JPS61270632A - 光ファイバ形温度分布計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ この発明はラマン散乱によるストークス光と反ストーク
ス光どの強度比が温度の関数であることを利用した温度
計測装置であって、光ファイバの長さ方向の温度分布を
連続的に月つ高精反に計測することができる光ファイバ
形温度分布３１測装置に関する。

［従来の技術］ 従来の光ファイバを用いた温度計測装置を第５図に示す
。

パルス発生器１のパルス信号はパルスディレィ回路２を
経て光源駆動装置３に入力され、パルス信号に従う光源
駆動装置３の駆動により、パルス光が光源４から出射さ
れる。光源４より出射したパルス光は、方向性結合器５
、集光レンズ６を通って光ファイバ７に入射する。この
入射光は光ファイバ７でレイリー散乱を起こし、その後
方散乱光は光ファイバ７を逆行し、集光レンズ６を通り
方向性結合器５により分離されて受光素子８にて光電変
換され、更に増幅器９で増幅されて信号処理回路１０に
入力される。また、信号処理回路１０にはパルス発生器
１のパルス信号が入力されると共に信号処理回路１０に
はその結果を表示する表示器１１が接続されている。

光ノア／イバ７の軸方向に沿った点ａ、ｈ、ｃ。

・・・には温度変換器１２が設（ｊられている。Ｍ瓜変
換器１２は光）？イバ７にマイクロベントを与えるもの
ぐ、ｍ１ｉ−ｎどともに光ファイバ７のマイク［１ベン
ド損失を増加させる。従って、信号処理回路１０に入力
される光ファイバ７からの後方散乱光の強度信号には、
第６図に示すＪ、うに、温度変換器１２が設置された各
点ａ　、　ｂ　、　ｃに対応してマイクロベント損失に
よる減少が現われる。この後方散乱光強度の減少量から
、第７図に示すように各点ａ、ｂ、ｃの温度が求まるこ
とになる。

まｌζ、光源４から出射したパルス光が受光素子８に到
達づるまでの時間１ｒは、ｔｒ＝　２　Ｒ（Ｘ　）　／
ｃ（ここでで（×）は光ファイバ７の入射端からその後
１ｊ散乱を生じた地点までの光フＩイバ７の長さ、Ｃは
光フアイバ７中での光速度である）と表わされるので、
信号処理回路１０でパルスｆ＠　；ｌ器１からのパルス
信号と受光素子８からの検出信号どの時間差から時間１
ｒをｈ１測することにＪ、す、後方散乱光を牛じた位置
を標定Ｊることができる。

［発明が解決ｌ）ようとする問題点１ ところが温度変換器１２を用い後方散乱光強度の減少量
から光ファイバ７に沿った多点での調度計測を行なう１
配の方法では、温度変換器１２を通過する毎に光強爪が
減衰するため、温度計測点の数が制限される。また、温
度変化に対する温度変換器１２の損失を小さりＬノで多
数点の温度ｈ１測を行なおうとすると、測定温度精度が
悪化してしまうという難点があった。

［発明の目的］ この発明は以−１の従来技術の問題点を解消すべく創案
されたものであり、この発明は光ファイバの良さ方向の
温度分布を連続的にしかも精度よくｇ１測することがで
きる光ファイバ形温度分布泪測装置を提供することを目
的とする。

［発明の概要１ この発明は、測定温度領域に配設される光ファイバと、
光ファムにその入射端よりパルス光を入射するための光
源と、光ファイバの入射端から出射される一１記パルス
尤の後方散乱光のうらラマン散乱によるスト−クス光お
よび反ストークス光の強度を検出する検出系と、検出系
が検出したストークス光と反ストークス光との強度比Ｊ
ζり光ファイバの温石を求めるとバに、上記光源からパ
ルス光が出射され（から検出系がラマン散乱光を検出す
るまでの時間より、光ファイバの温度測定位置を求める
信号処理回路とを備えてなるものである。

この発明は、後方散乱光のラマン散乱（誘導ラマン散乱
を含む）によるスト−クス光と反ストークス光どの強度
比が温度の関数であることを利用【ノて温度Ｓ１測を行
なうことを特徴とする。

［実施例１ 以下に、この発明の実施例を添付図面に従って詳述する
。

第１図において、７は光ファイバであり、光ファイバ７
は測定しようとする温度領域に配設される。光）７フイ
バ７の入射端側には集光レンズ６を介して方向性結合器
５が設けられると共に、方向性結合器５の一方のボート
には光源４が、他方のポートには後方散乱光の検出系１
３が設けられている。光源４には光源駆動装＠３、パル
スディ１ノイ回路２、パルス発生器１が接続されている
。パルス発生器１から出力された信号はそのまま信号処
理回路２２に入力される一方、パルスディレィ回路２で
所定時間だけ遅らされたパルス信号が光源駆動装置３に
入力される。光源駆動装置３はこの入力されたパルス信
号にしたがって光源４を駆動し、光源４からはパルス光
が出射される。光源４からのパルス光は方向性結合器５
、集光レンズ６を通って光ファイバ７に入射される。光
ファイバ７に入射されるパルス光のエネルギーを１０６
Ｗ／Ｃ１１１２以上で１つ光ファイバ７に光損傷を生じ
ない程度に大きく覆ると、光ファイバ７ではレイリー散
乱の外に、ラマン散乱が生じストークス光および反スト
ークス光が発生する（第２図参照）。

今、入射パルス光の周波数をωｏ１光ファイバ７のコア
材質によって定まる物質固有の周波数をωｆとするど、
ストークス光は入射パルス光により物質が基底状態から
励起状態に遷移する過程で−〇− 発り（）、その周波数ωＳはθ）Ｓ−ω０−ω［である
、、ｌ−１ニアご、反ス１−−−クス光は励起状態にあ
る物質にパルス光が照口・１ε）れυ基底状態に遷移−
４ろ過程ｒｌｉ＋；、その周波数（１）　ａはωａ−ω
ｏ　１ωｔである。（なＪｉ　、　　般にはストークス
光、反スト−クス光どもにｎ次の光が発生１６が、ｌ　
ｉｉ＋、では１次の光のみについて述べた。） 光−ツノ・でバフて・（１したしｆり一敗乱尤およびラ
マン散乱光の一部は後方散乱光として光７）・イバ７を
戻り入射端から出射され、集光レンズ６を経てｈ向Ｉｆ
結合器５で分離されて検出糸１３３へと送らねる。検出
系１３は、方向ｔＩＩｔＩ！１合器５１こＪ、り取り出
された後方散乱光を導く導入ツノ・イバ１４と、導入−
ノア・イバ１４から出射されノ、：光を２５″）−Ｊる
ハーフミラ−１５ど、ハーフミラ−１５の透過側に６９
【ノられ７．Ｔ光学−ノイルタ１６、受光素子１Ｂおよ
び増幅ｊ？ｌｉ２０と、ハーフミラ−１５の反射側に設
（）られた光学フィルタ１７、受光素子１９および増幅
器２１どからイ蒙る。光学フｒルタ１６には周波数θ）
０−ωｔの１次のストークス光のみを透過するものが使
用され、−ｈ、光学フィルタ１７には周波数θ）ａ＋ω
［の１次の艮ス（−一りス光のみを透過覆るものが使用
される。従って、受光素１１８では光ファイバ７からの
後方散乱光のうち１次のス１〜−クス光の強度が検出さ
れ、受光素子１つでは１次の反ストークス光の強度が検
出される。受光素子１８．１９の出力は増幅器２０゜２
１でぞれぞれ１１幅された後、信号処理回路２２に入力
される。なお、２３は表示器（゛ある。

温度Ｔ（Ｋ）において基底状態にある物質の数に対す励
起状態にある物質の数の割合はｅｘｐ（−ｈωｒ７′２
πｋＴ）で表わされる。ここで、ｈはブランク定数、ｋ
　ｉ、Ｌボルツマン定数ｒある。従ってスＩ・−ウス光
の強度１ｓと反ストークス光の強痘Ｉａとの比率はＩａ
　／Ｉｓ　＝ｅｘｐ　　（−ｈ　ｔｏｆ　／２πに丁）
となり、コアの物質が定まれば温度のみの関数となる。

ぞこで、光源４から出射（−７、光−ノアイバフの入ｔ
Ａ端から距離×の地点で発生し、ｆｉｒ（Ｘ）時間後に
受光素子１８．１９にぞれぞれ入射し、更に増幅ｉ！！
ｉ２０．２１で増幅されてず８月処理回路２２に入力さ
れたス１〜−クス光と反スト−クス光の強度を、光フッ
・−イバ７の損失の波長特性、光学フィルタ１６．１７
の透過特性、受光素子１８．１９のゲインなどを４慮し
て補正を加えて電気出力ＥＳ。

［’Ｔ　ａを４ηて、これらの比をとれば［ａ／［Ｓ、
ズｅｘｐ（−ｈωｔ／２πに丁）どなる。これより光フ
ァイバ７の×地点での温度Ｔを求めることがでさ゛、第
３図に示４如く光ファイバ７の長さ方向に沿・〕だ連続
的な温度分布が得られる。なお、距離×は、信号処理回
路２２に入力されるパルス発生器１　ｈ’　ｌ）のパル
ス伏目と受光素子１８．１０からのラマン散乱光の検出
信号との時間差に旦づき決定される。

従来の温度Ｈ１測点に温度変換器１２を設置−Ｊ　’１
人射光のレイリー散乱による後方散乱光の強度変化から
ｉ　［ｉｉ！測する方法では、光ファイバ７を伝播する
光が温度ｈ１１慮を通過する毎に減食するので、多点片
１測が困ガであった。しかし、光ファイバ７に温度変換
器１２などを設けず光ファイバ７自体−〇− のラマン散乱から温度計測を行なう本発明では、入射光
が光ファイバ７の固有の伝送損失以外の原因で減衰する
ことはなく、連続計測に近い多点計測が可能である。更
に、スト−クス光と反ストークス光の２波長における強
度の比率から温度を求めているため、光源４の強度の変
動等の影響を受けることがなく、高精度の温度ｇ１測が
できる。

なお、光ファイバ７の入射端から過大な後方散乱光が受
光素子１８．１９に入射することを避ＧＪるために、第
４図に示すように、上記第１図の方向性結合器５に代え
て、音響光学素子２４を設け、これをパルス−コントロ
ーラー２５１こより制御された音響光学素子駆動装置２
６によって駆動するようにしてもよい。音響光学素子２
４には音響光学素子駆動装置２６の駆動により超音波に
よる位相格子が形成され、この位相格子により光ファイ
バ７からの後方散乱は回折され強度変調される。音響光
学素子２４により回折された後方散乱光は導入ファイバ
１４によりハーフミラ−１５に導かれる。音響光学素子
２４の駆動は、パルス発生器１及びパルスディレィ回路
２からなる光源４のパルス駆動回路と連＃Ｊ］　１ノで
行なわれる。また後方散乱光が微弱な場合には、ボック
スカー・ｊ′ベレージト−で平均化処理するのが」：０
゜ ’Ｊお、上記実施例にお１ノる温痘ｄ］測用の光ファイ
バ７としては、通常のガラスファイバやプラス・ｆツク
ファイバの池、液体ニ１１ファイバを用いるようにして
もよい。更に、光フッフィバ７どしで、偏波面保存ファ
イバを用いイの巾−一波面を利用することにより、通常
の甲−モード光フｊ・イバに比し、Ｊ、り効率Ｊ、くラ
マン散乱４Ｌ！１じさせることができる。また、光ファ
イバ７の］ア径は、ラマン散乱を＠Ｉ　！ＩＩ！的にイ
１じさせるために、なるべく小ざい方がよい。なお、」
−記実施例では、ハーフミラ−１５）と光学フィルタ１
６．１７とを用いて検出系１３を構成したが、分光器な
どを用いて構成し−（もＪ、い。

［発明の効果］ 以−Ｉ−要づるにこの発明によれば、光フアイバ自体の
ラマン散乱によるス１〜−クス光と反ス］〜−クス光ど
の強度化が温１ｍ関数である（−とを利用して淘１α泪
測を行イ１う０のＣ゛あるｌ、−め、入射光が光ファイ
バ固イ１の伝送損失ＩスＡの膣内（゛減衰されることし
イ１く、連続的＜ｒ多白目測合実施でさると共に、光源
の強痘変動等の影響を受（ｊることｂ　＜Ｋ　＜　、精
度のＪ、いｔ１測がでさる竹の優れｌこ効果を発揮する
ことがｒきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明１こ係るｉｌｌ測其置装一実施例を示４
構成図、第２図は光ノシ・イム中ぐ生じるシマン散乱尤
の一例を示１グラ−］、第３３図は本発明に」、り得ら
れた濡ｉ分布の古１測結宋を示づグラ−７、第４図は本
発明に係る１ｙｙｉの他の実施例を承り構成図、第５図
（，１従来の渇Ｉ健８１測装置を示ｔＩ４成図、第６図
は同削測ＫｌにＪ、り検出される後方散乱光の強度変化
を示Ｊグラフ、第７図は第６図の後方散乱光の強ｒｑ変
化から求められた温度分布を承りグラフで・ある。 図中、１はパルス発（１−器、２はパルスディレィ回路
、３は光源駆動装置、４は光源、５は方向性結合器、６
（１集光レンズ、７は光ファイバ、８は受光素ｆ、１）
は増幅器、１０は伯号姶Ｉ１１回路、′１１は表示器、
１２は温度変換器、１３は検出系、１１は導入ノアイバ
、１５はハーフミラ−１１６゜１７ＬＵ光学フイルタ、
１８．１９は受光素ｆ、２（１，２１ｉま増幅器、２２
は信目すｌ　Ｊｊｌｊ回路、２３は表示器、２４　ｔＪ
音響光学素子、２５はパルスコント【１−カー、２６は
合響光学索了駆動）装置で−ある。 特許出願人　　　ロｉ１’ｌ￥ｉ線株式会ン１代即人弁
理士　　絹　　谷　　信　　雄＝１３− 四侭に ゲ倒≦小Ｒ置憾

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 測定温度領域に配設される光ファイバと、光ファイバに
   その入射端よりパルス光を入射するための光源と、光フ
   ァイバの入射端から出射される上記パルス光の後方散乱
   光のうちラマン散乱によるストークス光および反ストー
   クス光の強度を検出する検出系と、検出系が検出したス
   トークス光と反ストークス光との強度比より光ファイバ
   の温度を求めると共に上記光源からパルス光が出射され
   てから検出系がラマン散乱光を検出するまでの時間より
   光ファイバの温度測定位置を求める信号処理回路とを備
   えたことを特徴とする光ファイバ形温度分布計測装置。