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Low-frequency vibration monitoring based on hetero-core fiber optic sensor

Research Project

Project/Area Number 19K14930
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
Research InstitutionSoka University

Principal Investigator

Yamazaki Hiroshi  創価大学, 理工学部, 助教 (30822663)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywords光ファイバセンサ / 構造ヘルスモニタリング / 異常診断 / ヘテロコア / 加速度センサ / 振動計測 / 異常検知 / 低周波振動
Outline of Research at the Start

屋外環境下で長期的に行われる構造ヘルスモニタリングのための新たなセンシング技術として、任意箇所の曲げ量を光強度変化として測れるヘテロコア光ファイバセンサを用いた振動に基づく構造ヘルスモニタリングシステムの構築を目的とする。具体的には、検査対象の固有振動や非定常な振動パターン、構造物の発する振動音に応答するセンサ方式を開発し、周波数特性の最適化方法を調査する。本方式は計測原理上センサ部における温度依存性がなく、LED光源を用いた低コストの計測システムが確立しているため、これまでの光ファイバセンサで実現しなかった、ロバスト性とコスト効率に優れた光ファイバ式振動計測デバイスが実現できる。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we developed an accelerometer based on a hetero-core optical fiber sensor, which has excellent robustness and cost efficiency, and verified its performance in monitoring low-frequency vibrations emitted by infrastructure structures in order to contribute to next-generation infrastructure maintenance systems. To carry out this research, it has been demonstrated that the hetero-core optical fiber sensor could detect even small strains equivalent to με, and furthermore can measure acceleration in a frequency band of 1 kHz or lower. As a practical verification of the proposed technology, we installed the proposed accelerometer on an bridge, and estimated the natural frequency and displacement of the bridge from the acceleration waveform when a vehicle run on the bridge, which could be an index for diagnosing the health of the bridge.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本申請研究で開発した光ファイバ加速度センサは、既存の電気センサに匹敵するコストパフォーマンスとノイズフリーなセンシングを実現し、過酷環境下で長期的な運用が求められる次世代インフラメンテナンスの要求に応えうる新たな光ファイバセンサIoTデバイスといえる。本提案技術では、コンクリート構造物やモータ・エンジンなどの機械が発する1 kHz以下の振動計測が可能であり、車両走行時における数 Hz程度の橋梁の振動モニタリングを通して実環境での有用性を示した。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Optical strain gauge based on a hetero-core fiber macro-bending sensor2020

    • Author(s)
      Hiroshi Yamazaki,Kazuhiro Watanabe
    • Journal Title

      IEEE Sensors Journal

      Volume: 20 Issue: 22 Pages: 13387-13393

    • DOI

      10.1109/jsen.2020.3005139

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] ヘテロコア式光ストレインゲージとIoT展開2020

    • Author(s)
      山崎大志、渡辺一弘
    • Journal Title

      光アライアンス

      Volume: 31 Pages: 52-56

    • NAID

      40022424041

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Journal Article] ヘテロコア光ファイバ・ストレインゲージ(特集 光技術計測)2020

    • Author(s)
      山崎大志、渡辺一弘
    • Journal Title

      光技術コンタクト

      Volume: 58 Pages: 20-24

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 両端固定支持によるヘテロコア光ファイバ式3軸加速度センサの校正の検討2021

    • Author(s)
      樹山さくら、門倉美幸、山崎大志、西山道子、渡辺一弘
    • Organizer
      電子情報通信学会光ファイバ応用技術(OFT)研究会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] ヘテロコア光ファイバストレインゲージによる加速度計測の提案2020

    • Author(s)
      山崎大志、渡辺一弘
    • Organizer
      電子情報通信学会光ファイバ応用技術(OFT)研究会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Sigfoxネットワークとヘテロコア光ファイバセンサを組み合わせたIoTモニタリングシステムの提案2020

    • Author(s)
      雙松伸一、山崎大志、渡辺一弘
    • Organizer
      電子情報通信学会光ファイバ応用技術(OFT)研究会
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  • [Presentation] Frequency characteristics of hetero-core fiber accelerometer with two orthogonal vibrational modes of an arch shape beam structure2020

    • Author(s)
      Miyuki Kadokura、Hiroshi Yamazaki、Michiko Nishiyama、Kazuhiro Watanabe
    • Organizer
      IEEE SENSORS 2020
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Sensitivity and resonance frequency evaluations for a cantilever type hetero-core fiber optic accelerometer2020

    • Author(s)
      Akihito Matsuo、Miyuki Kadokura、Hiroshi Yamazaki、Michiko Nishiyama、Kazuhiro Watanabe
    • Organizer
      IEEE SENSORS 2020
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 両端固定支持によるヘテロコア光ファイバ式加速度センサの振幅応答特性の評価2020

    • Author(s)
      門倉美幸、山崎大志、西山道子、渡辺一弘
    • Organizer
      2020年電子情報通信学会ソサイエティ大会
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  • [Presentation] ヘテロコア技術を用いた光デバイスと社会実装への展開2020

    • Author(s)
      渡辺一弘,関篤志,山崎大志,西山道子,近 哲也,佐々木博幸
    • Organizer
      電子情報通信学会2020年総合大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report 2019 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 両端固定支持によるヘテロコア光ファイバ式加速度計の曲率半径による周波数特性への影響2019

    • Author(s)
      門倉美幸,山崎大志,西山道子,渡辺一弘
    • Organizer
      2019年電子情報通信学会ソサイエティ大会
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] カンチレバー型ヘテロコア光ファイバ加速度センサのたわみに対する応答特性2019

    • Author(s)
      松尾明人,門倉美幸,山崎大志,西山道子,渡辺一弘
    • Organizer
      2019年電子情報通信学会ソサイエティ大会
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  • [Presentation] 両端固定支持によるヘテロコア光ファイバ式振動センサを用いた機械振動応答評価2019

    • Author(s)
      門倉美幸,山崎大志,西山道子,渡辺一弘
    • Organizer
      第63回宇宙科学技術連合講演会講演会
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  • [Presentation] ヘテロコア光ファイバセンサ式ストレインゲージに関する基礎検討2019

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      山崎大志,西山道子,渡辺一弘
    • Organizer
      応用物理学会第64回光波センシング技術研究会
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  • [Presentation] ヘテロコア型光ファイバ加速度センサによる高架橋振動測定の実験的検証2019

    • Author(s)
      山崎大志,渡辺一弘,佐々木博幸,岩佐宏一,澤健男
    • Organizer
      令和元年度土木学会全国大会第74回年次学術講演会
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      2019 Research-status Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 光ファイバセンサ2019

    • Inventor(s)
      山崎大志,渡辺一弘
    • Industrial Property Rights Holder
      山崎大志,渡辺一弘
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2019-165072
    • Filing Date
      2019
    • Related Report
      2019 Research-status Report

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2022-01-27  

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