JP2003344458A - 光電圧・電界センサ - Google Patents
光電圧・電界センサInfo
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Abstract
電圧・電界センサを提供する。 【解決手段】 光路に沿って偏光子2、電気光学結晶3
a,3b、波長板4、検光子5が順に配置されてなる光
電圧・電界センサにおいて、電気光学結晶としてBi
12GeO20からなる電気光学結晶3a,3bを複数
個設け、各電気光学結晶にそれぞれ同一の電圧又は電界
を印加7する。また、光源の波長に応じ、複数個の電気
光学結晶3a,3bの光路長の合計をBi12GeO
20の旋光能による直線偏光の回転角度が45°となる
長さLに設定する。
Description
単結晶(以下、BGOと略す)の電気光学効果(Pockels効
果)を応用した光電圧・電界センサに関し、特にそのセ
ンサ感度(変調度)の改善に関するものである。
広く用いられている。しかしながら、この電圧変成器は
測定すべき系統電圧が高くなるほど大型化してしまい、
コストおよび設置スペースが嵩むという問題がある。特
にGISと称される不活性ガスを用いたガス絶縁開閉装
置では、小型化および省スペース化が強く要求され、こ
のような電圧変成器を搭載することが困難になってい
る。このため、電気光学効果を有する単結晶を用いた光
電圧・電界センサが用いられるようになってきている。
れた従来の光電圧・電界センサの概略構成図である。図
4において、1は信号処理部の発光ダイオード(図示せ
ず)から光ファイバー(図示せず)を介して光電圧・電界
センサに送られてきた光、2は偏光子、3は電気光学結
晶、4は波長板、5は検光子、6は電気光学結晶3の光
の通過面に蒸着した透明電極、7は交流電圧、8は偏光
子2の偏光方向を示す矢印、9は検光子5の偏光方向を
示す矢印、10は電気光学効果による複屈折軸方向を示
す矢印、11は波長板4の軸方向を示す矢印、12は光
検出器である。
て、信号処理部の発光ダイオードから出射された光1は
光ファイバーを介して偏光子2に入射され、偏光子の偏
光方向8の直線偏光だけが透過する。電気光学結晶3の
透明電極6に交流電圧7を印加すると、波長板4を通過
した光1の偏光状態が電圧の極性に応じて変化して、検
光子5を通過する光1の量が変化し、その変化量を光検
出器12で検知することができる。
検出器12に入る光量Iは次式で与えられる。
誤差、及び光量Iの光検出器12までの伝送損失による
誤差を取り除くため、光量Iの直流成分IDCと交流成
分I ACを検出して割り算を行うことで印加交流電圧を
検出すると、
いては、φはほぼ一定であり、センサ感度はΓを介して
電圧Vに比例する。また、このような光学部品の配置に
より形成された光電圧・電界センサではBGOの旋光能
による直線偏光の回転角度が45°になるように設定す
れば、BGOの屈折率や電気光学係数等の物性定数の温
度変化がセンサ感度に及ぼす影響を実質的に零にするこ
とができ、環境温度の影響を受けない安定した感度を有
するセンサを得ることができる。
電圧・電界センサにおいては、光電圧・電界センサのダ
イナミックレンジを広く取る要求があるが、印加交流電
圧が低い領域ではS/Nが悪く、信頼性が得られない問
題があった。そこで、S/Nを向上させるために、セン
サ感度を上げることが要求されている。また、光電圧・
電界センサの使用温度範囲におけるセンサ感度の誤差
(温度特性)がなるべく小さいことが望ましい。
交流電圧が低い領域でのS/Nを向上させるために、セ
ンサ感度を上げるとともに、使用温度範囲におけるセン
サ感度の誤差(温度特性)がなるべく小さい光電圧・電界
センサを得ることが最優先課題である。また、光電圧・
電界センサの開発並びに製造コスト低減のため、波長板
をはじめとする光学素子の仕様変更は行わないことも課
題の一つである。
なされたもので、温度特性を損なわずにセンサ感度を上
げた光電圧・電界センサを提供することを目的とする。
明は、光路に沿って偏光子、電気光学結晶、波長板、検
光子が順に配置されてなる光電圧・電界センサにおい
て、前記電気光学結晶としてBi12GeO20からな
る電気光学結晶を複数個設け、前記各電気光学結晶にそ
れぞれ同一の電圧又は電界を印加することを特徴とする
光電圧・電界センサにある。
気光学結晶の光路長の合計をBi1 2GeO20の旋光
能による直線偏光の回転角度が45°となる長さLに設
定することを特徴とする。
12GeO20の旋光能による直線偏光の回転角度が4
5°となる長さLの1/n(nは整数)にし、その電気光
学結晶を光路に沿って順にn個配置したことを特徴とす
る。
長に依存しており、光路が短いほど感度が大きくなる。
しかしながら、温度特性を実質的に零にするためにはB
GOの光路長をBGOの旋光能による直線偏光の回転角
度が45°になるように設定しなければならない。複数
のBGOを用いて、これら複数のBGOの旋光能による
直線偏光の回転角度が45°になるように設定すれば、
温度特性を実質的に零としたままで、BGOの個数に応
じてセンサ感度を向上させることができる。
の形態に従って説明する。図1は本発明の実施の形態1
による光電圧・電界センサの概略構成図である。本説明
では光源波長として850nmの光を用い、BGOの光
路長はBGOの旋光能による直線偏光の回転角度が45
°となる長さL(以下、Lと略す)の1/2とし、このB
GOを2個直列に配置した場合について述べる。
オード(図示せず)から光ファイバー(図示せず)を介して
光電圧・電界センサに送られてきた光、2は偏光子、3
aは光路長がL/2の第1の電気光学結晶、3bは光路
長がL/2の第2の電気光学結晶、4は波長板、5は検
光子、6は電気光学結晶3a及び電気光学結晶3bの光
の通過面に蒸着した透明電極、7は第1,第2の電気光
学結晶3a,3bの透明電極6に印加する交流電圧、8
は偏光子2の偏光方向を示す矢印、9は検光子5の偏光
方向を示す矢印、10は電気光学効果による複屈折軸方
向を示す矢印、11は波長板4の軸方向を示す矢印、1
2は光検出器である。
ドから出射された光1は光ファイバーを介して偏光子2
に入射され、偏光子2の偏光方向8の直線偏光だけが透
過する。電気光学結晶3aと電気光学結晶3bの透明電
極6に交流電圧7を並列に印加すると、波長板4を通過
した光1の偏光状態が電圧の極性に応じて変化して、検
光子5を通過する光1の量が変化し、その変化量を光検
出器12で検知することができる。
の光電圧・電界センサのセンサ感度ηは、BGOの光路
長をLにしており、この場合BGOの旋光能φは90°
(π/2)であるので、波長板の位相差Δは90°(sinΔ
=1、cosΔ=0)を考慮すると、(6)式から、
路長がL/2のBGOを2個直列に配置しているので、
光検出器12に入る光量Iは次式で与えられる。
/2なので、BGOの旋光能φは45°(π/4)である
ので、波長板の位相差Δは90°(sinΔ=1、cosΔ=
0)を考慮すると、(8)式から、
られるセンサ感度は従来の光電圧・電界センサの2倍と
なり、センサ感度が向上する。一方、温度特性はBGO
の光路長で決まるが、本発明の光電圧・電界センサの場
合、BGOの光路長の合計はLであり、従来技術で述べ
た内容と同じ原理によりセンサの温度特性を実質的に零
にできる。
を2個直列に配置することで、温度特性を実質的に零と
したまま、光路長がLのBGOを1個用いる場合と比較
して、センサ感度を2倍(=(9)式/(7)式)にできる。
のBGOを1個用いた場合がη0に対して、光路長がL
/2のBGOを2個直列に用いた場合が2.0η0とな
り、2倍の値が得られた。また、図3に示す通り、光電
圧・電界センサの使用温度範囲(−20℃から+60℃)
におけるセンサ感度の誤差(温度特性)は従来品の代表値
とほぼ同じ傾向を示し、温度特性を満足することが検証
された。
BGOを2個直列に用いたが、L/3となるBGOを3
個直列に用いれば、光検出器12に入る光量Iは次式で
与えられる。
/3なので、BGOの旋光能φは30°(π/6)である
ので、波長板の位相差Δは90°(sinΔ=1、cosΔ=
0)を考慮すると、(10)式から、
場合と比較して、センサ感度を3倍(=(11)式/(7)
式)にできる。従って、1個のBGOの光路長をL/n
(nは整数)にした場合、そのBGOをn個直列に配置す
ることで、電気光学素子以外の光学素子の仕様と温度特
性は変化させず、センサ感度をn倍にできる。
沿って偏光子、電気光学結晶、波長板、検光子が順に配
置されてなる光電圧・電界センサにおいて、前記電気光
学結晶としてBi12GeO20からなる電気光学結晶
を複数個設け、前記各電気光学結晶にそれぞれ同一の電
圧又は電界を印加することを特徴とする光電圧・電界セ
ンサとしたので、Bi12GeO20からなる電気光学
結晶の個数に応じてセンサ感度を向上させることができ
る。また波長板をはじめとする光学素子の仕様変更は行
わないので製造コストが上がることがない。
気光学結晶の光路長の合計をBi1 2GeO20の旋光
能による直線偏光の回転角度が45°となる長さLに設
定することを特徴としたので、温度特性を実質的に零と
したままで、Bi12GeO 20からなる電気光学結晶
の個数に応じてセンサ感度を向上させることができる。
12GeO20の旋光能による直線偏光の回転角度が4
5°となる長さLの1/n(nは整数)にし、その電気光
学結晶を光路に沿って順にn個配置したことを特徴とし
たので、電気光学結晶以外の光学素子の仕様と温度特性
は変化させず、センサ感度をn倍にすることができる。
ンサの概略構成図である。
度測定結果の説明図である。
試験結果の説明図である。
る。
第2の電気光学結晶、4 波長板、5 検光子、6
透明電極、7 交流電圧、8 偏光子の偏光方向を示す
矢印、9 検光子の偏光方向を示す矢印、10 電気光
学効果による複屈折軸方向を示す矢印、11 波長板の
軸方向を示す矢印、12 光検出器。
Claims (3)
- 【請求項1】 光路に沿って偏光子、電気光学結晶、波
長板、検光子が順に配置されてなる光電圧・電界センサ
において、前記電気光学結晶としてBi12GeO20
からなる電気光学結晶を複数個設け、前記各電気光学結
晶にそれぞれ同一の電圧又は電界を印加することを特徴
とする光電圧・電界センサ。 - 【請求項2】 光源の波長に応じ、前記複数個の電気光
学結晶の光路長の合計をBi12GeO20の旋光能に
よる直線偏光の回転角度が45°となる長さLに設定す
ることを特徴とする請求項1に記載の光電圧・電界セン
サ。 - 【請求項3】 前記電気光学結晶の光路長をBi12G
eO20の旋光能による直線偏光の回転角度が45°と
なる長さLの1/n(nは整数)にし、その電気光学結晶
を光路に沿って順にn個配置したことを特徴とする請求
項1又は2に記載の光電圧・電界センサ。
Priority Applications (1)
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JP2002157569A JP4102106B2 (ja) | 2002-05-30 | 2002-05-30 | 光電圧・電界センサ |
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CN100363745C (zh) * | 2004-11-16 | 2008-01-23 | 山东科技大学 | 基于位相调制的光纤电压测量装置 |
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KR101841721B1 (ko) * | 2016-11-10 | 2018-05-08 | 옵토파워주식회사 | 광을 이용한 전류 측정장치 |
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