JP4597251B1 - Optical fiber sensor device and sensing method using optical fiber - Google Patents
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Abstract
【課題】温度、湿度、液体・蒸気の種類、濃度等の同一センサヘッドでの測定、複数のセンサヘッドでの同時測定が可能であり、センサヘッドが極めて小さく、耐久性が高く、且つ、安価な光ファイバセンサ装置を実現する。
【解決手段】向するテーパファイバ対１１と、非テーパ部１２と、反射器１３とを具備したセンサ部１に光を入射し、反射光を受光する。反射光はモード間干渉、結合の結果、周期的スペクトルとなり、温度、周囲物質の屈折率によりスペクトルの位相、振幅が変化する。スペクトル変化に伴い反射光量も変化するので、光量変化を検出して所望の物理量を測定する。
【選択図】図１[PROBLEMS] To measure the temperature, humidity, type of liquid / vapor, concentration, etc. with the same sensor head and simultaneously with multiple sensor heads, the sensor head is extremely small, highly durable and inexpensive. An optical fiber sensor device is realized.
Light is incident on a sensor unit 1 including a pair of tapered fibers 11, a non-tapered portion 12, and a reflector 13, and the reflected light is received. The reflected light becomes a periodic spectrum as a result of inter-mode interference and coupling, and the phase and amplitude of the spectrum change depending on the temperature and the refractive index of the surrounding material. Since the amount of reflected light also changes with the change in the spectrum, the desired physical quantity is measured by detecting the change in the amount of light.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、光ファイバを使って温度、湿度、液体・蒸気の種類、濃度等を計測する光ファイバを用いたセンサ装置及びセンシング方法に関する。 The present invention relates to a sensor device and a sensing method using an optical fiber that measures temperature, humidity, type of liquid / vapor, concentration and the like using an optical fiber.
光ファイバセンサは、防爆性、耐電磁ノイズ特性に優れ、遠隔、多点モニタリングが容易なことから各種のセンサが開発されている。 Various types of optical fiber sensors have been developed because they are excellent in explosion-proof properties and electromagnetic noise resistance, and are easy to remotely and multi-point monitor.
特許文献１には、ＦＢＧを用いた温度センサが開示されている。
特許文献２には、湿度により変色する物質をファイバ先端に塗布した湿度センサが開示されている。
特許文献３には、クラッドの一部を感湿層とした湿度センサが開示されている。
特許文献４には、膨潤材料を用いた液体センサが開示されている。
特許文献５には、キトサン複合膜の膨潤収縮を利用して水中の有機溶媒濃度を測定するセンサが開示されている。
特許文献６には、金属皮膜を設けたヘテロコアファイバの表面プラズモンを利用して液体濃度を測定するセンサが開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示されているＦＢＧを利用した温度センサは高価であり、特許文献２〜５に開示されているセンサは、特殊な感湿材や膨潤剤を用いるため構造が複雑で、大きさ、耐久性にも問題があり、特許文献６に開示されているセンサも、高価でセンサヘッドが大きいという問題がある。また、これらのセンサ装置では、温度、湿度、液体・蒸気の濃度等の同一センサヘッドでの測定、或いは、複数のセンサヘッドを用いた同時測定などは困難である。
However, the temperature sensor using FBG disclosed in
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、温度、湿度、液体・蒸気の種類、濃度等の同一センサヘッドでの測定、複数のセンサヘッドでの同時測定が可能であり、センサヘッドが極めて小さく、耐久性が高く、且つ、安価な光ファイバセンサ装置及び光ファイバを用いたセンシング方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and as its purpose, temperature, humidity, type of liquid / vapor, concentration, etc. can be measured with the same sensor head, and simultaneous measurement with a plurality of sensor heads is possible. An object of the present invention is to provide an optical fiber sensor device and a sensing method using an optical fiber, which have a very small sensor head, high durability, and low cost.
そのため、本発明の光ファイバセンサ装置は、対向するテーパファイバ対、当該テーパファイバ対の片側に連結した非テーパ部、当該非テーパ部の端面で測定光を反射する反射器を具備したセンサ部と、当該センサ部に供給すべき測定光を発生する発光手段、当該センサ部で強度変化を受けた反射光を受光する受光手段、測定光を当該センサ部に導き、当該センサ部からの反射光を当該受光手段に導く導光手段、当該受光手段の出力を温度、湿度、液体・蒸気の種類、濃度等の検出すべき物理量に変換する演算処理回路を具備した計測部と、当該センサ部と当該計測部の間の光伝送を行う伝送用光ファイバとを備えることを特徴とする。 Therefore, an optical fiber sensor device according to the present invention includes a pair of opposed tapered fibers, a non-tapered portion connected to one side of the tapered fiber pair, and a sensor unit including a reflector that reflects measurement light at an end surface of the non-tapered portion. , A light emitting means for generating measurement light to be supplied to the sensor unit, a light receiving means for receiving reflected light subjected to an intensity change at the sensor unit, guiding the measurement light to the sensor unit, and reflecting the reflected light from the sensor unit A light guide means that leads to the light receiving means, a measuring section that includes an arithmetic processing circuit that converts the output of the light receiving means into physical quantities to be detected such as temperature, humidity, type of liquid / vapor, concentration, the sensor section, and the And a transmission optical fiber that performs optical transmission between the measurement units.
また、本発明の光ファイバを用いたセンシング方法は、対向するテーパファイバ対、当該テーパファイバ対の片側に連結した非テーパ部、当該非テーパ部の端面で測定光を反射する反射器を具備したセンサ部に対して、伝送用光ファイバを用いて測定光を導入し、当該テーパファイバ対において、当該測定光の一部をコアからクラッド側へ漏洩させ、少なくとも当該非テーパ部において、当該漏洩光をクラッドモードで伝播させて当該反射器によって反射させ、当該センサ部の反射光の変化を、当該伝送用光ファイバを介して検出することにより、当該非テーパ部の周囲環境の屈折率変化、又は、温度に依存する当該非テーパ部自体の屈折率変化を検知することを特徴とする。 In addition, the sensing method using the optical fiber of the present invention includes an opposing tapered fiber pair, a non-tapered portion connected to one side of the tapered fiber pair, and a reflector that reflects measurement light at the end face of the non-tapered portion. Measuring light is introduced into the sensor unit using a transmission optical fiber, and in the tapered fiber pair, a part of the measuring light is leaked from the core to the cladding side, and at least in the non-tapered part, the leaked light is leaked. Is reflected in the clad mode and reflected by the reflector, and the change in the reflected light of the sensor unit is detected through the transmission optical fiber, thereby changing the refractive index of the surrounding environment of the non-tapered part, or Further, it is characterized in that a change in refractive index of the non-tapered portion itself depending on temperature is detected.
本発明により、温度、湿度、液体・蒸気の種類、濃度等の同一センサヘッドでの測定、複数のセンサヘッドでの同時測定が可能で、極めて小型で、耐久性が高く、且つ、安価な光ファイバセンサ装置及びセンシング方法を実現できる。 The present invention enables measurement with the same sensor head such as temperature, humidity, type of liquid / vapor, concentration, etc., and simultaneous measurement with multiple sensor heads, and is extremely compact, highly durable, and inexpensive. A fiber sensor device and a sensing method can be realized.
以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１は、本発明の実施例１である光ファイバセンサ装置の構成概略図を示し、図２は、センサ部１の拡大切断面図を示してある。図１における矢印は光が進行する様子を示している。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical fiber sensor device that is
実施例１は、センサ部１、計測部２、伝送用光ファイバ３から構成される。
The first embodiment includes a
センサ部１は、テーパファイバ対１１と、その片側に連結した非テーパ部１２と、非テーパ部１２の端面で測定光を反射する反射器１３を具備する。テーパファイバ対１１は、ウエスト部１４に向かってファイバ外径が次第に細くなっており、また、外径に比例してコア径も細くなっている。非テーパ部１２は被覆を施さずにクラッド１０２のガラス表面がむき出しになっているか、或いは、被覆を施す場合は、クラッド１２を伝搬する光の浸み出しを完全に妨がない程度、つまり被膜の外側の被測定物の屈折率変化の影響を受ける程度の厚さとする。例えば、クラッド１０２のガラス表面をむき出しにする場合は、被測定物となる周囲雰囲気や液体にクラッド１０２を接触させることができる。この結果、クラッド１０２の外周側領域が、これに接触する物質に特有な屈折率となる。周囲雰囲気や液体の屈折率がクラッドより低い場合は、当然、クラッド１０２の外周側領域がクラッド１２よりも低屈折率状態となる。この場合、非テーパ部１２は、コア１０１からクラッド１０２側に漏洩する測定光の少なくとも一部を、外部に放出させずにクラッドモードとして伝播できる構造となる。なお、周囲雰囲気や液体の屈折率が、クラッド１０２より高い場合であっても、非テーパ部１２の長さが短い場合には、少なくとも漏洩光の一部は外部に放出されずにクラッドモードとして伝搬できる。
The
なお、また例えば、クラッド１０２のガラス表面を、クラッド１０２よりも高屈折率材料で被覆する場合は、その膜厚を薄くする（具体的には測定光の波長以下とする）ことが好ましい。高屈折率の被覆層を薄くすることにより、漏洩光が高屈折率被覆層に閉じこめられず、クラッドモードとして伝搬できるからである。また、被覆層を薄くすると、周囲雰囲気や液体との境界付近への光の浸み出しが強くなるため、センサの感度が上がる利点も有する。即ち、クラッド１０２に対して高屈折材料となる被膜層を形成することで、クラッド１０２から光を積極的に浸み出させて、被膜層外周の被測定物との境界で全反射させることで屈折率変化の影響を強く受けるようにし、更に、この被膜層の膜厚を薄くすることで、その全反射光をクラッド１０２側に積極的に戻して、その影響を高感度に検出できるようにする。この結果、実質的に、クラッド１０２の外周側領域を、クラッド１０２よりも低屈折率状態とすることができる。これは、被膜の外周に接する周囲雰囲気や液体との境界において、漏洩光が全反射してクラッド１０２側に戻るので、外部に放出させずにクラッドモードとして伝播できるからである。これは特に蒸気特性を検出する際に好適である。
For example, when the glass surface of the
テーパファイバ対１１の最も細い部分であるウエスト部１４の外径は、７０μｍ以下、好ましくは３０〜５０μｍ程度に設定される。また、テーパファイバ対１１は、非テーパ部１２の重量（自重）で曲がらない剛性を備えている。このように、３０μｍ以上に設定することで剛性を確保する理由として、このセンサ部１は、外部からの付勢力を誤って検出しないように、原則、非テーパ部１２側が自由端となるような片持ち状態で保持するからである。つまり、両持ち状態にすると、その保持部材側が温度変化で伸縮したり、何らかの要因で変形したりすると、センサ部１に応力が作用し、変形によって反射光量が変化してまうからである。なお、ウエスト部１４の外形を７０μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下とする理由は後述する。
The outer diameter of the
非テーパ部１２の長さは、１〜５ｍｍ程度である。反射器１３は、例えば、誘電体多層膜、金属膜などで構成する。
The length of the
計測部２は、測定光を発生する光源２１と、測定光を伝送用光ファイバ３に導き、センサ部１で強度変化を受けた反射光を受光器２４に導く光分岐カプラ２２と、センサ部１からの反射光量を測定する受光器２４と、受光器２４の出力を温度、湿度、液体・蒸気の種類、濃度等の検出すべき物理量に変換する演算処理回路２５を具備する。なお、図１には示されていないが、光源２１の光強度が変動する場合には、光源２１の光強度をモニターして、センサ部１から戻る反射光強度を補正する構成も可能である。
The measuring
伝送用光ファイバ３は、センサ部１と計測部２の間の光伝送を行うシングルモード光ファイバで、センサ部１に用いる光ファイバと同種の場合も、異種の場合もある。
The transmission
以下、本実施例のセンサ部１について詳細に説明する。
Hereinafter, the
図３は、本実施例１のセンサ部１に広帯域光源を入射し、反射光スペクトルを測定した例と、同様なテーパファイバ対１１を透過した光のスペクトル測定例を示している。反射光のスペクトルは、正弦関数に近い、明瞭な周期的変化を示す。一方、透過光スペクトルでは、波長に対して若干の光量変化が見られるものの、明確な周期スペクトルを観察できない。即ち、本実施例１のセンサ部１１は、反射光を周期的スペクトルに変換する機能を持つ。
FIG. 3 shows an example in which a broadband light source is incident on the
反射スペクトルの周期的な安定性は、非テーパ部１２の長さに強く依存する。図４は非テーパ部１２の長さを変えてスペクトルを測定した例を示す。非テーパ部１２が短いほど周期が長くなり、且つ、１５ｍｍ以下では規則的変化をする。一方、非テーパ部１２が長くなると周期が短くなるのに加え、２０ｍｍ以上では不規則な変化をする。従って、センサとして用いるには、規則的な変化をする２０ｍｍ未満の長さが適している。特に、１５ｍｍ以下が好ましく、更に好ましくは周期の長い５ｍｍ以下とする。
The periodic stability of the reflection spectrum strongly depends on the length of the
このような周期的スペクトルが出現する理由として、テーパファイバ対１１において、測定光の一部がコア１０１からクラッド１０２側へ漏洩し、更に非テーパ部１２において、この漏洩光がクラッドモードとして伝搬して反射器１３で反射し、この反射光がモード間干渉を起こす結果、周期スペクトルが反射光の一部として検出されると推測される。具体的には、クラッドモード同士の間、或いはクラッドモードとコアモード間の干渉、結合が考えられる。
The reason why such a periodic spectrum appears is that, in the tapered
反射スペクトルの振幅の大きさは、ウエスト部１４の径に依存し、ウエスト部１４の径が小さいほど大きくなる。なお、既に述べたように、ウエスト部１４の径が３０μｍ以下になると、剛性が小さくなることから、ウエスト部１４での曲げによるロスが発生し易くなったり、センサヘッドとしての実装が複雑になったりする。従って、ウエスト部１４の径は約３０μｍ以上が適している。
The magnitude of the amplitude of the reflection spectrum depends on the diameter of the
図５に示すように、ウエスト部１４を７０μｍ以下にすると、ＭＦＤ（モードフィールド径）が広がり始めると共に、反射スペクトルの振幅も広がり出すので好ましい。これは、コア１０１からクラッド１０２への漏洩光が発生し、非テーパ部１２においてクラッドモードによる光伝搬が開始していると考えられる。なお、このＭＦＤ（モードフィールド径）は、伝搬モードの電界分布の広がり（光の通り道）の直径を意味している。
As shown in FIG. 5, it is preferable that the
更に、ウエスト部１４を５０μｍ以下にすると、ＭＦＤがクラッド径以上に急激に広がるようになり、コアモード、クラッドモード間の干渉、結合が更に起こり易い状態になっていると考えられる。従って、ウエスト部１４を５０μｍ以下にするのが、周期スペクトルを得るのにより適した状態となる。
Furthermore, when the
なお、非テーパ部１２の長さが長いほど周期が短くなるのは、より高次のクラッドモードとの干渉、結合が起こるためと考えられる。また、不規則な周期となるのは複数のクラッドモードとの干渉、結合によるものと考えられる。
Note that the longer the length of the
以下、本実施例１のセンサ部１から戻る反射光の周期スペクトルが温度、液体への浸漬、蒸気への暴露等により変化し、それに伴う反射光強度の変化を測定することにより温度、湿度、液体・蒸気の種類、濃度等を検知できることを説明する。
Hereinafter, the periodic spectrum of the reflected light returning from the
先ず、周期スペクトルの温度変化を説明する。周期スペクトルの温度変化を測定した例を図６に示す。使用したセンサ部１は、コア径が各々８．５μｍ、６μｍと異なるシングルモード光ファイバの融着接続で作成し、ウエスト部１４の外径は３８μｍ、非テーパ部の長さは３．８ｍｍである。温度上昇と共にスペクトルが長波長側にシフトすることが分かる。また、特定の波長に着目すると反射光量が単調に変化することが分かる。例えば、波長１５００ｎｍに着目すると、温度上昇に伴い反射光量は単調に増加する。一方、波長１５５０ｎｍでは、温度上昇に伴い反射光量は単調に減少する。何れの波長をセンサ部１に入射したとしても、温度に対して単調な反射光量の変化が得られるので、反射光量を測定することにより温度を検知できる。
First, the temperature change of the periodic spectrum will be described. The example which measured the temperature change of the periodic spectrum is shown in FIG. The
周期スペクトルの位相が温度上昇と共に長波長側にシフトする理由は、ファイバ屈折率の温度変化により、ファイバ内での光路長が変化するためと考えられる。このように、温度変化に基づくファイバ屈折率変化を、光の干渉・結合によって検出する為には、温度変化によって光ファイバに外力が作用しない状態、即ちセンサ部１における非テーパ部１２側が自由端（軸方向に自由に伸縮できる状態）にしておくことが重要となる。
The reason why the phase of the periodic spectrum shifts to the longer wavelength side as the temperature rises is considered to be because the optical path length in the fiber changes due to the temperature change of the fiber refractive index. As described above, in order to detect the change in the refractive index of the fiber based on the change in temperature by the interference / coupling of light, a state where no external force acts on the optical fiber due to the change in temperature, that is, the
しかしながら、後述するように、本実施例のセンサ部１におけるウエスト部１４、非テーパ部１２において、クラッド１０２のガラス表面がむき出しになっていると、光がファイバ外部に浸み出そうとしているため、このクラッド１０２の外表面に接触する周囲物質の屈折率変化の影響も同時に受ける。即ち、クラッド１０２に接触する周囲物質の屈折率が、温度変化によって変動すると、クラッドモードが変化してスペクトルに影響が出る。例えば、温度センサ部１への液体の付着、湿度（水蒸気量）変化などにより反射光量が変化してしまう。この問題を解決し、周囲物質に左右されることなく温度変化を測定するには、センサ部１のウエスト部１４から非テーパ部１２にかけて、液体、気体を遮断でき、且つ、光をファイバ内に閉じこめることができる材質で覆うのが有効である。例えば図７(a)は、温度センサ部１の外周に、液体、気体を遮断できる材質のコーティング層１５を施した構造の切断面図を示す。この場合のコーティング層の厚さは、クラッド１０２を伝搬する光がコーティング層の外部に浸み出さないだけの厚みであることが必要である。コーティング材質としては、金、白金、ニッケル、ステンレスなどの金属、或いは、クラッドガラスより屈折率の低いMgF2、CaF2などの無機材料を利用できる。MgF2、CaF2などの絶縁材料をコーティングした場合は、温度センサ部１が電磁界の影響を受けないので、高周波環境下や強い電磁界の中での温度を測定できる利点がある。図７(b)は、温度センサ部１を液体、気体を遮断できる材質の中空容器１６に封入した構造の切断面図を示す。この場合は、中空容器１６内に封入された気体の屈折率が、クラッドの屈折率より大幅に低いため、光をァイバ内に簡単に閉じこめられる。従って、中空容器１６の材質は、屈折率とは関係が無いので、液体、気体を遮断できればどんな材質でもよい。例えば、金属、ガラス、セラミックスなどを利用できる。
However, as will be described later, when the glass surface of the clad 102 is exposed in the
図８は、センサ部１を中空容器１６に封入して温度と反射光量の関係を測定した例を示す。中空容器１６にはガラス細管を使用し、耐熱性接着剤を使ってセンサ部１を封入した。室温から２２０℃の範囲で単調な変化が得られており、また、温度上昇と温度下降も同等でヒステリシスがみられず、周囲雰囲気の影響を受けない正確な温度測定ができるのは明らかである。
FIG. 8 shows an example in which the
次に、液体への浸漬による変化を説明する。図９は、水、アセトン、エタノール、プロパノールの液体にセンサ部１を浸漬したとき得られる反射スペクトルの測定例である。図９では、空気中で測定したスペクトルを他より太い実線で描いてある。液体に浸漬して測定したスペクトルは、空気中で測定したスペクトルから大きく変化していることが分かる。また、変化には液体の屈折率と相関関係がみられる。例えば、スペクトルの山から短波長側に着目すると、屈折率の高い順にスペクトルがより短波長側にシフトしている。
Next, changes due to immersion in a liquid will be described. FIG. 9 is a measurement example of a reflection spectrum obtained when the
浸漬した液体の屈折率と相関してスペクトルが変化する理由は、以下のように考えられる。テーパファイバ対１１の径がウエスト部１４に向かって細くなっているため、コア１０１を伝搬してきた光の一部がクラッド１０２に漏洩する。この漏洩光（クラッドモード）がウエスト部１４から非テーパ部１２を伝搬する際、クラッド１０２の被覆がないため、光の一部がこれらの液体中に浸みだす。その結果、モード間の干渉、結合が液体の屈折率の影響を受けるため変化すると考えられる。つまり、クラッド１０２と液体の間の屈折率の違いが、スペクトルの変化に影響を与える。
The reason why the spectrum changes in correlation with the refractive index of the immersed liquid is considered as follows. Since the diameter of the tapered
図１０は、図９で測定中心波長と記されている１５３８ｎｍを中心波長とするブロードバンド光源を用いて、水、アセトン、エタノール、プロパノールの順番にセンサ部１を浸漬したとき得られる、反射光量変化を測定した時間変化の例を示す。図９のスペクトルから予想される通り、空気中で測定された光量に比べ、水への浸漬では光量が減少、アセトン、エタノール、プロパノールへの浸漬では、液体の屈折率に応じて光量が増加した。この結果から明らかなように、本実施例１のセンサ装置は、屈折率の異なる液体を判別する液体判別センサ、或いは、漏水、液漏れセンサ、或いは、液体の変質、混合などのプロセスモニター等に利用できる。
FIG. 10 shows a change in the amount of reflected light obtained when the
次に、蒸気への暴露による変化を説明する。図１１は、ビーカーに入れたアセトンが蒸発していくプロセスに伴う、反射スペクトルの変化を測定した例を示す。使用したセンサ部１は、前記液体への浸漬で使用したものと同一である。ビーカー内にアセトン液体が存在する最もアセトン蒸気濃度が高い状態からアセトン蒸気がビーカー内から無くなる状態までスペクトルが連続的に変化するのが分かる。この変化は、クラッドモードが非テーパ部１２を伝搬する際、クラッド１０２の被覆がないため、クラッド１０２の接触する蒸気の屈折率の影響を受けたためと考えられる。
Next, changes due to exposure to steam will be described. FIG. 11 shows an example in which the change in the reflection spectrum is measured as the acetone in the beaker evaporates. The
図１２は、図１１中に測定中心波長と記されている、１５３８ｎｍを中心波長とするブロードバンド光源を光源２１に用いて、ビーカー内のアセトンが蒸発するプロセスと光量変化の関係を測定した時間変化の例を示す。アセトンの液体がビーカー内に存在している３分超までは光量は一定であるが、ビーカー内のアセトンの液体がなくなり、蒸気だけとなるとアセトン蒸気濃度の低下に応じて光量が増大し、アセトン蒸気が無くなると再び光量が一定となる。この結果から明らかなように、本実施例１の光ファイバセンサ装置は、液体だけでなく蒸気も感知するので、有機溶剤、石油類などの蒸留プロセスや気相反応プロセスなどをモニターするセンサとして利用できる。 FIG. 12 shows a time change in which the relationship between the process of evaporating acetone in a beaker and the change in the amount of light is measured using a broadband light source having a center wavelength of 1538 nm, which is indicated as the measurement center wavelength in FIG. An example of The amount of light is constant up to more than 3 minutes when the acetone liquid is present in the beaker, but when there is no acetone liquid in the beaker and only vapor is present, the amount of light increases as the acetone vapor concentration decreases. When the steam runs out, the light intensity becomes constant again. As is clear from this result, the optical fiber sensor device of the first embodiment senses not only liquid but also vapor, so it can be used as a sensor for monitoring distillation processes and gas phase reaction processes of organic solvents and petroleums. it can.
蒸気への暴露による変化の他の例として湿度による変化を説明する。使用したセンサ部１は、前記液体への浸漬及びアセトン蒸気の測定で使用したものと同一である。図１３は、湿度変化に伴う反射光量の変化を測定した例である。温度は７０℃で一定とした。湿度変化に対して単調な光量変化が得られており、本実施例１の光ファイバセンサ装置を湿度センサとして利用できるのは明らかである。
As another example of the change due to the exposure to vapor, the change due to humidity will be described. The
次に、液体濃度による変化を説明する。図１４は、プロパノールを水で希釈したときのプロパノール濃度と光量変化の関係を測定した例を示す。使用したセンサ部１は、前記液体への浸漬、アセトン蒸気の測定、湿度測定で使用したものと同一である。プロパノール濃度に対応した光量変化が得られており、本実施例１の光ファイバセンサ装置を液体濃度センサとして利用できるのは明らかである。
Next, changes due to liquid concentration will be described. FIG. 14 shows an example in which the relationship between the propanol concentration and the change in the amount of light when propanol is diluted with water is measured. The
本実施例１の光ファイバセンサ装置では、光源２１として、ブロードバンド光源、或いはレーザを利用することができる。以下、ブロードバンド光源を用いた場合と、レーザを用いた場合の違いについて温度測定を例として説明する。
In the optical fiber sensor device of the first embodiment, a broadband light source or a laser can be used as the
図１５は、ブロードバンド光源の1種である１３００ｎｍ帯ＡＳＥ光源の光をセンサ部１に入射させ、反射光スペクトルの温度変化を測定した例である。入射光のスペクトルは、図１６に示すように、単峰性で、ピーク波長は１３０３ｎｍである。反射スペクトルは、入射スペクトルに正弦関数を乗じた形状と予想されるが、実際に、予想通りの形状のスペクトル変化が得られている。
FIG. 15 shows an example in which the light of a 1300 nm band ASE light source, which is one type of broadband light source, is incident on the
図１５では、スペクトルの面積が光量に相当する。図１５から、スペクトル形状の変化と共に、スペクトル全体の光量が温度により変化していることが分かる。反射光量は、５０℃から２５０℃まで単調に減少し、２５０℃と３００℃の間で最小となり、更に高温では、逆に増加する様子が分かる。従って、この光源を用いた場合、反射光量を計測することにより、約２５０℃までの温度計測が可能であることが分かる。 In FIG. 15, the area of the spectrum corresponds to the amount of light. From FIG. 15, it can be seen that the amount of light in the entire spectrum changes with temperature as the spectrum shape changes. It can be seen that the amount of reflected light decreases monotonously from 50 ° C. to 250 ° C., becomes minimum between 250 ° C. and 300 ° C., and increases at higher temperatures. Therefore, when this light source is used, it is understood that the temperature can be measured up to about 250 ° C. by measuring the amount of reflected light.
光源２１をブロードバンド光源とする利点は、ノイズの少ない精度のよい測定が可能な点である。温度計測の例では基準温度に対して標準偏差０．４℃の精度で測定できた。精度のよい測定ができる主な理由は、ブロードバンド光源から発する光は位相が不揃いなインコヒーレント光であるので、干渉に起因するノイズが極めて小さいためと考えられる。本発明の光ファイバセンサ装置では、反射光を検出するので干渉に起因するノイズが発生しやすく、その防止対策として光源２１をブロードバンド光源とするのは非常に有効である。
An advantage of using the
図１５で、波長１３１３ｎｍの光に着目すると、５０℃から３００℃まで光強度が単調に減少している。従って、波長が１３１３ｎｍのレーザ光を使用すれば、少なくとも３００℃までの温度計測が可能と考えられる。 In FIG. 15, when attention is focused on light having a wavelength of 1313 nm, the light intensity decreases monotonously from 50 ° C. to 300 ° C. Therefore, if a laser beam having a wavelength of 1313 nm is used, temperature measurement up to at least 300 ° C. is considered possible.
図１７は、１３００ｎｍ帯ＡＳＥ光源と波長１３１３ｎｍの半導体レーザ（ＬＤ）を用いて、センサ部１からの反射光強度の温度変化を連続的に測定した例を示している。予想通り、１３００ｎｍ帯ＡＳＥ光源の場合には約２５０℃まで、１３１３ｎｍ半導体レーザの場合には約３５０℃まで、温度上昇に伴う単調な光強度変化が得られた。単調変化範囲内において、これら曲線は多項式で近似できるので、近似式を用いて受光器２４の出力を演算処理回路２５で温度に変換すれば、各々２５０℃、３５０℃まで測定できる温度センサ装置とすることができるのは明らかである。
１３００ｎｍ帯ＡＳＥ光源を使用した場合、光強度変化は約５．５ｄＢで、１３１３ｎｍＬＤを使用したときに得られる１２ｄＢの変化に比べれば変化量は小さいが、干渉に起因するノイズの少ない極めて高精度の測定ができるという利点がある。一方、１３１３ｎｍＬＤを使用した場合、１２ｄＢもの大きな光強度変化が得られるのに加え、３５０℃の高温まで測定ができるという利点がある。ただし、コヒーレント光であるため干渉に起因するノイズの影響があり、温度測定精度は基準温度に対する標準偏差が±３℃とブロードバンド光源の場合に比較して劣る。また、これらの結果から、１３１０ｎｍ付近の光を、バンドパスフィルタによりＡＳＥ光源から切り出して光源とすれば、大きな光強度変化が得られ、高温まで測定が可能で、且つ、干渉に起因するノイズの少ない高精度の測定ができると考えられる。
FIG. 17 shows an example in which the temperature change of the reflected light intensity from the
When the 1300 nm band ASE light source is used, the light intensity change is about 5.5 dB, and the change amount is small compared to the change of 12 dB obtained when the 1313 nm LD is used. There is an advantage that it can be measured. On the other hand, when the 1313 nm LD is used, there is an advantage that the measurement can be performed up to a high temperature of 350 ° C. in addition to the light intensity change as large as 12 dB. However, since it is coherent light, it is affected by noise due to interference, and the temperature measurement accuracy is inferior to that of a broadband light source with a standard deviation of ± 3 ° C. with respect to the reference temperature. Also, from these results, if light near 1310 nm is extracted from the ASE light source by a bandpass filter and used as the light source, a large change in light intensity can be obtained, measurement up to a high temperature is possible, and noise caused by interference can be obtained. It is thought that it is possible to measure with little high accuracy.
実施例１の構成で、温度、湿度、液体・蒸気の種類、濃度等を測定できることを説明したが、実施例１の構成では、温度以外の物理量を測定する際、温度変動よる光量変化が重畳するため正しい測定ができない。実施例２は、温度変化があっても温度以外の物理量を正しく測定できる構成を示す。 In the configuration of the first embodiment, it has been described that the temperature, the humidity, the type of liquid / vapor, the concentration, and the like can be measured. However, in the configuration of the first embodiment, when measuring a physical quantity other than the temperature, a light amount change due to temperature fluctuation is superimposed. Correct measurement is not possible. Example 2 shows a configuration in which a physical quantity other than temperature can be correctly measured even when there is a temperature change.
図１８は、本願発明の実施例２の光ファイバセンサ装置の構成概略図を示す。 FIG. 18 is a schematic configuration diagram of the optical fiber sensor device according to the second embodiment of the present invention.
本実施例２は、温度測定のためのセンサ部１−１と、温度以外の物理量を測定するためのセンサ部１−２と、計測部２と、センサ部１−１、１−２と計測部２の間の伝送を行う伝送用ファイバ３−１、３−２から構成される。温度測定用のセンサ部１−１は、周囲物質の影響を受けないように金属、セラミックス等のコーティング層１５で覆われるか、中空容器１６に封入されている。一方、センサ部１−２における非テーパ部のクラッドガラスは被膜されていない状態で、周囲物質と接触できるようになっている。計測部２は、光源２１、光分岐カプラ２２−１〜２２−３と、受光器２４−１、２４−２と、演算処理回路２５から構成される。
Example 2 is a sensor unit 1-1 for measuring temperature, a sensor unit 1-2 for measuring a physical quantity other than temperature, a measuring
以下、本実施例２の動作を、図１８を用いて説明する。光源２１から発した測定光は、光分岐カプラ２２−１により分岐され、光分岐カプラ２２−２、２２−３に入射される。光分岐カプラ２２−２、２２−３を出射した光は、伝送用光ファイバ３−１、３−２を経て、温度測定用のセンサ部１−１、温度以外の物理量を測定するためのセンサ部１−２に入射した後、反射器１３で反射される。センサ部１−１、センサ部１−２からの反射光は、周期的スペクトルに変調され、かつ、温度、測定対象物理量の変化に応じた光強度となっている。反射光は、再度、伝送用光ファイバ３−１、３−２を経て、光カプラ２２−２、２２−３に入射し、受光器２４−１、２４−２で光量測定され、演算処理回路２５へ光量データが送られる。演算処理回路２５には、センサ部１−１の温度と反射光量の関係式及びセンサ部１−２の温度及び測定対象となる物理量変化と反射光量の関係式を予め入力しておく。そして、センサ部１−１で測定された温度により、センサ部１−２で発生した温度変化による光量変化の重畳分を補正する。このようにすれば、測定対象となる物理量変化を温度の影響を受けずにセンサ部１−２で正確に測定できる。
Hereinafter, the operation of the second embodiment will be described with reference to FIG. The measurement light emitted from the
本実施例２の構成は、センサ部１−２の温度補正機能だけでなく、新たなセンサ機能を生じる効果がある。以下、センサ部１−２を湿度センサとした場合について説明する。 The configuration of the second embodiment has an effect of generating not only the temperature correction function of the sensor unit 1-2 but also a new sensor function. Hereinafter, a case where the sensor unit 1-2 is a humidity sensor will be described.
図１８において、センサ部１−１の温度と反射光量の関係式及びセンサ部１−２の温度、湿度と反射光量変化の関係式を予め演算処理２５に入力しておき、センサ部１−２の温度補正を行えば、当然、正確な湿度センサとなる。更に、センサ部１−２に水分が付着すると、既に図１０で示したように、センサ部１−２は急激な光量変化を起こす。この変化を起こす温度をセンサ部１−１で測定すれば結露を検知できる。更に、付着した水分が凍結して氷となれば、センサ部１−２は、より低温で再度急激な光量変化を起こすので凍結を検知できる。即ち、本実施例２の構成とすることにより、湿度だけでなく、結露、凍結も検知できる従来にないセンサとなる。
In FIG. 18, the relational expression between the temperature of the sensor unit 1-1 and the amount of reflected light and the relational expression of the temperature, humidity and change in the amount of reflected light of the sensor unit 1-2 are input in advance to the
図１８では、２個のセンサ部１−１、１−２を備えた構成を示したが、更に多くのセンサヘッドを備えた構成も当然可能である。この場合は、温度、湿度、液体・蒸気濃度などの同時モニター、或いは、複数箇所の同時モニターが可能な光ファイバセンサ装置となる。 Although FIG. 18 shows a configuration including two sensor units 1-1 and 1-2, a configuration including more sensor heads is naturally possible. In this case, the optical fiber sensor device is capable of simultaneous monitoring of temperature, humidity, liquid / vapor concentration, etc., or simultaneous monitoring at a plurality of locations.
以上説明したように、本実施例の光ファイバセンサ装置では、センサ部１から戻る反射光が周期的スペクトルに変調され、この周期的スペクトルが温度、湿度、液体・蒸気の種類、濃度等よって変化する。そして、このスペクトル変化に伴い反射光の強度が変化するので、受光器２４の出力を演算処理回路２５により温度、湿度、液体・蒸気の種類、濃度等の検出すべき物理量に変換すれば検出対象を測定することができる。
As described above, in the optical fiber sensor device of the present embodiment, the reflected light returning from the
同一のセンサ部１で温度、湿度、液体・蒸気の種類、濃度等を検知できるため、演算処理回路２５にこれら物理量に変換するデータを入力しておけば、１台の装置で温度、湿度、液体・蒸気の種類、濃度等を測定できる。
Since the
テーパファイバ対１１を市販の光ファイバ、融着接続器を用いて製造でき、計測も市販の光検出器を用いた光量測定であるため、安価な光ファイバセンサ装置となる。
Since the
センサ部１が光ファイバと反射器１３のみの簡易な構造であり、反射光測定のため入出力が１本の光ファイバでよく、極めて小型の光ファイバセンサヘッドとすることができる。温度センサ部１が小さいので、応答が早く、狭い部分の測定ができる。
The
センサ部１を光ファイバと反射器１３のみで構成できるため、反射器１３の材質を、誘電体多層膜の場合には最外層が石英となるように、金属膜の場合には金、白金のような耐食性に優れた金属とすれば、ファイバ材質である石英と共に化学的、熱的安定性が非常に高い材質のみで構成でき、耐久性に優れたセンサヘッドとなる。
Since the
テーパファイバ対１１を異種ファイバの融着接続で作製することも可能で、この場合、同じファイバの接続より振幅の大きなスペクトルを得られる場合がある。
It is also possible to produce the tapered
反射器１３を誘電体多層膜とすれば、センサ部１を全て非導電性材質で構成できるため、高周波環境下でも使用できるセンサとなる。
If the
センサ部１−１で温度、センサ部１−２で他の物理量を測定する構成により、センサ部１−２の温度補正を行えば、温度の影響を受けることのない正確な測定を行うことができる。 If the temperature of the sensor unit 1-2 is measured by the configuration in which the sensor unit 1-1 measures temperature and the sensor unit 1-2 measures other physical quantities, accurate measurement without being affected by temperature can be performed. it can.
センサ部１−１で温度、センサ部１−２で湿度を測定する構成にすることにより、湿度だけでなく、結露、凍結も検知できる従来にないセンサとなる。 By configuring the sensor unit 1-1 to measure temperature and the sensor unit 1-2 to measure humidity, it becomes an unprecedented sensor that can detect not only humidity but also dew condensation and freezing.
複数のセンサヘッドを備えた構成にすることにより、温度、湿度、液体・蒸気の種類、濃度等の同時モニター、或いは、複数箇所の同時モニターが可能な光ファイバセンサ装置となる。 By adopting a configuration including a plurality of sensor heads, an optical fiber sensor device capable of simultaneous monitoring of temperature, humidity, type of liquid / vapor, concentration, etc., or simultaneous monitoring at a plurality of locations is provided.
特定の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更を加えることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修正も本発明の技術的範囲に含まれる。 Although the invention has been described with reference to specific embodiments, various modifications may be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the invention as defined in the claims. Such changes and modifications are also within the technical scope of the present invention.
本発明は、温度、湿度、液体・蒸気の種類、濃度等を測定する様々なセンシング用途に用いることが出来る。 The present invention can be used in various sensing applications for measuring temperature, humidity, type of liquid / vapor, concentration, and the like.
１，１−１，１−２：センサ部
２：計測部
３，３−１，３−２：伝送用光ファイバ
１１：テーパファイバ対
１２：非テーパ部
１３：反射器
１４：ウエスト部
１５：コーティング層
１６：中空容器
２１：光源
２２，２２−１〜２２−３：光分岐カプラ
２４，２４−１，２４−２：受光器
２５：演算処理回路
１０１：コア
１０２：クラッド
1, 1-1, 1-2: Sensor unit 2: Measuring
13: Reflector 14: Waist part 15: Coating layer 16: Hollow container 21:
Claims (22)
当該センサ部（１）に供給すべき測定光を発生する発光手段（２１）、当該センサ部（１）で強度変化を受けた反射光を受光する受光手段（２４）、測定光を当該センサ部（１）に導き、当該センサ部（１）からの反射光を当該受光手段（２４）に導く導光手段（２２）、当該受光手段（２４）の出力を検出すべき物理量に変換する演算処理回路（２５）を具備した計測部（２）と、
当該センサ部（１）と当該計測部（２）の間の光伝送を行う伝送用光ファイバ（３）と、
を備え、
当該テーパファイバ対（１１）の最も細い部分であるウエスト部（１４）の外径を７０μｍ以下とすることで、当該テーパファイバ対（１１）は、クラッドと共にコア径も細くなることにより、当該発光手段（２１）の測定光の一部をコアからクラッドへ漏洩させるようになっており、少なくとも当該非テーパ部（１２）は、当該テーパファイバ対（１１）で漏洩した前記測定光をクラッドモードで伝播するようになっており、
当該テーパファイバ対（１１）の最も細い部分であるウエスト部（１４）の外径を３０μｍ以上とすることで、当該センサ部（１）は、当該テーパファイバ対（１１）を含めた当該非テーパ部（１２）側が自由端となるように保持される
ことを特徴とする光ファイバセンサ装置。 An opposing tapered fiber pair (11), a non-tapered portion (12) connected to one side of the tapered fiber pair (11) and formed to have a length of less than 20 mm, an end face of the non-tapered portion (12) A sensor part (1) comprising a reflector (13) for reflecting the measurement light at
Light emitting means (21) for generating measurement light to be supplied to the sensor section (1), light receiving means (24) for receiving reflected light whose intensity has been changed by the sensor section (1), and measuring light for the sensor section (1), light guide means (22) for guiding the reflected light from the sensor section (1) to the light receiving means (24), and arithmetic processing for converting the output of the light receiving means (24) into a physical quantity to be detected A measuring section (2) comprising a circuit (25);
A transmission optical fiber (3) that performs optical transmission between the sensor unit (1) and the measurement unit (2);
With
By setting the outer diameter of the waist part (14), which is the thinnest part of the tapered fiber pair (11), to 70 μm or less, the tapered fiber pair (11) has a smaller core diameter together with the clad, so that the light emission A part of the measurement light of the means (21) is leaked from the core to the cladding, and at least the non-tapered portion (12) causes the measurement light leaked by the tapered fiber pair (11) to be in a clad mode. It is supposed to propagate,
By setting the outer diameter of the waist part (14), which is the thinnest part of the taper fiber pair (11), to 30 μm or more, the sensor part (1) includes the non-taper including the taper fiber pair (11). An optical fiber sensor device, wherein the optical fiber sensor device is held such that the side of the portion (12) is a free end.
当該テーパファイバ対（１１）の最も細い部分であるウエスト部（１４）の外径を３０μｍ以上とすることで、当該センサ部（１）を、当該テーパファイバ対（１１）を基準として当該非テーパ部（１２）側が自由端となるように保持し、
当該テーパファイバ対（１１）の最も細い部分であるウエスト部（１４）の外径を７０μｍ以下とすることで、当該テーパファイバ対（１１）において、当該測定光の一部をコアからクラッド側へ漏洩させ、
少なくとも当該非テーパ部（１２）において、当該漏洩光をクラッドモードで伝播させて当該反射器（１３）によって反射させ、
当該センサ部（１）反射光の変化を、当該伝送用光ファイバ（３）を介して検出することにより、当該非テーパ部（１２）の周囲環境の屈折率変化、又は、温度に依存する当該非テーパ部（１２）自体の屈折率変化を検知することを特徴とする光ファイバを用いたセンシング方法。 The tapered fiber pair (11) and the tapered fiber pair (11) facing each other so that the core diameter is reduced together with the clad, and the non-tapered part (12) formed so as to have a length of less than 20 mm. The measurement light is introduced into the sensor part (1) having the reflector (13) that reflects the measurement light at the end face of the non-tapered part (12) using the transmission optical fiber (3),
By setting the outer diameter of the waist part (14), which is the thinnest part of the tapered fiber pair (11), to 30 μm or more, the sensor part (1) can be made to be the non-tapered with reference to the tapered fiber pair (11). Hold the part (12) side to be a free end,
By setting the outer diameter of the waist part (14), which is the thinnest part of the tapered fiber pair (11), to 70 μm or less, in the tapered fiber pair (11), a part of the measurement light is transferred from the core to the clad side. Leak,
At least in the non-tapered portion (12), the leakage light propagates in the clad mode and is reflected by the reflector (13).
By detecting the change in the reflected light of the sensor unit (1) through the transmission optical fiber (3), the refractive index change in the surrounding environment of the non-tapered portion (12) or the temperature dependent A sensing method using an optical fiber, characterized by detecting a change in refractive index of the non-tapered portion (12) itself.
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