(57)【要約】【課題】BOFやFBGなど反射スペクトルシフト型の光センサにおける「温度補償」と「計測範囲の拡大」を１つの同じセンサで実現すること。【解決手段】本発明においては、参照光を出力する発光部および光センサ部からの反射光を受光する受光部を備えた光処理部と、計測すべき物理量に応じて反射スペクトルをシフトさせる前記光センサ部と、前記反射スペクトルに基づいて処理信号を出力する信号処理部とからなる光センシングシステムにおいて、前記信号処理部は、前記処理信号の内の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部を負帰還制御する制御信号、および前記処理信号に基づいて前記物理量に対応した計測信号を出力するように構成されていることを特徴としている。【選択図】      図１
2014130071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照光を出力する発光部および光センサ部からの反射光を受光する受光部を備えた光処理部と、計測すべき物理量に応じて反射スペクトルをシフトさせる前記光センサ部と、前記反射スペクトルに基づいて処理信号を出力する信号処理部とからなる光センシングシステムにおいて、
前記信号処理部は、
前記処理信号の内の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部を負帰還制御する制御信号、および前記処理信号に基づいて前記物理量に対応した計測信号を出力するように構成されていることを特徴とする光零位法による光センシングシステム。
【請求項２】
前記光処理部の前記発光部は、
異なる波長の２つの参照光を出力するように構成され、
前記光センサ部は、
帯域通過型で、前記２つの参照光に対する反射レベルが印加された物理量に応じて相補的にシフトするように構成され、
前記信号処理部は、
前記センサ部の基準状態における前記反射スペクトルの中心波長を挟んだ前記２つの参照光に対応する反射率の比対数を前記計測信号として出力とするとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記光処理部の2つの参照光の波長を平行的に移動させる信号を前記制御信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の光零位法による光センシングシステム。
【請求項３】
前記光処理部の前記受光部は、
光センサ部からの反射光を傾斜フィルタに導入したときにレベルが相補的にシフトする透過光と反射光に光路差を与えて合流受光し、時間領域において両光のレベルを分離検出するように構成され、
前記傾斜フィルタは、
前記制御信号によってスペクトル波長位置が制御されるように構成され、
前記信号処理部は、
時間領域において前記両光の比対数を求めて前記計測信号として出力するとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記傾斜フィルタの特性を制御する信号を前記制御信号として出力するように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光零位法による光センシングシステム。
【請求項４】
前記信号処理部は、
前記2波長の反射率の比対数から前記直流成分を抽出して変化の遅い物理量に対応した計測信号とし、
前記2波長の反射率の比対数から交流成分を抽出して変化の速い物理量に対応した計測信号として出力するように構成され、
前記光センサ部に加えられた変化の遅い物理量と、変化の速い物理量とを分離して計測可能としたことを特徴とする請求項２または３の何れか１項に記載の光零位法による光センシングシステム。
【請求項５】
参照光を出力する発光部および反射光を受光する受光部を備えた光処理部と、
前記発光部から出射される参照光が光ファイバを経由して供給され、前記光ファイバに戻される反射スペクトルを、与えられた物理量に応じて変化させる光センサ部と、
を備えた光センシングシステムを用いた光センシング方法であって、
前記反射スペクトルの変化を制御する制御信号を生成して前記光処理部に出力することによって、前記反射スペクトルに含まれる特定のパラメータが常に零になるように制御するとともに、前記制御信号を信号処理することによって前記物理量に対応した計測信号として出力することを特徴とする光センシング方法。
【請求項６】
請求項１に記載の光センシングシステムに用いるインタロゲータであって、
参照光を出力する発光部と光センサ部からの反射光を受光する受光部とを備えた光処理部と、前記光処理部から得られる反射スペクトルに基づいて処理信号を出力する信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、
前記処理信号の内の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部を負帰還制御する制御信号と、前記処理信号に基づいて前記物理量に対応した計測信号を出力するように構成されていることを特徴とするインタロゲータ。
【請求項７】
前記光処理部の前記発光部は、
異なる波長の２つの参照光を出力するように構成され、
前記信号処理部は、
前記センサ部の基準状態における前記反射スペクトルの中心波長を挟んだ前記２つの参照光に対応する反射率の比対数を前記計測信号として出力とするとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記光処理部の2つの参照光の波長を平行的に移動させる信号を前記制御信号として出力することを特徴とする請求項６に記載のインタロゲータ。
【請求項８】
前記光処理部の前記受光部は、
光センサ部からの反射光を傾斜フィルタに導入したときの透過光と反射光に光路差を与えて合流受光し、時間領域において両光のレベルを分離検出するように構成され、
前記傾斜フィルタは、
前記制御信号によってスペクトル波長位置が制御されるように構成され、
前記信号処理部は、
時間領域において前記両光の比対数を求めて前記計測信号として出力するとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記傾斜フィルタの特性を制御する信号を前記制御信号として出力するように構成されている
ことを特徴とする請求項６に記載のインタロゲータ。
【請求項９】
前記信号処理部は、
前記2波長の反射率の比対数から前記直流成分を抽出して変化の遅い物理量に対応した計測信号とし、
前記2波長の反射率の比対数から交流成分を抽出して変化の速い物理量に対応した計測信号として出力するように構成され、
前記光センサ部に加えられた変化の遅い物理量と、変化の速い物理量とを分離して計測可能としたことを特徴とする請求項７または８の何れか１項に記載のインタロゲータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ＦＢＧやエタロンなどセンサを用いて物理量を光学的に計測する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発明者等は、数年来、ＢＯＦ (BPF on fiber end) をセンサとして、これをＤＷＰＲ (Dual Wavelength Push-pull Ratiometric reflectometry)インタロゲータでサポートする温度、圧力、振動の多点同時光センシングシステムを提案している。また従来のＦＢＧ(Fiber Bragg Grating)を対象としたセンシングシステムも提案している。（特許文献１、２参照。）
これらはいずれもPN符号相関方式をベースとした時間領域の反射計測システムで、これまで主流であったスペクトル領域の計測方式に比して、多くの特長をもつ新しい方式として注目を集めているが、幅広い普及のためには、改善すべき点も多い。
本発明は、これまでの光ファイバ計測の常識を超えた発想により、ＦＢＧやエタロンなど従来センサにも共通したいくつかの課題を解決するとともに、新たな機能をも併せて実現する技術を提案するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＰＣＴ／ＪＰ２００９／６４５８２
【特許文献２】特許第４３０８８６８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
BOFやFBGなど反射スペクトルシフト型の光センサでは圧力や歪と同時に温度にも感度をもつため、得られた計測信号には両者が含まれることになり区別がつかないという問題がある。
また、光センサの直線性は所定の動作点を中心としてある程度の範囲内では充分であるが、前記範囲を外れると、充分な直線性は得られない。そして、前記所定の動作点は環境温度によってシフトするという問題がある。そのため、動きの速い振動計測（振動によってBOFへの圧力やFBGへの歪が変化する機構をもたせて計測。）を行なう場合、温度が変わると振動センサとしての前記動作点がシフトするため、直線性の得られる範囲を越えてしまい、正確な計測ができないという問題が発生する。かかる問題を解決するためには適正な温度補償が必要である。
しかし温度補償は通常、特性の等しいセンサを2個用意して温度条件を同じにし、一方のみに振動が加わるようにしたときの両計測出力の差分を求めるという方式が採用されている。このような温度補償の方式は非常に面倒かつコスト高になるのがネックである。
また、温度計測の場合、反射センサのスペクトルシフトの計測範囲はBOFなら多層膜BPF（Band Pass Filter）の帯域幅、FBGなら波長分析用のフィルタの傾斜領域幅で制限され、一定以上広くすることができない。
そこで、本発明においては、BOFやFBGなど反射スペクトルシフト型の光センサにおける「温度補償」と「計測範囲の拡大」を１つの同じセンサで実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る請求項１では、
参照光を出力する発光部および光センサ部からの反射光を受光する受光部を備えた光処理部と、計測すべき物理量に応じて反射スペクトルをシフトさせる前記光センサ部と、前記反射スペクトルに基づいて処理信号を出力する信号処理部とからなる光センシングシステムにおいて、
前記信号処理部は、
前記処理信号の内の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部を負帰還制御する制御信号、および前記処理信号に基づいて前記物理量に対応した計測信号を出力するように構成されていることを特徴としている。
請求項２では、
前記光処理部の前記発光部は、
異なる波長の２つの参照光を出力するように構成され、
前記光センサ部は、
帯域通過型で、前記２つの参照光に対する反射レベルが印加された物理量に応じて相補的にシフトするように構成され、
前記信号処理部は、
前記センサ部の基準状態における前記反射スペクトルの中心波長を挟んだ前記２つの参照光に対応する反射率の比対数を前記計測信号として出力とするとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記光処理部の2つの参照光の波長を平行的に移動させる信号を前記制御信号として出力することを特徴としている。
請求項３では、
前記光処理部の前記受光部は、
光センサ部からの反射光を傾斜フィルタに導入したときにレベルが相補的にシフトする透過光と反射光に光路差を与えて合流受光し、時間領域において両光のレベルを分離検出するように構成され、
前記傾斜フィルタは、
前記制御信号によってスペクトル波長位置が制御されるように構成され、
前記信号処理部は、
時間領域において前記両光の比対数を求めて前記計測信号として出力するとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記傾斜フィルタの特性を制御する信号を前記制御信号として出力するように構成されている。
【０００６】
請求項４では、
前記信号処理部は、
前記2波長の反射率の比対数から前記直流成分を抽出して変化の遅い物理量に対応した計測信号とし、
前記2波長の反射率の比対数から交流成分を抽出して変化の速い物理量に対応した計測信号として出力するように構成され、
前記光センサ部に加えられた変化の遅い物理量と、変化の速い物理量とを分離して計測可能とした。
【０００７】
請求項５に係る光センシング方法では、
参照光を出力する発光部および反射光を受光する受光部を備えた光処理部と、
前記発光部から出射される参照光が光ファイバを経由して供給され、前記光ファイバに戻される反射スペクトルを、与えられた物理量に応じて変化させる光センサ部と、
を備えた光センシングシステムを用いた光センシング方法であって、
前記反射スペクトルの変化を制御する制御信号を生成して前記光処理部に出力することによって、前記反射スペクトルに含まれる特定のパラメータが常に零になるように制御するとともに、前記制御信号を信号処理することによって前記物理量に対応した計測信号として出力することを特徴としている。
【０００８】
請求項６に係るインタロゲータは、
請求項１に記載の光センシングシステムに用いるインタロゲータであって、
参照光を出力する発光部と光センサ部からの反射光を受光する受光部とを備えた光処理部と、前記光処理部から得られる反射スペクトルに基づいて処理信号を出力する信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、
前記処理信号の内の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部を負帰還制御する制御信号と、前記処理信号に基づいて前記物理量に対応した計測信号を出力するように構成されていることを特徴としている。
請求項７では、
前記光処理部の前記発光部は、
異なる波長の２つの参照光を出力するように構成され、
前記信号処理部は、
前記センサ部の基準状態における前記反射スペクトルの中心波長を挟んだ前記２つの参照光に対応する反射率の比対数を前記計測信号として出力とするとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記光処理部の2つの参照光の波長を平行的に移動させる信号を前記制御信号として出力することを特徴としている。
請求項８では、
前記光処理部の前記受光部は、
光センサ部からの反射光を傾斜フィルタに導入したときの透過光と反射光に光路差を与えて合流受光し、時間領域において両光のレベルを分離検出するように構成され、
前記傾斜フィルタは、
前記制御信号によってスペクトル波長位置が制御されるように構成され、
前記信号処理部は、
時間領域において前記両光の比対数を求めて前記計測信号として出力するとともに、
前記比対数の直流成分が常に零となるよう前記傾斜フィルタの特性を制御する信号を前記制御信号として出力するように構成されている。
【０００９】
請求項９では、
前記信号処理部は、
前記2波長の反射率の比対数から前記直流成分を抽出して変化の遅い物理量に対応した計測信号とし、
前記2波長の反射率の比対数から交流成分を抽出して変化の速い物理量に対応した計測信号として出力するように構成され、
前記光センサ部に加えられた変化の遅い物理量と、変化の速い物理量とを分離して計測可能としたことを特徴としている。
【００１０】
本願発明においては、以上のようにして、前記信号処理部は、前記制御信号を前記光処理部に入力することにより、つねに2波長反射率の比対数ζに含まれる直流成分が常に零に維持されるように制御する。
この状態における前記制御信号を信号処理することによって、変化の遅い物理量である温度の情報を含んだ信号を得ることができる。そして、2波長反射率の比対数ζに含まれる交流成分から変化の速い物理量である振動の情報を含んだ信号を得ることができる。
【００１１】
＜コンセプト＞
以下に、本発明の基本コンセプトを説明する。
温度や圧力等は時間的に緩やかな変化をなす直流的な物理量（これを直流的物理量と言う。）であるが、振動による加速度や歪の変化などは、温度や圧力等に比較して変化が速い交流的な物理量（これを交流的物理量と言う。）である。
計測出力から直流成分と交流成分を分離することによって、前記直流的物理量と前記交流的物理量を切り分けることができる。
直流成分は計測出力を時間平均処理することによって得られる。電気回路的にいえば直流成分は低域濾波出力、交流成分は高域濾波出力であるが、いずれも簡単な信号処理によって得られる。
直流成分は、直流的物理量、即ち、温度や圧力等のように時間的に緩やかな変化をなす直流的な物理量に相当し。交流成分は、交流的物理量、即ち、振動による加速度や歪の変化などのように、温度や圧力等に比較して変化が速い交流的な物理量に相当する。
以上のことから、同じ光センサで直流的物理量と交流的物理量の両方を計測できるが、実際には、環境の温度変化は微小ではなく、前述したように、温度変化によって動作点がシフトすることによって、ある程度の直線性が得られる範囲を越えてしまうので、実用化には問題がある。
【００１２】
＜従来の電気的零位法＞
このような動作点のシフトの問題を解決し得る手法として、可動電磁コイル型のサーボ式地震計などで用いられている電気的な零位法（Zero method）の考え方がある。
地震計では振動による静電容量変化から振動情報を検知し、これを可動電磁コイルに負帰還して動作点のシフトを補償することによって、コイルを常に静止させて、この状態でのコイル駆動電流値を振動計測出力として取り出すものである。この方式が用いられる最大の理由は、ダイナミックレンジが飛躍的に拡大されることである。
しかし、このような電気的な零位法を、光センサによる計測システムに適用しようとしても、光センサ部とインタロゲータとは光ファイバで接続されているだけであって、光センサ部に電気的な制御を与えることはできない。
【００１３】
＜本発明の光零位法＞
そこで、本発明（例えば請求項２に係る発明）においては、２つの波長を参照光とする計測システムにおいて、計測信号の直流成分を2つの参照光の波長を制御する手段へ負帰還し、
傾斜フィルタによって反射光スペクトルのシフト量を検出する方式の計測システムの場合には、計測信号の直流成分を、波長分析用の傾斜フィルタの波長を制御する手段へ負帰還することによって、前記直流成分を常に零に保つことを実現した。本発明によるかかる方式を、電気的な零位法に対して「光零位法」と称する。
なお、前記計測信号の直流成分をもって直流的物理量に対応させ、前記計測信号の交流成分を交流的物理量に対応させることによって、１つの光センサを用いて、温度や圧力等のように時間的に緩やかな変化をなす直流的物理量と、振動による加速度や歪の変化などのように、温度や圧力等に比較して変化が速い交流的物理量の両方を同時に計測することが可能である。
温度変化は一般に緩やかなため、参照光の波長やフィルタのスペクトル波長軸は、レーザモジューやフィルタモジュール内の設定温度をペルチェ素子などによって容易に制御することができる。このとき電源を要するのはインタロゲータのみで、光センサまでは電源が要らない。
すなわち、動作温度によって、２つの波長を参照光とする計測システムの場合には2つの参照光の波長を負帰還制御し、傾斜フィルタによって反射光スペクトルのシフト量を検出する方式の計測システムの場合には、波長分析用の傾斜フィルタの波長を負帰還制御することによって、前記直流成分を常に零に保つことを実現したのである。
【００１４】
以下に、本発明を実現するために必要な技術を説明する。
(1)２波長を用いる技術
図６に示したように、
MEMSエタロンのスペクトル特性のシフトを検出するには、スペクトル特性の谷部分の波長（以下、単に「ボトム波長」という。）λ0を挟む2波長λ１，λ２における反射率ｒ１，ｒ２の比対数ζを直接観測量とする。これを上式のようにζで表わす。ζはスペクトルシフトと一義的に対応するから、これにより振動変位と温度の何れか一方／もしくは両方を計測することができる。
2波長を用いる狙いは、ＢＯＦの場合と同様、比演算処理によってスペクトル特性のシフト以外の外乱に対する耐性を上げるためである。すなわち、反射率 r1および r2には、用いる光ファイバの曲げ損失やインタロゲータの電源や周囲温度の変動などに起因する波長に無依存な係数がかかってくるが、それらはζ式の分子分母間でキャンセルされることから、ロバストな計測が可能になる。
また両反射率の「比対数ζ」を取るのは、比対数ζは両者が等しいときにゼロとなり、左右のスペクトルシフトに対して対称に±に変化することに注目してのことである。これは本発明の「光零位法」を考える上で、非常に重要な要件である。
【００１５】
(2)変化量を補償する技術
光源の波長を、前記スペクトルシフトの方向と逆方向にシフトするように制御して、前記スペクトルシフトを補償する。
(3)複数の物理量を分離抽出する技術
ＢＯＦ、エタロン、ＦＢＧなどは、温度だけでなく圧力や歪にも感度を持つため、センサ部に与えられた物理量が何れか１つに単一化できない場合は、観測されたスペクトルシフトが何によるものであるかを区別することができない。しかし物理量の時間的な動きの違いに着目すれば、それらを弁別できる場合がある。
センサ部に振動と温度が与えられた場合、直接観測量である２波長反射率の比対数ζは、例えば図７（Ａ）に示したようにあらわれる。
このとき、温度のような直流的で静的な変化量と、振動のような交流的で動的な変化量は、以下のような信号処理によって分離できる。
まず、直接観測量である２波長反射率の比対数ζを、時間的平均化処理することによって、直流成分のみを抽出する。
次に、抽出した直流成分を、直接観測量である２波長反射率の比対数ζから差し引くことによって交流成分を抽出する。
【００１６】
以上の信号処理によって得られた直流成分は温度の情報を含んでいるものとし、交流成分は振動の情報を含んでいるものとすることができる。
図７において、
（Ａ）は2波長反射率比ζの瞬時値である。動きの緩慢な直流的な温度ラインの上に、動きの速い交流的な振動情報が重畳されている。
（Ｂ）はζを時間的平均化処理することによって、直流成分のみを抽出したものである。
（Ｃ）は上記瞬時値より直流成分を差し引いたもので、振動情報に相当する交流成分である。
本願発明では、このような信号処理を適宜組み合わせることによって、センサ部に与えられた物理量に複数の物理量が混在していても、それぞれの物理量を分離することが可能となる場合がある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば以下の各効果が得られる。
(1) 温度計測域が大きく広がる。
(2) 広い温度範囲を補償可能であるので使いやすい。
(3) センサ部まではファイバ単線でよいので、施工および維持管理が容易である。
(4) 従来のＢＯＦ/ＦＢＧ/エタロン 等に適用可能であるので、応用範囲が広い。
(5) 従来のＤＷＰＲがほとんどそのまま活用できるので、応用が容易である。
(6) センサ部にＢＯＦ/ＦＢＧを用いる場合には、光源の温度を制御することで波長の制御が可能であるので、制御が容易にできる。
(7) 広い計測領域で精度を一定にできる。
(8) 電気的・機械的なアクチュエーション機構が不要であるので、
(9) １つの光センサで温度等の直流的物理量と振動等の交流的物理量が同時に計測可能であるので便利である。
(10) 原理がシンプルであるので信頼性が高い。
(11) 複雑な機構が不要であるので施工および維持管理が容易である。
以上のように、本願発明に係る光センシングシステムは、光領域のサーボ方式、即ち「光零位法」と言える画期的な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の基本構成のブロック図である。
【図２】センサ部にＢＯＦやエタロンを用いた場合のブロック図である。
【図３】センサ部にＦＢＧを用いた場合のブロック図である。
【図４】センサ部にＢＯＦやエタロンを用いた場合の説明図である。
【図５】センサ部にＦＢＧを用いた場合の説明図である。
【図６】本発明における２波長を用いる技術の説明図である。
【図７】本発明における複数の物理量に分離する技術の説明図である。
【図８】本発明に用いる光源の波長制御技術の説明図である。
【図９】本発明におけるスペクトルシフトを補償する技術の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の基本構成を示した図１において、
１は本発明に係る光センシングシステムである。
２は、参照光を出力する発光部２１および反射光を受光する受光部２２を備えた光処理部である。
３は、前記発光部２１から出射される参照光が光ファイバ５を経由して供給され、前記光ファイバ５に戻される反射スペクトルを、与えられた物理量に応じて変化させる光センサ部である。
４は、前記光処理部２において得られる反射光の反射スペクトルに基づいて処理信号を得て、前記処理信号の内の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部２を負帰還制御する制御信号と、前記処理信号に基づいて前記物理量に対応した計測信号を出力するように構成されている信号処理部である。
前記信号処理部４は、前記制御信号を生成する制御部４１と、前記処理信号を信号処理して前記物理量の情報を含んだ前記計測信号として出力する処理部４２とを備えている。
なお、前記光処理部２と前記信号処理部４とでインタロゲータ１０を構成している。
【００２０】
以上の構成の光センシングシステム１において、
前記光処理部２の前記発光部２１からは、前記光センサ部３の特性に対応した所定の波長の参照光が、光ファイバ５を介して前記光センサ部３へ供給される。
前記発光部２１は、後述するように、前記光センサ部３の形態に応じて、波長の異なる２つの参照光（２波長の参照光）、もしくは広帯域の参照光を出射する。
【００２１】
前記光センサ部３は、必要に応じて複数の光センサ部３がそれぞれ前記光ファイバ５に対して光カプラ等の光分岐結合手段を介して接続された形態も可能である。
前記光センサ部３には、計測対象の物理量として、温度、振動、圧力等の物理量が与えられ、前記光センサ部３は、与えられた物理量に応じて、反射光のスペクトルをシフトさせる等の変化が与えられた反射光を前記光ファイバ５に戻す。
なお、前記光処理部２の発光部２１においては、例えば、所定のランダム符号（ＰＮ符号）によって変調した参照光を出射し、前記光処理部２の受光部２１においては、前記光センサ部３からの反射応答光を受光して、前記ＰＮ符号との相互相関処理によって前記光センサ部３からの反射応答信号を得て、処理信号として出力するように構成されたＰＮＣＲ方式を採用することができる。
【００２２】
前記信号処理部４では、前記処理信号に基づいて、前記参照光の波長を変化させるか、前記受光部２２における傾斜フィルタの特性を変化させるための制御信号を制御信号生成部４１にて生成して、前記光処理部２に出力する。
前記光センサ部３が２つの波長を参照光とする計測システムの場合には、前記制御信号の直流成分を2つの参照光の波長を制御する手段へ負帰還し、
前記光センサ部３が傾斜フィルタによって反射光スペクトルのシフト量を検出する方式の計測システムの場合には、前記制御信号の直流成分を、波長分析用の傾斜フィルタの波長を制御する手段へ負帰還することによって、前記直流成分を常に零に保つように制御する。
【００２３】
なお、前記制御量の直流成分をもって直流的物理量に対応させ、交流成分を交流的物理量に対応させ、温度や圧力等のように時間的に緩やかな変化をなす物理量と、振動による加速度や歪の変化などのように、温度や圧力等に比較して変化が速い物理量の両方を同時に計測することが可能である。
【実施例１】
【００２４】
図２は、光センサ部にＢＯＦおよび／もしくはエタロンを用いた光センシングシステム１Ａのブロック図、図４はその動作説明図である。
この光センシングシステム１Ａは、光処理部２Ａと、光センサ部３Ａと、信号処理部４Ａとを備えている。
前記光処理部２Ａは、異なる波長の２つの参照光をサーキュレータ５１Ａを介して光ファイバ５Ａへ出力する発光部２１Ａと、前記サーキュレータ５１Ａにて取り出された反射光を受光する受光部２２Ａを備えている。
前記発光部２１Ａは、異なる波長λ１、λ２の２つの参照光を出力するように構成されている。
前記光センサ部３Ａは、前記２つの参照光λ１、λ２に対する反射スペクトルのレベルが物理量に応じて相補的にシフトするように構成された帯域通過型のセンサである。
前記サーキュレータ５１Ａは、前記発光部２１Ａからの光は前記光ファイバ５Ａへ通過させ、前記光ファイバ５Ａからの反射光は前記受光部２２Ａ側へ通過するように構成されている。
【００２５】
前記受光部２２Ａは、前記２つの参照光λ１、λ２に対する反射光を受光する１つの受光素子で構成され、それぞれの反射率γ１、γ２が得られるように構成されている。
前記信号処理部４Ａは、前記光センサ部３Ａの基準状態における前記反射スペクトルの中心波長λ０を挟んだ前記２つの参照光λ１、λ２に対応する反射率γ１、γ２の比対数ζを、例えば高域ろ波手段を用いた計測信号分離手段４２によって処理して計測信号として出力とするとともに、前記比対数ζを、例えば低域ろ波手段を用いた制御信号生成手段４１によって処理して直流成分を取り出し、その直流成分が常に零となるよう前記光処理部２Ａの2つの参照光の波長を平行的に移動させる制御信号λＣＮＴを出力するように構成されている。
【００２６】
なお、実施例１においては、制御信号によって発光素子の波長を制御することによって、光センサ部におけるスペクトルシフトを補償するように制御する。
発光素子の波長の制御は、発光素子が含まれているモジュール内の温度を制御することで実現できる。そのために、前記発光部２２Ａには、発光素子が含まれているモジュール内の温度を前記制御信号に基づいて制御する温度制御手段が備えられている。
図８に示した温度と波長との関係を示す図は、ＤＷＰＲインタロゲータに光源として用いている2つのDFB LDのTEC(Thermo-Electric Control)温度と出力波長の関係を実験的に求めたものである。各LDMの出力波長公称値は、それぞれ1,540.56nmと1,542.94nmである。
図８によれば、両LDMの波長温度勾配はほぼ同等の75.5および77.2pm/℃であるから、設定可能な温度範囲を±30℃とすれば、LD波長を約2.3nmの幅で制御できる。
一方ＢＯＦとＦＢＧの温度によるスペクトルシフトはどちらも約10pm/℃であるから、上記の波長可変幅で±230℃範囲の温度計測が可能ということで、実用的にはまず十分である。
【００２７】
以上の構成において、図４（Ｂ）に示したように、光センサ部３Ａからの反射光のスペクトルが、与えられた物理量によって、例えば実線の状態から破線の状態にシフトすると、２つの波長λ１，λ２に対する反射率ｒ１，ｒ２が増減（例えば、一方の波長λ１における反射率ｒ１が増加すると、他方の波長λ２における反射率ｒ２が減少）して相補的に変化する。そして、スペクトル特性のボトム波長λ0を挟む2波長λ１，λ２における反射率ｒ１，ｒ２の比対数ζ（2波長反射率比）を求める。
前記比対数ζの直流成分を、制御信号として前記発光部２１に入力することによって２波長の参照光の波長を変化させ、図４（Ｃ）に示したように、ボトム波長λ0において２つの波長に対する2波長反射率比ζの直流成分が常に０となるように制御する。
なお、このような制御は、前記受光部２２Ａにて得られた前記処理信号の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部２Ａを負帰還制御する制御と言える。
前記比対数ζはスペクトルシフトと一義的に対応するから、これにより、温度や圧力等のように時間的に緩やかな変化をなす物理量と、振動による加速度や歪の変化などのように、温度や圧力等に比較して変化が速い物理量の両方を同時に計測することができる。
【００２８】
前記信号処理部４Ａでは、前記制御信号生成手段４１によって2波長反射率比の低域ろ波処理や平均化処理を行って前記直流成分を抽出し、前記計測信号分離手段４２によって高域ろ波処理や2波長反射率比から前記直流成分を差し引く処理等して交流成分を抽出する。
前記直流成分をもって直流的物理量に対応させ、交流成分を交流的物理量に対応させ、温度や圧力等のように時間的に緩やかな変化をなす物理量と、振動による加速度や歪の変化などのように、温度や圧力等に比較して変化が速い物理量の両方を同時に計測することができる。
【実施例２】
【００２９】
図３は、光センサ部にＦＢＧを用いた光センシングシステム１Ｂのブロック図、図５はその動作説明図である。
この光センシングシステム１Ｂは、光処理部２Ｂと、光センサ部３Ｂと、信号処理部４Ｂとを備えている。
前記光処理部２Ｂは、異なる波長の２つの参照光を第１のサーキュレータ５１Ｂを介して光ファイバ５Ｂへ出力する発光部２１Ｂと、前記第１のサーキュレータ５１Ｂにて取り出された反射光を受光する受光部２２Ｂを備えている。
前記光センサ部３Ｂは、前記発光部２１Ｂから出射される参照光が光ファイバ５Ｂを経由して供給され、前記光ファイバ５Ｂに戻される反射スペクトルを与えられた物理量に応じて変化させるように構成されたＦＢＧ等の光反射型センサである。
【００３０】
前記発光部２１Ｂは、例えば、広帯域の発光スペクトルを持つＳＬＤ（Super Luminescent Diode）が用いられている。
前記受光部２２Ｂは、
第２のサーキュレータ２３Ｂ、傾斜フィルタ２４Ｂ、ダミーファイバ２５Ｂ（図５（Ａ）参照。）カプラ２６Ｂ、および受光素子を備えている。
なお、前記傾斜フィルタ２４Ｂを含んだフィルタモジュールには、前記傾斜フィルタ２４Ｂの温度を前記制御信号に基づいて制御する温度制御手段が備えられている。
光センサ部３Ｂからの反射光は、前記第１のサーキュレータ５１Ｂにて取り出され、さらに前記第２のサーキュレータ２３Ｂによって前記傾斜フィルタ２４Ｂへ導入され、前記傾斜フィルタ２４Ｂの反射光は前記第２のサーキュレータ２３Ｂによって前記ダミーファイバ２５Ｂ側へ導入される。
【００３１】
前記カプラ２６Ｂは、前記前記傾斜フィルタ２４Ｂの透過光と、前記ダミーファイバ２５Ｂにて光路差が与えられた反射光とを合流させて、前記受光素子へ導入するように構成されている。前記透過光と前記反射光には前記ダミーファイバ２５Ｂによって時間差が与えられているので、前記受光素子においては、時間領域において両光のレベルを分離検出することができる。
前記傾斜フィルタ２４Ｂを含んだフィルタモジュールの温度を、前記制御信号によって制御することによって、前記傾斜フルタ２４Ｂのスペクトル波長位置が制御されるように構成されている。
【００３２】
前記信号処理部４Ｂは、時間領域において分離検出された前記両光の比対数ζを求めて処理信号として出力するとともに、
前記比対数ζの直流成分が常に零となるように、前記受光部２２Ｂの前記傾斜フィルタ２４Ｂを含んだフィルタモジュールの温度を制御するために、前記直流成分を前記制御信号として出力する低域ろ波部４１Ｂを備えている。
前記光センサ部３Ｂに印加された物理量によって、例えば、反射光のスペクトルのピーク波長λ０が図５（Ｂ）に示したように波長の短い方へシフトした場合、実線で示した透過特性と破線で示した反射特性によって、前記傾斜フルタ２４Ｂの透過光のレベルは増加し、反射光のレベルは減少する（このようなレベルの変化を「レベルの相補的なシフト」という。）。
前記制御信号によって、前記フィルタモジュールの温度を制御し、前記傾斜フィルタ２４Ｂの動作点を図５（Ｂ）の波長軸上でシフトさせて、前記比対数ζの直流成分が常に零となるように制御するのである。（図５（Ｃ）参照。）
なお、このような制御は、前記受光部２２Ｂにて得られた前記処理信号の特定のパラメータが一定となるように前記光処理部２Ｂを負帰還制御する制御と言える。
【００３３】
なお、前記低域ろ波部４１Ｂには、所定の初期値が設定される。前記直流成分は、前記直流的物理量に対応した計測信号として出力される。
また、前記比対数ζの交流成分を前記交流的物理量に対応した計測信号として出力する高域ろ波部４２Ｂを備えている。
前記受光素子は、１つの受光素子で、前記透過光と前記反射光をカプラでまとめて受光するが、時間差が与えられているので、時間領域において両光のレベルを分離検出することができる。
【００３４】
本発明に係る光センシングシステムを用いた光センシング方法では、
図９に示したように、
光センサ部に与えられる物理量によって、観測される2波長反射率比ζのスペクトルが波長軸上でシフトしようとした場合、2波長における反射率が等しくなるように、換言すれば、2波長反射率比ζの直流成分が常に０(dB)となるように、光源の波長を制御信号によって自動制御することで、直流的な動作点を最適点に固定する。このときの前記制御信号には、光センサ部に与えられる物理量の情報が含まれることになる。
したがって、前記制御信号を信号処理することによって、光センサ部に与えられる物理量を再現することが可能となるのである。
前記物理量が複数の異なる要素を含んだものである場合には、前述した場合と同様に、2波長反射率比の直流成分から変化の遅い物理量の情報を得て、2波長反射率比の交流成分から変化の速い物理量の情報を得ることができる。
このようにして、光センサ部における反射波のスペクトルのシフトを補償する制御信号を生成することによって、光センサ部を最適点で作動させることができる。また、前記制御信号を処理することによって、光センサ部に加えられた物理量の情報を得ることができるのである。
【符号の説明】
【００３５】
１、１Ａ、１Ｂ  光センシングシステム
１０  インタロゲータ
２、２Ａ、２Ｂ  光処理部
２１、２１Ａ、２１Ｂ  発光部
２２、２２Ａ、２２Ｂ  受光部
２４Ｂ  傾斜フィルタ
２５Ｂ  ダミーファイバ
３、３Ａ、３Ｂ  光センサ部
４、４Ａ、４Ｂ  信号処理部
４１、４１Ａ、４１Ｂ  制御部
４２、４２Ａ、４２Ｂ  処理部
５、５Ａ、５Ｂ  光ファイバ
【図１】
2014130071.tif 000003
【図２】
2014130071.tif 000004
【図３】
2014130071.tif 000005
【図４】
2014130071.tif 000006
【図５】
2014130071.tif 000007
【図６】
2014130071.tif 000008
【図７】
2014130071.tif 000009
【図８】
2014130071.tif 000010
【図９】
2014130071.tif 000011