JPS63121722A - 温度分布検出装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、光学式温度分布測定装置、特に１個のセンサ
を用いて温度分布を同時に測定できる温度分布測定装置
に関するものである。

（従来の技術） 電気回路をはじめとする種々の装置においては各部分に
おける発熱量が相異し温度分布が生ずる場合が多いため
、温度分布を速やかに測定できる温度分布検出装置の開
発が強く要請されている。

従来、被測定領域の温度分布を測定する場合、例えば熱
電対のような温度センサを用い、複数の温度センサを所
望の位置に個別に配置し、各センサからの検出信号を個
別に増幅し、各測定位置に対応した温度を個別に検出し
て温度分布を検出している。

（発明が解決しようとする問題点） 熱電対等の複数の温度センサを各測定位置毎に配置し、
各温度センサからの検出信号に基づいて温度分布を測定
する方法では、分解能を高めるには多数のセンサが必要
となり、更に各センサ毎に増幅器が必要となり操作装置
の構造が複雑化すると共にコストが高くなる欠点があっ
た。また、１台の増幅器を用い、多数のセンサを順次切
り換えて温度検出して温度分布を求める構成とすれば、
コストを安価にできるが１回の測定に長時間がかかって
しまい、被測定領域の温度が時間と共に変化するため、
正確な温度分布が得られなくなってしまう不具合が生じ
てしまう。

従って、本発明の目的は上述した欠点を解消し、１個の
センサを用いて多数位置の温度をほぼ同時に測定できる
温度分布検出装置を提供するものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明による温度分布測定装置は、所定のパルス幅の光
束を放射する光源と、この光源から放射された光束を伝
送する光路領域を有し、温度に応じて反射が変化する複
数の光学素子が軸線方向に沿って所定の間隔で前記光路
領域内に埋設されている光伝送体と、前記各光学素子で
反射され光伝送体の入射経路に沿って送出される反射光
束を光路長の差に基づいて順次受光してパルス状の光電
出力信号を出力する光検出器と、この光検出器の出力信
号に基づいて温度分布を決定する手段とを具えることを
特徴とするものである。

更に、本発明による別の温度分布測定装置は、所定のパ
ルス幅の光束を放射する光源と、入射端からそれぞれ異
なる光路長の位置に温度に応じて反射率が異なる光学素
子がそれぞれとり付けられている複数の光伝送体からな
る光伝送体の束と、前記光学素子で反射され光伝送体の
入射伝送路に沿って送出されてくる反射光を光路長の差
に基づいて順次受光してパルス状の光電出力信号を出力
する光検出器と、この検出器の出力信号に基づいて温度
分布を決定する手段とを具えることを特徴とするもので
ある。

（作用） 光伝送体の軸線方向に沿って所定の間隔で、温度に応じ
て反射率が変化する複数の光学素子を埋設する。そして
、光伝送体の入射端からパルス状の光束を放射する。こ
の入射光束は光伝送体内を伝播し、入射端に近い側の光
学素子から順次反射される。各光学素子で反射された反
射光は再び入射経路に沿って伝播し、光検出器に順次入
射する。

各光学素子からの反射光は光路長に応じた遅延時間を以
て順次光検出器に入射するから、光検出器から各測定位
置に応じた温度情報を表すパルス状の出力信号が遅延時
間に応じて順次出力され、はぼ同時に複数の測定位置の
温度が測定されることになる。この場合、分解能は光源
から放射される光パルスのパルス幅によって主に定まる
が、Ｉ　ＧＨｚ程度の光パルスを放射できるレーザ光源
を用いれば高分解能の温度分布を正確に検出することが
できる。

（実施例） 第１図は本発明による温度分布検出装置の一実施例の構
成を示すものである。トリガパルス発生器１を光パルス
駆動回路２に接続して十分にパルス幅の短いパルス駆動
電流を発生させ、このパルス駆動電流を半導体レーザ３
に供給してパルス状の光束を放射する。この放射光束の
パルス幅は短い程分解能が高くなるため、本例では１　
ｎ５ｅｃのパルス幅の光束を放射するものとする。半導
体レーザ３から放射された光パルスはコリメータレンズ
４によって平行光束とし、ビームスプリッタとして作用
する直角プリズム５に入射する。直角プリズム５を透過
した光パルスは集光レンズ６によって集光されてセンサ
部を構成する光プラスチックファイバ７の入射端７ａに
入射する。この光プラスチックファイバ７は、ポリメチ
ルメタクリレートのような光学的に透明で高屈折率材料
から成るファイバの外周面上に低屈折率の被覆層を形成
した構成とし、光路領域の屈折率と外周面上の被覆層の
屈折率との差を利用して入射光を伝播させる。

従って入射した光パルスは外周面で反射を繰り返しなが
ら光路内を伝播する。

第２図ａ及びｂはセンサ部の構成を示す斜視図及び線図
的断面図である。プラスチック光ファイバ７の外周面に
、その長手軸線方向に沿って２０ｃｍの間隔で円周方向
に延在する断面がＶ形の溝を形成し、このＶ形の溝内に
温度に応じて反射率が変化する光学素子８を埋め込む。

温度に応じて反射率が変化する光学材料として、例えば
液晶材料があり、本例では光学素子８として液晶を用い
る。

尚、光学素子８の配置間隔及び光路内の埋設深さは、光
パルスの入射側に配置した光学素子が後段側の光学素子
の影とならないように配置する。光プラスチックファイ
バ７に入射した光パルスはその外周面で反射を繰り返し
ながら伝播するため、光パルスの一部の光束は光学素子
８ａで反射し再び入射経路に沿って入射端７ａに向けて
伝播する。

一方、光学素子８ａで反射しなかった光束は更に伝播し
、その一部は次段の光学素子８ｂで反射し再び入射端に
向けて伝播する。更に光学素子８ｂで反射しなかった光
束は、その一部が次段の光学素子８ｃで反射し再び入射
端に向けて伝播する。

従って、光プラスチックファイバ７に入射した光パルス
は、その一部分の光束が光学素子８ａ〜８ｃによって、
順次反射され入射端に向けて進行することになる。尚、
光プラスチックファイバ７の入射側と反対側の端部７ｂ
には全反射面を形成し、各光学素子によって反射されな
かった光束を入射端に向けて反射するものとする。各光
学素子８ａ〜８ｃで反射された光束は再び入射経路を伝
播し、入射端７ａを経て集光レンズ６を透過し、直角プ
リズム５の反射面５ａで反射され光検出器９に順次入射
する。この光検出器９は数ＧＨｚの光パルスを検出でき
るアバランシェフォトダイオードとする。このように構
成すれば、第１番目の光学素子８ａで反射した光束が光
検出器９に入射する時刻を基準とすれば、第２番目の光
学素子８ｂで反射した光束は時間２ｎｄ／ｃ（Ｈは光プ
ラスチックファイバの屈折率、ｄは光学素子間の距離、
Ｃは真空中の光速）だけ遅れて光検出器９に入射し、第
３番目の光学素子８Ｃで反射した光束は時間４ｎｄ／Ｃ
だけ遅れて入射することになる。従って、光検出器９は
各光学素子８ａ〜８Ｃの反射率に応じたパルス状の光電
出力信号を出力する。光検出器９からの光電出力信号を
増幅器１０で増幅してからオシロスコープ１１に供給し
、トリガパルス発生器１からのトリガ信号に基づいてサ
ンプリングして温度分布を観測する。更に、増幅器１０
からの出力信号をウェーブメモリー２に供給し、マイク
ロコンピュータ１３の制御のもとて補正処理や平均化等
の種々の処理を行うことができる。

第３図にサンプリングオシロスコープ１１に観測される
温度分布の一例を示す。横軸は遅延時間を示し、縦軸は
反射光強度を示す。本例では１９個の光学素子を２０ｃ
ｍの間隔で埋め込み、１　ｎ５ｅｃのパルス幅のレーザ
光を投射して温度分布を測定した。

パルス２０は光プラスチックファイバの入射端面での反
射光を示し、パルス２１は入射端と反対側の端面での反
射光を示す。第３図から明らかなように、光プラスチッ
クファイバの入射端に近い側の光学素子からの反射光か
ら順次パルス状の光電出力信号が観測される。反射光強
度中にはレーリー散乱による要素が含まれており、この
レーリー散乱によって反射光強度は指数関数的に減少す
る。従って、温度分布を決定するにあたりレーリー散乱
による成分（図中、破線で示す）を除去する必要があり
、例えば図中Ｃ点においては全反射光強度ＡＣからレー
リー散乱による反射光成分Ｂｃを除去する。

従って０点における反射光強度はＡＢとなる。この結果
、２木の破線によって挟まれた強度分布によって温度分
布が示されることになる。尚、本発明による温度分布検
出装置の分解能は、レーザ光のパルス幅によってほぼ定
まるため、分解能を高めるにはレーザ光のパルス幅をで
きるだけ小さくし、これに応じて光学素子の間隔を小さ
くすることが望ましい。

第４図は本発明による別の温度分布検出装置の構成を示
す線図である。本例ではレーザ光源から放射した光束を
コリメータレンズ３０によって比較的大きな光束径の平
行光束とし、この平行光束を複数の光プラスチックファ
イバの束３１の入射端３１ａに入射させる。そして、・
各光プラスチックファイバの長さをそれぞれ所定の距離
ｄだけ相異させ、各光プラスチックファイバの端部に液
晶を３２を固着する。このように構成すれば、各光プラ
スチックファイバを伝播し、端部の液晶で反射した各反
射光が光路差に応じた遅延時間を以て光検出器９に順次
入射するので、各光プラスチックファイバの端部の温度
に応じた光電出力を順次検出して温度分布を求めること
ができる。この結果、１個の光源及び１個の光検出器を
用いて所望の複数の位置の温度を略々同時に検出して温
度分布を測定することができる。特に、光プラスチック
ファイバは可撓性を有しているから、入射端を固定し液
晶が取り付けられている端部を任意の位置に配置するこ
とができ、所望の位置に応じた温度分布を測定すること
ができる。

本発明は上述した実施例だけに限定されるものではなく
種々の変形が可能がある。上述した実施例では光伝送体
として光プラスチックファイバを用いたが、サファイヤ
ロンド等種々の光伝送体を用いることができる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、１本の光伝送体の
入射端からそれぞれ光路長の異なる位置に温度に応じて
反射率が変化する光学素子を埋め込み、光路長の差を利
用して各光学素子からの反射光を光検出器で順次受光す
る構成としているから、１個のセンサを用いて複数の位
置の温度をほぼ同時に測定することができる。

また、光路長がそれぞれ異なる複数の光伝送体の束を用
い、各光伝送体の端部にそれぞれ温度に応じて反射率の
異なる光学素子を取り付け、光源からの平行光束を光伝
送体の束の入射端に入射させれば、各光伝送体の光学素
子からの反射光を光路差を利用して順次検出することが
できる。この結果、１回の測定で複数の位置における温
度を同時に測定することができる。特に、光伝送体とし
て可撓性を有する光プラスチックファイバを用いれば複
数の所望の位置における温度を同時に測定することがで
きる。

更に、数ＧＨｚ程度の光パルスを放射できるレーザダイ
オードが開発されており、このようなレーザダイオード
を用いれば、高分解能で温度分布を測定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による温度分布検出装置の一例の構成を
示す線図、 第２図ａ及びｂはセンサ部分の構成を示す斜視図及び線
図的断面図、 第３図は観測波形の一例を示すグラフ、第４図は本発明
の温度分布検出装置の別の構成を示す線図である。 １・・・トリガパルス発生器　２・・・光パルス駆動回
路３・・・半導体レーザ ４．３０・・・コリメータレンズ ５・・・直角プリズム　　　　６・・・集光レンズ７・
・・光プラスチックファイバ ８・・・光学素子　　　　　　９・・・光検出器１０・
・・増幅器１１・・・オシロスコープ１２・・・ウェー
ブメモリ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所定のパルス幅の光束を放射する光源と、この光源
   から放射された光束を伝送する光路領域を有し、温度に
   応じて反射が変化する複数の光学素子が軸線方向に沿っ
   て所定の間隔で前記光路領域内に埋設されている光伝送
   体と、前記各光学素子で反射され光伝送体の入射経路に
   沿って送出される反射光束を光路長の差に基づいて順次
   受光してパルス状の光電出力信号を出力する光検出器と
   、この光検出器の出力信号に基づいて温度分布を決定す
   る手段とを具えることを特徴とする温度分布検出装置。 ２、所定のパルス幅の光束を放射する光源と、入射端か
   らそれぞれ異なる光路長の位置に温度に応じて反射率が
   異なる光学素子がそれぞれとり付けられている複数の光
   伝送体からなる光伝送体の束と、前記光学素子で反射さ
   れ光伝送体の入射伝送路に沿って送出されてくる反射光
   を光路長の差に基づいて順次受光してパルス状の光電出
   力信号を出力する光検出器と、この検出器の出力信号に
   基づいて温度分布を決定する手段とを具えることを特徴
   とする温度分布検出装置。