JPH03220505A - 光ファイバ応力付与型センサ - Google Patents

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。

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。

〈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　
Ｒｅｆｌｅｅｔｏｍｅｔｅｒ）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。

例えば、乙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量に相応する伝送
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。

〈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。

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幅のパル
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
。

例えば、光ファイバに半径１５ｍ＋ａ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１０ｎｓ（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Ｉｏｎｓ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１４，１
５゜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。

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、前記光ファイバの中心部を形成する
第１コアと、この第１コアを囲むように形成され且つこ
の第１コアの屈折率より低い屈折率の値を有する第２コ
アと、この第２コアヲ囲ｔｒように形成され且つこの第
２コアノ屈折率より低い屈折率の値を有するクラッドと
を具備したことを特徴とするものである。

く作　　　用〉 応力付与時に発生する高次モードが、第２コアを通過し
て、クラッドに入射される。

一方、光ファイバの屈折率が第１コア、第２コア及びク
ラッドにより段階的に変化する値を有するため、第２コ
アとクラッドとの間の屈折率の差が小さくなる。従って
、単一のコアと、このコアの外周に位置するこのコアよ
り低屈折率のクラッドとから構成された従来の光ファイ
バの高次モードより、減衰の非常に大きなモードとなる
。

この結果、クラッド内で、高次モードが伝搬されること
が少なくなり、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。

く実　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
。

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。

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の部分までに形成された第１コア６は、
ｎ、の屈折率を有した材料で構成されており、第１コア
６の外側から半径すの部分までに第１コア６を囲むよう
に形成された第２コア７は、ｎ、より低い屈折率である
ｎ２の屈折率を有した材料で構成されている。第２コア
７の外側に第２コア７を囲むように形成されたクラッド
８は、ｎ　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。

従って、応力が付与されて変形したセンサ部５内で、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。

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１コア６、第２コア７及びクラッド８の
屈折率は、段階的に変化する値を有するため、第２コア
７とクラッド８との間の屈折率の差が小さくなり、後方
散乱光の発生と共に第２コア７からクラッド８内に入っ
た高次モードが、再度、第２コア７側へ入り易くなる。

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。

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。

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２０―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３
０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。

５ｃに嵌合するスライダ３０ａ、３０ｂ、３０ｃが設置
されており、長大５ｍ、５ｂ、５ｃとスライダ３２　ｍ
、　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。

従って、可動部２２が上下動するとＶ形の板ばね２５の
端部の間隔が長大５ｍ、５ｂ。

５０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。

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
。

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、第１コア６は外径
５０μｍの太さを有する屈折率１．４７３のＳｉｎ２−
Ｇｅｍ２製とし、第２コア７は外径８０μｍを有する屈
折率１．４６２の５１０２−Ｇｅｍ２製とすると共に、
クラッド８は外径１２５μｍを有する屈折率１．４５８
の純Ｓ　ｉ　Ｏ２製としている。

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。

第３図上、図示しない０ＴＤＲ３側から発生したパルス
幅１０酷の信号が、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で示されろセンサ部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１）
ＯＴＤＲ３の受光器を１０ｎｓ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で発生
する損失は、それぞれ０．５ｄＢである。

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。

第５図（ａｌ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１１０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１２
ａ、１２ｂと摺動する摺動面１１ａ。

１１ｂが形成されており、上方より応力が付与されろと
、案内面１２ａ、１２ｂに沿って摺動面１１ａ、ｌｌｂ
が下方にすべるようになる。このため、第５図（ｂｌ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。

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
。

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。

第６図（ａｌ及び第６図（ｂ）に示すように、応力付与
部１３　ａ、　１３　ｂ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１３ｂとに挟持される。

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。

〈発明の効果〉 本発明の光ファイバ応力付与型センサにょｔ’Ｌｉｆ、
光ファイバ内の屈折率が第１コア、第２コア及びクラッ
ドにより段階的に変化するため、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ろ。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。

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。

【図面の簡単な説明】

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
従来技術による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は第１コア、 ７は第２コア、８はクラッドである。 第１図 第３図 第４図 足巨離 →　Ｌ 第６図 第７図 距離 −一◆Ｌ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　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、前記光ファイバの中心部
   を形成する第１コアと、この第１コアを囲むように形成
   され且つこの第１コアの屈折率より低い屈折率の値を有
   する第２コアと、この第２コアを囲むように形成され且
   つこの第２コアの屈折率より低い屈折率の値を有するク
   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。