JP2015194433A - 温度測定装置及び温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物の温度を光コムを使用して正確に測定することができる温度測定装置及び温度測定方法を提供する。【解決手段】温度測定装置１０は、光コムを出射する光周波数コム光源２０と、光コムを参照光３５と測定光３６とに分割する光分割部２２と、温度変化により伸縮し、測定対象物に接触するように配置されるセンサ用光ファイバケーブル３０を有するセンサ部１１と、光分割部２２にて分割された参照光３５ａと、センサ部のセンサ用光ファイバケーブルを経由した測定光３６ａとの光干渉信号５０を検出する光検出部２６と、光検出部２６の検出結果に基づき、伸縮したセンサ用光ファイバケーブル３０の長さを取得するセンサ長取得部２７と、センサ長取得部２７が取得する伸縮したセンサ用光ファイバケーブル３０の長さに基づいて、測定対象物の温度を算出する温度算出部３２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物の温度を測定する技術に関し、特に光ファイバケーブルを利用した温度測定に関する。

従来より、光ファイバーケーブルを使用して測定対象物の温度を測定する方法が考えられてきた。例えば、特許文献１には、光ファイバーケーブルにおける戻り光であるレイリー散乱光を応用して、測定対象物の温度を測定する技術が記載されている。また、特許文献２には、屈折率の高い部分と低い部分とが周期的に形成された回折格子をコア部に有する光ファイバーケーブルを使用して、測定対象物の温度を測定する技術が記載されている。

さらに、近年、周波数領域において周波数が等間隔になっている周波数成分からなる光である光コムを計測に使用する技術が考えられている。例えば、特許文献３には、光コムを使用して距離を測定する技術が記載されている。

特開２００９−０４２００５号公報 特開２０１２−０８８１５５号公報 特開２０１３−１７８１６９号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された技術では、レイリー散乱光のデータを蓄積する手段を温度測定装置に設けることが必要となる。また、特許文献２に記載された技術では、屈折率の高い部分と低い部分とが周期的に形成された回折格子をコア部に有する光ファイバーケーブルを使用しなければならない。さらに、特許文献１及び２に記載された技術は、特許文献３に記載された光コムに関する技術を応用することが考慮されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、光コムを使用して測定対象物の温度を正確に測定することができる温度測定装置及び温度測定方法を提供を目的とする。

本発明の一の態様である温度測定装置は、測定対象物の温度を測定する温度測定装置であって、等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光である光コムを出射する光周波数コム光源と、光周波数コム光源から出射された光を参照光と測定光とに分割する光分割部と、光分割部にて分割された測定光を通すセンサ用光ファイバケーブルであって、温度変化により伸縮し、測定対象物に接触するように配置されるセンサ用光ファイバケーブルを有するセンサ部と、光分割部にて分割された参照光と、センサ部のセンサ用光ファイバケーブルを経由した測定光との光干渉信号を検出する光検出部と、光検出部の検出結果に基づき、伸縮したセンサ用光ファイバケーブルの長さを取得するセンサ長取得部と、センサ長取得部が取得する伸縮したセンサ用光ファイバケーブルの長さに基づいて、測定対象物の温度を算出する温度算出部と、を備える。

本態様によれば、光周波数コム光源から出射された光（光コム）を使用して、センサ用光ファイバケーブルの伸縮した長さを測定することにより測定対象物の温度を測定する。これにより、本態様は、光コムに含まれる複数の周波数の光波によりセンサ用光ファイバケーブルの長さを正確に測定することができ、正確な温度測定をすることができる。

望ましくは、センサ部は、長さが異なる複数のセンサ用光ファイバケーブルを有し、複数のセンサ用光ファイバケーブルの各々は光スイッチに接続され、光スイッチにより選択されたセンサ用光ファイバケーブルに測定光が通る。

本態様によれば、センサ部は長さが異なる複数のセンサ用光ファイバケーブルを有し、光スイッチにより、測定対象物の長さに応じてセンサ用光ファイバケーブルが選択される。これにより、本態様は、測定対象物の長さに応じてセンサ用光ファイバケーブルを選択して温度測定を行うことができる。

望ましくは、光周波数コム光源と光分割部との間には、光コムの周波数間隔をｍ（ｍは任意の整数）倍するエタロンが設けられている。

本態様によれば、温度測定に使用する光コムの周波数間隔をエタロンにより適宜調整を行うことができる。これにより、様々な周波数の間隔で測定でき、測定ピッチを細分化でき、より正確に温度測定できるという効果を奏する。

望ましくは、測定対象物は、固体又は液体である。

望ましくは、温度測定装置は、参照光の光路の長さを調整する光路長調整部を備え、参照光の光路は、光路長調整部により、センサ長取得部が取得したセンサ用光ファイバケーブルの長さに基づいて、調整される。

本態様によれば、光コムを使用して、センサ用光ファイバケーブルの長さに応じて、参照光の光路の長さを調整することができる。これにより、本態様は、参照光の光路の長さを調整することができ、より正確な温度測定を行うことができる。

望ましくは、温度算出部は、測定対象物の平均温度を算出する。

本態様によれば、温度算出部により、測定対象物の平均温度を算出する。これにより、本態様は、センサ用光ファイバケーブルが配された部分の平均温度を正確に求めることができる。

望ましくは、センサ部のセンサ用光ファイバケーブルは、測定対象物の内部に設けられている。

本態様によれば、センサ用光ファイバケーブルがより大きい表面積で測定対象物と接するので、測定対象物の温度をより精度良く測定することができる。

望ましくは、センサ部のセンサ用光ファイバケーブルは、測定対象物に接する部分以外は被覆されている。

本態様によれば、測定対象物に接している部分以外のセンサ用光ファイバケーブルが被覆されているため、センサ用光ファイバケーブルに対する測定対象物以外の温度の影響が少なくなり、測定対象物の温度をより精度良く測定することができる。

本発明の他の態様である温度測定方法は、測定対象物の温度を測定する温度測定方法であって、等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光である光コムを出射する光コム出射ステップと、光コム出射ステップで出射された光を参照光と測定光とに分割する光分割ステップと、光分割ステップにて分割された測定光を通すセンサ用光ファイバケーブルであって、温度変化により伸縮し、測定対象物に接触するように配置されるセンサ用光ファイバケーブルにより測定対象物の温度を感知する感知ステップと、光分割ステップにて分割された参照光と、センサ用光ファイバケーブルを経由した測定光との光干渉信号を検出する光検出ステップと、光検出ステップの検出結果に基づき、伸縮したセンサ用光ファイバケーブルの長さを取得するセンサ長取得ステップと、センサ長取得ステップで取得する伸縮したセンサ用光ファイバケーブルの長さに基づいて、測定対象物の温度を算出する温度算出ステップと、を含む。

本発明によれば、センサ用光ファイバケーブルを測定対象物に接触させ、測定対象物の温度に応じて伸縮したセンサ用光ファイバケーブルの長さを光コムにより測定し、その測定結果に基づいて測定対象物の温度を測定するので、測定対象物の正確な温度を測定することができる。

温度測定装置の構成を示す概略図である。 光ファイバケーブルの断面図である。 測定対象物の温度分布に関して説明する概念図である。 センサ用光ファイバケーブルの配置の例を示す図である。 温度測定装置の温度測定の流れを示したフロー図である。 温度測定装置の変形例の構成を示す概略図である。 光スイッチ及びセンサ用光ファイバケーブルの拡大図である。 温度測定装置の変形例の構成を示す概略図である。 光ファイバケーブルの設置に関して説明する図である。 センサ用光ファイバケーブルの設置の例を示す概念図である。 センサ用光ファイバケーブルの設置の例を示す概念図である。 センサ用光ファイバケーブルの設置の例を示す概念図である。

以下、添付図面に従って本発明にかかる温度測定装置及び温度測定方法の実施の形態について説明する。

＜温度測定装置の構成＞
図１は、温度測定装置１０の構成を示す概略図である。温度測定装置１０は、主に光周波数コム光源２０、スプリッタ（光分割部）２２、第１光路２３、第２光路２４、センサ部１１、ミキサ２５、光検出部２６、センサ長取得部２７、温度算出部３２、これら各部を接続する光路用光ファイバケーブル２８（図中の二重線で表示）、及び光路用光ファイバケーブル２８どうしを接続するコネクタ２９を備えている。また、図１では、温度測定装置１０は、固体の測定対象物１００を測定している。なお、測定対象物１００は、固体及び液体である。測定対象物１００が固体の場合は、例えば、測定対象物１００は上板である。また、測定対象物１００のサイズは、大小様々なものを採用することができる。

光周波数コム光源２０は、温度測定に使用する光コム（光周波数コムともいう）３１を出射する。光コム３１は、周波数領域において周波数が等間隔に並んだ周波数成分を有する光である。この光周波数コム光源２０としては、例えば、フェムト秒モード同期ファイバレーザでは、エリビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）で形成されたリング共振器をレーザダイオードで駆動する構成のレーザ発振器などを用いることができる。なお、光周波数コム光源２０は、少なくとも温度測定時には光コム３１を常時出射する。光周波数コム光源２０から出射された光コム３１は、光路用光ファイバケーブル２８を介してスプリッタ２２に入力される。

スプリッタ２２は、第１光路２３及び第２光路２４に接続している。スプリッタ２２は、入力された光コム３１を参照光３５と測定光３６とに分割して、参照光３５を第１光路２３に出力するとともに、測定光３６を第２光路２４に出力する。なお、スプリッタ２２は、参照光３５と測定光３６との割合が例えば５：９５となるように光コム３１を分割する。

第１光路２３には、第１コリメータ３８、音響光学変調部（ＡＯＭ）３４、第１プリズムリフレクタ３９、第２プリズムリフレクタ４０、走査ステージ４１、及び第２コリメータ４２が設けられている。

第１コリメータ３８は、スプリッタ２２から入力される参照光３５を平行光として音響光学変調部３４に向けて出射する。

音響光学変調部３４は、第１コリメータ３８と第１プリズムリフレクタ３９との間に配置されている。音響光学変調部３４は、入力された光の周波数を変更することができる（周波数シフタ）。図１に示した場合には、音響光学変調部３４は、第１コリメータ３８から入力される参照光３５の周波数を適宜変更して、第１プリズムリフレクタ３９へ出射する。音響光学変調部３４で参照光３５の周波数を適宜変更することにより、周波数が変調された参照光３５ａとセンサ用光ファイバケーブル３０を通過した測定光３６ａとの間に周波数差が生じ、両者を干渉させることで周波数差に応じたビート信号５０ａが得られる。

第１プリズムリフレクタ３９は、音響光学変調部３４から入力された参照光３５ａを第２プリズムリフレクタ４０に向けて反射するとともに、この第２プリズムリフレクタ４０から入射する参照光３５ａを第２コリメータ４２に向けて反射する。

第２プリズムリフレクタ４０は、第１プリズムリフレクタ３９により反射された参照光３５ａの光路上に配置されている。この第２プリズムリフレクタ４０は、第１プリズムリフレクタ３９から入射した参照光３５ａを再び第１プリズムリフレクタ３９に向けて反射する。

走査ステージ４１は、第２プリズムリフレクタ４０に取り付けられている。この走査ステージ４１は、第１プリズムリフレクタ３９により反射された参照光３５ａの光路に平行な方向に沿って第２プリズムリフレクタ４０を往復動させる。例えば、走査ステージ４１は、第２プリズムリフレクタ４０を数ｍｍ〜数ｃｍのストロークで往復動させる。これにより、後述する参照光３５ａと測定光３６ａとの光干渉信号５０の振幅を時間的に変動させることができる。時間的に変動する光干渉信号５０の測定データを積算することで、測定データの精度を高めることができる。なお、走査ステージ４１の代わりに、例えばＰＺＴステージ（電圧アクチュエータ）を用いてもよい。

第２コリメータ４２は、第１プリズムリフレクタ３９から入射する参照光３５ａを集光して光路用光ファイバケーブル２８に出力する。

光路長調整部３７は、第２コリメータ４２とミキサ２５との間に、コネクタ２９を介して配置されている。光路長調整部３７は、第１光路２３の長さの調整を行う。光路長調整部３７は、光ファイバケーブルで構成されており、第１光路２３の長さを調整する。

第２光路２４には、コネクタ２９を介してセンサ部１１が設けられている。センサ部１１を通過した測定光３６は、ミキサ２５へ向けて出射される。

センサ部１１は、センサ用光ファイバケーブル３０を有し、センサ用光ファイバケーブル３０が温度により伸縮した長さにより、測定対象物１００の温度を感知する。センサ用光ファイバケーブル３０は、コネクタ２９を介して光路用光ファイバケーブル２８に接続されている。センサ用光ファイバケーブル３０の入射部４６は、測定光３６がセンサ用光ファイバケーブル３０に入射する箇所であり、センサ用光ファイバケーブル３０の出射部４８は、センサ用光ファイバケーブル３０を通った測定光３６が光路用光ファイバケーブル２８に戻る箇所である。

図２は、光路用光ファイバケーブル２８及びセンサ用光ファイバケーブル３０の断面図である。図２（Ａ）は、光路用光ファイバケーブル２８の内部を参照光３５又は測定光３６が進む様子を示している。光路用光ファイバケーブル２８は、コア部６０、クラッド部６２、及び被覆部６４を有する。図２（Ｂ）は、センサ用光ファイバケーブル３０の内部を測定光３６が進む様子を示している。図２（Ｂ）に示したセンサ用光ファイバケーブル３０は、コア部６０、及びクラッド部６２を有しており、被覆部６４は有していない。これは、センサ用光ファイバケーブル３０は、接している測定対象物１００の温度を感度よく感知するためである。

すなわち、センサ用光ファイバケーブル３０は、被覆部６４を介さずに、温度の測定対象物１００に接触するため、測定対象物１００の温度を感度よく感知することができる。なお、センサ用光ファイバケーブル３０は、測定対象物１００と接触しない部分では被覆部６４を有していてもよい。また、光路用光ファイバケーブル２８とセンサ用光ファイバケーブル３０は、一般に製造される光ファイバケーブルを使用することができる。例えば、コア部６０の材料として、完全フッ化ポリマー、ポリメタクリル酸メチル系、及びポリカーボネート等を使用する光ファイバケーブルを使用することが可能である。また、例えば、クラッド部６２の材料として、低屈折率をもつフッ素系ポリマーを使用する光ファイバケーブルを使用することが可能である。

図３は、温度分布を有する測定対象物１００に関して説明する概念図である。図３（Ａ）は、測定対象物１００が異なる温度を有するパッチ（符号１０２及び符号１０４）を有することを示す。パッチ１０２の温度は符号１０６の領域よりも高く、パッチ１０４の温度は符号１０６の領域よりも低い。図３（Ａ）に示すように、一般に測定対象物１００（固体又は液体）の温度は、コヒーレントのパッチとして分布している。図３（Ｂ）では、図３（Ａ）で示した温度分布を有する測定対象物１００の温度を本発明の温度測定装置１０で測定することを示している。温度分布を有する測定対象物１００にセンサ用光ファイバケーブル３０が接触するように設けられることにより、温度分布を考慮した測定対象物１００の温度を求めることができる。この場合に求められる測定対象物１００の温度は、測定対象物１００の代表温度又は平均温度である。

図１に戻って、センサ用光ファイバケーブル３０を経由した測定光３６ａ、及び音響光学変調部３４により周波数が変調された参照光３５ａは、ミキサ２５に入力される。

ミキサ２５は、例えば光ミキサが用いられる。このミキサ２５は、第１光路２３から入力される周波数が変調された参照光３５ａと第２光路２４から入力されるセンサ用光ファイバケーブル３０を通った測定光３６ａとを例えば光学的に乗算するなどの方法で混合して、周波数が変調された参照光３５ａとセンサ用光ファイバケーブル３０を通った測定光３６ａとの光干渉信号５０を生成する。光干渉信号５０は、参照光３５ａと測定光３６ａとの周波数差に応じて強度に変動（うなり）が生じる。なお、光干渉信号５０から得られる信号をビート信号５０ａという。

光検出部２６は、ミキサ２５から出力される光干渉信号５０を受光し、電気信号であるビート信号５０ａに変換し、検出結果として、センサ長取得部２７へ出力する。

センサ長取得部２７は、光検出部２６から入力されるビート信号５０ａに基づき、公知のパルス干渉計測技術を利用してセンサ用光ファイバケーブル３０の長さを取得する。このセンサ用光ファイバケーブル３０の長さの取得は、センサ用光ファイバケーブル３０の伸縮の長さが第１光路２３と第２光路２４との差に関係することを利用したものである。

例えば、先ずセンサ長取得部２７は、センサ用光ファイバケーブル３０を設置しない状態で基準点（ゼロ点）が設定される。図１に示す場合では、基準点の設定は、センサ用光ファイバケーブル３０を設置せずにコネクタ２９同士を接続し、第１光路２３と第２光路２４との長さを光路長調整部３７により等しく調節することにより行われる。その後、センサ用光ファイバケーブル３０をコネクタ２９を介して温度測定装置１０に設置して、測定光３６ａと参照光３５ａとの干渉縞パターンを干渉縞パターン検出部５２により検出する。この場合に使用するセンサ用光ファイバケーブル３０は、特定温度（基準温度）での長さ（基準長さ）が既知である。すなわち、センサ用光ファイバケーブル３０は、予めある温度での長さが測定されており、その温度を基準温度及びその長さを基準長さとして有する。

また、センサ長取得部２７は、センサ用光ファイバケーブル３０を温度測定装置１０に設置したままでも基準点が調整される。具体的には、センサ用光ファイバケーブル３０を設置した状態で温度測定装置１０は、特定温度の環境下に置かれ、第１光路と第２光路との長さが等しくなるように調整される。そして、特定温度における第１光路と第２光路との長さが等しくなった点を基準とする。その後、センサ用光ファイバケーブル３０は、測定対象物１００に設置され、測定対象物１００の温度の影響を受けて伸縮する。なお、基準点の校正は、上述の方法に限られず、公知の方法を採用することができる。

干渉縞パターン検出部５２が検出する干渉縞パターンは、測定対象物１００の温度により伸縮したセンサ用光ファイバケーブル３０の長さの分だけ、測定光３６ａの位相がずれる。そして、センサ長取得部２７は、この測定光３６ａの位相のずれにより、測定対象物１００の温度により伸縮したセンサ用光ファイバケーブル３０の長さを取得する。その後、センサ長取得部２７は、予め有しているセンサ用光ファイバケーブル３０の基準長さと、測定光３６の位相のずれにより取得したセンサ用光ファイバケーブル３０の長さとを比較することにより、センサ用光ファイバケーブル３０の伸縮した長さを求める。

センサ長取得部２７内の干渉縞パターン検出部５２には、例えばロックインアンプが用いられる。ロックインアンプは、前述の光検出部２６から入力されたビート信号５０ａと、図示は省略するが光周波数コム光源２０から別途入力される参照信号との干渉縞パターンを検出する。センサ長取得部２７は、この干渉縞パターンにより、測定光３６ａの位相情報を取得し、センサ用光ファイバケーブル３０の伸縮した長さを求めることができる。

ここでロックインアンプに入力される参照信号の周波数は、参照光３５ａ及び測定光３６ａの周波数領域において近接した周波数成分の周波数差に対応する周波数に設定されている。これはビート信号５０ａが参照光３５ａ及び測定光３６ａとを重畳した光干渉信号５０の光強度に対応する信号レベルを有する電気信号であるので、結果としてビート信号５０ａは、参照光３５ａと測定光３６ａの周波数成分のうち、周波数領域において近接している周波数成分の周波数差に対応する周波数の周波数成分を有しているからである。したがって、参照信号の周波数を、参照光３５ａと測定光３６ａの、周波数領域において近接した周波数成分の周波数差に対応する周波数に設定した上で、ビート信号５０ａと参照信号との干渉縞パターンを干渉縞パターン検出部５２で検出すれば、この干渉縞パターンから測定対象物１００の温度に依存したセンサ用光ファイバケーブル３０の長さを算出することができる。なお、参照信号の周波数の設定の詳細については特開２０１３−１７８１６９号を参照されたい。

温度算出部３２は、センサ長取得部２７が取得したセンサ用光ファイバケーブル３０の伸縮した長さから、測定対象物１００の温度を算出する。具体的には、温度算出部３２は、センサ用光ファイバケーブル３０の伸縮した長さ、センサ用光ファイバケーブル３０の熱膨張係数、及び上述した基準温度を使用して、測定対象物１００の温度を算出する。また、センサ用光ファイバケーブル３０が測定対象物１００のある一定の領域において接触するように配置されている場合には、温度算出部３２は、測定対象物１００のその領域の平均温度を算出することができる。すなわち、センサ用光ファイバケーブル３０が測定対象物１００のある一定の領域に渡って接触するように配置されている場合には、センサ用光ファイバケーブル３０は、その一定の領域の測定対象物１００の温度の影響を受けて伸縮する。したがって、この場合には、センサ用光ファイバケーブル３０の伸縮した長さから求めた温度は、配置された領域の平均温度（代表温度）とすることができる。ここで、センサ用光ファイバケーブル３０の熱膨張係数は、センサ用光ファイバケーブル３０の材料によって変化するが、例えば６×１０^−６／℃である。また、熱膨張係数の代わりに、線膨張係数を使用してもよい。

図４は、センサ部１１におけるセンサ用光ファイバケーブル３０の異なる配置の仕方を示す図である。図４に示すように、センサ用光ファイバケーブル３０は、いくつかの分岐点１２を有し、分岐点１２にそれぞれの長さの測定点１３が接続する形態を採用することができる。この場合、測定光３６は、コネクタ２９からセンサ用光ファイバケーブル３０に入射する。その後、測定光３６は、予め設定された分岐点１２において測定点１３に入射し、測定点１３により反射して、コネクタ２９を介して光路用光ファイバケーブル２８に入射する。測定光３６は、測定点１３で反射して、測定対象物１００の温度に影響を受けて伸縮したセンサ用光ファイバケーブル３０の長さ情報を有する測定光３６ａとなり、光路用光ファイバケーブル２８に入射する。なお、予め測定したい距離が決まっている場合には、分岐点１２の設定により、所望の測定点１３により測定光３６を反射させる。一方、測定点１３を全て使用して温度測定を行う場合には、各測定点１３で反射した測定光３６ａのある地点への到達する時間のずれにより、各測定点１３で反射した測定光３６ａを特定することができる。

図５は、温度測定装置１０の温度測定の動作を説明するフロー図である。先ず、光周波数コム光源２０は、光コム３１をスプリッタ２２に出射する（ステップＳ１０、光コム出射ステップ）。その後、スプリッタ２２は、光コム３１を参照光３５及び測定光３６に分割する（ステップＳ１２、光分割ステップ）。そして、測定光３６がセンサ用光ファイバケーブル３０の内部を通過する（ステップＳ１４、感知ステップ）。この際、センサ用光ファイバケーブル３０は、測定対象物１００に接するように配置されており、測定対象物１００の温度によって伸縮している。

その後、光検出部２６は、参照光３５ａとセンサ用光ファイバケーブル３０を通過した測定光３６ａとの光干渉信号５０からビート信号５０ａを検出する（ステップＳ１６、光検出ステップ）。そして、センサ長取得部２７は、光検出部２６が検出したビート信号５０ａより、干渉縞パターン検出部５２を使用して、測定光３６ａの位相情報を取り出す。その後、センサ長取得部２７は、測定光３６ａの位相情報より、センサ用光ファイバケーブル３０の伸縮した長さを算出する（ステップＳ１８、センサ長取得ステップ）。その後、温度算出部３２は、センサ長取得部２７の算出結果に基づいて、測定対象物１００の温度を算出する（ステップＳ２０、温度算出ステップ）。

以上で説明したように、本発明の温度測定装置１０は、光コム３１を使用したヘテロダイン干渉法により、センサ用光ファイバケーブル３０の長さを測定し、測定対象物１００の温度を求めている。一般に、ヘテロダイン干渉法では波長以上の光路差を検出することは困難となるが、光コム３１は前述したように様々な波長の光を含むために、光路差の検出範囲が広がる。

また、本発明の温度測定装置１０は、光コム３１を使用して、センサ用光ファイバケーブル３０の伸縮した長さを測定するので、正確な長さを測定することができる。すなわち、センサ用光ファイバケーブル３０の伸縮した長さの測定を、光コム３１ではなく低コヒーレンスの光を使用して行う場合、光干渉信号５０が得られないためにセンサ用光ファイバケーブル３０の伸縮した長さを測定することができない場合がある。また、センサ用光ファイバケーブル３０の伸縮した長さの測定を、光コム３１ではなく可干渉距離が長い光を使用して行う場合、スプリッタ２２等での反射光のノイズがあり測定することができない場合がある。本発明の温度測定装置１０は、周波数領域において周波数が等間隔に並んだ周波数成分を有する光コム３１を使用してセンサ用光ファイバケーブル３０の伸縮した長さを測定するので、正確な伸縮長を測定でき、正確な温度を測定することが可能である。この光コム３１使用して行う測定の効果は、上述した基準点の設定においても同様である。すなわち、本発明の温度測定装置１０は、光コム３１を使用して測定を行うので、基準点（ゼロ点）の設定を精度良く行うことができる。

また、光コム３１は周波数が等間隔になるような周波数成分を有する光であるために、本発明は、参照光３５ａと測定光３６ａとのビート信号５０ａが複数取得することができ、より正確な温度測定を行うことができる。

［変形例１］
次に、温度測定装置１０の変形例に関して説明する。本例は、センサ部１１において複数の長さが異なるセンサ用光ファイバケーブル３０が光スイッチ４５を介して接続されていることを特徴とする。なお、本例において、上述した説明と重複する箇所は、同じ符号を付して説明は省略する。

図６は、本例の温度測定装置１０の構成を示している。本例の第１光路２３には、音響光学変調部３４が第１プリズムリフレクタ３９と第２プリズムリフレクタ４０との間に配置されている。

本例の第２光路２４には、サーキュレータ４４、及びセンサ部１１が設けられている。サーキュレータ４４は、スプリッタ２２から入力される測定光３６をセンサ部１１の光スイッチ４５に向けて出力するとともに、この光スイッチ４５からのセンサ用光ファイバケーブル３０を通過した測定光３６ａをミキサ２５に向けて出力する。

センサ部１１は、主に光スイッチ４５及びセンサ用光ファイバケーブル３０により構成されている。また、スイッチ制御部４９の制御によって光スイッチ４５が選択され、測長を行うためのビーム（測長ビーム）が出射されてもよい。

図７は、センサ部１１の光スイッチ４５及びセンサ用光ファイバケーブル３０の拡大図である。光スイッチ４５には、複数のセンサ用光ファイバケーブル３０（３０ａ〜３０ｅ）が接続されている。

光スイッチ４５は、スイッチ制御部４９の制御の下、光路用光ファイバケーブル２８に接続するセンサ用光ファイバケーブル３０（３０ａ〜３０ｅ）の切り替えを行う。具体的には、光スイッチ４５は、測定光３６の光路を変えることにより、複数のセンサ用光ファイバケーブル（３０ａ〜３０ｅ）の内から測定光３６が通るセンサ用光ファイバケーブル（３０ａ〜３０ｅのいずれか）を選択する。

なお、図６及び図７の光スイッチ４５は、測定光３６を距離測定対象に出射する測長ビーム出射部７２を有している。これは、図６及び図７で記載された温度測定装置１０は、測長ビーム出射部７２を有することにより、測定光３６（又は３６ａ）により距離測定が行える。また、図６及び図７に示す構成の回路では、基準点の調整は、光スイッチ４５とセンサ用光ファイバケーブル３０との接続部からの反射光により行うことができる。すなわち、光スイッチ４５とセンサ用光ファイバケーブル３０との接続部では、測定光３６の約４％の光が反射光となり光検出部２６により検出され、その反射光により基準点（ゼロ点）を設定することができる。

以上で説明したように、本例の温度測定装置１０は、複数のセンサ用光ファイバケーブル３０が光スイッチ４５を介して接続されている。これにより、本例の温度測定装置１０は、測定対象物１００の長さに応じて、温度測定を行うことができる。

［変形例２］
次に、温度測定装置１０の変形例２に関して説明する。

図８は、本例の温度測定装置１０の構成を示している。本例の温度測定装置１０の主な特徴は、光周波数コム光源２０が光コム３１をエタロン６６に出射すること、サーキュレータ４４がエタロン６６とスプリッタ２２との間に配置されていること、第１光路２３に遅延デバイス部７０が配置されていることである。なお、図８では、測定対象物１００としてブロックゲージ６８の温度測定が行われる例を示している。

本例の温度測定装置１０では、光周波数コム光源２０から出射された光コム３１は、エタロン６６に入射する。エタロン６６は、例えばファブリー・ペロー・エタロンが用いられる。エタロン６６は、光コム３１の周波数間隔をｍ（ｍは任意の整数）倍する。これにより、光コム３１の周波数間隔を適宜広げることができる。例えば、光周波数コム光源２０から出射される光コム３１の周波数間隔は一般的には１００ＭＨｚ、２５０ＭＨｚであるが、この周波数間隔を１５ＧＨｚに広げることができる。これにより、温度測定装置１０は、測定対象物１００の大きさや、その精度に対応して、適宜周波数間隔を調整し、大きい測定対象物１００であっても正確に温度を測定できるという効果を奏する。

本例では、サーキュレータ４４は、エタロン６６とスプリッタ２２との間に配置される。エタロン６６から出射された光コム３１は、サーキュレータ４４を介してスプリッタ２２に入射する。一方、スプリッタ２２から出射された光干渉信号５０は、サーキュレータ４４を介して光検出部２６に入射する。

スプリッタ２２は、サーキュレータ４４を通過した光コム３１を取得し、光コム３１を参照光３５と測定光３６に分割する。参照光３５は第１光路２３へと進み、測定光３６は第２光路２４へと進む。

第１光路２３へ進んだ参照光３５は、光路長調整部３７を通過して、遅延デバイス部７０により周波数が変調される。遅延デバイス部７０は、図１で説明をした音響光学変調部３４、第１プリズムリフレクタ３９、及び第２プリズムリフレクタ４０の代わりに第１光路２３に配置されている。例えば、遅延デバイス部７０は、ＰＺＴステージ（電圧アクチュエータ）により構成されている。遅延デバイス部７０により周波数が変調された参照光３５ａは、スプリッタ２２へ戻される。

第２光路２４へ進んだ測定光３６は、センサ用光ファイバケーブル３０へと入射する。センサ用光ファイバケーブル３０は、ブロックゲージ６８に接するように配置され、ブロックゲージ６８の温度を測定する。センサ用光ファイバケーブル３０を通過した測定光３６ａは、スプリッタ２２に戻る。

スプリッタ２２は、上述したミキサ２５と同様な機能も持ち、入射される参照光３５ａと測定光３６ａとの光干渉信号５０を生成する。

なお、図８に示す構成の回路では、基準点（ゼロ点）の調整は、光路用光ファイバケーブル２８とセンサ用光ファイバケーブル３０との接続部からの反射光により行うことができる。すなわち、光路用光ファイバケーブル２８とセンサ用光ファイバケーブル３０との接続部では、測定光３６の約４％の光が反射光となり光検出部２６により検出され、その反射光により基準点（ゼロ点）を設定することができる。

以上で説明したように、本例の温度測定装置１０は、光コム３１を使用することで、外乱に対しても非常にロバストで正確な測定が可能であり、光コム３１の周波数を変化させることで、様々な測定対象物１００の大きさに対応が可能である。また、本例の温度測定装置１０は、センサ用光ファイバケーブル３０と測定対象物１００とを接触させて一体化させることによって（接触している部分以外は被覆部６４等で覆うことによって）、大気の温度に影響されることなく、正確に測定対象物１００のみの温度を測定できる。さらに、本例の温度測定装置１０は、測定対象物１００が大きい又は長いものであっても、測定対象物１００の温度を正確に測定することができるという、効果を奏する。

［センサ部の配置の変形例］
センサ部１１のセンサ用光ファイバケーブル３０は、様々な形態で、測定対象物１００に接触するように配置される。以下に、センサ用光ファイバケーブル３０の測定対象物１００への設置の例を説明する。

センサ用光ファイバケーブル３０は、測定対象物１００の温度（熱）が伝達されることにより伸縮をする。センサ用光ファイバケーブル３０は、以下の式１に応じて測定対象物１００の熱が伝達される。

(式１) ΔＱ／Δｔ＝λ・Ｓ・ΔＴ／Δｘ
上述の式１のΔＱ／Δｔは、単位時間あたりに移動する熱量であり、λは熱伝達率であり、Ｓはセンサ用光ファイバケーブル３０と測定対象物１００との接触面積（伝熱面積）であり、ΔＴ／Δｘは、測定対象物１００の温度とセンサ用光ファイバケーブル３０間の温度勾配を示している。式１が示すように、センサ用光ファイバケーブル３０と測定対象物１００との接触面積が大きいほど、センサ用光ファイバケーブル３０は感度よく測定対象物１００の温度を感知することができる。

また、こうした熱伝達による温度伝達は、対流や輻射などによる温度変化に比べて非常に移動が早い。よって、精度よく測定対象物１００の温度を正確に測定するためには、接触面積を大きくするとともに、できる限り大気の温度による外乱を受けないように構成することが望ましい。そのようにすることで、センサ用光ファイバケーブル３０と測定対象物１００の温度差をなくすことができるので、正確に測定対象物１００の温度を測定することができる。

図９は、温度測定装置１０により測定対象物１００であるブロックゲージ６８の温度を測定する場合の、センサ用光ファイバケーブル３０の設置の例を示した概念図である。

図９（Ａ）は、波形状にセンサ用光ファイバケーブル３０をブロックゲージ６８に設置した例を示している。温度測定装置１０は、このように波形状にセンサ用光ファイバケーブル３０を設置することにより、ブロックゲージ６８の上下（図９に向かって上下の方向）の温度を測定することができる。図９（Ｂ）は、波形状にセンサ用光ファイバケーブル３０をブロックゲージ６８に対して往復するように設置した例を示している。温度測定装置１０は、このように波形状のセンサ用光ファイバケーブル３０をブロックゲージ６８に対して往復させるように設置することにより、多くの面積でセンサ用光ファイバケーブル３０とブロックゲージ６８が接することができ、より正確な温度を測定することができる。図９（Ｃ）は、コの字状にセンサ用光ファイバケーブル３０をブロックゲージ６８に設置した例を示している。温度測定装置１０は、このようにコの字状にセンサ用光ファイバケーブル３０を設置することにより、ブロックゲージ６８の全体の温度を効率良く測定することができる。図９（Ｄ）は、センサ用光ファイバケーブル３０をブロックゲージ６８上で周回させるように設置した例を示している。温度測定装置１０は、このように周回させるようにセンサ用光ファイバケーブル３０を設置することにより、ブロックゲージ６８の周辺部及び中央部の温度分布を考慮して温度測定を行うことができる。

図１０から図１２は、温度測定装置１０により測定対象物１００であるブロックゲージ６８の温度を測定する場合、センサ用光ファイバケーブル３０をブロックゲージ６８に接触させる例を示した概念図である。

図１０では、センサ用光ファイバケーブル３０は、ブロックゲージ６８の表面に接触するように設置されており、テープ７１により固定されている。なお、センサ用光ファイバケーブル３０は、図２（Ｂ）で説明したものであり、コア部６０及びクラッド部６２から構成されている。センサ用光ファイバケーブル３０は、テープ７１で固定されることにより、ブロックゲージ６８に安定的に接触して設置されている。また、センサ用光ファイバケーブル３０は、テープ７１で覆われるように固定されているため、外気等の温度の影響を受けにくくなる。これにより、温度測定装置１０は、正確なブロックゲージ６８の温度を測定することができる。

図１１では、センサ用光ファイバケーブル３０は、ブロックゲージ６８と接触する部分では被覆部６４が無く、ブロックゲージ６８と接触する部分以外では被覆部６４を設けられている。このように、センサ用光ファイバケーブル３０は、ブロックゲージ６８と接触する部分で被覆部６４を設けてないので精度良くブロックゲージ６８の温度を測定することができる。また、センサ用光ファイバケーブル３０は、ブロックゲージ６８と接触しない部分で被覆部６４を設けているのでブロックゲージ６８（測定対象物１００）以外の温度の影響を受けないので、精度良くブロックゲージ６８の温度を測定することができる。

図１２では、センサ用光ファイバケーブル３０がブロックゲージ６８の内部に設けられている。センサ用光ファイバケーブル３０は、ブロックゲージ６８の内部に設けられることにより、より大きい表面積でブロックゲージ６８と接触することができ、より精度良くブロックゲージ６８の温度を測定することができる。また、センサ用光ファイバケーブル３０は、ブロックゲージ６８の内部に設けられることによりブロックゲージ６８（測定対象物１００）以外の温度の影響を受けず、より精度良くブロックゲージ６８の温度を測定することができる。上述したように、センサ用光ファイバケーブル３０は、様々な形態により測定対象物１００に設置することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１０…温度測定装置、１１…センサ部、２０…光周波数コム光源、２２…スプリッタ、２３…第１光路、２４…第２光路、２５…ミキサ、２６…光検出部、２７…センサ長取得部、２８…光路用光ファイバケーブル、２９…コネクタ、３０…センサ用光ファイバケーブル、３１…光コム、３２…温度算出部、３４…音響光学変調部、３５…参照光、３６…測定光、３７…光路長調整部、３８…第１コリメータ、３９…第１プリズムリフレクタ、４０…第２プリズムリフレクタ、４１…走査ステージ、４２…第２コリメータ、４４…サーキュレータ、４５…光スイッチ、４６…入射部、４８…出射部、４９…スイッチ制御部、５０…光干渉信号、５０ａ…ビート信号、５２…干渉縞パターン検出部、６６…エタロン、６８…ブロックゲージ、７０…遅延デバイス部、７２…測長ビーム出射部

Claims (9)

1. 測定対象物の温度を測定する温度測定装置であって、
   等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光である光コムを出射する光周波数コム光源と、
   前記光周波数コム光源から出射された前記光を参照光と測定光とに分割する光分割部と、
   前記光分割部にて分割された前記測定光を通すセンサ用光ファイバケーブルであって、温度変化により伸縮し、前記測定対象物に接触するように配置される前記センサ用光ファイバケーブルを有するセンサ部と、
   前記光分割部にて分割された前記参照光と、前記センサ部の前記センサ用光ファイバケーブルを経由した前記測定光との光干渉信号を検出する光検出部と、
   前記光検出部の検出結果に基づき、伸縮した前記センサ用光ファイバケーブルの長さを取得するセンサ長取得部と、
   前記センサ長取得部が取得する伸縮した前記センサ用光ファイバケーブルの長さに基づいて、前記測定対象物の温度を算出する温度算出部と、
   を備える温度測定装置。
2. 前記センサ部は長さが異なる複数の前記センサ用光ファイバケーブルを有し、複数の前記センサ用光ファイバケーブルの各々は光スイッチに接続され、前記光スイッチにより選択された前記センサ用光ファイバケーブルに前記測定光が通る請求項１に記載の温度測定装置。
3. 前記光周波数コム光源と前記光分割部との間には、前記光コムの周波数間隔をｍ（ｍは任意の整数）倍するエタロンが設けられている請求項１又は２に記載の温度測定装置。
4. 前記測定対象物は、固体又は液体である請求項１から３のいずれか１項に記載の温度測定装置。
5. 前記参照光の光路の長さを調整する光路長調整部を備え、
   前記参照光の光路は、前記光路長調整部により、前記センサ長取得部が取得した前記センサ用光ファイバケーブルの長さに基づいて、調整される請求項１から４のいずれか１項に記載の温度測定装置。
6. 前記温度算出部は、前記測定対象物の平均温度を算出する請求項１から５のいずれか１項に記載の温度測定装置。
7. 前記センサ部の前記センサ用光ファイバケーブルは、前記測定対象物の内部に設けられている請求項１から６のいずれか１項に記載の温度測定装置。
8. 前記センサ部の前記センサ用光ファイバケーブルは、前記測定対象物に接する部分以外は被覆されている請求項１から６のいずれか１項に記載の温度測定装置。
9. 測定対象物の温度を測定する温度測定方法であって、
   等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光である光コムを出射する光コム出射ステップと、
   前記光コム出射ステップで出射された前記光を参照光と測定光とに分割する光分割ステップと、
   前記光分割ステップにて分割された前記測定光を通すセンサ用光ファイバケーブルであって、温度変化により伸縮し、前記測定対象物に接触するように配置される前記センサ用光ファイバケーブルにより前記測定対象物の温度を感知する感知ステップと、
   前記光分割ステップにて分割された前記参照光と、前記センサ用光ファイバケーブルを経由した前記測定光との光干渉信号を検出する光検出ステップと、
   前記光検出ステップの検出結果に基づき、伸縮した前記センサ用光ファイバケーブルの長さを取得するセンサ長取得ステップと、
   前記センサ長取得ステップで取得する伸縮した前記センサ用光ファイバケーブルの長さに基づいて、前記測定対象物の温度を算出する温度算出ステップと、
   を含む温度測定方法。

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