JP2007298477A - 光ファイバ温度センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】低コストで、かつラマン散乱光のアイソレーションを改善した光ファイバ温度センサを提供する。
【解決手段】温度の測定箇所に配設される光ファイバ14からなるセンシング部と、センシング部に光を入射させる光源11と、センシング部で発生した後方散乱光からラマン散乱光を分波する波長フィルタモジュール12と、ラマン散乱光を検出する光検出器74,75と、光検出器74,75からの電気信号を処理する信号処理回路81とを備えた光ファイバ温度センサにおいて、光源11が波長0.78μm帯の半導体レーザであり、かつ、波長フィルタモジュール12は、ストークス光を透過する長波長側バンドパスフィルタと、反ストークス光を透過する短波長側バンドパスフィルタとで構成され、長波長側バンドパスフィルタ及び短波長側バンドパスフィルタは、半導体レーザの波長帯域の光を透過させないこととした。
【選択図】図1

Description

本発明は、光ファイバ中で発生するラマン散乱光を検出して温度を測定する光ファイバ温度センサに関するものである。
光ファイバを用いて、温度、歪み、圧力等の測定を行う光センサがあり、特に、光ファイバに発生するラマン散乱光を利用した光ファイバ温度センサがある。
図4は、従来の光ファイバ温度センサを示す回路図である。
図4に示すように、光ファイバ温度センサ70は、温度測定箇所に配置される光ファイバ(測定用長距離光ファイバ)71で構成されるセンシング部と、センサ本体72とを備える。
センサ本体72は、光ファイバ71に光信号を入射させる光源(例えば、半導体レーザダイオード(LD))73と、光ファイバ71からの後方散乱光を受光する2つの光検出器(例えば、アバランシェフォトダイオード(APD))74,75とを備える。光源73及び光検出器74,75は、波長フィルタモジュール76を介してセンシング用の光ファイバ71に接続されている。波長フィルタモジュール76は、透過帯域の異なる2枚のエッジフィルタを備え、光ファイバ71で発生した後方散乱光からラマン散乱光を分波するものである。
光源73は、LDドライバ77に接続されLDモジュール78を構成する。2つの光検出器74、75は、それぞれ受信信号増幅器79,79に接続されている。受信信号増幅器79,79はそれぞれAD(アナログ・デジタル)変換器80、80に接続されている。AD変換器80及びLDモジュール78は信号処理制御回路81に接続されている。信号処理制御回路81は、信号制御回路82(例えば、MCU(Micro Control Unit))及び信号処理回路83(例えば、FPGA(Field Programmable Gate Array))とを備え、信号処理回路83は、外部演算処理手段(例えば、パーソナルコンピュータ)84に接続されている。
センシング部を構成する光ファイバ71は、コアにGeをドープした一般的な通信用のマルチモードファイバ、或いはシングルモードファイバなどである。
LDモジュール78からパルス状の光信号を光ファイバ71に入射させると、光ファイバ71の各個所で微弱なラマン散乱光が発生する。図5に示すように、ラマン散乱光は、入射光波長λ0を中心として、その両側の波長帯に発生する。なお、入射光波長λ0に発生する後方散乱光はレイリー散乱光Rである。長波長側のラマン散乱光はストークス光St、短波長側のラマン散乱光はアンチストークス光Asと称されるものである。
光ファイバ71で発生したストークス光Stとアンチストークス光Asとの強度比は、光ファイバ71の温度に依存する。したがって、被温度測定物の温度によって、光ファイバ71の温度が変化し、検知されるストークス光Stとアンチストークス光Asとの光強度比が変化する。この光強度比を求めることにより被温度測定物の温度を測定することができる。
光ファイバ温度センサ70においては、後方散乱したストークス光Stとアンチストークス光Asを波長フィルタモジュール76によって分離し、それぞれ独立に光検出器74,75で受光する。受光された光は電気信号に変換され、その電気信号が受信信号増幅器79で増幅され、増幅された電気信号はAD変換器80でデジタル信号に変換されて信号処理制御回路81に入力される。信号処理制御回路81及び外部演算手段84により、入力された電気信号から温度が求められ、測定温度が表示される。
特許第2577199号公報
従来の光ファイバ温度センサ70では、光源73として温度が一定になるようにコントロールされた大光出力の波長850〜1550nmのLDを用いていた。このLDは特殊なLDでもあり、非常に高価であった。
また、LDを大電流でパルス駆動するために、大掛かりな回路が必要になると共に、パルス駆動時にはLDの発熱が大きく、温度を一定にしてLD出射光波長を安定化させるために温度コントロールする必要があり、回路構成が複雑であった。このため、これらの回路を構成するために、光ファイバ温度センサ全体のコストも高くなっていた。
そこで、本発明の目的は、大掛かりなLD駆動回路や温度コントロール回路を必要とせず、低コストな光ファイバ温度センサを提供することにある。
これを解決する手段は、従来、温度センサに使用することのなかったCD(コンパクトディスク)のピックアップに用いられる0.78μm帯の半導体レーザ(CD用LD)を使用することにある。CD用LDは非常に低コストであり、専用のLDドライバICも入手容易であるため、パルス駆動回路も容易に構成することができ、光ファイバ温度センサの低コスト化を図ることができる。
ところで、CD用LDを用いる際には、次の問題点がある。
(1)CD用LDは温度制御素子が内蔵されていないため、温度制御することなく用いるが、外気温度などによってLDの温度が変化するため、従来の光ファイバ温度センサに用いられ、温度が一定に制御されたLDに比べて波長変動が大きい。(2)CD用LDの出射波長帯は0.78μm帯と従来の光ファイバ温度センサに用いられているLDより短波長である。このため、長波長のLDを用いた光ファイバ温度センサに比べて、As光及びSt光の波長が、レイリー散乱光(光ファイバ入射光)の波長に近づく。
従来の波長フィルタは、光源の波長が安定しており、また、光源波長とAs光及びSt光の波長間隔が広いこともあり、パスバンドとカットバンド間の傾斜(遮断特性)が比較的緩やかな特性であった。
したがって、従来の特性の光フィルタを適用した場合には、前記(1)(2)の問題点より、CD用LDが使用される温度によってはAs光或いはSt光の透過帯域内にレイリー散乱光成分が混入してきてしまい、正確な温度測定が困難であるという問題点がある。
波長フィルタの透過特性と、光源波長、ラマン散乱光との関係を示して説明すると、図6(a)に示すように、従来の光ファイバ温度センサでは、光源の波長が長波長で、かつ、一定温度に制御されている場合、光源の波長とAs光及びSt光の波長が離れており、光源の波長も安定しているため、波長フィルタの特性は、緩やかな遮断特性でよい。なお、図中点線は、温度25℃での散乱光の波長特性を表し、実線は、光源の個体ばらつき或いは低温化によって、光源の中心波長が短波長側にずれたときの散乱光の波長特性を表す。
しかしながら、図6(b)に示すように、光源の波長が短波長で、かつ、温度制御されていない場合、光源の波長とAs光及びSt光の波長が近づいており、温度による波長変動も大きいため、少しの波長変動でAs或いはSt光の波長帯域内に光源波長成分が混入してしまう。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、低コストな短波長LDを用いても正確に温度測定することができる光ファイバ温度センサを提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、温度の測定箇所に配設される光ファイバからなるセンシング部と、そのセンシング部に光を入射させる光源と、センシング部で発生した後方散乱光からラマン散乱光を分波する波長フィルタモジュールと、ラマン散乱光を検出する光検出器と、その光検出器からの電気信号を処理する信号処理回路とを備えた光ファイバ温度センサにおいて、光源が波長0.78μm帯の半導体レーザである光ファイバ温度センサである。
請求項2の発明は、温度の測定箇所に配設される光ファイバからなるセンシング部と、そのセンシング部に光を入射させる光源と、センシング部で発生した後方散乱光からラマン散乱光を分波する波長フィルタモジュールと、ラマン散乱光を検出する光検出器と、その光検出器からの電気信号を処理する信号処理回路とを備えた光ファイバ温度センサにおいて、光源が波長0.78μm帯の半導体レーザであり、かつ、波長フィルタモジュールは、ストークス光を透過する長波長側バンドパスフィルタと、反ストークス光を透過する短波長側バンドパスフィルタとで構成され、長波長側バンドパスフィルタ及び短波長側バンドパスフィルタは、半導体レーザの波長帯域の光を透過させない光ファイバ温度センサである。
請求項3の発明は、半導体レーザを一定温度に制御しない請求項2記載の光ファイバ温度センサである。
請求項4の発明は、長波長側バンドパスフィルタは、そのパスバンドの中心波長がストークス光の波長より長波長側にシフトしており、短波長側バンドパスフィルタは、そのパスバンドの中心波長がアンチストークス光より短波長側にシフトしている請求項2または3記載の光ファイバ温度センサである。
請求項5の発明は、半導体レーザのケース温度10〜50℃において、半導体レーザの中心波長をλcとしたときに、長波長側バンドパスフィルタは、パスバンドの最小透過波長が((λc−785)+802)nm以上かつ最大透過波長が((λc−785)+821)nm以上であり、光源波長側の遮断特性が4.5dB/nm以上であり、短波長側バンドパスフィルタは、パスバンドの最小透過波長が((λc−785)+751)nm以下かつ最大透過波長が((λc−785)+768)nm以下であり、波長側の遮断特性が4.5dB/nm以上である請求項4記載の光ファイバ温度センサである。
請求項6の発明は、半導体レーザの中心波長λcが、LDのケース温度10〜50℃において、776〜794nmである請求項1〜5いずれかに記載の光ファイバ温度センサである。
請求項7の発明は、光源には、温度制御用のヒータを取り付けた請求項1〜6いずれかに記載の光ファイバ温度センサである。
請求項8の発明は、光源と光ファイバとの間には、非球面レンズが設けられている請求項1〜7いずれかに記載の光ファイバ温度センサである。
本発明に係る光ファイバ温度センサでは、図6(c)に示すように、光源の波長が短波長で、かつ、温度制御されていなくとも、波長フィルタの遮断特性を急峻にすることで、レイリー散乱成分を遮断することができる。
本発明によれば、低コストな短波長LDを用いても正確に温度測定することができるという優れた効果を発揮する。
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図1は本発明に係る光ファイバ温度センサの好適な実施の形態を示した回路図である。
図1に示すように、光ファイバ温度センサ10は、温度の測定箇所に配置される光ファイバ14からなるセンシング部と、そのセンシング部に光を入射させる光源11と、センシング部で発生した後方散乱光からラマン散乱光を分波する波長フィルタモジュール12と、ラマン散乱光を検出する光検出器74,75と、光検出器74,75からの電気信号を処理する信号処理制御回路81とを備える。
光ファイバ温度センサ10は、光源11及び波長フィルタモジュール12に特徴を有するものであり、それ以外の部材は、図4の光ファイバ温度センサ70と略同じである。波長フィルタモジュール12は、センシング部の光ファイバ14、光源11、As光受光用の光検出器74及びSt光受光用の光検出器75と接続用光ファイバ15を介して光結合されている。
本実施の形態の光ファイバ温度センサ10は、光源11(LDモジュール16)として波長0.78μm帯の半導体レーザを用いている。波長0.78μm帯の半導体レーザとしては、通常CD(コンパクトディスク)のピックアップに用いられる半導体レーザダイオード(CD用LD)を用いている。CD用LDは安価に入手することができるので、CD用LDを用いることで光ファイバ温度センサ10の低コスト化が図れる。
また、波長0.78μm帯のLDを用いることで、従来の光ファイバ温度センサのように長波長帯のLDを用いた場合と比較して、センシング部が短距離であれば、ラマン散乱光の受光強度を大きくすることができる。
さて、本実施の形態の光ファイバ温度センサ10では、従来の光ファイバ温度センサで用いられていた光源の波長よりも短い0.78μm帯の光源を用い、かつ、一定温度に制御しない半導体レーザを用いるために、ストークス光(St光)を透過させる長波長側バンドパスフィルタと反ストークス光(As光)を透過させる短波長側バンドパスフィルタとして、急峻な遮断特性をもち、光源の波長変動によりAs光とSt光が波長変動しても透過できるようにパスバンドの範囲を設定したバンドパスフィルタを用いることを特徴とする。「急峻な遮断特性」とは、バンドパスフィルタのパスバンドとカットバンドとの境界の勾配(遮断特性)が大きいことを意味する。
図2は、波長フィルタモジュールのフィルタ特性を示したものである。図2中、λ0は、光源出射光の中心波長、λStはストークス光の中心波長、λAsはアンチストークス光の中心波長を表す。
本実施の形態の光ファイバ温度センサ10では、一定温度に制御しない0.78μm帯のLDを用いている。光源出射光の波長を0.78μm帯と、従来より短波長にしたことで、ラマン散乱光(As光、St光)と光源の波長間隔が短くなる。また、光源の温度を一定温度に制御しないため、光源出射光の波長変動も大きい。したがって、As光及びSt光を透過させる光のパスバンドも波長変動成分だけ広く取る必要がある。
しかしながら、光源出射光とラマン散乱光間の波長間隔も狭くなっているので、緩やかな遮断特性では、光源波長成分もパスバンドに混入してしまう。このため、より急峻な遮断特性が得られるバンドパスフィルタにより、光源波長成分を混入しないようにする。
ところで、バンドパスフィルタのパスバンド幅の設定は、自由にできるわけではなく、離散的にしか設定できない。このため、パスバンド幅を光源の波長変動(約20nm)程度に合わせることは困難である。
したがって、バンドパスフィルタのパスバンド幅は、光源の波長変動(約20nm)以上で設定可能なパスバンド幅とする。しかし、この場合、パスバンドの中心波長をAs光或いはSt光の波長変動の中心値に合わせた場合、パスバンド幅が波長変動幅より大きいため、光源波長成分の変動幅のなかにパスバンドが重なってしまい、光源波長成分の光が混入してしまう。
そこで、本実施の形態の光ファイバ温度センサ10では、長波長側バンドパスフィルタを、その透過帯域の中心波長λlがストークス光の波長λStより長波長側にあたるようにし、短波長側バンドパスフィルタを、その透過帯域の中心波長λsがアンチストークス光の波長λAsより短波長側にあたるように形成する。
ただし、バンドパスフィルタの中心波長をラマン散乱光の中心波長からずらし過ぎると、ラマン散乱光の成分が遮断されるおそれがある。したがって、バンドパスフィルタの中心波長はラマン散乱光のみ透過させ、光源波長成分の散乱光が混入しないように決定する必要がある。
波長フィルタモジュール12は、長波長側バンドパスフィルタを、パスバンドの最小透過波長が802nm以上かつ最大透過波長が821nm以上とし、短波長側バンドパスフィルタを、パスバンドの最小透過波長値が751nm以下かつ最大透過波長が768nmとしている。
図3は、本実施の形態で用いる波長フィルタモジュールの具体的なフィルタ特性である。
図3に示すように、本実施の形態の波長フィルタモジュールのフィルタ特性51は、ストークス光の透過帯域(長波長側バンドパスフィルタ(BPF)の透過帯域)52が802〜821nmであり、アンチストークス光の透過帯域(短波長側BPFの透過帯域)53が751〜768nmであり、長波長側バンドパスフィルタ及び短波長側バンドパスフィルタの遮断特性が4.5dB/nmとなっている。
フィルタ特性51は、光源波長帯域55(図中、破線)、ラマン散乱光波長の波長帯域(ストークス光透過帯域52、アンチストークス光透過帯域53)及び遮断特性54から決定される。
まず、光源波長範囲の設定理由を説明する。本実施の形態では、光源11として波長0.78μm帯の一般的なLDを用いると、LD自体の出射光波長のばらつきは、779〜789nm(LDモジュールのケース温度Tcが25℃のとき)である。
また、LDは温度変化により出射光波長が変化し、その波長は近似的に以下の式(1)で求めることができる。
Figure 2007298477
ここで、TcはLDのケース温度であり、λ0はTc=25℃のときの波長である。ケース温度Tcが10℃とき、25℃時に比べて出射光波長が3nm短波長側にシフトし、ケース温度Tcが50℃とき、25℃時に比べて出射光波長が5nm長波長側にシフトする。よって、LD自体の出射光波長のばらつきと、温度による波長変動とを考慮すると、光源波長範囲は776〜794nmとなり、温度変化分も含めたLDの中心波長のばらつき幅は18nmとなる。
次に、ラマン散乱光の波長帯域52,53の設定理由を説明する。
ラマン散乱光は、センシング部の光ファイバ14に入射されるパルス光信号の波長(励起光波長)によって決定される。ここで、励起光波長と、励起されるストークス光波長、アンチストークス光波長との関係を以下の表1に示す。
Figure 2007298477
なお、表中、ラマンシフト波数は、GeO2をドープしたSiO2で構成される光ファイバコアにおけるラマン散乱シフト波数である。ラマンシフト波数をk、光源波長をλ0とするとラマン散乱波長は以下の式(2)で表される。式(2)中、分母の±は、それぞれAs光とSt光に対応する。
Figure 2007298477
表1の光源波長の欄において、776nmは光源出射光の最小波長、794nmは光源出射光の最大波長、785nmは最大波長と最小波長の中間値としている。
表1より、光源波長が776nmの時、波長802.1nmのストークス光及び波長751.5nmのアンチストークス光が発生するので、ストークス光透過帯域の最小値は802nm、アンチストークス光の最小値は751nmとする。
同様に、励起光波長が794nmの時、波長821.4nmのストークス光及び波長768.4nmのアンチストークス光が発生するので、ストークス光透過帯域の最大値は821nm、アンチストークス光の最大値は768nmとする。
次に、遮断特性54の設定理由を説明する。
光源出射光の波長と略同じ波長で後方散乱するレイリー散乱光は、光検出器74,75で受光されると、測定誤差の要因となるため、光源出射パルス光信号の波長帯の光を遮断する必要がある。ここで、ラマン散乱光はレイリー散乱光の約1/1000倍の光強度であり、上記の「光源出射光の波長帯の光を遮断」とは、波長フィルタによりレイリー散乱光を30dB以上低減することを意味する。また、光源波長帯域55とラマン散乱光透過帯域52,53より、光源出射光波長とラマン散乱光波長間の最も狭い間隔は8.1nmである。光源出射光の波長広がり幅(スペクトル幅)が1.5nm程度であることを考慮すると、光源出射光波長とラマン散乱光の間隔は6.6nmとなる。よって、波長6.6nmずれる際に光強度30dB以上低減する遮断特性としなければならない。これより遮断特性は4.5dB/nm以上としている。
一般的には、LDのケース温度10〜50℃のときの中心波長は、LDを製造するメーカごとに多少異なる。そこで、上記の式(1)を基にLDのケース温度10〜50℃のときの中心波長をλcとしたときの波長フィルタの特性を求める。
長波長側のバンドパスフィルタは、パスバンドの最小透過波長が((λc−785)+802nm)以上かつ最大透過波長が((λc−785)+821)nm以上であり、光源波長側の遮断特性が4.5dB/nm以上であるように設定する。一方、短波長側バンドパスフィルタは、パスバンドの最小透過波長が((λc−785)+751)nm以下かつ最大透過波長が((λc−785)+768)nm以下であり、光源波長側の遮断特性が4.5dB/nm以上であるように設定する。
使用する温度範囲で18nm以上の波長ばらつきがある場合には、上記の特性を有する波長フィルタを用いると共に、LDの温度が所定温度以下にならないようにするためのヒータをLDに取り付け、温度による波長変動を小さくすればよい。ヒータを取り付けたLDを用いることで、ペルチェ素子のように冷却はしないので、低消費電力でかつ低コスト化を実現できる。
図3に示すフィルタ特性51を有する波長フィルタモジュール12を用いることにより、光ファイバ温度センサ10は、ラマン散乱光と光源出射光とのアイソレーションを向上させることができ、高精度な温度測定を行うことができる。
センサ本体13の温度変化に起因して光源出射光の波長がシフト(変動)すると、波長変動によってラマン散乱光の波長も変動するが、本実施の形態の光ファイバ温度センサ10の波長フィルタモジュール12は、光源出射光及びラマン散乱光の波長シフト分を考慮して形成されているので、光源11の温度を制御する必要がない。
したがって、光源11の温度をコントロールする必要がないので、従来の光ファイバ温度センサのように、ペルチェ素子等の冷却手段を設ける必要がなく、低消費電力化、小型化及び構成の簡易化を図ることができる。
本実施の形態では、光源11の温度制御機器は設けられていないが、光源出射光の波長変動範囲を小さくするために、LDモジュール16にヒータ(図示せず)を設けて、光源11の温度をある温度(例えば10℃)以下にならないように制御してもよい。
また、光源11と、光源−波長フィルタモジュール間を接続する接続用光ファイバ15との間に非球面レンズ(図示せず)を設けてもよい。非球面レンズを用いることで、光源出射光の光ファイバ15への入射角を小さくし、光源11から光ファイバ14へ入射するまでの結合損失を低減することができる。
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではない。
本発明に係る好適な一実施形態の光ファイバ温度センサを示す回路図である。 波長フィルタモジュールのフィルタ特性の概要を示す図である。 波長フィルタモジュールの具体的なフィルタ特性を示す図である。 従来の光ファイバ温度センサを示す回路図である。 レイリー散乱光とラマン散乱光のスペクトルを示す図である。 (a)は従来の光ファイバ温度センサに用いる波長フィルタモジュールのフィルタ特性を説明する図であり、(b)はレイリー散乱成分が混入したフィルタ特性を説明する図であり、(c)はレイリー散乱成分を遮断した特性をフィルタ特性を説明する図である。
符号の説明
10 光ファイバ温度センサ
11 光源
12 波長フィルタモジュール
14 光ファイバ
74,75 光検出器
81 信号処理制御回路

Claims (8)

  1. 温度の測定箇所に配設される光ファイバからなるセンシング部と、そのセンシング部に光を入射させる光源と、上記センシング部で発生した後方散乱光からラマン散乱光を分波する波長フィルタモジュールと、上記ラマン散乱光を検出する光検出器と、その光検出器からの電気信号を処理する信号処理回路とを備えた光ファイバ温度センサにおいて、
    上記光源が波長0.78μm帯の半導体レーザであることを特徴とする光ファイバ温度センサ。
  2. 温度の測定箇所に配設される光ファイバからなるセンシング部と、そのセンシング部に光を入射させる光源と、上記センシング部で発生した後方散乱光からラマン散乱光を分波する波長フィルタモジュールと、上記ラマン散乱光を検出する光検出器と、その光検出器からの電気信号を処理する信号処理回路とを備えた光ファイバ温度センサにおいて、
    上記光源が波長0.78μm帯の半導体レーザであり、かつ、上記波長フィルタモジュールは、ストークス光を透過する長波長側バンドパスフィルタと、反ストークス光を透過する短波長側バンドパスフィルタとで構成され、長波長側バンドパスフィルタ及び短波長側バンドパスフィルタは、上記半導体レーザの波長帯域の光を透過させないことを特徴とする光ファイバ温度センサ。
  3. 上記半導体レーザを一定温度に制御しない請求項2記載の光ファイバ温度センサ。
  4. 上記長波長側バンドパスフィルタは、そのパスバンドの中心波長がストークス光の波長より長波長側にシフトしており、上記短波長側バンドパスフィルタは、そのパスバンドの中心波長がアンチストークス光より短波長側にシフトしている請求項2または3記載の光ファイバ温度センサ。
  5. 上記半導体レーザのケース温度10〜50℃において、上記半導体レーザの中心波長をλcとしたときに、上記長波長側バンドパスフィルタは、パスバンドの最小透過波長が((λc−785)+802)nm以上かつ最大透過波長が((λc−785)+821)nm以上であり、光源波長側の遮断特性が4.5dB/nm以上であり、上記短波長側バンドパスフィルタは、パスバンドの最小透過波長が((λc−785)+751)nm以下かつ最大透過波長が((λc−785)+768)nm以下であり、波長側の遮断特性が4.5dB/nm以上である請求項4記載の光ファイバ温度センサ。
  6. 上記半導体レーザの中心波長λcが、LDのケース温度10〜50℃において、776〜794nmである請求項1〜5いずれかに記載の光ファイバ温度センサ。
  7. 上記光源には、温度制御用のヒータを取り付けた請求項1〜6いずれかに記載の光ファイバ温度センサ。
  8. 上記光源と上記光ファイバとの間には、非球面レンズが設けられている請求項1〜7いずれかに記載の光ファイバ温度センサ。
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