JPH0961261A - 光ファイバ温度センサ - Google Patents

光ファイバ温度センサ

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JPH0961261A
JPH0961261A JP7216097A JP21609795A JPH0961261A JP H0961261 A JPH0961261 A JP H0961261A JP 7216097 A JP7216097 A JP 7216097A JP 21609795 A JP21609795 A JP 21609795A JP H0961261 A JPH0961261 A JP H0961261A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical fiber
temperature sensor
raman scattered
scattered light
sensor
Prior art date
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Pending
Application number
JP7216097A
Other languages
English (en)
Inventor
Takafumi Kuboki
尚文 久保木
Yoshikazu Matsuda
美一 松田
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定距離を長距離化した光ファイバ温度セン
サを提供する。 【解決手段】 温度変化によって発生するラマン散乱光
強度が変化する光ファイバ1nを有した分布型の光ファ
イバ温度センサにおいて、光ファイバ1nは長手方向に
沿ってその光ファイバ1nが有する自然ラマン散乱光発
生効率がパルス光入射側より遠方に行くに従って高くな
るように配置されている。 【効果】 既存の分布型温度センサ用の光源、受光器で
あっても測定距離を延長することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電磁ノイズの影響
を受けやすい環境や防爆性が要求される環境等で使用さ
れる光ファイバを利用した分布型の光ファイバ温度セン
サに関し、更に詳しくは測定距離の長距離化を可能にし
た光ファイバ温度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、光ファイバ中のラマン散乱光
を検出して光ファイバの長さ方向における温度分布を測
定する装置が知られている。この温度分布を測定する装
置の原理は図5に示すように光ファイバ51の左端から
光パルスを入射してこの光パルスAを右方向に進行させ
て行くとき、その光パルスAの幅Bに相当する領域52
でラマン散乱が生じ、その後方散乱光53が光パルス入
射端に戻ってくる。他方、光ファイバの一部を暖める
と、その温度上昇した部分でのラマン散乱光が増大す
る。そこで、光ファイバの一端から光パルスを入射した
ときに、その一端に戻ってくるラマン散乱光の成分(ス
トークス光及びアンチストークス光)を取り出せば、そ
の強度もしくはストークス光をアンチストーク光の強度
比によりその温度が計測され、またパルス光の入射から
ラマン散乱光が戻ってくるまでの時間により温度上昇し
た位置が計測されることになる。そこで、時間軸に対し
てラマン散乱光の強度もしくはストークス光とアンチス
トーク光の強度比の分布を求めれば、光ファイバの長さ
方向での温度分布を求めることができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記の光ファイバ温度
センサは使用環境の遠隔化に伴い長距離化の要望がなさ
れている。この方式による温度センサの測定距離を長距
離化するためには以下の方法が考えられる。 (A)センサ用光ファイバに入射するパルス光の強度の
増大。 (B)受光ユニットの低雑音・高感度化。 (C)センサ用光ファイバの伝送損失の低損失化。 (D)センサ用光ファイバのラマン散乱光発生効率の高
効率化。
【0004】(A)のセンサ用光ファイバに入射するパ
ルス光の強度の増大することについては、センサ用光フ
ァイバに入射するパルス光強度をある値以上にすると、
光ファイバ中で発生する非線形光学効果の一つである誘
導ラマン散乱が発生する。自然ラマン散乱光を利用して
いる温度センシング方式では、誘導ラマン散乱光が発生
すると温度センサとして機能しなくなる。従って、セン
サ用光ファイバに入射できるパルス光強度には限界があ
る。
【0005】(B)の受光ユニットの低雑音・高感度化
に関して、高感度化の検討が進められているが、受光器
として使用するフォトダイオードの量子効率と暗電流等
の点から、高感度化には現在のところ限界がある。
【0006】(C)のセンサ用光ファイバの伝送損失の
低損失化に関しては、低損失・広帯域の光ファイバを使
用することで、長距離化の検討が進められている。これ
によって約30km以上での温度測定が実施されている
が、既に損失は理論限界値に近く、これ以上の低損失化
を行うことは困難である。
【0007】(D)のセンサ用光ファイバのラマン散乱
光発生効率の高効率化の検討も、コアに添加する元素の
種類や濃度等を変えることで進められているが、低損失
・広帯域化が達成できていないため長距離センサ用光フ
ァイバとして使用されていない。
【0008】本発明は上記の課題を解決し、測定距離を
長距離化した光ファイバ温度センサを提供することを目
的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するために以下のような手段を有している。
【0010】本発明のうち請求項1の光ファイバ温度セ
ンサは、光ファイバ中で発生するラマン散乱光強度から
温度を求める分布型の光ファイバ温度センサにおいて、
前記光ファイバは長手方向に沿ってその光ファイバが有
する自然ラマン散乱光発生効率がパルス光入射側より遠
方に行くに従って高くなるように配置されていることを
特徴とする。
【0011】本発明のうち請求項2の光ファイバ温度セ
ンサは、ラマン散乱光発生効率の異なる複数の光ファイ
バがパルス光入射側からラマン散乱光発生効率の相対的
に低い光ファイバからラマン散乱光発生効率の相対的に
高い光ファイバに順次接続して配置されていることを特
徴とする。
【0012】本発明の光ファイバ温度センサによれば、
光ファイバ中で発生するラマン散乱光強度から温度を求
める分布型の光ファイバ温度センサにおいて、光ファイ
バは長手方向に沿ってその光ファイバが有する自然ラマ
ン散乱光発生効率がパルス光入射側より遠方に行くに従
って高くなるように配置されている。この光ファイバ温
度センサにパルス光が入射されると入射端から遠方に行
くに従い伝搬するパルス光が減衰する。しかし、上記の
ように順次ラマン散乱光発生効率の高くなるようにする
ことで、入射パルス光がセンサ用光ファイバ中を伝搬す
る過程で減衰したとしても、パルス光入射端から離れた
遠方から散乱されるラマン散乱光強度が著しく弱くなる
ことがなくなる。
【0013】従って、受光器の感度やダイナミックレン
ジを向上させなくても、より長い距離に渡って、後方ラ
マン散乱光信号を観測することができる。以上のよう
に、センシング媒体として使用するセンサ用光ファイバ
全体を均一とするのではなく、パルス光入射側における
ラマン光発生効率が相対的に低く、光ファイバの長手方
向に沿ってラマン散乱光発生効率が相対的に高くなって
いる光ファイバをセンサ用光ファイバとするものであ
る。長手方向に沿ってラマン散乱光率が高くなる光ファ
イバには、パルス光入射側に低損失・広帯域ではあるも
ののラマン光発生効率が相対的に低い光ファイバを接続
し、順次ラマン散乱光発生効率が相対的に高い光ファイ
バを接続して一つのセンサ用光ファイバとすることで得
られる。
【0014】低損失・広帯域の光ファイバとしては、光
通信等に使用されている通常の光ファイバである。一方
で、GeやPb等の元素を添加した石英ガラスから発生
するラマン散乱光強度が強くなることが知られており、
これらの元素を添加することで、光ファイバのラマン散
乱光発生効率を向上させることが可能である。
【0015】
【実施の形態】以下に本発明を実施例により詳細に説明
する。 (実施例1)図1は本発明の一実施例を示す説明図であ
る。図1において1は温度センサユニット、11、1
2、13・・・1n-1、1nはセンサ用光ファイバであ
る。センサ用光ファイバ11、12、13・・・1n-
1、1nはそれぞれ融着接続で連結されている。これら
のセンサ用光ファイバ11、12、13・・・1n-1、
1nは温度センサユニット1から離れるにしたがってそ
のラマン散乱光発生効率ηi(i=1,2,3・・・
n),(η1<η2<η3<・・・・<ηn)が大きく
なっている。
【0016】図2はその具体的事例である。温度センサ
ユニット1はパルス光源2、パルス光源からの光パルス
をセンサ用光ファイバに導き、センサ用光ファイバ中で
発生した後方散乱光を取り出す光信号を合波、分波する
光部品3、ラマン散乱光をストークおよびアンチストー
クス成分に分波する分波器4、分波されたストーク成分
およびアンチストークス光信号を検出する検出器5A,
5Bを有している。センサ用光ファイバ11は従来の光
ファイバである比屈折率差Δ=1%のGI型光ファイバ
(コア/クラッド:50μm/125μm),損失0.
30dB/km(波長1.55μm=入射パルス光の波
長),0.37dB/km(波長1.45μm=アンチ
・ストークス光の波長帯),0.32dB/km(波長
1.65μm=ストークス光の波長帯)である。
【0017】センサ用光ファイバ11に融着接続された
センサ用光ファイバ12はコア中に高濃度にGeを添加
したGI型光ファイバであって、この高濃度Ge添加G
I型光ファイバは、コア径50μm,クラッド径125
μmであり、UV樹脂被覆を施して外径250μmとし
たもので比屈折率差Δは2%である。このセンサ用光フ
ァイバ12の損失は、0.35dB/km(波長1.5
5μm=入射パルス光の波長),0.45dB/km
(波長1.45μm=アンチ・ストークス光の波長
帯),0.37dB/km(波長1.65μm=ストー
クス光の波長帯)である。
【0018】上記のように接続されたセンサ用光ファイ
バ11、12にパルス光源2からパルス光を入射して後
方ラマン散乱光を観測した。図3(イ)、(ロ)にその
観測結果を示す。上記観測において、両センサ光ファイ
バ11、12ともに25℃に設定した恒温槽内に設置し
た。
【0019】センサ光ファイバ12(Δ2%GI型光フ
ァイバ)のラマン散乱光発生効率は、センサ光ファイバ
11(Δ1%GI型光ファイバ)のそれの約1.5倍あ
り、両センサ光ファイバ11、12の接続部付近の信号
を観測すると、Δ2%GI型光ファイバ側の受信信号レ
ベルが向上した。図3(イ)の時間軸tの符号sは接続
点である。
【0020】従来のセンサ用光ファイバ11(Δ1%G
I型光ファイバ)の先にラマン散乱光発生効率の高いセ
ンサ用光ファイバ12(Δ2%GI型光ファイバ)を接
続することで、約2.2km測定可能距離を延長するこ
とができた。図3(イ)の時間tから距離を換算して図
3(ロ)を求めると、図3(イ)のSに相当する距離L
1から所望の測定温度精度を保証できる最小の受信信号
レベルになる距離L2までが測定可能距離の延長分とな
る。尚、実施例のセンサ光ファイバ12(Δ2%GI型
光ファイバ)はOH基濃度が高かったためにアンチ・ス
トークス光波長域での損失が大きかった。このために、
約2.2km程度しか測定可能距離を延長できなかった
が、OH基濃度を低く押さえることで、さらに延長距離
を延ばすことができる。
【0021】(実施例2)上記の実施例1ではラマン散
乱光発生効率のより高い光ファイバを接続することで測
定距離を延長した例を示したが図4に示すように、ラマ
ン散乱光発生効率の異なる光ファイバを接続してセンサ
用光ファイバとすることで、測定距離を延長するだけで
なく、温度センサシステムに図4中に示されるMに相当
するマージンを付加することと等価の効果が得られる。
図4において接続点sからの実線が高濃度Ge添加光フ
ァイバを接続した場合の付加されるシステムマージンで
ある。点線は従来の低損失光ファイバのみでセンサ用光
ファイバを形成した場合の受信信号レベルである。
【0022】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の光ファイバ
温度センサによれば、光ファイバ中で発生するラマン散
乱光強度から温度を求める分布型の光ファイバ温度セン
サにおいて、光ファイバは長手方向に沿ってその光ファ
イバが有する自然ラマン散乱光発生効率がパルス光入射
側より遠方に行くに従って高くなるように配置されてい
るので、センサ用光ファイバに入射するパルス光強度を
強くしたり、受光器の感度を高感度としたり広ダイナミ
ックレンジ化しなくても、既存の分布型温度センサ用の
光源、受光器であっても測定距離を延長することが可能
となる。
【0023】また、ラマン散乱光発生効率の異なる光フ
ァイバを接続してセンサ用光ファイバとすることで、測
定距離を延長するだけでなく、温度センサシステムのマ
ージンを付加することにもなり、システム全体の信頼性
を向上させることもできる。
【0024】さらに、段階的にラマン散乱光発生効率を
向上させた光ファイバを接続していくのではなく、一本
の光ファイバのラマン散乱光発生効率が長手方向で連続
的に向上するようにGe、Pb等の元素の添加量を制御
した光ファイバでは、複数本の光ファイバを接続して使
用するときのような接続損失が発生しないため、より良
好な結果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光ファイバ温度センサの一実施例を示
す説明図である。
【図2】図1の光ファイバ温度センサの具体的一例を示
す説明図である。
【図3】図2の光ファイバ温度センサの観測結果を示す
説明図である。
【図4】本発明の光ファイバ温度センサの他の実施例の
観測結果を示す説明図である。
【図5】光ファイバ温度センサの原理を示す説明図であ
る。
【符号の説明】
1 温度センサユニット 2 パルス光源 3 光部品 4 分波器 5A:5B 11:12:13・・・1n センサ用光ファイバ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光ファイバ中で発生するラマン散乱光強
    度から温度を求める分布型の光ファイバ温度センサにお
    いて、前記光ファイバは長手方向に沿ってその光ファイ
    バが有する自然ラマン散乱光発生効率がパルス光入射側
    より遠方に行くに従って高くなるように配置されている
    ことを特徴とする光ファイバ温度センサ。
  2. 【請求項2】 ラマン散乱光発生効率の異なる複数の光
    ファイバがパルス光入射側からラマン散乱光発生効率の
    相対的に低い光ファイバからラマン散乱光発生効率の相
    対的に高い光ファイバに順次接続して配置されているこ
    とを特徴とする請求項1記載の光ファイバ温度センサ。
JP7216097A 1995-08-24 1995-08-24 光ファイバ温度センサ Pending JPH0961261A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006517677A (ja) * 2003-02-12 2006-07-27 センサーネットリミテッド 長距離測定のための高エネルギー光学パルスの生成および送信の方法ならびに装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006517677A (ja) * 2003-02-12 2006-07-27 センサーネットリミテッド 長距離測定のための高エネルギー光学パルスの生成および送信の方法ならびに装置
US8005323B2 (en) 2003-02-12 2011-08-23 Sensornet Limited Method and apparatus for generation and transmission of high energy optical pulses for long range measurements

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