JPH1164392A - Optical fiber applied measuring instrument - Google Patents

Optical fiber applied measuring instrument

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JPH1164392A
JPH1164392A JP9225292A JP22529297A JPH1164392A JP H1164392 A JPH1164392 A JP H1164392A JP 9225292 A JP9225292 A JP 9225292A JP 22529297 A JP22529297 A JP 22529297A JP H1164392 A JPH1164392 A JP H1164392A
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optical fiber
sensor
light
measuring instrument
optical
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Kiyohisa Terai
清寿 寺井
Masao Takahashi
正雄 高橋
Yuji Mizutani
雄二 水谷
Takeshi Sato
健 佐藤
Toru Uenishi
徹 上西
Sakae Ikuta
栄 生田
Takashi Yokota
岳志 横田
Hideki Noda
英樹 野田
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Toshiba Corp
Toshiba Substation Equipment Technology Corp
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Toshiba Corp
Toshiba Substation Equipment Technology Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical fiber application measuring instrument capable of precise measurement and excellent in long period reliability. SOLUTION: As an optical fiber for an optical fiber sensor 8, a single mode fiber always provided with optical activity even in a state without a magnetic field is adopted and the optical fiber itself is a (span) fiber twisted at a manufacturing step. An optical fiber for the sensor 8 is composed of a core part 30 for propagating light, a clad layer 31 and a coating layer 32 successively provided at its outer peripheral and is mechanically twisted to the right at a loading step. As the polarizing surface of light is averaged by rotation when light is propagated within the sensor 8, nonuniformity of the inside of the sensor 8 in terms of light is eliminated to realize highly precise measurement without the deterioration of sensitivity.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光の特性の変化を
利用して物理量を測定する光応用計測器に係り、特に、
光ファイバーセンサの構成を改良した光応用計測器に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical measuring instrument for measuring a physical quantity by utilizing a change in the characteristics of light.
The present invention relates to an optical measuring instrument having an improved configuration of an optical fiber sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、光で物理量を測定する光ファイバ
ー応用計測器が提案されている。特に、光ファイバー電
流計測器は、被測定電流が流れる導体に近接して光ファ
イバーをセンサとして配置し、このセンサに直線偏光の
光を通過させて、被測定電流によって生ずるファラデー
効果の旋光角を測定するものである。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been proposed an optical fiber applied measuring instrument for measuring a physical quantity by light. In particular, the optical fiber current measuring device arranges an optical fiber as a sensor in close proximity to a conductor through which a current to be measured flows, and passes linearly polarized light through the sensor to measure the angle of rotation of the Faraday effect caused by the current to be measured. Things.

【0003】図8は、従来の光ファイバー電流計測器の
一例として、U.S.Patent No.3,605,013の
公報に記載の光ファイバー電流計測器を示す構成図であ
る。この図8に示すように、光ファイバー電流計測器
は、レーザ1、偏光子2、送光用ファイバー3、光ファ
イバーセンサ(光ガイド)3´、被測定導体4、検光子
5、光検出器6、および表示装置7より構成されてお
り、光ファイバーセンサ3´は、センサ用光ファイバー
を、被測定導体4の周りに巻き付けるように近接配置し
て構成されている。
FIG. 8 shows an example of a conventional optical fiber current measuring device as disclosed in U.S. Pat. S. It is a block diagram showing the optical fiber current measuring device described in Japanese Patent No. 3,605,013. As shown in FIG. 8, the optical fiber current measuring device includes a laser 1, a polarizer 2, a transmitting fiber 3, an optical fiber sensor (optical guide) 3 ', a conductor to be measured 4, an analyzer 5, an optical detector 6, The optical fiber sensor 3 ′ is configured such that an optical fiber for a sensor is arranged close to the conductor 4 to be measured so as to be wound therearound.

【0004】光源となるレーザ1より出射された光は、
偏光子2により直線偏光にされ、送光用ファイバー3を
通して光ファイバーセンサ3´に導かれる。被測定導体
4に電流Iが流れることによって磁界が発生し、この磁
界により、光ファイバーセンサ3´中を伝播する光に、
ファラデー効果に基づく旋光が生じる。光ファイバーセ
ンサ3´を通過した後、光は、送光用ファイバー3を通
って検光子5に導かれ、検光子5の方位の光の成分のみ
が通過して光検出器6に導かれる。電流量Iが変化する
と、この変化に応じてファラデー旋光角が変化するた
め、検光子5通過後の光量が変化し、それに伴い光検出
器6の出力が変化する。したがって、光検出器6の出力
を測定することにより、電流量Iを求めることができ
る。得られた結果は、信号処理器を兼ねた表示装置7に
よって表示される。
The light emitted from the laser 1 serving as a light source is
The light is converted into linearly polarized light by the polarizer 2, and guided to the optical fiber sensor 3 ′ through the light transmitting fiber 3. A magnetic field is generated by the current I flowing through the conductor to be measured 4, and this magnetic field causes light propagating in the optical fiber sensor 3 ′ to
Optical rotation based on the Faraday effect occurs. After passing through the optical fiber sensor 3 ′, the light is guided to the analyzer 5 through the light transmitting fiber 3, and only the light component in the direction of the analyzer 5 passes and is guided to the photodetector 6. When the current amount I changes, the Faraday rotation angle changes in accordance with the change, so that the light amount after passing through the analyzer 5 changes, and the output of the photodetector 6 changes accordingly. Therefore, by measuring the output of the photodetector 6, the current amount I can be obtained. The obtained result is displayed by the display device 7 also serving as a signal processor.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図8に
示すような従来の光ファイバー電流計測器においては、
センサ用光ファイバーを被測定導体の周りに巻き付ける
ことにより光ファイバー中に誘起される複屈折により、
センサ用光ファイバーの感度が低下し、かつ、温度等の
外部環境により測定結果が変動するという問題点があ
る。また、電力系統に用いるためには、高精度測定だけ
でなく、さらに長期信頼性を確保することが必要であ
る。
However, in the conventional optical fiber current measuring device as shown in FIG.
Due to the birefringence induced in the optical fiber by winding the sensor optical fiber around the conductor to be measured,
There is a problem that the sensitivity of the sensor optical fiber is reduced and the measurement result fluctuates due to an external environment such as temperature. In addition, in order to use it in a power system, it is necessary to secure not only high-precision measurement but also long-term reliability.

【0006】なお、このような問題点は、光ファイバー
電流計測器に限らず、被測定対象物の近傍に配置された
光ファイバーセンサを通る光の変化を利用して被測定対
象物の各種の物理量を測定するように構成した各種の光
ファイバー応用計測器において、同様に存在している。
[0006] Such a problem is not limited to the optical fiber current measuring device, and various physical quantities of the object to be measured can be measured by utilizing a change in light passing through an optical fiber sensor arranged near the object to be measured. It is also present in various fiber optic applied meters configured to measure.

【0007】本発明は、このような従来技術の問題点を
解決するために提案されたものであり、その目的は、高
精度な測定が可能でしかも長期信頼性に優れた光ファイ
バー応用計測器を提供することである。
The present invention has been proposed to solve such problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an optical fiber-based measuring instrument capable of performing high-accuracy measurement and having excellent long-term reliability. To provide.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項1記載の発明においては、被測定対象物の
近くに配置された光ファイバーセンサと、測定用の光を
発生して前記センサに送る光源と、前記センサからの出
射光を検出する検出器と、前記センサと光源および検出
器とを光学的に結合する結合光学系と、前記検出器から
の信号を処理する信号処理部とを備え、光の特性の変化
により物理量を計測する光ファイバー応用計測器におい
て、前記光ファイバーセンサとして磁界がない状態でも
常に旋光性を有するファイバーを用いたことを特徴とし
ている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an optical fiber sensor disposed near an object to be measured, and an optical fiber sensor for generating light for measurement. A light source to be sent to the sensor, a detector for detecting light emitted from the sensor, a coupling optical system for optically coupling the sensor with the light source and the detector, and a signal processing unit for processing a signal from the detector In an optical fiber applied measuring instrument for measuring a physical quantity by a change in the characteristics of light, a fiber having optical rotatory power even in the absence of a magnetic field is used as the optical fiber sensor.

【0009】以上のような請求項1に係る発明によれ
ば、光ファイバーセンサとして磁界がない状態でも常に
旋光性を有する光ファイバーを用いることにより、光フ
ァイバーセンサ内を光が伝播する際、光の偏波面が旋光
を受けて回転することによって平均化されるため、光か
ら見た光ファイバーセンサ内部の不均一性が緩和され
る。その結果、光ファイバー中に誘起されて不均一性の
原因となる直線複屈折の影響を抑制することができ、高
精度な測定を実現することができる。
According to the first aspect of the present invention, by using an optical fiber having optical rotation at all times even in the absence of a magnetic field as the optical fiber sensor, when the light propagates through the optical fiber sensor, the polarization plane of the light Are rotated and averaged by rotation, so that non-uniformity inside the optical fiber sensor viewed from the light is reduced. As a result, the effect of linear birefringence induced in the optical fiber and causing non-uniformity can be suppressed, and highly accurate measurement can be realized.

【0010】請求項2記載の発明は、請求項1記載の光
ファイバー応用計測器において、前記光ファイバーセン
サ用の光ファイバーとして、製造段階で捻じりを加えた
光ファイバーを用い、この光ファイバーを実装段階でさ
らに捻じりを加えて配置したことを特徴としている。
According to a second aspect of the present invention, in the optical fiber applied measuring device according to the first aspect, as the optical fiber for the optical fiber sensor, an optical fiber twisted at a manufacturing stage is used, and the optical fiber is further twisted at a mounting stage. It is characterized by being arranged in addition to the above.

【0011】請求項2に係る発明によれば、製造段階で
捻じられたスパンファイバーを用いることにより、複屈
折量の小さい光ファイバーが得られる。すなわち、スパ
ンファイバーは、ファイバー原料となるプリフォームを
回転させながら線引きして製作されることから、ファイ
バー製作時に生ずるファイバーコア部の非対称性がなく
なり、複屈折量の小さいファイバーが実現できる。この
場合、製造段階の高温時に捻じっていることから、ファ
イバー内部に応力はほとんど発生しないため、光ファイ
バーには旋光性はほとんどない。
According to the second aspect of the present invention, an optical fiber having a small amount of birefringence can be obtained by using a spun fiber twisted in a manufacturing stage. That is, the spun fiber is manufactured by drawing while rotating a preform as a fiber raw material, so that there is no asymmetry of the fiber core portion generated at the time of manufacturing the fiber, and a fiber having a small birefringence can be realized. In this case, since the optical fiber is twisted at a high temperature in the manufacturing stage, almost no stress is generated inside the fiber, the optical fiber has almost no optical rotation.

【0012】しかしながら、このような均質な光ファイ
バーを用いても、実装段階に光ファイバーに曲率を持た
せると、この曲率に起因して光ファイバー中に複屈折が
誘起され、光ファイバーは実質的に不均一になる。これ
に対して、本発明においては、実装段階で光ファイバー
にさらに捻じりを加えて光ファイバーセンサを構成する
ことにより、捻じり方向に応力を発生させ、伝播する光
に旋光性を持たせることができる。
However, even if such a homogeneous optical fiber is used, if the optical fiber has a curvature in the mounting stage, birefringence is induced in the optical fiber due to the curvature, and the optical fiber becomes substantially non-uniform. Become. On the other hand, in the present invention, by forming the optical fiber sensor by further twisting the optical fiber at the mounting stage, it is possible to generate stress in the twisting direction and impart optical rotation to the propagating light. .

【0013】したがって、このような光ファイバーセン
サ内を光が伝播する際、光の偏光面が旋光を受けて回転
することにより平均化されるため、光から見た光ファイ
バーセンサ内部の不均一性を解消することができ、感度
の低下なしに高精度な測定が実現できる。
Therefore, when the light propagates in such an optical fiber sensor, the polarization plane of the light is rotated and rotated by the rotation, so that the polarization plane is averaged, thereby eliminating the non-uniformity inside the optical fiber sensor as viewed from the light. And high-accuracy measurement can be realized without lowering the sensitivity.

【0014】請求項3記載の発明は、請求項1または2
記載の光ファイバー応用計測器において、前記光ファイ
バーセンサ用の光ファイバーのクラッド外径を2r(μ
m)、前記被測定対象物の周りにおけるこの光ファイバ
ーの巻き数をm(回)とした場合に、この光ファイバー
に対して実装段階に加える捻じり率nt (回/m)が、 nt ≦(125/2r)(8.0−log10m) を満足する値であることを特徴としている。
According to a third aspect of the present invention, there is provided the first or second aspect.
In the optical fiber applied measuring device, the cladding outer diameter of the optical fiber for the optical fiber sensor is 2r (μ).
m), assuming that the number of turns of the optical fiber around the object to be measured is m (turns), the torsion rate n t (turns / m) applied to the optical fiber in the mounting stage is n t ≦ (125 / 2r) (8.0-log 10 m).

【0015】請求項3に係る発明によれば、光ファイバ
ーセンサ用の光ファイバーに対して実装段階に加える捻
じり率nt (回/m)の値を、クラッド外径2r(μ
m)に関して具体的に規定することにより、捻じりに伴
う機械的強度に基づく寿命の低下を抑制し、長期信頼性
を高めることができる。
According to the third aspect of the present invention, the value of the torsion rate n t (times / m) added to the optical fiber for the optical fiber sensor in the mounting stage is determined by the cladding outer diameter 2r (μm).
By specifically defining m), it is possible to suppress a decrease in life due to mechanical strength due to torsion and to improve long-term reliability.

【0016】請求項4記載の発明は、請求項1、2また
は3記載の光ファイバー応用計測器において、前記光フ
ァイバーセンサ用の光ファイバー全長が有する複屈折量
が、捻じり数と複屈折量との関係によって0°近傍と極
値近傍のいずれか一方の値を持つように、捻じり数を設
定したことを特徴としている。
According to a fourth aspect of the present invention, in the optical fiber applied measuring device of the first, second or third aspect, the birefringence amount of the entire length of the optical fiber for the optical fiber sensor is a relationship between the number of twists and the birefringence amount. Is characterized in that the number of twists is set so as to have one of values near 0 ° and near an extreme value.

【0017】請求項4に係る発明によれば、光ファイバ
ーセンサ用の光ファイバー全長が0°近傍もしくは極値
近傍となることにより、温度等の外部環境が変化しても
感度の変化量が小さくなるため、高精度を保つことがで
きる。
According to the fourth aspect of the present invention, since the total length of the optical fiber for the optical fiber sensor is near 0 ° or near the extreme value, the change in sensitivity becomes small even when the external environment such as temperature changes. , High accuracy can be maintained.

【0018】請求項5記載の発明は、請求項1〜4のい
ずれか一つに記載の光ファイバー応用計測器において、
前記光ファイバーセンサに入射する光の偏波面の方向
が、光ファイバーが配置されている面に対して、+45
°、+135°、−45°、もしくは−135°の近傍
となるようにしたことを特徴としている。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an optical fiber applied measuring instrument according to any one of the first to fourth aspects,
The direction of the polarization plane of the light incident on the optical fiber sensor is +45 with respect to the plane on which the optical fiber is disposed.
°, + 135 °, -45 °, or -135 °.

【0019】請求項5に係る発明によれば、光ファイバ
ーセンサを捻じることにより、ファイバー内で誘起され
る複屈折量を平均化する度合いを大きくすることがで
き、結果として、少ない捻じり量で感度の変化量を小さ
くできるため、寿命の低下を抑制できるとともに、高精
度を保つことができる。
According to the fifth aspect of the invention, by twisting the optical fiber sensor, the degree of averaging of the birefringence induced in the fiber can be increased, and as a result, the twist can be reduced with a small amount of twist. Since the amount of change in sensitivity can be reduced, a reduction in life can be suppressed, and high accuracy can be maintained.

【0020】請求項6記載の発明は、請求項4または5
記載の光ファイバー応用計測器において、前記光ファイ
バーセンサ用の光ファイバーとして石英ファイバーを用
い、この光ファイバー全長に亘る捻じり数N(回)が、 3.5M−1≦N≦3.5M+1 (Mは0以外の整
数) を満足する値であることを特徴としている。
The invention according to claim 6 is the invention according to claim 4 or 5.
In the optical fiber applied measuring device described above, a quartz fiber is used as the optical fiber for the optical fiber sensor, and the number of twists N (times) over the entire length of the optical fiber is 3.5M-1 ≦ N ≦ 3.5M + 1 (M is other than 0) Is a value satisfying the following.

【0021】請求項6に係る発明によれば、光ファイバ
ーセンサ用の石英ファイバーの全長に亘る捻じり数N
(回)を具体的に規定することにより、捻じりによる光
の偏光面の回転角を90°近傍の整数倍にすることがで
きるため、これにより、光ファイバーセンサ用の光ファ
イバー全長が有する複屈折量を0°近傍にすることがで
きる。したがって、感度が低下することなく、温度等の
外部環境が変化しても感度の変化量が小さくなるため、
高精度を保つことができる。
According to the invention of claim 6, the number of twists N over the entire length of the quartz fiber for the optical fiber sensor is provided.
By specifically defining (times), the rotation angle of the polarization plane of the light due to the twist can be made an integral multiple of around 90 °, so that the birefringence amount of the entire length of the optical fiber for the optical fiber sensor is obtained. Can be set near 0 °. Therefore, even if the external environment such as temperature changes, the amount of change in sensitivity is reduced without lowering the sensitivity.
High accuracy can be maintained.

【0022】請求項7記載の発明は、請求項4記載の光
ファイバー応用計測器において、前記光ファイバーセン
サ用の光ファイバーとして石英ファイバーを用い、この
光ファイバー全長に亘る捻じり数N(回)が、 |N|=1.75+3.5M (Mは正の整数) を満足する値の±1以内の値であることを特徴としてい
る。
According to a seventh aspect of the present invention, in the optical fiber applied measuring device of the fourth aspect, a quartz fiber is used as the optical fiber for the optical fiber sensor, and the number of twists N (times) over the entire length of the optical fiber is | N | = 1.75 + 3.5M (M is a positive integer).

【0023】請求項7に係る発明によれば、光ファイバ
ーセンサ用の石英ファイバーの全長に亘る捻じり数N
(回)を具体的に規定することにより、複屈折量を極値
にすることができる。したがって、温度等の外部環境が
変化しても感度の変化量が小さくなるため、高精度を保
つことができる。
According to the seventh aspect of the present invention, the number of twists N over the entire length of the quartz fiber for the optical fiber sensor is provided.
By specifically defining (times), the amount of birefringence can be made an extreme value. Therefore, even if the external environment such as the temperature changes, the change amount of the sensitivity becomes small, so that high accuracy can be maintained.

【0024】請求項8記載の発明は、請求項1〜7のい
ずれか一つに記載の光ファイバー応用計測器において、
前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーの平均曲げ半
径をR(m)、前記被測定対象物の周りにおけるこの光
ファイバーの巻き数をm、光の波長をλとした場合に、
この光ファイバーのクラッド外径2r(μm)が、 (r/62.5)2 ≦(80/2mπR/3.8)(R
/0.25)2 (λ/0.8) を満足する値であることを特徴としている。
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided an optical fiber applied measuring instrument according to any one of the first to seventh aspects,
When the average bending radius of the optical fiber for the optical fiber sensor is R (m), the number of turns of the optical fiber around the object to be measured is m, and the wavelength of light is λ,
The outer diameter 2r (μm) of the cladding of this optical fiber is (r / 62.5) 2 ≦ (80 / 2mπR / 3.8) (R
/0.25) 2 (λ / 0.8).

【0025】請求項8に係る発明によれば、光ファイバ
ーセンサ用の光ファイバーのクラッド外径2r(μm)
を、光ファイバーの平均曲げ半径R(m)と巻き数m、
および光の波長λに関して具体的に規定することによ
り、曲げによる複屈折を小さくすることができるため、
精度を高めることができる。
According to the invention of claim 8, the cladding outer diameter of the optical fiber for the optical fiber sensor is 2r (μm).
With the average bending radius R (m) of the optical fiber and the number of turns m,
And by specifically defining the wavelength λ of light, birefringence due to bending can be reduced,
Accuracy can be increased.

【0026】請求項9記載の発明は、請求項1〜8のい
ずれか一つに記載の光ファイバー応用計測器において、
前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーの平均曲げ半
径をR(m)、前記被測定対象物の周りにおけるこの光
ファイバーの巻き数をmとした場合に、この光ファイバ
ーのクラッド外径2r(μm)が、 2r/125≦(8.0−log10m)×2mπR/
3.5 を満足する値であることを特徴としている。
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided an optical fiber applied measuring instrument according to any one of the first to eighth aspects,
When the average bending radius of the optical fiber for the optical fiber sensor is R (m) and the number of turns of the optical fiber around the object to be measured is m, the cladding outer diameter 2r (μm) of the optical fiber is 2r / 125 ≦ (8.0−log 10 m) × 2mπR /
It is a value that satisfies 3.5.

【0027】請求項9に係る発明によれば、光ファイバ
ーセンサ用の光ファイバーのクラッド外径2r(μm)
を、光ファイバーの平均曲げ半径R(m)と巻き数mに
関して具体的に規定することにより、光ファイバーの曲
げ半径Rが小さい場合でも、曲げによる複屈折を小さく
できると共に、実装段階で捻じることによる機械的強度
に基づく寿命の低下を抑制できるため、精度および長期
信頼性を高めることができる。
According to the ninth aspect of the invention, the cladding outer diameter of the optical fiber for the optical fiber sensor is 2r (μm).
Is specifically defined with respect to the average bending radius R (m) of the optical fiber and the number of turns m, so that even if the bending radius R of the optical fiber is small, the birefringence due to bending can be reduced, and the twisting at the mounting stage can be achieved. Since the reduction in the life based on the mechanical strength can be suppressed, accuracy and long-term reliability can be improved.

【0028】請求項10記載の発明は、請求項1〜9の
いずれか一つに記載の光ファイバー応用計測器におい
て、前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーが、少な
くともそのコア部分に捻じり応力を加えた後に新たなコ
ーティング層が設けられてなる光ファイバーであること
を特徴としている。
According to a tenth aspect of the present invention, in the optical fiber applied measuring instrument according to any one of the first to ninth aspects, the optical fiber for the optical fiber sensor applies a torsional stress to at least a core portion thereof. It is an optical fiber provided with a new coating layer.

【0029】請求項10に係る発明によれば、光ファイ
バーセンサの少なくともコア部分に捻じり応力を加えた
後に新たなコーティング層を設けることにより、捻じり
が固定できる。したがって、捻じりに起因する光ファイ
バーの絡みがなくなり、実装が容易になると共に、光フ
ァイバー中に誘起されて不均一性の原因となる直線複屈
折の影響を、捻じり応力による光の旋光によって抑制す
ることができるため、高精度な測定を実現することがで
きる。
According to the tenth aspect of the present invention, the twist can be fixed by providing a new coating layer after applying a torsional stress to at least the core portion of the optical fiber sensor. Therefore, entanglement of the optical fiber due to twisting is eliminated, and mounting is facilitated, and the effect of linear birefringence induced in the optical fiber and causing non-uniformity is suppressed by optical rotation of light due to twisting stress. Therefore, highly accurate measurement can be realized.

【0030】請求項11記載の発明は、請求項1〜10
のいずれか一つに記載の光ファイバー応用計測器におい
て、前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーが、少な
くともそのコア部分に捻じり応力を加え、少なくとも両
端を固定した状態で、その外側に外被となる保護用のパ
イプが設けられてなる光ファイバーであることを特徴と
している。
The invention according to claim 11 is the invention according to claims 1 to 10
In the optical fiber applied measuring device according to any one of the above, the optical fiber for the optical fiber sensor, torsion stress is applied to at least its core portion, at least both ends are fixed, and a protective outer jacket is provided. Characterized in that it is an optical fiber provided with a pipe.

【0031】請求項11に係る発明によれば、光ファイ
バーセンサの少なくともコア部分に捻じり応力を加えて
少なくとも両端を固定した状態でその外側に外被となる
保護用のパイプを設けることにより、光ファイバー中に
誘起されて不均一性の原因となる直線複屈折の影響を、
捻じり応力による光の旋光によって抑制することができ
る。したがって、高精度な測定を実現することができる
と共に、光ファイバー自体の劣化を防止でき、長期信頼
性が確保できる。
According to the eleventh aspect of the present invention, the optical fiber sensor is provided with a protective pipe as a jacket outside the optical fiber sensor with at least both ends fixed by applying a torsional stress to at least the core portion. The effects of linear birefringence induced during
It can be suppressed by optical rotation of light due to torsional stress. Therefore, high-precision measurement can be realized, deterioration of the optical fiber itself can be prevented, and long-term reliability can be ensured.

【0032】請求項12記載の発明は、請求項1〜11
のいずれか一つに記載の光ファイバー応用計測器におい
て、ファラデー効果を利用した電流計測に応用したこと
を特徴としている。
The twelfth aspect of the present invention provides the first to eleventh aspects.
In the optical fiber applied measuring device according to any one of the above, the present invention is applied to current measurement using the Faraday effect.

【0033】請求項12に係る発明によれば、前述した
ような優れた作用を奏する請求項1〜11記載の光ファ
イバー応用計測器を、ファラデー効果を利用した電流計
測に応用することにより、高精度な測定が可能でしかも
長期信頼性に優れた光ファイバー電流計測器を実現でき
る。
According to the twelfth aspect of the present invention, by applying the optical fiber measuring instrument according to the first to eleventh aspects having the above-described excellent effects to current measurement utilizing the Faraday effect, high accuracy is achieved. An optical fiber current measuring instrument capable of performing accurate measurement and having excellent long-term reliability can be realized.

【0034】[0034]

【発明の実施の形態】以下には、本発明による光ファイ
バー応用計測器を光ファイバー電流計測器に適用した複
数の実施の形態について、図1〜図8を参照して説明す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A plurality of embodiments in which an optical fiber applied measuring device according to the present invention is applied to an optical fiber current measuring device will be described below with reference to FIGS.

【0035】[1.第1の実施の形態] [1−1.全体の構成]図1は、本発明に係る第1の実
施の形態として、特に、請求項2、12記載の各発明を
適用した光ファイバー電流計測器の一つの実施の形態を
示している。この図1に示すように、本実施の形態の光
ファイバー電流計測器において、光ファイバーセンサ8
は、被測定導体4の周りを囲むように配置されている。
[1. First Embodiment] [1-1. FIG. 1 shows, as a first embodiment of the present invention, one embodiment of an optical fiber current measuring device to which each of the second and twelfth aspects of the present invention is applied. As shown in FIG. 1, in the optical fiber current measuring device of the present embodiment, the optical fiber sensor 8
Are arranged so as to surround the conductor 4 to be measured.

【0036】この図1に示すように、本実施の形態の光
ファイバー電流計測器は、大別して、センサ光学部9、
信号処理部10、および伝送用ファイバー部11から構
成されている。
As shown in FIG. 1, the optical fiber current measuring device according to the present embodiment is roughly divided into a sensor optical unit 9,
It comprises a signal processing unit 10 and a transmission fiber unit 11.

【0037】このうち、信号処理部10は、測定光を発
生する光源12、センサ光学部9からの2つの光を検出
してその強度に応じた電気信号に変換する検出器13、
検出器13で得られた信号を演算処理する信号処理回路
14、および処理結果を出力する出力端子15を備えて
いる。光源12は、レーザダイオードまたはスーパール
ミネセントダイオードによって構成されている。
The signal processing unit 10 includes a light source 12 that generates measurement light, a detector 13 that detects two lights from the sensor optical unit 9 and converts the two lights into an electric signal corresponding to the intensity.
A signal processing circuit 14 that performs arithmetic processing on the signal obtained by the detector 13 and an output terminal 15 that outputs a processing result are provided. The light source 12 is constituted by a laser diode or a super luminescent diode.

【0038】また、伝送用ファイバー部11は、信号処
理部10内の光源12からセンサ光学部9に光を送る送
光用ファイバー16と、センサ光学部9から信号処理部
10内の2つの検出器13に光を送る2本の受光用ファ
イバー17とを備えている。
The transmission fiber unit 11 includes a light transmission fiber 16 for transmitting light from the light source 12 in the signal processing unit 10 to the sensor optical unit 9, and two detection fibers in the signal processing unit 10 from the sensor optical unit 9. And two light receiving fibers 17 for transmitting light to the container 13.

【0039】一方、センサ光学部9は、結合光学部18
aと光ファイバーセンサ部18bとを備えている。この
うち、結合光学部18aは、4つのレンズ19〜22、
偏光子23、2つのビームスプリッタ24,25、およ
び2つの検光子26,27から構成されている。ここ
で、4つのレンズ19〜22のうち、第1のレンズ19
は、送光用ファイバー16からの光を平行ビームに変換
するために使用され、第2のレンズ20は、光ファイバ
ーセンサ部18bに光を入射し、かつ、光ファイバーセ
ンサ部18bからの出射光を受光するために使用され、
第3と第4のレンズ21,22は、平行ビームを集光し
て各受光用ファイバー17に入射するためにそれぞれ使
用される。
On the other hand, the sensor optical unit 9 is
a and an optical fiber sensor section 18b. The coupling optical unit 18a includes four lenses 19 to 22,
It comprises a polarizer 23, two beam splitters 24 and 25, and two analyzers 26 and 27. Here, of the four lenses 19 to 22, the first lens 19
Is used to convert the light from the light transmitting fiber 16 into a parallel beam, and the second lens 20 receives the light from the optical fiber sensor 18b and receives the light emitted from the optical fiber sensor 18b. Used to
The third and fourth lenses 21 and 22 are used for condensing the parallel beams and entering the respective light receiving fibers 17.

【0040】偏光子23は、光を水平方向(光ファイバ
ーセンサ8が配置されている面)に関して45度方向の
直線偏光に変換するために使用され、2つのビームスプ
リッタ24,25は、光をその入射方向に応じて透過光
と反射光とに分割するためにそれぞれ使用される。2つ
の検光子26,27は、各々水平方向および垂直方向の
直線偏光の光を透過させることにより、直交するx,y
方向の各偏光成分を抽出するためにそれぞれ使用され
る。
The polarizer 23 is used to convert the light into linearly polarized light in a 45-degree direction with respect to the horizontal direction (the plane on which the optical fiber sensor 8 is disposed), and the two beam splitters 24 and 25 convert the light into the linearly polarized light. Each of them is used to split transmitted light and reflected light according to the incident direction. The two analyzers 26 and 27 transmit orthogonally polarized x and y by transmitting light of linearly polarized light in the horizontal and vertical directions, respectively.
Each is used to extract each polarization component of the direction.

【0041】この場合、結合光学部18aは、送光用フ
ァイバー16からの光を、第1のレンズ19、偏光子2
3、第1のビームスプリッタ24、および第2のレンズ
20を介して光ファイバーセンサ部18bの一端に送る
ようになっている。
In this case, the coupling optical unit 18a transmits the light from the light transmitting fiber 16 to the first lens 19 and the polarizer 2
3. The light is sent to one end of the optical fiber sensor section 18b via the first beam splitter 24 and the second lens 20.

【0042】また、光ファイバーセンサ部18bからの
反射方向の光は、第2のレンズ20を透過した後、第1
のビームスプリッタ24で反射され、第2のビームスプ
リッタ25に送られ、2方向の光に分割されるようにな
っている。この一方の分割光は、第1の検光子26およ
び第3のレンズ21を介して一方の受光用ファイバー1
7に送られる。他方の分割光は、第2の検光子27およ
び第4のレンズ22を介して他方の受光用ファイバー1
7に送られる。
The light in the reflection direction from the optical fiber sensor section 18b passes through the second lens 20,
, And is transmitted to the second beam splitter 25 to be split into light in two directions. The one split light is transmitted to the first light receiving fiber 1 via the first analyzer 26 and the third lens 21.
7 The other split light is transmitted through the second analyzer 27 and the fourth lens 22 to the other light receiving fiber 1.
7

【0043】一方、光ファイバーセンサ部18bは、被
測定電流が流れる被測定導体4の周囲に1以上のほぼ整
数倍の回数だけ巻き付けられた光ファイバーからなる光
ファイバーセンサ8から構成されており、この光ファイ
バーセンサ8は、その終端部に反射端28を備えてい
る。ここでは、光ファイバーセンサ8用の光ファイバー
として、信頼性の高い石英ファイバーを使用した場合に
ついて説明するが、特に、石英ファイバーに限定される
ものではない。また、光ファイバーセンサ8の反射端2
8は、光ファイバーセンサ8内を伝播してきた光を反射
して再び光ファイバーセンサ8内に戻し、反対方向に伝
播させるようになっている。この時、反射端28を用い
ることにより、光ファイバーの入射端と出射端は完全に
一致している。図中29は、このような入出射端を示し
ており、この入出射端29は、構造物中に収納されてい
る。そして、光ファイバーセンサ8の両端であるこの入
出射端29と前述した反射端28は互いに近接して配置
されている。
On the other hand, the optical fiber sensor section 18b is composed of an optical fiber sensor 8 composed of an optical fiber wound around the conductor 4 through which the current to be measured flows by an integral multiple of 1 or more. 8 has a reflective end 28 at the end thereof. Here, a case where a highly reliable quartz fiber is used as the optical fiber for the optical fiber sensor 8 will be described, but the present invention is not particularly limited to the quartz fiber. Also, the reflection end 2 of the optical fiber sensor 8
Numeral 8 reflects the light propagating in the optical fiber sensor 8, returns the light again into the optical fiber sensor 8, and propagates the light in the opposite direction. At this time, by using the reflection end 28, the input end and the output end of the optical fiber completely coincide with each other. In the drawing, reference numeral 29 indicates such an input / output end, and the input / output end 29 is housed in a structure. The input / output end 29, which is both ends of the optical fiber sensor 8, and the above-mentioned reflection end 28 are arranged close to each other.

【0044】[1−2.光ファイバーセンサの構成]図
2は、光ファイバーセンサ8の詳細を示す説明図であ
る。光ファイバーセンサ8用の光ファイバーとしては、
磁界がない状態でも常に旋光性を有するシングルモード
ファイバーが採用されており、この光ファイバー自体
は、製造段階に捻じられた(スパン)ファイバーであ
る。この光ファイバーセンサ8用の光ファイバーは、光
が伝播するコア部30と、その外周に順次設けられたク
ラッド層31およびコーティング層32から構成されて
おり、実装段階で右方向に機械的に捻じられている。
[1-2. Configuration of Optical Fiber Sensor] FIG. 2 is an explanatory diagram showing details of the optical fiber sensor 8. As an optical fiber for the optical fiber sensor 8,
A single mode fiber that always has optical rotation even in the absence of a magnetic field is employed, and the optical fiber itself is a (span) fiber twisted in a manufacturing stage. The optical fiber for the optical fiber sensor 8 is composed of a core portion 30 through which light propagates, a cladding layer 31 and a coating layer 32 provided sequentially on the outer periphery thereof, and is mechanically twisted rightward in the mounting stage. I have.

【0045】[1−3.電流計測]以上の構成を有する
図1の光ファイバー電流計測器による被測定導体4の電
流計測は、次のようにして行われる。まず、信号処理部
10の光源12から発した光は、送光用ファイバー16
を通ってセンサ光学部9の結合光学系18aに送られ
る。
[1-3. Current Measurement] The current measurement of the conductor 4 to be measured by the optical fiber current measuring device of FIG. 1 having the above configuration is performed as follows. First, light emitted from the light source 12 of the signal processing unit 10 is transmitted to the light transmitting fiber 16.
Is transmitted to the coupling optical system 18a of the sensor optical unit 9 through the optical path.

【0046】この送光用ファイバー16からの光は、第
1のレンズ19によって平行ビームに変換され、偏光子
23によって直線偏光に変換された後、第1のビームス
プリッタ24を透過して第2のレンズ20によって集光
され、光ファイバーセンサ部18bの始端部に入射す
る。
The light from the light transmitting fiber 16 is converted into a parallel beam by the first lens 19, converted into linearly polarized light by the polarizer 23, and then transmitted through the first beam splitter 24 to be converted into a second beam. And is incident on the starting end of the optical fiber sensor section 18b.

【0047】光ファイバーセンサ部18bに入射した光
は、光ファイバーセンサ8内を伝播して反射端28で反
射された後、再び光ファイバーセンサ8内に戻され、反
対方向に伝播して結合光学系18a側の始端部である入
射端から出射する。この場合、光ファイバーセンサ部1
8b内を往復する形で通過する光の偏光面は、被測定導
体4を流れる被測定電流によって誘起されるファラデー
効果により回転する。
The light that has entered the optical fiber sensor section 18b propagates through the optical fiber sensor 8 and is reflected by the reflection end 28, and then returns to the optical fiber sensor 8 again, and propagates in the opposite direction to the coupling optical system 18a. From the incident end, which is the start end of. In this case, the optical fiber sensor unit 1
The polarization plane of the light passing back and forth in 8b rotates due to the Faraday effect induced by the measured current flowing through the conductor 4 to be measured.

【0048】そして、光ファイバーセンサ8からの出射
光は、結合光学系18aの第2のレンズ20で平行ビー
ムに変換された後、第1のビームスプリッタ24で反射
され、第2のビームスプリッタ25で2方向の光に分割
される。
The light emitted from the optical fiber sensor 8 is converted into a parallel beam by the second lens 20 of the coupling optical system 18a, then reflected by the first beam splitter 24, and is reflected by the second beam splitter 25. It is split into light in two directions.

【0049】この場合、第2のビームスプリッタ25か
らの一方の分割光は、第1の検光子26によってx方向
の偏光成分が抽出された後、第3のレンズ21および受
光用ファイバー17を介して、信号処理部10の一方の
検出器13に送られる。また、他方の分割光は、第2の
検光子27によってy方向の偏光成分が抽出された後、
第4のレンズ22および受光用ファイバー17を介し
て、他方の検出器13に送られる。
In this case, one of the split beams from the second beam splitter 25 passes through the third lens 21 and the light receiving fiber 17 after the first analyzer 26 extracts the polarization component in the x direction. Then, it is sent to one detector 13 of the signal processing unit 10. Further, the other split light is obtained by extracting the polarization component in the y direction by the second analyzer 27.
The light is sent to the other detector 13 via the fourth lens 22 and the light receiving fiber 17.

【0050】このようにして、x方向とy方向の偏光成
分の光は、各検出器13に送られ、これらの検出器13
で得られた各偏光成分の信号は、信号処理回路14に送
られて演算処理され、得られた処理結果、すなわち測定
結果は、出力端子15によって出力される。
In this way, the light of the polarization components in the x direction and the y direction is sent to each detector 13 and these detectors 13
The signals of the respective polarization components obtained in (1) are sent to the signal processing circuit 14 where they are subjected to arithmetic processing, and the obtained processing results, that is, the measurement results, are output from the output terminal 15.

【0051】[1−4.光ファイバーセンサの作用]以
上が、図1の光ファイバー電流計測器における信号の流
れであるが、特に、光ファイバーセンサ8は、その構成
の特徴から、コア部30が均一である上、光ファイバー
センサ8内を光が伝播する際、光の偏光面が回転する。
この点について次に説明する。
[1-4. Operation of Optical Fiber Sensor] The signal flow in the optical fiber current measuring device shown in FIG. 1 has been described above. In particular, the optical fiber sensor 8 has a uniform core portion 30 and an optical fiber sensor 8 because of its configuration. As light propagates, the plane of polarization of the light rotates.
This will be described below.

【0052】まず、光ファイバーセンサ8用の光ファイ
バーは、磁界がない状態でも常に旋光性を有するシング
ルモードファイバーであり、しかも、この光ファイバー
自体は、製造段階においてプリフォームを回転させなが
ら線引きすることによって捻じられた(スパン)ファイ
バーであるため、ファイバー製作時に生ずるコア部30
の非対称性がなくなり、複屈折量が小さくなっている
(<2°/m)。すなわち、コア部30が均一化されて
いる。
First, the optical fiber for the optical fiber sensor 8 is a single mode fiber that always has optical rotation even in the absence of a magnetic field, and the optical fiber itself is twisted by drawing while rotating the preform in the manufacturing stage. Core (30) produced during fiber fabrication because
Is eliminated and the amount of birefringence is reduced (<2 ° / m). That is, the core portion 30 is made uniform.

【0053】また、光ファイバーを曲げると曲げた方
向、すなわち光ファイバーを配置した方向(x軸)とこ
れに垂直な方向(y軸)に複屈折の主軸が発生し、これ
が光ファイバー内の不均一性の原因になる。これに対し
て、光ファイバーセンサ8は、実装段階でも右方向に機
械的に捻じられているため、この光ファイバーセンサ8
内を伝播する光が旋光する。すなわち、図2において
は、光ファイバーセンサ8の軸方向(z軸方向)に直線
方向の光が伝播する際の、コア部30内のA点およびB
点での偏光面の方向が示してあり、光ファイバーが捩じ
られていることから、光の偏光面は、B点ではA点に比
べて角度θだけ旋光している。なお、光ファイバーが、
左方向に機械的に捻じられた場合でも、同様の作用が得
られる。
When the optical fiber is bent, a main axis of birefringence is generated in the bending direction, that is, the direction in which the optical fiber is arranged (x-axis) and the direction perpendicular thereto (y-axis). Cause. On the other hand, the optical fiber sensor 8 is mechanically twisted rightward even in the mounting stage.
The light propagating inside rotates. That is, in FIG. 2, when light in a linear direction propagates in the axial direction (z-axis direction) of the optical fiber sensor 8, points A and B
The direction of the polarization plane at the point is shown, and since the optical fiber is twisted, the polarization plane of the light rotates at an angle θ at the point B as compared with the point A. The optical fiber is
A similar effect can be obtained even when the motor is twisted mechanically to the left.

【0054】このように、光ファイバーセンサ8内を光
が伝播する際、光の偏光面が回転することにより平均化
されるため、光から見た光ファイバーセンサ8内部の不
均一性を解消することができ、感度の低下なしに高精度
な測定が実現できる。なお、捻じり応力による旋光性は
捻じり量に対して一定の割合となるため、あらかじめ捻
じり量がわかれば、この旋光量を求めることができ、被
測定電流4によって生ずる磁界によるファラデー効果と
分離することができる。特に、本実施の形態では、反射
鏡28を用いて光路を往復させているので、捻じりによ
る旋光量は行きと帰りで逆方向となり打ち消される構成
になっているため、実質的にファラデー旋光のみが測定
できるという利点がある。
As described above, when light propagates inside the optical fiber sensor 8, the light is averaged due to the rotation of the polarization plane of the light, so that the non-uniformity inside the optical fiber sensor 8 as viewed from the light can be eliminated. And high-accuracy measurement can be realized without lowering the sensitivity. Since the optical rotation due to the torsional stress has a fixed ratio to the amount of twist, if the amount of twist is known in advance, the amount of optical rotation can be obtained, and the Faraday effect due to the magnetic field generated by the current 4 to be measured can be obtained. Can be separated. In particular, in the present embodiment, since the optical path is reciprocated using the reflecting mirror 28, the amount of optical rotation due to twisting is reversed in the going and returning directions, and is canceled out. Has the advantage that it can be measured.

【0055】したがって、本実施の形態の形態によれ
ば、光ファイバーに旋光性を持たせた結果、ファイバー
内部の不均一性を解消することができるので、高精度な
電流測定が実現できる。
Therefore, according to the embodiment, as a result of imparting optical rotation to the optical fiber, the non-uniformity inside the fiber can be eliminated, so that highly accurate current measurement can be realized.

【0056】[2.第2の実施の形態]本発明に係る第
2の実施の形態として、特に、請求項3、12記載の各
発明を適用した光ファイバー電流計測器の一つの実施の
形態について、次に説明する。なお、本実施の形態は、
前述した第1の実施の形態の変形例に相当するため、第
1の実施の形態と同等の構成についての説明は省略す
る。
[2. Second Embodiment] As a second embodiment according to the present invention, one embodiment of an optical fiber current measuring device to which the inventions of claims 3 and 12 are applied will be described below. In this embodiment,
Since this corresponds to a modification of the above-described first embodiment, a description of a configuration equivalent to that of the first embodiment will be omitted.

【0057】すなわち、本実施の形態は、図1に示すよ
うな光ファイバーセンサ8の光ファイバーに加える捻じ
り量を規定して、長期信頼性を向上するものである。特
に、光ファイバー電流計測器を電力系統用として適用す
るためには、光ファイバーセンサ8の寿命が重要であ
る。
That is, in this embodiment, the amount of twist applied to the optical fiber of the optical fiber sensor 8 as shown in FIG. 1 is specified to improve long-term reliability. In particular, the life of the optical fiber sensor 8 is important for applying the optical fiber current measuring device for the power system.

【0058】まず、実装段階で捻じられた光ファイバー
の寿命ts は、次の(1)式によって表される。
First, the lifetime t s of the optical fiber twisted in the mounting stage is expressed by the following equation (1).

【数1】 ln(ts /tpe1 )=ln(Pf /L・Np1)−ln(b)−n・ln(σs /σp1) , b=ln(1+Np2/Np1)/ln{1+(σp2n ・tpe2 /(σp1n ・tpe1 } …(1) この(1)式において、各パラメータは、製造段階に捻
じられた光ファイバーの強度試験のパラメータを表して
いる。tpe1 、tpe2 は、1、2回目の耐力試験時間、
f は破壊確率、Lはファイバー長、Np1、Np2は1、
2回目の耐力試験時の単位長さ当たりの破断個数、
σp1、σp2は、1、2回目の耐力試験時の応力、nは動
的疲労試験による傾きである。
Ln (t s / t pe1 ) = ln (P f / L · N p1 ) −ln (b) −n · ln (σ s / σ p1 ), b = ln (1 + N p2 / N p1 ) / Ln {1+ (σ p2 ) n · t pe2 / (σ p1 ) n · t pe1 … (1) In the equation (1), each parameter is a parameter of the strength test of the optical fiber twisted at the manufacturing stage. Represents. t pe1 and t pe2 are the first and second proof test times,
P f is the failure probability, L is the fiber length, N p1 and N p2 are 1,
The number of breaks per unit length during the second proof stress test,
σ p1 and σ p2 are the stresses at the time of the first and second proof stress tests, and n is the slope obtained by the dynamic fatigue test.

【0059】σs は実使用時の応力であり、ファイバー
の最大主応力と等しい。すなわち、次のように表され
る。
Σ s is the stress during actual use and is equal to the maximum principal stress of the fiber. That is, it is expressed as follows.

【数2】σs =[σzmax+{(σzmax2 +4G2 θ2
2 1/2 ]/2 ここで、Gは横弾性係数、θは単位長さ当たりの捻じり
角度、rは光ファイバーのクラッド層の外半径である。
また、σzmaxは曲げの最大応力であり、次式で表わされ
る。
Σ s = [σ zmax + {(σ zmax ) 2 + 4G 2 θ 2
r 21/2 ] / 2 where G is the transverse elastic coefficient, θ is the twist angle per unit length, and r is the outer radius of the cladding layer of the optical fiber.
Σ zmax is the maximum stress of bending, and is expressed by the following equation.

【数3】σzmax={r/(R+r)}E ここで、Rはファイバーの曲げ半径、Eはヤング率であ
る。
Σ zmax = {r / (R + r)} E where R is the bending radius of the fiber and E is the Young's modulus.

【0060】具体的に、光ファイバーセンサ用の光ファ
イバーとして石英ファイバーを用い、破断確率Pf =1
-5、光ファイバーのクラッド外半径r=62.5μ
m、ファイバーの曲げ半径0.5m、巻回数m=1回と
し、強度試験を行ったところ、n=20、tpe1 =1.
2(s)、b=0.0492、σp1=3.196×10
s (Pa)、Np1=1.43(コ/m)、E=7.2×
1010(N/m2 )、G=E/{2・(1+0.
2)}、という結果が得られた。そして、この結果を前
記(1)式に代入したところ、図3に示すような、ファ
イバー破断寿命のファイバー捻じり回数依存性が得られ
た。この図3から明らかなように、捻じり率を8回/m
以下にすれば、電力系統用として要求される25年以上
の機械的寿命を確保することができる。
More specifically, a quartz fiber is used as an optical fiber for an optical fiber sensor, and a breakage probability P f = 1
0 -5 , outer radius of cladding of optical fiber r = 62.5μ
m, the bending radius of the fiber was 0.5 m, and the number of windings was m = 1, and a strength test was performed. As a result, n = 20 and t pe1 = 1.
2 (s), b = 0.0492, σ p1 = 3.196 × 10
s (Pa), N p1 = 1.43 (co / m), E = 7.2 ×
10 10 (N / m 2 ), G = E / {2 · (1 + 0.
2) The result was obtained. Then, when this result was substituted into the above equation (1), the dependency of the fiber breaking life on the number of twisting of the fiber was obtained as shown in FIG. As is apparent from FIG. 3, the torsion rate was 8 turns / m.
In the following manner, a mechanical life of 25 years or more required for an electric power system can be secured.

【0061】さらに、具体的に、破断確率Pf =10-5
で、25年以上の機械的寿命を確保するためには、前記
(1)式をより簡略化することで、次のような条件式が
求められる。すなわち、光ファイバーセンサ用の光ファ
イバーのクラッド外径を2r(μm)、被測定対象物の
周りにおける光ファイバーの巻き数をm(回)とした場
合に、光ファイバーに対して実装段階に加える捻じり率
t (回/m)が、次の(2)式を満足すれば、破断確
率Pf =10-5で、25年以上の寿命を確保することが
できる。
More specifically, the probability of fracture P f = 10 -5
In order to secure a mechanical life of 25 years or more, the following conditional expression is required by further simplifying the expression (1). That is, when the outer diameter of the clad of the optical fiber for the optical fiber sensor is 2r (μm) and the number of turns of the optical fiber around the object to be measured is m (turns), the twisting ratio n added to the optical fiber in the mounting step is n If t (times / m) satisfies the following expression (2), a life of 25 years or more can be secured with a breakage probability P f = 10 −5 .

【0062】[0062]

【数4】 なお、この(2)式は、ファイバーの曲げ半径R≦0.
5mの場合に成り立つ必要条件であり、R>0.5mの
場合には、さらに寿命を延ばすことができる。ちなみ
に、図3の条件を代入すれば、nt ≦8.0(回/m)
=16.0π(ラジアン/m)となり、図3の結果と一
致する。
(Equation 4) The equation (2) indicates that the bending radius of the fiber R ≦ 0.
This is a necessary condition that is satisfied when the distance is 5 m, and when R> 0.5 m, the life can be further extended. By the way, if the condition of FIG. 3 is substituted, n t ≦ 8.0 (times / m)
= 16.0π (radian / m), which is consistent with the result of FIG.

【0063】したがって、この(2)式の条件を満足す
るような捻じりを光ファイバーに加えることにより、前
記光ファイバーが均質となるため、高精度な測定が実現
でき、かつ長期信頼性も向上させることができる。
Therefore, by applying a twist to the optical fiber that satisfies the condition of the expression (2), the optical fiber becomes homogeneous, so that highly accurate measurement can be realized and long-term reliability is improved. Can be.

【0064】[3.第3の実施の形態]本発明に係る第
3の実施の形態として、特に、請求項4〜7記載の発明
と請求項12記載の発明を適用した光ファイバー電流計
測器の一つの実施の形態について、次に説明する。な
お、本実施の形態は、前述した第1の実施の形態の変形
例に相当するため、第1の実施の形態と同等の構成につ
いての説明は省略する。
[3. Third Embodiment] As a third embodiment according to the present invention, in particular, one embodiment of an optical fiber current measuring device to which the inventions according to claims 4 to 7 and the invention according to claim 12 are applied. A description will be given next. Note that this embodiment corresponds to a modification of the above-described first embodiment, and a description of a configuration equivalent to that of the first embodiment will be omitted.

【0065】すなわち、本実施の形態は、図1に示すよ
うな光ファイバーセンサ8において、捻じり数と複屈折
量の関係において光ファイバー全長が有する複屈折量が
0°近傍、もしくは極値近傍となるように捻じり数を設
定して、高精度を確保するものである。
That is, in the present embodiment, in the optical fiber sensor 8 as shown in FIG. 1, the birefringence amount of the entire length of the optical fiber is near 0 ° or near the extreme value in the relationship between the number of twists and the birefringence amount. The number of twists is set as described above to ensure high accuracy.

【0066】図4は、石英ファイバーにおける光ファイ
バー全長に亘る捻じり数と複屈折量(任意目盛り)の関
係を示す。このとき、光ファイバーセンサ8に入射する
光の偏波面は光ファイバーを配置した方向に対して+4
5°近傍である(+135°、−45°、−135°近
傍でも同等の結果である)。ここで、近傍とは、±2
2.5°の範囲を示すが、±10°の範囲ならばさらに
効果が大である。石英ファイバーにおける捻じり量ξと
旋光量ωの関係は、次式で表される。
FIG. 4 shows the relationship between the number of twists over the entire length of the optical fiber and the amount of birefringence (arbitrary scale) in the quartz fiber. At this time, the polarization plane of the light incident on the optical fiber sensor 8 is +4 with respect to the direction in which the optical fiber is arranged.
It is around 5 ° (equivalent results are around + 135 °, -45 °, and -135 °). Here, the neighborhood is ± 2
A range of 2.5 ° is shown, but the effect is even greater in the range of ± 10 °. The relationship between the twist amount ξ and the rotation light amount ω in the quartz fiber is expressed by the following equation.

【数5】ω=0.073ξ(ラジアン) なお、係数0.073は、温度により若干変化する。こ
こで、捻じり数N(回)と捻じり量ξとの間には、ξ=
2πNの関係がある。捻じり量ξを3.5回の倍数近傍
とする条件は、次の(3)式で表される。
Ω = 0.073ξ (radian) The coefficient 0.073 slightly changes depending on the temperature. Here, between the number of twists N (times) and the amount of twist ξ, ξ =
There is a 2πN relationship. The condition that the amount of twist と す る is set to be a multiple of 3.5 times is expressed by the following equation (3).

【数6】 2π(3.5M−1)≦ξ(=2πN)≦2π(3.5M+1) …(3) なお、この(3)式において、Mは正の整数であり、ξ
が負の時は左向きの捻じりを示す。この(3)式に示す
ように捻じり量ξを規定すれば、旋光量ωは(π/2)
・Mとほぼ等しくなり、図4に示すように、光ファイバ
ー全長に亘る複屈折量は0°近傍となる。
2π (3.5M−1) ≦ ξ (= 2πN) ≦ 2π (3.5M + 1) (3) In the equation (3), M is a positive integer, and ξ
A negative value indicates a leftward twist. If the amount of twist ξ is defined as shown in the equation (3), the amount of rotation ω is (π / 2)
M is substantially equal to M, and the birefringence over the entire length of the optical fiber is close to 0 ° as shown in FIG.

【0067】ところで、電流値が低い場合に、光ファイ
バー電流計測器の感度Sと複屈折量δとの間には、次の
(4)式で表されるような関係がある。
When the current value is low, there is a relationship between the sensitivity S of the optical fiber current measuring device and the amount of birefringence δ as expressed by the following equation (4).

【数7】 S=sinδ/δ …(4) という関係がある。したがって、複屈折量δが0°近傍
にあれば、感度が高くて精度の高い測定ができる。ま
た、温度変化により旋光量が若干変化しても、複屈折量
が0°近傍にあるため、感度Sはほとんど変化せず、温
度安定性に優れている。
S = sin δ / δ (4) Therefore, if the amount of birefringence δ is near 0 °, highly sensitive and highly accurate measurement can be performed. Further, even if the amount of optical rotation slightly changes due to a change in temperature, the sensitivity S hardly changes and the temperature stability is excellent because the amount of birefringence is close to 0 °.

【0068】また、図4において、捻じり数N(回)
を、3.5回の倍数に1.75を加えた値の近傍する条
件は、次の(5)式で表される。
In FIG. 4, the number of twists N (times)
Is near the value obtained by adding 1.75 to a multiple of 3.5 times, and is expressed by the following equation (5).

【数8】 |N|=1.75+3.5M …(5) なお、この(5)式において、Mは、正の整数である。
この(5)式を満足する近傍、すなわち、±1以内とな
るように捻じり数Nを規定すれば、図4に示すように、
複屈折量は極値近傍となる。この場合、計測器の感度S
は若干低下するが、複屈折量が極値近傍であるため、温
度変化により旋光量が若干変化しても感度の変動は少な
い。
| N | = 1.75 + 3.5M (5) In the equation (5), M is a positive integer.
If the number of twists N is defined so as to be close to satisfying the expression (5), that is, within ± 1, as shown in FIG.
The birefringence amount is near the extreme value. In this case, the sensitivity S of the measuring instrument
Is slightly reduced, but since the amount of birefringence is near the extreme value, there is little change in sensitivity even if the amount of rotation changes slightly due to a temperature change.

【0069】以上のように、光ファイバーセンサの複屈
折量を、捻じり数と複屈折量の関係において、0°近傍
もしくは極値近傍となるように捻じり数を設定すること
により、温度変化に影響されにくい、高精度な計測器を
実現することができる。また、光ファイバーセンサに入
射する光の偏波面の方向(直線偏光の方向)を、光ファ
イバーが配置される面に対して、+45°、+135
°、−45°、もしくは−135°の近傍とすることに
より、少ない捻じり量で感度の変化量を小さくでき、寿
命の低下を抑制することができる。
As described above, the birefringence of the optical fiber sensor is set to a value close to 0 ° or to an extreme value in the relationship between the number of twists and the amount of birefringence. A highly accurate measuring instrument which is hardly affected can be realized. Also, the direction of the plane of polarization of light incident on the optical fiber sensor (the direction of linearly polarized light) is + 45 ° and +135 with respect to the plane on which the optical fiber is arranged.
By setting the angle in the vicinity of °, -45 °, or -135 °, the amount of change in sensitivity can be reduced with a small amount of twist, and a reduction in life can be suppressed.

【0070】[4.第4の実施の形態]本発明に係る第
4の実施の形態として、特に、請求項8、12記載の各
発明を適用した光ファイバー電流計測器の一つの実施の
形態について、次に説明する。なお、本実施の形態は、
前述した第1の実施の形態の変形例に相当するため、第
1の実施の形態と同等の構成についての説明は省略す
る。
[4. Fourth Embodiment] Next, as a fourth embodiment of the present invention, one embodiment of an optical fiber current measuring instrument to which each of the inventions according to claims 8 and 12 is applied will be described. In this embodiment,
Since this corresponds to a modification of the above-described first embodiment, a description of a configuration equivalent to that of the first embodiment will be omitted.

【0071】すなわち、本実施の形態は、図1に示すよ
うな光ファイバーセンサ8のクラッド外径2r(μm)
の条件を、光ファイバーの平均曲げ半径R(m)と巻き
数m、および光の波長λに関して規定することにより、
曲げによる複屈折を小さくして精度を高めるものであ
る。
That is, in this embodiment, the cladding outer diameter 2r (μm) of the optical fiber sensor 8 as shown in FIG.
By defining the average bending radius R (m) and the number of turns m of the optical fiber, and the wavelength λ of the light,
The purpose is to improve the accuracy by reducing birefringence due to bending.

【0072】まず、クラッド外径2r(μm)の光ファ
イバーセンサ8が被測定導体4の周りに平均曲げ半径R
(m)にて設置されている場合、光ファイバー中に誘起
される曲げによる複屈折量Δβ(°/m)は次の(6)
式で表わされる。
First, an optical fiber sensor 8 having a cladding outer diameter of 2r (μm) has an average bending radius R around the conductor 4 to be measured.
When installed in (m), the amount of birefringence Δβ (° / m) due to bending induced in the optical fiber is given by the following (6)
It is expressed by an equation.

【数9】 Δβ=|(πEc/λ)(r/R)2 ×(180/π)| …(6) ここで、Eはヤング率(=7.75×109 kg/m2
(石英))、cは光弾性定数(=−3.5×10-11
2 /kg)、λは光の波長である。図5は、r=62.
5μmの場合における平均曲げ半径Rと複屈折量Δβの
関係を示す。この図5から、平均曲げ半径R(m)が小
さい程、複屈折量Δβが大きくなり、光ファイバーセン
サ8の感度が低下することがわかる。
Δβ = | (πEc / λ) (r / R) 2 × (180 / π) | (6) where E is Young's modulus (= 7.75 × 10 9 kg / m 2)
(Quartz)) and c are photoelastic constants (= −3.5 × 10 −11 m)
2 / kg), and λ is the wavelength of light. FIG. 5 shows that r = 62.
The relation between the average bending radius R and the amount of birefringence Δβ in the case of 5 μm is shown. From FIG. 5, it can be seen that the smaller the average bending radius R (m), the larger the amount of birefringence Δβ and the lower the sensitivity of the optical fiber sensor 8.

【0073】よって、光ファイバーセンサ8の全長に亘
る複屈折量をδ(°)、光ファイバーセンサ8の被測定
導体4の周りの巻き数をmとすると、前記(6)式よ
り、次式が得られる。
Accordingly, assuming that the amount of birefringence over the entire length of the optical fiber sensor 8 is δ (°) and the number of turns of the optical fiber sensor 8 around the conductor 4 to be measured is m, the following equation is obtained from the above equation (6). Can be

【数10】δ=3.8×(0.25/R)2 (r/6
2.5)2 (0.8/λ)×2mπR この場合、光ファイバーセンサ8の感度Sは、前記
(4)式のように表わされるため、測定精度±1%以内
とするためには、δ≦0.35ラジアン=20°とする
のが望ましい。また、図4より光ファイバー全長に亘る
捻じり数を約3.5回以上にすると、複屈折量は捻じり
数0回の時に比べて1/4以下になる。したがって、曲
げによって誘起される複屈折量を20°×4=80°以
下に抑制するようなファイバーパラメータを設定すれ
ば、測定精度±1%は容易に満足できる。
Δ = 3.8 × (0.25 / R) 2 (r / 6
2.5) 2 (0.8 / λ) × 2mπR In this case, since the sensitivity S of the optical fiber sensor 8 is expressed by the above equation (4), in order to keep the measurement accuracy within ± 1%, δ It is desirable that ≦ 0.35 radian = 20 °. 4, when the number of twists over the entire length of the optical fiber is set to about 3.5 or more, the amount of birefringence becomes 1/4 or less as compared with the case where the number of twists is zero. Therefore, if the fiber parameters are set so as to suppress the amount of birefringence induced by bending to 20 ° × 4 = 80 ° or less, the measurement accuracy of ± 1% can be easily satisfied.

【0074】よって、本実施の形態の光ファイバーセン
サ8のパラメータは、以下の(7)式に示す条件を満足
するように設定される。
Therefore, the parameters of the optical fiber sensor 8 according to the present embodiment are set so as to satisfy the condition shown in the following equation (7).

【0075】[0075]

【数11】 (r/62.5)2 ≦(80/2mπR/3.8)(R/0.25)2 (λ/0 .8) …(7) この(7)式に、R=0.1(m)、m=10(回)、
λ=0.8(μm)を代入すると、光ファイバーセンサ
のクラッド外半径rは、45μm以下である。
(R / 62.5) 2 ≦ (80 / 2mπR / 3.8) (R / 0.25) 2 (λ / 0.8) (7) In this equation (7), R = 0.1 (m), m = 10 (times),
Substituting λ = 0.8 (μm), the outer radius r of the cladding of the optical fiber sensor is 45 μm or less.

【0076】また、R≧0.25(m)、m=1
(回)、λ=1.3(μm)でr<40(μm)とする
と、δ<3°となり、光ファイバー全長に亘る捻じり数
が0でも所定の精度を満足することができる。さらに、
これを光ファイバー全長に亘って約3.5回転以上捻じ
るとδ<0.75°となり、感度S>0.99997が
実現でき、超高精度な光ファイバー電流計測器が実現で
きる。
Also, R ≧ 0.25 (m), m = 1
(Times), when λ = 1.3 (μm) and r <40 (μm), δ <3 °, and even if the number of twists over the entire length of the optical fiber is zero, a predetermined accuracy can be satisfied. further,
If this is twisted about 3.5 turns or more over the entire length of the optical fiber, δ <0.75 °, sensitivity S> 0.999997 can be realized, and an ultra-high-precision optical fiber current measuring device can be realized.

【0077】したがって、本実施の形態によれば、前記
(7)式を満足するような光ファイバーセンサ8のパラ
メータを用いることにより、光ファイバー全長に亘る複
屈折量を大幅に低減できるため、光ファイバー電流計測
器の精度を高めることができる。
Therefore, according to the present embodiment, the amount of birefringence over the entire length of the optical fiber can be greatly reduced by using the parameters of the optical fiber sensor 8 that satisfies the expression (7). The accuracy of the vessel can be increased.

【0078】[5.第5の実施の形態]本発明に係る第
5の実施の形態として、特に、請求項9、12記載の各
発明を適用した光ファイバー電流計測器の一つの実施の
形態について、次に説明する。なお、本実施の形態は、
前述した第1の実施の形態の変形例に相当するため、第
1の実施の形態と同等の構成についての説明は省略す
る。
[5. Fifth Embodiment] As a fifth embodiment according to the present invention, one embodiment of an optical fiber current measuring instrument to which each of the inventions of claims 9 and 12 is applied will be described below. In this embodiment,
Since this corresponds to a modification of the above-described first embodiment, a description of a configuration equivalent to that of the first embodiment will be omitted.

【0079】すなわち、本実施の形態は、図1に示すよ
うな光ファイバーセンサ8のクラッド外径2r(μm)
の条件を、光ファイバーの平均曲げ半径R(m)と巻き
数mに関して規定することにより、光ファイバー全長に
亘る複屈折量を低減して精度を高めると共に、機械的寿
命の低下を抑制して長期信頼性を高めるものである。
That is, in this embodiment, the cladding outer diameter 2r (μm) of the optical fiber sensor 8 as shown in FIG.
Is defined with respect to the average bending radius R (m) and the number of turns m of the optical fiber, the amount of birefringence over the entire length of the optical fiber is reduced, the accuracy is increased, and the reduction in mechanical life is suppressed to ensure long-term reliability. It enhances the character.

【0080】電力系統用として要求される機械的寿命を
確保するための条件としては、前記(2)式において、
光ファイバーに対して実装段階に加える捻じり率n
t (回/m)を規定した。また、光ファイバー全長に亘
る複屈折量をある程度低い値にするためには、図4に示
すように、光ファイバー全長に亘って少なくとも約3.
5回転以上捻じらなければならない。
The condition for ensuring the mechanical life required for the power system is as follows:
Torsion ratio n added to the mounting stage for optical fiber
t (times / m) was specified. In order to reduce the birefringence amount over the entire length of the optical fiber to a certain value, as shown in FIG.
Twist more than 5 turns.

【0081】よって、光ファイバーセンサ8の平均曲げ
半径をR(m)とすると、次式が成り立つ。
Therefore, if the average bending radius of the optical fiber sensor 8 is R (m), the following equation is established.

【数12】(125/2r)(8.0−log10m)×
2mπR≧3.5 すなわち、光ファイバーセンサ8は、次の(8)式を満
足する。
## EQU12 ## (125 / 2r) (8.0-log 10 m) ×
2mπR ≧ 3.5 That is, the optical fiber sensor 8 satisfies the following expression (8).

【0082】[0082]

【数13】 2r/125≦(8.0−log10m)×2mπR/3.5 …(8) ここで、rは光ファイバーのクラッド外半径(μm)、
mは被測定導体4の周りにおける光ファイバーの巻き数
(回)である。この(8)式に、m=1(回)、R=
0.05(m)を代入すると、r≦45(μm)とな
る。
2r / 125 ≦ (8.0−log 10 m) × 2mπR / 3.5 (8) where r is the outer radius (μm) of the cladding of the optical fiber,
m is the number of turns (turns) of the optical fiber around the conductor 4 to be measured. In this equation (8), m = 1 (times), R =
Substituting 0.05 (m) gives r ≦ 45 (μm).

【0083】したがって、本実施の形態によれば、
(8)式を満足するような光ファイバーセンサ8を用い
ることにより、光ファイバーセンサ8の曲げ半径が小さ
い場合でも、光ファイバー全長に亘る複屈折量を小さく
できると共に、実装段階で捻じることによる機械的寿命
の低下を抑制できるため、精度および長期信頼性に優れ
た光ファイバー電流計測器が実現できる。
Therefore, according to the present embodiment,
By using the optical fiber sensor 8 that satisfies the expression (8), even when the bending radius of the optical fiber sensor 8 is small, the amount of birefringence over the entire length of the optical fiber can be reduced, and the mechanical life due to twisting at the mounting stage. Therefore, an optical fiber current measuring instrument excellent in accuracy and long-term reliability can be realized.

【0084】さらに、本実施の形態の変形例としては、
前記(8)式のクラッド外径2rの条件と、第4の実施
の形態について説明した前記(7)式のクラッド外径2
rの条件とを組み合わせて、光ファイバーセンサ8のク
ラッド外半径rを40μm未満(クラッド外径80μm
未満)にすることが考えられる。この構成によれば、さ
らに超高精度で長期信頼性に優れた光ファイバー電流計
測器が実現できる。
Further, as a modified example of this embodiment,
The condition of the cladding outer diameter 2r of the formula (8) and the cladding outer diameter 2r of the formula (7) described in the fourth embodiment are explained.
r, the outer radius r of the cladding of the optical fiber sensor 8 is less than 40 μm (80 μm
Less). According to this configuration, it is possible to realize an optical fiber current measuring device that is further highly accurate and has excellent long-term reliability.

【0085】[6.第6の実施の形態]図6は、本発明
の第6の実施の形態として、特に、請求項10、12記
載の各発明を適用した光ファイバー電流計測器の一つの
実施の形態を示す図であり、特に、光ファイバーセンサ
8の詳細を示す説明図である。なお、本実施の形態は、
前述した第1の実施の形態の変形例に相当するため、第
1の実施の形態と同等の構成についての説明は省略す
る。
[6. Sixth Embodiment] FIG. 6 is a diagram showing one embodiment of an optical fiber current measuring device to which each of the inventions according to the tenth and twelfth aspects is applied, particularly as a sixth embodiment of the present invention. FIG. 4 is an explanatory view showing details of an optical fiber sensor, particularly; In this embodiment,
Since this corresponds to a modification of the above-described first embodiment, a description of a configuration equivalent to that of the first embodiment will be omitted.

【0086】すなわち、本実施の形態においては、図6
に示すように、光ファイバーセンサ8のコア部30、ク
ラッド層31、およびコーティング層32までを捻じる
ことによりこれらの部分に捻じり応力が加えられてお
り、この捻じりが、コーティング層32の周囲に新たに
設けられたアクリル等の外部コーティング層33によっ
て固定されている。
That is, in the present embodiment, FIG.
As shown in FIG. 5, torsion stress is applied to these portions by twisting the core portion 30, the cladding layer 31, and the coating layer 32 of the optical fiber sensor 8, and the twisting occurs around the coating layer 32. Is fixed by an external coating layer 33 of acrylic or the like newly provided.

【0087】この構成により、捻じりに起因する光ファ
イバーの絡みを防止することができ、実装が容易になる
と共に、光ファイバー中に誘起されて不均一性の原因と
なる直線複屈折の影響を、捻じり応力による光の旋光に
よって抑制することができる。
With this configuration, the entanglement of the optical fiber due to the twist can be prevented, the mounting becomes easy, and the influence of the linear birefringence induced in the optical fiber and causing the non-uniformity is reduced. Can be suppressed by optical rotation of light due to stress.

【0088】以上のように、本実施の形態によれば、光
ファイバーセンサ8のコア部30からコーティング層3
2までの部分に捻じり応力を加え、その周囲に、この捻
じりを固定するための外部コーティング層33を設ける
ことにより、非常に取り扱い易く、かつ高精度の光ファ
イバー電流計測器を実現できる。なお、必ずしもコア部
30からコーティング層32までの部分全体に捻じり応
力を加える必要はなく、少なくともコア部30に捻じり
応力を加えることにより、同様に優れた効果を得ること
ができるものである。
As described above, according to the present embodiment, the core layer 30 of the optical fiber sensor 8 moves from the coating layer 3
By applying a torsional stress to up to two portions and providing an outer coating layer 33 around the portion to fix the torsion, an extremely easy-to-handle and high-precision optical fiber current measuring device can be realized. In addition, it is not always necessary to apply a torsional stress to the entire portion from the core portion 30 to the coating layer 32, and by applying at least a torsional stress to the core portion 30, similarly excellent effects can be obtained. .

【0089】[7.第7の実施の形態]図7は、本発明
の第7の実施の形態として、特に、請求項11、12記
載の各発明を適用した光ファイバー電流計測器の一つの
実施の形態を示す図であり、特に、光ファイバーセンサ
8の詳細を示す説明図である。なお、本実施の形態は、
前述した第1の実施の形態の変形例に相当するため、第
1の実施の形態と同等の構成についての説明は省略す
る。
[7. Seventh Embodiment] FIG. 7 is a diagram showing one embodiment of an optical fiber current measuring device to which each of the inventions according to the eleventh and twelfth aspects is applied, as a seventh embodiment of the present invention. FIG. 4 is an explanatory view showing details of an optical fiber sensor, particularly; In this embodiment,
Since this corresponds to a modification of the above-described first embodiment, a description of a configuration equivalent to that of the first embodiment will be omitted.

【0090】すなわち、本実施の形態においては、図7
に示すように、光ファイバーセンサ8の光ファイバーを
構成するコア部30、クラッド層31、およびコーティ
ング層32までを捻じることによりこれらの部分に捻じ
り応力が加えられている点では、前記第6の実施の形態
と同様であるが、この捻じりの固定方法が異なる。本実
施の形態においては、この捻じりが、光ファイバーセン
サ8の両端を固定するコネクタ34で固定されると共
に、光ファイバーセンサ8の外側に外被となる保護用の
パイプ35が設けられている。また、両端のコネクタ3
4の少なくとも一方には、捻じりを調整した後に固定す
るための捻じり固定具36が設けられている。さらに、
図示していないが、パイプ35内には部分的もしくは全
体的に光ファイバーセンサ8のガイドを設けてもよい。
That is, in the present embodiment, FIG.
As shown in FIG. 7, the sixth embodiment is characterized in that the torsion stress is applied to these portions by twisting the core portion 30, the cladding layer 31, and the coating layer 32 constituting the optical fiber of the optical fiber sensor 8. This is the same as the embodiment, but the method of fixing this torsion is different. In the present embodiment, the torsion is fixed by connectors 34 for fixing both ends of the optical fiber sensor 8, and a protective pipe 35 serving as a jacket is provided outside the optical fiber sensor 8. Also, connectors 3 at both ends
At least one of the four is provided with a torsion fixture 36 for fixing after adjusting the torsion. further,
Although not shown, a guide for the optical fiber sensor 8 may be provided partially or entirely in the pipe 35.

【0091】この構成により、パイプ35に光ファイバ
ーセンサ8を通した後、一方のコネクタ34を回転する
ことによって、光ファイバーセンサ8の全長に亘る捻じ
り数を容易に決定できる。したがって、捻じりに起因す
る光ファイバーの絡みを防止することができ、実装が容
易になると共に、実装段階において容易に捻じり数を調
整でき、光ファイバー中に誘起されて不均一性の原因と
なる直線複屈折の影響を、適切な捻じり応力による光の
旋光によって適切に抑制することができる。
With this configuration, after passing the optical fiber sensor 8 through the pipe 35, the number of twists over the entire length of the optical fiber sensor 8 can be easily determined by rotating one connector 34. Therefore, the entanglement of the optical fiber due to the twist can be prevented, the mounting becomes easy, the number of twists can be easily adjusted in the mounting stage, and the straight line which is induced in the optical fiber and causes the non-uniformity. The influence of birefringence can be appropriately suppressed by optical rotation of light due to appropriate torsional stress.

【0092】以上のように、本実施の形態によれば、光
ファイバーセンサ8のコア部30からコーティング層3
2までの部分に捻じり応力を加え、この光ファイバーセ
ンサ8の両端を固定すると共に、その外側にパイプ35
を設けることにより、非常に取り扱い易く、光ファイバ
ーセンサ8自体の劣化を防止でき、しかも、実装段階で
容易に調整可能な、高精度の光ファイバー電流計測器を
実現できる。
As described above, according to the present embodiment, the coating layer 3 extends from the core 30 of the optical fiber sensor 8.
2, a torsion stress is applied to both ends of the optical fiber sensor 8, and a pipe 35
Is provided, it is possible to realize a highly accurate optical fiber current measuring device which is very easy to handle, can prevent deterioration of the optical fiber sensor 8 itself, and can be easily adjusted at the mounting stage.

【0093】なお、必ずしもコア部30からコーティン
グ層32までの部分全体に捻じり応力を加える必要はな
く、少なくともコア部30に捻じり応力を加えることに
より、同様に優れた効果を得ることができるものであ
る。また、光ファイバーセンサ8の両端を固定する手段
は、コネクタ34や捻じり固定具36等の構成に限定さ
れるものではなく、その具体的な構成は適宜選択可能で
あり、また、パイプ35の具体的な構成も適宜選択可能
である。
It is not always necessary to apply a torsional stress to the entire portion from the core portion 30 to the coating layer 32. By applying at least a torsional stress to the core portion 30, similarly excellent effects can be obtained. Things. Further, the means for fixing both ends of the optical fiber sensor 8 is not limited to the configuration of the connector 34 or the torsion fixing tool 36, and the specific configuration can be appropriately selected. The general configuration can be appropriately selected.

【0094】[8.他の実施の形態]なお、本発明は、
前記の実施の形態に限定されるものではなく、他にも本
発明の範囲内で多種多様の変形例を実施可能である。例
えば、前記の実施の形態において説明したように、本発
明は、特に、光ファイバー電流計測器に有効であり、長
期信頼性を考えれば、さらに電力系統用に好適である
が、他の各種の光ファイバー応用計測器にも同様に適用
可能であり、同様に優れた効果を得られるものである。
[8. Other Embodiments] The present invention
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications can be made within the scope of the present invention. For example, as described in the above embodiment, the present invention is particularly effective for an optical fiber current measuring instrument, and is more suitable for an electric power system in view of long-term reliability. The present invention can be similarly applied to applied measuring instruments, and can obtain excellent effects.

【0095】また、前記の実施の形態においては、光フ
ァイバーセンサとして、特に、石英ファイバーを用いた
場合について説明したが、これに限定されるものではな
く、例えば鉛ガラス等の、他の各種の材質の光ファイバ
ーを適用可能であり、そのような場合にも、前記の実施
の形態と同等な効果が得られる。とりわけ、前記(1)
式で述べた機械的寿命の条件は、あらゆる光ファイバー
センサについて成り立つものであり、捻じりの有無に係
らず、機械的応力に関してこの条件で光ファイバー寿命
s ≧25年を満足する光ファイバーパラメータを用
い、電力系統用あるいは他の用途に応用した場合には、
それらの応用は全て本発明の範囲内である。
Further, in the above-described embodiment, a case where a quartz fiber is used as the optical fiber sensor has been particularly described. However, the present invention is not limited to this, and other various materials such as lead glass may be used. In this case, an effect equivalent to that of the above-described embodiment can be obtained. In particular, the above (1)
The condition of the mechanical life described in the formula is valid for all optical fiber sensors, regardless of the presence or absence of torsion, using optical fiber parameters that satisfy the optical fiber life t s ≧ 25 years under this condition with respect to mechanical stress, When applied to power systems or other uses,
All of their applications are within the scope of the present invention.

【0096】[0096]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光ファイバーセンサ用の光ファイバーに旋光性を持たせ
ることにより、光ファイバー内の光に対する均質性を向
上することができるので、高精度な測定が可能な光ファ
イバー応用計測器を提供することができる。特に、光フ
ァイバーに適切な捻じりを加えることにより、高精度な
測定が可能でしかも長期信頼性に優れた光ファイバー応
用計測器を提供することができる。
As described above, according to the present invention,
By imparting optical rotation to an optical fiber for an optical fiber sensor, the homogeneity with respect to light in the optical fiber can be improved, so that an optical fiber applied measuring instrument capable of performing highly accurate measurement can be provided. In particular, by applying an appropriate twist to an optical fiber, it is possible to provide an optical fiber applied measuring instrument that can perform highly accurate measurement and has excellent long-term reliability.

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

【図1】本発明による第1の実施の形態に係る光ファイ
バー電流計測器を示す構成図。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an optical fiber current measuring device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1の光ファイバーセンサの詳細を示す説明
図。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing details of the optical fiber sensor of FIG. 1;

【図3】本発明による第2の実施の形態に係る光ファイ
バーセンサの捻じり率と寿命との関係を示すグラフ。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the torsion ratio and the life of an optical fiber sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明による第3の実施の形態に係る光ファイ
バーセンサのファイバー全長に亘る捻じり数と複屈折量
との関係を示すグラフ。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the number of twists and the amount of birefringence over the entire length of an optical fiber sensor according to a third embodiment of the present invention.

【図5】本発明による第4の実施の形態に係る光ファイ
バーセンサの曲げ直径と単位長さ当りの複屈折量との関
係を示すグラフ。
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a bending diameter and an amount of birefringence per unit length of an optical fiber sensor according to a fourth embodiment of the present invention.

【図6】本発明による第6の実施の形態に係る光ファイ
バーセンサの詳細を示す説明図。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing details of an optical fiber sensor according to a sixth embodiment of the present invention.

【図7】本発明による第7の実施の形態に係る光ファイ
バーセンサの詳細を示す説明図。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing details of an optical fiber sensor according to a seventh embodiment of the present invention.

【図8】従来の光ファイバー電流計測器の一例を示す構
成図。
FIG. 8 is a configuration diagram showing an example of a conventional optical fiber current measuring device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

4…被測定導体 8…光ファイバーセンサ 9…センサ光学部 10…信号処理部 11…伝送用ファイバー部 18a…結合光学部 18b…光ファイバーセンサ部 30…コア部 31…クラッド層 32…コーティング層 33…外部コーティング層 34…コネクタ 35…パイプ 36…捻じり固定具 DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 ... Conductor to be measured 8 ... Optical fiber sensor 9 ... Sensor optical part 10 ... Signal processing part 11 ... Transmission fiber part 18a ... Coupling optical part 18b ... Optical fiber sensor part 30 ... Core part 31 ... Cladding layer 32 ... Coating layer 33 ... Outside Coating layer 34 ... Connector 35 ... Pipe 36 ... Torsion fixture

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水谷 雄二 三重県三重郡朝日町大字縄生2121 株式会 社東芝三重工場内 (72)発明者 佐藤 健 神奈川県川崎市川崎区浮島町2番1号 株 式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者 上西 徹 神奈川県川崎市川崎区浮島町2番1号 株 式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者 生田 栄 東京都世田谷区奥沢3−2−18 東芝変電 機器テクノロジー株式会社内 (72)発明者 横田 岳志 東京都港区芝浦一丁目1番1号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 野田 英樹 東京都港区芝浦一丁目1番1号 株式会社 東芝本社事務所内 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Yuji Mizutani 2121 Naoyo, Asahi-machi, Mie-gun, Mie Prefecture Inside of Mie Plant, Toshiba Corporation (72) Inventor Ken Sato 2-1 Ukishima-cho, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kawasaki, Kanagawa Prefecture Inside Toshiba Hamakawasaki Plant (72) Inventor Toru Uenishi 2-1 Ukishima-cho, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Inside Toshiba Hamakawasaki Plant (72) Inventor Sakae Ikuta 3-2-18 Okusawa, Setagaya-ku, Tokyo Toshiba Substation Equipment Technology Co., Ltd. (72) Inventor Takeshi Yokota 1-1-1, Shibaura, Minato-ku, Tokyo Inside Toshiba Corporation Head Office (72) Inventor Hideki Noda 1-1-1, Shibaura, Minato-ku, Tokyo Stock Company Toshiba head office

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 被測定対象物の近くに配置された光ファ
イバーセンサと、測定用の光を発生して前記センサに送
る光源と、前記センサからの出射光を検出する検出器
と、前記センサと光源及び検出器とを光学的に結合する
結合光学系と、前記検出器からの信号を処理する信号処
理部とを備え、光の特性の変化により物理量を計測する
光ファイバー応用計測器において、 前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーとして、磁界
がない状態でも常に旋光性を有する光ファイバーを用い
たことを特徴とする光ファイバー応用計測器。
1. An optical fiber sensor disposed near an object to be measured, a light source that generates light for measurement and sends the light to the sensor, a detector that detects light emitted from the sensor, and the sensor A coupling optical system that optically couples a light source and a detector, and a signal processing unit that processes a signal from the detector; and an optical fiber applied measuring device that measures a physical quantity by changing a characteristic of light. An optical fiber-applied measuring instrument characterized in that an optical fiber having optical rotation is always used even in the absence of a magnetic field, as an optical fiber for a sensor.
【請求項2】 前記光ファイバーセンサ用の光ファイバ
ーとして、製造段階で捻じられた光ファイバーを用い、
この光ファイバーを実装段階でさらに捻じりを加えて配
置したことを特徴とする請求項1記載の光ファイバー応
用計測器。
2. An optical fiber twisted in a manufacturing stage is used as an optical fiber for the optical fiber sensor.
2. The optical fiber applied measuring instrument according to claim 1, wherein the optical fiber is further twisted and arranged at a mounting stage.
【請求項3】 前記光ファイバーセンサ用の光ファイバ
ーのクラッド外径を2r(μm)、前記被測定対象物の
周りにおけるこの光ファイバーの巻き数をm(回)とし
た場合に、この光ファイバーに対して実装段階に加える
捻じり率nt(回/m)が、 nt ≦(125/2r)(8.0−log10m) を満足する値であることを特徴とする請求項1または2
記載の光ファイバー応用計測器。
3. When the outer diameter of the cladding of the optical fiber for the optical fiber sensor is 2r (μm) and the number of turns of the optical fiber around the object to be measured is m (times), the optical fiber is mounted on the optical fiber. The torsion ratio n t (times / m) added to the step is a value satisfying n t ≦ (125 / 2r) (8.0-log 10 m).
An optical fiber applied measuring instrument as described.
【請求項4】 前記光ファイバーセンサ用の光ファイバ
ー全長が有する複屈折量が、捻じり数と複屈折量との関
係によって0°近傍と極値近傍のいずれか一方の値を持
つように、捻じり数を設定したことを特徴とする請求項
1、2または3記載の光ファイバー応用計測器。
4. The twisting is performed so that the birefringence amount of the entire length of the optical fiber for the optical fiber sensor has one of a value near 0 ° and a value near an extreme value depending on the relationship between the number of twists and the amount of birefringence. 4. The optical fiber applied measuring instrument according to claim 1, wherein the number is set.
【請求項5】 前記光ファイバーセンサに入射する光の
偏波面の方向が、光ファイバーが配置されている面に対
して、+45°、+135°、−45°、もしくは−1
35°の近傍となるようにしたことを特徴とする請求項
1から4までのいずれか一つに記載の光ファイバー応用
計測器。
5. The direction of the plane of polarization of light incident on the optical fiber sensor is + 45 °, + 135 °, −45 °, or −1 with respect to the plane on which the optical fiber is disposed.
The optical fiber applied measuring device according to any one of claims 1 to 4, wherein the angle is set to around 35 °.
【請求項6】 前記光ファイバーセンサ用の光ファイバ
ーとして石英ファイバーを用い、この光ファイバー全長
に亘る捻じり数N(回)が、 3.5M−1≦N≦3.5M+1 (Mは0以外の整
数) を満足する値であることを特徴とする請求項4または5
記載の光ファイバー応用計測器。
6. A quartz fiber is used as the optical fiber for the optical fiber sensor, and the number of twists N (times) over the entire length of the optical fiber is 3.5M-1 ≦ N ≦ 3.5M + 1 (M is an integer other than 0). 6. A value satisfying the following:
An optical fiber applied measuring instrument as described.
【請求項7】 前記光ファイバーセンサ用の光ファイバ
ーとして石英ファイバーを用い、この光ファイバー全長
に亘る捻じり数N(回)が、 |N|=1.75+3.5M (Mは正の整数) を満足する値の±1以内の値であることを特徴とする請
求項4記載の光ファイバー応用計測器。
7. A quartz fiber is used as the optical fiber for the optical fiber sensor, and the number of twists N (times) over the entire length of the optical fiber satisfies | N | = 1.75 + 3.5M (M is a positive integer). The optical fiber applied measuring device according to claim 4, wherein the value is within ± 1 of the value.
【請求項8】 前記光ファイバーセンサ用の光ファイバ
ーの平均曲げ半径をR(m)、前記被測定対象物の周り
におけるこの光ファイバーの巻き数をm、光の波長をλ
とした場合に、この光ファイバーのクラッド外径2r
(μm)が、 (r/62.5)2 ≦(80/2mπR/3.8)(R
/0.25)2 (λ/0.8) を満足する値であることを特徴とする請求項1から7ま
でのいずれか一つに記載の光ファイバー応用計測器。
8. The optical fiber for the optical fiber sensor has an average bending radius of R (m), the number of turns of the optical fiber around the object to be measured is m, and the wavelength of light is λ.
In this case, the outer diameter of the cladding of the optical fiber is 2r.
(Μm) is (r / 62.5) 2 ≦ (80 / 2mπR / 3.8) (R
/0.25) 2 (λ / 0.8), wherein the optical fiber-applied measuring instrument according to any one of claims 1 to 7, wherein:
【請求項9】 前記光ファイバーセンサ用の光ファイバ
ーの平均曲げ半径をR(m)、前記被測定対象物の周り
におけるこの光ファイバーの巻き数をmとした場合に、
この光ファイバーのクラッド外径2r(μm)が、 2r/125≦(8.0−log10m)×2mπR/
3.5 を満足する値であることを特徴とする請求項1から8ま
でのいずれか一つに記載の光ファイバー応用計測器。
9. When the average bending radius of the optical fiber for the optical fiber sensor is R (m) and the number of turns of the optical fiber around the object to be measured is m,
The outer diameter 2r (μm) of the cladding of this optical fiber is 2r / 125 ≦ (8.0-log 10 m) × 2mπR /
The optical fiber applied measuring instrument according to any one of claims 1 to 8, wherein the value satisfies 3.5.
【請求項10】 前記光ファイバーセンサ用の光ファイ
バーが、少なくともそのコア部分に捻じり応力を加えた
後に新たなコーティング層が設けられてなる光ファイバ
ーであることを特徴とする請求項1から9までのいずれ
か一つに記載の光ファイバー応用計測器。
10. The optical fiber for an optical fiber sensor according to claim 1, wherein a new coating layer is provided after applying a torsional stress to at least a core portion of the optical fiber. The optical fiber applied measuring instrument according to any one of the above.
【請求項11】 前記光ファイバーセンサ用の光ファイ
バーが、少なくともそのコア部分に捻じり応力を加え、
少なくとも両端を固定した状態で、その外側に外被とな
る保護用のパイプが設けられてなる光ファイバーである
ことを特徴とする請求項1から10までのいずれか一つ
に記載の光ファイバー応用計測器。
11. The optical fiber for an optical fiber sensor applies a torsional stress to at least a core portion thereof.
The optical fiber applied measuring instrument according to any one of claims 1 to 10, wherein the optical fiber is an optical fiber provided with a protective pipe serving as a jacket outside at least at both ends fixed. .
【請求項12】 ファラデー効果を利用した電流計測に
応用したことを特徴とする請求項1から11までのいず
れか一つに記載の光ファイバー応用計測器。
12. The optical fiber applied measuring instrument according to claim 1, wherein the measuring instrument is applied to current measurement utilizing the Faraday effect.
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CN113532303A (en) * 2021-07-05 2021-10-22 浙江大学 Device and method for testing strain position of object by using external strain

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