(57)【要約】【解決手段】例示的一実施形態によれば、本発明は、温度、歪、ＮＯｘ、ＣＯ、Ｏ２およびＨ２ガスの同時的な検出用の検知要素（１４）として、非周期性のサファイアファイバグレーティング（１６）を有するマルチパラメータ光ファイバ検出システム（１０）を提供する。この例示的な検知システム（１０）は、そのような多重機能検知および測定用の代わりとなる屈折率変調を有する非周期性のファイバグレーティング（１６）を含む。そのような擬似周期性のグレーティング構造（１６）の加工は、逐点ＵＶレーザー刻み込み、ダイヤモンド鋸によるマイクロマシンでの機械加工、位相マスクベースの被覆および化学的エッチング方法によって行うことができる。例示的な実施形態では、マルチパラメータの同時的な検出を、限定ではなく、ガス／蒸気タービン排気、燃焼器および圧縮機、および石炭焚きボイラーなどに分布させることができる。【選択図】図１
2006267100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の屈折率、およびそれぞれが前記第１の屈折率と異なる屈折率を有する複数のグレーティング要素（３２）を有するコア（２８）であって、前記コア（２８）が、
光の第１の波長を同相で反射させるように構成されたグレーティング要素の第１の対（４４）と、
光の第２の波長を同相で反射させるように構成されたグレーティング要素の第２の対（４８）と、
光の第１の波長を同相で反射させるように構成されたグレーティング要素の第３の対（５２）であって、グレーティング要素の前記第２の対（４８）のうちの少なくとも１つのグレーティング要素（４２）が、前記第１の対（４４）のうちの少なくとも１つのグレーティング要素と前記第３の対（５２）のうちの少なくとも１つのグレーティング要素の間に配置される前記第３の対とを備えるコアと、
前記コア（２８）の周りに円周方向に配設されるクラッド（３０）とを備える、光ファイバ検知器ケーブル（２６）。
【請求項２】
第１の屈折率、およびそれぞれが前記第１の屈折率と異なる屈折率を有する複数のグレーティング要素（３２）を有するコア（２８）であって、前記コア（２８）が、
隣接するグレーティング要素（４２）の間の距離が、第１の距離（４６）にある第１の部分（４４）と、
隣接するグレーティング要素（４２）の間の距離が、前記第１の距離（４６）と異なる第２の距離（５０）にある第２の部分（４８）と、
隣接するグレーティング要素（４２）の間の距離が、前記第１の距離（４６）にある第３の部分（５２）とを備え、前記第２の部分（４８）が、前記第１および第３の部分（４４、５２）の間に配設されるコアと、
前記コア（２８）を照明するように構成される光源（１８）と、
前記複数のグレーティング要素（４２）から発生する少なくとも１つの回折ピークに基づいて、少なくとも１つのパラメータを評価するように構成される検出器システム（２２）とを備える、光ファイバ検知器ケーブル（２６）。
【請求項３】
複数のグレーティング要素を有し、かつ第１、第２および第３の部分を備える光ファイバ検知器ケーブルであって、前記第１および第３の部分の隣接するグレーティングが互いから第１の距離にあり、前記第２の位置の隣接するグレーティングが互いから第２の距離にあり、前記第２の部分が前記第１および第３の部分の間に配置される光ファイバ検知器ケーブルに対して光源を設けるステップと、
前記光ファイバ検知器ケーブルから放出される光を検出するステップとを含む、環境内の複数のパラメータを検出する方法。
【請求項４】
複数のグレーティング要素を有する光ファイバ検知器ケーブルに対し光源を設けるステップと、
光の第１の波長の波が互いに同相であるように、光の前記第１の波長をグレーティング要素の第１の対を介して反射させるステップと、
光の第２の波長の波が互いに同相であるように、光の前記第２の波長をグレーティング要素の第２の対を介して反射させるステップと、
光の前記第１の波長をグレーティング要素の第３の対を介して反射させるステップであって、光の第１の波長の波が互いに同相になるように、グレーティング要素の前記第２の対のうちの少なくとも１つのグレーティング要素が、グレーティング要素の前記第１の対のうちの少なくとも１つのグレーティング要素とグレーティング要素の前記第３の対のうちの少なくとも１つのグレーティング要素の間に配置されるステップとを含む、方法。
【請求項５】
光の第１の波長を反射させるように構成されたグレーティング要素の第１および第３の対と、光の第２の波長を反射させるように構成されたグレーティング要素の第２の対とを有し、
グレーティング要素の前記第２の対のうちの少なくとも１つのグレーティング要素が、グレーティング要素の前記第１および第３の対のうちの少なくとも１つのグレーティングの間に配置される光ファイバ検知器ケーブルに対し光源を設けるステップと、
前記光ファイバ検知器ケーブルから放出される光を検出するステップと、
前記光ファイバ検知器ケーブルから放出された前記光から回折ピークを検出するステップと、
前記回折ピークを監視されるパラメータの変化に相互に関係付けるステップとを含む、複数のパラメータを検知する方法。
【請求項６】
第１の屈折率を有するコアを準備するステップと、
光の第１の波長を同相で反射させるように構成され、第１の対の隣接するグレーティング要素の間の距離が第１の距離にある、グレーティング要素の前記第１の対を設けるステップと、
光の第２の波長を同相で反射させるように構成され、第２の対の隣接するグレーティング要素の間の距離が第２の距離にある、グレーティング要素の前記第２の対を設けるステップと、
光の前記第１の波長を同相で反射させるように構成され、グレーティング要素の前記第２の対のうちの少なくとも１つのグレーティング要素が、前記第１の対のうちの少なくとも１つのグレーティング要素と第３の対のうちの少なくとも１つのグレーティング要素の間に配置される、グレーティング要素の前記第３の対を設けるステップと、
前記コアの周りに円周方向にクラッドを配設するステップとを備える、光ファイバ検知装置を製造する方法。
【請求項７】
第１の屈折率を有するコアを準備するステップと、
前記コア内に、変更された部分のそれぞれの屈折率が前記第１の屈折率と異なる前記変更された部分を形成するように、前記コアを機械的に変更させるステップと、
前記コアの周りに円周方向にクラッドを配設するステップとを備える、光ファイバ検知ケーブルを製造する方法。
【請求項８】
第１の屈折率を有するコア（１２６）と、
それぞれが前記第１の屈折率と異なる屈折率を有する複数の機械的に変更された部分（１２８）を備える、苛酷な環境でパラメータを検知するための光ファイバ検知器ケーブル（１２２）。
【請求項９】
分布されたケーブル（１０６）に配設される複数の検知器（１０４）であって、前記複数の検知器（１０４）が、
第１の屈折率を有するコア（２８）と、
それぞれが前記第１の屈折率と異なる屈折率を有する複数の機械的に変更された部分（１０８）とを備える、苛酷な環境（１０２）でパラメータを検知するための分布された検知器システム（１００）。
【請求項１０】
複数の検知器のそれぞれが、第１の屈折率を有するコアと、それぞれ前記第１の屈折率と異なる屈折率を有する複数の機械的に変更された部分とを備える、複数の検知器を有する分布された検知器システムに対し光源を設けるステップと、
前記分布された検知器システムから放出される光を検出するステップとを含む、苛酷な環境でパラメータを検知する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、光ファイバ検知装置に関し、より詳しくは、例えば、環境または要素内の多数のパラメータを検出するための光ファイバ検知装置に関する。さらに、本発明は、例えば、苛酷な環境での光ファイバ検知装置の使用に関し利点をもたらす。
【背景技術】
【０００２】
様々な検知装置が知られており、かつ一般的に使用されている。例えば、熱電対が排気システム、燃焼器、圧縮機等々の装置の構成部品内の温度を測定するために使用される。さらに別の検知システムが、基礎構造の歪または温度などの物理的なパラメータを検出するために使用される。一例として、ブラッググレーティング検知器（Ｂｒａｇｇ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｓｅｎｓｏｒ）がしばしば使用される。しかしながら、そのような従来型の検知システムは、それらが使用される可能性のある動作条件によって限定される。例えば従来型の検知装置はしばしば比較的温和な温度条件、その機能において限られた動作温度範囲に限定される。さらに、従来型装置はファイバグレーティング被覆材料に応じて＋８０℃から＋２５０℃の間の温度に限定されている。
【０００３】
そういうものであるので、タービンおよびエンジンなどの高温環境での構成部品用の温度を測定することは困難である。さらに、大きな構成部品に対しては、比較的多数の個別の熱電対が温度をマッピングするために必要になる可能性がある。そのような個別の熱電対は、次いで効率および出力を改善する目的でそのようなシステムの動作を制御し最適化するのに使用することができるシステム構成部品の正確な熱的マッピングに一般に有益である、所望の空間的分解能に合致するように拡張可能でない可能性がある。より良好な効率および出力などの要求に合致するより高い正確度、忠実度でそのようなシステム（ガスタービン、蒸気タービン、石炭焚きボイラーなど）を制御するためには、より正確なかつ改善された空間的解像度の熱的マッピングが必要である。ＮＯｘ、ＣＯおよびＯ２などのガス成分の検知装置も、正確度および空間的解像度の点で同様な限界を有する。より正確な、かつ空間的に密なガス検知は、ガスタービンおよび石炭焚きボイラー用のより効果的、かつ効率的な排出制御を促進するであろう。
【０００４】
したがって、従来型検知装置は、ガス／蒸気タービン排気、石炭焚きボイラー、航空機エンジン、ダウンホールでの用途等々の高温および／または苛酷な環境で使用するとき限界を示す。例えば、従来型のブラッググレーティング検知器は、高温での設定（例えば、６００℃またはそれを超える温度に達する可能性のあるガスタービン排気）では破壊するドープした、または化学的な格子を使用している。
【０００５】
いくつかの別の従来型システムは、ブラッググレーティング検知器を環境中のパラメータを測定し、監視するために使用する。そのような検知器は、照明源を介するグレーティングの照明に発生するブラッグ波長シフトに基づくパラメータを測定するための、検知器のコア内で記号化する波長を使用する。すなわち、グレーティングの周期性に対する環境の影響が、反射される光の波長を変化させ、それによって、例えば温度または歪などの、環境または要素の影響の指示をもたらす。しかしながら、単一の従来型ブラッググレーティング検知要素を介して、温度およびガスなどの多数のパラメータを同時に検出することは困難である。さらに、異なる波長での多数のスペクトル信号は、多数の検知されたパラメータの影響を互いに分離することが必要になる可能性がある。検知されたパラメータのそのような分離は、伝統的に困難かつ時間の掛かる処理である。
【０００６】
いくつかの従来型検知器システムでは、異なる材料内に封入された、追加のグレーティング要素が、温度および歪などの２つの異なるパラメータの影響を分離するために、既存のグレーティング要素と直列に配置される。さらに、そのようなシステムは、同じファイバ位置でグレーティングの重ね書きを必要とし、それはしばしば検知器用のファイバグレーティングの製造中に困難性を示す。要約すると、従来型のブラッググレーティング検知器は、環境または要素の因子が検知器に及ぼしたものの識別を容易にするのではなく、検知器内での物理的変化それ自体のみを容易に検出可能にする。
【特許文献１】米国特許第６５８７１８８号
【特許文献２】英国特許第２２４５７０９Ａ号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、改善された検知装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
例示的な一実施形態によれば、本技術は光ファイバ検知器ケーブルを提供する。各例示的なファイバグレーティングは、第１の屈折率、およびそれぞれが前記第１の屈折率と異なる屈折率を有する複数のグレーティング要素を有するコアを含む。この前記コアは、光の第１の波長を同相で反射させるように構成されたグレーティング要素の第１の対と、光の第２の波長を同相で反射させるように構成されたグレーティング要素の第２の対を含む。このコアは、光の第１の波長を同相で反射させるように構成されたグレーティング要素の第３の対も含み、グレーティング要素の前記第２の対のうちの少なくとも１つのグレーティング要素が、前記第１の対のうちの少なくとも１つのグレーティング要素と前記第３の対のうちの少なくとも１つのグレーティング要素の間に配置される。光ファイバ検知器ケーブルは、前記コアの周りに円周方向に配設されるクラッドも含む。
【０００９】
さらに別の例示的実施形態によれば、本技術は、複数のパラメータを検出する方法を提供する。この方法は、複数のグレーティング要素を有し、かつ第１、第２および第３の部分を備える光ファイバ検知器ケーブルに対して光源を設けるステップを含み、前記第１および第３の部分内の隣接するグレーティングは互いから第１の距離にあり、前記第２の部分内の隣接するグレーティングが互いから第２の距離にあり、前記第２の部分が前記第１および第３の部分の間に配置される。この方法は、前記光ファイバ検知器ケーブルから放出される光を検出するステップも含む。
【００１０】
別の例示的な実施形態によれば、本技術は、苛酷な環境で多数のパラメータを検知するための分布された検知器システムを提供する。この検知器システムは、分布された光ファイバグレーティング検知器ケーブルに配設される複数の検知器を含み、前記複数の検知器は、第１の屈折率を有するコアおよびそれぞれが前記第１の屈折率と異なる屈折率を有する複数の機械的に変更された部分とを備える。
【００１１】
本発明のこれらの、および他の特徴、態様および利点は、同じ文字が図面全体を通して同じ部品を示す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むとき、より良く理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次いで図面を参照すると、図１は、環境および／または対象物１２のパラメータを検出するための１つの例示的な光ファイバ検知システム１０を示す。本論議は検知装置およびシステムに焦点を当てているが、本技術は検知分野に限定されず、特に光フィルタ、データ伝送、および遠隔通信などの他のモダリティにも適用可能である。したがって、添付の特許請求の範囲は以下の論議の例示的な実施形態に、または実施形態によって、限定されるべきではない。光ファイバ検知システム１０は、グレーティングされたケーブル１６を含む光ファイバ検知装置１４を含む。図示のように、ケーブル１６は、要素１２内の変化をケーブル１６に伝達させるように、要素１２内に配設される。グレーティングされたケーブル１６は、以下で詳細に説明する非周期性パターンで配列された複数のグレーティング要素を有するコアを含む。本論議では、グレーティング要素とはコアの反射率と比較した反射率の変化を指す。そのようなグレーティング要素は、ダイヤモンド鋸切削などの機械的処理、またはドーピングなどの化学的処理の結果であることができ、両方の処理をさらに以下で論じる。
【００１３】
さらに、光ファイバ検知システム１０は、グレーティングされたケーブル１６のコアを照明するように構成される光源１８を含む。この照明は、グレーティングされたケーブル１６のグレーティング周期に対応する反射する信号の発生を促進させる。このシステム１０は、光源１８からの入射光、ならびにグレーティングされたケーブル１６からの反射された信号を取り扱う光結合器２０も含む。さらに、この結合器２０は適切な反射信号を検出器システム２２に向ける。
【００１４】
検出器システム２２は、反射された光信号をグレーティングされたケーブル１６から受信し、様々なハードウエアおよびソフトウエア構成部品と協働して光信号内に埋め込まれた情報を解析する。例えば、検出器システム２２は、光ファイバ検知装置１４のグレーティングされたケーブル１６の複数のグレーティング要素から発生する回折ピークに基づいて、対象物１２の状態またはパターンを推定するように構成されている。いくつかの実施形態では、検出器システム２２は、光ファイバ検知装置１４からの信号を分析するために、光結合器または光スペクトル分析器を使用する。所望の用途に応じて、検出器システム２２は環境１２内の様々なパラメータを測定するように構成することができる。そのようなパラメータの例としては、とりわけ温度、ガスの存在、歪および圧力などがある。
【００１５】
さらに以下で論じるように、例示のケーブル１６が多数の強い回折ピークを発生させ、それによってケーブル１６に影響する様々なパラメータの分離が容易になるので有利である。検出器システム２２によって出力された情報は、表示器または無線通信装置などの出力部２４に伝達することができる。環境または対象物の状態などの収集された情報は、多数の問題に対処するために、あるいは環境または対象物１２自体に変化を起こさせるために使用することができ有利である。
【００１６】
図２は、本技術の一実施形態による、非周期性のグレーティングされた屈折率変調を有する例示的な光ファイバ検知器アレーケーブル２６を示す。この光ファイバ検知器ケーブル２６は、コア２８およびコア２８の周りに円周方向に配設されたクラッド３０を含む。クラッド３０の一部分は、下にあるコア２８をより良く示すために取り除かれている。コア２８は、グレーティングされた要素３２のグレーティング周期に応じた光の同相波長で反射させるように構成された一連のグレーティングされた要素３２を含む。図示のように、隣接するグレーティング間の距離は、図３を参照して詳細に以下で説明する非周期性のパターンで配置される。動作中、広帯域光信号入力３４が光源１８によって光ファイバ検知器ケーブル２６に供給され、広帯域光信号入力３４の１部分がそれぞれのグレーティング要素３２によって同相で、かつ光のある波長に対応して反射され、一方残りの波長は伝送信号３６によって示すように伝送される。
【００１７】
次に図３を参照すると、光ファイバ検知器ケーブル３８のコアのグレーティングされた部分が示されている。図示のように、光ファイバ検知器ケーブル３８は、コア４０およびコア４０の周りに配設されるクラッド３０から形成される。クラッド３０は、ケーブル３８内で光の内部全反射にほとんど近い反射をもたらし、それによって光がケーブル３８によって、ケーブル３８を軸方向に通過して伝送できるようにする。ケーブル３８は、全体的に参照番号４２によって示される複数のグレーティング要素も含む。一実施形態では、コア４０は、石英ガラスファイバを含む。別の実施形態では、コア４０はサファイアファイバを備える。この複数のグレーティング要素４２は、コア４０の屈折率と異なる屈折率を有する。この実施形態では、グレーティング要素４２の屈折率はコア４０のものより低い。例示の目的であるが、例えばコア４０は１．４８の屈折率を有することができ、一方グレーティング要素４２は、１．４７の屈折率を有することができる。以下で論じるように、様々なグレーティング要素４２の屈折率、およびこれらのグレーティング要素４２間の距離がグレーティング要素４２によって同相で反射される光の波長を規定する。
【００１８】
図３に示すコア４０の例示的な部分は、光が光ファイバ検知器ケーブル３８を通り伝送される方法に影響を及ぼす様々な部分を含む。図示の実施形態では、コア４０は、隣接するグレーティング要素４２間の距離が第１の距離４６である第１の部分４４を含む。この第１の距離４６が第１の部分４４内の対のグレーティング要素４２によって同相で反射されるであろう光の第１の波長を規定する。例示の目的で、グレーティング要素４２の第１の対間の距離は例えば、一般に反射される光の波長の距離、例えば０．７７５μｍの大きさと同じ程度である。このコアは、隣接するグレーティング要素４２間の距離が第２の距離５０である第２の部分４８を含む。第１の距離４６と異なるこの第２の距離５０が、第２の部分４８内の第２のグレーティング要素４２の対によって同相で反射されるであろう光の第２の異なる波長を規定する。さらに、このコア４０は、グレーティング要素４２間の距離が第１の距離４６である第３の部分５２を含む。したがって、第３の部分５２のグレーティング要素４２は、第１の部分４４と同様に、光の第１の波長を同相で反射させる。この実施形態では、第２の部分４８は、第１および第３の部分４４と５２の間に配設される。
【００１９】
見れば分かるように、隣接するグレーティング４２の間の距離は、非周期性のパターンを有する。すなわち、コア４０の長手方向軸に沿った隣接するグレーティング４２間の距離は、第１および第２の距離４６と５０の間で交互に起きる。この第１および第２の距離４６と５０の間の、非周期性のパターンを形成するための今起きている振動は、単に１つの例に過ぎないことは注目に値する。さらに、多数の非周期性のパターンを予想することができる。図示の実施形態では、コア４０およびグレーティング４２の屈折率は、フィボナッチの数列に従って変調されている。コア４０およびグレーティング４２の屈折率は、クラッド３０を円周方向に取り囲む屈折率変調と比較して、コア４０内の非周期性の順序によって比較的より高い屈折率変調が存在するように変調される。さらに、ファイバコア４０のグレーティング構造は、ブロックｎａおよびｎｂおよび定数τの非周期性の順序によって定義することができる。例示の目的であるが、ｎａは１．４９の屈折率でありｎｂは１．４５の屈折率である。
【００２０】
この実施形態では、屈折率変調の順序は以下の方程式に基づいている。
【００２１】
【数１】
2006267100.tif 000003
【００２２】
ここで、Ｓ１＝ｎａ  第１の有効な屈折率を有するコア領域に対応、かつ
Ｓ２＝ｎａｎｂ  第１の屈折率と異なる屈折率を有するグレーティング要素に対応。
【００２３】
したがって、上記で定義されたグレーティング構造によって発生する回折スペクトルは、同相の光の第１の波長に対応する第１のブラッグ回折ピークおよび同相の反射光の第２の波長に対応する第２のブラッグ回折ピークおよび変調周期性および回折波ベクトルによって決まる複数の回折ピークを含む。この例示的な実施形態では、変調周期性は以下の方程式に基づく。
【００２４】
【数２】
2006267100.tif 000004
【００２５】
ここで、ｄ（ｎＡ）およびｄ（ｎＢ）はそれぞれ屈折率が変化した領域および変化しなかった領域のファイバの長さであり、τは１．６１８の値を有する黄金分割である。
【００２６】
さらに、この回折波ベクトルは２つの因子（ｎ，ｍ）により決まる。
【００２７】
【数３】
2006267100.tif 000005
【００２８】
ここで、Λは非周期性のグレーティング構造の準周期性であり、ｎ、ｍは離散波数である。
【００２９】
図示の例示的な実施形態では、光の屈折は離散波数がｎ、ｍ＝０、±１、±２．．．．の範囲を満たすとき起きることができる。
【００３０】
さらに、比較的高い強度を有するブラッグ屈折波長は以下により与えられる。
【００３１】
【数４】
2006267100.tif 000006
【００３２】
複数の発生する回折ピークが同時的な多数のパラメータ測定を容易にするので有利である。そのようなパラメータの例には、温度、歪、圧力およびガスが含まれる。
【００３３】
光ファイバ検知装置３８のグレーティング４２の図示の非周期性パターンによって、光ファイバ検知装置３８は放射された光から同時に複数の回折ピークをコア４０から発生させることができる。この例示的な実施形態では、この複数の回折ピークは、温度、歪等々の複数の検知されたパラメータを表す。光ファイバ検知装置３８のグレーティングされたケーブルは、第１および第２の検知されたパラメータを表す埋込み情報を含む第１および第２の回折ピークを生成するように構成される。そのような第１および第２の回折ピークは次いで、第１および第２の検知されたパラメータを評価するために検出システム２２（図１参照）によって検出される。グレーティングされたケーブルによって、光ファイバ検知装置３８が第１および第２の回折ピークをファイバの低損失伝送ウインドウ内に現われるように、かつ実質的に比較可能な効率で発生させるので有利である。この第１および第２の回折ピークは、温度および歪などの第１および第２の検知されたパラメータを同時に測定するために使用することができる。第１および第２の検知されたパラメータに対応するこれらの第１および第２の回折ピークは、図４を参照して以下で説明する。
【００３４】
図４は、図３の光ファイバ検知装置の非周期性のグレーティングされたケーブルによって発生した光の例示的な波形５４を示す。波形５４の横軸５８は光信号の波長を示し、波形５４の縦軸６０は光信号の強度を示す。図示の実施形態では、入力広帯域光信号は波形５６によって示され、グレーティングされたケーブルからの反射された信号は参照番号６２によって示す。見れば分かるように、グレーティングされたケーブルのコアからの反射信号６２は、第１および第２の検知されたパラメータを評価するために検出器システム２２（図１参照）によって処理できる第１および第２の回折ピーク６４および６６を含む。さらに、グレーティングされたケーブル３２のグレーティング周期に対応しない波長を伝送する伝送信号が参照番号６８によって示されている。したがって、非周期性のグレーティング構造は、単一の検出器によって検出することができる、比較可能な回折効率を有する強い第１および第２の回折ピーク６４および６６の発生を促進させる。これらの検出された回折ピーク６４および６６は次いで、環境または対象物１２（図１参照）の多数のパラメータを検出するために処理することができる。これらの回折ピーク６４および６６は、損失による信号劣化なしにケーブルの比較的長い長さにわたり維持することができるので有利である。
【００３５】
次に図５を参照すると、通常状態中の図３のブラッググレーティング光ファイバ検知器ケーブル７０が示されている。図示の実施形態では、グレーティング要素４２の第１の対間の距離は第１の距離７２にあり、グレーティング要素４２の第２の対間の距離は第２の距離７４にある。前に説明したように、図示の隣接するグレーティング要素間の距離の非周期性のパターンによって、光ファイバ検知器ケーブル７０から２つの検知されたパラメータを表す２つの回折ピークの発生が可能になる。動作では、光ファイバ検知装置７０が応力、例えば温度、または歪に曝されるとき、図６を見れば分かるように、隣接するグレーティング要素間の距離は加えられた応力に応答して変化する。
【００３６】
図６は、応力状態中の、図３の例示的なブラッググレーティング光ファイバ検知器ケーブル７６を示す。この実施形態では、光ファイバ検知器ケーブル７６の長さは、加えられた応力および温度などの環境条件に応答して変化する。したがって、要素４２の第１の対間の距離は、（図５に示す）第１の距離７２から新しい距離７８に変化し、この新しい距離７８は、当初の距離７２より大きい場合、あるいは小さい場合がある。同様に、要素４２の第２の対間の距離も、（図５に示す）第２の距離７４から新しい距離８０に変化する。やはり、この新しい距離８０は、ケーブル７６上の環境因子の影響に応じて、第２の距離７４より大きい場合、あるいは小さい場合がある。照明源を介した光ファイバ検知装置７６の照明に際しては、放射された光からの回折ピークが光ファイバ検知装置７６から発生する。これらの回折ピークは、回折ピークに対応するパラメータを評価するために、第１および第２の距離７８および８０の変化によって示されるような光ファイバ検知装置の長さの変化と相互に関連づけられる。
【００３７】
同様に、ガス状の環境では、ガスはファイバクラッドと相互作用することができ、屈折率の変化を生じさせ、温度およびガスの影響を同時に識別するために光ファイバ検知装置７６によって検出することができるクラッドモード波長シフトに結果としてなる。この実施形態では、環境内のガスは、光ファイバ検知装置７６のグレーティング要素上に被覆された検知フィルムの光学特性変動から検出される。ガスの吸収および吸着特性が、クラッドの吸収特性を、かつそれによって屈折率を変化させる。したがって、検知装置７６を通過する光と関連する反射および伝送スペクトルによって、ガス検知からの温度および歪の環境の影響の分離が可能になる。つまり、環境の影響は、ケーブル７６によって同相で反射される光の波長を変化させる。さらに、この変化を静止状態のケーブルの回折ピークと比較することによって、環境の影響の大きさを求めることができる。
【００３８】
図１〜３の光ファイバ検知装置は、図７で参照番号８２によって示す例示の方法によって製造することができる。この方法８２は、コアが設けられているステップ８４で開始する。この実施形態では、コアは第１の屈折率を有する。ステップ８６で、グレーティング要素の第１の対が設けられ、この第１の対の隣接するグレーティング要素間の距離は第１の距離にある。図示の実施形態では、このグレーティング要素の第１の対は、光の第１の波長を同相で反射させるように構成されている。ステップ８８で、光の第２の波長を同相で反射させるように構成されるグレーティング要素の第２の対が設けられる。第２の対の隣接するグレーティング要素間の距離は第２の距離にある。この実施形態では、第２の距離は第１の距離と異なる。ステップ９０によって示すように、光の第１の波長を同相で反射させるように構成されたグレーティング要素の第３の対が設けられる。この実施形態では、第２の対のグレーティング要素の少なくとも１つのグレーティング要素が、第１の対の少なくとも１つのグレーティング要素と第３の対の少なくとも１つのグレーティング要素の間に配置される。ステップ９２によって図示するように、クラッドがコアの周りに円周方向に配設される。一実施形態では、第１、第２および第３の対のグレーティング要素は、紫外線露出レーザー刻み込み技術によって設けられる。別の実施形態では、第１、第２および第３の対のグレーティング要素は、コア上に光学的被覆を配設し、引き続き選択的に部分をコアの長手方向に沿ってコアから取り除くことによって設けられる。いくつかの実施形態では、コア上の光学的被覆は、第１、第２および第３の対のグレーティング要素を設けるために、スリットパターンのマスクを介してエッチングすることができる。
【００３９】
図７の例示的な方法によって製造される光ファイバ検知装置は、分布された環境内のパターンを検知するのに使用することができる。図８は、比較的広い環境１０２上のパラメータを検知するための、例示的に分布されたファイバ検知器システム１００を図示する。図示の実施形態では、検知器システム１００は、分布されたケーブル１０６上に配設された複数の検知器１０４を含む。さらに、複数の検知器１０４のそれぞれは、グレーティングされたケーブル１０８を含む。いくつかの実施形態では、グレーティングされたケーブル１０８は、周期性のパターンで配列された複数のグレーティング要素を備える。いくつかの別の実施形態では、グレーティングケーブル１０８は、上記で説明したような非周期性のパターンで配列された複数のグレーティング要素を備える。分布された検知器システム１００では、様々な検知器１０４によって反射された回折ピークの変化を評価することによって、環境の、異なる位置に関するデータを得ることができる。
【００４０】
動作では、分布されたファイバ検知器システム１００は、温度、歪等々の環境パラメータを検出するために、環境１０２内に配置することができる。分布されたファイバ検知器システム１００は、参照番号１１２によって示す光源１１０によって照明され、それぞれの反射され、伝送された信号１１４および１１６は、光学スペクトル分析器１１８によって受信される。結合器２０を、入力信号と反射された信号を組み合わせるために光源１１０と光学スペクトル分析器１１８に結合させることができる。光学スペクトル分析器１１８は、環境１０２のパラメータを評価するために受信した信号の波長スペクトルおよび強度を測定する。最後に検知されたパラメータを表す検出信号は、データ取得および処理回路１２０に伝送される。
【００４１】
次に図９を参照すると、マイクロマシンで機械加工された、または機械的な構造を有する光ファイバ検知器ケーブル１２２が示されている。この光ファイバ検知器ケーブル１２２は、コア１２４および複数の機械的に変更された部分１２６を含む。さらに、光ファイバ検知器ケーブル１２２は、コア１２４の周りに配設されたクラッド１２８および機械的に変更された部分１２６を含む。図示の実施形態では、機械的に変更された部分のそれぞれは、コアの直径と異なる直径を有する部分を含む。いくつかの実施形態では、ダイヤモンド鋸切削工程などのマイクロマシンでの機械加工工程は、コア１２４の直径を変更させることによって機械的に変更された部分１２６を形成させるために、コア１２４の部分を選択的に取り除くために使用することができる。このマイクロマシンでの機械加工工程は、コア１２４の屈折率と異なる屈折率の領域を作り出すことができ、この屈折率の相違が、光ファイバ検知器ケーブル１２２用のグレーティング要素として機能する。
【００４２】
いくつかの例示的な実施形態では、参照番号１３０によって示されたような、隣接するグレーティング要素間の距離は、（図９に示すように）非周期性のグレーティング構造を形成させるためにコア１２４の長手方向軸に沿って変更させることができる。図３を参照して上記で説明したように、非周期性のグレーティング構造は、ブロックｎａおよびｎｂの非周期性の順序および定数τによって定義することができ、この順序は以下の方程式に基づく。
【００４３】
【数５】
2006267100.tif 000007
【００４４】
ここで、Ｓ１＝ｎａ  第１の屈折率を有するコア領域に対応、かつ
Ｓ２＝ｎａｎｂ  第１の屈折率と異なる屈折率を有するグレーティング要素に対応。
【００４５】
マイクロマシンでの機械加工工程によって製造されたグレーティング構造の機械的に変更された部分１２６によって、光ファイバ検知器ケーブル１２２を、ガスタービン排気、蒸気タービン排気、石炭焚きボイラー、航空機エンジン、ダウンホール用途等々の例えば、温度が６００℃またはそれ以上に達する苛酷な環境で使用できるようになることに注目されたい。
【００４６】
上記で説明した非周期性のグレーティング構造は、逐点レーザー刻み込み技術を使用することによっても形成することができる。次に図１０を参照すると、ブラッググレーティングを刻み込むためのシステム１３２が示されている。このシステム１３２は、ファイバコア１３６上に配設される位相マスク１３４を含む。このシステム１３２は、位相マスク１３４に向けられるビームを発生させるＵＶレーザー１３８も含む。さらに、ＵＶレーザー１３８から発生するこのビームは、ファイバコア１３６に向かって平面円筒状レンズ１４０によって焦点を結ばせることができる。この実施形態では、位相マスク１３４が、干渉縞を形成するようにＵＶレーザー１３８からのＵＶビームを空間的に変調させ、回折させるために使用される。この干渉縞が、ファイバコア１３６内にブラッググレーティング構造１４２を作り出す屈折率変調を誘起する。このシステム１３２は、ファイバコア１３６から光学スペクトル分析器１４６によって受信される光波のブラッグ波長を検出するための広帯域光源１４４および光学スペクトル分析器１４６も含む。
【００４７】
上記で説明した技術の様々な態様は、様々な環境の温度、歪、圧力および化石燃料ガスなどの多数のパラメータを検知するために使用することができる。いくつかの実施形態では、この技術は、高温に曝されるなどの苛酷な環境でのパラメータを検出するのに使用される。例えば、この技術は、排気システム、または燃焼器、またはジェットエンジンの圧縮機の出力段周りに円周方向に分散された、多数のグレーティング位置で温度を測定することによって、排気システム内の熱的マッピングを行うために使用することができる。図１１は、図８の分布されたファイバ検知器システムを有する例示的な用途１５０を示す。
【００４８】
次いで図１１を参照すると、例示的な用途１５０は、軸１６０の周りに配設された圧縮機１５４、多段チャンバ燃焼器１５６およびタービン１５８などの様々な構成部品を有するガスタービン１５２を含む。図示のように、分布されたファイバ検知器システム１６２は、タービン１５８からの空間的に密度の高い排気温度測定値１６４をもたらすようにタービン１５８に連結されている。分布されたファイバ検知器システム１６２によって得られた温度測定値１６４は、ガスタービン１５２の性能の実質的に正確な制御のために使用することができる。図示の実施形態では、温度測定値１６４は、モデルに基づく推定技術または実験に基づいた方法１６８を介して、燃焼器燃焼温度１６６を求めるために使用することができる。このモデルに基づく推定技術１６８は、燃焼器燃焼温度１６６を排気温度１６４にマッピングする物理学に基づいたモデルの逆を使用する。別法として、実験に基づく方法１６８は、多段チャンバ燃焼器１５６の個々の燃焼チャンバに排気温度１６４をマッピングすることを容易にするために、タービン１５８のアンロードデータを使用することができる。本例示的実施形態によって促進された、空間的に密度の高い、かつより正確な排気温度形態は、モデルに基づく推定および実験に基づく方法の正確性および忠実度を増大させるので有利である。
【００４９】
この推定された燃焼器燃焼温度１６６は、多段チャンバ燃焼器１５６の全てのチャンバが均一に燃焼し、所定の基準値内である動的な圧力および排気を有することを確実にするために、燃料分布同調１７０を調整するために使用することができる。この技術は、排気および燃焼温度１６６に対する燃焼チャンバからチャンバへの変動の実質的な低減をもたらすので有利である。
【００５０】
図１２は、図８の分布されたファイバ検知器システムを有する別の例示的用途１７２を示す。図示のように、この用途１７２は、蒸気を発電用に蒸気タービンに供給するための石炭焚きボイラー１７４を含む。この石炭焚きボイラー１７４は、温度、排気ガス等々のパラメータを測定するための分布されたファイバ検知器システム１７６を含む。この実施形態では、分布されたファイバ検知器システム１７６を介したパラメータの測定値は、石炭焚きボイラー１７４のバーナー１７８への空気および燃料の流量などの入力と、ボイラー１７４からの排気パラメータ１８０の間の関係をモデル化するために使用することができる。さらに、モデル１８２をバーナーの空気および燃料流量を排ガスパラメータ測定値１８０と相互に関連付け、最適化方法１８６に基づくモデルを介してこの空気および燃料流量を調整するために使用することができる。この例示的検知器は、ボイラー１７４の出口面でのより正確なかつ密度の濃い温度形態、ＣＯおよびＯ２測定値をもたらすことができるので有利である。したがって、所望の出力要件に合致させながら、出口温度、ＣＯなどのガス放出を低減させるよう空気および燃料流量１８４を調整することができる。
【００５１】
同様に、この技術はガスタービン、蒸気タービン、蒸留塔等々の構成部品内の温度分布をマッピングするために使用することができる。上記で説明した光ファイバ検出装置は、圧縮機翼先端隙間、圧縮機出口温度、燃焼器温度などの航空機エンジン内の多数のパラメータを評価し、排気テールパイプの燃焼を検出するのに使用することができる。例えば、排気テールパイプの燃焼を検出するのに、上記で説明した例示的な検知器は、乗組員によって観察することができないが検知器がアクセスできる場所の、通常の高められた温度と異常高温の間を識別することができる。さらに、光ファイバ検出装置は、原油およびガス穿孔リグのダウンホール検知を監視するために使用することができる。光ファイバ検出装置は、狭帯域反射器、高帯域ミラー、波長分割多重（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）（ＷＤＭ）フィルタ、差動光子検知器等々の他の様々な用途に使用することができる。
【００５２】
本技術の実施形態によれば、温度および化石燃料ガス種類のマッピングがタービンおよびエンジンの動力発生効率を増大させ、それによってエネルギを節約するので有利である。例えば、例示的な周期性および非周期性のサファイアファイバグレーティング検知器配列が、クラッドモードの波長シフトを監視することによって温度およびガスを同時に識別する。工業的な検知および制御用途における温度検知に対し必要なことは、石炭焚きボイラー、ガスタービンまたは蒸気タービンの排気（ＮＯＸ、ＣＯ、Ｏ２、Ｈ２など）を同時に測定しなければならないことである。この組み合わされた検知は、タービン使用エネルギ効率を最適化するのに役立つ。今日市販されている使用可能な抽出型（オフライン）または非抽出型（オンライン）ガス検知システムの速度、正確度および空間的解像度には限界がある。例えば、発電装置用のより良好な、かつ考えられるケースとして能動的な閉ループの排気制御を可能にすることができるように、そのような検知システムの応答速度、正確度、および空間的解像度を改善することが求められている。さらに、正確な、かつ／または空間的なより密度の高いガス検知を必要とする任意の制御／最適化用途は、本明細書で開示した多数パラメータ検知器の良い候補用途である。
【００５３】
本発明のいくつかの特徴のみ本明細書で図示し説明してきたが、この分野の技術者は多くの改変および変更を行うであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に含まれるような、全てのそのような改変および変更に及ぶことを意図していることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本技術の例示的な一実施形態による、環境および／または要素の多数のパラメータを検出するための光ファイバ検知システムの線図である。
【図２】本技術の例示的な一実施形態による、周期性のまたは非周期性の順序によって変調された屈折率を有する、非周期性間隔のグレーティング構造を有する光ファイバ検知器アレーケーブルの線図である。
【図３】非周期性のグレーティング構造を含む、光ファイバ検知器ケーブルのコアの線図である。
【図４】本技術の例示的な一実施形態による、図３の光ファイバ検知器ケーブルの非周期性グレーティング構造によって発生した光の波形の線図である。
【図５】本技術の例示的な一実施形態による、図３のブラッググレーティング光ファイバケーブルの定常状態中の線図である。
【図６】本技術の例示的な一実施形態による、図３のブラッググレーティング光ファイバケーブルの応力の掛かった状態中の線図である。
【図７】本技術の例示的な一実施形態による、図１〜３の光ファイバ検知器ケーブルを製造する工程のフロー図である。
【図８】本技術の例示的な一実施形態による、分布されたファイバ検知器システムの線図である。
【図９】本技術の例示的な一実施形態による、マイクロマシンで加工された非周期性のグレーティング構造を有する光ファイバ検知器ケーブルの線図である。
【図１０】本技術の例示的な一実施形態による、図３のファイバグレーティング構造を刻み込むためのシステムの線図である。
【図１１】本技術の例示的な一実施形態による、図８の分布されたファイバ検知器システムを有する一用途の線図である。
【図１２】本技術の例示的な一実施形態による、図８の分布されたファイバ検知器システムを有する別の用途の線図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０    検知システム
１２    環境および／または対象物
１４    光ファイバ検知装置
１６    ケーブル
１８    光源
２０    光結合器
２２    検出器システム
２４    出力部
２６    光ファイバ検知器ケーブル
２８    コア
３０    クラッド
３２    グレーティングされた要素
３４    広帯域信号入力
３６    伝送信号
３８    光ファイバ検知装置
４０    コア
４２    グレーティングされた要素
４４    第１の部分
４６    第１の距離
４８    第２の部分
５０    第２の距離
５２    第３の距離
５４    波形
５６    波形
５８    横軸
６０    縦軸
６２    反射された信号
６４    回折ピーク
６６    回折ピーク
７０    光ファイバ検知器ケーブル
７２    第１の距離
７４    第２の部分
７６    光ファイバ検知器ケーブル
７８    第１の距離の新しい距離
８０    第２の距離の新しい距離
８２    光ファイバー検知装置の製造工程
８４−９２      ステップ
１００  検知器システム
１０２  環境
１０４  検知器
１０６  分布されたケーブル
１０８  グレーティングされたケーブル
１１０  光源
１１２  光源
１１４  信号
１１６  信号
１１８  光学スペクトル分析器
１２０  データ取得および処置回路
１２２  光ファイバ検知器ケーブル
１２４  コア
１２６  機械的に変更された部分
１２８  クラッド
１３０  グレーティング要素間の距離
１３２  刻み込みシステム
１３４  位相マスク
１３６  ファイバコア
１３８  ＵＶレーザー
１４０  焦点レンズ
１４２  グレーティング構造
１４４  光源
１４６  光学スペクトル分析器
１５２  ガスタービン
１５４  圧縮機
１５６  多段チャンバ燃焼器
１５８  タービン
１６０  軸
１６２  ファイバ検知器システム
１６４  排気温度
１７４  石炭ボイラー
１７６  ファイバ検知器システム
１８０  排ガスパラメータ測定値
【図１】
2006267100.tif 000008
【図２】
2006267100.tif 000009
【図３】
2006267100.tif 000010
【図４】
2006267100.tif 000011
【図５】
2006267100.tif 000012
【図６】
2006267100.tif 000013
【図７】
2006267100.tif 000014
【図８】
2006267100.tif 000015
【図９】
2006267100.tif 000016
【図１０】
2006267100.tif 000017
【図１１】
2006267100.tif 000018
【図１２】
2006267100.tif 000019