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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。
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(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。
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。
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。
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。
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。
Somni Solutions
FBGセンサ ロードセル ALT 240T
ALT240Tは、世界初FBGベースのロードセルです。ボルト構造、プレストイン構造、岸壁などの用途に使用できます。荷重240kN用に設計されており、安全性を確保するために温度補償されています。
Somni Solutions
FBGセンサ 水素リークディテクター
光ファイバ式水素リークディテクターは、0.1vol%から水素分子の漏洩を検出できます。現在水素エネルギーは、自動車、エネルギー、製造業など様々な分野で注目されていますが、新しい検知システムが要求されています。
Somni Solutions
FBGセンサ ひずみセンサ
スポット溶接可能な短ゲージのひずみセンサです。堅牢なセンサで、微小なひずみや変位を高精度に測定することができます。温度補償機能を内蔵しており、複数のひずみセンサや他のセンサと直列に接続することが可能です。全3モデルです。
Somni Solutions
FBGセンサ 圧力計 Pシリーズ
過酷な環境での正確な圧力測定のための光ファイバ式圧力センサ。液体環境と気体環境の両方で使用できます。全6モデルあります。
Somni Solutions
FBGセンサ 加速度計 ACシリーズ
振動検出は、最もよく適用される構造ヘルスモニタリングの1つです。 Somni Solutionsの加速度センサで加速度を測定することにより、システムの動作を直接検知し、時間の経過に伴う偏差を監視します。Sonmi Solutionsの加速度計はさまざまな形状とサイズで利用でき、それぞれに独自の仕様があります。