している
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の加速度センサ。 The sensor unit is
The acceleration sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein two fiber Bragg gratings are formed on one optical fiber to form the two FBG portions.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012171574A JP2014032054A (en) | 2012-08-02 | 2012-08-02 | Acceleration sensor |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2012171574A JP2014032054A (en) | 2012-08-02 | 2012-08-02 | Acceleration sensor |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2014032054A true JP2014032054A (en) | 2014-02-20 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2012171574A Pending JP2014032054A (en) | 2012-08-02 | 2012-08-02 | Acceleration sensor |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2014032054A (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN116183960A (en) * | 2023-01-06 | 2023-05-30 | 石家庄铁道大学 | FBG acceleration sensor based on bearing and flexible hinge and measuring method |
-
2012
- 2012-08-02 JP JP2012171574A patent/JP2014032054A/en active Pending
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