JPS62257037A - 光フアイバ圧力センサ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、特定の構造を有する元ファイバがセンサ部と
して被測定圧力にさらされ、静圧又は動圧を光学的に測
定できる元７アイバ圧カセンサに関するものであシ、セ
ンサとなる元ファイバの細径性、柔軟性により種々の対
象物内の圧力を測定することが可能な元７了イパ圧カセ
ンサに関するものである。

〔従来の技術〕

光７テイバをセンサとして圧力を測定する装置としては
、種々のものが提案されている。そのほとんどは、第２
図に示すようにレーザ光源≠７からの光をハーフミラ−
≠６により二つに分けて、これを再度合波して干渉させ
検出器弘μで検出する干渉計の構成を有する。第２図に
おいて、一方の光路となる基準７フイバ≠３を伝播する
元と他方の光路となるセンサファイバｌ−を伝播する元
の干渉が測定対象の圧力Ｐの影響を受けて変化するのを
読みとり圧力変化に換算するものである。ここで干渉状
態を変化させるためにはセンサ側の″／１ファイバに長
さ方向の変位を与えることが有効であり、そのための変
換手段を必要とする。第３図は圧力容器ｌＡ７内の圧力
変化をその周囲に密に巻かれたセンサファイバμコの長
ざの変化に変換するための構成を示す。

干渉計を構成しない例としては、元ファイバのマイクロ
ベンド損失を用いるものが提案されている。これは尤フ
ァイバに微少な径の曲が９が誘起されると　伝播モード
の一部がクラッドモードとなって元フ了イバから失なわ
れることを利用するものである、第μ図は、マイクロペ
ンド損失を利用しまた圧力センサの構成例を示す。（、
）は全体の構成、（ｂ）は変換器部分の構成である、ｒ
ｉはレーザ光源、ｊｊはセンサファイバ、ｊコノ２′は
モード分ｍ器、！弘は受光器、よ３はマイクロペンドを
与えるための変換器である。モード分離器ｊコ５２’は
クラッドを伝播する光を除去するための構成であシ、被
測定圧力は圧力板よ乙の変位に変換されて、センサファ
イバにマイクロベンドを誘起する。圧力板の変位債と圧
力が一定の関係となる構成をとれば出力光の強度を測定
することにより、圧力の測定が可能となる。この場合に
おいてもセンサファイバに変位を与えるだめの構成を必
要とするととは第２図、第３図の構成と同様である。

〔発明が解決しようとする問題点〕 従来の元ファイバを用いた圧力センサにおいては、圧力
を精度よく機械的な変位に変換する構成を用いることな
しには静水圧を安定に測定することが困難であり、また
干渉計を構成する場合にはその光学的な構成および変化
量の検出手段が複雑であった。

本誉発明は、このような問題を解決し、干渉計を構成す
る必要がなく、また圧力を変位に変換する機械的な構成
を用いることなく、単一のセンサファイバを用いて圧力
の測定を可能とする元７アイバ圧カセンサを与えるもの
である・ 〔問題点を解決するための手段〕 本景発明では、センサファイバとして単一モードのみを
伝播するコアの周囲のクラッド部が、長手方向に連続し
た穴を有するサイドホール７アイパを用いる。このファ
イバにおいて、内部の穴に測定対象の圧力が印加されれ
ば、非等方的な変位がコアに生じ弾性光学的に複屈折が
誘起される。

よって・伝播光の偏波状態の変化が生ずる。ファイバ内
部の穴の内圧が一定に保九れ、ファイバに加わる外圧が
変化した場合も同様の現象が起こる。

圧力と誘起される複屈折の大きさは主にサイドホールフ
ァイバの構造により定まる。偏光状態の変化は周知の光
学的手段により検出できる。一定圧でのファイバの変位
は一定であるから、静水圧および動圧の測定が再現性よ
くできる。

〔作　用〕

第！因は本発明に用いるサイドホールファイバの断面で
ある。

ｌはコア、λはクラッド、３ａ＋　Ｊｂは穴である。

いま、圧力が印加される部分の長さをｔ、圧力Ｐにより
位相φが変化する割合をｄφ／ｄＰとすれば圧力に対す
る感度係数は８＝ｔ−’ｄφ／ｄＰとなる。

サイドホール内の圧力変化によるファイバの複屈折の変
化はサイドホール内の圧力をＰｉ、感度係数を８１とす
れば、５ｉＰｉで表現され、ファイバに加わる外圧の変
化による複屈折の変化は外圧をＰ０１位相感度をＳ。と
すればＳ。Ｐｏ　である。この時、サイドホール内の圧
力変化Ｐｉと、ファイバに加わる外圧の変化Ｐ０は、７
アイバコアに対して逆方向の変位を与えるから、５ｏ＝
−８Ｉの関係となる。

よって、サイドホール内圧Ｐｉ又は外圧Ｐ０　　が変化
した時のセンナファイバの夜屈折率Ｂは次式％式％ ここで、Ｂｏはサイドホールファイバが固有に有する残
存複屈折である。

係数Ｓとサイドホールファイバのパラメータはサイドホ
ールの直径を２ｒ、ファイバ径を２ｂ。

コアＣ＋　屈折率を　ｎｏ　、シリカの光弾性テンンル
をπ１７．πＩ２．尤の波長をλとすると、の関係があ
る。尤の波長としてλ−０，１，３３μｍ　を選択すれ
ば、Δ＝０．２！Ａ％１，２ｂ＝２００μｍ　。

−２ｒｏ　＝Ａよμｍ　のサイドホールファイバを用い
た場合に、シリカについて・（π３．−π１１）壬−２
≠Ｘ　１０−１１！ｐａ−１であるから、Ｓｉニタｉｓ
　Ｘ　／　０−’ｒａｄ　ｍ−１Ｐａ−’　　と予測濱
れる。

〔実施例〕

本発明は、サイドホールを有する元ファイバをセンサと
して用い、内部′５ｔ＠播する元の偏光状態の変化を測
定することを基本とする。その構成はセンサファイバの
設ｆｆに関してはサイドホールの内圧Ｐｉが変化する態
様又は　Ｐｉが一定で外部圧力Ｐ０が変化する態様が可
能となる。また伝播する尤の偏光状態の変化の測定系と
しては　センサファイバを通過した元について測定する
態様、又はセンサ７アイバの遠端から反射してもどって
くる尤について測定する態様が可能である。これらは測
定対象、測定条件により任意に組み合わせて用いること
ができる。偏光状態の変化の測定は、従来の測定方法に
よる。偏光状態の変化を圧力変化に換算するには既知の
圧力と偏光状態の変化の測定を行ない具体的な感度係数
を定める必要がある。

実施例／。

第１図は本発明の元７テイバ圧カセンサの実施例を示す
図であり、サイドホール内の圧カ一定（大気圧）で、外
圧Ｐ。の変化をセンサファイバの透過光から検出する構
成を有する。第１図において、≠はレーザ光源、ｊは偏
光子、６および／３は十波長板、７ａ＋７ｂはレンズ、
ｒはセンサファイバ、りは圧力容器、１０ａ、１０ｂは
シール部、ｌｌはハーフミラ−１ｌλａｔ／２ｂ）″ｌ
ｔウォラストである。レーザ光源≠からの元は偏光子！
および十波長板６を通過することにより完全に円偏光と
されレンズ７哀を介して、センサファイバざのコアに結
合される。

Ｐｉ＝Ｐｏ（＝−気圧）の時、入射された元はセンサフ
ァイバｒの残留複屈折り。が零又は　小さい時は円偏光
のまま出射される。受光系においては出射光はレンズ７
ｂＫより、平行光とされ、直進してウォラストンプリズ
ム／２ａに入射する元は１２ｍの主軸の調整によシ元検
出器／ｊａ、　／Ｊ’ｂに等分されて受光される。ｔた
、ハーフミラ−ｌｌおよびミラーｌ≠により反射された
出射光は十波長板１３により直線偏光にもどされ、ウォ
ラストンプリズム／２ｂの主軸をこの／ＡＩ光方向に一
致させることによシ、／ｊｃ又は／Ｊ−ｄのいずれか一
方のみの光検出器により検出てれる。この状態が基準状
態となる。圧力容器にＰ。が印加されることによって、
Ｐｏと　ｐｔ　Ｋ差が生ずるため、（１）式にそって複
屈折が生じセンサファイバからの出射光は楕円偏光とな
る。この時、ウォラストンプリズム／２ｍから出射され
る光の光検出器／ｊａｌ／ｌｂにより受光される割合か
ら楕円偏光の楕円体の傾きを知ることができる。十波長
板１３とウォラストンプリズムｌコｂを通過する元が受
光器ｌよｃ＋／ｊｄ　　に↓シ受光される割合から楕円
偏光の楕円率を知ることができる。／ｊａとｉｓｂおよ
び／ｊｃとｌｌｄにより受光される光量比を求め、これ
により求まる偏光状態からセンサファイバの複屈折率Ｂ
の変化を求める構成は、１６の電子回路および表示部に
含まれる。第６図は測定結果を示す。ＰｏとＰｉが等し
い状態でも約３００　ｒａｄ／ｍの複屈折が観測された
。これは主にサイドホールファイバの製造時に生ずるコ
アの変形によっていると解される。サイドホールファイ
バはコア、クラッド構造を有する元ファイバ母材に超音
波ドリル等により長手方向にコアにそった穴を形成し、
この穴あき母材を線引きしてサイドホールファイバとす
るのが一般的である。この時にコアの周囲が均一でない
ことによって、線引き後のコアが楕円状の断面を有する
ものとなる場合がある。Ｐｏを増加させた場合の複屈折
りの変化は、第６図の縦軸から右側のプロットとして得
られる。この直線の傾きから求まる係数は８０　＝　／
／、０ＸｌＯｒａｄｍ　　ＰＨ−’　テアル。理論値と
の差は複合的な他の要因によると考えられる。

実施例コ 第７図は、第２の実施例の構成を示す。本実施例ではセ
ンサファイバの遠端からの反射光を受光することにより
反応容器内の圧力を検出する・≠はレーザ光源であり、
／りは反射光を受光系に導くためのハーフミラ−である
。ハーフミラ−ＩＩから先の受光系の原理は実施例１と
同一である。

本実施例では、容器り内の圧力変化がセンサファイバｒ
のサイドホール内の内圧Ｐｉの変化となるように、セン
サファイバどの入射端ｆａにおいてサイドホールはふさ
がれておυ、遠端♂ｂにおいてはサイドホールは容器内
に開放されている。

この構成においては、センサファイバ♂が容器り内に挿
入されている長さには意味がなく、センサファイバ♂の
全長が伝播光に位相変化を与えるように作用する。伝播
する元は往復分の作用を受けるためにセンサファイバ長
の２倍が有効なセンサ長である。センサファイバの遠端
♂ｂはサイドホールを容器７申に開放しておくという条
件を保持して反射効率を高めるために、蒸着等の処理を
してミラー化しておくことが測定の精度を高める上で効
果がある。

第６図の縦軸よシ左側は実施例１と同じ有効長を有する
センサファイバを用いて、本実施例で測定した結果を示
す。測定結果から求まる係数は・８Ｂ　＝　／　０．２
　Ｘ　／　０−’　ｒａｄ　ｍ−”　Ｐａ−”　　であ
シ、Ｓｏ　　と多少異なった値を示す。これはセンサフ
ァイバの方向によるひずみ方の差によると考えられる。

実施例３ 第ｇ図は１本発明の第３の実施例を示す。本実施例では
、パルス光源弘′よりパルス状に入射した元の後方レイ
リー散乱光を測定することにより、センサファイバ♂に
縦列に設置された圧力容器２．２ａ、２コｂ、２コＣ・
・・の各容器における圧力を検出しようとするものであ
る。受光される元がセンサファイバｒからの後方レイリ
ー散乱光であ為ことを除いて受光部の構成は実施例２と
同様である。後方レイリー散乱光は、センサファイバｒ
の全長にわたって発生するから、圧力容器２２ｔｘＯ後
端から発する散乱光はＰ！、ｌによる位相変化を容器２
２ａ内のセンサファイバ長の一倍の長さにわたって受け
ることＫなる。同様に圧力容器２２ｂの後端から発する
散乱″／ｌ、は、前記位相変化に加えてｐｏｔによる位
相変化を圧力容器、２２ｂ内にあるセンサファイバ長の
２倍の長さにわたって受けることになる。内ｎ２２ａか
らもどる散乱光とＪ２ｂからもどる散乱光は受光器／ｊ
ｓ−／ｊｄに光路長差だけの時間差をもって致達するか
ら、受光器からの信号を時間的に分解して処理すれば、
２コａと２２ｂの圧力に関する情報を別々に得ることが
できる。更に２２ｃの容器が設置されている場合屹同様
である。

以上の実施例において、受光系はウォラストンプリズム
と十波長板を用いた構成としたが、反射光又は透過光の
偏光状態を測定できるものであれば、他の構成とおきか
えることもできる。

センサファイバとして用いたサイドホールフフイパは、
第３図に示すコアの両側に穴を有するファイバを用いた
が、第６図に示すように穴は一つでもまた二つ以上でも
よく、内圧、外圧の変化により２フィバコアに不均一が
盃を二多入本の〒もればよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば従来の元フテイバ
センサのように干渉計を構成したシ、圧力を変位に変換
するための構成は不要となり、センナファイバのみで圧
力の測定が可能となる。

本発明の元７アイパ圧カセンサではファイバ内圧ｔ’ｉ
を一定とする構成とすれば、圧力が印加される部分に存
在するファイバの長さによシ感度が決定されるため、任
意の感度での圧力の測定が可能である。また、内圧Ｐｉ
が変化する構成をとれば、センサファイバ全長が有効長
として作用するため、微少な圧力変化の測定も可能であ
る。本発明の測定原理より、測定対象の圧力は、静水圧
。

動圧を問わない、また、後方散乱光を測定する構成とす
れば、圧力分布の測定も可能となる。

本発明のセンサファイバは、主にシリカ系ファイバで形
成されるため、フッ酸以外の強酸に対しても安定であシ
、また、１０００℃程度までの高温域での使用も可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の尤ファイバ圧カセンサの第一の実施例
を示す図、第２図は従来の元フ了イパ圧カセンサの一般
的構成を示す図、第３図は圧力Ｐをセンサ７テイバの長
さの変化に変換する構成を示す図、第μ図はマイクロベ
ンド損失を用いた圧力センサの構成図、第ｊ図はセンサ
ファイバとしてのサイドホールファイバの断面図、第６
図は圧力の測定例、第７図は反射を用いた実施例を示す
図、第ｒ図は後方レイリー散乱を用いた圧力センサの実
施例、第り図はサイドホールファイバの他の実施例を示
す図である。 ｌ・・・コア、コ・・・クラッド、ｊａ、Ｊｂ・・・穴
、μ・・・レーザ光源、≠′・・・パルス光源、ｊ・・
・偏光子、乙、１３・・・十波長板％　７ａ＠　７ｂ・
・・レンズ、！・・・センナファイバ、り・・・圧力容
器％　　＃７ａ＋　＃）ｂ　　・・・シール部、／／、
　　／り・・ｍ　バー　７ミラー、／Ｊａ＋　／−２ｂ
・・・ウォラストンプリズム、ｌ≠・・・ミラー％　　
／ｊａｍ／ｊ　ｂ　ｌ／ｊ　ｃ　＋　／ｊ　ｄ・・・光
検出器、／Ａ・・・電子回路および表示部、ｌＡＪ・・
・基準ファイバ、ｊ３・・・変換器、ｊ６・・・圧力板
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. クラッド部に一個もしくは複数個の長手方向に連続した
   穴を有する一定の長さのサイドホールファイバをセンサ
   部とし、該ファイバの一端から特定の偏光状態の光を入
   射するための光源および光学系と、前記サイドホールフ
   ァイバの一端から入射し該ファイバを伝播した後、該フ
   ァイバの他端から出射する光又は入射端へもどる光をそ
   の偏光状態を含めて検出する光学系、光検出器および演
   算部を有することを特徴とする光ファイバ圧力センサ。