JPH02183131A - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は感熱センサに関する。より詳細には、本発明は
、長距離にわたる検出部を敷設可能であり、且つ、遠隔
地において熱検知位置を検出することのできる光ファイ
バを使用した全く新規な感熱センサの構成に関する。

従来の技術 最も広く使用されるセンサの一種に熱感知センサがある
。代表的な熱感知センサとしては、熱電対、サーミスタ
およびバイメタルのように、検知した熱変化量を電気抵
抗の変化やスイッチの断続等の電気量の変化によって出
力するように構成されたものがある。

即ち、熱電対は、異種金属の接合点に熱が加わると起電
力を発生する現象を利用したものである。

また、サーミスタはＭｎ、　Ｃｏ、Ｎｉ、　Ｆｅ、　［
ｕ等の酸化物複合焼結体の電気抵抗の温度係数が大きい
ことを利用したものである。バイメタルは、互に線膨張
率の異なる金属を貼り合わせ、熱が加わることによって
貼り合わせた金属板が反ることを利用して、これによっ
てスイッチや可変抵抗器を制御するものである。

発明が解決しようとする問題点 上述のような種々の感熱センサは、それぞれの特徴に応
じて種々の用途に利用されているが、従来の全ての感熱
センサに共通する問題として、１つのセンサが検出可能
な領域が狭い範囲に限られるという問題がある。

即ち、１つの感熱センサが検知できる領域は、各センサ
の検出部の近傍のみである。従って、例えば敷設された
ケーブル、パイプライン等の全長に亘って熱的な監視を
行おうとした場合は非常に多くの数の熱感知センサを配
置する必要がある。

また、このような用途で、検知すべき熱変化があった位
置をも特定しようとした場合、配置した多数のセンサの
出力をそれぞれ個別に特定の監視所に接続する必要があ
り、実際にこのような用途が求められる施設の規模を考
えると非現実的であるといわざるを得ない。

長尺の検出部を構成し得る公知の感熱センサとしては、
熱によって発色あるいは変色する特殊な合成樹脂や顔料
をシートに塗布した感熱紙（サーモラベル）等も知られ
ている。しかしながら、このような感熱センサは、それ
自体の色の変化で熱検知を出力するので、遠隔位置から
熱検出を検知することは依然として実質的に不可能であ
る。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決
し、長距離に亘る熱感知が可能であり、且つ、遠隔地に
おいても熱を検知した位置を検出することのできる新規
な感熱センサを提供することにある。

課題を解決するための手段 即ち、本発明に従うと、特定の温度変化に対して該温度
変化に曝された部分の線方向の長さを収縮するように構
成された付勢部材と、該温度変化によって発生する該付
勢部材の局部的な収縮に対応して同じ部位が屈曲するよ
うに該付勢部材と一体に構成された光ファイバとを備え
、該光ファイバを伝播する光を後方散乱損失測定法によ
り、観測することによって前記温度変化の発生並びに発
生位置を検知するように構成されていることを特徴とす
る光ファイバセンサが提供される。

作用 光ファイバは、後述するように、ファイバ中を伝播する
光の伝播損失の変化を入射端から出射端まで連続的に検
出することができる。本発明に係る熱感知センサは、こ
のような光ファイバの特性を応用したものである。

即ち、光フアイバ中を伝播するとき、光はファイバ中の
各部位においてレイリー散乱とよばれる後方散乱を生じ
る。この後方散乱レベルを時間軸上で検出することによ
って、光フアイバ中を伝播する光が、光ファイバの各部
位における伝播損失により減衰する様子を連続的に測定
することができる。これを後方散乱損失測定法と呼び、
この方法を実施するための装置として光フアイバアナラ
イザ（ＯＴＤＲ）が知られている。

通常の光ファイバに対して光フアイバアナライザを使用
して伝播光の状態を観測すると、伝播光は入射端から出
射端に向かって、滑らかに連続して減衰してゆく。とこ
ろが、光ファイバの途中に何らかの障害があり、その部
位で光ファイバの伝播損失が局部的に増加すると、光フ
アイバアナライザには段階的なレベルの低下がその障害
が発生した位置に現れる。そこで、本発明に係る光ファ
イバセンサでは、光ファイバと付勢部材とを組み合わせ
て、被測定領域内で温度変化が発生した場合に光ファイ
バに対して局部的に伝播損失の増加を発生するような物
理量を印加するように構成している。

即ち、本発明に係る熱感知センサは、付勢部材の熱変化
による収縮により、光ファイバにも例えば曲げを与える
等して変形させ、この変形によって生じる光ファイバの
伝播損失を後方散乱損失測定法によって検出するもので
ある。

例として、熱変化によって光ファイバに曲げを与えるよ
うな付勢部材の構成について述べる。

光ファイバに曲げを与える構造としては、例えば温度変
化に対して負の線膨張係数を持つ材料を光ファイバと撚
合せる方法が簡単である。即ち、光フアイバ自体は正の
非常に小さな線膨張係数を有し、温度が上昇しても長さ
に殆ど変化を生じない。従って、負の線膨張係数を有す
るファイバ状の付勢部材と光ファイバとを撚り合わせて
得られるセンサでは、温度の上昇に伴って付勢部材が収
縮し、光ファイバとの線長差によって光ファイバの余長
部分を撓め、光ファイバの伝播損失がその部位で増加す
る。尚、負の線膨張係数を持つ材料としては、ＬＣＰ　
（液晶高分子プラスチック）、プラスチック超延伸体の
単線等を例示することができる。

また、高温状態で与えられた形状を記憶し、これを低温
で変形させても再び高温に加熱すると元の形状に回復す
る形状記憶合金を用いても同様の効果をあげることがで
きる。即ち、コイル状等の、その部材本来の形状よりも
長さが短くなるような形状を部材に記憶させ、これを低
温で一旦伸長した後光ファイバと撚り合わせてセンサを
作製する。

こうして得られた光ファイバセンサに所定の温度以上の
熱が加わると、付勢部材は記憶させられているコイル状
の形状を取り戻して全長が短くなる。

従って、これと撚り合わされた光ファイバに曲げが生じ
る。

尚、形状記憶合金としては、チタン（Ｔりとニッケル（
Ｎ１）との合金であるＴ１Ｎｉ系合金が広く知られてい
る。この合金はＮｉの含有量によって変態温度を制御す
ることができるので、異なった成分比を持つ形状記憶合
金−光ファイバ撚合型熱感知センサを複数本設置すれば
、加わった温度を段階的に判定することもできる。また
、バネや他の臨界温度の形状記憶合金線と組み合わせる
ことによって、検出すべき熱が消失した後に自動的に初
期状態を復元するものも作製できる。

更に、検出すべき熱で軟化、崩壊、消失あるいは溶融す
るようなスペーサ部材によってコイルバネに伸長状態に
保ち、これを光ファイバに結合することによっても実現
できる。この場合は、スペーサが何らかの変化に対して
寸法の変化を生じればよいので、熱に限らず、放射線、
紫外線、有機溶媒等の検出が可能なセンサを容易に構成
することができる。

また、付勢部材と光ファイバとの結合は、前述した撚り
合わせの他、光ファイバと付勢部材とを所定間隔で接着
する等の方法も簡便であり、用途や使用する部材に応じ
て適宜選択すべきである。

以下に図面を参照して本発明をより具体的に詳述するが
、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技
術的範囲を何ら限定するものではない。

実施例 第１図（ａ）および（５）は、本発明に係る光ファイバ
センサの基本的な構成を説明する図である。尚、後述す
るように、第１図（ａ）は、光ファイバセンサの初期状
態を、第１図ら）は、光ファイバセンサの熱検知状態を
それぞれ示している。

第１図（ａ）に示す装置は、光ファイバ１と付勢部材２
とを所定間隔Ｘで結合点３．〜３５に右いて接着剤で結
合されて構成されている。付勢部材２は熱変化に対して
負の線膨張率を有する材料で形成されており、また、光
ファイバｌは、その一端を光フアイバアナライザ４に結
合されている。

第１図（ａ）に示した状態は、いわば初期状態であり、
光ファイバ１と付勢部材２とは互いに直線状になってい
る。この状態では、光フアイバアナライザには、第１図
（ａ）に示すように、両端にピークＡおよびＢがあり、
その間がなだらかに単１減少する光パワーが観測される
。ここで、区間ａのなだらかな傾斜として現れるものが
、この光ファイバの通常の伝播特性である。

尚、両端に現れているピークＡ、Ｂは、光ファイバの入
射端並びに出射端におけるフレネル反射に起因するもの
であり、実際にはアナライザの受光素子の飽和を防止す
るために除去することが好ましい。具体的には、光ファ
イバ１と光フアイバアナライザ４との結合に方向性結合
器を用いたりゲートを設ける等して除くことができる。

以上のように構成された光ファイバセンサ装置において
、例えば区間３３　３４が何らかの原因で加熱されると
、負の線膨張率を有する付勢部材２はこの区間で収縮し
、その区間の長さをΔＸだけ減じる。これに対して、光
ファイバ１の線膨張率は正であり、従って光ファイバ１
は付勢部材に引かれてこの区間に屈曲を生じる。すると
、光ファイバ１は、この屈曲が生じた区間３．−３．に
おいて伝播損失が急激に悪化するので、第１図（ハ）に
おいて光フアイバアナライザ４が示すように、区間３３
−３．に対応した位置に、段差Ｃを表示する。

このように、本発明に係る光ファイバセンサを用いるな
らば、熱変化の検出と共に、長い検出区間のどこで熱変
化が生じたかをも同時に検出することができる。

第２図（ａ）〜（ｄ）は、付勢部材として形状記憶合金
を使用した場合の作製法と構成について説明する図であ
る。

まず、第２図（ａ）に示すように、形状記憶合金線２２
を高温で長さＸのコイル状に成形し、形状記憶合金線２
２にこの形状を記憶させる。続いて、第２図ら）に示す
ように、形状記憶合金線２２を冷却して低温状態にして
から延伸して長さＹの直線状にする。

こうして得られた直線状の形状記憶合金線２２を付勢部
材として、第２図（Ｃ）に示すように、光ファイバ１と
所定間隔ｙで接着して結合する。光ファイバ１は、第１
図に示した装置と同様に光フアイバアナライザ４に結合
する。また、形状記憶合金線２２の一端には、他端を所
定の位置に固定したコイルバネ２３を結合する。

以上のように構成した光ファイバセンサにおいて、第２
図（ｄ）に示すように、例えば区間３□−３゜との間が
加熱されると、形状記憶合金線２２は、第２図（ａ）で
示したような形状を回復してコイル状になり、区間３２
−３．の距離をΔｙだけ減少する。

従って、これと結合された光ファイバは、区間３２−３
．において屈曲し、この区間の伝播損失を増加する。増
加した伝播損失を検出する方法は、第１図に示した装置
と全く同様なので説明は省略する。

尚、形状記憶合金の低温状態での剛性は、形状回復時の
１／３以下であり、コイルバネ２３に適切なバネ定数を
設定することによって、区間３２−３、の温度が再び低
下したときには元のように直線状に戻る。

更に、第３図（ａ）　、＃よび（ｂ）は、付勢部材の他
の構成例を示す図である。

即ち、第３図（ａ）に示すように、この光ファイバセン
サの付勢部材３０は、コイルバネ３２と、このコイルバ
ネ３２に所定間隔で挟まれているスペーサ３１とから構
成されている。光ファイバ１は、コイルバネ３２に所定
区間毎に接着されているが、スペーサ３１が挟まれた区
間では、長さ２まで伸長状態にあるコイルバネ３２に接
着されていることに留意されたい。

さて、上述のように構成された光ファイバセンサにおい
て、区間３．−３２が加熱されると、この区間のスペー
サ３１は溶出してコイルバネ３２は自由長に戻る。従っ
て、これに結合された光ファイバは、この区間３１−３
□で屈曲して伝播損失を増加する。この伝播損失の増加
を検出する方法については、第１図および第２図におい
て示した装置と同様なので説明は省略する。

尚、本実施例では感熱センサとして説明したが、付勢部
材を正の線膨張率を有するものとすることによって、逆
に局部的な温度低下を検出するセンサとしても構成可能
である。

作製例 形状記憶合金線を付勢部材として使用して、本発明に係
る光ファイバセンサを実際に作製した。

付勢部材として使用した形状記憶合金線は、８０℃で形
状回復する特性を持つ直径０．３１ＩｌｆｆｌφのＴＩ
ＮＩ系形状記憶合金線である。

この形状記憶合金線５００ｍを１００℃に保った状態で
治具に巻きつけて直径５ｍｍφのコイル状に成形した。

続いて、これを室温まで冷却した後、形状記憶合金線が
直線状になるまで延ばし、これを付勢部材とした。

一方、使用した光ファイバは、直径０．２５ｍｍφの光
フアイバ素線に紫外線硬化型樹脂を被覆したシングルモ
ード型光ファイバである。上述のようにして付勢部材と
した形状記憶合金線とこの光ファイバとを、ピッチ３０
０ｍｍで撚合せて光ファイバセンサとした。この寄り合
わせた状態での光ファイバの伝送損失は、波長１．３　
μｍで０．４５ｄＢ／ｋｍであった。

以上のようにして作製した光ファイバセンサの一端を光
フアイバアナライザに接続した後、任意の場所に９０℃
の熱湯をかけたところ、この部位では形状記憶合金が元
のコイル状の形状を復元し、光ファイバに曲げを生じさ
せた。このとき、光フアイバアナライザ上では、０．０
６〜０．２ｄＢのレベル低下に相当する段差が観測され
た。また、−旦コイル状になった部位が常温に戻ってか
らもとの真直な状態に戻した場合、光フアイバアナライ
ザ上の段差は消失した。更に、これを反復したが、上述
のような段差は再現性良く現れた。一方、７５〜７０℃
の熱湯をかけた部分には変化は観測されなかった。

発明の詳細 な説明したように、本発明に係る光ファイバセンサを使
用するならば、長距離にわたり検出部を連続的に配置す
ることができると共に、熱的な異常を検出した場合は、
その位置も検出することができる。このような特性は、
本発明に係る光ファイバセンサ独自の構成によるもので
あり、従来の感熱センサでは全く成し得なかったもので
ある。

尚、本発明に係る光ファイバセンサは、通信、電力等の
ケーブノペガス、水道、石油等の供送管等のように、長
区間にわたって連続的に熱的な異常を検知する必要のあ
る設備に有利に利用することができる。

光フアイバ自体は無誘導で化学的に安定であり、また、
付勢部材は必要な検出温度範囲等に応じて広く選択する
ことができるので、この光ファイバセンサを利用できる
応用分野は極めて広い。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）およびら）は、本発明に係る光ファイバセ
ンサの構成例とその動作を模式的に示す図であり、 第２図（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係る光ファイバセン
サの他の構成例とその作製過程を説明する図であり、 第３図（ａ）　右よび（ｂ）は、本発明に係る光ファイ
バセンサの更に他の構成例とその動作を示す図である。 （主な参照番号） １°１４光フアイバ、 ２．２２．３０・・・付勢部材（樹脂）、４・・・光フ
アイバアナライザ、 ２３．３２・・・コイルバネ、 ３１・・・スペーサ、 特許出願人　　住友電気工業株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）特定の温度変化に対して該温度変化に曝された部
   分の線方向の長さを収縮させるように構成された付勢部
   材と、該温度変化によって発生する該付勢部材の局部的
   な収縮に対応して同じ部位が屈曲するように該付勢部材
   と一体に構成された光ファイバとを備え、該光ファイバ
   を伝播する光を後方散乱損失測定法により観測すること
   によって前記温度変化の発生並びに発生位置を検知する
   ように構成されていることを特徴とする光ファイバセン
   サ。 （２）前記付勢部材が、温度に対して負の線膨張係数を
   有する材料により形成されていることを特徴とする請求
   項１に記載の光ファイバセンサ。 （４）前記付勢部材が、検知すべき熱によって軟化ある
   いは溶出する部材によって、自由長よりも長い伸長状態
   に付勢されたコイルバネであることを特徴とする請求項
   １に記載の被ファイバセンサ。 （６）前記付勢部材と前記光ファイバとが、互いに撚り
   合わされて撚糸を形成していることを特徴とする請求項
   １から請求項４までの何れか１項に記載の光ファイバセ
   ンサ。 （７）前記付勢部材と前記光ファイバとが、線方向に所
   定間隔で接着剤により相互に結合されていることを特徴
   とする請求項１から請求項６までの何れか１項に記載の
   光ファイバセンサ。