CN1991314A - 光学式传感器、温度测量装置及其测量方法 - Google Patents

光学式传感器、温度测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

提供不将采样频率或脉冲宽度高速化地，低成本地提高温度测量的距离分辨能力的光学式传感器、光学式温度测量装置以及使用光学式传感器的测量方法。光学式传感器，具有：由在温度、形变、压力等的测量位置配置的光纤14构成的传感部12；使光入射到该传感部12的光源75；检测来自传感部12的向后散射光的光电探测器76、77；在带状片13上以规定的曲率将光纤14配设为波浪形状而形成传感部12。

Description

光学式传感器、温度测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及检测在光纤等中产生的拉曼散射光来测量温度等的光学式传感器、光学式温度测量装置以及使用光学式传感器的测量方法。
背景技术
存在使用光纤等进行温度、形变、压力的测量或者断裂位置的检测的光学式传感器，特别地，存在利用光纤的拉曼散射的光学式温度传感器。
图7是表示将电路72与光学式温度传感器71相连而构成的光学式温度测量装置70的电路图。
如图7所示，光学式温度传感器71，具有：由在温度测量位置配置的光纤(测量用长距离光纤)73构成的传感部；将光信号入射到光纤73的光源(发光元件)75；接收来自光纤73的向后散射光的两个光电探测器(受光元件)76、77。光源75以及受光元件76、77，通过波长滤波器74与一条光纤73相连。
光源75以及两个受光元件76、77分别与电路72电气连接。具体地，各受光元件76、77，与使来自受光元件76、77的信号放大的接收信号放大器78、78连接，接收信号放大器78、78分别与模数转换器(AD转换器)79、79相连，AD转换器79、79都与信号处理电路80相连。另外，光源75也通过发光元件驱动电路81与信号处理电路80连接。
光纤73，是在纤芯掺杂了Ge的一般的通信用的多模光纤或单模光纤等。
当使激光二极管等发光元件75的光入射到光纤73中时，在光纤73的各部分产生微弱的拉曼散射光。如图8所示，该拉曼散射光，以入射光波长λ0为中心，在其两侧的波段中产生。长波长侧的拉曼散射光，被称为斯托克司光λSt，短波长侧的拉曼散射光，被成为反斯托克司光λAs。光纤73中产生的斯托克司光和反斯托克司光的强度比，取决于光纤73的温度。因此，根据被测量温度的物体的温度，光纤73的温度发生变化，检测到的斯托克司光和反斯托克司光的强度比发生变化。通过求得该强度比就可以测量被测量温度的物体的温度。
在光学式温度测量装置70中，向后散射的斯托克司光和反斯托克司光通过波长滤波器74分离，分别独立地由受光元件76、77接收。接收到的光被转换成电信号，通过接收信号放大器78放大该电信号，放大后的电信号，通过AD转换器79转换为数字信号，被输入信号处理电路80。在信号处理电路80中，根据输入的电信号求得温度，来显示温度信号。
一般来说，拉曼散射光，由于其强度非常微弱，所以通过受光元件76、77转换后的电信号是S/N比较低的信号。因此，通过多次检测拉曼散射光并对检测出的多个电信号进行相加平均化处理，来提高S/N比，改善温度的测量精度。
此外，作为利用拉曼散射光的光学式温度传感器的已有技术文献信息，有如下文献。
【专利文献1】专利第2784199号公报
发明内容
在图7的光学式温度传感器71中，使脉冲光入射到光纤73中，检测由于该脉冲光所产生的拉曼散射光。在使用脉冲光的光学式温度传感器71中，根据脉冲光的脉冲宽度、或者对接收信号进行转换时的采样频率，来决定距离分辨能力。
在接收拉曼散射光的系统中，若脉冲宽度为W[s]、光速为c[m/s]、光纤的折射率为n，则温度测量中的距离分辨能力Δx[m]通过下式给出。
Δx＝cW/2n
由此，若c＝3×108[m/s]、n＝1.5，为了得到1m的距离分辨能力，则必须使脉冲宽度10ns的脉冲光入射到光纤中。而且，若要得到0.1m的距离分辨能力，则必须使脉冲宽度1ns的脉冲光入射。
另外，当采样频率为fs[Hz]时，根据采样频率决定的距离分辨能力Δx[m]通过下式给出。
Δx＝c/2nfs
由此，若c＝3×108[m/s]、n＝1.5、fs＝100[MHz]，则距离分辨能力Δx为1m。另外，若要得到0.1m的距离分辨能力，则fs＝1[GHz]。
据此，为了使光学式温度传感器的距离分辨能力小于等于0.1m，至少需要采样频率大于等于1GHz，需要使脉冲光的脉冲宽度小于等于1ns的、可高速动作的电路，以现在的技术水平难以构成低成本的电路。
因此，本发明的目的是，解决上述课题，提供不提高采样频率或缩小脉冲宽度地、低成本地提高温度测量的距离分辨能力的光学式传感器、光学式温度测量装置以及使用光学式传感器的测量方法。
为达到上述目的，权利要求1的发明，是一种光学式传感器，其具有：由在温度、形变、压力等的测量位置配置的光纤形成的传感部；使光入射到该传感部的光源；检测来自传感部的向后散射光的光电探测器；其中，所述传感部，在带状片上以规定的曲率将光纤配设为波浪形状而成。
权利要求2的发明，是权利要求1所述的光学式传感器，其中，所述光纤为有孔光纤。
权利要求3的发明，是权利要求1或2所述的光学式传感器，其中，所述带状片具有挠性。
权利要求4的发明，是一种光学式传感器，其具有：由在温度、形变、压力等的测量位置配置的光波导形成的传感部；使光入射到该传感部的光源；检测来自传感部的向后散射光的光电探测器；其中，所述传感部以高分子光波导形成、该高分子光波导的波导芯以规定的曲率配设为波浪形状而成。
权利要求5的发明，是权利要求1～4中任意一项所述的光学式传感器，其中，多个所述传感部通过连接用的光纤相连。
权利要求6的发明，是一种光学式温度测量装置，其具有：由在温度的测量位置配置的光纤形成的传感部；使光入射到该传感部的光源；检测来自传感部的拉曼散射光的光电探测器；与所述光源和光电探测器连接的、对所述拉曼散射光进行电气处理并显示温度信号的电路；其中，所述传感部，在带状片上，以规定的曲率将光纤配设为波浪形状而成。
权利要求7的发明，是一种光学式温度测量装置，其具有：由在温度的测量位置配置的光波导形成的传感部；使光入射到该传感部的光源；检测来自传感部的拉曼散射光的光电探测器；与所述光源和光电探测器连接的、对所述拉曼散射光进行电气处理并显示温度信号的电路；其中，所述传感部由高分子光波导形成，该高分子光波导的波导芯以规定的曲率配设为波浪形状而成。
权利要求8的发明，是一种使用光学式传感器的测量方法，其通过在被测量物上配设由长尺寸的光纤形成的传感部或使二者接近，使光入射到该传感部，并检测在传感部产生的向后散射光，来测量所述被测量物的物理量变化，其特征在于，将所述传感部在带状片上以规定的曲率将光纤配设为波浪形状而形成，并将其在被测量物上卷绕成螺旋状来测量被测量物的物理量变化。
权利要求9的发明，是一种使用光学式传感器的测量方法，其通过在被测量物上配设由长尺寸的光波导形成的传感部或使二者接近，使光入射到该传感部，并检测在传感部产生的向后散射光，来测量所述被测量物的物理量变化，其特征在于，将所属传感部以高分子光波导形成、同时将该高分子光波导的波导芯以规定的曲率配设为波浪形状而形成，并将其在被测量物上卷绕成螺旋状来测量被测量物的物理量变化。
根据本发明发挥如下出色的效果，即，可以使在不提高采样频率或缩小脉冲宽度的情况下低成本地测量温度、形变、压力等或检测断裂位置中的距离分辨能力提高。
附图说明
图1是表示本发明的适宜的实施方式的光学式传感器的平面图。
图2是图1的传感部的放大平面图。
图3是表示图2的传感部的制造装置的概略侧面图。
图4是表示图2的传感部的制造装置的概略顶视图。
图5是将图2的传感部卷绕在被测量温度的物体上的斜视图。
图6是表示光学式温度传感器的变形例的平面图。
图7是表示光学式温度检测装置的电路图。
图8式表示拉曼散射光的波长特性的图。
符号说明
10光学式温度传感器
11温度传感器本体
12传感部(带状光纤)
13带状片
14光纤
72信号处理电路
75光源
76、77光电探测器
具体实施方式
以下，根据附图，对本发明的一适宜的实施方式进行详细说明。
本发明与进行温度、形变、压力的测量，或长尺寸的电缆的断裂位置的检测的光学式传感器相关，在本实施方式中，对测量温度的光学式温度传感器进行说明。
图1是表示本发明的光学式温度传感器的适宜的实施方式的平面图。
光学式温度传感器10具有：温度传感器本体11，和具备配置在温度的测量位置的光纤14的传感部12。温度传感器本体11，主要具有使光入射到传感部12的光源和检测来自传感部12的拉曼散射光的光电探测器。但是，光源及检测器和光纤14的连接，和之前说明的图7的光学式温度传感器71相同。
并且，本实施方式的光学式温度传感器10具有如下特征：即在带状片13上，将光纤14以规定的曲率配设为波浪形状而形成传感部12。在本实施方式中，在带状片13内埋设光纤14，由在带状片13内将光纤14形成波浪线状的带状光纤构成传感部12。
作为光纤14，理想的是使用在纵向上有多个空孔的有孔光纤，此外，也可以使用实心的单模光纤(SMF)或多模光纤(MMF)等。
带状片13，理想的是使用具有挠性的硅胶树脂或聚合物材料形成。此外，带状片13也可以使用硬质材料形成。
如图2所示，传感部(带状光纤)12，理想的是使光纤14具有规定的周期地形成波浪线状。光纤14所形成的波浪线的形状，被形成为正弦波状或锯齿状(蛇行)，光纤14中，距离带状片13的侧端最近的部分14a以最小曲率弯曲。
在本实施方式中，作为光纤14使用有孔光纤，使其最小弯曲直径L为10mm，使光纤14所形成的波浪线的每1周期的光纤长s为100mm。在此，光纤14所形成的波浪线被形成为锯齿状，使最小弯曲直径L约为对应于光纤1周期的带状片13的长度的一半。
接下来，说明带状光纤12的制造方法。
图3是表示带状光纤12的制造装置的侧面图，图4是表示带状光纤12的制造装置的顶视图。
如图3、图4所示，制造装置30具有：送出光纤14的光纤送出装置31；用于将光纤14形成波浪线状的波浪线加工辊32；为了覆盖光纤14，送出覆盖材料的覆盖材料送出装置33；送出形成带状片的一侧的带材料的第1带材料送出装置34；送出形成带状片的另一侧的带材料的第2带材料送出装置36；使送出的各材料结合的辊35、37；使覆盖材料以及带材料热硬化的热硬化装置38；对已形成的带状光纤12进行卷取的卷取装置39。
从光纤送出装置31将光纤14送出到波浪线加工辊32。波浪线加工辊32，在相对于光纤送出方向大体垂直的方向上往复移动，因此，送出的光纤14成为波浪线状，被送出到辊35。通过辊35，光纤14以从覆盖材料送出装置33、33送出的覆盖材料覆盖，同时，在光纤14形成的波浪形状的面的一侧，涂布从第1带材料送出装置34送出的带材料。通过辊37，在光纤14形成的波浪形状的面的另一侧，也涂布从第2带材料送出装置36送出的带材料，光纤14以带材料覆盖。覆盖光纤14的带材料通过热硬化装置38硬化，在带状片13上形成。带状片13形成而得到的带状光纤12，通过卷取装置39被卷取。
光学式温度传感器10，从温度传感器本体11内的光源，将光入射到在被测量温度的物体上敷设的带状光纤12中，通过温度传感器本体11内的光电探测器检测光纤14内产生的向后散射光的光强度(斯托克司光以及反斯托克司光的光强度比)，根据该光强度求得被测量温度的物体的温度(详细参照图7)。
在此，对本实施方式的光学式温度传感器10的距离分辨能力进行说明。
若最小弯曲直径(相当于带状光纤12的光纤每1周期的片长的约一半)为L，每半周期的光纤的长度为s，光学式传感器的距离分辨能力为Δs，则通过波浪线状地配置光纤而得到的距离分辨能力ΔL，通过下式表示。
ΔL＝Δs·L/s
在此，在表1中表示光纤14的最小弯曲直径L和光学式传感器10的距离分辨能力ΔL的关系。
表1
  最小弯曲直径L   每半周期的光纤长s   光纤的距离分辨能力Δs   通过以波浪线状配置光纤而得到的距离分辨能力ΔL
  有孔光纤   10mm   100mm   1000mm   100mm
  SMF   30mm   100mm   1000mm   300mm
如表1(有孔光纤的行)所示，例如，若Δs＝1[m]、s＝0.1[m]、L＝0.01[m]，则ΔL＝0.1[m]。因此，光学式温度传感器10的距离分辨能力，相对于将光纤直线地配设的光学式温度传感器的距离分辨能力1m，成为其1/5。这样，通过波浪线状地配设光纤14，可以提高实质上的距离分辨能力。即，本实施方式的光学式温度传感器10，通过相对于光纤14的长度，缩短被测量温度的物体(传感部12)的纵向距离，可以在不提高对检测出的向后散射光进行电气变换时的采样频率，或不减小入射到光纤14的脉冲光的脉冲宽度的情况下，提高距离分辨能力。
另外，在本实施方式中，作为光纤14使用有孔光纤。在有孔光纤中，与实心的光纤(单模光纤)相比，最小弯曲直径L较小。例如，当有孔光纤的最小弯折直径为10mm，SMF的最小弯折直径为30mm时，如表1所示，光学传感器10中的距离分辨能力ΔL，在有孔光纤的情况下成为100mm，在SMF的情况下成为300mm，通过使用有孔光纤，可以使距离分辨能力ΔL变为1/3。
另外，在通常的光纤中，当波浪线状的弯曲部分的曲率大时，损失变大，但是通过使用即使高度弯曲也低损失的有孔光纤，可以降低损失且提高距离分辨能力。
带状片13宽度较大，且具有挠性，因此易于向被测量温度的物体敷设或固定。因此，在对电缆或蒸气配管等被测量温度的物体较长的物体，以及尺寸大的物体等的温度分布进行测量的情况下，特别有效。
图5是表示光学式温度传感器10的应用例的图。如图5所示，例如，在圆柱状的长尺寸的被测量温度的物体51上螺旋状地卷绕带状光纤12。由此，如图2中说明的那样，在带状片13内波浪状地配设光纤14，且该带状光纤12螺旋状地卷绕在被测量温度的物体51的周围，因此，与光纤14的长度相对的圆柱纵向的距离变得更短，可以进一步提高距离分辨能力。
另外，带状光纤12的卷绕方法不限于螺旋状，在多次重叠卷绕后，也可以稍微错开卷绕位置，再反复进行多次重叠卷绕。在这种情况下，可以进一步提高温度测量的距离分辨能力。
在图1的光学式传感器10中，在1片带状片13上将光纤14配设为波浪线状而形成传感部12，但也可以如图6所示，通过连接用的光纤61，连接多个传感部12。通过形成串联连接的多个传感部12、12、12，在互相离开距离的多个被测量温度的物体中，需要高距离分辨能力的部位可以一起测量。
在本实施方式的光学式温度传感器10中，在带状片13内埋设光纤14，形成带状光纤12，但也可以在带状片13的表面，将光纤14以波浪线状固定，来形成带状光纤。
本实施方式的光学式温度传感器10，温度传感器本体11至少具有图7所示的光源75以及光电探测器76、77，但是本发明也包含，将温度传感器本体11的光源75以及光电探测器76、77与电路72相连的光学式温度测量装置。
接下来，对另一实施方式的光学式传感器进行说明。
图1的光学式温度传感器10，在带状片13上配设光纤14而形成传感部12，但是本实施方式的光学式温度传感器以高分子光波导形成传感部，并将该高分子光波导的波导芯以规定的曲率配设为波浪形状，在这一点上和图1的光学式温度传感器10不同。
高分子光波导(聚合物光波导)，在基板上以聚合物材料形成由波导芯和包层构成的光波导。聚合物光波导，传送光的波导(波导芯)和具有挠性的基板以及覆盖材料(包层)一体地平面状地形成，光波导整体具有挠性。
本实施方式的光学式温度传感器，和图1的光学式温度传感器10相比，波导芯对应于光纤14，包层和基板对应于带状片13，聚合物光波导对应于带状光纤12。
本实施方式的光学式传感器也具有和图1的光学式传感器相同的作用效果。
而且，聚合物波导，使用掩模在基板(包层)上形成波导(波导芯)图形，所以，与图1的光学式温度传感器的带状光纤12相比，可以高精度且容易地制成波浪线状的图形。
聚合物波导，波导芯和包层以同类材料(严格地说是折射率相异而不同的材料)形成，所以可以减少构成传感部的部件数量，可以使安装变得简单并实现低成本化。
作为使用光纤或者光波导的物理量测量，除温度测量之外，有形变测量、压力测量等。温度测量的情况下，通过检测作为向后散射光的拉曼散射光，可以测量温度。另外，在测量形变、压力等的情况下，通过检测作为向后散射光的布里渊散射光，可以测量形变、压力。
而且，也可以使用本发明，检测由于光纤的断开而产生的瑞利散射光来测量光纤的断开位置。

Claims (9)

1.一种光学式传感器，具有：由在温度、形变、压力等的测量位置配置的光纤构成的传感部；使光入射到该传感部的光源；检测来自传感部的向后散射光的光电探测器；其特征在于，
所述传感部，在带状片上将光纤以规定的曲率配设为波浪形状而成。
2.根据权利要求1所述的光学式传感器，其特征在于，
所述光纤为有孔光纤。
3.根据权利要求1或2所述的光学式传感器，其特征在于，
所述带状片具有挠性。
4.一种光学式传感器，具有：由在温度、形变、压力等的测量位置配置的光波导构成的传感部；使光入射到该传感部的光源；检测来自传感部的向后散射光的光电探测器；其特征在于，
所述传感部由高分子光波导形成，该高分子光波导的波导芯以规定的曲率配设为波浪形状而成。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的光学式传感器，其特征在于，
多个所述传感部通过连接用的光纤相连。
6.一种光学式温度测量装置，具有：由在温度的测量位置配置的光纤构成的传感部；使光入射到该传感部的光源；检测来自传感部的拉曼散射光的光电探测器；与所述光源以及光电探测器连接、电气处理所述拉曼散射光并显示温度信号的电路；其特征在于，
所述传感部，在带状片上将光纤以规定的曲率配设为波浪形状而成。
7.一种光学式温度测量装置，具有：由在温度的测量位置配置的光波导构成的传感部；使光入射到该传感部的光源；检测来自传感部的拉曼散射光的光电探测器；与所述光源以及光电探测器连接、电气处理所述拉曼散射光并显示温度信号的电路；其特征在于，
所述传感部，由高分子光波导形成，且该高分子光波导的波导芯以规定的曲率配设为波浪形状而成。
8.一种使用光学式传感器的测量方法，其通过在被测量物上配设由长尺寸的光纤形成的传感部或使二者接近，使光入射到该传感部，并检测在传感部产生的向后散射光，来测量所述被测量物的物理量变化，其特征在于，
通过在带状片上以规定的曲率将光纤设置成波浪形状而形成所述传感部，并将所述传感部在被测量物上卷绕成螺旋状来测量被测量物的物理量变化。
9.一种使用光学式传感器的测量方法，其通过在被测量物上配设由长尺寸的光波导形成的传感部或使二者接近，使光入射到该传感部，并检测在传感部产生的向后散射光，来测量所述被测量物的物理量变化，其特征在于，
将所属传感部以高分子光波导形成，同时将该高分子光波导的波导芯以规定的曲率配设为波浪形状而形成，并将所述传感部在被测量物上卷绕成螺旋状来测量被测量物的物理量变化。
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