ファイバセンシングシステム
【課題】 センサ位置の同定ができ、同一光伝送路に複数のセンサを配置可能とし、かつ、2波長系の統合が容易なファイバセンシングシステムの提供。
【解決手段】 ファイバセンシングシステム1は、入射光を被測定物理量に応じた反射応答の反射光として出力できるセンサヘッド341,342,…,34nを有する光ファイバセンシング系3と、共通の擬似ランダム信号によって相補的に出力される波長の異なる二つの光を合成して光ファイバセンシング系3に送出し、光ファイバセンシング系3からの反射光を異なる波長の二つの反射光に分波し、相補的に変化する二つの反射光をそれぞれ電気信号に変換し、二つの電気信号を基に二つの反射光による反射利得の比より求まる波長シフトから被測定物理量を検出する2波長反射計測系5とを備えたことを特徴とするものである。
【解決手段】 ファイバセンシングシステム1は、入射光を被測定物理量に応じた反射応答の反射光として出力できるセンサヘッド341,342,…,34nを有する光ファイバセンシング系3と、共通の擬似ランダム信号によって相補的に出力される波長の異なる二つの光を合成して光ファイバセンシング系3に送出し、光ファイバセンシング系3からの反射光を異なる波長の二つの反射光に分波し、相補的に変化する二つの反射光をそれぞれ電気信号に変換し、二つの電気信号を基に二つの反射光による反射利得の比より求まる波長シフトから被測定物理量を検出する2波長反射計測系5とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、共通の擬似ランダム信号によって相補的に出力される波長の異なる二つの光を合成して光ファイバセンシング系に送出し、前記光ファイバセンシング系で被測定物理量に応じた反射応答の反射光の反射利得比より求まる波長シフトから被測定物理量を検出できるファイバセンシングシステムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
この種のファイバセンシングシステムとしては、波長の異なる光を一定周期で交互に発生する手段と、上記光を伝達する光伝送路と、上記光伝送路の出力光を上記波長の差を利用して分離し、その分離された一方の光の強度を被測定体の変動によって変動させた後、他の分離された光と共に上記伝送路に加える計測部と、上記光伝送路を介して計測部から送られてくる光を電気信号に変換する受光器と、上記受光器の出力電気信号を上記一定周期で標本化する標本化回路と、上記標本化回路で分離された信号の比から上記比測定体の変動を検出する信号処理回路と、を備えた光学測定装置が知られている(特許文献1)。
この光学測定装置は、2波長を一定周期で周期的に切り換え、計測部に導き、計測部で被測定物理量に応じた反射利得を同期検波して被測定物理量を検出している。このため、この光学測定装置の場合、計測部の個数は単数に制約されることになる。
【特許文献1】特開昭54−108676号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
このように、上記従来の光学測定装置は単数のセンサを対象としたもので、方式的にセンサ位置の同定ができないことから、そのままでは複数のセンサを配置できないこと、2波長系の統合が容易でないという欠点があった。
本発明は、上述した欠点を解消し、センサ位置の同定ができ、同一光伝送路に複数のセンサを配置可能とし、かつ、2波長系の統合が容易なファイバセンシングシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0004】
上記目的を達成するために、本願請求項1に係る発明のファイバセンシングシステムは、光計測情報の伝送媒体である光ファイバ中に、被測定物理量に応じて反射スペクトルが波長軸上でシフトすることによって二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する一個以上のセンサ系を縦続的に挿入した光ファイバ系に、各センサに対する位置同定機能および上記2波長に対する反射利得比の検出機能を併せもつ2波長反射計測システムを組み合わせることにより、各センサにおける2波長に対する反射利得を求め、その比から求まるスペクトルシフト量から被測定物理量を検出することを特徴とするものである。
本願請求項2に係る発明では、本願請求項1に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンシング系のトポロジーとして、ファイバスルー本線と、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入された複数の光センサ分岐用の光カプラと、前記光カプラにそれぞれ接続されるファイバ支線と、そのファイバ支線の終端面に形成したセンサヘッドとから構成されたファイバカプラを介してバス型としたことを特徴とするものである。
本願請求項3に係る発明では、本願請求項1に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記2波長反射計測系は、擬似ランダム信号を生成する符号生成器と、前記符号生成器からオンオフ相補的な擬似ランダム信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出でき、前記光ファイバセンシング系からの反射光を二つの波長の反射光に分波する合分波器と、前記合分波器で分波された二つの波長の反射光をそれぞれ電気信号に変換する受光器と、前記二つ受光器からの検出電気信号の擬似ランダム信号との相互相関から二つの波長に対応した反射利得を求める二つの相関器と、前記二つの相関器から出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
本願請求項4に係る発明では、本願請求項2に係るファイバセンシングシステムおいて、前記センサヘッドは、ファイバ支線の終端に対象な球面研磨を施し、当該面に二つの波長間に中心波長を持ち、かつ温度によって反射スペクトルが波長軸上でシフトする誘電体多層膜フィルタを直接蒸着形成することにより、温度センサとして使用できるようにしたことを特徴とするものである。
【0005】
本願請求項5に係る発明では、本願請求項4に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記センサヘッドは、誘電体多層膜フィルタの膜厚方向に圧力が印加される構造とすることによって、圧力に応じて変化する上記フィルタの波長シフト量により圧力検出可能な圧力センサとして使用できるようにしてなることを特徴とするものである。
本願請求項6に係る発明は、本願請求項4に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記センサヘッドは、ファイバ軸に対して対称な球面をなす誘電体多層膜フィルタ面に、たとえば石英ブロックなどのような光学的接触子を、外部変位に応じて接触もしくは非接触の二状態を可能とする構成とすることによって、二状態に応じた該フィルタの波長シフトより状態検知するコンタクトスイッチとして使用可能としたことを特徴とするものである。
本願請求項7に係る発明では、本願請求項5または6に係るファイバセンシングシステムにおいて、ファイバ支線をセンサ手前で二分岐し、一方に非温度センサを、他方に温度補償用として非温度センサと同仕様のフィルタによる温度センサを周囲温度が等しくなるよう設置するとき、両センサのファイバ距離差が2波長反射計測系のイベント距離分解能およびパイロット光源の可干渉距離以上となるよう、いずれかのセンサ側にダミーファイバを挿入し、距離的に分離して得られる非温度センサの波長シフト量から温度補償用温度センサの波長シフト量を減殺することによって、非温度センサの温度補償を行うことを特徴とするものである。
【0006】
本願請求項8に係る発明では、本願請求項2に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンシング系は、N個の光センサ分岐用の光カプラがファイバスルー本線中に縦続的に挿入されているとき、光カプラの各分岐比を1/Nとしてなることを特徴とするものである。
本願請求項9に係る発明では、本願請求項1に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンシング系のトッポロジーが、ファイバスルー本線と、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入された複数の透過型光センサから構成されることを特徴とするものである。
本願請求項10に係る発明では、本願請求項1又は請求項9に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記2波長反射計測系は、擬似ランダム信号を生成する符号生成器と、前記符号生成器からオンオフ相補的な擬似ランダム信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を擬似ランダム信号で相関演算する相関器と、前記の相関器から出力から反射率比を求め、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
本願請求項11に係る発明では、本願請求項10に係るファイバセンシングシステムにおいて、PN符号発生器において2波長のうち1波長のみ発光させる段階1とPN符号の論理レベルで2波長を交播駆動する段階2に分け、段階1で計測した反射率a と、段階2で計測した反射振幅差dから、波長シフト解析器において1+d/aとして求まる、反射率比より被測定物理量を割り出すことを特徴とするものである。
【0007】
本願請求項12に係る発明では、本願請求項10に係るファイバセンシングシステムにおいて、PN符号発生器においてPN符号1周期ごとに波長を切替えて、反射率を計測し、波長シフト解析器においてそれらの比をとることを特徴とするものである。
本願請求項13に係る発明では、本願請求項1に係るファイバセンシングシステムにおいて、センサ数が1の場合、駆動波形として周期波形を発生する波形発生器と、前記波形発生器の出力波形の論理レベルに応じて駆動され、異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を同期検波し2波長の反射率比を求める除算器と、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
本願請求項14に係る発明では、本願請求項1又は請求項9に係るファイバセンシングシステムにおいて、パルス波形を生成するパルス発生器と、前記パルス発生器から交互に発生されるパルス信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、 前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を交互発光する2つの波長に同期しそれぞれ累積加算する2つ波形加算器と、前記2つ加算器から出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
【0008】
本願請求項15に係る発明では、本願請求項1又は請求項9に係るファイバセンシングシステムにおいて、パルス波形を生成するパルス発生器と、前記パルス発生器から交互に発生されるパルス信号により駆動される異なる波長の二つの光 を生成する光源と、 前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器の出力2波長の反射率比を求める演算回路と、反射率比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
本願請求項16に係る発明では、本願請求項1又は請求項9に係るファイバセンシングシステムにおいて、2波長光源の送光強度差の影響をキャンセルするため、2波長に対する反射率の等しい参照反射点をファイバ系内に挿入し、そこからの2波長反射レベルが等しいと見做して各センサにおける2波長反射率比を較正することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0009】
本発明では、被測定物理量に応じて二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する光フィルタを光ファイバ端面に形成し、その2波長反射利得比より被測定物理量を計測する方式であることから次のような特徴を有する。
(1−1)FBG(ファイバブラッグ回折格子)方式や分布計測であるブリュリアンOTDR(Optical Time Domain Reflectometer)、ラマンOTDR方式が反射スペクトル解析を高価につく分光分析によっているのに対し、本発明では光電変換以降、電気回路レベルで解析可能であることから、分析系が簡単安価になる。
(1−2)相補的反射利得の比を取ることから検出感度が二倍化される。
(1−3)計測信号の伝送媒体である光ファイバの曲げや捻りや横圧などの外部応力による損失変動や発受光系の感度変化や利得ドリフトなどは上記反射利得比に影響しないため、安定かつ外乱耐性の高い計測が可能である。
(1−4)上記フィルタは誘電体多層膜をもって容易に実現できるが、複数本束ねたファイバ端面に直接多層膜を真空蒸着することが可能であるから、量産性に優れ、従来のFBGに比して、製造コストを低減することができる。
(1−5)上記ファイバ端面をファイバ軸に対して対称な球面とすることにより、温度のほか膜圧垂直方向の圧力や、光学的ブロックとの接触/非接触によるコンタクトスイッチとして多用できる。
【0010】
(2)光センシングのトポロジーが、ファイバスルー本線から縦続的に挿入された複数の光カプラを介して先端に上記センサを擁するファイバ支線を配置する光バス構成であるため、センサそのものを縦続接続する場合に比べ、センサの着脱自由度が大きく、特定のセンサ支線系が故障したとしても、下流に影響しない(センサそのものを縦続接続する場合は下流での計測は不可能となる)。
(3)ファイバ上の反射イベントに対する位置同定な可能な反射計測方式にはいわゆるOTDRがあり、この方式を2波長分割多重によって多重化してもよいが、より好ましい方式としては、共通のPN符号(Pseudorandom Noise(擬似ランダム)符号)によってオンオフ相補的に二つの波長光を送出し、PN符号と各波長のファイバ反射光出力との相関解析を行うことによって上記反射利得比を求めるPNCR(Pseudorandom Noise code Correlation Reflectometer:擬似ランダム符号相関方式)を採用することによって、2波長に対応した反射計測系を容易に実現することが可能でありかつ経済的である。
【0011】
(4)2波長擬似ランダム符号相関方式であるために、PN符号長によって測定系のダイナミックレンジを容易に制御することができる。すなわち微小な反射利得比をも検知することが可能になるため、被測定物理量の微小な変化を検出することができる。
(5)波長シフトに応じて正負逆方向に変化する2つの反射利得の比をとるので、単一の被測定物理量を検出方式に比較して検出感度が倍増する効果がある。
(6)上述と同様に、反射利得の比をとることによって、系のドリフトや雑音の影響が非常に少なくなるという効果がある。
(7)測定系に大きな外乱がある場合でも、誘電体多層膜フィルタの波長シフトに影響しない外乱である場合にかぎりはそれば不感であり、また、ファイバ曲げ損失やコネクタ不良などによる接続損失は、反射利得比には影響しないという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、本願各請求項に係る発明(以下、単に「本発明」という)を実施するための第1の最良の形態について図面を参照して説明する。
<温度を検出できるファイバセンシングシステムとしての例>
図1は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示す基本構成図である。図2は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示すシステム構成図である。図3は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系を説明するために示す図である。ここで、図3(a)は2波長反射計測系を示すブロック図である。図3(b)はファイバスルー本線31に送出されるプローブ光の説明図である。図3(c)は符号生成器から発生される擬似ランダム信号S1、擬似ランダム信号S2であって、横軸に時間を、縦軸に論理[1]、[0]をとったものである。
【0013】
これらの図において、本発明に係るファイバセンシングシステム1は、光計測情報の伝送媒体である光ファイバ中に、被測定物理量に応じて反射スペクトルが波長軸上でシフトすることによって二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する一個以上のセンサを縦続的に挿入した光ファイバ系3に、各センサに対する位置同定機能および上記2波長に対する反射利得比の検出機能を併せもつ2波長反射計測系5を組み合わせ、2波長反射計測系5により各センサにおける2波長に対する反射利得を求め、その比から求まるスペクトルシフト量から被測定物理量を検出するようにしたものである。
【0014】
さらに別な見地から説明すると、本発明に係るファイバセンシングシステム1は、入射光を被測定物理量に応じた反射応答の反射光として出力できるセンサヘッドを有する光ファイバセンシング系3と、共通の擬似ランダム信号によって相補的に出力される波長の異なる二つの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出し、前記光ファイバセンシング系からの反射光を異なる波長の二つの反射光に分波し、前記プラスマイナス相補的に変化する二つの反射光をそれぞれ電気信号に変換し、前記二つの電気信号を基に二つの反射光による反射利得の比より求まる波長シフトから前記被測定物理量を検出する2波長反射計測系5とから構成されている。
【0015】
図1および図2において、光ファイバセンシング系3のトポロジー(接続関係)としては、ファイバスルー本線31と、ファイバスルー本線31の中に縦接的に挿入された複数の光センサ分岐用の光カプラ321,322,…,32nと、前記光カプラ321,322,…,32nにそれぞれ接続されるファイバ支線331,332,…,33nと、各ファイバ支線331,332,…,33nの終端面に形成したセンサヘッド341,342,…,34nとから構成されたファイバカプラを介したパス型としている。なお、ここで、「トポロジー」とは、空間的要素の位置的、接続的関係を示すもので、鉄道路線図などをモデルにした概念のことをいう。
【0016】
以下、図26(a)のようにセンサ系を定義する。センサ系は光カプラ、ファイバ支線、および入射光を被測定物理量に応じた反射応答の反射光として出力できるセンサヘッドから構成される。
センサ系の概念を取り入れると、センサ系は図1の光ファイバセンシング系に縦続的に挿入されている形態となる。
【0017】
図2及び図3(a)において、前記2波長反射計測系5は、擬似ランダム信号(図3(c)に示す擬似ランダム信号S1参照)を生成する符号生成器51と、前記符号生成器51からの擬似ランダム信号S1により駆動される所定の波長の光を生成する光源52aと、前記符号生成器51からの符号の反転した擬似ランダム信号S2により駆動される前記光源52aの光の波長とは異なる波長の光を生成する光源52bと、前記二つの光源52a,52bからの二つの光をファイバ54a,54bを介して導いて合成しプローブ光として前記光ファイバセンシング系3に送出できるとともに、前記光ファイバセンシング系3からの反射光を二つの波長の反射光に分波する合分波器55と、前記合分波器55で分波された二つの波長の反射光を光ファイバ54a,54bに接続した光カプラ56a,5
6bで取り出し、伝送する光ファイバ57a,57bと、光ファイバ57a,57bで導かれた反射光を電気信号に変換する受光器58a,58bと、前記受光器58aからの検出電気信号を符号生成器51からの擬似ランダム信号で相関をとり反射利得を求める相関器59aと、前記受光器58bからの検出電気信号を符号生成器51からの符号の反対な擬似ランダム信号で相関をとり反射利得を求める相関器59bと、前記二つの相関器59a,59bから出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器60とを備えたものである。
【0018】
前記光源52aは前記符号生成器51からの擬似ランダム信号により駆動され、前記光源52bは生成器51からの符号の反対な擬似ランダム信号により駆動されるため、前記二つの光源52a,52bは、図3(b)に示すように、相補的な擬似ランダム信号によって駆動されて異なる波長の二つの光を生成するようになっている。なお、光源52a,52bは、ファブリー・ペローLD、分岐帰還LD等で構成すればよい。
相関器59aは符号生成器51からの擬似ランダム信号で相関をとり、また、相関器59bは、符号生成器51からの符号の反対な擬似ランダム信号で相関をとっているので、前記二つの相関器59a,59bは、前記二つ受光器58a,58bからの検出電気信号を相補的な擬似ランダム信号でそれぞれ相関をとり反射利得を求めるようになっている。
【0019】
なお、上記実施の形態においては、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入された複数のセンサ系(図26(a))から構成されたバス型としたが、前記センサ系に代えて、例えば図25の特性をもつ複数の透過型センサによるセンサ系(図26(b))において点線イと点線ロの波長を用いた場合、例えば、図16に示すのと同じようなトポロジーも可能となる。下流のセンサの反射率は上流のセンサの透過率を乗じたものとなるから、上流のセンサ反射率R(dB)より、透過率1−10−R/10を計算し、下流のセンサの反射率を上流のセンサの透過率で割ればよい。このような、透過型センサを用いる場合は、前記トポロジーは、ファイバスルー本線31と、ファイバスルー本線31の中に従属的に挿入された複数の透過型センサ61、611、612、・・・、61nからなるように接続すればよい。
【0020】
図4は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおけるセンサヘッドの構造を示す図である。なお、センサヘッド341,342,・・・,34nは同一構造であるので、センサヘッド341を例にし、かつ添え字を取った状態で説明する。
【0021】
この図4において、前記センサヘッド34は、ファイバ支線33の終端に対象な球面研磨を施し、当該球面に二つの波長間に中心波長を持ち、かつ温度によって反射スペクトルが波長軸上でシフトする誘電体多層膜フィルタ34Mを直接蒸着形成することにより、温度センサとして使用できるようにしたものである。
誘電体多層膜の材質は、低屈折層にSiO2を、高屈折層にチタニア(TiO2)または5酸化タンタル(Ta2O5)を使用している。
【0022】
図5は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにより温度および圧力を検出できることを説明するための特性図であて、横軸に波長λを、縦軸に反射利得を、それぞれ取ったものである。
この図5において、センサヘッド34は二つの光の波長(λ1,λ2)の間に中心波長をもつ誘電体多層膜フィルタ34Mが設けられており、その中心周波数が温度または圧力に波長軸上で比例して変化する。このセンサヘッド34の有する特性は、反値を与える二つの波長(λ1,λ2)の間に中心波長を持ち、反値を与える二つの波長(λ1,λ2)に対して概略V字形状をしている。
そこで、センサヘッド34からの反射波を2波長反射計測系5に導き、2波長反射計測系5において反射波利得の比を取ることにより温度または圧力を求めることになる。
【0023】
また、図5において、センサヘッド34における実線の特性と、点線の特性との差δは、温度(temperature)または圧力(pressure)に比例する。
図6は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドが温度に波長がシフトすることを説明するための特性図であって、横軸に温度(Temperature)Tを、縦軸に波長(Wavelength)λ〔nm〕とλGradient〔nm/deg〕を、それぞれ取ったものである。
【0024】
この図6では、温度を5〔℃〕刻みで振ったとき、センサヘッド34の中心波長の絶対値変動と温度勾配を実験で求めたものである。温度上昇にともなって波長が長波長側にシフトするのは、熱膨張によって多層膜厚が増大し光路長が長くなるからである。温度の振り幅70〔℃〕の範囲では、中心波長は温度に比例している。温度勾配は光スペクトルアナライザの読み取り誤差もあって、0.013〜0.018の範囲でばらついているが、平均すれば0.015〔nm/℃〕である。以上のことから、波長シフト量がわかれば、それに対応する温度が割り出せることが分かる。したがって、本発明では、センサヘッド34の誘電体多層膜フィルタ34Mの波長シフトを簡単にかつ安価にしかも正確安定に測定する手段として2波長反射計測系5を含むファイバセンシングシステムを提案するものである。
【0025】
図7は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドでは入射光が平行に入射しないため開口数(NA;Numerical Aperture)を考慮しなければならないことを説明するための特性図を示すもので、横軸に波長(Wavelength)λを、縦軸に反射率(Reflectance)R1,R2〔dB〕を、それぞれ取ったものである。
この図7において、センサヘッド34のファイバのNAをゼロおよび0.12としたときの誘電体多層膜フィルタ34Mの反射分光特性をシミュ レーションによって比較したもので、NA=0は平行ビームに相当し、NA=0.12は通常の単一モードファイバの場合である。NA=0の平行ビームに対してNA=0.12のセンサヘッド34のファイバでは反射減衰量が8〔dB〕程度低くなっており、透過率が僅かにダウンすることになるので、センサヘッド34の誘電体多層膜フィルタ34Mで直接反射させる場合の分光特性には気をつけている。
【0026】
図8は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいてNAを考慮した際の温度により中心周波数が波長軸上で平行移動することを説明するための特性図であって、横軸に波長(Wavelength)λ〔nm〕を、縦軸に反射率(Reflectance)R〔dB〕を、それぞれ取ったものである。
図8からも分かるように、±50〔deg〕において、二つの波長(λ1,λ2)が−3〔dB〕を中心として−2〔dB〕〜−3〔dB〕に変化することになる。
【0027】
図9は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいて、NAをゼロまたはNA=0.12としたときの温度の変化に対する二つの波長における反射率比R1,R2の変化を示す特性図であって、横軸に温度(Temperature)T〔deg〕を、縦軸に反射率比(Reflectance)R1,R2〔dB〕を、それぞれ取ったものである。
この図9において、反射率比R1は NA=0では−50〔deg〕で−1.8〔dB〕〜+50〔deg〕で−4.75程度の間でほぼ直線に右肩下がりで下降する。同様に、反射率比R1は、NA=0.12では−50〔deg〕で−2.0〔dB〕〜+50〔deg〕で−4.50程度の間でほぼ直線に右肩さがかりで下降する。
【0028】
これに対して、反射率比R2は NA=0では−50〔deg〕で−4.6〔dB〕〜+50〔deg〕で−2.0程度の間でほぼ直線で右肩上がりに上昇する。同様に、反射率比R2は、NA=0.12では−50〔deg〕で−4.3〔dB〕〜+50〔deg〕で−2.2程度の間でほぼ直線に右肩上がりで上昇する。
【0029】
図10は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいて、センサヘッドのファイバのNAをゼロまたはNAを0.12としたときの温度の変化に対する二つの波長における反射率比R1,R2の差をとった特性図であって、横軸に温度(Temperature)T〔deg〕を、縦軸に差反射率比(Differential Reflectance)(R1−R2)〔dB〕の差を、それぞれ取ったものである。
この図10において、反射率比R1,R2の差は、NA=0では−50〔deg〕で−2.5〔dB〕程度〜+50〔deg〕で−2.5程度の間でほぼ直線に右肩下がりで下降する特性をとる。同様に、反射率比R1,R2の差は、NA=0.12では−50〔deg〕で−2.3〔dB〕〜+50〔deg〕で−2.0程度の間でほぼ直線に右肩さがかりで下降する特性をとる。
【0030】
このセンサヘッド34の誘電体多層膜フィルタ34Mは、上述したような特性をとることから、この特性を有効に生かし、安価にかつ正確に検出する本発明に係るファイバセンシングシステムを提案するものである。
まず、符号生成器51は、図3(c)に示すような擬似ランダム信号S1を生成する。この符号生成器51から出力された擬似ランダム信号S1は、光源52aに入力される。 符号生成器51では、符号の反転された擬似ランダム信号S2を形成して、光源52bに入力する。
【0031】
すなわち、光源52aは、符号生成器51からの擬似ランダム信号S1で駆動されることになる。同様に、光源52bは、符号反転の擬似ランダム信号S2で駆動されることになる。ここで、光源52aは図3(c)の擬似ランダム信号S1の論理[1]で発光し、光源52bは図3(c)の擬似ランダム信号S2の論理で[1]で発光する。前記光源52aからの光(波長λ1)は光ファイバ54aを介して合分波器55に、前記光源52bからの光(波長λ2)は光ファイバ54bを介して合分波器55に、それぞれ導かれる。これら光(波長λ1,λ2)は、合分波器55で合成されて図3(b)に示すように擬似ランダム信号で波長λ1、λ2が切り替わるプローブ光とされる。
このようなプローブ光は、ファイバスルー本線31をとおり、例えば光カプラ321で分岐されて、ファイバ支線331を通ってセンサヘッド341に送られる。
【0032】
センサヘッド341では、上記図5ないし図10に関する説明で示すような温度特性があるので、そのセンサヘッド341の誘電体多層膜フィルタ34Mが現在の温度における温度特性の屈折率でもって入射光を反射する。この反射光は、ファイバ支線331、光カプラ321を通してファイバスルー本線31に導かれ、合分波器55に導かれる。
ファイバスルー本線31からの反射は、合分波器55において、光ファイバ54a,54bに分波される。光ファイバ54a,54bに分波された反射波は、光ファイバ54aでは光カプラ56aを介して光ファイバ57aに導かれ、また、光ファイバ54bでは光カプラ56bを介して光ファイバ57bに導かれる。
【0033】
光ファイバ57aに導かれた反射光は、受光器58aに入射される。また、光ファイバ57bに導かれた反射光は、受光器58bに入射される。受光器58aに入射された反射光は、その入射された反射光に応じた電気信号Saに変換される。受光器58bに入射された反射光も、その入射された反射光に応じた電気信号Sbに変換される。
受光器58aから出力された電気信号Saは、相関器59aに入力される。同様に、受光器58bから出力された電気信号Sbも、相関器59bに入力される。
【0034】
このとき、相関器59aには符号生成器51からの擬似ランダム信号S1が入力されており、擬似ランダム信号S1によって受光器58aからの電気信号Saと相関がとられていることから、反射波のうち波長λ1の反射波に関する電気信号Daを確実にかつ正確に取り出せる。同様に、相関器59bには符号の反転した擬似ランダム信号S2が入力されており、擬似ランダム信号S2によって受光器58bからの電気信号Sbと相関がとられていることから、反射波のうち波長λ2の反射波に関する電気信号Dbを確実にかつ正確に取り出せる。
【0035】
相関器59aから取り出された波長λ1の反射波に関する電気信号Daは、波長シフト解析器60に入力される。また、相関器59bから取り出された波長λ2の反射波に関する電気信号Dbも、波長シフト解析器60に入力される。
この波長シフト解析器60では、前記二つの相関器59a,59bから出力された波長λ1の反射波に関する電気信号Daと、波長λ2の反射波に関する電気信号Dbを基に次の式により反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。
Reflectance Ratio R=r(λ2)/r(λ1)
【0036】
本発明に係るファイバセンシングシステムの最適な第1実施の形態から知りうるように、本発明では、基本的に、被測定物理量に応じて二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する光フィルタを光ファイバ端面に形成し、その2波長反射利得比より被測定物理量を計測する方式であることから下記諸特徴を有する。
【0037】
(1−1)FBG(ファイバブラッグ回折格子)方式や分布計測であるブリュリアンOTDR、ラマンOTDR方式が反射スペクトル分析を高価につく分光分析によっているのに対し、本発明では光電変換以降、電気回路レベルで分析可能であることから、分析系が簡単安価になる。
(1−2)相補的反射利得の比を取ることから検出感度が二倍化される。
(1−3)計測信号の伝送媒体である光ファイバの曲げや捻りや横圧などの外部応力による損失変動や発受光系の感度変化や利得ドリフトなどは上記反射利得比に影響しないため、安定かつ外乱耐性の高い計測が可能である。
(1−4)上記フィルタは誘電体多層膜をもって容易に実現できるが、複数本束ねたファイバ端面に直接多層膜を真空蒸着することが可能であるから、量産性に優れ、従来のFBGに比して、製造コストを低減することができる。
(1−5)上記ファイバ端面をファイバ軸に対して対称な球面とすることにより、温度のほか膜圧垂直方向の圧力や、光学的ブロックとの接触/非接触によるコンタクトスイッチとして多用できる。
【0038】
(2)光センシングのトポロジーが、ファイバスルー本線から縦続的に挿入された複数の光カプラを介して先端に上記センサを擁するファイバ支線を配置する光バス構成であるため、センサをそのものを縦続接続する場合に比べ、センサの着脱自由度が大きく、特定のセンサ支線系が故障したとしても、下流に影響しない(センサそのものを縦続接続する場合は下流での計測は不可能となる)。
【0039】
(3)ファイバ上の反射イベントに対する位置同定な可能な反射計測方式にはOTDR(Optical Time Domain Reflectometer)があり、この方式をもとに2波長分割多重によって多重化してもよいが、より好ましい方式としては、共通のPN符号(Pseudorandom Noise(擬似ランダム)符号)によって1/0相補的に二つの波長光を送出し、PN符号と各波長のファイバ反射光出力との相関解析を行うことによって上記反射利得比を求めるPNCR(擬似ランダム符号相関方式)を採用することによって、2波長に対応した反射計測系を容易に実現することが可能でありかつ経済的である。
【0040】
(4)2波長擬似ランダム符号相関方式であるために、PN符号長によって測定系のダイナミックレンジを容易に制御することができる。すなわち微小な反射利得比をも検知することが可能になるため、被測定物理量の微小な変化を検出することができる。
【0041】
(5)波長シフトに応じて正負逆方向に変化する2つの反射利得の比をとるので、単一の被測定物理量を検出方式に比較して検出感度が倍増する効果がある。
(6)上述と同様に、反射利得の比をとることによって、系のドリフトや雑音の影響が非常に少なくなるという効果がある。
(7)測定系に大きな外乱がある場合でも、誘電体多層膜フィルタの波長シフトに影響しない外乱である場合にかぎりはそれば不感であり、また、ファイバ曲げ損失やコネクタ不良などによる接続損失は、反射利得比には影響しないという効果がある。
【0042】
<圧力を検出できるファイバセンシングシステムの実施の形態>
上記ファイバセンシングシステム1は、圧力検出システムとしても利用ができる。
図11は、本発明に係るファイバセンシングシステムを圧力検出システムとして利用する場合のセンサヘッドを示す図である。
この図11において、センサヘッド341,342,…,34nは、同一構造を有しているので、センサヘッド341を代表にとり、添え字をとって説明することにする。
【0043】
本発明では、前記センサヘッド34は、図11(a)に示すように、ファイバ支線33の終端に軸対象な球面研磨を施し、当該ファイバ支線33の終端の球面に誘電体多層膜フィルタ34Mの膜厚方向に圧力が印加される構造とすることによって、圧力に応じて変化する上記フィルタの波長シフト量により圧力検出可能な圧力センサとして使用できるようにしたものである。なお、符号34Pは加圧部材である。
【0044】
なお、図11(b)示すセンサヘッド34bは、上のセンサヘッド34の変形例で、ファイバ支線33の終端に軸対象な球面研磨を施し、加圧される加圧部材34Pの平面上に形成誘電体多層膜厚方向34Mを形成し、加圧部材34Pに垂直に圧力が加わるようにしてもよい。
そして、この圧力センサとして作用するセンサヘッド34を、図1および図2に示すよう配置し、2波長反射計測系5からプローブ光を圧力センサとして作用するセンサヘッド34に与え、その反射光を2波長反射計測系5に取り込み、2波長反射計測系5において上記のように処理することにより、圧力を計測できるファイバセンシングシステムとして構築することができる。
この実施の形態によっても、光検出のファイバセンシングシステムと同様な作用効果を奏することになる。
【0045】
<圧力測定時の温度補償を可能としたファイバセンシングシステム>
図12は、本発明に係るファイバセンシングシステムにおいて圧力測定時の温度補償を可能にする温度補償圧力センサヘッドに関する図である。ここに、図12(a)は本発明に係るファイバセンシングシステムにおいて圧力測定時の温度補償を可能にする温度補償圧力センサヘッドの構成を示す図である。図12(b)は上記構成における検出特性を示す特性図であって、横軸には距離〔m〕を、縦軸には波長シフト〔nm〕をそれぞれとったものである。
【0046】
この図12(a)において、温度補償を可能にする温度補償圧力センサヘッド34Aは、ファイバ支線33をセンサ手前で二分岐し、一方に非温度センサ341を、他方に温度補償用として非温度センサ341と同仕様のフィルタによる温度センサ345を周囲温度が等しくなるよう設置するとき、両センサ341,345のファイバ距離差が2波長反射計測系のイベント距離分解能およびパイロット光源の可干渉距離以上となるよう、いずれかのセンサ341または345側にダミーファイバ343を挿入し、距離的に分離して得られる非温度センサ341の波長シフト量から温度補償用温度センサ345の波長シフト量を減殺することによって、非温度センサ341の温度補償を行うようにしたものである。
【0047】
さらに説明すると、温度補償圧力センサヘッド34Aは、ファイバ支線33の終端に軸対象な球面研磨を施し、この球面に誘電体多層膜を直接蒸着して二つの波長間(λ1,λ2)に中心波長をもつ誘電体多層膜フィルタ34Mを有するセンサヘッド341と、この圧力検出用センサヘッド341のファイバ支線33の部分に縦接的に接続された光カプラ342と、この光カプラ342に接続され擬似ランダム符号相関方式の距離分解能および両光源(52a,52b)のコヒーレンス長(λ1,λ2)より長いダミーファイバ343と、このダミーファイバ343の終端に軸対象な球面研磨を施し、その球面に誘電体多層膜を直接蒸着して二つの波長(λ1,λ2)間に中心波長をもつ誘電体多層膜フィルタ34Mを有するセンサヘッド345とを備え、両センサヘッド341,345を同一温度条件下において温度補償を行えるようにしたものである。
【0048】
このように構成する理由は、次のとおりである。すなわち、通常の圧力検出用センサヘッド34においては、誘電体多層膜フィルタ34Mの膜圧方向への圧力印加によって波長シフトが生ずるが、この波長シフト分には温度によるシフト分も含まれている。そこで、温度によるシフト分をキャンセルする必要がある。温度によるシフト分をキャンセルするには、上記図12(a)の説明のように構成すればよい。また、二つのセンサ341,345は温度条件が同一になるように実装されている。
【0049】
このような構成とすることにより、一方のセンサ345は圧力+温度を検出するセンサとして作用することになり、他方のセンサ341は温度のみを検出するセンサとして作用することになる。 ここで、温度を検出するセンサヘッド341では、図12(b)に示すように、F1(=δλ1)が検出されたものとする。また、温度と圧力を検出するセンサヘッド345では、図12(b)に示すように、F2(=δλ2)が検出されたものとする。そして、このような両センサヘッド341,345から検出された波長シフトの差を取れば(Press Shift=δλ1−δλ2)、温度の波長シフト分が差し引かれて、圧力による波長シフト分のみを検出することができる。
【0050】
このようにして圧力検出をする場合の温度補償を行うことができ、正しい圧力検出ができることになる。
なお、上記実施の形態では、センサヘッド341を温度検出、センサヘッド345を温度+圧力の検出としていたが、これの逆でも何ら問題ない。すなわち、センサヘッド341を温度+圧力の検出とし、センサヘッド345を温度検出とするようにしても、上の例と作用効果は全く同じとなる。
【0051】
<センサヘッドをスイッチセンサとして作用させる実施の形態>
図13は本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用されるセンサヘッドの他の使用例を説明するための図である。
前記センサヘッド34は、図13に示すように、ファイバ支線33の終端を軸対象な球面研磨して球面ARに形成し、ファイバ軸に対して対称な球面をなす誘電体多層膜フィルタ面34Mに、たとえば石英ブロックなどのような光学的接触子36を、外部変位に応じて接触もしくは非接触の二状態を可能とする構成とすることによって、二状態に応じた該フィルタの波長シフトより状態検知するコンタクトスイッチとして使用可能とすることができる。
なお、このスイッチとして使用する場合には、2波長反射計測系5を使用するまでもなく、接触・非接触で反射光の反射利得が変化することを検出できるものであれば、どのような検出機構でもよい。
このような構造によって、スイッチ部分で電気回路を含まないスイッチとして使用することができ、例えば防爆環境で簡単な構造で使用が可能となる。
【0052】
<光ファイバセンシング系の反射減衰量について>
図14は本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用される光ファイバセンシング系での光カプラの分岐比と最遠センサの反射減衰率を示す特性図であって、横軸に結合率α〔dB〕を、縦軸に反射率Rn〔dB〕を、それぞれとったものである。 図12においてファイバの伝送損失を無視すると、最終段(n)センサからの反射率Rnは
Rn=(1−α)(n−1)α2β
であたえられる。
Rn,α,βをそれぞれ減衰量〔dB〕であらわすと、上の式の10log をとることにより、
Rn〔dB〕=20(n−1)log(1−10−(α/10))+2α+β
とあらわされる。
この図14はβ(=3〔dB〕)を一定値とし、段数nをパラメータにとったときのRn〔dB〕をαの関数として図示したものである。Rn〔dB〕は垂直軸と漸近線の間にあり、数nに応じた最小値をもつことがわかる。
【0053】
図15は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用される光ファイバセンシング系での光カプラにおけるセンサ段数と最遠センサの最小減衰量の関係を示す特性図であって、横軸にセンサ段数を、縦軸に減衰量Rnを、それぞれとったものである。
次に、最遠センサ(センサヘッド34n)からの反射利得が最大になるような光カプラ分岐比の最適条件を求めることにする。これは全段のセンサに分配すべき探傷光のパワが最大となる条件でもある。
【0054】
すなわち、光カプラの分岐比はセンサ段数分の1に選べばよい。このときの最遠センサの反射利得最大値は、
Rn〔dB〕={1−(1/n)}2(n−1)×β/n2
であたえられる。Rn,βを減衰量(dB)であらわせば、
Rn〔dB〕=20(n−1)log(1−1/n)+20logn+β
である。ここで、β(=3〔dB〕)を一定値とする。
このような条件から、段数と最遠センサの反射減衰量の関係は、図15に示すような特性となる。したがって、現実的な数値例として、センサヘッド34の誘電体多層膜フィルタ34Mの半値全幅波長を選ぶとして、β=3〔dB〕一定として、光カプラの分岐比を10〔dB〕とすれば、センサ段数は16程度で最遠センサの反射減衰量Rnを37〔dB〕程度におさえることができる。
【0055】
したがって、前記光ファイバセンシング系3は、N個の光センサ分岐用の光カプラ321,322,…,32nがファイバスルー本線31の中に縦接的に挿入されているときに、光カプラ321,322,…,32nの各分岐比を1/Nとすることにより、正確なる検出が可能になる。
【0056】
上述するように、本発明に係るファイバセンシングシステムを実施するための第1の最良の形態について図面を参照して説明したが、上記第1の実施の形態において使用した光合分波器に代えて、光カプラを用いても同様の効果を得ることができる。以下、光合分波器に代えて光カプラを用いた第2の実施の形態、その他の部材を変更する第3,第4の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【0057】
<第2の実施の形態>
図17は、本発明の第2の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系を説明するために示す図である。符号51で示される生成器によって、図17(c)に示すような擬似ランダム信号S1を生成すると、この符号生成器51から出力された擬似ランダム信号S1は、光源52aに入力され、また、符号生成器51では、符号の反転された擬似ランダム信号S2を形成して、光源52bに入力され。その結果、光源52aは、符号生成器51からの擬似ランダム信号S1で駆動されることになる。同様に、光源52bは、符号反転の擬似ランダム信号S2で駆動されることになる。ここで、光源52aは図17(c)の擬似ランダム信号S1の論理[1]で発光し、光源52bは図17(c)の擬似ランダム信号S2の論理で[1]で発光する。そうすると、前記光源52aからの光(波長λ1)と前記光源52bからの光(波長λ2)は光カプラ56で合成されて図17(b)に示すように擬似ランダム信号で波長λ1、λ2が切り替わるプローブ光とされる。
【0058】
このようなプローブ光は、ファイバスルー本線31をとおり、例えば光カプラ321で分岐されて、ファイバ支線331を通ってセンサヘッド341に送られる。
そこで、センサヘッド341では、上記図5ないし図10の説明で示すような温度特性があるので、そのセンサヘッド341の誘電体多層膜フィルタ34Mが現在の温度における温度特性の屈折率で入射光を反射する。ついで、この反射光は、ファイバ支線331、光カプラ321を通してファイバスルー本線31に導かれ、光カプラ56に導かれる。ファイバスルー本線31からの反射波は、光カプラ56を介して2波長混合のまま、受光器58に入射される。受光器58に入射された反射光は、その入射された反射光に応じた電気信号Sに変換される。
受光器58から出力された電気信号Sは、相関器59に入力される。
【0059】
このとき、相関器59には符号生成器51からの擬似ランダム信号S1が入力されており、擬似ランダム信号S1によって受光器58からの電気信号Sと相関がとられていることから、波長λ1およびλ2に対するの反射振幅差に関する電気信号Dを確実にかつ正確に取り出せる。
そして、相関器59から取り出された波長λ1およびλ2の合成された反射波に関する電気信号Dは、波長シフト解析器60に入力される。
そこで、反射率比を求めるためには、前述の反射振幅差dとλ1乃至λ2のいずれかに対する反射率から算出する必要がある。そのため、図17(d)のように上記反射振幅差の相関計測手順とは別にλ1乃至λ2のみを発光させ、上記の経路で受光器で受けた反射波に対して相関を行う。
【0060】
この波長シフト解析器60では、前記相関器59から出力された波長λ1とλ2反射合成波に関する電気信号と、波長λ1乃至λ2単独の反射波に関する電気信号を基に次の式により反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。
【0061】
Reflectance Ratio R=r(λ2)/r(λ1)=1+d/r(λ1)
または R=r(λ1)/r(λ2)=1+d/r(λ2)
また、図17(a)の構成において、擬似ランダム信号は図17(e)のように、時分割的に交互に打っても良い。λ1を送出している周期の電気信号Dと、λ2を送出している周期の電気信号Dを波長シフト解析器60に取り込み反射率比を求めればよい。
【0062】
なお、図17(d)の符号でも、図17(e)の符号でも温度−反射率特性は図18のように同一の結果を得ることができる。なお、図18は、本発明の第2の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系を用いて温度−反射率特性を計測したものである。図18から知りうるように、第1の実施の形態に係るファイバセンシングシステムと比べて、上記第2の実施の形態に係るファイバセンシングシステムにおいても、「○」のプロットと「□」および「◇」の有意差がないことから、第1の実施の形態に係るファイバセンシングシステムと同様の効果を得ることができる。
【0063】
なお、当該第2の実施の形態に係るファイバセンシングシステムにおいては、送出する信号としてPN符号を用いたが、これは、PN符号に限らず、例えば、PN符号信号に代え、2波長を駆動する信号は周期関数やパルス信号であっても良い。
【0064】
<第3の実施の形態>
第3の実施の形態として、図19で示されるような基本構成を有するセンサが1つであるファイバセンシングシステムとしても良く、このような構成とすることにより、周期関数の論理レベルをそれぞれ2つの波長を割り当てることで実現でき、受光器以降では、波長λ1のパルスに対応する反射波を除算器上に蓄え、λ2に対する反射波で除算し、その出力をそのまま乃至累積加算し、波長シフト解析器上で波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。なお、図19は、2波長反射計測系の場合の本発明の第3の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける基本構成を示す図であり、PN符号発生器と相関器の代わりに、周期関数発生器と反射率比を計算する演算回路を使用することで、ハードウエアを単純化することができる。
【0065】
<第4の実施の形態>
次に、本発明の第4の実施形態に係るファイバセンシングシステムとして、2波長のパルスを用いた場合(図20)、同じく2波長のパルスを用いた場合で加算器を使用しない場合(図21)のそれぞれの2波長反射計測系の構成を例にしてその詳細を説明する。前記第2の実施の形態に係るファイバセンシングシステムと異なる点は、パルス波形を送出するためのパルス発生器と受光器以降の構成である。
【0066】
図20(b)および図21(b)で示されるように、本発明に係るファイバセンシングシステムの受光器以降の構成おいて、上記2波長のパルスを用いた場合(図20)ではλ1とλ2に対する反射波形を別々にそれぞれの波長パルスの送出周期に同期させて加算する構成としても良く、その加算結果を波長シフト解析器上で比を取り、反射利得の比から波長シフトを求めるようにすれば、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。また、図21に示すように、同2波長のパルスを用いて、加算器を使用することなく、かつ、波長λ1のパルスに対応する反射波を除算器上に蓄えるように構成することで、λ2に対する反射波で除算し、その出力をそのまま乃至累積加算し、波長シフト解析器上で波長シフトを求めるようにすれば、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。
【0067】
これらの場合、測定精度を上げるために測定時間を増加させて累積加算数を増やすか、あるいはレーザダイオードの出力パワのハイパワ化をすれば、PN符号発生器と相関器の代わりに、パルス発生器と、波形加算器乃至反射率比を計算する演算回路が使用でき、ハードウエアを単純化できる。
【0068】
また、上記のいずれの実施形態においても、λ1とλ2の発光強度差が、センサの反射率比に影響を与える。その解決手段を代表して上記第2実施の形態に係るファイバセンシングシステムを例に説明すると、図22および図23に示すように、反射率が波長に依存しない較正用反射器、例えば反射終端器等を設けてその反射強度比を求めて、各センサにおける反射強度比から減算すれば、λ1とλ2の発光強度差をキャンセルした反射率比を得ることができる。
【0069】
ここに、図22は、本発明に係るファイバセンシングシステムの実施形態のうち、2波長に対する反射率の等しい参照反射点をファイバ系内に挿入し、そこからの2波長反射レベルが等しいと見做して各センサにおける2波長反射率比を較正させるとするもので、いわば、ファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系のうち、較正基準となる反射終端器を装置内に内蔵した構成を示す図であり、図23は、同ファイバセンシングシステムの実施の形態のうち、2波長反射計測系の較正基準となる反射終端器をファイバトポロジ上に設置した構成例を示す図である。
【0070】
さらに、図24に2波長光源の送光レベルを異ならせたときの上記効果を示す実験結果を示す。図24は、本発明の実施形態のうち2波長に対する反射率の等しい参照反射点をファイバ系内に挿入し、そこからの2波長反射レベルが等しいと見做して各センサにおける2波長反射率比を較正させるファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系における実験データである。
【0071】
図24において、横軸は2波長の送光レベル差、縦軸は2波長擬似ランダム符号相関方式によって得られた2波長反射率比である。図の一点鎖線イはセンサの2波長反射強度比、点線ロは較正用反射器の2波長反射強度比、実線ハは前者を後者で較正した応答で、両波長の送光レベルが異なっても、その影響がキャンセルされていることがわかる。
この方法は送信光モニタの受光回路などハードウェアが不要であるだけでなく、より正確な較正ができることが特徴である。
【図面の簡単な説明】
【0072】
【図1】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示す基本構成図である。
【図2】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示すシステム構成図である。
【図3】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系を説明するために示す図である。
【図4】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおけるセンサヘッドの構造を示す図である。
【図5】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにより温度および圧力を検出できることを説明するための特性図である。
【図6】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドが温度に波長がシフトすることを説明するための特性図である。
【図7】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドでは入射光が平行に入射しないため開口数を考慮しなければならないことを説明するための特性図を示すものである。
【図8】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいてNAを考慮した際の温度により中心周波数が波長軸上で平行移動することを説明するための特性図である。
【図9】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいて、NAをゼロまたはNA=0.12としたときの温度の変化に対する二つの波長における反射率比R1,R2の変化を示す特性図である。
【図10】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいて、センサヘッドのファイバのNAをゼロまたはNAを0.12としたときの温度の変化に対する二つの波長における反射率比R1,R2の差をとった特性図である。
【図11】本発明に係るファイバセンシングシステムを圧力検出システムとして利用する場合のセンサヘッドを示す図である。
【図12】本発明に係るファイバセンシングシステムにおいて圧力測定時の温度補償を可能にする温度補償圧力センサヘッドに関する図である。
【図13】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用されるセンサヘッドの他の使用例を説明するための図である。
【図14】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用される光ファイバセンシング系での光カプラの分岐比と最遠センサの反射減衰率を示す特性図である。
【図15】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用される光ファイバセンシング系での光カプラにおけるセンサ段数と最遠センサの最小減衰量の関係を示す特性図である。
【図16】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示す基本構成図で、透過型センサを用いたものである。
【図17】本発明の第2の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系を説明するために示す図である。
【図18】本発明の第2の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系を用いて温度−反射率特性を計測したものである。
【図19】本発明の実施形態のうち、センサ数1の場合、駆動波形として周期波形を発生させ、その反射波形を同期検波し2波長の反射率比を求める方式に係わるファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系の構成を示す図である。
【図20】本発明の実施形態のうち、駆動波形として2波長のパルス波形を発生させ、その反射波形を2つ累積加算器により波長ごと別々に累積加算してから反射率比を求める方式に係わるファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系の構成を示す図である。
【図21】本発明の実施形態のうち、駆動波形として2波長のパルス波形を交互発生させ、その反射波形からを直接2波長反射率比を求める方式に係わるファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系の構成を示す図である。
【図22】本発明の実施形態のうち2波長の光源のパワ差を較正することに係わるファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系のうち、較正基準となる反射終端器を装置内に内蔵した構成を示す図である。
【図23】本発明の実施形態のうち、2波長の光源のパワ差を較正することに係わるファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系のうち、較正基準となる反射終端器をファイバトポロジ上に設置した構成を示す図である。
【図24】本発明の実施形態のうち2波長の光源のパワ差を較正することに係わるファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系における実験データである。
【図25】本発明の実施形態のうちセンサをファイバスルー本線中に縦続的に挿入する形態に係るファイバセンシングシステムで使用する透過型センサを説明するための特性図である。
【図26】本発明の実施形態に係わるファイバセンシングにおいて、センサ系の定義を示すための図である。
【符号の説明】
【0073】
1・・・ファイバセンシングシステム、
3・・・光ファイバセンシング系、
5・・・2波長反射計測系、
31・・・ファイバスルー本線、
32、321,322,…,32n・・・光カプラ、
33、331,332,…,33n・・・センサ支線、
34、341,342,…,34n、341、345・・・センサヘッド、
51・・・符号生成器、
52a,52b・・・光源、
54a,54b・・・光ファイバ、
55・・・合分波器、
56,56a,56b・・・光カプラ、
57a,57b・・・光ファイバ、
58,58a,58b・・・受光器、
59,59a,59b・・・相関器、
60・・・波長シフト解析器
61,611,612,…,61n・・・透過型センサ
【技術分野】
【0001】
本発明は、共通の擬似ランダム信号によって相補的に出力される波長の異なる二つの光を合成して光ファイバセンシング系に送出し、前記光ファイバセンシング系で被測定物理量に応じた反射応答の反射光の反射利得比より求まる波長シフトから被測定物理量を検出できるファイバセンシングシステムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
この種のファイバセンシングシステムとしては、波長の異なる光を一定周期で交互に発生する手段と、上記光を伝達する光伝送路と、上記光伝送路の出力光を上記波長の差を利用して分離し、その分離された一方の光の強度を被測定体の変動によって変動させた後、他の分離された光と共に上記伝送路に加える計測部と、上記光伝送路を介して計測部から送られてくる光を電気信号に変換する受光器と、上記受光器の出力電気信号を上記一定周期で標本化する標本化回路と、上記標本化回路で分離された信号の比から上記比測定体の変動を検出する信号処理回路と、を備えた光学測定装置が知られている(特許文献1)。
この光学測定装置は、2波長を一定周期で周期的に切り換え、計測部に導き、計測部で被測定物理量に応じた反射利得を同期検波して被測定物理量を検出している。このため、この光学測定装置の場合、計測部の個数は単数に制約されることになる。
【特許文献1】特開昭54−108676号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
このように、上記従来の光学測定装置は単数のセンサを対象としたもので、方式的にセンサ位置の同定ができないことから、そのままでは複数のセンサを配置できないこと、2波長系の統合が容易でないという欠点があった。
本発明は、上述した欠点を解消し、センサ位置の同定ができ、同一光伝送路に複数のセンサを配置可能とし、かつ、2波長系の統合が容易なファイバセンシングシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0004】
上記目的を達成するために、本願請求項1に係る発明のファイバセンシングシステムは、光計測情報の伝送媒体である光ファイバ中に、被測定物理量に応じて反射スペクトルが波長軸上でシフトすることによって二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する一個以上のセンサ系を縦続的に挿入した光ファイバ系に、各センサに対する位置同定機能および上記2波長に対する反射利得比の検出機能を併せもつ2波長反射計測システムを組み合わせることにより、各センサにおける2波長に対する反射利得を求め、その比から求まるスペクトルシフト量から被測定物理量を検出することを特徴とするものである。
本願請求項2に係る発明では、本願請求項1に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンシング系のトポロジーとして、ファイバスルー本線と、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入された複数の光センサ分岐用の光カプラと、前記光カプラにそれぞれ接続されるファイバ支線と、そのファイバ支線の終端面に形成したセンサヘッドとから構成されたファイバカプラを介してバス型としたことを特徴とするものである。
本願請求項3に係る発明では、本願請求項1に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記2波長反射計測系は、擬似ランダム信号を生成する符号生成器と、前記符号生成器からオンオフ相補的な擬似ランダム信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出でき、前記光ファイバセンシング系からの反射光を二つの波長の反射光に分波する合分波器と、前記合分波器で分波された二つの波長の反射光をそれぞれ電気信号に変換する受光器と、前記二つ受光器からの検出電気信号の擬似ランダム信号との相互相関から二つの波長に対応した反射利得を求める二つの相関器と、前記二つの相関器から出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
本願請求項4に係る発明では、本願請求項2に係るファイバセンシングシステムおいて、前記センサヘッドは、ファイバ支線の終端に対象な球面研磨を施し、当該面に二つの波長間に中心波長を持ち、かつ温度によって反射スペクトルが波長軸上でシフトする誘電体多層膜フィルタを直接蒸着形成することにより、温度センサとして使用できるようにしたことを特徴とするものである。
【0005】
本願請求項5に係る発明では、本願請求項4に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記センサヘッドは、誘電体多層膜フィルタの膜厚方向に圧力が印加される構造とすることによって、圧力に応じて変化する上記フィルタの波長シフト量により圧力検出可能な圧力センサとして使用できるようにしてなることを特徴とするものである。
本願請求項6に係る発明は、本願請求項4に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記センサヘッドは、ファイバ軸に対して対称な球面をなす誘電体多層膜フィルタ面に、たとえば石英ブロックなどのような光学的接触子を、外部変位に応じて接触もしくは非接触の二状態を可能とする構成とすることによって、二状態に応じた該フィルタの波長シフトより状態検知するコンタクトスイッチとして使用可能としたことを特徴とするものである。
本願請求項7に係る発明では、本願請求項5または6に係るファイバセンシングシステムにおいて、ファイバ支線をセンサ手前で二分岐し、一方に非温度センサを、他方に温度補償用として非温度センサと同仕様のフィルタによる温度センサを周囲温度が等しくなるよう設置するとき、両センサのファイバ距離差が2波長反射計測系のイベント距離分解能およびパイロット光源の可干渉距離以上となるよう、いずれかのセンサ側にダミーファイバを挿入し、距離的に分離して得られる非温度センサの波長シフト量から温度補償用温度センサの波長シフト量を減殺することによって、非温度センサの温度補償を行うことを特徴とするものである。
【0006】
本願請求項8に係る発明では、本願請求項2に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンシング系は、N個の光センサ分岐用の光カプラがファイバスルー本線中に縦続的に挿入されているとき、光カプラの各分岐比を1/Nとしてなることを特徴とするものである。
本願請求項9に係る発明では、本願請求項1に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンシング系のトッポロジーが、ファイバスルー本線と、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入された複数の透過型光センサから構成されることを特徴とするものである。
本願請求項10に係る発明では、本願請求項1又は請求項9に係るファイバセンシングシステムにおいて、前記2波長反射計測系は、擬似ランダム信号を生成する符号生成器と、前記符号生成器からオンオフ相補的な擬似ランダム信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を擬似ランダム信号で相関演算する相関器と、前記の相関器から出力から反射率比を求め、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
本願請求項11に係る発明では、本願請求項10に係るファイバセンシングシステムにおいて、PN符号発生器において2波長のうち1波長のみ発光させる段階1とPN符号の論理レベルで2波長を交播駆動する段階2に分け、段階1で計測した反射率a と、段階2で計測した反射振幅差dから、波長シフト解析器において1+d/aとして求まる、反射率比より被測定物理量を割り出すことを特徴とするものである。
【0007】
本願請求項12に係る発明では、本願請求項10に係るファイバセンシングシステムにおいて、PN符号発生器においてPN符号1周期ごとに波長を切替えて、反射率を計測し、波長シフト解析器においてそれらの比をとることを特徴とするものである。
本願請求項13に係る発明では、本願請求項1に係るファイバセンシングシステムにおいて、センサ数が1の場合、駆動波形として周期波形を発生する波形発生器と、前記波形発生器の出力波形の論理レベルに応じて駆動され、異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を同期検波し2波長の反射率比を求める除算器と、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
本願請求項14に係る発明では、本願請求項1又は請求項9に係るファイバセンシングシステムにおいて、パルス波形を生成するパルス発生器と、前記パルス発生器から交互に発生されるパルス信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、 前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を交互発光する2つの波長に同期しそれぞれ累積加算する2つ波形加算器と、前記2つ加算器から出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
【0008】
本願請求項15に係る発明では、本願請求項1又は請求項9に係るファイバセンシングシステムにおいて、パルス波形を生成するパルス発生器と、前記パルス発生器から交互に発生されるパルス信号により駆動される異なる波長の二つの光 を生成する光源と、 前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器の出力2波長の反射率比を求める演算回路と、反射率比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とするものである。
本願請求項16に係る発明では、本願請求項1又は請求項9に係るファイバセンシングシステムにおいて、2波長光源の送光強度差の影響をキャンセルするため、2波長に対する反射率の等しい参照反射点をファイバ系内に挿入し、そこからの2波長反射レベルが等しいと見做して各センサにおける2波長反射率比を較正することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0009】
本発明では、被測定物理量に応じて二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する光フィルタを光ファイバ端面に形成し、その2波長反射利得比より被測定物理量を計測する方式であることから次のような特徴を有する。
(1−1)FBG(ファイバブラッグ回折格子)方式や分布計測であるブリュリアンOTDR(Optical Time Domain Reflectometer)、ラマンOTDR方式が反射スペクトル解析を高価につく分光分析によっているのに対し、本発明では光電変換以降、電気回路レベルで解析可能であることから、分析系が簡単安価になる。
(1−2)相補的反射利得の比を取ることから検出感度が二倍化される。
(1−3)計測信号の伝送媒体である光ファイバの曲げや捻りや横圧などの外部応力による損失変動や発受光系の感度変化や利得ドリフトなどは上記反射利得比に影響しないため、安定かつ外乱耐性の高い計測が可能である。
(1−4)上記フィルタは誘電体多層膜をもって容易に実現できるが、複数本束ねたファイバ端面に直接多層膜を真空蒸着することが可能であるから、量産性に優れ、従来のFBGに比して、製造コストを低減することができる。
(1−5)上記ファイバ端面をファイバ軸に対して対称な球面とすることにより、温度のほか膜圧垂直方向の圧力や、光学的ブロックとの接触/非接触によるコンタクトスイッチとして多用できる。
【0010】
(2)光センシングのトポロジーが、ファイバスルー本線から縦続的に挿入された複数の光カプラを介して先端に上記センサを擁するファイバ支線を配置する光バス構成であるため、センサそのものを縦続接続する場合に比べ、センサの着脱自由度が大きく、特定のセンサ支線系が故障したとしても、下流に影響しない(センサそのものを縦続接続する場合は下流での計測は不可能となる)。
(3)ファイバ上の反射イベントに対する位置同定な可能な反射計測方式にはいわゆるOTDRがあり、この方式を2波長分割多重によって多重化してもよいが、より好ましい方式としては、共通のPN符号(Pseudorandom Noise(擬似ランダム)符号)によってオンオフ相補的に二つの波長光を送出し、PN符号と各波長のファイバ反射光出力との相関解析を行うことによって上記反射利得比を求めるPNCR(Pseudorandom Noise code Correlation Reflectometer:擬似ランダム符号相関方式)を採用することによって、2波長に対応した反射計測系を容易に実現することが可能でありかつ経済的である。
【0011】
(4)2波長擬似ランダム符号相関方式であるために、PN符号長によって測定系のダイナミックレンジを容易に制御することができる。すなわち微小な反射利得比をも検知することが可能になるため、被測定物理量の微小な変化を検出することができる。
(5)波長シフトに応じて正負逆方向に変化する2つの反射利得の比をとるので、単一の被測定物理量を検出方式に比較して検出感度が倍増する効果がある。
(6)上述と同様に、反射利得の比をとることによって、系のドリフトや雑音の影響が非常に少なくなるという効果がある。
(7)測定系に大きな外乱がある場合でも、誘電体多層膜フィルタの波長シフトに影響しない外乱である場合にかぎりはそれば不感であり、また、ファイバ曲げ損失やコネクタ不良などによる接続損失は、反射利得比には影響しないという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、本願各請求項に係る発明(以下、単に「本発明」という)を実施するための第1の最良の形態について図面を参照して説明する。
<温度を検出できるファイバセンシングシステムとしての例>
図1は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示す基本構成図である。図2は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示すシステム構成図である。図3は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系を説明するために示す図である。ここで、図3(a)は2波長反射計測系を示すブロック図である。図3(b)はファイバスルー本線31に送出されるプローブ光の説明図である。図3(c)は符号生成器から発生される擬似ランダム信号S1、擬似ランダム信号S2であって、横軸に時間を、縦軸に論理[1]、[0]をとったものである。
【0013】
これらの図において、本発明に係るファイバセンシングシステム1は、光計測情報の伝送媒体である光ファイバ中に、被測定物理量に応じて反射スペクトルが波長軸上でシフトすることによって二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する一個以上のセンサを縦続的に挿入した光ファイバ系3に、各センサに対する位置同定機能および上記2波長に対する反射利得比の検出機能を併せもつ2波長反射計測系5を組み合わせ、2波長反射計測系5により各センサにおける2波長に対する反射利得を求め、その比から求まるスペクトルシフト量から被測定物理量を検出するようにしたものである。
【0014】
さらに別な見地から説明すると、本発明に係るファイバセンシングシステム1は、入射光を被測定物理量に応じた反射応答の反射光として出力できるセンサヘッドを有する光ファイバセンシング系3と、共通の擬似ランダム信号によって相補的に出力される波長の異なる二つの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出し、前記光ファイバセンシング系からの反射光を異なる波長の二つの反射光に分波し、前記プラスマイナス相補的に変化する二つの反射光をそれぞれ電気信号に変換し、前記二つの電気信号を基に二つの反射光による反射利得の比より求まる波長シフトから前記被測定物理量を検出する2波長反射計測系5とから構成されている。
【0015】
図1および図2において、光ファイバセンシング系3のトポロジー(接続関係)としては、ファイバスルー本線31と、ファイバスルー本線31の中に縦接的に挿入された複数の光センサ分岐用の光カプラ321,322,…,32nと、前記光カプラ321,322,…,32nにそれぞれ接続されるファイバ支線331,332,…,33nと、各ファイバ支線331,332,…,33nの終端面に形成したセンサヘッド341,342,…,34nとから構成されたファイバカプラを介したパス型としている。なお、ここで、「トポロジー」とは、空間的要素の位置的、接続的関係を示すもので、鉄道路線図などをモデルにした概念のことをいう。
【0016】
以下、図26(a)のようにセンサ系を定義する。センサ系は光カプラ、ファイバ支線、および入射光を被測定物理量に応じた反射応答の反射光として出力できるセンサヘッドから構成される。
センサ系の概念を取り入れると、センサ系は図1の光ファイバセンシング系に縦続的に挿入されている形態となる。
【0017】
図2及び図3(a)において、前記2波長反射計測系5は、擬似ランダム信号(図3(c)に示す擬似ランダム信号S1参照)を生成する符号生成器51と、前記符号生成器51からの擬似ランダム信号S1により駆動される所定の波長の光を生成する光源52aと、前記符号生成器51からの符号の反転した擬似ランダム信号S2により駆動される前記光源52aの光の波長とは異なる波長の光を生成する光源52bと、前記二つの光源52a,52bからの二つの光をファイバ54a,54bを介して導いて合成しプローブ光として前記光ファイバセンシング系3に送出できるとともに、前記光ファイバセンシング系3からの反射光を二つの波長の反射光に分波する合分波器55と、前記合分波器55で分波された二つの波長の反射光を光ファイバ54a,54bに接続した光カプラ56a,5
6bで取り出し、伝送する光ファイバ57a,57bと、光ファイバ57a,57bで導かれた反射光を電気信号に変換する受光器58a,58bと、前記受光器58aからの検出電気信号を符号生成器51からの擬似ランダム信号で相関をとり反射利得を求める相関器59aと、前記受光器58bからの検出電気信号を符号生成器51からの符号の反対な擬似ランダム信号で相関をとり反射利得を求める相関器59bと、前記二つの相関器59a,59bから出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器60とを備えたものである。
【0018】
前記光源52aは前記符号生成器51からの擬似ランダム信号により駆動され、前記光源52bは生成器51からの符号の反対な擬似ランダム信号により駆動されるため、前記二つの光源52a,52bは、図3(b)に示すように、相補的な擬似ランダム信号によって駆動されて異なる波長の二つの光を生成するようになっている。なお、光源52a,52bは、ファブリー・ペローLD、分岐帰還LD等で構成すればよい。
相関器59aは符号生成器51からの擬似ランダム信号で相関をとり、また、相関器59bは、符号生成器51からの符号の反対な擬似ランダム信号で相関をとっているので、前記二つの相関器59a,59bは、前記二つ受光器58a,58bからの検出電気信号を相補的な擬似ランダム信号でそれぞれ相関をとり反射利得を求めるようになっている。
【0019】
なお、上記実施の形態においては、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入された複数のセンサ系(図26(a))から構成されたバス型としたが、前記センサ系に代えて、例えば図25の特性をもつ複数の透過型センサによるセンサ系(図26(b))において点線イと点線ロの波長を用いた場合、例えば、図16に示すのと同じようなトポロジーも可能となる。下流のセンサの反射率は上流のセンサの透過率を乗じたものとなるから、上流のセンサ反射率R(dB)より、透過率1−10−R/10を計算し、下流のセンサの反射率を上流のセンサの透過率で割ればよい。このような、透過型センサを用いる場合は、前記トポロジーは、ファイバスルー本線31と、ファイバスルー本線31の中に従属的に挿入された複数の透過型センサ61、611、612、・・・、61nからなるように接続すればよい。
【0020】
図4は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおけるセンサヘッドの構造を示す図である。なお、センサヘッド341,342,・・・,34nは同一構造であるので、センサヘッド341を例にし、かつ添え字を取った状態で説明する。
【0021】
この図4において、前記センサヘッド34は、ファイバ支線33の終端に対象な球面研磨を施し、当該球面に二つの波長間に中心波長を持ち、かつ温度によって反射スペクトルが波長軸上でシフトする誘電体多層膜フィルタ34Mを直接蒸着形成することにより、温度センサとして使用できるようにしたものである。
誘電体多層膜の材質は、低屈折層にSiO2を、高屈折層にチタニア(TiO2)または5酸化タンタル(Ta2O5)を使用している。
【0022】
図5は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにより温度および圧力を検出できることを説明するための特性図であて、横軸に波長λを、縦軸に反射利得を、それぞれ取ったものである。
この図5において、センサヘッド34は二つの光の波長(λ1,λ2)の間に中心波長をもつ誘電体多層膜フィルタ34Mが設けられており、その中心周波数が温度または圧力に波長軸上で比例して変化する。このセンサヘッド34の有する特性は、反値を与える二つの波長(λ1,λ2)の間に中心波長を持ち、反値を与える二つの波長(λ1,λ2)に対して概略V字形状をしている。
そこで、センサヘッド34からの反射波を2波長反射計測系5に導き、2波長反射計測系5において反射波利得の比を取ることにより温度または圧力を求めることになる。
【0023】
また、図5において、センサヘッド34における実線の特性と、点線の特性との差δは、温度(temperature)または圧力(pressure)に比例する。
図6は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドが温度に波長がシフトすることを説明するための特性図であって、横軸に温度(Temperature)Tを、縦軸に波長(Wavelength)λ〔nm〕とλGradient〔nm/deg〕を、それぞれ取ったものである。
【0024】
この図6では、温度を5〔℃〕刻みで振ったとき、センサヘッド34の中心波長の絶対値変動と温度勾配を実験で求めたものである。温度上昇にともなって波長が長波長側にシフトするのは、熱膨張によって多層膜厚が増大し光路長が長くなるからである。温度の振り幅70〔℃〕の範囲では、中心波長は温度に比例している。温度勾配は光スペクトルアナライザの読み取り誤差もあって、0.013〜0.018の範囲でばらついているが、平均すれば0.015〔nm/℃〕である。以上のことから、波長シフト量がわかれば、それに対応する温度が割り出せることが分かる。したがって、本発明では、センサヘッド34の誘電体多層膜フィルタ34Mの波長シフトを簡単にかつ安価にしかも正確安定に測定する手段として2波長反射計測系5を含むファイバセンシングシステムを提案するものである。
【0025】
図7は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドでは入射光が平行に入射しないため開口数(NA;Numerical Aperture)を考慮しなければならないことを説明するための特性図を示すもので、横軸に波長(Wavelength)λを、縦軸に反射率(Reflectance)R1,R2〔dB〕を、それぞれ取ったものである。
この図7において、センサヘッド34のファイバのNAをゼロおよび0.12としたときの誘電体多層膜フィルタ34Mの反射分光特性をシミュ レーションによって比較したもので、NA=0は平行ビームに相当し、NA=0.12は通常の単一モードファイバの場合である。NA=0の平行ビームに対してNA=0.12のセンサヘッド34のファイバでは反射減衰量が8〔dB〕程度低くなっており、透過率が僅かにダウンすることになるので、センサヘッド34の誘電体多層膜フィルタ34Mで直接反射させる場合の分光特性には気をつけている。
【0026】
図8は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいてNAを考慮した際の温度により中心周波数が波長軸上で平行移動することを説明するための特性図であって、横軸に波長(Wavelength)λ〔nm〕を、縦軸に反射率(Reflectance)R〔dB〕を、それぞれ取ったものである。
図8からも分かるように、±50〔deg〕において、二つの波長(λ1,λ2)が−3〔dB〕を中心として−2〔dB〕〜−3〔dB〕に変化することになる。
【0027】
図9は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいて、NAをゼロまたはNA=0.12としたときの温度の変化に対する二つの波長における反射率比R1,R2の変化を示す特性図であって、横軸に温度(Temperature)T〔deg〕を、縦軸に反射率比(Reflectance)R1,R2〔dB〕を、それぞれ取ったものである。
この図9において、反射率比R1は NA=0では−50〔deg〕で−1.8〔dB〕〜+50〔deg〕で−4.75程度の間でほぼ直線に右肩下がりで下降する。同様に、反射率比R1は、NA=0.12では−50〔deg〕で−2.0〔dB〕〜+50〔deg〕で−4.50程度の間でほぼ直線に右肩さがかりで下降する。
【0028】
これに対して、反射率比R2は NA=0では−50〔deg〕で−4.6〔dB〕〜+50〔deg〕で−2.0程度の間でほぼ直線で右肩上がりに上昇する。同様に、反射率比R2は、NA=0.12では−50〔deg〕で−4.3〔dB〕〜+50〔deg〕で−2.2程度の間でほぼ直線に右肩上がりで上昇する。
【0029】
図10は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいて、センサヘッドのファイバのNAをゼロまたはNAを0.12としたときの温度の変化に対する二つの波長における反射率比R1,R2の差をとった特性図であって、横軸に温度(Temperature)T〔deg〕を、縦軸に差反射率比(Differential Reflectance)(R1−R2)〔dB〕の差を、それぞれ取ったものである。
この図10において、反射率比R1,R2の差は、NA=0では−50〔deg〕で−2.5〔dB〕程度〜+50〔deg〕で−2.5程度の間でほぼ直線に右肩下がりで下降する特性をとる。同様に、反射率比R1,R2の差は、NA=0.12では−50〔deg〕で−2.3〔dB〕〜+50〔deg〕で−2.0程度の間でほぼ直線に右肩さがかりで下降する特性をとる。
【0030】
このセンサヘッド34の誘電体多層膜フィルタ34Mは、上述したような特性をとることから、この特性を有効に生かし、安価にかつ正確に検出する本発明に係るファイバセンシングシステムを提案するものである。
まず、符号生成器51は、図3(c)に示すような擬似ランダム信号S1を生成する。この符号生成器51から出力された擬似ランダム信号S1は、光源52aに入力される。 符号生成器51では、符号の反転された擬似ランダム信号S2を形成して、光源52bに入力する。
【0031】
すなわち、光源52aは、符号生成器51からの擬似ランダム信号S1で駆動されることになる。同様に、光源52bは、符号反転の擬似ランダム信号S2で駆動されることになる。ここで、光源52aは図3(c)の擬似ランダム信号S1の論理[1]で発光し、光源52bは図3(c)の擬似ランダム信号S2の論理で[1]で発光する。前記光源52aからの光(波長λ1)は光ファイバ54aを介して合分波器55に、前記光源52bからの光(波長λ2)は光ファイバ54bを介して合分波器55に、それぞれ導かれる。これら光(波長λ1,λ2)は、合分波器55で合成されて図3(b)に示すように擬似ランダム信号で波長λ1、λ2が切り替わるプローブ光とされる。
このようなプローブ光は、ファイバスルー本線31をとおり、例えば光カプラ321で分岐されて、ファイバ支線331を通ってセンサヘッド341に送られる。
【0032】
センサヘッド341では、上記図5ないし図10に関する説明で示すような温度特性があるので、そのセンサヘッド341の誘電体多層膜フィルタ34Mが現在の温度における温度特性の屈折率でもって入射光を反射する。この反射光は、ファイバ支線331、光カプラ321を通してファイバスルー本線31に導かれ、合分波器55に導かれる。
ファイバスルー本線31からの反射は、合分波器55において、光ファイバ54a,54bに分波される。光ファイバ54a,54bに分波された反射波は、光ファイバ54aでは光カプラ56aを介して光ファイバ57aに導かれ、また、光ファイバ54bでは光カプラ56bを介して光ファイバ57bに導かれる。
【0033】
光ファイバ57aに導かれた反射光は、受光器58aに入射される。また、光ファイバ57bに導かれた反射光は、受光器58bに入射される。受光器58aに入射された反射光は、その入射された反射光に応じた電気信号Saに変換される。受光器58bに入射された反射光も、その入射された反射光に応じた電気信号Sbに変換される。
受光器58aから出力された電気信号Saは、相関器59aに入力される。同様に、受光器58bから出力された電気信号Sbも、相関器59bに入力される。
【0034】
このとき、相関器59aには符号生成器51からの擬似ランダム信号S1が入力されており、擬似ランダム信号S1によって受光器58aからの電気信号Saと相関がとられていることから、反射波のうち波長λ1の反射波に関する電気信号Daを確実にかつ正確に取り出せる。同様に、相関器59bには符号の反転した擬似ランダム信号S2が入力されており、擬似ランダム信号S2によって受光器58bからの電気信号Sbと相関がとられていることから、反射波のうち波長λ2の反射波に関する電気信号Dbを確実にかつ正確に取り出せる。
【0035】
相関器59aから取り出された波長λ1の反射波に関する電気信号Daは、波長シフト解析器60に入力される。また、相関器59bから取り出された波長λ2の反射波に関する電気信号Dbも、波長シフト解析器60に入力される。
この波長シフト解析器60では、前記二つの相関器59a,59bから出力された波長λ1の反射波に関する電気信号Daと、波長λ2の反射波に関する電気信号Dbを基に次の式により反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。
Reflectance Ratio R=r(λ2)/r(λ1)
【0036】
本発明に係るファイバセンシングシステムの最適な第1実施の形態から知りうるように、本発明では、基本的に、被測定物理量に応じて二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する光フィルタを光ファイバ端面に形成し、その2波長反射利得比より被測定物理量を計測する方式であることから下記諸特徴を有する。
【0037】
(1−1)FBG(ファイバブラッグ回折格子)方式や分布計測であるブリュリアンOTDR、ラマンOTDR方式が反射スペクトル分析を高価につく分光分析によっているのに対し、本発明では光電変換以降、電気回路レベルで分析可能であることから、分析系が簡単安価になる。
(1−2)相補的反射利得の比を取ることから検出感度が二倍化される。
(1−3)計測信号の伝送媒体である光ファイバの曲げや捻りや横圧などの外部応力による損失変動や発受光系の感度変化や利得ドリフトなどは上記反射利得比に影響しないため、安定かつ外乱耐性の高い計測が可能である。
(1−4)上記フィルタは誘電体多層膜をもって容易に実現できるが、複数本束ねたファイバ端面に直接多層膜を真空蒸着することが可能であるから、量産性に優れ、従来のFBGに比して、製造コストを低減することができる。
(1−5)上記ファイバ端面をファイバ軸に対して対称な球面とすることにより、温度のほか膜圧垂直方向の圧力や、光学的ブロックとの接触/非接触によるコンタクトスイッチとして多用できる。
【0038】
(2)光センシングのトポロジーが、ファイバスルー本線から縦続的に挿入された複数の光カプラを介して先端に上記センサを擁するファイバ支線を配置する光バス構成であるため、センサをそのものを縦続接続する場合に比べ、センサの着脱自由度が大きく、特定のセンサ支線系が故障したとしても、下流に影響しない(センサそのものを縦続接続する場合は下流での計測は不可能となる)。
【0039】
(3)ファイバ上の反射イベントに対する位置同定な可能な反射計測方式にはOTDR(Optical Time Domain Reflectometer)があり、この方式をもとに2波長分割多重によって多重化してもよいが、より好ましい方式としては、共通のPN符号(Pseudorandom Noise(擬似ランダム)符号)によって1/0相補的に二つの波長光を送出し、PN符号と各波長のファイバ反射光出力との相関解析を行うことによって上記反射利得比を求めるPNCR(擬似ランダム符号相関方式)を採用することによって、2波長に対応した反射計測系を容易に実現することが可能でありかつ経済的である。
【0040】
(4)2波長擬似ランダム符号相関方式であるために、PN符号長によって測定系のダイナミックレンジを容易に制御することができる。すなわち微小な反射利得比をも検知することが可能になるため、被測定物理量の微小な変化を検出することができる。
【0041】
(5)波長シフトに応じて正負逆方向に変化する2つの反射利得の比をとるので、単一の被測定物理量を検出方式に比較して検出感度が倍増する効果がある。
(6)上述と同様に、反射利得の比をとることによって、系のドリフトや雑音の影響が非常に少なくなるという効果がある。
(7)測定系に大きな外乱がある場合でも、誘電体多層膜フィルタの波長シフトに影響しない外乱である場合にかぎりはそれば不感であり、また、ファイバ曲げ損失やコネクタ不良などによる接続損失は、反射利得比には影響しないという効果がある。
【0042】
<圧力を検出できるファイバセンシングシステムの実施の形態>
上記ファイバセンシングシステム1は、圧力検出システムとしても利用ができる。
図11は、本発明に係るファイバセンシングシステムを圧力検出システムとして利用する場合のセンサヘッドを示す図である。
この図11において、センサヘッド341,342,…,34nは、同一構造を有しているので、センサヘッド341を代表にとり、添え字をとって説明することにする。
【0043】
本発明では、前記センサヘッド34は、図11(a)に示すように、ファイバ支線33の終端に軸対象な球面研磨を施し、当該ファイバ支線33の終端の球面に誘電体多層膜フィルタ34Mの膜厚方向に圧力が印加される構造とすることによって、圧力に応じて変化する上記フィルタの波長シフト量により圧力検出可能な圧力センサとして使用できるようにしたものである。なお、符号34Pは加圧部材である。
【0044】
なお、図11(b)示すセンサヘッド34bは、上のセンサヘッド34の変形例で、ファイバ支線33の終端に軸対象な球面研磨を施し、加圧される加圧部材34Pの平面上に形成誘電体多層膜厚方向34Mを形成し、加圧部材34Pに垂直に圧力が加わるようにしてもよい。
そして、この圧力センサとして作用するセンサヘッド34を、図1および図2に示すよう配置し、2波長反射計測系5からプローブ光を圧力センサとして作用するセンサヘッド34に与え、その反射光を2波長反射計測系5に取り込み、2波長反射計測系5において上記のように処理することにより、圧力を計測できるファイバセンシングシステムとして構築することができる。
この実施の形態によっても、光検出のファイバセンシングシステムと同様な作用効果を奏することになる。
【0045】
<圧力測定時の温度補償を可能としたファイバセンシングシステム>
図12は、本発明に係るファイバセンシングシステムにおいて圧力測定時の温度補償を可能にする温度補償圧力センサヘッドに関する図である。ここに、図12(a)は本発明に係るファイバセンシングシステムにおいて圧力測定時の温度補償を可能にする温度補償圧力センサヘッドの構成を示す図である。図12(b)は上記構成における検出特性を示す特性図であって、横軸には距離〔m〕を、縦軸には波長シフト〔nm〕をそれぞれとったものである。
【0046】
この図12(a)において、温度補償を可能にする温度補償圧力センサヘッド34Aは、ファイバ支線33をセンサ手前で二分岐し、一方に非温度センサ341を、他方に温度補償用として非温度センサ341と同仕様のフィルタによる温度センサ345を周囲温度が等しくなるよう設置するとき、両センサ341,345のファイバ距離差が2波長反射計測系のイベント距離分解能およびパイロット光源の可干渉距離以上となるよう、いずれかのセンサ341または345側にダミーファイバ343を挿入し、距離的に分離して得られる非温度センサ341の波長シフト量から温度補償用温度センサ345の波長シフト量を減殺することによって、非温度センサ341の温度補償を行うようにしたものである。
【0047】
さらに説明すると、温度補償圧力センサヘッド34Aは、ファイバ支線33の終端に軸対象な球面研磨を施し、この球面に誘電体多層膜を直接蒸着して二つの波長間(λ1,λ2)に中心波長をもつ誘電体多層膜フィルタ34Mを有するセンサヘッド341と、この圧力検出用センサヘッド341のファイバ支線33の部分に縦接的に接続された光カプラ342と、この光カプラ342に接続され擬似ランダム符号相関方式の距離分解能および両光源(52a,52b)のコヒーレンス長(λ1,λ2)より長いダミーファイバ343と、このダミーファイバ343の終端に軸対象な球面研磨を施し、その球面に誘電体多層膜を直接蒸着して二つの波長(λ1,λ2)間に中心波長をもつ誘電体多層膜フィルタ34Mを有するセンサヘッド345とを備え、両センサヘッド341,345を同一温度条件下において温度補償を行えるようにしたものである。
【0048】
このように構成する理由は、次のとおりである。すなわち、通常の圧力検出用センサヘッド34においては、誘電体多層膜フィルタ34Mの膜圧方向への圧力印加によって波長シフトが生ずるが、この波長シフト分には温度によるシフト分も含まれている。そこで、温度によるシフト分をキャンセルする必要がある。温度によるシフト分をキャンセルするには、上記図12(a)の説明のように構成すればよい。また、二つのセンサ341,345は温度条件が同一になるように実装されている。
【0049】
このような構成とすることにより、一方のセンサ345は圧力+温度を検出するセンサとして作用することになり、他方のセンサ341は温度のみを検出するセンサとして作用することになる。 ここで、温度を検出するセンサヘッド341では、図12(b)に示すように、F1(=δλ1)が検出されたものとする。また、温度と圧力を検出するセンサヘッド345では、図12(b)に示すように、F2(=δλ2)が検出されたものとする。そして、このような両センサヘッド341,345から検出された波長シフトの差を取れば(Press Shift=δλ1−δλ2)、温度の波長シフト分が差し引かれて、圧力による波長シフト分のみを検出することができる。
【0050】
このようにして圧力検出をする場合の温度補償を行うことができ、正しい圧力検出ができることになる。
なお、上記実施の形態では、センサヘッド341を温度検出、センサヘッド345を温度+圧力の検出としていたが、これの逆でも何ら問題ない。すなわち、センサヘッド341を温度+圧力の検出とし、センサヘッド345を温度検出とするようにしても、上の例と作用効果は全く同じとなる。
【0051】
<センサヘッドをスイッチセンサとして作用させる実施の形態>
図13は本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用されるセンサヘッドの他の使用例を説明するための図である。
前記センサヘッド34は、図13に示すように、ファイバ支線33の終端を軸対象な球面研磨して球面ARに形成し、ファイバ軸に対して対称な球面をなす誘電体多層膜フィルタ面34Mに、たとえば石英ブロックなどのような光学的接触子36を、外部変位に応じて接触もしくは非接触の二状態を可能とする構成とすることによって、二状態に応じた該フィルタの波長シフトより状態検知するコンタクトスイッチとして使用可能とすることができる。
なお、このスイッチとして使用する場合には、2波長反射計測系5を使用するまでもなく、接触・非接触で反射光の反射利得が変化することを検出できるものであれば、どのような検出機構でもよい。
このような構造によって、スイッチ部分で電気回路を含まないスイッチとして使用することができ、例えば防爆環境で簡単な構造で使用が可能となる。
【0052】
<光ファイバセンシング系の反射減衰量について>
図14は本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用される光ファイバセンシング系での光カプラの分岐比と最遠センサの反射減衰率を示す特性図であって、横軸に結合率α〔dB〕を、縦軸に反射率Rn〔dB〕を、それぞれとったものである。 図12においてファイバの伝送損失を無視すると、最終段(n)センサからの反射率Rnは
Rn=(1−α)(n−1)α2β
であたえられる。
Rn,α,βをそれぞれ減衰量〔dB〕であらわすと、上の式の10log をとることにより、
Rn〔dB〕=20(n−1)log(1−10−(α/10))+2α+β
とあらわされる。
この図14はβ(=3〔dB〕)を一定値とし、段数nをパラメータにとったときのRn〔dB〕をαの関数として図示したものである。Rn〔dB〕は垂直軸と漸近線の間にあり、数nに応じた最小値をもつことがわかる。
【0053】
図15は、本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用される光ファイバセンシング系での光カプラにおけるセンサ段数と最遠センサの最小減衰量の関係を示す特性図であって、横軸にセンサ段数を、縦軸に減衰量Rnを、それぞれとったものである。
次に、最遠センサ(センサヘッド34n)からの反射利得が最大になるような光カプラ分岐比の最適条件を求めることにする。これは全段のセンサに分配すべき探傷光のパワが最大となる条件でもある。
【0054】
すなわち、光カプラの分岐比はセンサ段数分の1に選べばよい。このときの最遠センサの反射利得最大値は、
Rn〔dB〕={1−(1/n)}2(n−1)×β/n2
であたえられる。Rn,βを減衰量(dB)であらわせば、
Rn〔dB〕=20(n−1)log(1−1/n)+20logn+β
である。ここで、β(=3〔dB〕)を一定値とする。
このような条件から、段数と最遠センサの反射減衰量の関係は、図15に示すような特性となる。したがって、現実的な数値例として、センサヘッド34の誘電体多層膜フィルタ34Mの半値全幅波長を選ぶとして、β=3〔dB〕一定として、光カプラの分岐比を10〔dB〕とすれば、センサ段数は16程度で最遠センサの反射減衰量Rnを37〔dB〕程度におさえることができる。
【0055】
したがって、前記光ファイバセンシング系3は、N個の光センサ分岐用の光カプラ321,322,…,32nがファイバスルー本線31の中に縦接的に挿入されているときに、光カプラ321,322,…,32nの各分岐比を1/Nとすることにより、正確なる検出が可能になる。
【0056】
上述するように、本発明に係るファイバセンシングシステムを実施するための第1の最良の形態について図面を参照して説明したが、上記第1の実施の形態において使用した光合分波器に代えて、光カプラを用いても同様の効果を得ることができる。以下、光合分波器に代えて光カプラを用いた第2の実施の形態、その他の部材を変更する第3,第4の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【0057】
<第2の実施の形態>
図17は、本発明の第2の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系を説明するために示す図である。符号51で示される生成器によって、図17(c)に示すような擬似ランダム信号S1を生成すると、この符号生成器51から出力された擬似ランダム信号S1は、光源52aに入力され、また、符号生成器51では、符号の反転された擬似ランダム信号S2を形成して、光源52bに入力され。その結果、光源52aは、符号生成器51からの擬似ランダム信号S1で駆動されることになる。同様に、光源52bは、符号反転の擬似ランダム信号S2で駆動されることになる。ここで、光源52aは図17(c)の擬似ランダム信号S1の論理[1]で発光し、光源52bは図17(c)の擬似ランダム信号S2の論理で[1]で発光する。そうすると、前記光源52aからの光(波長λ1)と前記光源52bからの光(波長λ2)は光カプラ56で合成されて図17(b)に示すように擬似ランダム信号で波長λ1、λ2が切り替わるプローブ光とされる。
【0058】
このようなプローブ光は、ファイバスルー本線31をとおり、例えば光カプラ321で分岐されて、ファイバ支線331を通ってセンサヘッド341に送られる。
そこで、センサヘッド341では、上記図5ないし図10の説明で示すような温度特性があるので、そのセンサヘッド341の誘電体多層膜フィルタ34Mが現在の温度における温度特性の屈折率で入射光を反射する。ついで、この反射光は、ファイバ支線331、光カプラ321を通してファイバスルー本線31に導かれ、光カプラ56に導かれる。ファイバスルー本線31からの反射波は、光カプラ56を介して2波長混合のまま、受光器58に入射される。受光器58に入射された反射光は、その入射された反射光に応じた電気信号Sに変換される。
受光器58から出力された電気信号Sは、相関器59に入力される。
【0059】
このとき、相関器59には符号生成器51からの擬似ランダム信号S1が入力されており、擬似ランダム信号S1によって受光器58からの電気信号Sと相関がとられていることから、波長λ1およびλ2に対するの反射振幅差に関する電気信号Dを確実にかつ正確に取り出せる。
そして、相関器59から取り出された波長λ1およびλ2の合成された反射波に関する電気信号Dは、波長シフト解析器60に入力される。
そこで、反射率比を求めるためには、前述の反射振幅差dとλ1乃至λ2のいずれかに対する反射率から算出する必要がある。そのため、図17(d)のように上記反射振幅差の相関計測手順とは別にλ1乃至λ2のみを発光させ、上記の経路で受光器で受けた反射波に対して相関を行う。
【0060】
この波長シフト解析器60では、前記相関器59から出力された波長λ1とλ2反射合成波に関する電気信号と、波長λ1乃至λ2単独の反射波に関する電気信号を基に次の式により反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。
【0061】
Reflectance Ratio R=r(λ2)/r(λ1)=1+d/r(λ1)
または R=r(λ1)/r(λ2)=1+d/r(λ2)
また、図17(a)の構成において、擬似ランダム信号は図17(e)のように、時分割的に交互に打っても良い。λ1を送出している周期の電気信号Dと、λ2を送出している周期の電気信号Dを波長シフト解析器60に取り込み反射率比を求めればよい。
【0062】
なお、図17(d)の符号でも、図17(e)の符号でも温度−反射率特性は図18のように同一の結果を得ることができる。なお、図18は、本発明の第2の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系を用いて温度−反射率特性を計測したものである。図18から知りうるように、第1の実施の形態に係るファイバセンシングシステムと比べて、上記第2の実施の形態に係るファイバセンシングシステムにおいても、「○」のプロットと「□」および「◇」の有意差がないことから、第1の実施の形態に係るファイバセンシングシステムと同様の効果を得ることができる。
【0063】
なお、当該第2の実施の形態に係るファイバセンシングシステムにおいては、送出する信号としてPN符号を用いたが、これは、PN符号に限らず、例えば、PN符号信号に代え、2波長を駆動する信号は周期関数やパルス信号であっても良い。
【0064】
<第3の実施の形態>
第3の実施の形態として、図19で示されるような基本構成を有するセンサが1つであるファイバセンシングシステムとしても良く、このような構成とすることにより、周期関数の論理レベルをそれぞれ2つの波長を割り当てることで実現でき、受光器以降では、波長λ1のパルスに対応する反射波を除算器上に蓄え、λ2に対する反射波で除算し、その出力をそのまま乃至累積加算し、波長シフト解析器上で波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。なお、図19は、2波長反射計測系の場合の本発明の第3の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける基本構成を示す図であり、PN符号発生器と相関器の代わりに、周期関数発生器と反射率比を計算する演算回路を使用することで、ハードウエアを単純化することができる。
【0065】
<第4の実施の形態>
次に、本発明の第4の実施形態に係るファイバセンシングシステムとして、2波長のパルスを用いた場合(図20)、同じく2波長のパルスを用いた場合で加算器を使用しない場合(図21)のそれぞれの2波長反射計測系の構成を例にしてその詳細を説明する。前記第2の実施の形態に係るファイバセンシングシステムと異なる点は、パルス波形を送出するためのパルス発生器と受光器以降の構成である。
【0066】
図20(b)および図21(b)で示されるように、本発明に係るファイバセンシングシステムの受光器以降の構成おいて、上記2波長のパルスを用いた場合(図20)ではλ1とλ2に対する反射波形を別々にそれぞれの波長パルスの送出周期に同期させて加算する構成としても良く、その加算結果を波長シフト解析器上で比を取り、反射利得の比から波長シフトを求めるようにすれば、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。また、図21に示すように、同2波長のパルスを用いて、加算器を使用することなく、かつ、波長λ1のパルスに対応する反射波を除算器上に蓄えるように構成することで、λ2に対する反射波で除算し、その出力をそのまま乃至累積加算し、波長シフト解析器上で波長シフトを求めるようにすれば、その波長シフトから被測定物理量である温度を測定できる。
【0067】
これらの場合、測定精度を上げるために測定時間を増加させて累積加算数を増やすか、あるいはレーザダイオードの出力パワのハイパワ化をすれば、PN符号発生器と相関器の代わりに、パルス発生器と、波形加算器乃至反射率比を計算する演算回路が使用でき、ハードウエアを単純化できる。
【0068】
また、上記のいずれの実施形態においても、λ1とλ2の発光強度差が、センサの反射率比に影響を与える。その解決手段を代表して上記第2実施の形態に係るファイバセンシングシステムを例に説明すると、図22および図23に示すように、反射率が波長に依存しない較正用反射器、例えば反射終端器等を設けてその反射強度比を求めて、各センサにおける反射強度比から減算すれば、λ1とλ2の発光強度差をキャンセルした反射率比を得ることができる。
【0069】
ここに、図22は、本発明に係るファイバセンシングシステムの実施形態のうち、2波長に対する反射率の等しい参照反射点をファイバ系内に挿入し、そこからの2波長反射レベルが等しいと見做して各センサにおける2波長反射率比を較正させるとするもので、いわば、ファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系のうち、較正基準となる反射終端器を装置内に内蔵した構成を示す図であり、図23は、同ファイバセンシングシステムの実施の形態のうち、2波長反射計測系の較正基準となる反射終端器をファイバトポロジ上に設置した構成例を示す図である。
【0070】
さらに、図24に2波長光源の送光レベルを異ならせたときの上記効果を示す実験結果を示す。図24は、本発明の実施形態のうち2波長に対する反射率の等しい参照反射点をファイバ系内に挿入し、そこからの2波長反射レベルが等しいと見做して各センサにおける2波長反射率比を較正させるファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系における実験データである。
【0071】
図24において、横軸は2波長の送光レベル差、縦軸は2波長擬似ランダム符号相関方式によって得られた2波長反射率比である。図の一点鎖線イはセンサの2波長反射強度比、点線ロは較正用反射器の2波長反射強度比、実線ハは前者を後者で較正した応答で、両波長の送光レベルが異なっても、その影響がキャンセルされていることがわかる。
この方法は送信光モニタの受光回路などハードウェアが不要であるだけでなく、より正確な較正ができることが特徴である。
【図面の簡単な説明】
【0072】
【図1】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示す基本構成図である。
【図2】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示すシステム構成図である。
【図3】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系を説明するために示す図である。
【図4】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおけるセンサヘッドの構造を示す図である。
【図5】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにより温度および圧力を検出できることを説明するための特性図である。
【図6】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドが温度に波長がシフトすることを説明するための特性図である。
【図7】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドでは入射光が平行に入射しないため開口数を考慮しなければならないことを説明するための特性図を示すものである。
【図8】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいてNAを考慮した際の温度により中心周波数が波長軸上で平行移動することを説明するための特性図である。
【図9】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいて、NAをゼロまたはNA=0.12としたときの温度の変化に対する二つの波長における反射率比R1,R2の変化を示す特性図である。
【図10】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用するセンサヘッドにおいて、センサヘッドのファイバのNAをゼロまたはNAを0.12としたときの温度の変化に対する二つの波長における反射率比R1,R2の差をとった特性図である。
【図11】本発明に係るファイバセンシングシステムを圧力検出システムとして利用する場合のセンサヘッドを示す図である。
【図12】本発明に係るファイバセンシングシステムにおいて圧力測定時の温度補償を可能にする温度補償圧力センサヘッドに関する図である。
【図13】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用されるセンサヘッドの他の使用例を説明するための図である。
【図14】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用される光ファイバセンシング系での光カプラの分岐比と最遠センサの反射減衰率を示す特性図である。
【図15】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムで使用される光ファイバセンシング系での光カプラにおけるセンサ段数と最遠センサの最小減衰量の関係を示す特性図である。
【図16】本発明の実施形態に係るファイバセンシングシステムを示す基本構成図で、透過型センサを用いたものである。
【図17】本発明の第2の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系を説明するために示す図である。
【図18】本発明の第2の実施形態に係るファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系を用いて温度−反射率特性を計測したものである。
【図19】本発明の実施形態のうち、センサ数1の場合、駆動波形として周期波形を発生させ、その反射波形を同期検波し2波長の反射率比を求める方式に係わるファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系の構成を示す図である。
【図20】本発明の実施形態のうち、駆動波形として2波長のパルス波形を発生させ、その反射波形を2つ累積加算器により波長ごと別々に累積加算してから反射率比を求める方式に係わるファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系の構成を示す図である。
【図21】本発明の実施形態のうち、駆動波形として2波長のパルス波形を交互発生させ、その反射波形からを直接2波長反射率比を求める方式に係わるファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系の構成を示す図である。
【図22】本発明の実施形態のうち2波長の光源のパワ差を較正することに係わるファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系のうち、較正基準となる反射終端器を装置内に内蔵した構成を示す図である。
【図23】本発明の実施形態のうち、2波長の光源のパワ差を較正することに係わるファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系のうち、較正基準となる反射終端器をファイバトポロジ上に設置した構成を示す図である。
【図24】本発明の実施形態のうち2波長の光源のパワ差を較正することに係わるファイバセンシングシステムにおける2波長反射計測系における実験データである。
【図25】本発明の実施形態のうちセンサをファイバスルー本線中に縦続的に挿入する形態に係るファイバセンシングシステムで使用する透過型センサを説明するための特性図である。
【図26】本発明の実施形態に係わるファイバセンシングにおいて、センサ系の定義を示すための図である。
【符号の説明】
【0073】
1・・・ファイバセンシングシステム、
3・・・光ファイバセンシング系、
5・・・2波長反射計測系、
31・・・ファイバスルー本線、
32、321,322,…,32n・・・光カプラ、
33、331,332,…,33n・・・センサ支線、
34、341,342,…,34n、341、345・・・センサヘッド、
51・・・符号生成器、
52a,52b・・・光源、
54a,54b・・・光ファイバ、
55・・・合分波器、
56,56a,56b・・・光カプラ、
57a,57b・・・光ファイバ、
58,58a,58b・・・受光器、
59,59a,59b・・・相関器、
60・・・波長シフト解析器
61,611,612,…,61n・・・透過型センサ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光計測情報の伝送媒体である光ファイバ中に、被測定物理量に応じて反射スペクトルが波長軸上でシフトすることによって二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する一個以上のセンサ系を縦続的に挿入した光ファイバ系に、各センサに対する位置同定機能および上記2波長に対する反射利得比の検出機能を併せもつ2波長反射計測系を組み合わせることにより、各センサにおける2波長に対する反射利得を求め、その比から求まるスペクトルシフト量から被測定物理量を検出することを特徴とするファイバセンシングシステム。
【請求項2】
前記光ファイバセンシング系のトポロジーとして、ファイバスルー本線と、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入された複数の光センサ分岐用の光カプラと、前記光カプラにそれぞれ接続されるファイバ支線と、そのファイバ支線の終端面に形成したセンサヘッドとから構成されたファイバカプラを介してバス型としたことを特徴とする請求項1記載のファイバセンシングシステム。
【請求項3】
前記2波長反射計測系は、擬似ランダム信号を生成する符号生成器と、前記符号生成器から相補的な擬似ランダム信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出でき、前記光ファイバセンシング系からの反射光を二つの波長の反射光に分波する合分波器と、前記合分波器で分波された二つの波長の反射光をそれぞれ電気信号に変換する受光器と、前記二つ受光器からの検出電気信号を相補的な擬似ランダム信号でそれぞれ相関をとり反射利得を求める相関器と、前記二つの相関器から出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項1記載のファイバセンシングシステム。
【請求項4】
前記センサヘッドは、ファイバ支線の終端に二つの波長間に中心波長を持ち、かつ温度によって反射スペクトルが波長軸上でシフトする誘電体多層膜フィルタを直接蒸着形成することにより、温度センサとして使用できるようにしたことを特徴とする請求項2記載のファイバセンシングシステム。
【請求項5】
前記センサヘッドは、誘電体多層膜フィルタの膜厚方向に圧力が印加される構造とすることによって、圧力に応じて変化する上記フィルタの波長シフト量により圧力検出可能な圧力センサとして使用できるようにしてなることを特徴とする請求項4記載のファイバセンシングシステム。
【請求項6】
前記センサヘッドは、ファイバ軸に対して対称な球面をなす誘電体多層膜フィルタ面に、たとえば石英ブロックなどのような光学的接触子を、外部変位に応じて接触もしくは非接触の二状態を可能とする構成とすることによって、二状態に応じた該フィルタの波長シフトより状態検知するコンタクトスイッチとして使用可能としたことを特徴とする請求項4記載のファイバセンシングシステム。
【請求項7】
ファイバ支線をセンサ手前で二分岐し、一方に非温度センサを、他方に温度補償用として非温度センサと同仕様のフィルタによる温度センサを周囲温度が等しくなるよう設置するとき、両センサのファイバ距離差が2波長反射計測系のイベント距離分解能およびパイロット光源の可干渉距離以上となるよう、いずれかのセンサ側にダミーファイバを挿入し、距離的に分離して得られる非温度センサの波長シフト量から温度補償用温度センサの波長シフト量を減殺することによって、非温度センサの温度補償を行うことを特徴とする請求項5または6記載のファイバセンシングシステム。
【請求項8】
前記光ファイバセンシング系は、N個の光センサ分岐用の光カプラがファイバスルー本線中に縦続的に挿入されているとき、光カプラの各分岐比を1/Nとしてなることを特徴とする請求項2記載のファイバセンシングシステム。
【請求項9】
前記光ファイバセンシング系のトポロジーとして、ファイバスルー本線と、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入され、被測定物理量に応じて一定量を反射し残りを透過する透過型センサから構成されたことを特徴とする請求項1記載のファイバセンシングシステム。
【請求項10】
前記2波長反射計測系は、
擬似ランダム信号を生成する符号生成器と、
前記符号生成器から相補的な擬似ランダム信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、
前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの両波長の反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を擬似ランダム信号で相関演算する相関器と、前記の相関器から出力から反射率比を求め、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項1又は請求項9記載のファイバセンシングシステム。
【請求項11】
PN符号発生器により、2波長のうち1波長のみ発光させる段階1とPN符号の論理レベルで2波長を交播駆動する段階2に分け、段階1で計測した反射率aと、段階2で計測した反射振幅差dから、波長シフト解析器において1+d/aとして求まる、反射率比より被測定物理量を割り出すことを特徴とする請求項10記載のファイバセンシングシステム。
【請求項12】
PN符号発生器により、PN符号1周期ごとに波長を切替えて、波長ごとの反射率を計測し、波長シフト解析器においてそれらの比をとることを特徴とする請求項10記載のファイバセンシングシステム。
【請求項13】
前記2波長反射計測系において、センサ数が1の場合、駆動波形として周期波形を発生する波形発生器と、前記波形発生器の出力波形の論理レベルに応じて駆動され、異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を同期検波し2波長の反射率比を求める演算回路と、反射率の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項1記載のファイバセンシングシステム。
【請求項14】
前記2波長反射計測系は、パルス波形を生成するパルス発生器と、前記パルス発生器から交互に発生されるパルス信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、 前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を交互発光する2つの波長に同期しそれぞれ累積加算する2つ波形加算器と、前記2つ加算器から出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項1又は請求項9記載のファイバセンシングシステム。
【請求項15】
前記2波長反射計測系は、パルス波形を生成するパルス発生器と、前記パルス発生器から交互に発生されるパルス信号により駆動される異なる波長の二つの光 を生成する光源と、 前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器の出力2波長の反射率比を求める演算回路と、反射率比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項1又は請求項9記載のファイバセンシングシステム。
【請求項16】
前記2波長反射計測系における2波長光源の送光強度差の影響をキャンセルするため、2波長に対する反射率の等しい参照反射点をファイバ系内に挿入し、そこからの2波長反射レベルが等しいと見做して各センサにおける2波長反射率比を較正すること特徴とする請求項1又は請求項9記載のファイバセンシングシステム。
【請求項1】
光計測情報の伝送媒体である光ファイバ中に、被測定物理量に応じて反射スペクトルが波長軸上でシフトすることによって二つの波長に対する反射利得がプラスマイナス相補的に変化する一個以上のセンサ系を縦続的に挿入した光ファイバ系に、各センサに対する位置同定機能および上記2波長に対する反射利得比の検出機能を併せもつ2波長反射計測系を組み合わせることにより、各センサにおける2波長に対する反射利得を求め、その比から求まるスペクトルシフト量から被測定物理量を検出することを特徴とするファイバセンシングシステム。
【請求項2】
前記光ファイバセンシング系のトポロジーとして、ファイバスルー本線と、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入された複数の光センサ分岐用の光カプラと、前記光カプラにそれぞれ接続されるファイバ支線と、そのファイバ支線の終端面に形成したセンサヘッドとから構成されたファイバカプラを介してバス型としたことを特徴とする請求項1記載のファイバセンシングシステム。
【請求項3】
前記2波長反射計測系は、擬似ランダム信号を生成する符号生成器と、前記符号生成器から相補的な擬似ランダム信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出でき、前記光ファイバセンシング系からの反射光を二つの波長の反射光に分波する合分波器と、前記合分波器で分波された二つの波長の反射光をそれぞれ電気信号に変換する受光器と、前記二つ受光器からの検出電気信号を相補的な擬似ランダム信号でそれぞれ相関をとり反射利得を求める相関器と、前記二つの相関器から出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項1記載のファイバセンシングシステム。
【請求項4】
前記センサヘッドは、ファイバ支線の終端に二つの波長間に中心波長を持ち、かつ温度によって反射スペクトルが波長軸上でシフトする誘電体多層膜フィルタを直接蒸着形成することにより、温度センサとして使用できるようにしたことを特徴とする請求項2記載のファイバセンシングシステム。
【請求項5】
前記センサヘッドは、誘電体多層膜フィルタの膜厚方向に圧力が印加される構造とすることによって、圧力に応じて変化する上記フィルタの波長シフト量により圧力検出可能な圧力センサとして使用できるようにしてなることを特徴とする請求項4記載のファイバセンシングシステム。
【請求項6】
前記センサヘッドは、ファイバ軸に対して対称な球面をなす誘電体多層膜フィルタ面に、たとえば石英ブロックなどのような光学的接触子を、外部変位に応じて接触もしくは非接触の二状態を可能とする構成とすることによって、二状態に応じた該フィルタの波長シフトより状態検知するコンタクトスイッチとして使用可能としたことを特徴とする請求項4記載のファイバセンシングシステム。
【請求項7】
ファイバ支線をセンサ手前で二分岐し、一方に非温度センサを、他方に温度補償用として非温度センサと同仕様のフィルタによる温度センサを周囲温度が等しくなるよう設置するとき、両センサのファイバ距離差が2波長反射計測系のイベント距離分解能およびパイロット光源の可干渉距離以上となるよう、いずれかのセンサ側にダミーファイバを挿入し、距離的に分離して得られる非温度センサの波長シフト量から温度補償用温度センサの波長シフト量を減殺することによって、非温度センサの温度補償を行うことを特徴とする請求項5または6記載のファイバセンシングシステム。
【請求項8】
前記光ファイバセンシング系は、N個の光センサ分岐用の光カプラがファイバスルー本線中に縦続的に挿入されているとき、光カプラの各分岐比を1/Nとしてなることを特徴とする請求項2記載のファイバセンシングシステム。
【請求項9】
前記光ファイバセンシング系のトポロジーとして、ファイバスルー本線と、ファイバスルー本線中に縦続的に挿入され、被測定物理量に応じて一定量を反射し残りを透過する透過型センサから構成されたことを特徴とする請求項1記載のファイバセンシングシステム。
【請求項10】
前記2波長反射計測系は、
擬似ランダム信号を生成する符号生成器と、
前記符号生成器から相補的な擬似ランダム信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、
前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの両波長の反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を擬似ランダム信号で相関演算する相関器と、前記の相関器から出力から反射率比を求め、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項1又は請求項9記載のファイバセンシングシステム。
【請求項11】
PN符号発生器により、2波長のうち1波長のみ発光させる段階1とPN符号の論理レベルで2波長を交播駆動する段階2に分け、段階1で計測した反射率aと、段階2で計測した反射振幅差dから、波長シフト解析器において1+d/aとして求まる、反射率比より被測定物理量を割り出すことを特徴とする請求項10記載のファイバセンシングシステム。
【請求項12】
PN符号発生器により、PN符号1周期ごとに波長を切替えて、波長ごとの反射率を計測し、波長シフト解析器においてそれらの比をとることを特徴とする請求項10記載のファイバセンシングシステム。
【請求項13】
前記2波長反射計測系において、センサ数が1の場合、駆動波形として周期波形を発生する波形発生器と、前記波形発生器の出力波形の論理レベルに応じて駆動され、異なる波長の二つの光を生成する光源と、前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を同期検波し2波長の反射率比を求める演算回路と、反射率の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項1記載のファイバセンシングシステム。
【請求項14】
前記2波長反射計測系は、パルス波形を生成するパルス発生器と、前記パルス発生器から交互に発生されるパルス信号により駆動される異なる波長の二つの光を生成する光源と、 前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器からの検出電気信号を交互発光する2つの波長に同期しそれぞれ累積加算する2つ波形加算器と、前記2つ加算器から出力された反射利得の比を取り、反射利得の比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項1又は請求項9記載のファイバセンシングシステム。
【請求項15】
前記2波長反射計測系は、パルス波形を生成するパルス発生器と、前記パルス発生器から交互に発生されるパルス信号により駆動される異なる波長の二つの光 を生成する光源と、 前記二つの光源からの光を合成して前記光ファイバセンシング系に送出できる光カプラと、前記光ファイバセンシング系からの反射光を電気信号に変換する受光器と、前記受光器の出力2波長の反射率比を求める演算回路と、反射率比から波長シフトを求め、その波長シフトから被測定物理量を得る波長シフト解析器とを備えたことを特徴とする請求項1又は請求項9記載のファイバセンシングシステム。
【請求項16】
前記2波長反射計測系における2波長光源の送光強度差の影響をキャンセルするため、2波長に対する反射率の等しい参照反射点をファイバ系内に挿入し、そこからの2波長反射レベルが等しいと見做して各センサにおける2波長反射率比を較正すること特徴とする請求項1又は請求項9記載のファイバセンシングシステム。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【公開番号】特開2008−64747(P2008−64747A)
【公開日】平成20年3月21日(2008.3.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−205023(P2007−205023)
【出願日】平成19年8月7日(2007.8.7)
【出願人】(392026497)株式会社渡辺製作所 (9)
【出願人】(506271360)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年3月21日(2008.3.21)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年8月7日(2007.8.7)
【出願人】(392026497)株式会社渡辺製作所 (9)
【出願人】(506271360)
【Fターム(参考)】
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