JP2005274201A

JP2005274201A - 外力検出システム

Info

Publication number: JP2005274201A
Application number: JP2004084545A
Authority: JP
Inventors: Koji Ueno; 光司上野
Original assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Current assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】ＯＴＤＲを用いることなく、また光パワーメータを用いた従来の外力検出システムよりも光センサに作用する外力の変化をより精度良く検出する。
【解決手段】外力の作用によって光伝送損失が変化する光センサを用いて外力を検出する外力検出システムにおいて、測定光を出射する光源と、測定光を第１及び第２の分岐光に分岐する光分岐器と、光センサを経由した第１の分岐光を受光して第１の受光信号を出力する第１の受光器と、第２の分岐光を受光して第２の受光信号を出力する第２の受光器と、第１の受光信号に含まれる外乱を第２の受光信号に基づいて補正して外力を検出する信号処理部とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光センサを用いて外力を検出する外力検出システムに関する。

外力検出システムとして、光ファイバの複数部位に各々設けられた光センサからの後方散乱光をＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）を用いて個別に検出するもの、あるいは光ファイバの途中部位に設けられた１つの光センサに対し光ファイバの一端から測定光を供給した際に光ファイバの他端から得られる戻り光の強度を光パワーメータで検出するものが知られている。この場合の光センサは、外力（例えば圧力や応力）の作用によって光散乱状態や光伝送損失が変化するものが使用される。このような外力検出システムは、光センサにおける光散乱状態や光伝送損失の変化つまり光センサに作用する外力の変化を光ファイバを介してＯＴＤＲや光パワーメータに入力される後方散乱光や戻り光の強度変化に基づいて検出するものである。
なお、このような外力検出システムについては、例えば以下の公知文献に詳細が記載されている。
特開２００１−２０１４１１号公報

ところで、ＯＴＤＲを用いた外力検出システムは、複数の光センサの状態変化を１台のＯＴＤＲで検出可能である一方、ＯＴＤＲという比較的高額な光計測器を使用するためにシステムコストが高くなるという問題点がある。
また、光パワーメータを用いた外力検出システムは、光パワーメータを用いるためにシステムコストを低く抑えることができるものの、測定光の強度変動や光ファイバの光伝送損失の変化が外乱となって光センサに作用する外力の変化を精度良く検出することができないという問題点がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ＯＴＤＲを用いることなく、また光パワーメータを用いた従来の外力検出システムよりも光センサに作用する外力の変化をより精度良く検出することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、外力の作用によって光伝送損失が変化する光センサを用いて外力を検出する外力検出システムにおいて、測定光を出射する光源と、測定光を第１及び第２の分岐光に分岐する光分岐器と、光センサを経由した第１の分岐光を受光して第１の受光信号を出力する第１の受光器と、第２の分岐光を受光して第２の受光信号を出力する第２の受光器と、第１の受光信号に含まれる外乱を第２の受光信号に基づいて補正して外力を検出する信号処理部とを具備する、という解決手段を採用する。

このような本発明によれば、光センサを経由した第１の分岐光に基づく第１の受光信号を上記光センサを経由しない第２の分岐光に基づく第２の受光信号に基づいて補正するので、第１の受光信号及び第２の受光信号の何れにも同等に寄与する外乱、例えば測定光の変動を補正することができる。したがって、このような外乱の影響を受けることなく外力の変化をより精度良く検出することができる。また、構成要素としてＯＴＤＲを必要としないので、システムコストを低減することも可能である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る外力検出システムのシステム構成図である。この図に示すように、本外力検出システムは、装置本体と検出部及び両者を接続する光伝送路から構成されている。検出部は、検出対象となる外力の発生場所に設置されるものであり、光伝送路を介して装置本体と光結合している。一方、装置本体は、上記検出部とは離間配置されている。装置本体は、光源１、アイソレータ２、光カプラ３〜５、受光器１０及び１１、信号処理部１２及び光源制御部１３から構成され、検出部は光センサ８及び全反射端９から構成され、また光伝送路は伝送用光ファイバ６及び７から構成されている。

光源１は、例えばレーザダイオード（ＬＤ）であり、光源制御部１３による制御の下で所定波長の測定光を発光してアイソレータ２に出射する。アイソレータ２は、光源１と光カプラ３との間に設けられており、光源１から光カプラ３に入射する測定光の光カプラ３の入射端における反射を抑制するための緩衝部材である。光カプラ３は、光分岐器として機能するものであり、上記アイソレータ２を介して入射端に供給された測定光を２つの分岐光（第１及び第２の分岐光）に分岐し、第１の分岐光を光カプラ４に、また第２の分岐光を光カプラ５にそれぞれ出力する。

光カプラ４及び５は、光結合器として機能するものである。光カプラ４（第１の光結合器）は、上記第１の分岐光を伝送用光ファイバ６を介して光センサ８の一端に向けて出射する一方、伝送用光ファイバ６を介して上記光センサ８の一端から入射された第１の分岐光を受光器１０（第１の受光器）に向けて出射する。光カプラ５（第２の光結合器）は、第２の分岐光を伝送用光ファイバ７を介して全反射端９（第２の全反射端）に向けて出射する一方、伝送用光ファイバ７を介して全反射端９から入射された第２の分岐光を受光器１１（第２の受光器）に向けて出射する。

伝送用光ファイバ６は、上述したように第１の分岐光を光カプラ４と光センサ８との間に伝送する第１の光ファイバであり、伝送用光ファイバ７は、第２の分岐光を光カプラ５と全反射端９との間に伝送する第２の光ファイバである。ここで、伝送用光ファイバ６と伝送用光ファイバ７とは、敷設による光伝送損失の上昇が同一となるように、つまり外力の作用や屈曲等が同等に作用するように装置本体と検出部との間において同一状態で敷設されている。

光センサ８は、外力の作用によって光伝送損失が変化するものであり、例えばマイクロベンディングセンサあるいはコアがヘテロ構造を有するヘテロコアセンサ等である。すなわち、光センサ８は、伝送用光ファイバ６から入射された第１の分岐光を外力に応じて減衰させて全反射端９に出射する。全反射端９は、第１の全反射端及び第２の全反射端として機能する反射鏡であり、全反射端９の他端及び伝送用光ファイバ７の先端に設けられており、光センサ８から入射された第１の分岐光を光センサ８に向けて全反射すると共に、伝送用光ファイバ７から入射された第２の分岐光を伝送用光ファイバ７に向けて全反射する。

受光器１０は、光カプラ４から入射された第１の分岐光を受光することにより、当該第１の分岐光の光強度に応じで電圧が変化する第１の受光信号を信号処理部１２に出力する。受光器１１は、光カプラ５から入射された第２の分岐光を受光することにより、当該第２の分岐光の光強度に応じで電圧が変化する第２の受光信号を信号処理部１２に出力する。信号処理部１２は、上記第１の受光信号と第２の受光信号との差分に基づいて光カプラ５に加えられた外力を検出し、当該外力を示す検出データを検出結果として外部に出力する。また、光源制御部１３は、光源１の発光動作を制御するものである。

次に、このように構成された外力検出システムの動作について説明する。
本外力検出システムでは、光源１から出射された測定光は、アイソレータ２を介して光カプラ３に入射されて第１の分岐光と第２の分岐光とに分岐される。そして、第１の分岐光は、光カプラ４及び伝送用光ファイバ６を経由して光センサ８に入射し、当該光センサ８において外力に応じた強度減衰を受けて全反射端９に入射し、該全反射端９で全反射して再び光センサ８に入射し、該光センサ８、伝送用光ファイバ６及び光カプラ４を経由して受光器１０によって受光されて第１の受光信号に変換される。

一方、第２の分岐光は、光カプラ５及び伝送用光ファイバ７を経由して全反射端９に入射し、該全反射端９で全反射して再び伝送用光ファイバ７に入射して、光カプラ５を経由して受光器１１によって受光されて第２の受光信号に変換される。信号処理部１２は、このようにして得られた上記第１の受光信号と第２の受光信号との差分を取ることにより差分信号を生成し、この差分信号に基づいて光センサ８に外力が作用しているか否かを検出する。

図２は、第１の受光信号と第２の受光信号の波形例を示す図である。この図において、電圧レベルの高い方の波形は第２の受光信号の電圧レベル（基準レベルＶ1）を示しており、電圧レベルの低い方の波形は、第１の受光信号の電圧レベル（センサレベルＶ2）を示している。センサレベルＶ2は、光センサ８が挿入されている分、その挿入損失によって基準レベルＶ1よりも低くなる。また、基準レベルＶ1及びセンサレベルＶ2のレベル変動は光源１から出射される測定光の強度変動に起因するものである。

また、図３は差分信号の波形例を示す図である。差分信号の電圧レベル（残差）は、上述した測定光の強度変動を相殺したものであり、そのレベル変動は、外力が作用することによる光センサ８の光伝送損失の変動に起因するものとなる。すなわち、測定光の強度変動は、第１の分岐光及び第２の分岐光の何れにも同様に影響を与えるコモンモード外乱であり、第１の受光信号と第２の受光信号との差分を取ることにより相殺される。

また、本実施形態の場合、伝送用光ファイバ６と伝送用光ファイバ７とは同一経路で敷設されるので敷設による光伝送損失の上昇が同等となる。したがって、このような敷設による光伝送損失の変化分も、第１の受光信号と第２の受光信号との差分を取ることにより相殺される。

すなわち、第１の受光信号と第２の受光信号との差分を取ることにより、第１の分岐光及び第２の分岐光の基となる測定光の変動及び伝送用光ファイバ６、７に共通に生じた伝送損失の変動は相殺され、伝送用光ファイバ６、７において共通に生じなかった伝送損失の変動、つまり光センサ８の光伝送損失の変動のみが抽出される。この結果として、信号処理部１２は、上記光センサ８の光伝送損失の変動、つまり光センサ８に作用する外力の変化を精度良く検出することができる。

次に、図4を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。
この第２実施形態における外力検出システムは、光カプラ３から出射された第１の分岐光を伝送用光ファイバ６Ａに直接入射させると共に、第２の分岐光を伝送用光ファイバ７Ａに直接入射させ、かつ、上記伝送用光ファイバ６Ａ、７Ａの往路を介して検出部に供給された第１の分岐光及び第２の分岐光を全反射端９で全反射することなく伝送用光ファイバ６Ａ，７Ａの復路を介して装置本体に伝送するものである。

すなわち、伝送用光ファイバ６Ａは、第１の分岐光を伝送するために光カプラ３と光センサ８との間及び該光センサ８と受光器１０との間に設けられている。一方、伝送用光ファイバ７Ａは、第２の分岐光を装置本体と検出部との間に伝送するために、光カプラ３と受光器１１との間に設けられている。なお、このような各伝送用光ファイバ６Ａ，７Ａも、上述した第１実施形態の伝送用光ファイバ６，７と同様に、装置本体と検出部との間において同一状態に敷設されている。

このような外力検出システムによっても、第１の分岐光及び第２の分岐光の基となる測定光の変動及び伝送用光ファイバ６Ａ、７Ａに共通に生じた伝送損失の変動は相殺され、伝送用光ファイバ６Ａ、７Ａにおいて共通に生じなかった伝送損失の変動、つまり光センサ８の光伝送損失の変動が光センサ８に作用する外力の変化として精度良く検出される。

なお、本発明は、上記各実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態では検出部が１つだけ設けられているが、外力検出システムの用途に応じては複数の外力を並行して検出する必要がある。このような場合に対応する構成として、検出部を複数設け、各検出部への第１の分岐光及び第２の分岐光の供給と回収とをマルチプレクサ等を用いて時分割的に切り替えることが考えられる。

（２）また、上記各実施形態における光源１として、既設の光通信システムの光源を流用することが考えられる。すなわち、既設の光源を外力検出システムの光源として利用することにより、外力検出システムのシステムコストを低減することができる。
（３）さらに、上記実施形態では、単純に第１の受光信号と第２の受光信号との差分を取ることによって第１の受光信号に含まれるコモンモード外乱を補正したが、第２の受光信号に基づく第１の受光信号の補正方法は、これに限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係わる外力検出システムのシステム構成図である。本発明の一実施形態に係わる外力検出システムにおける第１の受光信号と第２の受光信号の波形例を示す図である。本発明の一実施形態に係わる外力検出システムにおける差分信号の波形例を示す図である。本発明の他の実施形態に係わる外力検出システムのシステム構成図である。

符号の説明

１…光源、２…アイソレータ、３〜５…光カプラ、６及び７…伝送用光ファイバ、８…光センサ、９…全反射端、１０及び１１…受光器、１２…信号処理部、１３…光源制御部

Claims

外力の作用によって光伝送損失が変化する光センサを用いて外力を検出する外力検出システムであって、
測定光を出射する光源と、
測定光を第１及び第２の分岐光に分岐する光分岐器と、
前記光センサを経由した第１の分岐光を受光して第１の受光信号を出力する第１の受光器と、
第２の分岐光を受光して第２の受光信号を出力する第２の受光器と、
前記第１の受光信号に含まれる外乱を第２の受光信号に基づいて補正して外力を検出する信号処理部と
を具備することを特徴とする外力検出システム。
信号処理部は、第１の受光信号と第２の受光信号との差分を取ることによって第１の受光信号に含まれる外乱を第２の受光信号に基づいて補正することを特徴とする請求項1記載の外力検出システム。
第１の分岐光を伝送するために光分岐器と光センサとの間及び該光センサと第１の受光器との間に設けられる第１の伝送用光ファイバと、
第２の分岐光を光分岐器と第２の受光器との間に伝送するものであって、前記第１の伝送用光ファイバと同一状態で敷設される第２の伝送用光ファイバとをさらに備え、
光源、光分岐器、第１の受光器、第２の受光器及び信号処理部が一体として装置本体を構成し、光センサは第１及び第２の伝送用光ファイバによって装置本体に接続される検出部を構成する
ことを特徴とする請求項１または２記載の外力検出システム。
光分岐器と光センサとの間に設けられ、第１の分岐光を光センサの一端に向けて出射する一方、該光センサの一端から入射された第１の分岐光を第１の受光器に向けて出射する第１の光結合器と、
前記光センサの他端に設けられた第１の全反射端と、
第２の分岐光を第２の全反射端に向けて出射する一方、第２の全反射端から入射された第２の分岐光を第２の受光器に向けて出射する第２の光結合器と、
第１の分岐光を伝送するために前記第１の光結合器と光センサとの間に設けられる第１の伝送用光ファイバと、
第２の分岐光を第２の光結合器と第２の全反射端との間に伝送するためのものであって、前記第１の光ファイバと同一状態で敷設される第２の伝送用光ファイバとをさらに備え、
光源、光分岐器、第１の光結合器、第２の光結合器、第１の受光器、第２の受光器及び信号処理部が一体として装置本体を構成し、第１の全反射端、第２の全反射端及び光センサは第１及び第２の伝送用光ファイバによって装置本体に接続される検出部を一体として構成することを特徴とする請求項１または２記載の外力検出システム。
検出部を複数設け、各検出部への第１の分岐光及び第２の分岐光の供給と回収とを切替手段を用いて切り替えることを特徴とする請求項３または４記載の外力検出システム。