JP2014130071A - Optical sensing system, optical sensing method, and interrogator based on light zero method - Google Patents

Optical sensing system, optical sensing method, and interrogator based on light zero method Download PDF

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Seiichi Onoda
誠一 斧田
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Watanabe Seisakusho KK
Waki Seisakusho KK
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Watanabe Seisakusho KK
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve "temperature compensation" and "measuring range enlargement" in a same one reflection spectral shift optical sensor such as a BOF or an FBG.SOLUTION: An optical sensing system includes an optical processing part having a light emission part for outputting reference light and a light receiving part for receiving reflected light from an optical sensor part, the optical sensor part for shifting a reflection spectrum according to a physical amount to be measured, and a signal processing part for outputting a processing signal based on the reflection spectrum. The signal processing part outputs a control signal for subjecting the optical processing part to negative feedback control so that a specific parameter in the processing signal is constant, and a measuring signal corresponding to the physical amount based on the processing signal.

Description

FBGやエタロンなどセンサを用いて物理量を光学的に計測する技術に関するものである。   The present invention relates to a technique for optically measuring a physical quantity using a sensor such as FBG or etalon.

発明者等は、数年来、BOF (BPF on fiber end) をセンサとして、これをDWPR (Dual Wavelength Push-pull Ratiometric reflectometry)インタロゲータでサポートする温度、圧力、振動の多点同時光センシングシステムを提案している。また従来のFBG(Fiber Bragg Grating)を対象としたセンシングシステムも提案している。(特許文献1、2参照。)
これらはいずれもPN符号相関方式をベースとした時間領域の反射計測システムで、これまで主流であったスペクトル領域の計測方式に比して、多くの特長をもつ新しい方式として注目を集めているが、幅広い普及のためには、改善すべき点も多い。
本発明は、これまでの光ファイバ計測の常識を超えた発想により、FBGやエタロンなど従来センサにも共通したいくつかの課題を解決するとともに、新たな機能をも併せて実現する技術を提案するものである。
The inventors have proposed a simultaneous multi-point optical sensing system for temperature, pressure, and vibration that supports BOF (BPF on fiber end) as a sensor for several years and supports it with a DWPR (Dual Wavelength Push-pull Ratiometric Reflectometry) interrogator. ing. A sensing system for conventional FBG (Fiber Bragg Grating) is also proposed. (See Patent Documents 1 and 2.)
These are time-domain reflection measurement systems based on the PN code correlation method, and are attracting attention as new methods with many features compared to the spectral-domain measurement methods that have been the mainstream. There are many points that need to be improved for widespread use.
The present invention proposes a technique that solves several problems common to conventional sensors such as FBG and etalon, and also realizes new functions based on ideas beyond conventional common knowledge of optical fiber measurement. Is.

PCT/JP2009/64582PCT / JP2009 / 64582 特許第4308868号Japanese Patent No. 4308868

BOFやFBGなど反射スペクトルシフト型の光センサでは圧力や歪と同時に温度にも感度をもつため、得られた計測信号には両者が含まれることになり区別がつかないという問題がある。
また、光センサの直線性は所定の動作点を中心としてある程度の範囲内では充分であるが、前記範囲を外れると、充分な直線性は得られない。そして、前記所定の動作点は環境温度によってシフトするという問題がある。そのため、動きの速い振動計測(振動によってBOFへの圧力やFBGへの歪が変化する機構をもたせて計測。)を行なう場合、温度が変わると振動センサとしての前記動作点がシフトするため、直線性の得られる範囲を越えてしまい、正確な計測ができないという問題が発生する。かかる問題を解決するためには適正な温度補償が必要である。
しかし温度補償は通常、特性の等しいセンサを2個用意して温度条件を同じにし、一方のみに振動が加わるようにしたときの両計測出力の差分を求めるという方式が採用されている。このような温度補償の方式は非常に面倒かつコスト高になるのがネックである。
また、温度計測の場合、反射センサのスペクトルシフトの計測範囲はBOFなら多層膜BPF(Band Pass Filter)の帯域幅、FBGなら波長分析用のフィルタの傾斜領域幅で制限され、一定以上広くすることができない。
そこで、本発明においては、BOFやFBGなど反射スペクトルシフト型の光センサにおける「温度補償」と「計測範囲の拡大」を1つの同じセンサで実現することを目的としている。
Reflection spectrum shift type optical sensors such as BOF and FBG are sensitive to temperature as well as pressure and strain, so that there is a problem that both are included in the obtained measurement signal and cannot be distinguished.
Further, the linearity of the optical sensor is sufficient within a certain range centering on a predetermined operating point, but sufficient linearity cannot be obtained if it is out of the above range. There is a problem that the predetermined operating point shifts depending on the environmental temperature. Therefore, when performing vibration measurement with fast movement (measured with a mechanism that changes the pressure on the BOF and the strain on the FBG due to vibration), the operating point as a vibration sensor shifts when the temperature changes. Therefore, there is a problem that accurate measurement cannot be performed. In order to solve such a problem, appropriate temperature compensation is required.
However, the temperature compensation usually employs a method in which two sensors having the same characteristics are prepared, the temperature conditions are the same, and the difference between both measured outputs is obtained when vibration is applied to only one of them. Such a temperature compensation method is very troublesome and expensive.
In the case of temperature measurement, the spectral shift measurement range of the reflection sensor is limited by the bandwidth of the multilayer BPF (Band Pass Filter) if it is BOF, and limited by the slope area width of the filter for wavelength analysis if it is FBG. I can't.
Therefore, an object of the present invention is to realize "temperature compensation" and "expansion of measurement range" in a reflection spectrum shift type optical sensor such as BOF or FBG with one same sensor.

本発明に係る請求項1では、
参照光を出力する発光部および光センサ部からの反射光を受光する受光部を備えた光処理部と、計測すべき物理量に応じて反射スペクトルをシフトさせる前記光センサ部と、前記反射スペクトルに基づいて処理信号を出力する信号処理部とからなる光センシングシステムにおいて、
前記信号処理部は、
前記処理信号の内の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部を負帰還制御する制御信号、および前記処理信号に基づいて前記物理量に対応した計測信号を出力するように構成されていることを特徴としている。
請求項2では、
前記光処理部の前記発光部は、
異なる波長の2つの参照光を出力するように構成され、
前記光センサ部は、
帯域通過型で、前記2つの参照光に対する反射レベルが印加された物理量に応じて相補的にシフトするように構成され、
前記信号処理部は、
前記センサ部の基準状態における前記反射スペクトルの中心波長を挟んだ前記2つの参照光に対応する反射率の比対数を前記計測信号として出力とするとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記光処理部の2つの参照光の波長を平行的に移動させる信号を前記制御信号として出力することを特徴としている。
請求項3では、
前記光処理部の前記受光部は、
光センサ部からの反射光を傾斜フィルタに導入したときにレベルが相補的にシフトする透過光と反射光に光路差を与えて合流受光し、時間領域において両光のレベルを分離検出するように構成され、
前記傾斜フィルタは、
前記制御信号によってスペクトル波長位置が制御されるように構成され、
前記信号処理部は、
時間領域において前記両光の比対数を求めて前記計測信号として出力するとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記傾斜フィルタの特性を制御する信号を前記制御信号として出力するように構成されている。
In claim 1 according to the present invention,
A light processing unit including a light emitting unit that outputs reference light and a light receiving unit that receives reflected light from the optical sensor unit, the optical sensor unit that shifts a reflection spectrum according to a physical quantity to be measured, and the reflection spectrum In an optical sensing system comprising a signal processing unit that outputs a processing signal based on
The signal processing unit
A control signal for performing negative feedback control of the optical processing unit and a measurement signal corresponding to the physical quantity are output based on the processing signal so that a specific parameter in the processing signal is constant. It is characterized by that.
In claim 2,
The light emitting unit of the light processing unit is
Configured to output two reference beams of different wavelengths,
The optical sensor unit is
The band-pass type is configured such that the reflection level with respect to the two reference lights is complementarily shifted according to the applied physical quantity,
The signal processing unit
A ratio logarithm of reflectance corresponding to the two reference lights sandwiching the center wavelength of the reflection spectrum in the standard state of the sensor unit is output as the measurement signal, and
A signal for moving the wavelengths of the two reference lights of the light processing unit in parallel so that the direct current component of the specific logarithm is always zero is output as the control signal.
In claim 3,
The light receiving unit of the light processing unit is
When the reflected light from the optical sensor section is introduced into the inclined filter, the transmitted light and the reflected light whose levels are shifted in a complementary manner are given an optical path difference to be merged and received, and the levels of both lights are separated and detected in the time domain. Configured,
The gradient filter is
The spectral wavelength position is controlled by the control signal,
The signal processing unit
While obtaining the specific logarithm of the both lights in the time domain and outputting as the measurement signal,
A signal for controlling the characteristics of the gradient filter is output as the control signal so that the direct current component of the specific logarithm is always zero.

請求項4では、
前記信号処理部は、
前記2波長の反射率の比対数から前記直流成分を抽出して変化の遅い物理量に対応した計測信号とし、
前記2波長の反射率の比対数から交流成分を抽出して変化の速い物理量に対応した計測信号として出力するように構成され、
前記光センサ部に加えられた変化の遅い物理量と、変化の速い物理量とを分離して計測可能とした。
In claim 4,
The signal processing unit
Extracting the direct current component from the logarithm of the reflectance of the two wavelengths to obtain a measurement signal corresponding to a slow changing physical quantity,
An AC component is extracted from the specific logarithm of the reflectance of the two wavelengths and is configured to output as a measurement signal corresponding to a fast changing physical quantity,
The slow change physical quantity applied to the optical sensor unit and the fast change physical quantity can be separated and measured.

請求項5に係る光センシング方法では、
参照光を出力する発光部および反射光を受光する受光部を備えた光処理部と、
前記発光部から出射される参照光が光ファイバを経由して供給され、前記光ファイバに戻される反射スペクトルを、与えられた物理量に応じて変化させる光センサ部と、
を備えた光センシングシステムを用いた光センシング方法であって、
前記反射スペクトルの変化を制御する制御信号を生成して前記光処理部に出力することによって、前記反射スペクトルに含まれる特定のパラメータが常に零になるように制御するとともに、前記制御信号を信号処理することによって前記物理量に対応した計測信号として出力することを特徴としている。
In the optical sensing method according to claim 5,
A light processing unit including a light emitting unit for outputting reference light and a light receiving unit for receiving reflected light;
A reference light emitted from the light emitting unit is supplied via an optical fiber, and a light sensor unit that changes a reflection spectrum returned to the optical fiber in accordance with a given physical quantity;
An optical sensing method using an optical sensing system comprising:
A control signal for controlling the change in the reflection spectrum is generated and output to the optical processing unit, so that a specific parameter included in the reflection spectrum is controlled to be always zero, and the control signal is signal-processed. By doing so, a measurement signal corresponding to the physical quantity is output.

請求項6に係るインタロゲータは、
請求項1に記載の光センシングシステムに用いるインタロゲータであって、
参照光を出力する発光部と光センサ部からの反射光を受光する受光部とを備えた光処理部と、前記光処理部から得られる反射スペクトルに基づいて処理信号を出力する信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、
前記処理信号の内の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部を負帰還制御する制御信号と、前記処理信号に基づいて前記物理量に対応した計測信号を出力するように構成されていることを特徴としている。
請求項7では、
前記光処理部の前記発光部は、
異なる波長の2つの参照光を出力するように構成され、
前記信号処理部は、
前記センサ部の基準状態における前記反射スペクトルの中心波長を挟んだ前記2つの参照光に対応する反射率の比対数を前記計測信号として出力とするとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記光処理部の2つの参照光の波長を平行的に移動させる信号を前記制御信号として出力することを特徴としている。
請求項8では、
前記光処理部の前記受光部は、
光センサ部からの反射光を傾斜フィルタに導入したときの透過光と反射光に光路差を与えて合流受光し、時間領域において両光のレベルを分離検出するように構成され、
前記傾斜フィルタは、
前記制御信号によってスペクトル波長位置が制御されるように構成され、
前記信号処理部は、
時間領域において前記両光の比対数を求めて前記計測信号として出力するとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記傾斜フィルタの特性を制御する信号を前記制御信号として出力するように構成されている。
The interrogator according to claim 6 is:
An interrogator used in the optical sensing system according to claim 1,
A light processing unit including a light emitting unit for outputting reference light and a light receiving unit for receiving reflected light from the optical sensor unit; and a signal processing unit for outputting a processing signal based on a reflection spectrum obtained from the light processing unit; With
The signal processing unit
A control signal for performing negative feedback control of the optical processing unit so that a specific parameter in the processing signal is constant, and a measurement signal corresponding to the physical quantity based on the processing signal are output. It is characterized by that.
In claim 7,
The light emitting unit of the light processing unit is
Configured to output two reference beams of different wavelengths,
The signal processing unit
A ratio logarithm of reflectance corresponding to the two reference lights sandwiching the center wavelength of the reflection spectrum in the standard state of the sensor unit is output as the measurement signal, and
A signal for moving the wavelengths of the two reference lights of the light processing unit in parallel so that the direct current component of the specific logarithm is always zero is output as the control signal.
In claim 8,
The light receiving unit of the light processing unit is
The reflected light from the optical sensor unit is configured to receive and merge by receiving an optical path difference between the transmitted light and the reflected light when introduced into the inclined filter, and separately detect the levels of both lights in the time domain,
The gradient filter is
The spectral wavelength position is controlled by the control signal,
The signal processing unit
While obtaining the specific logarithm of the both lights in the time domain and outputting as the measurement signal,
A signal for controlling the characteristics of the gradient filter is output as the control signal so that the direct current component of the specific logarithm is always zero.

請求項9では、
前記信号処理部は、
前記2波長の反射率の比対数から前記直流成分を抽出して変化の遅い物理量に対応した計測信号とし、
前記2波長の反射率の比対数から交流成分を抽出して変化の速い物理量に対応した計測信号として出力するように構成され、
前記光センサ部に加えられた変化の遅い物理量と、変化の速い物理量とを分離して計測可能としたことを特徴としている。
In claim 9,
The signal processing unit
Extracting the direct current component from the logarithm of the reflectance of the two wavelengths to obtain a measurement signal corresponding to a slow changing physical quantity,
An AC component is extracted from the specific logarithm of the reflectance of the two wavelengths and is configured to output as a measurement signal corresponding to a fast changing physical quantity,
It is characterized in that it is possible to measure a physical quantity with a slow change and a physical quantity with a fast change applied to the optical sensor unit separately.

本願発明においては、以上のようにして、前記信号処理部は、前記制御信号を前記光処理部に入力することにより、つねに2波長反射率の比対数ζに含まれる直流成分が常に零に維持されるように制御する。
この状態における前記制御信号を信号処理することによって、変化の遅い物理量である温度の情報を含んだ信号を得ることができる。そして、2波長反射率の比対数ζに含まれる交流成分から変化の速い物理量である振動の情報を含んだ信号を得ることができる。
In the present invention, as described above, the signal processing unit always inputs the control signal to the optical processing unit, so that the DC component included in the relative logarithm ζ of the two-wavelength reflectance is always maintained at zero. To be controlled.
By performing signal processing on the control signal in this state, it is possible to obtain a signal including temperature information, which is a slowly changing physical quantity. A signal including vibration information, which is a physical quantity that changes quickly, can be obtained from the AC component included in the specific logarithm ζ of the two-wavelength reflectance.

<コンセプト>
以下に、本発明の基本コンセプトを説明する。
温度や圧力等は時間的に緩やかな変化をなす直流的な物理量(これを直流的物理量と言う。)であるが、振動による加速度や歪の変化などは、温度や圧力等に比較して変化が速い交流的な物理量(これを交流的物理量と言う。)である。
計測出力から直流成分と交流成分を分離することによって、前記直流的物理量と前記交流的物理量を切り分けることができる。
直流成分は計測出力を時間平均処理することによって得られる。電気回路的にいえば直流成分は低域濾波出力、交流成分は高域濾波出力であるが、いずれも簡単な信号処理によって得られる。
直流成分は、直流的物理量、即ち、温度や圧力等のように時間的に緩やかな変化をなす直流的な物理量に相当し。交流成分は、交流的物理量、即ち、振動による加速度や歪の変化などのように、温度や圧力等に比較して変化が速い交流的な物理量に相当する。
以上のことから、同じ光センサで直流的物理量と交流的物理量の両方を計測できるが、実際には、環境の温度変化は微小ではなく、前述したように、温度変化によって動作点がシフトすることによって、ある程度の直線性が得られる範囲を越えてしまうので、実用化には問題がある。
<Concept>
The basic concept of the present invention will be described below.
Temperature, pressure, etc. are DC physical quantities that change gradually over time (this is called DC physical quantity), but changes in acceleration, strain, etc. due to vibration change compared to temperature, pressure, etc. Is a fast alternating physical quantity (this is called an alternating physical quantity).
By separating the DC component and the AC component from the measurement output, the DC physical quantity and the AC physical quantity can be separated.
The direct current component can be obtained by time averaging the measured output. In terms of electrical circuits, the DC component is a low-pass filtered output and the AC component is a high-pass filtered output, both of which can be obtained by simple signal processing.
The DC component corresponds to a DC physical quantity, that is, a DC physical quantity that changes gradually with time, such as temperature and pressure. The AC component corresponds to an AC physical quantity, that is, an AC physical quantity that changes more rapidly than temperature, pressure, or the like, such as a change in acceleration or strain due to vibration.
From the above, it is possible to measure both DC physical quantities and AC physical quantities with the same optical sensor, but in reality, the temperature change of the environment is not very small, and as described above, the operating point shifts due to the temperature change. Therefore, there is a problem in practical use because it exceeds the range where a certain degree of linearity can be obtained.

<従来の電気的零位法>
このような動作点のシフトの問題を解決し得る手法として、可動電磁コイル型のサーボ式地震計などで用いられている電気的な零位法(Zero method)の考え方がある。
地震計では振動による静電容量変化から振動情報を検知し、これを可動電磁コイルに負帰還して動作点のシフトを補償することによって、コイルを常に静止させて、この状態でのコイル駆動電流値を振動計測出力として取り出すものである。この方式が用いられる最大の理由は、ダイナミックレンジが飛躍的に拡大されることである。
しかし、このような電気的な零位法を、光センサによる計測システムに適用しようとしても、光センサ部とインタロゲータとは光ファイバで接続されているだけであって、光センサ部に電気的な制御を与えることはできない。
<Conventional electrical null method>
As a technique that can solve such a problem of the shift of the operating point, there is an idea of an electric zero method used in a moving electromagnetic coil type servo seismometer.
The seismometer detects vibration information from the capacitance change due to vibration, and negatively feeds it back to the moving electromagnetic coil to compensate for the shift of the operating point, so that the coil is always stationary, and the coil drive current in this state The value is taken out as a vibration measurement output. The biggest reason why this method is used is that the dynamic range is dramatically expanded.
However, even if such an electrical zero method is applied to a measurement system using an optical sensor, the optical sensor unit and the interrogator are only connected by an optical fiber, and the optical sensor unit is electrically connected to the optical sensor unit. You cannot give control.

<本発明の光零位法>
そこで、本発明(例えば請求項2に係る発明)においては、2つの波長を参照光とする計測システムにおいて、計測信号の直流成分を2つの参照光の波長を制御する手段へ負帰還し、
傾斜フィルタによって反射光スペクトルのシフト量を検出する方式の計測システムの場合には、計測信号の直流成分を、波長分析用の傾斜フィルタの波長を制御する手段へ負帰還することによって、前記直流成分を常に零に保つことを実現した。本発明によるかかる方式を、電気的な零位法に対して「光零位法」と称する。
なお、前記計測信号の直流成分をもって直流的物理量に対応させ、前記計測信号の交流成分を交流的物理量に対応させることによって、1つの光センサを用いて、温度や圧力等のように時間的に緩やかな変化をなす直流的物理量と、振動による加速度や歪の変化などのように、温度や圧力等に比較して変化が速い交流的物理量の両方を同時に計測することが可能である。
温度変化は一般に緩やかなため、参照光の波長やフィルタのスペクトル波長軸は、レーザモジューやフィルタモジュール内の設定温度をペルチェ素子などによって容易に制御することができる。このとき電源を要するのはインタロゲータのみで、光センサまでは電源が要らない。
すなわち、動作温度によって、2つの波長を参照光とする計測システムの場合には2つの参照光の波長を負帰還制御し、傾斜フィルタによって反射光スペクトルのシフト量を検出する方式の計測システムの場合には、波長分析用の傾斜フィルタの波長を負帰還制御することによって、前記直流成分を常に零に保つことを実現したのである。
<Optical Zero Method of the Present Invention>
Therefore, in the present invention (for example, the invention according to claim 2), in the measurement system using two wavelengths as reference light, the DC component of the measurement signal is negatively fed back to the means for controlling the wavelengths of the two reference lights.
In the case of a measurement system that detects the amount of shift in the reflected light spectrum using an inclined filter, the direct current component of the measurement signal is negatively fed back to the means for controlling the wavelength of the inclined filter for wavelength analysis, thereby the direct current component. Is always kept at zero. Such a system according to the present invention is referred to as an “optical zero method” with respect to the electric zero method.
In addition, by making a DC component of the measurement signal correspond to a DC physical quantity and making the AC component of the measurement signal correspond to an AC physical quantity, a single optical sensor is used to temporally measure temperature, pressure, and the like. It is possible to simultaneously measure both a DC physical quantity that changes gradually and an AC physical quantity that changes more rapidly than temperature, pressure, and the like, such as changes in acceleration and strain due to vibration.
Since the temperature change is generally gentle, the wavelength of the reference light and the spectral wavelength axis of the filter can be easily controlled by a Peltier element or the like in the laser module or the filter module. At this time, only the interrogator requires power, and no power is required up to the optical sensor.
In other words, in the case of a measurement system that uses two wavelengths as reference light depending on the operating temperature, the measurement system uses a method that negatively controls the two reference light wavelengths and detects the shift amount of the reflected light spectrum using a gradient filter. In this way, the DC component is always kept at zero by negative feedback control of the wavelength of the gradient filter for wavelength analysis.

以下に、本発明を実現するために必要な技術を説明する。
(1)2波長を用いる技術
図6に示したように、
MEMSエタロンのスペクトル特性のシフトを検出するには、スペクトル特性の谷部分の波長(以下、単に「ボトム波長」という。)λ0を挟む2波長λ1,λ2における反射率r1,r2の比対数ζを直接観測量とする。これを上式のようにζで表わす。ζはスペクトルシフトと一義的に対応するから、これにより振動変位と温度の何れか一方/もしくは両方を計測することができる。
2波長を用いる狙いは、BOFの場合と同様、比演算処理によってスペクトル特性のシフト以外の外乱に対する耐性を上げるためである。すなわち、反射率 r1および r2には、用いる光ファイバの曲げ損失やインタロゲータの電源や周囲温度の変動などに起因する波長に無依存な係数がかかってくるが、それらはζ式の分子分母間でキャンセルされることから、ロバストな計測が可能になる。
また両反射率の「比対数ζ」を取るのは、比対数ζは両者が等しいときにゼロとなり、左右のスペクトルシフトに対して対称に±に変化することに注目してのことである。これは本発明の「光零位法」を考える上で、非常に重要な要件である。
In the following, techniques necessary for realizing the present invention will be described.
(1) Technology using two wavelengths As shown in FIG.
In order to detect the shift of the spectral characteristics of the MEMS etalon, the relative logarithm ζ of the reflectances r1 and r2 at the two wavelengths λ1 and λ2 sandwiching the wavelength (hereinafter simply referred to as “bottom wavelength”) λ0 of the spectral characteristics is set. Direct observation amount. This is represented by ζ as in the above equation. Since ζ uniquely corresponds to the spectral shift, it is possible to measure either one or both of the vibration displacement and the temperature.
The aim of using two wavelengths is to increase resistance to disturbances other than the shift of spectral characteristics by ratio calculation processing, as in the case of BOF. In other words, the reflectances r1 and r2 are affected by a wavelength-independent factor due to the bending loss of the optical fiber used, the power supply of the interrogator and fluctuations in the ambient temperature. Since it is canceled, robust measurement is possible.
The reason why the “specific logarithm ζ” of both the reflectances is taken into account is that the specific logarithm ζ becomes zero when they are equal and changes to ± symmetrically with respect to the left and right spectral shifts. This is a very important requirement when considering the “optical zero method” of the present invention.

(2)変化量を補償する技術
光源の波長を、前記スペクトルシフトの方向と逆方向にシフトするように制御して、前記スペクトルシフトを補償する。
(3)複数の物理量を分離抽出する技術
BOF、エタロン、FBGなどは、温度だけでなく圧力や歪にも感度を持つため、センサ部に与えられた物理量が何れか1つに単一化できない場合は、観測されたスペクトルシフトが何によるものであるかを区別することができない。しかし物理量の時間的な動きの違いに着目すれば、それらを弁別できる場合がある。
センサ部に振動と温度が与えられた場合、直接観測量である2波長反射率の比対数ζは、例えば図7(A)に示したようにあらわれる。
このとき、温度のような直流的で静的な変化量と、振動のような交流的で動的な変化量は、以下のような信号処理によって分離できる。
まず、直接観測量である2波長反射率の比対数ζを、時間的平均化処理することによって、直流成分のみを抽出する。
次に、抽出した直流成分を、直接観測量である2波長反射率の比対数ζから差し引くことによって交流成分を抽出する。
(2) Technology for compensating for the amount of change The wavelength shift of the light source is controlled to shift in the direction opposite to the direction of the spectrum shift, thereby compensating for the spectrum shift.
(3) Technology to separate and extract multiple physical quantities BOF, etalon, FBG, etc. are sensitive not only to temperature but also to pressure and strain, so the physical quantity given to the sensor unit cannot be unified to any one In some cases, it is not possible to distinguish what the observed spectral shift is due to. However, if attention is paid to the difference in temporal movement of physical quantities, they may be discriminated.
When vibration and temperature are applied to the sensor unit, the specific logarithm ζ of the two-wavelength reflectance, which is a direct observation amount, appears as shown in FIG. 7A, for example.
At this time, the direct and static variation such as temperature and the alternating and dynamic variation such as vibration can be separated by the following signal processing.
First, only the direct current component is extracted by temporally averaging the specific logarithm ζ of the two-wavelength reflectivity, which is a direct observation amount.
Next, the AC component is extracted by subtracting the extracted DC component from the specific logarithm ζ of the two-wavelength reflectivity, which is a direct observation amount.

以上の信号処理によって得られた直流成分は温度の情報を含んでいるものとし、交流成分は振動の情報を含んでいるものとすることができる。
図7において、
(A)は2波長反射率比ζの瞬時値である。動きの緩慢な直流的な温度ラインの上に、動きの速い交流的な振動情報が重畳されている。
(B)はζを時間的平均化処理することによって、直流成分のみを抽出したものである。
(C)は上記瞬時値より直流成分を差し引いたもので、振動情報に相当する交流成分である。
本願発明では、このような信号処理を適宜組み合わせることによって、センサ部に与えられた物理量に複数の物理量が混在していても、それぞれの物理量を分離することが可能となる場合がある。
The DC component obtained by the above signal processing can include temperature information, and the AC component can include vibration information.
In FIG.
(A) is an instantaneous value of the two-wavelength reflectance ratio ζ. On the direct current temperature line with slow movement, fast vibration alternating current vibration information is superimposed.
(B) is obtained by extracting only the DC component by temporally averaging ζ.
(C) is obtained by subtracting a DC component from the instantaneous value, and is an AC component corresponding to vibration information.
In the present invention, by appropriately combining such signal processing, even when a plurality of physical quantities are mixed in the physical quantities given to the sensor unit, it may be possible to separate the physical quantities.

本発明によれば以下の各効果が得られる。
(1) 温度計測域が大きく広がる。
(2) 広い温度範囲を補償可能であるので使いやすい。
(3) センサ部まではファイバ単線でよいので、施工および維持管理が容易である。
(4) 従来のBOF/FBG/エタロン 等に適用可能であるので、応用範囲が広い。
(5) 従来のDWPRがほとんどそのまま活用できるので、応用が容易である。
(6) センサ部にBOF/FBGを用いる場合には、光源の温度を制御することで波長の制御が可能であるので、制御が容易にできる。
(7) 広い計測領域で精度を一定にできる。
(8) 電気的・機械的なアクチュエーション機構が不要であるので、
(9) 1つの光センサで温度等の直流的物理量と振動等の交流的物理量が同時に計測可能であるので便利である。
(10) 原理がシンプルであるので信頼性が高い。
(11) 複雑な機構が不要であるので施工および維持管理が容易である。
以上のように、本願発明に係る光センシングシステムは、光領域のサーボ方式、即ち「光零位法」と言える画期的な技術である。
According to the present invention, the following effects can be obtained.
(1) The temperature measurement range is greatly expanded.
(2) Easy to use because it can compensate for a wide temperature range.
(3) Since the sensor part can be a single fiber, construction and maintenance are easy.
(4) Since it can be applied to conventional BOF / FBG / etalon, etc., its application range is wide.
(5) Since the conventional DWPR can be used almost as it is, the application is easy.
(6) When BOF / FBG is used for the sensor unit, the wavelength can be controlled by controlling the temperature of the light source, so that the control can be easily performed.
(7) The accuracy can be kept constant over a wide measurement area.
(8) No electrical / mechanical actuation mechanism is required.
(9) It is convenient because a single optical sensor can simultaneously measure a DC physical quantity such as temperature and an AC physical quantity such as vibration.
(10) High reliability due to simple principle.
(11) Construction and maintenance are easy because no complicated mechanism is required.
As described above, the optical sensing system according to the present invention is an epoch-making technique that can be said to be a servo system in the optical region, that is, “optical zero method”.

本発明の基本構成のブロック図である。It is a block diagram of the basic composition of the present invention. センサ部にBOFやエタロンを用いた場合のブロック図である。It is a block diagram at the time of using BOF and an etalon for a sensor part. センサ部にFBGを用いた場合のブロック図である。It is a block diagram at the time of using FBG for a sensor part. センサ部にBOFやエタロンを用いた場合の説明図である。It is explanatory drawing at the time of using BOF and an etalon for a sensor part. センサ部にFBGを用いた場合の説明図である。It is explanatory drawing at the time of using FBG for a sensor part. 本発明における2波長を用いる技術の説明図である。It is explanatory drawing of the technique using 2 wavelengths in this invention. 本発明における複数の物理量に分離する技術の説明図である。It is explanatory drawing of the technique isolate | separated into the some physical quantity in this invention. 本発明に用いる光源の波長制御技術の説明図である。It is explanatory drawing of the wavelength control technique of the light source used for this invention. 本発明におけるスペクトルシフトを補償する技術の説明図である。It is explanatory drawing of the technique which compensates the spectrum shift in this invention.

本発明の基本構成を示した図1において、
1は本発明に係る光センシングシステムである。
2は、参照光を出力する発光部21および反射光を受光する受光部22を備えた光処理部である。
3は、前記発光部21から出射される参照光が光ファイバ5を経由して供給され、前記光ファイバ5に戻される反射スペクトルを、与えられた物理量に応じて変化させる光センサ部である。
4は、前記光処理部2において得られる反射光の反射スペクトルに基づいて処理信号を得て、前記処理信号の内の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部2を負帰還制御する制御信号と、前記処理信号に基づいて前記物理量に対応した計測信号を出力するように構成されている信号処理部である。
前記信号処理部4は、前記制御信号を生成する制御部41と、前記処理信号を信号処理して前記物理量の情報を含んだ前記計測信号として出力する処理部42とを備えている。
なお、前記光処理部2と前記信号処理部4とでインタロゲータ10を構成している。
In FIG. 1 showing the basic configuration of the present invention,
Reference numeral 1 denotes an optical sensing system according to the present invention.
An optical processing unit 2 includes a light emitting unit 21 that outputs reference light and a light receiving unit 22 that receives reflected light.
Reference numeral 3 denotes an optical sensor unit to which the reference light emitted from the light emitting unit 21 is supplied via the optical fiber 5 and changes the reflection spectrum returned to the optical fiber 5 in accordance with a given physical quantity.
4 obtains a processing signal based on the reflection spectrum of the reflected light obtained in the light processing unit 2, and performs negative feedback control on the light processing unit 2 so that a specific parameter in the processing signal is constant. A signal processing unit configured to output a control signal and a measurement signal corresponding to the physical quantity based on the processing signal.
The signal processing unit 4 includes a control unit 41 that generates the control signal, and a processing unit 42 that performs signal processing on the processing signal and outputs the measurement signal including information on the physical quantity.
The optical processing unit 2 and the signal processing unit 4 constitute an interrogator 10.

以上の構成の光センシングシステム1において、
前記光処理部2の前記発光部21からは、前記光センサ部3の特性に対応した所定の波長の参照光が、光ファイバ5を介して前記光センサ部3へ供給される。
前記発光部21は、後述するように、前記光センサ部3の形態に応じて、波長の異なる2つの参照光(2波長の参照光)、もしくは広帯域の参照光を出射する。
In the optical sensing system 1 configured as described above,
Reference light having a predetermined wavelength corresponding to the characteristics of the optical sensor unit 3 is supplied from the light emitting unit 21 of the optical processing unit 2 to the optical sensor unit 3 through the optical fiber 5.
As will be described later, the light emitting unit 21 emits two reference lights having different wavelengths (reference light having two wavelengths) or broadband reference light according to the form of the optical sensor unit 3.

前記光センサ部3は、必要に応じて複数の光センサ部3がそれぞれ前記光ファイバ5に対して光カプラ等の光分岐結合手段を介して接続された形態も可能である。
前記光センサ部3には、計測対象の物理量として、温度、振動、圧力等の物理量が与えられ、前記光センサ部3は、与えられた物理量に応じて、反射光のスペクトルをシフトさせる等の変化が与えられた反射光を前記光ファイバ5に戻す。
なお、前記光処理部2の発光部21においては、例えば、所定のランダム符号(PN符号)によって変調した参照光を出射し、前記光処理部2の受光部21においては、前記光センサ部3からの反射応答光を受光して、前記PN符号との相互相関処理によって前記光センサ部3からの反射応答信号を得て、処理信号として出力するように構成されたPNCR方式を採用することができる。
The optical sensor unit 3 may have a configuration in which a plurality of optical sensor units 3 are connected to the optical fiber 5 through optical branching and coupling means such as an optical coupler, if necessary.
The optical sensor unit 3 is provided with physical quantities such as temperature, vibration, and pressure as physical quantities to be measured. The optical sensor unit 3 shifts the spectrum of reflected light according to the given physical quantities. The reflected light given the change is returned to the optical fiber 5.
For example, the light emitting unit 21 of the light processing unit 2 emits reference light modulated by a predetermined random code (PN code), and the light receiving unit 21 of the light processing unit 2 emits the light sensor unit 3. A reflection response light from the optical sensor unit 3 is received by cross-correlation processing with the PN code, and a PNCR system configured to output as a processing signal is adopted. it can.

前記信号処理部4では、前記処理信号に基づいて、前記参照光の波長を変化させるか、前記受光部22における傾斜フィルタの特性を変化させるための制御信号を制御信号生成部41にて生成して、前記光処理部2に出力する。
前記光センサ部3が2つの波長を参照光とする計測システムの場合には、前記制御信号の直流成分を2つの参照光の波長を制御する手段へ負帰還し、
前記光センサ部3が傾斜フィルタによって反射光スペクトルのシフト量を検出する方式の計測システムの場合には、前記制御信号の直流成分を、波長分析用の傾斜フィルタの波長を制御する手段へ負帰還することによって、前記直流成分を常に零に保つように制御する。
In the signal processing unit 4, the control signal generation unit 41 generates a control signal for changing the wavelength of the reference light or changing the characteristics of the gradient filter in the light receiving unit 22 based on the processing signal. And output to the light processing unit 2.
In the case of a measurement system in which the optical sensor unit 3 uses two wavelengths as reference light, the DC component of the control signal is negatively fed back to the means for controlling the wavelengths of the two reference lights.
In the case of a measurement system in which the optical sensor unit 3 detects the shift amount of the reflected light spectrum using a tilt filter, the DC component of the control signal is negatively fed back to the means for controlling the wavelength of the wavelength analysis tilt filter. By doing so, the direct current component is controlled to be always kept at zero.

なお、前記制御量の直流成分をもって直流的物理量に対応させ、交流成分を交流的物理量に対応させ、温度や圧力等のように時間的に緩やかな変化をなす物理量と、振動による加速度や歪の変化などのように、温度や圧力等に比較して変化が速い物理量の両方を同時に計測することが可能である。   In addition, the DC component of the control amount is made to correspond to a DC physical quantity, the AC component is made to correspond to an AC physical quantity, a physical quantity that changes gradually in time, such as temperature and pressure, and acceleration and distortion caused by vibration. It is possible to simultaneously measure both physical quantities that change more rapidly than temperature, pressure, etc., such as changes.

図2は、光センサ部にBOFおよび/もしくはエタロンを用いた光センシングシステム1Aのブロック図、図4はその動作説明図である。
この光センシングシステム1Aは、光処理部2Aと、光センサ部3Aと、信号処理部4Aとを備えている。
前記光処理部2Aは、異なる波長の2つの参照光をサーキュレータ51Aを介して光ファイバ5Aへ出力する発光部21Aと、前記サーキュレータ51Aにて取り出された反射光を受光する受光部22Aを備えている。
前記発光部21Aは、異なる波長λ1、λ2の2つの参照光を出力するように構成されている。
前記光センサ部3Aは、前記2つの参照光λ1、λ2に対する反射スペクトルのレベルが物理量に応じて相補的にシフトするように構成された帯域通過型のセンサである。
前記サーキュレータ51Aは、前記発光部21Aからの光は前記光ファイバ5Aへ通過させ、前記光ファイバ5Aからの反射光は前記受光部22A側へ通過するように構成されている。
FIG. 2 is a block diagram of an optical sensing system 1A using BOF and / or etalon in the optical sensor unit, and FIG.
This optical sensing system 1A includes an optical processing unit 2A, an optical sensor unit 3A, and a signal processing unit 4A.
The light processing unit 2A includes a light emitting unit 21A that outputs two reference lights having different wavelengths to the optical fiber 5A via the circulator 51A, and a light receiving unit 22A that receives the reflected light extracted by the circulator 51A. Yes.
The light emitting unit 21A is configured to output two reference lights having different wavelengths λ1 and λ2.
The optical sensor unit 3A is a band-pass sensor configured such that the level of the reflection spectrum with respect to the two reference lights λ1 and λ2 is complementarily shifted according to a physical quantity.
The circulator 51A is configured so that light from the light emitting portion 21A passes through the optical fiber 5A, and reflected light from the optical fiber 5A passes through the light receiving portion 22A.

前記受光部22Aは、前記2つの参照光λ1、λ2に対する反射光を受光する1つの受光素子で構成され、それぞれの反射率γ1、γ2が得られるように構成されている。
前記信号処理部4Aは、前記光センサ部3Aの基準状態における前記反射スペクトルの中心波長λ0を挟んだ前記2つの参照光λ1、λ2に対応する反射率γ1、γ2の比対数ζを、例えば高域ろ波手段を用いた計測信号分離手段42によって処理して計測信号として出力とするとともに、前記比対数ζを、例えば低域ろ波手段を用いた制御信号生成手段41によって処理して直流成分を取り出し、その直流成分が常に零となるよう前記光処理部2Aの2つの参照光の波長を平行的に移動させる制御信号λCNTを出力するように構成されている。
The light receiving unit 22A is composed of one light receiving element that receives reflected light with respect to the two reference lights λ1 and λ2, and is configured to obtain respective reflectances γ1 and γ2.
The signal processing unit 4A sets a specific logarithm ζ of the reflectances γ1 and γ2 corresponding to the two reference lights λ1 and λ2 across the center wavelength λ0 of the reflection spectrum in the standard state of the optical sensor unit 3A, for example, The signal is processed by the measurement signal separation means 42 using the filtering means and output as a measurement signal, and the specific logarithm ζ is processed by the control signal generating means 41 using the low-pass filtering means, for example, to obtain the direct current component. And a control signal λCNT for shifting the wavelengths of the two reference lights of the light processing unit 2A in parallel so that the DC component thereof is always zero.

なお、実施例1においては、制御信号によって発光素子の波長を制御することによって、光センサ部におけるスペクトルシフトを補償するように制御する。
発光素子の波長の制御は、発光素子が含まれているモジュール内の温度を制御することで実現できる。そのために、前記発光部22Aには、発光素子が含まれているモジュール内の温度を前記制御信号に基づいて制御する温度制御手段が備えられている。
図8に示した温度と波長との関係を示す図は、DWPRインタロゲータに光源として用いている2つのDFB LDのTEC(Thermo-Electric Control)温度と出力波長の関係を実験的に求めたものである。各LDMの出力波長公称値は、それぞれ1,540.56nmと1,542.94nmである。
図8によれば、両LDMの波長温度勾配はほぼ同等の75.5および77.2pm/℃であるから、設定可能な温度範囲を±30℃とすれば、LD波長を約2.3nmの幅で制御できる。
一方BOFとFBGの温度によるスペクトルシフトはどちらも約10pm/℃であるから、上記の波長可変幅で±230℃範囲の温度計測が可能ということで、実用的にはまず十分である。
In the first embodiment, the wavelength of the light emitting element is controlled by the control signal so that the spectral shift in the optical sensor unit is compensated.
Control of the wavelength of the light emitting element can be realized by controlling the temperature in the module including the light emitting element. For this purpose, the light emitting unit 22A is provided with temperature control means for controlling the temperature in the module including the light emitting element based on the control signal.
The graph showing the relationship between temperature and wavelength shown in Fig. 8 is an experimental calculation of the relationship between the TEC (Thermo-Electric Control) temperature and output wavelength of two DFB LDs used as light sources in the DWPR interrogator. is there. The nominal output wavelength of each LDM is 1,540.56 nm and 1,542.94 nm, respectively.
According to FIG. 8, the wavelength temperature gradients of both LDMs are approximately equal to 75.5 and 77.2 pm / ° C. Therefore, if the settable temperature range is ± 30 ° C., the LD wavelength can be controlled with a width of about 2.3 nm. .
On the other hand, since the spectral shift due to the temperatures of BOF and FBG is both about 10 pm / ° C., it is practically sufficient that the temperature can be measured in the range of ± 230 ° C. with the above-mentioned wavelength variable width.

以上の構成において、図4(B)に示したように、光センサ部3Aからの反射光のスペクトルが、与えられた物理量によって、例えば実線の状態から破線の状態にシフトすると、2つの波長λ1,λ2に対する反射率r1,r2が増減(例えば、一方の波長λ1における反射率r1が増加すると、他方の波長λ2における反射率r2が減少)して相補的に変化する。そして、スペクトル特性のボトム波長λ0を挟む2波長λ1,λ2における反射率r1,r2の比対数ζ(2波長反射率比)を求める。
前記比対数ζの直流成分を、制御信号として前記発光部21に入力することによって2波長の参照光の波長を変化させ、図4(C)に示したように、ボトム波長λ0において2つの波長に対する2波長反射率比ζの直流成分が常に0となるように制御する。
なお、このような制御は、前記受光部22Aにて得られた前記処理信号の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部2Aを負帰還制御する制御と言える。
前記比対数ζはスペクトルシフトと一義的に対応するから、これにより、温度や圧力等のように時間的に緩やかな変化をなす物理量と、振動による加速度や歪の変化などのように、温度や圧力等に比較して変化が速い物理量の両方を同時に計測することができる。
In the above configuration, as shown in FIG. 4B, when the spectrum of the reflected light from the optical sensor unit 3A is shifted from, for example, a solid line state to a broken line state by the given physical quantity, two wavelengths λ1 , Λ2, and the reflectances r1 and r2 increase and decrease (for example, when the reflectance r1 at one wavelength λ1 increases, the reflectance r2 at the other wavelength λ2 decreases) and change complementarily. Then, the ratio logarithm ζ (two-wavelength reflectance ratio) of the reflectances r1 and r2 at two wavelengths λ1 and λ2 sandwiching the bottom wavelength λ0 of the spectral characteristics is obtained.
By inputting the direct current component of the specific logarithm ζ to the light emitting unit 21 as a control signal, the wavelength of the reference light of two wavelengths is changed, and as shown in FIG. Is controlled so that the direct current component of the two-wavelength reflectance ratio ζ is always zero.
Such control can be said to be control for negative feedback control of the light processing unit 2A so that a specific parameter of the processing signal obtained by the light receiving unit 22A is constant.
Since the specific logarithm ζ uniquely corresponds to a spectral shift, a physical quantity that gradually changes with time such as temperature and pressure, and a change in temperature and pressure such as acceleration and distortion due to vibration. It is possible to simultaneously measure both physical quantities that change more rapidly than pressure.

前記信号処理部4Aでは、前記制御信号生成手段41によって2波長反射率比の低域ろ波処理や平均化処理を行って前記直流成分を抽出し、前記計測信号分離手段42によって高域ろ波処理や2波長反射率比から前記直流成分を差し引く処理等して交流成分を抽出する。
前記直流成分をもって直流的物理量に対応させ、交流成分を交流的物理量に対応させ、温度や圧力等のように時間的に緩やかな変化をなす物理量と、振動による加速度や歪の変化などのように、温度や圧力等に比較して変化が速い物理量の両方を同時に計測することができる。
In the signal processing unit 4A, the control signal generating unit 41 performs low-pass filtering processing and averaging processing of a two-wavelength reflectance ratio to extract the DC component, and the measurement signal separating unit 42 performs high-pass filtering. The AC component is extracted by processing or subtracting the DC component from the two-wavelength reflectance ratio.
The DC component is made to correspond to a DC physical quantity, the AC component is made to correspond to an AC physical quantity, a physical quantity that changes gradually over time, such as temperature and pressure, and a change in acceleration and strain due to vibration. Both physical quantities that change more rapidly than temperature, pressure, etc. can be measured simultaneously.

図3は、光センサ部にFBGを用いた光センシングシステム1Bのブロック図、図5はその動作説明図である。
この光センシングシステム1Bは、光処理部2Bと、光センサ部3Bと、信号処理部4Bとを備えている。
前記光処理部2Bは、異なる波長の2つの参照光を第1のサーキュレータ51Bを介して光ファイバ5Bへ出力する発光部21Bと、前記第1のサーキュレータ51Bにて取り出された反射光を受光する受光部22Bを備えている。
前記光センサ部3Bは、前記発光部21Bから出射される参照光が光ファイバ5Bを経由して供給され、前記光ファイバ5Bに戻される反射スペクトルを与えられた物理量に応じて変化させるように構成されたFBG等の光反射型センサである。
FIG. 3 is a block diagram of an optical sensing system 1B using FBG for the optical sensor unit, and FIG.
The optical sensing system 1B includes an optical processing unit 2B, an optical sensor unit 3B, and a signal processing unit 4B.
The light processing unit 2B receives two reference lights having different wavelengths to the optical fiber 5B via the first circulator 51B and the reflected light extracted by the first circulator 51B. A light receiving unit 22B is provided.
The optical sensor unit 3B is configured so that the reference light emitted from the light emitting unit 21B is supplied via the optical fiber 5B, and the reflection spectrum returned to the optical fiber 5B is changed according to a given physical quantity. This is a light reflection type sensor such as an FBG.

前記発光部21Bは、例えば、広帯域の発光スペクトルを持つSLD(Super Luminescent Diode)が用いられている。
前記受光部22Bは、
第2のサーキュレータ23B、傾斜フィルタ24B、ダミーファイバ25B(図5(A)参照。)カプラ26B、および受光素子を備えている。
なお、前記傾斜フィルタ24Bを含んだフィルタモジュールには、前記傾斜フィルタ24Bの温度を前記制御信号に基づいて制御する温度制御手段が備えられている。
光センサ部3Bからの反射光は、前記第1のサーキュレータ51Bにて取り出され、さらに前記第2のサーキュレータ23Bによって前記傾斜フィルタ24Bへ導入され、前記傾斜フィルタ24Bの反射光は前記第2のサーキュレータ23Bによって前記ダミーファイバ25B側へ導入される。
For example, an SLD (Super Luminescent Diode) having a broadband emission spectrum is used for the light emitting unit 21B.
The light receiving unit 22B
A second circulator 23B, a gradient filter 24B, a dummy fiber 25B (see FIG. 5A) coupler 26B, and a light receiving element are provided.
The filter module including the gradient filter 24B is provided with temperature control means for controlling the temperature of the gradient filter 24B based on the control signal.
The reflected light from the optical sensor unit 3B is taken out by the first circulator 51B and further introduced into the inclined filter 24B by the second circulator 23B, and the reflected light from the inclined filter 24B is reflected by the second circulator. 23B is introduced to the dummy fiber 25B side.

前記カプラ26Bは、前記前記傾斜フィルタ24Bの透過光と、前記ダミーファイバ25Bにて光路差が与えられた反射光とを合流させて、前記受光素子へ導入するように構成されている。前記透過光と前記反射光には前記ダミーファイバ25Bによって時間差が与えられているので、前記受光素子においては、時間領域において両光のレベルを分離検出することができる。
前記傾斜フィルタ24Bを含んだフィルタモジュールの温度を、前記制御信号によって制御することによって、前記傾斜フルタ24Bのスペクトル波長位置が制御されるように構成されている。
The coupler 26B is configured to combine the light transmitted through the inclined filter 24B and the reflected light having an optical path difference given by the dummy fiber 25B, and introduce it to the light receiving element. Since the transmitted light and the reflected light are given a time difference by the dummy fiber 25B, the light receiving element can separately detect the levels of both lights in the time domain.
The spectral wavelength position of the inclined filter 24B is controlled by controlling the temperature of the filter module including the inclined filter 24B by the control signal.

前記信号処理部4Bは、時間領域において分離検出された前記両光の比対数ζを求めて処理信号として出力するとともに、
前記比対数ζの直流成分が常に零となるように、前記受光部22Bの前記傾斜フィルタ24Bを含んだフィルタモジュールの温度を制御するために、前記直流成分を前記制御信号として出力する低域ろ波部41Bを備えている。
前記光センサ部3Bに印加された物理量によって、例えば、反射光のスペクトルのピーク波長λ0が図5(B)に示したように波長の短い方へシフトした場合、実線で示した透過特性と破線で示した反射特性によって、前記傾斜フルタ24Bの透過光のレベルは増加し、反射光のレベルは減少する(このようなレベルの変化を「レベルの相補的なシフト」という。)。
前記制御信号によって、前記フィルタモジュールの温度を制御し、前記傾斜フィルタ24Bの動作点を図5(B)の波長軸上でシフトさせて、前記比対数ζの直流成分が常に零となるように制御するのである。(図5(C)参照。)
なお、このような制御は、前記受光部22Bにて得られた前記処理信号の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部2Bを負帰還制御する制御と言える。
The signal processing unit 4B obtains a specific logarithm ζ of both the lights separated and detected in the time domain and outputs it as a processing signal,
A low-pass filter that outputs the DC component as the control signal in order to control the temperature of the filter module including the gradient filter 24B of the light receiving unit 22B so that the DC component of the specific logarithm ζ is always zero. A wave portion 41B is provided.
Depending on the physical quantity applied to the optical sensor unit 3B, for example, when the peak wavelength λ0 of the spectrum of the reflected light is shifted toward the shorter wavelength as shown in FIG. 5B, the transmission characteristic indicated by the solid line and the broken line The level of transmitted light of the inclined filter 24B increases and the level of reflected light decreases (the change in level is referred to as “complementary level shift”).
The temperature of the filter module is controlled by the control signal, and the operating point of the gradient filter 24B is shifted on the wavelength axis of FIG. 5B so that the direct current component of the specific logarithm ζ is always zero. To control. (See FIG. 5C.)
Such control can be said to be control for negative feedback control of the light processing unit 2B so that a specific parameter of the processing signal obtained by the light receiving unit 22B is constant.

なお、前記低域ろ波部41Bには、所定の初期値が設定される。前記直流成分は、前記直流的物理量に対応した計測信号として出力される。
また、前記比対数ζの交流成分を前記交流的物理量に対応した計測信号として出力する高域ろ波部42Bを備えている。
前記受光素子は、1つの受光素子で、前記透過光と前記反射光をカプラでまとめて受光するが、時間差が与えられているので、時間領域において両光のレベルを分離検出することができる。
A predetermined initial value is set in the low-pass filtering unit 41B. The DC component is output as a measurement signal corresponding to the DC physical quantity.
In addition, a high-pass filtering unit 42B that outputs an AC component of the specific logarithm ζ as a measurement signal corresponding to the AC physical quantity is provided.
The light receiving element is a single light receiving element, and the transmitted light and the reflected light are collectively received by a coupler. However, since a time difference is given, the levels of both lights can be separately detected in the time domain.

本発明に係る光センシングシステムを用いた光センシング方法では、
図9に示したように、
光センサ部に与えられる物理量によって、観測される2波長反射率比ζのスペクトルが波長軸上でシフトしようとした場合、2波長における反射率が等しくなるように、換言すれば、2波長反射率比ζの直流成分が常に0(dB)となるように、光源の波長を制御信号によって自動制御することで、直流的な動作点を最適点に固定する。このときの前記制御信号には、光センサ部に与えられる物理量の情報が含まれることになる。
したがって、前記制御信号を信号処理することによって、光センサ部に与えられる物理量を再現することが可能となるのである。
前記物理量が複数の異なる要素を含んだものである場合には、前述した場合と同様に、2波長反射率比の直流成分から変化の遅い物理量の情報を得て、2波長反射率比の交流成分から変化の速い物理量の情報を得ることができる。
このようにして、光センサ部における反射波のスペクトルのシフトを補償する制御信号を生成することによって、光センサ部を最適点で作動させることができる。また、前記制御信号を処理することによって、光センサ部に加えられた物理量の情報を得ることができるのである。
In the optical sensing method using the optical sensing system according to the present invention,
As shown in FIG.
When the spectrum of the observed two-wavelength reflectance ratio ζ is shifted on the wavelength axis due to the physical quantity given to the optical sensor unit, the reflectance at the two wavelengths is equal, in other words, the two-wavelength reflectance. By automatically controlling the wavelength of the light source with a control signal so that the DC component of the ratio ζ is always 0 (dB), the DC operating point is fixed at the optimum point. The control signal at this time includes physical quantity information given to the optical sensor unit.
Therefore, it is possible to reproduce the physical quantity given to the optical sensor unit by processing the control signal.
When the physical quantity includes a plurality of different elements, as in the case described above, information on the physical quantity that changes slowly is obtained from the direct current component of the two-wavelength reflectance ratio, and the alternating current of the two-wavelength reflectance ratio is obtained. It is possible to obtain information on physical quantities that change quickly from the components.
Thus, by generating a control signal that compensates for the shift in the spectrum of the reflected wave in the optical sensor unit, the optical sensor unit can be operated at an optimum point. In addition, by processing the control signal, information on the physical quantity added to the optical sensor unit can be obtained.

1、1A、1B 光センシングシステム
10 インタロゲータ
2、2A、2B 光処理部
21、21A、21B 発光部
22、22A、22B 受光部
24B 傾斜フィルタ
25B ダミーファイバ
3、3A、3B 光センサ部
4、4A、4B 信号処理部
41、41A、41B 制御部
42、42A、42B 処理部
5、5A、5B 光ファイバ
1, 1A, 1B Optical sensing system 10 Interrogator 2, 2A, 2B Light processing unit 21, 21A, 21B Light emitting unit 22, 22A, 22B Light receiving unit 24B Tilting filter 25B Dummy fiber 3, 3A, 3B Optical sensor unit 4, 4A, 4B Signal processing unit 41, 41A, 41B Control unit 42, 42A, 42B Processing unit 5, 5A, 5B Optical fiber

Claims (9)

参照光を出力する発光部および光センサ部からの反射光を受光する受光部を備えた光処理部と、計測すべき物理量に応じて反射スペクトルをシフトさせる前記光センサ部と、前記反射スペクトルに基づいて処理信号を出力する信号処理部とからなる光センシングシステムにおいて、
前記信号処理部は、
前記処理信号の内の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部を負帰還制御する制御信号、および前記処理信号に基づいて前記物理量に対応した計測信号を出力するように構成されていることを特徴とする光零位法による光センシングシステム。
A light processing unit including a light emitting unit that outputs reference light and a light receiving unit that receives reflected light from the optical sensor unit, the optical sensor unit that shifts a reflection spectrum according to a physical quantity to be measured, and the reflection spectrum In an optical sensing system comprising a signal processing unit that outputs a processing signal based on
The signal processing unit
A control signal for performing negative feedback control of the optical processing unit and a measurement signal corresponding to the physical quantity are output based on the processing signal so that a specific parameter in the processing signal is constant. An optical sensing system based on the optical null method.
前記光処理部の前記発光部は、
異なる波長の2つの参照光を出力するように構成され、
前記光センサ部は、
帯域通過型で、前記2つの参照光に対する反射レベルが印加された物理量に応じて相補的にシフトするように構成され、
前記信号処理部は、
前記センサ部の基準状態における前記反射スペクトルの中心波長を挟んだ前記2つの参照光に対応する反射率の比対数を前記計測信号として出力とするとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記光処理部の2つの参照光の波長を平行的に移動させる信号を前記制御信号として出力することを特徴とする請求項1に記載の光零位法による光センシングシステム。
The light emitting unit of the light processing unit is
Configured to output two reference beams of different wavelengths,
The optical sensor unit is
The band-pass type is configured such that the reflection level with respect to the two reference lights is complementarily shifted according to the applied physical quantity,
The signal processing unit
A ratio logarithm of reflectance corresponding to the two reference lights sandwiching the center wavelength of the reflection spectrum in the standard state of the sensor unit is output as the measurement signal, and
2. The optical zero according to claim 1, wherein a signal that moves the wavelengths of the two reference lights of the optical processing unit in parallel so that the direct current component of the specific logarithm is always zero is output as the control signal. Optical sensing system based on the position method.
前記光処理部の前記受光部は、
光センサ部からの反射光を傾斜フィルタに導入したときにレベルが相補的にシフトする透過光と反射光に光路差を与えて合流受光し、時間領域において両光のレベルを分離検出するように構成され、
前記傾斜フィルタは、
前記制御信号によってスペクトル波長位置が制御されるように構成され、
前記信号処理部は、
時間領域において前記両光の比対数を求めて前記計測信号として出力するとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記傾斜フィルタの特性を制御する信号を前記制御信号として出力するように構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の光零位法による光センシングシステム。
The light receiving unit of the light processing unit is
When the reflected light from the optical sensor section is introduced into the inclined filter, the transmitted light and the reflected light whose levels are shifted in a complementary manner are given an optical path difference to be merged and received, and the levels of both lights are separated and detected in the time domain. Configured,
The gradient filter is
The spectral wavelength position is controlled by the control signal,
The signal processing unit
While obtaining the specific logarithm of the both lights in the time domain and outputting as the measurement signal,
2. The optical null method according to claim 1, wherein a signal for controlling the characteristics of the gradient filter is output as the control signal so that the direct current component of the logarithm is always zero. Optical sensing system.
前記信号処理部は、
前記2波長の反射率の比対数から前記直流成分を抽出して変化の遅い物理量に対応した計測信号とし、
前記2波長の反射率の比対数から交流成分を抽出して変化の速い物理量に対応した計測信号として出力するように構成され、
前記光センサ部に加えられた変化の遅い物理量と、変化の速い物理量とを分離して計測可能としたことを特徴とする請求項2または3の何れか1項に記載の光零位法による光センシングシステム。
The signal processing unit
Extracting the direct current component from the logarithm of the reflectance of the two wavelengths to obtain a measurement signal corresponding to a slow changing physical quantity,
An AC component is extracted from the specific logarithm of the reflectance of the two wavelengths and is configured to output as a measurement signal corresponding to a fast changing physical quantity,
4. The optical null method according to claim 2, wherein a slow-change physical quantity and a fast-change physical quantity applied to the optical sensor unit can be separated and measured. 5. Optical sensing system.
参照光を出力する発光部および反射光を受光する受光部を備えた光処理部と、
前記発光部から出射される参照光が光ファイバを経由して供給され、前記光ファイバに戻される反射スペクトルを、与えられた物理量に応じて変化させる光センサ部と、
を備えた光センシングシステムを用いた光センシング方法であって、
前記反射スペクトルの変化を制御する制御信号を生成して前記光処理部に出力することによって、前記反射スペクトルに含まれる特定のパラメータが常に零になるように制御するとともに、前記制御信号を信号処理することによって前記物理量に対応した計測信号として出力することを特徴とする光センシング方法。
A light processing unit including a light emitting unit for outputting reference light and a light receiving unit for receiving reflected light;
A reference light emitted from the light emitting unit is supplied via an optical fiber, and a light sensor unit that changes a reflection spectrum returned to the optical fiber in accordance with a given physical quantity;
An optical sensing method using an optical sensing system comprising:
A control signal for controlling the change in the reflection spectrum is generated and output to the optical processing unit, so that a specific parameter included in the reflection spectrum is controlled to be always zero, and the control signal is signal-processed. And outputting as a measurement signal corresponding to the physical quantity.
請求項1に記載の光センシングシステムに用いるインタロゲータであって、
参照光を出力する発光部と光センサ部からの反射光を受光する受光部とを備えた光処理部と、前記光処理部から得られる反射スペクトルに基づいて処理信号を出力する信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、
前記処理信号の内の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部を負帰還制御する制御信号と、前記処理信号に基づいて前記物理量に対応した計測信号を出力するように構成されていることを特徴とするインタロゲータ。
An interrogator used in the optical sensing system according to claim 1,
A light processing unit including a light emitting unit for outputting reference light and a light receiving unit for receiving reflected light from the optical sensor unit; and a signal processing unit for outputting a processing signal based on a reflection spectrum obtained from the light processing unit; With
The signal processing unit
A control signal for performing negative feedback control of the optical processing unit so that a specific parameter in the processing signal is constant, and a measurement signal corresponding to the physical quantity based on the processing signal are output. Interrogator characterized by that.
前記光処理部の前記発光部は、
異なる波長の2つの参照光を出力するように構成され、
前記信号処理部は、
前記センサ部の基準状態における前記反射スペクトルの中心波長を挟んだ前記2つの参照光に対応する反射率の比対数を前記計測信号として出力とするとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記光処理部の2つの参照光の波長を平行的に移動させる信号を前記制御信号として出力することを特徴とする請求項6に記載のインタロゲータ。
The light emitting unit of the light processing unit is
Configured to output two reference beams of different wavelengths,
The signal processing unit
A ratio logarithm of reflectance corresponding to the two reference lights sandwiching the center wavelength of the reflection spectrum in the standard state of the sensor unit is output as the measurement signal, and
7. The interrogator according to claim 6, wherein a signal that moves the wavelengths of the two reference lights of the light processing unit in parallel so that the DC component of the logarithm is always zero is output as the control signal.
前記光処理部の前記受光部は、
光センサ部からの反射光を傾斜フィルタに導入したときの透過光と反射光に光路差を与えて合流受光し、時間領域において両光のレベルを分離検出するように構成され、
前記傾斜フィルタは、
前記制御信号によってスペクトル波長位置が制御されるように構成され、
前記信号処理部は、
時間領域において前記両光の比対数を求めて前記計測信号として出力するとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記傾斜フィルタの特性を制御する信号を前記制御信号として出力するように構成されている
ことを特徴とする請求項6に記載のインタロゲータ。
The light receiving unit of the light processing unit is
The reflected light from the optical sensor unit is configured to receive and merge by receiving an optical path difference between the transmitted light and the reflected light when introduced into the inclined filter, and separately detect the levels of both lights in the time domain,
The gradient filter is
The spectral wavelength position is controlled by the control signal,
The signal processing unit
While obtaining the specific logarithm of the both lights in the time domain and outputting as the measurement signal,
7. The interrogator according to claim 6, wherein a signal for controlling the characteristics of the gradient filter is output as the control signal so that the DC component of the specific logarithm is always zero.
前記信号処理部は、
前記2波長の反射率の比対数から前記直流成分を抽出して変化の遅い物理量に対応した計測信号とし、
前記2波長の反射率の比対数から交流成分を抽出して変化の速い物理量に対応した計測信号として出力するように構成され、
前記光センサ部に加えられた変化の遅い物理量と、変化の速い物理量とを分離して計測可能としたことを特徴とする請求項7または8の何れか1項に記載のインタロゲータ。
The signal processing unit
Extracting the direct current component from the logarithm of the reflectance of the two wavelengths to obtain a measurement signal corresponding to a slow changing physical quantity,
An AC component is extracted from the specific logarithm of the reflectance of the two wavelengths and is configured to output as a measurement signal corresponding to a fast changing physical quantity,
9. The interrogator according to claim 7, wherein a physical quantity that changes slowly and a physical quantity that changes quickly can be measured separately.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016031290A (en) * 2014-07-29 2016-03-07 東京エレクトロン株式会社 Optical temperature sensor and method for controlling optical temperature sensor

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