JPS629255A - 湿度の測定方法およびこれに使用する湿度センサ - Google Patents

湿度の測定方法およびこれに使用する湿度センサ

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JPS629255A
JPS629255A JP14678985A JP14678985A JPS629255A JP S629255 A JPS629255 A JP S629255A JP 14678985 A JP14678985 A JP 14678985A JP 14678985 A JP14678985 A JP 14678985A JP S629255 A JPS629255 A JP S629255A
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神永 建二
Shinichi Tsuchiya
信一 土屋
Teruaki Tsutsui
筒井 輝明
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Hitachi Cable Ltd
Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/43Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
    • G01N21/431Dip refractometers, e.g. using optical fibres

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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)

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] 本発明は光フアイバ自体を湿度センサとして用いた湿度
の測定方法および光フアイバ形の湿度センサに関する。
[従来の技術] 従来の湿度測定は、セラミック・プラスチック等の素材
の湿度に対する抵抗変化や容量変化を利用し、これらを
電気的に検出して湿度を求める方式が大半を占めている
また、光ファイバを用いる方式としては、第7図に示す
ように、送光用光ファイバ1の出射端と受光用光ファイ
バ2の入射端とを空間3を隔てて対向させて配置し、空
間3内の空気の湿度変化によるその赤外吸収強度変化を
利用して、光源4からの光を送光用光ファイバ1.空間
3および受光用光ファイバ2を伝送させてその強度を受
光器5にて検出する方式がある。更に、この方式を改良
したものとして、送・受光用光フアイバ間に特定波長の
吸収係数が湿度によって変化する感湿樹脂を介装する方
式も提案されている(特開昭56− 67738号)。
[発明が解決しようとする問題点] ところが、上記の湿度に対する抵抗変化等を電気的に検
出する方式では、高電圧環境下における湿度検出には適
用上、電気雑音など多くの問題がある。更に、この方式
では、湿度により抵抗等が変化するセンサが設置された
極く限られた領域内の湿度しか検出できず、長区間に亙
る湿度分布を測定する場合には数多くのセンサを設置す
る必要がある。
また、第7図に示す光学方式では、高電圧下でも適用可
能であるが、湿度変化などによって送光用光ファイバ1
と受光用光ファイバ2との光軸がずれたり、あるいは外
気中のほこりの影響を受けたりし易く安定した測定が困
難であり、限定された環境下でしか使用できない。更に
、光学レンズ6や光ファイバ1,2を支持する冶具等に
高精度加工が要求される。
一方、送・受光用光フアイバ間に感湿樹脂を介装する方
式では、光学系の固定が容易となると共に湿度以外のほ
こり等の影響を受けにくくなる。
しかし、感湿樹脂の吸湿膨潤によって感湿樹脂と光ファ
イバとの結合部にマイクロベンドが生じ、これに伴い損
失が増加し安定した測定が難しい。
また、感湿樹脂が経年劣化し十分な長期性能が得られな
い。更に光伝送路に感湿樹脂を挿入する方式であり、感
湿樹脂を厚くして湿度変化に対する感度を上げようとす
ると、必然的に光の減衰が大きくなり受光量が低下する
という問題がある。また、特定の波長の光のみを検出す
る方式であるため、装置が高価なものとなる。
[発明の目的] 本発明は以上の従来技術の問題点を解消すべく創案され
たものであり、本発明の[1的は、高安定。
高精度でしかも適用範囲の広い湿度測定を安価に実施で
きる湿度の測定方法およびこれに使用する湿度センサを
提供す°ることにある。
[発明の概要1 上記の目的を達成するために、本発明は、その湿度を測
定しようとする被測定気体が光ファイバコアに直接接触
するようにし、被測定気体の湿度によりその屈折率が変
化することによって光ファイバコアを伝播する光のモー
ドに変化が生ずることを利用して湿度を検出するように
なしたものである。
[実施例] 以下に本発明の実施例を添付図面に従って詳)ホする。
第1図には本発明の湿度測定方法を実施するための装置
を示す。同図において、7は石英、多成分ガラス、プラ
スチック等からなる光ファイバコアであり、光ファイバ
コア7は空気等の被測定気体で満たされた測定域8に配
設されている。光ファイバコア7の一端には光源9が、
また他端には受光器10が設けられている。
光源9より光ファイバコア7に入射された光は光ファイ
バコア7を伝播し受光器10によりその強度が検出され
る。ところが、光ファイバコア7は被測定気体によって
取り囲まれており、光ファイバコア7の外周は被測定気
体のタラッディングとなっている。また、被測定気体の
湿度が増加するとその屈折率も増加し、第3図に示す如
く、光ファイバコア7の屈折率n、に対し被測定気体の
屈折率noはその湿度変化により変動する。このため、
被測定気体の湿度変化に応じてその屈折率が変化すると
、光ファイバコア7とその外周の被測定気体との屈折率
差n c −n aにより決定される光ファイバコア7
内の光の伝播モードが変化しその結果、受光器10によ
り検出される透過光強度が変化する。従って、受光器1
0の透過光強度から被測定気体の湿度が求まることにな
る。なお被測定気体の湿度による屈折率変化は温度によ
る屈折率変化よりも著しく大ぎいので、湿度の変化を正
確に検出できる。
このように、本発明では光ファイバコア7自体を湿度ヒ
ンリとして用いているため、高電圧下は勿論のこと広範
な環境下において使用できると共に経年劣化や光学系の
軸ずれ等による損失もなく安定した高精度の湿度測定が
できる。更に、特別な感湿素子等も不要であり、また測
定波長に制限もなく安価に実施できる。
第2図には、光ファイバコア7に光を入射したとき、そ
の散乱光のうち入射側に戻る後方散乱光の強度から被測
定気体の湿度を求める測定装置を示す。パルス発生器1
1により光源9を変調してパルス光を発生させ、これを
光ファイバコア7に入射する。光ファイバコア7の軸方
向には適宜間、  隔にて被測定気体が包囲する測定域
8・・・があり、光ファイバコア7に入射されたパルス
光は各測定域8の被測定気体の湿度変化による屈折率変
化に、  応じた散乱を受け、その後方散乱光の強度は
ハーフミラ−12を介して受光器10により検出される
。パルス発生器11のパルス発生時間はタイミング発生
器13で監視し、このパルス発生時間と受光器10が検
出した後方散乱光のパルス検出時間および強度とから信
号処理回路14で各測定域8の湿度を算出し、ディスプ
レイ装置15に表示する。上記の透過光強度による湿度
測定は1点測定ないし測定域8の平均湿度の測定であっ
たが、この湿度測定は測定域8・・・の多点測定となっ
ている。なお、連続的な湿度分布測定も可能である。
次に、上記光ファイバコア7の機械的強度を補い且つ被
測定気体を流通させつつ被測定気体で光ファイバコア7
を包む気体タラッディング構造を有する本発明の湿度セ
ンサについて述べる。
第4図または第5図に示す如く、光ファイバコア7の外
周にはその軸方向に沿って波形管状体としてのハロン形
スペーサ16が設けられている。
ハロン形スペーサ16は、光ファイバコア7に嵌合し光
ファイバコア7を固定支持する小径部16aと光ファイ
バコア7の外周に被測定気体の気体層17を形成さける
だめの大径部16bとからなる。大径部16t)には、
被測定気体を流通させるための流通孔18が多数形成さ
れており、大径部16bは多孔質状となっている。ハロ
ン形スペーサ16の外周には湿度センサに耐張力性を与
えるための繊維構造のテンションメンバ19・・・が設
けられている。光ファイバコア7の軸方向に沿うテンシ
ョンメンバ19はハロン形スペーサ16の周方向に適宜
開隔にハロン形スペーサ16を取り囲むように設けられ
ている。更に、これらテンションメンバ19の外周には
多数の通孔20を有する多孔質シース21が被覆されて
いる。
このように多孔質シース21外側とハロン形スペーサ1
6内側の気体層17とが通孔20および流通孔18を介
して連通されているので、多孔質シース21外側の被測
定気体は気体層17に流入し、逆に気体層17内の気体
は外部へと流出し、光ファイバコア7は常に新たな被測
定気体によって取り囲まれることになる。従って、この
湿度センリーにおいてら、入射光が光ファイバコア7と
バロン形スペーサ16内側の気体層17の被測定気体と
の界面で反射を繰り返しながら伝播する第3図に示すス
テップインデックス型の光伝送路となっており、被測定
気体の湿度変化(含有水分m変化)は屈折率変化として
検出される。この湿度センサを用いて空気の相対湿度を
20〜80%の範囲で変化させて透過光の強度変化を測
定したところ、第6図に示すように3dB以上の強度変
化があり、良好な感度および高速応答性を有することが
確かめられた。
また、光ファイバコア7がハロン形スペーサ16、テン
ションメンバ19.多孔質シース21によって被われて
いるので、実際に使用するに十分な機械的性能を有し、
耐久性・信頼性が高い。
なお、バロン形スベーナ16等からなる上記の気体タラ
ツデイング構造を、光ファイバコア7の全長に施しても
、あるいは複数の測定点に対応して光ファイバコア7の
軸方向に適宜間隔を隔てて形成するようにしてもよい。
また、上記の気体クラツディング構造に代え、光ファイ
バコア7を、光ファイバニ]ア7の外径よりも大きな内
径を有し1つ多数の流通孔を有するチューブ内に収納し
たものとしてらよい。
[発明の効果] 以上型するに本発明によれば、次のような優れた効果を
発揮する。
(1)  光ファイバコア自体が湿度センサであり、光
ファイバコア以外の光学的素子を全く必要とせず、また
赤外線等の特定波長で測定する必要もない。このため、
測定系の簡素化が図れ、取扱も容易であると共にコスト
を低減でき、る。
■ 更に、光フアイバ自体を湿度センサとしているので
、経年劣化や光学レンズ等の介在による損失の発生要因
がな(、長期に厘って安定した測定ができる。
(3)1点のみでなく、光ファイバコアの長手方向に沿
った湿度・水分量の分布、あるいは平均湿度など長距離
レンジングが可能である。
(4)  被測定気体の湿度による顕著な屈折率変化を
利用しているため、広い湿度領域で高感度の検出ができ
る。また、透過光強度の湿度依存性を高めるべく光ファ
イバコアの長さを増しても、光の減衰は少なく容易に高
感度化が図れる。
(5)  セラミック・感湿樹脂等の感湿素子の吸湿に
よる特性変化を利用して湿度を検出するのではなく、光
ファイバコアの外周に被測定気体を直接接触させて検出
するようにしているため、応答性がよく湿度変化を迅速
に検出できる。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は本発明に係る湿度の測定方法を実施す
るだめの装置をそれぞれ示111略構成図、第3図はこ
れら装置の光ファイバコア周囲の屈折率分布を示す図、
第4図は本発明に係る湿度センサの一実施例を示す横断
面図、第5図は同湿度センサの縦断面図、第6図は第4
図の湿度センサの透過光強度−湿度依存性の測定結果を
示すグラフ、第7図は従来の湿度測定装置を示す概略構
成図である。 図中、7は光ファイバコア、8は測定域、9は光源、1
0は受光器、11はパルス発生器、12はハーフミラ−
113はタイミング発生器、14は信号処理回路、15
はディスプレイ装置、16はハロン形スペーサ、16a
は小径部、16bは大径部、17は気体層、18は流通
孔、19はテンションメンバ、20は通孔、21は多孔
質シースである。 特 許出願人 東京電力株式会社 日立電線株式会社

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)光ファイバコアの外周がその湿度を測定する被測
    定気体によつて包囲されるように光ファイバコアを被測
    定気体中に入れ、上記光ファイバコアに光を入射し、入
    射光の強度変化から上記被測定気体の湿度を求めるよう
    にしたことを特徴とする湿度の測定方法。
  2. (2)上記光ファイバコアに光を入射したときの透過光
    の強度から上記被測定気体の湿度を求めるようにしたこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の湿度の測定
    方法。
  3. (3)上記光ファイバコアに光を入射したときの後方散
    乱光の強度から上記被測定気体の湿度を求めるようにし
    たことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の湿度の
    測定方法。
  4. (4)上記光ファイバコアにパルス光を入射したときの
    後方散乱光の時間的変化から光ファイバコアの軸方向に
    沿う上記被測定気体の湿度の分布を求めるようにしたこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の湿度の測定
    方法。
  5. (5)光ファイバコアの外周に、その湿度が測定される
    被測定気体を流通させつつ被測定気体により光ファイバ
    コアを含む気体クラッディング構造を有し、上記光ファ
    イバコアに光を入射したときの入射光の強度変化から上
    記被測定気体の湿度が求められるように構成されている
    ことを特徴とする湿度センサ。
  6. (6)上記気体クラッディング構造が上記光ファイバコ
    アの軸方向に沿つて適宜間隔を隔てて形成されているこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第5項記載の湿度センサ
  7. (7)上記気体クラッディング構造が上記光ファイバコ
    アに嵌合される小径部と上記被測定気体を流通させる流
    通孔を有し且つ光ファイバコアの外周に被測定気体の気
    体層を形成させるための大径部とからなる波形管状体に
    より構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
    5項または第6項記載の湿度センサ。
  8. (8)上記気体クラッディング構造が上記被測定気体を
    流通させる流通孔を有し且つ上記光ファイバコアの外周
    に被測定気体の気体層を形成させつつ収納するチューブ
    により構成されていることを特徴とする特許請求の範囲
    第5項または第6項記載の湿度センサ。
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JPS629255A true JPS629255A (ja) 1987-01-17
JPH0449905B2 JPH0449905B2 (ja) 1992-08-12

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02249949A (ja) * 1989-03-24 1990-10-05 Sumitomo Electric Ind Ltd 光ファイバ

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JPS523480A (en) * 1975-06-27 1977-01-11 Nippon Denso Co Ltd Vapour and frost detecting device
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JPS58190742A (ja) * 1982-04-30 1983-11-07 Matsushita Electric Works Ltd 湿度検出方式
JPS5992332A (ja) * 1982-11-17 1984-05-28 アイ・テイ・テイ・インダストリ−ズ・インコ−ポレ−テツド 水分検出器

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