JPH05113385A - 分布型光フアイバーセンサー - Google Patents
分布型光フアイバーセンサーInfo
- Publication number
- JPH05113385A JPH05113385A JP3302542A JP30254291A JPH05113385A JP H05113385 A JPH05113385 A JP H05113385A JP 3302542 A JP3302542 A JP 3302542A JP 30254291 A JP30254291 A JP 30254291A JP H05113385 A JPH05113385 A JP H05113385A
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- JP
- Japan
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- fiber sensor
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- Pending
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- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】簡単な構造で装置を複雑化することなく光検出
器の出力信号の増倍率を一定に制御できる分布型光ファ
イバーセンサーを提供する。 【構成】分布型光ファイバーセンサーにおいて、光ファ
イバーからの後方散乱光を検出する光検出部は、光電変
換手段２１と、該光電変換手段２１に基準電圧を印加す
る電源と、前記光電変換手段の温度を検出する感温素子
２３と、該感温素子の検出結果に応じて前記基準電圧を
変える電圧制御手段とからなり、前記感温素子２３は、
電磁シールドされた一体パッケージ構造体の感熱半導体
素子により構成される。
器の出力信号の増倍率を一定に制御できる分布型光ファ
イバーセンサーを提供する。 【構成】分布型光ファイバーセンサーにおいて、光ファ
イバーからの後方散乱光を検出する光検出部は、光電変
換手段２１と、該光電変換手段２１に基準電圧を印加す
る電源と、前記光電変換手段の温度を検出する感温素子
２３と、該感温素子の検出結果に応じて前記基準電圧を
変える電圧制御手段とからなり、前記感温素子２３は、
電磁シールドされた一体パッケージ構造体の感熱半導体
素子により構成される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ＯＴＤＲ（オプティカ
ル タイム ドメイン リフレクトメトリ）法を利用し
て光ファイバーに沿った温度分布、接続不良、破断箇
所、圧力分布等を測定する分布型光ファイバーセンサー
に関し、特にその光ファイバーからの後方散乱光検出部
の温度補償手段に関するものである。
ル タイム ドメイン リフレクトメトリ）法を利用し
て光ファイバーに沿った温度分布、接続不良、破断箇
所、圧力分布等を測定する分布型光ファイバーセンサー
に関し、特にその光ファイバーからの後方散乱光検出部
の温度補償手段に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】まず、本発明が適用される一例として分
布型光ファイバー温度センサーの全体構成を図５に示
す。半導体レーザーからなるレーザーパルサー１が光フ
ァイバースターカップラーあるいは音響光学光スイッチ
等からなる光方向性結合器２を介して光ファイバー３に
接続される。レーザーパルサー１は光ファイバー３内に
レーザーパルスを入射し、この光ファイバー３からの後
方ラマン散乱光に基づいて光ファイバー３に沿った温度
分布を測定する。光ファイバー３内で発生した後方ラマ
ン散乱光は、光ファイバー３の入射端部に戻る。戻って
きた後方ラマン散乱光は、光方向性結合器２により分岐
して取り出され光検出部側へ導光される。
布型光ファイバー温度センサーの全体構成を図５に示
す。半導体レーザーからなるレーザーパルサー１が光フ
ァイバースターカップラーあるいは音響光学光スイッチ
等からなる光方向性結合器２を介して光ファイバー３に
接続される。レーザーパルサー１は光ファイバー３内に
レーザーパルスを入射し、この光ファイバー３からの後
方ラマン散乱光に基づいて光ファイバー３に沿った温度
分布を測定する。光ファイバー３内で発生した後方ラマ
ン散乱光は、光ファイバー３の入射端部に戻る。戻って
きた後方ラマン散乱光は、光方向性結合器２により分岐
して取り出され光検出部側へ導光される。
【０００３】光検出部は、光学フィルター４と、光電変
換部５ａ、５ｂと、プリアンプ６ａ、６ｂと、Ａ／Ｄ変
換器７ａ、７ｂと、信号処理部８とにより構成される。
光学フィルター４により、戻ってきた後方ラマン散乱光
中のストークス光と反ストークス光が分離される。光電
変換部５ａ、５ｂは、フォトダイオードやアバランシュ
フォトダイオード、フォトマル等の光電変換素子からな
り、それぞれストークス光および反ストークス光をその
強度に比例した電気信号に変換する。
換部５ａ、５ｂと、プリアンプ６ａ、６ｂと、Ａ／Ｄ変
換器７ａ、７ｂと、信号処理部８とにより構成される。
光学フィルター４により、戻ってきた後方ラマン散乱光
中のストークス光と反ストークス光が分離される。光電
変換部５ａ、５ｂは、フォトダイオードやアバランシュ
フォトダイオード、フォトマル等の光電変換素子からな
り、それぞれストークス光および反ストークス光をその
強度に比例した電気信号に変換する。
【０００４】これらの電気信号は、プリアンプ６ａ、６
ｂにより増幅され、Ａ／Ｄ変換器７ａ、７ｂによりデジ
タル信号に変換される。デジタル信号は、それぞれマイ
クロコンピュータからなる信号処理部８で所定回数加算
され平均化処理される。これはラマン信号が図７に示す
ように、Ｓ／Ｎ比が悪い（距離に対し散乱光強度が変化
する）形で発生するため、一旦信号を平均化しなければ
ならないためである。信号処理部８ではさらにストーク
ス光信号と反ストークス光信号の比をとり温度分布へ換
算される。得られた温度分布は図示しないディスプレイ
装置に表示される。温度分布算出の基本式は以下の数式
（Ｄａｋｉｎの式）で示される。
ｂにより増幅され、Ａ／Ｄ変換器７ａ、７ｂによりデジ
タル信号に変換される。デジタル信号は、それぞれマイ
クロコンピュータからなる信号処理部８で所定回数加算
され平均化処理される。これはラマン信号が図７に示す
ように、Ｓ／Ｎ比が悪い（距離に対し散乱光強度が変化
する）形で発生するため、一旦信号を平均化しなければ
ならないためである。信号処理部８ではさらにストーク
ス光信号と反ストークス光信号の比をとり温度分布へ換
算される。得られた温度分布は図示しないディスプレイ
装置に表示される。温度分布算出の基本式は以下の数式
（Ｄａｋｉｎの式）で示される。
【０００５】
【数１】
【０００６】さらに、このＤａｋｉｎの式に、後方ラマ
ン散乱光が伝搬するときのストークス光と反ストークス
光の減衰率差の影響を補正する補正項を導入した以下の
数式を用いて温度分布を測定してもよい。
ン散乱光が伝搬するときのストークス光と反ストークス
光の減衰率差の影響を補正する補正項を導入した以下の
数式を用いて温度分布を測定してもよい。
【０００７】
【数２】
【０００８】ここで、Ｔは測定温度、Θは基準温度（恒
温槽に光ファイバーの一部を浸す等の手段により設定す
る）、Ｒ’（Ｔ）は被測定部のストークス光と反ストー
クス光の相対強度比、Ｒ’（Θ）は基準温度部のストー
クス光と反ストークス光の相対強度比、ｋはボルツマン
定数、ｈはプランク定数、ｃは光速、νはラマンシフト
量、ｘは距離である。
温槽に光ファイバーの一部を浸す等の手段により設定す
る）、Ｒ’（Ｔ）は被測定部のストークス光と反ストー
クス光の相対強度比、Ｒ’（Θ）は基準温度部のストー
クス光と反ストークス光の相対強度比、ｋはボルツマン
定数、ｈはプランク定数、ｃは光速、νはラマンシフト
量、ｘは距離である。
【０００９】上記温度分布測定において、光電変換部の
光検出器からの出力信号強度の温度に対する安定性を高
めるために、光検出器の温度補償が行われていた。
光検出器からの出力信号強度の温度に対する安定性を高
めるために、光検出器の温度補償が行われていた。
【００１０】従来の温度補償の構成の一例を図６に示
す。１０は光検出器を構成するＡＰＤ（アバランシュフ
ォトダイオード）、１１はその出力端子である。ＡＰＤ
１０は樹脂パッケージ９内に埋設されている。１２はペ
ルチェ素子、１３はペルチェ素子のケーブル、１４はヒ
ートシンクである。このような構成において、ペルチェ
素子１２への印加電流を変えることによりＡＰＤ１０の
温度制御ができる。また、別の従来技術として、光検出
器にフォトマルを用いた場合、液体窒素雰囲気中にフォ
トマルを設置し全体を冷却していた。
す。１０は光検出器を構成するＡＰＤ（アバランシュフ
ォトダイオード）、１１はその出力端子である。ＡＰＤ
１０は樹脂パッケージ９内に埋設されている。１２はペ
ルチェ素子、１３はペルチェ素子のケーブル、１４はヒ
ートシンクである。このような構成において、ペルチェ
素子１２への印加電流を変えることによりＡＰＤ１０の
温度制御ができる。また、別の従来技術として、光検出
器にフォトマルを用いた場合、液体窒素雰囲気中にフォ
トマルを設置し全体を冷却していた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来のペルチェ素子を用いた温度制御構造においては、Ａ
ＰＤ１０の出力端子１１とペルチェ素子１２の駆動ケー
ブル１３が極めて接近しているため、ペルチェ素子側か
ら電流制御ノイズがＡＰＤ側に作用する場合がしばしば
あった。このようなノイズの影響をなくすためにＡＰＤ
側に電磁シールド構造を設けたり、ペルチェ素子のケー
ブルをシールドすることは、構造の大型化や複雑化を招
き好ましくなかった。また、液体窒素を用いた冷却構造
は、装置が大型化し冷却作業に手間がかかる等の問題が
あった。
来のペルチェ素子を用いた温度制御構造においては、Ａ
ＰＤ１０の出力端子１１とペルチェ素子１２の駆動ケー
ブル１３が極めて接近しているため、ペルチェ素子側か
ら電流制御ノイズがＡＰＤ側に作用する場合がしばしば
あった。このようなノイズの影響をなくすためにＡＰＤ
側に電磁シールド構造を設けたり、ペルチェ素子のケー
ブルをシールドすることは、構造の大型化や複雑化を招
き好ましくなかった。また、液体窒素を用いた冷却構造
は、装置が大型化し冷却作業に手間がかかる等の問題が
あった。
【００１２】本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされ
たものであって、簡単な構造で装置を複雑化することな
く光検出器の出力信号の増倍率を一定に制御できる分布
型光ファイバーセンサーの提供を目的とする。
たものであって、簡単な構造で装置を複雑化することな
く光検出器の出力信号の増倍率を一定に制御できる分布
型光ファイバーセンサーの提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明においては、被測定用の光ファイバーと、該
光ファイバーにレーザーパルスを入射するための光源
と、該光ファイバーからの後方散乱光を分岐して取り出
すための光方向性結合器と、該光方向性結合器により取
り出された後方散乱光を検出するための光検出部とを具
備した分布型光ファイバーセンサーにおいて、前記光検
出部は、光電変換手段と、該光電変換手段に基準電圧を
印加するための電源と、前記光電変換手段の温度を検出
するための感温素子と、該感温素子の検出結果に応じて
前記基準電圧を変えるための電圧制御手段とを備えてな
り、好ましくは前記感温素子は電磁シールドされた一体
パッケージ構造体の感熱半導体素子により構成してい
る。さらに好ましくは、前記感熱半導体素子はサーミス
タにより構成される。
め、本発明においては、被測定用の光ファイバーと、該
光ファイバーにレーザーパルスを入射するための光源
と、該光ファイバーからの後方散乱光を分岐して取り出
すための光方向性結合器と、該光方向性結合器により取
り出された後方散乱光を検出するための光検出部とを具
備した分布型光ファイバーセンサーにおいて、前記光検
出部は、光電変換手段と、該光電変換手段に基準電圧を
印加するための電源と、前記光電変換手段の温度を検出
するための感温素子と、該感温素子の検出結果に応じて
前記基準電圧を変えるための電圧制御手段とを備えてな
り、好ましくは前記感温素子は電磁シールドされた一体
パッケージ構造体の感熱半導体素子により構成してい
る。さらに好ましくは、前記感熱半導体素子はサーミス
タにより構成される。
【００１４】
【実施例】光電変換受光素子であるＡＰＤ２１にサーミ
スタ２３が熱抵抗の小さい銀ペーストあるいはシリコン
系接着剤を用いて固定される。２２、２４はそれぞれＡ
ＰＤ２１およびサーミスタ２３の端子である。サーミス
タ２３はＡＰＤ２１に対するノイズの影響をなくすた
め、予め電磁シールドされた一体パッケージ構造体であ
ることが望ましい。サーミスタ２３をＡＰＤ２１に固定
し両者を一体化した後、集光用レンズ２５（例えばセル
フォックレンズ（商品名）等の屈折率分布型レンズ）と
ともにアダプタ２６内に挿入し固定する。
スタ２３が熱抵抗の小さい銀ペーストあるいはシリコン
系接着剤を用いて固定される。２２、２４はそれぞれＡ
ＰＤ２１およびサーミスタ２３の端子である。サーミス
タ２３はＡＰＤ２１に対するノイズの影響をなくすた
め、予め電磁シールドされた一体パッケージ構造体であ
ることが望ましい。サーミスタ２３をＡＰＤ２１に固定
し両者を一体化した後、集光用レンズ２５（例えばセル
フォックレンズ（商品名）等の屈折率分布型レンズ）と
ともにアダプタ２６内に挿入し固定する。
【００１５】このような一体構造のＡＰＤ２１は、前述
の分布型光ファイバー温度センサー（図５）の光電変換
手段として光検出部に装着される。この光検出部の構成
例を図８に示す。光方向性結合器２（図５）から分岐し
た光ファイバー１６を通して後方ラマン散乱光が光検出
部１５内に導光される。このラマン散乱光はレンズ１７
を介してフィルター４に入射し、ここでストークス光と
反ストークス光に分離される。分離したストークス光と
反ストークス光はそれぞれレンズ１９ａ、１９ｂを介し
て光電変換部（ＡＰＤ）５ａ、５ｂに導光される。
の分布型光ファイバー温度センサー（図５）の光電変換
手段として光検出部に装着される。この光検出部の構成
例を図８に示す。光方向性結合器２（図５）から分岐し
た光ファイバー１６を通して後方ラマン散乱光が光検出
部１５内に導光される。このラマン散乱光はレンズ１７
を介してフィルター４に入射し、ここでストークス光と
反ストークス光に分離される。分離したストークス光と
反ストークス光はそれぞれレンズ１９ａ、１９ｂを介し
て光電変換部（ＡＰＤ）５ａ、５ｂに導光される。
【００１６】このようなＡＰＤ２１の駆動ブロック図を
図２に示す。ＡＰＤ２１に光が照射されると、逆バイア
ス電圧を印加した感光領域で起こる光起電力効果によ
り、光の強度に応じた電気信号が得られる。このときＡ
ＰＤの主特性である増倍率は、図３に示すように、周囲
温度により異なる特性となる。従って、増倍率が一定の
出力を得るには温度に応じて印加する基準電圧を変える
必要がある。本実施例においては、ＡＰＤ２１の温度を
サーミスタ２３の抵抗変化により検出し、この温度に応
じて電圧制御部２７が電源２８の電圧を制御し、ＤＣ−
ＤＣコンバータ２９を介してＡＰＤ２１に増倍率を一定
に保持する基準電圧を印加する。
図２に示す。ＡＰＤ２１に光が照射されると、逆バイア
ス電圧を印加した感光領域で起こる光起電力効果によ
り、光の強度に応じた電気信号が得られる。このときＡ
ＰＤの主特性である増倍率は、図３に示すように、周囲
温度により異なる特性となる。従って、増倍率が一定の
出力を得るには温度に応じて印加する基準電圧を変える
必要がある。本実施例においては、ＡＰＤ２１の温度を
サーミスタ２３の抵抗変化により検出し、この温度に応
じて電圧制御部２７が電源２８の電圧を制御し、ＤＣ−
ＤＣコンバータ２９を介してＡＰＤ２１に増倍率を一定
に保持する基準電圧を印加する。
【００１７】図４はサーミスタの抵抗特性の一例を示
す。このような特性のサーミスタを実際に用いて、ＡＰ
Ｄの印加電圧を以下の表のように制御した結果、出力信
号の変化を±１０％以内に抑えることができた。
す。このような特性のサーミスタを実際に用いて、ＡＰ
Ｄの印加電圧を以下の表のように制御した結果、出力信
号の変化を±１０％以内に抑えることができた。
【００１８】
【表１】
【００１９】別の実施例として、複数個のサーミスタを
１つの感温素子（ＡＰＤ）に取付けた構成としてもよ
い。このような構成により、温度検出の精度および信頼
性が向上し局部的な温度上昇や温度下降による誤動作を
防止できる。また、ＡＰＤの感温速度とサーミスタの感
温速度が等しくなるように、サーミスタのパッケージ材
料とＡＰＤのパッケージ材料とを同じ材質のもので構成
してもよい。
１つの感温素子（ＡＰＤ）に取付けた構成としてもよ
い。このような構成により、温度検出の精度および信頼
性が向上し局部的な温度上昇や温度下降による誤動作を
防止できる。また、ＡＰＤの感温速度とサーミスタの感
温速度が等しくなるように、サーミスタのパッケージ材
料とＡＰＤのパッケージ材料とを同じ材質のもので構成
してもよい。
【００２０】なお、前記実施例では、後方ラマン散乱光
を検出する光電変換手段としてＡＰＤを用いたが、フォ
トマル等の増倍型光電管による受光デバイスを用いた構
成でもよい。また、上記光電変換手段の温度を検出する
ための感温素子として、サーミスタを用いたが、感温ダ
イオード等の各種感熱半導体素子を用いてもよい。
を検出する光電変換手段としてＡＰＤを用いたが、フォ
トマル等の増倍型光電管による受光デバイスを用いた構
成でもよい。また、上記光電変換手段の温度を検出する
ための感温素子として、サーミスタを用いたが、感温ダ
イオード等の各種感熱半導体素子を用いてもよい。
【００２１】また、本発明は温度分布の測定のみなら
ず、光ファイバーの接続不良、破断箇所等を検出する光
パルス試験器、その他圧力分布等の物理量を測定する各
種分布型光ファイバーセンサーに用いることができる。
ず、光ファイバーの接続不良、破断箇所等を検出する光
パルス試験器、その他圧力分布等の物理量を測定する各
種分布型光ファイバーセンサーに用いることができる。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、光ファイバーの温度分布を検出するための光検出器
に感熱半導体素子を取付けて光検出器の温度を検出しこ
の検出温度に基づいて光検出器の電圧制御を行っている
ため、簡単な構成で新たな電磁シールド等を施すことな
く一定の増倍率の出力信号が得られ、装置の小型化が図
られるとともに温度分布測定の精度および信頼性が向上
する。
は、光ファイバーの温度分布を検出するための光検出器
に感熱半導体素子を取付けて光検出器の温度を検出しこ
の検出温度に基づいて光検出器の電圧制御を行っている
ため、簡単な構成で新たな電磁シールド等を施すことな
く一定の増倍率の出力信号が得られ、装置の小型化が図
られるとともに温度分布測定の精度および信頼性が向上
する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る光検出器の一部切り欠き
側面図である。
側面図である。
【図２】図１の光検出器の温度補償機構のブロック図で
ある。
ある。
【図３】ＡＰＤの増倍率温度特性のグラフである。
【図４】本発明で用いるサーミスタの抵抗と温度特性の
一例のグラフである。
一例のグラフである。
【図５】本発明が適用される分布型光ファイバー温度セ
ンサーの構成を示すブロック図である。
ンサーの構成を示すブロック図である。
【図６】従来の光検出器の側面図である。
【図７】後方ラマン散乱光の強度グラフである。
【図８】本発明が適用される光検出部のブロック図であ
る。
る。
１ レーザーパルサー ２ 光方向性結合器 ３ 光ファイバー ４ フィルター ５ａ 光電変換部 ５ｂ 光電変換部 ２１ ＡＰＤ ２３ サーミスタ
Claims (3)
- 【請求項１】被測定用の光ファイバーと、該光ファイバ
ーにレーザーパルスを入射するための光源と、該光ファ
イバーからの後方散乱光を分岐して取り出すための光方
向性結合器と、該光方向性結合器により取り出された後
方散乱光を検出するための光検出部とを具備した分布型
光ファイバーセンサーにおいて、前記光検出部は、光電
変換手段と、該光電変換手段に基準電圧を印加するため
の電源と、前記光電変換手段の温度を検出するための感
温素子と、該感温素子の検出結果に応じて前記基準電圧
を変えるための電圧制御手段とを備えてなることを特徴
とする分布型光ファイバーセンサー。 - 【請求項２】前記感温素子は電磁シールドされた一体パ
ッケージ構造体の感熱半導体素子からなる請求項１の分
布型光ファイバーセンサー。 - 【請求項３】前記感熱半導体素子はサーミスタからなる
請求項２の分布型光ファイバーセンサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3302542A JPH05113385A (ja) | 1991-10-22 | 1991-10-22 | 分布型光フアイバーセンサー |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3302542A JPH05113385A (ja) | 1991-10-22 | 1991-10-22 | 分布型光フアイバーセンサー |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05113385A true JPH05113385A (ja) | 1993-05-07 |
Family
ID=17910228
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3302542A Pending JPH05113385A (ja) | 1991-10-22 | 1991-10-22 | 分布型光フアイバーセンサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05113385A (ja) |
-
1991
- 1991-10-22 JP JP3302542A patent/JPH05113385A/ja active Pending
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