JPH0415512B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の技術分野〕 この発明は、光学的手段のみによる複数のセン
サの情報を伝送、収集する光学的計測システムに
関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 一般産業プラントなどの工業計測制御システム
では多数のセンサが必要であり、現在はこれらの
センサ情報を分散型プロセス制御装置に１：１に
集線しているため、ケーブルの輻輳やケーブル布
線コストが大きな問題となつている。複数のセン
サを接続してその各々のデータを多重化収集する
ことができれば、有効性は多大なものがある。し
かしこの種の集線装置では、信頼性の考慮が重要
であり、多重化収集されるセンサ数を制限した
り、二重化を図つたりする必要がある。 光学的手段のみによるセンサに関するこの種の
集線装置としては、光フアイバ遅延線を用いた時
分割多重化方式のものが知られている。その基本
構成は第１図に示すとおりである。センサとして
の光スイツチ１₁〜１₂と、各スイツチ１₁〜１₃の
情報伝送に時間的なずれをもたせるための光フア
イバ遅延線２₂，２₃を組合せてセンサネツトワー
クを構成している。このセンサネツトワークの一
端に図示の如く光パルスを供給すると、各光スイ
ツチ１₁〜１₃のオン、オフ情報は時分割多重化さ
れて収集される。 しかしながらこの方式は、広帯域信号を取扱う
必要から高い信号対雑音比を得ることが難しく、
バルブのオン、オフ情報の収集などに対象が限ら
れる。またタイムスロツト割当ての時分割多重化
であるため、フレーム同期装置を必要とし、プロ
セス制御装置の構成が複雑になる。更にセンサは
並列接続でなければならず、センサの布設位置分
布によつてはケーブル総延長の低減になるとは限
らない。また光フアイバ遅延線の伝播遅延時間は
約1μsec／200ｍであり、コストの面から遅延線長
が制限されるとタイムスロツトは非常に短かいも
のとなる。多くのプロセス制御システムではセン
サ情報の収集サイクルは早くても１センチ当り数
ｍsec〜数十ｍsecであるから、上記時分割多重化
方式ではこの許される長い測定時間を有効に生か
せないことになる。 〔発明の目的〕 この発明は上記の如き問題を解決した光学的計
測システムを提供することを目的とする。 〔発明の概要〕 この発明は、センサユニツトに周波数を割当て
てポーリングする方式で複数のセンサユニツトの
直列接続を可能としたものである。即ちこの発明
におけるセンサユニツトは、被計測量によつて光
伝送周波数特性が全周波数通過状態と自己に割当
てられた周波数を阻止するフイルタ状態との間で
切換わるように構成する。このようなセンサユニ
ツトを複数個直列接続してセンサネツトワークを
構成し、高源からの光波を所定のセンサユニツト
に割当てられた周波数で強度変調して上記センサ
ネツトワークの一端に供給し、他端からの出力光
波にその周波数成分が含まれるか否かを検知して
センサ情報を収集する。 〔発明の効果〕 この発明の効果を列記すれば、次のとおりであ
る。 (1) 複数のセンサユニツトの布設位置が離れてい
ても、これらを光フアイバで直列接続して簡単
にセンサネツトワークを構成することができ
る。 (2) 周波数割当て方式であるため、プロセス制御
装置から許される１個当りのセンサ情報計測時
間を有効に使つて判定誤まりを簡単に少なくす
ることができる。また十分低速な処理でＳ／Ｎ
を向上させることができる。 (3) 周波数割当て方式であるため、タイムスロツ
ト同期装置のような複雑な回路を必要としな
い。 (4) 複数のセンサ情報についてランダムアクセス
も可能である。 〔発明の実施例〕 以下この発明の実施例を説明する。第２図は一
実施例の概略システム構成を示すものである。
S_K（Ｋ＝１，２，…，ｎ、以下同じ）はセンサユ
ニツトである。各センサユニツトS_Kは光スイツ
チ１１_Kと光フアイバ遅延線１２_Kの直列回路と、
光フアイバ伝送線１３_Kとを一対の光分岐−合流
器によつて並列接続して構成したもので、これら
が直列接続されてセンサネツトワークを構成して
いる。光スイツチ１１_Kは例えばバルブのオン、
オフに応じて機械的に光路をオン、オフするよう
に光フアイバを用いて作られる。各センサユニツ
トS_Kは後述するように、光フアイバ遅延線１２_K
によつてそれぞれ自己に固有のポーリング周波数
が割当てられる。１４は光源としての発光素子、
例えば半導体レーザであり、１５は発光素子１４
の出力光波の強度変調を行うポーリング周波数発
生器である。発光素子１４からの出力光波は光フ
アイバ伝送線１０ａを介して上記センサネツトワ
ークの一端に供給され、他端からの出力光波を光
フアイバ伝送線１０ｂを介してホトダイオード等
の受光素子１６で検知し、その出力を検波器１
７，積分器１８および判定器１９に順次入力し
て、センサ情報の収集を行うようになつている。 いま、発光素子１４から光フアイバ伝送線１０
ａに送出される強度変調された光信号P_Sを P_S＝P_O（１＋mcos2π_Kｔ） とする。ここにP_Oは平均光電力、ｍは変調度、_K
はポーリング周波数である。センサユニツトS_K
において、光スイツチ１１_Kが閉じているとする
と、光フアイバ遅延線１２_Kで遅延時間τ_Kだけ遅
延された光信号の光電力は １／２P_O｛１＋mcos2π_K（ｔ＋τ_K）｝ となる。ただし、光分岐−合流器は3dB結合器で
あり、また光電力の加算は光干渉を生じないもの
とする。そうすると、このセンサユニツトS_Kの
出力電力P_Kは、光スイツチ１１_Kの状態函数a_K
（＝１または０）を用いて、 と表わされる。 即ち、センサユニツトS_Kは、その光伝送周波
数特性が、光スイツチ１１_Kがが断（a_K＝０）の
とき全周波数通過状態となり、光スイツチ１１_K
が閉（a_K＝１）のときcos（π_Kτ_K）＝０にて周波数
_Kが阻止されるフイルタ状態となる。a_K＝１での
周波数伝送特性は第３図に示すとおりである。 そこで例えば、各センサユニツトS_Kに割当て
る周波数の配列｛_K｝を、第４図に示すように、
_K＝2^K・_O（ただし_O＝1/2τ）に設定することに
より、直列接続された、複数のセンサユニツト
S_Kをポーリングできることになる。勿論、ポー
リング周波数の割当ては判定が可能であれば必ず
しも上記の如き配列でなくてもよい。 以上のようにしてこの実施例によれば、周波数
割当て方式を適用して複数のセンサユニツトを直
列配合してセンサネツトワークを構成し、タイム
スロツト同期装置のような複雑な回路を用いるこ
となく、１個当りのセンサ情報計測時間を有効に
使つて低速の処理でＳ／Ｎの高い信号処理を行う
ことができる。 第２図の実施例に示したセンサユニツトは、光
スイツチ断のときに光透過率が約1/2に低減する。
この点を改良した実施例のセンサユニツト構成を
第５図に示す。このセンサユニツトは、被計測量
によつて連動開閉する２つの光スイツチ２１ａ，
２１ｂによつて光フアイバ遅延線２２と十分短か
い光フアイバ伝送線２３を切換えるようにし、こ
の光スイツチ回路部を光分岐−合流器によつて光
フアイバ伝送線２４と並列接続している。 このような構成とすれば、光スイツチの状態の
如何にかかわらずセンサユニツトの光透過率はほ
ぼ一定となり、従つて安定した信頼性の高い信号
処理が可能となる。 次に使用する光スイツチの挿入損失によるセン
サユニツトの周波数阻止量の劣化を補償するよう
にした光分岐−合流器としての一体化カプラ構造
を第６図ａ，ｂにより説明する。同図ａは平面
図、ｂは斜視図である。1/4ピツチのロツドレン
ズ３１を用い、その一方の端面３２には軸を中心
に４本の光フアイバアレイM₁，M₂，B₁，B₂を
接続している。他方の端面３３は一部角度αをも
つて研磨し、端面３２にある光フアイバアレイ
M₁，M₂，B₁，B₂の一ピツチ分だけの位置オフ
セツト生じさせる構成として反射膜をコーテイン
グしてある。 この一体化カプラを用いて、M₁を入力ポート、
M₂を出力ポートとし、B₁とB₂の間に第５図に示
した光スイツチ２１ａ，２１ｂと光フアイバ遅延
線２２および伝送線２３からなる光スイツチ回路
部分を接続すれば、第５図のセンサユニツトとな
る。この場合、入力ポートであるM₁からの光信
号を、B₁に光スイツチ等の挿入損失分だけ多く
配合すべく、端面３３の垂直端面部の面積S₁を傾
斜端面部の面積S₂より大きく選ぶ。そうすると、
M₁からの光信号は、大きな面積の垂直端面部で
反射された部分が対称点にあるB₁に結合し、小
さい面積の傾斜端面部で反射された部分がM₂に
出力される。B₁から光スイツチや光遅延線を介
してB₂に結合される光信号は、大きな面積の垂
直端面部で反射されて対称点であるM₂に出力さ
れる。 従つて、光スイツチや光フアイバ遅延線からな
る光スイツチ回路部の光透過率がT_Kのとき、 C₁≡S₁／（S₁＋S₂） C₂≡S₂／（S₁＋S₂） として C₂＝C₁ ²・T_K C₁＋C₂＝１ をほぼ満たすような結合比C₁，C₂に設定するこ
とによつて、光スイツチ等による挿入損失の影響
を補償し周波数阻止量を最大にすることができ
る。 次に、直−並列接続による光センサネツトワー
クを構成した実施例を説明する。第７図はそのセ
ンサネツトワークを示している。センサユニツト
S_j ⁽ⁱ⁾（ｉ＝１，２，３、ｊ＝１，２，３，…）の
配列は、それぞれの直列部分が例えば_O ⁽ⁱ⁾ ・2^k（Ｋ＝０，１，２，…） なる阻止周波数系列に設定されている。このよう
な直列部分を並列化するために、図示のように群
阻止フイルタP₁ ⁽ⁱ⁾，P₂ ⁽ⁱ⁾を設け、ポーリングに対
して特定のセンサユニツトのみの状態で光センサ
ネツトワーク出力が支配されるようにする。即
ち、第１群のセンサユニツト配列S₁ ⁽¹⁾，S₂ ⁽¹⁾，…
が選択されるときには阻止フイルタP₁ ⁽¹⁾，P₂ ⁽¹⁾に
よつて第２群および第３群のセンサユニツト配列
S₁ ⁽²⁾，S₂ ⁽²⁾，…およびS₁ ⁽³⁾，S₂ ⁽³⁾，…は非選択状
態におかれる。第２群のセンサユニツト配列
S₁ ⁽²⁾，S₂ ⁽²⁾，…が選択されるときには阻止フイル
タP₁ ⁽²⁾，P₂ ⁽²⁾によつて第１群および第３群のセン
サユニツト配列S₁ ⁽¹⁾，S₂ ⁽¹⁾，…およびS₁ ⁽³⁾，S₂ ⁽³⁾，
…は非選択状態におかれる。以下同様である。 阻止フイルタP₁ ⁽ⁱ⁾，P₂ ⁽ⁱ⁾の具体的な構成基準を
以下に説明する。下表は、第７図の第１群センサ
ユニツト配列S₁ ⁽¹⁾，S₂ ⁽¹⁾，…に割当てられる周波
数配列の一例と、これに対応して設けられる阻止
フイルタP₁ ⁽¹⁾，P₂ ⁽¹⁾の各周波数での光透過率を示
したものである。L_nは各センサユニツトに用い
られる光フアイバ遅延線の長さである。また阻止
フイルタP₁ ⁽¹⁾，P₂ ⁽¹⁾に用いられる各光フアイバ遅
延線の長さはそれぞれ表に示したとおり、L₁＝
16.5ｍ，L₂＝33ｍである。

【表】 表から明らからなように、第１群のセンサユニ
ツト配列に割当てられるべき周波数配列₁ ⁽¹⁾、
₂ ⁽¹⁾、…に対して、阻止フイルタP₁ ⁽¹⁾，P₂ ⁽¹⁾を用
いると、○印を付けた周波数₁ ⁽¹⁾、₂ ⁽¹⁾、₆ ⁽¹⁾お
よび₇ ⁽¹⁾に対して十分な減衰を与えることができ
る。従つて第１群のセンサユニツトS₁ ⁽¹⁾S₂ ⁽¹⁾，…
として上記の周波数配列に設定した４個を用い
る。第２群および第３群のセンサユニツト配列に
ついても、それぞれ異なる基本周波数_O ⁽ⁱ⁾に対し
て同様の関係で阻止フイルタを設計する。こうし
て、阻止フイルタ４個とセンサユニツト４個で直
列部分を構成し、その３系列を並列化することで
12点の測定が可能となる。 なお上記実施例では、被計測量を光スイツチの
オン、オフにより２値情報として計測する例を説
明したが、例えば上記実施例において連動光スイ
ツチ点数を増して異なる遅延時間をもつ光フアイ
バ遅延線を挿入することで多値情報処理が可能で
ある。また、全周波数通過状態と割当てられた周
波数を阻止するフイルタ状態との間を連続的に利
用すれば、アナログセンサを構成することもでき
る。更に、直−並列接続によるセンサネツトワー
クは上記実施例のように群阻止フイルタを用いず
波長多重化を利用してもよい。更にまた、強度変
調は正弦波でなく矩形波であつても実用上問題は
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の時分割多重化光学的センサシス
テムの基本構成を示す図、第２図は本発明の一実
施例のセンサシステム構成を示す図、第３図およ
び第４図はそのセンサユニツトの周波数特性を示
す図、第５図はより好ましい実施例のセンサユニ
ツトを示す図、第６図ａ，ｂは同じく光分岐−合
流器の好ましい構成例を示す図、第７図は他の実
施例のセンサネツトワークを示す図である。 S₁，S₂，…，S_o……センサユニツト、１０ａ，
１０ｂ……光フアイバ伝送線、１１₁，１１₂，
…，１１_o……光スイツチ、１２₁，１２₂，…，
１２_o……光フアイバ遅延線、１３₁，１３₂，…，
１３_o……光フアイバ伝送線、１４……発光素子
（光源）、１５……ポーリング周波数発生器、１６
……受光素子、１７……検波器、１８……積分
器、１９……判定器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被計測量に応答する光スイツチと光フアイバ
   遅延線の直列回路が一対の光分岐−合流器により
   光フアイバ伝送線と並列接続されたセンサユニツ
   トが複数個直列接続されて構成されたセンサネツ
   トワークと、 このセンサネツトワークの一端に前記複数のセ
   ンサユニツトのそれぞれに割当てられた複数の周
   波数で強度変調された光波を供給する手段と、 前記センサネツトワークの他端から得られる出
   力光波を受光し前記各センサユニツトに割り当て
   られた周波数成分を検知してセンサ情報を収集す
   る手段と、 を備えたことを特徴とする光学的計測システム。