JPS58186024A

JPS58186024A - 温度測定装置

Info

Publication number: JPS58186024A
Application number: JP6932382A
Authority: JP
Inventors: Masao Hirano; 平野　正夫; Motoaki Takaoka; 高岡　元章
Original assignee: Tateisi Electronics Co; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1982-04-23
Filing date: 1982-04-23
Publication date: 1983-10-29

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】この発明は、温度測定装置、詳しくは螢光体発光の温度
依存性を応用した光温度測定装置に関する。

この種の温度測定装置の一例が第１図に示されている。

光ファイバ（２２）の先端に温度センサである螢光体２
１１が設けられ、この螢光体（２１＋が温度を測定すべ
き雰囲気内または場所に置かれる。

光源（２３）から出力された励起光は、レンズ（財）、
フィルタ□□□、反射鏡２６＋　＠　、ビーム・スプリ
ッタ（２８）およびマイクロ・レンズ（２９）を経て光
ファイバ（２２１に入力する。この励起光によって螢光
体（２１）が励起される。

分光特性を示している。螢光中には多数のスペクトル線
が現われるが、ＧおよびＦで示されるものに着目する。

これらのスペクトル線Ｇ、　Ｈの強度の温度特性が第３
図に示されている。スペクトル線Ｇの強度は温度によっ
てあまり変化しないが、スペクトル線Ｆの強度は温度に
よって著しい変化を示し温度が高くなるにつれて大きな
値となる。したがってスペクトル線ＧとＦの強度の比Ｇ
／Ｆも温度によって著しく変化する。

第１図において、螢光体（２１またとえば上述の飾光は
光ファイバ（２２）を通って出力され、レンズ（２９）
、ビーム・スプリッタ（支））を経てビーム・スプリッ
タ（４Ｉ）によって２光路に分けられる。一方の光は、
反射鏡Ｇ１）、干渉フィルタ＋３２）を経てマイクロ・
レンズ（３３）によって集光され、受光器側によって受
光される。他方の光は干渉フィルタ（４り、マイクロ・
レンズ（４３）を経て受光器（４０）によって受光され
る。干渉フィルタ（３２１は、スペクトル線Ｆの波長帯
の光のみを通過させるもので、受光器（刻によってスペ
クトル線Ｆの強度が検出される。干渉フィルタ（４２）
は、スペクトル線Ｇの波長帯の光のみを通過させるもの
で、受光器（４ｏ）によってスペクトル線Ｇの強度が検
出される。スペクトル線ＦとＧの強度の比が演算回路（
至）によって算出される。

励起光と螢光はその伝送系とくに螢光の伝搬光路である
光ファイバ（２２）において、伝送損失が生じることは
避けられない。この伝送損失による湿度測定誤差の発生
を補償するために、２種類ノスペクトル線Ｆ、　Ｇが検
出されており、スペクトル線ＦとＧの強度の比を演算す
ることにより、伝送損失が相殺される。

このように従来の光温度測定装置においては、光の伝送
系の損失によって測定誤差が発生するのを防ぐために、
螢光体の螢光の２つの異なる波長帯の光を別個に検出し
ている。このため、第１図に示すように２つの受光器（
至）ｆ４０１　、ビ〒ム・スプリッタ（４１）、反射鏡
＋３１＋、２つの干渉フィルタ（支）（４りおよび２つ
のマイクロ・レンズＣ（３１０４）が必要となり、構造
が複雑になるという問題がある。

また、希土類螢光体の場合には、その−例が第２図に示
されているように、各スペクトル線の波長が近接してい
るので、これらを波長分離するために５０〜１００人程
度の狭帯域のフィルタが必要となる。

この発明は、光学系の構成が簡単で、しかも光学系の伝
送損失による影響を補償することができ高精度の温度測
定が可能となる温度測定装置を提供することを目的とす
る。

この発明による温度測定装置は、異なる２種類の波長帯
の励起光を出力する励起手段、２種類の励起波長に対し
て、発光強度が異なる温度依存性をもつ螢光体、２種類
の励起波長による励起によって螢光体から発光した光を
それぞれ別個に検出する受光手段、および受光された２
種類の受光信号の比を演算し、その演算結果をあらかじ
め定められた温度関数と比較することにより測定温度信
号を出力する演算手段から構成されていることを特徴と
する。温度センサとしての螢光体は、異なる２種類の波
長帯の励起光によって時間的にずらして、たとえば交互
に励起される。したがって、螢光体からは各励起光に対
応した発光が交互に出力され、受光器によって検出され
る。したがって受光器は１個で足り、螢光体の発光を受
光器に導く光路も１つで足りるから、光学系の構成がき
わめて簡単となる。また、波長が異なる２種類の励起光
によって励起され発光した２種類の光の強度の比が演算
され、この比にもとづいて温度が測定されるから、光学
系の伝送損失は比の演算によって相殺され、伝送損失に
もとづく誤差が確実に補償され、きわめて高精度の温度
測定が可能となる。後述するように、２種類の波長の異
なる励起光によって励起された螢光体の発光強度の温度
特性として、増加関数と減少関数とを設定することが可
能となり、これらの関数を組合せてその比をとることに
より、温度に対するより大きな変化を得ることができる
ので、従来のものに比べて一層高精度の測定が可能とな
る。

：Ｍｎの発光強度の温度特性を示している。曲線Ａは、
波長３６５ｎｍの励起光によって励起されたものであり
、曲線Ｂは波長２５３．７　ｎ　ｍの励起光によって励
起されたものである。曲線Ａは、−１００〜２５０℃の
温度範囲でゆるやかな減少関数を示している。曲線Ｂは
、急激な増加関数を示している。このように、同じ螢光
体であっても、励起光の波長が異なるとその発光強度は
異なる温度特性を示す。これらの発光強度の比Ａ／Ｂは
著しい温度依存性を示すので、検出された値Ａ／Ｂと、
あらかじめ設定されている比Ａ／Ｂの温度特性曲線とを
比較することにより、湿度を求めることができる。また
比Ａ／Ｂを演算することによって、螢光体から発光以下
、この発明をさらに詳しく説明する。

＋７１てその影響をなくすことができる。比Ｂ／Ａを演算した
場合も全く同じである。

励起した場合の螢光分光特性を示している。螢光中には
多数のスペクトル線が現われるが、これらのうちで６０
０ｎｍ付近の３つのスペクト’ｇ　：　Ｅ　ｕを、２種
類の波長３００ｎｍと３８０ｎｍの励起光によって別個
に励起した場合の、各スペクトル線０、Ｄ、ＩＣの強度
の温度依存性を測定した結果が第６図に示されている。

０３８０゜Ｄ３８０、ｎ；３８０で示される曲線が３８
０ｍｍの励起光によって励起された場合の各スペクトル
線の強度の温度特性であり、０３００％Ｄ　３００゜Ｅ
３００で示される曲線が３００ｎｍの励起光された光の
伝送経路における伝送損失を相殺しく８）度の温度特性である。このグラフからも分るように、波
長３８０ｎｍの光による励起の場合には各スペクトル線
の強度とも増加関数になっているのに対し、波長３００
ｎｍの光による励起ではすべてのスペクトル線の強度は
減少関数となっている。したがって、これらのスペクト
ル線の強度比０３８０１０３００または０３００１０３
８０、Ｄ３８０／Ｄ３００またはＤ３００／Ｄ３８０．
［３８０／Ｅ３００またはＥ３００／Ｅ３８０の温度依
存性はより顕著になり、しψ かも伝送経過の損失による影響を除去することができる
。

第６図においては、比較のために３つのスペクトル線の
温度特性が示されているが、温度による強度の変化が最
も大きい主ピーク０の測定この発明においては、温度に
よる強度変化か最も顕著にあられれるスペクトル線（た
とえば主ピーク）のみを検出しているから、測定精度が
きわめて高いものとなっている。第１図に示す従来の温
度測定装置では、温度による強度変化が最も顕Ｍなスペ
クトル線と、これよりも温度による強度変化の小さいス
ペクトル線とを用いなければならないから、強度変化が
小さい分だけ精度が低下する。また、一般に温度による
強度変化の小さいスペクトル線はその強度も小さい（た
とえばり、Ｋ）ので、一層検出精度は低下する。

紫外光励起によって発光する２種類の螢光体の例が示さ
れているが、この、発明においては、他の紫外光励起に
よる螢光体、ならびに可視光励起および赤外光励起によ
って発光する螢光体光励起および赤外光励起によって発
光する螢光体の場合には、励起手段として発光ダイオー
ドを用いることかできる。

第７図および第８図はこの発明の実施例を、第９図はそ
の動作をそれぞれ示している。光ファイバ（２）の先端
に、２種類の励起波長λ１、λ２に対して、発光強度が
異なる湿度依存性をもつ螢光体（１）が取付けられるこ
とにより、光ファイバ・プローブが構成されている。光
ファイバ（２）の先端は、温度を測定すべき雰囲気内に
、または物体に接して置かれる。光ファイバ（２）の後
端には、励起および受光のための光学系が接続される。

白色光源（３）から発光された白色光はレンズ（５）に
よって平行光線に変換され、フィルタ装置（４）に入力
する。フィルタ装置（４）は、回転盤、と、この回転盤
上に設けられた２つの干渉フィルタ（４＆）（４ｂ）と
から構成されている。干渉フィルタ（４ａ）（４ｂ）は
それぞれ、波長λ１、λ２の光を通過させるものである
。回転盤は、モータ（１２）によって連続的に、または
間欠的に回転されるので、波長λ１、λ２の励起光が交
互にフィルタ装置（４）を通過し、ビーム・スプリッタ
＋６１　ヲ経てマイクロ・レンズ（７）によって集光さ
れたのち光ファイバ（２）に入力する。したがって、螢
光体（１）は、波長λ１、λ２の励起光によって交互に
励起される。フィルタ装置としては回転するものではな
く直線状に移動するものでもよい。また励起光の立上り
、立下りを急峻なものとするためにシャッタなどを併用
することもできる。

螢光体（１）から発光した螢光および残光は、光ファイ
バ（２）を通って出力したのちレンズ（７）によって平
行光線に変換され、ビーム・スプリッタ（６）および反
射鏡（８）によって光分岐される。この分岐された光は
、干渉フィルタ（９）を経てマイクロ・レンズ（１０）
によって集光されて受光器（１１）に受光される。干渉
フィルタ（９）は、励起光と螢光体（１）からの発光と
を分離するためのものである。

螢光体（１）からの発光のうち特定のスペクトル線の光
のみを検出する必要がある場合には、干渉フィルタ（９
）としてはその特定の波長のみを通過させるものを用い
る。受光器（１１）の受光信号は信号処理回路０■に入
力する。

信号処理回路（１３１は、中央処理装置（ＯＰＵという
）たとえばマイクロプロセッサ、メモリ、インターフェ
イス回路たとえばＡＤ変換器などから構成されている。

信号処理回路０３）は、モータ（１２）を制御するとと
もに、励起光による螢光体励起に同期したタイミング・
パルスＰ１を発生する。第９図に示されているように、
このタイミング・パルスＰ１は、螢光体（１）から螢光
が発光した時点に出力される。そして、このパルスＰ１
が出力された時点の受光器（１１）の出力が螢光強度と
して読取られる。螢光体（１）の励起は複数回繰返して
行なわれ、各励起における螢光強度が検出され、メモリ
に記憶される。この記憶された螢光強度が励起波長λ１
、λ２ごとに積算平均され、積算平均された波長λ１、
λ２に対応する値の比が演算される。メモリ内には、励
起波長λ１とλ２における螢光強度の比の湿度特性があ
らかじめ記憶されており、算出された上記の比がこの温
度特性と比較されることにより湿度が求められる。

受光器（１１）の出力信号の読取タイミングは、励起停
止後であってもよい。この場合には、パルスＰ１に代え
て、励起停止の時点で立上るタイミングφパルスＰ２が
出力され、このパルスＰ２の出力時点における受光器（
１１）の出力信号が読取られる。読取られる信号は、螢
光体（１）からの残光であり、残光検出によっても温度
の測定が可能である。また、タイミング・パルスＰ２を
使用した場合には、励起光と残光は時間的に分離される
ので、フィルタ（９）が不要となる。

上記実施例においては、光ファイバをプローブとした光
ファイバ・センサの構造が示されているが、他の光学系
を用いることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は従来例を示すものであって、第１ｒ
ｔ構成図、第２図は螢光体の発光スペクトル図、第３図
は発光強度の温度特性を示すグラフ、第４図はこの発明
において用いられ４ｗＱ４ル螢光体酬ヤ品−一：Ｍｎの発光強度の温度時の発光強
度の温度特性を示すグラフ、第７図および第８図はこの
発明の実施例を示す構成図、第９図はその動作を示すタ
イム・チャートである。（１）・・・螢光体、（２）・・・光ファイバ、（３）
・・・白色光源、（４）・・・フィルタ装置、ｆｉｌｌ
・・・受光器、（１３）・・・信号処理回路。以　　上特許出願人　立石電機株式会社７６　　　　　　　　　　　　　区００　　　　　　　　　　　　寸法　　　　　　　　　と＜−八・ゲ：しつ沖す′３甘）マ蜀

Claims

【特許請求の範囲】異なる２種類の波長帯の励起光を出力する励起手段、２種類の励起波長に対して、発光強度か異なる温度依存
性をもつ螢光体、２種類の励起波長による励起によって螢光体から発生し
た光をそれぞれ別個に検出する受光手段、および受光された２種類の受光信号の比を演算し、その演算結
果をあらかじめ定められた温度関数と比較することによ
り測定温度信号を出力する演算手段、からなる温度測定装置。