JPS58147000A - 光学計測システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、温度、圧力、流量吟の物理信号を光信号を利
用して伝送する光学計測システムに関するものである。

従来、各種物理信号を光信号で伝送する場合、光の強弱
（アナログ）信号として伝送する方式、パルス幅信号と
して伝送する方式あるいは波長の異なる２種の光信号を
用い、これらの光信号の強弱を差動的に変化させて伝送
する方式等がある。

光の強弱信号として伝送する方式は、伝送路たる光ファ
イバの伝送損失変化が誤差になる欠点があり、他の残り
の方式はこれらの欠点がない反面、全体構成が複雑にな
るうぇＫ、検出精度や伝送精度が余ヤ高くないという欠
点がある。

本発明は、従来方式におけるこれらの欠点のない、構成
が簡単で、検出精度や伝°送精度の高い光学計測システ
ムを提供しようとするものである。

本発明に係るシステムは、伝送信号として光バルス又は
振幅変調光を用いるとともにこの先ノ（ルス又は振幅変
調の周波数信号を被測定物理量に関連して制御する点に
、構成上のひとつの特徴がある０ 第１［１は本発明に係るシステムの一例を示す構成プロ
、り図である。図において、１は被測定物理量の検出端
、２は受信端、５は検出端１と受信一端２とを結ぶ光伝
送路で、ここでは検出端１側が２部分３１．３２　Ｋ分
岐した１本の光ファイノ（が用いられているが２本のフ
ァイバを用いてもよい。

検出端１において、１１は光ファイノ（３１かもの光パ
ルス信号を入力し、この光］（ルス信号に対応して機械
振動する光・振動変換器、１２は共振器で、光・振動変
換器１１に結合しておシ、ここには温度、圧力、力、変
位など被測定物理量が与えられており、この共振周波数
が曽測定物理量に対応して変化する。１３は共振器１２
に結合している例えば圧電素子のような振動・電気変換
器、１４はこの振動・電気変換器からの電気信号を光学
的信号に変換する電気・光変換器で、光ファイバ３２が
光学的に結合している０この電気・光変換器としては、
光の透過量が電気信号に応じて変るようなＰＬＺＴ等が
用いられる。

受信端２において、２１は光の強さを制御できゐ光源で
、発光ダイオード、レーザ光源、ランプ等が用いられる
。２２はビームスプリッタで、ここではハーフミラを用
いた例を示す。このビームスグリツタ２２は、光伝送路
Ｓとして２本のファイノ（で構成される４のを使用すれ
ば必要としないｏ　２３は光電変換器で、光伝送路５を
介して検出端１側から伝送され、ビームスプリ、り２２
を介して入射する光信号を受光し電気信号に変換する。

２４は光電変換１１２３からの電気信号を入力しこれを
増幅する口、フィンアンプ、２５は口Ｖフィンアンプ２
４の出力信号を設定値とする発振器２６の制御ｇ！ｌ路
で参る０発振器２６は例えば電圧制御発振器（ＶＣｏ　
）が用いられ、制御回路２５からの信号によってその発
振周波数が制御される。２７は光１１２１の駆動回路で
、光源　　２１からの振幅変調光ヌ社光Ｉ（ルスの周波
数を発振ｓ２６かもの周波数信号（ｆ）で制御する。

第２図は検出端１の一例を示す構成斜視図で、ここでは
音叉式の振動子１０を用い、この音叉式振動子１０の周
囲温度を測定する場合を例示する。

音叉振動子１０の一方の腕の端部付近には、表面が光を
吸収しやすいように黒色としたバイメタル１５が轍付け
られ、これに光ファイバ３１の一端が結合している。こ
のバイメタルＩＳは、第１図において光振動変換器１１
としての役目をなすもので、光ファイバ３１かも出射さ
れる光パルス（周波数ｆ）を吸収して熱膨張（熱収縮）
し、音叉式振動子１゜を受信側から伝送される振幅変調
光又は光パルスの周波数に対応し先側波数で振動させる
。なお、ここで音叉式振動子１０とこれに取付けた金属
１５に熱膨張係数の違う材料を用い、１０と１５が、バ
イメタル構成となるようくしてもよい。音叉式振動子１
０は第１図における共振器１２としての役目をなすもの
で、その共振周波数が周囲温度ｔに対応して変化す石。

音叉式振動子１ｏの他方の腕の端部付近Ｋｄ、振動・電
気変換器たる圧電素子１３が取付けられ、この圧電素子
１３の出力が電気・光変換器としての役目をなす光変調
器１４に印加されている０この光変調器１４は、ここで
は圧電素子１３かもの信号が印加されるＰＬＺＴ　１４
０と、とのＰＬＺＴを挾んで配電された偏光板１４１．
１４２とで構成されており、光ファイバ３１から分岐し
た光ファイバ３３からの光が入射するようＫなっている
。光ファイバ３２〇一端は、光変調器１４に結合してお
り、光変調器１４において変調され先光信号（ここでは
音叉式振動子１０の振幅に対応して光パルス高さが変化
する光信号）を受信側に伝送する。なお、ここで光伝送
路３を２本の光ファイバで構成し、光ファイバ３２から
は連続光を照射するようＫしてもよい。

第１図に戻り、このシステムの動作を、検出端１として
第２図に示すような振動子１ｏを用いた場合を例にとっ
て次に説明する。

はじめに、光源２１から振幅変調光又は光パルス信号を
光伝送路５を介して検出端側に伝送するとともに１この
光信号の周波数ｆを例えばｆｌからｆ２まで掃引する。

検出端１側において、音叉式振動子１０は伝送された光
信号の周波数に対応して撮動する。ここで、伝送される
光信号の周波数が、振動子１０の共振周波数ｆ。（ただ
し、ｆ□〈ｆｏ＜ｆ２とする）Ｋ一致すると、この点で
振動子１０の振動振幅が著しく大きくなる。

第５図は、検出端１において、伝送されてくる光信号の
周波数ｆが、ｆ工からｆ２に掃引され九場合、この周波
数と、音叉式扇動子１０の振幅、すなわち検出端１の出
力の光振幅の変化分ｐ。との関係を示し、九線図であっ
て、伝送される光信号の周波数ｆが、振動子１ｏの共振
周波数ｆ。Ｋなったと自、検出端出力の光振幅の変化分
が最も増大することを示している。

音叉式振動子１ｏの振動振幅は、圧電素子１３によって
電気信号Ｋｌ換された後、この電気信号が光変調器１４
に加えられ、ここで光変調信号とし、これが、光ファイ
バ３２、光伝送路５を介して受信端２伺に伝送される。

受信端２において、検出端１側から伝送され九音叉式振
動子１０の振動振幅情報を含んだ光パルス信号は、光電
変換器２３で受光され、口、フィンアンプ２４に印加さ
れゐ。ロックインアップ２４は、伝送する光パルス信号
を周波数ｆ□からｆ２マで掃引したとき、検出端出力が
最大となる点ｆ。を検出する。

第４図は、受信端２側から伝送する光パルス信号を、更
に微少振幅ｆｍでＦＭ変調して検出端１儒に伝送し九場
合における口、フィンアンプ２４の出力を示したもので
、出力・０が零を横切る点を検出することｋよって、ｆ
ｏを容易に検出するようＫしていゐ。口、フィンアンプ
２４の出力は、制御回路２５に印加され、発振器２６、
駆動回路２７を介して光源２１から出射する光パルス信
号の周波数ｆをｆ。Ｋなるように制御するもので、以後
、振動子１ｏを含んで形成される閉ループは、光ＩＩＩ
［１かもの光パルス信号の周波数ｆが、音叉式振動子１
ｏの共振周波数ｆｏＫ追従するように制御する〇 よって、第１図システムにおいて、発振器２６の発振周
波数ｆ。から、音叉式振動子１ｏの共振周波数、すなわ
ちこの音叉“式振動子１ｏの周囲温度ｔを計測すること
ができる。

このように構成されたシステムによれば、光伝送路及び
検出端に電気信号が介在しないので、本質安全防爆、ノ
イズに対する対策、信号のアイソレージｌＩ／が容易で
、計装を安価に行うことができる。［Ｌ光パルス又は振
幅変調光信号の周波数信号を伝送、検出するものである
から、光伝送路の損失変化や、光源や受光素子の経年変
化等による誤差がなく、全体として構成が簡単で、検出
精度や伝送精度の高い光学計測システムが実現で出端１
の他の例を示す構成図である。

第５図に示す検出端は、光ファイバ３１から出射した光
を太陽電池１６に照射し、ここで電気エネルギに変換し
、この電気信号を音叉式振動子１０に取付けた励振手段
として作用する圧電素子１７に印加させるようＫしたも
のである。他の構成は第２図に示す検出端と同様である
。

第６図に示す検出端は、共振ｌ１１１２として二本の平
行ビームで構成されたものを用いたもので、一端が固定
、他端Ｋ例えば力Ｆが与えられている○この共振器１２
は、第２図に示すものと同様Ｋ、一方のビームに光を吸
収して熱膨張し、共振器１２を駆動する金属１５が取付
けられ、まえ、他方のビームに振動を検出する圧電素子
１３が壜付けられている。圧電素子１３の出力は、旧や
ＥＬのような電気・光変換器としての発光素子１４に印
加され、ここからの発光出力は、光ファイバ３２，３を
介して受信側に伝送されるようＫなっている。

なお、検出端としてここではいくつかの例を示したが、
これらは各実施例においてそれぞれ特徴ある部分を組合
せて用いることができる。また、ここに示された構成の
ものに限らず、他の構成のもの、すなわち伝送された光
パルス信号によって駆動され、被測定物理量に関連して
その共振周波数が変化するように構成され、振動を電気
信号とし、この電気信号によって光学的信号を出力する
ものであれば使用が可能である。

第７図は本発明に係るシステムの他の構成例を示すプロ
、り図である。このシステムにおいては、受信端２を、
光・電変換器２３からのパルス信号をバンドパス増幅器
２８を介して光源駆動回路２７に印加し、光源２１から
出射する光パルス信号の周波数を制御するように構成し
たものである。

このシステムによれば、光源２１、光伝送路５、共振器
１２、バンドパス増幅器２８を含んで形成されるループ
は、共振１１１２の共振周波数ｆ。で発振する発振器を
構成している。

第８図は第７図に示すシステムにおいて、光パルスの周
波数と、横出端１のゲインとの関係を示した線図である
。ここで、受信例から伝送する光パルスの周波数が、共
振器１２の共振周波数ｆ。と−散した点がゲインが最大
とな９自励発振する。バンドパス増幅器２８の出力周波
数ｆから共振器１２に与えられる各物理量を測定するこ
とができる。

以上説明し九ようＫ、本発明は光源からの光信号の周波
数を検出端を構成する共振子の共振周波数に追従するよ
うに制御するものであるから、単１へ 一波長の光源で構成でき、しかも光伝送路の伝送損失変
化や光源、光電変換器の効率変化の影響を受けない、構
成の簡単な光学計測システムが集塊できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係るシステムの一例を示す構成プロ、
り図、第２図は第１図システムに用いられている検出端
の一例を示す構成斜視図、第Ｓ図及び第４図は第１図シ
ステムの動作を説明するための線図、第Ｓ図及び第６図
は本発明システムに使用される検出端の他の例を示す構
成図、第７図は本発明に係るシステムの他の構成例を示
すブロック図、第６図は第７図システムの動作を説明す
るための線図である。 １・・・検出端、１１・・・光・振動変換器、１２・・
・共振器、１３・・・振動・電気変換器、１４・・・電
気・光変換器、２・・・受信端、２１・・・光源、２２
・・・ビームスプリッタ、２３・・・光電変換器、２４
・・・口、フィンアンプ、２５・・・制御回路、２６・
・・発振器、２７・・・光源駆動回路、５・・・光伝送
路。 代埋入　　　弁理士　　小　沢　信　助オ　　４　　図 オ　　　丁　　　閏 オ　　　ｄａ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　光信号によって駆動され、その共振周波数が
   与えられる被測定物理量に対応して変化する共振手段と
   、この共振手段の振動によって電気信号を発生する振動
   電気変換手段と、この振動電気変換手段からの電気信号
   によって動作する電気光変換手段とを有する検出端、光
   源とこの光源からの光パルス信号又は振幅変調光の周波
   数を制御する光源制御手段とを有する受信端、前記検出
   端と前記受信端とを結ぶ光伝送路を具備し、前記受信端
   において、光信号を前記光伝送路を介して前記検出端に
   伝送するとともに前記検出端の電気光変換手段から前記
   共振手段の共振周波数又は振幅又は位相に関連した光信
   号を光伝送路を介して受光し、光源制御手段は光パルス
   信号又は振幅変調光の周波数を前記共振手段の共振周波
   数に対応するように制御することを特像とする光学計測
   システム。