JPH0933332A - 加速及び振動測定方法及び装置 - Google Patents

加速及び振動測定方法及び装置

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JPH0933332A
JPH0933332A JP8105560A JP10556096A JPH0933332A JP H0933332 A JPH0933332 A JP H0933332A JP 8105560 A JP8105560 A JP 8105560A JP 10556096 A JP10556096 A JP 10556096A JP H0933332 A JPH0933332 A JP H0933332A
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JP
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fiber
acceleration
sensor
vibration
reflector
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JP8105560A
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Norbert Fuerstenau
フュルステナウ ノルベルト
Werner Jungbluth
ユングブルート ヴェルナー
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Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単で堅固なセンサを用いて加速と振動が、
長いガラスファイバ伝送区間の場合でも障害に阻まれる
ことなく検出可能なファイバー光学的測定方法ないし測
定装置を提供すること。 【解決手段】 シングルモードファイバの端部を横断方
向で自由に揺動可能に懸架し、前記ミラーは平面的な表
面を有するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバーセン
サを用いた加速及び振動測定方法であって、光がシング
ルモードファイバを通って案内され、端部から出射さ
れ、ミラーによって反射されて再びファイバ内に戻され
る形式の加速及び振動測定方法と、光源と光ファイバと
反射器と光検出器を有する加速及び振動測定装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】この種の測定方法ないし測定装置は振動
及び間隔距離センサとして公知文献に記載されている。
【０００３】この種の技術の施行の際には送受信ファイ
バと反射面との間の間隔の変化が相応の強度変化を介し
て測定される。この場合光ファイバとしてマルチモード
ファイバが使用される。これらのセンサは、使用される
マルチモードファイバ技術に基づいて比較的簡単に実現
されるが、しかしながらそれらは開放形の基本構造のた
めにガラスファイバ伝送区間が短い場合には比較的保護
された環境下でしか用いることができない。また長い伝
送区間では減衰が大きいためにマルチモードファイバで
は実現不可能である。この種のセンサは、例えばドイツ
連邦共和国の“Tetra Gesellschaft fuer Sensorik,Rob
otik und Automation mBH,llmenau,DE”社から販売され
ている。
【０００４】ヨーロッパ特許第０４５６６８１号明細書
からはファブリ・ペロー干渉計をベースにした光ファイ
バ加速センサが公知である。このセンサでは加速によっ
て変形される薄膜が設けられている。この薄膜の中央に
は半位相のミラーが固定されており、このミラーには光
ファイバの端部が対向している。薄膜の変形の際にはフ
ァイバとミラーとの間の間隔の変化がファブリ・ペロー
方式による干渉計によって測定され、そこから加速が算
出される。この場合の欠点は、この種の薄膜が敏感でそ
の緊締と支持が非常にやっかいなことである。
【０００５】ドイツ連邦共和国特許公開第３９３９５７
３号公報からは、緊締されたファイバが光の流れる周辺
部に埋め込まれている装置が公知である。この光の流れ
る周辺部では光ファイバ端部がその静止位置から湾曲し
ているので、位置検出器との間の間隔が変化している。
この位置検出器は光の強度に応働する。同じようなもの
として米国特許第３６０２０３７号明細書からは、光導
波路が応力の影響によって湾曲され、それによってその
端部から出射され光検出器によって受け取られる光ビー
ムの大きさが低減される装置が公知である。しかしなが
らこの種の構造は特に装置が大きい場合には高精度な振
動及び加速測定に対して適していない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、簡単
な構造で堅固であるにもかかわらず非常に小型なセンサ
を用いて加速と振動が、長いガラスファイバ伝送区間に
おいても障害に阻まれることなく検出されるファイバー
光学的測定方法ないし測定装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記課題は本発明によ
り、シングルモードファイバの端部を、横断方向で自由
に揺動可能に懸架し、前記ミラーは平面的な表面を有す
るようにして解決される。
【０００８】また前記課題は本発明により、光ファイバ
はシングルモードファイバであり、前記シングルモード
ファイバの端部に対して密に離間して反射器が、平面的
なミラー形状で配設されており、前記シングルモードフ
ァイバの端部は、センサファイバ区分を形成し、該セン
サファイバ区分は、所定の長さだけ開放され固定緊締部
を越えて突出し、横断方向に揺動可能であるように構成
されて解決される。
【０００９】シングルモードファイバ内へ反射されて戻
される光束の位相変化を検出することによって次のよう
な光ファイバ干渉計が実現される。すなわちその光学的
な測定原理により長いガラスファイバ伝送区間に亘って
読出すことのできる光ファイバ干渉計が実現される。そ
の結果測定装置の電気的構成素子は測定個所から十分に
離して配設することができる。測定個所にて電気的な構
成素子が例えば高温や浸食的な周辺媒体、電磁障害等の
障害に影響されることはない。この測定方法は位相変化
の直接的な測定手段に基づいており、基本的にはほとん
ど強度変化に依存もしなければ影響も受けない。センサ
の構造は、ファイバオプティクな外的なファブリ・ペロ
ー干渉計として顕微干渉計の形態で最小化された形状で
実現され得る。有利には電気的な構成素子からはシング
ルモードファイバだけを測定個所へ敷設するだけでよく
なる。そのため敷設コストは僅かとなる。従ってこのセ
ンサは、例えば医療分野から、建築物、道路、橋等の振
動分析による監視や、機械管理等の多岐に亘る分野で使
用可能である。
【００１０】長いシングルモードファイバ区間を用いる
ことにより、測定個所から遠く離れた測定信号の評価が
実施可能となる。さらに電気的な構成要素を移動させる
ことなく、様々な測定個所でセンサを使用することがで
きる。
【００１１】例えば干渉信号の強度変化を介して簡単に
検出できる測定信号中の位相変化から、シングルモード
ファイバの自由端部の変位が求められる。この変位はシ
ングルモードファイバの自由端部に作用する加速に対す
る尺度量でもある。それ故にこの加速は以下で述べるよ
うに、検出された位相変化から算出可能である。
【００１２】有利には測定信号の全フェーズが、検出さ
れた位相変化と初期フェーズの加算によって求められ
る。この場合の初期フェーズとは、センサの幾何学的な
構造と、センサの水平方向での組込の際の重力に基づく
シングルモードファイバ自由端部のスタチックに生じた
変位を考慮するものである。故に有利には測定信号の全
フェーズは、検出された位相変化と初期フェーズの加算
によって求められる。
【００１３】例えば振動スペクトルの分析のために、ホ
トダイオードにて記録された強度変化がセンサにて生ぜ
しめられた干渉信号に応じて高速フーリエ変換（ＦＦ
Ｔ）を用いたアナログ/デジタル変換によって周波数領
域に変換された後で評価される。
【００１４】本発明による測定装置は有利には次のよう
に構成される。すなわちシングルモードファイバの端部
に、所定の長さだけ開放されて固定緊締部を越えて突出
するセンサファイバ区分が形成されるように構成され
る。この場合の開放されて固定緊締部を越えて突出する
ファイバ区分が本来のセンサを形成する。このセンサ区
分は加速ないし振動に基づいて変位ないしは揺動する。
【００１５】平らで平面的な区分によって形成されてい
るセンサ区分の端部には、平面的なミラー形状に形成さ
れた反射器が対向して設けれられる。すなわち装置全体
では干渉計として構成される。
【００１６】前述した横断方向での揺動は例えばヨーロ
ッパ特許第０４５６６８１号明細書に記載の公知技術で
は考慮されていない。
【００１７】ファブリ・ペロー干渉計に対しこれまでに
強制的に使用されていた球状のミラーでは、緊締された
ファイバ端部の横断方向の揺動は、いずれにしても非線
形性の強い信号作用しか発揮できなかった。このような
状況下で２つの平面的なミラーを用いることは、予見で
きない全く新規なことであり、これまでは不安定なファ
ブリ・ペロー共振器しか得られなかったために一般的で
はなかった。しかしながらファイバー端部と平面的なミ
ラー面との間で揺動の際に生じる僅かな間隔の変化は高
精度な測定を可能にする。
【００１８】この測定に対する特性曲線は実質的に線形
であり、ファイバの小さな変位だけに着目して、適切な
調整により干渉信号の１つの信号エッジを常に用いるこ
とが達成される。これは非常に高精度な分解能に結び付
く。
【００１９】この場合その他にも特に有利には、ファイ
バの軸線が、平面的なミラー面に対して完全に垂直なの
ではなく、該ミラー面に対して僅かに傾斜しているか又
は斜めにおかれる。これによりファイバの揺動の際には
ファイバ端部とミラーとの間の間隔がまず第１にリニア
にされ、それにより、ミラー面に対して正確に垂直に配
向されている場合のような基点位置周りでの揺動がなく
なる。
【００２０】同じような効果は、ファイバ端部を斜めに
切断するか又は平面的なミラーの面基準をセンサ軸線に
対してやや傾けることによって得られる。
【００２１】特に有利には前記効果が次のようにして得
られる。すなわち平面的なミラー面を最後の組込で垂直
に立て、ファイバ軸線を最初は水平に配向することによ
って得られる。その後は重力によってこのファイバ端部
が僅かに下方に変位する。このことは所望の偏心に結び
付く。これらの効果の全ては控えめに表現されている
が、しかしながらこれは全体構造の所望の最小化に対し
てはまさに意にそったものである。
【００２２】特に有利には、前記関係においても、ファ
イバ端部とミラーとの間の間隔が５〜３０μｍの範囲に
おかれる。
【００２３】センサファイバ区分を反射器と共にセンサ
ケーシング内に配設することによって、小型で堅固なセ
ンサが得られる。このセンサには開放的に懸架されたセ
ンサファイバ区分と反射器が所定の配置構成で相互に納
められている。この“ケーシング”は、相互に筒状のキ
ャピラリーファイバ形状でセンサファイバと同じように
石英ガラスから製造される。このセンサケーシングは、
センサファイバ区分ないし反射器の後調整を必要とする
ことなく問題なく取り扱うことができる。
【００２４】反射器がショートレフレクタファイバであ
り、該ショートレフレクタファイバは、緊締部内で該レ
フレクタファイバの端面がセンサファイバの端面に密に
離間して対向するように支持されていることにより、特
に小型の形状と熱的に補償されるセンサが実現可能であ
る。反射器として固定的に緊締されたレフレクタファイ
バは、有利にはセンサファイバ区分に等しい。これによ
りセンサの熱加工特性が最適化される。
【００２５】センサの位相変調された測定信号を光検出
器に供給するために、有利には光源とシングルモードフ
ァイバの間に光結合器が設けられる。
【００２６】光源が高出力の赤外発光ダイオードとし
て、例えば超光発光ダイオードで形成されている場合に
は所定の波長の非常に高出力なエネルギが測定装置に供
給される。この種の発光ダイオードは典型的には８３０
ｎｍ〜１３００ｎｍないし〜１５００ｎｍの波長の光を
照射し、この場合のスペクトル幅は約１０〜６０ｎｍで
しかない。相互に対向する２つのファイバ端部を有する
外的なファブリ・ペロー干渉計の構成は、例えば別の目
的の公知文献“Kent A.Murphy et al,QuadraturPhase S
hifted Extrinsic Fabry-Perot Optic Fibre Sensors,O
PTICS LETTERS,Volume 16(1991),273-275”から公知で
ある。いずれにせよこの文献は加速及び振動測定ではな
く、ひずみセンサについて書かれたものである。相互に
対向している２つのセンサ端部は、導波路ないしは反射
器として設けられ、それぞれその歪み特性について測定
すべきサンプルに固定され、細管を用いて端面と相互に
平行に調整される。２つのファイバ端部相互間の絶対間
隔距離の変化はサンプルの歪みに対する尺度量となる。
この２つのファイバ端部は細管内で相互に円滑に支持さ
れているので、間隔距離は相応に換算可能である。
【００２７】これに対し本発明によれば振動測定が可能
である。なぜなら初めて光導波ファイバ端部の横断方向
の振動が利用されるからである。それに伴うファイバ端
部と反射器の間の間隔距離の小さな変化は干渉法によっ
て検出可能である。公知の外的なファブリ・ペロー干渉
計との違いは、この場合通常の多重の干渉ゲージの監視
が必要ないことである。その代わりに反射光波の位相変
化に相応する干渉ゲージでの強度変化が評価される。こ
れに対してはセンサの良好な内的温度補償が有益であ
る。これは特に前述した最小化構造形態の実施例によっ
て保証される。
【００２８】本発明によればコヒーレンス長の短い光源
を干渉計のサイズに適合させて用いることも可能であ
る。これによりレーザーダイオード光源を有する干渉計
センサのもとでも、光学系のガラス−空気境界面におけ
る抑制の不十分な反射に基づく、多大なコストをもって
しか最小化できなかった障害的な干渉が避けられるよう
になる。
【００２９】本発明によれば有利には、センサの構成が
ファブリ・ペロー干渉計として実施される。しかしなが
ら例えばマイケルソン干渉計の構成も可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】次に本発明を図面に基づき詳細に
説明する。
【００３１】図１は本発明による光ファイバ加速ないし
振動センサの構造を概略的に示した図である。この測定
装置は光源として発光ダイオード２を有している。有利
にはこの光源は超光発光ダイオード（ＳＬＤ）として構
成される。この発光ダイオードは、赤外線領域において
典型的には８３０ｎｍ,１３００ｎｍ,又は１５００ｎｍ
の波長で照射を行う。発光ダイオード２はガラスファイ
バ端部を有している。該端部には適切な方式で例えば組
み継ぎを用いて光ファイバ光結合器４の第１の入力側ア
ーム２５が接続されている。光ファイバ光結合器４の２
つの出力側６,８の１つにはシングルモードプラグコネ
クタ１０を介してシングルモードファイバ１２が接続さ
れている。ケーブル化されたシングルモードファイバ１
２は、光を測定装置の本来のセンサに導く。シングルモ
ードファイバ１２は非常に長い区間、例えば数キロメー
トルに及ぶ長さを有している。そのため電気的な構成部
分は、本来の測定個所から十分に離して配設可能であ
る。光源２とは反対側のシングルモード１２端部には、
シングルモードプラグ１４を介してセンサケーシング１
８が接続されている。このセンサケーシング１８は、シ
ングルモードファイバ１２とシングルモードプラグ１４
の接続のために相応のアダプタ１６を有している。
【００３２】このセンサケーシング１８は、有利には円
筒状に形成されている。この場合センサファイバ区分２
２がこの円筒状ケーシング１８の中心軸線に沿って配設
されている。このセンサファイバ区分２２は、アダプタ
１６においてシングルモードファイバ１２と、プラグ１
４を介して接続されている。このセンサ区分２２はケー
シング１８において、緊締部２０によって固定的に留め
付けられている。センサ区分２２の、シングルモードフ
ァイバー端子に対向している側には、ファイバ軸線に対
して垂直方向又は僅かに傾斜（＜５゜）する方向に切断
された端面が設けられている。このセンサファイバ区分
２２の端部は、所定の長さｌだけ開放されて固定緊締部
２０を越えて突出している。このファイバ区分並びに必
要に応じて緊締部２０内に支持されているファイバ区分
は、露出されていてもよい。
【００３３】開放的に懸架されているセンサファイバ区
分２２の端面は、ミラー２４に対して密に離間されて配
設されている。センサ軸線に対して垂直方向又は僅かに
傾斜する方向に切断されたセンサ区分２２の端面はこの
場合ミラー面に対してほぼ平行に配向される。これら２
つの境界面の間に形成される空隙（この空隙は場合によ
っては真空かないしは別のガスで充填されてもよい）
は、発光ダイオード２から送出されシングルモードファ
イバ１２によって導かれる光ビームの反射の際に干渉信
号を生ぜしめる。
【００３４】開放的に懸架されたセンサファイバ区分２
２はこの場合加速ないし振動に反応するセンサ素子をな
している。加速ないし振動は、緊締部２０を越えて突出
するセンサファイバ区分２２での変位を介して検出さ
れ、この場合は空隙の大きさ、すなわちセンサファイバ
区分２２とミラー２４との間の間隔の長さが変化する。
【００３５】変位に基づいて引き起こされる干渉信号
は、シングルモードファイバ１２を介して光結合器４に
供給される。この光結合器４ではその第２の入力側アー
ム２６にホトダイオード２８の形の光検出器が接続され
ている。そこではセンサにおいて生じた干渉信号が電気
信号に変換される。
【００３６】ホトダイオード２８の電気的出力側には前
置増幅器３０が接続されている。この前置増幅器３０の
出力側は電子評価装置３２に接続されている。有利には
この電子評価装置３２はアナログ/デジタル変換器を有
している。この変換器はアナログ電気測定信号をデジタ
ル化する。その後では例えばスペクトル分析器３４を用
いて、例えば高速フーリエ変換により、センサから検出
された振動周波数スペクトルが分析される。
【００３７】図２には本発明による加速ないし振動セン
サの第２実施例の基本的構造の断面図が示されている。
ケーシング１８は、円筒状の外部キャピラリーファイバ
からなっている。このファイバ内には一方の端面側から
センサ区分２２が突出している。センサ区分２２は緊締
部２０によってケーシング１８内に固定されている。こ
の場合緊締部２０は内部キャピラリーファイバ２０から
なっている。この内部キャピラリーファイバ２０は、ケ
ーシングの外部キャピラリーファイバ内に固定的に挿入
されている。内部キャピラリーファイバ２０の孔部には
センサファイバ２２が固定的に挿入されている。センサ
ファイバ２２の端部はファイバ軸線に対して垂直方向又
は僅かに傾斜（＜５゜）する方向に切断された端面を有
している。この端部は所定の長さｌだけ開放されて固定
緊締部２０を越えて内部キャピラリーファイバ２０から
突出している。外部キャピラリーファイバとして構成さ
れたケーシング１８の別の側では、比較的短いガラスフ
ァイバ区分が反射器２４として、内部キャピラリーファ
イバとして構成された緊締部２３内に固定されている。
センサファイバ２２の端面に対向している反射器２４の
端部にも同じように、垂直方向又は僅かに傾斜する方向
に切断された端面が形成されている。この同じシングル
モードファイバ材料から切断されたセンサファイバ２２
と反射器２４の相互に対向する２つの端面の間には１つ
の空隙Ｌが形成される。この空隙Ｌは数１０μｍであ
る。この２つの相互に対向する端面は干渉信号振幅を高
めるために１/４波長の誘電層を用いて反射させてもよ
い。この反射器構成要素は、構造の簡単化のために、外
部キャピラリーファイバの内径に相応する外径を有する
ガラスロッドで構成することも可能である。それにより
反射器ファイバ２４の内部キャピラリーファイバ２３が
省略される。この第２実施例はセンサのさらなる最小化
にも貢献する。なぜなら反射器も相応に僅かな直径を有
するファイバ区分で構成されるからである。２つの相互
に対向するファイバ区分は、精密キャピラリーファイバ
として構成された緊締部２０,２３に基づいて相互に正
確に配向される。それ故にこの種のセンサの寸法は直径
が数ミリメートルで長さは数センチメートルである。
【００３８】以下では測定過程と測定評価過程を説明す
る。
【００３９】センサ系の光源２からは、十分なコヒーレ
ンス長と出力の光ビームがファイバオプティクな光結合
器４を介して、ケーブル化されたシングルモードファイ
バ１２内を本来のセンサ素子に向けて送出される。セン
サ素子からシングルモードファイバ１２へ帰還結合さ
れ、測定サイズで位相及び強度変調された光は、３ｄＢ
−光結合器４において５０％が結合器４の第２の入力側
アームに分岐される。この結合器４の第２の入力側アー
ム２６ではホトダイオード２８が干渉信号を受け取り、
これを電気信号に変換する。このホトダイオード２８の
アナログ電気信号はさらなる測定分析のためにデジタル
信号に変換される。引き続きこのデジタルデータは例え
ば高速フーリエ変換を用いて振動周波数に関して分析さ
れる。
【００４０】本来のセンサ素子は、ファイバーオプティ
クな顕微干渉計として加速ないし振動センサ内で次のよ
うに配置される。すなわち自由に揺動するセンサとして
形成されたガラスファイバ区分の横断方向での移動ない
し揺動が可能となるように配置される。この弾性的質量
体系は、緊締され所望の減衰度に応じて露出される、典
型的には数センチメートルまでの長さのガラスファイバ
端部である。この弾性的質量体系は片側が緊締された撓
みバーに相応して応働する。この有利に露出されたガラ
スファイバ区分は、緊締部２０によって応力負荷軽減さ
れるように温度安定性ケーシングに１８に固定されたセ
ンサファイバ区分２２端部を示している。このセンサフ
ァイバ区分の別の端部はシングルモードファイバとして
構成された導波ケーブル１２に接続されている。ファイ
バ端部に対向的に固定間隔Ｌをおいて、ケーシング内で
調整可能か又は固定的に挿入される反射器２４が配設さ
れる。自由に揺動するファイバ区分２２と反射器２４と
の間の間隙はファブリ・ペロー形顕微干渉計を示してい
る。ファイバ端面と反射器との間の間隔に変化が生じた
場合には、エアリー関数がファブリ・ペロー干渉計にと
って典型的な干渉信号として記録される。
【００４１】光源として用いられる超光発光ダイオード
（ＳＬＤ）２は出力強度が高い場合にはレーザダイオー
ドよりも著しく短いコヒーレンス長を有する。高品質な
超光発光ダイオードはガウス状のスペクトルで傑出して
いる（例えば中心波長が８３０ｎｍでスペクトル幅δλ
が典型的には１５〜６０ｎｍ、これは５０〜１５μｍの
コヒーレンス長に相応する）。これは一方ではＬ＝数μ
ｍ〜数１０μｍのファブリ・ペロー共振器長のもとで良
好な干渉コントラストを保証し、それと同時に他方では
干渉計センサのもとでも、光学系のガラス−空気境界面
における抑制の不十分な反射に基づく、多大なコストを
もってしか最小化できなかった障害的な干渉が避けられ
るようになる。
【００４２】センサ機能を決定する出力信号は、センサ
素子において、図２の矢印ｇによって表されている横断
方向の加速によって生じる開放されたセンサファイバ区
分２２の変位に基づいた、センサファイバ区分２２の平
面的端面の中心と対向する反射器２４との間の間隔変化
によって形成される。ファイバ長手軸線（ｘ軸）を中心
としたセンサ素子の回転対称性に基づいて、センサはそ
れに対して垂直な平面（ｘ−ｙ方向）内での加速成分の
値を測定する。センサのファイバ長手軸線（ｘ軸）は、
重力のベクトルに対して最初は垂直方向、即ち平行方向
を示し、センサは水平位置におかれる。そして片持ち支
持されているファイバ区分が重力ｇのために生じた表面
負荷ｑ（ファイバ長毎の応力）によって湾曲する。これ
は以下の式で表される。
【００４３】 ｑ＝Ｆｇ/ｌ＝ρπＲ２ｇ …（１） この場合前記Ｆｇは重力、ρはファイバ材料（石英ガラ
ス）の密度、Ｒはファイバ半径である。
【００４４】基本的な弾性理論式は、ファイバ端部の静
止位置からの変位に対して以下のように形成される。
【００４５】 ｗｇ＝ｑｌ４/８ＥＪ＝（υｌ４/２ＥＲ２）ｇ …（２） この場合前記Ｊはガラスファイバ断面の面慣性モーメン
トπＲ４/４、ｌはファイバ自由端部の長さ、Ｅは石英
ガラスの弾性モジュールである。
【００４６】重力の単位毎のセンサ軸との変位されたフ
ァイバ端部の接線の角度Θに対しては以下の式が成り立
つ。
【００４７】 Θｇ＝４ｗｇ/（３ｌ） …（３） 相応に０.００１４ｒａｄ,ｌ＝３０ｍｍ，ファイバ端部
とミラーとの間の光束毎の、自重に起因するファイバの
湾曲によって作用する光の経路変更は、以下の式に従っ
て重力単位毎に小さな変位に対して近似的に算出され
る。
【００４８】 ΔＬｇ≒ｗｇΘ＝３/４ｌΘｇ ２ …（４） ｗとΘはファイバ自由端部の長さの４乗ないし３乗で変
化するので、測定作用（ΔＬ）はファイバ自由端部の長
さｌの僅かな変化によって非常に大きな影響を受ける。
１ｇよりも著しく大きな横断方向の加速度を伴う振動の
際には相応に大きな間隔の変化が生じる。
【００４９】センサファイバ湾曲によるファブリ・ペロ
ーの非調整のために、フォトダイオード２８へ偏向され
た光束において測定装置下で生じる強度ロスは、高感度
加速及び振動センサとしての機能を決定する干渉出力信
号、特に干渉コントラストにはわずかしか影響しない。
それにより小さな変位ｗないしΘによって引き起こされ
る間隔変化ΔＬは、以下の式に従って位相変化ΔΦから
直接算出される。
【００５０】 ΔΦ＝２π２ΔＬ/λ≒３Θ２ｌ/λ …（５） 前記式（５）における位相変化は、干渉信号を介して公
知手法により電子回路を用いて評価可能な強度変化に置
き換えられる。
【００５１】 （前記干渉信号＝反射強度ｉｒ＝ｉｒ/ｉ０； ｉ０＝入力強度） 前記ｉｒ＝２Ｒ｛１−ｅｘｐ（-φ０δλ/λ）ｃｏｓφ｝ …（６） 前記式（６）は小さなミラー反射率Ｒに対して有効であ
る。前記δλは光源のスペクトル幅である。
【００５２】全フェーズΦ＝Φ０＋ΔΦに対してはさら
に初期フェーズΦ０＝４πＬＦＰ/λが、ファイバ端面
と反射器との間の初期間隔Ｌに基づいて考慮される。初
期間隔Ｌと初期変位ｗ０（ｗ０＝ｗ（ｇ）、ｇ＝９.８
１・（ｍ/ｓ２））の設定によって、顕微干渉計の動作
点は広い範囲で設定可能となり、それによりセンサ毎の
所望の感度が設定可能となる。
【００５３】図３には前記式（６）において反射率Ｒ＝
４％、波長λ＝８３０ｎｍ、スペクトル幅δλ＝２０ｎ
ｍ、センサファイバ区分ｌ＝３０ｍｍでの数値的評価
が、ミラーとの間隔に起因する損失を考慮して示されて
いる。この損失は、センサファイバ区分２２からの間隔
Ｌが５μｍにおける平面的なミラーの反射効率を低減す
る。ｘ軸には角度Θｒａｄがプロットされ、ｙ軸には強
度（正規化）がプロットされている。ファイバ重量に起
因する初期変位に基づく動作点は、この実施例の場合Θ
＝０.００１４ｒａｄにある。それにより、上昇する第
１の干渉経過に存在する。
【００５４】比較的大きい横断方向加速度のもとでｓｉ
ｎ２φ−干渉計特性曲線の非線形的な領域に出力信号が
現れる位にセンサ区分２２の自由端部の変位が大きい場
合には、センサファイバ区分が揺動振幅の低減のために
短くされる。他方ではセンサファイバ区分の延長によっ
て揺動振幅に相応する光路変化が次のように大きく設定
され得る。すなわち多数の干渉経過が出力信号内でスイ
ープされるように大きく設定され得る。
【００５５】これにより総体的に、建築構造物や機械内
に集積化できる最小化された光学動作方式の加速及び振
動センサが提供される。電気的な構成素子から分離可能
なセンサ素子の長いガラスファイバ区間に基づいて、測
定個所における例えば電磁障害等の障害に起因する測定
結果の悪影響は回避される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による測定装置の構造を示した図であ
る。
【図２】本発明による加速ないし振動センサの構造を示
した図である。
【図３】発生する干渉信号の例を示した図である。
【符号の説明】
２ 光源 ４ 光結合器 ６,８ 出力側 １０ シングルモードプラグ １２ シングルモードファイバ １４ シングルモードプラグ １６ アダプタ １８ ケーシング ２０ 緊締部 ２２ センサファイバ区分 ２４ 反射器 ２５ 第１入力側アーム ２６ 第２入力側アーム ２８ 光検出器 ３０ 前置増幅器 ３２ 電子評価装置

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光ファイバーセンサを用いた加速及び振
    動測定方法であって、光がシングルモードファイバを通
    って案内され、端部から出射され、ミラーによって反射
    されて再びファイバ内に戻される形式の加速及び振動測
    定方法において、 前記シングルモードファイバの端部を、横断方向で自由
    に揺動可能に懸架し、前記ミラーは平面的な表面を有す
    るようにすることを特徴とする、加速及び振動測定方
    法。
  2. 【請求項２】 前記センサをファブリ・ペロー顕微干渉
    計として構成する、請求項１記載の加速及び振動測定方
    法。
  3. 【請求項３】 小振動に対する評価特性曲線が干渉計フ
    ェーズの振動振幅への実質的にリニアな依存性を有して
    いる、請求項１又は２記載の加速及び振動測定方法。
  4. 【請求項４】 前記横断方向で自由に揺動可能に懸架さ
    れたシングルモードファイバ端部の中心位置を、前記平
    面的なミラーの面に対する垂直線から僅かに傾斜させ
    る、請求項３記載の加速及び振動測定方法。
  5. 【請求項５】 検出された位相変化（ΔΦ,ラジアン）
    からシングルモードファイバの自由端部の変位（ｗ）を
    以下の式、 ΔΦ≒ (１６/３)π・(ｗ２/λ・ｌ) に従って小さな変位毎に求め、この場合前記（ｌ）は自
    由に揺動するファイバ区間の長さ、前記（λ）は使用す
    る光の波長である、請求項１〜４いずれか１項記載の加
    速及び振動測定方法。
  6. 【請求項６】 前記変位（ｗ）から以下の式 ａ＝（２ＥＲ２/ｐｌ４）・ｗ に従って加速（ａ）を求め、この場合前記（Ｅ）はシン
    グルモードファイバの弾性モジュール、前記（Ｒ）はフ
    ァイバ半径、前記（ｐ）はファイバ材料の密度である、
    請求項１〜５いずれか１項記載の加速及び振動測定方
    法。
  7. 【請求項７】 測定信号の全フェーズ（Φ）を、以下の
    式 Φ＝Φ０＋ΔΦ＝４πＬＦＰ/λ＋ΔΦ に従って、検出された位相変化（ΔΦ）と初期フェーズ
    （Φ０）の加算により求め、この場合前記（ＬＦＰ）は
    ファイバ端面とミラーとの間の初期の間隔で、前記
    （λ）は光の波長である、請求項１〜６いずれか１項記
    載の加速及び振動測定方法。
  8. 【請求項８】 前記振動信号を振動周波数スペクトルの
    等級分類のためのスペクトル分析に用いる、請求項１〜
    ７いずれか１項記載の加速及び振動測定方法。
  9. 【請求項９】 光源（２）と、光ファイバと、反射器
    （２４）と、光検出器（２８）とを有する加速及び振動
    測定装置において、 前記光ファイバはシングルモードファイバ（１２）であ
    り、 前記シングルモードファイバ（１２）の端部に対して密
    に離間して反射器（２４）が、平面的なミラー形状で配
    設されており、 前記シングルモードファイバ（１２）の端部は、センサ
    ファイバ区分（２２）を形成し、該センサファイバ区分
    （２２）は、所定の長さ（ｌ）だけ開放されて固定緊締
    部（２０）を越えて突出し、横断方向に揺動可能である
    ことを特徴とする、加速及び振動測定装置。
  10. 【請求項１０】 前記光ファイバはシングルモードファ
    イバ（１２）であり、ファイバ端部の変位の際に位相変
    化（ΔΦ）によって測定信号（干渉信号）中の強度変化
    が生じるようにするために、前記シングルモードファイ
    バ（１２）の端部に反射器（２４）が密に離間されて配
    設されている、請求項９記載の加速及び振動測定装置。
  11. 【請求項１１】 前記センサ区分（２２）は、反射器
    （２４）と共にセンサケーシング（１８）内に配設され
    ており、該センサケーシングは有利にはＩＮＶＡＲ−ス
    チールから形成される、請求項９又は１０記載の加速及
    び振動測定装置。
  12. 【請求項１２】 前記反射器はショートレフレクタファ
    イバ（２４）であり、該ショートレフレクタファイバは
    緊締部（２３）内で、該レフレクタファイバ（２４）の
    端面がセンサファイバ（２２）の端面に密に離間して対
    向するように支持されている、請求項９〜１１いずれか
    １項記載の加速及び振動測定装置。
  13. 【請求項１３】 位相変調された干渉信号を強度変化と
    して光検出器（２８）に供給するために、前記光源
    （２）とシングルモードファイバ（１２）の間に光結合
    器（４）が設けられている、請求項９〜１２いずれか１
    項記載の加速及び振動測定装置。
  14. 【請求項１４】 前記センサはファブリ・ペロー顕微干
    渉計として構成されている、請求項９〜１３いずれか１
    項記載の加速及び振動測定装置。
  15. 【請求項１５】 前記反射器（２４）とファイバ（１
    ２）端部の間の間隔は、５〜３０μｍである、請求項９
    〜１４いずれか１項記載の加速及び振動測定装置。
  16. 【請求項１６】 前記シングルモードファイバの緊締の
    ため又はケーシングとして、石英ガラス−精密細管が用
    いられている、請求項９〜１５いずれか１項記載の加速
    及び振動測定装置。
  17. 【請求項１７】 前記センサファイバ区分（２２）の端
    部は、平面的な反射器（２４）の面に対する垂直線から
    傾斜して引き出されているか又は反射器（２４）がセン
    サ軸線に対して斜めに配置されており、それぞれ有利に
    は５゜よりも少ない角度で面基準がセンサ軸線から偏差
    している、請求項９〜１６いずれか１項記載の加速及び
    振動測定装置。
  18. 【請求項１８】 前記反射器（２４）の面は、組み込ま
    れた測定部に対して垂直におかれ、センサ区分（２２）
    の端部は実質的に水平に延在しており、それにより重力
    の影響下でセンサ区分（２２）の端部がわずかに水平方
    向から下方へカーブしている、請求項１７記載の加速及
    び振動測定装置。
  19. 【請求項１９】 前記センサ区分（２２）の端部は斜め
    に切断され、有利には５゜よりも少ない角度で面基準が
    センサ軸線から偏差している、請求項９〜１６いずれか
    １項記載の加速及び振動測定装置。
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