JPH02103448A - 材料の化学特性を検出する装置および方法ならびにセンサー - Google Patents
材料の化学特性を検出する装置および方法ならびにセンサーInfo
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- JPH02103448A JPH02103448A JP1041939A JP4193989A JPH02103448A JP H02103448 A JPH02103448 A JP H02103448A JP 1041939 A JP1041939 A JP 1041939A JP 4193989 A JP4193989 A JP 4193989A JP H02103448 A JPH02103448 A JP H02103448A
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- G01N2021/432—Dip refractometers, e.g. using optical fibres comprising optical fibres
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は−・般に材料の化学的特性を検出するためのセ
ンサーに関し、さらに詳しくは、分光測定システムに使
用するためのセンサーに関する。
ンサーに関し、さらに詳しくは、分光測定システムに使
用するためのセンサーに関する。
製造過程で材料における化学的変化をモニターすること
はしばしば好ましい。このことは特に最代の複合材の場
合に真実である。この複合材は、適切に製造された場合
、一体型の材料と比較して同じ強度と剛性を有するが重
量はかなり低下するものである。
はしばしば好ましい。このことは特に最代の複合材の場
合に真実である。この複合材は、適切に製造された場合
、一体型の材料と比較して同じ強度と剛性を有するが重
量はかなり低下するものである。
繊維強化複合材から作られる物品の製造において、繊維
とポリマー樹脂の組合わせを用いてプライを形成するか
または積層し、これは予め定められた方向で積層される
。積層後、複合材を通常高温にてオートクレーブ中で硬
化して所望の方法てポリマーを架橋する。硬化方法は通
常“熱硬化″と言われている。複合材の特性は、繊維と
ポリマー樹脂マｌ−’Ｊックス成分を変えるか、または
繊維の配向を変えるか、またはポリマー樹脂の架橋方法
もしくは程度を変えることにより選択的に変えることが
できる。特に、製法の条件、主温度および圧力により架
橋が影響される。
とポリマー樹脂の組合わせを用いてプライを形成するか
または積層し、これは予め定められた方向で積層される
。積層後、複合材を通常高温にてオートクレーブ中で硬
化して所望の方法てポリマーを架橋する。硬化方法は通
常“熱硬化″と言われている。複合材の特性は、繊維と
ポリマー樹脂マｌ−’Ｊックス成分を変えるか、または
繊維の配向を変えるか、またはポリマー樹脂の架橋方法
もしくは程度を変えることにより選択的に変えることが
できる。特に、製法の条件、主温度および圧力により架
橋が影響される。
非常に優れた構造特性を有する繊維強化複合材を作るこ
とができるとはいえ、均一な構造特性を有する複合材を
確実に製造する大量生産技術を発展することはしばしば
困難である。しばしば、再現性を得る困難さは不十分な
プロセスコントロール情報にまでさかのぼることができ
る。生産の間のプロセスコントロール情報における不十
分さは高い検査コストの原因となり、その結果連続生産
量の大部分が規格外れとして廃棄されることになる。
とができるとはいえ、均一な構造特性を有する複合材を
確実に製造する大量生産技術を発展することはしばしば
困難である。しばしば、再現性を得る困難さは不十分な
プロセスコントロール情報にまでさかのぼることができ
る。生産の間のプロセスコントロール情報における不十
分さは高い検査コストの原因となり、その結果連続生産
量の大部分が規格外れとして廃棄されることになる。
繊維強化複合材の製造の間のプロセスコントロール情報
の必要性に応えて、いわゆる誘導加熱硬化制御の技術が
発展した。この方法によれば、検出ワイヤが複合材に埋
設され硬化の間に誘電率を測定する。誘電加熱硬化モニ
ターは、これが“リアルタイム”法、すなわち、モニタ
ーする事象と同時に測定を行ないしたがってほぼ同時の
プロセス調節（たとえば、温度および圧力における変化
）を行なうことができるという利点を有する。残念なこ
とに、誘電加熱硬化法は外部要因たとえば機械的空所や
吸湿がしばしば測定の妨げとなり見せかけの結果を起こ
すという欠点を有する。また、誘導加熱硬化モニター法
は一般に非破壊的試験法として考えられているが、埋設
された誘導加熱検出ワイヤが複合材の微小クラッキング
を起こしうる。
の必要性に応えて、いわゆる誘導加熱硬化制御の技術が
発展した。この方法によれば、検出ワイヤが複合材に埋
設され硬化の間に誘電率を測定する。誘電加熱硬化モニ
ターは、これが“リアルタイム”法、すなわち、モニタ
ーする事象と同時に測定を行ないしたがってほぼ同時の
プロセス調節（たとえば、温度および圧力における変化
）を行なうことができるという利点を有する。残念なこ
とに、誘電加熱硬化法は外部要因たとえば機械的空所や
吸湿がしばしば測定の妨げとなり見せかけの結果を起こ
すという欠点を有する。また、誘導加熱硬化モニター法
は一般に非破壊的試験法として考えられているが、埋設
された誘導加熱検出ワイヤが複合材の微小クラッキング
を起こしうる。
熱硬化の間に複合材の状態を検知するために使われた別
の方法は、フーリエ変換赤外線（ＦＴ−ＩＲ）スペクト
ルモニター法である。この技術は、ＳＡＭＰＥ（ネバダ
州うスベガス、１９８６年４月８−１０日）に、ピー・
ヤング（Ｐ、Ｙｏｕｎｇ）とニー・チャン（Ａ、 Ｃｈ
ａｎｇ）による“改善した材料のＦＴＩＲ特性″という
標題の論文に記載されている。ヤングとチャンにより記
載されたこの方法では、赤外線を複合材の表面に導入し
、反射した赤外線を集めて測定する。硬化サイクルの間
反射した赤外線における変化を分光測定分析することに
より、ヤングとチャンはモニターした材料による波長の
吸収を測定することができる。次いで分光測定情報を硬
化状態すなわち複合材におけるポリマー樹脂の架橋と関
連させる。
の方法は、フーリエ変換赤外線（ＦＴ−ＩＲ）スペクト
ルモニター法である。この技術は、ＳＡＭＰＥ（ネバダ
州うスベガス、１９８６年４月８−１０日）に、ピー・
ヤング（Ｐ、Ｙｏｕｎｇ）とニー・チャン（Ａ、 Ｃｈ
ａｎｇ）による“改善した材料のＦＴＩＲ特性″という
標題の論文に記載されている。ヤングとチャンにより記
載されたこの方法では、赤外線を複合材の表面に導入し
、反射した赤外線を集めて測定する。硬化サイクルの間
反射した赤外線における変化を分光測定分析することに
より、ヤングとチャンはモニターした材料による波長の
吸収を測定することができる。次いで分光測定情報を硬
化状態すなわち複合材におけるポリマー樹脂の架橋と関
連させる。
ヤングとチャン（上記参照）により実施されたＦＴ−Ｉ
Ｒ硬化モニター法の欠点は、化学特性が複合材の表面付
近を検知するだけであることである。
Ｒ硬化モニター法の欠点は、化学特性が複合材の表面付
近を検知するだけであることである。
実際、表面状態は複合材で形成されたアイテムのかなり
の深さの状態を必ずしも表わしてはおらず、それゆえ、
ヤングとチャンによって行なわれたＦＴ−ＩＲ分光器分
析は樹脂が複合材の様々な層で適正に架橋（すなわち、
硬化）されているかどうかを常に完全に示すとは限らな
い。
の深さの状態を必ずしも表わしてはおらず、それゆえ、
ヤングとチャンによって行なわれたＦＴ−ＩＲ分光器分
析は樹脂が複合材の様々な層で適正に架橋（すなわち、
硬化）されているかどうかを常に完全に示すとは限らな
い。
上述の点で、たとえば硬化する間の化学的変化を、たと
えば繊維強化複合材のような材料から組立てた物品のか
なりの深さで直接モニターすることができる技術の必要
性が存在することは理解されるであろう。これが、本発
明の課題である。
えば繊維強化複合材のような材料から組立てた物品のか
なりの深さで直接モニターすることができる技術の必要
性が存在することは理解されるであろう。これが、本発
明の課題である。
Ｃ課題を解決するための手段〕
上記した課題は、本発明によれば、材料に埋設された光
ファイバーであって該ファイバーがクラッド不含センサ
ー部を有するもの； 前記ファイバーへ光学線を導入するために接続された光
源手段： 前記光学線を変調するエンコード手段；および変調した
光学線のスペクトルの少なくとも一部を検知しこれによ
りセンサー部が埋設された材料の化学特性を検知するた
めのファイバーに接続したスペクトル分析手段； からなる、材料内部の化学特性を検出するシステムによ
って解決することができる。なお、課題を解決するため
のその他の手段は、以下の説明から明らかとなるであろ
う。
ファイバーであって該ファイバーがクラッド不含センサ
ー部を有するもの； 前記ファイバーへ光学線を導入するために接続された光
源手段： 前記光学線を変調するエンコード手段；および変調した
光学線のスペクトルの少なくとも一部を検知しこれによ
りセンサー部が埋設された材料の化学特性を検知するた
めのファイバーに接続したスペクトル分析手段； からなる、材料内部の化学特性を検出するシステムによ
って解決することができる。なお、課題を解決するため
のその他の手段は、以下の説明から明らかとなるであろ
う。
第１図は、材料の化学的特性を測定するための本発明に
よるスペクトル分析システムの略示図である。このシス
テムは、硬化の間の繊維強化複合材における樹脂の架橋
程度を検知するのに特に有効であるが、しかしその利用
はこのような用途に限定されない。たとえばこのシステ
ムは、気体および液体を含む流体、ならびに埋設された
光ファイバーの存在により悪影響を受けない固体におけ
る化学状態を検知するのに使用されうる。
よるスペクトル分析システムの略示図である。このシス
テムは、硬化の間の繊維強化複合材における樹脂の架橋
程度を検知するのに特に有効であるが、しかしその利用
はこのような用途に限定されない。たとえばこのシステ
ムは、気体および液体を含む流体、ならびに埋設された
光ファイバーの存在により悪影響を受けない固体におけ
る化学状態を検知するのに使用されうる。
概略すれば、第１図に示されるスペクトル分析システム
の構成品は、材料１１の一部に予め定めた位置にて埋設
された１本以上の光ファイバー１３と、ファイバー１３
へ光線を送るために接続された光エンコーダ−１７と、
ファイバーから発する光線を受けるために接続された検
知器１９と、検知された光線を分析するために接続され
た光デコーダー２１とからなる。以下に詳細に記載する
ように、各光ファイバー１３はセンサー部分を有する。
の構成品は、材料１１の一部に予め定めた位置にて埋設
された１本以上の光ファイバー１３と、ファイバー１３
へ光線を送るために接続された光エンコーダ−１７と、
ファイバーから発する光線を受けるために接続された検
知器１９と、検知された光線を分析するために接続され
た光デコーダー２１とからなる。以下に詳細に記載する
ように、各光ファイバー１３はセンサー部分を有する。
光ファイバー１３と材料１１はデコーダー２１の外部に
位置することは理解されるべきである。
位置することは理解されるべきである。
他方、第１図のシステムでは材料１１の比較的小さなサ
ンプルをデコーダーでの分析のために得る必要はないし
またデコーダーを不利な環境たとえばオートクレーブ中
に置いてスペクトル分析を行なう必要もない。
ンプルをデコーダーでの分析のために得る必要はないし
またデコーダーを不利な環境たとえばオートクレーブ中
に置いてスペクトル分析を行なう必要もない。
概略すれば、デコーダー２１は人力信号のスペクトルを
区別する、すなわち少なくともスペクトルの一部を解読
する装置である。（信号は時間領域に物理的に存在する
が、これらは様）、・な振動数と振幅を有するシヌソイ
ド成分、すなわちスペクトルからなるものとして分析さ
れうる。）好ましい実施態様において、デコーダー２１
はいわゆるフーリエ変換赤外線（ＦＴ−ＩＲ）分光計で
ある。概略すれば、フーリエ変換（ＦＴ）分光計はフー
リエ分析に基づく数学的方法を用いて時間領域信号を分
析しこれらのスペクトル図に達する分光計である。フー
リエ変換赤外線（ＦＴ−４Ｒ）分光計は、フーリエ分析
による赤外線信号の振動数成分を解読する分光計である
。このような分光計は様々な供給源から市販されており
、通常マイクロプロセッサ−に基づく。
区別する、すなわち少なくともスペクトルの一部を解読
する装置である。（信号は時間領域に物理的に存在する
が、これらは様）、・な振動数と振幅を有するシヌソイ
ド成分、すなわちスペクトルからなるものとして分析さ
れうる。）好ましい実施態様において、デコーダー２１
はいわゆるフーリエ変換赤外線（ＦＴ−ＩＲ）分光計で
ある。概略すれば、フーリエ変換（ＦＴ）分光計はフー
リエ分析に基づく数学的方法を用いて時間領域信号を分
析しこれらのスペクトル図に達する分光計である。フー
リエ変換赤外線（ＦＴ−４Ｒ）分光計は、フーリエ分析
による赤外線信号の振動数成分を解読する分光計である
。このような分光計は様々な供給源から市販されており
、通常マイクロプロセッサ−に基づく。
これに代わり、デコーダー２１は、光の異なった波長を
区別する他の通常の装置としてもよい。
区別する他の通常の装置としてもよい。
たとえば、デコーダー２１はモノクロメータ−でもよい
。別の例として、デコーダー２１は光度計を配列したも
のからなり、その各々は光の異なった波長を検出する。
。別の例として、デコーダー２１は光度計を配列したも
のからなり、その各々は光の異なった波長を検出する。
しかしながら、このような装置は一般にＦＴ−ＩＲ分光
計より精度が低いということは注意すべきである。
計より精度が低いということは注意すべきである。
実際に、分光測定情報は第１図に示すシステムにおいて
中間赤外光線（ｍｉｄ−ＩＲｌｉｇｈｔ）から得るのが
好ましい。このような関係において、中間赤外光線とは
、約２〜約２０μの範囲の波長を有する光を意味する。
中間赤外光線（ｍｉｄ−ＩＲｌｉｇｈｔ）から得るのが
好ましい。このような関係において、中間赤外光線とは
、約２〜約２０μの範囲の波長を有する光を意味する。
ＦＴ−ＩＲ分光測定分析に興味のある波長帯は通常約５
〜約１５陶であり、これはしばしば“指紋領域”と呼ば
れている。
〜約１５陶であり、これはしばしば“指紋領域”と呼ば
れている。
エンコーダー１７の目的は、直接光ファイバー１３へ導
びく光を変調する、すなわち符号化（エンコード）する
ことである。図示した実施態様において、エンコーダー
１１は光源２３を有する干渉計、光源２３からの光を受
けるために位置する半一銀鏡２５、および半一銀鏡２５
からの透過光と反射光をそれぞれ受けるために位置した
一対の鏡２７と２９とからなる。鏡２７と２９の少なく
とも一つは他方と関連して選択的に移動可能でこれによ
り波長の置換すなわち符号化を行なう。同時に、３つの
鏡２５．２７および２９が機能して４番目の鏡３１へ光
を導びき、これは次に光ファイバー１３の隣接する端部
へ光を導びく。
びく光を変調する、すなわち符号化（エンコード）する
ことである。図示した実施態様において、エンコーダー
１１は光源２３を有する干渉計、光源２３からの光を受
けるために位置する半一銀鏡２５、および半一銀鏡２５
からの透過光と反射光をそれぞれ受けるために位置した
一対の鏡２７と２９とからなる。鏡２７と２９の少なく
とも一つは他方と関連して選択的に移動可能でこれによ
り波長の置換すなわち符号化を行なう。同時に、３つの
鏡２５．２７および２９が機能して４番目の鏡３１へ光
を導びき、これは次に光ファイバー１３の隣接する端部
へ光を導びく。
この際、干渉計以外の光エンコーダーも第１図に示すシ
ステムで使用できうろことは理解されるべきである。た
とえば、スペクトル回折格子装置も使用できうる。この
ような符号化装置の重大な特徴はこれらが分光計２１に
よる分析のだ狛に光を調節する、すなわちエンコードす
ることである。
ステムで使用できうろことは理解されるべきである。た
とえば、スペクトル回折格子装置も使用できうる。この
ような符号化装置の重大な特徴はこれらが分光計２１に
よる分析のだ狛に光を調節する、すなわちエンコードす
ることである。
また、光エンコーダーは光ファイバーの光源と同じ端部
に設ける必要がないことは理解されるべきである。事実
、エンコーダーをファイパーツ端部とデコーダーの間に
置く限りは、エンコーダーを光ファイバーの光デコーダ
と同じ端部に設けることもできる。
に設ける必要がないことは理解されるべきである。事実
、エンコーダーをファイパーツ端部とデコーダーの間に
置く限りは、エンコーダーを光ファイバーの光デコーダ
と同じ端部に設けることもできる。
第１図のシステムにおける検知器１９は幾つかの通常の
変換器のうちのいずれでもよい。たとえば、検知器１９
は光を電気信号へ変換する通常の焦電気検知器または通
常の光電子検知器である。
変換器のうちのいずれでもよい。たとえば、検知器１９
は光を電気信号へ変換する通常の焦電気検知器または通
常の光電子検知器である。
概略すれば、検知器１９の目的はデコーダー２１に興味
のあるバンドと少なくとも同じ広さの波長バンドを越え
た赤外線を非選択的に検知することである。
のあるバンドと少なくとも同じ広さの波長バンドを越え
た赤外線を非選択的に検知することである。
次いで第２図において、光ファイバー１３を詳細に示す
。概略すれば、図示したファイバーはガラスコア３２と
コアの周囲を被覆するクラッド部３３とを含む。クラッ
ド部３３は、コアの側面から光の侵入または放出を防止
する目的を有する。
。概略すれば、図示したファイバーはガラスコア３２と
コアの周囲を被覆するクラッド部３３とを含む。クラッ
ド部３３は、コアの側面から光の侵入または放出を防止
する目的を有する。
様々なりラッド材料が使用可能であるが、最も適当なも
のはクラッド部−コア界面で赤外線の高い全内部反射を
もたらす屈折率を有するものである。
のはクラッド部−コア界面で赤外線の高い全内部反射を
もたらす屈折率を有するものである。
この必要性は逆に言えば好ましいクラッド材料とは赤外
線の強い内部吸収を有さないものということもできる。
線の強い内部吸収を有さないものということもできる。
第２図に示した実施態様において、クラッド部３３はコ
ア３２が直接材料１１に対し露出しているクラッド不含
部３９を除いてコア３２の全長さに広がっている。クラ
ッド不含部３９は第１図のシステムにおけるその機能を
表わすために“センサー部′”と呼ばれる。代表的に、
センサー部３９の直径は約５０〜約３００側の範囲であ
る。実際、センサー部３９はコア３２からクラッド部３
３を除くかまたはクラッド不含コア部分を光ファイバー
に融着させることにより形成される。後者の代用室に関
して、好ましい実施態様ではセンサー部の材質は光ファ
イバーの残りと同じであるが光ファイバーの残りはセン
サー部３２と同じ材質で作られる必要はないということ
は理解されるべきである。
ア３２が直接材料１１に対し露出しているクラッド不含
部３９を除いてコア３２の全長さに広がっている。クラ
ッド不含部３９は第１図のシステムにおけるその機能を
表わすために“センサー部′”と呼ばれる。代表的に、
センサー部３９の直径は約５０〜約３００側の範囲であ
る。実際、センサー部３９はコア３２からクラッド部３
３を除くかまたはクラッド不含コア部分を光ファイバー
に融着させることにより形成される。後者の代用室に関
して、好ましい実施態様ではセンサー部の材質は光ファ
イバーの残りと同じであるが光ファイバーの残りはセン
サー部３２と同じ材質で作られる必要はないということ
は理解されるべきである。
その光特性に関して、センサー部３２は、最も意義のあ
る信号情報をデコーダー２１へ提供する波長がほとんど
減衰することなく光を透過する材料で作られるべきであ
る。その物理特性に関し、感知部は硬化の間に繊維強化
複合材中に埋められることに耐えることができる材料で
形成されるべきである；定量的には、これはコア材料の
ガラス転移温度、Ｔｇ、が約３５０℃を越えるべきであ
るということで表わされる。センサー部３２は、興味あ
る波長にわたってファイバーが埋設された材料に対し高
い屈折率を有する材料で形成されるべきである。たとえ
ば、屈折率は繊維強化複合材に対し約２．０を越えるの
が好ましい。この点について、屈折率は与えられた材料
に対し波長で変化するということは注意すべきである。
る信号情報をデコーダー２１へ提供する波長がほとんど
減衰することなく光を透過する材料で作られるべきであ
る。その物理特性に関し、感知部は硬化の間に繊維強化
複合材中に埋められることに耐えることができる材料で
形成されるべきである；定量的には、これはコア材料の
ガラス転移温度、Ｔｇ、が約３５０℃を越えるべきであ
るということで表わされる。センサー部３２は、興味あ
る波長にわたってファイバーが埋設された材料に対し高
い屈折率を有する材料で形成されるべきである。たとえ
ば、屈折率は繊維強化複合材に対し約２．０を越えるの
が好ましい。この点について、屈折率は与えられた材料
に対し波長で変化するということは注意すべきである。
感知部１３の現在好ましいコア材料はカルコゲン化物ガ
ラスであり、たとえばアルゼンゲルマニウム−セレニド
ガラスである。オートクレーブ中で通常の硬化温度を切
り抜けるカルコゲン化物ガラス繊維が市販されているば
かりでなく、カルコゲン化物ガラスは中間赤外線波長で
ほとんどの繊維強化複合材に対し高い屈折率（通常２．
０越え）を有する。適当なカルコゲン化物ガラス繊維は
様々な供給源から市販されている。
ラスであり、たとえばアルゼンゲルマニウム−セレニド
ガラスである。オートクレーブ中で通常の硬化温度を切
り抜けるカルコゲン化物ガラス繊維が市販されているば
かりでなく、カルコゲン化物ガラスは中間赤外線波長で
ほとんどの繊維強化複合材に対し高い屈折率（通常２．
０越え）を有する。適当なカルコゲン化物ガラス繊維は
様々な供給源から市販されている。
感知部３２に適する別の材料は金属フッ化物ガラスであ
る。フッ化物ガラス材料は市販されており、比較的低い
透過損失（たとえば、１００ｄＢ／ｋｍ未満）と約３５
０℃のガラス転移温度を有する。
る。フッ化物ガラス材料は市販されており、比較的低い
透過損失（たとえば、１００ｄＢ／ｋｍ未満）と約３５
０℃のガラス転移温度を有する。
金属フッ化物ガラス繊維は比較的少ない光減衰を存する
ので、このような繊維は近赤外線、すなわち約１〜５卿
の波長の光線のＦＴ−ＩＲ分析に用いられうる。
ので、このような繊維は近赤外線、すなわち約１〜５卿
の波長の光線のＦＴ−ＩＲ分析に用いられうる。
第１図のシステムの操作を、第２図の光ファイバーを用
いた場合に説明する。最初に、少なくとも一本の光ファ
イバー１３を材料中に埋設しこれをたとえばオートクレ
ーブ処理により加工し、埋設している材料１１がファイ
バーのセンサー部３９に直接接触していると仮定する。
いた場合に説明する。最初に、少なくとも一本の光ファ
イバー１３を材料中に埋設しこれをたとえばオートクレ
ーブ処理により加工し、埋設している材料１１がファイ
バーのセンサー部３９に直接接触していると仮定する。
最初にまたエンコーダー１７を操作してファイバーの端
部へまたは端部から外へ光を通過させるき仮定する。
部へまたは端部から外へ光を通過させるき仮定する。
このような条件下で、光はクラッド不含センサー部３９
に達するまでファイバー中を移動する。クラノド不含セ
ンサー部を通して、ファイバーのコア３２の側壁に投じ
る光は周囲の材料により一部が反射し一部が相接する。
に達するまでファイバー中を移動する。クラノド不含セ
ンサー部を通して、ファイバーのコア３２の側壁に投じ
る光は周囲の材料により一部が反射し一部が相接する。
反射および屈折の程度はセンサー部３９の特性ならびに
周囲材料１１の性質と状態による。さらに、反射および
屈折の程度は周囲材料の化学的変化で変わり、そして光
の幾つかの波長における反射および屈折の変化程度は他
の波長におけるものより実質的に異なる。より技術的用
語で述べれば、センサー部での光の挙動は減衰全反射（
ＡＴＲ）として知られる現象により説明される。ＡＴＲ
現象において、反射光は、光の電気ベクトルが反射表面
の材料における化学結合と反応するのに十分に反射表面
を透過すると仮定される。この文献において、ＡＴＲ現
象はしばしば“フラストレーテッド全内部反射（ｆｒｕ
ｓｔｒａｔｅｄｔｏｔａｌ １ｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆ
ｌｅｃｔｉｏｎ）、略してＦＴＩＲと呼ばれている。
周囲材料１１の性質と状態による。さらに、反射および
屈折の程度は周囲材料の化学的変化で変わり、そして光
の幾つかの波長における反射および屈折の変化程度は他
の波長におけるものより実質的に異なる。より技術的用
語で述べれば、センサー部での光の挙動は減衰全反射（
ＡＴＲ）として知られる現象により説明される。ＡＴＲ
現象において、反射光は、光の電気ベクトルが反射表面
の材料における化学結合と反応するのに十分に反射表面
を透過すると仮定される。この文献において、ＡＴＲ現
象はしばしば“フラストレーテッド全内部反射（ｆｒｕ
ｓｔｒａｔｅｄｔｏｔａｌ １ｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆ
ｌｅｃｔｉｏｎ）、略してＦＴＩＲと呼ばれている。
第１図のシステムの別の操作において、クラッド不含セ
ンサー部と周囲材料との界面で反射する光は検知器１９
まで運ばれる。次いで検知器１９は様々な波長の光を相
当する電気信号へ転換する。
ンサー部と周囲材料との界面で反射する光は検知器１９
まで運ばれる。次いで検知器１９は様々な波長の光を相
当する電気信号へ転換する。
検知器１９からの電気信号は、信号スペクトルを分析す
るデコーダー２１へ伝わる。（２個以上の光ファイバー
を使用する場合、各ファイバーからの信号は通常の多重
通信法を用いて別に分析されうる。）スペクトル分析は
、たとえばオートクレーブ中での処理条件たとえば温度
と圧力を変える基礎として使用することができる。
るデコーダー２１へ伝わる。（２個以上の光ファイバー
を使用する場合、各ファイバーからの信号は通常の多重
通信法を用いて別に分析されうる。）スペクトル分析は
、たとえばオートクレーブ中での処理条件たとえば温度
と圧力を変える基礎として使用することができる。
第３図に感知部１３９を有する光ファイバー１１３を示
す。これは第２図のファイバーの感知器３９と役回学的
には異なるが機能的に同じである。第３図において、光
ファイバー１１３はファイバー先端のクラッド不含感知
部１３９を除いてクラッド部１３３により囲まれている
。好ましくは、クラッド不含チップはらせん形またはピ
ラミッド形状である。しかしながら、これに代わりクラ
ッド不含チップは平らで暦かれた端部でもよい。
す。これは第２図のファイバーの感知器３９と役回学的
には異なるが機能的に同じである。第３図において、光
ファイバー１１３はファイバー先端のクラッド不含感知
部１３９を除いてクラッド部１３３により囲まれている
。好ましくは、クラッド不含チップはらせん形またはピ
ラミッド形状である。しかしながら、これに代わりクラ
ッド不含チップは平らで暦かれた端部でもよい。
第３図の光ファイバー１１３は、光源およびデコーダー
２１がファイバーの同じ端部に位置するものを除いて第
１図のシステムと同じ分光測定システムに用いられうる
。手肌して、これはビームスフ。
２１がファイバーの同じ端部に位置するものを除いて第
１図のシステムと同じ分光測定システムに用いられうる
。手肌して、これはビームスフ。
リッターを備えて受けた光から発生光線を分離すること
により達成されるであろう。このような機能を行なうビ
ームスプリッタ−は良く知られている。
により達成されるであろう。このような機能を行なうビ
ームスプリッタ−は良く知られている。
以上、本発明の好ましい実施態様を図示して説明したが
、これらの変形、代用および等漬物もまた当業者にとっ
て明らかであろう。最も重要なことは、上記の分光測定
システムが繊維強化複合材以外の材料の化学的状態をそ
の場でしかも即時に検知することに使用されうるという
ことを認識すべきである。また、上記システムの利用は
、比較的暖な変化たとえば構造材料における疲れのよう
な化学変化が生ずる環境のどのようなものにまでも広が
るものである。
、これらの変形、代用および等漬物もまた当業者にとっ
て明らかであろう。最も重要なことは、上記の分光測定
システムが繊維強化複合材以外の材料の化学的状態をそ
の場でしかも即時に検知することに使用されうるという
ことを認識すべきである。また、上記システムの利用は
、比較的暖な変化たとえば構造材料における疲れのよう
な化学変化が生ずる環境のどのようなものにまでも広が
るものである。
第１図は、本発明によるシステムの概略図であり；
第２図は、第１図のシステムで使用するセンサーをそれ
を明確にするために拡大した断面図であり； 第３図は、第１図のシステムで使用するセンサーの別の
実施態様をそれを明確にするために拡大した断面図であ
る。 図中、１１は材料、１３は光ファイバー、１７は光エン
コーダ−，１９は検知器、２１は光デコーダー ２３は
光源、３２はコア部、３３はクラッド部、そして３９及
び１３９はセンサー部である。
を明確にするために拡大した断面図であり； 第３図は、第１図のシステムで使用するセンサーの別の
実施態様をそれを明確にするために拡大した断面図であ
る。 図中、１１は材料、１３は光ファイバー、１７は光エン
コーダ−，１９は検知器、２１は光デコーダー ２３は
光源、３２はコア部、３３はクラッド部、そして３９及
び１３９はセンサー部である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、材料に埋設された光ファイバーであって該ファイバ
ーがクラッド不含センサー部を有するもの； 前記ファイバーへ光学線を導入するために接続された光
源手段； 前記光学線を変調するエンコード手段；および変調した
光学線のスペクトルの少なくとも一部を検知しこれによ
りセンサー部が埋設された材料の化学特性を検知するた
めのファイバーに接続したスペクトル分析手段； からなる、材料内部の化学特性を検出するシステム。 ２、前記クラッド不含センサー部がファイバー末端間の
部分からなり、そして前記光源手段がファイバーの一端
に接続され、かつスペクトル分析手段がファイバーの他
端に接続されてなる、請求項１に記載のシステム。 ３、前記クラッド不含センサー部がファイバーの一端に
あり、赤外線の光源手段とスペクトル分析器がファイバ
ーの同じ端部に接続されている、請求項１に記載のシス
テム。 ４、光ファイバーがスペクトル分析手段の外側に延在す
る、請求項１に記載のシステム。５、ファイバーのクラ
ッド不含センサー部のチップが一般に尖っている、請求
項１に記載のシステム。 ６、スペクトル分析装置がフーリエ変換分析器からなる
、請求項１に記載のシステム。 ７、エンコード手段が干渉計からなる、請求項１に記載
のシステム。 ８、前記クラッド不含センサー部がカルコゲン化物ガラ
スから形成される、請求項１に記載のシステム。 ９、前記カルコゲン化物ガラスがヒ素ゲルマニウム−セ
レニドガラスである、請求項８に記載のシステム。 １０、センサー部が金属フッ化物ガラスから形成される
、請求項１に記載のシステム。 １１、繊維強化複合材に埋設された光ファイバーであっ
て、該ファイバーがクラッド不含センサー部を有しファ
イバーの残りはクラッドを有しており； ファイバーへ赤外線を導入するための光源手段；ファイ
バーの端部から出る赤外線を検知するために接続された
検知器； センサー部に隣接する複合材に吸収される赤外線スペク
トルの少なくとも一部を測定する検知器に接続したスペ
クトル分析器； からなる、繊維強化複合材内部の化学的状態のその場に
おける検知を提供するシステム。１２、前記クラッド不
含センサー部がファイバーの端部間に位置する部分から
なり、光源がファイバーの一端に接続しスペクトル分析
器がファイバーの他端に接続する、請求項１１に記載の
システム。 １３、前記クラッド不含センサー部がファイバーの一端
にある、請求項１１に記載のシステム。 １４、光源およびスペクトル分析器がビームスプリッタ
ーを介してファイバーの同じ端部と光学的に関連してい
る、請求項１３に記載のシステム。 １５、スペクトル分析器がフーリエ変換分析器からなる
、請求項１１に記載のシステム。１６、センサー部とス
ペクトル分析器の間に位置する干渉計をさらに有する、
請求項１１に記載のシステム。 １７、クラッド不含センサー部を有する光ファイバーを
形成し； 光ファイバーのセンサー部を分析すべき材料に埋設し； 光をファイバーへ導入し；そして ファイバーに接続したスペクトル分析器を操作してセン
サー部に隣接する材料により吸収される赤外線スペクト
ルの少なくとも一部を分析する；ことからなる、材料内
部の化学特性を検知する方法。 １８、前記材料が熱硬化可能なマトリックス樹脂である
、請求項１７に記載の方法。 １９、樹脂が硬化する間に分析器を操作する、請求項１
８に記載の方法。 ２０、分析器が樹脂の架橋程度を測定する、請求項１９
に記載の方法。 ２１、それぞれがセンサー部を有する複数の光ファイバ
ーを選択した位置で材料に埋込む、請求項１７に記載の
方法。 ２２、分析すべき材料が分析器の外部に位置する、請求
項１７に記載の方法。 ２３、分析器がフーリエ変換赤外線分析器である、請求
項２２に記載の方法。 ２４、分析される放射線が中間赤外線スペクトルである
、請求項２３に記載に方法。 ２５、分析される放射線の波長が約５〜約１５μｍの範
囲である、請求項２４に記載の方法。 ２６、スペクトル分析を減衰した全反射率を測定するこ
とにより行なう、請求項２５に記載の方法。 ２７、クラッド不含センサー部をファイバー端部間に接
続し、光をファイバーの一端へ導入し、そしてファイバ
ーの他端にスペクトル分析器を接続する、請求項１７に
記載の方法。 ２８、クラッド不含センサー部がファイバーの端部にあ
る、請求項１７に記載の方法。 ２９、光ファイバーのコアがカルコゲン化物ガラスから
形成される、請求項１７に記載の方法。 ３０、光ファイバーのコアが金属フッ化物ガラスから形
成される、請求項１７に記載の方法。 ３１、光ファイバーを該ファイバーの少なくとも一端が
材料から延在するようにして繊維強化複合材に埋設し、
その際前記ファイバーはクラッド不含センサー部を有し
該ファイバーの残りの部分はクラッドを有しており； 赤外線源をファイバーに接続し；そして ファイバーにフーリエ変換スペクトル分析器を接続して
クラッド不含センサー部に隣接する複合材により吸収さ
れる赤外線のスペクトルを検出すること； からなる、硬化の間の繊維強化複合材内部の化学状態の
その場における検知を提供する方法。 ３２、クラッド不含センサー部を、ファイバーからクラ
ッドを除くことにより形成する、請求項３１に記載の方
法。 ３３、クラッド不含センサー部を、クラッド付光ファイ
バーにクラッド不含光ファイバーを融着させることによ
り形成する、請求項３１に記載の方法。 ３４、クラッド不含センサー部がファイバーの端部にあ
る、請求項３１に記載の方法。 ３５、クラッド不含センサー部がファイバーの端部間に
ある、請求項３１に記載の方法。３６、化学的状態を測
定すべき材料へ挿入するためのクラッド不含センサー部
とスペクトル分析器に接続するのに適した端部とを有す
る光ファイバーからなるスペクトル分析器を用いて分光
計外部の材料の化学的状態を検知するために使用するセ
ンサー。 ３７、センサー部を含む材料がフーリエ変換赤外線分析
器と適合する、請求項３６に記載のセンサ
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/159,154 US4827121A (en) | 1988-02-24 | 1988-02-24 | System for detecting chemical changes in materials by embedding in materials an unclad fiber optic sensor section |
| US159154 | 1988-02-24 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02103448A true JPH02103448A (ja) | 1990-04-16 |
| JP3140444B2 JP3140444B2 (ja) | 2001-03-05 |
Family
ID=22571312
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP01041939A Expired - Fee Related JP3140444B2 (ja) | 1988-02-24 | 1989-02-23 | 材料の化学特性を検出する装置および方法ならびにセンサー |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4827121A (ja) |
| EP (1) | EP0330568B1 (ja) |
| JP (1) | JP3140444B2 (ja) |
| KR (1) | KR0157216B1 (ja) |
| CA (1) | CA1335538C (ja) |
| DE (1) | DE68923194T2 (ja) |
| FI (1) | FI100435B (ja) |
| IE (1) | IE70439B1 (ja) |
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