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光波長多重による分布型ガスセンサ 新技術説明会

国内特許コード P08A014044
掲載日 2008年11月14日
出願番号 特願2007-078264
公開番号 特開2008-241281
登録番号 特許第4423430号
出願日 平成19年3月26日(2007.3.26)
公開日 平成20年10月9日(2008.10.9)
登録日 平成21年12月18日(2009.12.18)
発明者
  • 佐野 安一
出願人
  • 国立高等専門学校機構
発明の名称 光波長多重による分布型ガスセンサ 新技術説明会
発明の概要 【課題】ガス管の布設は広域にわたるものであり爆発事故を未然に防ぐために分布型 ガスセンサは必要なものであるにもかかわらず特に場所の特定が困難であり感度も低いという欠点があった。本発明はこれらの欠点を解決し実用的な光ファイバ分布型ガス計測システムを提供する。
【解決手段】リング共振器のドロップポートと光ファイバブラッググレーティングあるいは平面光導波路にブラッググレーティングを描画した導波路ブラッググレーティングの中間にフォトニックバンドギャップファイバあるいはホーリーファイバを間隙を設けて配置する。ガスの濃度によりこれらのファイバの透過率が変化するためガス検出が可能となる。リング共振器の共振波長とブラッグレーティングの反射波長を組み合わせ、加えてフォトニックバンドギャップファイバあるいはホーリーファイバを用いることによりセンサごとに反射波長およびその反射光量すなわちガス濃度を特定する。
【選択図】 図1
従来技術、競合技術の概要 【背景技術】第一の背景技術を述べる。これは本発明者自身の特許文献1~4により公知になっているものである。図6によりこの技術を説明する。広帯域光源3からの光を光方向性結合器4に入射させ該光方向性結合器からの出射光をシングルモード光ファイバSMF5から成る光信号伝送ライン経由1個のセンサに導き、あるいは複数のセンサを光信号伝送ラインを用いて直列に接続した直列回路に導きこれら1個あるいは複数のセンサからの反射光は逆の経路をたどって光方向性結合器4経由波長検波器11に導かれ該検波器において測定されたこれらセンサからの反射スペクトルを、あらかじめ測定したセンサの反射波長と温度との関係を記憶したメモリとそれを制御するための制御部からなる記憶装置に入力させることによりセンサが検出すべき温度の変化あるいは温度を測定する温度計測システムであって、前記各センサは1個の光ファイバブラッググレーティング(以下FBG)あるいは平面光導波路にブラッググレーティングを描画した素子(以下WBG:Waveguide Bragg Grating)がリング共振器のドロップポートに接続されており前記光信号伝送ラインとは入射ポート及びスルーポートを介して接続されている。この技術によればセンサ各々はサブピコメータオーダの半値全幅のスペクトルを反射し従って高い波長分解能即ち高い温度測定分解能をもった分布型温度計測システムを実現できる。電気火花を発生しないという利点があるため光りファイバを用いたガスセンサは従来から種々の検討が行われてきた。しかしその感度は電気式ガスセンサに比べ劣っていた。この感度を改善すべく非特許文献1により報告されているように最近光ファイバセンサ分野で開発研究が盛んなフォトニックバンドギャップファイバ(以下PBGF)またはホーリーファイバ(以下HF)を用いたガスセンサの研究がなされてきている。これについて以下に述べる。シングルモードファイバSMF6によりガスを測定したい個所まで光を送りそこにセンサとして動作するPBGFまたはHFを接続する。非特許文献ではメタンガスセンサであ。測定原理はガスの有無によりPBGFあるいはHFのクラッドの屈折率が変化しこのためPBGFあるいはHFの透過率が変わることを利用する。この方式の利点はガスに感応するクラッドに多数の空孔があいているため従来の光ファイバを用いたガスセンサよりも高感度になるという点である。図2はこの非特許文献1に記載された透過率を示す。光ファイバ信号伝送に都合の良い1500nm近傍の1491nmでメタンの有無により透過率に大きな変化が生じていることが分かる。このセンサの構成は図7に示すように前記シングルモードファイバSMF6と、センサとして使用するPBGFまたはHFの間に空隙AGを設けてありここからガスがPBGFまたはHFのクラッドに侵入していきガスセンサとして動作する。
【特許文献1】特願2006-288631
【特許文献2】特願2007-73986
【特許文献3】特願2007-74317
【特許文献4】特願2007-75087
【非特許文献1】H. Lehmann, S. Bruckner, J. Kobelke, G. Schwotzer, K. Schuster, R. Willsch, 1 photonic crystal fiber based distributed chemosensors, Proceedings of SPIE Vol. 5855, pp419-422, 2005
産業上の利用分野 光ファイバブラッググレーティング(以下FBG)を用いた分布型光ファイバセンサの技術分野に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】 リング共振器のドロップポートにフォトニックバンドギャップファイバ(以下PBGF)あるいはホリーファイバ(以下HF)を介して光ファイバブラッググレーティング(以下FBG)を接続し第二のセンサ要素を構成し、リング共振器のドロップポートに直接FBGをあるいは平面光導波路に描画したブラッググレーティングWBGを接続し第一のセンサ要素を構成し、第一のセンサ要素の入射ポートを第二のセンサ要素の出射ポートに接続し、第一のセンサ要素の出射ポートと第二のセンサ要素の入射ポートをそれぞれセンサとしての出射ポート及び入射ポートとし、該センサを複数個シングルモード光ファイバで直列に接続し広帯域光源からこれらのセンサに光を入射させ、各々のセンサからはリング共振器により狭帯域化された光を第二のセンサ要素ではPBGFあるいはHF を経由して第一のセンサ要素では経由せずFBGまたはWBGで光源側にそれぞれ第二の光スペクトル及び第一の光スペクトルとして反射させ、反射された光は光方向性結合器により光パワー密度を測定することのできるいわゆる光スペクトラムアナライザに入力させ、更に第一のセンサ要素からの反射ピークパワー密度P1と第二のセンサ要素からの反射ピークパワー密度P2の比Rを該光スペクトラムアナライザの出力を使って求め、この比Rの値がガス濃度にリンクすることを利用し、同時にシステムを構成するセンサごとのFBGあるいはWBGすべての反射帯域を異ならせ前記Rを演算するのに用いた前記第一及び第二の光スペクトルにより空間的にどの位置のセンサの比Rかを判断することを特徴とした光ファイバを用いた光波長多重分布型ガスセンサ。
【請求項2】請求項1の光スペクトラムアナライザにより同一センサにおける第一のセンサ要素から反射される光のうちピークパワー密度を与える波長における光パワー密度と第二のセンサ要素から反射される光のうちピークパワー密度を与える波長における光パワー密度との比をマイクロコンピュータなどの電子回路を用いて実行することを特徴とした光波長多重分布型ガスセンサ。
【請求項3】請求項1においてFBGあるいはWBGの反射波長帯域はそれにつながるリング共振器のフリースペクトルレンジよりも狭いことを特徴とした光波長多重分布型ガスセンサ。
産業区分
  • 試験、検査
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
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