JP2005241298A

JP2005241298A - 干渉型光ファイバセンサ

Info

Publication number: JP2005241298A
Application number: JP2004048465A
Authority: JP
Inventors: Makoto Minami; 誠南; Takeyuki Sekiya; 健之関谷
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】温度ドリフトや温度特性の無い干渉型光ファイバセンサを得ること。
【解決手段】経路差を形成したセンシングアーム２とリファレンスアーム３の光ファイバコイル４、７に光ファイバ素線を用い、これらセンシングアーム２とリファレンスアーム３に両アームの温度特性のバラツキをキャンセルする温度補償用の光ファイバ心線５，８をそれぞれ設け、温度補償用の光ファイバ心線を設けるだけで、特別な部品を使用せず、温度ドリフトや温度特性のバラツキのない干渉型光ファイバセンサを得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば音響センサや加速度センサ、あるいは水位センサや温度センサとして用いられる干渉型光ファイバセンサに関するものである。

従来の光ファイバセンサ用位相復調器に音響センサや加速度センサとして用いられる光ファイバセンサ方式は、ＰＧＣホモダイン方式である（例えば、特許文献１参照。）。
また、もう１つの従来の光ファイバセンサに水位センサや温度センサとして用いられる光ファイバセンサ方式は、ＰＧＣの変調指数計測方式である（例えば、特許文献２参照。）。

これらの従来例はともに、光ファイバセンサを経路差を持った干渉計として構成し、特許文献１に記載のものは、例えば音響センサとして光ファイバセンサが用いられた場合、光ファイバセンサにおける経路差の変動による位相差を求め、その位相差から音響のレベルを検出するようにしたものである。
また特許文献２に記載のものは、例えば水位センサとして光ファイバセンサが用いられた場合、積極的に光ファイバセンサにおける経路差の変化量を変調指数として計測し、その変調指数に基づき経路差を算出し、その経路差が水圧から生じる加重圧力の関数であることから、水位を検出するようにしたものである。

特開平７−１４００４４号公報（第１頁、第１図）特開２０００−１１１３６１号公報（第１頁、第１図）

上記特許文献１及び２に記載のいずれの方式においても、光ファイバセンサによる干渉計を構成するが、この場合には、センシング及びリファレンスの両アーム間で経路差をつける必要があるので、何の工夫もなく製造した場合、両アーム間の長さのアンバランスにより、光ファイバセンサを音響・加速度センサとして使用した場合は温度ドリフトによる超低周波雑音による誤差が発生し、光ファイバセンサを水位・温度センサとして使用した場合には温度特性による誤差がどうしても発生してしまうという問題があった。

本発明に係る干渉型光ファイバセンサは、経路差を形成したセンシングアームとリファレンスアームに同じ素材の光ファイバ線を用いた干渉型光ファイバセンサにおいて、前記センシングアームとリファレンスアームに両アームの温度特性のバラツキをキャンセルする温度補償用の両アームと別の素材の光ファイバ線をそれぞれ設けたものである。

以上のように本発明によれば、経路差を形成したセンシングアームとリファレンスアームに同じ素材の光ファイバ線を用いた干渉型光ファイバセンサにおいて、前記センシングアームとリファレンスアームに両アームの温度特性のバラツキをキャンセルする温度補償用の両アームと別の素材の光ファイバ線をそれぞれ設けたので、温度補償用の光ファイバ線を設けるだけで、特別な部品を使用せずに、温度ドリフトや温度特性のバラツキのない干渉型光ファイバセンサを得ることができる。

（構成）の説明
図１に本発明の実施の形態１の干渉型光ファイバセンサを示す構成図、図２は同干渉型光ファイバセンサのファイバ調節方法を示す説明図、図３は同干渉型光ファイバセンサの別のファイバ調節方法を示す説明図である。
この干渉型光ファイバセンサの説明はマイケルソン型干渉計で行うが、マッハツェンダ型でも同様である。
図において、１は周波数変調されたレーザ光をセンサ部を構成するセンシングアーム２とリファレンスアーム３に入力し、干渉光を出力する光カプラである。
センシングアーム２は光ファイバコイル４、温度補償用ファイバ５及びミラー６とからなり、リファレンスアーム３は光ファイバコイル７、温度補償用ファイバ８及びミラー９とからなる。センシングアーム２とリファレンスアーム３とは経路長が異って両者の間に所定の経路差ΔＬが形成されるように構成されている。なお、光ファイバコイル４、７と温度補償用ファイバ５、８とはそれぞれ融着接続されている。

そして、センシングアーム２とリファレンスアーム３の光ファイバコイル３、７は同じ素材である光ファイバ素線で形成され、センシングアーム２とリファレンスアーム３の温度補償ファイバ５、８は同じ素材であるが、光ファイバコイル３，７とは異なる素材である光ファイバ心線で構成されている。
ここで、光ファイバ素線（以下、素線という）とは裸ファイバの表面に傷の発生を防ぎ、ガラスの脆性破壊の性質をカバーするためにＵＶ樹脂等により１次被覆を施したものをいう。また、光ファイバ心線（以下、心線という）とは素線の表面に取り扱う際の識別及び接続作業に必要な強度確保のために更にＵＶ樹脂等の２次被覆を施したものをいう。

（動作）の説明
上述した構成の干渉型光ファイバセンサは、周波数変調されたレーザ光は光カプラ１を介してセンシングアーム２とリファレンスアーム３とに分岐して入力される。そして、センシングアーム２とリファレンスアーム３とに入力されたレーザ光はそれぞれ光ファイバコイル４、７及び温度補償ファイバ５、８を通過した後にミラー６、９で反射され、今度は温度補償ファイバ５、８及び光ファイバコイル４、７を通過して光カプラ１に戻り、センシングアーム２とリファレンスアーム３には経路差ΔＬがあるため、位相差が生じてセンシング光信号とリファレンス光信号とが干渉し、光カプラ１から干渉光が出力されるようになっている。

かかる干渉型光ファイバセンサのセンシングアーム２に例えば水圧が印加されると、センシングアーム２の屈折率及びファイバ長が変化する。一方、リファレンスアーム３は、変化を受けないので、リファレンス光信号とセンシング光信号との間に位相差の変動が生じ、位相差の変動が生じたセンシング光信号とリファレンス光信号とが干渉して干渉光が出力される。かかる干渉光の出力の変動を捉えて水位を計測するものである。

ところで、一般に石英系光ファイバの石英自身の温度特性は、約０．７ｐｐｍ／℃である。この他、温度による屈折率変化が存在し、これを経路長に換算すると６．８ｐｐｍ／℃である。
さらに、ファイバ被覆の線膨張が存在し、上記の２要素と被覆の温度特性を合計すると、あるメーカの心線ファイバで約２４ｐｐｍ／℃、素線で約８ｐｐｍ／℃の実効温度特性が存在し、その差は約３倍であった。
経路差ΔＬの干渉型光ファイバセンサを素線のみで構成するとΔＬ×８ｐｐｍ／℃、心線のみで構成するとΔＬ×２４ｐｐｍ／℃の温度特性が発生する。

このように、干渉型光ファイバセンサを素線のみ又は心線のみで構成した場合、経路差ΔＬをとる必要から、センシングアームとリファレンスアームとの長さが異なるために、温度変化が生じると線膨張も異なることなるため、温度特性のバラツキによる誤差がどうしても発生してしまう。
そこで、素線で構成された干渉型光ファイバセンサに、素線とは温度特性の異なる適当な長さの心線を温度補償用に挿入するか、心線で構成された干渉型光ファイバセンサに心線とは温度特性の異なる適当な長さの素線を温度補償用に挿入することにより、センシングアームとリファレンスアームの長さが異なることによる線膨張の違いから生じる温度特性のバラツキによる誤差をキャンセルしようとしたのが、本発明の実施の形態である、
なお、温度補償用の光ファイバ線は、あえて挿入しなくても光カプラ１やミラー６の余長部分のファイバ種を選択すれば、その長さを調整するだけで温度補償ファイバと同様の作用、効果を果たさせることができる。

次に、素線で構成された干渉型光ファイバセンサに、温度補償用の光ファイバ線として心線を挿入す場合に、その心線の長さをどれ位にすればよいかについて説明する。
図２にはアーム１（短アーム）とアーム２（長アーム）が示されているが、どちらか一方をセンシングアーム２とすれば、他方がリファレンスアーム３となるもので、アームの長さによってセンシングアーム２又はリファレンスアーム３として決定されるものではない。

図２に示すように、アーム１（短アーム）の光ファイバコイルとしての素線の長さをｌ₁、温度補償用の光ファイバ線としての心線の長さをＬ₁、アーム２（長アーム）の光ファイバコイルとしての素線の長さをｌ₂、温度補償用の光ファイバ線としての心線の長さをＬ₂、素線の線膨張係数をα、心線の線膨張係数をＡとする。
ここで、経路差ΔＬを求める式１は、下記のように表すことができる。
ΔＬ＝（ｌ₂＋Ｌ₂）−（ｌ₁＋Ｌ₁）
＝（ｌ₂−ｌ₁）＋（Ｌ₂−Ｌ₁） …（１）
また、このときの干渉型光ファイバセンサの経路差ΔＬの１℃あたりの温度特性Ｌ_ΔTを求める式２は、下記のように表すことができる。
Ｌ_ΔT＝α（ｌ₂−ｌ₁）＋Ａ（Ｌ₂−Ｌ₁） …（２）
（１）式と（２）式をＬ_ΔT＝０の条件で解くと、下記のように式３として表すことができる。
Ｌ₂−Ｌ₁＝αΔＬ／（α−Ａ） …（３）

ここで、Ｌ_ΔT＝０の条件で解くとしたのは、温度特性のバラツキがキャンセルできたことを示すためである。
従って、この条件を満たすように、ファイバ長を調整すれば、温度特性のバラツキをキャンセルできる。
具体的には、心線の線膨張係数が素線の３倍であるという今回測定した条件を代入すると、合わせたい経路差ΔＬに対して、短アーム１側の心線長さを長アーム２側の心線長さよりΔＬ／２だけ長く調整すればよいこととなる。

図３は図２に示すものとは逆に、アーム１（短アーム）の光ファイバコイルとしての心線の長さをＬ₁、温度補償用の光ファイバ線としての素線の長さをｌ₁、アーム２（長アーム）の光ファイバコイルとしての心線の長さをＬ₂、温度補償用の光ファイバ線としての素線の長さをｌ₂としたものである。
この場合には、具体的には、心線の線膨張係数が素線の３倍であるという今回測定した条件を代入すると、合わせたい経路差ΔＬに対して、長アーム２側の素線長さを短アーム１側の素線長さよりΔＬ・３／２だけ長く調整すればよいこととなる。

以上のような操作で、温度補償用の光ファイバ線を設けるだけで、特別な部品を使用せずに、温度ドリフトや温度特性のバラツキのない干渉型光ファイバセンサの製造が可能である。
また、センサの設計上どうしても除去できない経路差分以外の温度特性のバラツキが存在する場合でも、同様の原理でファイバ長を調節すれば温度特性のバラツキの除去が可能である。

本発明の実施の形態の干渉型光ファイバセンサを示す構成図である。同干渉型光ファイバセンサのファイバ調節方法を示す説明図である。同干渉型光ファイバセンサの別のファイバ調節方法を示す説明図である。

符号の説明

１光カプラ、２センシングアーム、３リファレンスアーム、４光ファイバコイル、５温度補償用ファイバ、６ミラー、７光ファイバコイル、８
温度補償用ファイバ、９ミラー。

Claims

経路差を形成したセンシングアームとリファレンスアームに同じ素材の光ファイバ線を用いた干渉型光ファイバセンサにおいて、
前記センシングアームとリファレンスアームに両アームの温度特性のバラツキをキャンセルする温度補償用の両アームと別の素材の光ファイバ線をそれぞれ設けたことを特徴とする干渉型光ファイバセンサ。
前記センシングアームとリファレンスアームの光ファイバ線に素線を用い、前記温度補償用の光ファイバ線に心線を用いたことを特徴とする請求項１記載の干渉型光ファイバセンサ。
前記センシングアームとリファレンスアームの光ファイバ線に心線を用い、前記温度補償用の光ファイバ線に素線を用いたことを特徴とする請求項１記載の干渉型光ファイバセンサ。
前記請求項１〜３に記載の干渉型光ファイバセンサは、マイケルソン型干渉計であることを特徴とする干渉型光ファイバセンサ。