CN100543478C

CN100543478C - 光电流传感器中的温度依赖性误差的降低方法及光电流传感器装置

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Publication number: CN100543478C
Application number: CNB2005800284638A
Authority: CN
Inventors: 黑泽洁; 白川和臣
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2025-08-17
Also published as: EP1804066A1; CN101023365A; WO2006022178A1; JP4816456B2; EP1804066A4; US7589515B2; JPWO2006022178A1; US20070273358A1

Abstract

能够将由传感器纤维的维尔德常数的温度依赖引起的传感器的温度依赖降低为低成本。在以往的反射型光传感器纤维中，为了降低传感器的温度依赖，采取将信号处理电路以及接收光学系统二重化、进行调制信号的平均化处理等对策，但是在本发明中，为了消除调制信号的温度依赖性，选择铁磁性法拉第转子(13)，使得以交流分量和直流分量的比表示的调制度(S_out)为恒定或者处于某个范围内，特别地，简化结构并谋求低成本化。

Description

光电流传感器中的温度依赖性误差的降低方法及光电流传感器装置

技术领域

本发明涉及一种光电流传感器，特别涉及利用法拉第效应等磁光学效应来测定交流电流的、光电流传感器中的温度依赖性误差的降低方法以及在该方法中使用的光电流传感器装置。

背景技术

期待通过利用光纤的法拉第效应来实现具有小型、柔性、抗电磁噪声、长距离信号传送、抗电压等各种优点的电流传感器(光纤电流传感器)。为此，在很多机构中进行了很多年的光纤电流传感器的研究开发。其中，作为典型的开发实例，有以在传感器纤维中使用铅玻璃纤维并且在传感器纤维的一端配置反射镜为特征的方式，即专利文献1所公开的反射型铅玻璃纤维光电流传感器。

在图18中示出专利文献1所公开的装置的结构。

在该图中，1是光源，11是循环器，12是方解石等的偏振光分离元件，13是由永久磁铁(13a)和YIG等铁磁性体晶体(13b)构成的铁磁性法拉第转子，14是反射镜，15是成为测定对象的电流所流过的导体，16是传感器纤维，21A、21B是受光元件(PD)，22A、22B是放大器(A)，23A、23B是带通滤波器(BPF)，24A、24B是低通滤波器(LPF)，25A、25B是用于求出电信号的交流分量和直流分量之比的除法器，26是极性反转器，27是乘法器。此外，10是光学系统，20是信号处理电路，循环器11可以置换为半透射半反射镜或者光纤耦合器(optical fiber coupler)。作为传感器纤维16，在此使用了铅玻璃纤维，但也可以使用石英玻璃纤维。

当图示图18的偏振光分离元件周围的偏振波状态时，则如图19。在此，x方向表示与纸面垂直的方向，另外，y方向表示与纸面平行的方向。

如图19所示，在从光源1引导、并入射到偏振光分离元件12的光之中，在x方向上振动的分量E₁(·)(用点来表示是向量)通过偏振光分离元件12后，入射到传感器纤维16中。并且，将由反射镜14反射、再次通过传感器纤维16、铁磁性法拉第转子13，并返回偏振光分离元件12的光的偏振波设为E₂(·)。

在通过铁磁性法拉第转子(13)以及传感器纤维(16)时偏振波转动，由此可知在分量E₂(·)中如图20所示生成x方向分量和y方向分量两者，分离为这两个的偏振分量E_A、E_B如下式所示。

E_A＝E_M cos(2θ_G+2θ_i)cos ω₁t

E_B＝E_M sin(2θ_G+2θ_i)cos ω₁t

在此，

E_M是返回光E₂(·)的振幅(V/m)，

ω₁是光波的角频率(rad/sec)，

θ_G是通过一次铁磁性法拉第转子的光所受到的法拉第转角(rad)，因此在往返的情况下为2θ_G。

θ_i：是光通过一次传感器纤维时所受到的法拉第效应引起的偏振波的转角(法拉第转角)(rad)，因此在往返的情况下为2θ_i。

在此，光的强度与偏振波的振动的瞬时值的2次方的时间平均值成比例，因此偏振波E_A和E_B的强度I_A和I_B如下式所示。此外，对符号等赋予(-)表示平均值。

I_A＝k₁{E_M ²cos²(2θ_G+2θ_i)cos²ω₁t}(-)

＝(1/4)k₁E_M ²{1+cos 4(θ_G+θ_i)}

同样地，

I_B＝k₁{E_M ² sin²(2θ_G+2θ_i)cos²ω₁t}(-)

＝(1/4)k₁E_M ²{1-cos 4(θ_G+θ_i)}

在此，

{^＊}(-)是时间平均，

I_A是偏振光分离元件通过A分量的强度(W/m²)，

I_B是偏振光分离元件通过B分量的强度(W/m²)，

k₁是系数，

由上述用I_A、I_B表示的各个光，通过图18的循环器(11)和偏振光分离元件(12)引导到受光元件PD_A以及PD_B中，从受光元件作为信号输出与接收到的光的强度I_A、I_B成比例的电流或者电压。这些电信号在通过放大器22A、22B之后，成为图18所示的电信号P_A、P_B。这些如下式所示。

P_A＝A·cos²(2θ_G+2θ_i)

＝A[1+cos{4(θ_G+θ_i)}] (1a)

P_B＝B[1-cos{4(θ_G+θ_i)}] (1b)

在此，A、B都是与平均受光量成比例的系数，与光源的输出、从光源到受光元件(21)为止的光路中的光的衰减的变动等一起变化。θ_G、θ_i是如上所述的偏振波面的转角(法拉第转角)。

另外，由于被测定电流是交流，因此成为如下。

θ_i＝Vi (2a)

i＝I₀ cos ωt (2b)

θ_i＝V I₀ cos ωt (2c)

在此，

V是传感器纤维的维尔德常数(rad/A)，

i是被测定电流(A)，

I₀是被测定电流的振幅(A)，

ω是被测定电流的角频率(rad/sec)。

现在，考虑传感器纤维的维尔德常数V以及法拉第转角θ_G依赖于温度的情况。

即，设为如下。

V＝(1+αT)V_s (3)

θ_G＝(1+βT)F_s d (4)

在此，

V_s是基准温度中的传感器纤维的维尔德常数(rad/A)，

α是传感器纤维的维尔德常数的温度依赖系数(1/℃)(例如，铅玻璃纤维的α为0.01％/K左右，石英玻璃纤维的α为0.0069％/K左右)，

T是传感器周围温度和基准温度之差(℃)，

F_s是基准温度中的铁磁性法拉第转子的法拉第转动能(rad/m)，

d是铁磁性法拉第转子的厚度(m)，

β是铁磁性法拉第转子的法拉第转动能的温度依赖系数(1/℃)。

另外，为了确保传感器的输入输出特性的直线性，如下式那样获得光学偏置。

F_s d＝π/8 (5a)

此外，

θ_Gs＝F_s d (5b)

在此，

θ_Gs是在基准温度中通过铁磁性法拉第转子的光所受到的法拉第转角(rad)。

在前面的(1)式中代入(2)、(3)、(4)、(5)式时，得到考虑了构成部件的温度依赖的电信号P_A、P_B的式。

P_A＝A[1+cos{4(1+βT)F_s d+(1+αT)V_s I₀ cos ωt}]

＝A[1+cos{π/2+4 β F_s d T+4(1+αT)V_s I₀ cos ωt}]

(6a)

P_B＝B[1-cos{π/2+4 β F_s d T+4(1+αT)V_s I₀ cos ωt}]

(6b)

在此，作为实际成立的条件，作出如下假定。

|4 β F_s d T|<<π/2 (7a)

|4(1+αT)V_s I₀|<<π/2 (7b)

在将(7a)、(7b)式代入(6)式时，如下式所示。

P_A＝A{1-sin 4(β F_s d T)+4(1+αT)V_s I₀ cos ωt}

＝A{(1-4 β F_s d T)-4(1+αT)V_s I₀ cos ωt} (8a)

P_B＝B{(1+4 β F_s d T)+4(1+αT)V_s I₀ cos ωt} (8b)

(8a)、(8b)式的第一项是信号的直流分量(DC分量)。另外，第二项是交流分量。这些与温度一起变动。因此，图18的调制信号S_A、S_B是电信号P_A、P_B的直流分量和交流分量之比，表示调制度。这些信号在考虑利用BPF、LPF分离电信号的交流分量和直流分量的情况、对于S_A反转极性的情况、以及(7a)式的条件时可以用下式表示。

S_A＝(-1)[P_A]_AC/[P_A]_DC

＝-1×{-4(1+αT)V_s I₀ cos ωt}/(1-4 β F_s d T)

＝(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt/(1-4 β F_s d T) (9a)

S_B＝[P_B]_AC/[P_B]_DC

＝(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt/(1+4 β F_s d T) (9b)

并且，根据(9)式，图18中的最终输出S_out为如下。

S_out＝(S_A+S_B)/2

＝(1/2){1/(1-4 β F_s d T)+1/(1+4 β F_s d T)

×4(1+αT)V_s I₀ cos ωt

＝(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt/{(1-4 β F_s d T)·(1+4 β F_s d T)}

＝(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt/{1-(4 β F_s d T)²} (10)

当考虑上述(7a)式的条件、省略(10)式的分母的二次项时，S_out用概略的下式表示。

在这种图18所示的测定在电流测定装置中示出的被测定电流i的电流测定装置中，具有如下优点。

1)不受平均受光量变动的影响。

如从(9a)、(9b)式可知，通过求出调制信号S_A、S_B，消去根据光源的摇晃等产生的测定误差即(6a)、(6b)式的系数A、B。

2)不受光弹性的影响

虽然在式中没有示出，但是通过将铅玻璃纤维用于传感器纤维，不会受到由传感器纤维的应力引起的输出变动。

3)不受传感器纤维所构成的曲线的变形的影响

虽然在式中没有示出，但是通过作为反射型，纤维出射光的偏振波不依赖于曲线的变形。

4)可以抑制光学偏置的温度变动

如从(9)～(11)式可知，通过求出两个调制信号S_A、S_B的平均，可以减小铁磁性法拉第转子的法拉第转动能的温度依赖性对输出S_out带来的影响。

换句话说，上述1)～3)如下。

1)相对于光源的发光量以及光学系统的连接效率的变动是稳定的。

2)以及3)不需要用于固定传感器纤维的框，整个传感器为小型且具有柔性。另外，可以不打开流过被测定电流的导体而安装传感器。

此外，关于图18所示的电流测定装置的优点等，例如详细记载于文献1以及专利文献1中。

文献1：黒澤、

木、白川，“小型·フレキシブルな光フアイバ電流センサ”第30回，光波センシング技術研究会講演論文集，P.133—140，No.LST30—19，2002年12月

专利文献1：日本特开平10-319051号公报

发明内容

发明要解决的问题

在可以实现上述的1)、2)以及3)的特长的反射型铅玻璃纤维传感器中，作为为了确保传感器输入输出的直线性所必需的光学偏置的手段，使用通过永久磁铁进行磁饱和的铁磁性法拉第转子，这从小型化等的理由出发实用性优异。然而，在市售的铁磁性法拉第转子中存在温度特性。因此，在使用铁磁性法拉第转子的情况下，需要补偿(降低)该元件的温度特性。

在图18所示的以往方式中，以该温度特性的补偿为目的进行(6)～(11)式所示的信号处理。而且，如这些(6)～(11)式所示，通过该处理，可以进行温度特性的补偿。然而，不能否定因此而使结构变复杂了。即，作为以往技术的第一问题，

问题1：为了抑制铁磁性法拉第转子的温度特性引起的光学偏置的温度变动，成为双重的信号处理电路以及接收光学系统，结构复杂。

另外，如从(11)式可知，即使进行调制度的平均处理，也不能补偿由传感器纤维的维尔德常数的温度依赖导致的传感器输出的温度依赖。

图21(a)表示图18的情况下的调制信号S_A、S_B的误差率和温度的关系，该图的(b)表示传感器纤维的温度特性。即，即使如图21(a)那样进行调制信号S_A、S_B的平均处理，也存在图21(b)所示的问题2，也就是说，

问题2：不能补偿由传感器纤维的维尔德常数的温度依赖导致的、传感器输出的温度依赖。此外，温度依赖α在铅玻璃纤维的情况下，从文献2以及图21(b)可知是0.01％/℃(＝1％/100℃)左右。

文献2：K.Kurosawa，“Optical Current Transducers UsingFlint Glass Fiber as the Faraday Sensor Element”，OpticalReview Vol.4，No.1A，pp.38-44，1997

另外，关于由传感器纤维的维尔德常数的温度依赖导致的传感器输出的温度依赖，在代替进行调制度的平均处理而使铁磁性法拉第转子的温度特性为零的情况下也是一样。

因此，本发明的问题在于，同时解决上述问题1和问题2。

用于解决问题的方法

为了解决这样的问题，在技术方案1的发明中，其特征在于，在将被测定交流电流所感应的法拉第效应作为光的强度调制信号而取出的光电流传感器中，

作为插入到起偏振器和检偏振器之间的光路中的铁磁性法拉第转子，选择将上述光的强度调制信号转换为电信号时、以交流分量和直流分量的比表示的调制度相对于温度变化为恒定的转子，由此降低由上述光电流传感器的维尔德常数的温度依赖性导致的传感器输出的温度依赖。

在技术方案2的发明中，其特征在于，在将被测定交流电流所感应的法拉第效应作为光的强度调制信号而取出的光电流传感器中，

通过如下选择插入到起偏振器和检偏振器之间的光路中的铁磁性法拉第转子的法拉第转角，即，进行选择使得在将上述光的强度调制信号转换为电信号时使该电信号的交流分量的由温度引起的变化率与上述电信号的直流分量的由温度引起的变化率相同或者使后者比前者小，由此降低由上述光电流传感器的维尔德常数的温度依赖性导致的传感器输出的温度依赖。

在技术方案3的发明中，其特征在于，所述光电流传感器是如下的传感器：利用起偏振器从光源发出的光生成直线偏振光，使该直线偏振光通过由透明介质构成的传感器元件，在将被测定交流电流所感应的磁场施加到上述传感器元件上时，利用检偏振器将对通过传感器元件的光所产生的法拉第效应作为受到强度调制的光(强度调制光)的信号而取出，将该强度调制光转换为电信号，作为传感器的输出获得以该电信号的交流分量和直流分量的比表示的调制度，

在上述光电流传感器中，

在从上述起偏振器经由传感器元件到达检偏振器为止的光路上，插入磁饱和的铁磁性法拉第转子，作为在该铁磁性法拉第转子中产生的法拉第转角的温度依赖值，选择上述调制度相对于温度变化为恒定的值，由此降低由上述传感器元件的维尔德常数的温度依赖性导致的传感器输出的温度依赖。

在上述技术方案3的发明中，作为在上述铁磁性法拉第转子中产生的法拉第转角的温度依赖值，选择上述调制度的温度依赖的绝对值比传感器元件的维尔德常数的温度依赖的值的绝对值小的值，由此降低由上述传感器元件的维尔德常数的温度依赖性导致的传感器输出的温度依赖性误差的绝对值(技术方案4的发明)。在这些技术方案3或者4的发明中，从上述光源发出并通过上述起偏振器的光，在通过上述铁磁性法拉第转子以及传感器元件后，用镜子反射而回到兼用作检偏振器的上述起偏振器，该反射光通过兼用作检偏振器的起偏振器，由此作为受到强度调制的光的信号而取出(技术方案5的发明)。

在技术方案3或者4的发明中，在上述铁磁性法拉第转子中产生的法拉第转角的温度依赖值满足下述(I)式的关系：

-α≤α±2 β F_s d≤α...(I)

其中，α表示传感器纤维的维尔德常数的温度依赖系数，β表示铁磁性法拉第转子的法拉第转动能的温度依赖系数，F_s表示基准温度中的铁磁性法拉第转子的法拉第转动能，d表示铁磁性法拉第转子的厚度(技术方案6的发明)。

另外，在技术方案1至6中任一项的发明中，能够将法拉第转动能和其温度依赖特性不同的多个法拉第转子进行组合，改变各转子的厚度而调整上述铁磁性法拉第转子的法拉第转角和其温度依赖的值(技术方案8的发明)。

在技术方案9的发明中，其特征在于，具有：转换单元，将被测定交流电流所感应的法拉第效应作为光的强度调制信号而取出，将该光的强度调制信号转换为电信号；运算单元，抽出该电信号的交流分量和直流分量，运算以交流分量和直流分量的比来表示的调制度；以及调整单元，进行调整，使得上述交流分量的由温度引起的变化率比上述直流分量的由温度引起的变化率大。

技术方案10的发明，是将被测定交流电流所感应的法拉第效应作为光的强度调制信号而取出的光电流传感器装置，其特征在于，具有：铁磁性法拉第转子，插入到起偏振器和检偏振器之间的光路中；转换单元，将来自上述检偏振器的光信号转换为电信号；以及运算单元，抽出该电信号的交流分量和直流分量，运算以交流分量和直流分量的比来表示的调制度，在上述铁磁性法拉第转子中产生的法拉第转角的温度依赖值满足下述(I)式的关系：

-α≤α±2 β F_s d≤α ...(I)

其中，α表示传感器纤维的维尔德常数的温度依赖系数，β表示铁磁性法拉第转子的法拉第转动能的温度依赖系数，F_s表示基准温度中的铁磁性法拉第转子的法拉第转动能，d表示铁磁性法拉第转子的厚度。

技术方案11的发明，是将被测定交流电流所感应的法拉第效应作为光的强度调制信号而取出的光电流传感器装置，其特征在于，具有：兼用作检偏振器的起偏振器；传感器元件，在其一端安装了镜子；铁磁性法拉第转子，其插入到上述起偏振器和传感器元件之间的光路中；转换单元，将来自上述检偏振器的光信号转换为电信号；以及运算单元，抽出该电信号的交流分量和直流分量，运算以交流分量和直流分量的比来表示的调制度，在上述铁磁性法拉第转子中产生的法拉第转角的温度依赖值满足下述(II)式的关系：

-α≤α±4 β F_s d≤α ...(II)

在技术方案10或者11的发明中，能够将法拉第转动能和其温度依赖特性不同的多个法拉第转子进行组合，改变各转子的厚度而调整上述铁磁性法拉第转子的法拉第转角和其温度依赖的值(技术方案12的发明)。

发明的效果

在反射型光纤电流传感器的情况下，能得到下面的(1)、(2)项的效果，另外，在透射型光纤电流传感器的情况下，能得到(2)项的效果。

(1)不需要以往的结构中的为了抑制由光学偏置的温度依赖导致的输出温度变动而使用的调制度的平均处理，可以简化光学系统/电子电路以及结构。

(2)可以补偿传感器纤维的维尔德常数的温度依赖导致的、输出的温度依赖。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的结构图。

图2是本发明的原理其一的说明图。

图3是本发明的原理其二的说明图。

图4是说明两个铁磁性法拉第转子的组合方法的说明图。

图5是表示本发明的第二实施方式的结构图。

图6是第I方式的情况下的参数和应该选择的信号之间的关系说明图。

图7是使第I方式有效的参数的范围说明图。

图8是表示透射型传感器的结构的结构图。

图9是入射到偏振光分离元件的光的偏振方位说明图。

图10是第II方式的情况下的参数和应该选择的信号之间的关系说明图。

图11是使第II方式有效的参数的范围说明图。

图12是在反射型中光学偏置为正和负的情况下的S_A、S_B式的比较说明图。

图13是第III方式的情况下的参数和应该选择的信号之间的关系说明图。

图14是使第III方式有效的参数的范围说明图。

图15是在透射型中光学偏置为正和负的情况下的S_A、S_B式的比较说明图。

图16是第IV方式的情况下的参数和应该选择的信号之间的关系说明图。

图17是使第IV方式有效的参数的范围说明图。

图18是表示以往例的结构图。

图19是图18所示的偏振光分离元件附近的偏振波状态说明图。

图20是图19的光信号分量说明图。

图21是图18的情况下的调制度的误差率和温度之间的关系以及传感器纤维的温度特性说明图。

附图标记说明

1：光源；10：光学系统；11：循环器；12：偏振光分离元件；13：铁磁性法拉第转子；13a：永久磁铁；13b：铁磁性体晶体；14：反射镜；15：导体；16：传感器纤维(铅玻璃纤维)；17：起偏振器；18：检偏振器；20：信号处理电路；21A、21B：受光元件；22A、22B：放大器；23A、23B：带通滤波器；24A、24B：低通滤波器；25A、25B：除法器；26：极性反转器；27：乘法器。

具体实施方式

在说明本发明的实施方式之前，首先说明本发明的原理。

参照图2。

假定温度从某一温度开始变低。那么，维尔德常数V变小。

也就是说，对于相同的测定对象电流i，偏振波面转角(法拉第转角)变小，因此，测定对象电流i和输出信号P之间的关系从图2(a)中的I变化为II。那么，输出的电信号P从图2(b)III变化为IV。也就是说，对于相同测定对象电流i，所输出的电信号P的振幅变小。

由于电信号P除去光源的影响，因此利用直流分量[P]_DC、交流分量[P]_AC的比(调制度)的信号S来评价最终测定值。在此，如果随着交流分量[P]_AC所变动的比例k(＝[P_I]_AC/[P_II]_AC)，直流分量[P]_DC的值也变动为k倍，则调制信号S看上去没发生由温度引起的变动。另外，如果直流分量[P]_DC所变动的比例j变动为大于0的值且变动为小于交流分量[P]_AC所变动的比例k倍的值，那么与不采用任何对策(j＝0)时相比，可以降低依赖于温度的误差。

以上说明了温度变低的情况，以下说明温度变化为比某一温度高的情况。

此时，维尔德常数V变大，因此对于相同的测定对象电流i，偏振波面转角(法拉第转角)变大。那么，关于电信号P，对于相同测定对象电流i，所输出的电信号P的振幅变大。

在此，如果随着交流分量[P]_AC变动的比例k，直流分量[P]_DC的值也变动为k倍，那么最终所使用的调制信号S就看起来不产生由温度引起的变动。另外，如果使直流分量[P]_DC变动的比例j变动为大于0的值、且小于交流分量[P]_AC变动的比例k倍的值，那么与不采用任何对策(j＝0)时相比，可以降低依赖于温度的误差。

即，不管是在温度变高的情况和变低的情况下，如果使从温度依赖性生成的电信号P的交流分量[P]_AC变动的比例k和直流分量[P]_DC变动的比例j相同或后者比前者小，则可以降低整个装置的依赖于温度而发生的温度误差。这就是本发明的基本概念。

在此，只要知道测定器的结构，自然就能得到维尔德常数及其温度依赖性。另外，使直流分量[P]_DC变动的比例j变化的方法也可以通过安装根据温度使直流分量[P]_DC的值成为j倍的运算器来实现。由于预先知道测定器的结构要素(传感器纤维、法拉第转子等)整体带来的温度依赖特性，因此在利用温度传感器测定外部温度的同时利用乘法器对预先准备的数据的值乘以直流分量[P]_DC就可以实现(省略了图)。

此外，通过使光学偏置变动也可以实现依赖于温度的误差的降低。只要知道测定器的结构，自然就能得到传感器纤维的维尔德常数及其温度依赖特性。在增大光学偏置时，电信号P从II变化为V。也就是说，直流分量[P]_DC从图2(c)的[P_II]_DC变化为[P_V]_DC。如果该变动的比例J’([P_II]_DC/[P_V]_DC)小于交流分量[P]_AC变动的比例k倍，则可以降低测定装置整体的依赖于温度而发生的误差。

在此，可以根据构成铁磁性法拉第转子的铁磁性体晶体(13b)的厚度、材质等，调整光学偏置的变动。

与通过乘法器的实现方法相比，利用铁磁性法拉第转子对直流分量[P]_DC的值进行乘法运算的方法的优越性在于：不需要另外设置运算装置、温度传感器；可以根据各个构成元件所具有的物理特性，自身降低由温度产生的测定误差。

进而，具体说明在通过使光学偏置变动而实现本发明的情况下的本发明的原理。

在前面的(9a)式中，可以认为如果能够使分母和分子的与温度T有关的项的值相等，则能够消除S_A的温度依赖。即，如下式。

1+αT＝1-4 β F_s d T

α＝-4 β F_s d (12)

说明该情况的图3示意性地说明了使[P_A]_AC和[P_A]_DC的比相等的情况。

但是，由于(9a)式成立的条件是(5)式，因此在此再次记述。

F_s d＝π/8 (5a)

将(5a)式代入(12)式时，

α＝-π β/2

也就是说，铁磁性法拉第转子的法拉第转动能的温度依赖系数β为

β＝-2 α/π (13)

此外，作为调整β的方法，已知有下面的文献3所记载的方法。

文献3：川上、白石、大橋，“光フアイバと光フアイバ型デバイス”，P275—283，1996.7，初版，培風館

将(12)式和(5a)式代入(9a)式时得到下式。

S_A＝4 V_s I₀ cos ωt (14)

根据以上得到下面的结论。

如果使用使(13)式成立的铁磁性法拉第转子，则通过调节转子的厚度d，实现由(5a)式表示的光学偏置的设定，实现由(12)式表示的铁磁性法拉第转子的法拉第转动能的温度依赖β和传感器纤维的维尔德常数的温度依赖α两者的补偿。

如果设定该条件，则可以实现以下2点。

(1)不需要如以往例那样的以补偿由铁磁性法拉第转子的温度依赖引起的光学偏置变动为目的的调制度的平均化处理。

(2)另外，可以消除由传感器纤维的维尔德常数的温度依赖引起的输出的温度依赖。

因此，通过应用上述的想法，可以解决在上述的问题1以及2中叙述的两个问题。这表明可以利用比图18简单的结构达到更高的精度。

以上叙述了除去调制信号S_A的温度依赖的条件，但是通过同样的想法，也可以应用于调制信号S_B。

此时的条件与S_A的情况不同，如下所示。

消除(9b)式的温度特性的条件如下式所示。

1+αT＝1+4 β F_s d T

因此，

α＝4 β F_s d (15)

此外，同样需要(5a)式。

F_s d＝π/8 (5a)

将(5a)式代入(15)式时，

β＝2α/π (16)

比较(16)式和(13)式时，可知其符号相反。

在(5a)式中，

F_s d＝π/8 (5a)

并且，F_s>0(由于d>0)。

另一方面，在利用了使F_s<0的铁磁性法拉第转子的情况下，如下所示，

F_s d＝-π/8 (17)

由此，在考虑(6)式以后的式的符号而进行变形时，可以与上述同样地进行讨论。

虽然稍微长了一些，以上就是本发明的原理。另外，以上将分母、分子设为与温度无关地相等，但是代替其也可以使两者的比为恒定值。

图1是表示根据以上原理的本发明的实施方式的结构图。

如从该图也可知，其特征在于将由光源1、循环器11、铁磁性法拉第转子13、反射镜14以及传感器纤维16等构成的光学系统的偏振光分离元件变更为起偏振器17，将信号处理电路构成为由受光元件21、放大器22、BPF23、LPF24、除法器25以及极性反转器26构成的一个系统而进行简化，其他功能、作用等与图18的情况一样。因此省略其详细说明。

下面说明组合两个铁磁性法拉第转子的方法。

作为将法拉第转动能的温度依赖符号不同的两个铁磁性法拉第转子相组合并将法拉第转角的温度依赖设为接近零的值的、光纤通信的光隔离器用法拉第转子，例如，有文献4中的商品化了的转子。

文献4：

“Zero Temperature Dependence Faraday Rotator(R-type series)”

Technical manual No.GO4-03，Mitsubishi Gas ChemicalCompany Inc.

Info-Advanced Materials Division，Photocrystal Inc.，Tokyo Plant

另外，在前面的文献3的P.275中也介绍了同样的技术。

这样，通过组合两个铁磁性法拉第转子，可以调整法拉第转角的温度依赖。

下面实际应用该知识，参照图4说明降低(补偿)铁磁性法拉第转子的法拉第转动能的温度依赖和传感器纤维的维尔德常数的温度依赖两者的方法。

首先，该图中所示的各记号的意义如下。

F_1S是转子1的基准温度中的法拉第转动能(rad/m)，

F_2S是转子2的基准温度中的法拉第转动能(rad/m)，

d₁是转子1的厚度(m)，

d₂是转子2的厚度(m)，

β₁是转子1的法拉第转动能的温度系数(1/℃)，

β₂是转子2的法拉第转动能的温度系数(1/℃)，

而且，通过一次图4的两个转子1、2的光的法拉第转角如下式所示。

θ_G＝(1+β₁ T)F_1S d₁+(1+β₂ T)F_2S d₂ (18)

另外，根据前面的(5a)式，基准温度中的总的法拉第转角成为π/8，因此从(18)式得到下式。

F_1S d₁+F_2S d₂＝π/8 (19)

另外，参照(9a)式时，作为使传感器的输出的温度特性成为零的条件，得到下式。

1+αT＝1-4(β₁ F_1S d₁ T+β₂ F_2S d₂ T)

α＝-4(β₁ F_1S d₁+β₂ F_2S d₂) (20)

如果能够从(19)、(20)式求出d₁、d₂，当提供α(传感器纤维的温度系数)、F_1S以及F_2S(两个转子的法拉第转动能)、β₁以及β₂(两个转子的法拉第转动能的温度系数)时，求出使传感器输出的温度依赖成为零的条件。

此外，在这种情况下，上面的(9a)式变更为如下式。

S_A＝(1+αT)·4V_s I₀ cos ωt/{1-4(β₁F_1Sd₁+β₂F_2Sd₂)T} (21)

如下求出d₁、d₂。

根据(19)，

F_2S d₂＝π/8-F_1S d₁ (19’)

将(19’)代入(20)，

α＝-4{β₁ F_1S d₁+β₂(π/8-F_1S d₁)}

＝-β₂·π/2-4(β₁-β₂)F_1S d₁

因此，

d₁＝(α+π β₂/2)/4(β₁-β₂)F_1S (22)

另外，根据(19)，

F_1S d₁＝π/8-F_2S d₂ (19”)

将(19”)代入(20)，

α＝-4{β₁(π/8-F_2S d₂)+β₂ F_2S d₂}

＝-π β₁/2+4(β₁-β₂)F_2S d₂

因此，

d₂＝(α+π β₁/2)/(-4)(β₂-β₁)F_2S (23)

在(22)式、(23)式中，必须是如下。

d₁≥0 (24a)

d₂≥0 (24b)

因此，需要满足下面的条件。

β₂≠β₁ (25a)

F_2S≠0 (25b)

F_1S≠0 (25c)

下面说明组合三个以上铁磁性法拉第转子的情况。

铁磁性法拉第转子的个数不限于两个，即使是三个以上也能实现本方式。例如，在三个的情况下与(19)、(20)对应的式如下。

F_1S d₁+F_2S d₂+F_3S d₃＝π/8 (26)

α＝-4(β₁ F_1S d₁+β₂ F_2S d₂+β₃ F_3S d₃) (27)

此时的条件是(26)、(27)两个式，未知数为d₁、d₂、d₃这三个。因此存在多组满足条件的解的组(d₁、d₂、d₃)。

在图5中示出将以上的反射型的想法应用于透射型的例子。

在此，除了在起偏振器17和检偏振器18之间插入铁磁性法拉第转子13并去掉反射镜之外与图1相同，因此省略详细说明。

通过检偏振器18相对起偏振器17的方位差和由铁磁性法拉第转子13引起的偏振波的转动，获得该情况下的光学偏置。即，

θ_A+F_S d＝π/4 (28)

在此，

θ_A＝检偏振器方位(rad)，

F_S＝铁磁性法拉第转子的法拉第转动能(rad/m)，

d＝铁磁性法拉第转子厚度(m)。

此外，在(28)式中，假定使用一个铁磁性法拉第转子，但是从与上述同样的考虑出发，也可以组合多个转子。

在设定了(28)式中表示的光学偏置的情况下，根据与(9a)式相同的想法，可以用下式表示输出S_out。

S_out＝(1+αT)2 V_s I₀ cos ωt/(1-2 β F_S d T) (29)

该(29)式不具有温度特性的条件，与前面的(12)式同样地如下式所示。

α＝-2 β F_S d (30)

根据(30)式，

d＝-α/(2 β F_S) (31)

将(31)式代入(28)式时，求出θ_A。

θ_A＝π/4+α/2β (32)

在(31)、(32)式的条件的情况下，输出S_out成为下式。

S_out＝2 V_s I₀ cos ωt (33)

以上，作为铁磁性法拉第转子(石榴石)，选择在将光的强度调制信号转换为电信号时，以交流分量和直流分量的比表示的调制度相对于温度变化为恒定的转子，但是也可以选择相对于温度变化成为恒定范围的转子，以下详细说明该情况。

现在考虑在上述图18中S_A或者S_B的温度依赖成为零的条件。此外，各记号等的意义如第3页17～25行、第4页1～14行所示。

在这种情况下，在前面的(9a)、(9b)式，即，在

S_A＝(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt/(1-4 β F_s d T) (9a)

S_B＝(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt/(1+4 β F_s d T) (9b)

中，设为|αT|<<1、|4 β F_s d T|<<1而进行简化时，如下所示。

S_{A} = (1 + αT) \cdot 4 V_{s} I_{0} \cos ωt / (1 - 4 β F_{s} dT)

= (1 + αT + 4 β F_{s} dT + 4 αβ F_{s} d T^{2}) \cdot 4 V_{s} I_{0} \cos ωt

= {1 + (α + 4 β F_{s} d) T} \cdot 4 V_{s} I_{0} \cos ωt - - - (34 a)

同样地，S_B也如下式所示。

S_B＝{1+(α-4 β F_s d)T}·4 V_s I₀ cos ωt (34b)

根据(9a)、(9b)式或者(34a)式，S_A的温度依赖成为零的条件为，

α＝-4 β F_s d (35a)

S_B的温度依赖成为零的条件为，

α＝4 β F_s d (35b)

通常，基准温度中的光学偏置设定为正，因此根据前面的(5a)式，

F_s d＝π/8

(将在后面叙述光学偏置为负的情况)。

观察(35a)、(35b)式时，可知关于α、β的正、负符号的一组，对于

a)是否可以将图18中的调制信号S_A的温度依赖调整为零？

b)是否可以将图18中的调制信号S_B的温度依赖调整为零？

能够得到不同的结果。

关于α、β的正、负符号的一组，无法将S_A、S_B两者的温度依赖调整为零。这是因为，在(35a)或者(35b)的任一个成立、(34a)、(34b)的任一方的中括号{^＊}内的第二项成为零的情况下，另一方的中括号{^＊}内的第二项成为2α。也就是说，将S_A或者S_B中的一方的温度依赖调整为零时，另一方成为传感器元件的两倍的维尔德常数的温度依赖的两倍。

即，当，

S_A或者S_B＝4 V_s I₀ cos ωt (36a)

时，成为如下。

S_A或者S_B＝(1+2αT)·4 V_s I₀ cos ωt (36b)

进而，假设在上述条件下进行了调制度的平均处理，则此时的最终输出S_out如下。

S_out＝1/2{(36a)式右边+(36b)式右边}

＝(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt (36c)

也就是说，即使使用完全不具有温度特性的石榴石、β＝0，也会残留α的影响。

从以上可知，关于根据α、β的符号，是否可将S_A的温度依赖设为零、或者可将S_B的温度依赖设为零，如图6那样进行分类。

在石榴石的法拉第转动能的温度系数为零的情况下，即，将β＝0代入(34a)、(34b)式时，

S_A＝(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt (37a)

S_B＝(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt (37b)

另外，当使用这些信号进行了调制度的平均处理时，其输出S_out成为，

S_out＝(S_A+S_B)/2＝(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt (37c)可知在石榴石的温度依赖为零、β＝0的情况下，S_A、S_B、S_out的温度依赖系数都成为与传感器元件的维尔德常数的温度系数α相等。

因此，使上述反射型的光学偏置为正的第I方式有效的参数的范围是使系统输出S_A或者S_B的温度依赖系数成为从-|α|到+|α|的范围的值。即，根据(34a)、(34b)式，成为满足下式的某一个的范围。

根据(34a)式如下。

(0≤)|α+4 β F_s d|≤|α|(S_A的温度依赖小于|α|) (38a)

(0≤)|α-4 β F_s d|≤|α|(S_B的温度依赖小于|α|) (38b)

下面求出满足(38a)、(38b)式的参数的具体值。

(1)0≤α的情况

从(38a)式求出α、β、F_s的关系。

(1-a)关于S_A有效的范围

(1-a-1)在α+4 β F_s d为正的情况下，(38a)式是：

0≤α+4 β F_s d≤|α|

-α≤α+4 β F_s d≤|α|-α

-|α|/4d≤β F_s≤0 (39a)

(1-a-2)在α+4 β F_s d为负的情况下是：

0≤α+4 β F_s d≤|α|

-2|α|≤4 β F_s d≤-|α|

-|α|/2d≤β F_s≤-|α|/4d (39b)

(1-b)关于S_B有效的范围

根据(38b)式为0≤|α-4 β F_s d|≤|α|，

(1-b-1)在α-4 β F_s d为正的情况下是：

0≤α-4 β F_s d≤|α|

-α≤-4 β F_s d≤|α|-α

0≤4 β F_s d≤α/4d (39c)

(1-b-2)在α-4 β F_s d为负的情况下是：

0≤-(α-4 β F_s d)≤|α|

α≤4 β F_s d≤|α|+α＝2|α|，

α/4d≤β F_s≤α/2d (39d)

(2)α≤0的情况

(2-a)关于S_A有效的范围

(2-a-1)α+4 β F_s d为正的情况

0≤|α+4 β F_s d|≤|α|

在此，由于α＝-|α|，因此，

0≤(-|α|+4 β F_s d)≤|α|

|α|≤4 β F_s d≤2|α|

|α|/4d≤β F_s≤|α|/2d (39e)

(2-a-2)α+4 β F_s d为负的情况

0≤-(α+4 β F_s d)≤|α|

由于α＝-|α|，

0≤|α|-4 β F_s d≤|α|

-|α|≤-4 β F_s d≤0

0≤4 β F_s d≤|α|

0≤β F_s≤|α|/4d (39f)

(2-b)关于S_B有效的范围

(2-b-1)α-4 β F_s d为正的情况

0≤(α-4 β F_s d)≤|α|

由于α＝-|α|，

0≤-|α|-4 β F_s d≤|α|

|α|≤-|α|-4 β F_s d≤2|α|

-|α|/2d≤4 β F_s d≤-|α|/4d (39g)

(2-b-2)α-4 β F_s d为负的情况

0≤-(α-4 β F_s d)≤|α|

由于α＝-|α|，

0≤|α|+4 β F_s d≤|α|

-|α|≤4 β F_s d≤0

-|α|/4d≤β F_s≤0 (39h)

归纳以上的(38a)、(38b)、(39a)～(39h)式时，如图7所示。

以上说明了反射型的情况(第I方式)。下面说明透射型的情况。

透射型的整体结构如图8所示。此外，图8的附图标记1表示光源，12表示偏振光分离元件、13表示法拉第转子(石榴石)，16表示纤维传感器，17表示入射起偏振器，PD表示受光元件，BPF表示带通滤波器，LPF表示低通滤波器。

现在，将由法拉第转子(石榴石)引起的偏振波面的转角(法拉第转角)设为θ_G(rad)、将偏振光分离元件主轴相对于入射起偏振器主轴的倾斜角设为θ_B(rad)、将在传感器纤维中产生的法拉第转角设为θi(rad)时，入射到偏振光分离元件的光的偏振方位如图9所示。另外，偏振光分离元件的输出P_A、P_B如下所示。

P_A＝A’cos²(θ_B+θ_G+θi)＝A{1+cos2(θ_B+θ_G+θi)}

其中，A＝A’/2 (40a)

P_B＝B’sin²(θ_B+θ_G+θi)＝B{1-cos2(θ_B+θ_G+θi)}

其中，B＝B’/2 (40b)

在此，设被测定电流为i、维尔德常数为V时，

θi＝Vi＝V I₀ cos ωt (41)

再次写下前面的(3)、(4)式时，

V＝(1+αT)V_S (3)

θ_G＝(1+βT)F_s d (4)

另外，由光学偏置2(θ_B+F_s d)＝π/2得到：

θ_B+F_s d＝π/4 (42)

将(3)、(4)、(41)、(42)式代入(40a)、(40b)中。

P_A＝A[1+cos2{θ_B+F_s d+β F_s d T+(1+αT)V_s I₀ cos ωt}]

＝A[1+cos{π/2+2 β F_s d T+(1+αT)2 V_s I₀ cos ωt}]

＝A[1-sin{2 β F_s d T+(1+αT)·2 V_s I₀ cos ωt}] (43a)

P_B＝B[1+sin{2 β F_s d T+(1+αT)·2 V_s I₀cos ωt}] (43b)

设sin[^＊]的|[^＊]|为|[^＊]|<<π/2时，

P_A＝A{(1-2 β F_s d T)-(1+αT)·2 V_s I₀ cos ωt} (44a)

P_B＝B{(1+2 β F_s d T)+(1+αT)·2 V_s I₀cos ωt} (44b)

[P_A]_DC＝A(1-2 β F_s d T) (45a)

[P_A]_AC＝-A(1+αT)·2 V_s I₀ cos ωt (45b)

[P_B]_DC＝B(1-2 β F_s d T) (45c)

[P_B]_AC＝-B(1+αT)·2 V_s I₀ cos ωt (45d)

根据(45)式，

S_A＝-1×[P_A]_AC/[P_A]_DC

＝(1+αT)·2 V_s I₀ cos ωt/(1-2 β F_s d T) (46a)

S_B＝[P_B]_AC/[P_B]_DC

＝(1+αT)·2 V_s I₀ cos ωt/(1+2 β F_s d T) (46b)

与反射型的情况同样地设|αT|<<1、|2 β F_s d T|<<1，将(46a)、(46b)式进一步变形。

S_{A} = (1 + αT) \cdot 2 V_{s} I_{0} \cos ωt / (1 - 2 β F_{s} dT)

S_{B} = (1 + αT) \cdot 2 V_{s} I_{0} \cos ωt / (1 + 2 β F_{s} dT)

根据(47a)，使S_A的温度依赖成为零的条件是：

α＝-2 β F_s d (48a)

根据(47b)，使S_B的温度依赖成为零的条件是：

α＝2 β F_s d (48b)

下面，考虑各参数的正负符号和S_A、S_B的温度依赖的关系。

首先，考虑光学偏置为+π/2的情况、即θ_B+F_s d＝π/4的情况(关于θ_B+F_s d＝-π/4的情况，另外进行探讨)。

观察(48a)、(48b)两个式时可知，关于α、F_s、β这三个参数的正负符号的一组，在是否可以将图8中的调制信号S_A的温度依赖调整为零、以及是否可以将调制信号S_B的温度依赖调整为零这些方面不同。

此外，关于α、F_s、β的正负符号的一组，无法将S_A、S_B两者的温度依赖调整为零。这是因为在(47a)、(47b)这两个式中，一个式的{^＊}内的第二项成为零的情况下，另一个式的{^＊}内的第二项成为2α。也就是说，可知将S_A或者S_B一方的温度依赖调整为零时，另一方成为传感器元件的维尔德常数的温度依赖的两倍。即，当，

S_A或者S_B＝2 V_s I₀ cos ωt (49a)

时，

S_B或者S_A＝(1+2αT)·2 V_s I₀ cos ωt (49b)

进而，在上述条件下进行调制度的平均处理时，最终输出S_out是：

S_out＝{(49a)式右边+(49b)式右边}/2

＝(1+2αT)·2 V_s I₀ cos ωt (49c)

也就是说，即使β＝0，也会残留α的影响。当示出各参数α、F_s、β的正负符号和应该选择的信号之间的关系时，如图10所示。

在此，考察使透射型的光学偏置为正的第II方式有效的参数的范围。

在石榴石的法拉第转动能的温度系数为零的情况下，即，将β＝0代入前面的(47a)、(47b)式时，成为

S_A＝(1+αT)·2 V_s I₀ cos ωt (50a)

S_B＝(1+αT)·2 V_s I₀ cos ωt (50b)

假设使用这两个信号进行调制度的平均处理时，输出S_out是：

S_out＝(S_A+S_B)/2

＝(1+αT)·2 V_s I₀ cos ωt (50c)

根据上述的(50a)、(50b)、(50c)式可知，在石榴石的温度依赖为零，也就是β＝0的情况下，S_A、S_B、S_out的温度依赖系数都成为与传感器元件的维尔德常数的温度系数α相等。

因此，在系统输出S_A或者S_B的温度依赖系数处于从-|α|到|α|的范围的情况下，即根据(47a)、(47b)式，透射型有效的范围成为满足下面任一个的范围。

根据(47a)式，

(0<<)|α+β F_s d|<<|α| (51a)

根据(47b)式，

(0<<)|α-β F_s d|<<|α| (51b)

还有在反射型中没有的(42)式的关系，F_s d＝π/4-θ_B。

下面求出满足(51a)、(51b)的具体的参数值。

(1)0≤α的情况

从(51a)式求出α、β、F_s的关系。

(1-a)关于S_A有效的范围

(1-a-1)在α+2 β F_s d为正的情况下，(51a)式成为：

0≤α+2 β F_s d≤|α|

成为：

-α≤2 β F_s d≤|α|-α

-|α|/2d≤β F_s≤0 (52a)

(1-a-2)在α+2 β F_s d为负的情况下，成为：

0≤α+2 β F_s d≤|α|，

-2|α|≤2 β F_s d≤-|α|

-|α|/d≤β F_s≤-|α|/2d (52b)

(1-b)关于S_B有效的范围

根据(51b)式，是0≤|α-2 β F_s d|≤|α|，

(1-b-1)α-2 β F_s d为正的情况

0≤α-2 β F_s d≤|α|

-α≤-2 β F_s d≤|α|-α

0≤β F_s d≤|α|/2d (52c)

(1-b-2)α-2 β F_s d为负的情况

0≤-(α-2 β F_s d)≤|α|

|α|≤2 β F_s d≤|α|+α＝2|α|

|α|/2d≤β F_s≤|α|/d (52d)

(2)α≤0的情况

(2-a)关于S_A有效的范围

(2-a-1)α+2 β F_s d为正的情况

0≤|α+2 β F_s d|≤|α|

在此，由于α＝-|α|，

0≤-|α|+2 β F_s d≤|α|

|α|≤2 β F_s d≤2|α|

|α|/2d≤β F_s≤|α|/d (52e)

(2-a-2)α+2 β F_s d为负的情况

0≤-(α+2 β F_s d)≤|α|

由于α＝-|α|，

0≤|α|-2 β F_s d≤|α|

-|α|≤-2 β F_s d≤0

0≤2 β F_s d≤|α|

0≤β F_s≤|α|/2d (52f)

(2-b)关于S_B有效的范围

(2-b-1)α-2 β F_s d为正的情况

0≤(α-2 β F_s d)≤|α|

由于α＝-|α|，

0≤-|α|-2 β F_s d≤|α|

|α|≤-2 β F_s d≤2|α|

-|α|/d≤2 β F_s d≤-|α|/2d (52g)

(2-b-2)α-2 β F_s d为负的情况

0≤-(α-2 β F_s d)≤|α|

由于α＝-|α|，

0≤|α|+2 β F_s d≤|α|

-|α|≤2 β F_s d≤0

-|α|/2d≤β F_s≤0 (52h)

归纳以上的(51a)、(51b)、(52a)～(52h)式时，成为图11那样。

到此为止，将光学偏置设为正、即如前面的(5a)式那样作为

F_s d＝+π/8

进行了说明，但是也可以将其设定为负，这种情况下是：

F_s d＝-π/8 (53)

代替(5a)式将(53)式代入前面的(6)、(8)式中时，前面的(9a)、(9b)式分别成为下面的(54a)、(54b)那样。

S_A＝-(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt/(1+4 β F_s d T) (54a)

S_B＝-(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt/(1-4 β F_s d T) (54b)

分别比较(9a)式和(54a)以及(9b)和(54b)式时，后面的(54a)成为对(9b)式赋予负号的式，另外(54b)成为对(9a)式赋予负号的式。图12示出了它们的关系。

如上所述，将光学偏置从正改变为负时，可得到如下结论：

1.将光学偏置从正改变为负时，S_A、S_B与被测定电流的极性相反。

2.前面的图6变为图13(交换A和B即可)。

3.前面的图7变为图14(交换A和B即可)。

当示出各参数α、F_s、β的正负符号与应该选择的信号之间的关系时，如图14所示。

在此，考察使光学偏置为负的反射型的第III方式有效的参数的范围。

将(54a)、(54b)式与(34a)、(34b)式的情况同样地进行变形。

S_{A} = - (1 + αT) \cdot 4 V_{s} I_{0} \cos ωt / (1 + 4 β F_{s} dT)

同样地，S_B也成为下式。

根据上述(55a)、(55b)，决定使第III方式有效的参数的范围的条件式，成为满足下面两个式中任一个的范围。

根据(55a)式，

(0≤)|(α-4 β F_s d)|≤|α|(S_A的温度依赖系数小于|α|) (56a)

根据(55b)式，

(0≤)|(α+4 β F_s d)|≤|α|(S_B的温度依赖系数小于|α|) (56b)

将(56a)、(56b)式与(38a)、(38b)式进行比较时，可知只有下标A和B互不相同。因此，满足(56a)、(56b)式的参数值的具体公式参照图7成为如图14所示。

下面，考虑透射型的光学偏置为负的情况(第IV方式)。在该情况下，

θ_B+F_s d＝-π/4 (57)

使用该式时，(46a)、(46b)式如下。

S_A＝-(1+αT)·2 V_s I₀ cos ωt/(1+2 β F_s d T) (58a)

S_B＝-(1+αT)·2 V_s I₀ cos ωt/(1-2 β F_s d T) (58b)

假设|2 β F_s d T|<<1、|αT|<<1，将(58a)、(58b)进行变形时，成为下面的(59a)、(59b)式那样。

S_{A} = - (1 + αT) (1 - 2 β F_{s} dT) \cdot 2 V_{s} I_{0} \cos ωt

S_{B} = - (1 + αT) \cdot 2 V_{s} I_{0} \cos ωt / (1 - 2 β F_{s} dT)

根据(59a)式，S_A的温度依赖成为零的条件是，

α＝2 β F_s d

根据(59b)式，S_B的温度依赖成为零的条件是，

α＝-2 β F_s d

对(47a)、(47b)式和(58a)、(58b)式进行对比表示时成为如图15所示。

根据图15，将光学偏置从正变为负时，结构与图8相同，(58a)式成为对(47b)式赋予负号的式，(58b)式成为对(47a)式赋予负号的式。由此，可得到如下结论。

1)将光学偏置从正改变为负时，S_A、S_B与被测定电流的极性相反。

2)前面的图10变为图16。

3)前面的图11变为图17。

当示出各参数α、F_s、β的正负符号与应该选择的信号之间的关系时，如图17所示。

确定使上述光学偏置为负的透射型的第IV方式有效的参数的范围的条件式，成为满足下面两个式中任一个的范围。

根据(59a)式，

(0≤)|(α-2 β F_s d)|≤|α|(S_A的温度依赖系数小于|α|) (60a)

根据(59b)式，

(0≤)|(α+2 β F_s d)|≤|α|(S_B的温度依赖系数小于|α|) (60b)

将(60a)、(60b)式与(47a)、(47b)式进行比较时，可知只有下标A和B分别互不相同。因此，满足(60a)、(60b)式的参数值的具体公式参照图11成为如图17所示。

下面说明光学偏置偏移的情况。可分为反射型和透射型，首先从反射型(第V方式)开始说明。

设光学偏置为正，F_s d中存在误差δ。

F_s d＝π/8+δ (61)

其中，设|δ|<<π/2。

在这种情况下，前面的(6a)、(6b)式分别表示为如(62a)、(62b)式所示。

P_A＝A[1+cos{π/2+4δ+4 β F_s d T+4(1+αT)V_s I₀ cos ωt}]

(62a)

P_B＝B[1-cos{π/2+4δ+4 β F_s d T+4(1+αT)V_s I₀ cos ωt}]

(62b)

(62a)式可以变形为下式那样：

P_{A} = A [1 - \sin {(4 δ + 4 β F_{s} dT) - 4 (1 + αT) V_{s} I_{0} \cos ωt}]

(63a)

同样地，(62b)可以变形为下式那样：

(63b)

根据(63a)、(63b)式，S_A、S_B成为下式：

S_A＝(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt/(1-4δ-4 β F_s d T) (64a)

S_B＝(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt/(1+4δ+4 β F_s d T) (64b)

进一步简化它们时，成为

当省略二次项时，成为下式。

S_A＝{1+4δ+(α+4 β F_s d)T}·4 V_s I₀ cos ωt (65a)

同样地，S_B成为如(65b)式那样。

S_B＝{1-4δ+(α-4 β F_s d)T}·4 V_s I₀ cos ωt (65b)

将(65a)、(65b)式与前面的(34a)、(34b)式进行比较时，可以将具有光学偏置偏移时的对输出S_A、S_B的影响归纳为如下。

a)灵敏度改变。

S_A的灵敏度变化+4δ，S_B的灵敏度变化-4δ。

b)最优解的式不变。

(65a)式的表示温度依赖的项(α+4 β F_s d)T与(34a)的相应项相等，另外(65b)式的表示温度依赖的项(α-4 β F_s d)T与(34b)式相等。

因此，使S_A、S_B的温度依赖成为零的条件式也与(35a)、(35b)式相等。因此，关于是否可以根据α、β的符号使S_A的温度依赖为零、或者使S_B的温度依赖为零的说明图与图6相同。

c)表示使上述的第V方式有效的参数的范围的式也不变。

条件式与(38a)、(38b)式相同，说明图也与图7相同。

此外，在光学偏置偏移的情况下，实施调制度的平均处理而得到的输出信号Sout根据(65a)、(65b)式成为如下所示：

Sout＝(S_A+S_B)/2＝{(65a)+(65b)}/2

＝(1+αT)·4 V_s I₀ cos ωt (66)

根据该(66)式，调制度的平均处理的效果如下。

·可以除去石榴石的温度依赖的影响。

·可以除去光学偏置偏移的影响。

另一方面，调制度的平均处理在如下方面不能说是有效的。

·不能除去传感器元件的维尔德常数的温度依赖的影响(参照(66)式的αT项)。

下面，说明透射型(第VI方式)。

设光学偏置为正，F_s d中存在误差δ。

θ_B+F_s d＝π/4+δ (67)

其中，设|δ|<<π/2。

在该情况下，前面的(43a)、(43b)式分别表示为如下面的(68a)、(68b)所示。

P_{A} = A [1 + \cos {π / 2 + 2 δ + 2 β F_{s} dT + 2 (1 + αT) V_{s} I_{0} \cos ωt}]

(68a)

P_{B} = B [1 - \cos {π / 2 + 4 δ + 4 β F_{s} dT + 2 (1 + αT) V_{s} I_{0} \cos ωt}]

(68b)

(68a)式可以变形为下式：

(69a)

同样地(68b)式可以变形为下式：

(69b)

根据(69a)、(69b)式，S_A、S_B成为下式：

S_A＝(1+αT)·2 V_s I₀ cos ωt/(1-2δ-2 β F_s d T) (70a)

S_B＝(1+αT)·2 V_s I₀ cos ωt/(1+2δ+2 β F_s d T) (70b)

进一步简化它们时，成为

当省略二次项时，成为下式。

S_A＝{1+2δ+(α+2 β F_s d)T}·2 V_s I₀ cos ωt (71a)

同样地，S_B成为(71b)式。

S_B＝{1-2δ+(α-2 β F_s d)T}·2 V_s I₀ cos ωt (71b)

将(71a)、(71b)式与前面的(47a)、(47b)式进行比较时，可以将具有光学偏置偏移时的对输出S_A、S_B的影响归纳如下：

a)灵敏度改变。

S_A的灵敏度变化+2δ，S_B的灵敏度变化-2δ。

b)最优解的式不变。

(71a)式的表示温度依赖的项(α+2 β F_s d)T与(47a)的相应项相等，另外(71b)式的表示温度依赖的项(α-2 β F_s d)T与(47b)式相等。

因此，使S_A、S_B的温度依赖成为零的条件式也与(48a)、(48b)式相等。因此，关于是否可以根据α、β的符号使S_A的温度依赖为零、或者使S_B的温度依赖为零的说明图与图10相同。

c)表示使上述第V方式有效的参数的范围的式也不变。

条件式与(50a)、(50b)式相同，说明图也与图11相同。其中，前面的(42)式变形为F_s d＝π/4-θ_B-δ。

此外，在光学偏置发生了偏移的情况下，实施调制度的平均处理而得到的输出信号Sout根据(71a)、(71b)成为如下所示：

Sout＝(S_A+S_B)/2＝{(71a)+(71b)}/2

＝(1+αT)·2 V_s I₀ cos ωt (72)

根据该(72)式，调制度的平均处理的效果如下。

·可以除去石榴石的温度依赖的影响。

·可以除去光学偏置偏移的影响。

另一方面，调制度的平均处理在如下方面不能说是有效的。

·不能除去传感器元件的维尔德常数的温度依赖的影响(参照(72)式的αT项)。

在前节中对光学偏置为正、光学偏置偏移的情况调查了特性。其结果，可知即使光学偏置发生偏移，表示其方式的特性的公式等也不变。

关于光学偏置为负、光学偏置发生了偏移的情况，可以认为也与上述同样，因此省略对该条件下的特性的说明。

Claims

1.一种光电流传感器中的温度依赖性误差的降低方法，其特征在于，

在将被测定交流电流所感应的法拉第效应作为光的强度调制信号而取出的光电流传感器中，

2.一种光电流传感器中的温度依赖性误差的降低方法，其特征在于，

3.一种光电流传感器中的温度依赖性误差的降低方法，其特征在于，

所述光电流传感器是如下的传感器：从光源发出的光通过起偏振器生成直线偏振光，使该直线偏振光通过由透明介质构成的传感器元件，在将被测定交流电流所感应的磁场施加到上述传感器元件上时，利用检偏振器将对通过传感器元件的光所产生的法拉第效应作为受到强度调制的光的信号、即强度调制光的信号而取出，将该强度调制光转换为电信号，作为传感器的输出获得以该电信号的交流分量和直流分量的比表示的调制度，

在上述光电流传感器中，

4.根据权利要求3所述的光电流传感器中的温度依赖性误差的降低方法，其特征在于，

作为在上述铁磁性法拉第转子中产生的法拉第转角的温度依赖值，选择上述调制度的温度依赖的绝对值比传感器元件的维尔德常数的温度依赖的值的绝对值小的值，由此降低由上述传感器元件的维尔德常数的温度依赖性导致的传感器输出的温度依赖性误差的绝对值。

5.根据权利要求3或者4所述的光电流传感器中的温度依赖性误差的降低方法，其特征在于，

从上述光源发出并通过上述起偏振器的光，在通过上述铁磁性法拉第转子以及传感器元件后，用镜子反射而回到兼用作检偏振器的上述起偏振器，该反射光通过兼用作检偏振器的起偏振器，由此作为受到强度调制的光的信号而取出。

6.根据权利要求3或者4所述的光电流传感器中的温度依赖性误差的降低方法，其特征在于，

在上述铁磁性法拉第转子中产生的法拉第转角的温度依赖值满足下述(I)式的关系：

-α≤α±2β F_s d≤α ...(I)

7.根据权利要求3或者4所述的光电流传感器中的温度依赖性误差的降低方法，其特征在于，

将法拉第转动能和其温度依赖特性不同的多个法拉第转子进行组合，改变各转子的厚度而调整上述铁磁性法拉第转子的法拉第转角和其温度依赖的值。

8.一种光电流传感器装置，其特征在于，具有：

转换单元，将被测定交流电流所感应的法拉第效应作为光的强度调制信号而取出，将该光的强度调制信号转换为电信号；

运算单元，抽出该电信号的交流分量和直流分量，运算以交流分量和直流分量的比来表示的调制度；以及

调整单元，进行调整，使得上述交流分量的由温度引起的变化率比上述直流分量的由温度引起的变化率大。

9.一种光电流传感器装置，将被测定交流电流所感应的法拉第效应作为光的强度调制信号而取出，其特征在于，具有：

铁磁性法拉第转子，插入到起偏振器和检偏振器之间的光路中；

转换单元，将来自上述检偏振器的光信号转换为电信号；以及

运算单元，抽出该电信号的交流分量和直流分量，运算以交流分量和直流分量的比来表示的调制度，

-α≤α±2β F_s d≤α ...(I)

10.一种光电流传感器装置，将被测定交流电流所感应的法拉第效应作为光的强度调制信号而取出，其特征在于，具有：

兼用作检偏振器的起偏振器；

传感器元件，在其一端安装了镜子；

铁磁性法拉第转子，其插入到上述起偏振器和传感器元件之间的光路中；

在上述铁磁性法拉第转子中产生的法拉第转角的温度依赖值满足下述(II)式的关系：

-α≤α±4β F_s d≤α ...(II)

11.根据权利要求9或者10所述的光电流传感器装置，其特征在于，