JP2018517908A - 光ファイバ圧力装置、方法および応用 - Google Patents

Abstract

圧力センサデバイスは、圧力チャンバーハウジングと、ハウジング内の少なくとも２つの別個の圧力チャンバーと、少なくとも２つの圧力チャンバーの各々に流体工学的に連結された少なくとも１つの圧力ポートと、圧力チャンバー内に配された、２つの圧力チャンバーにつき少なくとも１つの圧力伝達要素であって、少なくとも２つの圧力チャンバーを分離する圧力伝達要素と、圧力チャンバーの少なくとも１つの中に配された少なくとも２つの光センサ素子であって、少なくとも２つの光センサ素子がそれぞれ光伝送媒体に光学的に連結される光センサ素子と、を含む。
【選択図】図１

Description

関連出願のデータこの出願は、２０１５年６月１８日に出願された米国仮出願第６２／１８１，２６１号の優先権を主張し、その内容は、その全体を参照することによって本明細書に組み込まれる。

＜本発明の技術分野＞
本発明の実施形態は、最も一般的に、圧力測定の分野に関する。より詳細に、本発明の実施形態および態様は、限定されないが、差圧、ゲージ圧、および絶対圧力の直接測定および／または直接モニタリング、ならびに流体流量、液位、液体密度、流体流の点の速度（ピトー管を使用して）、フィルタスクリーン品質モニタリング、漏洩検出および粘度測定の間接測定および／または間接モニタリングを含む、光ファイバベースの圧力測定装置、方法、および応用を対象とする。

＜関連技術の説明＞
ダイヤフラム圧力センサは、多目的な圧力測定に使用される最も一般的なタイプの圧力センサである。ダイヤフラム圧力センサの期限は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒの１９５４年の特許文献１「Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｕｎｉｔ」までさかのぼることができる。圧力（より正確に、その２つの側面の両方にかけられた２つの異なる圧力に起因する差圧）に従うダイヤフラムは、半径方向応力および接線（フープ）応力を結果として生じる。これらの応力はダイヤフラムに付けられた歪みゲージによって測定することができる。負荷に応じて電気抵抗を変化させるピエゾ抵抗材料は、より近代的な圧力センサにおいて広く使用される。電気抵抗の変化は、圧力感知機構へと通常集積されるホイートストンブリッジによって測定される。その集積化デバイスは、圧力変換器と呼ばれ、圧力に比例する電流または電圧の形態の信号を生成する。

近年、光ファイバベースのダイヤフラム圧力センサは、光ファイバベースのセンサが高感度であるため、魅力的な選択となった。この実施例は、例えば、特許文献２に開示されるような干渉キャビティ（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃａｖｉｔｙ）を形成するために、光ファイバおよび反射ダイヤフラム（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｄｉａｐｈｒａｇｍ）の一端面を使用するダイヤフラム圧力センサを含む。特許文献３の「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗｉｔｈ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒ ｓｙｓｔｅｍｓ」は、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を利用し、ファイバブラッググレーティング上へと応力を付与するために２つの圧力源の間の圧力差を使用する。しかしながら、本技術は、ダイヤフラムの半径方向応力およびフープ応力の測定により提供される増大させられた感応性を採用しない。

発明者は、一般的に圧力センサ、および特に電気的な感知成分に対して光ファイバを利用するダイヤフラムベースの圧力センサの必要性、ならびに電磁障害（ＥＭＩ）に対するイミュニティ、長距離の信号送信（例えば、数十キロメートルもの）、より高い感応性、帯域幅およびダイナミックレンジ、改善された頑丈さ、より高い精度および効率、より低いコスト、ならびに他の有意な広範囲の応用を含むそれらの利点の利益を認識してきた。

米国特許第２７５１５３０号 国際公開第２００２０２３１４８号 米国特許第６３０４６８６号

光ファイバのダイヤフラム圧力センサは、センサ自体が高い感応性および安定性を有するため、ますます広範囲の用途を獲得しつつあり、イミュニティのある光ファイバセンサは、高温、極度なＲＦおよびＥＭＩフィールド、ならびに化学的耐性を示す。光ファイバ圧力センサを、可変の幾何学的形状および／または構成の屈曲するダイヤフラム（ｆｌｅｘｉｎｇ ｄｉａｐｈｒａｇｍ）に取り付けられた２つの光ファイバセンサ素子から構成し、それらの設置位置で、そのファイバによって、放射状のひずみ、および接線ひずみを感知することができる。圧力よって生じた機械的な応力、および温度によってもたらされた熱応力の両方の寄与が、二重のセンサのセットアップとともに考慮され、圧力と温度を同時にもとめることができる。この実施例は、埋め込みセンサを用いて連続ファイバを利用する圧力ダイヤフラムモニタリングを含み、そこでは、干渉キャビティを形成するために、光ファイバが反射ダイヤフラムを含む。マルチコアファイバ（ＭＣＦ）センサ技術は、ダイヤフラムの半径方向応力およびフープ応力に対し高い感応性を示し、それらのいくつかの例が記載される。

本発明の実施形態は、圧力センサデバイスであって、該圧力センサデバイスが、圧力チャンバーハウジングと；ハウジング内の少なくとも２つの別個の圧力チャンバーと；少なくとも２つの圧力チャンバーの各々に流体工学的に連結された少なくとも１つの圧力ポートと；圧力チャンバー内に配された、２つの圧力チャンバーにつき少なくとも１つの圧力伝達要素であって、少なくとも２つの圧力チャンバーを分離する圧力伝達要素と；圧力チャンバーの少なくとも１つの中に配された少なくとも２つの光センサ素子であって、少なくとも２つの光センサ素子がそれぞれ光伝送媒体に光学的に連結される、光センサ素子と、を含む。様々な実施形態では、圧力センサデバイスは、当業者が理解するように、単独で、または様々な非制限的な組合せにおいて、以下の特徴、制限、特性を含んでもよく、
−そこでは、圧力伝達要素は、ダイヤフラムであり；
−圧力伝達要素は平面プレートダイヤフラムであり；
−平面プレートダイヤフラムは曲線形状を有し；
−平面プレートダイヤフラムは直線形状を有し；
−圧力伝達要素は湾曲したシェルであり；
−湾曲したシェルは円柱状であり；
−湾曲したシェルは球状であり；
−圧力伝達要素は、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）であり；
−ファイバブラッググレーティングは、反射ＦＢＧであり；
−ファイバブラッググレーティングは、透過ＦＢＧであり；
−圧力伝達要素は、温度および圧力などの物理量の変化に依存する波長および／または振幅を示す、当業者に公知な、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）、ツインコアファイバ、および干渉計測センサなどの光ファイバベースの干渉計測センサであり；
−そこでは、少なくとも２つの圧力伝達要素の各々は、２つの別個の圧力チャンバーの少なくとも１つの中で、および２つの別個の圧力チャンバーの少なくとも１つの外部で、圧力伝達要素に対して垂直配向、圧力伝達要素に対して平行配向、圧力伝達要素に対して面内、圧力伝達要素に対して面外の少なくとも１つに配され；
−そこでは、少なくとも２つの光センサ素子は、直列光接続、並列光接続、および直列／並列光接続の少なくとも１つにおいて構成され；
−そこでは、少なくとも２つの光センサ素子は、接合されること、印刷されること、成型されること、および微細加工されることのうちの１つによって、センサデバイス内に配される。

２つの光ファイバセンサ素子が、本発明の模範的な態様に従って、平板ダイヤフラムの面内に取り付けられる、光ファイバベースの圧力センサの斜視断面図である。 本発明の模範的な態様に従って、温度を測定し、かつ温度変動を補うために、１つの光ファイバセンサ素子が平板ダイヤフラムに対して垂直に配され、別の光ファイバセンサ素子が歪みのない位置に連結される、光ファイバベースの圧力センサの斜視断面図である。 本発明の模範的な態様に従って、２つの光ファイバセンサ素子が、ハウジング中の湾曲したシェルに取り付けられるか、埋め込まれている、光ファイバベースの圧力センサの斜視断面図である。 本発明の模範的な態様に従って、温度変動を測定するおよび／または補うために、１つの光ファイバセンサ素子が、ハウジング中の湾曲したシェル上に取り付けられるか、または埋め込まれており、別の光ファイバセンサ素子が、歪みのない位置に連結される、光ファイバベースの圧力センサの斜視断面図である。 本発明の模範的な態様に従って、温度変動を測定するおよび／または補うために、１つの光ファイバセンサ素子が、ハウジング中の湾曲したシェルに対して垂直に配されるか、別の光ファイバセンサ素子が、歪みのない位置に連結される、光ファイバベースの圧力センサの斜視断面図である。 本発明の実例となる実施形態に従う、概念上のファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサの斜視概略図を示す。 本発明の実例となる実施形態に従う、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）センサなどの観念的な光ファイバベースの干渉計測センサの概略図を示す。

図面の符号
図１および２：
１０ センサハウジング
１２ 圧力伝達要素（ダイヤフラム）
１４ 圧力チャンバー１
１６ 圧力ポート１
１８ 圧力チャンバー２
２０ 圧力ポート２
（２２ａ）、（２２ｂ） 光ファイバセンサ素子
２４ 裸光ファイバ
２６ 被覆光ファイバケーブル
２８ 光ファイバコネクター
図３、４、５
１０ センサハウジング
１２ 圧力伝達要素（シェル）
１４ 圧力チャンバー１
１６ 圧力ポート１
１８ 圧力チャンバー２
２０ 圧力ポート２
（２２ａ）、（２２ｂ） 光ファイバセンサ素子
２４ 裸光ファイバ
２６ 被覆光ファイバケーブル
２８ 光ファイバコネクター
図６
１０ ファイバブラッググレーティング
２０ 入射光の源
２５ 格子ピッチおよび関連するピッチ
３０ 反射スペクトル
４０ 透過スペクトル
図７
１０ 入射光の源
２０ 入力側単一モードファイバ（ＳＭＦ）
３０ マルチコアファイバ（ＭＣＦ）センサ
４０ 出力側ＳＭＦ
５０ 検出器
６０ 環境の変化による波長シフト

＜本発明の非制限的で模範的な実施形態の詳細な説明＞
図１は、第１の模範的な態様に従う圧力センサ（１００）の斜視断面図を示す。圧力センサは、センサハウジング（１０）、およびそれぞれの圧力ポート（１６）および（２０）を有する、隣接して独立した２つの圧力チャンバー（１４）および（１８）の各々を規定し、分離する圧力伝達要素（１２）（平板ダイヤフラム）を含む。圧力ポートは、測定されている圧力源（複数可）（示されておらず、それ自身本発明の要素ではない）に、それぞれのチャンバーを流体工学的に接続する。当業者が理解するように、センサハウジングは、特定用途および作業環境（すなわち、使用圧力範囲、腐食性流体、または反応性流体等）に応じて、限定されないが、ステンレス鋼、アルミニウムまたはポリマー（例えば、アクリル）を含む、任意の適切な材料から構成されてもよい。ダイヤフラム（１２）は、再び特定用途および作業環境（例えば圧力範囲、腐食性流体または反応性流体等）に応じて、限定されないが、ステンレス鋼またはポリマーを含む弾性材料で作られてもよく、その材料の組成物の弾性限界内で動作するように設計されてもよい。

図１および２に例示されるように、ハウジングは箱形であり、図３−５においては円柱状の形状である。当業者により認識されるように、他のハウジングの形状が可能である。

ある加えられた圧力下では、ダイヤフラムのサイズ（円形のプレートに対する直径、または長方形のプレートに対する長さおよび幅）および厚さは、好ましい安全率により測定された、プレートの合応力と、材料の降伏強さと、を比較することにより、その材料が弾性限界内にあるかどうかを規定するパラメータである。

圧力センサ（１００）はさらに、少なくとも２つの（第一の、および第２の）光ファイバベースの感知ユニット（２２ａ）、（２２ｂ）を含み、例えば、当技術分野において公知であるように、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）−タイプまたはファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）−タイプであってもよい。少なくとも２つのセンサ素子は、有利に、同じ動作タイプのセンサ素子（例えばＭＣＦまたはＦＢＧ）になるだろう。当業者により評価されるように、それらは、それぞれの動作波長が互いから十分なマージンをもつように、有利に設計されるだろう。センサは、それらが設置される場合に望ましい、感知された量（歪み、反り等）に対して異なる方法で最適化されてもよい。光ファイバセンサ素子のサイズは、ハウジングおよびダイヤフラムのサイズを決定するだろう。電流光ファイバセンサ素子の技術を用いて、ハウジングの中で最も小さな寸法（長さ、幅または直径のどれか）は、光ファイバの曲げ半径またはファイバセンサの長さ（反射モードセンサ）により抑制されるゆえ、約１から数（３−４）センチメートルとなるだろう。取り付け機構は、限定されないが、ファイバ配置用に微細加工された溝、高強度および高温のセラミックベースのセメント剤、レーザータッキングボンディング（ｌａｓｅｒ−ｔａｃｋｉｎｇ−ｂｏｎｄｉｎｇ）、ならびにポッティング（ｐｏｔｔｉｎｇ）およびスルーホール（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｈｏｌｅ）の配置などのファイバセンサハンドリングのより一般的な手段を含む、材料、環境および使用事例に従って変更することができる。

図１において、少なくとも２つの光ファイバセンサ素子（２２ａ）、（２２ｂ）は、ダイヤフラムの面の上、および中に配される。それらはむき出しの（アンクラッド）単一モード光ファイバ（２４）により直列に接続される。むき出しのファイバの両端は被覆光ファイバケーブル（２６）との接続を介してセンサ（１００）の外側に延び、それは光ファイバコネクター（２８）において終わる。コネクター（２８）から、センサは、通信のために通常の単一モード光ファイバケーブルを介して接続され、選択された光インテロゲータ（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｏｒ）（図示しておらず、それ自身は本発明の一部ではない）によって遠隔的に読み取られ得る。

インテロゲータの統合されたコンポーネントであってもよいが、代替的に別個の装置であり得る光源からの光（図示せず）は、そのコネクターを通って光ファイバの一端へと送られる。この光はセンサ素子（２２ａ、２２ｂ）を通るか、またはそれから反射され得る。透過した（または反射した）信号は、インテロゲータに持ち帰る測定情報を含んでいる。その後、インテロゲータにより得られたセンサからの光学信号を、分析することができ、そして、そのセンサ素子の圧力および温度変化に対応する波長を、抽出し、記録することができる。管理された校正手順によって収集されたこれらのデータは、センサおよびそのセンサ素子の物理特性を表す数学的モデルに基づいて、統計的回帰方程式（複数可）に組み込まれ、回帰方程式の係数をもたらす。それらの数値係数により完成する回帰方程式は、センサ素子によって送られた波長の任意のセットからの圧力および温度値を算出するために使用される。物理特性に基づいた回帰方程式の一例は：

であって、式中、

である。
１つのチャンバーが真空である場合、センサが絶対圧力を測定する。１つのチャンバーが空気に接続される場合、センサがゲージ圧を測定する。両方のセンサチャンバーが、未知の圧力源に接続される場合、センサが差圧を測定する。いずれの場合も、ダイヤフラムに対して加えられた圧力は機械的な応力をもたらし、それは、ひずみ計測（ｓｔｒａｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）によって測定され得る。温度変化がない場合、１回のひずみ計測で十分に、圧力を判定する。しかしながら、光ファイバセンサ素子はもともと、温度に敏感であり、実際に温度は常に変動している。したがって、異なるセンサ素子またはシステム基準温度を使用する温度補償が効果的である。

ダイヤフラム（１２）上に取り付けられた、２つの（第１および第２の）光ファイバ要素（２２ａ）、（２２ｂ）は、それらの設置位置において、放射状のひずみおよび接線ひずみを感知することができる。各ひずみは、圧力によってもたらされた２つの主要な機械的な応力、および温度によってもたらされた１つの熱応力の方程式を表す。未知の機械的な応力の両方は、単一変数方程式介して圧力に関する。未知の熱応力もまた、単一変数方程式を介して温度に関する。したがって、２回のひずみ計測で十分に、圧力および温度が同時に求められる。

代替的に、温度補償は、温度効果のみが感知され歪んでいない部位に、２つのセンサ素子（例えば第２のセンサ素子）の１つを設置（例えば、内部ハウジングに取り付けられる）ことにより行うことができる。この部位は、両方のセンサ素子に対する温度効果が±０．１℃以内であるように、第１のセンサ素子に有利に近接するだろう。このセットアップにおいて、温度を、第２のひずみ計測および第１のひずみ計測からの圧力から求める。センサ素子が敏感な他の刺激がある場合、さらなるセンサ素子は、そのような刺激を補償するために使用されてもよい。

図２から５は、代替的で模範的な実施形態を例証する。これらは選択された代表的な構成であって、具体化された発明の全ての可能な構成の網羅的なリストを含まない。例示された構成間の差異は、光ファイバセンサ素子およびそれらの組合せの位置および配向、ならびに圧力伝達要素（ダイヤフラム）の形状にある。

圧力伝達要素の３つの幾何学的なカテゴリーが存在する：平坦な構造（プレート）、湾曲した構造（シェル）、およびプレートおよびシェルのセグメントによって構築された複雑な構造。第１のセンサ素子として作用する少なくとも１つのセンサ素子は、圧力伝達要素によって変換されるような測定された圧力の効果の、直接感知を可能にしなければならない。これを達成するために、第１のセンサ素子（例えば（２２ａ））を、以下のような３つの（３）位置決め配置のうちの１つにおいてセットアップすることができる：
１：光圧力センサ素子（２２ａ）を、全体的に、圧力伝達要素に埋め込むか、またはその平面上へと接着する（図３、４、５）。光センサ素子が、圧力伝達要素の移動に応じて曲げ応力およびひずみを受け、そのファイバの長さに沿って一軸の力をもたらす。次に、これは、従来の光インテロゲーションの手段（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ ｍｅａｎｓ）、および同様にのちの例を用いて測定され得る。
２：圧力伝達要素に、圧力センサ素子（２２ａ）の接続ファイバの片側を添えるか接着する、およびハウジング（１０）などのセンサの固定点に接続ファイバの反対側を添えるか接着することなどにより、圧力センサ素子をファイバに沿って設置する。その後、この配置の結果、センサ素子は一軸応力および一軸性ひずみを受けるだろう。
３：圧力センサ素子に付属している両方の接続ファイバを、図３に明確に示されるように、圧力伝達要素に堅く接続される固定点に順に取り付ける。センサ素子は、圧力伝達要素が環境の圧力変化に応じて歪むにつれ、一軸応力および一軸性ひずみを受けるだろう。

一般的に、光ファイバセンサ素子は温度に敏感である。第２のセンサ素子は、温度補償に関して有効であってもよい。第２のセンサ素子は、第１のセンサ素子の近くの部位に位置決めされてもよいが、そこでは、測定される圧力の効果にはさらされない（位置決め配置４）。また、それは、上にリストした３つの選択肢のうちの１つをとることができ、そのことが、第２のセンサ素子に対して合計４つの選択肢をもたらす。

要するに、各選択された圧力伝達要素に対して、２つのセンサ素子を位置決めするための、１２の可能な組み合わせが存在する。

図２は、第２の模範的な態様に従う圧力センサ（２００）の斜視断面図を示す。センサ素子（２２ａ）、（２２ｂ）を、第１のセンサ素子（２２ａ）が、上記の配置２に従うように、また第２のセンサ素子（２２ｂ）が配置４に従うように、セットアップする。第１のセンサ素子（２２ａ）を、初期のひずみの制御値で予めひずませる。最初、第１のセンサ素子（２２ａ）は張力下にある。ダイヤフラム（１２）を、最初、右のチャンバー（１８）に向かって一定の計算量たわませる。左のチャンバー（１４）の圧力がチャンバー（１８）の圧力より高いとき、ダイヤフラム（１２）のたわみはチャンバー（１８）に向かって増加し、ファイバの張力は低下する。機械的に一続きであるファイバセンサ素子は圧迫下（機械的不安定性が生じる）で動作しないため、ファイバが最大差圧下で張力モード（ｔｅｎｓｉｏｎ ｍｏｄｅ）にとどまるように、初期のひずみが算出される。同様に、チャンバー（１８）の圧力がチャンバー（１４）の圧力より高いとき、ダイヤフラム（１２）のたわみは減少し、ファイバの張力は増加する。ダイヤフラムのフラットな（応力が加えられていない）状態に近い、低い計測値における感度を向上させるために、この場合には、ダイヤフラムのたわみが最大差圧下において一方向に（チャンバー（１８）に向かって）とどまるようにも、初期のひずみは算出される。

図３から５に示された実施形態に関して、圧力伝達要素は、半球状のシェルキャップにより円筒状のシェルの形態をしている。この圧力伝達要素（１２）は、ハウジングの内部を２つの（内側、および外側の）チャンバー（１４）および（１８）に分割する。各チャンバーは、それぞれの圧力ポート（１６）、（２０）を有する。一般的な機能性部品は、上記された図１における（平板）ダイヤフラム型センサと同様である。光ファイバ回路もまた同様である。差異が、以下に記載の、センサ素子およびそれぞれの動作原理の位置決めの組み合わせにおいて存在する。

図３は、第３の模範的な態様に従う圧力センサ（３００）の斜視断面図を示す。センサ素子（２２ａ）、（２２ｂ）は、測定された接線ひずみおよび軸のひずみにそれぞれ位置決めされる。これらのひずみ成分は、以下の式のように、二次元応力のためのフックの法則によって接線応力および軸方向応力に関する：

一方、薄肉の圧力容器の理論（ｔｈｉｎ−ｗａｌｌｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ ｔｈｅｏｒｙ）から、

が求められる。

温度が一定に保たれる場合、これらの２つのセンサ素子のうちのいずれか１つ（接線応力の値がより高いため、有利に、その接線応力に対するセンサ素子（２２ａ）は、圧力測定を提供するのに十分である。温度が変動している場合、熱応力の項は、温度の関数として、上記された機械的な応力の方程式へと加えられる。その結果が、２つの二元方程式（圧力および温度）のシステムであり、このセンサ構成が、圧力および温度の両方を測定することを可能にする。実施形態（１００）（図１）に対して記載された例に類似する校正のプロセスおよびデータの解析は、より高い精度の計測値を得るために効果的である。

図４は、第４の模範的な態様に従う圧力センサ（４００）の斜視断面図を示す。第１のセンサ素子（２２ａ）は、接線ひずみを測定するために位置決めされ、そして第２のセンサ素子（２２ｂ）は、ハウジングの壁に取り付けられた温度補償センサ素子である。（２

２ｂ）が一軸性ひずみを測定せず、単に温度しか測定しないので、このことが、配置４に示される装置が、温度の変動に対するひずみ計測を補償し調整することを可能にし；その後、この温度値は、圧力−応力方程式における熱応力の項を不要し、かつ熱のアーティファクトがない圧力値を生成するために使用される。

図５は、第５の模範的な態様に従う圧力センサ（５００）の斜視断面図を示す。第１のセンサ素子（２２ａ）は配置２のセンサ素子であり、第２のセンサ素子（２２ｂ）は配置４のセンサ素子である。動作原理は図２の実施形態に類似する。

具体化された圧力センサ装置が、少なくとも２つの圧力チャンバーと；少なくとも２つの圧力チャンバーの各々に流体工学的に連結された少なくとも１つの圧力ポートと；２つの圧力チャンバーにつき、少なくとも１つの圧力伝達要素（例えばダイヤフラム）と、を含むことが理解されよう。圧力伝達要素（複数可）は、平板（ダイヤフラム）の形態、湾曲したシェルの形態、またはそれらの組み合わせの形態であってもよい。平板タイプの圧力伝達要素は、特定の応用に応じて、円形、長方形、他のいかなる形状、またはこれらの形状の組み合わせであってもよい。湾曲したシェルの形態の形状は、円筒状、球状、他のいかなる形状、またはこれらの形状の組み合わせであってもよい。

図６は、概念的なファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）のセンサを示す。ＦＢＧセンサー（１０）は、例えば：ひずみ、温度、圧力、振動、および変位を含むいくつかの物理的パラメータを測定することができる。第１の光ＦＢＧのメカニズムは、感光度を活用する光ファイバコア（２５）に刻まれた恒久的で周期的な屈折率変調（回折格子）である。ＦＢＧベースのセンサは、共振条件の存在を活用し、それによって入射スペクトル（２０）が、いわゆるブラッグ波長における反射スペクトル（３０）の一部を有する。そのスペクトルのこの部分は、透過スペクトル（４０）に現われない。ＦＢＧベースのセンサにおいて、局部ひずみまたは温度のような外部の影響によってもたらされる有効屈折率または格子ピッチ（２５）のいずれかの任意の変化は、以下の公式に従って、ブラッグ波長シフトを結果として生じ：公式は、

であって、式中、

は、ブラッグ波長の変化であり、

は、熱膨張および熱光学係数であり、

は、ファイバ材料の有効な光弾性定数であり、そして

は、加えられた温度および縦ひずみの変化である。温度およびひずみの変化による波長シフト（ピコメーター単位）の標準値は、それぞれ：例えば、１５５０ｎｍの範囲の共振波長

を有する回折格子に対して、

である。

図７は、概念的なマルチコアファイバ（ＭＣＦ）センサを示す。ＭＣＦセンサは、例えば：ひずみ、曲げ、温度および圧力を含むいくつかの物理的パラメータを測定することができる。第１の光ＭＣＦのメカニズムは、一般的なクラッディング内における密に間隔を置いたコア間のクロストークの熱依存性（ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｃｒｏｓｓ ｔａｌｋ ）である。弾性、熱、音波等を含む大抵の摂動（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）は、ある程度までコア間の光結合に影響を与えるだろう。このため、変化または外乱は、単一モードファイバ（ＳＭＦ）（２０）に向けて光源（１０）を起動し、適切な検出器（５０）によって解釈される信号のためにＭＣＦセンサ（５−１５ｍｍ）（３０）を通りＳＭＦ（４０）へと戻る配光の変化を観察することで、感知されうる。ＭＣＦセンサでは、その光は、妨害の強さが変化するとコア間の前後で切り替わり、結果として、信号保全性が５０デシベル（ｄＢ）（６０）に近づく干渉パターンをもたらすだろう。

光は、ＭＣＦセンサを通るとき、センサの長さに沿って伝搬するように、コア間の前後に接続する。照らされたコアから暗いコアまで、およびその後ろで、完全なエネルギー交換は、ビート長さ

において起こる。長さＬに沿う各コアにおける強度の変化は、ビートの位相の周期関数

である。温度、圧力、またはひずみの変化は、

の変化、およびファイバの拡張または縮小をもたらし；その正味の影響は、ビートの位相の変化である。摂動

に対する感受性は、

によって判定される。

ソフトウェアモデルは、コア内の配光の様々な摂動の影響を評価するために、スカラーの結合モード理論（ｓｃａｌａｒ ｃｏｕｐｌｅｄ−ｍｏｄｅ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ）を使用することにより、これらの影響を視覚化し、算出するのを支援することができる。これは、光がＭＣＦセンサ長さの下方へ伝搬するので、スーパーモードの干渉効果とも呼ばれる。これらの種類の光学干渉の効果は、ＭＣＦセンサに対する、温度による波長シフト、および３０−５０ｐｍ／Ｋならびに２０ｎｍ／ｍｍほど曲げることによる曲率半径をそれぞれ可能にする。

Claims (16)

1. 圧力センサデバイスであって：
   圧力チャンバーハウジングと；
   ハウジング内の少なくとも２つの別個の圧力チャンバーと；
   少なくとも２つの別個の圧力チャンバーの各々に流体工学的に連結された少なくとも１つの圧力ポートと；
   圧力チャンバー内に配された、２つの圧力チャンバーにつき少なくとも１つの圧力伝達要素であって、少なくとも２つの圧力チャンバーを分離する圧力伝達要素と；
   圧力チャンバーの少なくとも１つの中に配された少なくとも２つの光センサ素子であって、少なくとも２つの光センサ素子がそれぞれ光伝送媒体に光学的に連結される、光センサ素子と、
   を含む、圧力センサデバイス。
2. 圧力伝達要素がダイヤフラムである、請求項１に記載の圧力センサデバイス。
3. 圧力伝達要素が平板ダイヤフラムである、請求項２に記載の圧力センサデバイス。
4. 平板ダイヤフラムが曲線形状を有する、請求項３に記載の圧力センサデバイス。
5. 平板ダイヤフラムが直線形状を有する、請求項３に記載の圧力センサデバイス。
6. 圧力伝達要素が曲線状のシェルである、請求項２に記載の圧力センサデバイス。
7. 曲線状のシェルが円柱状である、請求項６に記載の圧力センサデバイス。
8. 曲線状のシェルが球状である、請求項６に記載の圧力センサデバイス。
9. 圧力伝達要素がファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）である、請求項１に記載の圧力センサデバイス。
10. ファイバブラッググレーティングが、反射ＦＢＧである、請求項９に記載の圧力センサデバイス。
11. ファイバブラッググレーティングが透過ＦＢＧである、請求項９に記載の圧力センサデバイス。
12. 圧力伝達要素が光ファイバベースの干渉計測センサである、請求項１に記載の圧力センサデバイス。
13. 圧力伝達要素がマルチコアファイバ（ＭＣＦ）センサである、請求項１２に記載の圧力センサデバイス。
14. 少なくとも２つの圧力伝達要素の各々が、２つの別個の圧力チャンバーの少なくとも１つの中で、および２つの別個の圧力チャンバーの少なくとも１つの外部で、圧力伝達要素に対して垂直配向、圧力伝達要素に対して平行配向、圧力伝達要素に対して面内、圧力伝達要素に対して面外の少なくとも１つに配される、請求項１に記載の圧力センサデバイス。
15. 少なくとも２つの光センサ素子が、直列光接続、並列光接続、および直列／並列光接続の少なくとも１つにおいて構成される、請求項１に記載の圧力センサデバイス。
16. 少なくとも２つの光センサ素子が、接合されること、印刷されること、成型されること、および微細加工されることのうち１つによってセンサデバイス内に配される、請求項１に記載の圧力センサデバイス。