JPS6148706A - ひずみ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、例えば、複合材料から製作されており高い温
度及び厳しい電磁干渉環境に曝される機体のような機械
的構造内のひすみ分布の光学的検出及び測定に係る。

発明の背景 結合コア光ファイバひずみセンサを含んでいる光ファイ
バひずみセンサは過去に製作且つ試験されてきた。この
ようなセンサでは、ひずみにより誘起される縦摂動に起
因する漏話変化が結合モード及び積分表現理論に従って
記述されてきた。

しかし、このようなセンサは測定装置の全長にわたる全
ひずみを／Ｉ！＋１定するためにのみ使用されてきた。

これは空間的に分解されたひずみの指示を与えるために
は有効でない。

種々の位置に於けるひずみをｌす定するためには、多数
の短いセンサ又はそのネットワークが必要とされる。

さらに、ネットワーク内に使用されるセンサのような短
いセンサはそれ自体、実現に困難な問題、例えば入力及
び出力結合ファイバの取付けの問題を免れない。

多重コア光ファイバひずみセンサに関する他の背景技術
は米国特許第４．２９５．７３８号（１９８１年）明細
書に記載されており、その内容を参Ｈ，Ｈによりここに
組み入れたものとする。上記明細書には、共通のクラッ
ド内の隣接ファイバコア内へ最初に送り出された光が両
コア間で交さ結合して伝送される“漏話”現象のを用な
説明が記載されている。

他の有用な背景技術は例えば記号λｂにより表現される
ビート長さの考え方である。この用語は、一つのコアか
ら隣接コアへ、またその逆に、漏話が完全に成就される
ために必要とされる光ファイバの長さとして主段されて
いる。周知のように、ビート長さは温度、波長、ひずみ
及び圧力の関数である。

発明の開示 本発明によれば、多重波長の光が、ひずみをモニタされ
るべき機械的構造に埋め込み又は他の仕方で結合された
多重コア光導波路の一つの端部内へ送り出される。導波
路の出力端に於て種々のコアからの光が波長の関数とし
てコントラストを検出且つ分析され、それにより導波路
の経路に沿う機械的構造内のひずみの位置及び強度を示
す。

発明を実施するための最良の形態 第１図には、本発明を実施するための好ましい形態が示
されており、機械的構造１３又はその部分が、この実施
例では二つのコア１７′及び１７“を有する光導波路１
５又はファイバセンサの経路に沿ってひずみ分析、測定
及び検出を受ける。

コアは、典型的にガラス又はプラス千ツクであるクラッ
ド材料により包囲されている。その構造の詳細は米国特
許第４，２９５，７３８号明細書に記載されており、そ
の内容を参照によりここに組み入れたものとする。

光導波路１５は、光をセンサ内へ送り出すための二つの
好ましい方法を含んでいる本発明による多重波長方式の
少なくとも二つの好ましい実施態様のいずれかに従って
使用され得る。これらの好ましい方法の一方によれば、
光は例えば波長の選択された範囲を横切って走査する光
源１９から光導波路内へ注入又は送り出され、こうして
特定の時間には所与の波長の光が、また次の時間には他
の波長の光が光導波路１５内へ注入される。この実施態
様では、検出器システムは、各波長が伝送されるにつれ
て、順次に漏話を分析する。代替的に、光源はすべての
選択された範囲の波長を時間的に連続的に含んでいる光
を生し得る。しかし、その場合には、（麦で説明する検
出システムは種々の波長にわたり受信された情報の間の
識別が可能なように変形されなければならない。

多重波長光源１９からの光は導波路コア２７′又は２７
″に適当に伝達又は結合される。これは標準ラボラトリ
オプティックス又は特殊結合ファイバにより実現され得
る。先ず重要なこと、コア２７′及び２７“の一方又は
双方に適当な形態の照明により単一モード光を効率的に
入射結合することである。所望の光結合を実現する一つ
の方法は、コア１７′及び１７″の直径に一致する直径
まで次第に直径が減少するコア２７′及び２７″を含ん
でいる導波路のテーバ付き部分２５を形成することであ
る。このテーパ付き部分は、光源１９により発せられた
光又はその一部分を受入れ、且つ一旦モーダルに減ぜら
れた光を導波路１５内へ入射結合、送り出し又は圧入す
る周知の機械的方法により適当に配匠されている。

機械的構造１３は例えば航空機の翼又はヘリコプタのブ
レードのような任意の種類の機械的装置又は設備であっ
てよい。機械的構造１３内の導波路１５から出る光は二
つの平行な光ビーム３７′及び３７“とじて生ずる。

本発明の一つの実施態様によれば、これらのビームは例
えば回転鏡のような反射装置５９により、マスク５５内
に郭定されている狭いスリット５１へ向けて（扁向され
る。レンズ３８はマスク５５の面内にセンサ出力の鯨を
生ずるべくビームを変換する。こうして先ず一方のビー
ム３７′、次いで他方のビーム３７＃がスリット５１を
通して光検出器６１に導かれ得る。光検出器６１は導線
６６を経てアナログ−ディジタル変換器６９に電気的信
号を与え、アナログ−ディジタル変換器６９ば計算＆１
１に分析のためのデータ入力を与える。

光源１９が走査ではなくすべての進沢された範囲の波長
の光を発する場合には、複数個の光検出器６１及び６１
’が、コアの像平面内に置かれている。相応の検出器６
１に光ビーム３７′及び３７″を偏向させるために有効
な波長分析器８８から半径方向に外方に配萱され得る。

各光検出器６１’の前には、狭いスリット５１′を郭定
するマスク５５′が設けられている。さらに、各光検出
器６１′は例えばアナログ−ディジタル変換器６９′を
駆動し、アナログ−ディジタル変換器６９′がその情報
を計算機７１に与える。上記の本発明の二つの実施態様
（波長が個々に走査される実施態様及びすべての選択さ
れた波長範囲にわたる光が注入される実施態様）のいず
れかに従って、計算機は注入された光の波長範囲に対す
る二つの光ビーム３７′及び３７″のレベルを示す情報
を受ける。走査される波長の分析器及び検出器ンステム
は、走査されない波長の分析器と、それに随伴される検
出器の２ｍされたアレーとにより置換され得る。この場
合には、アレーの各検出器要素が一つの波長におけるコ
アパワを♂り定する。そのアレー内の隣接検出器は次の
波長における相対的パワをσり定する。各隣接検出器は
パワ対波長関数の測定に寄与する。各ｅ長において、各
コアの像が検出器アレーの要素に形成される。

光導波路１５内へ光を注入する二つの好ましい方法に関
係して、コアの一方又は双方が光で照射される。第一の
場合には、対称及び非対称最低次モードの双方がそれに
より生ぜしめられ、漏話を導波路１５の全長に沿って明
白にならしめる。この定常状態漏話レベルの変化は機械
的構造１３内の惜勤により生ぜしめられる。

しかし、もし両コアが等しい光位相において光で照射さ
れれば、機械的構造１３が光導波路１５を摂動させるま
で、漏話は明白でない６前記円ｊすＪが生ずる時、その
結果としての６ｍ話の変化が分析を受ける。

注入される光の波長の範囲は、波長自体に独特且つ虫調
な関係を有するビート長さλｂの範囲に相当する。従っ
て、ビート長さの範囲に対する（３７′及び３７″から
の）いくつかの（この場合には両）光ビーム強度を示す
信号の範囲が作動中に計算機７１により受信される。

一例として第２Ａ図を参照すると、もしひずみが、粱１
０３に作用するピボット点１０７及び１０８を含む璧１
０５内に支持されている片持梁１０３への均等分布負荷
１０２により生ぜしめられるならば、光ビーム３７′及
び３７″に相当する変￥ｌａ＋及びａ２により表される
複素振幅の二つの光信号が種々の波長に対して計算機７
１に与えられる。

こうして計算機７１に与えられるＩ’ｉ！ｆ　報は下記
の周知の関係により支配されている。

ここで、 Ｌはファイバセンサの長さ、 ａ＋（Ｌ）は第一のコアの終端におけるフィールド強度
に関係付けられる光の複素振幅、ａ２　（Ｌ、）は第二
のコアの終端におけるフィールド強度に関係付けられる
光の複素振幅、Ｂｏは２πをコア内へ注入又は送り出さ
れた光の波長で割った量、 Ｋは２πをビート波長で割った量、 Ｕ、はひずみが評価される間隔“１”内の通訳された位
置、 Ｅ（ｕ＋）はｉ番目の間隔内の点におけるひすみ、 Ｅ’（ｕ＋）は位置Ｕ、における距離に関するＥ（ｕ＋
）の変化率、 ｌ、は導波路ファイバの始点からｉ番目の間隔までの距
離である。

従って、導波路に沿う距離のインクレメント△１１の各
要素は二つのコア１７及び１７’の間の漏話の正味量に
寄与する。微小距離Δｌ、を選ふことにより、関係はひ
ずみ“Ｅ　”と関係（寸けられるコントラストＱの関数
として記述され得る。コントラスト関数Ｑは波長の範囲
にわたるビーム３７及び３７′内の光振幅に基づいてい
る：Ｑ　（Ｋ）　＝　ｆＥ　（１）　／Ｋ）　　ｃ　ｏ
　ｓ　　ｆ２Ｋ　（Ｌ　−１））ｔｏ＋２１ｏＢ　（＋
）ｓｉｎ　（２Ｋ　（Ｌ−１）ｌ　ｄｌ ここで、“ｌ”はファイバの長さに沿う距離である。

第３図には、均等に負荷された片持梁に対するコントラ
スト関数Ｑ　（Ｋ）が示されている。この関係は、均等
に負荷された梁の場合について第２Ｂ図に示されている
ように、ファイバに沿う長さの関数としてひずみＥの値
の指示を生ずるべく、フーリエ変換により所望のひずみ
に関して反転され得る。

以上に於ては本発明を特定の好ましい実施例について説
明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるも
のではなく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一つの実施態様によるひずみ測定装置
の概要図である。 第２Ａ図は本発明によりひずみを測定され得る機械系（
すなわち片持梁）の概要図であり５、また第２Ｂ図は支
持壁構造内へ延びている梁に沿う距離の関数としてのひ
ずみ関数を示すモーメント図である。 第３図は本発明による測定装置により光学的にモニタさ
れる染糸の漏話スペクトル、詳細には注入又は送り出さ
れた光波長の範囲にわたるコントラスト関数“Ｑ”を示
すグラフである。 １３・・・機械的構造、１５・・・光導波路、１７′、
１７“・・・コア、１９・・・光源、２７′、２７“・
・・コア、３７′、３７＃・・・光ビーム、５１．５１
′・・・スリット、５５・・・マスク、５９・・・反射
装置（回転技）、６１’、６１″・・・光検出器、６９
．６９′・・・アナログ−ディジタル変換器、７１・・
・計算朋、１０２・・・均等分布負荷、１０３・・・片
持梁、１０５・・・璧、１０７、ｉｏｓ中ピホノト点 特許出願人　　ユナイテ、ド・チクノロシーズ・コーポ
レイション

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 機械的構造に固定的に取付けられており少なくとも単一
   モードの光を導くための第一及び第二の導波コアを含ん
   でいる光導波路と、前記導波コアを照射するための多重
   波長光源と、前記の第一の導波コアと第二の導波コアと
   の間の漏話に応動するための検出システムとを含んでい
   るひずみ測定装置に於て、前記それぞれの導波コアから
   の光が、前記光導波路に沿う機械的構造内の分布ひずみ
   の位置及び大きさを示す前記波長に関するコントラスト
   関係を求めるべく、比較されることを特徴とするひずみ
   測定装置。