JPS63188704A

JPS63188704A - 高感度光フアイバセンサ

Info

Publication number: JPS63188704A
Application number: JP62020863A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Yamanouchi; 和彦山之内; Yoshihisa Okubo; 良久大久保
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-01-30
Filing date: 1987-01-30
Publication date: 1988-08-04

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】光ファイバを用いた種々の物理量測定システムは光ファ
イバセンサとして種々応用されている。

本発明は、光ファイバセンサにおいて、雑音振動、外部
温度の変化などによる外部擾乱を補正した測定システム
に関する。

図３のような構成の光フアイバ変位センサにおいて、異
なる周波数の２つの光の干渉について考える。即ち、パ
ス■とパス■の光は、周波数差ｆ１をもち、パス■の先
は、結合器ｌＯを通り、試料に当った後再び結合器１０
を通ってディテクタへ入るのに対し、パス■の光は、結
合器１０を通って直接ディテクタ・＼入る。試料が振動
していると、パス■の光路長は変化し、パス■とパス■
の光が干渉すると、光路長の変化は、周波数ｆ。

の位相の変化となり、この位相差を検出することにより
、弾性波振幅を検出することができる。

パス■の光の電界成分はパス■の光の電界成分は、 ω。、ω。＋ω、：レーザ光の角周波数、φ４．試料の
振動による位相差、　　φ、パス■とパス■の光路差に
よる位相差、Ｒ１試料での反射率、パスここで、試料が
＾・５ｉｎ（ωＡＬ＋δ）で振動しているｉｏ二人射光
パワー、　α：ディテクタ変換効率Ｊｍ：ｍ次のベッセ
１ル関数、Ｋ：レーザ光の波数この出力のうち、周波数
（ω＾−ωｌ）成分を検出すると、（２ＫＡ＜＜　１　
）Ｖｓは、弾性波振幅へに比例しており、この信号を検出
すれば、振幅の測定を行うことができる。

ここで、補正のための信号として（４）式中の周波数ω
、酸成分考えるとここで、実験で用いるディテクタの都合上、補正のため
の参照信号の周波数を低周波にするため、第３図でのパ
ス■またはパス■の光に強度変調をｍ：変調率、ω、二
強度変調周波数と置けば、従って、振幅Ａはが得られる。

ここで、弾性波振幅の測定を行う際、低周波の雑音振動
があると、その振動は、式（５）の位相φセ。

を変化さに、ロックインアンプに入る参照信号の位相と
の間に雑音振動に相当する位相変動を生じ、ロックイン
アンプの出力が時間と共に変動する。

そのためロックインアンプの時定数を上げることができ
ず、精度の良い測定を行えない。この雑音振動を取り除
くことができれば、さらに、この変位センサの感度を上
げることができる。本発明はこの雑音振動を除去する方
法に関するものである。

その方法は振幅を含む信号である式（５）と、外部補正
のための参照信号式（６）には、共に雑音振動により変
動する位相中を含んでいることに着目し、この位相変化
分を相殺するよう、補正のための参照信号の位相を検出
し、フィードバック制御により光路差を変化させて、位
相φを一定にするという方法である。雑音振動による位
相変化の補正なしでは、弾性波の位相測定を行うことが
できないが、この補正を行うことにより、式（５）での
位相φを一定とすることができるので、ロックインアン
プの時定数を長くとることができ、従って高感度の振幅
測定と同時に、弾性波位相の測定をも行うことが可能と
なる。外乱による光強度変動及び雑音振動による位相変
動補正の構成図を第１図及び第２図に示す。

図１は、試作した変位測定システムの構成図の一部であ
る。このシステムは、２個のゾラッグセル４．６、単一
モード光ファイバ７．９、方向性結合器１０、波長６３
２８ＡのＨｅ−Ｎａレーザ２）ビームスプリッタ３から
成り、Ｈｅ　−Ｎ　ｅレーザから出た光は、ビームスプ
リッタで２つに分岐され、２つの光は、それぞれブラッ
グセル４．６に入り、周波数ノットｆ、、　、Ｉ８．を
受けたのち光ファイバ７．９へ入れる。これより先は、
第３図で示したパスを通り、ディテクタ１１で検出され
る。

ここで２つのブラックセルの変調周波数は、弾性波振幅
に比例する信号である周波数ωえ一ω１　が低周波数と
なるようにし、電気回路を通さず直接ロックインアンブ
ー・入れ、精度よい測定を行っている。またこの時、外
乱による光強度変動及び、雑音振動による位相変動を補
正するために、一方のブラックセル４に周波数ω工で強
度変調をかけ、周波数ω１−ω□成分の補正のための参
７照信号を第２図に示すように２相のロックインアンプ
２Ｉへ入れ、振幅と位相の測定を行い、積分器２２を通
したのち、光位相変調器２０へ入れ、この変調器を第１
図のファイバ７或いは９のいずれかの途中に入れて（第
３図では７）制御系を構成し、位相を一定に保ち、精度
のよい測定を行えるようにしている。位相変調器２０と
しては、ＰＺＴ円筒にファイバを巻いたものを用いてい
る。これは、ＰＺＴに電圧をかけることにより、円筒の
円周が変化することを利用し、ファイバを伸び縮みさせ
、光路長を変化させて、位相を変えるというものである
。また弾性波の振幅は、振幅を含む信号Ｖｓと、補正の
ための参照信号■＆との比をとることにより、光強度変
動を含まない値として得ることができる。

実験的試料として、ＰＺＴの厚み振動子を用いて行った
。第４図（ａ）は、雑音振動の補正なしで、補正のため
の信号の位相を測定したものである。

これより、低周波数の雑音振動が存在し、位相が大幅に
変動していることがわかる。また、第４図（ｂ）は、第
２図に示した構成の雑音振動の補正を行った後の補正信
号の位相を測定したしのである。

測定は共にロックインアンプの時定数を１００ｍ５ｅｃ
としている。これらの結果より、位相変動の補正が行わ
れたことがわかる。第５図（ａ）、（ｂ）は、（ａ）雑
音振動の補正なし、（ｂ）補正あり、で弾性波振幅を含
む信号のｃｏｓｉｎｅ出力を測定したものである。

測定は共に試料としてＰＺＴ板を用い、３．８ＭＨｚの
弾性波の変位を測定している。また、ロックインアンプ
の時定数は、ｌｏｏｍｓｅｃとして測定した。補正なし
では、位相変動のために出力が安定しておらず、測定の
時定数を上げていくと、出力がゼロとなってしまい、精
度を上げることが出来ない。

これに対し、補正を行った場合は、位相か一定で、出力
が安定しており、ロックインアンプの時定数を上げろこ
とができ、さらに高感度化することができる。位相変動
補正を行い、３．８ＭＨｚでＰＺＴ板の変位測定を行い
最高感度を求めたところ、補正なしの場合の２ｘｌＯ−
”Ａ　（時定数１００１ｓｅｃ）に対し、補正を行った
場合は、６ｘｌＯ″″３＾（時定数３ｓｅｃ）とかなり
改善することが可能である。

以上、本発明の例として第１図、第２図、第３図を取り
上げ、その効果を実験により明らかにしたが、本発明は
以上の他、特許請求の範囲第１項において、外部温度の
変化、雑音振動などを含む必要とする変位、加速度など
の物理量を含む光信号とロックインアンプに入る参照信
号との間の外部温度変化、雑音振動などの位相変化によ
る位相差を物理量を含む光信号と異なる光信号より検出
し、光位相変調器を用いて、この位相差が一定位相差に
なるようにしたフィードバックループをらつ高感度光フ
ィバセンサ及びこのシステムを用いた測定装置、及びそ
の位相差を一定に保つ方法として、電気回路位相変調器
を用いた高感度ファイバセンサ及びこのシステムを用い
た測定装置に関するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、２つのブラックセルを用いた高感度光フアイ
バセンナの構成図を示す。■・・・試料、２ラフ・・・レーザ、３・・・ビームスプリッ、４・・・ブラ
ッグセル、５・・・レンズ、６・・・ブラッグセル、７
・・・光ファイバ、８・・・レンズ、９・・・光ファイ
バ、１０・・・光カツプラ−，１１・・・フォトダイオ
ード、Ｉ２・・発振器（ｆｌ）、１３・・・発振器（Ｉ
６．）、Ｉ４・・・発振器（ｆｓ＋）、１５・・・掛け
算器、１６発振器（ｆＡ）、１７・・・掛け算器、１８
・・・ロックインアシブー　１９・・・ｌＮｉ＋ｋＭ　
ｆｉ２７・・・掛け算器、３０・・・掛け算器、第２図
は、外部雑音、温度変化を補正するためのフィードバッ
クループをもつ回路の構成図である。２０・・・位相変
調器、２Ｉ・・・ロックインアンプ、２２・・・積分器
、２３・・・増幅器、２４・・・（−１）の掛け算器、
２５・・・ｍｌり算器、２６・・・Ｋ倍の増幅器第３図
は、光フアイバ変位センサの原理図である。２８・・・
光ファイバ、２９・・・光ファイバ、第４図は雑音振動
がある場合のロックインアンプの位相の変化を示す図で
ある。第４図（ａ）は補正なしでの位相の変化、第４図
（ｂ）は補正を行った後の位相の変化である。第５図はロックインアンプの時定数を１００ミリ秒とし
た時の振幅を含むｃｏｓｉｎｅ信号の出力であり、（ａ
）は補正なし、（ｂ）は補正ありの図を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１図のようなサンプル１の微小変位を検出する
ファイバセンサにおいて、微小振動雑音などを除去する
ため、レーザ２から発射されたレーザ光をホトダイオー
ド１１で受信する際に、外部温度の変化、振動雑音など
により生ずる位相変化を、ホトダイオード１１で受信さ
れるサンプル１の微小変位により変調された光信号とは
異なる発信器１２で変調された光信号とロックインアン
プに入力する発信器１３、１４の掛け算回路１５を通っ
た後、発信器１２との掛け算回路２７を通ってきた電気
信号との間の位相差として検出し、第２図に示すような
積分回路２２と増幅器２３を通った電気信号をファイバ
９或いはファイバ７のいずれかの途中に挿入した光位相
変調器に入力し、光信号と電気信号との位相差が一定に
なるようなフードパックループをもつ高感度光ファイバ
センサ及びこのシステムを用いた測定装置。
（２）特許請求の範囲第１項において、外部温度の変化
、振動雑音などを含む必要とする変位、加速度などの物
理量で変調された光信号とロックインアンプに入る参照
信号との間の温度変化、振動雑音などの位相変化による
位相差を物理量を含む光信号と異なる光信号より検出し
、光位相変調器を用いて、ロックインアンプに入る参照
信号の位相と物理量を含む光信号との位相差が一定位相
差になるようにしたフィードバックループをもつ高感度
光ファイバセンサ及びこのシステムを用いた測定装置。
（３）特許請求の範囲第２項において、位相差を一定に
するため、位相変調器として、電気回路を用いた高感度
光ファイバセンサ及びこのシステムを用いた測定装置。