JP2010117333A - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 光の干渉を利用する光ファイバセンサにおいて、干渉光出力に代えて、参照光と被参照光との位相差の関数をセンサ出力とする。
【解決手段】干渉光出力に加えて、参照光、および被参照光を時分割に多重、同一の光ファイバを伝送して、電気信号に変換後、参照光の電気信号、被参照光の電気信号および干渉光の電気信号を入力として演算処理し、参照光と被参照光との位相差の関数を得て、干渉光の電気信号に代えてセンサ出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバが外圧により、そこを通過する光信号の位相に変化を及ぼす特性を利用した光ファイバセンサに関する。

光ファイバセンサは、電磁的影響を受けないことから、従来の電気信号センサに比べて、センサ信号を安定に長距離伝送することができる。

光の干渉を利用したセンサ方式としては、参照光と被参照光を反射、戻して干渉させるマイケルソン干渉方式と、参照光と被参照光を進めて干渉させるマッハ・ツェンダ干渉方式がある。

参照光と外圧を受けた被参照光との位相差の変化は、干渉により、光強度の変化に変換されて、光ファイバ伝送路を経て、光強度変化として検出される。

発明が解決しようとする課題

干渉出力は光強度の変化として検出されるが、この中には干渉以外の光強度の変化分も含まれた状態で検出されるため、その分が検出誤差となる。

干渉以外の光強度の変動要因としては、光ファイバ伝送路の損失変動、参照光、被参照光との比率変動、分波器、合波器の損失変動などがあるが、従来は検出した干渉光より干渉以外の変動分を識別、分離することが困難であった。
センサの高感度化を図るには、検出誤差となる前記干渉以外の光強度の変動要因を除去する必要がある。

課題を解決するための手段

本発明の光センサ部では、時分割多重方式により、参照光、被参照光、および干渉光を時分割で同一の光ファイバによって送り、検出部で参照光、被参照光、干渉光レベルの３つの信号レベルを用いて変動要因を除去した出力を得る。

本発明の光センサ部では、計測用光パルスを分波器で２波に分波して、一方を参照光パルス、他方をセンサとして、外圧を受ける被参照光パルスとし、被参照光パルスは参照光パルスに対して一定の遅延を持たせて、一部が重なり合う時間関係に設定し、前記参照光パルスと一定の遅延を受けた被参照光パルスは合波器により合波されて、一つの光信号パルスとなる。

前記光信号パルスは、参照光のみの参照光部、参照光と被参照光が重なった部分の干渉光部および被参照光のみの被参照光部により構成され、光ファイバにより検出部に送られる。

本発明の検出部では、前記光信号パルスを電気信号パルスに変換し、参照光部の電気信号、干渉光部の電気信号および被参照光部の電気信号をそれぞれサンプル・ホールドする。

本発明では、前記サンプル・ホールドされた各電気信号レベルは、センサ部における参照光、被参照光、干渉光レベルに対応しているものとして、各電気信号レベルを入力とした演算処理を行い、参照光と被参照光との位相差の関数を求めることで、変動要因を除去した出力を得る。

発明の効果

本発明では、干渉信号を得る時点における参照光レベル、被参照光レベルおよびその干渉光レベルに即した電気信号を検出部で得る。

この電気信号レベルは以下の関係にある。
従来は、このうち干渉光の電気信号レベル：ｋの値を干渉出力としていたが、本発明では、加えて参照光の電気信号レベル：ｊ被参照光の電気信号レベル：ｌを検出部で得ている。
参照光と被参照光との位相差：θと置くと
ｊ＋ｌｃｏｓθ＝ｋ
の関係式が成り立つ。
前記の式から、位相差の関数ｃｏｓθを求めると ｃｏｓθ＝（ｋ−ｊ）／ｌ
ｊ、ｌ、ｋはそれぞれ損失変動を含むが、同じ光ファイバをほとんど同時に通過しており、同じ比率で変動を受けていることに等しいため、（ｋ−ｊ）／ｌの分母、分子に、変動分は同率に掛かることになり、この除算の値から損失変動の影響は除外される。
よってｃｏｓθには、損失変動による誤差分は含まれない値として求めることができる。
本発明では、センサ出力として、ｃｏｓθまたはθを出力することにより、損失変動分による誤差を含まない出力を得ることができる。

実施例による説明

〔図１〕本発明のマッハ・ツェンダ干渉方式の光センサ部を示す。
計測用の光パルスａは分波器Ａ１でｂ，ｃの２つに分波されて、ｂは参照光、ｃは被参照光となりｃは遅延ファイバＤ１を経てセンサとなる外圧Ｃ１が加えられてｄとして、ｂとともに合波器Ｂ１に入り、合波出力ｅ１として検出部に送られる。

〔図２〕本発明のマイケルソン干渉方式の光センサ部を示す。
計測用の光パルスａは分波器Ａ２でｂ，ｃの２つに分波されて、ｂは参照光、ｃは被参照光となり、ｃは遅延ファイバＤ２を経てセンサとなる外圧Ｃ２が加えられた後、反射鏡Ｅ２で戻され、ｄとして同様に反射鏡Ｅ１で戻されたｂとともに合波器Ａ２に入り、合波出力ｅ１として検出部に送られる。

〔図３〕本発明の光センサ部（図１、図２）の動作タイムチャートを示す。
ａはセンサ部に入力する計測用光パルス
ｂは２分岐された一方の光パルスで、参照光となる
ｃは２分岐された他方の光パルスで、被参照光となる
ｄは遅延ファイバによりｃが遅らされて、外圧を受けた後の被参照光
ｅ１はｂ、ｄを入力とした合波出力
ｅ１出力の前方ｘはｂの重ならない部分：参照光部
ｅ１出力の中間ｙはｂとｄが重なる部分で干渉した部分：干渉光部
ｅ１出力の後方ｚはｄの重ならない部分：被参照光部

〔図４〕本発明の検出部を示す。
光センサ部から送られた信号ｅ１は検出部に信号ｅ２として届く。ｅ２は光ー電気変換器Ｆで電気信号ｆに変換され、サンプル・ホールド回路Ｇ，Ｈ，Ｉに送られる。
サンプル・ホールド回路Ｇのサンプルタイミングｇ、Ｈのサンプルタイミングｈ，Ｉのサンプルタイミングｉにてホールドされた電気信号ｊ、ｋ、ｌは演算回路Ｊに入る。
演算回路Ｊでは、ｊ、ｋ、ｌはデジタル信号化されて、参照光と被参照光との位相差が演算処理されて、位相差の関数ｍとして出力する。

〔図５〕本発明の検出部（図４）の動作タイムチャートを示す。
ｅ２、ｆは受信信号の光信号と光ー電気変換された電気信号パルス
ｇは参照光部ｘをサンプルするタイミングパルス位置
ｈは干渉光部ｙをサンプルするタイミングパルス位置
ｉは被参照光部ｚをサンプルするタイミングパルス位置

本発明のマッハ・ツェンダ干渉方式の光センサ部 本発明のマイケルソン干渉方式の光センサ部 本発明の光センサ部の動作タイムチャート 本発明の検出部 本発明の検出部の動作タイムチャート

符号の説明

Ａ１，Ａ２，Ｂ１：分波器、合波器
Ｄ１、Ｄ２：遅延用光ファイバ
Ｃ２、Ｃ２：外圧部分
Ｅ１、Ｅ２：反射鏡
Ｆ：光ー電気変換器
Ｇ，Ｈ，Ｉ：サンプル・ホールド回路
Ｊ：演算回路

Claims (2)

1. 計測用光パルスを、分波器により、二つに分波し、その一方を参照光パルスとし、他方を外圧により、位相変化を受ける被参照光パルスとし、被参照光パルスを、参照光パルスの後部と被参照光パルスの前部が重なる時間位置まで遅らせた後、参照光パルスと被参照光パルスを合波器で合波し、その合波パルスの前方の参照光のみの部分を参照光部、中間の参照光と被参照光が重なった部分を干渉光部、後方の被参照光のみの部分を被参照光部とする時分割多重光パルスを出力とする光センサ部を備える光ファイバセンサ
2. 「請求項１」の光パルス出力を、光ー電気変換し、電気信号パルスとし、参照光部の電気信号、干渉光部の電気信号、被参照光部の電気信号のそれぞれをサンプル・ホールドして、そのデジタル信号を演算処理し、参照光と被参照光との位相差の関数を求め、干渉信号出力とする検出部を備える光ファイバセンサ

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