JPS61256204A - Optical fiber displacement sensor - Google Patents
Optical fiber displacement sensorInfo
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- G01D5/268—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light using optical fibres
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
発明の要約
相互に干渉する光を光ファイバにより導く光ファイバ変
位センサにおいて、被測定物体上の反射面と光ファイバ
先端との間であって、光ファイバ先端からの距離がその
焦点距離から外れた位置にレンズが設けられているとと
もに、光ファイバ先端またはレンズの表面にハーフミラ
−となる金属薄膜が形成されていることを特徴とする。Detailed Description of the Invention Summary of the Invention In an optical fiber displacement sensor that guides mutually interfering light through an optical fiber, the distance between the reflective surface on the object to be measured and the tip of the optical fiber, and the distance from the tip of the optical fiber. A lens is provided at a position away from the focal length of the optical fiber, and a thin metal film serving as a half mirror is formed on the tip of the optical fiber or on the surface of the lens.
発明の背景
この発明は光の干渉を利用して物体の変位や振動を測定
する光ファイバ変位センサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber displacement sensor that uses optical interference to measure displacement and vibration of an object.
光伝送は電磁気雑音の影響を受けないというすぐれた特
長をもっているので、電磁気雑音の多い環境下でのデー
タの伝送に適している。光ファイバを用いると低損失の
光データ伝送が可能であるから、比較的長距離のデータ
伝送も行なえる。光伝送されるべきデータが何らかの測
定データ、たとえば物理量の測定値などの場合には、光
の形態でｎ１定または検出を行ない、そのまま光ファイ
バを通してこの測定データを光伝送することが好ましい
。ここに２光センサ、光ファイバ・センサといわれるも
のの利用価値がある。Optical transmission has the excellent feature of not being affected by electromagnetic noise, so it is suitable for data transmission in environments with a lot of electromagnetic noise. Since optical fibers allow optical data transmission with low loss, data transmission over relatively long distances can also be performed. When the data to be optically transmitted is some kind of measurement data, such as a measured value of a physical quantity, it is preferable to carry out n1 determination or detection in the form of light, and then optically transmit this measurement data as it is through an optical fiber. This is where the value of what is called a two-light sensor or optical fiber sensor lies.
しかしながら、物体の変位や振動を計測する光ファイバ
・センサはまだ実現されていない。However, optical fiber sensors that measure the displacement and vibration of objects have not yet been realized.
光の性質を利用して変位を計測する装置に干渉計がある
が、光ファイバを使用した干渉計はまだ実現されていな
い。また、従来の干渉計においては被測定物体の移動方
向を知るためには干渉光の周期変化の位相が９０＠隔た
った２つの光信号を用いなければならない。Interferometers are devices that measure displacement using the properties of light, but interferometers using optical fibers have not yet been realized. Furthermore, in the conventional interferometer, in order to know the moving direction of the object to be measured, it is necessary to use two optical signals whose phases of periodic changes of interference light are separated by 90@.
発明の概要
この発明は、比較的小型化を図ることのできる光ファイ
バ変位センサを提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical fiber displacement sensor that can be relatively miniaturized.
この発明は、相互に干渉する光を光ファイバにより導く
光ファイバ変位センサにおいて、被測定物体上の反射面
と光ファイバ先端との間であって。The present invention provides an optical fiber displacement sensor in which mutually interfering light is guided through an optical fiber between a reflective surface on an object to be measured and the tip of the optical fiber.
光ファイバ先端からの距離がその焦点距離から外れた位
置にレンズが設けられているとともに、光ファイバ先端
またはレンズの表面にハーフミラ−となる金属薄膜が形
成されていることを特徴とする。It is characterized in that a lens is provided at a position where the distance from the tip of the optical fiber deviates from its focal length, and a thin metal film serving as a half mirror is formed on the tip of the optical fiber or on the surface of the lens.
光ファイバ先端またはレンズに金属薄膜が形成されてお
り、この薄膜の厚さにより光の反射率。A thin metal film is formed on the tip of the optical fiber or the lens, and the reflectance of light is determined by the thickness of this thin film.
透過率を制御することができる。光ファイバを通って伝
播してきた光の一部はこの金属薄膜によって反射され、
光ファイバを逆方向（１″伝播していく。これが参照光
となる。残りの光は金属薄膜を透過する。レンズの位置
は、光ファイバ先端からの距離がその焦点距離から外れ
るように設定されているので、上記透過光はレンズを通
過して適当な角度をもった拡散光となり、被測定物体上
の反射面に至りこれにより反射する。この反射光は再び
レンズを通過してその一部が光ファイバに入射する。こ
れが信号光である。参照光と信号光とは光ファイバ内を
戻っていく過程で相互に干渉する。この干渉光の光強度
は被測定物体の変位量に応じて周期的に変化する。した
がって、この変化を計数することにより被測定物体の変
位量が測定される。Transmittance can be controlled. A portion of the light propagating through the optical fiber is reflected by this thin metal film,
The light propagates in the opposite direction (1") through the optical fiber. This becomes the reference light. The remaining light passes through the thin metal film. The position of the lens is set so that the distance from the tip of the optical fiber deviates from its focal length. Therefore, the transmitted light passes through the lens and becomes diffused light at an appropriate angle, reaches the reflective surface on the object to be measured and is reflected.This reflected light passes through the lens again and a part of it is reflected. enters the optical fiber.This is the signal light.The reference light and signal light interfere with each other as they return through the optical fiber.The light intensity of this interference light varies depending on the amount of displacement of the object to be measured. It changes periodically. Therefore, by counting this change, the amount of displacement of the object to be measured can be measured.
レンズを経て被測定物体に向う光は拡散光となっている
ために、レンズまたは光ファイバ先端と被測定物体の反
射面とが近づけば信号光の光量が増加し、逆に遠ざかれ
ば減少する。これに対して参照先の強度は被測定物体の
位置に関係なく一定である。したがって、被測定物体が
レンズまたは光ファイバ先端に近づくと干渉光の周期的
な強度変化の極大値が増加し極小値が減少し、逆に遠ざ
かると極大値は減少し、極小値は増加する。干渉光強度
変化のこのような極値の変化をとらえることにより、被
測定物体の移動方向を測定することができる。Since the light passing through the lens toward the object to be measured is diffused light, the intensity of the signal light increases as the lens or the tip of the optical fiber approaches the reflective surface of the object to be measured, and conversely decreases as it moves away. . On the other hand, the reference intensity is constant regardless of the position of the object to be measured. Therefore, when the object to be measured approaches the lens or the tip of the optical fiber, the maximum value of the periodic intensity change of the interference light increases and the minimum value decreases, and conversely, when the object moves away, the maximum value decreases and the minimum value increases. By detecting such changes in the extreme value of the interference light intensity change, the moving direction of the object to be measured can be measured.
以上にようにして、光ファイバに１つの光を導入するだ
けで被測定物体の変位量と移動方向とを測定することが
可能となる。また、変位を検出するセンサ部分には光フ
ァイバ先端部とレンズがあるだけであるから、構成が簡
素で小形化を図ることができる。As described above, it is possible to measure the amount of displacement and moving direction of the object to be measured by simply introducing one light beam into the optical fiber. Further, since the sensor portion for detecting displacement only includes an optical fiber tip and a lens, the structure is simple and can be made smaller.
実施例の説明
第１図は光ファイバ変位センサを用いた変位測定装置の
全体を示している。DESCRIPTION OF EMBODIMENTS FIG. 1 shows the entire displacement measuring device using an optical fiber displacement sensor.
この装置は、センサ部１と測定部ｌＯとから構成され、
これらの両部１，１０間に偏波面保存光ファイバ２０が
設けられている。This device is composed of a sensor section 1 and a measuring section IO,
A polarization maintaining optical fiber 20 is provided between these parts 1 and 10.
測定部ＩＯにおいて、レーザ光源１１から出力されたレ
ーザ光はビーム・スプリッタ■２を透過し、レンズ１３
によって集光され、光ファイバ２０の一端に入力する。In the measurement unit IO, the laser light output from the laser light source 11 passes through the beam splitter 2, and passes through the lens 13.
The light is focused by , and input into one end of the optical fiber 20 .
センサ部１の構成が第２図に拡大して示されている。光
ファイバ２０の他端においてその心線部分２０ａが若干
突出し、この先端にハーフミラ−として作用する金属薄
膜２が形成されている。被測定物体それ自体または被測
定物体に取付けられもしくは接触している部材４にはミ
ラー４ａが取付けられている。そして、光ファイバ２０
の先端とミラー４ａとの間にマイクロレンズ３が配置さ
れている。光ファイバ２０の先端とマイクロレンズ３と
の間の距離ではマイクロレンズ３の焦点距離よりも小さ
く設定されている。光ファイバ２ｏの先端部とレンズ３
とは適当な手段により固定されている。The configuration of the sensor section 1 is shown in an enlarged scale in FIG. At the other end of the optical fiber 20, a core portion 20a thereof slightly protrudes, and a metal thin film 2 acting as a half mirror is formed at this tip. A mirror 4a is attached to the object to be measured itself or to a member 4 attached to or in contact with the object to be measured. And optical fiber 20
A microlens 3 is arranged between the tip of the mirror 4a and the mirror 4a. The distance between the tip of the optical fiber 20 and the microlens 3 is set smaller than the focal length of the microlens 3. The tip of the optical fiber 2o and the lens 3
is fixed by suitable means.
光ファイバ２０内を伝播してきた光の一部はその先端に
ある金属薄膜２によって反射し、再び光ファイバ２０内
を逆方向に伝播していく （参照光）。A portion of the light propagating within the optical fiber 20 is reflected by the metal thin film 2 at its tip and propagates within the optical fiber 20 in the opposite direction again (reference light).
残りの光は光ファイバ２０から出射し、レンズ３を通過
して適当な角度をもった拡散光となり、ミラー４ａに入
射しかつこれにより反射される。この反射光の一部は再
びレンズ３を通過して集光され、光ファ・イバ２０の先
端から先ファイバ２０内に入射する（信号光）。The remaining light is emitted from the optical fiber 20, passes through the lens 3, becomes diffused light at an appropriate angle, enters the mirror 4a, and is reflected thereby. A part of this reflected light passes through the lens 3 again, is condensed, and enters the optical fiber 20 from the tip thereof (signal light).
金属薄膜２で反射した参照光とミラー４ａで反射した信
号光とは光ファ・イバ２０内で逆方向に伝播り、ていく
ときに相互に干渉し、この干渉光にはこれら２つの光の
光路差に応じた光強度変化が生じる。The reference light reflected by the metal thin film 2 and the signal light reflected by the mirror 4a propagate in opposite directions within the optical fiber 20, and as they go, they interfere with each other, and this interference light contains the components of these two lights. A change in light intensity occurs depending on the optical path difference.
光ファイバ２０の出射端における光の反射率と透過率は
金属薄膜２の膜厚によって定まる。したがって、金属薄
膜２の厚さを制御することにより参照光と信号光の強度
の比を任意に定めることができる。この実施例では、偏
波面保存光ファイバ２０の端面にＡｕが数十人の厚さに
蒸着されている。The reflectance and transmittance of light at the output end of the optical fiber 20 are determined by the thickness of the metal thin film 2. Therefore, by controlling the thickness of the metal thin film 2, the ratio of the intensity of the reference light and the signal light can be arbitrarily determined. In this embodiment, Au is deposited on the end face of the polarization maintaining optical fiber 20 to a thickness of several tens of nanometers.
このことにより、ミラー４ａとレンズ３とが最短距離に
ある場合に（このミラーの位置が４Ａで示されている）
、参照光と信号光の強度の比が１；１となるように設定
されている。ミラー４Ａの位置が変位量測定の原点であ
る（変位量−０）。By this, when the mirror 4a and the lens 3 are at the shortest distance (the position of this mirror is indicated by 4A),
, the intensity ratio of the reference light and the signal light is set to be 1:1. The position of the mirror 4A is the origin of displacement measurement (displacement -0).
第３図の最上段の波形は光ファイバ２０から出力される
干渉光の強度変化をミラー４ａの変位ｍおよび変位方向
に対して示すものである。干渉光強度はミラー４ａの変
位に対して周期的に変化する。すなわち、干渉光強度は
光路差の変化に対してλ（光の波長）の周期で正弦的に
変化する。信号光はレンズ３とミラー４ａとの間を往復
するので光路差はミラー４ａの変位量の２倍に等１．い
。The waveform at the top of FIG. 3 shows the intensity change of the interference light output from the optical fiber 20 with respect to the displacement m and the displacement direction of the mirror 4a. The interference light intensity changes periodically with respect to the displacement of the mirror 4a. That is, the interference light intensity changes sinusoidally with a period of λ (light wavelength) with respect to a change in the optical path difference. Since the signal light travels back and forth between the lens 3 and the mirror 4a, the optical path difference is equal to twice the amount of displacement of the mirror 4a. stomach.
レンズ３からミラー４ａに向う光は拡散光となっている
ので信号光の強度はミラー４ａが遠ざかれば減少するの
に対して、参照光強度はミラー４ａの位置に関係なく一
定に保たれるから、干渉光の極大値はミラー４ａが遠ざ
かれば減少し極小値は増大する。極大値および極小値の
包路線がＭＡＸ、ＭＩＮでそれぞれ示されている。また
。Since the light from the lens 3 toward the mirror 4a is diffused light, the intensity of the signal light decreases as the mirror 4a moves away, whereas the reference light intensity remains constant regardless of the position of the mirror 4a. Therefore, as the mirror 4a moves away, the maximum value of the interference light decreases and the minimum value increases. The envelope lines of the local maximum value and local minimum value are indicated by MAX and MIN, respectively. Also.
第４図はより広いレンジにわ、たってＭＡＸ。Figure 4 has a wider range and is maxed out.
ＭＩＮの変化を示すものである。ＭＡＸ、ＭＩＮの変化
からミラー４ａの移動方向の判別が可能である。This shows the change in MIN. The moving direction of the mirror 4a can be determined from the changes in MAX and MIN.
再び第１図において、光ファイバ２０内を戻りその基端
から出射した干渉光はレンズ１３を経てビーム・スプリ
ッタ１２で反射され、受光素子１４でその光強度に応じ
た電気信号に変換される。受光素子１４の出力は、一方
ではこの出力信号の振幅を一定にするために微分回路１
５に送られ微分される。Referring again to FIG. 1, the interference light that returns within the optical fiber 20 and exits from its base end passes through the lens 13 and is reflected by the beam splitter 12, and is converted by the light receiving element 14 into an electrical signal corresponding to the light intensity. On the other hand, the output of the light receiving element 14 is passed through a differentiating circuit 1 in order to keep the amplitude of this output signal constant.
5 and is differentiated.
（第３図参照）。この微分信号はさらに、０レベルの基
準レベルをもつスレシホールド回路１６でレベル弁別さ
れ、２値化される（第３図参照）。この２値信号の立上
りおよび／または立下りがカウンタ１７によって計数さ
れる。したがって、ミラー４ａの変位量はλまたはλ／
２単位で測定される。たとえば光源１１として波長λ−
０，８μｍのレーザ・ダイオードを用いた場合には０．
４μｍまたは０．２μｍ単位で変位測定が可能となる。(See Figure 3). This differential signal is further subjected to level discrimination by a threshold circuit 16 having a reference level of 0 level, and is binarized (see FIG. 3). A counter 17 counts rising and/or falling edges of this binary signal. Therefore, the amount of displacement of mirror 4a is λ or λ/
Measured in 2 units. For example, as the light source 11, the wavelength λ-
0.8μm laser diode.
Displacement measurement can be performed in units of 4 μm or 0.2 μm.
受光素子１４の出力信号およびスレシホールド回路Ｉ６
の出力信号はＣＰＵまたは方向判別回路１８にも入力し
ている。ＣＰＵ１８は、２値信号が１から０に変化した
ときの受光素子１４の出力を極大値として、０から１に
変化したときの同出力を極小値として読込み記憶する。Output signal of light receiving element 14 and threshold circuit I6
The output signal is also input to the CPU or the direction determination circuit 18. The CPU 18 reads and stores the output of the light receiving element 14 when the binary signal changes from 1 to 0 as a maximum value, and the output when the binary signal changes from 0 to 1 as a minimum value.
そして、被測定物体すなわちミラー４ａの変位にもとづ
く受光素子出力の最大値、最小値の変化を順次比較する
ことにより。Then, by sequentially comparing changes in the maximum value and minimum value of the light receiving element output based on the displacement of the object to be measured, that is, the mirror 4a.
ミラー４ａがレンズ３に近づいているのか、レンズ３か
ら遠ざかっているのかを判別する。極値の記憶は前回分
と今回分だけで足りよう。It is determined whether the mirror 4a is approaching the lens 3 or moving away from the lens 3. It would be sufficient to remember the extreme values for the previous time and this time.
第５図は変形例を示している。ここではｌノンズとして
セルフォックス・マイクロレンズ（分布屈折率タイプの
レンズ）３０が用いられており、このレンズ３０の一端
面に金属薄膜２が形成、されている。レンズ３０と光フ
ァイバ２０の先端との間の距離は一定に保たれるので、
金属薄膜２がレンズ３０に形成されていても参照光の強
度はミラー４ａの位置に無関係に一定である。したがっ
て、第１図または第２図に示されるものと同じ動作が行
なわれる。FIG. 5 shows a modification. Here, a SELFOX microlens (gradient refractive index type lens) 30 is used as the l-nons, and a metal thin film 2 is formed on one end surface of this lens 30. Since the distance between the lens 30 and the tip of the optical fiber 20 is kept constant,
Even if the metal thin film 2 is formed on the lens 30, the intensity of the reference light is constant regardless of the position of the mirror 4a. Therefore, the same operations as shown in FIG. 1 or FIG. 2 are performed.
第１図は光ファイバ変位センサを用いた変位測定装置の
全体を示す構成図、第２図はセンサ部の拡大図、第３図
は干渉光強度信号、その微分出力および微分出力をレベ
ル弁別して得られる２値信号を示す波形図、第４図は干
渉光強度信号の極大値および極小値の包路線を示すグラ
フ、第５図は変形例を示す第２図相当の拡大図である。
１・・・・センサ部、 ２・・・・金属薄膜。
３．３０・・・・レンズ、 ４ａ・・・・ミラー（被
測定物体の反射面）、２０・・・・光ファイバ。
以上Figure 1 is a block diagram showing the entire displacement measuring device using an optical fiber displacement sensor, Figure 2 is an enlarged view of the sensor section, and Figure 3 is an interference light intensity signal, its differential output, and level discrimination of the differential output. FIG. 4 is a waveform diagram showing the obtained binary signal, FIG. 4 is a graph showing the envelope of the maximum value and minimum value of the interference light intensity signal, and FIG. 5 is an enlarged view equivalent to FIG. 2 showing a modification. 1...Sensor part, 2...Metal thin film. 3.30...Lens, 4a...Mirror (reflection surface of the object to be measured), 20...Optical fiber. that's all
Claims (1)
位センサにおいて、被測定物体上の反射面と光ファイバ
先端との間であって、光ファイバ先端からの距離がその
焦点距離から外れた位置にレンズが設けられているとと
もに、光ファイバ先端またはレンズの表面にハーフミラ
ーとなる金属薄膜が形成されていることを特徴とする光
ファイバ変位センサ。In an optical fiber displacement sensor that guides mutually interfering light through an optical fiber, a lens is installed between the reflective surface on the object to be measured and the tip of the optical fiber at a position where the distance from the tip of the optical fiber deviates from its focal length. What is claimed is: 1. An optical fiber displacement sensor characterized in that a metal thin film serving as a half mirror is formed on the tip of the optical fiber or on the surface of the lens.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9678285A JPS61256204A (en) | 1985-05-09 | 1985-05-09 | Optical fiber displacement sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9678285A JPS61256204A (en) | 1985-05-09 | 1985-05-09 | Optical fiber displacement sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61256204A true JPS61256204A (en) | 1986-11-13 |
Family
ID=14174203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9678285A Pending JPS61256204A (en) | 1985-05-09 | 1985-05-09 | Optical fiber displacement sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61256204A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63159705U (en) * | 1987-04-08 | 1988-10-19 | ||
| BE1007172A3 (en) * | 1993-05-19 | 1995-04-11 | Identity E E S V | Measuring device for optic fibre sensors and optic multiplexer/ de-multiplexer device used in that |
| JP2007530970A (en) * | 2004-03-31 | 2007-11-01 | ブリティッシュ・テレコミュニケーションズ・パブリック・リミテッド・カンパニー | Disturbance location assessment |
| KR102071818B1 (en) * | 2019-01-03 | 2020-01-30 | 한국광기술원 | Structure monitoring device |
-
1985
- 1985-05-09 JP JP9678285A patent/JPS61256204A/en active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP4880586B2 (en) * | 2004-03-31 | 2012-02-22 | ブリティッシュ・テレコミュニケーションズ・パブリック・リミテッド・カンパニー | Disturbance location assessment |
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