特許 6145344 衝撃検知方法及び検知装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6145344

(24)【登録日】2017年5月19日

(45)【発行日】2017年6月7日

(54)【発明の名称】衝撃検知方法及び検知装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/00 20060101AFI20170529BHJP

   G01L 1/24 20060101ALI20170529BHJP

   G01H 9/00 20060101ALI20170529BHJP

   G01B 11/16 20060101ALI20170529BHJP

   G01K 11/32 20060101ALI20170529BHJP

【ＦＩ】

   G01L5/00 F

   G01L1/24 A

   G01H9/00 C

   G01B11/16 G

   G01K11/32 D

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-149248(P2013-149248)

(22)【出願日】2013年7月18日

(65)【公開番号】特開2015-21814(P2015-21814A)

(43)【公開日】2015年2月2日

【審査請求日】2016年5月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000198318

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ検査計測

(73)【特許権者】

【識別番号】503361400

【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】500302552

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩエアロスペース

(74)【代理人】

【識別番号】110000512

【氏名又は名称】特許業務法人山田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中島 富男

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 英一

(72)【発明者】

【氏名】津田 浩

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 明良

【審査官】 森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】 特許第５５８６０１１（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特許第３９４４５７８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特許第５５３０３３７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特許第５０３００８１（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 米国特許第９１４６０９５（ＵＳ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ１

Ｇ０１Ｌ５

Ｇ０１Ｂ１１

Ｇ０１Ｈ９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

構造物に配置したFBGセンサからの反射光を、光サーキュレータ及び光カプラを介して光ファイバアンプに戻し、光の周回による光ファイバリングレーザを発振させ、光ファイバリングレーザの一部を前記光カプラから分岐し、前記光ファイバリングレーザをひずみ計測用光学フィルタを介して光電変換器に入射し、前記光電変換器の出力電圧を直流成分のままで電圧計測を行い、前記構造物への衝撃力の印加履歴を取得し、
同時に、前記ひずみ計測用光学フィルタを介して透過光側の電圧と反射光側の電圧を取得し、透過光側の電圧と反射光側の電圧との差分から構造物のひずみ変化を計測することを特徴とする衝撃検知方法。

【請求項2】

構造物に配置したFBGセンサからの反射光を、光サーキュレータ及び光カプラを介して光ファイバアンプに戻し、光の周回による光ファイバリングレーザを発振させ、光ファイバリングレーザの一部を前記光カプラから分岐し、前記光ファイバリングレーザを温度計測用光学フィルタを介して光電変換器に入射し、前記光電変換器の出力電圧を直流成分のままで電圧計測を行い、前記構造物への衝撃力の印加履歴を取得し、
同時に、前記温度計測用光学フィルタを介して透過光側の電圧と反射光側の電圧を取得し、透過光側の電圧と反射光側の電圧との差分から構造物に対する温度変化を計測することを特徴とする衝撃検知方法。

【請求項3】

構造物への衝撃力の印加履歴を取得して構造物に衝撃力が印加されたかどうかを監視することを特徴とする請求項１又は２に記載の衝撃検知方法。

【請求項4】

構造物に配置したFBGセンサと、
該FBGセンサに光を入力する光ファイバアンプと、
前記FBGセンサからの反射光を前記光ファイバアンプに戻す光サーキュレータ及び光カプラと、
前記光ファイバアンプ、光サーキュレータ、光カプラを用いて光の周回により光ファイバリングレーザを発振させ、光カプラから分岐した光ファイバリングレーザを受光させるひずみ計測用光学フィルタと、
該ひずみ計測用光学フィルタからの透過光を入射させる透過光側の光電変換器と、
前記ひずみ計測用光学フィルタからの反射光を入射させる反射光側の光電変換器と、
該光電変換器の出力電圧を直流成分のままで電圧計測を行うと共に透過光側の光電変換器と反射光側の光電変換器との電圧の差分から構造物のひずみ変化を計測する電圧計測部とを備え、
前記構造物への衝撃力の印加履歴を取得すると同時に構造物のひずみ変化を取得するように構成されたことを特徴とする衝撃検知装置。

【請求項5】

構造物に配置したFBGセンサと、
該FBGセンサに光を入力する光ファイバアンプと、
前記FBGセンサからの反射光を前記光ファイバアンプに戻す光サーキュレータ及び光カプラと、
前記光ファイバアンプ、光サーキュレータ、光カプラを用いて光の周回により光ファイバリングレーザを発振させ、光カプラから分岐した光ファイバリングレーザを受光させる温度計測用光学フィルタと、
該温度計測用光学フィルタからの透過光を入射させる透過光側の光電変換器と、
前記温度計測用光学フィルタからの反射光を入射させる反射光側の光電変換器と、
該光電変換器の出力電圧を直流成分のままで電圧計測を行うと共に透過光側の光電変換器と反射光側の光電変換器との電圧の差分から構造物に対する温度変化を計測する電圧計測部とを備え、
前記構造物への衝撃力の印加履歴を取得すると同時に構造物に対する温度変化を取得するように構成されたことを特徴とする衝撃検知装置。

【請求項6】

構造物への衝撃力の印加履歴を取得して構造物に衝撃力が印加されたかどうかを監視するように構成したことを特徴とする請求項４又は５に記載の衝撃検知装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、構造物の構造的な健全性を衝撃力の検知により監視する方法及び装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

一般に構造物のひずみを計測する手段として、電気抵抗式ひずみゲージが用いられている。しかし、近年、軽量・耐電磁干渉性・耐爆性に優れる光ファイバセンサであるFBG（Fiber Bragg Grating）センサも用いられるようになっている。FBGセンサは、ブラッグ波長と呼ばれる特定の波長を強く反射する性質を有する。そしてブラッグ波長はひずみ及び温度により変化し、ひずみ変化及び温度変化に対して良い線形性を有している。またFBGセンサを用いて計測する他の手段としては、広帯域光源、ファイバ・ファブリ・ペローフィルタ（FFP）、光電変換器等の構成を使用し、欠陥発生に伴う弾性波放出（AE：アコースティック・エミッション）のAE信号を計測する手段が考えられている（例えば特許文献１参照）。

【0003】

さらに、FBGセンサを用いてひずみやAE信号を計測する手段としては、光ファイバリングレーザを用いる手法も知られている（例えば、特許文献２，３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許５０３００８１号公報

【特許文献2】特開２０１１−１９６７４４号公報

【特許文献3】特願２０１１−１９８０５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

FBGセンサを用いてひずみを計測する手段では、一般的なFBGセンサのグレーティング長が1mmから15mm程度であるため、グレーティング部のひずみ変化しか計測することができない。そのため、一本の光ファイバ上に複数のFBG部を設ける多重化が行われる。しかし、構造物が大きくなると構造物のひずみ分布から構造物の構造健全性を評価するためには、多くのFBGセンサが必要となる。またFBGセンサが多くなると各FBGセンサの位置の識別のため、異なるブラッグ波長のFBGを多数必要とする。この場合、全てのFBGセンサに対応するため、広い波長帯域に対応した光源が必要となる。また多数のブラッグ波長の識別のため分光器が複雑になるという問題がある。このような光源の広帯域化と分光器の複雑化はFBGセンサ用波長計測器が高価になってしまうというFBGセンサ利用上の欠点となっている。

【0006】

FBGセンサを用いてAE信号を計測する手段は、FBGセンサによるひずみ計測の多重化を補う構造物の健全性監視を目的とするものである。AEとは構造物の構造材料内部の損傷に伴い発生する超音波帯域の弾性波である。弾性波は構造物中を伝播するため、ひずみ計測するよりも少ないFBGセンサ数で構造物に損傷が生じていないかを監視することが可能となる。前記の特許文献２及び３はそのような目的のためなされたものである。しかし、FBGセンサによりAE信号を取得するためには、FBGセンサからの反射光を光電変換器により電気信号に変換する必要がある。これは、光電効果を有するインジウム・ガリウムヒ素等の化合物半導体のセンサにより可能である。このような光電効果を有するセンサから出力される電気信号は微弱な電流信号であり、また光電効果の特性上、センサから出力される電流は一方向、すなわち直流電流である。多くの電子計測器では電流信号ではなく電圧信号を計測するため、光電効果により出力された電流信号を電圧信号に変換する電子回路が使用される。一般的な光電変換器は光電効果による電流信号を電圧信号に変換するまでの機能を有する。ここで、光電効果による電流が直流であることから、電流から電圧に変換された光電変換器の出力電圧も、一般には直流電圧である。前述の特許文献３に記載されたひずみ計測部は光電変換器の出力電圧が直流であることを利用したものである。

【0007】

一方、FBGセンサにより超音波周波数帯域のAE信号が検知可能であるということは、FBGセンサからの反射光に1pm以下と微弱な超音波帯域のブラッグ波長変化が重畳しているためである。このような1pm以下の超音波帯域のブラッグ波長を光学的手段で検出することは難しい。そのため、前述の特許文献２においては、その超音波帯域の微弱なブラッグ波長変化を、光電変換器出力電圧に重畳している微弱な光強度変化として抽出する方法により実現している。これは、光電変換器出力電圧に重畳している微弱な交流信号を抽出することに他ならない。そして処理には、光電変換器出力電圧を入力信号として、高周波数の電圧変動のみを抽出すための、電気回路的処理、すなわち交流結合（ACカップリング）やハイパスフィルタもしくはバンドパスフィルタによるフィルタリング処理を必要とする。さらに抽出した交流成分が微弱なため、信号増幅を行う必要がある。また、AE信号を集録するためには、一般にサンプリング周波数が10MHz程度の高速なAD変換器とAE信号処理装置を必要とする。このようにFBGセンサによりAE信号を集録するためには、付加的な機能を有する装置を必要とする。

【0008】

また構造物から発生するAE信号は微弱な超音波帯域の弾性波であるため、炭素繊維強化プラスチック（Carbon fiber reinforced plastics,CFRP）のような複合材料等では減衰の影響が無視できないほど大きい。AE計測時のセンサを含む計測系の校正に使用されるシャープペンシル折損信号は減衰の大きなCFRP材料では数十ｃｍで減衰してしまう。FBGセンサによるAE計測はひずみ計測に比べて広い範囲の構造物の損傷有無を監視可能とする有効な手段であるが、その装置構成は複雑であり、一つのFBGセンサで監視可能な範囲も限られると言う問題があった。

【0009】

本発明は、斯かる実情に鑑み、構造物に有害な衝撃力が印加されたかどうかを容易に検知し、且つ、一つのFBGセンサによる監視範囲をAEによる監視範囲よりもより広範囲にすることを可能とするための構造物の衝撃検知方法及び検知装置を提供しようとするものである。

【0010】

ここで、有害な衝撃について定義しておく。一般に構造物は製造が完了し、使用に供されるまでの間に、検査、輸送、組立等の様々工程を経る。構造物は、その使用に供される構造的荷重条件に耐えうるように設計・製造される。よって、使用に供されるまでには、設計的に考慮されていない静荷重負荷や振動負荷及び衝撃負荷を受けないように、検査、輸送及び組立等がなされる。しかし、製造から使用開始までの間の工程において、検査工程の一環である静荷重試験や耐圧試験中に被検体である構造物から衝撃的な異音が発生すること、輸送中に構造物が落下してしまうこと、組立工具を使用中に不意に構造物に打ち当ててしまうこと、及び、異物が構造物に衝突すること等がある。有害な衝撃とはこのような、構造物が使用に供される前に設計的に意図されていない衝撃力が印加されることである。その衝撃力が構造物の使用に際して有害かどうかを判断することは、本発明の範疇には含まない。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の衝撃検知方法は、構造物に配置したFBGセンサからの反射光を、光サーキュレータ及び光カプラを介して光ファイバアンプに戻し、光の周回による光ファイバリングレーザを発振させ、光ファイバリングレーザの一部を前記光カプラから分岐し、前記光ファイバリングレーザをひずみ計測用光学フィルタを介して光電変換器に入射し、前記光電変換器の出力電圧を直流成分のままで電圧計測を行い、前記構造物への衝撃力の印加履歴を取得し、
同時に、前記ひずみ計測用光学フィルタを介して透過光側の電圧と反射光側の電圧を取得し、透過光側の電圧と反射光側の電圧との差分から構造物のひずみ変化を計測するものである。

【0012】

本発明の衝撃検知方法は、構造物に配置したFBGセンサからの反射光を、光サーキュレータ及び光カプラを介して光ファイバアンプに戻し、光の周回による光ファイバリングレーザを発振させ、光ファイバリングレーザの一部を前記光カプラから分岐し、前記光ファイバリングレーザを温度計測用光学フィルタを介して光電変換器に入射し、前記光電変換器の出力電圧を直流成分のままで電圧計測を行い、前記構造物への衝撃力の印加履歴を取得し、
同時に、前記温度計測用光学フィルタを介して透過光側の電圧と反射光側の電圧を取得し、透過光側の電圧と反射光側の電圧との差分から構造物に対する温度変化を計測するものである。

【0013】

【0014】

本発明の衝撃検知方法において、構造物への衝撃力の印加履歴を取得して構造物に衝撃力が印加されたかどうかを監視することが好ましい。

【0015】

本発明の衝撃検知装置は、構造物に配置したFBGセンサと、
該FBGセンサに光を入力する光ファイバアンプと、
前記FBGセンサからの反射光を前記光ファイバアンプに戻す光サーキュレータ及び光カプラと、
前記光ファイバアンプ、光サーキュレータ、光カプラを用いて光の周回により光ファイバリングレーザを発振させ、光カプラから分岐した光ファイバリングレーザを受光させるひずみ計測用光学フィルタと、
該ひずみ計測用光学フィルタからの透過光を入射させる透過光側の光電変換器と、
前記ひずみ計測用光学フィルタからの反射光を入射させる反射光側の光電変換器と、
該光電変換器の出力電圧を直流成分のままで電圧計測を行うと共に透過光側の光電変換器と反射光側の光電変換器との電圧の差分から構造物のひずみ変化を計測する電圧計測部とを備え、
前記構造物への衝撃力の印加履歴を取得すると同時に構造物のひずみ変化を取得するように構成されたものである。

【0016】

本発明の衝撃検知装置は、構造物に配置したFBGセンサと、
該FBGセンサに光を入力する光ファイバアンプと、
前記FBGセンサからの反射光を前記光ファイバアンプに戻す光サーキュレータ及び光カプラと、
前記光ファイバアンプ、光サーキュレータ、光カプラを用いて光の周回により光ファイバリングレーザを発振させ、光カプラから分岐した光ファイバリングレーザを受光させる温度計測用光学フィルタと、
該温度計測用光学フィルタからの透過光を入射させる透過光側の光電変換器と、
前記温度計測用光学フィルタからの反射光を入射させる反射光側の光電変換器と、
該光電変換器の出力電圧を直流成分のままで電圧計測を行うと共に透過光側の光電変換器と反射光側の光電変換器との電圧の差分から構造物に対する温度変化を計測する電圧計測部とを備え、
前記構造物への衝撃力の印加履歴を取得すると同時に構造物に対する温度変化を取得するように構成されたものである。

【0017】

【0018】

本発明の衝撃検知装置において、構造物への衝撃力の印加履歴を取得して構造物に衝撃力が印加されたかどうかを監視するように構成することが好ましい。

【発明の効果】

【0019】

本発明の衝撃検知方法及び検知装置によれば、光ファイバリングレーザを光電変換器に入射し、光電変換器の出力電圧を直流成分のままで電圧計測部に入れ、構造物への衝撃力の印加履歴を取得するので、構造物に対する衝撃力の印加を容易に検知することができる。また直流成分を取り除くことなく処理し得るので、装置構成や処理を簡易にすることができる。さらにAE計測と異なり特殊な電気回路やAE専用計測装置を不要とすることができる。さらにまた本発明の衝撃検知方法及び検知装置によれば、複合材料等の減衰の大きな材料であっても、数十ｃｍで減衰することがなく、１つのFBGセンサで広い範囲を検知監視対象とすることを可能にし、結果的に構造物に対してFBGセンサの数を減らすことができる。また本発明の衝撃検知方法及び検知装置によれば一般に可聴帯域と呼ばれる40kHz以下のサンプリング周波数のAD変換器を用いて20kHz以下の衝撃による信号を検知することが可能であり、前述のAE計測装置のように10MHzというような高速で高価なAD変換器を必要としない。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施の形態の参考例を示すブロック図である。

【図2】本発明の実施の形態の第一例を示すブロック図である。

【図3】本発明の実施の形態の第一例において光電変換器の出力電圧を示す実験データである。

【図4】集録した実験データ（時系列電圧信号）のデジタル信号処理を示すフローチャートである。

【図5】本発明の実施の形態の第一例において様々な位置での硬貨による軽衝撃の負荷履歴（透過光側）を示す実験データである。

【図6】本発明の実施の形態の第一例において様々な位置での硬貨による軽衝撃の負荷履歴（反射光側）を示す実験データである。

【図7】本発明の実施の形態の第一例においてひずみ計の衝撃波形を示す実験データである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明の衝撃検知方法及び検知装置を実施する形態の参考例を図１を参照して説明する。

【0022】

実施の形態の参考例の衝撃検知方法及び検知装置は、測定対象の構造物（図示せず）に配置したFBGセンサ１と、FBGセンサ１に光ファイバ２を介して光を入力する光ファイバアンプ３と、FBGセンサ１で発生した反射光を分離する光サーキュレータ４と、光サーキュレータ４に接続されて光を分割し且つ分割した一方の光を光ファイバアンプ３に戻す光カプラ５と、光カプラ５に接続されて分割された他方の光を処理する光電変換器６と、光電変換器６に接続されて電気信号をデジタル信号に変換するAD変換器（電圧計測部）７と、AD変換器７に接続されてデータを記録するデータ収録部（データ収録装置）８とを備えている。ここでFBGセンサ１からの光は、光サーキュレータ４及び光カプラ５を介して光ファイバアンプ３に戻され、光の周回により光ファイバリングレーザを発振して光カプラ５から分岐されるようになっている。

【0023】

FBGセンサ１は、構造物に対して所定の間隔で接着されており、FBGセンサ１の位置は、構造物が減衰の大きなCFRP等の複合材料であっても、隣のFBGセンサ１から数メートルの距離を介するようになっている。またFBGセンサ１は、光ファイバのコア部分に光軸方向に沿って一定の間隔で回折格子を形成しており、構造物への衝撃力の印加により反射波長を変化させるようになっている。

【0024】

光ファイバアンプ３は、エリビウム添加光ファイバアンプ（Erbium-doped fiber amplifier,EDFA）または半導体光アンプ（Semiconductor optical amplifier,SOA）である。ここで光ファイバアンプ３を用いた光ファイバリングレーザは、単一波長のレーザ光を発振する。よって、複数の波長のFBGセンサ１を接続した場合には対応できないという問題がある。そこで、このような場合には、複数の波長のFBGセンサ１に対応して、複数の光ファイバアンプを並列使用することが考えられる。さらに各FBGセンサ１の波長帯域に分波及び合波を行う波長分波器を備えることが好ましい。

【0025】

光サーキュレータ４は、光による導波の方向を制御するように構成されており、具体的には、光ファイバアンプ３からの光をFBGセンサ１へ導波させると共に、FBGセンサ１からの反射光を光カプラ５へ導波するようになっている。

【0026】

光カプラ５は、光サーキュレータ４からの光を分割し、一方の出力側から多くの光を光ファイバアンプ３に戻すと共に、他方の出力側から所定割合の光を光電変換器６に出力するようになっている。ここで光カプラ５の分割比は、特定の割合に限定されるものでなく、FBGセンサ１からの反射光を光ファイバアンプ３に回帰させ、光ファイバリングレーザを発振可能とするならば、特に限定されるものではない。

【0027】

光電変換器６は、計測側の光カプラ５からの光強度を電気信号に変換し、AD変換器７へ送るようになっている。またAD変換器７は、サンプリング周波数を40kHz以下として20kHz以下の可聴帯域の信号を計測し、データ収録部８に送るようになっている。ここでAD変換器７のサンプリング周波数は40kHz以下に限定されるものでない。そして、より高速なAD変換器を用いても同等な効果を期待できる。

【0028】

データ収録部８は、AD変換器７からのデジタル信号を記録する。またデータ収録部８ではAD変換器７のサンプリング周波数を40kHz以下としているので、20kHz以下の可聴帯域における衝撃力の印加の有無を判断し得るようになっている。さらに光カプラ５からデータ収録部８までの間には、ハイパスフィルタやバンドパスフィルタ、信号増幅器、AE計測器を不要としている。ここでAD変換器７及びデータ収録部８は一体化しても良い。

【0029】

以下本発明を実施する形態の参考例の作用を説明する。

【0030】

検査対象の構造物に対する衝撃力の印加を検知する際には、光ファイバアンプ３から微弱な広帯域光を出力し、微弱な広帯域光をFBGセンサ１に照射してFBGセンサ１からの反射光を導波させる。そして反射光を、光サーキュレータ４、光カプラ５を経て、光ファイバアンプ３に回帰させ、光ファイバアンプ３で増幅する。この一連の過程を光の速度で繰り返すことにより、FBGセンサ１のブラッグ波長でレーザ発振し、光ファイバリングレーザとなる。なお、光ファイバアンプ３は常時微弱な広帯域光を出力しているが、光ファイバレーザの発振に伴い、光ファイバアンプ３の出力する広帯域光は光ファイバリングレーザの光強度に対して無視できるほど小さな光強度となる。

【0031】

光カプラ５から分岐された光ファイバリングレーザは、光電変換器６により光強度から電圧信号に変換され、信号調節されることなく、AD変換器７に入力される。AD変換器７では、直流成分のまま（衝撃力の信号が直流成分に重畳した状態）で電圧が入力される。そしてデータ収録部８では、衝撃力の印加に伴う電圧の瞬間的な低下と時刻を記録し、構造物への衝撃力の印加履歴（負荷履歴）を取得して構造物に有害な衝撃力が印加されたかどうかを監視する。

【0032】

而して、このように実施の形態の参考例によれば、光ファイバリングレーザを光電変換器６に入射し、光電変換器６の出力電圧を直流成分のままでAD変換器７に入れるので、構造物に対する衝撃力の印加を容易に検知することができる。また直流成分を取り除くことなく処理し得るので、バンドパスフィルタや増幅器等を不要にして装置構成や処理を簡易にすることができる。さらにAE計測と異なり特殊な電気回路やAE専用計測装置を不要とすることができる。さらにまた実施の形態の参考例によれば、複合材料等の減衰の大きな材料であっても、数十ｃｍで減衰することがなく、１つのFBGセンサ１で広い範囲を検知可能にし、結果的に構造物に対してFBGセンサ１の数を減らすことができる。ここで衝撃力の印加に伴う可聴帯域の弾性波は、AE信号よりも長い距離を伝播しており、検知可能な距離は、AE信号の場合、CFRP等の複合材料において数十ｃｍ以下に限定されるが、可聴帯域の弾性波の場合、CFRP等の複合材料において数ｍ間隔以下、さらに好ましくは５ｍ間隔以下、特に好ましくは２ｍ間隔以下にすることができる。

【0033】

また実施の形態の参考例によれば、光電変換器６の出力電圧を直流成分のままの状態でAD変換器７に入れ、直流成分のままで処理し得るので、従来の光ファイバリングレーザによるAE計測手法と比べて計測手法と装置が異なり、結果的に構造物に対する衝撃力の印加を容易に検知することができ、さらに装置構成や処理を簡易にすることができる。

【0034】

以下、本発明の衝撃検知方法及び検知装置を実施する形態の第一例を図２を参照して説明する。

【0035】

実施の形態の第一例の衝撃検知方法及び検知装置は、参考例の光カプラ５からデータ収録部８までの間の構成を変えたものであり、FBGセンサ１、光ファイバアンプ３、光サーキュレータ４、光カプラ５は、参考例と同じ構成を備えている。

【0036】

第一例の衝撃検知方法及び検知装置は、光カプラ５に接続されて光を入射させるひずみ計測用光学フィルタ１１又は温度計測用光学フィルタ１２と、ひずみ計測用光学フィルタ１１又は温度計測用光学フィルタ１２からの透過光を処理する透過光側の光電変換器１３と、ひずみ計測用光学フィルタ１１又は温度計測用光学フィルタ１２からの反射光を処理する反射光側の光電変換器１４と、透過光側の光電変換器１３と反射光側の光電変換器１４に接続されて電気信号をデジタル信号に変換するAD変換器（電圧計測部）１５と、AD変換器１５に接続されてデータを記録するデータ収録部（データ収録装置）１６とを備えている。ここでFBGセンサ１からの光は、参考例と同様に光サーキュレータ４及び光カプラ５を介して光ファイバアンプ３に戻され、光の周回により光ファイバリングレーザを発振して光カプラ５から分岐されるようになっている。

【0037】

ひずみ計測用光学フィルタ１１は、光カプラ５からの光を入射させる誘電体薄膜光学フィルタであり、光カプラ５からの光を透過光と反射光に分離し、透過光を透過光側の光電変換器１３へ送るようになっていると共に、反射光を反射光側の光電変換器１４へ送るようになっている。

【0038】

温度計測用光学フィルタ１２は、ひずみ計測用光学フィルタ１１と同様に、光カプラ５からの光を入射させる誘電体薄膜光学フィルタであり、光カプラ５からの光を透過光と反射光に分離し、透過光を透過光側の光電変換器１３へ送るようになっていると共に、反射光を反射光側の光電変換器１４へ送るようになっている。ここで、ひずみ計測用光学フィルタ１１及び温度計測用光学フィルタ１２は、FBGセンサ１がひずみ変化や温度変化に伴う光強度の変化に対応するものであり、光ファイバ通信のバンド帯に対応するものならば、特に条件が制限されるものではない。

【0039】

透過光側の光電変換器１３は、ひずみ計測用光学フィルタ１１又は温度計測用光学フィルタ１２からの透過光の光強度を電気信号に変換し、AD変換器１５へ送るようになっている。また反射光側の光電変換器１４は、ひずみ計測用光学フィルタ１１又は温度計測用光学フィルタ１２からの反射光の光強度を電気信号に変換し、AD変換器１５へ送るようになっている。

【0040】

AD変換器１５は、透過光側の光電変換器１３及び反射光側の光電変換器１４からの電気信号に対し、サンプリング周波数を40kHz以下として可聴帯域の信号で計測し、データ収録部１６に送るようになっている。ここでAD変換器１５のサンプリング周波数は40kHz以下に限定されるものでない。そして、より高速なAD変換器を用いても同等な効果を期待できる。

【0041】

データ収録部１６は、AD変換器１５からのデジタル信号を記録する。また、データ収録部１６ではAD変換器１５のサンプリング周波数を40kHz以下としているので、20kHz以下の可聴帯域における衝撃力の印加の有無を判断し得るようになっている。さらに光カプラ５からデータ収録部１６までの間には、ハイパスフィルタやバンドパスフィルタ、信号増幅器、AE計測器を不要にしている。ここでAD変換器１５及びデータ収録部１６は一体化しても良く、またAD変換器１５、データ収録部１６を、透過光側の光電変換器１３及び反射光側の光電変換器１４に個別に対応するように分割しても良い。

【0042】

以下本発明を実施する形態の第一例の作用を説明する。

【0043】

検査対象の構造物に対する衝撃力を検知する際には、参考例と同様に、光ファイバアンプ３の出力に伴うFBGセンサ１からの光を、光サーキュレータ４、光カプラ５、光ファイバアンプ３を介して周回させて増幅し、光ファイバリングレーザとして発振する。

【0044】

光カプラ５から出射された光ファイバリングレーザは、ひずみ計測用光学フィルタ１１又は温度計測用光学フィルタ１２により透過光と反射光になり、透過光は、透過光側の光電変換器１３により光強度から電気信号に変換され、信号調節されることなく、AD変換器１５に入力される。また反射光は、反射光側の光電変換器１４により光強度から電気信号に変換され、信号調節されることなく、AD変換器１５に入力される。AD変換器１５では、直流成分のまま（衝撃力の信号が直流成分に重畳した状態）で電圧が入力される。そしてデータ収録部１６では、衝撃力の印加に伴う電圧の瞬間的な低下や時刻を記録し、構造物への衝撃力の印加履歴（負荷履歴）を取得して構造物に有害な衝撃力が印加されたかどうかを監視する。

【0045】

また第一例の構成は、ひずみ計測用光学フィルタ１１又は温度計測用光学フィルタ１２を備えることから、光ファイバリングレーザにより、透過光側の光電変換器１３と反射光側の光電変換器１４との電圧の差分を取得し、ひずみ変化又は温度変化を同時に計測することが可能となる。なお、光ファイバリングレーザは、予備試験によって、FBGセンサ１に負荷されたひずみや温度によりレーザ発信波長が変化することを確認しており、またひずみ変化又は温度変化と、光ファイバリングレーザのレーザ発信波長とに線形性を有することを確認している。

【0046】

以下、実施の形態の第一例の構成において構造物で試験した場合の結果を示す。試験では、CFRP製の円筒状の構造物を用いると共に、構造物の周面にFBGセンサ１を接着し、硬貨等の部材によって構造物の様々な位置に軽い衝撃力を印加した。ここで軽い衝撃力を負荷する位置には様々な位置があるが、一例としては、FBGセンサ１の接着位置に対して構造物の周方向で１８０°ずれた位置がある。AD変換器１５のサンプリング周波数を５kHzとし、データを集録した。

【0047】

そして試験データでは、図３のごとく衝撃力の印加に伴い、透過光側の光電変換器１３と反射光側の光電変換器１４に出力電圧変化を生じた。 図３ではLET2が透過光側の光電変換器１３の出力電圧であり、LER2が反射光側の光電変換器１４の出力電圧である。そして時間５及び１１の時にパルス状の電圧変化がLET2とLER2の両方に現れている。またLET2及びLER2の波形から明らかなように、この二つの信号は光電変換器１３，１４の直流電圧を計測しているものである。

【0048】

このため、第一例の構成において、一定の電圧信号から瞬間的な電圧変化を生じた場合を、衝撃力の印加があった事象として認識することができる。なお透過光側の光電変換器１３と反射光側の光電変換器１４との電圧の差分からひずみを求める処理では、透過光側の光電変換器１３と反射光側の光電変換器１４に同レベルの電圧変化が同時に起きる場合に差分がないため、衝撃力の印加をブラッグ波長変化、すなわちひずみ変化として識別することはできていない。

【0049】

集録した時系列電圧信号に対して、図４に示すフローチャートによるデジタル信号処理を行った。その結果を図５、図６に示す。図５及び図６は集録した光電変換器出力電圧を０．１秒毎に抽出し（図４のステップ１）、０．１秒間の電圧の平均値を計算し（図４のステップ２）、０．１秒間のデジタル信号配列からステップ２で計算した平均値を減算した配列を作成し（図４のステップ３）、ステップ３で作成した配列から、最大値と最小値を求めたものである（図４のステップ４）。よって、縦軸においてゼロの上下に信号が分布している。縦軸ゼロ近傍で帯状になっているのは、光電変換器のノイズ成分である。

【0050】

図５では、透過光側（VT）における軽い衝撃力の信号の波形（軽衝撃の負荷履歴）を示し、図６では反射光側（VR）における軽い衝撃力の信号の波形（軽衝撃の負荷履歴）を示している。また図５、図６において１８０degは、軽い衝撃力を負荷する位置がFBGセンサ１の位置に対して構造物の周方向で１８０°ずれた位置であることを示し、１ｍ、１．５ｍ、２ｍは、軽い衝撃力を負荷する位置がFBGセンサ１の位置に対して構造物の周方向で該当距離分だけ離れた位置であることを示している。なお図７では、ひずみ変化（透過光側の光電変換器１３と反射光側の光電変換器１４との電圧の差分）を求めた場合を示している。

【0051】

このため、第一例の構成において、様々な位置で衝撃力を負荷しても、図５、図６に示す如く帯状のノイズ成分の領域から瞬間的な電圧変化のピークを生じ、衝撃力の印加を検知することができる。一方、透過光側の光電変換器１３と反射光側の光電変換器１４との電圧の差分によりひずみを求めたひずみの時系列波形に対して、図７に示す如くゼロ近傍の帯状のノイズ領域から特徴的なひずみの瞬間的な変化は生じておらず、衝撃力の印加をひずみとして検知することができない。

【0052】

ここでさらに衝撃力の印加を検知できる原理を示すと、以下のように考えられる。衝撃力の印加に伴う弾性波がFBGセンサ１に到達すると、FBGセンサのブラッグ波長の瞬間的な変化をもたらし、このとき光ファイバリングレーザの発振波長も変化するが、その変化は過渡的かつ瞬間的である。一方で光ファイバリングレーザの発振波長変化に有限の時間を要する。この変化を高速なAD変換器を用いて集録すればAE信号となるが、超音波帯域の信号は減衰してしまっている。そのため、低速なAD変換器では、光ファイバリングレーザの発振波長変化の過程を示す履歴として光電変換器の出力電圧の変化が生じる。このため、図３においては、硬貨による軽い衝撃力のタイミングに合致して光電変換器１３，１４の出力電圧が低下している。この現象を利用すれば、FBGセンサ１から離れた位置に負荷された軽い衝撃力も検知することが可能となり、構造物に有害な衝撃力の印加が起きなかったかを記録することができる。

【0053】

而して、このように実施の形態の第一例によれば、参考例と同様な作用効果を得ることができる。

【0054】

また実施の形態の第一例において、光ファイバリングレーザを光電変換器１３，１４へ入射させる前に光ファイバリングレーザを受光させるひずみ計測用光学フィルタ１１を備えるので、構造物に対する衝撃力の印加を容易に検知することができ、さらに透過光側の光電変換器１３と反射光側の光電変換器１４との電圧の差分を生じる場合に、ひずみ変化を同時に計測することができる。

【0055】

実施の形態の第一例において、光ファイバリングレーザを光電変換器１３，１４へ入射させる前に光ファイバリングレーザを受光させる温度計測用光学フィルタ１２を備えるので、構造物に対する衝撃力の印加を容易に検知することができ、さらに透過光側の光電変換器１３と反射光側の光電変換器１４との電圧の差分を生じる場合に、温度変化を同時に計測することができる。

【0056】

尚、本発明の衝撃検知方法及び検知装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

【符号の説明】

【0057】

１ FBGセンサ
２ 光ファイバ
３ 光ファイバアンプ
４ 光サーキュレータ
５ 光カプラ
６ 光電変換器
７ AD変換器（電圧計測部）
１１ ひずみ計測用光学フィルタ
１２ 温度計測用光学フィルタ
１３ 透過光側の光電変換器
１４ 反射光側の光電変換器
１５ AD変換器（電圧計測部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】