JP2008185384A - Ｆｂｇファブリペロー型超狭帯域光フィルタを用いた高精度センシングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】波長検波器内の受光素子への外来電磁ノイズにより中心波長の測定値は大きくばらついてしまう。
【解決手段】同一の反射波長帯域をもつ二つの高反射率の光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を光ファイバで接続しこれを第一のファイバファブリペロー干渉型センサとし、該干渉型センサの反射波長帯域とは異なるＦＢＧを第二のファイバファブリペロー干渉型センサとし、以下同様に構成された複数個のファイバファブリペロー干渉型センサを直列に光ファイバで接続し１本の光ファイバを実現する。この光ファイバの一端に反射ミラーを構成し、他端には光分岐結合器または光サーキュレータ経由で広帯域光源からの光を入射させ、出射光を前記光分岐結合器または光サーキュレータ経由で光波長検波器に入射させる。該光波長検波器では前記複数のセンサ個々の温度あるいは歪みなどの物理量にリンクした反射波長を非常にＳＮよく検出される。
【選択図】図１

Description

光ファイバブラッググレーティング（以下FBG）を用いた分布型光ファイバセンサの技術分野に関する。

本発明の背景技術としては第一の背景技術、第二の背景技術がある。まず、第一の背景技術につき説明する。図3を用いて従来技術を用いた分布型温度センサについて説明する。広帯域光源３からの光は光方向性結合器４を経てシングルモードファイバ（以下SMF）５に入力され該SMFには１個または複数のFBGが描画されている。検出すべき温度はセンサのFBGの反射中心波長と相関があるため、これらの反射中心波長を測定することにより各センサの温度を測定することができる。各々のFBGの反射中心波長はそれらの帯域幅も含め互いにすべての測定範囲に亘ってオーバラップしないようにシステム設計されている。FBGからの反射光は前記SMF５を逆にたどって広帯域光源３側に戻っていき該光源直前に設置されている前記光方向性結合器４によりファブリペロー干渉計などの光学干渉計から構成される波長検波器１に入力される。各々のFBGの反射中心波長は該波長検波器１により検波、すなわち測定される。ファブリペロー干渉計は狭帯域な櫛型帯域通過フィルタである。一方、圧電素子を使用し時間に対して鋸波状の電圧を該圧電素子に印加させると圧電素子はその電圧により変位を生ずるため該干渉計の半透鏡を圧電素子に接続しておけば２つの半透鏡の間隔を変化させることができる。従って圧電素子に印加する電圧を周期的に変化させればファブリペロー干渉計の狭帯域な櫛型帯域通過フィルタスペクトルを周期的に変化させることができる。図4はこの従来技術を用いた分布型温度計測システムのスペクトラムの相互の関係を示す図である。使用される複数のFBGの占有する全波長帯域より広いフリースペクトルレンジ（以下FSR）になるように波長検波器を構成するファブリペロー干渉計を設計しておく。更に該ファブリペロー干渉計の複数存在する通過中心波長の内の１つ通過中心波長が前記圧電素子に印加する電圧の変化でFSRだけ掃引されるようにシステム設計を行う。これにより各々のFBGの反射光の反射中心波長は該ファブリペロー干渉計からの出射光量を前記圧電素子への印加電圧とリンクして観測することにより印加電圧がいくらのとき最大になるかをそれぞれ別々に計測することにより測定することが可能となる。これはあらかじめ該印加電圧と前記複数のFBGの占有する全波長帯域内に存在する単一のファブリペロー干渉計の透過スペクトル中心波長との関係は測定されており、このためファブリペロー干渉計からの出射光量を極大にする前記印加電圧を測定することにより前記複数のFBGの反射中心波長を測定することができる（非特許文献１参照）からである。図３に示す波長温度変換部２はProgramable Read Only Memory（以下PROM）などのメモリから構成されている。あらかじめ各センサの反射中心波長と温度との関係を測定しておきこれをデータとして上記メモリに記憶させておく。これにより波長温度変換部２は波長検波器１に接続され入力されてきた各センサの波長に対応した各センサの温度を出力する。

次に第二の背景技術である分布型の歪センサシステムに関する技術について説明する。 このうちの１つの技術は基本的には前記温度センサと同じ構成のものであってFBGに印加される歪の検出を行うものであり「非特許文献２」により公知の技術である。
P. Eigenraam, B. S. Douma, A. P. Koopman, Applications of Fiber Optic Sensors & Instrumentation in the Oil and Gas Industry, in Proc. of OFS-13, pp602-607, 1999 A. D. Kersey, T. A. Berkoff, and W. W. Morey, Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter, Optics Lett. Vol. 18, No.16, pp.1370-1372, 1993

同一の反射波長帯域をもつ二つの高反射率の光ファイバブラッググレーティングをSMFで接続しこれを第一のファイバファブリペロー干渉型のセンサとし、該第一のファイバファブリペロー干渉型のセンサを構成するFBGの反射波長帯域とは異なりかつ同一の反射波長帯域をもつ二つの高反射率のFBGをSMFで接続しこれを第二のファイバファブリペロー干渉型のセンサとし、該第一、及び第二のファイバファブリペロー干渉型のセンサを構成するFBGの反射波長帯域とは異なりかつ同一の反射波長帯域をもつ二つの高反射率のFBGをSMF５で接続しこれを第三のファイバファブリペロー干渉型のセンサとし、以下同様にして構成されたN個（Nは整数）のファイバファブリペロー干渉型のセンサを直列にSMF５で接続する。このようにして構成された内部にＮ個のファブリペロー干渉型センサを持つ1本のＳＭＦ５を実現する。この一本のSMF５の一端に反射ミラー６を構成し、他端には光方向性結合器４または光サーキュレータ経由広帯域光源３からの光を入射させると、他端では該直列センサアレイからの反射光が出射する。該出射光を前記光方向性結合器４または光サーキュレータ経由光波長検波器１に入射させ該光波長検波器１により前記複数のセンサ個々の歪みあるいは温度などの物理量にリンクした反射波長が測定される。なお上記において述べた光方向性結合器４は前述のように光サーキュレータでもよいし光分岐結合器でも良い。

発明の実施例の分布型温度計測システムの全体構成を図１に示す。図１において広帯域光源３から出射した光はSMF５、光方向性結合器４を経てSMFに入射する。このSMFには光ファイバブラッググレーティングベースのファブリペロー干渉計からなるセンサが1個あるいは複数直列に接続されている。センサに入射した広帯域光は光ファイバブラッググレーティングが反射する帯域内では特定の波長の線スペクトルのみが透過し光ファイバブラッググレーティングが透過する帯域の光は勿論そのまま透過する。複数のセンサがある場合はそれらのセンサに対応する複数の線スペクトルはSMF５を透過し該SMFの端面に接続されている反射ミラー６で反射される。測定しようとする温度、歪などの物理量の変化する速度よりも広帯域光源３から出射された光がＳＭＦ５及び反射ミラー６で反射され光方向性結合器４経由ファブリペロー型干渉計からなる波長検波器１に入射するまでの時間はSMFの全長が仮に10kmとしても簡単のためSMFのコアの屈折率を1.5、真空中の光速を３×１０^８ｍ/秒とすれば10km×2÷(3×10^８/1.5(ｍ/秒))=100μＳとなり非常に高速でありこの時間は無視できる。換言すればこの短時間では温度・歪などの物理量はほとんど変化しないと考えられるため光ファイバブラッググレーティングベースのファブリペロー干渉計からなるセンサの透過中心波長の変化は無視できる。従って反射ミラー６で反射された光は逆の通路をたどって光方向性結合器４に戻ってくる。この戻り光のスペクトルと反射ミラー６へ到達した光のスペクトルは同一とみなし得る。以上のことから一般には透過型センサとして使用される光ファイバブラッググレーティングベースのファブリペロー干渉計から成るセンサは反射ミラー６を用いることにより等価的に反射型のセンサとして使用することが可能になる。即ち反射ミラー６の作用により図1に示すシステムは以下に述べるように、良く知られているFBGを用いた分布型センサと類似の動作をさせることができる。この動作を示すために図２に図１のシステムの各個所のスペクトルを示す。同図において(a)は波長検波器１のファブリペロー干渉計透過スペクトルを示す。(b)はセンサを構成するFBGの反射スペクトルと、FBGベースのファブリペロー干渉計の透過スペクトルをＮ個のセンサについて示したものである。同図に示すようにセンサNの透過スペクトルは各センサの合成透過スペクトルとなる。このセンサNの合成透過スペクトルは上述の反射ミラー６の作用により反射される。各センサの透過スペクトルはSMF５を光が往復するために必要な時間は上述のように非常に短時間であるので光が反射ミラー６に光方向性結合器４から向かって進んできた時と比べ変化はなく同じ透過スペクトルと考えられる。従って反射ミラー６に到達したスペクトルと同じスペクトルが光方向性結合器４に戻ってくることになる。この光方向性結合器４に戻って来たスペクトルの内、FBGベースのファブリペロー干渉計に基づく複数の線スペクトルは各センサの物理量に対応している。それぞれのセンサはそれぞれのセンサに与えられる温度・歪などの物理量の変化によって後述の理由から反射波長が変化する。従ってこれらの線スペクトルの中心波長を光方向性結合器４に接続されている波長検波器１により検波し計測することにより、そしてこの計測された波長を前述の従来技術と同様に波長物理量変換部21で温度・歪などの物理量に変換することにより波長物理量変換部21から空間的に分布配置されている各センサの被測定物理量が出力される。

ここで計算したFBGは図６(a)から分かるようにノンアポダイズのものでありいくつもの側波帯が発生していることがわかる。この側波帯のためにFBGベースのファブリペロー干渉計の透過率もFBGの反射帯域以外の波長領域では透過率１であるべきであるがフラットな透過率１ではなく図６(ｄ)から分かるように波長に対する振動が認められる。この振動はFBGの側波帯がなくなれば消滅しFBGの反射帯域以外ではフラットな透過率１になることはファブリペロー干渉計の原理から考えて明らかである。従ってFBGにはノンアポダイズのものではなくアポダイズされた特性のものを用いるのが好ましい。

次にセンサの反射波長が温度、歪などの物理量によりどの程度変化するか（２）、（３）、（４）式を用い理論的な数値計算により示す。図７はセンサを構成するFBG間隔L_０
を10ｍｍとしその近傍で歪を与え、簡単のためこの歪による屈折率の変化は無視し（２）式で決まるセンサの透過中心波長の変化を示したものである。これから (10000000-9999930）nm/10000000nm=7μεの歪で波長は直線的に約10pm変化することがわかる。また石英ファイバの温度による線膨張係数は約0.35×10⁻⁶/℃、屈折率の温度による変化は約1.2×10⁻⁵/℃、ファイバの屈折射率ｎをn=1.45とすると光路長nL_０は1℃の変化でL_０（dｎ/dT）+n（d L_０/dT）＝10mm×1.2×10⁻⁵＋1.45×10mm×0.35×10⁻⁶≒0.1μmとなる。L_０＝10ｍｍであるからこの変化は10μεに相当する。結局２つのFBGの間に挟まれたファイバの7μεの歪で波長が10pm変化したことを考慮すれば１℃の変化で10pm×10με/7με≒14 pm程度変化することになる。この値はFBGの中心波長の温度に対する一般的な変化と同等であるので充分にセンサとしての感度を持っていることになる。図８は本発明のセンサ構造例である。感熱・歪印加板７とFBGにはさまれたSMF５は例えば接着剤などで接着されている。温度センサとして使用する場合は感熱・歪印加板７に温度変化を与える。この温度変化をFBGにはさまれたSMFが受けこれによりFBGファブリペロ干渉計の透過線スペクトルの中心波長が変化しこれにより温度検出が可能となる。また同図において感熱・歪印加板７に矢印の方向に歪を印加すればFBGにはさまれたSMF５が歪みこれにより歪検出が可能になる。なおこの他に図示はしないがFBGにはさまれたSMFにSMFの長手方向に歪が加わるような構造にすることは容易である。

上述の発明は建築構造物が致命的ダメージを負う前に建築構造物をメンテナンスし維持していこうとするいわゆる建築構造物（ビル、橋、鉄橋など）のヘルスモニタリングの分野のほかに、航空宇宙における例えば翼などの筐体の故障予知の分野などへの適用が可能である。

本発明の実施形態例であってこのシステムの全体を示す図 本発明の図1に示す実施形態例における各個所のスペクトルを示す図 従来技術による実施形態であって従来のシステムの構成を示す図 従来技術の図３に示すシステムにおける各個所のスペクトルを示す図 本発明のセンサの動作を解析するための図 本発明のセンサのスペクトル特性を示す図 本発明のセンサの歪検出特性を示す図 本発明からなる温度/歪センサヘッドの構成を示す図

符号の説明

１・・・波長検波器
２・・・波長温度変部
21・・・波長歪/温度変換部
3・・・広帯域光源
４・・・光方向性結合器
５・・・シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）
51・・・コア
52・・・クラッド
FBG・・光ファイバブラッググレーティング
６・・・反射ミラー
７・・・感熱・歪印加板

Claims (5)

1. 同一の反射波長帯域をもつ二つの高反射率の光ファイバブラッググレーティング（以下ＦＢＧ）を光ファイバで接続しこれを第一のファイバファブリペロー干渉型センサとし、該第一のファイバファブリペロー干渉型センサを構成するFBGの反射波長帯域とは異なりかつ同一の反射波長帯域をもつ二つの高反射率のFBGを光ファイバで接続しこれを第二のファイバファブリペロー干渉型センサとし、該第一、及び第二のファイバファブリペロー干渉型センサを構成するFBGの反射波長帯域とは異なりかつ同一の反射波長帯域をもつ二つの高反射率のFBGを光ファイバで接続しこれを第三のファイバファブリペロー干渉型センサとし、以下同様にして構成されたｎ個（ｎは整数）のファイバファブリペロー干渉型センサを直列に光ファイバで接続することによりｎ個のファブリペロー干渉型センサを内蔵する1本の光ファイバを構成することを特徴とし、更に該一本の光ファイバの一端に反射ミラーを配置し、他端には光分岐結合器または光サーキュレータまたは光方向性結合器経由広帯域光源からの光を入射させ、同時に該他端から前記直列センサアレイからの反射光として出射する出射光を前記光分岐結合器または光サーキュレータまたは光方向性結合器経由光波長検波器に入射させ該光波長検波器において前記複数のセンサ個々の物理量にリンクしたセンサからの反射波長を測定することを特徴とする光ファイバ分布型センサ。
2. 請求項１の光ファイバ分布型センサにおいてｎ個のセンサの各々を構成する二つのＦＢＧ間の光ファイバに温度あるいは歪みを印加しｎ個のセンサの各々の温度あるいは歪みを測定することを特徴とする光ファイバ分布型センサ。
3. 請求項2の光ファイバ分布型センサにおいて波長検波器にファブリペロー干渉計など光波干渉を原理とした掃引型光干渉計を用いたことを特徴とする光ファイバ分布型センサ。
4. 請求項3の光ファイバ分布型センサにおいて掃引型光干渉計からなる波長検波器の波長測定範囲を使用されるＦＢＧの反射率が高い波長領域だけに限定したことを特徴とする光ファイバ分布型センサ。
5. 請求項２においての温度あるいは歪を検出するためのセンサヘッドはセンサを構成する2つのFBGを結ぶSMFに感熱板、あるいは歪印加用板を接着剤で接着しこれらの板の温度あるいは歪を前記FBGに挟まれはSMFに伝えることを特徴とした光ファイバ分布型センサ。

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