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HOME 製品一覧FISO Technology社 > 光ファイバーセンサーの測定原理/技術について
FISO Technology社
光ファイバーセンサーの測定原理/技術について
特長
●EMI/RFIによる影響が皆無
センサーは全て絶縁体のため、電界、磁界の影響を受けません。
※EMI(electromagnetic interference)、RFI(radio-frequency interference)

●優れた化学的安定性
ガラス素材を使用しているので、耐薬品性、耐腐食性に優れています。悪環境下での経年変化やドリフトが少なく、長期間のモニタリングに最適です。

●防爆性と遠隔計測
センサー部には一切電気が流れていないので、防爆環境化での使用が可能です。さらにオプション機能によりファイバーは最大5kmまで延長可能なので、遠隔計測が可能です。センサーケーブルには50/125μmマルチモードファイバーが使用されています。

●絶対的測定
センサー内部のFPIキャビティ長を毎回絶対計測しているので、リファレンス値をリセットしない限り、半永久的な計測が可能です。コンディショナー(計測器)からセンサーを取り外したり、電源のON/OFFを行ったりしてもリファレンス値は失われません。 ※FPI(ファブリペロー干渉計)

●完全な直線性
FPIキャビティ長の絶対計測によって、完全なリニア測定を可能にしました。これにより、高温域での計測がより精度の良いものになりました。

●光量の変化に影響を受けにくい
ファイバーの曲げや光源の揺らぎなどによる光量の変化に対して、ほとんど影響を受けません。CCDアレイによる検出された信号の強度が変化しても、最大位置は保持されます。振動等の外乱に強いシステムです。

●いろいろな測定に対応可能
FISO社のコンディショナーはFISO社の各種センサーに対応しているので、同じコンディショナーを使って様々なタイプの測定を行うことができます。FISO社製品は、ひずみ、温度、圧力、変位など広範囲な計測が簡単に行えます。

測定原理
光ファイバーセンサーの中でもファブリペロー干渉計(FPI)の原理を使用した光ファイバーセンサーは1 台のコンディショナーで各種センサーが使用できる、精度が良い、シンプルな構造などの特徴を持っています。
FISO社の光ファイバーセンサーはFPI に基づいてデザインされています。 基本的にFPIは二つの直面したミラーとキャビティ長(ミラー間にある空間)で構成されています。FPI内で反射した光はキャビティ長に応じて正確に波長変調されます。キャビティ長に影響を与えるひずみ、温度、圧力などを正確に計測するためにはキャビティ長を安定して正確に計測することが必要です。FISO社の特許である「白色光クロスコリレーター」はキャビティ長を常に絶対計測する正確で効果的な方法です。

図1に白色光による計測方法を示します。コンディショナー内の広帯域光源により射出された光は2×2スプリッターの片側に入射され、光ファイバーセンサーに導かれます。センサー部で波長変調された光信号はコンディショナーに戻され、「白色光クロスコリレーター」を介して、リニアCCDアレイ上で電気信号に変換されます。「白色光クロスコリレーター」はCCD アレイ上にキャビティ長の変化を空間的な位置の変化として出力させることが出来ます。 仮に10μmのキャビティ長を持つ光ファイバーセンサーがあるとしましょう。このセンサーによって反射された光は、CCDアレイ上の10μmと出力されるピクセルで最大強度を示します。

図2 に見られるように、キャビティ長はCCD アレイ上の最大に光が検出されるピクセルの位置として取り込まれます。 「白色光クロスコリレーター」はその完全な安定性によって、センサーのキャビティ長を高い信頼性と正確さで計測を行うことができます。「白色光クロスコリレーター」は誘電体コーティングで形成された多層膜に基づく完全に一体化したものが使用されています。

測定原理
測定原理
技術について
●はじめに
小型で高精密、EMI/RFI の影響を受けず、腐食性の強い環境にも強く、高い温度領域では自己補償機能も有する、FISO社の高い技術が生み出した光ファイバーひずみゲージは高性能なひずみ計測を可能にする製品です。このセンサーのユニークな特徴のひとつとして、温度補償付きの選択が可能であるという点が挙げられます。これにより様々なひずみ計測が可能になります。ここでは「温度補償ありひずみゲージ」及び「温度補償なしひずみゲージ」について説明します。

●ファブリペロー型ひずみゲージのコンセプト
FISO 社のひずみゲージはファブリペロー干渉計(FPI)技術に基づいてデザインされています。基本的にFPIは直面した二つのミラーで構成されており、ミラー間の距離は「キャビティ長」と呼ばれています。FPI内で反射した光はキャビティ長に応じて波長変調されます。図3に示すようにキャビティ長は「マイクロキャピラリー」に挿入された二つの光ファイバーの向かい合った面の間の空間になります。接着された母材(サンプル)から伝わるひずみはひずみゲージのキャビティ長を変化させます。このときひずみは次のように表わされます。

「Δ LCavity」はキャビティ長が変化した長さ、「LGauge」はゲージ長です。ゲージ長とはマイクロキャピラリー内部で光ファイバーが固定されているポイント間の長さを示します。ゲージのセンサー部はマイクロキャピラリー内に位置しています。ゲージの感度(レンジ)はゲージ長を変えることで調整され、スケールファクターとして定義されます。FPI技術を上手に利用するには、正確で安定したキャビティ長の計測方法を見出すことです。FISO社のシグナルコンディショナーはフルスケールの0.01%の範囲で分解能0.001μmという正確さでキャビティ長を計測することが出来ます。 入射側ファイバーがセンシングパートから切り離されているということは重要なポイントです。このデザインによって、接着剤の使用や操作のために生じる影響や入射側ファイバーからの影響に対しても、ひずみを計測するキャビティ長は影響を受けません。これは複合材料内に固定する場合などに大変有効です。

●ひずみゲージ
図3に示したひずみゲージが機械的圧力に追従する場合、キャビティ長は<式1>に従って変化します。計測部分の温度が増加すると、ゲージは「α・Δ T」と同レベルのひずみを感知します(αは母材の線膨張率、ΔTは温度差)。ひずみゲージに使用される石英ファイバーの線膨張率は0.5×10−6/℃と非常に小さく、計測に与える影響はほとんどありません。 例) 1000μεの機械的応力に対し、温度補償なしひずみゲージは1000μεを表示します。10×10−6/℃の線膨張率をもつ母材にこのゲージを貼り付けると、+10℃(機械的応力なし)の温度変化において100μεを示し、これに1000μεの機械的応力が加わると1100μεを表示します。

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