JPS63252262A - 光フアイバ式センサ - 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】 （イ）利用分野 この発明は元ファイバを利用して電圧、磁界。

力、振動等の物理量を検出する光ファイバ式センサに関
する。

（ロ）従来技術及びこの発明が解決しようとする問題点 従来、光７アイノζ式センサにおいて物理量を検出する
には、電圧にはポッケルス効果を、磁界にはファラデー
効果を、力には光弾性を、振動には光弾性及び光ファイ
バのマイクロベンドを、温度には半導体の光学吸収端の
温度特性をそれぞれ利用している。そして、いずれの物
理量をも透過または反射光の光強度変調として検出して
いた。

第６図ｔｅｌは従来の光ファイバ式センサを示し。

光源３１から出光された光は第１の元ファイバ３２を通
過してセンサ部３３へ入射し、ここで測定される物理量
に比例した光強度に変調され、第２の光ファイバ３４を
経て受光器３５で受光される。

第６図ＩＢＩはセンサ部へ入力する物理量ｍに対して該
センサ部から出光される光強度Ｃが比例する変化の様子
を示している。

前記元ファイバ式センサはｌｌｉ定される物理量によっ
て変化する光強度を測定しているからファイバが揺れた
り、光コネクタが振動すること等によって光伝送の損失
が変動し、ノイズとして現れて検出量の誤差となること
がある。

この発明の目的は、光強度の影響を受けずに物理量を高
精度で検出できる光ファイバ式センサな提供することで
ある。

（／ｉ　問題点を解決するための手段 この発明は、物理量の変化よりも十分高い周波数の交流
電流によって発光部から強度変調搬送光を出力する手段
、センサ部の入力側及び出力側にそれぞれ設けられたビ
ームスプリッタ、入力側のビームスプリッタから分岐さ
れた強度変調搬送光を所定位相遅延して出力側のビーム
スプリッタへと導く光遅延光路、受光部に設けられた位
相検出器を備え、第２の光ファイバへの入力光が物理量
に応じた位相変調光となっている。

（に）作用 前記センサ部を強度変調搬送光が通過することにより、
物理量から強度変調を受ける。一方１強度変調搬送光は
前記光遅延光路を介して前記強度変調搬送光を打ち消す
べく、かつ前記強度変調により発生した両側波帯を位相
変調光として取り出すべく遅延されて前記センサ部の出
力へ加算される。しかして、センサ部からの出力光は前
記物理量に応じた位相変調光として第２の光ファイバに
入力される。

（ホ）実施例 まず、この発明の原理について説明する。一般に、搬送
信号なＣＯＳω（，１とし、変調信号なＣＯＳωｍｔと
すると１強度（振幅）変調の出力ｆｃ（ｔ）はｆｏ（ｔ
　）　＝　ＣＯ８ωＣｔ　（１＋ｍ　ＩＩｌｌＣ０８Ｇ
Ｊ　）　　　　　１））となる。（１）式より。

ｆｑ（ｔ）　＝　ｃｏｓωｃｔ−１−ｍ　−ｃｏｓωｃ
ｔＣＯ８ＧＪｍｔ＝　ｃｏｓωＣｔｌｍ／２［：ｃｏｓ
（ωｃｅｍ）ｔｌｃｏｓ（ωＣ−ωｍ）ｔ〕 となる。ここにＲｅは実数部を示す。ｅｊ”ｃｉ　はω
Ｃラジアン／ＳｅＣで回転する単位ベクトルと考えるこ
とができる。

第７図は前記（２）式のωＣを無視して（）の３つの項
のベクトル図をしめしている。この図によると、変調信
号によって両側波帯ＣＤ５Ｂ）が生じるものの、その合
成ベクトルは搬送信号と同位相であり１位相差は生じな
いことを示している。

一方１位相変調された信号は一般に（３）式によって表
される。

ｆｃ（ｔＪ＝ｃｏｓ（ωｃｔ＋ＪＳＣＯ８ωｍｔ）　　
　　　　　（３１＝　ｃｏｓωｃｊＣＯ８−（ＢＣＯ８
Ｑ１ｍｔ）　　ＳｉｎωｃｔＳ　ｉ　ｎＣＪ３ＣＯ畑Ｂ
　ｊ　） ここで、乃（π／２で充分小さい場合にはｃｏＳ（Ｂｃ
ｏｓωｍｔ）　Ｌｒ１　、５ｉｎ（，５ｃｏｓωｍｔ　
）　”ｒ’Ｊ３　ｃｏｓａ＋Ｂｔとなる。

従って（３１式は ｆｃ（ｔｌ＝　ｃｏｓωｃｔ−８ｉｎωｃｔ１）ＢＣＯ
８ωｍｔ　　　（４）となる。（４１式を展開して整理
すると。

ｆｃ（ｔＪ＝ＣＯ８ωｃｔ＋β／２［Ｃ０８（π／２＋
（ωＣ−ωｍ）ｔ）−４−ｃｏｓ（π／２＋（ωＣ＋ω
ｍ）ｔ））　　　　　　　　　（５１となる。

第８図は前記式（５）をベクトル表示した図を示してい
る。即ち１両側波帯のベクトル合成は搬送信号に対して
π／２だけ位相が進んでおり、このため変調出力ｆｃ（
ｔｌは搬送信号に対して位相がψ変化することＫなる。

第８図と第７図とを比較すると振幅変調によって発生し
た両側波帯を搬送信号に対して位相なπ／２ずらして搬
送信号に加算すればよいことを示している。しかして、
この発明の位相変調に使用されるセンサの原理構成は第
９図に示すようになる。

第１図は第９図の原理構成図を元ファイバによって実現
するこの発明の実施例を示している。第１図において、
この光ファイバ式センサは発光部１、第１の光ファイバ
２．センサ′部６．光遅延光路部４．第２の光ファイバ
５及び受光部６からなっている。前記発光部は直流の電
源７．この電源７と直列接続されて測定されるべき物理
量の変化よりも十分高い筒波数の交流電流を出力する交
流電源８．抵抗９及び発光素子（ＬＥＤ）１０からなっ
ている。この発光素子１０から強度変調された出力ｐ＝
＝ｌｏ（１−１−に＠ｃｏｓωｃｔ）が光ファイバ２に
与えられる。前記センサ部６は測定される物理量に応じ
て透過または反射光の光強度を変化する。

このセンサ部３の入力側にはビームスプリッタ１）が、
出力側にはビームスプリツｐ１２．１３が設げられてい
る。ビームスプリッタ１）によって分岐された強度変調
搬送光はさらにビームスプリッタ１４によって分岐され
、その一方は位相をπ遅延する光遅延光路１５を経て前
記ビームスプリッタ１２へ入力され、他方は位相なπ／
２遅延する光遅延光路１６を経て前記ビームスプリッタ
１６へ入力される。光遅延光路は光ファイバによって構
成されている。

前記受光部乙には受光素子（ＰＤ）１７が設けられ、光
ファイバ５を経て入力する位相変調光を電気信号に変換
する。この電気信号は増幅器１８ヲ介シて増幅され、ノ
；ンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１９を経て位相検出器２
０によって位相差が検出される。

第２図は第１図のセンサの作用を説明するベクトル図を
示している。第２図において破線で示すπ遅延された強
度変調搬送光がセンサ部６の出力光と加算されることに
より出力光に含まれる搬送光の成分が打ち消され１両側
波帯の成分のみが得られる。さらに１両側波帯の成分に
π／２遅延された強度変調搬送光が加算されることＫよ
り第８図に示すような位相変調光ｑがえられる。第６図
は第２の光ファイバ５に入力する光の位相が物理量ｍの
変化に応じて変化する状態を示している（破線から実線
へと移行）。

第４図はこの発明の第２実施例を示し、第１図と同一部
分には同一符号を付し、説明は省略する。

この実施例の場合は％π遅延する１つの光遅延光路２１
によって光変調を得る。第５図は第６図の作用を説明す
るはクトル図を示す。第５図に示すように強度変調搬送
光を矢π遅延した光の水平、垂直の各成分はそれぞれ第
１図のπ／２遅延及びπ遅延に相当するから第１図のセ
ンサと同様の出力ｑを得ることができる。ただし、第４
図の場合は遅延された光強度とセンサ部３から出力され
る光強度を調整してセンサ部に含まれる強度変調搬送光
の成分を消去する必要がある。このため１例えばセンサ
部の出力端にアッテネータ２２を設けてもよい。前記光
遅延光路２１には光ファイバが好適に使用される。例え
ば２強度変調搬送光の周波数を５ＭＨｚ、光ファイバ中
の伝搬速度を２００ｍ／μＳとすると、有π遅延される
光ファイバの長さは３０ｍとなり束とりすれば直径数ｍ
に収まる。

なお、前述の位相変調光を受光したのちさらに高周波分
を逓倍することにより、一層変化の大きい周波数変調波
として変換し、より高感度に検出することができる。

（へ）効果 この発明は物理量の変化を光の位相変化によって検出し
ているから、光ファイバまたは元コネクタによる光の損
失により検出精度は影響うけず。

精度良い検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図は第
１図の作用を説明するためのベクトル図。 第３図は第１図のセンサ部の出力光の位相変化を示す図
、第４図はこの発明の第２実施例を示す構成図、第５図
は第４図の作用を説明するベクトル図、第６図（Ａｌ　
（Ｂ）は従来の元ファイバ式センサの構成及び波形図、
第７図は第６図の作用を説明するベクトル図、第８図は
位相変調のベクトル図。 第９図は位相変調を実現するための原理を示す構成因で
ある。 １・・・発光部、　２・・・第１の光７アイノｅ、　　
３・・・センサ部、　５・・・第２の元ファイバ、　６
・・・受光部、　８・・・交流電源、　　　１），１２
．１３．１４・・・ビームスプ°リッタ、　　１５，１
６．２１・・・光遅延光路。 ２０・・・位相検出器。 特許出願人　住友電気工業株式会社 （外５名） 絹１図 第２図 第３図 一」 □を 第７図 工 第８図 第９図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光部、該発光部からの出力光をセンサ部へ導く
   第１の光ファイバ、測定される物理量におうじた光強度
   を出力するセンサ部、該センサ部を受光部へ導く第２の
   光ファイバ、及び受光部からなる光ファイバ式センサに
   於いて、 前記発光部に設けられ、前記物理量の変化よりも十分高
   い周波数の交流電流によつて該発光部から強度変調搬送
   光を出力する手段と、 前記センサ部の入力側及び出力側にそれぞれ設けられた
   ビームスプリッタと、 前記入力側のビームスプリッタから分岐された前記強度
   変調搬送光を所定位相遅延して前記出力側のビームスプ
   リッタへと導く光遅延光路と、前記受光部に設けられた
   位相検出器とを備え、前記第２の光ファイバへの入力光
   が前記物理量に応じた位相変調光であることを特徴とす
   る、光ファイバ式センサ。
2. （２）前記位相遅延は３／４πである、ことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の光ファイバ式センサ。
3. （３）前記光遅延光路は１／４π位相遅延する第１の光
   遅延光路とπ位相遅延する第２の光遅延光路とからなる
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の光ファ
   イバ式センサ。
4. （４）前記光遅延光路は光ファイバからなることを特徴
   とする、特許請求の範囲第１、２、３項のうちいずれか
   に記載の光ファイバ式センサ。