JP2009052964A

JP2009052964A - 光ファイバ温度センサおよびそれを用いた温度検知システム

Info

Publication number: JP2009052964A
Application number: JP2007218658A
Authority: JP
Inventors: Eiki Mimura; 三村榮紀; Noriyuki Hamada; 浜田則幸
Original assignee: FIBERLABS Inc
Current assignee: FIBERLABS Inc
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2009-03-12

Abstract

【課題】
簡易な構造で、量産容易で、高感度で、安価な光ファイバ温度センサを実現する。また、それを用いて、複数地点の温度をリアルタイムで計測でき、ファイバの断線があっても計測を継続できる温度検知システムを簡易な構成で安価に実現する。
【解決手段】
シングルモード光ファイバ１１は、部分的に細くなった括れ部１２と、括れ部１２に近い端面に反射ミラー14を具備する。括れ部１２を含む長手方向にわたり、ファイバの円周状表面の一部にシングルモード光ファイバ１１と熱膨張率の異なる皮膜１３が設けてある。シングルモード光ファイバ１１と皮膜１３の熱膨張率差によって括れ部１２で発生する曲げ損失を反射光の光量変化として検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバを使って温度を測定する光ファイバ温度センサ及びそれを用いた温度検知システムに関し、より具体的には、光ファイバの曲げ損失を検出して温度を測定する光ファイバ温度センサ及びそれを用いた温度検知システムに関する。

光ファイバセンサは、防爆性、耐電磁ノイズ特性に優れ、遠隔、多点モニタリングが容易なことから今後幅広い分野での利用が期待されており、光ファイバ温度センサもそれらの利点のため開発が望まれている。

光ファイバを用いた温度センサが、特許文献１、２、３、４、非特許文献１に記載されている。

特許文献１には、ラマン散乱光強度の温度依存性を温度測定に利用する方法が述べられている。

非特許文献１には、ファイバに形成した周期的屈折率分布（ＦＢＧ）の温度依存性を利用したセンサが開示されている。

特許文献２には、ファイバ先端に装填した蛍光物質の蛍光減衰特性を利用した温度センサが開示されている。

特許文献３には、光ファイバ素線の軸方向に沿って配置した、熱膨張率の異なる被覆剤よって生じるマイクロベンド損失を利用する温度センサが開示されている。

特許文献４には、一部を細くした光ファイバを熱膨張率の異なる台座に固定した曲げ損失型温度センサが本願発明者等により開示されている。
特開平０７−１６７７１７号公報特表昭６２−５０１４４８号公報特開平０８−０１５０５４号公報特開２００７−２４５２７号公報「P.R. Forman et. al., Rev. Sci. Instrum. 61(10), Octorber 1990,pp.2970-2972」

しかしながら、特許文献１に開示されているようにラマン散乱を利用した温度センサでは、微弱な信号を検出するために温度計測装置が複雑で高価になると共に、１点の計測に長時間を要すという問題があった。

非特許文献１に開示されているＦＢＧを用いた温度センサでは、温度を計測するために波長計や光スペクトラムアナライザなどの装置が必要で、それだけ部品点数が増え、複雑で高価な構成となってしまうという問題があった

特許文献２に開示されている蛍光式温度センサでは、蛍光の減衰特性を測定する装置が複雑であり、また、ヘッドの識別が困難なため多点システムの構成が難しく、可視光を使用するため信号の伝送距離が短い等の問題があった。

特許文献３に開示されているマイクロベンド型温度センサでは、一つのマイクロベンド当りの光損失量が小さいため、ファイバと熱膨張率の異なる被覆材を一定の幾何学的配置で多数ファイバ側面に密着させる必要があり、複雑な構成で製造が難しいという問題があった。

また、特許文献４に本願発明者等により開示されている括れ部を具備した光ファイバを熱膨張率の異なる台座に固定した曲げ損失型温度センサでは、台座の熱容量が大きいためセンサの応答速度が遅いという問題があり、また、括れ部を具備した光ファイバを台座へ接着固定するのに時間を要すため量産性に問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、簡易な構造で、量産容易で、高感度で、安価な光ファイバ温度センサおよびそれを用いた温度検知システムを提供することにある。

そのため、本発明は、（１）部分的に細くなった括れ部と、当該括れ部を含む長手方向にわたり、側面の一部に付着させた皮膜と、当該括れ部に近い端面に反射手段を具備した光ファイバからなり、当該皮膜の材質を当該光ファイバの熱膨張率と異なるようにしたことを特徴とする光ファイバ温度センサを提供する。

また、（２）前述の（１）の発明において、皮膜を、括れ部を含む長手方向にわたり、光ファイバ側面の半分に設けたことを特徴とする光ファイバ温度センサを提供する。

また、（３）皮膜の材質を絶縁性セラミックスとし、高周波環境下でも使用できるようにしたことを特徴とする光ファイバ温度センサを提供する。

また、（４）光ファイバ温度センサと、当該光ファイバ温度センサと計測部の間の光伝送を行う伝送用光ファイバと、当該光ファイバ温度センサに供給すべき測定光を発生する発光手段と、当該光ファイバ温度センサで温度による光量変化を受けた当該測定光を受光する受光手段と、当該受光手段の出力を温度に変換する演算処理手段とを備えたことを特徴とする温度検知システムを提供する。

また、（５）特定の波長の光を特定の当該光ファイバ温度センサに分波し、当該光ファイバ温度センサからの反射光を合波する合分波フィルタを介して、当該伝送用光ファイバに複数配置した当該光ファイバ温度センサと、当該光ファイバ温度センサに供給すべき複数の波長の測定光を発生する発光手段と、当該光ファイバ温度センサで光量変化を受けた複数の波長からなる測定光を各波長に分岐する波長分岐フィルタと、分岐された各波長の光を受光する複数の当該受光手段と、複数の当該受光手段の出力を温度に変換するための当該演算処理手段とを具備したことをとする多点温度検知システムを提供する。

更に、ループ状伝送用光ファイバと、当該ループ状伝送用光ファイバに複数配置された、何れの端部から入射された測定光でも特定波長の光を特定の当該光ファイバ温度センサへ分波し、当該光ファイバ温度センサからの反射光を合波する一組の当該合分波フィルタと、当該一組の合分波フィルタに接続され、当該一組の合分波フィルタからの当該測定光を当該光ファイバ温度センサへ導き、当該光ファイバ温度センサからの当該反射光を当該一組の合分波フィルタの双方へ分岐して導く光カプラと、当該光カプラに接続した当該光ファイバ温度センサと、当該ループ状伝送用光ファイバの両端に接続され、当該測定光の入出力を行う光スイッチと、当該ループ状伝送用光ファイバの片端近くに配置した断線検知用受光手段と、当該光ファイバ温度センサに供給すべき複数の波長の測定光を発生する発光手段と、当該光ファイバ温度センサで光量変化を受けた複数の波長からなる測定光を各波長に分岐する波長分岐フィルタと、分岐された各波長の光を受光する複数の当該受光手段と、複数の当該受光手段の出力を温度に変換するための当該演算処理手段とを具備したことを特徴とする多点温度検知システムを提供する。

本発明により、簡易な構造で、量産容易で、高感度で、応答速度が速く、安価な光ファイバ温度センサを実現できる。また、それを用いて、複数地点の温度をリアルタイムで計測でき、ファイバの断線があっても計測を継続できる温度検知システムを簡易な構成で安価に実現できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の第一実施例である光ファイバ温度センサの構成側面成図、（ｂ）は切断面図である。

図中、１は温度センサ部を示し、光ファイバ１１の一部を細くした括れ部1２、光ファイバ１１と熱膨張率の異なる皮膜１3、及び反射ミラー１４を具備している。

光ファイバ１１は、線形性のよい温度特性を得るためにシングルモードファイバであることが望ましい。また、被膜１３との熱膨張率差を大きくするために材質が石英であることが望ましい。

括れ部１２は、光ファイバ１１に、微小な力で、再現性よく、大きな曲率の曲げを与える役割をし、括れ部１２の中央の径が細いほど高感度となる。以下、括れ部１２の中央の径を括れ径と称す。しかし、括れ径が細すぎると光出力が非線形となりやすいため、細すぎる括れ径は望ましくない。例えば、クラッド径が１２５μｍ、ＭＦＤ（モードフィールド径）が１０μｍ（波長：１．５５μｍ）程度の一般的シングルモードファイバの場合、括れ径は５０〜９０μｍの範囲であることが望ましい。括れ径が９０μｍ以上の場合は、曲げによる光の漏洩が微少であり、５０μｍ以下の場合は、曲げがない場合でも光の漏洩が大きく、また、光出力が非線形となりやすい。

１３は光ファイバと熱膨張率の異なる皮膜であり、図１（ｂ）の切断面図で示すように、括れ部１２を含むファイバ側面の一部に形成する。皮膜１３の長手方向の幅は、括れ部１２の幅よりやや広い程度でよい。また、皮膜１３は、熱膨張率差で括れ部１２に曲げの変化が生じるよう、ファイバ側面の一部に形成する。最も効率よく曲げを起こすには、ファイバ側面の半分に皮膜１３を形成するのがよい。皮膜１３の材質は、光ファイバ（石英）と熱膨張率が異なる素材であり、金属、セラミックス等を用いることができる。当然、熱膨張率差が大きい材質ほど高感度のセンサとなる。また、材質を絶縁性セラミックスとすれば、電磁誘導の影響を受けないため、高周波環境下でも使用できるセンサとなる。皮膜１３の形成は、スパッタリグ装置、イオンアシスト蒸着装置など通常の製膜装置で容易に形成でき、膜厚は０．１〜１μｍ程度である。

１４は反射ミラーであり、括れ部１２の曲げ動作に支障を与えないよう軽量のほうがよく、光ファイバ１１の端面に直接形成するのが望ましい。括れ部１２の中央から反射ミラー１４までの距離は、やはり軽量化のため短いほうが望ましく、通常、10mm以下である。

本実施例の光ファイバ温度センサの動作を図２を用いて説明する。図２は、異なる温度における温度センサ部１の曲げの大きさを示している。括れ部１２を具備する光ファイバ１１に皮膜１３を形成する際、皮膜形成温度を室温より高くしておくと、（ａ）に示すように、皮膜１３の形成時に温度センサ部１を直線状にしておいても、殆どの材質は光ファイバ(石英)より熱膨張率が大きいので、室温では皮膜１３がより収縮して温度センサ部１は（ｃ）のように適度に曲がり、一定の漏洩光を発生するようになる。

室温より更に温度を降下させていくと、（ｄ）に示すように皮膜１３がより収縮して更に大きな曲げとなり、漏洩光が増大していく。

逆に、室温より温度を上昇させていくと、（ｂ）に示すように曲げが次第に小さくなり、漏洩光が減少していく。

温度が皮膜形成温度に到達したとき、温度センサ1は直線状となり、漏洩光は最小となる。即ち、皮膜１３の形成温度が温度センサ部１で測定できる温度の上限である。

この漏洩光の変化に伴い、反射ミラー１４で反射されて戻る光の強度が変化するので、反射光強度を測定すれば、簡易な構造で、量産容易で、高感度で、安価な光ファイバ温度センサを実現できる。また、温度センサ部１の体積を小さくできるので熱容量が小さく、応答速度の速いセンサとなる。

図３は、本実施例の構成による温度センサの温度と反射光強度の関係を測定した例である。使用した光ファイバ１１は、ＭＦＤ９．５μｍ、カットオフ波長１２８０nmのシングルモード光ファイバで、括れ径は８２μｍである。皮膜１３は、膜厚１μｍのアルミニウム蒸着膜で、蒸着温度は２００℃、蒸着後３００℃で８時間アニールした。発光素子４には波長１．３μｍの半導体レーザを使用した。

このセンサの室温での反射光量は−２４．６ｄＢｍであった。温度上昇させていくと反射光量は単調に増加していき、２００℃近傍に達すると増加はみられなくなり、最大反射光量は−１６.７ｄＢｍであった。即ち、この温度センサは、アルミ膜と光ファイバ（石英）との熱膨張率差による曲げのため、括れ部１２を光が往復することにより、室温で−７．９ｄＢの光を漏洩している。温度上昇させると曲げの曲率が徐々に小さくなって漏洩光が減少するため、反射光量が増えていく。アルミ膜の蒸着温度である２００℃近傍ではセンサがほぼ直線状態になるため反射光量は増加しなくなる。図３に示す温度と反射光量の関係は、２次の多項式でよく近似された。

図４は、本発明の第二実施例である温度検知システムの概略構成を示す。以下、温度検知システムの動作を図４を用いて説明する。

図中、２は温度センサ部１への光の伝送および反射してくる信号光を計測部３に導くための伝送用光ファイバである。計測部３の主要構成部品は、発光素子４、光カプラ５、受光素子６、光アイソレータ７、演算処理回路８である。発光素子４は光ファイバに入射可能な光源であり、より遠隔まで信号を伝送するためには、波長帯が１．５μｍ帯、１．３μｍ帯など通信波長帯であることが望ましく、例えば、通信波長帯の半導体レーザを利用できる。

これら計測部３の主要構成部品は何れも市販品を安価に購入できるため、安価なシステムを構成できる。

発光素子４から出射した測定光は、光アイソレータ７、光カプラ５を通過して光伝送用ファイバ２に送られ、温度センサ部１に入射される。括れ部１２で一部の光を漏洩した後、測定光は反射ミラー１４で反射され、再度括れ部１２で光を漏洩した後、伝送用光ファイバ２を経て光カプラ５に達し、受光素子６で受光される。発光素子４側に戻る一部の光は光アイソレータ７でブロックされる。温度と反射光強度の関係式を予め演算処理回路８に入力しておき、受光素子６の出力を使って演算処理すれば温度を検知することができる。

図５は、本発明の第三実施例である多点温度検知システムの概略構成を示す。以下、多点温度検知システムの動作を図５を用いて説明する。光源２１は、ＡＳＥ光源、チューナブルレーザなどのように複数の波長を発光する光源で、光源２１から発光された光は、光アイソレータ７、２個の光カプラ５を経て伝送用光ファイバ２に入射される。光アイソレータ７を出た光の一部は、光カプラ５で分岐され光源２１の光強度変化をモニターするパワーモニタ用受光素子２４に入射され、光源の変動を補正するデータとして使われる。

測定光が合分波フィルタ２２−１に到達すると、波長λ_１の光のみ温度センサ部１−１側に分岐され、残りの波長の光は伝送用光ファイバ２を先に進む。合分波フィルタ２２−２ではλ_２、合分波フィルタ２２−３ではλ_３というように各温度センサ部１−（1〜n）に割り当てられた波長が分岐されていく。各温度センサ部１−（1〜n）で反射された各波長の光は、再度合分波フィルタ２２を経て伝送用光ファイバ２に入射され、光カプラ５を経て波長分岐フィルタ２３に達する。波長分岐フィルタ２３で光は各波長に分岐され、各々割り当てられた受光素子６に入射される。

演算処理回路８に温度と反射光強度の関係式を予め入力しておき、各受光素子６の出力を演算処理すれば、各温度センサ部１−（１〜ｎ）の温度を検知できる。

各温度センサ部１−（１〜ｎ）の識別に異なる波長の光λ_１〜λ_ｎを用い、各波長に割り当てた複数の受光素子ＰＤ_１〜ＰＤ_ｎで並列に受光することにより、計測時間が短くなり、リアルタイム測定ができる。

また、伝送用光ファイバ２、光カプラ５、光アイソレータ７、合分波フィルタ２２、波長分岐フィルタ２３、受光素子６など、上記各種の構成部品には光通信用に開発された安価で信頼性の高い市販品を利用できるため、安価で信頼性の高いシステムを構成できる。

図６は、本発明の第三実施例を発展させ、伝送用光ファイバが断線しても途絶えることなく温度測定ができるようにした多点温度検知システムの概略構成を示す。図では、４個の温度センサを配置した例を示すが、当然、温度センサの数は４個に限定されるものではない。本実施例では、ループ状伝送用光ファイバ２７を用い、その両端を、多点計測部２０の出力端に配置した光スイッチ２６の出力端２６Ａ及び２６Ｂと接続する。また、平常時には使用しない出力端子２６Ｂ側に設けた光カプラ５で光を一部分岐し、多点計測部２０に接続された断線検知用受光素子２５に入射させる。各温度センサ部１−（１〜４）は、２個の合分波フィルタ２２と接続した光カプラ５に接続する。

ファイバ断線がない平常時の動作を説明する。平常時には、光スイッチ２６のスイッチングをＯＦＦにし、測定光は常に出力端２６Ａからループ状伝送用光ファイバ２７に入射されるようににしておく。合分波フィルタ２２−１に到達した測定光のうち、波長λ_１の光が分岐され、光カプラ５を経て温度センサ部１−１に入射される。温度センサ部１−１からの反射光は、光カプラ５で２つに分岐され、一方はもと来た方向に戻り、光スイッチ２６の出力端２６Ａから多点計測部２０に入射され、温度測定データとして使用される。もう一方は、ループ状伝送用光ファイバ２７を逆方向に進み、その一部は光カプラ５を経て断線検知用受光素子２５に入射する。合分波フィルタ２２−２ではλ_２の波長、合分波フィルタ２２−３ではλ_３の波長、合分波フィルタ２２−４ではλ_４の波長に関し同様な動作となる。即ち、平常時には、各温度センサ部１−（１〜４）の測定は、光スイッチ２６の出力端２６Ａに戻る光を用いて行われ、断線検知用受光素子２５には一定レベル以上の光量が常に入射されている。

ループ状伝送用光ファイバ２７が断線したときの動作を図７を用いて説明する。ループ状伝送用光ファイバ２７が温度センサ部１−２と温度センサ部１−３の間で断線したとする。この断線に伴い断線検知用受光素子２５に入射する光量が急激に減少するのでループ状伝送用光ファイバ２７の断線を直ちに検知できる。これをトリガーにして光スイッチ２６のスイッチングがＯＮになるようにしておく。スイッチングＯＮ状態になると、測定光は光スイッチ２６の両出力端２６Ａ、２６Ｂから交互に出射されるようになり、温度センサ１−１及び温度センサ１−２からの反射光は光スイッチ２６の出力端２６Ａへ、温度センサ１−３及び温度センサ１−４からの反射光は光スイッチ２６の出力端２６Ｂから多点計測部２０に入射されるので、断線があっても途切れることなく温度測定を継続できる。

特定の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更を加えることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修正も本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の第一実施例である光ファイバ温度センサの構成を示す図である。光ファイバ温度センサの動作を説明する図である。光ファイバ温度センサの温度と反射光量の関係を測定した例を示す図である。本発明の第二実施例である光ファイバ温度検知システムの概略構成を示す図である。本発明の第三実施例である多点温度検知システムの概略構成を示す図である。本発明の第四実施例であるファイバが断線しても継続して温度測定可能な多点温度検知システムの概略構成を示す図である。本発明の第四実施例である多点温度検知システムのファイバ断線時の動作を説明するための図である。

符号の説明

１：温度センサ部
２：伝送用光ファイバ
３：計測部
４：発光素子
５：光カプラ
６：受光素子
７：光アイソレータ
８：演算処理回路
１１：光ファイバ
１２：括れ部
１３：皮膜
１４：反射ミラー
２０：多点計測部
２１：光源
２２：（１〜ｎ）：合分波フィルタ
２３：波長分岐フィルタ
２４：パワーモニタ用受光素子
２５：断線検知用受光素子
２６：光スイッチ
２６Ａ、２６Ｂ：光スイッチの出力端

Claims

部分的に細くなった括れ部（１２）と、当該括れ部（１２）を含む長手方向にわたり、側面の一部に付着させた皮膜（１３）と、当該括れ部（１２）に近い端面に反射手段（１４）を具備した光ファイバ（１１）からなり、当該皮膜（１３）の材質を当該光ファイバ（１１）の熱膨張率と異なるようにしたことを特徴とする光ファイバ温度センサ。
当該皮膜（１３）を、当該括れ部（１２）を含む長手方向にわたり、当該光ファイバ（１１）側面の半分に設けたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度センサ。
当該皮膜（１３）の材質を絶縁性セラミックスとしたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度センサ。
当該光ファイバ温度センサと、当該光ファイバ温度センサと計測部（３）の間の光伝送を行う伝送用光ファイバ（２）と、当該光ファイバ温度センサに供給すべき測定光を発生する発光手段（４）と、当該光ファイバ温度センサで温度による光量変化を受けた測定光を受光する受光手段（６）と、当該受光手段（６）の出力を温度に変換する演算処理手段（８）とを備えたことを特徴とする温度検知システム。
特定の波長の光を特定の当該光ファイバ温度センサに分波し、当該光ファイバ温度センサからの反射光を合波する合分波フィルタ（２２）を介して、当該伝送用光ファイバ（２）に複数配置した当該光ファイバ温度センサと、当該光ファイバ温度センサに供給すべき複数の波長の測定光を発生する発光手段（２１）と、当該光ファイバ温度センサで光量変化を受けた複数の波長からなる測定光を各波長に分岐する波長分岐フィルタ（２３）と、分岐された各波長の光を受光する複数の当該受光手段（６）と、複数の当該受光手段（６）の出力を温度に変換するための当該演算処理手段（８）とを具備したことをとする多点温度検知システム。
ループ状伝送用光ファイバ（２７）と、当該ループ状伝送用光ファイバ（２７）に複数配置された、何れの端部から入射された測定光でも特定波長の光を特定の当該光ファイバ温度センサへ分波し、当該光ファイバ温度センサからの反射光を合波する一組の当該合分波フィルタ（２２）と、当該一組の合分波フィルタ（２２）に接続され、当該一組の合分波フィルタ（２２）からの当該測定光を当該光ファイバ温度センサへ導き、当該光ファイバ温度センサからの当該反射光を当該一組の合分波フィルタ（２２）の双方へ分岐して導く光カプラ（５）と、当該光カプラ（５）に接続した当該光ファイバ温度センサと、当該ループ状伝送用光ファイバ（２７）の両端に接続され、当該測定光の入出力を行う光スイッチ（２６）と、当該ループ状伝送用光ファイバ（２７）の片端近くに配置した断線検知用受光手段（２５）と、当該光ファイバ温度センサに供給すべき複数の波長の測定光を発生する発光手段（２１）と、当該光ファイバ温度センサで光量変化を受けた複数の波長からなる測定光を各波長に分岐する波長分岐フィルタ（２３）と、分岐された各波長の光を受光する複数の当該受光手段（６）と、複数の当該受光手段（６）の出力を温度に変換するための当該演算処理手段（８）とを具備したことを特徴とする多点温度検知システム。