JPH03220504A - Optical fiber stress providing sensor - Google Patents
Optical fiber stress providing sensorInfo
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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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
〈産業上の利用分野〉
本発明は、光ファイバに付与された応力による変形に伴
ってこの光ファイバに生ずる伝送損失の変化を検出する
光ファイバ応力付与型センサに関し、例えばバルブの開
閉状態の検知、ケーブルの浸水や落雷などの環境の検知
等、単一地点のみならず多数他点の状況を検知するのに
好適なものである。[Detailed Description of the Invention] <Industrial Application Field> The present invention relates to an optical fiber stress-applying sensor that detects changes in transmission loss that occur in an optical fiber due to deformation due to stress applied to the optical fiber. For example, it is suitable for detecting situations not only at a single point but also at many other points, such as detecting the open/closed state of a valve, or detecting environments such as flooding of cables or lightning strikes.
〈従来の技術〉
光ファイバ応力付与型センサは、検知する量に応じて光
ファイバに曲げ等の応力を加え、その結果生じた光伝送
損失を測定するものである。すなわち、加えられた応力
から生じる光ファイバの変形に伴って光伝送損失が増大
するため、この光伝送損失の増加分を周知の光時間領域
測定装置（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ
Ｒｅｆｌｅｅｔｃｍｅｔｅｒ）により、その波形中の段
差として検出する構成となっている。<Prior Art> An optical fiber stress applying sensor applies stress such as bending to an optical fiber according to the amount to be detected, and measures the resulting optical transmission loss. That is, optical transmission loss increases as the optical fiber deforms due to the applied stress, so the increase in optical transmission loss is measured using a well-known optical time domain measurement device.
This is detected as a step in the waveform using a Refleetcmeter.
例えば、このセンサを応用したものには、多数地点に検
出部を設け、これら検出部からの検知嚢に相応する伝送
損失を測定する浸水検知用のセンサ（特開昭６３−２６
６３３３号公報参照）や落雷検知用のセンサ（特開昭６
０−１４１１２１号公報参照）が知られている。For example, an application of this sensor includes a sensor for detecting water inundation (Japanese Patent Laid-Open No. 63-26
6333) and lightning detection sensors (Japanese Unexamined Patent Publication No. 6333)
0-141121) is known.
〈発明が解決しようとする課題〉
前述の光ファイバ応力付与型センサから検出された波形
は、第７図に示すようなものである。この図に示すよう
に応力を加えた部分１から後の数十ｍの範囲の距離にわ
たって応力を検出できないデッドゾーン２が生じる。<Problems to be Solved by the Invention> The waveform detected by the above-mentioned optical fiber stress applying sensor is as shown in FIG. As shown in this figure, a dead zone 2 where no stress can be detected occurs over a distance of several tens of meters after the stressed portion 1.
このデッドゾーン２は、後方散乱光を取り込むタイミン
グより広い幅のパルスを光源として使用した場合に生じ
るものであるが、取り込みタイミングより狭い輻のパル
スを光源として使用しても、応力を加えた場所で不可避
的に生じる高次モードのために必ず発生するものである
。This dead zone 2 occurs when a pulse with a width wider than the timing of capturing backscattered light is used as a light source, but even if a pulse with a width narrower than the timing of capturing backscattered light is used as a light source, the area where stress is applied This phenomenon always occurs due to the higher-order modes that inevitably occur.
例えば、光ファイバに半径１５ＩＩＩＩ１１の曲げを与
えるセンサを１０ｍ間隔で設置し、後方散乱光を取り込
まないような狭いパルス幅であるパルス幅Ｉｏｎｓ（ナ
ノ秒）の信号を伝送すると共に、光時間領域測定装置の
受光器を１０圏毎に働かせ、伝送された信号からの戻り
光を計測して光伝送損失を検出すると、第８図に示した
波形のようになる。つまり、理論的に測定可能な間隔は
最小限１ｍであるので、第９図に示すような波形となる
はずであるが、第８図のように、検出部を示す矢印１４
，１５゜１６のデッドゾーンが重なり合って、検出部か
らの信号が分離できず、光ファイバへの応力付与が検出
できないこととなる。このため、多数のセンサを近接し
て配置できない課題を有している。For example, sensors that bend an optical fiber with a radius of 15III11 are installed at 10m intervals to transmit a signal with a pulse width of Ions (nanoseconds), which is a narrow pulse width that does not incorporate backscattered light, and to perform optical time domain measurements. When the optical receiver of the device is operated every 10 areas and the return light from the transmitted signal is measured to detect the optical transmission loss, the waveform shown in FIG. 8 is obtained. In other words, since the theoretically measurable interval is 1 m at the minimum, the waveform should be as shown in Figure 9, but as shown in Figure 8, the arrow 14 indicating the detection part
, 15° and 16 overlap, the signals from the detection section cannot be separated, and the stress applied to the optical fiber cannot be detected. Therefore, there is a problem that a large number of sensors cannot be arranged close to each other.
く課題を解決するための手段〉
本発明による光ファイバ応力付与型センサは、光ファイ
バに付与された応力による変形に伴ってこの光ファイバ
に生ずる伝送損失の変化を検出する光ファイバ応力付与
型センサにおいて、前記光ファイバのコアを囲むように
形成され且つこのコアの屈折率より低い屈折率の値を有
する第１クラッドと、この第１クラッドを囲むように形
成され且つ前記コアの屈折率より低くこの第１クラッド
よりも高い屈折率の値を有する第２クラッドとを具備し
たことを特徴とするものである。Means for Solving the Problems> An optical fiber stress-applying sensor according to the present invention is an optical fiber stress-applying sensor that detects changes in transmission loss that occur in an optical fiber due to deformation due to stress applied to the optical fiber. a first cladding formed to surround the core of the optical fiber and having a refractive index lower than the refractive index of the core; a first cladding formed to surround the first cladding and having a refractive index lower than the refractive index of the core; It is characterized by comprising a second cladding having a higher refractive index value than the first cladding.
く作 用〉
応力付与時に発生する高次モードが、コアより低く第１
クラッドより高い屈折率を有する第２クラッドへ第１ク
ラッドから入射されるため、高次モードの減衰が非常に
大きくなり、はとんど、高次モードが光ファイバ内を伝
搬することがなくなる。Effect> The higher-order mode that occurs when stress is applied is lower than the core and
Since the first cladding enters the second cladding having a higher refractive index than the cladding, the attenuation of the higher-order modes becomes extremely large, and the higher-order modes almost never propagate within the optical fiber.
従って、応力付与部分の後に生ずる応力を検出できない
領域が縮小される。Therefore, the area where stress occurring after the stress-applying portion cannot be detected is reduced.
〈実 施 例〉
本発明の光ファイバ応力付与型センサを用いた第１実施
例を第１図から第４図に示し、これらに基づき説明する
。<Example> A first example using the optical fiber stress applying sensor of the present invention is shown in FIGS. 1 to 4, and will be described based on these.
第１図は、光ファイバ応力付与型センサの概略構成を示
しており、光ファイバ４の一端部には、光伝送損失を検
出するための光時間領域測定装置（以下ｒＯＴＤＲｊと
いう）３が位置している。また、光ファイバ４の途中に
は検出部であるセンサ部５が取付けられている。FIG. 1 shows a schematic configuration of an optical fiber stress applying sensor, in which an optical time domain measurement device (hereinafter referred to as rOTDRj) 3 for detecting optical transmission loss is located at one end of an optical fiber 4. ing. Further, a sensor section 5, which is a detection section, is attached in the middle of the optical fiber 4.
一方、少なくとも応力が付与される箇所の光ファイバ４
を構成するコアとクラッドは、第２図に示すような屈折
率分布を有したものである。すなわち、光ファイバ４の
中心から半径ａの部分までのコア６は、ｎｏの屈折率を
有した材料で構成されており、コア６の外側から半径す
までの部分にコア６を囲むように形成された第１クラッ
ド７は、ｎｏより低い屈折率であるｎ、の屈折率を有し
た材料で構成されている。第１クラッド７の外側に第１
クラッド７を囲むように形成された第２クラッド８は、
ｎｏよりも低く、ｎｌよりも高い屈折率であるｎ の屈
折率を有した材料で構成されている。On the other hand, at least the optical fiber 4 where stress is applied
The core and cladding that constitute this have a refractive index distribution as shown in FIG. That is, the core 6 from the center of the optical fiber 4 to the radius a is made of a material with a refractive index of no, and the core 6 is formed from the outside of the core 6 to the radius a to surround the core 6. The first cladding 7 is made of a material having a refractive index n, which is lower than no. The first cladding 7 has a first
The second clad 8 formed to surround the clad 7 is
It is constructed of a material having a refractive index of n, which is lower than no and higher than nl.
従って、応力が付与されて変形したセンサ部５内て、０
ＴＤＲ３側から光ファイバ４内を送られてきたパルス状
の光より、後方散乱光が生じ、光伝送損失が発生する。Therefore, within the sensor section 5 which has been deformed due to the applied stress, 0.
Backscattered light is generated from the pulsed light sent through the optical fiber 4 from the TDR 3 side, resulting in optical transmission loss.
このため、０ＴＤＲ３へのセンサ部５からの反射光が減
少し、０ＴＤＲ３でセンサ部５内の応力が検出可能とな
る。この際、第２クラッド８を形成する材料の屈折率ｎ
２は、第１クラッド７より高くコア６より低いため、後
方散乱光の発生と共にコア６から第１クラッド７内に入
った高次モードが、第２クラッド８側へ入り易くなる。Therefore, the reflected light from the sensor section 5 to the 0TDR3 is reduced, and the stress within the sensor section 5 can be detected at the 0TDR3. At this time, the refractive index n of the material forming the second cladding 8
2 is higher than the first cladding 7 and lower than the core 6, so that the higher-order mode that entered the first cladding 7 from the core 6 with the generation of backscattered light easily enters the second cladding 8 side.
この結果、光ファイバ４内の高次モードの減衰が非常に
大きくなる。As a result, the attenuation of higher-order modes within the optical fiber 4 becomes extremely large.
以下に、本実施例のセンサ部５を第３図に基づき、より
具体的に説明する。Below, the sensor unit 5 of this embodiment will be explained in more detail based on FIG. 3.
第３図に示すように、センサ部５内には、弾性張力体と
してプラスチックシート２４がはり付けられた光ファイ
バ４が挿通されており、センサ部５内の光ファイバ４は
直径２０ｍｍの巻付は棒２３に巻き掛けられている。ま
た、センサ部５内のプラスチックシート２４の両端部に
は、連結部３０が取付けられており、連結部３０には、
光ファイバ４の巻付は度合いを変化するためのＶ形をし
た板ばね２５の両端がそれぞれ接合されている。連結部
３０及び板ばね２５の中央部には、それぞれセンサ部５
の外壁に形成された長穴５ａ、５ｂ。As shown in FIG. 3, an optical fiber 4 to which a plastic sheet 24 is pasted as an elastic tension body is inserted into the sensor section 5, and the optical fiber 4 inside the sensor section 5 is wound with a diameter of 20 mm. is wrapped around the rod 23. Further, connecting portions 30 are attached to both ends of the plastic sheet 24 in the sensor portion 5, and the connecting portions 30 include:
Both ends of a V-shaped leaf spring 25 are joined to each other to change the degree of winding of the optical fiber 4. A sensor section 5 is provided at the center of the connecting section 30 and the leaf spring 25, respectively.
Long holes 5a and 5b formed in the outer wall of.
５ｃに嵌合するスライダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃが設置
されており、長穴５ａ、５ｂ、５ｃとスライダ３２ ａ
、 ３２ ｂ、 ３２ ｃとで板ばね２５の動きを規制
している。さらに板ばね２５の中央部の上方には、上下
動して光ファイバ４に応力を付与する可動部２２が位置
している。Sliders 30a, 30b, 30c that fit into the slots 5c are installed, and the slotted holes 5a, 5b, 5c and the slider 32a
, 32b and 32c regulate the movement of the leaf spring 25. Further, above the central portion of the leaf spring 25, a movable portion 22 is located which moves up and down to apply stress to the optical fiber 4.
従って、可動部２２が上下動するとＶ形の板ばね２５の
端部の間隔が長穴５ａ、５ｂ。Therefore, when the movable part 22 moves up and down, the distance between the ends of the V-shaped leaf spring 25 becomes the elongated hole 5a, 5b.
５Ｃ等により規制されつつ変化し、結果として、連結部
３０が長穴５ｂ、５ｃの長手方向に摺動し、光ファイバ
４の巻付は棒２３への巻付は半径の大きさを表わす巻付
は度合が変化することになる。すなわち、可動部２２が
下方に動くと、光ファイバ４は最小２０ｍの直径に曲げ
られて、光伝送損失が大きくなる。As a result, the connecting portion 30 slides in the longitudinal direction of the elongated holes 5b and 5c, and the winding of the optical fiber 4 around the rod 23 changes according to the radius. The degree of attachment will vary. That is, when the movable part 22 moves downward, the optical fiber 4 is bent to a minimum diameter of 20 m, increasing optical transmission loss.
一方、可動部２２が上方に動くと、弾性張力体であるプ
ラスチックシート２４により、光ファイバ４は大きな曲
げ半径に復元され、光伝送損失が無視できるようになる
。On the other hand, when the movable part 22 moves upward, the optical fiber 4 is restored to a large bending radius by the plastic sheet 24, which is an elastic tension member, and the optical transmission loss becomes negligible.
また、第３図に示すセンサ部５を挿通する光ファイバ４
は、マルチモード光ファイバであり、コア６は外径５０
μｍの太さを有する屈折率１．４７３の５ＩＯ２−Ｇｅ
Ｏ２製とし、第１クラッド７は外径８０μｍを有する屈
折率１．４５８の純ＳｉＯ製とすると共に、第２クラッ
ド８は外径１２５μｍを有する屈折率１．４６２の５ｉ
Ｏ−ＧｅＯ製としている。In addition, an optical fiber 4 inserted through the sensor section 5 shown in FIG.
is a multimode optical fiber, and the core 6 has an outer diameter of 50
5IO2-Ge with a refractive index of 1.473 and a thickness of μm
The first cladding 7 is made of pure SiO with an outer diameter of 80 μm and a refractive index of 1.458, and the second cladding 8 is made of 5i with an outer diameter of 125 μm and a refractive index of 1.462.
It is made of O-GeO.
以上のセンサ部５を用いて、応力が付与された箇所の検
出を行う具体例を第３図及び第４図に基づき説明する。A specific example of detecting a stress-applied location using the sensor unit 5 described above will be described based on FIGS. 3 and 4.
第３図上、図示しない０ＴＤＲ３側から発生したパルス
幅１０ｎｓの信号が、光ファイバ４内を伝送される。従
って、１ ｋｍの長さの光ファイバ４の後に、矢印２６
，２７，２８゜２９．３０で示されるセンサ部５を５ｍ
間隔で５個配設した光ファイバ４に、前記の信号を送り
０ＴＤＲ３の受光器を１０μｓ毎に働かせると、第４図
に示すような、０ＴＤＲ３の波形が測定される。また、
第４図に示す波形は、波形中の第１番目２６、第３番目
２８及び第５番目３０のセンサ部５に応力が付与されて
損失が発生している状態を表わしたものである。尚、本
実施例では、応力が付与されたセンサ部５て発生する損
失は、それぞれ０．５ｄＢである。In FIG. 3, a signal with a pulse width of 10 ns generated from the 0TDR 3 side (not shown) is transmitted through the optical fiber 4. Therefore, after a 1 km length of optical fiber 4, arrow 26
, 27, 28°29.30.
When the above-mentioned signal is sent to five optical fibers 4 arranged at intervals and the 0TDR3 optical receiver is operated every 10 μs, a 0TDR3 waveform as shown in FIG. 4 is measured. Also,
The waveform shown in FIG. 4 represents a state in which stress is applied to the first 26, third 28, and fifth 30 sensor parts 5 in the waveform, causing loss. In this example, the loss generated in the sensor section 5 to which stress is applied is 0.5 dB.
次に、本発明の第２実施例のセンサ部５を第１図、第２
図及び第５図に示し、この図に基づき説明する。尚、第
１実施例と同一部材には、同一番を付し、重複した説明
は省略する。Next, the sensor section 5 of the second embodiment of the present invention is shown in FIGS.
It is shown in FIG. 5 and FIG. 5, and will be explained based on this figure. Incidentally, the same members as those in the first embodiment are given the same numbers, and redundant explanations will be omitted.
第５図ｔａ＋に示すように、センサ部５の弾性変形可能
な可動部１１に沿うように光ファイバ４が配設されてお
り、この光ファイバ４と対向するように直径２０＋＋＋
ｍの円筒棒１０が設置されている。可動部１１の両側に
は、下側方向に間隔が狭くなるように形成された案内面
１２ａ、１２ｂと摺動する摺動面１１ａ。As shown in FIG.
A cylindrical rod 10 of m is installed. On both sides of the movable part 11, there are sliding surfaces 11a that slide on guide surfaces 12a and 12b formed so that the interval becomes narrower in the downward direction.
１１ｂが形成されており、上方より応力が付与されると
、案内面１２ａ、１２ｂに沿って摺動面１１ ａ、 １
１ ｂが下方にすべるようになる。このため、第５図（
ｂ）に示すように、可動部１１の下側方向への変位によ
り円筒棒１０に光ファイバ４が巻きつけられる。11b is formed, and when stress is applied from above, the sliding surfaces 11a, 1 move along the guide surfaces 12a, 12b.
1 b begins to slide downward. For this reason, Figure 5 (
As shown in b), the optical fiber 4 is wound around the cylindrical rod 10 by the downward displacement of the movable part 11.
従って、巻き付けられた個所の光ファイバ４が変形して
、損失が発生すると共に、高次モードが同様に減衰する
。Therefore, the optical fiber 4 at the portion where it is wound is deformed, causing loss and attenuating higher-order modes as well.
さらに、本発明の第３実施例のセンサ部５を第１図、第
２図及び第６図に示し、この図に基づき説明する。尚、
第１実施例と同一部材には同一番号を付し、重複した説
明は省略する。Further, a sensor section 5 according to a third embodiment of the present invention is shown in FIGS. 1, 2, and 6, and will be described based on these figures. still,
The same members as those in the first embodiment are given the same numbers, and redundant explanations will be omitted.
第６図（ａｌ及び第６図（ｂ）に示すように、応力付与
部１３ａ、１３ｂの間に設置された光ファイバ４が、下
側方向に移動可能な応力付与部１３ａと応力付与部１３
ｂとに挾持される。As shown in FIG. 6(al) and FIG. 6(b), the optical fiber 4 installed between the stress applying portions 13a and 13b is connected to the stress applying portion 13a and the stress applying portion 13 which are movable in the downward direction.
It is held between b.
このため、挾持された箇所の光ファイバ４が圧縮されて
変形する。従って、この箇所で損失が発生すると共に、
高次モードが同様に減衰する。As a result, the optical fiber 4 at the clamped portion is compressed and deformed. Therefore, a loss occurs at this point, and
Higher order modes are similarly attenuated.
〈発明の効果〉
本発明の光ファイバ応力付与型センサによれば、屈折率
の低い第１クラッドを有した光ファイバを用いているた
め応力付与部で発生する高次モードの影響を極力小さく
できる。<Effects of the Invention> According to the optical fiber stress-applying sensor of the present invention, since an optical fiber having a first cladding with a low refractive index is used, the influence of higher-order modes generated in the stress-applying portion can be minimized. .
このため、多数のセンサ部を近接して設置する場合でも
、高次モードの影響を受けないで、それぞれのセンサ部
からの信号を正確に把握することが可能となる。Therefore, even when a large number of sensor units are installed close to each other, it is possible to accurately grasp the signals from each sensor unit without being affected by higher-order modes.
また、本発明によるセンサは、光ファイバを使用したも
のであり、爆発物を取り扱う場所等での使用には、特に
有効なものである。Further, the sensor according to the present invention uses an optical fiber, and is particularly effective for use in places where explosives are handled.
第１図は本発明の実施例に係る光ファイバ応力付与型セ
ンサの概略図、第２図は本発明の実施例に係る光ファイ
バ応力付与型センサの光ファイバの屈折率分布を表わし
た説明図、第３図は本発明の第１＊施例に係る光ファイ
バ応力付与型センサのセンサ部の斜視図、第４図は０Ｔ
ＤＲの波形を表わした説明図、第５図は本発明の第２実
施例に係る光ファイバ応力付与型センサのセンサ部の概
略図、第６図は本発明の第３実施例に係る光ファイバ応
力付与型センサのセンサ部の概略図、第７図、第８図は
従来技術によろ０ＴＤＲの波形を表わした説明図、第９
図は理論上の０ＴＤＲの波形を表わした説明図である。
図 面 中、
３は０ＴＤＲ，４は光ファイバ、
５はセンサ部、６はコア、
７は第１クラッド、８は第２クラッドである。FIG. 1 is a schematic diagram of an optical fiber stress-applying sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing the refractive index distribution of the optical fiber of the optical fiber stress-applying sensor according to an embodiment of the present invention. , FIG. 3 is a perspective view of the sensor section of the optical fiber stress applying type sensor according to the first* embodiment of the present invention, and FIG.
An explanatory diagram showing the waveform of DR, FIG. 5 is a schematic diagram of the sensor section of the optical fiber stress-applying sensor according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a diagram showing the optical fiber according to the third embodiment of the present invention. 7 and 8 are schematic diagrams of the sensor section of the stress applying type sensor, and FIGS.
The figure is an explanatory diagram showing a theoretical 0TDR waveform. In the drawing, 3 is 0TDR, 4 is an optical fiber, 5 is a sensor section, 6 is a core, 7 is a first cladding, and 8 is a second cladding.
Claims (1)
光ファイバに生ずる伝送損失の変化を検出する光ファイ
バ応力付与型センサにおいて、前記光ファイバのコアを
囲むように形成され且つこのコアの屈折率より低い屈折
率の値を有する第１クラッドと、この第１クラッドを囲
むように形成され且つ前記コアの屈折率より低くこの第
１クラッドよりも高い屈折率の値を有する第２クラッド
とを具備したことを特徴とする光ファイバ応力付与型セ
ンサ。In an optical fiber stress-applying sensor that detects changes in transmission loss that occur in an optical fiber due to deformation due to stress applied to the optical fiber, the sensor is formed to surround the core of the optical fiber, and has a refractive index that is smaller than the refractive index of the core. A first cladding having a low refractive index value, and a second cladding formed to surround the first cladding and having a refractive index lower than the refractive index of the core and higher than the first cladding. An optical fiber stress-applying sensor characterized by:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9014990A JPH03220504A (en) | 1990-01-26 | 1990-01-26 | Optical fiber stress providing sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9014990A JPH03220504A (en) | 1990-01-26 | 1990-01-26 | Optical fiber stress providing sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03220504A true JPH03220504A (en) | 1991-09-27 |
Family
ID=11876385
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9014990A Pending JPH03220504A (en) | 1990-01-26 | 1990-01-26 | Optical fiber stress providing sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03220504A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011013141A (en) * | 2009-07-03 | 2011-01-20 | Fujikura Ltd | Immersion sensor |
| JP2015531861A (en) * | 2012-08-09 | 2015-11-05 | コーニング インコーポレイテッド | Two-core optical fiber for distributed fiber sensor and system |
-
1990
- 1990-01-26 JP JP9014990A patent/JPH03220504A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011013141A (en) * | 2009-07-03 | 2011-01-20 | Fujikura Ltd | Immersion sensor |
| JP2015531861A (en) * | 2012-08-09 | 2015-11-05 | コーニング インコーポレイテッド | Two-core optical fiber for distributed fiber sensor and system |
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