1.「多点・分布性」…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いて、予め装着された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、光周波数領域リフレクトメトリ、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センサはマイケルソン干渉計を構成している。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／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。

ここで、nは光ファイバの屈折率を表す。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／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）。

次週へつづく―