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JPH1163939A - Displacement detecting method and device with optical fiber - Google Patents

Displacement detecting method and device with optical fiber

Info

Publication number
JPH1163939A
JPH1163939A JP26764197A JP26764197A JPH1163939A JP H1163939 A JPH1163939 A JP H1163939A JP 26764197 A JP26764197 A JP 26764197A JP 26764197 A JP26764197 A JP 26764197A JP H1163939 A JPH1163939 A JP H1163939A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical fiber
displacement
loss
base member
fixed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP26764197A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Haruo Ishikawa
晴雄 石川
Hironobu Yuki
宏信 結城
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to JP26764197A priority Critical patent/JPH1163939A/en
Publication of JPH1163939A publication Critical patent/JPH1163939A/en
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a displacement detecting method and device which can simplify the structure of a sensor and its measuring system and can check various micro-displacements stably. SOLUTION: This device is provided with a gauge base 113, the first and second ferrules 111 and 112 which are fixed, separated respectively at a prescribed interval each other along the lengthwise direction of the gauge base 113, the first optical fiber 101 fixed on the first ferrule 111, and the second optical fiber 102 fixed on the second ferrule 112. The first and second optical fibers 101 and 102 are connected so that an end surface interval di of them may change with a displacement along the lengthwise direction of the gauge base 113 inside the first ferrule 111.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバを用い
た変位検出方法及び装置に関し、特に、光ファイバ相互
の接続損失を利用した変位検出方法及び装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for detecting a displacement using an optical fiber, and more particularly to a method and an apparatus for detecting a displacement using a connection loss between optical fibers.

【0002】[0002]

【従来の技術】光ファイバは、伝達損失が極めて少ない
上に温度変動や絶縁耐性、電磁誘導耐性にすぐれ、何よ
り細くて軽量であるため、航空機や輸送機械における変
位を検出するための光ファイバセンサとして実用化さ
れ、また、建造物の振動モニタリング等の分野での光干
渉型振動センサとしても利用が期待されている。光ファ
イバを用いたセンサ或いは圧力(変位)検出方法として
は、光干渉計と光ファイバを組み合わせたひずみセンサ
や光ファイバの曲げ損失を利用した圧力(変位)検出方
法等が考案されている。
2. Description of the Related Art Optical fibers have extremely low transmission loss, and are excellent in temperature fluctuation, insulation resistance and electromagnetic induction resistance, and, above all, are thin and lightweight. Therefore, optical fiber sensors for detecting displacement in aircraft and transportation equipment. It is also expected to be used as an optical interference type vibration sensor in fields such as vibration monitoring of buildings. As a sensor or a pressure (displacement) detection method using an optical fiber, a strain sensor combining an optical interferometer and an optical fiber, a pressure (displacement) detection method using a bending loss of the optical fiber, and the like have been devised.

【0003】光干渉計と光ファィバを組み合わせたひず
みセンサは、分岐もしくは異なる箇所において反射した
2つ以上の光を干渉させた時に、それらの光の間の光路
差によって生じる位相のずれによって干渉光に現れる特
徴を利用して光路差の大きさに対応した変位・ひずみを
検出するものである。
A strain sensor that combines an optical interferometer and an optical fiber interferes with each other when two or more lights reflected at a branch or a different place interfere with each other due to a phase shift caused by an optical path difference between the lights. The displacement / strain corresponding to the magnitude of the optical path difference is detected using the characteristics appearing in the above.

【0004】一方、光ファイバの曲げ損失を利用した圧
力(変位)検出方法は、例えば、屈曲型の光ファイバを
用い、光ファイバの曲率半径の変化による透過光量の変
化から圧力(変位)を検出する。即ち、光ファイバは曲
率半径によって、透過光量の損失が異なり、ある損失が
発生する曲率半径に対して、曲率半径が減少すると損失
が大きくなり、曲率半径が増加すると、損失が小さくな
る。屈曲型の光ファイバを用いたひずみセンサは、この
原理を利用して、センサに加わる圧力により曲率半径を
変化させ、透過光の光量変化から圧力(変位)を検出す
るものである。
On the other hand, a pressure (displacement) detection method using the bending loss of an optical fiber is, for example, a method using a bent optical fiber and detecting the pressure (displacement) from a change in the amount of transmitted light due to a change in the radius of curvature of the optical fiber. I do. That is, in the optical fiber, the loss of the amount of transmitted light varies depending on the radius of curvature. For a radius of curvature where a certain loss occurs, the loss increases as the radius of curvature decreases, and decreases as the radius of curvature increases. A strain sensor using a bent optical fiber uses this principle to change the radius of curvature by the pressure applied to the sensor and detect pressure (displacement) from a change in the amount of transmitted light.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上述した光ファイバを
用いた従来のセンサや圧力(変位)検出方法において、
光の干渉性を利用するものは、高感度ではあるが、例え
ば光ファイバのアライメントを厳密に合わせる必要があ
り、またその制約からファイバの軸方向以外の曲げやね
じりに対応した変位の測定が困難であった。更に、全体
としてシステムが複雑になってしまうという問題があっ
た。
In the conventional sensor and pressure (displacement) detection method using the optical fiber described above,
Those that use light coherence are highly sensitive, but require precise alignment of the optical fiber, for example, and it is difficult to measure displacement corresponding to bending or torsion other than the axial direction of the fiber due to the restrictions. Met. Further, there is a problem that the system becomes complicated as a whole.

【0006】一方、上述した光ファイバの曲げ損失を利
用したものは、光ファイバの屈曲部に力を加えてその曲
率半径を変化させ、透過光量の変化から屈曲部に加わる
圧力(変位)を検出するものであることから、作成でき
る屈曲部の曲率半径をあまり小さくできず、広域領域の
平均的な値しか検出できないことや同一屈曲部の作成の
再現が難しいという問題がある。また、使用がかさむと
光ファイバが損傷を受け、正確な測定が不可能となるの
で、センサとしての耐久性に欠けるという欠点もあっ
た。
On the other hand, the above-mentioned method using the bending loss of the optical fiber changes the radius of curvature by applying a force to the bent portion of the optical fiber, and detects the pressure (displacement) applied to the bent portion from the change in the amount of transmitted light. Therefore, there is a problem that the radius of curvature of the bent portion that can be created cannot be reduced so much that only an average value in a wide area can be detected, and that it is difficult to reproduce the creation of the same bent portion. In addition, if the optical fiber is used too much, the optical fiber is damaged and accurate measurement becomes impossible.

【0007】このような技術的背景から、センサの構造
やその測定システムが簡便な、或いは微小な変位を安定
的に確認できる光ファイバを用いた変位検出方法及び装
置(センサ)が望まれている。
[0007] From such a technical background, there is a demand for a displacement detection method and apparatus (sensor) using an optical fiber in which the structure of the sensor and the measurement system thereof are simple or in which a minute displacement can be stably confirmed. .

【0008】本発明の目的は、センサの構造やその測定
システムが簡便な上に微小な変位を安定的に確認できる
光ファイバを用いた変位検出方法及び装置を提供するこ
とにある。
It is an object of the present invention to provide a displacement detection method and apparatus using an optical fiber which allows a simple structure of a sensor and a measurement system thereof and enables a small displacement to be stably confirmed.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る変位検出方法及び装置では、光ファイ
バの接続損失(ファイバを他のフアイバと接続する際に
生じる、物理的な原因による損失)を用いて微小変位を
測定するようにしている。
In order to achieve the above object, a method and an apparatus for detecting displacement according to the present invention provide a method for detecting a connection loss of an optical fiber (caused by a physical cause generated when a fiber is connected to another fiber). ) Is used to measure the minute displacement.

【0010】即ち、請求項1記載の光ファイバを用いた
変位検出方法によれば、接続部の変位に伴い接続損失が
変化するように接続された第1及び第2の光ファイバを
有するセンシング部と、前記第1の光ファイバの非接続
端側から光を入射する光入射部と、前記第2の光ファイ
バの非接続端側から出射される光量を計測する光量計測
部とを備え、前記光入射部から前記第1の光ファイバに
光を入射し、前記センシング部における前記接続部の変
位に伴う接続損失の変化に基づき、前記光量計測部が前
記第2の光ファイバの前記非接続端側から出射される光
量の変化を検出し、該光量の変化を用いて前記センシン
グ部における前記接続部の変位を算出することを特徴と
している。
That is, according to the displacement detecting method using the optical fiber according to the first aspect, the sensing section having the first and second optical fibers connected so that the connection loss changes with the displacement of the connecting section. And a light incident part for receiving light from the non-connection end side of the first optical fiber, and a light quantity measurement part for measuring the light quantity emitted from the non-connection end side of the second optical fiber, Light is incident on the first optical fiber from the light incident part, and based on a change in connection loss caused by displacement of the connection part in the sensing part, the light quantity measurement part is configured to detect the non-connection end of the second optical fiber. A change in the amount of light emitted from the side is detected, and a displacement of the connection unit in the sensing unit is calculated using the change in the amount of light.

【0011】前記接続部の変位は、前記第1及び第2の
光ファイバ相互の軸ずれであっても良い。
[0011] The displacement of the connecting portion may be an axis shift between the first and second optical fibers.

【0012】前記接続部の変位は、前記第1及び第2の
光ファイバ相互の角度ずれであっても良い。
[0012] The displacement of the connecting portion may be an angular displacement between the first and second optical fibers.

【0013】前記接続部の変位は、前記第1及び第2の
光ファイバ相互の端面間隔の変化であっても良い。
[0013] The displacement of the connecting portion may be a change in the interval between the end faces of the first and second optical fibers.

【0014】また、請求項5記載の光ファイバを用いた
変位検出方法においては、前記センシング部を直列又は
並列に複数接続することで、変位の多点計測を行うこと
を特徴としている。
Further, in the displacement detecting method using an optical fiber according to the present invention, a plurality of sensing units are connected in series or in parallel to measure a displacement at multiple points.

【0015】更に、請求項6記載の光ファイバを用いた
変位検出装置では、ベース部材と、該ベース部材の長さ
方向に沿って相互に所定の間隔だけ離間してそれぞれ固
定された第1及び第2の支持体と、前記第1の支持体と
固定された第1の光ファイバと、前記第2の支持体と固
定された第2の光ファイバとを備え、前記第1及び第2
の光ファイバは、前記第1又は第2の支持体の内部にお
いて、前記ベース部材の長さ方向に沿った変位に伴い相
互の端面間隔が変化するように接続されていることを特
徴としている。
Further, in the displacement detecting apparatus using an optical fiber according to the present invention, the first member and the first member fixed to the base member at predetermined intervals along the length direction of the base member. A first optical fiber fixed to the first support, a second optical fiber fixed to the second support, and the first and second optical fibers fixed to the second support.
The optical fibers are connected inside the first or second support so that the mutual end face distance changes with displacement along the length direction of the base member.

【0016】一方、請求項7記載の光ファイバを用いた
変位検出装置では、ベース部材と、該ベース部材の一方
向に沿って相互に所定の間隔だけ離間してそれぞれ固定
された第1及び第2の支持体と、前記第1の支持体と固
定された第1の光ファイバと、前記第2の支持体と固定
された第2の光ファイバとを備え、前記第1及び第2の
光ファイバは、前記第1及び第2の支持体の間の離間部
において、前記ベース部材の曲げに伴い角度ずれ損失が
変化するように相互に接続されていることを特徴として
いる。
On the other hand, in the displacement detecting device using an optical fiber according to the present invention, the first and the second fixed members are fixed at a predetermined distance from each other in one direction of the base member. A second optical fiber fixed to the second support, a first optical fiber fixed to the first support, and a second optical fiber fixed to the second support. The fibers are connected to each other at a space between the first and second supports so that an angle shift loss changes with bending of the base member.

【0017】更にまた、請求項8記載の光ファイバを用
いた変位検出装置では、ベース部材と、該ベース部材の
所定の方向に沿って相互に所定の間隔だけ離間してそれ
ぞれ固定された第1及び第2の支持体と、前記第1の支
持体と固定された第1の光ファイバと、前記第2の支持
体と固定された第2の光ファイバとを備え、前記第1及
び第2の光ファイバは、前記第1及び第2の支持体の間
の離間部において、前記所定の方向と直交する方向に沿
って前記ベース部材にせん断ひずみが発生するのに伴い
軸ずれ損失が変化するように相互に接続されていること
を特徴としている。
Further, in the displacement detecting device using the optical fiber according to the present invention, the first member fixed to the base member and separated from each other by a predetermined distance along a predetermined direction of the base member. And a second support, a first optical fiber fixed to the first support, and a second optical fiber fixed to the second support, wherein the first and second optical fibers are fixed. In the optical fiber, the axial displacement loss changes as a shear strain is generated in the base member along a direction orthogonal to the predetermined direction at a space between the first and second supports. As described above.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0019】[第1実施形態:軸ずれ損失による微小変
位]まず、本発明の第1の実施の形態に係る光ファイバ
を用いた変位検出方法について説明する。図1に、本実
施形態の変位検出方法に用いる装置の基本構成を示す。
First Embodiment: Small Displacement Due to Axis Loss First, a displacement detection method using an optical fiber according to a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 shows a basic configuration of an apparatus used for the displacement detection method of the present embodiment.

【0020】本実施形態に用いる変位検出装置は、図1
に示すように、相互に接続された第1及び第2の光ファ
イバ101及び102と、第1の光ファイバ101の他
端側が接続される光源部103と、第2の光ファイバ1
02の他端側が接続される光量計測部104と、一端側
が光源部103に接続され、他端側が光量計測部104
と接続されるダミー用の第3の光ファイバ105とを備
えている。図中、106で示される円内の部分が、第1
及び第2の光ファイバ101及び102の接続部により
構成されるセンシング部である。尚、第3の光ファイバ
105は、センサの温度捕償を行う際に参照光として用
いるものである。本実施形態では、第1の光ファイバ1
01と第2の光ファイバ102それぞれのモードフィー
ルド半径w1とw2を等しく、w1=w2=wとなるよ
うに構成した。
The displacement detecting device used in this embodiment is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the first and second optical fibers 101 and 102 are connected to each other, the light source 103 to which the other end of the first optical fiber 101 is connected, and the second optical fiber 1.
02 is connected to the light source unit 103, one end is connected to the light source unit 103, and the other end is connected to the light amount measurement unit 104.
And a third optical fiber 105 for dummy connected to the third optical fiber 105. In the figure, the part in the circle indicated by 106 is the first part.
And a sensing unit configured by a connection unit of the second optical fibers 101 and 102. The third optical fiber 105 is used as reference light when the temperature of the sensor is compensated. In the present embodiment, the first optical fiber 1
The configuration is such that the mode field radii w1 and w2 of the first optical fiber 102 and the second optical fiber 102 are equal, and w1 = w2 = w.

【0021】本発明者は、まず、単一モード光ファイバ
の接続損失と光ファイバの微小変位の相関関係につい
て、ひずみセンサとして利用可能な、再現性を伴った安
定的な損失変化を確認できるかどうかの実験を行なっ
た。実験に使用した測定装置は、光ファイバの種々の接
続状態時に透過光強度の損失を測定するものである。測
定装置の構成を図2に示す。ファイバカッターで切断し
た2本の光ファイバ(第1及び第2の光ファイバ101
及び102)はファイバホルダユニット110に設けた
V溝上に固定して対向させ、ファイバホルダユニット1
10に取り付けられているマイクロメータヘッドにより
0.5μmの分解能で微小変位を与えた。光ファイバの
接続損失は安定化光源[出力−3dBm,波長1.31
μm](光源部103)と光パワーメータ(光量計測部
104)を用いて測定した。なお、損失は最も低い損失
値を示すファイバ位置を基準として相対値を記録した。
実験には、単一モードの光ファイバを用いた。このファ
イバのコア半径aと正規化周波数Vは、開口数をNA、
自由空間波長をλ、遮断波長をλceとすると、以下の
(1)、(2)式となる。
First, the present inventor can confirm the stable loss change with reproducibility that can be used as a strain sensor for the correlation between the connection loss of a single mode optical fiber and the minute displacement of the optical fiber. An experiment was performed. The measuring device used in the experiment measures the loss of transmitted light intensity in various connection states of the optical fiber. FIG. 2 shows the configuration of the measuring device. Two optical fibers (first and second optical fibers 101) cut by a fiber cutter
And 102) are fixed and opposed to the V-groove provided in the fiber holder unit 110, and the fiber holder unit 1
A micro displacement was given with a resolution of 0.5 μm by a micrometer head attached to the micrometer. The connection loss of the optical fiber is a stabilized light source [output -3 dBm, wavelength 1.31.
μm] (light source unit 103) and an optical power meter (light amount measurement unit 104). The loss was recorded as a relative value based on the fiber position showing the lowest loss value.
In the experiment, a single mode optical fiber was used. The core radius a and the normalized frequency V of this fiber are represented by NA, NA,
If the free space wavelength is λ and the cutoff wavelength is λce, the following equations (1) and (2) are obtained.

【数1】 (Equation 1)

【数2】 Marcusの提案による公知の実験式である(3)式(Equation 2) Equation (3), which is a known empirical equation proposed by Marcus

【数3】 を用いるとモードフィールド半径Wはw=6.55[μ
m]となる。
(Equation 3) Is used, the mode field radius W becomes 6.55 [μ
m].

【0022】さて、本実施形態は、光ファイバの軸ずれ
損失を利用した変位検出装置であるが、軸ずれ損失と
は、光ファイバを接続する際に図3に示すような光ファ
イバのずれdを原因として生じる伝達損失のことであ
る。上記したMarcusによればモードフィールド半
径w1,w2の異なる2本のファイバの軸ずれ損失L
[dB]は、軸ずれ量がdの時、以下の(4)式のよう
に与えられる。
The present embodiment relates to a displacement detecting device utilizing the loss of the optical fiber's axis shift. The axis shift loss refers to the shift d of the optical fiber as shown in FIG. Is the transmission loss caused by the According to the above-mentioned Marcus, the off-axis loss L of two fibers having different mode field radii w1 and w2.
[DB] is given by the following equation (4) when the axis shift amount is d.

【数4】 上述したように、本実施形態では、2本の光ファイバ
(第1及び第2の光ファイバ101及び102)のモー
ドフィールド半径を等しく、w1=w2=wとなるよう
に構成した。従って、上記(4)式は以下の(5)式の
ように書き換えることができる。
(Equation 4) As described above, in the present embodiment, two optical fibers (the first and second optical fibers 101 and 102) are configured such that the mode field radii are equal and w1 = w2 = w. Therefore, the above equation (4) can be rewritten as the following equation (5).

【数5】 (Equation 5)

【0023】さて、上述した実験では、光ファイバの軸
ずれ量(図3に示したd)を0μmから10μmまで変
化させ、それに対し接続損失がどのように変化するかを
検討した。その結果を図4に示す。尚、図4中に上記し
た(5)式から求まる接続損失の理論値も併せて示し
た。図4から接続損失は単調に増加していることが分か
る。尚、図4において理論値よりも若干大きく計測され
ているのはファイバの端面間隔が完全に0となっていな
かったためと考えられる。従って、ファイバの端面間隔
を可及的に0とし、また、ファイバ端面を良好に平滑処
理するのが望ましい。図4において個々の測定値に見ら
れるばらつきは、初期状態の光軸合わせの誤差が原因と
考えられる。いま、図4の測定値の□,◇だけをy方向
に0.5μm平行移動させたものを図5に示す。測定値
が非常に良く一致していることが分かる。これは初期状
態での光軸合わせを精度良く行なうことができれば、測
定値を非常に良く一致させ得ることを意味する。従っ
て、初期状態での光軸合わせを精度良く行なうことがで
きれば、センサとして利用するために充分な再現性が、
接続損失と軸ずれ量との間の関係に得られることを示し
ている。図5から、実際にひずみセンサとして利用する
なら、減衰が直線となり始める4μm(−3dB)程度
を基準として利用するのが好適である。即ち、光ファイ
バの軸ずれ量が増加するにしたがって透過光強度の接続
損失は単調に増加し、変位が4μmから10μmのあい
だでは、両者のあいだで線形関係を近似できる。従っ
て、初期の光軸合わせの段階であらかじめ4μmの軸ず
れ量を与えて、ひずみゲージとして利用することが可能
である。
In the experiment described above, the amount of axial deviation (d shown in FIG. 3) of the optical fiber was changed from 0 μm to 10 μm, and how the connection loss changed with respect to the amount was examined. FIG. 4 shows the results. FIG. 4 also shows the theoretical value of connection loss obtained from the above equation (5). FIG. 4 shows that the connection loss monotonically increases. In FIG. 4, the reason why the measured value is slightly larger than the theoretical value is considered to be that the interval between the end faces of the fiber was not completely zero. Therefore, it is desirable to make the end face interval of the fiber as 0 as possible and to carry out the smoothing of the end face of the fiber. Variations in the individual measured values in FIG. 4 are considered to be caused by errors in optical axis alignment in the initial state. FIG. 5 shows only the measured values □ and ◇ of FIG. 4 translated in the y direction by 0.5 μm. It can be seen that the measurements agree very well. This means that if the optical axis can be accurately aligned in the initial state, the measured values can be matched very well. Therefore, if the optical axis can be accurately aligned in the initial state, sufficient reproducibility for use as a sensor is obtained.
This shows that the relationship between the connection loss and the amount of axis deviation can be obtained. From FIG. 5, it is preferable to use about 4 μm (−3 dB) as a reference when the attenuation is actually used as a strain sensor. That is, the connection loss of the transmitted light intensity increases monotonously as the amount of axis deviation of the optical fiber increases, and when the displacement is between 4 μm and 10 μm, a linear relationship can be approximated between the two. Therefore, it is possible to provide an axis shift amount of 4 μm in advance at the initial optical axis alignment stage and use it as a strain gauge.

【0024】[第2実施形態:角度ずれ損失による微小
変位]次に、本発明の第2の実施の形態に係る光ファイ
バを用いた変位検出方法について説明する。本実施形態
の変位検出方法に用いる装置の基本的構成は、図1に示
した変位検出装置と略同様であるので、その説明は省略
する。
[Second Embodiment: Small Displacement Due to Angle Displacement Loss] Next, a displacement detection method using an optical fiber according to a second embodiment of the present invention will be described. The basic configuration of the device used in the displacement detection method according to the present embodiment is substantially the same as the displacement detection device shown in FIG. 1, and a description thereof will be omitted.

【0025】この第2の実施形態は、第1及び第2の光
ファイバ101及び102(図1参照)相互の接続損失
のうち、角度ずれ損失により微小変位を検出するもので
ある。角度ずれ損失とは、光ファイバを接続する際に、
図6に示すような光ファイバの角度ずれθを原因として
生じる伝達損失のことである。上記したMarcusに
よれば、モードフィールド半径w1,w2の異なる2本
のファイバの角度ずれ損失L[dB」は、角度ずれ量が
θ[rad]の時、以下の(6)式のように与えられ
る。
In the second embodiment, of the connection loss between the first and second optical fibers 101 and 102 (see FIG. 1), a minute displacement is detected by an angle shift loss. Angle shift loss is when connecting an optical fiber.
This is a transmission loss caused by an angle shift θ of the optical fiber as shown in FIG. According to the above-described Marcus, the angle shift loss L [dB] of two fibers having different mode field radii w1 and w2 is given by the following equation (6) when the amount of angle shift is θ [rad]. Can be

【数6】 本実施形態でも、2本の光ファイバ(第1及び第2の光
ファイバ101及び102)のモードフィールド半径は
等しく、w1=w2=wとなるように構成されている。
従って、上記(6)式は以下の(7)式のように書き換
えることができる。
(Equation 6) Also in the present embodiment, the mode field radii of the two optical fibers (the first and second optical fibers 101 and 102) are equal, and w1 = w2 = w.
Therefore, the above equation (6) can be rewritten as the following equation (7).

【数7】 (Equation 7)

【0026】さて、本実施形態では、光ファイバの角度
ずれ量(図6に示したθ)を0゜から0.189゜まで
変化させ、それに対し接続損失がどのように変化するか
を検討した。その結果を図7に示す。尚、図7中に上記
した(7)式から求まる接続損失の理論値も併せて示し
た。図7から接続損失が理論値と大きく隔たって測定さ
れているのが分かる。理論値のみを図8に示す。実験値
と理論値との差は、今回用いたファイバホルダユニット
の角度調整軸は、図9に示すようなインナーチルトタイ
プであり、回転軸がファイバ切断部の端面から10mm
程手前に存在するため、理論式が仮定するファイバ端面
上にある回転軸まわりにファイバが変位している場合に
比べ端面の変位が拡大されてしまうために起きたものと
考えられる(図9参照)。すなわち現象としては角度ず
れの損失以上に、軸ずれ損失が複合的に生じたものと考
えられる。いま、角度ずれ損失をLANG’軸ずれ損失
をLTRANとした時、全損失Lが、以下の(8)式
のように、LANGとLTRANの線形和で表されると
仮定すると、
In the present embodiment, the angle shift amount of the optical fiber (θ shown in FIG. 6) is changed from 0 ° to 0.189 °, and how the connection loss changes with respect to it is examined. . FIG. 7 shows the result. FIG. 7 also shows the theoretical value of the connection loss obtained from the above equation (7). It can be seen from FIG. 7 that the splice loss is measured at a great distance from the theoretical value. FIG. 8 shows only the theoretical values. The difference between the experimental value and the theoretical value is that the angle adjustment axis of the fiber holder unit used this time is an inner tilt type as shown in FIG. 9, and the rotation axis is 10 mm from the end face of the fiber cutting section.
It is thought that this occurred because the displacement of the end face was enlarged as compared with the case where the fiber was displaced around the rotation axis on the fiber end face assumed by the theoretical formula, because it was present on the near side (see FIG. 9). ). That is, as a phenomenon, it is conceivable that the axial misalignment loss occurs more than the angular misalignment loss. Now, assuming that the angle shift loss is L ANG ′ and the axis shift loss is L TRAN, it is assumed that the total loss L H is represented by a linear sum of L ANG and L TRAN as in the following equation (8). ,

【数8】 ANG<<LTRANなので、以下の(9)式のよう
に、近似できる。
(Equation 8) Since L ANG << L TRAN , it can be approximated as in the following equation (9).

【数9】 (Equation 9)

【0027】図9において、ターンテーブル91から突
出するファイバ長を5mmとすると、回転中心からファ
イバ端面までの距離は9mmとなり、角度ずれ量がθの
時のファイバ端面の軸ずれ方向の変位量d[mm]は、
下記の(10)式のように表せる。
In FIG. 9, if the length of the fiber protruding from the turntable 91 is 5 mm, the distance from the center of rotation to the fiber end face is 9 mm, and the displacement d in the axis shift direction of the fiber end face when the angle shift is θ. [Mm] is
It can be expressed as the following equation (10).

【数10】 従って、この(10)式と上記(5)式を用いて上記
(9)式は次の(11)式に書き換えることができる。
(Equation 10) Therefore, using the equations (10) and (5), the equation (9) can be rewritten into the following equation (11).

【数11】 [Equation 11]

【0028】ここで、光ファイバの角度ずれ量を0゜か
ら0.189゜まで変化させ、それに対し接続損失がど
のように変化するかを検討した結果を図10に示す。ま
た、図10中に上記(11)式から求まる全損失の理論
値も併せて示した。図10から角度ずれ量が0.06゜
付近までは接続損失は理論値に良く一致して測定されて
おり、軸ずれ損失が大きく影響していることが分かる。
角度ずれ量が0.06゜以降に接続損失が理論値より小
さく測定されるのは、角度ずれ量が大きくなるにつれて
軸ずれ損失の影響が小さくなるためと思われる。従っ
て、今回の測定では角度ずれのみによる接続損失変化と
角度ずれ量の関係までは確認できなかったが、角度ずれ
と軸ずれが複合的に生じていても、接続損失と光ファイ
バの微小変位の相関関係はひずみセンサとして利用可能
な再現性のある直線的傾きを示すことを確認できた。
Here, FIG. 10 shows the result of examining how the angle shift amount of the optical fiber is changed from 0 ° to 0.189 ° and how the connection loss changes with respect to it. FIG. 10 also shows the theoretical values of the total loss obtained from the above equation (11). From FIG. 10, the connection loss was measured in good agreement with the theoretical value until the angle shift amount was around 0.06 °, and it can be seen that the axial shift loss has a large effect.
The reason why the connection loss is measured to be smaller than the theoretical value after the angle shift amount is 0.06 ° or more is considered to be because the influence of the axial shift loss decreases as the angle shift amount increases. Therefore, in this measurement, it was not possible to confirm the relationship between the splice loss change and the angle shift amount due to only the angle shift, but even if the angle shift and the axis shift were combined, the splice loss and the small displacement of the optical fiber could not be confirmed. It was confirmed that the correlation showed a reproducible linear slope that could be used as a strain sensor.

【0029】[第3実施形態:端面間隔損失による微小
変位]次に、本発明の第3の実施の形態に係る光ファイ
バを用いた変位検出方法について説明する。本実施形態
の変位検出方法に用いる装置の基本的構成も、図1に示
した変位検出装置と略同様であるので、その説明は省略
する。
[Third Embodiment: Small Displacement Due to End-Spacing Loss] Next, a displacement detection method using an optical fiber according to a third embodiment of the present invention will be described. The basic configuration of the device used for the displacement detection method of the present embodiment is also substantially the same as that of the displacement detection device shown in FIG. 1, and a description thereof will be omitted.

【0030】この第3の実施形態は、第1及び第2の光
ファイバ101及び102(図1参照)相互の接続損失
のうち、端面間隔損失により微小変位を検出するもので
ある。端面間隔損失とは、光ファイバを接続する際に図
11に示すような光ファイバ相互の接続端面のずれdを
原因として生じる伝達損失のことである。上記したMa
rcusによれば、モードフィールド半径w1,w2の
異なる2本のファイバの端面間隔損失L[dB]は、端
面間隔がdの時、以下の(12)式のように与えられ
る。
In the third embodiment, of the connection loss between the first and second optical fibers 101 and 102 (see FIG. 1), a minute displacement is detected based on a loss between end faces. The end-face spacing loss is a transmission loss caused by a displacement d of the connection end faces between the optical fibers as shown in FIG. 11 when connecting the optical fibers. Ma mentioned above
According to rcus, the end face spacing loss L [dB] of two fibers having different mode field radii w1 and w2 is given by the following equation (12) when the end face spacing is d.

【数12】 ここで、Zは、以下の(13)式で与えられる、正規化
端面間隔である。
(Equation 12) Here, Z is a normalized end face interval given by the following equation (13).

【数13】 (13)式において、nはファイバクラッドの屈折
率、kは波数(=2π/λ)を表す。本実施形態でも、
2本の光ファイバ(第1及び第2の光ファイバ101及
び102)のモードフィールド半径は等しく、w1=w
2=wとなるように構成されている。従って、上記(1
2)式は以下の(14)式のように書き換えることがで
きる。
(Equation 13) (13) In the equation, n 2 is the refractive index of the fiber cladding, k represents the wave number (= 2π / λ). Also in this embodiment,
The mode field radii of the two optical fibers (first and second optical fibers 101 and 102) are equal and w1 = w
It is configured so that 2 = w. Therefore, (1)
Equation (2) can be rewritten as equation (14) below.

【数14】 [Equation 14]

【0031】さて、本実施形態では、光ファイバの端面
間隔(図11に示したd)を0mmから5.5mmまで
変化させ、それに対して接続損失がどのように変化する
かを検討した。その結果を図12に示す。また、図12
中に、上記(14)式から求まる接続損失の理論値も併
せて示した。図12に示すように、測定結果は理論式と
良く一致しており、ファイバそのものを交換したことの
再現性も確認された。次に、端面間隔を0mmから1m
mまで変化させ、それに対して接続損失がどのように変
化するかを検討した。その結果を図13に示す。また、
図13中に、上記(14)式から求まる接続損失の理論
値も併せて示した。図13から端面間隔損失は理論値よ
り大きく測定されていることが分かる。これは光ファイ
バ端面の不整合や局所変形、初期の光軸合わせの誤差な
どが原因と考えられる。
In the present embodiment, the distance between the end faces of the optical fiber (d shown in FIG. 11) was changed from 0 mm to 5.5 mm, and how the connection loss changes with respect to the distance was examined. FIG. 12 shows the result. FIG.
The theoretical value of the connection loss obtained from the above equation (14) is also shown therein. As shown in FIG. 12, the measurement results were in good agreement with the theoretical formula, and the reproducibility of replacing the fiber itself was also confirmed. Next, set the end face interval from 0 mm to 1 m
m, and how the connection loss changes with respect to it. The result is shown in FIG. Also,
FIG. 13 also shows the theoretical value of the connection loss obtained from the above equation (14). From FIG. 13, it can be seen that the end face spacing loss is measured larger than the theoretical value. This is considered to be caused by mismatching and local deformation of the end face of the optical fiber, an error in initial optical axis alignment, and the like.

【0032】実際に端面間隔と接続損失の相関関係をひ
ずみゲージとして利用することを考えるならば、ファイ
バを高精度に固定しなければならない。そこで、光ファ
イバと計測機器の接続に多用されているFCコネクタの
構成部分であるフェルールによって光ファイバをガイド
した時の端面間隔損失についても、実験により検討し
た。この実験に用いたものはジルコニア製のフェルール
で、図14に示すものである。尚、図14に示すフェル
ールは、φ1=0.25mm,φ2=2.0mm,φ3
=0.125mm,φ4=0.126mm、また、フェ
ルール長FL=10mmに形成した。光ファイバの端面
間隔を0mmから1mmまで変化させ、それに対して接
続損失がどのように変化するかを検討した結果を図15
に示す。また、図15中に、上記(14)式から求まる
接続損失の理論値も併せて示した。図15から測定結果
と理論値は共に減少傾向にあり同じ傾向を示しているこ
とが分かるが、全体的に測定値が理論式を下回ってい
る。これはフェルールの内径とファイバのクラッド径に
1μmの差があるためにフェルール内部でファイバが緩
やかに傾斜し、その結果軸ずれや角度ずれをも生じてい
るためと解される。測定値にばらつきが見られるのもそ
のためと解される。図15において、端面間隔0.8m
m付近で、接続損失の変化の傾向に変化が見られる。こ
れは端面間隔0.8mm付近でフェルール内部において
の光の反射がファイバの傾斜に対して適当なものとな
り、結果として損失が低下したか、或いは、ファイバユ
ニットの調節ネジのバックラッシュによる微小変位の誤
差が考えられる。また、フェルールを用いた場合と用い
ない場合とを比較するため、それぞれの場合の測定値を
理論値と共に図16に示す。図16によればフェルール
を用いた場合は端面間隔が0.5mm付近まではフェル
ールを用いない場合よりも理論値に近い測定値を示して
いるが、端面間隔が0.5mmを越えた後はフェルール
を用いない場合の方がより理論値に近い測定値を示して
いる。これはフェルール内部で生じている傾斜等の影響
が、端面間隔が開くにつれて拡大するためと考えられ
る。以上より、本実施形態では、光ファイバの端面間隔
が増加するにしたがって透過光強度の接続損失は単調に
増加し、フェルールを用いない場合は変位が0.4mm
から1mmのあいだでは、両者のあいだで線形関係を近
似でき、フェルールを用いた場合は変位が0.1mmか
ら0.5mmのあいだでは、両者のあいだで線形関係を
近似できることが判明した。
If the correlation between the end face spacing and the connection loss is actually used as a strain gauge, the fiber must be fixed with high precision. Then, the end face spacing loss when the optical fiber was guided by the ferrule, which is a component of the FC connector that is frequently used for connecting the optical fiber to the measuring equipment, was also examined by experiments. The ferrule made of zirconia used in this experiment is shown in FIG. The ferrule shown in FIG. 14 has φ1 = 0.25 mm, φ2 = 2.0 mm, φ3
= 0.125 mm, φ4 = 0.126 mm, and the ferrule length FL = 10 mm. FIG. 15 shows the results of examining how the end loss of the optical fiber was changed from 0 mm to 1 mm and how the connection loss changes with respect to this.
Shown in FIG. 15 also shows the theoretical value of the connection loss obtained from the above equation (14). From FIG. 15, it can be seen that both the measurement result and the theoretical value are decreasing and show the same tendency, but the measured value is generally lower than the theoretical formula. This is presumably because the fiber has a slight inclination inside the ferrule due to a difference of 1 μm between the inner diameter of the ferrule and the cladding diameter of the fiber, and as a result, an axial deviation and an angular deviation also occur. It is understood that the measured values vary. In FIG. 15, the end face spacing is 0.8 m.
In the vicinity of m, the change in the connection loss tends to change. This is because the reflection of light inside the ferrule becomes appropriate for the inclination of the fiber near the end face spacing of 0.8 mm, and as a result, the loss is reduced, or the minute displacement due to the backlash of the adjusting screw of the fiber unit is reduced. Errors are possible. In order to compare the case where the ferrule is used and the case where the ferrule is not used, measured values in each case are shown in FIG. 16 together with theoretical values. According to FIG. 16, when the ferrule is used, the measured value is closer to the theoretical value until the end face interval is around 0.5 mm than when the ferrule is not used, but after the end face interval exceeds 0.5 mm, The measured value when the ferrule is not used is closer to the theoretical value. This is considered to be because the influence of the inclination and the like occurring inside the ferrule increases as the end face interval increases. As described above, in the present embodiment, the connection loss of the transmitted light intensity increases monotonically as the end face interval of the optical fiber increases, and the displacement is 0.4 mm when the ferrule is not used.
It was found that the linear relationship between the two could be approximated between 1 mm and 1 mm, and the linear relationship could be approximated between the two when the displacement was between 0.1 mm and 0.5 mm when a ferrule was used.

【0033】以上に述べた第1乃至第3の実施形態にお
いては、光ファイバの接続損失を用いた微小変位の測定
方法を種々検討するために、光ファイバの接続部に任意
の微小変位を与え、その透過光強度の損失を調べた。そ
の結果、光軸合わせにおけるオフセットを補正できれ
ば、光ファイバの微小変位と接続損失とのあいだの関係
には高い再現性があり、光ファイバの接続損失を用いた
微小変位測定をひずみゲージに利用することは十分可能
であると考えられた。
In the first to third embodiments described above, an arbitrary minute displacement is applied to the connection portion of the optical fiber in order to examine various methods for measuring the minute displacement using the connection loss of the optical fiber. The loss of transmitted light intensity was examined. As a result, if the offset in optical axis alignment can be corrected, the relationship between the small displacement of the optical fiber and the connection loss has high reproducibility, and the small displacement measurement using the connection loss of the optical fiber is used for the strain gauge. It seemed possible.

【0034】[0034]

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0035】[第1〜第4実施例:ひずみゲージへの応
用]
[First to Fourth Embodiments: Application to Strain Gauge]

【0036】第1実施例(縦ひずみ測定) 本実施例は、光ファイバの端面間隔損失(上記第3実施
形態)を用いて縦ひずみを測定するひずみゲージであ
る。このひずみゲージの概念図を図17に示す。このひ
ずみゲージは第1のフェルール111、第2のフェルー
ル112、第1の光ファイバ101、第2の光ファイバ
102、及びゲージベース113とを備えている。第1
のフェルール111と第一の光ファイバ101、第2の
フェルール112と第2の光ファイバ102は、それぞ
れ接着されており、第1のフェルール111の内部にお
いて第1及び第2の光ファイバ101及び102の端面
間隔diが変化する。また、第1及び第2のフェルール
111と112はゲージ長がG.L.となるようにゲー
ジベース113に接着されている。今、例えば、弾性ひ
ずみ0.2%(ε=0.002)をG.L.=15mm
で測定することを考える。光ファイバの端面間隔変化量
dは、以下の(15)式のように表されるので、
First Example (Measurement of Longitudinal Strain) This example is a strain gauge for measuring longitudinal strain using the end face spacing loss of the optical fiber (the third embodiment). FIG. 17 shows a conceptual diagram of this strain gauge. This strain gauge includes a first ferrule 111, a second ferrule 112, a first optical fiber 101, a second optical fiber 102, and a gauge base 113. First
The first ferrule 111 and the first optical fiber 101 are bonded to each other, and the second ferrule 112 and the second optical fiber 102 are bonded to each other, and the first and second optical fibers 101 and 102 are formed inside the first ferrule 111. Is changed. The first and second ferrules 111 and 112 have a gauge length of G.S. L. It is adhered to the gauge base 113 so that Now, for example, when the elastic strain of 0.2% (ε = 0.002) is applied to G.A. L. = 15mm
Consider measuring with. Since the end face interval change amount d of the optical fiber is expressed by the following equation (15),

【数15】 d=0.002×15=0.03[mm]となる。図1
6より測定値が直線に近似できるのはdi=0.1mm
から0.5mmであり、この範囲でd=0.03mmに
対応する透過光強度の変化量は0.6dBとなるので、
この変位は十分測定可能である。従って、あらかじめ光
ファイバの端面間隔diを0.1mmから0.5mm与
えた状態で図17に示したひずみゲージを製作すれば、
ひずみゲージとして利用することが可能である。
(Equation 15) d = 0.002 × 15 = 0.03 [mm]. FIG.
6, the measured value can be approximated to a straight line by di = 0.1 mm
From 0.5 mm, and in this range, the amount of change in transmitted light intensity corresponding to d = 0.03 mm is 0.6 dB.
This displacement can be measured sufficiently. Therefore, if the strain gauge shown in FIG. 17 is manufactured in a state where the end face interval di of the optical fiber is given from 0.1 mm to 0.5 mm in advance,
It can be used as a strain gauge.

【0037】第2実施例(せん断ひずみ測定) 本実施例は、光ファイバの端面間隔損失(上記第3実施
形態)を用いてせん断ひずみを測定するひずみゲージで
ある。このひずみゲージの概念図を図18に示す。図1
8に示すように、せん断ひずみを測定するには縦ひずみ
を測定する場合に用いたひずみゲージ(図17参照)2
本を平行に、G.L.を等しくして被測定物の表面に接
着して用いれば良い。図18に示すように、2本のゲー
ジの平行間隔をt、端面間隔の変位をそれぞれd1、d
2とすると、せん断ひずみγは、以下の(16)式のよ
うに与えられる。
Second Embodiment (Measurement of Shear Strain) This embodiment is a strain gauge for measuring a shear strain using the end face spacing loss of an optical fiber (the third embodiment). FIG. 18 shows a conceptual diagram of this strain gauge. FIG.
As shown in FIG. 8, in order to measure shear strain, a strain gauge (see FIG. 17) used for measuring longitudinal strain was used.
Put the book in parallel. L. May be made equal to each other and adhered to the surface of the object to be measured. As shown in FIG. 18, the parallel interval between the two gauges is t, and the displacement of the end face interval is d1 and d, respectively.
Assuming that 2, the shear strain γ is given by the following equation (16).

【数16】 今、例えば、せん断ひずみ0.5%(γ=0.005)
をG.L.=15mm,t=10mmで測定することを
考える。光ファイバの端面間隔変位差d1−d2は(1
6)式よりd1−d2=γt=0.005×10=0.
05[mm]となる。したがって、d1やd2を0.0
1mmのオーダーで測定できれば十分せん断ひずみの測
定も可能である。図16より測定値が直線に近似できる
のはdi=0.1mmから0.5mmであり、例えばd
の0.10mmから0.15mmに対応する透過光強
度の変化量は1.0dBとなり十分測定可能である。従
って、あらかじめ光ファイバの端面間隔diを0.1m
mから0.5mm与えた状態で図18に示したひずみゲ
ージを製作すれば、せん断ひずみを測定することが可能
である。
(Equation 16) Now, for example, a shear strain of 0.5% (γ = 0.005)
To G. L. = 15 mm and t = 10 mm. The difference d1-d2 between the end face spacing displacements of the optical fiber is (1
From equation (6), d1−d2 = γt = 0.005 × 10 = 0.
05 [mm]. Therefore, d1 and d2 are set to 0.0
If it can be measured in the order of 1 mm, it is possible to sufficiently measure the shear strain. From FIG. 16, the measured value can be approximated to a straight line from di = 0.1 mm to 0.5 mm.
Variation of the transmitted light intensities corresponding to 1 of 0.10mm to 0.15mm is sufficient measurable 1.0dB next. Therefore, the end face distance di of the optical fiber is set to 0.1 m in advance.
If the strain gauge shown in FIG. 18 is manufactured in a state where 0.5 mm is given from m, it is possible to measure the shear strain.

【0038】第3実施例(曲げモーメント測定) 本実施例は、光ファイバの角度ずれ損失(上記第2実施
形態)を用いて、はりや平板にかかる曲げモーメントを
測定することが可能なひずみゲージである。このひずみ
ゲージの概念図を図19に示す。今、図20のような曲
りばりの中心軸上の任意の2点P.Qでの接線が直角座
標系のX軸の正方向となす角をそれぞれθ,θとす
れば、円弧PQを与える中心角dθは、dθ=θ+θ
で与えられるが、円弧PQを与える曲率半径をρ、P
Q間の距離をdsとすると、以下の(17)式の関係が
ある。
Third Embodiment (Measurement of Bending Moment) In this embodiment, a strain gauge capable of measuring a bending moment applied to a beam or a flat plate by using the angle shift loss of the optical fiber (the second embodiment). It is. FIG. 19 shows a conceptual diagram of this strain gauge. Now, any two points P.D. on the center axis of the bend as shown in FIG. Assuming that the angles formed by the tangent line at Q with the positive direction of the X-axis of the rectangular coordinate system are θ P and θ Q , the central angle dθ that gives the arc PQ is dθ = θ P + θ.
The radius of curvature that gives the arc PQ is ρ, P
Assuming that the distance between Q is ds, the following equation (17) is established.

【数17】 また、曲率ρと曲げモーメントMの間には、はりの縦弾
性係数E、断面2次モーメントIとすると、以下の(1
8)式の関係がある。
[Equation 17] Further, between the curvature ρ and the bending moment M, assuming a longitudinal elastic modulus E of the beam and a second moment of area I, the following (1)
8) There is a relation of the expression.

【数18】 (17)式及び(18)式から曲げモーメントMは、以
下の(19)式により求められる。
(Equation 18) From the equations (17) and (18), the bending moment M is obtained by the following equation (19).

【数19】 従って、光ファイバの角度ずれ損失から角度ずれ量θ
+θ(=dθ)を測定することで、(19)式からモ
ーメントMを求めることが可能である。
[Equation 19] Therefore, the angle shift amount θ p can be calculated from the angle shift loss of the optical fiber.
By measuring + θ Q (= dθ), the moment M can be obtained from the equation (19).

【0039】第4実施例(ねじりモーメント測定) 本実施例では、光ファイバの軸ずれ損失(上記第1実施
形態)を用いて、軸にかかるねじりモーメントを測定す
ることが可能なひずみゲージを製作した。このひずみゲ
ージの概念図を図21に示す。今、図22のような半径
をr、軸の長さをLとする軸において、ねじれ角をφに
よるせん弾ひずみγは、以下の(20)式のように表さ
れる。
Fourth Embodiment (Measurement of Torsional Moment) In this embodiment, a strain gauge capable of measuring a torsional moment applied to an axis is manufactured by using the loss of axial deviation of an optical fiber (the first embodiment). did. FIG. 21 shows a conceptual diagram of this strain gauge. Now, on an axis as shown in FIG. 22 where the radius is r and the axis length is L, the helical strain γ with the torsion angle φ is expressed by the following equation (20).

【数20】 ここで、単位長さ当りのねじれ角θは(20)式を用い
て、以下の(21)式のように表される。
(Equation 20) Here, the torsion angle θ per unit length is expressed by the following equation (21) using the equation (20).

【数21】 また、軸表面のせん断応力τは横弾性係数をG、軸心に
対する断面極2次モーメントをIpとすると、以下の
(22)式により求められる。
(Equation 21) The shear stress τ on the shaft surface is determined by the following equation (22), where G is the transverse elastic modulus and Ip is the second moment of area pole with respect to the shaft center.

【数22】 そして、ねじりモーメントTは、以下の(23)式によ
り求められる。
(Equation 22) Then, the torsional moment T is obtained by the following equation (23).

【数23】 従って、光ファイバの軸ずれ損失から軸ずれ量を測定す
ることでrdφが求められ、(20),(21),(2
2)及び(23)式から、γ、θ、τ、Tのいずれも測
定可能である。
(Equation 23) Therefore, rdφ is determined by measuring the amount of axis deviation from the axis deviation loss of the optical fiber, and (20), (21), (2)
From Equations 2) and (23), any of γ, θ, τ, and T can be measured.

【0040】[第5実施例:多点計測(ラインセンサ)
への応用]以上に述べた光ファイバの接続損失を用いた
変位検出装置を直列あるいは並列に複数接続すること
で、変位の多点計測を行うことができる。
Fifth Embodiment: Multipoint Measurement (Line Sensor)
Application to Multiplicity] By connecting a plurality of displacement detectors using the connection loss of the optical fiber described above in series or in parallel, multipoint measurement of displacement can be performed.

【0041】図23は、直列接続におけるセンシングデ
バイスとなるもので、バンドパスフィルタ(BPF),
ハイパスフィルタ(HPF),ローパスフィルタ(LP
F)を光カップラCで、同図に示すように、組み合わせ
たものであり、図中Lが光ファイバの接続損失部を示
す。本実施例のセンシングデバイスでは、λ1<λ2と
し、BPFには波長がλ1からλ2のあいだの光を、H
PFには波長がλ1より短い光を、LPFには波長がλ
2より長い光を通過させるものを選んだ。今、図中aか
ら波長λの光が入力されたとき、λ1<λ<λ2であれ
ば、光は図中a→b→d→hと進み、Lでの変位量を接
続損失として検出できる。それ以外の場合には、λ<λ
1であれば、光はa→c→e→g→hと進み、λ>λ2
であれば、光はa→c→f→g→hと進むので、Lの影
響は現れない。
FIG. 23 shows a sensing device in a series connection, in which a band-pass filter (BPF),
High-pass filter (HPF), low-pass filter (LP
F) is an optical coupler C, which is a combination as shown in the figure, wherein L indicates a connection loss portion of the optical fiber. In the sensing device of the present embodiment, λ1 <λ2, and the light having a wavelength between λ1 and λ2 is
Light having a wavelength shorter than λ1 is applied to the PF, and wavelength λ is applied to the LPF.
Those that let light longer than 2 pass were chosen. Now, when light having a wavelength λ is input from a in the figure, if λ1 <λ <λ2, the light proceeds as a → b → d → h in the figure, and the displacement amount at L can be detected as a connection loss. . Otherwise, λ <λ
If 1, the light travels a → c → e → g → h and λ> λ2
In this case, the light travels in the order of a → c → f → g → h, so that the influence of L does not appear.

【0042】このようなセンシングデバイスにおいて、
各フィルタの特性を、(BPF1を通過することのでき
る波長)<(BPF2を通過することのできる波長)<
(BPF3を通過することのできる波長)と選び、それ
らを直列に接続しラインセンサを構成したものが図24
である。光源から出たBPF1を通過できる波長の光
は、BPF1→HPF2→HPF3と進み、光パワー検
出部で検出される。同様に、BPF2を通過できる波長
の光は、LPF1→BPF2→HPF3と進み、BPF
3を通過できる波長の光は、LPF1→LPF2→BP
F3と進んで光パワー検出部により検出される。このよ
うに、測定する光の波長を変えることで、各センシング
デバイスでの接続損失L1〜L3を独立して計測するこ
とができる。
In such a sensing device,
The characteristic of each filter is defined as (wavelength that can pass through BPF1) <(wavelength that can pass through BPF2) <
(Wavelength that can pass through BPF3), and connecting them in series to form a line sensor is shown in FIG.
It is. Light having a wavelength that can pass through the BPF1 emitted from the light source travels in the order of BPF1, HPF2, and HPF3, and is detected by the optical power detection unit. Similarly, light having a wavelength that can pass through the BPF 2 travels in the order of LPF 1 → BPF 2 → HPF 3,
3 can pass through LPF1 → LPF2 → BP
Proceeding to F3, it is detected by the optical power detection unit. Thus, by changing the wavelength of the light to be measured, the connection losses L1 to L3 at each sensing device can be measured independently.

【0043】一方、図25に示すように、BPFを変位
量の検出部分Lと直列に接続し、各BPFの通過波長を
別に選ぶことでも多点計測が可能である。この場合、光
源から出た光はその波長に応じてBPF1からBPF4
のうちのどれか一つだけを通過して光パワー検出部で検
出される。従って、測定波長を変えることで、接続損失
L1からL4を独立して計測することが可能となる。
On the other hand, as shown in FIG. 25, it is also possible to perform multipoint measurement by connecting a BPF in series with a displacement detection portion L and selecting a transmission wavelength of each BPF separately. In this case, the light emitted from the light source is changed from BPF1 to BPF4 according to the wavelength.
Pass through only one of them, and is detected by the optical power detector. Therefore, by changing the measurement wavelength, the connection losses L1 to L4 can be measured independently.

【0044】以上のように、本実施例によれば、光ファ
イバの接続損失を用いた複数の変位検出部を、BPF,
HPF.LPF,光カップラCを組み合わせて、直列あ
るいは並列に接続することで、変位を多点計測し得るラ
インセンサを構成することができる。
As described above, according to the present embodiment, a plurality of displacement detectors using the connection loss of the optical fiber are connected to the BPF,
HPF. By combining the LPF and the optical coupler C and connecting them in series or in parallel, a line sensor capable of measuring displacement at multiple points can be configured.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明によれば、光ファイバの接続損失を用いて微小変
位を測定するようにしたので、センサの構造やその測定
システムが簡便な上に種々の微小な変位を安定的に確認
できる変位検出方法及び装置を提供することができる。
As is apparent from the above description,
According to the present invention, the minute displacement is measured using the connection loss of the optical fiber, so the structure of the sensor and its measurement system are simple and the displacement detecting method can stably confirm various minute displacements. And an apparatus can be provided.

【0046】このように、無誘導性、防爆性、耐腐食性
等の特徴を持つ光ファイバを用いて、簡単な構造であり
ながら種々の微小な変位を安定的に確認できるので、工
業プロセス計測、長期間に亘るオンライン計測、リニア
モータカー・送電線・発電機等におけるひずみ測定等、
強電磁界ノイズ環境下の計測、落雷環境下の計測等に用
いるのに好適な変位検出方法及び装置が得られ、その工
業的価値は大なるものがある。
As described above, various small displacements can be stably confirmed using an optical fiber having characteristics such as non-induction, explosion proof and corrosion resistance, while having a simple structure. , Long-term online measurement, strain measurement in linear motor cars, transmission lines, generators, etc.
A displacement detection method and apparatus suitable for use in a measurement under a strong electromagnetic field noise environment, a measurement under a lightning strike environment, and the like are obtained, and their industrial value is great.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の実施形態に係る変位検出方法及び装
置の基本構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a displacement detection method and device according to an embodiment of the present invention.

【図2】 光ファイバの接続損失と微小変位の相関関係
についての実験に使用した測定装置の構成を説明するた
めの図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a configuration of a measuring apparatus used in an experiment on a correlation between a connection loss of an optical fiber and a minute displacement.

【図3】 光ファイバの軸ずれ損失を説明するための図
である。
FIG. 3 is a diagram for explaining axis shift loss of an optical fiber.

【図4】 光ファイバの軸ずれ量と接続損失との関係を
示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between an axial deviation amount of an optical fiber and a connection loss.

【図5】 図4の光ファイバの軸ずれ量と接続損失との
関係を示すデータを補正した後の図である。
FIG. 5 is a diagram after correcting data indicating a relationship between an axial deviation amount and a connection loss of the optical fiber of FIG. 4;

【図6】 光ファイバの角度ずれ損失を説明するための
図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining an angle shift loss of an optical fiber.

【図7】 光ファイバの角度ずれ量と接続損失との関係
を示す図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between an angle shift amount of an optical fiber and a connection loss.

【図8】 図7の光ファイバの角度ずれ量と接続損失と
の関係の理論値のみを示す図である。
8 is a diagram showing only theoretical values of the relationship between the angle shift amount and the connection loss of the optical fiber of FIG. 7;

【図9】 本発明の第2の実施形態におけるファイバホ
ルダユニットの構成を示す図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a fiber holder unit according to a second embodiment of the present invention.

【図10】 図9に示したファイバホルダユニットの構
成において、光ファイバの角度ずれ量と接続損失との関
係を示す図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between an angle shift amount of an optical fiber and a connection loss in the configuration of the fiber holder unit illustrated in FIG. 9;

【図11】 光ファイバの端面間隔損失を説明するため
の図である。
FIG. 11 is a diagram for explaining an end face spacing loss of an optical fiber.

【図12】 光ファイバの端面間隔(0mm〜5.5m
m)と接続損失との関係を示す図である。
FIG. 12 shows an end face interval of an optical fiber (0 mm to 5.5 m).
It is a figure which shows the relationship between m) and connection loss.

【図13】 光ファイバの端面間隔(0mm〜1mm)
と接続損失との関係を示す図である。
FIG. 13: End face spacing of optical fiber (0 mm to 1 mm)
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between the connection loss and the connection loss.

【図14】 本発明の実施形態におけるフェルールの構
成を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a ferrule according to the embodiment of the present invention.

【図15】 フェルールを用いた場合の光ファイバの端
面間隔(0mm〜1mm)と接続損失との関係を示す図
である。
FIG. 15 is a diagram showing a relationship between an end face interval (0 mm to 1 mm) of an optical fiber and a connection loss when a ferrule is used.

【図16】 フェルールを用いた場合と用いない場合の
光ファイバの端面間隔(0mm〜1mm)と接続損失と
の関係を比較するための図である。
FIG. 16 is a diagram for comparing a relationship between an end face interval (0 mm to 1 mm) of an optical fiber and a connection loss when a ferrule is used and when a ferrule is not used.

【図17】 本発明の第1の実施例に係るひずみゲージ
の概念図である。
FIG. 17 is a conceptual diagram of a strain gauge according to the first embodiment of the present invention.

【図18】 本発明の第2の実施例に係るひずみゲージ
の概念図である。
FIG. 18 is a conceptual diagram of a strain gauge according to a second embodiment of the present invention.

【図19】 本発明の第3の実施例に係るひずみゲージ
の概念図である。
FIG. 19 is a conceptual diagram of a strain gauge according to a third embodiment of the present invention.

【図20】 曲げモーメントを受ける曲がりはりの概略
構成を示す図である。
FIG. 20 is a diagram showing a schematic configuration of a bending beam receiving a bending moment.

【図21】 本発明の第4の実施例に係るひずみゲージ
の概念図である。
FIG. 21 is a conceptual diagram of a strain gauge according to a fourth embodiment of the present invention.

【図22】 ねじりモーメントを受ける軸の概略構成を
示す図である。
FIG. 22 is a diagram showing a schematic configuration of a shaft receiving a torsional moment.

【図23】 本発明の第5の実施例に係るラインセンサ
のセンシングデバイスの構成を示す図である。
FIG. 23 is a diagram illustrating a configuration of a sensing device of a line sensor according to a fifth embodiment of the present invention.

【図24】 本発明の第5の実施例において、直列接続
による多点計測方法を示す図である。
FIG. 24 is a diagram showing a multipoint measuring method by series connection in the fifth embodiment of the present invention.

【図25】 本発明の第5の実施例において、並列接続
による多点計測方法を示す図である。
FIG. 25 is a diagram illustrating a multipoint measuring method by parallel connection in the fifth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 第1の光ファイバ 102 第2の光ファイバ 103 光源部 104 光量計測部 106 センシング部 111 第1のフェルール 112 第2のフェルール 113 ゲージベース Reference Signs List 101 first optical fiber 102 second optical fiber 103 light source unit 104 light quantity measuring unit 106 sensing unit 111 first ferrule 112 second ferrule 113 gauge base

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 接続部の変位に伴い接続損失が変化する
ように接続された第1及び第2の光ファイバを有するセ
ンシング部と、前記第1の光ファイバの非接続端側から
光を入射する光入射部と、前記第2の光ファイバの非接
続端側から出射される光量を計測する光量計測部とを備
え、前記光入射部から前記第1の光ファイバに光を入射
し、前記センシング部における前記接続部の変位に伴う
接続損失の変化に基づき、前記光量計測部が前記第2の
光ファイバの前記非接続端側から出射される光量の変化
を検出し、該光量の変化を用いて前記センシング部にお
ける前記接続部の変位を算出することを特徴とする光フ
ァイバを用いた変位検出方法。
1. A sensing unit having first and second optical fibers connected so that a connection loss changes according to displacement of a connecting unit, and light is incident from a non-connection end side of the first optical fiber. A light incident portion, and a light amount measuring portion for measuring a light amount emitted from the non-connection end side of the second optical fiber, light is incident on the first optical fiber from the light incident portion, Based on a change in connection loss due to displacement of the connection unit in the sensing unit, the light amount measurement unit detects a change in the light amount emitted from the non-connection end side of the second optical fiber, and detects the change in the light amount. A displacement detection method using an optical fiber, wherein the displacement of the connection part in the sensing part is calculated using the optical fiber.
【請求項2】 請求項1記載の光ファイバを用いた変位
検出方法において、前記接続部の変位は、前記第1及び
第2の光ファイバ相互の軸ずれであることを特徴とする
光ファイバを用いた変位検出方法。
2. The displacement detecting method according to claim 1, wherein the displacement of the connecting portion is an axis shift between the first and second optical fibers. The displacement detection method used.
【請求項3】 請求項1記載の光ファイバを用いた変位
検出方法において、前記接続部の変位は、前記第1及び
第2の光ファイバ相互の角度ずれであることを特徴とす
る光ファイバを用いた変位検出方法。
3. The displacement detecting method according to claim 1, wherein the displacement of the connecting portion is an angular displacement between the first and second optical fibers. The displacement detection method used.
【請求項4】 請求項1記載の光ファイバを用いた変位
検出方法において、前記接続部の変位は、前記第1及び
第2の光ファイバ相互の端面間隔の変化であることを特
徴とする光ファイバを用いた変位検出方法。
4. The method according to claim 1, wherein the displacement of the connecting portion is a change in a distance between end faces of the first and second optical fibers. A displacement detection method using a fiber.
【請求項5】 請求項1〜4記載の光ファイバを用いた
変位検出方法において、前記センシング部を直列又は並
列に複数接続することで、変位の多点計測を行うことを
特徴とする光ファイバを用いた変位検出方法。
5. A displacement detection method using an optical fiber according to claim 1, wherein a plurality of said sensing units are connected in series or in parallel to perform multipoint measurement of displacement. Displacement detection method using.
【請求項6】 ベース部材と、該ベース部材の長さ方向
に沿って相互に所定の間隔だけ離間してそれぞれ固定さ
れた第1及び第2の支持体と、前記第1の支持体と固定
された第1の光ファイバと、前記第2の支持体と固定さ
れた第2の光ファイバとを備え、前記第1及び第2の光
ファイバは、前記第1又は第2の支持体の内部におい
て、前記ベース部材の長さ方向に沿った変位に伴い相互
の端面間隔が変化するように接続されていることを特徴
とする光ファイバを用いた変位検出装置。
6. A base member, first and second supports fixed to each other at a predetermined distance from each other along a length direction of the base member, and fixed to the first support. A first optical fiber, and a second optical fiber fixed to the second support, wherein the first and second optical fibers are provided inside the first or second support. 3. The displacement detecting device using an optical fiber according to claim 1, wherein the end members are connected to each other such that a distance between the end surfaces thereof changes in accordance with a displacement along a length direction of the base member.
【請求項7】 ベース部材と、該ベース部材の一方向に
沿って相互に所定の間隔だけ離間してそれぞれ固定され
た第1及び第2の支持体と、前記第1の支持体と固定さ
れた第1の光ファイバと、前記第2の支持体と固定され
た第2の光ファイバとを備え、前記第1及び第2の光フ
ァイバは、前記第1及び第2の支持体の間の離間部にお
いて、前記ベース部材の曲げに伴い角度ずれ損失が変化
するように相互に接続されていることを特徴とする光フ
ァイバを用いた変位検出装置。
7. A base member, first and second supports respectively fixed at a predetermined distance from each other along one direction of the base member, and fixed to the first support. A first optical fiber, and a second optical fiber fixed to the second support, wherein the first and second optical fibers are disposed between the first and second supports. A displacement detecting device using an optical fiber, wherein the separated portions are connected to each other such that an angle shift loss changes with bending of the base member.
【請求項8】 ベース部材と、該ベース部材の所定の方
向に沿って相互に所定の間隔だけ離間してそれぞれ固定
された第1及び第2の支持体と、前記第1の支持体と固
定された第1の光ファイバと、前記第2の支持体と固定
された第2の光ファイバとを備え、前記第1及び第2の
光ファイバは、前記第1及び第2の支持体の間の離間部
において、前記所定の方向と直交する方向に沿って前記
ベース部材にせん断ひずみが発生するのに伴い軸ずれ損
失が変化するように相互に接続されていることを特徴と
する光ファイバを用いた変位検出装置。
8. A base member, first and second supports fixed to each other at a predetermined distance from each other along a predetermined direction of the base member, and fixed to the first support. A first optical fiber, and a second optical fiber fixed to the second support, wherein the first and second optical fibers are located between the first and the second support. In the separated portion, an optical fiber characterized by being connected to each other such that the off-axis loss changes as shear strain occurs in the base member along a direction orthogonal to the predetermined direction. The displacement detector used.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017504004A (en) * 2013-12-13 2017-02-02 インテル コーポレイション Optical inertial sensor

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