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。

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●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。

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●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。

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