JPH08512408A - センサ・システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 干渉装置におけるセンサ・システム（１０）は、センサ・アーム（２４）と基準アーム（２８）とを有する。基準アーム（２８）は、安定な環境にあり、センサ・アーム（２４）は、歪みまたは温度、あるいはその両方の変動を受けるように構成される。広帯域源（１２）からの放射が、この装置内を伝播し、エア・ギャップ（１１４）が走査されたときに広帯域干渉図形が生成される。干渉図形は、オシロスコープ（１２６）上に記録され、コンピュータ（１２８）上で信号処理ソフトウェアを使用して分析される。この分析から、歪みおよび温度の変化のためのセンサ・アーム（２４）中の光の群遅延および光分散の変化が測定される。歪みまたは温度、あるいはその両方の変化に関する値が算出される。狭帯域光源（８６）を使用して、走査時の光路長差を正確に較正することができる。センサ・アーム（２４）上の歪みおよび温度は、クランプ（３０，３２）および熱囲壁（３４）を使用して較正または試験することができる。システムは、検知干渉計（２０２）と基準干渉計（２０４）とを含むタンデム干渉装置（２００）として構成することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】 センサ・システム 発明の背景 本発明は、歪みまたは温度、あるいはその両方を測定するセンサ・システムに 関する。 従来技術では光ファイバ・センサが知られている。光ファイバ・センサは、光 ファイバを使用して光を案内し、この光は、ファイバが位置する環境での温度や 歪みの変化など外部の影響に応答して変調される。光ファイバは、マッハツェン ダー干渉計などの干渉計のアームとして使用される。そのような干渉計では、フ ァイバ・アームが経験する歪みや温度などの測定量によって、光路長またはファ イバの偏光特性が変化する。このため、干渉計から観測される干渉じま系が変化 する。干渉じまの変化を分析することにより、変化をもたらす測定量に関する情 報を推定することができる。干渉じまの視認度は、１つには干渉計システムを通 過する光のコヒーレンスによって決定される。このため、単一モード光ファイバ は、案内される光ビームの空間コヒーレンスを維持し、マルチモード光ファイバ が、案内されるビームの空間コヒーレンスを維持しないため、干渉計で使 用するうえで好ましい。 光源からの光が、２本の単一モード光ファイバに入力される２つの光ビームを 形成するように分割される干渉計装置が知られている。一方の光ファイバは、測 定量を経験するセンサを形成し、他方の光ファイバは基準を形成する。この基準 は、安定な環境に位置する。２つの光ビームは、それぞれのファイバを通過し、 ファイバから出た時点で再結合され干渉じま系を形成する。光ビームがセンサ・ ファイバを通過する場合の光路と基準ファイバを通過する場合の光路の間の位相 差は、観測される出力干渉じま強度から推定することができる。温度や歪みなど の物理的影響に対する干渉計の位相感度は特に高く、そのため、干渉システムは 検知応用例に有用である。 光ファイバ・センサがファイバ上のすべての物理的影響を検知することは、光 ファイバ・センサの欠点である。したがって、センサ出力は、いくつかの物理的 影響の畳み込みに対応する。したがって、センサ上で歪みなど単一のパラメータ を測定する際、干渉計からの出力には、温度など他の環境要因も含まれる。この パラメータ間の相互感度のために、測定中のパラメータを分離する必要がある。 したがって、歪みの測定は、温度が制御 された環境で行われ、温度の測定は、歪みが一定の環境で行われる。 Ｆ．Ｆａｒａｈｉ等（”Simultaneous Measurement of Temperature and Stra in: Cross-Sensitivity Considerations”，Journal of Lightware Technology 8(2)：１３８ページないし１４２ページ，１９９０年２月）は、光ファイバ・セ ンサの２つの偏光モードに関して旋光・干渉ファイバ装置の結合出力での位相を 測定することにより、歪みと温度の区別を検討した。しかし、光ファイバを通過 する光に対する光学的影響の歪み依存性と温度依存性の比が各偏光モードごとに 類似しているので、歪みと温度の区別が良好でないことが判明した。 温度の測定と歪みの測定の区別は、Ａ．Ｍ．Ｖｅｎｇｓａｒｋａｒ等によって 行われた（”Fibre Optic Sensor for Simultaneous measurement of Strain an d Temperature”，Proc，SPIE′Fibre Optics and Laser Sensors VIII (1990) ”の１３６７巻，２４９ページないし２６０ページ）。使用されたシステムは、 二重モード楕円形コア光ファイバと２つの異なる波長の光ビームを使用する二重 技法である。これらの光波長のうちの一方λ₁はファイバの単一モード・カット オフ波長λ_cより も低く、他方の光波長λ₂はそれよりも高い。旋光技法は、波長λ₁の光による検 知に使用され、２モード技法はλ₂の光に使用される。２モード技法は、モード 間の干渉に依存する。光が光ファイバ・センサを通過する際の歪みおよび温度の 光に対する影響は、２つの異なる波長において異なる。したがって、光ファイバ ・センサ出力に対する歪みおよび温度の寄与は、２つの波長での干渉計の出力か ら得た２つの別々の結果の分析から復元することができる。このシステムは、光 ファイバ特性の歪み依存性と光ファイバ特性の温度依存性の比が、どちらの光波 長でも類似したものになるので、歪みと温度の区別が良好ではないという欠点を 有する。このため、光ファイバが経験する歪みの影響と温度の影響を分離するの が困難になる。 光ファイバ・センサ中の光の偏光に対する測定量の影響に基づくセンサの他の 欠点は、偏光が比較的、環境の変化の影響を受けにくいことである。したがって 、偏光の変化に基づく装置は、干渉装置よりも感度が低い。 歪みと温度を同時に測定する二重コア光ファイバ・センサは、Ｄｕｎｐｈｙお よびＭｅｌｔｚによって発表された（”Optical Fibre Sensor Development for Turbine Applications”， AIAA-89-2914 25th Joint Propulsion Conference，３１５６ページ以降）。こ の装置は、近接して離隔された一致する２つのコアを有するファイバを備える。 コア中の伝播は、対称二重コア・モードと非対称二重コア・モードの２つの基本 モードに限られる。モードの伝播定数はわずかに異なり、このため、ファイバに 沿って周期的に干渉が起こる。これにより、光が伝播中に一方のコアから他方の コアに完全に切り替わる。光出力切り替えまたはクロストークが行われるファイ バの長さをビート長と呼ぶ。温度や歪みなど外部の影響によって、ファイバの長 さが変化し、ビート長も変化し、そのため、２つのモード間の移相が発生する。 モード間の相対移相は、使用する光の波長と、センサが経験する温度および歪み に依存する。歪みおよび温度に対する装置感度を較正することにより、装置を２ つの異なる波長で同時に動作させることによって、センサが経験する温度および 歪みを算出することができる。しかし、この装置は、非標準的であり、したがっ て高価な二重コア光ファイバで形成されたセンサを必要とするという欠点を有す る。ＤｕｎｐｈｙおよびＭｅｌｔｚの論文の装置では、装置の動的範囲を超える 温度範囲にわたる動作時に位相があいまいになる。 本発明の目的は、歪みの影響と温度の影響の区別が改良された代替センサ・シ ステムを提供することである。 本発明は、広帯域放射を受け取り広帯域放射から干渉図形を作成するように構 成されたセンサ要素および基準要素と、センサ・アームと基準アームの間の光路 差を変動させる手段と、光路差の変化に応答する干渉図形の変動から得られた放 射群遅延および光分散から温度データまたは歪みデータ、あるいはその両方を導 くように構成された信号処理手段とを備える干渉手段を含むセンサ・システムを 提供するものである。 本発明のシステムは、初期状態で広帯域干渉図形および単色（たとえば、ヘリ ウム・ネオン）干渉図形を生成するように構成される。この状態では、較正機器 を使用する直接測定により、あるいはシステムの以前の測定から、歪みおよび温 度が分かる。次いで、センサ要素環境を未知の状態に変更する。次いで、この未 知の状態での歪み／温度に対応し、初期状態の歪み／温度とは異なる広帯域干渉 図形および単色干渉図形が生成される。各状態ごとの単色干渉図形を使用して、 対応する広帯域干渉図形が、走査長の変動を考慮に入れるように訂正される。訂 正された広帯域干渉図形は、それぞれ、センサ要素中の群遅延およ び光分散に対応する一次位相係数および二次位相係数を生成するように処理され る。初期状態と測定状態の間の群遅延および光分散の差を比較することにより、 ２つの状態の間の温度および歪みの差の固有の値が得られる。したがって、歪み の寄与と温度の寄与が分離される。本発明は、光ファイバ・センサが経験する温 度と歪みを、低歪み温度相互感度で同時に測定することができるという利点をも たらす。歪みと温度のうちの一方を、他方の変動にかかわらずに測定することも できる。本発明は、初期状態のセンサ・アーム上の温度および歪みを判定し、セ ンサ・システムの動作に関する検査を実施する較正・試験装置を含むことができ る。 本発明は、一方の干渉計が検知機能を実施し、他方の干渉計が基準機能を実施 するタンデム干渉システムを含むことができる。その場合、単一長の光ファイバ 上でいくつかの検知要素を使用して歪みおよび温度の数回の測定を行うことがで きる。これは、同じ光ファイバ長を使用して数回の測定を行うことを可能にし、 かつ精巧な航空宇宙材料などの応用分野で使用することができる。 単色光源を有するシステムでは、干渉計の出力での強度は位 相に対して周期的なものであり、したがって、位相が２πだけ異なる出力読取り 値は区別することができない。干渉計は、２πよりも大きな位相変化が可能にな るほど、物理的影響に対する感度が高い。したがって、干渉システムでは、明確 な読取り値を得るために測定時に位相を監視する必要がある。また、システムを オフに切り替えるとき、位相情報が失われ、したがって測定値が失われる。 したがって、本発明は、信号処理手段が、明確な歪みデータまたは温度データ 、あるいはその両方を提供するために干渉図形から２π不連続性を除去する手段 を含むセンサ・システムも提供する。 本発明は、システムをオフに切り替えても絶対相対位相が失われず、誘発され る位相変化が２πを超える範囲にわたってシステムを操作するとき、位相を測定 間に連続的に監視する必要がないという利点を有する。 本発明をより深く理解するために、添付の図面を参照しながら単なる例として 以下に本発明の実施例を説明する。 第１図は、本発明のセンサ・システムの概略図である。 第２図は、第１図の装置と共に使用すべき較正・試験装置の 概略図である。 第３図は、第１図の装置で使用すべき偏光制御装置の概略図である。 第４図は、第１図の装置の出力から歪みおよび温度を判定するソフトウェア信 号処理ステップのフローチャートである。 第５図は、本発明のタンデム干渉装置の概略図である。 第１図に、本発明による歪みと温度を測定するためのセンサ・システムの概略 図を示す。センサ・システムは１０で全体的に示してある。キセノン・アーク・ ランプ１２が、広い帯域幅の可視放射を放出する。ランプは、出力定格１５０Ｗ である。口径３８ｍｍ、焦点距離３５ｍｍの第１のレンズ１４がランプ１２から ３５ｍｍの所にある。レンズ１４は、システム内への光の結合を最大にするため に、その光軸１５がランプ１２と整列している。焦点距離７５ｍｍの第２のレン ズ１６がレンズ１４から８０ｍｍの所にある。このレンズ１６は、その光軸１７ がレンズ１４の光軸１５と一致するように配置されている。全体的に１８で示す 指向性カップラは、光入力アーム２０を有する。入力アーム２０の一端２２は、 レンズ１６の光軸１７上にレンズ１６から７５ｍｍの所にある。指向性カップラ １８は、 光入力アーム２０、センサ・アーム２４、検出アーム２６、基準アーム２８の４ 本のアームを有する。指向性カップラ１８は市販されており、１０μｍ以下の誤 差で同じ長さになるようにした２組の円形コア光ファイバの２０／２４と２６／ ２８を含んでいる。各光ファイバは４μｍ径のコアと１２５μｍ径のクラッド層 を有する。クラッド層はシリカ製である。コアは、４％のゲルマニアでドープし たシリカであり、この光ファイバの遮断波長は６１０ｎｍである。この光ファイ バは放射が単一モードで伝播するようにされる。一方のファイバ中を伝播した光 は他方のファイバ中に結合される。指向性カップラ１８は、波長６３３ｎｍの光 でファイバ２０／２４と２６／２８の間の結合がほぼ５０％となるようにされる 。 次に第２図をも参照すると、センサ・アーム２４は２組のクランプ３０と３２ の間を延びている。クランプ３０はマイクロメータ駆動の並進ステージ３１を有 する。両方のクランプは８８７ｍｍの間隔だけ離れている。クランプ３０と３２ の間のセンサ・アーム２４の長さ８００ｍｍのセクションは、温度制御された環 境を構成する断熱囲壁３４内にある。囲壁３４内には抵抗加熱素子３６があり、 これは２Ａの電流を供給可能な ３０Ｖの電源装置３８に接続されている。囲壁３４内のセンサ・アーム２４と加 熱素子３６の間に一連のバッフル４０がある。囲壁３４内のバッフル４０とセン サ・アーム２４の間に一連の熱電対４２がある。熱電対４２は、囲壁３４内でセ ンサ・アーム２４の長手方向に沿って等間隔で配置されている。熱電対４２は温 度に対して線形の応答を有し、０．５°以下の誤差で再現可能な読取りを行うこ とができる。各熱電対４２は、断熱囲壁３４内のセンサ・アーム２４の領域の空 気温度を測定するためデジタル式温度計４４に接続されている。再度第１図を参 照すると、光ファイバのセンサ・アーム２４を形成する側の端部４６は、レンズ ４８の焦点面内にある。レンズ４８は倍率１０倍の顕微鏡対物レンズであり、セ ンサ・アーム２４の端部４６はレンズ４８の光軸４９上にある。 指向性カップラ１８の基準アーム２８は、偏向制御装置５０に接続されている 。偏向制御装置５０は第３図に詳しく示してある。偏向制御装置５０の設計は、 H.C.Lefevre（「Single Mode Fibre Fractional Wave Devices and Polarizatio n Controller」、Electronics Letters，1980年9月25日，Vol.16，No.30，p.778 -780）が記載する設計基準に基づいている。 この偏向制御装置は、指向性カップラ１８に使用されているものと同じタイプの 光ファイバ、すなわちコア径４μｍ、クラッド層径１２５μｍ、４％ゲルマニア でドープしたシリカ製コアを有する光ファイバを含んでいる。この光ファイバは 、支持体５６と５８の周りでそれぞれ２本のループ５２と５４を形成し、支持体 ５６と５８の直径は４２ｍｍである。各支持体５６、５８は軸６０の周りでそれ ぞれ独立に回転可能である。 ループ５２と５４はそれぞれ四分の一波長板の働きをする。軸６０の周りでの 支持体５６と５８の相対配向を調整することにより、基準アーム１００の出力セ クションにおける光の偏光状態を、２つのモードが指向性カップラ９６で再結合 するセンサ・アーム９８の出力セクションにおける光の偏光状態と一致させる。 こうして観測される干渉図形の可視性を最大にすることができる。 端部６４を有する光ファイバ６２が偏光制御装置５０から延びる。端部６４は 並進ステージ６６上のレンズ６８の焦点の所に装着される。レンズは倍率１０倍 の顕微鏡対物レンズであり、ファイバ端部６４はレンズ６８の光軸上にある。並 進ステージ６６は直流モータを備え、これは直流モータ制御装置で制御さ れる。並進ステージ６６は毎秒１６０μｍの速度で３００μｍの距離にわたって 移動することができる。この並進ステージは、軸７２によって定義される正負の Ｘ方向に、３００μｍ離れた末端位置７４と７６の間を移動する。軸７２はファ イバ端部６４、１１０とレンズ６８、１１２で定義される光軸と同一直線上にあ る。並進ステージ６６は前記のように移動できる。並進ステージ６６上に装着さ れたファイバ端部６４とレンズ６６も、同様に移動できる。 指向性カップラ１８の検出アーム２６の一端７８は、レンズ８０の光軸に沿っ てレンズ８０の焦点面内にある。レンズ８０は倍率２０倍の顕微鏡対物レンズで ある。帯域フィルタ８２がレンズ８０から５０ｍｍの距離の所にある。帯域フィ ルタ８２は、６３２．８ｎｍの波長を中心として１１ｎｍの帯域幅中の光を通過 させる。レンズ８０の第２の焦点面の所に光検出器８４がある。この検出器８４ はシリコンＰＩＮ光ダイオードで、活性面積１ｍｍ²、レンズ８０の光軸８０上 にその中心がある。 ヘリウム・ネオン・レーザ８６が、波長６３２．８ｎｍの直線偏光放射をビー ムとして光減衰器８８に向けて放出するように配置されている。光減衰器８８は 、回転式直線偏光子である。 レンズ９０は倍率２０倍の顕微鏡対物レンズである。全体的に９６で示した指向 性カップラの光ファイバ入力アーム９４の端部９２はレンズ９０の光軸上でその 焦点の所にある。指向性カップラ９６は、前述の指向性カップラ１８と同一であ る。指向性カップラ９６は、入力アーム９４、センサ・アーム９８、基準アーム １００、検出アーム１０２の４本の光ファイバ・アームを有する。センサ・アー ム９８の端部１０４は、レンズ１０６の光軸上でその焦点の所にある。レンズ１ ０６は倍率２０倍の顕微鏡対物レンズである。レンズ１０６と４８の光軸は一致 し、長さ１６２ｍｍの空気間隙１０８で分離されている。 基準アーム１００の端部１１０はレンズ１１２の焦点にある。端部１１０はレ ンズ１１２の光軸１１１上にある。レンズ１１２は倍率２０倍の顕微鏡対物レン ズである。レンズ１１２とレンズ６８の光軸１１１は一致する。レンズ１１２と レンズ６８は空気間隙１１４で分離されている。レンズ６８がレンズ１１２から 最も離れた末端装置にあり、並進ステージ６６が末端位置７４にあるとき、空気 間隙１１４は長さ１６３ｍｍである。 検出アーム１０２の端部１１６は、レンズ１１８の焦点にあ る。端部１１６はレンズ１１８の光軸上にある。レンズ１１８は倍率２０倍の顕 微鏡対物レンズである。直線偏光子１２０がレンズ１１８から７０ｍｍ離れた所 にある。スペクトル・フィルタ１２２が、偏光子１２０から３０ｍｍ離れた所に ある。検出器１２４がレンズ１１８の第２の焦点面にある。検出器１２４は、活 性面積１ｍｍ²のシリコンＰＩＮ光ダイオードであり、レンズ１１８の光軸上に その中心がある。 検出器８４と１２４の出力はデジタル記憶式オシロスコープ１２６に入力され る。オシロスコープ１２６は毎秒２０メガサンプル可能な８ビット装置である。 ホスト・コンピュータ１２８がオシロスコープ１２６とモータ制御装置７０に接 続されている。コンピュータ１２８は、オシロスコープ１２６に記憶された検出 器８４、１２４からの信号を読み取ることができる。オシロスコープ１２６から の信号は、コンピュータ１２８上の信号処理ソフトウェアに入力されるデータを 構成する。この信号処理ソフトウェアについては後述する。この信号処理ソフト ウェアは、センサ・アーム２４が受ける歪みと温度を検出器８４と１２４の出力 から算出する機能を果たす。コンピュータ１２８はＲＳ２３２インターフェース を介してモータ制御装置 ７０にも接続され、並進ステージ６６の動きに関する命令をデータ制御装置７０ に与える。 次に、センサ・システムの動作について一般的に説明する。詳細な理論的解析 は後に示す。アーク・ランプ１２からの広帯域光はレンズ１４でコリメートされ 、レンズ１６で入力アーム２０の端部２２のコア上に収束される。この光は指向 性カップラ１８の入力アーム２０に沿って伝播し、指向性カップラ１８の基準ア ーム２８とセンサ・アーム２４中に結合される。指向性カップラ１８は光波長が ６３２．８ｎｍのときスプリット比５０：５０であり、したがって光出力のほぼ 半分が入力アーム２０から基準アーム２８に結合される。残りの光のかなりの部 分がセンサ・アーム２４に沿って伝播する。この光は、クランプ３０と３２の間 、かつ断熱囲壁３４内のアーム２４の領域を伝播する。光はアーム２４の端部４ ６から出てレンズ４８でコリメートされる。光線は空気間隙１０８を横切って伝 播し、レンズ１０５によって、指向性カップラ９６のセンサ・アーム９８の端部 １０４のコア上に収束される。 基準アーム２８中に結合された光は偏光制御装置５０に伝播する。光は偏光制 御装置５０の光ファイバ中を通って光ファイ バ６２の端部６４から出る。端部６４から出た光はレンズ６８でコリメートされ る。この光は可変空気間隙１１４を横切ってレンズ１１２に伝播し、そこで光フ ァイバの基準アーム１００の端部１１０上に収束される。 センサ・アーム９８に沿って伝播した光線と基準アーム１００に沿って伝播し た光線は、指向性カップラ９６で結合して、２本の光線を形成し、それがアーム ９４と１０２に沿って伝播する。アーム１０２内の光は端部１１６から出て偏光 子１２０を通過する。偏光子１２０は、１つの線形偏光モードであるため、光を 選択的に通過させる。その後、光はスペクトル・フィルタ１２２を通過し、不要 な波長の光が濾波除去される。その後、並進ステージ６６が末端点７４と７６の 間を移動するとき、広帯域干渉図形が検出器１２４で検出される。 ヘリウム・ネオン・レーザ８６からの光の干渉図形は、干渉計中での経路長変 化を正確に較正するため、次のようにして生成される。ヘリウム・ネオン光線と 広帯域光線は干渉計中を逆の方向に移動する。ヘリウム・ネオン干渉図形と広帯 域干渉図形が同時に生成されて記録される。ヘリウム・ネオン・レーザ８６から の光は光減衰器８８を通る。光減衰器８８を回転させ て、系の諸要素からの散乱または反射により検出器１２４に到達するレーザから ８６からの光の量を減らすことができる。レーザ光はレンズ９０により指向性カ ップラ９６の光入力アーム９４の端部９２でコア上に収束される。この光は指向 性カップラのアーム９４に沿って通過し、そこで５０：５０にスプリットされて センサ・アーム９８と基準アーム１００に向かう。センサ・アーム９６に沿って 伝播した光は端部１０４から出てレンズ１０６でコリメートされ、空気間隙１０ ８を横切って伝播する。レンズ４８は光線をセンサ・アーム２４の端部４６上に 収束させる。この光は、センサ・アーム２４に沿ってランプ３０と３２の間の囲 壁３４内の領域を通って伝播する。基準アーム１００中の光は端部１１０から出 て、レンズ１１２でコリメートされ、空気間隙１１４を横切って伝播する。レン ズ６８は、この光を光ファイバ６２の端部６４上に収束させる。この光は光ファ イバ６２に沿って偏光制御装置５０へと伝播する。偏光制御装置５０は、干渉計 中を通る２本の光線の偏光状態が、再結合されたときに一致するように、光の偏 光状態を調整し、これによって、得られる干渉図形のしまの可視性を向上させる ことができる。 偏光制御装置５０から出た光は指向性カップラ１８の基準アームへと伝播し、 そこでセンサ・アーム２４に沿って伝播した光と再結合されて、新しい２本の光 線をもたらし、それがアーム２０と検出アーム２６に沿って伝播する。再結合さ れた光はファイバ端部７８から出ると、レンズ８０と帯域フィルタ８２を通過す る。このフィルタ８２は波長６３２．８ｎｍを中心とする１１ｎｍの帯域幅の光 を、検出器８４へ透過させる。並進ステージ６６が末端点７４と７６の間を移動 するとき、検出器８４によってヘリウム・ネオン干渉図形が測定され、オシロス コープ１２６で監視される。 ヘリウム・ネオン干渉図形および広帯域干渉図形からの光はまず初期基準状態 でオシロスコープ１２６に記録される。この基準状態は、既知の歪みおよび温度 条件をセンサ・アーム２４で測定することによって較正される。歪みは、クラン プ３０のマイクロメータ駆動の並進ステージ３１を使って加えられる。温度は、 電源装置３８を使って素子３６を加熱し、センサ・アーム２４の断熱囲壁３４内 の領域の温度を熱電対４２で測定することによって決定する。基準状態の干渉図 形の測定値は、並進ステージ６６が末端位置７４と７６の間を動き、空気間隙 １１４の長さを変えるとき、オシロスコープ１２６に記録される。こうして、空 気間隙が走査されるとき、干渉図形が生成される。 ヘリウム・ネオン干渉図形と光帯域干渉図形の測定が行われ、干渉図形がオシ ロスコープ１２６に記録された後、断熱囲壁３４とクランプ３０、３２がセンサ ・アーム２４の環境中での歪みと温度の測定から除去される。あるいは、歪みお よび温度を変更して行う次のテスト測定、または前述のように空気間隙１１４を 走査して行うヘリウム干渉図形および広帯域干渉図形の次の測定のために、囲壁 ３４とクランプ３０、３２を残しておくこともできる。センサ・アーム２４の環 境中での温度と歪みの測定は、クランプ３０、３２と囲壁３４を除去し、前述の ように干渉図形の毎回の測定ごとに空気間隙を走査して、ヘリウム・ネオン干渉 図形および広帯域干渉図形を測定することによって行う。 次にセンサ・アーム２４が受ける出力広帯域干渉図形からの歪みおよび温度の 導出の理論的解析を示す。センサ・アーム２４からの光線と基準アーム２８から の光線の再結合によって生じる干渉計信号の強度は、複素コヒーレンス係数に依 存する。 周波数νの光では、これはγ₁₂（ｐ）で表せる。ただし、 再結合時の２本の光線の位相差である。集合ｐは、２本のアーム内の光延長に影 響を与える可能性のあるすべての物理パラメータを含む。これらのパラメータは 、分散的変化を起こすことがある。すなわち、これらのパラメータによって生じ る位相変化の光周波数νに関する導関数が、νの関数になる。これらのパラメー タはまた、真空経路遅延や短い空気経路による遅延など非分散的変化を示すこと もある。 並進ステージ６６は、可変空気経路△Ｌを横切って位置７４と７６の間を移動 し、非分散的時間遅延τを引き起こす。ただし、τ＝△Ｌ／Ｃ（Ｃは空気経路中 での光速度）。この可変遅延が、Ｐの他の要素がすべて一定な期間中に既知の値 域を走査される場合、検出器１２４における再結合光線の干渉図形の強度は次式 で与えられる。 式（２）で、Ｑは、τ以外のすべての要素が一定であるＰの 数γ₁₂（Ｑ；τ）の実数部を表す。入力元がすべての光周波数νでアーム２４と ２８に均等に分割されるものと仮定する。 （−ｉΦ（ν；Ｑ））の逆クーリエ変換（ＦＴ）として書き直すことができる。 上式で、Φ（ν；Ｑ）はγ₁₂（Ｑ：τ）のＦＴの位相、した 相である。 次に、センサ・アーム２４の一セクションを通る光路に対する温度と歪みの影 響について考察する。集合Ｑは２つの集合ＳとＲに細分割される。集合Ｓは、セ ンサ・アーム２４の１セク ションの光路長に直接影響を与えるＱの諸要素を含む。指向性カップラ１８と９ ６の基準セクションと感知セクションの全体における光路に影響を与えるＱの諸 要素は、Ｒに含まれる。干渉計を較正するには、Ｒのすべての要素を固定しなけ ればならない。干渉計の初期状態でＳの諸要素を構成する初期長さＬ_initをもつ 感知セクションの初期歪みＳ_init、と初期温度Ｔ_initが定義されている場合、こ の初期状態から、初期位相差Φ（ν；Ｓ_init，Ｒ）による初期基準干渉図形が関 連付けられる。感知セクションに加えられる歪みと温度がその初期値からそれぞ れβ_εおよびτだけ逸脱した場合、位相関係に変化が生じる。２つの位相Φ（ν ；ε，Ｒ）とΦ（ν；Ｔ，Ｒ）ならびに相互感度項があり、後者は温度と歪みの 変化が小さい場合は無視できる。こうして得られる位相差をΦ（ν：ε，Ｔ，Ｒ ）で表す。 良好な近似として、歪みおよび温度の変化が小さい場合、上式の最後の２項は 、歪みおよび温度とそれぞれの分散性伝播定 数β_ε（ν）およびβ_T（ν）の積で明示的に表すことができる。Ｓ_initとＲは 固定したパラメータを表すので、式から消去することができ、そうすると位相関 係は次のように書くことができる。 上式で、Φinit（ν）は初期状態の位相関係である。 ある基準周波数ν_refの周りの領域では、Φ（ν）はテイラー級数として表す ことができ、次式のようにコンパクトに表される。 ここで、Φ＝（Φ₀，Φ₁，Φ₂，．．．）であり、ｉ番目の要素Φｉは、ν_ref で評価されたνに対するΦ（ν）のｉ次導関数によって与えられ、νのｉ番目の 要素はν_i＝（１／ｉ）（ν−ν_ref）ⁱで与えられる。Φ（ν）の１次および２ 次導関数は、それぞれ群遅延および光分散を表す。Φ（ν）の１次 導関数Φ₁と２次導関数Φ₂をそれぞれΦ’およびΦ”で表すと、１次および２次 位相係数は次式によって歪みおよび温度と関係付けられる。 あるいは、次式のように表すと便利である。 ε_initとＴ_initの基準値に対してεとＴの既知の値を独立に適用することによ って実験的にβが見つかった後、式（８）の逆関数を用いて歪みと温度の値を求 めることができる。 βの数値逆行列が意味をもつためには、βの行列式中の推定分数誤差が小さく なければならない。このことは、この実施例で述べた装置を使った実験測定で実 証されている。 このシステムは、較正装置を使った直接測定によって、またはシステムの事前 の測定から、歪みと温度が既知である初期状態における広帯域干渉図形とヘリウ ム・ネオン干渉図形を生成する。その後、未知の歪み／温度に対する広帯域干渉 図形とヘリウム・ネオン干渉図形が生成されるが、この未知状態では、センサ・ アーム２４上の歪みまたは温度あるいはその両方が初期状態と異なる。各状態の ヘリウム・ネオン干渉図形を使って、走査長さの変動を考慮に入れて対応する広 帯域干渉図形を補正する。補正済みの広帯域干渉図形を高速フーリエ変換にかけ ると、広帯域干渉図形のその位相に対する値が得られる。初期状態および測定し た状態の広帯域干渉図形の３次位相に最小二乗多項式をあてはめると各干渉図形 ごとに位相の４つの係数が得られる。１次および２次位相係数はそれぞれ群遅延 と光分散に対応する。初期状態と測定状態における群遅延および光分散の差を比 較することにより、この２つの状態の間での温度および歪みの差の一義的な値が 得られる。したがって、歪みと温度の寄与が分解される。 第４図に、広帯域干渉図形からセンサ・アーム２４が受ける歪みと温度を引き 出す際に使用されるソフトウェアの流れ図を示 す。このソフトウェアは、広帯域干渉図形とヘリウム・ネオン干渉図形を入力と し、これらの計算から式７で１次導関数Φ’を算出する。 式７のＬ_init、β’_ε、β”ε、β’_T、β”_T、Φ’_init、Φ”_initの値は測 定および較正から既知である。値Φ’とΦ”が算出されると、ソフトウェアは式 ９を使って歪みと温度の値を計算することができる。 第４図のボックス１に、ソフトウェアへのデータ入力としてのヘリウム・ネオ ン干渉図形および広帯域干渉図形を示す。ボックス２〜５は、ドリフトを除去す るために干渉図形に加える操作、すなわち干渉図形における経路長変調が並進ス テージ６６の均一並進から逸脱した量の計算と除去を表す。このプロセスは、強 度値間の間隔が群遅延τの等しい変化を表すようにヘリウム・ネオン干渉図形お よび広帯域干渉図形を内挿するものである。ヘリウム・ネオン干渉図形を微分し （ボックス２）、元のヘリウム・ネオン干渉図形と比較する（ボックス３）。こ の比較から、誘導位相の推定を行う。この誘導位相の変化が、位相を−πから＋ πの領域内の値にすることができる。連続する位相値間でπより大きな位相差を 除去するために位相値に２ πの倍数を加える。このような不連続の除去は信号処理の分野で周知であり「ア ンラッピング」と呼ばれる。アンラッピングは、R.JonesおよびC.Wykes共著「Ho lographic cd Speckle Interferometry」（Cambridge University Press，Londo n,1983）に記載されている。したがってヘリウム・ネオン干渉図形を使って、平 均周波数を計算し、τの間隔を生成することができる。ドリフトを除去すると、 「補正済みの」ヘリウム・ネオン干渉図形および広帯域干渉図形が得られる（ボ ックス５）。補正済み干渉図形は、複素高速フーリエ変換（ＦＦＴ）ルーチンへ のデータ入力として使用できる（ボックス６）形になっている。次に広帯域干渉 図形のＦＦＴの正周波数成分の位相を計算する（ボックス７）。次に３次の特異 値分解（ＳＶＤ）を用いて位相に最小二乗多項式をあてはめる。ソフトウェアは 、広帯域干渉図形の位相についてΦ’とΦ”のテイラー係数（１次および２次係 数）を計算する。次に、式７の左辺に示すように、広帯域干渉図形のテイラー係 数Φ’およびΦ”から初期状態のテイラー係数Φ’_initおよびΦ”_initを差し引 く。 第５図には、全体的に２００で示すタンデム形干渉計の形の本発明の別の実施 例を示す。タンデム形干渉計２００は、感知 用干渉計２０２と基準干渉計２０４を含んでいる。基準干渉計２０４は断熱囲壁 （図示せず）内にある。 指向性カップラ２０６は、入力アーム２０８、感知アーム２１０、出力アーム ２１２、終端アーム２１４を有する。アーム２０８〜２１４はすべて、光ファイ バで形成されている。感知用干渉計２０２は感知アーム２１０の一端にあり、入 力鏡２１６と第１感知鏡２１８と第２感知鏡２２０を有する。入力鏡２１６と第 １感知鏡２１８は、入射光の実質５０％を反射し残りを透過するように配置され ている。鏡２１６と２１８は、感知アーム２１０のファイバを裂き、光ファイバ の一面に反射性コーティングを付着し、ファイバを再度接合することによって形 成する。鏡２２０は全反射性である。鏡２１６と２１８の分離間隔を１で表すと 、鏡２１８と２２０の分離間隔ｍは１より大きい。 終端アーム２１４は、高帯域損を発生させるため、マンドレル（図示せず）の 周りで端部を曲げることによって形成する。 基準干渉計２０４は指向性カップラ２２４を含み、指向性カップラ２２４は入 力アーム２２６、反射アーム２２８、走査アーム２３０、出力アーム２３２を有 する。アーム２２６〜 ２３２は光ファイバで形成されている。入力アーム２２６は指向性カップラ２０ ６の出力アーム２１２の延長部分である。反射アーム２２８は鏡２３４で終端す る。走査アーム２３０も鏡２３６で終端する。走査アーム２３０はクランプ２３ ８、２４０によってその長さ上の２点で固定される。クランプ２４０は、走査ア ーム２３０を引き伸ばすことのできる並進ステージ２４１を有する。出力アーム ２３２の一端に検出器２４２がある。 オシロスコープ２４４が検出器２４２で接続されている。オシロスコープ２４ ４は、検出器２４２から受け取った信号を処理できるコンピュータ２４６に接続 されている。コンピュータ２４６はまた、モータ制御装置２４９を介してクラン プ２４０の並進ステージ２４１を制御する。 ２個の光源２４８と２５０が、入力アーム２０８に光を注入するために配置さ れている。光源２４８は広帯域光源であり、光源２５０は狭い帯域幅で光を放出 する。光源２４８と２５０からの光はビーム・スプリッタ２５４を介してアーム ２０８に入る。出力アーム２３２内に第２のビーム・スプリッタ２５６を使用し て、光源２４８と２５０からの光を多重化解除する。 狭帯域フィルタ２５８は、広帯域光源２４８からの光が狭帯域検出器２６０に入 らないようにする。検出器２６０はオシロスコープ２４４に接続されている。 次にこのタンデム形干渉計装置２００の動作について説明する。光帯域光源２ ４８と狭帯域光源２５０は、前記実施例の対応する光源と同じ機能を課す。光源 の光は感知アーム２１０に達し、反射されて鏡２１６と２１８を通過し、鏡２２ ０で反射される。光がファイバ中を鏡２１６と２１８の間および鏡２１８と２２ ０の間を伝播するとき、光ファイバのそれぞれのセクション上の歪みと温度の変 化によって、群遅延および光分散が変化する。反射されて鏡２１８から感知アー ム２１０に沿って戻る光は、鏡２１６から反射された光よりも長い距離２１を移 動する。また鏡２２０から反射された光は、鏡２１８から反射された光よりも長 い２ｍを移動する。光はカップラ２０６に向かって逆に伝播され、そこで光の一 部はアーム２１２に沿って基準干渉計２０４のアーム２２６へと伝播する。アー ム２２６中を伝播する光の一部はアーム２２８中に接合され、一部はアーム２３ ０中に結合される。 アーム２３０のクランプ２３８と２４０の間の長さ１−δの セクションは、クランプ２４０の並進により長さｍ＋δに伸びる。ここでδは、 光源２４８のコヒーレンス長より大きい任意の長さである。伸びる間に、鏡２３ ６から光が反射して、伸びた長さを走査する。基準干渉計２０４中の走査長さが 感知用干渉計２０２中の走査長さに等しいとき、検出器２４２と２６０で干渉図 形が生成される。すなわち、走査長さが、基準干渉計２０４中で２１または２ｍ に等しい経路長の不均衡を生み出すとき、干渉図形が生成する。したがってどの 走査でもそのような干渉図形が２個生成する。これらの干渉図形は、前記実施例 の場合と同じ方法で解析することができる。 代替実施例では、ファイバ・アーム２３０の伸びを走査済み空気間隙で置き換 えることができる。さらに別の実施例では、１つの入力鏡と１つの感知鏡を設け 、ただ１つの感知素子を形成することができる。さらに別の実施例では、より多 数の鏡をファイバ・アーム２１０に取り付けて、より多数の干渉図形を生成させ ることもできる。その場合は、鏡間のファイバの各セクションが感知素子となる 。そうすると各感知用干渉計２０２に複数の感知素子を設けることができる。こ うすると、感知用干渉計２０２を使って異なる場所でいくつかの測定を同時に行 うことが可能になる。たとえば、航空機の機体構造中の異なる点に素子を配置す ることができる。あるいは各感知素子を独立した基準干渉計に接続することもで きる。また、感知素子を基準干渉計２０４から脱着可能にして、同一の基準干渉 計２０４と検出器２４２、２６０などの分析装置とオシロスコープ２４４とコン ピュータ２４６を別の構造上の感知素子に対して使用することもできる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年８月７日 【補正内容】 歪みと温度を同時に測定する二重コア光ファイバ・センサは、Ｄｕｎｐｈｙお よびＭｅｌｔｚによって発表された（”Optical Fibre Sensor Development for Turbine Applications”，AIAA-89-2914 25th Joint Propulsion Conference， ３１５６ページ以降）。この装置は、近接して離隔された一致する２つのコアを 有するファイバを備える。コア中の伝播は、対称二重コア・モードと非対称二重 コア・モードの２つの基本モードに限られる。モードの伝播定数はわずかに異な り、このため、ファイバに沿って周期的に干渉が起こる。これにより、光が伝播 中に一方のコアから他方のコアに完全に切り替わる。光出力切り替えまたはクロ ストークが行われるファイバの長さをビート長と呼ぶ。温度や歪みなど外部の影 響によって、ファイバの長さが変化し、ビート長も変化し、そのため、２つのモ ード間の移相が発生する。モード間の相対移相は、使用する光の波長と、センサ が経験する温度および歪みに依存する。歪みおよび温度に対する装置感度を較正 することにより、装置を２つの異なる波長で同時に動作させることによって、セ ンサが経験する温度および歪みを算出することができる。しかし、この装置は、 非標準的であり、したがって高価な二重コア光ファイバで形成さ たセンサを必要とするという欠点を有する。ＤｕｎｐｈｙおよびＭｅｌｔｚの論 文の装置では、装置の動的範囲を超える温度範囲にわたる動作時に位相があいま いになる。 温度および歪みを測定するための他の従来技術の装置が、欧州特許出願第０５ ６４０３４号に開示されている。この出願は、光ファイバを通過する単色光線を 使用して干渉線を生成し、それから温度と歪みが決定できる、干渉計を開示して いる。 本発明の目的は、歪みの影響と温度の影響の区別が改良された代替センサ・シ ステムを提供することである。 本発明は、干渉計を含み、 （ａ）基準アームと、 （ｂ）その中の温度および歪みに応答する光群遅延と光分散を有するセンサ・ア ームと、 （ｃ）放射源と、 （ｄ）放射源からの放射を各干渉計アームに結合する手段と、 （ｅ）放射経路中で一方の干渉計アームに他方のアームに対して可変時間遅延を 導入するために配置された遅延手段と、 （ｄ）干渉計アームから放射寄与分を受け取りそれを組み合わせて放射干渉図形 を生成するために配置された合成手段と、 れ （ｅ）干渉図形を検出するための検出手段と、 （ｆ）センサ・アームに関連する光遅延および光分散から前記アームに関連する 温度と歪みの少なくとも一方を導出するために配置された処理手段とを組み込ん だ干渉計を組み込んだセンサ・システムであって、 （ｇ）放射源が光帯域放射源であり、 （ｈ）合成手段が、光帯域放射干渉図形を生成するために配置され、 （ｉ）検出手段が、変動する時間遅延の関数として光帯域干渉図形の変動を検出 するために配置され、 （ｊ）処理手段が、干渉図形の変動を変換し、それによってセンサ・アームに関 連する光群遅延および光分散から前記アームに関連する温度と歪みの少なくとも 一方を導出するために配置されている ことを特徴とする、センサ・システムを提供する。 本発明のシステムは、光群遅延および光分散から温度と歪みを得、その結果、 歪みの寄与と温度の寄与が分離される。本発明は、温度と歪みを、低歪み温度横 感度で同時に測定すること ができるという利点をもたらす。歪みと温度のうちの一方を、他方の変動にかか わらずに測定することもできる。 本発明は、初期状態のセンサ・アーム上の温度および歪みを判定し、センサ・ システムの動作に関する検査を実施する較正・試験装置を含むことができる。 本発明は、一方の干渉計が検知機能を実施し、他方の干渉計が基準機能を実施 するタンデム干渉システムを含むことができる。その場合、単一長の光ファイバ 上でいくつかの検知要素を使用して歪みおよび温度の数回の測定を行うことがで きる。これは、同じ光ファイバ長を使用して数回の測定を行うことを可能にし、 かつ精巧な航空宇宙材料などの応用分野で使用することができる。 処理手段は、干渉図形から２πの不連続を除去する手段を含むことが好ましい 。この実施例は、システムをオフに切り替えても絶対相対位相が失われず、誘発 される位相変化が２πを超える範囲にわたってシステムを操作するとき、位相を 測定間に連続的に監視する必要がないという利点を提供する。 単色光源を組み込んだシステムでは、干渉計の出力部における強度は位相と共 に周期的であり、したがって位相が２πだけ 異なる出力読取り値は区別できない。干渉計は、２πより大きな位相変化が可能 な物理的影響に対して十分に敏感である。 本発明をより深く理解するために、添付の図面を参照しながら単なる例として 以下に本発明の実施例を説明する。 第１図は、本発明のセンサ・システムの概略図である。 第２図は、第１図の装置と共に使用すべき較正装置の概略図である。 第３図は、第１図の装置で使用すべき偏光制御装置の概略図である。 第４図は、第１図の装置の出力から歪みおよび温度を判定するソフトウェア信 号処理ステップのフローチャートである。 第５図は、本発明のタンデム干渉装置の概略図である。 第１図に、本発明による歪みと温度を測定するためのセンサ・システムの概略 図を示す。センサ・システムは１０で全体的に示してある。キセノン・アーク・ ランプ１２が、広い帯域幅の可視放射を放出する。ランプには、出力定格１５０ Ｗである。口径３８ｍｍ、焦点距離３５ｍｍの第１のレンズ１４がランプ１２か ら３５ｍｍの所にある。レンズ１４は、システム内への光の結合を最大にするた めに、その光軸１５がランプ１２と整 列している。焦点距離７５ｍｍの第２のレンズ１６がレンズ１４から８０ｍｍの 所にある。このレンズ１６は、その光軸１７がレンズ１４の光軸１５と一致する ように配置されている。指向性カップラ１８は、光入力アーム２０を有する。入 力アーム２０の一端２２は、レンズ１６の光軸１７上にレンズ１６から７５ｍｍ の所にある。指向性カップラ１８は、光入力アーム２０、センサ・アーム２４、 検出アーム２６、基準アーム２８の４本のアームを有する。指向性カップラ１８ は市販されており、１０μｍ以下の誤差で同じ長さになるようにした２組の円形 コア光ファイバの２０／２４と２６／２８を含んでいる。各光ファイバは４μｍ 径のコアと１２５μｍ径のクラッド層を有する。クラッド層はシリカ製である。 コアは、４％のゲルマニアでドープしたシリカであり、この光ファイバの遮断波 長は６１０ｎｍである。この光ファイバは放射がモードで伝播するようにされる 。一方のファイバ中を伝播した光は他方のファイバ中に結合される。指向性カッ プラ１８は、波長６３３ｎｍの光でファイバ２０／２４と２６／２８の間の結合 がほぼ５０％となるようにされる。 請求の範囲 １．（ａ）基準アーム（２８、１００、１１４）と、 （ｂ）その中の温度および歪みに応答する光群遅延と光分散を有するセンサ・ア ーム（２４、９８、１０８）と、 （ｃ）放射源（１２）と、 （ｄ）放射源（１２）からの放射を各干渉計アーム（２４、２８、９８、１００ 、１０８、１１４）に結合する手段（１８）と、 （ｅ）放射経路中で一方の干渉計アーム（２４、２８、９８、１００、１０８、 １１４）に他方のアームに対して可変時間遅延を導入するために配置された遅延 手段（６６、７０）と、 （ｄ）干渉計アーム（２４、２８、９８、１００、１０８、１１４）から放射寄 与分を受け取りそれを組み合わせて放射干渉図形を生成するために配置された合 成手段（９６、１０２、１１８〜１２２）と、 （ｅ）干渉図形を検出するための検出手段（１２４、１２６）と、 （ｆ）センサ・アーム（２４、９８、１０８）に関連する光遅 延および光分散から前記アームに関連する温度と歪みの少なくとも一方を導出す るために配置された処理手段（１２８）とを組み込んだ干渉計を組み込んだセン サ・システム（１０）であって、 （ｇ）放射源（１２）が光帯域放射源であり、 （ｈ）合成手段（９６、１０２、１１８〜１２２）が、光帯域放射干渉図形を生 成するために配置され、 （ｉ）検出手段（１２４、１２６）が、変動する時間遅延の関数として光帯域干 渉図形の変動を検出するために配置され、 （ｊ）処理手段（１２８）が、干渉図形の変動を変換し、それによってセンサ・ アーム（２４、９８、１０８）に関連する光群遅延および光分散から前記アーム に関連する温度と歪みの少なくとも一方を導出するために配置されている ことを特徴とする、センサ・システム（１０）。 ２．干渉計アーム（２４、２８、９８、１００、１０８、１１４）が、マッハ・ ツェンダー構成で配設されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサ ・システム（１０）。 ３．干渉図形が第１の干渉図形であり、システム（１０）がまた、干渉計較正の 目的で、狭帯域放射から第２の干渉図形を生 成するように構成されることを特徴とする請求の範囲第２項に記載のセンサ・シ ステム（１０）。 ４．第１および第２の干渉図形が生成される元になる広帯域放射および狭帯域放 射が、干渉計アーム（２４、２８、９８、１００、１０８、１１４）内で互いに 逆方向へ伝播するように構成されることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の センサ・システム（１０）。 ５．センサ・アーム（２１０、２１６、２１８、２２０）および基準アーム（２ ３０、２３６）がタンデムに接続された干渉計（２０２、２０４）内に組み込ま れることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサ・システム（２００）。 ６．センサ・アーム（２１０、２１６、２１８、２２０）が、部分反射鏡（２１ ６）を含み、入力光をセンサ・アーム（２１０、２１６、２１８、２２０）に向 け、部分反射鏡（２１６）で透過させて逆反射鏡（２２０）に向かわせ、そこで ファイバ（２１０）からの出力光を受けてファイバに送るように構成された、あ る長さの光ファイバ（２１０）を組み込んでいることを特徴とする請求の範囲第 ５項に記載のセンサ・システム（２００）。 ７．センサ・アーム（２１０、２１６、２１８、２２０）が、それぞれの異なる 長さの複数のセンサ要素を直列に含み、各要素が、その入力端部に、前記部分反 射鏡（２１６）と逆反射鏡（２２０）の間に配置され、２つの干渉計経路長（ｌ 、ｍ）を定義するように構成された、第２の部分反射鏡（２１８）を組み込んで いることを特徴とする請求の範囲第６項に記載のセンサ・システム（２００）。 ８．鏡（２１６、２１８、２２０）が、センサ・アームの光ファイバ（２１０） の開裂部に付着された反射コーティングを備えることを特徴とする請求の範囲第 ５項から第７項のいずれか一項に記載のセンサ・システム（２００）。 ９．基準アーム（２３０、２３６）が基準干渉計（２０４）内に組み込まれ、シ ステム（２００）が、放射が基準干渉計（２０４）に向かって伝播する際に、各 干渉計経路長（ｌ、ｍ）からの光を組み合わせるように構成されることを特徴と する請求の範囲第７項に記載のセンサ・システム（２００）。 １０．センサ・システム（２００）が、複数の基準干渉計を含み、各基準干渉計 が、干渉計経路長（ｌ、ｍ）のそれぞれから光を受け取るように構成されること を特徴とする請求の範囲第 ７項に記載のセンサ・システム（２００）。 １１．システム（１０）が、初期状態でセンサ・アーム（２４）に関連する歪み および温度の既知の値に関してシステムを較正する較正手段（３０〜４４）を含 むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサ・システム（１０）。 １２．較正手段が、断絶囲壁（３４）を含み、その囲壁（３４）内にセンサ・ア ーム（２４、９８、１０８）が配置され、熱電対（４２）が、センサ・アームの 温度を測定するように構成されることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の センサ・システム。 １３．較正手段（３０〜４４）が、センサ・アーム（２４、９６、１０８）をク ランプ固定するためのクランプ（３０、３２）を含み、クランプ（３０、３２） の一方が、センサ・アーム（２４、９８、１０８）に所定の歪みを加えるために 他方に対して相対移動可能であることを特徴とする請求の範囲第１１項または第 １２項に記載のシステム。 １４．基準アーム（２８、１００、１１４）が、干渉図形の干渉じまの視認度を 向上させるために放射の偏光を制御する手段（５０）を含むことを特徴とする請 求の範囲第１項または第５ 項に記載のセンサ・システム（１０）。 １５．放射の偏光を制御する手段（５０）が、それぞれ、４分の１波長板に疑似 の特性をもつように構成された、２つの光ファイバ・ループ（５２、５４）を備 えることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載のセンサ・システム（１０）。 １６．センサ・アーム（２４、９８、１０８）が、ガス・タービン・エンジンに 取り付けられ、エンジン内の歪みおよび温度を測定できるように構成されること を特徴とする請求の範囲第１項から第１５項のいずれか一項に記載のセンサ・シ ステム（１０）。 １７．センサ・アーム（２４、９８、１０８）が、航空機の機体またはエーロゾ ル構造に取り付けられ、構造上の歪みおよび温度を測定できるように構成される ことを特徴とする請求の範囲第１項から第１６項のいずれか一項に記載のセンサ ・システム（１０）。 １８．センサ・アーム（２４、９８、１０８）が、炭素繊維材料内に位置し、こ の材料上の歪みおよび温度を測定できるように構成されることを特徴とする請求 の範囲第１項から第１７項のいずれか一項に記載のセンサ・システム（１０）。 １９．干渉計アーム（２４、２８、９８、１０８、１１４）間の光路差を変動さ せる手段（６６）が、基準アーム（２８、１００、１１４）中のエア・ギャップ （１１４）の長さを変動させるように構成された並進段であることを特徴とする 請求の範囲第１項または第５項に記載のセンサ・システム（１０）。 ２０．遅延手段（６６、７０）が、基準アーム（２８、１００、１１４）を伸張 できるように構成された移動可能なクランプであることを特徴とする請求の範囲 第１項に記載のセンサ・システム（１０）。 ２１．処理手段（１２８）が、干渉図形から２πの不連続性を除去するように構 成されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサ・システム（１０） 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バーネツト，ジエームズ・ゴードン イギリス国、グレート・モールバーン・ダ ブリユ・アール・14・３・ピー・エス、セ ント・アンドリユーズ・ロード、デイフエ ンス・リサーチ・エージエンシー・モール バーン（番地なし) (72)発明者 グリーナウエイ，アラン・ハワード イギリス国、グレート・モールバーン・ダ ブリユ・アール・14・３・ピー・エス、セ ント・アンドリユーズ・ロード、デイフエ ンス・リサーチ・エージエンシー・モール バーン（番地なし) (72)発明者 ジヨーンズ，ジユリアン・デビツド・クレ イトン イギリス国、エデインバラ・イー・エイ チ・14・４・エー・エス、リツカートン、 ヘリオツト―ワツト・ユニバーシテイー （番地なし) 【要約の続き】 ともできる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．広帯域放射を受け取り広帯域放射から干渉図形を作成するように構成された センサ要素（２４）および基準要素（２８）と、センサ要素（２４）と基準要素 （２８）の間の光路差を変動させる手段（６６）と、光路差の変化に応答する干 渉図形の変動から得られた光群遅延および光分散から温度データまたは歪みデー タ、あるいはその両方を導くように構成された信号処理手段（１２８）とを備え ることを特徴とする干渉手段を含むことを特徴とするセンサ・システム（１０） 。 ２．センサ要素（２４）および基準要素（２８）がそれぞれ、マッハ・ツェンダ ー干渉計構成（２０、２４、２６、２８、９４、９８、１００、１０２、１０８ 、１１４）のそれぞれのアームの少なくとも一部を形成することを特徴とする請 求の範囲第１項に記載のセンサ・システム（１０）。 ３．第１の検出器（１２４）と第２の検出器（８４）とを備え、システム（１０ ）が、狭帯域放射を受け取り、第２の光検出器（８４）によって検出し信号処理 手段（１２８）によって分析することができる第２の干渉図形を生成するように 構成され、 信号処理手段（１２８）が第２の干渉図形を分析することにより、干渉手段の光 路差の変化を較正することができることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の センサ・システム（１０）。 ４．広帯域放射および狭帯域放射が、干渉計（２０、２４、２６、２８、９４、 ９８、１００、１０２、１０８、１１４）内で２つの対向方向へ同時に伝播する ように構成されることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のセンサ・システム （１０）。 ５．センサ要素および基準要素がタンデム干渉計構成として構成されることを特 徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサ・システム（２００）。 ６．センサ要素が、光入力端で、光を部分的に反射するように構成された鏡（２ １６）によって境界付けられ、光ファイバ（２１０）の対向端部で、光をファイ バ（２１０）内に反射するように構成された鏡（２２０）によって境界付けられ たある長さの光ファイバ（２１０）を備えることを特徴とする請求の範囲第５項 に記載のセンサ・システム（２００）。 ７．センサ・システム（２００）が、それぞれの異なる長さの複数のセンサ要素 を直列に含み、各要素が、その入力端部に、 光を部分的に反射するように構成された鏡（２１６、２１８）を含み、１つの要 素を透過した光が、直列接続された次の要素に入力され、直列接続された最後の 要素が、光をほぼ完全に反射するように構成された鏡（２２０）で終わることを 特徴とする請求の範囲第６項に記載のセンサ・システム。 ８．鏡（２１６、２１８、２２０）が、光ファイバを裂き、ファイバ（２１０） の端面に反射コーティングを付与することによって形成されることを特徴とする 請求の範囲第５項から第７項のいずれか一項に記載のセンサ・システム（２００ ）。 ９．基準要素が単一の干渉計（２０４）を備え、各センサ要素からの光が基準干 渉計（２０４）の方へ伝播する際に組み合わされることを特徴とする請求の範囲 第７項に記載のセンサ・システム（２００）。 １０．センサ・システム（２００）が、複数の基準干渉計を含み、各基準干渉計 が、１つのセンサ要素から光を受け取ることができるように構成されることを特 徴とする請求の範囲第７項に記載のセンサ・システム（２００）。 １１．基準要素およびセンサ要素が、互いに取り外すことができ、他のセンサ要 素または基準要素に取り付けることができる ことを特徴とする請求の範囲第５項、第９項、または第１０項に記載のセンサ・ システム（２００）。 １２．システム（１０）が、初期状態でセンサ要素（２４）上の歪みおよび温度 を判定し、かつシステムを試験する較正手段（３０ないし４４）を含むことを特 徴とする請求の範囲第１項または第５項に記載のセンサ・システム（１０）。 １３．較正手段が、熱的に絶縁された囲壁（３４）に複数の熱電対（４２）を含 み、センサ要素（２４）が、囲壁（３４）内に位置し、熱電対（４２）が、セン サ要素（２４）の温度を測定するように構成されることを特徴とする請求の範囲 第１２項に記載のセンサ・システム（１０）。 １４．較正手段（３０ないし４４）が、センサ要素（２４）上に位置するクラン プ（３０、３２）を含み、一方のクランプ（３０）が、センサ要素（２４）に既 知の歪みを課すマイクロメータ駆動並進ステージ（３１）を備えることを特徴と する請求の範囲第１２項または第１３項に記載のセンサ・システム（１０）。 １５．較正手段（３０ないし４４）が、センサ要素（２４）から取り外せること を特徴とする請求の範囲第１２項から第１４ 項のいずれか一項に記載のセンサ・システム（１０）。 １６．基準要素（２８）が、干渉図形干渉じま視認度を最適化するように調整す ることができる偏光制御装置（５０）を含むことを特徴とする請求の範囲第１項 または第５項に記載のセンサ・システム（１０）。 １７．偏光制御装置（５０）が、それぞれ、４分の１波長板として構成された、 ２つの光ファイバ・ループ（５２、５４）を備えることを特徴とする請求の範囲 第１６項に記載のセンサ・システム（１０）。 １８．センサ要素（２４）および基準要素（２８）が、円形コア単一モード光フ ァイバを備えることを特徴とする請求の範囲第１項から第１７項のいずれか一項 に記載のセンサ・システム（１０）。 １９．センサ要素（２４）が、ガス・タービン・エンジンに取り付けられ、エン ジン内の歪みおよび温度を測定できるように構成されることを特徴とする請求の 範囲第１項から第１８項のいずれか一項に記載のセンサ・システム（１０）。 ２０．センサ要素（２４）が、航空機の機体またはエーロフォイル構造に取り付 けられ、構造上の歪みおよび温度を測定でき るように構成されることを特徴とする請求の範囲第１項から第１９項のいずれか 一項に記載のセンサ・システム（１０）。 ２１．センサ要素（２４）が、炭素繊維材料内に位置し、この材料上の歪みおよ び温度を測定できるように構成されることを特徴とする請求の範囲第１項から第 ２０項のいずれか一項に記載のセンサ・システム（１０）。 ２２．センサ要素（２２）と基準要素（２４）の間の光路差を変動させる手段（ ６６）が、基準アーム（２８）中のエア・ギャップ（１１４）を走査することが できる並進ステージであることを特徴とする請求の範囲第１項または第５項に記 載のセンサ・システム（１０）。 ２３．センサ要素と基準要素の間の光路差を変動させる手段（６６）が、基準要 素（２８）の光ファイバに取り付けられ光ファイバを伸張することができる移動 可能なクランプであることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載のセンサ・シ ステム（１０）。 ２４．信号処理手段（１２８）が、干渉図形から２π不連続性を除去して明確な 歪みデータまたは温度データを提供する手段を含むことを特徴とする請求の範囲 第１項に記載のセンサ・システム（１０）。