JP2002524728A - 光ファイバ温度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、光信号を供給する光源（１０、３０）と、光源に接続された第１光ファイバ伝送線（１２、３２）と、第１光ファイバ伝送線に接続された光ファイバ受感部分（１４、３４）と、光ファイバ受感部分に接続された第２光ファイバ伝送線（１６、３６）と、第２光ファイバ伝送線に接続されて、光源によって伝送されて光ファイバを通過する光信号を受信して解析する光学検出処理回路（１８、３８）とを含む光ファイバ温度センサであって、前記光ファイバ受感部分が平面支持器の上に取り付けられ、所定の距離（Ｎ１）を通じて所定の振幅（Ａ１）の曲がりで曲がっていることを特徴とする光ファイバ温度センサに関する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、温度センサの分野に関し、特にコンパクトな光ファイバ温度センサ
に関する。

【０００２】 現在、光ファイバ温度センサは２つの部類に分けられている。すなわち第１の
部類はいわゆるエキストリンシック光センサであり、第２の部類はイントリンシ
ック光センサである。エキストリンシック光センサでは、光ファイバは単一の伝
送線機能を保証する受動素子であり、したがってこれは測定しようとする物理的
変数に対して完全に無感覚でなければならない。逆にイントリンシック光センサ
に対しては、ファイバの実際の物理的特性に直接作用する測定すべき変数に敏感
な素子は光ファイバ自体である。

【０００３】 特にフランス特許第２６６４６９５号では、（光源からの）外向き接続長と（
検出および活用回路への）戻り接続長とを含む多モード形光ファイバが、監視し
ようとする媒質中に数回の巻数を有する所定曲率の巻線中の受感部に形成されて
いる、イントリンシック形の光ファイバ温度センサが知られている。このセンサ
は、湾曲した光ファイバの複屈折をあてにするものである。ファイバの湾曲はフ
ァイバ中で応力を誘導することによって損失を、したがって伝送される光度の低
下を引き起こすことが知られている。

【０００４】 しかし、このような温度センサにはなお多くの欠点がある。第１に、光ファイ
バの受感部の構成は数回にわたって巻かれており、センサの空間所要量と寿命に
影響する。実際に各光ファイバはファイバが破断を起すことになるクリティカル
な曲率半径Ｒｃ（例えば、外径ｒを有する完全にシリカでできたファイバについ
ては、このクリティカルな曲率半径は１００ｒ／３．３である）を有している。
それ故に、センサの空間所要量はこの最小寸法が強要され、センサの寿命は巻き
半径がこのクリティカルな破断直径に近づくほど短くなる。さらにまた、多モー
ドファイバの使用は特に厳しい活用条件を生じさせる。実際、この形式のファイ
バは多数の伝搬モードを含む。この多数の伝搬モードは、ファイバの光学幾何的
性質（屈折率およびコア半径、屈折率プロファイル、開口数）、光源の初期入射
条件（立体角および放射された波長の光源ファイバ距離、軸方向整列および角整
列）、伝送線の条件（直線経路または湾曲経路）、および周辺温度によって大き
く左右される。そのため、１つのセンサから他のセンサへの同一のモード分布を
得ることは非常に困難である。結局、このような湾曲した光ガイドでは温度応答
はファイバの入力端におけるモード分布に直接結びつき、最初の湾曲長のみが損
失発生の有力な一因となり、損失は事実上ある一定の長さを過ぎると安定するこ
とが想定される。

【０００５】 したがって本発明は、それでも大きな直線性と幅広い測定範囲を有し、産業的
活用を可能にするように配置されるコンパクトな光ファイバ温度センサに関する
ものである。

【０００６】 これらの目的は、光信号を供給する光源と、光源に接続された第１光ファイバ
伝送線と、第１光ファイバ伝送線に接続された光ファイバの受感部と、光ファイ
バの受感部に接続された第２光ファイバ伝送線と、第２光ファイバ伝送線に接続
されて、光源によって伝送されて光ファイバを通過する光信号を受信して解析す
る光学検出処理回路とを含む光ファイバ温度センサであって、光ファイバの前記
受感部が平面支持器の上に取り付けられ、所定の距離（Ｎ１）を通して所定の振
幅（Ａ１）の曲がりで湾曲していることを特徴とする光ファイバ温度センサによ
って達成される。受感部は周期的に（Ｔ１）湾曲していることが好ましい。

【０００７】 光ファイバの受感部が完全に決定された特性を有する光ガイドの中に形成され
ているこの特に簡単な構造を通じて、特に正確な温度測定値を得ることが可能で
ある。さらに光ファイバの使用はセンサに、電磁的原因による不安に関する完全
な免除と、敏感な媒質、特に爆薬において完全な安全性を提供する。

【０００８】 代替実施形態では、第２伝送線をこの光ファイバ温度センサから除去して、光
ファイバ受感部分に直接接続された平面反射素子によって置き換えることができ
る。この平面反射素子は、所定の長さ（Ｎ１）にわたり所定の湾曲振幅（Ａ１）
を有する平面の周期的に湾曲する（Ｔ１）支持器の上に取り付けられている。

【０００９】 受感部を形成するために使用される光ファイバに応じて、湾曲周期Ｔ１は、下
記の不等式、 ステップ屈折率ファイバに対して、２πＴ１≧１／ρ²ｋｎ₁＋２√Δ／ρ、ま
たは下記の等式、 放物線屈折率プロファイルを有する光ファイバについて、Ｔ１＝ρπ√（２／
Δ） （ただし、Ｔ１＝２π／Δは波動ベクトルのモジュール、λは光学波長、 ｎ１は光ファイバのコア材料の屈折率、 Δ＝（ｎ₁−ｎ₂）／ｎ₂は光ファイバのコア材料とクラッド材料の屈折率の相
対差、および ρは光ファイバコアの半径） のいずれかを満たすように選択される。

【００１０】 ある好ましい実施形態によれば、本発明による温度センサの光ファイバ受感部
分は、平面支持器の上に取り付けられ、所定の長さ（Ｎ２、Ｎ３）にわたって所
定の湾曲振幅（Ａ２、Ａ３）で周期的に湾曲している（Ｔ２、Ｔ３）ファイバセ
クションによって、それぞれ上流と下流で先行され追従されている。光ファイバ
の上流セクションと下流セクションのこれらの所定長は同じであることが好まし
い。

【００１１】 光ファイバの上流セクションと下流セクションの湾曲の所定周期は、放射モー
ドによる結合を引き起こすことなくトラップモードのすべての間で最適の結合を
得るように決定される。

【００１２】 光ファイバが多モードファイバであり、屈折率を低下させるコア材料とクラッ
ド材料（外側クラッドを含む）とから形成されることは有利である。これはその
受感部において、外側クラッドよりも屈折率が低くて温度に対して光ファイバコ
アとは異なる光学的性質を有する材料の少なくとも１つの追加層によって囲まれ
ている。第１実施形態によれば、追加材料層は、コア材料自体が一定であるか温
度によって上昇する光屈折率を有するときに、温度と共に低下する光屈折率を有
することもできる。第２実施形態によれば、この追加材料層は、コア材料自体が
一定であるか温度によって低下する光屈折率を有するときに、温度と共に上昇す
る光屈折率を有することもできる。

【００１３】 第１および第２光ファイバ伝送線を織り交ぜて、小さな振幅と所定の周期の曲
げネットワークを形成することは好ましい。この所定の周期は、放射モード間の
結合を引き起こすことなくトラップモード間で最適結合が得られるように選択さ
れる。

【００１４】 光源が次の３種類のソース、すなわちレーザ形のコヒーレントな光源、スーパ
ー発光ダイオード形の部分的にコヒーレントな光源、および発光ダイオード形の
低コヒーレントの光源の中から選択される。

【００１５】 第１および第２光ファイバ伝送線は単一の光ファイバを形成することが好まし
い。しかしながらこれらの第１および第２光ファイバ伝送線は、光ファイバ受感
部分を形成する光ガイドによって接続された２つの別個の光ファイバで形成する
こともできる。

【００１６】 本発明はまた、先に述べたような２つの温度センサを備えた温度測定装置にも
関し、互いに接近して配置されたこれら２つのセンサは１つの共通の光源によっ
て供給され、各々は光出力信号をそれぞれ第１および第２検出器に供給する。第
１実施態様では、これら２つのセンサの１つにおける光ファイバ受感部分は、実
質的に温度に関係なく一定の信号を対応する検出器に供給できるように温度に無
感覚にされる。第２実施形態では、これら２つのセンサの光ファイバ受感部分は
反対の温度変化を有する光信号を第１および第２検出器に供給して、これら２つ
の信号の合計が実質的に温度に関係なく一定の基準信号を構成することができる
ように、反対記号の温度屈折率変化係数を持った材料を有する。この第２実施形
態では特に、環境的変動を防ぐための一つの基準を得ることができる。

【００１７】 本発明はまた、光源と、外向き伝送線と、単一ループ受感部と、戻り伝送線と
、第１検出器とを有する前述の構造による第１温度センサを備えた温度測定装置
であって、この第１センサは第２温度センサと協働することを目的とし、第２温
度センサの受感部は第１センサの受感部に直接隣接して配置され、これによって
前記単一ループの近くに放射される放射発光のすべてまたは一部を取り出して、
これを１つまたは複数の光伝送線によって第２検出器に向ける温度測定装置にも
関し、その際、第１および第２検出器に到達する光信号は反対の温度変化を有す
る。したがって、これら２つの信号の釣り合った和は実質的に温度に関係なく一
定の基準信号を構成することができる。検出されたこれら２つの信号の変量符号
を解析することによって、温度による影響を他の変動から区別することができる
。こうして、センサによって生ずる２つの信号におけるどの同じ符号変化も、測
定すべき変数につながらない効果の一助となる。これは、伝送ケーブルが曲げを
受けて２つのセンサの出力信号同時低下を引き起こすときに発生するものである
。これはまた、光源の強度が変動するときの場合でもある。信号をディジタル化
してコンピュータ処理した後に、光源や信号増幅回路に作用して、またはさらに
よいことであるが適切なアルゴリズムを使用して、修正を行うことができる。２
つの信号に算術演算子を利用して比率測定形式の結果を得ることもできる。この
結果は、アナログ演算子を使用して、またはコンピュータ処理によって得ること
ができる。

【００１８】 第１実施態様では、第１および第２センサの受感部は互いに接近した半径で曲
げられ、受信ファイバの２つの自由端は光伝送線を通じて第２検出器に接続され
ている。第２実施態様では、第２センサのこの受感部は直線で、第１センサの受
感部にできるだけ近接して配置され、その反対端は光伝送線を通じて第２検出器
に接続されている。

【００１９】 これら両方の場合において、温度測定装置はさらに、第１センサから第２セン
サへの光転送効率を向上させるために、２つのセンサの受感部間に挿入されて光
集中装置の機能を発揮する追加の光学装置を含むことができる。この追加の光学
装置は、第２センサのファイバコアを被覆する光クラッドの屈折率に近いが第１
センサのコアを被覆する光クラッド材料の屈折率より僅かに高い屈折率を有する
材料で形成されるのが有利である。前述の第１実施態様では、この追加装置は、
第１および第２センサの２つの曲がった受感部の間に挿入できるように、小さな
断面の半環形状である。前述の第２実施態様では、これは第１センサの受感部と
同じ曲率の丸いベースを有する四分円の形状で、第２センサの受感部と接触する
尖っている頂部を有する。

【００２０】 最後に、本発明は、光源と、光ファイバ伝送線と、光ファイバ受感部分と、平
面反射素子と、第１検出器とを含む前述の反射式の温度センサを備えた温度測定
装置を備えた応用であって、このセンサはさらに光ファイバの受感部の前面に置
かれた回折格子を含んで、光源によって放射される光信号のスペクトルの一部が
光源によって伝送される光信号のスペクトルの一部分を基準信号として戻り反射
させるようにし、この光源の前面に配置された平面回折素子によってこの基準信
号を第２検出器に向けられることができ、光学的測定信号はこの平面回折素子を
通過した後にも第１検出器に向けられる。光源はレーザダイオードまたはスーパ
ー発光ダイオードなどの空間的にコヒーレントなものであることが好ましい。

【００２１】 本発明の他の特徴および利点は、例示的で非限定的な例によって添付の図面を
基準して行う次の説明から明らかになろう。

【００２２】 本発明による温度センサの第１実施形態の例を図１に示す。このセンサは、光
源１０と、外向き光ファイバ伝送線１２と、光ファイバ受感部分１４と、戻り光
ファイバ伝送線１６と、検出処理回路１８とを含む。外向きおよび戻り伝送線と
受感部は、単一の光ファイバとして形成されることが有利である。しかし、これ
らの伝送線は、受感部に接続されてから光ガイドによって形成された２つの別個
の光ファイバで形成することもできる。

【００２３】 光信号を放射する光源１０は、レーザ形の空間的にコヒーレントな光源、また
はスーパー発光ダイオード形の部分的にコヒーレントなもの、またはさらに発光
ダイオード形の低いコヒーレントのものにすることができる。

【００２４】 外向き光ファイバ伝送線１２は、光ファイバの構成コア材料とクラッド材料の
温度屈折率変化係数（振幅と符号における）が実質的に等しいために、本質的に
温度に不感にされた多モード光ファイバによって形成される。この条件は特に、
同じ材料で作られたコアとクラッドとを有する「オールシリカ」と呼ばれる従来
のファイバによって満たされる。さらに、よい励起性を保証し、光源における入
射条件をできる限り避けるために、このファイバを放物屈折率プロファイルの種
類を選択することが好ましい。しかし、ステップ屈折率ファイバの使用を考える
こともできる。同様に、分解／再組立時に再現性が悪いという欠点を有するマイ
クロレンズを備えた光コネクタまたはカップラの使用を避けるために、この伝送
線の一端が、例えば溶融過程後の接着によって、およびコリメートする装置（図
示せず）を通すように、光源１０に取り付けられ固定される。

【００２５】 戻り伝送線１６は外向き線と類似の構成を有し、この線の一端は集束装置（図
示せず）を通すように検出素子１８に取り付け固定される。

【００２６】 外向き伝送線と戻り伝送線の２本が、（ファイバ放射モードによる損失を制限
するため）低振幅で、かつ、光ファイバによって誘導される伝搬モードのすべて
が励起されるように選択された周期をもつ曲げネットワークを形成するように互
いに織り交ぜることが有利である。したがって、これらの誘導モードの最適結合
が達成され、モードの定常状態分布と呼ぶことができる。光源・外向き伝送線お
よび検出素子・戻り伝送線の対を１つのケース内に取り付け、それから共通の電
子処理ボードに接着固定することができる。

【００２７】 検出処理回路１８は、受信した光信号を電気信号に変換する光電子光電検出器
（例えばフォトトランジスタまたはフォトダイオード）、および評価しようとす
る温度を導き出すための信号に対する電子処理素子を含む。もちろん、後で示す
ように、センサはその処理素子において基準が与えられ、伝送線における曲げ効
果、熱に起因するさまざまな変動、または例えば伝送線における望ましくない温
度変化などの、測定値を妨害することが可能なさまざまな妨害要素を避ける。

【００２８】 監視しようとする媒質に接触またはこの中に浸すことによって温度測定を保証
する目的の光ファイバ受感部分１４は、多モードガイドによって形成され、変形
応力がゼロである平面構造の曲げネットワークの中に配置されている。

【００２９】 任意の多モード光ファイバにおけるあるモードの伝搬定数βは、その２つの整
数パラメータμ、νによって定義され、これらはそれぞれ関連する電磁界の放射
および方位依存関係を表す。この伝搬定数は下記の等式の解である。

【数１】 ただし、 ｋ＝２π／λは波動ベクトルモジュール、λは光の波長、 ｎ₁は光ファイバのコア材料の屈折率、 Δ＝（ｎ₁−ｎ₂）／ｎ₂は、光ファイバのコア材料とクラッド材料の屈折率の
相対差、 αは、ファイバの屈折率の空間プロファイルを定義する係数（α＝２は放物屈
折率プロファイルを有するファイバに相当する）、そして ρは光ファイバのコア半径である。

【００３０】 トラップモードが負わされる境界条件は、 ０＜（２μ＋ν）²＜Δ（ρｋｎ₁）²α／（α＋２） の関係を満たさなければならない。 Δβ＝２π／Ｔ のような周期性Ｔを有するフォールトの存在は、２つのモードまたはモードの
群を結合して、最隣接部への結合に関連する選択規則を満たす。

【００３１】 こうして、ステップ屈折率ファイバについては（α→∞）、隣接モード間の空
間は、

【数２】 によって得られ、 ここで、ガイドモードの終了は １／ρ²ｋｎ₁≦Δβ≦１／ρ²ｋｎ₁＋２√Δ／ρ である。

【００３２】 したがって、周波数２π／Ｔの周期的な機械的フォールトがステップ屈折率光
ファイバに加えられ、 ２π／Ｔ≦１／ρ²ｋｎ₁ の場合には、結合がなく、または １／ρ²ｋｎ₁≦２π／Ｔ≦１／ρ²ｋｎ₁＋２√Δ／ρ （１） の場合には、ガイドモード間にのみ結合があり、または ２π／Ｔ≧１／ρ²ｋｎ₁＋２√Δ／ρ （２） の場合には、ガイドモードと放射モードの間に結合があることがわかる。

【００３３】 放物屈折率プロファイルを有する光ファイバの場合には（α＝２）、モード間
の空間はこれらの順序とは無関係である。したがって、周期Ｔのどのフォールト
も、誘導伝搬放射モードのすべてを特にこのフォールトの振幅に関連する強度で
結合する（Ｔの多重マイクロ曲げの採用によって減衰ピークを得ることができる
）、すなわち

【数３】 さらに Ｔ＝ρπ√（２／Δ） ただし、Δ＝（ｎ₁−ｎ₂）／ｎ₂は、光ファイバのコア材料とクラッド材料の
屈折率の相対差、そしてρは光ファイバのコア半径である。

【００３４】 式（２）、（３）の適用によって、マイクロ曲げの周期Ｔ１とネットワークの
変形の振幅Ａ１を必要な測定の感度と範囲の関数として定義することができる。
ネットワーク周期の数Ｎ１は本来、監視しようとする媒質によって利用可能な接
触表面によって定義される。最低限として、特に図１に示すような時間的に正確
な測定の場合には、この数を単位以下にすることもでき、半周期はセンサの受感
部を形成して戻り伝送線への接続に必要な戻り半ループを得るために十分であり
得る。図２は、受感部が６周期を含み、上流セクションと下流セクションが各々
３周期である、他のセンサ例を示す。

【００３５】 光ファイバの受感部を作るための２つの技法を現在考えることができる。第１
の周知の技法は、事前に整形されたシリコンまたはガラスのサブストレートに光
ファイバを直接統合することによって、特定の光ガイドを作りだすことからなる
。第２の技法は光ファイバ用の熱成形工程を使用する。この工程は、光ファイバ
の製造サイクルの中またはセンサ受感部の仕上げ中のいずれかに挿入することが
できる。後者の場合には、ファイバは一定の長さにわたってその機械的被覆が剥
離され、また事前に確定された曲げを備えた平面支持物に固定されたその１つま
たは複数の光クラッドも多分剥離される。それから組立品を十分な温度にして、
材料を確実に軟化させ、それからファイバがいったんマイクロ曲げ形状を取ると
、この剥離された部分を、ファイバのコア屈折率と光学的に両立できるがコアと
は異なる温度変化特性を有する屈折率を低下させる材料の一層または複数層によ
って被覆する。ケースとしての役目をすることのできる最後の材料が、センサの
受感部にその耐性とその決定的な機械的強度をもたらすことは好ましい。

【００３６】 この形状化工程によって、センサの長い寿命を保証する変形応力がゼロのマイ
クロベント光ファイバを得ることができ、これを弾性光学的効果から免除するこ
とが注目されよう。

【００３７】 本発明の好ましい一実施形態によれば、光ファイバ１６の受感部分は、温度に
対して不感になっている光ファイバの２つの同一セクション２０、２２によって
先行および追従され、さらに所定の曲がりネットワークにされて平面支持物に配
置されている。第１セクションすなわち外向きセクションの役目は、モード分布
を最適化して受感部の入力端において定常モード分布を得ることであり、第２セ
クションすなわち戻りセクションの役目は、この受感部の出力端においてこの定
常モード分布を再構成することである。したがって、外向きおよび戻り伝送線の
同一挙動とセンサのよりすぐれた応答再現性を保証することが可能である。

【００３８】 周期Ｔ２、Ｔ３は式（１）から、この不等式の中央の項から右の項へ等しくす
ることによって固定され、こうして放射モードによる結合を起こすことなくファ
イバにおけるすべてのトラップモードの間での（損失のない）最適結合を保証す
る。しかし、このような等式は完全ではあり得ないので、それでも結合は放射モ
ードを伴って発生し、したがって十分に低い対応する振幅値Ａ２、Ａ３を提供す
るために損失を制限する必要がある。周期の数Ｎ２、Ｎ３は前述のように利用可
能な接触表面の関数として選択される。

【００３９】 本発明による温度センサの動作は、光ファイバにおける輝度変調（振幅とも呼
ばれる）の原理に基づく。これは、開口数（ＯＮ）の変化の関数である光ファイ
バの出力端において収集されるパワーの熱影響を通じた測定に依存する。

【００４０】 これゆえに、温度測定は２つの相補原理、すなわち光ファイバの開口数の正変
調から得られる第１結果と、この開口数の負変調から得られる逆の第２結果を実
行することができる。これら２つの動作モードの１つまたは別の１つを選択する
ことは、光ファイバを形成する材料に対して、さらに正確には、ファイバのコア
および１つまたは複数の光クラッドの屈折率の、（値と符号における）温度の関
数としての変化係数に対して行われる選択に本質的に依存する。

【００４１】 したがって、開口数の正変調を得るためには、一定の屈折率、または光ファイ
バコアについて温度によって増加する屈折率を有する光学的伝送材料（例えばシ
リカ）を選択することだけが必要であるが、光クラッド、特に外側クラッドにつ
いては、コアと両立できるが温度とともに低下する光屈折率を有する材料（例え
ばシリコン）を選択することだけが必要である。センサのこの動作モードでは、
温度の上昇は開口数を増加させる原因となり、光信号の減衰に対応する光信号の
最低値は最低動作温度に対して得られる。反対に、開口数の負変調を得るために
は、前述の材料とは反対の光学的特性を有する材料が選択される。この動作モー
ドでは、温度の上昇は開口数を減少させる原因となり、したがって最低動作温度
によって光信号の最高値をその飽和に対応して得ることができる。

【００４２】 これら２つの限界温度はセンサの測定範囲を定義し、この範囲内で、センサの
応答は温度の関数として線形であると考えられる。これら２つの低温限界と高温
限界の計算は、このファイバの局率半径と直線ファイバの限界屈折角との関数と
して表現できる曲がりファイバの限界屈折各の決定から、簡単に非常に便利に実
施できることが注目されよう。

【００４３】 もちろん、使用の前には、光ファイバ製造時に使用される構成部分の特性の分
散とその一時的な変動に関連する測定誤差を制限するために、センサを較正しな
ければならない。監視しようとする媒質にセンサを取り付けると、例えばセンサ
の較正された応答に相当する所定の基準温度に対する測定値を取ることによって
、簡単な較正法を実施することができる。

【００４４】 さらに、温度に関連するものとは別の受信した信号における変動を正しく避け
るために、センサに基準を与えることが一般的である。この機能は、測定しよう
とする温度の影響以外の変動、例えば伝送線の曲がりの影響、材料の圧力変形ま
たは熱変形に関連する信号の変化を感知することである。

【００４５】 図３は、共通光源３０によって供給される先に定義した温度センサのものと同
じ構造を２つ有する温度測定装置の第１例を図示する。このセンサは、この共通
光源に加えて第１外向き伝送線３２、第１受感部分３４、第１戻り伝送線３６、
第１検出器３８を含むことが想起されよう。この第１センサに接合して第２セン
サがあり、この第２センサは共通光源３０に固定的に取り付けられた第２外向き
伝送線４２、第２受感部分４４、第２戻り伝送線４６、および第２検出器４８を
有する。さらに、伝送線のセットが、これらの線のあらゆる点において同一モー
ド分布を保つように、光ファイバを周期的に織り交ぜて形成されている。

【００４６】 第１代替実施形態では、伝送線３２、３６、４２、４６のように温度に対して
本質的に不感にした第２受感部分４４は、（監視しようとする媒質の中に置かれ
た）第１受感部分３４によって実施される測定のための基準センサを構成する。
したがって、この構成によって、２つのセンサ構造に類似の様式で作用する温度
から結果的に得られるもの以外のどの変化（変動）も、光源に加えられる対向反
応ループ（図示せず）によって相殺することができる。測定装置における２つの
検出器の出力端では、一方では測定信号が、他方では実質的に温度に関係なく一
定の基準信号が利用可能である。

【００４７】 第２代替実施形態では、第１および第２受感部分３４、４４は、監視しようと
する媒質の中に互いにできるだけ近接して置かれるが、これらを形成する光ファ
イバは、同じ振幅であるが符号が反対であることが好ましい温度屈折率変化係数
を有する材料が選らればれている。２つのセンサに対して局率半径と増幅利得を
適当に選択することによって、材料に固有の差は互いに補償することができ、測
定の線形範囲を得ることができる。検出器の出力端で、温度とともに増加する第
１測定信号（正変調で動作する）と温度とともに減少する第２測定信号（負変調
で動作する）とが利用可能となり、これら２つの信号の和は実質的に温度に関係
なく一定の基準信号を構成する。前述のように、対向反応ループに結合された２
つの測定信号の変化符号を解析することによって、温度の影響を他の変動の影響
から区別することができる。実際に、２つの信号におけるどの同じ符号の変化も
温度に関連のない影響に帰属する。この変化は例えば、伝送線が曲げを受けて光
ファイバの出力信号の低下を引き起こす場合、または光源の強度が変動する場合
である。

【００４８】 図４、６は、一方では先に図示したものと同一の構造を有するが（図１に示す
ように）単一ループバージョンである第１センサを、他方では温度影響以外の他
の影響を避けるために第１センサと協働することを目的とする第２センサを統合
した、温度測定装置の第２例および第３例を示す。第１光ファイバセンサは光源
７０、外向き伝送線７２、単一ループを有する受感部分７４、戻り伝送線７６、
および第１検出器７８を含む。外向き伝送線と戻り伝送線のセットは、これらの
線のあらゆる点において同一モード分布を保つように、光ファイバを周期的に織
り交ぜるように形成されている。この第１センサは、第１信号が温度と共に増加
するマイクロベント正変調センサ形式のものである。第２センサも光ファイバに
よって形成され、この受感部分は、単一ループの曲がり部分の近くから放射され
る発光のすべてまたは一部分を拾い上げるように、第１センサの受感部分に直接
隣接して配置されている。この第２センサは、第１センサによって発光エネルギ
ー損失を拾い上げる任務を果たすアンテナの原理に従って動作する。アンテナと
して使用される光ファイバは温度の影響に対して本質的に不感に作られ、第１光
ファイバの受感曲がり部分によって放射されるもの以外のどんな光信号によって
も励起されない。次に拾い上げられた信号は、１つまたは複数の光伝送線によっ
て第２検出器に搬送される。

【００４９】 図４の構成では、放射ファイバ（第１センサ７４の受感部分）と受信ファイバ
（第２センサ８０の受感部分）は互いに近い半径に従って曲げられている。受信
ファイバの２つの自由端は伝送線８２、８４を経て第２検出器８６に接続されて
いる。有利な第１実施形態によれば、２つのファイバのコアは、共通光クラッド
の役目を果たす材料の中に埋め込まれている。一方から他方への光の転送は、２
つのファイバのコアより僅かに低い屈折率を有するこの光学的に活性の材料を通
じた拡散によって達成される。他の好ましい実施形態によれば、材料によって拡
散される光を収集し集中させることによって、第１センサから第２センサへの光
転送効率を上げるために、２つのファイバの間に１つの追加の装置を挿入するこ
とができる。この装置も、受信ファイバが温度の影響に関係のないそれ自体の開
口数を保つことができるように断熱目も果たす。この特定の配置によって、２つ
のセンサの間で比例する信号変化を得ることができる。

【００５０】 その最も簡単な形では、図５に示すように、この追加光学装置の構成材料は、
第２センサのコアを被覆する光クラッドの屈折率に近いが第１センサのコアを被
覆する光クラッド材料の屈折率より僅かに大きな屈折率を有する、ガラス形式に
することもできる。これは、２つのセンサ７４、８０の曲がり受感部分の間に挿
入できるように、小さな断面の半環形状８８を有する。

【００５１】 図６の構成では、受信ファイバ（第２センサ９０の受感部分）は直線で、放射
ファイバ（第１センサ７４の受感部分）にできるだけ近く配置されている。その
反対端は伝送線９２を経て第２検出器９４に接続されている。同様に、集中装置
および断熱材としての役目をする追加装置が２つのファイバの間に挿入されてい
る。この追加光学装置の構成材料の光学的性質は前述のものと同じであるが、図
７に示すように幾何学的形状は異なる。この第２構成では、これは第１センサ７
４の受感部分と同じ曲率の丸いベースと第２センサ９０の受感部分と接触する尖
った頂部とを有する四分円９６の形状を有する。

【００５２】 図３の構成におけるように、温度によって反対方向に変化する２つの信号を、
２つの検出器７８；８６、９４の出力端において常に利用可能である。したがっ
て、これら２つの信号の釣り合った和は実質的に温度に関係なく一定の基準信号
を構成することができる。また、温度が上昇すると、第１センサの曲がり受感部
分の周りで生ずる光信号損失は減少し、第１センサの出力信号は増加し、第２セ
ンサの出力信号は減少する。２つのセンサから出される信号は大きく相関され、
（アナログまたはディジタル）処理の後に実際の温度影響を他の影響から区別で
きるようにする。こうして、光源７０によって放射されたエネルギーに変動があ
るときには、両センサの両出力信号において同時に増加または減少のいずれかが
存在することになる。光伝送線の機械的変形の場合でも結果は同じである。

【００５３】 さらに特定すれば、アナログ処理の場合には、２つの信号を算術的演算にかけ
て比率測定型の結果を得る。ディジタル処理の場合には、これらの信号を事前に
アナログ／ディジタル変換器に送り、それからマイクロコントローラをプログラ
ミングして、光源または検出器に作用するかまたは適切なアルゴリズムによって
修正を行う。

【００５４】 図８に、本発明による光ファイバ温度センサの第２実施形態例を反射構成で示
す。このセンサも放射ダイオード１０を有する光源、一端がこの光源に固定的に
取り付けられている外向き光ファイバ伝送線１２、その伝送線の延長であり、ま
た２つのファイバセクション２０、２２の間に挿入された光ファイバ１４の受感
部分、および光電検出器セル１８を含む検出処理回路を含む。この構成ではこの
検出処理回路は光源の中に統合することができる（放射ダイオードと光電検出器
セルとの分離は、もちろんカップラ２７または図９で示すような他の分離装置を
使用することにより可能である）。しかし、戻り伝送線はこの構成では存在せず
、平面反射素子、例えばミラー２４に代わっている。

【００５５】 センサの全体的空間所要量と戻り線に関連する損失を減少させるこのセンサ構
成によって、もちろん、図１を参照して先に説明したものと同一の動作モードが
可能である。

【００５６】 この反射構成に特によく適する較正装置を、これから図１０を参照して説明す
る。空間的にコヒーレントな光源５０（レーザまたはスーパー発光ダイオード）
を使用して、平面回折光学素子５４を通じて光信号を光ファイバ伝送線５２に放
出する。光ファイバ５８の受感部分のちょうど前面に置かれた回折格子（例えば
ブラッグ格子５６）によって、放射された光信号のスペクトルの一部分が戻り反
射する。この信号は温度に対して不感であり、したがって基準信号としての役目
をする。回折格子によって伝送される光信号の一部分は、ミラー６０が存在する
ので受感部分５８を２回通過することになる。最初のものとは異なる戻りスペク
トル信号は基準信号と同じ経路を取ることになる。光源５０のすぐ前面で、回折
光学素子５４は２つの光学測定信号および基準信号の区別を可能にし、各信号は
個別の検出器６２、６４によって検出される。

【００５７】 本発明による光ファイバセンサは非常に多くの利点を有する。例えば、非常に
高い線形性、−２００〜１０００℃の温度範囲における大きな測定範囲、１０^{-4 0} Ｃ台の非常に高い解像度、非常に長い寿命、モード分布が一定に再確立してい
るために規則的に分布した感度、極めてコンパクトな形状、特に、受感部分が平
面構造であるためにどのような支持物にも取付けが容易であること、すぐれた反
復性、妥当な製造コスト、および実施が容易であることが挙げられる。

【００５８】 監視しようとする媒質の様々なゾーンから平均温度値を決定する場合に、この
構造は特によく適していることに注目されたい。これらのゾーンの各々に受感部
部を置き、これらを伝送線によって互いに接続するだけでよく、このセンサネッ
トワークを通過する光信号を確実に送受信するためには、１つの光源と１つの検
出器で十分である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による光学的温度センサの第１実施形態の例を示す図である。

【図２】 図１のセンサの代替実施形態を示す図である。

【図３】 図１のセンサを総合した第１測定構成例を示す図である。

【図４】 図１のセンサを総合した第２測定構成例を示す図である。

【図５】 図４の光ファイバの受感部を示す詳細図である。

【図６】 図１のセンサを総合した第３測定構成例を示す図である。

【図７】 図６の光センサの受感部を示す詳細図である。

【図８】 本発明による光センサの第２実施形態の例を示す図である。

【図９】 図８の光センサの代替実施形態を示す図である。

【図１０】 図８のセンサを総合した第４測定構成例を示す図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年１１月２０日（２０００．１１．２０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光信号を供給する光源（１０、３０）と、光源に接続された
   第１光ファイバ伝送線（１２、３２）と、第１光ファイバ伝送線に接続された光
   ファイバ受感部分（１４、３４）と、光ファイバ受感部分に接続された第２光フ
   ァイバ伝送線（１６、３６）と、第２光ファイバ伝送線に接続されて、光源によ
   って伝送されて光ファイバを通過する光信号を受信して解析する光学検出処理回
   路（１８、３８）とを含む光ファイバ温度センサであって、前記光ファイバ受感
   部分が平面支持器の上に取り付けられ、所定の距離（Ｎ１）だけ所定の振幅（Ａ
   １）の曲がりで曲がっていることを特徴とする光ファイバ温度センサ。
2. 【請求項２】 前記光ファイバ受感部分が周期的に曲がっている（Ｔ１）こ
   とを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。
3. 【請求項３】 光信号を供給する光源（１０）と、光源に接続された第１光
   ファイバ伝送線（１２）と、第１光ファイバ伝送線に接続された光ファイバ受感
   部分（１４）と、光ファイバ受感部分に接続された平面反射素子（２４）と、や
   はり第１光ファイバ伝送線に接続されて、光源によって伝送され反射素子による
   反射の前後に光ファイバを通過する光信号を受信して解析する光学検出処理回路
   （１８）とを含む光ファイバ温度センサであって、前記光ファイバ受感部分が平
   面支持器の上に取り付けられ、所定の距離（Ｎ１）だけ所定の振幅（Ａ１）の曲
   がりで周期的に曲がっている（Ｔ１）ことを特徴とする光ファイバ温度センサ。
4. 【請求項４】 受感部分がステップ屈折率を有する請求項２または請求項３
   に記載の温度センサであって、前記の曲がり周期が次の不等式 ２π／Ｔ１≧１／ρ²ｋｎ₁＋２√Δ／ρ （ただし、ｋ＝２π／Δは波動ベクトルのモジュール、λは光学波長、 ｎ₁は光ファイバのコア材料の屈折率、 Δ＝（ｎ１−ｎ２）／ｎ２は光ファイバのコア材料とクラッド材料の屈折率の
   相対差、およびρは光ファイバコアの半径） を満たすように選択されることを特徴とする温度センサ。
5. 【請求項５】 受感部分が放物線屈折率プロファイルを有する請求項２また
   は請求項３に記載の温度センサであって、前記の曲がり周期が次の等式（または
   この等式の倍数）： Ｔ１＝ρπ√（２／Δ） （ただし、Δ＝（ｎ₁−ｎ₂）／ｎ₂は光ファイバのコア材料とクラッド材料の
   屈折率の相対差、およびρは光ファイバコアの半径） を満たすように選択されることを特徴とする温度センサ。
6. 【請求項６】 光ファイバの前記受感部分が、平面支持器の上に取り付けら
   れ、所定の長さ（Ｎ２、Ｎ３）にわたって所定の湾曲振幅（Ａ２、Ａ３）で周期
   的に湾曲している（Ｔ２、Ｔ３）ファイバセクションによって、それぞれ上流と
   下流で先行され追従されていることを特徴とする請求項１または請求項３に記載
   の温度センサ。
7. 【請求項７】 上流光ファイバセクションと下流光ファイバセクションの前
   記所定長が同じであることを特徴とする請求項６に記載の温度センサ。
8. 【請求項８】 上流光ファイバセクションと下流光ファイバセクションの前
   記湾曲の所定周期が、放射モードの結合を引き起こすことなくトラップモードす
   べての間で最適の結合を得るように決定されることを特徴とする請求項６に記載
   の温度センサ。
9. 【請求項９】 前記光ファイバがマルチモードファイバであることを特徴と
   する請求項１または請求項３に記載の温度センサ。
10. 【請求項１０】 低下する屈折率のコア材料とクラッド材料（外側クラッド
    を含む）とから形成される前記光ファイバが、その受感部分において、外側クラ
    ッドよりも屈折率が低くて温度に対して光ファイバコアとは異なる光学的性質を
    有する材料の少なくとも１つの追加層によって囲まれていることを特徴とする請
    求項９に記載の温度センサ。
11. 【請求項１１】 前記の追加材料層が、コア材料自体が一定であるか温度に
    よって上昇する光屈折率を有するときに、温度と共に低下する光屈折率を有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の温度センサ。
12. 【請求項１２】 前記の追加材料層が、コア材料自体が一定であるか温度に
    よって低下する光屈折率を有するときに、温度と共に上昇する光屈折率を有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の温度センサ。
13. 【請求項１３】 第１および第２光ファイバ伝送線を織り交ぜて、小さな振
    幅と所定の周期の曲げネットワークを形成することを特徴とする請求項１に記載
    の温度センサ。
14. 【請求項１４】 前記所定の周期が、放射モード間の結合を引き起こすこと
    なくトラップモード間で最適結合が得られるように選択されることを特徴とする
    請求項１３に記載の温度センサ。
15. 【請求項１５】 前記光源が次の３種類のソース、すなわちレーザ形のコヒ
    ーレント光源、スーパー発光ダイオード形の部分コヒーレント光源、および発光
    ダイオード形の低コヒーレント光源の中から選択されることを特徴とする請求項
    １または請求項３に記載の温度センサ。
16. 【請求項１６】 前記光源が第１光ファイバ伝送線（１２、３２、４２）の
    一端に固定的に取り付けられ、前記検出装置が第２光ファイバ伝送線（１６、３
    ６、４６）の一端に固定的に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記
    載の温度センサ。
17. 【請求項１７】 第１および第２光ファイバ伝送線および光ファイバ受感部
    分が単一の光ファイバを形成することを特徴とする請求項１または請求項３に記
    載の温度センサ。
18. 【請求項１８】 第１および第２光ファイバ伝送線が、光ファイバ温度受感
    部分を形成する光ガイドによって接続された２つの別個の光ファイバで形成され
    ていることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の温度センサ。
19. 【請求項１９】 互いに接近して配置された２つの温度センサが共通の光源
    （３０）によって付勢され、各々は光出力信号をそれぞれ第１および第２検出器
    に供給し、これら２つのセンサのうちの１つの検出器の光ファイバ部分（４４）
    は、対応する検出器（４８）に実質的に温度に関係なく一定の基準信号を供給で
    きるように、温度に不感である請求項１に記載の２つの温度センサを備えた温度
    測定装置。
20. 【請求項２０】 監視しようとする媒質の中に互いに接近して配置された２
    つの温度センサが共通の光源（３０）によって付勢され、各々は光出力信号をそ
    れぞれ第１および第２検出器に供給し、逆の温度変化を有する光信号を第１およ
    び第２検出器（３８、４８）に供給できるように、これら２つのセンサの光ファ
    イバ受感部分（３４、４４）が反対符号の温度屈折率変化係数を有する材料を有
    し、これら２つの信号の和は実質的に温度に関係なく一定である基準信号を構成
    する請求項１に記載の２つの温度センサを備えた温度測定装置。
21. 【請求項２１】 光源（７０）と、外向き伝送線（７２）と、単一ループ受
    感部分（７４）と、戻り伝送線（７６）と、請求項１に記載の第１センサ（７８
    ）とを含む第１温度センサを備えた温度測定装置であって、この第１センサは、
    前記単一ループ近くに伝送される放射発光のすべてまたは一部分を拾い上げて、
    これを１つ（９２）または複数（８２、８４）の光伝送線によって第２センサ（
    ８６；９４）に向けて送るように、第２温度センサと協働することを目的とし、
    この第２温度センサの受感部分（９０）は第１センサ（７４）の受感部分に直接
    隣接して配置されており、光信号は反対の温度変化を有する第１および第２検出
    器（７８；８６、９４）に到達する温度測定装置。
22. 【請求項２２】 第１および第２センサ（７４、８０）の受感部が互いに接
    近した半径にしたがって曲げられ、受信ファイバの２つの自由端は光伝送線（８
    ２、８４）を通じて第２検出器（８６）に接続されていることを特徴とする請求
    項２１に記載の温度測定装置。
23. 【請求項２３】 第２センサ（９０）の受感部が直線で、第１センサ（７４
    ）の受感部分にできるだけ近接して配置され、その反対端は光伝送線（９２）を
    通じて第２検出器（９４）に接続されていることを特徴とする請求項２１に記載
    の温度測定装置。
24. 【請求項２４】 第１センサ（７４）から第２センサ（９０）への光転送効
    率を向上させるために、２つのセンサの受感部間に挿入されて光集中装置の機能
    を発揮する追加の光学装置（８８；９６）をさらに含むことを特徴とする請求項
    ２２または２３に記載の温度測定装置。
25. 【請求項２５】 前記の追加光学装置が、第２センサ（９０）のファイバコ
    アを被覆する光クラッドの屈折率に近いが第１センサ（７４）のコアを被覆する
    光クラッド材料の屈折率より僅かに高い屈折率を有する材料で形成されているこ
    とを特徴とする請求項２４に記載の温度測定装置。
26. 【請求項２６】 前記の追加装置が、第１および第２センサ（７４、８０）
    の２つの曲がった受感部の間に挿入できるように、小さな断面の半環形状（８８
    ）を有することを特徴とする、請求項２２に依存して請求項２４に記載の温度測
    定装置。
27. 【請求項２７】 前記の追加装置が、第１センサ（７４）の受感部分と同じ
    曲率の丸いベースを有する四分円（９６）の形状と第２センサ（９０）の受感部
    分と接触する尖っている頂部を有することを特徴とする、請求項２３に依存して
    請求項２５に記載の温度測定装置。
28. 【請求項２８】 光源（５０）と、光ファイバ伝送線（５２）と、光ファイ
    バ受感部分（５８）と、平面反射素子（６０）と、請求項３に記載の第１検出器
    （６２）とを含む温度センサを備えた温度測定装置であって、このセンサはさら
    に光ファイバの受感部の前面に置かれた回折格子を含んで、光源によって放射さ
    れる光信号のスペクトルの一部が基準信号として戻り反射させるようにし、この
    光源の前面に配置された平面回折素子（５４）によってこの基準信号は第２検出
    器（６４）に向けられることが可能になり、光学的測定信号はこの平面回折素子
    を通過した後にも第１検出器に向けられる、温度測定装置。
29. 【請求項２９】 前記の光源が、レーザダイオードまたはスーパー発光ダイ
    オードなどの空間的にコヒーレントのものであることを特徴とする、請求項２８
    に記載の温度測定装置。
30. 【請求項３０】 第１および第２検出器（７８；８６、９４）に到達する２
    つの信号の和を釣り合せて実質的に温度に関係なく一定の基準信号を形成する、
    請求項２１〜２７のいずれか一項に依存する温度測定装置を実行する方法。
31. 【請求項３１】 第１および第２検出器（７８；８６、９４）から出た信号
    は大きく相関され、アナログまたはディジタル処理の後に実際の温度影響を他の
    摂導の影響から区別できるようにする、請求項２１〜２７のいずれか一項に依存
    する温度測定装置を実行する方法。
32. 【請求項３２】 ２つの信号が算術的演算にかけられて比率測定型の結果が
    得られる請求項３１に記載の方法。
33. 【請求項３３】 ２つの信号がディジタル処理にかけられ、これらの信号が
    事前にアナログ／ディジタル変換器に、それからプログラミングされたマイクロ
    コントローラに送られ、光源または検出器に作用することによって、または適切
    なアルゴリズムによって修正を行う請求項３１に記載の方法。