JPH0319497B2 - - Google Patents

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JPH0319497B2
JPH0319497B2 JP59201404A JP20140484A JPH0319497B2 JP H0319497 B2 JPH0319497 B2 JP H0319497B2 JP 59201404 A JP59201404 A JP 59201404A JP 20140484 A JP20140484 A JP 20140484A JP H0319497 B2 JPH0319497 B2 JP H0319497B2
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waveguide loop
pressure
waveguide
diaphragm
optical energy
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Merutsu Jerarudo
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United Technologies Corp
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、光による圧力測定のシステム、一層
詳細には、応力誘起複屈折（この用語は“圧力に
より誘起される複屈折”を意味する）を生じて導
波路ループ内の共振周波数に偏移を生じさせるダ
イアフラムを有するガラス材料から製作された圧
力トランスデユーサに係る。
背景技術 圧力トランスデユーサは圧力の変化をモニタす
るために用いられる装置である。圧力トランスデ
ユーサは圧力測定システムの一体部分であり、受
圧位置に配置される。圧力トランスデユーサは、
トランスデユーサの位置で圧力変化を通信する電
気、空気圧、油圧又は光信号によりモニタ又はイ
ンターロゲートされる。光導波路の使用の劇的な
増大に伴い、あらゆる形式の光式センサが提案さ
れてきた。例えば多重コア圧力応答性光フアイバ
導波路が“フアイバオプテイツクひずみセンサ”
という名称の1981年10月20日付米国特許第
4295738号明細書に開示されている。光導波路に
作用するひずみ変化がコアから放射する光の相対
的強さを測定することにより測定される。
特に関心が持たれるものとしてProceedings
of SPIE（1983）、Vol412、Fiber Optic and
Laser Sensors中のClifford G.Walkerの論文
“Photoelastic and Electro−Optic Sensors”
（光弾性及び電気光学式センサ）に記載されてい
る受動的レーザー加速度計がある。この論文の第
１図に、リング共振器を含んでいるレーザー加速
度計が示されている。非常に狭いスペクトル線幅
を有するレーザー源の出力ビームが２つの別々の
ビームに分割されて、別々にブラツグ・セルに通
される。偏光子が一つのビームを90度回転させ、
そのビームが次いでリング共振器に与えられる。
リング共振器に作用する応力が、周波数差を追跡
することにより測定され得る。しかし、この論文
により示唆されている光式センサは、高品質の光
学的材料から形成されたダイアフラムの圧力作用
下の変形と結びつけられる応力誘起複屈折の変化
を測定するための広帯域非干渉性の光エネルギ源
を示唆してはいない。
発明の開示 本発明の目的は、腐食性気体及び液体内のよう
な苛酷な環境で広い温度範囲に亙り正確且再現可
能な圧力測定を行ない得るように、光学材料から
製作された圧力トランスデユーサを有する圧力測
定システムを提供することである。
本発明による光式圧力センサの一つの特徴は、
ダイアフラムがその周縁で一体に形成されたリム
により剛固に保持されて圧力トランスデユーサの
中心に配置されていることである。一つの面に作
用する圧力によるダイアフラムの変形が導波路ル
ープ内に応力誘起複屈折を生じさせ、従つてま
た、スーパーラジアント・ダイオードのような比
較的広いスペクトル線幅の光源からの光エネルギ
により誘導される共振周波数に相応の変化を生じ
させる。
本発明による光式圧力センサの他の特徴は、丈
夫で耐久性に富む低損失ガラスから製作された圧
力トランスデユーサが圧力変化を測定するのに用
いられていることである。ダイアフラムの一つの
面上の導波路ループが応力誘起複屈折を生じ、そ
れが閉ループ内を伝搬する光エネルギの成分に相
対的位相差を生じさせる。この位相差に比例する
出力信号が、共振光エネルギの一部分を出力導波
路と光エネルギのスペクトル成分を分析する光検
出器とに結合することにより形成される。
本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は以
下の好ましい実施例及び添付図面の説明から一層
明らかになろう。
発明を実施するための最良の形態 最初に第１図を参照すると、本発明による光式
圧力センサの主要な構成要素が簡単化した形態で
示されている。圧力トランスデユーサ１０は流体
圧力の変化が測定されるべき位置に配置されてい
る。圧力トランスデユーサ１０の中心部分にダイ
アフラム１２がリム１４と一体に形成されてお
り、リム１４は圧力トランスデユーサ１０の周縁
を囲繞している。一つの端面１６（第１図で見て
上側の面は）ダイアフラム１２の端面に形成され
た導波路ループ１８を含んでいる。入力導波路２
０も圧力トランスデユーサ１０の端面１６に形成
されており、好ましい実施例では、導波路ループ
１８にエネルギ授受点２４で接する接線又は弦と
リム１４の周縁との交点の一方２２から他方２５
へ延びている。出力導波路も圧力トランスデユー
サ１０の端面１６に形成されており、導波路ルー
プ１８に出力側のエネルギ授受点２８で接する接
線又は弦とリム１４の周縁との交点の一方２７か
ら他方３０へ延びている。
本発明の光式圧力センサは、スーパーラジアン
ト・ダイオード又はの準広帯域分光分布の明るい
光源のような光源３２を含んでおり、これは光エ
ネルギを入力導波路２０の端面２２を通じて結合
するべく配置されている。周波数検出器３４も設
けられており、端面３０から出る光エネルギをモ
ニタするべく配置されている。後で一層詳細に説
明するように、周波数検出器３４は導波路ループ
１８内で共振する光エネルギのスペクトル成分を
分析する装置である。所望であれば、光源３２お
よび周波数検出器３４は遠隔位置に配置され、光
導波路（図示せず）により圧力トランスデユーサ
１０と接続され得る。これは、例えば高温又は腐
蝕性流体に曝される苛酷な環境で圧力変化を測定
する必要がある場合に特に望ましい。
本発明による光式圧力センサの特に重要な特徴
は、圧力変化が周波数検出器３４により正確にモ
ニタされ得るように圧力トランスデユーサ１０が
圧力変化に応答する仕方である。第２図をも参照
すると、圧力トランスデユーサ１０か断面図で示
されている。ダイアフラム１２の偏位は、図面を
わかりやすくするため、誇張して図示されてい
る。圧力トランスデユーサ１０は、好ましくは、
低損失の光導波路の形成に適した光透過性材料か
ら形成されている。好ましい実施例では、リム１
４は、ダイアフラム１２の周縁がそのまわりで剛
固に固定されるように、ダイアフラム１２よりも
遥かに厚い厚みを有する。リム１４およびダイア
フラム１２は別々の要素として製作されてもよい
が、一体構造とするほうが製作工程が少なくてす
む。
本発明の重要な特徴は、当業者により理解され
るように、導波路ループ１８が光共振器として作
用し、その光共振器の共振周波数が圧力トランス
デユーサ１０に作用する圧力の関数として変化す
ることである。一層の理解に資するため、続けて
第１図及び第２図を参照して、本発明による光式
圧力センサの理論及び作動を説明する。導波路ル
ープは例えばイオン注入法のような公知の方法に
より例えば低損失単一モード方形導波路として形
成される。導波路ループ１８内に生ずる共振の各
共振周波数は、導波路の長辺に対して垂直及び平
行に偏光される最低次導波路モードに相当する２
つの狭い間隔の周波数に分割される。これらの周
波数の間の離隔は応力誘起複屈折により圧力と共
に変化する。当業者により理解されるように、共
振ループは下式のように共振周波数を中心として
一連の通過帯域を有する光コームフイルタと類似
のしかたで作用する。
fa,b＝Nc／（na.bＬ）．Ｎ＝１、２、…… (1) ここで、 na：垂直モードの位相屈折率 nb：水平モードの位相屈折率 Ｌ：リングの周縁の長さ Ｎ：共振次数 ダイアフラム上の対称な均等分布の負荷がルー
プに応力を生じ、それにより通過帯域を偏移させ
る。共振周波数δfa及びδbの変化は半径方向ひず
みεr及び接線方向ひずみε〓の双方により決定され
る。光路長さの変化は一つにはリングの周縁の変
化により生じ、もう一つには応力誘起複屈折によ
り生ずる。
δfa／ｆ＝−（ε〓＋δna／ｎ） (2) δfb／ｆ＝−（ε〓＋δnb／ｎ） (3) ここで ｆ＝fafb ｎ＝nanb 屈折率の変化は下式により導波路ループの垂直
光弾性定数pa及び水平光弾性定数pbに関係づけら
れている。
δna／ｎ＝(-n2/2)・Pa（εr＋ε〓） (4) δnb／ｎ＝(-n2/2)・（Pbεr＋Paε〓） (5) 単純板理論により示されるように、ダイアフラ
ム１２内の表面ひずみは下式により求められる。
ε〓＝Pa2t／32D〔１−（ｒ／ａ）2〕 (6) εr＝Pa2t／32D〔１−３（ｒ／ａ）2〕 (7) ここで Ｄ＝Et3／12（１−ν2）＝撓み剛性 ｔ＝ダイアフラム厚み Ｅ＝ヤング率 ν＝ポアソン比 導波路ループ内の溶融シリカに対する光弾性定
数は下記の値である。
Pb＝0.126 Pa＝0.27 これらの値を用い、まずひずみに対する式(6)及
び(7)式を式(2)及び(3)に代入すると、各モードの周
波数偏移及びその結果としての差周波数Δの推定
値が得られる。
δfa／ｆ＝−Ｃ・〔0.426＋0.148(r/a)2〕 (8) δfb／ｆ＝−Ｃ・〔0.579−0.311(r/a)2〕 (9) Δ／ｆ＝Ｃ・〔0.153−0.459（ｒ／ａ）2〕 (10) ここで Ｃ＝（１／Ｅ）（３／８）（１−
ν2）Ｐ（ａ／ｔ）2＝Pa2t／32D(11) 正規化周波数偏移Δ／（fc）が（ｒ／ａ）の関
数として第４図のグラフに示されている。導波路
ループ１８の位置及び厚み比（ｒ／ａ）は、差動
周波数偏移Δが、適当なSN比を与えるのになお
十分に大きいコームフイルタのモード次数の間の
自由スペクトル範囲Δfrの半分を越えないように、
選定されなければならない。例えば、もし Ｅ＝10.4×106psi、Ｖ＝0.17、ａ／ｔ＝４ であれば、 Ｃ＝5.6×10-7P また Δfr＝Ｃ／（n2πr）3.3×109（
ｒ／１cm）-1Hz(12) ｆＣ／λ３×1014Hz （13） であれば、 Δ／Δfr＝7.8×10-3（ａ／１cm）（ｒ／ａ）
（Ｐ／lpsi）〔１−３（ｒ／ａ）2〕（14） もしａ＝0.5cm且ｐ＝100psiであれば、導波路
ループ１８をｒ／ａ＜0.9に配置することにより
必要条件｜Δ｜＜Δfr／２が満足され得る。最大
のSN比に対してｒ／ａは最大許容限度の近くに
設定されなければならない。ａ＝1/2cm且ｒ＝ａ
＝0.85に対して、自由スペクトル範囲は8.19GHz
であり、また100psi圧力に対する最大差動周波数
偏移は−3.0GHzである。
単一スペクトルの幅δf′は、 Ｆ＝Δfr／δf′ （15） により定義される共振器の“フイネス”により決
定される。
今Ｋを入力及び出力結合器のパワー結合効率、
Ｉを結合損失、またνを導波路減衰（単位長さ当
りデシベル）とすると、上記のフイネスは Ｆ＝π（１−Ｋ−ｌ）1/2exp（−πrν／8.68）／１−
（１−Ｋ−ｌ）exp（−2πrν／8.68） （16） であり、また通過帯域の中心に於けるピーク透過
率は Ｔ＝K2exp（−2πrν／8.68）／
〔１−（１−Ｋ−ｌ）exp（−2πrν／8.68）〕2（17）
である。
もしリング共振器１８内の減衰が0.01dB／cm
でありまたパワー結合効率及び入力／出力結合損
失が１％であり、またｒ＝0.4cm、Ｋ＝１％、Ｌ
＝１％であれば、Ｆ＝136且Ｔ＝0.19である。こ
れらのパラメータに対する各通過帯域の幅は約
60MHzである。零圧力時のスペクトル線の離幅は
埋込まれた導波路の寸法及び開口数の関数であ
る。それは少なくともスペクトル線幅よりも大き
いオーダーの大きさにされ得る。例えば、もし開
口数が0.1であり、且導波路が２：１のアスペク
トレシオを有するならばfa−fb＝500MHzである。
光源３２及び周波数検出器３４は少なくとも最大
期待されるスペクトル帯間離隔、即ち零圧力時の
離隔と圧力依存性偏移Δとの和、を含むように十
分に広帯域でなければならない。
導波路ループ１８は上記の共振スペクトル線を
広帯域入力から選択して、検出器３４に与える。
このようなスペクトル線の多くの対が非常に広帯
域の源から生じ得る。そして各対が実質的に上記
の周波数離隔を呈する。検出器３４は、入射光の
スペクトル線を混合して、この離隔周波数を含む
電気的出力信号を生ずるフオトダイオードであつ
てよい。所望であれば、電子式スペクトル・アナ
ライザ又は周波数計３５により関心のある帯域の
外側の周波数成分を除去して、上記のように圧力
に比例している離隔周波数を直接に測定すること
ができる。
本発明の特に重要な特徴は、圧力トランスデユ
ーサ１０による圧力測定が温度変化により実質的
に影響されないことである。熱膨張により導波路
ループ１８の周縁長さが変化するけれども、この
変化は２つの偏光に等しく作用するので、導波路
ループ１８内に生ずる共振周波数はいずれも実質
的に同一の大きさだけ偏移させられることは理解
されよう。このことは、差動周波数偏移は温度の
変化により影響されずに、印加圧力の変化に実質
的に比例している状態を保つことを意味する。圧
力トランスデユーサ１０の材料のヤング率が温度
の弱関数であることは知られているが、圧力トラ
ンスデユーサ１０の作動温度範囲が不合理に広く
ないかぎり、なおも受容可能な精度が保たれ得
る。
本発明によるダイアフラム１２の製作のために
は種々の方法が知られている。前記のように、基
板はケイ酸ナトリウムのような低損失のケイ酸ア
ルカリガラスから形成され得る。リング共振器１
８、入力導波路２０及び出力導波路２６はイオン
交換法により、交換窓を例外としてダイアフラム
１２の交換側のフオトレジスト・マスキングを用
いて形成されうる。マスク材料は交換陽イオンに
対して不透過性でなければならず、且交換温度に
耐えなければならない。典型的なマスク材料はア
ルミニウム及びニツケルを含んでいる。マスクさ
れたダイアフラム１２は所望の陽イオンを含んで
いる溶融電解質の中に浸漬されている。イオン交
換は、ダイアフラムを含んでいる溶融電解質の中
に浸漬されている二つの電極の間に適当な電圧を
印加することにより行なわれる。交換後にマスク
は酸の中に溶解され得る。
本発明の光式圧力センサを一つの好ましい実施
例について図示し説明してきたが、本発明の範囲
内でその形態及び細部に種々の変更が行なわれ得
ることは当業者により理解されよう。例えば、圧
力トランスデユーサ１０の端面上の導波路ループ
１８はダイアフラム１２上に同心に配置されてい
るものとして一般的に示された。実際、導波路ル
ープ１８は、共振周波数の測定可能な偏移を得る
のに十分な応力誘起複屈折が生ずるかぎり、圧力
トランスデユーサの端面上の任意の位置に配置さ
れ得よう。導波路ループの断面形状は図示（第２
図）されているようにほぼ方形である必要はな
く、導波路内の光エネルギの各独立の偏光に対し
て共振周波数の差が存在するかぎり、任意の断面
形状であり得よう。導波路ループは、実際、偏光
作用のある光フアイバをダイアフラムの表面に接
着することにより形成され得よう。さらに、入力
及び出力光エネルギは圧力トランスデユーサ１０
の端面１６上の弦状の入力及び出力導波路２０及
び２６を通じて導波路ループ１８と結合される必
要はなく、導波路の頂に密接配置されたプリズム
のような他の手段を通じても導波路ループ１８と
結合され得よう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による光式圧力測定システムの
基本的構成要素を示す拡大斜視図であり、端面上
に導波路ループ、入力導波路及び出力導波路を有
する圧力トランスデユーサが部分的に切欠かれて
示されている。第２図は第１図中の圧力トランス
デユーサのみの断面図であり、ダイアフラムは圧
力作用下の偏位を誇張して図示されている。第３
図は圧力トランスデユーサの端面上に配置された
導波路ループ内で共振する光エネルギの差動周波
数偏移を示すグラフである。第４図は正規化され
た差動周波数偏移と圧力トランスデユーサのダイ
アフラム上の導波路ループの半径との関係を示す
グラフである。 １０……圧力トランスデユーサ、１２……ダイ
アフラム、１４……リム、１６……端面、１８…
…導波路ループ、２０……入力導波路、２４，２
８……エネルギ授受点、２６……出力導波路、３
２……光源、３４……周波数検出器、３５……周
波数計。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 圧力モニタに於て、 一つの表面に配置された導波路ループを有し圧
    力の作用下に偏位して前記導波路ループ内に応力
    誘起複屈折を生じさせるダイアフラムを含んでい
    る圧力応答手段と、 光エネルギを前記導波路ループへ結合するため
    前記導波路ループに隣接して配置されている光入
    力手段と、 前記導波路ループから光エネルギの一部分を結
    合するため同じく前記導波路ループに隣接して配
    置されている光出力手段とを含んでおり、 それにより、前記ダイアフラムに作用する圧力
    に比例する前記応力誘起複屈折の結果として、前
    記導波路ループ内で共振する光エネルギのスペク
    トル応答に差動周波数偏移が生ずる ことを特徴とする圧力モニタ。 ２ 温度補償された圧力測定システムに於て、 一つの表面に設置された導波路ループを有し表
    面に作用する圧力に応答して前記導波路ループ内
    に応力誘起複屈折を生じさせるダイアフラムを含
    んでいる圧力応答手段と、 光エネルギを前記導波路ループへ結合するため
    前記導波路ループに隣接して配置されている光源
    手段と 前記導波路ループから結合された光エネルギを
    受けるべく配置されている周波数検出手段とを含
    んでおり、 それにより、前記ダイアフラムに作用する圧力
    に比例する前記応力誘起複屈折の結果として、前
    記導波路ループ内で共振する光エネルギのスペク
    トル応答に差動周波数偏移が生ずる ことを特徴とする温度補償された圧力測定システ
    ム。
JP59201404A 1983-12-27 1984-09-26 圧力モニタ及び温度補償された圧力測定システム Granted JPS60142226A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US565496 1983-12-27
US06/565,496 US4577100A (en) 1983-12-27 1983-12-27 Temperature compensated optical pressure sensor

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Publication Number Publication Date
JPS60142226A JPS60142226A (ja) 1985-07-27
JPH0319497B2 true JPH0319497B2 (ja) 1991-03-15

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JP59201404A Granted JPS60142226A (ja) 1983-12-27 1984-09-26 圧力モニタ及び温度補償された圧力測定システム

Country Status (17)

Country Link
US (1) US4577100A (ja)
JP (1) JPS60142226A (ja)
KR (1) KR930003546B1 (ja)
AU (1) AU572189B2 (ja)
BE (1) BE900681A (ja)
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