JP2901995B2 - 荷重物体の振動及び加速度を測定する光ファイバー式モニター装置 - Google Patents

荷重物体の振動及び加速度を測定する光ファイバー式モニター装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光ファイバー式振動センサーに関し、更に詳
細には、荷重物体の振動に応答して光ビームを位相変調
するセンサーに関する。
ウエスチングハウス・エレクトリック・コーポレーシ
ョン及びアセア(ASEA)から市販されている従来型光フ
ァイバー式振動センサーはその帯域幅が比較的狭い。ウ
エスチングハウスの振動センサーは共振周波数に同調し
たリードにより支持される振動スクリーンを用いて光フ
ァイバーからの光ビームを遮断する構成である。アセア
のセンサーは同じく共振作動点を有する片持ビームから
外れるように光ビームを鏡で反射させるものである。ア
セアのセンサーでは片持ビームが曲がると一部の光が逃
げる(即ち、反射光が再び光ファイバーへ戻らない)た
め、光ビームの振幅変調が得られる。これらのセンサー
はその狭い帯域内では著しい非線形特性を示すが、これ
は共振同調のためであり、光ビームを感知するモニター
の較正が適正でない場合には加速度計により発生される
加速度信号を非線形増幅器及びフィルターに通す必要が
ある。これらの従来型センサーはまた、12乃至36%の温
度ドリフト係数を持つため、温度の変動する環境におい
てこれらのセンサーを使用するのは実際的ではない。
本発明の目的は非常に広い帯域幅を有するセンサーを
提供することにある。本発明の目的は更に温度ドリフト
の影響を受けないセンサーを提供することにある。本発
明では、外部電源を必要とせず、全帯域幅に亘って線形
であるため高価な非線形補正増幅器及びフィルターを使
用せず、高い電位で使用することができる低コスト加速
度計が提供される。
上記目的は、位相変調器を用いて圧電結晶によりレー
ザビームの位相を電気的に変調する振動センサーにより
達成される。変調ビームと非変調基準ビームとの間の位
相差を用いて加速度を求める。
本発明は、広義には、振動の測定値に相当する信号を
光ファイバーにより伝送する型式の、荷重物体の振動及
び加速度を測定する光ファイバーモニター装置であっ
て、荷重物体に結合され該荷重物体の加速度に応答する
加速度信号を発生する圧電結晶と、加速度信号に応答し
て光ファイバー中の光ビームの位相角特性を変化させる
手段とよりなることを特徴とする光ファイバーモニター
装置を提案する。
以下、添付図面を参照して本発明を好ましい実施例に
つき詳細に説明する。
第1図の荷重物体10のための広帯域加速度感知装置
は、従来型レーザ12と従来型光学式位相検波器14とを用
いる。適当なレーザ12としてはカリフォルニア州サンフ
ォセのスペクトラ・ダイオード・ラボラトリーズ・イン
コーポレーテッド(Spectra Diode Labs,Inc.)から入
手可能なモデルSDL−2402−HZがあり、一方検波器14と
しては光ファイバージャイロスコープに用いるようなも
のがある。レーザ12はコーヒレントなビームを発生し、
該ビームは光ファイバー16を介して従来型のビームスプ
リッタ18へ送られる。スプリットされたビームの1半分
は従来型光ファイバー20を介して基準ビームとして位相
検波器14へ送られ、該基準ビームと、振動に応答して位
相がシフトしたビームを比較して振動を測定する。その
比較動作は本質的に加算であり、基準ビームと位相変調
された感知ビームとを加算して例えば、下記のような加
速度信号が得られる。
上記式の等符号の右の第1項は位相シフトφの大きさ
を求めるために用いられる。ビームスプリッタ18はもう
1つのスプリットビーム(感知ビーム)を光ファイバー
22を介して振動センサー24へ送る。振動センサーは荷重
物体10に物理的に結合されている。センサー24はカリフ
ォルニア州サン・ジュアン・キャピストラーノ(San Ju
an Capistrano)のエンデブコ(Endevco)から入手可能
な従来型圧電結晶26を有し、該結晶は荷重物体10により
圧縮或いは膨張されるか曲げられると電気信号を発生す
る。速度センサーのような他の振動センサーもほぼ1ボ
ルトの信号を生ずる限り使用できる。結晶26の周波数応
答は約1ヘルツから数百メガヘルツの範囲にある。結晶
26により発生される電気信号はアンフェノル(ampheno
l)のLINI−GUIDE位相変調器シリーズ947のような位相
変調器28に加えられる。位相変調器28は位相変調された
光ビームを出力し、該光ビームは光ファイバー30を介し
て光学式位相検波器14へ送られる。圧電結晶26と位相変
調器28を組み合わせることにより温度ドリフト係数が20
℃から100℃の間で本質的にゼロであるセンサー24が得
られる。センサー24の大きさは普通1立方センチ以下で
あり、周波数範囲が最大数百メガヘルツまでの広い線形
加速度信号を発生できる。動作時、位相検波器14は圧電
結晶26の電気信号を再生し、その再生信号は結晶26によ
り直接発生させる信号と同様に処理される。結晶26に発
生する電圧は低周波数では低いため、低周波数では検波
器の出力信号に幾らかの直線性を与える必要がある。こ
のような補償は特定の用途に応じて当業者が随意行なう
ことができる。
位相変調器28の詳細及び圧電結晶26、荷重物体10を第
2図に示す。光導波管22により変調器28に加えられる光
はTEモードであり光ファイバーコネクタ40により変調器
28に結合される。光ファイバーコネクタ40は光ファイバ
ー22をニオブ酸リチウム基板44に形成したチタンを拡散
させた導波管42に接続する。光ビームは結晶26に接続し
た導体48により2つの電極46に電位を加えることにより
位相変調される。導波管42はコネクタ50により光ファイ
バー30に結合されている。構成要素40、46及び50は前述
した好ましい変調器28の全部を構成する。動作時、結晶
26は荷重物体10により印加される力に応答して電位を発
生する。その電位は変調器28の電極46へ電荷を移動させ
る。光導波管42に加えられる電圧によりその材料の屈折
率を変化させる強力な電界が発生する。屈折率の変化に
より光の伝搬速度が変化し、その結果基準ビームに対し
てビームの位相がシフトする。光ビームの位相には加速
度信号が載せられているため、その信号は光源の強さに
は無関係である。
第3図に示す構成により、変調光ビームに直流バイア
スを加えることが可能である。圧電結晶26と位相変調器
28との間の位相変調器28への導体の一方にバッテリー60
を接続する。バッテリーは一定の位相シフトによるオフ
セットを与える。バッテリーによるバイアスがない場合
には位相シフトは各サイクルにつき2度ゼロを通過し、
検波器14が整流された振動信号を発生する。バッテリー
によるバイアスが検波器の出力信号を常に正にして、低
周波数振動信号の出力信号レベルを増大させる。バッテ
リー60は位相変調器28或いは圧電結晶26へ正味の電力を
供給しないため、寿命が非常に長い。
第4図は、別の光ファイバー62のような第3の光源か
らの光を用いて従来型シリコンフォトセンサ64により圧
電結晶への一方のリードにバイアスをかけるようにした
第2のバイアス付与方式を示す。フォトセル64を用いる
と位相シフトが一定である直流型オフセットにより光学
チップにバイアスが付与されるだけでなく、較正光信号
をファイバー62を介して入力するとセンサー26の較正及
びテストが可能となる。また、フォトセル64を用いて直
流バイアスを交流変調して圧電結晶からの信号にビート
を生ぜしめることができる。フォトセル64は本質的に無
限大のインピーダンスを駆動するため、光ファイバー62
によりエネルギーを送りこむ必要はほとんどない。
第5図は、振動信号から電気的に隔離された構成によ
りバイアス信号と共に較正信号を発生させる第3の実施
例を示す。この構成では2つの位相変調器66及び68を直
列に接続する。もちろん、市販の変調器を2対の電極46
を備えるように内部的に改造して2つの入力を持つ装置
としてもよい。第5図の構成によると、フォトセル64を
介してセンサーにフィードバック信号を供給して、振動
により生じる位相シフトが最大感度領域にくるように結
晶26により光に導入される位相シフトを連続的にバイア
スすることにより性能が向上する。例えば、バイアスに
より180゜位相をシフトさせると光ビームは互いにほと
んど打ち消し合って結晶26により生じる小さい位相シフ
トを検出することは困難となる場合がある。バイアスの
最適値はバイアス及び振動により位相がシフトしたビー
ムが基準ビームから90゜離れた所に保持されるような大
きさである。
光ファイバーがビーム中に低周波数の位相シフトノイ
ズを発生させるような機械的応力下にある場合、第6図
に示す構成を採用するとこの種のノイズが実質的にゼロ
になる。この構成では光ファイバー20、22及び30がセン
サー24へ又はセンサー24から検波器14の方向に同一或い
は平行な物理的経路を形成するように延びるため、基準
ビームと感知ビームが同じ位相シフトを生じる。従来の
光ファイバーケーブルの束は少なくとも3つの光ファイ
バーを含んでいるため、従来型光ファイバーケーブルの
束はファイバーに生じる機械的な応力によるノイズの減
少及び直流バイアス及び較正光ビームの伝送に特に適し
たものである。
第7図はかかるバイアスによる機械的なノイズを除去
すると共にセンサー24の感度を倍増する構成を示す。こ
の構成では、レーザ12からのビームがスプリッタ18によ
り分割され、その後再び普通のスプリッタ70及び72によ
り分割される。スプリットされたビームの一方(感知ビ
ーム)はセンサー24を通って従来型の反射器74により反
射されるが、平行な経路を走るスプリットされたビーム
(基準ビーム)は同じ位置にある従来型の反射器76によ
り反射される。反射器74からのリターンビームは再びセ
ンサー24を通過し、その結果位相が荷重物体10の振動に
より2度変調される。この2度位相が変調された感知ビ
ームが基準ビームと共に検波器14に加えられる。
本発明の種々の特徴及び利点は上述の詳細な説明から
明らかであろう。そして頭書した特許請求の範囲は本発
明の範囲内にあるかかる特徴及び利点を全て包含するも
のと意図されたものである。更に、多数の変形例及び設
計変更が当業者により想到されるであろうから、本発明
をその実施例の特定の構成及び動作に限定すべきでな
く、従ってかかる適当な変形例及び等価例は全て本発明
の技術的範囲内に入るものと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の実施例による光ファイバー加速度計
式振動測定装置を示す。 第2図は、第1図のセンサー24の構成を詳細に示す。 第3図は、加速度信号にバイアスを与える構成を示す。 第4図は、振動信号にバイアスを与える構成を示す。 第5図は、加速度信号にバイアスを与える別の構成を示
す。 第6図は、機械的な作用による低周波数位相シフトをゼ
ロにする構成を示す。 第7図は、機械的な作用による低周波数位相シフトをゼ
ロにすると共に振動センサー24の感度を倍増させる構成
を示す。 10……荷重物体 12……レーザ 14……光学式位相検波器 18……ビームスプリッタ 24……振動センサー 26……圧電結晶 28……位相変調器 60……バッテリー 64……フォトセル

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】振動の測定値に相当する信号を光ファイバ
    ーにより伝送する型式の、荷重物体の振動及び加速度を
    測定する光ファイバーモニター装置であって、荷重物体
    に結合され該荷重物体の加速度に応答する加速度信号を
    発生する圧電結晶と、加速度信号に応答して光ファイバ
    ー中の光ビームの位相角特性を変化させる手段とよりな
    ることを特徴とする光ファイバーモニター装置。
  2. 【請求項2】位相角特性を変化させる手段が光学式位相
    変調器である変調手段により構成されていることを特徴
    とする請求項1に記載の光ファイバーモニター装置。
  3. 【請求項3】加速度信号をバイアスするバイアス手段を
    含んでなることを特徴とする請求項1に記載の光ファイ
    バーモニター装置。
  4. 【請求項4】バイアス手段が圧電結晶と変調手段の間に
    結合されたバッテリーよりなることを特徴とする請求項
    3に記載の光ファイバーモニター装置。
  5. 【請求項5】バイアス手段が、バイアス用光ビームを発
    生する光源と、光源に結合されるとともに圧電結晶と変
    調手段の間に結合されてバイアス用光ビームを照射され
    るフォトセルとよりなることを特徴とする請求項3に記
    載の光ファイバーモニター装置。
  6. 【請求項6】バイアス手段が、変調手段に接続された位
    相変調器と、バイアス用光ビームを発生する光源と、光
    源に結合されるとともに位相変調器に接続されてバイア
    ス用光ビームを照射されるフォトセルとよりなることを
    特徴とする請求項3に記載の光ファイバーモニター装
    置。
  7. 【請求項7】加速度信号をバイアスして較正信号を発生
    させるバイアス/較正手段を含んでなることを特徴とす
    る請求項1に記載の光ファイバーモニター装置。
  8. 【請求項8】光源が、光ビームを発生するレーザと、変
    調手段に結合されて光ビームの位相変調を検出する検波
    器よりなることを特徴とする請求項5に記載の光ファイ
    バーモニター装置。
  9. 【請求項9】レーザに結合されたビームスプリッタと、
    ビームスプリッタと検波器の間に結合された第1の光フ
    ァイバーと、ビームスプリッタと変調手段の間に結合さ
    れてそれらの間を第1の光ファイバーと平行に延びる第
    2の光ファイバーと、変調手段と検波器の間に結合され
    てそれらの間を第1の光ファイバーと平行に延びる第3
    の光ファイバーとよりなることを特徴とする請求項8に
    記載の光ファイバーモニター装置。
  10. 【請求項10】レーザに結合されて基準ビームと感知ビ
    ームを発生させる第1のビームスプリッタと、第1のビ
    ームスプリッタと検波器に結合されて基準ビームを通過
    させる第2のビームスプリッタと、第1のビームスプリ
    ッタと検波器と変調手段とに結合されて感知ビームを変
    調手段に送る第3のビームスプリッタと、第2のビーム
    スプリッタに結合されて基準ビームを第2のビームスプ
    リッタへ反射させ第2のビームスプリッタが反射した基
    準ビームを検波器へ送るようにする第1の反射手段と、
    変調手段に結合されて感知ビームを反射させて変調手段
    を介して第3のビームスプリッタに送り返し、第3のビ
    ームスプリッタが反射した感知ビームを検波器へ送るよ
    うにする第2の反射手段とよりなることを特徴とする請
    求項8に記載の光ファイバーモニター装置。
JP1158134A 1988-06-20 1989-06-20 荷重物体の振動及び加速度を測定する光ファイバー式モニター装置 Expired - Lifetime JP2901995B2 (ja)

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