JP2014145719A - Optical probe sensor device - Google Patents

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Makoto Sonehara
誠 曽根原
Toshiro Sato
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Shinshu University NUC
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical probe sensor device having high detection accuracy.SOLUTION: A sensor device 10 includes a light-emitting unit 51 and a light-receiving unit 52, a sensor unit 20, optical fiber cores 42 and 43, and a signal processing unit 60. The sensor unit 20 includes: a magnetic material 21 for producing an in-plane magnetic Kerr effect; and a polarizer 27 for branching reflection light from the magnetic material 21 into an S polarization component and a P polarization component. The optical fiber core 42 propagates light having the S polarization component from the polarizer 27 as an optical signal, and the optical fiber core 43 propagates light having the P polarization component from the polarizer 27 as an optical signal. The light-receiving unit 52 converts the respective optical signals of the optical fiber cores 42 and 43 into a first electric signal and a second electric signal. The signal processing unit 60 includes a first division circuit for dividing the second electric signal by the first electric signal; a second division circuit for dividing the first electric signal by the second electric signal; and a differential amplification circuit for differentially amplifying and outputting respective output values of the first and the second division circuits.

Description

本発明は、光プローブセンサ装置に関し、特に、電流や磁界の変化を光の変化で検出する光プローブセンサ装置に適用して有効な技術に関する。   The present invention relates to an optical probe sensor device, and more particularly to a technique that is effective when applied to an optical probe sensor device that detects a change in current or magnetic field by a change in light.

信州大学スピンデバイステクノロジーセンター活動報告書(非特許文献1)には、外部からの電磁障害の影響を受けない光をプローブとする電流検出の方法として、磁性体の面内磁気カー(Kerr)効果を利用した光プローブ電流センサが記載されている。この光プローブ電流センサでは、直線偏光を磁性体の表面に入射し、磁性体の表面からの反射光を1/4λ波長板およびプリズムビームスプリッタ(PBS)を通してP偏光成分とS偏光成分とに分岐し、各偏光成分の光を光ファイバで伝搬してフォトダイオードで受光している。   The Shinshu University Spin Device Technology Center Activity Report (Non-patent Document 1) states that the in-plane magnetic Kerr effect of a magnetic material is used as a current detection method using light that is not affected by external electromagnetic interference as a probe. An optical probe current sensor utilizing the above is described. In this optical probe current sensor, linearly polarized light is incident on the surface of a magnetic material, and reflected light from the surface of the magnetic material is split into a P-polarized component and an S-polarized component through a quarter-wave plate and a prism beam splitter (PBS). Then, light of each polarization component propagates through the optical fiber and is received by the photodiode.

曽根原誠、他7名、「Fe−Si/Mn−Ir交換結合単磁区磁性薄膜のKerr効果を用いた光プローブ電流センサの基礎検討」、信州大学スピンデバイステクノロジーセンター活動報告書(平成20年度)、pp.27−28Makoto Sonehara and 7 others, "Fundamental study on optical probe current sensor using Kerr effect of Fe-Si / Mn-Ir exchange-coupled single domain magnetic thin film", Shinshu University Spin Device Technology Center activity report (2008) Pp. 27-28

非特許文献1記載の光プローブ電流センサにおいて、被測定対象の電流や磁界の大きさは、面内磁気カー効果を生じる磁性体からの反射光のS偏光成分およびP偏光成分の光量として変換される。このため、S偏光成分およびP偏光成分の光量は、磁性体の面内磁気カー効果による変化以外の理由で光量が変化することはあってはならない。しかしながら、各偏光成分の光を伝搬する光ファイバに振動や衝撃などの外力が加わると、光量が変化するため、S(Signal)/N(Noise)比などで表される検出精度(測定精度)が低下してしまうことになる。   In the optical probe current sensor described in Non-Patent Document 1, the current to be measured and the magnitude of the magnetic field are converted as the amounts of S-polarized light component and P-polarized light component of the reflected light from the magnetic material that causes the in-plane magnetic Kerr effect. The For this reason, the light amounts of the S-polarized light component and the P-polarized light component should not change for reasons other than changes due to the in-plane magnetic Kerr effect of the magnetic material. However, when an external force such as vibration or impact is applied to the optical fiber that propagates light of each polarization component, the amount of light changes, so that the detection accuracy (measurement accuracy) represented by the S (Signal) / N (Noise) ratio or the like Will fall.

本発明の目的は、検出精度の高い光プローブセンサ装置を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   An object of the present invention is to provide an optical probe sensor device with high detection accuracy. The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

本発明の一解決手段における光プローブセンサ装置は、発光部および受光部と、前記発光部と前記受光部との間で光学的に接続されたセンサ部と、前記センサ部と前記受光部とを接続する第1および第2光ファイバコアと、前記受光部と電気的に接続された信号処理部(信号処理回路)とを備え、前記センサ部は、面内磁気カー効果を生じる磁性体と、前記磁性体からの反射光をS偏光成分とP偏光成分とに分岐する偏光子とを含み、前記第1光ファイバコアは、前記偏光子からのS偏光成分の光を光信号として伝搬し、前記第2光ファイバコアは、前記偏光子からのP偏光成分の光を光信号として伝搬し、前記受光部は、前記第1および第2光ファイバコアの光信号のそれぞれを第1および第2電気信号に変換し、前記信号処理部は、前記第1電気信号で前記第2電気信号を除算する第1除算回路と、前記第2電気信号で前記第1電気信号を除算する第2除算回路と、前記第1および第2除算回路のそれぞれの出力値を差動増幅して出力する差動増幅回路とを含むことを特徴とする。   An optical probe sensor device according to one solution of the present invention includes a light emitting unit and a light receiving unit, a sensor unit optically connected between the light emitting unit and the light receiving unit, and the sensor unit and the light receiving unit. First and second optical fiber cores to be connected, and a signal processing unit (signal processing circuit) electrically connected to the light receiving unit, wherein the sensor unit has a magnetic body that generates an in-plane magnetic Kerr effect; A polarizer that branches the reflected light from the magnetic material into an S-polarized component and a P-polarized component, and the first optical fiber core propagates the light of the S-polarized component from the polarizer as an optical signal, The second optical fiber core propagates light of the P-polarized component from the polarizer as an optical signal, and the light receiving unit transmits the optical signals of the first and second optical fiber cores to the first and second optical signals, respectively. Converted into an electrical signal, the signal processing unit, Outputs of a first division circuit that divides the second electric signal by one electric signal, a second division circuit that divides the first electric signal by the second electric signal, and outputs of the first and second division circuits, respectively. And a differential amplifier circuit that differentially amplifies and outputs the value.

これによれば、第1および第2光ファイバコアに振動や衝撃などの外力が加わってS偏光成分およびP偏光成分の光量が変化しても、互いの光量変化(ノイズ)を第1および第2除算回路で低減させることができる。すなわち、光ファイバの振動や衝撃などによる外乱の影響を受け難くすることができ、光プローブセンサ装置の検出精度を高めることができる。   According to this, even if an external force such as vibration or impact is applied to the first and second optical fiber cores to change the light amounts of the S-polarized component and the P-polarized component, the light amount change (noise) of each other is changed. It can be reduced by a divide-by-2 circuit. That is, it can be made less susceptible to disturbances caused by vibrations or shocks of the optical fiber, and the detection accuracy of the optical probe sensor device can be increased.

前記光プローブセンサ装置は、一つの多芯ファイバを備え、前記第1および第2光ファイバコアが、前記一つの多芯光ファイバのコアを構成することが好ましい。   The optical probe sensor device preferably includes one multi-core fiber, and the first and second optical fiber cores constitute a core of the one multi-core optical fiber.

これによれば、第1および第2光ファイバコアが振動や衝撃などの外乱を同じく受けるので、外乱による反射光(S偏光成分、P偏光成分)の光量の変化も同じくなる。したがって、互いの光量変化(ノイズ)を第1および第2除算回路でキャンセル(低減)させることができ、光プローブセンサ装置の検出精度をより高めることができる。   According to this, since the first and second optical fiber cores are similarly subjected to disturbances such as vibration and impact, the change in the amount of reflected light (S-polarized component, P-polarized component) due to the disturbance is also the same. Therefore, mutual light quantity change (noise) can be canceled (reduced) by the first and second divider circuits, and the detection accuracy of the optical probe sensor device can be further increased.

前記光プローブセンサ装置は、前記発光部と前記センサ部とを接続する第3光ファイバコアを備え、前記第3光ファイバコアが、前記一つの多芯光ファイバのコアを構成することが好ましい。   Preferably, the optical probe sensor device includes a third optical fiber core that connects the light emitting unit and the sensor unit, and the third optical fiber core constitutes the core of the one multi-core optical fiber.

これによれば、第1、第2および第3光ファイバコアが振動や衝撃などの外乱を同じく受けるので、外乱による入射光および反射光(S偏光成分、P偏光成分)の光量の変化も同じくなる。したがって、より正確なS/N比を検出することができる。   According to this, since the first, second, and third optical fiber cores are similarly subjected to disturbances such as vibration and impact, the change in the amount of incident light and reflected light (S-polarized component, P-polarized component) due to the disturbance is also the same. Become. Therefore, a more accurate S / N ratio can be detected.

前記光プローブセンサ装置は、前記磁性体の最大カー回転角が、1°以下であることが好ましい。例えば、前記磁性体が、Fe(鉄)−Si(シリコン)系合金(最大カー回転角0.04°)またはAl(アルミニウム)−Ni(ニッケル)−Co(コバルト)系合金(最大カー回転角0.03°)であることが好ましい。これら磁性体のような最大カー回転角が小さい磁性体を用いた場合であっても、光プローブセンサ装置の検出精度を高めることができる。   In the optical probe sensor device, it is preferable that a maximum Kerr rotation angle of the magnetic body is 1 ° or less. For example, the magnetic material is an Fe (iron) -Si (silicon) -based alloy (maximum Kerr rotation angle 0.04 °) or an Al (aluminum) -Ni (nickel) -Co (cobalt) -based alloy (maximum Kerr rotation angle). 0.03 °) is preferable. Even when a magnetic material having a small maximum Kerr rotation angle such as these magnetic materials is used, the detection accuracy of the optical probe sensor device can be increased.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば次のとおりである。検出精度の高い光プローブセンサ装置を提供することができる。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows. An optical probe sensor device with high detection accuracy can be provided.

本発明の一実施形態における光プローブセンサ装置の構成の概略図である。It is the schematic of the structure of the optical probe sensor apparatus in one Embodiment of this invention. 図1に示す光プローブセンサ装置の光学系の概略図である。It is the schematic of the optical system of the optical probe sensor apparatus shown in FIG. 図1に示す光プローブセンサ装置の検出原理を説明する図である。It is a figure explaining the detection principle of the optical probe sensor apparatus shown in FIG. 図1に示す光プローブセンサ装置の検出原理を説明する図である。It is a figure explaining the detection principle of the optical probe sensor apparatus shown in FIG. 図1に示す光プローブセンサ装置の検出原理を説明する図である。It is a figure explaining the detection principle of the optical probe sensor apparatus shown in FIG. 図1に示す光プローブセンサ装置の検出原理を説明する図である。It is a figure explaining the detection principle of the optical probe sensor apparatus shown in FIG. 図1に示す光プローブセンサ装置の検出原理を説明する図である。It is a figure explaining the detection principle of the optical probe sensor apparatus shown in FIG. 図1に示す光プローブセンサ装置の信号処理部のブロック図である。It is a block diagram of the signal processing part of the optical probe sensor apparatus shown in FIG.

以下の本発明における実施形態では、必要な場合に複数のセクションなどに分けて説明するが、原則、それらはお互いに無関係ではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細などの関係にある。このため、全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   In the following embodiments of the present invention, the description will be divided into a plurality of sections when necessary. However, in principle, they are not irrelevant to each other, and one of them is related to some or all of the other modifications, details, etc. It is in. For this reason, the same code | symbol is attached | subjected to the member which has the same function in all the figures, and the repeated description is abbreviate | omitted.

また、構成要素の数(個数、数値、量、範囲などを含む)については、特に明示した場合や原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。また、構成要素などの形状に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合などを除き、実質的にその形状などに近似または類似するものなどを含むものとする。   In addition, the number of components (including the number, numerical value, quantity, range, etc.) is limited to that specific number unless otherwise specified or in principle limited to a specific number in principle. It may be more than a specific number or less. In addition, when referring to the shape of a component, etc., it shall include substantially the same or similar to the shape, etc., unless explicitly stated or in principle otherwise considered otherwise .

本発明の実施形態では、光プローブセンサ装置(以下、単にセンサ装置という。)のうち、光プローブ電流センサに適用した場合について説明する。図1は、センサ装置10の構成の概略図である。センサ装置10は、センサ部20と、光伝搬部40と、本体部50とを備えて構成されている。   In the embodiment of the present invention, a case where the present invention is applied to an optical probe current sensor among optical probe sensor devices (hereinafter simply referred to as sensor devices) will be described. FIG. 1 is a schematic diagram of the configuration of the sensor device 10. The sensor device 10 includes a sensor unit 20, a light propagation unit 40, and a main body unit 50.

センサ部20は、被測定対象の電流(図1では、断面径で示すケーブル100中の電流)を光で検出する光プローブであり、面内磁気カー効果を生じる磁性体21(例えば、膜状の磁性体)を備えている。このセンサ部20は、光学部品として、偏光子22と、ミラー部23、24、25と、波長板26と、偏光子27とを備えている。   The sensor unit 20 is an optical probe that detects a current to be measured (current in the cable 100 indicated by a cross-sectional diameter in FIG. 1) with light, and a magnetic body 21 (for example, a film shape) that generates an in-plane magnetic Kerr effect. Magnetic material). The sensor unit 20 includes a polarizer 22, mirror units 23, 24, and 25, a wave plate 26, and a polarizer 27 as optical components.

偏光子22としては、例えば、グラントムソン偏光プリズムを適用することができる。また、ミラー部23、24、25としては、プリズムの全反射面あるいは平板表面に反射性の高いAg(銀)などの金属をコーティングしたものを適用することができる。また、波長板26としては、例えば、1/4λ板や1/2λ板を適用することができる。また、偏光子27としては、例えば、PBSやグランレーザプリズムを適用することができる。   As the polarizer 22, for example, a Glan-Thompson polarizing prism can be applied. In addition, as the mirror portions 23, 24, and 25, those in which a highly reflective metal such as Ag (silver) is coated on the total reflection surface or flat plate surface of the prism can be applied. Further, as the wavelength plate 26, for example, a 1 / 4λ plate or a 1 / 2λ plate can be applied. As the polarizer 27, for example, a PBS or a grand laser prism can be applied.

光伝搬部40は、光(光信号)を伝搬するためのものであり、3つの光ファイバコア(以下、単にコアという。)41、42、43を備えている。光伝搬部40としては、例えば、多芯光ファイバを適用することができる。このとき、コア41、42、43が、一つの多芯光ファイバのコアを構成することとなる。   The light propagation unit 40 is for propagating light (optical signal), and includes three optical fiber cores (hereinafter simply referred to as cores) 41, 42, and 43. As the light propagation unit 40, for example, a multi-core optical fiber can be applied. At this time, the cores 41, 42, and 43 constitute a core of one multi-core optical fiber.

本体部50は、筐体内に、コア41を介して磁性体21の表面に入射させる光を発光する発光部51と、コア42、43を介して磁性体21の表面から反射する光を受光して電気信号に変換する受光部52と、検出信号を処理する信号処理部60とを備えている。なお、説明を明解にするために、図1には、発光部51からの光が磁性体21で反射して受光部52で受光されるまでの光路を矢印で示している。   The main body 50 receives light reflected from the surface of the magnetic body 21 via the cores 42 and 43, and a light emitting section 51 that emits light that is incident on the surface of the magnetic body 21 via the core 41. A light receiving unit 52 that converts the signal into an electrical signal and a signal processing unit 60 that processes the detection signal. For clarity of explanation, in FIG. 1, an optical path from the light from the light emitting unit 51 reflected by the magnetic body 21 to the light received by the light receiving unit 52 is indicated by an arrow.

発光部51としては、例えば、半導体レーザを適用することができる。また、受光部52としては、コア42、43のそれぞれに対応するフォトダイオード52S、52P(受光素子)を適用することができる。また、信号処理部60としては、信号処理回路を構成するために、例えば、種々のIC(Integrated Circuit)を実装した実装基板(信号処理装置)を適用することができる。なお、本実施形態では、信号処理部60を構成する実装基板にフォトダイオード52S、52Pが実装されている。   As the light emitting unit 51, for example, a semiconductor laser can be applied. Further, as the light receiving unit 52, photodiodes 52S and 52P (light receiving elements) corresponding to the cores 42 and 43, respectively, can be applied. Further, as the signal processing unit 60, for example, a mounting board (signal processing device) on which various ICs (Integrated Circuits) are mounted can be applied in order to configure a signal processing circuit. In the present embodiment, the photodiodes 52S and 52P are mounted on the mounting board constituting the signal processing unit 60.

図2は、センサ装置10の光学系(光路)を明解にするために、図1中のミラー部23、24、25を省略して概略した図である。   FIG. 2 is a schematic diagram in which the mirror units 23, 24, and 25 in FIG. 1 are omitted in order to clarify the optical system (optical path) of the sensor device 10.

まず、発光部51からの入射光101は、光伝搬部40のコア41中を伝搬してセンサ部20まで到達する。次いで、センサ部20内では、入射光101が偏光子22によって直線偏光となって磁性体21の表面に入射される。その磁性体21の表面から反射する反射光102(直線偏光)が、波長板26によって円偏光に変換される。そして、その反射光102(円偏光)が、偏光子27によってS偏光成分の光102SとP偏光成分の光102Pとに分岐されてセンサ部20外へ放出される。   First, the incident light 101 from the light emitting unit 51 propagates through the core 41 of the light propagation unit 40 and reaches the sensor unit 20. Next, in the sensor unit 20, the incident light 101 is linearly polarized by the polarizer 22 and is incident on the surface of the magnetic body 21. The reflected light 102 (linearly polarized light) reflected from the surface of the magnetic body 21 is converted into circularly polarized light by the wave plate 26. Then, the reflected light 102 (circularly polarized light) is branched by the polarizer 27 into S-polarized component light 102S and P-polarized component light 102P and emitted to the outside of the sensor unit 20.

センサ部20からの光102Sは、光伝搬部40のコア42を伝搬して受光部52のフォトダイオード52Sまで到達して受光されて、電気信号へ変換される。すなわち、フォトダイオード52Sは、コア42を伝搬するS偏光成分の光102Sを受光して電気信号に変換する。また、センサ部20からの光102Pは、光伝搬部40のコア43中を伝搬して受光部52のフォトダイオード52Pまで到達して受光されて、電気信号へ変換される。すなわち、フォトダイオード52Pは、コア43を伝搬するP偏光成分の光102Pを受光して電気信号に変換する。このようにセンサ装置10では、面内磁気カー効果を生じる磁性体21からの反射光102をS偏光成分とP偏光成分とに分岐し、S偏光成分の光102S(光信号)を電気信号とし、P偏光成分の光102P(光信号)を電気信号として検出する。   The light 102S from the sensor unit 20 propagates through the core 42 of the light propagation unit 40, reaches the photodiode 52S of the light receiving unit 52, and is received and converted into an electrical signal. That is, the photodiode 52S receives the S-polarized component light 102S propagating through the core 42 and converts it into an electrical signal. The light 102P from the sensor unit 20 propagates through the core 43 of the light propagation unit 40, reaches the photodiode 52P of the light receiving unit 52, and is received and converted into an electrical signal. That is, the photodiode 52P receives the P-polarized component light 102P propagating through the core 43 and converts it into an electrical signal. Thus, in the sensor device 10, the reflected light 102 from the magnetic body 21 that causes the in-plane magnetic Kerr effect is branched into the S-polarized component and the P-polarized component, and the light 102S (optical signal) of the S-polarized component is used as an electrical signal. , P-polarized light component 102P (optical signal) is detected as an electrical signal.

ここで、被測定対象の電流を光で検出するセンサ装置10の原理について説明する。図3、図4では、被測定対象の電流が流れるケーブル100に密着または近接させて磁性体21が配置され、磁性体21の表面に入射する入射光101およびそれから反射する反射光102も合わせて示している。また、図5では、反射光102の光量Lrを示しており、また、そのS偏光成分の光102Sの光量LsおよびP偏光成分の光102Pの光量Lp、並びにカー回転角θkを示している。   Here, the principle of the sensor device 10 that detects the current to be measured with light will be described. 3 and 4, the magnetic body 21 is disposed in close contact with or close to the cable 100 through which the current to be measured flows, and the incident light 101 incident on the surface of the magnetic body 21 and the reflected light 102 reflected therefrom are also combined. Show. Further, FIG. 5 shows the light amount Lr of the reflected light 102, the light amount Ls of the S-polarized component light 102S, the light amount Lp of the P-polarized component light 102P, and the Kerr rotation angle θk.

まず、図3に示すセンサ装置10の状態は、ケーブル100中を電流が流れておらず、電流磁場H(印加磁場H)が発生していない標準状態である。図3では、ケーブル100の延在方向と、面内磁気カー効果を生じる磁性体21の磁気モーメント21Mの方向とが一致するように、磁性体21が配置されている。このような状態の磁性体21の表面に直線偏光の入射光101を入射させると、磁性体21から反射する反射光102は、横カー効果によって直線偏光のままである。   First, the state of the sensor device 10 shown in FIG. 3 is a standard state in which no current flows through the cable 100 and no current magnetic field H (applied magnetic field H) is generated. In FIG. 3, the magnetic body 21 is arranged so that the extending direction of the cable 100 and the direction of the magnetic moment 21M of the magnetic body 21 that generates the in-plane magnetic Kerr effect coincide with each other. When linearly polarized incident light 101 is incident on the surface of the magnetic body 21 in such a state, the reflected light 102 reflected from the magnetic body 21 remains linearly polarized due to the lateral Kerr effect.

次いで、図4に示すセンサ装置10の状態は、ケーブル100中を電流Iが流れ、電流Iによって電流磁場Hが発生している状態である。この電流磁場Hの大きさは、電流Iの量によって変化する。このような状態の磁性体21の表面に直線偏光の入射光101を入射させると、磁性体21から反射する反射光102は、縦カー効果によって極僅かな楕円偏光となった直線偏光となる。なお、図4では、説明を明解にするために、楕円偏光として反射光102を示している。   Next, the state of the sensor device 10 illustrated in FIG. 4 is a state in which a current I flows through the cable 100 and a current magnetic field H is generated by the current I. The magnitude of the current magnetic field H varies depending on the amount of the current I. When the linearly polarized incident light 101 is incident on the surface of the magnetic body 21 in such a state, the reflected light 102 reflected from the magnetic body 21 becomes linearly polarized light that has become an extremely small amount of elliptically polarized light due to the longitudinal Kerr effect. In FIG. 4, the reflected light 102 is shown as elliptically polarized light for the sake of clarity.

電流磁場Hの大きさが変化すると、その変化に変化して磁気モーメント21Mが回転する。このとき、磁性体21の表面から反射する反射光102は、縦カー効果によって、反射光102の回転角が磁気モーメント21Mの回転角に比例して変化している。このため、反射光102の光量Lr(強度)が変化し、そのS偏光成分である光102Sの光量LsおよびP偏光成分の光102Pの光量Lpも変化する。   When the magnitude of the current magnetic field H changes, the magnetic moment 21M rotates by changing to the change. At this time, the reflected light 102 reflected from the surface of the magnetic body 21 is changed in proportion to the rotational angle of the magnetic moment 21M due to the longitudinal Kerr effect. For this reason, the light amount Lr (intensity) of the reflected light 102 changes, and the light amount Ls of the light 102S that is the S-polarized component and the light amount Lp of the light 102P of the P-polarized component also change.

図6は、印加磁場Hに対する光102Sの光量Lsおよび光102Pの光量Lpの変化を示すグラフである。印加磁場Hをマイナス方向から、印加磁場Hがゼロのときを経て、プラス方向に印加すると(印加磁場Hの向きを変えて印加することになる。)、光量Ls(図5参照)は、プラス向きの大きさが徐々に小さくなり、マイナス向きとなり、マイナス向きで徐々に大きくなる。一方、光量Lp(図5参照)は、印加磁場Hをマイナス方向から、印加磁場Hがゼロのときを経て、プラス方向に印加すると、マイナス向きの大きさが徐々に小さくなり、プラス向きとなり、プラス向きで徐々に大きくなる。   FIG. 6 is a graph showing changes in the light quantity Ls of the light 102S and the light quantity Lp of the light 102P with respect to the applied magnetic field H. When the applied magnetic field H is applied from the minus direction to the plus direction after the applied magnetic field H is zero (the applied magnetic field H is changed in direction), the light quantity Ls (see FIG. 5) is plus. The size of the direction gradually decreases, becomes negative, and gradually increases in the negative direction. On the other hand, the light amount Lp (see FIG. 5) is applied in the positive direction after the applied magnetic field H from the minus direction through the time when the applied magnetic field H is zero. It becomes gradually larger in the positive direction.

図7は、図6を参照して得られた、印加磁場Hに対する、光量Lsと光量Lpの差分(Ls−Lp)の変化を示すグラフである。これから印加磁場Hに対するLs−Lpは、磁化曲線(図7中、波線で示す。)を描くような変化となる。したがって、センサ装置10は、光量Ls、光量Lpを得ることで、印加磁場Hの大きさ、更に電流Iの大きさも検出(測定)することができる。   FIG. 7 is a graph showing a change in the difference (Ls−Lp) between the light amount Ls and the light amount Lp with respect to the applied magnetic field H obtained with reference to FIG. From this, Ls-Lp with respect to the applied magnetic field H changes so as to draw a magnetization curve (indicated by a wavy line in FIG. 7). Therefore, the sensor device 10 can detect (measure) the magnitude of the applied magnetic field H and further the magnitude of the current I by obtaining the light quantity Ls and the light quantity Lp.

ところで、本実施形態では、最大カー回転角θkmax.が1°以下の磁性体21を適用している。このため、図5からも明らかなように、反射光102のS偏光成分の光量LsおよびP偏光成分の光量Lpは、次式(1)、(2)のように近似して表すことができる。   By the way, in this embodiment, the maximum Kerr rotation angle θkmax. The magnetic body 21 of 1 ° or less is applied. Therefore, as is apparent from FIG. 5, the light quantity Ls of the S-polarized component and the light quantity Lp of the P-polarized component of the reflected light 102 can be approximated as shown in the following equations (1) and (2). .

Figure 2014145719
Figure 2014145719
Figure 2014145719
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ここで、反射光102が、波長板26(1/4λ板あるいは1/2λ板)を通過すると、直線偏光は、円偏光となる。なお、反射光102が、極僅かな楕円偏光の場合、真円から僅かに主軸が傾いた楕円偏光となる。   Here, when the reflected light 102 passes through the wave plate 26 (¼λ plate or 1 / 2λ plate), the linearly polarized light becomes circularly polarized light. In addition, when the reflected light 102 is a very small amount of elliptically polarized light, it becomes elliptically polarized light whose principal axis is slightly inclined from a perfect circle.

波長板26を通過したときのS偏光成分の光102Sの光量Ls’およびP偏光成分の光102Pの光量Lp’は、次式(3)、(4)のように表すことができる。   The light quantity Ls ′ of the light 102S of the S-polarized component and the light quantity Lp ′ of the light 102P of the P-polarized component when passing through the wave plate 26 can be expressed by the following equations (3) and (4).

Figure 2014145719
Figure 2014145719
Figure 2014145719
Figure 2014145719

ここで、光102Sは、コア42を光信号として伝搬するが、コア42が振動や衝撃などの外乱を受ける場合も考えられる。その外乱の影響による光102Sの光量Ls’の変化を、外乱係数αを用いて表すと、αLs’となる。同様に、コア43への振動や衝撃などの外乱の影響による光102Pの光量Lp’の変化を、外乱係数βを用いて表すと、βLp’となる。   Here, the light 102S propagates through the core 42 as an optical signal, but it is also conceivable that the core 42 is subject to disturbances such as vibration and impact. When the change in the light quantity Ls ′ of the light 102S due to the influence of the disturbance is expressed using the disturbance coefficient α, αLs ′ is obtained. Similarly, if the change in the light amount Lp ′ of the light 102P due to the influence of disturbance such as vibration or impact on the core 43 is expressed using the disturbance coefficient β, βLp ′ is obtained.

磁性体20として、Fe−Si系合金を適用した場合、その最大カー回転角θkmax.は0.04°なので、光量Ls=100とすると、図5よりLp=tanθkであるから、光量Lpは、次の範囲となる。
0<Lp<0.07 (0<θk<π/2)
When an Fe—Si alloy is applied as the magnetic body 20, the maximum Kerr rotation angle θkmax. Is 0.04 °, and when the light quantity Ls = 100, Lp = tan θk from FIG. 5, the light quantity Lp falls within the following range.
0 <Lp <0.07 (0 <θk <π / 2)

また、磁性体20として、Al−Ni−Co系合金を適用した場合、その最大カー回転角θkmax.は0.03°なので、光量Ls=100とすると、光量Lpは、次の範囲となる。
0<Lp<0.05 (0<θk<π/2)
Further, when an Al—Ni—Co alloy is applied as the magnetic body 20, the maximum Kerr rotation angle θkmax. Is 0.03 °, and if the light quantity Ls = 100, the light quantity Lp is in the following range.
0 <Lp <0.05 (0 <θk <π / 2)

このように、最大カー回転角θkが1°以下の磁性体20を用いた場合、光量Lsに対して光量Lpは極めて少なく、すなわち、光量βLs’に対して光量αLp’がきわめて少なく、光量αLp’への外乱の影響が大きくなってしまうことがわかる。   As described above, when the magnetic body 20 having the maximum Kerr rotation angle θk of 1 ° or less is used, the light amount Lp is extremely small with respect to the light amount Ls, that is, the light amount αLp ′ is extremely small with respect to the light amount βLs ′. It turns out that the influence of the disturbance on 'will become large.

そこで、本実施形態では、信号処理部60において、単に、光量βLs’に対応する電気信号Esと、光量αLp’に対応する電気信号Epとを、単に差動増幅回路に入力するのではなく、以下で説明するように、外乱をキャンセルできる回路構成としている。   Therefore, in the present embodiment, the signal processing unit 60 does not simply input the electric signal Es corresponding to the light amount βLs ′ and the electric signal Ep corresponding to the light amount αLp ′ to the differential amplifier circuit. As will be described below, the circuit configuration can cancel disturbance.

図8は、センサ装置10の信号処理部60のブロック図である。信号処理部60は、フォトダイオード52S、52Pと、増幅器61、62と、除算回路63、64(アナログIC)と、差動増幅回路65とを備えている。フォトダイオード52Sによって光102S(光量βLs’)から変換された電気信号Esは、増幅器61によって増幅される。また、フォトダイオード52Pによって光102P(光量αLp’)から変換された電気信号Epは、増幅器62によって増幅される。   FIG. 8 is a block diagram of the signal processing unit 60 of the sensor device 10. The signal processing unit 60 includes photodiodes 52S and 52P, amplifiers 61 and 62, division circuits 63 and 64 (analog IC), and a differential amplifier circuit 65. The electric signal Es converted from the light 102S (light quantity βLs ′) by the photodiode 52S is amplified by the amplifier 61. In addition, the electric signal Ep converted from the light 102P (light quantity αLp ′) by the photodiode 52P is amplified by the amplifier 62.

増幅された電気信号Es、Epは、電気信号Epで電気信号Esを除算する除算回路63の出力値として、差動増幅回路65のマイナス側へ入力される。また、増幅された電気信号Es、Epは、電気信号Esで電気信号Epを除算する除算回路64の出力値として、差動増幅回路65のプラス側へ入力される。そして、差動増幅回路65の出力値を得る。この出力値は、次式(5)のように表すことができる。なお、式(5)、(6)では、電流の変化を光の変化で検出するセンサ装置10としての効果を明解にするために、電気信号Es、Epではなく、光量βLs’、αLp’を用いている。   The amplified electrical signals Es and Ep are input to the minus side of the differential amplifier circuit 65 as an output value of the division circuit 63 that divides the electrical signal Es by the electrical signal Ep. The amplified electrical signals Es and Ep are input to the plus side of the differential amplifier circuit 65 as an output value of the division circuit 64 that divides the electrical signal Ep by the electrical signal Es. Then, the output value of the differential amplifier circuit 65 is obtained. This output value can be expressed as the following equation (5). In equations (5) and (6), in order to clarify the effect of the sensor device 10 that detects a change in current by a change in light, the light amounts βLs ′ and αLp ′ are used instead of the electrical signals Es and Ep. Used.

Figure 2014145719
Figure 2014145719

これによれば、コア42、43に外力が加わって光量βLs’および光量αLp’が変化しても、互いの光量変化(外乱係数α、β)を除算回路63、64で低減させることができる。したがって、センサ装置10の検出精度(例えば、S/N比)を高めることができる。   According to this, even if an external force is applied to the cores 42 and 43 to change the light amount βLs ′ and the light amount αLp ′, the light amount changes (disturbance coefficients α and β) can be reduced by the divider circuits 63 and 64. . Therefore, the detection accuracy (for example, S / N ratio) of the sensor device 10 can be increased.

また、本実施形態では、センサ装置10は、光伝搬部40に一つの多芯ファイバを適用し、コア42、43が、その一つの多芯光ファイバのコアを構成している。   Moreover, in this embodiment, the sensor apparatus 10 applies one multi-core fiber to the light propagation part 40, and the cores 42 and 43 comprise the core of the one multi-core optical fiber.

これによれば、コア42、43が同じく振動や衝撃などの外乱を受けるので、外乱による光量βLs’および光量αLp’の変化も同じくなる。すなわち、α=βとなる。したがって、互いの光量変化(ノイズ)を除算回路63、64でキャンセル(低減)させることができ、センサ装置10の検出精度(例えば、S/N比)をより高めることができる。α=βとすると、式(5)は式(3)、(4)を用いると、次式(6)のように表すことができる。   According to this, since the cores 42 and 43 are similarly subjected to disturbances such as vibrations and shocks, the changes in the light quantity βLs ′ and the light quantity αLp ′ due to the disturbances are also the same. That is, α = β. Therefore, the mutual light quantity change (noise) can be canceled (reduced) by the divider circuits 63 and 64, and the detection accuracy (for example, S / N ratio) of the sensor device 10 can be further increased. If α = β, the equation (5) can be expressed as the following equation (6) using the equations (3) and (4).

Figure 2014145719
Figure 2014145719

多芯ファイバを用いてα=βとし、光量βLs’に対応する電気信号Esと、光量αLp’に対応する電気信号Epとを、除算回路を用いずに単に差動増幅回路に入力した場合、その出力は−√2θkに相当する。これに対して、除算回路63、64を用い、その出力を差動増幅器65に入力した場合、その出力は−4θkとなり、2√2倍のS/N比向上が見込まれることとなる。   When α = β using a multi-core fiber, the electrical signal Es corresponding to the light amount βLs ′ and the electrical signal Ep corresponding to the light amount αLp ′ are simply input to the differential amplifier circuit without using the divider circuit, The output corresponds to -√2θk. On the other hand, when the divider circuits 63 and 64 are used and the output is input to the differential amplifier 65, the output is −4θk, and an S / N ratio improvement of 2√2 times is expected.

また、本実施形態では、センサ装置10は、発光部51とセンサ部20とを接続するコア41を備えており、そのコア41が、一つの多芯光ファイバのコアを構成している。   Moreover, in this embodiment, the sensor apparatus 10 is provided with the core 41 which connects the light emission part 51 and the sensor part 20, and the core 41 comprises the core of one multi-core optical fiber.

これによれば、コア41、42、43が同じく振動や衝撃などの外乱を受けるので、外乱による入射光101の光量、反射光102のS偏光成分の光量Ls、および反射光102のP偏光成分の光量Lpの変化も同じくなる。したがって、センサ装置10の検出精度(例えば、S/N比)をより高めることができる。   According to this, since the cores 41, 42, 43 are similarly subjected to disturbances such as vibration and impact, the amount of incident light 101 due to the disturbance, the amount Ls of the S-polarized component of the reflected light 102, and the P-polarized component of the reflected light 102 The change in the amount of light Lp is also the same. Therefore, the detection accuracy (for example, S / N ratio) of the sensor device 10 can be further increased.

このようなセンサ装置10は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車において速度制御やトルク制御で参照される電流を、精確に検出するために用いられる。具体的には、電気自動車などのエンジンルーム内に取り付けられたセンサ装置10は、センサ部20が光伝搬部40によって本体部50から引き回されて、所定箇所のケーブル100中の電流を検出することができる。   Such a sensor device 10 is used, for example, in order to accurately detect a current referred to in speed control or torque control in an electric vehicle or a hybrid vehicle. Specifically, in the sensor device 10 installed in an engine room such as an electric vehicle, the sensor unit 20 is routed from the main body unit 50 by the light propagation unit 40 to detect a current in the cable 100 at a predetermined location. be able to.

以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   Although the present invention has been specifically described above based on the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be variously modified without departing from the gist thereof.

前記実施形態では、センサ部と受光部とを接続する第1および第2光ファイバコアで構成される一つの多芯ファイバを用いた場合について説明した。これに限らず、第1、第2光ファイバコアが別々の単芯光ファイバに構成される場合であってもよい。この場合、外乱係数α、βが、α≠βの関係となるが、互いの光量変化(ノイズ)を第1および第2除算回路で低減させることで、光プローブセンサ装置の検出精度を高めることができる。   In the above-described embodiment, the case where one multi-core fiber configured by the first and second optical fiber cores connecting the sensor unit and the light receiving unit is used has been described. Not limited to this, the first and second optical fiber cores may be configured as separate single-core optical fibers. In this case, the disturbance coefficients α and β are in the relationship of α ≠ β, but the detection accuracy of the optical probe sensor device is improved by reducing the mutual light quantity change (noise) by the first and second divider circuits. Can do.

前記実施形態では、発光部とセンサ部とを接続する第3光ファイバコアを用いた場合について説明した。これに限らず、第3光ファイバコアを用いずに、発光部をセンサ部に直接取り付ける構成とした場合であってもよい。この場合、第3光ファイバコアを用いた場合による外乱の影響をなくすことで、光プローブセンサ装置の検出精度を高めることができる。   In the embodiment, the case where the third optical fiber core that connects the light emitting unit and the sensor unit is used has been described. Not only this but the structure which attaches a light emission part directly to a sensor part, without using a 3rd optical fiber core may be sufficient. In this case, the detection accuracy of the optical probe sensor device can be improved by eliminating the influence of disturbance caused by the use of the third optical fiber core.

他の実施形態として、センサ部において、直線偏光の入射光を円偏光にしてから磁性体の表面に入射させて、円偏光の反射光を得る構成とすることもできる。なお、前記実施形態のように、直線偏光の入射光を磁性体の表面に入射させ、その反射光を円偏光とするする構成の方が、光軸調整を容易に行うことができる。   As another embodiment, the sensor unit may be configured so that linearly polarized incident light is made circularly polarized and then incident on the surface of the magnetic body to obtain circularly polarized reflected light. In addition, the optical axis adjustment can be easily performed in the configuration in which linearly polarized incident light is incident on the surface of the magnetic material and the reflected light is circularly polarized as in the embodiment.

本発明の光プローブセンサ装置は、あらゆる電子・電気機器用の電流検出用センサまたは磁界検出用センサとして利用可能で、特に、劣悪な電磁ノイズ環境下や、振動や衝撃などの影響を受ける環境下に幅広く利用されるものである。   The optical probe sensor device of the present invention can be used as a current detection sensor or a magnetic field detection sensor for any electronic / electrical equipment, and particularly in a poor electromagnetic noise environment or an environment affected by vibration or impact. It is widely used.

10 光プローブセンサ装置
20 センサ部
21 磁性体
21M 磁気モーメント
22 偏光子
23、24、25 ミラー部
26 波長板
27 偏光子
40 光伝搬部
41、42、43 光ファイバコア
50 本体部
51 発光部
52 受光部
52P、52S フォトダイオード
60 信号処理部
61、62 増幅器
63、64 除算回路
100 ケーブル
101 入射光
102 反射光
I 電流
H 印加磁場
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optical probe sensor apparatus 20 Sensor part 21 Magnetic body 21M Magnetic moment 22 Polarizers 23, 24, 25 Mirror part 26 Wave plate 27 Polarizer 40 Light propagation part 41, 42, 43 Optical fiber core 50 Main part 51 Light emission part 52 Light reception Unit 52P, 52S photodiode 60 signal processing unit 61, 62 amplifier 63, 64 division circuit 100 cable 101 incident light 102 reflected light I current H applied magnetic field

Claims (6)

発光部および受光部と、
前記発光部と前記受光部との間で光学的に接続されたセンサ部と、
前記センサ部と前記受光部とを接続する第1および第2光ファイバコアと、
前記受光部と電気的に接続された信号処理部とを備え、
前記センサ部は、面内磁気カー効果を生じる磁性体と、前記磁性体からの反射光をS偏光成分とP偏光成分とに分岐する偏光子とを含み、
前記第1光ファイバコアは、前記偏光子からのS偏光成分の光を光信号として伝搬し、
前記第2光ファイバコアは、前記偏光子からのP偏光成分の光を光信号として伝搬し、
前記受光部は、前記第1および第2光ファイバコアの光信号のそれぞれを第1および第2電気信号に変換し、
前記信号処理部は、前記第1電気信号で前記第2電気信号を除算する第1除算回路と、前記第2電気信号で前記第1電気信号を除算する第2除算回路と、前記第1および第2除算回路のそれぞれの出力値を差動増幅して出力する差動増幅回路とを含むことを特徴とする光プローブセンサ装置。
A light emitting part and a light receiving part;
A sensor unit optically connected between the light emitting unit and the light receiving unit;
First and second optical fiber cores connecting the sensor unit and the light receiving unit;
A signal processing unit electrically connected to the light receiving unit,
The sensor unit includes a magnetic body that generates an in-plane magnetic Kerr effect, and a polarizer that branches reflected light from the magnetic body into an S-polarized component and a P-polarized component,
The first optical fiber core propagates light of an S-polarized component from the polarizer as an optical signal,
The second optical fiber core propagates light of a P-polarized component from the polarizer as an optical signal,
The light receiving unit converts the optical signals of the first and second optical fiber cores into first and second electrical signals,
The signal processing unit includes: a first divider circuit that divides the second electric signal by the first electric signal; a second divider circuit that divides the first electric signal by the second electric signal; And a differential amplifier circuit that differentially amplifies and outputs respective output values of the second divider circuit.
請求項1記載の光プローブセンサ装置において、
一つの多芯ファイバを備え、
前記第1および第2光ファイバコアが、前記一つの多芯光ファイバのコアを構成することを特徴とする光プローブセンサ装置。
The optical probe sensor device according to claim 1,
With one multi-core fiber,
The optical probe sensor device, wherein the first and second optical fiber cores constitute a core of the one multi-core optical fiber.
請求項2記載の光プローブセンサ装置において、
前記発光部と前記センサ部とを接続する第3光ファイバコアを備え、
前記第3光ファイバコアが、前記一つの多芯光ファイバのコアを構成することを特徴とする光プローブセンサ装置。
The optical probe sensor device according to claim 2,
A third optical fiber core connecting the light emitting unit and the sensor unit;
The optical probe sensor device, wherein the third optical fiber core constitutes a core of the one multi-core optical fiber.
請求項1〜3のいずれか一項に記載の光プローブセンサ装置において、
前記磁性体の最大カー回転角が、1°以下であることを特徴とする光プローブセンサ装置。
In the optical probe sensor device according to any one of claims 1 to 3,
An optical probe sensor device, wherein the maximum Kerr rotation angle of the magnetic material is 1 ° or less.
請求項1〜4のいずれか一項に記載の光プローブセンサ装置において、
前記磁性体が、Fe−Si系合金であることを特徴とする光プローブセンサ装置。
In the optical probe sensor device according to any one of claims 1 to 4,
The optical probe sensor device, wherein the magnetic body is an Fe—Si alloy.
請求項1〜4のいずれか一項に記載の光プローブセンサ装置において、
前記磁性体が、Al−Ni−Co系合金であることを特徴とする光プローブセンサ装置。
In the optical probe sensor device according to any one of claims 1 to 4,
The optical probe sensor device, wherein the magnetic body is an Al—Ni—Co alloy.
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JP2020126006A (en) * 2019-02-05 2020-08-20 シチズンファインデバイス株式会社 Magnetic field sensor device

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