JPH07209397A - Optical magnetic field sensor - Google Patents

Optical magnetic field sensor

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Publication number
JPH07209397A
JPH07209397A JP6004854A JP485494A JPH07209397A JP H07209397 A JPH07209397 A JP H07209397A JP 6004854 A JP6004854 A JP 6004854A JP 485494 A JP485494 A JP 485494A JP H07209397 A JPH07209397 A JP H07209397A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
magnetic field
optical
field sensor
output
guide fiber
Prior art date
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Application number
JP6004854A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yosuke Asahara
陽介 浅原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH07209397A publication Critical patent/JPH07209397A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To obtain an optical magnetic field sensor where the linearity of a sensor output for magnetic field is excellent, the phase shift between the magnetic field and the sensor output is small and the modulation factor is large. CONSTITUTION:In a structure where a light emitted from a lens 3 just behind an optical guide fiber 2 on the input side passes through a polarizer 4, magnetic garnet 6, a condenser lens 14 and a polarizer 7 on the output side sequentially and then is led to an optical guide fiber 9 by a lens 8 just before the optical guide fiber 9, a relative angle phi (deg) between the two polarizers 4 and 7 and a Faraday rotation angle theta (deg) of the magnetic garnet 6 are so set that they are in a specific relation.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、磁気光学素子のファラ
デー効果を用いて磁界強度を測定する光磁界センサに関
するもので、特に電力を供給する送電線、配電線及び受
変電設備(キュービクル)、GIS(Gas Insulated Sw
itch Gear)などの電線の周囲に発生する磁界の強度を測
定することにより、電流の大きさを計測する光磁界セン
サ及び一般的な交流磁界を測定する光磁界センサの改良
に係るものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical magnetic field sensor for measuring a magnetic field intensity by using the Faraday effect of a magneto-optical element, and particularly to a power transmission line, a distribution line and a power receiving and transforming facility (cubicle), GIS (Gas Insulated Sw)
The present invention relates to an improvement of an optical magnetic field sensor that measures the magnitude of a current by measuring the strength of a magnetic field generated around electric wires such as an itch gear) and a general magnetic field sensor that measures an alternating magnetic field.

【0002】[0002]

【従来の技術】発電所から需要家までの電力輸送経路で
ある送電線、配電線を流れる電流の大きさを測定し異常
を検出する電流センサや、キュービクル、GIS内で使
用されている電流センサとして、ファラデー効果を利用
し小型、軽量、無誘導性を兼備した光磁界センサが注目
されている。光磁界センサの原理は、電流により導体例
えば送電線の周囲に発生する磁界を、磁気光学素子の有
するファラデー効果を用いて測定し、電流値を求めるの
である。光磁界センサの特徴は、高耐電圧、高絶縁性、
非接触、小型軽量で、高圧側に電源や電気回路が不要な
ことなどである。
2. Description of the Related Art A current sensor used in a cubicle or GIS to detect an abnormality by measuring the amount of current flowing through a power transmission line or distribution line, which is a power transportation route from a power plant to a customer. As such, an optical magnetic field sensor utilizing the Faraday effect and having a small size, a light weight, and a non-inductive property is attracting attention. The principle of the optical magnetic field sensor is to measure a magnetic field generated around a conductor, for example, a power transmission line by a current, by using the Faraday effect of a magneto-optical element, and obtain a current value. The features of the optical magnetic field sensor are high withstand voltage, high insulation,
It is non-contact, compact and lightweight, and does not require a power supply or electric circuit on the high voltage side.

【0003】図6は、今までに開発されている電流測定
用に供する光磁界センサの基本構成を示す概略図であ
る。図中、1は光源、2は入力側光ガイドファイバ、3
は入力側レンズ、4は入力側偏光子としての偏光ビーム
スプリッタ(以下、PBSと呼ぶ)、5は半波長板、6
は磁気光学素子、7は出力側偏光子としてのPBS,8
は出力側レンズ、9は出力側光ガイドファイバ、10は
光検出器、11は信号処理回路である。そして、光源1
から射出した光は、入力側光ガイドファイバ2,入力側
レンズ3を経て、入力側PBS4により直線偏光とさ
れ、更に半波長板5を通って直線偏光の偏光面が45(d
eg) 回転されて磁気光学素子6に入射する。偏光面が4
5(deg) 回転された直線偏光は、磁気光学素子6を通過
するとき、被測定磁界(以下、原則として単に磁界と呼
ぶ)の強さと前記通過の距離に応じて磁気旋光を受け
て、偏光面が回転される。この偏光面が回転された光
は、次の出力側PBS7を通過するとき、磁界の強さに
対応した強度になり、これが出力側レンズ8で出力側光
ガイドファイバ9に集光され、光検出器10に導かれて
光電変換され、最終的に信号処理回路11で所望の磁界
を検出する。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the basic configuration of an optical magnetic field sensor that has been developed up to now and is used for current measurement. In the figure, 1 is a light source, 2 is an input side optical guide fiber, 3
Is an input side lens, 4 is a polarization beam splitter (hereinafter referred to as PBS) as an input side polarizer, 5 is a half-wave plate, 6
Is a magneto-optical element, 7 is a PBS as an output side polarizer, 8
Is an output side lens, 9 is an output side optical guide fiber, 10 is a photodetector, and 11 is a signal processing circuit. And the light source 1
The light emitted from the input side passes through the input side optical guide fiber 2 and the input side lens 3 and is linearly polarized by the input side PBS 4, and further passes through the half-wave plate 5 so that the plane of polarization of the linearly polarized light is 45 (d).
eg) Rotate and enter the magneto-optical element 6. Polarization plane is 4
When the linearly polarized light rotated by 5 (deg) passes through the magneto-optical element 6, the linearly polarized light is subjected to magnetic rotation according to the strength of the magnetic field to be measured (hereinafter, simply referred to as a magnetic field in principle) and the passing distance, and then is polarized. The face is rotated. When the light whose polarization plane has been rotated passes through the next output-side PBS 7, it has an intensity corresponding to the strength of the magnetic field, which is condensed by the output-side lens 8 on the output-side optical guide fiber 9 to detect light. It is guided to the device 10 and photoelectrically converted. Finally, the signal processing circuit 11 detects a desired magnetic field.

【0004】上述の構成で、光源1としては、一般的に
発光ダイオードが用いられる。指向性の優れた光を射出
し、発光強度が大きいレーザダイオードの採用も考えら
れる。しかし、レーザダイオードから射出するダイオー
ドレーザはほぼ直線偏光であり、この直線偏光が入力側
光ガイドファイバ2を通過するとき、入力側光ガイドフ
ァイバ2に応力が存在すると、偏光面が安定せず、入力
側PBS4を通過したダイオードレーザの強度が、不安
定になるという問題点がある。したがって、光源1に
は、無偏光の光を射出する発光ダイオードが適してい
る。また、半波長板5は入力側PBS4と出力側PBS
7の相対角度を45(deg)にするために用いられてい
る。なお、この構成の光磁界センサにおいては、磁気光
学素子6を通過する直線偏光の進路と磁界とが、平行で
ある。そして、半波長板5と磁気光学素子6とは、その
配置順を逆にしても、特性上に大きな差異はない。
In the above structure, a light emitting diode is generally used as the light source 1. It is also possible to employ a laser diode that emits light with excellent directivity and has high emission intensity. However, the diode laser emitted from the laser diode is almost linearly polarized light, and when the linearly polarized light passes through the input side optical guide fiber 2, if a stress exists in the input side optical guide fiber 2, the polarization plane is not stable, There is a problem that the intensity of the diode laser passing through the input side PBS 4 becomes unstable. Therefore, a light emitting diode that emits unpolarized light is suitable for the light source 1. Further, the half-wave plate 5 includes an input side PBS 4 and an output side PBS.
It is used to set the relative angle of 7 to 45 (deg). In the optical magnetic field sensor with this configuration, the path of linearly polarized light passing through the magneto-optical element 6 and the magnetic field are parallel. Even if the arrangement order of the half-wave plate 5 and the magneto-optical element 6 is reversed, there is no great difference in characteristics.

【0005】信号処理回路11では、光電変換により得
られた交流成分と直流成分とに分離され、割り算器によ
り交流成分電圧/直流成分電圧が求められる。そして、
交流成分電圧/直流成分電圧の実効値をもって、磁界す
なわち被測定磁界を表し、これを変調度と称する。この
ように、交流成分電圧/直流成分電圧を検出する理由
は、光源1の射出光強度の変動及び入力側・出力側の両
光ガイドファイバ2,9の揺れ等による光量の変動を消
去して、所望の磁界を検出することができるためであ
る。
In the signal processing circuit 11, the AC component and the DC component obtained by photoelectric conversion are separated, and the AC component voltage / DC component voltage is obtained by the divider. And
The effective value of the AC component voltage / DC component voltage represents the magnetic field, that is, the magnetic field to be measured, and this is called the modulation degree. In this way, the reason for detecting the AC component voltage / DC component voltage is to eliminate fluctuations in the intensity of light emitted from the light source 1 and fluctuations in the light amount due to fluctuations of both the input-side and output-side optical guide fibers 2, 9. This is because a desired magnetic field can be detected.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上述した光磁界センサ
における磁気光学素子6としては、酸化鉛(PbO)を
含む鉛ガラス、ZnSe,BGO及びBSOなどの常磁
性材料又は反磁性材料がある。しかし、最近では送電
線、配電線における電流計測、GIS,キュービクル内
の計器用変流器にも、光磁界センサを用いる計画が積極
的に進められている。このようなセンサには高感度、小
型、低価格が要求される。そこで量産性が高く、磁気感
度の高い磁性ガーネット、更にBi置換の磁性ガーネッ
トを用いた光磁界センサの開発が行われるようになって
きた。
As the magneto-optical element 6 in the above-mentioned optical magnetic field sensor, there are lead glass containing lead oxide (PbO), paramagnetic materials such as ZnSe, BGO and BSO, or diamagnetic materials. However, recently, a plan to use the optical magnetic field sensor for the current measurement in power transmission lines and distribution lines, GIS, and current transformers for measuring instruments in cubicles is being actively promoted. Such a sensor is required to have high sensitivity, small size, and low price. Therefore, a magnetic garnet having high mass productivity and high magnetic sensitivity and a magnetic field sensor using Bi-substituted magnetic garnet have been developed.

【0007】上述のように、従来、磁気光学素子6とし
ては常磁性体材料、反磁性体材料が使われてきた。この
場合、二つのPBS(偏光子)4,7間の相対角度φ=
45(deg) で、変調度は最大となる。そして、近年、磁
気光学素子6として感度の高いRIGが注目され、実用
段階に近づきつつある。しかし、磁気光学素子6を常磁
性体材料、反磁性体材料からRIGに置き換える場合
も、図6の磁気光学素子6をRIGに置き換えただけ
で、二つの偏光子の相対角度φは、通常の45(deg) で
使用されている。RIGを使用した光磁界センサでは、
外部磁界の変化に対するセンサ出力の感度(変調度)が
高いという利点があり、変調度は大きければ大きいほ
ど、センサ出力の信号雑音比(S/N比)をよくするこ
とができ、高精度のセンサの作製が可能である。このた
め、RIGを使用した光磁界センサにおいても、変調度
の増大が望まれている。
As described above, a paramagnetic material or a diamagnetic material has been conventionally used as the magneto-optical element 6. In this case, the relative angle φ between the two PBSs (polarizers) 4 and 7 is
At 45 (deg), the modulation degree becomes maximum. In recent years, a highly sensitive RIG has attracted attention as the magneto-optical element 6, and is approaching a practical stage. However, even when the magneto-optical element 6 is replaced with a RIG from a paramagnetic material or a diamagnetic material, the relative angle φ between the two polarizers can be set to a normal value by simply replacing the magneto-optical element 6 in FIG. 6 with the RIG. It is used at 45 (deg). In the optical magnetic field sensor using RIG,
This has the advantage that the sensitivity (modulation degree) of the sensor output with respect to changes in the external magnetic field is high. The higher the modulation degree, the better the signal-noise ratio (S / N ratio) of the sensor output, and the higher the accuracy. It is possible to manufacture a sensor. Therefore, it is desired to increase the degree of modulation also in the optical magnetic field sensor using the RIG.

【0008】現在、磁気光学素子にRIGを使用した光
磁界センサは、磁界に対するセンサ出力の直線性がよ
く、磁界とセンサ出力の位相のずれ方(以下、位相角と
呼ぶ)の小さいものの作製が可能である。しかし、変調
度を更に高くすることが、信号処理回路11のコスト低
減、小磁界の測定等の点から望まれている。
At present, an optical magnetic field sensor using an RIG as a magneto-optical element has a good sensor output linearity with respect to a magnetic field, and can be manufactured with a small phase shift between the magnetic field and the sensor output (hereinafter referred to as a phase angle). It is possible. However, it is desired to further increase the degree of modulation in terms of cost reduction of the signal processing circuit 11 and measurement of a small magnetic field.

【0009】本発明は、上述のような事情に鑑みて、磁
界に対するセンサ出力の直線性がよく、位相角は小さ
く、かつ、変調度が大きい光磁界センサの提供を目的と
している。
In view of the above-mentioned circumstances, the present invention has an object to provide an optical magnetic field sensor having a good sensor output linearity with respect to a magnetic field, a small phase angle, and a large modulation degree.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の光磁界センサ
は、入力側光ガイドファイバ直後の入力側レンズから射
出する光が、入力側偏光子、磁性ガーネット、集光レン
ズ、出力側偏光子を通過した後、出力側光ガイドファイ
バ直前の出力側レンズによりこの出力側光ガイドファイ
バへ導かれるようにした光磁界センサにおいて、これら
二つの偏光子間の相対角度φ(deg) と磁性ガーネットの
ファラデー回転角θ(deg) が、0<θ<90,0<φ<
90のとき、θ+φ=90で、0<θ<90,90<φ
<180のとき及び90<θ<180,0<φ<90の
とき、|φ−θ|=90で、90<θ<180,90<
φ<180のとき、θ+φ=270であるようにしたこ
とを特徴としている。
According to the optical magnetic field sensor of the present invention, the light emitted from the input side lens immediately after the input side optical guide fiber passes through the input side polarizer, the magnetic garnet, the condenser lens and the output side polarizer. In an optical magnetic field sensor that is guided to the output side optical guide fiber by the output side lens just before the output side optical guide fiber after passing, in the Faraday of the magnetic garnet and the relative angle φ (deg) between these two polarizers. The rotation angle θ (deg) is 0 <θ <90, 0 <φ <
When 90, θ + φ = 90, 0 <θ <90, 90 <φ
When <180 and when 90 <θ <180, 0 <φ <90, | φ−θ | = 90 and 90 <θ <180,90 <
The feature is that when φ <180, θ + φ = 270.

【0011】[0011]

【作用】磁気光学素子6にRIGを使用して、すべての
回折光を出力側光ガイドファイバ9に取り込むような構
成の図6に示した光磁界センサでは、RIGによる吸収
を無視したとき、偏光子としての出力側PBS7を透過
した光の光量 Ir と磁界の関係は、下記の式(1)で表
される。 Ir =〔1/2 〕 Iin〔1 +cos2θcos2φ+( H/Hs )sin2θsin2φ〕・・・・(1) なお、ここで、θは磁気光学素子6のファラデー回転角
(deg) ,φは二つの偏光子4,7間の相対角度(deg) ,
Hs ,H はそれぞれ飽和磁界(Oe),被測定磁界(Oe), I
inはRIGへの入射光量である。
When the RIG is used for the magneto-optical element 6 and all the diffracted light is taken into the output side optical guide fiber 9, the optical magnetic field sensor shown in FIG. The relationship between the light amount I r of light transmitted through the output-side PBS 7 as a child and the magnetic field is expressed by the following equation (1). I r = [1/2] I in [1 + cos2θ cos2φ + (H / H s ) sin2θsin2φ] (1) where θ is the Faraday rotation angle of the magneto-optical element 6.
(deg) and φ are relative angles (deg) between the two polarizers 4 and 7,
H s and H are the saturation magnetic field (Oe), measured magnetic field (Oe), and I, respectively.
in is the amount of light incident on the RIG.

【0012】交流磁界を測定する場合、H0を交流磁界の
振幅、ωを交流磁界の角周波数(電流の角周波数),t
を時間とし、H =H0sin ωtとすれば、光検出器10か
らの出力電圧V は、下記の式(2)で表される。 V =〔1/2 〕aIin〔1 +cos2θcos2φ+(H0sin ωt/Hs )sin2θsin2φ〕 ・・・・(2) ここで、a は光検出器10に係る入射光量と出力電圧V
の変換係数である。
When measuring an alternating magnetic field, H 0 is the amplitude of the alternating magnetic field, ω is the angular frequency of the alternating magnetic field (angular frequency of the current), t
And H = H 0 sin ωt, the output voltage V from the photodetector 10 is expressed by the following equation (2). V = [1/2] aI in [1 + cos2θ cos2φ + (H 0 sin ωt / H s ) sin2θ sin2φ] (2) where a is the incident light amount and output voltage V of the photodetector 10.
Is a conversion coefficient of.

【0013】次に、光検出器10からの出力電圧V は、
信号処理回路11で直流成分 VD と交流成分 VA とに分
離される。この直流成分 VD と交流成分 VA は、式
(2)からそれぞれ下記の式(3),式(4)で表され
る。 VD =(1/2 )aIin(1 +cos2θcos2φ) ・・・・(3) VA =(1/2 )(H0/Hs )aIinsin2θsin2φsin ωt ・・・・(4) また、信号処理回路11内の割り算器で下記の式(5)
が演算される。 V1 = VA /VD ・・・・(5) そして、 V1 の実効値 Vr を求める。前に述べたよう
に、 V1 の実効値 Vr は変調度であり、sin ωtについ
ての自乗平均計算と式(3)〜(5)から、変調度 Vr
は、下記の式(6)で表される。 Vr =H0|sin2θsin2φ|/ 〔√2Hs (1 +cos2θcos2φ)〕 ・・・・(6) 式(6)は、変調度 Vr と磁界との間の直線的関係を示
している。
Next, the output voltage V from the photodetector 10 is
The signal processing circuit 11 separates the DC component V D and the AC component V A. The DC component V D and the AC component V A are expressed by the following equations (3) and (4) from the equation (2). V D = (1/2) aI in (1 + cos2θ cos2φ) ··· (3) V A = (1/2) (H 0 / H s ) aI in sin2 θsin2φ sin ωt ··· (4) Also, the signal The following formula (5) is used for the divider in the processing circuit 11.
Is calculated. V 1 = V A / V D (5) Then, find the effective value V r of V 1 . As mentioned earlier, the effective value V r of V 1 was a degree of modulation, a mean square calculation and expression for sin ωt (3) ~ (5 ), the modulation factor V r
Is expressed by the following equation (6). V r = H 0 | sin2θsin2φ | / [√2H s (1 + cos2θcos2φ)] (6) Equation (6) shows the linear relationship between the modulation degree V r and the magnetic field.

【0014】式(6)から、変調度 Vr を最大とするθ
とφの関係について検討する。そのため、式(6)をφ
で微分して、変調度 Vr を最大にするθとφの関係を求
めることができる。式(6)をφで微分すると、下記の
式(7)が得られる。 ∂ Vr / ∂φ=2H0 sin2θ(cos2φ+cos2θ) / 〔√2Hs (1 +cos2θcos2φ)2 〕 ・・・・(7) そして、∂ Vr / ∂φ=0となるθとφの関係は、cos2
φ+cos2θ=0,したがって、 sin2θsin2φ>0 のとき、θ+φ=90(2n −1) sin2θsin2φ<0 のとき、|φ−θ|=90(2n −1) で表される。ここでn =1 ,2 ・・・・。
From equation (6), θ which maximizes the modulation degree V r
Consider the relationship between and. Therefore, the formula (6) is changed to φ
By differentiating with, the relationship between θ and φ that maximizes the modulation degree V r can be obtained. Differentiating the expression (6) with respect to φ gives the following expression (7). ∂ V r / ∂φ = 2H 0 sin2θ (cos2φ + cos2θ) / [√2H s (1 + cos2θcos2φ) 2 ] ... (7) And the relation between θ and φ is such that ∂ V r / ∂φ = 0. cos2
φ + cos2θ = 0, therefore, when sin2θsin2φ> 0, θ + φ = 90 (2n −1) and sin2θsin2φ <0 are represented by | φ−θ | = 90 (2n−1). Here n = 1, 2, ...

【0015】図5は、横軸に磁気光学素子6のファラデ
ー回転角θ(deg) を、縦軸に変調度Vr をとり、二つの
偏光子4,7間の相対角度φ(deg) をパラメータとし
て、式(6)による計算結果を示したものである。φ=
20,40,60及び80の順に、計算結果は実線、ピ
ッチの大きい鎖線、中間ピッチの鎖線及びピッチの小さ
い鎖線で描かれた曲線で示されている。なお、図中の●
印は後述する実験値でる。図5から 0<θ<90,0<φ<90のとき、θ+φ=90 0<θ<90,90<φ<180のとき、φ−θ=90 90<θ<180,0<φ<90のとき、φ−θ=90 90<θ<180,90<φ<180のとき、θ+φ=
270 で変調度 Vr が最大になることが分かる。そして、RI
G膜を使用した交流磁界測定用の光磁界センサにおい
て、一般に採用されている相対角度φ=45(deg)と対
比して、上記の条件を満足する相対角度φの値を選択す
ることにより、変調度 Vr を更に増大できることが分か
る。
In FIG. 5, the Faraday rotation angle θ (deg) of the magneto-optical element 6 is plotted on the horizontal axis and the modulation degree V r is plotted on the vertical axis, and the relative angle φ (deg) between the two polarizers 4 and 7 is shown. As a parameter, the calculation result by the equation (6) is shown. φ =
In the order of 20, 40, 60, and 80, the calculation result is shown by a solid line, a chain line with a large pitch, a chain line with an intermediate pitch, and a chain line with a small pitch. In addition, ● in the figure
The mark is an experimental value described later. From FIG. 5, when 0 <θ <90, 0 <φ <90, θ + φ = 90 When 0 <θ <90, 90 <φ <180, φ−θ = 90 90 <θ <180, 0 <φ <90 , Φ−θ = 90 90 <θ <180, and 90 <φ <180, θ + φ =
It can be seen that the modulation degree V r becomes maximum at 270. And RI
In the optical magnetic field sensor for AC magnetic field measurement using the G film, by comparing with the generally adopted relative angle φ = 45 (deg), by selecting the value of the relative angle φ that satisfies the above condition, It can be seen that the modulation degree V r can be further increased.

【0016】[0016]

【実施例】以下、本発明に係る光磁界センサの実施例に
つき、図1乃至図5を参照して、詳細に説明する。図1
は、第1実施例の光磁界センサの基本構成を示す概略
図、図2は、図1に示した基本構成を基に作製し実験に
供した第2実施例の光磁界センサの構成を示す概略図で
ある。上述の従来技術と同様の部材については、同一の
符号を用いてその説明を省略する。
Embodiments of the optical magnetic field sensor according to the present invention will be described below in detail with reference to FIGS. Figure 1
2 is a schematic diagram showing the basic configuration of the optical magnetic field sensor of the first embodiment, and FIG. 2 shows the configuration of the optical magnetic field sensor of the second embodiment that was produced based on the basic configuration shown in FIG. It is a schematic diagram. The same members as those of the above-described conventional technique are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

【0017】第1実施例 上述の従来技術における光磁界センサと異なって、第1
実施例における光磁界センサは、大きい変調度 Vr がえ
られるようなφとθを有するとともに、図1と図6との
対比から明らかなように、磁気光学素子6の直後には非
球面の集光レンズ14が配置してある。また、磁気光学
素子6は、磁性ガーネットに特定されている。
First Embodiment Unlike the above-described prior art optical magnetic field sensor, the first embodiment
The optical magnetic field sensor in the example has φ and θ such that a large modulation degree V r can be obtained, and as is clear from the comparison between FIG. 1 and FIG. A condenser lens 14 is arranged. The magneto-optical element 6 is specified as a magnetic garnet.

【0018】第2実施例 実験に供した第2実施例の光磁界センサでは、入力側偏
光子15,出力側偏光子16には偏光ガラス板を、磁気
光学素子6には(YbTbBi)3 Fe5 12で表せる
磁性ガーネットを用いた。入力側光ガイドファイバ2及
び出力側光ガイドファイバ9にはマルチモードファイバ
を、入力側レンズ3及び出力側レンズ8には屈折率分布
形レンズを用いた。また、光源1には波長0.85(μ
m)の発光ダイオードを、光検出器10にはSiフォトダ
イオードを用いるとともに、光の進行方向を90(deg)
変えるために、入力側全反射プリズム12,出力側全反
射プリズム13を用いて、光磁界センサを構成した。
[0018] In the optical magnetic field sensor of the second embodiment was subjected to the second embodiment experiment, the input-side polarizer 15, the polarizing glass plate on the output side polarizer 16, the magneto-optical element 6 (YbTbBi) 3 Fe A magnetic garnet represented by 5 O 12 was used. A multimode fiber was used for the input side optical guide fiber 2 and the output side optical guide fiber 9, and a gradient index lens was used for the input side lens 3 and the output side lens 8. In addition, the light source 1 has a wavelength of 0.85 (μ
m) light emitting diode, the photodetector 10 uses a Si photodiode, and the light traveling direction is 90 (deg).
In order to change, an optical magnetic field sensor was constructed using the input side total reflection prism 12 and the output side total reflection prism 13.

【0019】そして、入力側偏光子15と出力側偏光子
16の間の相対角度φ(deg) が、20,40,60及び
80(deg) ,更に磁性ガーネットである磁気光学素子6
のファラデー回転角θ(deg) が、10,30,50,7
0,90及び110(deg) である上記構成の供試光磁界
センサを作製し、これらの供試光磁界センサを用いて実
験を行った。まず、振幅H0が500(Oe),周波数ω/
(2π)が50(Hz)の交流磁界を印加したときの変調度
Vr について実験した。この実験における測定結果は、
上述した図5中の●印で示してある。実験値と計算値は
よく一致しており、0<θ<90,0<φ<90の範囲
では、θ+φ=90,90<θ<180,0<φ<90
の範囲では、θ−φ=90のときに、変調度 Vr が最大
になることが実証された。
The relative angle φ (deg) between the input side polarizer 15 and the output side polarizer 16 is 20, 40, 60 and 80 (deg), and the magneto-optical element 6 is a magnetic garnet.
Faraday rotation angle θ (deg) of 10, 30, 50, 7
Test optical magnetic field sensors having the above-described configurations of 0, 90 and 110 (deg) were produced, and experiments were conducted using these test optical magnetic field sensors. First, the amplitude H 0 is 500 (Oe) and the frequency ω /
Degree of modulation when an AC magnetic field with (2π) of 50 (Hz) is applied
We experimented with V r . The measurement result in this experiment is
This is indicated by the ● mark in FIG. 5 described above. The experimental value and the calculated value are in good agreement, and in the range of 0 <θ <90, 0 <φ <90, θ + φ = 90, 90 <θ <180, 0 <φ <90.
In the range of, it was demonstrated that the modulation degree V r becomes maximum when θ−φ = 90.

【0020】また、変調度 Vr が最大となるようなφと
θを有する下記No.1〜No.5の光磁界センサ、すなわち、
(No.1)φ=20;θ=70,(No.2)φ=40;θ=
50,(No.3)φ=60;θ=30,(No.4)φ=8
0;θ=10,(No.5)φ=20;θ=110の中の代
表例として、(No.3)φ=60;θ=30の光磁界セン
サを用い、周波数ω/(2π)が50(Hz)の交流磁界を
0〜700(Oe)の範囲で変化させて加え、磁界の強さと
出力電圧の実効値の関係を実験で調べた。この実験結果
を、図3に示してある。磁界の強さの変化に対して、光
磁界センサの出力が直線的に変化していることが示され
おり、式(6)が一次式であることと一致している。こ
の実験では、磁界の強さと位相角の関係も調べ、図4に
示すような結果が得られた。すなわち、0〜700(Oe)
の磁界の強さの範囲で、位相角がほとんど零であること
が分かり、位相角が小さい光磁界センサ、という本発明
の目的の一つが達成されていることが実証された。
Further, the following No. 1 to No. 5 optical magnetic field sensors having φ and θ such that the modulation degree V r becomes maximum, that is,
(No.1) φ = 20; θ = 70, (No.2) φ = 40; θ =
50, (No.3) φ = 60; θ = 30, (No.4) φ = 8
0; θ = 10, (No.5) φ = 20; θ = 110 As a typical example, (No.3) φ = 60; θ = 30 is used, and the frequency ω / (2π) is used. An AC magnetic field of 50 (Hz) was changed in the range of 0 to 700 (Oe), and the relationship between the strength of the magnetic field and the effective value of the output voltage was examined by experiments. The results of this experiment are shown in FIG. It is shown that the output of the optical magnetic field sensor changes linearly with respect to the change of the magnetic field strength, which is consistent with the expression (6) being a linear expression. In this experiment, the relationship between the magnetic field strength and the phase angle was also examined, and the results shown in FIG. 4 were obtained. That is, 0 to 700 (Oe)
It was found that the phase angle was almost zero in the range of the magnetic field strength, and it was proved that one of the objects of the present invention, that is, an optical magnetic field sensor having a small phase angle was achieved.

【0021】[0021]

【発明の効果】以上説明したように本発明の光磁界セン
サは、磁界の強さの広い範囲にわたって、磁界に対する
信号処理回路からのセンサ出力の直線性がよく、磁界と
センサ出力の位相のずれ方も小さく、変調度が大きいと
いう優れた性能を有しており、高感度にかつ高精度に、
磁界を測定することができる。
As described above, the optical magnetic field sensor of the present invention has good linearity of the sensor output from the signal processing circuit with respect to the magnetic field over a wide range of magnetic field strength, and the phase shift between the magnetic field and the sensor output. It also has the excellent performance of being small and having a large degree of modulation, with high sensitivity and high accuracy.
The magnetic field can be measured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1実施例に係る光磁界センサの基本
構成を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of an optical magnetic field sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1の基本構成を基に作製し実験に供した第2
実施例の光磁界センサの構成を示す概略図である。
FIG. 2 is a second panel that was manufactured based on the basic configuration of FIG.
It is a schematic diagram showing the composition of the optical magnetic field sensor of an example.

【図3】本発明の光磁界センサに係る磁界の強さ−出力
電圧の実効値の図表である。
FIG. 3 is a table of magnetic field strength-effective value of output voltage according to the optical magnetic field sensor of the present invention.

【図4】本発明の光磁界センサに係る磁界の強さ−位相
差角の図表である。
FIG. 4 is a chart of magnetic field strength-phase difference angle according to the optical magnetic field sensor of the present invention.

【図5】本発明の光磁界センサに係る実験値を含む相対
角度φをパラメータとするファラデー回転角θ−変調度
Vr の図表である。
FIG. 5 is a Faraday rotation angle θ-degree of modulation with a relative angle φ including an experimental value relating to the optical magnetic field sensor of the present invention as a parameter.
It is a chart of V r .

【図6】従来技術の光磁界センサの基本構成を示す概略
図である。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a basic configuration of a conventional optical magnetic field sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源 2 入力側光ガイドファイバ 3 入力側レンズ 4 入力側偏光子 5 半波長板 6 磁性ガーネット又は磁気光学素子 7 出力側偏光子 8 出力側レンズ 9 出力側光ガイドファイバ 10 光検出器 11 信号処理回路 12 入力側全反射プリズム 13 出力側全反射プリズム 14 集光レンズ 15 入力側偏光子 16 出力側偏光子 1 light source 2 input side optical guide fiber 3 input side lens 4 input side polarizer 5 half-wave plate 6 magnetic garnet or magneto-optical element 7 output side polarizer 8 output side lens 9 output side optical guide fiber 10 photodetector 11 signal processing Circuit 12 Input side total reflection prism 13 Output side total reflection prism 14 Condenser lens 15 Input side polarizer 16 Output side polarizer

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 入力側光ガイドファイバ直後の入力側レ
ンズから射出する光が、入力側偏光子、磁性ガーネッ
ト、集光レンズ、出力側偏光子を通過した後、出力側光
ガイドファイバ直前の出力側レンズにより前記出力側光
ファイバへ導かれるようにした光磁界センサにおいて、
前記二つの偏光子間の相対角度φ(deg)と前記磁性ガー
ネットのファラデー回転角θ(deg) が、 0<θ<90,0<φ<90のとき、θ+φ=90で、 0<θ<90,90<φ<180のとき及び90<θ<
180,0<φ<90のとき、|φ−θ|=90で、 90<θ<180,90<φ<180のとき、θ+φ=
270であるようにしたことを特徴とする光磁界セン
サ。
1. Light output from an input-side lens immediately after an input-side optical guide fiber passes through an input-side polarizer, a magnetic garnet, a condenser lens, and an output-side polarizer, and then an output immediately before an output-side optical guide fiber. In the optical magnetic field sensor that is guided to the output side optical fiber by the side lens,
When the relative angle φ (deg) between the two polarizers and the Faraday rotation angle θ (deg) of the magnetic garnet are 0 <θ <90 and 0 <φ <90, θ + φ = 90 and 0 <θ < When 90, 90 <φ <180 and 90 <θ <
When 180,0 <φ <90, | φ−θ | = 90, and when 90 <θ <180, 90 <φ <180, θ + φ =
An optical magnetic field sensor characterized in that the optical magnetic field sensor is 270.
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