光ファイバーセンサー

光ファイバーセンサーは、光ファイバーを感知要素として使用するセンサー(「内在センサー」)、またはリモート センサーから信号を処理する電子機器に信号を中継する手段として使用するセンサー (「外在センサー」)です。ファイバーはリモート センシングで多くの用途があります。用途に応じて、ファイバーはサイズが小さいため、またはリモート ロケーションで電力が不要であるため、または各センサーの光波長シフトを使用してファイバーの長さに沿って多くのセンサーを多重化できるため、または光が各センサーを通過するファイバーに沿って時間遅延を感知することにより、ファイバーが使用されます。時間遅延は、光時間領域反射計などのデバイスを使用して決定でき、波長シフトは、光周波数領域反射測定を実装する機器を使用して計算できます。

光ファイバーセンサーは電磁干渉の影響を受けず、電気を通さないため、高電圧の電気やジェット燃料などの可燃性物質がある場所でも使用できます。光ファイバーセンサーは、高温にも耐えられるように設計することもできます。

光ファイバーは、測定対象量が光ファイバー内の光の強度、位相、偏光、波長、通過時間を調整するように光ファイバーを改造することで、ひずみ、^{[1] 、} 温度、圧力などの量を測定するセンサーとして使用できます。光の強度を変えるセンサーは、単純な光源と検出器のみが必要なため、最も簡単です。固有の光ファイバーセンサーの特に便利な機能は、必要に応じて非常に長い距離にわたって分散センシングを提供できることです。^[2]

温度は、温度に応じて変化するエバネッセント損失を持つファイバーを使用するか、光ファイバー内のレイリー散乱、ラマン散乱、またはブリルアン散乱を分析することによって測定できます。電圧は、電圧または電界の関数として光の偏光を変える、特殊ドープファイバー内の非線形光学効果によって感知できます。角度測定センサーは、サニャック効果に基づいています。

長周期ファイバーグレーティング（LPG）光ファイバーのような特殊なファイバーは方向認識に使用できます^[3] 。英国アストン大学 のフォトニクス研究グループはベクトル曲げセンサーのアプリケーションに関するいくつかの出版物を発表しています。 ^{[4] [5]}

光ファイバーは、地震探査やソナー用の水中マイクとして使用されています。光ファイバーケーブル1本あたり100個以上のセンサーを備えた水中マイクシステムが開発されています。水中マイクセンサーシステムは、石油産業やいくつかの国の海軍で使用されています。底部に取り付ける水中マイクアレイと曳航式ストリーマーシステムの両方が使用されています。ドイツのゼンハイザー社は、光ファイバーで使用するレーザーマイクを開発しました。 ^[6]

光ファイバーマイクと光ファイバーベースのヘッドフォンは、MRI誘導手術中に磁気共鳴画像装置（MRI）内で患者を治療するチーム間のコミュニケーションなど、強い電界や磁界のある場所で役立ちます。^[7]

油井内の温度と圧力を測定するための光ファイバーセンサーが開発されている。^{[8] [9]}光ファイバーセンサーは半導体センサーでは高すぎる温度でも機能するため、この環境に適している（分散温度センシング）。

光ファイバーは、ボーイング 767や一部の自動車モデル（ナビゲーション用）に使用されている光ファイバージャイロスコープなどの干渉計センサーに使用できます。また、水素センサーの製造にも使用されます。

光ファイバーセンサーは、ファイバーブラッググレーティングを使用して、同じ場所にある温度と歪みを同時に非常に高い精度で測定するために開発されました。^[10]これは、小さな構造物や複雑な構造物から情報を取得する場合に特に便利です。^[11]光ファイバーセンサーは遠隔監視にも特に適しており、光ファイバーケーブルを使用して監視ステーションから290 km離れた場所から情報を取得できます。^[12] ブリルアン散乱効果を使用して、長距離（20〜120 km）にわたる歪みと温度を検出することもできます。^{[13] [14]}

計算された長さの光ファイバを外部電界にさらすことで、シングルモード光ファイバに測定可能な量のカー非線形性を誘発することにより、中電圧および高電圧範囲（100～2000 V）の光ファイバーAC/DC電圧センサーを作成できます。 ^{[15]この測定技術は}偏光検出に基づいており、過酷な産業環境でも高い精度が達成されます。

高周波（5MHz～1GHz）の電磁場は、適切な構造のファイバーに誘起される非線形効果によって検出できます。使用されるファイバーは、ファラデー効果とカー効果によって外部場の存在下でかなりの位相変化が生じるように設計されています。^{[16] [信頼できない情報源？ ]}適切なセンサー設計により、このタイプのファイバーを使用して、さまざまな電気量と磁気量、およびファイバー材料のさまざまな内部パラメータを測定できます。

構造化されたバルクファイバー電流センサーと適切な信号処理を組み合わせた偏光検出方式を使用することで、ファイバー内の電力を測定することができます。この技術を裏付ける実験が行われています。^[17]

光ファイバーセンサーは電気開閉装置で使用され、電気アークフラッシュからの光をデジタル保護リレーに送信し、 ブレーカーを素早くトリップさせてアーク爆発のエネルギーを低減します。^[18]

ファイバーブラッググレーティングベースの光ファイバーセンサーは、さまざまな業界でパフォーマンス、効率、安全性を大幅に向上させます。FBG統合技術により、センサーは非常に高解像度で詳細な分析と包括的なレポートを提供できます。これらのタイプのセンサーは、通信、自動車、航空宇宙、エネルギーなどのさまざまな業界で広く使用されています。^[要出典]ファイバーブラッググレーティングは、静圧、機械的張力と圧縮、およびファイバーの温度変化に敏感です。ファイバーブラッググレーティングベースの光ファイバーセンサーの効率は、現在のブラッググレーティング反射スペクトルに応じて発光源の中心波長を調整することで実現できます。^[19]

外因性光ファイバーセンサーは、通常はマルチモードの光ファイバーケーブルを使用して、非ファイバー光センサーまたは光送信機に接続された電子センサーからの変調光を送信します。外因性センサーの主な利点は、他の方法ではアクセスできない場所に到達できることです。一例として、ファイバーを使用してエンジンの外側にある放射高温計に放射を送信し、航空機のジェットエンジン内の温度を測定することが挙げられます。外因性センサーは、電気変圧器の内部温度を測定する場合にも同様に使用できます。電気変圧器の内部温度は、存在する強力な電磁場によって他の測定技術が不可能な場合に測定できます。

外在型光ファイバーセンサーは、ノイズによる測定信号の劣化を防ぐ優れた保護機能を備えています。残念ながら、従来のセンサーの多くは電気出力を生成し、これを光ファイバーで使用するために光信号に変換する必要があります。たとえば、白金抵抗温度計の場合、温度変化は抵抗変化に変換されます。したがって、PRT には電源が​​必要です。PRT 出力の変調電圧レベルは、通常のタイプのトランスミッターを介して光ファイバーに注入できます。これにより、測定プロセスが複雑になり、低電圧電源ケーブルをトランスデューサーまで配線する必要があります。

外因性センサーは振動、回転、変位、速度、加速度、トルク、温度を測定するために使用されます。^[20]

光ファイバー内の光の伝搬は、全反射 (TIR) 原理とクラッド内のほぼゼロの伝搬損失に基づいてファイバーのコア内に閉じ込められることがよく知られています。これは光通信にとって非常に重要ですが、光が周囲と相互作用しないため、センシング用途が制限されます。したがって、光の伝搬を妨害し、それによって光が周囲と相互作用できるようにして、光ファイバーセンサーを構築する新しい光ファイバー構造を利用することが不可欠です。これまで、研磨、化学エッチング、テーパー加工、曲げ、フェムト秒格子刻印など、光の伝搬を調整し、光とセンシング材料の相互作用を促すいくつかの方法が提案されてきました。上記の光ファイバー構造では、強化されたエバネッセント場を効率的に励起して、光を周囲の媒体にさらし、相互作用させることができます。しかし、光ファイバー自体は、感度が低く選択性もゼロのごく少数の分析対象物しか検知できないため、特に高感度と高選択性の両方が求められるバイオセンサーの開発と応用には大きな制限があります。この問題を解決する効率的な方法は、周囲の環境が変化すると屈折率、吸収、伝導性などの特性が変化する応答性材料に頼ることです。近年の機能性材料の急速な進歩により、グラフェン、金属および金属酸化物、カーボンナノチューブ、ナノワイヤ、ナノ粒子、ポリマー、量子ドットなど、光ファイバー化学センサーおよびバイオセンサーの製造に使用できるさまざまなセンシング材料が利用可能になりました。一般に、これらの材料は、周囲の環境（ターゲット分析対象物）による刺激を受けて形状/体積が可逆的に変化し、センシング材料の屈折率または吸収が変化します。その結果、周囲の変化が光ファイバーによって記録および照会され、光ファイバーのセンシング機能が実現されます。現在、様々な光ファイバー化学センサーやバイオセンサー^[21]が提案され、実証されている。

• 分散音響センシング

• 光ファイバーセンシング協会