JPH05215628A - 温度補償自己参照ファイバ光学マイクロベンド圧力トランスジューサ - Google Patents
温度補償自己参照ファイバ光学マイクロベンド圧力トランスジューサInfo
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- JPH05215628A JPH05215628A JP4114206A JP11420692A JPH05215628A JP H05215628 A JPH05215628 A JP H05215628A JP 4114206 A JP4114206 A JP 4114206A JP 11420692 A JP11420692 A JP 11420692A JP H05215628 A JPH05215628 A JP H05215628A
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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- G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
- G01L11/02—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
- G01L11/025—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means using a pressure-sensitive optical fibre
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明の目的は、高温でも十分な感応性をも
って動作するファイバー光学センサーを提供する。 【構成】 ファイバー光学マイクロベンドセンサー２
は、ダイヤフラム１８の中央にあるプレート１２とポス
ト６に付加されたプレート１４との間に光ファイバ１０
の捩じ込まれた構成される。
って動作するファイバー光学センサーを提供する。 【構成】 ファイバー光学マイクロベンドセンサー２
は、ダイヤフラム１８の中央にあるプレート１２とポス
ト６に付加されたプレート１４との間に光ファイバ１０
の捩じ込まれた構成される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、概してファイバー光学
センサーに関し、さらに特定すると、温度補償自己参照
ファイバー光学マイクロベンド圧力トランスジューサに
関する。
センサーに関し、さらに特定すると、温度補償自己参照
ファイバー光学マイクロベンド圧力トランスジューサに
関する。
【０００２】
【従来の技術】高い温度環境での圧力測定のために多数
の応用が存在する。これらの応用には、石油化学精製所
におけるパイプラインの圧力測定や航空機エンジンにお
ける気体経路の圧力測定やタービン発電機における主要
蒸気経路の圧力測定が含まれる。従来のダイヤフラム型
圧力トランスジューサは、いくつかの理由でこれらの高
温の応用に適さない。第１に、ダイヤフラム材料は、ク
リープして出力オフセットエラーを生ずるかもしれない
こと。第２に、ダイヤフラム変位を測定するために使用
される歪み計若しくは容量計は、３００℃以上の温度で
は計器出力において大きな再現性のない予知不可能な変
化を示すことなどが挙げられる。この変化は、合金偏
析、相変化、選択酸化、拡散作用のような効果によって
生ずる。結局、これは、計器あるいはリード線の早過ぎ
る欠損を招く。
の応用が存在する。これらの応用には、石油化学精製所
におけるパイプラインの圧力測定や航空機エンジンにお
ける気体経路の圧力測定やタービン発電機における主要
蒸気経路の圧力測定が含まれる。従来のダイヤフラム型
圧力トランスジューサは、いくつかの理由でこれらの高
温の応用に適さない。第１に、ダイヤフラム材料は、ク
リープして出力オフセットエラーを生ずるかもしれない
こと。第２に、ダイヤフラム変位を測定するために使用
される歪み計若しくは容量計は、３００℃以上の温度で
は計器出力において大きな再現性のない予知不可能な変
化を示すことなどが挙げられる。この変化は、合金偏
析、相変化、選択酸化、拡散作用のような効果によって
生ずる。結局、これは、計器あるいはリード線の早過ぎ
る欠損を招く。
【０００３】ダイヤフラムのクリープ及びヒステリシス
の効果を排除するためのある方策として、ダイヤフラム
材料に寸法の安定した合成シリカあるいは他のセラミッ
クが使用されてきた。高温でのダイヤフラムの変位を測
定することができる別の方策としては、合成シリカ光フ
ァイバーを備えたファイバー光学センサーが使用されて
きた。
の効果を排除するためのある方策として、ダイヤフラム
材料に寸法の安定した合成シリカあるいは他のセラミッ
クが使用されてきた。高温でのダイヤフラムの変位を測
定することができる別の方策としては、合成シリカ光フ
ァイバーを備えたファイバー光学センサーが使用されて
きた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ダイヤフラム変位を感
知するのに適したファイバー光学センサーがいくつかあ
るが、これらのセンサーのほとんどは、音響信号の検出
のようなダイナミック応用に適合されている。ほとんど
のプロセス応用において、圧力変化は長い期間に亙って
起こるので、圧力トランスジューサ及びマノメータは静
的圧力を測定するために設計されねばならない。結果と
して、これらの装置は、低ドリフトであることと、圧力
以外の環境（例えば温度）の変化に感応しないことが望
まれる。
知するのに適したファイバー光学センサーがいくつかあ
るが、これらのセンサーのほとんどは、音響信号の検出
のようなダイナミック応用に適合されている。ほとんど
のプロセス応用において、圧力変化は長い期間に亙って
起こるので、圧力トランスジューサ及びマノメータは静
的圧力を測定するために設計されねばならない。結果と
して、これらの装置は、低ドリフトであることと、圧力
以外の環境（例えば温度）の変化に感応しないことが望
まれる。
【０００５】さらに、低ドリフトで環境に感応しないト
ランスジューサの形態において、高温でも十分な感応性
をもって動作するファイバー光学センサーの設計に関す
る実際的な問題がある。
ランスジューサの形態において、高温でも十分な感応性
をもって動作するファイバー光学センサーの設計に関す
る実際的な問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】マイクロベンドセンサー
は、温度の関数としてゼロオフセットを示す。ゼロオフ
セットは、ファイバー光学マイクロベンドセンサーがダ
イヤフラム変位を測定するのに使用される圧力トランス
ジューサのような応用において明白なエラーを生じさせ
る。マイクロベンドセンサーのオフセットが線形で再現
性のある温度関数であることは知られている。そんな訳
で、独立線形のファイバー光学温度測定には、マイクロ
ベンドセンサーから減算できる信号を供給して温度オフ
セットの補償を行う簡単な方法を提供することが所望さ
れている。
は、温度の関数としてゼロオフセットを示す。ゼロオフ
セットは、ファイバー光学マイクロベンドセンサーがダ
イヤフラム変位を測定するのに使用される圧力トランス
ジューサのような応用において明白なエラーを生じさせ
る。マイクロベンドセンサーのオフセットが線形で再現
性のある温度関数であることは知られている。そんな訳
で、独立線形のファイバー光学温度測定には、マイクロ
ベンドセンサーから減算できる信号を供給して温度オフ
セットの補償を行う簡単な方法を提供することが所望さ
れている。
【０００７】本発明は、温度補償自己参照ファイバー光
学センサーを提供することによって従来技術の抱える前
記問題やその他の問題を解決する。
学センサーを提供することによって従来技術の抱える前
記問題やその他の問題を解決する。
【０００８】温度補償自己参照ファイバー光学センサー
は、対向している食い違い関係にある歯状物をもつ波型
面を備えた一対のプレートを含んでいる。プレートの少
なくとも１つは、感知あるいは測定されるべきパラメー
タに接触している。信号光ファイバーは、波型プレート
間に締めつけられているためこのパラメータがその上に
力を及ぼすと、プレートの間隔の変化と信号ファイバー
の微小曲がり(microbending)を生ずる。少なくとも一つ
の参照光ファイバーは、類似環境に配され同一の状態に
晒される。参照光ファイバーは、設定半径をもつループ
の形に形成されて温度オフセットを補償する。光源は光
をファイバーに供給し、光学検出手段は感知されるパラ
メータを決定するために光を受信して輝度の変化を測定
する。参照ファイバー内の光伝送における変化は、感知
パラメータにおける温度オフセットを補償する。
は、対向している食い違い関係にある歯状物をもつ波型
面を備えた一対のプレートを含んでいる。プレートの少
なくとも１つは、感知あるいは測定されるべきパラメー
タに接触している。信号光ファイバーは、波型プレート
間に締めつけられているためこのパラメータがその上に
力を及ぼすと、プレートの間隔の変化と信号ファイバー
の微小曲がり(microbending)を生ずる。少なくとも一つ
の参照光ファイバーは、類似環境に配され同一の状態に
晒される。参照光ファイバーは、設定半径をもつループ
の形に形成されて温度オフセットを補償する。光源は光
をファイバーに供給し、光学検出手段は感知されるパラ
メータを決定するために光を受信して輝度の変化を測定
する。参照ファイバー内の光伝送における変化は、感知
パラメータにおける温度オフセットを補償する。
【０００９】本発明のある実施例では、波長分割多重化
を使用する。二つの異なる波長で光が共通ファイバーを
伝送され、それから、一方の波長は、センサーファイバ
ーを経由して伝送され、もう一方の波長は参照ファイバ
ーを経由して伝送されるように分割される。センサーを
経由して送信した後、光は出力ファイバー内で結合さ
れ、その後光学検出手段で分割される。光学検出手段
は、二つの波長の輝度を直接光源からのソース信号と比
較するための光検出器を有する。
を使用する。二つの異なる波長で光が共通ファイバーを
伝送され、それから、一方の波長は、センサーファイバ
ーを経由して伝送され、もう一方の波長は参照ファイバ
ーを経由して伝送されるように分割される。センサーを
経由して送信した後、光は出力ファイバー内で結合さ
れ、その後光学検出手段で分割される。光学検出手段
は、二つの波長の輝度を直接光源からのソース信号と比
較するための光検出器を有する。
【００１０】本発明の好ましい実施例では、時間領域の
輝度の基準化を使用する。この実施例において、参照フ
ァイバーは、遅延線を含んでいてセンサー及び参照ファ
イバーでの輝度パルスの伝送時間のずれを作る。
輝度の基準化を使用する。この実施例において、参照フ
ァイバーは、遅延線を含んでいてセンサー及び参照ファ
イバーでの輝度パルスの伝送時間のずれを作る。
【００１１】本発明は、温度補償のためにファイバー光
学ループを使用する。ファイバー光学ループは、参照フ
ァイバー内に直接組み込まれてよいし、あるいはセンサ
ーの光ファイバーに直列接続してもよい。このようにし
て、温度による傾きの変化がマイクロベンドセンサーに
おける温度オフセットの傾きを補償する。
学ループを使用する。ファイバー光学ループは、参照フ
ァイバー内に直接組み込まれてよいし、あるいはセンサ
ーの光ファイバーに直列接続してもよい。このようにし
て、温度による傾きの変化がマイクロベンドセンサーに
おける温度オフセットの傾きを補償する。
【００１２】従って、本発明の第１の様相は、温度オフ
セットを補償するために光ファイバーループ温度センサ
ーを提供することである。本発明の第２の様相は、温度
補償自己参照ファイバー光学センサーを提供することで
ある。本発明の第３の様相は、温度補償自己参照ファイ
バー光学マイクロベンド圧力トランスジューサを提供す
ることである。本発明の第４の様相は、設計が単純で構
造が堅固で製造するのに経済的であるファイバー光学セ
ンサーを提供することである。
セットを補償するために光ファイバーループ温度センサ
ーを提供することである。本発明の第２の様相は、温度
補償自己参照ファイバー光学センサーを提供することで
ある。本発明の第３の様相は、温度補償自己参照ファイ
バー光学マイクロベンド圧力トランスジューサを提供す
ることである。本発明の第４の様相は、設計が単純で構
造が堅固で製造するのに経済的であるファイバー光学セ
ンサーを提供することである。
【００１３】本発明を特徴付けている新規の種々の特徴
は、明細書の一部を形成する特許請求の範囲に特に明示
されている。本発明の操作利点とその使用により達成さ
れる特殊な目的をよりよく理解するために、本発明の好
ましい実施例が明示された添付図面と記述内容を参照さ
れたい。
は、明細書の一部を形成する特許請求の範囲に特に明示
されている。本発明の操作利点とその使用により達成さ
れる特殊な目的をよりよく理解するために、本発明の好
ましい実施例が明示された添付図面と記述内容を参照さ
れたい。
【００１４】
【実施例】図面、特に図１に関して、ファイバー光学マ
イクロベンドセンサー２を有するダイヤフラム圧力トラ
ンスジューサが図示されている。これらのトランスジュ
ーサは、多重モードのステップインデックスをもつ緩衝
材被覆された光ファイバー１０が対向かつ食違い関係に
ある歯状物１６をもつ波型状面を備えた一対のプレート
１２及び１４間に挟まれている構成でマイクロベンドフ
ァイバの光感知原理を使用する。一方のプレート１２
は、加えられる圧力に比例して歪むダイヤフラム１８の
ほぼ中央に位置している。この歪みが、プレート１２、
１４間に挟まれた光ファイバー１０の定期的な歪みの振
幅の変化を引き起こす。光ファイバー１０を通って伝搬
される光は、これらの力学的歪み（マイクロベンド）の
振幅に比例して減衰される。そのため伝搬される光の変
化の測定は、ダイヤフラムに加えられる圧力に比例した
信号を供給する。
イクロベンドセンサー２を有するダイヤフラム圧力トラ
ンスジューサが図示されている。これらのトランスジュ
ーサは、多重モードのステップインデックスをもつ緩衝
材被覆された光ファイバー１０が対向かつ食違い関係に
ある歯状物１６をもつ波型状面を備えた一対のプレート
１２及び１４間に挟まれている構成でマイクロベンドフ
ァイバの光感知原理を使用する。一方のプレート１２
は、加えられる圧力に比例して歪むダイヤフラム１８の
ほぼ中央に位置している。この歪みが、プレート１２、
１４間に挟まれた光ファイバー１０の定期的な歪みの振
幅の変化を引き起こす。光ファイバー１０を通って伝搬
される光は、これらの力学的歪み（マイクロベンド）の
振幅に比例して減衰される。そのため伝搬される光の変
化の測定は、ダイヤフラムに加えられる圧力に比例した
信号を供給する。
【００１５】図１において、トランスジューサは、厚さ
１．４ｍｍで直径１２．７ｍｍのダイヤフラム１８を有
し、ダイヤフラム１８はボルト６をもつシリンダー４に
固着されている。シリンダー４は、溶接５によってフラ
ンジ３に固着されている。このアセンブリは、直接、接
合フランジを有する高圧パイプライン（図示なし）に挿
入されるように設計される。圧縮封止７、９が、締まり
ばめを確実にしている。このトランスジューサのダイヤ
フラム１８とシリンダー４は、Ｉｎｃｏｎｅｌのような
高強度スチール超合金から製造される。この合金は、高
温で低クリープであることと、合成シリカと比較してこ
の材料を加工するのが割合簡単であることから選択され
る。
１．４ｍｍで直径１２．７ｍｍのダイヤフラム１８を有
し、ダイヤフラム１８はボルト６をもつシリンダー４に
固着されている。シリンダー４は、溶接５によってフラ
ンジ３に固着されている。このアセンブリは、直接、接
合フランジを有する高圧パイプライン（図示なし）に挿
入されるように設計される。圧縮封止７、９が、締まり
ばめを確実にしている。このトランスジューサのダイヤ
フラム１８とシリンダー４は、Ｉｎｃｏｎｅｌのような
高強度スチール超合金から製造される。この合金は、高
温で低クリープであることと、合成シリカと比較してこ
の材料を加工するのが割合簡単であることから選択され
る。
【００１６】次に、図２及び図３に関して、マイクロベ
ンド圧力トランスジューサの別の実施例が図示されてい
る。ダイヤフラム１８は、キャップ２０と本体２２に電
子ビーム溶接のような適当な手段によってその周囲を封
止される。本体２２は、ダイヤフラム１８と第二プレー
ト１４を受けるための階段状第一開口部２４を有し、こ
の第二プレート１４のすぐ下でポスト２６のような適当
な手段によってこのポストを取り囲んでいる蛇腹２８に
固着できる。第一開口部２４と連絡してあって本体２２
の側面にある第二開口部３０は、ゲッター３２とプラグ
３４用に割り当ててある。開口部３６、３８は、光ファ
イバーの本体２２への挿入を可能にしていて、Ｖａｒｉ
ａｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓから市販されているＴｏｒ
ｒ Ｓｅａｌ（商品）と称する真空エポキシ樹脂で封止
されている。保護管４０は、光ファイバーが本体２２へ
入る個所で光ファイバーを保護し保証するために使用さ
れ得る。キャップ２０の開口部４２は、組立トランスジ
ューサへの未知の圧力の導入を可能にしている。マイク
ロベンドセンサー及び蛇腹を囲む空所は、開口部３０で
ガスが排気されて真空を作る。その後開口部３０は塞が
れる。ゲッター３２は、脱ガス及び内部拡散ガスを吸収
して、ダイヤフラム１８の背後での真空基準が長期間維
持されることを保証する。この実施例は、絶対圧力基準
を提供する。
ンド圧力トランスジューサの別の実施例が図示されてい
る。ダイヤフラム１８は、キャップ２０と本体２２に電
子ビーム溶接のような適当な手段によってその周囲を封
止される。本体２２は、ダイヤフラム１８と第二プレー
ト１４を受けるための階段状第一開口部２４を有し、こ
の第二プレート１４のすぐ下でポスト２６のような適当
な手段によってこのポストを取り囲んでいる蛇腹２８に
固着できる。第一開口部２４と連絡してあって本体２２
の側面にある第二開口部３０は、ゲッター３２とプラグ
３４用に割り当ててある。開口部３６、３８は、光ファ
イバーの本体２２への挿入を可能にしていて、Ｖａｒｉ
ａｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓから市販されているＴｏｒ
ｒ Ｓｅａｌ（商品）と称する真空エポキシ樹脂で封止
されている。保護管４０は、光ファイバーが本体２２へ
入る個所で光ファイバーを保護し保証するために使用さ
れ得る。キャップ２０の開口部４２は、組立トランスジ
ューサへの未知の圧力の導入を可能にしている。マイク
ロベンドセンサー及び蛇腹を囲む空所は、開口部３０で
ガスが排気されて真空を作る。その後開口部３０は塞が
れる。ゲッター３２は、脱ガス及び内部拡散ガスを吸収
して、ダイヤフラム１８の背後での真空基準が長期間維
持されることを保証する。この実施例は、絶対圧力基準
を提供する。
【００１７】多重モードのステップインデックス形の光
信号ファイバー１０は、図４に詳しく図示されているよ
うに一対のプレート１２、１４間で締めつけられてい
る。この第１プレート１２は、ほぼダイヤフラム１８の
中央に位置し、第二プレート１４は、ポスト２６のよう
なトランスジューサ本体の固定された基準面に位置づけ
られている。圧力が弾性のダイヤフラム１８に加えられ
ると、光ファイバー１０は、正弦曲線形に空間的に変形
される。この変形が、加えられる圧力に比例する光ファ
イバー１０の損失を誘発する。損失感度は、正弦曲線の
変形の期間と、光ファイバー１０における隣接モードの
伝搬定数間の差を一致させることによって最善の状態に
できる。ファイバーの空間的な曲がり(spatial-bend)の
周波数が次のような伝搬モード及び放射モード間の伝搬
定数の差（Δβ）に等しい時、放射モードに対するコア
からのパワー損失は最適条件となる。 Δβ ＝ ±２π／Λ （１） ここで、Λは波型の間隔である。ステップインデックス
形ファイバーに対して、Δβは以下の公式で与えられ
る。
信号ファイバー１０は、図４に詳しく図示されているよ
うに一対のプレート１２、１４間で締めつけられてい
る。この第１プレート１２は、ほぼダイヤフラム１８の
中央に位置し、第二プレート１４は、ポスト２６のよう
なトランスジューサ本体の固定された基準面に位置づけ
られている。圧力が弾性のダイヤフラム１８に加えられ
ると、光ファイバー１０は、正弦曲線形に空間的に変形
される。この変形が、加えられる圧力に比例する光ファ
イバー１０の損失を誘発する。損失感度は、正弦曲線の
変形の期間と、光ファイバー１０における隣接モードの
伝搬定数間の差を一致させることによって最善の状態に
できる。ファイバーの空間的な曲がり(spatial-bend)の
周波数が次のような伝搬モード及び放射モード間の伝搬
定数の差（Δβ）に等しい時、放射モードに対するコア
からのパワー損失は最適条件となる。 Δβ ＝ ±２π／Λ （１） ここで、Λは波型の間隔である。ステップインデックス
形ファイバーに対して、Δβは以下の公式で与えられ
る。
【数１】 ここで、ａ ＝ ファイバーのコア半径 ｍ ＝ モード番号 Ｍ ＝ モード総数 Δ ＝ （ｎcore − ｎclad）／ｎclad
【００１８】より高い次数のモードは、波型によりファ
イバーに加えられる定期的な歪みによって隣接したより
高い次数のモードと放射モードに優先的に結合される。
これらのより高い次数のモードに対しては、モード数は
モード総数にほぼ等しく、また、方程式（１）と（２）
を連立させることによって、最適条件の波型の間隔は、
コアの直径が０．１５ｍｍで被覆直径が０．１８ｍｍの
ファイバーの場合次の式で算出される。 Λ ＝ πａ／Δ1/2 ＝ ２．４ｍｍ （３） 方程式（３）の結果は最適値に近似するけれども、０．
１５ｍｍのコア半径のファイバーに対する最高の感度を
提供する波型の間隔は、図５にあるように約１．５ｍｍ
であることが解った。
イバーに加えられる定期的な歪みによって隣接したより
高い次数のモードと放射モードに優先的に結合される。
これらのより高い次数のモードに対しては、モード数は
モード総数にほぼ等しく、また、方程式（１）と（２）
を連立させることによって、最適条件の波型の間隔は、
コアの直径が０．１５ｍｍで被覆直径が０．１８ｍｍの
ファイバーの場合次の式で算出される。 Λ ＝ πａ／Δ1/2 ＝ ２．４ｍｍ （３） 方程式（３）の結果は最適値に近似するけれども、０．
１５ｍｍのコア半径のファイバーに対する最高の感度を
提供する波型の間隔は、図５にあるように約１．５ｍｍ
であることが解った。
【００１９】図６は、光ファイバーに二つの空間的曲り
を加える一対の波型センサープレートを使用して測定さ
れた変位に対する加えた負荷を示している。バネ定数
は、図６の曲線の傾きである。少しの変化に対しても、
変位は負荷とともに線形的に変化する。図７は、変位に
対して反転されたセンサーの出力電圧信号をプロットし
たものである。使用された電子装置の帯域は、１００Ｈ
ｚであった。このマイクロベンドセンサーの校正曲線
は、圧電トランスジューサ（ＰＺＴ）（１００Ｈｚで運
転）とセンサー内の波型プレートと同一のものを使用し
て作成された。一方ＰＺＴは、校正が国家基準局の規格
に従ったＢｒｏｗｎ ａｎｄ Ｓｈａｒｐｅ型の変位ゲ
ージを利用して校正された。圧電トランスジューサは、
印加電圧に対して２０ｎｍ／Ｖの割合で後退する。マイ
クロベンドセンサーの出力信号が四桁の大きさの全範囲
に亙って変位と線形関係にあることは図７より明らかで
ある。プロットされた信号の電圧は、波型プレート１
２、１４間に挟まれた光ファイバを伝搬される輝度と正
比例の関係にある。
を加える一対の波型センサープレートを使用して測定さ
れた変位に対する加えた負荷を示している。バネ定数
は、図６の曲線の傾きである。少しの変化に対しても、
変位は負荷とともに線形的に変化する。図７は、変位に
対して反転されたセンサーの出力電圧信号をプロットし
たものである。使用された電子装置の帯域は、１００Ｈ
ｚであった。このマイクロベンドセンサーの校正曲線
は、圧電トランスジューサ（ＰＺＴ）（１００Ｈｚで運
転）とセンサー内の波型プレートと同一のものを使用し
て作成された。一方ＰＺＴは、校正が国家基準局の規格
に従ったＢｒｏｗｎ ａｎｄ Ｓｈａｒｐｅ型の変位ゲ
ージを利用して校正された。圧電トランスジューサは、
印加電圧に対して２０ｎｍ／Ｖの割合で後退する。マイ
クロベンドセンサーの出力信号が四桁の大きさの全範囲
に亙って変位と線形関係にあることは図７より明らかで
ある。プロットされた信号の電圧は、波型プレート１
２、１４間に挟まれた光ファイバを伝搬される輝度と正
比例の関係にある。
【００２０】図８のグラフは、ダイヤフラム中央で２７
Ｎの点負荷をもつ印加圧力に対する１２．７ｍｍの直径
と１．４ｍｍの厚さを有するダイヤフラム１８の算出さ
れた歪みである。この２７Ｎの点負荷は臨界値ではな
く、光ファイバ１０上の一般的な設定負荷である。この
算出値は図１に図示される形状を表す。歪みＷT は次の
公式で与えられる。
Ｎの点負荷をもつ印加圧力に対する１２．７ｍｍの直径
と１．４ｍｍの厚さを有するダイヤフラム１８の算出さ
れた歪みである。この２７Ｎの点負荷は臨界値ではな
く、光ファイバ１０上の一般的な設定負荷である。この
算出値は図１に図示される形状を表す。歪みＷT は次の
公式で与えられる。
【数２】 ここで、μ ＝ ポアソン比 Ｅ ＝ ヤング率 ｔ ＝ ダイヤフラム厚さ ａ ＝ ダイヤフラム半径 ｑ ＝ 圧力負荷
【００２１】Ｑは、設定負荷（Ｌ0 ＝２７Ｎ）を使った
光ファイバの圧縮による次の公式による力である。 Ｑ ＝ −｛（ＷT − Ｗ’）Ｋ ＋ Ｌ0 ｝ （５） ここで、Ｋ ＝ ファイバばね定数 Ｗ’＝ q=0 でのダイヤフラムの歪み
光ファイバの圧縮による次の公式による力である。 Ｑ ＝ −｛（ＷT − Ｗ’）Ｋ ＋ Ｌ0 ｝ （５） ここで、Ｋ ＝ ファイバばね定数 Ｗ’＝ q=0 でのダイヤフラムの歪み
【００２２】図５〜８は次の仮定の下にマイクロベンド
センサーの動作を解析し予想するための十分な情報を提
供する。 ａ） ファイバの二周期分の歪み ｂ） 図６から算出されるばね定数 ｃ） ８３０ｎｍの公称出力波長をもつ光−エミッティ
ングダイオード光源 ｄ） 無負荷内を伝搬する１００μＷの光学的パワー
（Ｐ0 ） ｅ） ダイヤフラムの中央でファイバ上の２７Ｎの静的
負荷 ｆ） 静的負荷によって発生する５３％の静的光伝搬
（Ｔ0 ）
センサーの動作を解析し予想するための十分な情報を提
供する。 ａ） ファイバの二周期分の歪み ｂ） 図６から算出されるばね定数 ｃ） ８３０ｎｍの公称出力波長をもつ光−エミッティ
ングダイオード光源 ｄ） 無負荷内を伝搬する１００μＷの光学的パワー
（Ｐ0 ） ｅ） ダイヤフラムの中央でファイバ上の２７Ｎの静的
負荷 ｆ） 静的負荷によって発生する５３％の静的光伝搬
（Ｔ0 ）
【００２３】予負荷と静止光伝搬値は極端に広いセンサ
ーの線形性範囲のために臨界的ではない（図６と図７を
参照）。以下の算出に対して選択されるこれらの数値は
典型的なものであるが、トランスジューサの部品及び対
向の面の機械的許容誤差と共に変化する。光の伝搬Ｔは
変位Δｈ（図７）と対数値に対して線形であり、変位は
加えた圧力ｑ（図８）と線形であるから、光の伝搬は加
えた圧力と線形である。光の伝搬の変化量ΔＴが変位と
対数値に対して線形であることは次のように表現され
る。 ΔＴ／Ｔ0 ＝ Δｈｋ／Ｌ0 （６）
ーの線形性範囲のために臨界的ではない（図６と図７を
参照）。以下の算出に対して選択されるこれらの数値は
典型的なものであるが、トランスジューサの部品及び対
向の面の機械的許容誤差と共に変化する。光の伝搬Ｔは
変位Δｈ（図７）と対数値に対して線形であり、変位は
加えた圧力ｑ（図８）と線形であるから、光の伝搬は加
えた圧力と線形である。光の伝搬の変化量ΔＴが変位と
対数値に対して線形であることは次のように表現され
る。 ΔＴ／Ｔ0 ＝ Δｈｋ／Ｌ0 （６）
【００２４】図８から変位Δｈは、２２．８ＭＰａのフ
ルスケール圧力で１０μｍであり、１Ｈｚの電気帯域の
フルスケールの０．１％の分解能を有する。これは、最
小の検出可能な変位である１０ｎｍに一致している。公
式６に適当な数値を代入すると、次のようになる。
ルスケール圧力で１０μｍであり、１Ｈｚの電気帯域の
フルスケールの０．１％の分解能を有する。これは、最
小の検出可能な変位である１０ｎｍに一致している。公
式６に適当な数値を代入すると、次のようになる。
【数３】 静的負荷は、次の公式によって与えられる光学的パワー
（Ｐ）の静的損失を生じる。 Ｐ ＝ Ｐ0 Ｔ0 ＝ ５３μＷ （８） だから、最小の検出可能なパワーは（公式７、８も使っ
て）次の通りである。 ΔＰmin ＝ ＰΔＴ／Ｔ0 ＝ ３．５ｎＷ （９）
（Ｐ）の静的損失を生じる。 Ｐ ＝ Ｐ0 Ｔ0 ＝ ５３μＷ （８） だから、最小の検出可能なパワーは（公式７、８も使っ
て）次の通りである。 ΔＰmin ＝ ＰΔＴ／Ｔ0 ＝ ３．５ｎＷ （９）
【００２５】シリコンホトダイオードは、要求されてい
るものよりも二〜三桁良い雑音等価電力（ＮＥＰ）及び
線形ダイナミックレンジのものが入手可能である。さら
に、５３μＷのバックグランド光レベルで散弾雑音の制
限された動作が保証されている。結果として、このマイ
クロベンドセンサーの信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）は、優れ
たダイヤフラムの変位分解能及びダイナミックレンジを
もたらすのには十分過ぎるくらいである。
るものよりも二〜三桁良い雑音等価電力（ＮＥＰ）及び
線形ダイナミックレンジのものが入手可能である。さら
に、５３μＷのバックグランド光レベルで散弾雑音の制
限された動作が保証されている。結果として、このマイ
クロベンドセンサーの信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）は、優れ
たダイヤフラムの変位分解能及びダイナミックレンジを
もたらすのには十分過ぎるくらいである。
【００２６】マイクロベンドセンサーの補償は、温度、
振動及び光レベルの変化がエラーを発生しないことを保
証するために実施される。二つの自己参照方法の内の一
方であるマイクロベンドセンサーを補償することが、温
度補償に対するファイバー光学ループに加えて使用され
る。
振動及び光レベルの変化がエラーを発生しないことを保
証するために実施される。二つの自己参照方法の内の一
方であるマイクロベンドセンサーを補償することが、温
度補償に対するファイバー光学ループに加えて使用され
る。
【００２７】マイクロベンドファイバ光学圧力トランス
ジューサの出力は静的に接続されてもよく、エラーはフ
ァイバ光学コネクタが接続され、切り離され、再び接続
される時の接続損失のランダム変化によって生じる。こ
のランダム損失が出力信号のオフセットをもたらし、こ
の出力信号オフセットは電子工学上適切な電位差計を使
って取り除くことができる。しかし、もしケーブルの曲
がりが類似のランダムオフセットを生じるなら、これら
のオフセットの規模はランダムな未知のエラーを生じる
ことになる。これらの潜在的なオフセットエラーを除去
するために、時間領域若しくは波長の参照方法が使用さ
れる。
ジューサの出力は静的に接続されてもよく、エラーはフ
ァイバ光学コネクタが接続され、切り離され、再び接続
される時の接続損失のランダム変化によって生じる。こ
のランダム損失が出力信号のオフセットをもたらし、こ
の出力信号オフセットは電子工学上適切な電位差計を使
って取り除くことができる。しかし、もしケーブルの曲
がりが類似のランダムオフセットを生じるなら、これら
のオフセットの規模はランダムな未知のエラーを生じる
ことになる。これらの潜在的なオフセットエラーを除去
するために、時間領域若しくは波長の参照方法が使用さ
れる。
【００２８】時間領域参照の好ましい実施例が、図９に
図示されている。パルス発生源４４からの光はマイクロ
ベンド圧力センサーのようなファイバ光学輝度センサー
４８、遅延コイル５０、２ｘ２パワースプリッタ５２を
含むセンサーヘッド４６へ伝搬される。各入力光のパル
スは、参照ファイバとして働くセンサータップ５４と遅
延コイルタップ５６の間にあるスプリッター５２で分割
される。両タップの先端では反射される（５８、６
０）。もし遅延コイル５０を通る往復時間が十分に長い
ならば、センサー４８と遅延コイル５０からの受信され
る光パルスＩS 及びＩR は図１０に示されるように時間
的なずれを生じる。ケーブルの曲がりあるいはコネクタ
接続及び分離は、受信されるパルスに同様の影響を及ぼ
すオフセットを生ずる。だから、比率測定値ＩS ／ＩR
は、ケーブル若しくはコネクタによるオフセットにも、
発信源からの平均光レベルの変動によるエラーにも関係
のない出力信号を供給する。
図示されている。パルス発生源４４からの光はマイクロ
ベンド圧力センサーのようなファイバ光学輝度センサー
４８、遅延コイル５０、２ｘ２パワースプリッタ５２を
含むセンサーヘッド４６へ伝搬される。各入力光のパル
スは、参照ファイバとして働くセンサータップ５４と遅
延コイルタップ５６の間にあるスプリッター５２で分割
される。両タップの先端では反射される（５８、６
０）。もし遅延コイル５０を通る往復時間が十分に長い
ならば、センサー４８と遅延コイル５０からの受信され
る光パルスＩS 及びＩR は図１０に示されるように時間
的なずれを生じる。ケーブルの曲がりあるいはコネクタ
接続及び分離は、受信されるパルスに同様の影響を及ぼ
すオフセットを生ずる。だから、比率測定値ＩS ／ＩR
は、ケーブル若しくはコネクタによるオフセットにも、
発信源からの平均光レベルの変動によるエラーにも関係
のない出力信号を供給する。
【００２９】波長参照の実施例が図１２に開示されてい
る。ここでは、異なる波長（λ1 、λ2 ）で動作する二
つの光源を使用する。デュアル波長アプローチを利用し
て、各波長での輝度が共通のファイバ６６へ結合され、
そしてこれがセンサー６８と直接検出器８２へと伝わ
る。回折格子若しくは波長分割マルチプレクサ（ＷＤ
Ｍ）７０は、センサーヘッド６８内の信号及び参照ファ
イバ７２、７４間のそれぞれに波長を分離する。信号
は、結合器７６により出力ファイバ７８へと再結合され
る。信号プロセッサ８０において二つの波長の輝度は別
の回折格子７０で分離されバイセル検出器８２で別々に
検出される。各光源からの光レベルの揺らぎに対して補
償することは、光検出器の一方のセルを使ってファイバ
からの光源の信号を監視しながら、差動増幅器８６へロ
グ比を伝搬するログ比装置の一致した光源信号によって
センサー信号を比率化することが必要である。これら二
つの比率の差は、ケーブル及びコネクタの従属オフセッ
トと、アナログ−デジタル変換器８８へ伝達される光源
の揺らぎに影響されない出力である。ログ比は相互連絡
するケーブル長に対して不感である。
る。ここでは、異なる波長（λ1 、λ2 ）で動作する二
つの光源を使用する。デュアル波長アプローチを利用し
て、各波長での輝度が共通のファイバ６６へ結合され、
そしてこれがセンサー６８と直接検出器８２へと伝わ
る。回折格子若しくは波長分割マルチプレクサ（ＷＤ
Ｍ）７０は、センサーヘッド６８内の信号及び参照ファ
イバ７２、７４間のそれぞれに波長を分離する。信号
は、結合器７６により出力ファイバ７８へと再結合され
る。信号プロセッサ８０において二つの波長の輝度は別
の回折格子７０で分離されバイセル検出器８２で別々に
検出される。各光源からの光レベルの揺らぎに対して補
償することは、光検出器の一方のセルを使ってファイバ
からの光源の信号を監視しながら、差動増幅器８６へロ
グ比を伝搬するログ比装置の一致した光源信号によって
センサー信号を比率化することが必要である。これら二
つの比率の差は、ケーブル及びコネクタの従属オフセッ
トと、アナログ−デジタル変換器８８へ伝達される光源
の揺らぎに影響されない出力である。ログ比は相互連絡
するケーブル長に対して不感である。
【００３０】図９及び図１２の両実施例ではケーブル及
びコネクタのオフセットを補償するために参照ファイバ
を使用するが、温度オフセットは補正されていない。マ
イクロベンドセンサーの出力の温度オフセットを補償す
るには、図１４に図示されているようなファイバループ
が使用される。光ファイバ９２は設定半径ｒの円形ルー
プ９０状に巻かれている。ループ半径が小さくなればな
るほど、ループを通る光の損失は増大する。光がループ
を通過するとき、ファイバのコアの導波モードはファイ
バのクラッドの放射モードに転換される。このモード転
換は、全内部反射状態が高次の導波モードに対しては満
足されていないために生じる。このモード転換はファイ
バコア内の光の量を減少させる。ループがオーブン内の
ようなところで熱せられるあるいは冷やされると、ファ
イバのコア及びクラッドの屈折率の温度により起きる変
化とループ半径の結合がループを通過する光伝搬の変化
を起こす。伝搬におけるこれらの変化が、温度関数とし
てループからの光出力の再現性のある変化をもたらす。
びコネクタのオフセットを補償するために参照ファイバ
を使用するが、温度オフセットは補正されていない。マ
イクロベンドセンサーの出力の温度オフセットを補償す
るには、図１４に図示されているようなファイバループ
が使用される。光ファイバ９２は設定半径ｒの円形ルー
プ９０状に巻かれている。ループ半径が小さくなればな
るほど、ループを通る光の損失は増大する。光がループ
を通過するとき、ファイバのコアの導波モードはファイ
バのクラッドの放射モードに転換される。このモード転
換は、全内部反射状態が高次の導波モードに対しては満
足されていないために生じる。このモード転換はファイ
バコア内の光の量を減少させる。ループがオーブン内の
ようなところで熱せられるあるいは冷やされると、ファ
イバのコア及びクラッドの屈折率の温度により起きる変
化とループ半径の結合がループを通過する光伝搬の変化
を起こす。伝搬におけるこれらの変化が、温度関数とし
てループからの光出力の再現性のある変化をもたらす。
【００３１】この効果に基づく温度センサーを製造する
ことについて、光ファイバの一部は変形されスループッ
ト（伝播量）に所望程度の初期損失を作り出し、点９１
に高温接着か若しくは機械的にクリンプされたコネクタ
によって固着される。一般に、変形された型は図１５及
び１６に見られるように一巻き以上のループである。図
示されているように、ファイバの光学ループ９０は、概
して円形若しくは涙形である。他の形状が記述される同
様な利益をもたらすことができることは明らかである。
ことについて、光ファイバの一部は変形されスループッ
ト（伝播量）に所望程度の初期損失を作り出し、点９１
に高温接着か若しくは機械的にクリンプされたコネクタ
によって固着される。一般に、変形された型は図１５及
び１６に見られるように一巻き以上のループである。図
示されているように、ファイバの光学ループ９０は、概
して円形若しくは涙形である。他の形状が記述される同
様な利益をもたらすことができることは明らかである。
【００３２】図１４に返って、光源９６は、８５０ｎｍ
の公称波長の光をセンサーのファイバに供給する。１０
％のパワータップ９８は、光を分割して参照ファイバ１
００に沿って参照光源輝度を直接検出器１０２へと供給
する。信号輝度はマイクロベンドループ９０を経由して
検出器１０４へと伝搬される。信号輝度Ｉ1 と参照輝度
Ｉ2 のログ比は、装置１０６で導き出し線形の出力を提
供する。
の公称波長の光をセンサーのファイバに供給する。１０
％のパワータップ９８は、光を分割して参照ファイバ１
００に沿って参照光源輝度を直接検出器１０２へと供給
する。信号輝度はマイクロベンドループ９０を経由して
検出器１０４へと伝搬される。信号輝度Ｉ1 と参照輝度
Ｉ2 のログ比は、装置１０６で導き出し線形の出力を提
供する。
【００３３】図１５と１６は、二つの異なるファイバル
ープ９０の図形を示す。図１５においては、大きい方の
ループ９０内に一つのループ９０’がある。ファイバ９
０’は二か所９１で固着されている。それから大きい方
のループ９０は、一か所９１で固着される。図１６に
は、一か所９１で固着された一つのファイバループだけ
がある。もちろん、タームループは単一、多数あるいは
所望の巻数の形状寸法を有することを意味する。
ープ９０の図形を示す。図１５においては、大きい方の
ループ９０内に一つのループ９０’がある。ファイバ９
０’は二か所９１で固着されている。それから大きい方
のループ９０は、一か所９１で固着される。図１６に
は、一か所９１で固着された一つのファイバループだけ
がある。もちろん、タームループは単一、多数あるいは
所望の巻数の形状寸法を有することを意味する。
【００３４】図１７は、単一端の概念を使用する別の実
施例を図示している。光源１０８は、光を単一ファイバ
１１０へ供給する。カプラー１１２は、この光を分割し
て光ファイバ１１６を通る参照光源の輝度を検出器１１
４に供給する。光は信号ファイバ１１０の端部に達する
までファイバループ９０を通って伝搬する。信号ファイ
バ１１０の端部１１８は、カプラー１１２によって検出
器１１４へ光を反射させて戻すために反射鏡が付けてあ
る。これは。全内部反射、コーナカット若しくはフレネ
ルインフレーションが使用できるようないずれかのイン
フレーション手段であることが解る。
施例を図示している。光源１０８は、光を単一ファイバ
１１０へ供給する。カプラー１１２は、この光を分割し
て光ファイバ１１６を通る参照光源の輝度を検出器１１
４に供給する。光は信号ファイバ１１０の端部に達する
までファイバループ９０を通って伝搬する。信号ファイ
バ１１０の端部１１８は、カプラー１１２によって検出
器１１４へ光を反射させて戻すために反射鏡が付けてあ
る。これは。全内部反射、コーナカット若しくはフレネ
ルインフレーションが使用できるようないずれかのイン
フレーション手段であることが解る。
【００３５】図１４に図示されているようなあるセンサ
ーは、１．５〜５ｄＢの初期ループ損失をもつ複数モー
ドの光ファイバでバッファ被覆されたアルミニウムから
製造されている。このセンサーは−５５〜２３０℃の温
度で評価された。４．８ｄＢの初期損失をもつループに
対する一般的な目盛り曲線が、図１８に図示されてい
る。ｄＢで表されるスループットは、ほぼ試験される範
囲に亙って温度の線形の関数である。試験範囲に亙っ
て、このセンサーの感度は約１．１ｘ１０-3ｄＢ／℃で
ある。
ーは、１．５〜５ｄＢの初期ループ損失をもつ複数モー
ドの光ファイバでバッファ被覆されたアルミニウムから
製造されている。このセンサーは−５５〜２３０℃の温
度で評価された。４．８ｄＢの初期損失をもつループに
対する一般的な目盛り曲線が、図１８に図示されてい
る。ｄＢで表されるスループットは、ほぼ試験される範
囲に亙って温度の線形の関数である。試験範囲に亙っ
て、このセンサーの感度は約１．１ｘ１０-3ｄＢ／℃で
ある。
【００３６】マイクロベンドファイバの光学トランスジ
ューサに応答する一般的な圧力が、図１９に図示されて
いる。ここにはトランスジューサの出力電圧が動作する
温度の最高と最低（公称上、約２０℃と約４３０℃）で
加えられる圧力に対するトランスジューサの出力電圧が
プロットされている。設定された温度でのトランスジュ
ーサの応答は、加えられた圧力でいくらか非線形性に表
現される。周辺温度と４３０℃との間のゼロオフセット
は、ほぼ線形であり、フルスケール出力に対して総計は
３．３ｘ１０-4／℃となる。このオフセットは、トラン
スジューサの温度膨張と、温度でのダイヤフラムの堅さ
の変化によって生ずる。ｄＢのオフセットが−６０〜８
０℃の温度範囲で図２０にプロットされている。
ューサに応答する一般的な圧力が、図１９に図示されて
いる。ここにはトランスジューサの出力電圧が動作する
温度の最高と最低（公称上、約２０℃と約４３０℃）で
加えられる圧力に対するトランスジューサの出力電圧が
プロットされている。設定された温度でのトランスジュ
ーサの応答は、加えられた圧力でいくらか非線形性に表
現される。周辺温度と４３０℃との間のゼロオフセット
は、ほぼ線形であり、フルスケール出力に対して総計は
３．３ｘ１０-4／℃となる。このオフセットは、トラン
スジューサの温度膨張と、温度でのダイヤフラムの堅さ
の変化によって生ずる。ｄＢのオフセットが−６０〜８
０℃の温度範囲で図２０にプロットされている。
【００３７】マイクロベンドセンサーの自動オフセット
補償は、温度（図１８）に対して正の傾きの変化を持つ
ファイバループ信号と、同様の傾きを有するが負である
温度オフセットで表現されるマイクロベンドセンサー信
号と光学的に直列に加算することによって実施される。
この補償方法は、ＷＤＭ７０の後ろのλ1 チャンネルで
マイクロベンドセンサーの前の一連のループを結合する
ことによって図１３に示されたセンサープロセッサ内で
実現される。それから、波長λ2 での参照波長は、コネ
クタ損失及びケーブル損失に関する情報のみ含み、そし
てこれはλ1 での信号チャンネルと同様である。二チャ
ンネル間に電気的に異なる信号が得られると、これらの
損失は消え去る。ファイバループ信号の傾きは、ループ
半径ｒを変化させることによって変化することができ
る。同調方法が、製造中にループを調整してマイクロベ
ンドセンサーのオフセットに一致させる方法を提供す
る。
補償は、温度（図１８）に対して正の傾きの変化を持つ
ファイバループ信号と、同様の傾きを有するが負である
温度オフセットで表現されるマイクロベンドセンサー信
号と光学的に直列に加算することによって実施される。
この補償方法は、ＷＤＭ７０の後ろのλ1 チャンネルで
マイクロベンドセンサーの前の一連のループを結合する
ことによって図１３に示されたセンサープロセッサ内で
実現される。それから、波長λ2 での参照波長は、コネ
クタ損失及びケーブル損失に関する情報のみ含み、そし
てこれはλ1 での信号チャンネルと同様である。二チャ
ンネル間に電気的に異なる信号が得られると、これらの
損失は消え去る。ファイバループ信号の傾きは、ループ
半径ｒを変化させることによって変化することができ
る。同調方法が、製造中にループを調整してマイクロベ
ンドセンサーのオフセットに一致させる方法を提供す
る。
【００３８】マイクロベンドセンサーの信号（図２０）
の温度に誘発されたオフセットの傾きは、波型の間隔を
増大させることによって、正にできる。例えば１．５ｍ
ｍ〜３ｍｍの波型の距離を倍にすると、温度オフセット
の傾きの信号を正から負へと変化させるが、波型の変位
に対する感度が再び減退する。マイクロベンドセンサー
の高感度が要求されていない応用分野においては、光電
信号プロセッシングの利点は実現できる。
の温度に誘発されたオフセットの傾きは、波型の間隔を
増大させることによって、正にできる。例えば１．５ｍ
ｍ〜３ｍｍの波型の距離を倍にすると、温度オフセット
の傾きの信号を正から負へと変化させるが、波型の変位
に対する感度が再び減退する。マイクロベンドセンサー
の高感度が要求されていない応用分野においては、光電
信号プロセッシングの利点は実現できる。
【００３９】マイクロベンドセンサーの温度オフセット
及びファイバループ温度オフセットの傾きが同一の符号
を有する時、ループは前記のようなλ1 のセンサーの脚
でなく、図１２に図示されるＷＤＭ７０の後部のλ2 の
参照センサーの脚に位置ずけられた方がよい。この平行
なセンサー配列では、マイクロベンドセンサー及びルー
プからの温度オフセットは直センサー配列による光学的
な減算によらないで、増幅器８６によって電子工学的に
比率化される。
及びファイバループ温度オフセットの傾きが同一の符号
を有する時、ループは前記のようなλ1 のセンサーの脚
でなく、図１２に図示されるＷＤＭ７０の後部のλ2 の
参照センサーの脚に位置ずけられた方がよい。この平行
なセンサー配列では、マイクロベンドセンサー及びルー
プからの温度オフセットは直センサー配列による光学的
な減算によらないで、増幅器８６によって電子工学的に
比率化される。
【００４０】ループ温度センサーに対する別法は、シリ
コン製エタロン温度センサーである。この温度センサー
は、図２１に図示されているように負の傾きをもつ温度
オフセットを表す。しかし、この傾きの大きさは、ファ
イバーループと比較して容易に調整できない。そこで、
シリコン製エタロンは独立したファイバの光学温度測定
のための別法を提供する。それから、この独立温度測定
は、次のような適当な信号プロセッシングアルゴリズム
により温度オフセットに対してマイクロベンド圧力セン
サーを補償するために使用される。 Ｐ ＝ ａ1 ＋ａ2 ＶP ＋ａ3 ＶP 2＋（ａ4 ＋ａ5 ＶP
＋ａ6 ｋＶP 2）ＶT Ｐ ＝ 適当なユニットにおける圧力 ａ1 ・・・ ａ6 ＝ 定数 ＶP ＝ 圧力に比例する信号圧 ＶT ＝ 温度に比例する信号圧
コン製エタロン温度センサーである。この温度センサー
は、図２１に図示されているように負の傾きをもつ温度
オフセットを表す。しかし、この傾きの大きさは、ファ
イバーループと比較して容易に調整できない。そこで、
シリコン製エタロンは独立したファイバの光学温度測定
のための別法を提供する。それから、この独立温度測定
は、次のような適当な信号プロセッシングアルゴリズム
により温度オフセットに対してマイクロベンド圧力セン
サーを補償するために使用される。 Ｐ ＝ ａ1 ＋ａ2 ＶP ＋ａ3 ＶP 2＋（ａ4 ＋ａ5 ＶP
＋ａ6 ｋＶP 2）ＶT Ｐ ＝ 適当なユニットにおける圧力 ａ1 ・・・ ａ6 ＝ 定数 ＶP ＝ 圧力に比例する信号圧 ＶT ＝ 温度に比例する信号圧
【００４１】シリコン製エタロンの温度センサーは、図
１７に示したようにそれ自身の独立した事用の光電子工
学的自己参照を必要とする。干渉計の測定方法は、光学
経路内の組成物の軽微の温度変化でさえ干渉パターンで
得られる変化によって容易に検出されるので温度測定に
対して感度がよく多面的でもある。多重ビームの干渉に
基づくＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ干渉計は、図１７に詳し
く図示されている光ファイバの端部１１８にある反射鏡
１２０の代わりに薄層のシリコンを堆積することによっ
てファイバ光学温度センサーとして容易に使用できる。
１７に示したようにそれ自身の独立した事用の光電子工
学的自己参照を必要とする。干渉計の測定方法は、光学
経路内の組成物の軽微の温度変化でさえ干渉パターンで
得られる変化によって容易に検出されるので温度測定に
対して感度がよく多面的でもある。多重ビームの干渉に
基づくＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ干渉計は、図１７に詳し
く図示されている光ファイバの端部１１８にある反射鏡
１２０の代わりに薄層のシリコンを堆積することによっ
てファイバ光学温度センサーとして容易に使用できる。
【００４２】実際には、一波長より薄い厚さのシリコン
製の薄層が、ガラスとシリコンの境界面と、シリコンと
空気との境界面とを形成するように、光ファイバの端部
に付着される。ファイバへ発射された光は、これら両境
界面から反射され戻りビームを形成する。これら境界面
間の密度と多重反射の相対位相が戻りビームの輝度を決
定する。エタロンの屈折率若しくは物理的次元における
変化が相対位相の変化及び反射された輝度の変化をもた
らす。これら温度により誘発される輝度の変化は、簡単
な光電子工学機器を用いて容易に測定される。
製の薄層が、ガラスとシリコンの境界面と、シリコンと
空気との境界面とを形成するように、光ファイバの端部
に付着される。ファイバへ発射された光は、これら両境
界面から反射され戻りビームを形成する。これら境界面
間の密度と多重反射の相対位相が戻りビームの輝度を決
定する。エタロンの屈折率若しくは物理的次元における
変化が相対位相の変化及び反射された輝度の変化をもた
らす。これら温度により誘発される輝度の変化は、簡単
な光電子工学機器を用いて容易に測定される。
【００４３】反射モード（単一端部）シリコン製エタロ
ンの温度センサーは４００ｎｍ〜８００ｎｍのシリコン
薄層の厚さを使用して製造され試験された。シリコン製
エタロンは、ＲＦスパッタリングを使用して研磨された
光ファイバの端部上に直接付された。この得られたセン
サーは、−６５〜８００度Ｆの温度範囲に亙って試験さ
れた。一般的な校正曲線が図２０に図示されている。こ
の図を参照すると、温度と光の輝度のスループット間の
関係は、線形ではないが再現性がある。温度センサーと
してFabry-Perot のエタロンの使用は、最適の構成物が
光ファイバとシリコン製薄層であるから非常に小型にな
る。保護管に包まれている時でさえ、センサーは大きさ
を比較でき小型のシーズされた熱電対に対する要素を形
成する。だから、センサーは、非常に低い熱量とそれに
準ずる小さい時定数を有する。この型のセンサーは、製
造することは簡単で非常に丈夫である。試験されたエタ
ロンは、温度とともに比較的大きな信号を提供する。−
６０〜４００℃の範囲に亙っての４ｘ１０-3ｄＢ／度Ｃ
の水準で、非常に優れた分解能をもたらす。
ンの温度センサーは４００ｎｍ〜８００ｎｍのシリコン
薄層の厚さを使用して製造され試験された。シリコン製
エタロンは、ＲＦスパッタリングを使用して研磨された
光ファイバの端部上に直接付された。この得られたセン
サーは、−６５〜８００度Ｆの温度範囲に亙って試験さ
れた。一般的な校正曲線が図２０に図示されている。こ
の図を参照すると、温度と光の輝度のスループット間の
関係は、線形ではないが再現性がある。温度センサーと
してFabry-Perot のエタロンの使用は、最適の構成物が
光ファイバとシリコン製薄層であるから非常に小型にな
る。保護管に包まれている時でさえ、センサーは大きさ
を比較でき小型のシーズされた熱電対に対する要素を形
成する。だから、センサーは、非常に低い熱量とそれに
準ずる小さい時定数を有する。この型のセンサーは、製
造することは簡単で非常に丈夫である。試験されたエタ
ロンは、温度とともに比較的大きな信号を提供する。−
６０〜４００℃の範囲に亙っての４ｘ１０-3ｄＢ／度Ｃ
の水準で、非常に優れた分解能をもたらす。
【００４４】エタロンセンサーは、本質的に単一端部を
有する。これは小型という利点を提供するが、損失の面
では不利益となる。従来の３ｄＢ電力スプリッターを用
いると、その不利益は一般に９〜１０ｄＢであり、それ
に薄層自身の２〜３ｄＢが加わる。さらに戻り輝度は、
本質的に非線形であり、この非線形性は薄層の厚さの関
数である。そのため、再現性の良いセンサーを達成する
ためには堆積過程において高度の制御を要求する。セン
サーが戻す輝度は、光源の波長の変化に敏感である。
０．３ｎｍ／度Ｃの温度係数をもつ８３０ｎｍのＬＥＤ
を使用すると、ＬＥＤにおける波長の変化をもたらす温
度は約８．７ｘ１０-3ｄＢ／℃の感度になる。これは、
ＬＥＤの温度が小さい範囲内の一定値に止めることを要
求し、あるいはＬＥＤの温度若しくは中央の波長を独立
に測定し、そして、信号プロセッシングにおいて校正を
行うことを要求する。これは信号プロセッシング電子工
学に好ましくない付加的な複雑さをもたらす。
有する。これは小型という利点を提供するが、損失の面
では不利益となる。従来の３ｄＢ電力スプリッターを用
いると、その不利益は一般に９〜１０ｄＢであり、それ
に薄層自身の２〜３ｄＢが加わる。さらに戻り輝度は、
本質的に非線形であり、この非線形性は薄層の厚さの関
数である。そのため、再現性の良いセンサーを達成する
ためには堆積過程において高度の制御を要求する。セン
サーが戻す輝度は、光源の波長の変化に敏感である。
０．３ｎｍ／度Ｃの温度係数をもつ８３０ｎｍのＬＥＤ
を使用すると、ＬＥＤにおける波長の変化をもたらす温
度は約８．７ｘ１０-3ｄＢ／℃の感度になる。これは、
ＬＥＤの温度が小さい範囲内の一定値に止めることを要
求し、あるいはＬＥＤの温度若しくは中央の波長を独立
に測定し、そして、信号プロセッシングにおいて校正を
行うことを要求する。これは信号プロセッシング電子工
学に好ましくない付加的な複雑さをもたらす。
【００４５】本発明の特殊な実施例が詳細に図示かつ記
述され本発明の応用及び原理を開示したけれども、本発
明がここに制限されるということではなく、また本発明
がこの原理から逸脱することなく実施し得ることを当業
者であれば理解されるだろう。
述され本発明の応用及び原理を開示したけれども、本発
明がここに制限されるということではなく、また本発明
がこの原理から逸脱することなく実施し得ることを当業
者であれば理解されるだろう。
【図１】ファイバー光学圧力トランスジューサの部分
図。
図。
【図２】温度補償自己参照ファイバー光学圧力トランス
ジューサの好ましい実施例の分解断面図。
ジューサの好ましい実施例の分解断面図。
【図３】図２の組立て図。
【図４】図１、２、３に使用されるマイクロベンドセン
サーの拡大図。
サーの拡大図。
【図５】最適条件での波型間隔を示す歯型ピッチに対す
る感度のグラフ。
る感度のグラフ。
【図６】波型センサープレートを使用した場合の変位に
対する加負荷のグラフ。
対する加負荷のグラフ。
【図７】周辺温度での変位に対する測定されたマイクロ
ベンドセンサーの出力電圧のグラフ。
ベンドセンサーの出力電圧のグラフ。
【図８】ダイヤフラムの中央部での２７Ｎ点負荷の圧力
に対する算出されるダイヤフラム変位のグラフ。
に対する算出されるダイヤフラム変位のグラフ。
【図９】時間領域を基準に使用した場合の本発明の実施
例の構成図。
例の構成図。
【図１０】時間領域を基準に使用した場合の伝搬輝度と
受信輝度を示すグラフ。
受信輝度を示すグラフ。
【図１１】時間領域を基準に使用した場合の伝搬輝度と
受信輝度を示すグラフ。
受信輝度を示すグラフ。
【図１２】波長分割多重送信に使用される別の実施例の
構成図。
構成図。
【図１３】図１２に図示された実施例で使用される信号
手順の構成図。光学ファイバーループ温度センサーの構
成図。
手順の構成図。光学ファイバーループ温度センサーの構
成図。
【図１４】光ファイバーループ温度センサーの形態図。
【図１５】ファイバーループの形態図。
【図１６】ファイバーループの形態図。
【図１７】単一端ファイバー光学ループ図。
【図１８】４．８ｄＢのループに対する校正曲線。
【図１９】２つの異なる温度でのマイクロベンドファイ
バー光学トランスジューサの代表的な圧力応答を示す。
バー光学トランスジューサの代表的な圧力応答を示す。
【図２０】−６０〜８０℃の温度範囲に亙る温度に対す
るスループット（ｄＢ）のプロット図。
るスループット（ｄＢ）のプロット図。
【図２１】シリコン製エタロン温度センサーに対する校
正曲線図。
正曲線図。
２ マイクロベンドセンサー ３ フランジ ４ シリンダ ５ 溶接 ６ ボルト ７ パッキングシール ９ フランジ圧縮封止 １０ 光ファイバー １２ 第一プレート １４ 第二プレート １８ ダイヤフラム ２０ キャップ ２２ 本体 ２４ 第一開口部 ２６ ポスト ２８ 蛇腹 ３０ 第二開口部 ３２ ゲッター ３６ 開口部 ３７ プラグ ３８ 開口部 ４０ 保護管 ４４ 光源 ４６ センサヘッド ４８ ファイバ輝度センサー ５０ 遅延コイル ５２ ２ｘ２パワースプリッター ５４ センサータップ ５６ 遅延コイルタップ ５８ 反射鏡 ６０ 反射鏡 ６２ 光源 ６４ 光源 ６６ 共通ファイバ ６８ センサー ７０ 波長分割マルチプレクサ ７２ 参照ファイバ ７４ 参照ファイバ ７６ 結合器 ７８ 出力ファイバ ８０ 信号プロセッサ ８２ バイセル検出器 ８４ ログ比装置 ８６ 差動増幅器 ８８ アナログ−ディジタル変換器 ９０ ファイバループ ９２ センサーファイバ ９６ 光源 ９８ １０％パワータップ １００ 参照ファイバ １０２ 検出器 １０４ 検出器 １０８ 光源 １１０ 信号ファイバ １１２ 結合器 １１４ 検出器 １１６ 光ファイバ １１８ 端部
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成４年８月２６日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ステュアート・イー・リード アメリカ合衆国オハイオ州ホームワース、 ジョージタウン・ロード22756
Claims (21)
- 【請求項１】 対向しかつ食違い関係にある歯状物をも
つ波型面を備えていて、少なくとも一方が感知されるべ
きパラメータに接している一対のプレートと、 波型プレートに及ぼされるパラメータに依存して大きい
あるいは小さい程度に曲げられるように前記波型プレー
ト間に締めつけられる一つの第一信号光ファイバと、 類似環境に対して露出されるべく前記プレートに隣接し
て配置され、ケーブル及びコネクタのオフセットと光源
の揺らぎに加えて温度オフセットに対して補償するため
にモード変換を行うように適応した設定半径ｒをもつル
ープ状に形成される少なくとも一つの第二参照光ファイ
バであって、前記光ファイバのループが少なくとも一点
に設けられマイクロベンド損失の制御される程度を提供
する前記少なくとも一つの第二参照光ファイバと、 前記信号及び参照光ファイバへ光を供給するための一つ
の光源と、 前記信号及び参照光ファイバからの光を受信し、感知さ
れるパラメータを決定するためにこれらを通って伝送さ
れる光を変化を測定する光検出手段であって、感知され
るパラメータの温度オフセットを補償するために前記参
照ファイバの伝送の変化を測定するための光伝送決定手
段をさらに有する前記光検出手段と、を有する温度が補
償される自己参照ファイバ光学センサー。 - 【請求項２】 前記少なくとも一つの第二参照光ファイ
バはケーブル及びコネクタのオフセットと光源の揺らぎ
を補償するために前記プレートに隣接して配される一つ
の参照光ファイバと、温度オフセットを補償するために
設定半径ｒをもつループに形成された一つの第三の光フ
ァイバと、を有する請求項１に記載されたファイバ光セ
ンサー。 - 【請求項３】 前記第三の光ファイバが前記参照光ファ
イバに接続されている請求項２に記載されたファイバ光
センサー。 - 【請求項４】 対向しかつ食違い関係にある歯状物をも
つ波型面を備えていて、少なくとも一方が感知されるべ
きパラメータに接している一対のプレートと、 波型プレートに加えられるパラメータに依存して大きい
あるいは小さい程度に曲げられるように前記波型のプレ
ートの間に締めつけられる一つの第一光ファイバであっ
て、ケーブル及びコネクタのオフセットと光源の揺らぎ
に加えて温度オフセットを補償するためにモード変換を
行うように適応した設定半径ｒをもつ前記波型プレート
の先に位置づけられた光ファイバループをもつ前記光フ
ァイバであって、前記光ファイバループが少なくとも一
点に設けられてマイクロベンド損失の制御程度を提供す
る前記一つの第一信号光ファイバと、 類似環境に対して露出されるべく前記プレートに隣接し
て配される少なくとも一つの第二参照光ファイバと、 前記信号及び参照光ファイバへ光を供給するための一つ
の光源と、 前記信号及び参照光ファイバからの光を受信し、感知さ
れるパラメータを決定するためにこれらを通って伝送さ
れる光の変化を測定する光検出手段であって、感知され
るパラメータの温度オフセットを補償するために前記参
照ファイバの伝送の変化を測定するための光伝送決定手
段をさらに有する前記光検出手段と、を有する温度補償
される自己参照ファイバ光センサー。 - 【請求項５】 第一波長λ1 の光を信号光ファイバへ供
給し、第二波長λ2の光を参照光ファイバへ供給するよ
うに、第一波長λ1 の光を供給する前記第一光源と共に
第二波長λ2 の光を供給するための一つの第二光源を設
け、 前記信号及び参照ファイバからの二つの波長の輝度を受
信してそれぞれの出力信号を生じるための少なくとも二
つの光検出器を含んでいる光検出手段であって、両波長
の光源信号を供給するために第一及び第二光源から直接
輝度を受信するようになっており、感知されたパラメー
タを決定するために前記出力信号を前記光源信号と比較
する前記光検出手段と、をさらに有する請求項１に記載
のファイバ光センサー。 - 【請求項６】 第一波長λ1 の光を信号光ファイバへ供
給し、第二波長λ2の光を参照光ファイバへ供給するよ
うに、第一波長λ1 の光を供給する前記第一光源と共に
第二波長λ2 の光を供給するための一つの第二光源を設
け、 前記信号及び参照ファイバからの二つの波長の輝度を受
信して対向するそれぞれの出力信号を生じるための少な
くとも二つの光検出器を含んでいる光検出手段であっ
て、両波長の光源信号を供給するために第一及び第二光
源から直接輝度を受信し、感知されたパラメータを決定
するために前記出力信号を前記光源信号と比較する前記
光検出手段と、をさらに有する請求項４に記載のファイ
バ光センサー。 - 【請求項７】 前記参照ファイバが輝度における時間的
な分離を作り出すために遅延コイル有し、前記光源がパ
ルス化されて分離のための光パルスを供給する請求項１
に記載のファイバ光センサー。 - 【請求項８】 前記参照ファイバが輝度における時間的
な分離を作り出すために遅延コイル有し、前記光源がパ
ルス化されて分離のための光パルスを供給する請求項４
に記載のファイバ光センサー。 - 【請求項９】 前記光検出手段が時間領域輝度に基づく
参照ファイバ輝度に対する信号ファイバ輝度の比率測定
を提供する請求項７に記載のファイバ光センサー。 - 【請求項１０】 前記光検出手段が時間領域輝度に基づ
く参照ファイバ輝度に対する信号ファイバ輝度の比率測
定を提供する請求項８に記載のファイバ光センサー。 - 【請求項１１】 前記対のプレートの一方のプレートが
圧力の違いに比例して歪むダイヤフラムの中央に位置づ
けられていて、もう一方のプレートは反対側にあって食
違い関係にあり、前記ダイヤフラムがキャップと本体の
内側に円状に封止される請求項１に記載のファイバ光セ
ンサー。 - 【請求項１２】 前記キャップが本体内部を真空にする
ために開口部をもつ請求項１１に記載のファイバ光セン
サー。 - 【請求項１３】 前記本体が排気されたガス及び内部拡
散ガスを吸収する他のゲッターを有する請求項１２に記
載のファイバ光センサー。 - 【請求項１４】 前記光ファイバループが設けられる点
もしくはその近辺で反射手段を有するループを形成する
光ファイバの一端部を有し、前記反射手段が光を反射し
て光ファイバへ供給し前記光検出手段へ戻す請求項１に
記載のファイバ光センサー。 - 【請求項１５】 対向しかつ食違い関係にある歯状物を
もつ波型面を備えていて、少なくとも一方が感知される
べきパラメータに接している一対のプレートと、 前記波型プレートに加えられるパラメータに依存した大
きいもしくは小さい程度に曲げられるように前記波型プ
レートの間で締めつけられた一つの第一信号の光ファイ
バと、 ケーブル及びコネクタのオフセットと光源の揺らぎを補
償するため前記プレートと同様な環境に露出されるべく
前記プリントに隣接して位置づけられる一つの第二参照
光ファイバと、 温度を感知するための前記信号ファイバの環境内に位置
付けられたシリコンの一端部に堆積されるシリコン薄層
を有する一つの第三光ファイバと、 前記信号、参照及び第三光ファイバへ光を供給する光源
と、 前記信号及び参照光ファイバからの光を受信し、感知さ
れるパラメータを決定するためにこれらを通って伝送さ
れる光の変化を測定する光検出手段であって、感知され
るパラメータの温度オフセットを補償するために前記シ
リコンが堆積したファイバの伝送の変化を測定するため
の参照手段をさらに有する前記光検出手段と、を有する
温度補償自己参照ファイバ光センサー。 - 【請求項１６】 前記光検出手段が波長領域輝度に基づ
く参照ファイバ輝度に対する信号ファイバ輝度の比率測
定を提供する請求項５に記載のファイバ光センサー。 - 【請求項１７】 前記光検出手段が波長領域輝度に基づ
く参照ファイバ輝度に対する信号ファイバ輝度の比率測
定を提供する請求項６に記載のファイバ光センサー。 - 【請求項１８】 前記対のプレートの一方のプレートが
圧力の違いに比例して歪むダイヤフラムの中央に位置づ
けられていて、もう一方のプレートは反対側にありそこ
のオフセットであり、前記ダイヤフラムがキャップと本
体の内側に円状に封止される請求項４に記載のファイバ
光センサー。 - 【請求項１９】 前記キャップが本体ないを真空にする
ための開口部を有する請求項１８に記載のファイバ光セ
ンサー。 - 【請求項２０】 前記本体が排気されたガス及び内部拡
散ガスを吸収する他のゲッターを有する請求項１９に記
載のファイバ光センサー。 - 【請求項２１】 前記光ファイバループが設けられる点
もしくはその近辺で反射手段を有するループを形成する
光ファイバの一端部を有し、前記反射手段が光を反射し
て光ファイバへ供給し前記光検出手段へ戻す請求項４に
記載のファイバ光センサー。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US700387 | 1991-05-13 | ||
| US07/700,387 US5196694A (en) | 1991-05-13 | 1991-05-13 | Temperature compensated self-referenced fiber optic microbend pressure transducer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05215628A true JPH05215628A (ja) | 1993-08-24 |
Family
ID=24813298
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4114206A Pending JPH05215628A (ja) | 1991-05-13 | 1992-04-08 | 温度補償自己参照ファイバ光学マイクロベンド圧力トランスジューサ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5196694A (ja) |
| JP (1) | JPH05215628A (ja) |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5196694A (en) | 1993-03-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| A02 | Decision of refusal |
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