JP4706475B2 - 光学式センサを用いた測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ等中で発生するラマン散乱光を検出して温度等を測定する光学式センサ及び光学式温度測定装置並びに光学式センサを用いた測定方法に関するものである。

光ファイバ等を用いて、温度、歪み、圧力の測定、或いは破断箇所の検知を行う光学式センサがあり、特に、光ファイバのラマン散乱を利用した光学式温度センサがある。

図７は、光学式温度センサ７１に電気回路７２を接続してなる光学式温度測定装置７０を示す回路図である。

図７に示すように、光学式温度センサ７１は、温度測定箇所に配置される光ファイバ（測定用長距離光ファイバ）７３で構成されるセンシング部と、光ファイバ７３に光信号を入射させる光源（発光素子）７５と、光ファイバ７３からの後方散乱光を受光する２つの光検出器（受光素子）７６，７７とを備える。光源７５及び受光素子７６，７７は、波長フィルタ７４を介して１本の光ファイバ７３に接続されている。

光源７５及び２つの受光素子７６、７７は、それぞれ電気回路７２に電気的に接続されている。具体的には、各受光素子７６，７７に、受光素子７６，７７からの信号を増幅させる受信信号増幅器７８，７８が接続され、受信信号増幅器７８，７８にアナログデジタル変換器（ＡＤ変換器）７９，７９がそれぞれ接続され、ＡＤ変換器７９，７９は共に信号処理回路８０に接続されている。また、光源７５も、発光素子駆動回路８１を介して信号処理回路８０に接続されている。

光ファイバ７３は、コアにＧｅをドープした一般的な通信用のマルチモードファイバ、或いはシングルモードファイバなどである。

光ファイバ７３にレーザダイオード等の発光素子７５の光を入射させると、光ファイバ７３の各個所で微弱なラマン散乱光が発生する。図８に示すように、このラマン散乱光は、入射光波長λ0を中心として、その両側の波長帯に発生する。長波長側のラマン散乱光はストークス光λSt、短波長側のラマン散乱光はアンチストークス光λAsと称されるものである。光ファイバ７３で発生したストークス光とアンチストークス光との強度比は、光ファイバ７３の温度に依存する。したがって、被温度測定物の温度によって、光ファイバ７３の温度が変化し、検知されるストークス光とアンチストークス光との強度比が変化する。この強度比を求めることにより被温度測定物の温度を測定することができる。

光学式温度測定装置７０においては、後方散乱したストークス光とアンチストークス光を波長フィルタ７４によって分離し、それぞれ独立に受光素子７６，７７で受光する。受光された光は電気信号に変換され、その電気信号が受信信号増幅器７８で増幅され、増幅された電気信号はＡＤ変換器７９でデジタル信号に変換されて信号処理回路８０に入力される。信号処理回路８０では、入力された電気信号から温度が求められ、温度信号が表示される。

一般的には、ラマン散乱光は、その強度が非常に微弱であるため、受光素子７６，７７で変換された電気信号ではS/N比の悪い信号となる。このため、ラマン散乱光を多数回検出し、検出した多数の電気信号を加算平均化処理することで、S/N比を向上させ、温度の測定精度を改善している。

なお、ラマン散乱光を利用した光学式温度センサの先行技術文献情報としては、次のものがある。

特許第２７８４１９９号公報

図７の光学式温度センサ７１では、光ファイバ７３にパルス光を入射させ、そのパルス光によって発生するラマン散乱光を検知している。パルス光を用いた光学式温度センサ７１では、パルス光のパルス幅、或いは受信信号を変換する際のサンプリング周波数によって、距離分解能が決定される。

ラマン散乱光を受信するシステムでは、温度測定における距離分解能Δｘ［ｍ］は、パルス幅をＷ［ｓ］、光速をｃ［ｍ／ｓ］、光ファイバの屈折率をｎとすると、以下の式で与えられる。

Δｘ＝ｃＷ／２ｎ
これより、ｃ＝３×１０⁸［ｍ／ｓ］、ｎ＝１．５とすると、１ｍの距離分解能を得るためには、パルス幅１０ｎｓのパルス光を光ファイバに入射させなければならない。さらに、０．１ｍの距離分解能を得ようとすると、パルス幅１ｎｓのパルス光を入射させなければならない。

また、サンプリング周波数によって決まる距離分解能Δｘ［ｍ］は、サンプリング周波数をｆｓ［Ｈｚ］とすると以下の式で与えられる。

Δｘ＝ｃ／２ｎｆｓ
これより、ｃ＝３×１０⁸［ｍ／ｓ］、ｎ＝１．５、ｆｓ＝１００［ＭＨｚ］とすると、距離分解能Δｘは、１ｍとなる。また、０．１ｍの距離分解能を得ようとすると、ｆｓ＝１［ＧＨｚ］となる。

以上のことから、光学式温度センサの距離分解能を０．１ｍ以下にするためには、少なくともサンプリング周波数を１ＧＨｚ以上とし、パルス光のパルス幅を１ｎｓ以下とする高速動作可能な回路が必要となり、現在の技術レベルでは、安価な回路を構成することは非常に困難である。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、サンプリング周波数を高くしたりパルス幅を狭くすることなく、低コストで温度測定の距離分解能を向上させた光学式センサを用いた測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、被測定物に長尺な光ファイバからなるセンシング部を配設または近接し、そのセンシング部に光を入射させ、センシング部で発生する後方散乱光を検出することにより、上記被測定物の物理量変化を測定する測定方法において、上記センシング部を、テープ状シートに光ファイバを所定の曲率で波動形状に配設して形成し、被測定物に複数回重ね巻きした後、巻き箇所をずらして、再び複数回重ね巻きすることを繰り返して巻き付けて被測定物の物理量変化を測定する光学式センサを用いた測定方法である。

請求項２の発明は、被測定物に長尺な光導波路からなるセンシング部を配設または近接し、そのセンシング部に光を入射させ、センシング部で発生する後方散乱光を検出することにより、上記被測定物の物理量変化を測定する測定方法において、上記センシング部を、高分子光導波路で形成すると共にその高分子光導波路のコアを所定の曲率で波動形状に配設して形成し、被測定物に複数回重ね巻きした後、巻き箇所をずらして、再び複数回重ね巻きすることを繰り返して巻き付けて被測定物の物理量変化を測定する光学式センサを用いた測定方法である。

本発明によれば、サンプリング周波数を高くしたりパルス幅を狭くすることなく、低コストで温度、歪み、圧力等の測定或いは破断箇所の検知における距離分解能を向上させることができるといった優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本発明は、温度、歪み、圧力の測定、或いは長尺なケーブル等の破断箇所の検出を行う光学式センサに係るものであるが、本実施の形態では、温度を測定する光学式温度センサについて説明する。

図１は本発明に係る光学式温度センサの好適な実施の形態を示した平面図である。

光学式温度センサ１０は、温度センサ本体１１と、温度の測定箇所に配置される光ファイバ１４を備えるセンシング部１２とを備える。温度センサ本体１１は、主に、センシング部１２に光を入射させる光源とセンシング部１２からのラマン散乱光を検出する光検出器とを備える。ただし、光源及び光検出器と光ファイバ１４との接続については、先に説明した図７の光学式温度センサ７１と同様である。

さて、本実施の形態の光学式温度センサ１０は、センシング部１２を、テープ状シート１３に光ファイバ１４を所定の曲率で波動形状に配設したことに特徴を有する。本実施の形態では、センシング部１２は、テープ状シート１３内に光ファイバ１３が埋設され、テープ状シート１３内で光ファイバ１４が波線状に形成されたテープ状光ファイバで構成されている。

光ファイバ１４としては、ファイバ長手方向に複数の空孔を有するホーリーファイバを用いるのが好ましく、他に、中実のシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）或いはマルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）等を用いてもよい。

テープ状シート１３は、可撓性を有するシリコン樹脂やポリマ材料を用いて形成されるのが好ましい。他に、テープ状シート１３は硬質な材料を用いて形成してもよい。

図２に示すように、センシング部（テープ状光ファイバ）１２は、光ファイバ１４が所定の周期を有して波線状に形成されるのが好ましい。光ファイバ１４が形成する波線の形状は、正弦波状、或いは千鳥状（蛇行）に形成され、光ファイバ１４のうち、テープ状シート１３の側端に最も近い部分１４ａが最小曲率で曲げられている。

本実施の形態では、光ファイバ１４としてホーリーファイバを用い、最小曲げ直径Ｌを１０ｍｍ、光ファイバ１４が形成する波線の１周期分の光ファイバ長ｓを１００ｍｍとした。ここで、光ファイバ１４が形成する波線は千鳥状に形成されており、最小曲げ直径Ｌが、光ファイバ１周期分に当たるテープ状シート１４の長さの約半分とする。

次に、テープ状光ファイバ１２の作製方法を説明する。

図３はテープ状光ファイバ１２の作製装置を示す側面図であり、図４はテープ状光ファイバ１２の作製装置を示す上面図である。

図３、図４に示すように、作製装置３０は、光ファイバ１４を送り出す光ファイバ送出装置３１と、光ファイバ１４を波線状に形成するための波線用ローラ３２と、光ファイバ１４を被覆するため被覆材を送り出す被覆材送出装置３３と、テープ状シートの一側を形成するテープ材を送り出す第１テープ材送出装置３４と、テープ状シートの他側を形成するテープ材を送り出す第２テープ材送出装置３６と、送り出された各材を集合させるローラ３５，３７と、被覆材及びテープ材を熱硬化させる熱硬化装置３８と、形成されたテープ状光ファイバ１２を巻き取る巻取装置３９とを備える。

光ファイバ１４は、光ファイバ送出装置３１から波線用ローラ３２に送出される。波線用ローラ３２は、光ファイバ送出方向に対して略垂直方向に反復移動しているので、送出される光ファイバ１４は波線状となってローラ３５に送出される。ローラ３５では、光ファイバ１４が被覆材送出装置３３，３３から送られる被覆材で覆われると共に、光ファイバ１４が形成する波動形状の面の一側に、第１テープ材送出装置３４から送られるテープ材が塗布される。ローラ３７では、光ファイバ１４が形成する波動形状の面の他側にも第２テープ材送出装置３６からテープ材が塗布され、光ファイバ１４がテープ材で覆われる。光ファイバ１４を覆ったテープ材は熱硬化装置３８で硬化されてテープ状シート１３に形成される。テープ状シート１３が形成されて得られたテープ状光ファイバ１２は、巻取装置３９で巻き取られる。

光学式温度センサ１０は、被温度測定物に敷設されたテープ状光ファイバ１２に温度センサ本体１１内の光源から光を入射し、光ファイバ１４内で発生した後方散乱光の光強度（ストークス光及びアンチストークス光の光強度比）を温度センサ本体１１内の光検出器で検知し、その光強度から被温度測定物の温度を求める（詳細は、図７参照）。

ここで、本実施の形態の光学式温度センサ１０の距離分解能について説明する。

最小曲げ直径（テープ状光ファイバ１２の光ファイバ１周期分に当たるシート長の約半分）をＬ、半周期分の光ファイバの長さをｓ、光学式センサの距離分解能をΔｓとすると、波線状に光ファイバを配置することで得られる距離分解能ΔＬは、以下の式で表される。

ΔＬ＝Δｓ・Ｌ／ｓ
ここで、表１に、光ファイバ１４の最小曲げ直径Ｌと、光学式センサ１０の距離分解能ΔＬとの関係を示す。

表１（ホーリーファイバの行）に示すように、例えば、Δｓ＝１［ｍ］、ｓ＝０．１［ｍ］、Ｌ＝０．０１［ｍ］とすると、ΔＬ＝０．１［ｍ］となる。したがって、光学式温度センサ１０の距離分解能は、光ファイバを直線的に配設した光学式温度センサの距離分解能１ｍに対して１／５となる。このように、光ファイバ１４を波線状に配設することで、実質的な距離分解能を向上させることができる。すなわち、本実施の形態の光学式温度センサ１０は、光ファイバ１４の長さに対して、被温度測定物（センシング部１２）の長手方向の距離を縮めることで、検出した後方散乱光を電気変換する際のサンプリング周波数を高くしたり、光ファイバ１４に入射させるパルス光のパルス幅を狭くすることなく、距離分解能を向上させることができる。

また、本実施の形態では、光ファイバ１４として、ホーリファイバを用いている。ホーリーファイバは、中実の光ファイバ（シングルモードファイバ）に比べて、最小曲げ直径Ｌが小さい。例えば、ホーリーファイバの最小曲げ直径を１０ｍｍ、ＳＭＦの最小曲げ直径を３０ｍｍとすると、表１に示すように、光学センサ１０における距離分解能ΔＬは、ホーリファイバの場合１００ｍｍ、ＳＭＦの場合３００ｍｍとなり、ホーリーファイバを用いることで、距離分解能ΔＬを１／３とすることができる。

また、通常の光ファイバでは、波線状の折れ曲がり部分の曲率が大きいと、損失が大きくなるが、高屈曲しても低損失なホーリーファイバを用いることにより、低損失でかつ距離分解能を向上させることができる。

テープ状シート１３は、幅が広く、可撓性を有するため、被温度測定物への敷設或いは固定がし易い。したがって、電力ケーブルや蒸気配管等、被温度測定物が長尺なもの、及び寸法の大きな物体等の温度分布を測定する場合に特に有効である。

図５は光学式温度センサ１０の適用例を示す図である。図５に示すように、例えば、円柱状の長尺な被温度測定物５１にテープ状光ファイバ１２を螺旋状に巻き付ける。これにより、図２で説明したようにテープ状シート１３内で光ファイバ１４が波線状に配設され、かつそのテープ状光ファイバ１２が被温度測定物５１の周囲に螺旋状に巻き付けられているので、光ファイバ１４の長さに対する円柱長手方向の距離がより短くなり、距離分解能をより高めることができる。

また、テープ状光ファイバ１２の巻き方は、螺旋状に限らず、複数回重ね巻きした後、巻き箇所を少しずらして、再び複数回重ね巻きすることを繰り返して巻いてもよい。この場合、さらに温度測定の距離分解能を高くすることができる。

図１の光学式センサ１０では、１枚のテープ状シート１３に光ファイバ１４を波線状に配設してセンシング部１２を形成したが、図６に示すように、複数のセンシング部１２を接続用光ファイバ６１を介して接続してもよい。タンデムに接続された複数のセンシング部１２，１２，１２を形成することにより、互いに距離の離れた複数の被温度測定物において、高い距離分解能が必要な箇所を一括で測定することができる。

本実施の形態の光学式温度センサ１０では、光ファイバ１４をテープ状シート１３内に埋設してテープ状光ファイバ１２を形成したが、テープ状シート１３の表面に光ファイバ１４を波線状に固定してテープ状光ファイバを形成してもよい。

本実施の形態の光学式温度センサ１０は、温度センサ本体１１が、少なくとも図７に示した光源７５及び光検出器７６，７７を備えたものとしたが、本発明は、温度センサ本体１１の光源７５及び光検出器７６，７７に電気回路７２を接続した光学式温度測定装置も含まれる。

次に、他の実施の形態の光学式センサについて説明する。

図１の光学式温度センサ１０は、テープ状シート１４に光ファイバ１３を配設してセンシング部１２を形成したが、本実施の形態の光学式温度センサは、センシング部を高分子光導波路で形成し、その高分子光導波路のコアを所定の曲率で波動形状に配設した点において図１の光学式温度センサ１０と異なる。

高分子光導波路（ポリマ光導波路）は、基板上にコアとクラッドからなる光導波路をポリマ材料で形成したものである。ポリマ光導波路は、光を伝送する導波路（コア）と可撓性を有する基板及び被覆材（クラッド）とが一体に平面状に形成されたものであり、光導波路全体として可撓性を有する。

本実施の形態の光学式温度センサは、図１の光学式温度センサ１０と比較すると、コアが光ファイバ１４に対応し、クラッド及び基板がテープ状シート１３に対応し、ポリマ光導波路がテープ状光ファイバ１２に対応している。

本実施の形態の光学式センサも、図１の光学式センサと同様な作用効果を有する。

さらに、ポリマ導波路は、導波路（コア）パターンがマスクを用いて基板（クラッド）上に形成されるので、図１の光学式温度センサのテープ状光ファイバ１２に比べ、高精度かつ容易に波線状のパターンを作製することができる。

ポリマ導波路はコアとクラッドとが同じ系の材料（厳密には屈折率が異なるため違う材料）で形成されているため、センシング部を構成する部品点数を少なくすることができ、実装が簡単になり低コスト化が図れる。

光ファイバ或いは光導波路を用いた物理量測定として、温度測定の他に歪測定、圧力測定等がある。温度測定の場合は、後方散乱光としてラマン散乱光を検出することにより温度測定が可能となる。また、歪、圧力等を測定する場合には、後方散乱光としてブリュアン散乱光を検出することにより歪、圧力測定が可能となる。

さらに、光ファイバの断線により発生するレーリー散乱光を検知して光ファイバの断線位置を測定することにも本発明は利用できる。

本発明に係る好適な実施の形態の光学式センサを示す平面図である。 図１のセンシング部の拡大平面図である。 図２のセンシング部の製造装置を示す概略側面図である。 図２のセンシング部の製造装置を示す概略上面図である。 図２のセンシング部を被温度測定物に巻き付けた斜視図である。 光学式温度センサの変形例を示す平面図である。 光学式温度検出装置を示す回路図である。 ラマン散乱光の波長特性を示す図である。

符号の説明

１０ 光学温度式センサ
１１ 温度センサ本体
１２ センシング部（テープ状光ファイバ）
１３ テープ状シート
１４ 光ファイバ
７２ 信号処理回路
７５ 光源
７６，７７ 光検出器

Claims (2)

1. 被測定物に長尺な光ファイバからなるセンシング部を配設または近接し、そのセンシング部に光を入射させ、センシング部で発生する後方散乱光を検出することにより、上記被測定物の物理量変化を測定する測定方法において、
   上記センシング部を、テープ状シートに光ファイバを所定の曲率で波動形状に配設して形成し、被測定物に複数回重ね巻きした後、巻き箇所をずらして、再び複数回重ね巻きすることを繰り返して巻き付けて被測定物の物理量変化を測定することを特徴とする光学式センサを用いた測定方法。
2. 被測定物に長尺な光導波路からなるセンシング部を配設または近接し、そのセンシング部に光を入射させ、センシング部で発生する後方散乱光を検出することにより、上記被測定物の物理量変化を測定する測定方法において、
   上記センシング部を、高分子光導波路で形成すると共にその高分子光導波路のコアを所定の曲率で波動形状に配設して形成し、被測定物に複数回重ね巻きした後、巻き箇所をずらして、再び複数回重ね巻きすることを繰り返して巻き付けて被測定物の物理量変化を測定することを特徴とする光学式センサを用いた測定方法。

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