JP4932629B2 - 物理量の温度補償方法及び温度補償型光ファイバセンサ - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバを用いて圧力などの物理量を測定するセンサ分野に関し、特に、３心アレイ方式において適切な温度補償を行うことで、高精度な測定が可能な物理量の温度補償方法と、該温度補償方法により物理量を高精度に測定可能な温度補償型光ファイバセンサに関する。

光ファイバを用い、測定部まで光を導波し、測定部での光状態の変化によりセンシングをする光センサは、測定部で電気を使わないことから防爆性・耐雷性・耐電磁雑音性に優れ、遠隔測定も容易であるなどの利点がある。このようなセンサにおいて、被測定対象が温度以外の物理量である場合、温度変化による特性変化は精度悪化要因となるため、高精度な測定を行う場合には温度変化による影響を補償する必要がある。

このような温度補償型光ファイバセンサとしては、
・光の干渉を用いる方法（特許文献２参照）、
・光ファイバグレーティングの中心波長変化を測定する方法（特許文献３参照）、
などが提案されている。しかし、これらの方法は、測定原理として、光の波長変化や変調成分を測定するため、測定装置が高価になってしまうという問題があった。また、特許文献３に開示された従来技術では、特殊な構造体を作製したりする必要があり、これも価格が高くなる原因であった。

一方、光強度の変化で測定することで、より安価な測定装置を用いることが可能な方法も提案されている。例えば、特許文献１、特許文献４及び特許文献５などである。これらは、光源からの光をセンシング部まで導光する光ファイバからの出射光を被測定対象物で反射させ、同じ光ファイバに結合する光の強度を測定する方法である。この種の光ファイバセンサは、センシング部の構造が単純であり、強度変化を測定する測定器も比較的安価に実現できるという利点がある。
特開平５−１９６５２８号公報 特開平９−５０２８号公報 特開２００２−２６７５５７号公報 特開２００２−３７２４７２号公報 特開平８−６２０８０号公報 特開２００７−２４８２６号公報 特開２００７−３３０７５号公報

しかしながら、前述した光強度の変化で測定する方式の光ファイバセンサは、被測定対象物に対し投光する光ファイバで受光も行うため、反射光をフォトダイオードなどの受光器に入射するためには、光カプラなどの光分岐素子を使用する必要があった。この光分岐素子は、温度依存性や光源の波長依存性があるため、温度や光源の波長変化によって分岐比が変化してしまう。このため、特許文献１，４及び５の構造では、光分岐比の変化により測定値が変化するため、精度悪化の要因となる問題があった。これを回避するために、特許文献４では、当該光分岐部の温度を一定にする機構を追加し、精度の安定化を図っているが、構造が複雑になり、温度制御機構も必要なため、装置が高価格になり、実用上問題となっていた。

これらの問題を解決する方法として、例えば、特許文献６及び特許文献７に開示された技術が提案されている。これらの方法では、１本の光ファイバからの出射光を２本の光ファイバで受光し、それらの光ファイバに結合した光の強度比を測定することで、測定アレイと反射面との距離を正確に測定することができる（以下、本方式を３心アレイ方式と記す。）。このため、安価で高精度の測定が実現できる。ただし、３心アレイ方式でも、他の方式と同様に温度変化によって生じる基材の膨張などの影響で、光ファイバ端面と反射面との距離が変化してしまうなどが生じるため、精度の良い圧力測定などを行う場合は温度補償が必要であった。この時、３心アレイ方式では、光ファイバ位置と反射面の距離だけを考慮した温度補償方式では、精度の良い補償ができないことが分かった。このため、従来の温度補償方法の延長では、測定する全ての温度域で特性を測定し、対応表を作ることで温度補償する必要がある。この場合、温度補償に必要なデータ数が非常に多くなり、温度補償に必要なデータを取得するための測定に時間がかかることに加え、計算も複雑になるという問題があった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、安価で高精度な測定を実現できる３心アレイ方式において、簡単でありながら高精度な温度補償が実現可能な温度補償型光ファイバセンサの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、光源と、反射面を有し光ファイバ端面との相対距離が物理量に応じて変化する測定部と、光源からの光を測定部に伝送する投光用光ファイバと、測定部反射面で反射した光を複数の受光部にそれぞれ伝送する複数本の受光用光ファイバと、受光部からの電気信号の比から前記物理量を算出する演算処理回路とを有する光ファイバセンサを用いた物理量測定における物理量の温度補償方法であって、
以下の手順：
１．各受光用ファイバで測定される光強度（Ｐ１，Ｐ２）の強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）と物理量Ｐ _Ｔ０ の関係を測定部の環境温度Ｔ _０ で測定し、
２．Ｆ値と物理量Ｐ _Ｔ０ の関係を表す関数ｇ（Ｆ）を求め、これを基本物理量特性とし、
Ｐ _Ｔ０ ＝ｇ（Ｆ）・・・（１）
３．測定部の異なる環境温度をＴ _ｎ とし、強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）と物理量Ｐ _Ｔｎ の関係を測定し、
４．各温度で測定した物理量Ｐ _Ｔｎ と測定した全ての温度Ｔ _ｎ を用い、Ｐ _Ｔｎ 温度補償がなされるように、式（２）の温度補償関数、Ａ（Ｔ）、Ｂ（Ｔ），Ｃ（Ｔ）を決定すること、
Ｐ（Ｔ）＝ｇ（Ｆ）−Ａ（Ｔ）−Ｂ（Ｔ）＊Ｆ−Ｃ（Ｔ）＊ｇ’（Ｆ）・・・（２）
（式中、ｇ’（Ｆ）は（１）式のＦ値での１次微分であり、Ａ（Ｔ）、Ｂ（Ｔ）、Ｃ（Ｔ）は温度Ｔを変数とした関数であり、右辺第２項は距離変化温度補償項、右辺第３項は角度変化温度補償項、右辺第４項は非線形温度補償をそれぞれ表す。）
によって温度補償後測定物理量を算出することを特徴とする物理量の温度補償方法を提供する。

本発明の物理量の温度補償方法において、受光用光ファイバの損失（β _１ ，β _２ ）を測定し、損失補償定数β（ただし、β＝β _１ ／β _２ ）を算出し、この損失補償定数βで測定物理量を更に補償することが好ましい。

本発明の物理量の温度補償方法において、測定する物理量は、圧力であることが好ましい。

また本発明は、光源と、反射面を有し光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化する測定部と、光源からの光を測定部に伝送する投光用光ファイバと、測定部反射面で反射した光を複数の受光部にそれぞれ伝送する複数本の受光用光ファイバと、受光部からの電気信号の比から前記物理量を算出する演算処理回路とを有する光ファイバセンサであって、
測定部又はその近傍に温度測定手段が設けられ、
演算処理回路は、該温度測定手段で測定した温度を元に、前述した本発明に係る物理量の温度補償方法を実行し、温度補償後測定物理量を算出するプログラムを有していることを特徴とする温度補償型光ファイバセンサを提供する。

本発明の温度補償型光ファイバセンサにおいて、投光用光ファイバと２本の受光用光ファイバとのそれぞれの先端部が、反射面に対する法線を基準として固定角度θで対称に固定された３心アレイ構造を有していることが好ましい。

本発明の温度補償型光ファイバセンサにおいて、温度測定手段が前記３心アレイ構造を有する光ファイバセンサであることが好ましい。

本発明の温度補償型光ファイバセンサにおいて、予め測定した物理量換算定数、温度補償定数及び温度換算定数を記録しておく不揮発性記憶媒体を演算処理回路に接続したことが好ましい。

本発明によれば、安価で高精度な測定を実現できる３心アレイ方式において、簡単でありながら高精度な温度補償が実現可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
なお、以下の記載では、１本の投光用光ファイバと２本の受光用光ファイバを組み合わせた３心アレイ方式光ファイバセンサを例示しているが、本発明の光ファイバセンサは本方式にのみ限定されるものではなく、使用する各光ファイバの本数や配置方法等は適宜変更可能である。また、以下の記載では、物理量として圧力を測定する光ファイバセンサを例示しているが、測定する物理量は圧力にのみ限定されず、他の物理量の測定に適用させることが可能である。

［３心アレイ測定原理］
まず、３心アレイ方式光ファイバセンサの測定原理について、図１を参照して説明する。
３心アレイ方式光ファイバセンサによる測定は、図１に示すように、反射面５を有し光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化する測定部６と、光源１からの光を測定部６に伝送する投光用光ファイバ２と、測定部６の反射面５で反射した光を２つの受光部７Ａ，７Ｂにそれぞれ伝送する２本の受光用光ファイバ３，４と、受光部７Ａ，７Ｂで光電変換された電気信号の比をとり、物理量を算出する演算処理回路９とから構成されており、反射面５に対向させた３本の光ファイバ端面は、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線とのなす角度がθとなるように固定されていることを特徴としている。

図２は前記測定部の拡大図である。図２に示すように、２本の受光用光ファイバ３，４は平行であり、投光用光ファイバ２と受光用光ファイバ３，４とは、反射板５Ａの反射面５に対する法線を基準として固定角度θで対称に固定されている。投光用光ファイバ２からの出射光は、反射面で反射され、受光用光ファイバ３，４にそれぞれ結合した反射光が受光部７Ａ，７Ｂに伝送される。それぞれの受光部７Ａ，７Ｂでは、フォトダイオードなどを用い、光強度を電気信号に変換する。

投光用光ファイバ２及び受光用光ファイバ３，４は、全長にわたり、使用波長においてシングルモードで伝搬する光ファイバを使用している。これは、使用する光ファイバがマルチモードであると、モード間のパワー分布の変化により測定精度が悪化するためである。ここで使用波長とは、使用する光源１における強度スペクトルのピーク波長のことである。シングルモードで伝搬する光ファイバを使用すると、コア径が小さいため光強度を大きくとることが困難となるが、Ａ／Ｄ変換した後にデジタル高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行ったり、測定値演算の積分時間を長くしたりするなど、電気処理により精度良く測定することが可能であり、そのための演算処理回路も安価で入手可能である。

図３に、光ファイバ端面と反射面５との相対距離Ｄの変化に対する、受光用光ファイバ３，４のそれぞれの反射光強度Ｐ１，Ｐ２および強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）を示す（以下、距離依存性と記す。）。強度比Ｆの演算式としては、Ｐ１／Ｐ２、Ｐ２／Ｐ１、（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）、（Ｐ２−Ｐ１）／（Ｐ１＋Ｐ２）などが挙げられる。今回は、強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）を用い検討した。これは、本方式では、分母に（Ｐ１，Ｐ２）の和、分子にＰ１，Ｐ２の差をとることで、強度比Ｆ値の距離依存性がより線形に近い特性が得られ、精度良く測定できるためである。図３は横軸が相対距離Ｄ，縦左軸が光強度、縦右軸が強度比を示す。反射光強度Ｐ１とＰ２は、それぞれ異なる位置でピークをもつ曲線となる。これにより、それぞれのピークの間で得られる強度比は、単調変化を有する曲線となる。物理量変化による反射面５と３心アレイの光ファイバ先端との相対距離Ｄの変化を測定する場合は、この単調変化部が使用される。また測定感度は、この曲線の傾きΔ＝ｄＦ（Ｐ１，Ｐ２）／ｄＤで表され、Δが大きい方が測定感度は良くなる。

本方法では、測定値として光強度Ｐ１及びＰ２の強度比Ｆを用いるため、光源の光強度が変化しても測定値が変化せず、安定した測定ができる。また、測定部６から受光部７Ａ，７Ｂの間に光分岐素子を使用しないことにより、光源１の波長変化による影響も小さく、高精度の測定が実現できる。これにより、比較的安価に入手可能なＬＥＤ光源などを用いても、高精度の測定が実現できる。

図４に、光ファイバ固定角度θが異なる、３心アレイ方式光ファイバセンサを用いて測定した強度比Ｆの距離依存性を示す。図４に示すように、固定角度θを大きくするとΔは大きくなり、逆にθを小さくするとΔは小さくなる。このように、固定角度θを変化させるとΔが変化するため、これを利用し測定感度を容易に選択することが可能となる。ここで測定範囲、つまり距離依存性において線形のスロープが存在する相対距離範囲は、測定感度とトレードオフの関係にあり、測定感度が大きくなると測定範囲は狭く、逆に測定感度が小さくなると測定範囲は広くなる。

ここで、図４の測定に用いた３心アレイ方式光ファイバセンサは、光通信に用いられるシングルモード光ファイバ（ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２．Ｂ相当）と石英ガラス製のＶ溝アレイ基板を使用し作製した。図２のように各光ファイバを固定角度θで固定する場合、光ファイバが収まるようにＶ溝加工を行った基板を用いることで精度良く光ファイバを固定することができる。光ファイバの固定方法としては、Ｖ溝アレイ基板の各Ｖ溝に沿って光ファイバを仮止めし、上部からＶ溝加工なしの石英板（光ファイバ押え蓋）で挟んだ状態で樹脂によって固定する。これにより３本の光ファイバは、同一平面上に精度良く固定することができ、高さばらつきによる強度変動がなく、測定精度の悪化を防ぐことができる。ここで、Ｖ溝アレイ基板に石英ガラス基板を用いるのは、光ファイバが同じ石英ガラス製であり、両者の線膨張係数を同じにするためである。図５は、図２中のＡ−Ａ’断面図であり、この図５中、符号１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは光ファイバ、１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃは各光ファイバのコア、１２はＶ溝アレイ基板、１３は光ファイバ押え蓋をそれぞれ表している。以下、図２及び図５に示す３心アレイ方式光ファイバセンサの先端部分を３心アレイと略記する。

［温度補償方法］
この３心アレイ方式光ファイバセンサを用い、圧力測定を行った場合の温度特性について検討を行った。
圧力測定には、圧力が加わると変形するダイアフラムを使用した。図６に示すように、筒部１４の端にダイアフラム１５を設け、該筒部１４内にその先端をダイアフラム１５に向けて圧力測定用の３心アレイ１６を配置した。この時、測定部の温度が上昇するとダイアフラム１５及び筒部１４の材料が熱膨張し、３心アレイ１６先端とダイアフラム１５の距離が変化する。通常、従来のセンサにおいては、この距離変化を補償する計算を実行していたが、高精度に補償が必要な場合は、それだけでは補償できないことが分かった。

これは、３心アレイ方式では、他の方法に比べ、３心アレイと反射面の角度変化によっても、特性が大きく変わるためである。
例えば、図７に示すように、ダイアフラム１５の変形中心と３心アレイ１６の位置がずれている場合、距離変化と共に角度変化も生じる。
また、図８に示すように、３心アレイ１６自体の角度が温度により変化してしまう場合、距離変化を補償するだけでは、温度変化による特性を完全には補償できない。

そこで、本発明者らは、前述したような３心アレイ方式光ファイバセンサにおける温度補償に必要な要素を、距離変動（ゼロ点変動）、角度変動（スパン変動）、非線形補償の３項目に分け、それぞれの項について温度による影響を補償することで精度の高い補償を実現できることを見出した。
すなわち、本発明に係る温度補償方法では、前述したような３心アレイ方式光ファイバセンサにおいて物理量として圧力を測定する場合に、測定部又はその近傍に温度測定手段を設け、該温度測定手段で測定した温度を元に、測定部と反射部の距離が温度により変化する距離変動を補償する距離変化温度補償と、測定部と反射部の角度が温度により変化する角度変動を補償する角度変化温度補償と、測定される物理量と各受光用光ファイバで測定される光強度の強度比との関係が線形でないために生じる非線形誤差を補償する非線形温度補償とを算出し、該温度で測定された基本圧力特性から、次式（Ａ’）：
温度補償後測定圧力＝基本圧力特性−距離変化温度補償−角度変化温度補償−非線形温度補償 …（Ａ’）
によって温度補償後測定圧力を算出することを特徴としている。このように計算すると、少ないパラメータにより、精度の高い温度補償が行える。
以下に、具体的な手順を説明する。

１．３心アレイ方式で測定される強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）と圧力Ｐ_Ｔ０の関係を測定部の環境温度Ｔ_０で測定する。
２．Ｆ値と圧力Ｐ_Ｔ０の関係を表す関数ｇ（Ｆ）を求める。これが基本圧力特性となる。
Ｐ_Ｔ０＝ｇ（Ｆ） …（１）
例えば、ｇ（Ｆ）が４次関数の場合、Ｐ_Ｔ０＝ａ＋ｂ＊Ｆ^２＋ｄ＊Ｆ^３＋ｅ＊Ｆ^４
となる。ただし、ａ〜ｅは圧力換算定数を表す。
３．測定部の環境温度をＴ_ｎとし、強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）と圧力Ｐ_Ｔｎの関係を測定する。ここで、Ｔ_ｎはＴ_０とは異なる温度を表し、異なる温度で測定した場合ｎを増やす。
４．各温度で測定したＰ_Ｔｎと測定した全ての温度Ｔ_ｎを用い、Ｐ_Ｔｎ温度補償がなされるように、式（２）の温度補償関数、Ａ（Ｔ）、Ｂ（Ｔ），Ｃ（Ｔ）を決定する。
Ｐ（Ｔ）＝ｇ（Ｆ）−Ａ（Ｔ）−Ｂ（Ｔ）＊Ｆ−Ｃ（Ｔ）＊ｇ’（Ｆ） …（２）
ただし、ｇ’（Ｆ）は、（１）式のＦ値での１次微分であり、Ａ（Ｔ）、Ｂ（Ｔ）、Ｃ（Ｔ）は温度Ｔを変数とした関数を示す。
例えば、１次関数の場合、
Ａ（Ｔ）＝（Ａ_０＋Ａ_１Ｔ），Ｂ（Ｔ）＝（Ｂ_０＋Ｂ_１Ｔ），Ｃ（Ｔ）＝（Ｃ_０＋Ｃ_１Ｔ）
となる。ただし、Ａ_０，Ａ_１，Ｂ_０，Ｂ_１，Ｃ_０，Ｃ_１は定数であり、ここでは、温度補償定数と呼ぶ。

ここで、各項の物理的意味について考察する。式（２）において、右辺第２項は、３心アレイ１６とダイアフラム１５の距離が温度により変化することが主因であるゼロ点変動（距離変動）を補償する項であり、ここでは距離変化温度補償項と呼ぶ。また右辺第３項は、３心アレイ１６及びダイアフラム１５の相対角度が変化することが主因である特性曲線の傾き（Ｆ値スパン変動）を補償する項であり、ここでは角度変化温度補償項と呼ぶ。また右辺第４項は、圧力とＦ値の関係が線形ではないために生じる誤差を補償する項であり、ここでは非線形温度補償項と呼ぶ。このように、３心アレイ方式において距離変化、角度変化、非線形補償の３項によって数式を分けることにより、少ないデータ補償により使用する温度範囲で、精度の良い温度補償が実現できる。なお、測定温度を増やすことにより温度補償の制度を上げることも可能であり、その場合は、温度補償関数において、温度Ｔの次数を上げることで対応できる。
例えば、温度の関数を２次とした場合、（２）式は以下のようになる。
Ｐ（Ｔ）＝ｇ（Ｆ）−（Ａ_０＋Ａ_１＊Ｔ＋Ａ_２＊Ｔ^２）−（Ｂ_０＋Ｂ_１＊Ｔ＋Ｂ_２＊Ｔ^２）＊Ｆ−（Ｃ_０＋Ｃ_１＊Ｔ＋Ｃ_２＊Ｔ^２）＊ｇ’（Ｆ）

［光ファイバ損失補償方法］
３心アレイ方式は光強度を測定するため、光ファイバ自体の伝搬損失や、融着部での損失（以下、融着損失と記す。）などにより、光ファイバの途中で光強度が低下した場合、測定値が変化してしまう問題がある。光ファイバ自体の伝搬損失は、同じファイバを使用すればほぼ同じであり、環境温度変化による損失変動も同じ傾向を示す。３心アレイ方式では、光源から各受光部までの光ファイバ長が同じであるため、光ファイバ自体の損失は強度比をとることにより相殺され、測定値には影響を与えない。また、光ファイバの融着損失は、融着条件により異なるため、各光ファイバで異なった値となるが、融着損失の温度依存性や経年変化は小さいため、使用開始前に光ファイバ損失値の校正を行うことで、問題なく測定できる。この時、３心アレイ方式では各ファイバでの損失を個別に測定する必要はなく、一つの定数により全ての条件を補償できる。以下に詳細を説明する。

図９に示すように、投光用光ファイバ２の損失がα、２本の受光用光ファイバ３，４の損失がβ_１，β_２である場合、損失がない場合の光強度をＰ１，Ｐ２とした場合、実際に測定される強度比Ｆ値は、
Ｆ＝（α β_１Ｐ１−α β_２Ｐ２）／（α β_１Ｐ１＋α β_２Ｐ２）
＝（βＰ１−Ｐ２）／（βＰ１＋Ｐ２）
と書き直すことができる。ただし、β＝β_１／β_２である。つまり、この３心アレイ方式では、３本の光ファイバにそれぞれ損失がある場合でも、一つの損失補償定数βで補償できる。このため、３本の光ファイバを使用しながら、損失補償定数が１つで良いため、補償のためのパラメータが少なくて済む。また、補償定数が一つであるため、損失補償をする際に、ある１点での校正により損失補償定数を算出することができる。つまり、３心アレイ方式を用いた温度センサの場合、ある一つの温度で３心アレイから出力されるＦ値を測定し、そのＦ値が校正温度になるように損失補償定数β_Ｔを計算する。同様に、３心アレイ方式を用いた圧力センサの場合、ある一つの圧力で３心アレイから出力されるＦ値を測定し、そのＦ値が校正圧力になるように損失補償定数β_Ｐを計算する。ここで、βの添え字ＴとＰはそれぞれ温度測定用３心アレイ方式での損失補償定数、圧力測定用３心アレイ方式での損失補償定数を示している。

［比較例１］
図１に示す構成の３心アレイ方式光ファイバセンサを用い、その３心アレイを図６に示すようにして、４００ｋＰａ圧力により約２００μｍ変形するダイアフラムに３心アレイを対向して固定し、２０℃、５５℃、−１０℃の３温度で圧力特性を測定した。前記の３温度は、使用環境温度が−５℃〜５０℃であるため、使用温度範囲が内包されるように設定した。このような温度設定を行うことで、使用温度範囲全体に渡り精度良く温度補償できる。

３心アレイ方式光ファイバセンサの光源としては、波長１．３μｍ帯で発光するＬＥＤを用いた。光ファイバは、使用波長でシングルモードになる、光通信で広く使用されているシングルモード光ファイバ（ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２．Ｂ相当）を使用した。

図１０に、設定圧力と測定されたＦ値の関係を示す。まず２０℃で測定したＦ値を元に基本圧力特性（１）式を求めた。ここでは、基本圧力特性の式は４次の多項式関数とした。計算により算出した圧力換算定数を表１に示す。

表１中の式に、−１０℃、５５℃で測定したＦ値をそのまま代入して測定圧力を演算し、測定誤差を求めた結果を図１１に示す。図１１において、横軸は設定圧力、縦軸はＦ値を元に計算した測定圧力と設定圧力との差を設定圧力の最大値で規格化した値で、ここでは測定誤差と呼ぶ。図１１に示すように、温度補償を行わない場合、基本圧力特性を測定した温度では精度の良い測定ができるが、それ以外の温度では誤差が生じ、温度変化により１％以上の測定誤差が生じることが確認できる。

［実施例１］
比較例１の結果を元に、各温度での測定値から温度補償関数を求め、温度補償演算を行った結果を図１２に示す。この温度補償は、測定した３温度での圧力とＦ値の関係を元に温度補償関数を予め求め、この温度補償関数を元に、式（２）に従い温度変化による特性変動を補償した。なお、温度補償関数は温度の１次式とした。使用した温度補償定数を表２に示す。なお、基本圧力特性の圧力換算定数は、比較例１と同じ値である。

この温度補償により、使用温度範囲全域に渡って±０．２％以下の高精度での測定が実現できることが確認された。

前記の温度補償演算の結果を実証するべく、図１３に示す構成の温度補償型光ファイバセンサを作製し、測定圧力の温度補償を行い、その精度を確認した。本実施例で作製した温度補償型光ファイバセンサは、反射面２５を有し光ファイバ端面との相対距離が圧力に応じて変化する測定部２６（ダイアフラム）と、光源２１（ＬＥＤ）からの光を測定部２６に伝送する投光用光ファイバ２２と、測定部２６の反射面２５で反射した光を２つの受光部２７Ａ，２７Ｂにそれぞれ伝送する２本の受光用光ファイバ２３，２４と、受光部２７Ａ，２７Ｂ（フォトダイオード）で光電変換された電気信号及び測定部２６の温度測定値を元に演算して温度補償した圧力を算出する演算処理回路２９と、測定部２６に先端部を配置した熱電対３０により測定部２６の温度を測定し、測定温度値を演算処理回路２９に入力する温度測定手段３１と、予め測定した圧力換算定数、温度補償定数を記憶した不揮発性記憶媒体からなり演算処理回路２９に接続されたメモリー３２とから構成されている。３心アレイの構造は、図２及び図５に示すものと同様であり、反射面２５に対向させた３本の光ファイバ端面は、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線とのなす角度がθとなるように固定した。使用した光源は、波長１．３μｍ帯で発光するＬＥＤを用い、また光ファイバはシングルモード光ファイバ（ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２．Ｂ相当）を使用した。

本実施例では、測定部２６の環境温度Ｔを熱電対３０によって測定し、その温度測定値を演算処理回路２９に入力し、前述したように演算処理回路２９での演算により測定値から温度補償関数を求めた。メモリー３２には、予め測定した圧力換算定数、温度補償定数を不揮発性記憶媒体（例えばＲＯＭやＨＤＤなど）に保存してあり、演算処理回路２９において、３心アレイからのデータを元に計算されるＦ値と、熱電対３０で測定した温度Ｔを式（２）に代入し、演算処理することで、温度補償後の圧力を算出した。
図１３に示す構成の温度補償型光ファイバセンサによって温度補償後測定圧力を測定した結果、使用温度範囲全域に渡って±０．２％以下の測定精度を実現できた。

［実施例２］
実施例１では、測定部２６の温度測定を熱電対３０で行った。この場合、測定部２６の測温に電気信号が必要となるため、センサの光化の利点が半減する。そこで、実施例２では、温度測定用にも３心アレイ方式の温度センサを用いた全光方式の温度補償型光ファイバセンサを作製した。

図１４は、３心アレイ方式の温度センサを例示する図であり、この温度センサは、基材３３の上にミラー３５と対向するように３心アレイ３４を接着剤３６で固定して構成され、基材３３の膨張による３心アレイとミラー間の距離変化を測定するものである。ここで用いた３心アレイ３４の基本構造は、圧力測定用の３心アレイと同じである（図２及び図５参照）。これにより、温度測定も光化できる利点がある。

図１５は、この３心アレイ方式の温度センサで測定したＦ値と温度との関係を示すグラフである。図１５から分かるように、Ｆ値と温度とは直線的な関係が得られ、この関係を予め測定し、温度換算定数を求めておくことにより、３心アレイを用いた温度測定が実現できる。図１５の例では、温度換算式は、Ｔ＝１８．８７−３９５．７Ｆとなるため、温度換算定数は１８．８７と−３９５．７となる。

図１６は、本実施例の全光方式の温度補償型光ファイバセンサの構成図である。この温度補償型光ファイバセンサは、反射面４５を有し光ファイバ端面との相対距離が圧力に応じて変化する圧力測定部４６（ダイアフラム）と、光源４１（ＬＥＤ）から光分岐部５６で２分割された一方の光を圧力測定部４６に伝送する投光用光ファイバ４２と、圧力測定部４６の反射面４５で反射した光を圧力測定用の２つの受光部５２Ａ，５２Ｂにそれぞれ伝送する圧力測定用の２本の受光用光ファイバ４３，４４と、光分岐部５６で２分割された他方の光を圧力測定部４６の近傍に設けられた温度測定部５１に伝送する投光用光ファイバ４７と、温度測定部５１の反射面５０で反射した光を温度測定用の２つの受光部５２Ｃ，５２Ｄにそれぞれ伝送する温度測定用の２本の受光用光ファイバ４８，４９と、４つの受光部５２Ａ〜５２Ｄ（フォトダイオード）で光電変換された電気信号を演算し、温度補償後の圧力を算出する演算処理回路５４と、予め測定した圧力換算定数、温度補償定数を記憶した不揮発性記憶媒体からなり演算処理回路５４に接続されたメモリー５５とから構成されている。圧力測定用及び温度測定用の３心アレイの構造は、図２及び図５に示すものと同様であり、反射面に対向させた３本の光ファイバ端面は、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線とのなす角度がθとなるように固定した。使用した光源４１は、波長１．３μｍ帯で発光するＬＥＤを用い、また光ファイバはシングルモード光ファイバ（ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２．Ｂ相当）を使用した。

メモリー５５には、予め測定した圧力換算定数、温度補償定数、温度換算定数を不揮発性記憶媒体（例えばＲＯＭやＨＤＤなど）に保存してあり、演算処理回路５４では、温度測定用３心アレイから計算されるＦ値を元に温度換算定数を用いて計算される温度と、圧力測定部４６の３心アレイから計算されるＦ値を式（２）に代入して温度補償後の圧力を計算している。これにより、全光型の温度補償圧力測定が実現でき、実施例１と同様に使用温度範囲全域に渡って±０．２％以下の測定精度を実現できた。

［実施例３］
実施例３では、融着部などによる損失補償の方法について示す。本実施例では、実施例２と同様に、温度測定用にも３心アレイ方式の温度センサを用いた全光方式の温度補償型光ファイバセンサを作製した。
図１７は、本実施例の全光方式の温度補償型光ファイバセンサの構成図である。この温度補償型光ファイバセンサは、反射面６５を有し光ファイバ端面との相対距離が圧力に応じて変化する圧力測定部６６（ダイアフラム）と、光源６１（ＬＥＤ）から光分岐部７６で２分割された一方の光を圧力測定部６６に伝送する投光用光ファイバ６２と、圧力測定部６６の反射面６５で反射した光を圧力測定用の２つの受光部７２Ａ，７２Ｂにそれぞれ伝送する圧力測定用の２本の受光用光ファイバ６３，６４と、光分岐部７６で２分割された他方の光を圧力測定部６６の近傍に設けられた温度測定部７１に伝送する投光用光ファイバ６７と、温度測定部７１の反射面７０で反射した光を温度測定用の２つの受光部７２Ｃ，７２Ｄにそれぞれ伝送する温度測定用の２本の受光用光ファイバ６８，６９と、４つの受光部７２Ａ〜７２Ｄ（フォトダイオード）で光電変換された電気信号を演算し、温度補償後の圧力を算出する演算処理回路７４と、予め測定した圧力換算定数、温度補償定数を記憶した不揮発性記憶媒体を有し演算処理回路７４に接続されたメモリー７５とから構成されている。圧力測定用及び温度測定用３心アレイの構造は、図２及び図５に示すものと同様であり、反射面に対向させた３本の光ファイバ端面は、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線とのなす角度がθとなるように固定した。使用した光源６１は、波長１．３μｍ帯で発光するＬＥＤを用い、また光ファイバはシングルモード光ファイバ（ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２．Ｂ相当）を使用した。

実施例２と同様に、予め、圧力測定用、温度測定用３心アレイの特性を評価し、圧力換算定数、温度補償定数、温度換算定数を求めておき、演算処理回路７４のメモリー７５に保存しておく。ついで、温度測定用３心アレイ及び圧力測定用３心アレイを光強度測定用の光源６１及び受光部（フォトダイオード）７２Ａ〜７２Ｄに接続する。ついで、温度測定部７１の温度を熱電対などで測定し、その温度を演算処理回路７４に入力する。演算処理回路７４では、温度測定用の３心アレイの損失補償係数β_Ｔを変えながら、温度換算定数から求められる温度と、入力された温度との差を計算し、その差が規定の値以下になるようにβ_Ｔを決定する。決定されたβ_Ｔは演算処理回路７４のメモリー７５に保存され、それ以降の温度計算の際に使用する。ここで、β_Ｔは、温度測定用３心アレイの光ファイバ損失を補償する損失補償定数である。これにより、温度測定用センサの損失補償が完了する。

同様に、圧力測定用３心アレイの損失補償を行う。圧力測定用３心アレイの損失補償では、校正する圧力（通常は０ｋＰａ）を圧力測定部６６のダイアフラムにかけ、その時の測定圧力を演算する。この時、温度測定用３心アレイで測定した温度Ｔと設定圧力を式（２）に代入し、設定圧力と測定圧力の差が既定値以下になるように圧力測定用３心アレイの損失係数β_Ｐを決定する。決定されたβ_Ｐは、演算処理回路７４のメモリー７５に保存され、それ以降の圧力計算の際に使用する。ここで、β_Ｐは、圧力測定用３心アレイの光ファイバ損失を補償する損失補償定数である。これにより、圧力測定用センサの損失補償が完了する。

その後の計算は実施例２と同様に行う。本実施例では、温度測定用及び圧力測定用３心アレイの損失補償定数を予め求めておき、測定圧力の演算時にこれを補償した値を出力することで、光ファイバ経路に損失がある場合でも、±０．２％以下の測定精度を実現できた。

３心アレイ方式光ファイバセンサの基本構成を例示する構成図である。 図１の３心アレイ方式光ファイバセンサにおける測定部の拡大図である。 図１に示す３心アレイ方式光ファイバセンサでの測定結果を例示するグラフである。 図１に示す３心アレイ方式光ファイバセンサにおいて３心アレイの固定角度θを種々変更した場合の測定結果を例示するグラフである。 図２中のＡ−Ａ’部断面図である。 ダイアフラムを用いた圧力測定の３心アレイ配置状態を例示する側面断面図である。 ダイアフラム中心線と３心アレイがずれている場合を例示する側面断面図である。 ダイアフラム中心線に対して３心アレイが傾いた場合を例示する側面断面図である。 ３心アレイ方式光ファイバセンサの光ファイバに損失がある場合を示す構成図である。 ３心アレイ方式光ファイバセンサの圧力測定結果を例示するグラフである。 比較例１において温度補償をしない場合の圧力測定誤差の変動を示すグラフである。 実施例１において温度補償をした場合の圧力測定誤差の変動を示すグラフである。 実施例１で作製した温度補償型光ファイバセンサの構成図である。 実施例２で作製した３心アレイ方式の温度センサを示す側面図である。 実施例２で作製した３心アレイ方式の温度センサを用いた温度測定結果を示すグラフである。 実施例２で作製した温度補償型光ファイバセンサの構成図である。 実施例３で作製した温度補償型光ファイバセンサの構成図である。

符号の説明

１，２１，４１，６１…光源、２，２２，４２，４７，６２，６７…投光用光ファイバ、３，４，２３，２４，４３，４４，４８，４９、６３，６４，６８，６９…受光用光ファイバ、５，２５，４５，６５，５０，７０…反射面、５Ａ…反射板、６，２６…測定部、７Ａ，７Ｂ，２７Ａ，２７Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃ，７２Ｄ…受光部、９，２９，５４，７４…演算処理回路、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…光ファイバ、１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…コア、１２…Ｖ溝アレイ基板、１３…光ファイバ押え蓋、１４…筒部、１５…ダイアフラム、１６…３心アレイ、３０…熱電対、３１…温度測定手段、３２，５５，７５…メモリー、３３…基材、３４…３心アレイ、３５…ミラー、４６，６６…圧力測定部、５１，７１…温度測定部、５６，７６…光分岐部。

Claims (7)

1. 光源と、反射面を有し光ファイバ端面との相対距離が物理量に応じて変化する測定部と、光源からの光を測定部に伝送する投光用光ファイバと、測定部反射面で反射した光を複数の受光部にそれぞれ伝送する複数本の受光用光ファイバと、受光部からの電気信号の比から前記物理量を算出する演算処理回路とを有する光ファイバセンサを用いた物理量測定における物理量の温度補償方法であって、
   以下の手順：
   １．各受光用ファイバで測定される光強度（Ｐ１，Ｐ２）の強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）と物理量Ｐ _Ｔ０ の関係を測定部の環境温度Ｔ _０ で測定し、
   ２．Ｆ値と物理量Ｐ _Ｔ０ の関係を表す関数ｇ（Ｆ）を求め、これを基本物理量特性とし、
   Ｐ _Ｔ０ ＝ｇ（Ｆ）・・・（１）
   ３．測定部の異なる環境温度をＴ _ｎ とし、強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）と物理量Ｐ _Ｔｎ の関係を測定し、
   ４．各温度で測定した物理量Ｐ _Ｔｎ と測定した全ての温度Ｔ _ｎ を用い、Ｐ _Ｔｎ 温度補償がなされるように、式（２）の温度補償関数、Ａ（Ｔ）、Ｂ（Ｔ），Ｃ（Ｔ）を決定すること、
   Ｐ（Ｔ）＝ｇ（Ｆ）−Ａ（Ｔ）−Ｂ（Ｔ）＊Ｆ−Ｃ（Ｔ）＊ｇ’（Ｆ）・・・（２）
   （式中、ｇ’（Ｆ）は（１）式のＦ値での１次微分であり、Ａ（Ｔ）、Ｂ（Ｔ）、Ｃ（Ｔ）は温度Ｔを変数とした関数であり、右辺第２項は距離変化温度補償項、右辺第３項は角度変化温度補償項、右辺第４項は非線形温度補償をそれぞれ表す。）
   によって温度補償後測定物理量を算出することを特徴とする物理量の温度補償方法。
2. 受光用光ファイバの損失（β_１，β_２）を測定し、損失補償定数β（ただし、β＝β_１／β_２）を算出し、この損失補償定数βで測定物理量を更に補償することを特徴とする請求項１に記載の物理量の温度補償方法。
3. 測定する物理量が圧力であることを特徴とする請求項１または２に記載の物理量の温度補償方法。
4. 光源と、反射面を有し光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化する測定部と、光源からの光を測定部に伝送する投光用光ファイバと、測定部反射面で反射した光を複数の受光部にそれぞれ伝送する複数本の受光用光ファイバと、受光部からの電気信号の比から前記物理量を算出する演算処理回路とを有する光ファイバセンサであって、
   測定部又はその近傍に温度測定手段が設けられ、
   演算処理回路は、該温度測定手段で測定した温度を元に、請求項１〜３のいずれかに記載の物理量の温度補償方法を実行し、温度補償後測定物理量を算出するプログラムを有していることを特徴とする温度補償型光ファイバセンサ。
5. 投光用光ファイバと２本の受光用光ファイバとのそれぞれの先端部が、反射面に対する法線を基準として固定角度θで対称に固定された３心アレイ構造を有していることを特徴とする請求項４に記載の温度補償型光ファイバセンサ。
6. 温度測定手段が前記３心アレイ構造を有する光ファイバセンサであることを特徴とする請求項５に記載の温度補償型光ファイバセンサ。
7. 予め測定した物理量換算定数、温度補償定数及び温度換算定数を記録しておく不揮発性記憶媒体を演算処理回路に接続したことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の温度補償型光ファイバセンサ。

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