JP2005351651A

JP2005351651A - 水素分布計測を可能とする光ファイバ水素センサ及びそれを用いた測定法

Info

Publication number: JP2005351651A
Application number: JP2004169856A
Authority: JP
Inventors: Toru Kamida; 徹紙田; Hideaki Murayama; 英晶村山; Shinji Okazaki; 慎司岡崎; Shukuji Asakura; 祝治朝倉
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; Yokohama National University NUC
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; Yokohama National University NUC
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: JP4524363B2

Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、本質的に防爆構造であって、かつセンサの検知部を長尺の線状あるいは面状とすることで水素漏洩を検知するばかりではなく、水素漏洩箇所に関する位置情報も得ることのできる水素センサを提供することにある。
【解決手段】本発明の水素センサは、白金触媒を担持した酸化タングステン薄膜を水素感応物質として使用し、その水素感応部を光ファイバの長尺方向に広く配置する。エバネッセント波吸収式では、コアに上記の薄膜を500ｎｍ以下になるよう制御した。ＦＢＧ型センサではＦＢＧ部のクラッド周面に白金触媒担持酸化タングステン粉末を膜厚１μｍ以上の厚さで固定化した。
【選択図】図１

Description

本発明は水素漏洩の検知とその位置を特定することのできる光ファイバ水素センサとそれを用いた水素漏洩の検知とその位置測定方法、特に液体水素燃料を使用するロケット及び宇宙輸送機等の燃料供給系統、あるいはこれらを評価するための試験設備等における水素漏洩を検知するとともに、漏洩箇所を特定することに適した測定方法に関する。

水素センサとして現在実用化されているものの多くは、酸化錫をべ一スとした金属酸化物半導体方式のものか固体電解質を利用した電気化学的手法を用いたものである。これらのセンサは高感度であるが、素子を数百℃に加熱する必要があるため、点計測しか行えない上に、引火性ガスである水素ガスの着火源となる危険性がある等の問題を有する。

低温下で作動する酸化タングステンWO_３を主成分とする新しいセンサが提示されている。（特許文献１参照）本発明者等は、この常温で水素と速やかに反応する水素感応膜の光学特性変化を捉える光学方式の検出センサを用いた水素検出技術を研究し、先に「ガスセンサ用の膜の製造方法」を特許出願（特許文献２参照）している。この発明は０℃以下の低温で充分な感度を有し、安全かつ高い信頼性と素子寿命を備えたガスセンサ用の膜の製造方法を提供することを目的としたもので、このガスセンサ用の膜の製造方法は水素又は含水素化合物ガスを解離吸着する触媒金属と、該触媒金属中の前記解離吸着により生成した水素原子により還元されると共に該水素原子が存在しなくなった場合に還元される前の状態に戻る固体化合物半導体との混合層からなる膜を有する素子と、還元による前記固体化合物半導体の光吸収（エバネッセント波）の変化を検出する光学手段とを備えたガスセンサ用の膜の製造方法において、前記固体化合物半導体のゾルゲル溶液中に、触媒金属化合物、例えば、塩化白金酸または塩化パラジウムを分子レベルで均一に分散させたゾルゲル溶液を、基板に塗布して焼成して膜を形成した後、乾燥空気中で３０〜１００℃で所定時間加熱処理するというものである。この方法によって製造されたガスセンサ用の膜は、０℃以下の低温においても、実用上充分な感度を有し、かつ検知素子に加熱通電を行わず安全で、かつ高い信頼性と素子寿命を備える。

図７はこの特許文献２に開示したエバネッセント吸収型ガスセンサの原理図を示したものである。通常光はファイバ中ではコア内を全反射しながら伝搬するが、このときコアとクラッド界面にわずかにしみ出す光成分をエバネッセント波と呼んでいる。白金を触媒とした酸化タングステン(Pt/WO_３)を光ファイバのコア周面部分にクラッドとして薄膜処理したファイバ型水素センサは、図７(ａ)に示すように水素が存在しない環境では、エバネッセント吸収係数は０に近く、エバネッセント波の吸収はなく通常の光ファイバと同様にコア内を全反射しながら伝搬される。したがって進行する光は、効率よく伝送され、後方の受光素子に充分な光量が到達する。一方、水素が存在する環境では、図７(ｂ)に示すようにPt/WO_３薄膜は水素と反応し、タングステンブロンズを形成するためエバネッセント吸収係数が増加して伝搬光量が大きく減衰する。この反応は触媒金属で生じた水素原子が固体化合物半導体であるPt/WO_３を還元し、光吸収が増大し、ガス濃度に対応して、光ファイバ内を伝送される光量が減少するというものである。この光ファイバ内を伝送される光量の減少を受光素子で検出することにより、ガス検出が行なわれる。そしてこの特許文献２には、光ファイバ上に、複数箇所所定の間隔をおいて当該発明の水素感応膜を形成してなる多点式水素ガスセンサを被測定領域に設置し、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometry）技術を用い、反射光の時間差により測定点Ａ，Ｂ，Ｃの位置を特定し、膜の光吸収による受光量の変化を測定することにより、水素漏洩点の位置検出が可能となることを示唆している。しかし、現実的にはセンサの接続損失やPt/WO_３薄膜による導波構造の乱れによって光の伝搬損失が大きくなるため、センサ素子の数や長さが限定されてしまうという問題が生じ実用化には至らなかった。

また、光ファイバ上に複数箇所のセンサ部を配置してファイバ端から光を発信し各センサ部からの反射信号を検出してその値と位置を割り出す技術は、光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサが知られている。このＦＢＧは、紫外線を用いて光ファイバのコア中に回折格子を形成し、通信分野では光フィルタとしての機能を持たせた光ファイバ型デバイスとして用いられている。回折格子を光ファイバ中に非破壊的に直接形成できるため、低損失・小型・高信頼性・伝送用光ファイバとの整合性など、多くの利点を有している。
グレーティングの周期をΛ、光ファイバの有効屈折率をｎ_ｅｆｆとすると、次の式を満たす波長(ブラッグ波長)λ_Ｂで強い反射が生じ、その他の波長の光は透過する。（図８参照）
λ_Ｂ＝２ｎ_ｅｆｆΛ (１)
屈折率ｎ_ｅｆｆ＝1.45程度であるから、λ_Ｂ＝1.55μｍとするためには、Λ＝0.54μｍ程度になる。式(１)のブラッグ波長λ_Ｂは、屈折率ｎ_ｅｆｆあるいはグレーティングの周期Λの変化によってシフトする。つまり、グレーティングがある部分にひずみあるいは温度変化が与えられると、ｎ_ｅｆｆとΛが変化しブラッグ波長がシフトすることになる。このことがＦＢＧをひずみ・温度センサとして動作させる原理である。図８の上段に示したＦＢＧを用いたひずみ・温度計測システムの基本構成による作動は、図８下段左に示すような広帯域の光が入射されたとき、このＦＢＧ部において図８下段中央に示すような反射光、図８下段右に示すような透過光に分離され、これらの両方を検出してＦＢＧ部における変化を検出することができる。光源にはＬＥＤ、ＳＬＤ、ＡＳＥ(順に光のパワー及びコストが高い)のような広帯域光源を利用する。
このＦＢＧセンサは発熱・変形についてその値とその場所を特定することができるものとして、船や建造物あるいは大型装置のモニタリングに使用されている。構造モニタリングにＦＢＧセンサを使用する場合、反射光を観測するシングル・エンド方式をとることが多い。
特開２００３−２４０７４６号公報「水素ガスセンサ」平成１５年８月２７日公開特開２００３−３２９５９２号公報「ガスセンサ用の膜の製造方法」平成１５年１１月１９日公開 "Afiber-optic evanescent-wave hydrogen gas sensor using Palladium-supported tungsten oxide" S.Sekimoto, H.Nakagawa, S.Okazaki, K.Fukuda, S.Asakura, T.Shigemori, and S.Takahashi, Sensors and Actuators, B66(2000)142-145. "Sensing characteristics of an optical fiber sensor for hydrogenleak" S.Okazaki, H.Nakagawa, S.Asakura, Y.Tomiuchi, N.Tsuji, H.Murayama, and M.Washiya, Sensors and Actuators, B93(2003) 142-147. "Aroom-temperature operated hydrogenleak sensor " H.Nakagawa, N.Yamamoto, S.Okazaki, T.Chinzei, and S.Asakura, Sensors and Actuators, B93(2003) 468-474.

本発明が解決しようとする課題は、本質的に防爆構造であって、かつセンサの検知部を長尺の線状あるいは面状とすることで水素漏洩を検知するばかりではなく、水素漏洩箇所に関する位置情報も得ることのできる水素センサを提供することにある。
また、本発明の課題は、光ファイバ上に複数箇所所定の間隔をおいて白金触媒を担持した酸化タングステン薄膜(Pt/WO_３)の水素感応膜を形成してなる多点式水素ガスセンサを被測定領域に設置し、ＯＴＤＲ技術を用い、水素漏洩点の位置検出を行うにあたり、問題となる伝搬損失の軽減をし、実用的な水素センサとそれを用いた検出位置測定法を提示することにある。
更に本発明の目的は、光ファイバセンサの手法として実用されているＦＢＧの技術を水素の存在とその位置を特定する技術に適用することを可能とし、実用的な水素センサとそれを用いた検出位置測定法を提示することにある。

本発明の水素センサは、白金触媒を担持した酸化タングステン薄膜を水素感応物質として使用し、その水素感応部を光ファイバの長尺方向に広く配置する。
エバネッセント波吸収式では、通信用光ファイバのクラッド部を湿式エッチングによって剥離除去してコアのみとした部分に上記の薄膜をゾルゲル法によって形成させ、適切な熱処理で膜を固定化するに際し、膜厚を500ｎｍ以下になるよう制御した。また、水素感応部は光ファイバのコア外周面に均一な膜厚で配置、若しくは長尺方向の複数箇所に分散配置するようにした。さらに、ＯＴＤＲ機を接続し、後方散乱光の時間変化を調べることにより、水素漏洩箇所に関する位置情報を割り出す。
次にＦＢＧ方式においては、水素に感応してＦＢＧ部の屈折率変化の周期を乱す白金触媒を担持した酸化タングステンをＦＢＧ部のクラッド周面に膜厚１μｍ以上固定化しセンサとする。水素との反応過程において発熱または変形することでＦＢＧ部の屈折率またはその変化の周期に影響を与え、反応前後でのＦＢＧ部を透過または反射する光の波長特性が変化することから水素センサとして利用でき、またＦＢＧ部の位置を割り出すことにより、水素漏洩箇所を特定する。白金触媒を担持した酸化タングステンの膜は、ゾル・ゲル法若しくは粉末焼き付け法にて固定化する。

本発明の水素センサは、白金触媒を担持した酸化タングステン薄膜を水素感応物質として使用し、その水素感応部を光ファイバの長尺方向に広く配置する構成を採用したので、従来センサのように水素感応部を高温に設定する必要がなく、防爆形態で水素の存在を検知できるだけでなく、その検知した位置を割り出すことにより二次元的、三次元的に広がった空間での水素漏洩場所を特定することが可能となる。
エバネッセント波吸収式では、通信用光ファイバのクラッド部を湿式エッチングによって剥離除去してコアのみとした部分に上記の薄膜をゾルゲル法によって形成させ、適切な熱処理を施して膜を固定化するに際し膜厚を500ｎｍ以下になるよう制御したので、従来問題となっている伝搬損失を軽減させることができ、分布型センサ素子を実現させることが出来た。また、白金触媒を担持した酸化タングステン薄膜を光ファイバのコア外周面に均一な膜厚で配置することによって、配置領域のどの部分で水素を検知したか広い範囲の検出が可能となった。また、この薄膜を長尺方向の複数箇所に分散配置するようにしたものはどの感応部の近傍でガスを検知したかを感度よく検出することができる。この形態はより長尺のファイバ上に配置することが出来、検出量域を広く採ることが可能となる。さらに、ＯＴＤＲ機を接続し、後方散乱光の時間変化を調べることにより、水素漏洩箇所に関する位置情報を割り出すことができる。

次にＦＢＧ方式においては、水素に感応してＦＢＧ部の屈折率変化の周期を乱す白金触媒を担持した酸化タングステンをＦＢＧ部のクラッド周面に膜厚１μｍ以上固定化してセンサとすることにより、水素との反応過程において発熱または変形することでＦＢＧ部の屈折率またはその変化の周期に影響を与えることが可能となり、反応前後でのＦＢＧ部を透過または反射する光の波長特性が変化することから水素センサとして、またＦＢＧ部の位置を割り出すことにより、水素漏洩箇所を特定することができる。白金触媒を担持した酸化タングステンの膜は、ゾル・ゲル法若しくは粉末焼き付け法にて固定化することにより、この水素感応部をＦＢＧ部分に安定して固定化することが出来る。

本発明は、前述したように本質的に防爆構造であるために、まず水素検知素材として低温で水素検知が出来る白金触媒を担持した酸化タングステン薄膜を採用することを前提とし、かつ水素漏洩を検知するばかりではなく、水素漏洩箇所に関する位置情報も得ることのできる水素センサを提供するために、長尺の光ファイバ上に水素感応部を配置させ、長尺のファイバを水素発生検知領域に配置する形態に想到したものである。光ファイバ上に複数箇所所定の間隔をおいてPt/WO_３の水素感応膜を形成してなる多点式水素ガスセンサを被測定領域に設置し、ＯＴＤＲ技術を用い、エバネッセント波吸収率の変化から水素漏洩点の位置検出を行うにあたり、問題となる伝搬損失を軽減させるための研究を重ねる中で次のような知見を得た。すなわち、その知見とは通信用光ファイバのクラッド部を湿式エッチングによって剥離除去してコアのみとした部分に上記の薄膜をゾルゲル法によって形成させ、適切な熱処理を施して膜を固定化するのであるが、その薄膜の膜厚を500ｎｍ以下にするとよいということである。好ましい膜厚は200ｎｍ以下であるが500ｎｍ位まではそれなりに実施効果が認められる。酸化タングステンの屈折率は石英コアと比較して非常に大きいことに起因し導波モードにすることが困難なため、膜厚を500ｎｍ以下になるよう制御したものである。上記の光ファイバセンサ作成法を用いることにより伝搬損失を抑え、１本の光ファイバライン上の広い範囲にわたる一様な検知部あるいは複数の検知部を設けることに成功した。さらに、ＯＴＤＲ機を接続し、後方散乱光の時間変化を調べたところ、光ファイバライン上のセンサ部が水素に暴露された場合、波形が大きく変化することを明らかにした。従って、従来から提案されているセンサ単独ではなしえなかった水素漏洩箇所に関する位置情報が本発明により実現されたといえる。

また、本発明は発熱・変形についてその値とその場所を特定することができるものとして、構造モニタリングに適用されているＦＢＧセンサに着目し、水素検出が発熱・変形という形で出来ればこの技術をそのまま水素センサに適用できると考えた。すなわち、ＦＢＧ部分に水素感応膜を固定すれば、その発熱・変形が屈折率ｎ_ｅｆｆとグレーティングの周期Λに影響を与えることになる。そして、本発明者等は水素感応素子である白金触媒を担持した酸化タングステンが水素と反応して発熱と変形をすることを確認した。この現象は必ずしも解析し切れてはいないが、水素と反応する際の還元作用により発熱と、酸化タングステン結晶中に水素が入ることによる構造的な変形が原因と解される。
図１は光ファイバライン上の広い範囲にわたりＦＢＧ部クラッド上にPt/WO_３の層を重ねた複数の検知部を設けるＦＢＧ型センサの原理図を示したものである。コアに施された周期的な屈折率変化が回折格子の役割をするため、このＦＢＧ部では回折格子に応じた中心波長λの波長成分が透過、反射波に現れる。水素が存在しない環境では、図１の(ａ)に示すように本来の回折格子の作動をするが、水素が存在する環境では、図１(ｂ)に示すようにPt/WO_３薄膜は水素と反応し、この反応過程において薄膜の変形と大きな発熱を伴う。これによりＦＢＧ部の屈折率またはその周期が変化するため透過及び反射光の波長特性が変化する。その変化は伝搬される光の中心波長がλであったとすると、±Δλだけシフトする形で現れる。
ブロードバンド光としては光の損失の観点から一般的にＳＬＤ光源やＡＳＥ光源が用いられ、1310ｎｍ（±25ｎｍ）や1550ｎｍ（±25ｎｍ）が使用されているが、本発明については原理的にはどんな波長のものを使用しても利用可能である。

図２は水素分布計測が可能なエバネッセント波吸収型センサの構造とＯＴＤＲ検出特性を示したものである。図２(ａ)は長尺の光ファイバコアの広い領域に一様にPt/WO_３薄膜を空気中200℃で１時間更に500℃で１時間焼成して固定化した分布型センサによる計測例を示したものである。光ファイバのクラッド部をエッチングによって除去した後、露出されたコア１の表面にゾル・ゲル法によって400ｎｍの厚さ（300〜400ｎｍでよいことは確認済み）のPt/WO_３薄膜を一様に形成させてセンサ部２としたファイバ型センサを水素流路に沿って配置した。ファイバコア１の一端には光結合器３を接続し、該光結合器Ｃの他端側にはパルス光を発信する光源４と分岐側には光検出器と信号処理装置を含むＯＴＤＲ検出系５が接続されている。流路の一箇所から水素を漏洩させて、光源４から光ファイバコア１にパルス光を入射すると、パルス光が伝搬するファイバコア１の各位置から後方散乱光が戻ってくる。この反射光を光結合器３で分岐された光検出器で検出すると共にその時間的変化を捉えると、図の左側に示された波形（ＯＴＤＲ検出特性）が得られる。この波形の縦軸は光強度であり、横軸は位置に対応する時間である。水素曝露された部分ではエバネッセント波の吸収が大きくなるため、その部分の後方散乱光の時間変化は他の部分とは異なり、矢印で示すように損失が大きくなって現れ、水素に曝露された部分の位置的情報を取得することが可能となる。なお、ファイバセンサの表面を保護するための被覆は必要に応じてなされてよいが、その場合、ガスの流通性を損ねることを避けねばならない。多孔性材料からなるフレキシブルチューブにガラスウールを巻いたものなどを用いるのが適当である。

一方、図２(ｂ)に示したものは長尺の光ファイバコア１に特定間隔をおいて部分的にPt/WO_３薄膜を固定化した分布型センサによる計測例を示したものである。光ファイバのクラッド部をエッチングによって除去した後、露出されたコア１の特定箇所表面にゾル・ゲル法によって400ｎｍの厚さのPt/WO_３薄膜を特定間隔をおいて形成させてセンサ部2a,2b,2c…としたファイバ型センサを水素流路に沿って配置した。先の例と同様にファイバコア１の一端には光結合器３を接続し、該光結合器Ｃの他端側にはパルス光を発信する光源４と分岐側には光検出器と信号処理装置を含むＯＴＤＲ検出系５が接続されている。流路の一箇所から水素を漏洩させて、光源４から光ファイバ１にパルス光を入射すると、パルス光が伝搬するファイバ１の各位置から後方散乱光が戻ってくる。この反射光を光結合器３で分岐された光検出器で検出すると共にその時間的変化を捉えると、図の左側に示された波形（ＯＴＤＲ検出特性）が得られる。この波形の縦軸が光強度であり、横軸が位置に対応する時間であるのは同様である。Pt/WO_３薄膜が形成されたセンサ部2a,2b…はコアが露出された部分と比べ、Pt/WO_３薄膜によるクラッドが形成されているためその部分の後方散乱光はインパルス状に大きくなると共にその先の部分はステップ状に光強度が減衰して返ってくる。しかし、水素曝露されたセンサ2c部分ではエバネッセント波の吸収が大きくなるため、その部分の後方散乱光の時間変化は他のセンサ部分とは異なり、矢印で示すようにインパルスが小さくなって現れるため、水素に曝露された部分の位置的情報を取得することが可能となる。

この実施例に示したセンサを用いて行った実験結果を図３に示す。図３(ａ)は空気中で測定したＯＴＤＲ波形であり、図中波形でインパルス状に大きくなると共にその先の部分がステップ状に光強度が減衰しているＡ，Ｂ部分がPt/WO_３薄膜を施したセンサ部分に該当する。図３(ｂ)に示した波形からはＢ部においては空気中のときと波形が変わらないが、Ａ部においてはインパルスが小さくなって消滅していることからこの部分で水素漏れがあったことが判る。また、図３(ｃ)に示した波形からはＡ部においては空気中のときと波形が変わらないが、Ｂ部においてはインパルスが小さくなって消滅していることからこの部分で水素漏れがあったことが判る。図３(ｄ)に示した波形からはＡ部においてもＢ部においてもインパルスが小さくなって消滅していることからＡ，Ｂ両地点において水素漏れがあったことが判る。すなわち、それぞれ水素曝露されたセンサ部分のみの光損失が大きくなっていることが示されている。なお、図３の波形中右側に現れている大きなインパルス波形はファイバ端からの反射光であり、Ａ部とＢ部の間に現れている小さなインパルスは光ファイバコア１を継いだ部分からの反射光である。これらはファイバセンサの既知の構造に基づくものであるから、判定においてノイズとなることはない。

次に、ＦＢＧ型センサの実施例を示す。図４は水素分布計測が可能なＦＢＧ型センサの構造と検出特性を示したものである。長尺の光ファイバ10は特定間隔をおいて波長特性の異なるＦＢＧを配置した分布型センサの構造となっており、このＦＢＧ部のクラッド周面には膜厚２μｍのPt/WO_３薄膜をゾルゲル法にて固定化しセンサ部12a,12b…,12i…とした。光ファイバ10の一端には光結合器３を接続し、該光結合器３の他端側には白色（ブロードバンド）光源14と検出系15が接続されている。この検出系15には光スペクトルアナライザあるいは波長計が用いられ、ＦＢＧからの反射光を受信解析する。光スペクトルアナライザの場合は波長スペクトルそのものを計測し、波長計を用いた場合は波長スペクトルのピーク値に対する波長を検出する。ＦＢＧ型センサの場合、流路の一箇所から水素を漏洩させて、光源14から光ファイバ10に白色光を入射すると、各センサ部12a,12b…,12i…から、グレーティングの周期に応じた波長の光が反射されてくる。水素漏洩箇所近傍のセンサ部12iでは表面のPt/WO_３薄膜が反応によって、発熱・変形を起しそのグレーティング周期を変化させる。各センサ部12a,12b…,12i…がすべて空気中にあるときの反射光スペクトル波形を記憶しておけば、このときの検出反射周波数スペクトルと比較して、周波数シフトを生じているセンサ部12iを特定することが出来る。各ＦＢＧは波長特性が異なって作られているので、水素に曝露された部分の位置的情報を取得することが可能となる。本実施例のように光源に白色光を用いる場合は中心波長の異なるＦＢＧを複数個配置することになるが、センサの数Ｎは白色光の帯域幅Ａと各センサに割り当てられた帯域幅Ｂとの関係により、Ｎ＜Ａ／Ｂとなる制約を受ける。上記の例では検出系は光結合器３に接続配置したが、光ファイバ10の先端側に配置して透過光を検出解析する事も可能であるし、双方を配置してより精度の高い解析を行うことも出来る。
図５はこのＦＢＧ型センサを用いた１実験結果を示すグラフである。空気中では1547.3ｎｍに中心周波数のあった反射光が水素曝露によって中心波長が1547.8ｎｍにシフトしていることが読みとれる。この反射波長特性を持っているセンサ部近傍で水素漏洩があったことが判る。

ＦＢＧ型センサを用いた他の測定法の実施例を示す。図６に示した構成図は光源に波長可変光源を用いるＯＦＤＲ(Optical Frequency Domain Reflectometry)方式のものである。図中上段は第一の光学干渉器で行路差がＬである２つの光路の先端部に反射端R1，R2が配置され、中段は第二の光学干渉器で複数のＦＢＧが配置された本発明のセンサが接続され、反射端R3とＦＢＧセンサ部の行路差が周波数として観測され、それを基に位置を特定する。下段は第三の光学干渉器で、ここは波長の基準となる参照用のＦＢＧが配置されている。計測には、波長の変化量をモニタリングすることになるが、そのためには正確な波長が必要となる。しかし、波長可変光源の波長出力値は十分な精度を持っていない。そこで、本実施例の計測装置では参照ＦＢＧを別に用意し、その反射光強度が最大となる波長を基準として、センサーＦＢＧの反射波長の変化量をモニタリングすることとした。光源14からは上記３系統の光学干渉器に波長をスイープさせながら光が分配供給され、それぞれの反射光を検出器D1，D2，D3で受光する。波長可変光源のコントロール及びＡ／Ｄコンバーターを経由したデータ取得は、１台のパソコンで行う。ディジタル的なデータ処理を行うためには、一定間隔の光波数毎の計測を行う必要がある。第一の干渉器はこのために使用される。検出器D1で計測される光強度は、次式のように表される光波数間隔Δｋで周期的に変化する。
Δｋ＝π／ｎＬ (２)
周期的に変化する検出器D1での光強度をトリガーとして使用して、ＦＢＧからの反射光の強度を検出器D2，D3で計測する。

複数（Ｎ個）のＦＢＧを配置した光ファイバの反射光強度計測し、結果を記憶する。行路差は周波数として表現される。計測された波形は、Ｎ個のＦＢＧの位置、つまり行路差が異なるので、周波数の異なるＮ個の波の重ね合わせ形となっている。この反射光強度計測結果に対しスペクトログラム解析を適用する。これは、ある波形に対しスライディングウィンドウを適用し時間毎の離散フーリエ変換を行い、時間に依存した周波数解析を行うものである。ここにおいては、時間は光源の波長を、周波数は行路差つまりＦＢＧの位置を表すこととなる。各ＦＢＧからの反射光強度が最大になる波長がそれぞれ異なっていおり、この反射光強度が最大となる波長の変化量をモニタリングすれば、各ＦＢＧ部での水素検知の有無を判定することが可能となる。この方式では一般的に同じ中心波長のＦＢＧを使うことが出来るため、センサの点数に制限はない。

液体水素燃料を使用するロケット及び宇宙輸送機等の燃料供給系統、あるいはこれらを評価するための試験設備等における水素漏洩を検知するとともに、漏洩箇所を特定することに適した測定方法として利用されるだけでなく、将来的に水素が石油代替エネルギー源として普及した場合、水素エネルギーに関連したインフラ(水素貯蔵施設、水素発電施設)設備や燃料電池自動車等の水素利用機器における水素漏洩監視と健全性評価への応用が大いに期待される。

本発明のＦＢＧ型センサの動作原理を説明する図である。エバネッセント波吸収型センサの実施例とＯＴＤＲ検出特性を示す図である。エバネッセント波吸収型センサの実施例による実験結果を示す図である。ＦＢＧ型センサの実施例と検出特性を示す図である。白色光源を用いたＦＢＧ型センサの実施例の構成図とこれを用いた実験結果を示す図である。ＯＦＤＲ方式のＦＢＧ型センサの実施例の構成を示す図である。エバナッセント波吸収型センサの動作原理を説明する図である。ＦＢＧの構造とそこでの反射・透過特性を説明する図である。

符号の説明

１光ファイバコア２センサ部
2a,2b,2c…,2i… 各センサ部３,C1,C2,C3 光結合器
４，14 光源５，15 検出系
10 光ファイバ 12a,12b,12c…,12i… 各センサ部
D1,D2,D3 検出器 R1,R2,R3,R4 反射端

Claims

ゾルゲル法にて固定化した膜厚500ｎｍ以下の白金触媒担持酸化タングステン薄膜が長尺の光ファイバのコア外周面に均一な膜厚で配置された光ファイバ型水素センサ。
ゾルゲル法にて固定化した膜厚500ｎｍ以下の白金触媒担持酸化タングステン薄膜が長尺の光ファイバの複数箇所のコア外周面に配置された光ファイバ型水素センサ。
請求項１又は２に記載の光ファイバ型水素センサを水素が使用される場所に設置し、当該センサへ光パルスを送りファイバ各位置から返ってくるエバネッセント波情報に対応した光を検出すると共に、ＯＴＤＲ技術を用いて漏洩した水素と反応した漏洩箇所とを検知する測定方法。
長尺の光ファイバに特定間隔でＦＢＧを配置すると共に、該ＦＢＧ部のクラッド周面に膜厚１μｍ以上の白金触媒担持酸化タングステン薄膜をゾルゲル法にて固定化した光ファイバ型水素センサ。
長尺の光ファイバに特定間隔でＦＢＧを配置すると共に、該ＦＢＧ部のクラッド周面に白金触媒担持酸化タングステン粉末を膜厚１μｍ以上の厚さで固定化した光ファイバ型水素センサ。
各ＦＢＧには異なる中心波長と帯域幅が与えられている請求項４又は５に記載の光ファイバ型水素センサ。
請求項６に記載の光ファイバ型水素センサを水素が使用される設備あるいは機器に設置し、当該センサへブロードバンド光を送り各ＦＢＧを通過又は反射する光の波長特性を検出し、中心波長の変化から水素の漏洩と反応したＦＢＧ位置とを検知する測定方法。
請求項４又は５に記載の光ファイバ型水素センサを水素が使用される設備あるいは機器に設置し、レーザー光源の波長を変化させ、ＦＢＧからの反射光強度を検出し、横軸に波長を縦軸に反射光強度をプロットしたものに対し微小波長の区分毎のデータを抜き出して光源の波長に対応する時間毎の離散フーリエ変換を行い、時間に依存した周波数解析を行うことにより、周波数すなわち、ＦＢＧの位置を表すスペクトログラムを得、各ＦＢＧからの反射光強度が最大になる波長の変化量をモニタリングして、各ＦＢＧ部での歪み量を求めることを特徴とするＯＦＤＲ式水素の漏洩と反応したＦＢＧ位置とを検知する測定方法。