JPH0219730A - 光ファイバ温度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野〕 この発明は、光ファイバを用いた温度センサ、特に簡単
な光学系を用いるにもか１わらず安定でかつ高精度の光
ファイバ温度センサに関するものである。

［従来の技術］ 第５図は、例えば株式会社情報調査会から昭和６１年１
月２１日に発行された、久間和生および布下正置共著の
本「光ファイバセンサく基礎と応用〉」の第１３４ペー
ジに掲載された従来の光ファイバ温度センサの構成およ
び検出原理を説明する図である。第５Ａ図は、従来の光
ファイバ温度センサのセンサ部を示す断面図である。こ
の第５Ａ図に示すように、センサ部１０は、直径が例え
ば０．８ｘａでかつＰＦＡ　（フッ素・カーボン）で作
られた円筒状の保護ジャケット１１、この保護ジャケッ
ト１１の中に先端部が挿入された光ファイバ１２、およ
び保護ジャケット１１の内面と光ファイバ１２の先端と
の間に充填された燐光物質１３例えば［（ＧｄＯ−９９
ＥｕＯ００＋）２０２Ｓ］から構成される。センサ部１
０は、矢印Ａで示す紫外励起光で励起されると、矢印Ｂ
で示す可視蛍光を発する。

第５Ｂ図は、従来の光ファイバ温度センサの温度検出部
および信号処理部を一部ブロック図で示す概略構成図で
ある。この第５Ｂ図に示すように、光ファイバ１２の一
端は上述したセンサ部１０に結合されるが、光ファイバ
１２の他端は光ファイバコネクタ１４を介して温度検出
部２０に結合される。この温度検出部２０は、紫外光光
源例えば紫外線ランプＶＬ、レンズＬ、〜Ｌ４、光学フ
ィルタＦ、ミラーＤ１〜Ｄ３、ビームスプリッタＢ　Ｓ
、。

ＢＳ２、およびバンドパスフィルタＩＦＩ、ＩＦ２から
成る光学系、並びに光検出器２１ａ、２１ｂ、および前
置増幅器２２ａ、２２ｂを備えている。このような温度
検出部２０は信号処理部３０と電気的に接続されている
。この信号処理部３０は、温度検出部２０中の前置増幅
器２２ａおよび２２ｂに接続されたＡ／Ｄ変換器３１、
このＡ／Ｄ変換器３１の出力側に接続されたマイクロプ
ロセッサ３２、このマイクロプロセッサ３２と相互接続
されているメモリ例えばＲＯＭ３３、並びにマイクロプ
ロセッサ３２の出力側に接続された表示器例えばＬＥＤ
表示器３４およびＤ／Ａ変換器３５によって構成されて
いる。

第５Ｃ図および第５Ｄ図は従来の光ファイバ温度センサ
の検出原理を説明する図である。

従来の光ファイバ温度センナは上述したように構成され
ており、第５Ｂ図から明らかなように温度検出部２０中
の紫外線ランプＶＬから発せられた紫外光は、レンズＬ
１でコリメートされた後、光学フィルタＦで可視光が除
去される。可視光除去後の紫外光は、更にミラーＤ１お
よびＤ２で反射された後、ビームスプリッタ例えばハー
フミラＢＳ、を介してレンズＬ２から光ファイバ１２に
入射される。センサ部１０中の光ファイバ先端の燐光物
質１３に第５Ｃ図の紫外励起光Ａが照射されると、この
燐光物質１３は可視蛍光Ｂを発生する。この可視蛍光Ｂ
の強度には、第５Ｄ図に示すように温度に大きく依存す
るもの（カーブｂ：波長５１０　ｎｍ）と、温度が変っ
てもあまり変化しないもの（カーブａ：波長６３０　ｎ
ｍ）とがある、これら２つの可視蛍光Ｂを同一の光ファ
イバ１２でセンサ部１０から温度検出部２０へ導びき、
レンズＬ２でコリメートした後、ビームスプリッタＢＳ
、を介してビームスプリッタＢＳ２で二分する。一方は
波長５１０ｎｍの光を通すバンドパスフィルタＩＦ、、
他方はミラーＤ３で反射させた後に６３Ｏｎ−の光を通
すバンドパスフィルタＩＦ２に通される。その後、光は
それぞれレンズＬ３＋Ｌ４でコリメートされた後光検出
器２１ａ、２１ｂで受光されて電気信号に変換され、各
電気信号はそれぞれ前置増幅器２２ａ、２２ｂで増幅さ
れる。

増幅後の電気信号は信号処理部３０中のＡ／Ｄ変換器３
１でＡ／Ｄ変換された後、マイクロプロセッサ３２にお
いて波長５１０ｎｓ（カーブｂ）の光による信号で波長
６３０ｎｓ（カーブａ）の光による信号を割算する。そ
のカーブａ／ｂを第５Ｄ図に示す。

このカーブａ／ｂに対応する温度をメモリ３３に予め記
憶させておき、マイクロプロセッサ３２からの信号ａ／
ｂによりメモリ３３から得られた温度信号つまりセンサ
部１０の検出温度はディジタル出力として取り出されて
表示器３４に表示されたり、或はＤ／Ａ変換器３５に通
されてアナログ出力として取り出される。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の光ファイバ温度センサは、温度情報を含む光が可
視光のため、光ファイバで大きな損失を受ける。従って
、光ファイバ長が異なると、校正をやり直す必要がある
。また光学系が非常に複雑であり、スイッチを投入して
から系が熱的に安定するまで数１０分という長い時閉を
要する。そのうえ、紫外線ランプの寿命が短いという問
題点もあった。

この発明は、このような問題点を解決するためになされ
たもので、簡単な光学系で構成され、測定精度が光ファ
イバ長に依存せず、安定で高精度な光７アイバ温度セン
サを得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る光ファイバ温度センサは、広いスペクト
ルを有する光源と、光ファイバの先端部に形成された回
折格子を有するセンサ部と、回折光のスペクトル内にし
ゃ断波長を有する光学フィルタと、この光学フィルタに
よって区別された２つの光からセンサ部の温度を検出す
る温度検出部とを備えている。

［作用］ この発明においては、光源から発せられた光が光ファイ
バを伝搬し、その先端部に形成された回折格子はそのピ
ッチに応じた波長の光を回折させる。回折格子のピッチ
が周囲温度の変化によって変わるため、回折された光の
波長も温度に応じて変化する。従って、回折光を光学フ
ィルタに通した光と、通さない光とからセンサ部の温度
を検出できる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を添付図面について詳しく説
明する。

第１Ａ図は、この発明に係る光ファイバ温度センサに用
いられるセンサ部の基本構成を示す断面図である。この
第１Ａ図に示すように、センサ部１０Ａは光ファイバ１
ａから成り、この光ファイバ１ａは例えば石英ガラスや
多成分系ガラスで作られた、中心のコア２およびこのコ
ア２のまわりに形成されたクラッド３から成り、このク
ラッド３の先端部には所定のピッチを有する回折格子４
が形成されている。なお、センサ部１０Ａの先端が斜め
研磨されているのは、フレネル反射光を戻さないためで
ある。

第１Ｂ図はこの発明の一実施例を一部ブロック図で示す
概略構成図であり、温度検出部２ＯＡは後で詳しく説明
する光源ＬＳを備え、この光源ＬＳは光ファイバ１ａに
よって第１Ａ図のセンサ部１０Ａに接続されている。光
ファイバ１ａの途中に設けられた光ファイバカップラ２
３ａは光ファイバ１ａと１ｃを光結合し、この光ファイ
バ１ｃの途中に設けられた光ファイバカップラ２３ｂは
光ファイバ１ｃと１ｂを光結合する。温度検出部２ＯＡ
は更に第５Ｂ図に示したのと同様な光検出器２１ａ、２
１ｂおよび各光検出器の出力側にそれぞれ接続された前
置増幅器２２ａ、２２ｂを備えている。上述した光ファ
イバ１ｂは後で詳しく説明する光学フィルタＰＦを介し
て光検出器２１ａに結合されるが、光ファイバ１ｃは光
検出器２１ｂに直接結合される。前置増幅器２２＆およ
び２２ｂの出力側は信号処理部３０Ａ中の割算器３６に
接続され、この割算器３６の出力側は信号処理器３７に
接続されている。

第２図はこの発明の光ファイバ温度センサの検出原理を
説明する図であって、第２Ａ図は第１Ｂ図に示した光源
ＬＳのスペクトルを示し、第２Ｂ図は第１Ａ図に示した
回折格子４で回折された光つまり回折光のスペクトルを
示し、そして第２Ｃ図は第１Ｂ図に示した光学フィルタ
ＰＦの特性を示す。

この発明の一実施例は上述したように構成されており、
第１Ａ図および第１Ｂ図から明らかなように、光源ＬＳ
は例えば発光ダイオードであって、第２Ａ図に示したよ
うな広いスペクトルを有している。このような光源ＬＳ
から発せられた光は光ファイバ１ａに入射される。その
際、光はコア２内のみに閉じ込められるのではなく、ク
ラッド３へもしみ出して伝搬されて行く、このようにク
ラッド３へしみ出した光をエバネッセント波と云う。

このエバネッセント波がセンサ部１０Ａに、達すると、
光ファイバ１ａの先端部のコア２近傍に形成された回折
格子４によってそのピッチに応じた波長の光だけが回折
され、光ファイバ１ａの中を逆方向に戻って行く、この
回折光の波長は回折格子４のピッチに依存し、このピッ
チは周囲温度の変化例えば熱膨張や熱収縮に応じて変わ
る。一般に、回折格子４のピッチが高温のために増大す
ると回折光の波長は第２Ｂ図に示したように長くなり、
逆にピッチが低温のために減少すると回折光の波長は短
くなる。従って、回折光の波長をモニタすることにより
、センサ部１０Ａの温度を検出することができる。

光ファイバ１ａの中をセンサ部１０Ａから戻されて来た
回折光は光ファイバカップラ２３ａによって光ファイバ
１ｃに光結合され、この光ファイバ１ｃを伝搬する回折
光は光ファイバカップラ２３ｂで二分され、一方はその
ま）光ファイバＩＣ中を伝搬するが、他方は光ファイバ
ｌｂ中を伝搬する。この光ファイバ１ｂ中を伝搬する回
折光は光学フィルタＰＦに通される。この光学フィルタ
ＰＦの特性を、第２Ｃ図に示したように回折光のスペク
トル中にしゃ断波長を有するように選んでおくと、セン
サ部１０Ａの温度変化により、回折光のスペクトルが高
温なら長波長側へ、逆に低温なら短波長側へ移動するた
め、光学フィルタＰＦ通過光はその強度が変化する。従
って、この光学フィルタＰＦ透過光量よりセンサ部１０
Ａの温度が分る。

しかし、これだけでは光源ＬＳの発光強度が変化したり
、光ファイバ１ａの曲がりなどで光ファイバ１ａの伝送
損失が変化したりすると、検出誤差を招くため、上述し
たように光検出器を２個用意し、回折光を光ファイバカ
ップラ２３ｂで二分した後、一方を光学フィルタＰＦに
通した後に光検出器２１ａで受光し、他方をそのまま光
検出器２１ｂで受光する。なお、光検出器２１ｂには回
折光の全スペクトルが入射される。光検出器２１ａ、２
１ｂに入射される光はともに光源ＬＳの出力変動、光フ
ァイバ１ａの損失変動の影響を受けているため、その出
力は各々次のように表わされる。

Ｖａ　＝　Ａ　Ｉ　（Ｔ） Ｖ　ｂ　＝　Ａ　Ｉ　ｔｏｔａｌ ここで、Ａは光源ＬＳの出力変動、光ファイバ１ａの損
失に応じた定数であり、Ｉ（Ｔ）は光学フィルタＰＦを
通った回折光の強度に依存する、センサ部１０Ａの温度
の関数であり、そしてＩ　ｔｏｔａｌは回折光の全スペ
クトルに依存した信号であって、温度には依存しない、
従って、これらの出力信号を信号処理部３０Ａ中の割算
器３６で割算すれば、その出力は、 Ｖｏｕｔ＝　”　＝−よ−１（Ｔ） Ｖｂ　　　ｒｔｏｔａｌ となり、センサ部１０Ａの温度のみに依存した信号が得
られる０割算器３６の出力は信号処理器３７で例えば直
線化処理される。

次に、センサ部の具体的構成を第３図の断面図について
説明する。光ファイバに回折格子を直接形成するのは難
しいため、まず光ファイバ１ａのクラッド３をコア２近
傍まで研磨し、その上にＳ　ｉ３Ｎ　４１１１５を形成
し、それに例えば干渉露光法で回折格子４を形成する。

この回折格子４を保護するためにＳｉ３Ｎ４膜５の上に
５ｉ０２膜６を蒸着し、更にその上に例えばＡ１などの
金属膜７を蒸着してセンサ部１０Ｂを完成させる。この
ようにすれば、金属膜７は熱膨張係数が大きいため、温
度センサとしての感度が向上する。なお、金属膜７の代
りに、熱膨張係数の大きいセラミックや高分子薄膜例え
ばＰＭＭＡ、ポリビニールアルコール、ポリアセチレン
を使用しても良い。

なお、上記実施例では、光源ＬＳを直流的に駆動する例
を示したが、第４図のこの発明の他の実施例に示すよう
に光源ＬＳをパルス駆動すれば検出感度が更に向上する
。また、上記実施例では検定誤差補償法として、光学フ
ィルタＰＦを通った光と通らない光による信号の比をと
った例を示したが、第４図に示すように光字フィルタＰ
Ｆの透過光と反射光による信号の比をとっても良い。

第４図の他の実施例において、光源ＬＳが光ファイバ１
ａによってセンサＭＩ　ＯＡに接続される点は、第１Ｂ
図の実施例と同じである。しかしながら、第４図の他の
実施例では、光ファイバ１ａの途中に設けられた光ファ
イバカップラ２３ｍは光ファイバ１ａと１ｄを光結合し
°、この光ファイバ１ｄは光学フィルタＰＦに至る。温
度検出部２０Ｂは、光学フィルタＰＦのそれぞれ透過光
、反射光を受光して電気信号に変換する光検出器２１ｍ
、２１ｂ、その出力側に接続された前置増幅器２２ｍ、
２２ｂに加えて、その出力側に接続されたロックイン式
またはサンプルホール式の増幅器２４ｍ、２４ｂを備え
ている。なお、各増幅器２４・、２４ｂは、光源ＬＳに
接続されたパルス発生器と同期している。増幅器２４ｍ
および２４ｂの出力側は信号処理部３０Ｂ中の演算器３
８に接続され、この演算器３８の出力側は信号処理器３
７に接続されている。

上述したように構成された他の実施例では、光源ＬＳが
パルス発生器ＰＧによってパルス駆動される。このよう
にパルス駆動された光源ＬＳから発された光は光ファイ
バ１ａを伝搬し、センサ部１０Ａで回折され、光ファイ
バ１ａの中を戻って来て、光ファイバカップラ２３ａか
ら光ファイバ１ｄを通して光学フィルタＰＦに入射され
る。この光学フィルタＰＦの透過特性は第２Ｃ図に示し
た通りであるが、その反射特性は透過特性と全く逆の特
性である。すなわち、一方が増えれば、他方が減少する
という特性を示す、この光学フィルタＰＦを通った透過
光、光学フィルタＰＦで反射された反射光を各々光検出
器２１ａ、２１ｂで受光した後、その出力を前置増幅器
２２ａ、２２ｂで増幅しかつパルス発生器ＰＧに同期さ
せてロックイン式またはサンプルホールド式の増幅器２
４ａ。

２４ｂで検出する。それらの各出力Ｖａ、Ｖｂはそれぞ
れ Ｖａ＝ＢＩ（Ｔ） Ｖｂ　＝　Ｂ　（Ｉ　ｔｏｔａｌ　−Ｉ　（Ｔ））で与
えられる。ここで、Ｂは光出力に関係した量、Ｉ　ｔｏ
ｔａ！はセンサ部１０Ａから戻ってくる全光出力、Ｉ（
Ｔ）は光学フィルタＰＦの透過光出力である。従って、
演算器３８で なる演算を行なえば、光出力の変動に影響されず、正確
な温度検出を行なえる。

また、上記実施例では光ファイバ先端を斜め研磨したセ
ンサ部を示したが、垂直研磨しておき、そこからのフレ
ネル反射光を参照光として使用することも可能である。

更に、上記実施例では温度センサについて説明したが、
センサ部に蒸着する金属を磁気歪みの大きい例えばＮｉ
にすれば、その磁歪効果によって回折格子が伸び縮みす
るため、磁気センサとしても使用できる。更に、電界に
よって歪みが生ずるような材料、例えば圧電セラミック
スを取り付ければ、電界センサとしても使用可能である
。

［発明の効果］ 以上、詳述したように、この発明は、広いスペクトルを
有する光源と、この光源に一端が接続され、前記光源か
ら発せられた光を伝搬させる光ファイバと、この光ファ
イバの他端部に形成された回折格子を有するセンサ部と
、前記回折格子によって回折された光を前記光ファイバ
に逆方向に伝搬させた後、前記回折光のスペクトル内に
しゃ断波長を有する光学フィルタまで導く手段と、前記
光学フィルタを透過した光と、前記光学フィルタを透過
しないか前記光学フィルタで反射された光とから前記セ
ンサ部の温度を検出する温度検出部とを備えているので
、光源から発せられた光が光ファイバで大きな損失を受
けることなく、センサ部が小型でかつ頑丈であり、光学
系の構成が簡単であり、そして光ファイバ長に依存しな
い安定で高精度な光ファイバ温度センサが得られるとい
う効果を奏する。

はそのセンサ部の基本構成を示す断面図でありかルを示
し、第２Ｂ図は回折光のスペクトルを示し、かつ第２Ｃ
図は光学フィルタの特性を示す、第３図はセンサ部の具
体的構成を示す断面図である。

イバ温度センサを示し、第５Ａ図はそのセンサ部の構成
を示す断面図であり、第５Ｂ図はその温度検出部および
信号処理部を一部ブロック図で示す構成図であり、かつ
第５Ｃ図および第５Ｄ図は検出原理を示す図である。

図において、ＩＯＡはセンサ部、１ａ〜１ｄは光ファイ
バ、４は回折格子、ＬＳは光源、２３ａと２３ｂは光フ
ァイバカップラ、ＰＦは光学フィルタ、２ＯＡと２０Ｂ
は温度検出部、３０Ａと３０Ｂは信号処理部である。

なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

説明する図であって、第２Ａ図は光源のスペクト第 １Ａ 図 ２３Ｑと２３ｂ　：　１ｔ７ｑイバ カヅブラ 第 図 第 Ａ 図 第 Ｂ 図 第 Ｃ 図 建学フィルタの特性 第 図 「丸癌架Ｃ塑翅

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）広いスペクトルを有する光源と、この光源に一端
   が接続され、前記光源から発せられた光を伝搬させる光
   ファイバと、この光ファイバの他端部に形成された回折
   格子を有するセンサ部と、前記回折格子によって回折さ
   れた光を前記光ファイバに逆方向に伝搬させた後、前記
   回折光のスペクトル内にしゃ断波長を有する光学フィル
   タまで導く手段と、前記光学フィルタを透過した光と、
   前記光学フィルタを透過しないか前記光学フィルタで反
   射された光とから前記センサ部の温度を検出する温度検
   出部とを備えた光ファイバ温度センサ。