特許 7550994 ＦＢＧ耐熱歪みセンサとその校正法

(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】

(24)【登録日】2024-09-05

(45)【発行日】2024-09-13

(54)【発明の名称】ＦＢＧ耐熱歪みセンサとその校正法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/16 20060101AFI20240906BHJP

【ＦＩ】

G01B11/16 G

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2023542616

(86)(22)【出願日】2021-10-29

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-25

(86)【国際出願番号】 CN2021127547

(87)【国際公開番号】W WO2022151798

(87)【国際公開日】2022-07-21

【審査請求日】2023-08-10

(31)【優先権主張番号】202110041184.6

(32)【優先日】2021-01-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】519063451

【氏名又は名称】蘇州熱工研究院有限公司

(73)【特許権者】

【識別番号】521370938

【氏名又は名称】中国广核集団有限公司

(73)【特許権者】

【識別番号】521370949

【氏名又は名称】中国广核電力股▲フン▼有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】110001999

【氏名又は名称】弁理士法人はなぶさ特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】王紅珂

(72)【発明者】

【氏名】林磊

(72)【発明者】

【氏名】徐徳城

(72)【発明者】

【氏名】陳明亜

(72)【発明者】

【氏名】斉▲ユー▼▲ウェイ▼

(72)【発明者】

【氏名】周帥

(72)【発明者】

【氏名】高紅波

(72)【発明者】

【氏名】張国棟

(72)【発明者】

【氏名】陳▲シャウ▼偉

【審査官】山▲崎▼ 和子

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１６２６０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０５３１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１０５３０２８２（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０６７６７４８６（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０３１７４０１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０２０－５０３４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２２１６１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

Ｇ０１Ｄ ５／２６－５／３８

Ｇ０１Ｌ １／００－１／２６

２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

センサ基板、前記センサ基板に設置される光ファイバを有し、円環形の前記センサ基板の内周面に沿って光ファイバの取付けアームが伸びて形成される、前記光ファイバが歪み感応型ファイバと温度補償に使う温度補償型光ファイバを有し、前記センサ基板の上に、前記光ファイバを固定するボスが設置され、そして前記ボスを用いて光ファイバが互いに交差して接触することを避け、前記センサ基板に設置される光ファイバの取付けアームを有し、前記光ファイバの取付けアームが前記センサ基板の内周面に沿って内側に伸びて形成され、延伸ロッドを有し、前記センサ基板の外周に沿って外に伸びて形成される前記延伸ロッドが、歪みセンサの校正に用いられる、ことを特徴とするＦＢＧ耐熱歪みセンサ。

【請求項2】

前記光ファイバは第１の光ファイバ、第２の光ファイバ、第３の光ファイバを含み、前記第１の光ファイバ、第２の光ファイバ、第３の光ファイバが異なる高さで互いに交差し合って設置されて、前記第１の光ファイバ、第２の光ファイバと第３の光ファイバが重なる点が前記センサ基板の中心となる、前記温度補償型光ファイバは前記第１の光ファイバと平行に設置されて同じ高さであり、かつ同一平面上に位置し、前記第１の光ファイバ、第２の光ファイバ、第３の光ファイバが異なる平面上にある、ことを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧ耐熱歪みセンサ。

【請求項3】

前記第２の光ファイバの中心軸と第３の光ファイバの中心軸の高度差が光ファイバの直径より大きい、ことを特徴とする請求項２に記載のＦＢＧ耐熱歪みセンサ。

【請求項4】

前記第１の光ファイバと温度補償型光ファイバが前記光ファイバの取付けアームに取り付けられ、前記第２の光ファイバと第３の光ファイバが前記第１の光ファイバの両側に対称に配置され、前記第２の光ファイバと第３の光ファイバが異なる高さで前記ボスに取り付けられている、ことを特徴とする請求項２に記載のＦＢＧ耐熱歪みセンサ。

【請求項5】

前記光ファイバの取付けアームは前記光ファイバの格子とセンサ基板の内壁との距離より長さが短い、ことを特徴とする請求項４に記載のＦＢＧ耐熱歪みセンサ。

【請求項6】

前記光ファイバの取付けアームに第１の光ファイバと温度補償型光ファイバを収容する取付け溝が開かれている、ことを特徴とする請求項５に記載のＦＢＧ耐熱歪みセンサ。

【請求項7】

前記第１の光ファイバと温度補償型光ファイバの両端が、光ファイバ固定点により前記センサ基板の上に固定され、前記第２の光ファイバと第３の光ファイバの両端が、前記ボスにより前記センサ基板の上に固定され、すべてのボス５が同一円周上に位置し、またその中心は環状のセンサ基板１０の中心と重なっている、ことを特徴とする請求項４に記載のＦＢＧ耐熱歪みセンサ。

【請求項8】

前記第２の光ファイバと第３の光ファイバは前記第１の光ファイバとの夾角が全部４５°となっている、ことを特徴とする請求項４に記載のＦＢＧ耐熱歪みセンサ。

【請求項9】

前記延伸ロッドは前記センサ基板から離れた端部に、前記延伸ロッドを厚さ方向へ貫通する引っ張り丸穴が開かれており、前記引っ張り丸穴は歪みセンサの校正に用いられる、ことを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧ耐熱歪みセンサ。

【請求項10】

複数の引っ張り丸穴が同一円周上に位置し、またその中心は環状のセンサ基板の中心と重なっている、ことを特徴とする請求項９に記載のＦＢＧ耐熱歪みセンサ。

【請求項11】

前記センサ基板の径方向に沿って伸びる２つの前記光ファイバの取付けアームと前記センサ基板の径方向に沿って伸びる６つの前記延伸ロッドを有し、しかもそのうちの２つの前記延伸ロッドが前記光ファイバの取付けアームと同じ伸張方向である、ことを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧ耐熱歪みセンサ。

【請求項12】

サイズが前記センサ基板の外径と統合する防護カバーを有し、前記防護カバーと前記センサ基板が繋がる金属製の接続部が前記防護カバーの縁に均一な間隔を置いて配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＦＢＧ耐熱歪みセンサ。

【請求項13】

前記光ファイバにポリイミドコーティング層を有する、ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＦＢＧ耐熱歪みセンサ。

【請求項14】

請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のＦＢＧ耐熱歪みセンサの校正法であって、
１）引っ張り丸穴を利用して、第１の光ファイバの両端に対応する２つの延伸ロッドを変位伸張校正プラットフォームに固定する。
２）変位伸張法によりセンサの第１の光ファイバを徐々に伸張と負荷軽減をしながら、変位センサおよび分光計により、伸張と負荷軽減をする間に第１の光ファイバの変化する変位量ΔＬｉおよびその対応する波長シフト量Δλｉ（ｉ＝１，２，３，・・・，ｎ）を得る。
３）第１の光ファイバの２つの固定端の長さＬを測定，歪みセンサが第１の光ファイバの方向における歪みεｉ＝ΔＬｉ／Ｌを算出する。
４）いくつかの測定点（Δλｉ，εｉ）に直線を当てはめた直線の傾きＫ１は、歪みセンサが第１の光ファイバの方向における歪み感度である。
５）第２の光ファイバと第３の光ファイバに対して、順にステップ１）～ステップ４）を繰り返し、歪みセンサがそれぞれ、第２の光ファイバの方向における歪み感度Ｋ２と第３の光ファイバの方向における歪み感度Ｋ３を得てから校正済みとなる、以上のステップを有する、ことを特徴とするＦＢＧ耐熱歪みセンサの校正法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、構造の歪み測定とセンサ設計の分野に属し、より詳しくは、ＦＢＧ耐熱歪みセンサとそのセンサの校正法に関する。

【背景技術】

【0002】

歪みは構造の健康を監視する重要なパラメータパラメータであり、構造の内部の応力状態を効果的に反映できる。歪み測定の慣用法は抵抗歪みゲージを用いる測定法であるが、高温、多湿、強い電磁干渉がある環境におけるの歪み測定には、貼り付けられる接着剤の固化時間が長かったり、歪みゲージの縁に付着部の破壊があったり、電磁干渉がひどかったり、ゼロ点変動あったり、歪みゲージに腐食が発生したり、異常な測定信号があったりする難題があるとともに、高温環境下での抵抗歪みゲージの使用寿命が短く、インストール済みの生存率が低いため、構造歪みの長期監視に使用が難しい。

【0003】

光信号に基づいた測定技術であるＦＢＧセンシング技術は、耐食性、小型、直列に連結される再利用可能、高精度の測定、電磁干渉耐性などの利点があり、温度、歪み、圧力、流量などのパラメータの敏感測定に広く使用されている。通常は光ファイバブラッグ格子をステンレス管または金属基板中に封入し、格子の歪みに敏感な特性により構造の歪み測定を実現する。構造の主応力方向が不確かな場合、構造測定点の復数方向の歪み情報を同時に得る必要があり、構造の最大歪み値を求める。

【0004】

現在、慣用のＦＢＧ歪みセンサは、ほとんど構造面の一方向の歪み測定にしか用いられず、構造面の多方向の歪みの同時測定を実現できない。多方向歪み測定の研究では、三角形、星形、直角形などの構造を持つ多方向光のＦＢＧ歪みセンサが既存する。しかし、上記の研究者は、ほとんど複数のブラッグ光ファイバ格子を組み合わせた形をとり、それを異なる形状につなぎ合わせて構造の複数方向の歪みを測定している。それは測定点の周囲の領域の復数方向の歪みを測定してから、測定点の等価歪み値にする。こういうやり方はセンサの寸法が大きい、歪みの位置が正確でなく、等価誤差が大きい問題などをもたらす。これらのセンサは、ほとんど岩石、橋梁、トンネルなどの大型構造物の埋め込み歪み測定に用いられるが、小型構造物の表面での多方向歪みの同時測定には応用することができないとともに、光とともに、光ファイバ格子が同時に歪みと温度に敏感なので、ＦＢＧ歪みセンサをデザインする際、温度より歪み測定結果への影響を解消しなくてはならない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

そこで、従来技術の欠点を解決するために、本発明では、構造面の三方向の歪みを同時測定できるとともに、温度より構造歪みの測定結果に対する影響をなくす温度補償型光ファイバも付けられている、ＦＢＧ耐熱歪みセンサを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前述の目的を達成するために、本発明は以下の技術態様を採用している。
本発明のＦＢＧ耐熱歪みセンサは、センサ基板、前記センサ基板に設置される光ファイバの取付けアーム、３本の歪み感応型ファイバ、１本の温度補償型光ファイバ、ボスとセンサ基板が外に向かって伸びだした６つの延伸ロッドを有し、円環形の前記センサ基板の内周面に沿って光ファイバの取付けアームが伸びて形成され、前記歪み感応型ファイバと前記温度補償型光ファイバが前記センサ基板の径方向に沿って配置され、前記温度補償型光ファイバが構造変形からの影響を受けなくて測定部位の温度変化をしか感受しなく、前記光ファイバを固定するために、異なる高さに設けられている前記ボスが前記センサ基板に設置され、そして前記ボスを用いて異なる光ファイバが互いに交差して接触することを避ける。

【0007】

本発明の好適な実施形態によれば、前記歪み感応型ファイバは第１の光ファイバ、第２の光ファイバ、第３の光ファイバを含み、前記第１の光ファイバ、第２の光ファイバ、第３の光ファイバが異なる高さで互いに交差し合って設置されて、前記第１の光ファイバ、第２の光ファイバと第３の光ファイバが重なる点が前記センサ基板の中心となり、前記温度補償型光ファイバが前記第１の光ファイバと平行して設置されて同じ高さである。

【0008】

本発明の一部の実施例では、歪み感応型ファイバも温度補償型光ファイバも光ファイバブラッグ格子（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ，ＦＢＧ）で、その内、第１の光ファイバと温度補償型光ファイバが光ファイバ取付け溝に取り付けられ、第２の光ファイバと第３の光ファイバが取付け溝の両側に配置されて、それぞれ取付け溝の軸線から４５°、－４５°の角度で左右対称しており、前記第１の光ファイバ、第２の光ファイバと第３の光ファイバが構造の歪みと温度情報を同時に感受し、温度補償に使う温度補償型光ファイバが構造の温度情報しか感受しない。

【0009】

本発明の好適な実施形態によれば、前記第１の光ファイバと温度補償型光ファイバが前記光ファイバの取付けアームに取り付けられ、前記第２の光ファイバと第３の光ファイバが前記第１の光ファイバの両側に左右対称して配置され、前記第２の光ファイバと第３の光ファイバが異なる高さで前記ボスに取り付けられている。

【0010】

歪みゲージが引っ張り歪みと圧縮歪み両方とも測定できるようにするために、第１の光ファイバ、第２の光ファイバと第３の光ファイバを固定する時、一定のブレークドラフトをする必要がある。第１の光ファイバ、第２の光ファイバと第３の光ファイバが互いに交差しながら接しないことにしてチャープ現象を回避すると保証するために、第２の光ファイバと第３の光ファイバがセンサ基板に固定している場所に異なる高さのボスが設置されている。

【0011】

本発明の好適な実施形態によれば、センサ基板の外周面を沿って外に向かって伸びて形成された６つの延伸ロッドを有し、前記歪みセンサの校正に使う前記延伸ロッドが、前記歪みセンサが校正済みとしてから前記センサ基板から切除する。

【0012】

本発明の好適な実施形態によれば、前記延伸ロッドは前記センサ基板から離れた端部に、前記延伸ロッドを厚さ方向へ貫通する引っ張り丸穴が開かれており、前記引っ張り丸穴は歪みセンサの校正に用いられる。

【0013】

本発明の好適な実施形態によれば、前記センサ基板の径方向に沿って伸びる２つの前記光ファイバの取付けアームと前記センサ基板の径方向に沿って伸びる６つの前記延伸ロッドを有し、しかもそのうちの２つの前記延伸ロッドが前記光ファイバの取付けアームと同じ伸張方向である。前記延伸ロッド的延伸方が前記光ファイバの取り付けの方向に対応して設置され、前記第１の光ファイバと温度補償型光ファイバが前記光ファイバの取付けアームに取り付けられる。光ファイバの取付けアームが前記環状センサ基板の径方向に沿ってセンサ基板の中心の両側に対称して配置される。前記光ファイバの取付けアームの一端が前記センサ基板に固定され、残りの一端が自由端で歪みセンサの中心に向かい、光ファイバの取付けアームに第１の光ファイバと温度補償型光ファイバを収容する取付け溝が開かれている。

【0014】

本発明の好適な実施形態によれば、サイズが前記センサ基板の外径と統合する防護カバーを有し、ＦＢＧを有する光ファイバを保護するために、前記防護カバーと前記センサ基板が繋がる金属製の接続部が前記防護カバーの縁に均一な間隔を置いて配置されている。

【0015】

本発明の好適な実施形態によれば、前記光ファイバの外にセットされたピグテイル型保護カバー及び復数の前記光ファイバの外にセットされた絶縁ブッシュを有する。歪み感応型ファイバと温度補償型光ファイバがセンサ基板から伸びだした後、光ファイバの表面に耐熱ピグテイル型光ファイバ保護カバーがセットされている。その内、第１の光ファイバと温度補償型光ファイバが同一の耐熱ピグテイル型光ファイバ保護カバーの中にかぶせて、第２の光ファイバと第３の光ファイバの表面にそれぞれ一つの耐熱ピグテイル型光ファイバ保護カバーを有する。３本の耐熱ピグテイル型光ファイバ保護カバーが歪みゲージの両端から伸びだした後に一緒に併合してから、保護用の絶縁ブッシュにかぶせる。

【0016】

本発明の好適な実施形態によれば、前記光ファイバにポリイミドコーティング層を有し、すなわち、採用する歪み感応型ファイバと温度補償型光ファイバがポリイミドコーティング層を有する耐熱光ファイバであるので、最高３５０℃の環境下での構造歪みの長期測定に適している。

【0017】

本発明の好適な実施形態によれば、前記歪みセンサの位置決めと取り付けに使うために、前記センサ基板の裏面に取り付け位置が付けられている。

【0018】

本発明はまた、前述のように前記的ＦＢＧ耐熱歪みセンサに対して、以下のステップを含む校正法も提供する。
１）引っ張り丸穴を利用して、第１の光ファイバの両端に対応する２つの延伸ロッドを変位伸張校正プラットフォームに固定する。
２）変位伸張法によりセンサの第１の光ファイバを徐々に伸張と負荷軽減をしながら、変位センサおよび分光計により、伸張と負荷軽減をする間に第１の光ファイバの変化する変位量ΔＬｉおよびその対応する波長シフト量Δλｉ（ｉ＝１，２，３，・・・，ｎ）を得る。
３）第１の光ファイバの２つの固定端の長さＬを測定，歪みセンサが第１の光ファイバの方向における歪みεｉ＝ΔＬｉ／Ｌを算出する。
４）いくつかの測定点（Δλｉ，εｉ）に直線を当てはめた直線の傾きＫ１は、歪みセンサが第１の光ファイバの方向における歪み感度である。
５）第２の光ファイバと第３の光ファイバに対して、順にステップ１）～ステップ４）を繰り返し、歪みセンサがそれぞれ、第２の光ファイバの方向における歪み感度Ｋ２と第３の光ファイバの方向における歪み感度Ｋ３を得てから、校正済みとなる。

【発明の効果】

【0019】

本発明のＦＢＧ耐熱歪みセンサは、上記の技術を採用したことにより、従来技術に比べて、温度を感知するだけで構造の歪みを感知しない温度補償型光ファイバを並列に接続することにより、歪み測定結果に対する温度の影響を除去し、センサ基板に設けられたボスにより、３本の歪み感応型ファイバの交差して接触することにもたらされるチャープ現象を効果的に回避でき、そしてこの歪みセンサは構造が簡単で、サイズが小さく、位置決めが精密で、多方向の歪みを同期に測定し、温度補償も可能で、測定精度が高いなど利点があるため、構造面における多方向の歪みの同時測定に使用できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

本発明の実施形態の技術的態様をより明確に説明するために、実施形態の説明において必要とされる添付の図面を以下に簡単に説明する。以下に説明する添付図面は、本発明の一部の実施形態に過ぎず、他の添付図面は、当業者にとって創造的な作業なしに入手可能であることは明らかである。

【0021】

【図1】本発明の好適な実施形態におけるＦＢＧ耐熱歪みセンサの正面を示す図（延伸ロッドが切除していない時）である。

【図2】本発明の好適な実施形態におけるＦＢＧ耐熱歪みセンサの裏面を示す図（延伸ロッドが切除していない時）である。

【図3】本発明の好適な実施形態における封入して校正後の歪みセンサを示す立体図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、当業者に本発明の技術的態様をより良く理解させるために、本発明の実施形態における技術的態様を添付の図面に合わせて、明確かつ完全に説明する。説明された実施形態は本発明の一部の実施形態に過ぎず、全体の実施形態ではないことは明らかである。本発明の実施形態に基づいて、当業者が創造的な労働を行わずに取得した他のすべての実施形態は、本発明の保護の範囲に含まれるべきである。

【0023】

（実施例１、ＦＢＧ耐熱歪みセンサ）
当該実施例のＦＢＧ耐熱歪みセンサは、図１～図３が示すように、円環形のセンサ基板１０、センサ基板１０に設置された光ファイバの取り付けアーム１１、センサ基板１０に設置された歪み感応型ファイバと温度補償型光ファイバ、センサ基板の中にある光ファイバの防護カバー３０を有する。センサ基板１０の内周面に沿って形成される光ファイバの取り付けアーム１１が、センサ基板１０の径方向に沿って延びており、光ファイバがセンサ基板１０の径方向に沿って配置されている。測定対象物と光ファイバの間にある光ファイバの取り付けアーム１１が、光ファイバと測定対象物との接触にもたらされた測定誤差を避ける。当該実施例では、光ファイバの取付けアーム１１は、センサ基板１０と同一平面内に位置する。防護カバー３０の寸法は、センサ基板１０の外径に合わせており、防護カバー３０の縁に間隔をおいて接続部があり、防護カバー３０とセンサ基板１０は接続部により接続（溶接又は接着）されており、光ファイバを保護する防護カバー３０が、金属製のセンサ基板１０の正面に取り付けられている。環状構造を有するセンサ基板１０を用いて、小型化されたセンサは応用範囲が拡大し、小型構造面における歪み測定に応用できるようになった。

【0024】

センサ基板１０に使う材質は測定対象構造物の剛度より小さく、ステンレス鋼、合金鋼又はアルミ板を使用できる。歪みセンサを貼り付け方式で固定する場合、接着不良防止のために、それと測定対象構造物の材質及び接着剤との適合性を考慮すべきである。当該実施例におけるセンサ基板１０は外径が２０ｍｍ、厚さが０．１８ｍｍである。

【0025】

当該実施例における光ファイバはＦＢＧを有する光ファイバ（光ファイバブラッグ格子）で、即ち、光ファイバの中心の区間内に周期性間隔に形成された格子２０を備え、その本当の目的は光ファイバの中心の区間内に狭帯域（透過または反射）のフィルタや反射鏡を形成する。ＦＢＧを有する光ファイバはセンサ基板１０の正面にある第１の光ファイバ２１、第２の光ファイバ２２、第３の光ファイバ２３及び温度補償型光ファイバ２４を含み、第１の光ファイバ２１と第２の光ファイバ２２と第３の光ファイバ２３が互いに交差し合って設置されて、第１の光ファイバ２１、第２の光ファイバ２２と第３の光ファイバ２３（格子）が重なる点がセンサ基板１０の中心となっており、即ち、水平面も投影において、第１の光ファイバ２１、第２の光ファイバ２２、第３の光ファイバ２３及び温度補償型光ファイバ２４の格子２０の位置が互いに交差し合っている。温度補償型光ファイバ２４は第１の光ファイバ２１と平行して設置され、互いに接触し合うことを避けるために第１の光ファイバ２１、第２の光ファイバ２２、第３の光ファイバ２３が異なる高さに取り付けられ、第１の光ファイバ２１と温度補償型光ファイバ２４が同じ高さに位置している。第１の光ファイバ２１、第２の光ファイバ２２と第３の光ファイバ２３が構造の歪みと温度情報を同時に感受し、温度補償に使う温度補償型光ファイバ２４が構造の温度情報しか感受しない。

【0026】

光ファイバの取付けアーム１１の一端がセンサ基板１０に固定され、残りの一端が自由端で歪みセンサの中心に向かう。光ファイバの取付けアーム１１は、第１の光ファイバ２１と温度補償型光ファイバ２４を収容する取付け溝を有し、光ファイバ固定点１５によりセンサ基板１０の上に固定される。図１が示すように、第２の光ファイバ２２と第３の光ファイバ２３が取付け溝の両側に配置されて、それぞれ取付け溝の軸線から４５°、－４５°の角度で左右対称している。光ファイバ取付け溝は光ファイバと光ファイバの取付けアーム１１との接触面積を増えることができ、光ファイバ取付け溝に接着剤を垂らすのが好ましく、そのやり方で第１の光ファイバ２１と温度補償型光ファイバ２４を効果的に固定できるが、ガラスハンダによる溶接固定をしてもよろしい。

【0027】

当該実施例において、センサ基板１０には、異なる高さのボス１４とボス１４´が設置され、第２の光ファイバ２２と第３の光ファイバ２３をそれぞれ異なる高さのボス１４とボス１４´に取り付け、設置しているボスは光ファイバの直径より高く、即ち、異なる光ファイバが交差して接触するのを避けるために、第２の光ファイバの中心軸と第３の光ファイバの中心軸の高度差が光ファイバの直径より大きいことを保証する。具体的には、第１の光ファイバ２１、第２の光ファイバ２２、第３の光ファイバ２３が互いに交差しながら接しないことにしてチャープ現象を回避するために、第２の光ファイバ２２における２つの固定端の下に高さ０．５ｍｍのボス１４を設け、第３の光ファイバ２３における２つの固定端の下に高さ１．０ｍｍのボス１４を設ける。

【0028】

第２の光ファイバ２２と第３の光ファイバ２３はセンサ基板１０の位置している平面の高さより高いため、当該実施例１においては、第１の光ファイバ２１と温度補償型光ファイバ２４だけに対応して光ファイバの取付けアーム１１を設置し、同じ径方向に２つの光ファイバの取付けアーム１１が対象して設置されており、また、格子２０との接触を避けるため、光ファイバの取付けアーム１１は格子２０と環状のセンサ基板１０との間の距離よりも短い長さとされている。

【0029】

ボス１４、ボス１４´、光ファイバ固定点１５が同一円周上に位置し、またその中心は環状のセンサ基板１０の中心と重なっている。当該実施例においえては、第１の光ファイバ２１が温度補償型光ファイバ２４の両端の２つの光ファイバ固定点１５、第２の光ファイバ２２の両端の２つのボス１４、第３の光ファイバ２３の両端の２つのボス１４´と６点が同一円周上に位置しており、固定点（ボス１４、ボス１４´、光ファイバ固定点１５）の間にある光ファイバの長さが同じく合わせて、測定結果の正確性を保つ。

【0030】

第１の光ファイバ２１、第２の光ファイバ２２と第３の光ファイバ２３を封入して固定する場合、ブレークドラフトをする必要があり、三方向において引っ張り歪みと圧縮歪みとも測定できるようにするために、ブレークドラフトは５０μｍの長さ超えなくてはならない。温度補償型光ファイバ２４を封入する場合、ブレークドラフトをする必要がないが、２つの固定端の間に緩和距離２～３ｍｍを留保する。

【0031】

図１と図２に示すように、当該実施例におけるＦＢＧ耐熱歪みセンサは、また、センサ基板１０の外周面を沿って外に向かって伸びて形成された延伸ロッド１２を有し、延伸ロッド１２がセンサ基板１０から離れた端部に、延伸ロッド１２の厚さ方向を貫通する引っ張り丸穴１３が開かれており、歪みセンサの校正、そして歪みセンサが校正済みとしてからセンサ基板１０から延伸ロッド１２を切除するために、延伸ロッド１２と引っ張り丸穴１３のデザインは歪みセンサの校正プラットフォームと合わせなくてはならない。複数の引っ張り丸穴１３が同一円周上に位置し、校正結果の正確性を保つ。当該実施例においては、延伸ロッド１２、光ファイバの取付けアーム１１及びセンサ基板１０が同一平面内に位置する。延伸ロッド１２を切除していない状態を示すのは図１と２図であるが、延伸ロッド１２を切除した状態を示すのは図３である。

【0032】

具体的には、当該実施例にいて、センサ基板１０の外周面を沿って外に向かって伸びて形成された延伸ロッド１２を６つ有し、その内、２つの延伸ロッド１２が光ファイバの取付けアーム１１と同じ伸張方向であり、延伸ロッド１２の伸張方向が光ファイバの取り付け方向に対応して設置する。六本の引っ張り丸穴１３が同一円周上に位置し、またその中心は環状のセンサ基板１０の中心と重なっている。

【0033】

当該実施例においては、ＦＢＧを有する光ファイバがセンサ基板１０から伸びだした後、光ファイバの表面に耐熱ピグテイル型光ファイバ保護カバー３１がセットされている。その内、第１の光ファイバ２１と温度補償型光ファイバ２４が同一の耐熱ピグテイル型光ファイバ保護カバー３１の中にかぶせて、第２の光ファイバ２２と第３の光ファイバ２３の表面にそれぞれ一つの耐熱ピグテイル型光ファイバ保護カバー３１を有する。３本の耐熱ピグテイル型光ファイバ保護カバー３１が歪みゲージの両端から伸びだした後に一緒に併合してから、保護用の絶縁ブッシュ３２にかぶせる。

【0034】

当該実施例においては、光ファイバがポリイミドコーティング層を有し、すなわち、採用するＦＢＧを有する光ファイバがポリイミドコーティング層を有する耐熱光ファイバであるので、光ファイバの両端を耐熱エホ゜キシ樹脂接着またはガラスハンダ溶接で固定し、最高３５０℃の環境下での構造歪みの長期測定に適している。

【0035】

図２に示すように、当該実施例においては、センサ基板１０の裏面で環状に沿って均一に設けられる八つの歪みゲージ取り付け位置１６が、歪みゲージの位置決め及び固定に用いられる。

【0036】

当該実施例においては、４本のＦＢＧを有する光ファイバが格子２０のゲート領域の両端に固定されて、ゲート領域に接着剤が貼り付けられていないため、接着剤から歪み伝達への影響を無くして、歪みゲージの測定精度を向上させた。

【0037】

従来の三角形、星形、直角形などの多方向ＦＢＧ歪みセンサは，すべて構造測定点の周りの多方向の歪みを測定してから、測定点の等価歪み値にする。当該実施例においては、環状の基板はボス構造と組み合わせて、基板中心部の歪み、即ち、測定点における三方向の歪み値を測定する。基板式の歪みセンサは格子を空間上に重ねることにより、センサを小型化にして、適用範囲がより広いとの利点がある。

【0038】

（実施例２、校正法）
実施例１における歪みセンサに対して、当該実施例における校正法は以下のステップで行う。
１）引っ張り丸穴を利用して、第１の光ファイバの両端に対応する２つの延伸ロッドを変位伸張校正プラットフォームに固定する。
２）変位伸張法によりセンサの第１の光ファイバを徐々に伸張と負荷軽減をしながら、変位センサおよび分光計により、伸張と負荷軽減をする間に第１の光ファイバの変化する変位量ΔＬｉおよびその対応する波長シフト量Δλｉ（ｉ＝１，２，３，・・・，ｎ）を得る。
３）第１の光ファイバの２つの固定端の長さＬを測定，歪みセンサが第１の光ファイバの方向における歪みεｉ＝ΔＬｉ／Ｌを算出する。
４）いくつかの測定点（Δλｉ，εｉ）に直線を当てはめた直線の傾きＫ１は、歪みセンサが第１の光ファイバの方向における歪み感度である。
５）第２の光ファイバと第３の光ファイバに対して、順にステップ１）～ステップ４）を繰り返し、歪みセンサがそれぞれ、第２の光ファイバの方向における歪み感度Ｋ２と第３の光ファイバの方向における歪み感度Ｋ３を得てから、校正済みとなる。

【0039】

本発明のＦＢＧ耐熱歪みセンサは、以下の利点を有する。
１）一定の角度を持ち合う３本のＦＢＧを有する光ファイバにより、構造の三方向の歪みの同時測定を実現した。並列されている温度を感知するだけで構造の歪みを感知しない温度補償型光ファイバにより、歪み測定結果に対する温度の影響を除去する。
２）センサ基板に設けられたボスにより、３本の歪み感応型ファイバの交差して接触することにもたらされるチャープ現象を効果的に回避できる。
３）三方向ＦＢＧ歪みセンサを校正する課題を解決するために、センサ基板の対応位置に設けられる金属製の延伸ロッドが、歪みセンサに対して三方向のＦＢＧを有する光ファイバの歪み感度の校正に用いられ、歪みセンサが校正済みとしてから切除されて、歪みセンサの構造寸法を小さくする。
４）ポリイミドコーティング層を有する耐熱光ファイバを採用するため、３５０℃の環境下での構造歪みの長期測定を実現する。上記の設計により、本発明は、構造が簡単で、サイズが小さく、位置決めが精密で、多方向の歪みを同期に測定し、温度補償も可能で、測定精度が高いなど利点があるため、構造面における多方向の歪みの同時測定に使用できる。

【0040】

上記の実施例は、本発明の技術的思想および特徴を説明するためだけの例であり、当該技術に詳しい方が本発明の内容を理解させ、実施できるようにすることを目的としており、本発明の保護範囲を限定するものではなく、本発明の精神に基づいた等価の変更または修飾が、すべて本発明の保護範囲に含まれるものとする。

【符号の説明】

【0041】

１０ センサ基板、１１ 光ファイバの取付けアーム、１２ 延伸ロッド、１３ 引っ張り丸穴、１４，１４´ ボス、１５ 光ファイバ固定点、１６ 歪みセンサ取り付け位置、２０ 光ファイバゲート領域、２１ 第１の光ファイバ、２２ 第２の光ファイバ、２３ 第３の光ファイバ、２４ 温度補償型光ファイバ、３０ 防護カバー、３１ ピグテイル型保護カバー、３２ 絶縁ブッシュ

【図1】

【図2】

【図3】