JP2935247B2 - 光ファイバ温度センサ - Google Patents

光ファイバ温度センサ

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JP2935247B2 JP3127675A JP12767591A JP2935247B2 JP 2935247 B2 JP2935247 B2 JP 2935247B2 JP 3127675 A JP3127675 A JP 3127675A JP 12767591 A JP12767591 A JP 12767591A JP 2935247 B2 JP2935247 B2 JP 2935247B2
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真三 武藤
洋 伊藤
章 田中
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光ファイバ温度センサに
関する。詳しくは、蛍光色素を含有させた透明な樹脂の
光ファイバを用い、光源からの光により、蛍光色素が発
する蛍光の強度が温度により変化するのを利用した温度
センサに関する。
【0002】光ファイバ型温度センサは、石油、化学、
鉄鋼などの各種工業プラントに於ける製造プロセスの制
御、監視あるいは省エネルギーのために、また電力機
器、工作機器、交通機関、医療設備などの最適かつ安全
運転のために、広範囲にわたって使用されている。特
に、光ファイバセンサは電磁誘導に強く、絶縁性に優
れ、細径可撓性を有するなどの特徴を活かし電力設備な
ど(例えば、変圧器や発電機などの高圧巻線)の温度測
定杳として利用されている。
【0003】
【従来の技術】従来の光ファイバ温度センサは、サンセ
部に半導体チップなどを利用し、その光特性の変化を光
ファイバにより検出するものがある。半導体チップとし
ては、吸収係数の変化を利用するGaAsやGdTeタイプのも
のと、蛍光の変化を利用する(Gd0.99Eu0.01)2O2Sなどの
タイプのものがある。
【0004】図11は後者のタイプの蛍光放射式温度セン
サを示す図であり、(a)は温度検出部、(b)はセン
サ部と信号処理部の構成である。温度検出部は(a)図
に示すように、PFA(フッ素・カーボン)製の容器1
に燐光物質2〔例えば(Gd0.99Eu0.01)2O2S〕が充填さ
れ、そこにマルチモード光ファイバ3が挿入されてい
る。
【0005】(b)図のセンサ部4は、光ファイバ3に
光を入射する光源4と、該光源からの光により燐光物質
2から発する蛍光をビームスプリッタ5で2分し、それ
ぞれ透過な波長の異なるフィルタ6,7を介して受光す
る光検出器8,9等を具備している。また信号処理部10
は、図に示すような構成をとっている。
【0006】この蛍光放射式温度センサの温度測定原理
は図12に示すように、光源4から(a)図に示すような
特性の励起光を光ファイバ3に入射すると燐光物質2か
ら(b)図に示すようなスペクトルを有する蛍光が励起
される。この蛍光の強度には(c)図に示すように温度
に大きく依存する(カーブb:波長0.51μm)ものと、
温度によってあまり変化しない(カーブa:波長0.63μ
m)ものとがある。
【0007】図11(a)のセンサ部4ではこの2つの波
長の光の強度を光検出器8,9で検出し、信号処理部10
でa,bの相対強度比a/bを演算して温度を算出する
のである。この温度センサの測定範囲は−50〜 200℃、
測定精度は0.1℃、応答速度は1秒以下である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の蛍光放射式
温度センサでは、センサ系の構成が複雑で、且つ光の変
化量が小さいため、電子回路の光増幅などが高価になる
などの問題があった。本発明は、センサ系の構成が簡単
で、温度に対して、光の変化量が大きい光ファイバ温度
センサを実現しようとする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の温度センサ用光
ファイバに於いては、透明な樹脂を用いたコア11と、該
コアと材質の異なる透明な樹脂に、温度により蛍光特性
が変化する蛍光色素を含有させた透明な樹脂を用いたク
ラッド12とよりなることを特徴とする。また温度により
蛍光特性が変化する蛍光色素を含有させた透明な樹脂を
用いたコア11と、該コアの樹脂とは材質が異なる透明な
樹脂を用いたクラッド12とよりなることを特徴とする。
【0010】また、それに加えて、前記蛍光色素がアジ
ン色素、あるいはレサズリン色素であることを特徴とす
る。また、それ加えて、前記透明樹脂がメチルメタクリ
レート、カーボネート、スチレン、ビニルアルコールな
どの重合体もしくは共重合体もしくは重合体の固溶体で
あることを特徴とする。また、それに加えて、前記温度
センサ用光ファイバにおいて、その外周に湿度などの影
響を受けないような保護層13を設けたことを特徴とす
る。
【0011】また本発明の光ファイバ温度センサに於い
ては、前記透明な樹脂のコア11と蛍光色素を含有させた
透明な樹脂のクラッド12とよりなる温度センサ用光ファ
イバ14を用い、その一方の端部から光を入射する光源19
と、その反対側の端部から出射する蛍光の強度を測定す
る光検出器20と、該光検出器20の出力から該温度センサ
用光ファイバ14が曝されている部分の温度を計算する電
子回路21とを具備して成ることを特徴とする。
【0012】また、前記蛍光色素を含有させた透明な樹
脂のコア11と、透明な樹脂のクラッド12とよりなる温度
センサ用光ファイバ14′を用い、その一方の端部から光
を入射する光源19と、同端部から出射する蛍光色素から
の蛍光の強度を測定する光検出器20と、該光検出器20の
出力から該温度センサ用光ファイバ14′が曝されている
部分の温度を計算する電子回路21とを具備して成ること
を特徴とする。この構成を採ることに依り、センサ系の
構成が簡単で、温度に対して光の変化量が大きい光ファ
イバ温度センサが得られる。
【0013】
【作用】図1は本発明の原理説明図で、レサズリン色素
の蛍光スペクトルの温度による変化を示したものであ
る。 レサズリン色素は同図に曲線Aで示すように 570
nm付近に光の最大吸収波長を持ち、曲線B及びCで示す
ように650nmで蛍光を発する。この発光強度は温度の上
昇に伴って減少し、特に室温付近で急激に変化し、25℃
では18℃の場合の約60%になる。本発明はこの原理を利
用し、レサズリン色素を樹脂の光ファイバに含有させ、
この光ファイバにレサズリン色素を励起させる光を入射
し、レサズリン色素から発する蛍光の強度を測定するこ
とにより、光ファイバが曝されている付近の温度を測定
することができる。
【0014】
【実施例】図2は本発明の温度センサ用光ファイバの第
1の実施例を示す図である。本実施例は、直径1mmの透
明なポリメチルメタクリレート(PMMA)からなるコア11の
外周にアジン色素の一種であるレサズリン色素を含有さ
せた透明なポリビニールアルコール(PVA) を被覆してク
ラッド12を形成し、さらにその上に、湿度などの影響を
防ぐため、ポリカポネート(PC)からなる保護層13を
設けている。
【0015】なお、アジン色素は図3(a)に示すよう
に複素環を有する色素であり、レサズリン色素は図3
(b)に示すようにアジン色素のXが酸素であるもの
で、図1で説明したような蛍光特性を有している。また
コア11及びクラッド12に使用する樹脂としては、メチル
メタクリレート、カーボネート、スチレン、ビニルアル
コールなどの重合体もしくは共重合体もしくは重合体の
固溶体を用いることができる。
【0016】図4は上述の温度センサ用光ファイバを用
いた光ファイバ温度センサの第1の実施例を示す図であ
る。本実施例は同図に示すように温度センサ用光ファイ
バ(第1実施例の)14の両端に光コネクタ15,16により
プラスチックの光ファイバ17,18が接続され、その一方
の側に光源19としてヘリウムネオンレーザ(波長:594n
m)が配置され、他方の側に光検出器20が配置されてい
る。また該光検出器20に接続して、該光検出器の出力か
ら温度を算出する電子回路21が設けられている。さらに
該光検出器20と光ファイバ18との間には光源19からの直
接光の影響を取り除くためのカラーフィルタ22(波長59
4 の光をカットする。)が挿入配置されている。
【0017】このように構成された本実施例は、温度セ
ンサ用光ファイバ14を温度計測を必要とするもの(例え
ば図4ではヒータ23を有する恒温槽)の中に挿入する。
そして光源19から励起光を入射すると、該励起光はクラ
ッド12にも多少浸入するためクラッドに含有されている
蛍光色素から蛍光が励起され、光ファイバ18から出射す
る。この際光源19からの直接光も出射されるが、この光
はフィルタ22でカットされ、蛍光のみが光検出器20に入
射する。図5はこのときの光検出器20で測定した蛍光強
度と光ファイバ14が置かれている周囲の温度との関係を
示した図である。電子回路21はこの図5から光ファイバ
14の周囲の温度を算出することができる。また図6は温
度の逆数として光ファイバ出力強度を対数プロットした
もので、この図からレサズリン色素の活性化自由エネル
ギは4.6Kcal/mol である。
【0018】図7は図4において、温度センサ用光ファ
イバ14に瞬間的に熱風をあてたときの蛍光強度の変化を
測定したもので、1秒以内で高速応答していることがわ
かる。また図8は蛍光強度に対する湿度の影響を調べた
図で、保護層を設けたことにより、湿度10〜60%RHに
おいて蛍光強度に変化がなく、湿度の影響がないことが
分かる。
【0019】図9は本発明の温度センサ用光ファイバの
第2の実施例を示す図である。本実施例が第1の実施例
と異なるところは、第1の実施例が蛍光色素をクラッド
12に含有せしめたのに対し、本実施例はコア11に含有せ
しめたことで、他は第1の実施例と同様である。
【0020】図10は本発明の光ファイバ温度センサの第
2の実施例を示す図である。同図において第1の実施例
と同一部分は同一符号を付して示した。同図において、
14′は図9に示した温度センサ用光ファイバであり、該
光ファイバ14′には光コネクタ16により光ファイバ18の
一方の端部が接続され、該光ファイバ18の他方の側には
ハーフミラー25と、該ハーフミラーを介して光ファイバ
18に光を入射する光源19と、光ファイバ18から出射され
た蛍光を検出する光検出器20が配置されている。また該
光検出器20には該光検出器の出力から温度を算出する電
子回路21が接続されている。
【0021】このように構成された本実施例は、温度セ
ンサ用光ファイバ14′を温度計測を必要とするもの(図
ではヒータ23を有する恒温槽)の中に挿入し、光源19か
ら光ファイバ18へ励起光を入射する。これにより温度セ
ンサ用光ファイバ14′の蛍光色素は励起されて蛍光を発
し、光ファイバ18中を励起光とは逆行して出射し、光検
出器20に入射する。この光検出器20からの光出力により
電子回路21は光ファイバ14′の曝されている部分の温度
を算出するのである。なお本実施例は第1の実施例と同
様な効果が得られる。
【0022】
【発明の効果】本発明に依れば、蛍光色素を含有させた
樹脂を光ファイバとし、その蛍光色素が発する蛍光が温
度により変化するのを利用したことにより、センサ系の
構成が簡単で、大気温度範囲での感度が高く、且つ応答
速度が早く、さらに湿度の影響を受けない光ファイバ温
度センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理説明図である。
【図2】本発明の温度センサ用光ファイバの第1の実施
例を示す図である。
【図3】アジン色素及びレサズリン色素の化学式を示す
図である。
【図4】本発明の光ファイバ温度センサの第1の実施例
を示す図である。
【図5】本発明の光ファイバ温度センサの第1の実施例
のセンサ用光ファイバからの出力光の温度変化を示す図
である。
【図6】本発明の光ファイバ温度センサの第1の実施例
のセンサ用光ファイバからの出力光の温度変化を示す図
(アレニウス図)である。
【図7】本発明の光ファイバ温度センサの第1の実施例
のセンサ用光ファイバからの出力光の時間変化を示す図
である。
【図8】本発明の光ファイバ温度センサの第1の実施例
のセンサ用光ファイバからの出力光の湿度による変化を
示す図である。
【図9】本発明の温度センサ用光ファイバの第2の実施
例を示す図である。
【図10】本発明の光ファイバ温度センサの第2の実施例
を示す図である。
【図11】従来の蛍光放射式温度センサを示す図であり、
(a)は温度検出部、(b)はセンサ部と信号処理部の
構成である。
【図12】蛍光放射式温度センサの温度測定原理を説明す
るための図である。
【符号の説明】
11…コア 12…クラッド 13…保護層 14,14′…温度センサ用光ファイバ 15,16…光コネクタ 17,18…光ファイバ 19…光源 20…光検出器 21…電子回路 22…カラーフィルタ 23…ヒータ 24…電源 25…ハーフミラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 戸松 正宏 神奈川県横浜市緑区川和町654番地 富 士通化成株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−161623(JP,A) 特開 昭58−182520(JP,A) 特開 昭62−118227(JP,A) 特開 昭62−298734(JP,A) 実開 昭60−19918(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01K 11/12

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 透明な樹脂を用いたコア(11)と、該コ
    アと材質の異なる透明な樹脂に、温度により蛍光特性が
    変化する蛍光色素を含有させた透明な樹脂を用いたクラ
    ッド(12)とよりなることを特徴とする温度センサ用光
    ファイバ。
  2. 【請求項2】 温度により蛍光特性が変化する蛍光
    を含有させた透明な樹脂を用いたコア(11)と、該コア
    の樹脂とは材質が異なる透明な樹脂を用いたクラッド
    (12)とよりなることを特徴とする温度センサ用光ファ
    イバ。
  3. 【請求項3】 前記蛍光色素がアジン色素であることを
    特徴とする請求項1又は2の温度センサ用光ファイバ。
  4. 【請求項4】 前記蛍光色素がレサズリン色素であるこ
    とを特徴とする請求項1又は2の温度センサ用光ファイ
    バ。
  5. 【請求項5】 前記透明樹脂がメチルメタクリレート、
    カーボネート、スチレン、ビニルアルコールなどの重合
    体、もしくは共重合体、もしくは重合体の固溶体である
    ことを特徴とする請求項1又は2の温度センサ用光ファ
    イバ。
  6. 【請求項6】 前記温度センサ用光ファイバにおいて、
    その外周に湿度などの影響を受けないような保護層(1
    3)を設けたことを特徴とする請求項1又は2の温度セ
    ンサ用光ファイバ。
  7. 【請求項7】 請求項1の温度センサ用光ファイバ(1
    4)を用い、その一方の端部から光を入射する光源(1
    9)と、その反対側の端部から出射する蛍光の強度を測
    定する光検出器(20)と、該光検出器(20)の出力から
    該温度センサ用光ファイバ(14)が曝されている部分の
    温度を計算する電子回路(21)とを具備して成ることを
    特徴とする光ファイバ温度センサ。
  8. 【請求項8】 請求項2の温度センサ用光ファイバ (1
    4′) を用い、その一方の端部から光を入射する光源(1
    9)と、同端部から出射する蛍光色素からの蛍光の強度
    を測定する光検出器(20)と、該光検出器(20)の出力
    から該温度センサ用光ファイバ (14′) が曝されている
    部分の温度を計算する電子回路(21)とを具備して成る
    ことを特徴とする光ファイバ温度センサ。
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CN112129426B (zh) * 2020-09-23 2022-07-05 长飞光纤光缆股份有限公司 一种单端注入多芯光纤的拉曼传感测温系统及方法

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