JPH0231113A - 干渉計センサ及び干渉計装置における該センサの使用 - Google Patents

干渉計センサ及び干渉計装置における該センサの使用

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JPH0231113A
JPH0231113A JP1140949A JP14094989A JPH0231113A JP H0231113 A JPH0231113 A JP H0231113A JP 1140949 A JP1140949 A JP 1140949A JP 14094989 A JP14094989 A JP 14094989A JP H0231113 A JPH0231113 A JP H0231113A
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    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
    • G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light

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】 本発明は、直列形又は並列形二重干渉計センサと、１つ
以上、の地点で１つ以上の物理的量例えば圧力及び温度
を測定する光学的干渉計装置における前記センサの使用
とに係わる。この場合、干渉計センサは前記物理的量を
光路差として示し得る。
光学センサはいずれも工業的需要度が極めて高く、光束
を長距離にわたって運ぶことができる工業的に信頼でき
る光ファイバが市販されるようになったために、石油分
野で特に強く要求されている幾つかの要件、例えば長距
離測定が可能である、本来的に安全である、小型である
、電磁的妨害に感応しない、多重化が可能である、とい
った条件を満たす工業用光学センサの実現も可能になっ
た。
このようなセンサは、特に炭化水素及び地熱生産坑井中
の温度及び圧力を遠隔地点で正確に測定できるという利
点を有する。
本発明の第１の目的は、温度変化及び圧力変化に関連し
た干渉スペクトル（ｃｈａｎｎｅｌｌｅｄ　５ｐｅｃｔ
ｒａ）の和を求める二重干渉計センサを提供することに
ある。
この第１の目的を達成するための第１具体例では、干渉
計センサが２つの並列干渉計を含み、これらの干渉計が
コリメータレンズの焦点に配置された光ファイバから送
られる互いに同心の中央光束及び外側光束な使用する。
中央光束を使用する第１干渉計は変形可能な膜を含み、
この膜は平行平面ガラス板の面の１つに対して銀膜の位
置を変化させる圧力及び温度に反応して変形する。外側
光束を使用する第２干渉計では、２つの平行平面ガラス
板の２つの面の間の距離がこれら２つのガラス板の夫々
異なる膨張の関数として変化する。コリメータレンズは
前記２つの光束を光ファイバ方向に集める。
この第１具体例はファプリー・ベロータイプの並列形均
−二重干渉計センサを構成する。
第２具体例として、並列形組合わせ二重センサを構成す
ることもできる。
この第２具体例の干渉計センサは、前記第１の目的を達
成すべく、コリメータレンズの焦点に配置された光ファ
イバがら送られる同心的中央光束及び外側光束を使用す
る２つの並列干渉計を含み、中央光束を使用する第１干
渉計が第１平行平面ガラス板の面の１つに対する位置変
化を生じさせる圧力及び温度に反応して変形する変形可
能な膜を含み、外側光束の光路上に配置される第２干渉
計が偏光子と複屈折板とで構成され、前記複屈折板の複
屈折が温度の関数として変化し、その結果干渉スペクト
ルが生じ、このスペクトルがコリメータレンズによって
光ファイバ上に集束し、中央光束のスペクトルに加えら
れる。
前記第１の目的を達成するための第３及び第４具体例で
は、二重センサが２つの複屈折干渉計を組合わせた並列
形均−干渉計、又は圧力に感応する複屈折干渉計と温度
に感応するファプリー・ベロー干渉計とを組合わせた並
列形混合干渉計を含み得る。
この第３又は第４具体例の干渉計センサは、前記第１の
目的を達成すべく、コリメータレンズの焦点に配置され
た光ファイバから送られる同心的中央光束及び外側光束
を使用する２つの並列干渉計を含み、中央光束を用いる
第１干渉計が偏光子と複屈折板とを有し、前記複屈折板
の複屈折が主に圧力の関数として変化し、外側光束の光
路上に配置される第２干渉計が、円筒形スペーサを介し
て定位置に維持される２つの平行平面ガラス板の２つの
面の間の距離が２つのガラス板の夫々異なる膨張率の関
数として変化するような干渉計からなるか、又は第２偏
光子及び第２複屈折板で構成され、前記第２複屈折板の
複屈折が温度の関数として変化し、その結果干渉スペク
トルが生じ、このスペクトルがコリメータレンズによっ
て光ファイバ上に集束し、中央光束のスペクトルに加え
られる。
本発明の第２の目的は、圧力変化及び温度変化に関連し
た干渉スペクトルの積を求める二重干渉計センサを提供
することにある。
この第２の目的を達成するための第１具体例では、干渉
計センサが直列に配置された第１及び第２干渉計を含み
、これらの干渉計がコリメータレンズの焦点に配置され
た光ファイバから送られる単一の光束を使用する。第１
干渉計は圧力及び温度に反応して変形する変形可能な膜
からなり、前記圧力及び温度はこれら２つのパラメータ
の関数として平行平面ガラス板の面の１つに対する銀膜
の位置を変化させ、その結果該膜の位置に関する特徴を
表す光路差が生じ、干渉スペクトルが発生する。
前記光束の光路上に配置される第２干渉計は偏光子と複
屈折板とで構成され、前記複屈折板の複屈折は温度の関
数として変化し、その結果移動速度差により、内側方向
及び外側方向の２回の通過の後で、各干渉計の干渉スペ
クトルの積として得られる干渉スペクトルがコリメータ
レンズにより光ファイバ上に集束する。
前記第２の目的を達成するためのこの第１具体例は、直
列形混合二重センサを構成する。前記第２の目的に係わ
る第２の具体例では、２つのファプリー・ベロー干渉計
を組合わせることによって直列形均−二重センサを構成
し得る。
この第２具体例の干渉計センサは、第２の目的を達成す
べく、コリメータレンズの焦点に配置された光ファイバ
から送られる単一光束を用いる２つの直列干渉計を含み
、一方の干渉計が圧力及び温度に応じて変形する変形可
能な膜からなり、前記圧力及び温度がこれら２つのパラ
メータの関数として第１平行平面ガラス板の面に１つに
対する銀膜の位置を変化させ、その結果該膜の位置に関
する特徴を表す光路差が生じる。もう一方の干渉計では
、円筒形スペーサを介して定位置に維持された２つの平
行平面ガラス板の２つの面の間の距離がこれらのガラス
板及びスペーサの夫々異なる膨張率の関数として変化し
て、温度に関する特徴を表す光路差を発生させ、温度に
感応する干渉計を２回通過した後で各干渉計の干渉スペ
クトルの積として得られる干渉スペクトルがコリメータ
レンズを介して光ファイバ上に集束する。
第３の具体例として、２つの複屈折干渉計の組合わせに
より直列形均−二重センサを構成してもよく、また第４
の具体例として、圧力に感応する複屈折干渉計とファプ
リー・ベロー干渉計との組合わせにより直列形混合二重
センサを構成することもできる。
前記第３及び第４具体例の干渉計センサは、コリメータ
レンズの焦点に配置された光ファイバから送られる単一
の光束を用いる２つの直列干渉計を含み、第１の干渉計
が偏光子と複屈折板とで構成され、この複屈折板の複屈
折が主に圧力の関数として変化し、光路上に配置される
第２干渉計が第２偏光子と温度の関数として変化する複
屈折を有する第２複屈折板とで構成されるか、又は円筒
形スペーサを介して定位置に維持された２つの平行平面
ガラス板の２つの面の間の距離がこれら２つのガラス板
の夫々異なる膨張率の関数として変化するような干渉計
からなり、その結果得られる干渉スペクトルが各干渉計
のスペクトルの積であって、コリメータレンズを介して
光ファイバ上に集束する。
本発明の第３の目的は、前述のごときセンサを光学的干
渉計装置で使用することにある。
成る特定の公知装置では、光源から送出された光束が光
ファイバによって、例えばマイケルソンの原理に基づい
て作動する第１の２波干渉計まで運ばれる。この入射光
束はそこで、半反射鏡からなる分離システムにより２つ
の光束部分に分割される。一方の光束部分は固定鏡上で
反射し、他方の光束部分は位置が変化する可動鏡上で反
射する。
これら２つの光束部分は反射後に前記分離システムのレ
ベルで再び合体し、干渉によって１つの総括光束を形成
する。この総括光束は所与のスペクトルバンド内に複数
の鋸歯即ちギザギザ（ｉｎｄｅｒ＋−ｔａｔｉｏｎｓ）
を含むスペクトルを有する。これらのギザギザの位置は
２つの鏡に対応した光束部分がたどる光路の差Ｄｃを表
す特徴となる。この光路差は前記可動鏡の位置と関係が
ある。前記光束は、測定干渉計の役割をもつ第２干渉計
まで光ファイバによって運ばれる。この測定干渉計は更
に、方が他方に対して移動し得る２つの鏡と、光を２つ
の光束部分に分割する半反射鏡からなる分離システムと
を含む。これらの光束部分は前記２つの鏡に送られ、そ
こで反射し、次いで前記分離システムのレベルで再び合
体する。
２つの光束部分の合体後に測定干渉計から送出される光
束の光強度は、検出干渉計及び測定干渉計の夫々の光応
答の間の相関度を表す。測定干渉計では、最高強度の出
力光束が検出されるまで可動鏡が機械的に移動する。前
記最高強度は２つの干渉計における２つの光路差が互い
に等しいことを示す。従って、この最高強度に対応する
測定干渉計の可動鏡の位置から検出干渉計の光路差を求
めることができる。
米国特許第４５９６４６６号にはこのような構造が詳細
に記述されている。この先行特許には更に、マイケルソ
ン干渉計に代えて、２つの光ファイバの先端で２つのレ
ンズの間に配置した２つの並列状部分透過鏡からなるフ
ァプリー・ベロー干渉計を使用できることも記述されて
いる。
このような測定干渉計を用いる公知の装置では、可動鏡
を移動させ且つその移動を感知するのに使用されるシス
テムが２つのタイプに別れる。第１タイプのシステムで
は、測定干渉計の可動鏡がボール又は交差ローラスライ
ド上を機械的に移動するようにし、それによって前記移
動を感知する。このシステムにはスペースの問題以外に
、摩擦及びＩ械的遊間の問題、即ち０．１ミクロンを上
回る精度を得ることが難しいという問題がある。ここで
、鏡を少しだけ動かす、例えば合計１０ミクロンの振幅
で移動させるためには、大きな測定動力学、例えば１０
３ポイントが所望であれば、干渉計の鏡の位置の測定感
度が１０−２ミクロンを上回らなければならない。
第２タイプのシステムでは、前記移動が不明であるが、
検出干渉計と同じ測定干渉計のレーザ干渉計によって測
定される。この移動測定の感度はレーザのスペクトル特
性に依存し、０．１ミクロンを明らかに上回り得るが、
フリンジ位置は相対的にしか検知できない。従って、ゼ
ロ光路差に対応する鏡の位置から所望の移動に至るまで
休みなくモニターを続けて測定を行わなければならない
。
別の公知装置では、検出干渉計の光路差ＤＣの変化を、
測定干渉計を使用するのではなく、検出干渉計からの光
束のスペクトル分析とフーリエ変換とによって測定する
。このようなスペクトル分析を行えば、Ｄｃの絶対値に
対応するフリンジの周波数及び位相を得ることができる
。しかしながらこの方法には、スペクトルを分析するた
めの分光光度計装置、例えばネットワークモノクロメー
タ、ダイオードストリップ、及び公知ではあるがフーリ
エ変換には不向きなアルゴリズムを使用するソフトウェ
アが必要である。また、生産坑井では例えば外側及び内
側で６ｋｍという極めて長いファイバを使用するために
減衰が生じることがら、この方法では十分な感度は得ら
れない。この種の装置の精度は１０−３ミクロンに達し
得、スペクトルに関して実施されるサンプリングに依存
し、従って分光光度計の解像度に依存する。
本発明は、測定干渉計を用いる分析の原理を使用し且つ
先行技術の利点を維持しながら、その欠点、特に大きさ
及び精度に関する欠点を解消する。
より特定的には本発明は、°調整の難しい可動部材及び
測定に時間のかかる重量の大きい機械的移動部材を使用
せず、故障の危険がなく、干渉計分析を用いる先行技術
の装置に見られるような基準量の変動という問題がなく
、また感度を制限する機械的摩擦もない装置を提案する
。
本発明が提案する装置は簡単で頑強な構造を有し、小型
であり、測定の再現性に関する問題が全くない、加えて
、異なる光路差Ｄａ、及びＤｃ２に対応する混合干渉ス
ペクトルの分析、又は緊密な関係をもつ光路差を有する
異なる検出干渉計がら発生し逐次的に分析される複数の
スペクトルの分析を、同等の正確さで迅速且つ確実に分
析することができる。従って、本発明の装置を使用すれ
ば、各々が異なる物理的量を表すか又は表さない複数の
光路差Ｄｃを有すること特徴とする干渉計センサアセン
ブリからの情報を分析することができる。
本発明の装置では、測定干渉計の光路差Ｄｃの絶対測定
を行うことができる。
この第３の目的を達成するために、光路差を変１ヒさせ
得る複数の物理的量を測定するための本発明の光学的干
渉計装置は下記の構成部材を含む：（１）スペクトル幅
の広い光束を送出する発光装置ａ： （２〉移動速度差Ｄａ、及びＤｃ２の複合干渉スペクト
ル幅Ｉ−ルせる２つの直列形又は並列形干渉計からなる
少なくとも１つの混合形又は均−形二重センサを含む検
出器アセンブリＣ； （３）発光装Ｈａからの光束を検出器アセンブリＣまで
伝搬する分岐ｘ、ｙと検出器アセンブリで反射した光束
を逆方向に伝搬する分岐ｙ、ｚとを含む光ファイバ及び
カップラ３アセンブリｂ；（４）検出器アセンブリＣか
らの光束によって運ばれる情報を分析し、測定された物
理的量を表す値を出す分析装置ｄであって、 ４ａ）光ファイバの端部２により照明される入力コリメ
ータ１０と、二重センサから送出される平行化光束の一
部分を反射する基準鏡Ｍ１１６と、前記平行化光束の残
りの部分を反射する第２鏡Ｍ２１２と、鏡Ｍ１及びＭ２
で反射した２つの光束を干渉させて、その結果生じる光
束を出力に与える手段とを含む２波測定干渉計、並びに ４ｂ）測定干渉計からの光束の強度を測定して、その強
度を表す信号を送出する光電検出器１４を含む分析装置
ｄ； （５）　！ｔ＠理的量的量す値を送出する前記光電検出
器からの信号を処理するアセンブリｅ。
この光学的干渉計装置の特徴は、測定干渉計の鏡Ｍ２が
、この鏡を微細に移動させて対応移動を正確に測定する
圧電式マイクロ配置測定器Ｉ５の上に固定され、且つ前
記処理アセンブリが光電検出器だけでなく前記マイクロ
配置測定器にも接続されて、光電検出器に受容された最
大光強度に対応する鏡Ｍ２の絶対位置のＭ御及び測定を
行い、これに基づいて１つ又は複数の所望の物理的量を
得るのに必要な値Ｄｃ＋及びＤＣ２を求めることにある
。
この装置はまた、測定干渉計の基準鏡Ｍ１が光路を既知
の値だけ変化させる手段を備えることも特徴とする。こ
のような措置は、光学的差ＤＣ１及びＤｅ２をマイクロ
配置測定器の移動範囲内におくために必要とされ得る。
このシフトは、既知の光学的差をもつ透明ブレードを測
定干渉計の固定鏡及び可動鏡の前に配置することによっ
て得られる。光源のスペクトル範囲で透過性を示す厚さ
Ｅのガラス板は、光路差Ｄ・（ｎ−１）Ｅを発生させる
。前記式中、ｎはガラス板の屈折率である。厚さＥｉ及
びＥｊの２つの板又は２組の板を夫々固定鏡及び可動鏡
の前に配置すると、これら２つ又は２組の板の厚さＥの
差に応じて光路差りが生じる。２つ以上のマイクロ配置
測定器からなるスタックを使用しても、測定解像度を変
化させずに前記シフトを行うことができる。
本発明の光学的干渉計装置では、使用する光ファイバに
よって白色光、即ち幅の広いスペクトルでの機能が可能
になる。
バンド幅の広い光源のスペクトルには、このスペクトル
内で成る波長が消滅するとギザギザが出現する。前記波
長はセンナを構成する干渉計内の破壊干渉（ｄｅｓｔｒ
ｕｃｔｉｖｅ　１ｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｓ）に対応す
る。この破壊干渉は白色偏光の屈折率変化、又は２つの
部分的反射面、即ち基準反射面と測定すべき物理的量に
感応して変位する反射面との間の距離の変化によって発
生し得る。その結果、測定すべき物理的量、即ち圧力、
温度、力又は移動が光路差の変化として表されることに
なる６例えば、可動面の移動又は複屈折による光路変化
の測定である。これらの場合には、センサの干渉計のレ
ベルで測定される物理的量の特徴を表す光路差がＤｃ＝
２ｅとなるか又は、怒応素子が光が２回通る厚さｅの複
屈折板であればＤｃ＝２（ｎｏ　−ｎｅ）ｅとなる。前
記式中、ｅは固定反射基準面の位置と測定すべき物理酌
量の作用を受ける可動反射面の位置との間の差を表す。
センサからの光束を分析する装置の測定干渉計はマイケ
ルソンタイプの２波干渉計、例えば２つの鏡を含む干渉
計で構成される。前記鏡のうち１つは逆圧電効果を使用
するマイクロ配置測定器を構成する圧電セラミックによ
って移動し、測定干渉計の移動速度差を絶対値で検出せ
しめる。前記圧電セラミックのヘッドには閉ループで機
能する移動センサが組み込まれ、ヒステリシス現象、非
直線性現象及び温度の影響を除去する機能を果たす８本
発明はこれらの利点を有するため、同一の物理的量例え
ば圧力を複数の地点で測定する場合（この場合は光学的
圧力センサ網を使用する）、又は同一地点で複数の異な
る物理的量を測定する場合に有利に使用できる。
いわゆる主要物理量を測定するための本発明の光学的干
渉計装置の好ましい具体例の１つでは、二重検出センサ
がＺつの干渉計を含み、これらの干渉計のうち一方が前
記主要物理量を測定し且つ他方が前記主要物理量の補正
に必要な作用量（ｉｎＮｕｅｎｃｅ　ｍａＨｉｔｕｄｅ
）を測定する。
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面に基づく以下の
非限定的具体例の説明で明らかにされよう。
第１図に示した［並列形均−センサ（ｐａｒａｌｌｅｌ
ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ　５ｅｎｓｏｒ）　Ｊと称する
二重干渉計センサは、中空円筒形の締付はリング１１２
と該リングの端部１１２０にネジ止めされて盲穴１１４
を構成する円筒リング１１とを含む。前記盲穴は、該セ
ンサアセンブリに均等に作用する圧力及び温度の関数と
して変形する金属膜で構成された平坦面１１５で閉鎖さ
れている。この膜は周縁が厚みＥ２のスペー→ノ・リン
グ１２に当接する。このスペーサリングは膨張率α１の
ガラスからなる。この円筒形スペーサリング１２には、
膨張率α１の同じガラスで形成された平行平面板１４が
接着されている。変形可能な膜１１５と向かい合う前記
平行平面板の面には、膨張率α１の同じガラスからなる
厚さＥ３の平行平面板１３が接着しである。膨張率α２
のガラスからなる円筒形スペーサ１５を介して前記板１
４から距ｇ！Ｅ５をおいた地点には、同じ膨張率α２の
ガラスで形成された第２の平行平面板１７が配置されて
いる。円筒体１５の中には、やはり中空でＥ５より小さ
い厚みＥ６をもつ第２円筒体１６が具備されている。こ
の中空円筒体１６の内径は平行平面板１３の外径にほぼ
等しい。この円筒体１６は膨張率α１の第１ガラスで形
成され、板１４に接着されている。第２板１７にはコリ
メータレンズ１９を取付けるためのスペーサ１８が接着
されている。コリメータレンズ１９の縁には回転体部材
１１０の底部ら当接する。この回転体の上部は光伝送フ
ァイバ１１３の支持体として機能し、前記ファイバの端
部は前記コリメータレンズの焦点に配置される。これら
種々の素子は、部材１１０の外面と締付はリング１１２
の中央孔１１２１を規定するショルダとに当接する一組
の弾性ワッシャ１１１によって一緒に保持される。セン
サを周囲の環境から隔離する締付はリング１１２の外側
のゲージング１１６は、例えば溶接ビード１１６０を介
して膜リング１１に気密的に固定され、更に光ファイバ
１１３を収容するケーブル１１３０の周りのシールリン
グ１１６１によってセンサを密封する。このセンサアセ
ンブリ内には、孔１２０．１５０及び１１２２、並びに
外側ケーシング１１６の孔１１６２を介して最初に真空
状態を発生させ、真空が得られたらケーシングの孔１１
６２を閉塞する。ゲージング１１６の外側には生産坑井
内の圧力及び温度が存在する。操作時には、センサの膜
１１５が生産坑井の圧力及び温度の作用を受け、これら
２つのパラメータに反応して銀膜が動くために各板１３
及び１２の厚みＥ３及びＥ２の差に等しい距Ｍｅが変化
する。距Ｍｅが変化すると光路Ａに沿ってセンサの対称
軸の近傍で第１干渉計を通過する光束のギザギザが膜１
１５の動きの関数として変化する。一方、矢印Ｂで示し
た光路に沿って第２干渉計を通過する環状光束は、素子
１６と素子１７との間の距離ｅ″にわたって移動する。
この距離は温度の関数として、またこれらの素子の各膨
張率α１及びα２の差に起因して変化する。その結果、
光路Ｂの光束のギザギザが前記変化に応じて変化するこ
とになる。２つの干渉計から出た光はファイバ１１３の
入口で混ざり合い、移動距離２ｅ及び２ｅ’を表すギザ
ギザを有する。第１干渉計の移動距離２ｅは例えば３０
０ミクロンであり、第２干渉計の移動距離２ｅ’は４０
０ミクロンである。圧力変化及び温度変化を考慮する２
ｅ及び２ｅ’に起因するこれらのギザギザは、後述の回
路で使用される。第１図の具体例では、素子１２．１３
．１４及び１６が互いに固定され、素子１５及び１７も
互いに固定される。素子１５及び素子１４は異なる膨張
が生じるように固定しない。
前記センサの一変形例では、円筒体１６を板１７に接着
し得る。この変形例では、第２板１７及び第２円筒体１
６が同じ膨張率α２を有し、円筒形スペーサ１５が膨張
率α１を有することになる。
第２図は［直列上混合センサ（ｓｅｒｉｅｓ　ｍ１ｘｅ
ｄｓｅｎｓｏｒ）　Ｊと称する第２タイプの二重干渉計
センサを示している。この場合も締付はリング２１４と
面２１５を有する変形可能膜２１とが使用されている。
このセンサの第１干渉計も前記面２１５と平行平面板２
３、板２４及びスペーサ２２との協働によって形成され
る。これらの素子は素子１１．１２．１３．１４と同じ
機能を果たす。第２干渉計は、スペーサ２８と、偏光子
２７と、スペーサ２８と、厚みＥ６の複屈折結晶板２６
とを組合わせたスタックで構成される。前記結晶板は例
えば、複屈折が温度に応じて変化するニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｂＯ，）からなる。この第２干渉計は温度の関
数として変化するギザギザを有するスペクトルを発生さ
せる。前記スタックは、両端に平行平面板２４及び２９
を接着することによって閉鎖される中空円筒形スペーサ
２５の中に配置される。
このセンサの終端部分は、前記具体例のセンサと同様に
、コリメータレンズ２１１を支持するスペーサ２１０及
び光ファイバの支持体２１２で構成される。
このセンサはまた、該アセンブリが変形可能膜２１に当
接てきるように弾性ワッシャ２１６も含む。弾性スペー
サ２８を使用するのは、温度に起因する部材２６及び２
７の合計厚みの変化を部材２５の膨張変化に対して補正
するためであ５．第１タイプのセンサと同様に、外側ゲ
ージング１１６を取付は且つ光ファイバ２１３を収容す
るケーブル１１３０の周囲を密封した後で真空状態を形
成することができるように種々の部材に孔２２０．２５
０．２１４０．１１６２を設ける。このセンサの場合に
は、平行化光束が第２干渉計及び第１干渉計を順次通過
し且つ反射後に再び第２干渉計を通過した結果生じるス
ペクＩ・ルがコリメータレンズ２１１によって光ファイ
バ２１３上に集束する。
そのため、センサから出る光束は、膜２１５に作用する
圧力及び温度の変化並びに板２６の複屈折及び厚みＥ６
を変化させる温度変化に起因して２つの干渉計の各々で
生じるスペクトルの積からなるスペクトルを有する。
第１図に示した具体例は２つの並列に配置されたファプ
リー・ペロー干渉計からなり、並列形均−センサと称す
る。
第２図の具体例はファプリー・ペロー干渉計と複屈折干
渉計とを直列に組合わせたものからなり、直列形混合セ
ンサと称する。
勿論、２つの複屈折干渉計を直列に組合わせて直列形均
−センサを構成するが、又は２つの複屈折干渉計を並列
に組合わせて別の並列形均−センサを構成することもで
きる。
また、複屈折干渉計とファプリー・ペロー干渉計とを、
複屈折干渉計が圧力に怒応する第１干渉計及び温度に悪
巧する第２干渉計の役割を果たすように並列に組合わせ
た、並列形混合センサな構成することもできる。
これらのセンサは任意の干渉計測定装置、特に下記の装
置で使用し得る。
この装置は、第３図に示すように、発光装置ａと、光束
伝送システムｂと、二重センサからなる検出アセンブリ
Ｃと、測定システムｄと処理システムｅとで構成される
。
発光装置ａは第３図に示すように、発光ダイオード１の
ような光源からなる。この光源から送出される光束はコ
ンデンサ２を介して伝送システムｂの光ファイバＸの入
口に集束する。好ましくは、変形例として、２つのダイ
オード又はバンド幅の広い複数のダイオードを使用し得
る。これらの各スペクトルの最大値は光ファイバの各伝
送減衰の最小値に合致する。その値は夫々的８００．１
３００及び１５００ナノメートルである。最も有利な光
源は第７図に示すタイプのものであり、８００ナノメー
トルを中心とする第１スペクトルと、１３００ナノメー
Ｉ・ルを中心とする第２スペクトルとを含む。このバン
ド幅の広い光源は第１スペク１−ルで発光する第１発光
ダイオード７１と、第２スペクトルで発光する第２発光
ダイオード７２と、これら２つのダイオードの最大発光
値の間の中間に中心をおく堅い前端を有する二色板７３
とを含む。前記二色板７３は、１３００ナノメートルを
中心とするダイオード７２のスペクトルを全部透過し、
８００ナノメートルを中心とするダイオード７１のスペ
クｌ−ルを全部反射する。このように、ファイバの最小
減衰値に合致した最大値をもつ少なくとも２つの発光ダ
イオードを組み合わせると、第６図に示すように、相関
関数の２っの最大値、即ち主要最大値６０と該最大Ｔｔ
ｉ６０の近作の隣接最大値６１及び６２どの差を大幅に
増加させることができ、測定ノイズに対する検出マージ
ンを改善することができる。また、ダイオードを１つ使
用するより２つ使用した方が有用性も高い。
光束伝送システムｂは光ファイバＸ、ｙ、Ｚとカップラ
ｔとを含むサブアセンブリ３からなる。
カップラは外部への光路上の光束を光源Ｘからｙに移送
せしめ、且つ二重センサからの光束をＺ方向に移送せし
める。ファイバは夫々任意の長さを有し得る。
アセンブリＣは、ファイバｙの光に照射される前記２つ
のタイプのうちいずれか１つのタイプの二重センサ４を
含む。このセンサはコリメータレンズ７と２つの直列形
又は並列形干渉計５及び６とで構成される。干渉計５は
温度に感応し、干渉計６は圧力及び温度に感応する（第
１図の半反射鏡１３及び膜１５、又は第２図の半反射鏡
２３及び膜２１５）。
コリメータレンズ７は光アイバｙからの光を受容して、
これを干渉計に送る。このレンズはまた、干渉計から送
り返された光束をファイバｙの入口に集束させる。
前記光束は複合干渉スペクトル、即ち並列センサの場合
には温度に感応する干渉計並びに圧力及び温度に感応す
る干渉計の各々に起因する干渉スペクトルの和に相当し
、直列センサの場合には前記各干渉スペクトルの積に相
当するスペクトルを有する。
ファイバＺによって伝送される光束は分析干渉計アセン
ブリｄ内に侵入し、コリメータレンズ１０及び分離シス
テム１１を通過する。この光束は分策システム１１で２
つの光束部分に分割され、そのうち１つは基準鏡Ｍ１１
６上で反射し、他方は可動鏡開１２上で反射する。可動
鏡は圧電マイクロ配に測定器１５に接続され、測定すべ
き移動を行うように動かされる。
２つの鏡旧及びＭ２の各々で反射した光束は分離システ
ム１１のレベルで干渉し合うことになる。この光束はコ
ンデンサ１３を通過して光電検出器１４を照射する。マ
イクロ配置測定器１５及び光電検出器１４は制御及び処
理装置ｅに接続される。
２つの鏡旧及びＭ２の相対位置は、鏡開をマイクロ配置
測定器１５により電子的制御システムを通って移動する
ように作動させることによって変化し得る光路測定差Ｄ
Ｈを決定する。光電検出器に到達した光束は第５図に示
すような一連の最大値、即ち主要最大値５０に近１・［
＜はど大きくなる一連の最大値を通過する。主要最大泣
５０は各センサ４並びに測定干渉計１１．１２．１６に
おける２つの光路差Ｄｃ及びＤＨが互いに等しいことを
示す。この相関関数における第２の最大値は、第１１図
に示すように、ＤＨ・０で現れる。
測定干渉計は光源によって直接照射されると、該測定干
渉計の光路差ＯＮの特徴を表す干渉スペクトルを有する
光束を送出する。この測定干渉計は、光路差Ｄｃに係わ
る干渉スペクトルを有する光束に照射されると、光路差
ＤＨ及びＤｃに関連した干渉スペクトルの間の相関レベ
ルを強度で示す光束を出力から送出する。ここで、二重
干渉計センサ４は、並列センサの場合には２つの干渉計
５及び６に起因する２つの干渉スペクトルの和からなる
複合干渉スペクトルを有する。従って、光検出器により
集められる出力光束の強度は３つの主要最大値を有する
ことになる。これら主要最大値の１つは測定干渉計のゼ
ロ移動距雛に対応する。これは、破壊干渉が全く存在せ
ず、干渉計に入ったエネルギが総て送出されることを意
味する。残りの主要最大値は絶対値で二重センサの移動
差に等しい測定干渉計の移動差に対応する。即ち、第１
２図に示すように、ＤＭ＝Ｄｃ＋又はＤｃ２に対応する
。尚、Ｄｃ、は第３図の第１干渉計５の移動差に対応し
、Ｄｃ２は第３図の第２干渉計６の移動差に対応する。
これら２つの光路差から、例えば生産坑井内の実際の圧
力及び温度を計算することができる。
移動距離Ｄ　Ｃ＋及びＤｃ２が互いに離れ過ぎている場
合の測定では、測定干渉計のゼロを小さい既知の値だけ
シフトさせるべく、既知の小さい光路差を有する一組の
板を具備する。これらの板は測定干渉計のｊ、１７Ｍ１
又はＭ２の前に配置し得る。かなり大幅なシフトを行う
場合には、単一の板、例えば第３図の板１７を鏡Ｍ１の
前に配置するか、又は単一の板１８を鏡Ｍ２の前に配置
する。
第６図は、光源から送出される光が、夫々８００ナノメ
ートル及び１３００ナノメートルを中心とし且つスペク
トル幅が約１００ナノメートルであるスペクトルを有す
る２つの発光ダイオードのスペクトル幅和からなる場合
に、センサを構成する干渉計の１つと測定干渉計との間
に生じる相関関数を示している。このような構造では、
主要ピーク６０とその側方のピーク６１及び６２との間
のコントラストがよりｍ著であるため、最大値６０がよ
り簡単に測定される。
同一ファイバ上の同一センサで直列検出システムを使用
し、移動の絶対値を測定するシステムを用いて信号を分
析し、それと組合わせて移動差を前記測定システムの移
動範囲に戻す一組の平行平面板を使用し、光ファイバの
複数の透過窓を用いる光源のスペクトル幅を広げて、検
出及び測定ノイズに対する防御を改善させると、炭化水
素生産坑井内約３１ｕｎの地点で測定した場合には、２
００バールの圧力範囲及び１５０°Ｃの温度範囲で０．
１％を上回る測定精度が得られる。
光検出器によって送出される信号のレベル及びコントラ
ストを両方共成適化するためには、二重センサの干渉計
の平行平面板の反射係数を０．４〜０．９５の範囲で選
択する。有利には、この反射係数を０．４〜０．７にす
る。
前記具体例と密接な関係をもつ別の具体例では、第８図
に示すように、複数の物理量を測定する光学的干渉計装
置が、複数の光源８１−１〜８１−ｎを発光源とし得る
発光装置を含む。前記光源は処理及び切替え装置８９に
よって選択的供給を受け、光伝送アセンブリの分岐８２
−１〜８２−ロを１つずつ照射する。
この光学装置は更に、光ファイバ８２．８４．８６と共
に前記好適具体例で説明したシステムｂと同じｎ個の伝
送システムを形成する一組のカップラ８３−１〜８３−
■と、各々が測定を行うように構成されたセンサ８５か
らなるｎ個の検出器を含む検出器アセンブリと、測定シ
ステム８８と、ｎ個の接続線８１０によって光源８１に
接続された光源処理及び切替えシステム８９とを含む。
この具体例ではアドレス手段は使用されず、各測定セン
サで反射した光束が第４図に示すコンセントレータ８７
によって測定干渉計の入力の前に集められる。
光ファイバシステムの出口では、ｎ個のファイバ８６−
１〜８トロの端部を円形束状にまとめる。この束は、こ
れらのファイバを実際に含むような直径を有する。次い
で、これらのファイバを互いに接着し、軸線と直交する
面で平らに整えて研磨し、コンセントレータ８７に接続
する。コンセントレータ８７はｎ個のファイバ８６−１
−８６−ｎの束の直径より大きい直径をもつ入力面８７
０を有する。コンセントレータ８７は、断面が小さい角
度で漸減するようなファイバを得るべくガラス又はプラ
スナックの棒を引き伸ばすことによって形成する。前記
角度が大きいすぎなければ、直径が小さい方の端部８７
１から光束が送出され得る。この光束は入射光束に近い
。この状態は第４図に示した。
この光束は従って、各光源から送出される光束である。
第３図に示すアセンブリ９と同じ測定干渉計８８の光検
出器に接続された処理システム８９は、相関最大値に対
応する光路差変化測定値Ｄｃ、及びＤｃから、各センサ
で測定された物理量を求めるためのものである。
第９図に示す別の変形例は、センサからの測定路を切替
える装置によって単一分析干渉計９８に接続されたマル
チセンサ計測システム９６からなる。
このシステムは光ファイバ９２によってカップラ９３に
接続された光源９１から光と受容する。前記カップラは
処理及び制御回路９９から接続線９１０を介して制御さ
れる光路スイッチ９４に結合している。光ファイバから
なる各光路９５−１〜９５−ｎは夫々のセンサ９６−１
〜９６−ｎに接続される。カップラ９３は切替えられた
光路を、第３図のシステム９と類似の分析及び測定シス
テム９８に接続されたファイバ９７に結合する。前記し
た２つの具体例では、ヨ択的に照射される２つのセンサ
の各々から発生するｎ個の複合干渉スペクトルが処理シ
ステム８９又は９９によって逐次１つずつ分析される。
更に別の具体例として、第１０図に示すように、スパー
クギャップ１０３を測定する前記タイプの測定装置１０
２を複数個接続してもよい。各測定装置１０２は該アセ
ンブリの有用性を高めるために切替え可能にする。
勿論、本発明は以上説明してきた特定具体例には限定さ
れず様々な変形が可能であり、前記した種々の手段、部
材と等価の手段、部材及びその組合わせも本発明の範囲
に含まれる。特に、第８図〜１０図に示した分析システ
ムの具体例で使用する干渉計センサは、測定する物理量
の所望の測定精度に応じて２つ又は１つにし得る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の並列形均−二重干渉計センサの断面図
、第２図は本発明の直列形混合二重干渉計センサの断面
図、第３図は本発明の装置の全体的構造を示す簡略説明
図、第４図はコンセントレータの一具体例を示す説明図
、第５図は単一の発光ダイオードを光源として使用した
場合に単一干渉計のセンサの干渉計と測定との間に得ら
れる相関関数として光検出器から送出されるＤＣを中心
とする信号のグラフ、第６図は２つの異なる発光ダイオ
ードを光源として使用した場きにセンサの干渉計と測定
との間に得られる相関関数として光検出器から送出され
る信号のグラフ、第７図は二重スペクトル光源の一具体
例を示す説明図、第８図は切替え光源を備えるマルチセ
ンサ干渉計装置の一具体例を示す説明図、第９図は単一
の光源及び単一の分析器を備えるマルチセンサ干渉計装
置の一具木例を示す説明図、第１０図はマルチアナライ
ザ装置の説明図、第１１図は第５図と同じ条件下でのり
、・０からの相関関数を示す説明図、第１２図は２つの
センサＤｃ＋及びＤＣ２と１つの発光ダイオードとを用
いた場合の相関関数を示す説明図である。 １３．１４．１７・・・・・・平行平面板、１９・・・
・・・コリメータレンズ、１１５・・・・・・変形可能
膜、１１３・・・・・・光ファイバ。 ＦＩＧ、４ ＦＩＧ５ ＦＩＧ、８ ＦＩＧ、１１

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）コリメータレンズの焦点に配置された光ファイバ
    から送られる互いに同心の中央光束及び外側光束を使用
    する２つの並列干渉計を含み、中央光束を使用する第１
    干渉計が圧力及び温度に反応して変形する変形可能な膜
    を含み、前記圧力及び温度がこれら２つのパラメータの
    関数として第１平行平面ガラス板の面の１つに対する前
    記膜の位置を変化させ、外側光束を使用する第２干渉計
    では、円筒形スペーサによって定位置に保持された２つ
    の平行平面ガラス板の２つの面の間の距離がこれら２つ
    のガラス板の夫々異なる膨張率の関数として変化し、前
    記コリメータレンズが前記２つの光束を光ファイバの方
    向に従つて平行化し、これら２つの光ファイバが２つの
    異なる移動距離を有し、各移動距離が光源の干渉スペク
    トルを発生させ、各スペクトルが加算されて再び光ファ
    イバ方向に合体されることを特徴とする干渉計センサ。
  2. （２）コリメータレンズの焦点に配置された光ファイバ
    から送られる互いに同心の中央光束及び外側光束を使用
    する２つの並列干渉計を含み、中央光束を使用する第１
    干渉計が圧力及び温度に反応して変形する変形可能な膜
    を含み、前記圧力及び温度がこれら２つのパラメータの
    関数として第１平行平面ガラス板の面の１つに対する前
    記膜の位置を変化させ、外側光束の光路上に配置される
    第２干渉計が偏光子と複屈折板とで構成され、前記複屈
    折板の複屈折が温度の関数として変化し、その結果干渉
    スペクトルが生じ、このスペクトルがコリメータレンズ
    によって光ファイバ上に集束し、中央光束の干渉スペク
    トルに加えられて再び合体することを特徴とする干渉計
    センサ。
  3. （３）コリメータレンズの焦点に配置された光ファイバ
    から送られる互いに同心の中央光束及び外側光束を使用
    する２つの並列干渉計を含み、中央光束を用いる第１干
    渉計が偏光子と複屈折板とを有し、前記複屈折板の複屈
    折が主に圧力の関数として変化し、外側光束の光路上に
    配置される第２干渉計が、円筒形スペーサを介して定位
    置に維持された２つの平行平面ガラス板の２つの面の間
    の距離がこれら２つのガラス板の夫々異なる膨張率の関
    数として変化するような干渉計からなるか、又は第２偏
    光子及び第２複屈折板で構成され、前記第２複屈折板の
    複屈折が温度の関数として変化し、その結果干渉スペク
    トルが生じ、このスペクトルがコリメータレンズによっ
    て光ファイバ上に集束し、中央光束の干渉スペクトルに
    加えられて再び合体することを特徴とする干渉計センサ
    。
  4. （４）コリメータレンズの焦点に配置された光ファイバ
    から送られる単一の光束を使用する直列に配置された第
    １干渉計及び第２干渉計を含み、第１干渉計が圧力及び
    温度に反応して変形する変形可能な膜からなり、前記圧
    力及び温度がこれら２つのパラメータの関数として第１
    平行平面ガラス板の面の１つに対する前記膜の位置を変
    化させ、その結果該膜の位置に関する特徴を表す光路差
    が生じ且つ光源の干渉スペクトルが発生し、光路上に配
    置される第２干渉計が偏光子と複屈折板とで構成され、
    前記複屈折板の複屈折が温度の関数として変化し、その
    結果外方向及びその逆の通過の後で、移動差により干渉
    スペクトルが生じ、最終的に各干渉計の干渉スペクトル
    の積に等しい干渉スペクトルがコリメータレンズを介し
    て光ファイバ上に集束することを特徴とする干渉計セン
    サ。
  5. （５）コリメータレンズの焦点に配置された光ファイバ
    から送られる単一光束を用いる直列に配置された第１干
    渉計及び第２干渉計を含み、第１干渉計が圧力及び温度
    に応じて変形する変形可能な膜からなり、前記圧力及び
    温度がこれら２つのパラメータの関数として第１平行平
    面ガラス板の面に１つに対する前記膜の位置を変化させ
    、その結果該膜の位置に関する特徴を表す光路差が生じ
    且つ光源の干渉スペクトルが発生し、第２干渉計は２つ
    の平行平面ガラス板の２つの面の間の距離がこれらのガ
    ラス板の夫々異なる膨張率の関数として変化する干渉計
    であって第１干渉計からの光束を使用し、結果として得
    られる干渉スペクトルがコリメータレンズを介して光フ
    ァイバ上に集束することを特徴とする干渉計センサ。
  6. （６）コリメータレンズの焦点に配置された光ファイバ
    から送られる単一の光束を用いる２つの直列干渉計を含
    み、第１の干渉計が偏光子と複屈折板とで構成され、こ
    の複屈折板の複屈折が主に圧力の関数として変化し、光
    路上に配置される第２干渉計が、円筒形スペーサを介し
    て定位置に維持された２つの平行平面ガラス板の２つの
    面の間の距離がこれら２つのガラス板の夫々異なる膨張
    率の関数として変化するような干渉計からなるか、又は
    第２偏光子と第２複屈折板とで構成され、前記第２複屈
    折板の複屈折が温度の関数として変化し、その結果得ら
    れる干渉スペクトルがコリメータレンズを介して光ファ
    イバ上に集束することを特徴とする干渉計センサ。
  7. （７）光路差を変化させ得る複数の物理的量を測定する
    ための光学的干渉計装置であつて、 −少なくとも１つのスペクトル幅の広い光源を含む発光
    装置； −各干渉計に起因する移動差Ｄｃ＿１及びＤｃ＿２の複
    合干渉スペクトルを発生させる２つの直列又は並列に配
    置された干渉計を含む少なくとも１つの混合又は均一干
    渉計センサからなる検出器アセンブリ； −前記発光装置からの光束を前記検出器アセンブリまで
    伝搬し且つ前記検出器アセンブリで反射した光束を逆方
    向に伝搬する光ファイバアセンブリ； −前記検出器アセンブリからの光束によって運ばれる情
    報を分析し、測定された物理的量を表す値を出す分析装
    置であって、 光ファイバの端部ｚにより照明される入 力コリメータと、２つの干渉計センサから送出される平
    行化光束の一部分を反射する基準鏡と、前記平行化光束
    の残りの部分を反射する第２鏡と、前記２つの鏡で反射
    した２つの光束を干渉させて、その結果生じる光束を出
    力に与える手段とを含む２波測定干渉計と、 測定干渉計からの光束の強度を測定して、 その強度を表す信号を送出する光電検出器とを含む分析
    装置；並びに −物理的量を表す値を送出する前記光電検出器からの信
    号を処理するアセンブリを含み、 測定干渉計の第２鏡が、この鏡を微細に移動させて対応
    移動を正確に測定する圧電式マイクロ配置測定器に固定
    され、且つ前記処理アセンブリが光電検出器だけでなく
    前記マイクロ配置測定器にも接続されて、光電検出器に
    受容される最大光強度に対応する第２鏡の絶対位置の制
    御及び測定を行い、これに基づいて１つ又は複数の所望
    の物理的量を得るのに必要な値Ｄｃ＿１及びＤｃ＿２を
    求めることを特徴とする装置。
  8. （８）測定干渉計の第２鏡が１つ又は複数のマイクロ配
    置測定器に固定され、これらのマイクロ配置測定器のう
    ち少なくとも１つが測定に使用され、残りが測定干渉計
    のゼロをシフトさせることを特徴とする請求項７に記載
    の装置。
  9. （９）緊密な関係をもつ厚さを有する複数の板又は数組
    の板を測定干渉計の第１鏡及び第２鏡の前に配置して、
    これらの鏡の前に配置された板の厚さの差の関数として
    光路差を発生させることを特徴とする請求項７に記載の
    装置。
  10. （１０）必要なシフトがかなり大きい場合に、このシフ
    トを可能にするような厚みを有する前記板のいずれか１
    つを前記第１鏡又は第２鏡の前に配置して測定干渉計の
    ゼロをシフトさせることを特徴とする請求項７に記載の
    装置。
  11. （１１）複数の地点で複数の物理的量を測定する複数の
    センサを含むことを特徴とする請求項７から１０のいず
    れか一項に記載の装置。
  12. （１２）少なくとも１つの物理的量を測定する単一のセ
    ンサを含むことを特徴とする請求項７から１０のいずれ
    か一項に記載の装置。
  13. （１３）光源が単一の基本的発光源からなり、永続的に
    供給されて、一組の光ファイバ分岐の前に配置されたス
    イッチを照射し、前記光ファイバアセンブリがセンサと
    同数のファイバを含み、前記スイッチが、各センサによ
    って送出される干渉スペクトルを測定干渉計の入力コリ
    メータを照射するファイバの前に１つずつ選択的に示す
    ように制御されることを特徴とする請求項７から１２の
    いずれか一項に記載の装置。
  14. （１４）発光源が複数の基本的光源からなり、これらの
    光源が循環的に又はプログラム可能な方法で順次供給さ
    れ、一組の光路を介して一組のセンサに光束を送り、前
    記光束が一組の光路を介してコンセントレータに送り返
    され、測定干渉計の入力コリメータに送られることを特
    徴とする請求項７から１２のいずれか一項に記載の装置
    。
  15. （１５）スペクトル幅の広い発光源がスペクトル幅を広
    げるべくバンド幅の広い１つ又は複数の基本的光源から
    なり、各光源がファイバの減衰最小値を中心とする最大
    値を有することを特徴とする請求項７から１２のいずれ
    か一項に記載の装置。
  16. （１６）発光源が二色板の全反射波長を中心とするスペ
    クトルを有する第１発光ダイオードと、前記二色板の全
    透過波長を中心とするスペクトルを有する第２ダイオー
    ドとで構成されることを特徴とする請求項１５に記載の
    装置。
  17. （１７）リターンパスとなる光ファイバの分岐が円形の
    束状にまとめられて相互に接着され、ファイバの軸線と
    直交する前記束の面が平らに整えられ且つ研磨されるこ
    とを特徴とする請求項１４に記載の装置。
  18. （１８）コンセントレータが、小さい角度で漸減する断
    面をもち且つリターンファイバの束の断面より大きい入
    力断面を有するファイバからなり、このファイバが例え
    ばガラス棒を引き伸ばすことによって得られることを特
    徴とする請求項１４に記載の装置。
  19. （１９）１つ又は複数の測定装置がスパークギャップの
    出力に星状に接続され、当該分析装置の有用性を高める
    べく切替えが可能であることを特徴とする請求項１３、
    １７又は１８に記載の装置。
  20. （２０）２つの異なる物理的量を、少なくとも１つを基
    本的物理量の補正に使用しながら、同一測定地点で測定
    する場合の請求項１２に記載の装置の使用。
  21. （２１）各干渉計が０．９５〜０．４の反射係数を有す
    る光路で形成されることを特徴とする請求項１から７の
    いずれか一項に記載の装置。
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