1
新しいファイバセンシングのご提案
─ PNCR based “push-pull ratiometry” ─
PNCR : PN code Correlation Reflectometry
擬似ランダム符号相関方式
Confidential and Proprietary, c 2008
2
地域新生コンソーシアム
関東経済産業局 「地域新生コンソーシアム」17C3013
擬似ランダム符号相関方式による
光伝送路反射計測システムの開発
2005.8~2007.3
・総括研究代表者・・・・・・・・・渡辺製作所
・副総括研究代表者・・・・・・・鹿児島大学
・研究実施者・・・・・・・・・・・・・・DSP技研、リンク他
・管理法人・・・・・・・・・・・・・・・・埼玉県中小企業振興公社
ファイバセンシングの開発には経産省の補助を受けました。
Confidential and Proprietary, c 2008
3
光センシング開発のねらい
PN符号相関方式をコアとした
push-pull ratiometric な
interrogating system の
line up を開発したい
簡単原理
高耐外乱
低コスト
柔軟運用
高信頼
使い勝手のよい安価なフファイバセンシングを目指します
Confidential and Proprietary, c 2008
4
Push-pull ratiometryのコンセプト
BOF on DWPR
BOF : BPF On Fiber-end
DWPR : Dual Wavelength Pushpull Reflectoimetry
2波長プッシュプル
反射計測方式
BPFの波長シフトを2波長反射率比から割り出します
Confidential and Proprietary, c 2008
Push-pull ratiometryのコンセプト
5
物理量
r2
反射率
r1
反射率比(dB差)より
r1
物理量を 比定する
入力光
印加物理量
✔ 反射率比をとることで
物理量以外の外乱要素
反射率比
r2
push pull
2波長反射センサ
✔ 2つの波長に対する
r1/ r2
は相殺される
印加物理量
2波長に対して反射率がpush-pullに変化するセンサを前提とします
Confidential and Proprietary, c 2008
FBG BOF
6
FBG
BOF
Fiber Bragg Grating
BPF On Fiber-end
core
cladding
core
cladding
FBGもBOFも反射物理は共通ですが、スペクトル形態異なります
Spectrum shift
Spectrum shift
Patent Preparing
Confidential and Proprietary, c 2008
BOF*のスペクトルシフト検出
7
* BPF On Fiber-end
BPF
✔ ファイバ終端面にBPFを直接形成
温度等による
波長シフト
✔ BOFの反射スペクトルは温度/
圧力でシフトする
反射率
アップ
反射率
✔ 中心波長を挟む2波長反射率比
から波長シフトを検出
反射率
波長
ダウン
λ1
λ2
✔ 反射率比を取る過程で波長シフ
ト以外の外乱要素がすべて相殺
される
プッシュプル変化する2波長に対する反射率を求めてその比を取ります
Patent Preparing
Confidential and Proprietary, c 2008
8
多層膜の形成
T i O2
S i O2
n = 2.22
n = 1.46
✔ Single cavity
band pass filter
✔ Ion assisted
deposition
多層膜による帯域フィルタをファイバ端面に直接蒸着します
Patent Preparing
Confidential and Proprietary, c 2008
9
BOF on FIX Stub
Periphery
of stub
Periphery of filter
SMF
フィルタ形成はコア近傍で十分ですが実際にはフェルール全面に蒸着します
Confidential and Proprietary, c 2008
10
BOP温度プローブ
試作BOF温度プローブ
100
FOS&S社製FBG温度プローブ
既存FBG温度プローブ
温度プローブは細径にすることができます
Confidential and Proprietary, c 2008
DW-PNCR Platform
11
DRV
Coupler
Coupler
LD1
PN
Gene
DRV
Sensor
Branch
Circulator
LD2
Corre
-lator
Coupler
Coupler
A/D
PD
Through
Line
S1
Sensor
Branch
S2
Sensor Network
Interrogator
Interrogator装置は構成をシンプルにすることができます
Confidential and Proprietary, c 2008
Sn
DWPRによるスペクトルシフト検出
0
0
-5
-10
Reflectance r (dB)
-10~80 C
-10
-20
-15
-30
-20
-40
1540.56 nm
1542.94 nm
-25
-30
1538
-50
1539
1540
1541
1542
1543
1544
1545
Wavelength λ(nm)
温度によるスペクトル変化を2波長反射率比から割り出します
Confidential and Proprietary, c 2008
-60
1546
Optical output P (dBm)
12
BOFの2波長反射率
13
Reflectance r 1, r 2(dB)
0
-5
r 1 : 1540.56nm
-10
r 2 : 1542.94nm
-15
r 1 = -0.0002T2 + 0.0634T - 9.5789
r 2 = -0.0006T 2 - 0.063T - 7.356
-20
-20
0
20
40
60
80
Temperature T ( C)
2波長反射率は温度に対してプッシュプルに変化します
Confidential and Proprietary, c 2008
100
BOFの2波長反射率比
14
12
10
8
ζ (dB)
6
4
2
0
-2
ζ = 0.0005T 2 + 0.1264T - 2.2229
-4
-6
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
Temperature T ( C)
較正カーブの例です
Confidential and Proprietary, c 2008
80
90
15
試作機による温度センシング
80
Temperature T ( C)
75
。
Actual Temperature, Ta
Estimated Temperature, Te
70
Actual
Estimated
65
60
55
50
45
40
35
30
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Time t (min)
BOFセンサを湯に入れ冷ましていったときの応答です
Confidential and Proprietary, c 2008
220
240
16
試作機による温度センシング
Estimated ( C)
75
。
70
Actual
Temperature, Ta
σ=0.194
Estimated
Temperature,
Te
65
60
55
50
45
40
35
30
30
35
40
45
50
55
60
Actual ( 。C)
65
70
75
測定精度は標準偏差で0.19度でした
Confidential and Proprietary, c 2008
BOF圧力特性の測定
17
Load
荷重印加によって
BOFが弾性圧縮し反
SMF
射スペクトルが短波
長側にシフトするの
ではないか
Stub BOF
BK7
BOFが圧力センサとしても使えることを検証します
Confidential and Proprietary, c 2008
BOFの圧力スペクトル変化
18
BOF圧力センサ
波長-反射率特性 (2回目)
-10
-11
Reflectance γ(dB)
-12
-13
load
-14
-15
-16
-17
-18
-19
-20
1520
1525
1530
1535
1540
1545
1550
1555
1560
1565
Wavelength λ(nm)
膜厚方向の圧力に応じて反射スペクトルが大きくシフトします
Confidential and Proprietary, c 2008
1570
Estimation of Spectrum Shift
19
Hertz’s formula
W
E1 , ν1
Δλ
R1
BOF
R2
a
a
E2 , ν2
E1 , 2 : Young modulus
ν1 , 2 : Poisson ratio
a : Contact radius
R1 , 2 : Contact curvature
W : Load


W
1
3
W
BOFの圧力によるスペクトルシフトはHertzの弾性圧縮論で説明できます
Confidential and Proprietary, c 2008
Herz理論との対応
20
Spectrum shift Δλ(nm)
10
Boundary of
fiber (SiO2) &
ferrule (ZrO2)
Δλ=1.4847W
1/3
① SiO2/BK7
Δλ=1.24W
1
1/3
② ZrO2/BK7
Δλ=1.33W1/3
Interpolation
λ0=1,545.7nm
0.1
0.1
1
10
Load W (N)
理論値と実験値が良く一致します
Confidential and Proprietary, c 2008
100
21
Ball接触による圧力増感の試み
Load
球を介した接触に
SMF
よって接触面積を
Stub BOF
狭窄し圧力感度を
高めることができる
Contact ball
BK7
接触球によって圧力に対するスペクトルシフトを増感します
Confidential and Proprietary, c 2008
Ball接触時のスペクトル変化
22
-10
Reflectance γ (dB)
-11
larger W
-12
-13
-14
-15
-16
-17
-18
1520
1525
1530
1535
1540
1545
1550
Wavelength λ (nm)
接触球によって大きな増感効果が得られます
Confidential and Proprietary, c 2008
1555
1560
23
渡辺の方式ラインナップ
OTDR
DWPRのほかにも、FBGを対象と
したDT3Rや、OTDRをベースとし
たTRSなど多彩なラインナップが
可能です。詳細は論文集をご覧
下さい。
TRS
変、振、温
Patent pending
PNCR
DWPR
BOF
温、圧、振、屈
PNCR:Pseudorandom Noise code Correlation
Patent pending
Reflectometry
OTDR:Optical Time Domain Reflectometry
DWPR:Dual Wavelength Push-pull Reflectometry
DT3R:Delayed Transmission/Reflection Ratiometric Refelectometry
Patent pending
DT3R
FBG, FPE
温、歪、振
Patent pending
Confidential and Proprietary, c 2008
24
ありがとうございました
Confidential and Proprietary, c 2008
ダウンロード

ファイバ上の異常と位置を同定