JP3549153B2 - 光ファイバ干渉センサ、光ファイバ干渉センサの信号処理システム、信号処理方法および記録媒体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て、該光強度信号における光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサに係り、特に起歪部の変位により被計測間隙が変化する光ファイバ干渉ひずみセンサ等に好適な信号処理を行なう光ファイバ干渉センサ、光ファイバ干渉センサの信号処理システム、信号処理方法および記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
広帯域スペクトルを有する低コヒーレンス光源、つまり多波長の白色光源、を用いた光ファイバ干渉センサは、レーザ光源のような高コヒーレンス光源を用いた光ファイバ干渉センサにはない特徴をもっている。
低コヒーレンス干渉法は、例えば、Ｍ．Ｂｏｒｎ ａｎｄ Ｅ．Ｗｏｌｆ，“Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ， ６ｔｈ ｅｄｉｔｉｏｎ”，（Ｐｅｒｇａｍｏｎ Ｐｒｅｓｓ，（Ｏｘｆｏｒｄ， Ｌｏｎｄｏｎ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９８０））に記載されているように、古典光学では周知の技術である。しかしながら、この手法は、光ファイバセンサへの応用においてその真価が発揮される。
また、低コヒーレンス干渉法を光ファイバセンサに応用したものは、例えば、Ｄ．Ａ．Ｊａｃｋｓｏｎ，”Ｍｏｎｏｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｒｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ”，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｅ：Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．，Ｖｏｌ．１８ ９８１−１００１（１９８５）の総合報告等に記述されている。
【０００３】
低コヒーレンス干渉法に対して、高コヒーレンス干渉法は、レーザの発展と共に進歩し、高精度な計測が実現されている。この高コヒーレンス干渉法においては、基本的にフリンジをカウントすることにより位相差、つまり光路差、を測定する。このため、計測システムがオフになるとそれまでの情報は失われてしまい、絶対的な光路差を求めることができない。
また、高コヒーレンス干渉法は、光源であるレーザの波長を基準としている。したがって、高コヒーレンス干渉法においては、レーザ波長の高安定化を図らなければ、高精度の計測を実現することはできない。
それに対して、低コヒーレンス干渉法は、干渉計の絶対光路差を測定することができ、しかも光源の波長スペクトルの変動に影響されにくいという、高コヒーレンス干渉法にはない特徴を有している。この方式は、測定対象パラメータが変位に変換できるものでさえあれば、多くの物理量に適用することができ、その絶対測定を可能にする。
【０００４】
すなわち、低コヒーレンス干渉法は、干渉法の持つ性質を活かしつつ、高コヒーレンス干渉法におけるフリンジ次数同定の困難さ、および光源の安定性にかかわる問題を克服した高精度な計測方法である。
低コヒーレンス光源を用いた光ファイバ干渉センサの中で、ファブリペロー型光ファイバ干渉センサは、その構造が単純であるため、高精度センサに適している。
従来、低コヒーレンス光源を用いたファブリペロー型光ファイバ干渉センサとしては、例えば米国特許第５，３９２，１１７号公報（１９９５年２月２１日発行；Ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅ ｅｔ ａｌ．，“Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ”）および米国特許第５，２０２，９３９号公報等に、センサにおいて波長変調されたセンサからの信号光を空間的に直線状に集光し、その光信号をフィゾー干渉計に導き、フィゾー干渉計において光相関を生じさせて光信号を復調し、それをリニアイメージセンサで検出する光ファイバ・ファブリペロー型干渉ひずみセンサシステムが示されている。
【０００５】
前述の米国特許第５，３９２，１１７号公報に開示されたファブリペロー型光ファイバ干渉ひずみセンサシステムの一例について説明する。
図１２にファブリペロー型光ファイバ干渉ひずみセンサの概略的な構成を示す。図１２（ａ）は、ファブリペロー型光ファイバ干渉ひずみセンサの全体の構成および図１２（ｂ）は、測定システムの概要を示している。
ファブリペロー干渉計は、図１３に示すように、所定のギャップの間隙寸法ｄ（＝Ｇ）を存して相対峙する一対の平行平面に光の部分反射膜Ｆ１およびＦ２を形成し、そのギャップ内で繰り返し反射することによる多重反射を行わせるようにしたもので、多数の光束が干渉に関与する（多重光束干渉）ため、光波の波長選択性が高くなる。なお、後述する本発明もこの性質を積極的に利用している。ここで、ギャップの間隙ｄは、使用する光源に対して透明な真空あるいは、例えば空気等の媒質で満たされている。
【０００６】
以下、ファブリペロー型光ファイバー干渉ひずみセンサの構造について説明する。
ひずみセンサは、図１２（ａ）に示すように、ギャップの間隙寸法Ｇ（＝ｄ）を隔てて対峙した光ファイバ１０１および１０２の各端面に部分反射ミラーを形成する薄膜からなる部分反射膜Ｆ１およびＦ２が成膜された基本構造を有している。また、センサ部１００において対峙した光ファイバ１０１および１０２は、マイクロキャピラリチューブ１０３中に挿入され、所定の間隙寸法Ｇのギャップを存して配置され、ゲージ長さＬ_Ｇに対応する部分でマイクロキャピラリチューブ１０３に融着されている。
ファブリペロー型光ファイバー干渉ひずみセンサを構成するマイクロキャピラリチューブ１０３を測定対象物に接着材等で固定すると、測定対象物の変形によりゲージ長さＬ_Ｇが変化し、それに対応してギャップの間隙寸法Ｇが変化する。その間隙寸法Ｇの変化から測定対象物のひずみを測定することができる（図１４および図１６参照。）。また、広波長帯域を有する低コヒーレンス光源を用いるため、光ファイバ１０１および１０２には、マルチモード光ファイバを使用する。
センサ部１００において波長変調された反射および透過いずれの光波も信号光として使用することができるが、ここでは反射光を例にとって説明する。
センサ部１００から反射して戻ってきた波長変調された光波は、 ［２×２］ カプラ１０７により分岐され光信号復調処理部１０８に伝播する。
【０００７】
次に、図１４を参照して、この種のファブリペロー型光ファイバー干渉ひずみセンサの検出原理を説明する。
波長変調され、センサ部１００から光信号復調部１０８に伝播した信号光は、光ファイバ１０２から空間に放射され、例えばコリメートレンズ系および集光レンズ系からなる光学系１０８ａによりコリメートされた後に直線状（平行光線状）に集光される。
直線状に集光された光信号は、対向する面が微小角度γだけ傾いているウェッジ型ファブリペロー干渉計、すなわちフィゾー干渉計１０８ｂのテーパ状をなすギャップの各位置において、前述のセンサ部１００の場合とほぼ同様に多重反射し、フィゾー干渉計１０８ｂの波長スペクトル特性との光相関を生じ、センサ部１００のギャップの間隙寸法Ｇに一致するフィゾー干渉計１０８ｂのギャップ寸法の位置で光強度が最小となる（透過型の場合は最大、反射型の場合は最小となる）。
【０００８】
この光強度信号を、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）等からなるリニアイメージセンサ１０８ｃで検出し、図１４に示すように、その光強度が最小となる個所のウェッジ端からの距離［Ｌ_ｍｉｎ（ｄ）｜_ｄ＝Ｇ］を求めることにより、［Ｇ＝Ｌ_ｍｉｎ（Ｇ）・ｔａｎ（γ）］として、センサ部１００のギャップの間隙寸法Ｇの絶対測定が可能となる。ひずみεは、無ひずみ状態での光強度が最小となるウェッジ端からの距離をＬ_ｍｉｎ［Ｇ（０）］、ひずみεがかかった状態での光強度が最小となるウェッジ端からの距離をＬ_ｍｉｎ［Ｇ（ε）］とすると、数１であらわされる。
【０００９】
【数１】

なお、この方式は、光源として高コヒーレント光源を使用した場合には、光相関信号が拡がってしまい最小または最大位置検出が困難となる。
【００１０】
図１５に、光源の波長スペクトルがガウス分布を有するとして、中心波長をλ_０＝８５０ｎｍ、半値幅Δλを５ｎｍ、２５ｎｍおよび６０ｎｍとした場合のセンサシステム出力のシミュレーションの例を示す。スペクトル半値幅が狭くなり、光源が高コヒーレンスとなるにつれて光相関信号が拡がり、且つフィゾー干渉計１０８ｂのゼロパスレングス干渉領域が拡がり光相関信号の最小位置検出が難しくなることが分かる。図１５で、横軸の１．０の位置がギャップ間隙に対応する。このことに関しては、後に詳述する。
図１３において、ギャップ（通常は空気）の屈折率をｎ、部分反射膜Ｆ１およびＦ２の反射率をＲ（透過率ＴはＴ＝１−Ｒ）とする。ここで、部分反射膜による光の吸収は無視している。このとき、入射光に対するファブリペロー干渉計の透過係数Ｔ（λ，ｄ）および反射係数Ｒ（λ，ｄ）は次の数２および数３であらわされる。
【００１１】
【数２】

【数３】

ここで、ｄはギャップの間隙寸法（対向する部分反射膜間の距離＝Ｇ）、λは光の波長である。Ｆはフィネスであり、数４であらわされる。
【００１２】
【数４】

また、フィネスＦおよび屈折率ｎは、定数であるので、ファプリペロー干渉計における光の透過係数Ｔ（λ，ｄ）および反射係数Ｒ（λ，ｄ）は、光の波長λおよびギャップ間隙ｄにより変化することがわかる。
【００１３】
図１７（ａ）、（ｂ）および図１８（ａ）、（ｂ）に、ギャップ間隙ｄ（＝Ｇ）を変えたとき〔ギャップ間隙： ｄ_１＝（ａ）の場合２０μｍと（ｂ）の場合ｄ_２＝４０μｍ；すなわちｄ_１＜ｄ_２〕の光の波長に対する透過係数Ｔ（λ，ｄ）および反射係数Ｒ（λ，ｄ）の変化の計算例をそれぞれ示している。
あるギャップ間隙ｄに対して、透過係数Ｔ（λ，ｄ）および反射係数Ｒ（λ，ｄ）の波長スペクトルは一義的に決まるので、波長スペクトルからギャップ間隙ｄを求めることもできる。
実際の低コヒーレンス光源の波長スペクトルは、波長に対してある拡がりを持って分布している。図１９（ａ）、（ｂ）および図２０（ａ）、（ｂ）に、波長に対してガウス分布を有する光源の波長スペクトルＳ_０（λ）、およびギャップ間隙ｄを変えたときの、光の波長に対する透過スペクトル強度分布Ｓ_Ｔ（λ，ｄ）および反射スペクトル強度分布Ｓ_Ｒ（λ，ｄ）の計算例をそれぞれ示している。この場合も、ギャップ間隙は（ａ）の場合ｄ_１＝２０μｍと（ｂ）の場合ｄ_２＝４０μｍ、すなわちｄ_１＜ｄ_２である。
ここで、ファブリペロー型光ファイバー干渉ひずみセンサのギャップ間隙をＧとすると、センサ通過後の光信号の透過スペクトル強度分布Ｓ_Ｔ（λ，Ｇ）および反射スペクトル強度分布Ｓ_Ｒ（λ，Ｇ）は光源の波長スペクトルをＳ_０（λ）として、数２および数３より、次の数５、数６、数７および数８であらわされる。
【００１４】
【数５】

【００１５】
【数６】

【００１６】
【数７】

【００１７】
【数８】

【００１８】
【数９】

【００１９】
ここで、Ｔ_Ｓ（λ，Ｇ）、Ｒ_Ｓ（λ，Ｇ）、Ｆ_Ｓ、ｎ_ＳおよびＲ_Ｓは、それぞれファブリペロー型光ファイバー干渉ひずみセンサの透過係数の波長スペクトル分布、反射係数の波長スペクトル分布、フィネス、ギャップ間屈折率および部分反射膜の反射率をあらわしている。
センサ部１００からの信号光は、光信号復調部１０８、すなわち対向する面が微小角度（γ）傾いているフィゾー干渉計（ウェッジ型ファブリペロー干渉計）１０８ｂのテーパ状をなすギャップの各位置おいて、フィゾー干渉計１０８ｂの波長スペクトル特性との光相関を生じさせる。
フィゾー干渉計１０８ｂの波長スペクトルＴ_Ｄ（λ，ｄ）は、数２と同様に次の数１０および数１１であらわされる。
【００２０】
【数１０】

【００２１】
【数１１】

ここで、Ｆ_Ｄ、Ｒ_Ｄおよびｎ_Ｄはそれぞれフィゾー干渉計１０８ｂのフィネス、部分反射膜の反射率およびギャップ間隙における屈折率をあらわしている。
また、フィゾー干渉計１０８ｂのウェッジ端から距離Ｌの位置でのギャップ間隙ｄは、数１２であらわされる。
【００２２】
【数１２】
ｄ＝Ｌ・ｔａｎ（γ）
したがって、フィゾー干渉計を通過した後の光信号の波長スペクトル分布Ｓ_{Ｔ，ｔｏｔａｌ}（λ，Ｇ，ｄ）（センサ部１００を透過した光信号の場合）およびＳ_{Ｒ，ｔｏｔａｌ}（λ，Ｇ，ｄ）（センサ部１００において反射した光信号の場合）は、数１３および数１４であらわされる。
【００２３】
【数１３】

【００２４】
【数１４】

【００２５】
計測システムとしての出力信号Ｘ_Ｒ（Ｇ，ｄ）（センサから反射した光信号の場合）およびＸ_Ｔ（Ｇ，ｄ）（センサを透過した光信号の場合）は、センサとしてのファブリペロー干渉計とフィゾー干渉計の２つの干渉計を通過した光相関による光強度信号である。これら出力信号Ｘ_Ｒ（Ｇ，ｄ）およびＸ_Ｔ（Ｇ，ｄ）は、それぞれ数１３および数１４を波長に関して積分した形で表現され、数１５および数１６であらわされる。
【００２６】
【数１５】

【００２７】
【数１６】

上述した計測システムの透過型システムの模式的なブロック図を図２１に、反射型システムの模式的なブロック図を図２２にそれぞれ示している。
【００２８】
図２３に、上述したシステムにおける信号出力をシミュレートした出力例を示している。図２３（ａ）の破線で囲んだ部分がセンサ部１００のギャップ間隙情報を含んだ光相関信号である。図２３（ｂ）は、その光相関信号部を拡大したものである。横軸１．０の位置がギャップ間隙位置に対応している。また、図２３（ａ）の一点鎖線で囲んだフィゾー干渉計１０８ｂのウェッジ端に近接したゼロ位置近傍の信号は、フィゾー干渉計１０８ｂのみに起因する信号であり、低コヒーレンス光源を使用しているためフィゾー干渉計１０８ｂのギャップ間隙がゼロの位置近傍に局在している。これはセンサ部１００とフィゾー干渉計１０８ｂとの光相関による信号ではない。この信号部分をゼロパスレングス干渉領域と称する。
先に述べた図１５は、光源の波長スペクトル幅、すなわち半値幅（Δλ）を変えた場合のセンサ計測システムの出力信号をシミュレートした例を示している。ここでは、光源の波長スペクトルがガウス分布を有しているとして、中心波長λ_０を８５０ｎｍ、半値幅Δλを５ｎｍ、２５ｎｍおよび６０ｎｍとした。光源が高コヒーレンスとなりスペクトル半値幅Δλが狭くなるにつれて光相関信号が拡がり、且つフィゾー干渉計のゼロパスレングス干渉領域が拡がって、光相関信号の最小位置の検出が困難になることがわかる。
【００２９】
図２４（ａ）、（ｂ）に、光相関信号とゼロパスレングス干渉との違いについての比較確認試験の計測ブロック図を示す。図２４において、図２４（ｂ）のギャップ固定ファブリペロー干渉計は、光ファイバ２本の端面に部分反射膜を成膜した後に、マイクロキャピラリチューブに挿入し、端面をギャップを存して対峙させて固定したファブリペロー干渉計であり、前述した図１２のファブリペロー型光ファイバ干渉ひずみセンサに類似した構造となっており、ここではセンサとしての役割を担っている。また、図２４（ａ）および（ｂ）のギャップ可変ファブリペロー干渉計は、光ファイバ２本の端面に部分反射膜（例えば、ＴｉＯ_２薄膜）を成膜した後、それぞれをピエゾステージに対峙させて連結固定し、そのギャップ間隙を可変としたもので、図１２における光信号復調部１０８のフィゾー干渉計１０８ｂの役割を担っている。すなわち、フィゾー干渉計１０８ｂは、センサ部１００からの信号光をウェッジを持った干渉計で空間的に広げて一度に測定するのに対して、ギャップ可変ファブリペロー干渉計は、そのギャップ間隙寸法を逐次変えつつ各ギャップ間隙寸法毎に測定をする。この場合、光源としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）（Ｌ７５６０［ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ］）を使用し、光ファイバとしては、マルチモードファイバ（ＧＩ５０／１２５， ＮＡ＝０．１２）を使用し、ピエゾステージとしては、３軸ナノポジショニングステージ（１７ＡＮＣ００１／ＭＤ［ＭＥＬＬＥＳ ＧＲＩＯＴ］）を使用した。
【００３０】
図２５には、図２４（ａ）および（ｂ）の２つの計測システムにおいて、ギャップ可変ファブリペロー干渉計のギャップ間隙寸法を前記ピエゾステージにより微小変化させつつ測定した場合の光パワーメータ出力の変動を示している。前述したように、ギャップ可変ファブリペロー干渉計のギャップ間隙寸法がゼロ付近のゼロパスレングス干渉領域は何れの計測システムでも存在するのに対して、光相関信号はセンサとしてのギャップ固定ファブリペロー干渉計がある場合にのみ存在し、且つその信号の最小位置はギャップ固定ファブリペロー干渉計のギャップ間隙寸法と対応している。これらと同様な結果はシミュレーションによっても示すことができる。
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】
実際のセンサ計測システムにおいて、図３０（ａ）、（ｂ）のような出力信号を得て、高精度な計測システムを実現するためには、リニアイメージセンサの時系列の信号出力波形として、低周波の揺らぎおよび変動が少なく、Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）が高い明瞭な波形を得る必要がある。
そのためには、センサシステムを構成するコリメートレンズ、フォーカスレンズ、フィゾー干渉計およびリニアイメージセンサ等を含む光学系の高精度なアラインメントの調整（微調整）が必要となる。しかも、リニアイメージセンサは検出ノイズが大きく、検出システムが複雑となる傾向がある。
そこで、光ファイバ干渉センサにおけるセンサの校正のために、光相関信号が測定範囲（センサの定格範囲）から分離されているバックグラウンドとしての信号を取得し、そのデータをもとに一連の信号処理を行って、低周波の揺らぎおよびノイズ等の不要な信号を除去し高精度なセンサ計測システムを実現することが考えられる。この光ファイバ干渉センサでは、校正時に、測定範囲より広い範囲の負荷特性データを取得し、データとしては測定範囲のデータをバックグラウンドデータとして利用する。この手法では、簡便な光学系の調整で高精度な計測システムを実現することができ、コストの低廉化を図ることが可能となるという利点がある。
【００３２】
ところで、この方式では、光源の波長スペクトル帯域が同一であれば、センサシステムの出力信号波形はほとんど変化しない。すなわち、図２６〜図２８に、光源波長スペクトル帯域がほぼ同一である４つの異なる波長スペクトル分布（図２６）を有する光源からのセンサシステム出力信号波形（図２７および図２８）のシミュレーションの例を示す。また、このことは、図２９および図３０に示すように実際の実験においても確認されている。
すなわち、図２６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）には、ほぼ同一の光源波長スペクトル帯域を有する４つの異なる波長スペクトル分布をもつ光源１、光源２、光源３および光源４についての波長スペクトル、センサからの反射信号スペクトルおよびギャップ可変ファブリペロー干渉計を通過した後の波長スペクトルのシミュレーション結果を示している。波長スペクトルを見ると、これら４つの光源（光源１〜光源４）についての波形は大きく異なっている。そして、図２７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および図２８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）には、ギャップ可変ファブリペロー干渉計を通過した光源１〜光源４の信号光のギャップ間隔に対する光強度出力のシミュレーション結果を示している。ここで、センサのギャップ間隔は２０μｍとした。図２８から分かるように、光源１〜光源４の波長スペクトル形状が大きく異なっているにもかかわらず、光源１〜光源４についての光相関信号波形は、著しく類似している。
【００３３】
図２９（ａ）および（ｂ）に、２つのＬＥＤ光源（Ｌ７５６０［ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ］およびＲＬＥ８Ｐ４−００２［ＤＡＩＤＯ ＳＴＥＥＬ ＣＯ．， ＬＴＤ．］）の波長スペクトル分布を、図３０（ａ）および（ｂ）にそれらの光相関信号の実験による測定結果を示している。一方のＲＬＥ８Ｐ４−００２の波長スペクトルが、他方のＬ７５６０と比較して長波長側にシフトしており、スペクトルの拡がりがやや狭いため、対応する光相関信号波形が拡がっているが、スペクトル波形が異なるにもかかわらず、非常に似通った光相関出力波形となっている。
このように、スペクトル波形が異なっていても非常に似通った光相関出力波形が得られるということは、高精度なセンサを実現する上では、非常に重要なファクタとなる。すなわち、温度等の外乱により光源の波長スペクトルがある程度変動しても光相関信号波形形状は変化せず、センサのギャップ間隔位置が安定して測定できる。しかも、光源の波長スペクトル分布を広くとることにより、光相関信号が拡がらず、不要なノイズ成分の影響が少なくなる。したがって、光源の高安定化を図る必要がなく、安価で高精度なセンサシステムを実現することが可能となる。
【００３４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、低周波のゆらぎおよびノイズ等の不要な信号成分による影響を効果的に抑制し、光学系の簡易な調整および検出信号の簡単な信号処理によって、高精度な測定結果を得ることを可能とする光ファイバ干渉センサ、光ファイバ干渉センサの信号処理システム、方法および記録媒体を提供することを目的としている。
本発明の請求項１の目的は、特に、信号処理系を含めて簡単な構成でも高精度な測定結果を得ることを可能とする光ファイバ干渉センサを提供することにある。
また、本発明の請求項２の目的は、特に、計測信号に高周波の不要成分が含まれる場合にも有効に測定を行なうことができる光ファイバ干渉センサを提供することにある。
本発明の請求項３の目的は、特に、高精度の測定を、簡単な構成で実現し得る光ファイバ干渉センサを提供することにある。
本発明の請求項４の目的は、特に、不要成分を一層効果的に除去または抑制し得る光ファイバ干渉センサを提供することにある。
【００３５】
本発明の請求項５の目的は、特に、不要成分の除去または抑制を簡単で且つ効果的な処理で実現し得る光ファイバ干渉センサを提供することにある。
本発明の請求項６の目的は、特に、不要成分の除去または抑制を簡単で且つ効果的な処理で実現し得る光ファイバ干渉センサを提供することにある。
本発明の請求項７の目的は、特に、不要成分をさらに効果的に除去または抑制し、高精度の測定を実現し得る光ファイバ干渉センサを提供することにある。
本発明の請求項８の目的は、特に、高精度の測定を、簡易な構成で実現し得る光ファイバ干渉センサを提供することにある。
本発明の請求項９の目的は、特に、信号処理系を含めて簡単な構成でも高精度な測定結果を得ることを可能とする光ファイバ干渉センサの信号処理システムを提供することにある。
本発明の請求項１０の目的は、特に、計測信号に高周波の不要成分が含まれる場合にも有効に測定を行なうことができる光ファイバ干渉センサの信号処理システムを提供することにある。
【００３６】
本発明の請求項１１の目的は、特に、信号処理系を含めて簡単な構成でも高精度な測定結果を得ることを可能とする光ファイバ干渉センサの信号処理方法を提供することにある。
本発明の請求項１２の目的は、特に、計測信号に高周波の不要成分が含まれる場合にも有効に測定を行なうことができる光ファイバ干渉センサの信号処理方法を提供することにある。
本発明の請求項１３の目的は、特に、コンピュータによる光ファイバ干渉センサの信号処理について、信号処理系も含めて簡単な構成でも高精度な測定結果を得ることを可能とするプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供することにある。
本発明の請求項１４の目的は、特に、コンピュータによる光ファイバ干渉センサの信号処理について、計測信号に高周波の不要成分が含まれる場合にも有効に測定を行なうことを可能とするプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供することにある。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した本発明に係る光ファイバ干渉センサは、上述した目的を達成するために、
力、ひずみ、圧力および温度等の物理量により変動する可動端面に一部の光を反射する薄膜の反射膜を形成し、この反射膜との間に被計測間隙を存して、平行に対峙するように一部の光を反射する反射膜を形成してなる光ファイバの端面を配置してなるセンサ部の前記光ファイバに、低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を検出して、前記被計測間隙を求め、前記物理量の大きさを計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサにおいて、
前記低コヒーレンス光源として、波長スペクトル分布が広い広帯域光源を用い、且つ
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して被長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段と
を具備することを特徴としている。
【００３８】
また、請求項２に記載した本発明に係る光ファイバ干渉センサは、上述した目的を達成するために、
力、ひずみ、圧力および温度等の物理量により変動する可動端面に一部の光を反射する簿膜の反射膜を形成し、この反射膜との間に被計測間隙を存して、平行に対峙するように一部の光を反射する反射膜を形成してなる光ファイバの端面を配置してなるセンサ部の前記光ファイバに、低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を検出して、前記被計測間隙を求め、前記物理量の大きさを計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサにおいて、
前記低コヒーレンス光源として、波長スペクトル分布が広い広帯域光源を用い、且つ
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号における高周波の不要成分を除去する高周波成分除去処理手段と、
前記高周波成分除去処理手段から出力される高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段と
を具備することを特徴としている。
【００３９】
請求項３に記載した本発明に係る光ファイバ干渉センサは、前記広帯域光源が、ハロゲンランプおよび白色発光ダイオードのうちのいずれかであることを特徴としている。
請求項４に記載した本発明に係る光ファイバ干渉センサは、前記光相関信号抽出手段が、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去するバックグラウンド信号除去手段を含むことを特徴としている。
請求項５に記載した本発明に係る光ファイバ干渉センサは、前記バックグラウンド信号除去手段が、最小二乗多項式フィッティングによりバックグラウンド信号を推定して、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去する手段を含むことを特徴としている。
請求項６に記載した本発明に係る光ファイバ干渉センサは、前記バックグラウンド信号除去手段が、所要の計測範囲に光相関信号を含まない状態での実測生データをバックグラウンド信号として、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去する手段を含むことを特徴としている。
【００４０】
請求項７に記載した本発明に係る光ファイバ干渉センサは、
前記極値位置算出手段が、
前記光相関信号を多項式適合平滑化法に基づいて平滑化微分処理する平滑化微分処理手段と、
前記平滑化微分処理手段の出力がレベル零と交わる零クロス点を求める零クロス点算出手段と
を含むことを特徴としている。
請求項８に記載した本発明に係る光ファイバ干渉センサは、前記高周波成分除去処理手段が、ローパスフィルタを含むことを特徴としている。
【００４１】
請求項９に記載した本発明に係る光ファイバ干渉センサの信号処理システムは、上述した目的を達成するために、被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理システムにおいて、
前記低コヒーレンス光源として波長スペクトル分布が広い広帯域光源を用い、且つ、
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段と
を具備することを特徴としている。
【００４２】
請求項１０に記載した本発明に係る光ファイバ干渉センサの信号処理システムは、上述した目的を達成するために、
被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理システムにおいて、
前記低コヒーレンス光源として波長スペクトル分布が広い広帯域光源を用い、且つ、
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号における高周波の不要成分を除去する高周波成分除去処理手段と、
前記高周波成分除去処理手段から出力される高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段と
を具備することを特徴としている。
【００４３】
前記光ファイバ干渉センサの信号処理システムは、前記光相関信号抽出手段が、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去するバックグラウンド信号除去手段を含むことを特徴としている。
さらに、前記光ファイバ干渉センサの信号処理システムは、前記バックグラウンド信号除去手段が、最小二乗多項式フィッティングによりバックグラウンド信号を推定して、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去する手段を含むことを特徴としている。
さらに、前記光ファイバ干渉センサの信号処理システムは、前記バックグラウンド信号除去手段が、所要の計測範囲に光相関信号を含まない状態での実測生データをバックグラウンド信号として、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去する手段を含むことを特徴としている。
【００４４】
さらに、前記光ファイバ干渉センサの信号処理システムは、
前記極値位置算出手段が、
前記光相関信号を多項式適合平滑化法に基づいて平滑化微分処理する平滑化微分処理手段と、
前記平滑化微分処理手段の出力がレベル零と交わる零クロス点を求める零クロス点算出手段と
を含むことを特徴としている。
さらに、前記光ファイバ干渉センサの信号処理システムは、前記高周波成分除去処理手段が、ローパスフィルタを含むことを特徴としている。
【００４５】
請求項１１に記載した本発明に係る光ファイバ干渉センサの信号処理方法は、上述した目的を達成するために、
被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理方法において、
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出ステップと、
前記光相関信号抽出ステップで抽出された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出ステップと
を有することを特徴としている。
【００４６】
請求項１２に記載した本発明に係る光ファイバ干渉センサの信号処理方法は、上述した目的を達成するために、
被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理方法において、
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出ステップと、
前記光相関信号抽出ステップにより抽出される光相関信号における高周波の不要成分を除去する高周波成分除去処理ステップと、
前記高周波成分除去処理ステップにより高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出ステップと
を有することを特徴としている。
【００４７】
この光ファイバ干渉センサの信号処理方法は、前記光相関信号抽出ステップが、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去するバックグラウンド信号除去ステップを含むことを特徴としている。
さらに、前記光ファイバ干渉センサの信号処理方法は、前記バックグラウンド信号除去ステップが、最小二乗多項式フィッティングによりバックグラウンド信号を推定して、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去するステップを含むことを特徴としている。
さらに、前記光ファイバ干渉センサの信号処理方法は、前記バックグラウンド信号除去ステップが、所要の計測範囲に光相関信号を含まない状態での実測生データをバックグラウンド信号として、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去するステップを含むことを特徴としている。
【００４８】
さらに、前記光ファイバ干渉センサの信号処理方法は、
前記極値位置算出ステップが、
前記光相関信号を多項式適合平滑化法に基づいて平滑化微分処理する平滑化微分処理ステップと、
前記平滑化微分処理ステップにより平滑化された信号がレベル零と交わる零クロス点を求める零クロス点算出ステップと
を含むことを特徴としている。
【００４９】
請求項１３に記載した本発明に係る、コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、
被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理にあたり、コンピュータを、
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段、および
前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段
として機能させるためのプログラムを記録したことを特徴としている。
【００５０】
請求項１４に記載した本発明に係る、コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、
被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理にあたり、コンピュータを、
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号における高周波の不要成分を除去する高周波成分除去処理手段、および
前記高周波成分除去処理手段から出力される高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段として機能させるためのプログラムを記録したことを特徴としている。
【００５１】
【作用】
すなわち、本発明の請求項１による光ファイバ干渉センサは、力、ひずみ、圧力および温度等の物理量により変動する被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を検出して、前記被計測間隙を求め、前記物理量の大きさを計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサにおいて、前記低コヒーレンス光源として、波長スペクトル分布が広い広帯域光源を用い、且つ光相関信号抽出手段により前記光強度センサの時系列の出力信号から所要の光相関信号を抽出し、極値位置算出手段により前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める。
このような構成により、簡単な構成で、低周波のゆらぎおよびノイズ等の不要な信号成分による影響を効果的に抑制し、光学系の簡易な調整および検出信号の簡単な信号処理によって、高精度な測定結果を得ることを可能とし、特に、信号処理系を含めて簡単な構成でも高精度な測定結果を得ることが可能となる。
【００５２】
また、本発明の請求項２による光ファイバ干渉センサは、ファブリペロー型の光ファイバ干渉センサにおいて、前記低コヒーレンス光源として、波長スペクトル分布が広い広帯域光源を用い、且つ光相関信号抽出手段により、前記光強度センサの時系列の出力信号から所要の光相関信号を抽出し、高周波成分除去処理手段により、前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号における高周波の不要成分を除去して、極値位置算出手段により、前記高周波成分除去処理手段から出力される高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める。
このような構成により、特に、計測信号に高周波の不要成分が含まれる場合にも有効に測定を行なうことができる。
【００５３】
本発明の請求項３による光ファイバ干渉センサは、前記広帯域光源が、ハロゲンランプおよび白色発光ダイオードのうちのいずれかである。
このような構成により、特に、高精度の測定を、簡単な構成で実現することができる。
本発明の請求項４による光ファイバ干渉センサは、前記光相関信号抽出手段が、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去するバックグラウンド信号除去手段を含む。
このような構成により、特に、不要成分を一層効果的に除去または抑制することができる。
本発明の請求項５による光ファイバ干渉センサは、前記バックグラウンド信号除去手段が、最小二乗多項式フィッティングによりバックグラウンド信号を推定して、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去する手段を含む。
このような構成により、特に、不要成分の除去または抑制を簡単で且つ効果的な処理で実現することができる。
【００５４】
本発明の請求項６による光ファイバ干渉センサは、前記バックグラウンド信号除去手段が、所要の計測範囲に光相関信号を含まない状態での実測生データをバックグラウンド信号として、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去する手段を含む。
このような構成により、特に、不要成分の除去または抑制を簡単で且つ効果的な処理で実現することができる。
本発明の請求項７による光ファイバ干渉センサは、
前記極値位置算出手段が、
前記光相関信号を多項式適合平滑化法に基づいて平滑化微分処理する平滑化微分処理手段と、
前記平滑化微分処理手段の出力がレベル零と交わる零クロス点を求める零クロス点算出手段と
を含む。
このような構成により、特に、不要成分をさらに効果的に除去または抑制し、高精度の測定を実現することができる。
【００５５】
本発明の請求項８による光ファイバ干渉センサは、前記高周波成分除去処理手段が、ローパスフィルタを含む。
このような構成により、特に、高精度の測定を、簡易な構成で実現することができる。
さらに、本発明の請求項９による光ファイバ干渉センサの信号処理システムは、
被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理システムにおいて、光相関信号抽出手段によって、前記光強度センサの時系列の出力信号から所要の光相関信号を抽出し、極値位置算出手段によって前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める。
このような構成により、特に、信号処理系を含めて簡単な構成でも高精度な測定結果を得ることが可能となる。
【００５６】
また、本発明の請求項１０による光ファイバ干渉センサの信号処理システムは、被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理システムにおいて、光相関信号抽出手段によって、前記光強度センサの時系列の出力信号から所要の光相関信号を抽出し、高周波成分除去処理手段によって、前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号における高周波の不要成分を除去して、極値位置算出手段によって、前記高周波成分除去処理手段から出力される高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める。
このような構成により、特に、計測信号に高周波の不要成分が含まれる場合にも有効に測定を行なうことができる。
【００５７】
さらにまた、本発明の請求項１１による光ファイバ干渉センサの信号処理方法は、
被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理方法において、
前記光強度センサの時系列の出力信号から所要の光相関信号を抽出する光相関信号抽出ステップと、
前記光相関信号抽出ステップで抽出された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出ステップと
を有する。
このような構成により、特に、信号処理系を含めて簡単な構成でも高精度な測定結果を得ることが可能となる。
【００５８】
また、本発明の請求項１２による光ファイバ干渉センサの信号処理方法は、
被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理方法において、
前記光強度センサの時系列の出力信号から所要の光相関信号を抽出する光相関信号抽出ステップと、
前記光相関信号抽出ステップにより抽出される光相関信号における高周波の不要成分を除去する高周波成分除去処理ステップと、
前記高周波成分除去処理ステップにより高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出ステップと
を有する。
このような構成により、特に、計測信号に高周波の不要成分が含まれる場合にも有効に測定を行なうことができる。
【００５９】
その上また、本発明の請求項１３によるコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、
被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理にあたり、コンピュータを、
前記光強度センサの時系列の出力信号から所要の光相関信号を抽出する光相関信号抽出手段、および
前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段
として機能させるためのプログラムを記録している。
このようなプログラムを実行することにより、特に、コンピュータによる光ファイバ干渉センサの信号処理について、信号処理系も含めて簡単な構成でも高精度な測定結果を得ることが可能となる。
【００６０】
また、本発明の請求項１４によるコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、
被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理にあたり、コンピュータを、
前記光強度センサの時系列の出力信号から所要の光相関信号を抽出する光相関信号抽出手段、
前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号における高周波の不要成分を除去する高周波成分除去処理手段、および
前記高周波成分除去処理手段から出力される高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段
として機能させるためのプログラムを記録している。
このようなプログラムを実行することにより、特に、コンピュータによる光ファイバ干渉センサの信号処理について、計測信号に高周波の不要成分が含まれる場合にも有効に測定を行なうことが可能となる。
【００６１】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に基づき、図面を参照して本発明の光ファイバ干渉センサを詳細に説明する。
本発明の実施の形態に係る光ファイバ干渉センサは、例えば、ハロゲンランプおよび白色ＬＥＤ等のように、波長スペクトル分布が広い光源を使用することにより、センサシステム出力信号中のギャップ間隔情報を含んだ光相関信号を、充分に局所化して、波形信号処理を簡素化し、センサとしての高速応答を実現する。この光ファイバ干渉センサでは、広帯域の波長スペクトルを有する光源および簡単な信号処理を用いることにより、簡単な構成で高精度な計測システムを実現することができ、コストの低廉化を図ることが可能となるという利点がある。
図１および図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルとして構成した光ファイバ干渉センサの構成を示している。図１は、全体の構成を模式的に示しており、その信号処理部の具体的な構成を図２に示している。
【００６２】
図１に示す本発明に係る光ファイバ干渉センサである光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルは、光源１、第１の光ファイバ２、［２×２］カプラ３、第２の光ファイバ４、第３の光ファイバ５、ファブリペロー型ロードセル６、第４の光ファイバ７、ギャップ可変ファブリペロー干渉計８、光検出器９、光パワーメータ１０、Ａ／Ｄ（アナログ−ディジタル）変換器１１および信号処理部１２を具備している。
図２は、図１における信号処理部１２の構成を具体的に示すものであり、光検出器９から信号処理部１２までの信号処理に係る部分の構成を示している。信号処理部１２は、ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）１２１、データメモリ１２２、校正データメモリ１２３、プログラムメモリ１２４、表示器１２５およびＤ／Ａ（ディジタル−アナログ）変換器１２６を具備している。
図１において、光源１は、レーザ等の高コヒーレンス光ではなく、しかも白色光等の広帯域の低コヒーレンス光を発生する。この光源１としては、例えばタングステンハロゲンランプおよび白色ＬＥＤ等を用いることができる。第１の光ファイバ２は、光源１からの低コヒーレンス光を［２×２］カプラ３へ導く光ファイバである。
【００６３】
［２×２］カプラ３は、第１〜第４ポートを有しており、第１ポートから入力した光を、５０％／５０％の強度比で、第２ポートおよび第３ポートに分岐出力する。また、［２×２］カプラ３は、第３ポートから入力した光を、第４ポートに出力する。［２×２］カプラ３の第１ポートには、上述したように第１の光ファイバ２が接続されているが、第２ポート、第３ポートおよび第４ポートには、それぞれ第２の光ファイバ４、第３の光ファイバ５および第４の光ファイバ６が接続されている。［２×２］カプラ３の第２ポートの出力光は、第１ポートの入力光に比例しているので、この第２ポートの出力は第２の光ファイバ４を介して、例えば光源１の制御部（図示していない）にフィードバックされ、光源１の発光制御に利用される。［２×２］カプラ３の第３ポートの出力光は、第３の光ファイバ５を介してファブリペロー型ロードセル６に導かれる。ファブリペロー型ロードセル６における被計測間隙に応じた出力光は、第３の光ファイバ５を介して［２×２］カプラ３へ導かれる。［２×２］カプラ３は、第３の光ファイバ５を介して第３ポートに導かれたファブリペロー型ロードセル６の出力光を、第４ポートに接続された第４の光ファイバ７により信号復調部のギャップ可変ファブリペロー型干渉計８へ導く。
【００６４】
ファブリペロー型ロードセル６は、ファブリペロー型の光干渉センサであるファブリペロー干渉計が組み込まれたロードセルであり、台座６ａ、ダイアフラム６ｂおよび荷重導入部６ｃを有する。ファブリペロー型ロードセル６の台座には、［２×２］カプラ３の第３ポートに一端が接続された第３の光ファイバ５の他端が接着等により固着されており、その第３の光ファイバ５の先端面には部分反射膜が成膜されている。ファブリペロー型ロードセル６は、第３の光ファイバ５の部分反射膜が成膜された端面に対峙して部分反射膜が成膜されており、荷重等の負荷により変形するダイアフラム６ｂが所定のギャップ、つまり被計測間隙、を存して配置されている。ダイアフラム６ｂの光ファイバ端面に対峙する部分に成膜された部分反射膜は、例えば、入射光の一部を反射し、残部は吸収する薄膜である。上述した所定のギャップ間隙を形成して対峙するギャップ部により、前述したようなファブリペロー干渉計が構成されている。
【００６５】
このファブリペロー型ロードセル６に荷重をかけると、ダイアフラム６ｂが変形しギャップの間隙寸法が変化する。そのギャップの間隙寸法の変化を検出することにより荷重を求めることができる。すなわち、ファブリペロー干渉計であるファブリペロー型ロードセル６に第３の光ファイバ５により導かれた光は、相対峙する部分反射面により形成されるギャップ部で多重反射し、ギャップの間隙寸法に応じて波長変調される。波長変調された光波、つまり光信号は、ファブリペロー型ロードセル６のセンサ部で反射して第３の光ファイバ５に戻り、第３ポートから［２×２］カプラ３に入力される。
第４の光ファイバ７は、ファブリペロー型ロードセル６から［２×２］カプラ３に入力された波長変調された光信号を、［２×２］カプラ３の第４ポートから光信号復調部のギャップ可変ファブリペロー型干渉計８に導く。
【００６６】
ギャップ可変ファブリペロー型干渉計８は、ギャップ間隙可変干渉計８ａを有し、このギャップ間隙可変干渉計８ａのギャップ間隙を、例えばピエゾアクチュエータ（図示していない）により変化させ得るようにしている。このギャップ間隙を変えることにより、ファブリペロー型ロードセル６のセンサギャップ間隙近傍で光相関信号を得ることができる。
【００６７】
すなわち、ギャップ可変ファブリペロー型干渉計８では、入射光が、ピエゾアクチュエータにより変化されるギャップの各位置おいて多重反射して波長スペクトル特性との光相関を生じ、ファブリペロー型ロードセル６におけるギャップの間隙寸法と一致する間隙となる位置で光強度が最小となり、光検出器９により光相関信号として検出される。この光相関信号が光検出器９から光パワーメータ１０に与えられ計測される。なお、この場合、ギャップ可変ファブリペロー型干渉計８は、ギャップ間隙可変干渉計８ａを作動させるピエゾアクチュエータ、並びに光パワーメータ１０およびＡ／Ｄ変換部１１に、同期して動作タイミングを規定する信号を与えるためのタイミングジェネレータ８ｂを備えている（図２参照）。
光パワーメータ１０は、光検出器９の出力を計測する。Ａ／Ｄ変換器１１は、ギャップ可変ファブリペロー型干渉計８のタイミングジェネレータ８ｂから供給されるタイミング信号に応動して、光検出器９で読み取り光パワーメータ１０で処理した光相関信号をディジタル情報に変換する。
【００６８】
信号処理部１２は、Ａ／Ｄ変換器１１によりＡ／Ｄ変換された信号を処理して、計測結果を得る。信号処理部１２は、光検出器９から光パワーメータ１０を介して得られる時系列の信号から所要の光相関信号を抽出し、その光相関信号の高周波のノイズ成分をローパスフィルタ処理により除去し、高周波の不要成分が除去された信号を微分して、該微分値がレベル零と交わる零クロス点を求める。
次に、図２に示した信号処理部１２を構成する各部について説明する。
ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）１２１は、プログラムメモリ１２４に書き込まれたプログラムの流れに従って一連の信号処理（図３のフローチャート参照）を実行する。ＤＳＰ１２１は、信号処理の実行の過程で、データメモリ１２２および校正データメモリ１２３を必要に応じてアクセスする。なお、このＤＳＰ１２１に代えて汎用のＭＰＵ（マイクロプロセッサ）を用いて同等の機能を達成するようにしてもよい。
【００６９】
データメモリ１２２は、例えばＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ：ランダムアクセスメモリ）により構成され、Ａ／Ｄ変換器１１から与えられるディジタル化されたイメージ情報データおよびＤＳＰ１２１の信号処理動作に係る中間データ等の各種データをＤＳＰ１２１のアクセス動作によって格納する。校正データメモリ１２３は、例えばＥＰＲＯＭ（ｅｒａｓａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ：消去可能Ｐ−ＲＯＭ）を用いて構成され、ファブリペロー干渉計を構成するファブリペロー型ロードセル６の計測のバックグラウンドとしての校正データを格納する。プログラムメモリ１２４は、図３に示すような一連のデジタル処理をＤＳＰ１２１が実行するためのプログラムを予め格納する。
表示器１２５は、ＤＳＰ１２１の処理結果および処理によって派生する情報を、ＤＳＰ１２１の処理に関連し、必要に応じてユーザに情報として提示するために表示する。Ｄ／Ａ（ディジタル−アナログ）変換器１２６は、ＤＳＰ１２１の処理結果および処理によって派生する情報を、ディジタル値からアナログ値に変換して出力する。
【００７０】
すなわち、信号処理部１２における一連のデジタル信号処理は、プログラムメモリ１２４に書き込まれた処理の流れに従って、データメモリ１２２および校正データメモリ１２２を適宜必要に応じてアクセスしつつＤＳＰ１２１により実行される。
なお、以下の説明において、実測データの計測に用いた測定システムの構成について説明する。
ファブリペロー型光ファイバ干渉センサとしては、図１に示した光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセル６を用いた。ここで、光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセル６のギャップ間隔は２３μｍ程度である。また、光パワーメータ１０は、ＡＱ２１４０（ＡＱ２７３０ ＳＥＮＳＯＲ ＵＮＩＴ）［ＡＮＤＯ］を使用した。
【００７１】
次に、センサシステム概要を説明する。光源１として用いた低コヒーレンス光源は、タングステンハロゲンランプを使用し、比較のためにＬＥＤ光源（Ｌ７５６０［ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ］）およびＳＬＤ（半導体レーザ）光源（ＡＳ３Ｂ３８１ＦＸ［ＡＮＲＩＴＳＵ］）を使用した場合についての計測をも行なった。図４に、この実測に使用した低コヒーレンス光源の光ファイバ（ＧＩ５０／１２５，ＮＡ＝０．１２）導波後の波長スペクトルを示している。また、参考のために、ＬＥＤ光源（Ｌ７５６０［ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ］）およびＳＬＤ光源（ＡＳ３Ｂ３８１ＦＸ［ＡＮＲＩＴＳＵ］）の波長スペクトルも示している。さらには、白色ＬＥＤ光源（ＮＳＰＷ３００ＢＳ［ＮＩＣＨＩＡ］）の波長スペクトルも示している。この、白色ＬＥＤ光源を使用した白色干渉測定を試みたが、光ファイバ導波光の光強度が非常に弱く、波長スペクトルによる干渉は確認したが、光相関信号は検出することができなかった。最適なコリメートレンズおよび集光レンズ等を使用して光ファイバへの導波光強度をより強くするか、あるいは高感度な光検出器を使用するかすれば、この白色ＬＥＤ光源を用いた光相関信号検出は可能と考えられる。
【００７２】
また、光パワーメータ１０からの出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１１としては、量子化ビット数が１２ビット、サンプリング周波数２００ｋＨｚのＡ−Ｄ変換器（ＡＤＣ−１５０Ａ［ＫＹＯＷＡ］，１２Ｂｉｔ，２００ｋＨｚ）を使用した。Ａ／Ｄ変換器１３の出力はＧＢＩＢ汎用インタフェースを介して、信号処理部１２としてのＰＣ（パーソナルコンピュータ）に取り込んだ。
実測データの計測に際しては、ＤＳＰ１２１に代えて、ＰＣを用いて同等の信号処理を行なった。すなわち、ＰＣに取り込んだ信号は、アプリケーション開発ソフト（ＬａｂＶＩＥＷ［ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ］）を用いて本発明方法に従った後述するような信号処理プログラムを作成して、実行させた。
既に述べたように、ファブリペロー型ロードセル６に荷重をかけると、ダイアフラム６ｂが変形してギャップの間隙寸法が変化し、そのギャップ間隙の変化を検出することにより荷重を求める。この場合、実測に用いたファブリペロー型ロードセル６は９．８０７Ｎ（１ｋｇｆ）に対して約３μｍ変位する。
【００７３】
図５（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に、測定した３つの異なる光源、すなわち（ａ）は、タングステンハロゲンランプ、（ｂ）は、ＬＥＤおよび（ｃ）は、ＳＬＤによる、ゼロパスレングスの干渉も含めた全スキャン範囲の光強度信号を示している。また、図６（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に光相関信号部分（図５の移動距離２２μｍ近傍）をそれぞれ拡大したものを示している。バックグラウンド光強度は、センサにかかる負荷によるギャップ間隔変化およびギャップ可変ファブリペロー干渉計のギャップ間隔（移動距離）により変化しているが、後述する方法により補正して高精度なセンサを実現できる。
図４に示すタングステンハロゲンランプおよび白色ＬＥＤ光源のような広帯域波長スペクトルを有する光源をこのセンサシステムに使った場合、図６（ａ）および（ｂ）から分かるように非常に局所的な光相関信号が得られる。それに対して、ＳＬＤ光源では図６（ｃ）から分かるように、コヒーレンス長が長いため光相関信号が広がっており、このセンサギャップ間隔ではゼロパスレングスの干渉信号と光相関信号が重なっており信号の分離ができない。
一方、ＬＥＤ光源は、光相関信号は局所化しているが、コヒーレンス長さがタングステンハロゲンランプ光源と比較して長く、光相関信号に含まれている振動分を多く含んでおり、最小値を求めるためには複雑な信号処理が必要となる。これに対して、タングステンハロゲンランプ光源の場合は、複雑な波形処理を必要とせずに光相関信号波形の最小位置が容易に検出でき、センサギャップ間隔を高精度でかつ短時間に求めることができる。
【００７４】
次に、図１および図２に示した光ファイバ干渉センサである光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルの主として信号処理部１２における本発明方法に係るセンサの信号処理について、図３を参照して説明する。図３は信号処理のフローチャートであり、換言すれば、その処理のアルゴリズムを模式的に示す模式図でもある。ここで、図４に示したタングステンハロゲンランプ光源および白色ＬＥＤ光源のような広帯域波長スペクトルを有する光源１を使用することは、本発明において本質的に重要なファクタとなる。
以下、光パワーメータ１０の光相関信号出力生データから光相関信号最小位置を検出する信号処理方法について図３を参照して具体的に説明する。以下において、出力信号データとは、Ａ／Ｄ変換器１３でＡ／Ｄ変換した後の出力信号データを示し、ステップ番号「Ｓ１」および「Ｓ２」等は、それぞれ図３に同符号を付して示す処理ステップを示している。
【００７５】
〈ステップＳ１： 光相関信号抽出〉
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）からわかるように、信号波形には、センサにかかる負荷によるギャップ間隔変化およびギャップ可変ファブリペロー干渉計８ａのギャップ間隔（移動距離）により変化するバックグラウンド信号が含まれている。このバックグラウンド信号を除去しバイアス分のない光相関信号波形のみを抽出することにより、高精度なセンサのギャップ間隔測定が可能となる。
図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、時系列の出力信号データ［Ｓ_ＳＩＧ（ｎ）］から光相関信号［Ｓ_ＬＣＯＲ（ｎ）］を抽出する過程を示す。ここでｎは時系列信号データのデータ番号をあらわす。
光相関信号の抽出には、まず、バックグラウンド信号Ｓ_ＢＡＣＫ（ｎ）に係数Ｋを乗算して、バックグラウンド信号のレベルに負荷を加えた信号出力生データの低周波揺らぎレベルに合わせる（信号Ｋ・Ｓ_ＢＡＣＫ（ｎ） ）。その後、負荷を印加した出力信号生データを示す信号から、レベル調整データを減算し、光相関信号Ｓ_ＬＣＯＲ（ｎ） を抽出する。
この過程を数式であらわすと数１７のようになる。
【００７６】
【数１７】
Ｓ_ＬＣＯＲ （ｎ）＝Ｓ_ＳＩＧ （ｎ）−Ｋ・Ｓ_ＢＡＣＫ （ｎ）
この実施の形態では、光信号復調部にギャップ可変ファブリペロー干渉計を使用したため、ウェッジ型ファブリペロー干渉計（フィゾー干渉計）のような空間的に光を直線状に集光する必要がなく、バックグラウンド信号ノイズが比較的少ない。そこでこの実施の形態ではバックグラウンド信号除去に最小二乗多項式フィッティングを用いた。なお、このバックグラウンド信号除去処理には、最小二乗フィッティングに代えてハイパスフィルタ（ＨＰＦ（ｈｉｇｈ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）：高域通過フィルタ）処理を用いるようにしてもよい。
最小二乗フィッティングは、関数形を指定して測定データを曲線に当てはめるための手法一つとして知られており、広く利用されている。すなわち、最小二乗フィッティングとは、ある基準値の二乗和を最小にする基準によって曲線を当てはめる方法である。基準値としては、データと当てはめられた曲線によって推定される値との差の二乗和、すなわち残差平方和をとり、それを最小にするような曲線の係数、つまりフィッティング係数を数値計算により求める。
【００７７】
ここでは、この最小二乗フィッティングを、測定データからそのバックグラウンド信号を除去するために用いる。抽出したい光相関信号は、所定の基準値に対して上下に均等に振動する成分である。したがって、光相関信号にバックグラウンド信号が重ね合わされている場合、最小二乗フィッティングによりそのバックグラウンド信号をあらわす曲線を求めて、元の信号との差分をとることにより、適正な光相関信号を得ることができる。すなわち、最小二乗多項式フィッティングによりバックグラウンド信号Ｓ_{ＢＡＣＫ，ＦＩＴ}（ｎ）を推定する。このＳ_{ＢＡＣＫ，ＦＩＴ}（ｎ） は、最小二乗フィッティングを用いて測定データより算出したバックグラウンド信号をあらわす曲線であり、例えば数１８のような曲線式（多項式）を使用する。
【００７８】
【数１８】
Ｓ_{ＢＡＣＫ，ＦＩＴ}（ｘ）＝Ａ_０＋Ａ_１・ｘ＋Ａ_２・ｘ^２＋……＋Ａ_１０・ｘ^９ ＋Ａ_１１・ｘ^１０
ここで、Ａ_ｍ（ｍ＝０，１，…，１０）は曲線式の係数で、最小二乗法により測定データから算出する。そして、数１７においてＫ・Ｓ_ＢＡＣＫ（ｎ）＝Ｓ_{ＢＡＣＫ，ＦＩＴ}（ｎ）として、Ｓ_ＬＣＯＲ（ｎ）を求めた。
なお光相関信号抽出は、この最小二乗多項式フィッティングによらず、光相関信号を必要とするセンサとしての測定範囲に含んでいない実際の測定生波形データを使用し、この信号をバックグラウンド信号として数１７により抽出する方法で行うこともできる。
〈ステップＳ２：ＬＰＦ処理〉
次に、上述のようにして抽出した光相関信号［Ｓ_ＬＣＯＲ（ｎ）］に不要な高周波成分が多く含まれる場合には、それをローパスフィルタ（ＬＰＦ（ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）：低域通過フィルタ）により除去する。実験では、ノイズ分が少ないため、ＬＰＦ処理は行っていない。
【００７９】
〈ステップＳ３：最小または最大位置計算〉
図８（ａ）から分かるように、タングステンハロゲンランプ光源を使用した場合、非常に局所的な光相関信号波形が得られるため、波形の包絡線を求めて、その包絡線の最小値を計算するなどの必要なく、光相関信号波形またはその高周波不要成分を除去した信号から直接的に最小値を特定することができる。そのことによりヒルベルト変換等の信号処理も不要であり、信号処理時間の短縮化によるセンサの高速応答を実現することができる。
最小または最大位置検出（ここでは波形の谷位置、すなわち、最小位置検出）の最も簡単な方法は、光相関信号波形に沿って、順次その傾き、すなわち直前の値との差分、を調べて極値をとる位置をさがせばよい。充分に滑らかな波形であればこの方法によって最小または最大位置を検出することができるが、実際の波形では雑音の影響で非常に多くの極値が現れることが多い。そのような場合には、波形の傾きを求める差分演算に適当な平滑化処理を併用する必要がある。
【００８０】
平滑化処理には、各種の手法があるが、例えばサビツキー（Ｓａｖｉｔｚｋｙ）とゴーレー（Ｇｏｌａｙ）による平滑化微分法によるものがある。この場合は、平滑化微分した信号波形のゼロ位置が極値となる。詳細は、文献「科学計測のための波形データ処理」，南茂夫編集，ＣＱ出版株式会社（１９８６）に記載されていする。
すなわち、ステップＳ２にてＬＰＦ処理を施した信号［Ｓ_{ＬＣＯＲ，ＬＰＦ}（ｎ）］の最小または最大位置を求めるために平滑化微分処理を行う。平滑化微分とは、多項式適合平滑化法に基づき、観測波形、つまり測定データ、の微分波形を求める手法であり、求められる微分波形では同時に平滑化も施されている。
ここで、多項式適合平滑化法とは、観測波形の中から高周波信号成分を除去し、波形を滑らかにする平滑化手法の一つである。一つの測定点の平滑値を、この点の両側近傍での測定値を使い最小二乗法により多項式に当てはめて求める。これを測定点ごとに順次求めて全体の平滑波形を求める。
次に、平滑化微分した時系列信号から、そのゼロ点位置を算出する。すなわち、平滑化微分した時系列信号の双極性の波形がレベル零の基線と交差する点が求める最小または最大位置に相当する。
上述に従って、光反射式ファブリペロー型ロードセルを試作し、図１に示す測定系を用い、上述した信号処理を行って、負荷荷重に対する光相関信号の最小または最大位置を求めた試験およびデータ処理結果を図９に示す。
上述した方法は、図１に示した構成に限らず、信号復調部の干渉計として、ウェッジ型ファブリペロー干渉計（フィゾー干渉計）またはマイケルソン型干渉計を用いるようにしても上述と同様に実施することができる。
【００８１】
図１０は、信号復調部の干渉計をウェッジ型ファブリペロー干渉計とした本発明の第２の実施の形態に係る光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルとして構成した光ファイバ干渉センサシステムの構成を示している。
図１０において、光源１、第１の光ファイバ２、［２×２］カプラ３、第２の光ファイバ４、第３の光ファイバ５、ファブリペロー型ロードセル６および第４の光ファイバ７は、図１と同様であり、図１におけるギャップ可変ファブリペロー型干渉計８、光検出器９および光パワーメータ１０からなる信号復調部の構成に代えて、コリメートレンズ２１、フォーカスレンズ２２、フィゾー干渉計２３、リニアイメージセンサ２４およびイメージセンサ制御部２５からなる信号復調部を設けている。
なお、図１０のＡ／Ｄ変換器１１Ａおよび信号処理部１２Ａは、図１におけるＡ／Ｄ変換器１１および信号処理部１２と実質的な機能は同等であるが、リニアイメージセンサ２４およびイメージセンサ制御部２５から与えられる信号形態が、光パワーメータ１０の出力とは若干異なるため、該信号形態に応じた処理を行なうように変形している。
【００８２】
すなわち、第４の光ファイバ７は、ファブリペロー型ロードセル６から［２×２］カプラ３に入力された波長変調された光信号を、［２×２］カプラ３の第４ポートから光信号復調部のコリメートレンズ２１に導き、入射させる。
コリメートレンズ２１は、第４の光ファイバ７から射出された光をコリメートする。フォーカスレンズ２２は、例えばシリンドリカルレンズ等からなり、コリメートレンズ２１でコリメートされた光を直線状に集光して、フィゾー干渉計２３に入射する。これらコリメートレンズ２１およびフォーカスレンズ２２は、第４の光ファイバ７の先端から放射された光束を集光する集光光学系を構成する。
フィゾー干渉計２３は、部分反射面が平行平面で対峙してギャップを形成するのではなく、部分反射面が微小角度の傾斜角を持って対峙することにより、変位によってギャップ間隙が漸次相違するウェッジ、すなわちくさび状のギャップを形成するウェッジ型ファブリペロー干渉計である。このフィゾー干渉計２３は、フォーカスレンズ２２で集光された直線方向が傾斜方向に一致、すなわち該直線方向が等ギャップ線に直交するように配設される。
【００８３】
フィゾー干渉計２３では、直線状に集光された光が、ウェッジ状のギャップの各位置おいて多重反射して波長スペクトル特性との光相関を生じ、ファブリペロー型ロードセル６におけるギャップの間隙寸法と一致する間隙となる位置で光強度が最小となる。フィゾー干渉計２３は、例えば両面研磨された平行平面基板を２枚使用し、これら平行平面基板の各々の片面に誘電体薄膜等からなる部分反射膜を成膜し、それらの部分反射膜面同士を対面させ、一端に細線を挟み込んで突き合わせることによりウェッジ状のギャップを形成することにより作製することができる。
リニアイメージセンサ２４は、例えば直線状のＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）イメージセンサ、すなわちＣＣＤラインセンサ、を用い、フォーカスレンズ２２により集光された直線状の像のうち、フィゾー干渉計２３により光強度が最小となる位置を検出する。なお、ＣＣＤラインセンサは、直線状に配列されたアレイ受光部に照射された光により発生した電荷を、そこに配置された電極にクロック信号を与えて、ＢＢＤ（ｂｕｃｋｅｔ ｂｒｉｇａｄｅ ｄｅｖｉｃｅ：バケツリレー素子）のように、逐次移動させ、電気信号としてシーケンシャルに取り出す。したがって、ＣＣＤラインセンサの出力は時系列信号となる。信号をシーケンシャルに読み出すため、スキャンレートが高いほど高速応答が可能となる。
【００８４】
イメージセンサ制御部２５は、ＣＣＤラインセンサ等のリニアイメージセンサ１１を駆動制御して、ライン状のイメージ情報、つまり直線に沿う光強度分布情報、を時系列に出力する。このイメージセンサ制御部２５は、タイミングジェネレータ（図示せず）を内蔵し、例えば、リニアイメージセンサ２４、Ａ／Ｄ変換器１１Ａおよびイメージセンサ制御部２５内の各部に動作クロック等のタイミング信号を供給する。このイメージセンサ制御部２５は、例えば、リニアイメージセンサ２４がＣＣＤラインセンサである場合には、ＣＣＤ制御部となる。リニアイメージセンサ２４は、イメージセンサ制御部２５のタイミングジェネレータから供給されるタイミング信号に応動して、イメージ情報の読み取りおよび出力を実行する。
イメージセンサ制御部２５は、タイミングジェネレータのクロック等のタイミング信号に従って動作し、例えば、入力信号を増幅し且つクランプするプリアンプ（前置増幅器）／クランプ回路、クランプした信号を相関二重サンプリングする相関二重サンプリング回路、相関二重サンプリングした信号のオフセットを調整するオフセット調整部および出力のゲインを調整するゲイン調整回路等を有して構成される。
【００８５】
Ａ／Ｄ変換器１１Ａは、イメージセンサ制御部２５のタイミングジェネレータから供給されるタイミング信号に応動して、リニアイメージセンサ２４で読み取りイメージセンサ制御部２５で処理したイメージ情報をディジタル情報に変換する。
信号処理部１２Ａは、Ａ／Ｄ変換器１１ＡによりＡ／Ｄ変換された信号を処理して、計測結果を得る。信号処理部１２Ａは、リニアイメージセンサ２４からイメージセンサ制御部２５を介して得られる時系列の信号から所要の光相関信号を抽出し、その光相関信号の高周波のノイズ成分をローパスフィルタ処理により除去し、且つ、平滑化微分と零クロス検出などによりその信号の最小または最大位置を求める。
図１１は、信号復調部の干渉計をマイケルソン型干渉計とした本発明の第３の実施の形態に係る光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルとして構成した光ファイバ干渉センサシステムの構成を示している。
【００８６】
図１１において、光源１、第１の光ファイバ２、［２×２］カプラ３、第２の光ファイバ４、第３の光ファイバ５、ファブリペロー型ロードセル６、第４の光ファイバ７および光パワーメータ１０は、図１と同様であり、図１におけるギャップ可変ファブリペロー型干渉計８および光検出器９からなる構成に代えて、マイケルソン型干渉計３１を設けている。
マイケルソン型干渉計３１は、第１のレンズ３１ａ、第２のレンズ３１ｂ、ビームスプリッタ３１ｃ、第１のミラー３１ｄ、第２のミラー３１ｅおよび光検出器３１ｆを有している。
マイケルソン型干渉計３１は、最初に入射した光（光ファイバ７からの射出光）を第３１のレンズ３１ａで、平行光とし、ビームスプリッタ３１ｃにより互いに直交する２方向に分岐させる。分岐した光は、それぞれ第１のミラー（反射鏡）３１ｄおよび第２のミラー３１ｅで反射し、再びビームスプリッタ３１ｃに戻ってくる。ビームスプリッタ３１ｃに戻ってきた２つの光は重なり合って光検出器３１ｆに入射する。ピエゾアクチュエータ（図示していない）等により、一方の例えば第２のミラー３１ｄを移動させることにより、２つに分岐した光の光路差がセンサであるファブリペロー型ロードセル６のギャップ間隙に対応する個所近傍で上述と同様の光相関信号を得ることができる。この光相関信号が光検出器３１ｆから光パワーメータ１０に与えられる。
【００８７】
光パワーメータ１０は、マイケルソン型干渉計３１の光検出器３１ｆの出力を計測する。なお、図１１のＡ／Ｄ変換器１１Ａおよび信号処理部１２Ａは、図１０と同様でよい。
なお、この発明の光ファイバ干渉センサの信号処理システムは、専用のシステムとして構成する代りに、通常のコンピュータシステムを用いて実現することができる。例えば、コンピュータシステムに上述の動作を実行するためのプログラムを格納したフレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ等の媒体から該プログラムをインストールすることにより、上述の処理を実行する光ファイバ干渉センサの信号処理システムを構築するようにしてもよい。インストールによって、当該プログラムは、コンピュータシステム内のハードディスク等の媒体に格納されて、光ファイバ干渉センサの信号処理システムを構成し、実行に供される。
【００８８】
また、当該プログラムを、インターネット等の通信ネットワーク上に設けたＦＴＰ（Ｆｉｌｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）サーバに登録し、ＦＴＰクライアントにネットワークを介して配信するようにしてもよい。該プログラムを、通信ネットワークの電子掲示板（ＢＢＳ：Ｂｕｌｌｅｔｉｎ Ｂｏａｒｄ Ｓｙｓｔｅｍ）等に登録し、これをネットワークを介して配信するようにしてもよい。そして、このプログラムを起動し、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）の制御下において実行することにより、上述の処理を達成することが可能となる。さらに、プログラムを通信ネットワークを介して転送しながら起動実行することによっても、上述の処理を達成することができる。
【００８９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、簡単な構成で、低周波のゆらぎおよびノイズ等の不要な信号成分による影響を効果的に抑制し、光学系の簡易な調整および検出信号の簡単な信号処理によって、高精度な測定結果を得ることを可能とする光ファイバ干渉センサ、光ファイバ干渉センサの信号処理システム、方法および記録媒体を提供することができる。
すなわち、本発明の請求項１による光ファイバ干渉センサによれば、力、ひずみ、圧力および温度等の物理量により変動する可動端面に一部の光を反射する薄膜の反射膜を形成し、この反射膜との間に被計測間隙を存して、平行に対峙するように一部の光を反射する反射膜を形成してなる光ファイバの端面を配置してなるセンサ部の前記光ファイバに、低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を検出して、前記被計測間隙を求め、前記物理量の大きさを計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサにおいて、
前記低コヒーレンス光源として、波長スペクトル分布が広い広帯域光源を用い、且つ
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段と
を具備する構成としたから、簡単な構成で、低周波のゆらぎおよびノイズ等の不要な信号成分による影響を効果的に抑制し、光学系の簡易な調整および検出信号の簡単な信号処理によって、高精度な測定結果を得ることを可能とし、特に、信号処理系を含めて簡単な構成でも高精度な測定結果を得ることが可能となる。
【００９０】
また、本発明の請求項２による光ファイバ干渉センサによれば、
力、ひずみ、圧力および温度等の物理量により変動する可動端面に一部の光を反射する薄膜の反射膜を形成し、この反射膜との間に被計測間隙を存して、平行に対峙するように一部の光を反射する反射膜を形成してなる光ファイバの端面を配置してなるセンサ部の前記光ファイバに、低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を検出して、前記被計測間隙を求め、前記物理量の大きさを計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサにおいて、
前記低コヒーレンス光源として、波長スペクトル分布が広い広帯域光源を用い、且つ
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号における高周波の不要成分を除去する高周波成分除去処理手段と、
前記高周波成分除去処理手段から出力される高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段と
を具備する構成としたから、特に、計測信号に高周波の不要成分が含まれる場合にも有効に測定を行なうことができる。
【００９１】
本発明の請求項３による光ファイバ干渉センサによれば、前記広帯域光源が、ハロゲンランプおよび白色発光ダイオードのうちのいずれかであることにより、特に、高精度の測定を、簡単な構成で実現することができる。
本発明の請求項４による光ファイバ干渉センサによれば、前記光相関信号抽出手段が、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去するバックグラウンド信号除去手段を含むことにより、特に、不要成分を一層効果的に除去または抑制することができる。
本発明の請求項５による光ファイバ干渉センサによれば、前記バックグラウンド信号除去手段が、最小二乗多項式フィッティングによりバックグラウンド信号を推定して、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去する手段を含むことにより、特に、不要成分の除去または抑制を簡単で且つ効果的な処理で実現することができる。
本発明の請求項６による光ファイバ干渉センサによれば、前記バックグラウンド信号除去手段が、所要の計測範囲に光相関信号を含まない状態での実測生データをバックグラウンド信号として、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去する手段を含むことにより、特に、不要成分の除去または抑制を簡単で且つ効果的な処理で実現することができる。
【００９２】
本発明の請求項７による光ファイバ干渉センサによれば、
前記極値位置算出手段が、
前記光相関信号を多項式適合平滑化法に基づいて平滑化微分処理する平滑化微分処理手段と、
前記平滑化微分処理手段の出力がレベル零と交わる零クロス点を求める零クロス点算出手段と
を含む構成により、特に、不要成分をさらに効果的に除去または抑制し、高精度の測定を実現することができる。
本発明の請求項８による光ファイバ干渉センサによれば、前記高周波成分除去処理手段が、ローパスフィルタを含むことにより、特に、高精度の測定を、簡易な構成で実現することができる。
【００９３】
さらに、本発明の請求項９による光ファイバ干渉センサの信号処理システムによれば、
被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理システムにおいて、
前記低コヒーレンス光源として波長スペクトル分布が広い広帯域光源を用い、且つ、
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法し一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段と
を具備する構成としたから、特に、信号処理系を含めて簡単な構成でも高精度な測定結果を得ることが可能となる。
【００９４】
また、本発明の請求項１０による光ファイバ干渉センサの信号処理システムによれば、被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理システムにおいて、
前記低コヒーレンス光源として波長スペクトル分布が広い広帯域光源を用い、且つ、
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号における高周波の不要成分を除去する高周波成分除去処理手段と、
前記高周波成分除去処理手段から出力される高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段と
を具備する構成としたから、特に、計測信号に高周波の不要成分が含まれる場合にも有効に測定を行なうことができる。
【００９５】
前記光ファイバ干渉センサの信号処理システムにおいて、前記光相関信号抽出手段を、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去するバックグラウンド信号除去手段を含むように構成すれば、不要成分を一層効果的に除去または抑制することができる。
また、前記光ファイバ干渉センサの信号処理システムにおいて、前記バックグラウンド信号除去手段が、最小二乗多項式フィッティングによりバックグラウンド信号を推定して、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去する手段を含む構成とすれば、特に、不要成分の除去または抑制を簡単で且つ効果的な処理で実現することができる。
また、前記光ファイバ干渉センサの信号処理システムにおいて、前記バックグラウンド信号除去手段が、所要の計測範囲に光相関信号を含まない状態での実測生データをバックグラウンド信号として、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去する手段を含む構成とすれば、不要成分の除去または抑制を簡単で且つ効果的な処理で実現することができる。
【００９６】
また、前記光ファイバ干渉センサの信号処理システムにおいて、
前記極値位置算出手段が、
前記光相関信号を多項式適合平滑化法に基づいて平滑化微分処理する平滑化微分処理手段と、
前記平滑化微分処理手段の出力がレベル零と交わる零クロス点を求める零クロス点算出手段と
を含む構成とすることにより、特に、不要成分をさらに効果的に除去または抑制し、高精度の測定を実現することができる。
さらに、前記光ファイバ干渉センサの信号処理システムにおいて、前記高周波成分除去処理手段が、ローパスフィルタを含む構成とすることにより、特に、高精度の測定を、簡易な構成で実現し得る。
【００９７】
さらにまた、本発明の請求項１１による光ファイバ干渉センサの信号処理方法によれば、被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理方法において、
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出ステップと、
前記光相関信号抽出ステップで抽出された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出ステップと
を有するから、特に、信号処理系を含めて簡単な構成でも高精度な測定結果を得ることが可能となる。
【００９８】
また、本発明の請求項１２による光ファイバ干渉センサの信号処理方法によれば、
被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理方法において、
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出ステップと、
前記光相関信号抽出ステップにより抽出される光相関信号における高周波の不要成分を除去する高周波成分除去処理ステップと、
前記高周波成分除去処理ステップにより高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出ステップと
を有するから、特に、計測信号に高周波の不要成分が含まれる場合にも有効に測定を行なうことができる。
【００９９】
前記光ファイバ干渉センサの信号処理方法において、前記光相関信号抽出ステップが、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去するバックグラウンド信号除去ステップを含む構成とすることにより、特に、不要成分を一層効果的に除去または抑制することができる。
また、前記光ファイバ干渉センサの信号処理方法において、前記バックグラウンド信号除去ステップが、最小二乗多項式フィッティングによりバックグラウンド信号を推定して、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去するステップを含むように構成することにより、特に、不要成分の除去または抑制を簡単で且つ効果的な処理で実現することができる。
また、前記光ファイバ干渉センサの信号処理方法において、前記バックグラウンド信号除去ステップが、所要の計測範囲に光相関信号を含まない状態での実測生データをバックグラウンド信号として、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去するステップを含むように構成することにより、特に、不要成分の除去または抑制を簡単で且つ効果的な処理で実現することができる。
【０１００】
また、前記光ファイバ干渉センサの信号処理方法において、
前記極値位置算出ステップが、
前記光相関信号を多項式適合平滑化法に基づいて平滑化微分処理する平滑化微分処理ステップと、
前記平滑化微分処理ステップにより平滑化された信号がレベル零と交わる零クロス点を求める零クロス点算出ステップと
を含むように構成することにより、特に、不要成分をさらに効果的に除去または抑制し、高精度の測定を実現することができる。
【０１０１】
その上また、本発明の請求項１３によるコンピュータ読み取り可能な記録媒体によれば、被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理にあたり、コンピュータを、
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段、および
前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段
として機能させるためのプログラムを記録し、実行することにより、特に、コンピュータによる光ファイバ干渉センサの信号処理について、信号処理系も含めて簡単な構成でも高精度な測定結果を得ることが可能となる。
【０１０２】
また、本発明の請求項１４によるコンピュータ読み取り可能な記録媒体によれば、被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理にあたり、コンピュータを、
前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号における高周波の不要成分を除去する高周波成分除去処理手段、および
前記高周波成分除去処理手段から出力される高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段として機能させるためのプログラムを記録し、実行することにより、特に、コンピュータによる光ファイバ干渉センサの信号処理について、計測信号に高周波の不要成分が含まれる場合にも有効に測定を行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ干渉センサを適用した光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルの信号処理部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】図１の光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルの主として信号処理部における信号処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】図１の光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルの実測に使用した光源の光ファイバを導波した後の波長成分の分布を示す波長スペクトル図である。
【図５】図１の光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルにおける、負荷荷重をかけたときのタングステン−ハロゲンランプ（ａ）、ＬＥＤ（ｂ）およびＳＬＤ（ｃ）の各光源における光パワーメータの信号出力の生データをそれぞれ示す図である。
【図６】図１の光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルにおいて、各光源（ａ）、（ｂ）および（ｃ）について、時系列の出力信号データから抽出した光相関信号波形をそれぞれ示す図である。
【図７】図１の光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルにおいて、各光源（ａ）、（ｂ）および（ｃ）について、バックグラウンド信号を除去した信号波形をそれぞれ示す図である。
【図８】図１の光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルにおいて、各光源（ａ）、（ｂ）および（ｃ）について、バックグラウンド信号を除去した光相関信号波形をそれぞれ詳細に示す図である。
【図９】図１の光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルにおいて、図１の測定系を試作し信号処理を行って、負荷荷重に対するギャップ間隔およびそのデータ処理結果を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係るウェッジ型ファブリペロー干渉計を用いた光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルの構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係るマイケルソン型干渉計を用いた光反射式ファブリペロー型光ファイバ干渉ロードセルの構成を示すブロック図である。
【図１２】従来のファブリペロー型光ファイバ干渉ひずみセンサシステムの概略的な構成を示すブロック図である。
【図１３】図１２に示したファブリペロー干渉計の具体的な構成を説明するための模式的断面図である。
【図１４】ファブリペロー型光ファイバー干渉ひずみセンサの検出原理を説明するための模式図である。
【図１５】光源の波長スペクトルがガウス分布を有するとしたセンサシステム出力のシミュレーションの例を示す図である。
【図１６】ファブリペロー型光ファイバー干渉ひずみセンサのひずみ検出動作原理を説明するための模式図である。
【図１７】ギャップ間隙を変えたときの光の波長に対する透過係数の変化の計算例を示す図である。
【図１８】ギャップ間隙を変えたときの光の波長に対する反射係数の変化の計算例を示す図である。
【図１９】波長に対してガウス分布を有する光源の波長スペクトルおよびギャップ間隙を変えたときの、光の波長に対する透過スペクトル強度分布を示す図である。
【図２０】波長に対してガウス分布を有する光源の波長スペクトルおよびギャップ間隙を変えたときの、光の波長に対する反射スペクトル強度分布の計算例を示す図である。
【図２１】透過型計測システムの構成を示す模式的なブロック図である。
【図２２】反射型計測システムの構成を示す模式的なブロック図である。
【図２３】センサ計測システムにおける信号出力をシミュレートした出力例を示す図である。
【図２４】光相関信号とゼロパスレングス干渉との違いについての比較確認試験の計測ブロック図である。
【図２５】図２４に示した計測システムにおいて、ギャップ可変ファブリペロー干渉計のギャップ間隙寸法を微小変化させつつ測定した場合の光パワーメータ出力の変動を示す図である。
【図２６】種々の光源（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のスペクトル分布を比較するための波形図である。
【図２７】光源スペクトルの相違による信号出力を比較シミュレーションした結果を示す波形図である。
【図２８】光源スペクトルの相違による信号出力を比較シミュレーションした結果を一部を拡大して示す波形図である。
【図２９】発光ダイオード光源のスペクトル分布を比較するための波形図である。
【図３０】スペクトル分布の異なる発光ダイオード光源による光相関信号を比較するための波形図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 第１の光ファイバ
３ ［２×２］カプラ
４ 第２の光ファイバ
５ 第３の光ファイバ
６ ファブリペロー型ロードセル
７ 第４の光ファイバ
８ ギャップ可変ファブリペロー型干渉計
９ 光検出器
１０ 光パワーメータ
１１，１１Ａ Ａ／Ｄ（アナログ−ディジタル）変換器
１２，１２Ａ 信号処理部
２１ コリメートレンズ
２２ フォーカスレンズ
２３ フィゾー干渉計
２４ リニアイメージセンサ
２５ イメージセンサ制御部
３１ マイケルソン型干渉計
１２１ ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）
１２２ データメモリ
１２３ 校正データメモリ
１２４ プログラムメモリ
１２５ 表示器
１２６ Ｄ／Ａ（ディジタル−アナログ）変換器

Claims (14)

1. 力、ひずみ、圧力および温度等の物理量により変動する可動端面に一部の光を反射する薄膜の反射膜を形成し、この反射膜との間に被計測間隙を存して、平行に対峙するように一部の光を反射する反射膜を形成してなる光ファイバの端面を配置してなるセンサ部の前記光ファイバに、低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を検出して、前記被計測間隙を求め、前記物理量の大きさを計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサにおいて、
   前記低コヒーレンス光源として、波長スペクトル分布が広い広帯域光源を用い、且つ
   前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
   前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段と
   を具備することを特徴とする光ファイバ干渉センサ。
2. 力、ひずみ、圧力および温度等の物理量により変動する可動端面に一部の光を反射する薄膜の反射膜を形成し、この反射膜との間に被計測間隙を存して、平行に対峙するように一部の光を反射する反射膜を形成してなる光ファイバの端面を配置してなるセンサ部の前記光ファイバに、低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を検出して、前記被計測間隙を求め、前記物理量の大きさを計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサにおいて、
   前記低コヒーレンス光源として、波長スペクトル分布が広い広帯域光源を用い、且つ
   前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
   前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号における高周波の不要成分を除去する高周波成分除去処理手段と、
   前記高周波成分除去処理手段から出力される高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段と
   を具備することを特徴とする光ファイバ干渉センサ。
3. 前記広帯域光源は、ハロゲンランプおよび白色発光ダイオードのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光ファイバ干渉センサ。
4. 前記光相関信号抽出手段は、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去するバックグラウンド信号除去手段を含むことを特徴とする請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の光ファイバ干渉センサ。
5. 前記バックグラウンド信号除去手段は、最小二乗多項式フィッティングによりバックグラウンド信号を推定して、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去する手段を含むことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ干渉センサ。
6. 前記バックグラウンド信号除去手段は、所要の計測範囲に光相関信号を含まない状態での実測生データをバックグラウンド信号として、前記光強度センサの出力から、前記被計測間隙により変化するバックグラウンド信号を除去する手段を含むことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ干渉センサ。
7. 前記極値位置算出手段は、
   前記光相関信号を多項式適合平滑化法に基づいて平滑化微分処理する平滑化微分処理手段と、
   前記平滑化微分処理手段の出力がレベル零と交わる零クロス点を求める零クロス点算出手段と
   を含むことを特徴とする請求項１〜請求項６のうちのいずれか１項に記載の光ファイバ干渉センサ。
8. 前記高周波成分除去処理手段は、ローパスフィルタを含むことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ干渉センサ。
9. 被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理システムにおいて、
   前記低コヒーレンス光源として波長スペクトル分布が広い広帯域光源を用い、且つ、
   前記センサ部の前記被計側間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計側間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
   前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段と
   を具備することを特徴とする光ファイバ干渉センサの信号処理システム。
10. 被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理システムにおいて、
    前記低コヒーレンス光源として波長スペクトル分布が広い広帯域光源を用い、且つ、
    前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
    前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号における高周波の不要成分を除去する高周波成分除去処理手段と、
    前記高周波成分除去処理手段から出力される高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段と
    を具備することを特徴とする光ファイバ干渉センサの信号処理システム。
11. 被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理方法において、
    前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミン グジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出ステップと、
    前記光相関信号抽出ステップで抽出された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出ステップと
    を有することを特徴とする光ファイバ干渉センサの信号処理方法。
12. 被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理方法において、
    前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出ステップと、
    前記光相関信号抽出ステップにより抽出される光相関信号における高周波の不要成分を除去する高周波成分除去処理ステップと、
    前記高周波成分除去処理ステップにより高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出ステップと
    を有することを特徴とする光ファイバ干渉センサの信号処理方法。
13. 被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理にあたり、コンピュータを、
    前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段、および
    前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段
    として機能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
14. 被計測間隙を存し、平行平面をなして光ファイバの端面を対峙させ且つ該光ファイバの対峙する端面に一部の光を反射させる部分反射ミラーを形成してなるセンサ部の一方の光ファイバに、波長スペクトル分布が広い広帯域の低コヒーレンス光源の光を導き、前記被計測間隙における多重反射により、前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバにて導き、光強度センサにより間隙変化に対応する時系列の光強度を得て光強度最小位置または光強度最大位置を求めて、前記被計測間隙を計測するファブリペロー型の光ファイバ干渉センサの信号処理にあたり、コンピュータを、
    前記センサ部の前記被計測間隙の間隙寸法に対応して波長変調された反射光または透過光のいずれかを光ファイバを介してギャップ間隙可変干渉計にタイミングジェネレータの動作に応動して時系列で導き、そのギャップ間隙を変化させ、前記被計測間隙寸法と一致する間隙となる位置で最小となる光強度を光検出器により光相関信号として検出する光相関信号抽出手段と、
    前記光相関信号抽出手段から出力される光相関信号における高周波の不要成分を除去する高周波成分除去処理手段、および
    前記高周波成分除去処理手段から出力される高周波の不要成分が除去された光相関信号から、該光相関信号における最小または最大位置を求める極値位置算出手段として機能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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