CN101680781B - 光频域反射测定方式的物理量测量装置、及使用了其的温度和应变的同时测量方法 - Google Patents

光频域反射测定方式的物理量测量装置、及使用了其的温度和应变的同时测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明的光频域反射测定方式的物理量测量装置具备：射出测定光的可调谐激光器；一端与该可调谐激光器连接的第一保偏光纤；与该第一保偏光纤的另一端连接的保偏耦合器；一端与该保偏耦合器连接，另一端作为参照用反射端的第二保偏光纤；一端与所述保偏耦合器连接的第三保偏光纤；形成于该第三保偏光纤的纤芯且由光纤光栅构成的传感器；一端与所述保偏耦合器连接的第四保偏光纤；借助该第四保偏光纤与所述保偏耦合器连接，对来自所述传感器的布拉格反射光和来自所述参照用反射端的参照光进行检测的光电二极管；根据由该光电二极管检测出的所述布拉格反射光和所述参照光的合波光强度变化，检测这些布拉格反射光和参照光之间的干涉强度的调制的控制部；向所述第二保偏光纤的正交的两个偏振轴及所述第三保偏光纤的正交的两个偏振轴双方，入射所述测定光的入射部；和配置于所述第三保偏光纤，使来自所述传感器中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的光路长度恒定的光路长度调整部；所述入射部被配置于所述第一保偏光纤、或所述第二保偏光纤与所述第三保偏光纤双方。

Description

光频域反射测定方式的物理量测量装置、及使用了其的温度和应变的同时测量方法
技术领域
本发明涉及在一根保偏(Polarization Maintaining、PM)光纤上配置一个或多个光纤光栅(Fiber Bragg Grating、FBG)传感器，对该FBG传感器的位置和FBG传感器的应变、温度等物理量进行测量的光频域反射测定(Optical Frequency Domain Reflectometry、OFDR)方式的物理量测量装置、和使用了该物理量测量装置的温度和应变的同时测量方法。
本申请以2008年2月29日向日本申请的特愿2008-51343号、和2008年9月18日向日本申请的特愿2008-239368号为基础主张优先权，并在此援用它们的内容。
背景技术
使用光纤来测量温度、应变等物理量的传感器，由于寿命长、轻量、直径细且具有柔软性，所以可以在狭窄的空间中使用。而且，该传感器由于光纤具有绝缘性，所以具有抗电磁噪声的特性。因此，期待着将该传感器用于桥梁或楼宇等大型建筑物、客机或人造卫星等航空、宇宙设备等的健全性评价。
作为用于进行这些构造物的健全性评价的传感器所被要求的性能，可以举出空间分辨率高、具有多点的传感器(探测范围广)、及能够实时测量等。
迄今为止提出了各种光纤传感器系统，但作为充分满足上述要求性能的最有希望的光纤传感器，可以举出使用了FBG传感器和OFDR方式的解析方法的光纤传感器。
使用了FBG传感器和OFDR方式的解析方法的光纤传感器系统，利用来自FBG传感器的布拉格反射光和来自参照用反射端的反射光的干涉强度的周期性变化，确定FBG传感器的位置。而且，该光纤系统根据布拉格反射光的波长的变化量来测量探测部的应变、温度。
作为该光纤传感器系统，其被公开了具有1mm以下的高空间分辨率(例如参照非专利文献1)、在8m的光纤上配置800个FBG传感器而能够通过4根光纤同时进行共计3000点以上的应变测量(例如参照非专利文献2)、和测量的实时性出色(例如参照专利文献1)等。并且，根据非专利文献1，还能够测量FBG传感器的长边方向的应变分布(是指FBG传感器的沿着长边方向的应变量不均匀)。对于该应变分布的测量，在专利文献3中也进行了记载。
另一方面，作为光纤传感器系统的一般性问题，可以举出如果温度、应变等物理量多项发生变化，则无法独立辨识测量它们的变化量。因此，例如在使用光纤传感器系统作为应变传感器的情况下，为了不将探测部的温度变化捕捉为应变的变化，需要另外使用温度补偿用的传感器。
作为解决该问题的方法，可以举出使用由PM光纤构成的FBG传感器的方法(例如参照专利文献1)。该方法是使用作为PM光纤的一种的PANDA光纤，通过对布拉格反射光的波长的变化量进行测量由此能够同时测量温度和应变的方法，所述布拉格反射光来自由该PANDA光纤构成的FBG传感器中的正交的两个偏振轴。
即，该方法是可以实现不需要温度补偿用传感器的应变传感器的方法。
如果组合以上所说明的技术，使用利用了由PM光纤构成的FBG传感器和OFDR方式的解析方法的光纤传感器系统，则认为可同时实现高分辨率、多点测量、实时测量、温度和应变的同时测量。
专利文献1：日本国专利第3740500号公报
专利文献2：日本国专利第3819119号公报
专利文献3：日本国专利第4102291号公报
非专利文献1：H.Murayama，H.Igawa，K.Kageyama，K.Ohta，I.Ohsawa，K.Uzawa，M.Kanai，T.Kasai and I.Yamaguchi，“Distributed StrainMeasurement with High Spatial Resolution Using Fiber Bragg Gratings andOptical Frequency Domain Reflectometry”Proceedings OFS-18，ThE40(2006)
非专利文献2：B.Childers，M.E.Froggatt，S.G.Allison，T.C.Moore，D.A.Hare，C.F.Batten and D.C.Jegley，“Use of 3000 Bragg grating strainsensors distributed on four eight-meter optical fibers during static loadtest of a composite structure.”Proceedings SPIE’s 8th InternationalSymposium on Smart Structure and Materials，Vol.4332，pp.133-142(2001)
然而，使用了由PM光纤构成的FBG传感器和OFDR方式的解析方法的光纤传感器系统，迄今为止尚未被提出。其原因在于，为了通过OFDR方式的解析方法，稳定地测定来自由PM光纤构成的FBG传感器中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光，需要以良好的可控性将测定光向正交的两个偏振轴分波，使其向FBG传感器及参照用的反射端传播。但是，通常情况下测定光以单一偏振波出射。因此，当由PM光纤构成到FBG传感器和参照用反射端为止的光路时，虽然来自FBG传感器中的正交的两个偏振轴的布拉格反射中的一方可以测定，但另一方无法测定。结果，无法如上所述那样对来自正交的两个偏振轴的布拉格反射光进行测定。
作为将单一偏振波的测定光向正交的两个偏振轴分波的方法，可以举出由单模光纤构成到FBG传感器和参照用的反射端为止的光路的至少一部分的方法。但是，在该方法中存在着无法以良好的可控性将按单一偏振波出射的测定光向正交的两个偏振轴分波的问题。
另外，在使用了由PM光纤构成的FBG传感器和OFDR方式的解析方法的光纤传感器系统中，正交的两个偏振轴的有效折射率不同。因此，在OFDR方式的解析中，存在来自两个偏振轴的布拉格反射光的位置不同这一问题。因此，难以以高分辨率确定FBG传感器的位置。
在OFDR方式的解析中，根据来自FBG传感器的布拉格反射光和来自参照用的反射端的反射光的干涉信号的周期，确定FBG传感器的位置。即，通过对于所得到的干涉信号，代入适当的光纤的有效折射率，进行短时傅里叶变换(Short-time Fourier transform：以下称为STFT)解析，由此可以求出FBG传感器的位置(准确地说是参照用的反射端和FBG传感器的光纤长度差)。这里，在由PM光纤构成的FBG传感器中，与正交的两个偏振轴的有效折射率不同无关，由于代入某一恒定的有效折射率，所以作为结果，导致来自两个偏振轴的布拉格反射光的位置不同。
发明内容
本发明鉴于上述情况而提出，其目的在于，提供一种在光纤传感器系统中尤其能够同时测量温度和应变、且能以高空间分辨率测量的OFDR方式的物理量测量装置，和使用了该物理量测量装置的温度和应变的同时测量方法，所述光纤传感器系统是在一根PM光纤上配置一个或多个FBG传感器，利用OFDR方式的解析方法测量该FBG传感器的位置和FBG传感器的应变、温度等物理量的光纤传感器系统。
本发明为了解决上述课题、实现相应的目的，采用了以下的方案。
(1)本发明的光频域反射测定方式的物理量测量装置具备：射出测定光的可调谐激光器；一端与该可调谐激光器连接的第一保偏光纤；与该第一保偏光纤的另一端连接的保偏耦合器；一端与该保偏耦合器连接，另一端作为参照用反射端的第二保偏光纤；一端与上述保偏耦合器连接的第三保偏光纤；形成在该第三保偏光纤的纤芯且由光纤光栅构成的传感器；一端与上述保偏耦合器连接的第四保偏光纤；借助该第四保偏光纤与上述保偏耦合器连接，对来自上述传感器的布拉格反射光和来自上述参照用反射端的参照光进行检测的光电二极管；根据由该光电二极管检测出的上述布拉格反射光和上述参照光的合波光强度变化，对这些布拉格反射光及参照光之间的干涉强度的调制进行探测的控制部；向上述第二保偏光纤的正交的两个偏振轴、及上述第三保偏光纤的正交的两个偏振轴双方，入射上述测定光的入射部；和配置于上述第三保偏光纤，使来自上述传感器中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的光路长度恒定的光路长度调整部；上述入射部被配置于上述第一保偏光纤、或上述第二保偏光纤与上述第三保偏光纤双方。
(2)对于上述入射部而言，优选在该入射部被配置于上述第一保偏光纤的情况下，是在该第一保偏光纤具有45°的偏振轴偏移角度而形成的融合连接部；在上述入射部被配置于上述第二保偏光纤及上述第三保偏光纤双方的情况下，是分别在上述第二保偏光纤及上述第三保偏光纤具有45°的偏振轴偏移角度而形成的融合连接部。
(3)优选上述光路长度调整部是在形成有上述传感器的上述第三保偏光纤具有90°的偏振轴偏移角度而形成的融合连接部。
(4)优选上述光路长度调整部被设置在从与上述第二保偏光纤的长度相当的位置到上述传感器的光纤长度的中间。
(5)优选在上述第三保偏光纤中配置有多个上述传感器。
(6)优选上述光路长度调整部分别被配置在邻接的上述传感器之间的光纤长度的中间。
(7)优选从上述第一保偏光纤到上述第四保偏光纤中，至少上述第三保偏光纤中的正交的两个偏振轴的有效折射率为4.4×10-4以上。
(8)本发明的温度和应变的同时测量方法包括：使用上述(1)～(7)中任意一项记载的光频域反射测定方式的物理量测量装置，测量来自一个或多个上述传感器中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的波长的步骤；根据测量出的上述布拉格反射光的波长，计算上述传感器中的上述布拉格反射光的波长因温度和应变引起的变化量的步骤；和根据计算出的上述变化量，同时测量配置有上述传感器的部位的温度及应变的步骤。
(9)优选计算出上述第三保偏光纤的沿着配置有上述传感器的部位长边方向的温度分布及应变分布。
根据上述(1)所记载的光频域反射测定方式的物理量测量装置，由于具有形成于保偏光纤的纤芯的传感器、和用于向配置有该传感器的保偏光纤的正交的两个偏振轴入射测定光的入射部，所以可进行传感器的温度和应变的同时测量。而且，由于具有用于使来自传感器的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的光路长度恒定的光路长度调整部，所以可以准确地确定传感器的位置，能够以高的空间分辨率进行物理量的测量。
根据使用了上述(1)～(7)中任意一项记载的光频域反射测定方式的物理量测量装置的上述(8)所记载的温度和应变的同时测量方法，可以从一个FBG传感器同时测量应变和温度。并且，可以同时测量沿着传感器的长边方向的温度分布和应变分布。
附图说明
图1是表示本发明的光频域反射测定方式的物理量测量装置的第一实施方式的简要构成图。
图2是表示该实施方式的变形例的简要构成图。
图3是表示使用了PANDA光纤时的偏振轴角度偏移(offset)融合连接的简要立体图。
图4是表示本发明的光频域反射测定方式的物理量测量装置的第二实施方式的简要构成图。
图5是表示本发明的实施例1的光频域反射测定方式的物理量测量装置的简要构成图。
图6是表示使用该实施例对传感器的状态进行测量的结果的光谱图。
图7是表示使用比较例1的光频域反射测定方式的物理量测量装置，对传感器的状态进行测量的结果的光谱图。
图8是表示使用比较例2的光频域反射测定方式的物理量测量装置，对传感器的状态进行测量的结果的光谱图。
图9是表示在该比较例2中对来自传感器的慢轴和快轴的布拉格反射光的位置错开量进行计算的结果的曲线图。
图10是表示本发明的实施例2的光频域反射测定方式的物理量测量装置的简要构成图。
图11是表示使用该实施例2，对传感器(第一传感器)的状态进行测量而得到的结果的光谱图。
图12是表示使用该实施例2，对传感器(第二传感器)的状态进行测量而得到的结果的光谱图。
图13是表示使用本发明的实施例3的光频域反射测定方式的物理量测量装置，对传感器的状态进行测量而得到的结果的光谱图。
图14是表示在该实施例3中，PANDA光纤的双折射和布拉格波长相对于由PANDA光纤构成的FBG所形成的传感器的温度变化的移位特性差的关系的曲线图。
图15是表示使用本发明的实施例4的光频域反射测定方式的物理量测量装置，对传感器的状态进行测量而得到的结果的光谱图。
图16是示意地表示在该实施例4中用于测量在传感器产生的温度分布和应变的实验系统的图。
图17是表示在该实施例4中对峰值A的位置及峰值B的位置处的温度变化和应变进行测量而得到的结果的光谱图。
图18是表示在该实施例4中对峰值A的位置及峰值B的位置处的温度变化和应变进行测量而得到的结果的曲线图。
图中：10A、10B、10C、10D、10E、10F(10)-光频域反射测定方式的物理量测量装置，11、31、32-保偏耦合器，12-可调谐激光器，13、35-光电二极管，14、37、38-参照用反射端，15、15a、15b-传感器，16、17、18、19-保偏光纤，20-入射部，21、21a、21b-光路长度调整部，22-控制部，41、42、43、44、47、48-PANDA光纤，53-系统控制器，54-A/D转换器，60(60A、60B)-PANDA光纤，61(61A、61B)-纤芯(core)，62(62A、62a、62B、62b)-应力赋予部。
具体实施方式
下面参考附图，对本发明的光纤传感器系统的实施方式进行说明。
(第一实施方式)
图1是表示本发明的光频域反射测定(以下简称为“OFDR”)方式的物理量测量装置的第一实施方式的简要构成图。
本实施方式的OFDR方式的物理量测量装置10A(10)大致具备：射出测定光的可调谐激光器12、一端与该可调谐激光器12连接的第一保偏光纤16、与该第一保偏光纤16的另一端连接的保偏耦合器11、一端与该保偏耦合器11连接且另一端为参照用反射端14的第二保偏光纤18、一端与保偏耦合器11连接的第三保偏光纤19、形成在该第三保偏光纤19的纤芯且由光纤光栅构成的传感器15、一端与保偏耦合器11连接的第四保偏光纤17、借助该第四保偏光纤17与保偏耦合器11连接且对来自传感器15的布拉格反射光和来自参照用反射端14的参照光进行检测的光电二极管13、根据由该光电二极管13检测出的上述布拉格反射光和上述参照光的合波光强度变化来检测这些布拉格反射光和参照光之间的干涉强度的调制的控制部22、向第二保偏光纤18的正交的两个偏振轴及第三保偏光纤19的正交的两个偏振轴双方入射上述测定光的入射部20、和配置于第三保偏光纤19且使来自传感器15中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的光路长度恒定的光路长度调整部21。在本实施方式中，保偏耦合器11由与第一～第四保偏(以下简写为“PM”)光纤同种类的PM光纤构成。
作为可调谐激光器12，优选使用相干长度比从可调谐激光器12射出的测定光被传感器15反射而入射到光电二极管13为止的光路长度长的可调谐激光器。
作为光电二极管13，优选使用在使从可调谐激光器12射出的测定光的波长改变时，具有能够对从两个反射点、即参照用反射端14和传感器15得到的光干涉的强度调制进行检测的截止频率的光电二极管。
控制部22具备：例如对来自光电二极管13的信号进行取样的A/D转换器54、和对该取样数据进行解析的系统控制器53。作为A/D转换器54，优选使用具有能够对由光电二极管13探测到的光干涉的强度调制进行检测的取样频率的转换器。A/D转换器54对由光电二极管13测量的模拟的光干涉信号以数字形式进行取样。该数字干涉信号被向系统控制器53传输。在系统控制器53中，使用该数字干涉信号进行STFT(Short timeFourier Transform：STFT)解析。关于解析方法，将在后面叙述。作为该系统控制器53，只要可以对由A/D转换器54得到的数字干涉信号进行STFT解析即可，没有特别限定。系统控制器53借助通用接口总线(GPIB)与可调谐激光器12相连，进行可调谐激光器12的控制。
入射部20被设置于第一PM光纤16，将从可调谐激光器12以单一偏振波射出的测定光向该第一PM光纤16的正交的两个偏振轴分波。作为入射部20，只要能够向第二PM光纤18的正交的两个偏振轴及第三PM光纤19的正交的两个偏振轴双方入射测定光即可，如图2所示，可以配置于第二PM光纤18和第三PM光纤19双方。从将入射部20设置于一处即可的观点出发，优选入射部20被设置在形成有传感器15的第三PM光纤19与具有参照用反射端14的第二PM光纤18的分支部的前段(即第一PM光纤16)。
作为入射部20，只要是插入λ/2板的方法；设置偏振轴角度偏移融合连接的方法；或者按照PM光纤的偏振轴相对于来自可调谐激光器12的单一偏振波的测定光具有角度偏移的方式配置PM光纤，使来自可调谐激光器12的出射光与PM光纤耦合的方法等、能够将单一偏振波的测定光向PM光纤的正交的两个偏振轴分波的方案即可，可以使用任意方法。
其中，从简便的观点、能够将测定光均匀地分波成两个偏振波的观点出发，作为该入射部20，优选是在该第一PM光纤16中具有45°的偏振轴偏移角度而形成的融合连接(以下称为“45°偏移融合”)。
这里，具有偏振轴角度偏移的融合连接是指，按照PM光纤的一个偏振轴具有作为融合点的偏移角度的方式，对两个PM光纤进行融合连接。PM光纤的一个偏振轴具有作为融合点的偏移角度是指，正交的另一个偏振轴也具有相同的偏移角度而将两个PM光纤融合连接。
图3是示意地表示使用了PANDA(Polarization-maintaining andAbsorption reducing)光纤作为PM光纤时的45°偏移融合的形态的图。
这里，PANDA光纤60是指为了使光纤具有双折射而在纤芯61两端的包层(clad)设置有圆形的应力赋予部62的光纤。通过该应力赋予部62，在正交的两个偏振模式之间产生传播常数差(有效折射率差)。因此，可以抑制从各个偏振模式向另一个偏振模式的耦合。该正交的两个偏振模式所传播的偏振轴，被称为慢轴、快轴，慢轴和快轴的有效折射率之差被称为双折射。
对于连接了该两个应力赋予部62和纤芯61的直线(即，连接了PANDA光纤60A的两个应力赋予部62A、62a、和纤芯61A的直线63A；连接了PAND光纤60B的两个应力赋予部62B、62b和纤芯61B的直线63B)，按照在两个PANDA光纤60A、60B之间成为所希望的偏振轴偏移角度θ的方式将该直线连接，由此可以实现所希望的偏移融合连接。
作为光路长度调整部21，只要可以将来自传感器15中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的光路长度调整为恒定即可，可以使用任意构件。例如，可以举出向PM光纤插入双折射结晶的方法、对PM光纤设置具有偏振轴角度偏移的融合连接的方法等。
作为光路长度调整部21，从简便的观点、容易调整光路长度的观点出发，在上述之中优选采用90°偏移融合。
另外，光路长度调整部21为了将来自传感器15中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的光路长度设为恒定，被设置在从与具有参照用反射端14的PM光纤18的长度相当的位置起到传感器15为止的光纤长度(图1所示的L1)的中间。通过将光路长度调整部21设置在该位置，可以使来自传感器15中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的光路长度恒定，在对来自正交的两个偏振轴的布拉格反射光进行解析时，可以在相同测定位置进行。
在该实施方式的OFDR方式的物理量测量装置10A中，在可调谐激光器12和PM耦合器11之间设置有入射部20，该入射部20用于使以单一偏振波的形式从可调谐激光器12射出的测定光向第二PM光纤18及第三PM光纤19的正交的两个偏振轴分支。由此，可以得到来自传感器15中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光。通过来自该正交的两个偏振轴的布拉格反射光的波长变化，可以同时测量配置有传感器15的部位的温度及应变。结果，可以实现无需另外设置温度补偿用传感器的应变传感器。
而且，在该OFDR方式的物理量测量装置10A中，在从与具有参照用反射端14的第二PM光纤18的长度相当的位置起到传感器15的光纤长度的中间，设置有光路长度调整部21。由此，可以使来自传感器15中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的光路长度恒定。即，当对来自传感器15的布拉格反射光和来自参照用反射端14的反射光的干涉信号进行STFT解析时，来自正交的两个偏振轴的布拉格反射光成为相同位置。
并且，通过使用该OFDR方式的物理量测量装置10A，对来自传感器15中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的波长的因温度和应变引起的变化量进行测量，由此可以同时测量探测部的温度及应变。
<传感器的位置确定方法>
接着，对使用了本实施方式的OFDR方式的物理量测量装置10A的传感器15的位置确定方法进行说明。例示了使用了PANDA光纤作为第一～第四PM光纤的情况。
在本实施方式的OFDR方式的物理量测量装置10A中，向光电二极管13入射来自传感器15的布拉格反射光和来自参照用反射端14的反射光的干涉光。入射到光电二极管13的该光干涉信号D1成为正交的两个偏振轴的信号之和，用下述的式(1)表示。
D1＝Rslowcos{k(nslow+nfast)L1}+Rfastcos{k(nslow+nfast)L1}  (1)
在上述式(1)中，Rslow和Rfast表示来自PANDA光纤的正交的两个偏振轴的干涉光的强度，即来自慢轴(X轴)和快轴(Y轴)的干涉光强度。k是波数，nslow和nfast表示慢轴(X轴)和快轴(Y轴)的有效折射率。L1表示第二PANDA光纤(PM光纤)18中的从PM耦合器11到参照用反射端14的长度、与第三PANDA光纤(PM光纤)19中的从PM耦合器11到传感器15的长度之差(光纤长度差)。即，如图1所示，L1表示在第三PANDA光纤19中从与具有参照用反射端14的第二PANDA光纤18的长度相当的位置到传感器15的光纤长度。
使用本实施方式的OFDR方式的物理量测量装置10A，求出上述D1，利用系统控制器53对得到的光干涉信号D1进行STFT解析。这里，式(1)的右边第一项及第二项中的(nslow+nfast)L1，表示从可调谐激光器12射出的测定光往复移动光纤长度差L1的光路长度。即，与第三PANDA光纤的L1相当的光路长度成为与(nslow+nfast)L1的一半相当的{(nslow+nfast)/2}L1。
另外，在本发明的物理量测量装置中，利用控制部22所具备的A/D转换器54，以数字方式对在光电二极管13中测量的相当于上述式(1)的模拟光干涉信号进行取样，利用控制部22所具备的系统控制器53对该数字干涉信号进行STFT解析，但在本文中，当简记为利用控制部22所具备的系统控制器53对在光电二极管13中测量的光干涉信号进行STFT解析时，也意味着进行了同样的处理。如前所述，由于A/D转换器54具有能够对由光电二极管13探测的光干涉的强度调制进行检测的取样频率，所以模拟的光干涉信号和取样后的数字干涉信号在原理上是相同信号。另外，通过使用表示模拟光干涉信号的数学式，对于能够更有效说明本发明的特征的部位，使用光干涉信号进行说明。
接着，在本实施方式的OFDR方式的物理量测量装置10A中，对于得到的光路长度{(nslow+nfast)/2}L1，代入已知的nslow和nfast，求得L1。
作为该nslow和nfast，可以使用根据来自传感器15的布拉格反射光的波长、和根据在传感器15的制作中使用的均匀相位掩模的衍射光栅的间隔计算出的光栅周期而求出的值、或根据近场图案测定求得的值等。这里，式(1)的右边第一项和右边第二项的光路长度恒定是指，慢轴和快轴的布拉格反射光相对于光纤长度差L1具有相同的光路长度。
在本实施方式中，如此从传感器15中的正交的两个偏振轴得到布拉格反射光。因此，可以同时测量温度和应变。由此，在使用本实施方式的OFDR方式的物理量测量装置10A进行应变测量的情况下，不需要温度补偿用的传感器。另外，由于慢轴和快轴中的布拉格反射光相对于光纤长度差L1具有相同的光路长度，所以可以准确地确定传感器15的位置，能够以高的空间分辨率进行应变测量。
<温度和应变的测量方法>
接着，对使用了本实施方式的OFDR方式的物理量测量装置10A的温度和应变的测量方法进行说明。该测量方法是根据来自传感器15的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的波长的移位量，通过计算求出温度和应变的方法。
首先，预先测量某一基准温度(例如20℃)、基准应变(例如0με)下的来自传感器15的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的波长。
接着，将传感器15配置在想要探测的场所(以下称为“探测部”)，在该探测部处，测量来自传感器15的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的波长。
接着，计算探测部的布拉格反射光的波长、与基准温度、基准应变下的布拉格反射光的波长差(变化量)。
接着，将得到的波长差代入到下述式(2)，求出探测部的温度与基准温度之差、探测部的应变与基准应变之差，最后根据已知的基准温度、基准应变计算出探测部的实际温度和实际应变。
&Delta;T &Delta;&epsiv; = 1 D &PartialD; &lambda; fast &PartialD; &epsiv; , - &PartialD; &lambda; slow &PartialD; &epsiv; - &PartialD; &lambda; fast &PartialD; T , &PartialD; &lambda; slow &PartialD; T &Delta;&lambda; slow &Delta;&lambda; fast - - - ( 2 )
其中， D = &PartialD; &lambda; fast &PartialD; &epsiv; &CenterDot; &PartialD; &lambda; slow &PartialD; T - &PartialD; &lambda; fast &PartialD; T &CenterDot; &PartialD; &lambda; slow &PartialD; &epsiv;
在上述式(2)中，ΔT表示探测部的温度与基准温度之差，Δε表示探测部的应变与基准应变之差。T表示探测部的温度，ε表示探测部的应变，λslow和λfast表示来自探测部处的传感器15的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的波长。Δλslow和Δλfast表示来自探测部处的传感器15的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的波长、与基准温度、基准应变下的来自传感器15的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的波长之差。
Figure G2009800002856D00133
和表示单位应变的慢轴及快轴的布拉格波长移位量。
Figure G2009800002856D00135
和
Figure G2009800002856D00136
表示单位温度的慢轴及快轴的布拉格波长移位量。
上述单位应变或单位温度的布拉格波长的移位量，通过使用OFDR方式的物理量测量装置10A，在基准温度(20℃)下对传感器15赋予应变，测量传感器15中的慢轴及快轴的布拉格波长变化的应变依赖性，在基准应变(0με)下对传感器15赋予温度变化，测量传感器15中的慢轴及快轴的布拉格波长变化的温度依赖性，由此求出。
接着，根据这些
Figure G2009800002856D00137
Figure G2009800002856D00138
Figure G2009800002856D00139
Figure G2009800002856D001310
的值，求出上述式(2)中记载的D值。然后，将该D值、和根据测量结果得到的Δλslow及Δλfast代入到上述式(2)中进行运算，由此求出ΔT及Δε。然后，如果从这些值中减去基准温度、基准应变，则可求出探测部的温度及应变。
这些运算可使用OFDR方式的物理量测量装置10A的系统控制器53简单地进行。
(第二实施方式)
图4是表示本发明的OFDR方式的物理量测量装置的第二实施方式的简要构成图。本实施方式的OFDR方式的物理量测量装置10C(10)，与上述的第一实施方式的不同点在于，在第三PM光纤19上配置有多个传感器15(在图示例中为两个传感器15a、15b)。
而且，在该实施方式的OFDR方式的物理量测量装置10C中，在相邻的传感器(第一传感器15a、第二传感器15b)之间的光纤长度的中间，进一步配置有第二光路长度调整部21b(21)。因此，可以分别使来自第一传感器15a和第二传感器15b中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的光路长度恒定。即，当对来自第一传感器15a和第二传感器15b的布拉格反射光、和来自参照用反射端的反射光的干涉信号进行STFT解析时，这些来自正交的两个偏振轴的布拉格反射光，在第一传感器15a及第二传感器15b固有的位置，分别作为相同的位置被检测出来。结果，可以准确地确定各传感器15a、15b的位置。
使用了本实施方式的OFDR方式的物理量测量装置10C的情况，与上述的第一实施方式时同样，可进行传感器15的位置的确定、温度和应变的测量。在本实施方式中，例示了在第三PM光纤19设置了两个传感器15(第一传感器15a及第二传感器15b)的情况，但本实施方式的OFDR方式的物理量测量装置并不限于此。对于本实施方式的OFDR方式的物理量测量装置，可以在第三PM光纤19设置三个以上的传感器15。该情况下，也与设置有两个传感器15的本实施方式一样，可以按每个传感器15，将来自其正交的两个偏振轴的布拉格反射光作为相同位置检测出来。即，即便在第三PM光纤19设置了三个以上的传感器15，也能够准确地确定各个传感器15的位置，以高的空间分辨率进行应变测量。
(第三实施方式)
关于上述第一实施方式～第二实施方式涉及的OFDR方式的物理量测量装置10，优选配置有传感器15的第三PM光纤19由正交的两个偏振轴的有效折射率差(双折射)大的PM光纤构成。
由此，正交的两个偏振轴的相对于温度和应变的灵敏度差增大，可以实现更高精度的温度和变形的同时测量。更具体而言，优选正交的两个偏振轴的有效折射率差为4.4×10-4以上。通过满足该值，如同可从后述的实施例得到的那样，使相对于传感器的温度变化的布拉格波长的移位特性差大于-5.0×10-4nm/℃。结果，可得到温度精度为2℃、应变精度为30με这一极高精度的温度和应变的测量精度。
〔实施例〕
下面，通过实施例进一步具体说明本发明，但本发明并不限于以下的实施例。
[实施例1]
图5是表示实施例1的OFDR方式的物理量测量装置10D的简要构成图。本实施例以上述第一实施方式的OFDR方式的物理量测量装置10A为基础构成。在图5中，对和图1所示的第一实施方式的OFDR方式的物理量测量装置10A的构成要素相同的构成要素附加相同的符号，并省略其说明。
实施例1的OFDR方式的物理量测量装置10D，通过在图1所示的OFDR方式的物理量测量装置10A中进一步具备两个PM耦合器31、32、光电二极管35、和两个参照用反射端37、38而成。这些部件通过作为PM光纤的一种的PANDA光纤41、42、43、44、47、48而连接设置。而且，第一～第四PM光纤及PM耦合器11也使用了PANDA光纤。
可调谐激光器12借助通用接口总线(GPIB)与系统控制器53连接，由此进行控制。
来自两个光电二极管13、35的信号被A/D转换器54取样，该取样数据由系统控制器53进行STFT解析。关于该解析方法，如在上述的第一实施方式中记载那样。
作为PM耦合器11、31、32，使用了藤仓公司制造的PTAP-0150-2-B(型号)。
作为可调谐激光器12，使用了Agilent公司制的8164A(型号)。
作为光电二极管13、35，使用了New Focus公司制造的2117FC(型号)。
作为PANDA光纤17、18、19、20、41、42、43、44、47、48，使用了藤仓公司制造的SM-15-PS-U25A(型号)。
作为系统控制器53，使用了美国国家仪器(National Instruments)公司制的PXI-8106(型号)。
作为A/D转换器54，使用了美国国家仪器(National Instruments)公司制的PXI-6115(型号)。
可调谐激光器12射出以某一恒定速度、某一恒定波长范围扫描(单调增加或单调减少)的单一偏振波的测定光。
在该实施例1中，输出以速度10nm/s在波长范围1545～1555nm扫描的测定光。
从可调谐激光器12射出的单一偏振波的测定光，在PANDA光纤41的慢轴中传播而入射到PM耦合器31。然后，被该PM耦合器31进行光功率分支，入射到两个光干涉仪中。
上述两个光干涉仪中的一个由PM耦合器32、参照用反射端37、38、和35光电二极管简要构成。在该一个光干涉仪中，生成了与具有参照用反射端37的PANDA光纤47、和具有参照用反射端38的PANDA光纤48的光纤长度差(光路长度差)对应的触发信号。在该实施例1中，设PANDA光纤47和PANDA光纤48的光纤长度差为50m。
该触发信号通过以下的方法生成。
当从可调谐激光器12使以某一恒定速度、某一恒定波长范围扫描的测定光入射到该光干涉仪时，测定光被参照用反射端37、38反射，该干涉光由光电二极管35测量。由光电二极管35取得的信号被A/D转换器54取样并转换成电压信号。该电压信号被系统控制器53摄入。从可调谐激光器12射出的测定光，其波长以恒定速度发生变化。因此，由光电二极管测量的信号成为以恒定的光波数间隔变动的正弦函数。从而，通过将某一恒定的电压值作为阈值，利用系统控制器53在超过该阈值的时刻(从阈值以下的值起超过阈值的时刻、或者从阈值以上的值起低于阈值的时刻)生成触发信号，由此所生成的触发信号成为某一恒定的光波数间隔。
该触发信号的生成方法，即便在可调谐激光器12的扫描速度不恒定的情况下，也在触发信号所产生的光波数间隔总是恒定这一点上非常有效。
上述两个光干涉仪中的另一个，由图1所示的第一实施方式简要构成。
传感器15通过使用了KrF激元激光器和均匀相位掩模的通常曝光方法而制成。在该实施例1中，设光栅长度(传感器长度)为5mm。而且，设从与具有参照用反射端14的PANDA光纤14相当的位置到传感器15为止的距离L1约为20m。并且，在从L1的中间位置、即与具有参照用反射端14的PANDA光纤18的长度相当的位置起约10m的位置，设置有90°偏移融合作为光路长度调整部21。作为入射部20，在PANDA光纤16中设置有45°偏移融合。
接着，利用系统控制器53对得到的光干涉信号D1进行STFT解析。此时的光干涉信号D1与第一实施方式同样、用式(1)表示。在该实施例1中，以与约40ms间隔(如果使可调谐激光器12为10nm/s的速度，换算成波长，则约为400pm间隔)相当的窗口宽度对得到的光干涉信号D1进行了解析。在可调谐激光器12的扫描速度不恒定的情况下，可以不是某一恒定的时间间隔，而是以相当于某一恒定的光波数间隔(即，某一恒定的波长间隔)的窗口宽度进行解析。
使用本实施例的OFDR方式的物理量测量装置10D，测量了传感器15的状态。将结果表示于图6。
在OFDR方式的物理量测量装置10D中，用光谱图表示来自传感器15的布拉格反射光。对于该光谱图，横轴表示波长，纵轴表示光纤位置(从与具有参照用反射端14的PANDA光纤18相当的位置起的光纤长度)，色调表示布拉格反射强度。
在图6所示的光谱图中，认为1550.6nm的布拉格反射光来自传感器15的慢轴，1550.2nm的布拉格反射光来自传感器15的快轴，得到了各自的位置约为19.672nm近似一致的结果。
在该实施例1中，由于得到了来自传感器15的正交的两个偏振轴的布拉格反射光，所以确认了可以同时测量温度和应变。由此确认了，在使用本实施例的OFDR方式的物理量测量装置10D进行应变测量的情况下，不需要温度补偿用的传感器。而且，由于可以准确地确定传感器15的位置，所以能以高的空间分辨率进行应变测量。
接着，使用本实施例的OFDR方式的物理量测量装置10D，在基准温度(20℃)下对传感器15赋予应变，测定了传感器15中的慢轴和快轴的布拉格波长变化的应变依赖性。而且，通过采用本实施例，在基准应变(0με)下对传感器15赋予温度变化，测定传感器15中的慢轴和快轴的布拉格波长变化的温度变化依赖性，由此求出传感器15中的上述式(2)的各项，结果得到了下述式(3)。当使用该式(3)进行计算时，上述式(2)中的D值成为D＝-9.1515×10-7(nm2/με·℃)。
Figure G2009800002856D00181
通过将由测量结果得到的Δλslow和Δλfast及上述的D代入到上述式(2)中，进行运算，由此求出ΔT及Δε。然后，如果从这些值减去基准温度、基准应变，则求出探测部的温度及应变。
接着，说明为了验证本发明的效果而进行的比较例1、2。该比较例1、2不是现有技术，是为了验证本发明的效果而实施的新技术。
[比较例1]
除了将入射部及光路长度调整部的融合连接部的偏振轴偏移角度设为0°以外，与实施例1同样地制作了OFDR方式的物理量测量装置，将其作为比较例1。使用该比较例1的OFDR方式的物理量测量装置，测量了传感器的状态。将结果表示于图7。
根据图7的结果可知，在该比较例1中，只能获得来自传感器15的慢轴的布拉格反射光。只利用来自一个偏振轴的布拉格反射光，不可能同时测量传感器15的温度和应变。因此，在使用比较例1的OFDR方式的物理量测量装置进行应变测量的情况下，需要温度补偿用的传感器。
[比较例2]
除了将光路长度调整部的融合连接部的偏振轴偏移角度设为0°以外，与实施例1同样地制作了OFDR方式的物理量测量装置，将其作为比较例2。使用该比较例2的OFDR方式的物理量测量装置，测量了传感器的状态。将结果表示于图8。
根据图8的结果可知，在该比较例2中，能获得来自传感器15的慢轴及快轴的布拉格反射光。因此，在使用比较例2的OFDR方式的物理量测量装置进行应变测量的情况下，与实施例1同样，不需要温度补偿用的传感器。但是，由于各个布拉格反射光的位置不同，所以无法准确地确定传感器15的位置，作为结果，无法以高的空间分辨率进行应变测量。
在该比较例2中，由光电二极管13得到的光干涉信号D2用下述式(4)表示。
D2＝Rslowcos(k2nslowL1)+Rfostcos(k2nfastL1)    (4)
与在第一实施方式及实施例1中得到的光干涉信号D1的不同点在于，右边第一项及第二项中的从可调谐激光器12射出的测定光往复移动光纤长度差L1的光路长度不同。这是因为，对于nslow和nfast而言，总是满足nslow＞nfast的关系。式(4)中的右边第一项和右边第二项的光路长度不同是指，慢轴和快轴的布拉格反射光相对于光纤长度差L1具有不同的光路长度。即，如图8的结果所示，各自的布拉格反射光的位置不同。
这是因为，在进行STFT解析时，与必须对正交的两个偏振轴的信号分别使用各不相同的有效折射率(nslow和nfast)无关，由于这些信号被合波，由光电二极管13作为光干涉信号D2进行测量，所以必须以某一恒定的有效折射率(在比较例2中使用了nslow)进行计算。
在图8所示的光谱图中，来自传感器15的慢轴的布拉格反射光的位置约为19.629m，来自传感器15的快轴的布拉格反射光的位置约为19.624m。因此，其差约为5mm。
由于使用了传感器和OFDR方式的解析方法的光纤传感器系统具有1mm以下的空间分辨率，所以可以检测出该差。换言之，由于在其他方式的光纤传感器系统中不具有该水准的空间分辨率(或者，没有确定位置的手段)，所以无法检测出该位置错移。即，仅在使用了FBG传感器和OFDR方式的解析方法的光纤传感器系统中是有效的手段。
接着，对来自传感器15的慢轴和快轴的布拉格反射光的位置错移量Δ1进行计算。将结果表示于图9。该图9根据下述式(5)求出。
n slow &Delta;l = n slow L 1 - n fast L 1 &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; &Delta;l = ( n slow - n fast ) L 1 n slow - - - ( 5 )
其中，此时传感器15的长度相对L1足够短，可以忽略。
在上述式(5)中，nslow和nfast采用了基于由传感器15的布拉格反射光的波长、和根据在传感器15的制作中使用的均匀相位掩模的衍射光栅的间隔计算出的光栅周期而求出的值、从近场图案测定求出的值等。
在该比较例2中，使用了通过下述式(6)，基于传感器15的布拉格反射光的波长、和根据在传感器15的制作中使用的均匀相位掩模的衍射光栅的间隔计算出的光栅周期而求出的值、nslow＝1.44756、nfast＝1.44720。
n slow = &lambda; slow 2 &Lambda; n fast = &lambda; fast 2 &Lambda; - - - ( 6 )
在上述式(6)中，λslow和λfast表示来自传感器15中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的波长。A表示根据均匀相位掩模的衍射光栅的间隔计算出的光栅周期。
根据图9的结果可知，在光纤长度差L1、即从成为基准的位置到传感器15的距离为20m时，计算出来自传感器15的慢轴和快轴的布拉格反射光的位置错移量约为5mm。因此，确认了与比较例2的实验结果良好一致。
根据该计算结果，在将使用了FBG传感器和OFDR方式的解析方法的光纤传感器系统的空间分辨率设为1mm的情况下，当从成为基准的位置到传感器15的距离为4m以上时，认为可以明确地确认来自传感器15的慢轴和快轴的布拉格反射光的位置错移。
即可知，当从成为基准的位置到FBG传感器的距离为4m以上时，本发明是极为有效的。
[实施例2]
图10是表示实施例2的OFDR方式的物理量测量装置10E的简要构成图。本实施例2与实施例1的不同点在于，是以上述第二实施方式的OFDR方式的物理量测量装置10C为基础制作的。即，本实施例与实施例1的不同点在于，在第三PM光纤(PANDA光纤)19上配置有第一传感器15a和第二传感器15b，在该第一传感器15a和第二传感器15b的中间配置有第二光路长度调整部21b(90°偏移融合)。第二传感器15b设置在距离第一传感器15a为5m的位置。第二光路长度调整部21b设置在距离第一传感器15a和第二传感器15b约为2.5m的位置。
图11表示了使用本实施例的OFDR方式的物理量测量装置10E，测量第一传感器15a的结果，图12表示测量第二传感器15b的结果。
从图11的结果可知，来自第一传感器15a的慢轴的布拉格反射光的位置、和来自第一传感器15a的快轴的布拉格反射光的位置大致一致，均约为19.672m。
从图12的结果可知，来自第二传感器15b的慢轴的布拉格反射光的位置、和来自第二传感器15b的快轴的布拉格反射光的位置大致一致，均约为24.757m。
根据上述结果可知，即便在配置了多个传感器的情况下，通过在相邻的这些传感器的中间分别设置光路长度调整部(90°偏移融合)，可按每个FBG传感器，使来自其正交的两个偏振轴的布拉格反射光在相同的位置。
[实施例3]
除了配置有传感器15的第三PM光纤19由慢轴和快轴的有效折射率差(双折射)大的PANDA光纤构成之外，与实施例1同样地制作，将其作为实施例3。
当使用图3进行说明时，该双折射大的PANDA光纤可以通过使应力赋予部62的配置接近纤芯61而实现。即，通过应力赋予部62的配置，可以任意调整PANDA光纤的双折射。
使用本实施例的OFDR方式的物理量测量装置，测量了传感器15的状态。将结果表示于图13。
在图13所示的光谱图中，1551.1nm的布拉格反射光来自传感器15的慢轴，1550.4nm的布拉格反射光来自传感器15的快轴。
当对在实施例3中得到的传感器15的光谱图进行更为详细的解析时，慢轴与快轴的布拉格波长差为0.670nm。而且，根据该布拉格波长差计算出的双折射为6.22×10-4。对在实施例1中得到的传感器15的光谱图进行更为详细的解析而得到的布拉格波长差为0.391nm，根据该布拉格波长差计算出的双折射为3.65×10-4。即，构成实施例3的传感器15的PANDA光纤，与构成实施例1的传感器15的PANDA光纤相比，具有接近2倍的较大双折射。
接着，采用本实施例，在基准温度(20℃)下对传感器15赋予应变，测定了传感器15中的慢轴和快轴的布拉格波长变化的应变依赖性。而且，采用本实施例，在基准应变(0με)下对传感器15赋予温度变化，测定了传感器15中的慢轴和快轴的布拉格波长变化的温度变化依赖性，由此求出传感器15中的上述式(2)的各项，结果得到下述式(7)。当使用该式进行计算时，上述式(2)中的D值成为D＝-10.908×10-7(nm2/με·℃)。
Figure G2009800002856D00231
在使用上述式(2)计算温度和应变时，
Figure G2009800002856D00232
与
Figure G2009800002856D00233
之差(布拉格波长相对于慢轴和快轴的应变的移位特性差)、及
Figure G2009800002856D00234
与
Figure G2009800002856D00235
Figure G2009800002856D00236
之差(布拉格波长相对于慢轴和快轴的温度变化的移位特性差)越大，温度和应变的计算精度越高。对于在实施例3中得到的上述式(7)而言，应该注意的是与在实施例1中得到的上述式(3)相比，布拉格波长相对于慢轴和快轴的温度变化的移位特性差较大。
具体而言，在实施例1得到的上述式(3)中为-3.7×10-4nm/℃，与此相对，在实施例3得到的上述式(7)中为-7.2×10-4nm/℃。即，实施例3的传感器15具有与实施例1的传感器15相比接近2倍的布拉格波长相对于温度变化的移位特性差。
可认为这是由构成各个传感器的PANDA光纤的双折射之差引起的。对于PANDA光纤而言，公知在纤芯中产成的双折射与温度的上升成比例地减小，在作为应力赋予部的熔点的800～900℃左右，双折射大致为0。即，基准温度下的双折射越大，上升单位温度的双折射的减少量越增大。因此，实施例3的传感器15具有与实施例1的传感器15相比接近2倍的布拉格波长相对于温度变化的移位特性差。
接着，对实施例3的传感器15赋予任意的温度变化和应变，利用实施例3的OFDR方式的物理量测量装置测量了温度变化和应变，将其结果表示于表1。
表1
Figure G2009800002856D00241
将从基准温度(20℃)起的温度变化设为20℃、40℃、100℃(即设定温度为40℃、60℃、120℃)，将从基准应变(0με)起的应变变化设为257με、535με、1056με，在共计9种条件下进行了温度和应变的测量。结果，得到温度精度为2℃以下、应变精度为30με以下这一极高精度的温度和应变的同时测量结果。
如上述说明那样，根据实施例3，本发明的OFDR方式的物理量测量装置中使用的由FBG形成的传感器，优选由双折射大的PANDA光纤构成。对由FBG形成的传感器的温度变化和应变的同时测量精度进行了详细研究，结果可知，优选具有布拉格波长相对于该传感器的温度变化的移位特性差大于-5.0×10-4nm/℃的移位特性。
图14是表示对PANDA光纤的双折射和由该光纤构成的FBG所形成的传感器的布拉格波长相对于温度变化的移位特性差进行评价的结果的曲线图。
根据图14的结果，在PANDA光纤的双折射为4.4×10-4以上时，具有该传感器的布拉格波长相对温度变化的移位特性差大于-5.0×10-4nm/℃的移位特性。即，优选PANDA光纤的双折射为4.4×10-4以上。但是，如果为了增大双折射而使应力赋予部过度接近纤芯，则存在PANDA光纤的制造成品率变差这一问题。因此，优选PANDA光纤的双折射是能够以良好的成品率进行制造的2.0×10-3以下。
其中，在本实施例中，为了使由FBG形成的传感器的布拉格波长相对于温度变化的移位特性差大于-5.0×10-4nm/℃，使用了将应力赋予部接近纤芯且双折射大的PANDA光纤。作为能够实现本发明的其他PANDA光纤，可以举出具备熔点低的应力赋予部的PANDA光纤。更具体而言，在应力赋予部的熔点为600℃以下时，可以使布拉格波长的移位特性差大于-5.0×10-4nm/℃。
[实施例4]
除了设传感器长度为100mm之外，与实施例3同样地进行制作，将其作为实施例4。使用本实施例的OFDR方式的物理量测量装置10F，测量了传感器15的状态，结果表示于图15。
在图15所示的光谱图中，1549.4nm的布拉格反射光来自传感器15的慢轴，1548.7nm的布拉格反射光来自传感器15的快轴。
对该光谱图进行更为详细的解析而得到的布拉格反射光的波长差为0.670nm。该波长差与传感器长度为5mm的实施例3的传感器等同。因此，传感器长度为100mm的本实施例的传感器15中使用的PANDA光纤，其双折射是与实施例3的传感器15中使用的PANDA光纤同等的双折射。
图16是示意地表示用于通过本实施例的OFDR方式的物理量测量装置10F，来测量在传感器中产生的温度分布和应变的实验系统的图。
在该实验系统中，利用砝码W沿着传感器15的长边方向赋予均匀的应变。而且，在该实验系统中，能够通过可独立控制温度的加热器A及加热器B，沿着传感器15的长边方向赋予不均匀的温度变化。
使用本实施例的OFDR方式的物理量测量装置10F，利用图16所示的实验系统测量了传感器15的状态。将结果表示于图17。此时，由砝码W施加给传感器15的应变为1000με，由加热器A施加给传感器15的温度变化为100℃，由加热器B施加给传感器15的温度变化为60℃。
如图17所示，被加热器A加热的传感器的区域，发生了与1000με的应变和100℃的温度变化相当的布拉格波长移位。另一方面，在被加热器B加热的传感器的区域中，发生了与1000με的应变和60℃的温度变化相当的布拉格波长移位。而加热器A和加热器B之间的未加热区域，发生了仅与1000με的应变相当的布拉格波长移位。即，在本实施例中，通过沿着传感器15的长边方向测量传感器15的慢轴和快轴的布拉格波长的变化量，可以同时测量沿着该传感器15的长边方向的温度分布和应变。
接着，在图16所示的实验系统中，使由砝码W施加给传感器15的应变恒定为1000με，使由加热器A施加给传感器15的温度变化恒定为100℃，而仅使由加热器B施加给传感器15的温度变化在0～100℃的范围内变化。然后，测量了加热器A的位置及加热器B的位置处的温度变化和应变。将其结果表示于图18。
如图18所示，在加热器A的位置处，测量到的应变恒定为1000με。另外，关于温度变化，也恒定为1 00℃。另一方面，在加热器B的位置处，测量到的应变恒定为1000με，测量到的温度变化与加热器B的设定温度相关地变化。即，可以高精度地同时测量在加热器A的位置和加热器B的位置处发生的温度变化和应变。
如以上说明那样，通过本实施例，本发明可以同时且高精度地测量沿着由FBG构成的传感器的长边方向的温度分布和应变。而且，通过使用本发明，即便在沿着由FBG构成的传感器的长边方向产生温度分布和应变分布的情况下，也可以同时且高精度地对它们进行测量。
工业上的可利用性
通过本发明的OFDR方式的物理量测量装置，可进行传感器的温度和应变的同时测量。而且，可以准确地确定传感器的位置，能够以高的空间分辨率进行物理量的测量。并且，可以同时测量沿着传感器的长边方向的温度分布和应变分布。

Claims (9)

1.一种光频域反射测定方式的物理量测量装置，其特征在于，具备：
射出测定光的可调谐激光器；
一端与该可调谐激光器连接的第一保偏光纤；
与该第一保偏光纤的另一端连接的保偏耦合器；
一端与该保偏耦合器连接，另一端作为参照用反射端的第二保偏光纤；
一端与所述保偏耦合器连接的第三保偏光纤；
形成于该第三保偏光纤的纤芯且由光纤光栅构成的传感器；
一端与所述保偏耦合器连接的第四保偏光纤；
借助该第四保偏光纤与所述保偏耦合器连接，对来自所述传感器中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光和来自所述参照用反射端的参照光进行检测的光电二极管；
根据由该光电二极管检测出的所述布拉格反射光和所述参照光的合波光强度变化，检测上述布拉格反射光和参照光之间的干涉强度的调制的控制部；
向所述第二保偏光纤的正交的两个偏振轴及所述第三保偏光纤的正交的两个偏振轴双方，入射所述测定光的入射部；和
配置于所述第三保偏光纤，使来自所述传感器中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的光路长度恒定的光路长度调整部，
所述入射部被配置于所述第一保偏光纤、或所述第二保偏光纤与所述第三保偏光纤双方。
2.根据权利要求1所述的光频域反射测定方式的物理量测量装置，其特征在于，
在该入射部被配置于所述第一保偏光纤的情况下，所述入射部是在该第一保偏光纤具有45°的偏振轴偏移角度而形成的融合连接部；
在所述入射部被配置于所述第二保偏光纤及所述第三保偏光纤双方的情况下，所述入射部是分别在上述第二保偏光纤及所述第三保偏光纤具有45°的偏振轴偏移角度而形成的融合连接部。
3.根据权利要求1或2所述的光频域反射测定方式的物理量测量装置，其特征在于，
所述光路长度调整部是在形成有所述传感器的所述第三保偏光纤具有90°的偏振轴偏移角度而形成的融合连接部。
4.根据权利要求1或2所述的光频域反射测定方式的物理量测量装置，其特征在于，
所述光路长度调整部被设置在从与所述第二保偏光纤的长度相当的位置到所述传感器的光纤长度的中间。
5.根据权利要求1或2所述的光频域反射测定方式的物理量测量装置，其特征在于，
所述第三保偏光纤中配置有多个所述传感器。
6.根据权利要求5所述的光频域反射测定方式的物理量测量装置，其特征在于，
所述光路长度调整部分别被配置在邻接的所述传感器之间的光纤长度的中间。
7.根据权利要求1或2所述的光频域反射测定方式的物理量测量装置，其特征在于，
所述第三保偏光纤中的正交的两个偏振轴的有效折射率为4.4×10-4以上。
8.一种使用了光频域反射测定方式的物理量测量装置的温度和应变的同时测量方法，其特征在于，包括：
使用权利要求1～7中任意一项所述的光频域反射测定方式的物理量测量装置，测量来自一个或多个所述传感器中的正交的两个偏振轴的布拉格反射光的波长的步骤；
根据测量出的所述布拉格反射光的波长，计算所述传感器中的所述布拉格反射光的波长因温度和应变引起的变化量的步骤；和
根据计算出的所述变化量，同时测量配置有所述传感器的部位的温度及应变的步骤。
9.根据权利要求8所述的使用了光频域反射测定方式的物理量测量装置的温度和应变的同时测量方法，其特征在于，
计算出所述第三保偏光纤的沿着配置有所述传感器的部位长边方向的温度分布及应变分布。
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