光ファイバセンシングとは

光ファイバ内での後方散乱光や反射光の温度依存性や歪依存性を利用して、光ファイバ自体をセンサとして利用することを『光ファイバセンシング』といいます。

1.光ファイバセンシングと電気式センサ(熱電対やひずみゲージなど)との比較

従来のセンシングの問題点従来のセンシングについては以下の問題がありました。
(1)点測定のため分布的に変状を測定しようとすると、通信線が膨大になるなど、莫大なコストがかかる。
(2)基本的には電気的なセンサ(熱電対、抵抗線歪み計)で耐雷性が無く、電磁ノイズの影響を受ける。
(3)センサ寿命が短く、取り替えやメインテナンスが必要であり、高コストとなる。
(4)また、構造物や取り付け場所によっては適用できない。
(5)可燃性雰囲気などの使用に際しては、格別の防爆保護構造が必要となる。

それに対し、光ファイバセンシングは、

光ファイバセンシングの優位性(1)光ファイバは伝送損失が0.3dB/kmと、極めて小さいため(電線の約1/1000)長距離測定が容易。
(2)光ファイバ自体がセンサとして機能するので線や面的など分布的測定が可能で、それらに格別の通信線を必要とない。
点センシングと線分布センシングの特徴
(3)電磁ノイズや防爆に関する対策を必要とせず、安定した測定が可能である。
(4)耐久性があり、長期(10年以上)に渡る適用が可能である。
(5)光ファイバを接続して追加したりシステムを拡張し多用化でき、複数の構造物の監視ができる。
光ファイバセンシングの多ルート化
(6)測定器から離れているセンサに給電する必要がない。
(7)多くの測定項目や測定対象に対して適切な監視システムの構築が可能で、監視システムのメンテナンスコストを低減できる。

2.光ファイバセンシングの適用分野

(1)エンジニアリング【対象分野】
制御系 : 機器や設備の正常動きなどを実現する
監視系 : プラント、機器や設備を維持するために監視する

【測定項目と目的】
温 度----品質管理、エネルギ管理、火災防災管理
歪 み----品質管理、メンテナンス、ヘルスモニタリング
振動・衝撃-- 品質管理、メンテナンス、ヘルスモニタリング
圧 力----品質管理、メンテナンス

(2)防災 光ファイバセンシングの問題解決
【対象分野】
構造物の変状 : 自然現象(雨、風、地震、雷、台風、竜巻、高潮、腐食など)が構造物(ビル、道路、橋脚、鉄道、ダム、堤防、電力・通信線など)に及ぼす影響を監視する。

光ファイバセンシングによる変状測定

3.光ファイバセンシングの種類と特徴

光ファイバセンシングには、光ファイバにグレーティング(回折格子)を形成し、そのグレーティングから反射される光の波長変化を物理量の変化として捉えるFBGと、光ファイバの歪みに比例して変化する散乱光を利用した全線がセンサとなるBOTDRなどがあります。

(1)分布型光ファイバセンシング分布型センシング

散乱光の模式図光ファイバ内散乱光スペクトル

●Step1. 光ファイバの組織はマクロ的には非晶質(アモルファス)であるが、ミクロ的には結晶質(クラスタ)と想定される。

次へ
●Step2. 光波が量子的に揺らいでいる(振動)結晶格子面、分子、原子に当たって散乱光が生じる。

次へ
●Step3. 後方錯乱光の中でも物理変化量に比例して周波数や強度が変化する散乱光のシフト量を検出する。

散乱光スペクトル
※ラマン効果は、光が物質に入射した時、固体や分子の振動・回転等により光が変調され、その結果生じたうなりが、もとの波長とは異なる波長の光として観測されます。ラマン散乱光は、非常に微弱で入射光の10の6乗分の1程度であり、精度を要求する場合にはデータ平均化より測定時間を必要とする。

ブリルアン散乱
※光ファイバに光を入射するとブリルアン散乱という現象により、約11GHz周波数が下がった散乱光が生じる。このシフト量(ブリルアンシフト)が歪や温度に比例するのがブリルアン散乱を用いたセンシング技術。

(2)多点型光ファイバセンシング(2)多点型光ファイバセンシング

多点型光ファイバセンシング システム多点型センシング

多点型光ファイバセンシングの構造多点型光ファイバセンシングの構造
ブラッグ格子により特定波長のみが反射される。格子間隔の違いにより、反射される波長が異なる。
※FBGセンサ:Fiber Bragg Grating Sensor
※FBGは屈折率変調の周期に比例したブラッグ波長と呼ばれる特定の波長の持つ光のみを反射するといった特性を持っている。FBGの長手方向に歪が加わったり、また温度が変化したりすると、ブラッグ波長は変化し。その変化量は、FBGに加わった歪や温度の変化に対して線形に変化することが知られている。そこでFBGからの反射光の波長を読み取ることで歪センサや温度センサなどとしての利用が可能となる。

4. 光ファイバセンシングの構成要素

光ファイバセンシングの構成要素

(1)測定器 = 光ファイバセンサの出力をデ-タへ変換すると共に、歪みや温度値として意味付ける。
(2)センサ = 歪みや温度を光ファイバ内の変化特性値として検出。
(3)施工  = 構造物に合わせ、センサ機能を正常に発揮させるためのセンサの固定。
(4)ソフト  = 測定目的に合わせたデ-タ処理を実現するソフト(測定、解析、警報)。

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