JPH03205522A - 光ファイバ式温度測定装置 - Google Patents
光ファイバ式温度測定装置Info
- Publication number
- JPH03205522A JPH03205522A JP1342446A JP34244689A JPH03205522A JP H03205522 A JPH03205522 A JP H03205522A JP 1342446 A JP1342446 A JP 1342446A JP 34244689 A JP34244689 A JP 34244689A JP H03205522 A JPH03205522 A JP H03205522A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical fiber
- light
- scattered light
- light beam
- raman
- Prior art date
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- Pending
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- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
この発明は、光ファイバを使用して温度を測定する光フ
ァイバ式温度測定装置に関する。
ァイバ式温度測定装置に関する。
従来より、光ファイバ中のラマン後方散乱光を検出して
光ファイバ長さ方向における温度分布を測定する装置か
知られている。これは、つきのような原理に基つくもの
である。第３図に示すように光ファイバ８の左端から光
パルスを入射してこの光バルスＡを右方向に進行させて
行くとき、その光パルスＡの幅Ｂに相当する領域８１で
ラマン散乱が生じ、その後方散乱光８２が光パルス入射
端に戻ってくる。他方、光ファイバの一部を暖めると、
その温度上昇した部分でのラマン散乱光が増大する。そ
こで、光ファイバの一端から光パルスを入射したときに
、その一端に戻ってくるラマン後方散乱光の成分くスト
ークス光及び反ストークス光）を取り出せば、その強度
によりその温度が計測され、またパルス光の入射から後
方散乱光が戻ってくるまでの時間により温度上昇した位
置が計測されることになる。そこで、時間軸に対してラ
マン後方散乱光の強度の分布を求めれば、光ファイバの
長さ方向での温度分布を求めることができる．
光ファイバ長さ方向における温度分布を測定する装置か
知られている。これは、つきのような原理に基つくもの
である。第３図に示すように光ファイバ８の左端から光
パルスを入射してこの光バルスＡを右方向に進行させて
行くとき、その光パルスＡの幅Ｂに相当する領域８１で
ラマン散乱が生じ、その後方散乱光８２が光パルス入射
端に戻ってくる。他方、光ファイバの一部を暖めると、
その温度上昇した部分でのラマン散乱光が増大する。そ
こで、光ファイバの一端から光パルスを入射したときに
、その一端に戻ってくるラマン後方散乱光の成分くスト
ークス光及び反ストークス光）を取り出せば、その強度
によりその温度が計測され、またパルス光の入射から後
方散乱光が戻ってくるまでの時間により温度上昇した位
置が計測されることになる。そこで、時間軸に対してラ
マン後方散乱光の強度の分布を求めれば、光ファイバの
長さ方向での温度分布を求めることができる．
しかしながら、このラマン後方散乱を利用した光ファイ
バ式温度分布測定装置では、距離分解能を高め、非常に
狭い範囲での温度を検出することが難しいという問題が
ある。 これは、第３図に示すように光ファイバ８において進行
する光パルスＡの広がりＢに相当するラマン散乱領域８
１のすべてからのラマン後方散乱光８２を検出すること
になるため、その領域８１内の温度の平均化されたもの
に対応し、光パルスＡの広がり（幅〉Ｂよりは狭い範囲
では温度を区別できないからである。たとえば光パルス
Ａの幅ＢがｌＱｎｓｅｃのとき散乱領域８１は１ｍとな
り、距離分解能は１ｍとなる。そして、光パルスの幅を
狭くすれば、原理的には距離分解能を高めることができ
るが、実際上、困難である。つまり、光パルスの幅を狭
くすると、光の積分パワーく全パワー）が低くなり、且
つ狭い光パルスを受光するため受光系のアンプとして広
い帯域のものが必要となり、必然的にノイズが増加し、
さらにハイパワー光源（半導体レーザ）は一般に高速動
作（光パルスの幅を狭くする）が困難であるという実際
の事情がある。 この発明は、光パルスの幅よりも狭い範囲の温度を検出
することができ、非常に狭い範囲での温度を検出するこ
とを可能とする、光ファイバ式温度測定装置を提供する
ことを目的とする。
バ式温度分布測定装置では、距離分解能を高め、非常に
狭い範囲での温度を検出することが難しいという問題が
ある。 これは、第３図に示すように光ファイバ８において進行
する光パルスＡの広がりＢに相当するラマン散乱領域８
１のすべてからのラマン後方散乱光８２を検出すること
になるため、その領域８１内の温度の平均化されたもの
に対応し、光パルスＡの広がり（幅〉Ｂよりは狭い範囲
では温度を区別できないからである。たとえば光パルス
Ａの幅ＢがｌＱｎｓｅｃのとき散乱領域８１は１ｍとな
り、距離分解能は１ｍとなる。そして、光パルスの幅を
狭くすれば、原理的には距離分解能を高めることができ
るが、実際上、困難である。つまり、光パルスの幅を狭
くすると、光の積分パワーく全パワー）が低くなり、且
つ狭い光パルスを受光するため受光系のアンプとして広
い帯域のものが必要となり、必然的にノイズが増加し、
さらにハイパワー光源（半導体レーザ）は一般に高速動
作（光パルスの幅を狭くする）が困難であるという実際
の事情がある。 この発明は、光パルスの幅よりも狭い範囲の温度を検出
することができ、非常に狭い範囲での温度を検出するこ
とを可能とする、光ファイバ式温度測定装置を提供する
ことを目的とする。
上記目的を達成するため、この発明による光ファイバ式
温度測定装置においては、長さ方向の所定の部分におけ
るラマン散乱光の波長を他の部分のラマン散乱光の波長
と異ならしめる成分をその部分に有する１本のセンシン
グ用光ファイバと、該センシング用光ファイバの一端か
ら光を入射する光発生手段と、該一端に戻ってくる、上
記の所定部分でのラマン後方散乱光の波長成分のみを取
り出す分光手段と、分光された光の強度を検出する手段
とが備えられる。
温度測定装置においては、長さ方向の所定の部分におけ
るラマン散乱光の波長を他の部分のラマン散乱光の波長
と異ならしめる成分をその部分に有する１本のセンシン
グ用光ファイバと、該センシング用光ファイバの一端か
ら光を入射する光発生手段と、該一端に戻ってくる、上
記の所定部分でのラマン後方散乱光の波長成分のみを取
り出す分光手段と、分光された光の強度を検出する手段
とが備えられる。
センシング用の光ファイバは、長さ方向に均一でなく、
長さ方向のある部分において、他の部分と異なる成分が
ドープされており、その部分のラマン散乱光の波長が他
の部分のラマン散乱光の波長と異なるようにされている
。 このセンシング用光ファイバの一端から光が入射され、
その一端に戻ってくるラマン後方散乱光のうち、上記の
部分でのラマン散乱光の波長成分のみが取り出される。 この波長成分は上記の特定の部分で生じたラマン散乱光
のみであり、他の部分で生じたラマン散乱光の成分を含
まない。 そこで、この波長成分の強度は、その特定の部分での温
度にのみ対応することになる。 そして、この特定の部分、つまり成分の異なる部分の長
さを光パルスの幅よりも短くすれば、光パルスの幅に関
係なく、非常に狭い範囲での温度の検出が可能となる。
長さ方向のある部分において、他の部分と異なる成分が
ドープされており、その部分のラマン散乱光の波長が他
の部分のラマン散乱光の波長と異なるようにされている
。 このセンシング用光ファイバの一端から光が入射され、
その一端に戻ってくるラマン後方散乱光のうち、上記の
部分でのラマン散乱光の波長成分のみが取り出される。 この波長成分は上記の特定の部分で生じたラマン散乱光
のみであり、他の部分で生じたラマン散乱光の成分を含
まない。 そこで、この波長成分の強度は、その特定の部分での温
度にのみ対応することになる。 そして、この特定の部分、つまり成分の異なる部分の長
さを光パルスの幅よりも短くすれば、光パルスの幅に関
係なく、非常に狭い範囲での温度の検出が可能となる。
つぎにこの発明の一実施例について図面を参照しながら
説明する。第１図において、光源１は、固体レーザ、半
導体レーザあるいは半導体励起固体レーザなどのレーザ
光源であり、レーザパルスを発生する。このレーザパル
スは分光器２を経て、センシング用の光ファイバ３の一
端に入射される。 このセンシング用光ファイバ３はＧｅ０２ドープ光ファ
イバ３１にＰ２０５ドープ光ファイバ３２を何箇所かく
この図では４箇所）で融着接続またはコネクタにより接
続したものとなっている。あるいは、１本の光ファイバ
のコアの長手方向にＧｅ０２ドープ部とＰ２０５ドープ
部とを最初から形成したものを用いてもよい。 センシング用の光ファイバ３にレーザパルスが入射させ
られると、後方散乱光が分光器２側に戻ってくる。この
戻ってきた後方散乱光のうち、Ｐ２０５ドーブ光ファイ
バ３２におけるラマン散乱光成分であるストークス光と
反ストークス光とが分光器２によって分光される。 ラマン散乱の波長は、Ｇｅ０２ドープ光ファイバ３１と
Ｐ２０５ドーブ光ファイバ３２とで異なっている。 すなわち、光源１の波長を０．９０５μｍとしたとき、
それらでのストークス光と反ストークス光の波長は、 スＩ一一クス光 反ストークス光 Ｇｅ０２ ｏ．９４１μｍ ０．８
７２μｍＰ２０５ ０．９５ｈｍ
０．８５５μｍとなっており、分光器２を、波長０．８
５５μｍ及び０．９５６μｍの光のみを取り出すよう構
戒することにより、Ｐ２０５ドープ光ファイバ３２で発
生するラマン散乱光の成分のみを取り出すことができる
。このような分光器２は、たとえば回折格子を利用した
分光器や、誘電体多層膜フィルタを利用し，た分光器な
どで構成することかできる。 これら取り出された、Ｐ２０５ドープ光ファイバ３２で
発生するラマン散乱光の成分であるストークス光と反ス
トークス光は、受光素子（フォトダイオード等）４１．
４２にそれぞれ入射させられる。 この受光素子４１、４２の出力はそれぞれアナログアン
プ５１、５２によって増幅された後、デジタル平均化処
理ユニット６に送られる。このデジタル平均化処理ユニ
ット６は、Ａ／Ｄ変換器６１、６２と、加算用メモリ６
３、６４と、これらを制御する制御回路６５とから横或
されている。上記の光源１は制御回路６５によって制御
され、このレーザバルス入射、及びストークス光・反ス
トークス光の検出の操作が繰り返し行われ、微弱なスト
ークス光・反ストークス光出力をＡ／Ｄ変換した上で加
算平均し、Ｓ ，／ Ｎ比を高めるようにしている。 こうして平均化されたラマン散乱光強度に関するデータ
はコンピュータ７に送られ、時間軸方向に展開され、第
２図のような時間軸に対する光強度の分布データが得ら
れる。この時間軸は、センシング用の光ファイバ３の一
端に入射させられたレーザバルスが光ファイバ３内に透
過していくときにその長さ方向各点で発生した後方散乱
光が再び光ファイバ３の入射端測に戻ってくるまでの時
間であり、光ファイバ３の距離に対応する。そのため、
この光ファイバ３の全ての部分がＰ２０５ドープ光ファ
イバ３２で構或されているなら、その全ての箇所でのラ
マン後方散乱光が検出されることとなるので、点線のよ
うな波形となるが、この実施例ではＰ２０ｌ５ドーブ光
ファイバ３２は４箇所にしか存在しないため、その４箇
所の位置に対応した部分でしか信号が生じないことにな
る。 そこで、Ｐ２０５ドープ光ファイバ３２の位置での温度
に対応した信号が得られることになり、Ｐ２０５ドープ
光ファイバ３２の部分での温度の測定ができる。 この場合、Ｐ２０５ドープ光ファイバ３２の長さを、レ
ーザパルスの幅に対応する長さよりも短くすると、レー
ザパルスの幅で決まる距離分解能よりも細かい距離分解
能を得ることができる。たとえばＰ２０５ドープ光ファ
イバ３２の長さを１０ｃｍとすれば、その１０ｃｍの範
囲での温度を測定することができる。隣接するＰ２０５
ドープ光ファイバ３２のいずれであるかの識別について
は、それらの間の距離を、第２図のパルス状の信号が重
ならないだけの距離、つまりレーザパルスの幅に対応す
る距離分解能よりも長くすることにより、識別可能とな
る。 Ｐ２０５ドーブ光ファイバ３２が１箇所にしか存在して
いない場合には、その箇所のラマン後方散乱光のみが検
出されるため、センシング用光ファイバ３に入射する光
をパルス状にしその散乱光が戻ってくるまでの時間から
位置情報を得る必要がなくなり、光源１より連続光を入
射することも可能となる。 これにより、Ｐ２０５ドーブ光ファイバ３２が配置され
た狭い箇所（１箇所、あるいは多数の箇所）での温度を
測定することが可能となる。Ｐ２０５ドープ光ファイバ
３２をＧｅ０２ドーブ光ファイバ３１に適宜接続するこ
ととすれば、任意の箇所を測定点とすることができ、あ
るいは測定点の変更などにも容易に対応できて便利であ
る。 なお、ラマン散乱光の波長が異なるドーブ材として、上
記ではＧｅ０２とＰ２０５とを使用しているが、これら
は一例であって、分光可能な波長差をもたらすようなも
のであれば他の成分を使用することももちろん可能であ
る。また、上記では、ラマン散乱光の波長が異なる２つ
の成分の光ファイバを長さ方向に配置しているが、ドー
プ材が異なっていてラマン散乱光の波長がそれぞれ異な
る３つ以上の光ファイバを長さ方向に配置し、それぞれ
からのラマン散乱光の波長成分を分光器で分離・検出す
ることとすれば、隣接する部分は波長により区別できる
（上記の第２図のパルス状の信号が重ならないという条
件が不要となる）ので、たとえば１０ｃｍの幅のある測
定点に隣り合う、つぎの１０ｃｍの幅の測定点での温度
をそれぞれ独立に測定することが可能となる。
説明する。第１図において、光源１は、固体レーザ、半
導体レーザあるいは半導体励起固体レーザなどのレーザ
光源であり、レーザパルスを発生する。このレーザパル
スは分光器２を経て、センシング用の光ファイバ３の一
端に入射される。 このセンシング用光ファイバ３はＧｅ０２ドープ光ファ
イバ３１にＰ２０５ドープ光ファイバ３２を何箇所かく
この図では４箇所）で融着接続またはコネクタにより接
続したものとなっている。あるいは、１本の光ファイバ
のコアの長手方向にＧｅ０２ドープ部とＰ２０５ドープ
部とを最初から形成したものを用いてもよい。 センシング用の光ファイバ３にレーザパルスが入射させ
られると、後方散乱光が分光器２側に戻ってくる。この
戻ってきた後方散乱光のうち、Ｐ２０５ドーブ光ファイ
バ３２におけるラマン散乱光成分であるストークス光と
反ストークス光とが分光器２によって分光される。 ラマン散乱の波長は、Ｇｅ０２ドープ光ファイバ３１と
Ｐ２０５ドーブ光ファイバ３２とで異なっている。 すなわち、光源１の波長を０．９０５μｍとしたとき、
それらでのストークス光と反ストークス光の波長は、 スＩ一一クス光 反ストークス光 Ｇｅ０２ ｏ．９４１μｍ ０．８
７２μｍＰ２０５ ０．９５ｈｍ
０．８５５μｍとなっており、分光器２を、波長０．８
５５μｍ及び０．９５６μｍの光のみを取り出すよう構
戒することにより、Ｐ２０５ドープ光ファイバ３２で発
生するラマン散乱光の成分のみを取り出すことができる
。このような分光器２は、たとえば回折格子を利用した
分光器や、誘電体多層膜フィルタを利用し，た分光器な
どで構成することかできる。 これら取り出された、Ｐ２０５ドープ光ファイバ３２で
発生するラマン散乱光の成分であるストークス光と反ス
トークス光は、受光素子（フォトダイオード等）４１．
４２にそれぞれ入射させられる。 この受光素子４１、４２の出力はそれぞれアナログアン
プ５１、５２によって増幅された後、デジタル平均化処
理ユニット６に送られる。このデジタル平均化処理ユニ
ット６は、Ａ／Ｄ変換器６１、６２と、加算用メモリ６
３、６４と、これらを制御する制御回路６５とから横或
されている。上記の光源１は制御回路６５によって制御
され、このレーザバルス入射、及びストークス光・反ス
トークス光の検出の操作が繰り返し行われ、微弱なスト
ークス光・反ストークス光出力をＡ／Ｄ変換した上で加
算平均し、Ｓ ，／ Ｎ比を高めるようにしている。 こうして平均化されたラマン散乱光強度に関するデータ
はコンピュータ７に送られ、時間軸方向に展開され、第
２図のような時間軸に対する光強度の分布データが得ら
れる。この時間軸は、センシング用の光ファイバ３の一
端に入射させられたレーザバルスが光ファイバ３内に透
過していくときにその長さ方向各点で発生した後方散乱
光が再び光ファイバ３の入射端測に戻ってくるまでの時
間であり、光ファイバ３の距離に対応する。そのため、
この光ファイバ３の全ての部分がＰ２０５ドープ光ファ
イバ３２で構或されているなら、その全ての箇所でのラ
マン後方散乱光が検出されることとなるので、点線のよ
うな波形となるが、この実施例ではＰ２０ｌ５ドーブ光
ファイバ３２は４箇所にしか存在しないため、その４箇
所の位置に対応した部分でしか信号が生じないことにな
る。 そこで、Ｐ２０５ドープ光ファイバ３２の位置での温度
に対応した信号が得られることになり、Ｐ２０５ドープ
光ファイバ３２の部分での温度の測定ができる。 この場合、Ｐ２０５ドープ光ファイバ３２の長さを、レ
ーザパルスの幅に対応する長さよりも短くすると、レー
ザパルスの幅で決まる距離分解能よりも細かい距離分解
能を得ることができる。たとえばＰ２０５ドープ光ファ
イバ３２の長さを１０ｃｍとすれば、その１０ｃｍの範
囲での温度を測定することができる。隣接するＰ２０５
ドープ光ファイバ３２のいずれであるかの識別について
は、それらの間の距離を、第２図のパルス状の信号が重
ならないだけの距離、つまりレーザパルスの幅に対応す
る距離分解能よりも長くすることにより、識別可能とな
る。 Ｐ２０５ドーブ光ファイバ３２が１箇所にしか存在して
いない場合には、その箇所のラマン後方散乱光のみが検
出されるため、センシング用光ファイバ３に入射する光
をパルス状にしその散乱光が戻ってくるまでの時間から
位置情報を得る必要がなくなり、光源１より連続光を入
射することも可能となる。 これにより、Ｐ２０５ドーブ光ファイバ３２が配置され
た狭い箇所（１箇所、あるいは多数の箇所）での温度を
測定することが可能となる。Ｐ２０５ドープ光ファイバ
３２をＧｅ０２ドーブ光ファイバ３１に適宜接続するこ
ととすれば、任意の箇所を測定点とすることができ、あ
るいは測定点の変更などにも容易に対応できて便利であ
る。 なお、ラマン散乱光の波長が異なるドーブ材として、上
記ではＧｅ０２とＰ２０５とを使用しているが、これら
は一例であって、分光可能な波長差をもたらすようなも
のであれば他の成分を使用することももちろん可能であ
る。また、上記では、ラマン散乱光の波長が異なる２つ
の成分の光ファイバを長さ方向に配置しているが、ドー
プ材が異なっていてラマン散乱光の波長がそれぞれ異な
る３つ以上の光ファイバを長さ方向に配置し、それぞれ
からのラマン散乱光の波長成分を分光器で分離・検出す
ることとすれば、隣接する部分は波長により区別できる
（上記の第２図のパルス状の信号が重ならないという条
件が不要となる）ので、たとえば１０ｃｍの幅のある測
定点に隣り合う、つぎの１０ｃｍの幅の測定点での温度
をそれぞれ独立に測定することが可能となる。
この発明の光ファイバ式温度測定装置によれば、光パル
スの幅よりも狭い範囲の温度を検出することができ、非
常に狭い範囲での温度を検出することが可能となる。
スの幅よりも狭い範囲の温度を検出することができ、非
常に狭い範囲での温度を検出することが可能となる。
第１図はこの発明の一実施例のブロック図、第２図は同
実施例における測定データを示すグラフ、第３図は原理
を説明するための模式図ナ＋子である。 １・・・光源、２・・・分光器、３・・・センシング用
光ファイバ、３１・・・Ｇｅ０２ドーブ光ファイバ、３
２・・・ｐ２ｏ５ドーブ光ファイバ、４１、４２・・・
受光素子、５１、５２・・・アナログアンプ、６・・・
デジタル平均化処理ユニット、６１、６２・・・Ａ／Ｄ
変換器、６３、６４・・・加算用メモリ、６５・・・制
御回路、７・・・コンピュータ。
実施例における測定データを示すグラフ、第３図は原理
を説明するための模式図ナ＋子である。 １・・・光源、２・・・分光器、３・・・センシング用
光ファイバ、３１・・・Ｇｅ０２ドーブ光ファイバ、３
２・・・ｐ２ｏ５ドーブ光ファイバ、４１、４２・・・
受光素子、５１、５２・・・アナログアンプ、６・・・
デジタル平均化処理ユニット、６１、６２・・・Ａ／Ｄ
変換器、６３、６４・・・加算用メモリ、６５・・・制
御回路、７・・・コンピュータ。
Claims (1)
- （１）長さ方向の所定の部分におけるラマン散乱光の波
長を他の部分のラマン散乱光の波長と異ならしめる成分
をその部分に有する１本のセンシング用光ファイバと、
該センシング用光ファイバの一端から光を入射する光発
生手段と、該一端に戻つてくる、上記の所定部分でのラ
マン後方散乱光の波長成分のみを取り出す分光手段と、
分光された光の強度を検出する手段とを有することを特
徴とする光ファイバ式温度測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1342446A JPH03205522A (ja) | 1989-12-30 | 1989-12-30 | 光ファイバ式温度測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1342446A JPH03205522A (ja) | 1989-12-30 | 1989-12-30 | 光ファイバ式温度測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03205522A true JPH03205522A (ja) | 1991-09-09 |
Family
ID=18353804
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1342446A Pending JPH03205522A (ja) | 1989-12-30 | 1989-12-30 | 光ファイバ式温度測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03205522A (ja) |
-
1989
- 1989-12-30 JP JP1342446A patent/JPH03205522A/ja active Pending
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