図1 光ファイバセンサシステム

光ファイバ技術の革新は、光源やケーブリングの進歩だけでなく、センサの発展にもつながっています。光ファイバセンサは完全に光で制御され、電気部品を含みません。一般的に、光ファイバセンサは光を使い、測定される物理量に応じて光信号の特性を変化させま
す。インタロゲータは、受信した光信号をアナログまたはデジタル形式の電気信号に変換し、制御装置へのインターフェースとして機能します。現在、温度、ひずみ、位置、速度、角度、振動、音などのセンサが実現され、市販されています。

図2 蛍光体の原子が青色光で励起され、緩和時に赤色光を放出

蛍光式温度計は、蛍光体を光ファイバや光信号の線上にある物体に塗布します。測定時には光パルスを用いて励起します。図2に示すように、蛍光体は基底状態(1)から始まります。光子によって電子が励起されると、原子内のエネルギーレベルが高くなります（2）。
その後、電子は緩和して元の状態に戻る際、蛍光体は蛍光に似た発光の一種である燐光状態を経て、低強度の光を放出します(3)。この場合、青色光によって励起され、赤色光を放出します。

図3 蛍光体の発光

蛍光式温度計は、蛍光体を光ファイバや光信号の線上にある物体に塗布します。測定時には光パルスを用いて励起します。図3に示すように、蛍光体は基底状態(1)から始まります。光子によって電子が励起されると、原子内のエネルギーレベルが高くなります（2）。
その後、電子は緩和して元の状態に戻る際、蛍光体は蛍光に似た発光の一種である燐光状態を経て、低強度の光を放出します(3)。この場合、青色光によって励起され、赤色光を放出します。

図4 蛍光体の蛍光寿命と温度の関係

上述のように、蛍光寿命は温度に依存します。以下の式1によれば、強度は指数関数的に減衰します:

I=I₀ e^-t/τ　（式1）

ここで、I₀は初期発光強度、tは時間、τは蛍光寿命、すなわち初期発光強度の1/e に減少するまでの時間です。
 
プローブの校正では、既知の温度での光強度の減衰を測定することで、理論モデル（式1）を用いて蛍光寿命を計算することができます。蛍光寿命は温度の上昇とともに減少しますが、その割合は蛍光体の材料によって異なります。これに加えて、それぞれの蛍光体は限られた温度範囲しかカバーしないため、広い温度範囲を測定するには複数の蛍光体が必要になります。図4は、それぞれの蛍光体の温度範囲と蛍光寿命を示しています。

図5 18.3℃(65°F) と 23.8℃(75°F)における蛍光の減衰 (La₂O₂S:Eu)

特定の蛍光体の蛍光寿命スペクトルがわかれば、それを温度センサとして使用することができます。図5は、18.3℃(65°F) と 23.8℃(75°F) における蛍光体 La₂O₂S:Eu の発光強度を示しています。温度が高くなると蛍光寿命が短くなる（光強度の減衰が速くなる）ことがわかります。このモデルを用いた温度の誤差は理想的には1%以下です。

図6 温度計システム略図

図6は、温度測定システムの詳細を示しています。コンバータ内の青色発光ダイオード（LED）を光源として使用します。青色光は光ファイバケーブルを伝播してプローブ先端の蛍光体を励起します。温度に応じて放出された赤色光（蛍光）は、光ファイバケーブルを伝
播してコンバータに戻り、光検出器に入ります。光検出器で赤色光のエネルギが対応する電気信号に変換され、電気信号の減衰時間から、プローブの先端の絶対温度を求めます。

図7 プローブタイプ

アプリケーションに合わせて、イマージョン(浸漬)型、コンタクト(接触)型、リモート型の3つのタイプからプローブを選択できます。イマージョン(浸漬)型プローブは、プローブの先端にセンシング部を持つ最も汎用的なセンサーです。温度測定対象（媒体）に挿入するか、表面に機械的に固定して測定します。イマージョン(浸漬)型プローブの利点は、液体、粉末、ゲル、食品、組織などの軟質媒体サンプルへの挿入が容易であることです。
 
一方、コンタクト(接触)式プローブは、表面への機械的および熱的な結合を最適化するためにバネ機構を使用しています。物体平面、工具、プレートの表面温度をモニタリングするために、固定、もしくはロボットを使用してプロービングできる場合には特に効果的です。バネ機構を採用することで、静的に固定される場合、動的な振動がある場合のいずれのアプリケーションでも使用できるという利点があります。
 
リモート型プローブは、測定対象の表面に直接接触せずにプロービングできます。熱感知マテリアル（蛍光体）は測温対象の表面に直接、もしくはその近くに取り付けられ、光ファイバは2～20mm離れた距離に配置されます。