JP5495294B2 - 光ファイバ電流センサ - Google Patents
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Description
この光ファイバ電流センサでは、磁性媒質中を伝搬する光の偏波面がその伝搬方向における磁界の大きさに比例して回転するファラデー効果を利用して、電流を測定する。光ファイバも磁性媒質の一種であり、センサとして用いる光ファイバに直線偏光を入射して被測定電流が流れる導体、即ち磁界発生源の近くに置くと、ファラデー効果によって光ファイバ中の直線偏光に偏波面の回転(ファラデー回転)が与えられる。この時、電流に比例した磁界が発生しているので、ファラデー効果による偏波面の回転角度(ファラデー回転角)は、被測定電流の大きさに比例することになる。そこで、このファラデー回転角を測定することで、電流の大きさを求めることができる。これが光ファイバ電流センサの原理である。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成により電流値の測定可能範囲を拡大することができる光ファイバ電流センサを提供することにある。
図1は、本発明の一実施形態による透過型の光ファイバ電流センサの構成図を示している。
同図において、光ファイバ電流センサは、センサファイバ11と、偏光子12と、偏波無依存型光分岐素子13と、第1検光子14Aと、第2検光子14Bと、受光素子15−1〜15−4と、信号処理部16とを含んで構成されている。また、フェルールF0〜F4,レンズL0〜L2,偏波無依存型光分岐素子13,ミラーM,第1検光子14A,第2検光子14Bは、ケースC(筐体)内に収容されている。このケースC内は空間光学系で構成されており、図中の点線は空間を伝搬する光を表している。
Px=P0cos2(θF) ……(1)
Py=P0sin2(θF) ……(2)
のように表すことができる。但し、P0は被測定電流Iがゼロの時の受光素子15−1による受光強度である。
Pδx=P0cos2(θF−δ) ……(3)
Pδy=P0sin2(θF−δ) ……(4)
のように表すことができる。但し、偏波無依存型光分岐素子13の分岐比を1:1とする。
図2は、ファラデー回転角θFと受光強度Px,Pδxとの関係を表すグラフである。このグラフの横軸はセンサファイバ11によって与えられるファラデー回転角θFを表し、縦軸は受光素子15−1,15−3による受光強度Px及びPδxを表している。図2に示すように、第1検光子14Aを通過し受光素子15−1で受光された光の強度Pxは、ファラデー回転角θFの変化に対して周期的に変化する(式(1)参照)。このことは、受光素子15−1により得られた受光強度Pxからは、ファラデー回転角θFを一意に決めることができないことを意味している。例えば、受光素子15−1の受光強度がPxAである場合、ファラデー回転角は、少なくとも、図中のPxを表す曲線(実線)上の点Aに対応する角度θAと点A’に対応する角度θA’の2つの値をとり得る。但し、θAは第1象限(0<θA<π/2)の値、θA’は第2象限(π/2<θA’<π)の値であるとする。
θtemp=cos−1{√(Px/P0)} ……(5)
(ファラデー回転角が第1象限又は第3象限の場合。但し0≦θtemp<π/2)、
又は、
θtemp=cos−1{−√(Px/P0)} ……(6)
(ファラデー回転角が第2象限又は第4象限の場合。但しπ/2≦θtemp<π)
を計算し、この値θtempを用いてファラデー回転角の候補θtemp_n=θtemp+nπ(n=0,±1,±2,…)を計算する(ステップS13)。
次に、信号処理部16の処理方法の他の例を説明する。
受光素子15−1による受光強度Pxと受光素子15−2による受光強度Pyとから関数f=√Px+i・√Pyを定義する。但し、iは虚数単位である。PxとPyの式(1),(2)より、この関数fは、mπ≦θF<(m+1/2)πのとき(mは整数)
f=√P0{cos(θF−mπ)+i・sin(θF−mπ)}
=√P0・ei・(θF−mπ) ……(7)
と表すことができ、(m−1/2)π≦θF<mπのとき
f=√P0{cos(mπ−θF)+i・sin(mπ−θF)}
=√P0・ei・(mπ−θF) ……(8)
と表すことができる。よって、関数fのlog(対数)をとりその虚数部を考えると、次式を得る。但し、Im(x)はxの虚数部を表す。
Im(log(f))=θF−mπ (mπ≦θF<(m+1/2)πのとき) ……(9A)
=mπ−θF ((m−1/2)π≦θF<mπのとき) ……(9B)
この値Im(log(f))は、実際のファラデー回転角θFを、その値が0からπ/2までの範囲となるように変換した値に相当するものであり、真のファラデー回転角を求めるための仮値としての意味を持っている。
Im(log(fδ))=θF−mπ−δ (mπ≦θF<(m+1/2)πのとき) ……(10A)
=mπ−θF−δ ((m−1/2)π≦θF<mπのとき) ……(10B)
θtemp=Im(log(f)) ……(11)
(ファラデー回転角が第1象限又は第3象限の場合。但し0≦θtemp<π/2)、
又は、
θtemp=π−Im(log(f)) ……(12)
(ファラデー回転角が第2象限又は第4象限の場合。但しπ/2≦θtemp<π)
を計算し、この値θtempを用いてファラデー回転角の候補θtemp_n=θtemp+nπ(n=0,±1,±2,…)を計算する(ステップS23)。
次に、信号処理部16の処理方法の更なる他の例を説明する。
ここでは、第2検光子14Bの光学バイアスをδ=45度に設定する。このとき、受光素子15−3による受光強度Pδxは上述の式(3)からPδx=P0cos2(θF−π/4)=(P0/2)・(sin2θF+1)となるので、SA=sin2θFとおく。また、第1検光子14Aの側の受光素子15−1による受光強度Pxは上述の式(1)からPx=(P0/2)・(cos2θF+1)と表せるので、同様にSB=cos2θFとおく。SA,SBは、受光強度Pδx,Pxの中央値からの変化分である。
θF=(1/2)sin−1(SA) ……(13)
と計算できる。点Wから点Pまでの範囲(π/2−Δθ≦θF<π/2又は−π/2≦θF<Δθ−π/2)においても同様である。
θF=(1/2)cos−1(SB) ……(14)
と計算できる。点Qから点Rまでの範囲(−π/4−Δθ≦θF<Δθ−π/4)においても同様である。
θF=(1/2)tan−1(SA/SB) ……(15)
と計算する。
第II領域: θF=−SB/2+π/4
第III領域: θF=(−SA+π)/2
第IV領域: θF=(−SA−π)/2
第V領域: θF=SB/2−π/4
第VI領域: θF=(1/2)tan−1(SA/SB)
第VII領域: θF=未設定(エラー)
ここで、第I〜第V領域の数式は、上記の式(13),(14)を近似した式であり、第VI領域の数式は、上記の式(15)である。なお、第VII領域は、リサージュ図形から大きく外れているため何らかの測定異常が疑われるので、θFは未設定(エラー)とした。
例えば、第3の実施形態において、第2検光子14Bの光学バイアスをδ≠45度の値に設定してもよい。この場合、リサージュ図形は円ではなく楕円となるが、ファラデー回転角θFを計算する原理は同じである。
また、図9のルックアップテーブルは、数式の代わりにファラデー回転角θFの値を直接記憶したものであってもよい。
また、図1の偏波無依存型光分岐素子13(ハーフミラー)では、反射による位相変化により反射光が僅かに楕円偏光となってしまうため、反射光が通過する方の第2検光子14Bの前段に複屈折板等の偏光補償手段を設けることが好ましい。
図10は、図1と同様、透過型の光ファイバ電流センサであるが、センサファイバを2系統(センサファイバ11−1,11−2)とし、センサファイバの前段で光分岐素子13’(光ファイバ型カプラ)により分岐した光を、偏光子12−1,12−2を介してそれぞれセンサファイバ11−1,11−2へ入射する構成である。フェルールF,レンズL,第1検光子14A,第2検光子14Bは図1と同じである。
図11は、反射型の光ファイバ電流センサであり、センサファイバ11の先端に設けられたミラーM0で反射され再びセンサファイバ11を反対向きに通過した光が、ハーフミラーHで反射され偏波無依存型光分岐素子13へ入射するように構成されている。レンズL,偏波無依存型光分岐素子13,ミラーM,第1検光子14A,第2検光子14Bは図1と同じである。
図12は、図11と同様、反射型の光ファイバ電流センサであるが、センサファイバを2系統(センサファイバ11−1,11−2)とし、センサファイバの前段で光分岐素子13’(光ファイバ型カプラ)により分岐した光を各センサファイバ11−1,11−2へ入射する構成である。第2検光子14Bの側の系には、光学バイアスをδ=45度とするために片道22.5度のファラデー回転を与えるファラデー回転子Gが用いられる。また、光サーキュレータRは、センサファイバからの光を受光素子側へのみ伝送するために用いられている。フェルールF,レンズL,第1検光子14A,第2検光子14Bは図1や図10と同じである。
図10及び図12のようにセンサファイバを2系統とした構成は、ケースC内の空間光学系が簡素となるため、この空間光学系の組み立ての容易性、小型化、信頼性の面でセンサファイバが1系統の構成より優れている。また、ミラーやハーフミラーが不要となるため、上記したような、反射光が楕円偏光化してしまう現象を抑制できるメリットもある。
Claims (4)
- センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、
前記センサファイバと、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が第1角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第1検光子と、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が前記第1角度と異なる第2角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第2検光子と、
前記第1検光子を通過した光を光電変換する第1光電変換手段と、
前記第2検光子を通過した光を光電変換する第2光電変換手段と、
前記第1光電変換手段により得られる信号と前記第2光電変換手段により得られる信号の大小関係に基づいて前記ファラデー回転角が存在する象限を判定することによって、前記ファラデー回転角を求める信号処理手段と、
を具備することを特徴とする光ファイバ電流センサ。 - センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、
前記センサファイバと、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が第1角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第1検光子と、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が前記第1角度と異なる第2角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第2検光子と、
前記第1検光子を通過した互いに直交する偏光成分の光を光電変換する第1光電変換手段と、
前記第2検光子を通過した互いに直交する偏光成分の光を光電変換する第2光電変換手段と、
前記第1光電変換手段により得られる2つの偏光成分に対応する信号に基づき前記ファラデー回転角の第1の仮値を算出し、前記第2光電変換手段により得られる2つの偏光成分に対応する信号に基づき前記ファラデー回転角の第2の仮値を算出し、前記算出した第1の仮値と第2の仮値の大小関係に基づいて前記ファラデー回転角が存在する象限を判定することによって、前記ファラデー回転角の真値を求める信号処理手段と、
を具備することを特徴とする光ファイバ電流センサ。 - 前記信号処理手段は、前記被測定電流の変化によるファラデー回転角の変化が最小となるように前記ファラデー回転角を求めることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光ファイバ電流センサ。
- 前記センサファイバは、前記第1検光子側の系をなす第1センサファイバと前記第2検光子側の系をなす第2センサファイバとからなることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1の項に記載の光ファイバ電流センサ。
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