JPS61277013A - Optical fiber sensor - Google Patents

Optical fiber sensor

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Publication number
JPS61277013A
JPS61277013A JP60118458A JP11845885A JPS61277013A JP S61277013 A JPS61277013 A JP S61277013A JP 60118458 A JP60118458 A JP 60118458A JP 11845885 A JP11845885 A JP 11845885A JP S61277013 A JPS61277013 A JP S61277013A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical fiber
light
sensor
receiving element
optical
Prior art date
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Pending
Application number
JP60118458A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mitsuru Nishikawa
満 西川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP60118458A priority Critical patent/JPS61277013A/en
Publication of JPS61277013A publication Critical patent/JPS61277013A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
    • G01C19/728Assemblies for measuring along different axes, e.g. triads

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光ファイバセンサに関するものであり、更に
詳述するならば、異なる方向、次元または種類の測定を
可能とする光ファイバセンサに関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION FIELD OF INDUSTRIAL APPLICATION The present invention relates to fiber optic sensors, and more particularly to fiber optic sensors that allow measurements in different directions, dimensions or types. .

従来の技術 現在、光ファイバを利用しての様々な測定装置が開発さ
れ、広い分野での利用が試みられている。
BACKGROUND OF THE INVENTION Currently, various measuring devices using optical fibers have been developed, and attempts are being made to use them in a wide range of fields.

例えばζ回転速度を測定する光フアイバジャイロ、温度
や圧力を測定する光ハイドロホンなど様々な測定装置が
既に開発されている。このように光ファイバをセンサと
して利用すると、光及びその光が伝搬する光ファイバが
磁界や電界の影響を受けにくいため、シールドの問題な
くどのような環境でも使用できる。また、光ファイバを
利用することにより、小型化でき、且つ、可動部分を完
全になくすことかできる。それ故、光ファイバを利用し
ての物理量の測定は更に広く活用されていくと考えられ
る。
For example, various measuring devices have already been developed, such as an optical fiber gyro that measures ζ rotational speed and an optical hydrophone that measures temperature and pressure. When an optical fiber is used as a sensor in this way, the light and the optical fiber through which the light propagates are less affected by magnetic fields and electric fields, so it can be used in any environment without shielding problems. Furthermore, by using optical fibers, it is possible to reduce the size and completely eliminate movable parts. Therefore, it is thought that the measurement of physical quantities using optical fibers will become even more widely used.

そのような光ファイバセンサの代表的な例として、次に
光フアイバジャイロを説明する。
Next, an optical fiber gyro will be explained as a typical example of such an optical fiber sensor.

(a)  光フアイバジャイロの[理 現在、航空機、飛翔体、自動車、ロボットなどのナビゲ
ーションや姿勢制御のための角速度センサとしてジャイ
ロが使用されるでいる。このジャイロを使用すれば、角
速度だけでなく、それを積分することにより方位などの
データも得ることができる。
(a) Optical Fiber Gyro [Research] Currently, gyros are used as angular velocity sensors for navigation and attitude control of aircraft, flying objects, automobiles, robots, etc. By using this gyro, you can obtain not only angular velocity but also data such as orientation by integrating it.

そのようなジャイロの中で、光フアイバジャイロは、可
動部が全くなく且つ小型化が可能であり、更に、最小検
出可能角速度(感度)、ドリフト、画側範囲(ダイナミ
ックレンジ)、スケールフ・アクタの安定性の点におい
て、従来のジャイロに比較して優れているために、近年
注目され開発されている。
Among such gyros, fiber optic gyros have no moving parts and can be miniaturized. Furthermore, they have excellent minimum detectable angular velocity (sensitivity), drift, image side range (dynamic range), and scale-of-actor. It has attracted attention and development in recent years because it has superior stability compared to conventional gyros.

そのような光フアイバジャイロの例は、例えば、ギヤ口
しンジテー、ジー1、ブカロ ジュー。ニー。
Examples of such fiber optic gyros are, for example, Gear Engine, G-1, and Bukaro-Jyro. knee.

他「光ファイバセンサ技術」 アイ イーイーイージャ
ーナルオブカンタムエレクトロニクス(Giallor
enzi T、GlBucaro J、A、 et a
l ”0pticalFiber  5ensor  
Technology”、  tBBB  J、  o
f  QuantumBlectronics) QB
−18,No、4.  pp626−662(1982
)やタラショウ及びアイ、ピー、ギレス「光フアイバジ
ャイロスコープ」ジャーナルオブフィジクスエレクトロ
ニクスサイエンスインストルメント(Culshawa
nd 1.P、 G11es ”Fiber 0pti
c Gyroscopes”J、Phys、B:Sci
 Instrum、 ) 16 PP5−15.  (
1983)や、坪用、大塚「光フアイバジャイロスコー
プ」レーザ研究、11. No、12. pp889−
902 (1983)などに詳しく示されている。
Other "Optical fiber sensor technology" IEE Journal of Quantum Electronics (Giallor)
Enzi T, GlBucaro J, A, et a.
l ”0pticalFiber 5ensor
Technology”, tBBB J, o
f Quantum Blectronics) QB
-18, No, 4. pp626-662 (1982
) and Tarasho and I.P. Gilles, "Optical Fiber Gyroscope" Journal of Physics Electronics Science Instruments (Culshaw)
nd 1. P, G11es “Fiber 0pti
c Gyroscopes”J, Phys, B: Sci.
Instrum, ) 16 PP5-15. (
1983), Tsubo Yo, Otsuka "Optical Fiber Gyroscope" Laser Research, 11. No, 12. pp889-
902 (1983) and others.

ここで、光フアイバジャイロの原理を第2図を参照して
説明する。
Here, the principle of the optical fiber gyro will be explained with reference to FIG.

発光素子10からの光をビームスプリッタ12により分
割して、コイル状に多数回シングルモード光ファイバ1
8を巻回した光フアイバループすなわちセンサコイル2
0の両端に人力して、センサコイル20に右回り(CW
)と左回り(CCW)に光を伝搬させる。そのとき、セ
ンサコイル2oが角速度Ωで回転していると、右回り光
、左回り光に位相差Δθが生じ、Δθを測定することに
よって角速度Ωを検出するものである。
The light from the light emitting element 10 is split by the beam splitter 12, and the single mode optical fiber 1 is coiled many times.
Optical fiber loop wound with 8 or sensor coil 2
0 manually, turn the sensor coil 20 clockwise (CW).
) and counterclockwise (CCW). At this time, when the sensor coil 2o is rotating at an angular velocity Ω, a phase difference Δθ occurs between the clockwise light and the counterclockwise light, and the angular velocity Ω is detected by measuring Δθ.

センサコイル20の中を右回りに伝搬した光及び左回り
に伝搬した光の電界の強さE、、E、は、次のように表
される。
The electric field strengths E, , E, of the light propagated clockwise and the light propagated counterclockwise in the sensor coil 20 are expressed as follows.

但し、El、E2=左回り光及び右回り光の振幅ω:光
の角周波数 t:時間 Δθ:サニャック効果による位相差 そのように位相差へ〇が生じた左回り光と右回り光とを
ビームスプリッタ12で合成して、受光素子26に入射
する。その受光素子26の検出強度から、位相差Δ′θ
を知ることができる。その位相差Δθは、次のように表
すことができる。
However, El, E2 = amplitude of counterclockwise light and clockwise light ω: angular frequency of light t: time Δθ: phase difference due to Sagnac effect. The beams are combined by the beam splitter 12 and incident on the light receiving element 26. From the detection intensity of the light receiving element 26, the phase difference Δ′θ
can be known. The phase difference Δθ can be expressed as follows.

但し、L:センサコイルのファイバ長 a:センサコイルの半径 C:真空中の光速度 λ:光の波長 Ω:回転角速度 これをす÷ヤック効果という。However, L: fiber length of sensor coil a: radius of sensor coil C: Speed of light in vacuum λ: wavelength of light Ω: rotational angular velocity This is called the Su÷Yak effect.

位相差Δθの検出方法には多様なものがあり、様々なも
のが提案されている。
There are various methods of detecting the phase difference Δθ, and various methods have been proposed.

最も簡単に、左回り光、右回り光の和を、受光素子で二
乗検波すると、出力Iは、 Icx: (4+cos(Δθ))・・・・(2)とい
う形になる。
Most simply, when the sum of the counterclockwise light and the clockwise light is square-law detected by a light receiving element, the output I becomes Icx: (4+cos(Δθ)) (2).

これはCOSの中にΔθがあるので、Δθが0に近い時
の感度が悪いという欠点がある。
This has the disadvantage that since Δθ exists in the COS, sensitivity is poor when Δθ is close to 0.

そこで、左回り、右回りの光のいずれかの位相を90°
ずらして、二乗検波するという光学機構が提案されてい
る。この場合、出力Iは、l cx (1+5in(八
〇> )  −・−−(3)の形になるから、ΔθがO
に近い時の感度が良い。
Therefore, the phase of either the counterclockwise or clockwise light is changed to 90°.
An optical mechanism has been proposed in which the beam is shifted and square detection is performed. In this case, the output I has the form l cx (1+5in(80>) −・−−(3), so Δθ is O
Sensitivity is good when close to .

しかし、いずれか一方の光を分離するためには、光路を
分離するための新たなビームスプリッタ5が3つ必要に
なる。また、分離された光路の長さを常に等しくしてお
かなければならない。
However, in order to separate either one of the lights, three new beam splitters 5 are required to separate the optical paths. Furthermore, the lengths of the separated optical paths must always be made equal.

ΔθがOに近い時の感度の改善を、上述したように静的
な光学的な検出機構によって行うには、上記のような難
点がある。
Improving the sensitivity when Δθ is close to O using a static optical detection mechanism as described above has the above-mentioned difficulties.

ら)位相変調方式光フアイバジャイロ そこで、動的な機構によって、Δθを検出しようとする
光フアイバジャイロも多く提案されている。例えば、位
相変調方式、周波数変調方式などである。その中で、最
小検出可能角速度などの点で最も優れているものが、位
相変調方式光フアイバジャイロである。
(3) Phase modulation type optical fiber gyros Therefore, many optical fiber gyros that attempt to detect Δθ using a dynamic mechanism have been proposed. For example, a phase modulation method, a frequency modulation method, etc. are used. Among them, the phase modulation optical fiber gyro is the most superior in terms of minimum detectable angular velocity.

位相変調方式光フアイバジャイロは、光ファイバのセン
サコイルの一方の端に、位相変調素子を設け、変調信号
の大きさを測定することにより位相差Δθを求める方式
である。
A phase modulation type optical fiber gyro is a type in which a phase modulation element is provided at one end of an optical fiber sensor coil, and a phase difference Δθ is determined by measuring the magnitude of a modulation signal.

その位相変調方式光フアイバジャイロについて第3図を
参照して説明する 発光素子10からの可干渉光は、ビームスプリッタ12
により2つに分けられ、結合レンズ14及び16を介し
て、光ファイバ18の両端に結合される。その光ファイ
バ18は、センサコイル20を構成するように巻回され
た部分と、角周波数ω、で駆動されるピエゾ素子のよう
な位相変調素子22に巻き付けられた部分24とに分け
られている。そして、光ファイバの両端から結合された
光は、それぞれ、光ファイバのセンサコイル20内を右
回りと左回りに伝搬し、反対側の端部より出射し、ビー
ムスプリッタ12により合成されて受光素子26に入射
する。
The phase modulation optical fiber gyro will be explained with reference to FIG. 3. The coherent light from the light emitting element 10 is transmitted to the beam splitter 12
The optical fiber 18 is divided into two parts and coupled to both ends of an optical fiber 18 via coupling lenses 14 and 16. The optical fiber 18 is divided into a portion wound to constitute a sensor coil 20 and a portion 24 wound around a phase modulation element 22 such as a piezo element driven at an angular frequency ω. . The light coupled from both ends of the optical fiber propagates clockwise and counterclockwise within the sensor coil 20 of the optical fiber, exits from the opposite end, is combined by the beam splitter 12, and is sent to the light receiving element. 26.

位相変調素子をセンサコイルに対して非対称な位置に設
けると、同時に発光素子を出た光が、右回り、左回りに
分けられてセンサコイルと位相変調素子巻回部とを通過
するが、変調の時刻が異なるので、受光素子で出力を二
乗検波した時、変調信号が出力に現われる。変調信号の
振幅に△θが含まれるから、変調信号の大きさを知って
Δθを求めることができる。
When the phase modulation element is installed at an asymmetric position with respect to the sensor coil, the light emitted from the light emitting element at the same time passes through the sensor coil and the phase modulation element winding part in clockwise and counterclockwise directions, but the light is not modulated. Since the times are different, when the output is square-law detected by the light receiving element, a modulated signal appears in the output. Since Δθ is included in the amplitude of the modulation signal, Δθ can be determined by knowing the magnitude of the modulation signal.

例えば、位相変調器を左回り光の入射端の近傍に設けた
とする。光ファイバのセンサコイルの長さがL1ファイ
バコアの屈折率をn1光速をCとすると、光がセンサコ
イルを通過するに要する時間τは τ=nL/C・参Φ(4) である。
For example, assume that a phase modulator is provided near the input end of counterclockwise light. When the length of the sensor coil of the optical fiber is L1, the refractive index of the fiber core is n1, and the speed of light is C, the time τ required for light to pass through the sensor coil is τ=nL/C·reference Φ(4).

変調信号が、上記したように、角周波数の、の正弦波で
あるとする。同時に発光素子を出た光が、右回り光、左
回り光に分かれ、それぞれ位相変調を受ける時の、変調
信号の位相差φは、φ=ωヨτ =nLωm/c =2πfonL/c   ・・・(5)但し、ω1=2
πf。
Assume that the modulation signal is a sine wave of angular frequency, as described above. When the light emitted from the light emitting element at the same time is divided into clockwise light and counterclockwise light, and each undergoes phase modulation, the phase difference φ of the modulation signal is φ=ωyoτ =nLωm/c =2πfonL/c ・・・(5) However, ω1=2
πf.

となる。becomes.

サニヤック効果により、右回り光、左回り光は、±Δθ
/2の位相差を持つが、位相変調素子によって、位相が
さらに変調される。位相変調素子の振幅をbとすると、
右回り光、左回り光の電界の強さE、、E、は、 となる。
Due to the Sagnac effect, clockwise light and counterclockwise light are ±Δθ
Although it has a phase difference of /2, the phase is further modulated by the phase modulation element. If the amplitude of the phase modulation element is b,
The electric field strengths E, , E, of clockwise light and counterclockwise light are as follows.

以上のような電界強度を有する右回り光、左回り光は、
ビームスプリッタ12で合成されて受光素子26によっ
て二乗検波されるので、受光素子の出力S(八〇、1)
はErとE、の和を二乗したものに比例する。
Clockwise light and counterclockwise light having the above electric field strength are
They are combined by the beam splitter 12 and square-law detected by the light receiving element 26, so the output of the light receiving element S (80, 1)
is proportional to the sum of Er and E squared.

S(Δθ、B=(E、+EL)”    −−−(s)
これを計算すると、 +D、 C1+(2ω以上) ・ ・ ・(9) 但し、D、 C,は直流成分を意味する。
S(Δθ, B=(E, +EL)” ---(s)
Calculating this, +D, C1+ (2ω or more) ・ ・ ・ (9) However, D, C, mean DC components.

(2ω以上)は、光の角振動数の2倍の振動数の項とい
う意味である。なお、これは検出器にはかからないので
0である。
(2ω or more) means a term with a frequency twice the angular frequency of light. Note that this is 0 because it is not applied to the detector.

となる。かくして、位相変調素子によりもたらされる位
相差φがあるので、Δθを、変調信号の振幅に関係づけ
て得ることができる。
becomes. Thus, because of the phase difference φ provided by the phase modulation element, Δθ can be obtained in relation to the amplitude of the modulation signal.

そこで、D、 C,を省略して、S(Δθ、1)をベッ
セル函数を使って級数展開する。
Therefore, we omit D, C, and expand S(Δθ, 1) into a series using the Bessel function.

・・・αQ ベッセル函数の母函数展開から、 n=−■ n=−閃 と表すことができる。(12)式の実数部、虚数部の展
開から、6口式のcos、 sinの部分の級数展開を
得ることができる。S(Δθ、1)を、これらの部分に
分けて、 S(Δθ、1) =(SccosΔθ+3.sinΔθ)E1E2 ・・
(13)と書くと、θ−θ十π/2の変換をした後、J
−、(x) =(−)”J、、(x)    ・・・(
14)但し、nは正の整数 という性質を使って、 φ ξ= 2b sin −φ・φ(15)とおいて、上記
ScとSsを書くと、 Sc”Jo(ξ) ・ ・ ・(16) ・ ・ ・(17) となる。そこで、再び、S(Δθ、1)を表すと次の如
くである。
...αQ From the generating function expansion of the Bessel function, it can be expressed as n=-■ n=-flash. From the expansion of the real and imaginary parts of equation (12), we can obtain the series expansion of the cos and sin parts of the six-port equation. Divide S(Δθ, 1) into these parts, S(Δθ, 1) = (SccosΔθ+3.sinΔθ)E1E2...
(13), after converting θ−θ1π/2, J
−, (x) = (−)”J,, (x) ・・・(
14) However, using the property that n is a positive integer and setting φ ξ = 2b sin −φ・φ (15) and writing the above Sc and Ss, Sc”Jo(ξ) ・ ・ ・ (16)・ ・ ・(17) Then, expressing S(Δθ, 1) again is as follows.

S(Δθ、1) = ’A (E + ” 十E 2’) + (2ωを
以上の成分)+ E I E 2 J o(ξ)cos
Δθ・・・αO” =DC成分 +2EIE2Jl(ξ)cos 0mt−5inΔθ2
EIE2.L2(ξ)cos 2ω、t’cosΔθ+
高次成分            ・・・α1°゛これ
は、変調信号ω、の基本波と、高周波信号の級数和であ
る。
S (Δθ, 1) = 'A (E + '' 1 E 2') + (components greater than or equal to 2ω) + E I E 2 J o (ξ) cos
Δθ...αO" = DC component + 2EIE2Jl (ξ) cos 0mt-5inΔθ2
EIE2. L2(ξ)cos 2ω, t'cosΔθ+
High-order component...α1° This is the sum of the series of the fundamental wave of the modulation signal ω and the high-frequency signal.

適当なフィルタを使えば、基本波ω、又は任意の次数の
高調波の信号を取り出すことができる。
By using an appropriate filter, it is possible to extract the fundamental wave ω or a harmonic signal of any order.

どの信号を採用しても、cosΔθ又はsinΔθの大
きさを知ることができる。
No matter which signal is adopted, the magnitude of cos Δθ or sin Δθ can be known.

その場合、その次数のベッセル函数J、、(ξ)の値が
大きくなるよう、位相変調素子による変調の振幅b1変
調角周波数ω1、センサコイル通過時間τを設定すべき
である。
In that case, the amplitude b1 of the modulation by the phase modulation element, the modulation angular frequency ω1, and the sensor coil transit time τ should be set so that the value of the Bessel function J, , (ξ) of that order becomes large.

最も高感度が期待できるのは、(17)式の1次の項(
n=o)すなわちαQ″″式の右辺第2項である。
The highest sensitivity can be expected from the first-order term (
n=o), that is, the second term on the right side of the αQ″″ equation.

これは、基本波成分である。この基本波成分をP(Δθ
、1)とすると、 P(Δθ、1) =2E、E2J、(ξ)cos ω@ t−5inΔθ
・・・(18) である。かくして、sinΔθに比例した出力かえられ
、基本波成分の振幅を求めて、Δθを知ることができる
This is the fundamental wave component. This fundamental wave component is P(Δθ
, 1), then P(Δθ, 1) = 2E, E2J, (ξ) cos ω@t-5inΔθ
...(18). In this way, the output proportional to sin Δθ is changed, and Δθ can be found by finding the amplitude of the fundamental wave component.

発明が解決しようとする問題点 以上のような光フアイバジャイロを搭載して運動する移
動体の中には、航空機やロケット更にはミサイルなどの
ように、3次元空間を運動するものが多い。そのような
移動体の角速度を測定するには、3つの光フアイバジャ
イロを従来設備していた。また、角速度と圧力とを測定
する場合には、例えば光フアイバジャイロと光ハイドロ
ホンとをそれぞれ設備しなければならない。
Problems to be Solved by the Invention Among the moving objects that are equipped with optical fiber gyros and move as described above, many move in three-dimensional space, such as aircraft, rockets, and even missiles. In order to measure the angular velocity of such a moving body, three optical fiber gyros were conventionally installed. Furthermore, when measuring angular velocity and pressure, it is necessary to install, for example, an optical fiber gyro and an optical hydrophone, respectively.

しかし、例えば、3つの光フアイバジャイロからなる角
速度測定装置を搭載することは、まず、装置全体が大損
りとなる問題がある。
However, for example, installing an angular velocity measuring device consisting of three fiber optic gyros poses a problem in that the entire device is seriously damaged.

また、光源や受光素子が各センサとも同一条件で動作す
るように調整することが必要であるが、その調整は非常
に面倒である。なぜならば、もし同一条件が確保できな
ければ、各測定項目のスケールの同一性を維持できず、
測定に信頼性が保てなくなるからである。例えば、3次
元の各方向のスケールが一致しなければ、その合成によ
り得られる移動方向及びその移動方向の速度が信頼でき
なくなり、正確なナビゲーションや姿勢制御は図り難い
。従って、必要な調整の箇所が増加することは大きな問
題である。
Further, it is necessary to adjust the light source and the light receiving element so that each sensor operates under the same conditions, but this adjustment is extremely troublesome. This is because if the same conditions cannot be ensured, the scales of each measurement item cannot be maintained.
This is because the reliability of measurements cannot be maintained. For example, if the scales in each three-dimensional direction do not match, the movement direction and speed in the movement direction obtained by combining them will become unreliable, making it difficult to achieve accurate navigation and attitude control. Therefore, it is a big problem that the number of necessary adjustments increases.

また、個々の光ファイバセンサにとっても、光源及び受
光素子は、測定の信頼性確保上安定動作が必要であり、
そのため、安定な駆動が必要となる。従って、光源及び
受光素子に付属する装置は、高価であり且つその調整が
面倒である。それ故、光ファイバセンサを複数設備する
ことは、非常な費用を要していた。
In addition, for each optical fiber sensor, the light source and light receiving element must operate stably to ensure measurement reliability.
Therefore, stable driving is required. Therefore, the devices attached to the light source and the light receiving element are expensive and difficult to adjust. Therefore, installing multiple optical fiber sensors requires a great deal of expense.

以上のように、従来は、測定する方向、次元や種類が異
なると、それぞれ独立して光ファイバセンサを設備して
おり、費用が掛り、また、装置全体が大型化する問題が
あった。
As described above, in the past, optical fiber sensors were installed independently for different directions, dimensions, and types of measurements, which resulted in the problem of increasing costs and increasing the size of the entire device.

そこで、本発明は、上記問題を解決して、方向、次元ま
たは種類が異なる項目を測定できると共に、必要な調整
箇所が少なく比較的簡単且つ小型で、安価な光ファイバ
センサを提供せんとするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, the present invention aims to solve the above-mentioned problems and provide an optical fiber sensor that can measure items of different directions, dimensions, or types, and that is relatively simple, compact, and inexpensive with fewer adjustment points. It is.

問題を解決するための手段 本発明は、上記目的のために種々研究し、多くの光ファ
イバセンサにおいては伝搬光を位相変調または周波数変
調していることに着目した。すなわち、変調周波数が異
なれば、複数のセンサ用光ファイバを伝搬した光を同一
の受光素子で受けても、変調周波数により分離すること
か可能である。
Means for Solving the Problems The present invention has conducted various studies for the above-mentioned purpose, and has focused on the fact that in many optical fiber sensors, propagating light is phase-modulated or frequency-modulated. That is, if the modulation frequencies are different, even if the light propagated through a plurality of sensor optical fibers is received by the same light receiving element, it is possible to separate the lights based on the modulation frequencies.

本発明はかかる知見に基づいてなされたものである。The present invention has been made based on this knowledge.

すなわち、本発明によるならば、センサ用光ファイバを
伝搬する伝搬光を変調して、その伝搬した光の変調成分
を検出することにより物理量を測定する光ファイバセン
サにおいて、複数のセンサ用光ファイバを有し、各セン
サ用光ファイバを伝搬する光を互いに異なる周波数で変
調すると共に、各センサ用光ファイバを伝搬した光を同
一の受光素子で検出し、該受光素子の出力から各変調周
波数成分を分離して各センサ用光ファイバにより検出し
た物理量を測定する。
That is, according to the present invention, in an optical fiber sensor that measures a physical quantity by modulating propagated light propagating through a sensor optical fiber and detecting a modulated component of the propagated light, a plurality of sensor optical fibers are used. It modulates the light propagating through each sensor optical fiber at different frequencies, and detects the light propagating through each sensor optical fiber with the same light-receiving element, and extracts each modulated frequency component from the output of the light-receiving element. The physical quantities detected by the optical fibers for each sensor are measured separately.

詐J 以上のような光ファイバセンサによれば、各センサ用光
ファイバを伝1般した光の成分が、変調周波数により分
離抽出することができる。従って、その分離抽出した成
分により測定を実施すれば、各センサ用光ファイバに割
り当てられた項目の測定を、他のセンサ用光ファイバを
伝搬した光に影響されることな〈実施することができる
According to the above-described optical fiber sensor, the components of light transmitted through each sensor optical fiber can be separated and extracted based on the modulation frequency. Therefore, by performing measurements using the separated and extracted components, it is possible to measure the items assigned to each sensor optical fiber without being affected by the light propagated through other sensor optical fibers. .

実施例 以下添付図面を参照して本発明による光ファイバセンサ
の実施例を説明する。
Embodiments Hereinafter, embodiments of the optical fiber sensor according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

第1図は、本発明を実施した位相変調方式光フアイバジ
ャイロの1実施例の構成を示した図である。この位相変
調方式光フアイバジャイロは、光フアイバジャイロの基
本的条件を備えた最小構成を成している。なお、最小構
成については、イゼキールエス、及びアーディティ エ
イチ、ジェー。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an embodiment of a phase modulation optical fiber gyro according to the present invention. This phase modulation type optical fiber gyro has a minimum configuration that meets the basic requirements of an optical fiber gyro. Regarding the minimum configuration, see Izekiel S. and Aditi H. J.

「光フアイバ回転センサ」スプリンガーーフエアラーク
ベルリン(Bzekil S、 and Arditt
y HoJ。
"Optical fiber rotation sensor" Springer-Verlag Berlin (Bzekil S, and Arditt)
yHoJ.

”Fiber 0ptic Rotation 5en
sors”、Springer−VerlagBerl
i口、) 1982に詳しい説明がある。
”Fiber Optic Rotation 5en
sors”, Springer-VerlagBerl
There is a detailed explanation in 1982.

図示の位相変調方式光フアイバジャイロにおいては、発
光素子30のような光源が設けられ、電源(不図示)に
より駆動されて、光ビームを発生する。なお、光源とし
ては、He −Neレーザ、半導体レーザ、スーパール
ミネッセントダイオードなどが使用できる。その発光素
子30が発生する光ビームは、直列に並んだハーフミラ
−のようなビームスプリッタ32.34.36に送られ
る。ビームスプリッタ32は、光を受光素子38に分岐
するためのものであり、また、ビームスプリッタ34及
び36は、光源30からの光を3つに分岐すると共に3
つの光を1つのまとめるものである。
In the illustrated phase modulation optical fiber gyro, a light source such as a light emitting element 30 is provided, and is driven by a power source (not shown) to generate a light beam. Note that as a light source, a He-Ne laser, a semiconductor laser, a superluminescent diode, etc. can be used. The light beam generated by the light emitting element 30 is sent to beam splitters 32, 34, and 36 such as half mirrors arranged in series. The beam splitter 32 is for splitting the light to the light receiving element 38, and the beam splitters 34 and 36 are for splitting the light from the light source 30 into three parts.
It brings together two lights into one.

ビームスプリッタ34で分岐された光ビームは、ハーフ
ミラ−のようなビームスプリッタ40に送られ、そのビ
ームスプリッタ40で2つに分けられた光ビームは、第
1の光ファイバ42の両端に結合される。
The light beam split by the beam splitter 34 is sent to a beam splitter 40 such as a half mirror, and the light beam split into two by the beam splitter 40 is coupled to both ends of a first optical fiber 42. .

同様に、ビームスプリッタ36で分岐された2つの光ビ
ームは、それぞれ、ハーフミラ−のようなビームスプリ
ッタ44及び46に送られる。そして、それらビームス
プリッタ40でそれぞれ2つに分けられた光ビームは、
それぞれ、第2及び第3の光ファイバ48及び50の両
端に結合される。
Similarly, the two light beams split by the beam splitter 36 are sent to beam splitters 44 and 46, such as half mirrors, respectively. The light beams each split into two by the beam splitters 40 are
Coupled to opposite ends of second and third optical fibers 48 and 50, respectively.

これら3つの光ファイバ42.48及び50は、それぞ
れ、光ファイバセンサを構成するように、多数回コイル
状に巻かれてセンサコイル42A、48A及び50Aと
、圧電振動素子52.54及び56にそれぞれ巻き付け
られた部分42B、48B及び50Bとからなっている
。そして、センサコイル42A、48A及び50Aは、
直交3次元座標の各面、XY面、YZ面、ZX面にそれ
ぞれ配置されている。
These three optical fibers 42, 48 and 50 are each wound into a coil many times to form an optical fiber sensor and are connected to sensor coils 42A, 48A and 50A and piezoelectric vibrating elements 52, 54 and 56, respectively. It consists of wrapped portions 42B, 48B and 50B. The sensor coils 42A, 48A and 50A are
They are arranged on each plane of orthogonal three-dimensional coordinates: the XY plane, the YZ plane, and the ZX plane.

また、圧電振動素子52.54及び56は、それぞれ位
相変調用の交流励振電源58.60及び62に接続され
、それぞれ角周波数ω、1、ω、2及びωp3の交流で
駆動されるようになされている。
Furthermore, the piezoelectric vibrating elements 52, 54 and 56 are connected to AC excitation power supplies 58, 60 and 62 for phase modulation, respectively, and are driven by AC with angular frequencies ω, 1, ω, 2, and ωp3, respectively. ing.

3つの光ファイバ42.48及び50をそれぞれ右回り
と左回りとに伝搬した光ビームは、光ファイバ42.4
8及び50のそれぞれの両端から出力されて、ビームス
プリッタ40.44及び46により合成され、更に、ビ
ームスプリッタ34及び36によりまとめられ、ビーム
スプリッタ32を介して、受光素子38に入射する。
The light beams propagated clockwise and counterclockwise through the three optical fibers 42.48 and 50, respectively, pass through the optical fiber 42.4.
8 and 50, are combined by beam splitters 40, 44 and 46, further combined by beam splitters 34 and 36, and incident on light receiving element 38 via beam splitter 32.

その受光素子の電気出力は、3つの同期検波器64.6
6及び68の入力に接続されている。それら同期検波器
64.66及び68は、上述した圧電振動素子52.5
4及び56と同様に、位相変調用の交流励振電源58.
60及び62に接続され、それぞれ角周波数ω28、ω
2□及びωp3の交流を受けるようになされている。
The electrical output of the light receiving element is transmitted through three synchronous detectors 64.6
6 and 68 inputs. These synchronous detectors 64, 66 and 68 are composed of the piezoelectric vibrating elements 52, 5,
4 and 56, an AC excitation power source 58 for phase modulation.
60 and 62 with angular frequencies ω28 and ω, respectively.
It is adapted to receive alternating currents of 2□ and ωp3.

そして、それら同期検波器64.66及び68の出力は
、それぞれローパスフィルタ70.72及び74を介し
て出力される。かくして、同期検波器64.66及び6
8は、角周波数ω、1、ωP2及びωp3の成分を抽出
し、ローパスフィルタ70.72及び74は、角周波数
ω□、ω、2及びω1.の成分の中からsinΔθに対
応する信号成分を抽出して出力する。
The outputs of the synchronous detectors 64, 66 and 68 are outputted via low-pass filters 70, 72 and 74, respectively. Thus, the synchronous detectors 64, 66 and 6
8 extracts components of angular frequencies ω,1, ωP2 and ωp3, and low-pass filters 70, 72 and 74 extract components of angular frequencies ω□, ω,2 and ω1 . The signal component corresponding to sinΔθ is extracted and output from among the components.

以上のように構成される位相変調方式光フアイバジャイ
ロは、次のように動作する。
The phase modulation type optical fiber gyro configured as described above operates as follows.

電源により駆動される発光素子30からの光ビームは、
ビームスプリッタ32を通過して、ビームスプリッタ3
4.36で3つに分岐され、更に、ビームスプリッタ4
0.44.46によりぞれぞれ2つに分岐されて光ファ
イバ42.48.50の両端に結合される。
The light beam from the light emitting element 30 driven by the power source is
After passing through the beam splitter 32, the beam splitter 3
4.36, it is branched into three beams, and furthermore, the beam splitter 4
0.44.46, respectively, and are branched into two and coupled to both ends of optical fibers 42, 48, and 50.

これら光ファイバ42.48.50に入力された光ビー
ムは、回転を受けているセンサコイル42A、48A5
0Aの部分で位相差ができ、また、交流励振電源58.
60.62からの角周波数ω□、ωp2及びω、3の交
流で駆動される圧電振動素子52.54及び56にそれ
ぞれ巻き付けられた部分42B、48B及び50Bにお
いて位相変調される。
The light beams input into these optical fibers 42, 48, 50 are connected to sensor coils 42A, 48A5 which are undergoing rotation.
A phase difference is created at the 0A portion, and the AC excitation power source 58.
It is phase modulated in the portions 42B, 48B and 50B wound around piezoelectric vibrating elements 52, 54 and 56, respectively, driven by alternating currents of angular frequencies ω□, ωp2 and ω,3 from 60.62.

そのように光ファイバ42.48.50においてそれぞ
れ位相差ができ且つ位相変調された右回り光ビームと左
回り光ビームは、光ファイバ42.48.50のそれぞ
れの両端から出力されて、ビームスプリッタ40.44
.46により合成され、更に、ビームスプリッタ34.
36によりまとめられ、ビームスプリッタ32を介して
受光素子38に入射する。
The clockwise light beam and the counterclockwise light beam, which have a phase difference and are phase modulated in the optical fiber 42, 48, 50, are outputted from both ends of the optical fiber 42, 48, 50, and then sent to the beam splitter. 40.44
.. 46, and the beam splitter 34.
36 and enters the light receiving element 38 via the beam splitter 32.

ここで、その受光素子38の出力を式で表すと以下のよ
うになる。
Here, the output of the light receiving element 38 is expressed as follows.

■ (Δθ1、Δθ2、△θ3) =DC成分 +高調波成分 但し、b、、、φ。は、n番目の光ファイバコイルの位
相変調に関する定数 Δθ。は、n番目の光ファイバコイルの受けるサニヤッ
ク効果による位相差 E n l N E n 2は、n番目の光ファイバコ
イルの左右両回り光の振幅 そのような受光素子の電気出力は、交流励振電源58.
60.62から、圧電振動素子52.54及び56の駆
動角周波数ωPisω2゜及びω、3の交流を参照角周
波数として受けている同期検波器64.66及び68に
入力される。
■ (Δθ1, Δθ2, Δθ3) = DC component + harmonic component However, b, , φ. is a constant Δθ regarding the phase modulation of the nth optical fiber coil. is the phase difference due to the Sagnac effect experienced by the n-th optical fiber coil E n l N E n 2 is the amplitude of the left and right light of the n-th optical fiber coil The electrical output of such a light receiving element is the AC excitation power supply 58.
60.62, the signals are input to synchronous detectors 64, 66 and 68 which receive the drive angular frequencies ωPisω2° and AC of ω,3 of the piezoelectric vibrating elements 52, 54 and 56 as reference angular frequencies.

同期検波器64は、角周波数ωp1を参照角周波数とし
て受けているので、その角周波数ω、1の成分の交流信
号を出力し、かくして、ローパスフィルタ70は、XY
面にあるセンサコイル42Δに右いて発生した位相差Δ
θ1を示す電圧信号を出力する。
Since the synchronous detector 64 receives the angular frequency ωp1 as a reference angular frequency, it outputs an AC signal with a component of the angular frequency ω, 1, and thus the low-pass filter 70
The phase difference Δ generated on the right side of the sensor coil 42Δ on the surface
A voltage signal indicating θ1 is output.

すなわち、Z軸を中心としての回転の角速度を測定する
ことができる。
That is, the angular velocity of rotation about the Z-axis can be measured.

また、同期検波器66は、角周波数ω、2を参照角周波
数として受けているので、その角周波数の2□の成分の
交流信号を出力し、かくして、ローパスフィルタ72は
、YZ面にあるセンサコイル48Aにおいて発生した位
相差Δθ2を示す電圧信号を出力する。すなわち、X軸
を中心としての回転の角速度を測定することができる。
Furthermore, since the synchronous detector 66 receives the angular frequency ω,2 as a reference angular frequency, it outputs an AC signal of the 2□ component of the angular frequency, and thus the low-pass filter 72 detects the sensor located on the YZ plane. A voltage signal indicating the phase difference Δθ2 generated in the coil 48A is output. That is, the angular velocity of rotation about the X-axis can be measured.

そして、同期検波器66は、角周波数の、3を参照角周
波数として受けているので、その角周波数ωp3の成分
の交流信号を出力し、かくして、ローパスフィルタ74
は、センサコイル50Aにおいて発生した位相差Δθコ
を示す電圧信号を出力する。すなわち、Y軸を中心とし
ての回転の角速度を測定することができる。
Since the synchronous detector 66 receives the angular frequency 3 as a reference angular frequency, it outputs an AC signal of the component of the angular frequency ωp3, and thus the low-pass filter 74
outputs a voltage signal indicating the phase difference Δθ generated in the sensor coil 50A. That is, the angular velocity of rotation about the Y-axis can be measured.

それ故、3つのローパスフィルタの出力からX1Y、Z
の3方向の角速度を得ることができ、それらを合成する
ことにより、移動方向及びその移動方向の速度を求める
ことができる。
Therefore, from the outputs of the three low-pass filters, X1Y, Z
The angular velocities in three directions can be obtained, and by combining them, the moving direction and the velocity in that moving direction can be determined.

なお、以上の位相変調方式光フアイバジャイロは、3つ
のセンサコイルを有しているが、測定上必要であれば、
4またはそれ以上のセンサコイルlけてもよい。いずれ
にしても、センサコイルごとに位相変調周波数が異なる
ようにすると共に、各位相変調周波数で受光素子の電気
出力を同期検波するなどして、該当変調周波数の成分を
分離抽出すればよい。
The phase modulation type optical fiber gyro described above has three sensor coils, but if necessary for measurement,
Four or more sensor coils may be included. In any case, the phase modulation frequency may be different for each sensor coil, and the electrical output of the light receiving element may be synchronously detected at each phase modulation frequency to separate and extract components of the corresponding modulation frequency.

また、上記実施例では、光源を共通にしているが、各セ
ンサ用光ファイバごとにそれぞれ独立に光源を設けても
よい。
Further, in the above embodiment, a common light source is used, but a light source may be provided independently for each sensor optical fiber.

上記実施例は、角速度測定用の光フアイバジャイロに本
発明を適用してものである。しかし、本発明は、複数の
センサ光ファイバを有する光ハイドロホンに適用するな
ど、ほかの光ファイバセンサにも適用できる。更には、
センサコイルの用途を、角速度測定と温度測定と圧力測
定などのように互いに異なる複数種類の測定に使用する
こともできる。
In the above embodiment, the present invention is applied to an optical fiber gyro for measuring angular velocity. However, the present invention is also applicable to other optical fiber sensors, such as to optical hydrophones having multiple sensor optical fibers. Furthermore,
The sensor coil can also be used for multiple different types of measurements, such as angular velocity measurement, temperature measurement, and pressure measurement.

以上の実施例において、光源及び受光素子は、複数のセ
ンサ用光ファイバに共通である。従って、測定の信頼性
確保上安定な駆動が必要である光源及び受光素子は、そ
れぞれ1つであるので、面倒な調整の負担は軽い。また
、そのように安定動作が要求されるために高価にならざ
るを得ない光源及び受光素子がそれぞれ1つであるので
、多項目にわたる測定ができる光ファイバセンサを、従
来に比較して安価に製造することができる。また、装置
全体を大損りにしないで済む。
In the above embodiments, the light source and the light receiving element are common to a plurality of sensor optical fibers. Therefore, since there is only one light source and one light-receiving element, which must be driven stably to ensure measurement reliability, the burden of troublesome adjustment is light. In addition, because stable operation is required, there is only one light source and one light-receiving element, which must be expensive, so optical fiber sensors that can measure multiple items are cheaper than conventional ones. can be manufactured. Moreover, the entire device does not suffer major damage.

また、光源と受光素子がセンサ用光ファイバに共通であ
るので、それらを調整するだけで、各センサとも同一条
件で動作させることができる。従って、上記実施例のよ
うに3方向の速度を測定する場合など、3次元の各方向
のスケールが一致し、その合成により得られる移動方向
及びその移動方向の速度の信頼性は極めて高く、正確な
ナビゲーションや姿勢制御を図るこきができる。また、
各センサ光ファイバに付属する光源と受光素子を同一条
件で動作させるための面倒な調整作業から開放され、実
用性が極めて高い。    −33」j盟 以上の説明から明らかなように、本発明による光ファイ
バセンサは、受光素子が全センサ用光ファイバに共通し
ている。従って、方向、次元または種類が異なる項目を
、比較的簡単且つ小型で、安価な装置で測定することが
できる。
Further, since the light source and the light receiving element are common to the sensor optical fiber, each sensor can be operated under the same conditions by simply adjusting them. Therefore, when measuring speed in three directions as in the above example, the scales in each three-dimensional direction match, and the reliability and accuracy of the moving direction and the speed in that moving direction obtained by combining them is extremely high and accurate. It is possible to use the robot for navigation and posture control. Also,
This eliminates the troublesome adjustment work required to operate the light source and light receiving element attached to each sensor optical fiber under the same conditions, making it extremely practical. As is clear from the above description, in the optical fiber sensor according to the present invention, the light receiving element is common to all sensor optical fibers. Therefore, items with different directions, dimensions, or types can be measured with a relatively simple, compact, and inexpensive device.

更に、光源も共通にすることにより、光ファイバセンサ
の中で最も測定精度に影響し且つ高価で安定駆動のため
の調整が困難な光源と受光素子との両方を全センサ用光
ファイバに共通にすることができ、装置全体を小型化で
き且つ高い信頼性を持つことができる。
Furthermore, by using a common light source, both the light source and photodetector, which affect measurement accuracy the most among optical fiber sensors, are expensive, and are difficult to adjust for stable driving, can be shared by all sensor optical fibers. Therefore, the entire device can be downsized and highly reliable.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明を実施した位相変調方式光フアイバジ
ャイロの光学系構成図であり、第2図は、光フアイバジ
ャイロの原理を説明する基本構成図であり、 第3図は、位相変調方式光フアイバジャイロの原理を説
明する基本構成図である。 〔主な参照番号〕 10・・発光素子   12・・ビームスプリッタ14
.16・・結合レンズ  18・・光ファイ”バ20・
・センサコイル   22・・位相変調素子26・・受
光素子     30・・光源32.34.36.40
.44.46・・ビームスプリッタ38・・受光素子
FIG. 1 is a diagram showing the optical system configuration of a phase modulation optical fiber gyro according to the present invention, FIG. 2 is a basic configuration diagram explaining the principle of the optical fiber gyro, and FIG. 1 is a basic configuration diagram illustrating the principle of a fiber optic gyro. [Main reference numbers] 10...Light emitting element 12...Beam splitter 14
.. 16...Coupling lens 18...Optical fiber" fiber 20.
- Sensor coil 22... Phase modulation element 26... Light receiving element 30... Light source 32.34.36.40
.. 44.46... Beam splitter 38... Light receiving element

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)センサ用光ファイバを伝搬する伝搬光を変調して
、その伝搬した光の変調成分を検出することにより物理
量を測定する光ファイバセンサにおいて、複数のセンサ
用光ファイバを有し、各センサ用光ファイバを伝搬する
光を互いに異なる周波数で位相変調すると共に、各セン
サ用光ファイバを伝搬した光を同一の受光素子で検出し
、該受光素子の出力から各変調周波数成分を分離して各
センサ用光ファイバにより検出した物理量を測定するこ
とを特徴とする光ファイバセンサ。
(1) An optical fiber sensor that measures a physical quantity by modulating propagated light propagating through a sensor optical fiber and detecting a modulated component of the propagated light, which has a plurality of sensor optical fibers, and each sensor The light propagating through the sensor optical fibers is phase-modulated at different frequencies, and the light propagating through each sensor optical fiber is detected by the same light-receiving element, and each modulated frequency component is separated from the output of the light-receiving element. An optical fiber sensor that measures a physical quantity detected by a sensor optical fiber.
(2)各センサ用光ファイバには、同一光源から光が結
合されることを特徴とする特許請求の範囲第(1)項記
載の光ファイバセンサ。
(2) The optical fiber sensor according to claim (1), wherein light from the same light source is coupled to each sensor optical fiber.
(3)前記センサ用光ファイバの各々は、光ファイバコ
イルであり、該光ファイバコイルが受ける角速度を検出
することを特徴とする特許請求の範囲第(1)項または
第(2)項のいずれかに記載の光ファイバセンサ。
(3) Each of the sensor optical fibers is an optical fiber coil, and detects the angular velocity that the optical fiber coil receives. Optical fiber sensor described in .
(4)前記光ファイバコイルは3つあり、直交3次元座
標の各面に配置されていることを特徴とする特許請求の
範囲第(3)項記載の光ファイバセンサ。
(4) The optical fiber sensor according to claim (3), wherein there are three optical fiber coils arranged on each plane of orthogonal three-dimensional coordinates.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0388499A1 (en) * 1989-03-23 1990-09-26 LITEF GmbH Rotation rate sensor device using Sagnac interferometers for three spatial directions
DE102011104512A1 (en) * 2011-06-17 2012-12-20 Northrop Grumman Litef Gmbh Light source module for tri-axes rotational measuring triad system used in navigation system, has light source that is integrated in substrate to emit polarized light on photoconductive fibers

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