JP2006501446A - ブラッググレーティング圧力センサ - Google Patents

Abstract

本発明のブラッググレーティングを有する圧力センサは、特に化学工業分野に応用でき、例えば、光ファイバ（１０）、このファイバの一領域に形成され、圧力（Ｐ）を受けるブラッググレーティング（１４）、及び、この領域の側面を支える手段（２０）を備えている。この領域はセンサの測定範囲に比べて小さな値で予圧される。

Description

技術分野
本発明はブラッググレーティングを使用した圧力センサに関する。
本センサは特に化学工業分野の液圧、例えば、液化炭化水素の圧力測定に適している。

先行技術
ブラッググレーティング圧力センサは、以下の文書に記載されている。
[１]ＥＰ１ ００８ ８４０Ａ「Optical pressure sensor and measuring device provided with such a pressure sensor」（M. Voet, M.Bugaud及びP. Ferdinand）
[２]米国特許出願第２ ００１ ９１０３Ａ号「Optical fibre sensor」（E. Sugai, K. Watabe, K. Yamaga及びS. Fujita）
これらに既知の圧力センサにおいては、中にブラッググレーティングが形成された光ファイバが横方向に動いてしまい、これによって光ファイバが損傷する場合がある。

発明の概要
本発明の目的は上述の欠点を解決することにある。
本発明の目的は、具体的に、光導波路、好ましくは光ファイバ、及びこの光導波路の一領域に形成される第一の反射エレメント、好ましくはブラッググレーティングを備える圧力センサであり、本センサは光導波路のこの領域の側面を支える手段を更に有することを特徴とする。

センサの応答ヒステリシス、特に、零圧近辺のヒステリシスを回避するため、光導波路（光ファイバが好ましい）のこの領域には僅かな予圧が印加される。
僅かな予圧とは、本センサの測定範囲に比べ小さな値の事前加圧を意味する。

本発明のセンサの第一の好ましい実施例によれば、本センサは、ハウジングと、圧力を受け、且つハウジングを閉ざす皮膜とを有し、本センサは加圧下で動作し、光導波路の領域は、ハウジングの内部に配置されて、その第一及び第二の端部は皮膜とハウジングにそれぞれ固定され、側面支持手段は、光導波路が圧縮された時、光導波路の領域のバックリングを防ぐ手段を有する。

本発明の第一の特定の実施例によれば、光導波路の領域のバックリングを防止する手段は、管とリングを有し、管はハウジングの内部に位置して光導波路の領域を取り囲み、皮膜との間に隙間を有する第一の端部と、ハウジングに固定される第二の端部を有し、リングはハウジングと皮膜の間にある管の内部に配列され、弾性エレメントによって相互に隔てられ、光導波路の領域はこれらのリングを通り抜け、自由にこれらのリング内をスライドできる。

弾性エレメントは弾性を有する円環状スペーサであることが好ましい。
弾性エレメントは摩擦係数の小さい弾性素材から作られることが好ましい。
この弾性エレメントは発泡型ポリテトラフルオロエチレンであることが好ましい。

変形型の実施例において、光導波路の領域のバックリングを防止する手段は、ハウジングと一体の固定された単独のリングを有し、センサの全長に亘って光導波路の領域をガイドする。

本発明の第二の特定の実施例によれば、光導波路の領域のバックリングを防止する手段は、ハウジングの内部で光導波路の領域に沿って配列された剛性のワッシャを有し、光導波路のこの領域は、これらのワッシャを弾性エレメントと共に通り抜け、この弾性エレメントは、ハウジングと皮膜の間のハウジングの内部で、剛性ワッシャと交互に配列され、これらの剛性ワッシャと一体化している。

好ましくは、弾性エレメント（６６）は、光導波路の領域を捉える単独の弾性材ブロックを形成する。

本発明のセンサの第二の好適な実施例によると、光導波路の領域の第一及び第二の端部は固定され、側面支持手段は光導波路の領域を捕捉して該領域の第一の端部から第二の端部まで伸びる弾性エレメントを有し、このエレメントの周縁部には圧力が印加される。

本発明のセンサは、第一の反射エレメントとは異なる、温度測定用に設計された第二の反射エレメントを有し、この第二の反射エレメントは光導波路の圧力を受けない領域に形成される。

本発明は、添付図面を参照しつつ、説明のみを目的とする後述の非限定的実施例を読むことにより、より良く理解し得る。

図１Ａ、図１Ｂ及び図２に概略的に示す本発明の圧力センサは、単方向の皮膜センサであり、此処での圧力の測定は、この皮膜の変形を測定することによって一定方向に行なわれる。

図３に概略的に示す本発明の圧力センサは、静水圧全方向センサであり、此処での圧力の測定は標準容積の変化量を測定する事によって全方位的に行なわれる。

先ず、本発明の単一方向の皮膜センサについて考察する。これらのセンサにおいては、光ファイバを圧縮して使用する。圧縮下での光ファイバ（特に、シリカ光ファイバ）の強靭さは、これらのセンサの高い信頼性を保証する。

図１Ａ、図１Ｂ及び図２に示すセンサおいて、皮膜は被験体として使用される。測定すべき圧力はこの皮膜に印加される。この圧力の影響で皮膜は移動し、その移動距離が光ファイバ内に形成されたブラッググレーティングを用いて測定される。

皮膜と一体化している光ファイバが圧縮される。この圧縮により、グレーティングのブラッグ波長にずれ（オフセット）が生じる。このオフセット値を測定する事により、皮膜の変位を測定でき、よって圧力の測定が可能となる。

図１Ａ、１Ｂ及び図２に示すセンサには、光ファイバが長軸方向に圧縮された時、光ファイバのバックリングを防止しつつ、光ファイバをガイドする特別の手段が設けられている。これらの特別の手段は、図１Ａ、１Ｂ、及び図２に示す実施例では、２つの異なった方法で作成されている。

より正確に述べると、図１Ａに概略的に示す本発明による圧力センサは、ハウジング２及びこのハウジング２を閉ざす変形可能な皮膜４を有し、この皮膜に測定すべき圧力Ｐが印加される。皮膜４はこの圧力Ｐの影響でＸ方向に変形する。

センサが相対圧力を測定するように構成されている場合、皮膜４と向かい合うハウジング２の壁６は開口部８を有する。

センサは光ファイバ１０を有し、このファイバの一領域１２はハウジング２の内部に位置するものである。ブラッググレーティング１４は光ファイバのこの領域に形成される。

また、本センサは、ハウジングの内部に可動アーマチャ１６を有し、このアーマチャは皮膜４のほぼ中央部に固定されている。

光ファイバの領域１２はＸ方向と平行に伸びている。光ファイバの領域の一方の端部は、領域の光軸に垂直に切断され、可動アーマチャ１６に固定される。領域１２の他方の端部はハウジングの壁６に固定される。

より正確には、この壁６は該光ファイバのための密閉された通路１８を有しており、光ファイバの領域１２は、壁６のこの密閉された通路１８に固定される。

図１Ａに示すセンサでは、光ファイバ（より正確には光ファイバの領域１２）のバックリングを防ぐ手段２０は、ガイド管２２、リング２４、及び弾性エレメントを有している。これら弾性エレメントは、低摩擦係数を有する弾性物質を素材とする円環状スペーサ２６、好ましくは発泡型ポリテトラフルオロエチレンである。

ガイド管２２はハウジング２の内部に位置し、光ファイバの領域１２の周りをＸ方向に伸びている。ガイド管２２の一方の端部は壁６に固定され、他方の端部はスペース１個分２８だけ可動アーマチャ１６から離れている。

リング２４はガイド管２２の内部に配列されている。これらのリングは光ファイバの領域１２を取り囲み、弾性を有する円環状スペーサによって互いに隔てられている。

図１Ａの実施例において、各円環状スペーサは、隣接する２つのリングの対応する端部にそれぞれ形成された、４５°の互いに向かい合う二つ面取り部３０上にスペーサを受軸することにより、これら２つのリング２４を隔てることができる。

このように、光ファイバの領域１２は、一組のリング２４の中にガイドされ、このリングの組はガイド管２２によって長軸方向の所定の位置に保持され、これらのリングのずれを、例えば、±０．５μｍに制限する。

一組の弾性円環状スペーサ、又はシール２６によってリング間に均等に分散された軸方向、特に長さ方向の小さなクリアランスが生まれることで、光ファイバの領域を圧縮する際にそのバックリングを防止することができる。

更に、これらのリングに左右対称に受軸された弾性円環状スペーサ２６の作用により、加圧によって生じる軸方向の移動とは無関係にリング２４が自己整列する。

更に、これらの円環状スペーサ又はシール２６の硬度は低く、僅かな圧縮抵抗を示すだけであるので、皮膜４、可動アーマチャ１６、及びファイバ領域１２から構成される可動アセンブリの慣性は僅かに増加するだけである。ガイド管２２に対するこれらスペーサの摩擦係数は、その摩擦の影響が無視できる程度である。

このようにして、本センサの動的性能は最適化されている。

可動アーマチャ１６に最も近いリングをこの可動アーマチャに固定し、ハウジング２の壁６に最も近いリングをこの壁に固定できるが、必須要件ではないことに注意されたい。

ファイバの領域１２には、センサ応答におけるヒステリシス、特にゼロ圧近辺でのヒステリシスを避けるため、僅かな予圧が印加される。

同じ事が図１Ｂ、図２、及び図３の実施例にも当てはまる。

図１Ｂ（同じエレメントに対しては同じ符合を使用）に概略的に示す一変形例においては、単一のリング２４が使用され、このリングはハウジング２に固定されて該ハウジングと一体化しており、センサの全長に亘ってファイバ領域１２をガイドする。

本実施例においては、弾性スペーサは使用されていない。皮膜が加圧された時、ファイバ領域への加圧は、リング２４の頂部と変形可能な皮膜４との間のクリアランスＪにより可能となる。

特殊な結合方法の一つでは、ファイバ領域１２の端部１２ａを金属化し、皮膜４にスポット溶接することが出来るが、別の方法によっても固定できる。

同様に、シールされた下部の通路１８が部分的に金属化されている場合、ファイバ領域１２は、溶接又は蝋付けによりリング２４又はハウジング２に固定することができるか、又は他の適切な方法（例えば、接着又はクリンピング）によって固定できる。

２ｘ２タイプの光カプラ３２と広帯域光源３４をハウジング２の外部に設け、光ファイバの領域１２内に内包されているグレーティング１４のブラッグ波長のオフセットを測定することができる。

２つのカプラポートは、ハウジング２の外側に設けられている光源３４と光ファイバ端１０にそれぞれ接続され、光源から供給された光をこの光ファイバに送る。

ブラッググレーティング１４から反射された光は、他のカプラポートを通ってスペクトルアナライザー３６に送られる。このアナライザーはアナライザーから出力された信号を処理する電子手段３８に接続されている。

これらの手段３８は、ブラッググレーティングによって反射され、スペクトルアナライザー３６によって検知された光に対して修正を加えて圧力Ｐを決めることが可能である。

測定結果は、電子処理手段３８に接続されている表示手段４０から出力される。

４番目のカプラポートは使用しない場合もあり、好ましくはスキュー切断するか、光ファイバ４２に接続される。この光ファイバの端部は好ましくはスキュー切断され、内に標準ブラッググレーティング４４を形成する。

このグレーティング４４は光源３４から放射された光を受信し、よって圧力センサの較正を可能にする。

好ましくは、もう１つのブラッググレーティング４６が、圧縮されない光ファイバ１０の領域内、例えば、光ファイバの領域１２が固定される位置である、ハウジング２の壁６のシールされた通路１８に設けられる。

取り付けがクリンピングによって行なわれる場合、クリンピングはブラッググレーティング４６に対して圧力が印加されない光ファイバの部分で行なわれることが好ましいことは明白である。

クリンピングは、通常、安定的で補償されているスペクトル線の遷移を誘起するが、センサの場合は避けることが好ましい。

光スペクトルアナライザ３６は、他のブラッググレーティング４６（ブラッググレーティング１４とは異なる）を使用して温度を測定することが出来る。

このようにして、光ファイバの領域１２に形成されたブラッググレーティング１４に対する温度の影響により圧力測定中に生じる変化を補償することができる。

図２に概略的に示す本発明のセンサもハウジング４８とこのハウジングを囲む皮膜５０とを有している。

図２に示す実施例において、皮膜５０は剛性であり、図２に示すように、その外縁はハウジング４８に固定されておらず、ハウジングから僅かに離れている。

Ｘ方向に沿ってこの皮膜に印加される圧力Ｐを測定することが望ましい。

図２に示す圧力センサも光ファイバ５２を有し、このファイバの領域５４は圧力を測定するために設計されたブラッググレーティング５６を有している。

領域５６はハウジング４８の内部をＸ方向に平行に伸びている。光ファイバのこの領域５６の一方の端部は皮膜５０に固定され、この領域５６の他方の端部は皮膜５０の反対側にあるハウジングの壁５８に固定されている。

さらに正確には、光ファイバ５２はこの目的のために壁に設けられたシールされる通路６０を通ってこの壁５８を貫通し、光ファイバの領域は壁５８のシールされる通路６０に固定される。

図２の実施例において、光ファイバの領域５４のバックリングを防ぐために設計された手段６２は、ハウジング４８内で互いに平行に且つＸ方向に垂直に配列され、光ファイバの領域５４を取り囲む剛性のワッシャ６４を有している。これらのワッシャは弾性エレメント６６によって一定の間隔に保たれている。

図２に示すセンサにおいては、これらの弾性エレメント６６だけで単一のブロックを形成している。このブロックは、エラストマー材からなり、光ファイバの領域５４を捕らえており、図２に示すように、皮膜５０からこの皮膜の反対側に位置するハウジングの壁５８まで広がっている。

皮膜５０と同様に、剛性ワッシャ６４も、Ｘ方向に平行に伸びるハウジングの側壁６８から僅かに離れている。

皮膜５０に圧力Ｐが印加されると、この皮膜とワッシャ６４はハウジング４８の側壁６８にガイドされてＸ方向に移動する。

エレメント６６の一体アセンブリは、ファイバ領域５４を組み込んだ一塊のエラストマーの成形及び射出から作成出来ることに注意されたい。

更に、ワッシャ６４は０．５μｍの精度で工作され、オフセットを制限する。これらのワッシャは、成形段階での接着によってエラストマーと一体化される。同じ事がファイバの領域にも当てはまる。

ブラッググレーティングを用いて圧力Ｐを測定するには、２ｘ２タイプのカプラ３２を介して光ファイバ５２に接続された広帯域の光源３４とスペクトルアナライザー３６、及び、図１Ａの説明で述べたような、スペクトルアナライザ３６から出力される信号を処理する電子手段３８と表示手段４０が使用される。場合によっては、基準ブラッググレーティング４４を含む光ファイバ４２も一緒に使用される。

ここでも、もう１つのブラッググレーティング７０を温度補償を行うために使用できる。このグレーティング７０も光ファイバ５２の内部に形成され、この場合、圧力Ｐを受けない光ファイバ５２の領域、例えば、光ファイバ５２の領域５４を固定する箇所である、シールされた通路６０に形成される。

図３に概略的に示す本発明の圧力センサは、単純で廉価な静水圧型の全方向センサである。

このセンサはポリマー物質を素材とする弾性エレメント７２を有し、光ファイバ７６の領域７４を捕捉する。

ブラッググレーティング７８はこの領域７４の内部に形成され、圧力測定を可能にする。

弾性エレメント７２は、２つの固定端８０と８２の間に挟まれており、この固定端は光ファイバ７６の領域７４の範囲を定めると共に光ファイバにしっかりと固定されている。

これらの固定端は剛性の、例えば金属製の停止部を構成し、金属コーティングされた光ファイバが使用される場合、コーティング部に固定することができる。

弾性エレメント７２は固定端８０及び８２と連携して静水圧効果を増幅し、これをファイバ領域７４の長軸方向の変形、即ちブラッググレーティング７８の変形量に変換する。

弾性エレメント７２は光ファイバの領域７４を取り囲む回転筒の形状を有している。

周辺媒体の圧力Ｐは、光ファイバの領域７４のＹ軸に垂直に、弾性エレメント７２の外周部に印加される。その結果生じるこのエレメントの変形量は、このエレメントを介してブラッググレーティング７８に伝達され、光ファイバ、即ちブラッググレーティングに印加される静水圧を増幅する。

このエレメントから形成される被覆の厚さは、ポリマー材料の剛性と、必要な増幅率の関数として計算される。

ブラッググレーティングの変形を通じて圧力Ｐを測定するには、広帯域光源３４と２ｘ２タイプの光カプラ３２を使用する。前述のように、このカプラは光ファイバ７６の一方の端部とスペクトルアナライザ３６に接続され、スペクトルアナライザは、測定結果表示手段４０を備える電子処理手段３８に接続される。

図３に、光ファイバ７６、即ち、本発明の圧力センサが光ケーブル８４の中に組込まれている状態を示す。光カプラ３２がこの光ケーブル８４の一方の端部に接続されている。

このカプラを介してブラッググレーティング７８に伝送され、ブラッググレーティング７８によって反射されない光は、光ケーブル８４の残留部に伝播する。

図３に示すセンサは、もう１つの温度補償用ブラッググレーティング８６を備えてもよい。このブラッググレーティング８６は光ファイバ７６の圧力を受けない領域、例えば２つの固定端８０、８２のいずれかに設けられる。

複数のリングを有する本発明による皮膜を供えた単方向圧力センサの概略部分図である。 単一のリングを有する図１Ａに示すセンサの変形例の概略部分図である。 図１Ａに示すセンサの別の変形例の概略部分図である。 本発明の全方向圧力センサの概略図である。

Claims (11)

1. 光導波路（１０，５２，７６）と、光導波路の一領域（１２，５４，７４）内に形成される第一の反射エレメント（１４，５６，７８）とを備え、該領域に圧力（Ｐ）が印加される圧力センサであって、光導波路の前記領域の側方支持手段（２０，６２，７２）を更に備えること、及び光導波路の前記領域がセンサの測定範囲に比べ小さな値の予圧を受けることを特徴とする圧力センサ。
2. ハウジング（２，４８）と、圧力を受け、且つ前記ハウジングを閉ざす皮膜（４，５０）とを更に備え、加圧下で動作するセンサであって、
   光導波路の領域（１２）がハウジングの内部に位置し、且つ該領域の第一の端部と第二の端部が、皮膜とハウジングにそれぞれ固定されており、前記側方支持手段が、光導波路が圧縮された時に光導波路の領域のバックリングを防ぐ手段（２０，６２）を有する、請求項１に記載のセンサ。
3. 光導波路の領域のバックリングを防ぐ手段（２０）が管（２２）とリング（２４）とを有し、管（２２）はハウジングの内部に位置して光導波路の前記領域を取り囲み、皮膜との間にスペースを有する第一の端部と、ハウジングに固定された第二の端部を有し、リング（２４）はハウジングと皮膜の間で管の内部に配列され、弾性エレメント（２６）によって互いに間隔を空けられており、光導波路の領域がこれらのリングを通り抜け、これらのリング内を自由にスライドできる、請求項２に記載のセンサ。
4. 弾性エレメントが弾性を有する円環状スペーサ（２６）である、請求項３に記載のセンサ。
5. 弾性エレメント（２６）が低摩擦係数の弾性材から作られている、請求項３又は４に記載のセンサ。
6. 前記弾性材料が発泡型ポリテトラフルオロエチレンである、請求項５に記載のセンサ。
7. 光導波路の領域のバックリングを防ぐ手段が単独のリング（２４）を有し、該リングがハウジングに固定されてハウジングと一体化しており、且つセンサの全長に亘って光導波路の領域（１２）をガイドする、請求項２に記載のセンサ。
8. 光導波路の領域のバックリングを防ぐ手段（６２）が、光導波路の領域に沿ってハウジングの内部に配列された剛性のワッシャ（６４）を有し、前記光導波路の領域が弾性エレメント（６６）と共にこれらのワッシャを通り抜けており、前記弾性エレメントがハウジングと皮膜の間でハウジングの内部に剛性ワッシャと交互に配列され、且つこれらの剛性ワッシャと一体化している、請求項２に記載のセンサ。
9. 弾性エレメント（６６）が光導波路の領域を捕捉する単独の弾性材ブロックを形成する、請求項８に記載のセンサ。
10. 光導波路の領域の第一の端部及び第二の端部が固定され、側方支持手段が光導波路の領域を捕捉して領域の第一の端部から第二の端部まで伸びる弾性エレメント（７２）を有し、且つ、このエレメントの周縁部に圧力が印加される、請求項１に記載のセンサ。
11. 第一の反射エレメント（１４，５６，７８）とは別に、温度測定用に設計された第二の反射エレメント（４６，６０，８６）を更に有し、この第二の反射エレメントが光導波路の圧力を受けない領域（１０，５２，７６）に形成される、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のセンサ。

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