JPS59669A - 光フアイバ磁界センサ - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は磁界の変化に応じて偏光面が回転を行う磁気光
学効果を利用した高電圧領域における電流計測などに応
用される光フアイバ磁界センサの改良に関するものであ
る。

光源から発した光を偏光子手段によシ一定の偏光状態と
した後これを鉛ガラス等の磁気光学効果素子の１つであ
るいわゆるファラデー効果素子の内部を透過させると９
周囲の磁界に対応した偏光の変調をうけるため、その光
を検光子手段を通過させると、この偏光の変化に応じた
光電力の変化がある。これを更にフォトダイオ−ド等の
光検出手段で電気信号に変換することにより、逆に磁界
を求められるという計測法は広く知られている。光フア
イバ磁界センサはこの計測法を電気的絶縁性の高い光フ
ァイバと組合わせて構成したもので、数十万ないし百方
ボルトの超高圧の電力設備の計測が可能であるため古く
から研究が行われ成る程度実用化されている。

しかし乍ら上記のような光ファイバ磁界センサにおいて
は、出力信号が検光子手段の出力光電力であるため、各
構成要素間における光結合損失や光フアイバ内の光伝送
損失などが温度変動や光ファイバの屈曲その他により変
化すると直ちに測定誤差となり、正確な結果が得られず
長期的な測定信頼性に乏しいという欠点があった。

したがって本発明の目的は光フアイバ磁界センサにおけ
る上記の測定誤差を可及的に小さくした信頼性の高い光
フアイバ磁界センサを得ようとするものである。

本発明は前述の偏光の変調が伝波光波長により異ること
に着目し、同一の光路内に互いに波長の異る複数の光を
伝搬させ、これらの光が磁界Ｈにより受ける影響の差異
を演算処理することにより磁界を求めようとするもので
ある。

すなわち本発明によれば、複数の波長で極大出力点を持
つ偏光を出力する光送出手段と、外股と、光フアイバ手
段と、この光フアイバ手段からの光を波長毎に検出する
光検出手段と、この光検出手段の出力電気信号を演算処
理して前記磁界を求める演算手段とを順次配設して成る
光−ｙアイバ磁界センサが得られる。また前記の光送出
手段から光検出手段までのほかに、前記光送出手段の出
力光またはその内部における光の一部を分岐する光分岐
手段と９分岐された一部の光を検出するモニタ光検出手
段と、このモニタ光検出手段の検出した出力電気信号と
前記光検出手段の出力電気信号を用いて演算処理して前
記磁界を求める演算手段とを有する光ファ、イバ磁界セ
ンサが得られる。

次に図面を参照して詳細に説明する。

第１図は従来の光フアイバ磁界センサの４１署造構成全
示した図である。第１図において。

レーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）
等の光源１から発した光を光ファイバ２および偏光子３
を介して鉛ガラス等の磁気光学効果手段４に導き、その
出力光を検光子手段５および光ファイバ６を介し、光検
出手段７により電気信号に変換出力する。いま磁気光学
効果手段４の長さ２ｔとし、これが光線と平行な磁界成
分Ｈｉ有する磁界内に置かれているとすると、偏光子３
によシ直線偏光とされた光はいわゆるファラデー効果に
より α＝ＶＨｔ　　　　　　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・（１）で表される角度αだけの偏
光面回転をうける。

ここで■はベルデ定数と呼ばれるもので、材料により異
なる磁気光学効果の影響の強さを表わす定数である。（
１）式から分るように、磁界Ｈの変化に対するαの関係
は直線の関係となる。この回転の結果検光子手段５の出
力光レベルＰ。

は、磁気光学効果手段４への入力すなわち偏光子手段３
の出力光の偏波面方向と、検光子手段５の偏光方向との
設定により、磁界Ｈの変化に対し特異な関係を示す。

第２図は上に説明した偏光回転角αと出力光レベルＰ。

の磁界Ｈに対する関係すなわち磁界センサの磁気光学効
果音あられした図である。これらの関係を用いて超高圧
の電流Ｉが生起する磁界Ｈの中にこのセンサを配置すれ
ば、出力光レベルＰ。を測定することにより磁界Ｈ従っ
て電流■を測定することが可能である。この構成では通
常絶縁のために光ファイバ２および６が用いられる。こ
こで偏光子手段３ば、もし光源１がＬＤやＨｅ−Ｎｅレ
ーザ等で既に十分な偏光特性を有しておシその偏光が例
えばファイバ２を用いないで直接磁気光学効果素子４に
導入可能である場合、或いは特殊な偏光保存ファイバ等
の利用により十分に偏光が維持されている場合にに無く
て済むものであるが９通常は必要となるものである。

さて、上記のような構成の光フアイバ磁界センサにおい
ては、出力信号が出力光レベルそのものであるため、先
に簡単に説明したように。

例えば光ファイバ６が屈曲や温度変化をうけて伝搬損失
に変化がでたり各手段の間での結合損失が変動したりす
ると、それはただちに測定誤差となる欠点があったので
ある。

第５図は本発明の詳細な説明する図である。

第６図において、簡単のために入射側でのλ１゜λ２の
２つの波長の光のレベルが同図（Ａ）の様に共にＰ。で
あるとすると、出射側では通常短波長側（λ１）の方が
ベルデ定数が犬なため、λ１側の方が磁界の影響をうけ
易く同図（Ｂ）の様な結果を得る。いま波長λ１．λ２
に対するベルデ定数ｋ　ｖ＋　＋Ｖ２とし、さらに Ｐ＝　ｆ（ｄ）−Ｐｏ＝　ｆ　（ＶＨ４）・Ｐ。

の関係があるとすれば、　Ｖ、ｔ＝に、、　Ｖ２ｔ＝に
２として。

Ｐ、−ｆ（αｘ）”Ｐｏ”＝ｆ（Ｖ＋Ｈ４）’Ｐｏ＝ｆ
（Ｋ＋・Ｈ）・Ｐ。

Ｐ２＝ｆ（α２）・Ｐｏ＝ｆ（Ｖ２）（ｔ）・Ｐｏ＝ｆ
　（Ｋ２Ｈ）・Ｐ。

から９両出力の比Ｙ三Ｐ、／Ｐ２Ｆｉ Ｙ　＝　ｆ　（Ｋ、　Ｈ）／　ｆ　（Ｋ２Ｈ）　　　・
・・・・・・・・・・・・・・（２）であられされる。

通常ｆ（ハ））は正弦又は余弦関数であるので、成る測
定範囲では、（２）式のＹの値はＨに対し１価の非線形
関数となシ、ＹとＨに１対１の関係をとることができ、
従って両川力の比Ｙｉ測測定ることにより磁界Ｈを求め
ることができる。而もこの場合ファイバ系およびその結
合部の損失変動に起因する誤差は除去できるので、従来
より精度よく磁界Ｈｉ求めることが可能である。

第４図は本発明の一実施例の構成を示した図である。は
じめに概要について説明すると、１１はλ１．λ２の２
波長にピークを有する光源手段。

１２〜１６は第１図の従来例と同様に光ファイバ。

偏光子手段、磁気光学効果手段、検光子手段および光フ
アイバ手段をそれぞれあられしている。

この系において、光源１１から発した光λ１．λ２はそ
れぞれレベル変化をうけて光電力ｐ１．ｐ２として光検
出手段１７に入射する。光検出手段１７はλ１．λ２の
２つの波長を分波してそれぞれのレベルを独立に検出し
、その結果をアナログまたはマイクロコンピュータなど
のデジタル演算手段１８で演算処理することにより磁界
Ｈを求めることができる。

次に部分的に説明すると、光源手段１１は波長λ０．λ
２をそれぞれ発するＬＥＤ、ＬＤ等の光源２１ａ。

２１ｂ’ｉ光結合器２２により結合し光ファイバ１２に
結合するようになっている。

第５図は光源手段１１の他の例を示した図であって、　
ＬＥＤあるいは白色光等ある程度広い波長域をもつ光源
２６の出力を二つのピーク透過波長λ１．λ２をもつフ
ィルタ２４ヲ介して光ファイバ１２に結合するものであ
る。以上２つの例は現状では実用的である。将来的には
発光波長の異なるＬＥＤ又はＬＤ會並列または直列に配
置する方法も可能であろう。

ここで第４図に戻って、光検出手段１７は光ファイバ１
６の出力端に結合された波長λ１．λ２に対する波長分
波器手段３１と２つの光検出手段３２ａ、　３２ｂを用
いてレベルＰ＋−Ｐ２に検出するようになっている。そ
してこの光検出手段の出力はアナログまたはマイクロコ
ンピュータ等のデジタル演算手段１８により演算処理さ
れ、磁界Ｈが求められる。

第６図は光検出手段１７の他の例を示した図であって、
光フアイバ分岐６４の出力をそれぞれ波長λ１．λ２に
対応する帯域フィルタ３５ａ、　３５ｂ全介して光検出
手段３６ａ、　５６ｂにそれぞれ結合するようになって
いる。

ここで再度第４図に戻って、この第４図の装置には偏光
子１６が設けられているが、もし光源１１がＬＤのよう
な一定の偏光特性を有し且つ光ファイノＳ１２が偏光保
全性光ファイバであって磁気光学効果素子に送られる光
が偏光であるときは、偏光子１６はなくてもよいもので
ある。

第７図は本発明の他の実施例の構成を示す図である。こ
の装置は特に測定精度の向上を達成するためのものであ
る。すなわち、前記の第４図の実施例では２つの波長の
光の磁気光学効果手段１４への入射レベルを共にＰ。と
じで同一としていたが、これは実質的に調整ががなり困
難であり、さらに光ファイバ１２についても光ファイバ
１６と同様温度変化で伝搬特性の変動をうける。この場
合単に光信号レベルの変化については２つの波長がある
程度近似していればその影響は相殺的に働くため問題は
少いといえるが。

光ファイバ１２における偏波面の回転等の影響は測定結
果に直接影響する。従ってこの第７図の実施例ではこう
した問題を排除するために。

磁気光学効果手段４の入力側にて入射光を分岐４１で分
岐し、そのレベルをモニタするモニタ光検出手段４２を
取付け、このデータを演算手段４３に入力し、ここで光
検出手段１７の出力をモニタ検出手段４２の出方で割っ
てこれを正規化し、この正規化した値から磁界Ｈを求め
るようにしたものである。ここでモニタ光検出手段４２
としては光検出手段１７と同様の構成にょる２波長λ１
．λ２を独立に検出できるものが望ましいが、要求され
る測定精度によってはλ１．λ２のいずれか一波長かあ
るいはその和のレベルを検出して用いることも可能であ
る。

第８図は本発明の更に他の実施例の構成を示した図であ
る。この種の装置全超高圧の電力設備の計測に用いると
きは、偏光子１３．磁気光学効果素子１４．および検光
子１５は一体化して高圧部分に設置する。従って光ファ
イバ１２によって生じる偏光特性の劣化全承知の上で１
分岐５１を磁気光学効果手段１４の入射側ではなく、光
源５２の出力側に配置し、この分岐５１ニモニタ光検出
手段５２ヲ配置したものである。この構成は勿論測定精
度は光ファイバ１２の分だけ低下するが、先に述べたよ
うに光源１１自体ＬＤのように一定の偏光特性を有し光
ファイバ１２が偏光保存性を有する場合には、測定精度
の低下は僅かで済むのでこの構成は有効である。しかも
この場合は偏光子１３は設けなくてもよい。

第９図は本発明の別の実施例の構成′をあられゆ図であ
る。第９図の装置において、検光子手段６１の直交する
２つの出力光を例えばＶ偏波光とＨ偏波光に分け、それ
ぞれ別の光フアイバ手段６２ａおよび６２ｂで２組の光
検出手段６３ａ。

６３ｂへ伝送し、λ１．λ２のそれぞれのＶ偏波、Ｈ偏
波成分のデータを得て演算手段６４にて処理し、磁界Ｈ
が求められる。

以上の説明では説明の都合上波長はλ８．λ２の２つと
したが実用に適した範囲で波長数を増大し、演算入力デ
ータを増加させることは測定精度の向上に有益であり本
発明の主旨に沿うものである。そして本発明において重
要な要素である関数ｆ　（ａ）の形式は、偏光子特性、
検光子特性。

および必要により挿入される位相板などによる互いの偏
光条件の関係から定まるため、測定範囲によっては５波
長又はそれ以上の波長による相関関係から求めざるを得
ない場合もある。また第４図についての説明で述べたよ
うに、偏光子は必ずしも必要としないものである。

なお１本発明の説明に直接関係のないレンズや光学位相
板等については記述を省略した。また１以上の説明では
磁気光学効果手段として鉛ガラスブロックを例として示
したが、これはその他の材料のものおよび光ファイバの
如く上記の例とは異った構造・形態のものであっても本
質的に本発明に含まれるものであることはいうまでもな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光フアイバ磁界センサの拳曜−構成の一
例を示す図、第２図は上記の磁界１センサにおける磁気
光学効果を説明する図、第６図は本発明の詳細な説明す
る図、第４図は本発明の一実施例の構成を示す図、第５
図は本発明に適した光源手段の構成の一例を説明する図
。 第６図は本発明に適した光検出手段の構成の一例を説明
する図、第７図は本発明の他の実施例の構成を示す図、
第８図は本発明の更に他の実施例の構成を示す図、第９
図は本発明の別の実施例の構成を示す図である。 記号の説明：１１ハ光源手段、１２は光ファイバ、１６
は偏光子、１４は磁気光学効果素子。 １５は検光子、１６は光ファイバ、１７は光検出手段、
１８は演算手段、　２１ａ、　２１ｂ　ｔｒ：ｉ光源、
２２は光結合器、３１１ｉ波長分波器、　３２ａ、　３
２ｂは光検出器、６４は分岐、　３５ａ、　３５ｂは帯
域フィルタ、　３６ａ、　３６ｂは光検出器、４２はモ
ニタ光検出器、４６は演算回路をそれぞれあられしてい
る。 第１図 第２図 序３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の波長で極太出力点を持つ偏光を出力する光送
   出手段と、外部磁界の変化に対応してその内部を通過す
   る偏光に変化を与える磁気光学効果手段と、検光子手段
   と、光フアイバ手段と。 この光フアイバ手段からの光を波長毎に検出する光検出
   手段と、この光検出手段の出力電気信号を演算処理して
   前記磁界を求める演算手段とを順次配設して成る光フア
   イバ磁界センサ。 ２、複数の波長で極大出力点を持つ偏光を出力する光送
   出手段と、外部磁界の変化に対応してその内部を通過す
   る前記出力された偏光に変化を与える磁気光学効果手段
   と、検光子手段と、光フアイバ手段と、この光ファイバ
   からの光を波長毎に検出する光検出手段と、前記光送出
   手段の出力光またはその内部における光の一部を分岐す
   る光分岐手段と２分岐された一部の光を検出するモニタ
   光検出手段と、このモニタ光検出手段の検出した出力電
   気信号と前記光検出手段の出力電気信号を用いて演算処
   理して前記磁界を求める演算手段とを有する光フアイバ
   磁界センサ。