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JP4808546B2 - Optical fiber sensor - Google Patents
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JP4808546B2 - Optical fiber sensor - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバを使用した光ファイバセンサに関する。   The present invention relates to an optical fiber sensor using an optical fiber.

光ファイバを使用したセンサは、遠隔地での測定が容易であり、電磁ノイズにも強いことから様々な分野での応用が進んでいる。中でも光強度の変化を利用するセンサは、構成が簡単であり、価格が安くできる等の利点がある。
例えば特許文献1には、光ファイバの途中に形成した細径部の周囲に、温度により光吸収または散乱特性が変化する感温変色材を塗布して感温層を設けた構成の温度検出装置が記載されている。また、特許文献2には、光ファイバの先端面に対向する位置に光反射体が設けられ、光ファイバの先端面と光反射体との間に、温度により光吸収または散乱特性が変化する感温変色材が充填されて感温部を設けた構成の温度センサが記載されている。
しかし特許文献1の温度検出装置は、特性が細径部の形状に大きく依存するため精度良く作製することが困難であった。また、感温層に特殊な材料を使用する必要があり、繰り返し使用による特性劣化も見られるため、測定の精度を長期に渡り高く維持することが困難であった。また、特許文献2においても、感温部に特殊な材料を使用しているため、長期信頼性の面で問題があった。
また、ヘテロコア型光ファイバ(非特許文献1など)のような構造も提案されているが、温度に対しては感度が小さく、温度計としては使用できなかった。また、歪みを測定する場合も、ファイバを曲げる必要があり、ファイバ軸方向への引っ張り方向の歪み検知と比較して装置構成が複雑になる問題があった。
特許文献3及び4には、シングルモード光ファイバの間にグレーテッドインデックス光ファイバが挿入された構造が記載されている。ただしその目的は、グレーテッドインデックス光ファイバの部分で光エネルギー密度を下げることにより、ファイバヒューズ現象を回避するためとされている。
特許文献5には、発光ダイオードの出力光をカプラで2分岐し、一方を2枚の板部材でクランプされた信号用光ファイバに入射させるとともに、他方を参照用光ファイバに入射させ、両光ファイバの透過光強度を比較することにより、歪量を測定する装置が記載されている。
特開平9−159548号公報 特開平9−43066号公報 電子情報通信学会、ソサイエティ大会、2005年9月、B−13−26 特開2004−86127号公報 特開2005−77549号公報 米国特許第5020379号明細書
Sensors using optical fibers are easy to measure at remote locations and are resistant to electromagnetic noise, and are thus being applied in various fields. Above all, a sensor that uses a change in light intensity has advantages such as a simple configuration and a low price.
For example, Patent Document 1 discloses a temperature detection device having a structure in which a temperature-sensitive color change material whose light absorption or scattering characteristics change according to temperature is applied around a small-diameter portion formed in the middle of an optical fiber to provide a temperature-sensitive layer. Is described. In Patent Document 2, a light reflector is provided at a position facing the front end surface of the optical fiber, and the light absorption or scattering characteristics change depending on the temperature between the front end surface of the optical fiber and the light reflector. A temperature sensor having a structure in which a temperature-sensitive part is provided by being filled with a temperature-changing material is described.
However, the temperature detection device of Patent Document 1 is difficult to manufacture with high accuracy because the characteristics greatly depend on the shape of the small diameter portion. In addition, it is necessary to use a special material for the temperature-sensitive layer, and characteristic deterioration due to repeated use is also observed. Therefore, it has been difficult to maintain high measurement accuracy over a long period. Also in Patent Document 2, there is a problem in terms of long-term reliability because a special material is used for the temperature sensitive part.
Also, a structure such as a hetero-core type optical fiber (Non-patent Document 1 or the like) has been proposed, but it has low sensitivity to temperature and cannot be used as a thermometer. Also, when measuring strain, it is necessary to bend the fiber, and there is a problem that the apparatus configuration becomes complicated as compared with strain detection in the pulling direction in the fiber axis direction.
Patent Documents 3 and 4 describe a structure in which a graded index optical fiber is inserted between single-mode optical fibers. However, the purpose is to avoid the fiber fuse phenomenon by lowering the optical energy density in the graded index optical fiber.
In Patent Document 5, the output light of a light emitting diode is split into two by a coupler, and one is made incident on a signal optical fiber clamped by two plate members, and the other is made incident on a reference optical fiber. An apparatus is described that measures the amount of strain by comparing the transmitted light intensity of fibers.
JP-A-9-159548 JP-A-9-43066 IEICE, Society Conference, September 2005, B-13-26 JP 2004-86127 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-77549 US Pat. No. 5,020,379

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光強度変化による測定が可能であり、作製が容易で信頼性が高い光ファイバセンサを提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical fiber sensor that can be measured by a change in light intensity, is easy to manufacture, and has high reliability.

前記課題を解決するため、本発明は、センシング部がグレーテッドインデックス光ファイバからなり、該センシング部への送信側及び受信側の伝送路がシングルモード光ファイバからなり、使用光源の中心波長で前記グレーテッドインデックス光ファイバ中を拡散と集光を繰り返しながら伝搬する光のピッチΛに対して、前記グレーテッドインデックス光ファイバからなるセンシング部の長さLは、下記の式を満たすことを特徴とする光ファイバセンサを提供する。
(1+2N)Λ/8−Λ/16 < L < (1+2N)Λ/8+Λ/16
ただし、Nは正の整数(N=1,2,3,…)である。
また、本発明は、前記センシング部を透過した光強度の変化を測定して使用されることを特徴とする前記光ファイバセンサを提供する。
また、本発明は、前記センシング部を複数、直列に配置し、その間にシングルモード光ファイバを挿入したことを特徴とする前記光ファイバセンサを提供する。
また、本発明は、前記センシング部の一方の側に、送信側と受信側の両方の伝送路を兼ねる第1のシングルモード光ファイバが接続され、前記センシング部の他方の側に、先端部を反射端処理した第2のシングルモード光ファイバが接続されていることを特徴とする前記光ファイバセンサを提供する。
また、本発明は、光源の光強度をモニタした参照光強度と、光源より入射されて上記の光ファイバセンサを透過する光強度をモニタしたセンシング光強度とを比較演算して、センシング部の温度変化を測定することを特徴とする温度測定方法を提供する。
また、本発明は、上記の光ファイバセンサと、該光ファイバセンサに光を入射する光源と、光源の光強度を参照光強度としてモニタする第1の光検出器と、光源より入射されて前記光ファイバセンサを透過する光強度をセンシング光強度としてモニタする第2の光検出器と、前記センシング光強度を前記参照光強度と比較演算してセンシング部の温度変化を出力する比較演算回路を備えることを特徴とする温度測定システムを提供する。
また、本発明は、光源の光強度をモニタした参照光強度と、光源より入射されて上記の光ファイバセンサを透過する光強度をモニタしたセンシング光強度とを比較演算して、センシング部に印加された張力を測定することを特徴とする張力測定方法を提供する。
また、本発明は、上記の光ファイバセンサと、該光ファイバセンサに光を入射する光源と、光源の光強度を参照光強度としてモニタする第1の光検出器と、光源より入射されて前記光ファイバセンサを透過する光強度をセンシング光強度としてモニタする第2の光検出器と、前記センシング光強度を前記参照光強度と比較演算してセンシング部に印加された張力を出力する比較演算回路を備えることを特徴とする張力測定システムを提供する。
To solve the above problems, the present invention includes a sensing portion consists graded index optical fiber, Ri transmission path on the transmission side and the reception side to the sensing unit Do from the single-mode optical fiber, the center wavelength of the used light source The length L of the sensing unit made of the graded index optical fiber satisfies the following formula with respect to the pitch Λ of light propagating while repeating diffusion and collection in the graded index optical fiber: An optical fiber sensor is provided.
(1 + 2N) Λ / 8−Λ / 16 <L <(1 + 2N) Λ / 8 + Λ / 16
However, N is a positive integer (N = 1, 2, 3,...).
In addition, the present invention provides the optical fiber sensor, wherein the optical fiber sensor is used by measuring a change in light intensity transmitted through the sensing unit.
In addition, the present invention provides the optical fiber sensor, wherein a plurality of the sensing units are arranged in series, and a single mode optical fiber is inserted therebetween.
In the present invention, a first single-mode optical fiber that serves as both transmission and reception transmission paths is connected to one side of the sensing unit, and a tip is provided to the other side of the sensing unit. The optical fiber sensor is provided, wherein a second single mode optical fiber treated with a reflection end is connected.
In addition, the present invention compares and calculates the reference light intensity obtained by monitoring the light intensity of the light source and the sensing light intensity obtained by monitoring the light intensity incident from the light source and transmitted through the optical fiber sensor, so that the temperature of the sensing unit is calculated. There is provided a temperature measurement method characterized by measuring a change.
The present invention also provides the above-described optical fiber sensor, a light source that makes light incident on the optical fiber sensor, a first photodetector that monitors the light intensity of the light source as a reference light intensity, and the light source that is made incident from the light source. A second photodetector for monitoring the intensity of light transmitted through the optical fiber sensor as the intensity of sensing light, and a comparison operation circuit for comparing and calculating the intensity of the sensing light with the intensity of the reference light and outputting a temperature change of the sensing unit. A temperature measuring system is provided.
The present invention also compares the reference light intensity monitored for the light intensity of the light source with the sensing light intensity monitored for the light intensity incident from the light source and transmitted through the optical fiber sensor, and applied to the sensing unit. A tension measuring method is provided that measures the measured tension.
The present invention also provides the above-described optical fiber sensor, a light source that makes light incident on the optical fiber sensor, a first photodetector that monitors the light intensity of the light source as a reference light intensity, and the light source that is made incident from the light source. A second photodetector that monitors the intensity of light transmitted through the optical fiber sensor as the intensity of sensing light, and a comparison operation circuit that compares the sensing light intensity with the reference light intensity and outputs the tension applied to the sensing unit; A tension measuring system is provided.

本発明によれば、非常に簡単な構成でありながら、光ファイバの温度や光ファイバに印加された張力を測定することが可能な高精度センサを実現することができる。   According to the present invention, a highly accurate sensor capable of measuring the temperature of an optical fiber and the tension applied to the optical fiber can be realized with a very simple configuration.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の光ファイバセンサは、図1に模式的に示すように、コア1aの屈折率が光ファイバの半径方向に連続的に変化するように作製されたグレーテッドインデックス光ファイバ1をセンシング部とし、このセンシング部の両端に、使用波長帯においてコア2aの部分でLP01モードのみが伝搬するシングルモード光ファイバ2が接続された構造を有する。なお、以下の説明では、グレーテッドインデックス光ファイバをGIファイバ、シングルモード光ファイバをSMファイバと略記する場合がある。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
As schematically shown in FIG. 1, the optical fiber sensor of the present invention uses a graded index optical fiber 1 manufactured so that the refractive index of the core 1a continuously changes in the radial direction of the optical fiber as a sensing unit. The single-mode optical fiber 2 in which only the LP 01 mode propagates in the portion of the core 2a in the used wavelength band is connected to both ends of the sensing unit. In the following description, the graded index optical fiber may be abbreviated as GI fiber, and the single mode optical fiber may be abbreviated as SM fiber.

図1(a)、(b)は、GIファイバ1がSMファイバ2と同径の場合を示し、図1(c)は、GIファイバ1がSMファイバ2より径が太い場合を示す。GIファイバとSMファイバは、融着接続によって接続することにより、接続後の光ファイバ同士の軸ズレを抑えられるため、信頼性の高い光ファイバセンサとすることができる。このとき、GIファイバとSMファイバの直径が異なると、融着時の軸ズレの原因となるので、GIファイバとSMファイバの直径は同等であることが好ましい。   FIGS. 1A and 1B show a case where the GI fiber 1 has the same diameter as the SM fiber 2, and FIG. 1C shows a case where the GI fiber 1 has a larger diameter than the SM fiber 2. Since the GI fiber and the SM fiber are connected by fusion splicing, axial misalignment between the connected optical fibers can be suppressed, so that a highly reliable optical fiber sensor can be obtained. At this time, if the diameters of the GI fiber and the SM fiber are different from each other, it causes a shaft misalignment at the time of fusion.

図1中、GIファイバ1の部分に示す曲線は、SMファイバからGIファイバに入射した光の伝搬を模式的に示している。すなわち、送信側(図1では左側)のSMファイバ2からGIファイバ1に入射した光は、GIファイバ1内で拡散と集光を繰り返しながら伝搬していく。これは、GIファイバの屈折率が半径方向で変化した屈折率分布を有するため、レンズのような効果を有するためである。図1(a)は、GIファイバ1から受信側(図1では右側)のSMファイバ2に入射する光が集光条件となるようにGIファイバ1の長さLが設定された場合を示し、図1(b)は、集光条件からずれた長さにGIファイバ1の長さLが設定された場合を示す。受信側のSMファイバ2に入射する光が集光条件となるようにGIファイバ1の長さLが設定された場合には、GIファイバ1を伝搬した光のほとんどが再びSMファイバ2に結合するが、集光条件からずれた場合には、GIファイバ1を伝搬した光の一部はSMファイバ2のクラッドモードと結合し、光ファイバの外部に漏洩する。このため、GIファイバの長さが異なると、送信側のSMファイバからGIファイバを経て受信側の光ファイバに伝搬する光の強度は変化する。   In FIG. 1, the curve shown in the portion of the GI fiber 1 schematically shows the propagation of light incident on the GI fiber from the SM fiber. That is, light incident on the GI fiber 1 from the SM fiber 2 on the transmission side (left side in FIG. 1) propagates while repeating diffusion and collection in the GI fiber 1. This is because the refractive index of the GI fiber has a refractive index distribution that varies in the radial direction, and thus has an effect similar to a lens. FIG. 1A shows a case where the length L of the GI fiber 1 is set so that light incident on the SM fiber 2 on the receiving side (right side in FIG. 1) from the GI fiber 1 is in a condensing condition. FIG. 1B shows a case where the length L of the GI fiber 1 is set to a length that deviates from the condensing condition. When the length L of the GI fiber 1 is set so that the light incident on the SM fiber 2 on the receiving side is in the condensing condition, most of the light propagated through the GI fiber 1 is coupled to the SM fiber 2 again. However, when it deviates from the condensing condition, a part of the light propagated through the GI fiber 1 is coupled with the cladding mode of the SM fiber 2 and leaks to the outside of the optical fiber. For this reason, when the lengths of the GI fibers are different, the intensity of light propagating from the SM fiber on the transmission side to the optical fiber on the reception side through the GI fiber changes.

図2及び図3には、GIファイバの部分の長さ(GI部長さ)を変えた場合の強度変化を見積もった結果を示す。図2はGIファイバのコアの直径が50μmの場合であり、図3はGIファイバのコアの直径が320μmの場合である。光ファイバセンサの透過率(相対比)は、図2及び図3から分かるように、GIファイバの部分の長さに対して周期的に変化する。また、GIファイバのコア直径が大きくなると、GIファイバを伝搬する光の拡散・集光の振幅が大きくなり、周期も長くなる。このため、図2と図3の比較からも分かるように、GIファイバのコア直径が大きくなると、GIファイバ部分の長さ変化による周期的な透過率変化の周期が長くなる。また、透過率の変化も異なってくる。このようにGIファイバのコア直径を変えることにより、光ファイバセンサの特性を調整することが可能である。   2 and 3 show the results of estimating the intensity change when the length of the GI fiber part (GI part length) is changed. FIG. 2 shows a case where the core diameter of the GI fiber is 50 μm, and FIG. 3 shows a case where the core diameter of the GI fiber is 320 μm. As can be seen from FIGS. 2 and 3, the transmittance (relative ratio) of the optical fiber sensor periodically changes with respect to the length of the GI fiber portion. Further, when the core diameter of the GI fiber is increased, the amplitude of diffusion / condensation of light propagating through the GI fiber is increased and the period is also increased. Therefore, as can be seen from the comparison between FIG. 2 and FIG. 3, when the core diameter of the GI fiber is increased, the period of periodic transmittance change due to the change in the length of the GI fiber portion is increased. Also, the change in transmittance is different. Thus, by changing the core diameter of the GI fiber, it is possible to adjust the characteristics of the optical fiber sensor.

GIファイバの部分の光路長(光学距離とも言う。)は、GIファイバの屈折率n(近似的にはコア中心における屈折率を代表値として用いることができる。)とGIファイバの部分の長さLとの積で表される。つまりGIファイバの温度変化あるいは張力変化によりこれらの物理量が変化すると、GIファイバの部分の光路長が変化するため、光ファイバセンサの透過光強度が変化する。例えばGIファイバの温度Tが変化した場合、その光路長Lo=n×Lは、温度Tの微分を取ることにより、下記の式(1)で求められる温度依存性を示す。   The optical path length (also referred to as optical distance) of the GI fiber portion is the refractive index n of the GI fiber (approximately, the refractive index at the core center can be used as a representative value) and the length of the GI fiber portion. Expressed by the product of L. That is, when these physical quantities change due to temperature change or tension change of the GI fiber, the optical path length of the GI fiber part changes, and the transmitted light intensity of the optical fiber sensor changes. For example, when the temperature T of the GI fiber changes, the optical path length Lo = n × L shows the temperature dependence obtained by the following equation (1) by taking the differentiation of the temperature T.

dLo/dT = L×dn/dT + n×dL/dT ・・・(1) dLo / dT = L × dn / dT + n × dL / dT (1)

式(1)の右辺のdn/dT、n、dL/dTは使用する光ファイバおよび使用波長が決まれば一意に決まる物理常数であるので、温度変化による特性変動を大きくするためには、GIファイバの部分の長さ(実際の長さ)Lを大きくすれば良いことが分かる。
GIファイバの部分の光路長Loは、GIファイバにかかる張力によっても変化するため、温度変化と同様に、張力変化を光強度変化として測定することも可能である。測定に際しては、光強度が測定対象とするパラメータの変化に基づいて変化するように、外乱となる他の因子による影響がセンシング部になるべく加わらない環境をつくるようにする。すなわち、温度を測定するときはGIファイバに張力が印加しないようにし、また、張力を測定するときは、GIファイバの温度が変化しないような環境とするか、環境温度を別のセンサで測定し、温度による影響を補正する。
また、GIファイバの屈折率nは波長依存性もあるため、波長によっても光ファイバセンサの透過光強度は変化する。このように、GIファイバのコア直径、長さL、測定に使用する光の波長(使用波長)などを最適化することにより、本発明の光ファイバセンサを温度センサあるいは張力センサとして使用することができる。
Since dn / dT, n, and dL / dT on the right side of Equation (1) are physical constants that are uniquely determined when the optical fiber to be used and the wavelength to be used are determined, in order to increase the characteristic variation due to temperature change, the GI fiber It can be seen that the length (actual length) L of the portion may be increased.
Since the optical path length Lo of the GI fiber portion also changes depending on the tension applied to the GI fiber, it is also possible to measure the change in tension as the change in light intensity, similar to the change in temperature. At the time of measurement, an environment is created in which the influence of other factors that cause disturbance is not applied to the sensing unit as much as possible so that the light intensity changes based on the change of the parameter to be measured. That is, when measuring temperature, do not apply tension to the GI fiber. When measuring tension, measure the environment so that the temperature of the GI fiber does not change, or measure the ambient temperature with another sensor. Correct the effect of temperature.
Further, since the refractive index n of the GI fiber has a wavelength dependence, the transmitted light intensity of the optical fiber sensor also changes depending on the wavelength. Thus, the optical fiber sensor of the present invention can be used as a temperature sensor or a tension sensor by optimizing the core diameter and length L of the GI fiber and the wavelength (use wavelength) of light used for measurement. it can.

SMファイバ2のモードフィールド径(MFD)は、小さいほど、GIファイバ1から受信側のSMファイバ2へ再結合するところでの波長依存性が大きくなるため、透過光強度の変化率が大きくなる傾向がある。このため、温度変化や張力変化による透過光強度の変化率を大きくして光ファイバセンサの感度を高めるには、SMファイバのMFDは小さい方が望ましいが、挿入損失はMFDが小さいほど大きくなる。光ファイバセンサの感度を考えると、SMファイバのMFDは12μm以下が望ましい。また、挿入損失を考えると、SMファイバのMFDは5μm以上が望ましい。   As the mode field diameter (MFD) of the SM fiber 2 is smaller, the wavelength dependency at the point of recombination from the GI fiber 1 to the SM fiber 2 on the receiving side increases, and therefore the rate of change in transmitted light intensity tends to increase. is there. Therefore, in order to increase the rate of change of transmitted light intensity due to temperature change or tension change to increase the sensitivity of the optical fiber sensor, it is desirable that the MFD of the SM fiber is small, but the insertion loss increases as the MFD decreases. Considering the sensitivity of the optical fiber sensor, the MFD of the SM fiber is desirably 12 μm or less. In consideration of insertion loss, the MFD of the SM fiber is preferably 5 μm or more.

GIファイバ1の部分の長さLは、上述したように、長いほうが温度変化や張力変化による透過光強度の変化率が大きくなり、光ファイバセンサの感度を高めることができるとはいえ、あまり長いとGIファイバの内部での拡散・集光の特性の歪みが大きくなり、集光特性がなまってしまう。従って、光ファイバセンサとして用いる場合、GIファイバ1の長さLは、5mm以上40mm以下であることが望ましい。GIファイバ1の長さLの好ましい範囲は、GIファイバ1のコア直径によっても多少変化するが、コア直径が100μm以下の程度ではほぼ同じ値である。   As described above, the length L of the portion of the GI fiber 1 is so long that the rate of change in transmitted light intensity due to temperature change or tension change increases, and the sensitivity of the optical fiber sensor can be increased. As a result, the distortion of the diffusion / condensation characteristics inside the GI fiber increases, and the condensing characteristics are lost. Therefore, when used as an optical fiber sensor, the length L of the GI fiber 1 is desirably 5 mm or more and 40 mm or less. The preferred range of the length L of the GI fiber 1 varies somewhat depending on the core diameter of the GI fiber 1, but is approximately the same when the core diameter is 100 μm or less.

GIファイバ1のコア直径(コア径)は、小さいほど光ファイバセンサの挿入損失が小さくできるが、光ファイバセンサとしての感度も小さくなってしまう。このため、感度を考えると、GIファイバ1のコア直径は、30μm以上が好ましい。また、通常の光ファイバの外径(クラッド径)が125μmであるから、挿入損失の観点からもGIファイバ1のコア直径は、120μm以下であることが望ましい。特に、コア直径が50μm〜70μm程度のGIファイバは、光通信用としても広く用いられており、入手性、価格、特性の観点から特に望ましい。   As the core diameter (core diameter) of the GI fiber 1 is smaller, the insertion loss of the optical fiber sensor can be reduced, but the sensitivity as the optical fiber sensor is also reduced. For this reason, considering the sensitivity, the core diameter of the GI fiber 1 is preferably 30 μm or more. Moreover, since the outer diameter (cladding diameter) of a normal optical fiber is 125 μm, the core diameter of the GI fiber 1 is desirably 120 μm or less from the viewpoint of insertion loss. In particular, a GI fiber having a core diameter of about 50 μm to 70 μm is widely used for optical communication, and is particularly desirable from the viewpoint of availability, price, and characteristics.

本発明の光ファイバセンサでは、光源からの光を、SMファイバ−GIファイバ−SMファイバからなる構成に入射し、その透過光強度の変化を測定する。このとき、センサ感度を上げるために光源の特性(中心波長・帯域幅)とGIファイバの部分の長さを最適化する必要がある。光ファイバセンサとして高感度を得るためには、センシング部となるGIファイバの長さLは、図1(b)に示すように、使用光源の中心波長の光が受信側のSMファイバと結合する位置が、GIファイバ中を伝搬する光の腹と節の中間となるように設定することが望ましい。使用光源の中心波長でGIファイバ中を伝搬する光のピッチΛを、図1中に示すように節−節間距離の2倍として定義すると、GIファイバ1の長さLは、下記の式(2)を満たす条件が好ましい。ただし式(2)においてNは正の整数(N=1,2,3,…)である。   In the optical fiber sensor of the present invention, light from a light source is incident on a configuration composed of SM fiber-GI fiber-SM fiber, and the change in transmitted light intensity is measured. At this time, in order to increase the sensor sensitivity, it is necessary to optimize the characteristics of the light source (center wavelength / bandwidth) and the length of the GI fiber portion. In order to obtain high sensitivity as an optical fiber sensor, the length L of the GI fiber serving as the sensing unit is such that the light having the center wavelength of the light source used is coupled with the SM fiber on the receiving side as shown in FIG. It is desirable to set the position so that it is halfway between the antinodes and nodes of light propagating in the GI fiber. When the pitch Λ of light propagating through the GI fiber at the center wavelength of the light source used is defined as twice the node-to-node distance as shown in FIG. 1, the length L of the GI fiber 1 is given by the following formula ( Conditions satisfying 2) are preferred. However, in Formula (2), N is a positive integer (N = 1, 2, 3,...).

(1+2N)Λ/8−Λ/16 < L < (1+2N)Λ/8+Λ/16 ・・・(2) (1 + 2N) Λ / 8−Λ / 16 <L <(1 + 2N) Λ / 8 + Λ / 16 (2)

また、光源スペクトル帯域幅が広すぎる場合、光ファイバセンサの波長スペクトルのシフトによる光強度変化が小さくなってしまう。例えば、図14に示す実施例(GIファイバの長さL=20.092mm)のスペクトルでは、波長1400nmで透過率が最小となり、波長1600nmで透過率が最大となっている。この例では、透過率が最大を示す波長(本明細書ではこれを「最大透過率波長」ということがある。)と、透過率が最小を示す波長(本明細書ではこれを「最小透過率波長」ということがある。)との差が約200nmである。光源のスペクトル帯域幅がこの差である200nm以上になると、光ファイバセンサの感度が悪くなる。
すなわち、本発明の光ファイバセンサとともに使用する光源のスペクトル帯域幅は、「最大透過率波長と最小透過率波長との差」以下である必要があり、望ましくは「最大透過率波長と最小透過率波長との差」の半分以下である。よって、光源のスペクトル帯域幅は100nm以下であることが望ましい。このようなスペクトル帯域幅を示す光源としては、レーザダイオード(LD)やライトエミッティングダイオード(LED)、各種ランプ、レーザ媒体の自然放出光などが使用できる。また、スペクトル帯域幅が所望より広い光源を使用する場合には、バンドパスフィルタと組み合わせて、所望のスペクトル帯域幅の光を本構成の光ファイバセンサに入射させることにより、使用が可能となる。
If the light source spectrum bandwidth is too wide, the change in light intensity due to the shift of the wavelength spectrum of the optical fiber sensor becomes small. For example, in the spectrum of the embodiment shown in FIG. 14 (GI fiber length L = 20.092 mm), the transmittance is minimum at a wavelength of 1400 nm and the transmittance is maximum at a wavelength of 1600 nm. In this example, the wavelength at which the transmittance is maximum (this may be referred to as “maximum transmittance wavelength” in this specification) and the wavelength at which the transmittance is minimum (this is referred to as “minimum transmittance” in this specification). The difference from the “wavelength” is about 200 nm. When the spectral bandwidth of the light source is 200 nm or more, which is the difference, the sensitivity of the optical fiber sensor is deteriorated.
That is, the spectral bandwidth of the light source used with the optical fiber sensor of the present invention needs to be equal to or less than the “difference between the maximum transmittance wavelength and the minimum transmittance wavelength”, preferably “the maximum transmittance wavelength and the minimum transmittance”. It is less than half of the “difference from wavelength”. Therefore, the spectral bandwidth of the light source is desirably 100 nm or less. As a light source showing such a spectral bandwidth, a laser diode (LD), a light emitting diode (LED), various lamps, spontaneous emission light of a laser medium, or the like can be used. When a light source having a wider spectral bandwidth than desired is used, it can be used by making light of a desired spectral bandwidth incident on the optical fiber sensor of this configuration in combination with a band pass filter.

本発明の光ファイバセンサは、SMファイバとGIファイバとの融着部およびGIファイバの部分をリコートし、曲げた状態でも測定が可能である。確認のため、MFDが8μmのSMファイバとコア直径が50μmのGIファイバを用いてSM−GI−SMの構成である光ファイバセンサを作製し、半径20mmで曲げた状態で使用したところ、特性の変化は確認されず、光ファイバセンサとして使用することができた。光ファイバセンサを曲げた状態で使用した場合、直線上に収納した場合に比べて小型の温度計を構成することができる。   The optical fiber sensor of the present invention can be measured even when the fused portion of the SM fiber and the GI fiber and the GI fiber portion are recoated and bent. For confirmation, an optical fiber sensor having an SM-GI-SM configuration was prepared using an SM fiber with an MFD of 8 μm and a GI fiber with a core diameter of 50 μm. The change was not confirmed, and it could be used as an optical fiber sensor. When the optical fiber sensor is used in a bent state, a smaller thermometer can be configured as compared with a case where the optical fiber sensor is stored on a straight line.

本発明の光ファイバセンサは、アルミニウムなどの線膨張の大きな基材に固定することにより、感度の改善が得られる。例えば、SM−GI−SMの構成において両端のSMファイバ部分を接着剤等でアルミニウムに固定し、温度変化によるアルミニウムの膨張・収縮とともにGIファイバ部分が伸縮するようにした場合、温度変化による特性変化に加え、張力変化による特性変動も加わるため、温度計としての感度を高くすることができる。この場合、使用温度範囲においてGIファイバが緩むことがないように、光ファイバセンサを基材に固定する際には、張力を調整してから固定することが望ましい。また、GIファイバ部分を接着剤で固定すると歪みが発生し、GIファイバ中を伝搬する光の拡散・集光特性に影響を与えるため、光ファイバセンサを基材に固定するときには、SMファイバの部分で固定することが望ましい。   The optical fiber sensor of the present invention can be improved in sensitivity by being fixed to a base material having a large linear expansion such as aluminum. For example, in the SM-GI-SM configuration, when the SM fiber portions at both ends are fixed to aluminum with an adhesive or the like, and the GI fiber portion expands and contracts as the aluminum expands and contracts due to temperature changes, the characteristic changes due to temperature changes In addition to this, characteristic fluctuation due to tension change is also added, so that the sensitivity as a thermometer can be increased. In this case, it is desirable to fix the optical fiber sensor after adjusting the tension when fixing the optical fiber sensor to the substrate so that the GI fiber does not loosen in the operating temperature range. In addition, when the GI fiber portion is fixed with an adhesive, distortion occurs and affects the diffusion / condensing characteristics of light propagating in the GI fiber. Therefore, when fixing the optical fiber sensor to the base material, the SM fiber portion It is desirable to fix with.

このように、センサ部分を小型にするときには、光ファイバセンサのセンシング部を曲げて設置することも可能であり、一方、センサ感度を上げる場合には、線膨張の大きな基材に直線上に固定した構成にすることも可能であるため、所望の用途によりパッケージング構造を柔軟に選択することが可能である。   As described above, when the sensor part is made small, the sensing part of the optical fiber sensor can be bent and installed. On the other hand, when the sensor sensitivity is increased, the sensor part is fixed on a straight line on a substrate having a large linear expansion. Therefore, it is possible to flexibly select a packaging structure according to a desired application.

上述したとおり、GIファイバ部分の長さが長い方が感度を高めることができるとはいえ、あまり長いとGIファイバ内部での拡散・集光の特性の歪みが大きくなり、集光特性がなまってしまい、結果として良いセンサとすることができない。これを解決するため、本発明の光ファイバセンサは、SM−GI−SM−GI−SMのように、GIファイバからなるセンシング部を複数として、その間にSMファイバを挿入した構成とすることもできる。このような構成とすることにより、モードフィールドの歪みが解消されるため、2段目のGIファイバで再び綺麗な拡散・集光特性が得られる。しかも、GIファイバ部分の長さを全体的に長くすることができるので、光ファイバセンサとしての感度を向上できる。すなわち、拡散・集光特性の歪みによる影響を抑えながら、感度の高いセンサとすることができる。   As described above, the longer the length of the GI fiber portion, the higher the sensitivity can be. However, if the length is too long, the distortion of the diffusion / condensing characteristics inside the GI fiber increases, and the condensing characteristics are reduced. As a result, a good sensor cannot be obtained. In order to solve this problem, the optical fiber sensor of the present invention may be configured such that a plurality of sensing units made of GI fibers are inserted and SM fibers are inserted between them, as in SM-GI-SM-GI-SM. . By adopting such a configuration, the distortion of the mode field is eliminated, so that beautiful diffusion / condensing characteristics can be obtained again with the second-stage GI fiber. In addition, since the length of the GI fiber portion can be increased as a whole, the sensitivity as an optical fiber sensor can be improved. That is, it is possible to provide a highly sensitive sensor while suppressing the influence of distortion of the diffusion / condensing characteristics.

本発明の光ファイバセンサを製造する方法の一例について、図4を参照しながら説明する。まず、所望の長さLよりも長さが長いGIファイバ1を用意し、図4(a)に示すように、GIファイバ1の片端にSMファイバ2を融着接続する。そして、図4(b)に示すように、GIファイバ1の長さを所望の長さに切断したのち、切断面6にもう一方のSMファイバ2を融着接続することにより、本発明の光ファイバセンサ3が得られる。ファイバを融着接続する方法としては、例えば、ファイバの端面同士を突き合わせ、電極4,4間のアーク放電5により加熱する方法によることができる。
GIファイバ1の長さを所望の長さに切断するときには、GIファイバ1の片端にSMファイバ2を接続したものを精密ステージの上におき、マイクロスコープを使用して、融着接続部7からの長さを確認することによって精度良く切断することができる。
An example of a method for manufacturing the optical fiber sensor of the present invention will be described with reference to FIG. First, the GI fiber 1 having a length longer than the desired length L is prepared, and the SM fiber 2 is fusion-spliced to one end of the GI fiber 1 as shown in FIG. Then, as shown in FIG. 4 (b), after cutting the length of the GI fiber 1 to a desired length, the other SM fiber 2 is fused and connected to the cut surface 6, thereby obtaining the light of the present invention. A fiber sensor 3 is obtained. As a method for fusion-splicing the fibers, for example, the end faces of the fibers are butted together and heated by an arc discharge 5 between the electrodes 4 and 4.
When cutting the length of the GI fiber 1 to a desired length, the SM fiber 2 connected to one end of the GI fiber 1 is placed on a precision stage, and the fusion splice 7 is used by using a microscope. It is possible to cut with high accuracy by confirming the length of.

本発明の光ファイバセンサを用いて温度や張力の測定を行う測定システムの構成例を図5に示す。図5に示す測定システム10において、光源11からの出力光は、カプラ12により光強度50%ずつに2分岐される。カプラ12で分岐した光のうち一方は、光源11の光強度をモニタする第1の光検出器13に入射する。また、カプラ12で分岐した光のうち他方は、光ファイバセンサ3に入射されたのち、センシング部を透過したセンシング光の光強度をモニタする第2の光検出器14に入射する。この測定システム10の場合、第2の光検出器14は、受信側の伝送路となるSMファイバの先端に接続される。   FIG. 5 shows a configuration example of a measurement system that measures temperature and tension using the optical fiber sensor of the present invention. In the measurement system 10 shown in FIG. 5, the output light from the light source 11 is branched into two by the coupler 12 at a light intensity of 50%. One of the lights branched by the coupler 12 is incident on the first photodetector 13 that monitors the light intensity of the light source 11. The other of the lights branched by the coupler 12 enters the optical fiber sensor 3 and then enters the second photodetector 14 that monitors the light intensity of the sensing light transmitted through the sensing unit. In the case of this measurement system 10, the second photodetector 14 is connected to the tip of an SM fiber serving as a transmission path on the receiving side.

なお、図5において、GIファイバ1とSMファイバ2との間に表示した「×」印は、ファイバ1,2同士の融着接続部を表している。SMファイバ2を伝送路として敷設する場合には、光ケーブルCを用いて、ケーブルCの一端から引き出したSMファイバ2をセンシング部1に接続するとともに、ケーブルCの他端から引き出したSMファイバ2をカプラ12を接続する。また、送信側および受信側の伝送路は、複数本のSMファイバ2を融着接続して構成したものであっても良い。例えば、所定の長さのGIファイバ1の両端に適当な長さのSMファイバ2、2を融着接続して作製した光ファイバセンサ3を用意しておき、伝送路を構築するときに、光ファイバセンサ3のSMファイバ2と光ケーブルCのSMファイバ2とを融着接続する方法によっても良い。
本発明の測定システムにおいて、センシング部のGIファイバ1以外の光ファイバ、例えば光源11とカプラ12を接続する光ファイバ等には、シングルモード光ファイバを用いることが好ましい。また、カプラ12として、光ファイバを溶融延伸したカプラを用いる場合には、シングルモード光ファイバから製造したものを用いることが好ましい。
In FIG. 5, the “x” mark displayed between the GI fiber 1 and the SM fiber 2 represents a fusion splicing portion between the fibers 1 and 2. When laying the SM fiber 2 as a transmission path, the optical fiber C is used to connect the SM fiber 2 drawn from one end of the cable C to the sensing unit 1 and to connect the SM fiber 2 drawn from the other end of the cable C. The coupler 12 is connected. Further, the transmission path on the transmission side and the reception side may be configured by fusion-connecting a plurality of SM fibers 2. For example, when an optical fiber sensor 3 prepared by fusion-bonding SM fibers 2 and 2 having appropriate lengths to both ends of a GI fiber 1 having a predetermined length is prepared, A method of fusion-connecting the SM fiber 2 of the fiber sensor 3 and the SM fiber 2 of the optical cable C may be used.
In the measurement system of the present invention, it is preferable to use a single mode optical fiber as an optical fiber other than the GI fiber 1 of the sensing unit, for example, an optical fiber connecting the light source 11 and the coupler 12. Further, when a coupler obtained by melting and stretching an optical fiber is used as the coupler 12, it is preferable to use a coupler manufactured from a single mode optical fiber.

第1の光検出器13は、該光検出器13に入射した光の強度を光源11の光強度としてモニタし、電気信号に変換して比較演算回路15に出力する。また、第2の光検出器14は、該光検出器14に入射した光の強度をセンシング光強度としてモニタし、電気信号に変換して比較演算回路15に出力する。これらの光検出器13,14としては、フォトダイオード(PD)や光パワーメータなどを用いることができる。また、光検出器13,14によりモニタされた光強度を示す電気信号は、それぞれフォトセンサアンプ16,17を通すことにより、比較演算回路15への入力として適当なレベルまで増幅することができる。   The first light detector 13 monitors the intensity of the light incident on the light detector 13 as the light intensity of the light source 11, converts it into an electric signal, and outputs it to the comparison operation circuit 15. The second photodetector 14 monitors the intensity of the light incident on the photodetector 14 as the sensing light intensity, converts it to an electrical signal, and outputs it to the comparison operation circuit 15. As these photodetectors 13 and 14, a photodiode (PD), an optical power meter, or the like can be used. The electric signals indicating the light intensity monitored by the photodetectors 13 and 14 can be amplified to an appropriate level as an input to the comparison operation circuit 15 by passing through the photo sensor amplifiers 16 and 17, respectively.

比較演算回路15は、第1の光検出器13によってモニタされた参照光強度と、第2の光検出器14によってモニタされたセンシング光強度とを比較演算して、演算結果を測定値として出力装置18に出力する。例えば、比較演算回路15は、参照光強度を表す電気信号p1と、センシング光強度を表す電気信号p2との比を取ることで、光源強度の変化を補正したセンサ部分での透過率を計算し、この計算結果を、予め求めておいた「被測定値と透過率との関係」を元に演算処理することで、測定値を出力することができる。測定値がセンシング部の温度である場合には、「被測定値と透過率との関係」として、温度と透過率との関係を示すデータを予め用意する。また、測定値がセンシング部に加えられた張力である場合には、「被測定値と透過率との関係」として、光ファイバの張力と透過率との関係を示すデータを予め用意する。これにより、センシング部1の温度や張力の変化を計測して出力するシステムを構築することができる。   The comparison calculation circuit 15 compares the reference light intensity monitored by the first photodetector 13 with the sensing light intensity monitored by the second photodetector 14 and outputs the calculation result as a measured value. Output to the device 18. For example, the comparison operation circuit 15 calculates the transmittance at the sensor portion in which the change in the light source intensity is corrected by taking the ratio of the electrical signal p1 representing the reference light intensity and the electrical signal p2 representing the sensing light intensity. Then, the calculation result can be output based on the calculation processing based on the “relationship between measured value and transmittance” obtained in advance. When the measured value is the temperature of the sensing unit, data indicating the relationship between the temperature and the transmittance is prepared in advance as “the relationship between the measured value and the transmittance”. Further, when the measured value is the tension applied to the sensing unit, data indicating the relationship between the tension of the optical fiber and the transmittance is prepared in advance as “the relationship between the measured value and the transmittance”. Thereby, the system which measures and outputs the change of the temperature of the sensing part 1, and tension | tensile_strength can be constructed | assembled.

また、SM−GI−SM構成の光ファイバセンサにおいて、SMファイバの先端部を反射端処理しておくことにより、光は反射端で往復して、SM−GI−SM−反射端−SM−GI−SMのように、同じGIファイバの部分を2回通過することになるので、センサ感度を高くすることができる。図6に、光ファイバセンサ3に反射端Rを設けた構成の測定システム20の一例を示す。なお、図6において、図5に示す構成と同じ要素については、同じ符号を用いて重複する説明を省略することがある。
図6に示す測定システム20の場合、光源11からの出力光は、カプラ12により光強度50%ずつに2分岐される。カプラ12で分岐した光のうち一方は、光源11の光強度をモニタする第1の光検出器13に入射する。また、カプラ12で分岐した光のうち他方は、光ファイバセンサ3に入射され、センシング部を透過したのち、反射端Rによる反射光として、センシング光の光強度をモニタする第2の光検出器14に入射する。この測定システム20の場合、SMファイバ2は送信側と受信側の両方の伝送路を兼ねているので、反射光は、カプラ12を通して第2の光検出器14に入射される。
Further, in the optical fiber sensor having the SM-GI-SM configuration, when the tip end portion of the SM fiber is subjected to the reflection end treatment, the light reciprocates at the reflection end, and SM-GI-SM-reflection end-SM-GI. Since it passes through the same GI fiber part twice like -SM, the sensor sensitivity can be increased. FIG. 6 shows an example of the measurement system 20 having a configuration in which the reflection end R is provided in the optical fiber sensor 3. In FIG. 6, the same elements as those shown in FIG.
In the case of the measurement system 20 shown in FIG. 6, the output light from the light source 11 is branched into two by the coupler 12 at a light intensity of 50%. One of the lights branched by the coupler 12 is incident on the first photodetector 13 that monitors the light intensity of the light source 11. The other of the lights branched by the coupler 12 is incident on the optical fiber sensor 3, passes through the sensing unit, and then reflects the reflected light from the reflection end R as a second photodetector that monitors the light intensity of the sensing light. 14 is incident. In the case of this measurement system 20, since the SM fiber 2 serves as both transmission and reception transmission paths, the reflected light is incident on the second photodetector 14 through the coupler 12.

光ファイバの反射端処理の方法としては、光ファイバの先端に金属や誘電体多層膜からなる反射膜を蒸着やスパッタ等により形成する方法がある。また、SM−GI−反射端−GI−SMのように、GIファイバの片端を反射端処理して、送信側及び受信側の伝送路が同じSMファイバとなるように構成することも可能であるが、本発明の光ファイバセンサの場合、センシング部となるGIファイバは長さ等を正確に調整することが望まれるので、GIファイバに反射端を設ける場合には、その処理を正確に行う必要があるため、精度よく反射端を作製することが難しい。このため、反射端を設ける場合は、SMファイバの先端(詳しくは、GIファイバに接続された側とは反対側の端部)に設けることが好ましい。   As a method for treating the reflection end of the optical fiber, there is a method in which a reflection film made of a metal or a dielectric multilayer film is formed on the tip of the optical fiber by vapor deposition or sputtering. It is also possible to configure the transmission side and reception side transmission paths to be the same SM fiber by treating one end of the GI fiber as a reflection end, such as SM-GI-reflection end-GI-SM. However, in the case of the optical fiber sensor of the present invention, since it is desired to adjust the length of the GI fiber as the sensing unit accurately, it is necessary to perform the processing accurately when the reflection end is provided in the GI fiber. Therefore, it is difficult to manufacture the reflection end with high accuracy. For this reason, when providing a reflective end, it is preferable to provide at the front-end | tip of SM fiber (specifically, the edge part on the opposite side to the side connected to GI fiber).

以上説明したように、本発明の光ファイバセンサによれば、非常に簡単な構成でありながら、温度や光ファイバ張力を測定可能な高精度センサを実現することができる。作製が容易であり、信頼性が高いセンサを低コストで提供することができる。
本発明の光ファイバセンサは、光源や検出器などの一般的な装置類と組み合わせて光強度変化による測定システムを構成することができ、遠隔地からの測定を容易に実施することができる。
As described above, according to the optical fiber sensor of the present invention, a highly accurate sensor capable of measuring temperature and optical fiber tension can be realized with a very simple configuration. A sensor that is easy to manufacture and highly reliable can be provided at low cost.
The optical fiber sensor of the present invention can be combined with general devices such as a light source and a detector to constitute a measurement system based on a change in light intensity, and can easily carry out measurement from a remote location.

《SMファイバのMFD》
GIファイバの両端に接続するSMファイバのモードフィールド径(MFD)の違いによる特性変化を確認するため、コア直径が50μmのGIファイバの両端に光ファイバ融着機を用いてそれぞれSMファイバを融着し、SM−GI−SM構成の光ファイバセンサを作製した。光ファイバセンサのGIファイバの部分の長さLは約20mmである。図7及び図8に、GIファイバの温度を0℃〜100℃の範囲で変化させた場合のスペクトル(透過率の波長依存性)を表示している。図7はMFD=10μm(L=20.02mm)の場合を示し、図8はMFD=8μm(L=20.092mm)の場合を示す。どちらの場合も温度変化によりスペクトルのシフトが確認できるが、波長変化による透過率の強度差は、SMファイバのMFDが小さいほど大きい。これは、MFDが小さいほど、GIファイバからSMファイバへ再結合するところでの波長依存性が大きくなるためである。
《SMFD MFD》
In order to confirm the characteristic change due to the difference in mode field diameter (MFD) of the SM fiber connected to both ends of the GI fiber, the SM fiber is fused to each end of the GI fiber having a core diameter of 50 μm by using an optical fiber fusion machine. Then, an optical fiber sensor having an SM-GI-SM configuration was produced. The length L of the GI fiber portion of the optical fiber sensor is about 20 mm. 7 and 8 show the spectrum (transmission wavelength dependence) when the temperature of the GI fiber is changed in the range of 0 ° C to 100 ° C. FIG. 7 shows the case of MFD = 10 μm (L = 20.02 mm), and FIG. 8 shows the case of MFD = 8 μm (L = 20.092 mm). In either case, a shift in spectrum can be confirmed due to temperature change, but the intensity difference in transmittance due to wavelength change increases as the MFD of the SM fiber decreases. This is because the smaller the MFD, the greater the wavelength dependency where recombination from the GI fiber to the SM fiber occurs.

《GIファイバの長さ》
GIファイバの部分の長さLの違いによる特性変化を確認するため、GIファイバ(コア直径50μm)の両端に光ファイバ融着機を用いてそれぞれSMファイバ(MFD8μm)を融着してSM−GI−SM構成の光ファイバセンサを作製し、GIファイバの温度を0℃〜100℃の範囲で変化させた場合のスペクトル(透過率の波長依存性)を測定した。図9はLが約5mmの場合を、図10はLが約20mmの場合を、図11はLが約30mmの場合を、図12はLが約40mmの場合を、それぞれ表示している。GIファイバ部分の長さLが5mmの場合、GIファイバ部分の光路長Loが短いため、図9に示すように波長依存性や温度変化による特性変動が小さく、光ファイバセンサとしての感度は良くないことが確認できる。長さLが20mmあるいは30mmの場合は、図10および図11に示すように、温度変化による透過率の変動が大きく、光ファイバセンサとしての感度を上げることができる。しかし、長さLを40mmまで長くすると、図12に示すように、波長特性のスペクトルが乱れていることが確認できる。このため、GIファイバ部分の長さは5mm以上40mm以下であることが好ましい。より好ましくは、20mm以上30mm以下である。
<Length of GI fiber>
In order to confirm the change in characteristics due to the difference in the length L of the GI fiber portion, SM fibers (MFD 8 μm) are fused to both ends of the GI fiber (core diameter 50 μm) using an optical fiber fusion machine, respectively. An optical fiber sensor having a SM configuration was prepared, and a spectrum (wavelength dependence of transmittance) when the temperature of the GI fiber was changed in the range of 0 ° C. to 100 ° C. was measured. 9 shows a case where L is about 5 mm, FIG. 10 shows a case where L is about 20 mm, FIG. 11 shows a case where L is about 30 mm, and FIG. 12 shows a case where L is about 40 mm. When the length L of the GI fiber portion is 5 mm, since the optical path length Lo of the GI fiber portion is short, the characteristic variation due to wavelength dependency and temperature change is small as shown in FIG. 9, and the sensitivity as an optical fiber sensor is not good. I can confirm that. When the length L is 20 mm or 30 mm, as shown in FIG. 10 and FIG. 11, the transmittance varies greatly due to temperature change, and the sensitivity as an optical fiber sensor can be increased. However, when the length L is increased to 40 mm, it can be confirmed that the spectrum of the wavelength characteristic is disturbed as shown in FIG. For this reason, it is preferable that the length of a GI fiber part is 5 mm or more and 40 mm or less. More preferably, it is 20 mm or more and 30 mm or less.

《光源特性とGIファイバの長さ》
図13〜図15には、MFDが8μmのSMファイバと、コア直径が50μmのGIファイバを用いて、GIファイバの両端にそれぞれSMファイバを融着してSM−GI−SM構成の光ファイバセンサを作製し、GIファイバの部分の温度を0℃〜100℃の範囲で変化させた場合のスペクトルを測定した。このとき光源としては、エルビウム添加光ファイバを波長1.48μmのLD光源で励起した場合に得られる自然放出光を用いた。図13は、GIファイバ部分の長さLが20.002mmの場合を、図14は、GIファイバ部分の長さLが20.092mmの場合を、図15は、GIファイバ部分の長さLが20.18mmの場合を、それぞれ表示している。
図13〜図15に示すように、GIファイバ部分の長さLが、20.002mm、20.092mm、20.18mmと長くなるにつれて、透過率のスペクトルが短波長側にシフトしていく様子が確認できる。このとき光源の中心波長である1550μmにおける光の透過率に注目すると、透過率がGIファイバの長さLを長くすることにより増加していることが分かる。これは、図1で示したようにGIファイバ中で拡散・集光を繰り返しながら伝搬していく光が、受信側のSMファイバと結合する位置において、L=20.002mmでは腹の位置、L=20.18mmでは節の位置になっていることに相当する。
これらL=20.002mm、20.092mm、20.18mmの光ファイバセンサを用いて、透過光強度の温度依存性を測定した結果を図16に示す。L=20.002mmの場合とL=20.18mmの場合は、温度変化に対する光強度変化も小さく、単調変化でもないため、光ファイバセンサとしては使用しにくい。一方、GIファイバの長さL=20.092mmの場合は、温度の上昇とともに透過光の光強度が単調に増加していており、その強度変化率も±10%程度であるから光ファイバセンサとして使用できる。よって、光ファイバセンサとして高感度を得るためには、センシング部となるGIファイバの長さLは、使用光源の中心波長の光が受信側のSMファイバと結合する位置が、GIファイバ中を伝搬する光の腹と節の中間となるように設定することが望ましい。
また、L=20.092mmのサンプルを複数個作製して、それぞれのサンプルにつき透過光強度の温度依存性を測定した結果を図17に示す。すべてのサンプルでほぼ同様の曲線が得られており、センサ作製の再現性を確認することができる。
<< Light source characteristics and GI fiber length >>
13 to 15 show an SM-GI-SM optical fiber sensor in which an SM fiber with an MFD of 8 μm and a GI fiber with a core diameter of 50 μm are used, and the SM fibers are fused to both ends of the GI fiber. And the spectrum was measured when the temperature of the GI fiber portion was changed in the range of 0 ° C to 100 ° C. At this time, spontaneous emission light obtained when the erbium-doped optical fiber was excited with an LD light source having a wavelength of 1.48 μm was used as the light source. 13 shows a case where the length L of the GI fiber portion is 20.002 mm, FIG. 14 shows a case where the length L of the GI fiber portion is 20.092 mm, and FIG. 15 shows a case where the length L of the GI fiber portion is The case of 20.18 mm is indicated respectively.
As shown in FIGS. 13 to 15, as the length L of the GI fiber portion becomes as long as 20.002 mm, 20.092 mm, 20.18 mm, the transmittance spectrum shifts to the short wavelength side. I can confirm. At this time, paying attention to the light transmittance at 1550 μm, which is the center wavelength of the light source, it can be seen that the transmittance is increased by increasing the length L of the GI fiber. This is because, as shown in FIG. 1, the light propagating while repeatedly diffusing and condensing in the GI fiber is coupled with the SM fiber on the receiving side, and when L = 20.002 mm, the antinode position, L = 20.18 mm corresponds to a node position.
FIG. 16 shows the results of measuring the temperature dependence of transmitted light intensity using these optical fiber sensors of L = 20.002 mm, 20.092 mm, and 20.18 mm. In the case of L = 20.002 mm and L = 20.18 mm, the light intensity change with respect to the temperature change is small and is not monotonous change, so it is difficult to use as an optical fiber sensor. On the other hand, when the length of the GI fiber is L = 20.092 mm, the light intensity of the transmitted light monotonously increases as the temperature rises, and the intensity change rate is about ± 10%. Can be used. Therefore, in order to obtain high sensitivity as an optical fiber sensor, the length L of the GI fiber serving as the sensing unit propagates through the GI fiber at the position where the light at the center wavelength of the light source used is coupled to the SM fiber on the receiving side. It is desirable to set it to be halfway between the light belly and the node.
Further, FIG. 17 shows the results of measuring a plurality of samples with L = 20.092 mm and measuring the temperature dependence of the transmitted light intensity for each sample. Almost the same curve is obtained for all samples, and the reproducibility of sensor fabrication can be confirmed.

《張力センサとしての使用》
図18には、MFDが8μmのSMファイバと、コア直径が50μmのGIファイバを使用し、GIファイバの両端にそれぞれSMファイバを融着してSM−GI−SM構成の光ファイバセンサを作製し、GIファイバの部分の張力(単位はニュートン(N))を0N〜2.25Nの範囲で変化させた場合のスペクトルを測定した。このとき光源としては、エルビウム添加光ファイバを波長1.48μmのLD光源で励起した場合に得られる自然放出光を用いた。GIファイバ部分の長さLは20.092mmとした。GI部分に張力を加える方法としては、その両端のSMファイバを引っ張る方法を用いた。
図18に示すように、張力の上昇とともに透過光の光強度が単調に増加していており、その強度変化率も±10%程度であるから、光ファイバセンサの透過光強度を測定することで張力センサとして使用することができる。張力センサとして高感度を得るためには、センシング部となるGIファイバの長さLは、使用光源の中心波長の光が受信側のSMファイバと結合する位置が、GIファイバ中を伝搬する光の腹と節の中間となるように設定することが望ましい。
また、L=20.09mmのサンプルを複数個作製して、それぞれのサンプルにつき透過光強度の張力に対する依存性を測定した結果を図19に示す。すべてのサンプルでほぼ同様の曲線が得られており、特性変動も小さく、センサ作製の再現性を確認することができる。
<Use as tension sensor>
In FIG. 18, an SM fiber having an MFD of 8 μm and a GI fiber having a core diameter of 50 μm are used, and SM fibers are fused to both ends of the GI fiber to fabricate an optical fiber sensor having an SM-GI-SM configuration. The spectrum was measured when the tension (unit: Newton (N)) of the GI fiber portion was changed in the range of 0N to 2.25N. At this time, spontaneous emission light obtained when the erbium-doped optical fiber was excited with an LD light source having a wavelength of 1.48 μm was used as the light source. The length L of the GI fiber portion was 20.092 mm. As a method of applying tension to the GI portion, a method of pulling SM fibers at both ends was used.
As shown in FIG. 18, the light intensity of the transmitted light monotonously increases as the tension increases, and the intensity change rate is about ± 10%. Therefore, by measuring the transmitted light intensity of the optical fiber sensor, It can be used as a tension sensor. In order to obtain high sensitivity as a tension sensor, the length L of the GI fiber serving as the sensing unit is such that the position where the light at the center wavelength of the light source used is coupled to the SM fiber on the receiving side is the position of the light propagating in the GI fiber. It is desirable to set it so that it is halfway between the belly and the node.
In addition, FIG. 19 shows the results of measuring a plurality of samples with L = 20.09 mm and measuring the dependency of the transmitted light intensity on the tension for each sample. Almost the same curve is obtained for all the samples, the characteristic fluctuation is small, and the reproducibility of sensor fabrication can be confirmed.

本発明は、遠隔地からの温度や張力の測定に利用することができる。   The present invention can be used to measure temperature and tension from a remote location.

(a)、(b)、(c)は、本発明の光ファイバセンサを示す模式図である。(A), (b), (c) is a schematic diagram which shows the optical fiber sensor of this invention. GIファイバのコア直径が50μmの場合に、GIファイバ部分の長さと透過率(相対比)との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the length of a GI fiber part, and the transmittance | permeability (relative ratio) when the core diameter of GI fiber is 50 micrometers. GIファイバのコア直径が320μmの場合に、GIファイバ部分の長さと透過率(相対比)との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the length of a GI fiber part, and the transmittance | permeability (relative ratio) when the core diameter of GI fiber is 320 micrometers. (a)、(b)、(c)は、本発明の光ファイバセンサを製造する方法の一例を説明する図面である。(A), (b), (c) is drawing explaining an example of the method of manufacturing the optical fiber sensor of this invention. 本発明の光ファイバセンサを用いた測定システムの一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the measurement system using the optical fiber sensor of this invention. 本発明の光ファイバセンサを用いた測定システムの第2の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 2nd example of the measurement system using the optical fiber sensor of this invention. SMファイバのMFDが10μmの場合に、GIファイバ部分の温度を0℃〜100℃の範囲で変化させた場合のスペクトルの一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the spectrum at the time of changing the temperature of GI fiber part in the range of 0 degreeC-100 degreeC, when MFD of SM fiber is 10 micrometers. SMファイバのMFDが8μmの場合に、GIファイバ部分の温度を0℃〜100℃の範囲で変化させた場合のスペクトルの一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the spectrum at the time of changing the temperature of GI fiber part in the range of 0 degreeC-100 degreeC, when MFD of SM fiber is 8 micrometers. GIファイバ部分の長さが約5mmの場合に、GIファイバ部分の温度を0℃〜100℃の範囲で変化させた場合のスペクトルの一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the spectrum at the time of changing the temperature of GI fiber part in the range of 0 to 100 degreeC, when the length of GI fiber part is about 5 mm. GIファイバ部分の長さが約20mmの場合に、GIファイバ部分の温度を0℃〜100℃の範囲で変化させた場合のスペクトルの一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the spectrum at the time of changing the temperature of a GI fiber part in the range of 0 degreeC-100 degreeC, when the length of a GI fiber part is about 20 mm. GIファイバ部分の長さが約30mmの場合に、GIファイバ部分の温度を0℃〜100℃の範囲で変化させた場合のスペクトルの一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the spectrum at the time of changing the temperature of GI fiber part in the range of 0 to 100 degreeC, when the length of GI fiber part is about 30 mm. GIファイバ部分の長さが約40mmの場合に、GIファイバ部分の温度を0℃〜100℃の範囲で変化させた場合のスペクトルの一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the spectrum at the time of changing the temperature of GI fiber part in the range of 0 to 100 degreeC, when the length of GI fiber part is about 40 mm. GIファイバ部分の長さが20.002mmの場合に、透過率と光源強度のスペクトルを重ねて示したグラフである。It is the graph which showed the spectrum of the transmittance | permeability and light source intensity in the case where the length of the GI fiber portion is 20.000 mm. GIファイバ部分の長さが20.092mmの場合に、透過率と光源強度のスペクトルを重ねて示したグラフである。It is the graph which showed the spectrum of the transmittance | permeability and light source intensity in the case where the length of the GI fiber portion is 20.092 mm. GIファイバ部分の長さが20.18mmの場合に、透過率と光源強度のスペクトルを重ねて示したグラフである。When the length of a GI fiber part is 20.18 mm, it is the graph which showed the spectrum of the transmittance | permeability and light source intensity in piles. 光強度変化の温度依存性を測定した結果の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the result of having measured the temperature dependence of light intensity change. 光強度変化の温度依存性の再現性を示すグラフである。It is a graph which shows the reproducibility of the temperature dependence of a light intensity change. GIファイバ部分の張力を変化させた場合の透過率スペクトルの変化と光源強度のスペクトルを重ねて示したグラフである。It is the graph which showed the change of the transmittance | permeability spectrum at the time of changing the tension | tensile_strength of a GI fiber part, and the spectrum of light source intensity. 張力に対する光強度変化の依存性の再現性を示すグラフである。It is a graph which shows the reproducibility of the dependence of the light intensity change with respect to tension | tensile_strength.

符号の説明Explanation of symbols

1…グレーテッドインデックス光ファイバ(GIファイバ)、2…シングルモード光ファイバ(SMファイバ)、3…光ファイバセンサ、10…測定システム、11…光源、13…第1の光検出器、14…第2の光検出器、15…比較演算回路、20…測定システム。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Graded index optical fiber (GI fiber), 2 ... Single mode optical fiber (SM fiber), 3 ... Optical fiber sensor, 10 ... Measurement system, 11 ... Light source, 13 ... 1st photodetector, 14 ... 1st 2 photodetectors, 15... Comparison operation circuit, 20.

Claims (8)

センシング部がグレーテッドインデックス光ファイバからなり、該センシング部への送信側及び受信側の伝送路がシングルモード光ファイバからなり、
使用光源の中心波長で前記グレーテッドインデックス光ファイバ中を拡散と集光を繰り返しながら伝搬する光のピッチΛに対して、前記グレーテッドインデックス光ファイバからなるセンシング部の長さLは、下記の式を満たすことを特徴とする光ファイバセンサ。
(1+2N)Λ/8−Λ/16 < L < (1+2N)Λ/8+Λ/16
ただし、Nは正の整数(N=1,2,3,…)である。
Sensing unit consists graded index optical fiber, Ri transmission path on the transmission side and the reception side to the sensing unit Do from the single-mode optical fiber,
The length L of the sensing unit made of the graded index optical fiber with respect to the pitch Λ of light propagating while repeating diffusion and condensing in the graded index optical fiber at the center wavelength of the light source used is: An optical fiber sensor characterized by satisfying
(1 + 2N) Λ / 8−Λ / 16 <L <(1 + 2N) Λ / 8 + Λ / 16
However, N is a positive integer (N = 1, 2, 3,...).
前記センシング部を透過した光強度の変化を測定して使用され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。The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the optical fiber sensor is used by measuring a change in light intensity transmitted through the sensing unit. 前記センシング部を複数、直列に配置し、その間にシングルモード光ファイバを挿入したことを特徴とする請求項1または2に記載の光ファイバセンサ。The optical fiber sensor according to claim 1, wherein a plurality of the sensing units are arranged in series, and a single mode optical fiber is inserted therebetween. 前記センシング部の一方の側に、送信側と受信側の両方の伝送路を兼ねる第1のシングルモード光ファイバが接続され、前記センシング部の他方の側に、先端部を反射端処理した第2のシングルモード光ファイバが接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光ファイバセンサ。A first single-mode optical fiber that serves as both transmission and reception transmission paths is connected to one side of the sensing unit, and a second end having a tip end reflected at the other side of the sensing unit. The optical fiber sensor according to claim 1, wherein a single mode optical fiber is connected. 光源の光強度をモニタした参照光強度と、光源より入射されて請求項1〜4のいずれか一項に記載の光ファイバセンサを透過する光強度をモニタしたセンシング光強度とを比較演算して、センシング部の温度変化を測定することを特徴とする温度測定方法。 The reference light intensity obtained by monitoring the light intensity of the light source is compared with the sensing light intensity obtained by monitoring the light intensity incident from the light source and transmitted through the optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 4. A temperature measuring method characterized by measuring a temperature change of the sensing unit. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の光ファイバセンサと、該光ファイバセンサに光を入射する光源と、光源の光強度を参照光強度としてモニタする第1の光検出器と、光源より入射されて前記光ファイバセンサを透過する光強度をセンシング光強度としてモニタする第2の光検出器と、前記センシング光強度を前記参照光強度と比較演算してセンシング部の温度変化を出力する比較演算回路を備えることを特徴とする温度測定システム。 An optical fiber sensor according to any one of claims 1-4, a light source for incident light to the optical fiber sensor, a first optical detector for monitoring the light intensity of the light source as reference light intensity, the light source A second photodetector that monitors the intensity of light that is more incident and transmitted through the optical fiber sensor as sensing light intensity, and compares the sensing light intensity with the reference light intensity and outputs a temperature change of the sensing unit A temperature measurement system comprising a comparison operation circuit. 光源の光強度をモニタした参照光強度と、光源より入射されて請求項1〜4のいずれか一項に記載の光ファイバセンサを透過する光強度をモニタしたセンシング光強度とを比較演算して、センシング部に印加された張力を測定することを特徴とする張力測定方法。 The reference light intensity obtained by monitoring the light intensity of the light source is compared with the sensing light intensity obtained by monitoring the light intensity incident from the light source and transmitted through the optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 4. A tension measuring method characterized by measuring the tension applied to the sensing unit. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の光ファイバセンサと、該光ファイバセンサに光を入射する光源と、光源の光強度を参照光強度としてモニタする第1の光検出器と、光源より入射されて前記光ファイバセンサを透過する光強度をセンシング光強度としてモニタする第2の光検出器と、前記センシング光強度を前記参照光強度と比較演算してセンシング部に印加された張力を出力する比較演算回路を備えることを特徴とする張力測定システム。 An optical fiber sensor according to any one of claims 1-4, a light source for incident light to the optical fiber sensor, a first optical detector for monitoring the light intensity of the light source as reference light intensity, the light source A second photodetector for monitoring the intensity of light that is incident and transmitted through the optical fiber sensor as the intensity of sensing light, and the tension applied to the sensing unit by comparing the sensing light intensity with the reference light intensity. A tension measurement system comprising a comparison operation circuit for outputting.
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