JPH03264801A - 光ファイバセンサ - 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、光ファイバを用いて遠隔的微小変位検出を行
なう光フアイバセンサに関するものである。

〈従来の技術〉 従来、遠隔的に光ファイバより変位等を検出する場合の
この種の技術としては、第４図の従来の技術の説明に供
するブロック線図に示すように、一方から光源１の光が
導かれる第１の結合器（ｃｋｕｐｌｅｒ　）　２　、及
びこの第１の結合器２と他方に伝送路Ｃが接続される第
２の結合器３との間に接続・配置されるセンシング用の
光ファイバ（以下センシング７フイバＳｅｎｓｉｎｇ　
ｆｉｂｅｒ　”という）４並びに変換器（Ｔｒａｎｓｄ
ｕｃｅｒ　）　５がその経路の途中に配置されるリファ
レンス用の光ファイバ（以下リアレンスファイバ”ｔ＋
ｅｔｅｒｅｎｃｅ　ｆｉｂｅｒ　”という）６によって
構成されるセンサ部Ａと、第２の結合器３からの信号を
伝送路Ｃを介して入力する検出器７及び信号発生器８等
から成る信号処理部Ｂとから構成されていて、このよう
な構成により、遠隔的にセンシングファイバ４及びリフ
ァレンスファイバ６の変位（位相差）を信号処理部Ｂで
光強度として検出するマツハツエンダ型干渉センサ（Ｍ
ａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ　　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔ
ｅｒ）の技術が知られている（例えば、りｏ−；ｙ（Ｄ
、Ａ、にｒｏｈｎ　＞　ｉ　’光ファイバセンサ（ＦＩ
ＢＥＲ０ＰＴＩＣ５ＥＮＳＯＲ３）基礎と応用・４５〜
４６頁参照）。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところでこのマツハツエンダ型干渉センサは、位相差を
光強度として検出するので、センサ部Ａから信号処理部
Ｂ迄の間の伝送Ｃの外乱の影響を受けやすいという問題
点があった。

本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に鑑み
てなされたものであり、その目的とするところは、セン
サ部分のみの僅かな変位を高精度に検出する新しいタイ
プの遠隔形の光フアイバセンサを提供するものである。

く課題を解決するための手段〉 上記目的を達成するために、本発明は、被測定対象の微
小な物理量の変化を測定する光フアイバセンサにおいて
、光ファイバで結ばれる少なくとも一方は被測定対象の
物理量の変化に応じて共振器の長さ或は共振器内部の屈
折率変化が生じる構造を有して成り、他方は前記一方の
共振器と同じ共振条件を実現させた構成を有して成ると
きに一方をセンサ用光共振器とし他方を検出用光共振器
とした一対の光共振器と、周波数を変化できるレーザ光
源から前記センサ用光共振器に出射されるレーザ光に対
するこの時の反射信号に基づいて前記レーザ光の光周波
数にフィードバックを掛けて該レーザ光を光共振器の共
振周波数にロックさせる構成のレーザ発信手段と、前記
検出用光共振器の透過信号を入力して該入力信号により
該検出用光共振器の間隔を動作させるアクチュエータに
フィードバックを掛けて共振条件を前記センサ用光共振
器と等しくして前記センサ用光共振器の変位を計測する
信号処理手段と、から成ることを特徴とするものである
。

く作用〉 発振周波数を変化できるレーザ光源と駆動回路を供えた
レーザ発信手段、２つの光共振器、２つの光共振器間と
一方の光共振器とレーザ発信手段とを結ぶ光ファイバ、
及び光共振器の間隔を動作するアクチュエータとその制
御回路を有する信号処理手段で全体を構成する。そして
この時に、２つの光共振器の内の少なくとも１つの光共
振器は、被測定対象の物量の変化に応じて、共振器の長
さ或は共振器内部の屈折率変化が生じる構造を持ち、他
方の光共振器はもう一方の光共振器と同じ共振条件を実
現させ得る構成とされる。又、レーザ発信手段は、レー
ザー光をこのレーザ発信手段側に設けられた光共振器（
センサ用光共振器）へ光ファイバを通して入射させた後
に、このセンサ用光共振器における反射光を前記光ファ
イバを通して入力して前記レーザ光の光周波数にロック
する構成とされる。更に又、入射したレーザ光のセンサ
用光共振器からの透過光（透過信号）は光ファイバを通
して他方の光共振器（検出用光共振器）へ導く、そして
更にこの検出用光共振器の透過信号を信号処理手段に導
くことにより、アクチュエタ／制御回路により検出用光
共振器にフィードバックをかけて、検出用光共振器の共
振条件をセンサ用光共振器と等しくする０以上の経過を
とおしてセンサ用光共振器の変位を計測する。

〈実施例〉 実施例について図面を参照して説明する。

第１図は本発明の被測定対象の微小な物理量の変化を測
定する光フアイバセンサの具体的な１実施例を示すブロ
ック系統図である。

第１図において、１０はレーザー光〈コヒーレント光〉
を後述するセンサ用光共振器へ入射させ、この光共振器
の反射信号によりレーザ光を光周波数にロックする構成
から成るレーザ光発信手段である。このレーザ発信手段
１０において、１１は発振周波数を変化できる例えば半
導体レーザ等から成るレーザ光源（以下「ＬＤ」と略称
する）、１２はＬＤｔ（ｌを駆動するレーザ駆動回路（
以下１駆動回路」という）、１３はビームスプリッタ（
以下「ＢＭ」と略称する〉、１４はセンサ用光共振器か
らの戻り光（反射光）であるレーザ光を８Ｍ１３で反射
したその光を受光して電気信号に変換して駆動回路１２
にフィードバックする例えばフォトダイオード等から戒
る光検出器（以下ｒＰＤ、と略称する）である。２０は
光ファイバである。３０はセンサ用光共振器である。こ
のセンサ用光共振器３０において、Ｍ　＋　、　Ｍ　２
は部分透過ミラーであり、この１対の組合せでファブリ
ペローエタロン（ＦＰＥ）ヲｌｌ！成し、例えば、被測
定対象の物量の変化に応じて共振器の長さ或は共振器内
部の屈折率変化を生じさせる共振条件を有する構造（又
は後述する検出用光共振器と同じ共振条件を実現させ得
る構造）とすることができる。この時、Ｌ　Ｄ　１１か
ら出射した光はＢ５１３と光ファイバ２０を通過してセ
ンサ用光共振器３０へ入射し、一部は透過し、一部はＦ
ＥＰの部分透過ミラーＭ１．Ｍ２で反射されて再び光フ
ァイバ２０を通過してＢ５１３を介してＰ　Ｄ　１４で
受光されて、８前置号となって駆動回路１２にフィード
バックされる。　４０はセンサ用光共振器３０を透過し
た光を通過させる、言替えれば、センサ用光共振器の透
過信号を次の検出用光共振器５０へ導く光ファイバであ
る。検出用光共振器５０は、センサ用光共振器３０の共
振条件と同じ共振条件を実現させ得るべく、前記センサ
用光検出器と同じ共振条件を実現させ得る構造（又は被
測定対象の物理量の変化に応じて共振器の長さ或は共振
器内部の屈折率変化を生じさせる構造）をとるものであ
り、センサ用光共振器３０の透過信号により、後述する
アクチュエータ制御回路を用いてフィードバックをかけ
て共振条件をセンサ用光共振器と等しくするために、部
分透過ミラーＭ３　、Ｍ、１１対の組合せでファブリペ
ローエタロン（ＦＰＥ）を構成し、圧電アクチュエータ
ＡＩを用いて部分透過ミラーＭ、を強制的に平行移動さ
せる（光共振器ミラー間隔を動作する）、尚、光共振器
としては、少なくとも一方か、被測定対象の物理量の変
化に応じて共振器の長さ或は共振器内部の屈折率変化を
生じさせる＃ｌ遣であれば良く、この場合は他方はその
時に同じ共振条件を実現させ得る構造であれば、良い。

６０は検出用光共振器５０の変位を計測して信号処理す
る信号処理手段である。この信号処理手段６０において
、６１は検出用光共振器５０の部分透過ミラーＭ３　、
ＭＡ間の変位を測定する例えば静電容量式等の変位測定
手段であり、６２は検出用光共振器５０の光を受光して
電気信号に変換する例えばフォトダイオード等から成る
光検出器（以下「ＰＤ」と略称する）であり、６３はＰ
Ｄ６２からの信号を圧電アクチュエータＡＩにフィード
バックしてＡＩ動作を制御する前記アクチュエータ制御
回路である。これにより光ファイバ４０を通って検出用
光共振器５０の部分透過ミラーＭ３　、ＭＡに入射した
光線は、圧電アクチュエータＡＪの制御動作を伴い信号
処理手段６０のＰＤ６２へ入射するループが構成される
。

このような構成について、その動作を第２図及び第３図
の第１図の説明に供する図を用いながら説明する。

（イ）、ＬＤｌｌから出射した光は８Ｍ１３．光ファイ
バ２０を通過してセンサ用光共振器３０に入射する。

センサ用光共振器３０の共振条件は共振器のｒＷＪ隔と
内部の屈折率で決まる。つまり、ある一定の光路長を持
つセンサ用光共振器３０からの戻りレーザ光（以下「反
射光ｊという）Ｘと、センサ用光共振器３０を透過した
レーザ光（以下「光透過光」という）Ｙは、第２図のよ
うに、光周波数に対して特定のピークを持つ０反射光Ｘ
の信号は８Ｍ１３で反射してＰ　Ｄ　１４で受光する。

ＰＣｌ３で検出される信号は第３図の実線のようになり
、センサ用光共振器３０の光路長変化により、この光信
号の最小値（光共振器間隔が広がった時の値）は矢印Ｆ
の第４図破線のように変化する。一方、ＰＣｌ３の光周
波数は駆動′ｒ４流により変化させることができるがら
、駆動回路１２によってＰＣｌ３からの電気信号を常に
最小となるように制御することで、センサ用光共振器３
０の透過光を常時共振周波数に対応させることかできる
ことが分る。

（ロ）、センサ用光共振器３０を透過した光は、光ファ
イバ４０を通り検出用光共振器５０に入射する。

検出用光共振器５０はセンサ用光共振器３０と同様の特
性を持つので、屈折率が同じ条件では、センサ用光共振
器３０と検出用光共振器５０の夫々の部分透過ミラー間
隔か等しい場合に透過光パワーが最大となる。ところで
検出用光共振器５０の部分透過ミラーＭ３　、Ｍａ間隔
は、透過光をＰＤ６２で検出して圧電アクチュエータＡ
Ｉをアクチュエータ制御回路６３で動作させることによ
って、常時透過光パワを最大とするように部分透過ミラ
ーＭ’ｓを強制的に平行移動することで制御できる。

（ハ〉１以上の結果、センサ用光共振器３０の部分透過
ミラーＭ、、Ｍ２間隔と検出用光共振器５０の部分透過
ミラーＭ３　、Ｍａ間隔を等しく維持できるので、部分
透過ミラーＭ　３　、　Ｍ　ａの間隔を変位測定手段６
１で測定すれば、遠隔的にセンサ用光共振器３０の変位
（部分透過ミラーＭ、、Ｍ２間隔の変位〉を測定するこ
とができる。

〈その他実施例〉 本発明は以上の説明に限定されず、以下のように構成し
ても良い。

（１〉、レーザは周波数掃引ができれはよいので、半尋
体レーザ以外のレーザ光発信手段であってもよい。

（２）、センサ用光共振器の構成は、反射光強度が光周
波数により変化していれば良く、特に制限をしなくとも
よい。

（３〉、温度補償等を行なう必要がある場合は、光共振
器の構成をいずれも同一にした上で、センサ用光共振器
を参照用として用いてもよい。

〈４〉、センサ用光共振器を導波路タイプのもので構成
しても良い。

（５〉、検出エタロンの間隔測定は、接触タイプ。

非接触タイプに限定せず、例えば、光量の変位計等であ
ってもよい。

（６）、検出エタロンの変位を測定するのに、圧電アク
チュエータの印加電圧（又は電流）と動作変位の関係が
１対１であれば、直接電圧（又は電流）の値から変位を
検出するようにしてもよい。

〈発明の効果〉 本発明は、以上説明したように構成されているので、次
に記載するような効果を奏する。

■：センサ部分が光のみを利用した検出構造であるから
、電磁ノイズに強く、本質安全防爆となる。

■：光光拡振器感度が非常に良いことから、遠隔的精度
の良い計測が可能である。

■ニ一般的なレーザが利用できるので、コストを安くで
きる。

■：：ファイバを透過する光量が測定結果に直接関係し
ないので一光ファイバの曲げや圧縮等の外乱における影
響を受けないで測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の被測定対象の微小な物理量の変化を測
定する光フアイバセンサの具体的な１実施例を示すブロ
ック系統図、第２図乃至第３図は第１図の説明に供する
図、第４図は従来の技術の説明に供するブロック線図で
ある。 １０・・・レーザ光発信手段、１１・・・レーザ光源（
ＬＤ）１２・・・レーザ駆動回路（駆動回路〉、１３・
・・ビームスプリッタ（ＢＭ）　、１４．６２・・・光
検出器（ＰＤ）、３０・・・センサ用光共振器、５０・
・・検出用光共振器、６０・・・信号処理手段、６１・
・・変位測定手段、６３・・・アクチュエータ制御回路
。 ど２〜 第 図 第 図 光周波数 酊 図 第 図 ６（ｌノファレンスファイバノ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定対象の微小な物理量の変化を測定する光ファイバ
   センサにおいて、 光ファイバで結ばれる少なくとも一方は被測定対象の物
   理量の変化に応じて共振器の長さ或は共振器内部の屈折
   率変化が生じる構造を有して成り、他方は前記一方の共
   振器と同じ共振条件を実現させた構成を有して成るとき
   に一方をセンサ用光共振器とし他方を検出用光共振器と
   した一対の光共振器と、 周波数を変化できるレーザ光源から前記センサ用光共振
   器に出射されるレーザ光に対するこの時の反射信号に基
   づいて前記レーザ光の光周波数にフィードバックを掛け
   て該レーザ光を光共振器の共振周波数にロックさせる構
   成のレーザ発信手段と、 前記検出用光共振器の透過信号を入力して該入力信号に
   より該検出用光共振器の間隔を動作させるアクチュエー
   タにフィードバックを掛けて共振条件を前記センサ用光
   共振器と等しくして前記センサ用光共振器の変位を計測
   する信号処理手段と、から成ることを特徴とする光ファ
   イバセンサ。