JPH067063B2 - 干渉型光ファイバセンサを用いた測定装置 - Google Patents
干渉型光ファイバセンサを用いた測定装置Info
- Publication number
- JPH067063B2 JPH067063B2 JP62064400A JP6440087A JPH067063B2 JP H067063 B2 JPH067063 B2 JP H067063B2 JP 62064400 A JP62064400 A JP 62064400A JP 6440087 A JP6440087 A JP 6440087A JP H067063 B2 JPH067063 B2 JP H067063B2
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- JP
- Japan
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- optical fiber
- wavelength
- unit
- light source
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- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は干渉型光ファイバセンサを用いた物理量測定装
置に関するものであり、特に、温度、圧力等の物理量を
高感度に測定する装置に関するものである。
置に関するものであり、特に、温度、圧力等の物理量を
高感度に測定する装置に関するものである。
干渉型光ファイバセンサを用いた測定は、高感度な計測
ができるため、種々の応用が期待されている。すなわ
ち、可干渉性光源から出射する光束を２つの光束に分け
て光ファイバ中を伝搬させ、これら２つの光束の位相差
が該光ファイバに加わる被測定物理量に応じて変化する
ことに着目し、２光束の干渉状態から被測定物理量を測
定するものである。干渉光信号の検出には、ホモダイン
法とヘテロダイン法が考えられており、ホモダイン法は
ヘテロダイン法に比べ、大掛かりな周辺装置を必要とせ
ず、レンズ、偏光子等の基本的な光学部品のみで簡単に
測定系を構成することができるという利点を有してい
る。
ができるため、種々の応用が期待されている。すなわ
ち、可干渉性光源から出射する光束を２つの光束に分け
て光ファイバ中を伝搬させ、これら２つの光束の位相差
が該光ファイバに加わる被測定物理量に応じて変化する
ことに着目し、２光束の干渉状態から被測定物理量を測
定するものである。干渉光信号の検出には、ホモダイン
法とヘテロダイン法が考えられており、ホモダイン法は
ヘテロダイン法に比べ、大掛かりな周辺装置を必要とせ
ず、レンズ、偏光子等の基本的な光学部品のみで簡単に
測定系を構成することができるという利点を有してい
る。
第６図(a)は、従来のホモダイン法による干渉型光ファ
イバセンサ測定装置を示す基本構成図であり、可干渉光
源部１、二光束分離部２、干渉型光ファイバセンサ３、
ホモダイン型光検出部４を備えている。同図(b)は、こ
のような測定系における干渉型光ファイバセンサ３にマ
ッハツェンダ型センサを用いた具体例を示すものであ
り、可干渉光源部１としてレーザ５、二光束分離部２と
してハーフミラー６、ホモダイン型光検出部４としてフ
ォトダイオード６が用いられている。測定用光ファイバ
７に与えられる被測定物理量が変化すると、測定用光フ
ァイバ７を伝搬する光束と参照用光ファイバ８を伝搬す
る光束との位相差が変化し、ハーフミラー９で干渉させ
た光の強度をフォトダイオード６で検出する。同図(c)
は干渉型光ファイバセンサ３に偏波干渉型センサを用い
た具体例を示すものであり、偏光子１０から出射する直
線偏光が光ファイバ１１において互いに直交する２光束
に分離され、光ファイバ１１に与えられる被測定物理量
に応じてこの２光束の位相差が変化する。検光子１２で
は、その干渉光を取り出しその光強度をフォトダイオー
ド６で検出する。
イバセンサ測定装置を示す基本構成図であり、可干渉光
源部１、二光束分離部２、干渉型光ファイバセンサ３、
ホモダイン型光検出部４を備えている。同図(b)は、こ
のような測定系における干渉型光ファイバセンサ３にマ
ッハツェンダ型センサを用いた具体例を示すものであ
り、可干渉光源部１としてレーザ５、二光束分離部２と
してハーフミラー６、ホモダイン型光検出部４としてフ
ォトダイオード６が用いられている。測定用光ファイバ
７に与えられる被測定物理量が変化すると、測定用光フ
ァイバ７を伝搬する光束と参照用光ファイバ８を伝搬す
る光束との位相差が変化し、ハーフミラー９で干渉させ
た光の強度をフォトダイオード６で検出する。同図(c)
は干渉型光ファイバセンサ３に偏波干渉型センサを用い
た具体例を示すものであり、偏光子１０から出射する直
線偏光が光ファイバ１１において互いに直交する２光束
に分離され、光ファイバ１１に与えられる被測定物理量
に応じてこの２光束の位相差が変化する。検光子１２で
は、その干渉光を取り出しその光強度をフォトダイオー
ド６で検出する。
ところが、ホモダイン法では、ホモダイン型光検出部す
なわち、光−電気変換器を介して検出されるセンサ出力
Ｉは、２光束の位相差φの余弦関数 Ｉ＝１＋cosφ (1) であるため、被測定物理量Ｓに相当する位相差φの多価
関数となる。したがって、逆に、被測定物理量Ｓを一義
的に決定できるのは、位相差φが０≦φ≦πの範囲内に
あるときに限定される。
なわち、光−電気変換器を介して検出されるセンサ出力
Ｉは、２光束の位相差φの余弦関数 Ｉ＝１＋cosφ (1) であるため、被測定物理量Ｓに相当する位相差φの多価
関数となる。したがって、逆に、被測定物理量Ｓを一義
的に決定できるのは、位相差φが０≦φ≦πの範囲内に
あるときに限定される。
一方、被測定物理量の変化をΔＳ、被測定物理量に比例
する位相変化をΔφとしたときの光ファイバの単位長さ
あたりの位相感度は、 Δφ／（ΔＳ・ｌ）で表すことができる。したがって、
０≦φ≦πという限定を前提とした場合、位相感度を大
きくしようとすると被測定物理量の測定範囲が狭くな
り、逆に、被測定物理量の測定範囲を広くしようとする
と感度が小さくなってしまうという問題点があった。
する位相変化をΔφとしたときの光ファイバの単位長さ
あたりの位相感度は、 Δφ／（ΔＳ・ｌ）で表すことができる。したがって、
０≦φ≦πという限定を前提とした場合、位相感度を大
きくしようとすると被測定物理量の測定範囲が狭くな
り、逆に、被測定物理量の測定範囲を広くしようとする
と感度が小さくなってしまうという問題点があった。
本発明の干渉型光ファイバセンサを用いた測定装置は上
記問題点に鑑みてなされたものであり、制御入力に応じ
て発生するレーザ光の波長が変化する可干渉光源部(1)
と、この可干渉光源部からのレーザ光を２光束に分離す
る二光束分離部(2)と、この二光束分離部からの各レー
ザ光を２つの光ファイバに透過させ、その一方の光ファ
イバに被測定物理量を作用させた後に両光を合成して出
力する干渉形光ファイバセンサ(3)と、この干渉形光フ
ァイバセンサからの光の強度を検出し電気信号を出力す
る光検出部(4)と、この光検出部からの電気信号を入力
し、その入力信号の値が所定の一定値になるようにレー
ザ光の波長を制御する制御信号を出力する調節部(21)
と、この調節部からの制御信号に応じて可干渉光源部に
対する制御入力を出力する波長制御部(22)とから構成し
たものである。
記問題点に鑑みてなされたものであり、制御入力に応じ
て発生するレーザ光の波長が変化する可干渉光源部(1)
と、この可干渉光源部からのレーザ光を２光束に分離す
る二光束分離部(2)と、この二光束分離部からの各レー
ザ光を２つの光ファイバに透過させ、その一方の光ファ
イバに被測定物理量を作用させた後に両光を合成して出
力する干渉形光ファイバセンサ(3)と、この干渉形光フ
ァイバセンサからの光の強度を検出し電気信号を出力す
る光検出部(4)と、この光検出部からの電気信号を入力
し、その入力信号の値が所定の一定値になるようにレー
ザ光の波長を制御する制御信号を出力する調節部(21)
と、この調節部からの制御信号に応じて可干渉光源部に
対する制御入力を出力する波長制御部(22)とから構成し
たものである。
被測定物理量の変化によって変化する２つの光束の位相
差が、レーザ光の波長を変化させることにより一定とな
り、このレーザ光の波長の変化量すなわち調節部からの
制御信号により、被測定物理量の変化量を知ることがで
きる。
差が、レーザ光の波長を変化させることにより一定とな
り、このレーザ光の波長の変化量すなわち調節部からの
制御信号により、被測定物理量の変化量を知ることがで
きる。
以下、実施例と共に本発明を詳細に説明する。
第１図は本発明の一実施例を示すブロック図である。本
実施例は、従来のホモダイン法による干渉型光ファイバ
センサ測定装置２０に、調節部２１および波長制御部２
２からなる帰還制御系を付加したものであり、帰還制御
を行うパラメータとして光源から出射される光の波長が
用いられている。第２図は、可干渉光源部１および波長
制御部２２の一層具体的な構成を示すブロック図であ
る。可干渉光源部１は、半導体レーザ３０と電流制御部
３１を有し、半導体レーザ３０には常に定電流が供給さ
れるようになっている。波長制御部２２は、半導体レー
ザ３０を搭載する温度制御マウント３３、温度制御マウ
ント３３を冷却する電子クーラ３４、温度制御マウント
３３の温度を測定する温度センサ３５、温度センサ３５
の検出温度が調節部２１の指令する温度になるように電
子クーラ３４を駆動する電流ドライバ３６を備えてい
る。なお、同図において、実線の矢印は信号伝達が電気
的結合によって行われていることを示し、二重破線の矢
印は熱的結合、二重実線の矢印は光学的結合によって行
われていることを示している。調節部２１は電子式ＰＩ
Ｄ調節器であり、ホモダイン型光検出部４の干渉光強度
出力を入力し、その値が一定となるように半導体レーザ
３０の波長を変化させるべく、対応する温度指令信号を
出力する。
実施例は、従来のホモダイン法による干渉型光ファイバ
センサ測定装置２０に、調節部２１および波長制御部２
２からなる帰還制御系を付加したものであり、帰還制御
を行うパラメータとして光源から出射される光の波長が
用いられている。第２図は、可干渉光源部１および波長
制御部２２の一層具体的な構成を示すブロック図であ
る。可干渉光源部１は、半導体レーザ３０と電流制御部
３１を有し、半導体レーザ３０には常に定電流が供給さ
れるようになっている。波長制御部２２は、半導体レー
ザ３０を搭載する温度制御マウント３３、温度制御マウ
ント３３を冷却する電子クーラ３４、温度制御マウント
３３の温度を測定する温度センサ３５、温度センサ３５
の検出温度が調節部２１の指令する温度になるように電
子クーラ３４を駆動する電流ドライバ３６を備えてい
る。なお、同図において、実線の矢印は信号伝達が電気
的結合によって行われていることを示し、二重破線の矢
印は熱的結合、二重実線の矢印は光学的結合によって行
われていることを示している。調節部２１は電子式ＰＩ
Ｄ調節器であり、ホモダイン型光検出部４の干渉光強度
出力を入力し、その値が一定となるように半導体レーザ
３０の波長を変化させるべく、対応する温度指令信号を
出力する。
第３図は、本実施例におけるフィードバック制御動作を
説明するための特性図であり、被測定物理量Ｓ、波長
λ、干渉光強度Ｉの三次元座標である。点Ｐ１は、被測
定物理量がＳ１、光源の波長がλ０のときの干渉光強度
を示しており、その値はＩ１である。いま、干渉型光フ
ァイバセンサ３に加わる被測定物理量ＳがＳ１からＳ２
に変化すると、位相差φが変化して干渉光強度ＩがＩ１
からＩ２に変化する。この変化は、第３図において、点
Ｐ１の状態から特性Ａに沿って点Ｐ２の状態に変化した
ことに相当する。ここで、被測定物理量ＳをＳ２に固定
して考えると、干渉光強度Ｉと波長λとの間には、特性
Ｂのような関係がある。そこで、調節部２１では、点Ｐ
２の状態を特性Ｂに沿って点Ｐ３の状態にもってゆくた
めに、すなわち、干渉光強度ＩをＩ１にするために、半
導体レーザ３０の波長がλ１となるように温度指定信号
を出力する。
説明するための特性図であり、被測定物理量Ｓ、波長
λ、干渉光強度Ｉの三次元座標である。点Ｐ１は、被測
定物理量がＳ１、光源の波長がλ０のときの干渉光強度
を示しており、その値はＩ１である。いま、干渉型光フ
ァイバセンサ３に加わる被測定物理量ＳがＳ１からＳ２
に変化すると、位相差φが変化して干渉光強度ＩがＩ１
からＩ２に変化する。この変化は、第３図において、点
Ｐ１の状態から特性Ａに沿って点Ｐ２の状態に変化した
ことに相当する。ここで、被測定物理量ＳをＳ２に固定
して考えると、干渉光強度Ｉと波長λとの間には、特性
Ｂのような関係がある。そこで、調節部２１では、点Ｐ
２の状態を特性Ｂに沿って点Ｐ３の状態にもってゆくた
めに、すなわち、干渉光強度ＩをＩ１にするために、半
導体レーザ３０の波長がλ１となるように温度指定信号
を出力する。
つぎに、このフィードバック制御を式で説明する。波長
λ１（第３図のλ０に相当する）、被測定物理量Ｓ１の
ときの干渉光強度Ｉは、 で表される。また、波長λ２（第３図のλ１に相当す
る）、被測定物理量Ｓ２のときの干渉光強度Ｉは、 で表される。この２つの干渉光強度の値が等しいわけだ
から、 したがって、被測定物理量Ｓ１を基準点にとれば、λの
変化から被測定物理量Ｓを知ることができる。
λ１（第３図のλ０に相当する）、被測定物理量Ｓ１の
ときの干渉光強度Ｉは、 で表される。また、波長λ２（第３図のλ１に相当す
る）、被測定物理量Ｓ２のときの干渉光強度Ｉは、 で表される。この２つの干渉光強度の値が等しいわけだ
から、 したがって、被測定物理量Ｓ１を基準点にとれば、λの
変化から被測定物理量Ｓを知ることができる。
本実施例では、波長λは半導体レーザ３０の温度ｔで決
定されるように構成されているから、温度ｔから被測定
物理量Ｓを検出することができる。
定されるように構成されているから、温度ｔから被測定
物理量Ｓを検出することができる。
第４図は、第２図の可干渉光源部１および波長制御部２
２に代わるものであり、波長を注入電流によって制御す
るものである。ここでは、可干渉光源部１の半導体レー
ザ３０の温度を温度制御部４０、温度制御マウント３
３、電子クーラ３４、温度センサ３５によって一定に保
ちつつ、波長制御部２２の注入電流ドライバ４１からの
注入電流を制御する。したがってこの場合、調節部２１
からは電流指令信号が波長制御部２２に与えられ、電流
指令信号の示す電流値の変化から被測定物理量Ｓを知る
ことができる。
２に代わるものであり、波長を注入電流によって制御す
るものである。ここでは、可干渉光源部１の半導体レー
ザ３０の温度を温度制御部４０、温度制御マウント３
３、電子クーラ３４、温度センサ３５によって一定に保
ちつつ、波長制御部２２の注入電流ドライバ４１からの
注入電流を制御する。したがってこの場合、調節部２１
からは電流指令信号が波長制御部２２に与えられ、電流
指令信号の示す電流値の変化から被測定物理量Ｓを知る
ことができる。
さらに、一般には注入電流の変化によって波長およびレ
ーザ出力光強度が共に変化するので、これらの複合化し
た効果として、被測定物理量Ｓを知ることもできる。す
なわち、注入電流ｉが変化したことによる光強度Ｉの変
化分としてΔＩ1(第５図(a)参照)が生じ、同時に注入電
流ｉが変化したことによる波長λの変化ひいては位相差
φ（＝ｎ・２π／λ・ｌ）の変化による光強度Ｉの変化
分としてΔＩ２（第５図(b)〜(d)参照）が生ずる。この
とき、ΔＩ２が第５図(e)に示すような場合には、ΔＩ
１に対して相加的に働き、第５図(f)に示すような場合
には互いに相殺する方向に働く。前者の場合には第１図
の波長制御部２２において帰還利得が大きい場合に相当
し、後者の場合には帰還利得が小さい場合に相当する。
このように複数の作用を介して電流値の変化から被測定
物理量Ｓを知る方法も本発明に含まれる。
ーザ出力光強度が共に変化するので、これらの複合化し
た効果として、被測定物理量Ｓを知ることもできる。す
なわち、注入電流ｉが変化したことによる光強度Ｉの変
化分としてΔＩ1(第５図(a)参照)が生じ、同時に注入電
流ｉが変化したことによる波長λの変化ひいては位相差
φ（＝ｎ・２π／λ・ｌ）の変化による光強度Ｉの変化
分としてΔＩ２（第５図(b)〜(d)参照）が生ずる。この
とき、ΔＩ２が第５図(e)に示すような場合には、ΔＩ
１に対して相加的に働き、第５図(f)に示すような場合
には互いに相殺する方向に働く。前者の場合には第１図
の波長制御部２２において帰還利得が大きい場合に相当
し、後者の場合には帰還利得が小さい場合に相当する。
このように複数の作用を介して電流値の変化から被測定
物理量Ｓを知る方法も本発明に含まれる。
以上説明したように本発明の干渉型光ファイバセンサを
用いた測定装置によれば、干渉光強度が一定になるよう
にレーザ光の波長を変化させ、この変化量を調節部から
の制御信号によって取り出し、被測定物理量の変化量を
知ることができるため、高い位相感度を保持したまま、
被測定物理量の測定範囲を広げることができる。
用いた測定装置によれば、干渉光強度が一定になるよう
にレーザ光の波長を変化させ、この変化量を調節部から
の制御信号によって取り出し、被測定物理量の変化量を
知ることができるため、高い位相感度を保持したまま、
被測定物理量の測定範囲を広げることができる。
第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
その部分詳細ブロック図、第３図は本実施例の動作を説
明するための特性図、第４図は本実施例の他の部分詳細
ブロック図、第５図は第４図に示す構成を用いた場合の
動作の一例を説明するための特性図、第６図は従来から
ある干渉型光ファイバセンサ測定装置を示す構成図であ
る。 １…可干渉光源部、２…二光束分離部、３…干渉型光フ
ァイバセンサ、４…ホモダイン型光検出部、２０…干渉
型光ファイバセンサ測定装置、２１…調節部、２２…波
長制御部。
その部分詳細ブロック図、第３図は本実施例の動作を説
明するための特性図、第４図は本実施例の他の部分詳細
ブロック図、第５図は第４図に示す構成を用いた場合の
動作の一例を説明するための特性図、第６図は従来から
ある干渉型光ファイバセンサ測定装置を示す構成図であ
る。 １…可干渉光源部、２…二光束分離部、３…干渉型光フ
ァイバセンサ、４…ホモダイン型光検出部、２０…干渉
型光ファイバセンサ測定装置、２１…調節部、２２…波
長制御部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石原 聰 茨城県新治郡桜村梅園１丁目１番４号 工 業技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 田川 雅文 埼玉県浦和市針ヶ谷４丁目７番25号 株式 会社住田光学硝子製造所浦和工場内 (72)発明者 山崎 洋 東京都大田区西六郷４丁目28番１号 山武 ハネウエル株式会社蒲田工場内 審査官 後藤 時男 (56)参考文献 特開 昭59−32815（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−192821（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−170723（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】制御駆動信号に応じて発生するレーザ光の
波長が変化する可干渉光源部と、 この可干渉光源部から出射したレーザ光を２光束に分離
する二光束分離部と、 測定用光ファイバと参照用光ファイバを有し、二光束分
離部からの各レーザ光をこの２つの光ファイバにそれぞ
れ透過させ、測定用光ファイバに被測定物理量を作用さ
せた後に両レーザ光を合成して出力する干渉形光ファイ
バセンサと、 この干渉形光ファイバセンサからの光の強度を検出し電
気信号を出力する光検出部と、 この光検出部からの電気信号を入力し、この電気信号に
対応した制御指令信号を出力する調節部と、 この調節部からの制御指令信号に応じて前記可干渉光源
部に対して前記制御駆動信号を出力する波長制御部とを
備え、 前記制御指令信号は、波長制御部から出力される制御駆
動信号によって前記可干渉光源部が所定の一定値の波長
のレーザ光を出射するような値に設定され、この制御指
令信号の変化量から前記被測定物理量を測定する ことを特徴とする干渉型光ファイバセンサを用いた測定
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62064400A JPH067063B2 (ja) | 1987-03-20 | 1987-03-20 | 干渉型光ファイバセンサを用いた測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62064400A JPH067063B2 (ja) | 1987-03-20 | 1987-03-20 | 干渉型光ファイバセンサを用いた測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63233321A JPS63233321A (ja) | 1988-09-29 |
| JPH067063B2 true JPH067063B2 (ja) | 1994-01-26 |
Family
ID=13257229
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62064400A Expired - Lifetime JPH067063B2 (ja) | 1987-03-20 | 1987-03-20 | 干渉型光ファイバセンサを用いた測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH067063B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0682279A (ja) * | 1992-09-02 | 1994-03-22 | Japan Aviation Electron Ind Ltd | 土砂崩れ検出装置 |
| JP5624271B2 (ja) * | 2008-09-17 | 2014-11-12 | 株式会社東芝 | 配管の厚み測定方法および装置 |
| CN116793522A (zh) * | 2022-06-06 | 2023-09-22 | 中国计量科学研究院 | 一种微腔光子测温系统和方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SE426262B (sv) * | 1981-05-08 | 1982-12-20 | Asea Ab | Fiberoptiskt metdon |
| JPS5932815A (ja) * | 1982-08-18 | 1984-02-22 | Fujitsu Ltd | センシング方式 |
| JPS60170723A (ja) * | 1984-02-15 | 1985-09-04 | Yokogawa Hokushin Electric Corp | 光形トランスデユ−サ |
-
1987
- 1987-03-20 JP JP62064400A patent/JPH067063B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63233321A (ja) | 1988-09-29 |
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