JPS5862799A - 光応用計測装置 - 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】 本発明は光応用計１１１Ｊ装置、具体的には光を用いた
各種物理量の計測ｉ７Ｉｃ置において、光送受信器とセ
ンナ本体とを結ぶ光ファイバ等の伝送特性の変動による
計測誤差を補償するための方式に関する。

光応用計測装置の光伝送路では、元ファイバをアナログ
量伝送路として用いており、温度変化や曲げ応力による
伝送特性の変動．が不正出力となるため、これを補償す
る必要がある。

第１図は従来用いられている光応用電界センサにおける
伝送特性変動補償法の一例である●この例では発光ダイ
オード１を、発振器２および増幅器３を用いて１５ＫＪ
−Ｉｚで変調し、光ファイバ４を経て電界センサ５に供
給シ、その通過光を受光ダイオード６で受け、増幅器７
で増幅した出力を測定信号弁とキャリア分とにフィルタ
８．９で分離した上で検出器１０、メータ１ｌで受け、
ｉヤリア分の振幅から伝送路変動分をモニタしている。

しかしこの装置においては以下に挙げる欠点がある０　
゛ １）被測′定電界が変流電界に限られる０直流竃界をこ
の方法で測定しようとすると光源あるいは伝送特性の変
動を補償できない０ ２）′に外構出端の構成要素である波長板の特性の　−
温度変化や、電気光学結電の内部電界のト°す７ト等の
原因で、電界検出端の光透過率の平均値が変動する場合
、キャリア分もそれに比例して変動するため補償誤差を
°生じる０ 強度の影響を受けて変化し、計測誤差を生じる。

第２図は光応用振動センサｌこおける伝送系の変動補償
法の例である。この装置は駆動回路２１で２つの発光ダ
イオード２２．２３を駆動して２つの波長の光′信号を
得、合波器２４を経てビームスプリッタ２５へ導く。そ
して光信号の一部は光７アイパ２６を経て１ｆＲ１ｉ１
１１センサ２７に達し、セ／す２７より戻る信号光２８
は受光ダイオ−１゛２９で受信される。他方ビームスプ
リッタ２５で分岐された参照光３０は受光ダイオード３
１で受信さ札これら両受信信号はロングレシオアンプ３
２．市１ｊフィルタ３６を経て検出信号を出力するＯ上
茜己のセ／す２７としては、第３図Ｇこ示すように波長
λ１には透明であるが、λ２には不透明であるノ％イノ
（スフイルタ２７１と、これとは相補的なローノ（スフ
イルタ２７２とを突き合せた形の差動フィルタを使って
いる０即ち、°差動フイルダの境界付近が元ビーム２７
３を遮る場合を考えると、フィルタが例えば右に動けば
波長λ１に対する透過率は増大し、波長λ２に対しては
逆こと減少する。従って、差動フィルタを人力変位ある
いは振動に連動させることによって、被測定量が光ビー
ムに対する分光透過率の差動変化に変換されるＯそこで
センサより戻ってくる２波長ね、λ２の１度比を電気演
メ回路３２ないし３６によって作れば、２波長に対して
同相的に変化Ｔる伝送系の外乱は相殺され、被測定量に
関連した信号分だけが残ることになる。

しかし、この方法によると例えば温度セ／すや・−界セ
ンサにおいて２波長の透過率を被測定９！Ｊ埋１′、・
１ 量に泡応して逆相的に変化させることは困離であり、こ
の方式の応用範囲は極く特殊なセンサーこ限定される。

第、４図は従来用いられている光応用温度センサの例で
ある。この装置も２波長を用いるものであり、２つのパ
ルス発生器４１．４２と駆動回路４３゜４４を用いて２
つの発光ダイオード４５．４６を駆動する０光合波器４
７を経た元信号は、コネクタ４８、光ファイバ４９を経
て温度センサ５０４こ導かれる０センナ５０を通過した
光は７アイ／＜４＆コネクタ５１を経て受光ダイオード
５２で受信され、アンプ５３およびサンプルホールドア
ンプ５４゜５５を経て割算器５６に導かれるＯ 上記２波長のうち一方はセンサ材料の吸収端付近に選ん
であり、この波長を信号光とする温度変化によりセ／す
材料の吸収端が変化するとそれζζ応じて信号光の透過
率も変化するＯ他方の波長番ま吸収端からは十分離れて
おりこれを参照光とするＯ参照元の透過率は温度変化の
影響を受けなＧ１゜従って、センナ透過後の信号光と参
照光の強度比を堆れば伝送系の外乱は除去されるＯ しかし他の物理量を測るセンナにおし１て被測定物理量
の影響を全く受けない波長が常６シフ■するとは限らな
い。例えばポッケルス効果を利用した電界センサ、ファ
ラデー効果を利用した磁界センサ、自然複層′折の温度
変化を利用した温度センサなとではどの波長も被測定物
理量の影響を受けるのでこの方法は有効でない〇 この発明の目的は、光を用いた各種物理量の計測装置に
おける光送受信器とセンサ部分を結ぶ元ファイバ等の伝
送特性の変動による計測誤差の効果的な補償法を提供す
ることであり、具体的ｔこは以下に述べると２つである
。

１）光送受信器とセ／す部分を鮎ぶ元７アイパ尋の元伝
送路の伝・遂時性の変動をモニタする１Ｍ号が被測定物
理量やその他センサ内部の現象によって変調を受けない
こと０ ２）特定の物理量に対する光応用計測＃ｃｔＩＩｔにの
み通用が限定されることなく、他の物理量に対する計測
装置に対しても適用できる並遍性をもつ補償方式を提供
すること０ ３）任意の時間変化をする物理量に対する計測装置にお
いて補償が可能なこと〇 本発明は、被測定物理量により変調を受ける信号光およ
び伝送路変動をモニタする参照光と２つの波長の異なる
光を用いる点では、従来技術として例示した方式と類似
する。本発明の特徴はセン！部の構成法にある０即ち、
従来技術ではセンナ部を光が透過する透過型上ンサを用
いているのに対して、本発明では、信号光はセンナ後方
で反射させることによりセンナ内部で往復させ、これに
対し参照光はセンサ前面で反射させる反射型センサを用
いる。

第５図は本発明に利用工されるセンサの構造を例示し、
入射信号光５０１は参照光反射フィルタ５０２を通過し
てセンサ５０３に入射しセンサ後方のξツー５０４によ
って全反射され再びフィルタ５０２を通過して反射信号
光５０５となる。この間に信号光は被測定物理量５０６
によって変調を受ける・入射参照光５０７はフィルタ５
０２によって全反射を受は反射参照光５’０８となるＯ
受光部に詔いて５０５と５０８の強度比をとれば光伝送
路特性の変動が補償された信号が得られるＯ第６図は本
発明の一実施例として、参照光反射フィルタを具備した
反射型センサを含む光応用計測装置全体の構成図を示す
もので、以下この装置の動作を図によって説明する。電
気的パルス発°生器６１、インバータ６２、発光ダイオ
ード駆動回路６３．６４によって信号光発光ダイオード
６５および参照光発生ダイオード６６を時間的に交互に
発光させ、これら波長の異る２光は合波器６７、ビーム
スプリッタ６８を介して入射光用元ファイバ６９に出射
されセンサ７０に導かれる。７０により反射された光は
反射光用光ファイバ７１によって受光ダイオード７２に
導かれる０発元ダイオード６５および６６により出射さ
れた光はビームスプリッタ６８により一部分岐され受光
ダイオード７３に導かれる。受光ダイオード７２および
７３により光電変換された電気信号ＸおよびＹは増幅器
７４．７５を介した後、割算器７６によって」。

シαなる演算が施される＠この演算は発光ダイオード６
５および６６の発光強度の開動を補償するためのもので
ある。割算器７６の耐力は、発光ダイオード６５および
６−６の発光時間にそれぞれ同期したサンプルホールド
増幅器７７および７８に分岐された後、反射信号光強度
に比例した電気信号２および反射参照光強度に比例した
電気信号Ｗに分離され、割算器７９によってＺ／Ｗなる
演算が施される０これらの信号処理によって、割算器７
９の出力は、光源の強度変動および光伝送路の特性変動
が補償された、被測定物理量による信号光強度変調度に
比例した信号となるＯそしてこの信号は増幅器８０を経
て表示器８１に与えられる。

第７図は変形例を示すもので第６図と異なり、信号光発
光ダイオード６５および参照光発光ダイオード６６を同
時ζこ発光させ、受光部で分波器８２により信号光と参
照光を分離して割算器８３〜８５により同様の電気的演
算を行うＯなお８６．８７はそれぞれ光源モニタ用の受
光ダイオードであり、８８．８９はビームスプリッタで
あるＯこの装置は光学系が若干複雑になるが、電気信号
処理が簡単になる利点を有する。

第８図に参照光反射フィルタを備えた反射を電界電圧セ
ンサの構成例を示す０これは第６図およ率楕円体の主軸
は、光の伝搬方向および被測定電おける伝搬方向と直交
した２つの主軸に沿った一波光間に被測定電界に比例し
た光学的位相差を牛じる。発光部より光ファイノ（６９
により伝送されてきた信号光はロッドレンズ７０２によ
って平行と直交した２つの偏光軸に対して４５°の角度
をなす直線偏光となるＯ直線偏光となった信号光は１／
８波長板７０４、参照光反射フィルタ７０５を介して電
気光学結唱７０１に入射する０１／８波長板７０４は信
号光がこれを往復する間に、７０１の偏光軸に沿った２
つの偏波光間の位相差に９０の光学的位相バイアスを与
え反射光強度と被測定電界との線形性を良くするための
ものである０参照光反射フィルタ７０５は例えば電気光
学結唱７０１の前面に誘電体多層膜をコーティングする
ことによって形成されており参照光のみ全反に出射され
る。この反射信号光は再び１７８波長板７０４を介して
偏光ビームスンリツタ７０３に図面右前から入射し、＃
Ａ面左側から偏光ビームスプリッタ７０３を通゛遇する
ときに選択される偏光とは９ｄ：１方向の異なる偏光成
分のみが選択反射さｔ’Ｌミ５−７０７、ロッドレンズ
７０８を介して反射光用光ファイバ７１に導かれ受光部
へ伝送される。以上の打揚によって被測定電界の強度は
反射４８号光の強度へ七変換される〇 一方、参照元は信号光とわずかに波長が異なっており、
光ファイバ６９により入射する参照元はロッドレンズ７
０２、ｍ党ビームスプリッタ７０３および１／８波長板
７０４を通過した後参照光反射フィルタ７０５によって
全反射を受け、１／８波長板７０４．９４光ビームスプ
リツタ７０３およびロッドレンズ７０８を介して反射光
用光ファイファイバ等の伝送路の特性変動のみをモニタ
することができる・ 第６図、第７図の光応用計６１１１装置において、光送
受信器とセンサ部を結ぶ元ファイバを双方向伝送路とし
て用い７アイパの１本化を図る場合には、第６図、第７
図の破線円を第９図の如く変形する０即ち発光部から光
ファイブ９１への出射端番こ反射光分離用ビ〒ムスフ２
リッタ９２を設け、センサ部７０からの反射光を受光部
へ反射分離する０この場合のセンナ部７０の反射型電界
センサーこおける具体的構成例をＷＪ１０図に示す◎こ
のセンサは第１．１１１１ ８図示のものの変形で、入射光と反射光を伝送する光７
アイパが符号１０１で示すように１本化された点でのみ
異なり、動作原理においてはｇ８図と何ら変吏はない０
偏光子兼検光子１０２は偏光子１台で検光子も兼ねてい
る。この方式では光送受信部において反射光を分離する
ため、センサ部の構成が簡単化される利点がある０ 以上述べたように、本発明によれば、光応用計測装置に
おいて被側定物理量によって変調を受ける信号光とそれ
とわずかに波長が異なり伝送路の変動をモニタする参照
光の２波長を用い、センサ部分を反射型に構成して参照
光を光変調器直前で反射させる方式を採用したため、 １）伝送路変動をモニタする参照光は被測定物理やその
他変調器内部の現象によって変調を受けない０ ２）センナ部分を反射型に構成する・ことが可能であれ
ば、あらゆる物理量に対する計測装置に対して補償方式
の適用が可能である０ ３）任意の時間変化をする物理量の計測装置番こおいて
補償が可能である−というきわめて優れた効果が生ずる
口な右、実施例に示した構成の電界電圧セ／すは、信号
光、参照光とも波長板を通過するので波長板の温度変化
Ｉこ基づく反射光強度のドリフトは両者の強度比を取る
ことによって補償されるという付加的な利点をも有する
。

光応用計測は従来の電気式針側に比べて、電磁誘導によ
る妨害を受けない、電気絶縁性が良く高電圧部での使用
が容易、可燃性物質周辺で用いても火花による爆発の地
検性がない等のオリ点を有し、最近の光ファイバ、レー
ザダイオード、フォトダイオード等の光要素技術の著し
い進歩に伴い、光応用計測の実現可能性が急速に高まり
つつある。

この発明による伝送路変動補償法はセンサ部分が反射型
に構成できる光応用計測装置にはすべて適用が可能であ
り、実施例に示した電界計測装置以外に例えば元ファイ
バ信号伝送系を具備した電流・磁界、流速、角速度、振
動、圧力、音書咎の計測装置への適用が考えられる。　
、

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第４図はそれぞれ従来の光応用計
測装置を例示する接続図、第３図はＭ２図の装置におい
て便用されるセンナの概略構成図、第５図、第８図、＠
９図および第１０図はそれぞれ本発明の装置において使
用されるセンサの構成を例示する側面図、第６図および
第７図は本発明のそれぞれ異なる実施例を示す接続図で
ある０５０２：参照光フィルタ、５０３：センサ、５０
４：ミラー、６ｓ　、　６６　：発光ダイオード、６７
：合波器、６８：ビームスプリッタ、６９゜７０８：ロ
ッドレンズ、７０３：ビームスプリッタ、７０４：１／
８波長板、７０５：参照光反射フィルタ、７０６．７０
７：ミラー、９１：光ファイバ、９２：ビームスプリッ
タ、１０１：元ファイバ、１０２：偏光子魚検元子。 ３１２１ ４０ シど 才５　図 ？７　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）電気信号処理部を含む光送受信器と、光伝送路と、
   被測定物理量の大きさを光強度に変換する被測定物理量
   検出センナとを備えたものにおいて、前記センナに信号
   光とこれとは波長の異なる参照光とを同一の光伝送路を
   通し参照光反射フィルタを介して供給するようにし、前
   記フィルタを通過する信号光はセンナの光入射面と異な
   る他端に右いて反射させるようにしてセンナ内を往復さ
   せ、参照光は前記フィルタにおいて全反射させ、受光部
   において信号光と参照先の反射光を分離受光し、両者の
   強度比によって物理量の測定値を求めることにより光伝
   送路の特性変動を補償するようにしたことを特徴とする
   光応用計測装置０