町島 祐一
これまで紹介されてきた分布型温度センサや分布型歪みセンサは光ファイバセンサの代表格であるが、他にも様々な光ファイバセンサがある。FBG（Fiber Bragg Grating）センサは光ファイバに特殊な加工を施すことで歪みセンサまたは温度センサとして作用する。また、光学的な干渉法を用いることで高感度な振動センサが実現できる。さらに最新の動向として分布型の振動センサ（1本の光ファイバにおいて連続的に振動センサ部を設けることができる）も開発されている。また、光ファイバが石英ガラス製である場合（アクリル製のプラスチック光ファイバと区別して）、数百℃までの「耐熱性」を付与できたり、細径ゆえに「材料への埋め込み」が可能である。
本稿では、その他様々な光ファイバセンサと題して、当社が取り組んでいる4つの光ファイバセンサ技術を紹介する。
1. 多点・分布型センシング…飛行中の航空機翼の応力モニタリング
輸送機の中でもとりわけ高い安全性が求められる航空機では、機体ヘルスマネジメント技術として運用中の荷重応力全般、すなわち飛行中の作用歪みと着陸後の残留歪みを追跡することが重要と言われている。ここでは、実航空機の試験飛行における、光ファイバ歪みセンサによる応力モニタリングを事例紹介する。
光ファイバによる連続分布型の測定原理には、ブリルアン散乱を用いたもの、レイリー散乱を用いたもの、FBG（ファイバーブラッググレーティング1)）を用いたもの等がある。また、検波の手法もパルス光を用いた時間領域法や干渉を用いた周波数領域法等がある。
光ファイバ歪み分布センサを航空機翼の下面に施工し、離陸中の歪みを計測した様子が図1である2)。この場合、約8メートルの区間で約1mm毎に約8000点の歪み値を取得しており、機体に近い部分に大きく荷重歪みが作用し、その値は金属製の翼で1000με以下の弾性領域であることが見て取れる。この場合は健全性が維持されていると解釈され、こうした分布歪み計測は風力発電機のブレードやタワー、また車体・船体等の変形モニタリングにも応用が可能である。
【計測原理】
本計測で使用した歪み分布計測の原理を概説する。1本の光ファイバ上に多数設けられたセンサの位置を、何らかの手法で識別しなければならないが、FBGの場合、反射波長の違いで認識する波長多重、反射時間の違いで認識する時間多重、ここで紹介する光の干渉周波数で認識する光周波数多重（OFDR計測法）がある。光周波数多重の最大の特徴は1mm以下の空間分解能を達成できる点である。
OFDR計測法（正式名称は、光周波数領域反射計測法、Optical Frequency Domain Reflectometry）に用いられる光学系のシステム例は図2の通りである。光学系は、波長可変光源(Tunable Laser)、受光器(Detector)、全反射終端(R)、FBGセンサ(FBG)から構成される。全反射終端とFBGセンサは干渉系を構成している。波長可変光源の波長を連続的に変化させ、各波長における反射光強度を受光器で計測する。
FBG上の微小区間からの反射光は、ある波長の光のみを強く反射するため、波長可変光源の光波数kとその反射光強度の関係は、図2下段右のような形となる。また、ピークを示す光波数kは，FBG部でのひずみの大きさに依存して変化する。ここで、光波数kと波長λは以下の関係を有する。
一方、FBG微小区間からの反射光と、全反射終端Rからの反射光は光路差2nLiを有する。ここで、nは光ファイバの屈折率を表す。これら２つの反射光は干渉を起こし、この干渉光強度の直流成分を除いた変動成分は、光波数kに依存して、以下のように表される。
前述した二つの作用により、受光器で検出される光強度は、図2下段左に示すように、光波数kに対してある周期とピークを持った形で変化する。つまり、次式のような形で表される。
ここで、RFBG(k)はFBG内微小区間の反射特性を表す光波数(波長)の関数である。この受光器で検出される信号の周期から光路差Li、つまりFBG内微小区間の位置を、またピークを示す光波数kからひずみの値を計測することが可能となる。FBG全体としては、光路差Liつまり周期が異なる波形の和として光強度が観測されることとなる。この方式を用いることで、1mm以下の間隔で連続的に歪みを検出したり、数百点の歪みを1ラインで計測することが可能となる（図3）。
2. 耐電磁ノイズ性・耐雷性…AE（Acoustic Emission）法による亀裂モニタリング
人間の耳にも聞こえない超音波帯域で発生するマイクロクラック（微小亀裂）を捉えることは材料劣化の予兆検知として意義がある。特に、高い電磁ノイズ環境であったり、可燃性ガスに満ちている箇所（防爆環境）では従来の電気式AEセンサは使用が難しいため、このような場合に光ファイバによるAEモニタリングは有効な手段である。
本事例ではガラス繊維強化プラスチック（GFRP）の一軸引張破壊試験において光ファイバAE法で取得したデータを紹介する。脆性材料では一般に、最終破断に向かってAEの発生頻度は急激に増え（図4）、また微小亀裂の連結によってその周波数は徐々に低下する（図5）。AE法はこうした脆性材料の亀裂進展監視の他にも、活性腐食の検知や回転機の軸受の摩耗検知、また変電所における漏電検知等にも用いられている。
【計測原理】
本計測で使用した光ファイバによるAE計測の原理を概説する。従来のセラミック素子を利用した圧電型のセンサと同等の性能を持っている。
測定に際しては、下図に示すように光ファイバ線の一部を被計測物に固着する。この固着部がセンサ部になり、被計測物が振動するとセンサ部もその振動（面内歪み）に併せて伸縮する。そして、固着部の一端から周波数ｆ０の光波を入力している場合、入力端から出力端までの経路内に存在するある瞬間のレーザ光の波数は一定であることから、経路長が伸縮すれば波長が伸縮する、すなわち、伝播速度は一定であるから周波数がｆｄだけ変化する。これをレーザードップラ効果と呼び、他端から出力される光波の周波数はｆ０-ｆｄとなる。この周波数変調量ｆｄは光ファイバの伸縮、すなわち被計測物の変位量の変位（歪み）速度に比例する。したがって、この周波数変調量を検知することができれば、速度計として被計測物の振動を捉えることができる。
光ファイバが伸縮する際に、ファイバ内のドップラ効果により生じる周波数変調は下式で示される。ｆｄはセンサ部で生じる周波数変調、λは光波の波長、dL/dtは光ファイバの変位速度である。
上式に示すように、周波数変調ｆｄと変位速度dL/dtは比例関係となる。ここで負の符号は、変位速度の増大により光の周波数が低下することを意味している。この周波数変調ｆｄは光ヘテロダイン方式を用いて検出され、周波数/電圧変換器（FV変換器）によって電圧V に変換される。
周波数変調ｆｄを検知するためのレーザードップラ振動計システムを図7に示す。光源（Light source）から入射された周波数ｆ０のレーザ光は、センサ回路と計測回路に分波される。センサ回路では、計測対象物の振動によってファイバ部が微小伸縮すると、それに伴いファイバの光路長が時間的に変動する。その結果、レーザ光には光路長の時間的変化であるdL/dtに比例した周波数変調ｆｄが生じ、センサから出力されるレーザ光はｆ０-ｆｄとなる。一方、計測回路ではAOM（周波数変調器）により周波数ｆM (80MHz）の基準光を加えｆ０+ｆMに変調される。そして、センサ回路からのレーザ光と計測回路からのレーザ光の周波数の差ｆM+ｆｄが導かれ、検知器（Detector）でｆｄが検出され、周波数/電圧変換器（FV）で電圧値に変換される。
次回に続く－
参考文献
1) http://www.lazoc.jp/technical/principle/000219.html
2) Daichi Wada, Hirotaka Igawa et al., Flight demonstration of aircraft wing monitoring using optical fiber distributed sensing system, Smart Materials and Structures, 2018 (accepted)
【著者紹介】
町島 祐一（まちじま ゆういち）
株式会社レーザック 代表取締役社長
■略歴
2002年 株式会社レーザック創立 以来、光ファイバセンシングの研究開発、現場実装に携わる
光ファイバセンシング振興協会理事
株式会社レーザック
〒124-0002 東京都葛飾区西亀有1－5－3
http://www.lazoc.jp