JP2005291946A - Optical fiber sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、血圧や力などの測定に使用できる光ファイバセンサに関する。 The present invention relates to an optical fiber sensor that can be used for measuring blood pressure and force.
従来、血圧測定などに用いられている光ファイバセンサは、センサ部にミラーを兼ねたダイヤフラムを用いた圧力センサ(特許文献1参照)と、ハロゲンランプなどの低コヒーレンス光源と、光検知器などとから構成されている。
圧力センサとなるダイヤフラムを、所謂ファブリペロー干渉計として用いる場合には、2つの測定方法が知られている。
従来の第1の測定方法は、上記圧力センサの干渉計と同等の干渉計を検出器側に設け、この干渉計を構成する2つのミラーのうち1つを機械的に走査し、時間領域の縞を形成して光路長差を求め、圧力を求める方法である。この機械的走査のためには、圧電素子などを用いたアクチュエータが使用されていた(例えば、非特許文献1参照)。
Conventionally, an optical fiber sensor used for blood pressure measurement or the like includes a pressure sensor (see Patent Document 1) that uses a diaphragm that also serves as a mirror in a sensor unit, a low-coherence light source such as a halogen lamp, a photodetector, and the like. It is composed of
In the case of using a diaphragm serving as a pressure sensor as a so-called Fabry-Perot interferometer, two measurement methods are known.
In the first conventional measurement method, an interferometer equivalent to the interferometer of the pressure sensor is provided on the detector side, one of the two mirrors constituting the interferometer is mechanically scanned, and the time domain In this method, stripes are formed to determine the optical path length difference and the pressure is determined. For this mechanical scanning, an actuator using a piezoelectric element or the like has been used (for example, see Non-Patent Document 1).
従来の第2の測定方法は、ダイヤフラムの圧力による変位を空間的な縞として検出する方法である。この空間的な縞を光ファイバセンサに設けたカップラーを介して戻り光として分光器に入力し、ファブリペロー共振器のキャビティ長を測定する。そして、キャビティ長から圧力を求めることができる(例えば、非特許文献2,3参照)。
The second conventional measuring method is a method of detecting displacement due to the pressure of the diaphragm as a spatial stripe. The spatial fringes are input to the spectroscope as return light through a coupler provided in the optical fiber sensor, and the cavity length of the Fabry-Perot resonator is measured. And a pressure can be calculated | required from cavity length (for example, refer
しかしながら、従来の第1の時間領域での測定方法は、比較的高速なサンプリングが可能であるが、機械的にミラーを走査する必要があり、精度や長期の安定性に課題がある。 However, although the conventional measurement method in the first time domain can perform relatively high-speed sampling, it requires mechanical scanning of the mirror, and there are problems in accuracy and long-term stability.
また、従来の第2の空間領域での測定方法は、ミラー自体の機械的な走査を用いずにダイヤフラムに印加される圧力による変位を検知できる。このため、ダイヤフラムを用いた圧力、力、速度などの検出システムとして精度が高く、長期的に安定ではあるが、分光器を用いることから高速のサンプリングが困難であるという課題がある。 In addition, the conventional measurement method in the second spatial region can detect displacement due to pressure applied to the diaphragm without using mechanical scanning of the mirror itself. For this reason, there is a problem that high-speed sampling is difficult due to the use of a spectroscope although it is highly accurate as a detection system for pressure, force, speed, etc. using a diaphragm and is stable in the long term.
本発明は以上の点に鑑み、波長分散型分光器を用い、かつ、迅速な測定ができる光ファイバセンサを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an optical fiber sensor that uses a wavelength dispersion spectroscope and can perform quick measurement.
上記目的を達成するため、本発明の光ファイバセンサは、センサ系と波長分散型分光器と信号処理系とを有し、センサ系は、白色光源とこの白色光源に接続されるカップラとこのカップラに接続される光ファイバとこの光ファイバの先端に配設されるダイヤフラムセンサ部とから構成され、上記ダイヤフラムセンサ部は、ダイヤフラムユニットとスペーサー部と上記光ファイバの先端面に設けられたハーフミラー層とダイヤフラムユニットの内面に設けられた全反射層とからなり、光ファイバの先端面に対して内部空間を備え、上記信号処理系は電子計算機とA/Dコンバータとを有し、電子計算機とA/Dコンバータとがシリアル又はパラレルインターフェースにて接続されて成り、白色光源からカップラを介して光ファイバに入射する光によるハーフミラー層及び全反射層での反射光の位相ずれによる戻り光を波長分散型分光器に入射し、この戻り光信号を波長分散型分光器から信号処理系に出力し、信号処理系が、ダイヤフラムセンサ部への外部圧力で発生する変位による該戻り光信号の干渉特性に基づいてダイヤフラムセンサ部の変位を検出し、この変位から圧力、力、温度の何れかを測定するようにしたことを特徴とするものである。
この構成によれば、ダイヤフラムセンサ部からの戻り光を波長分散型分光器に入射させて、信号処理系で圧力,力,温度の何れかを高速に検出することができる。
In order to achieve the above object, an optical fiber sensor of the present invention includes a sensor system, a wavelength dispersion spectrometer, and a signal processing system. The sensor system includes a white light source, a coupler connected to the white light source, and the coupler. An optical fiber connected to the optical fiber, and a diaphragm sensor part disposed at the tip of the optical fiber, the diaphragm sensor part comprising a diaphragm unit, a spacer part, and a half mirror layer provided on the tip surface of the optical fiber And a total reflection layer provided on the inner surface of the diaphragm unit. The signal processing system includes an electronic computer and an A / D converter. The signal processing system includes an electronic computer and an A / D converter. / D converter connected with serial or parallel interface, and light incident on optical fiber from white light source via coupler The return light due to the phase shift of the reflected light from the half mirror layer and the total reflection layer is incident on the wavelength dispersion spectrometer, and the return light signal is output from the wavelength dispersion spectrometer to the signal processing system. The displacement of the diaphragm sensor unit is detected based on the interference characteristics of the return light signal due to the displacement generated by the external pressure to the diaphragm sensor unit, and any one of pressure, force, and temperature is measured from this displacement. It is characterized by.
According to this configuration, the return light from the diaphragm sensor unit is made incident on the wavelength dispersive spectrometer, and any one of pressure, force, and temperature can be detected at high speed by the signal processing system.
上記構成において、好ましくは、光ファイバ及びダイヤフラムセンサ部からなる第1のセンサが支持部材内にて長手方向に沿って埋め込まれ、ダイヤフラムセンサ部が支持部材の側方に開口した窓部に臨んで配置され、さらに、支持部材内にて長手方向に沿って埋め込まれる光ファイバー及びダイヤフラムセンサ部からなる第2のセンサを備え、ダイヤフラムセンサ部が支持部材の先端に露出して配置され、第1及び第2のセンサの各ダイヤフラムセンサ部への外部圧力で発生する戻り光信号の干渉光特性に基づいて各ダイヤフラムセンサ部の変位を検出し、各変位から求まる圧力の差により流速を検出する。
この構成によれば、支持部材に2つのダイヤフラムセンサ部を配設し、ダイヤフラムセンサ部からの戻り光スペクトルを波長分散型分光器に入射させて、信号処理系において、圧力の差により流速を高速に検出することができる。
In the above configuration, preferably, the first sensor including the optical fiber and the diaphragm sensor portion is embedded in the support member along the longitudinal direction, and the diaphragm sensor portion faces the window portion opened to the side of the support member. A second sensor comprising an optical fiber and a diaphragm sensor portion embedded along the longitudinal direction in the support member, the diaphragm sensor portion being disposed exposed at the tip of the support member, the first and first The displacement of each diaphragm sensor unit is detected based on the interference light characteristic of the return light signal generated by the external pressure applied to each diaphragm sensor unit of the sensor No. 2, and the flow velocity is detected based on the pressure difference obtained from each displacement.
According to this configuration, the two diaphragm sensor units are arranged on the support member, the return light spectrum from the diaphragm sensor unit is made incident on the wavelength dispersive spectrometer, and the flow rate is increased by the pressure difference in the signal processing system. Can be detected.
本発明の光ファイバセンサは、好ましくは、さらに、測定した圧力,力,温度,流速の何れかをアナログ信号に変換するD/Aコンバータを備え、D/Aコンバータと前記電子計算機とが、シリアル又はパラレルインターフェースにより接続される。この構成によれば、ダイヤフラムセンサ部からの戻り光スペクトルを波長分散型分光器に入射させて、信号処理系で圧力,力,温度,流速を高速に検出し、表示させることができる。 The optical fiber sensor of the present invention preferably further includes a D / A converter that converts any one of the measured pressure, force, temperature, and flow velocity into an analog signal, and the D / A converter and the electronic computer are serially connected. Alternatively, they are connected by a parallel interface. According to this configuration, the return light spectrum from the diaphragm sensor unit is made incident on the wavelength dispersion spectrometer, and the pressure, force, temperature, and flow velocity can be detected and displayed at high speed by the signal processing system.
また、上記構成において、好ましくは、信号処理系が、戻り光信号のピーク波長を、ピーク波長近傍の直線補間法により計算する。この構成によれば、ピーク波長の測定を、さらに高分解能で行うことができる。したがって、ピーク波長を用いて計算される圧力,力,温度,流速の何れかの測定の分解能が向上する。 In the above configuration, the signal processing system preferably calculates the peak wavelength of the return optical signal by a linear interpolation method near the peak wavelength. According to this configuration, the peak wavelength can be measured with higher resolution. Therefore, the resolution of any of pressure, force, temperature, and flow rate calculated using the peak wavelength is improved.
上記構成において、白色光源は、好ましくは白色LEDである。これによりハロゲンランプよりも小型軽量となり、光ファイバセンサの小型化と、低消費電力化が達成できる。また、長寿命であるので、ハロゲンランプのように電球の交換等が不要となるので利便性が向上する。 In the above configuration, the white light source is preferably a white LED. As a result, it is smaller and lighter than the halogen lamp, and the optical fiber sensor can be reduced in size and power consumption. In addition, since it has a long life, it is not necessary to replace a light bulb as in a halogen lamp, and convenience is improved.
また、光ファイバセンサは、さらに好ましくは、ダイヤフラムセンサ部近傍の温度測定系を備え、測定する圧力又は力の温度補正を行う。この温度測定系は、好ましくは熱電対又は温度測定光ファイバセンサを含む。この構成によれば、ダイヤフラムセンサ部近傍の温度を正確に測定することができると共に、この温度測定により、圧力や力の測定値の正確な補正ができ、精度が向上する。 Further, the optical fiber sensor more preferably includes a temperature measurement system in the vicinity of the diaphragm sensor unit, and performs temperature correction of the pressure or force to be measured. This temperature measuring system preferably includes a thermocouple or a temperature measuring optical fiber sensor. According to this configuration, it is possible to accurately measure the temperature in the vicinity of the diaphragm sensor unit, and it is possible to accurately correct the measured values of pressure and force by this temperature measurement, and the accuracy is improved.
本発明によれば、波長分散型分光器を用いて、迅速な測定ができる光ファイバセンサを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the optical fiber sensor which can be measured rapidly using a wavelength dispersion type | mold spectrometer can be provided.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
最初に、本発明による第1の実施形態に係る光ファイバセンサについて図1乃至図4により説明する。図1は本発明に係る第1の実施の形態による光ファイバセンサの構成を示す模式図である。図1において、光ファイバセンサ1は、センサ系10と分光器30と信号処理系40とを具備して構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same or corresponding members are denoted by the same reference numerals.
First, an optical fiber sensor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an optical fiber sensor according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the
センサ系10は、光ファイバ2と、この光ファイバの先端部に接続されるダイヤフラムセンサ部3などから成るセンサと、カップラ4と、白色光源5と、からなり、白色光源5から出射された光がカップラ4及び光ファイバ2を介して、ダイヤフラムセンサ部3に入射され、ダイヤフラムセンサ部3からの戻り光6が、分光器30へ入射される。
白色光源5は、インコヒーレント光であり、例えばハロゲンランプを用いることができる。さらに、好ましくは白色発光ダイオード(白色LED)を使用する。白色LEDは、小型軽量で長寿命であるので、光ファイバセンサの小型化が可能になる。
The
The
図2は本発明に用いるダイヤフラムセンサ部の構造を示す断面図である。図に示すように、ダイヤフラムセンサ部3においては、光ファイバ2の先端面に対して内部空間を画成するようにダイヤフラムユニット20とスペーサー21が配置されている。このダイヤフラム部3の内面は後述する反射層が形成され、この内部空間がファブリペロー共振器23となっている。
具体的には、SiO2 などから成る反射型ダイヤフラムユニット20が、スペーサー21を介して光ファイバ2の先端面に形成されたハーフミラー層2aに接合した構造を有している。反射型ダイヤフラムユニット20は、中央にメサ部20aを有し、その周辺がダイヤフラム20bとなっている。また、メサ部20a表面は、Al膜などによる全反射ミラー層22が形成されている。これにより、ハーフミラー層2aと全反射ミラー層22との空間が上記各反射層となり、所謂ファブリペロー共振器23となっている。
光ファイバを伝播してきた光24は、ハーフミラー層2aで反射する光25と、全反射ミラー層22で反射する光26の干渉光が、カップラを介して、戻り光として分光器30に入射する。ダイヤフラムセンサ部3に圧力が印加されると、メサ部20aに変位が生じる。この変位は、ファブリペロー共振器23の長さであるセンサキャビティ長の変化となる。
これにより、光ファイバセンサ1において、外部圧力によるダイヤフラムセンサ部3の変形により発生する上記全反射ミラー層22から成る反射層における反射光26と、光ファイバ先端面の上記ハーフミラー層2aから成る反射層での反射光25との位相のずれによる戻り光信号の干渉光特性に基づいて、圧力を検出することができる。
FIG. 2 is a sectional view showing the structure of the diaphragm sensor used in the present invention. As shown in the drawing, in the
Specifically, the
The
As a result, in the
次に、センサ系からの戻り光を検出する波長分散型分光器について説明する。
図3は、本発明に用いる波長分散型分光器30の構造を模式的に示す図である。波長分散型分光器30は、回折格子33と、回折格子から分散された各波長の光強度を検知する光検知器35などから構成されている。戻り光6は、カップラ4を介して光ファイバ2Aにより分光器30に入射し、スリット31からコリメータ32に入射し、回折格子33に入光する。そして、ミラー34を介して光検知器35に分散される。光検知器35は、CCDやMOS型撮像素子によるラインセンサなどを用いることができる。
このように分散された光が、上記CCDラインセンサ35の各画素に入射し増幅されるので、各波長に対応する検知光が、戻り光6のスペクトルとして瞬時に計測される。そして、戻り光6のスペクトルは、戻り光信号30aとして、シリアル又はパラレルの高速のインターフェイスを介して信号処理系40に出力される。
これにより、本発明で用いる波長分散型分光器30においては、インコヒーレント光を瞬時に計測することができる。
Next, a wavelength dispersion spectroscope that detects return light from the sensor system will be described.
FIG. 3 is a diagram schematically showing the structure of the
Since the light dispersed in this way is incident on each pixel of the
Thereby, in the
制御系40は、パーソナルコンピュータやマイクロプロセッサなどからなる制御用電子計算機41と、分光器用A/Dコンバータ42と、表示用D/Aコンバータ43などを備えている。
The
分光器用A/Dコンバータ42は、波長分散型分光器30から出力されるアナログ信号の戻り光信号30aのスペクトルaをデジタル信号に変換し、出力信号42aとなる。この出力信号42aは、信号処理時間を高速とするためにパラレルインターフェース又はパラレル信号として、マイクロプロセッサ41に出力されることが好適である。
The spectroscope A /
マイクロプロセッサ41は、分光器用A/Dコンバータ42からのデジタル信号である戻り光信号30aのスペクトルを演算処理して、センサキャビティ長を計算し、この計算値から圧力などを計算する。このようにして求めた圧力などの値は、表示用D/Aコンバータ43により、実際のアナログ値として、図示しない表示装置などに出力される。この際、マイクロプロセッサ41から表示用D/Aコンバータ43への出力43aは、表示の高速化のためには、シリアルインターフェースよりもパラレルインターフェースが好ましい。なお、センサキャビティ長及び圧力の関係は、予め測定したデータをマイクロプロセッサ41のメモリ部に収容しておけばよい。
The
次に、本発明の第1の実施形態に係る光ファイバセンサの圧力測定について説明する。図4は、本発明の第1の実施形態に係る光ファイバセンサの圧力測定の処理内容を示すフロー図である。
先ず、ステップST1において、分光器30の初期化、CCD35の露光積算時間、スムージングなどの測定パラメータの設定が行われる。そして、ステップST2において、圧力の基準値校正を行い、光ファイバセンサ1を圧力測定を行う所定の箇所に設置する。ここで、基準圧力としては、圧力が印加されていないときを零点とすることができる。
Next, pressure measurement of the optical fiber sensor according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a flowchart showing the processing content of the pressure measurement of the optical fiber sensor according to the first embodiment of the present invention.
First, in step ST1, measurement parameters such as initialization of the
ステップST3において、CCD35におけるスペクトルの積算露光を開始する。そして、所定の時間経過後に、ステップST4において、CCD35におけるスペクトルの積算露光を終了させる。
In step ST3, the integrated exposure of the spectrum in the
次に、ステップST5において、分光器30からマイクロプロセッサ41へ戻り光6のスペクトルデータの転送を行う。
Next, in step ST5, the spectral data of the
続いて、ステップST6において、スペクトルの複数のピーク波長の検出を行う。これらのピーク波長により、センサキャビティ長の算出をする。このセンサキャビティ長(d)は下記の式から算出すればよい。
d=(m/2n)・λ0 =((m−1)/2n)・λ1
ここで、m,m−1はスペクトルのピーク、λ0 ,λ1 はスペクトルピークに対応する波長、nはミラー間物質の屈折率である。
Subsequently, in step ST6, a plurality of peak wavelengths in the spectrum are detected. The sensor cavity length is calculated from these peak wavelengths. This sensor cavity length (d) may be calculated from the following equation.
d = (m / 2n) · λ 0 = ((m−1) / 2n) · λ 1
Here, m and m−1 are spectral peaks, λ 0 and λ 1 are wavelengths corresponding to the spectral peaks, and n is a refractive index of the inter-mirror material.
ステップST7において、上記センサキャビティ長から圧力値を算出し、圧力データを得る。次に、ステップST8において、圧力データを圧力表示用D/Aコンバータ43へ転送し、表示装置により圧力が表示される。
In step ST7, a pressure value is calculated from the sensor cavity length to obtain pressure data. Next, in step ST8, the pressure data is transferred to the pressure display D /
そして、ステップST9において、圧力測定を継続するか否かを判定する。測定を継続すると判断した場合には、ステップST2に戻り、圧力測定を行う。 In step ST9, it is determined whether or not to continue the pressure measurement. When it is determined that the measurement is continued, the process returns to step ST2 to perform pressure measurement.
これに対して、ステップST9において、圧力測定を終了したと判定したときには、圧力測定を終了する。
このようにして、光ファイバセンサ1により圧力測定を行うことができる。
On the other hand, when it is determined in step ST9 that the pressure measurement is finished, the pressure measurement is finished.
In this way, pressure measurement can be performed by the
これにより、本発明の光ファイバセンサ1にあっては、センサからの戻り光スペクトルを波長分散型分光器30を用いることで取得時間の短縮ができる。また、そのデータを分光器用A/Dコンバータ42のパラレルインターフェースによりマイクロプロセッサに高速で転送すれば、さらに、圧力測定に要する処理時間を短くすることができる。
Thereby, in the
次に、本発明による第1の実施の形態に係る光ファイバセンサの変形例について説明する。図5は、本発明の第1の実施形態の変形例に係る光ファイバセンサの圧力測定の処理内容を示すフロー図である。
この処理内容が第1の実施形態に係る光ファイバセンサの処理内容と異なるのは、図4のステップST8をステップST11〜13に変更した点にある。つまり、ステップST7において圧力データを得て、次にステップST11において、キャビティ長や圧力値等の表示をモニタ上に表示する。
そして、ステップST12において、圧力波形のグラフ表示等を、モニタリング用表示装置に出力する。続いて、ステップST13において上記圧力値やグラフ等をメモリに記憶させる。
次のステップST9以降は、第1の実施形態に係る光ファイバセンサの処理内容と同じであるので、説明は省略する。
このような処理内容は、パーソナルコンピュータ41を用い、そのオペレーティングシステム(OS)上で動作するソフトウェアにより行うことができる。また、マイクロプロセッサ41を用いた場合には、上記処理内容を含むプログラムソフトウェアを直接マイクロプロセッサ41上で動作させることにより、さらに高速に処理できる。
Next, a modification of the optical fiber sensor according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a flowchart showing the processing content of the pressure measurement of the optical fiber sensor according to the modification of the first embodiment of the present invention.
This processing content is different from the processing content of the optical fiber sensor according to the first embodiment in that step ST8 in FIG. 4 is changed to steps ST11 to ST13. That is, pressure data is obtained in step ST7, and then in step ST11, the display of the cavity length, pressure value, etc. is displayed on the monitor.
In step ST12, a pressure waveform graph display or the like is output to the monitoring display device. Subsequently, in step ST13, the pressure value, the graph and the like are stored in the memory.
Subsequent steps ST9 and subsequent steps are the same as the processing contents of the optical fiber sensor according to the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
Such processing contents can be performed by software operating on the operating system (OS) using the
本発明による第2の実施形態に係る光ファイバセンサについて説明する。
図6は、本発明の第2の実施形態に係る光ファイバセンサに用いるピーク波長の補正方法を示す図である。図の横軸は、波長(nm)であり、縦軸は戻り光強度(任意目盛り)を示している。図では、光ファイバセンサからの戻り光6の1つのピークを示している。図示するように、ピークを折れ線近似し、ピークに近い2つの直線で補間し、その交点の波長をピーク波長として、ピーク波長の補正を行うことができる。縦軸をy軸、横軸をx軸として、補間をする2直線が、それぞれ、y=a1 x+b1 、y=a2 x+b2 とした場合に、その交点であるピーク波長は、x=(b2 −b1 )/(a1 −a2 )となる。このような補正は、制御系のマイクロプロセッサ41により、計算できる。このピーク波長の補正方法によれば、分光器の波長分解能の約10倍程度の精度向上ができる。
An optical fiber sensor according to a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 6 is a diagram showing a peak wavelength correction method used for the optical fiber sensor according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the horizontal axis represents wavelength (nm), and the vertical axis represents return light intensity (arbitrary scale). In the figure, one peak of the
次に、本発明による第3の実施形態に係る光ファイバセンサについて説明する。
本発明に係る光ファイバセンサ1は、専ら圧力センサの場合について説明したが、さらに、圧力とダイヤフラム部3の断面積との積がダイヤフラムセンサ部3に加わる力であることから、力センサとしても使用できる。これにより、光ファイバセンサにおいて、外部圧力によるダイヤフラムセンサ部3の変形により発生する反射層と光ファイバ先端面での反射光の位相のずれに基づく戻り光の干渉光の特性に基づいて、圧力からさらに力を検出することができる。
Next, an optical fiber sensor according to a third embodiment of the present invention will be described.
Although the
次に、本発明による第4の実施形態に係る光ファイバセンサについて説明する。
光ファイバセンサ1のダイヤフラムセンサ部3と光ファイバ2の先端面との間の内部空間が密閉されていることを利用して、この内部空間内に封入された空気等の熱膨張または熱収縮による気圧の変化を光ファイバセンサ1によって検出することにより、光ファイバセンサ1の外側の温度を知ることも可能である。このようにして、光ファイバセンサ1を温度センサとして利用することが可能になる。
これにより、光ファイバセンサにおいて、外部圧力によるダイヤフラムセンサ部の変形により発生する反射層と光ファイバ先端面での反射光の位相のずれによる戻り光の干渉光の特性に基づいて、圧力から温度を検出することができる。
Next, an optical fiber sensor according to a fourth embodiment of the present invention will be described.
By utilizing the fact that the internal space between the
As a result, in the optical fiber sensor, the temperature is changed from the pressure based on the characteristics of the interference light of the return light caused by the phase shift of the reflection layer generated by the deformation of the diaphragm sensor portion due to the external pressure and the reflected light at the tip surface of the optical fiber. Can be detected.
次に、本発明による第5の実施形態に係る光ファイバセンサについて説明する。
図7は、本発明による光ファイバセンサの第5の実施形態を示す斜視図である。図7において、光ファイバセンサ80は、支持部材81内に埋め込まれている第1のセンサ84と、第2のセンサ86と、から成っている。
第1のセンサ84は、上記第1の実施形態のセンサ1と同じように光ファイバ2とその先端部に配設されるダイヤフラムセンサ部3とから成り、支持部材81内にて長手方向に沿って埋め込まれ、ダイヤフラムセンサ部3が支持部材81の側方に開口した窓部に臨んで配置されている。また、第2のセンサ86は、光ファイバ82とその先端部に配設されるダイヤフラムセンサ部83とから成り、支持部材81内にて長手方向に沿って埋め込まれ、ダイヤフラムセンサ部3が支持部材81の先端面に露出して配置されている。なお、支持部材81は、ガイドワイヤやカテーテルなどに適用できる。また、第1及び第2のセンサ84,86に用いる光ファイバ2,82とダイヤフラムセンサ部3,83は、それぞれ同じものでもよい。
Next, an optical fiber sensor according to a fifth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 7 is a perspective view showing a fifth embodiment of the optical fiber sensor according to the present invention. In FIG. 7, the
Similar to the
このような構成の光ファイバセンサ80によれば、ガイドワイヤ81を患者の血管内などに挿入したとき、第1及び第2のダイヤフラムセンサ部3,83にて、血管の2箇所での血圧を同時に計測することができる。これにより、第1及び第2のダイヤフラムセンサ部3,83により検出された各圧力の差に基づいて、当該血管内での血流速Vを算出することができる。即ち、第1のダイヤフラムセンサ部3による血管内圧をPとし、血液の粘度をρとしたとき、ガイドワイヤ81の先端面に作用する流速による圧力は、下記の式
P+(ρV2 )/2
から求められる。
従って、第1のダイヤフラムセンサ部3及び第2のダイヤフラムセンサ部83により検出された圧力の差に基づいて、血管内の血流速Vを検出することができる。このようにして、第1のダイヤフラムセンサ部3及び第2のダイヤフラムセンサ部83を使用して、流速センサとして利用することも可能である。なお、支持部材として、ガイドワイヤ81に代えて、カテーテルなどでも勿論構わない。
According to the
P + (ρV 2 ) / 2
It is requested from.
Therefore, the blood flow velocity V in the blood vessel can be detected based on the pressure difference detected by the first
次に、本発明による第6の実施形態に係る光ファイバセンサについて説明する。
図8は、本発明の第6の実施形態に係る光ファイバセンサに用いる温度補正系の構成を示すブロック図である。図示するように、温度補正系50は、光ファイバセンサ1のセンサ3近傍に配置される温度センサ51と、温度センサの信号増幅回路52と、温度センサ用A/Dコンバータ53と、から構成されている。他の構成は、本発明の第1の実施形態に係る光ファイバセンサ1と同じであるので、説明は省略する。
図に示す温度センサ用A/Dコンバータ53の出力54は、制御系40のマイクロプロセッサ41に出力される。温度センサ51は、光ファイバよりも外径の小さい熱電対などを使用することができる。なお、温度補正は、図4及び図5で示したフロー図において、ステップST7の次に行えばよい。
この構成によれば、光ファイバセンサ1のダイヤフラムセンサ部3の近傍に配置される温度センサ51により、光ファイバセンサ1のダイヤフラムセンサ部3近傍の正確な温度が測定される。このため、温度と圧力の関係を予め測定しておくことで、温度変化に対する圧力の補正を行うことができる。
Next, an optical fiber sensor according to a sixth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a temperature correction system used in the optical fiber sensor according to the sixth embodiment of the present invention. As shown in the figure, the
The
According to this configuration, the accurate temperature in the vicinity of the
図9は、本発明の第6の実施形態に係る光ファイバセンサの別の構成を示すブロック図である。
光ファイバセンサ60が、第1の実施形態に係る光ファイバセンサ1と異なるのは、光ファイバセンサのダイヤフラムセンサ部3の近傍に、さらに、光スイッチ61により切り替え可能に温度測定用の光ファイバ温度センサ62が配設される点である。光スイッチ61は、ファイバ2のカップラ4側に挿入されている。
光スイッチ61が、光ファイバセンサのダイヤフラムセンサ部3に接続されている場合には、第1の実施形態に係る光ファイバセンサ1の動作を行う。一方、光スイッチ61が、光ファイバ温度センサ62に接続されている場合には、カップラ4を介して分光器30に入力される。分光器30で測定される光ファイバ温度センサ62のスペクトルは、A/Dコンバータなどのインターフェースを介して制御系40に接続され、マイクロプロセッサ41で温度が計算される。
この構成によれば、光ファイバセンサのダイヤフラムセンサ部3の近傍に配置される光ファイバ温度センサ62により、光ファイバセンサのダイヤフラムセンサ部3の正確な温度が測定される。このため、温度と圧力の関係を予め測定しておくことで、温度変化に対する圧力の補正を行うことができる。
FIG. 9 is a block diagram showing another configuration of the optical fiber sensor according to the sixth embodiment of the present invention.
The
When the
According to this configuration, the accurate temperature of the
図10は、本発明の第6の実施形態に係る光ファイバセンサのさらに別の構成を示すブロック図である。
光ファイバセンサ70が、図9の第6の実施形態に係る光ファイバセンサ60と異なるのは、常時温度測定ができるように、光スイッチを61を用いずに、さらに、光源75と、カップラ74と、分光器76などを備えている点である。このため、光ファイバ温度センサ62は、カップラ74を介して分光器76に常時接続される。この分光器76で測定される光ファイバ温度センサ62のスペクトルは、A/Dコンバータなどのインターフェースを介して制御系40に接続され、マイクロプロセッサ41で常時温度が計算される。 この構成によれば、光ファイバセンサのダイヤフラムセンサ部3の近傍に配置される光ファイバ温度センサ62により、光ファイバセンサのダイヤフラムセンサ部3の正確な温度が常時測定される。このため、温度と圧力の関係を予め測定しておくことで、温度変化に対する圧力の補正を、瞬時に行うことができる。
FIG. 10 is a block diagram showing still another configuration of the optical fiber sensor according to the sixth embodiment of the present invention.
The
実施例1として、本発明による光ファイバセンサ1を製作した。図1を参照してその主要部分について説明する。
センサ系10において、照明光源としてハロゲンランプ(米国Ocean Optics社製LS−1)または白色LED(日亜化学工業製、NSPW300BS)を用いた。光ファイバ2の直径は125μmであり、その先端をZnS又はCrのハーフミラー層2aとした。ダイヤフラム部3は、SiO2 を材料として製作し、直径125μmである。また、全反射ミラー層としてはAlを用いた。そして、スペーサー層21はポリイミドにより製作し、その厚さは2μmとした。
As Example 1, an
In the
波長分散型分光器30(米国Ocean Optics社製USB2000)は、ツェルニターナー型分光器であり、光検知器35はCCDラインセンサ(ソニー製、ILX511)を用いた。そのデータ出力用インターフェースはUSB(Universal Serial Bus)を用いた。
The wavelength-dispersion spectrometer 30 (USB2000 manufactured by Ocean Optics, USA) is a Zernitaner spectrometer, and the
制御系40においては、パーソナルコンピュータ(デル社製、LatitudeC400)41と、波長分散型分光器30に内蔵された12ビットの分光器用A/Dコンバータ42を用いて信号処理を行った。
In the
次に、実施例の光ファイバセンサ1により圧力測定を行った。測定のサンプリング周期は、70Hzである。
図11及び図12は、実施例1による戻り光スペクトルの圧力依存性を示す図であり、それぞれ、ハロゲンランプ、白色LEDを用いている。図の横軸は波長(nm)を示し、縦軸は戻り光強度(任意目盛り)を示している。図から明らかなように、圧力を−100mmHgから400mmHgまで50mmHg毎に変化させたとき、ダイヤフラムセンサ部3からの戻り光に生じている干渉縞によるピークが変化することが分かる。
Next, pressure was measured by the
11 and 12 are graphs showing the pressure dependence of the return light spectrum according to Example 1, and a halogen lamp and a white LED are used, respectively. The horizontal axis of the figure indicates the wavelength (nm), and the vertical axis indicates the return light intensity (arbitrary scale). As can be seen from the figure, when the pressure is changed from −100 mmHg to 400 mmHg every 50 mmHg, the peak due to the interference fringes generated in the return light from the
図13は、実施例1により測定されたキャビティ長と圧力の関係を示す図である。測定には、ハロゲンランプを用いた。図の横軸は圧力(mmHg)を示し、縦軸はキャビティ長(nm)を示している。図から明らかなように、圧力が増加するとキャビティ長が減少することが分かる。 FIG. 13 is a graph showing the relationship between the cavity length and the pressure measured in Example 1. A halogen lamp was used for the measurement. In the figure, the horizontal axis represents pressure (mmHg), and the vertical axis represents cavity length (nm). As can be seen from the figure, the cavity length decreases as the pressure increases.
パーソナルコンピュータ41の代わりに28MHzマイクロプロセッサ41(ルネサステクノロジ製、SH/7045F)を用いた。また12ビットの分光器用A/Dコンバータ42(アナログデバイス社製、AD9200)及び16ビットの表示用D/Aコンバータ43(バーブラウン社製、DAC7644)とにより、所謂パラレル信号処理を行った。他は実施例1と同様に、本発明による光ファイバセンサ1を製作した。測定のサンプリング周期は、500Hzと実施例1の約7倍の高速動作をさせることができた。
Instead of the
以上の実施例及び比較例から明らかなように、本発明の光ファイバセンサによれば、従来の分光器を用いた光ファイバセンサよりも迅速に動作する。 As is clear from the above examples and comparative examples, the optical fiber sensor of the present invention operates faster than the optical fiber sensor using the conventional spectroscope.
本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。上述した実施形態においては、主として圧力センサについて説明したが、力センサ、温度センサ、流速センサなどにに利用することも可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention. Absent. In the above-described embodiment, the pressure sensor has been mainly described, but it can also be used for a force sensor, a temperature sensor, a flow rate sensor, and the like.
1,60,70,80:光ファイバセンサ
2,2A,82:光ファイバ
2a:ハーフミラー層(反射層)
3,83:ダイヤフラムセンサ部
4,74:カップラ
5,75:光源
6:戻り光
10:センサ系
20:反射型ダイヤフラムユニット
20a:メサ部
20b:ダイヤフラム部
21:スペーサー
22:全反射ミラー層(反射層)
23:ファブリペロー共振器
24:光ファイバを伝播してきた光
25:ハーフミラー層により反射する光
26:全反射ミラー層で反射する光
30,76:分光器(波長分散型分光器)
30a:戻り光信号
31:スリット
32:コリメータ
33:回折格子
34:ミラー
35:光検知器(CCD)
40:信号処理系
41:制御用電子計算機(パーソナルコンピュータ、マイクロプロセッサ)
42:分光器用A/Dコンバータ
42a:出力信号
43:表示用D/Aコンバータ
43a:マイクロプロセッサからの出力信号
50:温度補正系
51:温度センサ(熱電対)
52:信号増幅回路
53:温度センサ用A/Dコンバータ
54:出力
61:光スイッチ
62:光ファイバ温度センサ
81:支持部材(ガイドワイヤ)
81b:開口した窓部
84:第1のセンサ
85:第2のセンサ
1, 60, 70, 80:
3, 83:
23: Fabry-Perot resonator 24: Light propagating through the optical fiber 25: Light reflected by the half mirror layer 26: Light reflected by the total
30a: Return light signal 31: Slit 32: Collimator 33: Diffraction grating 34: Mirror 35: Photo detector (CCD)
40: signal processing system 41: control computer (personal computer, microprocessor)
42: Spectrometer A /
52: Signal amplification circuit 53: A / D converter for temperature sensor 54: Output 61: Optical switch 62: Optical fiber temperature sensor 81: Support member (guide wire)
81b: Opened window portion 84: First sensor 85: Second sensor
Claims (7)
上記センサ系は、白色光源と、該白色光源に接続されるカップラと、該カップラに接続される光ファイバと、該光ファイバの先端に配設されるダイヤフラムセンサ部と、から構成され、
上記ダイヤフラムセンサ部は、ダイヤフラムユニットと、スペーサー部と、上記光ファイバの先端面に設けられたハーフミラー層と、該ダイヤフラムユニットの内面に設けられた全反射層と、からなり、上記光ファイバの先端面に対して内部空間を備え、
上記信号処理系は電子計算機とA/Dコンバータとを有し、上記電子計算機と上記A/Dコンバータとがシリアル又はパラレルインターフェースにて接続されて成り、
上記白色光源から上記カップラを介して上記光ファイバに入射する光による上記ハーフミラー層及び全反射層での反射光の位相ずれによる戻り光を上記波長分散型分光器に入射し、
上記戻り光信号を上記波長分散型分光器から上記信号処理系に出力し、
上記信号処理系が、上記ダイヤフラムセンサ部への外部圧力で発生する変位による該戻り光信号の干渉特性に基づいて上記ダイヤフラムセンサ部の変位を検出し、この変位から圧力、力、温度の何れかを測定することを特徴とする、光ファイバセンサ。 An optical fiber sensor having a sensor system, a wavelength dispersion spectrometer, and a signal processing system,
The sensor system includes a white light source, a coupler connected to the white light source, an optical fiber connected to the coupler, and a diaphragm sensor unit disposed at the tip of the optical fiber,
The diaphragm sensor unit includes a diaphragm unit, a spacer unit, a half mirror layer provided on the tip surface of the optical fiber, and a total reflection layer provided on the inner surface of the diaphragm unit. It has an internal space for the tip surface,
The signal processing system includes an electronic computer and an A / D converter, and the electronic computer and the A / D converter are connected by a serial or parallel interface.
The return light due to the phase shift of the reflected light in the half mirror layer and the total reflection layer due to the light incident on the optical fiber from the white light source through the coupler is incident on the wavelength dispersion spectrometer.
The return optical signal is output from the wavelength dispersive spectrometer to the signal processing system,
The signal processing system detects the displacement of the diaphragm sensor unit based on the interference characteristics of the return light signal due to the displacement generated by the external pressure to the diaphragm sensor unit, and any one of pressure, force, and temperature is detected from this displacement. An optical fiber sensor, characterized in that
さらに、上記支持部材内にて長手方向に沿って埋め込まれる光ファイバー及びダイヤフラムセンサ部からなる第2のセンサを備え、該ダイヤフラムセンサ部が上記支持部材の先端に露出して配置され、
第1及び第2のセンサの各ダイヤフラムセンサ部への外部圧力で発生する戻り光信号の干渉光特性に基づいて各ダイヤフラムセンサ部の変位を検出し、各変位から求まる圧力の差により流速を検出することを特徴とする、請求項1に記載の光ファイバセンサ。 The first sensor comprising the optical fiber and the diaphragm sensor part is embedded along the longitudinal direction in the support member, and the diaphragm sensor part is disposed facing the window part opened to the side of the support member,
Furthermore, it comprises a second sensor consisting of an optical fiber and a diaphragm sensor part embedded along the longitudinal direction in the support member, and the diaphragm sensor part is arranged exposed at the tip of the support member,
The displacement of each diaphragm sensor unit is detected based on the interference light characteristic of the return light signal generated by the external pressure to each diaphragm sensor unit of the first and second sensors, and the flow velocity is detected by the difference in pressure obtained from each displacement. The optical fiber sensor according to claim 1, wherein:
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