JP2009156592A - Optical fiber sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、屈折率を測定する光ファイバセンサ、及び、これを利用して液体等の被測定媒質の性状を検出するための光ファイバセンサに関する。 The present invention relates to an optical fiber sensor for measuring a refractive index, and an optical fiber sensor for detecting properties of a medium to be measured such as a liquid using the optical fiber sensor.
自動車用エンジンの燃料として使用されている純正ガソリンには、ヘプタン，ペンタン等の炭化水素を主成分とする軽質ガソリンと、ベンゼン等の炭化水素を主成分とする重質ガソリンと、それらの中間の中質ガソリン（通常のレギュラーガソリン）とがある。例えば、軽質ガソリンにマッチングする様に点火時期等の制御を設定したエンジンに対して、重質ガソリンを燃料として使用した場合には、エンジンの着火時期に遅れが生じる。当該エンジンでは、低温時の始動性が悪化したり、息つぎ現象等の運転性能の悪化が生じるばかりか、不完全燃焼によって排気ガス中の有害成分が増大する。 Genuine gasoline used as fuel for automobile engines includes light gasoline mainly composed of hydrocarbons such as heptane and pentane, heavy gasoline mainly composed of hydrocarbons such as benzene, and intermediate between them. There is medium quality gasoline (normal regular gasoline). For example, when heavy gasoline is used as fuel for an engine in which the ignition timing and the like are set to match light gasoline, the ignition timing of the engine is delayed. In the engine, not only the startability at low temperatures is deteriorated but the operation performance such as a breathing phenomenon is deteriorated, and harmful components in the exhaust gas are increased by incomplete combustion.
米国及び欧州等の各国では、石油の消費量の低減を図るために、ガソリン中にアルコールを混合した燃料が自動車用として普及しつつある。ガソリン燃料の空燃比にマッチングされたエンジンに、このアルコール混合燃料を用いると、アルコールがガソリンに比べて理論空燃比が小さい等に起因して、空燃比がリーン化する。そのため、アルコール混合燃料を自動車用エンジンに用いる場合には、アルコール混合燃料中のアルコール含有率を検出して、燃料噴射弁等のアクチュエータを制御し、アルコール含有率に応じた空燃比、及び点火時期等を調整する。 In countries such as the United States and Europe, fuels in which alcohol is mixed with gasoline are becoming popular for automobiles in order to reduce oil consumption. When this alcohol mixed fuel is used in an engine matched with the air-fuel ratio of gasoline fuel, the air-fuel ratio becomes lean because alcohol has a smaller theoretical air-fuel ratio than gasoline. For this reason, when alcohol-mixed fuel is used in an automobile engine, the alcohol content in the alcohol-mixed fuel is detected and an actuator such as a fuel injection valve is controlled, and the air-fuel ratio corresponding to the alcohol content and the ignition timing are controlled. Adjust etc.
従って、自動車用エンジンでは、使用するガソリンが軽質，中質，及び重質の何れであるかを検出する必要性があり、又、アルコール混合燃料中のアルコール含有率を検出し、その検出値に伴って空燃比及び点火時期等を制御することも必要となる。 Therefore, it is necessary for automobile engines to detect whether the gasoline used is light, medium, or heavy. Also, the alcohol content in the alcohol-mixed fuel is detected, and the detected value is Along with this, it is necessary to control the air-fuel ratio, ignition timing, and the like.
重質ガソリンであるか軽質ガソリンであるかはその屈折率と相関があり、重質ガソリンでは屈折率は大きく、軽質ガソリンでは屈折率は小さくなる。純正ガソリンの屈折率とアルコールの屈折率とは異なるため、アルコールの含有率に比例して屈折率が変化する。これらの現象を利用し、ガソリンの重質，軽質の判定、又は、アルコール含有率を検出するセンサとして、ガソリンの屈折率を測定するタイプのセンサが今までに開発されている。 Whether it is heavy gasoline or light gasoline has a correlation with its refractive index. Heavy gasoline has a large refractive index, and light gasoline has a small refractive index. Since the refractive index of pure gasoline is different from that of alcohol, the refractive index changes in proportion to the alcohol content. A sensor of the type that measures the refractive index of gasoline has been developed as a sensor that uses these phenomena to determine whether the gasoline is heavy or light, or detects the alcohol content.
特許文献１は、光源からの光を短周期傾斜グレーティングに入力して、その出力光の強度を測定することで液体性状を検出するセンサを開示・提案している。グレーティングを囲む材料の屈折率が変化することで透過率特性に現れるクラッド伝搬モードによる透過スペクトル形状が変化し、透過する出力光強度が変化する。特許文献１では、その出力光強度を測定し、グレーティング周囲の屈折率を測定することで、液体性状を検出している。
特許文献１に記載の構成では、簡単な構成で以って液体性状の検出が可能である。しかしながら、環境温度によって変動する、光源の出力及び光源とファイバとの結合効率が共に出力光強度に影響し、温度特性に課題があった。
With the configuration described in
この発明は上記の問題点を克服すべく成されたものであり、光ファイバセンサに於いて、光源の光出力の温度特性の向上を図ると共に、光源とファイバとの結合効率の温度特性をも向上させることを、その主目的とする。 The present invention has been made to overcome the above-described problems. In an optical fiber sensor, the temperature characteristic of the light output of the light source is improved, and the temperature characteristic of the coupling efficiency between the light source and the fiber is improved. The main purpose is to improve.
本発明の主題に係る光ファイバセンサは、長手方向の垂直面に対して所定の傾斜角度を有するブラッググレーティングがコアに形成されており、前記ブラッググレーティングが形成されたコアを囲むクラッドの周囲を被測定媒質とするマルチモード光ファイバと、前記ブラッググレーティングのクラッド伝搬モードが発生する波長帯域に属する波長の光を含み、発生する光の強度を調整することが出来、その出射光を前記マルチモード光ファイバに入射させる光源と、前記光源から前記マルチモード光ファイバに入射され、前記ブラッググレーティングが形成されている領域を透過し、前記マルチモード光ファイバから出力される光の光束の内で殆どの基本モード光を含む第１光束の内の少なくとも一部の光を検出する測定用受光素子と、前記マルチモード光ファイバから出力される光の前記光束の内で前記第１光束以外の部分であって且つ主として高次モード光を含む第２光束の内の少なくとも一部の光を検出する光源制御用受光素子と、前記光源制御用受光素子の検出信号に応じて前記光源の出射光の強度を制御するオートパワーコントローラとを備えたことを特徴とする。 In an optical fiber sensor according to the present invention, a Bragg grating having a predetermined inclination angle with respect to a vertical plane in the longitudinal direction is formed on a core, and a cladding surrounding the core on which the Bragg grating is formed is covered. Including a multimode optical fiber as a measurement medium and light having a wavelength belonging to a wavelength band in which the Bragg propagation mode of the Bragg grating is generated, the intensity of the generated light can be adjusted, and the emitted light is converted into the multimode light. A light source that is incident on a fiber, and a light beam that is incident on the multimode optical fiber from the light source, passes through a region where the Bragg grating is formed, and is a light beam output from the multimode optical fiber. A light-receiving element for measurement that detects at least part of the first light beam including mode light; For light source control for detecting at least a part of the second light beam that is a portion other than the first light beam and mainly includes higher-order mode light in the light beam output from the multimode optical fiber A light receiving element and an auto power controller that controls the intensity of light emitted from the light source in accordance with a detection signal from the light receiving element for light source control are provided.
本発明の主題によれば、光源の光出力の温度特性の良好な光ファイバセンサを実現することが出来る。 According to the subject of the present invention, it is possible to realize an optical fiber sensor having a good temperature characteristic of light output of a light source.
更に、第１光束はその光強度が最大値となる光を含んでおり、且つ、光源制御用受光素子は測定用受光素子の隣に配設されていることにより、光源とマルチモード光ファイバとの結合効率の温度特性をも向上させることが出来る。 Further, the first light beam includes light having the maximum light intensity, and the light source control light receiving element is disposed next to the measurement light receiving element, so that the light source, the multimode optical fiber, The temperature characteristics of the coupling efficiency can also be improved.
以下、この発明の主題の様々な具体化を、添付図面を基に、その効果・利点と共に、詳述する。 Hereinafter, various embodiments of the subject of the present invention will be described in detail along with the effects and advantages thereof with reference to the accompanying drawings.
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る光ファイバセンサの構成を示す概略図である。図１は、後述する実施の形態２〜４に於いても援用される。図１に示す光ファイバセンサは、被測定媒質である液体の屈折率を検出して被測定媒質の特性（例えば、ガソリンの重質又は軽質等）を判断する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an optical fiber sensor according to the present embodiment. FIG. 1 is also used in Embodiments 2 to 4 described later. The optical fiber sensor shown in FIG. 1 detects the refractive index of the liquid that is the medium to be measured, and determines the characteristics of the medium to be measured (for example, heavy or light gasoline).
図１に示す光ファイバセンサに於いては、マルチモード光ファイバ１の一方の端部側に光源２が配置され、他方の端部側に、測定用受光素子３及びその隣に位置する光源制御用受光素子４が配置されている。マルチモード光ファイバ１は、光源２から出射される光が伝搬するコア５と、光をコア５内に閉じ込めるためにコア５を覆う様に設けられたクラッド６とを備えている。例えば、マルチモード光ファイバ１には、コア径６２．５μｍの石英マルチモード光ファイバが用いられる。
In the optical fiber sensor shown in FIG. 1, the
コア５には、マルチモード光ファイバ１の長手方向の垂直面に対して所定の傾斜角度を有しており且つ周期Λ＝０．３μｍで屈折率が変化するブラッググレーティング（以下、単に「グレーティング」と言う。）７が形成されている。ここでは、一例として、マルチモード光ファイバ１の長手方向の垂直面に対して５度の傾斜角度を持つグレーティング７が、マルチモード光ファイバ１の長手方向に沿って１０ｍｍの範囲内に渡って作製されている。本実施の形態では、グレーティング７の傾斜角度を５度としているが、６度や７度など、他の傾斜角度を有するグレーティングを適用しても良いことは勿論である。或いは、マルチモード光ファイバ１は、傾斜角度の異なる複数のグレーティングを有することとしても良い。マルチモード光ファイバ１は、被測定媒質である液体８の屈折率を測定するために、コア５の内で上記のグレーティングが形成されている領域の周囲のクラッド６の部分が被測定媒質である液体８と接触する様に液体８に浸漬されている。
The
本実施の形態では、光源２には、発光ダイオードが使用されている。この光源２は、後述するグレーティングの「クラッド伝搬モード」が発生する波長帯域に属する波長の光を出射して当該出射光をマルチモード光ファイバ１に入射する。マルチモード光ファイバ１に入力された光は、基本モード光及び高次モード光としてコア内を伝搬する。これらのモード光の内で、図２のクラッド伝搬モードが生じるのは基本モード光であり、この基本モード光によってセンサ感度が得られる。測定用受光素子３には、フォトダイオードが使用されている。この測定用受光素子３は、後述する通り、光源２からマルチモード光ファイバ１に入射され、上記グレーティングが形成されている領域を透過してマルチモード光ファイバ１から出力される光の光束の内で、殆どの「基本モード光」を含む第１光束の内の少なくとも一部の光を検出する光センサである。その出力信号である電流値は屈折率出力ユニット１１によって電圧値に変換された上で増幅される。
In the present embodiment, a light emitting diode is used for the
光源制御用受光素子４もまたフォトダイオードから成る。この光源制御用受光素子４は、後述する通り、マルチモード光ファイバ１から出力される光の上記光束の内で上記第１光束以外の部分であって且つ主として「高次モード光」を含む第２光束の内の少なくとも一部の光を検出する光センサであり、その出力信号である電流値はオートパワーコントローラ９に入力される。
The light source control
オートパワーコントローラ９は、光源制御用受光素子４の検出信号のレベルに応じて、光源制御用受光素子４にて受光する光強度が温度変化に拘らず常に一定となる様に、光源２の発光ダイオードに印加する電圧を制御することで、光源２から出射される光の強度を制御する。この制御により、後述する通り、測定用受光素子３の検出値は、光源２の光出力の温度特性に影響を受けなくなり、光源２の光出力の温度特性を向上させることが出来る。
The auto power controller 9 emits light from the
図２は、本実施の形態に係る光ファイバセンサの透過光スペクトルを示す図である。図２に示す透過光スペクトルは、光ファイバ１にマルチモード光ファイバを用い、５度の傾斜角度を有するグレーティング７をコア５に形成した構成の光ファイバセンサのスペクトルである。
FIG. 2 is a diagram showing a transmitted light spectrum of the optical fiber sensor according to the present embodiment. The transmitted light spectrum shown in FIG. 2 is a spectrum of an optical fiber sensor having a configuration in which a multimode optical fiber is used as the
図２の透過光スペクトルに示す様に、グレーティング７の存在によって、波長０．８８μｍ付近の波長の光は、コア５を伝搬する「コア伝搬モード」からクラッド６内を伝搬する「クラッド伝搬モード」（以下、単に「クラッドモード」と言う。）に移行し、結果的に周期的な鋭い透過損失ピークが発生している。
As shown in the transmitted light spectrum of FIG. 2, due to the presence of the
クラッドモードは、クラッドの屈折率及び周囲の被測定媒質の屈折率に影響される。被測定媒質がエタノール（屈折率１．３６）又は空気（屈折率１．０）等の様にクラッドの屈折率１．４６よりも小さいときには、光はクラッド内に閉じ込められ、図２の様にクラッドモードが現れる。被測定媒質である液体８の屈折率がクラッド６の屈折率１．４６に近づくにつれて、光はクラッド６内に閉じ込められ難くなり、クラッドモードが低波長側から消失する。クラッド６よりも屈折率の大きなトルエン（屈折率１．５０）を被測定媒質とした場合の透過光スペクトルでは、図２に示す様に、鋭いピークは無く、波長依存性が小さい緩やかな放射損失が発生する。ここではクラッドモードが生じておらず、マルチモード光ファイバ１に入射した光の一部が、クラッド６内に閉じ込められずに、クラッド６からクラッド６に接する液体８内へ出る。その結果、その透過光スペクトルは波長依存性が小さい緩やかなスペクトルとなる。
The clad mode is affected by the refractive index of the clad and the refractive index of the surrounding measured medium. When the measured medium is smaller than the refractive index 1.46 of the cladding, such as ethanol (refractive index 1.36) or air (refractive index 1.0), the light is confined in the cladding, as shown in FIG. Clad mode appears. As the refractive index of the liquid 8 to be measured approaches the refractive index of 1.46 of the cladding 6, light becomes difficult to be confined in the cladding 6, and the cladding mode disappears from the low wavelength side. In the transmitted light spectrum when toluene (refractive index: 1.50) having a refractive index larger than that of the clad 6 is used as the medium to be measured, there is no sharp peak as shown in FIG. Occurs. Here, no cladding mode is generated, and a part of the light incident on the multimode
測定用受光素子３の出力は、光源２のコア５に入射した光の強度と、マルチモード光ファイバ１を透過する光の透過率との積に比例する。クラッドモードを発生させる波長帯域内に属する波長の光を出力する光源２を用いた場合には、光源２の出射光の透過光スペクトルはクラッドモード光の光強度スペクトルと重複するので、「クラッドモード」と「コア伝搬モード」との違いによって、測定用受光素子３の受光強度は変化し、クラッドモードが存在する場合には測定用受光素子３の受光強度は大きくなる。屈折率出力ユニット１１は、測定用受光素子３の受光強度の変化から、既知の算出方法（例えば特許文献１参照。）を用いて、グレーティング７を形成した領域の周囲のクラッド６に接する被測定媒質である液体８の屈折率を得る。
The output of the
ガソリンの質は、その屈折率と相関があり、重質ガソリンでは屈折率は大きく、軽質ガソリンでは屈折率は小さくなる。この点について詳しく記載すれば、レギュラーガソリン、エタノールを２０％混合したレギュラーガソリン、及びトルエンを４０％混合したレギュラーガソリンのそれぞれにおけるレギュラーガソリンに対する屈折率比と蒸留性状との関係は、図１１に示す様になる。図１１に示す様に、レギュラーガソリンにトルエンを混合した場合には、屈折率比はレギュラーガソリンのみの場合よりも大きく、且つ、５０％留出温度も大きくなり、トルエンを４０％混合したレギュラーガソリンは重質ガソリンとなる。他方、図１１に示す様に、レギュラーガソリンにエタノールを混合した場合には、屈折率比は小さくなり、且つ、５０％留出温度も小さくなり、エタノールを２０％混合したレギュラーガソリンは軽質ガソリンとなる。性状出力ユニット１２は、屈折率出力ユニット１１で得られた屈折率を基に、ガソリンの質を判定する。
The quality of gasoline correlates with its refractive index. Heavy gasoline has a large refractive index and light gasoline has a small refractive index. If this point is described in detail, the relationship between the refractive index ratio and the distillation properties for regular gasoline in regular gasoline, regular gasoline mixed with 20% ethanol, and regular gasoline mixed with 40% toluene is shown in FIG. It becomes like. As shown in FIG. 11, when toluene is mixed with regular gasoline, the refractive index ratio is larger than when only regular gasoline is used, and the 50% distillation temperature is larger, and regular gasoline with 40% toluene mixed. Becomes heavy gasoline. On the other hand, as shown in FIG. 11, when ethanol is mixed with regular gasoline, the refractive index ratio is reduced and the distillation temperature is also reduced by 50%. Regular gasoline mixed with 20% ethanol is light gasoline. Become. The
マルチモード光ファイバ１のコア径は、シングルモード光ファイバのコア径よりも大きいため、レーザダイオードと比べて発光面積が大きく且つ発光指向性の小さい発光ダイオードを光源２に用いても、光源２は容易に光ファイバ１のコア５に結合する。そのため、本実施の形態に係る光ファイバセンサでは、検出光量及び屈折率変化に対する受光強度の変化量を大きくすることが出来る。尚、一般的に、シングルモード光ファイバのコア径は１０μｍ程度よりも小さい。他方、マルチモード光ファイバ１のコア径は１０μｍよりも大きく、コア径が５０μｍ或いは６２．５μｍのマルチモード光ファイバがよく用いられている。
Since the core diameter of the multimode
光源２に用いる発光ダイオードの光出力は例えば−０．０５％／℃程度の温度特性を有しており、測定用受光素子３の受光量によって液体８の屈折率を検知する本実施の形態に係る光ファイバセンサに於いては、上記の光源２の出力温度特性は問題となる。又、光源２とマルチモード光ファイバ１との結合効率も温度によって変動する。当該結合効率の温度特性を測定した結果を、図３に示す。図３の測定結果は、２０℃での結合効率を１００％と規格化した場合に関する結果である。測定結果が示す様に、結合効率は０．１％／℃程度の温度特性を有している。
The light output of the light emitting diode used for the
本実施の形態に係る光ファイバセンサはこれらの温度特性に起因した問題点を解決するために、その光強度が最大値となる光を包含する第１光束の光を検出する測定用受光素子３の隣に上記第２光束の光を検出する光源制御用受光素子４を配置し、光源制御用受光素子４で受ける光強度が常に一定値となる様に、光源２から出力される光強度をオートパワーコントローラ９によって制御する。この場合、後述する様に、第２光束内の主たる高次モードの光の強度は、グレーティング７の存在に拘らずクラッドモードに移行しないので、液体８の屈折率の影響を受けず一定値を示す。この高次モードの光の強度は上記の温度特性のみに起因して変化するので、当該高次モードの光の強度の変化を利用することで、上記の光源及び光源と光ファイバとの結合効率の両温度特性による影響を無くすことが可能となる。
In order to solve the problems caused by these temperature characteristics, the optical fiber sensor according to the present embodiment detects the light of the first light flux including the light having the maximum light intensity. The light source control
マルチモード光ファイバ１に入力された光は、基本モード光及び高次モード光としてコア５内を伝搬する。これらのモード光の内で、図２に示すクラッドモードが生じるのは基本モード光のみであり、この基本モード光によって測定用受光素子３のセンサ感度が得られる。しかも、グレーティング７を透過してマルチモード光ファイバ１から出力される光については、基本モード光に対して、高次モード光はその放射角度が大きい。
The light input to the multimode
ここで、マルチモード光ファイバ１からの出力分布を測定した結果を、図４に示す。測定位置をファイバ端面から１ｍｍの距離だけ離れた地点とし、図４の横軸の中心点（０μｍ）の位置とは、当該地点であってマルチモード光ファイバ１ないしはファイバ端面の中心軸方向上の地点である。当該中心点から上下方向にずれた位置に於ける地点での光強度が図４の縦軸の値となっている。しかも、図４に於いては、グレーティング７の周囲のクラッド６の部分と接する被測定媒質が、空気（n=1.0）である場合と、トルエン（n=1.497）である場合の各々について、測定している。図４の測定結果に示される様に、被測定媒質の屈折率が空気の場合よりも大きいときには、±１００μｍの範囲内では強度が下がり、測定用受光素子３はセンサ感度を有している。しかし、±１００μｍの外側の範囲内では、被測定媒質の屈折率の有無に拘らず、光強度は殆ど変化しないことがわかる。そこで、ファイバ端面から１ｍｍの距離だけ離れた中心点から上下方向に±１００μｍの範囲内に測定用受光素子３を配設し、上記中心点から上下方向に±１００μｍよりも大きな距離だけ離れた外側の範囲内に、測定用受光素子３と隣り合わせになる様に、光源制御用受光素子４を配設する。
Here, the result of measuring the output distribution from the multimode
そうすれば、図１のＡの第１光束に於いては殆どの基本モード光が含まれ、図４の場合では、ファイバ端面から１ｍｍの距離だけ離れた中心点から上下方向に±１００μｍの範囲内に配設された測定用受光素子３は、被測定媒質のセンサ感度を有する。それに対して、図１のＢの第２光束の各々については、高次モード光が主として含まれていることとなり、被測定媒質のセンサ感度を殆ど有してはいない。そのため、液体８の屈折率によってＡの第１光束の光の強度は変化するが、Ｂの第２光束の光の強度は殆ど変化しない。そこで、図１に於いてＢで示される第２光束の光を光源制御用に適用することで、光源２及び結合効率の各々に起因する温度特性を向上させることが出来る。図４の測定条件の場合では、上記中心点から上下方向に±１００μｍよりも大きな距離だけ離れた外側の範囲内に配設された光源制御用受光素子４が、液体８の屈折率によってはその強度が殆ど変化しないＢの第２光束の光の強度を測定して、その測定結果をオートパワーコントローラ９へ送信し、その測定結果に応じて、光源制御用受光素子４によって検出される第２光束の光の強度が常に一定値となる様に、光源２の出力光の強度を制御する。
Then, most of the fundamental mode light is included in the first light flux of A in FIG. 1, and in the case of FIG. 4, a range of ± 100 μm in the vertical direction from the center point separated by 1 mm from the fiber end face. The
グレーティング７の周囲のクラッド６の部分に接する被測定媒質を空気とした時の、光出力の温度特性の測定結果を、図５に示す。図５の結果１は、図１の配置とは異なり、光源制御用受光素子４を、光源２の隣に配置して制御したときの結果である。この場合には、光源２のパワーを一定にでき、温度変化に対するある程度の安定化が可能となる。それに対して、図５の結果２は、図１の様に、専らＢの第２光束の光を検出する光源制御用受光素子４を専らＡの第１光束の光を検出する測定用受光素子の隣に配置したときの結果である。結果２の場合には、光源２の温度特性と結合効率の温度特性の両方を抑えることが出来、結果２に示す様な、測定点を結んだ線が横軸に対してフラットな直線となる測定結果を得ることができた。
FIG. 5 shows the measurement results of the temperature characteristics of the optical output when the medium to be measured in contact with the cladding 6 around the
更に、図１に示す様な構成とすることで、電源ＯＮ時の応答時間の高速化が可能となる。電源ＯＮ時では、光源の温度が安定するまでに１０分程度の時間を必要とする。そのため、光源自体の出力とファイバとの結合効率とが安定し、測定用受光素子のセンサ出力が安定するまでに、１０分程度の時間がかかっていた。しかし、図１の構成とすることで、上述の温度特性と同様に、電源ＯＮ時の応答時間を大幅に短縮することが出来た。その測定結果を、図６に示す。図６の縦軸は、測定用受光素子３に流れる電流値を電気回路によって電圧値に変換した後の出力値である。図６の測定結果が示す様に、応答時間は５０ｍｓ以下であり、非常に高速な応答が実現可能であることがわかった。
Furthermore, the configuration as shown in FIG. 1 makes it possible to speed up the response time when the power is turned on. When the power is turned on, it takes about 10 minutes for the temperature of the light source to stabilize. For this reason, it takes about 10 minutes for the output of the light source itself and the fiber coupling efficiency to be stable, and for the sensor output of the light receiving element for measurement to be stable. However, with the configuration shown in FIG. 1, the response time when the power is turned on can be significantly shortened, as in the above-described temperature characteristic. The measurement results are shown in FIG. The vertical axis in FIG. 6 represents an output value after the current value flowing through the measurement
（実施の形態２）
実施の形態１の図４では、ファイバ端面から１ｍｍの距離離れた位置での透過光を受光した。これに対して、図７及び図８は、それぞれ、ファイバ端面から１００μｍ及び５ｍｍ離れた位置での光強度分布を測定した結果を示す。図７及び図８に於ける測定位置の中心点（０μｍ）の概念は、図４の場合と同様である。図７及び図８の測定では、実施の形態１の図４の場合と同様に、グレーティング７の周囲のクラッド６の部分と接触する被測定媒質として、空気（n=1.0）である場合と、トルエン（n=1.497）である場合とについて測定した。図７及び図８の測定結果が示す様に、光強度が最大となる中心点（0umの位値）近辺では、被測定媒質の屈折率が大きいときには透過光の強度が下がり、その範囲内に配設された測定用受光素子３は被測定媒質のセンサ感度を有している。しかし、その外側の周囲では、観測された光強度は殆ど変化しないことがわかる。これは、高次モードの光を主として含む上記の第２光束Ｂの光が上記外側の周囲では測定されるためである。
(Embodiment 2)
In FIG. 4 of the first embodiment, transmitted light is received at a
そこで、図４の結果をも含めて、光強度が最大となる中心点から、その光強度が最大値の１／２となる領域までの光の少なくとも１部を測定用受光素子３で検出し、それ以外の光の少なくとも１部を光源制御用受光素子４によって検出することで、センサ感度の低減を抑えつつ、温度特性を向上させることが出来る。
Therefore, including the result of FIG. 4, at least a part of the light from the central point where the light intensity is maximum to the region where the light intensity is ½ of the maximum value is detected by the measurement
（実施の形態３）
各受光素子３，４に用いられているシリコンフォトダイオードでは、その感度の温度特性は、波長が４００ｎｍから９００ｎｍまでの範囲では小さく、波長が９００ｎｍ以上になると正の温度特性が現れる。波長が１０００ｎｍではシリコンフォトダイオードは０．１％／℃程度の温度特性を有するため、９００ｎｍ以上の波長の光を出射する光源２を用いると、光ファイバセンサの温度特性への影響が大きくなる。
(Embodiment 3)
In the silicon photodiode used in each of the
しかし、測定用受光素子３と光源制御用受光素子４とに全く同一の受光素子を用いることで、これらの影響をキャンセルすることが可能である。例えば、波長１０００ｎｍの光を出射する光源２を用いたとして、温度が１０℃上昇した時、図１の測定用受光素子３でのみかけの受光強度は１％上昇する。と同時に、光源制御用受光素子４でのみかけの受光強度も１％上昇する。従って、オートパワーコントローラ９は、光源制御用受光素子４で受光する光強度を一定に保とうとするために、光源２の出力を１％弱めることとなり、測定用受光素子３で受ける受光強度の変化は結果的に０％となる。仮に測定用受光素子３と光源制御用受光素子４との感度が異なる場合には、その差分に相当する温度特性が現れることになる。又、波長が４００ｎｍから９００ｎｍまでの範囲の場合でも、シリコンフォトダイオードは小さな温度特性を有しているため、環境温度の範囲が広い場合には同様に当該温度特性が問題となる。
However, these influences can be canceled by using exactly the same light receiving elements for the measurement
よって、測定用受光素子３と光源制御用受光素子４とには、同一の温度特性を有する受光素子を用いることが望ましい。
Therefore, it is desirable to use light receiving elements having the same temperature characteristics for the
ここでは、各受光素子３，４としてシリコンフォトダイオードを用いる例について記載したが、ゲルマニウムフォトダイオード、インジウムガリウム砒素フォトダイオード等、その他のフォトダイオードを各受光素子３，４として用いる場合にも、各受光素子３，４として同一の温度特性を有する受光素子を用いることで、同様の効果が得られる。
Here, an example in which a silicon photodiode is used as each of the
（実施の形態４）
各受光素子３，４に用いられているシリコンフォトダイオードは、波長が３００ｎｍから１１００ｎｍ程度までの広範囲で感度を有する。しかし、シリコンフォトダイオードは感度の波長特性を有しており、波長が９００ｎｍの付近でシリコンフォトダイオードの出力は０．６Ａ／Ｗとなって感度が最も大きくなり、波長が９００ｎｍから離れるに従ってシリコンフォトダイオードの感度は小さくなる。又、ＬＥＤ等を用いた光源２では、０．２ｎｍ／℃程度の割合で、温度変化によって発光波長が変化する。そのため、温度が変化した場合には、光源２の発光波長がシフトして、受光素子３，４の感度が変化することに起因して、図１の光ファイバセンサは温度特性を有することとなる。
(Embodiment 4)
The silicon photodiode used in each of the
しかし、実施の形態３の場合と同様に、測定用受光素子３と光源制御用受光素子４の感度の波長依存性が互いに等しければ、オートパワーコントローラ９による制御によって、それぞれの温度特性が補償される方向に働き、図１の光ファイバセンサの温度特性を抑えることが出来る。よって、測定用受光素子３と光源制御用受光素子４とには、感度の波長依存性が互いに同一である受光素子を用いることが望ましい。
However, as in the case of the third embodiment, if the wavelength dependency of the sensitivity of the
（実施の形態５）
図９は、本実施の形態に係る光ファイバセンサの構成を示す概略図である。図９中、図１と同一の参照符号の各構成要素は、図１中の対応する構成要素と同一である。図９の光ファイバセンサが図１の光ファイバセンサと相違する点は、サーミスタ１０を更に備えている点にある。
(Embodiment 5)
FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of the optical fiber sensor according to the present embodiment. In FIG. 9, each constituent element having the same reference numeral as in FIG. 1 is the same as the corresponding constituent element in FIG. 1. The optical fiber sensor of FIG. 9 is different from the optical fiber sensor of FIG. 1 in that a
ここで、液体８の屈折率は、温度依存性を有しており、例えば液体８がエタノールである場合には、−０．０００４３／℃の係数に従って、温度上昇と共に、その屈折率は小さくなる。レギュラーガソリンも、これと同レベルの屈折率の温度特性を有する。本発明に係る光ファイバセンサは液体の屈折率を検出する構成を有しており、屈折率の検出としては正しい値を検出することになる。しかし、ガソリンの重質又は軽質の判定や、ガソリン中にアルコールが混合されている場合に於けるガソリン中のエタノール濃度を測定するためには、上記液体の屈折率の温度特性は測定誤差となって現れる。この温度特性による測定誤差を補償するために、本実施の形態では、図９に示す様に、サーミスタ１０を液体８と接触させて配設し、液体８の温度の変化に起因して生じるサーミスタ１０の抵抗変化の値を光源制御用受光素子４の出力信号と共に光源制御用信号として利用して、オートパワーコントローラ９が測定用受光素子３にて受光する光強度が温度変化によらず常に一定となる様に光源２の出力を制御することで、光源２の温度特性及び光源２とマルチモード光ファイバ１との結合効率の温度特性と共に、液体８の屈折率の温度特性をも併せて補償している。液体８をエタノールとした場合に於いて、測定用受光素子３の出力の温度特性を測定した結果を、図１０に示す。図１０に於いて、縦軸は、測定用受光素子３の出力電流を外部回路（図示せず。）によって電圧に変換して増幅した後の電圧値を示している。図１０の測定結果に示されている様に、温度の変化による測定用受光素子３の出力変動を小さく抑えることが出来た。尚、エタノール又はレギュラーガソリンの屈折率は、温度と共に線形的に変化するため、サーミスタ１０としては、温度変化と共にその抵抗値が線形に変化する線形サーミスタを用いることが望ましい。
Here, the refractive index of the
図９の一例では、サーミスタ１０を液体８自体と接する配置構成としているが、これに代えて、液体８を通す配管等にサーミスタ１０を取り付けて同様に制御することとしても良い。サーミスタ１０の抵抗値又は温度係数（線形サーミスタの場合）等の設定に関しては、実際に光ファイバセンサの出力の温度特性を測定し、サーミスタの抵抗値又は温度係数を変えながら、光ファイバセンサの出力の温度特性が小さくなる方向へ設定すれば良い。
In the example of FIG. 9, the
又、図９の一例ではサーミスタ１０をオートパワーコントローラ９に組み込む構成を提案しているが、それに代えて、サーミスタを、測定用受光素子３に流れる電流を電圧に変換して増幅する回路の中の構成部品として、測定用受光素子３の外側の制御回路内に配設する構成としても良い。液体８の屈折率の温度特性が原因で生じる、測定用受光素子３に流れる電流の変化を打ち消す様に、サーミスタの抵抗値又は温度係数を設定することで電圧出力の温度特性を低減出来る。
9 proposes a configuration in which the
又、上記の各例では、サーミスタ１０は専ら液体８の屈折率の温度依存性のみを補償するために用いられているが、図９の光ファイバセンサを出来る限り小型な構成に設定した上で、光源２、マルチモード光ファイバ１、受光素子３，４、及びオートパワーコントローラ９の各々の環境温度による出力の温度変動が一致することで、液体８の屈折率の温度特性以外にも、各構成部品の温度特性及び光源と光ファイバとの結合効率の温度特性等、全ての要因を含めた温度特性の補償も可能である。
In each of the above examples, the
（付記）
以上、本発明の実施の形態を詳細に開示し記述したが、以上の記述は本発明の適用可能な局面を例示したものであって、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、記述した局面に対する様々な修正や変形例を、この発明の範囲から逸脱することの無い範囲内で考えることが可能である。
(Appendix)
While the embodiments of the present invention have been disclosed and described in detail above, the above description exemplifies aspects to which the present invention can be applied, and the present invention is not limited thereto. In other words, various modifications and variations to the described aspects can be considered without departing from the scope of the present invention.
本発明に係る光ファイバセンサは、例えば、自動車燃料の重質又は軽質の判別、或いは、自動車燃料のアルコール含有率の判別等、液体の性状判別に用いる液体性状検出センサに適用して好適である。 The optical fiber sensor according to the present invention is suitable for application to a liquid property detection sensor used for liquid property determination, such as determination of heavy or light vehicle fuel, or determination of alcohol content of vehicle fuel, for example. .
１ マルチモード光ファイバ、２ 光源、３ 測定用受光素子、４ 光源制御用受光素子、５ コア、６ クラッド、７ グレーティング、８ 液体、９ オートパワーコントローラ、１０ サーミスタ、Ａ 第１光束の光、Ｂ 第２光束の光。 1 multimode optical fiber, 2 light source, 3 light-receiving element for measurement, 4 light-receiving element for light source control, 5 core, 6 clad, 7 grating, 8 liquid, 9 auto power controller, 10 thermistor, A first light beam, B Second light flux.
Claims (7)
前記ブラッググレーティングのクラッド伝搬モードが発生する波長帯域に属する波長の光を含み、発生する光の強度を調整することが出来、その出射光を前記マルチモード光ファイバに入射させる光源と、
前記光源から前記マルチモード光ファイバに入射され、前記ブラッググレーティングが形成されている領域を透過し、前記マルチモード光ファイバから出力される光の光束の内で殆どの基本モード光を含む第１光束の内の少なくとも一部の光を検出する測定用受光素子と、
前記マルチモード光ファイバから出力される光の前記光束の内で前記第１光束以外の部分であって且つ主として高次モード光を含む第２光束の内の少なくとも一部の光を検出する光源制御用受光素子と、
前記光源制御用受光素子の検出信号に応じて前記光源の出射光の強度を制御するオートパワーコントローラとを備えたことを特徴とする、
光ファイバセンサ。 A multi-mode optical fiber in which a Bragg grating having a predetermined inclination angle with respect to a vertical plane in the longitudinal direction is formed in the core, and a periphery of the clad surrounding the core on which the Bragg grating is formed is a medium to be measured;
Including light of a wavelength belonging to a wavelength band where the clad propagation mode of the Bragg grating is generated, the intensity of the generated light can be adjusted, and the light source that makes the emitted light incident on the multimode optical fiber;
A first light flux that is incident on the multimode optical fiber from the light source, passes through a region where the Bragg grating is formed, and includes most fundamental mode light among light fluxes output from the multimode optical fiber. A light-receiving element for measurement that detects at least part of the light;
Light source control for detecting at least a part of the second light beam that is a portion other than the first light beam and mainly includes higher-order mode light in the light beam output from the multimode optical fiber. A light receiving element,
An auto power controller that controls the intensity of the emitted light of the light source according to a detection signal of the light receiving element for light source control,
Optical fiber sensor.
前記マルチモード光ファイバから出力される光の光束の内で主として基本モード光を含む第１光束はその光強度が最大値となる光を含んでおり、
前記光源制御用受光素子は前記測定用受光素子の隣に配設されていることを特徴とする、
光ファイバセンサ。 The optical fiber sensor according to claim 1,
Of the light fluxes output from the multimode optical fiber, the first light flux mainly including the fundamental mode light includes light having a maximum light intensity,
The light source control light receiving element is disposed next to the measurement light receiving element,
Optical fiber sensor.
前記第１光束は、前記最大値の光強度から当該最大値の光強度の１／２となるまでの光強度分布に属する光を含んでおり、
前記マルチモード光ファイバから出力される光の前記光束の内で前記第１光束以外の部分であって且つ主として高次モード光を含む第２光束は、前記最大値の光強度の１／２未満の強度分布に属する光を含んでいることを特徴とする、
光ファイバセンサ。 The optical fiber sensor according to claim 2,
The first light flux includes light belonging to a light intensity distribution from the maximum light intensity to ½ of the maximum light intensity,
A second light beam that is a portion other than the first light beam and mainly contains higher-order mode light in the light beam output from the multimode optical fiber is less than half of the maximum light intensity. It contains light belonging to the intensity distribution of
Optical fiber sensor.
前記測定用受光素子の温度特性と前記光源制御用受光素子の温度特性とは同一であることを特徴とする、
光ファイバセンサ。 The optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 3,
The temperature characteristics of the light receiving element for measurement and the temperature characteristics of the light receiving element for light source control are the same,
Optical fiber sensor.
前記測定用受光素子の感度の波長特性と前記光源制御用受光素子の感度の波長特性とは同一であることを特徴とする、
光ファイバセンサ。 The optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 3,
The wavelength characteristic of the sensitivity of the light receiving element for measurement and the wavelength characteristic of the sensitivity of the light receiving element for light source control are the same,
Optical fiber sensor.
前記被測定媒質の温度変化に応じてその抵抗値が変化するサーミスタを更に備えており、
前記オートパワーコントローラは、前記光源制御用受光素子の検出信号及び前記サーミスタの前記抵抗値の変化に応じて、前記測定用受光素子にて受光する光強度が温度変化によらず常に一定となる様に、前記光源から出射される光の強度を制御することを特徴とする、
光ファイバセンサ。 The optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 5,
It further comprises a thermistor whose resistance value changes according to the temperature change of the measured medium,
The auto power controller is configured such that the intensity of light received by the measurement light receiving element is always constant regardless of a temperature change in accordance with a detection signal of the light source control light receiving element and a change in the resistance value of the thermistor. In addition, the intensity of light emitted from the light source is controlled,
Optical fiber sensor.
発生する光の強度を調整することが出来、放出光が前記マルチモード光ファイバに入射する光源と、
前記マルチモード光ファイバの中心を通過した光を受光する測定用受光素子と、
前記マルチモード光ファイバの中心よりも外側を通過した光を受光する光制御用受光素子と、
前記光制御用受光素子の検出信号に応じて前記光源の放出光の強度を制御するオートパワーコントローラとを備えたことを特徴とする、
光ファイバセンサ。 A multi-mode optical fiber in which a Bragg grating having a predetermined inclination angle with respect to a vertical plane in the longitudinal direction is formed in the core, and the circumference of the clad surrounding the Bragg grating is a measurement region;
A light source capable of adjusting the intensity of the generated light, the emitted light entering the multimode optical fiber;
A light receiving element for measurement that receives light passing through the center of the multimode optical fiber;
A light receiving element for light control that receives light that has passed outside the center of the multimode optical fiber;
An auto power controller that controls the intensity of emitted light of the light source in accordance with a detection signal of the light control light receiving element,
Optical fiber sensor.
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