JP3685906B2 - 電流の測定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファラデー効果を利用した電流の測定方法に関し、特に、光ファイバセンサを用いる電流の測定方法において、光をセンサの一端側から入射して、他端側で反射させる反射型の電流測定方法の改良技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光の偏波面が磁界の作用により回転するファラデー効果を利用した電流の測定方法が知られており、このような電流の測定方法では、電磁雑音の影響を受けないなどの利点があり、例えば、ガス絶縁式の開閉装置内での電流の測定に利用されている。
【0003】
この種の電流の測定方法のうち、光ファイバセンサを被測定電流が流れている導体の外周に周回させる方式のものがあり、その一例が、例えば、特開平7−248338号公報,1997年発行の技術論文IEEE(PE-494-PWRD-0-01-1977)に開示されている。
【0004】
この公報や技術論文に開示されている電流の測定方法では、被測定電流が流れている導体を取り巻くように配置された光ファイバセンサの入射端から入射させた直線偏波光を、反対側の端面で反射させることで、直線偏波光を光ファイバセンサ内で往復させて、再び入射端から出射させる構成になっている。
【0005】
このような反射型の光ファイバセンサを用いる電流の測定方法では、以下の特長が得られる。
▲1▼.曲線の変形に対する偏波の安定性
光ファイバセンサに複屈折がない場合、光ファイバセンサの入射端から再出射する光の偏波状態が、光ファイバセンサの曲線変形に依存しなくなる。
▲2▼.ねじれ応力複屈折の変化に対する偏波の安定性
ねじれを加えて、光ファィバセンサに円複屈折を付加し、偏波の安定を図った構成においては、円複屈折の大きさに温度依存性があっても、光ファイバセンサの入射端から再出射する光の偏波状態は、温度に依存しなくなる。
▲3▼.ファラデー回転角の拡大
光を往復させることにより、ファラデー回転角が2倍に成り、変調度を向上させることができる。
【0006】
このような特長を有することから、光ファイバセンサへの様々の外乱に対して、安定した特性を持たせることができ、また、変調度の向上により、感度を向上させることができる。
【0007】
ここでいうところの外乱は、光ファイバセンサの曲線を変形させる力の付加や、光ファイバセンサ材料に応力や歪みを発生させる力の付加である。
【0008】
しかしながら、本発明者らの検討によると、上記公報などに開示されている反射型光ファイバセンサを用いる電流の測定方法には、以下に説明する技術的な課題があった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、上述した公報などに開示されている反射型光ファイバセンサを用いる電流の測定方法では、光ファイバセンサ中に発生したファラデー回転角の読取り装置として、光ファイバセンサの入射端の直前に、半透明鏡で構成したビームスプリッタを設置している。
【0010】
ところが、ビームスプリッタは、良く知られているように、光の透過と反射とを利用して光を分波するものであって、最適に設計したとしても、原理上、受光素子に入射できる光量が、偏光子を通過した光量の25%以下になる。
【0011】
受光素子の入射光量が少なくなると、電流検出のSN比が悪化し、応答速度を速くすることができない、光源に負担がかかり、光源の寿命が短くなる、受光用の電子回路に高級な処理が必要になるなどの問題を惹起する。
【0012】
また、ビームスプリッタの偏波特性の最適設計(反射率と透過率の最適化,P偏波とS偏波の反射・透過率比の最適化,P偏波とS偏波の反射時の位相の跳びの抑制)が複雑になるとともに、ビームスプリッタに反射膜や反射防止膜を形成するため、製作工程が非常に複雑になる。
【0013】
さらに、ビームスプリッタは、他の光学部品と正確に光軸を合わせる必要があるので、その取付け部分に精密な構造を必要とするといった問題があった。特に、前述した技術論文に提案されている方法では、ビームスプリッタやハーフミラーでの不安定な透過や反射を4回も繰返すため、このような問題が非常に顕著になる。
【0014】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、受光素子の入射光量を増加させることができるとともに、構成が簡単になる電流の測定方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、被測定電流が流れている導体の外周に光ファイバセンサを周回設置し、前記光ファイバセンサの一端側から入射させた直線偏波光を、前記光ファイバセンサの他端側で反射させた際に、前記被測定電流の磁界で回転する前記直線偏波光のファラデー回転角を測定する電流の測定方法において、前記光ファイバセンサの入射端に設置され、磁気飽和させる磁界が印加され、前記直線偏波光の偏波面を22.5°だけ回転させる光透過型の第1強磁性ファラデー素子と、前記第1強磁性ファラデー素子の前端側に設置され、光源から送出された直線偏波光を透過させるとともに、前記光ファイバセンサからの出射光を分波して受光素子に導く光透過型の第1一軸複屈折光学部品と、前記第1一軸複屈折光学部品の前端側に設置され、光源から送出された直線偏波光の偏波面を45°回転させる光透過型の第2強磁性ファラデー素子と、前記第2強磁性ファラデー素子の前端側に設置され、光源から送出された直線偏波光を透過させるとともに、前記光ファイバセンサから出射した後に、前記第1一軸複屈折光学部品を透過した直線偏波光を受光素子に導く光透過型の第2一軸複屈折光学部品とを用い、前記第1及び第2一軸複屈折光学部品でそれぞれ分離した2つの光を光電変換し、得られた2つの電気変調信号の和を出力とするようにした。
この構成によれば、光の反射を利用しないでファラデー回転角を読取るので、受光素子側に送出する光量を増加させることができる。
前記光ファイバセンサには、鉛ガラス光ファイバを用いることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明にかかる電流の測定方法の第1実施例を示している。
【0017】
同図に示した電流の測定方法では、被測定電流I0が流れている導体10の外周に周回設置された光ファィバセンサ12を用い、この光ファイバセンサ12の一端側から入射させた直線偏波光を、光ファイバセンサ12の他端側で反射させた際に、被測定電流I0の磁界で回転する直線偏波光のファラデー回転角を測定することを基本原理としている反射型の電流測定方法である。
【0018】
光ファイバセンサ12は、例えば、鉛ガラスファィバで構成された光ファィバ12aと、この光ファィバ12aの他端側(反射端)に設けられた反射ミラー12bとから構成されている。
【0019】
光ファイバ12aの一端側(入射端)側の光軸上には、第1強磁性ファラデー素子14が設けられるとともに、この第1強磁性ファラデー素子14の入射端側には、第1方解石(一軸複屈折光学部品)16が設けられている。
【0020】
第1強磁性ファラデー素子14は、直線偏波光の偏波面を所定角度(22.5°)回転させる光透過型のものであって、YIGブロック14aと、このブロック14aの外周に設置された永久磁石14bとから構成されている。
【0021】
永久磁石14bの磁界は、磁気飽和させるようになっていて、磁気飽和させた磁界がYIGブロック14aに印加されている。
【0022】
第1方解石16は、光軸上に入射した直線偏波光をそのまま透過させるとともに、光軸からズレた入射光を複屈折させて出射させるものであり、方解石16の入射端側には、プリズム18と、偏波面保持ファィバ20の一端開口とが配置されている。
【0023】
プリズム18の出射端側には、マルチモード光ファイバ22の一端開口が近接配置されていて、このマルチモード光ファイバ22の他端開口は、光電変換素子24の近傍に配置されており、プリズム18からの出射光が光電変換素子24に入射するようになっている。
【0024】
偏波面保持ファイバ20の他端開口は、第2強磁性ファラデー素子26の光軸上に配置されている。
【0025】
第2強磁性ファラデー素子26は、第1強磁性ファラデー素子14と同様に、直線偏波光の偏波面を所定角度(45°)回転させる光透過型のものであって、YIGブロック26aと、このブロック26aの外周に設置された永久磁石26bとから構成されている。
【0026】
第2強磁性ファラデー素子26の入射端側には、第2方解石28が設置されている。この第2方解石28は、第1方解石16と同じ光学的機能を備えている。
【0027】
第2方解石28の入射端側には、プリズム30と、偏波面保持ファィバ32の一端開口とが配置されている。
【0028】
プリズム30の出射端側には、マルチモード光ファイバ34の一端開口が近接配置されていて、このマルチモード光ファイバ34の他端開口は、光電変換素子36の近傍に配置されていて、プリズム30からの出射光が光電変換素子36に入射するようになっている。
【0029】
偏波面保持ファイバ32の他端開口は、光源38に接続されている。光源38から出射される光は、図示省略の偏光子などを透過させることにより、直線偏光の偏波光がファイバ32に入射する。
【0030】
なお、図1に符号40で示した部品は、光電変換素子24,32から送出される電気信号を受けて、例えば、変調度の和を求める演算処理を行う電子回路であり、例えば、1996年発行の技術論文(電気学会論文誌B,116巻1号,頁93〜103)に詳述されている。
【0031】
本実施例の電流の測定方法では、光源38から送出された直線偏波光LINは、偏波面保持ファイバ32により、その偏波状態を維持した状態で、第2方解石28の光軸上に入射し、複屈折を起こすことなくこれを透過して、第2方解石28から出射した直線偏波光LINが、第2強磁性ファラデー素子26に入射する。
【0032】
第2強磁性ファラデー素子26に入射した直線偏波光LINは、これを透過する際に偏波面が45°回転させられて、偏波面保持ファィバ20に入射し、この偏波状態を維持して、第1方解石16の光軸上に入射され、複屈折を起こすことなくこれを透過して、第1方解石16から出射した直線偏波光LINが、第1強磁性ファラデー素子14に入射する。
【0033】
第1強磁性ファラデー素子14に入射した直線偏波光LINは、これを透過する際に偏波面がさらに22.5°回転させられて、光ファイバセンサ12に入射し、導体10の外周を廻って、反射ミラー12bで反射した反射光LOUTが、再び第1強磁性ファラデー素子14に入射される。
【0034】
反射光LOUTは、第1強磁性ファラデー素子14を通過する際に、偏波面が22.5°回転させられて第1方解石16に入射する。この結果、方解石16に入射する反射光LOUTは、被測定電流I0によるファラデー回転角を除くと、これから出射した直線偏波光LINの偏波面が合計45°回転した状態で入射することになる。
【0035】
このため、反射光LOUTは、第1方解石16を通過する際に、複屈折を起こし、強度が1/2ずつの反射光LOUT1と同反射光LOUT2とに分波させられて出射する。
【0036】
分波された一方の反射光LOUT1は、プリズム18およびマルチモード光ファイバ22を介して、光電変換素子24に入射し、素子24で電気信号に変換された出力信号が電子回路40に入力する。
【0037】
分波された他方の反射光LOUT2は、偏波面保持ファイバ20を介して、第2強磁性ファラデー素子26に入射し、素子26で再び45°偏波面が回転させられた状態で第2方解石28に入射する。
【0038】
この結果、第2方解石28に入射する反射光LOUT2は、被測定電流I0によるファラデー回転角を除くと、これから出射した直線偏波光LINの偏波面が合計90°回転した状態で入射することになる。
【0039】
このため、反射光LOUT2は、第2方解石28を通過する際に、複屈折を起こし、その全部がプリズム30側に向かう。プリズム30を通過した反射光LOUT2は、マルチモード光ファイバ34を介して、光電変換素子36に入射し、素子36で電気信号に変換された出力信号が電子回路40に入力される。
【0040】
その後、光電変換素子24,36からの出力信号を受けた電子回路40で所定の信号処理を行うことにより被測定電流I0が求められる。
【0041】
さて、以上のように構成された電流の測定方法によれば、光の反射を利用しないで、光透過型の強磁性ファラデー素子14,26と方解石16,28との組合せにより、ファラデー回転角を読取るので、受光素子24,36側に送出する光量を増加させることができ、原理的には、光源38の偏光子を透過した直線偏波光LINのほぼ100%の光量を入射させることになる。
【0042】
また、本実施例の第1強磁性ファラデー素子14は、直線偏波光LINに光学的バイアスを印加する機能をも有している。
【0043】
つまり、直線偏波光LINに光学的バイアスを印加する際に、磁界の印加に永久磁石を用いる場合、光ファィバセンサ12を導体10に対して、完全に周回させるためには、強磁性ファラデー素子16のような、ファイバ12aよりも大きいベルデ定数を持つファラデー素子を組合せないと、アンペアの周回積分の法則から、光学的バイアスが得られないとの知得に基づいて、このように構成した。
【0044】
さらに、本実施例の場合には、第1および第2強磁性ファラデー素子14,26に、素子が磁気飽和する強さの磁界を永久磁石14b,26bにより印加しているので、外部から永久磁石14b,26bに磁界が加わっても動作点が変化しない。
【0045】
また、強磁性ファラデー素子14,26のファラデー回転能に温度依存性があっても、2つの信号の変調度の和をシステムの出力とする信号処理を行うことにより、その影響を小さくすることができる。
【0047】
【発明の効果】
以上実施例で詳細に説明したように、本発明にかかる電流の測定方法によれば、簡単な構成により、受光素子の入射光量を増加させることができるので、電流検出のSN比が悪化や、光源の短命化、さらには、受光用の電子回路の高級化といった問題を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる電流の測定方法の第1実施例を示す部品配置図である。
【符号の説明】
10 導体
12 光ファイバセンサ
12a 光ファイバ
12b 反射ミラー
14 第1強磁性ファラデー素子
14a YIGブロック
14b 永久磁石
16 方解石
26 第2強磁性ファラデー素子
28 第2方解石
Claims (2)
- 被測定電流が流れている導体の外周に光ファイバセンサを周回設置し、前記光ファイバセンサの一端側から入射させた直線偏波光を、前記光ファイバセンサの他端側で反射させた際に、前記被測定電流の磁界で回転する前記直線偏波光のファラデー回転角を測定する電流の測定方法において、
前記光ファイバセンサの入射端に設置され、磁気飽和させる磁界が印加され、前記直線偏波光の偏波面を22.5°だけ回転させる光透過型の第1強磁性ファラデー素子と、
前記第1強磁性ファラデー素子の前端側に設置され、光源から送出された直線偏波光を透過させるとともに、前記光ファイバセンサからの出射光を分波して受光素子に導く光透過型の第1一軸複屈折光学部品と、
前記第1一軸複屈折光学部品の前端側に設置され、光源から送出された直線偏波光の偏波面を45°回転させる光透過型の第2強磁性ファラデー素子と、
前記第2強磁性ファラデー素子の前端側に設置され、光源から送出された直線偏波光を透過させるとともに、前記光ファイバセンサから出射した後に、前記第1一軸複屈折光学部品を透過した直線偏波光を受光素子に導く光透過型の第2一軸複屈折光学部品とを用い、 前記第1及び第2一軸複屈折光学部品でそれぞれ分離した2つの光を光電変換し、得られた2つの電気変調信号の和を出力とすることを特徴とする電流の測定方法。 - 前記光ファイバセンサに鉛ガラス光ファイバを用いることを特徴とする請求項1記載の電流の測定方法。
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