JP3011244B2 - 光応用直流電流変成器 - Google Patents
光応用直流電流変成器Info
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Description
特に直流電流成分を含む電流を測定するのに好適な光応
用直流電流変成器に関する。
り、例えば光学的な手法により電界,電圧,磁界あるい
は電流の大きさを測定できるようになってきた。この光
学的手法による電圧、電流の測定原理やシステム構成な
どについては、久間和生、布下正宏「光フアイバセン
サ」(情報調査会発行、昭和61年1月)の第110頁
から第117頁に記載されているが、これらは主として
交流電流を測定することを対象としている。
の第238頁から第240頁に記載されており、センサ
から出た光信号を2つの直交する偏光成分、すなわちP
偏光成分とS偏光成分とに分け、それらの差をそれらの
和で除算する方法がある。しかし、このような方法で
は、光源の出力変動や光伝送路での光量変動があるとそ
れがそのまま測定誤差として現われることになり、精度
の良い直流電流の測定を行うことができないという問題
がある。
どでの光量変動をなんらかの手段で補正し、直流電流を
測定する方法がいくつか提案されている。
記載された方法は、直流成分に高周波成分を重畳させた
光信号を光源とし、その光波を電流センサに通し、信号
処理回路でそのうちの高周波成分を検出し、該高周波成
分の変動分を用いて被測定電流の大きさを補正する方法
である。しかし、この方法では、高周波成分の光量がフ
アラディ回転角、すなわち被測定直流電流の大きさによ
って変化するという点が考慮されていないために、正確
に補正ができないという問題がある。
た方法は、被測定直流電流が発生する磁界に追加して一
定の交流磁界を外部からセンサに重畳し、センサを通過
する光波が受けるフアラデイ回転角を、被測定電流によ
るフアラデイ回転角相当分と一定の交流磁界によるフア
ラデイ回転角相当分に分離して、変動しない後者を基準
にして前者を測定する方法である。しかしこの方法は、
別途に一定の交流磁界を発生する装置が必要になり、ま
たセンサに一定の交流磁界を重畳する構造が複雑になる
という問題がある。
れた方法は、異なる波長の2つの光波を用い、第1の波
長の光波は電流センサの光入射端に配した偏光子で直線
偏光とし、第2の波長の光波は偏光子をそのまま通過さ
せ、センサの光出力端の検光子では第1の波長の光波を
偏光し、第2の波長の光波はそのまま通過させ、第2の
波長の光波を基準にして、第1の波長の光波がセンサで
受けるフアラディ回転角を測定する方法である。しか
し、該方法の場合には、直線偏光された光からの出力信
号と直線偏光を受けない光の出力信号とを分離して測定
できても、2つの波長の光波の光源での両者の光量の比
が経時的に常に一定でないと、出力信号のうちのフアラ
ディ回転角φに相当する分を単独に分離することができ
ない。つまり、光源での光量変動があると、それが電流
の測定誤差として現われることになり、精度の良い測定
ができないという問題がある。
光学的現象を利用した直流電流の測定方法においては、
光源,センサ部,光伝送路などで光量の変動があると、
その変動分をなんらかの方法で補正してやらないと直流
電流を広い範囲で精度良く測定できないという問題があ
り、これまでは有効な補正手段が提案されていなかつ
た。
路などで光量の変動があつても直流電流成分を含んだ電
流を広範囲で精度良く測定できる光応用直流電流変成器
を提供することにある。
に本発明は、磁気光学効果を有する感磁素子と該感磁素
子の光入射端に配した偏光子と光射出端に配した検光子
とを備えたセンサと、光信号を伝える光フアイバと、光
を発生する光源と、前記センサから射出される光信号を
読取・演算する信号処理回路とを備えた光応用直流電流
変成器において、前記光源に波長が異なり、かつ周期が
異なる一定振幅の交流成分を含むように光強度が変化す
る2つの光波を発生する発光手段、あるいは時間的に光
強度が一定の第1の波長の光波と一定振幅の交流成分を
含むように光強度が変化する第2の波長の光波を発生す
る発光手段を設け、前記偏光子は2つの波長のうち第1
の波長の光波は直線偏光し第2の波長の光波は偏光せず
にそのまま通過させ、前記検光子は2つの光波のそれぞ
れを直交する偏光成分に分けて射出するように構成し、
前記光フアイバは、前記2つの光波を同じ光路を伝送し
て前記センサに導き、該2つの光波とも前記偏光子に入
射する入射光伝送路と、前記検光子から射出される各偏
光成分を偏光成分毎に前記信号処理回路に導く射出光伝
送路を形成し、前記信号処理回路は、前記射出光伝送路
から入射される各偏光成分を光電変換した後にその周期
に応じて分離してその強さを読取・演算するように構成
したことを特徴とする。
イバを含む同一の光伝送路でセンサまで伝送され、第1
の波長の光波は該センサの光入射端に配した偏光子で直
線偏光され、該センサを通過する間に被測定電流が発生
する磁界によつてフアラデイ回転を受ける。一方、第2
の波長の光波は、第1の波長の光と同じ光伝送路を辿る
が偏光子で直線偏光されないので該第2の波長の光波は
被測定電流による磁界によつてフアラデイ回転を受けな
い。
45゜傾けて配置され、第1の波長の光波は周波数f1
(角周波数ω1)の一定振幅の交流成分で光強度が変化
し、第2の波長の光波は周波数f2(角周波数ω2)の一
定振幅の交流成分で光強度が変化する。
の光波を検光子によつてそれぞれ直交する2つの偏光成
分(P偏光成分とS偏光成分)の光波に分けられ、該検
光子の各端子からはP偏光成分の光とS偏光成分の光が
射出される。各偏光成分には2つの波長の成分があり、
各波長の成分はさらに直流電流に相当する成分と一定振
幅の交流に相当する成分を含むことになる。
換し、この電気信号を演算処理して被測定電流に比例し
た出力電圧信号を得る。いま、第1の波長の光波が該セ
ンサで受けるフアラディ回転角をφとすると、φが1よ
り十分に小さいとしてsinφ=φとすることができるの
で、信号処理回路に入射する各偏光成分は次にようにな
る。 P偏光成分の光強度:Jp Jp=J10p(1−2φ)+J1fp(1−2φ)sinω1t+J20p+J2fpsinω2t (式1) S偏光成分の光強度:Js Js=J10s(1+2φ)+J1fs(1+2φ)sinω1t+J20s+J2fssinω2t (式2) 式1はP偏光成分の光強度を表わし、第1項は第1の波
長の光波の直流成分の光強度成分、第2項は第1の波長
の光波の交流成分の光強度成分、第3項は第2の波長の
光波の直流成分の光強度成分、第4項は第2の波長の光
波の交流成分の光強度成分である。式2はS偏光成分の
光強度を表わし、第1項は第1の波長の光波の直流成分
の光強度成分、第2項は第1の波長の光波の交流成分の
光強度成分、第3項は第2の波長の光波の直流成分の光
強度成分、第4項は第2の波長の光波の交流成分の光強
度成分である。式1と式2で表わされる各偏光成分は、
信号処理回路の入力端のO/E変換器で電気信号(電
圧)に変換され、その後、フイルタによつて直流成分と
交流成分とに分離される。
の光波の交流成分は周波数が異なるので、前記の周波数
f1と周波数f2を分離できるフイルタ特性とすること
で、第1の光波の成分と第2の光波の成分とに分離でき
る。分離後の交流成分(交流電圧)は絶対値回路で直流
電圧に変換すると次のようになる。 P偏光成分における第1の波長の光波の交流成分:V1p V1p=η1pJ1fp(1−2φ) (式3) P偏光成分における第2の波長の光波の交流成分:V2p V2p=η2pJ2fp (式4) S偏光成分における第1の波長の光波の交流成分:V1s V1s=η1sJ1fs(1+2φ) (式5) S偏光成分における第2の波長の光波の交流成分:V2s V2s=η2sJ2fs (式6) ここで、η1pは第1の波長の光波のP偏光成分をO/E
変換器で電気信号に変換するときの効率と演算処理回路
での電気信号増幅率との積であり、η2pは第2の波長の
光波のP偏光成分をO/E変換器で電気信号に変換する
ときの効率と演算処理回路での電気信号増幅率との積で
ある。また、η1sは第1の波長の光波のS偏光成分をO
/E変換器で電気信号に変換するときの効率と演算処理
回路での電気信号増幅率との積であり、η2sは第2の波
長の光波のS偏光成分をO/E変換器で電気信号に変換
するときの効率と演算処理回路での電気信号増幅率との
積である。
=V1p/V2p、k2=V1s/V2sとすると、第1と第2
の波長の光波の交流成分のP偏光成分は同じ光伝送路を
通り、同様に第1と第2の波長の光波の交流成分のS偏
光成分は同じ光伝送路を通るので、その光伝送路の途中
で光量変動があつてもk1とk2は一定である。さらに、
被測定電流が通電されていない状態でk1=k2となるよ
うに定数を設定すると、光源の2つの波長の光波で光量
変動があつても、k1,k2とも同じ割合で変動するた
め、k1=k2は一度設定されると常に成り立つことにな
る。すなわち、光源,センサ部,光信号伝送路で光量変
動がおきても、常にk1=k2となる。従つて、これら式
3から式6の4つの信号成分の和と差をとり、割算する
と式7のようになる。 (V1p/V2p−V2s/V2s)/(V1p/V2p+V1s/V2s)=−2φ(式7) 演算処理回路でこのような演算をすることにより、光
源,センサ部,光信号伝送部での光量変動があつても、
フアラデイ回転角φを求めることができ、被測定量であ
る直流電流を正確に計測できることになる。
が一定の光波を用い、第2の波長の光波に一定振幅の交
流成分を含んで光強度が変化する光波を用いた場合、第
2の波長の光波は偏光子により偏光されずにそのまま通
過するので、第1の波長の光波のみが被測定電流による
磁界によつてフアラデイ回転を受ける。4つの信号成分
として P偏光成分における第1と第2の波長の光波の直流成分:Vdp Vdp=η1dpJ10p(1−2φ)+η2dpJ20p (式8) P偏光成分における第2の波長の光波の交流成分:Vap Vap=η2apJ2fp (式9) S偏光成分における第1と第2の波長の光波の直流成分:Vds Vds=η1dsJ10s(1+2φ)+η2dsJ20s (式10) S偏光成分における第2の波長の光波の交流成分:Vas Vas=η2asJ2fs (式11) として、前記と同様に演算処理することで直流電流を計
測することができる。
電流の場合にも同じ原理で測定ができ、従つて本発明
は、直流電流を含む範囲の電流測定に有効である。
する。図1は本発明になる光応用直流電流変成器のブロ
ツク図であり、1,2は波長の異なる光波を発生する光
源、3は光合波器、4は光フアイバ、5は偏光子、6は
磁気光学効果を有する感磁素子を用いた磁界センサ、7
は検光子、8,9は光フアイバ、10は信号処理回路で
ある。信号処理回路10は、フオトダイオードを用いた
光電(O/E)変換器11,12と演算処理回路13を
備える。
光波は光合波器3により合成されて光フアイバ4に入射
される。偏光子5は、光フアイバ4から入射された2つ
の光波のうち第1の波長(波長λ1)の光波を偏光して
直線偏光した光波とし、第2の波長(波長λ2)の光波
は偏光せずにそのまま通過させる。これは、例えば図2
に示すように、光波の波長と偏光子の特性を選択して使
用することにより実現する。検光子7は、波長の異なる
2つの光波を2つの直交する偏光成分(P偏光成分とS
偏光成分)に分ける。P偏光成分は光フアイバ8により
信号処理回路10まで伝送され、S偏光成分は光フアイ
バ9により信号処理回路10まで伝送される。
S偏光成分の光波はそれぞれO/E変換器11,12で
光強度に相似の電気信号に変換されて、演算処理回路1
3で演算処理される。
分で光強度が変化する光波を発生するための制御回路の
一例を光源1について示す。直流電源1aと交流電源1
bを直列に接続し両電圧を重畳した電圧が常に発光ダイ
オード1cに対して順方向となり順電流I(t)が流れる
ようにすることで、該順電流に相似な光強度特性J(t)
を有する光波を発生する。本発明では、波長の異なる2
つの光波を用いるが、少なくとも一方の波長の光波は、
例えば図3の制御回路を用いて一定振幅の交流成分を含
んで光強度が変化する光波とする。
2つの光波ともに一定振幅の交流成分で光強度が変化す
る光波を使用する場合を説明する。次に、第2の実施例
として第1の波長の光波には時間的に光強度が一定な光
波を使用し、第2の波長の光波には一定振幅の交流成分
で光強度が変化する光波を使用する場合を説明する。
ある。該第1の実施例では第1の波長の光波の交流成分
と第2の波長の光波の交流成分を分離する必要がある。
第1の波長の光波の光強度の交流成分の周波数をf
1(角周波数ω1)とし、第2の波長の光波の光強度の交
流分の周波数をf2(角周波数ω2)とするとき、後述す
るバンドパスフイルタで分離可能な程度に該周波数f1
とf2を離しておくことが重要である。
Jpを信号電圧Vpに変換し、O/E変換器12は光強度
Jsを信号電圧Vsに変換する。
であり、直流成分と交流成分を含む電圧である。バンド
パスフイルタ14は周波数f1の交流成分のみを選択的
に通過させて直流成分と周波数f2の交流成分を遮断
し、バンドパスフイルタ15は周波数f2の交流成分の
みを選択的に通過させて直流成分と周波数f1の交流成
分を遮断する構成であり、該バンドパスフイルタ14,
15により第1の波長の光波の交流成分信号と第2の波
長の光波の交流成分信号を分離して出力する。絶対値回
路16,17は、バンドパスフイルタ14,15から出
力される各交流成分信号電圧をそれぞれ直流電圧V
1p(式3)とV2p(式4)に変換し、除算器22は両者
の除算(V1p/V2p)を行う。
であり、直流成分と交流成分を含む電圧である。バンド
パスフイルタ18は周波数f1の交流成分のみを選択的
に通過させて直流成分と周波数f2の交流成分を遮断
し、バンドパスフイルタ19は周波数f2の交流成分の
みを選択的に通過させて直流成分と周波数f1の交流成
分を遮断する構成であり、該バンドパスフイルタ18,
19により第1の波長の光波の交流成分信号と第2の波
長の光波の交流成分信号を分離して出力する。絶対値回
路20,21は、バンドパスフイルタ18,19から出
力される各交流成分信号電圧をそれぞれ直流電圧V
1s(式5)とV2s(式6)に変換し、除算器23は両者
の除算(V1s/V2s)を行う。
長の光波のP偏光成分をO/E変換器11で電気信号に
変換するときの効率と演算処理回路13(VpとV1pと
の間)での電気信号増幅率との積であり、η2pは第2の
波長の光波のP偏光成分をO/E変換器11で電気信号
に変換するときの効率と演算処理回路13(VpとV2p
との間)での電気信号増幅率との積である。また、η1s
は第1の波長の光波のS偏光成分をO/E変換器12で
電気信号に変換するときの効率と演算処理回路13(V
sとV1sとの間)での電気信号増幅率との積であり、ま
た、η2sは第2の波長の光波のS偏光成分をO/E変換
器12で電気信号に変換するときの効率と演算処理回路
13(VsとV2sとの間)での電気信号増幅率との積で
ある。
3の出力の差を計算し、和算器25は両者の和を計算す
る。さらに、除算器26は差分器24の出力と和算器2
5の出力を除算して信号処理回路10の出力信号とす
る。すなわち、(式7)の演算処理を行う。この結果、
磁界センサ6でのフアラデイ回転角に比例した信号を得
ることができ、直流電流の値を測定できる。
度が時間的に一定な光波とし、第2の波長の光波を一定
振幅の交流成分を含んで光強度が変化する光波とする場
合である。図1において、光源1を第1の波長の光波を
発生する光源とし、光源2を第2の波長の光波を発生す
る光源とし、演算処理回路13を図5のように構成する
ことで、第2の実施例を実現することができる。
Jpを信号電圧Vpに変換し、O/E変換器12は光強度
Jsを信号電圧Vsに変換する。信号電圧Vpは光強度Jp
と相似であり、直流成分と交流成分を含む。ローパスフ
イルタ27は直流成分のみを選択的に通過させて周波数
f2の交流成分を遮断し、バンドパスフイルタ15は周
波数f2の交流成分のみを選択的に通過させて直流成分
を遮断し、該両フイルタ15,27によリ直流成分Vdp
(式8)と第2の波長の光波の交流成分を分離する。絶
対値回路17はバンドパスフイルタ15の出力である交
流電圧を直流電圧Vap(式9)に変換し、除算器22は
両者の除算(Vdp/Vap)を行う。
流成分と交流成分を含む。ローパスフイルタ28は直流
成分のみを選択的に通過させて周波数f2の交流成分を
遮断し、バンドパスフイルタ19は周波数f2の交流成
分のみを選択的に通過させて直流成分を遮断し、該両フ
イルタ19,28によリ直流成分Vds(式10)と第2
の波長の光波の交流成分を分離する。絶対値回路21は
バンドパスフイルタ19の出力である交流電圧を直流電
圧Vas(式11)に変換し、除算器23は両者の除算
(Vds/Vas)を行う。
の波長の光波のP偏光成分をO/E変換器11で電気信
号に変換するときの効率と演算処理回路13(VpとV
dpとの間)での電気信号増幅率との積であり、η2dpは
第2の波長の光波のP偏光成分をO/E変換器11で電
気信号に変換するときの効率と演算処理回路13(Vp
とVdpとの間)での電気信号増幅率との積であり、η
2apは第2の波長の光波のP偏光成分をO/E変換器1
1で電気信号に変換するときの効率と演算処理回路13
(VpとVapとの間)での電気信号増幅率との積であ
る。また、η1dsは第1の波長の光波のS偏光成分をO
/E変換器12で電気信号に変換するときの効率と演算
処理回路13(VsとVdsとの間)での電気信号増幅率
との積であり、η2 dsは第2の波長の光波のS偏光成分
をO/E変換器12で電気信号に変換するときの効率と
演算処理回路13(VsとVdsとの間)での電気信号増
幅率との積であり、また、η2asは第2の波長の光波の
S偏光成分をO/E変換器12で電気信号に変換すると
きの効率と演算処理回路13(VsとVasとの間)での
電気信号増幅率との積である。
3の出力の差を計算し、和算器25は両者の和を計算す
る。さらに、除算器26は差分器24の出力と和算器2
5の出力を除算して信号処理回路10の出力信号とす
る。これにより前記実施例と同様に、磁界センサ6での
フアラデイ回転角に比例した信号を得ることができ、直
流電流の値を測定できる。
送路などで光量変動があつてもこの変動が影響しないよ
うに測定系と信号処理回路を構成することができ、精度
良く直流電流の値を測定することが可能である。また、
2つの光波として一定振幅の交流成分で光強度が変化す
る光波を用い、かつ一定振幅の交流成分の周期が前記の
2つの光波で異なるようにし、検光子を射出する各偏光
成分に含まれる2つの波長の成分を電気信号に変換した
後で周期の差を利用して電気的に2つの波長の成分に分
離するようにしたので、光分波器が不要で光伝送路が簡
単になり、また、電気的に分離するので分離性が良いと
いう効果がある。
図である。
関係を示す特性図である。
光波を発生する光源の制御回路とその光強度特性図であ
る。
図である。
図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 磁気光学効果を有する感磁素子と該感磁
素子の光入射端に配した偏光子と光射出端に配した検光
子とを備えたセンサと、光信号を伝える光フアイバと、
光を発生する光源と、前記センサから射出される光信号
を読取・演算する信号処理回路とを備えた光応用直流電
流変成器において、 前記光源は波長が異なり、かつ周期が異なる一定振幅の
交流成分を含むように光強度が変化する2つの光波を発
生する発光手段を備え、 前記偏光子は2つの波長のうち第1の波長の光波は直線
偏光し第2の波長の光波は偏光せずにそのまま通過さ
せ、前記検光子は2つの光波のそれぞれを直交する偏光
成分に分けて射出するように構成され、 前記光フアイバは、前記2つの光波を同じ光路を伝送し
て前記センサに導き、該2つの光波とも前記偏光子に入
射する入射光伝送路と、前記検光子から射出される各偏
光成分を偏光成分毎に前記信号処理回路に導く射出光伝
送路を形成し、前記信号処理回路は、前記射出光伝送路
から入射される各偏光成分を光電変換した後にその周期
に応じて分離してその強さを読取・演算するように構成
されたことを特徴とする光応用直流電流変成器。 - 【請求項2】 磁気光学効果を有する感磁素子と該感磁
素子の光入射端に配した偏光子と光射出端に配した検光
子とを備えたセンサと、光信号を伝える光フアイバと、
光を発生する光源と、前記センサから射出される光信号
を読取・演算する信号処理回路とを備えた光応用直流電
流変成器において、 前記光源は、時間的に光強度が一定の第1の波長の光波
と、一定振幅の交流成分を含むように光強度が変化する
第2の波長の光波を発生する発光手段を備え、 前記偏光子は2つの波長のうち第1の波長の光波は直線
偏光し第2の波長の光波は偏光せずにそのまま通過さ
せ、前記検光子は2つの光波のそれぞれを直交する偏光
成分に分けて射出するように構成され、 前記光フアイバは、前記2つの光波を同じ光路を伝送し
て前記センサに導き、該2つの光波とも前記偏光子に入
射する入射光伝送路と、前記検光子から射出される各偏
光成分を偏光成分毎に前記信号処理回路に導く射出光伝
送路を形成し、 前記信号処理回路は、前記射出光伝送路から入射される
各偏光成分を光電変換した後にその周期に応じて分離し
てその強さを読取・演算するように構成されたことを特
徴とする光応用直流電流変成器。 - 【請求項3】 請求項1または2において、信号処理回
路は、光信号をその強度に応じた値に変換した電気信号
を、直流成分の光強度に相当する電気信号と一定振幅の
交流成分の光強度に相当する電気信号とに分離するフィ
ルタを備えることを特徴とする光応用直流電流変成器。
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---|---|---|---|
JP3201107A JP3011244B2 (ja) | 1991-07-17 | 1991-07-17 | 光応用直流電流変成器 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3201107A JP3011244B2 (ja) | 1991-07-17 | 1991-07-17 | 光応用直流電流変成器 |
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JPH05149975A JPH05149975A (ja) | 1993-06-15 |
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JP3201107A Expired - Lifetime JP3011244B2 (ja) | 1991-07-17 | 1991-07-17 | 光応用直流電流変成器 |
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-
1991
- 1991-07-17 JP JP3201107A patent/JP3011244B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
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JPH05149975A (ja) | 1993-06-15 |
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