JP2006047154A - Fiber-optic temperature sensor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コアにファイバ・ブラッグ・グレーティングが書き込まれた光ファイバ温度センサ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical fiber temperature sensor in which a fiber Bragg grating is written in a core and a manufacturing method thereof.
最近電力設備の装置寿命を推定することが行われてきている。これは装置寿命を正しく把握することにより、予期しない故障等を早期に見つけたり、効率よく新しい装置と交換できるようにするためである。また、正しい寿命を推定することにより過剰な仕様を避けてコストダウンを図るという目的もある。 Recently, it has been performed to estimate the life of the power equipment. This is because, by correctly grasping the life of the apparatus, an unexpected failure or the like can be found at an early stage or can be efficiently replaced with a new apparatus. Another purpose is to reduce costs by avoiding excessive specifications by estimating the correct lifetime.
しかし、従来は正確に寿命を推定する根拠やデータが不足していた。これは例えば電力トランス等のような電力用装置では強電界、高電圧の環境下にある装置の内部を測定することが難しいという状況があったためである。 However, in the past, there were insufficient grounds and data for accurately estimating the lifetime. This is because, for example, in a power device such as a power transformer, it is difficult to measure the inside of a device in a strong electric field and high voltage environment.
ところで、装置の劣化の原因の一つに温度上昇によるものがある。従って、装置の温度、中でも温度が最も高い部分を経時的に正確に測定すれば装置の寿命を推定できるようになるので強電界、高電圧の装置の内部の温度を測定することが望まれている。 By the way, one of the causes of deterioration of the apparatus is due to temperature rise. Therefore, it is possible to estimate the lifetime of the device by accurately measuring the temperature of the device, especially the highest temperature part over time, so it is desirable to measure the temperature inside the device with a strong electric field and high voltage. Yes.
従来、装置の温度を測定する場合には熱電対を使用したり、赤外放射温度計のように非接触型の温度センサを使用していた。一方、最近は光ファイバのコアに紫外線等を照射して部分的に屈折率を上昇させてファイバ・ブラッグ・グレーティング（以下、ＦＢＧという）を書き込んだ光ファイバ温度センサも開発されている（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, when measuring the temperature of an apparatus, a thermocouple is used, or a non-contact type temperature sensor such as an infrared radiation thermometer has been used. On the other hand, recently, an optical fiber temperature sensor in which a fiber Bragg grating (hereinafter referred to as FBG) is written by irradiating the core of the optical fiber with ultraviolet rays or the like to partially increase the refractive index has been developed (for example, Patent Document 1).
ところで、上記のような従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。 By the way, the conventional techniques as described above have the following problems to be solved.
即ち、従来から一般的に用いられている熱電対は高精度に温度が測定でき安価でもあるが、金属体で構成されていること、またセンサ部と信号の処理部との接続も金属ケーブルを用いるために電力用装置のように強電界の環境下ではその使用が好ましくなく、高電圧下では絶縁性が悪くなるという問題があった。 In other words, the thermocouples that have been generally used in the past can measure the temperature with high accuracy and are inexpensive, but they are made of a metal body, and the connection between the sensor unit and the signal processing unit is also made of a metal cable. In order to use it, there is a problem that its use is not preferable under the environment of a strong electric field like a power device, and the insulation property is deteriorated under a high voltage.
また、赤外放射温度計のような非接触型の温度センサでは装置から離して設置することができ、従って強電界の影響がない場所での測定が可能であるが、電力用装置は通常金属体で覆われ、密閉されているので実質的に装置の内部温度を測定することができないという問題があった。 In addition, a non-contact type temperature sensor such as an infrared radiation thermometer can be installed away from the device, and thus can be measured in a place where there is no influence of a strong electric field. There was a problem that the internal temperature of the device could not be measured substantially because it was covered with a body and sealed.
一方、ＦＢＧを書き込んだ光ファイバ温度センサは強電界や高電圧の環境中でもこれらの影響を受けないという利点を有しているが、通常光ファイバのコアにＦＢＧを書き込む際に光ファイバに被覆しているプラスチック樹脂を除去し、ＦＢＧを書き込んだ後に再度通常光ファイバの被覆に用いる紫外線硬化型樹脂や耐熱性の高いポリイミド等のプラスチック樹脂を再被覆することが行われている。このようにセンサ部分にプラスチック樹脂を再被覆する場合、できるだけ薄く被覆しても１０μｍ以上の厚さになってしまう。この結果温度変化を敏感に捉えることが難しく、正確な温度測定が困難であるという問題点もあった。 On the other hand, an optical fiber temperature sensor written with FBG has the advantage that it is not affected by a strong electric field or high voltage environment. However, when an FBG is written into the core of an optical fiber, the optical fiber is usually coated. The plastic resin that has been removed is removed, and after the FBG has been written, an ultraviolet curable resin that is usually used for coating an optical fiber or a plastic resin such as polyimide having high heat resistance is recoated. Thus, when re-coating the plastic resin on the sensor portion, even if it is coated as thin as possible, the thickness becomes 10 μm or more. As a result, there is a problem that it is difficult to detect temperature change sensitively and accurate temperature measurement is difficult.
本発明は強電界や高電圧の環境下でも正確に温度測定が可能な光ファイバ温度センサ及びその製造方法を提供するものである。 The present invention provides an optical fiber temperature sensor capable of accurately measuring a temperature even in a strong electric field or high voltage environment, and a manufacturing method thereof.
本発明は以上の点を解決するため次のような構成からなるものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention has the following configuration.
即ち、本発明はまず第１の態様として、石英系光ファイバのコアにファイバ・ブラッグ・グレーティングが書き込まれてなる光ファイバ温度センサにおいて、前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングが書き込まれた部分はプラスチック樹脂被覆が除去されており、前記プラスチック樹脂被覆が除去された光ファイバのクラッドの表面には金属薄膜が被覆された温度感知部が形成され、前記温度感知部は張力がかからない状態でパッケージにより保護されていることを特徴とする。 That is, the first aspect of the present invention is an optical fiber temperature sensor in which a fiber Bragg grating is written on a silica-based optical fiber core. The portion where the fiber Bragg grating is written is covered with a plastic resin. And a temperature sensing part coated with a metal thin film is formed on the surface of the clad of the optical fiber from which the plastic resin coating has been removed, and the temperature sensing part is protected by the package in a state where no tension is applied. It is characterized by being.
また、第２の態様として、前記第１の態様において、前記金属薄膜の厚さは５μｍ以下であることを特徴とする。 Further, as a second aspect, in the first aspect, the thickness of the metal thin film is 5 μm or less.
さらに、さらに第３の態様として、前記第１の態様または第２の態様において、前記温度感知部には熱伝導率の高いゲル状物質が充填されていることを特徴とする。 Furthermore, as a third aspect, in the first aspect or the second aspect, the temperature sensing unit is filled with a gel substance having high thermal conductivity.
また、第４の態様として、前記第１の態様から第３の態様のいずれかの態様において、前記パッケージは非金属材料からなることを特徴とする。 As a fourth aspect, in any one of the first to third aspects, the package is made of a non-metallic material.
さらに、第５の態様として、前記第４の態様において、前記パッケージは石英ガラス、結晶化ガラス、ジルコニアから選択された一種であることを特徴とする。 Furthermore, as a fifth aspect, in the fourth aspect, the package is a kind selected from quartz glass, crystallized glass, and zirconia.
また、第６の態様として、石英系光ファイバのコアにファイバ・ブラッグ・グレーティングが書き込まれてなる光ファイバ温度センサの製造方法において、前記光ファイバのプラスチック樹脂を所定長だけ除去し、前記プラスチック樹脂を除去した所定長の一部のコアにファイバ・ブラッグ・グレーティングを書き込み、前記プラスチック樹脂を除去した光ファイバのクラッド表面を金属薄膜で被覆して温度感知部を形成し、次いで前記温度感知部の両端部のプラスチック樹脂被覆が施された個所を所定長のプラスチック樹脂パイプに挿通した後、上下２分割されたパッケージの下部パッケージに前記プラスチック樹脂パイプ部を載置し、接着剤で固定した後、前記下部パッケージを上部パッケージで覆い接着剤で固定し、前記上部パッケージに設けた注入孔より熱伝導率の高いゲル状物質を注入、充填した後前記注入孔を封止することを特徴とする。 According to a sixth aspect, in the method of manufacturing an optical fiber temperature sensor in which a fiber Bragg grating is written in a core of a silica-based optical fiber, the plastic resin of the optical fiber is removed by a predetermined length, and the plastic resin A fiber Bragg grating is written on a part of the core having a predetermined length from which the resin is removed, and the temperature sensing part is formed by coating the clad surface of the optical fiber from which the plastic resin has been removed with a metal thin film. After inserting the part where the plastic resin coating is applied at both ends into the plastic resin pipe of a predetermined length, the plastic resin pipe part is placed on the lower package of the package divided into upper and lower parts, and fixed with an adhesive, Cover the lower package with the upper package and fix it with adhesive. The gel-like substance having high thermal conductivity than the injection hole provided in the injection, characterized by sealing the injection hole after filling.
さらに、第７の態様として、前記第６の態様において、前記下部パッケージにプラスチック樹脂パイプを載置、固定する際に、前記温度感知部に張力がかからない状態で載置、固定することを特徴とする。 Furthermore, as a seventh aspect, in the sixth aspect, when placing and fixing a plastic resin pipe on the lower package, the temperature sensing unit is placed and fixed in a state in which no tension is applied. To do.
本発明の光ファイバ温度センサを用いれば、強電界、高電圧環境下にある電力用装置の温度管理をそのような環境の影響を受けることなく行うことができ、また、波長多重伝送により複数の電力用装置の温度管理を同時に行うこともできる。従って、従来推定が困難であった電力用装置の寿命を正確に把握することが可能となった。 By using the optical fiber temperature sensor of the present invention, it is possible to perform the temperature management of a power device under a strong electric field and high voltage environment without being affected by such an environment. It is also possible to manage the temperature of the power device at the same time. Therefore, it has become possible to accurately grasp the lifetime of the power device, which has been difficult to estimate conventionally.
以下、本発明の実施の形態について具体例を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described using specific examples.
図１は本発明の光ファイバ温度センサの構成を表した縦断面図である。以下に本発明の光ファイバ温度センサの製造方法とともにその構成を説明する。 FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of an optical fiber temperature sensor of the present invention. The structure of the optical fiber temperature sensor according to the present invention and the structure thereof will be described below.
図１において、プラスチック樹脂が被覆された光ファイバ１のプラスチック樹脂を所定長、例えば１５〜２５mmだけ除去し、光ファイバのクラッド表面を露出させ、このクラッド表面を露出させた部分の一部のコアに紫外線等によりＦＢＧ２を書き込む。本実施の形態における光ファイバのクラッドの外径は２５０μｍである。次いで前記プラスチック樹脂を所定長だけ除去した部分に金属薄膜３を被覆して温度感知部とする。金属薄膜は例えばニッケル（Ｎｉ）を蒸着方式や無電界メッキ方式により被覆する。金属薄膜の被覆厚は５μｍ以下が好ましい。金属薄膜を被覆する目的はＦＢＧへの熱伝導率をよくするためであるが、５μｍを超えるような厚さになると電力用装置の強電界の影響を受けることになるので好ましくない。また、強電界の影響を受けないようにするにはできるだけ薄い方がよいが、あまり薄くなると光ファイバの強度が弱くなり好ましくない。従って、最も好ましい厚さは１μｍ程度である。 In FIG. 1, the plastic resin of the optical fiber 1 coated with the plastic resin is removed by a predetermined length, for example, 15 to 25 mm, the cladding surface of the optical fiber is exposed, and a part of the core where the cladding surface is exposed FBG2 is written on the surface by ultraviolet rays or the like. The outer diameter of the optical fiber cladding in the present embodiment is 250 μm. Next, the metal thin film 3 is coated on a portion where the plastic resin is removed by a predetermined length to form a temperature sensing unit. The metal thin film is coated with, for example, nickel (Ni) by a vapor deposition method or an electroless plating method. The coating thickness of the metal thin film is preferably 5 μm or less. The purpose of coating the metal thin film is to improve the thermal conductivity to the FBG, but if the thickness exceeds 5 μm, it is not preferable because it is affected by the strong electric field of the power device. Further, in order to avoid the influence of a strong electric field, it is preferable that the thickness is as thin as possible. However, if the thickness is too thin, the strength of the optical fiber is not preferable. Therefore, the most preferable thickness is about 1 μm.
その後温度感知部の両端部のプラスチック樹脂が被覆された光ファイバ１の部分をプラスチック樹脂パイプ４に挿通し、このプラスチック樹脂パイプ４を下部パッケージ５に載置する。この時プラスチック樹脂パイプ４は光ファイバ１の前記したプラスチック樹脂を除去した端部から約５ｍｍほどのところまで挿通する。また、プラスチック樹脂パイプ４の内径は光ファイバ１の外径より大きなものを用い、光ファイバ１がプラスチック樹脂パイプ４内でルースな状態で位置するようにする。例えばプラスチック樹脂パイプの外径は０．９mm、内径は０．５ｍｍのようなものを用いるとよい。また、プラスチック樹脂パイプは耐低温性、耐候性、耐油性等を有する材料からなるものがよい。このような樹脂としては例えば、ハイトレル（デュポン社登録商標）が挙げられる。 Thereafter, the portions of the optical fiber 1 coated with the plastic resin at both ends of the temperature sensing unit are inserted into the plastic resin pipe 4, and the plastic resin pipe 4 is placed on the lower package 5. At this time, the plastic resin pipe 4 is inserted about 5 mm from the end of the optical fiber 1 from which the plastic resin is removed. Further, the inner diameter of the plastic resin pipe 4 is larger than the outer diameter of the optical fiber 1 so that the optical fiber 1 is positioned in a loose state in the plastic resin pipe 4. For example, a plastic resin pipe having an outer diameter of 0.9 mm and an inner diameter of 0.5 mm may be used. The plastic resin pipe is preferably made of a material having low temperature resistance, weather resistance, oil resistance and the like. An example of such a resin is Hytrel (registered trademark of DuPont).
そして、プラスチック樹脂パイプ４と光ファイバ１を接着剤６で下部パッケージ５に固定する。この時接着剤による固定はまず片端のみを行い、接着剤が完全に硬化した後にもう一方の端を固定するようにする。この時片端を接着硬化した後に温度感知部にわずかなたわみを持たせてからもう一方の端を固定するとよい。このようにすると、温度感知部に張力がかからない状態で固定することが可能となる。なお、接着剤で両端を固定した後に温度感知部に張力がかかっていない状態になっているかを検証するには温度感知部のＦＢＧの反射スペクトルを測定することで確認できる。あるいは上記の作業を行っている間もＦＢＧの反射スペクトルを常時確認しながら温度感知部に張力がかからないように固定することも可能である。 Then, the plastic resin pipe 4 and the optical fiber 1 are fixed to the lower package 5 with an adhesive 6. At this time, the fixing with the adhesive is performed only at one end, and after the adhesive is completely cured, the other end is fixed. At this time, after the one end is bonded and cured, it is preferable that the other end is fixed after the temperature sensing portion has a slight deflection. If it does in this way, it will become possible to fix in the state where tension is not applied to a temperature sensing part. In addition, after fixing both ends with an adhesive, it can be confirmed by measuring the reflection spectrum of the FBG of the temperature sensing unit in order to verify that the temperature sensing unit is not in tension. Alternatively, it is possible to fix the temperature sensing unit so that no tension is applied while constantly checking the reflection spectrum of the FBG while the above work is being performed.
次に、接着剤６により下部パッケージ５にプラスチック樹脂パイプ４と光ファイバ１の固定が終了した後に温度感知部を上部パッケージ７で覆い、下部パッケージ５と接着剤で固定し、温度感知部を保護する。上部パッケージ７の接着剤で固定する部分は下部パッケージ５にプラスチック樹脂パイプ４と光ファイバ１を固定した部分と同じ個所である。この時用いる接着剤は前記した下部パッケージ５にプラスチック樹脂パイプ４と光ファイバ１を固定した接着剤６と同種の接着剤を用いる。なお、電力用装置には種々の油が使用されていることもあるので、接着剤としては耐油性のある種類を選択するとよい。なお、本発明に用いられるパッケージの材料としては強電界の影響を受けない非金属が好ましく、例えば、石英ガラス、結晶化ガラス、ジルコニア等が適しているが、本発明の目的に適う材料ならば特に限定されるものではない。 Next, after the plastic resin pipe 4 and the optical fiber 1 are fixed to the lower package 5 by the adhesive 6, the temperature sensing part is covered with the upper package 7, and fixed to the lower package 5 with the adhesive, thereby protecting the temperature sensing part. To do. The portion of the upper package 7 fixed with the adhesive is the same as the portion where the plastic resin pipe 4 and the optical fiber 1 are fixed to the lower package 5. The adhesive used at this time is the same kind of adhesive as the adhesive 6 that fixes the plastic resin pipe 4 and the optical fiber 1 to the lower package 5 described above. In addition, since various oil may be used for the apparatus for electric power, it is good to select the kind with oil resistance as an adhesive agent. Note that the package material used in the present invention is preferably a non-metal that is not affected by a strong electric field. For example, quartz glass, crystallized glass, zirconia, and the like are suitable. It is not particularly limited.
なお、上部パッケージ７には注入孔８が設けられている。これは上部パッケージ７を接着、固定した後にこの注入孔８から熱伝導率の高いゲル状物質９を温度感知部に注入、充填するためである。熱伝導率の高い物質を温度感知部に充填するのは温度がより早く温度感知部に到達するようにするためであり、またその物質がゲル状であるのは温度感知部に不要な応力がかからないようにするためである。この時注入したゲル状物質には空気泡が残らないように注入するとよい。空気泡が残るとセンサの性能が低下するからである。 The upper package 7 is provided with an injection hole 8. This is because, after the upper package 7 is bonded and fixed, the gel material 9 having a high thermal conductivity is injected from the injection hole 8 into the temperature sensing portion and filled. The reason why the temperature sensing unit is filled with a material having high thermal conductivity is to allow the temperature to reach the temperature sensing unit earlier, and that the material is in a gel state because unnecessary stress is applied to the temperature sensing unit. This is to prevent it from being applied. At this time, it is preferable to inject so that air bubbles do not remain in the injected gel substance. This is because the sensor performance deteriorates when air bubbles remain.
最後に上部パッケージ７の注入孔８を封止部材１０により封止する。このような構成を有する本発明の光ファイバ温度センサは−４０℃〜＋８５℃程度の広い温度範囲に亘って測定が可能で、また、反射波長の温度依存性も１０ｐｍ／℃と極めて少なく、高い性能を有している。従って、本発明の光ファイバ温度センサは電力用装置に限定されることはなく、様々な温度測定に用いることも可能である。
Finally, the injection hole 8 of the upper package 7 is sealed with a sealing
ところで、本発明の光ファイバ温度センサは種々のシステム構成で用いることができる。その例について図を用いて説明する。 By the way, the optical fiber temperature sensor of the present invention can be used in various system configurations. The example will be described with reference to the drawings.
図２は本発明の光ファイバ温度センサを用いたシステムの一構成例である。図２において、広いスペクトルを有する光源２１、例えばＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源あるいはＥＥＬＥＤ（Ｅｄｇｅ Ｅｍｉｔｔｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ）光源等からの光を２×２分岐のカプラ２２の１本に入力する。カプラ２２の一つの出力側に本発明の光ファイバ温度センサ２３を接続し、その先端部の反射端２５は無反射処理を行う。一方、カプラ２２の他の１本には光スペクトラム・アナライザー２４、若しくは他の分光装置を接続する。光ファイバ温度センサ２３を接続していない方のカプラ２２の出力側の反射端２５はやはり無反射処理を行う。光スペクトラム・アナライザー２４、若しくは他の分光装置はコンピュータに接続され、測定されたスペクトルデータは温度に換算される。
FIG. 2 is a configuration example of a system using the optical fiber temperature sensor of the present invention. In FIG. 2, light from a
このような構成例を用いるとデータを長距離伝送することができ、離れた場所で電力用装置の温度管理、ひいては寿命推定を行うことができる。データを伝送できる距離は光ファイバ温度センサ２３の反射率や伝送に用いる光ファイバの伝送損失により決まってくるが、光ファイバの伝送損失は極めて小さいために数ｋｍオーダーのデータ伝送も可能となる。
When such a configuration example is used, data can be transmitted over a long distance, and temperature management of the power device can be performed at a remote location, and thus life estimation can be performed. The distance at which data can be transmitted is determined by the reflectivity of the optical
次に図３は本発明の光ファイバ温度センサを用いた他のシステム構成例である。本構成例では本発明の光ファイバ温度センサをカスケード接続して用いている。即ち、図３において、ＡＳＥ光源あるいはＥＥＬＥＤ光源３１等からの光を２×２分岐のカプラ３２の１本に入力する。カプラ３２の一つの出力側に本発明の光ファイバ温度センサ３３ａ、・・・、３３ｎをカスケード接続し、その先端部の反射端３５は無反射処理を行う。一方、カプラ３２の他の１本には光スペクトラム・アナライザー３４、若しくは他の分光装置を接続する。光ファイバ温度センサ３３ａ、・・・、３３ｎを接続していない方のカプラ３２の出力側の反射端３５はやはり無反射処理を行う。光スペクトラム・アナライザー３４、若しくは他の分光装置はコンピュータに接続され、測定されたスペクトルデータは温度に換算される。
Next, FIG. 3 shows another system configuration example using the optical fiber temperature sensor of the present invention. In this configuration example, the optical fiber temperature sensors of the present invention are used in cascade connection. That is, in FIG. 3, light from the ASE light source or EELED
ここで、光ファイバ温度センサ３３ａ、・・・、３３ｎをカスケード接続する際に、ＡＳＥ光源を用いた場合は光ファイバ温度センサを１０〜１５個接続することが可能であり、またＥＥＬＥＤ光源を用いた場合は３〜５個の光ファイバ温度センサを接続することが可能である。このように複数の装置の温度を同時に測定することができ、波長多重データ伝送により温度管理、寿命推定を効率よく行うことができる。
Here, when the optical
１・・・光ファイバ
２・・・ＦＢＧ
３・・・金属薄膜
４・・・プラスチック樹脂パイプ
５・・・下部パッケージ
６・・・接着剤
７・・・上部パッケージ
８・・・注入孔
９・・・ゲル状物質
１０・・・封止部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Metal thin film 4 ... Plastic resin pipe 5 ... Lower package 6 ... Adhesive 7 ... Upper package 8 ... Injection hole 9 ... Gel-
Claims (7)
7. The method of manufacturing an optical fiber temperature sensor according to claim 6, wherein when the plastic resin pipe is mounted and fixed on the lower package, the temperature sensing unit is mounted and fixed in a state where no tension is applied.
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