JP5168700B2 - 波長検波型光ファイバセンサシステム - Google Patents
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その中でもファイバ・ブラッグ・グレーティング(FBG)を利用した波長検波型光ファイバセンサ(FBGセンサ)は、耐電磁ノイズ性に優れ、電気システムのように火花を発生することがないので引火、爆発の危険性が少なく化学プラント、石油プラントなどの計装に適しているといった光ファイバセンサに共通する特徴を有し、その上、波長多重伝送(WDM)技術により1本の光ファイバ内に複数の光ファイバセンサを配置することにより空間的な分布計測システムを実現できるという優れた特徴を有する。
非特許文献2には、FBGファブリペロー干渉計を用いた透過型センサが示唆されている。
非特許文献2に示す従来例では、FBGファブリペロー干渉計を用いた透過型センサが示唆されるのみであって、具体的な構成が示されていない。そのため、非特許文献1に示す従来例の課題である測定分解能を向上させることができるか否かは不明である。
さらに、前記センサ素子の透過スペクトルの中心波長を信号のデータ処理により抽出することで、測定範囲は格段に広くなるという効果を奏することができる。
この構成の本発明では、1本の透過線スペクトルのみが生じるので、波長演算時の測定エラーを回避することができる。
この構成の本発明では、FBG対からなるセンサ素子の物理量測定レンジを広くすることができる。
この構成の本発明では、被測定物の異なる位置での物理量変化を正確に測定することができる。
図1から図2には本発明の第1実施形態が示されている。
図1は第1実施形態にかかる波長検波型光ファイバセンサシステムの概略構成図である。
図1において、波長検波型光ファイバセンサシステムは、温度、歪み、振動、加速度などの物理量の測定を行うものであり、広帯域光源10と、この広帯域光源10から照射された光が通過する光ファイバFと、光ファイバFに設けられた波長変化型光センサ2と、この波長変化型光センサ2から透過した透過光を検出する波長検波手段3とを備えた構成である。
広帯域光源10は従来例と同様の構造であり、所定の波長領域に渡って光ファイバFに光を入射させる。
ここで、複数のセンサ素子21〜2nのうち、センサ素子21が広帯域光源10側に配置され、このセンサ素子21から光検出手段3側に向けてセンサ素子22、センサ素子23、センサ素子24……センサ素子2n-1、センサ素子2nが配置されている。隣り合うセンサ素子21〜2nは、適宜な間隔をおいて配置される。
FBGは、その反射波長領域内においてミラーの役割を有する。なお、FBGは、例えば、全長2mm程度で構成することができ、これを構成する回折格子の間隔は光ファイバのコアの屈折率を1.45、FBGの反射中心波長を1550nmとすると、534nmとなる。FBGの描画方法は従来と同じである。
これらのセンサ素子21〜2nは、検出する中心波長λ1〜λnの変化波長領域がそれぞれ異なるものであり、隣り合うセンサ素子21〜2nの間隔は任意である。
AWG31は、分波される透過光の波長に対応して複数のチャンネルCH1〜CHnを備えている。
図2(A)において、広帯域光源10から光が照射されると、この光がセンサ素子21、センサ素子22、センサ素子23、……、センサ素子2n-1、センサ素子2nを透過し、その後、AWG31に入射される。AWG31に入射される光が図2(B)に示される。
AWG31では、チャンネルCH1とチャンネルCH2とはセンサ素子21からの光スペクトルが出射し、チャンネルCH3とチャンネルCH4とはセンサ素子22からの光スペクトルが出射し、チャンネルCHn-1、チャンネルCHnとはセンサ素子2n(但し、nは偶数)からの光スペクトルが出射する。
なお、同図(C)、(D)、(E)、(F)、(G)、(H)はそれぞれAWG31のCH1、CH2、CH3、CH4、CH5、CH6の透過率のスペクトルの例である。
演算処理部32Cは、プリアンプ3A1〜3Anから出力されたアナログ信号を入力するアナログデジタル変換回路3B1〜3Bnと、これらのアナログデジタル変換回路3B1〜3Bnから出力されるデジタル信号を入力する比演算部3C1〜3Cmと、これらの比演算部3C1〜3Cmからの信号に基づいて演算するCPU30とを備えて構成され、このうち、比演算部3C1はアナログデジタル変換回路3B1とアナログデジタル変換回路3B2との信号が入力されるものであり、比演算部3C2はアナログデジタル変換回路3B3とアナログデジタル変換回路3B4との信号が入力されるものであり、比演算部3Cmはアナログデジタル変換回路3Bn-1とアナログデジタル変換回路3Bnとの信号が入力されるものである。
そして、センサからの光の波長が所定の範囲内であれば、照射光の波長ごとに、log(I1/I2)がほぼ一定になり、そのときの光波長は数式(2)で示される。
センサ素子21〜2nに対し、それぞれ重複しないように微小な透過光波長範囲を割り当てておき(一例として、センサ素子21には1500〜1503nm、センサ素子22には15012〜15015nm、センサ素子23には1524〜1527nm、……等)、これらのセンサ素子21〜2nからの透過光をAWG31に入力することにより、これら複数のセンサ素子21〜2nの中心波長はセンサごとにAWG31の複数のチャンネルに分離・出力される。
センサ素子21〜2nからの線スペクトルを挟むAWGの互いに隣接する2つのチャンネルから出射される光をフォトダイオード3F1〜3Fnに入射させることにより、微小な波長範囲について前述した数式(1)及び数式(2)を適用し、高分解能で波長を検出する。
例えば、FBGの長さLbを2.08000mm、FBGの屈折率変化量Δnを0.0006、格子ピッチΛを537nm、FBG間の格子の描画されていない部分の実際の長さLgを90.000μm、FBGの実効屈折率neを1.4493とすると、ファブリペロー構成されたセンサ素子の反射波長帯域は850pmであり、その帯域内の透過スペクトルの半値全幅は10pm、その中心波長は1556.476nmである。
数式(4−4)で示されるファブリペローエタロンを構成するFBGの帯域幅BWと数式(6−5)で示されるファブリペローエタロンのフリースペクトルレンジFSRとの関係を数式(7)で示す。数式(4−3)で示されるFBGの反射中心波長λBと、数式(6−4)で示されるファブリペローエタロンのピーク波長Lgとの関係は数式(8−1)、すなわち、数式(8−2)から求めることができる。
この理由を数式を使って次に説明する。数式(6−4)で示されるファブリペローエタロンの中心波長の温度Tあるいは歪εが変化した場合、それにより生ずる中心波長の変化Δλeは数式(9)で求められる。
ここで、数式(8−1)を考慮すれば、数式(10−2)を得ることができる。
(1)互いにファブリペローエタロンを構成する近接配置されたFBG対のセンサ素子21〜2nを備えて波長変化型光ファイバセンサ2を構成した。一般に、ファブリペローエタロンを構成するミラーの反射率を高めればその透過スペクトルの半値全幅を狭くできることはよく知られている。従って、FBGに高い反射率のものを用いることにより、センサ素子21〜2nの半値全幅を狭くでき、測定分解能を向上させることができる。例えば、一定の歪みの下で、10秒ごとに20回中心波長を測定し、その中心波長のデータを記録したところ、本実施形態では、最も長い波長のデータと最も短い波長のデータとの差は1pmであり、波長再現性が1pmであったが、従来例1では、最も長い波長のデータと最も短い波長のデータとの差は5pmであり、波長再現性が5pmであった。
図3は第2実施形態にかかる光ファイバセンサシステムの概略構成図である。
図3において、光ファイバセンサシステムは、広帯域光源10と、この広帯域光源10から出射された光が通過する光ファイバFと、光ファイバFに設けられた波長変化型光センサ2と、この波長変化型光センサ2から透過した透過光を検波する波長検波手段4とを備えた構成である。
光スペクトルパターン認識回路42は発信器44からのパルス信号と、2値化回路4Bからの2値信号とを受信する。2値信号は時系列信号であってそのタイミングは発信器44からのパルス信号で規定される。
図5は(A)に発信器44の出力パルス信号が示され、(B)に同パルス信号を計数する計数カウンタ43により駆動されるデジタルアナログ変換器45の鋸波状出力電圧が示され、(D)に2値信号波形が示され、(C)に、該鋸波状電圧により駆動される掃引型ファブリペロー干渉フィルタ41の透過スペクトルが模式的に時系列に示されている。
例えば、掃引型ファブリペロー干渉フィルタ41の中心波長が短波長から長波長に変化した際、前記2値信号波形が「0,0,0・・・・0,1,0,0,0,0」となる信号波形パターンにより「1」となった波長を図4(B)で示される鋸波電圧から判定する。この判定された波長がセンサ素子21〜2nの中心波長である。
これに対して例えば「0,・・・・0,0,0,1,1,1,1,0,0,0」となるような信号波形パターンは、センサ素子21〜2nの中心波長ではないと判定する。即ち、「1」が所定の回数以下の場合がセンサ素子21〜2nからの信号スペクトルと判定し、「1」を与える波長をセンサ素子21〜2nの中心波長と判定する。この所定の回数が1回の場合には、波長は具体的に決定されるが、この所定の回数Nが2以上、例えば5であって計測した実際の「1」の数が3の場合は、これら3個の波長の平均値を測定波長とする。
なお、光スペクトルパターン認識回路42は、1の両脇に0がいくつか存在するパターンを抽出し、その1に相当する波長を、前記鋸波電圧をベースに決定するものであるが、一般に使用されているマイクロコンピュータを用いればこれを実現できる。さらに、計数カウンタ43の計数値がそのカウンタの最高計数値の場合には、ピエゾ素子PZTにより掃引型ファブリペロー干渉フィルタ41の透過帯域は最も長波長側(短波長側)に設定され、次のカウンタ43への入力パルス信号で計数カウンタはイニシャル状態になりピエゾ素子PZTにより掃引型ファブリペロー干渉フィルタ41の透過帯域は最も短波長側(長波長側)に設定されるようになっている。
(5)波長検波手段4は、センサ素子21〜2nから透過された光を入力する掃引型ファブリペロー干渉フィルタ41と、この掃引型ファブリペロー干渉フィルタ41の出力チャンネルCHに対向して配置されたフォトダイオード4Fと、このフォトダイオード4Fに接続されたプリアンプ4Aと、プリアンプ4Aの出力を2値化する2値化回路4Bと、この2値化回路4Bから出力される2値信号を受信する光スペクトルパターン認識回路42と、掃引型ファブリペロー干渉フィルタ41駆動のためのピエゾ素子PZTと、発信器44からのパルス数を計数する計数カウンタ43と同カウンタの出力を受けてピエゾ素子PZTを駆動するための鋸波電圧発生用デジタルアナログ変換器45とを備えて構成されている。そして光スペクトルパターン認識回路42は発信器44の出力パルス信号と前記2値信号を受信し、予め記憶された信号パターンから各センサ素子21〜2nからの中心波長を認識する構成である。各センサ素子21〜2nのスペクトルの中心波長は「0,0,0,・・・0,0,1,0,0,0,・・・」というような信号のデータ処理により抽出されるので、AWG31により測定範囲が決まる第1実施形態に比べ、測定範囲は格段に広くなるという効果を奏することができる。
第3実施形態は第1実施形態とは光源及び波長検波手段の構成が異なるもので、他の構成は第1実施形態と同じである。
図6は、第3実施形態にかかる波長検波型光ファイバセンサシステムの概略構成図である。
図6において、波長検波型光ファイバセンサシステムは、光源としての可変波長レーザ11と、この可変波長レーザ11から入射された光が通過する光ファイバFと、光ファイバFに設けられた波長変化型光センサ2と、この波長変化型光センサ2から透過した透過光を検出する波長検波手段5とを備えた構成である。可変波長レーザを用いたセンサ素子からの波長検波方法はFBGセンサに対しては非特許文献1の論文「Alan D.kersy, Mihael A. Davis, Heather j. Patric, Michel LeBlanc, K. P. Koo, C. G.Askins, M. A. Putnam, and E. Joseph Friebele, “Fiber Bragg Sensors,”Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No.8 1997」により知られている。しかし、非特許文献1には、本実施形態のファブリペローエタロンを構成するFBG対からなるセンサに対して可変波長レーザを用いて該センサの中心波長を求める方法は知られていない。
すなわち、光スペクトルパターン認識回路52は発信器54からのパルス信号と、2値化回路5Bからの信号を受信することにより、予め記録された信号パターンから各センサ素子21〜2nからの検波波長を確定する。
これに対して、例えば「0,・・・・0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0, ・・・・」となるようなデータパターンは、センサ素子21〜2nの中心波長ではないと判定する。即ち、「1」が一定回数以下の場合がセンサ素子21〜2nからの信号スペクトルと判定する。この所定の回数が1回の場合には、波長は具体的に決定されるが、この所定の回数Nが2以上、例えば5であって、計測した実際の「1」の数が3の場合は、これら3個の波長の平均値を測定波長とする。この光スペクトルパターン認識回路52は、一般に使用されているマイクロコンピュータを用いればこれを実現できる。なお、アナログ信号をデジタル信号に変化するために第2実施形態、第3実施形態では2値化回路を用いているが、この2値化回路の代わりに、多ビットのアナログデジタル変換器を用いればさらに高精度なスペクトルパターンの認識ができる。
(6)波長検波手段5は、センサ素子21〜2nから透過された光を入力するフォトダイオード5Fと、このフォトダイオード5Fに接続されたプリアンプ5Aと、プリアンプ5Aから出力されたアナログ信号を2値化する2値化回路5Bと、この2値化回路5Bから出力されるデジタル信号を受信する光スペクトルパターン認識回路52と、この内部に直列パルス入力/並列出力の計数カウンタを内蔵しこの計数値に対応したレーザ発振波長算出部を備えた光スペクトルパターン認識回路52と内部に直列パルス入力/並列出力の計数カウンタを内蔵しこの計数値に対応した波長の光を出力する可変波長レーザ11とにパルス信号を送る発信器54とを備え、光スペクトルパターン認識回路52は発信器54からのパルス信号と2値化回路5Bからの信号とを受信し、予め記録された信号パターンから各センサ素子21〜2nからの検波信号を認識する構成としたから、第2実施形態と同様に、各センサ素子21〜2nのスペクトルの中心波長は「0,・・・・0,0,0,1,0,0,0,0, ・・・・」のデータ系列を信号処理することにより抽出されるので、測定範囲が広くなるという効果を奏することができる。
例えば、光源は常時点灯している前提であるが、光源の実質的な寿命を延ばすために測定したい場合だけ光源を点灯する構成であってもよいことは自明である。
Claims (4)
- 光源と、この光源から出射される光が入射し被測定物に設置されるセンサ素子と、このセンサ素子に入射された光の透過光を入射するとともに前記透過光を検出する波長検波手段とを備えた波長検波型光センサシステムであって、
前記センサ素子は、互いに近接配置されたファブリペローエタロンを構成するファイバ・ブラッグ・グレーティング対からなるセンサ素子を備え、
前記波長検波手段は、パルス信号を出力する発信器と、前記センサ素子から透過された光に基づくアナログ信号を2値信号に変換する2値化回路と、この2値化回路で変換された2値信号と前記発信器で出力されたパルス信号とを受信し予め記憶された信号パターンから前記センサ素子からの中心波長を認識する光スペクトルパターン認識回路とを有する
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。 - 請求項1に記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記ファブリペローエタロンは、反射波長帯域中に1本の透過線スペクトルのみが生じるようにするために、反射波長帯域BWはフリースペクトルレンジFSRの倍より狭くなるようにする
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。 - 請求項2に記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記ファイバ・ブラッグ・グレーティング対は、同一波長スペクトル特性であり、物理的長さが同一であり、かつ、実効長Leとファイバ・ブラッグ・グレーティングの格子ピッチΛ及びファイバ・ブラッグ・グレーティング対間のグレーティングの書かれていない光ファイバの長さLgとの関係がLg=mΛ−2Le(mは自然数)を満たすようにファイバ・ブラッグ・グレーティングの反射中心波長に透過線スペクトルの波長を一致させる
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記センサ素子は、それぞれ中心波長の変化波長領域が異なり直列に接続されている
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
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