JP2009150850A - 物理量測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】基準波長を含む波長特性が等しい複数のＦＢＧセンサを光ファイバで直列接続した場合においても、各ＦＢＧセンサに印加される物理量を簡単にかつ短時間で測定する。
【解決手段】複数のＦＢＧセンサ１が介挿された光ファイバ５に対して、波長が順次変化していく複数のパルス光からなる入射パルス光ｃを印加する。そして、ＦＢＧセンサで反射されて入射端方向へ伝搬する各反射パルス光をサーキュレータ１２で分岐して受光器２３で電気信号に変換して、入射パルス光の波長に対応して記憶保持（３０）する。そして、この記憶された各反射パルス光の受光レベルから各ＦＢＧセンサの反射光の波長特性３６を算出する。最後に、波長特性の中心波長から各ＦＢＧセンサに印加された物理量εを求める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、互いに離間した各測定対象において各測定対象から印加される歪み量等の物理量をＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング Fiber Bragg Grating 以下ＦＢＧと略記する）センサを用いて測定する物理量測定システムに関する。

一般に、ＦＢＧセンサは、図１４に示すように、このＦＢＧセンサの一端（入射端）から広帯域波長を有する光２を入射すると、このＦＢＧセンサ１に対して予め設定された基準波長λ_Sを中心波長とする山形の波長特性を有した反射光３が一端（入射端）から出力される。さらに、このＦＢＧセンサ１に対して前記基準波長λ_Sを中心波長とする波長特性を有した透過光４が他端（出射端）から出力される。

そして、このＦＢＧセンサ１に歪み（物理量）を加えると、反射光３の中心波長λ_Cが基準波長λ_Sからずれる。この波長ずれΔλ（＝λ_C―λ_S）が歪み量(物理量)εに比例するので、この波長ずれΔλを測定することによって、ＦＢＧセンサ１に印加された歪み量（物理量）εが測定可能である。なお、透過光４の中心波長λ_Cも反射光３の中心波長λ_Cと同一動作を行う。以下、現在時点におけるＦＢＧセンサ１を用いた物理量の測定技術を説明する。

（ａ） 図１５は、このような特性を有する複数のＦＢＧセンサ１を測定対象に取付け、各ＦＢＧセンサ１を光ファイバ５で直列接続し、この光ファイバ５の一端（入射端）５ａに、広波長帯域パルス光源６から広波長帯域パルス光を印加するＦＢＧセンサシステムである（特許文献１参照）。

光ファイバ５の各距離位置Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃…に配設された各ＦＢＧセンサ１からの反射光３は、カプラ７で光ファイバ５から分岐されて、波長ずれ量検出部８へ、それぞれ各距離位置Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃…に応じた時間差を有して入射されるので、波長ずれ量検出部８は、各ＦＢＧセンサ１からの反射光３の中心波長λ_Cの基準波長λ_Sからの波長ずれΔλ₁、Δλ₂、Δλ₃、…を個別に検出できる。よって、各ＦＢＧセンサ１に印加される歪み量（物理量）を個別に検出できる。

（ｂ） 広波長帯域パルス光源６の代りに、広波長帯域連続光源を使用することも可能である（特許文献２参照）。この場合、各ＦＢＧセンサ１の基準波長λ_Sは互いに異なる値λ_S1、λ_S2、λ_S3、…に設定する必要がある。波長ずれ量検出部８は、既知である各基準波長λ_S1、λ_S2、λ_S3、…近傍の各ＦＢＧセンサ１の反射光の中心波長λ_C1、λ_C2、λ_C3、…を定めて、各基準波長λ_S1、λ_S2、λ_S3、…からの波長ずれΔλ₁、Δλ₂、Δλ₃、…を個別に検出する。

（ｃ） 図１６に示すように、同一基準波長λ_Sを有する複数のＦＢＧセンサ１を一つの光ファイバ５で、カプラ７を介して並列に接続して、この光ファイバ５の一端（入射端）に、狭帯域パルス光源１０から、波長λが各ＦＢＧセンサ１の基準波長λ_Sに対して微少波長Δλだけずれた狭帯域のパルス測定光１４を印加し、各ＦＢＧセンサ１からの反射光３のレベル変化量から歪みを測定する技術が提唱されている。すなわち、光ファイバ５の各距離位置Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃…に配設された各ＦＢＧセンサ１からの反射光３はサーキュレータ１１で分岐されて、受光器１２で電気信号に変換されて、演算部１３で各ＦＢＧセンサ１に印加された歪み量（物理量）が求まる（特許文献３参照）。

図１７に示すように、各光ファイバ５の各距離位置Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃…に配設された各ＦＢＧセンサ１からの反射光の波長特性の中心波長λ_Cは、歪みが印加されると、例えば、図中右側へ移動するので、波長特性自体も右側へ移動する。その結果、狭帯域のパルス測定光１４が印加された場合におけるこのパルス測定光１４自体の反射光のレベルは、レベルＬ_S からレベルＬ_Lに変化する。このレベル変化量（Ｌ_LーＬ_S）は、基準波長λ_Sからの波長ずれΔλに対応する。
米国特許５，６８０，４８９号公報 米国特許５，３６１，１３０号公報 特開２００４―３０９２１８号公報

しかしながら、上述した（ａ）〜（ｃ）の各ＦＢＧセンサを用いた歪み測定システムにおいても、まだ改良すべき次のような課題があった。

特許文献１に記載された（ａ）の広波長帯域パルス光を印加する手法においては、広波長帯域のパルス光を使用するので、基準波長λ_S近傍以外の波長成分は、使用されないので、エネルギ効率が悪く、Ｓ／Ｎ比が低下する。

また、特許文献２に記載された（ｂ）の広波長帯域連続光源を使用する場合においては、同一規格（同一基準波長λ_S）のＦＢＧセンサを使用できない問題があった。

特許文献３に記載された（ｃ）の波長λが各ＦＢＧセンサ１の基準波長λ_Sに対して微小波長Δλだけずれた狭帯域のパルス測定光１４を用いる場合においては、基準波長λ_Sからの波長ずれ量Δλは受光器の検出レベルの差（Ｌ_LーＬ_S）で求めているが、このレベル（Ｌ_LーＬ_S）差がＦＢＧセンサ１に印加された歪と、パルス測定光１４自身のレベル変動とのいずれに起因するものであるか区別することが困難で測定精度が低下する。また、カプラ７をＦＢＧセンサ１と同じ数量を必要とするので、この歪み測定システムの製造費が上昇する問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、たとえ基準波長を含む波長特性が等しい複数のＦＢＧセンサを光ファイバで直列接続した場合においても、物理量の印加時における反射光の波長特性を短時間でかつ高い精度で検出でき、しかして、ＦＢＧセンサに印加される物理量を短時間でかつ高い精度で測定できる物理量測定システムを提供することを目的とする。

上記課題を解消するために、本発明の物理量測定システムは、互いに離間した複数の測定対象に設けられ、入射光に対する反射光の中心波長が測定対象から印加された物理量に応じて変化する複数のＦＢＧセンサと、各ＦＧＢセンサを直列接続する光ファイバと、波長が順次変化していく複数のパルス光を生成して、光ファイバの入射端へ入射パルス光として順次入射する波長掃引パルス光源と、光ファイバに順次入射された各入射パルス光が各ＦＢＧセンサで反射されて入射端方向へ伝搬する各反射パルス光を分岐するサーキュレータと、このサーキュレータで分岐された各反射パルス光を受光する受光器と、各入射パルス光に対する各ＦＢＧセンサからの反射パルス光の受光レベルを当該入射パルス光の波長に対応して記憶保持する測定値記憶手段と、この測定値記憶手段に記憶された各反射パルス光の受光レベルから各ＦＢＧセンサの反射光の波長特性を算出する波長特性算出手段と、この算出された波長特性の中心波長から各ＦＢＧセンサに印加された物理量を求める物理量算出手段とを備えている。

このように構成された物理量測定システムにおいては、波長掃引パルス光源は、波長が順次変化していく複数のパルス光からなる入射パルス光を光ファイバへ入射する。すなわち、波長λが順次変化するパルス光が伝搬していく光ファイバにおいては、例えば、各ＦＢＧセンサに歪み（物理量）が印加されていなくて、かつ入射パルス光の先頭のパルス光の波長λが基準波長λ_Sの場合は、光ファイバにおける各距離位置Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、…に位置する各ＦＢＧセンサからの反射光の受光器における受光時刻の入射パルス光の出力時刻からの経過時間は、各距離位置Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、…に対応した時刻ｔ₁、ｔ₂、ｔ₃、…となる。そして、各ＦＢＧセンサに物理量が印加されると、反射光の波長特性が波長軸方向にシフトするので、各距離位置Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、…に対応した時刻ｔ₁、ｔ₂、ｔ₃、…のレベルＦＢ₁₁、ＦＢ₂₁、ＦＢ₃₁、…が物理量に対応して変化する。

そして、入射パルス光における期間Ｔ経過して波長λがΔλ_Aだけ移動した波長（λ_S＋Δλ_A）のパルス光を光ファイバに入力させると、時刻ｔ₁、ｔ₂、ｔ₃、…に所定期間Ｔを加算した各時刻ｔ₁＋Ｔ、ｔ₂＋Ｔ、ｔ₃＋Ｔ、…に物理量に対応したレベルＦＢ₁₂、ＦＢ₂₂、ＦＢ₃₂、…が得られる。さらに、所定期間Ｔ経過して波長λがΔλ_Aだけ移動した波長（λ_S＋２Δλ_A）のパルス光を光ファイバに入力させると、時刻ｔ₁、ｔ₂、ｔ₃、…に所定期間Ｔ×２を加算した各時刻ｔ₁＋２Ｔ、ｔ₂＋２Ｔ、ｔ₃＋２Ｔ、…に物理量に対応したレベルＦＢ₁₃、ＦＢ₂₃、ＦＢ₃₃、…が得られる。

1番目のＦＢＧセンサの反射光の波長特性における各波長λ_S、λ_S＋Δλ_A、λ_S＋２Δλ_A、λ_S＋３Δλ_A、…におけるレベルＦＢ₁₁、ＦＢ₂₁、ＦＢ₃₁、ＦＢ41、…が求まるので、これらのレベルの包絡線を求めることによって、反射光の波長特性が求まる。

その結果、反射光の波長特性における中心波長λ_Cが求まり基準波長λ_Sからの波長ずれ量が求まる。したがって、当該ＦＢＧセンサに印加されている歪み量（物理量）を測定できる。この場合、各ＦＢＧセンサの反射光の波長特性は、それぞれ決まった時間位置にレベルが現れるので、各ＦＢＧセンサの反射光の波長特性を重ねることができる。

また、別の発明においては、波長特性算出手段は、測定値記憶手段に記憶された入射パルス光の波長毎の各反射パルス光の受光レベルのグループを、ＦＢＧセンサ毎の波長が異なる反射パルス光のブループに組換えるデータ編集部と、この編集されたＦＢＧセンサ毎の波長が異なる反射パルス光の受光レベルを用いて各ＦＢＧセンサの反射光の波長特性を算出する波長特性算出部とを有する。このような構成においては、ＦＢＧセンサ毎の波長が異なる反射パルス光のブループには、ＦＢＧセンサ毎の反射光の波長特性が簡単に求まる。

また、別の発明においては、物理量が印加されていない状態における各ＦＢＧセンサの中心波長が互いに等しく設定されている。

さらに、別の発明においては、波長可変光源が前記光ファイバの入射端に順次入射させる各入射パルス光における各パルス光の送信間隔は、互いに等しく設定され、かつ、当該パルス光が光ファイバを往復するに要する時間（２ｎＬ／Ｃ Ｌ；光ファイバ長、ｎ；光ファイバの屈折率、Ｃ；光速度）より長く設定されている。

さらに、別の発明においては、物理量算出手段は、ＦＢＧセンサの基準波長を記憶する基準波長記憶部と、算出された各ＦＢＧセンサの反射光の中心波長の基準波長からのずれ波長を算出するずれ波長算出部と、この算出された各ずれ波長から各ＦＢＧセンサに印加された物理量を算出する物理量算出部とで形成されている。

さらに別の発明においては、波長掃引パルス光源を、一方の光出射端面がＡＲコートされている半導体レーザと、半導体レーザのＡＲコートされている端面から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートレンズから出射されたコリメート光を受けて波長に応じた角度で回折させる回折格子と、反射体と反射体駆動部とを含んで構成され、半導体レーザの他方の出射端面から波長が連続的に変化する光を出射させるように反射体駆動部を制御するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナと、半導体レーザを駆動する所定周期及び所定デューティー比を有したパルス信号を半導体レーザへ駆動信号として印加するパレス発生器とで構成している。

さらに別の発明においては、波長掃引パルス光源を、波長が連続的に変化しレベルが一定である光を出射する波長可変光源と、所定周期及び所定デューティー比を有したパルス信号を発するパルス発生器と、このパルス信号を受けて、波長可変光源から出射された光をオン／オフ制御して複数のパルス光を発生する光スイッチとで構成している。

さらに別の発明においては、波長掃引パルス光源を、波長が連続的に変化しレベルが一定である光を出射する波長可変光源と、所定周期及び所定デューティー比を有したパルス信号を発するパルス発生器と、このパルス信号を受けて、波長可変光源から出射された光をオン／オフ制御して前記複数のパルス光を発生する光増幅器とで構成している。

さらに別の発明においては、波長可変光源を、一方の光出射端面がＡＲコートされている半導体レーザと、この半導体レーザのＡＲコートされている端面から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、このコリメートレンズから出射されたコリメート光を受けて波長に応じた角度で回折させる回折格子と、反射体と反射体駆動部とを含んで構成され、半導体レーザの他方のＡＲコートされていない出射端面から波長が連続的に変化する光を出射させるように反射体駆動部を制御するＭＥＭＳスキャナとで構成している。

このように構成された物理量測定システムにおいては、基準波長を含む波長特性が等しい複数のＦＢＧセンサを光ファイバで直列接続した場合においても、物理量の印加時における反射光の波長特性を短時間でかつ高い精度で検出でき、しかして、ＦＢＧセンサに印加される物理量を短時間でかつ高い精度で測定できる。

以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態の物理量測定システムの概略構成図である。図１４、図１５、図１６に示す従来の歪測定システムと同一部分には、同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。

波長掃引パルス光源２０は波長可変光源２１とパルス発生器２２とで構成さている。波長可変光源２１は図４に示す波長λがＦＢＧセンサ１の基準波長λ_Sを中心にλ₁からλ_mまで連続的に変化し、レベルが一定である掃引光ａを発生する。

パルス発生器２２は、図４に示すように、パルス幅が約２０ｎｓと非常に狭く、すなわち、デューティー比が小さく、周期Ｔのパルス信号ｂを波長可変光源２１へ駆動信号として印加する。波長可変光源２１は、掃引光ａにおけるパルス信号ｂがハイレベル期間のみ規定レベルを有する入射パルス光ｃを波長掃引パルス光源２０から光ファイバ５の一端（入射端）５ａに入射する。したがって、この入射パルス光ｃは、図４に示すように、波長λがＦＢＧセンサ１の基準波長λ_Sを中心にλ₁からλ_mまでΔλ_Aずつ順次増加していく複数のパルス光で構成されている。

光ファイバ５における一端（入射端）５ａからの各距離位置Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、Ｌ₄、…Ｌ_nにそれぞれ基準波長λ_S及び反射光３の波長特性が等しいｎ個のＦＢＧセンサ１が挿入されている。この光ファイバ５の長さＬ（＝Ｌn）を入射パルス光ｃの一つのパルス光が往復する所要時間は、光ファイバ５の屈折率ｎ、光速度Ｃを用いて、（２ｎＬ／Ｃ）で示されるので、パルス信号ｂの周期、すなわち、入射パルス光ｃのパレス光の間隔Ｔは、
Ｔ＞（２ｎＬ／Ｃ）
に設定されている。光ファイバ５の一端（入射端）近傍に、サーキュレータ１２が介挿されている。

測定制御部２８の測定開始指示に基づいて、波長掃引パルス光源２０から出力された入射パルス光ｃは、光ファイバ５の一端（入射端）５ａへ入射して、サーキュレータ１２を透過して、各距離位置Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、Ｌ₄、…Ｌ_nに設けられたＦＢＧセンサ１を経て光ファイバ５の遠端に到達する。そして、各距離位置Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、Ｌ₄、…Ｌ_nに設けられた各ＦＢＧセンサ１の入射パルス光ｃに対する反射パルス光ｄはサーキュレータ１２で分岐され、受光器２３で電気信号に変換されて、Ａ／Ｄ変換器２４でデジタルの反射パルス信号に変換されて、データ書込部２５へ入力される。

出力検出部２６は、入射パルス光ｃの先頭のパルス光が光ファイバ５の一端（入射端）５ａに入射するとタイミング制御部２７を起動する。タイミングメモリ２９内には、入射パルス光ｃの先頭のパルス光が光ファイバ５の一端（入射端）５ａに入射した時刻から、入射パルス光ｃの各波長λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、…λ_mの各パルス光が各距離位置Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃、Ｌ₄、…Ｌ_nに設けられた各ＦＢＧセンサ１で反射されて受光器２３で受光されるまでの各経過時間が記憶されている。

例えば、図７に示すように、入射パルス光ｃにおける波長λ₁の先頭のパルス光の出射時刻ｔ₀からの１番のＦＢＧセンサ１の反射パルス信号の経過時間ｔ₁₁、２番のＦＢＧセンサ１の反射パルス信号の経過時間ｔ₂₁、３番のＦＢＧセンサ１の反射パルス信号の経過時間ｔ₃₁、…が記憶されている。

さらに、入射パルス光ｃにおける波長λ₂の２番目のパルス光に対する時刻ｔ₀からの１番のＦＢＧセンサ１の反射パルス信号の経過時間ｔ₁₂、２番のＦＢＧセンサ１の反射パルス信号の経過時間ｔ₂₂、３番のＦＢＧセンサ１の反射パルス信号の経過時間ｔ₃₂、…が記憶されている。

タイミング制御部２７は、出力検出部２６からの入射時刻からタイミングメモリ２９内に記憶されている各経過時間が到達する毎に、波長λとＦＢＧセンサ１の番号とのセットをデータ書込部２５へ送出する。データ書込部２５は、Ａ／Ｄ変換器２４から出力された反射パルス信号の信号値（ＦＢ）を図２に示す入射パレス光別測定値テーブル３０における前記波長λとＦＢＧセンサ１の番号とで指定される領域３１に書込む。

一つの入射パルス光ｃに対する［全部の波長×全部のＦＢＧセンサ］のデータの取得、の測定が終了し、入射パレス光別測定値テーブル３０への書込が終了すると、データ編集部３２が起動して、入射パルス光別測定値テーブル３０に記憶された入射パルス光別の各測定値のデータ（グループ）を、ＦＢＧセンサ別の各測定値のデータ（グループ）に編集して、図３に示す、ＦＢＧ別各測定値テーブル３３の各領域３４に書込む。

次に、波長特性算出部３５は、ＦＢＧ別各測定値テーブル３３内の縦１列の１つのＦＢＧセンサ１の各波長λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、…λ_mの測定値（データ）ＦＢ₁₁、ＦＢ₂₁、ＦＢ₃₁、…、ＦＢ_m1を用いて、図５に示す当該ＦＢＧセンサ１の反射光の波長λを横軸とする波長特性３６を算出する。具体的には、波長λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、…λ_mの測定値（データ）ＦＢ₁₁、ＦＢ₂₁、ＦＢ₃₁、…、ＦＢ_m1における包絡線を求める。

次に、中心波長算出部３７は、算出された１番からｎ番の各ＦＢＧセンサ１における反射光の波長特性３６の各中心波長λ_C1、λ_C2、λ_C3、λ_C4、…λ_Cnを求めて、物理量算出手段３８のずれ波長算出部３９へ送出する。

ずれ波長算出部３９は、図６に示すように、各ＦＢＧセンサ１の中心波長λ_C1、λ_C2、λ_C3、λ_C4、…λCnの基準波長メモリ４０に記憶されているＦＢＧセンサ１の基準波長λ_Sからの波長ずれΔλ₁、Δλ₂、Δλ₃、Δλ₄、…Δλ_mを算出する。

物理量算出部４１は、各波長ずれΔλ₁、Δλ₂、Δλ₃、Δλ₄、…Δλ_mに、定数Ｋを乗算して、１番からｎ番の各ＦＢＧセンサ１に印加された歪み（物理量）ε₁、ε₂、ε₃、ε₄、…ε_nを算出して表示器４２に表示出力する。

このように構成された第１実施形態の物理量測定システムにおいては、たとえ基準波長λ_Sを含む波長特性が等しい複数のＦＢＧセンサ１を光ファイバ５で直列接続した場合においても、物理量の印加時における反射光の波長特性３６を短時間でかつ高い精度で検出できる。

さらに、同一規格の複数のＦＢＧセンサ１を直列接続した光ファイバ５の一端（入射端）５ａに入射する測定用の光として、波長λが順次変化していく複数のパルス光からなる入射パルス光ｃを採用し、かつ、各パルス光の時間間隔Ｔを互いに等しく設定され、かつ、当該パルス光が光ファイバ５を往復するに要する時間（２ｎＬ／Ｃ）より長く設定している。

したがって、図７に示すように、入射パルス光ｃを構成する１つの波長λのパルス光の出力時刻から次の波長（λ＋Δλ_A）のパルス光の出力時刻までの期間Ｔ内に、先の波長λのパルス光に対する１番からｎ番までの全部のＦＢＧセンサ１からの反射パルスが互いに時間をずらして受光される。したがって、各ＦＢＧセンサ１の反射光の波長特性３６を図４の反射パルス光ｄに示すように、重ねることができ、入射パルス光ｃの出射周期を短縮できる。

（第２実施形態）
図８は本発明の第２実施形態の物理量測定システムに組込まれた波長掃引パルス光源２０ａの概略構成図である。すなわち、この第２実施形態の物理量測定システムは、図１に示す第１実施形態の物理量測定システムにおける波長掃引パルス光源２０を図８に示す波長掃引パルス光源２０ａに置き換えたシステムである。したがって、この波長掃引パルス光源２０ａ以外の説明を省略する。

この波長掃引パルス光源２０ａは、波長可変光源２１とパルス発生器２２とで構成されている。図８において、波長可変光源２１内において、半導体レーザ（ＬＤ）５１のＡＲコートされている端面から出射された光をコリメートレンズ５２によってコリメート光に変換して回折格子５３へ入射し、その入射光に対して回折格子５３が出射する回折光をＭＥＭＳスキャナ５４に入射する。

ＭＥＭＳスキャナ５４は、反射体５５と反射体駆動手段５６で構成され、回折格子５３から入射されるコリメート光に対する回折光が、反射体５５の反射面で回折格子５３へ反射されて、再び回折格子５３で回折され、それによって得られた回折光がコリメートレンズ５２を介してＬＤ５１に入射されるとき、ＬＤ５１に入射される回折光が所望の波長の光となるようにするとともに、この所望の波長が所定の波長範囲を含んで往復掃引されるように反射体５５の反射面の角度を反射体駆動手段５６により所定の周期で繰り返し変化（往復回転）させている。このような構成によって、波長掃引された掃引光ａが発振されて、ＬＤ５１のＡＲコートされていない端面から出力さる。

パルス発生器２２は、前述したように、パルス幅が約２０ｎｓと非常に狭く、周期Ｔのパルス信号ｂをＬＤ５１へ駆動信号として印加する。したがって、前記掃引光ａは、周期Ｔのパルス信号ｂにて発振時間が制御される。その結果、ＬＤ５１から、前述した、波長λが順次変化していく複数のパルス光で構成された入射パルス光ｃが出射されて光ファイバ５の一端（入射端）５ａへ入射される。

なお、図９に示す波長掃引パルス光源２０ａは、波長可変光源２１とパルス発生器２２と光スイッチ６９とで構成されている。すなわち、この波長掃引パルス光源２０ａにおいては、パルス信号ｂで直接半導体レーザ５１をオン／オフ制御する代わりに、ＬＤ５１のＡＲコートされていない端面から出射された光を、ＬＤ５１とサーキュレータ１２との間に設けられた光スイッチ６９でオン／オフ制御して、波長が順次変化していく複数のパルス光を発生させる。

さらに、図１０に示す波長掃引パルス光源２０ａは、波長可変光源２１とパルス発生器２２と光増幅器７０とで構成されている。すなわち、この波長掃引パルス光源２０ａにおいては、光スイッチ６９に代えて光増幅器７０でＬＤ５１のＡＲコートされていない端面から出射された光をオン／オフ制御している。

なお、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナ５４とは、マイクロ電気機械式構造体（電気信号の制御を受けて機械的に動作する構造体）によって形成されたスキャナを意味している。

ここで、ＭＥＭＳスキャナ５４による波長掃引について説明する。図１２に示す駆動信号Ｄａ、Ｄｂを印加してＭＥＭＳスキャナ５４を所定の掃引周期で往復掃引する（上述の反射体５５を往復回転させる）と、図１３（ａ）に示すように、ＭＥＭＳスキャナ５４の往復回転角度はほぼ正弦波的に変化する。その結果、掃引される波長λも正弦波状に変化する。

したがって、掃引光ａの所定の波長範囲（測定波長範囲）が、図１３（ｂ）に示すように、その正弦波状に変化する波形の直線に近い部分に来るように、ＭＥＭＳスキャナ５４の往復掃引の波長範囲（往復回転角度の範囲）が設定される。つまり、駆動信号Ｄａ、Ｄｂの振幅の調整により設定される。なお、上述の駆動信号Ｄａ、Ｄｂのいずれか一方はトリガ信号Ｔｒとして測定制御部２８ａへ出力される。

また、図８において、回折格子５３の０次光は、エタロン等の光共振器５７に入射されて所定の波長の光のみが透過される。そして、その透過光は受光器（ＰＤ）５８で電気信号に変換されて測定制御部２８ａへ出力される。すなわち、出力光（入射パルス光ｃの元の掃引光ａ）の波長掃引に対応して所定の波長間隔、例えば周波数で５００ＧＨｚ間隔の透過光を発生し、受光器５８で電気信号に変換される。この透過光の波長（周波数）は既知である。したがって、その透過光を光電変換して得られた電気信号を用いて、波長掃引パルス光源２０ａの発振波長（波長掃引された入射パルス光ｃの各パルス光の波長λ）を求めることができる。

次に、ＭＥＭＳスキャナ５４の反射体５５及び反射体駆動手段５６の構成及び動作を図１１を用いて説明する。

反射体５５は、横長矩形で互いに平行に配置された一対の固定基板５９、６０と、この一対の固定基板５９、６０の長辺側縁部の中央からこの固定基板５９、６０と直交する方向に所定幅、所定長さで延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な一対の軸部６１、６２と、横長矩形で一方の長辺側縁部の中央部で軸部６１の先端に連結され、他方の長辺側縁部の中央部で軸部６２の先端に連結された反射板６３とを有している。

この反射板６３は、捩じれ変形可能な軸部６１、６２に中心部が支持されているので、この軸部６１、６２を結ぶ線を中心軸として固定基板５９、６０に対して回転することができる。また、軸部６１、６２と反射板６３とからなる部分の固有振動数ｆ₀は、反射板６３自体の形状や質量及び軸部６１、６２のバネ定数によって決まる。また、反射板６３の一面側には、光を反射するための反射面６４が形成されている。

支持基板６５は絶縁性を有する材料からなり、その一面側の上部と下部には、前方へ突出する支持台６５ａ、６５ｂが形成されており、反射体５５の固定基板５９、６０は、この上下の支持台６５ａ、６５ｂに接した状態で固定されている。また、支持基板６５の一面側中央部の両端には、反射体５５の反射板６３の両端にそれぞれ対向する電極板６６、６７がパターン形成されている。

この電極板６６、６７は、駆動信号発生器６８とともに反射体駆動手段５６（図８参照）を構成するものであり、反射板６３の両端部に静電力を交互にかつ周期的に印加して、反射板６３を、軸部６１、６２を結ぶ線を中心に往復回転運動させる。なお、反射板６３の回転軸は回折格子５３の回折溝と平行となるように設定されている。

このように構成された反射体５５は、回折格子５３からの回折光を反射板６３の反射面６４で受けて、その反射光を回折格子５３へ入射させて、再度回折させる。

一方、反射体駆動手段５６（図８参照）の一部を構成する駆動信号発生器６８は、例えば、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、反射体５５の電位を基準として電極板６６、６７に対して、固有振動数ｆ₀に対応した周波数を有し、位相が１８０°ずれた駆動信号Ｄａ、Ｄｂを印加して、電極板６６と反射板６３の一端側との間及び電極板６７と反射板６３の他端側との間に、交互にかつ周期的に静電力(引力)を与え、反射板６３を固有振動数ｆ₀あるいはその近傍の振動数で所定角度範囲を往復回転させる。

このような反射体５５及び反射体駆動手段５６によって構成されたＭＥＭＳスキャナ５４では、反射体５５を、一対の固定基板５９、６０と、その縁部から所定幅で所定長さ延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な軸部６１、６２と、軸部６１、６２の先端に自身の縁部で連結され、軸部６１、６２に対して対称な形状に形成され、一面側に反射面６４が形成された反射板６３とによって構成するとともに、反射体５５の軸部６１、６２と反射板６３とからなる部分の固有振動数ｆ₀に対応した周波数の駆動信号によって反射板６３に力を与えて、反射板６３を固有振動数ｆ₀の振動数で往復回転させている。

このため、僅かな電気エネルギで反射板６３を高速に往復回転させることができ、しかも、その回転中心が反射板６３の内部（この場合、中央部）にあるので、反射板６３の反射面６４への入射光の反射角の変化量を大きくすることができる。なお、軸部６１、６２のバネ定数は、軸部６１、６２の長さ、幅、厚み、材質によって決まり、このバネ定数と、反射板６３の形状、厚み、材質等で固有振動数ｆ₀が決定され、これらのパラメータを選ぶことにより、固有振動数ｆ₀を数１００Ｈｚ〜数１０ｋＨｚの範囲内で設定することができる。

したがって、この第２実施形態の物理量測定システムの波長掃引パルス光源２０ａは、上記のような反射体５５及び反射体駆動手段５６を用いてＭＥＭＳスキャナ５４を構成するようにしたので、掃引速度の高速化（最大数１０ｋＨｚ）ができる。

なお、図８、図９及び図１９に示す実施形態では、ＭＥＭＳスキャナ５４の往復運動により波長を掃引する外部共振器タイプの波長可変光源２１で説明したが、そのような構成の光源に限定されず、波長を連続的に掃引可能な光源であればよい。

本発明の第１実施形態に係わる物理量測定システムの概略構成図 同実施形態の物理量測定システム内に形成された入射パルス光別測定値テーブルの記憶内容を示す図 同物理量測定システム内に形成されたＦＢＧ別測定値テーブルの記憶内容を示す図 同物理量測定システムの動作を示すタイムチャート 同物理量測定システムで算出される各ＦＢＧセンサの反射光の波長特性を示す図 ＦＢＧセンサにおける無負荷時の反射光の波長特性と負荷時の反射光の波長特性との関係を示す図 同物理量測定システムにおける入射パルス光の送信時刻と各ＦＢＧセンサからの反射光の受信時刻との関係を示す図 本発明の第２実施形態に係わる物理量測定システムに組込まれた波長掃引パルス光源の概略構成図 同第２実施形態の物理量測定システムにおける波長掃引パルス光源の変形例を示す概略構成図 同波長掃引パルス光源の他の変形例を示す概略構成図 同波長掃引パルス光源に組込まれたＭＥＭＳスキャナの分解斜視図 同ＭＥＭＳスキャナの駆動信号を示す図 同ＭＥＭＳスキャナによる波長掃引の説明図 ＦＢＧセンサの反射光と透過光の波長特性を示す図 従来の歪み測定システムを示す図 他の従来の歪み測定システムを示す図 同従来の歪み測定システムの測定原理を示す図

符号の説明

１…ＦＢＧセンサ、５…光ファイバ、１２…サーキュレータ、２０，２０ａ…波長掃引パルス光源、２１…波長可変光源、２２…パルス発生器、２３，５８…受光器、２４…Ａ／Ｄ変換器、２５…データ書込部、２６…出力検出部、２７…タイミング制御部、２８，２８ａ…測定制御部、２９…タイミングメモリ、３０…入射パルス別測定値テーブル、３１，３４…領域、３２…データ編集部、３３…ＦＢＧ別測定値テーブル、３５…波長特性算出部、３６…波長特性、３７…中心波長算出部、３８…物理量算出手段、３９…ずれ波長算出部、４０…基準波長メモリ、４１…物理量算出部、４２…表示器、５１…半導体レーザ（ＬＤ）、５２…コリメートレンズ、５３…回折格子、５４…ＭＥＭＳスキャナ、５５…反射体、５６…反射体駆動手段、５７…光共振器、５９，６０…固定基板、６１，６２…軸部、６３…反射板、６４…反射面、６５…支持基板、６５ａ，６５ｂ…支持台、６６，６７…電極板、６８…駆動信号発生器、６９…光スイッチ、７０…光増幅器

Claims (9)

1. 互いに離間した複数の測定対象に設けられ、入射光に対する反射光の中心波長が測定対象から印加された物理量に応じて変化する複数のＦＢＧセンサ（１）と、
   前記各ＦＧＢセンサを直列接続する光ファイバ（５）と、
   波長が順次変化していく複数のパルス光を生成して、前記光ファイバの入射端へ入射パルス光（ｃ）として順次入射する波長掃引パルス光源（２０，２０ａ）と、
   前記光ファイバに順次入射された各入射パルス光が前記各ＦＢＧセンサで反射されて入射端方向へ伝搬する各反射パルス光を分岐するサーキュレータ（１２）と、
   このサーキュレータで分岐された各反射パルス光を受光する受光器（２３）と、
   前記各入射パルス光に対する各ＦＢＧセンサからの反射パルス光の受光レベルを当該入射パルス光の波長に対応して記憶保持する測定値記憶手段（３０）と、
   この測定値記憶手段に記憶された各反射パルス光の受光レベルから前記各ＦＢＧセンサの反射光の波長特性を算出する波長特性算出手段（３５）と、
   この算出された波長特性の中心波長から前記各ＦＢＧセンサに印加された物理量を求める物理量算出手段（３８）と
   を備えたことを特徴とする物理量測定システム。
2. 前記波長特性算出手段（３５）は、前記測定値記憶手段（３０）に記憶された入射パルス光の波長毎の各反射パルス光の受光レベルのグループを、ＦＢＧセンサ毎の波長が異なる反射パルス光のブループ（３３）に組換えるデータ編集部（３２）と、この編集されたＦＢＧセンサ毎の波長が異なる反射パルス光の受光レベルを用いて前記各ＦＢＧセンサの反射光の波長特性を算出する波長特性算出部（３５）とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の物理量測定システム。
3. 前記物理量が印加されていない状態における各ＦＢＧセンサの中心波長が互いに等しく設定されていることを特徴とする請求項１又２記載の物理量測定システム。
4. 前記波長掃引パルス光源が前記光ファイバの入射端に順次入射させる各入射パルス光の各パルス光の送信間隔（Ｔ）は、互いに等しく設定され、かつ、当該パルス光が前記光ファイバを往復するに要する時間（２ｎＬ／Ｃ）より長く設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の物理量測定システム。
5. 前記物理量算出手段（３８）は、前記ＦＢＧセンサの基準波長（λ_S）を記憶する基準波長記憶部（４０）と、
   前記算出された各ＦＢＧセンサの反射光の中心波長（λ_C）の前記基準波長からのずれ波長を算出するずれ波長算出部（３９）と、この算出された各ずれ波長から前記各ＦＢＧセンサに印加された物理量を算出する物理量算出部（４１）とを有する
   ことを特徴とする請求項３記載の物理量測定システム。
6. 前記波長掃引パルス光源（２０ａ）は、
   一方の光出射端面がＡＲコートされている半導体レーザ（５１）と、
   この半導体レーザのＡＲコートされている端面から出射された光をコリメートするコリメートレンズ（５２）と、
   このコリメートレンズから出射されたコリメート光を受けて波長に応じた角度で回折させる回折格子（５３）と、
   反射体（５５）と反射体駆動部（５６）とを含んで構成され、前記半導体レーザの他方の出射端面から波長が連続的に変化する光を出射させるように反射体駆動部を制御するＭＥＭＳスキャナ（５４）と、
   前記半導体レーザを駆動する所定周期及び所定デューティー比を有したパルス信号を前記半導体レーザへ駆動信号として印加するパルス発生器（２２）とを有する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の物理量測定システム。
7. 前記波長掃引パルス光源（２０ａ）は、
   波長が連続的に変化しレベルが一定である光を出射する波長可変光源（２１）と、
   所定周期及び所定デューティー比を有したパルス信号を発するパルス発生器（２２）と、
   このパルス信号を受けて、前記波長可変光源から出射された光をオン／オフ制御して前記複数のパルス光を発生する光スイッチ（６９）とを有する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の物理量測定システム。
8. 前記波長掃引パルス光源（２０ａ）は、
   波長が連続的に変化しレベルが一定である光を出射する波長可変光源（２１）と、
   所定周期及び所定デューティー比を有したパルス信号を発するパルス発生器（２２）と、
   このパルス信号を受けて、前記波長可変光源から出射された光をオン／オフ制御して前記複数のパルス光を発生する光増幅器（７０）とを有する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の物理量測定システム。
9. 前記波長可変光源（２１）は、
   一方の光出射端面がＡＲコートされている半導体レーザ（５１）と、
   この半導体レーザのＡＲコートされている端面から出射された光をコリメートするコリメートレンズ（５２）と、
   このコリメートレンズから出射されたコリメート光を受けて波長に応じた角度で回折させる回折格子（５３）と、
   反射体（５５）と反射体駆動部（５６）とを含んで構成され、前記半導体レーザの他方のＡＲコートされていない出射端面から波長が連続的に変化する光を出射させるように反射体駆動部を制御するＭＥＭＳスキャナ（５４）とを有する
   ことを特徴とする請求項７又は８記載の物理量測定システム。

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