センサーに力が加わってからコンピューターにデータが表示されるまで、何ミリ秒かかりますか？
光ファイバーグレーティング（FBG）センシングシステムにおいて、「システム遅延」（エンドツーエンド遅延、End-to-End Latency）とは、センサーが外力によって物理的に変形し、PCのホストコンピュータインターフェースが数値計算を完了して表示を更新するまでの全プロセスにかかる時間を指します。
この遅延は、5つの物理的および工学的なステップで構成され、その所要時間は以下のようになります。
1. 物理的変形と機械的伝達遅延（ \sim 1\ \mu\text{s} - 10\ \mu\text{s} ）
- メカニズム：測定対象構造に応力が加わると、ひずみ波が音速（固体媒質中では約 3000\ \text{m/s} \sim 5000\ \text{m/s} ）でパッケージ基材を伝わり、ファイバーコアに到達してグレーティング周期 \Lambda と有効屈折率 n_{\text{eff}} を変化させます。
- 所要時間：センチメートル級のファイバーひずみ/応力センサーの場合、この物理プロセスはマイクロ秒単位で完了し、ミリ秒スケールでは通常無視できます。
2. 光信号伝送遅延（ \sim 5\ \mu\text{s/km} ）
- メカニズム：石英ファイバーコア中の光の伝播速度は約 v = \frac{c}{n} \approx \frac{3 \times 10^8\ \text{m/s}}{1.468} \approx 2 \times 10^8\ \text{m/s}} です。
- 所要時間：片道伝送遅延は約 5\ \mu\text{s/km} です。伝送ファイバーケーブル長が 1\ \text{km} の場合、往復光路遅延は約 10\ \mu\text{s}} （つまり 0.01\ \text{ms} ）となります。
3. デモジュレータのサンプリングとスペクトル計算遅延（主要因、10\ \text{ms} - 100\ \text{ms} ）
デモジュレータのデータ更新周期が、リンク全体における最大の遅延源であり、ハードウェア設定のサンプリング周波数（ f_s ）に依存します。
- サンプリング周期（ T = \frac{1}{f_s} ）：
- 100\ \text{Hz} サンプリング周波数：単一フレームのデータ取得周期は 10\ \text{ms} です。
- 50\ \text{Hz} サンプリング周波数：単一フレームのデータ取得周期は 20\ \text{ms} です。
- 10\ \text{Hz} サンプリング周波数：単一フレームのデータ取得周期は 100\ \text{ms} です。
- ハードウェア処理時間：デモジュレータ内部のDSP/FPGAがスペクトルピーク検出、波長キャリブレーション、フィルタリングアルゴリズムを実行するのに、通常約 1\ \text{ms} \sim 3\ \text{ms} かかります。
4. データ通信伝送遅延（ \sim 1\ \text{ms} - 5\ \text{ms} ）
- メカニズム：デモジュレータは、産業用イーサネットインターフェース（TCP/IP、UDP、Modbusなどのプロトコル）を介して、波長またはひずみデータパケットをホストコンピュータに送信します。
- 所要時間：通常のローカルエリアネットワークまたは直接接続構成では、ネットワークプロトコルスタックの遅延は通常 1\ \text{ms} \sim 5\ \text{ms} の範囲です。
5. PC側データ処理とUI表示レンダリング遅延（ \sim 15\ \text{ms} - 30\ \text{ms} ）
- メカニズム：ホストコンピュータソフトウェアは、データパケットを受信し、物理量変換式（例：\sigma = E \cdot \varepsilon に基づく応力値の計算）を実行し、オペレーティングシステムのグラフィックスエンジンにレンダリングを依頼します。
- 所要時間：通常のディスプレイの更新周期は通常 16.7\ \text{ms} （ 60\ \text{Hz} リフレッシュレート）であり、ソフトウェアキュー処理と合わせて、表示遅延は一般的に 15\ \text{ms} \sim 30\ \text{ms} の範囲です。
まとめ：全体のエンドツーエンド遅延の概算
| 設定条件 | デモジュレータ サンプリング周期 | 通信・処理遅延 | PC側レンダリング遅延 | システム合計遅延 |
|---|---|---|---|---|
| 標準動的測定（100 Hz） | 10\ \text{ms} | 2 \sim 5\ \text{ms} | \sim 16.7\ \text{ms} | 約 25\ \text{ms} \sim 35\ \text{ms} |
| 標準静的測定（10 Hz） | 100\ \text{ms} | 2 \sim 5\ \text{ms} | \sim 16.7\ \text{ms} | 約 115\ \text{ms} \sim 130\ \text{ms} |
関連製品参考
実際のエンジニアリングシステムでは、ひずみ伝達効率を確保するためにセンサ端部は通常合金管パッケージ構造を採用し、高速な波長取得とネットワーク通信のためにマルチチャンネルデモジュレータと組み合わせて使用されます。
- 取得装置：OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator（10Hz / 50Hz / 100Hz サンプリング周波数設定、TCP/UDP/Modbus データ通信対応）
- ひずみセンサー：OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
- 応力センサー：OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor
