(57)【要約】  この発明は、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンシング技術を利用して対象物の温度分布を測定する測定方法及びセンサユニットに関する。当該測定方法は、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサとして機能する光ファイバを、対象物の所定測定領域に対して二次元的又は三次元的に配置しておくことにより、光ファイバが配置された面又は空間を構成する所定測定領域において、対象物の温度分布を迅速かつ高精度に測定することができる。
2008084637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物における所定測定領域の温度分布をＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサを用いて測定するための測定方法であって、
前記対象物に近接又は接触するセンサ部分を含み、該センサ部分は、各部位の相対位置の変動を抑制した状態で該対象物の所定測定領域上に二次元的に配置された光ファイバを用意し、
前記光ファイバの一端からポンプ光を入射させる一方、前記光ファイバの他端からプローブ光を入射させ、
前記光ファイバの両端から対向入射されるポンプ光及びプローブ光の周波数を変調することにより、前記光ファイバの長手方向における所望位置で発生するブリルアンゲインスペクトルを測定し、そして、
前記対象物における所定測定領域の温度分布として、二次元的に配置された前記光ファイバの長手方向に沿って前記センサ部分の温度分布を決定する対象物の温度分布測定方法。
【請求項２】
対象物における所定測定領域の温度分布をＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサを用いて測定するための測定方法であって、
前記対象物に近接又は接触するセンサ部分を含み、該センサ部分は、各部位の相対位置の変動を抑制した状態で該対象物の所定測定領域内に三次元的に配置された光ファイバを用意し、
前記光ファイバの一端からポンプ光を入射させる一方、前記光ファイバの他端からプローブ光を入射させ、
前記光ファイバの両端から対向入射されるポンプ光及びプローブ光の周波数を変調することにより、前記光ファイバの長手方向における所望位置で発生するブリルアンゲインスペクトルを測定し、そして、
前記対象物における所定測定領域の温度分布として、三次元的に配置された前記光ファイバの長手方向に沿って前記センサ部分の温度分布を決定する対象物の温度分布測定方法。
【請求項３】
前記光ファイバの長手方向に沿った温度分布測定のサンプリング間隔及び空間分解能、温度分布測定の範囲、温度分布測定の実行時間は、被測定物である前記流動体の種類に合わせて前記ポンプ光及びプローブ光の周波数変調パターンが調整されることにより設定されることを特徴とする請求項１又は２記載の対象物の温度分布測定方法。
【請求項４】
対象物における所定測定領域の物理量をＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサに適用されるセンサユニットであって、
前記対象物に近接又は接触するセンサ部分を含み、該センサ部分が該対象物の所定測定領域に対して二次元的又は三次元的に配置された光ファイバと、そして、
前記光ファイバのうち前記センサ部分における各部位の相対位置の変動を抑制するよう、該センサ部分の配置状態を保持する固定構造とを備えたセンサユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサを用いた対象物の温度分布測定方法、及び該光ファイバセンサに適用可能なセンサユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光センシング技術に応用される光ファイバセンサとしては、光ファイバ内に光パルスを入射させた際に発生するレーリー散乱による後方散乱光を測定することで、該光ファイバ内の物理量（温度、損失等）や欠陥場所を測定する、ＯＴＣＲ（Optical Time Domain Reflectrometer）方式の光ファイバセンサが知られている。【０００３】
一方、光ファイバから出力されるブリルアン散乱光のブリルアンゲインスペクトル（ＢＧＳ）の形状は、光ファイバの温度及び／又は歪により変化する。この変化を利用して対象物（被測定物）の物理量を測定する技術として、例えば、特許文献１や非特許文献１に記載されたＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）方式の光ファイバセンサが知られている。【０００４】
上記特許文献１及び非特許文献１に開示された技術によれば、ポンプ光及びプローブ光の周波数を変調しながらこれらポンプ光及びプローブ光を光ファイバの両端から対向入射させることにより、光ファイバの長手方向における所望位置においてブリルアン散乱を発生させる。このブルリアン散乱に起因した利得スペクトルを測定することで、光ファイバの長手方向に沿った温度分布が測定される。【０００５】
このような連続光波の相関制御法によるブリルアン散乱方式が採用された光ファイバ分布型歪センシング技術（ＢＯＣＤＡ方式）の光ファイバセンサによれば、旧来から知られているラマン散乱型光ファイバセンシングなどに比べ、測定温度範囲、長手方向における温度分布測定の空間分解能、測定時間などの各種特性において優れた効果が期待できる。【０００６】
例えば、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサは、ストークス光の強度（ゲイン）は極低温でも十分なレベルが維持される。さらに、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサは、周波数シフトにより温度が測定されるので、強度比に基づいた温度測定を行うラマン散乱型光ファイバセンシングに比べ、ノイズに強く、絶対温度１Ｋまでの測定可能性が確認されている。【０００７】
また、後述するように、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサにおける空間分解能については、典型的な光ファイバにおいて、長手方向のサンプリング間隔は約１ｃｍが可能となる。さらに、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサでは連続光が使用されるため、高速な測定が可能であり、測定点１箇所あたり５７Ｈｚで測定できることが確認されている。【０００８】
さらに、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサは、ポンプ光及びプローブ光の周波数変調パターンを調整することにより、光ファイバの長手方向における温度分布測定の空間分解能、測定範囲、測定時間を、被測定対象物の特性などに合わせて自由に調整することができる。また、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサは、空間分解能とともに、サンプリング間隔も自由に調整可能である。
【特許文献１】特開２０００−１８０２６５号公報
【非特許文献１】保立和夫、新井寛、「ポンプ・プローブ時分割発生方式ＢＯＣＤＡ光ファイバ歪み分布センシング系における時間ゲート法による測定レンジの拡大」、信学技報、社団法人  電子情報通信学会、ＯＰＥ２００４−２２４（２００５−０２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
発明者らは、従来の光ファイバセンサについて検討した結果、以下のような課題を発見した。【００１０】
すなわち、従来のＯＴＤＲ方式の光ファイバセンサでは、対象物の温度分布測定における距離分解能や測定時間に関し、満足できる測定性能を達成するのは困難であった。また、赤外線サーモグラフィ等の確立した手段が知られているが、該サーモグラフィは対象物表面の温度測定に限定され、該対象物の裏側や奥行方向の温度分布測定には不向きであった。【００１１】
すなわち、構造物の三次元的な温度分布測定、タンク内の内容物（液体、気体等）の三次元的な温度分布測定、ｃｍオーダーあるいはｍｍオーダーでの微細な二次元的な温度分布測定などには、従来のＯＴＤＲ方式の測定方法は適してはいなかった。【００１２】
この発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、優れた特性を有するＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンシング技術を利用して、対象物の形状に制限されることなく、該対象物の所定測定領域（測定面又は測定空間）における温度分布を、より迅速かつ高精度に対象物の温度分布を測定する測定方法及びセンサユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以上の目的を達成するため、この発明に係る対象物の温度分布測定方法は、対象物における所定測定領域の温度分布をＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサを用いて測定する。ここで、「所定測定領域」は、対象物自体が設置可能な面形状の他、対象物の内部空間や表面のように三次元空間をも含む概念である。面形状の所定測定領域としては、例えば、所定の大きさ又は形状の平面、立面、曲面などが含まれ、以下、この明細書では、面形状の所定測定領域を単に「測定面」という。また、三次元空間の所定測定領域としては、例えば、所定の大きさ又は形状の容器の内部空間、容器表面などが含まれ、以下、三次元空間の所定測定領域を単に「測定空間」という。【００１４】
所定測定領域が、対象物が設置可能なように面形状を有する場合、当該測定方法では、対象物に近接又は接触するセンサ部分を含み、該センサ部分は、各部位の相対位置の変動を抑制した状態で該対象物の測定面上に二次元的に配置された光ファイバが用意される。【００１５】
一方、所定測定領域が三次元空間である場合、当該測定方法では、対象物に近接又は接触するセンサ部分を含み、該センサ部分は、各部位の相対位置の変動を抑制した状態で該対象物の測定空間内に三次元的に配置された光ファイバが用意される。【００１６】
所定測定領域が面形状及び空間のいずれの場合であっても、当該測定方法は、プローブ光とポンプ光の対向入射、ブリルアンスペクトル（ＢＧＳ）の測定、及び所定測定領域（測定面又は測定空間）における温度分布の決定を行う。すなわち、用意された光ファイバの一端からポンプ光が入射される一方、該光ファイバの他端からはプローブ光が入射される。このように光ファイバの両端から対向入射されるポンプ光及びプローブ光の周波数を変調することにより、該光ファイバの長手方向における所望位置で発生するＢＧＳが測定される。そして、対象物における所定測定領域の温度分布として、二次元的又は三次元的に配置された光ファイバの長手方向に沿ってセンサ部分（少なくとも対象物の所定測定領域に位置する部分）の温度分布が決定される。【００１７】
なお、この発明において、光ファイバの長手方向に沿った温度分布測定のサンプリング間隔及び空間分解能、温度分布測定の範囲、温度分布測定の実行時間は、被測定物である前記流動体の種類に合わせて前記ポンプ光及びプローブ光の周波数変調パターンが調整されることにより設定されるのが好ましい。【００１８】
この発明に係るセンサユニットは、対象物における所定測定領域の物理量をＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサに適用される。特に、このセンサユニットは、対象物の所定測定領域の形状に合わせて二次元又は三次元に配置された光ファイバと、該光ファイバにおける各部位の相対位置を保持する固定構造を備える。【００１９】
具体的に、光ファイバは、対象物に近接又は接触するセンサ部分を含み、該センサ部分が該対象物の所定測定領域（測定面又は測定空間）に対して二次元的又は三次元的に配置される。固定構造は、光ファイバのうちセンサ部分における各部位の相対位置の変動を抑制するよう、該センサ部分の配置状態を保持する。【００２０】
なお、上述の測定面及び測定空間のそれぞれは、対象物の大きさ、形状、特性などに合わせて任意に選択され得る。【００２１】
また、センサユニットは、光ファイバのセンサ部分と、該センサ部分と一体化された基体（固定構造を含む）とから構成されている。センサユニットの基体は、センサ部分である光ファイバの配置形態を決める構造物であり、例えば、シート、三次元物体（筒状体あるいは針金細工状体等）等であればよく、センサユニットとして取り扱える物体である。センサユニットの基体がシートの場合、該基体の表面に光ファイバのセンサ部分が面状に配列される。この基体が対象物表面に接触するよう配置された状態で、測定面における温度分布測定が行われる。このとき、光ファイバのセンサ部分が配列された表面にシートが被せられてもよい。センサユニットの基体が針金細工状体の場合、例えば、光ファイバの少なくともセンサ部分は、該針金細工状体の被覆層中に埋め込まれるか、あるいは線材（針金など）に沿わせた状態でさらに表面を被覆（テープなど）で覆われる。【００２２】
なお、この発明に係る各実施例は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。【００２３】
また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施例を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の範囲における様々な変形及び改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。
【発明の効果】
【００２４】
以上のようにこの発明によれば、軽量、細径、防爆性を有するとともに、電磁ノイズなどの影響を受けない、発生させないなどの光ファイバの特徴を活かすことができる。特に、光ファイバの長手方向に沿った温度分布をブリルアン散乱により高精度、短時間で測定し得るＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンシング技術の利用に際して、該光ファイバのセンサ部分は対象物の所定測定領域（測定面、測定空間）に対して二次元的又は三次元的に配置される。そのため、対象物の形状や特性に合わせて、従来のセンシング技術では困難であった高精度な温度分布測定が可能になる。【００２５】
特に、光ファイバのセンサ部分が測定空間に対して三次元的に配置された場合、対象物の表面のみならず、該対象物の奥行き方向、高さ方向、裏面側まで、三次元的な温度分布が精度良く短時間で測定可能になる。よって、この発明は、三次元的な複雑な構造物や、容器内に収容された液体、気体などの温度分布の測定に極めて有効であり、多くの効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】は、この発明に係る対象物の温度分布測定方法を実現するＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサの概略構成を示す斜視図である。
【図２】は、この発明に係る対象物の温度分布測定を実現するＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサの具体的な構成例を示す図である。
【図３】は、対象物の温度分布測定を概略的に説明するための図である。
【図４】は、この発明に係る対象物の温度分布測定を実現するＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサ、特に、センサユニットに含まれる光ファイバのセンサ部分の二次元配置の例を示す図である。
【図５】は、この発明に係る対象物の温度分布測定を実現するＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサ、特に、センサユニットに含まれる光ファイバのセンサ部分の三次元配置の例を示す図である。
【図６】は、この発明に係るセンサユニットの第１実施例の構成を示す図である。
【図７】は、この発明に係るセンサユニットの第２実施例の構成を示す図である。
【図８】は、この発明に係るセンサユニットの第３実施例の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１…温度測定用の光ファイバ、２…測定面、２’…測定空間、３ａ，３ｂ…接続用の光ファイバ、４…ＢＯＣＤＡ方式の温度センサ本体。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、この発明に係る対象物の温度分布測定方法及びセンサユニットの各実施例を、図１〜図８を参照しながら、詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部位、同一箇所には同一符号を付して、重複する説明を省略する。【００２９】
図１は、この発明に係る対象物の温度分布測定方法を実現するＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサの概略構成を示す斜視図である。図１に示されたように、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサは、温度測定用光ファイバ１（センサ部分）と、温度センサ本体４を備えるとともに、光ファイバ１と温度センサ本体４とが接続用光ファイバ３ａ、３ｂを介して光学的に接続されている。光ファイバ１は、四角形状に区画された対象物の測定面２上に二次元的に配置されている。詳しくは、光ファイバ１は、四角形状の測定面２においてＸ方向に伸びる長辺部１ａが適宜間隔毎に並列に並べられ、かつ、同測定面２においてＹ方向に伸びる短辺部１ｂが隣合せる長辺部１ａの端部同士を繋ぐように、略ジグザグに二次元配置されている。【００３０】
光ファイバ１の両端には、温度センサ本体４へ光学的に接続するための接続用光ファイバ３ａ、３ｂが接続されている。これら接続用光ファイバ３ａ、３ｂは測定面２の外に位置しており、温度センサ本体４に接続されることで、光ファイバ１が、ＢＯＣＤＡ方式（連続光波の相関制御法によるブリルアン散乱方式が採用された光ファイバ分布型センシング技術）のセンサ部分として機能する。【００３１】
ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサの温度センサ本体４は、図２に示されたように構成されている。すなわち、温度センサ本体４は、光源としてのレーザダイオード（ＬＤ）６を備えるとともに、プローブ光の生成系と、ポンプ光生成系と、測定系から構成される。プローブ光生成系は、３ｄＢカプラ７と、偏波コントローラ８と、マイクロ波発生器により制御される位相変調器（ＬＮｍｏｄ．）９と、アイソレータ９０を備える。ポンプ光生成系は、３ｄＢカプラ７と、偏波コントローラ１０と、強度変調器（ＩＭ）１１と、遅延線１２と、光ファイバアンプ（ＥＤＦＡ）１３と、アイソレータ１３０と、サーキュレータ１４を備える。測定系は、サーキュレータ１４と、光フィルタ１５と、フォトダイオード１６と、ロックインアンプ（ＬＩＡ）１７と、制御部（コンピュータ）１８と、ディスプレイ１８ａを備える。【００３２】
まず、ＬＤ６から出力された光は、３ｄＢカップラ７で２光波成分に分岐される。一方の光は、偏波コントローラ（ＰＣ）８を介して、位相変調器（ＬＮｍｏｄ．）９で約１１ＧＨｚ周波数がシフトされる。この周波数シフトされた光が、プローブ光として、アイソレータ９０、接続用光ファイバ３ａを順に伝搬し、光ファイバ１（センサ部分）の一端側に入射する。他方の光は、偏波コントローラ１０、強度変調器（ＩＭ）１１、遅延線１２を介して、光ファイバアンプ（ＥＤＦＡ）１３で増幅される。この増幅光が、ポンプ光として、アイソレータ１３０、接続用光ファイバ３ｂを順に伝搬し、光ファイバ１の他端側に入射する。このように、ポンプ光とプローブ光は光ファイバ１中を対向伝搬し、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）が発生する。このとき、プローブ光は、ストークス光のゲインスペクトル（ＢＧＳ）に対応したゲインだけ増幅される。増幅されたプローブ光は、サーキュレータ１４を介して光フィルタ１５に導かれる。光フィルタ１５により不要光成分が除去された後、プローブ光は、フォトダイオード（ＰＤ）１６、ロックインアンプ（ＬＩＡ）１７などにより、ＢＧＳが検出される。制御部１８（コンピュータ）は、このＢＧＳの検出結果に基づいて、対象物の温度分布を測定するとともに、ディスプレイ１８ａに分布状況を表示させる。【００３３】
上述のＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサにおいて、ポンプ光及びプローブ光の周波数は、ＬＤ６の注入電流を正弦波状に変化させることで変調される。このため、光ファイバ１の長手方向にポンプ光及びプローブ光の周波数差が一定となる相関の高い位置（相関ピーク）と低い位置が生成され、相関ピークのみで大きなＳＢＳが発生する。【００３４】
この結果、特定位置でのストークス光のＢＧＳ情報を得ることができ、ポンプ光、プローブ光の周波数変調パターンを順次変化させることにより、二次元配置された光ファイバ１上に載置されるか、あるいは、光ファイバ１の上方又は下方に近接された対象物の温度分布を、高精度かつ短時間に測定することが可能になる。【００３５】
なお、温度分布測定の対象物には、上述のような二次元配置された光ファイバ１（センサ部分）上に載置可能な物体、又は、該光ファイバ１の上方、下方に近接し又は接触させることが可能な物体や流動体などが含まれる。【００３６】
図３は、対象物の温度分布測定を概略的に説明するための図である。また、この図３において、領域（ａ）は、図１に示された光ファイバセンサの使用状態を示す斜視図であり、領域（ｂ）は、領域（ａ）に示された使用例による測定結果を表示する、ディスプレイ１８ａの表示例を示す図である。【００３７】
例えば、図３の領域（ａ）に示されたように、対象物１００として、コーヒーなどの熱い液体１０１が入ったカップ１０２と受皿１０３を、二次元配置された光ファイバ１（センサ部分）上に載置すれば、該光ファイバ１に直接接触する受皿１０３の温度分布が測定され得る。【００３８】
このような状況下で得られた対象物の温度分布データは、温度センサ本体４（図２参照）に内蔵された、パーソナルコンピュータなどで構成される測定表示手段（制御部１８、ディスプレイ１８ａを含む）に送られる。【００３９】
測定表示手段は、光ファイバ１による測定結果を、該光ファイバ１の二次元配置と同様な形態で表示可能なディスプレイ１８ａを含み、測定結果を視覚的に表示し得る。【００４０】
例えば、図３の流域（ａ）における対象物１００の温度分布測定結果は、図３の領域（ｂ）に示されたように、光ファイバ１の二次元配置と同様な表示パターン１８ｂでディスプレイ１８ａに表示される。このとき、ディスプレイ１８ａ上に表示される温度分布は、図３の領域（ｂ）中に示されたように低温側を濃色、高温側を淡色とするなど、色分けして識別することができる。【００４１】
なお、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサでは、ポンプ光、プローブ光の周波数変調パターンを調整することで、光ファイバ１の長手方向のサンプリング間隔、測定範囲、測定時間などを自由に調整することができる。すなわち、温度分布の時間的変化や二次元的分布を的確に捉えるためには、対象物における温度分布変化の位置に関する細かさや広がり・温度変化の速度と、光ファイバセンサによる光ファイバ１の長手方向のサンプリング間隔、測定範囲、測定時間とが対応していることが重要である。なお、光ファイバセンサの空間分解能よりも細かくサンプリング間隔を設定しても意味ある測定はできない。【００４２】
例えば、面積３０ｃｍ２の測定面２において温度分布を測定する場合、光ファイバ１による測定範囲は３０ｃｍ２に出来る限り近い、すなわち、光ファイバ１における長手方向のサンプリング間隔（ｄｚ）は出来る限り多点であることが好ましい。また、各測定点による測定時間はできるだけ短いことが好ましい。このように、温度分布測定において、測定範囲３０ｃｍ２程度、空間分解能１ｃｍ、測定時間０．１秒以下は、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサ技術で十分実現可能な要求レベルである。【００４３】
ＢＯＣＤＡ方式の光センサにおける空間分解能Δｚｒは以下の式（１）で表される。
【数１】
2008084637.tif 000003
ここで、ｍｆｍ、ｆｍはそれぞれ光源に印加される正弦波状周波数変調の振幅と変調周波数であり、ΔνＢはＢＧＳ線幅、ｖｇは光の群速度である。【００４４】
一例を挙げると、群速度２．０×１０８ｍ／秒、ＢＧＳ線幅５０ＭＨｚの典型的な光ファイバに関し、既存のレーザダイオード（ＬＤ）で実現可能な周波数変調の振幅２ＧＨｚ、変調周波数１００ＭＨｚとすると、該光ファイバの長手方向に沿った空間分解能は約１ｃｍとなる。【００４５】
また、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサでは連続光が使用されるため、パルス法に比べてＯＳＮＲ（光信号と雑音との強度比）がよく、また、光信号を積算したり平均化する必要がない。このため、高速な温度分布測定が可能であり、測定点１箇所あたり５７Ｈｚで測定できることが確認されている。この発明の用途としては、例えば、複雑な形状の被測定対象物の温度分布を測定する場合などに好適に用いることができる。【００４６】
図４は、この発明に係る対象物の温度分布測定を実現するＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサ、特に、センサユニットに含まれる光ファイバ１のセンサ部分の二次元配置の例を示す図である。【００４７】
この図４において、領域（ａ）に示された配置例では、光ファイバ１が円形状の測定面内にて円形渦巻状に二次元配置されている。一方、領域（ｂ）に示された配置例では、光ファイバ１が三角形状の測定面内に三角形渦巻き状に二次元配置されいる。いずれの配置例においても、光ファイバ１の両端には接続用光ファイバ３ａ、３ｂの一端がそれぞれ接続されており、これら接続用光ファイバ３ａ、３ｂの他端を温度センサ本体４（図２参照）に接続することで、光ファイバ１がＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサとして機能する。【００４８】
なお、光ファイバ１の二次元配置形態は図４に示された例に限定されず、対象物の形状や特性などに合わせて、種々の二次元的配置形態が採用可能である。【００４９】
図５は、この発明に係る対象物の温度分布測定を実現するＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサ、特に、センサユニットに含まれる光ファイバのセンサ部分の三次元配置の例を示す図である。【００５０】
この図５において、領域（ａ）に示された配置例では、光ファイバ１が円筒形状に区画された測定空間２’内に、円形部１ｃが容器高さ方向に対し多段配置されるとともに、これら円形部１ｃ同士が鉛直部１ｄで繋がれている。このように部分的に変形させることにより三次元配置された光ファイバ１の両端には接続用光ファイバ３ａ、３ｂの一端がそれぞれ接続されている。これら接続用光ファイバ３ａ、３ｂは測定空間２’の外に位置しており、それぞれの他端が温度センサ本体４に接続されることにより、光ファイバ１が、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサとして機能する。【００５１】
なお、図５の領域（ｂ）及び領域（ｃ）には、光ファイバ１の三次元配置形態の変形例が示されている。【００５２】
すなわち、図５の領域（ｂ）に示された配置例では、光ファイバ１が測定空間２’内の高さ方向に沿うよう螺旋状に配置されている。このとき、光ファイバ１の両端には、測定空間２’の外に位置する接続用光ファイバ３ａ、３ｂの一端が接続されいる。【００５３】
一方、図５の領域（ｃ）に示された配置例では、光ファイバ１が測定空間２’内において、仮想球体の中心部位に配置された緯線状部１ｅと、該仮想球体の上下の極点を通過するように配置された直交する二つの経線状部１ｆ，１ｇを有するよう配置されている。このとき、光ファイバ１の両端には、測定空間２’の外に位置する接続用光ファイバ３ａ、３ｂの一端が接続されている。【００５４】
なお、光ファイバ１の二次元配置形態は図５に示された例に限定されず、対象物の形状や特性などに合わせて、種々の三次元的配置形態が採用可能である。【００５５】
以上のように、光ファイバ１を部分的に変形させることで三次元配置する場合、対象物の表面温度分布（二次元的な温度分布）のみに限らず、対象物の高さ方向、奥行き方向、深さ方向などをも包含した、三次元的な温度分布の測定が可能になる。【００５６】
このような光ファイバ１の三次元配置が適用される用途には、例えば、測定空間２’を構成する実体物となる容器内に収容された液体や気体の温度を、該容器内の全域に亘って一定に保持したい場合や、所望のパターンで温度差を生じさせたい場合などが含まれる。この発明は、例えば、容器内での結晶成長や所望の化学反応、発酵を行うなど、環境温度に敏感な場合や、それ自体が温度変化をもたらすプロセスなどに好適である。【００５７】
次に、図１に示された光ファイバ１をシート状の基体と一体化したセンサユニットとして構成した例を、図６〜図８を参照しながら詳細に説明する。なお、図６において、領域（ａ）は、第１実施例に係るセンサユニット２００ａの平面図であり、領域（ｂ）はセンサユニット２００ａの側面図である。図７において、領域（ａ）は、第１実施例に係るセンサユニット２００ａに隣接配置される別の接続用センサユニット２００ａ’を示す平面図であり、領域（ｂ）は、２種類のセンサユニット２００ａ、２００ａ’が隣接配置された状態（第２実施例に係るセンサユニット）を示す平面図である。また、図８において、領域（ａ）は、第３実施例に係るセンサユニット２００ｂの平面図であり、領域（ｂ）及び領域（ｃ）はセンサユニット２００ｂをそれぞれ異なる方向から見たときの、該センサユニット２００ｂの側面図である。【００５８】
図６に示された第１実施例に係るセンサユニットは、温度測定用の光ファイバ１（センサ部分）と、シート状の基体を備える。光ファイバ１は、四角形状のシート２０ａの上面に、図１に示された配置例と同様に二次元配置されていつ。この光ファイバ１の上面に保護シート２０ｂが積層されることで、光ファイバ１がシート状の基体と一体化している。【００５９】
この第１光ファイバ１は接続用端部２１、２２を有しており、これら端部２１、２２に一端が接続された接続用光ファイバ３ａ、３ｂを介して温度センサ本体４（図２参照）と怒りファイバ１が光学的に接続される。この構成により、光ファイバ１がＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサとして機能する。【００６０】
上述の第１実施例に係るセンサユニット２００ａにおいて、基体上又は基体中に二次元配置された光ファイバ１は、図１に示された構成の効果に加え、対象物の適所に貼り付けて用いるなど、センサユニットとしてより広い用途が期待できる。【００６１】
また、このような第１実施例に係るセンサユニット２００ａは、図７の領域（ａ）に示されたような接続用センサユニット２００ａ’に接続されてもよい。この接続用センサユニット２００ａ’は、接続用端部２１、２２と対応する箇所に接続用端部２１’、２２’を有するシート状の基体と光ファイバ１が一体化されたセンサユニットである。これらセンサユニット２００ａの基体と接続用センサユニット２００ａ’の基体同士を、例えば図７の領域（ｂ）に示されたように隣接した状態で連結してもよい(第２実施例に係るセンサユニット)。この場合、隣接するセンサユニット２００ａ、２００ａ’それぞれの光ファイバ１は、互いに融着接続される（コネクタ接続でもよい）。このように、第２実施例に係るセンサユニットは、基体上又は基体中に光ファイバ１を二次元的に配置するとともに、適宜箇所に接続用端部が形成された複数のシート状基体接続されることで、対象物における測定領域の大きさ、形状に合った二次元配置形態のセンサユニットが得られる。【００６２】
さらに、図８に示された第３実施例に係るセンサユニット２００ｂでは、光ファイバ１が内在されたシート状基体を多段状に重ねるととともに、上下の基体における光ファイバ１の配置方向が互いに直交するよう三次元配置されている。【００６３】
この第３実施例に係るセンサユニット２００ｂでは、上下の光ファイバ１によってより多くの測定点が設定できる。そのため、光ファイバ１が三次元配置された第３実施例に係るセンサユニット２００ｂによれば、より高精度な温度分布測定が可能になる。【００６４】
以上のように、光ファイバ１をシートや三次元物体（筒状体あるいは針金細工状体等）等でユニット化することは、図４及び図５に示された配置例においても同様に実現され得る。その場合、二次元的又は三次元的に配置された光ファイバ１を有する基体は所定の平面形状又は立体形状に形成される。また、基体には適所に接続用端部が形成される。【００６５】
ところで、この発明において、センサ部分に光ファイバを利用して二次元的又は三次元的な温度分布を求める際には、温度測定を行う光ファイバの長手方向位置と、対象物の測定箇所との関係が正確に把握されていることが重要である。【００６６】
一例として、上述の各実施例において、温度測定用の光ファイバ１が被覆又は収納されたコード又はケーブルなどの外被に、該光ファイバ１の長手方向に沿って目盛りを付ける態様が考えられる。この場合、長手方向の目盛りの原点位置（基準位置）は、温度測定を行う光ファイバ１と異なる光ファイバ（例えば、接続用光ファイバ３ａ、３ｂなど）が接続されている接続点、あるいは、光ファイバ１における温度又は歪みが他の部分と異なるなど、ＢＧＳが他の部分と有意に異なるよう位置が、原点位置に設定される。これにより、対象物と温度測定用の光ファイバ１の位置関係は、該光ファイバ１の長手方向の目盛りを介して把握され、光ファイバ１と温度センサ本体４はＢＧＳが有意に異なる原点位置を介して関連付けられる。【００６７】
以上の構成により、対象物の温度分布が温度センサ本体４による測定結果から正確に再構成され得る。【００６８】
なお、上述の実施例では、目視を前提に光ファイバ１に目盛りを付けているが、温度測定用の光ファイバ１と対象物との位置関係が正確に把握可能であれば光ファイバ１に付される目盛りには限定されない。例えば、一定間隔で電気的、磁気的、光学的、音響的などの各種信号を発するマーカーを、温度測定用の光ファイバ１に付与するなどの方法も採用可能である。【００６９】
さらに、図５の領域（ｃ）には、緯線状部１ｅ、経線状部１ｆ、１ｇを有する仮想球体状に三次元配置された光ファイバ１が示されているが、この領域（ｃ）に示された配置例の応用として、仮想球体を地球に例えることも考えられる。例えば、北極点に相当する位置が原点位置からαｍ、北極点から経線状部１ｆを経た赤道上が原点位置からβｍ、ここから赤道上を一周するよう緯線状部１ｅを配置し、一周して戻ってきた位置を原点位置からγｍ、ここから経線状部１ｆを経た南極点が原点位置からδｍ、ここから経線状部１ｇを配置し一周して戻ってきた南極点を原点位置からεｍ、ここからさらに北極点に戻った位置を原点位置からηｍ、と対応付ければ、一次元乃至三次元的な温度分布が再構成（reconstruction）され得る。【００７０】
なお、光ファイバ１を配置するルートにおいて、測定想定点からのズレが許容範囲を超えることが予想される場合、対応付けを行う位置については、北極点から一気に赤道に飛ぶのではなく、例えば、緯度に対して１０度毎に対応付けをすればよい。【００７１】
上述の地球規模の対応付けは、図５の領域（ｃ）に示された配置例に基づいて行われたが、この図に限定されるものではなく、図３、図５〜図８でも同様である。【００７２】
以上のように、温度測定用の光ファイバ１の長手方向の位置と、対象物の各測定点の対応関係が正確に把握できれば、一次元乃至三次元のいずれにおいても、温度センサ本体４による測定結果から、対象物の温度分布が再構成可能である。また、このような対応関係付けのための手段を、光ファイバ１の変形状態を工夫することにより提供することができる。【００７３】
以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想及び範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
この発明に係る測定方法及びセンサヘッドは、対象物の形状に制限されることなく、該対象物の所定測定領域（測定面又は測定空間）における温度分布を迅速かつ高精度に測定することができるＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンシング技術への適用が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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