JPH02307069A - 光応用物理量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光応用物量測定装置に関し、特に、ｎ１定時の
消費電力の低減化が可能な光応用物理Ｍｋ測定装置に関
する。

［従来の技術］ 光フアイバ伝送技術の進歩に伴い、電界および磁界によ
って物質の光学的性質が変化する電気光学効果（ポッケ
ルス効果５フアラデー効果等）や外圧による物質の光学
的性質の変化を利用して、光を用いて圧力、電圧、磁力
等の物理量を測定する光応用電圧測定装置の開発が活発
化してきた。

このような光応用物理量測定装置は、一般に、測定すべ
き物理量の変化に応じて光学的性質が変化するセンサ部
と、このセンサ部へ与える入力光をＬＥＤ　（発光ダイ
オード）等の発光素子を用いて発生させて送信する送信
部と、センサ部からの出力光を受信して被肺ｊ定物理量
の変化を表わす所定の信号形式に変換する受信部と、セ
ンサへの人力光の伝送およびセンサ部からの出力光の伝
送を担う光ファイバとを含む。

電気光学効果を利用した光応用物理量測定装置の一例が
住良電気第１２２号ｒＢｓｏ磁界センサ・電圧センサの
開発」に示されている。

第４図（ａ）は、上記文献に示されている光応用電圧測
定装置における電圧測定原理を説明するための図である
。図を参照して、一定レベルｐ。

の直流光である入力光ｐｃは、偏光子１６および１／４
波長板１７によって円偏光にされ、Ｂ５０（ビスマス・
シリコン・オキサイド）単結晶によるポッケルス素子１
８に入射する。ポッケルス素子は、電界または磁界が加
えられることによって生じる光学的異方性によって、人
力光を、加えられた電界の強さに応じた屈折率で複屈折
（進行方向の異なる２つの屈折光が現われる現象）させ
る電気光学的性質を有する。そこで、ポ・ンケルス素子
１８に被測定電圧を印加しておけば、１／４波長板から
ポッケルス素子１８に入射した光は被測定電圧に応じた
屈折率で複屈折する。その結果、ポッケルス素子１８を
透過する光、すなわち、ポッケルス素子１８によって変
調された光の量は、被測定電圧に応じて変化する。一方
、検光子１つは入射光に比例した強度の出力光Ｐを出力
する。

したがって、ポッケルス素子１８の透過光量の被測定電
圧による変化は検光子１９の出力光Ｐの強度変化として
検出される。

第４図（ｂ）は、被測定電圧と検光子１９の出力光Ｐの
強度（またはポッケルス素子１８の透過光強度）との関
係を示す図である。図において、横軸は被測定電圧Ｖを
示し、縦軸は検光子１９の出力光強度ｐまたはポッケル
ス素子１８の透過光強度を示す。さらに、図中ｐｏは入
力光ＰＯの強度を表わす。図を参照して、検光子１つの
出力光Ｐの強度ｐは図中■で示されるように彼ΔＩＩＩ
定電圧にほぼ比例する。したがって、被測定電圧が図中
■で示されるような交流（たとえば５０Ｈｚまたは６０
Ｈｚ）であった場合、ポ・ソケルス素子１８の透過光強
度は被測定電圧と同様の変化をするため、検光子１つの
出力光Ｐは図中■で示されるようにその強度か被測定電
圧周波数と同一の周波数で変動する交流光となる。一般
に、偏光子１６゜１／４長Ｆｆｌ１７．ポッケルス素子
１８．および検光子１つは、センサ部として一体化され
る。光応用電圧測定装置では、送信用光コアイノ・によ
って一定レベルの直流光がセンサ部に送られ、センサ部
からの出力光は受信用光コアイノくによって受信部に送
られる。受信部は、充電素子等によって送信されてきた
光信号を電気信号に変換することによって被測定電圧の
変動を受信側において検出する。

光応用物理ｆｆ１Ｄｊ定装置には、上記のような、送受
信用光ファイバにセンサ部が取付けられるものだけでな
く、先ファイバ自身がセンサ部として機能するものもあ
る。その−例が光応用圧力測定装置である。光応用圧力
測定装置のセンサ部は、コア周囲をゴム被覆された添付
ゴム光ファイバである。

第５図（ａ）は、光応用圧力測定装置の測定原理を示す
図である。図を参照して、光ファイバ２０は高屈折率の
シリコンゴムによって形成され、かつ、光が伝送される
コア部２１と、低屈折率のシリコンゴムによって形成さ
れコア部２１を被覆するクラッド部２２とを含む。光フ
ァイバに外力が加わらない通常時には、光ファイバ２０
へ入射する一定レベルの直流光ｐｏは、コア部２１を一
定の屈折率で屈折しながら進行する。しかし、光ファイ
バ２０に外力が加わる加圧時には光ファイバ２０への入
力光Ｐｏの一部は光フフイ・く２０の、外力が加えられ
ることによって変形した部分において外部に透過する。

したがって、加圧時における光ファイバ２０の透過光Ｐ
の光量は外圧による光ファイバ２０の変形の程度に応じ
た、すなわち、外圧の大きさに応じた割合で通常時より
も低下する。

第５図（ｂ）は、光ファイバに加えられる外力と光ファ
イバの透過光量（光ファイバによって伝送される光量）
との関係の一例を示す図である。

図において、横軸は光ファイバに加えられる外力、縦軸
は先ファイバの透過光量の入射光量に対する割合を示す
。図を参照して、光ファイバに加えられる外力が大きく
なるに従って、先ファイバの透過光量が低下する。そこ
で、この外力を被検出圧力とし、光ファイバの透過光量
の変化を受信側で検出すれば被検出圧力の大きさを測定
できる。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のように、従来の光応用物理量測定装置は一定レベ
ルの直流光を常時センサ部に送り続けておき、受信側て
センサ部からの出力光強度をそれに応じたレベルの電気
信号に変換する。このため、光応用物理ｆｉｔ　７１１
１定装置の送信部において人力光発生用のＬＥＤ等の発
光素子には常時一定レベルの直流電流を流し続けなけれ
ばならない。したがって、光応用物理量測定装置の消費
電力は大きくなり、光応用物理量測定装置の使用には一
定レベルの直流電流を発光素子に常時流し続けることの
できる、比較的容量の大きい電源が必要であった。

従来、このような光応用物理量測定装置は一般に必要と
される電源が容易に入手される場所で用いられると考え
られていた。したがって、従来の光応用物理量測定装置
は必要とされる電源が容品に得られない山岳地等には適
用されにくく太陽電池等のごく低消費電力用電源の使用
もほぼ不可能であった。また、このような条件下で従来
の光応用物理量測定装置を使用するには大掛かりな電源
設備が必要となるなどの理由から付加的な設備に費用が
かかる。このような問題点を解決するには光応用物理ｆ
ｆｉ測定装置の消費電力を低減化することが必要である
。そのための一手段として、センサ部への入力光を出力
する発光素子に流す直流電流のレベルを下げることが容
易に考えられる。しかし、この場合発光素子から出力さ
れる光レベル（強度）が小さくなるため、それほど長距
離まで光が伝送されない、センサ部の光の減衰量が大き
くなりセンサ部からの出力光が受信側まで伝達されない
などの理由から測定可能距離が短くなるという問題が生
じる。

本発明の目的は上記のような問題点を解決しｄｐｉ定可
能距離を従来よりも短くすることなく消費電力の小さい
光応用物理量測定装置を提供することである。

［課題を解決するだめの手段］ 上記のような目的を達成するために本発明に係る光応用
物理量測定装置は、予め定める一定周期で一定レベルの
パルス光を発生する光発生手段と、Ｕｌ定されるべき物
理量の変化に応じて光特性が変化し、かつ、光発生手段
からの光を受けてそのときの光特性に応じた光出力を導
出する光学手段と、光学手段からの光出力を受信して被
測定物理量を表わす電気信号に変換する手段とを備えた
。

Ｃ作用］ 本発明に係る光応用物理ｍ測定装置は上記のように構成
されており、センサ部に該当する光学手段に、一定レベ
ルのパルス光を与えることができる。このため、一定レ
ベルの直流光を光学手段に与える従来の光応用物理量測
定装置に比べ、光学手段に与えるべき光を発生するたに
必要となる電力が低減される。したがって、光発生手段
の動作時の消費電力が従来に比べ低減され、光応用物理
量測定装置全体としての消費電力が節減される。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示す光応用物理量測定装置
の送信側の入力光発生部の概略ブロック図である。図を
参照して、入力光発生部は、センサ部（図示せず）への
入力光（センサ部の光特性に応じて変調されるべき被変
調光）を発生するＬＥＤＩと、有る周波数の電圧を出力
する発振器３と、発振器３からの出力を分周して所定の
周波数に変換する分周回路４と、分周回路４の出力周波
数に応じた周期で一定レベルの直流電圧を一定期間ＬＥ
ＤＩに印加するＬＥＤ駆動回路２とを含む。

したがって、ＬＥＤＩにはＬＥＤ駆動回路２によって一
定レベルの直流電圧が所定の周期で一定期間印加される
ためその所定の周期に対応する時間間隔ごとに一定レベ
ルの直流電流が一定期間だけ流れる。これによって、Ｌ
ＥＤＩは、上記所定の周期に対応する時間間隔ごとに一
定期間だけ一定レベルの直流光を発する。つまり、ＬＥ
ＤＩは一定レベルの光パルス１３号を出力する。この結
果、送信側における消費電力が、従来のように一定レベ
ルの直流光を常時ＬＥＤＩに流す場合に比べ発光しない
時間分だけ小さくなる。たとえば、ＬＥＤｌの発光周波
数が１０ｋＨｚ、１回の発光時間幅が３μｓ程度、発光
時にＬＥＤＩに流れる直流電流が５０ｍＡであればＬＥ
ＤＩに流れる電流の１秒あたりの平均値は次式で表わさ
れる。

午 ［３Ｘ　１０　　　（ｓｅｅ）コｘｌＱ　　　ｆｔｚＸ
５０ｍＡ−１，５（ＩｇＡ）一方、ＬＥＤＩに５０ｍＡ
の直流電流を常時流し続けた場合の、ＬＥＤＩに流れる
電流の１秒あたりの平均値は、５０ｍＡである。つまり
、ＬＥＤｌの出力光をパルス光とすることによって、Ｌ
ＥＤＩに流すべき電流を従来の３％にすることができる
。したがって、送信側における消費電力は従来よりはる
かに小さくなる。

第２図（ａ）は、第１図に示されるような入力光発生部
を含む光応用電圧１１１１ｊ定装置の受信部の構成の一
例を示す概略ブロック図である。図を参照して、受信部
は、センサ部（図示せず）からの出力光をまず光電変換
部５で受ける。光電変換部５はフォトダイオード５１と
、充電流増幅回路（図中０／Ｅと略す。）５２とを含む
。フォトダイオード５１はセンサ部からの出力光を受光
しそのレベルに応じた電荷（光電流）を発生する。充電
流増幅回路５２は、フォトダイオード５１に生じた電荷
をその量に応じた電圧信号に増幅・変換し、積分回路６
に与える。積分回路６は光電変換部５からの電圧信号を
平滑化することによってその低周波数成分のみを取出す
。これによって、センサ部からの出力光がパルス光であ
るため光電変換部５からの電圧信号のレベルがその周波
数と同一の周波数で不連続に変化し、これによって光電
変換部５から出力される電圧信号に含まれてしまう不必
要な周波数、つまり、センサ部からの出力光に含まれる
光のパルス列の周波数（センサ部への入力光の発生周波
数）が除去される。次に、ノ１イバスフィルタ７が積分
回路６の出力信号から直流成分を除去することによって
積分回路６の出力信号をセンサ部か・５の出力光の強度
に比例した電圧信号に変換する。この電圧信号は、アン
プ８によって所定の利得で増幅された後最終的な被測定
電圧検出信号として出力される。なお、入力光発生部か
らのパルス光のレベルを一定に正確に保持するために、
積分回路６の出力を平滑化回路９を用いてレベル検波し
入力光発生部にフィードバックさせてもよい。

第２図（ｂ）はセンサ部に印加される被ｔＩｌｊ定電圧
と、センサ部からの出力光の強度との関係を示す図であ
る。図において、横軸は被測定電圧Ｖ、縦軸はセンサ部
からの出力光強度ｐを示す。センサ部の基本構成および
原理は第４図（ａ）で示されるものと同様である。した
がって、第２図（ｂ）を参照して、センサ部からの出力
光強度は図中［相］で示されるように被測定電圧にほぼ
比例して変化する。一方、センサ部への入力光は一定し
ベルｐｃのパルス光であるからセンサ部からの出力光も
入力光の発生周波数と同一の周波数のパルス光となる。

出力光の強度はセンサ部にパルス光が入力された時刻に
おける被測定電圧によって決定される。したがって、被
測定電圧が時間とともに図中■図示されるように変化し
た場合センサ部からの出力光は図中０で示されるような
強度変動をするパルス光となる。このような出力光を第
２図（ａ）で示されるような構成の受信部で受信した場
合、積分回路６によって光のパルス列の周波数が除去さ
れ出力光を形成する各パルス光がその強度に比例したレ
ベルの電圧信号に連続的に変換される。

したがって、受信部における最終的な検出信号は第２図
（ａ）において■酒テ示されるような背景を示し被測定
電圧の時間的変化０を再現する。

第３図（ａ）は本発明の他の実施例を示す、光パルス信
号を用いて圧力を測定する光応用圧力Ｉ則定装置の受信
部の概略ブロック図である。図を参照して、センサ部（
図示せず）からの出力光は光応用電圧ｔｐｊ定装置の場
合（第２図（ａ）参照）と同様に光電変換部５によって
センサ部からの出力光の強度に応じた電圧信号に変換さ
れる。充電変換部５の内部構成および各機能部の機能は
第２図（ａ）に示される受信部におけるものと同一であ
る。次に、比較器１３が光電変換部５からの電圧信号の
レベルを基準電圧発生部１４・から出力される基準電圧
のレベルと比較し光電変換部５からの電圧信号のレベル
の方が基準電圧レベルよりも低いときにのみトリガパル
スを発生しリトリガ回路１５に与える。リトリガ回路１
５は比較器１３からトリガパルスが入力されるとこれに
応答して入力光のパルス間隔よりも若干長いパルス間隔
をＨする所定の周波数のパルス信号を出力する。

第３図（ｂ）はセンサ部に印加される外力とセンサ部か
らの出力光量との関係の一例を示す図である。因におい
て、横軸はセンサ部に印加される外力の大きさ、縦軸は
センサ部への入力光量に対する出力光量の割合、すなわ
ち、センサ部による伝送光量を示す。センサ部の基本構
成および原理は第５図（ａ）に示されるものと同様であ
る。一方、センサ部への入力光はパルス光であるからセ
ンサ部からの出力光も入力光の発生周波数と同一の周波
数のパルス光となり、その強度は入力光を形成する各パ
ルス光がセンサ部に入射した時刻においてセンサ部に加
えられている外力の大きさによって決定される。したが
って、センサ部に印加される外ツｊが時間とともに大き
くなった場合、センサ部からの出力光は第３図（ｂ）で
示されるように時間とともにその強度が低下するパルス
光となる。したがって、このような出力光を第３図（ａ
）に示されるような構成の受信部で受信した場合、被ｎ
ノ定外力が基準電圧発生部１４から発生する基準電圧の
レベルに対応する外力よりも大きくなるとリトリガ回路
１５からパルス信号が出力される。たとえば、基準電圧
レベルが、センサ部による伝送光量が２０％となった場
合に対応する値であれば、被測定圧力が約６ｋｇ以上に
なった時点で受信部から出力パルスが出力される（第３
図（ｂ）参照）。つまり、受信部の出力は被δＩＩＩ定
圧力が所定の値以上となったことを警告する警告出力と
して利用され得る。しかし、受ＩＪ部の構成はこれに限
定されない。たとえば、受信部はその出力が外力の変化
に応じて連続的に変化するように構成されてもよい。

以上のように、本発明に係る光応用物理量測定装置は従
来ｎ１定対象とされた物理量全般に応用される。但し、
被測定物理量の変化によるセンサ部からの出力信号のレ
ベル変化、すなわち、測定対象である信号の変化が比較
的緩やかであることが好ましい。たとえば、５０〜６０
Ｈｚの交流信号を伝送対象とする架空送配電線を用いて
情報伝送が行なわれる分野に本発明に係る光応用物理ｍ
　’／ＩＪＪ定装置が過装置れることが好ましい。具体
的には、測定対象信号の変動周波数はセンサ部への入力
光の発生周波数の１０倍以上であることが好ましい。

さらに、消費電力の節減を十分に行なうためには入力光
発生部の発光素子の１回の発光時間幅は数μｓｅｃ以下
、非発光時間の発光時間に対する割合が１／１０以下で
あることが望ましい。

なお、センサ部への入力光をパルス光としたため出力光
もパルス光となり、受信部において、従来必要のなかっ
た回路（たとえば第２図（ａ）における積分回路６）が
必要となる。このため、受信部の回路構成は従来よりも
若干複雑になる。しかしこのような複雑な回路部には低
消費電力を特徴とするＣ　−ＭＯＳのＩＣを用いること
が可能である。したがって、このような受信部の回路構
成の複雑化は人力光をパルス光とすることによって実現
される送信部の消費電力の節減を阻害しない。

［発明の効果］ 以上のように本発明に係る光応用物理ｍ１ｌｌ定装置に
よれば、送信側において光学手段への入力光を発生する
光発生手段の消費電力を大幅に節減することができる。

さらにそのために光学手段への入力光のレベルを低下さ
せる必要がない。したがって、物理量の１１１１Ｊ定可
能距離を短くすることなく、装置全体としての消費電力
が大幅に節減される。

この結果、太陽電池等の小型低消″ａ電力用電源の使用
が可能となり装置全体が小型化される。さらに、送信側
において電気信号を光信号にすぐに変換される（第１図
参照）ため、光学手段への信号伝達はすべて光信号で行
なわれる。このため、光学手段への信号伝達経路が電界
・磁界による外乱に対して従来よりもさらに強くなる。

この結果、信号伝達経路への電界・磁界の影響を遮断す
るためのシールド等が簡単に実施される。したがって、
山岳地等のように近くに使用できる配電電源がなく、電
界・磁界が入り乱れ落雷等が発生しやすく配電線がその
影響を受けやすい場所、すなわち、電気信号よりも光信
号を用いて情報伝達を行なった方が有利な場所に光応用
物理量測定装置が適用されやすくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光応用物理量測定装置の送（２Ｈ
の概略ブロック図、第２図は本発明の一実施例を示す光
応用電圧ａｌｌｌ装定の受信部の概略ブロック図および
被測定電圧とセンサ部からの出力光の強度との関係を示
すグラフ、第３図は本発明の他の実施例を示す光応用圧
力測定装置の受信部の概略ブロック図および被測定圧力
とセンサ部からの出力光の強度との関係を示すグラフ、
第４図は光応用電圧測定の原理を説明するための図、第
５図は光応用圧力測定の原理を説明するための図である
。 図において、１はＬＥＤ、２はＬＥＤ駆動回路、３は発
振器、４は分周回路、５は光電変換部、６は積分回路、
７はバイパスフィルタ、８はアンプ、９は平滑化回路、
１３は比較器、１４は基準電圧発生部、１５はリトリガ
回路、１６は偏光子、１７は１／４波長板、１８はポッ
ケルス素子、１９は検光子、５１はフォトダイオード、
５２は充電流増幅回路である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 第１図 第３図 第４０ １９：検光チ （ｂ〕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 予め定める一定周期で一定レベルのパルス光を発生する
   光発生手段と、 測定されるべき物理量の変化に応じて光特性が変化し、
   かつ、前記光発生手段からの光を受けてそのときの光特
   性に応じた光出力を導出する光学手段と、 前記光学手段からの光出力を受信して、被測定物理量を
   表わす電気信号に変換する手段とを備えた、光応用物理
   量測定装置。