JPH0364812B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はラマン散乱によるストークス光と反
ストークス光との強度比が温度の関数であること
を利用した温度測定装置であつて、光フアイバの
長さ方向の温度分布を連続的に且つ高精度に計測
することができる光フアイバ形温度分布計測装置
に関する。

［従来の技術］ 従来の光フアイバを用いた温度計測装置を第５
図に示す。

パルス発生器１のパルス信号はパルスデイレイ
回路２を経て光源駆動装置３に入力され、パルス
信号に従う光源駆動装置３の駆動により、パルス
光が光源４から出射される。光源４より出射した
パルス光は、方向性結合器５、集光レンズ６を通
つて光フアイバ７に入射する。この入射光は光フ
アイバ７でレイリー散乱を起こし、その後方散乱
光は光フアイバ７を逆行し、集光レンズ６を通り
方向性結合器５により分離されて受光素子８にて
光電変換され、更に増幅器９で増幅されて信号処
理回路１０に入力される。また、信号処理回路１
０にはパルス発生器１のパルス信号が入力される
と共に信号処理回路１０にはその結果を表示する
表示器１１が接続されている。

光フアイバ７の軸方向に沿つた点ａ，ｂ，ｃ，
…には温度変換器１２が設けられている。温度変
換器１２は光フアイバ７にマイクロベンドを与え
るもので、温度上昇とともに光フアイバ７のマイ
クロベンド損失を増加させる。従つて、信号処理
回路１０に入力される光フアイバ７からの後方散
乱光の強度信号には、第６図に示すように、温度
変換器１２が設置された各点ａ，ｂ，ｃに対応し
てマイクロベンド損失による減少が現われる。こ
の後方散乱光強度の減少量から、第７図に示すよ
うに各点ａ，ｂ，ｃの温度が求まることになる。
また、光源４から出射したパルス光が受光素子８
に到達するまでの時間trは、tr＝２（ｘ）／ｃ
（ここでｌ（ｘ）は光フアイバ７の入射端からその
後方散乱を生じた地点までの光フアイバ７の長
さ、ｃは光フアイバ７中での光速度である）と表
わされるので、信号処理回路１０でパルス発生器
１からのパルス信号と受光素子８からの検出信号
との時間差から時間trを計測することにより、後
方散乱光を生じた位置を標定することができる。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが温度変換器１２を用い後方散乱光強度
の減少量から光フアイバ７に沿つた多点での温度
計測を行なう上記の方法では、温度変換器１２を
通過する毎に光強度が減衰するため、温度計測点
の数が制限される。また、温度変化に対する温度
変換器１２の損失を小さくして多数点の温度計測
を行なおうとすると、測定温度精度が悪化してし
まうという難点があつた。

［発明の目的］ この発明は以上の従来技術の問題点を解消すべ
く創案されたものであり、この発明は光フアイバ
の長さ方向の温度分布を連続的にしかも精度よく
計測することができる光フアイバ形温度分布計測
装置を提供することを目的とする。

［発明の概要］ この発明は、測定温度領域に配設される光フア
イバと、光フアイバにその入射端よりパルス光を
入射するための光源と、光フアイバの入射端から
出射される上記パルス光の後方散乱光のうちラマ
ン散乱によるストークス光および反ストークス光
の強度を検出する検出系と、検出系が検出したス
トークス光と反ストークス光との強度比より光フ
アイバの温度を求めると共に、上記光源からパル
ス光が出射されてから検出系がラマン散乱光を検
出するまでの時間より、光フアイバの温度測定位
置を求める信号処理回路とを備えてなるものであ
る。

この発明は、後方散乱光のラマン散乱（誘導ラ
マン散乱を含む）によるストークス光と反ストー
クス光との強度比が温度の関数であることを利用
して温度計測を行なうことを特徴とする。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を添付図面に従つて詳
述する。

第１図において、７は光フアイバであり、光フ
アイバ７は測定しようとする温度領域に記設され
る。光フアイバ７の入射端側には集光レンズ６を
介して方向性結合器５が設けられると共に、方向
性結合器５の一方のポートには光源４が、他方の
ポートには後方散乱光の検出系１３が設けられて
いる。光源４には光源駆動装置３、パルスデイレ
イ回路２、パルス発生器１が接続されている。パ
ルス発生器１から出力された信号はそのまま信号
処理回路２２に入力される一方、パルスデイレイ
回路２で所定時間だけ遅らされたパルス信号が光
源駆動装置３に入力される。光源駆動装置３はこ
の入力されたパルス信号にしたがつて光源４を駆
動し、光源４からはパルス光が出射される。光源
４からのパルス光は方向性結合器５、集光レンズ
６を通つて光フアイバ７に入射される。光フアイ
バ７に入射されるパルス光のエネルギーを
10⁶W／cm²以上で且つ光フアイバ７に光損傷を生
じない程度に大きくすると、光フアイバ７ではレ
イリー散乱の外に、ラマン散乱が生じストークス
光および反ストークス光が発生する（第２図参
照）。

今、入射パルス光の周波数をω₀、光フアイバ
７のコア材質によつて定まる物質固有の周波数を
ωfとすると、ストークス光は入射パルス光によ
り物質が基底状態から励起状態に遷移する過程で
発生し、その周波数ωsはωs＝ω₀−ωfである。ま
た、反ストークス光は励起状態にある物質にパル
ス光が照射されて基底状態に遷移する過程で生
じ、その周波数ωaはωa＝ω₀＋ωfである。（なお、
一般にはストークス光、反ストークス光ともにｎ
次の光が発生するが、上記では１次の光のみにつ
いて述べた。） 光フアイバ７で生じたレイリー散乱光およびラ
マン散乱光の一部は後方散乱光として光フアイバ
７を戻り入射端から出射され、集光レンズ６を経
て方向性結合器５で分離されて検出系１３へと送
られる。検出系１３は、方向性結合器５により取
り出された後方散乱光を導く導入フアイバ１４
と、導入フアイバ１４から出射された光を２分す
るハーフミラー１５と、ハーフミラー１５の透過
側に設けられた光学フイルタ１６、受光素子１８
および増幅器２０と、ハーフミラー１５の反射側
に設けられた光学フイルタ１７、受光素子１９お
よび増幅器２１とからなる。光学フイルタ１６に
は周波数ω₀−ωfの１次のストークス光のみを透
過するものが使用され、一方、光学フイルタ１７
には周波数ω₀＋ωfの１次の反ストークス光のみ
を透過するものが使用される。従つて、受光素子
１８では光フアイバ７からの後方散乱光のうち１
次のストークス光の強度が検出され、受光素子１
９では１次の反ストークス光の強度が検出され
る。受光素子１８，１９の出力は増幅器２０，２
１でそれぞれ増幅された後、信号処理回路２２に
入力される。なお、２３は表示器である。

温度Ｔ（Ｋ）において基底状態にある物質の数
に対す励起状態にある物質の数の割合はexp（−
hωf／2πkT）で表わされる。ここで、ｈはプラ
ンク定数、ｋはボルツマン定数である。従つてス
トークス光の強度Isと反ストークス光の強度Iaと
の比率はIa／Is＝exp（−hωf／2πkT）となり、
コアの物質が定まれば温度のみの関数となる。

そこで、光源４から出射し、光フアイバ７の入
射端から距離ｘの地点で発生し、tr（ｘ）時間後
に受光素子１８，１９にそれぞれ入射し、更に増
幅器２０，２１で増幅されて信号処理回路２２に
入力されたストークス光と反ストークス光の強度
を、光フアイバ７の損失の波長特性、光学フイル
タ１６，１７の透過特性、受光素子１８，１９の
ゲインなどを考慮して補正を加えて電気出力Es，
Eaを得て、これらの比をとればEa／Es∞exp（−
hωf／2πkT）となる。これより光フアイバ７の
ｘ地点での温度Ｔを求めることができ、第３図に
示す如く光フアイバ７の長さ方向に沿つ連続的な
温度分布が得られる。なお、距離ｘは、信号処理
回路２２に入力されるパルス発生器１からのパル
ス信号と受光素子１８，１９からのラマン散乱光
の検出信号との時間差に基づき決定される。

従来の温度計測点に温度変換器１２を設けて入
射光のレイリー散乱による後方散乱光の強度変化
から温度計測する方法では、光フアイバ７を伝播
する光が温度計測点を通過する毎に減衰するの
で、多点計測が困難であつた。しかし、光フアイ
バ７に温度変換器１２などを設けず光フアイバ７
自体のラマン散乱から温度計測を行なう本発明で
は、入射光が光フアイバ７の固有の伝送損失以外
の原因で減衰することはなく、連続計測に近い多
点計測が可能である。更に、ストークス光と反ス
トークス光の２波長における強度の比率から温度
を求めているため、光源４の強度の変動等の影響
を受けることがなく、高精度の温度計測ができ
る。

なお、光フアイバ７の入射端から過大な後方散
乱光が受光素子１８，１９に入射することを避け
るために、第４図に示すように、上記第１図の方
向性結合器５に代えて、音響光学素子２４を設
け、これをパルスコントローラー２５により制御
された音響光学素子駆動装置２６によつて駆動す
るようにしてもよい。音響光学素子２４には音響
光学素子駆動装置２６の駆動により超音波による
位相格子が形成され、この位相格子により光フア
イバ７からの後方散乱は回折され強度変調され
る。音響光学素子２４により回折された後方散乱
光は導入フアイバ１４によりハーフミラー１５に
導かれる。音響光学素子２４の駆動は、パルス発
生器１及びパルスデイレイ回路２からなる光源４
のパルス駆動回路と連動して行なわれる。また後
方散乱光が微弱な場合には、ボツクスカー・アベ
レージヤーで平均化処理するのがよい。

なお、上記実施例における温度計測用の光フア
イバ７としては、通常のガラスフアイバやプラス
チツクフアイバの他、液体コアフアイバを用いる
ようにしてもよい。更に、光フアイバ７として、
偏波面保存フアイバを用いその単一偏波面を利用
することにより、通常の単一モード光フアイバに
比し、より効率よくラマン散乱を生じさせること
ができる。また、光フアイバ７のコア径は、ラマ
ン散乱を効果的に生じさせるために、なるべく小
さい方がよい。なお、上記実施例では、ハーフミ
ラー１５と光学フイルタ１６，１７とを用いて検
出系１３を構成したが、分光器などを用いて構成
してもよい。

［発明の効果］ 以上要するにこの発明によれば、光フアイバ自
体のラマン散乱によるストークス光と反ストーク
ス光との強度比が温度関数であることを利用して
温度計測を行なうものであるため、入射光が光フ
アイバ固有の伝送損失以外の原因で減衰されるこ
ともなく、連続的な多点計測を実施できると共
に、光源の強度変動等の影響を受けることもな
く、精度のよい計測ができる等の優れた効果を発
揮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る計測装置の一実施例を示
す構成図、第２図は光フアイバ中で生じるランマ
散乱光の一例を示すグラフ、第３図は本発明によ
り得られた温度分布の計測結果を示すグラフ、第
４図は本発明に係る装置の他の実施例を示す構成
図、第５図は従来の温度計測装置を示す構成図、
第６図は同計測装置により検出される後方散乱光
の強度変化を示すグラフ、第７図は第６図の後方
散乱光の強度変化から求められた温度分布を示す
グラフである。 図中、１はパルス発生器、２はパルスデイレイ
回路、３は光源駆動装置、４は光源、５は方向性
結合器、６は集光レンズ、７は光フアイバ、８は
受光素子、９は増幅器、１０は信号処理回路、１
１は表示器、１２は温度変換器、１３は検出系、
１４は導入フアイバ、１５はハーフミラー、１
６，１７は光学フイルタ、１８，１９は受光素
子、２０，２１は増幅器、２２は信号処理回路、
２３は表示器、２４は音響光学素子、２５はパル
スコントローラー、２６は音響光学素子駆動装置
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 測定温度領域に配設される光フアイバと、光
   フアイバにその入射端よりパルス光を入射するた
   めの光源と、光フアイバの入射端から出射される
   上記パルス光の後方散乱光のうちラマン散乱によ
   るストークス光および反ストークス光の強度を検
   出する検出系と、検出系が検出したストークス光
   と反ストークス光との強度比より光フアイバの温
   度を求めると共に上記光源からパルス光が出射さ
   れてから検出系がラマン散乱光を検出するまでの
   時間より光フアイバの温度測定位置を求める信号
   処理回路とを備えたことを特徴とする光フアイバ
   形温度分布計測装置。