JPH0621513A - 光方式センサ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】発光レベルの微少な変動による検出雑音成分を
除去し、光源レベルを制御することにより、又は検出信
号成分以外の成分を減少させること等によってＳ／Ｎを
上昇させる光方式センサ回路を提供する。 【構成】光ファイバセンサ１４へ光を供給する光源１１
と、光ファイバセンサからの光信号を受光して電気信号
を出力する受光器４と、該電気信号を増幅する受光アン
プ５と、基準電圧発生部６と、受光アンプ出力と前記基
準電圧を比較する比較器７と、比較器からの出力が０に
なるような電圧信号を発生する光源駆動レベル制御部８
と、光源駆動部１０との間に検出周波数成分を除去する
バンドエリミネータ９より構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、新規な光方式センサ回
路に関し、特に発光信号の変動を除去し、高感度を得ら
れるように光方式センサ回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光方式センサで交流信号を検出するもの
には、光方式電流電圧センサがあり、この光方式電流電
圧センサとは、ファラデー効果等の磁気光学効果やポッ
ケルス効果等の電気光学効果を応用した光ファイバセン
サのことである。光ファイバセンサは、光を用いて測定
するので被測定系に対して電気的に絶縁された状態で測
定できるため、電力系統の監視センサとして用いること
ができる。この光ファイバセンサは、測定される電流、
電圧に比例して光の強度を変調させるので、その測定結
果が測定される値に基づいて比例変調された光強度信号
として得られる。そこで、光ファイバセンサからの出力
の光の変調強度分を調べることにより測定値を得ること
ができる。このような光の変調強度分を調べるために、
光ファイバセンサを使用する光方式センサ回路には電気
光変換（Ｅ／Ｏ変換）回路と光電気変換（Ｏ／Ｅ変換）
回路とを備えることになる。

【０００３】従来、一般に、光方式センサ回路には（図
６）に示されるものが使用されている。光方式センサ２
にあっては発光ダイオード等の光源１１を駆動する光源
駆動部１０はピンフォトダイオード（ＰＤ）等の受光器
４での受光光量が一定となる様に駆動され、そのために
受光器４から出た受光アンプよりの受光強度の変動によ
る検出信号レベルの変動を除去するために、受光強度の
平均値の変化を発光ダオード（ＬＥＤ）等の光源１１に
フィドバックし、光源１１の発光強度を制御している。
上記、受光強度の一定制御は図６に示すように、受光器
４で得られた電気信号を受光アンプ５で増幅した後、ロ
ーパスフィルタ１７を通して直流成分のみを取り出し
（平均値処理）、このレベルを基準電圧発生器６からの
出力と比較器７で比較し、この結果を光源駆動レベル制
御部８へ出力する。光源駆動レベル制御部８は比較器７
からの出力が０になるように又は差が一定になるように
光源駆動部１０へある電圧値を出力する。上記に示した
様に受光光量を一定とすることにより、検出信号レベル
を安定化させ、高感度検出を行うものであった。信号の
受信は、受光アンプ５からの出力をハイパスフィルタ１
２を通して交流成分のみを取り出したのち適当な増幅を
ほどこしてＱ値の高いバンドパスフィルタ１６により検
出交流成分のみを出力する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記光
方式センサ回路では、受光アンプ５からローパスフィル
タ１７を通して直流成分を取り出し、そのレベルにより
光源１１の強度を制御しているが、ローパスフィルタ１
７の性質上、カットオフ周波数以上の成分によるゆらぎ
が生じて出力信号に影響がでる。又その他発生する雑音
成分、即、電源のノイズ、トランジスタノイズ、発光素
子自身で生じる微少な光量変化等即ち、光源１１に微少
なゆらぎを生じ検出側へフィードバックされ、検出交流
成分のゆらぎとなりバンドパスフィルタ１６を通しても
除去できず又は信号を印加しない場合でも、出力信号は
零とはならない。そのため検出信号にはこのノイズ成分
が常に加わり、誤差成分となり、検出誤差を生じること
になる。これにより、信号検出感度を左右し検出精度が
低下してしまうという問題点があった。

【０００５】本発明の目的は、上記従来の欠点を解消
し、発光レベルの微少な変動による検出雑音成分を除去
し、光源レベルを制御することにより、又は検出信号成
分以外の成分を減少させること等によってＳ／Ｎを上昇
させ、高感度高精度で検出信号成分を測定することので
きる光方式センサ回路を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明の上記目
的は 光ファイバセンサへ光を供給する光源と、光ファイ
バセンサからの光信号を受光して受光信号強度に相当す
る電気信号を出力する受光器と、該電気信号を増幅する
受光アンプと、駆動基準電圧を発生する基準電圧発生部
と、受光アンプ出力と前記基準電圧を比較する比較器
と、該比較器の出力より比較器からの出力が０になるよ
う適当な電圧信号を発生する誤差収束回路をもつ光源駆
動レベル制御部と、該光源駆動レベル制御部からの入力
電圧信号により光源を駆動する光源駆動部とを備えた光
ファイバセンサを用いて交流電流または交流電圧等の交
流信号を検出する光方式センサの回路において、前記光
源駆動レベル制御部と前記光源駆動部との間に検出周波
数成分を除去するバンドエリミネータを挿入し、上記光
ファイバセンサからの受光信号レベルを一定となるよう
にし、かつ検出周波数成分以外の周波数成分を除去する
ことを特徴とする光方式センサ回路。

【０００７】又は、 光ファイバセンサへ光を供給する光源と、光ファイ
バセンサからの光信号を受光して受光信号強度に相当す
る電気信号を出力する受光器と該電気信号を増幅する受
光アンプと、駆動基準電圧を発生する基準電圧発生部
と、受光アンプ出力と前記基準電圧とを比較する比較器
と、該比較器の出力より比較器からの出力が０になるよ
う適当な電圧信号を発生する誤差収束回路をもつ光源駆
動レベル制御部と、光源駆動レベル制御部からの入力電
圧信号により光源を駆動する光源駆動部とを備えた光フ
ァイバセンサを用いて交流電流または交流電圧を検出す
る光方式電流電圧センサの回路において、受光アンプの
直流成分を取り出すためのローパスフィルタを受光アン
プと比較器との間に設け、更に光源より光ファイバセン
サへの入力光を光分岐し、これを受光する受光器と受光
信号を増幅する受光アンプと、受光アンプからの信号を
入力信号とするオートゲンイコントロール回路と、光フ
ァイバセンサの出力側の受光アンプの直流成分を取り出
し、オートゲインコントロール回路の基準電圧として入
力するためのローパスフィルタと、オートゲンイコント
ロール回路からの出力と光ファイバセンサの出力側の受
光アンプからの出力の差分をとる引算器とを備えて、上
記光ファイバセンサからの検出成分から光変化成分を除
去して、光ファイバセンサへの印加信号のみを出力でき
るように構成したことを特徴とする光方式センサ回路に
よって達成される。

【０００８】本発明は、光ファイバセンサへ光を供給す
る光源を駆動するために、受光アンプからの出力の変動
を除去するようにして光源を駆動するためバンドエリミ
ネータにより検出したい信号成分の以外の周波数を除去
して、フィードバック制御を行うことにより、検出信号
成分のみ高精度で検出できるように構成したものであ
る。尚受光器で得られた電気信号を増幅する受光アンプ
からの出力をそのまま又はハイパスフィルターを通して
フィードバック制御系に入力することによって微少なゆ
らぎを発生させないことも効果がある。

【０００９】又本発明は、光ファイバセンサへの入力光
を光分岐を用いて直接分岐して、その光出力を受光素子
を用いて受光し、受光した信号を受光アンプにより増幅
し、オートゲインコントロール回路への入力信号とし、
光ファイバセンサからの出力光を受光素子を用いて受光
し、受光した信号を受光アンプにより増幅し、ローパス
フィルタにより直流成分を取り出し、オートゲインコン
トロール回路の基準電圧として入力し、オートゲインコ
ントロール回路からの出力を光ファイバセンサからの出
力光を検出している受光アンプの出力と同一レベルとな
る様に調整し、両者の差分をとることにより、光量変動
を除去し、光ファイバセンサからの検出信号成分のみ出
力される様に構成したものである。

【００１０】本発明の光方式センサ回路は、電力系統の
電流電圧測定のように商用周波数（５０Ｈｚ，６０Ｈ
ｚ）やその数次高周波の検出に有効である。ただし、光
源の発光レベルをフィードバック制御するに誤差収束回
路が入るため、時間遅れが生じ、高周波の検出回路への
適用は難しい。

【００１１】光源の発光レベルを制御するフィードバッ
クループ中に入れるバンドエリミネータの減衰率やバン
ド幅によって精度に影響するので、精度を高くするため
には、減衰率やバンド幅によって精度に影響するので、
精度を高くするためには、減衰率を低くバンド幅はせま
くする必要がある。

【００１２】又、本発明の回路を用いる場合の入力側の
光分岐方式に関しては、光ファイバ分岐器や導波路型分
岐器等の光分岐器を用いる方式のみではなく、光ファイ
バセンサ部が偏向ビームスプリッタを用いている場合は
信号検出用に用いていない偏光成分（Ｐ波、Ｓ波）を入
力光の検出用として用いることができる。この場合特別
に光分岐を新たに挿入しなくてよい。

【００１３】

【実施例】（実施例−１）以下本発明の一実施例を添付
図面に基づいて詳述する。

【００１４】図１に示すように、光方式センサ回路は、
光ファイバセンサ１４へ光を供給するＬＥＤ等の光源１
１と、光源１１を駆動する光源駆動部１０と、光ファイ
バセンサ１４からの光信号を受光して受光信号を出力す
るＰＤ等の受光器４と、受光器４から出力される受光信
号を増幅する受光アンプ５と、受光アンプ５の出力と、
駆動基準電圧を発生する基準電圧発生器６と受光アンプ
からの出力と基準電圧発生器からの出力のレベル差を検
出する比較器７と、該比較器からの出力に基づいて、比
較器７からの出力が０になるように適当な電圧を発生す
る誤差収束機能を持った光源駆動レベル制御部８と、光
源駆動部１０への制御信号から検出成分の周波数の成分
を除去するバンドエリミネータ９とから主に構成されて
いる。ＬＥＤ等の光源１１には光ファイバ１５が結合さ
れており、この光ファイバ１５に注入された光が光ファ
イバセンサ１４に導かれるように構成されている。光フ
ァイバセンサ１４は、電流電圧等を測定される被測定物
に取り付けられ、通過する光を電流、電圧等の被測定信
号に比例して光強度変調するものである。光ファイバセ
ンサ１４の出力側には光ファイバ１５か設けられ、光強
度変調された光、即ち、光信号をＰＤ等の受光器に導く
ように構成されている。光信号は受光器４により光電気
変換され受光信号となり、受光アンプ５に入力される。
受光アンプ５は、この受光信号を処理しやすくするため
に増幅するものである。受光アンプ５の出力は、これを
受けて帯域制限し検出信号を取り出すためにハイパスフ
ィルタ１２を通った後バンドパスフィルタあるいはロー
パスフィルタからなるフィルタ１３に入力されている。
フィルタ１３の出力が光方式センサ回路の出力であり、
この出力の振幅変調の度合を調べることにより測定値が
得られる。ここで、フィルタ１３にローパスフィルタを
用いる場合は、光源駆動レベル制御部の周波数特性によ
って制限される除去ができなくなる周波数をカットでき
るようにフィルタの周波数特性を決める。

【００１５】受光アンプ５の出力は、そのまま比較器７
に入力され基準電圧発生部６から出力される基準電圧と
比較される。ここで基準電圧は直流値であるため、比較
器からの出力は、受光フィルタから出力される交流成分
があらわれる。比較器７からの出力は光源駆動レベル制
御部８に入力されると、光源駆動レベル制御部８は、比
較器からの出力を０にするように電圧信号を光源駆動部
１０へ出力する。ここでパンドエリミネータ９によって
除去された周波数に対しては、制御信号が光源駆動部へ
出力されないために検出値を影響を及ぼさないが他の周
波数成分は変動が除去されるように光源に変調が加わ
る。ここで、直流成分は一定になるように保たれるため
に検出される信号は安定しており、かつノイズとなる他
の周波数成分が除去されるために高感度の検出が可能と
なる。

【００１６】本発明回路と従来回路での受光アンプ出力
段の検出周波数のスペクトルパターンを比較すると、図
４に示すように本発明回路の場合は図４Ａの様に常に一
定に制御されるが、従来の回路の場合は図４Ｂの様に変
動があり、図４Ａと比較するとＮ＜Ｎ´であり、センサ
出力の波形では図５に示すように本発明の回路の場合は
図４Ａの様に一定であるが従来の回路の場合は（図４Ｂ
のように）一部変動が見られる。

【００１７】本発明の請求項１の他の実施例を図２を用
いて説明する。

【００１８】光源１１を受光系とは独立して、光源駆動
回路２０で駆動し、受光アンプ５からの出力をローパス
フィルタ１７を通して直流成分を取り出しこの直流成分
で受光アンプの出力を割算器１８により除算することに
より信号成分を検出する回路において、本回路を応用し
た例について以下に述べる。

【００１９】受光アンプ５の出力をハイパスフィルタ１
９を通して直流成分をカットした信号を光源駆動レベル
制御器８に入力し、検出信号成分以外の周波数成分をバ
ンドエリミネータ９によって除き、光源駆動回路２０に
加えることにより、不必要な周波成分を除去できるよう
にする。ここで、光源駆動レベル制御器８の特性によ
り、入力信号レベルを大きくした方がよい場合は、図２
に示すように基準電圧６を加えてフィードバック制御を
行う。

【００２０】（実施例−３）以下、本発明の請求項２に
関する一実施例を添付図面に基づいて詳述する。

【００２１】図３に示すように本発明の光方式センサ回
路は、光ファイバセンサ１４へ光を供給するＬＥＤ等の
光源１１と、光源１１を駆動する光源駆動部１０と光フ
ァイバセンサ１４からの光信号を受光して受光信号を出
力するピンホトダイオード等の受光器４と、受光器４か
ら出力される受光信号を増幅する受光アンプ５と、受光
アンプ５から直流成分を取出して誤差収束回路を有する
光源駆動レベル制御部８と、該光源駆動レベル制御部の
一方の入力端子に出力するローパスフィルタ１７と、基
準電圧を発生して誤差収束回路の他方の入力端子に出力
する基準電圧発生部６と、光ファイバセンサ１４の光入
力側で入力光を分岐する光分岐器２１と分岐された光を
受光するピンホトダイオード等の受光器２４と、受光器
２４からの出力を増幅する受光アンプ２５と、受光アン
プ２５からの出力を入力信号とするオートゲインコント
ロール回路２３と、受光アンプ５から直流成分を取出し
オートゲインコントロール回路２３の基準電圧として入
力するローパスフィルタ２２，およびオートゲインコン
トロール回路２３からの出力と光ファイセンサからの出
力である受光アンプ５からの出力との差分をとる引算器
２８から構成されている。

【００２２】次に実施例−３の作用を述べる。

【００２３】光ファイバセンサ１４からの受光光量を一
定にして、光ファイバセンサ１４に印加される交流信号
強度と受光される光信号の変調成分の強度に比例関係を
持たせる。そのために、受光アンプ５の直流分をローパ
スフィルタ１７によって取出し、誤差収束回路の入力信
号とし、受光レベルを受光光量が一定になる様に制御し
ている。また、発光レベル換言すれば受光レベルを任意
に設定できるように誤差収束回路８の基準電圧を変化で
きる様に基準電圧発生器６を設けている。

【００２４】光源駆動部１０，光源１１で発生する微少
なノイズを除去し、光ファイバセンサ１４への印加信号
が零の時に検出信号を零にするために、発光側の光を光
分岐器２１で分岐し、受光器２４、受光アンプ２５を用
いて検出し、オートゲインコントロール回路２３に入力
する。この出力を検出側の受光アンプ５からの出力と同
様な出力レベルとなる様に、受光アンプからの直流成分
をローパスフィルタ２２によって取出しオートゲインコ
ントロール回路２３の基準電圧として入力し、オートゲ
インコントロール回路２３の出力を制御する。検出側の
受光アンプ５の出力と、検出側の受光アンプ５の出力レ
ベルと一致したレベルで出力されているオートゲインコ
ントロール回路２３からの受光変動出力を引算器２８で
差分をとることにより、発光側の変動分の除去された検
出信号成分、すなわち、光ファイバセンサ１４に印加さ
れた信号成分のみを検出できる。

【００２５】

【発明の効果】本発明の光方式センサ回路により、請求
項１により受光信号レベルが常に一定に制御され、か
つ、検出成分以外の周波数成分が除去されるために、高
精度の測定が可能になる。

【００２６】又は請求項２によって （１）発光信号の変動分を検出値より除去できるため、
誤差成分が小さくなり検出精度が向上できる。

【００２７】（２）発光信号の変動分を直接光信号から
検出するため、発光信号の再現が高精度でできる。

【００２８】（３）発光信号の変動分を直接入力側の光
信号から検出するために、センサ部への入力信号強度に
依存しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１の光方式センサ回路の一実施
例を示す回路ブロック図。

【図２】本発明の請求項１の他の実施例を示す回路ブロ
ック図。

【図３】本発明の請求項２の光方式センサ回路の一実施
例を示す回路ブロック図。

【図４】本発明の回路と従来の回路との受光アンプ出力
段の検出周波数のスペクトルパターンの一例の比較図で
あり、（Ａ）が本発明の回路、（Ｂ）が従来の回路での
例である。

【図５】本発明の回路と従来の回路でのセンサ出力の波
形の一例を示す。本発明の回路（Ａ），従来の回路
（Ｂ）。

【図６】従来の光方式センサ回路の一例を示す回路ブロ
ック図である。

【符号の説明】

４ 受光器 ５ 受光アンプ ６ 基準電圧発生器 ７ 比較器 ８，８ａ 光源駆動レベル制御部 ９ バンドエリミネータ １０ 光源駆動部 １１ 光源 １２，１９ ハイパスフィルタ １３ フィルタ（ローパス、又はバンドパス） １４ 光ファイバセンサ １５ 光ファイバ １６ バンドパスフィルタ １７ ローパスフィルタ １８ 割算器 ２０ 光源駆動回路 ２１ 光分岐器 ２２ ローパスフィルタ ２３ オートゲインコントロール回路 ２４ 受光器 ２５ 受光アンプ ２８ 計算器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ファイバセンサへ光を供給する光源と、
   光ファイバセンサからの光信号を受光して受光信号強度
   に相当する電気信号を出力する受光器と、該電気信号を
   増幅する受光アンプと、駆動基準電圧を発生する基準電
   圧発生部と、受光アンプ出力と前記基準電圧を比較する
   比較器と、該比較器の出力より比較器からの出力が０に
   なるよう適当な電圧信号を発生する誤差収束回路をもつ
   光源駆動レベル制御部と、該光源駆動レベル制御部から
   の入力電圧信号により光源を駆動する源駆動部とを備え
   た光ファイバセンサを用いて交流信号を検出する光方式
   センサの回路において、前記光源駆動レベル制御部と前
   記光源駆動部との間に検出周波数成分を除去するバンド
   エリミネータを挿入し、上記光ファイバセンサからの受
   光信号レベルを一定となるようにし、かつ検出周波数成
   分以外の周波数成分を除去することを特徴とする光方式
   センサ回路。
2. 【請求項２】光ファイバセンサへ光を供給する光源と、
   光ファイバセンサからの光信号を受光して受光信号強度
   に相当する電気信号を出力する受光器と該電気信号を増
   幅する受光アンプと、駆動基準電圧を発生する基準電圧
   発生部と、受光アンプ出力と前記基準電圧とを比較する
   比較器と、該比較器の出力より比較器からの出力が０に
   なるよう適当な電圧信号を発生する誤差収束回路をもつ
   光源駆動レベル制御部と、光源駆動レベル制御部からの
   入力電圧信号により光源を駆動する光源駆動部とを備え
   た光ファイバセンサを用いて交流電流または交流電圧を
   検出する光方式電流電圧センサの回路において、受光ア
   ンプの直流成分を取り出すためのローパスフィルタを受
   光アンプと比較器との間に設け、更に光源より光ファイ
   バセンサへの入力光を光分岐し、これを受光する受光器
   と受光信号を増幅する受光アンプと、受光アンプからの
   信号を入力信号とするオートゲインコントロール回路
   と、光ファイバセンサの出力側の受光アンプの直流成分
   を取り出し、オートゲインコントロール回路の基準電圧
   して入力するためのローパスフィルタと、オートゲイン
   コントロール回路からの出力と光ファイバセンサの出力
   側の受光アンプからの出力の差分をとる引算器とを備え
   て、上記光ファイバセンサからの検出成分から光量変化
   成分を除去して、光ファイバセンサへの印加信号のみを
   出力できるように構成したことを特徴とする光方式セン
   サ回路。