JP2005351663A - Ｆｂｇ湿度センサ及びｆｂｇ湿度センサを用いた湿度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 容易に多点の湿度を計測するためのＦＢＧ湿度センサ及びＦＢＧ湿度センサを用いた湿度測定方法を提供する。
【解決手段】 ＦＢＧ５を備えた光ファイバ１１の表面に、湿度変化に応じて膨張、収縮する湿度検出材料７を塗布したＦＢＧ湿度センサ１３及びＦＢＧ湿度センサ１３を用いた湿度測定方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）を用いて湿度を計測するＦＢＧ湿度センサ及びＦＢＧ湿度センサを用いた湿度測定方法に関するものである。

従来、湿度は電気的湿度計などによって計測している。しかし、電気式湿度計は、電磁ノイズに弱く、多点計測が困難であり、センサ部の設置場所に電源が必要であるなどの問題がある。

これに対して、ＦＢＧを用いた光式センサの場合には、電磁ノイズの影響を受けず、多点計測が可能であり、センサ部の設置場所に電源が不要であるなどの利点がある。

ＦＢＧは、図４に示すように光ファイバのファイバコア２の屈折率を一定の間隔周期Ｌで変化させたもので、光ファイバへの入射光がこの屈折率変化部１で反射する。その反射光の反射波長は、ＦＢＧの間隔周期Ｌとファイバコア２の屈折率で決まるため、ＦＢＧは光ファイバの歪による間隔周期の変化や温度によるファイバコア２の屈折率の変化に応じて反射波長が変化する。

そのためＦＢＧを有した光ファイバは、ファイバコア２の歪と温度に対してセンサとしての感度を持ち、圧力、歪、温度の測定をするための様々な光式センサとしての研究がなされている。

一般的にＦＢＧにて圧力、歪の計測をする光式センサの場合、測定対象物の圧力、歪をＦＢＧへ印加するために測定対象物に固定する必要がある。

湿度を計測する光式センサの場合も同様で、図５に示すように、ＦＢＧ５が設けられた光ファイバ１１を湿度によって膨張、収縮する湿度検出材料７へ接着剤等を用いて固定点８、９に固定する。例えば膨張の場合、主に図中矢印１０で示す方向に湿度によって湿度検出材料７が膨張し、これに応じて光ファイバ１１のＦＢＧ５の部分が矢印６で示す方向に伸長することにより、湿度変化によるＦＢＧ５の屈折率周期が変化しＦＢＧ５で反射する反射光の波長が変化することで、湿度を測定することができる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開２００３−２９５００９号公報 特開２００３−２９４６６２号公報

しかしながら、この光ファイバ１１を湿度検出材料７に固定する方法によると、接着剤とＦＢＧ５が形成されている光ファイバ１１との間の接着力の低下や、湿度による接着剤そのものの膨張、収縮等の影響があり、計測の信頼性及び計測精度が悪くなる傾向があるという問題がある。

また、接着作業を行う工程のコストも見込まなければならなくなるため、製造コストも高くなるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、ＦＢＧを用いて簡単かつ安価な構成にて、容易に多点の湿度を計測するためのＦＢＧ湿度センサ及びＦＢＧ湿度センサを用いた湿度測定方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、第１の発明は、ＦＢＧを備えた光ファイバの表面に、湿度変化に応じて膨張、収縮する湿度検出材料を塗布したＦＢＧ湿度センサである。

第２の発明は、湿度によって膨張、収縮する上記湿度検出材料が、上記光ファイバとの接着力が強いポリイミドである。

第３の発明は、上記光ファイバの外径が４０μｍ〜１３０μｍであり、上記光ファイバに塗布された上記湿度検出材料の膜厚が２μｍ〜５０μｍである。

第４の発明は、ＦＢＧを備えた光ファイバの表面に、湿度変化に応じて膨張、収縮する湿度検出材料を塗布し、該湿度検出材料が湿度変化に応じて膨張、収縮することにより、上記光ファイバに歪を生じさせ、この上記光ファイバの歪に応じて上記ＦＢＧの反射波長を変化させ、その反射波長の変化を計測して、湿度を検出するＦＢＧ湿度センサを用いた湿度測定方法である。

第５の発明は、上記ＦＢＧの湿度による波長変化を計測して、湿度変化と波長変化の検量線を予め作成し、湿度計測時に検出した波長変化から上記検量線を基に湿度を求める方法である。

本発明によれば、容易に多点の湿度を計測するためのＦＢＧ湿度センサ及びＦＢＧ湿度センサを用いた湿度測定方法を得られる。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適実施の形態を示すＦＢＧ湿度センサを示す断面図である。

図示したように、ＦＢＧ湿度センサ１３は、架橋アクリル樹脂（熱硬化アクリル樹脂）、シリコーン樹脂等で形成した屈折率の高いファイバコア２と、水分を透過しないフッ素樹脂等でファイバコア２の周囲に設けられた屈折率の低いファイバクラッド３とからなる光ファイバ１１のファイバクラッド３の外周部に、更に湿度によって膨張、収縮する湿度検出材料７を薄く膜状に塗布した構造になっている。

本実施の形態では例えばＦＢＧ湿度センサ１３の寸法は、ＦＢＧ湿度センサ１３のファイバコア２のコア径がφ９．５μｍであり、光ファイバ１１の外径（すなわち、ファイバクラッド３のクラッド径）がφ１２５μｍであり、そのファイバクラッド３の周囲に湿度によって膨張、収縮する湿度検出材料７としてポリイミドからなる膜厚１０μｍのコーティングがなされている。

本発明では、ＦＢＧ湿度センサ１３の使用される環境、適用条件などにより、ファイバコア２のコア径をφ９μｍ〜２０μｍの範囲で、光ファイバ１１の外径をφ４０μｍ〜１３０μｍの範囲で、光ファイバ１１に塗布する湿度検出材料７の膜厚を厚さ２μｍ〜５０μｍの範囲で各々適宜設定して、ＦＢＧ湿度センサ１３の感度、精度が最適になるようにするとよい。

なお、このファイバクラッド３に外周に設けられる湿度検出材料７による薄い膜は、塗布、コーティングに限らず、ファイバクラッド３上に強い接着力を保持して設けられればよい。

ファイバコア２には、ファイバコア２の長手方向にファイバコア２とは異なる屈折率の屈折率変化部１を一定の間隔周期で形成した回折格子であるＦＢＧ５が設けられている。このファイバコア２に設けられたＦＢＧ５のため、光ファイバ１１を伝搬する光信号の内、このＦＢＧ５において特定波長の光信号を反射して、他の波長の光信号を通過させる。

このＦＢＧ湿度センサ１３の湿度の検出方法は次の通りである。

或る湿度雰囲気内に設置されたＦＢＧ湿度センサ１３は、ＦＢＧ湿度センサ１３に入射した光信号の内、ＦＢＧ湿度センサ１３のＦＢＧ５を形成している一定の間隔周期で設けられた屈折率変化部１の間隔周期に応じた波長のみをＦＢＧ５において反射する。

次に、ＦＢＧ湿度センサ１３の設置された雰囲気内の湿度が仮に高くなったと
する。この雰囲気内の湿度が高くなったことにより、ポリイミドなどからなる湿度検出材料７は雰囲気内の湿気を吸収し、この湿気を吸収した湿度検出材料７は、その吸収した湿気による湿度変化に応じて光ファイバ１１長手方向に膨張、伸長する。この湿気を吸収し伸長した湿度検出材料７は、光ファイバ１１との接着力が強く光ファイバ１１のファイバクラッド３の表面に密着して塗布（コーティング）されているため、湿度検出材料７の伸長に従って、光ファイバ１１に歪を生じさせ光ファイバ１１にも伸長の応力が生じて、湿度検出材料７の伸長と同時に光ファイバ１１も光ファイバ１１長手方向に伸長する。

このように、ＦＢＧ湿度センサ１３が設置された雰囲気内の湿度が高くなることで、湿度検出材料７及び光ファイバ１１が伸長するため、光ファイバ１１のファイバコア２に設けられているＦＢＧ５も光ファイバ１１長手方向に伸長する。

このＦＢＧ５の伸長は、ＦＢＧ５に回折格子を形成している屈折率変化部１の間隔周期を伸長させることを意味し、この屈折率変化部１の間隔周期（すなわち、屈折率変化部１の屈折率分布）が、光ファイバの歪に応じて伸長することにより、ＦＢＧ５で反射する光信号の波長が長波長側に変化する。

このＦＢＧ湿度センサ１３を用いて、ＦＢＧ湿度センサ１３が設置された雰囲気内の相対湿度の変化と、相対湿度が変化したときのＦＢＧ湿度センサ１３の反射する光信号の波長変化の関係を観測したところ、図２に示すような検量線が得られることが分かった。

図２にＦＢＧ湿度センサ１３が設置された雰囲気の相対湿度と、この相対湿度に対応して変化する反射波の波長変化との関係を示す。図中横軸は、ＦＢＧ湿度センサ１３が設置された雰囲気中の相対湿度（単位：％ＲＨ）を示し、縦軸はＦＢＧ湿度センサ１３の反射光の波長変化（単位：ｐｍ）を示す。

図から分かるように、ＦＢＧ湿度センサ１３が設置された雰囲気中の相対湿度が高くなるに従って波長変化が大きくなり、相対湿度に対して波長変化がほぼ比例関係にあることが分かる。

実測値の一例として、上記のようなＦＢＧ湿度センサ１３に中心波長１５５０ｎｍの光を入射したときに、雰囲気内の相対湿度が５０％ＲＨから９０％ＲＨに上昇することによって、ＦＢＧ湿度センサ１３において反射する光の中心波長変化（波長シフト）が長波長側に約２０ｐｍであることが観測された。

なお、ここではＦＢＧ湿度センサ１３が設置された雰囲気内の湿度が上昇するときに湿度検出材料７が膨張する場合を説明したが、湿度が低下するときに湿度検出材料７が収縮する場合も同様である。

また、湿度が上昇するときに膨張し、湿度が低下するときに収縮する材質の場合について説明したが、湿度が上昇するときに収縮し、湿度が低下するときに膨張する材質の湿度検出材料７を用いてもよい。

次に、このようにして形成されたＦＢＧ湿度センサ１３を用いた湿度計測システムの一例を説明する。

図３は、ＦＢＧ湿度センサを用いた湿度計測システムを示す構成図である。

図示したように湿度計測システムは、広帯域の光信号を発する広帯域光源１６と、広帯域光源１６から入射された光信号を通過、反射させるＦＢＧ湿度センサ１３ａ〜１３ｃと、ＦＢＧ湿度センサ１３ａ〜１３ｃで反射した光信号の波長を測定するための波長計測装置１５と、入射した信号光、反射した信号光を一方向に伝送するための光サーキュレータ１２と、計測システムのこれら各部材間を接続するための光ファイバケーブル１４とを備えて構成される。

広帯域光源１６は、光ファイバケーブル１４により、光サーキュレータ１２の端子１２ａに接続され、光サーキュレータ１２の端子１２ｂには光ファイバケーブル１４を介してＦＢＧ湿度センサ１３ａが接続されている。ＦＢＧ湿度センサ１３ａの他端には、光ファイバケーブル１４を介してＦＢＧ湿度センサ１３ｂが接続され、ＦＢＧ湿度センサ１３ａの他端には光ファイバケーブル１４を介してＦＢＧ湿度センサ１３ｃが接続されている。光サーキュレータ１２の端子１２ｃには光ファイバケーブル１４を介して波長計測装置１５が接続されている。

広帯域光源１６は、異なる波長の光信号を発することのできる広帯域の光源である。

波長計測装置１５は、ＦＢＧ湿度センサ１３ａ〜１３ｃからの反射光の波長を測定し、その波長変化を検知して、図２に示す検量線に照合して波長変化に応じた相対湿度値を示す計測機器である。

光サーキュレータ１２は、光サーキュレータ１２の特定の端子に入射された光信号を特定の端子に出力する入出力方向性を有した光回路部品であり、端子１２ａに入射した光信号を端子１２ｂに出力し、端子１２ｂに入射した光信号を端子１２ｃに出力し、端子１２ｃに入射した光信号を端子１２ａに出力する。

ＦＢＧ湿度センサ１３ａ〜１３ｃは、図１に示したＦＢＧ湿度センサ１３と同様に構成された湿度センサであり、ＦＢＧ湿度センサ１３ａ〜１３ｃの各々に設けられたＦＢＧ５は、ＦＢＧ５を形成する屈折率変化部１の間隔周期を異ならせ、それぞれ特定の波長の光信号を反射するように形成するとよい。

次に、波長計測システムによる湿度計測方法について図１〜３により説明する。

広帯域光源１６から発せられた光信号は、光ファイバケーブル１４を介して光サーキュレータ１２の端子１２ａに入射され、この入射された光信号は端子１２ｂから光ファイバケーブル１４を介して、ＦＢＧ湿度センサ１３ａに入射される。

この入射された光信号の内、ＦＢＧ湿度センサ１３ａに設けられたＦＢＧ５に対応した特定の波長の光信号がＦＢＧ湿度センサ１３ａで反射され、光ファイバケーブル１４、光サーキュレータ１２の端子１２ｂ、光サーキュレータ１２の端子１２ｃ、光ファイバケーブル１４を順に介して、波長計測装置１５に入射される。

波長計測装置１５に入射された光信号（反射光）は、波長変化が計測され図２に示す検量線を基にこの光信号の波長変化に応じたＦＢＧ湿度センサ１３ａの設置された雰囲気中の相対湿度が得られる。

ＦＢＧ湿度センサ１３ａを通過した他の波長の光信号は、ＦＢＧ湿度センサ１３ｂに入射され、この入射された光信号の内、ＦＢＧ湿度センサ１３ｂに設けられたＦＢＧ５に対応した特定の波長の光信号がＦＢＧ湿度センサ１３ｂで反射され、光ファイバケーブル１４、ＦＢＧ湿度センサ１３ａ、光ファイバケーブル１４、光サーキュレータ１２の端子１２ｂ、光サーキュレータ１２の端子１２ｃ、光ファイバケーブル１４を順に介して、波長計測装置１５に入射され、波長計測装置１５に入射された光信号（反射光）すなわちＦＢＧ湿度センサ１３ｂから反射した光信号の波長変化が計測され、図２に示す検量線と照合してこの光信号の波長変化に応じたＦＢＧ湿度センサ１３ｂの設置された雰囲気中の相対湿度が波長計測装置１５により得られる。

ＦＢＧ湿度センサ１３ａ、１３ｂを通過した他の波長の光信号は、ＦＢＧ湿度センサ１３ｃに入射され、ＦＢＧ湿度センサ１３ｃにて上記と同様の光の反射、透過が生じ、ＦＢＧ湿度センサ１３ｃからの反射光によりＦＢＧ湿度センサ１３ｃの設置された雰囲気中の相対湿度が得られる。

なお、本実施の形態では、この湿度計測システムにはＦＢＧ湿度センサ１３（１３ａ〜１３ｃ）を三個接続した例を示したが、測定点の箇所数など湿度計測システムのアプリケーションに応じて、ＦＢＧ湿度センサ１３の個数を増減させるとよい。

一般的に、ＦＢＧ湿度センサ１３を多数用いて、多点の計測を行う場合、その測定可能な測定点の数（即ち、ＦＢＧ湿度センサ１３の数）は、広帯域光源１６の波長帯域と、波長計測装置１５の計測可能な波長帯域と、各ＦＢＧ湿度センサ１３の波長変化量によって定まるが、湿度により変化するＦＢＧ５での反射波長の中心波長変化量を必要とする湿度計測精度に調整することによって、可能な限り多くのＦＢＧ湿度センサ１３を設けて、多点の湿度を計測する湿度計測システムを構築することが可能である。

また図１、図３において、湿度に応じて膨張、収縮する湿度検出材料７の塗布膜厚（コーティング膜厚）を調整したり、ポリイミド樹脂以外の様々な膨張、収縮率を有する湿度検出材料をＦＢＧ湿度センサ１３ａ〜１３ｃに用いることにより、一定の湿度変化によるＦＢＧ５の反射する中心波長の変化量を任意に定めたり、図２の検量線の傾きを任意に定めることが可能である。

以上説明したようにＦＢＧ湿度センサ１３は、ファイバクラッド３の周囲に、湿度によって膨張、収縮しかつ接着力の強い湿度検出材料７を塗布（コーティング）した構造になっていることにより、従来技術（図５参照）のように固定点８、９における光ファイバ１１の固定を必要とせず、固定のために接着材等も使用しないため、計測の信頼性及び計測精度を確保することができる優れた光式センサとなっている。

また、ＦＢＧ湿度センサ１３は、ファイバクラッド３の周囲に湿度によって膨張、収縮する湿度検出材料７よりコーティングされた簡単な構造になっており、かつ従来のような接着作業も不要となり製造コストも抑えられた安価な光式センサとなっている。

またこのようなＦＢＧ湿度センサ１３は、センサ自体に電源を必要とせず、異なる反射波長を有したＦＢＧ湿度センサ１３（ＦＢＧ湿度センサ１３ａ〜１３ｃ）を多点に容易に敷設することができる。このため、図３に示すような湿度計測システムに用いて、各ＦＢＧ湿度センサ１３からの反射光の波長を常時１つの波長計測装置１５にて計測して、得られた中心波長の波長変化を図２に示した検量線に照合することで、容易に湿度を計測することが可能になった。

従来技術においても述べたが、ＦＢＧ５は外部から印加される圧力等の歪だけによってだけでなく、そのＦＢＧ５周辺の温度変化によってもＦＢＧ５の反射中心波長は変化する。

従って、ＦＢＧ湿度センサ１３において、湿度と温度による波長変化分から温度による波長変化分を取り除くことにより、更に高精度な湿度計測が可能である。

この場合、湿度によって膨張、収縮しない材料を光ファイバ１１の表面にコーティングした温度計測用のＦＢＧ温度センサまたは、湿度によって膨張、収縮するが光ファイバとの接着力が弱くその膨張、収縮による変化がＦＢＧに応力を生じさせない材料をコーティングしたＦＢＧ温度センサをＦＢＧ湿度センサ１３近傍に配置することにより、ＦＢＧ湿度センサ１３の温度による中心波長変化分を補正することが可能である。

このように本発明によれば、ＦＢＧを用いて簡単かつ安価な構成にて、容易に多点の湿度を計測するためのＦＢＧ湿度センサ及びＦＢＧ湿度センサを用いた湿度測定方法を得られる。

本実施の形態であるＦＢＧ湿度センサの構造を示す断面図である。 湿度と湿度に対する波長変化を示す相対湿度−波長変化検量線である。 ＦＢＧ湿度センサを用いた湿度計測システムを示す構成図である。 ＦＢＧの構造を示す断面図である。 従来のＦＢＧ湿度センサを示す構成図である。

符号の説明

１ 屈折率変化部
２ ファイバコア
３ ファイバクラッド
５ ＦＢＧ
６ 矢印
７ 湿度検出材料（ポリイミド）
１０ 矢印
１１ 光ファイバ
１２ 光サーキュレータ
１２ａ〜１２ｃ 端子
１３ ＦＢＧ湿度センサ
１３ａ〜１３ｃ ＦＢＧ湿度センサ
１４ 光ファイバケーブル
１５ 波長計測装置
１６ 広帯域光源
Ｌ 間隔周期

Claims (5)

1. ＦＢＧを備えた光ファイバの表面に、湿度変化に応じて膨張、収縮する湿度検出材料を塗布したことを特徴とするＦＢＧ湿度センサ。
2. 湿度によって膨張、収縮する上記湿度検出材料が、上記光ファイバとの接着力が強いポリイミドである請求項１記載のＦＢＧ湿度センサ。
3. 上記光ファイバの外径が４０μｍ〜１３０μｍであり、上記光ファイバに塗布された上記湿度検出材料の膜厚が２μｍ〜５０μｍである請求項１または２記載のＦＢＧ湿度センサ。
4. ＦＢＧを備えた光ファイバの表面に、湿度変化に応じて膨張、収縮する湿度検出材料を塗布し、該湿度検出材料が湿度変化に応じて膨張、収縮することにより、上記光ファイバに歪を生じさせ、この上記光ファイバの歪に応じて上記ＦＢＧの反射波長を変化させ、その反射波長の変化を計測して、湿度を検出することを特徴とするＦＢＧ湿度センサを用いた湿度測定方法。
5. 上記ＦＢＧの湿度による波長変化を計測して、湿度変化と波長変化の検量線を予め作成し、湿度計測時に検出した波長変化から上記検量線を基に湿度を求める請求項４記載のＦＢＧ湿度センサを用いた湿度測定方法。
   

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