JPH0319600B2 - - 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
連して共振する共振器に照射し、共振器の振動振
幅を光ドツプラー周波数として検出する点に、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
いる振動・光ドツプラー周波数変換器で、光フア
イバ３２が光学的に結合している。

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て電気信号に変換
する。２４は光電変換器２３からの電気信号を入
力しこれを信号処理する信号処理回路、２５は信
号処理回路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。信号処理回路２４は、第
３図に示すように光電変換器２３からの信号のな
かからドツプラーシフト量ΔF₀を選択するフイル
タ２４１と、これを電圧信号に変換するＦ／Ｖコ
ンバータ２４２と、この信号を入力するロツクイ
ンアンプ２４３とで構成されている。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２５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、
ここでは両持粱振動子１０を用い、この振動子１
０に検出すべき力Ｐが与えられている場合を例示
する。

振動子１０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１４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１４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）を
吸収して熱膨張（熱収縮）し、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
振動子１０とこれに取付けた金属１４に熱膨張係
数の違う材料を用い、１０と１４が、バイメタル
構成となるようにしてもよい。振動子１０は第１
図における共浸器１２としての役目をなすもの
で、これに力Ｐが与えられその張力が変化し、そ
の共振周波数が与えられている力Ｐに対応して変
化する。光フアイバ３２の一端は、平行光線にす
るためのロツドレンズ３３を介して振動子１０の
ほぼ中央付近において対向するように光学的に結
合しており、振動子１０に受信側から伝送された
光信号（ここでは光パルス）を照射するととも
に、ここからの反射光を受光し、振動子１０の振
動速度に対応してドツプラーシフトした周波数
F₀＋ΔFの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。また、ロツドレンズを必ずしも必要とし
ない。振動子１０と光フアイバ３２は、振動光変
換器１３としての役目をなしている。

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、第４図イに示すように光源２１から
周波数の振幅変調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。検出端１側にお
いて、振動子１０は、伝送された振幅変調光また
は光パルスの周波数に対応して、第４図ロに示
すように、振幅Uoで振動する。

この時の、振動子１０の変位Ｕは、(1)式で示さ
れる。

Ｕ＝Uo・sin（2πot） …(1) o；振動周波数 また、この振動子の振動速度Ｖは、(2)式で表さ
れる。

Ｖ＝（dV／dt） ＝2πo・Uo・cos（2πot）…… (2) 振動子１０とロツドレンズ３３とは、光の干渉
計を構成しており、振動子の振動速度Ｖにより光
固有周波数Foの光は、ドツプラーシフトし、Fo
＋ΔFとなる。

ドツプラーシフト量ΔFは、光の波長をλ、振
動子１０の振動周波数o、振動子１０の最大振
幅量をUoとすると、(3)式で表せる。

ΔF＝（2V）／λ ＝｛（4πoUo）／λ｝・ cos（2πot） …(3) (3)式から、振動子１０の最大振幅量Uoは、(4)
式によつて表すことができる。

Uo＝λ・ΔFmax／4πo… (4) (4)式から明らかなように、ドツプラーシフト量
ΔFと、振動子１０の変位Ｕとは対応関係にある。
このことは、ドツプラーシフト量ΔFの変動数と、
振動子１０の変位Ｕの回数（振動子の振動数）と
が対応関係にあることで、ドツプラーシフト量
ΔFの変動数に、光源からの光信号の振幅変調周
波数を追従（トラツキング）させれば、振動子
１０の振動数（固有振動数）oを検出できる。

受信端側において、信号処理部２４、制御部２
５、発振器２６、光源駆動回路２７を含むループ
は、ドツプラーシフト量ΔFの変動数に対応する
光源からの光信号の振幅変調周波数を、振動子
１０の振動数oにトラツキングさせる回路を形
成している。

ドツプラーシフトされた周波数Fo＋ΔFの光信
号と、光フアイバ先端のロツドレンズ３３の境界
面で反射したドツプラーシフトのない周波数Fo
の光信号は、光フアイバ３２を介して受信端２側
に伝送される。

ここで、(3)式で表されるドツプラーシフトによ
る周波数変化ΔFは、伝送された光信号の周波数
Foに対して僅かであり、例えば伝送された光信
号が波長780μmのレーザ光（光周波数400THz）
を用い、振動子１０の共振周波数oが100KHz、
振動振幅62μmとすれば、ドツプラーシフトによ
る周波数変化ΔFの最大値ΔFmaxは、100MHz程
度である。

受信端２側において、検出端１側から伝送され
た光信号は、ビームスプリツタ２２を介して光電
変換器２３で受光される。光電変換器２３が受け
る光信号は、ドツプラーシフトされた周波数Fo
＋ΔFの光信号と、ドツプラーシフトのない周波
数Foの光信号の両方を受けており、光電変換器
２３として自乗検波特性のものを用いることによ
り、ここでヘテロダイン検波され、両信号の周波
数の差ΔFを有するハに示すようなドツプラーシ
フト信号が抽出される。

第５図は、ドツプラーシフト量ΔFと、振動子
１０の振動幅との関係を示す線図である。

この図に示すように、ドツプラーシフト量ΔF
は、一符号を含む場合もあるが、光電変換器２３
に自乗検波特性のものを用いることにより、第４
図ハに示すような波形の信号が、光電変換器２３
から出力される。

信号処理回路２４において、フイルタ２４１
は、光電変換器２３からの信号の中に含まれるノ
イズを除去し、第４図ハに示すような信号を得
る。この信号は、Ｆ／Ｖコンバータ２４２を介し
て第４図ニに示すように振動子１０の振動振幅Ｕ
に対応した電圧信号になる。

ロツクインアンプ２４３は、第４図ニに示すよ
うな信号電圧は入力しており、その出力電圧eo
が零になるように、換言すれば、振動振幅Ｕが最
大になるように制御部２５、発振器２６を介して
光源駆動回路２７を制御し、光源２１から出射す
る光光信号の振幅変調周波数を制御する。

これにより、光信号の振幅変調周波数は、ド
ツプラーシフト量ΔFの変動数、すなわち、振動
子１０の振動数（固有振動数）oに追従するこ
ととなる。第６図は、検出端１において、伝送さ
れる光パルスの周波数と、振動子１０の振幅と
の関係を示した線図、第７図は、光パルスの周波
数と、ロツクインアンプ２４３の出力電圧e₀の
関係を示す線図である。トラツキング状態では、
光源２１、検出端１、信号処理回路２４を含んで
形成されるループは、光源２１からの光の振幅変
調周波数が、第６図に示すように検出端側の振
動子１０（共振器１２）の共振周波数₀に一致す
るように、すなわち、信号処理回路２４内のロツ
クインアンプの出力電圧が第７図に示すように零
になるように動作しており、発振器２６の出力周
波数が、共振器１２の共振周波数₀に追従する
こととなる。従つて、発振器２６の発振周波数か
ら、振動子１０の共振周波数、すなわち、この振
動子に与えられている力Ｐを計測することができ
る。ここで、振動子１０に与える力を、例えば圧
力、温度、変位といつた物理量に関連するように
すれば、発振器２６の発振周波数から、これらの
各種物理量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ことから、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８図は信号処理回路２４の他の回路例を示す
ブロツク図である。この回路においては、信号処
理回路２４のＦ／Ｖコンバータ２４２を、位相検
波器２４４，フイルタ２４５，電圧制御発振器２
４６で構成されるPLLを用いたものである。

第９図〜第１２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９図は円筒形状の光音響共振器を用い、これ
が被測定温度個所に設置されている場合を例示す
る。この光音響共振器１０は、円筒形内部に温度
に感応し熱膨張又は熱収縮する気体又は液体が満
たされている。光フアイバ３１から出射した光は
この円筒形内部に放射され、この中に満たされた
気体又は液体に吸収される。または、共振器１０
の側面に、例えばカーボンブラツクを施した光吸
収部１４を設け、光フアイバ３１から出射した光
を14が吸収し、近傍の気体または液体を加熱して
もよい。他方の側面一部にはダイヤフラム１５が
設けられており、光フアイバ３２の端面は、この
ダイヤフラム１５に光学的に結合している。

このような構成の光音響共振器１０において、
光フアイバ３１から出射される光パルス（周波数
）は、気体又は液体あるいは光吸収部１４に吸
収され、これが熱エネルギーに変換される。これ
によつて共振器内部の気体は光パルスに対応して
熱膨張（熱収縮）し、光パルスの周波数に対応し
た周波数の圧力音響波を生じ、ダイヤフラム１５
はこの圧力音響波とともに振動する。ダイヤフラ
ム１５に結合している光フアイバ３２は、ダイヤ
フラム１５に受信側から伝送された光信号（ここ
では光パルス）を照射させるとともにここからの
反射光を受光し、ダイヤフラム１５の振動振幅に
対応して生ずる光ドツプラー周波数信号を受信側
に伝送する。

ここで、円筒形状で構成される光音響共振器１
０は、その軸方向、径方向、円周方向に各共振周
波数を有しており、この共振周波数は光音響共振
器１０が設置されている例えば周囲温度に応じて
変化するもので、ダイヤフラム１５の共振周波数
₀は周囲温度に関連して変化することとなる。

なお、ここに示す光音響共振器１０において、
側面を、第１０図に示すように周縁部をダイヤフ
ラム１５とした薄板で構成し、共振器１０内に批
測定流体を導入して薄板を変位させるようにす
ば、被測定流体の圧力に対応しその共振周波数₀
が変化することになる。

第１１図は第２図のものと同様に、両持粱振動
子１０を用いて構成するとともに、この振動子１
０の両側に光フアイバ３２ａ，３２ｂをロツドレ
ンズ３３ａ，３３ｂを介して設置したものであ
る。この検出端においては、光フアイバ３２ａ，
３２ｂから戻る光のドツプラー周波数は、振動子
１０の振動に対応して差動的にF₀＋ΔF，F₀−ΔF
のように変化する。

第１２図に示す検出端は、光振動変換器１１と
して、振動子１０に取付けた圧電素子１６と、光
フアイバ３１からの光信号を受光し、これを電気
信号に変換する太陽電池のような光電変換素子あ
るいは焦電素子１７とで構成したものである。光
電変換器あるいは焦電素子１７の出力信号は、圧
電素子１６に印加され、振動子１０を光パルスの
周波数信号で振動する。

なお、検出端として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
数が変化し、この共振周波数変に応じてドツプラ
ー周波数が変化するような光信号を出力するもの
であれば使用が可能である。

なお、上記の実施例において、光源２１からの
光を、例えば超音波変調器等によりFM変調（光
周波数F₀＋F₁、ただしF₁はFM変調された周波数
バイアス）するとともに、F₀＋F₁の光を周波数
で拡幅変調するようにしてもよい。この場合、
検出端１側からの戻り光の光周波数は、F₀，F₀
＋ΔF，F₀＋F₁，F₀＋F₁＋ΔFとなり、フイルタ
手段等を介して、F₁＋ΔFを抽出する。ここで、
F₁》ΔFとする。

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き、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
は第１図システムに用いられる信号処理回路の一
例を示す構成ブロツク図、第４図〜第７図は第１
図システムの動作を説明するための線図、第８図
は本発明システムに用いられる信号処理回路の他
の構成例を示すブロツク図、第９図〜第１２図は
本発明システムに使用される検出端の他の例を示
す構成図である。 １……検出端、１１……光・振動変換器、１２
……共振器、１３……振動・光ドツプラー変換
器、２……受信端、２１……光源、２２……ビー
ムスプリツタ、２３……光電変換器、２４……信
号処理回路、２５……制御回路、２６……発振
器、２７……光源駆動回路、３……光伝送路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 受信端側から検出端側に、当該検出端の駆動
   信号を光伝送路を介して光信号で伝送し、測定物
   理量に関連する光信号を受信端側に光伝送路を介
   して送り返すようにした光学計測システムであつ
   て、 前記検出端側は、 受信端側から送られた光駆動信号を受け機械振
   動を生じさせる光／振動変換手段と、 この光／振動変換手段により振動し、その振動
   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数（fo）を光ドツプラーシ
   フトの変動周波数として検出する振動・光ドツプ
   ラー変換手段とで構成され、 受信端側は、 検出端側に伝送する光信号を出射する光源と、 この光源から出射する光パルス信号または振幅
   変調光の周波数ｆを制御する光源制御手段と、 検出端側から送られた光信号を受け、その中か
   ら光ドツプラーシフトの変動周波数oを抽出す
   ると共に、前記光源制御手段を介して光源からの
   光パルス信号または振幅変調光の周波数を光ド
   ツプラーシフトの変動周波数oに追従するよう
   に制御する制御手段とで構成され、 前記光ドツプラー周波数oまたは、光源から
   の光パルス信号または振幅変調光の周波数を被
   測定物理量に関する信号として得るようにしたこ
   とを特徴とする光学計測システム。