JPS58160827A - Temperature sensor - Google Patents
Temperature sensorInfo
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- JPS58160827A JPS58160827A JP57042585A JP4258582A JPS58160827A JP S58160827 A JPS58160827 A JP S58160827A JP 57042585 A JP57042585 A JP 57042585A JP 4258582 A JP4258582 A JP 4258582A JP S58160827 A JPS58160827 A JP S58160827A
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、光ファイバを用いた温度センサに関するもの
である。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a temperature sensor using an optical fiber.
従来、光ファイバを用いた温度センサとして、第1図に
示すようなものが提案されている。図において、光源1
1かもの光はビーム・スプリンタ12で2分岐され、そ
れぞれ光ファイバ13及び光ファイバ14に入射される
。この2本の光ファイバ13゜14の長さの差により、
光のコヒーレンス長以内では、2本の光ファイバ13
、14を伝搬してくる光波によって干渉縞15が作られ
る。この干渉縞15は、2光波の光路長差が変化すると
ともに移動する。Conventionally, a temperature sensor using an optical fiber as shown in FIG. 1 has been proposed. In the figure, light source 1
One light beam is split into two by a beam splitter 12 and input into an optical fiber 13 and an optical fiber 14, respectively. Due to the difference in length of these two optical fibers 13°14,
Within the coherence length of light, two optical fibers 13
, 14 create interference fringes 15. This interference fringe 15 moves as the optical path length difference between the two light waves changes.
従って、この干渉縞の移動量から、2本の光ファイバ長
の相対変化量を測定することができる。一方、光ファイ
バは温度変化によって長さが伸縮するため、2本の光フ
ァイバ13 、14のうち1本を温度測定用として用い
ると、上述した原理により、温度変化に対して干渉縞が
変化し、その変化量から温度変動1が測定できる。この
方式は、2本の光ファイバを用いていることや、1本の
光ファイバは温度変化を受けないように、恒温槽に入れ
ておく必要がある等、測定系が複雑化する拠点があった
。Therefore, the amount of relative change in the lengths of the two optical fibers can be measured from the amount of movement of this interference fringe. On the other hand, since the length of optical fibers expands and contracts due to temperature changes, if one of the two optical fibers 13 and 14 is used for temperature measurement, the interference fringes will change with temperature changes due to the above-mentioned principle. , the temperature fluctuation 1 can be measured from the amount of change. This method requires two optical fibers, and one optical fiber must be placed in a constant temperature oven to prevent temperature changes, making the measurement system complex at some sites. Ta.
本発明は、1本の光ファイバを用いるだけで簡単に温度
変化を測定できる温度センサを提供するものである。The present invention provides a temperature sensor that can easily measure temperature changes using only one optical fiber.
本発明は、偏波面保存光ファイバの直交する2つの伝送
路を干渉計の2つの光路として用い、この2つの光路長
差が温度によって変化することを利用し、温度変化を午
渉出カ変化として測定する点に特徴がある。The present invention uses two orthogonal transmission lines of a polarization-maintaining optical fiber as two optical paths of an interferometer, and utilizes the fact that the difference in the length of these two optical paths changes depending on temperature. It is characterized by the fact that it is measured as
本発明の詳細な説明するための原理図を第2図及び第3
図に示した。第2図において、光波21はビーム・スプ
リンタ22で2分岐され、光波26と光波27とに別れ
る。これらの2光波は、ミラ23 、24で折り返され
、再びビーム・スプリノ/25で合成される。この合成
波28の光出力■は、2光波26゜27の光パワーをI
、 、 I2とすると一般に次式で表わされる。Figures 2 and 3 show the principle diagrams for detailed explanation of the present invention.
Shown in the figure. In FIG. 2, a light wave 21 is split into two by a beam splinter 22 and separated into a light wave 26 and a light wave 27. These two light waves are folded back by mirrors 23 and 24 and combined again by beam splino/25. The optical output ■ of this composite wave 28 is the optical power of the two optical waves 26°27
, , I2, it is generally expressed by the following formula.
ここで、γは光源の干渉度を表わし、一般に0〈γくl
である。ψは光波26の伝搬する光路長と、光波27の
伝搬する光路長との差Δdがら生じる光波26と光波2
7との位相差で、次式で表わされる。Here, γ represents the degree of interference of the light source, and is generally 0〈γ
It is. ψ is the difference Δd between the optical path length of the optical wave 26 and the optical path length of the optical wave 27, and the optical wave 26 and the optical wave 2 are generated by the difference Δd.
7 and is expressed by the following equation.
Δd ψ=2π・T(2) λは光の波長である。Δd ψ=2π・T(2) λ is the wavelength of light.
従って、光遅延路29を動かすことにより合成信号28
の光出力■は、(1)式により正弦波状に変化する。こ
の干渉計は一般にマノ・・・ツエンダの干渉計
計と呼ばれている。この千−〇、偏波面保存光ファイバ
を用いて第3図のように構成することができる。第3図
において、直線偏光波31を偏波面保存光ファイバ35
の直交する2軸33 、34の中間に入るように傾けて
入射させる。直線偏光波を任意の角度に回転するには、
半波長板32の直線偏光波に対する角度を変えることで
可能である。こうすると、直線偏光波310の偏波面保
存光ファイバ35の直交する2軸33 、34への成分
である光波38 、39は、それぞれ独立に偏波面保存
光ファイバ35を伝搬することになる。直交した光波間
では干渉は生じな1、
いので、出力側では偏波面保存光ファイバ35の直交す
る2軸33 、34の中間に検光子311の軸がくるよ
うにセットしておく。この結果、光波38と光波39と
の検光子311の軸への成分による合成波36が得られ
、この光出力Iは(1)式によって与えられる。Therefore, by moving the optical delay path 29, the composite signal 28
The optical output ■ changes sinusoidally according to equation (1). This interferometer is generally called the Mano-Zenda interferometer. Using this polarization-maintaining optical fiber, it can be constructed as shown in FIG. In FIG. 3, a linearly polarized light wave 31 is transferred to a polarization maintaining optical fiber 35.
The light is incident at an angle so that it falls between the two orthogonal axes 33 and 34. To rotate a linearly polarized wave to an arbitrary angle,
This is possible by changing the angle of the half-wave plate 32 with respect to the linearly polarized light wave. In this way, the light waves 38 and 39, which are the components of the linearly polarized light wave 310 to the two orthogonal axes 33 and 34 of the polarization-maintaining optical fiber 35, propagate independently through the polarization-maintaining optical fiber 35. Since no interference occurs between orthogonal light waves, the axis of the analyzer 311 is set so as to be located between the two orthogonal axes 33 and 34 of the polarization maintaining optical fiber 35 on the output side. As a result, a composite wave 36 is obtained by the components of the light wave 38 and the light wave 39 toward the axis of the analyzer 311, and the optical output I is given by equation (1).
これは、第2図に示した干渉計と等価であり、第2図の
ビーム・スプリッタ22及びビーム・スプリッタ25は
、第3図の偏波面保存光ファイバ35の入射面37及び
検光子311に相当する。This is equivalent to the interferometer shown in FIG. 2, and the beam splitter 22 and beam splitter 25 in FIG. Equivalent to.
一方、第3図において、偏波面保存光ファイバ35の2
軸33 、34に沿う光導波路は、屈折率が互いに異な
るため、入力側で同時に入った2光波38゜39も、出
力側では次式で表わされる時間差Δτが生しる。On the other hand, in FIG.
Since the optical waveguides along the axes 33 and 34 have different refractive indexes, two light waves 38° 39 that enter simultaneously on the input side also produce a time difference Δτ expressed by the following equation on the output side.
Δτ=CL−Cp−a・(To T) (3)に
こで、Cは空気中での光速、Lは偏波面保存光ファイバ
35の長さ、Cpは偏波面保存光ファイバあの光弾性定
数、aは偏波面保存光ファイバ35のヤング率とポアソ
ン比及び熱膨張係数に関係する比例係数、Toはシリカ
ガラスの軟化温度で約1000℃、また、Tは偏波面保
存光ファイバの置かれている雰囲気温度である。Δτは
、2光波38 、39の位相差ψと次式で与えられる関
係がある。Δτ=CL-Cp-a・(To T) (3) Here, C is the speed of light in air, L is the length of the polarization-maintaining optical fiber 35, and Cp is the photoelastic constant of the polarization-maintaining optical fiber. , a is a proportionality coefficient related to the Young's modulus, Poisson's ratio, and thermal expansion coefficient of the polarization-maintaining optical fiber 35, To is the softening temperature of silica glass, which is approximately 1000°C, and T is the position of the polarization-maintaining optical fiber 35. This is the ambient temperature. Δτ has a relationship with the phase difference ψ between the two light waves 38 and 39 given by the following equation.
2π
ψ=Δτ・C・T(4)
(3)式を(4)式に代入すると、位相差ψは次式で与
えられる。2π ψ=Δτ・C・T (4) When equation (3) is substituted into equation (4), the phase difference ψ is given by the following equation.
2π
ψ= =L*Cp−a・(To T) (5)
λ
(5)式は、偏波面保存光ファイバ35の雰囲気温度が
変化すると光波38.光波39の位相差が変化すること
を示している。このことは、第3図における偏波面保存
光ファイバ35の雰囲気温度の変化が、第2図における
光遅延略画の動きに相当することを意味している。従っ
て、第3図において、偏波面保存光ファイバ35の雰囲
気温度の変化に対して、検光子311の出力は(1)式
に従って変化する。偏波面保存光ファイバ35の雰囲気
温度変化に対する検光子311の出力変化の実験結果の
1例を第4図に示した。温度変化に対して光出力が正弦
波状に変化している様子が分る。2π ψ= =L*Cp-a・(To T) (5)
λ Equation (5) shows that when the ambient temperature of the polarization maintaining optical fiber 35 changes, the light wave 38. This shows that the phase difference of the light waves 39 changes. This means that the change in the ambient temperature of the polarization maintaining optical fiber 35 in FIG. 3 corresponds to the movement of the optical delay diagram in FIG. 2. Therefore, in FIG. 3, the output of the analyzer 311 changes according to equation (1) with respect to changes in the ambient temperature of the polarization-maintaining optical fiber 35. FIG. 4 shows an example of experimental results of changes in the output of the analyzer 311 with respect to changes in the ambient temperature of the polarization-maintaining optical fiber 35. It can be seen that the optical output changes sinusoidally in response to temperature changes.
(5)式を温度Tで微分すると、単位温度変化に対する
位相変化量の割合が求められ次式で表わされる。By differentiating equation (5) with respect to temperature T, the ratio of the amount of phase change to a unit temperature change is obtained and is expressed by the following equation.
(6)式より、温度変化と位相変化とは線型の関係にあ
ることが分る。従って、位相の変化に伴う光出力レベル
の変化から温度変化量を測定することができる。From equation (6), it can be seen that there is a linear relationship between temperature change and phase change. Therefore, the amount of temperature change can be measured from the change in the optical output level due to the change in phase.
本発明の基本構成図を第5図に示す。第5図の構成は上
で述べた原理にもとづいている。図において、光源51
からの光波は、偏光板52により直線偏光となる。この
直線偏光波は、半波長板53により温度測定対象物58
の中におかれた偏波面保存光ファイバ54の直交する2
軸の中間に傾けられる。A basic configuration diagram of the present invention is shown in FIG. The configuration of FIG. 5 is based on the principles described above. In the figure, a light source 51
The light wave from is turned into linearly polarized light by the polarizing plate 52. This linearly polarized light wave is transmitted to the temperature measurement target 58 by a half-wave plate 53.
Two orthogonal polarization-maintaining optical fibers 54 placed in
Tilted in the middle of the axis.
出力側では、検光子55によって直交している2光波の
検光子55の軸方向成分だけが、受光器56によって受
けられる。この出力は、例えばレコーダ57等によって
連続的にモニターすることができる。On the output side, only the axial components of the two light waves orthogonally crossed by the analyzer 55 are received by the light receiver 56 . This output can be continuously monitored, for example by a recorder 57 or the like.
このような構成により、上述のmmに基づいて温度変化
を測定することができる。With such a configuration, temperature changes can be measured based on the above-mentioned mm.
以上のように本発明は、偏波面保存光ファイバの直交す
る2つの伝送路を干渉計の2つの光路として用い、この
2つの光路長差が温度によって変化することを利用し、
温度変化を干渉出力変化として測定している点に特徴が
あり、構成が従来のものと比較すると簡単で、(6)式
に示されているように単位温度変化に対する位相の変化
率がファイバ長に比例するため、ファイバの長さを選択
することにより、感度および測定範囲が変えられる利点
がある。すなわち、感度を大きくする場合にはファイバ
長を長く、被測定温度範囲を拡くする場合にはファイバ
長を短かくすることになる。例えげ、第4図の例はファ
イバ長は20mの場合であるが、ファイバ長を1mにし
たときには温度変化の周期は点線で示すように20倍に
なる。As described above, the present invention uses two orthogonal transmission lines of a polarization-maintaining optical fiber as two optical paths of an interferometer, and takes advantage of the fact that the difference in the length of these two optical paths changes with temperature.
The feature is that temperature changes are measured as interference output changes, and the configuration is simpler than conventional ones.As shown in equation (6), the rate of change in phase per unit temperature change is proportional to the fiber length. Therefore, there is an advantage that the sensitivity and measurement range can be changed by selecting the fiber length. That is, to increase the sensitivity, the fiber length is lengthened, and to widen the temperature range to be measured, the fiber length is shortened. For example, in the example of FIG. 4, the fiber length is 20 m, but when the fiber length is increased to 1 m, the period of temperature change becomes 20 times as shown by the dotted line.
第1図は従来の温度センサの例を示す系統図、
1′第2図は本発明の詳細な説明するための系統
図、第3図は本発明に用いる光干渉計の原理を説明する
だめの斜視図、第4図は本発明の詳細な説明するための
特性図、第5図は本発明の実施例を示す構成図である。
11・・・光源、12・・・ビーム・スプリッタ、13
、14・・・光ファイバ、15・・・干渉縞、21
、26 、27・・・光波、22 、25・・・ビーム
・スプリッタ、23 、24・・・ミラ、公・・・合成
波、29・・・光遅延路、31・・・直線偏光波、32
・・・半波長板、33 、34・・・光軸、35・・・
偏波面保存光ファイバ、36・・・合成波、37・・・
入射面、38 、39・・・光波、31O・・・直線偏
光波、311・・・検光子、51・・・光源、52・・
・偏光板、53・・・半波長板、54・・・偏波面保存
光ファイバ、55・・・検光子、56・・・受光器、5
7・・・レコーダ、58・・・温度測定対象物。
特許出願人 国際電信電話株式会社
代 理 人 大 塚 学外1名Figure 1 is a system diagram showing an example of a conventional temperature sensor.
1' Fig. 2 is a system diagram for explaining the present invention in detail, Fig. 3 is a perspective view for explaining the principle of the optical interferometer used in the present invention, and Fig. 4 is a detailed explanation of the present invention. FIG. 5 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention. 11... Light source, 12... Beam splitter, 13
, 14... Optical fiber, 15... Interference fringe, 21
, 26 , 27... Light wave, 22, 25... Beam splitter, 23, 24... Mira, public... Combined wave, 29... Optical delay path, 31... Linearly polarized light wave, 32
... Half-wave plate, 33, 34... Optical axis, 35...
Polarization maintaining optical fiber, 36...Synthetic wave, 37...
Incident plane, 38, 39...Light wave, 31O...Linearly polarized light wave, 311...Analyzer, 51...Light source, 52...
- Polarizing plate, 53... Half-wave plate, 54... Polarization preserving optical fiber, 55... Analyzer, 56... Light receiver, 5
7...Recorder, 58...Temperature measurement object. Patent applicant International Telegraph and Telephone Co., Ltd. Agent Otsuka 1 external person
Claims (1)
2つの光軸成分の偏波面を保存して前記光を伝送する偏
波面保存光ファイノ(と、前記2つの光軸成分の前記光
を合成したときの干渉による出力レベルに相当する出力
を出す手段を備え、前記偏波面保存光ファイバの雰囲気
温度に対応する出力を送出し得るように構成された温度
センサ。a light source that generates light; a polarization-maintaining optical fiber that enters the light and transmits the light while preserving the polarization planes of the two optical axis components perpendicular to each other; A temperature sensor comprising means for outputting an output corresponding to an output level due to interference when synthesized, and configured to output an output corresponding to an ambient temperature of the polarization-maintaining optical fiber.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP57042585A JPS58160827A (en) | 1982-03-19 | 1982-03-19 | Temperature sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP57042585A JPS58160827A (en) | 1982-03-19 | 1982-03-19 | Temperature sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS58160827A true JPS58160827A (en) | 1983-09-24 |
JPH0440649B2 JPH0440649B2 (en) | 1992-07-03 |
Family
ID=12640139
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP57042585A Granted JPS58160827A (en) | 1982-03-19 | 1982-03-19 | Temperature sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS58160827A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS60135732A (en) * | 1983-12-23 | 1985-07-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Temperature measuring device |
JPS62194428A (en) * | 1986-02-21 | 1987-08-26 | Fujikura Ltd | Temperature detector due to interference type optical fiber sensor |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5566725A (en) * | 1978-07-17 | 1980-05-20 | Mitsubishi Electric Corp | Temperature detector |
-
1982
- 1982-03-19 JP JP57042585A patent/JPS58160827A/en active Granted
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS62194428A (en) * | 1986-02-21 | 1987-08-26 | Fujikura Ltd | Temperature detector due to interference type optical fiber sensor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0440649B2 (en) | 1992-07-03 |
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