JPS6373400A - 火災検知センサ - 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」 この発明は、光ファイバを用いた火災検知センサに係わ
り、特にこの光ファイバの長手方向に火災検知を行いう
る火災検知センサに関する。

「従来の技術」 従来、建築物等に配置されている火災センサは、火災に
より発生ずる煙を感知する煙検知センサと、火災による
温度上昇を感知する温度検知センサとに大別される。

また、近年光ファイバを用いて、この光ファイバそのも
のをセンサ索子として使用したり、また、伝送路として
光ファイバを使用した光ファイバ火災検知センサが数多
く提案されている。これらは、例えば周囲温度の変化に
よる光ファイバのコア径、屈折率、及びファイバ基の変
化を、この光ファイバ内を伝播するレーザー光等の振幅
変化、偏波面の回転、位相変化により検知して、火災検
知を行うタイプのものや、積分球等測定部内での煙粒子
の後方散乱光を集光して光ファイバで伝送するタイプの
もの等が挙げられる。そして、これら光ファイバ火災検
知センサは、電磁波等の外的擾乱に強く、また耐腐蝕性
等が良好であるため経年変化が少ない等、光ファイバが
有する利点を生かし、火災検知の有力な手段となりつつ
ある。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、前記従来の火災検知センサは、その殆ど
が、センサが配置された点においてしかその火災検知が
行えない点計測式のセンサであるため、測定対象たる領
域内全体に亙って計測するには多数のセンサを必要とす
ると共に、多数の火災検知センサを配置しても火災発生
箇所を精密に特定することが困難であった。

この発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、測
定領域内全体に亙っての測定を容易にし、かつ、火災発
生箇所を精密に特定しうる火災検知センサの提供を、そ
の目的としている。

「問題点を解決するための手段」 本発明者等は、前記問題点に鑑みて鋭意研究を行った結
果、以下の知見を得るに至った。すなわち、光ファイバ
の示す非線形効果の一例として、レーザ光等の強度の強
いコヒーレント光を光ファイバ内に入射すると、誘導ラ
マン効果により、この光ファイバを構成する物質に固有
な量だけ周波数が変化した散乱光が得られる。具体的に
は、光ファイバ内にラマン閾値と呼ばれる閾値以上のパ
ワーを有するレーザ光（周波数ν　）を入射すると、こ
の光ファイバを構成する物質に固有の周波数Δνだけ周
波数が変化した散乱光シーΔν、あるいは散乱光ν十Δ
νが発生する。これら散乱光は、前者がストークス光、
後者がアンチストークス光と呼ばれる。また、これらス
トークス光及びアンチストークス光と入射光とのうなり
の場によって、高次のストークス光シーｎΔν　、アン
チストークス光ν＋ｎΔν　（ｎ：正の整数）も同時に
発生する。

誘導ラマン効果によって得られた、これら（アンチ）ス
トークス光は、すべてコヒーレント光で単色性か良く、
また、その強度も入射光に匹敵するほどの強い散乱光で
ある。さらに、これら（アンチ）ストークス光の強度は
温度依存性を有し、その関係式は次式の通りである（　
Ｓ　、Ｂ　、　Ｍｉｌｌｅｒｅｔ、　ａｌ、　ｅｄ、；
　０ｐｔｉｃａｌ　Ｐ　１ｂｅｒ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕ
ｎｉｃａ−Ｌｌｏｎｓ、Ａｃａｄｅｍｉｃ　　Ｐ　ｒｅ
ｓｓ　　（１９７９）、）Ｉ　Ｓ＝　Ｉ　ｏ　（７ｏ（
Δν）（１＋　ｎ（Δν、Ｔ））−−（＋　）Ｉ　ａ−
Ｉ　ａｃｔ　ｏ（Δν）（ｎ（Δシ、Ｔ））　　　　−
（２）Ｔ− ■６：ストークス光の強度 Ｉａ：アンチストークス光の強度 ■ｏ二人射光の強度 σ。（Δν）−周波数依存性を有する断面積（ａｍ’）
ｎ（Δν、Ｔ）：温度因子 ｈ　ニブランク定数 に：ボルツマン定数 Ｔ　：絶対温度（°Ｋ） Ｇ：光速（ｃｍ／ｓ） Δν　：波長遷移（ｃｍ”−’） 従って、前記ラマン閾値以上のパワーを有するレーザ光
を光ファイバ内に入射し、この光ファイバから還ってく
るストークス光あるいはアンチストークス光の後方散乱
光を検出して、その強度を−４〜 測定すれば、光ファイバ内の温度変化を測定することが
できる。また、温度変化点の位置検出は、光ファイバ内
の破断点、異常点を検出するＯＴＤＲ（０ｐｔｉｃａｌ
　Ｔ　ｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔ
ｅｒ）法に従って、前記光ファイバ内に入射するレーザ
光をパルス状とし、このパルス発射時間からストークス
光又はアンチストークス光発生時間までの時間差を測定
すれば、光ファイバ入射端からの距離として求めること
ができる。

以上示した知見に基づいて、この発明は、センサ部とし
て測定領域内に配設された光ファイバと、この光ファイ
バの入力端からラマン閾値以上の出力を有するパルス状
レーザ光を入射して、前記光ファイバ内からのストーク
ス光又はアンチストークス光の後方散乱光を検出するＯ
ＴＤＲ部とを備えたような火災検知センサを構成して、
前記問題点を解決している。

ここで、前記光ファイバ内には複数本のコアを設けてお
くと共に、前記火災検知センサには、光ファイバの出力
端からのレーザ光により干渉縞を形成して、この干渉縞
の位置及び振動周波数を検出する干渉縞検出部を設けて
おくことが好ましい。

「作用　」 この発明では、光ファイバ内からのストークス光又はア
ンチストークス光の後方散乱光が、ＯＴＤＲ部により検
出されるので、光ファイバ周囲の温度変化に伴う、これ
ら（アンチ）ストークス光の強度変化を測定することが
できると共に、その温度変化の位置まで特定することが
できる。

「実施例」 以下、この発明の実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は、この発明の一実施例である火災検知センサを
示す図であり、符号ｌで示されるものは、火災検知セン
サ全体である。

この火災検知センサ１には、１本のファイバ内に２本の
コア３．３が内包されたデュアルコア光ファイバ２が、
火災検知センサのセンサ部として、部屋等の測定領域内
に配設されている。この光ファイバ２には、パルス状の
レーザ光５を発射する光源４により、その入力端２ａか
らレーザ光５が入射されると共に、これら光源４と光フ
ァイバ入力端２ａとの間には、集光レンズ６．７及び２
色ハーフミラ−８が、その光軸を前記レーザ光５の光軸
に一致させた状態で介在されている。前記ハーフミラ−
８は、前記光ファイバ２からの反射光９を、前記レーザ
光５に対して直角方向に分岐し、この反射光９分岐方向
前方には、集光レンズＩＯを介してフォトダイオード等
によるデテクタ１１が配置されている。このデテクタＩ
Ｉからの出力信号は、オシロスコープ１２に入力されて
いる。以上の構成において、光源４、集光レンズ６．７
．１０、ハーフミラ−８、デテクタ１１．及びオシロス
コープ１２は、前記光ファイバ入力端２ａからパルス状
レーザ光５を入射して、この光ファイバ２内からのスト
ークス光又はアンチストークス光の後方散乱光を検出す
るＯＴＤＲ部１３を構成している。

前記光ファイバ２の出力端２ｂ前方には、この出力端２
ｂから一定距離離間されて投射板１４が設け一７＝ られている。この投射板１４上の所定位置には、フォト
ダイオード等からなるデテクタ１５．１５、・・・が複
数個（図中では１個のみ図示しである）配置され、これ
らデテクタＩ５、・・からの出力信号は、プリアンプ１
６を介してオシロスコープ１７に入力されている。以上
の構成において、投射板１４、デテクタ１５、プリアン
プ１６及びオシロスコープ１７は、前記光ファイバ出力
端２ｂからのレーザ光５により干渉縞を形成して、この
干渉縞の位置及び振動周波数を検出する干渉縞検出部Ｉ
８を構成している。

また、前記光ファイバ２の外面には、金属被覆層（図示
路）が設けられている、この金属被覆層は、光ファイバ
２周囲の温度が変化した際に、この温度変化により金属
被覆層内部に作用する応力を変化せしめ、これにより光
ファイバ２内に部分的な損失変化をもたらしめるもので
ある。この金属被覆層の材料は、アルミニウム、ニッケ
ル等線膨張係数の大きい金属が好ましく、更に言えば、
ヒートサイクル等によりヒステ１ｊンスループが除かれ
たような金属が好ましい。

次に、第１図を参照して、この発明の一実施例である火
災検知センサ１の作用について説明する。

まず、火災が発生していない通常の状態において、光源
４を駆動して、ラマン閾値以上のパワーを有するパルス
状レーザ光５を、光ファイバ入力端２ａから入射する。

すると、この光ファイバ２を構成する物質に固有の振動
数Δνだけ、振動数の遷移したストークス光又はアンチ
ストークス光の後方散乱光が、前記光ファイバ２内から
反射されてくる。そして、この反射光９は２色ハーフミ
ラ−８により分岐されて、オシロスコープ１２により観
測され、これによりストークス光又はアンチストークス
光の発生状況が把握される。ここで、通常のＯＴＤＲ法
と同様に、この反射光９は光ファイバ２内の破断点、異
常点からのフレネル反射光、及び光ファイバ２内でのレ
ーリー散乱の後方散乱光を同時に含んでいる。前者のフ
レネル反射光の強度は相当強いが、後者のレーリー散乱
光はこのフレネル反射光に比較して−２０〜３０ｄＢ程
度強度が弱い。従って、前述の如く、入射光の強度に匹
敵するストークス光又はアンチストークス光の測定にお
いて、測定誤差の要因となりうるのはフレネル反射光で
あり、これは、光ファイバ２配設時に注意を払えば、容
易に除去することができる。

また、前記光ファイバ２内を伝播したレーザ光は、この
光ファイバ出力端２ｂから外方へ拡散されるが、光ファ
イバ２内には２本のコア３．３が内包されていることか
ら、このコア３．３間の距離及び光ファイバ出力端２ｂ
と前記投射板１４との距離に依存する干渉縞１９が、こ
の投射板１４上に形成される。そして、投射板１４上に
設けられたデテクタ１５により、この干渉縞１９の形成
状況はオシロスコープ１７により観測される。

次に、先ファイバ２が配設された測定領域内で火災が発
生し、これにより光ファイバ２周囲に温度変化が生じる
と、前記（１）、（２）式に従って、この温度変化箇所
で発生するストークス光又はアンチストークス光の強度
が変化する。この、（アンチ）ストークス光の強度変化
は、従来のＯＴＤＲ法における破断点検出と同様に、前
記オシロスコープ１２上において、光ファイバ人力端２
ａがら前記温度変化箇所までの距離に対応する時間差の
地点における、反射光９の強度変化として捉えることが
できる。つまり、このオシロスコープＩ２により、反射
光９の強度変化及びパルス発射時間から強度変化箇所ま
での時間差を検出すれば、光ファイバ２上での温度変化
及びその位置を測定することができる。

また、光ファイバ２周囲に温度変化が生じると、ファイ
バ２内の応力変化により、この光ファイバ２内を伝播す
るレーザ光の位相が変化する。従って、前記投射板Ｉ４
上に形成される干渉縞Ｉ９の位置が変化し、また、条件
によっては周期的に振動する。よって、この干渉縞１９
の位置及び振動周波数を、前記デテクタ１５及びオシロ
スコープ１７により検出すれば、同様に光ファイバ２上
での温度変化及びその位置を測定することができる。

すなわち、以上のような構成を有する火災検知センサは
、誘導ラマン効果で発生する（アンチ）ストークス光の
強度の温度依存性を利用し、かつ、光ファイバ２の温度
変化による内部応力変化を、干渉縞１９により検出して
いるので、この光ファイバ２の長手方向の温度変化、す
なわちこの光ファイバ２が配設されている測定領域内の
温度変化を正確に測定することができる。よって、測定
領域内全体に亙っての測定を容易にし、かつ、火災発生
箇所を精密に特定しうる火災検知センサを実現すること
ができる。

特に、干渉縞１９による温度測定は、光ファイバ２周囲
の温度変化以外にもこの光ファイバ２内の応力を変化せ
しめる要因（圧力等）が多数存在するので、その測定結
果に誤差を生じる可能性があると共に、系全体の振動に
対して弱く、従って、前記ストークス光等による温度測
定を併用することによって、より精度の高い火災検知を
行うことができる。

以下、実験例によりこの発明の作用効果を明確にするが
、この発明はこれら実験例に限定される＝１２− ものではない。

（実験例Ｉ　） 第１図に示すような火災検知センサＩを作製した。光源
４には、シングルモードＹＡＧレーザ（出カフＷ）のも
のを使用し、Ｑスイッチにより８ｋＷのピークパワーで
６０ｎｓの中値幅を持つパルス状のレーザ光を発生させ
た。パルスの繰り返し周波数は１ｋＨｚであった。デュ
アルコア光ファイバ２の全長は６００ｍ１ファイバ径は
１２５μｍ１コア径８μｍであり、コア間隔は５０μｍ
であった。この光ファイバ２の外面にはニッケル５μｍ
からなる金属被覆層を設けた。

このような構成の火災検知センサ１について、加熱実験
を行った。加熱源は、長さ３０ｃｍ、幅２ｃｍのプロパ
ンバーナであり、このプロパンバーナを前記光ファイバ
２から３０ｃｍ離して燃焼させることで、この光ファイ
バ２を加熱した。着火と同時に、センサ１のＯＴＤＲ部
１３が変化を示し、また、投射板Ｉ４上に形成された干
渉縞１９が振動した。干渉縞】９の振動周波数は２ｋＨ
ｚであった。

（実験例２　） 実験例１で示した火災検知センサｌを、第２図に示すよ
うな木造の室２０の内部に設置した。この室２０の寸法
は、高さａｍＸ幅１０ｍ×奥行き２０ｍである。光ファ
イバ２は、室２０の天井に、１ｍの間隔で蛇行させて配
設した。

この室２０内に３０ｃｍ角のドラム缶を設置し、このド
ラム缶内に溶油を入れて着火した。まず、着火２秒後に
干渉縞１９が変化を示し、３０秒後にはその振動周波数
がＩｋＨｚとなった。また、１５秒後には、ＯＴＤＲ部
１３にも変化が現れ、３０秒後には２００℃を示した。

比較例として、同位置に従来使用されている通常の感熱
式温度センサを設置したが、温度変化を検知できたのは
４５秒後であった。

一方、室２０内を暖房により６０℃にまで均一に加熱し
たところ、ＯＴＤＲ部には変化が現れたが、干渉縞１９
には変化が現れなかった。さらに、室２０の周囲に振動
を加えたところ、ＯＴＤＲ部１３には変化が現れなかっ
たが、干渉縞１９には変化が現れた。

「発明の効果」 以上詳細に説明したように、この発明に係わる火災検知
センサは、センサ部として測定領域内に配設された光フ
ァイバと、この光ファイバの入力端からラマン閾値以上
の出力を有するパルス状レーザ光を入射して、前記光フ
ァイバ内からのストークス光又はアンチストークス光の
後方散乱光を検出するＯＴＤＲ部とで構成されているの
で、前記測定領域内での温度変化に伴う前記光ファイバ
の温度変化を、前記ストークス光又はアンチストークス
光の後方散乱光強度の温度依存性により測定することが
でき、また、その温度変化の位置も、従来のＯＴＤＲ法
に従って、特定することができる。よって、この発明に
よれば、測定領域内全体に亙っての測定を容易にし、か
つ、火災発生箇所を精密に特定しうる火災検知センサを
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である火災検知センサを示
す概略図、第２図は実験例に使用された実験装置を示す
概観図である。 ｌ・・・・・・火災検知センサ、２・・・・・・光ファ
イバ、３・・・・・コア、５・・・・・・レーザ光、１
３・・・・・・ＯＴＤＲ部、１８・・・・・・干渉縞検
出部、１９・・・・・・干渉縞。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）センサ部として測定領域内に配設された光ファイ
   バと、この光ファイバの入力端からラマン閾値以上の出
   力を有するパルス状レーザ光を入射して、前記光ファイ
   バ内からのストークス光又はアンチストークス光の後方
   散乱光を検出するＯＴＤＲ部とを具備してなる火災検知
   センサ。
2. （２）前記光ファイバ内には複数本のコアが内包されて
   いると共に、前記火災検知センサには、この光ファイバ
   の出力端からのレーザ光により干渉縞を形成して、この
   干渉縞の位置及び振動周波数を検出する干渉縞検出部が
   設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の火災検知センサ。