专利名称：光纤温度传感器、温度传感器片及温度测定方法
技术领域：
本发明涉及使用了光纤的温度测定，涉及将点范围取小并将测定点增多的光纤温度传感器、温度传感器片及温度测定方法。
背景技术：
当光入射到光纤时，可以根据其传输光的变化测定沿着光纤长度方向的温度分布的、使用了光纤的光纤温度传感器已经公知。通过将这种光纤布置在温度测定对象物的表面或内部等空间中，便能测得该空间的温度分布。将传输光的变化转换为沿着长度方向的温度分布的光纤的温度计是公知的，由于只要将光纤连接在该光纤温度计上就能测定温度分布，因而省略了对其原理的详细说明。
但是，对于利用这样的光纤温度计的测定结果存在所谓距离分辨率的限制，作为光纤上的某个点的温度得出的结果，是位于该点前后规定长度范围的温度的平均值。即，该长度范围就是距离分辨率。要精确地分离并测定位于比距离分辨率更狭窄范围内的多个点的温度的不同是不可能的。因此，上述光纤温度计的数据采样间隔(即距离的间隔，下同)的精度依赖于距离分辨率。
图12所示的光纤121在长度为5米的空间中布置成直线状。此时，若将光纤温度计的数据采样间隔取为1米，则每隔1米取一个点可测定5点的温度。
此外，作为有关光纤温度传感器的现有技术的文献有专利文献1-日本特开平9-219869号公报。另外，作为有关中空光纤的现有技术的文献有专利文献2-日本特开平2002-249335号公报。
为了使用如上所述的存在距离分辨率这种限制的光纤和光纤温度计测定分布在光纤的空间中、比距离分辨率更窄的点范围内的温度(称为点温度)时，可以使光纤中间的规定规定长度段，也即与数据取样间隔同等长度段集中到点范围内。这样一来，由于光纤的规定长度纳入到点范围内，从而能精确地测定点温度。
这时，若要在狭窄的点范围内形成使光纤的规定长度段集中的光纤集中部分，则不能避免产生光纤的弯曲。并且，点范围越狭窄，弯曲越显著(若以弯曲半径表现它，则曲率半径变小)。例如，要以尽可能多的测定点测定如图12的空间的温度分布时，与之对应，由于将点范围取得很窄，从而曲率半径很小。
然而，通常光纤具有因弯曲产生光传输损失的性质，曲率半径一小，由其弯曲部分产生的光传输损失则增大。另外，当在光纤的整个长度之间有多处弯曲部分时，由于各个弯曲部分产生的光传输损失叠加而使光纤整个长度间的光传输损失增加，因而一旦弯曲部分数量增多，则光传输的总损失增大。
这样，当曲率半径小或弯曲部分数量增加使光传输损失增大时，会对光纤温度计的温度测定带来障碍。
例如，当曲率半径在100mm以下制作捆扎部时，由于在该捆扎部发生较大的光传输损失，因而不能增加捆扎部的数量。另外，由于在捆扎部发生较大的光传输损失，为了抑制总的光传输损失，必须缩短光纤的总长度。此外，由于在捆扎部发生较大的光传输损失，对光纤温度计的温度测定形成障碍，使测定精度变差。正因为如此，要总体而又细密地测定空间的温度不能用这种温度计，它只能适用于在局部空间内测定少数测定点。
发明内容
因此，本发明的目的在于解决上述问题，提供一种能减小点的范围、增多测定点的光纤温度传感器、温度传感器片及温度测定方法。
为了实现上述发明目的，本发明的光纤温度传感器在温度分布测定空间中将中空光纤(holey fiber)的规定长度集中地分布设置在比较狭窄的点范围内。
在上述点范围内可以形成捆扎或卷绕了上述中空光纤的规定长度的光纤集中部分。
上述光纤集中部分在将上述中空光纤的全长设为x、在以曲率半径d将该中空光纤卷绕一圈时所产生的光传输损失设为ΔL、将上述中空光纤没有弯曲时的光传输损失设为L0、将最大允许光传输损失设为L时，可以捆扎或卷绕的曲率半径d以下述(1)式表示d≥ΔL×x/(2π×(L-L0))(1)本发明的温度传感器片将上述光纤集中部分设置在规定长度的片上。
本发明的温度测定方法是，使用在光入射到光纤中时根据其传输光的变化可以测定沿该光纤的长度方向的温度分布的光纤，通过使上述光纤的中途规定长度部分集中到上述光纤所布置的空间的比较狭窄的点范围内，以便测定点温度的确温度测定方法，在上述温度测定方法中，上述光纤使用的是中空光纤。
本发明所发挥的优良效果是，能减小点的范围并增多测定点。
图1是表示本发明的一个实施例的光纤温度传感器的结构图。
图2是可用作本发明的光纤的光缆的断面图。
图3是表示本发明的光纤集中部分的一个实施例的侧视图。
图4是表示本发明的光纤集中部分的一个实施例的温度传感器片的俯视图。
图5是表示本发明的光纤集中部分的一个实施例的温度传感器片的俯视图。
图6是表示本发明的光纤集中部分的一个实施例的点传感器的俯视图。
图7是表示将本发明的光纤温度传感器设置在实际测定现场的状态的图。
图8是将本发明的的连续的光纤集中部分布置在空间中的俯视图。
图9是比较本发明和现有技术的温度分布图。
图10是中空光纤及单模光纤的曲率半径对一匝光纤的光传输损失的特性图。
图11是是表示本发明的一个实施例的光纤温度传感器的结构图。
图12是将现有的光纤布置于空间中的俯视图。
图中1-光纤；1a-中空光纤；2-光纤集中部；3-光纤温度计
具体实施例方式
下面，根据附图对本发明的的一个实施例进行详细说明。
如图1所示，本发明的光纤温度传感器是在使用在光入射到光纤1中时，根据其传输光的变化可以测定沿光纤1的长度方向的温度分布的光纤1，通过在上述光纤1所布置的空间(整个图1)的比较狭窄的点范围内使光纤1的中途的规定长度部分集中到光纤集中部分2，以便测定点范围A内的点温度的光纤温度传感器中，上述光纤1使用的是中空光纤1a。
中空光纤1a的内部结构及机械特性、光学特性因已公知而省略其说明。
中空光纤1a的一端与光纤温度传感器3连接。中空光纤1a的相反一端敞开或作为终端。在从该中空光纤1a的一端到相反一端的空间长F之间布置全长为x的中空光纤1a。
光纤集中部分2通过将中空光纤1a的规定长度部分捆扎或卷绕形成。在该图的例子中，光纤集中部分2离散地以间距S的间隔设置了4个。连续地设置的例子(图4)将于后述。光纤集中部分2将中空光纤1a绕成匝并形成环状。匝数虽可以是任意匝，但此处各为1匝。环状虽不必为正圆，但最小曲率半径为d，并将光纤集中部分2的环状做成半径为d的圆，从而能将中空光纤1a集中放置于尽可能窄的范围内。另外，在该例子中，间距S＝2d，即，相邻的光纤集中部分2虽相互接触，但相邻的光纤集中部分2之间即使相互离开也无问题。采用以上的结构，由于光纤1的全长x是空间的直线距离F再加上各环的长度，即，x＝F+4×2πd。在不是如图1的形态那样用直线连接独立的环之间，而是如图4的形态那样环一边偏移一边卷绕时，可以以x＝2πd×T近似地表示(T为匝数)。
光纤集中部分2的曲率半径d的值满足(2)式。
d≥ΔL×(x-F)/(2π(L-L0)) (2)此处 x光纤1的全长F空间的直线距离ΔL一匝光纤的光传输损失L0无弯曲时的光传输损失L满足温度测定精度的最大允许光传输损失
π圆周率当以图4的形态为例说明上述条件式的根据时，分布在空间的全长F上的光纤1连续地被捆扎，当将捆扎数T视为匝数时，则x＝2πd×T (3)相对于所要求的最大允许光传输损失L，一匝的光传输损失为ΔL，由于匝数为T，因而L必须是L≥L0+ΔL×T (4)若将(3)式变形代入(4)式则可消去T，从而得到L-L0≥ΔL×x/(2πd)(5)由于根据定义为L-L0＞0，因而可以得到L-L0≥ΔL×x/(2π(L-L0)) (1)这样，为了将光纤全长的光传输损失控制在所要求的最大允许光传输损失L以内，只要根据全长x、最大允许光传输损失L、一匝光纤的光传输损失ΔL、无弯曲时的光传输损失L0即可求得曲率半径d。
图10以实线表示一般的中空光纤的曲率半径d和一匝光纤的光传输损失ΔL的关系。如图10所示，曲率半径d越大则光传输损失ΔL越小，曲率半径d一小，则光传输损失ΔL增大。当以虚线表示一般的单模光纤的同样的关系时，可以看到，即使比较大的曲率半径d其光传输损失ΔL也大，而曲率半径d小时，光传输损失ΔL变得很大。
有关能确保光纤的全长x为什么样的长度，使用具体数值来对现有技术和本发明进行比较时，将作为光纤温度计3所必须的最大允许光传输损失L定为10dB时，以曲率半径10cm卷绕现有技术所使用的单模光纤时，由于一匝光纤的光传输损失ΔL为0.9dB/匝，因而其匝数T不超过11匝。其结果，全长x只有1米，缺乏实用性。本发明中，由于中空光纤一匝光纤的光传输损失ΔL为0.0001dB/匝，因而其匝数T可达100000匝。其结果，全长x可达到9420米。
如上所述，采用本发明，由于光纤1使用了中空光纤1a，因而即使曲率半径d很小的光纤温度计3在温度测定中也能得到十分强的光信号。由于能够减小曲率半径，因而能够缩小点的范围。另外，由于随着弯曲光传输损失的增加量而减少，因而可增多测定点，还可以加长光纤1的全长。此外，即使作为温度测定对象的尺寸比过去的点范围更小，若采用本发明，也可以得到与作为温度测定对象的尺寸相同程度的点范围。
图1的光纤1不必是中空光纤1a的芯线单体。如图2所示，也可以将光缆26作为图1的光纤1布置，该光缆26是在中心配置了张力件21的衬垫22的外周形成有螺纹状的沟槽23，将中空光纤1a放置在沟槽23中，再用带24卷绕其外周后进行铠装加上外壳25而形成。通过使用这种光缆26作为光纤1，可以防止空间内的物体碰到光缆26时对中空光纤1a造成损伤或变形。
图3的方式是通过将中空光纤1a卷绕在缆线或管子之类的圆柱或圆筒状的芯子31上来形成光纤集中部分。这样，将中空光纤1a卷绕在圆柱或圆筒状的芯子31上时，与没有芯子进行卷绕的场合相比作业容易。而且，容易在芯子31的长度方向上形成离散的或连续的光纤集中部分2。将此称为缆线状传感器32。
图4及图5的方式是将光纤集中部分2设置在规定长度的片41上构成温度传感器片42的状态。作为对片41固定中空光纤1a的有胶状物、硅、叠层、金属丝等。另外，可以将中空光纤1a收放在被称为片盒的的片状的盒体内。当这样构成温度传感器片42时，由于厚度可以较薄，因而容易将其布置在温度测定对象物的表面或内部等空间中，特别是在布置在温度测定对象物的表面上时，与温度测定对象物的热传导会较好。如果片41使用可挠性能好的材料，即使在温度测定对象物的表面弯曲的情况下，也可以无间隙地粘贴。另外，也容易在片41的长度方向上形成离散的或连续的光纤集中部分。再者，由于温度传感器片42在片41的宽度方向也有与点范围A相同的范围，因而，在测定对象物为平面时，可以用温度传感器片42无遗漏地覆盖该平面以测定整个平面的温度分布。
图4的方式和图5的方式的差异在于图4的光纤集中部分2是连续地形成的，而图5的光纤集中部分2是离散地形成的。图5中的多个光纤集中部分2中，中空光纤1a在平面上基本上成同心圆状地卷绕了多匝(一匝也可以)线圈。这样，由于多个光纤集中部分2分散地形成，因而分散地得到了点范围A1、A2、A3、A4。
图4中，中空光纤1a在平面上尽管卷绕了最初的一匝光纤，但卷绕下一匝光纤则一边使匝的中心移动一边进行卷绕使其偏移微小间距，随后也连续地以一边使匝的中心移动一边进行卷绕一匝的这种方式使线圈逐渐地向一个方向偏移地进行卷绕。此外，即使在图3的方式中，中空光纤1a虽有呈螺旋状这样的不同，但仍可以连续地形成光纤集中部分2。
通过形成这样连续的光纤集中部分2，可以得到无限多的点范围A1-1、A1-2、A1-3、---、A2-1、A2-2、---。当然，点范围A1-1和点范围A1-2因范围重叠而不可分离，但范围未重叠的点范围A1-1和点范围A2-2则可完全分离。因此，在这种连续的光纤集中部分2的长度(温度传感器片42的长度)F’中可最大限度地确保许多独立的点范围。另外，再将温度传感器片42预先布置在空间中之后，可以在光纤温度计3这方面适当地选择点地距离(从光纤端部到容纳于点范围内的光纤的中心位置)。
图6的方式是将光纤集中部分2容纳于盒61中的方式。盒61上设置了穿过盒61的表里的固定用孔62，可以利用这个固定用孔62将盒61安装在温度测定对象物的表面，或者安装在空间的内壁或支持物上。将这种方式的传感器称为点传感器63。通过在布置在空间中的光纤1的中途的适当位置形成点传感器63，可以高精度地测定该点的温度。
图7表示将本发明的光纤温度传感器设置在实际的测定现场的状态。在此，做成用从光纤温度传感器3延伸出来一条光纤1(当然是中空光纤1a)对两个不同的温度测定对象物(都是结构件)81、82进行温度分布的测定。温度测定对象物81的底端部分为圆柱状、而头部为圆顶状。为了以细小的距离间隔测定温度测定对象物81的表面温度分布，将图4或图5中说明的温度传感器片42卷绕在温度测定对象物81上并使其遍布整个表面。对于温度测定对象物82则将温度传感器片42或图3中说明的缆线状传感器32和图6中说明的点传感器63插入温度测定对象物82的内部或埋设于其中。
如图7中的方式所表明的，为了测定具有如温度测定对象物81那样的曲面结构件的表面温度，最好使用厚度较薄的具有可挠性的温度传感器片42。另外，本发明中由于光纤温度计能用比数据采样间隔更小的采样间隔来测定温度分布，因而能精密地测定温度测定对象物81的表面位置不同的温度。
另外，对于精密地测定局部有限位置的温度，宜于使用点传感器63。
下面，对本发明和现有技术进行比较。
图8所示的光纤1以连续的光纤集中部分2的形态布置在5米长的空间中。例如，做成每1米的空间卷绕着5米长的光纤1。这时光纤温度计3的数据采样间隔若为1米，则每1米的空间可测定5点，在全长5米的空间中可测定25点的温度。即，在空间长度上可得到20cm的距离分辨率。
为了将其与图12的现有技术进行比较，如图9所示，将分别得到的温度分布测定结果绘制在同一曲线图上。但是，由于重叠时难于观察，而将本发明的测定结果绘制在稍微靠下的位置。
根据图9，现有技术中由于光纤温度计3的数据采样间隔若为1米，因而1米中只能测定5点温度。与此相反，本发明中即使光纤温度计3的数据采样间隔仍为1米，由于如图8那样卷绕了25米的光纤1，因而也能在空间的长度上得到20cm的距离分辨率，并还测定了25点的温度。因此，在本发明的曲线中显著地表现出细微的温度不均，但这在既使用直线连接的现有技术的测定点间的虚线的曲线图中却未予呈现。
本发明可以不限于以上所述的方式进行实施。
用于光纤1的中空光纤1a既可以是玻璃制的，也可以使塑料制的。也可以使用与中空光纤1a特性相近的光传输损失低的光纤代替中空光纤1a。所谓光传输损失低的光纤是指下述的光纤，即；曲率半径d＝10mm时一匝光纤的光传输损失ΔL为0.01dB/匝或以下，相对曲率半径d一匝光纤的光传输损失ΔL为ΔL＜4774×d-5.68(6)其中，d≤50mm图11的方式是将单模光纤111连接在光纤温度计3上，并通过光纤连接箱112将中空光纤1a连接在该单模光纤111上。由于在有必要减小曲率半径的光纤集中部分2使用中空光纤1a，因而可以得到与上述相同的效果。另一方面，由于与光纤温度计3连接的单模光纤111只用于光信号传输而不必弯曲，因而光传输损失不会增加。
对于光纤温度计3，除了在作为温度测定对象物的空间中所布置的光纤1外，有时为了测定相对温度而在光纤温度计3的内部或外部设置用作基准的光纤，但在该用作基准的光纤中也可以使用本发明的光纤温度传感器。本发明不限于测定结构件或立体空间的温度分布，也可用于测定面状物体或平面空间的温度分布，或者通过每隔适当的时间测温度分布，也可应用于监视温度分布随时间的变化。
对于直径很小的缆线或普通直径的电线这样的做成直径尺寸小的长度很长的对象物也可以采用本发明的光纤温度传感器进行温度监视。
在管道的管子表面或内部也可以在管子的轴线方向或圆周方向布置本发明的光纤温度传感器。
在球面状的温度测定对象物的表面上也可以布置本发明的光纤温度传感器。
即使在应变测定及振动测定的领域，在将光纤的传输光的变化转化为沿长度方向的应变分布及振动分布时，也可以应用本发明进行提高了距离分辨率的的应变测定及振动测定。
权利要求
1.一种光纤温度传感器，其特征在于在测定温度分布的空间中将中空光纤的规定长度部分集中地布置在比较狭窄的点范围内。
2.根据权利要求1所述的光纤温度传感器，其特征在于在上述点范围内形成将上述中空光纤的规定长度部分予以捆扎或卷绕的光纤集中部。
3.根据权利要求2所述的光纤温度传感器，其特征在于在将上述中空光纤的全长设为x、以曲率半径d卷绕该中空光纤一匝时所产生的光传输损失设为ΔL、上述中空光纤没有弯曲时的光传输损失设为L0、最大允许光传输损失设为L时，上述光纤集中部以如下式表示的曲率半径d捆扎或卷绕d≥ΔL×x/(2π×(L-L0))。
4.一种温度传感器片，其特征在于在规定长度的片上设有上述光纤集中部。
5.一种温度测定方法，使用当光入射到光纤中时、可根据其传输光的变化测定沿着该光纤的长度方向的温度分布的光纤，通过使上述光纤的中途的规定长度部分集中在布置有上述光纤的空间中的比较狭窄的点范围内，来测定点温度，其特征在于上述光纤使用中空光纤。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种能减小点的范围、增多测定点的光纤温度传感器、温度传感器片及温度测定方法。由于在测定温度分布的空间中使中空光纤(1a)的规定长度部分集中地布置在比较狭窄的点范围A内，因而可减小曲率半径，缩小点的范围A。
文档编号G01K11/00GK1793806SQ20051010825
公开日2006年6月28日 申请日期2005年10月8日 优先权日2004年12月22日
发明者盐路珠央, 内山茂雄 申请人:日立电线株式会社