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WO2009144962A1 - 計測システム - Google Patents

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Publication number
WO2009144962A1
WO2009144962A1 PCT/JP2009/002419 JP2009002419W WO2009144962A1 WO 2009144962 A1 WO2009144962 A1 WO 2009144962A1 JP 2009002419 W JP2009002419 W JP 2009002419W WO 2009144962 A1 WO2009144962 A1 WO 2009144962A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
unit
amplification factor
light
amplification
optical fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2009/002419
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
博幸 佐々木
錠一 前
一弘 渡辺
道子 西山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TAMA-TLO KK
Tama TLO Co Ltd
Soka University
Original Assignee
TAMA-TLO KK
Tama TLO Co Ltd
Soka University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TAMA-TLO KK, Tama TLO Co Ltd, Soka University filed Critical TAMA-TLO KK
Publication of WO2009144962A1 publication Critical patent/WO2009144962A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/33—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter being disposed at one fibre or waveguide end-face, and a light receiver at the other end-face
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
    • G01D5/35341—Sensor working in transmission
    • G01D5/35345—Sensor working in transmission using Amplitude variations to detect the measured quantity

Definitions

  • the present invention relates to a measurement system using an optical fiber sensor.
  • the amount of transmission light leakage due to the bending of the optical fiber is measured to detect the bending of the optical fiber.
  • the FBG (Fiber-Bragg-Grating) method forms a diffraction grating in the core in the middle of the optical fiber and measures the frequency change of the transmitted light.
  • a specific frequency that is, a wavelength component called a black wavelength is reflected by the diffraction grating section, and the remaining other frequency components pass.
  • the amount of shift of the black wavelength depends on the grating interval, and distortion generated in the diffraction grating due to stress, temperature, or the like is detected from the change in the frequency of the transmitted light.
  • BOTOR method (Brillouin Optical Domain Reflectometer) measures changes in reflection frequency due to Brillouin scattered light caused by distortion of an optical fiber, using a BOTOR measuring instrument.
  • hetero-core type optical fiber sensor The details of the hetero-core type optical fiber sensor are disclosed in International Publication No. 97/48994 Pamphlet and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-214906.
  • the amount of transmission light leakage due to bending of the optical fiber is very small. Therefore, in order to measure the change in the amount of light received by the light receiving unit, a light emitting unit that emits light of high light intensity is required. Therefore, it is necessary to use a laser diode or the like as the light source. Therefore, in the microbending method, the measurement system including the light emitting unit is expensive.
  • the FBG method requires a light emitting unit that emits light having a variable wavelength in a predetermined range, for example, 1530 nm to 1580 nm, with wavelength accuracy on the order of pm. Therefore, it is difficult to control the light source, and the measurement system including the light emitting unit is expensive.
  • the BOTOR method requires a light emitting unit that emits a light pulse having a high light intensity with a pulse period of 1 ⁇ m or less. It is difficult to turn on / off a light source with high light intensity in a short period, and a measurement system including a light emitting unit becomes expensive.
  • the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a measurement system using an optical fiber sensor that includes a light emitting unit and is inexpensive.
  • the measurement system of the present invention includes a light receiving unit that generates an electric signal according to the intensity of received light, the electric signal input from the light receiving unit, and the electric signal amplified according to an amplification factor set from the outside.
  • a measuring instrument, a light emitting unit, and a core and the core that calculate the amplification factor in the amplification unit according to the digital signal and output the calculated amplification factor to the amplification unit
  • An optical fiber including a clad laminated on the outer periphery of the optical fiber, and a light transmission member composed of a hetero core portion having a core diameter different from the core diameter of the optical fiber, Light from the serial light emitting portion, characterized in that it comprises an optical fiber sensor for emitting the light receiving unit from the exit end of the light
  • the measurement system of the present invention is an optical fiber sensor having an optical fiber including a core and a clad laminated on the outer periphery of the core, and a light transmission member including a hetero-core portion having a core diameter different from the core diameter of the optical fiber. It has.
  • the transmission light loss caused by the bending of the optical fiber sensor in the vicinity of the light transmitting member is much larger than the transmission light loss caused by the bending of the optical fiber in the microbending method. Therefore, unlike the microbending method, it is not necessary to use a laser diode for the light emitting unit, and therefore the measurement system is inexpensive.
  • a light emitting unit that emits light with a variable wavelength in a predetermined range with a wavelength accuracy of the order of pm is not required, and the light source can be easily controlled, so that the measurement system is inexpensive.
  • a light emitting unit that emits a light pulse having a high light intensity with a pulse period of 1 ⁇ m or less is not required, and the control of the light source is facilitated, so that the measurement system is inexpensive.
  • the amplification factor calculation unit calculates according to the digital signal and sets the amplification factor.
  • the amplification unit automatically amplifies the electric signal, the performance of the analog-digital conversion unit can be satisfactorily exhibited.
  • the amplification factor calculation unit calculates the amplification factor so that the electric signal amplified by the amplification unit has a value commensurate with an input possible range of the analog-digital conversion unit. It is preferable to do.
  • the measuring instrument has a digital-analog conversion unit that converts the digital amplification factor calculated by the amplification factor calculation unit into analog and inputs the analog amplification factor to the amplification unit.
  • an amplifier that cannot be digitally input can be used.
  • the amplification factor calculation unit calculates the amplification factor set in the amplification unit, and outputs the calculated amplification factor to the amplification unit. Is preferred.
  • the amplification factor calculation unit calculates the amplification factor, and a suitable amplification factor is set in the amplification unit each time.
  • the amplification factor calculation unit calculates an amplification factor set in the amplification unit, and the calculated amplification factor is used as the amplification unit. Is preferably output.
  • the amplification factor calculation unit calculates the amplification factor, and a suitable amplification factor is set in the amplification unit each time.
  • the measurement unit includes a pressing member that outputs an amplification factor calculation setting start signal to the calculation unit when pressed, and the amplification factor calculation setting start signal is input to the calculation unit.
  • the amplification factor calculation unit calculates an amplification factor set in the amplification unit and outputs the calculated amplification factor to the amplification unit.
  • the amplification factor calculation unit calculates the amplification factor, and a suitable amplification factor is set in the amplification unit each time.
  • a plurality of the light transmission members are connected in series to one optical fiber sensor.
  • the light emitting unit includes a light emitting diode or a laser diode as a light source.
  • the light source is downsized and inexpensive, and the control thereof is easy, so that the light emitting unit is downsized and inexpensive.
  • the light receiving unit is constituted by a photodiode.
  • the light receiving section is downsized and inexpensive.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows the structure of a measurement system.
  • the sensor part vicinity of an optical fiber sensor is shown notionally, (a) is a perspective view, (b) is longitudinal direction sectional drawing. It is a mimetic diagram showing the composition of the measurement system concerning a 1st embodiment of the present invention. (A) And (b) is longitudinal direction sectional drawing of the sensor part vicinity which concerns on the other example of an optical fiber sensor. It is a schematic diagram which shows the structure of the measurement system which concerns on 2nd Embodiment of this invention.
  • the measurement system includes an optical fiber sensor, a light emitting unit 1, and a measuring instrument 100.
  • light emitted from the light emitting unit 1 connected to one end of the optical fiber sensor is transmitted through the optical fiber sensor, passes through the sensor unit SP, and receives light connected to the other end of the optical fiber sensor.
  • the light intensity received by the unit 11 and received by the measuring instrument 100 is measured.
  • the light emitting unit 1 includes a drive circuit 2 and a light source 3 connected to a power source (not shown). Light is emitted from the light source 3 by driving the drive circuit 2.
  • the light source 3 includes an LED (light emitting diode), an LD (laser diode), and a white light source. Further, as the light source 3, laser plasma, EL (electroluminescence), or the like may be used.
  • the optical fiber sensor includes optical fibers 20a and 20b and a sensor unit SP provided in the middle of the optical fibers 20a and 20b.
  • An optical fiber connector 23a is provided at the end of the optical fiber 20a that is the light incident end of the optical fiber sensor.
  • An optical fiber connector 23b is provided at the end of the optical fiber 20b that is the light emitting end of the optical fiber sensor.
  • the light emitted from the light source 3 of the light emitting unit 1 is incident on the optical fiber 20a through the optical fiber connector 23a, passes through the sensor unit SP, and is emitted to the outside through the optical fiber 20b. .
  • the measuring instrument 100 includes a light receiving unit 11, a preamplifier (amplifying unit) 12, an AD converter (analog-digital conversion unit) 13, and a calculation unit 14.
  • the light receiving unit 11 generates an electric signal according to the intensity of received light, and includes a photodiode (FD) or the like.
  • the preamplifier 12 receives an electric signal from the light receiving unit 11 and amplifies the electric signal according to a predetermined amplification factor (gain).
  • the AD converter 13 converts the analog electric signal amplified by the preamplifier 12 into a digital signal.
  • the arithmetic unit 14 receives a digital signal from the AD converter 13, performs predetermined signal processing on the digital signal, and outputs the signal to the outside.
  • the light emitted from the optical fiber connector 23b to the outside is received by the light receiving unit 11.
  • an electrical signal is generated according to the intensity of the received light and is output to the preamplifier 12.
  • the electrical signal generated by the light receiving unit 11 is input to the preamplifier 12, amplified by a set amplification factor, and output to the AD converter 13.
  • the electrical signal amplified by the preamplifier 12 is an analog signal, is input to the AD converter 13, is converted from an analog signal to a digital signal, and is output to the arithmetic unit 14.
  • the digital signal obtained by the AD converter 13 is input to the arithmetic unit 14 and subjected to predetermined signal processing, and is output to the outside from the terminal T or the like.
  • the amplification factor of the electric signal in the preamplifier 12 is fixed to a certain value or can be manually adjusted from the outside.
  • the optical fibers 20a and 20b have a core 21 and a clad 22 provided on the outer periphery of the core 21.
  • the sensor part SP is composed of a heterocore part 30.
  • the hetero core section 30 includes a core 31 having a core diameter bl different from the core diameter al of the optical fibers 20a and 20b, and a clad 32 provided on the outer periphery of the core 31.
  • optical fibers 20a and 20b for example, a single mode fiber having a core diameter al of about 9 ⁇ m or a multimode fiber having a core diameter al of about 50 ⁇ m can be used.
  • the diameter bl of the core 31 in the hetero-core portion 30 is sufficiently smaller than the diameter al of the core 21 of the optical fibers 20a and 20b.
  • the core diameter al is 9 ⁇ m
  • the core diameter bl is 5 ⁇ m.
  • the length cl of the hetero core part 3 is 1 mm thru
  • optical fibers 20a and 20b and the hetero-core part 30 constituting the sensor part SP are substantially coaxial, for example, melted by a generalized discharge so that the cores 21 and 31 are joined to each other at an interface 40 orthogonal to the longitudinal direction. It is joined by wearing.
  • the core diameter bl of the sensor unit SP and the core diameter al of the optical fibers 20a and 20b are at the interface 40. Is different. Due to the difference in the core diameter at the interface 40, a part of the light transmitted through the optical fiber sensor leaks to the clad 32 of the sensor part SP, and a leak W is generated.
  • the intensity of the transmitted light depends on the curvature of the optical fiber sensor in the vicinity of the sensor unit SP and the presence or absence of liquid on the outer periphery of the sensor unit SP. Change occurs. That is, a sensor signal is placed on the light.
  • the light receiving unit 11 receives the light whose intensity has changed, a change in the intensity of the transmitted light is detected, and the curvature of the optical fiber sensor near the sensor unit SP, the presence or absence of liquid on the outer periphery of the sensor unit SP, and the like are identified. Is done.
  • the magnitude of the leak W is expressed by the curvature of the optical fiber sensor in the vicinity of the sensor unit SP, more precisely, the optical fiber sensor. It changes sharply due to the variation in curvature at the curved interface 40, and increases as the curvature increases.
  • the sensor unit SP is configured as described above, and the optical fiber sensor is arranged so that the curvature of the optical fiber sensor in the vicinity of the sensor unit SP changes according to the displacement of the measurement object and the transmission loss of the transmitted light changes.
  • a curvature detection type measurement system capable of measuring the displacement of the measurement object by detecting a change in curvature of the optical fiber sensor can be obtained.
  • the evanescent wave can be generated at the boundary between and can be applied to the outside world.
  • the evanescent wave is an evanescent (Evanescent) that attenuates exponentially with the distance from the boundary surface, such as a light wave generated in the second medium when light in the first medium is totally reflected at the boundary with the second medium. : A wave that gradually disappears) and a light wave that has virtually no energy. The light that has been interacted with the outside by the evanescent wave is incident on the core 21 of the optical fiber 20b again and transmitted.
  • Refractive index detection type capable of measuring the presence or absence of liquid in the outer periphery of the sensor unit by configuring the sensor unit SP as described above and detecting the refractive index of the substance existing on the outer periphery of the sensor unit SP. Can be obtained.
  • a change in optical loss caused by the sensor unit SP composed of a hetero-core type is monitored as a voltage by the measuring unit 100.
  • the optical loss of 3 dB occurs in the sensor unit SP, for example, the voltage that was 4 V becomes 2 V (half).
  • the electrical signal generated by receiving the light emitted from the output end of the optical fiber 20b by the light receiving unit 11 is relatively weak and is amplified by the preamplifier 12.
  • the light intensity emitted from the light source driven by the drive circuit 2 may slightly change each time a measurement system is constructed or even when the same measurement system is turned on.
  • connection loss slightly changes when the optical fiber sensor and the optical fiber connectors 23a and 23b are connected again. There are things to do.
  • the insertion loss due to the sensor unit SP is slightly different.
  • the insertion loss may vary greatly due to individual differences in the sensor part SP.
  • the intensity of light incident on the light receiving unit 11 is different every time a measurement system is constructed, even when the same measurement system is turned on, or every time the power is turned on, or an optical fiber sensor and optical fiber connectors 23a and 23b. May change slightly each time you connect and.
  • the obtained voltage amplified by the preamplifier 12 may not reach the full scale of the input voltage of the AD converter 13, and at this time, the performance of the AD converter 13 cannot be maximized.
  • a voltage exceeding the input voltage limit of the AD converter 13 may be input, and a normal measurement value may not be obtained.
  • an external input means C for adjusting the amplification factor of the preamplifier 12 may be provided, it is a complicated procedure for the operator to manually adjust the external input means C. It is desirable to omit such procedures.
  • the problem to be solved is that the intensity of the light incident on the light receiving unit 100 varies due to individual differences, environmental differences, and the like. It is difficult to set the preamplifier 12 to amplify the electric signal so that it can be maximized.
  • the measurement system includes an optical fiber sensor, a light emitting unit 1, and a measuring instrument 10.
  • light is emitted from the light emitting unit 1 connected to one end of the optical fiber sensor, and the light transmitted through the optical fiber sensor and passed through the sensor unit SP is connected to the other end of the optical fiber sensor.
  • the light intensity is received by the light receiving unit 11 and measured by the measuring instrument 10.
  • the measuring instrument 10 includes a light receiving unit 11, a preamplifier (amplifying unit) 12, an AD converter (analog-digital conversion unit) 13, a calculation unit 14, an amplification factor calculation unit 15, and a DA converter (digital-analog conversion unit) 16. .
  • the light receiving unit 11 generates an electrical signal according to the intensity of received light, and includes, for example, a photodiode (FD).
  • FD photodiode
  • a CCD (charge coupled device) sensor, a CMOS sensor, a solar panel, or the like may be used as the light receiving unit 11.
  • the preamplifier 12 receives an electric signal from the light receiving unit 11 and amplifies the electric signal according to the amplification factor set and inputted from the outside, here the DA converter 16.
  • the AD converter 13 converts the analog electric signal amplified by the preamplifier 12 into a digital signal.
  • the calculation unit 14 receives a digital signal from the AD converter 13 and performs predetermined signal processing on the digital signal.
  • the amplification factor calculation unit 15 calculates the amplification factor to be set in the preamplifier 12 according to the digital signal. For example, in the amplification factor calculation unit 15, the voltage obtained by the amplification by the preamplifier 12 is further adjusted so that the electric signal amplified by the preamplifier 12 becomes a value suitable for the input possible range of the AD converter 13. The amplification factor is calculated so as to correspond to the full scale of the input voltage.
  • the DA converter 16 converts the digital amplification factor calculated by the amplification factor calculation unit 15 into an analog numerical value and inputs it to the preamplifier 12.
  • the amplification factor calculated by the amplification factor calculation unit 15 is input to the preamplifier 12 and set as the amplification factor of the preamplifier 12.
  • optical fiber sensor and the light emitting unit 1 in the measurement system according to the first embodiment are the same as the optical fiber sensor and the light emitting unit 1 in the measurement system using the measuring instrument 100.
  • the electrical signal generated by the light receiving unit 11 is input to the preamplifier 12, amplified at a predetermined amplification factor, and output to the AD converter 13.
  • the electrical signal amplified by the preamplifier 12 is an analog signal, is input to the AD converter 13, is converted from an analog signal to a digital signal, and is output to the calculation unit 14.
  • the digital signal obtained by the AD converter 13 is input to the arithmetic unit 14.
  • the digital signal obtained by the AD converter 13 is input to the amplification factor calculation unit 15 via the calculation unit 14.
  • the amplification factor calculation unit 15 calculates the amplification factor to be set in the preamplifier 12 according to the input digital signal. For example, in the amplification factor calculation unit 15, the voltage obtained by the amplification by the preamplifier 12 is further adjusted so that the electric signal amplified by the preamplifier 12 becomes a value suitable for the input possible range of the AD converter 13.
  • the amplification factor is calculated so as to correspond to the full scale of the input voltage.
  • the digital amplification factor calculated by the amplification factor calculation unit 15 is converted into an analog numerical value by the DA converter 16 and input to the preamplifier 12.
  • the amplification factor calculated by the amplification factor calculation unit 15 is input to the preamplifier 12 and set as the amplification factor of the preamplifier 12. Subsequent amplification in the preamplifier 12 is performed with the newly set amplification factor.
  • predetermined signal processing is performed on the digital signal from the AD converter 13 in the arithmetic unit 14 and output from the terminal T or the like to the outside of the measuring instrument 10.
  • the calculation of the amplification factor in the amplification factor calculation unit 15 and the setting in the preamplifier 12 are, for example, the amplification factor to be set in the preamplifier 12 when the measurement instrument 10 is turned on. And is input to the preamplifier 12 and set as the amplification factor of the preamplifier 12.
  • an amplification factor to be set in the preamplifier 12 is calculated in the amplification factor calculating unit 15, input to the preamplifier 12, and set as the amplification factor of the preamplifier 12.
  • the measuring instrument 10 may further include a button (pressing member) B that outputs an amplification factor calculation setting start signal to the calculation unit 14 when pressed.
  • a button (pressing member) B that outputs an amplification factor calculation setting start signal to the calculation unit 14 when pressed.
  • the amplification factor to be set in the preamplifier 12 is calculated in the amplification factor calculator 15 and input to the preamplifier 12 to be input to the preamplifier 12. Is set as the amplification factor.
  • the step of calculating the amplification factor to be set in the amplification factor calculation unit 15 is repeated a plurality of times.
  • the amplification factor may be calculated until the amplified electric signal has a value commensurate with the input possible range of the AD converter 13.
  • the measuring instrument 10 amplifies the electric signal from the light receiving unit 11 with a predetermined amplification factor, converts it into a digital signal, calculates the amplification factor to be set from the obtained digital signal, and again calculates the amplification factor of the amplification unit. Therefore, even if the intensity of the light incident on the light receiving unit 11 changes due to individual differences of optical fiber sensors or environmental differences, the performance of the AD converter 13 can always be maximized.
  • the preamplifier 12 can be set to amplify the electrical signal.
  • the amplification factor adjustment in the preamplifier 12 is optimized, and the voltage change is transmitted to the AD converter 13. It is about 3V which is close to the input limit voltage.
  • the measuring instrument 10 can automatically maximize the performance of the AD converter 13. Further, in order to maximize the performance of the AD converter 13, it is not necessary to perform a complicated operation of adjusting the amplification factor of the preamplifier 12 by the external input means C as in the measuring instrument 100.
  • the amount of received light changes each time the measuring instrument 100 is turned on or the optical fiber sensor is connected. Therefore, when the voltage does not reach full scale, the performance of the AD converter 13 is improved. I can't make the most of it. Further, there may be an input exceeding the input voltage limit of the AD converter 13, and in some cases, the operator may manually adjust the gain of the preamplifier 12 by the external input means C, and the operation is complicated. Met.
  • the measuring instrument 10 automatically adjusts the amplification factor of the preamplifier 12, so that the performance of the AD converter 13 can be maximized and is easy to use.
  • the output of the light source 3 can be measured even at ⁇ 40 dBm or less, and the sensitivity of the sensor is about 1 dB.
  • the light source 3 emits light with high light intensity that outputs about 0 dBm. Required. Therefore, it is necessary to use an expensive laser diode or the like as the light source 3.
  • the sensitivity of the sensor is about several dB to several tens dB, and the accuracy of the sensor is low. Note that the amount of light received by both light receiving portions 11 is ⁇ 40 dBm or less, and at least about ⁇ 60 dBm.
  • the configuration of the drive circuit 2 controlled by the light source 3 is simplified without the need for the light emitting unit 1 that emits light of a predetermined range of variable wavelength with a wavelength accuracy of the order of pm.
  • the measurement system is inexpensive.
  • the configuration of the drive circuit 2 controlled by the light source 3 is simplified without the need for the light emitting unit 1 that emits a light pulse having a high light intensity with a pulse period of 1 ⁇ m or less, and the measurement system is inexpensive. It will be something.
  • sensor part SP you may employ
  • the sensor part SP may be configured such that the diameter bl of the core 31 of the heterocore part 30 is larger than the diameter al of the core 21 of the optical fibers 20a and 20b. Good.
  • the sensor portion SP may be made of a material having a refractive index equivalent to the refractive index of the core 21 or the refractive index of the cladding 22 of the optical fibers 20a and 20b.
  • the sensor part SP can be considered as a kind of hetero-core structure in which the diameter of the core 31 is 0 or the same as the diameter of the clad 32.
  • a plurality of sensor units SP are connected in series on one optical fiber.
  • three sensor units SP 1 , SP 2 , SP 3 are connected in series on the optical fibers 20a, 20b, 20c, 20d.
  • the present invention is not limited to this, and a plurality of sensors other than three are provided.
  • the part SP may be connected.
  • the measurement system according to the second embodiment constitutes a measurement system by incorporating the measuring instrument 10. Therefore, as with the measurement system according to the first embodiment, even if the intensity of light incident on the light receiving unit 11 changes due to individual differences or environmental differences of the optical fiber sensors, the performance of the AD converter 13 is always maintained. So that the amplification factor of the preamplifier 12 can be set automatically.
  • an optical fiber sensor in which a plurality of sensor units SP are connected in series increases the total loss, and measurement is performed while appropriately replacing such an optical fiber sensor and an optical fiber sensor in which only one sensor unit SP is connected. Even in such a case, every time the optical fiber sensor is replaced, the amplification factor in the preamplifier 12 can be automatically set so that the performance of the analog-to-digital converter can always be maximized.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and may be a form in which the embodiments are appropriately combined, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
  • the DA converter 16 constituting the measuring instrument 10 is not necessary when the preamplifier 12 capable of digital input is used.
  • the calculation unit 14 and the amplification factor calculation unit 15 may be realized on an integrated calculation unit in a computer or the like.
  • a first-stage preamplifier or an offset voltage adjustment circuit may be provided between the light receiving unit 11 and the preamplifier 12.
  • a temperature sensor for measuring the temperature of the light receiving unit 11 is provided in the measuring instrument 10, and the calculation unit 14 is input from the AD converter 13 by the temperature detected by the temperature sensor. The value of the digital signal may be corrected. Further, an operational amplifier may be provided between the preamplifier 12 and the AD converter 13, and the temperature correction may be performed by this operational amplifier. In this case, however, the gain of the preamplifier 12 is required to determine the correction circuit constant.
  • the measurement system of the present invention can be applied to a measurement system using an optical fiber sensor having a hetero core type sensor unit.

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  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

　計測システムは、光ファイバ２０ａ，２０ｂとヘテロコア部３０から構成されるセンサ部ＳＰとを有する光ファイバセンサ、計測器１０及び発光部１を備える。計測器１０は、受光する光強度に応じて電気信号を生成する受光部１１と、電気信号を増幅率算出部１６が設定した増幅率に応じて増幅するプリアンプ１２と、増幅された電気信号をデジタルに変換するＡＤコンバータ１３と、デジタル信号に対して所定の信号処理を行う演算部１４と、デジタル信号に応じて、プリアンプ１２での前記増幅率を算出する増幅率算出部１５とを有する。計測システムは、安価となる。

Description

計測システム
　本発明は、光ファイバセンサを用いた計測システムに関する。
　光ファイバセンサを用いた様々な計測システムが実現されている。例えば、マイクロベンディング方式は、光ファイバの屈曲による伝送光の漏洩量を計測して、光ファイバの屈曲を検出する。
　ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）方式は、光ファイバの中途部のコアに回折格子を形成し、伝送光の周波数変化を計測する。特定の周波数、すなわちブラック波長と呼ばれる波長成分が回折格子区間で反射され，残りの他の周波数成分が通過する。このブラック波長のシフト量分は、格子間隔に依存していており、応力や温度等によって回折格子に発生した歪みを、伝送光の周波数変化から検出する。
　ＢＯＴＯＲ法（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer：光学時間領域反射計測法）は、光ファイバの歪みにより生じたブリルアン散乱光による反射周波数変化を、ＢＯＴＯＲ計測器を用いて計測する。
　なお、ヘテロコア型の光ファイバセンサについては、国際公開９７／４８９９４号パンフレット及び特開２００３－２１４９０６号公報に詳細が開示されている。
　マイクロベンディング方式では、光ファイバの屈曲による伝送光の漏洩量が非常に小さいので、受光部で受光量変化を計測するためには、高光強度の光を出射する発光部を必要とする。そのため、光源としてレーザダイオードなどを用いる必要がある。そのため、マイクロベンディング方式では、発光部を含む計測システムは高価なものとなる。
　ＦＢＧ方式では、所定範囲、例えば１５３０ｎｍから１５８０ｎｍの可変波長の光を、ｐｍのオーダーの波長確度で出射する発光部を必要とする。そのため、光源の制御は困難であり、発光部を含む計測システムは高価なものとなる。
　ＢＯＴＯＲ法では、パルス周期が１μｍ以下の高光強度の光パルスを出射する発光部を必要とする。高光強度の光源を短周期でオン・オフ制御することは困難であり、発光部を含む計測システムは高価なものとなる。
　本発明は、以上の点に鑑み、発光部を含み安価となる、光ファイバセンサを用いた計測システムを提供することを目的としている。
　本発明の計測システムは、受光する光強度に応じて電気信号を生成する受光部と、前記受光部から前記電気信号を入力され、外部から入力設定された増幅率に応じて前記電気信号を増幅する増幅部と、前記増幅部で増幅された前記電気信号をアナログからデジタルに変換するアナログ－デジタル変換部と、前記デジタル信号を入力され、前記デジタル信号に対して所定の信号処理を行う演算部と、　前記デジタル信号に応じて、前記増幅部における前記増幅率を算出し、該算出した増幅率を前記増幅部に出力する増幅率算出部とを有する計測器、発光部、及び　コア及び該コアの外周に積層されたクラッドを備える光ファイバと、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部から構成される光透過部材とを有し、入射端に前記発光部から光が入射されて前記光透過部材を通過した光を出射端から前記受光部に出射する光ファイバセンサを備えることを特徴とする。
　本発明の計測システムは、コア及び該コアの外周に積層されたクラッドを備える光ファイバと、光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部から構成される光透過部材とを有する光ファイバセンサを備えている。
　そのため、光透過部材近傍における光ファイバセンサの屈曲により生じる伝送光の損失は、マイクロベンディング方式における光ファイバの屈曲により生じる伝送光の損失に比べて、非常に大きい。よって、マイクロベンディング方式のように、発光部にレーザダイオードを用いる必要がないので、計測システムは安価なものとなる。
　さらに、ＦＢＧ方式のように、所定範囲の可変波長の光を、ｐｍのオーダーの波長確度で出射する発光部を必要とせず、光源の制御が容易となるので、計測システムは安価なものとなる。
　さらに、ＢＯＴＯＲ法のように、パルス周期が１μｍ以下の高光強度の光パルスを出射する発光部を必要とせず、光源の制御が容易となるので、計測システムは安価なものとなる。
　さらに、光ファイバセンサの個体差や環境差などのために受光部に入射される光の強度が変化しても、デジタル信号に応じて増幅率算出部が算出して設定された増幅率に応じて増幅部が電気信号を自動的に増幅するので、アナログ－デジタル変換部の性能を良好に発揮させることが可能となる。
　また、本発明の計測システムにおいて、前記増幅率算出部は、前記増幅部で増幅された前記電気信号が前記アナログ－デジタル変換部の入力可能範囲に見合う値となるように、前記増幅率を算出することが好ましい。
　この場合、アナログ－デジタル変換部の性能を最大限に発揮させることが可能となる。
　また、本発明の計測システムにおいて、前記計測器は、前記増幅率算出部で算出されたデジタルの増幅率をアナログに変換して前記増幅部に入力するデジタル－アナログ変換部を有することが好ましい。
　この場合、デジタル入力不可能な増幅器を用いることができる。
　ところで、計測システムを構築する毎に、あるいは、同一の計測システムであっても電源投入毎に、光ファイバセンサの個体差や環境差などのために受光部に入射される光の強度が、若干変化することがある。
　そこで、本発明の計測システムにおいて、前記計測器の電源投入時に、前記増幅率算出部は、前記増幅部において設定される増幅率を算出し、該算出した増幅率を前記増幅部に出力することが好ましい。
　この場合、電源投入時に、増幅率算出部が増幅率を算出することによって、その度に、適した増幅率が増幅部で設定される。
　また、本発明の計測システムにおいて、前記受光部が光の受光を開始した時に、前記増幅率算出部は、前記増幅部において設定される増幅率を算出し、該算出した増幅率を前記増幅部に出力することが好ましい。
　この場合、受光部が光の受光を開始した時に、増幅率算出部が増幅率を算出することによって、その度に、適した増幅率が増幅部で設定される。
　また、本発明の計測システムにおいて、前記計測部は、押圧された時に増幅率算出設定開始信号を前記演算部に出力する押圧部材を有し、前記増幅率算出設定開始信号が前記演算部に入力された時に、前記増幅率算出部は、前記増幅部において設定される増幅率を算出し、該算出した増幅率を前記増幅部に出力することが好ましい。
　この場合、操作者等が押圧部材を押圧した時に、増幅率算出部が増幅率を算出することによって、その度に、適した増幅率が増幅部で設定される。
　また、本発明の計測システムにおいて、複数個の前記光透過部材が１本の前記光ファイバセンサに直列に接続されていることが好ましい。
　この場合、受光部に入射される光の強度は、複数個の光透過部材が設けられた各部分での総計により変化するので、これら各部分の検出を同時に行うことが可能となる。
　また、本発明の計測システムにおいて、前記発光部は、発光ダイオード又はレーザダイオードを光源として備えることが好ましい。
　この場合、光源は小型化かつ安価となり、その制御も容易となるので、発光部は小型化かつ安価となる。
　また、本発明の計測システムにおいて、前記受光部は、フォトダイオードから構成されることが好ましい。
　この場合、受光部は、小型化かつ安価となる。
計測システムの構成を示す模式図である。 光ファイバセンサのセンサ部近傍を概念的に示し、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は長手方向断面図である。 本発明の第１実施形態に係る計測システムの構成を示す模式図である。 （ａ）及び（ｂ）は、光ファイバセンサの他の例に係るセンサ部近傍の長手方向断面図である。 本発明の第２実施形態に係る計測システムの構成を示す模式図である。
　以下に、本発明に係る計測システムについて、図面を参照して説明する。
　図１に示すように、計測システムは、光ファイバセンサ、発光部１及び計測器１００を備えている。この計測システムにおいては、光ファイバセンサの一端に接続された発光部１で照射された光が、光ファイバセンサを伝送され、センサ部ＳＰを通過し、光ファイバセンサの他端に接続された受光部１１で受光され、計測器１００が受光した光強度を計測する。
　発光部１は、図示しない電源に接続されたドライブ回路２及び光源３を有する。ドライブ回路２の駆動により、光源３から光が発せられる。光源３は、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）、白色光源からなる。また、光源３として、レーザプラズマ、ＥＬ（エレクトロルミネセンス）などを用いてもよい。
　光ファイバセンサは、光ファイバ２０ａ，２０ｂ、及び光ファイバ２０ａ，２０ｂの中途部に設けられたセンサ部ＳＰからなる。光ファイバセンサの光入射端である光ファイバ２０ａの端部に、光ファイバコネクタ２３ａが設けられている。光ファイバセンサの光出射端である光ファイバ２０ｂの端部に、光ファイバコネクタ２３ｂが設けられている。
　発光部１の光源３から出射された光は、光ファイバコネクタ２３ａを介して光ファイバ２０ａへ入射され、センサ部ＳＰを通過して光ファイバ２０ｂを介して光ファイバコネクタ２３ｂから外部へ出射される。
　計測器１００は、受光部１１、プリアンプ（増幅部）１２、ＡＤコンバータ（アナログ－デジタル変換部）１３及び演算部１４を有する。
　受光部１１は、受光する光強度に応じて電気信号を生成し、フォトダイオード（ＦＤ）などからなる。プリアンプ１２は、受光部１１から電気信号を入力され、所定の増幅率（ゲイン）に応じて電気信号を増幅する。ＡＤコンバータ１３は、プリアンプ１２で増幅されたアナログの電気信号をデジタル信号に変換する。演算部１４は、ＡＤコンバータ１３からデジタル信号が入力され、このデジタル信号に対して所定の信号処理を行い、外部に出力する。
　光ファイバコネクタ２３ｂから外部へ出射された光は、受光部１１で受光される。受光部１１において、受光された光の強度に応じて電気信号が生成され、プリアンプ１２へ出力される。
　受光部１１で生成された電気信号はプリアンプ１２に入力され、設定された増幅率で増幅されてＡＤコンバータ１３へ出力される。
　プリアンプ１２で増幅された電気信号はアナログ信号であり、ＡＤコンバータ１３に入力されてアナログ信号からデジタル信号に変換され、演算部１４に出力される。
　ＡＤコンバータ１３で得られたデジタル信号は演算部１４に入力されて所定の信号処理が行われ、端子Ｔなどから外部に出力される。
　ここで、上記のプリアンプ１２における電気信号の増幅率は、ある値に固定されているか、もしくは、外部から手動で調節することが可能となっている。
　図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、光ファイバ２０ａ，２０ｂは、コア２１と、該コア２１の外周に設けられたクラッド２２とを有する。センサ部ＳＰは、ヘテロコア部３０から構成されている。ヘテロコア部３０は、光ファイバ２０ａ，２０ｂのコア径ａｌと異なるコア径ｂｌを有するコア３１と、コア３１の外周に設けられたクラッド３２とを有している。
　光ファイバ２０ａ，２０ｂとして、例えば、コア径ａｌが９μｍ程度のシングルモードファイバ、あるいはコア径ａｌが５０μｍ程度のマルチモードファイバを用いることができる。
　ヘテロコア部３０におけるコア３１の径ｂｌは、光ファイバ２０ａ，２０ｂのコア２１の径ａｌより十分に小さく、コア径ａｌが９μｍのとき、コア径ｂｌは５μｍである。また、ヘテロコア部３の長さｃｌは、１ｍｍ乃至数ｃｍであり、例えば０．７ｍｍ乃至２．０ｍｍ程度である。なお、ヘテロコア部３の長さｃｌは、コア径ａｌ，ｂｌによっても、好ましい範囲が異なる。
　光ファイバ２０ａ，２０ｂとセンサ部ＳＰを構成するヘテロコア部３０とは、長手方向に直交する界面４０でコア２１，３１同士が接合するように略同軸に、例えば、汎用化されている放電による融着などにより、接合されている。
　光ファイバ２０ａ，２０ｂの中途部にヘテロコア型のセンサ部ＳＰが接合されてなる構成を有する光ファイバセンサにおいて、センサ部ＳＰのコア径ｂｌと光ファイバ２０ａ，２０ｂのコア径ａｌとが界面４０で異なっている。この界面４０でのコア径の差に起因して、光ファイバセンサを伝送される光の一部がセンサ部ＳＰのクラッド３２へ漏洩して、リークＷが発生する。
　コア径ａｌ，ｂｌの相違が小さくなるようにコア２１，３１の組み合わせを設定すると、大部分の光は再びコア２１に入射するので、リークＷが小さくなり、伝送される光の損失（ロス）が小さい。コア径ａｌ，ｂｌの差が大きくなるようにコア２１，３１の組み合わせを設定すると、リークＷが大きくなり、伝送されるセンサ光の損失が大きい。
　光ファイバセンサにより伝送される光がヘテロコア型のセンサ部ＳＰを通過する際に、センサ部ＳＰ近傍の光ファイバセンサの曲率やセンサ部ＳＰ外周における液体の有無などに応じて伝送する光の強度に変化が生じる。即ち、光にセンサ信号が乗せられる。強度に変化が生じた光を受光部１１で受光することにより、伝送された光の強度変化が検知され、センサ部ＳＰ近傍の光ファイバセンサの曲率やセンサ部ＳＰ外周における液体の有無などが識別される。
　例えば、ヘテロコア型のセンサ部ＳＰを有する光ファイバセンサにおいて、リークＷの大きさ、即ちセンサ光の損失量は、センサ部ＳＰ近傍の光ファイバセンサの曲率、より正確には、光ファイバセンサが描く曲線の界面４０での曲率の変動により鋭敏に変化し、曲率が大きいほど大きくなる。
　センサ部ＳＰを上記のように構成し、計測対象物の変位に応じてセンサ部ＳＰ近傍の光ファイバセンサの曲率が変化し、伝送される光の伝送損失が変化するように光ファイバセンサを配設することにより、光ファイバセンサの曲率変化を検知することで計測対象物の変位を計測可能な曲率検知型の計測システムを得ることができる。
　また、センサ部ＳＰにおける界面４０でのコア径ａｌ，ｂｌの差に起因して、伝送光の一部がヘテロコア部３０のクラッド３２に漏洩してリーク光Ｗが発生して、クラッド３２と外界との境界においてエバネッセント波を発生させ、これを外界に作用させることができる。エバネッセント波は、第１媒質中の光が第２媒質との境界で全反射したときなどに第２媒質中に生じる光波のように、境界面からの距離とともに指数関数的に減衰するエバネッセント（Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ：次第に消える）な波であり、実質的にエネルギーを持たない光波のことである。エバネッセント波により外界との相互作用を受けた光は、再び光ファイバ２０ｂのコア２１に入射し、伝送される。
　センサ部ＳＰを上記のように構成し、センサ部ＳＰの外周に存在する物質の屈折率を検知することで、センサ部外周における液体の有無などを計測可能な屈折率検知型（液体検知型）の計測システムを得ることができる。
　ヘテロコア型からなるセンサ部ＳＰで生じた光損失の変化は、計測部１００で電圧として監視される。センサ部ＳＰで３ｄＢの光損失が生じた場合は、例えば、４Ｖであった電圧が２Ｖ（半分）になる。
　上記の構成において、光ファイバ２０ｂの出力端部から出射される光が受光部１１で受光されて生成される電気信号は、比較的微弱なため、プリアンプ１２によって増幅している。
　しかしながら、上記の計測システムにおいて、ドライブ回路２内の抵抗値の変動などによるドライブ回路２の個体差、光源３自体の個体差、及び、環境温度の変動などによる抵抗値の変動などが存在する。このため、ドライブ回路２によって駆動される光源から出射される光強度は、計測システムを構築する毎に、あるいは、同一の計測システムであっても電源投入毎に、若干変化することがある。
　さらに、光ファイバセンサと光ファイバコネクタ２３ａ，２３ｂとが接続される箇所は、同じ接続箇所であっても、光ファイバセンサと光ファイバコネクタ２３ａ，２３ｂとを接続し直すと、接続損失が若干変化することがある。
　また、ヘテロコア型のセンサ部ＳＰ自体にも個体差があり、センサ部ＳＰによる挿入損失が若干異なる。また、曲率検知型と屈折率検知型などの異なる種類の光ファイバセンサを接続した場合には、センサ部ＳＰの個体差により挿入損失が大きく異なることもある。
　以上の理由から、受光部１１に入射される光の強度は、計測システムを構築する毎に、同一の計測システムであっても電源投入毎に、あるいは、光ファイバセンサと光ファイバコネクタ２３ａ，２３ｂとを接続し直す毎に、若干変化することがある。
　このため、プリアンプ１２で増幅された得られた電圧がＡＤコンバータ１３の入力電圧のフルスケールに達しない場合があり、このとき、ＡＤコンバータ１３の性能を最大限に発揮できないことになる。あるいは、ＡＤコンバータ１３の入力電圧限界を超えた電圧が入力され、正常な計測値が得られないおそれがある。また、プリアンプ１２の増幅率を調整するための外部入力手段Ｃを設けることもあるが、操作者が手動で外部入力手段Ｃを調節することは煩雑な手順が追加されることになるので、このような手順は省略することが望まれる。
　以上のように、上記の計測システムにおいて、解決すべき問題点は、個体差や環境差などのために受光部１００に入射される光の強度が変動することから、常にＡＤコンバータ１３の性能を最大限に発揮できるように、プリアンプ１２が電気信号を増幅するように設定することが困難であるという点である。
　〔第１実施形態〕
　そこで、以下に、本発明の計測システムの第１実施形態について、図面を参照して説明する。
　図３に示すように、計測システムは、光ファイバセンサ、発光部１及び計測器１０を備えている。この計測システムにおいては、光ファイバセンサの一端に接続された発光部１で光を照射し、光ファイバセンサを伝送され、センサ部ＳＰを通過した光を、光ファイバセンサの他端に接続された受光部１１で受光して、受光した光強度を計測器１０で計測する。
　計測器１０は、受光部１１、プリアンプ（増幅部）１２、ＡＤコンバータ（アナログ－デジタル変換部）１３、演算部１４、増幅率算出部１５、及びＤＡコンバータ（デジタル－アナログ変換部）１６を有する。
　受光部１１は、受光する光強度に応じて電気信号を生成し、例えば、フォトダイオード（ＦＤ）からなる。受光部１１として、ＣＣＤ（電荷結合素子）センサ、ＣＭＯＳセンサ、ソーラパネルなどを用いてもよい。
　プリアンプ１２は、受光部１１から電気信号を入力され、外部、ここではＤＡコンバータ１６から設定入力された増幅率に応じて電気信号を増幅する。
　ＡＤコンバータ１３は、プリアンプ１２で増幅されたアナログの電気信号をデジタル信号に変換する。
　演算部１４は、ＡＤコンバータ１３からデジタル信号を入力され、このデジタル信号に対して所定の信号処理を行う。
　増幅率算出部１５は、プリアンプ１２において設定するべき増幅率を、上記のデジタル信号に応じて算出する。例えば、増幅率算出部１５において、プリアンプ１２で増幅された電気信号がＡＤコンバータ１３の入力可能範囲に見合う値となるように、さらにはプリアンプ１２で増幅されて得られた電圧がＡＤコンバータ１３の入力電圧のフルスケール相当となるように、増幅率が算出される。
　ＤＡコンバータ１６は、増幅率算出部１５で算出されたデジタルの増幅率をアナログ数値に変換して、プリアンプ１２に入力する。
　このように、増幅率算出部１５で算出された増幅率が、プリアンプ１２に入力されて、プリアンプ１２の増幅率として設定される。
　第１実施形態に係る計測システムにおける光ファイバセンサ及び発光部１は、上記計測器１００を用いた計測システムの光ファイバセンサ及び発光部１と同じである。
　光ファイバセンサにより伝送される光がセンサ部ＳＰを通過する際に、光にセンサ信号が乗せられ、これが計測器１０で計測される。
　以下、第１実施形態に係る計測システムの計測器１０の動作について説明する。
　まず、外部からの光が受光部１１で受光されると、受光部１１において、受光された光の強度に応じて電気信号が生成され、プリアンプ１２へ出力される。
　次に、受光部１１で生成された電気信号はプリアンプ１２に入力され、所定の増幅率で増幅されてＡＤコンバータ１３へ出力される。
　プリアンプ１２で増幅された電気信号は、アナログ信号であり、ＡＤコンバータ１３に入力されてアナログ信号からデジタル信号に変換され、演算部１４に出力される。
　次に、ＡＤコンバータ１３で得られたデジタル信号は演算部１４に入力される。
　一方、ＡＤコンバータ１３で得られたデジタル信号は、演算部１４を介して増幅率算出部１５に入力される。増幅率算出部１５では、プリアンプ１２において設定するべき増幅率が、入力されたデジタル信号に応じて算出される。例えば、増幅率算出部１５において、プリアンプ１２で増幅された電気信号がＡＤコンバータ１３の入力可能範囲に見合う値となるように、さらにはプリアンプ１２で増幅されて得られた電圧がＡＤコンバータ１３の入力電圧のフルスケール相当となるように、増幅率が算出される。
　次に、増幅率算出部１５で算出されたデジタルの増幅率は、ＤＡコンバータ１６においてアナログ数値に変換され、プリアンプ１２に入力される。
　このようにして、増幅率算出部１５で算出された増幅率が、プリアンプ１２に入力されてプリアンプ１２の増幅率として設定される。プリアンプ１２での以降の増幅は、新たに設定された増幅率によりなされる。
　上記のように増幅率が設定された後で、ＡＤコンバータ１３からのデジタル信号に対して演算部１４において所定の信号処理が行われ、端子Ｔなどから計測器１０の外部に出力される。
　計測器１０において、増幅率算出部１５における増幅率の算出とプリアンプ１２での設定は、例えば、計測器１０の不図示の電源投入時に、プリアンプ１２において設定するべき増幅率が増幅率算出部１５において算出され、プリアンプ１２に入力されてプリアンプ１２の増幅率として設定される。
　あるいは、例えば、受光部１１での光の受光の開始時に、プリアンプ１２において設定するべき増幅率が増幅率算出部１５において算出され、プリアンプ１２に入力されてプリアンプ１２の増幅率として設定される。
　あるいは、例えば、押圧された時に増幅率算出設定開始信号を演算部１４に出力するボタン（押圧部材）Ｂを計測器１０がさらに有していてもよい。この場合、ボタンＢの入力によって増幅率算出設定開始信号が演算部１４に入力された時に、プリアンプ１２において設定するべき増幅率が増幅率算出部１５において算出され、プリアンプ１２に入力されてプリアンプ１２の増幅率として設定される。
　増幅率の設定が上記の１回の算出工程で十分な値とならなかった場合には、上記の設定すべき増幅率を増幅率算出部１５において算出する工程を複数回繰り返して、プリアンプ１２で増幅された電気信号がＡＤコンバータ１３の入力可能範囲に見合う値となるまで、増幅率の算出が行われるようにしてもよい。
　計測器１０は、受光部１１からの電気信号を所定の増幅率で増幅し、デジタル信号に変換し、得られたデジタル信号から、設定すべき増幅率を算出して、改めて増幅部の増幅率を設定し直すので、光ファイバセンサの個体差や環境差などのために受光部１１に入射される光の強度が変化しても、常にＡＤコンバータ１３の性能を最大限に発揮できるように、プリアンプ１２が電気信号を増幅するように設定することができる。
　例えば、光ファイバセンサのセンサ部ＳＰの屈曲により、計測器１００で電圧変化が１Ｖ程度生じる場合、計測器１０では、プリアンプ１２での増幅率調整が最適化され、電圧変化が、ＡＤコンバータ１３への入力限度の電圧に近い３Ｖ程度となる。
　計測器１０によれば、自動的に、ＡＤコンバータ１３の性能を最大限に発揮できるようになる。また、ＡＤコンバータ１３の性能が最大限に発揮できるようにするために、上記計測器１００のように、プリアンプ１２の増幅率を外部入力手段Ｃにより調整するという煩雑な作業を行う必要がない。
　前述の計測器１００では、計測器１００の電源投入毎や、光ファイバセンサの接続毎に、受光量（電圧）が変わるため、電圧がフルスケールに達していない場合にはＡＤコンバータ１３の性能を最大限に発揮できない。また、ＡＤコンバータ１３の入力電圧限度を超えた入力がある場合があり、場合によっては、プリアンプ１２の増幅率に対して外部入力手段Ｃにより操作者が手動で調節する場合もあり、操作が煩雑であった。
　計測器１０では、自動的にプリアンプ１２の増幅率を調整するため、ＡＤコンバータ１３の性能を最大限に発揮できるようになり、使いやすい。
　本実施形態の計測システムでは、ヘテロコア部３０を備えた光ファイバセンサを用いているので、光源３の出力は、－４０ｄＢｍやそれ未満でも計測可能であり、センサの感度は約１ｄＢ程度となる。一方、本実施形態の計測システムと同様の構成で、ヘテロコア部３０を備えないマイクロベンド型の光ファイバセンサを用いた場合、光源３として０ｄＢｍ程度の出力を行う高光強度の光を出射するものが必須となる。そのため、光源３として高価なレーザダイオードなどを用いることが必要となる。そして、この場合のセンサの感度は数ｄＢから数十ｄＢ程度であり、センサの精度も低い。なお、両者の受光部１１での受光量は、－４０ｄＢｍやそれ未満、最低でー６０ｄＢｍ程度である。
　さらに、ＦＢＧ方式のように、所定範囲の可変波長の光を、ｐｍのオーダーの波長確度で出射する発光部１を必要とせず、光源３の制御するドライブ回路２の構成が簡易になるので、計測システムは安価なものとなる。
　さらに、ＢＯＴＯＲ法のように、パルス周期が１μｍ以下の高光強度の光パルスを出射する発光部１を必要とせず、光源３の制御するドライブ回路２の構成が簡易になるので、計測システムは安価なものとなる。
　なお、センサ部ＳＰとして、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示したヘテロコア部３０以外の構成を採用してもよい。
　例えば、図４（ａ）に示すように、センサ部ＳＰは、ヘテロコア部３０のコア３１の径ｂｌが、光ファイバ２０ａ，２０ｂのコア２１の径ａｌよりも大きくなるように構成されていてもよい。
　図４（ｂ）に示すように、センサ部ＳＰは、光ファイバ２０ａ，２０ｂのコア２１の屈折率あるいはクラッド２２の屈折率と同等の屈折率を持つ材料から構成されていてもよい。なお、この場合も、センサ部ＳＰは、コア３１の径が、０あるいはクラッド３２の径と同じである一種のヘテロコア構造であると考えることが可能である。
　〔第２実施形態〕
　以下、本発明の第２実施形態に係る計測システムについて、図面を参照して説明する。
　図５に示すように、第２実施形態に係る計測システムにおいては、複数個のセンサ部ＳＰが１本の光ファイバ上に直列に接続されている。図５では、３個のセンサ部ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３が光ファイバ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ上に直列に接続されているが、これに限らず、３個以外の複数個のセンサ部ＳＰを接続してもよい。
　第２実施形態に係る計測システムは、計測器１０を組み込んで計測システムを構成している。そのため、第１実施形態に係る計測システムと同様に、光ファイバセンサの個体差や環境差などのために受光部１１に入射される光の強度が変わってしまっても、常にＡＤコンバータ１３の性能を最大限に発揮することができるように、プリアンプ１２での増幅率を自動的に設定することができる。
　特に、複数個のセンサ部ＳＰを直列に接続した光ファイバセンサは損失の総計が大きくなり、このような光ファイバセンサとセンサ部ＳＰを１個のみ接続した光ファイバセンサを適宜交換しながら計測するような場合でも、光ファイバセンサを交換する毎に、常にアナログ－デジタル変換部の性能を最大限に発揮できるように、プリアンプ１２での増幅率を自動的に設定することができる。
　本発明は、上記の各実施形態に限定されず、各実施形態を適宜組み合わせた形態などであってもよく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
　例えば、計測器１０を構成するＤＡコンバータ１６は、デジタル入力可能なプリアンプ１２を用いる場合、不要である。
　また、計測器１０において、演算部１４と増幅率算出部１５は、コンピュータなどにおける一体化された演算部上に実現してもよい。
　また、計測器１０において、受光部１１とプリアンプ１２との間に、一段目のプリアンプやオフセット電圧調整用回路を設けてもよい。
　また、受光部１１の性能は温度に依存するので、受光部１１の温度を計測する温度センサを計測器１０に設け、演算部１４が、温度センサが検出した温度によってＡＤコンバータ１３から入力されたデジタル信号の値を補正してもよい。さらに、プリアンプ１２とＡＤコンバータ１３との間にオペアンプを設け、このオペアンプによって温度補正を行ってもよい。ただし、この場合、補正回路定数を定めるためには、プリアンプ１２のゲインを必要とする。
　本発明の計測システムは、ヘテロコア型のセンサ部を有する光ファイバセンサを用いた計測システムに適用可能である。

Claims (9)

  1. 　受光する光強度に応じて電気信号を生成する受光部と、
    　前記受光部から前記電気信号を入力され、外部から入力設定された増幅率に応じて前記電気信号を増幅する増幅部と、
    　前記増幅部で増幅された前記電気信号をアナログからデジタルに変換するアナログ－デジタル変換部と、
    　前記デジタル信号を入力され、前記デジタル信号に対して所定の信号処理を行う演算部と、
    　前記デジタル信号に応じて、前記増幅部における前記増幅率を算出し、該算出した増幅率を前記増幅部に出力する増幅率算出部とを有する計測器、
    　発光部、及び
    　コア及び該コアの外周に積層されたクラッドを備える光ファイバと、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部から構成される光透過部材とを有し、入射端に前記発光部から光が入射されて前記光透過部材を通過した光を出射端から前記受光部に出射する光ファイバセンサ
    　を備えることを特徴とする計測システム。
  2. 　前記増幅率算出部は、前記増幅部で増幅された前記電気信号が前記アナログ－デジタル変換部の入力可能範囲に見合う値となるように、前記増幅率を算出することを特徴とする請求項１に記載の計測システム。
  3. 　前記計測器は、前記増幅率算出部で算出されたデジタルの増幅率をアナログに変換して前記増幅部に入力するデジタル－アナログ変換部を有することを特徴とする１又は２に記載の計測システム。
  4. 　前記計測器の電源投入時に、前記増幅率算出部は、前記増幅部において設定される増幅率を算出し、該算出した増幅率を前記増幅部に出力することを特徴とする１から３の何れか１項に記載の計測システム。
  5. 　前記受光部が光の受光を開始した時に、前記増幅率算出部は、前記増幅部において設定される増幅率を算出し、該算出した増幅率を前記増幅部に出力することを特徴とする１から３の何れか１項に記載の計測システム。
  6. 　前記計測部は、押圧された時に増幅率算出設定開始信号を前記演算部に出力する押圧部材を有し、
    　前記増幅率算出設定開始信号が前記演算部に入力された時に、前記増幅率算出部は、前記増幅部において設定される増幅率を算出し、該算出した増幅率を前記増幅部に出力することを特徴とする１から３の何れか１項に記載の計測システム。
  7. 　複数個の前記光透過部材が１本の前記光ファイバセンサに直列に接続されていることを特徴とする１から６の何れか１項に記載の計測システム。
  8. 　前記発光部は、発光ダイオード又はレーザダイオードを光源として備えることを特徴とする１から７の何れか１項に記載の計測システム。
  9. 　前記受光部は、フォトダイオードから構成されることを特徴とする１から８の何れか１項に記載の計測システム。
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