光纤式温度计以及温度补偿型光纤传感器的制作方法

专利名称：光纤式温度计以及温度补偿型光纤传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤式温度计以及使用其的温度补偿型光纤传感器，特 别是涉及使用光纤式温度计补偿由温度变化引起的测量误差，能够高精 度地测量压力等各种物理量的传感器。
本申请主张于2006年10月18日在日本提出的专利申请特愿 2006-284027号的优先权，并在此引用其内容。
背景技术：
使用光纤将光传送至测量部，根据测量部光的状态的变化进行传感 的光传感器，由于在测量部中没有使用电，因此具有优良的防爆性、抗 雷性、抗电磁噪音性以及容易实现遥测等优点。在这样的光传感器中， 被测量对象是温度以外的物理量时，由温度变化引起的特性变化是导致 测量精度低下的原因。因此，进行高精度的测量时有必要补偿由温度变 化引起的影响。
现有技术作为这样的温度补偿型光纤传感器提出了使用光的干涉 方法(参考专利文献l、 3)、测量光纤光栅的中心波长变化的方法(参 考专利文献4)等方案。但是，这些现有技术，其原理是测量光的波长 变化、调制成分，因此存在测量装置昂贵的问题。而且，为了实现温度 补偿需要频率可变的光源(专利文献1),或需要制造特殊的构造体(专 利文献4)，这些都是导致价格昂贵的原因。
另一方面，提出了通过测量光强度的变化，能够使用更廉价的测量 装置的方法(例如参照专利文献2、 5以及6)。这些是将来自光纤的射 出光通过被测量对象物进行反射，测量耦合到相同光纤中的光的强度的 方法，其中所述光纤是将来自光源的光引导至传感部。
该方法具有传感部的构造简单，可较廉价地提供测量光强度的变化 的测量器的优点'。
但是，该方法由于使用光发送用光纤进行光的接收，因此为了将反 射光照射到光电二极管等光接收器，需要使用光耦合器等光分路元件。 该光分路元件具有温度依赖性、光源的波长依赖性，因此会根据温度、光源的波长的变化改变分支比。其结果，在专利文献2、 5和6的构造 中，存在由于光分支比的变化使测量值发生变化从而导致测量精度低下 的问题。
为了避免发生这样的问题，在专利文献5中，为了使测量精度稳定， 增加了使该光分路部的温度一定的机构，但构造变得复杂，因为需要温 度控制机构所以价格变高，在实际使用上存在问题。
另一方面，提出了用其他的光纤接收来自光纤的射出光的方法(例 如参考专利文献7 9)。根据该方法，即使不使用光分路元件也能测量 光强度。
但是，在专利文献7和8中，为了接收光强度大的光，导光用的光 纤使用多模光纤、或捆扎多根光纤作为光接收光纤，因此通过温度、光 源波长的变化、对光纤的外压容易使光纤中的模式变化。该模式的变化 导致测量精度低下，因此很难进行高精度的测量。
而且，在专利文献9中，为了接收光强度大的光，在测量部中使用 透镜系统。因此，除了存在构造变得复杂，价格变高这样的问题以外， 还存在由于外部环境(温度、震动等)容易引起测量精度低下的问题。 如上所述，在以上所述的现有技术中不能实现廉价且高精度地测量 温度，使用该温度数据的温度补偿型光纤传感器。
专利文献1:日本特开昭60-50402号〃>报
专利文献2:日本特开平5-196528号>^报
专利文献3:日本特开平9-5028号公报
专利文献4:日本特开2002-267557号>^才艮
专利文献5:日本特开2002-372472号>^才艮
专利文献6:日本特开平8-62080号公报
专利文献7:美国专利第5017772号说明书
专利文献8:美国专利第4479717号说明书
专利文献9:美国专利第6433350号说明书

发明内容
' 本发明是鉴于所述情况而做出的，ii的在于提供一种能廉价且高精 度地测量温度的光纤式温度计，以及使用该温度计补偿由温度变化引起 的测量误差，能够进行高精度的测量的温度补偿型光纤传感器。
为了达到所述目的，本发明提供的光纤式温度计包括 一根光发送用光纤，其用于将来自光源的光传送到测量部；两根光接收用光纤，其 用于将由配置于测量部的反射镜的反射面所反射的光分别传送到两个 光接收部；以及运算处理电路，其根据来自两个光接收部的电信号之比 计算测量部的温度，其中，与反射面对置的三根光纤的端面被固定，以 使光纤长度方向与反射面的法线所成的角度e是非零度，两根光接收用 光纤平行，光发送用光纤和光接收用光纤的固定角度以反射面的法线为 基准对称，并且所述各光纤在使用的波长下是单模的。
优选所述角度e是8。以上
在本发明的光纤式温度计中，优选所述测量部是通过将温度测量用 三芯阵列和所述反射镜固定于阵列固定基材而构成的，其中，所述温度 测量用三芯阵列是将所述光发送用光纤和两根光接收用光纤的测量部 侧的端部固定于v槽阵列基板而构成的。
在本发明的光纤式温度计中，优选所述反射镜基材的线膨胀系数比 所述阵列固定基材的材料的线膨胀系数小。
在本发明的光纤式温度计中，优选所述阵列固定基材的线膨胀系数
是在8.6x10 —6 ~ 27xl(T 6mm/mm/。C的范围内。
在本发明的光纤式温度计中，优选所述温度测量用三芯阵列包括由 石英玻璃构成的V槽阵列基板和光纤压盖。
本发明提供的温度补偿型光纤传感器，使用两个光学式物理传感 器，根据一个传感器所测量温度，补偿另一个光学式物理传感器的温度 依赖性，测量温度的所述一个传感器是所述光纤式温度计。
在本发明的温度补偿型光纤传感器中，优选所述另 一个光学式物理 传感器包括 一根光发送用光纤，其用于将来自光源的光传送到测量部； 两根光接收用光纤，其用于将由配置于测量部的反射镜的反射面所反射 的光分别传送到两个光接收部；以及运算处理电路，其根据来自两个光 接收部的电信号之比计算测量部的温度，其中，与反射面对置的三根光 纤的端面被固定，以使光纤长度方向与反射面的法线所成的角度e是非 零度，两根光接收用光纤平行，光发送用光纤和光接收用光纤的固定角 度以反射面的法线为基准对称，并且所述各光纤在使用的波长下是单模 l . .
优选所述角度e是4°以上。
在本发明的温度补偿型光纤传感器中，优选所述光纤式温度计的测 量部和所述光学式物理传感器的测量部配置于同一个外封装体的邻接的位置上。
在本发明的温度补偿型光纤传感器中，优选所述光学式物理传感器 的反射镜固定于在所述外封装体中所安装的膜片上。
在本发明的温度补偿型光纤传感器中，优选设置光分路元件，用于 对来自光源的光进行分支，并引导至所述光纤式温度计的光发送用光纤 和所述光学式物理传感器的光发送用光纤。
发明效果
本发明的光纤式温度计构成为，包括 一根光发送用光纤，其用于 将来自光源的光传送到测量部；两根光接收用光纤，其用于将由配置于 测量部的反射镜的反射面所反射的光分别传送到两个光接收部；以及运 算处理电路，其根据来自两个光接收部的电信号之比计算测量部的温 度，其中，与反射面对置的三根光纤的端面被固定，以使光纤长度方向 与反射面的法线所成的角度e是非零度，两根光接收用光纤平行，光发 送用光纤和光接收用光纤的固定角度以反射面的法线为基准对称，并且 所述各光纤在使用的波长下是单模的。因此，可提供廉价的装置构成的 同时，能够基于光强度的变化高精度地测量温度。而且，通过使所述角 度e是8。以上，能够进一步提高测量精度。
所述测量部是通过将温度测量用三芯阵列和所述反射镜固定于阵 列固定基材而构成的，其中，所述温度测量用三芯阵列是将所述光发送 用光纤和两根光接收用光纤的测量部侧的端部固定于V槽阵列基板而 构成的，因此容易制造，能够以更低的价格提供温度测量性能稳定的光 纤式温度计。
而且，所述反射镜基材的线膨胀系数比所述阵列固定基材的材料的 线膨胀系数小，所述阵列固定基材的线膨胀系数是在8.6x10—6 ~ 27x10 — Smm/mm/'C的范围内，和/或所述温度测量用三芯阵列包括由石英玻璃 构成的V槽阵列基板和光纤压盖，通过这样的构成，即使重复地接受热 循环也能进行稳定地测量，可进一步提高测量精度。
本发明的温度补偿型光纤传感器使用两个光学式物理传感器，根据 一个传感器所测量温度，补偿另一个光学式物理传感器的温度依赖性， 测量温庋的所述一个传感器使用所述本发明所一及的光纤式温度计。因 此，通过光学式物理传感器高精度地测量温度，并用该温度数据对光学 式物理传感器的测量数据进行温度补偿，基于此可提供廉价的装置的同 时，能够测量经过温度补偿的正确的物理量。而且，另一个光学式物理传感器与所述光纤式温度计相同，或者仅 改变光纤的固定角度，基于这样的构成可以提供使用通用部件且廉价的 温度补偿型光纤传感器。
而且，优选所述光纤式温度计的测量部和所述光学式物理传感器的 测量部配置于同一个外封装体的邻接的位置上。
而且，光学式物理传感器的反射镜固定于在外封装体中所安装的膜 片上，基于该构成可构成高精度的压力传感器。
而且，设置光分路元件，用于将来光源的光分支，并引导至所述光 纤式温度计的光发送用光纤和所述光学式物理传感器的光发送用光纤， 基于该构成能够减少使用的光学元件，可提供更廉价的温度补偿型光纤 传感器。


图l是表示本发明的光纤式温度计的一个实施方式的构成图。
图2是上述光纤式温度计的测量部的放大构成图。 图3是表示本发明的光纤式温度计的测量结果，表示从反射镜到光 纤之间的距离和光强度以及能量比的关系的曲线。
图4是表示作为光源使用LED的、在不同温度下射出光光谱的曲线。
图5是表示LED特性(中心波长和输出能量)以及由温度测量用 三芯阵列所测量的能量比的温度依赖性的曲线。
图6是表示本发明的光纤式温度计的测量结果，表示使固定角度0 变化时的、从反射镜到光纤之间的距离和能量比计算值的关系的曲线。
图7是图2中A-A，部分的截面图。
图8是表示本实施方式的光纤式温度计的测量部的侧面图。 图9是表示由本实施方式的光纤式温度计所测量的温度测量结果的 曲线。
图10是表示本发明的温度补偿型光纤传感器的一个实施方式，温 度补偿型压力传感器的构成图。，
图11是上述温度补偿型压i传感器的测量部的侧面截面图。
图12是表示使用根据温度补偿型压力传感器的测量部的具体例子 制造的压力传感器进行压力测量的结果(无温度补偿的状态)的曲线。
图13是表示以温度测量结果为基础进行温度补偿运算后的压力测量结果的曲线。
图中符号说明
1—光纤式温度计；2—光源；3—光发送用光纤；4、 5—光接收用光 纤；3A~5A—芯部；6、 7—光接收部；8、 9—放大器；IO—运算处理 电路；11—测量部；12—温度测量用三芯阵列；13—反射镜；14—反射 面；^一v槽阵列基板；16—光纤压盖；17—阵列固定基材；18—粘结 剂；20—温度补偿型光纤传感器；21—压力传感器；22—光源；23—光 发送用光纤；24、 25—光接收用光纤；26、 27—光接收部；28、 29—放 大器；30—运算处理电路；31—测量部；32—压力测量用三芯阵列；33— 反射镜；34一反射面；35—膜片；36—外封装体；37—光分路元件。
具体实施例方式
下面参照

本发明的实施方式。
图1~图2以及图7~图8是表示本发明的光纤式温度计的一个实 施方式的图，图l是光纤式温度计的构成图，图2是该光纤式温度计的 测量部的放大构成图，图7是图2中A-A，部分的截面图，图8是表示测 量部构成的侧面图。在这些图中，符号l表示光纤式温度计，2表示光 源，3表示光发送用光纤，4和5表示光接收用光纤，3A 5A表示芯部， 6和7表示光接收部，8和9表示放大器，IO表示运算处理电路，11表 示测量部，12表示测量温度用三芯阵列，13表示反射镜，14表示反射 面，15表示V槽阵列基板，16表示光纤压盖，17表示阵列固定基材， 18表示粘结剂。
本实施方式的光纤式温度计1包括 一根将光源发出的光传送到测 量部的光发送用光纤3;两根光接收用光纤4、 5，其将由配置于测量部 11的反射镜13的反射面14所反射的光分别传送到两个光接收部6、 7; 运算处理电路IO，其根据来自两个光接收部6、 7的电信号之比计算测 量部ll的温度。固定与反射面14对置的三根光纤的端面，以使光纤的 长度方向和反射面的法线所成的角度e为8°以上，两根光接收用光纤4、 5平行，以反射面14的法线为基准，光发送用光纤3和光接收用光纤4、 5的固定角度对称，并且所述各光纤3 ~ 5在使用的波长下是单模的。
在本实施方式中，如图7和8所示，所述测量部ll如下构成将温 度测量用三芯阵列12和反射镜13固定于阵列固定基材17，该温度测量用三芯阵列12是将光发送用光纤3和两根光接收用光纤4、 5在测量部 侧的端部固定于V槽阵列基板15中。
优选该反射镜13构成基材的线膨胀系数比阵列固定基材17的材料 的线膨胀系数小。
而且，优选阵列固定基材17的线膨胀系数是在8.6xl(T6~ 27x10 6mm/mm/°C的范围内。
并且，优选温度测量用三芯阵列12包括由石英玻璃构成的V槽阵 列基板15和光纤压盖16。
接着，对温度测量用三芯阵列(以下有简称为三芯阵列的情况)进 行说明，并对使用其的温度计和温度补偿构造进行说明。
(三芯阵列测量原理)
如图l所示，基于三芯阵列的测量由以下部件构成测量部ll，其 具有反射面14,该反射面14和光纤端面的相对距离根据压力、温度等 物理量而发生变化；光发送用光纤3，其将光源发出的光传送到测量部 11;光接收用光纤4、 5，其将由测量部11的反射面14所反射的光分别 传送到两个光接收部6、 7;运算处理电路IO,其取得来自光接收部6、 7的电信号之比并计算出物理量。固定与反射面14对置的三根光纤的端
面，以使光纤长度方向和反射面的法线所形成的角度为e。
图2是测量部11的放大图。如图2所示，两根光接收用光纤4、 5 平行，光发送用光纤3和光接收用光纤4、 5以反射面14的法线作为基 准以固定角度e被对称地固定。来自光发送用光纤3的射出光经反射面 14反射，耦合到两根光接收用光纤4、 5中的反射光分别传送到光接收 部6、 7。光发送用光纤3以及光接收用光纤4、 5在其全部长度中使用 在其使用波长下以单模进行传送的光纤3 ~ 5。这是因为如果光纤是多模 的话，则由于模间的能量分布的变化会使精度恶化，要防止这种情况的 缘故。这里使用波长是使用的光源中的强度频镨中的峰值波长。如果使 用单模传送的光纤，则由于芯部直径小因此增大光强度会有困难，但是
通过A/D转换后进行数字高速傅里叶变换(FFT)，或者将测量值运算 的积分时间延长为100ms以上等，可以实现基于电处理的高精度的测 *。而且，也能够便宜地买到这样的运算处理电路IO。
图3是表示相对于光纤3 5的端面和反射面14之间的相对距离D 的变化，光接收用光纤4、 5各自的反射光强度P1、 P2和能量比的关系 (以下称为距离依赖性)的曲线。在此，能量比是作为能量比运算值=(Pl-P2 ) / ( Pl+P2 )。图3中横轴表示相对距离D，左竖轴表示光强度， 右竖轴表示能量比运算值。反射光强度Pl和P2分别是在不同位置上具 有峰值的曲线。这里光纤以非零的角度0被固定。因此，各自峰值间所 得到的能量比是具有几乎为线性的单调变化的曲线。在根据物理量变化 来进行反射面14和阵列的相对距离D的测量中使用该单调变化部分。 而且，测量灵敏度由该曲线的倾斜A=dF (Pl， P2)/dD表示，A大时 测量灵敏度高。
在使用该三芯阵列的温度计中使用Pl和P2的比作为测量值，因此 即使光源的光强度发生变化测量值也不会发生变化，能够进行稳定地测 量。而且，由于在测量部11到光接收部6、 7之间不使用光分路元件， 因此受光源2的波长变化影响小，能够进行高精度的测量。因此，即使 使用可较便宜买到的LED光源等也能够实现高精度的测量。
图4是表示作为光源2使用LED的、在不同温度中射出光光谱的 曲线。
图5是表示LED特性(中心波长和输出能量)以及由上述三芯阵 列所测量的、能量比的温度依赖性的曲线。
如此，即使发光中心波长、输出能量变大，由三芯阵列所测量的能 量比几乎没有变化，能够稳定地测量。
图6是表示不同的光纤固定角度e、使用三芯阵列测量的能量比计
算值的距离依赖性的曲线。这样增大固定角度e则Pl、 P2的峰值位置 靠近反射面且A变大，相反减小固定角度e则峰值位置远离反射面且A
变小。这样由于使固定角度e变化则A就发生变化，因此利用这点能够
容易地选择测量灵敏度。这里的测量范围即在距离依赖性中存在线性倾 斜的相对距离范围和测量灵敏度处于折衷的关系，测量灵敏度高则测量 范围变小，相反测量灵敏度低则测量范围变大。而且，e变小则测量范
围即反射镜到光纤的距离变大，因此反射光强度P1、 P2变小。
此处，图6中的测量所使用的三芯阵列，作为如图7所示的构造， 是使用光通信中所使用单模光纤和石英玻璃制成的V槽阵列基板15来
制造的。图2所示以固定角度e固定光纤的情况下，为了容纳光纤而使
用进行v槽加工的基板，'因此能够精度良好地固定光纤。作为光'纤的固
定方法是，沿着v槽临时固定光纤，从上部以由没有进行v槽加工的
石英玻璃板形成的光纤压盖16夹着的状态通过树脂固定。基于此能够 以相同的平面形状精度良好地固定三根光纤3 ~ 5，不会发生由于高度的偏差引起的强度变动，能够防止测量精度的下降。这里的v槽阵列基板
15使用石英玻璃，光纤也是石英玻璃制成的，这是为了使双方的线膨胀 系数相等的缘故。
(测量部的构造以及温度补偿方法)
图8是表示使用该温度测量用三芯阵列12的测量部11的构成例的图。
该测量部11构成为固定了光纤3 ~ 5的石英玻璃制成的三芯阵列 12固定于阵列固定基材17，并且反射来自光纤的光的反射镜13同样地 固定于阵列固定基材17。若环境温度发生变化，则阵列固定基板17热 膨胀，从光纤端面到反射镜13的距离发生变化，因此测量值变化，能 够进行温度测量。此时可知若使用螺钉等将三芯阵列12的V槽阵列 基板15固定于阵列固定基材17上，则在三芯阵列12和阵列固定基材 17之间产生变形，因此基于温度变化的滞后等变大，不能够进行稳定地 测量。因此，优选通过粘结剂18对三芯阵列12和阵列固定基材17进 行固定。但是，由于在使用热硬化型粘结剂的情况下，加热硬化时基材 会膨胀，硬化后粘结面发生大的变形，因此作为粘结剂18使用紫外线 硬化型树脂，这样的测量部11能够成为在反复测量中表现出良好的再 现性的传感器。
而且，为了使温度变化所引起的距离变动增大，阵列固定基材17 的线膨胀系数大的一方较好，但若太大的话，则和三芯阵列12的线膨 胀系数的差就会增大，粘结部18的变形也会增大，因此测量值变为不 稳定。作为阵列固定基材17线膨胀系数为27xl(T6 (mm/mm/。C，以下 省略该单位。)左右，使用镁时，通过在-10。C 55。C的热循环试验确认 了特性变动的现象，与此相对确认了铝(线膨胀系数23xl0"左右)、不 锈钢基材(线膨胀系数17xl0"左右)能够进行稳定地测量。另一方面， 使用钛(线膨胀系数8.6xl0"左右)制造基材时，线膨胀系数小测量灵 敏度太低。因此，优选阵列固定基材17的材料的线膨胀系数在8.6xl(T6 以上、23xlO-S乂下的范围。
而且，阵列固定基板17由石英玻璃等的线膨胀系数小的材料构成 时，如图'8所示，在远离反射镜13的位置粘结并固定三芯阵列12和阵 列固定基材17则得到大的距离变化。考虑到粘结面积和粘结强度等则 从三芯阵列12的一半开始在离反射镜13远的一侧固定较好。并且，通 过使反射镜13的基材的线膨胀系数比阵列固定基材17小能够增大由温度变化引起的距离变动。因此，反射镜13的基材使用比阵列基材17的 线膨胀系数小的基材较好。作为具体的反射镜13的构成可使用在玻璃 基材上蒸镀反射膜的构成等。
在由所述构成制造的测量部11的情况下，由-20。C到IOO'C的温度 变化得到的距离变化是10 30nm左右。角度e只要不是O度，使用什 么样角度的阵列都能测量，但根据如图6所示的距离依赖性的数据为了 提高测量灵敏度，优选光纤固定角度e为8。以上。另一方面，即使固定
角度e为10。以上的角度，特性几乎没有变化，此外反射镜和光纤端面 的距离过于接近，制造变得困难，因此固定角度e在10。以上几乎没有 意义。特别是固定角度e在2o。以上时，光纤端面和反射镜的距离很近，
光接收用光纤1和2的光耦合很难同时发生，因此不实用。
图9是表示具有由所述构成制造的测量部11的光纤式温度计1测量 温度的结果的曲线。如图9所示，能够确认根据温度变化测量值几乎 线性变化，可以作为温度计使用。即、能够确认由所述构成制造的光纤 式温度计l可以作为既廉价又具有高精度的温度计来使用。此外，在本 构成中，将固定角度9=10。的三芯阵列12固定于由不锈钢(SUS316) 制造的阵列固定基材17中。反射镜13使用在玻璃基板上蒸镀铝的材料。 光源2使用中心波长约1.3jim的LED光源，光接收部6、 7使用光电二 极管。光电二极管所得到的电流信号通过作为放大器8、 9的运算放大 器变换为电压信号后，在运算处理电路IO中进行运算。
下面说明本发明所涉及的温度补偿型光纤传感器的实施方式。 图10和图ll是表示本发明所涉及的温度补偿型光纤传感器的一个 实施方式，图10是温度补偿型光纤传感器20的构成图，图11是表示 温度补偿型光纤传感器20中测量部的构造的截面图。在这些图中，符 号20表示温度补偿型光纤传感器，21表示压力传感器，22表示光源， 23表示光发送用光纤，24、 25表示光接收用光纤，26和27表示光接收 部，28和29表示放大器，30表示运算处理电路，31表示测量部，32 表示压力测量用三芯阵列，33表示反射镜，34表示反射面，35表示膜 片，36表示外封装体，37表示光分路元件。
实施方式的温度补偿型光纤梧感器20是使用两个光学式物理传感 器，通过一个传感器测量的温度补偿另一个光学式物理传感器的温度依 赖性的这样类型的温度补偿型光纤传感器20，作为测量温度的所述一个 传感器使用所述光纤式温度计1。而且，在本实施方式的温度补偿型光纤传感器20中，另一个光学式物理传感器为压力传感器21，但作为一 个例子也可用压力传感器以外的光学式物理传感器构成该另一个光学 式物理传感器。
本实施方式的温度补偿型光纤传感器20中，压力传感器21与所述 光纤式温度计1具有相同构成。即、该压力传感器21包括 一根光发 送用光纤23,其将来自光源22的光传送到测量部31;两根光接收用光 纤24、 25，其将由配置于测量部31的反射镜33的反射面34所反射的 光分别传送到两个光接收部26、 27;运算处理电路30,其根据来自两 个光接收部26、 27的电信号之比计算测量部31的压力变化。而且，固 定与反射面34对置的三个光纤的端面，以使光纤的长度方向和反射面 的法线所成的角度6为非零度，两根光接收用光纤24、 25平行，以反 射面14的法线为基准光发送用光纤23和光接收用光纤24、 25的固定 角度对称，并且所述各光纤23~25中在使用的波长下是单模的。
此时，光纤固定角度e能够根据压力变化的变化量确定。角度e小
于4。则灵敏度变低光能量也变小，因此优选在4°以上。
该温度补偿型光纤传感器20中，光纤式温度计1和压力传感器21 的测量部31配置在同一个外封装体36的邻接的位置上，压力传感器21 的反射镜33固定于在外封装体36中所安装的膜片35上。压力传感器 21的测量部31侧与图7和图8所示的光纤式温度计1的测量部11 一样， 设置有将光发送用光纤23和两根光接收用光纤24、 25在测量部侧的端 部固定于V槽阵列基板的压力测量用三芯阵列32。该膜片35根据外封 装体36的外压和内压的压力差而弯曲，其结果，改变压力测量用三芯 阵列32和反射镜33之间的距离，基于此能够测量压力。
在本实施方式的温度补偿型光纤传感器20中，来自光源22的光通 过光耦合器等的光分路元件37能够分支并导向光纤式温度计1的光发 送用光纤3和压力传感器21的光发送用光纤23。
来自光源22的光被光分路元件37分支为两束，分别被导向各自的 三芯阵列12、 32。在压力传感器21中根据被测量物理量(这里是压力) 和环境温度的变化使测量值发生变化，而在光纤式温度计l中仅根据温 度的变化使测量植发生变化。此时，通过事先测量由压力传感器21的 温度变化所引起的测量值变动，根据光纤式温度计1的温度测量结果通 过运算来补偿压力传感器21的温度变动部分，就能够仅得到被测量物 理量。在本构成中，被测量物理量和温度的测量单元都使用了三芯阵列构造，因此具有使部件筹备、制造工序可以通用的优点。而且，通过使
用光分路元件37能够构建不必使用多个光源的廉价的测量系统。由于 在测量部31和检测部6、 7、 26、 27之间未^f吏用光分路元件37，所以即 使改变光分路元件37的分支比对测量值也不会造成影响，因此能够使 用熔接拉伸型光耦合器等便宜的光分路元件。
图11是表示组合了图6所示的温度测量用三芯阵列12和压力测量 用三芯阵列32的温度补偿型压力传感器的测量部31的构成图。反射镜 33固定于根据压力变化的膜片35上，使用压力测量用三芯阵列32检测 该变化量。
作为本测量部31构造的具体的例子，膜片35使用针对400kPa的 压力产生200fim变化的膜片。而且，压力测量用三芯阵列32使用固定 角度e为5。的。光源和光接收部的构成与图9所示的温度测量时的相同。
图12是表示使用根据所述测量部31的具体例子制造的压力传感器 21进行压力测量的结果(无温度补偿的状态)的曲线。如图12所示， 在该压力传感器21中压力变化和能量比是直线关系，作为压力传感器 具有很好的性能这一点是明确的。
并且，本实施方式的温度补偿型光纤传感器20,在测量部31中测 量压力变化的同时测量温度变化，并事先测量温度对压力测量值的影 响，以由温度测量用阵列所得到温度信息为基础通过运算电路除去该影 响并输出，从而实现了温度补偿。
图13是表示以温度测量结果为基础进行温度补偿运算后的压力测 量结果。从该结果中可以确认，在所有的压力范围(0~400kPa)、温度 范围(-10~55。C)中，能够进行误差在±0.2%以下的高精度测量。
产业上的应用
根据本发明，能够提供廉价且高精度地测量温度的光纤式温度计， 以及通过使用该温度计补偿由温度变化引起的测量误差，能够进行高精 度测量的温度补偿型光纤传感器。
权利要求
1.一种光纤式温度计，其特征在于，包括一根光发送用光纤，其用于将来自光源的光传送到测量部；两根光接收用光纤，其用于将由配置于测量部的反射镜的反射面所反射的光分别传送到两个光接收部；以及运算处理电路，其根据来自两个光接收部的电信号之比计算测量部的温度，其中，与反射面对置的三根光纤的端面被固定，以使光纤长度方向与反射面的法线所成的角度θ是非零度，两根光接收用光纤平行，光发送用光纤和光接收用光纤的固定角度以反射面的法线为基准对称，并且所述各光纤在使用的波长下是单模的。
2. 根据权利要求1所述的光纤式温度计，其特征在于，所述角度e是8。以上。
3. 根据权利要求1或2所述的光纤式温度计，其特征在于，所述测量部是通过将温度测量用三芯阵列和所述反射镜固定于阵 列固定基材而构成的，其中，所述温度测量用三芯阵列是将所述光发送用光纤和两根光接收用光纤的测量部侧的端部固定于V槽阵列基板而构成的。
4. 根据权利要求3所述的光纤式温度计，其特征在于，所述反射镜基材的线膨胀系数比所述阵列固定基材的材料的线膨 胀系数小。
5. 根据权利要求3或4所述的光纤式温度计，其特征在于， 所述阵列固定基材的线膨胀系数是在8.6x10- 6 ~ 27x10 —6mm/mm/'C的范围内。
6. 根据权利要求3至5中任一项所述的光纤式温度计，其特征在于， 所述温度测量用三芯阵列包括由石英玻璃构成的V槽阵列基板和光纤压盖。
7. —种温度补偿型光纤传感器，使用两个光学式物理传感器，根据 一个传感器所测量的温度，补偿另一个光学式物理传感器的温度依赖 性，其#征在于， '测量温度的所述一个传感器是权利要求1至6中任一项所述的光纤 式温度计。
8. 根据权利要求7所述的温度补偿型光纤传感器，其特征在于， 所述另一个光学式物理传感器包括 一根光发送用光纤，其用于将来自光源的光传送到测量部；两根光接收用光纤，其用于将由配置于测 量部的反射镜的反射面所反射的光分别传送到两个光接收部；以及运算 处理电路，根据来自两个光接收部的电信号之比计算测量部的温度，其 中，与反射面对置的三根光纤的端面被固定，以使光纤长度方向与反射 面的法线所成的角度e是非零度，两根光接收用光纤平行，光发送用光 纤和光接收用光纤的固定角度以反射面的法线为基准对称，并且所述各 光纤在使用波长下是单模的。
9. 根据权利要求8所述的温度补偿型光纤传感器，其特征在于， 所述角度0是4。以上。
10. 根据权利要求9所述的温度补偿型光纤传感器，其特征在于， 所述光纤式温度计的测量部和所述光学式物理传感器的测量部配置于同一个外封装体的邻接的位置上。
11. 根据权利要求10所述的温度补偿型光纤传感器，其特征在于， 所述光学式物理传感器的反射镜固定于在所述外封装体中所安装的膜片上。
12. 根据权利要求9至11中任一项所述的温度补偿型光纤传感器， 其特征在于，设置有光分路元件，用于对来自光源的光进行分支，并引导至所述 光纤式温度计的光发送用光纤和所述光学式物理传感器的光发送用光 纤。
全文摘要
根据本发明提供一种能够廉价且高精度地测量温度的光纤式温度计，以及使用其补偿由温度变化引起的测量误差，能够高精度地测量的温度补偿型光纤传感器。该光纤式温度计包括一根光发送用光纤，其用于将来自光源的光传送到测量部；两根光接收用光纤，其用于将由配置于测量部的反射镜的反射面所反射的光分别传送到两个光接收部；以及运算处理电路，其根据来自两个光接收部的电信号之比计算测量部的温度。与反射面对置的三根光纤的端面被固定，以使光纤长度方向与反射面的法线所成的角度θ是非零度，两根光接收用光纤平行，光发送用光纤和光接收用光纤的固定角度以反射面的法线为基准对称。并且所述各光纤在使用的波长下是单模的。
文档编号G01K11/12GK101542255SQ20078003861
公开日2009年9月23日 申请日期2007年10月18日 优先权日2006年10月18日
发明者坂元明, 堀本启一, 野口善清 申请人:株式会社藤仓