CN110268229A - 光纤传感器 - Google Patents

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Abstract

光纤传感器具备：形成于光纤的中心的中心芯、和以绕着该中心芯以螺旋状卷绕的方式形成的至少一个外周芯，以使中心芯和外周芯间的光路长度差比中心芯和外周芯的有效折射率相同的情况下的光路长度差变小的方式设定中心芯的有效折射率和外周芯的有效折射率之比。

Description

光纤传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感器。
本申请基于2017年2月15日于日本申请的特愿2017-026270号主张优先权，在此引用其内容。
背景技术
以往，公知有将光纤用作传感器来测定各种物理量(例如应力、应变、温度等)的光纤传感器。该光纤传感器基于使光从作为传感器的光纤的第1端部入射并接受从光纤的第2端部射出的透过光(或者散射光)、或者从上述第1端部射出的反射光(或者散射光)而得到的受光结果，来测定上述的各种物理量。作为这样的光纤传感器的代表性的例子，可举出FBG型的光纤传感器、散射光型的光纤传感器等。
在FBG型的光纤传感器中，在光纤的芯形成有FBG(Fiber Bragg Grating：光纤布拉格光栅)。FBG型的光纤传感器在利用FBG的反射特性根据周围环境而发生变化这样的特性来测定光纤的长度方向的各种物理量的分布的用途中使用。此外，FBG型的光纤传感器例如通过OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry：光频率区域反射测定法)使用。
在散射光型的光纤传感器中，将未形成有FBG等通常的光纤用作传感器。散射光型的光纤传感器在利用光纤内产生的散射光(例如，瑞利散射光)根据周围环境发生变化这样的特性，测定光纤的长度方向上的各种物理量的分布的用途中使用。
以下的专利文献1、2公开有使用FBG型的光纤传感器通过OFDR例如对构造物所产生的应变进行计测的发明。另外，在以下的专利文献3～6和非专利文献1、2公开了在具有多个芯的多芯光纤形成有FBG的光纤传感器。例如，在以下的非专利文献2中，利用OFDR对光纤传感器的形状(安装有光纤传感器的构造物的形状)进行测定。
此处，上述的多芯光纤例如是具备形成于光纤的中心的芯(中心芯)和绕着该中心芯以螺旋状卷绕而形成的多个芯(外周芯)的光纤。例如，外周芯具有120°的间隔地配置有3个。在以下的专利文献3～6和非专利文献1、2中，在这样的多芯光纤的芯分别形成有FBG。
专利文献1:日本特许第5232982号公报
专利文献2:日本特许第5413931号公报
专利文献3:美国专利第8116601号说明书
专利文献4:美国专利第8630515号说明书
专利文献5:美国专利第8773650号说明书
专利文献6:美国专利第9417057号说明书
非专利文献1:P.S.Westbrook et al.，“Integrated optical fiber shapesenor modules based on twisted multicore fiber grating arrays”，Proc.SPIE8938，Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnostics and TreatmentApplications XIV，89380H(February 20,2014)
非专利文献2:“LUNA Fiber Optic Shape Sensing”，Document#:SS00021-D-TS,Luna Innovations Incorporated,June 21,2013
然而，在具有上述的中心芯和外周芯的多芯光纤中，中心芯相对于光纤的轴线平行，因此是直线的光路。相对于此，外周芯以螺旋状卷绕，因此外周芯的光路长度比中心芯的光路长度长。因此，若将这样的多芯光纤用作光纤传感器，则产生中心芯的测定点和外周芯的测定点间的错位。例如，在上述的非专利文献1所公开的多芯光纤的结构中，若使光纤长为2[m]，使芯间距离为35[μm]，使每单位长度的外周芯的螺旋次数为50[匝/m]，则光纤中心芯和外周芯间的的第1端部～第2端部的光路长度差成为120[μm]左右。
此处，OFDR中光纤的长度方向上的分辨率例如是40[μm]左右。因此，当将绕着中心芯以螺旋状卷绕有外周芯的多芯光纤用作光纤传感器的情况下，存在由于中心芯和外周芯间的光路长度差而导致长度方向的位置精度恶化这样的问题。特别是在使光纤传感器的长度较长的情况下，以中心芯和外周芯间的光路长度差为起因的位置误差累积变大，因此存在难以遍及光纤传感器的全长确保测定精度这样的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述状况而完成的，目的在于即便在使光纤传感器长条化的情况下也遍及全长而实现较高的测定精度。
为了解决上述课题，本发明的一方式所涉及的光纤传感器是具备形成于光纤的中心的中心芯、和以绕着该中心芯以螺旋状卷绕的方式形成的至少一个外周芯的光纤传感器，若将上述中心芯和上述外周芯间的距离设为d，将每单位长度的上述外周芯的螺旋次数设为fw，则上述中心芯的有效折射率ne1和上述外周芯的有效折射率ne2满足以下的(1)，
[式1]
其中
此处，上述光纤传感器也可以是，上述外周芯的有效折射率ne2以与上述中心芯和上述外周芯间的光路长度的比率相匹配的方式设定得比上述中心芯的有效折射率ne1低。
另外，上述光纤传感器也可以是，上述中心芯的有效折射率ne1和上述外周芯的有效折射率ne2间的比率设定为满足以下的(2)式，
[式2]
另外，上述光纤传感器也可以是，添加于上述中心芯的添加剂的摩尔浓度m1和添加于上述外周芯的添加剂的摩尔浓度m2间的比率以满足以下的(3)式的方式设定，
[式3]
另外，上述光纤传感器也可以是，在上述中心芯和上述外周芯，作为第1添加剂而添加有相同的浓度的锗，在上述外周芯，添加有具有降低折射率的作用的第2添加剂。
另外，上述光纤传感器也可以是，遍及长度方向的全长或者在长度方向的局部区域地形成有FBG。
根据本发明的上述方式，将光纤传感器的中心芯的有效折射率ne1和外周芯的有效折射率ne2以满足上述的(1)式的方式设定。因此，能够使中心芯和外周芯的光路长度差小于中心芯和外周芯的有效折射率相同的情况下的光路长度差A。由此，即便在使光纤传感器长条化的情况下也能够遍及全长实现较高的测定精度。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的光纤传感器的立体透视图。
图2是本发明的一实施方式的光纤传感器的剖视图。
图3是用于对本发明的一实施方式中的中心芯和外周芯的光路长度差进行说明的图。
图4是表示本发明的一实施方式的光纤传感器的制造方法的流程图。
图5是表示本发明的一实施方式的光纤传感器的特性的一个例子的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式的光纤传感器详细地进行说明。此外，在以下参照的附图中，为了容易理解，有时根据需要适当地改变各部件的尺寸的比例尺而进行图示。另外，以下，将在光纤的芯形成有FBG的FBG型的光纤传感器列举为例子进行说明。其中，不是意图将光纤传感器限定于FBG型的光纤传感器这样，其也能够在散射光型的光纤传感器等其他光纤传感器中应用。
〈光纤传感器的结构〉
图1是表示本发明的一实施方式的光纤传感器的立体透视图。另外，图2是本发明的一实施方式的光纤传感器的剖视图。如上述图1、图2所示那样，本实施方式的光纤传感器1是具备中心芯11、多个外周芯12(外周芯12a～12c)和包层13的多芯光纤的光纤传感器。此外，包层13的外周面也可以由被覆(省略图示)覆盖。
中心芯11是在光纤传感器1的中心相对于光纤传感器1的轴线平行地形成的芯。通过该中心芯11，在光纤传感器1的中心形成有相对于光纤传感器1的长度方向成为直线的光路。中心芯11例如由包含锗(Ge)(第1添加剂)的石英玻璃形成。另外，在中心芯11遍及其全长形成有FBG。此外，中心芯11的直径例如设定为5～7[μm]的范围。
外周芯12是形成为绕着中心芯11以螺旋状卷绕的芯。在本实施方式中，3个外周芯12a～12c在径向上以规定距离d(参照图2)与中心芯11分离，在与长度方向正交的剖面中，3个外周芯12a～12c相互具有角度θ(例如120°)的间隔地配置。这些外周芯12a～12c维持相互角度θ的间隔，并且以绕着中心芯11以螺旋状卷绕的方式沿光纤传感器1的长度方向延伸(参照图1)。根据这些外周芯12a～12c，在光纤传感器1内形成有卷绕中心芯11的螺旋状的3个光路。
与中心芯11相同，多个外周芯12a～12c例如由包含锗(Ge)(第1添加剂)的石英玻璃形成。另外，在外周芯12a～12c遍及其全长而形成有FBG。此处，例如添加于中心芯11的锗的浓度(摩尔浓度)、和添加于外周芯12a～12c的锗的浓度(摩尔浓度)间的比率设定为满足预先规定的关系(详细情况将后述)。外周芯12a～12c与中心芯11直径相同(或者几乎相同的直径)，例如设定为5～7[μm]的范围。
这是由于通过调整具有提高折射率的作用的添加剂亦即锗的浓度来调整中心芯11和外周芯12间的有效折射率的比率，使中心芯11和外周芯12间的光路长度差消失(或者较少)。此外，针对中心芯11和外周芯12a～12c的有效折射率的具体调整将后述。
中心芯11和外周芯12a～12c间的距离d，考虑芯间的串扰、中心芯11和外周芯12a～12c间的光路长度差、光纤传感器1弯曲时的中心芯11和外周芯12a～12c间的变形量之差等来设定。例如，在光纤传感器1用于测定自身的形状(安装有光纤传感器的构造物的形状)的用途的情况下，优选中心芯11和外周芯12a～12c间的距离例如为35[μm]左右，每单位长度的外周芯的螺旋次数例如为50[匝/m]左右。
包层13是从四周覆盖中心芯11和外周芯12a～12c的共用的包层。包层13的外形是圆柱形状。也能够说成：中心芯11和外周芯12a～12c由共用的包层13覆盖，因此中心芯11和外周芯12a～12c形成于包层13的内部。该包层13例如由石英玻璃形成。
〈有效折射率的调整〉
接下来，对中心芯11和外周芯12的有效折射率的调整详细地进行说明。图3是用于对本发明的一实施方式中的中心芯和外周芯的光路长度差进行说明的图。此外，以下，使光纤传感器1的中心芯11和外周芯12(外周芯12a～12c)间的距离为d，使光纤传感器1的每单位长度的外周芯12的螺旋次数为fw。
图3中，标注有附图标记P1的直线表示中心芯11，标注有附图标记P2的直线表示外周芯12。其中，图3中，仅图示与外周芯12的螺旋1个周期相当的中心芯11和外周芯12。若将中心芯11的与外周芯12的螺旋1个周期相当的光路长度设为L1，将外周芯12的与外周芯12的螺旋1个周期相当的光路长度设为L2，则它们的关系由以下的(4)式表示。
[式4]
外周芯12形成为绕着中心芯11以螺旋状卷绕，因此在中心芯11和外周芯12的有效折射率相同的情况下，外周芯12的光路长度L2比中心芯11的光路长度L1长。具体而言，若将中心芯11和外周芯12间的光路长度差表示为A，将外周芯12的长度表示为L1+A，则中心芯11和外周芯12间的光路长度差A由以下的(5)式表示。
[式5]
另外，中心芯11的与由上述(5)式表示的光路长度差A相当的长度B(换言之，光路长度差A的在光纤传感器1的长度方向上的长度B)由以下的(6)式表示。
[式6]
此处，将中心芯11的有效折射率设为ne1，将外周芯12的有效折射率设为ne2。当上述有效折射率ne1、ne2满足以下的(7)式时，中心芯11和外周芯12间的光路长度差小于中心芯11和外周芯12的有效折射率相同的情况下的光路长度差A。换句话说，若以满足以下的(7)式的方式设定中心芯11的有效折射率ne1和外周芯12的有效折射率ne2，则与中心芯11和外周芯12的有效折射率相同的情况相比，能够使光路长度差变小。作为其结果，即便在长条化的情况下也能够遍及全长地实现较高的测定精度。
[式7]
接下来，对形成于中心芯11和多个外周芯12的FBG进行研究。形成于中心芯11和多个外周芯12的FBG沿着光纤传感器1的长度方向以相同的周期形成。如上述那样，外周芯12形成为绕着中心芯11以螺旋状卷绕，因此在中心芯11和外周芯12的有效折射率相同的情况下，外周芯12的光路长度L2比中心芯11的光路长度L1长。
因此，形成于外周芯12的FBG的周期(沿着外周芯12的周期)比形成于中心芯11的FBG的周期长。若将形成于中心芯11的FBG的布拉格波长设为λ1，将形成于外周芯12的FBG的布拉格波长设为λ2，则它们的关系由以下的(8)式表示。
[式8]
若将形成于光纤传感器1的折射率的周期构造的1个周期的长度设为Λ，将有效折射率设为ne，则FBG的布拉格波长λB由以下的(9)式表示。
[式9]
λB＝2neΛ …(9)
若将中心芯11的有效折射率ne1和外周芯12的有效折射率ne2间的比率如以下的(10)式所示那样设定，则取消中心芯11和外周芯12间的光路长度的比率。(10)式中，右边成为比1小的值，因此有效折射率ne2的值比有效折射率ne1的值小。换句话说，外周芯12的有效折射率ne2以与中心芯11和外周芯12间的光路长度的比率匹配的方式设定得比中心芯11的有效折射率ne1低。由此，能够使中心芯11和外周芯12的间光路长度差、与中心芯11和外周芯12间的布拉格波长差成为零(或者较小)。作为其结果，即便在使纤传感器1长条化的情况下也能够遍及全长实现较高的测定精度。
[式10]
此外，例如能够通过调整添加于中心芯11和外周芯12的锗的比率来实现上述(10)式所示的有效折射率ne1、ne2的比率。具体而言，将添加于中心芯11的锗的摩尔浓度m1和添加于外周芯12的锗的摩尔浓度m2间的比率以满足以下的(11)式的方式设定即可。
[式11]
〈光纤传感器的制造方法〉
接下来，对上述的光纤传感器的制造方法进行说明。图4是表示本发明的一实施方式的光纤传感器的制造方法的流程图。在制造光纤传感器的情况下，首先，进行形成有效折射率相互不同并具有所希望的有效折射率差的中心芯11的芯材和外周芯12的芯材的工序(工序S1)。此外，外周芯12的芯材也可以是一个也可以是多个。
具体而言，形成以预先规定的浓度添加了具有提高折射率的作用的添加剂亦即锗的中心芯11的芯材和以比中心芯11的芯材低的浓度添加锗的外周芯12的芯材。例如，将添加于中心芯11的芯材的锗的摩尔浓度m1和添加于外周芯12的芯材的锗的摩尔浓度m2间的比率调整为例如满足上述的(11)式。优选由预制体分析机测定形成的芯材，确认是否得到所希望的有效折射率差。
接下来，进行将形成的中心芯11和外周芯12的芯材插入玻璃管(毛细管)而作成光纤传感器1的母材的工序(工序S2)。具体而言，通过在供中心芯11和外周芯12的芯材配置的位置形成有孔的毛细管分别插入由上述的工序S1形成的中心芯11和外周芯12的芯材，并熔融、拉伸而作成光纤的母材。此外，上述的毛细管最终成为光纤传感器1的包层13。
接下来，进行一边使母材旋转一边对母材进行纺线，并且将具有紫外线(UV：UltraViolet)透过性的被覆件形成于包层的外侧的工序(工序S3)。具体而言，由上述工序S2作成的母材设置于纺线机，通过纺线机一边使母材旋转一边进行纺线。此时，在通过纺线而得到的素线的外周换句话说包层13的外周形成有具有紫外线透过性的被覆件。此处，一边使母材旋转一边进行纺线是为了使外周芯12成为螺旋状。另外，在包层的外周形成具有紫外线透过性的被覆件是为了一边卷绕光纤一边照射紫外线而在中心芯11和外周芯12形成FBG。
接着，进行从被覆件上照射透过了相位掩模的紫外光而在中心芯11和外周芯12形成FBG的工序(工序S4)。在中心芯11和外周芯12添加有锗，经由相位掩模而使紫外光照射于中心芯11和外周芯12，由此添加于中心芯11和外周芯12的锗与紫外光反应。由此，使具有折射率在长度方向上周期性地变化的构造的FBG形成于中心芯11和外周芯12。
此处，在中心芯11和外周芯12的直径是5～7[μm]左右、中心芯11和外周芯12间的距离d是35[μm]、每单位长度的外周芯的螺旋次数fw是50[匝/m]的情况下，根据前述的(8)式，中心芯11和外周芯12间的布拉格波长之差在1.55μm带的波长域中为95[pm]左右。添加有锗的芯的有效折射率例如约为1.48，用于修正该布拉格波长之差的外周芯12的有效折射率差(外周芯12相对于中心芯11而言的有效折射率差)为0.0001左右。
另外，在中心芯11和外周芯12间的距离d是50[μm]、每单位长度的外周芯的螺旋次数fw是100[匝/m]的情况下，根据前述的(8)式，中心芯11和外周芯12间的布拉格波长之差成为770[pm]，变大。为了修正该布拉格波长之差，需要使外周芯12的有效折射率差(外周芯12相对于中心芯11的有效折射率差)成为0.0007左右。
图5是表示本发明的一实施方式的光纤传感器的特性的一个例子的图。具体而言，图5是表示中心芯11和外周芯12间的有效折射率比(ne2/ne1)、与中心芯11和外周芯12间的光路长度差的关系的图。此外，在图5中，横轴为中心芯11和外周芯12的有效折射率比，纵轴为中心芯11和外周芯12的光路长度差。
图5所示的特性是中心芯11和外周芯12间的距离d为35[μm]、在光纤传感器1的长度方向上的外周芯12的螺旋1个周期的长度为20[mm]、光纤传感器1的全长为2[m]以上的情况下的特性。如图5所示那样，中心芯11和外周芯12的光路长度差处于与中心芯11和外周芯12的有效折射率比成正比的关系。
此处，如图5所示那样，若中心芯11和外周芯12的光路长度差在图中的Δ所示的范围内，则与两者的有效折射率相同的情况下的光路长度差相比，两者的光路长度差变小。因此，在上述的情况下，优选使中心芯11和外周芯12的有效折射率比(ne2/ne1)以满足以下的式的方式设定。
0.99988＜(ne2/ne1)＜1
如以上那样，在本实施方式中，将光纤传感器1的中心芯11的有效折射率ne1和外周芯的有效折射率ne2以满足前述的(7)式的方式设定。因此，能够使中心芯11和外周芯12间的光路长度差小于在中心芯11和外周芯12的有效折射率相同的情况的光路长度差A。由此，即便在光纤传感器1为长条化的情况下也能够遍及全长地实现较高的测定精度。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明未被上述实施方式限制，能够在本发明的范围内自由变更。例如，在上述的实施方式中，对通过调整具有提高折射率的作用的添加剂亦即锗的浓度来调整外周芯12的有效折射率的例子进行了说明。然而，也可以是，通过使添加于中心芯11和多个外周芯12的锗的浓度相同，并将例如硼(B)、氟(F)等具有降低折射率的作用的添加剂(第2添加剂)添加于多个外周芯12a～12c，来调整外周芯12a～12c的有效折射率。
另外，调整中心芯11和外周芯12的有效折射率的方法不局限于改变添加剂的浓度、种类的方法。例如，也可以通过改变中心芯11和外周芯12的直径来调整有效折射率。或者，也可以是，例如通过绕着外周芯12a～12c分别独立地设置低折射率层来调整有效折射率。
另外，在上述的实施方式中，对以绕着中心芯11以螺旋状卷绕的方式形成的外周芯12由3个外周芯12a～12c构成的例子进行了说明。然而，外周芯12的数量也可以是任意的，例如也可以仅为一个，也可以为4个以上。例如，若使外周芯12的数量为6个，则当在光纤传感器1的剖面观察的情况下，与中心芯11匹配地成为最密填充排列，因此优选。
另外，在上述的实施方式中，为了容易理解，对在光纤传感器1的中心芯11和外周芯12a～12c遍及光纤传感器1的长度方向的全长地形成有FBG的例子进行了说明。然而，FBG不一定需要遍及光纤传感器1的长度方向的全长地形成，也可以仅在长度方向的局部区域地形成。
另外，形成于中心芯11和外周芯12a～12c的FBG也可以是恒定周期的结构，也可以是周期连续变化的结构(啁啾光栅)。另外，在光纤传感器1的中心芯11和外周芯12a～12c，不一定需要形成有FBG，也可以未形成有FBG。
附图标记说明
1…光纤传感器；11…中心芯；12…外周芯；12a～12c…外周芯。

Claims (6)

1.一种光纤传感器，具备形成于光纤的中心的中心芯、和以绕着该中心芯以螺旋状卷绕的方式形成的至少一个外周芯，其中，
若将所述中心芯和所述外周芯间的距离设为d，将每单位长度的所述外周芯的螺旋次数设为fw，则所述中心芯的有效折射率ne1和所述外周芯的有效折射率ne2满足以下的(1)式，
[式1]
其中
2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，
所述外周芯的有效折射率ne2以与所述中心芯和所述外周芯间的光路长度的比率匹配的方式设定得比所述中心芯的有效折射率ne1低。
3.根据权利要求1或2所述的光纤传感器，其特征在于，
所述中心芯的有效折射率ne1和所述外周芯的有效折射率ne2间的比率设定为满足以下的(2)式，
[式2]
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光纤传感器，其特征在于，
添加于所述中心芯的添加剂的摩尔浓度m1和添加于所述外周芯的添加剂的摩尔浓度m2间的比率以满足以下的(3)式的方式设定，
[式3]
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光纤传感器，其特征在于，
在所述中心芯和所述外周芯，作为第1添加剂而添加有相同的浓度的锗，
在所述外周芯，添加有具有降低折射率的作用的第2添加剂。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的光纤传感器，其特征在于，
遍及长度方向的全长或者在长度方向的局部区域地形成有FBG。
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