JPS6410880B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、温度、圧力、流量等の物理信号を光
信号を利用して伝送する光学計測システムに関す
るものである。

従来、各種物理信号を光信号で伝送する場合、
光の強弱（アナログ）信号として伝送する方式、
パルス巾信号として伝送する方式あるいは波長の
異なる２種の光信号を用い、これらの光信号の強
弱を差動的に変化させて伝送する方式等がある。

光の強弱信号として伝送する方式は、伝送路た
る光フアイバの伝送損失変化が誤差になる欠点が
あり、他の残りの方式はこれらの欠点がない反
面、全体構成が複雑になるうえに、検出精度や伝
送精度が余り高くないという欠点がある。

本発明は、従来方式におけるこれらの欠点のな
い、構成が簡単で、検出精度や伝送精度の高い光
学計測システムを提供しようとするものである。

本発明に係るシステムは、伝送信号として光パ
ルス又は振巾変調光を用いるとともにこの光パル
ス又は振巾変調の周波数信号を被測定物理量に関
連して制御する点に、構成上のひとつの特徴があ
る。

第１図は本発明に係るシステムの一例を示す構
成ブロツク図である。図において、１は被測定物
理量の検出端、２は受信端、３は検出端１と受信
端２とを結ぶ光伝送路で、ここでは検出端１側が
２部分３１，３２に分岐した１本の光フアイバが
用いられているが２本のフアイバを用いてもよ
い。

検出端１において、１１は光フアイバ３１から
の光パルス信号を入力し、この光パルス信号に対
応して機械振動する光・振動変換器、１２は共振
器で、光・振動変換器１１に結合しており、ここ
には温度、圧力、力、変位など被測定物理量が与
えられており、この共振周波数が被測定物理量に
対応して変化する。１３は共振器１２に結合して
いる振動・光変換器で、光フアイバ３２が光学的
に結合している。

受信端２において、２１は光の強さを制御でき
る光源で、発光ダイオード、レーザ光源、ランプ
等が用いられる。２２はビームスプリツタで、こ
こではハーフミラを用いた例を示す。このビーム
スプリツタ２２は、光伝送路３として２本のフア
イバで構成されるものを使用すれば必要としな
い。２３は光電変換器で、光伝送路３を介して検
出端１側から伝送され、ビームスプリツタ２２を
介して入射する光信号を受光し電気信号に変換す
る。２４は光電変換器２３からの電気信号を入力
しこれを増巾するロツクインアンプ、２５はロツ
クインアンプ２４の出力信号を設定値とする発振
器２６の制御回路である。発振器２６は例えば電
圧制御発振器VCOが用いられ、制御回路２５か
らの信号によつてその発振周波数が制御される。
２７は光源２１の駆動回路で、光源２１からの振
巾変調光又は光パルスの周波数を発振器２６から
の周波数信号で制御する。

第２図は検出端１の一例を示す構成斜視図で、
ここでは両持梁振動子１０を用い、この振動子１
０に検出すべき力Ｆが与えられている場合を例示
する。

振動子１０の端部付近には、表面が光を吸収し
やすいように黒色としたバイメタル１４が取付け
られ、これに光フアイバ３１の一端が結合してい
る。このバイメタル１４は、第１図において光振
動変換器１１としての役目をなすもので、光フア
イバ３１から出射される光パルス（周波数）を
吸収して熱膨張（熱収縮）し、振動子１０を受信
側から伝送される振巾変調光又は光パルスの周波
数に対応した周波数で振動させる。なお、ここで
振動子１０とこれに取付けた金属１４に熱膨張係
数の違う材料を用い、１０と１４が、バイメタル
構成となるようにしてもよい。振動子１０は第１
図における共振器１２としての役目をなすもの
で、これに力Ｆが与えられその張力が変化し、そ
の共振周波数が与えられている力Ｆに対応して変
化する。光フアイバ３２の一端は、振動子１０の
ほゞ中央付近において対向するように光学的に結
合しており、振動子１０に受信側から伝送された
光信号（ここでは光パルス）を照射するととも
に、ここからの反射光を受光し、振動子１０の振
幅に対応して光パルス高さが変化する光信号を受
信側に伝送する。なお、ここで光伝送路３を２本
の光フアイバで構成し、光フアイバ３２からは連
続光を照射するようにしてもよい。振動子１０と
光フアイバ３２は、振動光変換器１３としての役
目をなしている。

第１図に戻り、このシステムの動作を、検出端
１として第２図に示すような振動子１０を用いた
場合を例にとつて次に説明する。

はじめに、光源２１から振巾変調光又は光パル
ス信号を光伝送路３を介して検出端側に伝送する
とともに、この光信号の周波数を例えば₁から
₂まで掃引する。検出端１側において、振動子１
０は伝送された光信号の周波数に対応して振動す
る。ここで、伝送される光信号の周波数が、振動
子１０の共振周波数₀（たゞし、₁＜₀＜₂とす
る）に一致すると、この点で振動子１０の振動振
巾が著しく大きくなる。

第３図は、検出端１において、伝送されてくる
光信号の周波数が、₁から₂に掃引された場
合、この周波数と、振動子１０の振巾、すなわち
検出端１の出力の光振巾の変化分P₀との関係を
示した線図であつて、伝送される光信号の周波数
が、振動子１０の共振周波数₀になつたとき、
検出端出力の光振巾の変化分が最も増大すること
を示している。

振動子１０の振動振巾は、光フアイバ３２、光
伝送路３を介して受信端２側に伝送される。受信
端２において、検出端１側から伝送された振動子
１０の振動振巾情報を含んだ光パルス信号は、光
電変換器２３で受光され、ロツクインアンプ２４
に印加される。ロツクインアンプ２４は、伝送す
る光パルス信号を周波数₁から₂まで掃引したと
き、検出端出力が最大となる点₀を検出する。

第４図は、受信端２側から伝送する光パルス信
号を、更に微少振巾mでFM変調して検出端１
側に伝送した場合におけるロツクインアンプ２４
の出力を示したもので、出力eoが零を横切る点
を検出することによつて、₀を容易に検出するよ
うにしている。ロツクインアンプ２４の出力は、
制御回路２５に印加され、発振器２６、駆動回路
２７を介して光源２１から出射する光パルス信号
の周波数を₀になるように制御するもので、以
後、振動子１０を含んで形成される閉ループは、
光源１からの光パルス信号の周波数が、振動子
１０の共振周波数₀に追従するように制御する。

よつて、第１図システムにおいて、発振器２６
の発振周波数₀から、振動子１０の共振周波数、
すなわちこの振動子１０に与えられている力Ｆを
計測することができる。なお、この実施例におい
て、振動子１に与える力を、例えば圧力、温度、
変位といつた物理量に関連するようにすれば、発
振器２６の発振周波数₀から、これらの各種物理
量を計測することができる。

このように構成されたシステムによれば、光伝
送路及び検出端に電気信号が介在しないので、本
質安全防爆、ノイズに対する対策、信号のアイソ
レーシヨンが容易で、計装を安価に行うことがで
きる。また、光パルス又は振巾変調光信号の周波
数信号を伝送、検出するものであることから、光
伝送路の損失変化や、光源や受光素子の経年変化
等による誤差がなく、全体として構成が簡単で、
検出精度や伝送精度の高い光学計測システムが実
現できる。

第５図〜第８図は本発明システムに使用される
検出端１の他の例を示す構成図である。

第５図は円筒形状の光音響共振器を用い、これ
が被測定温度個所に設置されている場合を例示す
る。この光音響共振器１０は、円筒形内部に温度
に感応し熱膨張又は熱収縮する気体又は液体が満
たされている。光フアイバ３１から出射した光は
この円筒形内部に放射され、この中に満たされた
気体又は液体に吸収される。または、共振器１０
の側面に、例えばカーボンブラツクを施した光吸
収部１４を設け、光フアイバ３１から出射した光
を１４が吸収し、近傍の気体または液体を加熱し
てもよい。他方の側面一部にはダイヤフラム１５
が設けられており、光フアイバ３２の端面は、こ
のダイヤフラム１５に光学的に結合している。

このような構成の光音響共振器１０において、
光フアイバ３１から出射される光パルス（周波数
）は、気体又は液体あるいは光吸収部１４に吸
収され、これが熱エネルギーに変換される。これ
によつて共振器内部の気体は光パルスに対応して
熱膨張（熱収縮）し、光パルスの周波数に対応し
た周波数の圧力音響波を生じ、ダイヤフラム１５
はこの圧力音響波とともに振動する。ダイヤフラ
ム１５に結合している光フアイバ３２は、ダイヤ
フラム１５に受信側から伝送された光信号（ここ
では光パルス）を照射させるとともにここからの
反射光を受光し、ダイヤフラム１５の振幅に対応
して光パルス高が変化する光信号を受信側に伝送
する。

ここで、円筒形状で構成される光音響共振器１
０は、その軸方向、径方向、円周方向に各共振周
波数を有しており、この共振周波数は光音響共振
器１０が設置されている例えば周囲温度に応じて
変化するもので、ダイヤフラム１５の共振周波数
₀は周囲温度に関連して変化することとなる。

なお、ここに示す光音響共振器１０において、
側面を、第６図に示すように周縁部をダイヤフラ
ム１５とした薄板で構成し、共振器１０内に被側
定流体を導入して薄板を変位させるようにすれ
ば、被測定流体の圧力に対応してその共振周波数
₀が変化することになる。

第７図は第２図のものと同様に、両持梁振動子
１０を用いて構成したもので、光振動変換器１１
は、振動子１０に取付けた圧電素子１６とこの圧
電素子に駆動信号を与えるフオトダイオード１７
とが用いられている。これらは、例えば振動素子
１０上に薄膜技術を利用して形成される。フオト
ダイオード１７は光フアイバ３１によつて伝送さ
れた光パルス信号を受光し、これを電気信号に変
換して圧電素子１６を駆動する。振動光変換器１
３は、ここでは光フアイバ３２と光フアイバ３３
との間に振動素子１０を設置したもので、振動素
子１０の振動によつて光フアイバ３２から出た光
が遮ぎられたり遮ぎられなかつたりし、この振動
に対応した光パルス信号が光フアイバ３３を介し
て受信端側に返送されるようになつている。

このように構成される検出端の主たる動作は第
２図のものと同様である。

第８図は、第２図あるいは第７図に示すような
振動梁を用いて構成した検出端において、振動・
光変換器１３の他の例を示す構成図である。ここ
で振動子１０にミラー１８を取付けるとともに、
光フアイバ３からの光をロツトレンズ１８Ａとハ
ーフミラ１９を介してミラー１８に照射するよう
にしたもので、これらは公知のフアブリ・ペロー
共振器を構成している。この装置はハーフミラー
１９とミラー１８との間の距離ΔXの変化、すな
わち振動素子１０の振幅に対応した振幅をもつ光
パルス信号を光伝送路３側に送送する。

なお、検出端としてここではいくつかの例を示
したが、これらは各実施例においてそれぞれ特徴
ある部分を組合せて用いることができる。また、
ここに示された構成のものに限らず、他の構成の
もの、すなわち伝送された光パルス信号によつて
駆動され、被測定物理量に関連してその共振周波
数が変化するように構成されたものであれば使用
が可能である。

第９図は本発明に係るシステムの他の構成例を
示すブロツク図である。このシステムにおいて
は、受信端２を、光・電変換器２３からのパルス
信号をバンドパス増巾器２８を介して光源駆動回
路２７に印加し、光源２１から出射する光パルス
信号の周波数を制御するように構成したものであ
る。

このシステムによれば、光源２１、光伝送路
３、共振器１２、バンドパス増巾器２８を含んで
形成されるループは、共振器３２の共振周波数₀
で発振する発振器を構成している。

第１０図は第９図に示すシステムにおいて、光
パルスの周波数と、検出端１のゲインとの関係を
示した線図である。ここで、受信例から伝送する
光パルスの周波数が、共振器３２の共振周波数₀
と一致した点がゲインが最大となり自励発振す
る。バンドパス増巾器２８の出力周波数₀から共
振器２２に与えられる各物理量を測定することが
できる。

以上説明したように、本発明は光源からの光信
号の周波数を検出端を構成する共振子の共振周波
数に追従するように制御するものであるから、単
一波長の光源で構成でき、しかも光伝送路の伝送
損失変化や光源、光電変換器の効率変化の影響を
受けない、構成の簡単な光学計測システムが実現
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るシステムの一例を示す構
成ブロツク図、第２図は第１図システムに用いら
れている検出端の一例を示す構成斜視図、第３図
及び第４図は第１図システムの動作を説明するた
めの線図、第５図〜第８図は本発明システムに使
用される検出端の他の例を示す構成図、第９図は
本発明に係るシステムの他の構成例を示すブロツ
ク図、第１０図は第９図システムの動作を説明す
るための線図である。 １…検出端、１１…光・振動変換器、１２…共
振器、１３…振動・光変換器、２…受信端、２１
…光源、２２…ビームスプリツタ、２３…光電変
換器、２４…ロツクインアンプ、２５…制御回
路、２６…発振器、２７…光源駆動回路、３…光
伝送路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光信号によつて駆動され、その共振周波数が
   与えられる被測定物理量に対応して変化する共振
   手段を有する検出端、光源とこの光源からの光パ
   ルス信号又は振巾変調光の周波数を制御する光源
   制御手段とを有する受信端、前記検出端と前記受
   信端とを結ぶ光伝送路を具備し、前記受信端にお
   いて、光信号を前記光伝送路を介して前記検出端
   に伝送するとともに前記検出端から前記共振手段
   の共振周波数又は振巾又は位相に関連した光信号
   を光伝送路を介して受光し、光源制御手段は光パ
   ルス信号又は振巾変調光の周波数を前記共振手段
   の共振周波数に対応するように制御することを特
   徴とする光学計測システム。 ２ 検出端は、被測定物理量に対応した力が与え
   られる振動子を含んで構成されている特許請求の
   範囲第１項記載の光学計測システム。 ３ 検出端は、光又は熱に感応する気体又は液体
   が満たされた光音響共振器を含んで構成されてい
   る特許請求の範囲第１項記載の光学計測システ
   ム。 ４ 検出端は、フアブリ・ペロー共振器を含んで
   構成されている特許請求の範囲第１項記載の光学
   計測システム。 ５ 受信端において光源制御手段を、共振手段の
   共振周波数に関連した信号を入力信号とするロツ
   クインアンプと、このロツクインアンプの出力信
   号に関連した信号によつて制御される電圧制御発
   振器とを含んで構成した特許請求の範囲第１項記
   載の光学計測システム。 ６ 受信端において光源制御手段を、共振手段の
   共振周波数に関連した信号を入力信号とし、共振
   手段の共振周波数で自励発振するようにした特許
   請求の範囲第１項記載の光学計測システム。 ７ 検出端は、入力光パルスまたは振巾変調光を
   吸収し、熱膨張、又は熱収縮する材料を介して共
   振手段を駆動する構成の特許請求の範囲第１項記
   載の光学計測システム。 ８ 検出端は、入力光パルスまたは振巾変調光を
   光電変換器で電気信号とし、圧電素子を介して共
   振手段を駆動する構成の特許請求の範囲第１項記
   載の光学計測システム。