JPH0815054A

JPH0815054A - 自己マイクロベンド型光ファイバ温度センサ

Info

Publication number: JPH0815054A
Application number: JP6149325A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Fujiwara; 一弘藤原
Original assignee: SENSHIN ZAIRYO RIYOU GAS JIENEREETA KENKYUSHO KK
Current assignee: SENSHIN ZAIRYO RIYOU GAS JIENEREETA KENKYUSHO KK
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1996-01-19

Abstract

(57)【要約】【目的】マイクロベンド型光ファイバ温度センサに関
し、熱膨張率の異る材料をコーテングし、温度変化によ
るマイクロベンド損失を生じさせ、温度を測定する。【構成】温度センサ１は、光ファイバ素線６、その両
端に接続の信号伝送部光ファイバ２，４、素線６の表面
にメッキされた金属部５からなる。金属部５は素線６と
は熱膨張率が異り、素線の一方の表面に５ｉ、それと対
向する他方の表面に５ｊが複数個、交互に等ピッチで配
置され、表面に密着される。温度が変化すると熱膨張率
の違いにより素線６が交互に曲がり、入射光Ｐ₀はこの
曲り部分により、マイクロベンド損失を生じ、出力透過
光Ｐ₁は減少する。従って、このＰ ₁を検出してマイク
ロベンド損失特性から容易に温度が測定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ式温度セン
サに関し、特に光ファイバのセンシング部分への特殊形
状に施したコーティングにより、温度変化による光ファ
イバ自身のマイクロベンド損失変化を生じさせて温度測
定を可能にした自己マイクロベンド型光ファイバ温度セ
ンサの基本構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の温度センサには、大別して電気式
と光ファイバ式とがあるが、電気式では、白金、銅、ニ
ッケル、等を用いた測温抵抗体式、熱電対式及び半導体
素子からなるサーミスタ式、等があり、これらはその用
途により、それぞれ特徴を有するが、電線を使用するた
めに種々の課題を持っている。

【０００３】光ファイバ式においては、ＯＴＤＲ（Opti
cal Time Domain Refrectomentry：光時間領域反射測定
法）を利用した分布型光ファイバ温度センサ、マイクロ
ベンド損失を利用した温度センサ、等がある。

【０００４】以下に、本発明の分野と関係あるこれら分
布型光ファイバセンサの原理を図５に、マイクロベンド
による光ファイバセンサを図６、図７に示し、それらの
概要を説明する。

【０００５】図５はＯＴＤＲ法を応用した分布型光ファ
イバセンサの基本原理を示す図である。図において、高
出力パルス高源１１より光カプラ１２を介し、光ファイ
バ１０の片端より光パルス１４を入射させたとき、光パ
ルス１４はファイバ１０内を伝播していく。そのときに
ファイバ１０の各地点で散乱や反射などで、入射端に戻
ってくる光１５が発生する。戻り光は、受光素子１７、
アンプ１３を介し、入射端からその光が発生した場所ま
での距離を往復するのに相当する時間遅れをもって、入
射端に戻って来る。実際には、入射端で戻り光の時間変
化をオシロスコープ１６でＯＴＤＲ波形として観測す
る。光強度が各種の物理量を反映し、時間軸は光速度で
換算することで入射端からの距離に変換することができ
る。

【０００６】戻り光の発生原因としては、屈折率の不連
続から発生するフレネル反射や、材質や屈折率のわずか
な揺らぎから発生する散乱がある。散乱は、光が四方八
方に散らされる現象である。ファイバの各地点で、その
地点での光強度に比例した強度の散乱光が得られる。そ
のために、散乱光強度の距離方向の減衰率はファイバの
伝送損失を意味する。通常、ＯＴＤＲはファイバやケー
ブルの伝送損失測定に利用される。

【０００７】温度センサは、この散乱光の中にあるラマ
ン散乱光成分を取り出し、検出するものである。

【０００８】図６はマイクロベンドによる圧力、振動セ
ンサの例で、（ａ）図はその原理図、（ｂ）図はその回
路構成図である。図において、光ファイバ２０を凹凸の
ある部分を有するマイクロベンデイングトランスデュー
サ２２，２３で挟み、マイクロベンド３２が加わると入
射光２４がトランスデューサ２２，２３間の光ファイバ
２０の変位により光ファイバ２０内の透過損失を生じ、
出力光２５は減衰を受けるもので、圧力、振動の変位を
出力光のパルスとして検出できるものである。（ｂ）図
はその具体的な光の回路構成で、光ファイバ２０、光カ
プラ３３、反射ミラー２６−１，２６−２、遅延ライン
２７−１，２７−２及びマイクロベンデングトランスデ
ューサ２１，２２とから構成され、入射光２８を入射す
ると、この光はカプラ３３を通って２６−２のミラーで
反射され、参照光２９として戻る。カプラ３３を通った
もう一方の光は、マイクロベンデイングトランスデュー
サ２２，２３によりマイクロベンド３２を与えられ遅延
ライン２７−１を通ってミラー２６−１で反射され元の
方向に戻る。このとき、この遅延ライン２７−１がある
ため、参照光２９に対して、その長さ分だけ遅延した信
号光３０が得られ、参照光２９に対する信号光３０の出
力比を計算することにより、途中の光ファイバの伝送損
失や外乱の影響を除去した圧力（変位）の信号を求める
ことができる。

【０００９】図７は図６（ａ），（ｂ）の圧力、振動セ
ンサと同じ構成で、温度センサとして適用した例であ
る。（ａ）図において、図６に示す圧力、振動センサと
異なる点は、マイクロベンデイングトランスデューサ２
２，２３が光ファイバ２０を挟んで両者は固定されてお
り、トランスデューサ２２，２３の温度変化による自己
の変位３１で光ファイバ２０は応力を受け、それにより
入射光２４は透過損失を受けて温度変化に応じた出力光
２５として検出されるものである。（ｂ）図は、マイク
ロベンデイングトランスデューサ２１，２２が固定され
ている点以外は図６（ｂ）と同じ構成であるので説明は
省略する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来の電気式温
度センサには次のような課題がある。

【００１１】（１）電気式であるため信号伝達に電線を
必要とし、電磁干渉の影響を受け、測定誤差の要因にな
ったり、これを防止するための対策部品の追加で重量が
重くなる。

【００１２】（２）電気式であるため信号線は最低２本
以上の電線が必要であり、しかも単位長さ当りの電線の
重量は光ファイバより、はるかに重いので信号伝送路の
重量が重い。

【００１３】又、前述の光ファイバを利用したセンサに
も解決すべき次のような課題がある。

【００１４】（３）ＯＴＤＲを利用した分布型光ファイ
バ温度センサがあるが、通常の光ファイバ１本でも温度
分布が測定できる反面、装置が大型で重量が重く、消費
電力も非常に大きく（約１ｋＶＡ）、又、測定所要時間
が０．２５〜３分と遅く、ｍｓ（ミリセック）又はｎｓ
（ナノセック）オーダーの高速測定はできない欠点があ
る。

【００１５】（４）マイクロベンド損失を利用した光フ
ァイバセンサは、図６に示すように、力、変位、圧力、
及び音圧等のセンサとして知られているが、マイクロベ
ンドを与えるための一対の鋸歯状（又は凹凸の繰り返し
形状）のマイクロベンド付与部（マイクロベンデイング
トランスデューサ２１，２２）が必要である。

【００１６】又、これらと同一の機構で図７に示すよう
に、マイクロベンダの熱膨張によるマイクロベンド付与
のマイクロベンド型光ファイバ温度センサとなり得る
が、マイクロベンダが存在する分だけ大型となり、重量
もその分重いという欠点がある。

【００１７】（５）光ファイバ自身にも温度変化によ
り、リニアな特性の温度範囲を持ったマイクロベンド損
失変化を生じるもの（例えば光ファイバ全面へのメタル
コートを施した光ファイバ）もあるが、光ファイバ素線
とコーテイング材の熱膨張の違いによって生じるランダ
ムなマイクロベンド損失によるため、感度が低く、（本
出願人の実験値：５〜７×１０^-3ｄＢ／１０ｍ／℃）感
度を高めるためには、光ファイバ長を長く（例：１０
ｍ）する必要がある。

【００１８】又、上記をセンサとした例もあるが、上限
温度は１００℃であり、あまり広い温度範囲ではなく、
同上（３），（５）の欠点がある。

【００１９】本発明の目的は、光ファイバの温度センシ
ング部に光ファイバ素線材質とは熱膨張率の異なる物質
を、軸方向の周面に交互に密着させることにより、各密
着部では温度による熱膨張の差で光ファイバ素線に曲げ
を周期的に発生させ、丁度、マイクロベンダで周期的に
マイクロベンド損失を与えるのと同様に比較的短かいセ
ンシング部の長さで、かつマイクロベンダ機構が不要の
小型、軽量、簡素な構造で、かつ高速応答可能な自己マ
イクロベンド型光ファイバ温度センサを実現することに
ある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は、光
ファイバ素線の表面に素線の材料とは熱膨張率の異る物
質を密着して熱膨張の差で素線に曲げを発生させるよう
な構成とし、従来のマイクロベンド型センサのマイクロ
ベンド付与部を不要とした簡素な構造とする。

【００２１】即ち、本発明は、（１）光ファイバ素線の
軸方向に、同素線とは熱膨張率の異なる複数の被覆物質
を一定の間隔を保って、かつ断面半径方向にほぼ１８０
°対向する異なる面に交互に密着させていることを特徴
とする自己マイクロベンド型光ファイバ温度センサを提
供する。

【００２２】又、（２）前述の（１）の発明において、
前記被覆物質の間隔は等しいことを特徴とする自己マイ
クロベンド型光ファイバ温度センサを提供する。

【００２３】更に、（３）光ファイバ素線の軸方向表面
に沿って、同素線とは熱膨張率の異なる帯状物質を螺旋
状に連続し、密着してなることを特徴とする自己マイク
ロベンド型光ファイバ温度センサも提供する。

【００２４】

【作用】本発明は前述の手段により、その（１）の発明
においては、被覆物質の密着部では温度による光ファイ
バ素線との熱膨張率が異り、しかもこの熱膨張率の異る
物質が対向する円周面との間で交互に配置されているの
で、光ファイバ素線は温度が変化すると周期的な曲げ変
形を生ずる。このような温度において、光ファイバ素線
の入力端より入射光が入ると、その入射光のパワーは光
ファイバ素線の温度による曲げ部によりマイクロベンド
損失が生じて減衰し、光ファイバ素線の出力端からの透
過光では小さくなる。従って、この透過光のパワーを測
定し、マイクロベンド損失の特性と比較することによ
り、従来のようなマイクロベンド付与機構を必要とせず
短いセンシング部の簡単な機構で温度が測定される。

【００２５】又、（２）の発明においては、被覆物質が
等しいピッチで配置されているので光ファイバ素線の曲
げ変形が等しい周期となり、（１）の発明と同様の作用
を奏すると共に、そのセンサ組立も容易となるものであ
る。

【００２６】更に、（３）の発明においては、熱膨張率
の異る物質が帯状で連続した螺旋状に密着しているの
で、（１）の発明と同様の作用を奏することができ、か
つ、密着する物質も単一の帯状のもので良く、組立が容
易となるものである。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基いて具体的
に説明する。図１は本発明の第１実施例に係るマイクロ
ベンド型光ファイバ温度センサの基本構成図で、（ａ）
図はその断面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ矢視図である。

【００２８】図中、１はマイクロベンド型光ファイバ温
度センサの全体を示す。２は発光素子（又は発光素子と
受光素子）に接続される側の信号伝送部の光ファイバで
あり、入射光Ｐ₀が入射する。３は、同センサのセンシ
ング部であり、Ｌ_mの長さを有す。４は、受光素子に接
続される側の信号伝送部の光ファイバ（又は終端に反射
膜の付いた光ファイバ）であり、透過又は反射光Ｐ₁を
出力する。

【００２９】５はメッキされた金属部であり、図中、上
部にＮ_i、等がメッキさり金属部５ｉがあり、ｉ＝１〜
ｎで、軸方向に等間隔に配置されている。そのピッチは
Ｌ₁＋Ｌ₂である。（なお、Ｌ₁＝Ｌ₂である必要はな
く、又、Ｌ₁＝Ｌ₂でも良い）なお、（ｂ）図に示すよ
うにこのメッキ部の角度：δは、δ≦１８０°であり、
本第１実施例では、δ＝１２０°としている。５ｊは、
５ｉに同じであるが、光ファイバ６の軸方向のピッチが
５ｉに対し、１／２ピッチずれていることと、図中下部
（θ≒１８０°）にメッキされていることのみ異なる。

【００３０】なお、本第１実施例では、光ファイバ温度
センサの素線６は石英系マルチモードファイバ：ＧＩ−
５０／１２５を使用している。又、Ｌ₁＋Ｌ₂のピッチ
は、通常、最大感度が得られる値に設定される。具体的
にはメッキ材質はＮ_i＋Ａ_u（３５０℃熱処理）とし、
センシング部３の長さは１０〜１０³mmである。

【００３１】図２は図１と同じ構成のものであり、光フ
ァイバ素線６とメッキされた金属部５との間に熱膨張率
の差による応力が発生した状態の断面図、図３はマイク
ロベンド損失の温度特性図である。次に、これらの図１
乃至図３に基づき、本第１実施例での作用を説明する。

【００３２】図１の状態は、光ファイバ素線６とメッキ
された金属５との間には熱膨張率差による応力が発生し
ておらず、マイクロベンド損失が極小（≒０）の状態を
示す。具体的には、温度が３００℃（以上）の状態であ
る。

【００３３】図２の状態は、光ファイバ素線６とメッキ
された金属部５との間には熱膨張率差による応力が発生
して、メッキされた金属部５が図示のように曲がり、マ
イクロベンド損失が生じている状態を示す。具体的には
３００℃未満（例えば２０℃）の状態である。

【００３４】図３は本センサのマイクロベンド損失の温
度特性であり、約０〜３００℃まではほぼリニアな特性
である。又、温度上昇と下降で若干（数％Ｆ．Ｓ）のヒ
ステリシスが存在し、上昇時は破線、下降時は実線で示
してある。

【００３５】この基本動作は、まず、図１の状態に於て
光ファイバ２側から入射された光パワーＰ₀は、センシ
ング部３を通過し、光ファイバ４側に光パワーＰ₁で透
過するが、上述の様にマイクロベンド損失は発生してお
らず、比較的短距離の伝送損失のみであるので、これは
殆んど無視でき、Ｐ₀≒Ｐ₁となる。

【００３６】次に、図２の状態の様に、低温になる程、
熱膨張率差により、光ファイバ素線６に比べ、メッキさ
れた金属部５の金属コートの方が縮むので、光ファイバ
素線６は、金属コート側に凹状に曲げられる。メッキさ
れた金属コート５ｉと５ｊは図中、上下に交互に１／２
ピッチずれて配置されているので、センシング部３は、
上下に波うった形状になり、つまりマイクロベンド損失
が増加していくことになり、Ｐ₀＞Ｐ₁でＰ₁が小さく
なっていく。図３では実線の特性カーブである。

【００３７】逆に、低温側（例：０℃）から高温側（０
℃＜ｔ≦３００℃）の場合は、メッキされた金属部５の
金属コート側に曲げられる度合が減少していくのでマイ
クロベンド損失は減少していくことになり、センシング
部３の上下の波うった形状が直線に近づいて減少し、Ｐ
₀＞Ｐ₁でＰ₁が大きくなっていく。図３では破線のカ
ーブである。

【００３８】上記の様に、入射光Ｐ₀に対するセンシン
グ部３を通過後の光パワーＰ₁を測定してマイクロベン
ド損失を測定することにより、図３の特性から、それに
対応した温度を知ることができる。温度の測定は、図示
省略するが光パワーＰ₁を検出器で検出し、マイクロプ
ロセッサ、等の演算部に入力し、図３に示す温度とマイ
クロベンド損失との特性データをあらかじめメモリに記
憶させておき、演算部でこのデータを参照して演算する
ことにより、表示するような公知の手段を用いることが
できる。

【００３９】なお、図１の図中、５ｉは上側、５ｊは下
側に揃えて説明したが、任意のｎ番目の５ｉと５ｊが対
向する配置にあれば良く、例えば上下、左右が混在して
も良い。

【００４０】又、図１、図２には、特には示していない
が、上述のヒステリシスや、図３の０℃以下のノンリニ
ア部を補正して測定精度を向上させるためには、図３の
特性の補正データを信号処理側のメモリに記憶させてお
き、演算部において入力したＰ₁を参照し、マイクロベ
ンド損失が上昇中か、下降中かの判別を行い、この判別
信号も用いて、メモリから補正データを取出して信号処
理をすれば良い。この方策により測定温度範囲を広げ、
かつ精度向上（±１％Ｆ．Ｓ．以下）にすることが可能
である。

【００４１】又、参照光を使う方式（例として図６と同
等の方式）にすると、光ファイバの伝送部の損失や外乱
の影響を除去できる。

【００４２】図４は本発明の第２実施例に係るマイクロ
ベンド型光ファイバ温度センサの図で、（ａ）図はその
側面図、（ｂ）図はそのＹ−Ｙ矢視図である。図におい
て、符号１乃至４，６は第１実施例と同じであり、本第
２実施例の特徴となる点は、連続的な金属コーティング
７にある。これは、第１実施例のメッキされた金属部５
ｉ，５ｊが連続的で螺旋状に密着して巻かれた金属コー
ティング７に代ったものであり、その他は第１実施例と
同じであり、同様の作用を奏するので、その説明は省略
する。

【００４３】以上の第１、第２実施例においては、光フ
ァイバ素線６をマルチモードファイバのＧＩ−５０／１
２５で説明したが、他のサイズ及び他の種類の光ファイ
バ（例えばシングルモードファイバ等、殆んど全ての種
類の光ファイバ）に適用できるもので光ファイバの種類
には限定されない。

【００４４】又、光ファイバ素線６への異なる物質のコ
ーティングをメッキの例で述べたが、密着できる製法で
あれば蒸着等他の方法でも良い。更に、コーティング材
をＮｉで説明したが、ＡｌやＡｕ、又はＮｉ＋Ａｕ等の
金属やセラミック等の他の材質でも良く、熱膨張率の異
なる物質であればよい。（この場合温度レンジと感度が
それぞれ異なる。）本発明は、マイクロベンド型光ファイバ温度センサの基
本構造に関して述べているので、本第１、第２実施例で
は本光ファイバは通常の光ファイバに於る１次被覆に相
当する金属コート層等のみについて示したが、本光ファ
イバを取扱いやすくするための２次被覆及びこれ以降の
被覆を施してもかまわない。但し、センシング部３は精
度確保のため、熱応力の発生しにくいコーティング材を
使用する必要がある。

【００４５】

【発明の効果】以上、具体的に説明したように、本発明
においては、光ファイバ素線の表面に素線とは熱膨張率
の異る物質を密着して温度による両者の熱膨張の差より
光ファイバ素線のセンシング部の曲げ変化が生じ、この
センシング部での光のマイクロベンド損失を出力光から
測定し、温度による自己マイクロベンドを効率良く発生
させることができる様な構造にしたため、マイクロベン
ダ（マイクロベンド付与外部機構）が不要で、比軸的短
かいセンシング部長さですむので、極めて簡単なセンシ
ング部構造で、小型、軽量及び高速応答の光ファイバ温
度センサが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る自己マイクロベンド
型光ファイバ温度センサの図で、（ａ）図はその断面
図、（ｂ）図はそのＸ−Ｘ矢視図である。

【図２】本発明の第１実施例に係り、マイクロベンド損
失が生じた状態の断面図である。

【図３】本発明の第１実施例に係るマイクロベンド損失
の特性図である。

【図４】本発明の第２実施例に係る自己マイクロベンド
型光ファイバ温度センサの図で、（ａ）図はその側面
図、（ｂ）図はそのＹ−Ｙ矢視図である。

【図５】従来の分布型光ファイバセンサの基本構成図で
ある。

【図６】従来のマイクロベンドによる光ファイバ変位セ
ンサの図で、（ａ）図はその基本原理図、（ｂ）図はそ
の回路構成図である。

【図７】従来のマイクロベンドによる光ファイバ温度セ
ンサの図で、（ａ）図はその基本原理図、（ｂ）図はそ
の回路構成図である。

【符号の説明】

１温度センサ全体２信号伝送部光ファイバ３センシング部４信号伝送部光ファイバ５メッキされた金属部６光ファイバ素線７金属コーテイング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバ素線の軸方向に、同素線とは
熱膨張率の異なる複数の被覆物質を一定の間隔を保っ
て、かつ断面半径方向にほぼ１８０°対向する異なる面
に交互に密着させていることを特徴とする自己マイクロ
ベンド型光ファイバ温度センサ。
【請求項２】前記被覆物質の間隔は等しいことを特徴
とする請求項１記載の自己マイクロベンド型光ファイバ
温度センサ。
【請求項３】光ファイバ素線の軸方向表面に沿って、
同素線とは熱膨張率の異なる帯状物質を螺旋状に連続
し、密着してなることを特徴とする自己マイクロベンド
型光ファイバ温度センサ。