JP2008309497A - Fiber optic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバに加わる振動や変位などを光ファイバの出射光から検出する光ファイバセンサに関するものであり、特にプラスチック光ファイバなどを利用して比較的狭い領域での振動などの監視を安価に実現する光ファイバセンサに関するものである。 The present invention relates to an optical fiber sensor that detects vibration and displacement applied to an optical fiber from light emitted from the optical fiber, and in particular, monitoring of vibration in a relatively narrow region using a plastic optical fiber or the like is inexpensive. The present invention relates to an optical fiber sensor to be realized.
光ファイバセンサは一般的に雷や電気装置から発生する電磁ノイズの影響を受けないこと、遠隔からの監視が容易であること、電気線に比べて耐環境性に優れていることなどの特長を有しており様々な分野で使用されている。例えば、セキュリティ対策においては建物内、敷地内やフェンスなどでの侵入者の侵入に伴う振動の発生の検出、安全監視や災害対策においては建物や橋などの構造物、特定の地盤などでの振動や歪の発生の検出、さらには広範囲にわたる温度分布の検出などに使用されている。 Fiber optic sensors are generally not affected by lightning or electromagnetic noise generated by electrical devices, are easily monitored remotely, and have superior environmental resistance compared to electrical wires. It is used in various fields. For example, in security measures, detection of vibrations caused by intruders in buildings, premises, fences, etc., and in safety monitoring and disaster countermeasures, vibrations in structures such as buildings and bridges, specific ground, etc. It is used for detecting the occurrence of distortions and for detecting temperature distribution over a wide range.
光ファイバセンサにはその動作原理による違いよっていくつかの方式がある。これらの方式として、光ファイバにパルス光を入射したときに発生するブリルアン散乱光やレイリー散乱光、ラマン散乱光を検出してその周波数シフトや散乱光強度、減衰量、到達時間などから光ファイバに加わる歪、変位、温度、それらの分布などを検出する第1の方式、FBG(ファイバー・ブラッグ・グレーティング)を監視領域の光ファイバ中に挿入し、FBGへの伸縮歪による反射光の波長特性の変化を検出する第2の方式、センサ用光ファイバとしてマルチモード光ファイバを用い、歪や振動によるマルチモード光ファイバ内でのモード分布の変化を検出する第3の方式などが主流となっている。 There are several types of optical fiber sensors depending on the operating principle. As these methods, Brillouin scattered light, Rayleigh scattered light, and Raman scattered light generated when pulsed light is incident on the optical fiber are detected, and the frequency shift, scattered light intensity, attenuation, arrival time, etc. are applied to the optical fiber. First method to detect applied strain, displacement, temperature, distribution of them, FBG (Fiber Bragg Grating) is inserted into the optical fiber in the monitoring area, and the wavelength characteristics of the reflected light due to stretching strain to FBG A second method for detecting a change, a third method for detecting a change in mode distribution in the multimode optical fiber due to strain or vibration, and the like are mainly used. .
上記の各種方式のうち、第1の方式の光ファイバセンサは一般的に数十km以上の長い
監視領域に渡って高感度で検出可能であり、また変位などの発生位置の特定が可能であるなどの優れた性能を有しているが、光源や検出系などに高性能な光デバイスや部品、電気回路が必要であり、非常に高価な装置となってしまう。第2の方式の光ファイバセンサはFBGのグレーティング周期を監視場所によって異ならせることにより振動などの発生位置を特定可能であるが、光ファイバ中のFBGが挿入されている部分のみしか感度を有しないという欠点があり、また、FBG自体が高価な部品であり、また波長検出系にも高価な部品を必要とするのでやはりシステム全体が高価となってしまう。
Of the various methods described above, the first type of optical fiber sensor is generally capable of detecting with high sensitivity over a long monitoring area of several tens of kilometers or more, and is capable of specifying the position where a displacement occurs. However, it requires a high-performance optical device, component, and electric circuit for the light source and detection system, which results in a very expensive apparatus. The optical fiber sensor of the second system can specify the generation position of vibration or the like by changing the grating period of the FBG depending on the monitoring location, but it has sensitivity only in the portion where the FBG is inserted in the optical fiber. In addition, the FBG itself is an expensive part, and the wavelength detection system also requires an expensive part, so that the entire system becomes expensive.
一方、第3の方式の光ファイバセンサは特許文献1〜3に記載されているように比較的簡単な構成で実現でき、本原理を使用した光ファイバセンサも実用化されている。
On the other hand, the third type optical fiber sensor can be realized with a relatively simple configuration as described in
図9はこの方式の従来の光ファイバセンサを説明するための図であり、図9(a)は構成図、図9(b)はマルチモード光ファイバの光ファイバ出射端での光分布を示す図である。 9A and 9B are diagrams for explaining a conventional optical fiber sensor of this system. FIG. 9A is a configuration diagram, and FIG. 9B is a light distribution at the optical fiber output end of the multimode optical fiber. FIG.
図9(a)において、半導体レーザなどの光源91から出射された光はレンズ92によってマルチモード光ファイバ93に入射し、出力の一部がその出射端94で単一モード光ファイバ95に入射し、単一モード光ファイバ95を通過した光はレンズ96によってフォトダイオードなどの受光器97に入射して検出される。ここで、マルチモード光ファイバ93に入射した光は複数のモードにそのエネルギーが分布して伝播され、出射端94での光分布は、図9(b)に模式的に示されるように光ファイバのコア98内での各伝播モードの光が干渉して生ずる複雑なスペックルパターン99となる。ここでマルチモード光ファイバ93のいずれかの部分が変位するとそのスペックルパターン99が変化するので、その出射端94で例えば中心付近の光だけコア径の小さい単一モード光ファイバ95に結合させて取り出せば、その光量は上記の変位量に応じて変化することになり、受光器97によりその変位が検出されることになる。光源91、受光器97、レンズ92及び96などの結合部分は検出結果を判定する制御処理回路部分101などと一緒に装置本体102内に収納されている。
9A, light emitted from a
現在、光ファイバセンサが用いられている用途は実用上主として上述のような大規模な土木分野などでの監視システム、空港などの大規模な施設や大きな工場などのセキュリティシステムなど大規模なシステムに限られている。これは装置が高額であることが主な原因である。また、光源や検出信号の制御、処理回路が複雑で制御装置部分が大型化することも影響している。低価格かつ小型の光ファイバセンサが実現できれば一般的な工場、ビルなどの建物、さらには個人住宅などの小規模のシステムにも使用でき、その用途は大幅に拡大できる。 Currently, optical fiber sensors are practically used in large-scale systems such as monitoring systems in large-scale civil engineering fields as described above, security systems in large-scale facilities such as airports and large factories. limited. This is mainly due to the expensive equipment. In addition, the control of the light source and the detection signal and the processing circuit are complicated, and the size of the control device is increased. If a low-priced, small-sized optical fiber sensor can be realized, it can be used for general factories, buildings such as buildings, and even small-scale systems such as private houses, and its application can be greatly expanded.
上記の第3の方式の光ファイバセンサは上記のように他の方式に比べると構成が簡単であり、2km程度の光ファイバ全長に渡って検出可能であるが、しかし監視領域の中で変位が生じた位置を特定できないという欠点がある。また、実際の装置を構成する場合には半導体レーザから光ファイバへの入射部分および出射部分のレンズなどの光学系の高精度な調整や実装の信頼性などを確保する構造が必要なため高額の製造費用が必要となること、損失の小さい石英光ファイバを使用するためその価格が高価であること、検出結果を判定する制御部分が複雑であることなどにより装置全体の価格が高くかつ大型になり上述のような小規模の用途には実用上使用できない。 As described above, the optical fiber sensor of the third method is simpler than the other methods, and can be detected over the entire length of the optical fiber of about 2 km. There is a disadvantage that the position where it occurs cannot be specified. Also, when constructing an actual device, it is necessary to have a structure that ensures high-precision adjustment of the optical system such as the lens at the entrance and exit from the semiconductor laser to the optical fiber and the mounting reliability, etc. Due to the need for manufacturing costs, the use of quartz optical fiber with low loss, the price is high, and the control part for judging the detection result is complicated, which makes the entire device expensive and large. It cannot be used practically for small-scale applications as described above.
そこで、本発明の課題は、低価格かつ小型化可能であり、監視領域内での変位などの発生位置を特定可能である光ファイバセンサを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical fiber sensor that can be manufactured at a low cost and can be reduced in size, and that can specify a position where a displacement or the like occurs in a monitoring area.
上記課題を解決するため、本発明による光ファイバセンサは、可視光を出力する半導体レーザと、該半導体レーザに結合されその出力光をマルチモード伝搬させるプラスチック光ファイバと、該プラスチック光ファイバの出力光の一部のみを受光するフォトダイオードとからなるセンサユニットと、前記フォトダイオードからの出力電気信号の周波数および振幅に基づいて判定結果を出力する判定検出部とを有し、前記プラスチック光ファイバを監視領域に設置して該監視領域で前記プラスチック光ファイバに加わる振動、応力、歪、変位の少なくとも1つを検出することを特徴とする。 In order to solve the above problems, an optical fiber sensor according to the present invention includes a semiconductor laser that outputs visible light, a plastic optical fiber that is coupled to the semiconductor laser and propagates the output light in a multimode, and output light of the plastic optical fiber. A sensor unit that receives a part of the photodiode, and a determination detection unit that outputs a determination result based on the frequency and amplitude of the electrical signal output from the photodiode, and monitors the plastic optical fiber It is installed in a region, and at least one of vibration, stress, strain, and displacement applied to the plastic optical fiber in the monitoring region is detected.
ここで、前記半導体レーザの出力を前記プラスチック光ファイバの入射端面に直接結合し、前記プラスチック光ファイバの出射端面から出射される出射光を該出射光のエネルギーの50%が含まれる該出射光の中心部分の断面よりも小さな受光面を有するフォトダイオードに直接結合し、前記半導体レーザが内蔵されたパッケージと前記プラスチック光ファイバの入射端面および前記フォトダイオードが内蔵されたパッケージと前記プラスチック光ファイバの出射端面のそれぞれの相対位置が固定されるように前記プラスチック光ファイバ用の固定部を設置してもよい。 Here, the output of the semiconductor laser is directly coupled to the incident end face of the plastic optical fiber, and the outgoing light emitted from the outgoing end face of the plastic optical fiber is converted into the output light containing 50% of the energy of the outgoing light. Directly coupled to a photodiode having a light receiving surface smaller than the cross section of the central portion, the package containing the semiconductor laser, the incident end face of the plastic optical fiber, the package containing the photodiode, and the output of the plastic optical fiber The fixing portion for the plastic optical fiber may be installed so that the relative positions of the end faces are fixed.
また、前記半導体レーザと前記フォトダイオードが送受光部として一体に実装され、該送受光部と前記判定検出部とが空間的に分離され、それらの間が電気ケーブルにより接続されていてもよい。 The semiconductor laser and the photodiode may be integrally mounted as a light transmission / reception unit, the light transmission / reception unit and the determination detection unit may be spatially separated, and an electrical cable may be connected between them.
また、前記センサユニットを複数個多段に配置し、前段のセンサユニットのフォトダイオードと次段のセンサユニットの半導体レーザが近接して配置されるように設置されていてもよく、各センサユニットの前段のフォトダイオードと次段の半導体レーザが送受光部として一体に実装されていてもよい。 In addition, a plurality of the sensor units may be arranged in multiple stages, and the photodiodes of the preceding sensor unit and the semiconductor laser of the succeeding sensor unit may be disposed close to each other. The photodiode and the next-stage semiconductor laser may be integrally mounted as a light transmitting / receiving unit.
また、前記検出結果を光信号に変換するための光源とその光信号を伝送する伝送用光ファイバとその光信号を受光する受光器とからなる出力信号伝送ユニットを前記各センサユニットに併置して多段に設け、それぞれの出力信号伝送ユニットにおいて、前段の出力信号伝送ユニットのから伝送され受光器により得られる出力に前段のセンサユニットの検出結果の出力および各監視領域を区別する信号を加えて前記光源を変調して光信号を発生させることにより、各監視領域での検出結果を順次伝送可能としてもよい。 Also, an output signal transmission unit comprising a light source for converting the detection result into an optical signal, a transmission optical fiber for transmitting the optical signal, and a light receiver for receiving the optical signal is disposed in parallel with each sensor unit. Provided in multiple stages, and in each output signal transmission unit, the output of the detection result of the previous sensor unit and the signal for distinguishing each monitoring region are added to the output obtained from the output signal transmission unit of the previous stage and obtained by the light receiver. The detection result in each monitoring area may be sequentially transmitted by modulating the light source to generate an optical signal.
ここで、少なくとも2本のプラスチック光ファイバを内蔵する光ファイバコードの中の1本のプラスチック光ファイバを前記センサユニットのプラスチック光ファイバとして使用し、他の1本を前記出力信号伝送ユニットの伝送用光ファイバとして使用してもよい。 Here, one plastic optical fiber in an optical fiber cord containing at least two plastic optical fibers is used as the plastic optical fiber of the sensor unit, and the other one is used for transmission of the output signal transmission unit. It may be used as an optical fiber.
また、前記送受光部と前記判定検出部と前記光源を変調して光信号を発生させる手段とがインターフェイスユニットとして一体に実装されていてもよい。 Further, the light transmission / reception unit, the determination detection unit, and the means for modulating the light source to generate an optical signal may be integrally mounted as an interface unit.
以上の各構成において、前記判定検出部は前記出力電気信号の増幅器と周波数を選択するフィルタ回路と振幅を判定する比較回路と判定結果を出力する出力回路とからなり、前記フィルタ回路と前記比較回路は調整可能に構成されていてもよい。 In each of the above configurations, the determination detection unit includes an amplifier of the output electric signal, a filter circuit that selects a frequency, a comparison circuit that determines an amplitude, and an output circuit that outputs a determination result, and the filter circuit and the comparison circuit May be configured to be adjustable.
以上のように、本発明においては、マルチモード光ファイバとして安価でかつコア径の大きなプラスチック光ファイバを用い、半導体レーザとの直接結合を簡易な構造により行うことにより安価な光ファイバセンサを実現するものである。従来の光ファイバセンサにおいては、石英光ファイバのコア径が50μm〜65μmであり、半導体レーザとの結合には図9のようにレンズなどを用いてその光ファイバ伝播モードを検出感度が大きくなるようなモードが励起されるように調整していたが、本発明は、発明者による実験の結果、コア径500μm〜1000μmのプラスチック光ファイバに直接、簡易な方法で半導体レーザの出射光を結合しても、振動や変位による必要な感度が得られることを確認し、さらに振動や変位などの検出判定対象を従来のように厳密に規定する必要がない用途に対しては、上記構成のセンサユニットと簡単な制御回路で必要な振動などを判定可能であることを確認したことに基づくものである。 As described above, in the present invention, an inexpensive optical fiber sensor is realized by using an inexpensive plastic optical fiber having a large core diameter as a multimode optical fiber and performing direct coupling with a semiconductor laser with a simple structure. Is. In the conventional optical fiber sensor, the core diameter of the silica optical fiber is 50 μm to 65 μm, and for coupling with the semiconductor laser, the detection sensitivity of the optical fiber propagation mode is increased by using a lens or the like as shown in FIG. In the present invention, as a result of experiments by the inventors, the light emitted from the semiconductor laser is directly coupled to a plastic optical fiber having a core diameter of 500 μm to 1000 μm by a simple method. However, it is confirmed that the necessary sensitivity due to vibration and displacement can be obtained, and for applications where it is not necessary to strictly define the detection and judgment targets such as vibration and displacement as in the past, This is based on the confirmation that necessary vibrations can be determined with a simple control circuit.
また、プラスチック光ファイバは損失が大きいが、数十m程度以内の狭い領域では十分に使用可能である。また、本発明の光ファイバセンサが安価であるため、それを狭く区切った監視領域毎に個別に配置することが実用上可能となり、その出力をそれぞれ識別して検出すれば、変位や振動などが発生した位置の特定が可能となる。 In addition, although the plastic optical fiber has a large loss, it can be sufficiently used in a narrow region of about several tens of meters. In addition, since the optical fiber sensor of the present invention is inexpensive, it is practically possible to individually arrange it for each monitoring area that is divided into narrow sections. It is possible to specify the position where it occurred.
この場合、半導体レーザとプラスチック光ファイバおよびフォトダイオードを独立した1つのセンサユニットとして互いに分離して配置することも可能であるが、複数の光ファイバセンサのユニットを前段のフォトダイオードと次段の半導体レーザが一体となるように多段に配置することも可能であり、この場合、複数芯の光ファイバコードを用いて、その1本を変位検出用の光ファイバ、他の1本を出力結果の伝送用光ファイバとして用いれば、新たな光ファイバコードの敷設なしに出力結果を伝送することができる。 In this case, the semiconductor laser, the plastic optical fiber, and the photodiode can be separated from each other as one independent sensor unit. However, a plurality of optical fiber sensor units are arranged in the preceding photodiode and the next semiconductor. It is also possible to arrange the lasers in multiple stages so that the lasers are integrated. In this case, using a multi-core optical fiber cord, one of them is an optical fiber for displacement detection, and the other is an output result transmission. If used as an optical fiber, the output result can be transmitted without laying a new optical fiber cord.
以上のように、本発明により、低価格でかつ小型化可能で、監視領域内での変位などの発生位置を特定可能である光ファイバセンサが得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an optical fiber sensor that is inexpensive and can be miniaturized and that can specify a position where a displacement or the like is generated in a monitoring region.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明による光ファイバセンサの第一の実施の形態の構成図である。図1において、本実施の形態の光ファイバセンサは、可視光を出力する半導体レーザ1と、半導体レーザ1に結合されその出力光をマルチモード伝搬させるプラスチック光ファイバ2と、プラスチック光ファイバ2の出力光の一部のみを受光するフォトダイオード3とからなるセンサユニットと、フォトダイオード3からの出力電気信号の周波数および振幅に基づいて検出結果を出力する判定検出部4とを有し、プラスチック光ファイバ2を監視領域5に設置して監視領域5でプラスチック光ファイバ2に加わる振動や変位を検出するものである。ここで監視領域5が建物内通路や屋外敷地、フェンスなどの侵入監視場所である場合はプラスチック光ファイバ2は通路のカーペット内や地面、フェンス面などに敷設される。プラスチック光ファイバ2としては環境に対して耐性のある被覆を施し屋外用としてコード化したケーブルを用いることができる。
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of an optical fiber sensor according to the present invention. 1, the optical fiber sensor of the present embodiment includes a
図2は、上記実施の形態の光ファイバセンサの半導体レーザ1とプラスチック光ファイバ2の入射端の実装構造の一例を示す断面図であり、図3はプラスチック光ファイバ2の出射端とフォトダイオード3との実装構造の一例を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the mounting structure of the incident end of the
図2において、半導体レーザ1の出力をプラスチック光ファイバ2の入射端面に直接結合する。そのために、半導体レーザ1が内蔵されたパッケージ21とプラスチック光ファイバ2の入射端面を有する入射部22とをファイバ固定部23を有するレーザ筐体24にそれらの相対位置を調整して固定する。また、図3において、プラスチック光ファイバ2の出射端面にその端面から出射される出射光のエネルギーの50%が含まれる中心部分の断面よりも小さな受光面を有するフォトダイオード3を直接結合する。フォトダイオード3が内蔵されたパッケージ25とプラスチック光ファイバ2の出射端面とを有する出射部26がファイバ固定部27を有するPD筐体28にそれらの相対位置を調整して固定する。なお、ここで、出射光の中心部分の一部のエネルギーを受光すれば振動等を検出できるが、必要な感度を得るためには、その受光量は全出射光エネルギーの50%以下であることが望ましい。
In FIG. 2, the output of the
プラスチック光ファイバ2のコア径は500〜1000μm程度と通常の石英光ファイバに比べて非常に大きいので、その伝播モード数は非常に多く、半導体レーザ1との結合状態が多少変化しても伝播モード数が多い状態が容易に得られ、これにより振動などの変位に対応したその出射端におけるスペックルパターンの十分な変化が得られることから、上記実装構造においては、従来のような高精度の結合は不要である。このため、ファイバ固定部23の加工精度は低くてよく、プラスチック光ファイバ2の固定は当て板を介して取り外し可能なネジ29などで押し付けることにより行うことができる。また、上記のようにコア径が大きいことからスペックルパターンの広がりは大きく、その一部の光量を受光するフォトダイオード3のプラスチック光ファイバ2の出射端に対する相対位置が多少変化しても十分な感度が得られるので、ファイバ固定部27の加工精度、そこへのプラスチック光ファイバ2の固定もファイバ固定部23と同様に容易に行うことができる。プラスチック光ファイバ2がコード化されている場合は、その入射端、出射端部分の被覆を除去してファイバ固定部23および27に挿入し、被覆との境界部を防水樹脂などで充填することで耐環境性が得られる。
The core diameter of the plastic
以上のように、本実施の形態の光ファイバセンサは図2および図3の実装構造を用いることによりレンズや光ファイバコネクタなどが不要となり、かつプラスチック光ファイバも安価であるので光学系部分を安価に構成することができ、構造が簡単であるのでその部分の形状を小型化できる。さらに、プラスチック光ファイバ2のファイバ固定部23および27への取り付けも簡単に行うことができるので、プラスチック光ファイバ2が損傷した場合の取替えが非常に容易である。
As described above, the optical fiber sensor according to the present embodiment uses the mounting structure shown in FIGS. 2 and 3 so that a lens, an optical fiber connector, and the like are unnecessary, and a plastic optical fiber is also inexpensive, so that the optical system portion is inexpensive. Since the structure is simple, the shape of the portion can be reduced in size. Furthermore, since the plastic
また、図1における判定検出部は、フォトダイオード3で検出した電気信号をアンプで増幅し、フィルタ回路で例えば予め設定した10Hz程度から数kHz程度までの帯域の信号を通過させ、その振幅を予め設定した規定の電圧と比較回路で比較してその結果を出力する回路であり、上記の帯域や規定の電圧は、回路実装後に監視領域で検出を必要とする振動の周波数や感度に基づいて調整可能に構成されている。この場合、上記電気信号の周波数と振幅のみにより判定する回路構成とすることにより判定検出部を簡易化することができ、この部分においても低価格化、小型化が可能となる。
In addition, the determination detection unit in FIG. 1 amplifies an electric signal detected by the
なお、上記の判定結果の出力は、接点信号、アナログ信号、デジタル信号など全体のシステムの要求に合わせてその信号形態を設定することができ、後に述べるような光信号で判定結果を伝送するのに適した信号とすることも可能である。 The output of the determination result can be set in accordance with the overall system requirements such as contact signal, analog signal, digital signal, etc., and the determination result is transmitted as an optical signal as described later. It is also possible to obtain a signal suitable for the above.
図4は、本発明による光ファイバセンサの第二の実施の形態の構成図である。図4において、基本的な構成要素は図1の実施の形態と同じであるが、本実施の形態においては、半導体レーザ1とフォトダイオード3が送受光部31として一体に実装され、送受光部31と判定検出部32とが空間的に分離され、それらの間が電気ケーブル33により接続されている。
FIG. 4 is a configuration diagram of a second embodiment of the optical fiber sensor according to the present invention. In FIG. 4, the basic components are the same as those of the embodiment of FIG. 1, but in this embodiment, the
図4においても、半導体レーザ1とプラスチック光ファイバ2の結合固定部分、フォトダイオード3とプラスチック光ファイバ2との固定部分の構造は図2と同様であるが、但し、半導体レーザ1の内蔵されたパッケージ21とフォトダイオード3の内蔵されたパッケージ25は共通の筐体に固定され送受光部31を構成している。送受光部31の半導体レーザ1の制御とフォトダイオード3からの光信号の処理は電気ケーブル33により接続された判定検出部32で行われるが、ノイズなどによる影響を防ぐため送受光部31には半導体レーザ1を駆動する電流出力回路34と、フォトダイオードによって光電変換さる電気信号を増幅する増幅回路35が内蔵されている。なお、電流出力回路34には、半導体レーザ1のノイズを低減するために高周波重畳により駆動するための回路を内蔵しても良い。
4, the structure of the coupling and fixing part of the
本実施の形態の光ファイバセンサは、送受光部31が簡単な構成であることから小型化が容易であり、判定検出部32と分離して送受光部31とプラスチック光ファイバ2からなるセンサユニットのみを監視領域5に設置することができる。
The optical fiber sensor of the present embodiment is easy to miniaturize because the light transmitting / receiving
図5および図6は、本実施の形態の光ファイバセンサのセンサユニットを複数の監視領域に配置する場合の例を示す図であり、図5は各監視領域の判定検出部を共通化して制御監視する場合の構成、図6は各監視領域毎に判定検出部を設けその出力をデータ伝送路に載せて送信する場合の構成を示す。 FIG. 5 and FIG. 6 are diagrams showing an example in which the sensor unit of the optical fiber sensor according to the present embodiment is arranged in a plurality of monitoring areas. FIG. 5 controls the determination detection unit in each monitoring area in common. FIG. 6 shows a configuration in the case of monitoring, and FIG. 6 shows a configuration in which a determination detection unit is provided for each monitoring area and the output is transmitted on the data transmission path.
図5においては、連続する監視領域41、42、43にそれぞれプラスチック光ファイバ44、45、46が敷設され、それぞれの送受信部47、48、49からの電気ケーブルが共通の判定検出部50に接続され、判定検出部50内で各送受信部からの検出信号を分離して判別することにより各監視領域での振動などの発生が分離して検出される。図6においては、各監視領域毎に各送受信部に接続された判定検出部51、52、53がそれぞれ設けられ、その出力が適式なデータ形式に変換されてデータ伝送路54により図示されていない集中管理装置などに送られる。この場合、判定検出部51、52、53にそれぞれ一体として判定結果出力を送信用データに変換する通信回路を設置してもよく、さらに同じ監視領域に設置されたテレビカメラや物体検知センサなどの他のセンサの信号を合成して伝送する機能を上記通信回路に付加することにより総合的に監視情報を管理することができる。
In FIG. 5, plastic
図7は、本発明による光ファイバセンサの第三の実施の形態の構成図である。図7において、基本的な構成要素は図1の実施の形態と同じであり、また第二の実施の形態と同様に半導体レーザとフォトダイオードが送受光部として一体として実装され、図5および6と同様に各監視領域にセンサユニットが配置される。但し、本実施の形態においては、複数個多段に配置されたセンサユニットの、前段のセンサユニットのフォトダイオードと次段のセンサユニットの半導体レーザが近接して配置されるように設置され、各センサユニットの前段のフォトダイオードと次段の半導体レーザが送受光部として一体として実装されている。 FIG. 7 is a configuration diagram of a third embodiment of an optical fiber sensor according to the present invention. In FIG. 7, the basic components are the same as those of the embodiment of FIG. 1, and similarly to the second embodiment, a semiconductor laser and a photodiode are integrally mounted as a light transmitting / receiving unit. Similarly, a sensor unit is arranged in each monitoring area. However, in the present embodiment, a plurality of sensor units arranged in multiple stages are installed so that the photodiodes of the preceding sensor unit and the semiconductor laser of the next sensor unit are arranged close to each other. A photodiode at the front stage of the unit and a semiconductor laser at the next stage are integrally mounted as a light transmitting / receiving section.
すなわち、図7においては、監視領域41に配置されたプラスチック光ファイバ62を有する1段目のセンサユニットのフォトダイオード63と監視領域42に配置されたプラスチック光ファイバ65を有する2段目のセンサユニットの半導体レーザ64が一体として送受光部68-1として実装され、2段目のセンサユニットのフォトダイオード66と監視領域43に配置されたプラスチック光ファイバ69を有する3段目のセンサユニットの半導体レーザ67が一体として送受光部68-2として実装されている。これらの送受光部68-1および68-2としては図4に示した送受光部31と同様な構造を用いることも可能であり、また図7に示されるようにプラスチック光ファイバが180度反対方向に引き出せるように結合する構造とすることも可能である。図7においては、送受光部68-1、68-2にはそれぞれ独立に判定検出部71、72を設ける場合を示しているが、図5と同様に共通の判定検出部を設けてもよい。また、図6の場合と同様に判定検出部71、72にそれぞれ一体として判定結果出力を送信用データに変換する通信回路を設置し、さらに同じ監視領域に設置された他のセンサの信号を合成して伝送する機能を上記通信回路に付加することにより総合的に監視情報を管理することができる。
That is, in FIG. 7, the
図8は、本発明による光ファイバセンサの第四の実施の形態の構成図である。図8において、センサユニットの配置と送受光部の基本的な構成は図7の実施の形態と同じであるが、本実施の形態においては、各センサユニット毎に判定検出部を設け、その検出結果を光信号に変換するための光源とその光信号を伝送する伝送用光ファイバとその光信号を受光する受光器とからなる出力信号伝送ユニットを前記各センサユニットに併置して多段に設け、それぞれの出力信号伝送ユニットにおいて、前段の出力信号伝送ユニットから伝送され前記受光器により得られる出力に次段のセンサユニットの検出結果の出力および各センサユニットのマルチモード光ファイバが設置された監視領域を識別する信号を加えて前記光源を変調して光信号を発生させることにより、各監視領域での検出結果を順次伝送可能としている。 FIG. 8 is a configuration diagram of a fourth embodiment of an optical fiber sensor according to the present invention. In FIG. 8, the arrangement of the sensor units and the basic configuration of the light transmission / reception unit are the same as those in the embodiment of FIG. 7, but in this embodiment, a determination detection unit is provided for each sensor unit and the detection is performed. An output signal transmission unit comprising a light source for converting the result into an optical signal, a transmission optical fiber for transmitting the optical signal, and a light receiver for receiving the optical signal is provided in multiple stages in parallel with the sensor units, In each output signal transmission unit, the monitoring area in which the output of the detection result of the next sensor unit and the multimode optical fiber of each sensor unit are installed in the output transmitted from the previous output signal transmission unit and obtained by the light receiver By adding a signal for identifying the light source and modulating the light source to generate an optical signal, detection results in each monitoring region can be transmitted sequentially.
図8において、1段目のセンサユニットのフォトダイオード63からの電気信号は1段目の判定検出部と2段目の半導体レーザ64の制御回路を内蔵した判定制御回路81により検出判定され、その検出結果は監視領域41の識別情報を加えて適式な符号形式の光信号に変換する通信制御回路82により光源83を変調することにより光信号データに変換され、その光信号データは2段目のプラスチック光ファイバ65に併置された伝送用光ファイバ84により伝送される。
In FIG. 8, the electrical signal from the
上記光信号データは伝送用光ファイバ84の出力端において受光器85により受信され、その受信データは、2段目のセンサユニットのフォトダイオード66から検出され判定制御回路86を通して検出判定された検出結果と監視領域42の識別情報とを加えて通信制御回路87により光源88を変調することにより光信号データに変換され、その光信号データは3段目のプラスチック光ファイバ69に併置された伝送用光ファイバ89により伝送される。ここでは伝送用光ファイバ84と通信制御回路87と受光器85と光源88とにより2段目の出力信号伝送ユニットが構成されている。光源83、88、受光器80、85としてそれぞれセンサユニットの半導体レーザ、フォトダイオードと同じものを用いることによりセンサユニットの送受光部の構造を共通して使用することができる。但しこの場合、受光器80、85のフォトダイオードは光信号データを誤りなく受信するために伝送用光ファイバの出射光の大部分の光を受光できるようにすることが望ましい。また、光源83、88は信号データ速度が低いのでLEDを用いることも可能であり、その場合には光信号伝送において干渉によるスペックルパターン発生の影響を小さくすることができ、受光器80、85の受光径を小さくすることができる。
The optical signal data is received by the
また、図8のように、上記のセンサユニットの送受光部、光源と受光器のユニット、判定制御回路、通信制御回路を1つの筐体内に一体として実装してインターフェイスユニット75、76とすることにより、各監視領域に光ファイバセンサを設置する作業が簡易化され、また、光ファイバセンサシステムの管理やメンテナンスが容易となる。さらに2本のマルチモード光ファイバを内蔵する2芯の光ファイバケーブルの1本をセンサユニットのマルチモード光ファイバとして使用し、他の1本を出力信号伝送ユニットの伝送用光ファイバとして使用することにより光ファイバの敷設が簡易化され、信号伝送のためだけのデータ伝送路の設置空間も不要となり、メンテナンスも容易となる。また、通信制御回路に同じ監視領域に設置された他のセンサの信号を合成して伝送する機能を付加することにより総合的に監視情報を管理することができる。
Also, as shown in FIG. 8, the above-described sensor unit transmitter / receiver unit, light source / receiver unit, determination control circuit, and communication control circuit are integrally mounted in one housing to form
以上述べたように、本発明により、低価格かつ小型化可能であり、監視領域内での変位などの発生位置を特定可能である光ファイバセンサが得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an optical fiber sensor that is inexpensive and can be miniaturized, and that can specify a position where a displacement or the like occurs in a monitoring area.
1、61、64、67 半導体レーザ
2、44、45、46、62、65、69 プラスチック光ファイバ
3、63、66 フォトダイオード
4、32、50、51、52、53、71、72 判定検出部
5、41、42、43 監視領域
21、25 パッケージ
22 入射部
23、27 ファイバ固定部
24 レーザ筐体
26 出射部
28 PD筐体
29 ネジ
31、47、48、49、68-1、68-2 送受光部
33 電気ケーブル
34 電流出力回路
35 光信号増幅回路
54 データ伝送路
81、86 判定制御回路
82、87 通信制御回路
75、76 インターフェイスユニット
83、88、91 光源
80、85、97 受光器
84、89 伝送用光ファイバ
92、96 レンズ
93 マルチモード光ファイバ
94 出射端
95 単一モード光ファイバ
98 コア
99 スペックルパターン
101 制御処理回路部分
102 装置本体
1, 61, 64, 67
83, 88, 91
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