Vol.6 No.1 2013

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研究論文:光ファイバ広帯域振動検出システムの開発(津田ほか)−52−Synthesiology Vol.6 No.1(2013)(注1)ひずみ計測用に広帯域光源を追加する必要がある。(注2)一つの光源でAEとひずみの同時計測が可能。(注3)1チャンネルAE計測システム構築時の費用で、ひずみ計測機能を 含めない。50万円程度100万円程度600万円程度システム価格(注3)○(注2)○(注2)×(注1)ひずみ同時計測への拡張性○○×ロケット搭載仕様への適用性○(図8を参照)×(AEとバックグラウン ドノイズの識別不可) ○(図3を参照)AE計測能開発した復調方式(ファイバ・リング・レーザシステム)光フィルタ復調方式レーザ復調方式かった微小な振動成分を検出できた。また、これまではひずみゲージと圧電センサの二つを用いてひずみとAE計測を行ってきたが、このシステムを用いることで一つのFBGセンサでひずみとAEを同時に計測できた。6 まとめ波長変調型光ファイバセンサであるFBGを用いて、AEおよびひずみの同時多点計測が可能なシステムの開発を目的にこの研究は開始され、図11に示す展開を経た。研究開始当時はFBGをセンサとするAE計測技術が未熟で、その検出の可能性も実証されていない状況であった。そこでこの研究は、初めにFBGによるAE検出の可能性の実証と従来技術を利用した宇宙構造物搭載仕様を満たすシステムによるAE計測を試みた。FBGは優れたAE検出能を有したが、従来技術システムでは十分な検出感度が得られなかった。だが偶然にも実験中の操作ミスから新しいAE計測法を見いだすことができた。ここで新たに開発されたシステムは、ファイバ・リング・レーザに組み込んだ光アンプが有する光利得の波長依存性を利用して、FBGが受ける機械的振動から超音波振動までの広帯域振動をレーザ強度変化として検出することができる。この研究で採用されたAE計測に関するこれらの要素技術の特徴を表2にまとめた。この研究では最終的にファイバ・リング・レーザシステムに光フィルタ復調法によるひずみ計測技術を統合させて、ひずみ・AE同時多点計測システムを構築した。これまで市販されてきたFBGを用いた構造体健全性評価用システムでは、サンプリング速度が最大でも1 kHz程度で、周波数20 kHzを超えるAEを検出することはできない。一方、このシステムは最大2 MHzまでのAEを検出できることを確認している。さらにこのシステムはこれまでのFBG振動検出システムと比較してとても軽量、小型であり、かつ安価に作製できる特長がある。しかし、下記の技術課題が残っている。一つの光アンプか表2 本研究開発で採用されたFBGを用いたAE計測技術の特徴[1]陳山 鵬: 回転機械の振動診断の最新技術と動向, 検査技術, 17 (3), 29-35 (2012).[2]G. Wild and S. Hinckley: Acousto-ultrasonic optical fiber sensors: overview and state-of-the-art, IEEE Sensors Journal, 8, 1184-1193 (2008).[3]W.J. Staszewski, C. Boller and G.R. Tomlinson: Health Monitoring of Aerospace Structures : Smart Sensor Technologies and Signal Processing, 29-73, Wiley, West Sussex (2004).[4]M. Majumder, T.K. Gangopadhyay, A.K. Chakraborty, K. Dasgupta and D.K. Bhattacharya: Fibre Bragg gratings in structural health monitoring - Present status and applications, Sensors and Actuators A-Physical, 147, 150-164 (2008).[5]A. Othonos: Fiber Bragg gratings, Review of Scientific Instruments, 68, 4309-4341 (1997).[6]M.A. Davis and A.D. Kersey: All-fiber Bragg grating strain-sensor demodulation technique using a wavelength-division coupler, Electronics Letters, 30, 75-77 (1994).[7]N. Takahashi, K. Yoshimura, S. Takahashi and K. Imamura: Development of an optical fiber hydrophone with fiber Bragg grating, Ultrasonics, 38, 581-585 (2000).[8]H. Tsuda, K. Kumakura and S. Ogihara: Ultrasonic sensitivity of strain-insensitive fiber Bragg grating sensors and evaluation of ultrasound-induced strain, Sensors, 10, 11248-11258 (2010).[9]S. Kojima, A. Hongo, S. Komatsuzaki and N. Takeda: High-speed optical wavelength interrogator using a PLC-type optical filter for fiber Bragg grating sensors, Proc. SPIE, 5384, 241-249 (2004).[10]J-R. Lee, H. Tsuda and Y. Akimune: Apodized fibre Bragg grating acousto-ultrasonic sensor under arbitrary strain using dual Fabry-Perot filters, Journal of Optics A-Pure and Applied Optics, 9, 95-100 (2007).[11]H. Tsuda, E. Sato, T. Nakajima, H. Nakamura, T. Arakawa, H. Shiono, M. Minato, H. Kurabayashi and A. Sato: Acoustic emission measurement using a strain-insensitive fiber Bragg grating sensor under varying load conditions, Optics Letters, 34, 2942-2944 (2009).[12]H. Tsuda: A Bragg wavelength-insensitive fiber Bragg grating ultrasound sensing system that uses a broadband light and no optical filter, Sensors, 11, 6954-6966 (2011).[13]津田 浩: FBG振動検出システム, 該システムを用いた装置および振動検出方法, 特開2011-196744[14]H. Tsuda: Fiber Bragg grating vibration-sensing system, insensitive to Bragg wavelength and employing fiber ring laser, Optics Letters, 35, 2349-2351 (2010).[15]中島富男, 佐藤英一, 津田 浩, 佐藤明良, 川合伸明: 多重化したFBGセンサによるひずみとAE同時計測システムの開発(固体ロケットモータ複合材チャンバの構造ヘルスモニタリングを目的として), 日本機械学会論文集(A編), 78, 728-741 (2012).参考文献ら構成されるファイバ・リング・レーザでは安定した多波長レーザ発振が実現できず、FBGセンサごとに一つの光アンプを要している。また圧電センサと比べてAE計測時のしきい値レベルが高いため、現状のシステムでは圧電センサよりもAE検出感度が低い。今後、これらの技術的な問題を改善しながら、開発されたシステムを宇宙構造物のみでなく一般産業機械等広い応用分野へ適用できるように研究を展開していきたいと考えている。

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