JPH06510863A - 複屈折温度センサ - 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】 複屈折温度センサ 本発明は、単一結晶金属酸化物板で形成された複屈折要素を育する光学温度セン サに関する。広帯域の光スペクトルが第１の直線偏光要素を通って伝達されて直 線偏光波を作り出す。直線偏光波は、単一結晶板を通過すると、第４の偏光波と 、これと直交する第２の偏光波とに分解される。複屈折単一結晶金属酸化物板を 通る直線偏光波の伝播は、２つの偏光波の間に温度依存相シフトを導入する。

しかる後、第２の直線偏光子が第１の偏光波と直交する第２の偏光波とを結合し て、変調光スペクトルを作り出す。この変調光スペクトル即ちフリンジパターン から得られる情報を使用して、複屈折単一結晶金属酸化物板の温度を測定する。

銅線を介して成る箇所から別の箇所まで作動パラメータを電気的に伝えるのが普 通である。これらの銅線は被覆されているにもかかわらず、電磁妨害と電磁パル スが、これらの銅線の電気信号に影響を及ぼすことがある。かかる妨害を除去す ると同時に伝達ラインの重量を減らそうとする場合には、作動パラメータをオプ チカルファイバを通る光信号の形態にするのが好ましい。

米国特許第４，５９８，９９６号は、ＬｉＴａ０＊又はＳｒｘ　Ｂａ１−ｘ　Ｎ ｂ＊Ｏｓのような複屈折結晶の屈折率の変化を伝えて周囲環境の温度を測定する ためにオプチカルファイバを使用する検出システムを開示している。この検出シ ステムのセンサは、比較的狭いスペクトル帯域の励起源を利用し、温度に対して 正弦的に変動する伝達強度の変化の検出に依存している。それ故、実用的な測定 範囲は振動出力の期間の２分の１以下に限定され、測定精度は強度検出計画によ って課される不確実性によって制限される。さらに、センサの材料のＬｉＴａ０ ｚ又はＳ　ｒ　ｘ　Ｂ　ａ　＋−ｘ　Ｎｂｔ　Ｏｓは、６６０°Ｃと最大２７０ °Ｃでそれぞれ強誘電性のキューり変移を受け、従って、温度が６６０°Ｃ以上 の環境では使用することができない。米国特許第４，９２８，００５号は、偏光 維持グラスファイバの性質を使用して温度を測定する多点センサを備えた検出シ ステムを開示している。この多点センサの温度範囲は、適当なファイバコーティ ングがなされている場合でさえ、米国特許第４，５９８，９９６号に開示された センサに対して、−１００″Ｃ〜＋３００°Ｃの作動温度範囲に限定される。

あいにく、多くの用途では、従来技術のセンサで利用できるよりもより高温かつ 広範囲で作動するセンサを備えた温度検出システムを必要としている。例えば、 静止箇所或いは温度が６６０℃を超える多数の部品を備えた航空機で使用される 作動タービンエンジンの制御、並びに、その作動パラメータの連続的な正確な知 識は、従来技術の光学温度センサを無力にするタービンエンジンを安全に作動さ せるのに必要とされる。

ランタンベリレイト（Ｌａ！Ｂｅｔ　Ｏｓ　）で形成された複屈折単一結晶金属 酸化物板を通して伝達される広帯域の光スペクトルを分析することによって得ら れた情報は、１ｏｏｏ°Ｃまでの環境において±１℃以上の精度で正確に温度を 測定することが分かった。我々は、この複屈折要素を、１９９１年５月２８［３ ｉこ出願された米国特許出願第７０６．４９２号に開示されているように、高温 偏光維持光学導波管を用いて結合して、タービンエンジンの部品が被るような環 境を示す電流信号を出す温度検出システム用のセンサを形成する。センサは、源 から直線偏光光学ケーブルの初期広帯域光スペクトルを直線偏光波に配向させる ための第１の直線偏光要素を有する。次いで、この直線偏光波は、第１の高温偏 光維持光学導波管を通って高温領域（即ち、複屈折単一結晶板が配置されている 環境）に伝達される。複屈折単一結晶板を初期広帯域光スペクトルの偏光に対し て適当に配向することによって、直線偏光波は、第１の偏光波と、これと直交す る第２の偏光波とに分解される。しかる後、第１の偏光波及び直交する第２の偏 光波の偏光を維持するため第２の高温偏光導波管に通された第１及び第２の偏光 波は再び結合されて、フリンジパターンをもつ変調光スペクトルを作り出す。第 ２の偏光要素に接続された第２のすブチカルケーブルが、変調光スペクトルを、 光電子インターフェイスまで搬送し、光電子インターフェイスにおいて、フリン ジパターンが抽出され、コンピュータコンパチブル信号がＣＰＵに対して発生さ れ複屈折要素が受ける１０００°Ｃまて電流環境温度を正確に表示する。

本発明の目的は、ｌ０００°Ｃまでの環境において±ｌ″Ｃの精度で温度を正確 に測定するための光学温度検出システムを提供することである。検出システムは 、第１の偏光要素と、光を高温帯域すなわち環境に搬送する第４の高温偏光維持 光７導波管と、高温帯域すなわち環境に配置されたランタンベリレイトの結晶板 で形成された複屈折単一金属酸化物板と、結晶板に通される変調光を高温帯域の 外に搬送する第２の高温偏光維持光学導波管と、第２の偏光要素と、接続用のす ブチカルファイバと、環境の温度を示す変調光から電流作動温度信号を得る光電 子インターフェイスとを有する。

本発明の別の目的は、複屈折要素に通された後の偏光広帯域スペクトルが偏光要 素によって分析されてフリンジパターンをもつ変調光スペクトルを作り出し、フ リンジパターンが複屈折要素の温度の関数である、センサ付き分光計を提供する ことである。

これらの目的および他の利点は、以下の図面を参照して本明細書を読むことによ って明らかであろう。

第１図は、ランタンベリレイトの単一結晶板および検光子に通されたとき、直線 偏光広帯域スペクトルが変調されて、単一結晶板が配置されている環境の電流温 度に対応するフリンジパターンを提供する、本発明によって構成された温度検出 システムの概略図である。

第２図は、第１図の光学センサの概略図である。

第３図は、第１図の結晶板に光を出し入れするための偏光維持光学導波管の概略 図である。

第４図は、結晶板に入り通過し出る前の、光スペクトルの概略図である。

第５図は、本発明によって構成された別の形態の温度検出システムの８８図であ る。

第１図に示されている温度検出システム１０は、第２図に示すセンサ１９を有し ており、センサ１９は、タービンエンジン内の領域の温度情報を提供するため種 々の位置に固定されるように設計されている。温度検出システムｌＯからの作動 信号は、光電子インターフェイス１１を通過した後、タービンエンジンの作動を 制御する中央処理ユニット（ＣＰＵ）４２に向けられる。第２図に示されるよう に、センサ１９の複屈折要素すなわち単一結晶板１２が、実際の高温環境下に置 かれている。タービンエンジンのシュラウド１７およびケーシング１５がオプチ カルファイバケーブル２０を保護しており、該ケーブル２０は、周囲環境１１の 体験する作動温度からセンサ１９に光源１４を接続している。

温度検出システムｌＯは、光放射ダイオードのような光源１４によって発生され る曲線１６で示されるような広帯域光スペクトルを利用している。広帯域光スペ クトルは、参照符号１８で示されるように無秩序に偏向され、オプチカルファイ バケーブル２０を通ってセンサ１９のコネクタに伝達される。コネクタ２１に向 けられる無秩序に偏向された光は、センサ１９の直線偏光子２２に直接連通され る。光は、直線偏光子２２を通過した後、第１図に示されるように、単一の偏光 面２４を存する。温度測定すべき高温環境から直線偏光子２２を保護するために 、第２図に示されるように、偏光維持用の光学導波管２８を利用して、複屈折セ ンサ要素又は単一の結晶板１２に偏向された光を伝播させる。高温光学導波管２ ８および、（米国特許出願第７０６．４９２号及びその一部継続出願に一層詳細 に記載されている）その偏向維持性状を、ここに参考として掲げる。

高温光学導波管２８には、第３図に示されるように、代用アルミニウムガーネッ トで形成された高屈折率のコア３０が、屈折率のより小さな被覆材料（イツトリ ウムアルミニウムガーネット）３２．３２′内に埋め込まれている。代用アルミ ニウムガーネットの高温光学導波管２８のコア３０には多くの材料が適している かもしれないが、イツトリウムアルミニウムガーネット（Ｙｓ　Ａ　１　＊　Ｏ １＊）に埋め込まれたルテチウムアルミニウムガーネット（（Ｔｂ、Ｌｕ）ｓ　 Ａｌｉ　Ｏ＋ｔ）を使用した。導波管２８のΔｎ値が、０．０２７であることを 発見した（ここで、Δｎは、テルビウムルテチウムアルミニウムガーネットのコ アの屈折率（ｎ−１，８５４５）と、イツトリウムアルミニウムガーネットの被 覆（ｎ＝１．　８２７５）との差を示す）。このΔｎ値は、オプチカルケーブル ２０におけるような代表的なオプチカルファイバのΔｎ値と同等である。製造の 際、導波管のコア３０と被覆材料３２．３２′と間に、格子状の不整合（ｌａｔ ｔｉｃｅ　ｍｉｓｍａｔｃｈ）が形成されるので、導波管のコア３０の平面内に 応力が引き起こされる。この応力は複屈折を引き起し、光が光学軸線３１と平行 に或いは光学軸線３１に対して直角に偏向されたとき、コア３０が入射光の偏向 を維持させる。この出願に関しては、センサ１９の導波管２８は、１〜３インチ （２，５〜７．　５ｃｍ）の長さを有しており、この長さは、単一の結晶板即ち 複屈折要素１２への作用が悪影響を及ぼさない状態で、直線偏光子をタービンエ ンジン内の環境１１、即ち環境１１の温度から遠去けて位置決めするのに十分で ある。偏光維持用導波管のコア３０の光学軸線は、直線偏光子２２の光学軸線と 平行に或いは９０°の角度をなして整列している。導波管２８の面２７に提供さ れる光の偏光度は、複屈折要素即ち単一結晶板１２の面２９に提供されるとき（ 第４図）、実質的に変化しない。

本発明では、複屈折要素１２は、通常ＢＥＬと言われている単一の結晶ランタン ベリレイト（Ｌａｗ　Ｂｅｔ　Ｏｓ　）の薄板から構成されている。ＢＥＬは、 大きな複屈折／温度係数、即ちｄＢ／ｄＴを有する。

一般的に、結晶はその物理的性状に関して異方性である。すなわち、物性値は結 晶の方向に対して変動する。屈折率の異方性は複屈折と呼ばれる。ＢＥＬは、３ つの直交方向Ｘ、Ｙ、Ｚに対して３つの異なる主屈折率を有する光学的二軸結晶 である。第４図は、複屈折要素すなわち単一の結晶板１２を通して伝播する、２ つの直交偏光波２４．２６を示している。これらの２つの波２４．２６の電気偏 光ベクトルはＸ方向とＺ方向にそれぞれ配向され、波はＹ方向に伝播する。

複屈折結晶１２の面２９に入射するとき、直線偏光波２３は、２つの直交偏光波 に分解される。２つの波２４．２６は、直線偏光子を、複屈折結晶１２のＸおよ びＺ軸線に対して４５°に配向することによって、容易に発生される。これらの ２つの波は、複屈折要素すなわち単一結晶板１２を通して、反射率ｎｘｓｎｚの 相違により異なる速度で伝播する。それ故、複屈折結晶１２に入射するとき零位 相差を示す２つの波２４．２６は、面３１に入射するとき一定の位相差ΔΦを示 す。位相差ΔΦは、反射率ｎｘ　、ｎｚ　、複屈折要素すなわち単一結晶板１２ を通る経路長ｄ、複屈折要素すなわち単一結晶板１２の温度、及び広帯域スペク トル、即ち源１４からの光の波長の相違によって決まる。複屈折要素すなわち単 一結晶板１２を通る伝播の後、２つの直交偏光波３４．３６は、（ｎ−１）ｘ３ ６０°の位相偏移については元の方向２３に沿って偏光され、（２ｎ−１）Ｘ１ ８０°の位相偏移については元の方向２３に対して９０°に偏光され、（２ｎ− １）×９０°　（ここで、ｎ＝１．２．３・・・）の位相偏移については円形偏 光され、そして他の全ての位相偏移については楕円偏光された直線偏光波を形成 するように、結合される。

２つの直交する偏光波３４．３６は、複屈折要素すなわち結晶板１２を出ると、 導波管２８と同じ構造である第２の偏光維持導波管３８に差し向けられ、検光子 と通常呼ばれる第２の直線偏光子４０まで搬送される。第１の直線偏光子２２と 第１の光学維持導波管２８についてと同様に、第２の直線偏光子４０の光学軸線 と第２の偏光維持導波管３８の光学軸線は互いに平行に或いは９０°の角度をな して整列している。しかしながら、第１の直線偏光子２２、第１の光学維持導波 管２８、第２の直線偏光子４０および第２の偏光維持導波管３８は、２つの直交 偏光波３４．３６において等振幅を確保するため、複屈折要素すなわち単一結晶 板１２のＸ、Ｚ軸線に対して４５°の角度をなして又はその奇数倍に配向されて いる。か（して、２つの直交偏光波が第２の直線偏光子４０によって結合された とき、変調光スペクトルは、第１図の曲線５０で示されるようなフリンジパター ンを有するものとして生成される。この変調光スペクトルは、オプチカルファイ バケーブル４６で光電子インターフェイス１１まで搬送される。光電子インター フェイス１１のプリズム４８が、光電子インターフェイス１１のコンディショナ ４１と関連した光検出器５２の列に焦点を合わせるように、変調光スペクトルを レンズ格子組立体に差し向ける。コンディショナ４１は、１９９１年９月１９日 に出願された米国特許出願第７６２，８３７号に教示されているようにフリンジ パターンが引き出されるＣＰＵ４２に連通された出力信号を出すように、検出器 ５２からの信号に作用する。

所定の波長間隔λ１〜λ２におけるフリンジの数Ｎ、および温度の関数としての フリンジの数の変化は、次式によって計算することができる。

Ｎ＝ｄ　（１／λ１〜ｌ／λりＢ ｄＮ／ｄＴ＝ｄ　（１／λ１〜ｌ／λ、）ｃｔＢ／Ｔここで、Ｂ：所定温度での 結晶の複屈折ｄ：複屈折結晶板の厚さ λ１　ニスベクトルの最小波長 λ、ニスベクトルの最大波長 かくして、フリンジの数を数えることによって、複屈折要素すなわち単一結晶板 １２が配置されている環境１１の電流温度を決定することができる。

先の実験により、ＢＥＬの複屈折度Ｂは０．０７であり、温度０°Ｃ−１０００ °Ｃにおける温度に対する複屈折度の変化ｄＢ／ｄＴは、９．０９Ｘ１０−’で あることが決定された。λ＋＝７８０１Ｈλｘ　＝８８０ｒａ、　ｄ＝　１ｍｎ ＋であると仮定すると、 Ｎ＝ｌ　Ｏ−’ｘ　（１／７８０−１／８８０）ＸＩＯ’　ｘｏ、０７Ｎ＝１０ フリンジ ｄＮ／ｄＴ＝１０−’Ｘ　（１／７８０−１／８８０）ＸＩＯ”Ｘ９．０９Ｘ１ ０−’ ｄＮ／ｄＴ＝０．Ｏｌ　３フリンジ／℃上記のパラメータおよび米国特許出願第 ７６２，８３７号に開示されたフリンジ計数方法を使用した温度検出システム１ ０の実際のテストでは、タービンエンジンの作動温度として、ＣＰＵ４２に対し て１０００℃まで士ピＣ以内で正確な電流環境温度が発生された。

第１図に関連して説明した温度検出システムｌＯに使用するセンサ１９は、透過 モード（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｅ）においてのみ作動する。すなわ ち、光は、システム１０の各要素を１度だけ一方向にのみ通過する。成る作動条 件の下では、単一の複屈折要素すなわち単一の結晶板に通されたとき変調波が第 ５図に示されるように温度検出システム２１０を通ってスプリッタに反射される 場合には、よりコンパクトなセンサ１１９が望ましい。源１００からの広帯域光 スペクトルが、オプチカルファイバケーブル１０２を介してファイバカブラ又は スプリッタ１０１に差し向けられる。スプリッタ１０１は、源１００からの光で はなく、複屈折要素すなわち単一結晶板＋０５からシステム２１０に反射された 変調光にのみ影響を及ぼす。スプリッタ１０１に通された後、源１００からの光 は、単一の直線偏光子１０３、第３図に示した型式の偏光維持導波管１０４、次 いで複屈折結晶板１０５に伝達される。温度検出システム１０におけるように、 広帯域光ズベクトルは、互いに平行に或いは９０°の角度をなして配列されてい る直線偏光子１０３および偏光維持導波管１０４の光軸上に伝達され、複屈折要 素すなわち単一結晶板１０５のＸ、Ｚ軸線は、偏光維持導波管１０４および直線 偏光子１０３の光軸と４５°或いはその奇数倍のところに整列されている。複屈 折要素すなわち単一結晶板１０５に入ると、直線偏光波は２つの偏光波に分解さ れ、これらの偏光波は、複屈折要素すなわち単一結晶板１０５に通されると、第 ４図に示されるのと同様に、屈折率Ｎ工、Ｎ、の相違により位相偏移を受ける。

複屈折要素すなわち単一結晶板１０５に通された後、２つの偏光波は、リフレク タ１０６によって複屈折要素すなわち単一結晶板１０５に反射される。リフレク タ１０６は、高反射金属鏡でもよく、或いは複屈折要素すなわち単一結晶板１０ ５に直接蒸着された反射フィルムでもよい。複屈折要素すなわち単一結晶板１０ ５を出ると、直交偏光反射波は、偏光維持導波管１０４を通して直線偏光子１０ ３まで戻され、そこで２つの波は結合されて、曲線１１０で示されるようなフリ ンジパターンをもつ変調光スペクトルを生成する。複屈折要素すなわち単一結晶 板１０５の厚さが第１図の複屈折要素すなわち単一結晶板１２の厚さの半分であ り、かつ、双方の温度が同じである場合には、曲線１１０と曲線５０とは、波長 を通じて同じフリンジパターンを有する。

温度検出システム２１０では、ファイバカプラーすなわちスプリッタ１０１に搬 送された変調光スペクトルの一部、即ち５０％程度が、ファイバケーブル１０９ によって光電子インターフェイス１１１に連通され、そこで、フリンジパターン は、第１図の温度検出システム１０におけるように抽出される。透過温度検出シ ステム１０に対する反射温度検出システム２１０の使用による利点として、１つ の偏光子１０３と偏光維持導波管１０４のみが必要であり、そして、光が２度板 を通って伝播するので、複屈折要素すなわち単一結晶板１０５の厚さは半分でよ い。

曙 Ｌ　＋＋＋＋　−−−−ｊ 手続補正書 ６、５．２５　％ 平成　年　月　日

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．センサ（１９）の体験する電流環境温度状態を示す信号をＣＰＵ（４２）に 提供する温度システム（１０）に使用するためのセンサ（１９）において、第１ のオプチックケーブル（２０）で伝えられる源（１４）から連通される初期広帯 域光スペクトル（１６）を配向して直線偏光波（２３）にするための第１の直線 偏光要素（２２）と、直線偏光要素（２２）に隣接して配置されていて、直線偏 光波（２３）を直線偏光要素（２２）から受け入れるための複屈折要素（１２） とを含み、直線偏光波（２３）は、第１の偏光波（２４）と、これに直交する第 ２の偏光波（２６）とに分解され、第１の偏光波（２４）および第２の偏光波（ ２６）は、複屈折結晶板を通って伝播するとき、位相偏移を体験し、 第１および第２の偏光波（２４、２６）を結合してフリンジパターン（５０）を もつ変調光スペクトルを作り出すための第２の直線偏光要素（４０）をさらに含 み、フリンジパターン（５０）は、複屈折要素（１２）の受ける電流温度の関数 であり、 第２の直線偏光要素（４０）に接続されていて、変調光スペクトルを光電子イン ターフェイス（１１）まで搬送するための第２のオプチックファイバケープル（ ４６）をさらに含み、光電子インターフェイス（１１）において、フリンジパタ ーン（５０）が抽出され、コンピュータコンパチブル信号がＣＰＵ（４２）に対 して発生され複屈折要素（１２）が受ける１０００℃まで電流環境温度を正確に 表示する、 ことを特徴とするセンサ。
2. ２．複屈折要素（１２）は、複屈折率Ｂが０．０７であり且つ温度に対する複屈 折率の変化率ｄＢ／ｄＴが９．０９×１０−４／℃であるランタンベリレイトで 形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサ。
3. ３．フリンジパターン（５０）は、複屈折要素（１２）の厚さ、初期光スペクト ル（１８）の波長、および複屈折要素（１２）の温度によって決まることを特徴 とする請求の範囲第２項に記載のセンサ。
4. ４．複屈折要素（１２）のＸ、Ｚ軸線は、フリンジパターン（５０）を最大にす るため、第１および第２の直線偏光要素子（２２、４０）の光軸、および第１お よび第２の高温偏光維持導波管（２８、３８）の光軸に対して４５°の奇数倍の 角度に配向されていることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のセンサ。
5. ５．前記配向角度は、フリンジパターン（５０）を最大にするため、４５°であ ることを特徴とする請求の範囲第４項に記載のセンサ。