JPH04158266A - 光応用直流電流変成器 - 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〕 本発明は電力用変成器に係り、特に直流電流分を有する
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。

〔従来の技術〕

近年、オプトエレクトロニクスの進展により、例えば光
学的な手法により電界あるいは電圧や、磁界あるいは電
流が測定できるようになってきた。

このような光学的手法による電圧、電流の測定原理や構
成システムなどについては、久間和生、布下正宏著「光
ファイバセンサ」　（情報調査会発行。

昭和６１年１月）１１０頁から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。

直流電流の測定原理の一つについては上記文献の２３８
頁から２３９頁に記載されており、センサから出た光信
号を二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
方法である。しかし、このような方法では、光源の出力
変動や、光信号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入ってくることになり、精度の良
い直流電流の測定はできないという問題がある。

このため、光源、センサ部、光信号伝送路などでの光量
変動を何らかの手段で補正し、直流電流を測定する方法
がこれまでにもいくつか提案されている。例えば、特開
昭５９−１９０６６８号公報に記載のごとく、異なる波
長の二つの光波を用い、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なり、第２の波
長の光波はこの偏光子をそのまま通過し、センサの光出
射端の検光子では第１の波長の光波は偏光を受け、第２
の波長の光波はそのまま通過させる構成のものが提案さ
れている。

この場合には、センサで受けたファラデイ回転角をΔφ
とすると、直線偏光された第１の波長の光波の検光子か
らの出力信号はｓｉｎ”Δφに比例することになり、Δ
φと出力信号との間の直線性の領域が狭く、測定できる
直流電流範囲が狭いという問題と、電流の極性が正なの
か負なのかが判らないという問題がある。

Δφと出力信号との直線性を良くし、正極性から負極性
まで測定できるようにするため、前記文献にも記載ある
ごとく、偏光子を光軸に対し相対的に４５°傾ける方法
がよくとられる。しかし、この場合には、直線偏光され
た光信号の検光子からの出力信号は Ｊｏ・　（ｌ＋５ｉｎ２Δφ） であり、直線偏光を受けない光信号の出力信号Ｊ　、　
／　が測定できても、二つの波長の光波を出す光源での
それら光量の比が常に一定でないと、出力信号 Ｊ、・　（１＋５ｉｎ２Δφ） のうちのファラデイ回転角分Δφを単独に分離すること
ができず、したがって光源での光量変動があると、それ
は電流の測定誤差に入ってくることになり、精度良い測
定ができないという問題がある。

さらには、特開昭５７−１４１５６２号公報に記載のご
とく、直流分に高周波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、その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が提案されてい
る。すなわち、光源での光信号を Ｊ　ｏ　＋　Ｊ　ｘ・ｓｉｎωｆｔ としくここで、Ｊｏ：直流光量、Ｊｆ：高周波分光量、
ωｆ＝高周高周波角速度、ｔ：時間）、センサからの光
信号出力を直流分Ｊ０／・（１＋５ｉｎ２Δφ）と高周
波分Ｊｉ′　　・ｓｉｎωｆｔとに分ける。ここで、Δ
φがセンサでのファラデイ回転角である。

そこで、次式のような差分をとる。

Ｐ＝Ｊ、’　　・　（１＋５ｉｎ２Δφ）／Ｊｚ’−Ｊ
ｏ／Ｊ□ しかしこの方法では、高周波成分の大きさＪｚ’　がフ
ァラディ回転角Δφ、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配慮されていないために、
補正ができないという問題がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記したように、従来の光学的な直流電流の測定方法に
おいては、光源、センサ部、光信号伝送部などで光量の
変動があると、その変動分を何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
という問題があるが、これまで有効な方法が提案されて
いない。

本発明の目的は、光源、センサ部、光信号伝送部などで
光量の変動があっても、直流電流を広い範囲で精度良く
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
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、異なる波長の二つの光源を
用い、磁気光学効果を有する磁界センサの光出射端でこ
れら二つの光波をそれぞれ直交する二つの偏光成分、す
なわちＰ偏光とＳ偏光とに分け、これら四つの光信号成
分を用いて直流電流を計測するようにしたものである。

すなわち、本発明は、磁気光学効果を有するセンサと、
そのセンサの光入射端に配した偏光子と、出射端に配し
た検光子と、光信号を伝える光ファイバと、光を発生す
る光源と、センサからの光信号を読み取り演算する信号
処理回路とから成る光応用電流変成器において、前記光
源として波長が異なる二つの光波を用い、それら二つの
光波を同じ光ファイバ内を伝送させてセンサ部に導き、
二つの光波とも光軸に対し相対的に４５°傾けた偏光子
と該センサ中を同じ光路で通して二つの波長の光波のう
ち第１の波長の光波はセンサの光入射端に配した偏光子
により偏光されて直線偏光となり一方第２の波長の光波
はこの偏光子により偏光されずにそのまま通過するよう
になし、その光出射端に配置した検光子により二つの波
長の光波とも直交する偏光成分に分け、偏光方向が同じ
である二つの偏光成分を同じ光ファイバにより前記信号
処理回路にそれぞれ導き、光の強さを測定するように構
成したことを特徴とする光応用直流電流変成器である。

また、本発明は、磁気光学効果を有するセンサと、その
センサの光入射端に配した偏光子と、出射端に配した検
光子と、光信号を伝える光ファイバと、光を発生する光
源と、センサからの光信号を読み取り演算する信号処理
回路とから成る光応用電流変成器において、前記光源と
して波長が異なる二つの光波を用い、それら二つの光波
を同じ光ファイバ内を伝送させてセンサ部に導き、二つ
の光波とも光軸に対し相対的に４５°傾けた偏光子を通
して二つの波長の光波とも直線偏光となり、この二つの
波長の光波に対してヴェルデ定数が異なる前記センサ部
を通過させ、その光出射端に配置した検光子により二つ
の波長の光波とも直交する偏光成分に分け、偏光方向が
同じである二つの偏光成分を同じ光ファイバにより前記
信号処理回路にそれぞれ導き、光の強さを測定するよう
に構成したことを特徴とする光応用直流電流変成器であ
る。

上記変成器において、信号処理回路の入力部における二
つの波長の光波のうち第１の波長の光波のＰ偏光成分の
光強度をＪ、ｐ、Ｓ偏光成分の光強度をＪ、ｓとし、第
２の波長の光波のＰ偏光成分の光強度をＪ、ｐ、Ｓ偏光
成分の光強度をＪｚｓとしたときに、前記信号処理回路
で（Ｊ□ｐ／　Ｊ　、ｐ　−Ｊ　２Ｓ／　Ｊ、ｓ）　／
　（Ｊ　ｉｐ／　Ｊ２ｐ＋　Ｊ、ｓ／　Ｊ　ａｓ）を演
算するように構成したものがよい。また、光源での二つ
の光波の強度に比例した信号を出力する装置を有し、か
つ光源からの二つの光波のうち第１の波長の光波はセン
サの光入射端に配した偏光子により偏光されて直線偏光
となり、第２の波長の光波はこの偏光子により偏光され
ずにそのまま通過するように構成したものがよい。ここ
で、光源での第１の波長の光波の強度に比例する出力を
Ｊ　ｏｘ、第２の波長の光波の強度に比例する出力をＪ
　ａｚとし、信号処理回路の入力部におけるセンサから
の二つの光波のうち第１の波長の光波のＰ偏光成分の光
強度をＪ１ｐ、　Ｓ偏光成分の光強度をＪｉｓとし。

第２の波長の光波のＰ偏光成分の光強度をＪ２Ｐ。

Ｓ偏光成分の光強度をＪ２ｓとしたときに、前記信号処
理回路で（Ｊｌｐ／　Ｊ、ｐ　　Ｊ１ｓ／　Ｊ　２Ｓ）
／　（Ｊｏ、／Ｊ０１）を演算するように構成したもの
がよい。

〔作用〕

異なる波長の二つの光源からの光波を、光ファイバを含
む同一の光伝送路で磁界センサまで伝送し、第１の波長
の光波はその磁界センサの光入射端に配された偏光子で
直線偏光され、センサを通過するうちにファラディ回転
を受けるようにし、第２の波長の光波は第１の波長の光
と同じ光路を辿るがその偏光子では直線偏光されないよ
うにする。偏光子は光軸に対し相対的に４５°傾けて配
置する。該センサでの光出射端では、二つの光信号とも
それぞれ直交する二つの偏光成分とに分け、四つの光信
号成分を得る。このうち二つのＰ偏光成分は光ファイバ
を含む同一の光伝送路で、また二つのＳ偏光成分も他の
同一光伝送路で信号処理回路まで伝送する。いま、第１
の波長に寄る該センサでのファラディ回転角をΔφとす
ると、この四つの信号成分は次のようである。

第１の波長の光波のＰ偏光成分の強度：Ｊ、ｐ＝Ｊｐ・
　（１−ｓｉｎ２Δφ）第１の波長の光波のＳ偏光成分
の強度＝Ｊ、ｓ：Ｊｓ・　（１＋５ｉｎ２Δφ）第２の
波長の光波のＰ偏光成分の強度：Ｊｚｐ＝Ｊｐ’ 第２の波長の光波のＳ偏光成分の強度：Ｊ２Ｈ＝Ｊｓ’ ここで、ｋｘ＝Ｊｐ／Ｊｐ’　、に、’　＝Ｊｓ／Ｊｓ
’とすると、第１と第２の波長の光波のＰ偏光成分は同
じ光伝送路を辿り、同じく第１と第２の波長の光波のＳ
偏光成分は同じ光伝送路を辿るから、その途中で光量変
動があってもに工、に１′は一定である。さらに、信号
処理回路にて、 ｋ１勾に工′ となるように予め設定する。この場合、光源の二つの光
波で出力変動があっても、に□、に工′とも同じ割合で
変動するため、上記の条件は一度設定されると常に成り
立つ。すなわち、光源、センサ部、光信号伝送部で光量
変動がおきても、常にに１＝に工′とすることができる
。したがって、Ｊ１ｐ／、Ｌｐ＝に１・　（１−ｓ　ｉ
　ｎ　２Δφ）Ｊｉ／Ｊ２Ｓ＝Ｊ”　　（１＋５ｉｎ２
Δφ）となり、これらの和と差をとり、割算すると、（
Ｊ、Ｐ／Ｊ２Ｐ−Ｊ、ｓ／Ｊｚｓ）／（Ｊ　ｕｐ／　Ｊ
　２Ｐ　＋　Ｊ　Ｉｓ／　Ｊ　ｚｓ）＝−２・ｋ、・５
ｉｎ２Δφ／　（２−ｋ、）＝−ｓｉｎ２Δφ となる、Δφ（１ならば、ｓｉｎΔφ弁Δφであり、上
記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っても、ファラディ回転角
Δφを求めることができ、被測定量である直流電流を計
測できることになる。

また、光源での第１の光量をＪ。、第２の波長の光の光
量をＪ　０２として、 （Ｊｚｐ／　Ｊ２ｐ　　Ｊｘｓ／　ＪＡＳ）　／　（Ｊ
ｏｔ／　Ｊ０２）”　　［２・ｋｚ／　（ＪＯ１／　Ｊ
０２））　Ｘ　ｓ　ｉ　ｎ　２Δφとすることもできる
。すなわち、上式で、ｋ工／（Ｊ、□／Ｊ０１）は光源
、センサ部、光信号伝送部での光量変動があっても常に
一定であり、前記と同様に、被測定の直流電流を計測で
きることになる。

さらには、上記では第２の波長の光は偏光子では直線偏
光されないように偏光子を選定したが、この偏光子で第
２の波長の光も直線偏光させ、かつセンサのヴェルデ定
数が第１の波長と第２の波長とで異なるように選定する
ことにより直流電流を測定することもできる。すなわち
、該センサでの第１の波長の光のファラディ回転角をΔ
φ１゜第２の波長の光のファラディ回転角をΔφ２とす
ると、 第１の波長の光のＰ偏光成分の強度： Ｊ１ｐ＝Ｊ□・　（１−ｓｉｎ２Δφ、）第１の波長の
光のＳ偏光成分の強度： Ｊ工ｓ＝Ｊ工′　・　（１＋５ｉｎ２Δφ１）第２の波
長の光のＰ偏光成分の強度： Ｊ、ｐ＝Ｊｚ・　（１−ｓｉｎ２Δφ２）第２の波長の
光のＳ偏光成分の強度： Ｊ２Ｓ＝Ｊ２′　・　（１＋５ｉｎ２Δφ２）である。

ここで、前記と同様、ｋ１＝Ｊ□／Ｊ２゜ｋ□’　＝Ｊ
、’　／Ｊ２’　　とすると、ｋ工＃に１′ となるように設定する。この条件は、前記と同様、光源
、センサ部、光信号伝送部などでの光量変動があっても
成り立つ。したがって。

Ｊ１Ｐ／Ｊ２Ｐ＝に１・ （１−ｓｉｎ２Δφ□）／（１−ｓｉｎ２Δφ２）Ｊ工
ｓ／Ｊ２ｓ＝に工・ （１＋５ｉｎ２Δφｚ）／（１＋　ｓ　ｉ　ｎ　２Δφ
２）となり、これらの和と差をとり、次のように割算す
る。

（Ｊ　ｘｐ／　Ｊ　ｚＰ　　Ｊ　−ｓ／　Ｊ　２８）　
／（Ｊ　ＩＰ／　Ｊ　２Ｐ＋　Ｊ　１ｓ／　Ｊ　ｚＳ）
＝−（ｓｉｎ２Δφ□−５ｉｎ　２Δφ２）／（１−ｓ
ｉｎ２Δφ、・ｓｉｎ　２Δφ２）上式で２Δφ１，２
Δφ２くく１となるようにし、Δφｘ＝ｍ□’　Ｉｎｃ
、Δφ２：ｍ、＊　Ｉｏｃ　（ｍ□、ｍ２は定数、■Ｄ
Ｃは被測定電流）とすると、（Ｊｉｐ／ＪｚＰ　　Ｊ１
ｓ／Ｊ２ｓ）／（Ｊ　１Ｐ　／　Ｊ　２　Ｐ　＋　Ｊ　
１　ｓ　／　Ｊ　ｚ　Ｓ　）＝−２°　（ｍｔ　　ｍｚ
）　　＋ＩＤｃとなり、被測定直流電流Ｉｎｃを測定で
きることになる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図において、光応用電流変成器は二つの波長が異なる光
源１，２、光合波器３、光ファイバ４．偏光子５、磁気
光学効果を有する磁界センサ６、検光子７、光ファイバ
１１，１２、光分波器１３．１４、フォトダイオード２
１，２２゜２３．２４．演算処理回路３０、および信号
処理回路５０などからなっている。波長の異なる二つの
光波は光源１，２により発生され、光合波器３により光
ファイバ４に入射される。偏光子５は。

二つの光波のうち第１の波長の光波を偏向させて直線偏
光となし、第２の波長の光に対して偏光させず、そのま
ま通過させるものである。これは光波の波長を選択する
ことにより行なわれる。検光子７は、二つの波長の光波
とも二つの直交する偏光成分、Ｐ偏光とＳ偏光成分とに
分ける。このように分けられた偏光成分のうち、二つの
光波のＰ偏光成分は光ファイバ１１により、また二つの
光波のＳ偏光成分は光ファイバ１２により信号処理回路
５０まで伝送される。信号処理回路５０では、光分波器
１３．１４で二つの光波の波長の違いにより第１の波長
の光信号と第２の波長の光信号とに分けられ、フォトダ
イオード２１，２２，２３゜２４により電気信号に変換
され、演算処理回路３０に入る。

第２図は、第１図のように構成した変成器での演算処理
回路３０の実施例を示す、第１の波長の光波のＰ偏光成
分はフォトダイオード２１により。

第１の波長の光波のＳ偏光成分はフォトダイオード２３
により、第２の波長の光波のＰ偏光成分はフォトダイオ
ード２２により、第２の波長の光波のＳ偏光成分はフォ
トダイオード２４により、それぞれ電気信号に変換され
、増幅器３１，３２゜３３．３４により増幅され、除算
器３５．３６により出力Ｊｘ　Ｐ　／　Ｊｚ　Ｐ　ｒ　
Ｊｌ　ｓ　／　Ｊｚ　ｓを得る。被測定電流がＯの場合
に、Ｊ　ｚ　ｐ　／　Ｊ　２　Ｐ　＝　Ｊ　ｉｓ　／Ｊ
２ｇとなるようにしておく。さらに、差分器３７、和算
器３８、除算器３９により、出力として次のものを得る
。

（Ｊｚｐ／Ｊｚｐ　　Ｊｘｓ／Ｊｚｓ）／（Ｊ　ｘ　ｐ
　／　Ｊ　ｚ　ｐ　＋　Ｊ　１ｓ　／　Ｊ　ｚ　ｓ　）
これにより、前記したごとく、出力信号としてセンサで
のファラディ回転角に比例した信号を得ることができ、
直流電流を測定できる。

なお、第１図において、磁界センサ６として二つの波長
の光波に対してそのヴェルデ定数が異なるものを用い、
偏光子５として二つの波長の光波とも直線偏向させるよ
うにし、それら以外は第１図と同じ構成とし、信号処理
回路５０での演算処理回路３０として第２図の回路を用
いることにより、前記したごとく、直流電流を測定でき
る。

第３図は、本発明の他の実施例である。二つの波長の異
なる光源１，２からの光量Ｊ　０１とＪ　０２と検出し
、その信号を信号処理回路５０に導いて演算させる以外
は、第１図と同じ構成である。第４図は、そのときの信
号処理回路の例である。第１の波長の光波のＰ偏光成分
はフォトダイオード２１により、第１の波長の光波のＳ
偏光成分はフォトダイオード２３により、第２の波長の
光波のＰ偏光成分はフォトダイオード２２により、第２
の波長の光波のＳ偏光成分はフォトダイオード２４によ
り、それぞれ電気信号に変換され、増幅器３１，３２，
３３，３４により増幅され、除算器３５．３６により出
力Ｊ工ｐ／Ｊｚｐｔ　Ｊｘｓ／Ｊ２ｓを得る。被測定電
流が０の場合に、Ｊ　１ｐ　／Ｊ２Ｐ＝ＪＩＳ／Ｊｚｓ
となるようにしておく。さらに、差分器３７により、出
力 Ｊｉ＝Ｊ１Ｐ／Ｊ２Ｐ−Ｊｉｇ／Ｊ２Ｓを得る。また、
光源での出力光量に比例した信号の比Ｊ。１／Ｊ０１を
求め、Ｊｌをこれで除算する。

これにより、前記したごとく、出力信号としてセンサで
のファラディ回転角に比例した信号を得ることができ、
直流電流を測定できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、上記したごとく、光源、センサ部、光
信号伝送部などで光量変動があっても。

それらの影響が入ら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、精度良く直流電流を測定すること
が可能であるという効果がある。

なお、電気光学効果を有するセンサを用い、センサの光
入射端に偏光子と１７４波長板を配する光応用電圧変成
器においても、本発明と同じ構成とすることにより、直
流成分を有する電圧を測定する際にも同様な効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は第１
図の実施例での信号処理回路の実施例を示す図、第３図
は本発明の他の実施例を示す構成図、第４図は第３図の
実施例での信号処理回路の実施例を示す図である。 １．２・・・光源、３・・・光合波器、４，１１．１２
・・・光ファイバ、５・・・偏光子、６・・・センサ、
７・・・検光子、１３，１４・・・光分波器、２１，２
２，２３゜２４・・・フォトダイオード、３０・・・演
算処理回路、５０・・・信号処理回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、磁気光学効果を有するセンサと、そのセンサの光入
   射端に配した偏光子と、出射端に配した検光子と、光信
   号を伝える光ファイバと、光を発生する光源とセンサか
   らの光信号を読み取り演算する信号処理回路とから成る
   光応用電流変成器において、前記光源として波長が異な
   る二つの光波を用い、それら二つの光波を同じ光ファイ
   バ内を伝送させてセンサ部に導き、二つの光波とも光軸
   に対し相対的に４５゜傾けた偏光子と該センサ中を同じ
   光路で通して二つの波長の光波のうち第１の波長の光波
   はセンサの光入射端に配した偏光子により偏光されて直
   線偏光となり一方第２の波長の光波はこの偏光子により
   偏光されずにそのまま通過するようになし、その光出射
   端に配置した検光子により二つの波長の光波とも直交す
   る偏光成分に分け、偏光方向が同じである二つの偏光成
   分を同じ光ファイバにより前記信号処理回路にそれぞれ
   導き、光の強さを測定するように構成したことを特徴と
   する光応用直流電流変成器。 ２、磁気光学効果を有するセンサと、そのセンサの光入
   射端に配した偏光子と、出射端に配した検光子と、光信
   号を伝える光ファイバと、光を発生する光源と、センサ
   からの光信号を読み取り演算する信号処理回路とから成
   る光応用電流変成器において、前記光源として波長が異
   なる二つの光波を用い、それら二つの光波を同じ光ファ
   イバ内を伝送させてセンサ部に導き、二つの光波とも光
   軸に対し相対的に４５゜傾けた偏光子を通して二つの波
   長の光波とも直線偏光となり、この二つの波長の光波に
   対してヴェルデ定数が異なる前記センサ部を通過させ、
   その光出射端に配置した検光子により二つの波長の光波
   とも直交する偏光成分に分け、偏光方向が同じである二
   つの偏光成分を同じ光ファイバにより前記信号処理回路
   にそれぞれ導き、光の強さを測定するように構成したこ
   とを特徴とする光応用直流電流変成器。 ３、請求項１又は２において、信号処理回路の入力部に
   おける二つの波長の光波のうち第１の波長の光波のＰ偏
   光成分の光強度をＪ＿１ｐ、Ｓ偏光成分の光強度をＪ＿
   １ｓとし、第２の波長の光波のＰ偏光成分の光強度をＪ
   ＿２ｐ、Ｓ偏光成分の光強度をＪ＿２ｓとしたときに、
   前記信号処理回路で（Ｊ＿１ｐ／Ｊ＿２ｐ−Ｊ＿２ｓ／
   Ｊ＿２ｓ）／（Ｊ＿１ｐ／Ｊ＿２ｐ＋Ｊ＿１ｓ／Ｊ＿２
   ｓ）を演算するように構成した光応用直流電流変成器。 ４、請求項１〜３のいずれかにおいて、光源での二つの
   光波の強度に比例した信号を出力する装置を有し、かつ
   光源からの二つの光波のうち第１の波長の光波はセンサ
   の光入射端に配した偏光子により偏光されて直線偏光と
   なり、第２の波長の光波はこの偏光子により偏光されず
   にそのまま通過するように構成した光応用直流電流変成
   器。 ５、請求項４において、光源での第１の波長の光波の強
   度に比例する出力をＪ＿０＿１、第２の波長の光波の強
   度に比例する出力をＪ＿０＿２とし、信号処理回路の入
   力部におけるセンサからの二つの光波のうち第１の波長
   の光波のＰ偏光成分の光強度をＪ＿１ｐ、Ｓ偏光成分の
   光強度をＪ＿１ｓとし、第２の波長の光波のＰ偏光成分
   の光強度をＪ＿２ｐ、Ｓ偏光成分の光強度をＪ＿２ｓと
   したときに、前記信号処理回路で（Ｊ＿１ｐ／Ｊ＿２ｐ
   −Ｊ＿１ｓ／Ｊ＿２ｓ）／（Ｊ＿０＿１／Ｊ＿０＿２）
   を演算するように構成した光応用直流電流変成器。