JPH0611399A - 光ファイバを用いる応力測定方法 - Google Patents
光ファイバを用いる応力測定方法Info
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- JPH0611399A JPH0611399A JP5012714A JP1271493A JPH0611399A JP H0611399 A JPH0611399 A JP H0611399A JP 5012714 A JP5012714 A JP 5012714A JP 1271493 A JP1271493 A JP 1271493A JP H0611399 A JPH0611399 A JP H0611399A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 従来既知の補償方法を改良し、特に、機械的
に作動すべき構造素子を極力使用することなく感度を高
める応力測定方法を提案する。 【構成】 補償素子として、複屈折効果を電気的に制御
可能な液晶セルを使用する。写像として出現する自己相
関関数の最大値およびそれに従属する液晶セルの電圧値
を、補償すべき複屈折および作用する応力の尺度として
評価する。両部分波は、複屈折を有する線形位置依存性
光学素子15により、波面の分散方向に対して直交する方
向に導かれる。その結果、位置座標としての自己相関関
数を得ることができ、リニアイメージセンサよりなる行
検出器16を用いて電子式に記録する。自己相関関数の最
大値の位置は、特定条件下において、機械的応力に起因
する光導波体４の複屈折に係る尺度であり、そこから応
力センサ３に及ぼされる応力を算出する。
に作動すべき構造素子を極力使用することなく感度を高
める応力測定方法を提案する。 【構成】 補償素子として、複屈折効果を電気的に制御
可能な液晶セルを使用する。写像として出現する自己相
関関数の最大値およびそれに従属する液晶セルの電圧値
を、補償すべき複屈折および作用する応力の尺度として
評価する。両部分波は、複屈折を有する線形位置依存性
光学素子15により、波面の分散方向に対して直交する方
向に導かれる。その結果、位置座標としての自己相関関
数を得ることができ、リニアイメージセンサよりなる行
検出器16を用いて電子式に記録する。自己相関関数の最
大値の位置は、特定条件下において、機械的応力に起因
する光導波体４の複屈折に係る尺度であり、そこから応
力センサ３に及ぼされる応力を算出する。
Description
【０００１】
【技術分野】本発明は、単一モード光導波体に誘導され
た複屈折に基づく光ファイバを用いる応力測定方法に関
し、特に、前記光導波体を、少なくともその長さの部分
領域に亘り、応力に対して垂直な平面内に応力を分散す
るディスクの間に埋設し、偏光した干渉性のない光を光
導波体の一端に入射させ、光導波体に及ぼされる応力の
作用による複屈折変化に起因する光導波体の他端から出
射される光波の両線形モード光間の位相差を補償し、そ
の補償に必要な制御信号を応力の尺度として評価する応
力測定方法に係るものである。
た複屈折に基づく光ファイバを用いる応力測定方法に関
し、特に、前記光導波体を、少なくともその長さの部分
領域に亘り、応力に対して垂直な平面内に応力を分散す
るディスクの間に埋設し、偏光した干渉性のない光を光
導波体の一端に入射させ、光導波体に及ぼされる応力の
作用による複屈折変化に起因する光導波体の他端から出
射される光波の両線形モード光間の位相差を補償し、そ
の補償に必要な制御信号を応力の尺度として評価する応
力測定方法に係るものである。
【０００２】
【従来技術】本発明は、先願であるドイツ連邦共和国特
許出願 P 40 37 077.1号に開示されている、光ファイバ
を用いる応力測定方法を基礎とするものである。
許出願 P 40 37 077.1号に開示されている、光ファイバ
を用いる応力測定方法を基礎とするものである。
【０００３】既に知られているとおり、光ファイバ等の
用いた光導波体においては、機械的応力場によって光導
波体の軸線と直交する方向に単軸（ユニアクシアル）の
複屈折が誘導され、該複屈折は二つの屈折率によって特
徴付けられる。したがって、光波の分散速度は偏光方向
に依存する。応力軸線に対して平行な方向（光学軸）に
ついては異常光線についての屈折率が、垂直方向には正
規の屈折率がそれぞれ適用される。しばしば相対的な複
屈折と称される屈折率の差は、密接した機械的な応力の
尺度である。直線偏光した光は、その振動方向におい
て、二つの際立った直交方向にベクトルとして分光さ
れ、異なる速度で分散する。複屈折性領域を通過した
後、部分波、特に両線形モード光はポラライザによりて
干渉させることができる。白光源、例えばハロゲンラン
プまたは広帯域の発光ダイオード（ＬＥＤ）の偏向した
光については、基本的に同じことが適用される。しかし
ながら、公知の制約として、位相シフトが光波のコヒー
レント長を大幅に超えない場合に限り、干渉（振幅の重
なり）が生じる。この場合、複屈折の変化に対して鋭敏
でない平均強度に強度が加わる。干渉計で可能なよう
に、位相が連続的に変位すれば、いわゆるコヒーレント
関数で振幅変調した干渉フリンジが得られる（白光干
渉）。
用いた光導波体においては、機械的応力場によって光導
波体の軸線と直交する方向に単軸（ユニアクシアル）の
複屈折が誘導され、該複屈折は二つの屈折率によって特
徴付けられる。したがって、光波の分散速度は偏光方向
に依存する。応力軸線に対して平行な方向（光学軸）に
ついては異常光線についての屈折率が、垂直方向には正
規の屈折率がそれぞれ適用される。しばしば相対的な複
屈折と称される屈折率の差は、密接した機械的な応力の
尺度である。直線偏光した光は、その振動方向におい
て、二つの際立った直交方向にベクトルとして分光さ
れ、異なる速度で分散する。複屈折性領域を通過した
後、部分波、特に両線形モード光はポラライザによりて
干渉させることができる。白光源、例えばハロゲンラン
プまたは広帯域の発光ダイオード（ＬＥＤ）の偏向した
光については、基本的に同じことが適用される。しかし
ながら、公知の制約として、位相シフトが光波のコヒー
レント長を大幅に超えない場合に限り、干渉（振幅の重
なり）が生じる。この場合、複屈折の変化に対して鋭敏
でない平均強度に強度が加わる。干渉計で可能なよう
に、位相が連続的に変位すれば、いわゆるコヒーレント
関数で振幅変調した干渉フリンジが得られる（白光干
渉）。
【０００４】上述した先願は、位相差の測定を可能とす
る方法を論究するものである。これらの方法の一つは、
添付した図１に簡略化して示した補正方法に依拠する。
後段で図２および図３を用いて説明するように、応力セ
ンサにおける応力誘導された複屈折は、補償器によって
相殺する。補償に要する制御信号の値は、センサに作用
する機械的な応力の尺度である。その限りにおいて、前
記先願の図５および図10に関連して記載した構成を示
す。
る方法を論究するものである。これらの方法の一つは、
添付した図１に簡略化して示した補正方法に依拠する。
後段で図２および図３を用いて説明するように、応力セ
ンサにおける応力誘導された複屈折は、補償器によって
相殺する。補償に要する制御信号の値は、センサに作用
する機械的な応力の尺度である。その限りにおいて、前
記先願の図５および図10に関連して記載した構成を示
す。
【０００５】補償方法については、補償の調節における
可能な精度が重要である。このことは、使用した光源、
そのコヒーレント長および自己相関に依存する。添付図
面中、図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、赤外線発光ダイ
オードの自己相関関数（図４（Ａ）参照）およびハロゲ
ンランプの自己相関関数（図４（Ｂ）参照）を示してい
る。これらは修正したマイケルソン干渉計およびシリコ
ン・フォトダイオードを用いて測定され、測定の構成原
理は、前出した先願における図５および図10に示す原理
に対応する。特徴的ないわゆる干渉フリンジの周期は、
基本的に光波の長さおよび使用した検出器のスペクトル
感度によって与えられる。光源がガウス状のスペクトル
を有する場合、自己相関関数はガウス状の包絡線を示
し、コヒーレント長は、概ね自己相関関数の半値幅ＸHB
によって与えられる。スペクトルとの関連性は、フーリ
エ逆変換により与えられる（ウィナー・キンチンの定
理）。発光ダイオードのスペクトルは、約８μm のコヒ
ーレント長で極めて良好な近似のガウス状である；ハロ
ゲンランプのスペクトルはその限りではない。最善の補
償は、自己相関関数の最大値において実現する。
可能な精度が重要である。このことは、使用した光源、
そのコヒーレント長および自己相関に依存する。添付図
面中、図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、赤外線発光ダイ
オードの自己相関関数（図４（Ａ）参照）およびハロゲ
ンランプの自己相関関数（図４（Ｂ）参照）を示してい
る。これらは修正したマイケルソン干渉計およびシリコ
ン・フォトダイオードを用いて測定され、測定の構成原
理は、前出した先願における図５および図10に示す原理
に対応する。特徴的ないわゆる干渉フリンジの周期は、
基本的に光波の長さおよび使用した検出器のスペクトル
感度によって与えられる。光源がガウス状のスペクトル
を有する場合、自己相関関数はガウス状の包絡線を示
し、コヒーレント長は、概ね自己相関関数の半値幅ＸHB
によって与えられる。スペクトルとの関連性は、フーリ
エ逆変換により与えられる（ウィナー・キンチンの定
理）。発光ダイオードのスペクトルは、約８μm のコヒ
ーレント長で極めて良好な近似のガウス状である；ハロ
ゲンランプのスペクトルはその限りではない。最善の補
償は、自己相関関数の最大値において実現する。
【０００６】
【発明の開示】本発明の課題は、光ファイバを用いる応
力測定方法における補償方法を改良し、特に、機械的に
作動する構造素子を極力使用することなく感度を高める
方法を提案することにある。それにより、同時に安価な
生産が可能な測定器の基礎を築き、該測定器を用いて、
特に高負荷の機械的な構造部材におけるバイアス等の力
を正確かつ随時再現可能として決定することを意図する
ものである。
力測定方法における補償方法を改良し、特に、機械的に
作動する構造素子を極力使用することなく感度を高める
方法を提案することにある。それにより、同時に安価な
生産が可能な測定器の基礎を築き、該測定器を用いて、
特に高負荷の機械的な構造部材におけるバイアス等の力
を正確かつ随時再現可能として決定することを意図する
ものである。
【０００７】この課題を解決するため、本発明による方
法は、二つの異なる方法に従うことを特徴とするもので
ある。
法は、二つの異なる方法に従うことを特徴とするもので
ある。
【０００８】複屈折変化による光導波体への力作用に起
因する両方の線形モードの光波の位相差を、光導波体の
他端から出射する光波の位相を補償することにより相殺
し、補償に要する制御信号を力の尺度として評価する方
法においては、本発明の場合、補償素子として液晶セル
を使用する。この液晶セルの複屈折は制御信号によって
連続的に変化し、制御信号に応じて液晶セルに生じる強
度変化を自己相関関数の写像として光電的に検出し、自
己相関関数の最大値を自動的に検出する。その際、特
に、制御信号の従属する電圧値を設定する調整プロセス
が確定する。
因する両方の線形モードの光波の位相差を、光導波体の
他端から出射する光波の位相を補償することにより相殺
し、補償に要する制御信号を力の尺度として評価する方
法においては、本発明の場合、補償素子として液晶セル
を使用する。この液晶セルの複屈折は制御信号によって
連続的に変化し、制御信号に応じて液晶セルに生じる強
度変化を自己相関関数の写像として光電的に検出し、自
己相関関数の最大値を自動的に検出する。その際、特
に、制御信号の従属する電圧値を設定する調整プロセス
が確定する。
【０００９】本発明による補償方法の一環として考え得
る別の可能性は、いわゆる重心決定に適するアルゴリズ
ムを用いて、コヒーレント長の内に存在する多くの強度
値から最大値を決定することである。
る別の可能性は、いわゆる重心決定に適するアルゴリズ
ムを用いて、コヒーレント長の内に存在する多くの強度
値から最大値を決定することである。
【００１０】本発明の別の方法に従い、応力の作用に起
因して光導波体中で変化する複屈折による位相差を決定
するために、線形モードで出射される両光波の波面は、
複屈折を有する位置依存性光学素子により、分散方向に
対して直交する方向に伝播させ、この光学素子の出射面
で生じる自己相関関数を行検出器によって検出し、その
自己相関関数の最大値を所定のアルゴリズムに従って評
価する。
因して光導波体中で変化する複屈折による位相差を決定
するために、線形モードで出射される両光波の波面は、
複屈折を有する位置依存性光学素子により、分散方向に
対して直交する方向に伝播させ、この光学素子の出射面
で生じる自己相関関数を行検出器によって検出し、その
自己相関関数の最大値を所定のアルゴリズムに従って評
価する。
【００１１】複屈折を有する線形位置依存性光学素子と
しては、特に、ウォルストンプリズム、ロションプリズ
ム、石英楔、または傾斜反射面を具えるマイケルソン干
渉計が考えられる。
しては、特に、ウォルストンプリズム、ロションプリズ
ム、石英楔、または傾斜反射面を具えるマイケルソン干
渉計が考えられる。
【００１２】本発明における両方の基本的な方法によ
り、自己相関関数の最大値を確実に決定する。その際、
第１の方法においては、他の従来方法と比べて非常に簡
単な光学系を使用できることが特徴である。この測定方
法は全体として比較的緩慢に進行するが、実用面では問
題とはならない。これに対して、従来の応力測定方法で
は、当然のことながら、望ましい広範な応用範囲に係る
測定領域が制限され、温度調節も必要である。
り、自己相関関数の最大値を確実に決定する。その際、
第１の方法においては、他の従来方法と比べて非常に簡
単な光学系を使用できることが特徴である。この測定方
法は全体として比較的緩慢に進行するが、実用面では問
題とはならない。これに対して、従来の応力測定方法で
は、当然のことながら、望ましい広範な応用範囲に係る
測定領域が制限され、温度調節も必要である。
【００１３】本発明による第２の方法は、高精度での光
の入射を要件とするが、一層制約のない更に線形の測定
範囲が得られることを特徴とする。非常に急速な応答特
性のために、実時間測定が可能であり、現在の開発水準
による方法は動態測定にも適する。測定構成の温度が高
い安定性を示すならば、十分な線形特性のために補償値
を容易かつ正確に決定できるからである。
の入射を要件とするが、一層制約のない更に線形の測定
範囲が得られることを特徴とする。非常に急速な応答特
性のために、実時間測定が可能であり、現在の開発水準
による方法は動態測定にも適する。測定構成の温度が高
い安定性を示すならば、十分な線形特性のために補償値
を容易かつ正確に決定できるからである。
【００１４】
【発明を実施するための最良の形態】以下、図示実施例
につき本発明を一層具体的に説明する。
につき本発明を一層具体的に説明する。
【００１５】例えば、本発明の方法を適用して、例えば
重荷重用アンカ素子のような高負荷の構造素子に作用す
る応力を測定可能とするため、光ファイバ４（図２およ
び図３参照）、即ち光導波体は座金３または二つのディ
スク3a, 3bの間に、その長さの一部の領域4 ′に亘って
埋設する。光ファイバ４は、例えば、装着したループ長
60mmの部分領域4 ′だけでは、例えば10〜30kNの典型的
なバイアスを吸収できないため、座金３を修正すること
により、光ファイバ４は対応する面積部分だけに耐える
ものとし、他方では、マントル５および所要に応じて付
加的に圧力を吸収するスペーサーリング6a, 6bによって
過負荷および腐食を防止する。 マントル５として特に好
適なのは、クリープ特性またはヒステリシス特性のな
い、光ファイバ４の熱膨張率に適合した熱膨張係数を有
する特定のガラス分銅である。一層の詳細については、
前述した先願の開示内容を参照することができる。
重荷重用アンカ素子のような高負荷の構造素子に作用す
る応力を測定可能とするため、光ファイバ４（図２およ
び図３参照）、即ち光導波体は座金３または二つのディ
スク3a, 3bの間に、その長さの一部の領域4 ′に亘って
埋設する。光ファイバ４は、例えば、装着したループ長
60mmの部分領域4 ′だけでは、例えば10〜30kNの典型的
なバイアスを吸収できないため、座金３を修正すること
により、光ファイバ４は対応する面積部分だけに耐える
ものとし、他方では、マントル５および所要に応じて付
加的に圧力を吸収するスペーサーリング6a, 6bによって
過負荷および腐食を防止する。 マントル５として特に好
適なのは、クリープ特性またはヒステリシス特性のな
い、光ファイバ４の熱膨張率に適合した熱膨張係数を有
する特定のガラス分銅である。一層の詳細については、
前述した先願の開示内容を参照することができる。
【００１６】本発明による第１の基本的な実施例におけ
る測定の配置構成を、図５に関連して以下に簡単に記述
する。
る測定の配置構成を、図５に関連して以下に簡単に記述
する。
【００１７】広帯域の発光ダイオード10またはハロゲン
ランプの光は、 図示した光学素子を介してポラライザ１
を通過させ、光ファイバ４の一端に入射させる。入射光
は、垂直の矢印で示した機械的な応力場を通過し、光フ
ァイバ４の部分領域4 ′、すなわち座金３の内部に単軸
の複屈折が誘導された領域を通過し、偏光方向に応じて
様々な速度で分散する。光ファイバの他端から様々なモ
ードで出射する光波は、それ自体は既知の光学系を経て
補償素子の液晶セル11に入射し、この液晶セル11の複屈
折の強度は電気的にマイクロプロセッサ制御13で変化さ
せる。 別のポラライザ２を通過した後、液晶セル11の印
加電圧に依存する自己相関関数は、時間関数として単一
フォトダイオード12によって観察する。 いわゆる“トラ
ッキング法”として知られる信号処理によって、自己相
関関数の最大値に調整する。自己相関関数の最大値を確
定する別の可能性はスキャン方式であり、これには以下
に説明するアルゴリズムが基礎となる。
ランプの光は、 図示した光学素子を介してポラライザ１
を通過させ、光ファイバ４の一端に入射させる。入射光
は、垂直の矢印で示した機械的な応力場を通過し、光フ
ァイバ４の部分領域4 ′、すなわち座金３の内部に単軸
の複屈折が誘導された領域を通過し、偏光方向に応じて
様々な速度で分散する。光ファイバの他端から様々なモ
ードで出射する光波は、それ自体は既知の光学系を経て
補償素子の液晶セル11に入射し、この液晶セル11の複屈
折の強度は電気的にマイクロプロセッサ制御13で変化さ
せる。 別のポラライザ２を通過した後、液晶セル11の印
加電圧に依存する自己相関関数は、時間関数として単一
フォトダイオード12によって観察する。 いわゆる“トラ
ッキング法”として知られる信号処理によって、自己相
関関数の最大値に調整する。自己相関関数の最大値を確
定する別の可能性はスキャン方式であり、これには以下
に説明するアルゴリズムが基礎となる。
【００１８】液晶セル11の最大値に関係する液晶セルへ
の印加電圧は、補償すべき複屈折性の尺度となる。
の印加電圧は、補償すべき複屈折性の尺度となる。
【００１９】本発明による第２の実施例における基本原
理を、図６に関連して以下に記述する。図５に示す素子
と同一の素子については、説明を省略する。
理を、図６に関連して以下に記述する。図５に示す素子
と同一の素子については、説明を省略する。
【００２０】この方法において、両部分波の波面は、複
屈折変化に起因する位相差のために、複屈折を有する線
形位置依存性光学素子15により、 分散方向に対して直交
する方向に伝播する。 その結果、 位置座標軸の関数とし
て自己相関関数が生じる。この位置座標軸は、例えば、
ＣＣＤアレイよりなる行検出器（リニアイメージセン
サ）16によって電子式に検出し、処理するためにプロセ
ッサ14に送ることができる。 このような光学素子15はウ
ォルストンプリズム、ロションプリズム、石英楔、また
は傾斜反射面を具える修正したマイケルソン干渉計とす
ることができる。
屈折変化に起因する位相差のために、複屈折を有する線
形位置依存性光学素子15により、 分散方向に対して直交
する方向に伝播する。 その結果、 位置座標軸の関数とし
て自己相関関数が生じる。この位置座標軸は、例えば、
ＣＣＤアレイよりなる行検出器（リニアイメージセン
サ）16によって電子式に検出し、処理するためにプロセ
ッサ14に送ることができる。 このような光学素子15はウ
ォルストンプリズム、ロションプリズム、石英楔、また
は傾斜反射面を具える修正したマイケルソン干渉計とす
ることができる。
【００２１】図７に示すように、ウォルストンプリズム
は、例えば、石英または方解石のような複屈折性ゐ有す
る２個の楔から成り、これらの光学軸は分散方向に対し
て垂直かつ互いに直交して位置し、例えば、第１の楔17
は紙面内で延在し、 第２の楔18は紙面と直交する方向に
延在する。 図７に示すように、座標系Ｘ，Ｙを選択する
場合には位置依存性の位相シフトが数１で与えられる。
は、例えば、石英または方解石のような複屈折性ゐ有す
る２個の楔から成り、これらの光学軸は分散方向に対し
て垂直かつ互いに直交して位置し、例えば、第１の楔17
は紙面内で延在し、 第２の楔18は紙面と直交する方向に
延在する。 図７に示すように、座標系Ｘ，Ｙを選択する
場合には位置依存性の位相シフトが数１で与えられる。
【数１】 ここで、△ｎ＝ｎe - ｎo （ｎe は異常光線に対する屈
折率、ｎo は正常光線に対する屈折率）、 はプリズム
の楔角度、λo は大気中の光の波長である。
折率、ｎo は正常光線に対する屈折率）、 はプリズム
の楔角度、λo は大気中の光の波長である。
【００２２】自己相関関数の最大値の位置は、位相シフ
トの位置依存性が公知または検定済みの場合、機械的応
力により光ファイバ４に生じる複屈折の強度の尺度とな
る。光源10のコヒーレント長が既知であるならば、 実験
により確定した自己相関関数の半値幅ＸHBを用いてスケ
ール付けを行うことができる。
トの位置依存性が公知または検定済みの場合、機械的応
力により光ファイバ４に生じる複屈折の強度の尺度とな
る。光源10のコヒーレント長が既知であるならば、 実験
により確定した自己相関関数の半値幅ＸHBを用いてスケ
ール付けを行うことができる。
【００２３】以下、自己相関関数の最大値を決定するた
めのアルゴリズムについて簡単に記述する。
めのアルゴリズムについて簡単に記述する。
【００２４】上述のように、自己相関関数は時間（例え
ば、ＦＫ）または位置座標（例えば、ウォルストンプリ
ズムを用いる場合）の関数として得られた。最大値を決
定するためのアルゴリズムは、両測定方法において適用
可能である。それぞれ位置的または時間的に等間隔の離
散値を検出するため、自己相関関数の変化は数２によっ
て示される。
ば、ＦＫ）または位置座標（例えば、ウォルストンプリ
ズムを用いる場合）の関数として得られた。最大値を決
定するためのアルゴリズムは、両測定方法において適用
可能である。それぞれ位置的または時間的に等間隔の離
散値を検出するため、自己相関関数の変化は数２によっ
て示される。
【数２】 平均値（等量部分）は減じる。Ｉn はｎ番目の強度値、
ｍは調整度、ｘn は従属する位置座標およびｎ番目の時
間値、ｘs は自己相関関数の最大値、ｘO は半値幅、ｐ
は干渉ストリップの周期長さ（ピッチ）である。行検出
器16（ＣＣＤアレイ）のピクセル間隔をａで表すと、ｘ
n 、ｘs およびｘo はａの分数または倍数として示され
る。
ｍは調整度、ｘn は従属する位置座標およびｎ番目の時
間値、ｘs は自己相関関数の最大値、ｘO は半値幅、ｐ
は干渉ストリップの周期長さ（ピッチ）である。行検出
器16（ＣＣＤアレイ）のピクセル間隔をａで表すと、ｘ
n 、ｘs およびｘo はａの分数または倍数として示され
る。
【００２５】自己相関関数の最大値を確定する一つの方
法は、いわゆる重心決定である。詳細な説明はＩＭＴレ
ポート286, PA03/91を参照されたい。まず始めに、一定
の部分または基盤（例えば、光ファイバ４の遠隔フィー
ルドの強度プロファイル）としての干渉ストリップのな
い部分を消去する。干渉関数はゼロを巡って左右対称に
揺動するため、線形の重心決定は成立しない；したがっ
て、これらの値またはその平方をとる必要がある。すな
わち：
法は、いわゆる重心決定である。詳細な説明はＩＭＴレ
ポート286, PA03/91を参照されたい。まず始めに、一定
の部分または基盤（例えば、光ファイバ４の遠隔フィー
ルドの強度プロファイル）としての干渉ストリップのな
い部分を消去する。干渉関数はゼロを巡って左右対称に
揺動するため、線形の重心決定は成立しない；したがっ
て、これらの値またはその平方をとる必要がある。すな
わち：
【数３】 前記ＩＭＴレポートに記述されているとおり、測定点が
十分な個数であれば、重心座標軸は極めて正確に決定さ
れ、ノイズ信号の影響は受けない。当然のことながら、
実際の評価に際しては、平坦ではない光波の波面、ウォ
ルストンプリズムの非線形性、行検出器16の不等質性お
よび応力センサ３における万一のトラブルに起因する系
統的な誤差原因を考慮する。
十分な個数であれば、重心座標軸は極めて正確に決定さ
れ、ノイズ信号の影響は受けない。当然のことながら、
実際の評価に際しては、平坦ではない光波の波面、ウォ
ルストンプリズムの非線形性、行検出器16の不等質性お
よび応力センサ３における万一のトラブルに起因する系
統的な誤差原因を考慮する。
【００２６】基本的に、行検出器16のＣＣＤアレイおよ
び測定すべき干渉ストリップが互いに確固たる位相関係
にあるならば、重心は位相決定により更に明確となる。
例えば、ストリップ幅が４ピクセルに相当するならば、
位相φn は局部的に数４で定義される。
び測定すべき干渉ストリップが互いに確固たる位相関係
にあるならば、重心は位相決定により更に明確となる。
例えば、ストリップ幅が４ピクセルに相当するならば、
位相φn は局部的に数４で定義される。
【数４】 補助値Ｓ（ｘn ）およびＣ（ｘn ）を用いて、次の数５
から局部的な位相を算出し、すべてのＮについて平均す
る。
から局部的な位相を算出し、すべてのＮについて平均す
る。
【数５】 補助値Ｓ（ｘn ）およびＣ（ｘn ）は、次の数６によっ
て定義される。
て定義される。
【数６】
【００２７】全体の曲線形状を考慮し、重心決定および
位相測定を統合する別のアルゴリズムとして、非線形の
Ｆｉｔは最小二乗誤差により次の関数を伴う。
位相測定を統合する別のアルゴリズムとして、非線形の
Ｆｉｔは最小二乗誤差により次の関数を伴う。
【数７】 ここで、ｍ，ｘs ，ｘo はＦｉｔパラメータを示す。ガ
ウス・ニュートン・Ｆｉｔ・ルーチンを具える然るべき
経済的なソフトウェアが用意されている。
ウス・ニュートン・Ｆｉｔ・ルーチンを具える然るべき
経済的なソフトウェアが用意されている。
【００２８】本発明による方法の実用性を両方の方法に
沿って論証するために、然るべき試験結果を簡単に記述
する。
沿って論証するために、然るべき試験結果を簡単に記述
する。
【００２９】光源10として、ABB-Hafo社製の 1A225型ダ
イオードを選択した。このダイオードにより、数100nW
の出力は、直径 6μm のコアを具える単一モード光ファ
イバ４に入射させる。波長は、 880nmの場合に約50nmの
完全な半値幅を有する。行検出器16として、Reticon 社
の「Ｓ型」を使用した。この器械はサテライト・シート
バー／基本シートバーおよび 512の検出素子を具え、25
μm × 2.5mmの長方形の検出面を有する。光学素子15と
なるウォルストンプリズムは石英から成り、 0.1mmで２
πの位置依存性の位相シフトを示す。ＣＣＤアレイを有
する干渉ストリップが直接的にウォルストンプリズムと
接触すれば、干渉ストリップにつき約４個の画素（ピク
セル）が生じる。
イオードを選択した。このダイオードにより、数100nW
の出力は、直径 6μm のコアを具える単一モード光ファ
イバ４に入射させる。波長は、 880nmの場合に約50nmの
完全な半値幅を有する。行検出器16として、Reticon 社
の「Ｓ型」を使用した。この器械はサテライト・シート
バー／基本シートバーおよび 512の検出素子を具え、25
μm × 2.5mmの長方形の検出面を有する。光学素子15と
なるウォルストンプリズムは石英から成り、 0.1mmで２
πの位置依存性の位相シフトを示す。ＣＣＤアレイを有
する干渉ストリップが直接的にウォルストンプリズムと
接触すれば、干渉ストリップにつき約４個の画素（ピク
セル）が生じる。
【００３０】最初の測定において、光ファイバによる応
力センサをシミュレートするために、完全同調可能なソ
レイル・バビネット補償器を使用した。したがって、当
然のことながら、概ね１のストリップ幅（４ピクセル）
について極く僅かな位相シフトしか実現しない。図８に
示すように、この相対的に狭い領域については、極めて
線形な関係が生ずる。
力センサをシミュレートするために、完全同調可能なソ
レイル・バビネット補償器を使用した。したがって、当
然のことながら、概ね１のストリップ幅（４ピクセル）
について極く僅かな位相シフトしか実現しない。図８に
示すように、この相対的に狭い領域については、極めて
線形な関係が生ずる。
【００３１】対応する測定は、光ファイバ４を埋設した
センサーディスク３でも同様に実施した。その測定結果
は、図９に示すとおりである。
センサーディスク３でも同様に実施した。その測定結果
は、図９に示すとおりである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、光ファイバによる応力測定において、
補償の構成原理を簡略化して示す構成図である。
補償の構成原理を簡略化して示す構成図である。
【図２】図２は、伝導ディスクに埋設した光ファイバの
光導波体として作製した応力センサの実施例を示す斜視
図である。
光導波体として作製した応力センサの実施例を示す斜視
図である。
【図３】図３は、図２の実施例による応力センサの断面
図である。
図である。
【図４】図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、それぞれ既述
した赤外線発光ダイオードおよびハロゲンランプの自己
相関関数を示すグラフである。
した赤外線発光ダイオードおよびハロゲンランプの自己
相関関数を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明による第１の基本実施例によ
り、補償素子として液晶セルを用いた光ファイバによる
応力測定原理を示す構成図である。
り、補償素子として液晶セルを用いた光ファイバによる
応力測定原理を示す構成図である。
【図６】図６は、本発明による方法に従い、例えば、Ｃ
ＣＤアレイとする行検出器によって結像面を確定する位
置依存性の複屈折を有する光学素子を使用する光ファイ
バによる応力測定原理を示す構成図である。
ＣＤアレイとする行検出器によって結像面を確定する位
置依存性の複屈折を有する光学素子を使用する光ファイ
バによる応力測定原理を示す構成図である。
【図７】図７は、本発明による第２の基本実施例を説明
するためにウォルストンプリズムの原理を示す説明図で
ある。
するためにウォルストンプリズムの原理を示す説明図で
ある。
【図８】図８は、シミュレートした応力センサを用いる
本発明の第２の実施例における測定結果を示すグラフで
ある。
本発明の第２の実施例における測定結果を示すグラフで
ある。
【図９】図９は、図３に例示する埋設した光ファイバを
具えるセンサーディスクを用いた本発明の第２の実施例
による一連の測定結果を示すグラフである。
具えるセンサーディスクを用いた本発明の第２の実施例
による一連の測定結果を示すグラフである。
1, 2 ポラライザ 3a, 3b ディスク ４ 単一モード光導波体 4 ′ 部分領域 11 液晶セル 12 フォトダイオード 15 光学素子 16 行検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エドウィン シュヴァイツァー スイス国 ツェーハー−9475 ゼヴェレン グリブシュトラーセ 13 (72)発明者 ハンスペーター シャート スイス国 ツェーハー−9472 グラープス ヴィーゼンシュトラーセ ５
Claims (5)
- 【請求項１】 単一モード光導波体（４）に誘導された
複屈折に基づく光ファイバを用いる応力測定方法であっ
て、前記光導波体を、少なくともその長さの部分領域
（4 ′）に亘り、応力に対して垂直な平面内に応力を分
散するディスク（3a, 3b）の間に埋設し、偏光した干渉
性のない光を光導波体（４）の一端に入射させ、光導波
体（４）に及ぼされる応力の作用による複屈折変化に起
因する光導波体（４）の他端から出射される光波の両線
形モード光間の位相差を補償し、その補償に必要な制御
信号を応力の尺度として評価する応力測定方法におい
て、複屈折が制御信号によって連続的に変化する液晶セ
ル（11）を補償素子として使用し、、制御信号に応じて
液晶セル（11）に生じる強度変化を自己相関関数の写像
として光電式に検出し、自己相関関数の最大値を自動的
に検出することを特徴とする測定方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の方法において、自己相関
関数の最大値を、制御信号の従属する電圧値を設定する
調整プロセスによって確定することを特徴とする測定方
法。 - 【請求項３】 請求項１記載の方法において、コヒーレ
ント長内に存在する多くの強度値を、重心を決定するア
ルゴリズムで確定して最大値を決定することを特徴とす
る測定方法。 - 【請求項４】 単一モード光導波体（４）に誘導された
複屈折に基づく光ファイバを用いる応力測定方法であっ
て、前記光導波体を、少なくともその長さの部分領域
（4 ′）に亘り、応力に対して垂直な平面内に応力を分
散するディスク（3a, 3b）の間に埋設し、偏光した干渉
性のない光を光導波体（４）の一端に入射させ、光導波
体（４）に及ぼされる応力の作用による複屈折変化に起
因する光導波体（４）の他端から出射される光波の両線
形モード光間の位相差を補償し、その補償に必要な制御
信号を応力の尺度として評価する応力測定方法におい
て、線形モードで出射する両光波の波面を、複屈折を有
する線形位置依存性光学素子（15）により、拡大方向に
対して直交する方向に伝播させ、前記光学素子（15）に
おける出射面でポラライザ（２）の通過後に生じる自己
相関関数を行検出器（16）によって検出し、自己相関関
数の最大値を所定のアルゴリズムに従って評価すること
を特徴とする測定方法。 - 【請求項５】 請求項４記載の方法において、複屈折を
有する線形位置依存性光学素子（15）として、ウォルス
トンプリズム、ロションプリズム、石英楔、または傾斜
反射面を具えるマイケルソン干渉計を使用することを特
徴とする測定方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4202185A DE4202185A1 (de) | 1992-01-28 | 1992-01-28 | Verfahren zur faseroptischen kraftmessung |
| DE4202185:5 | 1992-01-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0611399A true JPH0611399A (ja) | 1994-01-21 |
| JP3220544B2 JP3220544B2 (ja) | 2001-10-22 |
Family
ID=6450348
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP01271493A Expired - Fee Related JP3220544B2 (ja) | 1992-01-28 | 1993-01-28 | 光ファイバを用いる応力測定方法 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5317147A (ja) |
| EP (1) | EP0554211B1 (ja) |
| JP (1) | JP3220544B2 (ja) |
| KR (1) | KR100280160B1 (ja) |
| AT (1) | ATE115722T1 (ja) |
| CA (1) | CA2088095A1 (ja) |
| DE (2) | DE4202185A1 (ja) |
| ES (1) | ES2066628T3 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010185690A (ja) * | 2009-02-10 | 2010-08-26 | Mitsubishi Electric Corp | 方位探知装置及び方位探知方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06307953A (ja) * | 1993-04-27 | 1994-11-04 | Hitachi Ltd | 物理量検出装置 |
| US5831263A (en) * | 1994-04-26 | 1998-11-03 | Hitachi, Ltd. | In-cylinder pressure sensing apparatus for multi-cylinder engine |
| CA2122782C (en) * | 1994-05-03 | 1999-07-27 | Wojtek J. Bock | Apparatus for measuring an ambient physical parameter applied to a highly birefringent sensing fiber and method |
| US5694205A (en) * | 1995-10-19 | 1997-12-02 | Alliedsignal Inc. | Birefringent-biased sensor having temperature compensation |
| US5952647A (en) * | 1996-03-20 | 1999-09-14 | Seb S.A. | Force measuring apparatus with optical sensor enabling limitation of eccentricity defects in particular for bathroom scales and method of manufacturing apparatus of this kind |
| FR2751409A1 (fr) * | 1996-07-19 | 1998-01-23 | Univ Metz | Capteur thermo-optique de temperature utilisant le modulation electrique d'un signal optique |
| US6856393B2 (en) * | 2002-08-21 | 2005-02-15 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford University | Method of measuring a physical function using a composite function which includes the physical function and an arbitrary reference function |
| US7133134B2 (en) * | 2002-08-21 | 2006-11-07 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Method of measuring a physical function using a symmetric composite function |
| WO2005054829A2 (en) * | 2003-11-25 | 2005-06-16 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Method for determining the optical nonlinearity profile of a material |
| US7440087B2 (en) * | 2004-02-24 | 2008-10-21 | Luna Innovations Incorporated | Identifying optical fiber segments and determining characteristics of an optical device under test based on fiber segment scatter pattern data |
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| US7772541B2 (en) * | 2004-07-16 | 2010-08-10 | Luna Innnovations Incorporated | Fiber optic position and/or shape sensing based on rayleigh scatter |
| WO2006099056A2 (en) | 2005-03-10 | 2006-09-21 | Luna Innovations Inc. | Calculation of birefringence in a waveguide based on rayleigh scatter |
| EP2035792B1 (en) * | 2006-06-16 | 2018-05-23 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Distributed strain and temperature discrimination in polarization maintaining fiber |
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| EP2202732A1 (en) | 2008-12-23 | 2010-06-30 | Thomson Licensing | Apparatus and method for reading and apparatus for reading and writing holograms |
| US8215177B2 (en) * | 2009-11-16 | 2012-07-10 | Freescale Semiconductor, Inc. | Apparatus and methods for applying stress-induced offset compensation in sensor devices |
| US9671334B2 (en) | 2012-10-25 | 2017-06-06 | Colorado State University Research Foundation | Multi-analyte optical sensor |
| CN113138045B (zh) * | 2021-04-28 | 2022-08-02 | 东北大学 | 一种微纳光纤阵列应力定位分析系统 |
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| US4269511A (en) * | 1979-02-15 | 1981-05-26 | Abbott Laboratories | Apparatus and method for measuring the magnitude of polarization of light |
| US4516021A (en) * | 1982-08-09 | 1985-05-07 | Taylor Henry F | Fiber optic magnetic field sensor |
| CH661985A5 (de) * | 1984-01-24 | 1987-08-31 | Mettler Instrumente Ag | Verfahren zur kraftmessung mit hilfe der spannungsinduzierten doppelbrechung in einem monomode-lichtleiter und messanordnung zur durchfuehrung des verfahrens. |
| DE3611119C1 (de) * | 1986-04-03 | 1987-07-02 | Fraunhofer Ges Forschung | Sensoranordnung |
| JP2571385B2 (ja) * | 1987-05-31 | 1997-01-16 | 浜松ホトニクス株式会社 | 電圧検出装置 |
| FR2656095B1 (fr) * | 1989-12-19 | 1994-12-23 | Thomson Csf | Capteur a fibre optique. |
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-
1992
- 1992-01-28 DE DE4202185A patent/DE4202185A1/de not_active Withdrawn
-
1993
- 1993-01-18 AT AT93810021T patent/ATE115722T1/de not_active IP Right Cessation
- 1993-01-18 ES ES93810021T patent/ES2066628T3/es not_active Expired - Lifetime
- 1993-01-18 EP EP93810021A patent/EP0554211B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1993-01-18 DE DE59300038T patent/DE59300038D1/de not_active Expired - Fee Related
- 1993-01-26 CA CA002088095A patent/CA2088095A1/en not_active Abandoned
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- 1993-01-26 US US08/008,927 patent/US5317147A/en not_active Expired - Fee Related
- 1993-01-28 JP JP01271493A patent/JP3220544B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2010185690A (ja) * | 2009-02-10 | 2010-08-26 | Mitsubishi Electric Corp | 方位探知装置及び方位探知方法 |
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| Publication number | Publication date |
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| US5317147A (en) | 1994-05-31 |
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| ES2066628T3 (es) | 1995-03-01 |
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| KR100280160B1 (ko) | 2001-11-22 |
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