JPS59105517A - 物理的量を測定するためのフアイバ−オプテイクセンサ− - Google Patents

物理的量を測定するためのフアイバ−オプテイクセンサ−

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JPS59105517A
JPS59105517A JP58216381A JP21638183A JPS59105517A JP S59105517 A JPS59105517 A JP S59105517A JP 58216381 A JP58216381 A JP 58216381A JP 21638183 A JP21638183 A JP 21638183A JP S59105517 A JPS59105517 A JP S59105517A
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JP
Japan
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fiber
sensor
ocitic
sensor according
wavelength
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JP58216381A
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English (en)
Inventor
トルグニイ・ブロガ−ルド
バ−テイル・ホ−ク
クリステル・オブレン
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ABB Norden Holding AB
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ASEA AB
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/268—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light using optical fibres

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  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

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】 本発明は、光エネルギを送りそして受けるようにされた
送信器と受信器のユニットから成る圧力、力、加速度、
流れ、水準のような物理的量を測定するためのファイバ
ーオシティクセンサーにかかわる。センサーはまた、測
定点に置かれたセンサ一部分に、およびそれから光エネ
ルギを伝導するための少なくとも一つの光ファイバーか
ら成っている。
日本特許出願第１８３６８１／８０号は、光ルミネセン
スの物体から成る、圧力、力、加速度、流れ、水準、温
度などのような物理的量を測定するための、上記による
先行技術のファイバーオシティク測定装置を開示してお
り、光ファイバーについてのその幾何学的位置は、測定
すべき量の測度を溝成する。光ルミネセンスの光エネル
ギの一つ以上の波長間隔の強度変調のような位置情報は
、送信器／受信器に利用できるようにされる。位置情報
は光ファイバーの寸法に関係があるので、測定の利用で
きる範囲、したがって解像力は制限される。
近代的半導体技術の利用は、上記センサーのための自然
な選択である。次いで製作は「パッチ方式」で行なわれ
、センサーのユニットごとの製作コストは、センサーの
寸法の二乗に主として比例する。したがって目的は、で
きるだけ小型化することである。位置測定を利用するセ
ンサーとしては、利用できる測定範囲の縮小化の程度は
非線形性と物理曲面によって制限される。こうして、で
きるだけ高い解像力を有する位置センサーの原理に達す
ることが望ましい。
音響適用と振動測定のためには、高い解像力の位置記録
の原理を捜すその上の理由が存在する。
本発明は、上記の問題を解決するために、光ルミネセン
スと、薄い層の中の干渉計的相互作用の組合せを使用す
る。干渉を利用するとき、幾何学的場合のファイバーの
寸法の代わりに光の波長に関係のある信号変調が得られ
る。光の波長は、ファイバーの直径より少なくとも大き
さの１オーダーだけ少さいので、干渉を利用するセンサ
ーは重要な点で明らかな利益を与える。本発明によるセ
ンサーは、センサ一部分が、光ルミネセンスの光エネル
ギを少なくとも１波長の範囲で放射するようにされた少
なくとも一つの固形物体、ならびに少なくとも二つの本
質的に平らな平行の表面によって制限された閉ざされま
たは開いた体積を含み、平らな平行の表面の相互の距離
は、放射される、またはルミネセンスの光エネルギのコ
ーヒーレントな長さの半分より小さい、ことを特徴とし
ている。信号変調は、平らな平行の表面の間の多数の反
射によって生ずる干渉に基づく。干渉の利用は、信号変
調が光の波長に関係があるようになり、それは非常に高
い解像力を可能にすることを意味する。これは、センサ
ーの小型化の達しうる程度を増し、それは製作の経済を
改良し、そして音響および振動測定などを含む使用の測
定技術に新しい可能性を生ずる。
本発明によるセンサーは、波長に基づく信号分割とファ
イバーの継目と枝における反射の抑圧のために光ルミネ
センスを使用するので、装置の実施例は日本特許用１＠
第１８３６８１／８０号に開示された実施例と全く同じ
である。
本発明を添付図面についてさらに詳しく説明する。
第１図は、光ファイバー１の一端に置かれた、絶対圧力
測定用センサーを示す。他端は前記の使用で述べたよう
に、送信器と受信器のユニットに接続されている。セン
サ一部分は固形物体２を含み、それは少なくとも１波長
間隔で光ルミネセンスのエネルギを送るようにされてい
る。これは、その芯の地帯３がファイバー１からの光エ
ネルギで励起されたのち起こる。この実１顔例では、物
体２は固定して取り付けられたダイアフラム４を含み、
それはファイバーの端面６に向かってほぼ平らな表面５
全つくっている。これら二つの表面は本質的に平らで平
行であり、それはスペーサ７によって得られる。平らな
平行の表面５と６とスペーサ７は体積８を形成し、それ
はこの場合閉ざされている。ルミネセンスから発出する
にしろ、反射から発出するにしろ、表面５がら来る光エ
ネルギは、ファイバーの中に送り返される前にそれぞれ
の表面に向かって多くの反射をする。
平らな平行の表面５．６の間の距離は、測定すべき量に
よって決められる。したがってこれらの表面は弾力があ
り、そしてそれらの間の距離は、測定すべき圧力によっ
て決められる。
反射の数は、両表面の反射能力によって決められる。こ
の能力は、干渉の起こる所に金属の層、または６覗性の
層を表面被覆することによって既知の技術で加減するこ
とができる。もし表向５．６の間の距離が光エネルギの
コーヒーレントな長さの半分より小さければ干渉が起こ
り、それは送られそして反射される光エネルギへの強度
配分にｌ−を与える。
第２ａ図で、曲′ｍ１０は強度の波長依存を示す。
（Ｔ−送他、■−波長）。＠度の最大−構造上の干渉−
は、表面５．６の間の距離が光エネルギの波長の半分の
倍数であるとき得られる。体積８と周囲の媒体の間に圧
力差がＩＪ［Ｉえられるとき、ダイアフラム４は弾力が
あるので曲げられて、ファイバーの芯３の近くに置かれ
たファイバーの端面とダイアフラム４の中心部分５との
間の距離に変化を生ずる。ダイアフラム４に支持合成物
９を与えることによってダイアフラム４の中心部分５の
中の曲げ応力は避けられ、それはさもなければダイアフ
ラム４のルミネセンスの性質に影響を与える。
改変された一実施例では、合成物９は加速度に対する敏
感性を与えるために地層性合成物から成っている。圧力
に対する敏感性は、この使用では体積８を開いておくこ
とによって避けられる。
表面５．６の平行の偏倚は、ルミネセンスの波長および
／または送信器ユニットによって放射されるエネルギの
板長の、少なくとも一つの波長の十分の−を超えてはな
らない。前記のように、平らな平行の表面５．６の一つ
は、光ファイバー１の制限表面である。
上記の反射被覆は誘電材料から成り、そして誘電材料の
厚さは、ルミネセンスの波長、または放射される光エネ
ルギの少なくとも一つの波長の半分の倍数である。
反射被覆は金−材料であってもよく、そして前記のよう
に体積はしばしば閉ざされる。閉ざされた体積はできる
だけ空気を抜かれるが、または閉ざされた体積は固形材
料から成っている。平らな平行の表面５．６の間の相互
の距離はスペーサ７、ならびにルミネセンスの物体の弾
力ある部分によって決められる。体積８は固形物体の中
の一部分としてつくられ、そして体積は光ルミネセンス
の光エネルギを放射するようにされている。
平らな平行の表面５．６によって制限された体積の屈折
率の複合数値は、測定すべき量の測度を構成する。
固形物体は半導体材料で作られ、そしてできるかぎり少
なくとも二つの層に分割される。体積８は少なくとも１
波長間隔内で光学的に透明である。
平らな平行の表面５．６の少なくとも一つはダイアフラ
ムの一部であり、そのたわみは測定すべき量の測度であ
る。物体２は、ルミネセンスの性質を有する金属イオン
を添加された透明材料で作られる。物体はまた、ネオジ
ムイオンを添加された透明材料で作られてもよい。
第１図で明らかなように、物体２は望ましくない部分を
腐食除去することによって、均質な１片から製作される
。幾何学的形状は、既知の写真石版技術によって決めら
れる。適当なルミネセンスの、機械的および化学的性質
を有する考えられる材料は、例えばＧａＡＲ、ＡｆｘＧ
ａ、−ｘＡ、Ｂの直接パン−ギャップを有する単結晶半
導体である。
正確な幾何学的制御の下のスペーサ７とファイバーの端
面６の間の取り付けと密封は、既知の技術、例えばいわ
ゆる静電結合技術を使用することによって行なわれる。
第２ａ図と第２ｂ図は、干渉曲ａ１０の特徴を光ルミネ
センスと組み合わせる二つの方式を示す。
第２ａ図で、センサーは例えば発光ダイオード（ＬＥＤ
）によって励起され、その放射された光エネルギは１波
長間隔１１の中に横たわり、こうして作用中存在する表
面５と６の間のすべて距離のために体積８を通るある送
信を得る。そのうえダイ２ アフラム４は、二つの光ルミネセンスのせ大１２．１３
が干渉の最大１４のいずれの側にも起こるようにつくら
れている。もし最大１４が、表面５．６の間の距離の変
化によって変位されるならば、二つの光ルミネセンスの
最大１２．１３の間の強度配分が得られる。この変化は
、上記出版物に述べられているように、検出装置によっ
て検出することができる。
第２ｂ図で、ＬＥＤの波長の特性１５は、強い信号変調
が反射される光エネルギのために樽られるように置かれ
ているのに対して、光ルミネセンスの依存１６は比較的
弱い。これは静位置水準が重要でない場合、例えば音響
適用と振動測定でセンサーに使用することができる。
第６ａ図は、いくぶん改変された設計の圧力測定センサ
ーを示す。ここでは、表面は平らな磨かれたファイバー
の端面ではなくて、物体２と一体の層２０の一部である
。表面２０は、存在するコーヒーレントな長さを超える
厚さを有している。
第３ｂ図は、体積８が物体２に接続された固形材料であ
る、代わりの実施例である。矢２１によって示す軸線方
向の力は表面５と６の間の距離の変化、または固形材料
の屈折率の変化を生じ（上記をも参照）、それは光路長
に変化を与えて曲線１０に変調をきたす。
最後に第６Ｃ図では、光ルミネセンスの物体２はルミネ
センスの性質を有する金属イオン、例えばネオジムイオ
ンを含む透明な材料で作られている。
閉ざされまたは開いた体積８は、一つまたは二つの平ら
な平行の表ｉ’ｆｆ１５．６、例えばダイアフラム４に
よって制限される。
上記の実施例は、使用される光ファイバーにある要求を
しいる。伝えられる光エネルギの角分布が非常に広くな
って、センサーに利用される干渉現象を無効にするので
、前記ファイバーの開口数はあまりに大きくてはならな
い。これは、第４図に示すように一つ以上のレンズ機素
をセンサ一部分の中に導入することによって避けること
ができる。大きな開口数を有するファイバー３′は、端
面を円筒形のＧＲＩＮレンズ２５に向けて置かれ、それ
によってファイバーから発出する光線の束２７は、レン
ズの第二の端面６で本質的に平行になる。
この端面に、上記の種類の干渉構造物５．６．７．８が
使用されている。干渉構造物に向かって反射された光は
ルミネセンスの材料２６に向かって焦点を合わされ、そ
こからルミネセンスの光は干渉構造物５．６．７．８を
経て逆にファイバー３′の中に反射される。それぞれ励
起とルミネセンスの波長での干渉構造物の反射は、測定
すべき量によって異なる影響を受けるので、前記波長の
相対強度は上記と同じように信号を連ぶものとして利用
されることができる。
第４ｂ図は追加の実施例を示す。これは干渉構造物５．
６．７．８の助けで二つのルミネセンスの源２８．２９
の間に光学的信号を分割するために二つのＧＲＩＮレン
ズ３０．３１を利用し、それらの反射と送信の性質は、
測定すべき量による。
この実施例では、測定すべき量についての情報は、それ
ぞれ材料２８と２９からの二つのルミネセンス寄与の間
の強度関係の形で送られる。
上記による実抽例は、前掲特許請求の範囲内で種々に変
えられることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、薄い層の中の干渉と組み合って光ルミネセン
スを利用する圧力測定センサーの一実１庖例を示し、 第２ａ図と第２ｂ図は、波長に関係のある信号変調を利
用する二つの異なる方式を示し、第６ａ図、第６ｂ図、
第６Ｃ図、および第４ａ図、第４ｂ図は、ある追加の実
施例を示す。 図面の符号１．３′は「光ファイバー１．２は「固形物
体」、３は「芯Ｊ、４は「ダイアフラムＪ、５は「ダイ
アフラムの中心部分」、６は「ファイバーの端面」、５
．６は「平らな平行の表面Ｊ、７は［スペーサＪ、８は
［体積］、９は「支持合成物」、１０は「、干渉曲線」
１１は「波長の間隔」、１２．１３は［光ルミネセンス
の最大Ｊ、１４は「干渉の最大」、１５は「波長の特性
」、１６は「光ルミネセンスの依存」、２０は「層」、
２５．３０．３１は「レンズ機素Ｊ、２６．２８．２９
は「ルミネセンスの材料」、Ｔは「送信Ｊ、■は「波長
」を示す。 代理人　浅　村　　皓

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （１）光エネルギを送りそして受けるようされた送信器
    と受信器のユニット、および測定点に置かれたセンサ一
    部分に、およびそれから光エネルギを伝導するための少
    なくとも一つの光ファイバー（１）から成る圧力、力、
    加速度、流れ、水準のような物理酌量を測定するための
    ファイバーオシティクセンサーにして、前記センサ一部
    分は、光ルミネセンスの光エネルギを少なくとも１波長
    の範囲で放射するようにされた少なくとも一つの固形物
    体（２）、ならびに少なくとも二つの本質的に平らな平
    行の表面（５，６）によって制限された閉ざされまたは
    開いた体積（８）を包含し、前把手らな平行の表面の相
    互の距離は、前記送信器ユニットから放射される前記光
    エネルギ、または前記センサ一部分からの前記ルミネセ
    ンスの光エネルギのコーヒーレントな長さの半分より小
    さい、ことを特徴とする物理酌量を測定するためのファ
    イバーオシティクセンサー。 （２、特許請求の範囲第１項記載のファイバーオゾテイ
    クスンサーにおいて、前把手らな平行の表面（５，６）
    の間の相互の距離は、測定すべき量とともに変化するよ
    うにされ、こうして前記量の測度である、ことを特徴と
    する物理的量を測定するためのファイバーオシティクセ
    ンサー。 （町　特許請求の範囲第１項記載のファイバーオシティ
    クセンサーにおいて、前把手らな平行の表面（５，６）
    によって制限された前記体積（８）の屈折率の俵合数値
    は、測定すべき意の測度を構成するようにされている、
    ことを特徴とする物理的量を測定するための７アイパー
    オプテイクセンサー　〇 （４）特許請求の範囲第１項記載のファイバーオシティ
    クセンサーにおいて、前記表向（５，６）の平行の偏倚
    は、前記ルミネセンスの波長および／または前記送信器
    ユニットによって放射される前記エネルギの波長の少な
    くとも一つの波長の十分の−を超えないようにされてい
    る、ことを特徴とする物理的量を測定するためのファイ
    バーオシティクセンサー。 （５）特許請求の範囲第１項記載のファイバーオシティ
    クセンサーにおいて、前把手らな平行の表面（５，６）
    の一つは、光ファイバー（１）の制限表面である、こと
    を特徴とする物理酌量を測定するための７アイパーオゾ
    テイクセンサー。 （６）特許請求の範囲第１項記載のファイバーオシティ
    クセンサーにおいて、前把手らな平行の表面（５，６）
    は、少なくとも一つの反射板墳を含むようにされている
    、ことを特徴とする物理的量を測定するためのファイバ
    ーオシティクセンサー。 （７）特許請求の範囲第６項記載のファイバーオシティ
    クセンサーにおいて、前記反射ｆ＆覆は誘磁材料から成
    る、ことを特徴とする物理酌量を測定するためのファイ
    バーオシティクセンサー。 （８）特許請求の範囲第７項記載のファイバーオシティ
    クセンサーにおいて、前記＝＜材料の厚さは、前記ルミ
    ネセンスの波長、または前記放射される光エネルギの少
    なくとも一つの波長の半分の倍数である、ことを特徴と
    する物理的量を測定するためのファイバーオシティクセ
    ンサー。 （９）特許請求の範囲第６項記載のファイバーオシティ
    クセンサーにおいて、前記反射被覆は金属材料である、
    ことを特徴とする物理酌量を測定するためのファイバー
    オシティクセンサー。 （１０）特許請求の範囲第１項記載のファイバーオシテ
    ィクセンサーにおいて、前把手らな平行の表面（５，６
    ）の間の相互の距離は、スペーサ（７）と、前記ルミネ
    センスの物体の弾力ある部分（４）によって決められる
    、ことを特徴とする物理酌量を測定するためのファイバ
    ーオシティクセンサー。 （１１）特許請求の範囲第１項記載のファイバーオシテ
    ィクセンサーにおいて、前記固形物体は、少なくとも一
    つの半導体材料例えばＧａＡｓ、ＡｉｘＧａ−エＡ８を
    含む、ことを特徴とする物理酌量を測定するためのファ
    イバーオシティクセンサー。 （（２）特許請求の範囲第１項記載のファイバーオシテ
    ィクセンサーにおいて、前記体積（８）は少すくとも１
    波長間隔内で光学的に透明である、ことを特徴とする物
    理的量を測定するためのファイバーオシティクセンサー
    。 （１３）　　特許請求の範囲第１項記載のファイバーオ
    シティクセンサーにおいて、前把手らな平行の表面（５
    ，６）の少なくとも一つはダイアフラム（４）の一部で
    あり、そのたわみは測定すべきその量の測度である、こ
    とを特徴とする物理的量を測定するためのファイバーオ
    シティクセンサー。 （１４）　　特許請求の範囲第１項記載のファイバーオ
    シティクセンサーにおいて、前記物体（２）はルミネセ
    ンスの性質を有する金属イオン、例えばネオジムイオン
    を添加された少なくとも一つの透明な材料を含む、こと
    を特徴とする物理的量を測定するためのファイバーオシ
    ティクセンサー。 （＋５）特許請求の範囲第１項記載のファイバーオシテ
    ィクセンサーにおいて、それらに加えて、前記センサ一
    部分は少なくとも、一つのレンズ機素、例えばＧＲＩＮ
    レンズ（２５，３０，３１）を含む、ことを特徴とする
    物理的量を測定するためのファイバーオシティクセンサ
    ー。
JP58216381A 1982-11-22 1983-11-18 物理的量を測定するためのフアイバ−オプテイクセンサ− Pending JPS59105517A (ja)

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