JP3740169B2 - ブラッグ格子センサーを利用した光センサーシステム - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明は一般的にはセンサーシステムに関し、特に、音圧、振動、磁場などの経時変化する微弱な測定量の場を測定するためのブラッグ格子感知素子を利用したセンサーシステムに関する。
従来の技術
試験中の装置、材料、構造体及び構造体構成部品によって生成される及び/又は生じる音響放射又は電場もしくは磁場の変動を監視するセンサーシステムが周知である。これらの監視技法は、監視されたデバイスの性能を評価する分析方法に採用されている。このようなセンサーシステムは通常は、ギヤボックスなどの複雑な機械部品を計測するために必要とされる複数のセンサーを用いている。光多重技法に応じる光ファイバセンサーが一般的に用いられる理由は、これらのセンサーが、構造体上に置かれる比較的多くのセンサーを実現することを可能とする手段を提供するからである。多点感知応用分野用のセンサーシステムは、参照してここに組み込まれる、1989年出版されたOptics Lett、14中のメルツ(G. Meltz)、モーリー(W.W. Morey)、グレン(W.H. Glenn)による「横方向ホログラフィ方法による光ファイバ内でのブラッグ格子の形成」(Formation of Bragg Grating in Optical Fiber by a Transverse Holographic Method)という題名の技術記事の823頁に述べるファイバブラッグ格子(FBG)センサーを用いる。FBGセンサーの人気は過去数年で向上したが、それはその固有の性質と波長デコーディングされた動作のゆえである。ブラッグ格子を用いるセキュリティシステムは、参照してここに組み込まれる1994年9月27日発行の米国特許第5,351,324号に開示されている。
FBGセンサーは準分散式感知には特に魅力的であるが、その理由は、参照してここに組み込まれる1990年12月、オーストラリア、シドニーで出版されたProc. OFS、90の、「分散型ファイバ格子センサー」(Distributed Fiber Grating Sensor)の中の285頁のモーリー(W.W. Morey)の技術記事により完全に説明されるような方法で波長分割多重又は時分割多重法を用いることによって、多くのブラッグ格子をファイバの全長にわたって誘導又は書き込みでき、さらに、識別できるからである。FBGセンサーは、これを材料中に埋め込んで、負荷誘導された歪みをリアルタイムで評価することを可能とすることによって、事前複合材料分析、すなわち「スマートな構造体」分析の領域で非常に良好に応用される。機械類などの選ばれた装置を感知する用途のためのFBGセンサーの既存の使用法を、図1の先行技術による装置10を参照してさらに説明する。
装置10は、各々がセンサーの感知素子として作用し、また、参照してここに組み込まれる1991年9月にボストンで出版されたSPIE vol. 1586の文献#22の「分散・多重光センサー」(Distributed and Multiplexed Optics Sensor)という題名のモーリー(W.W. Morey)、ダンフィー(J.R. Dunphy)、メルツ(G. Meltz)の技術記事に述べる波長分割多重技法によって識別され、複数の反射性ブラッグ格子12A,12B,12C,...,12Nから成るブラッグ格子センサー12を利用している。センサー12は本書ではファイバブラッグ格子(FBG)センサーと呼ばれる。複数の反射性ブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nが技術上周知の方法で誘導され書き込まれ、また、参照して上記でここに組み込まれた米国特許第5,351,324号により完全に述べるような方法で、感知素子として働く各々の格子12A、12B、12C、…、12Nは、装置10によって監視される1つの装置に沿った固有の位置を有し、また、入射光線を反射するための固有の波長成分を有する。複数のFBGセンサー12は、監視中の装置上に置かれ、又は星形の装置(図示せず)中に置かれる。
図1の回路装置10は、矢印16で表され、I(電流)と示されるY軸及び、入力光線16の波長を表すλとして示されるX軸を有すると一般に図示される入力スペクトル18によって定められる入力光線を提供するための光源として働く広帯域光源14を利用する。入力光線16はカップラ20に照射され、入射光線として走行し、感知素子12A、12B、12C、…、12Nの各々をインターセプトし、次にこれら感知素子はそれぞれが前記入射光線を、それぞれ矢印22,24,26,…、28で示されるように反射する。反射光線22,24,…、28はそれぞれスペクトル22A、24A、26A、…、28Aを有するものとして図1に示されているが、これらスペクトルは、反射性ブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nによって反射される光線の波長にそれぞれ対応する中心波長成分λ1,λ2,λ3,…、λNを有する波長を示す。
広帯域光源14は、技術上すべて周知のエッジ放射LED(ELED)、超照明ダイオード、超照明ファイバ光源及びファイバエルビウム光源を含むグループから選択されるタイプのものである。広帯域光源14は、約1.3μmという典型的な事前決定された動作波長及び約50nm(ナノメートル)という典型的な帯域幅を有する。このような広帯域光源14の場合、前記複数のブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nは、センサー12に沿って事前決定された距離X(図示せず)だけ互いに物理的に間隔付けされるが、その各々が、約数分の1nmから1nmを越えるような間隔付けされている固有の波長成分を有する。ブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nから反射される入射光線は、それぞれのブラッグ格子のそれぞれの固有の波長成分を包含している。距離Xは、使用されるセンサー素子(12A、12B、12C、…、12N)及び、センサー12によって包括される監視中の装置又は材料上の距離によって異なる。1.3μmの動作波長と50nmの帯域幅を有する広帯域光源14及び1nmという波長成分だけ互いから離れているブラッグ格子を有するセンサー12を選択するために、50個の反射性ブラッグ格子を、波長分離(1nm)によって分割される帯域幅(50nm)によって決まる図1の装置によって支持する。
複数の素子12A、12B、12C、…、12Nのブラッグ格子の各々は入射光線16に照射され、ナロービーム波長成分を返送するが、この成分は完全に広帯域光源14の帯域幅内に包含される。より具体的に言うと、図1において、入射光線16によって、ブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nは、応答特性22A、24A、26A、…、28Aをそれぞれ有する反射光線22,24,26,…、28を返送する。図1から分かるように、応答特性22A、24A、26A、…、28Aはそれぞれ、広帯域光源14の動作波長を表すλ未満である波長λ1,λ2,λ3,…、λNの位置を示す。動作中は、さらにより完全に説明するために、センサー12内のブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nの摂動などの特定の個別の格子の測定量誘導された(すなわち、音響的に誘導された)摂動は、その特定の素子によって返送された光線の波長を変化又は変動させる。より具体的には、例えば、センサー12の感知素子として動作する、素子12Aのブラッグ格子が音響力という形態の摂動に曝されると、反射する入射光線16の素子12Aの固有波長λ1成分は固有波長λ1を基準として変化し、反射光線22は、感知素子12Aによって感知された摂動を比例して示す変化済み波長成分を所有する。この変化済み波長成分は、それぞれのブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nと関連している波長シフトデコーダ32によって感知された波長のずれを監視することによって信号経路30上のカップラ20の出力部で検出される。この波長ずれは、センサー12が曝されている摂動の大きさを表す。
ブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nの各々での波長ずれを検出するための図1に示す先行技術による技法は、ブラッグ格子期間信号22,24,26,…、28の波長をチャネル毎に測定する方式に基づいているが、図2を参照して更に述べる。
図2に示すように、波長シフトデコーダ32は、信号経路30を介して、ブラッグ格子12A、…、12Nとそれぞれ関連する波長成分λ1−λNを包含する信号を受信する波長分割マルチプレクサ(WDM)スプリッタ(demux)32Aを具備する。波長分割マルチプレクサ32Aはこれらの成分λ1−λNをそれぞれ端子36A、36B、36C、…、36N上に存在する個別の波長成分λ1,λ2,λ3,…、λN中に分離され、これらの個別の波長成分はそれぞれ、光学フィルタ38A、38B、38C、…、38Nに経路指定される。光学フィルタ38A、38B、38C、…、38Nは、自身のニー(knee)でのλjで遮断周波数を持つ特性応答42を有し、λ1−λNで定められる帯域内に包含される要素jに対応すると図2に一般的に示されるプロフィール40を有するエッジタイプのフィルタであるのが好ましい。要素jは、振幅Tを示すy軸と、広帯域光源14の動作波長λによって定められる最大値を有する波長λを示すX軸とによって定められるパルス波形44を有する。光学フィルタ38A、38B、38C、…、38Nは、感知素子12A、12B、12C、…、12Nのブラッグ波長の範囲に整合するためには一連のフィルタ特性を必要とするが、この整合は実現するには比較的困難であり高価である。さらに、すべて技術上周知である例えば屈曲損失(センサーの屈曲)、光源変動(出力変化)などの外部からの要因による図1に示す広帯域光源14の出力部での光出力レベルの考えられる変動を保証するためには、図3に示す実現例を採用することが望まれる。
図3に、参照してここに組み込まれる1992年に出版されたPhotonics Technol. Lett、4の516−518頁のメレ(S.M. Melle)、リウ(K. Liu)及びメジャーズ(R.M. Measures)の技術記事により完全に記述されている比率計を用いた方式を示す。図3には図2の波長分割マルチプレクサ(WDM)スプリッタ32Aが示されているが、光学フィルタ38A、…、38Nが欠けている。図3の波長分割マルチプレクサ(WDM)スプリッタ32Aは、λ1,λ2,λ3,…、λ4で識別される複数の出力を持つが、その各々が自身にカップリングされている追加素子を有する。例えばλ1は光カップラ46Aを有し、端子36Aは自身から流れていく波長λ1を有するものと識別され、検出器48は光カップラ46Aの出力に接続され、検出器50は端子36Aの出力(λ1)を受信する。検出器48は、I1 refと識別される出力信号を提供し、検出器50はI1と識別される出力信号を提供し、検出器48と50双方の出力は、比率演算装置52に経路指定される。比率装置52が動作し、これによって、出力信号が与えられるが、その値はI1/(I1 refで定められる。図3の比率装置52の出力信号は図2に関して説明した欠点はないが、追加素子による不利点を持っている。図2と3に示す回路装置以外の手段を提供して、図2と3に関して説明した実現例の欠点や不利点を持たない光センサーシステムを実現するのが好ましい。
発明の目的
したがって、本発明の第1の目的は、感知素子として働くファイバブラッグ格子(FBG)を有するセンサーを利用するが、精巧な濾過メカニズムを必要とせず、比較的複雑な比率計方式を用いることもなく、1つの装置を監視する光センサーシステムを提供し、しかもこのようなFBGセンサーを50個から400個という数多くのセンサー素子を提供することである。
本発明の別の目的は、音圧、振動ならびに磁場及び電場などの経時変化する測定量の場の測定に用いられるファイバブラッグ格子を採用した光ファイバ感知システムを提供することである。
発明の要約
本発明は、1つの装置が影響される摂動の監視及び測定のためのファイバブラッグ格子を利用した光システムを意図するものである。
本システムは、光センサー、光源、不均衡干渉計、変調信号発生手段、位相変調器及び位相復調器を具備する。
このセンサーは、1つの装置に沿って置かれ、センサー中に誘導された複数の反射性ブラッグ格子を有するが、各々の格子はセンサー素子として動作する。格子は各々がこの1つの装置に沿った固有の位置及び入射光線を反射するための固有波長成分を有する。このセンサーの固有波長成分は各々が、摂動に曝されると変化する。光源から、ブラッグ格子のあらゆる波長成分を持つ入力信号がセンサーに対して与えられ、これによって格子の各々からの入射光線を反射するようにしている。不均衡干渉計はこの反射光線を各々の格子から受領する。不均衡干渉計は第1のアーム及び第2のアームを有し、各々のブラッグ格子によって反射された入射光線の各々の波長成分に対して干渉計の信号を発生する。位相変調器が干渉計の信号を1つ1つ変調する。復調器は各々の変調済み干渉計信号を受領して、その量を示す出力信号を発生するが、反射済み入射光線の固有波長成分は各々が、摂動に曝されると変化する。
【図面の簡単な説明】
本発明の上述の目的、特徴及び利点ならびに他のそれらは、本発明自身と共に、以下に示す複数の図面全体にわたって同様の参照符号が同様又は対応する部品を示す添付図面と関連して考慮し、以下の詳細な説明を参照すればよりよく理解されよう。
図1は、先行技術による装置の略図である。
図2と3は、図1の先行技術による装置と協働して、監視中の装置に関連する摂動を検出するための略図である。
図4は、本発明の第1の実施態様の略図である。
図5は、6及び7(図7(A)及び図7(B)から成る)は、音響放射の検出に関する本発明によるセンサーの様々な実施態様の図である。
図8は、図8(A)、8(B)、8(C)及び8(D)から成り、磁場又は電場検出技法を用いて摂動を測定するセンサーを開示する。
図9は、図4の実施態様に類似の本発明のさらに別の実施態様の図である。
図10は、本発明の別の実施態様の図である。
図11は、図10の実施態様に類似の本発明のさらに別の実施態様の略図である。
本発明の実施態様の詳細な説明
図面を説明する前に、本発明の光センサーシステムは、監視されている装置の性能を示す摂動を検出する。光感知システムは、事前選択された分布となるように配置された埋め込み格子を有する光ファイバを1つ以上具備するが、ここで、ブラッグ格子は各々が、感知素子として働き、入射光線によって励起されると、事前決定された波長で識別される狭帯域信号を返送する。監視中のシステム中で発生する摂動は、微分たすき掛け(サイン/コサイン関数)及び時分割技法を含む多重化技法によって識別される他の光学的反応性素子と協働する不均衡干渉計によって感知される。
本発明のある実施形態を図4に示すが、これは図1,2及び3の先行技術による装置に関してすでに述べた素子を含むが、これに加えて、ブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nそれぞれの固有波長成分λ1,λ2,λ3,…、λNをそれぞれ包含する反射光線22,24,26,…、28を受信する光カップラ54を含む。光カップラ54は、アーム58と60を有する不均衡干渉計56の入力段にあるが、これら2つのアームの内の一方、例えばアーム58は位相変調器62を含み、他方は、2つのアーム58と60間の光路の差(以下に説明する)の長さが確実に約1cmとなるように遅延コイルを保証するように働くコイル64を含む。この不均衡干渉計56はカップラ66を自身の出力段のところに有する。
不均衡干渉計56は、マックゼンダー(Mach Zehnder)タイプであり、返送された入射光線22,24,26,…、28内に包含されるそれぞれのブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nによって反射される波長成分λ1,…、λNの各々に対する干渉計信号を発生する。しかしながら、マイケルソン(Michelson)の干渉計構成などの他の干渉計の構成をマックゼンダー(Mach Zender)構成の代わりに用いてもよいことに気付くべきであろう。不均衡干渉計56は、アーム58と60間の光路差すなわちOPDを有する。不均衡干渉計56の光路差(OPD)はndに等しいが、ここでdはアーム58と60の長さ不均衡であって、nはコア64の実行伝搬インデックスである。不均衡干渉計56は、参照してここに組み込まれる1993年7月13日発行の米国特許第5,227,857号により完全に述べるようなタイプのものである。さらに、干渉計信号を発生するような、不均衡干渉計56などのデバイスの動作は、参照してここに組み込まれる1992年出版されたElectronics Letters、28の236−238頁のカーシー(A.D. Kersey)、バーコフ(T.A. Berkoff)及びモーリー(W.M. Morey)の技術記事により完全に述べられている。発生した干渉計信号の形態は以下の式(1)で与えられる:
I(λj=Aj[1+Kcos[Ψj(λj+Φ]] (1)
ここで、Ψj(λj)=2πnd/λjであり、Ajは入射光線16の入力強度及びプロフィールならびにλjにおけるシステム損失及び格子の反射率によって異なる値であり、λjはブラッグ格子12A、…、12Nと共に包含されるj番目の格子センサーからの返送光線(センサー信号)の波長、Φはランダムバイアス位相オフセットである。不均衡干渉計56が発生したあらゆる干渉計信号は、出力カップラ66を通過して、図1,2及び3を参照して上述した波長分割マルチプレクサ(WDM)スプリッタ32Aに至るが、これについては、参照してここに組み込まれる1992年出版のProc.OFC'92の123頁、(OSA)の、スール(J.B.D. Soole)らによる技術記事「チップ上の干渉計:モノリシックWDM構成部品」(Spectrometer on a Chip:a Monolithic WDM Component)の中にさらに述べられている。波長分割マルチプレクサ32Aによって実行される波長分割デマルチプレクシングが、図4の装置によって監視される装置上に置かれているセンサー12内のブラッグ格子12A、12B、12C、…、12N(λ1,λ2,…,λN)の中心は波長の範囲に対する公称の波長応答に整合することが望ましい。
ブラッグ格子12A、12B、12C、…、12N間の波長間隔は、考えられる残留準静的歪みに対処するに必要とされる動作範囲及び、ブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nが置かれている点における温度ずれによって異なる。図4に示す1つ以上のセンサー12に対して十分大きい波長範囲を見込んでおくことは、静的歪み感知が本発明による感知システムによって実行されているときには重要である。波長範囲には、それぞれが一対状のセンサー12全体に対して感知素子として働くブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nの各々の固有波長間の波長間隔を考慮に入れておくことが必要である。通常は、ブラッグ波長はある環境下で1,000マイクロ歪みメートル毎に約1nmだけずれるが、この場合、広帯域光源14の動作波長は1.3μmである。例えば、固有波長成分がλ1であるブラッグ格子12Aが波長1.3μmの入射光線を受領すると、それは1,000マイクロストレインの歪みを受け、それに対応して引っ張られ、ブラッグ格子12Aは、波長λ1を基準として1nmだけ変化した波長を有する入射光線を反射するが、このような反射光線の1つの成分は返送光線信号12内に存在する。
音響放射振動感知を測定するための本発明の感知システムの応用において、センサー12,特にブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nは、静的歪みを微弱にカップリングするように設計し、これによって、ブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nでのブラッグ格子波長を緊密に間隔付けする、すなわち1nm未満の間隔にすることが可能となり、これによって、ブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nの数を50(前述の値)より大きい値にする。ブラッグ格子12A、12B、12C、…、12N間の波長間隔に影響を与えるもう一方の要因は温度である。典型的なファイバ格子のブラッグ波長は温度によって、摂氏1度につき約一部/105の率でずれる。動作波長が1.3μmである広帯域光源14の動作の場合、ブラッグ格子12A、12B、12C、…、12N間に1.3nmの間隔を設けることによって、FBGセンサー内で摂氏100度の温度変動を許容できることになる。大きな温度差でも、ブラッグ格子間の波長間隔を広くすることによって許容可能である。不均衡干渉計56などの典型的な不均衡干渉計の波長感度のために、干渉位相のずれは、波長分割マルチプレクサ32Aの出力部に出力される各々の波長成分によって異なる。
本発明の恩典を受けない、音響放射測定のためのある実施態様では、個別のブラッグセンサー素子12A。12B、12C、…、12Nのブラッグ波長中の音響的に誘導された変調によって、受信され処理された波長成分各々に対する不均衡干渉計56によって発生した干渉計出力信号の位相ずれに変調が生じる。これらの位相変調成分は次式(2)によって与えられる
ここで、Δεjはj番目の格子に与えられた音響的に誘導された動的歪みであり、ζは関連のブラッグ格子の正規化された歪み体波長ずれ応答である。
式(2)で表される信号の好ましくない位相ずれを監視してこれに対処するために、干渉計56によって発生した信号は、不均衡干渉計56のアーム58などのアームの内の1つに中に置かれている圧電ファイバストレッチャなどの位相変調器62を用いることによって「復調」される。位相変調器62は変調発生器68によって発生した変調信号を受信する。図4の装置の干渉計による感知に用いられる復調技法は、参照してここに組み込まれる1982年に出版された、IEEE J. Quantum Electron、QE−18の1647頁の「位相発生搬送波を用いた光ファイバセンサーのホモダイン復調スキーム(Homodyne Demodulation Scheme for Fiber Optic Sensors Using Phase Generated Carrier)という題名のダンドリッジ(A. Dandridge)、トベトン(A.B. Tveten)及びジアロレンティ(T.G. Giallorenzi)の技術記事に述べられている微分たすき掛け(differentiate-cross-multiplication)(サイン/コサイン)でも、参照してここに組み込まれる1982年に出版されたElectron. Lett.、18の1081頁の「光学干渉計のための疑似ヘテロダイン検出スキーム」(Pseudo-Heterodyne Detection Scheme for Optical Interferometers)という題名の、ジャクソン(D.A. Jackson)、カーシー(A.D. Kersey)及びコーク(M. Corke)の技術記事中に述べる合成ヘテロダイン検出技法でも技術上周知の位相追跡回路であってもよい。
図4に、波長分割マルチプレクサ(WDM)32Aと、検出器70A、70B、70C、…、70Nであり、その各々がサイン成分とコサイン成分を含み、その出力信号を信号経路74A、74B、…、74Nをそれぞれ介してサイン・コサインプロセッサ72に供給する検出器とから成る微分たすき掛け(differentiate-cross multiply)(DCM)復調器を示す。サイン・コサインプロセッサ72は、信号経路76を介して、変調器68が発生した変調信号を受信する。検出器70A、70B、…、70Nは米国特許第5,227,857号に述べるようなタイプのものであり、一方サイン・コサインプロセッサ72は信号プロセッサ55に関する米国特許第5,227,857号に述べるようなタイプのものであってもよい。
不均衡干渉計56,波長分割マルチプレクサ32A、検出器70A、…、70N及びプロセッサ72から成る図4に示す干渉計変調器は、その標準の位相分解能が、音響範囲の
であり、これによってブラッグ波長の小さな変動でも検出できる。本発明を実行すれば、センサー素子12A、12B、12C、…、12Nのブラッグ波長の音響的に誘導された一部/1010という小さなずれを検出できることが予測される。図4に示すセンサー12は図5−8に示すようなさまざまな実施態様を有し得る。
図5の部分破断図に、光線を導通させ、事前選択されたブラッグ格子84を自身の中に誘導させ、書き込み又は埋め込みさせた光ファイバ82から成る音響センサー80を示す。ブラッグ格子84はブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nに対応するが、これらの各々が図1と4さらに、以下に説明する図9−11に示す感知素子として作動する。
FBGセンサー80は、音場に対して直接的に応答し、通常は、空気や液体などの音響媒体中に直接に置かれ、その感度は直接的にファイバの歪み光学係数によって決まる。光ファイバのひずむ光学係数は周知であり、参照してここに組み込まれる1992年のE. UDD Editor、Wileyの「光ファイバセンサー」という題名のテキストの第10章に述べられている。FBG音響センサー80は、弾性材料又は、センサー80の音共感度を向上させるようなファイバコーティング86で被覆するのが好ましいが、その理由は弾性材料86は通常はヤング率が高いが、体積弾性率は低い(圧縮率が高い)からであるが、「光ファイバセンサー」でより詳細に説明する。弾性材料を使用することによって、FBGセンサー80の自由音場応答性が30dbを越える値まで向上し、FBGセンサー80の感度は
に対して約100dbの範囲になる。FBGセンサー80は、例えば配電装置内などで見受けられるようなオイルで満たされた1つの装置内に置かれるのに特に適している。ファイバコーティング86の媒体を介して音響信号のFBGセンサー80によって提供される直接カップリングによって、監視中の装置内における音響放射の2地点間マップが提供される。音響的な放射や振動に対して反応するさらなるセンサーを図6を参照して以下に述べる。
図6に、自身中に誘導され接着剤などの適当な手段(図示せず)によって可とう性ダイヤフラム90の固定されたブラッグ格子84を有する光ファイバ82を具備するダイヤフラムセンサー88を示す。ダイヤフラムセンサー88の反応性はダイヤフラム素子90の偏向応答によって決まり、図5の弾性材量などのファイバコーティング特性によっては決まらない。ダイヤフラムセンサー88は、図5のFBGセンサー88から見れば高い感度を有するが、ダイヤフラムセンサー88は圧力保証して、ブラッグ格子84の波長成分中の大きな準静的圧力誘導ずれを回避するのが好ましい。ダイヤフラムセンサーは、
につき約80dbの感度を有することが予測される。音響放射に反応するセンサーのさらなる実施態様を図7を参照してさらに述べる。
図7は図7(A)と7(B)から成るが、この2つは加速時計タイプのセンサー93を積層的に図示している。図7Aは、加速時計93が、質量Mとして働く剛性裏当て層98をロードされた適合材料96の層中に埋め込まれた光ファイバ82から成るところを示している。材料96は、プラスチック、ゴムなどの柔らかい適合性の材料であり、一方、層98は金属、ガラス又はセラミックなどの固い材料である。
図7(B)に示すように、光ファイバ82はブラッグ格子84を自身中に誘導しているが、ここで、適合材料96は、通常は音響放射によって生成される摂動に曝される構造体100上に置かれている。摂動102は、構造体100と関連した面外信号であり得る。加速時計センサー93は、ギヤボックスケーシングであり得る構造体100上に置かれ、加速時計センサー93の周波数特性と感度は適合材料98の硬度と質量(M)によって異なる。希望に応じて、誘導ブラッグ格子84を持つファイバ82は、材料が評価中の構造体構成部品に用いられるプラスチック、グラスファイバ又はその複合材料であればその材料中に直接に埋め込んでもよい。経時変化する振動、電場及び/又は磁場の外乱に反応するセンサーを、図8に参照して更に述べる。
図8は図8(A)、8(B)、8(C)及び8(D)から成り、図示されたセンサーの各々が、音響放射による摂動以外の摂動に反応するように用いられる。図8のセンサーすべてが、磁場や電場などの物理的な場を検出することによって装置を監視する目的に利用可能である。図8(A)と8(B)のセンサーは、磁気歪み効果に応答し、図8(C)と8(D)のセンサーはそれぞれ磁気歪み効果と圧電効果に反応する。
図8(A)に、磁気歪み効果に反応し、ブラッグ格子84を自身中に誘導した光ファイバ82を具備するセンサー103を示す。光ファイバ82は2つの素子104と106の間に置かれて、複合バーを効果的に形成している。プレート104と106は、材料94が受ける摂動に自身も比例する印加された磁場107の強度に比例して膨張収縮する技術上周知のインバール(Imbar)、モネル(Monel)金属、ニクロム、ニッケル、金属ガラス又はストイク(Stoic)金属などの磁性材料から成る。センサー103が反応する磁気歪み効果は非線形であるが、非線形性は図8(B)に示す実施態様によって埋め合わされる。
図8(B)は、センサー103に関してすでに述べたのと類似の仕方で磁気歪み効果に反応するセンサー108を示す。センサー108は、ブラッグ格子84の近くに置かれ、バイアス磁場を与える局所永久磁石110を有する。局所磁石110は、センサー108が経験する磁気歪み効果の非線形性を保証する。より特定的には、局所永久磁石110は、ブラッグ格子84での歪みに対する随伴変動、すなわち格子84のブラッグ格子波長に随伴変動を引き起こすような、交流(AC)によって生じたような経時変化する変動と相互作用する。感度が
となり、これによって、センサー108が、すべてが最近いわゆるスマートハイウエイシステムで人気のある車両検出/カウント、交通パターン監視などの応用例に特に適すことが予測される。本発明の実行に当たって用いられるセンサーのさらなる実施態様を図8(C)を参照してさらに述べる。
図8(C)に、ブラッグ格子84を自身の内部に誘導している光ファイバー82を持つセンサー114が示されている。光ファイバ82は、チタン酸バリウムなどの材料から成る層116と118の間に置かれてセラミックプレートを形成するが、このセラミックプレートは、矢印120で示す電圧をその平行なフェースに印加されると、自身が収縮する。この電圧は、材料94が受ける摂動に比例し、さらに、摂動はその物理的変動の量を表す。本発明の実行に関連するセンサーのさらなる実施態様を図8(D)を参照してさらに説明する。
図8(D)に、圧電特性を持つセンサー122を示す。センサー122は、周知の圧電セラミックのように、ブラッグ格子を自身の中に誘導し、圧電材料124と126の間に置かれ、さらに、変形すると電圧を発生したり、その逆に、図8(D)に矢印128で示す電圧を印加されると変形する光ファイバ82を有する。図8のセンサーのすべて、さらに、図5−7のセンサーの実施態様のすべてが、図4の上記の装置さらに図9の装置内で使用可能である。
図9は図4に類似しているが、その双方共、波長分割多重技法、さらに、動作波長λを有する広帯域光源14を用いているが、図9ではまた、1.55μmという標準値を有する動作波長λ’を有し、矢印132で示される入力光線をセンサー12に供給する第2の光源として作動する追加の広帯域光源130が用いられている。広帯域光源130は広帯域光源14と同じタイプである。第2の広帯域光源14は、図4を参照して広帯域光源14に関して述べたように、ブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nからの光線を反射するためにすべての波長を包括する50nmなどという値の帯域幅を有する。
図9の装置はさらに、第2の不均衡干渉計56’及び、波長分割マルチプレクサ(WDM)32A’、検出器70A’、70B’、…、70N’、ならびにサイン/コサインプロセッサ72’を含む。プライム符号(’)で識別される図9に示す素子はすべて、プライム符号(’)を持たない素子に対して図4を参照して説明されたと同じように動作する。第2の不均衡干渉計56’は信号経路134を介して信号経路30に接続されている。第2の不均衡干渉計56’はその位相変調器62’が信号経路136を介して変調信号発生器68に接続されている。同様に、サイン/コサインプロセッサ72’は信号経路76’を介して変調信号発生器68に接続されている。
動作中は、図9の装置は、広帯域光源14の動作波長λとして1.3μmという値を選び、これに対応して、広帯域光源130の動作波長λ’を1.55μmに選択する。同様に、第1の不均衡干渉計56と波長分割マルチプレクサ32Aは、1.3μmという波長λを持つ広帯域光源14に応じた動作周波数を有するように選ばれ、同様に、第2の不均衡干渉計56’と第2の波長分割マルチプレクサ32A’は、広帯域光源130の波長λ’に応じた1.55μmという動作波長を有するように選ばれる。さらに、選択された複数のブラッグ格子12A、12B、12C、…、12Nは、図4を参照してすでに述べたように、通常は距離Xだけ互いに離れて置かれ、図9の装置が最大で200個のブラッグ格子感知素子12A、12B、12C、…、12Nを収容できるように1nmという波長成分間隔を有するように選択される。動作波長とブラッグ格子の数がこのように選択されると、図9の回路装置は図4の装置と同じように動作して、サイン/コサインプロセッサ72’が、信号経路78A、…、78N上に量を表す出力信号を供給するが、その波長成分の各々が、広帯域光源14の1.3μmの搬送波周波数を有する反射された入射光線信号22,…、28内にそれぞれ包含されているが、摂動を受けると、ブラッグ格子12A、…、12Nの波長λ1,…、λNを基準として変化する。同様に、サイン/コサインプロセッサ72‘は、信号経路78A’、…、78N’上に量を表す出力信号を供給するが、その波長成分の各々が、広帯域光源130の1.55μmの搬送波周波数を有する反射済みの入射光線信号22,…、28内にそれぞれ包含されているが、摂動を受けると、ブラッグ格子12A、…、12Nの波長λ1’,...,λN’を基準として変化する。図4と9に示す回路装置はその双方とも多くのセンサーを収納しているが、追加のセンサーを収納できる能力は、図10を参照して以下に説明する時分割多重化技法によって与えられる。
図10の装置は、参照符号12と12’で示され区分され、さらに、ファイバ遅延デバイス138によって互いに分離されて2つの配列になるように形成された第1と第2のそれぞれ複数のブラッグ格子を含むが、その2つの配列はそれぞれが、同じブラッグ格子を有し、さらに、互いを基準として整合する固有の波長成分を有している。例えば、センサー12に含まれる第1の配列(12A、12B、12C、…、12N)は、センサー12’のブラッグ格子12A’の入射光線を反射するために固有波長成分λ1に対応してこれと整合する入射光線を反射するための固有波長成分λ1を持つブラッグ格子12Aを有する。3つ以上のセンサー12と12’を用いる場合、追加のファイバ遅延デバイス138が、ブラッグ格子の配列を自身の内に有する各々のFBGセンサーの間に置かれる。さらに、ブラッグ格子12A、12B、12C、…、12N及び12A’、12B’、12C’、…、12N’は図4を参照してすでに述べたように事前決定された距離Xだけ互いに分離しており、この分離間隔は波長方向に1nmであることが好ましい。
図10の装置はさらに、ゲートデバイス142を介してカップラ20に印加され、事前決定されたパルス持続時間τを持つパルス特性146を有する入射光線すなわちパルスを表す矢印として示されるパルスを発生するパルスドライバ140を含む。ゲートデバイス142は、パルス144が存在するときに、光カップラ20に向けて広帯域光源14の出力を通過させるためだけのものである。パルス144はまた、信号経路148を介して、ゲート回路150に印加される。またさらに、図10の回路装置は、検出器70A、70B、70C、…、70Nからのサイン信号とコサイン信号を受信し、パルス144に反応し、更にサイン信号とコサイン信号を、区分化された複数の信号経路152A、…、152Nによって示される自身の出力として提供するゲート回路150を含む。
ブラッグ格子12A、…、12Nと12C、…、12N’は、2%などの数パーセントという反射係数の公称値を持つ個別のFBGセンサー12と12’中に誘導、すなわち書き込まれている。この装置によって、入射光線16のほんの一部を各々のブラッグ格子で反射させることが可能となるが、一方、入射光線16を形成している残余のより強い信号は追加のブラッグ格子の連続物、すなわちブラッグ格子12A、…、12N’の連続物に送られる。ブラッグ格子12A、…、12N’の波長反射係数が数パーセントであるので、ブラッグ格子12と12’のいくつかの(例えば5から8)連続物が識別される。ブラッグ格子の連続物(12、…、12’)が10より多い数になる場合の識別は、2%を越える値の反射係数によって、センサー12と12’間などのようにセンサー同士間のクロストークを低く抑えるようにする。
動作中は、図10を参照して、広帯域光源14の出力は、持続時間τを有するパルス144でパルス化される。パルス144によってまた、センサー12と12’からの返送信号が波長分割マルチプレクサ32Aの各々の出力部から発生される。これらの出力はその各々が、配列中の各々の格子連続物(12と12’)中の対応するブラッグ格子から発信された一連のパルスを含む。これらパルス連続物は、検出器70A、70B、…、70Nの出力部に存在し、ブラッグ格子12A、…、12Nに対応する波長成分λ1,λ2,…、λNを表している。パルス144のパルス幅が隣接するブラッグ格子連続物中の整合する格子センサー素子(12と12’)間の光学的往復伝搬遅延未満である場合、検出器70A、70B、…、70Nの出力部から発生されたパルスは時間分離され、パルス144に反応するゲート回路150に経路指定される。例えば、ブラッグ格子12Aと12A’が入射光線(パルス144)を反射するために固有の波長成分λ1を有するように選択された場合、波長分割マルチプレクサ32Aの出力(λ1)に存在するパルスは時間的に分割される。検出器70A、…、70Nの出力部に存在するこれらの時分割多重化されたパルスは、それぞれ信号経路74A、…、74Nを介してゲート回路150に印加される。ゲート回路150の出力はサイン/コサインプロセッサ72に経路指定され、このプロセッサ72は時分割回路多重処理を実行し、これによって、図9又は4のいずれかの装置を基準として図10の装置によってサポートすることが可能なセンサーの数を数倍に増加することを可能とする。例えば、図4と10を比較すると、1.3μmという動作波長λと50nmという帯域幅を持つ広帯域光源14を用いると、時分割多重(TDM)が数倍に向上し、図4の合計たった50個のセンサー素子と比較して合計200個のセンサーを用いることができる。この4倍の向上には、多重化された信号のアクティブな状態とアイドリング(2)状態を監視する必要性を考慮したものである。センサー素子の数は図11の回路装置によって倍になり得る。
図11の回路装置は図10のそれに類似しているが、プライム符号(’)を用いて示す素子が追加されており、プライム符号(’)を付けられた素子は、図1,4,9及び10を参照してすでに述べたプライム符号(’)で識別される素子と同じように動作する。さらに、プライム符号(’)付き素子は、図9を参照してすでに述べたような仕方で広帯域光源130の動作波長λ’に対応する動作波長を持つように選択される。動作波長がそれぞれ第1と第2の干渉計56と56’及び第1と第2の波長分割マルチプレクサ32Aと32A’に対して選択されると、図11の回路装置は図10のそれと同様に動作し、サイン/コサインプロセッサ72は、量を表す出力信号154A、…、154Nを発生し、ブラッグ格子12A、…、12Nの固有波長成分はその各々が、摂動を受けると波長λを基準として変化し、同様に、サイン/コサインプロセッサ72’が量を表す出力信号154A’、…、154N’を発生し、ブラッグ格子12A、…、12N’の固有波長成分は、摂動を受けると波長λ’を基準として変化する。
本発明を実行することによって、少なくとも400個のセンサーを使用可能なさまざまな実施態様を提供し得ることを理解すべきであるとはいえ、この数(400)は実際上の限界値ですらない。本発明の実行でさらに、音響放射、電場外乱又は磁場外乱を検出する目的で使用されるさまざまなセンサーが与えられる。さらに、本発明の実行によって、ファイバブラッグ格子(FBG)センサーを用いる選択された1つの装置の性能を監視するための多重センサーを、しかも、「発明の背景」のセクションですでに説明したいかなる比率経方式を用いる必要なく使用できる。
したがって、多くの修正と変更が本発明にたいして、クレームの条項の範囲内で可能であることが容易に理解されよう。したがって、添付クレームの範囲内で、とくに断りのない限り本発明が実行可能であることを理解すべきである。
Claims (17)
- 1つの装置が受けている摂動を検出するためのシステムにおいて、
前記システムが、
(a)前記1つの装置に沿って置かれ、センサー内に誘導された複数のブラッグ格子を有する光センサーであり、各々の格子がセンサー素子として作動し、各々の格子が前記1つの装置に沿った固有の位置及び入射光線を反射するための固有の波長成分を有し、前記センサー素子の前記固有の波長が、摂動を受けると変化する光センサーと、
(b)入力光線を前記センサーに提供して、前記波長成分のすべてを覆い、これによって前記格子の各々からの入射光線を反射する光源と、
(c)前記格子の各々からの反射済み入射光線を受領するための不均衡干渉計であり、前記不均衡干渉計が、第1のアームと第2のアームを有し、また、前記ブラッグ格子の各々によって反射された前記入射光線の各々の波長成分に対する干渉計信号を発生する不均衡干渉計と、
(d)変調信号を発生する手段と、
(e)前記変調信号を受信するための位相変調器であり、前記位相変調器が前記不均衡干渉計の前記アームの一方の中に置かれ、前記位相変調器が、前記干渉計信号の各々を変調する位相変調器と、
(f)前記変調済み干渉計信号の各々を受信して、量を表す出力信号を発生する復調器であり、前記反射済み入射光線の前記固有波長成分の各々が、前記摂動を受けると変化する復調器と
を具備することを特徴とする摂動検出システム。 - 前記複数のブラッグ格子の前記固有波長成分が、約1nmの波長の長さだけ互いに分離されていることを特徴とする請求項1に記載の摂動検出システム。
- 前記センサーが、自由音場センサー、ダイヤフラムセンサー、加速度計タイプ、磁気歪みタイプ、電歪タイプ及び圧電タイプから成るグループから選択されることを特徴とする請求項1に記載の摂動検出システム。
- 前記光源が、エッジ放射LED(ELED),超照明ダイオード、超照明ファイバ光源及びファイバエルビウム光源から成るグループから選択されたタイプの第1の広帯域光源を具備することを特徴とする請求項1に記載の摂動検出システム。
- 前記光源が、エッジ放射LED(ELED)、超照明ダイオード、超照明ファイバ光源及びファイバエルビウム光源から成るグループから選択されたタイプの第2の広帯域光源をさらに具備し、前記第1と第2の広帯域光源がそれぞれ約1.3μmと1.55μmの動作波長を有し、前記第1と第2の広帯域光源の各々が約50nmの帯域幅を有することを特徴とする請求項4に記載の摂動検出システム。
- 前記復調器が、
(a)前記変調済み干渉計信号の各々を受信して、その各々を前記固有波長成分を表す信号に分割する手段と、
(b)前記分割された固有波長成分の各々に反応して、それに対応するサイン信号とコサイン信号を発生する検出手段と、
(c)前記変調信号ならびに前記サイン信号及びコサイン信号に反応し、前記復調既出力信号を発生する信号プロセッサ手段と
を具備することを特徴とする請求項1に記載の摂動検出システム。 - 前記復調器が、
(a)事前決定されたパルス持続時間を有し、前記入力光線と共に前記センサーに照射されるパルスを発生する手段と、
(b)前記変調済み干渉計信号の各々を受信して、その各々を前記固有波長成分を表す信号に分割する手段と、
(c)前記分割済み固有波長成分の各々に反応し、それに対応するサイン信号とコサイン信号を発生する検出手段と、
(d)前記対応するサイン信号とコサイン信号を受信して、前記サイン信号とコサイン信号を自身の出力信号として提供するゲート手段と、
(e)前記変調信号ならびに前記ゲート手段の前記出力済みサイン信号及びコサイン信号に反応して、前記変調器出力信号を発生する信号プロセッサ手段と
を具備することを特徴とする請求項1に記載の摂動検出システム。 - 前記複数の反射性ブラッグ格子がファイバ遅延デバイスによって2つの配列に分離され、前記配列の各々が、互いに整合する固有波長成分を持つブラッグ格子を有することを特徴とする請求項7に記載の摂動検出システム。
- 1つの装置が受ける摂動を検出するシステムにおいて、
前記システムが、
(a)前記1つの装置に沿って置かれ、自身中に誘導された複数の反射性ブラッグ格子を有する光センサーであり、各々の格子が、入射光線を反射するために前記1つの装置に沿った固有の位置及び固有の波長成分を有し、前記光センサーの前記固有波長成分の各々が、摂動を受けると変化する光センサーと、
(b)前記格子の各々からの入射光線を反射するために、前記波長成分のすべてを範囲に収める帯域を有する第1の動作波長λで前記センサーに入力光線を提供する第1の光源と、
(c)前記格子の各々からの入射光線を反射するために、前記波長成分のすべてを範囲に収める帯域を有する第2の動作波長λ’で前記センサーに入力信号を供給する第2の光源と、
(d)前記波長λに対応する動作波長を有し、前記ブラッグ格子の各々からの前記反射済み入射光線を受信する第1の不均衡干渉計であり、前記第1の干渉計が、第1と第2のアームを有し、前記ブラッグ格子の各々によって反射された前記入射光線の各々の波長成分に対して干渉計信号を発生する第1の不均衡干渉計と、
(e)前記波長λ’に対応する動作波長を有し、前記ブラッグ格子の各々からの反射済み光線を受信する第2の不均衡干渉計であり、前記第2の不均衡干渉計が、第1と第2のアームを有し、前記ブラッグ格子の各々によって反射された前記入射光線の各々の波長成分に対して干渉計信号を発生する第2の不均衡干渉計と、
(f)変調信号を発生する手段と、
(g)前記変調信号を受信する第1の位相変調器であり、前記第1の位相変調器が前記第1の不均衡干渉計の前記アームの一方の中に置かれ、前記第1の位相変調器が、前記第1の不均衡干渉計の前記干渉計信号の各々を変調する第1の位相変調器と、
(h)前記変調信号を受信する第2の位相変調器であり、前記第2の位相変調器が前記第2の不均衡干渉計の前記アームの内の一方の中に置かれ、前記第2の位相変調器が前記第2の不均衡干渉計の前記干渉計信号の各々を変調する第2の位相変調器と、
(i)前記第1の不均衡干渉計からの前記変調済み干渉計信号の各々を受信して、量を表す出力信号を発生する第1の復調器であり、前記反射済み入射光線の前記固有波長成分の各々が、前記摂動を受けると、前記波長λを基準として変化する第1の復調器と、
(j)前記第2の不均衡干渉計からの前記変調済み干渉計信号の各々を受信して、量を表す出力信号を発生する第2の復調器であり、前記反射済み入射光線の前記固有波長成分の各々が、前記摂動を受けると、前記波長λ’を基準として変化する第2の復調器と
を具備することを特徴とする摂動検出システム。 - 前記複数のブラッグ格子の前記固有波長成分が、約1nmという波長だけ互いに分離されていることを特徴とする請求項9に記載の摂動検出システム。
- 前記センサーが、自由音場、ダイヤフラムセンサー、加速度計タイプ、磁気歪みタイプ、電歪タイプ及び圧電タイプから成るグループから選択されることを特徴とする請求項9に記載の摂動検出システム。
- 前記第1と第2の光源の各々が、エッジ放射LED(ELED)、超照明ダイオード、超照明ファイバ光源及びファイバエルビウム光源から成るグループから選択され、前記第1と第2の広帯域光源が、それぞれ約1.3μmと1.55μmの動作波長を有し、前記第1と第2の広帯域光源の各々が約50nmの帯域幅を有することを特徴とする請求項9に記載の摂動検出システム。
- 前記第1の復調器が、
(a)前記第1の不均衡干渉計からの前記変調済み干渉計信号の各々を受信して、その各々を前記ブラッグ格子の前記固有波長成分を表す信号に分割する第1の手段と、
(b)前記第1の手段の前記分割済み固有波長成分の各々に反応して、それに対応するサイン信号とコサイン信号を発生する第1の検出手段と、
(c)前記変調信号ならびに前記第1の検出手段の前記サイン信号及びコサイン信号に反応して。前記第1の復調器出力信号を発生する第1の信号プロセッサと
を具備することを特徴とする請求項9に記載の摂動検出システム。 - 前記第2の復調器が、
(a)前記第2の不均衡干渉計からの前記変調済み干渉計信号の各々を受信して、その各々を前記ブラッグ格子の前記固有波長成分を表す信号に分割する第2の手段と、
(b)前記第2の手段の前記固有波長成分の各々に反応して、それに対応するサイン信号とコサイン信号を発生する第2の検出手段と、
(c)前記変調信号ならびに前記第2の検出手段の前記サイン信号及びコサイン信号に反応して、前記第2の復調器出力信号を発生する第2の信号プロセッサと
を具備することを特徴とする請求項9に記載の摂動検出システム。 - 前記第1の復調器が、
(a)前記第1と第2の光源の前記入力光線と共に前記光センサーに照射される事前決定された持続時間を有するパルスを発生する手段と、
(b)前記第1の不均衡干渉計からの前記変調済み干渉計信号の各々を受信して、その各々を前記固有波長成分を表す信号に分割する第1の手段と、
(c)前記第1の手段の前記固有波長成分の各々に反応して、それに対応するサイン信号とコサイン信号を発生する第1の検出手段と、
(d)前記第1の検出手段の前記対応するサイン信号とコサイン信号を受信し、さらに前記パルスに反応して、前記サイン信号とコサイン信号を自身の出力信号として提供する第1のゲート手段と、
(e)前記変調信号ならびに前記第1のゲート手段の前記出力済みサイン信号とコサイン信号に反応して、前記第1の復調器出力信号を発生する第1の信号プロセッサと
を具備することを特徴とする請求項9に記載の摂動検出システム。 - 前記第2の復調器が、
(a)前記第2の光源の前記入力光線と共に前記光センサーに照射され、事前決定されたパルス持続時間を有するパルスを発生する手段と、
(b)前記第2の不均衡干渉計からの前記変調済み干渉計信号の各々を受信して、その各々を前記固有波長成分を表す信号に分割する第2の手段と、
(c)前記第2の手段の前記固有波長成分の各々に反応して、それに対応するサイン信号とコサイン信号を発生する第2の検出手段と、
(d)前記第2の検出器手段の前記対応するサイン信号及びコサイン信号を受信し、さらに、前記パルスに反応して、前記サイン信号とコサイン信号を自身の出力信号として提供する第2のゲート手段と、
(e)前記変調器信号ならびに前記第2のゲート手段の前記出力済みサイン信号とコサイン信号に反応して、前記第2の復調既出力信号を発生する第2の信号プロセッサと
を具備することを特徴とする請求項9に記載の摂動検出システム。 - 前記複数の反射性ブラッグ格子がファイバ遅延デバイスによって2つの配列に分離され、前記配列の各々が、固有の位置及び同じ固有波長成分を持つ同じ格子を有することを特徴とする請求項9に記載の摂動検出システム。
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