JPH02170039A - 屈折率測定センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は屈折率測定センサに関し、特に屈折率を測定し
て液体の濃度や液面レベル等を測定するようにしたもの
に用いて好適なものである。

〔発明の概要〕

検出光の出射面と検出光の入射面とを向い合わせて配置
し、上記出射面を傾斜させると共に、複数の光ファイバ
の端末を面状に並べて上記入射面を形成して、上記出射
面から出射された検出光を上記出射面と」１記出射面と
の間の媒質の屈折率に応じて曲げて上記入射面に入射さ
せるように構成し、かつ上記検出光の入射の有無を上記
各光ファイバ毎に検出して上記検出光の入射位置を検出
し、上記検出光の入射位置に基いて上記媒質の屈折率を
測定することにより、屈折率測定を高精度にかつ安定し
て行なうことができるようにした屈折率測定センサであ
る。

〔従来の技術〕

各種液体の屈折率は一般に濃度や成分によって決まるの
で、屈折率を高精度に測定すると液体の成分や濃度を定
量測定することが可能である。光ファイバを用いた屈折
率測定センサとして、第１１図及び第１３図の構成図に
示すセンサ部を用いたものが知られている。

第１１図は石英ファイバまたは多成分ファイバ等の光フ
ァイバ３０をＵ字型に曲げてセンサ部３１を構成したも
のである。このように光ファイバ３０に予め曲率を与え
ておくと、液体が接触したときにこれがクラッドとして
働いて臨界角条件が変わる。そして光ファイバ３０のコ
アとクラッド面と液体の屈折率が略等しくなると、入射
光Ｉ、がＵ字の部分から漏れて伝送損失が変化する。光
の漏れ量は液体の屈折率によって変わるので、出射光Ｉ
５□の受光量を測定すると第１２図に示すような受光特
性が得られ、出射光Ｌ２の受光量から液体の屈折率が求
まる。

また、第１３図は光ファイバ３０の端面３０ａを斜めに
形成すると共に、光ファイバ３０の周面に反射体３２を
設けたものである。その一側端部３０ｂから入射された
光Ｌ１は、光ファイバ３０が空気中にあるときには斜め
に形成された端面３０ａで略全反射して一側端部３０ｂ
に戻ってくる。

ところが、光ファイバ３０を液体中に入れると、入射光
り、は端面３０ａを透過して液体中に漏れるようになり
、一側端部３０ｂに戻ってくる光は少なくなる。端面３
０ａを透過する光の量は液体の屈折率に応じて変化する
ので、一側端部３０ｂに光分岐器等を設け、一側端部３
０ｂから出射する光Ｉ、２の光量を測定することにより
液体の屈折率を求めることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の屈折率測定センサは感度を自由に変えることがで
きないので、成る物質の屈折率を測定するときにその屈
折率近傍の感度を制御して精度の高い測定を行なうこと
が困難であった。また、受光量を検出して屈折率を測定
しているので、液体のにごりや入射光量の変化等によっ
て測定値が変動してしまい安定性した測定を行なうこと
ができなかった。また、入射光量は光ファイバの直径に
左右されるので光量を増大するのに限界があると共に、
光量を増大するためにファイバ径を太くすると可撓性が
損なわれ、更にケーブルの曲げ等によるヘンデングロス
の影響を受ける。

本発明は上述の問題点にかんがみ、屈折率の測定を高精
度にかつ安定して行なうことができるようにすることを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の屈折率測定センサは、光ファイバ４によって構
成され、その一側端部が所定の傾きでカットされて検出
光りの出射面１ａとして形成されている送光側光伝送路
１と、上記送光側光伝送路１の他側端部に設けられ、上
記送光側光伝送路の一側端部から出射する検出光りの発
光源を備えた光送信回路５と、複数の光ファイン＼４を
束ねて構成され、上記複数の光ファイン＼４の各一側端
部を所定の配列で並べてその一側端面２ａが形成されて
いる受光側光伝送路２と、上記受光側光伝送路２の他側
端部に設けられ、上記一側端面２ａから入射する上記検
出光Ｉ、の有無を上記光ファイノ＼４毎に検出する光受
信回路６と、上記送光側光伝送路１の一側端部と上記受
光側光伝送路２の一側端部とが所定の間隔Ｃを明けて向
き合わされて構成されているセンサ部７とを具備してい
る。

また他の特徴によれば、上記送光側光伝送路１の一側端
部及び受光側光伝送路２の一側端部に透明体２５．２６
がそれぞれ取り付けられていて、上記送光側光伝送路１
の一側端部に設けられている検出光Ｉ５の出射面は、上
記透明体２５の出射面２５ａを斜めに形成することによ
り斜めに形成されている。

〔作用〕

送光側光伝送路１の一側端面１ａと受光側光伝送路２の
一側端面２ａとを向かい合わせて配置して、送光側の一
側端面１ａから出射した検出光りを受光側の一側端面２
ａで受光する。検出光りの出射面である送光側の一側端
面１ａを斜めに形成し、検出光りを上記一側端面１ａに
斜めに入射させる。これにより、検出光りを一側端面１
ａから出射するときに、各端面１ａ、２ａ間の媒質の屈
折率ｎ２に応じた角度で検出光りを曲げることができ、
検出光りが受光側光伝送路２の一側端面２ａに入射する
位置を上記媒質の屈折率ｎ２に応じて変化させることが
できる。一側端部２ａに入射する検出光りの有無を光フ
ァイバ４毎に調べて検出光りの入射位置検出を行ない、
入射位置から上記媒質の屈折率を測定する。したがって
、入射光の有無に基づいて屈折率の測定を行なうことが
でき、光量の変動に起因する測定誤差がなくなる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す屈折率測定センサの構
成図である。この屈折率測定センサば送光側光伝送路１
の一側端面１ａと、受光側光伝送路２の一側端面２ａと
を向き合わせて配置してセンサ部３を構成している。

送光側光伝送路１及び受光側光伝送路２は、第２図の端
面図に示すように複数本の光ファイバ４を束にして構成
されている。各光ファイバ４はコア部４ａとクラッド部
４ｂとからなり、図示の例では所定の配列にしたがって
円形に束ねられている。なお、複数本の光ファイバ４を
束ねる代りに、−本の光ファイバ中に複数のコアをもつ
マルチコア構造のコンジット型の光ファイバケーブルを
用いてもよい。

送光側光伝送路１の他側端面１ｂに光送信回路５が接続
されていて、光送信回路５に設けられている発光源、例
えば半導体レーザから放射された検出光りが他（ｉ１４
１　端面１ｂから送光側光伝送路１に入射される。他側
端面１ｂから入射された検出光りは送光側光伝送路１を
通して一側端面１ａまで伝送され、一側端面１ａからセ
ンサ空間７に出射される。

一方、受光側光伝送路２の他側端面２ｂには光受信回路
６が接続されていて、送光測光伝送路１の一側端面１ａ
から出射された検出光りが受光側光伝送路２の一側端面
２ａに入射すると、光受信回路６によってそれが検出さ
れる。

第３図のセンサ部の構成図に示すように送光側光伝送路
１の一側端面１ａ即ち、検出光りの出射面は伝送路１の
軸線方向に対して所定の角度だけ傾けて形成されている
。してかって、送光側光伝送路１で伝送されてきた検出
光Ｉ−は、成る入射角で出射面、即ち境界面１ａに入射
してセンサ空間７に出射する。

スネルの法則によって知られているように、屈折率の異
なる二つの媒質を通るときに光はその境界で屈折する。

第４図は光の屈折を説明するための図であり、送光側光
伝送路ｌの屈折率をｎｌ、センサ空間７の媒質の屈折率
をｎ２、送光側光伝送路の一側端面１ａの法線をＨＯ）
Ｔ　’　、検出光りの入射角及び出射角をそれぞれθ１
、θ２としたとき、 ｎｌ・ｓｉｎ　θ１−ｎ２・ｓｉｎ　θ２−−−−−−
−−−−−（１１の関係が成立する。

したがって、送光側光伝送路１の屈折率ｎ１とセンサ空
間７の媒質の屈折率ｎ２とが異なると、検出光りは一側
端面１ａを出射するときにセンサ空間７の媒質の屈折率
ｎ２に応じて曲がる。したがって、第３図の一点鎖線で
示すように受光側光伝送路２の一側端面２ａに入射する
位置が、センサ空間７の媒質によって変化する。

この場合、検出光りの曲がり方は一側端面１ａの傾斜角
度αによって異なり、また、傾斜角度αが同じでもセン
サ空間７の屈折率ｎ２が変われば変化する。したがって
、受光側光伝送路２の一側端面２ａにおける検出光りの
入射位置を検出することによって、センサ空間７の屈折
率ｎ２を測定することができる。

実施例では複数本の光ファイバ４を束ねて受光面（一側
端面２ａ）を構成しているので、検出光りが入射してい
る部分と入射していない部分との弁別を容易かつ正確に
行なうことができる。即ち、一側端面２ａに到達した検
出光りは、到達位置に配列されている光ファイバ４のそ
れぞれに入射して、各光ファイバ４毎に受光側光伝送路
２の他側端面２ｂまで伝送され、他側端面２ｂに接続さ
れている光受信回路６に設けられている光検出器１０で
検出される。実施例では、第５図の回路図に示すように
、マトリックス受光回路を光検出器１０として用いｔい
る。この回路は、入射光を電気信号に変換するホトダイ
オードＤＩ、Ｄ２Ｄ、と垂直スイッチ用のＭＯＳ　−Ｆ
ＥＴ　トランジスタＳ　’　＋　、Ｓ　”−−−−−−
−’　Ｓ　’　ｓとで受光セル１１が構成されている。

また、各ホトダイオードＤ１、Ｄ２　　”’−−−−’
−ＤＨの信号を垂直に伝送する垂直信号線１２に水平ス
イッチ用のＭＯＳ　−ＦＥＴ　）ランジスタＳｚ　、Ｓ
ｚ　　−−−−−−ＳＲが介設されている。

これらの水平及び垂直スイッチ用のＭＯＳ　−ＦＥＴト
ランジスタｓ、、ｓ２−−−一〜ＳＮ、、Ｓ′ｓ’、　
　　−−−ｓ’、は、水平走査回路１３及び垂直走査回
路１４によってオン／オフ制御され、格子状に配列され
た各受光セル１１が順次選択される。そして、−走査周
期の間に光がホトダイオードＤに入射すると、入射光量
に比例した充電電流が選択された受光セル１１のホトダ
イオードＤに流れるので、信号出力線１５の出力端子１
５ａから受光出力が得られる。

ホトダイオードＤｒ　、Ｄｚ　　”−・−’ＤＮと他側
端面２ｂの光フプイハ４とを１対１で対応させて、光検
出器１０と受光側光伝送路２の他側端面２ｂとを結合さ
せている。したがって、出力端子１５ａで得られる受光
出力からセンサ部３の受光面２ａにおける検出光りの入
射位置が判るので、検出光りの出射角θ２が判り、上記
（１）式に基く演算によりセンサ空間７の媒質の屈折率
ｎ２を検出することができる。

このように、受光の有無に基いて受光位置を検出するこ
とによって屈折率の測定を行なっているので、受光量を
測定する従来の装置と比較して外部光の影響による誤差
や、或いは受光量が弱いために発生ずる電気回路的誤差
を軽減することができ、正確でかつ高精度な測定を行な
うことができる。したがって、例えば酒等のアルコール
度の測定、化学薬品の混合成分の測定、海水の塩分濃度
、ダムや河川の水位等の流体のレベル測定、ガソリンス
タンドにおけるガソリンの在庫量やガソリンと灯油との
区別を測定するため等に使用することができる。

また、実施例では送光側光伝送路１及び受光側光伝送路
２の両方共に複数の光ファイバ４を束ねて形成しである
ので、検出光りの光量を大きくできると共に、光ファイ
バケーブルを曲げたときのヘンデイングロスを小さくす
ることができ、安定した屈折率測定を行なうことができ
る。また、光量を任意に強くすることができるので、セ
ンサ部の間隔ｐを広くすることが可能となり、センサ空
間７に液体がたまることによって生じる誤差を少なくで
きる。しかし、光ファイバ４を１本だけ用いて送光側光
伝送路１を構成するようにしてもよい。

第３図における送光側光伝送路１の一側端面１ａを傾け
る角度αやセンサ空間７の間隔β等が屈折率の測定範囲
や測定精度、及び測定感度等を調整する要素となる。第
６図は第３図と異なる例を示すセンサ部の構成図で、第
６図（Ａ）は送光側及び受光側の光伝送路１．２の中心
軸をずらして配置すると共に、各伝送路の一側端面１ａ
、２ａをハの字形に対向させている。また、第６図〔Ｂ
〕は出射面１ａだけを傾斜させ、受光面２ａを直角に形
成している。

第７図は第１図と異なる実施例を示す屈折率測定センサ
の構成図であり、センサ部３を２個（３ａ、３ｂ）設け
た例を示している。各センサ部３ａ、３ｂには独立した
光伝送系１−１．２−１及び２−１．２−２が接続され
ていて、センサ空間７における検出光りの曲がり方がそ
れぞれ別々に測定される。この例では検出光りの曲がり
方を調整し、第８図のセンサ部の構成図に示すように同
一の媒質中において、一方のセンサ部３ｂの受光面２ａ
に検出光りが入射しているときは他方のセンサ部３ａの
受光面２ａに検出光りが入射しないようにしである。し
たがって、第７図の屈折率測定センサにおいては、測定
感度を上げて測定精度を更に向上できると共に、測定範
囲を広くすることができる。

第７図のように、センサ部３及び光伝送路１．２をそれ
ぞれ２組設けると光受信回路６が２個必要になる。実施
例では受信側回路に光スイッチ２０を設りることにより
、光受信回路６を１個設けるだけで２系統から入力され
る信号の屈折率測定を行なっている。

光スイッチ２０として、例えば液晶を用いた非機械式ス
イッチが用いられる。この光スイッチ２０は、第９図の
構成図に示すように液晶セル２１、直角プリズム２２及
び偏向ビー１、スプリッタ２３等によって構成されてい
る。そして、液晶セル２１に高電圧ＶＩＩが印加されて
いるときは、光伝送路２−２と光受信回路６とが光学的
に結合され、一方のセンサ部３ｂからの検出光りが図示
のように光受信回路６に与えられる。また、液晶セル２
１の印加電圧を低くすると光伝送路２−．と光受信回路
６とが光学的に結合され、他方のセンサ部３ａからの検
出光が光受信回路６に与えられるようになる。

このように、センサ部３を複数個設ける場合には光変調
方式を用いて混信を排除するのがよい。

また、光変調方式を用いると検出光りと外部光とを弁別
できるので、外部光に影響されない安定した測定を行な
うことができる。

上述の実施例では、送光側及び受光側光伝送路の一側端
部を所定の角度でカットして、それぞれの一側端面１ａ
、２ａを所定の角度に形成した。

しかし、第１０図のセンサ部の構成図に示すように、各
光伝送路１．２の一側端部にガラス等の透明体２５．２
６を取り付け、第１０図ＣＡ）及び］　７ ［Ｂ）に示すように透明体２５の出射面２５ａや透明体
２６の入射面２６ａを所定の角度に形成することにより
、各光伝送路の出射面や入射面等を所定の角度に形成す
るようにしてもよい。このようにすると、測定する液体
を光ファイバ４に直接接触させないようにすることがで
きる。したがって、接触させると不都合が発生ずるため
に、従来は測定することができなかった種々の媒質の屈
折率測定が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明は上述した如く、斜めに形成した送光側光伝送路
の出射面と、複数の光ファイバの各端末を面状に並べて
形成した受光側光伝送路の入射面とを向い合わせて配置
し、上記出射面と上記入射面との対向空間の媒質の屈折
率に応じて上記出射面から出射した検出光を曲げるよう
にすると共に、上記検出面上における検出光の入射のを
無を上記光ファイバ毎に調べて検出光の入射位置を検出
し、検出した入射位置に基づいて上記対向空間の媒質の
屈折率を測定するようにしたので、屈折率測定を高精度
にかつ安定して行なうことができる。

また、出射面が形成されている透明体及び入射面が形成
されている透明体を各光伝送路の端面に取り付けて上記
出射面及び上記入射面を形成することにより、測定する
媒質が光ファイバに接触しないようにすることができ、
従来は測定することが困難であった媒質の屈折率を測定
することができる。

また、複数の光ファイバを用いて送光側光伝送路を形成
することにより検出光の光量を大きくできると共にベン
ディングロスを小さくすることができ、かつ検出光が到
達する位置検出に基づく測定なので、外部要因の影響に
よる誤差を少くできる。また、光量を任意に強くできる
ため、出射面と入射面との間隔を広くすることができ、
この間に液体がたまることによって発生する誤差を無く
すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の屈折率測定センサの一実施例を示す構
成図、第２図は光伝送路の端面図、第３図はセンサ部の
構成図、第４図は屈折率説明図、第５図は光検出器の回
路図、第６図は第３図と異る例を示すセンサ部の構成図
、第７図は第１図と異る例を示す屈折率測定センサの構
成図、第８図は第７図の屈折率測定センサの構成図、第
９図は液晶スイッチの構成図、第１０図は光伝送路の端
部に透明体を設けた例を示ずセンサ部の構成図、第１１
図〜第１３図は従来例を示し、第１１図はセンサ部の構
成図、第１２図は受光特性図、第１３図はセンサ部の構
成図である。 なお図面に用いた符号において、 １−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−送光
側光伝送路１ａ・−一一一−−−−−−−−−−−−　
出射面２−−−−−−−−−−−−−−−−−−受光側
光伝送路２　ａ−−−−−−−−−一−−−−−　入射
面３−−−−−−−−〜−−−−−−−−−−センサ部
４　−−−−−−−−−−−−・・−−一一−−光ファ
イバ５−−−−−−−−−一光送信回路 Ｔ、。 光受信回路 センサ空間 検出光 である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光ファイバによって構成され、その一側端部が所定
   の傾きでカットされて検出光の出射面として形成されて
   いる送光側光伝送路と、 上記送光側光伝送路の他側端部に設けられ、上記送光側
   光伝送路の一側端部から出射する検出光の発光源を備え
   た光送信回路と、 複数の光ファイバを束ねて構成され、上記複数の光ファ
   イバの各一側端末を所定の配列で並べてその一側端面が
   形成されている受光側光伝送路と、上記受光側光伝送路
   の他側端部に設けられ、上記一側端面から入射する上記
   検出光の有無を上記光ファイバ毎に検出する光受信回路
   と、 上記送光側光伝送路の一側端部と上記受光側光伝送路の
   一側端部とが所定の間隔を明けて向き合わされて構成さ
   れているセンサ部とを具備する屈折率測定センサ。 ２、送光側光伝送路を１本の光ファイバで構成した請求
   項１に記載の屈折率測定センサ。 ３、受光側光伝送路の一側端面の角度を直角に形成した
   請求項１または２に記載の屈折率測定センサ。 ４、光受信回路に液晶セルを用いた光スイッチを設けた
   請求項１、２または３に記載の屈折率測定センサ。 ５、光受信回路の光検出器にマトリックス回路を用いた
   請求項１〜４の何れかに記載の屈折率測定センサ。 ６、検出光を変調するようにした請求項１〜５の何れか
   に記載の屈折率測定センサ。 ７、光ファイバによって構成され、検出光の出射方向に
   対して所定の角度だけ傾斜した出射面が形成されている
   透明体が一側端部に取り付けられている送光側光伝送路
   と、 上記送光側光伝送路の他側端部に設けられ、上記送光側
   光伝送路の一側端部から出射する上記検出光の発光源を
   備えた光送信回路と、 複数の光ファイバを束ねて構成され、上記複数の光ファ
   イバの各一側端末を所定の配列で並べてその一側端面が
   形成されていると共に、上記一側端面に透明体が取り付
   けられている受光側光伝送路と、 上記受光側光伝送路の他側端部に設けられ、上記一側端
   面から入射する上記検出光の有無を上記光ファイバ毎に
   検出する光受信回路と、 上記送光側光伝送路の一側端部に取り付けられている上
   記透明体と上記受光側光伝送路の一側端部に取り付けら
   れている上記透明体とが所定の間隔を明けて向き合わさ
   れて構成されているセンサ部とを具備する屈折率測定セ
   ンサ。 ８、送光側光伝送路を１本の光ファイバで構成した請求
   項７に記載の屈折率測定センサ。 ９、受光側光伝送路の一側端面に取り付けた上記透明体
   の受光面の角度を直角に形成した請求項７または８に記
   載の屈折率測定センサ。 １０、光受信回路に液晶セルを用いた光スイッチを設け
   た請求項７、８または９に記載の屈折率測定センサ。 １１、光受信回路の光検出器にマトリックス回路を用い
   た請求項７〜１０の何れかに記載の屈折率測定センサ。 １２、検出光を変調するようにした請求項７〜１１の何
   れかに記載の屈折率測定センサ。