(57)【要約】【課題】時刻と、当該時刻における測定対象物の位置に対応する光ファイバの位置の温度及び歪みのいずれか一方又は双方を取得する。【解決手段】光ファイバセンサ部と、移動体位置センサ部とを備えて構成される。光ファイバセンサ部は、プローブ光を生成するプローブ光生成部と、プローブ光が入力され、プローブ光を反射させて反射光とする光ファイバと、反射光が入力され、反射光を検出する光検出手段と、光検出手段での検出結果に基づき、光ファイバに応力が印加された位置及び時刻と応力の大きさを取得するファイバ演算手段とを備える。移動体位置センサ部は、光ファイバに沿った位置を移動する測定対象物の、位置及び時刻を取得する。【選択図】図１
2019090719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ光を生成するプローブ光生成部と、
前記プローブ光が入力され、前記プローブ光を反射させて反射光とする光ファイバと、
前記反射光が入力され、該反射光を検出する光検出手段と、
前記光検出手段での検出結果に基づき、前記光ファイバに応力が印加された位置及び時刻と応力の大きさを取得するファイバ演算手段と
を備える光ファイバセンサ部と、
前記光ファイバに沿った位置を移動する測定対象物の、位置及び時刻を取得する移動体位置センサ部と
を備えることを特徴とする光ファイバセンサ装置。
【請求項２】
さらに、
前記光ファイバに応力が印加された位置及び時刻と応力の大きさと、前記測定対象物の位置及び時刻から、時刻と、当該時刻における前記測定対象物の位置に対応する光ファイバの位置に印加された応力とを取得する移動体プロファイル取得部を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項３】
前記ファイバ演算手段は、前記応力の大きさに基づいて、応力を受けた位置における光ファイバの温度及び歪みのいずれか一方、又は、双方を分離して取得する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項４】
前記移動体位置センサ部は、搬送手段を備え、
前記測定対象物は前記搬送手段に搭載され、
前記移動体位置センサ部は、前記搬送手段の搬送速度と、前記測定対象物が所定位置を通過した時刻から、当該測定対象物の位置及び時刻の関係を取得し、
前記光ファイバは前記搬送手段に沿って配置され、前記ファイバ演算手段は、前記応力の大きさに基づいて、応力を受けた位置における光ファイバの温度を取得し、
前記移動体プロファイル取得部は、前記測定対象物の時刻と温度の関係を取得する
ことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項５】
前記光検出手段が、自己遅延ヘテロダイン干渉計又は自己遅延ホモダイン干渉計で構成される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光ファイバセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光ファイバセンサ装置、特に、時刻と、当該時刻における測定対象物の位置に対応する光ファイバの位置の温度及び歪みのいずれか一方又は双方を取得するのに用いて好適な光ファイバセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
食品の加熱処理や、自動車の塗装処理、半導体素子の製造など、製品の製造において複数の対象物に順次熱処理を施す場合、対象物を搬送手段等に搭載して加熱炉内に順次送り、熱処理を施すことがある。加熱炉内の温度制御にあたり、加熱炉内の温度分布が、加熱炉内に熱電対などの温度センサを複数設置して測定される（例えば、特許文献１又は２参照）。
【０００３】
一方、この出願に係る発明者らは、これまで、光ファイバ自体をセンシング媒体とする分布型光ファイバセンシングとして、光ファイバの片端から光パルスを入射し、光ファイバ中で後方散乱された光を時間に対して測定する時間領域リフレクトメトリ（ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）の研究を進めてきている。
【０００４】
光ファイバ中の後方散乱には、レイリー散乱、ブリルアン散乱及びラマン散乱がある。この中で自然ブリルアン散乱を測定するものはＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  ＯＴＤＲ）と呼ばれる。
【０００５】
ブリルアン散乱は、光ファイバに入射される光パルスの中心周波数に対して、ストークス側及び反ストークス側にＧＨｚ程度周波数シフトした場所に観測され、そのスペクトルはブリルアン利得スペクトルと呼ばれる。ブリルアン利得スペクトルの周波数シフト量及びスペクトル線幅は、それぞれブリルアンシフト及びブリルアン線幅と呼ばれ、光ファイバの材質及び光ファイバに入射される光パルスの波長によって異なる。例えば、石英系のシングルモード光ファイバに波長１．５５μｍの光パルスを入射した場合、ブリルアンシフトが約１１ＧＨｚとなり、ブリルアン線幅が約３０ＭＨｚとなることが報告されている。
【０００６】
ブリルアンシフトは、光ファイバの歪みに対して５００ＭＨｚ／％程度の割合で線形に変化することが知られている。これを引っ張り歪み及び温度に換算すると、それぞれ、０．０５８ＭＨｚ／με、１．１８ＭＨｚ／℃に対応する。
【０００７】
このように、ＢＯＴＤＲでは、光ファイバの長手方向に対する温度分布や歪みを測定することが可能である。このため、ＢＯＴＤＲは、橋梁やトンネルなど大型建造物のモニタリング技術として注目されている。
【０００８】
ＢＯＴＤＲは、光ファイバ中で発生する自然ブリルアン散乱光のスペクトル波形を測定するため、別途用意した参照光とのヘテロダイン検波を行うのが一般的である。自然ブリルアン散乱光の強度はレイリー散乱光の強度に比べて２〜３桁小さい。このため、ヘテロダイン検波は最小受光感度を向上させる上でも有用となる。
【０００９】
ここで、自己遅延ホモダイン干渉計を利用する光ファイバセンサを用いると、光ファイバの延在方向に沿った温度分布や歪みをリアルタイムに取得できる（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−２４３３６９号公報
【特許文献２】特開２０１４−１９４０４４号公報
【特許文献３】特開２０１６−１９１６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ここで、上述の特許文献１又は２に開示されている従来例では、より大きい加熱炉や、より細かい温度分布が必要な場合、温度センサの個数を増やすか、補間処理などを行う必要があり、各温度センサからの情報の処理負担が大きくなる。
【００１２】
また、製品によっては、その製品が加熱炉内でどのような温度変化を受けたか、その温度プロファイルが重要になる場合が考えられる。上述の従来例では、加熱炉内の温度分布を測定しているものの、個々の対象物についての温度プロファイルを取得してはいない。
【００１３】
これに対し、この出願に係る発明者らは、特許文献３に開示されている、光ファイバの延在方向に沿った温度分布をリアルタイムに取得できる光ファイバセンサと、対象物の移動プロファイルとを組み合わせることで、対象物の温度プロファイルが測定可能になることに思い至った。また、この光ファイバセンサを用いれば、温度プロファイルだけでなく、光ファイバの各位置における歪みプロファイルも取得可能である。
【００１４】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、特に、時刻と、当該時刻における測定対象物の位置に対応する光ファイバの位置の温度及び歪みのいずれか一方又は双方を取得するのに用いて好適な光ファイバセンサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した目的を達成するために、この発明の光ファイバセンサ装置は、光ファイバセンサ部と、移動体位置センサ部とを備えて構成される。光ファイバセンサ部は、プローブ光を生成するプローブ光生成部と、プローブ光が入力され、プローブ光を反射させて反射光とする光ファイバと、反射光が入力され、反射光を検出する光検出手段と、光検出手段での検出結果に基づき、光ファイバに応力が印加された位置及び時刻と応力の大きさを取得するファイバ演算手段とを備える。移動体位置センサ部は、光ファイバに沿った位置を移動する測定対象物の、位置及び時刻を取得する。
【００１６】
上述した光ファイバセンサ装置は、好ましくは、さらに、光ファイバに応力が印加された位置及び時刻と応力の大きさと、測定対象物の位置及び時刻から、時刻と、当該時刻における測定対象物の位置に対応する光ファイバの位置に印加された応力とを取得する移動体プロファイル取得部を備える。
【００１７】
また、ファイバ演算手段は、応力の大きさに基づいて、応力を受けた位置における光ファイバの温度及び歪みのいずれか一方、又は、双方を分離して取得する構成であるのが良い。
【００１８】
また、この発明の光ファイバセンサ装置の好適実施形態によれば、移動体位置センサ部は、搬送手段を備え、測定対象物は搬送手段に搭載される。移動体位置センサ部は、搬送手段の搬送速度と、測定対象物が所定位置を通過した時刻から、当該測定対象物の位置及び時刻の関係を取得し、光ファイバは搬送手段に沿って配置され、ファイバ演算手段は、応力の大きさに基づいて、応力を受けた位置における光ファイバの温度を取得し、移動体プロファイル取得部は、測定対象物の時刻と温度の関係を取得する。
【００１９】
また、光検出手段が、自己遅延ヘテロダイン干渉計又は自己遅延ホモダイン干渉計で構成されるのが良い。
【発明の効果】
【００２０】
この発明の光ファイバセンサ装置によれば、光ファイバ自体をセンシング媒体とする分布型光ファイバセンシングを行うので、より広い領域やより細かい光ファイバへの応力分布を容易に取得することができる。また、この応力分布から温度分布や歪み分布を取得することができる。
【００２１】
また、移動体プロファイル取得部を備える構成にすれば、時刻と、当該時刻における測定対象物の位置に対応する光ファイバの位置に印加された応力の関係を取得できる。
【００２２】
また、ファイバ演算手段は、応力の大きさに基づいて、応力を受けた位置における光ファイバの温度及び歪みのいずれか一方、又は、双方を分離して取得する構成にすれば、光ファイバが温度変化と歪みの両者に基づく応力を受ける場合であっても、温度及び歪みのそれぞれの情報を取得することができる。
【００２３】
さらに、光検出手段を、自己遅延ヘテロダイン干渉計又は自己遅延ホモダイン干渉計で構成すれば、ＯＴＤＲでの測定時間が短縮され、リアルタイム測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】光ファイバセンサ装置の模式図（１）である。
【図２】ブリルアンシフトとＬＰＦの出力を示す模式図である。
【図３】各演算手段の処理を説明するための模式図である。
【図４】塗装乾燥炉での実施例を示す模式図である。
【図５】光ファイバセンサ装置の模式図（２）である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００２６】
この発明の光ファイバセンサ装置は、光ファイバセンサ部と、移動体位置センサ部と、移動体プロファイル取得部を備えて構成される。ここでは、光ファイバセンサ装置を、自動車の製造に用いられる、塗装乾燥炉に用いる例を説明する。
【００２７】
塗装乾燥炉２１０は、例えば、長さ数１００ｍの筒状の形状に構成され、長手方向の一方の端部側の開口から移動体としての自動車２３０が搬入される。塗装乾燥炉２１０には、搬送手段として、搬送ベルト２２０を備えている。自動車２３０は搬送ベルト２２０上に搭載され、搬送ベルト２２０の移動に伴い、塗装乾燥炉２１０内を一方の端部側から他方の端部側へ向けて移動し、他方の端部側の開口から搬出される。
【００２８】
光ファイバセンサ部は、プローブ光生成部１１０と、サーキュレータ１２０と、光ファイバ１３０と、光検出手段１４０と、ファイバ演算手段１９０とを備えて構成される。光ファイバ１３０は、塗装乾燥炉２１０内に、例えば、搬送ベルト２２０に沿って設置される。プローブ光生成部１１０が生成するプローブ光は、光ファイバ１３０内を伝播し光ファイバ１３０中で反射される。光ファイバ１３０中で反射された反射光は、光ファイバ１３０中をプローブ光と反対方向に伝播して光検出手段１４０に送られる。光検出手段１４０は、自己遅延ヘテロダイン干渉計を備えて構成され、光ファイバ１３０中で後方散乱された光を時間に対して測定する。ファイバ演算手段１９０は、光検出手段１４０での測定結果に基づいて、光ファイバ１３０に応力が印加された位置及び時刻を取得するとともに、応力の大きさから温度を取得する。
【００２９】
プローブ光生成部１１０は、例えば、連続光を生成する連続光光源１１２と、連続光から光パルスを生成する光パルス発生器１１４を備えて構成される。
【００３０】
ここで自己遅延ヘテロダイン干渉計を備える光ファイバセンサ部は、周波数変化に応じた位相差を測定する。このため、連続光光源１１２の周波数揺らぎは、ブリルアンシフトよりも十分に小さくなければならない。そこで、連続光光源１１２として周波数安定化レーザが用いられる。例えば、測定対象となる光ファイバ１３０の歪みを０．００８％としたとき、ブリルアンシフトは４ＭＨｚに相当する。このため、０．００８％程度の歪みを測定するには、連続光光源１１２の周波数揺らぎは４ＭＨｚより十分に小さいことが望ましい。
【００３１】
光パルス発生器１１４は、任意好適な従来周知の、音響光学（ＡＯ：Ａｃｏｕｓｔ  Ｏｐｔｉｃａｌ）変調器又は電気光学（ＥＯ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ）変調器を用いて構成される。光パルス発生器１１４は、外部から入力される電気パルスに応じて、連続光から光パルスを生成する。この光パルスの繰り返し周期は、光ファイバ１３０を光パルスが往復するのに要する時間よりも長く設定される。この光パルスが、プローブ光として、プローブ光生成部１１０から出力される。
【００３２】
プローブ光生成部１１０から出力されたプローブ光は、サーキュレータ１２０を経て、光ファイバ１３０に入射される。なお、サーキュレータ１２０に換えて、光カプラとアイソレータを組み合わせて用いても良い。
【００３３】
光ファイバ１３０中で反射された反射光は、光ファイバ１３０中をプローブ光と反対方向に伝播し、サーキュレータ１２０を経て光検出手段１４０に送られる。
【００３４】
光検出手段１４０は、光増幅器１４２、光バンドパスフィルタ１４４、及び、自己遅延ヘテロダイン干渉計を備えて構成される。光検出手段１４０に送られた反射光は、光増幅器１４２で増幅されたのち、光バンドパスフィルタ１４４に送られる。光バンドパスフィルタ１４４は、１０ＧＨｚ程度の透過帯域を有しており、自然ブリルアン散乱光のみを透過する。この自然ブリルアン散乱光は、自己遅延ヘテロダイン干渉計に送られる。この光バンドパスフィルタ１４４から出射される自然ブリルアン散乱光の時刻ｔにおける信号Ｅ０（ｔ）は、以下の式（１）で表される。
【００３５】
【数１】
2019090719.tif 000003
【００３６】
ここで、Ａ０は振幅、ηＢ（ｔ）はブリルアン散乱係数、ｆＢ（ｔ）はブリルアン散乱光の光周波数、φ０は初期位相を示している。なお、ブリルアン散乱係数ηＢ（ｔ）及びブリルアン散乱光の光周波数ｆＢ（ｔ）は、光ファイバ中での局所的な歪みや温度変化により変化するため、時刻ｔの関数としている。
【００３７】
自己遅延ヘテロダイン干渉計は、分岐部１５２、光周波数シフタ部１５４、遅延部１５６、合波部１５８、コヒーレント検波部１６０、局発電気信号源１８０、ミキサー１７０、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１７２及び強度取得部１７４を備えて構成される。
【００３８】
局発電気信号源１８０は、周波数ｆＡＯＭの電気信号を生成する。
【００３９】
分岐部１５２は、プローブ光により光ファイバ１３０で発生する後方ブリルアン散乱光を、光バンドパスフィルタ１４４を経て受け取り、第１光路及び第２光路に２分岐する。
【００４０】
光周波数シフタ部１５４は、第１光路に設けられている。光周波数シフタ部１５４は、局発電気信号源１８０で生成された周波数ｆＡＯＭの電気信号を用いて、第１光路を伝播する光に対して、周波数ｆＡＯＭの周波数シフトを与える。
【００４１】
また、第２光路に遅延部１５６が設けられている。遅延部１５６は、第２光路を伝播する光に時間τの遅延を与える。
【００４２】
合波部１５８は、第１光路及び第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。合波部１５８に入射される、第１光路を伝播する光信号Ｅ１（ｔ）及び第２光路を伝播する光信号Ｅ２（ｔ−τ）は、それぞれ、以下の式（２）及び（３）で表される。
【００４３】
【数２】
2019090719.tif 000004
【００４４】
ここで、Ａ１及びＡ２は、それぞれＥ１（ｔ）及びＥ２（ｔ−τ）の振幅であり、φ１及びφ２は、それぞれＥ１（ｔ）及びＥ２（ｔ−τ）の初期位相である。
【００４５】
コヒーレント検波部１６０は、合波光をヘテロダイン検波してビート信号を生成する。コヒーレント検波部１６０は、例えば、バランス型フォトダイオード（ＰＤ）１６２とＦＥＴ増幅器１６４を備えて構成される。ヘテロダイン検波により与えられるビート信号Ｉ１２は、以下の式（４）で表される。
【００４６】
【数３】
2019090719.tif 000005
【００４７】
コヒーレント検波部１６０で生成されたビート信号Ｉ１２は第１電気信号としてミキサー１７０に送られる。また、局発電気信号源１８０で生成された電気信号は第２電気信号としてミキサー１７０に送られる。
【００４８】
ミキサー１７０は、第１電気信号と、第２電気信号とをホモダイン検波して、ホモダイン信号を生成する。局発電気信号源８３で生成された電気信号ＩＡＯＭを以下の式（５）で表す。
【００４９】
【数４】
2019090719.tif 000006
【００５０】
ミキサー１７０で生成されたホモダイン信号は、上記式（４）及び式（５）を乗算して得られる、以下の式（６）で表される。
【００５１】
【数５】
2019090719.tif 000007
【００５２】
上記式（６）中の和周波成分をＬＰＦ１７２で除去すると、以下の式（７）で表される信号が得られる。
【００５３】
【数６】
2019090719.tif 000008
【００５４】
上記式（７）のφ１−φ２−φＡＯＭと、遅延時間τが一定であるため、ブリルアン周波数ｆＢ（ｔ）の変化のみが出力強度の差として出力される。
【００５５】
ブリルアン周波数ｆＢ（ｔ）は、連続光光源１１２の発振周波数の揺らぎと光ファイバ１３０の歪みの２つの要因によって変化する。しかし、連続光光源１１２として周波数安定化レーザを用いることで、光ファイバ１３０の歪みによる影響が支配的となる。
【００５６】
図２（Ａ）及び（Ｂ）は、ブリルアンシフトとＬＰＦ１７２の出力を示す模式図である。図２（Ａ）は、横軸に時間ｔを取って示し、縦軸に周波数を取って示している。また、図２（Ｂ）は、横軸に時間ｔを取って示し、縦軸に、電圧を取って示している。
【００５７】
この横軸の時間は、ブリルアン散乱が起こった場所を示している。すなわち、プローブ光が出射された時間に対して、時間ｔ経過後に後方ブリルアン散乱光が入射された場合、光ファイバ内の光の伝播速度をｖとすると、光ファイバの入射端からｖｔ／２の位置で後方ブリルアン散乱が生じたことになる。
【００５８】
図２（Ａ）及び（Ｂ）では、時刻ｔ１からｔ２までの時間Ｔに対応する区間において、周波数シフトが生じた例を示している。このとき、自己遅延ヘテロダイン干渉計で遅延時間τが与えられているため、位相変化はｔ１からｔ１＋τまでの間に変化し、時刻ｔ２からｔ２＋τまでの間に元の状態に戻る。
【００５９】
光ファイバセンサ装置で位相差を測定するには、Ｔ≧τの関係を満たす必要があり、測定可能な時間分解能（すなわち、空間分解能）がτによって定まる。さらに測定可能な周波数変化もτの大きさで定まる。すなわち、τが大きくなると、測定可能な周波数範囲が小さくなるが、空間分解能は大きくなる。一方、τが小さくなると、空間分解能は小さくなるが、測定可能な周波数範囲が大きくなる。このように、遅延時間と測定可能な周波数の間にトレードオフの関係がある。
【００６０】
ファイバ演算手段１９０は、図２（Ｂ）に示される、ＬＰＦ１７２の出力から、位相変化が生じた時刻を取得し、その結果、ブリルアン散乱が生じた場所を特定する。また、ＬＰＦ１７２の出力の電圧から、位相変化、すなわち、ブリルアンシフトの大きさを特定し、このブリルアンシフトの大きさから、温度変化又は歪みの大きさを取得する。
【００６１】
この光ファイバセンサ装置によれば、光検出手段１４０に自己遅延ヘテロダイン干渉計を用いることで、時間及び位相の２次元の情報を取得できるので、測定時間が短縮される。時間分解能は、プローブ光が光ファイバを往復する時間と、十分な信号雑音比（Ｓ／Ｎ）を確保するための平均化処理の時間とで定まり、温度又は歪みのいわゆるリアルタイム計測が可能になる。
【００６２】
ファイバ演算手段１９０での処理結果を図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）では、横軸に光ファイバ１３０の一端からの距離を取り、縦軸に、時間を取っている。図３（Ａ）の各マスが測定単位となり、マスごとに温度又は歪みの大きさが示される。
【００６３】
なお、例えば、搬送速度が低速であるなど、リアルタイム計測が要求されない場合は、自己遅延ヘテロダイン干渉計を用いずに、反射光と別途用意した参照光をヘテロダイン検波して計測してもよい。自己遅延ヘテロダイン干渉計を用いない場合、光ファイバの長手方向に対する周波数スペクトル分布の情報を扱うため、時間、振幅及び周波数の３次元の情報を取得する必要がある。この場合、時間ｔ及び振幅Ｉの２次元情報を、局発電気信号源１８０の周波数ｆを掃引して取得するので、測定時間が長くなり、時間分解能が悪くなる。
【００６４】
図３（Ｂ）は、自己遅延ヘテロダイン干渉計を備えない場合のファイバ演算手段１９０での処理結果を示す。図３（Ｂ）では、横軸に光ファイバ１３０の一端からの距離を取り、縦軸に、時間を取っている。図３（Ａ）と同様に図３（Ｂ）の各マスが測定単位となり、マスごとに温度又は歪みの大きさが示される。図３（Ｂ）では、図３（Ａ）に比べて時間軸方向の測定精度が粗くなる。
【００６５】
後方ブリルアン散乱では、温度変化及び歪みの両方に対してブリルアンシフトが生じる。従って、温度変化及び歪みの両者が生じる場合など、両者の区別が必要な場合がある。ここで、後方ブリルアン散乱では、周波数シフトだけでなく、その散乱係数も温度、歪み依存性を有することが知られている。ブリルアンシフトの歪み依存係数及び温度依存係数をそれぞれＣνε及びＣνＴとし、ブリルアン散乱係数の歪み依存係数及び温度依存係数をそれぞれＣＰε及びＣＰＴとして、これらの係数をあらかじめ測定しておけば、自己遅延ヘテロダイン干渉計でないヘテロダイン干渉計では、次式（８）で示す２元連立方程式を解くことによって歪みと温度を分離できる。
【００６６】
【数７】
2019090719.tif 000009
【００６７】
ここで、δνＢはブリルアンシフトの大きさであり、δＰＢ／ＰＢは、ブリルアン散乱強度の相対変化である。また、δε及びδＴは、それぞれ、歪み及び温度の変化量である。
【００６８】
一方、自己遅延ヘテロダイン干渉計を用いる場合は、ブリルアンシフトに起因する位相差だけでなく、ブリルアン散乱係数の変化に伴う強度変化も位相差として捉えてしまう。すなわち、自己遅延ヘテロダイン干渉計で観測される周波数シフトには、ブリルアンシフトの歪み依存係数Ｃνε及び温度依存係数ＣνＴだけでなく、ブリルアン散乱係数の歪み及び温度の変化に起因する変化分が重畳されている。このため、歪みと温度変化を分離して取得することができない。
【００６９】
そこで、ビート信号から得られたδνＳＤＨと、ビート信号の強度として強度取得部１７４で得られたδＰＢ／ＰＢと、予め取得しておいた各係数を用いて、以下の式（９）から、歪みδε及び温度変化δＴを分離して求める。
【００７０】
【数８】
2019090719.tif 000010
【００７１】
この結果、温度変化と歪みを分離して取得することができる。
【００７２】
光ファイバセンサ装置を塗装乾燥炉に用いる場合は、温度変化の大きさを取得し、所定の箇所の基準温度から、塗装乾燥炉内の温度を取得すればよい。
【００７３】
例えば、光ファイバの本数が、搬送ベルトに沿って設置された１本の場合、ファイバ演算部は、ｘ軸に搬送ベルトの搬送方向に沿った位置を示し、ｙ軸に時間を示し、ｚ軸に温度を示す３次元の塗装乾燥炉内温度情報を取得することができる。
【００７４】
上述のように、ｘ軸に関する空間分解能と、測定可能な周波数範囲の間にはトレードオフの関係があるので、所望の条件を満たすようにτ、すなわち、空間分解能及び周波数範囲をあらかじめ決めておけばよい。
【００７５】
移動体位置センサ部は、光ファイバに沿った位置を移動する測定対象物の、位置及び時刻を取得する。この発明の光ファイバセンサ装置を塗装乾燥炉に用いて、一定の搬送速度ｖで搬送ベルトを動かす場合、移動体位置センサ部が備える移動体演算手段２００は、搬送速度ｖと、塗装乾燥炉２１０の搬入側の端部に設けられた、カメラなどのセンサ２１２を用いて取得される塗装乾燥炉に入る時刻から、ある時刻での測定対象物の位置を特定することができる。
【００７６】
すなわち、この移動体位置センサ部は、ｘ軸に移動体の位置を取り、ｙ軸に時刻をとる、２次元の移動体位置情報を取得することができる。
【００７７】
図３（Ｃ）は、移動体位置センサ部が備える移動体演算手段２００の処理結果を示す図である。図３（Ｃ）では、横軸に移動体の位置を取り、縦軸に時間を取っている。図３（Ｃ）の各点線がそれぞれ移動体を示している。
【００７８】
移動体プロファイル取得部３００は、図３（Ａ）に示す、光ファイバ演算手段１９０が取得した、乾燥炉内温度情報と、図３（Ｃ）に示す、移動体演算手段２００が取得した、移動体位置情報から、時刻と、各測定対象物の温度のプロファイルを取得できる。
【００７９】
図３（Ａ）と図３（Ｃ）は、いずれも、横軸に搬送ベルト（光ファイバ）に沿った方向の位置を取り、縦軸に時間を取って示している。従って、図３（Ａ）及び図３（Ｃ）を重ね合わせることで、各移動体について、ある時刻にどの位置にあり、そのときの温度が何度であったかを把握することができる（図３（Ｄ）参照）。さらに、移動体ごとに、ある時刻に、何度であったのかを示す、温度プロファイルを取得することができる（図３（Ｅ）参照）。
【００８０】
図４は、自動車の塗装乾燥炉でダミーの車体を用いて取得した、温度プロファイルの例を模式的に示す図である。
【００８１】
例えば、乾燥炉内が一定の温度に制御される場合であっても、移動体としての自動車が搬入されない状態を経た後、自動車が搬入されると、乾燥炉内の温度より低い温度の自動車が乾燥炉内に搬入されることにより、乾燥炉の温度が一時的に低下する。また、乾燥炉に搬入される自動車の間隔が開くと、乾燥炉の温度が上昇する。この発明の光ファイバセンサ装置によれば、その自動車がどのような温度プロファイルを有しているか、自動車が搬入されたときの乾燥炉内の温度変化の様子などを、把握することができる。
【００８２】
これまで、光ファイバセンサ部として、自己遅延ヘテロダイン干渉計を用いる構成を説明したが、自己遅延ホモダイン干渉計を用いてもよい。
【００８３】
図５は、自己遅延ホモダイン干渉計を用いた構成を説明する模式図である。
【００８４】
自己遅延ホモダイン干渉計を用いた光検出手段１４１は、分岐部１５２、遅延部１５６及び合波部１５８を備えて構成される。自己遅延ホモダイン干渉計に送られた自然ブリルアン散乱光は、分岐部１５２で第１光路及び第２光路に２分岐される。第１光路には遅延部１５６が設けられている。第１光路に送られた光は遅延部１５６を経て合波部１５８に送られる。第２光路に送られた光はそのまま合波部１５８に送られる。
【００８５】
合波部１５８は、第１光路及び第２光路を経て受け取った光を合波して干渉光を生成し、この干渉光をコヒーレント検波部１６０に送る。
【００８６】
コヒーレント検波部１６０は、バランス型フォトダイオード（ＰＤ）１６２及びＦＥＴ増幅器１６４で構成される。干渉光は、バランス型ＰＤ１６２で電気信号に変換された後、ＦＥＴ増幅器１６４で増幅される。増幅された電気信号はファイバ演算手段１９０に送られる。
【００８７】
図５に示す光ファイバセンサ装置は、光バンドパスフィルタ１４４と自己遅延ホモダイン干渉計の間に、強度測定用分岐部１４６を備える。強度測定用分岐部１４６は、光バンドパスフィルタ１４４の出力を２分岐して一方を自己遅延ホモダイン干渉計に送り、他方を強度取得部１７４に送る。強度取得部１７４は、例えば、ＰＤ及びＦＥＴ増幅器で構成され、散乱光の強度を取得し、ファイバ演算手段１９０に送る。
【００８８】
以後の処理は、自己遅延ヘテロダイン干渉計を用いる場合と同様なので、重複する説明を省略する。
【００８９】
なお、ここでは、移動体が自動車であり、自動車が搬送ベルト上に搭載されて塗装乾燥炉内を移動する例を示したがこれによらない。移動体として、食品、半導体素子、その他、熱処理を受けるものが、所定の熱処理を受ける熱処理室内を移動する場合に、この光ファイバセンサ装置は適用できる。
【００９０】
図１及び図５を参照して説明した光ファイバセンサ装置は、強度取得部を備える例を示しているが、光ファイバに印加される応力が、温度又は歪みのいずれか一方のみに起因する場合は、この強度取得部を備えなくてもよい。
【００９１】
また、ここでは、光ファイバが搬送ベルトに沿って、一本配置された、一次元の位置情報を取得する例を説明したが、複数の光ファイバを備えたり、１本の光ファイバを屈曲させたりするなどして、二次元の位置情報を取得する構成にしてもよい。
【００９２】
また、移動体位置センサ部は、各移動体の位置を個別に取得できればよい。ここでは、乾燥炉内に搬入される時刻と、搬送ベルトの搬送速度から位置を取得する例を説明したが、移動体の位置を取得するセンサを乾燥炉内に複数設けるなどしてもよい。
【００９３】
また、ここでは、光ファイバセンサ装置として、温度を主に取得する例を説明したが、歪みを主に取得する構成にしてもよい。例えば、光ファイバを橋に設置し、移動体を、橋を通過する自動車や鉄道車両とすれば、移動体の通過とともに、どのような応力が橋に加わるかを測定することができる。
【符号の説明】
【００９４】
１１０    プローブ光生成部
１１２    連続光光源
１１４    光パルス発生器
１２０    サーキュレータ
１３０    光ファイバ
１４０、１４１    光検出手段
１４２    光増幅器
１４４    光バンドパスフィルタ
１５２    分岐部
１５４    光周波数シフタ部
１５６    遅延部
１５８    合波部
１６０    コヒーレント検波部
１６２    バランス型ＰＤ
１６４    ＦＥＴ増幅器
１７０    ミキサー
１７２    ＬＰＦ
１７４    強度取得部
１９０    ファイバ演算手段
２００    移動体演算手段
２１０    塗装乾燥炉
２２０    搬送ベルト
２３０    移動体
３００    移動体プロファイル取得部
【図１】
2019090719.tif 000011
【図２】
2019090719.tif 000012
【図３】
2019090719.tif 000013
【図４】
2019090719.tif 000014
【図５】
2019090719.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成30年5月25日(2018.5.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ光を生成するプローブ光生成部と、
前記プローブ光が入力され、前記プローブ光を反射させて反射光とする光ファイバと、
前記反射光が入力され、該反射光を検出する光検出手段と、
前記光検出手段での検出結果に基づき、前記光ファイバに応力が印加された位置及び時刻と応力の大きさを取得するファイバ演算手段と
を備える光ファイバセンサ部と、
前記光ファイバに沿った位置を移動する測定対象物の、位置及び時刻を取得する移動体位置センサ部と
を備え、
さらに、
前記光ファイバに応力が印加された位置及び時刻と応力の大きさと、前記測定対象物の位置及び時刻から、時刻と、当該時刻における前記測定対象物の位置に対応する光ファイバの位置に印加された応力とを取得する移動体プロファイル取得部を備える
ことを特徴とする光ファイバセンサ装置。
【請求項２】
前記ファイバ演算手段は、前記応力の大きさに基づいて、応力を受けた位置における光ファイバの温度及び歪みのいずれか一方、又は、双方を分離して取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項３】
前記移動体位置センサ部は、搬送手段を備え、
前記測定対象物は前記搬送手段に搭載され、
前記移動体位置センサ部は、前記搬送手段の搬送速度と、前記測定対象物が所定位置を通過した時刻から、当該測定対象物の位置及び時刻の関係を取得し、
前記光ファイバは前記搬送手段に沿って配置され、前記ファイバ演算手段は、前記応力の大きさに基づいて、応力を受けた位置における光ファイバの温度を取得し、
前記移動体プロファイル取得部は、前記測定対象物の時刻と温度の関係を取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ装置。
【請求項４】
前記光検出手段が、自己遅延ヘテロダイン干渉計又は自己遅延ホモダイン干渉計で構成される
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光ファイバセンサ装置。