FBGセンサ技術の基礎と応用

橋やビルなどの構造ヘルスモニタリングに用いるセンサとして、FBGセンサが注目されています。厳しい設置環境にも耐える高い信頼性を持ち、高精度な測定ができるFBGセンサは、さまざまな用途で活用できます。

ここでは、FBGセンサの仕組みや特長、FBGセンサで測定できることについて詳しく解説いたします。

FBGセンサとは？

FBGセンサは、光ファイバーを使ったセンサの一種です。光ファイバーセンサには次のような優れた特長があり、一般的な電気式センサには適さない高い信頼性が求められる用途でのセンシングに活用されています。

• センサ部に電子部品を使用していないため、電源が不要
• 故障が少なく、メンテナンスフリーで長寿命
• 小型・軽量で設置しやすい
• 電気的なノイズの影響を受けない
• ノイズを発しないため、既設のセンサへ影響を及ぼさない
• 落雷に強い
• 高低温などの厳しい環境でも設置できる
• 地中や海中でも使用できる
• km単位など長距離でも測定できる

光ファイバーセンサには複数の方式がありますが、その中でもFBGセンサは高精度で応用範囲が広く、ひずみセンサや温度センサ、加速度センサ、圧力センサ、振動センサとして幅広く活用されています。

FBGセンサの仕組み

FBG（Fiber Bragg Grating：ファイバーブラッググレーティング）とは、レーザー光を照射して光ファイバーのコア内に屈折率変調（回折格子）を形成したものです。

光ファイバーは屈折率の高いコアと屈折率の低いクラッドの二重構造になっており、FBGはコアの内部に形成されます。光ファイバーの構造上、光ファイバーへの入射光はコア内を全反射しながら進むため、FBGを必ず通過することになります。

FBGの重要な役割は、特定の波長の光のみを反射することです。反射する波長はブラッグ波長と呼ばれており、次の計算式で決まります。

• λ=2neffΛ　（λ=ブラッグ波長、neff=有効屈折率、Λ=回折格子の間隔）

入射光がFBGを通過する際に、ブラッグ波長の光のみがFBGで反射され（反射光）、他の波長の光はそのまま通過します（透過光）。この時に、FBGに何らかの外力や温度変化が加わっていると光ファイバーが変形して回折格子の間隔が変化し、ブラッグ波長も変化します。そのブラッグ波長の変化（波長シフト）を検知し、外力や温度の変化を測定するというのが、FBGセンサの基本的な仕組みです。

FBGはブラッグ波長の光のみを反射する鏡のようなものであり、FBGだけで測定はできません。センサとして機能するためには、インテロゲータに接続する必要があります。インテロゲータは光源と測定機の機能を併せ持つ機器であり、次のような流れで測定を行います。

1. インテロゲータから光ファイバーへ光を入射する
2. 入射光が光ファイバーのコア内を全反射しながら進む
3. 入射光がFBGを通過する際に、ブラッグ波長の光のみが反射される
4. 反射光がコア内を逆行してインテロゲータに戻る
5. インテロゲータが反射光を測定する

FBGセンサで測定できること

FBGセンサは反射光の波長を検知することでひずみや温度、圧力を測定できます。

たとえば、FBGが形成された光ファイバーに熱が加わると膨張してFBGの間隔が広がり、ブラッグ波長が変化します。その変化はインテロゲーターによって温度変化として測定された後に制御用のパソコンやクラウドストレージに送られて、モニタリングできます。

ひずみや圧力の場合も同様です。外力が加わると光ファイバーが伸縮してFBGの間隔が変化します。その変化がインテロゲーターで測定されて、ひずみや圧力の大きさとして表されるのです。

FBGセンサはごくわずかなひずみや温度、圧力であっても敏感に反応するため、高精度なセンサとして認知されています。上述したように光ファイバーセンサ自体が電気式センサにはない優れた特長を持っていることもあり、次のような用途で活用されています。

• 構造ヘルスモニタリング
• 原子力などの発電施設のモニタリング
• プラントの配管のひずみ測定
• 風力タービンのブレードのひずみ測定
• 航空機や船舶のひずみ測定
• 大型の機械や物体のひずみや反り、衝撃の検知

このように、厳しい環境下においても高精度な測定が求められる用途や、中長期的なモニタリングが求められるインフラ構造物の測定などにFBGセンサは活用されています。

まとめ

ここまでで、FBGセンサについて詳しくご紹介しました。FBGセンサが得意とする構造ヘルスモニタリングは、インフラの老朽化や自然災害の多発に伴って需要が高まっているため、今後もFBGセンサの需要が高まっていくでしょう。構造ヘルスモニタリング以外にも、厳しい環境での測定や中長期で定期的なモニタリングをする必要がある場合に、FBGセンサは最適解の1つになります。