JP5171241B2 - Physical quantity measurement system - Google Patents

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本発明は、互いに離間した各測定対象において各測定対象から印加される歪み量等の物理量をFBG(ファイバ・ブラッグ・グレーティング Fiber Bragg Grating 以下FBGと略記する)センサを用いて測定する物理量測定システムに関する。   The present invention relates to a physical quantity measurement system that measures physical quantities such as strain applied from each measurement object at each measurement object separated from each other using an FBG (Fiber Bragg Grating) sensor. .

一般に、FBGセンサは、図14に示すように、このFBGセンサの一端(入射端)から広帯域波長を有する光2を入射すると、このFBGセンサ1に対して予め設定された基準波長λSを中心波長とする山形の波長特性を有した反射光3が一端(入射端)から出力される。さらに、このFBGセンサ1に対して前記基準波長λSを中心波長とする波長特性を有した透過光4が他端(出射端)から出力される。 In general, as shown in FIG. 14, the FBG sensor is centered on a reference wavelength λ S set in advance for the FBG sensor 1 when light 2 having a broadband wavelength is incident from one end (incident end) of the FBG sensor. The reflected light 3 having a mountain-shaped wavelength characteristic as a wavelength is output from one end (incident end). Further, transmitted light 4 having a wavelength characteristic with the reference wavelength λ S as the center wavelength is output from the other end (outgoing end) to the FBG sensor 1.

そして、このFBGセンサ1に歪み(物理量)を加えると、反射光3の中心波長λCが基準波長λSからずれる。この波長ずれΔλ(=λC―λS)が歪み量(物理量)εに比例するので、この波長ずれΔλを測定することによって、FBGセンサ1に印加された歪み量(物理量)εが測定可能である。なお、透過光4の中心波長λCも反射光3の中心波長λCと同一動作を行う。以下、現在時点におけるFBGセンサ1を用いた物理量の測定技術を説明する。 When distortion (physical quantity) is applied to the FBG sensor 1, the center wavelength λ C of the reflected light 3 deviates from the reference wavelength λ S. Since the wavelength shift Δλ (= λ C −λ S ) is proportional to the strain amount (physical quantity) ε, the strain amount (physical quantity) ε applied to the FBG sensor 1 can be measured by measuring the wavelength shift Δλ. It is. Note that the center wavelength λ C of the transmitted light 4 performs the same operation as the center wavelength λ C of the reflected light 3. Hereinafter, a physical quantity measurement technique using the FBG sensor 1 at the current time point will be described.

(a) 図15は、このような特性を有する複数のFBGセンサ1を測定対象に取付け、各FBGセンサ1を光ファイバ5で直列接続し、この光ファイバ5の一端(入射端)5aに、広波長帯域パルス光源6から広波長帯域パルス光を印加するFBGセンサシステムである(特許文献1参照)。   (A) In FIG. 15, a plurality of FBG sensors 1 having such characteristics are attached to a measurement object, and each FBG sensor 1 is connected in series with an optical fiber 5, and one end (incident end) 5a of the optical fiber 5 is connected to This is an FBG sensor system that applies wide wavelength band pulsed light from a wide wavelength band pulsed light source 6 (see Patent Document 1).

光ファイバ5の各距離位置L1、L2、L3…に配設された各FBGセンサ1からの反射光3は、カプラ7で光ファイバ5から分岐されて、波長ずれ量検出部8へ、それぞれ各距離位置L1、L2、L3…に応じた時間差を有して入射されるので、波長ずれ量検出部8は、各FBGセンサ1からの反射光3の中心波長λCの基準波長λSからの波長ずれΔλ1、Δλ2、Δλ3、…を個別に検出できる。よって、各FBGセンサ1に印加される歪み量(物理量)を個別に検出できる。 Reflected light 3 from each FBG sensor 1 disposed at each of the distance positions L 1 , L 2 , L 3 ... Of the optical fiber 5 is branched from the optical fiber 5 by the coupler 7 and sent to the wavelength shift amount detection unit 8. Are incident with a time difference corresponding to each of the distance positions L 1 , L 2 , L 3 ..., So that the wavelength shift amount detector 8 has the center wavelength λ C of the reflected light 3 from each FBG sensor 1. Wavelength shifts Δλ 1 , Δλ 2 , Δλ 3 ,... From the reference wavelength λ S can be detected individually. Therefore, the amount of distortion (physical quantity) applied to each FBG sensor 1 can be detected individually.

(b) 広波長帯域パルス光源6の代りに、広波長帯域連続光源を使用することも可能である(特許文献2参照)。この場合、各FBGセンサ1の基準波長λSは互いに異なる値λS1、λS2、λS3、…に設定する必要がある。波長ずれ量検出部8は、既知である各基準波長λS1、λS2、λS3、…近傍の各FBGセンサ1の反射光の中心波長λC1、λC2、λC3、…を定めて、各基準波長λS1、λS2、λS3、…からの波長ずれΔλ1、Δλ2、Δλ3、…を個別に検出する。 (B) Instead of the wide wavelength band pulse light source 6, it is also possible to use a wide wavelength band continuous light source (see Patent Document 2). In this case, the reference wavelength λ S of each FBG sensor 1 needs to be set to different values λ S1 , λ S2 , λ S3,. The wavelength shift amount detection unit 8 determines the known reference wavelengths λ S1 , λ S2 , λ S3 ,..., The center wavelengths λ C1 , λ C2 , λ C3,. Wavelength deviations Δλ 1 , Δλ 2 , Δλ 3 ,... From the reference wavelengths λ S1 , λ S2 , λ S3 ,.

(c) 図16に示すように、同一基準波長λSを有する複数のFBGセンサ1を一つの光ファイバ5で、カプラ7を介して並列に接続して、この光ファイバ5の一端(入射端)に、狭帯域パルス光源10から、波長λが各FBGセンサ1の基準波長λSに対して微少波長Δλだけずれた狭帯域のパルス測定光14を印加し、各FBGセンサ1からの反射光3のレベル変化量から歪みを測定する技術が提唱されている。すなわち、光ファイバ5の各距離位置L1、L2、L3…に配設された各FBGセンサ1からの反射光3はサーキュレータ11で分岐されて、受光器12で電気信号に変換されて、演算部13で各FBGセンサ1に印加された歪み量(物理量)が求まる(特許文献3参照)。 (C) As shown in FIG. 16, a plurality of FBG sensors 1 having the same reference wavelength λ S are connected in parallel via a coupler 7 with one optical fiber 5, and one end (incident end) of the optical fiber 5 is connected. ) Is applied from the narrow-band pulse light source 10 with narrow-band pulse measuring light 14 having a wavelength λ shifted by a minute wavelength Δλ with respect to the reference wavelength λ S of each FBG sensor 1, and reflected light from each FBG sensor 1. A technique for measuring distortion from a level change amount of 3 has been proposed. That is, the reflected light 3 from each FBG sensor 1 disposed at each distance position L 1 , L 2 , L 3 ... Of the optical fiber 5 is branched by the circulator 11 and converted into an electrical signal by the light receiver 12. Then, the amount of strain (physical quantity) applied to each FBG sensor 1 is obtained by the calculation unit 13 (see Patent Document 3).

図17に示すように、各光ファイバ5の各距離位置L1、L2、L3…に配設された各FBGセンサ1からの反射光の波長特性の中心波長λCは、歪みが印加されると、例えば、図中右側へ移動するので、波長特性自体も右側へ移動する。その結果、狭帯域のパルス測定光14が印加された場合におけるこのパルス測定光14自体の反射光のレベルは、レベルLS からレベルLLに変化する。このレベル変化量(LLーLS)は、基準波長λSからの波長ずれΔλに対応する。
米国特許5,680,489号公報 米国特許5,361,130号公報 特開2004―309218号公報
As shown in FIG. 17, distortion is applied to the center wavelength λ C of the wavelength characteristic of the reflected light from each FBG sensor 1 arranged at each distance position L 1 , L 2 , L 3 . Then, for example, the wavelength characteristic itself moves to the right side because it moves to the right side in the figure. As a result, the level of the reflected light of the pulsed measuring light 14 itself when the pulsed measuring light 14 of a narrow band is applied, changes from the level L S to the level L L. This level change amount (L L −L S ) corresponds to the wavelength shift Δλ from the reference wavelength λ S.
US Pat. No. 5,680,489 US Pat. No. 5,361,130 JP 2004-309218 A

しかしながら、上述した(a)〜(c)の各FBGセンサを用いた歪み測定システムにおいても、まだ改良すべき次のような課題があった。   However, the strain measurement system using each of the FBG sensors (a) to (c) described above still has the following problems to be improved.

特許文献1に記載された(a)の広波長帯域パルス光を印加する手法においては、広波長帯域のパルス光を使用するので、基準波長λS近傍以外の波長成分は、使用されないので、エネルギ効率が悪く、S/N比が低下する。 In the method of applying wide wavelength band pulsed light of (a) described in Patent Document 1, since pulse light in a wide wavelength band is used, wavelength components other than the vicinity of the reference wavelength λ S are not used. The efficiency is poor and the S / N ratio decreases.

また、特許文献2に記載された(b)の広波長帯域連続光源を使用する場合においては、同一規格(同一基準波長λS)のFBGセンサを使用できない問題があった。 In addition, when the wide wavelength band continuous light source (b) described in Patent Document 2 is used, there is a problem that FBG sensors of the same standard (same reference wavelength λ S ) cannot be used.

特許文献3に記載された(c)の波長λが各FBGセンサ1の基準波長λSに対して微小波長Δλだけずれた狭帯域のパルス測定光14を用いる場合においては、基準波長λSからの波長ずれ量Δλは受光器の検出レベルの差(LLーLS)で求めているが、このレベル(LLーLS)差がFBGセンサ1に印加された歪と、パルス測定光14自身のレベル変動とのいずれに起因するものであるか区別することが困難で測定精度が低下する。また、カプラ7をFBGセンサ1と同じ数量を必要とするので、この歪み測定システムの製造費が上昇する問題がある。 In the case where the wavelength of described in Patent Document 3 (c) lambda uses narrowband pulsed measuring light 14 which is offset by a small wavelength Δλ with respect to the reference wavelength lambda S of the FBG sensor 1, the reference wavelength lambda S The wavelength shift amount Δλ is obtained from the difference in detection level (L L −L S ) of the light receiver. This level (L L −L S ) difference is applied to the FBG sensor 1 and the pulse measurement light. Therefore, it is difficult to distinguish whether it is caused by the level fluctuation of 14 itself, and the measurement accuracy is lowered. Further, since the coupler 7 needs the same quantity as the FBG sensor 1, there is a problem that the manufacturing cost of the distortion measuring system increases.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、たとえ基準波長を含む波長特性が等しい複数のFBGセンサを光ファイバで直列接続した場合においても、物理量の印加時における反射光の波長特性を短時間でかつ高い精度で検出でき、しかも、FBGセンサに印加される物理量を短時間でかつ高い精度で測定できる物理量測定システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and even when a plurality of FBG sensors having the same wavelength characteristics including a reference wavelength are connected in series with an optical fiber, the wavelength characteristics of reflected light when a physical quantity is applied. It can be detected in a short time and high precision, moreover, an object of the invention to provide a physical quantity measuring system that can measure in a short time and high accuracy the physical quantity to be applied to the FBG sensor.

上記課題を解消するために、本発明の物理量測定システムは、
互いに離間した複数の測定対象に設けられ、入射光に対する反射光の中心波長が測定対象から印加された物理量に応じて変化する複数のFBGセンサと、
前記各FGBセンサを直列接続する光ファイバと、
波長が順次変化していく複数のパルス光を生成して、前記光ファイバの入射端へ入射パルス光として順次入射する波長掃引パルス光源と、
前記光ファイバに順次入射された各入射パルス光が前記各FBGセンサで反射されて入射端方向へ伝搬する各反射パルス光を分岐するサーキュレータと、
このサーキュレータで分岐された各反射パルス光を受光する受光器と、
前記各入射パルス光に対する各FBGセンサからの反射パルス光の受光レベルを当該入射パルス光の波長に対応して記憶保持する測定値記憶手段と、
この測定値記憶手段に記憶された各反射パルス光の受光レベルから前記各FBGセンサの反射光の波長特性を算出する波長特性算出手段と、
この算出された波長特性の中心波長から前記各FBGセンサに印加された物理量を求める物理量算出手段と、
を備え、
前記波長特性算出手段(35)は、前記測定値記憶手段(30)に記憶された入射パルス光の波長毎の各反射パルス光の受光レベルのグループを、FBGセンサ毎の波長が異なる反射パルス光のグループ(33)に組換えるデータ編集部(32)と、この編集されたFBGセンサ毎の波長が異なる反射パルス光の受光レベルを用いて前記各FBGセンサの反射光の波長特性を算出する波長特性算出部(35)とを有し、
前記物理量が印加されていない状態における各FBGセンサの中心波長が互いに等しく設定され、
前記波長掃引パルス光源が前記光ファイバの入射端に順次入射させる各入射パルス光の各パルス光の送信間隔(T)は、互いに等しく設定され、かつ、当該パルス光が前記光ファイバを往復するに要する時間(2nL/C)より長く設定されている
In order to solve the above problems, the physical quantity measurement system of the present invention is
A plurality of FBG sensors that are provided in a plurality of measurement objects spaced apart from each other, and in which the center wavelength of reflected light with respect to incident light changes according to a physical quantity applied from the measurement object;
An optical fiber connecting the FGB sensors in series;
A wavelength-swept pulse light source that generates a plurality of pulse lights whose wavelengths are sequentially changed, and sequentially enters the incident end of the optical fiber as an incident pulse light;
A circulator that branches each reflected pulsed light that is sequentially incident on the optical fiber and is reflected by each FBG sensor and propagates toward the incident end;
A light receiver for receiving each reflected pulse light branched by this circulator;
A measurement value storage means for storing and holding the received light level of the reflected pulse light from each FBG sensor with respect to each incident pulse light, corresponding to the wavelength of the incident pulse light;
Wavelength characteristic calculating means for calculating the wavelength characteristic of the reflected light of each FBG sensor from the received light level of each reflected pulse light stored in the measured value storage means;
A physical quantity calculating means for obtaining a physical quantity applied to each FBG sensor from the calculated center wavelength of the wavelength characteristic;
With
The wavelength characteristic calculation means (35) is configured to select a group of received light levels of each reflected pulse light for each wavelength of the incident pulse light stored in the measurement value storage means (30), and the reflected pulse light having a different wavelength for each FBG sensor. The wavelength for calculating the wavelength characteristics of the reflected light of each of the FBG sensors using the data editing unit (32) recombined into the group (33) and the received light level of the reflected pulsed light having a different wavelength for each edited FBG sensor A characteristic calculation unit (35),
The center wavelengths of the FBG sensors in a state where the physical quantity is not applied are set to be equal to each other,
The transmission interval (T) of each pulsed light of each incident pulsed light that the wavelength swept pulse light source sequentially enters the incident end of the optical fiber is set to be equal to each other, and the pulsed light reciprocates through the optical fiber. It is set longer than the time required (2 nL / C) .

このように構成された物理量測定システムにおいては、波長掃引パルス光源は、波長が順次変化していく複数のパルス光からなる入射パルス光を光ファイバへ入射する。すなわち、波長λが順次変化するパルス光が伝搬していく光ファイバにおいては、例えば、各FBGセンサに歪み(物理量)が印加されていなくて、かつ入射パルス光の先頭のパルス光の波長λが基準波長λSの場合は、光ファイバにおける各距離位置L1、L2、L3、…に位置する各FBGセンサからの反射光の受光器における受光時刻の入射パルス光の出力時刻からの経過時間は、各距離位置L1、L2、L3、…に対応した時刻t1、t2、t3、…となる。そして、各FBGセンサに物理量が印加されると、反射光の波長特性が波長軸方向にシフトするので、各距離位置L1、L2、L3、…に対応した時刻t1、t2、t3、…のレベルFB11、FB21、FB31、…が物理量に対応して変化する。 In the physical quantity measurement system configured as described above, the wavelength-swept pulse light source makes incident pulsed light composed of a plurality of pulsed light whose wavelengths change sequentially enter the optical fiber. That is, in an optical fiber in which pulsed light whose wavelength λ sequentially changes propagates, for example, no distortion (physical quantity) is applied to each FBG sensor, and the wavelength λ of the first pulsed light of incident pulsed light is In the case of the reference wavelength λ S , the elapsed time from the output time of the incident pulse light at the light receiving time in the light receiver of the reflected light from each FBG sensor located at each distance position L 1 , L 2 , L 3 ,. The time is times t 1 , t 2 , t 3 ,... Corresponding to the distance positions L 1 , L 2 , L 3 ,. When a physical quantity is applied to each FBG sensor, the wavelength characteristic of the reflected light shifts in the direction of the wavelength axis, so that the times t 1 , t 2 , t corresponding to the distance positions L 1 , L 2 , L 3 ,. The levels FB 11 , FB 21 , FB 31 ,... at t 3 ,.

そして、入射パルス光における期間T経過して波長λがΔλAだけ移動した波長(λS+ΔλA)のパルス光を光ファイバに入力させると、時刻t1、t2、t3、…に所定期間Tを加算した各時刻t1+T、t2+T、t3+T、…に物理量に対応したレベルFB12、FB22、FB32、…が得られる。さらに、所定期間T経過して波長λがΔλAだけ移動した波長(λS+2ΔλA)のパルス光を光ファイバに入力させると、時刻t1、t2、t3、…に所定期間T×2を加算した各時刻t1+2T、t2+2T、t3+2T、…に物理量に対応したレベルFB13、FB23、FB33、…が得られる。 Then, when pulse light having a wavelength (λ S + Δλ A ) having a wavelength λ shifted by Δλ A after the period T in the incident pulse light has been input to the optical fiber, predetermined time t 1 , t 2 , t 3 ,. Levels FB 12 , FB 22 , FB 32 ,... Corresponding to physical quantities are obtained at times t 1 + T, t 2 + T, t 3 + T,. Further, when pulse light having a wavelength (λ S + 2Δλ A ) having a wavelength λ shifted by Δλ A after a predetermined period T has elapsed is input to the optical fiber, the predetermined period T × at times t 1 , t 2 , t 3 ,. Levels FB 13 , FB 23 , FB 33 ,... Corresponding to physical quantities are obtained at times t 1 + 2T, t 2 + 2T, t 3 + 2T,.

1番目のFBGセンサの反射光の波長特性における各波長λS、λS+ΔλA、λS+2ΔλA、λS+3ΔλA、…におけるレベルFB11、FB21、FB31、FB41、…が求まるので、これらのレベルの包絡線を求めることによって、反射光の波長特性が求まる。 Since the levels FB 11 , FB 21 , FB 31 , FB 41,... At the respective wavelengths λ S , λ S + Δλ A , λ S + 2Δλ A , λ S + 3Δλ A ,... In the wavelength characteristics of the reflected light of the first FBG sensor are obtained. The wavelength characteristics of the reflected light can be obtained by obtaining the envelope of these levels.

その結果、反射光の波長特性における中心波長λCが求まり基準波長λSからの波長ずれ量が求まる。したがって、当該FBGセンサに印加されている歪み量(物理量)を測定できる。この場合、各FBGセンサの反射光の波長特性は、それぞれ決まった時間位置にレベルが現れるので、各FBGセンサの反射光の波長特性を重ねることができる。 As a result, the center wavelength λ C in the wavelength characteristic of the reflected light is obtained, and the wavelength shift amount from the reference wavelength λ S is obtained. Therefore, the amount of strain (physical quantity) applied to the FBG sensor can be measured. In this case, the level of the wavelength characteristics of the reflected light of each FBG sensor appears at a predetermined time position, so that the wavelength characteristics of the reflected light of each FBG sensor can be overlapped.

また、このような構成においては、FBGセンサ毎の波長が異なる反射パルス光のグループによれば、FBGセンサ毎の反射光の波長特性が簡単に求まる。 In such a configuration , according to the group of reflected pulsed light having different wavelengths for each FBG sensor, the wavelength characteristics of the reflected light for each FBG sensor can be easily obtained.

また、他の発明においては、物理量算出手段は、FBGセンサの基準波長を記憶する基準波長記憶部と、算出された各FBGセンサの反射光の中心波長の基準波長からのずれ波長を算出するずれ波長算出部と、この算出された各ずれ波長から各FBGセンサに印加された物理量を算出する物理量算出部とで構成されている。 In another invention , the physical quantity calculation means includes a reference wavelength storage unit that stores a reference wavelength of the FBG sensor, and a shift that calculates a shift wavelength of the calculated center wavelength of the reflected light of each FBG sensor from the reference wavelength. and wavelength calculator, and a physical quantity calculation unit that calculates a physical quantity applied to the FBG sensor from the shift wavelengths this was calculated.

さらに別の発明においては、波長掃引パルス光源を、一方の光出射端面がARコートされている半導体レーザと、半導体レーザのARコートされている端面から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートレンズから出射されたコリメート光を受けて波長に応じた角度で回折させる回折格子と、反射体と反射体駆動部とを含んで構成され、半導体レーザの他方の出射端面から波長が連続的に変化する光を出射させるように反射体駆動部を制御するMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)スキャナと、半導体レーザを駆動する所定周期及び所定デューティー比を有したパルス信号を半導体レーザへ駆動信号として印加するパレス発生器とで構成している。   In yet another invention, the wavelength-swept pulse light source includes a semiconductor laser in which one light emitting end face is AR coated, a collimating lens for collimating light emitted from the AR coated end face of the semiconductor laser, and a collimating Consists of a diffraction grating that receives collimated light emitted from the lens and diffracts it at an angle according to the wavelength, a reflector, and a reflector drive unit, and the wavelength continuously changes from the other emission end face of the semiconductor laser. A micro electro mechanical systems (MEMS) scanner that controls a reflector driving unit to emit light to be emitted, and a pulse that applies a pulse signal having a predetermined period and a predetermined duty ratio for driving the semiconductor laser as a drive signal to the semiconductor laser It consists of a generator.

さらに別の発明においては、波長掃引パルス光源を、波長が連続的に変化しレベルが一定である光を出射する波長可変光源と、所定周期及び所定デューティー比を有したパルス信号を発するパルス発生器と、このパルス信号を受けて、波長可変光源から出射された光をオン/オフ制御して複数のパルス光を発生する光スイッチとで構成している。   In yet another invention, the wavelength-swept pulse light source includes a wavelength-variable light source that emits light having a continuously variable wavelength and a constant level, and a pulse generator that emits a pulse signal having a predetermined period and a predetermined duty ratio. And an optical switch that receives the pulse signal and controls on / off of the light emitted from the wavelength variable light source to generate a plurality of pulse lights.

さらに別の発明においては、波長掃引パルス光源を、波長が連続的に変化しレベルが一定である光を出射する波長可変光源と、所定周期及び所定デューティー比を有したパルス信号を発するパルス発生器と、このパルス信号を受けて、波長可変光源から出射された光をオン/オフ制御して前記複数のパルス光を発生する光増幅器とで構成している。   In yet another invention, the wavelength-swept pulse light source includes a wavelength-variable light source that emits light having a continuously variable wavelength and a constant level, and a pulse generator that emits a pulse signal having a predetermined period and a predetermined duty ratio. And an optical amplifier that receives the pulse signal and controls the light emitted from the wavelength tunable light source to be turned on / off to generate the plurality of pulse lights.

さらに別の発明においては、波長可変光源を、一方の光出射端面がARコートされている半導体レーザと、この半導体レーザのARコートされている端面から出射された光をコリメートするコリメートレンズと、このコリメートレンズから出射されたコリメート光を受けて波長に応じた角度で回折させる回折格子と、反射体と反射体駆動部とを含んで構成され、半導体レーザの他方のARコートされていない出射端面から波長が連続的に変化する光を出射させるように反射体駆動部を制御するMEMSスキャナとで構成している。   In yet another invention, the wavelength tunable light source includes a semiconductor laser in which one light emitting end face is AR-coated, a collimating lens for collimating light emitted from the AR-coated end face of the semiconductor laser, A diffraction grating that receives collimated light emitted from a collimating lens and diffracts it at an angle according to the wavelength, a reflector and a reflector driving unit, and is formed from the other AR-coated emission end face of the semiconductor laser. It is comprised with the MEMS scanner which controls a reflector drive part so that the light from which a wavelength changes continuously may be emitted.

このように構成された物理量測定システムにおいては、基準波長を含む波長特性が等しい複数のFBGセンサを光ファイバで直列接続した場合においても、物理量の印加時における反射光の波長特性を短時間でかつ高い精度で検出でき、しかして、FBGセンサに印加される物理量を短時間でかつ高い精度で測定できる。   In the physical quantity measurement system configured in this way, even when a plurality of FBG sensors having the same wavelength characteristics including the reference wavelength are connected in series with an optical fiber, the wavelength characteristics of the reflected light when applying the physical quantity can be reduced in a short time. It can be detected with high accuracy, and the physical quantity applied to the FBG sensor can be measured in a short time and with high accuracy.

このように構成された物理量測定システムにおいては、基準波長を含む波長特性が等しい複数のFBGセンサを光ファイバで直列接続した場合においても、物理量の印加時における反射光の波長特性を短時間でかつ高い精度で検出でき、しかも、FBGセンサに印加される物理量を短時間でかつ高い精度で測定できる。 In the physical quantity measurement system configured in this way, even when a plurality of FBG sensors having the same wavelength characteristics including the reference wavelength are connected in series with an optical fiber, the wavelength characteristics of the reflected light when applying the physical quantity can be reduced in a short time. It can be detected with high accuracy, and the physical quantity applied to the FBG sensor can be measured with high accuracy in a short time.

(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態の物理量測定システムの概略構成図である。図14、図15、図16に示す従来の歪測定システムと同一部分には、同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a physical quantity measurement system according to a first embodiment of the present invention. The same parts as those in the conventional strain measurement system shown in FIGS. 14, 15, and 16 are denoted by the same reference numerals, and detailed description of the overlapping parts is omitted.

波長掃引パルス光源20は波長可変光源21とパルス発生器22とで構成さている。波長可変光源21は図4に示す波長λがFBGセンサ1の基準波長λSを中心にλ1からλmまで連続的に変化し、レベルが一定である掃引光aを発生する。 Swept pulse light source 20 is composed of a wavelength-tunable light source 21 and the pulse generator 22. The wavelength tunable light source 21 generates the sweep light a having a constant level, with the wavelength λ shown in FIG. 4 continuously changing from λ 1 to λ m around the reference wavelength λ S of the FBG sensor 1.

パルス発生器22は、図4に示すように、パルス幅が約20nsと非常に狭く、すなわち、デューティー比が小さく、周期Tのパルス信号bを波長可変光源21へ駆動信号として印加する。波長可変光源21は、掃引光aにおけるパルス信号bがハイレベル期間のみ規定レベルを有する入射パルス光cを波長掃引パルス光源20から光ファイバ5の一端(入射端)5aに入射する。したがって、この入射パルス光cは、図4に示すように、波長λがFBGセンサ1の基準波長λSを中心にλ1からλmまでΔλAずつ順次増加していく複数のパルス光で構成されている。 As shown in FIG. 4, the pulse generator 22 applies a pulse signal b having a very narrow pulse width of about 20 ns, that is, having a small duty ratio and a period T to the wavelength variable light source 21 as a drive signal. The wavelength tunable light source 21 makes incident pulsed light c whose pulse signal b in the swept light a has a specified level only during a high level period from the wavelength swept pulse light source 20 to one end (incident end) 5a of the optical fiber 5. Therefore, as shown in FIG. 4, the incident pulsed light c is composed of a plurality of pulsed light whose wavelength λ increases sequentially from λ 1 to λ m by Δλ A around the reference wavelength λ S of the FBG sensor 1. Has been.

光ファイバ5における一端(入射端)5aからの各距離位置L1、L2、L3、L4、…Lnにそれぞれ基準波長λS及び反射光3の波長特性が等しいn個のFBGセンサ1が挿入されている。この光ファイバ5の長さL(=L)を入射パルス光cの一つのパルス光が往復する所要時間は、光ファイバ5の屈折率n、光速度Cを用いて、(2nL/C)で示されるので、パルス信号bの周期、すなわち、入射パルス光cのパレス光の間隔Tは、 N FBG sensors in which the reference wavelength λ S and the wavelength characteristics of the reflected light 3 are equal to each of the distance positions L 1 , L 2 , L 3 , L 4 ,... L n from one end (incident end) 5a of the optical fiber 5. 1 is inserted. The length of the optical fiber 5 L (= L m) required time one pulse light incident pulse light c reciprocates, using the refractive index of the optical fiber 5 n, the light speed C, (2nL / C) Therefore, the period of the pulse signal b, that is, the interval T of the Palace light of the incident pulse light c is

測定制御部28の測定開始指示に基づいて、波長掃引パルス光源20から出力された入射パルス光cは、光ファイバ5の一端(入射端)5aへ入射して、サーキュレータ12を透過して、各距離位置L1、L2、L3、L4、…Lnに設けられたFBGセンサ1を経て光ファイバ5の遠端に到達する。そして、各距離位置L1、L2、L3、L4、…Lnに設けられた各FBGセンサ1の入射パルス光cに対する反射パルス光dはサーキュレータ12で分岐され、受光器23で電気信号に変換されて、A/D変換器24でデジタルの反射パルス信号に変換されて、データ書込部25へ入力される。 Based on the measurement start instruction of the measurement control unit 28, the incident pulse light c output from the wavelength sweep pulse light source 20 enters one end (incident end) 5a of the optical fiber 5, passes through the circulator 12, and passes through the circulator 12. length position L 1, L 2, L 3 , L 4, ... through the FBG sensor 1 provided in L n reaches the far end of the optical fiber 5. Then, the reflected pulse light d with respect to the incident pulse light c of each FBG sensor 1 provided at each of the distance positions L 1 , L 2 , L 3 , L 4 ,... L n is branched by the circulator 12 and electrically received by the light receiver 23. The signal is converted into a signal, converted into a digital reflected pulse signal by the A / D converter 24, and input to the data writing unit 25.

出力検出部26は、入射パルス光cの先頭のパルス光が光ファイバ5の一端(入射端)5aに入射するとタイミング制御部27を起動する。タイミングメモリ29内には、入射パルス光cの先頭のパルス光が光ファイバ5の一端(入射端)5aに入射した時刻から、入射パルス光cの各波長λ1、λ2、λ3、λ4、…λmの各パルス光が各距離位置L1、L2、L3、L4、…Lnに設けられた各FBGセンサ1で反射されて受光器23で受光されるまでの各経過時間が記憶されている。 The output detection unit 26 activates the timing control unit 27 when the first pulsed light of the incident pulsed light c is incident on one end (incident end) 5a of the optical fiber 5. In the timing memory 29, each wavelength λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ of the incident pulsed light c is determined from the time when the first pulsed light of the incident pulsed light c is incident on one end (incident end) 5a of the optical fiber 5. 4, each of the pulse light ... lambda m is up and is received by the distance position L 1, L 2, L 3 , L 4, ... L each provided n FBG sensor 1 light receiver 23 is reflected by the The elapsed time is stored.

例えば、図7に示すように、入射パルス光cにおける波長λ1の先頭のパルス光の出射時刻t0からの1番のFBGセンサ1の反射パルス信号の経過時間t11、2番のFBGセンサ1の反射パルス信号の経過時間t21、3番のFBGセンサ1の反射パルス信号の経過時間t31、…が記憶されている。 For example, as shown in FIG. 7, the elapsed time t 11 of the reflected pulse signal of the first FBG sensor 1 from the emission time t 0 of the first pulse light of the wavelength λ 1 in the incident pulse light c, the second FBG sensor The elapsed time t 21 of the reflected pulse signal No. 1 and the elapsed time t 31 of the reflected pulse signal of the third FBG sensor 1 are stored.

さらに、入射パルス光cにおける波長λ2の2番目のパルス光に対する時刻t0からの1番のFBGセンサ1の反射パルス信号の経過時間t12、2番のFBGセンサ1の反射パルス信号の経過時間t22、3番のFBGセンサ1の反射パルス信号の経過時間t32、…が記憶されている。 Further, the elapsed time t 12 of the reflected pulse signal of the first FBG sensor 1 from the time t 0 with respect to the second pulsed light of the wavelength λ 2 in the incident pulsed light c, the elapsed time of the reflected pulse signal of the second FBG sensor 1 elapsed time t 32 the time t 22, 3 number of the reflected pulse signals of the FBG sensor 1, ... are stored.

タイミング制御部27は、出力検出部26からの入射時刻からタイミングメモリ29内に記憶されている各経過時間が到達する毎に、波長λとFBGセンサ1の番号とのセットをデータ書込部25へ送出する。データ書込部25は、A/D変換器24から出力された反射パルス信号の信号値(FB)を図2に示す入射パレス光別測定値テーブル30における前記波長λとFBGセンサ1の番号とで指定される領域31に書込む。   The timing control unit 27 sets the set of the wavelength λ and the number of the FBG sensor 1 every time the elapsed time stored in the timing memory 29 reaches from the incident time from the output detection unit 26. To send. The data writing unit 25 obtains the signal value (FB) of the reflected pulse signal output from the A / D converter 24, the wavelength λ in the measurement value table 30 for each incident palace light shown in FIG. Write to the area 31 specified by.

一つの入射パルス光cに対する[全部の波長×全部のFBGセンサ]のデータの取得、の測定が終了し、入射パレス光別測定値テーブル30への書込が終了すると、データ編集部32が起動して、入射パルス光別測定値テーブル30に記憶された入射パルス光別の各測定値のデータ(グループ)を、FBGセンサ別の各測定値のデータ(グループ)に編集して、図3に示す、FBG別各測定値テーブル33の各領域34に書込む。   When the measurement of the acquisition of [all wavelengths × all FBG sensors] data for one incident pulsed light c is completed and the writing to the measured value table 30 for each incident palace light is completed, the data editing unit 32 is activated. Then, the data (group) of each measurement value for each incident pulse light stored in the measurement value table 30 for each incident pulse light is edited into the data (group) for each measurement value for each FBG sensor, and is shown in FIG. It writes in each area 34 of each measured value table 33 for each FBG shown.

次に、波長特性算出部35は、FBG別各測定値テーブル33内の縦1列の1つのFBGセンサ1の各波長λ1、λ2、λ3、λ4、…λmの測定値(データ)FB11、FB21、FB31、…、FBm1を用いて、図5に示す当該FBGセンサ1の反射光の波長λを横軸とする波長特性36を算出する。具体的には、波長λ1、λ2、λ3、λ4、…λmの測定値(データ)FB11、FB21、FB31、…、FBm1における包絡線を求める。 Next, the wavelength characteristic calculator 35 measures the measured values (λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 ,... Λ m) of one FBG sensor 1 in one vertical column in each measured value table 33 for each FBG ( Data) Using FB 11 , FB 21 , FB 31 ,..., FB m1 , a wavelength characteristic 36 having the horizontal axis of the wavelength λ of the reflected light of the FBG sensor 1 shown in FIG. Specifically, the wavelength λ 1, λ 2, λ 3 , λ 4, the measured value of ... lambda m (data) FB 11, FB 21, FB 31, ..., obtaining an envelope in FB m1.

次に、中心波長算出部37は、算出された1番からn番の各FBGセンサ1における反射光の波長特性36の各中心波長λC1、λC2、λC3、λC4、…λCnを求めて、物理量算出手段38のずれ波長算出部39へ送出する。 Next, the center wavelength calculator 37 calculates the center wavelengths λ C1 , λ C2 , λ C3 , λ C4 ,... Λ Cn of the wavelength characteristics 36 of the reflected light in the calculated 1st to nth FBG sensors 1. It is obtained and sent to the shifted wavelength calculation unit 39 of the physical quantity calculation means 38.

ずれ波長算出部39は、図6に示すように、各FBGセンサ1の中心波長λC1、λC2、λC3、λC4、…λ Cn の基準波長メモリ40に記憶されているFBGセンサ1の基準波長λSからの波長ずれΔλ1、Δλ2、Δλ3、Δλ4、…Δλmを算出する。 Shift the wavelength calculating unit 39, as shown in FIG. 6, the center wavelength lambda C1 of each FBG sensor 1, λ C2, λ C3, λ C4, ... λ Cn of the FBG sensor 1 stored in the reference wavelength memory 40 Wavelength shifts Δλ 1 , Δλ 2 , Δλ 3 , Δλ 4 ,... Δλ m from the reference wavelength λ S are calculated.

物理量算出部41は、各波長ずれΔλ1、Δλ2、Δλ3、Δλ4、…Δλmに、定数Kを乗算して、1番からn番の各FBGセンサ1に印加された歪み(物理量)ε1、ε2、ε3、ε4、…εnを算出して表示器42に表示出力する。 The physical quantity calculation unit 41 multiplies each wavelength shift Δλ 1 , Δλ 2 , Δλ 3 , Δλ 4 ,... Δλ m by a constant K, and applies distortion (physical quantity) applied to each of the FBG sensors 1 from No. 1 to n. ) Ε 1 , ε 2 , ε 3 , ε 4 ,... Ε n are calculated and displayed on the display 42.

このように構成された第1実施形態の物理量測定システムにおいては、たとえ基準波長λSを含む波長特性が等しい複数のFBGセンサ1を光ファイバ5で直列接続した場合においても、物理量の印加時における反射光の波長特性36を短時間でかつ高い精度で検出できる。 In the physical quantity measurement system of the first embodiment configured as described above, even when a plurality of FBG sensors 1 having the same wavelength characteristics including the reference wavelength λ S are connected in series by the optical fiber 5, the physical quantity is applied. The wavelength characteristic 36 of the reflected light can be detected with high accuracy in a short time.

さらに、同一規格の複数のFBGセンサ1を直列接続した光ファイバ5の一端(入射端)5aに入射する測定用の光として、波長λが順次変化していく複数のパルス光からなる入射パルス光cを採用し、かつ、各パルス光の時間間隔Tを互いに等しく設定され、かつ、当該パルス光が光ファイバ5を往復するに要する時間(2nL/C)より長く設定している。   Further, incident pulsed light composed of a plurality of pulsed light whose wavelengths λ sequentially change as measurement light incident on one end (incident end) 5a of an optical fiber 5 in which a plurality of FBG sensors 1 of the same standard are connected in series. c, and the time interval T of each pulsed light is set to be equal to each other and longer than the time required for the pulsed light to reciprocate the optical fiber 5 (2 nL / C).

したがって、図7に示すように、入射パルス光cを構成する1つの波長λのパルス光の出力時刻から次の波長(λ+ΔλA)のパルス光の出力時刻までの期間T内に、先の波長λのパルス光に対する1番からn番までの全部のFBGセンサ1からの反射パルスが互いに時間をずらして受光される。したがって、各FBGセンサ1の反射光の波長特性36を図4の反射パルス光dに示すように、重ねることができ、入射パルス光cの出射周期を短縮できる。 Therefore, as shown in FIG. 7, the previous wavelength is within a period T from the output time of the pulse light of one wavelength λ constituting the incident pulse light c to the output time of the pulse light of the next wavelength (λ + Δλ A ). All the reflected pulses from the FBG sensors 1 from No. 1 to No. n with respect to the pulsed light of λ are received with a time shift. Therefore, the wavelength characteristics 36 of the reflected light of each FBG sensor 1 can be overlapped as shown by the reflected pulsed light d in FIG. 4, and the emission period of the incident pulsed light c can be shortened.

(第2実施形態)
図8は本発明の第2実施形態の物理量測定システムに組込まれた波長掃引パルス光源20aの概略構成図である。すなわち、この第2実施形態の物理量測定システムは、図1に示す第1実施形態の物理量測定システムにおける波長掃引パルス光源20を図8に示す波長掃引パルス光源20aに置き換えたシステムである。したがって、この波長掃引パルス光源20a以外の説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a wavelength sweep pulse light source 20a incorporated in the physical quantity measurement system of the second embodiment of the present invention. That is, the physical quantity measurement system of the second embodiment is a system in which the wavelength sweep pulse light source 20 in the physical quantity measurement system of the first embodiment shown in FIG. 1 is replaced with the wavelength sweep pulse light source 20a shown in FIG. Therefore, description other than this wavelength sweep pulse light source 20a is abbreviate | omitted.

この波長掃引パルス光源20aは、波長可変光源21とパルス発生器22とで構成されている。図8において、波長可変光源21内において、半導体レーザ(LD)51のARコートされている端面から出射された光をコリメートレンズ52によってコリメート光に変換して回折格子53へ入射し、その入射光に対して回折格子53が出射する回折光をMEMSスキャナ54に入射する。   The wavelength swept pulse light source 20 a is composed of a wavelength variable light source 21 and a pulse generator 22. In FIG. 8, in the wavelength tunable light source 21, the light emitted from the end surface of the semiconductor laser (LD) 51 that is AR-coated is converted into collimated light by the collimating lens 52 and incident on the diffraction grating 53. The diffracted light emitted from the diffraction grating 53 is incident on the MEMS scanner 54.

MEMSスキャナ54は、反射体55と反射体駆動手段56で構成され、回折格子53から入射されるコリメート光に対する回折光が、反射体55の反射面で回折格子53へ反射されて、再び回折格子53で回折され、それによって得られた回折光がコリメートレンズ52を介してLD51に入射されるとき、LD51に入射される回折光が所望の波長の光となるようにするとともに、この所望の波長が所定の波長範囲を含んで往復掃引されるように反射体55の反射面の角度を反射体駆動手段56により所定の周期で繰り返し変化(往復回転)させている。このような構成によって、波長掃引された掃引光aが発振されて、LD51のARコートされていない端面から出力さる。   The MEMS scanner 54 includes a reflector 55 and reflector drive means 56, and the diffracted light with respect to the collimated light incident from the diffraction grating 53 is reflected by the reflection surface of the reflector 55 to the diffraction grating 53, and again the diffraction grating. When the diffracted light diffracted by 53 and incident on the LD 51 is incident on the LD 51 via the collimator lens 52, the diffracted light incident on the LD 51 becomes light having a desired wavelength and the desired wavelength. Is reciprocally changed (reciprocatingly rotated) at a predetermined period by the reflector driving means 56 such that the reciprocating sweep is performed including a predetermined wavelength range. With such a configuration, the wavelength-swept swept light a is oscillated and output from the end surface of the LD 51 that is not AR-coated.

パルス発生器22は、前述したように、パルス幅が約20nsと非常に狭く、周期Tのパルス信号bをLD51へ駆動信号として印加する。したがって、前記掃引光aは、周期Tのパルス信号bにて発振時間が制御される。その結果、LD51から、前述した、波長λが順次変化していく複数のパルス光で構成された入射パルス光cが出射されて光ファイバ5の一端(入射端)5aへ入射される。   As described above, the pulse generator 22 applies a pulse signal b having a period T, which is as narrow as about 20 ns, to the LD 51 as a drive signal. Therefore, the oscillation time of the sweep light a is controlled by the pulse signal b having a period T. As a result, the above-described incident pulsed light c composed of a plurality of pulsed light whose wavelengths λ sequentially change is emitted from the LD 51 and is incident on one end (incident end) 5 a of the optical fiber 5.

なお、図9に示す波長掃引パルス光源20aは、波長可変光源21とパルス発生器22と光スイッチ69とで構成されている。すなわち、この波長掃引パルス光源20aにおいては、パルス信号bで直接半導体レーザ51をオン/オフ制御する代わりに、LD51のARコートされていない端面から出射された光を、LD51とサーキュレータ12との間に設けられた光スイッチ69でオン/オフ制御して、波長が順次変化していく複数のパルス光を発生させる。   9 includes a wavelength tunable light source 21, a pulse generator 22, and an optical switch 69. That is, in this wavelength swept pulse light source 20a, instead of directly controlling on / off of the semiconductor laser 51 with the pulse signal b, light emitted from the end surface of the LD 51 that is not AR-coated is transmitted between the LD 51 and the circulator 12. On / off control is performed by an optical switch 69 provided in a plurality of pulse lights whose wavelengths are sequentially changed.

さらに、図10に示す波長掃引パルス光源20aは、波長可変光源21とパルス発生器22と光増幅器70とで構成されている。すなわち、この波長掃引パルス光源20aにおいては、光スイッチ69に代えて光増幅器70でLD51のARコートされていない端面から出射された光をオン/オフ制御している。   Further, the wavelength swept pulse light source 20 a shown in FIG. 10 includes a wavelength variable light source 21, a pulse generator 22, and an optical amplifier 70. That is, in this wavelength sweep pulse light source 20a, light emitted from the end surface of the LD 51 that is not AR-coated is controlled on / off by the optical amplifier 70 instead of the optical switch 69.

なお、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)スキャナ54とは、マイクロ電気機械式構造体(電気信号の制御を受けて機械的に動作する構造体)によって形成されたスキャナを意味している。   The MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) scanner 54 means a scanner formed by a micro electro mechanical structure (a structure that operates mechanically under the control of an electrical signal).

ここで、MEMSスキャナ54による波長掃引について説明する。図12に示す駆動信号Da、Dbを印加してMEMSスキャナ54を所定の掃引周期で往復掃引する(上述の反射体55を往復回転させる)と、図13(a)に示すように、MEMSスキャナ54の往復回転角度はほぼ正弦波的に変化する。その結果、掃引される波長λも正弦波状に変化する。   Here, wavelength sweeping by the MEMS scanner 54 will be described. When the MEMS scanner 54 is reciprocally swept at a predetermined sweep period by applying the drive signals Da and Db shown in FIG. 12 (the reflector 55 is reciprocally rotated), as shown in FIG. The reciprocating rotation angle of 54 changes almost sinusoidally. As a result, the swept wavelength λ also changes in a sine wave shape.

したがって、掃引光aの所定の波長範囲(測定波長範囲)が、図13(b)に示すように、その正弦波状に変化する波形の直線に近い部分に来るように、MEMSスキャナ54の往復掃引の波長範囲(往復回転角度の範囲)が設定される。つまり、駆動信号Da、Dbの振幅の調整により設定される。なお、上述の駆動信号Da、Dbのいずれか一方はトリガ信号Trとして測定制御部28aへ出力される。   Therefore, the reciprocal sweep of the MEMS scanner 54 is performed so that the predetermined wavelength range (measurement wavelength range) of the swept light a is close to the straight line of the waveform changing in a sine wave shape as shown in FIG. Is set (range of reciprocating rotation angle). That is, it is set by adjusting the amplitude of the drive signals Da and Db. One of the drive signals Da and Db described above is output to the measurement control unit 28a as a trigger signal Tr.

また、図8において、回折格子53の0次光は、エタロン等の光共振器57に入射されて所定の波長の光のみが透過される。そして、その透過光は受光器(PD)58で電気信号に変換されて測定制御部28aへ出力される。すなわち、出力光(入射パルス光cの元の掃引光a)の波長掃引に対応して所定の波長間隔、例えば周波数で500GHz間隔の透過光を発生し、受光器58で電気信号に変換される。この透過光の波長(周波数)は既知である。したがって、その透過光を光電変換して得られた電気信号を用いて、波長掃引パルス光源20aの発振波長(波長掃引された入射パルス光cの各パルス光の波長λ)を求めることができる。   In FIG. 8, the 0th-order light of the diffraction grating 53 is incident on an optical resonator 57 such as an etalon, and only light of a predetermined wavelength is transmitted. Then, the transmitted light is converted into an electrical signal by the light receiver (PD) 58 and output to the measurement control unit 28a. That is, transmitted light is generated at a predetermined wavelength interval, for example, a frequency of 500 GHz corresponding to the wavelength sweep of the output light (the original sweep light a of the incident pulse light c), and is converted into an electric signal by the light receiver 58. . The wavelength (frequency) of this transmitted light is known. Therefore, the oscillation wavelength of the wavelength-swept pulse light source 20a (the wavelength λ of each pulse light of the wavelength-swept incident pulsed light c) can be obtained using an electrical signal obtained by photoelectrically converting the transmitted light.

次に、MEMSスキャナ54の反射体55及び反射体駆動手段56の構成及び動作を図11を用いて説明する。   Next, the configuration and operation of the reflector 55 and the reflector driving means 56 of the MEMS scanner 54 will be described with reference to FIG.

反射体55は、横長矩形で互いに平行に配置された一対の固定基板59、60と、この一対の固定基板59、60の長辺側縁部の中央からこの固定基板59、60と直交する方向に所定幅、所定長さで延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な一対の軸部61、62と、横長矩形で一方の長辺側縁部の中央部で軸部61の先端に連結され、他方の長辺側縁部の中央部で軸部62の先端に連結された反射板63とを有している。   The reflector 55 is a pair of fixed substrates 59, 60 arranged in parallel with each other in a horizontally long rectangle, and a direction orthogonal to the fixed substrates 59, 60 from the center of the long side edge of the pair of fixed substrates 59, 60. A pair of shaft portions 61, 62 extending in a predetermined width and length and capable of being twisted and deformed along the length direction of the shaft portion 61 at the center of one of the long side edges of the horizontally long rectangle. The reflector 63 is connected to the tip and connected to the tip of the shaft 62 at the center of the other long side edge.

この反射板63は、捩じれ変形可能な軸部61、62に中心部が支持されているので、この軸部61、62を結ぶ線を中心軸として固定基板59、60に対して回転することができる。また、軸部61、62と反射板63とからなる部分の固有振動数f0は、反射板63自体の形状や質量及び軸部61、62のバネ定数によって決まる。また、反射板63の一面側には、光を反射するための反射面64が形成されている。 Since the reflection plate 63 is supported at its central portion by the shaft portions 61 and 62 that can be twisted and deformed, it can rotate with respect to the fixed substrates 59 and 60 about the line connecting the shaft portions 61 and 62 as the central axis. it can. Further, the natural frequency f 0 of the portion composed of the shaft portions 61 and 62 and the reflecting plate 63 is determined by the shape and mass of the reflecting plate 63 itself and the spring constant of the shaft portions 61 and 62. A reflective surface 64 for reflecting light is formed on one surface side of the reflective plate 63.

支持基板65は絶縁性を有する材料からなり、その一面側の上部と下部には、前方へ突出する支持台65a、65bが形成されており、反射体55の固定基板59、60は、この上下の支持台65a、65bに接した状態で固定されている。また、支持基板65の一面側中央部の両端には、反射体55の反射板63の両端にそれぞれ対向する電極板66、67がパターン形成されている。   The support substrate 65 is made of an insulating material, and support bases 65a and 65b projecting forward are formed on the upper and lower portions on one side, and the fixed substrates 59 and 60 of the reflector 55 are formed on the upper and lower sides. Are fixed in contact with the support bases 65a and 65b. In addition, electrode plates 66 and 67 that are opposed to both ends of the reflection plate 63 of the reflector 55 are formed in patterns at both ends of the central portion on the one surface side of the support substrate 65.

この電極板66、67は、駆動信号発生器68とともに反射体駆動手段56(図8参照)を構成するものであり、反射板63の両端部に静電力を交互にかつ周期的に印加して、反射板63を、軸部61、62を結ぶ線を中心に往復回転運動させる。なお、反射板63の回転軸は回折格子53の回折溝と平行となるように設定されている。   The electrode plates 66 and 67 constitute a reflector driving means 56 (see FIG. 8) together with the drive signal generator 68, and an electrostatic force is applied alternately and periodically to both ends of the reflector 63. The reflecting plate 63 is reciprocally rotated around a line connecting the shaft portions 61 and 62. Note that the rotation axis of the reflecting plate 63 is set to be parallel to the diffraction grooves of the diffraction grating 53.

このように構成された反射体55は、回折格子53からの回折光を反射板63の反射面64で受けて、その反射光を回折格子53へ入射させて、再度回折させる。   The reflector 55 configured as described above receives the diffracted light from the diffraction grating 53 by the reflection surface 64 of the reflection plate 63, causes the reflected light to enter the diffraction grating 53, and diffracts it again.

一方、反射体駆動手段56(図8参照)の一部を構成する駆動信号発生器68は、例えば、図13(a)、(b)に示すように、反射体55の電位を基準として電極板66、67に対して、固有振動数f0に対応した周波数を有し、位相が180°ずれた駆動信号Da、Dbを印加して、電極板66と反射板63の一端側との間及び電極板67と反射板63の他端側との間に、交互にかつ周期的に静電力(引力)を与え、反射板63を固有振動数f0あるいはその近傍の振動数で所定角度範囲を往復回転させる。 On the other hand, the drive signal generator 68 that constitutes a part of the reflector driving means 56 (see FIG. 8), for example, is an electrode based on the potential of the reflector 55 as shown in FIGS. Driving signals Da and Db having a frequency corresponding to the natural frequency f 0 and having a phase shifted by 180 ° are applied to the plates 66 and 67, and between the electrode plate 66 and one end side of the reflecting plate 63. In addition, an electrostatic force (attractive force) is applied alternately and periodically between the electrode plate 67 and the other end side of the reflecting plate 63, and the reflecting plate 63 has a predetermined angular range at the natural frequency f 0 or a frequency in the vicinity thereof. Is reciprocated.

このような反射体55及び反射体駆動手段56によって構成されたMEMSスキャナ54では、反射体55を、一対の固定基板59、60と、その縁部から所定幅で所定長さ延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な軸部61、62と、軸部61、62の先端に自身の縁部で連結され、軸部61、62に対して対称な形状に形成され、一面側に反射面64が形成された反射板63とによって構成するとともに、反射体55の軸部61、62と反射板63とからなる部分の固有振動数f0に対応した周波数の駆動信号によって反射板63に力を与えて、反射板63を固有振動数f0の振動数で往復回転させている。 In the MEMS scanner 54 constituted by the reflector 55 and the reflector driving means 56, the reflector 55 is extended from the pair of fixed substrates 59 and 60 and a predetermined length from the edge thereof with a predetermined width. The shafts 61 and 62 that can be twisted and deformed along the length direction are connected to the ends of the shafts 61 and 62 at their edges, and are formed in a symmetrical shape with respect to the shafts 61 and 62. And a reflection plate 63 having a frequency corresponding to the natural frequency f 0 of the portion composed of the shaft portions 61 and 62 of the reflector 55 and the reflection plate 63. A force is applied to 63 to rotate the reflecting plate 63 back and forth at a natural frequency f 0 .

このため、僅かな電気エネルギで反射板63を高速に往復回転させることができ、しかも、その回転中心が反射板63の内部(この場合、中央部)にあるので、反射板63の反射面64への入射光の反射角の変化量を大きくすることができる。なお、軸部61、62のバネ定数は、軸部61、62の長さ、幅、厚み、材質によって決まり、このバネ定数と、反射板63の形状、厚み、材質等で固有振動数f0が決定され、これらのパラメータを選ぶことにより、固有振動数f0を数100Hz〜数10kHzの範囲内で設定することができる。 For this reason, the reflecting plate 63 can be reciprocally rotated at a high speed with a small amount of electrical energy, and the center of rotation is inside the reflecting plate 63 (in this case, the central portion). The amount of change in the reflection angle of the incident light on can be increased. The spring constants of the shaft portions 61 and 62 are determined by the length, width, thickness, and material of the shaft portions 61 and 62, and the natural frequency f 0 depends on the spring constant and the shape, thickness, material, and the like of the reflector 63. By selecting these parameters, the natural frequency f 0 can be set within a range of several hundreds of Hz to several tens of kHz.

したがって、この第2実施形態の物理量測定システムの波長掃引パルス光源20aは、上記のような反射体55及び反射体駆動手段56を用いてMEMSスキャナ54を構成するようにしたので、掃引速度の高速化(最大数10kHz)ができる。   Therefore, since the wavelength sweep pulse light source 20a of the physical quantity measurement system of the second embodiment is configured as the MEMS scanner 54 using the reflector 55 and the reflector driving means 56 as described above, the sweep speed is high. (Up to several 10 kHz).

なお、図8、図9及び図19に示す実施形態では、MEMSスキャナ54の往復運動により波長を掃引する外部共振器タイプの波長可変光源21で説明したが、そのような構成の光源に限定されず、波長を連続的に掃引可能な光源であればよい。   8, 9, and 19, the external resonator type tunable light source 21 that sweeps the wavelength by the reciprocating motion of the MEMS scanner 54 has been described. However, the embodiment is limited to the light source having such a configuration. Any light source capable of continuously sweeping the wavelength may be used.

本発明の第1実施形態に係わる物理量測定システムの概略構成図1 is a schematic configuration diagram of a physical quantity measurement system according to a first embodiment of the present invention. 同実施形態の物理量測定システム内に形成された入射パルス光別測定値テーブルの記憶内容を示す図The figure which shows the memory content of the measurement value table classified by incident pulse light formed in the physical quantity measurement system of the embodiment 同物理量測定システム内に形成されたFBG別測定値テーブルの記憶内容を示す図The figure which shows the memory content of the measurement value table classified by FBG formed in the same physical quantity measurement system 同物理量測定システムの動作を示すタイムチャートTime chart showing the operation of the physical quantity measurement system 同物理量測定システムで算出される各FBGセンサの反射光の波長特性を示す図The figure which shows the wavelength characteristic of the reflected light of each FBG sensor calculated with the same physical quantity measurement system FBGセンサにおける無負荷時の反射光の波長特性と負荷時の反射光の波長特性との関係を示す図The figure which shows the relationship between the wavelength characteristic of the reflected light at the time of no load in the FBG sensor, and the wavelength characteristic of the reflected light at the time of load 同物理量測定システムにおける入射パルス光の送信時刻と各FBGセンサからの反射光の受信時刻との関係を示す図The figure which shows the relationship between the transmission time of the incident pulse light in the same physical quantity measurement system, and the reception time of the reflected light from each FBG sensor 本発明の第2実施形態に係わる物理量測定システムに組込まれた波長掃引パルス光源の概略構成図The schematic block diagram of the wavelength sweep pulse light source integrated in the physical quantity measurement system concerning 2nd Embodiment of this invention 同第2実施形態の物理量測定システムにおける波長掃引パルス光源の変形例を示す概略構成図The schematic block diagram which shows the modification of the wavelength sweep pulse light source in the physical-quantity measurement system of the 2nd Embodiment 同波長掃引パルス光源の他の変形例を示す概略構成図Schematic configuration diagram showing another modification of the same wavelength swept pulse light source 同波長掃引パルス光源に組込まれたMEMSスキャナの分解斜視図An exploded perspective view of the MEMS scanner incorporated in the same wavelength sweep pulse light source 同MEMSスキャナの駆動信号を示す図The figure which shows the drive signal of the MEMS scanner 同MEMSスキャナによる波長掃引の説明図Illustration of wavelength sweep by the MEMS scanner FBGセンサの反射光と透過光の波長特性を示す図The figure which shows the wavelength characteristic of the reflected light and transmitted light of a FBG sensor 従来の歪み測定システムを示す図Diagram showing a conventional strain measurement system 他の従来の歪み測定システムを示す図The figure which shows other conventional distortion measurement systems 同従来の歪み測定システムの測定原理を示す図Diagram showing the measurement principle of the conventional strain measurement system

符号の説明Explanation of symbols

1…FBGセンサ、5…光ファイバ、12…サーキュレータ、20,20a…波長掃引パルス光源、21…波長可変光源、22…パルス発生器、23,58…受光器、24…A/D変換器、25…データ書込部、26…出力検出部、27…タイミング制御部、28,28a…測定制御部、29…タイミングメモリ、30…入射パルス別測定値テーブル、31,34…領域、32…データ編集部、33…FBG別測定値テーブル、35…波長特性算出部、36…波長特性、37…中心波長算出部、38…物理量算出手段、39…ずれ波長算出部、40…基準波長メモリ、41…物理量算出部、42…表示器、51…半導体レーザ(LD)、52…コリメートレンズ、53…回折格子、54…MEMSスキャナ、55…反射体、56…反射体駆動手段、57…光共振器、59,60…固定基板、61,62…軸部、63…反射板、64…反射面、65…支持基板、65a,65b…支持台、66,67…電極板、68…駆動信号発生器、69…光スイッチ、70…光増幅器   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... FBG sensor, 5 ... Optical fiber, 12 ... Circulator, 20, 20a ... Wavelength sweep pulse light source, 21 ... Wavelength variable light source, 22 ... Pulse generator, 23, 58 ... Light receiver, 24 ... A / D converter, 25 ... Data writing unit, 26 ... Output detection unit, 27 ... Timing control unit, 28, 28a ... Measurement control unit, 29 ... Timing memory, 30 ... Measurement value table for each incident pulse, 31, 34 ... Area, 32 ... Data Editing unit, 33 ... Measurement value table for each FBG, 35 ... Wavelength characteristic calculation unit, 36 ... Wavelength characteristic, 37 ... Center wavelength calculation unit, 38 ... Physical quantity calculation means, 39 ... Deviation wavelength calculation unit, 40 ... Reference wavelength memory, 41 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Physical quantity calculation part, 42 ... Display, 51 ... Semiconductor laser (LD), 52 ... Collimating lens, 53 ... Diffraction grating, 54 ... MEMS scanner, 55 ... Reflector, 56 ... Reflector drive Step 57: Optical resonator 59, 60 Fixed substrate 61, 62 Shaft 63 63 Reflecting plate 64 Reflecting surface 65 Support substrate 65a 65b Support plate 66 67 67 Electrode plate , 68 ... Driving signal generator, 69 ... Optical switch, 70 ... Optical amplifier

Claims (6)

互いに離間した複数の測定対象に設けられ、入射光に対する反射光の中心波長が測定対象から印加された物理量に応じて変化する複数のFBGセンサ(1)と、
前記各FGBセンサを直列接続する光ファイバ(5)と、
波長が順次変化していく複数のパルス光を生成して、前記光ファイバの入射端へ入射パルス光(c)として順次入射する波長掃引パルス光源(20,20a)と、
前記光ファイバに順次入射された各入射パルス光が前記各FBGセンサで反射されて入射端方向へ伝搬する各反射パルス光を分岐するサーキュレータ(12)と、
このサーキュレータで分岐された各反射パルス光を受光する受光器(23)と、
前記各入射パルス光に対する各FBGセンサからの反射パルス光の受光レベルを当該入射パルス光の波長に対応して記憶保持する測定値記憶手段(30)と、
この測定値記憶手段に記憶された各反射パルス光の受光レベルから前記各FBGセンサの反射光の波長特性を算出する波長特性算出手段(35)と、
この算出された波長特性の中心波長から前記各FBGセンサに印加された物理量を求める物理量算出手段(38)と
を備え、
前記波長特性算出手段(35)は、前記測定値記憶手段(30)に記憶された入射パルス光の波長毎の各反射パルス光の受光レベルのグループを、FBGセンサ毎の波長が異なる反射パルス光のグループ(33)に組換えるデータ編集部(32)と、この編集されたFBGセンサ毎の波長が異なる反射パルス光の受光レベルを用いて前記各FBGセンサの反射光の波長特性を算出する波長特性算出部(35)とを有し、
前記物理量が印加されていない状態における各FBGセンサの中心波長が互いに等しく設定され、
前記波長掃引パルス光源が前記光ファイバの入射端に順次入射させる各入射パルス光の各パルス光の送信間隔(T)は、互いに等しく設定され、かつ、当該パルス光が前記光ファイバを往復するに要する時間(2nL/C)より長く設定されている、
ことを特徴とする物理量測定システム。
A plurality of FBG sensors (1) that are provided in a plurality of measurement objects spaced apart from each other, and in which the center wavelength of reflected light with respect to incident light varies according to a physical quantity applied from the measurement object;
An optical fiber (5) for serially connecting the FGB sensors;
A wavelength sweep pulse light source (20, 20a) that generates a plurality of pulsed light whose wavelengths are sequentially changed, and sequentially enters the incident end of the optical fiber as incident pulsed light (c);
A circulator (12) for branching each reflected pulse light that is sequentially incident on the optical fiber and is reflected by the FBG sensors and propagates toward the incident end;
A light receiver (23) for receiving each reflected pulse light branched by the circulator;
A measurement value storage means (30) for storing and holding the received light level of the reflected pulse light from each FBG sensor with respect to each incident pulse light according to the wavelength of the incident pulse light;
Wavelength characteristic calculating means (35) for calculating the wavelength characteristic of the reflected light of each FBG sensor from the received light level of each reflected pulse light stored in the measured value storage means;
A physical quantity calculating means (38) for obtaining a physical quantity applied to each FBG sensor from the calculated center wavelength of the wavelength characteristic ;
With
The wavelength characteristic calculation means (35) is configured to select a group of received light levels of each reflected pulse light for each wavelength of the incident pulse light stored in the measurement value storage means (30), and the reflected pulse light having a different wavelength for each FBG sensor. The wavelength for calculating the wavelength characteristics of the reflected light of each of the FBG sensors using the data editing unit (32) recombined into the group (33) and the received light level of the reflected pulsed light having a different wavelength for each edited FBG sensor A characteristic calculation unit (35),
The center wavelengths of the FBG sensors in a state where the physical quantity is not applied are set to be equal to each other,
The transmission interval (T) of each pulsed light of each incident pulsed light that the wavelength swept pulse light source sequentially enters the incident end of the optical fiber is set to be equal to each other, and the pulsed light reciprocates through the optical fiber. It is set longer than the time required (2nL / C).
A physical quantity measuring system characterized by that.
前記物理量算出手段(38)は、前記FBGセンサの基準波長(λS)を記憶する基準波長記憶部(40)と、
前記算出された各FBGセンサの反射光の中心波長(λC)の前記基準波長からのずれ波長を算出するずれ波長算出部(39)と、この算出された各ずれ波長から前記各FBGセンサに印加された物理量を算出する物理量算出部(41)とを有する
ことを特徴とする請求項1に記載の物理量測定システム。
The physical quantity calculation means (38) includes a reference wavelength storage unit (40) for storing a reference wavelength (λ S ) of the FBG sensor;
A shift wavelength calculation unit (39) that calculates a shift wavelength of the calculated center wavelength (λ C ) of the reflected light of each FBG sensor from the reference wavelength, and from each of the calculated shift wavelengths to each FBG sensor. A physical quantity calculation unit (41) for calculating the applied physical quantity ;
The physical quantity measuring system according to claim 1 .
前記波長掃引パルス光源(20a)は、
一方の光出射端面がARコートされている半導体レーザ(51)と、
この半導体レーザのARコートされている端面から出射された光をコリメートするコリメートレンズ(52)と、
このコリメートレンズから出射されたコリメート光を受けて波長に応じた角度で回折させる回折格子(53)と、
反射体(55)と反射体駆動部(56)とを含んで構成され、前記半導体レーザの他方の出射端面から波長が連続的に変化する光を出射させるように反射体駆動部を制御するMEMSスキャナ(54)と、
前記半導体レーザを駆動する所定周期及び所定デューティー比を有したパルス信号を前記半導体レーザへ駆動信号として印加するパルス発生器(22)とを有する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の物理量測定システム。
The wavelength swept pulse light source (20a)
A semiconductor laser (51) in which one light emitting end face is AR coated;
A collimating lens (52) for collimating light emitted from the AR-coated end face of the semiconductor laser;
A diffraction grating (53) that receives collimated light emitted from the collimating lens and diffracts the collimated light at an angle corresponding to the wavelength;
A MEMS that includes a reflector (55) and a reflector drive unit (56), and controls the reflector drive unit to emit light having a wavelength that continuously changes from the other emission end face of the semiconductor laser. A scanner (54);
3. A pulse generator (22) for applying a pulse signal having a predetermined period and a predetermined duty ratio for driving the semiconductor laser as a drive signal to the semiconductor laser. Physical quantity measurement system.
前記波長掃引パルス光源(20a)は、
波長が連続的に変化しレベルが一定である光を出射する波長可変光源(21)と、
所定周期及び所定デューティー比を有したパルス信号を発するパルス発生器(22)と、
このパルス信号を受けて、前記波長可変光源から出射された光をオン/オフ制御して前記複数のパルス光を発生する光スイッチ(69)と
を有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の物理量測定システム。
The wavelength swept pulse light source (20a)
A wavelength tunable light source (21) that emits light having a continuously changing wavelength and a constant level;
A pulse generator (22) for generating a pulse signal having a predetermined period and a predetermined duty ratio;
An optical switch (69) for receiving the pulse signal and generating on-off control of light emitted from the wavelength tunable light source to generate the plurality of pulse lights ;
The physical quantity measurement system according to claim 1 or 2, characterized by comprising:
前記波長掃引パルス光源(20a)は、
波長が連続的に変化しレベルが一定である光を出射する波長可変光源(21)と、
所定周期及び所定デューティー比を有したパルス信号を発するパルス発生器(22)と、
このパルス信号を受けて、前記波長可変光源から出射された光をオン/オフ制御して前記複数のパルス光を発生する光増幅器(70)とを有する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の物理量測定システム。
The wavelength swept pulse light source (20a)
A wavelength tunable light source (21) that emits light having a continuously changing wavelength and a constant level;
A pulse generator (22) for generating a pulse signal having a predetermined period and a predetermined duty ratio;
In response to this pulse signal, according to claim 1 or claim characterized in that it comprises a light amplifier (70) for generating said plurality of pulse light emitted light on / off control to from the variable wavelength light source Item 3. The physical quantity measurement system according to Item 2 .
前記波長可変光源(21)は、
一方の光出射端面がARコートされている半導体レーザ(51)と、
この半導体レーザのARコートされている端面から出射された光をコリメートするコリメートレンズ(52)と、
このコリメートレンズから出射されたコリメート光を受けて波長に応じた角度で回折させる回折格子(53)と、
反射体(55)と反射体駆動部(56)とを含んで構成され、前記半導体レーザの他方のARコートされていない出射端面から波長が連続的に変化する光を出射させるように反射体駆動部を制御するMEMSスキャナ(54)と
を有することを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の物理量測定システム。
The wavelength tunable light source (21)
A semiconductor laser (51) in which one light emitting end face is AR coated;
A collimating lens (52) for collimating light emitted from the AR-coated end face of the semiconductor laser;
A diffraction grating (53) that receives collimated light emitted from the collimating lens and diffracts the collimated light at an angle corresponding to the wavelength;
A reflector driving unit configured to include a reflector (55) and a reflector driving unit (56), and to emit light whose wavelength continuously changes from the other AR-coated emission end face of the semiconductor laser. A MEMS scanner (54) for controlling the unit ;
The physical quantity measurement system according to claim 4 or 5, characterized by comprising:
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