JPH06241929A

JPH06241929A - 光ファイバーセンサー

Info

Publication number: JPH06241929A
Application number: JP5056591A
Authority: JP
Inventors: Yusaku Fujii; 雄作藤井; Osamu Kamatani; 修鎌谷
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-22
Filing date: 1993-02-22
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】高精度な多点型光ファイバーセンサーを提
供することを目的とする。【構成】入射光に対して複数の光路長を有する戻り
光が生じる光ファイバーを受感部として用い、参照光を
複数の異なる光路長を有する光から構成する手段、およ
び、参照光および／または信号光の光路長を変化させる
手段とを有する、インコヒーレント光源を光源とした干
渉計を光路長の計量部として用いた、受感部と計量部と
により構成されたことを特徴とする多点型光ファイバー
センサーとすることにより、高精度な多点型光ファイバ
ーセンサーを提供することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、温度、圧力等の分布測
定に用いられる多点型光ファイバーセンサーに関し、特
に、光路長の精密測定により、所望の測定量を高精度に
測定することが可能な多点型光ファイバーセンサーに関
する。

【０００２】

【従来の技術】

【発明が解決しようとする課題】光ファイバーは、温
度、力等の外的な擾乱に対して、光ファイバーの長さ
Ｌ、および、屈折率ｎとが変化し、その結果、光路長Ｌ
・ｎが変化する。従来より、光ファイバーのこの性質を
利用して、光ファイバーを用いた温度計、音圧計、力セ
ンサー、加速度計、磁界計、等、様々な高精度な光ファ
イバーセンサーが考案されている。

【０００３】特に、１本の光ファイバを設置することに
よって、長距離に渡って温度分布等を測定することが可
能な、分布型光ファイバーセンサーあるいは多点型光フ
ァイバーセンサーは、電力系統、石油プラント等の異常
検出等に用いられ、実用上の利点は大きい。

【０００４】従来技術による分布型光ファイバーセンサ
ーにおいては、光ファイバー中の後方レーリー散乱、後
方ラマン散乱、後方ブリルアン散乱、偏波維持ファイバ
ーの偏波結合係数等、光ファイバーの属性そのものをセ
ンシング原理として用い、位置の判定には、入射パルス
に対する反射光を時間領域で測定する方法が用いられて
いる。しかしながら、例えば温度センサーとして用いた
とき、１０ｎｓ以下の光パルスを用いても空間分解能は
１ｍ程度となり、また、温度精度は±１度程度である。

【０００５】一方、光路長の精密計測による、所望の測
定量の精密測定方法として、エタロン共振器の原理を用
いたもの、各種干渉計を用いたもの等、様々なものがあ
るが、これらを多点型とするには様々な制約条件があっ
た。また、光パルスを用いた時間領域反射光分布計測手
法により光路長を計測する方法では、パルス光発生器、
および、受光器の制約により、精密な測定は行えない。
また、光源の周波数を掃引して透過光あるいは反射光強
度を測定する方法等においても、多点型とする際に困難
を生じる。

【０００６】上記点に鑑み、本発明においては、温度、
圧力等の分布測定に用いられる多点型光ファイバーセン
サーに関し、特に、光路長の精密測定により、所望の測
定量を高精度に測定することを可能とする多点型光ファ
イバーセンサーを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は以下の事項を特
徴とする光ファイバーセンサーである。入射光に対して
複数の光路長を有する戻り光が生じる光ファイバーを受
感部として用い、参照光を複数の異なる光路長を有する
光から構成する手段、および、参照光および／または信
号光の光路長を変化させる手段とを有する、インコヒー
レント光源を光源とした干渉計を光路長の計量部として
用いた、受感部と計量部とにより構成されたことを特徴
とする多点型光ファイバーセンサーである。本センサー
の受感部に用いる光ファイバーとして入射光に対して
複数の光路長を有する戻り光が生じることを特徴とする
光ファイバーがある。特に、導波路内に複数の反射体を
有することを特徴とする、前記の光ファイバーがある。

【０００８】さて、図１に、本発明の基本構成を説明す
るための図を示す。本発明による、光ファイバーセンサ
ーは、光路上に複数の反射体を有する受感部１００と、
各反射体間の光路長を計測する計量部１１０よりなる。
この図に示した例では、受感部１００としては単モード
光ファイバーに６箇所にクラックを入れたものを利用
し、計量部１１０としては平成５年２月１５日提出の特
許願（名称：干渉計、整理番号：ＦＫ０５０２００２）
により開示した干渉計を用いた。

【０００９】計量部１１０の内部に設けたインコヒーレ
ント光源１１９から出射した光は、ハーフミラー１１１
−１によって信号光と参照光とに２分される。信号光
は、光ファイバー受感部１００へ導かれ、光ファイバー
内部の半透過反射体１０１ー１〜６により、順次、透過
あるいは反射される。それら反射光は、ハーフミラー１
１１−２によって光検出器１１５へ到達する。

【００１０】一方、参照光は、まず、光遅延手段１１３
へ導かれる。光遅延手段１１３内部において、入射した
参照光は、入射した光の一部を反射する反射鏡１１６に
より、光ファイバーループ１１７へ導かれる。光ファイ
バーループに導かれた光は、１周するごとに、光周波数
シフタ１１８により光周波数シフトｆ₀を与えられ、そ
の一部分が反射鏡１１６によりループ１１７の外に取り
出される。こうして、参照光は、光ファイバーループ長
Ｌｆづつ異なる光周波数シフトを受けた複数の光路長を
有する光から構成される。

【００１１】参照光は、さらに、ハーフミラー１１１−
３によって、光路長を十分に大きな範囲に渡り、小さな
ピッチで変化させる可動ミラー１１２へ導かれる。可動
ミラー１１２によって反射した光は、ハーフミラー１１
１−４によって光検出器１１５へ到達する。ここで、可
動ミラーの掃引させて、光検出器において干渉成分を検
出する。なお、光周波数シフタ１１８によって、参照光
は周回数ごとに光周波数のシフトを受けているので、干
渉成分をヘテロダイン検出することにより、各周回数ご
との干渉成分を分離できる。

【００１２】本発明では、内部に複数の反射体を有する
光ファイバー、および、各反射体間の光路長を計測でき
る計量部とで構成された分布型光ファイバーセンサーと
することにより、所望の測定量の変化を、各反射体間の
光路長の変化によって測定する。従って、従来手法のよ
うに散乱光等の強度変化等を測定する手法に比べて、温
度や圧力等の所望の測定量の変化を、各反射体間の光路
長の変化を測定することで、高精度に検出することが可
能となる。

【００１３】また、本発明における光ファイバーセンサ
ーの受感部は、入射した光に対して、複数の光路長を有
する戻り光（反射光を含む）が生じればよく、その導波
路中に複数の反射物、あるいは、入射した光の向きを変
えて戻す光ファイバーループ等が存在すればよい。ま
た、１本の一体となった光ファイバーである必要はな
い。また、反射体も、入射光の一部を反射し一部を透過
させれる機能があればよく、導波路中のクラック（亀
裂）、不純物、析出物、反射鏡等、本発明の主旨を逸脱
しない範囲において種々の変形例が含まれる。

【００１４】

【作用】図１に基づいて、本発明による光ファイバーセ
ンサーの作用を説明する。図１において、信号光は、光
ファイバーからなる受感部１００の内部に位置する複数
の反射体から反射された、複数の光路長を有する光の和
となっている。この各光路長の計測の仕方を以下に説明
する。

【００１５】信号光の光路長をＬｓ、参照光の光路長を
Ｌｒとし、光ファイバーループ１０７の１周当たりの光
路長をＬｆ、可動ミラーによる光路長の変化量をＬｍ、
その最大変化量を（Ｌｍ）ｍａｘ、参照光の光路長Ｌｒ
において光ファイバーループと可動ミラーの部分以外の
光路長の合計をＬｃとする。参照光の光路長は光ファイ
バーループをさまざまな回数ｎだけ周回した成分が合成
されたものとなっている。したがって、Ｌｒは次のよう
に表現される。

【００１６】Ｌｒ＝ｎ・Ｌｆ＋Ｌｍ＋Ｌｃ（ｎ＝０，
１，２，３，・・・）０≦Ｌｍ≦（Ｌｍ）ｍａｘここで、（Ｌｍ）ｍａｘ≧Ｌｆとすることにより、可動
ミラー１０２を適当な位置に置くことにより、参照光を
任意の大きさの光路長を有する光と、その光路長との差
がｎ・Ｌｆ（ｎは整数）である無数の光との和とするこ
とができる。

【００１７】スペクトル線幅の広いインコヒーレント光
源を用いた場合、信号光と参照光が干渉するのは、両者
の光路差｜Ｌｓ−Ｌｒ｜がゼロになるときのみである。
任意の光路長の信号光に対して、可動ミラー１０２を適
当な位置に置くことにより信号光と参照光が干渉させる
ことができる。ここで、この時のＬｍの大きさを（Ｌ
ｍ）₀とし、参照光の成分のなかで信号光と干渉した光
の光ファイバーループの周回数ｎをＮとすると、信号光
の光路長Ｌｓは次のように表現される。

【００１８】Ｌｓ＝Ｎ・Ｌｆ＋（Ｌｍ）₀＋Ｌｃここで、周回数Ｎは、ヘテロダイン検出された周波数ｆ
₁と、参照光が光ファイバーループを１周するごとに与
えられた光周波数シフトｆ₀とにより、次式で与えられ
る。Ｎ＝ｆ₁／ｆ₀

【００１９】従って、可動ミラーを掃引する過程で、光
検出器において大きな干渉出力が検出されたとき、その
ヘテロダイン周波数ｆ₁と、そのときの可動ミラーによ
る光路長の変化量（Ｌｍ）₀とにより、信号光の光路長
Ｌｓを求めることができる。この方法により、光源から
各反射体１０１−１〜６を経由し光検出器までの光路長
を、光源の可干渉距離程度の精度、つまり数１０ミクロ
ンの空間分解能で測定することが可能となる。従来技術
として知られるように、インコヒーレント光源としてス
ーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）等を用いれ
ば、可干渉距離は数１０ミクロン程度となる。各反射体
１０１−ｎと１０１−（ｎ＋１）間の往復の光路長Ｌｎ
は、各反射体までの往復距離の差として容易に求まる。

【００２０】すなわち、１本の光ファイバーの内部に多
数存在する反射鏡の間の光路長を、個別に、数十μｍの
分解能で計量できる。本発明により、１本のファイバー
による多点計測を可能とする、温度、圧力等の外的擾乱
による光ファイバーの光路長の変化を利用した、光ファ
イバーセンサーを提供することが可能となる。なお、各
反射体までの光路長は互いに分離できるだけのバイアス
があればよく、後述のように、並列に配置してもよい。

【００２１】例えば、石英ファイバーにおいては、１ｍ
のファイバーが１℃変化すると、光路長は２０μｍ程度
変化するので、分解能１℃の多点型光ファイバー温度計
を構成するには、ファイバー内に１ｍ間隔で反射鏡を設
置すればよい。それぞれの反射体からの反射光をより確
実に分解するために、各反射体の間隔を、いくつかの区
間の光路長の和が、それよりも光源に近くに位置する区
間の光路長の和とはならないような、不等間隔としても
よい。なお、ここで、和をとる際には、同一の区間の光
路長（間隔）を何度足してもよい。

【００２２】

【実施例】図２に、本発明を多点型温度計に適用した実
施例を説明するための図を示す。光ファイバー受感部
は、光ファイバーコイル２０２−１〜５よりなる、計測
ユニット２０１−１〜５により構成されている。各ユニ
ット２０１−１〜５は半透過反射鏡を兼ねた連結器２０
３−１〜５および２０４−１〜５により連絡ファイバー
２０５−１〜５を介して直列に連結されている。この例
では、例えば、計測ユニット２０１−１における光路長
は、連結器２０３−１と２０４−１と間の光路長として
求まる。光ファイバーコイル長を１ｋｍ程度とすること
により、温度精度±0.01度が容易に達成される。また、
このように、計測ユニットに分割可能とすることで、取
扱いが便利になる。この温度計は、光ファイバーセンサ
ーの特徴を活かし、爆発性雰囲気、高電圧、強磁界、腐
食性雰囲気等での、使用に特に好適である。

【００２３】図３に、本発明の他の実施例を説明するた
めの図を示す。この例では、計測ユニット３０１−１〜
３は、それぞれ、光ファイバーコイル３０２−１〜３を
有し、光ファイバーコイル３０２−１〜３は、主光ファ
イバー３０５にカプラー３０６−１〜３により並列に連
結されている。各光ファイバーコイル３０２−１〜３の
端部の、主光ファイバー３０５寄りには半透過反射体３
０３−１が，もう一方の端には全反射鏡３０４−１が配
置されている。光ファイバーコイルの光路長は、その両
端の反射鏡で反射した信号光の光路長の差として求めら
れる。すべて信号光の光路がある程度以上大きい場合に
は、参照光の光遅延手段１１３における減衰を抑制する
目的で、光ファイバーコイル３０７等を参照光路上に置
いてもよい。

【００２４】この例のように、並列化する場合は、各反
射体の光源までの光路長に十分な差が生じるように注意
し、互いに分離可能とする必要がある。例えば、光ファ
イバーコイルの長さが１ｋｍとし、各ユニットの間隔が
１ｍ、ユニット総数が１００個の場合は、何の困難も生
じない。また、各カプラーの結合比分布は、計測ユニッ
ト総数に合わせて、各計測ユニットからの戻り光の最小
値が最大となるように設定するとよい。

【００２５】図４に、本発明の他の実施例を説明するた
めの図を示す。インコヒーレント光源４００から出射し
た光は、光ファイバー４０７を介して光結合器４０１−
１によって２分される。光源４００は、駆動回路によっ
て適切に駆動され、パルス光あるいは連続光が出射され
る。一方の光は、光ファイバー受感部４０４へ導かれ、
戻り光が、光結合器４０１−２及び４０１−４によって
光検出器４０５へ到達する。もう一方の光は、光結合器
４０３及び光周波数シフタ４０６によって構成された、
光遅延ループを通過した後、光導波路および光方向性結
合器が基板上に集積された光路長変化手段４０２へ導か
れる。光路長変化手段４０２からの出射光は、光結合器
４０１−４によって光検出器４０５へ到達する。

【００２６】光ファイバー受感部４０４は、主光ファイ
バー４０８と、それに、光結合器４０９−１〜２および
４１０−１〜２により結合された光ファイバーコイル４
１１−１〜２より構成されている。この例では、反射体
は存在しない。光ファイバー受感部に入射した光は、光
ファイバーコイルを経由して計量部１１０に戻る。この
時、この戻り光の光路長に占める光ファイバーコイルの
光路長を十分に大きくとることにより、検出された光路
長の変化は、光ファイバーコイル部での変化であると近
似することが可能となる。

【００２７】上記の実施例は本発明を明確に説明するた
めのものであって、本発明の主旨を逸脱することなく、
種々の変形例が実施可能である。

【発明の効果】以上に述べたように、本発明では、入射
光に対して複数の光路長を有する戻り光が生じる光ファ
イバーを受感部として用い、参照光を複数の異なる光路
長を有する光から構成する手段、および、参照光および
／または信号光の光路長を変化させる手段とを有する、
インコヒーレント光源を光源とした干渉計を光路長の計
量部として用いた、受感部と計量部とにより構成された
ことを特徴とする多点型光ファイバーセンサーとするこ
とにより、高精度な多点型光ファイバーセンサーを提供
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による、多点型光ファイバーセンサーの
基本構成を説明するための図。

【図２】本発明を多点型温度計に適用した実施例を説明
するための図

【図３】本発明による、実施例を説明するための図。

【図４】本発明による、実施例を説明するための図。

【符号の説明】

１００光ファイバーセンサーの受感部１０１受感部１００の内部に存在する反射体１１０信号光の光路長の計量部１１１ハーフミラー１１２光路長を変化させる可動ミラー１１３光遅延手段１１５光検出器１１６半透過反射鏡１１７光ファイバーループ１１８光周波数シフタ１１９インコヒーレント光源２０１計測ユニット２０２光ファイバーコイル２０３半透過反射体２０４半透過反射体２０５計測ユニット間の連絡用光ファイバー３０１計測ユニット３０２光ファイバーコイル３０３半透過反射鏡３０４全反射鏡３０５計測ユニット間の連絡用光ファイバー３０７光ファイバーコイル４００インコヒーレント光源４０１光結合器４０２光集積回路により構成された光路長変化手段４０３光結合器４０４被測定光ファイバ４０５光検出器４０６光周波数シフタ４０７光ファイバ４０８主光ファイバー４０９光結合器４１０光結合器４１１光ファイバーコイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光に対して複数の光路長を有する戻
り光が生じる光ファイバーを受感部として用い、参照光
を複数の異なる光路長を有する光から構成する手段、お
よび、参照光および／または信号光の光路長を変化させ
る手段とを有する、インコヒーレント光源を光源とした
干渉計を光路長の計量部として用いた、受感部と計量部
とにより構成されたことを特徴とする多点型光ファイバ
ーセンサー。
【請求項２】入射光に対して複数の光路長を有する戻
り光が生じることを特徴とする光ファイバー。
【請求項３】導波路内に複数の反射体を有することを
特徴とする、請求項２に記載の光ファイバー。