JPH11505921A - 光ファイバー強度変調センサーに対する補償および状態モニタリング・デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光ファイバー強度変調センサーのための補償および動作状態モニタリング・デバイスは、望ましくない環境または取り扱いの条件があるときに、光ファイバー・センサーの連続的な較正が実行出来るようにするために、光強度の自動調節を行う。これらの望ましくない条件は、ファイバーの曲がり、光コネクターの機械的および熱的な不安定性、センサーの極端な温度、光源（１０）（例えば光放射ダイオード）、検出器（１２）（例えばピンフォトダイオード）および光ファイバーの間の光学的接続の変化などの要因で生じる。光強度を基準化することにより、この新しい技術は、光放射ダイオード電流の連続的な、または間欠的な監視により、較正された連続的な検出器出力を可能にし、センサーの状態のモニタリングを可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】 光ファイバー強度変調センサーに対する補償および 状態モニタリング・デバイス発明の背景 本発明の分野は光ファイバー・センサー（ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｓｅｎｓ ｏｒｓ）に関し、特に、マイクロベンドおよびダイヤフラム・タイプのセンサー のような強度変調光ファイバー・センサーに関する。これらのデバイスは、光フ ァイバーにより伝達される光の強度の変化を、圧力のような測定されるパラメー タの変化に関係させるという原理に基づき動作する。 マイクロベンド・センサーでは、測定されるパラメータが、光ファイバーのあ る部分に、応力またはマイクロベンド変形を加えることによって、光の強度を変 える。そのようなセンサーが、合衆国特許第５，４２１，１９５号において、出 願者の一人に提示されている。ダイヤフラム・センサーでは、収縮するダイヤフ ラムによって反射される光が、測定されるパラメータに比例して変化する。その ようなセンサーが、合衆国特許第５，３９０，５４６号において、また、出願者 の一人に提示されている。 強度変調センサーは、丈夫で且つ低コストにできるけれども、それらは、環境 要因や取り扱い要因により影響を受け、それがセンサーの誤動作を生む結果とな る。このような望ましくない要因には、ファイバーの曲がり、光学コネクターの 熱的な、および機械的な不安定性、光ファイバーが高温にさらされる結果として 起きる光透過性の変化、光源（すなわち光放射ダイオード（ＬＥＤ））、検出器 （すなわちＰＩＮフォトダイオード）および光ファイバーの間の光学的接続効率 の変化、ＬＥＤおよびフォトダイオードに対する別々の温度の影響、あるいはこ れらの部品の経年変化などが含まれる。 強度変調接続効率の、環境および取り扱い要因に対する敏感さを減らすために 、過去に、それを補償する技術およびデバイスが報告されている。従来の報告は 、マイクロベンドおよびダイヤフラム・タイプのセンサーに対して、二重波長、 多重ファイバー、およびタイム・オブ・フライト（飛行時間）による補償技術を 記述している。 従来の技術およびデバイスは、高価で複雑になる傾向があり、したがって、産 業における制御への応用をねらった低価格のセンサーに対しては、必ずしも十分 適切なものではなかった。本発明の要約 本発明は、光ファイバー強度変調センサーに対する補償および状態モニタリン グの技術およびデバイスを含む。第一義的には、本技術とデバイスは、望ましく ない環境または取り扱い条件がある中で、光ファイバー・センサーの連続的な較 正が出来るようにするために、光強度の自動調整法を提供する。これらの望まし くない条件は、ファイバーの曲がり、光学コネクターの熱的および機械的な不安 定性、センサーでの極端な温度、光源（例えば光放射ダイオード（ＬＥＤ））検 出器（例えばＰＩＮフォトダイオード）および光ファイバーの間の光学的接続に おける変化などの要因に起因する。 光強度を標準に合わせることを通じて、本新技術は、ＬＥＤ電流の連続的な、 または断続的な観測により、連続的な較正されたセンサー出力およびセンサーの 状態モニタリングを可能にする。本新技術とデバイスは、従来開発されて来たも っと高価な複雑な技術に代わるものとして、特に工業における制御への応用に適 した、低価格の代替を提供する。図面の説明 図１は、光ファイバー強度変調センサーに対する適切な補償および状態モニタ リング・デバイスの模式的ブロック図である。 図２は、基準となる光検出器が加えられた、モニタリング・デバイスの模式的 ブロック図である。 図３は、さらに付加的な基準となるＬＥＤが加えられた、モニタリング・デバ イスの模式的ブロック図である。望ましい実施例の記述 典型的な強度変調光ファイバー・センサー・システムは、光コネクターを経由 して、インターフェイス／モニタリング・ユニットへ接続された上述のようなセ ンサーを含む。該センサーは、一本または複数本の光ファイバーで構成される。 インターフェイス／モニタリング・ユニットは、一個または複数個の光源および 光検出器、および任意に光カップラーを含む。以下の記述は、センサー・インタ ーフェイスにファイバー光カップラーを採用した一本の光ファイバー・センサー に関するが、本発明はこの特定の例に限定されるものではない。 非補償の強度変調光ファイバー・センサーでは、光透過性（ｔｈｒｏｕｇｈｐ ｕｔ）の変動は、オフセットおよび感度の両方の誤差となる。例えば、圧力の静 的な測定では、これらの変動するセンサーの両方の誤差は重要である。動的な測 定では、オフセットの誤差は重要性が軽減されるけれども、センサーにおける増 幅率の変動（ｇａｉｎ ｃｈａｎｇｅ）は重要である。 以下に記述される本発明の最初の二つの実施例は、オフセット誤差が強制的に ゼロにされ、センサー・システムの増幅率が一定となる動的なセンサー・システ ムに適用される。第三の実施例は、例えば、センサー・システムの感度とオフセ ットの両方が重要である静的な圧力測定に適用される。 光ファイバー・センサー・システムで一個の光源と一個の検出器をもつ基本的 なインターフェイス／モニタリング・ユニットの機能を示すブロック図が図１に 示されている。本ユニットは、光源１０（典型的にはＬＥＤ）、検出器１２（典 型的にはフォトダイオード）、任意の光カップラーおよび付随するエレクトロニ ックス回路１４から構成される。 最初に電源が入れられたとき、ＬＥＤ１０が光カップラー（示されていない） に光を送り出す。返ってくる光の強度が検出器１２で測定される。どんなオフセ ット（光学的または電気的）も、バックグランド・オフセット回路１６により消 し去られ、オフセット量は、ＬＥＤの強度が変化すると、絶えず連続的に補正さ れる。 オフセットは、センサーが、診断出力の一つをモニターするように接続される 前に調節される。全てのバッチ・ケーブルが、センサーの場所に取り付けられた “ゼロ点調整ブラグ”をもつエレクトロニクスに取り付けられている。エレクト ロニクス基板に取り付けられたポテンショメータが、返される電圧が“ゼロ”と なるように調節される。 “ゼロ点調整プラグ”は、センサーの光コネクターに同一であるが、それは約 ２インチの長さの光ファイバーをもつ光コネクターで構成される。コネクター・ フェルールの中に伸びるファイバー端は、センサー・コネクターと全く同じ方法 で研磨されている。もう一方の端は、センサーの光ファイバーの終わりをなすフ ェルールと同一の金属製フェルールの中におかれる。さらに、このフェルールは 、センサー・ファイバーの終わりをなすフェルールに適合するように研磨される 。このように、“ゼロ点調整プラグ”は、そのファイバー遠方端において、セン サー光ファイバーと同じ反射係数をもつように意図されている。プラグの研磨さ れたファイバー端は、非反射性で非透過性の材質で蓋をされている。プラグとセ ンサーの反射係数が同一であるとき、センサーは、センサーをインターフェイス ・ユニットに接続するために異なるパッチ・ケーブルが使われたとき、較正誤差 に対してより敏感でなくなる。 上記のようにバックグランドが消し去られると、残った信号が二つの機能、す なわち、制御と動的出力に使用される。回路の動的出力部分１８は、三つの機能 、すなわち、オフセット消去、増幅、およびフィルタリングを実行する。信号の 条件づけが行われた後で、センサー出力信号２０は、必要な周波数帯域をもち、 そして、０−５．０ボルトの動作範囲をもって、決してゼロ以下にドリフトする ことはない。 インターフェイス／モニタリング・ユニットの制御部２２は、動的波形の最低 値を測定してそれを保持し、その最低値が既知の基準値（例えば５．００Ｖ）に 強制的に合わせられる。後者は、ＬＥＤ１０（周波数帯域がＤＣから０．１Ｈｚ ）への電流をゆっくりと調節すること（２４）により達成される。ＬＥＤを駆動 する電流値は、また、センサーの健康状態のモニタリングのために、およびオフ セット回路のために使われる。 あるセンサー・システムが、図１のインターフェイス／モニタリング・ユニッ トに接続されるとき、この回路は、自動的にＬＥＤ駆動電流を調節して、強制的 に、フォトダイオードの出力電圧が基準電圧に等しくなるようにする。強度変調 センサーの感度は、基準電圧に直接比例し、ＬＥＤ電流の調節により動作中は常 に一定に保たれる。 たとえ光ファイバーのリンクが変更されても、較正は維持される。例えば、光 ファイバー・コネクターが多数回の再接続により１０％またはそれ以上の強度透 過率の変化を示したり、光ファイバー・ケーブルの透過率が曲げにより変化する 。そのようなリンクの変化に対しても、出力が、ユーザーによる調節が行われな くても、較正された状態に保たれる。 上記に示されたように、センサーの健康状態のモニタリングは、ＬＥＤ１０を 流れる駆動電流をモニターすることにより行われる。公称のセンサー動作条件の 下では、ＬＥＤ電流は典型的にはその最大値の５０％である。センサーと光ファ イバー・リンクが環境および取り扱いの影響を受けるとき、ＬＥＤ電流が変化す る。例えば、熱的に引き起こされるセンサーの故障の場合、完全に故障する前に 、ファイバーの透過効率がゆっくりと悪化する。電流のレベル、またはＬＥＤ１ ０を流れる電流の変化率をモニターすることによって、潜在的なセンサーの故障 が、実際の故障が起きる前に、認識される。インターフェイス／モニタリング・ ユニットのこの能力は、センサーの故障が制御装置の誤動作、または故障を引き 起こすかもしれないような制御への応用の場合に、特に重要である。 図１に示されるインターフェイス／モニタリング・ユニットは、光ファイバー ・カップラーなしに、二つの光ファイバー・センサーで直接使用される。そのよ うなセンサー・システムでは、一本のファイバーはＬＥＤ１０につながり、第二 のファイバーは、フォトダイオード１２につながる。 補償技術とデバイスの第二の例では、二個の検出器と一個の光源が使用される 。図２に示されるように、２ｘ２の光ファイバー・カップラー（示されていない ）が使用され、その第四のポートが基準光検出器２６に接続される。第二の検出 器２６を加えることは、光ファイバー・センサー・システムで強化された強度制 御を可能にする。両方の検出器１２と２６は制御のために系列的に使用される。 第一に、最低値２２が、上記のような非常に低い周波数帯域（ＤＣから０．１Ｈ ｚまで）で５．０Ｖに基準がとられたセンサー出力を維持するために使用される 。第二に、光検出器２６の出力は、より広い周波数帯域（ＤＣから１００Ｈｚま たは数ｋＨｚにわたる）での強度変化を可能にする。第二の光検出器２６は、光 ファイバー・カップラーおよびＬＥＤ１０からファイバーを送り出す接続におけ る強度の変動をなくする。これらの強度変動は、典型的には、振動、インターフ ェイス／モニタリング・ユニットの急激な温度変化、ＬＥＤ１０および検出器１ ０と２６の経年劣化により引き起こされる。 補償技術およびデバイスは、図３に示されるように、二つのソースと二つの光 検出器を使用する。検出における動的変化だけを対象とする上記二つの技術とは 違って、この例は、測定における静的な変化を対象とする。この第三の技術は、 センサーが光の通路のどこかに、ロング・パス・フィルターのような分散要素を もつことを必要とする。前に出て来た、そしてここで参考としてあげている合衆 国特許第５，４２１，１９５号には、そのようなフィルターのデザインが示され ている。フィルターは、ファイバー・センサーの接続用導線をパッチ・ケーブル につなぐ光ファイバー・コネクターの表面に蒸着されている。そのようなフィル ターは、一つの波長Ｌ_mの光を透過し、もう一つの波長Ｌ_rの光を反射する。３ｘ ２の光ファイバー・カップラーが使用され、その入力ポートの二つが、それぞれ Ｌ_mとＬ_rの波長をもつ二つのＬＥＤ２８と３０に接続される。カップラーの第三 の入力ポートは、測定用フォトダイオード３２に接続される。カップラーの一つ の出力ポートは基準フォトダイオードに接続され、第二の出力ボートは、光ファ イバー・コネクターで終端となる。二つのＬＥＤ２８と３０は、順番に、大部分 の時間で測定用ＬＥＤと接続され、残りの時間で基準ＬＥＤと接続されることに より、時間分割されてマルチプレクス（多重化）３６される。 最初の電源投入では、ＬＥＤの強度は、基準フォトダイオード３４によって測 定され、ＬＥＤを流れる電流レベルを調整することによって、あらかじめ決めら れた値にセットされる。基準フォトダイオード３４からの基準信号が、ファイバ ーの曲がり、コネクターの不安定性、またはファイバーに対する熱の影響などの 要因で変化すると、基準ＬＥＤ３０の電流は、測定用フォトダイオード３２によ って検出される対応する信号が一定に保たれるように調節される。測定用ＬＥＤ ２８の電流は、同時に、正確に同じ割合で調節される。そのような調節の結果得 られる効果は、二つの波長で起きるどんな共通の光透過率の変化も補償されるこ とである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光ファイバー・センサーの補償およびモニタリング・デバイスであって、 光学的光源および該光学的光源のためのエレクトロニクス駆動回路と、 光学的光検出器および該光学的光検出器のためのエレクトロニクス増幅器と、 該光学的光検出器および該エレクトロニクス駆動回路と接続されるバックグラ ンド・オフセット回路と、 該エレクトロニクス増幅器および該バックグランド・オフセット回路と接続さ れる最低値検出器と、 該エレクトロニクス駆動回路および該最低値検出器に接続される光学的光源の レベル制御と、 を含み、 これによりバックグランド・オフセットに対する補正が行われた上記エレクト ロニクス増幅器からの動的な波形の最低値が、光学的光源への電流を制御するこ とにより既知の基準値に強制的に合わせられ、そして バックグランド・オフセットに対する補正が行われた上記エレクトロニクス増 幅器からの動的な波形が、別に、ある特定の電圧範囲内で動的出力を出すように 調節される、 ことを特徴とする、光ファイバー・センサーの補償およびモニタリング・デバイ ス。 ２．上記バックグランド・オフセット回路をゼロ点調整する手段を含む、請求の 範囲第１項に記載の光ファイバー・センサーの補償およびモニタリング・デバイ ス。 ３．上記ゼロ点調整手段が、上記光ファイバー・センサーの代わりに組み込まれ るゼロ点調整ブラグを含む、請求項２に記載の光ファイバー・センサーの補償お よびモニタリング・デバイス。 ４．第二の光学的光検出器および該第二の光学的光検出器に対する第二のエレク トロニクス増幅器と、 該第二のエレクトロニクス増幅器、上記エレクトロニクス駆動回路および上記 第一の光学的光源のレベル制御と接続される、第二の光学的光源のレベル制御と 、 を含み、 上記第二の光学的光源のレベル制御が、上記第一の光学的光源のレベル制御に 比べてより広いバンド幅にわたって強度変化に対して補正を行うことを特徴とす る、請求の範囲第１項に記載の光ファイバー・センサーの補償およびモニタリン グ・デバイス。 ５．第二の光学的光源および該第二の光学的光源に対する第二のエレクトロニク ス駆動回路と、 該第一および第二の光学的光源の動作を多重化するために、それぞれのエレク トロニクス駆動回路に接続されたスイッチと、 を含み、 このようにして、測定における静的な変化が、該第二の光学的光源の駆動と該 第二の光学的光検出器によるその検出とによって検知されることを特徴とする、 請求の範囲第４項に記載の光ファイバー・センサーの補償およびモニタリング・ デバイス。