光ファイバセンシングシステム「FBI-Gauge」を用いたひずみと温度の分布計測【富士テクニカルリサーチ】

　「ひずみ」「温度」の計測に対し、現象把握の強力なツールとなる分布型計測を提案します。本稿では、光ファイバをセンサとして活用し、ひずみと温度の分布型計測を可能とした光ファイバセンシングシステム「FBI-Gauge」の概要、計測事例及び次期開発内容を紹介します。

1．分布型光ファイバセンシングについて

　光ファイバセンシングシステム「FBI-Gauge」はセンサである光ファイバに沿って空間分布的に「ひずみ」「温度」を計測するシステムです。
　対象に光ファイバを設置し、「ひずみ」や「温度」変化に起因するファイバそのものの伸縮を検知することにより計測します。光ファイバに沿って散乱波長を取得し、「ひずみ」「温度」に変換して出力を行います。
　センサである光ファイバは最長50m まで設置することができ、最少1mm ピッチで計測することができます（表1）。そのため、ひずみゲージや熱電対のような点計測とは異なり、線計測、面計測といった分布計測を行うことが可能です。この利点を生かして、ひずみや温度の「ピーク位置」や「勾配」を把握することができるようになりました。また、センサ径はφ 155 μm と細く、柔らかいため対象物に埋め込んだり、曲面部分に設置したり、自由なレイアウトで設置が可能です。

表1　「FBI-Gauge」ハードウェア仕様

ハードウェアタイプ	ODiSl – A	ODiSl – B	OBR
最大サンプリング	2.5Hz	250Hz	0.3Hz
最大計測点	50,000	3906	200,000
計測ピッチ	1mm、任意に設定、実用5mm程度	2.56mm	任意に設定、実用10mm程度
ファイバ長さ	50m（にわたって全域を計測）	10m（にわたって全域を計測）	2km（にわたって全域を計測）
最大ひずみ	10,000 μ Strain	10,000 μ Strain	1,250 μ Strain
ひずみ繰返し精度	±2μ Strain	±5μ Strain	±1μ Strain
最大温度	－50～300℃（通常）－200～800℃（金ｺｰﾃｨﾝｸﾞ）	－50～300℃（通常）－200～800℃（金ｺｰﾃｨﾝｸﾞ）	－175～175℃
温度繰返し精度	±0.2℃	±0.4℃	±0.5℃

　また、「FBI-Gauge」はロガーとなる本体、制御用のコンピューター、センサと本体間の接続ケーブル、センサとなる光ファイバで構成されます（図1）。

図1　機器外観

　1 回の計測で50,000 点（長さ50m を1mm ピッチで計測時）に及ぶデータが取得できるため、汎用ソフトウェアでは処理と結果評価が難しくなります。そこで、大規模データに対応した専用のデータ処理ソフトウェアを開発しました。このソフトウェアは大きく3つの機能を備えています。
　① フィルタリング等のデータ処理機能
　② 3 次元コンター図可視化機能
　③ 2 次元、3 次元グラフ可視化機能

　1 つ目はフィルタリングによるノイズ処理機能です。大規模なデータにも対応し、高速に処理することにより軽快に作業を行うことが可能です。
　2 つ目はあたかも数値計算の結果のようにコンター図で表示することができる機能です。大規模なデータでは瞬時に必要箇所の評価を行うことが難しく、計測結果の把握に時間がかかります。表現を工夫することにより、直観的に「ピーク位置」を把握し、「勾配」を可視化することができます。
　3 つ目は軽快な操作性を持ち合わせたグラフ機能です（図2）。任意の位置で断面グラフを作成したり、ピーク位置同士の値を算出したり、分析を支援する細かい機能が充実しています。また、汎用ソフトウェアでは表示が難しい大規模なデータに対し、必要範囲を 3 次元グラフ上で抽出し、データを容易に分割することができます。

図2　3 次元グラフ

　このように「FBI-Gauge」では、対象物の「ひずみ」や「温度」を分布で計測し、容易に可視化する機能を有し、従来の計測手法とは違った特長を持っています（表2）。

表2　「FBI-Gauge」の特長

	「FBI-Gauge」の代表的なメリット
1	分布計測を行うことにより「ピーク位置」や「勾配」を確認可能。
2	センサ部分に電気を使わないため、電磁波環境や火気厳禁環境でも使用可能。
3	光ファイバはφ155μm と細く、柔らかいため自由なレイアウトで設置可能。
4	1ch で多点計測が可能なためセンサコストの大幅削減と設置作業の簡易化が可能。

2．光ファイバの設置方法について

　対象物への光ファイバの設置方法はひずみと温度の計測時でそれぞれ異なります。ひずみを計測する場合、ひずみゲージなどと同様で、接着剤を使用して設置する方法が一般的です。このとき重要なことは計測対象とセンサが直接接触するように接着剤で固着する必要があります。
　一方、温度を計測する場合、光ファイバは外力を受けない状態で設置する必要があります。空間温度分布を計測したい場合はガイド（ピアノ線など）にからめるように設置し、対象表面温度分布を計測したい場合は、予め金属管などの保護材に通して接着材などで貼付します。
　また、1 本の光ファイバのある部分をひずみ、ある部分を温度といった計測も可能です。昇温時にひずみと温度を同時に測りたい場合は光ファイバをU 字に配置し、往路をひずみ、復路を温度といった計測が可能です。

3．アウターパネルのひずみ分布

　これより、「FBI-gauge」による分布計測の利点を活かした事例を紹介します。積雪による負荷が自動車のアウターパネルへどのような影響を及ぼしているかを把握するため、パネル上面におけるひずみ計測を実施しました。この計測ではパネル下面に光ファイバを設置し、面に対して垂直方向の荷重をかけました。光ファイバを密に平行に設置してあるため、面計測のようなひずみ分布が得られました（図3）。従来はひずみゲージによる代表点の計測に限られていたことから、ピークの位置を捉えられているか確認できませんでした。分布で計測することにより、ピークの位置が時間によって変化する場合でもその位置をしっかりと捉えることができます。

図3　アウターパネルのひずみ分布

4．ラジエータ表面の温度分布

　2 つ目は走行テスト時のラジエータの温度計測事例を紹介します。通常、ラジエータの温度計測は数点の場合がほとんどです。しかし、実際はラジエータ内部にも温度ムラがあり、熱だまりの位置の把握や冷却効率検討のために分布で計測しました（図4）。
　光ファイバはファイバ径が細く、柔らかいため狭い場所にも取り付けることができます。光ファイバを対象空間に這わせることでその場の温度を分布計測することが可能です。空間そのものの温度分布を計測したい場合、従来の熱電対のような点計測では、大量にセンサを設置する必要があります。一方でサーモグラフィのような面計測は対象物表面の温度分布には向いていますが、空間そのものの計測には向いていません。光ファイバに沿って数mm ピッチで計測することにより、空間の温度分布から熱だまりの位置を確認することができます。

図4　ラジエータ表面の温度分布

5．シェイプセンシング（変位計測）

　ここからは弊社で行っている光ファイバセンシングの次期開発内容を紹介します。1 つ目はシェイプセンシングと呼ばれる変位計測機能です。3 ～ 4 コアの光ファイバを用いて各コアで得られたひずみの差分から曲率を算出し、それらを積算することでセンサ上の各位置の座標が得られます（図5）。精度や施工については今後の開発課題がありますが、ひずみに加えて変位が得られることから活用の幅が広がります。

図5　シェイプセンシング

6．温度コンター図補間機能

　2 つ目は次バージョン実装予定の温度コンター図補間機能です。光ファイバ位置に沿ったコンター図から対象の3D データをもとに熱解析を行い、ファイバ間の温度を補間します。この機能によって、ファイバ設置位置の温度だけでなく対象形状全域の温度分布を表示することができ、現象をより明瞭に把握できます。

7．おわりに

　自動車分野において構造材の軽量化や燃料電池などの研究が進み、新素材活用や新工法適用時のより詳細な現象理解が求められています。その複雑な変形や破壊のプロセス等を解明するため、多数の計測が実施されていますが、中でも光ファイバセンサによる計測は注目を集めているひとつと言えます。今後も弊社の光ファイバセンシング技術を駆使して、製造業が抱える多様な問題の解決につなげられるよう尽力いたします。