JPH0248958B2 - Kogakukeisokushisutemu - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、温度、圧力、流量等の物理信号を光
信号を利用して伝送する光学計測システムに関す
るものである。

従来、各種物理信号を光信号で伝送する場合、
光の強弱（アナログ）信号として伝送する方式、
パルス幅信号として伝送する方式あるいは波長の
異なる２種の光信号を用い、これらの光信号の強
弱を差動的に変化させて伝送する方式等がある。

光の強弱信号として伝送する方式は、伝送路た
る光フアイバの伝送損失変化が誤差になる欠点が
あり、他の残りの方式はこれらの欠点がない反
面、全体構成が複雑になるうえに、検出精度や伝
送精度が余り高くないという欠点がある。

本発明は、従来方式におけるこれらの欠点のな
い、構成が簡単で、検出精度や伝送精度の高い光
学計測システムを提供しようとするものである。

本発明に係るシステムは、伝送信号として光パ
ルス又は振幅変調光を用いるとともにこの光パル
ス又は振幅変調の周波数信号を被測定物理量に関
連して制御する点に、構成上のひとつの特徴があ
る。

第１図は本発明に係るシステムの一例を示す構
成ブロツク図である。図において、１は被測定物
理量の検出端、２は受信端、３は検出端１と受信
端２とを結ぶ光伝送路で、ここでは検出端１側が
２部分３１，３２に分岐した１本の光フアイバが
用いられているが２本のフアイバを用いてもよ
い。

検出端１において、１１は光フアイバ３１から
の光パルス信号を入力し、この光パルス信号に対
応して機械振動する光・振動変換器、１２は共振
器で、光・振動変換器１１に結合しており、ここ
には温度、圧力、力、変位など被測定物理量が与
えられており、この共振周波数が被測定物理量に
対応して変化する。１３は共振器１２に結合して
いる例えば圧電素子のような振動・電気変換器、
１４はこの振動・電気変換器からの電気信号を光
学的信号に変換する電気・光変換器で、光フアイ
バ３２が光学的に結合している。この電気・光変
換器としては、光の透過量が電気信号に応じて変
るようなPLZT等が用いられる。

受信端２において、２１は光の強さを制御でき
る光源で、発光ダイオード、レーザ光源、ランプ
等が用いられる。２２はビームスプリツタで、こ
こではハーフミラーを用いた例を示す。このビー
ムスプリツタ２２は、光伝送路３として２本のフ
アイバで構成されるものを使用すれば必要としな
い。２３は光電変換器で、光伝送路３を介して検
出端１側から伝送され、ビームスプリツタ２２を
介して入射する光信号を受光し電気信号に変換す
る。２４は光電変換器２３からの電気信号を入力
しこれを増幅するロツクインアンプ、２５はロツ
クインアンプ２４の出力信号を設定値とする発振
器２６の制御回路である。発振器２６は例えば電
圧制御発振器（VCO）が用いられ、制御回路２
５からの信号によつてその発振周波数が制御され
る。２７は光源２１の駆動回路で、光源２１から
の振幅変調光又は光パルスの周波数を発振器２６
からの周波数信号ｆで制御する。

第２図は検出端１の一例を示す構成斜視図で、
ここでは音又式の振動子１０を用い、この音又式
振動子１０の周囲温度を測定する場合を例示す
る。

音又振動子１０の一方の腕の端部付近には、表
面が光を吸収しやすいように黒色としたバイメタ
ル１５が取付けられ、これに光フアイバ３１の一
端が結合している。このバイメタル１５は、第１
図において光振動変換器１１としての役目をなす
もので、光フアイバ３１から出射される光パルス
（周波数ｆ）を吸収して熱膨張（熱収縮）し、音
又式振動子１０を受信側から伝送される振幅変調
光又は光パルスの周波数に対応した周波数で振動
させる。なお、ここで音又式振動子１０とこれに
取付けた金属１５に熱膨張係数の違う材料を用
い、１０と１５が、バイメタル構成となるように
してもよい。音又式振動子１０は第１図における
共振器１２としての役目をなすもので、その共振
周波数が周囲温度ｔに対応して変化する。音又式
振動子１０の他方の腕の端部付近には、振動・電
気変換器たる圧電素子１３が取付けられ、この圧
電素子１３の出力が電気・光変換器としての役目
をなす光変調器１４に印加されている。この光変
調器１４は、ここでは圧電素子１３からの信号が
印加されるPLZT１４０と、このPLZTを挾んで
配置された偏光板１４１，１４２とで構成されて
おり、光フアイバ３１から分岐した光フアイバ３
３からの光が入射するようになつている。光フア
イバ３２の一端は、光変調器１４に結合してお
り、光変調器１４において変調された光信号（こ
こでは音又式振動子１０の振幅に対応して光パル
ス高さが変化する光信号）を受信側に伝送する。
なお、ここで光伝送路３を２本の光フアイバで構
成し、光フアイバ３２からは連続光を照射するよ
うにしてもよい。

第１図に戻り、このシステムの動作を、検出端
１として第２図に示すような振動子１０を用いた
場合を例にとつて次に説明する。

はじめに、光源２１から振幅変調光又は光パル
ス信号を光伝送路３を介して検出端側に伝送する
とともに、この光信号の周波数ｆを例えばf₁から
f₂まで掃引する。検出端１側において、音又式振
動子１０は伝送された光信号の周波数に対応して
振動する。ここで、伝送される光信号の周波数
が、振動子１０の共振周波数f₀（ただし、f₁＜f₀＜
f₂とする）に一致すると、この点で振動子１０の
振動振幅が著しく大きくなる。

第３図は、検出端１において、伝送されてくる
光信号の周波数ｆが、f₁からf₂に掃引された場
合、この周波数と、音又式振動子１０の振幅、す
なわち検出端１の出力の光振幅の変化分P₀との
関係を示した線図であつて、伝送される光信号の
周波数ｆが、振動子１０の共振周波数f₀になつた
とき、検出端出力の光振幅の変化分が最も増大す
ることを示している。

音又式振動子１０の振動振幅は、圧電素子１３
によつて電気信号に変換された後、この電気信号
が光変調器１４に加えられ、ここで光変調信号と
し、これが、光フアイバ３２、光伝送路３を介し
て受信端２側に伝送される。受信端２において、
検出端１側から伝送された音又式振動子１０の振
動振幅情報を含んだ光パルス信号は、光電変換器
２３で受光され、ロツクインアンプ２４に印加さ
れる。ロツクインアンプ２４は、伝送する光パル
ス信号を周波数f₁からf₂ま掃引したとき、検出端
出力が最大となる点f₀を検出する。

第４図は、受信端２側から伝送する光パルス信
号を、更に微少振幅f_nでFM変調して検出端１側
に伝送した場合におけるロツクインアンプ２４の
出力を示したもので、出力e₀が零を横切る点を検
出することによつて、f₀を容易に検出するように
している。ロツクインアンプ２４の出力は、制御
回路２５に印加され、発振器２６、駆動回路２７
を介して光源２１から出射する光パルス信号の周
波数ｆをf₀になるように制御するもので、以後、
振動子１０を含んで形成される閉ループは、光源
１からの光パルス信号の周波数ｆが、音又式振動
子１０の共振周波数f₀に追従するように制御す
る。

よつて、第１図システムにおいて、発振器２６
の発振周波数f₀から、音又式振動子１０の共振周
波数、すなわちこの音又式振動子１０の周囲温度
ｔを計測することができる。

このように構成されたシステムによれば、光伝
送路及び検出端に電気信号が介在しないので、本
質安全防爆、ノイズに対する対策、信号のアイソ
レーシヨンが容易で、計装を安価に行うことがで
きる。また、光パルス又は振幅変調光信号の周波
数信号を伝送、検出するものであるから、光伝送
路の損失変化や、光源や受光素子の経年変化等に
よる誤差がなく、全体として構成が簡単で、検出
精度や伝送精度の高い光学計測システムが実現で
きる。

第５図及び第６図は本発明システムに使用され
る検出端１の他の例を示す構成図である。

第５図に示す検出端は、光フアイバ３１から出
射した光を太陽電池１６に照射し、ここで電気エ
ネルギに変換し、この電気信号を音又式振動子１
０に取付けた励振手段として作用する圧電素子１
７に印加させるようにしたものである。他の構成
は第２図に示す検出端と同様である。

第６図に示す検出端は、共振器１２として二本
の平行ビームで構成されたものを用いたもので、
一端が固定、他端が例えば力Ｆが与えられてい
る。この共振器１２は、第２図に示すものと同様
に、一方のビームに光を吸収して熱膨張し、共振
器１２を駆動する金属１５が取付けられ、また、
他方のビームに振動を検出する圧電素子１３が取
付けられている。圧電素子１３の出力は、LED
やELのような電気・光変換器としての発光素子
１４に印加され、ここからの発光出力は、光フア
イバ３２，３を介して受信側に伝送されるように
なつている。

なお、検出端としてはここではいくつかの例を
示したが、これらは各実施例においてそれぞれ特
徴ある部分を組合せて用いることができる。ま
た、ここに示された構成のものに限らず、他の構
成のもの、すなわち伝送された光パルス信号によ
つて駆動され、被測定物理量に関連してその共振
周波数が変化するように構成され、振動を電気信
号とし、この電気信号によつて光学的信号を出力
するものであれば使用が可能である。

第７図は本発明に係るシステムの他の構成例を
示すブロツク図である。このシステムにおいて
は、受信端２を、光・電変換器２３からのパルス
信号をバンドパス増幅器２８を介して光源駆動回
路２７に印加し、光源２１から出射する光パルス
信号の周波数を制御するように構成したものであ
る。

このシステムによれば、光源２１、光伝送路
３、共振器１２、バンドパス増幅器２８を含んで
形成されるループは、共振器１２の共振周波数f₀
で発振する発振器を構成している。

第８図は第７図に示すシステムにおいて、光パ
ルスの周波数と、検出端１のゲインとの関係を示
した線図である。ここで、受信例から伝送する光
パルスの周波数が、共振器１２の共振周波数f₀と
一致した点がゲインが最大となり自励発振する。
バンドパス増幅器２８の出力周波数f₀から共振器
１２に与えられる各物理量を測定することができ
る。

以上説明したように、本発明は光源からの光信
号の周波数を検出端を構成する共振子の共振周波
数に追従するように制御するものであるから、単
一波長の光源で構成で、しかも光伝送路の伝送損
失変化や光源、光電変換器の効率変化の影響を受
けない、構成の簡単な光学計測システムが実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るシステムの一例を示す構
成ブロツク図、第２図は第１図システムに用いら
れている検出端の一例を示す構成斜視図、第３図
及び第４図は第１図システムの動作を説明するた
めの線図、第５図及び第６図は本発明システムに
使用される検出端の他の例を示す構成図、第７図
は本発明に係るシステムの他の構成例を示すブロ
ツク図、第８図は第７図システムの動作を説明す
るための線図である。 １…検出端、１１…光・振動変換器、１２…共
振器、１３…振動・電気変換器、１４…電気・光
変換器、２…受信端、２１…光源、２２…ビーム
スプリツタ、２３…光電変換器、２４…ロツクイ
ンアンプ、２５…制御回路、２６…発振器、２７
…光源駆動回路、３…光伝送路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光信号によつて駆動され、その共振周波数が
   与えられる被測定物理量に対応して変化する共振
   手段と、この共振手段の振動によつて電気信号を
   発生する振動電気変換手段と、この振動電気変換
   手段からの電気信号によつて動作する電気光変換
   手段とを有する検出端、光源とこの光源からの光
   パルス信号又は振幅変調光の周波数を制御する光
   源制御手段とを有する受信端、前記検出端と前記
   受信端とを結ぶ光伝送路を具備し、前記受信端に
   おいて、光信号を前記光伝送路を介して前記検出
   端に伝送するとともに前記検出端の電気光変換手
   段から前記共振手段の共振周波数又は振幅又は位
   相に関連した光信号を光伝送路を介して受光し、
   光源制御手段は光パルス信号又は振幅変調光の周
   波数を前記共振手段の共振周波数に対応するよう
   に制御することを特徴とする光学計測システム。