(57)【要約】【課題】過酷な環境における複数のパラメータを検出するための光ファイバ・センサを提供する。【解決手段】光ファイバ・センサは、複数のブラッグ・グレーティング要素を有するファイバ・コアであって、グレーティング要素は周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体構造を含む、ファイバ・コアと、ファイバ・コアの周囲に配置されたクラッドと、を備える。別の実施形態において提供される、光ファイバ・センサを製造する方法は、ファイバ・コアを用意することと、ファイバ・コア上に周期的または準周期的な微結晶および剛性の二酸化ケイ素グレーティング構造を刻むこととを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のブラッグ・グレーティング要素を有するファイバ・コアであって、グレーティング要素は周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体構造を含む、ファイバ・コアと、
ファイバ・コアの周囲に配置されたクラッドと、を備える光ファイバ・センサ。
【請求項２】
ファイバ・コアには非感光性の溶融石英シングル・モード・ファイバが含まれる請求項１に記載の光ファイバ・センサ。
【請求項３】
センサは、高温または動的温度環境における複数のパラメータを同時に検出するように構成される請求項１に記載の光ファイバ・センサ。
【請求項４】
パラメータには、動的歪み、もしくは振動、もしくは温度、またはそれらの組み合わせが含まれる請求項３に記載の光ファイバ・センサ。
【請求項５】
センサは、約８００℃の温度を有する温度環境におけるパラメータを検出するように構成される請求項３に記載の光ファイバ・センサ。
【請求項６】
センサは、ガス・タービン、もしくは蒸気タービン、もしくは原子炉容器、もしくは燃焼室、もしくは航空機エンジン、もしくは石炭燃料ボイラ、またはそれらの組み合わせにおいて少なくとも１つのパラメータを検出するように構成される請求項３に記載の光ファイバ・センサ。
【請求項７】
周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体構造が、高出力フェムト秒レーザによる刻印技術とその後の熱的後処理プロセスとによって形成される請求項１に記載の光ファイバ・センサ。
【請求項８】
クラッドには、フッ素ドーパントを有する二酸化ケイ素が含まれる請求項１に記載の光ファイバ・センサ。
【請求項９】
光ファイバ・センサは第１および第２のクラッドを備え、第１のクラッドには低率のフッ素または塩素ドーパントが含まれ、第２のクラッドには相対的に高率のフッ素または塩素ドーパントが含まれる請求項１に記載の光ファイバ・センサ。
【請求項１０】
ファイバ・コアを照明するように構成された光源と、
グレーティング要素から生じる反射スペクトルに基づいて少なくとも１つのパラメータを検出するように構成された検出器モジュールと、をさらに備える請求項１に記載の光ファイバ・センサ。
【請求項１１】
光ファイバ・センサを製造する方法であって、
ファイバ・コアを用意することと、
ファイバ・コア上に周期的または準周期的な微結晶の二酸化ケイ素四面体グレーティング構造を刻むことと、
低拘束の二酸化ケイ素構造を高拘束の二酸化ケイ素四面体構造に変化させることと、を含む方法。
【請求項１２】
ファイバ・コアの周囲にクラッドを配置することをさらに含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
刻むステップには、周期的または準周期的な微結晶の二酸化ケイ素四面体グレーティング構造をファイバ・コア上に高出力パルス・フェムト秒レーザ技術を通して刻むことが含まれる請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
変化させるステップには、低拘束の二酸化ケイ素構造を高拘束の二酸化ケイ素四面体構造に、熱的後処理プロセスを通して変化させることが含まれる請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
変化させるステップには、等温および等時処理を通してファイバ材料の微細構造を変更することが含まれる請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
低拘束の二酸化ケイ素構造を剛性の二酸化ケイ素四面体構造に変えて、高温および高放射線環境におけるセンサの動作を容易にすることを含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
微結晶グレーティング構造における粒径分布および粒界密度を、等温処理を通して低減することをさらに含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
粒径分布を低減することには、ファイバ・コアとクラッドとの間の界面における残留歪みを実質的に低減して、粒界からの光散乱損失を実質的に防ぎ、光ファイバ・センサ内の光透過を向上させることが含まれる請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
高温および放射線環境における不純物バンドから伝導バンドへのキャリア励起を防ぐためにファイバ・コアのバンド内不純物エネルギー・レベルを実質的に取り除くことを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
バンド内の構造欠陥エネルギー・レベルを実質的に取り除いて、高温および放射線環境における欠陥バンドから伝導バンドへのキャリア励起を防ぐことをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
ファイバ・コアには、非感光性の溶融石英シングル・モード・ファイバが含まれる請求項１１に記載の方法。
【請求項２２】
周期的または準周期的な微結晶グレーティング構造をファイバ・コア上に刻むことを、センサの弾性光学係数が二酸化ケイ素のクラスタ形態と無関係となるように急速で局所的な融解および焼き入れ処理を用いることによって行なうことを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項２３】
光ファイバ・センサをファイバ・センサ・パッケージ材料を用いてパッケージングすることをさらに含む請求項１１に記載の方法。
【請求項２４】
ファイバ・センサ・パッケージ材料には、粘着剤および封入材料およびファイバ保護材料が含まれる請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
環境における複数のパラメータを検出する方法であって、
周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体構造を伴う複数のグレーティング要素を有する光ファイバ・センサに対する光源を用意すること、
光ファイバ・センサからの反射または透過スペクトルを検出することと、を含む方法。
【請求項２６】
光ファイバ・センサからの反射または透過スペクトルに基づいて、環境の変化に対応するパラメータを決定することをさらに含む請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
ガス・タービン、もしくは蒸気タービン、もしくは原子炉容器、もしくは航空機エンジン、もしくは燃焼室、もしくは石炭燃料ボイラ、またはそれらの組み合わせにおける少なくとも１つのパラメータを検出することを含む請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
動的歪み、もしくは振動、もしくは温度、またはそれらの組み合わせを検出することを含む請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
環境における複数のパラメータをセンシングするための分散センシング・システムであって、
分散ケーブル上に配置された複数のセンサを備え、
複数のセンサはそれぞれ、
周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体グレーティング構造を有するファイバ・コアと、
ファイバ・コアの周囲に配置されたクラッドと、を備える分散センシング・システム。
【請求項３０】
分散ケーブルには、ステンレス鋼、インコネル、またはプラチナなどが含まれる請求項２９に記載の分散センシング・システム。
【請求項３１】
複数のセンサのそれぞれに属するファイバ・コアを照明するように構成された光源をさらに備える請求項２９に記載の分散センシング・システム。
【請求項３２】
照明源には波長可変レーザが含まれる請求項３１に記載の分散センシング・システム。
【請求項３３】
分散センサ・システムからの波長スペクトルに基づいてパラメータを測定するように構成された光スペクトル・アナライザをさらに備える請求項２９に記載の分散センシング・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に、光ファイバ・センサに関し、より詳細には、過酷な環境における複数のパラメータを検出するための光ファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の光ファイバ・センシング・デバイスが知られており、物理的および化学的な検出および測定に対して用いられている。一例として、排気システム、原子炉、燃焼器、および圧縮機などの構成要素における歪み、地震振動、圧力、流量、および温度などのパラメータを測定するためにファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサが用いられている。動的歪みおよび温度の測定に対して用いられる従来のファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサには、感光性シングル・モード・ファイバ・コア上に刻まれたグレーティング構造が含まれている。通常、ファイバ・コアには酸化ゲルマニウムがドープされているか、またはボロン、フッ素、燐光体、エルビウムなどが共ドープされている。このようなドーパントの結果、二酸化ケイ素のバンド・ギャップ内にバンド内不純物エネルギー・レベルが形成される。さらに、これらの不純物バンド内に分散されたドーパントが熱的に励起されて伝導バンドに移り、結果として導電性の熱変動が誘起される結果、ファイバ・グレーティング構造の屈折率変調が劣化する。したがって、このようなセンサの熱安定性は、センサを用いる場合がある動作条件によって制限される。
【０００３】
現在のファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサは、約８０℃未満の温度で動作することに制限されている。なぜならば、温度依存性のドーパント拡散によってグレーティングの衰退が誘起されるからである。このようなセンサでは、高温環境において壊れるドープされたグレーティングまたは化学的なグレーティングが用いられている。ファイバ・グレーティングの屈折率変調振幅を安定させるために通常、熱的後処理プロセスが用いられている。しかしこのようなファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサはそれでも、アニール温度を超えたところで動作する際の信頼性は低い。
【０００４】
さらに、熱的効果と同様に、わずかな高エネルギー放射線、ガンマ線、および中性子も、原子炉と同様の環境において、ドーパント拡散および色中心の形成を促すとともに、ファイバ・グレーティング構造および屈折率変調の劣化を招く可能性がある他の欠陥の形成を促す可能性がある。
【０００５】
他のあるシステムでは、過酷な環境における歪みおよび地震信号などのパラメータを検出するために、歪みゲージおよび加速度計などの圧電性に基づくセンサまたは磁歪に基づくセンサを用いている。しかしこのようなセンシング・デバイスも、低温環境用途に限定されているとともに、電磁妨害および放射劣化の問題を被っている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、過酷な環境における温度または動的歪みなどのパラメータを検出するために用いることができるセンサが求められている。さらに、過酷な環境における構造健全性監視を行なうために複数のパラメータ、たとえば温度、動的歪み、振動、および質量流を同時に検出することができるセンサを提供することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡単に言えば、一実施形態により、光ファイバ・センサが提供される。光ファイバ・センサは、複数のブラッグ・グレーティング要素を有するファイバ・コアであって、グレーティング要素は周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体構造を含むファイバ・コアと、ファイバ・コアの周囲に配置されたクラッドと、を備える。
【０００８】
別の実施形態においては、光ファイバ・センサを製造する方法が提供される。本方法には、ファイバ・コアを用意することと、ファイバ・コア上に周期的または準周期的な微結晶および剛性の二酸化ケイ素グレーティング構造を刻むこととが含まれる。また本方法には、低拘束の（ｕｎｄｅｒ−ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ）二酸化ケイ素構造を、高拘束の（ｏｖｅｒ−ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ）剛性の二酸化ケイ素四面体構造へ変化させることが含まれる。
【０００９】
別の実施形態においては、環境における複数のパラメータを検出する方法が提供される。本方法には、周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体構造を伴う複数のグレーティング要素を有する光ファイバ・センサに対する光源を用意することと、光ファイバ・センサからの反射スペクトルを検出することと、が含まれる。
【００１０】
別の実施形態においては、過酷な環境における複数のパラメータをセンシングするための分散センシング・システムが提供される。本センシング・システムは、分散ケーブル上に配置された複数のセンサを備え、複数のセンサはそれぞれ、周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体グレーティング構造を有するファイバ・コアと、ファイバ・コアの周囲に配置されたクラッドと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明のこれらの特徴および他の特徴、態様、および優位性は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むならば、より良好に理解される。なお図面の全体に渡って同様の文字は同様の部分を表している。
【図１】本技術の態様による過酷な環境におけるおよび／または対象物に対する複数のパラメータを検出するための典型的な光ファイバ・センシング・システムを例示する図である。
【図２】図１のセンシング・システムにおいて用いられる光ファイバ・センサの典型的な構成の図式説明図である。
【図３】過酷な環境における歪みおよび振動を測定するためのシングル・ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）センサ・パッケージの典型的な構成の図式説明図である。
【図４】過酷な環境における歪みおよび振動を測定するための温度補償されたＦＢＧセンサ・パッケージの典型的な構成の図式説明図である。
【図５】図２の光ファイバ・センサから得られる典型的な反射スペクトルのグラフ表示である。
【図６】図２の光ファイバ・センサから得られる典型的な透過スペクトル８８のグラフ表示である。
【図７】感光性シングル・モード・ファイバ上に紫外線（ＵＶ）レーザおよび位相マスク刻印技術を用いて製造されたＦＢＧセンサから得られる典型的な反射スペクトルのグラフ表示である。
【図８】感光性シングル・モード・ファイバ上にＵＶレーザおよび位相マスク刻印技術を用いて製造されたＦＢＧセンサから得られる典型的な透過スペクトルのグラフ表示である。
【図９】感光性シングル・モード・ファイバ上にＵＶレーザおよび位相マスク技術で製造されたＦＢＧセンサの典型的な熱感度結果のグラフ表示である。
【図１０】感光性シングル・モード・ファイバ上に（フェムト秒レーザ）ＦＬで製造されたＦＢＧセンサの熱感度結果のグラフ表示である。
【図１１】約０℃〜約２００℃の温度範囲に対して溶融石英ファイバ上に製造されたＦＬ刻印によるＦＢＧセンサの熱感度結果のグラフ表示である。
【図１２】約２００℃〜約８５０℃の温度範囲それぞれに対して溶融石英ファイバ上に製造されたＦＬ刻印によるＦＢＧセンサの熱感度結果のグラフ表示である。
【図１３】感光性シングル・モード・ファイバ上にＵＶレーザで製造されたＦＢＧと、石英シングル・モード・ファイバ上にＦＬで製造されたＦＢＧセンサとの典型的なファイバ・センサ波長熱安定性結果のグラフ表示であり、温度は２００℃から開始して８２２℃に保持された図である。
【図１４】異なる時間枠で等温試験を受けたＦＬで製造されたＦＢＧセンサの典型的な反射電力損失熱応答のグラフ表示である。
【図１５】試験時間の関数としてプロットしたＵＶレーザおよびＦＬで製造されたＦＢＧセンサの反射電力損失結果のグラフ表示である。
【図１６】異なる温度におけるＦＬで製造されたＦＢＧセンサからの典型的な反射スペクトルのグラフ表示である。
【図１７】典型的なＦＬＦＢＧセンサの動作温度に対する寿命推定のグラフ表示である。
【図１８】図２の光ファイバ・センサを用いて典型的な片持ち梁に対して得られた低周波の基本曲げ振動モード結果のグラフ表示である。
【図１９】図２の光ファイバ・センサを用いて典型的な片持ち梁に対して得られたマルチ振動モード結果のグラフ表示である。
【図２０】環境の複数のパラメータを検出するための典型的な単軸の温度、動的歪み、および振動の光ファイバ・センシング・システム２３０を例示する図である。
【図２１】本技術の態様による反射構成における典型的な光ファイバ・ダイナミック・センシング・システムの図式説明図である。
【図２２】本技術の態様による透過構成における典型的な光ファイバ・ダイナミック・センシング・システムの図式説明図である。
【図２３】図２０および２１のセンシング・システムのそれぞれにおいて用いられる典型的なファイバ取り付けパッケージの側面図である。
【図２４】原子炉水位センシング応用に対する典型的なファイバ・センシング・モジュール・パッケージを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、図面を参照して、図１に、過酷な環境におけるおよび／または対象物１２に対する複数のパラメータを検出するための典型的な光ファイバ・センシング・システム１０を例示する。本説明では、センシング・デバイスおよびシステムに焦点を当てているが、本技術はセンシング分野に限定されず、他の様式、特に光学フィルタ、データ送信、および電気通信などにも適用可能である。したがって添付の請求項は、以下の説明の代表的な実施形態に限定してはならず、実施形態によって限定されてもいけない。光ファイバ・センシング・システム１０は、参照数字１４によって表されるような複数の光ファイバ・センサを備えており、光ファイバ・センサ自体は、グレーティング付きケーブル１６を備えている。例示したように、ケーブル１６は要素１２内に配置されており、要素１２の変化がケーブル１６に移る。グレーティング付きケーブル１６は、複数のグレーティング要素を有するコアを備えている。グレーティング要素は、周期的または準周期的な変調されたブラッグ・グレーティング構造を有している。これについては、以下で詳細に説明する。本明細書で用いる場合、用語「準周期的な変調されたグレーティング」には、グレーティング構造のグレーティング長さに渡って可変の周期性を有するグレーティング構造が含まれる。特定の実施形態においては、準周期的な変調されたグレーティング構造には、フィボナッチ数列に従う屈折率変調を有するチャープト・グレーティング構造が含まれる。本説明では、グレーティング要素とは、コアの屈折率と比べた屈折率の変化を指す。このようなグレーティング要素は、レーザと材料との相互作用プロセス（たとえば高出力フェムト秒レーザ・ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＬＦＢＧ））と位相マスク刻印技術（以下でさらに説明する）との結果であっても良い。
【００１３】
さらに、光ファイバ・センシング・システム１０は、波長可変レーザまたは広帯域の超光発光源（ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｌｉｇｈｔ  ｓｏｕｒｃｅ）などの光源１８を備えている。光源１８は、グレーティング付きケーブル１６のコアを照明するように構成されている。この照明によって、グレーティング付きケーブル１６のグレーティング周期に対応する反射信号が容易に発生する。例示した実施形態においては、グレーティング付きケーブル１６の各ファイバ・ブラッグ・グレーティングの反射信号は２ｎΛによって決定される。ここで、ｎは有効なグレーティング屈折率であり、Λはそのグレーティング要素の屈折率変調の周期性である。さらに、グレーティング付きケーブル１６のすべてのグレーティング要素の周期性は異なっているため、反射信号は反射スペクトルにおける複数のピークからなる。またシステム１０は、光源１８からの入射光とともにグレーティング付きケーブル１６からの反射信号を管理する光カプラ２０を備える。カプラ２０から適切な反射信号が検出器モジュール２２に送られる。
【００１４】
検出器モジュール２２は、反射された光信号をグレーティング付きケーブル１６から受け取るとともに、種々のハードウェアおよびソフトウェア・コンポーネントと協同して光信号内の埋め込み情報を解析する。たとえば、検出器モジュール２２は、対象物１２の状態またはパラメータを、光ファイバ・センサ１４のグレーティング付きケーブル１６の複数のグレーティング要素から生じる反射スペクトルに基づいて推定するように構成されている。特定の実施形態においては、検出器モジュール２２は、光カプラまたは光スペクトル・アナライザを用いて、光ファイバ・センサ１４からの信号を解析する。所望する用途に応じて、検出器モジュール２２を、環境１２における種々のパラメータを測定するように構成しても良い。このようなパラメータの例としては、特に、温度、ガスの存在、歪み、圧力、振動、および放射が挙げられる。
【００１５】
検出器モジュール２２によって作られた情報を、ディスプレイまたは無線通信装置などの出力２４に通信しても良い。優位なことに、環境または対象物の状態などの収集した情報を用いて、任意の数の関心事に対処しても良いし、環境または対象物１２自体の変化をもたらしても良い。
【００１６】
図２は、図１のセンシング・システム１０において用いる光ファイバ・センサ１４の典型的な構成３０の図式説明図である。光ファイバ・センサ要素３０は、ファイバ・コア３２と、ファイバ・コア３２の周囲に配置されたクラッド３４とを備える。この実施形態においては、クラッド３４には、フッ素または塩素ドーパントを有する二酸化ケイ素が含まれる。優位なことに、ファイバ・クラッド構造内のドーパントによって、二酸化ケイ素ガラスの屈折率が、ファイバ・コア３２の屈折率と比べて約０．２％〜約０．５％の量だけ効果的に減少する。特定の実施形態においては、クラッド３４は二重クラッド構造を備えている。すなわち、第１のクラッドが、約２０ｐｐｍ〜約５０ｐｐｍのフッ素または塩素のドーピング構造で、５マイクロメートル〜約２０マイクロメートルの半径を有し、第２のクラッドが、約１００ｐｐｍ〜約２００ｐｐｍのフッ素または塩素のドーピング構造で、半径が２０マイクロメートル〜約６２．５マイクロメートルである。第１および第２のクラッドによって、ファイバ・コア３２に沿って光伝搬を行なうための導波路構造が、高温または高放射性環境においてさえも透過損失が無視できる状態で提供されることに注意されたい。
【００１７】
さらに、ファイバ・コア３２は一連のグレーティング要素３６を備えており、これらは、グレーティング付き要素３６のグレーティング周期に対応する波長の光を同相で反射するように構成されている。この代表的な実施形態においては、ファイバ・コア３２には、非感光性の溶融石英シングル・モード・ファイバが含まれ、グレーティング要素３６は、周期的または準周期的な変調された微結晶の二酸化ケイ素四面体グレーティング構造を備えている。非感光性の溶融石英シングル・モード・ファイバをファイバ・コア３２に対して用いることにより、二酸化ケイ素のバンド内不純物エネルギー・レベルが容易に除去される結果、高温においておよび特定のレベルのガンマ線および熱い中性子線環境において生じる共有結合バンドから伝導バンドへのわずかなキャリア励起の動きも防止される。
【００１８】
周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体グレーティング構造３６は、高出力ＦＬおよび位相マスク刻印技術を施した後に熱的後処理プロセスを行なって形成する。作業時には、周期的または準周期的な微結晶の二酸化ケイ素構造３８をファイバ・コア３２上に、高出力ＦＬおよび位相マスク刻印技術を通して刻む。この代表的な実施形態においては、周期的または準周期的な微結晶の二酸化ケイ素構造３８をファイバ・コア３２上に刻むことを、光ファイバ・センサ３０の弾性光学係数が二酸化ケイ素のクラスタ形態と無関係となるように急速で局所的な融解および焼き入れ処理を用いることによって行なう。加えて、高出力レーザ・パルスによって、ファイバ・コア３２内に約０．２〜０．５％のオーダーの有効な屈折率変調が誘起される。
【００１９】
さらに、歪曲された短距離およびダングリング結合からなる低拘束の二酸化ケイ素構造４０を、緻密な高拘束の剛性の二酸化ケイ素四面体構造に、熱的後処理プロセスを通して変化させる。この代表的な実施形態においては、低拘束および高拘束の二酸化ケイ素構造のグレーティング・ブロックの厚さはファイバ軸に沿って約０．２５マイクロメートルであり、直径は約９マイクロメートルである。交互に存在する変調された微結晶の二酸化ケイ素および高拘束の二酸化ケイ素ブロックによって、有効な屈折率変調を導入する質量密度変調が効果的に形成され、各ブロック界面において強め合う光干渉をもたらすためのブラッグ反射器となる。低拘束の二酸化ケイ素構造４０を高拘束の二酸化ケイ素四面体構造に変化させることは、等温および等時処理を通して実現される。有益なことに、剛性の二酸化ケイ素四面体構造に変えることによって、高温および放射線において光ファイバ・センサ３０が容易に動作する。さらに、等温処理を通してファイバ材料の微細構造を変更することによって、微結晶グレーティング構造３６における粒径分布および粒界密度が低減される。粒径分布が小さくなることによって、ファイバ・コア３２とクラッドとの間の界面３４における残留歪みが実質的に小さくなり、その結果、光ファイバ・センサ３０の透過特性が高まる。
【００２０】
動作中、入力広帯域光信号４３が光ファイバ・センサ３０に、光源１８（図１参照）によって供給され、入力広帯域光信号４２の一部が個々のグレーティング要素３６によって、同相でかつ光の特定の波長に対応して反射される。その一方で、残りの波長は透過することが、透過信号４４によって表されている。グレーティング要素３６から生じる反射スペクトルによって、環境１２（図１参照）の複数のパラメータが容易に同時に検出される。このようなパラメータの例としては、動的歪み、放射、振動、および温度が挙げられる。さらに、前述した周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体グレーティング構造３４によって、光ファイバ・センサ３０における熱光学効果の変動が小さくなり、その結果、高温環境における複数のパラメータを、熱安定性高く検出することができる。１つの代表的な実施形態においては、光ファイバ・センサ３０は、温度が約８００℃の環境において複数のパラメータを検出するように動作可能である。前述した光ファイバ・センサ３０のグレーティング構造およびパッケージング材料は、環境の所望のパラメータを測定することに基づいて選択しても良い。
【００２１】
図３は、環境の動的歪みおよび振動を測定するためのシングル・ファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサ・パッケージの典型的な構成５０の図式説明図である。例示したように、センサ・パッケージ５０は光ファイバ・センサ３０を備え、光ファイバ・センサ３０は、ファイバ・コア３２とファイバ・コア３２の周囲に配置されたクラッド３４とを備えている。さらに、センサ・パッケージ５０は、シングル・モード・ファイバ・ブラッグ・グレーティング要素５２を備えている。シングル・モード・ファイバ・ブラッグ・グレーティング要素５２は、ファイバ・コア３２上に、たとえば、高出力ＦＬおよび位相マスク刻印技術を用いて、その後に熱的後処理プロセスを行なって刻まれている。これは、図２を参照して前述した通りである。ブラッグ・グレーティング要素５２によって、環境における歪みまたは振動などのパラメータが容易に検出される。この代表的な実施形態においては、光ファイバ・センサ３０は、石英またはサファイア毛細管チュービング５４内にパッケージされている。加えて、メタライズされたファイバ層５６と高温セラミックまたはポリマー粘着剤５８とが、センサ３０をパッケージングするために用いられており、その結果、高温および放射性および腐食性の環境でセンサを用いることが可能になっている。
【００２２】
図４は、環境における歪みおよび振動を測定するための温度補償されたブラッグ・グレーティング・センサ・パッケージの典型的な構成７０の図式説明図である。図３に例示したセンサ・パッケージ５０と同様に、温度補償されたセンサ・パッケージ７０は、石英またはサファイア毛細管チュービング５４内に配置されたファイバ・コア３２およびクラッド３４を備えている。この代表的な実施形態においては、センサ・パッケージ７０は、歪み／振動の検出と共に温度の同時検出を容易にするための付加的な組のブラッグ・グレーティング要素７２を備えている。この場合もやはり、パッケージング材料には、ブラッグ・グレーティング要素５２および７２の周囲に配置された高温セラミックまたはポリマー粘着剤５８が含まれており、高温および放射性および腐食性の環境での使用に備えている。
【００２３】
当業者であれば理解するように、複数のセンサ・パッケージ材料を用いて、センサ３０を用いる環境の環境状態に基づいて光ファイバ・センサ３０をパッケージングしても良い。パッケージ材料は、温度、圧力、振動腐食、ガンマおよび中性子線量などのパラメータに対する過酷な環境でのセンシング要求に基づいて選択しても良い。このようなファイバ・センサ・パッケージ材料には、粘着剤および封入材料およびファイバ保護材料が含まれる。典型的な粘着剤および封入材料としては、シリコン粘着剤、高温接合剤たとえばナイロン接合剤、高温エポキシおよびセラミック粘着剤が挙げられる。典型的なファイバ保護材料としては、カーボン、ポリイミド・ポリマー、およびシリコーンが挙げられる。他のパッケージ材料としては、純粋石英毛細管、ガラス導波路およびアルミナ・チューブおよびサファイア毛細管が挙げられる。特定の実施形態においては、たとえば温度が約５００℃〜約８００℃の高温環境に対しては、ステンレス鋼、インコネルなどの材料をパッケージ材料として用いても良い。あるいは、低温環境に対しては、アルミニウム、銅、およびステンレス鋼などの材料をパッケージ材料として用いても良い。
【００２４】
前述したように、光ファイバ・センサ３０から生じる反射スペクトルを、検出器モジュール２２（図１参照）によって解析することを、環境１２（図１参照）の少なくとも１つのパラメータを検出するために行なう。図５は、図２の光ファイバ・センサ３０から得られる典型的な反射スペクトル８０のグラフ表示である。例示した実施形態においては、横軸８２は、ナノメートル（ｎｍ）で測定した波長を表し、縦軸８４は、純粋石英ファイバ上に８００ｎｍフェムト秒パルス・レーザで刻まれたブラッグ・グレーティングからのデシベル（ｄＢ）で測定した反射電力損失を表している。参照数字８６によって表されるピーク反射損失は、光ファイバ・センサ３０のファイバ・コア導波モードに対応する。この代表的な実施形態においては、ピーク反射損失は、構造的な歪み、温度、および振動を表している。さらに、反射ピークの相対振幅は、ファイバ・センサの健全性状態を表している。図６は、図２の光ファイバ・センサ３０から得られる典型的な透過スペクトル８８のグラフ表示である。例示した実施形態においては、横軸８２は、ナノメートル（ｎｍ）で測定した波長を表し、縦軸９０は、純粋石英ファイバ上に８００ｎｍフェムト秒パルス・レーザで刻まれたブラッグ・グレーティングからのデシベル（ｄＢ）で測定した透過損失を表している。ピーク透過損失９２は、光ファイバ・センサ３０のファイバ・コア導波モードに対応し、クラッド・モードに対応する電力透過損失は、参照番号９４によって表されている。この場合もやはり、透過損失９０のくぼみ位置を決定することは、構造的な歪み、温度、および振動を表している。さらに、透過くぼみの相対振幅はファイバ・センサの健全性状態を表している。
【００２５】
図７および８は、紫外線（ＵＶ）レーザおよび位相マスク刻印技術を用いて製造されたＦＢＧセンサから得られる典型的な反射および透過スペクトル１００および１０２のグラフ表示である。例示した実施形態においては、反射および透過損失８４および９０は、約１９０ｎｍ〜約２５０ｎｍのＵＶレーザ光を用いて刻まれた従来のＦＢＧセンサから得られている。この場合もやはり、参照数字１０４によって表されるピーク反射損失は、センサのファイバ・コア導波モードに対応する。同様に、参照数字１０６によって表されるピーク透過損失は、センサのファイバ・コア導波モードに対応している。
【００２６】
例示したように、ＵＶレーザＦＢＧ刻印技術によって形成されたセンサの場合は、反射されたブラッグ共鳴ピークに基づくダイナミック・レンジは約３０ｄＢｍ〜約４０ｄＢｍであり、ＦＬＦＢＧ刻印技術によって形成されたセンサの場合は、反射されたブラッグ共鳴ピークに基づくイナミック・レンジは約１０ｄＢｍ〜約２０ｄＢｍである。さらに、ＵＶレーザＦＢＧ刻印技術によって形成されたセンサの場合は、透過ピークに基づくダイナミック・レンジは約１０ｄＢｍ〜約１５ｄＢｍであり、ＦＬＦＢＧ刻印技術によって形成されたセンサの場合は、透過共鳴ピークに基づくダイナミック・レンジは約１０ｄＢｍ〜約２０ｄＢｍである。ＦＬＦＢＧ刻印技術によって製造された光ファイバ・センサ３０のダイナミック・レンジは、ＵＶレーザ刻印技術によって製造された従来のＦＢＧセンサのそれと同程度である。また、グレーティングの刻印設定は、所望のパラメータに基づいて調整しても良い。
【００２７】
さらに、高出力ＦＬＦＢＧ刻印技術の後に熱的後処理プロセスを行なうことによって形成された光ファイバ・センサ３０は、従来のＵＶレーザで製造されたセンサと比べて温度感度が相対的に小さいため、このようなセンサ３０を動的温度環境において用いることが可能となる。
【００２８】
図９は、感光性ファイバ上にＵＶレーザで製造されたＦＢＧセンサの典型的な熱感度１１０の結果のグラフ表示である。横軸１１２は、℃で測定した温度を表し、縦軸１１４は、ＵＶレーザで製造されたＦＢＧセンサから得られるナノメートル（ｎｍ）で測定した波長シフトを表している。この代表的な実施形態においては、ＵＶレーザで製造されたゲルマニウム（Ｇｅ）がドープされたＦＢＧセンサに対する波長シフトは、プロファイル１１６によって表され、ＵＶレーザで製造されたゲルマニウム（Ｇｅ）およびフッ素（Ｆ）が共ドープされたＦＢＧセンサに対する波長シフトはプロファイル１１８によって表されている。例示したように、ＧｅドープされたＦＢＧセンサおよびＧｅ／Ｆ共ドープされたＦＢＧセンサの熱感度は、約９ｐｍ／℃〜約１１ｐｍ／℃である。図１０は、感光性ファイバ上にＦＬＦＢＧで製造されたＦＢＧセンサの熱感度１２０結果のグラフ表示である。この代表的な実施形態においては、感光性ファイバ上に製造された８００ｎｍパルス・レーザで刻まれたＦＢＧセンサに対する波長シフトは、プロファイル１２２によって表されている。図に示すように、このようなフェムト秒パルスのＦＢＧセンサの熱感度は約１６．５ｐｍ／℃であり、これは、図９を参照して前述したような感光性ファイバ上にＵＶレーザで製造されたＦＢＧセンサの熱感度よりも大きい。
【００２９】
図１１および１２は、溶融石英ファイバ上に製造されたＦＬ刻印によるＦＢＧセンサの、温度範囲約０℃〜約２００℃および２００℃〜約８５０℃のそれぞれに対する熱感度結果１３０および１３２のグラフ表示である。この代表的な実施形態においては、プロファイル１３４および１３６が、溶融石英ファイバ上に８００ｎｍパルス状のフェムト秒レーザで刻まれたブラッグ・グレーティングに対する波長シフトを表している。例示したように、ＦＬで製造されたＦＢＧセンサの熱感度は、約１５０℃の温度において約１．１ｐｍ／℃であり、約１５０℃〜約４００℃の範囲の温度において約１．７ｐｍ／℃である。このように、前述したような高出力ＦＬＦＢＧ刻印技術によって製造されたセンサの熱感度は、感光性ファイバ上にＵＶレーザで製造されたＦＢＧセンサと比べて実質的に少ないため、動的温度環境の構造健全性監視における歪みセンシングに対して好適となっている。
【００３０】
さらに、本技術によって形成した光ファイバ・センサ３０の波長熱安定性は、従来のＵＶレーザで製造されたＦＢＧセンサと比べて相対的に良好である。図１３は、ＵＶレーザおよびＦＬで製造されたＦＢＧセンサの、約８２２℃における典型的なファイバ・センサ波長熱安定性結果１４０のグラフ表示である。横軸１４２は、時間（ｈｒｓ）で測定した試験時間を表し、縦軸１４４は、ｎｍで測定した波長シフトを表している。この代表的な実施形態においては、プロファイル１４６は、Ｇｅ／Ｆが共ドープされたＦＢＧセンサの熱安定性を表し、プロファイル１４８は、ＦＬ刻印によるＦＢＧセンサの熱安定性を表している。Ｇｅ／Ｆが共ドープされたＦＢＧセンサの熱安定性は、約２００ｈｒｓのアニール時間において実現された約６．９ｐｍ／ｈｒであり、これは、Ｇｅ／Ｆが共ドープされたＦＢＧの強力な原子拡散力学を示すものである。また、ＦＬＦＢＧに基づくセンサの熱安定性は、約−０．１８ｐｍ／ｈｒであり、これは、温度によって誘起される圧縮された四面体二酸化ケイ素ＦＢＧの微細構造の凝縮力学（ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  ｄｙｎａｍｉｃｓ）を示すものである。このように、ＦＬＦＢＧに基づくセンサの熱安定性は、Ｇｅ／Ｆが共ドープされたＦＢＧに基づくセンサの熱安定性よりも約３８倍良好である。
【００３１】
図１４は、本技術の態様により約８２０℃において異なる時間枠で等温試験を受けた、ＦＬで製造されたＦＢＧセンサの典型的な反射電力損失熱応答１５０のグラフ表示である。横軸１５２は、ｎｍで測定した波長シフトを表し、縦軸１５４は、ｄＢで測定した反射電力損失を表す。参照数字１５６、１５８、および１６０によって表されるようなプロファイルは、異なる試験時間における反射電力損失を表している。たとえば、１５６、１５８、および１６０は、０、１．５、および５ｈｒｓの試験時間それぞれにおける電力損失を表している。この代表的な実施形態においては、明瞭にするために、各スペクトルを約５ｄＢだけ下方にシフトさせている。ＦＬで製造されたＦＢＧセンサの反射電力損失１５４を、図１５において試験時間１４２の関数としてプロットしている。この代表的な実施形態においては、プロファイル１７０および１７２は、非感光性ファイバ上にＦＬで製造されたＦＢＧセンサの反射ピーク電力とＧｅＯ２ドープされたＦＢＧに基づくセンサの反射ピーク電力とを、それぞれ表している。ＧｅＯ２ドープされたＦＢＧに基づくセンサの反射電力損失の不安定性は約７．６ｄＢ／ｋｈｒであり、ＦＬで製造されたＦＢＧセンサの反射電力損失の不安定性は約０．０６５ｄＢ／ｋｈｒである。このように、前述のＦＬで製造されたＦＢＧセンサの温度ドリフトは、ＧｅＯ２ドープされたＦＢＧに基づくセンサのそれよりも実質的に良好であり、その結果、このようなセンサの方が、過酷な環境での使用に対して信頼性が高い。
【００３２】
図１６は、本技術の態様により約２０℃〜９００℃の温度範囲に対する、ＦＬで製造されたＦＢＧセンサの典型的な反射電力損失熱応答１８０のグラフ表示である。横軸８２は、ｎｍで測定した波長シフトを表し、縦軸８４は、ｄＢで測定した反射電力損失を表す。図１７は、温度に対するＦＬセンサの寿命推定１８４のグラフ表示である。例示したように、横軸１８６は温度を表し、縦軸１８８はセンサの推定寿命を表す。例示した実施形態においては、温度に対するセンサの推定寿命の変化をプロファイル２００によって表している。寿命１８８は、４０ｎｍのダイナミック・レンジ内で約１００時間〜約２００時間の時間枠の間測定したセンサ温度ドリフト値に基づいて計算しており、センサ・パッケージの信頼性および寿命は考慮していないことに注意されたい。図に示すように、ＦＬＦＢＧセンサ・プロトタイプに基づく、環境温度の外挿した上限は約１２５０℃である。
【００３３】
図１８は、本技術の態様により図２の光ファイバ・センサ３０を用いて典型的な片持ち梁２１２に対して得られる低周波の基本振動モード結果２１０のグラフ表示である。横軸２１４は周波数を表し、縦軸は片持ち梁の変位２１６を表す。この代表的な実施形態においては、周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体グレーティング構造を有する光ファイバ・センサ３０（図２参照）を用いて、梁開始点における片持ち梁の基本たわみモード２１８に対応する変位を検出している。前述したように、入力広帯域光信号４２（図２参照）が光ファイバ・センサ３０に供給され、入力広帯域光信号４２の一部が個々のグレーティング要素３６によって、同相でかつ光の特定の波長に対応して反射される。その一方で、残りの波長は透過することが、透過信号４４（図２参照）によって表されている。グレーティング要素３６から生じる反射スペクトルによって、片持ち梁の基本モード２１８に対応する変位２１６が容易に検出される。また、グレーティング要素３６のパッケージ方法に基づいて、他のパラメータを検出しても良い。
【００３４】
図１９は、本技術の態様により図２の光ファイバ・センサ３０を用いて典型的な片持ち梁２１２に対して得られるマルチ振動モード結果のグラフ表示である。例示した実施形態においては、光ファイバ・センサ３０は、梁の中央部に基づく光ファイバ・センサ３０のグレーティング要素３６から生じる反射スペクトルに基づいて、片持ち梁２１２の曲げモード２２４に対応する歪み２２２を測定するように構成されている。こうして、光ファイバ・センサ３０によって、環境の複数のパラメータを同時に検出することが、センサ３０から生じる反射スペクトルに基づいて容易に行なえる。また、前述したように、光ファイバ・センサ３０は、非感光性の溶融石英シングル・モード・ファイバ・コアと、周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体グレーティング構造とを備えている。この二酸化ケイ素四面体グレーティング構造によって、光ファイバ・センサ３０内での熱光学効果の変動が小さくなる結果、過酷な環境における複数のパラメータを信頼性高く検出することができる。
【００３５】
前述した光ファイバ・センサ３０を、分散環境における複数のパラメータをセンシングするために用いても良い。図２０に、本技術の態様により環境の複数のパラメータを検出するための典型的な単軸の動的歪み／振動の光ファイバ・センシング・システム２３０を例示する。例示した実施形態においては、センシング・システム２３０は、参照数字２３２、２３４、２３６、および２３８によって表されるような複数のセンサを備え、これらは分散ケーブル２４０上に配置されている。１つの代表的な実施形態においては、分散ケーブルには、ステンレス鋼でパッケージされたファイバ・ケーブルが含まれる。さらに、複数のセンサ２３２、２３４、２３６、および２３８はそれぞれ、周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体グレーティング構造２４２を有する非感光性の溶融石英シングル・モード・ファイバ・コアを備えていて、環境の複数のパラメータが容易に同時に検出されるようになっている。この実施形態においては、グレーティング構造２４２によって環境における歪み／振動が容易に検出される。さらに、環境の異なる箇所に関するデータを、種々のセンサ２３２、２３４、２３６、および２３８によって反射された回折ピークの変化の値を求めることによって得ることができる。別の実施形態においては、分散型光ファイバ・センシング・システム２３０は、複数のセンサを備え、これらのセンサは、ガウシアン・アポダイズドまたはコサイン・アポダイズド・グレーティング構造を伴うファイバ・コアと、ファイバ・コアの周囲に配置されたクラッドとを有している。
【００３６】
分散型ファイバ・センシング・システム２３０を、温度、歪みなどの環境のパラメータを検出するために環境内に配置しても良い。動作時には、分散型ファイバ・センシング・システム２３０を、参照数字２４４によって表される光源によって照明する。この照明によって、センサ２３２、２３４、２３６、および２３８のグレーティング２４２のグレーティング周期に対応する反射信号が容易に発生する。その一方で、残りの波長は透過することが、透過信号２４６によって表されている。個々の反射および透過信号を、光スペクトル・アナライザ（図示せず）に送っても良い。さらに、特定の実施形態においては、カプラ（図示せず）を光源および光スペクトル・アナライザに結合して、入力および反射信号を組み合わせても良い。光スペクトル・アナライザを用いて受信信号の波長スペクトルおよび強度を測定して、環境の歪み／振動などのパラメータを推定する。分散型ファイバ・センシング・システム２３０では、環境のパラメータを測定するために差動構成を用いることに注意されたい。
【００３７】
優位なことに、モジュール２３０内で用いるセンサの数を、環境の所望のパラメータに基づいて、動的に増加または減少させても良い。さらに、グレーティング構造２４２を、測定すべき所望のパラメータ基づいて選択しても良い。当業者であれば理解するように、複数のセンサ・モジュール・デザインを、環境に対して測定すべき所望のパラメータに基づいて考えても良い。
【００３８】
前述したように、複数のパラメータを、光ファイバ・センサを用いて、光ファイバ・センサから生じる反射スペクトルに基づいて検出する。図２１は、本技術の態様による反射構成における典型的な光ファイバ・ダイナミック・センシング・システム２５０の図式説明図である。光ファイバ・センシング・システム２５０は、参照数字２５２によって表されるような複数の光ファイバ・センサを備えており、各センサ２５２は、環境の複数のパラメータを検出するために周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素グレーティング構造２５４を有する。さらに、センシング・システム２５０は、各センサ２５２のグレーティング構造２５４から生じる反射スペクトルを問い合わせるための光源として機能する波長可変レーザ２５６を備える。２ｘ１光カプラ２５８が波長可変レーザ２５６およびセンサ２５２に結合されていて、波長可変レーザ２５６からの入射光とともに各センサ２５２からの反射信号を管理できるようになっている。
【００３９】
さらに、波長可変ファブリー・ペロ（ＦＰ）フィルタ２６０を用いて、環境のパラメータを検出するための各センサ２５２からのブラッグ波長シフトを検出する。またセンシング・システム２５０は、ガス校正セル２６２を備えて、絶対波長測定を可能にし、波長可変レーザ走査速度の変化に対する補償を可能にしている。一実施形態においては、ガス校正セル２６２は、ガスの分子振動モード周波数に対応する別個の波長において光を吸収するシアン化水素波長基準吸収セルを備えている。測定した波長データはさらに、電子インターフェース２６６を介してデータ解析ユニット２６４に送られて、各センサ２５２からのブラッグ波長シフト・データに基づいて環境のパラメータを検出できるようになっている。
【００４０】
図２２は、本技術の態様により透過構成における典型的な光ファイバ・ダイナミック・センシング・システム２８０の図式説明図である。図２０を参照して例示するように、センシング・システム２８０は波長可変レーザ２５６と２ｘ１光カプラ２５８とを備えて、各センサ２５２のグレーティング構造２５４を照明するようになっている。この代表的な実施形態においては、センシング・システム２８０はまた、３ポートの光サーキュレータ２８２を備えて、波長可変レーザ２５６からの広帯域光をセンサ２５２内に発射できるようになっている。さらに、センサ２５２のそれぞれからの反射光は、光サーキュレータ２８２の別のポートを通ってＦＰフィルタ２６０に向かって戻る。前述したように、データ解析ユニット２６４はピーク反射のシフト対波長を記録し、このようなデータを解析して、温度、歪み、および振動などの環境１２のパラメータを推定する。
【００４１】
図２３は、図２１および２２のセンシング・システム２５０および２８０のそれぞれにおいて用いられる典型的なファイバ取り付けパッケージ２９０の側面図である。パッケージ２９０は、最上部および最下部プレート２９２および２９４と、最上部および最下部プレート２９２および２９４の間に配置される光ファイバ・ケーブル２９６とを備えている。この代表的な実施形態においては、最上部および最下部プレート２９２および２９４にはステンレス鋼プレートが含まれる。さらに、光ファイバ・ケーブル２９６は、環境の複数のパラメータを検出するためのファイバ・コア３００上に刻まれたグレーティング構造２９８を備えている。この実施形態においては、ファイバ・コア３００には、非感光性の溶融石英シングル・モード・ファイバが含まれ、グレーティング構造２９８には、周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体グレーティング構造が含まれる。優位なことに、非感光性の溶融石英シングル・モード・ファイバをファイバ・コア３００に対して用いることによって、二酸化ケイ素ファイバのバンド内不純物エネルギー・レベルを除去して、高温における共有結合バンドから伝導バンドへのわずかなキャリア励起も容易に防止される。
【００４２】
さらに、前述したように、周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体グレーティング構造２９８は、高出力ＦＬおよび位相マスク刻印技術を行なった後に熱的後処理プロセスを施すことによって形成する。特定の実施形態においては、取り付けパッケージ２９０は取り付け孔３０２を備えていて、取り付けパッケージ２９０をセンシング・システム２５０および２８０の構成要素に容易に結合することができる。
【００４３】
前述した光ファイバ・センサを用いて、種々の環境における複数のパラメータを同時に検出しても良い。高出力ＦＬＦＢＧ刻印および熱処理技術によって形成される非感光性ファイバ上の周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体グレーティング構造を用いて、高温を伴う過酷な環境における歪み、振動などのパラメータを検出することができる。さらに、このようなセンサに対するパッケージング構成を、このようなセンサを用いても良い環境に基づいて選択しても良い。１つの代表的な実施形態においては、前述した光ファイバ・センサを水位センシングに対して用いる。
【００４４】
図２４に、原子炉における水位センシング応用に対する典型的なファイバ・センシング・モジュール・パッケージ３１０を例示する。例示した実施形態においては、ファイバ・センシング・モジュール３１０は、ケーシング３１４内に配置されたファイバ・センシング・ケーブル３１２を備える。さらに、ファイバ・センシング・ケーブル３１２は、動的に温度をモニタするための内面ファイバ・センシング配列３１６を備えて、熱的ランプ、減圧、および流れ誘起不安定性を決定するようになっている。ファイバ・センシング配列３１６は、共振周波数をモニタするための前述の技術によって製造された複数のＦＢＧセンサ３１８を用いて、水位を決定するようになっている。またセンシング・モジュール３１０は、ファイバ振動センシング梁と、参照数字３１１、３１３、３１５、および３１７によって表されるような組み込まれたＦＬＦＢＧセンサとを備えている。さらに、ファイバ・センシング・モジュール・パッケージは、最下部において閉じていて、わずかな部分も水塊内に落ちることを防止し、また開口する横方向の孔を有して、モジュール３１０内を水が容易に通過する。この代表的な実施形態においては、センシング・モジュール３１０に対するパッケージ材料としては、ＡＩＳＩ３０４ステンレス鋼、またはＡＩＳＩ３１６ステンレス鋼、またはインコネル６２５が挙げられる。しかし、センシング・モジュール３１０をパッケージングするために他の好適な材料を用いても良い。前述した本技術の種々の態様を、種々の環境における温度、歪み、圧力、および振動などの複数のパラメータをセンシングするために用いても良い。優位なことに、本技術の実施形態により、非感光性ファイバ上に周期的または準周期的な変調された微結晶および剛性の二酸化ケイ素四面体構造を有する光ファイバ・センサは、熱感度が実質的に低く、波長および反射電力損失ドリフティングが低いため、このようなセンサを、高温および放射を受けるような過酷な環境におけるパラメータを検出するために用いることができる。たとえば、本技術を、排気システム、または燃焼器、または噴流エンジンの圧縮機の出力段の周囲に分散させた複数のグレーティング箇所において温度を測定することによって排気システムにおけるサーマル・マッピングを与えるために用いても良い。同様に、本技術を、ガス・タービン、蒸気タービン、原子炉、石炭燃料ボイラなどの構成要素における温度分布をマッピングするために用いても良い。ＦＢＧは、その軸に沿って長手方向の歪みを測定するように構成されているため、ＦＢＧをロゼット構成に配置して異なる方向に沿って歪みを決定し、構成要素上の主ひずみを決定しても良いことに注意されたい。
【００４５】
さらに、前述したように、前述のＦＬ刻印によるＦＢＧセンサを、分散環境における複数のパラメータをセンシングするために用いても良い。センサは、波長エンコードされ温度微分された歪みおよび振動の問い合わせを容易にするとともに、従来のＦＢＧセンサと比べて帯域幅が実質的に高く熱安定性が良好である。
【００４６】
本発明の特定の特徴についてのみ本明細書において例示および説明してきたが、多くの変更および変形が当業者には想起される。したがって添付の請求項は、本発明の真の趣旨に含まれるこのような変更および変形をすべてカバーずることが意図されていることを理解されたい。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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