JPH06129916A - 温度測定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ファイバを用いたリング共振器を温度セン
サとして利用し温度によって共振周波数が変化すること
を用いて極めて高精度な温度測定法を確立する。 【構成】 この発明の温度測定法を実施する装置は、Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザからの高コヒーレント光をリング共振器
３へ送り、光ファイバカプラ４で分岐し、その分岐した
光は光ファイバリング５内の位相変調器６で位相変調
し、再び光ファイバカプラ４へ送る。これによってリン
グ５長さに基づく位相ずれを調整した光は共振器で共振
したとき出力光はゼロ、その他の周波数では最大透過光
となる。これを受光器７で受光し、オシロスコープ９で
観測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光ファイバリング共
振器を温度センサとして利用した温度測定法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバを温度センサとして利用し温
度を測定する方法が既に実用化されている。この測定方
法は、一般に直線状に延びる光ファイバ中で発生するラ
マン散乱光を測定する光ファイバ後方散乱光測定法（OT
DR,Optical Time Domain Reflectometry）と呼ばれ、ラ
マン散乱光強度が温度によって変化し、ラマン散乱光の
２つの成分であるストークス光とアンチストークス光の
強度比が温度の関数であることを利用している。かかる
測定方法については、例えば特開平１−２１２３２６号
公報にその一例が開示されており、この測定方法により
光ファイバセンサの長手方向に沿って変化する分布温度
を測定できることが示されている。

【０００３】この公報による分布温度の測定方法は、極
めて原理的なものであり、測定精度は高くない。そこで
測定精度を向上させる方法として、例えば技術論文「海
洋光ファイバ温度分布センサに関する実海域実験」（日
本造船学会論文集第１６９号、２２３〜２３１頁、平成
３年５月）において、先端で折返されて往復する光ファ
イバをセンサとし、上述したＯＴＤＲによる分布温度測
定法を組合わせて得られた測定データに所定の温度補正
法を適用した測定方法が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記技術論文による分
布温度測定法は、広範囲に亘って分布する温度変化を高
い精度で安定して測定できる点で優れた方法であり、例
えば２ｋｍの距離にわたって１ｍ毎の温度を±１℃程度
の分解能で測定することができる。しかしながら、この
方法では測定するラマン散乱光の強度が非常に微弱であ
り、測定装置のノイズとの分離をするために測定回数を
多く取って平均化処理を行ない、信号対ノイズ比（Ｓ／
Ｎ比）を向上させたとしても±１℃程度の分解能が限界
であった。従って、さらに測定精度の向上が所望されて
いるが、上記方法以外に精度よく分布温度を測定する方
法は知られていない。

【０００５】この発明は、上述した従来の分布温度の測
定方法における測定精度の限界に留意して、光ファイバ
リング共振器を、通常は温度変化が生じないように使用
されるに反して温度による変化を積極的に利用する温度
センサとして極めて高精度な温度測定ができる温度測定
法を提供することを課題とする。

【０００６】又、この温度測定法をベースとして複数の
リング共振器により多点での分布温度を測定できる温度
測定法を提供することを第二の課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記第一の課題を解決す
る手段としてこの発明は、可干渉性の光を光合分岐器と
所定長さのリング状の光ファイバから成るリング共振器
に送り込み、光合分岐器で分岐された光がリング共振器
内で循環し再び光合分岐器で合分岐されたその透過光を
測定すると共に、共振器リング長さの光路差に基づく位
相のずれを調整して両光を共振させ、この温度と共に変
化する共振周波数を測定することによって対応する温度
を測定する温度測定法としたのである。

【０００８】この場合、前記リング共振器に送り込まれ
る光と共振器内を循環する分岐光を、共振器内に設けた
位相変調器により位相調整して共振させるようにするこ
とができる。

【０００９】又、多点温度の測定に関する第二の課題を
解決する手段として、前記温度測定法において、前記リ
ング共振器を複数組直列に接続し、各共振器リング長さ
をそれぞれ異ならせて共振周波数を異ならせ、共振周波
数の違いを区別して測定することによって多点温度の測
定をする方法を採用したのである。

【００１０】

【作用】上記のような測定法とした第一の発明では、リ
ング共振器が温度センサとして重要な役割りを果す。そ
こでまず始めに、リング共振器の原理を図６、７を参照
して説明する。図に示すように、ファイバカップラに入
射した光は、２つに分岐され、一方の光はカップラから
の出力光となり、もう一方の光は共振器内に導かれる。
共振器内に導かれた光は、共振器内を一周するごとに、
２つに分岐され、一部は出力光となり、残りは共振器内
を循環する。

【００１１】このようなリング共振器は、次の条件を満
たすとき共振する。

【００１２】

【数１】

【００１３】この共振条件を満たすとき出力光は零とな
り、図に示すような共振特性を示す。この場合、共振器
の自由スペクトル幅（ＦＳＲ）と共振ピークの半値全幅
Δνは、それぞれ次式で与えられる。

【００１４】

【数２】

【００１５】したがって、共振器のフィネスＦは、

【００１６】

【数３】

【００１７】で与えられる。なお、フィネスＦとは光干
渉計等において、選択された波長の共振の鋭さを表わす
ものである。

【００１８】次に、光ファイバの熱による伸縮について
説明する。光ファイバは、通常、コア、クラッド、被覆
の同軸構成からなっている。これらは、熱を与えると異
なる線膨張係数で伸びようとするが、互いに強く拘束さ
れているため、同一の伸びとなる。そのため、光ファイ
バ各部は軸応力を受けることとなる。光ファイバの各断
面の受ける力が、全体で零となることを用いると、光フ
ァイバの全体の伸び率βは、次式で与えられる。

【００１９】

【数４】

【００２０】また、光ファイバに熱を加えると、屈折率
自身が変化し、さらに、軸歪から光弾性効果により屈折
率も変化する。したがって、実効的な光路長の変化は、
次式で与えられる。

【００２１】

【数５】

【００２２】式（６）の第１、２、３項はそれぞれ、フ
ァイバ自身の伸縮、屈折率自身の温度変化、光弾性効果
による屈折率変化を表す。熱により光ファイバの実効的
な光路長ｎＬが、Δ（ｎＬ）だけ変化したとき、共振周
波数ｆの変化量Δｆは、式（１）より次式のように表す
ことができる。

【００２３】

【数６】

【００２４】したがって、式（６）と式（７）より、共
振周波数の温度変化Δｆ／ΔＴを求めることができ、共
振周波数の変化Δｆを測定することによって、温度変化
ΔＴを測定し、その時の温度を測定することができるこ
とが分る。

【００２５】しかし、以上の測定原理に基づいて温度測
定をする場合、共振器リング長の光路差の温度変化に基
づく位相のずれを調整して共振器内を循環した光と光源
からの入射光を共振させる必要がある。この共振を起さ
せる方式としては光源の発振周波数を掃引する方法、あ
るいは共振器内に位相変調器を設け、これにより位相を
変調させて共振を生じさせることができる。

【００２６】次に、複数のリング共振器を用いた多点温
度測定方法では異なる長さのリング共振器をＮ段直列に
つなぐと、その特性は、入射光強度をＩｉｎ、Ｎ段のリ
ング共振器を通過した光強度をＩｏｕｔ、それぞれのリ
ング共振器の入射光強度をＩｉｎ，ｉ、出射光強度をＩ
ｏｕｔ，ｉ、共振器間の長さを１、光ファイバの減衰定
数をαとすると、次式で与えられる。

【００２７】

【数７】

【００２８】この式からもわかるように、リング共振器
を数個直列につないだときの特性は、それぞれのリング
共振器の特性を重ね合わせたものとなり、共振点は、独
立に変化する。したがって、それぞれのリング共振器の
共振点の変化を測定することによって多点温度測定が可
能となる。

【００２９】この方式による多点温度測定方法の特徴
は、構成が非常に簡単であり、高感度の計測が期待され
る点、共振点の変化を測定するため、光源の強度揺らぎ
の影響が基本的にはない点、それぞれの共振器が独立に
動作するため、他の共振器への影響が少ない点などが挙
げられる。

【００３０】上記多点温度測定方法を実施する場合、周
波数を掃引したとき共振ピークが幾つも現われるが、ど
のリング共振器の共振周波数であるかを判別する方法と
して、図８に示すように、 （ａ）共振器長により決定される共振点の間隔の差を利
用する方法（Ｃ／ｎＬ₁とＣ／ｎＬ₂ が異なることを利
用） （ｂ）共振器長により決定される半値幅の差を利用する
方法 （ｃ）共振器内で生じる損失によって、理想的には零で
ある共振点の透過光強度が零ではなくなる、つまり共振
点高さが異なることを利用する方法 のいずれかの方法を採用することができる。実際に上記
方法のいずれかを用いる場合、（ｂ）では半値幅は、分
岐器の結合係数ｋを変えることで制御できる。（ｃ）で
は高さは共振ループに損失を与えるなどの方法で制御で
きる。

【００３１】

【実施例】以下この発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１はこの発明による温度測定法を実施す
る装置を示している。この装置は、後で説明する第二実
施例で多点を測定し分布温度の測定を可能とする装置の
基礎となるものである。

【００３２】１は波長λ＝０．６３２８μｍ、出力＝
０．５ｍｗの単一周波数で高いコヒーレンスを有するＨ
ｅ−Ｎｅレーザ、２はレーザ出力光を集光する対物レン
ズ（ロッドレンズ）である。対物レンズ２で集光された
レーザ光は光ファイバに入射され、リング共振器３へ送
り込まれる。

【００３３】リング共振器３は、光ファイバカプラ４と
長さ１ｍのシングルモード光ファイバをリング状に接続
した光ファイバリング５から成り、光ファイバリング５
にはその一部を円筒形のボビンに巻き付けて構成した位
相変調器（ＰＺＴ）６が設けられている。

【００３４】７はフォトダイオードから成る受光器であ
り、ここで光電変換された信号は次のディジタルのオシ
ロスコープ９へ送られると共に、所定の電圧波形（この
実施例では三角波）を発生するファンクションジェネレ
ータ８からの電圧はＰＺＴ６へ送られたものを同時にオ
シロスコープ９へも送り観測できるように接続構成され
ている。又、これらの信号はコンピュータ１０へも送ら
れ、得られたデータをプリンタ１１で記録する。

【００３５】以上のように構成した実施例の温度測定装
置により次のように温度測定が行なわれる。レーザ１か
らの光はリング共振器３に送り込まれると、光ファイバ
カプラ４で分岐された光は共振器内を循環する。この分
岐光に対しＰＺＴ６にかける電圧を変化させることによ
り位相変調を行なう。電圧の変化はファンクションジェ
ネレータ８により三角波状に変化する電圧を加えて行な
う。

【００３６】位相変調された分岐光はカプラ４で再びレ
ーザ１からの光と出合い、カプラ４の出力端から出力光
として出力される。その際、位相変調によってレーザか
らの光と位相が一致するように調整されていると、２つ
の光は互いに干渉し合って所定の周波数で共振する。共
振したときの出力光はゼロ、その他の周波数では最大透
過の特性を示す。

【００３７】上記動作特性を有する温度センサであるリ
ング共振器に熱が加えられると、光ファイバの等価的な
光路長Ｌ（ｎＬ）が変化するため、リング共振器の共振
周波数も変化する。この変化をオシロスコープで観測す
る。図２に観測の一例を示す。測定は、出力光強度、変
調電圧等から共振点の変化ΔｆとＦＳＲの比を測定し、
これから等価的な共振周波数の変化を読みとり温度変化
を割出す。

【００３８】以上のようにして温度変化を測定するに当
り、実際の測定に使用された測定装置から測定精度が次
のようにして得られる。まず、使用した光ファイバにつ
いての種々のパラメータを以下に示す。

【００３９】β＝５×１０^-7〔／℃〕 （Ｕ．Ｖ素線ファイバ） α₁ ＝４×１０^-7〔／℃〕 ｎ＝１．４５ ｄｎ／ｄＴ＝１．１×１０^-5〔／℃〕 ｐ₁₁＝０．１２１ ｐ₁₂＝０．２７０ ν＝０．１７ 以上を式（６）、（７）に代入すると、 Δｆ／ΔＴ＝−８．１×１０^-6×ｆ が得られる。

【００４０】また、共振器長を１ｍ、結合係数κ_r を
０．９とすると、 ＦＳＲ＝２０７〔ＭＨｚ〕、Δν＝６．９〔ＭＨｚ〕 が得られる。

【００４１】光源として、波長λ＝０．６３２８μｍの
Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いる場合、共振周波数の温度変化
は、次式で与えられる。

【００４２】

【数８】

【００４３】ｃ＝３×１０⁸ ｍ／ｓ、λ＝０．６３２８
×１０^-6を代入すると次の値となる。 Δｆ／ΔＴ＝−３．８２〔ＧＨｚ／℃〕 よって、ＦＳＲの１／２０すなわち１０ＭＨｚ程度の共
振周波数の変化を読み取ることができると仮定すると、
３×１０^-3℃の温度変化を測定することができることに
なる。

【００４４】図３は、前記第一実施例の基本的な温度測
定装置に基づいて多点温度測定をする実施例の測定装置
を示す。図示のように、この実施例では２組のリング共
振器３、３’を備え、それぞれの共振器は光ファイバリ
ング５、５’のリング長さが異なっている。

【００４５】多点型の温度測定装置に応用する場合、式
（１）から分かるように共振周波数は、光ファイバ長に
依存するため、長さの異なるリング共振器は共振周波数
も異なる。したがって、図３のように長さの異なるリン
グ共振器をいくつかの一本のファイバ上に光カプラを用
いて接続し、それぞれのリング共振器の共振周波数の温
度変化を検出することにより、多点型温度センサを構成
することができる。

【００４６】多点型温度測定装置では、周波数を掃引し
たとき、幾つも共振ピークが現れるが、どのリング共振
器の共振周波数かを判別する方法としては、この実施例
では図４のように、共振器によって共振ピークの半値幅
が異なることを利用して判別するようにしている。な
お、この多点型温度測定装置による測定では、個々の温
度精度は、基本的に一点型温度測定装置の場合と変わり
がなく高精度の計測ができる。

【００４７】次に、上記実施例の測定装置により測定し
た結果を図５に示す。この実験では、２点の温度センサ
の動作を確認するために、安定化した単一周波数Ｈｅ−
Ｎｅレーザを用いリング共振器は、２個直列につなぎ、
共振器長は、それぞれリング共振器３（１．５ｍ）、リ
ング共振器３’（１．０ｍ）としている。位相変調を行
うために、リング共振器の一部を円筒型のピエゾセラミ
ックスに巻き付け、５０Ｈｚの正弦波を加え、光ファイ
バから出射した光は、フォトダイオードで検出され、変
調信号とともに、オシロスコープで観測した。

【００４８】温度変化の測定は、光ファイバの一部（リ
ング共振器３、３’とも１０ｃｍ）をあたため、残り
は、温度が変化しないように、十分覆いをし、リング共
振器３、３’を別々に、１フリンジごとの温度を測定し
た。実験に使用した、Ｕ．Ｖ．素線のシングルモードフ
ァイバでは、ファイバ長１０ｃｍの温度による位相変化
は、３．７π〔ｒａｄ／Ｋ〕となり、１フリンジの温度
変化は、リング共振器３、３’とも０．５４〔Ｋ〕に相
当する。

【００４９】その測定結果では、温度を変化させない方
の共振器の共振点の僅かな変化から、若干の補正を加え
てある。図の測定結果から、リング共振器３、３’の温
度による位相変化は、それぞれ、３．６π〔ｒａｄ／
Ｋ〕、３．８π〔ｒａｄ／Ｋ〕となり、理論値とほぼ一
致する。１フリンジごとの温度変化の誤差も、ほぼ０．
１〔Ｋ〕以内におさまっている。測定における最大の誤
差は、共振点が、ちょうど１フリンジ変化したところを
読みとる際に生じていると考えられる。

【００５０】この方式では、共振点の変化を観測してい
るため、基本的には、光源の振幅変動による誤差は生じ
ない。その代わり、光源の発振周波数は、直接、測定誤
差につながる。安定化したレーザの場合、±２ＭＨｚ以
内の変動が生じるが、これは、±０．００５〔Ｋ〕の誤
差となる。以上の実験では、感受部を１０ｃｍに設定し
たが、光ファイバの熱膨張を利用した温度センサの場
合、感受部の長さを長くすることによって、必要なだけ
感度を高めることもできる。

【００５１】なお、上記いずれの実施例でも、発振周波
数を掃引する簡単な方法として、共振器の一部で位相変
調を行い、等価的に周波数の掃引を行う方法を用いてい
るが、これに代えて半導体レーザを用いて光源の発振周
波数を掃引し、共振周波数の変化を測定する方法として
もよい。この方法で測定するためには、狭スペクトルの
光源が必要であり、発振周波数の制御も十分に行わなけ
ればならない。

【００５２】

【効果】以上詳細に説明したように、第一、第二の発明
ではリング共振器を温度センサとして利用しその共振周
波数の温度変化による周波数変化により対応する温度を
測定する方法としたから、共振周波数の測定を精度よく
行なうことによって極めて高精度の温度測定が可能であ
る。

【００５３】又、第一の発明の方法をベースとして第三
の発明では複数のリング共振器により多点温度の変化を
やはり極めて高精度で測定でき、測定技術の向上に資す
ること大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一実施例の温度測定装置の全体概略ブロック
図

【図２】同上装置の作用の説明図

【図３】第二実施例の温度測定装置の全体概略ブロック
図

【図４】共振ピークの説明図

【図５】測定結果のグラフ

【図６】リング共振器の原理図

【図７】共振ピークの説明図

【図８】共振ピークの見分け方の説明図

【符号の説明】

１ Ｈｅ−Ｎｅレーザ ２ 対物レンズ ３、３’ リング共振器 ４ 光ファイバカプラ ５ 光ファイバリング ６ 位相変調器 ７ 受光器 ８ ファンクションジェネレータ ９ オシロスコープ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 二島 英明 大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電 気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者 村田 吉和 大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電 気工業株式会社大阪製作所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可干渉性の光を光合分岐器と所定長さの
   リング状の光ファイバから成るリング共振器に送り込
   み、光合分岐器で分岐された光がリング共振器内で循環
   し再び光合分岐器で合分岐されたその透過光を測定する
   と共に、共振器リング長さの光路差に基づく位相のずれ
   を調整して両光を共振させ、この温度と共に変化する共
   振周波数を測定することによって対応する温度を測定す
   ることを特徴とする温度測定法。
2. 【請求項２】 前記リング共振器に送り込まれる光と共
   振器内を循環する分岐光を、共振器内に設けた位相変調
   器により位相調整して共振させるようにしたことを特徴
   とする請求項１に記載の温度測定法。
3. 【請求項３】 前記リング共振器を複数組直列に接続
   し、各共振器リング長さをそれぞれ異ならせて共振周波
   数を異ならせ、共振周波数の違いを区別して測定するこ
   とによって多点温度の測定をするようにしたことを特徴
   とする請求項１又は２に記載の温度測定法。