JP2004264114A

JP2004264114A - Ｆｂｇ式温度センサ及びこれを用いた温度計測システム

Info

Publication number: JP2004264114A
Application number: JP2003053660A
Authority: JP
Inventors: Eiichi Sugai; 栄一菅井; Toshihiro Furukawa; 敏宏古川; Kazunori Yamaga; 一徳山賀; Seiichi Fujita; 清一藤田; Hiroshi Nakahara; 紘中原
Original assignee: NAKAHARA SEKKEI JIMUSHO KK; TOA SOKKI KK; NTT Advanced Technology Corp; Tokyo Sokki Kenkyujo Co Ltd
Current assignee: NAKAHARA SEKKEI JIMUSHO KK; TOA SOKKI KK; NTT Advanced Technology Corp; Tokyo Sokki Kenkyujo Co Ltd
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-24
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: JP3755601B2

Abstract

【課題】ＦＢＧ２を形成した光ファイバ３を用いて雰囲気温度を検出するＦＢＧ式温度センサにおいて、感度を向上させる。
【解決手段】雰囲気温度の変化に応じて撓み量が変化するバイメタル部材４を備える。撓みによって変位するバイメタル部材４の可動端にＦＢＧ２から離隔した光ファイバ３の部分を固定して、ＦＢＧ２に作用する張力をバイメタル部材４により雰囲気温度の変化に応じ変化させるようにする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を形成した光ファイバを用いて雰囲気温度を検出するＦＢＧ式温度センサ及びこれを用いた温度計測システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＢＧは、光ファイバのコアに形成される、屈折率が周期的に変化する回折格子であり、ブラッグ波長と呼ばれる特定の波長の光を反射する機能を持つ。ここで、屈折率変化の周期ピッチをΛ、ＦＢＧの形成箇所におけるコアの実効屈折率をｎとすると、ブラッグ波長λ_Ｂは、
λ_Ｂ＝２×ｎ×Λ …（１）
で表される。
【０００３】
ＦＢＧを被試験体に貼り付けておくと、被試験体に機械的ひずみが発生した場合、上記（１）式のΛが変化する。従って、Λの変化に伴うブラッグ波長λ_Ｂの変化を測定することにより被試験体の機械的ひずみを計測できる。
【０００４】
また、ＦＢＧには温度依存性があり、単位温度当たりの波長変化量Δλ_Ｂは、下記（２）式で表される。
Δλ_Ｂ＝（α＋ξ）×Ｋ …（２）
【０００５】
ここで、αは光ファイバ素材である石英ガラスの線膨張係数であって、常温域で約０．５５×１０^−６／℃であり、ξは屈折率の温度依存性を表す熱光学係数であって、入射光の波長帯が１５５０ｎｍの場合で約８．０×１０^−６／℃であり、Ｋはひずみ感度であって、約１．２（ｐｍ／１×１０^−６）である。
【０００６】
従来、ＦＢＧの上記した性質を利用して、雰囲気温度を検出する下記の如きＦＢＧ式温度センサが知られている。この温度センサは、ＦＢＧをバイメタル部材に貼り付け、雰囲気温度の変化によるバイメタル部材の撓みによって生ずるバイメタル部材の表面ひずみをブラッグ波長の変化として感知するものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
ここで、温度センサの単位温度当たりの出力値を、ブラッグ波長の変化量のひずみ相当量（Δλ_ＢをＫで除した値）と定義する。上記ＦＢＧ式温度センサの単位温度当たりの出力値は、バイメタル部材の湾曲係数が１５×１０^−６／℃程度であるため、約２５×１０^−６／℃程度になると予測される。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１９４２４９号公報（第２〜第３頁、図１〜図２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例のものは、バイメタル部材の表面ひずみによりＦＢＧにひずみを生じさせて、雰囲気温度を検出するものである。従って、ＦＢＧに左程大きなひずみは生じず、単位温度当たりの出力値を大きくして、感度を向上させることは困難である。
【００１０】
本発明は、以上の点に鑑み、感度を向上し得るようにした小型簡素な構造のＦＢＧ式温度センサ並びにこの温度センサを用いた温度計測システムを提供することをその課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のＦＢＧ式温度センサは、雰囲気温度の変化に応じて撓み量が変化するバイメタル部材を備え、撓みによって変位するバイメタル部材の可動端にＦＢＧから離隔した光ファイバの部分を固定して、ＦＢＧに作用する張力をバイメタル部材により雰囲気温度の変化に応じ変化させるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
上記の如く光ファイバの固定箇所をバイメタル部材の可動端にすることで、ＦＢＧが、バイメタル部材の表面ひずみではなく、バイメタル部材の撓み変化相当分の張力変化を受けることになる。そのため、雰囲気温度の変化に対するＦＢＧの張力変化量を大きくすることが可能になる。従って、単位温度当たりの出力値を大きくして、感度を向上できる。更に、バイメタル部材の形状を変更することで雰囲気温度の変化に対するＦＢＧの張力変化量が変わるため、簡単に単位温度当たりの出力値を変更できる。
【００１３】
ここで、片持ち梁状のバイメタル部材を用いた場合、ＦＢＧに作用する張力のバイメタル部材による単位温度当たりの変化量Ｐは、Ｅｂをバイメタル部材の弾性係数（＝約１７００００（Ｎ／ｍｍ^２））、ｂをバイメタル部材の幅、ｈをバイメタル部材の厚さ、Ｌをバイメタル部材の長さ、ｋをバイメタル部材の湾曲係数として、
Ｐ＝Ｅｂ・ｂ・ｈ^２・ｋ／（４・Ｌ） …（３）
で表される。また、張力変化量ＰとＦＢＧの出力εとの関係は、ＥｆをＦＢＧの弾性係数（＝約８００００（Ｎ／ｍｍ^２））、ＡをＦＢＧの断面積（＝０．０１２３ｍｍ^２）として、
Ｐ＝Ｅｆ・Ａ・ε …（４）
で表される。（３）式を（４）式に代入すると、
ε＝｛（Ｅｂ・ｂ・ｈ^２）／（４・Ｅｆ・Ａ・Ｌ）｝・ｋ
になり、これに数値を代入して、
ε＝（３４５・ｂ・ｈ^２／Ｌ）・ｋ …（５）
になる。（５）式から明らかなように、本発明によれば、バイメタル部材の形状を適宜に設定することで、ＦＧＢの出力をバイメタル部材の湾曲係数よりも非常に大きくすることができる。
【００１４】
バイメタル部材としては、種々の形状のもの、例えば、長手方向両端部を結ぶ線に対し中間部分が長手方向と直交方向にオフセットした形状で、雰囲気温度の変化に伴い両端部間の距離が変化するようにしたものを用いることができる。この場合、ＦＢＧから一方に離隔した光ファイバの部分と他方に離隔した光ファイバの部分とをバイメタル部材の一端部と他端部とに固定して、バイメタル部材の両端部間にＦＢＧが張り渡されるようにする。このバイメタル部材の一部分、例えば、一端部を適宜の支持部材で支持しておけば、バイメタル部材の他端部が雰囲気温度の変化で変位する可動端となる。そして、この他端部の変位が光ファイバで拘束されるために、ＦＢＧがバイメタル部材の撓み変化相当分の張力変化を受けて、ＦＢＧに作用する張力が雰囲気温度に応じて変化する。この型式の温度センサは小型化を図り易く、有利である。
【００１５】
また、ＦＢＧから一方に離隔した光ファイバの部分を固定する固定部材を設け、固定部材の光ファイバ固定部から所定方向に離隔した位置に、雰囲気温度の変化で前記所定方向に撓むように、片持ち梁状のバイメタル部材を配置しても良い。この場合、ＦＧＢから他方に離隔した光ファイバの部分をバイメタル部材の自由端に固定して、固定部材とバイメタル部材との間にＦＢＧが張り渡されるようにする。これによれば、バイメタル部材の自由端が雰囲気温度の変化で前記所定方向に変位する可動端となり、この自由端の変位が光ファイバで拘束されるために、ＦＢＧに作用する張力が雰囲気温度に応じて変化する。
【００１６】
ところで、ＦＢＧが弛むと温度計測は不能になる。バイメタル部材を弾性的に撓ませて、ＦＢＧに初期張力を付与しておけば、バイメタル部材にＦＢＧの張力を減少する方向への撓みを生ずる温度領域での計測も可能になる。従って、計測可能な温度範囲を広げることができる。
【００１７】
また、バイメタル部材とＦＢＧとを筒状の保護部材に収納しておけば、温度センサを種々の環境下で使用でき、有利である。
【００１８】
更に、本発明では、上記した本発明のＦＢＧ式温度センサを用いた以下の如き温度計測システムが提供される。このシステムは、複数個のＦＢＧ式温度センサを光ファイバを介して直列に接続し、上流端のＦＢＧ式温度センサに連なる光ファイバに、光ファイバに対する入光手段と、各ＦＢＧ式温度センサのＦＢＧで反射された光を受光して、光の波長を検出する波長検出手段とを接続して成るものである。ここで、各ＦＢＧ式温度センサのＦＢＧの基準温度におけるブラッグ波長は、各ＦＢＧ式温度センサについて設定した所定の計測温度範囲でのブラッグ波長の変化幅以上の差を持って相互に異なるように設定される。
【００１９】
これによれば、各ＦＢＧ式温度センサのＦＢＧで反射される光の波長が相互に異なることになり、波長検出手段により各ＦＢＧ式温度センサのＦＢＧで反射された光の波長を個々識別して検出できる。そして、各ＦＢＧ式温度センサのＦＢＧの基準温度におけるブラッグ波長に対する検出波長の偏差から各ＦＢＧ式温度センサの配置部の雰囲気温度を計測することができる。
【００２０】
ここで、上記計測システムでは、複数のＦＢＧ式温度センサを直列接続しているため、各ＦＢＧ式温度センサ毎に入光手段や波長検出手段を設ける必要がなく、設備費を大幅に削減できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１はＦＢＧ式温度センサ１を示している。この温度センサ１は、中間にＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）２を形成した光ファイバ３と、線膨張係数が異なる２枚の金属を張り合わせて構成されるバイメタル部材４とを備えている。
【００２２】
バイメタル部材４は、図２に明示されているように、長手方向両端部４ａ，４ｂを結ぶ線に対し中間部分４ｃが長手方向と直交方向に略Ｖ字状にオフセットした形状に形成されている。そのため、雰囲気温度の変化に伴い両端部４ａ，４ｂ間の距離が変化する。図１でバイメタル部材４の上側の金属４１が線膨張係数の大きな方の金属であれば、雰囲気温度の上昇で両端部４ａ，４ｂ間の距離が増加し、下側の金属４２が線膨張係数の大きな方の金属であれば、雰囲気温度の上昇で両端部４ａ，４ｂ間の距離が減少する。
【００２３】
光ファイバ３は、バイメタル部材４の両端部４ａ，４ｂ間にＦＢＧ２が張り渡されるように、ＦＢＧ２から一方に離隔した部分と他方に離隔した部分とにおいてバイメタル部材４の一端部４ａと他端部４ｂとに固定される。この固定は、エポキシ樹脂等の接着剤５による接着で為されるが、適当な金具で光ファイバ３を挟み込む方式で行っても良い。尚、光ファイバ３の固定に際しては、予めバイメタル部材４を長手方向に所定量縮めた状態に拘束し、バイメタル部材４の両端部４ａ，４ｂに光ファイバ３を固定した後に拘束を解除する。これにより、バイメタル部材４が弾性的に撓ませられた状態で光ファイバ３が固定されることになり、バイメタル部材４の弾性復元力によりＦＢＧ２に初期張力が付与される。
【００２４】
バイメタル部材４と光ファイバ３とのアッセンブリは、図１に示す如く、筒状の金属製保護部材６内に収納されている。保護部材６は、その両端に封止部材６ａ，６ｂを備えており、一端の封止部材６ａによりバイメタル部材４の一端部４ａにおいてバイメタル部材４および光ファイバ３を支持している。
【００２５】
かくして、バイメタル部材４は、雰囲気温度の変化に伴う両端部４ａ，４ｂ間の距離変化により、可動端たる他端部４ｂが長手方向に変位しようとする。然し、この変位は光ファイバ３によって拘束され、そのため、ＦＢＧ２がバイメタル部材４全体の撓み変化相当分の張力変化を受け、ＦＢＧ２に作用する張力が雰囲気温度の変化に応じて変化する。そして、ＦＢＧ２の張力変化に伴うブラッグ波長の変化で雰囲気温度を検出することができる。
【００２６】
各封止部材６ａ，６ｂには、金属製の螺旋管等から成る可撓管７が連設されている。そして、バイメタル部材４に対する光ファイバ３の固定部外方にのびる光ファイバ３の部分を各封止部材６ａ，６ｂを通して可撓管７に挿通し、光ファイバ３を可撓管７により保護している。ここで、保護部材６と各封止部材６ａ，６ｂと各可撓管７とは防水性を持つように結合されている。従って、ＦＢＧ式温度センサ１を屋外に配置しても、光ファイバ３及びバイメタル部材４に対する防水性が確保される。
【００２７】
図７は、図２に示すＶ字状のバイメタル部材４を用いたＦＢＧ式温度センサ１による温度測定結果を示している。縦軸のセンサ出力は、ブラッグ波長のひずみ相当量である。バイメタル部材４は、高膨張率側（上側）が３６Ｎｉ−Ｆｅ合金、低膨張率側（下側）が２２Ｎｉ−４Ｃｒ−Ｆｅ合金で形成され、常温時の両端部４ａ，４ｂ間の距離Ｌａが２７ｍｍ、中間部４ｃのオフセット量Ｌｂが４ｍｍ、幅が３ｍｍのものを用いている。図７から明らかなように、単位温度当たりの出力値は約８０×１０⁻ ^６にもなっている。バイメタル部材の表面にＦＢＧを貼り付けた従来のＦＢＧ温度センサの単位温度当たりの出力値が約２５×１０⁻ ^６と予測できるのに対し、感度が格段に向上している。また、直線性も良好になっている。
【００２８】
尚、バイメタル部材４は、上記Ｖ字状のものに限定されるものではない。例えば、図３に示すように、両端部４ａ，４ｂを結ぶ線に対し中間部分４ｃを長手方向と直交方向に円弧状にオフセットさせたものでも、或いは、図４に示すように、両端部４ａ，４ｂを結ぶ線に対し中間部分４ｃを長手方向と直交方向に凹状にオフセットさせたものでも良い。但し、単位温度当たりの出力値を大きくして、且つ、センサの小型化を図るには、Ｖ字状のバイメタル部材４が最適である。
【００２９】
また、図１に示す実施形態では、バイメタル部材４の一端部４ａを封止部材６ａで支持される固定端としているが、バイメタル部材４の中間部分４ｃの中央を適宜の支持部材で支持し、バイメタル部材４の両端部４ａ，４ｂが共に可動端と成るようにしても良い。
【００３０】
また、上記実施形態では、光ファイバ３をバイメタル部材４の両端部４ａ，４ｂに固定したが、図５に示す如く、別途設ける固定部材８に、ＦＢＧ２から一方に離隔した光ファイバ３の部分を固定する型式のものでも良い。このものでは、固定部材８の光ファイバ固定部から所定方向に離隔した位置に、雰囲気温度の変化で前記所定方向に撓むような片持ち梁状のバイメタル部材９を配置する。そして、ＦＧＢ２から他方に離隔した光ファイバ３の部分をバイメタル部材９の自由端９ａに固定して、固定部材８とバイメタル部材９との間にＦＢＧ２が張り渡されるようにする。尚、図５のものでは、固定部材８を、前記所定方向にのびる屈曲部８ａを有する略Ｌ字状に形成し、屈曲部８ａの先端にバイメタル部材９の基端を適宜の止め金具８ｂで固定している。
【００３１】
これによれば、バイメタル部材９の自由端９ａが雰囲気温度の変化で前記所定方向に変位する可動端となる。そして、この自由端９ａの変位が光ファイバ３で拘束されるために、ＦＢＧ２に作用する張力が雰囲気温度に応じて変化する。従って、上記実施形態のものと同様に、雰囲気温度の変化をブラッグ波長の変化として検出できる。
【００３２】
また、図示しないが、間隔を存して並設する片持ち梁状の一対のバイメタル部材を用いて、ＦＢＧ式温度センサを構成することも可能である。この場合、雰囲気温度の変化で両バイメタル部材が互いに反対方向に撓むようにする。そして、ＦＢＧから一方と他方に離隔した光ファイバの部分を両バイメタル部材の自由端に固定し、両バイメタル部材の自由端間にＦＢＧが張り渡されるようにする。
【００３３】
図６は、上記ＦＢＧ式温度センサ１を用いた温度計測システムを示している。このシステムでは、複数個のＦＢＧ式温度センサ１を光ファイバ３を介して直列に接続している。尚、連続した１本の光ファイバ３に複数個のＦＢＧ式温度センサ１に対応する複数のＦＢＧ２を形成しても良く、また、各ＦＢＧ式温度センサ１毎に独立した光ファイバ３を中継用の光ファイバを介して接続しても良い。この場合、各ＦＢＧ式温度センサ１の光ファイバ３に中継用の光ファイバをコネクタを介して接続し、このコネクタ接続部を適正な防水構造を持つ保護材でカバーする。
【００３４】
直列接続した複数のＦＢＧ式温度センサ１のうちの上流端のＦＢＧ式温度センサ１の光ファイバ３には、光カプラ１０を介して入光手段１１と、波長検出手段１２とが接続されている。入光手段１１は、広い波長成分の光を照射する広帯域光源１３と、光アイソレータ１４とで構成され、広帯域光源１３からの光が光アイソレータ１４と光カプラ１０とを介して光ファイバ３に入射される。広帯域光源１３としては、例えば、ＳＬＤ（スーパー・ルミネッセント・ダイオード）や、光増幅器を組み込んだ自然放出光源を用いることができる。波長検出手段１２は、各ＦＢＧ式温度センサ１のＦＢＧ２からの反射光を光カプラ１０を介して受光して、光の波長を検出するもので、波長計または光スペクトルアナライザで構成される。尚、光カプラ１０に代えて光サーキュレータを用いても良く、この場合、光アイソレータ１４は不要である。
【００３５】
各ＦＢＧ式温度センサ１のＦＢＧ２の基準温度におけるブラッグ波長は、各ＦＢＧ式温度センサ１について設定した所定の計測温度範囲でのブラッグ波長の変化幅以上の差を持って相互に異なるように設定されている。そのため、各ＦＢＧ式温度センサ１のＦＢＧ２で反射される光の波長が相互に異なることになる。従って、波長検出手段１２により各ＦＢＧ式温度センサ１のＦＢＧ２で反射された光の波長を個々識別して検出できる。そして、各ＦＢＧ式温度センサ１のＦＢＧ２の基準温度におけるブラッグ波長に対する検出波長の偏差から各ＦＢＧ式温度センサ１の配置部の雰囲気温度を計測することができる。
【００３６】
そして、この計測システムでは、各ＦＢＧ式温度センサ１毎に入光手段１１と波長検出手段１２とを設ける必要がなく、低コストで多点の温度計測が可能になる。
【００３７】
また、図示しないが、ＦＢＧを使用したひずみセンサ等のＦＢＧ式センサの複数個を直列接続した他種のＦＢＧセンサ計測システムの一部に上記温度センサを挿入することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明温度センサの一例の縦断面図。
【図２】バイメタル部材とＦＢＧとのアッセンブリの第１実施形態を示す側面図。
【図３】バイメタル部材とＦＢＧとのアッセンブリの第２実施形態を示す側面図。
【図４】バイメタル部材とＦＢＧとのアッセンブリの第３実施形態を示す側面図。
【図５】バイメタル部材とＦＢＧとのアッセンブリの第４実施形態を示す側面図。
【図６】本発明の温度計測システムの一例を示す模式図。
【図７】本発明温度センサによる温度計測試験の結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１…ＦＢＧ式温度センサ２…ＦＢＧ３…光ファイバ４…バイメタル部材４ａ…一端部４ｂ…他端部４ｃ…中間部分６…保護部材８…固定部材９…片持ち梁状のバイメタル部材９ａ…自由端１１…入光手段１２…波長検出手段

Claims

ＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）を形成した光ファイバを用いて雰囲気温度を検出するＦＢＧ式温度センサであって、
雰囲気温度の変化に応じて撓み量が変化するバイメタル部材を備え、撓みによって変位するバイメタル部材の可動端に前記ＦＢＧから離隔した光ファイバの部分を固定して、前記ＦＢＧに作用する張力をバイメタル部材により雰囲気温度の変化に応じ変化させるようにしたことを特徴とするＦＢＧ式温度センサ。
前記バイメタル部材は、長手方向両端部を結ぶ線に対し中間部分が長手方向と直交方向にオフセットした形状で、雰囲気温度の変化に伴い両端部間の距離が変化するように形成され、前記ＦＢＧから一方に離隔した光ファイバの部分と他方に離隔した光ファイバの部分とをバイメタル部材の一端部と他端部とに固定して、バイメタル部材の両端部間に前記ＦＢＧが張り渡されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧ式温度センサ。
前記ＦＢＧから一方に離隔した光ファイバの部分を固定する固定部材を備え、前記バイメタル部材を、固定部材の光ファイバ固定部から所定方向に離隔した位置に、雰囲気温度の変化で前記所定方向に撓むよう片持ち梁状に配置し、前記ＦＧＢから他方に離隔した光ファイバの部分をバイメタル部材の自由端に固定して、固定部材とバイメタル部材との間に前記ＦＢＧが張り渡されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧ式温度センサ。
前記バイメタル部材を弾性的に撓ませて、前記ＦＢＧに初期張力を付与することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＦＢＧ式温度センサ。
前記バイメタル部材と前記ＦＢＧとを筒状の保護部材に収納することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のＦＢＧ式温度センサ。
請求項１〜５の何れか１項に記載のＦＢＧ式温度センサの複数個を光ファイバを介して直列に接続し、各ＦＢＧ式温度センサの前記ＦＢＧの基準温度におけるブラッグ波長を、各ＦＢＧ式温度センサについて設定した所定の計測温度範囲でのブラッグ波長の変化幅以上の差を持って相互に異ならせ、上流端のＦＢＧ式温度センサに連なる光ファイバに、光ファイバに対する入光手段と、各ＦＢＧ式温度センサの前記ＦＢＧで反射された光を受光して、光の波長を検出する波長検出手段とを接続することを特徴とする温度計測システム。