JPS60135732A - 温度測定装置 - 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】 ＊ｉ＊ｈｉ波曲光７７ブ丁′が消光比１度依存性をもつ
ことを利用した小型で簡便、高精度に温度測定を行なう
装置に関するものである。

従来、光ビームを介在した温度測定法Ｆｉ数多くある。

例えば■　熱放射体のふく射光量の温度値し、温度変化
を測 定する方法、■　水銀温度計に光ファイバを接続し、温
度上昇に伴い、水銀が光ビームを横ぎることにより、ビ
ームを遮断し、温度を測定する方法、イケルソン型干渉
計を 組み、光フアイバ中のコア部の屈折率もしくは長さの温
度変化（光学長の温度１依存性）による干渉縞の変化を
測定する方法がある。しかしながら、■については、単
に光ファイバは熱の伝送用であリ、５００度〜１０００
度と高温の放射体には適しているものの、常温付近での
汎用性はあまりない。■は、光ビームが通過する水銀柱
の位置から。

温度がわかるが、他の温度竺測定できない。従って一般
的；温度計とはいえず、６しろ温度監視システム用ＶＣ
適している。一般的な温度測定法としては■が挙げられ
る。その構成図を第１図に示す。

周波数安定化レーザ１からの光出力はビームスプリッタ
２で分離され、一方は単一モード光ファイバ３を通過し
、他方は空間を伝搬し、ビームスプリッタ２′上で合成
されて干渉縞を形成する。ア°リズム４により干渉縞を
分割し、位置が一異なる場所で干渉縞を検出器５および
５′により検出し、それらＩｄテータレコーダ６に収録
される。両者の値は計算ｐＡ７によシＡｒｃｔａｎをと
ることによシ、位相変化から温度変化を換算し、表示器
８に示す。

しかしこの方法は測定精度が１　ｍｄθｇ程度ではある
ものの、周波数安定化レーザ、ビームスプリッタ、２個
の光検出器、および計算機を必要とするなど、装置が複
雑でかつ高価であると同時に実時間の温度測定が困難で
あった。また、干渉法を用いるために２つの光学路を必
ず必要とする欠点があグた。。

本発明は、これらの欠点を除去するために、偏波保持光
ファイバの消光比の温度依存性に着ｉし、これをセンサ
として消光比の変化ヤから温度を測定するか偏波保持光
ファイバの応力付与部を非対称に設定することによシ、
消光比の温度依存性を大きくしその消光比の変化量から
温度を測定するもので、周波数安定化レーザの使用、干
渉計の設置、データ処理等を必要とせず簡便でかつ高感
麿ＶＣ温度測定をするもので、以下図面について詳細□
　に説明干る。

′　第２図は本発明の実施例であって、１け光源（半導
体レーザ、固体レーで、気体レーザ、旧等）、９および
ｑは偏光子、および検光子であり、１０は非対称応力付
与部を有する偏波保存光ファイバ、５Ｆｉ光検出器、８
Ｆｉ表示装置である。これを動作するには、光源１から
の光を偏光子９により直線偏光として、偏波保持光ファ
イバ１０の主軸（Ｘ軸）に合致して入射させ、さらに、
検光子９′の偏光方向は入射主軸方向とけ直交方向ＣＹ
軸）に設定する。これをクロスニコルに設定するという
。

さて、第３図（＆）に示すように、応力付与部が対称で
あれば、偏波保持光ファイバ１０への入力光の強度と検
光子９′を通過して光検出器５で検出される出力光強度
の比である消光比は−６０〜−４０ｄＢＡａｎと高いた
め、検光子ｑの出力は非常に小さ□　く、温度変動に対
］〜ても単一偏波の構造が２つの主軸（Ｘ軸、Ｙ＋Ｍ）
’に対して対称であるためモード結合による消光比変化
′は小さい。しかし、ここで第３図（１））、（Ｑ）、
（ｄ）に示すような非対称応力付与１　部をもつ偏波保
持光ファイバを温度センサーとして用いると、消光比が
劣化し光出力が検出器５で受光される。さら［重要な要
素としてコア内部の応力分布がＸ軸、Ｙ軸に関して対称
ではないので、温度変化により、モード結合量（Ｘ軸方
向からＹ軸方向への変換量辷が変化し、検出器出力が変
化する。この変化量゛は温ｉ変化量に対応しているので
逆算゛することにｒ゛す；一度変化を知ることができる
。

第４図に温度変動に伴なう主軸回転の様子を示す。まず
巻ファイバー０のＹ軸方向に〒界振１ｆｉｉＥｏ。

の光用を入射する。一様に温度が、へＴだけ変化した場
合の主軸の回転量を△θは微小であるこ、とをｌｔＬ”
　ａ。

△θ＝（□）△′ｒ　・・・・・・ｆｌ）ａ’ｒ と書くことができる。長さｅの光ファイバー０を伝搬後
０主−転′伴なうｒ軸方向″′″′７軸からの光の変化
量は、　。

Ｂ（ｇ＋５（−Ｅ−−Δθ１．　ｅ　−５Ｋｘらムθ−
Ｆ：　ＯＣｏムθｅ−１に７／π ゛・・　Ｉ；Ｏ５’（−一△θ）　・・・・・・（２）
（２）式ば△θ〈１の条件のもとて次のように簡略化さ
れる。

一１Ｋｘｅ−’１Ｋｙｄ 但し、ｃｏｓ　（−’　−△’ｌ”　ｌ二△θ、ｃｏｓ
△シご１を用いた。

一方、誘電率テンソルの非対合要素の長手方向でのゆ艷
ぎ、△ｔ　Ｔ　［Ｚ　）によるモ、づ結合＠（Ｙ′軸か
らＸ方向への結合）　ａｍｃ（１）はａ　ｍ　ｃ（１）
＝　手、／’胚εｘＹのｅＸｐ［−ｉ　（Ｋｘ−Ｋｙ’
）　Ｚ　］　ａＺ・・・・・（４） で与えられる。ここで２は７アイノくの特性インヒ。

−ダンス、ωは光の角周波数−Ｋｘおよびに７＆まＸ軸
およびＹ軸主軸方向の伝搬定数である。

ａ　ｍ　ｃｆｌ）のＣＯＳΔθ戊分が検出器５に入射す
るわけであるが、ｃｏｓΔθ：１であるから、結局屈折
率ゆらぎによるモード結合＠ば ａｍｃ（Ａ’）Ｂｏ　ｅｘｐ　（−１Ｋｘｌｌ　”−（
５１と表現できる。我々が観測するσ〕に、光、＜ワー
であるから、電場の絶対値の２乗に比例する。一方、ａ
ｍｃ、（６エ場所の関数であるから集合平均をとる必要
かある。従って、検出される光ノマワーｐｏｂｓ＆工Ｐ
ｏｂｓ＝、／’：、／：：７Σ＜ＩＥｏ△θ（ｅ−■ｘ
７　ｅ−１に７４４−ａｍ　ｃ（ＪＲ’ｏ　×ｅ　−ｉ
Ｋ”　ｆ　）　ｄｘａｙ・・（６１となる。ここで、 ＜１Ｂ　ｏ　Δθ（ｅ−１Ｋｘｌ−ｅ−ｉＫｙり＋ａｍ
Ｃ（１）Ｅｏｅ−１Ｋｘ１１２〉＝２ＢＯ”△θ２（１
−ａｙ鴎１＋＜ｉ　ａｍｄｇＭ２＞　Ｅ、ｏ　”−＋７
１であるので、 Ｐ　ｏ　ｂ　ｓ　４（２１Ｊ　２　（１−ωｓ成）＋ｂ
４　）　Ｐｉｎ　・−＋・ｆ１３）となる。但し、ここ
で Ｐ１ｎ＝ｊ：）、ｌ−：壺Ｅ０２ｄｘｄｙｈｌ！’　＝
（１ａｍｃ（の１２＞　−・・・＝＋９１Δに＝　ＫＸ
　−に’ｙ である。ここで光源のコヒーレンジ即ち、可干渉性を導
入し、この関数をγとおくと（８）式は修正されて Ｐｏｂｓ−（鵠、θ２（１−γ（ｃｏｓ△１’−ｅ　）
＋ｈｇ）　Ｐｉｎ　−・−ａｎと最後的な表現を得る。

縦モードが多モードの半導体レーザもしくはＬＥＤスー
パールミネッセントダイオードを用いるとγ二０となシ
、干渉縞の項は消失する。一方Ｈｅ　−Ｎｅレーザ、Ｙ
ＡＧレーザ、単一モード動作の半導体レーザを用いると
γニ１となり、ＰｏｔｌはωＳ△、Ｒｅの効果で振動的
なふるまいを示す。本温度測定器ではγ＝０の方が安定
な測定が可能となるので多モード半導体レーザもしくは
Ｉ、ＥＤもしくはスーパールミネッセントダイオードを
光源とするほうが好ましい。一式において入力パワーＰ
１ｎは一定、ａθ ｈｌは定数、八〇＝（ａｒ　）酊　であるので、出力ｐ
ｏｂｓ　は次のように表現される。

ＰＯｂ８＝（２△θ２＋ｈｅ）　Ｐ　１ｎｏｃ（△Ｔ）
２　・・・・・・αΩ 実際に、波長１．３μｍのＬＥＤを光源として、長さ１
００ｍの偏波保持光ファイバをセンサーとして用いた実
験結果を第５図に示す。横軸に設定温度Ｔ−２０°とし
て温度変化△Ｔをとり、縦軸にｋＡ　Ｐｏｂｅ／　Ｐｉ
ｎの値をとっている。表現を見やすくするために対数変
換し、両対数グラフに示した。

尚、室温における消光比は約３０ｄＢのものを用いた。

これによると、０．８〜数１０度に亘ってきれいな直線
を示しておシ、その傾きは２であシ、式ａｌＨｃよく一
致することを示している。

以上は対称の応力付与部を有する偏波保持光ファイバを
センサとして用いた例であるが、非対称応力伺与部を有
するファイバを用いるならば係数対称性の程度によって
決まり、測定する温度範囲に応じて設計することができ
る。さらに検出感匣を向上させるためには、第６図に示
すような光チヨツパ−１１とロックインアンプ１２を追
加した同期検波方式がある。” 一方、γご１を有するものを光源として用いると、偏波
保持光ファイ・ミのｔｉｌｊ単な複屈折を同時に測定可
能である。その場合、光源１にはコヒーレンジのよいも
のを用いる。例えば、Ｈｅ”Ｎｅレーザや単一モード発
振の半導体レーザは最適である。

この場合ａ１式は、Ｃ０Ｓ△Ｋｅ成分を含むため、温度
変動に伴って振動的な糖料（１）をする。この複屈折測
定法を第７図に示す二この図は第２図に温度昇降槽１３
と温度コントロー楚１４を付加したもので、これらによ
り胃定の制器で変化する温度変動を与える。そのと藪位
箱△Ｋｅのｉ化はであシ、ここで一般の偏波保持ファイ
バではであるから となる。ここでｅけもとの光ファイバ長、ΔＴｄ屈折の
温度依存性である。ｃｏｓ△Ｋｌの一周期は２πで与え
られるので、その変化に要する温度変化をΔＴ輸とする
と ΔｎｏＫｏｅα△’ｌｚπ＝２ｙｒ　・・曲Ｉ従って、
伸屈折△ｎｏは によりめられる。

実際に光源として１．５２μｍ　Ｈｅ　−Ｎ　ｅレーザ
を用いてファイバ長１０ｍの測定結果を第８図に示す。

横軸に温度Ｔ１縦軸には消光比を示す。これによると予
想したように正弦的な変動を示している。式＋１！９に
おいてＲ８＝２π／１，５２×１０、ｅ−１０ｍ１ＡＴ
　２　π＝１°Ｃ，ａは通常の偏波保持光ファイバでは
、α−一（ａへ旦）　＝　５．２Ｘ１０−　で与えられ
る△ｎ０　８Ｔ ので、△ｎｏＶｉ、 ＝　２．９Ｘ１［、”” と算出される。この値は他の方法によってめられた値３
×１０′″４とよく一致する。この方法は光ファイバを
切断する従来法とは異なシ非破壊でかつｒＩＩｉ便であ
る利点をもつ。

以上説明したように、本発明によれば、従来、２つの光
路差を用いて干渉法により温度検出していたのに対して
、偏波医持元ファイバの消光比の温度依存性を用いるも
ので、光源の周波数安定化、光ビーム分離等に伴なう装
置の複雑化、高価額化などの欠点が除去され、簡便な高
感度温度測定器となる利点がある。本発明を温度測定装
置として用いるためには、センサとなる偏波保持光ファ
イバに外部から応力が加わらないような条件で使用する
必要がある。なぜならば、偏波保持光ファイバの消光比
は、該ファイバの歪によっても変化するからである。逆
にこの性質を利用することを考えると、たとえば温度を
一定として応力の働く位謹でこの装置Ｎを動作させるな
らば、高感度歪み測定器となる。１だ偏波保持光ファイ
バの複屈折をも測定できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光干渉法による温度測定装置の概略図、
ｌ＠２図は本発明の実施例を示す概略構成図、第３図（
ａ）〜（ｄ）は測定、に用いる偏波保持光ファイバの断
面図、第４図は本発明の測定装置の測定原理を説明する
ための図、第５図は本発明装置による測定の実験結果を
示す図、第６図は本発明の装置を高感度化した一実施例
の概略構成図、第７図は本発明の一応用例で、偏波保持
光ファイバの複屈折の測定法を示す図、第８図はその測
定結果を示す図である。　・ １・・・・・光源、２．２’・・用ビームスプリッタ、
３・・・・・単一　モードファイバ、４・・・・・　プ
リズム、５．５′・・・・・光検出２八６・・・・・デ
ータレコーダ、７・・・・・計算器、８・・・・・レベ
ル表示器、９・・・・・偏光子、ｑ・・・・・検光子、
１ｏ・・・・・偏波保持光ファイバ、１１・・・・・光
チョッパ−’、１２・・・・・ロックインアンプ、１３
・・・・・温度昇降償、１４・・・・・温度コントロー
ラ。 ”°ミビーダ・′ 第１図 第２図 第５図 ０．１　１　ＩＱ　１００ ２０ｃ′ｃｈ−ウｄ）　１８対温／ｆｉｒＥΔＴ　（’
Ｃ）第８図 過度（’Ｃ） 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ０）　偏波保持光ファイバからなる検出部と、該偏波　
   ８゜保持光ファイバの主軸方向に一致させて直線偏光を
   入射するための光源および該偏波保持光ファイバの入射
   端に設置した偏光子と、前記偏波保持光ファイバの前記
   主軸方向に直交するもう一つの主軸方向に偏光方向を一
   致させた検光子と、該検光子を通過した出射光を受光す
   る光検出器および表示装置を具備してなることを特徴と
   する温度測定装置。 （２）　光源として、単−縦モードレーザを用いること
   を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の温度測定
   装置。 （３）　光源を断続する光チョッパと、該光ｆヨッパに
   同期したロックインアンプを光検出器と表示装置の間に
   付加したことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項ま
   たは第（２）項記載の温度測定装置。 ：４）検出部が非対称の応力付与部を有する偏波保持光
   ファイバであることを特徴とする特許請求の範囲第０）
   項ないし第（３）項のいずれかに記載の温度測定装置。