JP5065182B2 - Optical fiber sensor - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバを用いて温度や被測定物の歪みを測定する光ファイバセンサに関するものである。 The present invention relates to an optical fiber sensor that measures temperature and distortion of an object to be measured using an optical fiber.
従来より、光ファイバを用いて電気的な接触なく温度や被測定物の歪みを測定する光ファイバセンサが開示されている。光ファイバセンサの方式には様々なものがあるが、たとえば、光ファイバに試験光を入力し、光ファイバ中の熱エネルギーにより発生している縦波音響波と試験光の光波との相互作用によってブリユアン散乱光を発生させ、このブリユアン散乱光の周波数シフト量を測定する方式がある。なお、このようなブリユアン散乱光は、光の伝播方向に対して後方に散乱されるので、以下では後方ブリユアン散乱光と称する。後方ブリユアン散乱光の周波数シフト量は、光ファイバの温度や印加される応力に応じて変化する。したがって、周波数シフト量の測定によって、光ファイバの周囲温度や光ファイバが取り付けられた被測定物の歪みが測定できるのである。この後方ブリユアン散乱光の周波数シフト量を測定する方式は、通常伝送線路に用いられている光ファイバを用いて、長距離に渡って温度や歪の分布状態を測定できる利点がある(たとえば、特許文献1参照)。 Conventionally, there has been disclosed an optical fiber sensor that uses an optical fiber to measure temperature and distortion of an object to be measured without electrical contact. There are various types of optical fiber sensors. For example, when test light is input to the optical fiber, the interaction between the longitudinal acoustic wave generated by the thermal energy in the optical fiber and the light wave of the test light occurs. There is a method of generating Brillouin scattered light and measuring the frequency shift amount of the Brillouin scattered light. Note that such Brillouin scattered light is scattered backward with respect to the light propagation direction, and is hereinafter referred to as back Brillouin scattered light. The frequency shift amount of the backward Brillouin scattered light varies depending on the temperature of the optical fiber and the applied stress. Therefore, by measuring the frequency shift amount, it is possible to measure the ambient temperature of the optical fiber and the distortion of the measurement object to which the optical fiber is attached. This method of measuring the frequency shift amount of backward Brillouin scattered light has the advantage that the distribution state of temperature and strain can be measured over a long distance using an optical fiber normally used in transmission lines (for example, patents) Reference 1).
しかしながら、後方ブリユアン散乱光の周波数シフト量を測定する方式は、上記利点を有する反面、以下のような問題点がある。すなわち、
・後方散乱光を検出するため、OTDR装置(Optical Time Domain Reflectometer)を用いる構成が必要となる。その結果、装置構成が複雑である。
・通常の石英系ガラスからなる光ファイバの場合、後方ブリユアン散乱光の周波数シフト量は、10GHz前後である。したがって、この周波数シフト量を測定するためには、測定可能周波数帯域が10GHz以上の受光素子を必要とし、さらに対応する電気回路も同様の高周波回路が求められるため、測定装置が高価になってしまう。
However, the method of measuring the frequency shift amount of the back Brillouin scattered light has the following advantages, but has the following problems. That is,
In order to detect backscattered light, a configuration using an OTDR device (Optical Time Domain Reflectometer) is required. As a result, the apparatus configuration is complicated.
In the case of an optical fiber made of ordinary silica glass, the frequency shift amount of backward Brillouin scattered light is around 10 GHz. Therefore, in order to measure the frequency shift amount, a light receiving element having a measurable frequency band of 10 GHz or more is required, and a corresponding high frequency circuit is also required for the corresponding electric circuit. Therefore, the measuring apparatus becomes expensive. .
一方、光ファイバ中の熱エネルギーにより発生している横波音響波と光波との相互作用によって、散乱効率が10−10m−1と非常に小さいブリユアン散乱光が発生する導波音響波型ブリユアン散乱(Guided Acoustic Wave Brillouin Scattering、GAWBS)という散乱現象が知られている(たとえば、非特許文献1〜3参照)。この導波音響波型ブリユアン散乱による散乱光(導波音響波型ブリユアン散乱光)は、試験光の伝播方向と同じ方向に進行するため、前方ブリユアン散乱光とも呼ばれている。
On the other hand, guided acoustic wave Brillouin scattering in which Brillouin scattered light having a very low scattering efficiency of 10 −10 m −1 is generated by the interaction between the transverse acoustic wave generated by the thermal energy in the optical fiber and the light wave. A scattering phenomenon called (Guided Acoustic Wave Brillouin Scattering, GAWBS) is known (for example, see
この導波音響波型ブリユアン散乱光は、横波音響波の周波数において変調を受けたものであるが、この周波数は、光ファイバの温度や印加される応力に応じて変化するので、温度や歪みを測定する光ファイバセンサに応用できる(たとえは、非特許文献4、5参照)。また、導波音響波型ブリユアン散乱光を用いる方式は、後方ブリユアン散乱光を用いる方式と比較して、以下のような特徴を有する。すなわち、
・前方散乱光を検出するため、OTDR装置が不要である。その結果、装置構成が簡易になる。
・散乱光は横波音響波の周波数に応じた複数の周波数成分を含む。各周波数成分のピーク周波数は20〜800MHz付近に発生するため、受光素子の周波数帯域特性としては1GHz程度で十分である。したがって、測定装置がより安価になる。
This guided acoustic wave type Brillouin scattered light is modulated at the frequency of the transverse acoustic wave, but this frequency changes according to the temperature of the optical fiber and the applied stress. It can be applied to an optical fiber sensor to be measured (for example, see Non-Patent Documents 4 and 5). In addition, the method using guided acoustic wave type Brillouin scattered light has the following characteristics as compared with the method using backward Brillouin scattered light. That is,
-An OTDR device is not required to detect forward scattered light. As a result, the apparatus configuration is simplified.
The scattered light includes a plurality of frequency components corresponding to the frequency of the transverse acoustic wave. Since the peak frequency of each frequency component occurs in the vicinity of 20 to 800 MHz, about 1 GHz is sufficient as the frequency band characteristics of the light receiving element. Therefore, the measuring device becomes cheaper.
しかしながら、従来の導波音響波型ブリユアン散乱光を用いた光ファイバセンサは、発生する導波音響波型ブリユアン散乱光が微弱であるため、その変化の検出が困難であるという問題があった。 However, the conventional optical fiber sensor using the guided acoustic wave type Brillouin scattered light has a problem that it is difficult to detect the change because the generated guided acoustic wave type Brillouin scattered light is weak.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、導波音響波型ブリユアン散乱光の変化をより容易に検出することができる光ファイバセンサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an optical fiber sensor that can more easily detect a change in guided acoustic wave type Brillouin scattered light.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバセンサは、所定の変調周波数で変調された試験光を出力する光源と、少なくとも一方の端部において前記試験光を受け付け、前記試験光によって発生する導波音響波型ブリユアン散乱光を他方の端部から出力する光ファイバと、前記光ファイバから出力する前記導波音響波型ブリユアン散乱光を受け付けて電子信号に変換する受光手段と、前記変調周波数のピーク電力強度を測定する電力測定手段を有する検出手段と、を備え、前記変調周波数は、前記導波音響波型ブリユアン散乱光の有する音響波による周波数成分と重畳する周波数に設定され、前記検出手段は、前記電力測定手段が測定した電力に基づいて前記光ファイバの周囲温度または該光ファイバにかかる応力を検出することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, an optical fiber sensor according to the present invention includes a light source that outputs test light modulated at a predetermined modulation frequency, and accepts the test light at at least one end. An optical fiber that outputs guided acoustic wave type Brillouin scattered light generated by the test light from the other end, and receives the guided acoustic wave type Brillouin scattered light output from the optical fiber and converts it into an electronic signal. A light receiving means; and a detecting means having a power measuring means for measuring the peak power intensity of the modulation frequency, wherein the modulation frequency is superimposed on a frequency component due to the acoustic wave of the guided acoustic wave type Brillouin scattered light. Set to a frequency, and the detection means responds to the ambient temperature of the optical fiber or the response to the optical fiber based on the power measured by the power measurement means. And detecting the.
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記検出手段は、前記受光手段が変換した電気信号を受け付けて前記変調周波数を含む所定帯域の周波数成分を有する電気信号を透過する帯域透過フィルタを備え、前記電力測定手段は、前記帯域透過フィルタを透過した電気信号の電力を測定することを特徴とする。 Moreover, the optical fiber sensor according to the present invention is the above-described invention, wherein the detecting means receives the electric signal converted by the light receiving means and transmits the electric signal having a predetermined frequency component including the modulation frequency. The power measuring means includes a filter, and measures the power of the electric signal transmitted through the band-pass filter.
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記変調周波数は、温度または応力の所望検出範囲の下限における前記音響波による周波数成分のピーク周波数以下の周波数に設定されることを特徴とする。 The optical fiber sensor according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the modulation frequency is set to a frequency equal to or lower than a peak frequency of a frequency component due to the acoustic wave at a lower limit of a desired detection range of temperature or stress. To do.
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記変調周波数は、温度または応力の所望検出範囲の上限における前記音響波による周波数成分のピーク周波数以上に設定されることを特徴とする。 The optical fiber sensor according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the modulation frequency is set to be equal to or higher than a peak frequency of a frequency component due to the acoustic wave at an upper limit of a desired temperature or stress detection range.
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記光ファイバを巻回した状態で表面に保持する板状部材をさらに備えたことを特徴とする。 The optical fiber sensor according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the optical fiber sensor further comprises a plate-like member held on the surface in a state where the optical fiber is wound.
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記板状部材は、可撓性を有することを特徴とする。 In the optical fiber sensor according to the present invention as set forth in the invention described above, the plate member has flexibility.
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記光ファイバは、偏波保持型光ファイバであることを特徴とする。 The optical fiber sensor according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the optical fiber is a polarization maintaining optical fiber.
本発明によれば、試験光の変調周波数のピーク電力強度に基づいて測定用光ファイバの周囲温度または該測定用光ファイバにかかる応力を検出するので、導波音響波型ブリユアン散乱光の変化をより容易に検出できる光ファイバセンサを実現できるという効果を奏する。 According to the present invention, since the ambient temperature of the measurement optical fiber or the stress applied to the measurement optical fiber is detected based on the peak power intensity of the modulation frequency of the test light, the change of the guided acoustic wave type Brillouin scattered light is detected. There exists an effect that the optical fiber sensor which can be detected more easily is realizable.
以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバセンサの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の図面において、同一または対応する要素には適宜同一符号を付している。また、適宜に導波音響波型ブリユアン散乱をGAWBSと略記する。 Hereinafter, embodiments of an optical fiber sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. Moreover, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected suitably to the same or corresponding element. Further, guided acoustic wave type Brillouin scattering is abbreviated as GAWBS as appropriate.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。図1に示すように、この光ファイバセンサ100は、光源装置1と、光源装置1に接続した測定用光ファイバ2と、測定用光ファイバ2に接続した検出装置3とを備える。なお、測定用光ファイバ2は、温度を測定したい場所に置かれたり、温度または歪みを測定したい被測定物に取り付けられたりする。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an optical fiber sensor according to
図2は、図1に示す光源装置1の構成を示したブロック図である。図2に示すように、この光源装置1は、たとえば分布帰還型の半導体レーザダイオードからなり連続光としてのレーザ光を出力する連続光源11と、連続光源11から出力する連続光を受け付け、これを変調して出力する変調器12と、変調器12に変調のための電気信号を提供する電気信号発生器13とを備える。なお、図2において、各構成要素を接続する線については、実線のものはレンズや光ファイバ等を適宜用いた光学的接続を意味し、破線のものは電気的接続を意味している。この光源装置1は、このような構成によって、所定の変調周波数で変調された変調光である試験光を出力する。なお、所定の変調周波数は、20〜800MHz程度であるが、その設定については後述する。また、連続光源11が出力するレーザ光の波長はたとえば光ファイバ通信用に使用される1500〜1600nmであるが、測定用光ファイバ2を過度の損失なく伝播する波長であれば特に限定されない。また、変調器12としては、強度変調、位相変調、偏波変調等の各種変調方法を採用したものを使用することができる。
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the
図3は、図1に示す測定用光ファイバ2の模式的な断面および対応する屈折率プロファイルを示した図である。図3に示すように、この測定用光ファイバ2は、中心コア部211と、中心コア部211の外周に形成された外側コア部212と、外側コア部212の外周に形成されたクラッド部213とからなるガラス部21と、クラッド部213の外周に形成された樹脂被覆部22とを有する。
FIG. 3 is a diagram showing a schematic cross section of the measurement
ガラス部21は石英系ガラスからなり、中心コア部211にはゲルマニウム(Ge)が添加されており、外側コア部212にはフッ素(F)が添加されている。また、クラッド部213は屈折率調整用のドーパントを含まない純石英ガラスからなる。その結果、この測定用光ファイバ2は、ガラス部21において、プロファイルPのような形状の屈折率プロファイルを有している。また、中心コア部211のクラッド部213に対する比屈折率差の最大値はΔ1であり、外側コア部212のクラッド部213に対する比屈折率差はΔ2である。また、クラッド部213の外径すなわちクラッド径はたとえば90μm以下である。
The
図4は、図3に示す測定用光ファイバ2の特性の一例を示した図である。なお、図4において、「外径」とは樹脂被覆部22の外径を意味し、「MFD」はモードフィールド径を意味する。図4に示すように、この測定用光ファイバ2は、たとえばクラッド径88μmであり、外径が145μmである。また、Δ1、Δ2は、それぞれ2.8%、−0.6%である。
FIG. 4 is a diagram showing an example of characteristics of the measurement
図5は、図1に示す検出装置3の構成を示したブロック図である。図5に示すように、この検出装置3は、偏光子31と、受光手段としてのフォトダイオード(PD)32と、帯域透過フィルタ33と、電力測定手段としての高周波(RF)パワーメータ34と、制御表示器35とが順次接続した構成を有する。なお、図4においても、各構成要素を接続する線については、実線のものは光学的接続を意味し、破線のものは電気的接続を意味している。
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the detection device 3 shown in FIG. As shown in FIG. 5, the detection device 3 includes a
つぎに、この光ファイバセンサ100の動作について説明する。光源装置1から試験光が出力されると、測定用光ファイバ2はこの試験光を一方の端部において受け付け、試験光は測定用光ファイバ2中を伝播する。
Next, the operation of the
ここで、測定用光ファイバ2のガラス部21には、その熱エネルギーによって横波音響波が発生している。図6は、図2に示す測定用光ファイバ2のガラス部21に発生している横波音響波の振動方向を矢印で示した図である。図6に示すように、横波音響波には、mを次数を表す整数として、所定の共振周波数で中心対称的に振動するR0mモード(radial mode)と、或る直交するx−y軸の方向において一方は膨張、他方は圧縮するように所定の共振周波数で振動するTR2mモード(torsional/radial mode)と呼ばれる2つのモードが存在する。R0mモードはガラス部21の屈折率を変調するので位相変調を誘起する。このためR0mモードに起因するGAWBSはポラライズドGAWBSと呼ばれる。したがって、ポラライズドGAWBSによって発生したポラライズドGAWBS光は、所定の共振周波数で位相変調されたものとなる。一方、TR2mモードはガラス部21内に複屈折を誘起するため、主に偏波変調を誘起する。このためTR2mモードに起因するGAWBSはデポラライズドGAWBSと呼ばれる。したがって、デポラライズドGAWBSによって発生したデポラライズドGAWBS光は、所定の共振周波数で偏波変調されたものとなる。
Here, a transverse acoustic wave is generated in the
ここで、各GAWBSの共振周波数について精査する。 Here, the resonance frequency of each GAWBS will be scrutinized.
(デポラライズドGAWBSの共振周波数の関係式)
はじめに、光波HE11モードとTR2mモードとから発生するデポラライズドGAWBSの共振周波数を考える。TR2mモードによる共振周波数fTmは、非特許文献2によれば、音響波の横波速度をVS、固有値をym、光ファイバのクラッド径をdとして、以下の式(1)で表される。
(Relational expression of resonance frequency of depolarized GAWBS)
First, consider the resonant frequency of the depolarized GAWBS generated from the light wave HE 11 mode and the TR 2m mode. According to
なお、固有値ymは、TR2mモードにおける光ファイバのクラッド部表面での境界条件から、音響波の横波速度VSと縦波速度VLとの比、すなわちVS/VLをαとし、2次、3次のベッセル関数をJ2、J3として、以下の式(2)を用いて求められる。 Note that the eigenvalues y m is from the boundary conditions at the cladding portion surface of the optical fiber in the TR 2m mode, the ratio between the shear wave velocity V S and the longitudinal wave velocity V L of the acoustic wave, i.e., the V S / V L alpha, The second-order and third-order Bessel functions are determined as J 2 and J 3 using the following equation (2).
(ポラライズドGAWBSの共振周波数の関係式)
つぎに、光波HE11モードとR0mモードとから発生するポラライズドGAWBSの共振周波数を考える。R0mモードによる共振周波数fRmは、非特許文献3によれば、固有値をμmとして、以下の式(3)で表される。
(Relational expression of the resonance frequency of Polarized GAWBS)
Next, the resonance frequency of the polarized GAWBS generated from the light wave HE 11 mode and the R 0m mode will be considered. According to Non Patent Literature 3, the resonance frequency f Rm in the R 0m mode is expressed by the following equation (3), where the eigenvalue is μ m .
なお、固有値μmは、光ファイバのクラッド部と樹脂被覆部との境界条件を無視すると、0次のベッセル関数をJ0として、以下の式(4)を用いて求められる。 Note that the eigenvalues mu m, when ignoring the boundary conditions of the cladding portion of the optical fiber and the resin-coated portion, the 0-order Bessel function as J 0, determined using the following equation (4).
通常の石英ガラス系光ファイバの場合、温度20℃においてVS=3740m/s、VL=5910m/sである。すると、たとえばポラライズドGAWBSの1次の共振周波数は29.85MHzとなり、他の高次の共振周波数は、VL/(πd)≒48MHz間隔で発生する。また、音響波の速度は光ファイバの温度または印加される応力に応じて変化する。 In the case of a normal quartz glass-based optical fiber, V S = 3740 m / s and V L = 5910 m / s at a temperature of 20 ° C. Then, for example, the primary resonance frequency of the polarized GAWBS is 29.85 MHz, and other high-order resonance frequencies are generated at intervals of V L / (πd) ≈48 MHz. Further, the velocity of the acoustic wave varies depending on the temperature of the optical fiber or the applied stress.
このようにデポラライズドGAWBS、ポラライズドGAWBSのいずれにおいても共振周波数のピークは周期的な周波数間隔で発生する。また、発生する周波数帯域の上限は上述したように800MHz程度であり、更なる高周波帯域ではピーク強度が減衰することが知られている。さらにピーク周波数間隔は(1)式および(3)式から明らかなように、クラッドの直径に反比例するため、測定用光ファイバ2のクラッド径を小さくすることで、デポラライズドGAWBS光の変調周波数のピーク強度を従来のクラッド径がたとえば125μmのものよりも強くすることができる。その結果、この光ファイバセンサ100は、測定感度が従来よりも高いものとなる。
As described above, in both the depolarized GAWBS and the polarized GAWBS, the resonance frequency peaks occur at periodic frequency intervals. The upper limit of the generated frequency band is about 800 MHz as described above, and it is known that the peak intensity is attenuated in a further high frequency band. Further, as apparent from the equations (1) and (3), the peak frequency interval is inversely proportional to the diameter of the cladding. Therefore, by reducing the cladding diameter of the measurement
このように、測定用光ファイバ2中では、各モードの横波音響波と試験光の光波との相互作用によって所定の共振周波数と同じ変調周波数を有するポラライズドGAWBS光とデポラライズドGAWBS光が発生する。発生した各GAWBS光は、試験光と同一の方向に伝播し、測定用光ファイバ2の他方の端部から出力する。
In this manner, in the measurement
図7は、測定用光ファイバ2として図4に示す特性を有するものを用い、変調周波数を282.5MHzとした場合の周囲温度が20℃の測定用光ファイバ2から出力したデポラライズドGAWBS光の周波数スペクトルを一部周波数領域について示した図である。図7に示すように、測定用光ファイバ2から出力したデポラライズドGAWBS光は、その周波数スペクトルに、或るTR2mモードの音響波による周波数成分S1と、試験光の変調周波数に対応するピーク周波数成分P1を含んでいる。図7に示すように、本実施の形態1においては、変調周波数は、或るTR2mモードの音響波による周波数成分S1と重畳する周波数に設定されている。
FIG. 7 shows the frequency of depolarized GAWBS light output from the measurement
つぎに、検出装置3は、測定用光ファイバ2から出力した各GAWBS光を受け付ける。検出装置3において、各GAWBS光は偏光子31に入力する。このとき、GAWBS光のうち、デポラライズドGAWBS光については、偏光子31を透過することによって、その偏波変調が強度変調に変換される。なお、偏光子31の透過偏光方向については、偏光子31を透過し、強度変調に変換されたデポラライズドGAWBS光の強度変調振幅が最大になるように適宜調整する。つぎに、PD32は、偏光子31を透過した各GAWBS光を受け付け、これを電気信号に変換して出力する。この電気信号は、図7に示すような或るTR2mモードの音響波による周波数成分S1と、変調周波数のピーク周波数成分P1とを含んでいる。つぎに、帯域透過フィルタ33は、変調周波数を含む所定の透過帯域を有しており、PD32が出力する電気信号のうち、変調周波数を含む所定帯域の周波数成分を有する電気信号を透過する。つぎに、RFパワーメータ34は、帯域透過フィルタ33を透過した電気信号の電力を測定する。
Next, the detection device 3 receives each GAWBS light output from the measurement
つぎに、制御表示器35は、RFパワーメータ34が測定した電気信号の電力に基づいて、測定用光ファイバ2の周囲温度、あるいは被測定物の歪み等を検出する。これについて具体的に説明する。
Next, the
図8は、制御表示器35が、RFパワーメータ34が測定した電気信号の電力に基づいて測定用光ファイバ2の周囲温度を検出する原理について説明する説明図である。図8において、上段は、測定用光ファイバ2の周囲温度が或る温度の場合において、PD32が出力する電気信号の周波数スペクトルの一部領域を示している。なお、周波数成分S2は、或るTR2mモードの音響波による周波数成分を示し、ピーク周波数成分P2は、変調周波数の周波数成分を示している。ピーク周波数成分P2の周波数は周波数成分S2のピーク周波数とほぼ一致している。また、帯域Δνは、帯域透過フィルタ33の透過帯域を示している。この状態において、RFパワーメータ34が測定する電気信号の電力は、帯域Δνに含まれる電力であり、その最大強度I1に比例する電力値である。
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the principle that the
つぎに、図8の下段に示すように、測定用光ファイバ2の周囲温度が低下し、或るTR2mモードの音響波による周波数成分が周波数成分S3のように低周波数側に移動した場合は、周波数成分S3のうち帯域Δνに含まれる部分の強度が減少するため、帯域Δνに含まれる電力の最大強度も最大強度I1から最大強度I2へと減少し、RFパワーメータ34が測定する電気信号の電力も減少する。
Next, as shown in the lower part of FIG. 8, when the ambient temperature of the measurement
このように、RFパワーメータ34が測定する電気信号の電力は測定用光ファイバ2の周囲温度に応じて変化するので、RFパワーメータ34が測定した電気信号の電力に基づいて測定用光ファイバ2の周囲温度等を検出することができる。なお、測定用光ファイバ2に応力がかかった場合は、その応力の変化に応じて或るTR2mモードの音響波による周波数成分が移動し、具体的には応力の増大に応じて高周波側に移動する。したがって、上記と同様の原理によって、RFパワーメータ34が測定した電気信号の電力に基づいて測定用光ファイバ2にかかる応力を検出することができ、したがって被測定物の歪みを検出することができる。ゆえに、この光ファイバセンサ100は、検出の困難な微弱な導波音響波型ブリユアン散乱光周波数の変化を検出する必要がなく、外部から入力された導波音響波型ブリユアン散乱光の変調信号強度の変化のみを測定すればいいので、より容易に周囲温度等を検出することができるものとなる。
As described above, since the electric power of the electric signal measured by the
なお、帯域Δνの値はたとえば1kHz〜1MHzであり、帯域が狭いほど温度等の検出精度が高くなる。また、制御表示器35の検出は、たとえば予め測定されたRFパワーメータ34の測定電力値と温度または応力との関係式に基づいた演算処理によって行なわれる。また、制御表示器35内部のメモリに記憶された測定電力値と温度または応力との対応テーブルに基づいて行なってもよい。制御表示器35はたとえばパーソナルコンピュータによって実現される。
Note that the value of the band Δν is, for example, 1 kHz to 1 MHz, and the detection accuracy such as temperature becomes higher as the band is narrower. The detection of the
また、設定すべき変調周波数と音響波による周波数成分のピーク周波数との関係については、変調周波数を、温度または応力の所望検出範囲の下限における音響波による周波数成分のピーク周波数以下に設定することが好ましい。このようにすれば、温度または応力の所望検出範囲において、RFパワーメータ34の測定電力は温度または応力の増加に応じて単調に減少するため、測定電力と温度または応力との関係が確実に一意に定まるので、より確実な温度または応力の検出が可能となる。あるいは、変調周波数を、温度または応力の所望検出範囲の上限における横波音響波による周波数成分のピーク周波数以上に設定すれば、温度または応力の所望検出範囲において、RFパワーメータ34の測定電力は温度または応力の増加に応じて単調に増加するので好ましい。
As for the relationship between the modulation frequency to be set and the peak frequency of the frequency component due to the acoustic wave, the modulation frequency may be set to be equal to or lower than the peak frequency of the frequency component due to the acoustic wave at the lower limit of the desired temperature or stress detection range. preferable. In this way, the measured power of the
たとえば、本発明者らの実験によれば、図4に示す特性を有する光ファイバを測定用光ファイバ2として用いた場合には、図7に示す周波数成分S1のピーク周波数f(MHz)は、温度T(℃)に対して、f=282.076+0.0212Tなる関係式にほぼ従って変化することが確認された。したがって、所望の検出温度範囲の上限または下限に従って、上記関係式を用いて変調周波数を設定すればよい。
For example, according to the experiments by the present inventors, when an optical fiber having the characteristics shown in FIG. 4 is used as the measurement
図9は、図1に示す光ファイバセンサ100の構成において、測定用光ファイバ2として図4に示す特性を有するものを用い、変調周波数を282.5MHzとした場合の、測定用光ファイバ2の周囲温度の変化に対するRFパワーメータ34の測定電力の変化を示した図である。なお、図9においては、横軸は周囲温度を示し、縦軸はその周囲温度での測定電力と、周囲温度が20℃の場合の測定電力との差ΔPを示している。また、帯域透過フィルタの透過中心周波数は282.5Hzとした。図9に示すように、測定電力は周囲温度に従って変化する。したがって、制御表示器35において、この図9に示すような温度と測定電力値との関係を、関係式または対応テーブル等として記憶しておくことによって、所望の温度検出が実現される。
FIG. 9 shows the configuration of the
(実施の形態2)
つぎに、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態2に係る光ファイバセンサは、実施の形態1に係る光ファイバセンサ100と略同様の構成を備えるが、測定用光ファイバを巻回した状態で表面に保持する板状部材をさらに備えている。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The optical fiber sensor according to the second embodiment has substantially the same configuration as the
図10は、本実施の形態2に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。図10に示すように、この光ファイバセンサ200は、図1に示すものと同様の光源装置1と、測定用光ファイバ2と、検出装置3とを備えている。また、光源装置1と測定用光ファイバ2とは、接続用光ファイバ4aを介して接続部5aにおいて接続している。また、検出装置3と測定用光ファイバ2とは、接続用光ファイバ4bを介して接続部5bにおいて接続している。なお、接続部5a、5bは、たとえば光コネクタ接続部や融着接続部などである。また、接続用光ファイバ4a、4bは、たとえば光ファイバ通信において用いられる標準のシングルモード光ファイバ(SMF)である。
FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of the optical fiber sensor according to the second embodiment. As shown in FIG. 10, the
さらに、この光ファイバセンサ200は、板状部材6を備えており、測定用光ファイバ2は、最大巻き付け径D1、最小巻き付け径D2で巻回した状態で板状部材6の表面に接合材等で固着している。このように、板状部材6が測定用光ファイバ2を巻回した状態で表面に保持しているので、測定用光ファイバ2はその条長に比してより少ない平面積でコンパクトに収容されるため、光ファイバセンサ200全体が小型になるとともに、狭い場所や小さい被測定物の測定にも適するものとなる。なお、この測定用光ファイバ2が、図4に示す特性を有するものであれば、従来のクラッド径が125μmのSMFよりもクラッド径が小さく、樹脂被覆部22を含めた外径も、従来のSMFの250μmよりも小さいため、より収容性が高いものとなる。さらに、同じ平面積であっても、より条長の長い測定用光ファイバ2を収容できるため、試験光と横波音響波との相互作用長を長くできるので、測定感度を高くできる。
Further, the
なお、板状部材6の材質については特に限定されないが、たとえばポリエチレンテレフタレートなどの可撓性を有する材質を用い、薄いシート状に形成したものとすれば、たとえば曲面形状の外形を有する被測定物にも容易に密着して取り付けることができるので、その温度や歪みをより正確に測定することができる。 The material of the plate-like member 6 is not particularly limited. For example, if a flexible material such as polyethylene terephthalate is used and formed into a thin sheet shape, the object to be measured has a curved outer shape, for example. In addition, the temperature and strain can be measured more accurately.
なお、測定用光ファイバ2の最大巻き付け径D1および最小巻き付け径D2は、測定用光ファイバ2の曲げ損失や破断率を考慮して適宜設定できる。なお、図4に示す特性を有する光ファイバを用いる場合は、たとえば最大巻き付け径D1の値を9.5cm、最小巻き付け径D2の値を3cmとできる。
The maximum winding diameter D1 and the minimum winding diameter D2 of the measurement
(実施の形態3)
つぎに、本発明の実施の形態3について説明する。上記実施の形態1、2に係る光ファイバセンサ100、200は、デポラライズドGAWBS光を用いたものであったが、本実施の形態3に係る光ファイバセンサは、ポラライズドGAWBS光を用いたものである。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. Although the
図11は、本実施の形態3に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。図11に示すように、この光ファイバセンサ300は、図1に示すものと同様の光源装置1および測定用光ファイバ2と、光カプラ7と、検出装置3aとを備える。
FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of the optical fiber sensor according to the third embodiment. As shown in FIG. 11, the
光カプラ7は、方向性結合器型であり、4つの入出力ポート71〜74を備えている。この光カプラ7の分岐比は1:1である。すなわち、この光カプラ7は、たとえば入出力ポート71において受け付けた光を、1:1の強度比で分岐して入出力ポート73、74にそれぞれ出力する。そして、入出力ポート71は光源装置1と接続し、入出力ポート72は検出装置3aと接続している。また、入出力ポート73、74は測定用光ファイバ2の両端と接続している。したがって、光カプラ7と測定用光ファイバ2とは光ファイバループ干渉計を構成している。
The optical coupler 7 is a directional coupler type and includes four input /
一方、検出装置3aは、PD32と、帯域透過フィルタ33と、RFパワーメータ34と、制御表示器35とが順次接続した構成を有する。すなわち、この検出装置3aは、図5に示す検出装置3から偏光子31を除いた構成を有する。
On the other hand, the
つぎに、この光ファイバセンサ300の動作について説明する。光源装置1から試験光が出力されると、光カプラ7は入出力ポート71において試験光を受け付け、1:1の強度比で分岐して入出力ポート73、74にそれぞれ出力する。つぎに、測定用光ファイバ2は入出力ポート73、74から出力した試験光を各端部において受け付け、各試験光は測定用光ファイバ2中を反対方向に伝播する。
Next, the operation of the
つぎに、測定用光ファイバ2中では、各モードの横波音響波と各試験光の光波との相互作用によって所定の変調周波数を有するポラライズドGAWBS光とデポラライズドGAWBS光が発生し、各試験光と同一方向に伝播する。入出力ポート73、74にそれぞれ到達した各ポラライズドGAWBS光と各デポラライズドGAWBS光とは、光カプラ7において結合する。このとき、ポラライズドGAWBS光については、位相変調されているために、光カプラ7の干渉効果によって強度変調に変換され、一部が入出力ポート72から出力される。
Next, in the measurement
つぎに、検出装置3aは、光カプラ7の入出力ポート72から出力したポラライズドGAWBS光を受け付ける。そして、ポラライズドGAWBS光はPD32に入力し、PD32によって電気信号に変換される。その後は、帯域透過フィルタ33、RFパワーメータ34、制御表示器35によって、実施の形態1で説明したものと同様にして、測定用光ファイバ2の周囲温度、あるいは被測定物の歪みを検出する。この光ファイバセンサ200も、より容易に周囲温度等を検出することができるものとなる。
Next, the
なお、このポラライズドGAWBS光を用いた光ファイバセンサ300についても、その変形例として、実施の形態2に光ファイバセンサ200のように、測定用光ファイバを巻回した状態で保持する板状部材をさらに備える構成としてもよい。
As a modification of the
なお、上記実施の形態1、2に係るデポラライズドGAWBS光を用いた光ファイバセンサにおいて、測定用光ファイバ2は通常構造の光ファイバであったが、偏波保持型光ファイバを用いてもよい。
In the optical fiber sensor using the depolarized GAWBS light according to the first and second embodiments, the measurement
図12は、偏波保持型の測定用光ファイバの一例の模式的な断面図である。図12に示すように、この測定用光ファイバ2aは、応力付与型の偏波保持光ファイバであり、図3に示すものと同様の中心コア部211および外側コア部212と、外側コア部212の外周に形成されたクラッド部214と、クラッド部214の内部に位置する応力付与部材215、215とからなるガラス部21aと、図3に示すものと同様の樹脂被覆部22とを有する。なお、クラッド部214は、内部に応力付与部材215、215を含む点以外は図3に示すクラッド部213と同様である。応力付与部材215、215はたとえばボロン(B)が添加された石英系ガラスからなり、それらの中心軸を結ぶ直線上に、ほぼ中心コア部211および外側コア部212の中心軸が位置するように配置されている。その結果、測定用光ファイバ2aには上記中心軸を結ぶ方向とこれと直交する方向とを偏波軸とする複屈折が生じる。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of an example of a polarization maintaining type measurement optical fiber. As shown in FIG. 12, this measurement
測定用光ファイバ2に換えてこの測定用光ファイバ2aを用いる際には、光源装置1の試験光の直線偏光の偏波方向と、測定用光ファイバ2aのいずれかの偏波軸と、検出装置3の偏光子31の透過偏光方向とを一致させるようにする。すると、試験光はその偏波方向が維持されたまま測定用光ファイバ2aを伝播するため、TR2mモードの横波音響波との相互作用が測定用光ファイバ2aの長手方向にわたって強く安定した状態に維持される。その結果、発生するデポラライズドGAWBS光の光強度が強くなるため、周波数スペクトル上の強度も強くなるので、測定感度が高く安定したものとなる。
When this measurement
また、上記実施の形態1、2に係るデポラライズドGAWBS光を用いた光ファイバセンサにおいて、検出装置3に換えて以下の構成の検出装置を用いてもよい。 Moreover, in the optical fiber sensor using the depolarized GAWBS light according to the first and second embodiments, a detection device having the following configuration may be used instead of the detection device 3.
図13は、実施の形態1、2に係る光ファイバセンサにおいて用いることができる検出装置の別の一例の構成を示したブロック図である。図13に示すように、この検出装置3bは、偏光子31a、31bと、PD32a、32bと、帯域透過フィルタ33と、RFパワーメータ34と、制御表示器35と、半波長板36a、36bと、偏波ビームスプリッタ37と、合波器38とを備えている。
FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of another example of a detection apparatus that can be used in the optical fiber sensors according to
つぎに、この検出装置3bの動作について説明する。はじめに、この検出装置3bは、たとえば測定用光ファイバ2から出力したデポラライズドGAWBS光を受け付ける。検出装置3bにおいて、デポラライズドGAWBS光は半波長板36aによってその偏波状態が調整され、偏波ビームスプリッタ37によって偏波方向が互いに直交する2つの直線偏波の光に分離される。分離された直線偏波光は、その一方はさらに半波長板36bによってその偏波状態が調整され、偏光子31a、PD32a、または偏光子31b、PD32bに順次入力し、PD32aまたはPD32bによって電気信号に変換される。つぎに、変換された各電気信号は合波器38によって合波され、帯域透過フィルタ33に入力し、所定の帯域の周波数成分を有する電気信号が透過して、RFパワーメータ34に入力する。
Next, the operation of the
ここで、測定用光ファイバ2は通常構造の光ファイバなので、測定用光ファイバ2を伝播中の試験光の偏波状態は経時的に変動するおそれがある。したがって、発生するデポラライズドGAWBS光の偏波状態も変動するおそれがある。
Here, since the measurement
これに対して、この検出装置3bにおいては、デポラライズドGAWBS光を偏波ビームスプリッタ37によって2つの直線偏波の光に分離している。そして、RFパワーメータ34は、分離した光を電気信号に変換した後、信号を足し合わせて強度を測定している。したがって、この検出装置3bを用いることによって、測定用光ファイバ2を伝播中の試験光の偏波状態の変動にかかわらず、より確実で安定した測定が実現される。
On the other hand, in the
なお、上記の各実施形態では、電気信号の変調周波数のピーク電力強度測定に、図5、11、13で示したように、各検出装置3、3a、3bにおいて帯域透過フィルタ33とRFパワーメータ34とを使用しているが、これらに換えてRFスペクトラムアナライザを使用してもよい。図14は、例として図5に示した検出装置3に換えて用いることができる検出装置3cの構成を示したブロック図である。この検出装置3cは、検出装置3において帯域透過フィルタ33とRFパワーメータ34とをRFスペクトラムアナライザ39に置き換えた構成を有する。この検出装置3cを用いた場合は、RFスペクトラムアナライザ39が変調周波数のピーク電力強度を検出するので、制御表示器35は、このピーク電力強度に基づいて、測定用光ファイバ2の周囲温度、あるいは被測定物の歪み等を検出する。
In each of the above-described embodiments, the peak power intensity measurement of the modulation frequency of the electric signal is performed by using the band-
また、本発明の光ファイバセンサの測定用光ファイバの構造としては、上記実施の形態のようにコア部が2層構造であるものに限らず、コア部が中心コア部のみ、またはさらなる多層構造を有するものでもよい。また、クラッド部に空孔が形成されたものでもよい。また、偏波保持型の測定用光ファイバとしては、応力付与型のものに限られず、他の偏波保持型の光ファイバ、たとえばコア部の断面が楕円形状である楕円コア型のものを用いてもよい。また、測定用光ファイバの材料についても、石英系ガラスに限らず、フッ化物系、テルライト系、プラスチック系等の光ファイバに使用される各種材料が利用できる。また、光源装置としては、上記実施の形態のように連続光源と変調器とを用いたものに限らず、たとえば半導体レーザ素子の駆動電力を直接変調する方式のものを用いてもよい。 Further, the structure of the optical fiber for measurement of the optical fiber sensor of the present invention is not limited to the structure in which the core portion has a two-layer structure as in the above embodiment, but the core portion has only the central core portion or a further multilayer structure. It may have. Further, the clad portion may be formed with holes. In addition, the polarization maintaining optical fiber is not limited to the stress-applying optical fiber, but other polarization maintaining optical fiber, for example, an elliptical core type whose core section has an elliptical cross section is used. May be. Further, the material of the measurement optical fiber is not limited to quartz glass, and various materials used for optical fibers such as fluoride, tellurite, and plastic can be used. Further, the light source device is not limited to the one using the continuous light source and the modulator as in the above embodiment, and for example, a device that directly modulates the driving power of the semiconductor laser element may be used.
1 光源装置
2、2a 測定用光ファイバ
3、3a〜3c 検出装置
4a、4b 接続用光ファイバ
5a、5b 接続部
6 板状部材
7 光カプラ
11 連続光源
12 変調器
13 電気信号発生器
21、21a ガラス部
22 樹脂被覆部
31、31a、31b 偏光子
32、32a、32b PD
33 帯域透過フィルタ
34 RFパワーメータ
35 制御表示器
36a、36b 半波長板
37 偏波ビームスプリッタ
38 合波器
39 RFスペクトラムアナライザ
71〜74 入出力ポート
100〜300 光ファイバセンサ
211 中心コア部
212 外側コア部
213、214 クラッド部
215 応力付与部材
D1 最大巻き付け径
D2 最小巻き付け径
I1、I2 最大強度
P プロファイル
P1、P2 ピーク周波数成分
S1〜S3 周波数成分
Δν 帯域
DESCRIPTION OF
33 Band-
Claims (7)
少なくとも一方の端部において前記試験光を受け付け、前記試験光によって発生する導波音響波型ブリユアン散乱光を他方の端部から出力する光ファイバと、
前記光ファイバから出力する前記導波音響波型ブリユアン散乱光を受け付けて電子信号に変換する受光手段と、
前記変調周波数のピーク電力強度を測定する電力測定手段を有する検出手段と、
を備え、前記変調周波数は、前記導波音響波型ブリユアン散乱光の有する音響波による周波数成分と重畳する周波数に設定され、前記検出手段は、前記電力測定手段が測定した電力に基づいて前記光ファイバの周囲温度または該光ファイバにかかる応力を検出することを特徴とする光ファイバセンサ。 A light source that outputs test light modulated at a predetermined modulation frequency;
An optical fiber that receives the test light at at least one end and outputs guided acoustic wave type Brillouin scattered light generated by the test light from the other end;
A light receiving means for receiving the guided acoustic wave type Brillouin scattered light output from the optical fiber and converting it into an electronic signal;
Detecting means having power measuring means for measuring the peak power intensity of the modulation frequency;
The modulation frequency is set to a frequency that is superimposed on a frequency component due to the acoustic wave of the guided acoustic wave-type Brillouin scattered light, and the detection means is configured to output the light based on the power measured by the power measurement means. An optical fiber sensor for detecting ambient temperature of a fiber or stress applied to the optical fiber.
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