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光ファイバーセンサーとは

1.光ファイバーセンサーとは

光ファイバーセンサーとは、通信部やセンサー部が光ファイバー及び光学部品で構成されるセンサーです。

光ファイバーセンサーの基本構成

以下に代表的な光ファイバーセンサーの構成を示します。

光ファイバーセンサーの構造

光ファイバーセンサーは、光を使用するため、光の照射部(光源)、光の伝達部(ファイバー)、光を使ったセンシング部、光の受光部(受光素子)から構成されます。
光源は、特定の波長を使用する場合や、一定の波長帯域を使用する場合などセンサーの種類によってさまざまですし、それによって受光素子もフォトディタクターや分光素子など使用されるものが変わってきます。
また、センシング部は、測定環境の変化によって光が変化するという性質を利用しており、温度によって戻り光の減衰が変化する『蛍光体』や、歪によって反射する周波数が変わる『回折格子』、振動によって戻り光が変わる『メンブレン』などこちらも様々な元が利用されます。

光ファイバーセンサーの基本原理

前述したように、光ファイバーセンサーの種類によって使用する光やセンシング部に使用する材料/構造は異なりますが、基本的な原理は同じです。

①光源から光を照射する。
光ファイバーセンサーの原理1
②照射された光が、光ファイバーを伝って計測部(センシング部)に到する
光ファイバーセンサーの原理1
③センシング部の周辺(測定環境)の変化(温度、歪み、振動など)を、センシング部が感知し光に何かしらの変化が発生する。
光ファイバーセンサーの原理1
④光は、再び光ファイバーを通って受光素子に到達
光ファイバーセンサーの原理1
⑤受光素子にて計測された光は、各種デジタル機器を通して測定対象(温度、歪、振動)などに変換される。
光ファイバーセンサーの原理1

どのような光の性質を使用するかがセンサー毎に異なり、測定できる内容も、温度、振動、歪み、近接、BOFなど様々です。

2.光ファイバーセンサーと他のセンサーの違い

一般的に使用される電気を用いたセンサーに対しての、光ファイバーセンサのメリットは以下の4点です。

①電磁波から発生するノイズの影響を受けない

光ファイバセンサの 最大のメリットとしては、電磁波や放射線などの影響を受けないことです。
センサ部に電気・電子部品が使用されておらず光ファイバ及び光学部品でのみ構成されているため、落雷などの電磁誘導も受けず、電源付近などの電磁波が発生している環境や防爆構造が必要な環境でも高い精度を得ることが可能です。

熱電対と光ファイバ温度計の比較評価

熱電対と光ファイバー温度計の比較
実験内容

熱電対と光ファイバー温度計のそれぞれ束ねた状態で電磁ノイズ源(ACアダプター)に近づけたり遠ざけたりした場合の温度の計測値を測定

熱電対と光ファイバー温度計の比較結果
実験結果

熱電対では、ノイズにより温度測定結果に変化が発生しますが、光ファイバー温度計では一切温度測定結果に変化が発生しません。

②長期の運用コストが優れている

一般的に光ファイバセンサのコストは割高のため初期投資は必要ですが、メンテナンスフリーで寿命が長いのでランニングコストは低くできます。 またシステムで考えた際に、電気式のセンサーに必要な付帯設備などが不要になるためコストが削減できるケースもあります。

③測定が高速

通信にも光を使っているため、高い応答性が実現できます。

④耐久性、防爆性が高い

金属を使用しないため、錆などの心配がありません。光ファイバーは軽量で屋外での長距離の信号伝送にも向いています。 防爆性にも優れており、防爆環境下でも使用が可能です。

光ファイバーセンサー

3.主な光ファイバーセンサーの種類とアプリケーション

以下、3つのファイバーセンサーの原理やアプリケーションを紹介します。

(1)FBGセンサー(歪み、温度)

1) 原理

FBG(Fiber Bragg Grating:ファイバ・ブラッグ・グレーティング)とは、光ファイバーのコア内に短いセグメントで構築された屈折率変調(回折格子)のことで、回折格子の間隔により、「透過する光」と「反射する光」の波長が変わります。
回折格子の間隔は、温度、ひずみによって変化するので、FBGファイバーと光源と分光機能を備えたインテロゲータを組み合わせることで、温度やひずみなどを測るセンサーとして機能します。

測定の流れ

基本的な測定の流れは以下です。

光ファイバーセンサーの構造
  1. インテロゲータから光ファイバーへと光を入射する。
  2. 光は全反射しながらファイバーを進み、FBGへ到達する。
  3. FBGによって「反射光」と「透過光」が分けられる。
  4. 「反射光」はファイバーを逆行し、インテロゲータへと戻る。
  5. インテロゲータが「反射光の波長強度」を数値化。
  6. 波長の情報から係数によって「温度」や「ひずみ」を導き出す。

2) 方式の特徴

  • 多点で測定ができる
    • 各FBGの回折格子の間隔を変えておくことで、反射する光の波長を変えることができます。これにより複数点の測定が可能です。
  • 多彩な用途
    • 温度、ひずみなど様々な測定が可能です。
  • 1点当たりの測定コストが安い
    • FBGは光ファイバー1本で多点測定ができるため、1点当たりの測定コストがかなり低くなります。
光ファイバーセンサーの構造

3) アプリケーション

発電設備施設、配線、配管などの温度検知
風力発電のタービンブレードの歪み
構造物橋などの歪みによる劣化の検知
モビリティ
(自動車、飛行機)
自動車エンジンの歪み、反り、振動検知
飛行機のジェットエンジンの振動検知、飛行機の羽の反り検知
電車における線路、電線のゆがみなどの異常検知

4) 製品

FBGセンサー(温度・歪み)

FBGセンサー(温度・歪み)

「FBGが書き込まれた光ファイバー」と「インテロゲータ」がセットになった製品です。(光ファイバー単体での販売も行っております。)

光ファイバーはカスタマイズ可能。FBGを任意の位置に、狙った間隔(最小幅1mm)で書き込むことが出来ます。
FBG及びインテロゲータの詳細な仕様については、製品ページよりご確認ください。

製品詳細

(2)蛍光式温度センサー(温度)

1) 原理

センサーの先端にセンシング材(蛍光体)があり、コンバーターから出力された青色の光が蛍光体に当たると、赤色の光が励起されます。この時の励起光の減衰波形が温度によって変化するので、励起された光の信号をフォトダイオードで読み取り温度を測定します。

測定の流れ

基本的な測定の流れは以下です。

光ファイバーセンサーの構造
  1. コンバーターから青色のパルス光を出力。
  2. 光は全反射しながらファイバーを進み、蛍光体へ到達する。
  3. 蛍光体により、赤色の光が励起される。
  4. 「励起光」はファイバーを逆行し、コンバーターへと戻る。
  5. コンバーターが「励起光の波形」を抽出。
  6. 波長の情報から係数によって「温度」を導き出す。

2) 方式の特徴

  • 精度良く温度を計測可能。
  • 1台のコンバータで多チャンネルの測定が可能。
  • アタッチメントをつけることで様々なアプリケーションで使用可能(電力設備等)

3) アプリケーション

発電設備変電設備、スイッチギア、タービンなどの温度検知
マイクロ波環境(工業用)電子レンジの内部温度監視
医療MRIでの温度測定

4) 製品

光温度センサー

光温度センサー

OSENSAの光ファイバー温度センサーは、スイッチギヤの接点、バスバー、キャスト樹脂変圧器、モーター、発電機の巻き線に設置されることを想定して設計されています。絶縁耐力の高い素材でできており、最大38kV(三相)までの機器に設置して安全に作動することが確認されています。

製品情報

(3)メンブレン式音響センサー(音、振動、動圧)

1) 原理

センサーの先端に干渉膜(メンブレン)があり、コンバーターから出力された光が干渉膜の振動によって、変化するので、その光の変化を振動として読み取ることで、音圧や動圧を検知します。

測定の流れ

基本的な測定の流れは以下です。

光ファイバーセンサーの構造
  1. コンバーターからSLEDの光を発生。
  2. 光は全反射しながらファイバーを進み、メンブレンへ到達する。
  3. メンブレンが振動し、振動したメンブレンに光があたると反射光の信号が変化する。
  4. 反射光がファイバーを逆行し、コンバーターへと戻る。
  5. コンバーターが「反射光の波形」を抽出。
  6. 波長の情報を「音」として検出。

2) 方式の特徴

  • 音圧と動圧の測定が可能
    • メンブレンを使っているため振動しているもの(=動圧、音圧)であれば何でも計測可能。
  • 高温環境でも使用可能
    • 通常の音響センサーでは使用できないような高温環境(1000℃)でも問題なく使用できる。
  • 非接触でも測定が可能
    • 振動は空気中を伝わるので用途によっては、非接触でも測定が可能です。
  • アタッチメントをつけることで様々なアプリケーションで使用可能(ボルトの中にセンサーを入れ込んで、パイプ内、タービン筐体での計測)

3) アプリケーション

発電設備電力系タービン、電線などの異音検知
原子力格納容器の品質管理
溶接アーク溶接工程の品質管理(音によって溶接品質が変わる)
モビリティ(自動車、飛行機)
車エンジンの異音検知
ターボチャージャーなど燃焼部付近の動圧波や振動の計測
飛行機用タービンでの異音検知、圧力検知、加速度の計測
電車車両での異音検知
半導体SOIウエハーの加工工程での異音検知

4) 製品

光音響センサー

光音響センサー

光ファイバーを使用しているので、高温、高圧力、高湿度、高電磁場、放射線環境下で使用できる「音響センサー」です。高温タイプでは、250°の環境においても集音が可能です。

製品情報

光ファイバーセンサー