JPS62204400A - 測定デ−タ決定方法 - 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、光減衰特性が測定値に応じて影響を受ける光
変換器を有する光センサにより光伝送路上の測定データ
を決定する方法であって、前記の光変換器から出力され
る高周波数振幅変調された光伝送ビームの第１ビーム部
分は直接、この光伝送ビームの第２ビーム部分は遅延素
子を経て光伝送路に供給され、この光伝送路を経て受信
ビームとして受信機回路に供給され、この受信機回路が
前記のセンサにより生ぜしめられた変調度変化を処理し
て測定量に関する情報として評価する測定デーテ決定方
法に関するものである。

このような方決は、１９８４年に開催されたファイバ光
センサに関する第２回国際会議の会報″Ｐｒｏｃｅｅｄ
ｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　２ｎｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉ
ｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｆｉｂｅｒ　０
ｐｔｉｃ　５ｅｎｓｏｒｓ”の第３８７〜３９０頁に開
示されている。この従来の技術では、伝送ビームのビー
ム部分の一方であってセンサの変換器によって影響を受
けないビーム部分を光遅延線に通し、ある時間の推移後
、変換器によって影響を受けたビーム部分と再び合成し
、受信機回路に伝送する為に用いられる光導波路に供給
する。

遅延線を通るビーム部分は基準ビームを構成する。

２つのビーム部分の変調部分の相対位相角は種々に変化
する。受信ビームに得られる位相角を伝送ビームのもと
の位相角と比較する。位相角の差すなわち位相量から測
定値に関する情報を得るものであり、この情報は送受信
機からの、また送受信機への伝送路の減衰量のいかなる
変動にも依存しない。光源からセンサまでの伝送路と、
センサから受信機までの伝送路との全長を知っておくこ
とが必要である。その理由は、この条件を導入した場合
のみ、測定値の量を位相角の差から決定しうる為である
。光伝送路の全長が変わると、受信機を再校正する必要
がある。

本発明の目的は、送受信機側での測定値の決定を、受信
機の再校正の必要なく不定の長さのいかなる光伝送路に
対しても行ないうるようにする前述した測定データ決定
方法を提供せんとするにある。

本発明は、光減衰特性が測定値に応じて影響を受ける光
変換器を有する光センサにより光伝送路上の測定データ
を決定する方法であって、前記の光変換器から出力され
る高周波数振幅変調された光伝送ビームの第１ビーム部
分は直接、この光伝送ビームの第２ビーム部分は遅延素
子を経て光伝送路に供給され、この光伝送路を経て受信
ビームとして受信機回路に供給され、この受信機回路が
前記のセンサにより生ぜしめられた変調度変化を処理し
て測定量に関する情報として評価する測定デーテ決定方
法において、前記の光伝送ビームを更に低周波数変調せ
しめ、伝送ビームのもとの変調度ｍ０を低周波数変調信
号の振幅（ＩＮＦ）対高周波数変調信号の振幅（ＩＮＦ
）の比として予め設定し、この変調度ｍ。を受信機に情
報として供給し、光センサにより影響される受信ビーム
の受信受信したた変調信号対もとの変調信号の比を測定
値（Ｍ）に関する情報として評価することを特徴とする
。

理論的考察によれば、２つのビーム部分の変調度の比は
伝送路の減衰量にのみ依存するばかりではなく、その長
さにも依存するということが分かっている。互いに著し
く相違する周波数を用いた本発明による二重変調によれ
ば、伝送により変化した変調度ｍ１を、結果が光検出器
の暗電流によって影響されることなく、受信光信号から
信頼的に決定しうるようになる。

低周波数変調に対し２つのビーム部分間に殆ど位相差が
生じないようにする為には、高周波数変調の変調周波数
対低周波数変調の変調周波数の比を少なくとも１０３と
するのが有利である。

本発明の実施例では、高周波数変調信号に低周波数変調
信号を乗じ、フィルタによって分離された変調信号のピ
ーク値を決定するのが有利である。

高周波数変調信号の変調振幅を低周波数変調信号の変調
振幅の２倍に選択することにより、簡単な回路技術で常
に一定なもとの変調度ｍ。を得ることができる。

方形波モードで変調を行なうのが回路的に特に簡単であ
る。

高周波数変調信号を低周波数変調信号の正の範囲にのみ
重畳させることによっても回路構造を簡単にしうる。こ
の場合、低周波数の方形波変調信号の正の半サイクルの
期間を必ずしも負の半サイクルの期間に等しくする必要
はない。しかし、重畳する高周波数変調信号は正の半サ
イクルと負の半サイクルとが対称的となるように形成す
るのが有利である。このようにすることにより基本的に
、方形波変調が発光ダイオードの瞬時瞬時の特性曲線に
依存しな（なる。

デユーティサイクル（パルスのマーク／スペース比）が
１：１の先方形波パルスの群を送信機が伝送し、各群の
伝送時間に方形波パルスの持続時間の倍数に等しい長さ
の時間間隔を後続させるようにすることにより、既知の
一定変調度を形成する特に簡単な可能性が得られる。

本発明による方法を用い、遅延線の長さをほぼ高周波数
変調信号の波長の半分の奇数倍とすることにより、測定
感度を特に高くしうる。

以下、図面につき説明する。

第１図に示す従来の測定データ決定回路はセンサ１と、
送信機２と、受信機３とを具えており、送信機２および
受信＠３はそれぞれ光導波路４および５により前記セン
サ１に連結されている。変換器６の光減衰動作は測定量
（例えば圧力）Ｍに依存する。光導波路４を経て供給さ
れる伝送ビームはこの変換器６において２部分に分割さ
れ、第１ビーム部分は測定量によって可能な最大量まで
影響を受けてライン７およびホトカップラ（光結合器）
８を経て先導波路５に供給される。測定量により可能な
最低量だけ或いは第１ビーム部分と逆方向に影響を受け
る第２ビーム部分（基準ビーム）は遅延線９を経てホト
カップラ８に、次に光導波路５に供給される。受信機３
は第１および第２ビーム部分による信号を受信し、この
信号を処理し且つ評価して測定値Ｍを表わす指示を形成
する。

遅延線９は２つのビーム部分の変調波の位相および振幅
を互いに相違させる。遅延線の代わりに、例えばルミネ
ッセントクリスタル（１９８１年発行のエレクトロニク
ス・レターズ”　ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒ
ｓ　”１７の第６３０頁を参照）のようないかなる他の
種類の遅延素子をも用いることができる。

発光ダイオード１０から放出される光の強度は第２図に
示す送信機により特に１０〜１００ＭＨｚの周波数の高
周波数変調および０．５〜２ｋｌｌｚとするのが好まし
い低周波数変調を受ける。変調電流は重畳装置１３を経
て、符号１２で示す位置で、直流電流源１１により生ぜ
しめられ直流電流に重畳せしめられる。変調電流は高周
波電圧源１４、低周波電圧源１５および直流電圧源１６
および１７により生ぜしめられる。電圧源Ｉ４および１
５の各々は所望の信号変化に応じて正弦波或いは方形波
信号を生ぜしめることができる。

第３図の受信機の光電変換器（ホトダイオード）１８は
光導波路５を経て供給された変調された光を、強度変化
が光に等しい電気信号に変換する。

しかし、暗電流１、が追加的に重畳されている。

伝送された信号のいかなる一定の光成分もまた光電変換
器１８の暗電流もコンデンサＣにより阻止される。高周
波数変調信号は高域通過フィルタＩＩＰを経て、増幅さ
れ且つピーク値整流された後サンプル・ホールド回路１
９に供給され、低周波数変調信号は低域通過フィルタＴ
Ｐを経て、増幅され且つピーク値整流された後にサンプ
ル・ホールド回路２０に供給される。サンプル・ホール
ド回路１９および２０は送信機からラインａを経て供給
される低周波数変調期間と同期させめられる。低周波数
変調信号の最大値に対する測定時間の所望の割当ては遅
延素子２１によって得られる。低周波数変調信号が方形
波モードで変化していない場合にも、しきい値スイッチ
２２が方形波出力信号を生じる。

評価回路２３は異なる周波数を有する変調信号を復調し
、測定値Ｍに比例する情報が得られるようにする。

第２および３図に示す回路を用いることにより、本発明
により二重変調した異なる形状の信号を伝送し、評価せ
しめることができる。

電圧源１４および１５（第２図）を同一構成とする場合
、例えば変調により連続的に正弦波形状とした信号を生
せしめることができる。この場合同時に第２図の重畳装
置１３をマルチプライヤの形態とすれば、例えば第６図
に示すような送信信号の変化を得ることができる。

第４および第５図に示す信号変化に相当する方形波低周
波数変調を行なう回路はその形成が特に簡単である。

高周波パルスが伝送される伝送期間の後には高周波パル
スが伝送されない時間間隔が続く。この伝送期間と時間
間隔とは異なる長さにすることができる。しかし、高周
波変調周波数ＨＦは低周波変調周波数ＮＦよりもすなわ
ち順次の伝送期間および時間間隔のそれぞれの低クロツ
ク周波数よりも著しく高くすることが重要である。

第４，５および６図は、送信機側で高周波数変調の振幅
を低周波数変調の振幅の２倍としている信号形状を示し
ている。この場合、最初に伝送される信号の変調度はＭ
、＝０．５である。この値は送信機の構造の為に存在す
るものであり、変えることができない為、送信機側では
値ｍ。＝０．５が一定量として存在する。この場合の送
信機は、時間に対し常に■。、＝■１のオフセット部分
を有する振幅１１１Ｆで高周波の強度変調された変動光
が時間に対し変えることのできない基本レベルすなわち
一定の光ｔｃ　　（この光Ｉ、は値“零″゛とすること
もできる）上に重畳されるような構造に常にする必要が
あり、しかも所定の時間間隔（ポーズ期間）中振幅ＩＮ
Ｆを値“零′′にする必要があるということが不可避で
ある。オフセット部分■。Ｆは低周波数変調信号■。Ｆ
＝２ＩＮＦとして伝送される。

この伝送は第６図に示すような正弦波状の変化或いは第
４又は５図の左側に示すような方形波変化をともなって
行なうことができる。オフセット部分■。Ｆを低周波信
号゛として伝送すると、その振幅を一定な先部分から分
離しうるという利点が得られる。特に、受信機のホトダ
イオードの暗電流■。によりオフセット部分の値に影否
を及ぼさないようにしうる。

一方、低周波数変調の周波数は極めて低い為、ビーム部
分の２通路７および９（第１図）におけるオフセット部
分Ｉ。Ｆの位相が互いに殆どシフトしない。この点では
一定光部分に比べていかなる相違も殆どない。

第４および５図の左側は送信機側での光パルス変化を示
しており、第４および５図の右側は受信機側でホトダイ
オード１８によって生せしめられた関連の電気出力信号
を示している。

第４図によれば、特性曲線２４が湾曲変化している発光
ダイオード１０は時間に依存しない一定部分を有する制
御電流１１で動作せしめられ、この−足部分で一定光Ｉ
６を生ぜしめる。この一定のオフセット部分の為に、発
光ダイオード１０は特性曲線２４のうちほぼ直線的な範
囲で動作し、従って変調半波は同じとなる。高周波の順
次のパルスのブロックが前記の一定部分上に重畳され、
これらのパルスにより振幅１）ＩＦを有する伝送光の正
弦波状の強度変動を生ぜしめ、これらの強度変動を、オ
フセット強度１０Ｆを以って一定光■６上に重畳せしめ
る。

従って、ホトダイオード１８の電気出力信号は一定光部
分１６′を含んでおり、この一定光部分はホトダイオー
ド１８の暗電流■。を追加的に含んでいる。しかしこの
一定光部分から暗電流を分Ｉ離する必要はない。その理
由は、暗電流Ｉ。によって影をされずに伝送オフセット
部分■。、に比例するオフセント部分■。Ｆ′を評価す
る為である。

値Ｉ。Ｆ′は測定値Ｍによって影響され、遅延線９によ
っては影響されずに、一方受信信号１１１Ｆ′　は、遅
延線９により生じる影響の為にオフセット部分に対する
その相対量に関して減少する。従って、受信変調度ｍ１
は送信変調度に比較して変化する。

この変化の程度が得るべき測定値Ｍに関する正確な情報
である。

送信機側での高周波数変調は、フリップフロップ回路を
有する簡単な構成の対応する電圧源１４を用いて方形波
変化を以って第４図につき説明したのと同様に行なうこ
ともできる。この場合も、高域通過フィルタＨＰの代わ
りに帯域通過フィルタを用いて、方形波高周波数変調（
送信変調）の基本周波数のみを評価するようにすれば、
第３図の回路を用いて受信機側で評価を行なうことがで
きる。

特に簡単で好適な本発明の実施例は第５図に示す信号変
化を行なうようにすることにより得られる。この第５図
では、デユーティサイクル（オン／オフ比）が“１″と
なるように時間間隔で分離したブロックの貰周波方形波
モードで制御電流１２がパルス化されている。この制／
４Ｂ電流により、発光ダイオードの特性曲線２４の曲率
にかかわらず常に、デユーティサイクルが“１”の方形
波光変調信号が得られ、条件Ｉ、、−Ｉ。Ｆが正確に満
足される。

第５図の右側に示すホトダイオード１８の電気出力信号
も方形波変化を呈している。この場合遅延線９の長さΔ
Ｌは変調波長の半分の奇数倍λ （ｌ　ｔ、＝　（２ｋ＋　１）　−；　ｋ＝ｏ＋　ｔ、
　２−−−）とした為、第３図の高域通過フィルタＨＰ
を帯域通過フィルタと置換える必要はない。

この場合、遅延線の長さΔＬの代表的な値は変調周波数
ω、、および関連の波長λに依存して次の値とする。

λ＝２ｍおよびωＨＦ＝１００ＭＨｚに対しΔＬ＝１ｍ
λ＝２０ｍおよびＱ）　ＩＩＦ　＝　ＩＯＭ　Ｈｚに対
し、ｄＬ＝１０ｍ遅延線９を経る通路部分の透過率Ｔ、
と直接路（ライン）７を経る通路部分の透過率Ｔ２との
間の比であって測定値Ｍを伝達するのに必要とする比は
以下の式から得られる。

λ ΔＬ＝　（２に＋１）−とした場合、 ｍｏ　　　Ｔ、＋Ｔ２ この式は一般に となる。ここにΔψ＝２π・ΔＬ／λである。

伝達路の終端における強度と、この伝達路の開始端にお
ける最初の強度との比を通常のように透過率Ｔと称する
。

λ Δψ＝（２に＋１）−の場合、或いはこの条件が少なく
とも殆ど満足される場合に最大の測定感度が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、光遅延線を用いた光センサにより測定データ
を決定する基本回路を示す線図、第２図は、本発明によ
る方法に適した送信機回路を示すブロック線図、 第３図は、本発明による方法に適した受信機回路を示す
ブロック線図、 第４図は、本発明の一例による信号変化を示す線図、 第５図は、本発明の他の例による信号変化を示す線図、 第６図は、本発明の更に他の例による送信信号の変化を
示す線図である。 １・・・センサ　　　　　　２・・・送信機３・・・受
信機　　　　　　４．５・・・光導波路６・・・変換器
　　　　　　７・・・ライン８・・・ホトカップラ　　
　９・・・遅延線１０・・・発光ダイオード １１．１６．１７・・・直流電流源 １３・・・重畳装置 １４・・・高周波電圧源 １５・・・低周波電圧源 １８・・・光電変換器 １９．２０・・・サンプル・ホールド回路２１・・・遅
延素子 ２２・・・しきい値スイッチ ２３・・・評価回路 特許出願人　　　エヌ・ベー・フイリ・ンプス・フルー
イランベンファブリケン ♀ ｍ− 〜 ＼１ｋｌ ？。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光減衰特性が測定値に応じて影響を受ける光変換器
   を有する光センサにより光伝送路上の測定データを決定
   する方法であって、前記の光変換器から出力される高周
   波数振幅変調された光伝送ビームの第１ビーム部分は直
   接、この光伝送ビームの第２ビーム部分は遅延素子を経
   て光伝送路に供給され、この光伝送路を経て受信ビーム
   として受信機回路に供給され、この受信機回路が前記の
   センサにより生ぜしめられた変調度変化を処理して測定
   量に関する情報として評価する測定デーテ決定方法にお
   いて、前記の光伝送ビームを更に低周波数変調せしめ、
   伝送ビームのもとの変調度ｍ＿０を低周波数変調信号の
   振幅（Ｉ＿Ｎ＿Ｆ）対高周波数変調信号の振幅（Ｉ＿Ｈ
   ＿Ｆ）の比として予め設定し、この変調度ｍ＿０を受信
   機に情報として供給し、光センサにより影響される受信
   ビームの受信変調度ｍ＿１＝Ｉ′＿Ｎ＿Ｆ／Ｉ′＿Ｈ＿
   Ｆを受信機により測定し、受信した変調信号対もとの変
   調信号の比を測定値（Ｍ）に関する情報として評価する
   ことを特徴とする測定データ決定方法。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の測定データ決定方法
   において、高周波数変調の変調周波数（ω＿Ｈ＿Ｆ）対
   低周波数変調の変調周波数（ω＿Ｎ＿Ｆ）の比を少なく
   とも１０＾３とすることを特徴とする測定データ決定方
   法。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の測定デー
   タ決定方法において、高周波数変調信号に低周波数変調
   信号を乗じ、フィルタによって分離された変調信号のピ
   ーク値を決定することを特徴とする測定データ決定方法
   。 ４、特許請求の範囲第１〜３項のいずれか１項に記載の
   測定データ決定方法において、高周波数変調信号の振幅
   （Ｉ＿Ｈ＿Ｆ）を低周波数変調信号の振幅（Ｉ＿Ｎ＿Ｆ
   ）の２倍とすることを特徴とする測定データ決定方法。 ５、特許請求の範囲第１〜４項のいずれか１項に記載の
   測定データ決定方法において、低周波数変調を方形波モ
   ードで行なうことを特徴とする測定データ決定方法。 ６、特許請求の範囲第１〜５項のいずれか１項に記載の
   測定データ決定方法において、高周波数変調信号を低周
   波数変調信号の正の範囲にのみ重畳することを特徴とす
   る測定データ決定方法。 ７、特許請求の範囲第５項又は第６項に記載の測定デー
   タ決定方法において、低周波数方形波変調信号の正の半
   波の持続時間を負の半波の持続時間と相違させることを
   特徴とする測定データ決定方法。 ８、特許請求の範囲第５〜７項のいずれか１項に記載の
   測定データ決定方法において、重畳する高周波数変調信
   号を対称的な正および負の半波を以って形成することを
   特徴とする測定データ決定方法。 ９、特許請求の範囲第５〜８項のいずれか１項に記載の
   測定データ決定方法において、送信機が、デューティサ
   イクルが“１”の光方形波パルスの群を伝送し、送信側
   で方形波パルスの各群に必ず、方形波パルスの持続時間
   の倍数に等しい長さの時間間隔を後続させることを特徴
   とする測定データ決定方法。 １０、特許請求の範囲第１〜９項のいずれか１項に記載
   の測定データ決定方法において、遅延線の長さをほぼ高
   周波数変調信号の波長の半分の奇数倍とすることを特徴
   とする測定データ決定方法。