KR100659561B1 - Optical Current Sensor - Google Patents

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KR100659561B1
KR100659561B1 KR1020040066147A KR20040066147A KR100659561B1 KR 100659561 B1 KR100659561 B1 KR 100659561B1 KR 1020040066147 A KR1020040066147 A KR 1020040066147A KR 20040066147 A KR20040066147 A KR 20040066147A KR 100659561 B1 KR100659561 B1 KR 100659561B1
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이종백
조재경
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일진전기 주식회사
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Abstract

본 발명은 전선의 전류를 광학적 방식으로 측정하는 종래의 페러데이 회전자 방식의 광 전류센서의 단점을 개선하기 위해 고안된 것으로, 동일한 특성의 페러데이 회전자 2개를 한 센서 헤드부내에 전선으로부터 이격거리가 서로 다른 위치에 배치하여, 두 페러데이 회전자로부터 얻어지는 출력의 차를 최종출력으로 함으로써 온도, 진동, 외란자계등의 외부환경에 의한 영향을 제거하여 전류측정의 정밀도를 향상 시킨 것이다.The present invention is designed to improve the shortcomings of the conventional Faraday rotor type optical current sensor for measuring the electric current of the wire in an optical manner, and the distance from the electric wire in the sensor head part having two Faraday rotors of the same characteristics By placing them at different positions, the difference between the outputs from the two Faraday rotors is the final output to improve the accuracy of current measurement by eliminating the influence of external environment such as temperature, vibration and disturbance magnetic field.

광 전류센서, 페러데이 회전자, 외란자계, 온도특성, 진동, 가넷, 자계, 광섬유, 차동증폭Photocurrent Sensor, Faraday Rotor, Disturbance Field, Temperature Characteristics, Vibration, Garnet, Magnetic Field, Optical Fiber, Differential Amplification

Description

광 전류센서{ Optical Current Sensor}Optical Current Sensor

도 1는 본 발명의 실시예 1에 따른 광 전류센서의 시스템 구성도1 is a system configuration diagram of an optical current sensor according to Embodiment 1 of the present invention;

도 2은 본 발명의 실시예 2에 따른 광 전류센서의 시스템 구성도2 is a system configuration diagram of an optical current sensor according to Embodiment 2 of the present invention.

도 3는 본 발명의 실시예 3에 따른 광 전류센서의 시스템 구성도3 is a system configuration diagram of an optical current sensor according to Embodiment 3 of the present invention.

도 4는 비교예 1에 따른 종래의 광 전류센서의 시스템 구성도4 is a system configuration diagram of a conventional optical current sensor according to Comparative Example 1

※도면 주요부분에 대한 부호의 설명 ※ Explanation of symbols for main parts of drawing

10 : 본 발명 실시예1에 따른 광 전류센서10: photocurrent sensor according to the first embodiment of the present invention

11 : 신호처리회로 12 : 광원11 signal processing circuit 12 light source

13a,13b,13c : 광빔 전송용 광섬유 14 : 센서 헤드부 케이스13a, 13b, 13c: optical fiber for light beam transmission 14: sensor head part case

15a,15b,15c : 셀폭렌즈15a, 15b, 15c: Cell width lens

16a,16b,16c : PBS 17 : 전선16a, 16b, 16c: PBS 17: electric wire

18a,18b : 페러데이 회전자18a, 18b: Faraday Rotator

19a,19b,19c,19d,19e : 90도 굴절 프리즘 20a, 20b : 광 검출기 19a, 19b, 19c, 19d, 19e: 90 degree refractive prism 20a, 20b: photo detector

21a, 21b, 21c : 셀폭렌즈 와 광섬유 고정용 치구 21a, 21b, 21c: jig for cell width lens and optical fiber fixing

30 : 본 발명 실시예2에 따른 광 전류센서 30: photocurrent sensor according to the second embodiment of the present invention

40 : 본 발명 실시예3에 따른 광 전류센서40: photocurrent sensor according to the third embodiment of the present invention

50 : 비교예1에 따른 종래의 광 전류센서50: conventional photocurrent sensor according to Comparative Example 1

본 발명은 전선의 전류를 광학방식으로 측정하는 광 전류센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 페러데이 회전자를 이용하여 전선의 전류에 의한 자계를 광 강도로 변환하여 전류를 측정하는 광 전류센서에 관한 것이다.The present invention relates to an optical current sensor for measuring the electric current of the wire by an optical method. More specifically, the present invention relates to an optical current sensor that measures current by converting a magnetic field due to electric current of a wire into a light intensity using a Faraday rotor.

최근 산업의 고도성장과 더불어 전력수요가 급격히 증가하면서 전력 설비의 초 고압화 및 대용량화가 요구되고 전력의 안정적인 공급 및 효율적인 이용이 요구되고 있다. 특히 전력 생산설비인 발전계통으로부터 배전계통이나 수용가에 이르기까지 계측, 제어, 보호기술의 고도화를 이루기 위해서 기존 전자식 센서 기술을 적용하기에는 한계가 있다. 그 이유는 고전압이나 대전력 환경하에서는 각종 임펄스성 전압, 전류 그리고 자연계의 기상 현상에 기인한 뇌서지등이 직접경로를 통해서나 간접적인 정전유도나 전자 유도에 의해서 각종 발 변전소의 계측, 제어장치에 영향을 주기 때문이다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 기술로서 최근 각광을 받는 것이 광 센서 기술이다. 광 센서 기술은 광이 지니는 특징 즉 광대역, 저손실, 방폭성, 고 절연성, 무유도성, 세심, 경량성, 보수의 용이성, 광 응용 기술과의 정합성등 전력기기에 적용하기에 적합한 기술로 평가되어왔다. In recent years, with the rapid growth of the industry, the demand for electric power has increased rapidly, requiring high voltage and high capacity of electric power facilities, and stable supply and efficient use of electric power. In particular, there is a limit to applying the existing electronic sensor technology to achieve the advancement of measurement, control, and protection technology from power generation system, which is a power production facility, to distribution system or consumer. The reason is that under high voltage and high power environment, various impulsive voltages, currents and thunder surges caused by natural meteorological phenomena affect the measurement and control devices of various substations by direct path or indirect electrostatic induction or electromagnetic induction. Because it gives. As a technology capable of solving such a problem, the optical sensor technology has recently been in the spotlight. Optical sensor technology has been evaluated as a technology suitable for power equipment such as light characteristics, that is, broadband, low loss, explosion proof, high insulation, non-inductive, meticulous, light weight, ease of repair and matching with optical application technology. .

광 전류 센서는 전류가 흐르는 전선의 자계를 검출하는 방식에 따라 자기변형 피복코팅 광 섬유 방식과 페러데이 회전자 방식으로 나누어 지며, 페러데이 회 전자 방식에는 광섬유 자체를 페러데이 회전자로 사용하는 방식과 가넷 또는 납유리 등을 페러데이 회전자로 사용하는 방식이 있다. 자기변형 피복코팅 방식은 자계중의 자기변형 피복코팅 광섬유를 전파하는 광신호의 위상변화를 검출하여 측정하는 방식으로서, 높은 정도를 갖는다는 장점을 가지고 있으나, 외부 스트레스에 약하고 신호처리회로의 구성이 복잡하며 고가라는 단점이 있다. 광섬유 페러데이 회전자 방식은 위상 검출형과 광 강도 검출형의 두 가지가 있으며, 정밀도 및 외부 환경의 영향에 대해 우수한 특성을 가지지만, 모두 클램프 구조를 가지므로 설치가 용이하지 않으며, 시스템 구성이 복잡하고, 정교한 신호처리 과정이 필요하다는 단점이 있다. 본 발명과 관련된 가넷 또는 납유리 등을 페러데이 회전자로 사용하는 방식은 구조가 간단하고 소형, 경량이며 설치 및 신호처리과정이 간단하다는 장점이 있으나, 외부환경 즉 온도, 진동, 외란자계 등에 의해 비교적 영향을 크게 받는다는 단점을 가지고 있다. The optical current sensor is divided into the magnetostrictive coated fiber optic method and the Faraday rotor method according to the method of detecting the magnetic field of the electric wire through which the electric current flows.In the Faraday rotor method, the optical fiber itself is used as the Faraday rotor and the garnet or Lead glass is used as a Faraday rotor. The magnetostrictive coating coating method is a method of detecting and measuring the phase change of an optical signal propagating through the magnetostrictive coating coating optical fiber in magnetic field. It has the advantage of having a high degree, but it is weak to external stress and has a structure of signal processing circuit. It is complicated and expensive. There are two types of optical fiber Faraday rotor type, phase detection type and light intensity detection type, and they have excellent characteristics against precision and influence of external environment, but all have clamp structure, so installation is not easy and system configuration is complicated And, there is a disadvantage that a sophisticated signal processing process is required. The method of using garnet or lead glass, etc., related to the present invention as a Faraday rotor has the advantages of simple structure, small size, light weight, and simple installation and signal processing, but relatively influenced by external environment such as temperature, vibration, disturbance magnetic field, etc. It has the disadvantage of receiving a lot.

이에 본 발명은, 가넷 또는 납유리 등을 페러데이 회전자로 사용하는 방식의 광 센서의 단점을 개선하기 위해 고안된 것으로, 동일한 특성을 갖는 2개의 페러데이 회전자를 하나의 센서 헤드부내에 배치함으로써 온도, 진동, 외란자계에 대하여 영향을 받지 않는 광 전류센서를 제공한다. Accordingly, the present invention is designed to improve the shortcomings of the optical sensor using a garnet or lead glass as a Faraday rotor, and by placing two Faraday rotors having the same characteristics in one sensor head, temperature, vibration In addition, it provides an optical current sensor that is not affected by the disturbance magnetic field.

통상, 페러데이 회전자 방식의 광 전류센서는, 페러데이 회전자를 이용해서 전선의 전류에 의한 자계의 세기에 비례하게 이를 투과하는 광빔의 편광면을 회전시키며, 이 편광면이 회전된 정도를 편광자와 검광자를 이용하여 광 강도 변화로 변환하여 전선의 전류를 측정한다.In general, a Faraday rotor type photocurrent sensor uses a Faraday rotor to rotate the polarization plane of the light beam passing therein in proportion to the intensity of the magnetic field caused by the electric current of the wire, and the degree of rotation of the polarization plane Measure the current in the wire by converting it into a change in light intensity using a analyzer.

만약, 직선전선에 전류I가 흐르면 도선 주위에 생기는 자계 B 는 암페어 법칙에 의해 다음의 식으로 주어진다.If the current I flows in a straight line, the magnetic field B generated around the lead is given by the ampere law as follows.

Figure 112004037487614-pat00001
----------------------------------------(1)
Figure 112004037487614-pat00001
----------------------------------------(One)

Figure 112004037487614-pat00002
--------------------------------------(2)
Figure 112004037487614-pat00002
--------------------------------------(2)

그러므로 도선으로부터 거리 r 되는 지점의 자계는 다음 식으로 표현할 수 있다.

Figure 112004037487614-pat00003
---------------------------------- (3 )Therefore, the magnetic field at the distance r from the conductor can be expressed by the following equation.
Figure 112004037487614-pat00003
---------------------------------- (3)

여기서, π는 원주율이고, μ0 = 4πX10-7 (Tesla

Figure 112004037487614-pat00004
meter)/amp 이며 진공중의 투자율 이다. 따라서, 상기 광 전류센서로부터의 출력전압 V는 다음식과 같이 나타낼 수 있다.Where π is the circumference and μ 0 = 4πX10 -7 (Tesla
Figure 112004037487614-pat00004
meter) / amp and permeability in vacuum. Therefore, the output voltage V from the photocurrent sensor can be expressed as follows.

Figure 112004037487614-pat00005
--------------------------------------(4)
Figure 112004037487614-pat00005
--------------------------------------(4)

여기서

Figure 112004037487614-pat00006
는 비례상수이다. 이때, 만일, 온도, 진동, 외란자계등의 외부환경의 변화에 의한 영향을 고려 한다면 출력 전압 V는 다음식으로 표현할 수 있다.
here
Figure 112004037487614-pat00006
Is a proportionality constant. At this time, if considering the effects of changes in the external environment, such as temperature, vibration, disturbance magnetic field, the output voltage V can be expressed by the following equation.

Figure 112004037487614-pat00007
------------------------(5)
Figure 112004037487614-pat00007
------------------------ (5)

여기서,

Figure 112004037487614-pat00008
,
Figure 112004037487614-pat00009
,
Figure 112004037487614-pat00010
,
Figure 112004037487614-pat00011
는 각각 외부온도, 진동, 외란자계, 기타 외부환경의 변화에 의한 출력전압의 변동을 나타낸다. here,
Figure 112004037487614-pat00008
,
Figure 112004037487614-pat00009
,
Figure 112004037487614-pat00010
,
Figure 112004037487614-pat00011
Are the fluctuations in output voltage due to changes in external temperature, vibration, disturbance magnetic field, and other external environment.

이제, 이와 같은 외부환경의 변화에 대한 출력전압의 변동을 상쇄시키기 위하여, 동일한 특성을 가지는 2개의 페러데이 회전자를 한 센서 헤드부내에 설치하되, 그중 하나인 페러데이 회전자1은 전선으로부터 상대적으로 가까운 거리, 예를 들어 r1에 설치하고, 나머지 하나의 페러데이 회전자2는 전선으로부터 상대적으로 먼거리, 예를 들어 r2 에 설치하면, 페러데이 회전자1과 2로부터의 출력전압

Figure 112004037487614-pat00012
,과
Figure 112004037487614-pat00013
는 (5)식을 이용하여, 다음식으로 주어진다.Now, in order to offset the fluctuation of the output voltage against such a change in the external environment, two Faraday rotors having the same characteristics are installed in one sensor head part, one of which is a Faraday rotor 1 relatively close to the wire. If installed at a distance, for example r 1 , and the other Faraday rotor 2 is relatively far from the wire, for example r 2 , the output voltages from Faraday rotors 1 and 2
Figure 112004037487614-pat00012
,and
Figure 112004037487614-pat00013
Is given by the following equation.

Figure 112004037487614-pat00014
-------------------------(6)
Figure 112004037487614-pat00014
------------------------- (6)

Figure 112004037487614-pat00015
-------------------------(7)
Figure 112004037487614-pat00015
------------------------- (7)

(6), (7)식에서

Figure 112004037487614-pat00016
Figure 112004037487614-pat00017
인 것을 고려하면, (6)식의 우변 제1항은 (7)식의 우변 제1항 보다 크다는 것, 즉 페러데이 회전자1에 페러데이 회전자2에 비해 보다 큰 자계가 걸리는 것을 알 수 있다. 그러나, 온도, 진동, 외란자계, 기타외부환경에 의한 영향은 페러데이 회전자1 과 2가 설치된 센서헤드부 전체에 미치는 것이므로, 페러데이 회전자1과 2에 동일하게 작용하여, (6), (7)식에 나타낸 것과 같이, (6), (7)식의 우변 제2항, 제3항, 제4항, 제5항은 동일하게 주어진다. In the formula (6), (7)
Figure 112004037487614-pat00016
Figure 112004037487614-pat00017
In consideration of the fact that the right side paragraph 1 of Eq. (6) is larger than the right side claim 1 of Eq. (7), that is, the Faraday rotor 1 has a larger magnetic field than that of the Faraday rotor 2. However, since the effects of temperature, vibration, disturbance magnetic field, and other external environment are on the entire sensor head part where the Faraday rotors 1 and 2 are installed, they act in the same way on the Faraday rotors 1 and 2, (6), (7 As shown in the equation, the right side items 2, 3, 4, and 5 of (6) and (7) are given the same.

따라서, 페러데이 회전자 1과 2로부터 얻은 출력전압

Figure 112004037487614-pat00018
Figure 112004037487614-pat00019
의 차
Figure 112004037487614-pat00020
를 구하면
Thus, the output voltage from Faraday rotors 1 and 2
Figure 112004037487614-pat00018
and
Figure 112004037487614-pat00019
Car
Figure 112004037487614-pat00020
If you find

Figure 112004037487614-pat00021
Figure 112004037487614-pat00021

Figure 112004037487614-pat00022
Figure 112004037487614-pat00022

Figure 112004037487614-pat00023
-----------------------------------(8)
Figure 112004037487614-pat00023
-----------------------------------(8)

가 되어, 온도, 진동, 외란자계, 기타 외부환경에 의한 영향은 상쇄되고, 페러데이 회전자1과 2에 인가되는 자계의 차에 의한 출력값이 얻어지며, 이것은, 식(8)과 같이, 전선에 흐르는 전류I에 비례하기 때문에, 전선의 전류I를, 외부환경 변화에 의한 영향없이, 고정밀도로 측정할 수 있다.The influence of temperature, vibration, disturbance magnetic field, and other external environment is canceled, and the output value due to the difference of the magnetic field applied to the Faraday rotors 1 and 2 is obtained. Since it is proportional to the current I flowing, the electric current I of a wire can be measured with high precision, without the influence of an external environment change.

본 발명에 따른 광 전류센서는, 광원과; 광원으로부터 나오는 광빔을 전송하기 위한 입력측 광섬유와, 입력측 광섬유로부터 나오는 광빔을 평행광빔으로 만들기위한 평행광 렌즈와; 이 평행광빔을 2개의 편광빔으로 나누기 위한 PBS(Polarizing Beam Splitter)와; 전선으로부터 상대적으로 가까운 거리에 설치되어, 상기 PBS에 의해 나누어진 편광빔 중의 하나를 투과시키며, 전선의 전류에 의해 발생되는 자계에 비례하게 상기 편광빔의 편광면을 회전시키는 페러데이 회전자1과; 전선으로부터 상대적으로 먼 거리에 설치되고, 상기 PBS에 의해 나누어진 편광빔 중의 다른 하나를 투과시키며, 전선의 전류에 의해 발생되는 자계에 비례하게 상기 편광빔의 편광면을 회전시키는 페러데이 회전자2와; 페러데이 회전자1을 투과한 편광빔의 편광면이 회전된 정도를 광 강도로 변환하기 위한 검광자1과; 페러데이 회전자2를 투과한 편광빔의 편광면이 회전된 정도를 광 강도로 변환하기위한 검광자2와; 검광자1을 투과한 광빔을 집속하기 위한 집속렌즈1과; 검광자2를 투과한 광빔을 집속하기 위한 집속렌즈2와; 집속렌즈1를 투과한 광빔을 전송하기위한 출력측 광섬유1과; 집속렌즈2를 투과한 광빔을 전송하기위한 출력측 광섬유 2와; 출력측 광섬유1을 투과한 광빔을 전기신호로 변환하기 위한 광검출기1과; 출력측 광섬유2를 투과한 광빔을 전기신호로 변환하기 위한 광검출기2와; 광검출기1과 광검출기2에 의해 얻어지는 전기신호를 차동증폭하여 전압출력을 얻는 신호처리회로로 구성된다.Optical current sensor according to the present invention, the light source; An input optical fiber for transmitting the light beam emitted from the light source, and a parallel optical lens for making the light beam emitted from the input optical fiber into a parallel light beam; A polarizing beam splitter (PBS) for dividing the parallel light beam into two polarizing beams; A Faraday rotor 1 installed at a relatively close distance from an electric wire and transmitting one of the polarization beams divided by the PBS, and rotating the polarization plane of the polarization beam in proportion to the magnetic field generated by the electric current of the electric wire; A Faraday rotor 2 installed at a relatively long distance from the wire and transmitting another one of the polarization beams divided by the PBS, and rotating the polarization plane of the polarization beam in proportion to the magnetic field generated by the electric current of the wire; ; An analyzer 1 for converting the degree of rotation of the polarization plane of the polarization beam passing through the Faraday rotor 1 into light intensity; An analyzer 2 for converting the degree of rotation of the polarization plane of the polarizing beam transmitted through the Faraday rotor 2 into light intensity; A focusing lens 1 for focusing the light beam transmitted through the analyzer 1; A focusing lens 2 for focusing the light beam transmitted through the analyzer 2; An output side optical fiber 1 for transmitting the light beam transmitted through the focusing lens 1; An output side optical fiber 2 for transmitting the light beam transmitted through the focusing lens 2; A photodetector 1 for converting a light beam transmitted through the output optical fiber 1 into an electrical signal; A photodetector 2 for converting the light beam transmitted through the output optical fiber 2 into an electrical signal; And a signal processing circuit which differentially amplifies the electric signals obtained by the photodetector 1 and the photodetector 2 to obtain a voltage output.

상기 광원으로는 레이저 다이오드 또는 LED(Light Emitting Diode) 를 사용할 수 있으며, 평행광 렌즈와 집속렌즈로는, 셀폭렌즈, 그린렌즈 등의 소형 렌즈를 사용할 수 있으며, 페러데이 회전자로는 가넷, 유리, ZnSe, Bi12SiO20, Bi12GeO 20 등을 사용할 수 있으며, 검광자로는 PBS 또는 편광자를 사용할 수 있으며, 광섬유로는 유리 혹은 플라스틱 광섬유를 사용할 수 있으며, 광검출기로는 포토다이오드 등을 사용할 수 있다. A laser diode or a light emitting diode (LED) may be used as the light source, and a small lens such as a cell width lens and a green lens may be used as the parallel light lens and the focusing lens, and the Faraday rotator may be a garnet, glass, or ZnSe. , Bi 12 SiO 20 , Bi 12 GeO 20, etc. may be used, and PBS or polarizer may be used as an analyzer, glass or plastic optical fiber may be used as an optical fiber, and a photodiode may be used as a photodetector. .

이하에서는, 본 발명에 따른 광 전류 센서의 적합한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the photocurrent sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도1은 본 발명의 실시예 1에 따른 광 전류센서(10)의 시스템 구성도 이며, 그 구성과 동작원리는 다음과 같다.1 is a system configuration diagram of an optical current sensor 10 according to Embodiment 1 of the present invention, its configuration and operation principle are as follows.

신호처리회로(11)에 연결되어 있는 광원(12)를 출발한 광빔은 입력측 광섬유(13a)에 의해, 도1의 화살표와 같이, 센서 헤드부(14)로 전송되고, 입력측 셀폭렌즈(15a)에 의해 평행광빔이 된다. 이 평행광빔은 입력측 PBS(16a)에 의해 2개의 편광빔으로 분리되며, 그중 하나인 입력측 PBS(16a)에 의해 90도 굴절된 편광빔은 전선(17)으로부터 상대적으로 먼거리에 설치된 페러데이 회전자1(18a)에 입사되며, 페러데이 회전자1(18a)를 투과하면서, 전선(17)의 전류에 의해 발생되는 상대적으로 약한 자계에 비례하게 상기 편광빔의 편광면이 회전된후, 출력측 PBS1(16b)에 의해 편광면이 회전된 정도가 광 강도로 변환된다. 이때, 출력측 PBS(16b)는 입력측 PBS(16a)에 대하여 45도 회전되도록 설치하여 상기 편광빔의 편광면이 회전된 정도가 광 강도로 변환될 때, 광 강도의 변화가 선형적인 부분에서 이루어지도록 광학바이어스를 걸어준다. 출력측 PBS1(16b)을 투과한 광빔은 90도 굴절 프리즘(19a)에 의해 굴절되어, 출력측 셀폭렌즈1(15b)에 의해 집속되어, 출력측 광섬유(13b)를 거쳐서 광 검출기1(20a)에 도달하여, 전기신호로 변환된다. 한편 입력측 PBS(16a)에 의해 나누어진 편광빔중의 나머지 하나는 90도 굴절프리즘2(19b)에 의해 굴절된후, 전선(17)으로부터 상대적으로 가까운 거리에 설치된 페러데이 회전자2(18b)를 투과 하면서, 전선(17)의 전류에 의해 발생되는 상대적으로 강한 자계에 비례하게 상기 편광빔의 편광면이 회전된후, 출력측 PBS2(16c)에 의해 편광면이 회전된 정도가 광 강도로 변환된다. 이때, 역시, 출력 측 PBS2(16c)는 입력측 PBS(16a)에 대하여 45도 회전되도록 설치하여, 상기 편광빔의 편광면이 회전된 정도가 광 강도로 변환될 때, 광 강도의 변화가 선형적인 부분에서 이루어지도록 광학 바이어스를 걸어준다. 출력측 PBS2(16c)를 투과한 광 빔은 90도 굴절프리즘3(19c)에 의해 굴절되어, 출력측 셀폭렌즈2(15c)에 의해 집속되어, 출력측 광섬유2(13c)를 거쳐서, 광 검출기2(20b)에 도달하여, 전기신호로 변환된다. 그후 신호처리회로(11)에 의해 광 검출기1(20a)와 광 검출기2(20b)의해 얻어지는 전기신호의 차를 증폭하여, 전선(17)의 전류에 비례하는 전압신호를 얻는다.The light beam starting from the light source 12 connected to the signal processing circuit 11 is transmitted by the input side optical fiber 13a to the sensor head portion 14, as shown by the arrow in Fig. 1, and the input side cell width lens 15a. This results in a parallel light beam. The parallel light beam is separated into two polarized beams by the input side PBS 16a, and the polarized beams refracted by 90 degrees by the input side PBS 16a, one of which is installed Faraday rotor 1 relatively far from the electric wire 17. The polarizing plane of the polarizing beam is rotated in proportion to the relatively weak magnetic field generated by the electric current of the electric wire 17 and is transmitted to the Faraday rotor 1 (18a), and then the output side PBS1 (16b). The degree to which the polarization plane is rotated is converted into the light intensity. At this time, the output side PBS (16b) is installed to rotate 45 degrees with respect to the input side PBS (16a) so that when the degree of rotation of the polarization plane of the polarization beam is converted to the light intensity, the change in the light intensity is made in a linear portion Apply optical bias. The light beam passing through the output side PBS1 16b is refracted by the 90 degree refracting prism 19a, focused by the output side cell width lens 1 15b, and reaches the photodetector 1 20a via the output side optical fiber 13b. Is converted into an electrical signal. On the other hand, the other one of the polarization beams divided by the input side PBS 16a is refracted by the 90 degree refraction prism 2 19b, and then the Faraday rotor 2 18b provided at a relatively close distance from the wire 17 is mounted. While transmitting, after the polarization plane of the polarization beam is rotated in proportion to the relatively strong magnetic field generated by the electric current of the electric wire 17, the degree of rotation of the polarization plane by the output side PBS2 16c is converted into light intensity. . At this time, the output side PBS2 (16c) is also installed to rotate 45 degrees with respect to the input side PBS (16a), when the degree of rotation of the polarization plane of the polarization beam is converted to the light intensity, the change in the light intensity is linear The optical bias is applied to the part. The light beam that has passed through the output side PBS2 16c is refracted by the 90 degree refraction prism 3 (19c), focused by the output side cell width lens 2 (15c), and passed through the output side optical fiber 2 (13c) to the photodetector 2 (20b). ) Is converted into an electrical signal. The signal processing circuit 11 then amplifies the difference between the electrical signals obtained by the photodetector 1 20a and the photodetector 2 20b to obtain a voltage signal proportional to the current of the wire 17.

이와 같이 하면, 전선으로부터 상대적으로 가까운 거리에 위치한 페러데이 회전자2(18b)에 의한 출력전압은 상대적으로 먼 거리에 위치한 페러데이 회전자1(18a)에 의한 출력전압 보다 큰 값을 가지나, 두 출력 신호는 온도 변화, 진동, 외란 자계 등의 외부 환경에 대해서는 동일한 출력신호 왜곡을 나타내므로, 두 출력신호의 차이 값을 최종출력으로 하면, 외부 환경에 의한 출력의 변화 성분이 서로 상쇄되어, 전선에 의해서 발생하는 자계 즉, 전류를 고 정밀도로 검출할 수 있다.In this way, the output voltage of the Faraday rotor 2 (18b) located at a relatively close distance from the wire has a value greater than the output voltage of the Faraday rotor 1 (18a) located at a relatively long distance, but the two output signals Since the same output signal is distorted in the external environment such as temperature change, vibration, disturbance magnetic field, etc., when the difference value between the two output signals is the final output, the change components of the output due to the external environment cancel each other, The magnetic field generated, i.e., the current, can be detected with high accuracy.

도2는 본 발명의 실시예 2(30)에 따른 광 전류센서의 구성도이다. 본 발명의 실시예 2(30)에 따른 광 전류세서는, 본발명의 실시예1(10)과 비교할때, 입출력 광섬유의 위치를 변경시켜 광학 부품의 수를 줄인 것으로 동작원리는 실시예1(10)과 같다.2 is a block diagram of an optical current sensor according to Embodiment 2 (30) of the present invention. Compared with Embodiment 1 (10) of the present invention, the optical current processor according to Embodiment 2 (30) of the present invention reduces the number of optical components by changing the position of the input / output optical fiber. Same as 10).

도3는 본 발명의 실시예 3(40)에 따른 광 전류센서의 구성도이다. 본 발명의 실시예 3(40)에 따른 광 전류세서는, 본발명의 실시예1(10)과 비교할때, 입출력 광 섬유의 위치를 변경하여 광학계의 구성을 간단히 하였으며, 동작원리는 실시예 1(10)과 같다. 3 is a block diagram of a photocurrent sensor according to Embodiment 3 (40) of the present invention. Compared with Embodiment 1 (10) of the present invention, the optical current processor according to Embodiment 3 (40) of the present invention simplified the configuration of the optical system by changing the position of the input / output optical fiber, and the operation principle was Embodiment 1 Same as (10).

도4는 비교예1(50)에 따른 광 전류센서의 구성도이다. 비교예1(50)은 페러데이 회전자형 광 전류센서의 기존 방식으로서, 하나의 페러데이 회전자(18a)로 구성 되며, 광원(12)으로부터 출발하여 입력측 광 섬유(13a)를 통해 들어온 광빔은 셀폭렌즈(15a)에서 평행빔이 되어, 입력측PBS(16a), 페러데이 회전자(18a), 출력측PBS (16b)를 차례로 거치면서 페러데이 회전자(18a)에 인가된 자계의 세기에 따라 광 강도의 세기로 변환되어지고, 이는 다시 90도 굴절 프리즘(19a), 출력측 셀폭렌즈(15b) 를 거쳐 출력측 광섬유(13b)를 통해 신호처리회로로 전송되어 신호처리 과정을 거친 후 전압 값으로 출력된다. 이 경우에는 주위의 온도, 진동, 외란자계 등의 외부 환경의 변화는 페러데이 회전자나 광학계에 영향을 주어 측정값이 왜곡되어 측정 오차를 증대시키는 요인이 된다.4 is a configuration diagram of an optical current sensor according to Comparative Example 1 (50). Comparative Example 1 (50) is a conventional method of the Faraday rotor-type photocurrent sensor, consisting of one Faraday rotor (18a), the light beam starting from the light source 12 through the input side optical fiber 13a is a cell width lens It becomes a parallel beam at 15a, and passes through the input side PBS 16a, the Faraday rotor 18a, and the output side PBS 16b in order to obtain the intensity of light intensity according to the intensity of the magnetic field applied to the Faraday rotor 18a. It is converted, and is then transmitted to the signal processing circuit through the output side optical fiber 13b through the 90 degree refraction prism 19a and the output side cell width lens 15b, and then is output as a voltage value after signal processing. In this case, changes in the external environment such as ambient temperature, vibration, disturbance magnetic field affect the Faraday rotor or optical system, and the measured value is distorted to increase the measurement error.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 광 전류센서에 의하면, 2개의 페러데이 회전자를 하나의 센서헤드부 내에 전선으로부터 이격거리가 서로 다른 위치에 설치하여 두 페러데이 회전자에 의해 얻어지는 신호의 차이를 최종 출력으로 하여, 외부의 환경적 요인 즉 온도, 진동, 외란자계 등에 의한 영향을 상쇄 시킴으로써, 고 정밀도로 전선의 전류를 측정할 수 있다는 효과가 있다.As described above, according to the optical current sensor according to the present invention, two Faraday rotors are installed in one sensor head part at different positions from the electric wires, and thus the difference between the signals obtained by the two Faraday rotors can be determined. As a final output, by canceling the influence of external environmental factors, such as temperature, vibration, disturbance magnetic field, there is an effect that can measure the current of the wire with high accuracy.

Claims (2)

광원;Light source; 상기 광원으로부터 나오는 광빔을 전송하기 위한 입력측 광섬유;An input side optical fiber for transmitting a light beam emitted from the light source; 상기 입력측 광섬유로부터 나오는 광빔을 평행광 빔으로 만들기위한 평행광 렌즈;A parallel light lens for making the light beam emitted from the input optical fiber into a parallel light beam; 상기 평행광 빔을 2개의 편광빔으로 나누기 위한 PBS;PBS for dividing the parallel light beam into two polarizing beams; 전선으로부터 상대적으로 가까운 거리에 설치되어, 상기 PBS에 의해 나누어진 편광빔 중의 하나를 투과시키며, 전선의 전류에 의해 발생되는 자계에 비례하게 상기 편광빔의 편광면을 회전시키는 페러데이 회전자1;A Faraday rotor 1 installed at a relatively close distance from an electric wire and transmitting one of the polarization beams divided by the PBS, and rotating the polarization plane of the polarization beam in proportion to the magnetic field generated by the electric current of the electric wire; 외부 환경에 의한 출력변동을 상쇄시키기 위하여, 상기 페러데이 회전자1보다 전선으로부터 상대적으로 먼 거리에 설치되고, 상기 PBS에 의해 나누어진 편광빔 중의 다른 하나를 투과시키며, 전선의 전류에 의해 발생되는 자계에 비례하게 상기 편광빔의 편광면을 회전시키는 페러데이 회전자2;In order to offset the output fluctuations caused by the external environment, the Faraday rotor 1 is installed at a relatively far distance from the wire, transmits the other of the polarizing beams divided by the PBS, and is generated by the electric current of the wire. A Faraday rotor 2 rotating the polarization plane of the polarization beam in proportion to; 상기 페러데이 회전자1을 투과한 편광빔의 편광면이 회전된 정도를 광 강도로 변환하기 위한 검광자1;An analyzer 1 for converting the degree of rotation of the polarization plane of the polarization beam transmitted through the Faraday rotor 1 into light intensity; 상기 페러데이 회전자2를 투과한 편광빔의 편광면이 회전된 정도를 광 강도로 변환하기위한 검광자2;An analyzer 2 for converting the degree of rotation of the polarization plane of the polarization beam transmitted through the Faraday rotor 2 into light intensity; 상기 검광자1을 투과한 광빔을 집속하기 위한 집속렌즈1;A focusing lens 1 for focusing the light beam transmitted through the analyzer 1; 상기 검광자2를 투과한 광빔을 집속하기 위한 집속렌즈2;A focusing lens 2 for focusing the light beam transmitted through the analyzer 2; 상기 집속렌즈1를 투과한 광빔을 전송하기위한 출력측 광섬유1;An output side optical fiber 1 for transmitting the light beam transmitted through the focusing lens 1; 상기 집속렌즈2를 투과한 광빔을 전송하기위한 출력측 광섬유 2;An output side optical fiber 2 for transmitting the light beam transmitted through the focusing lens 2; 상기 출력측 광섬유1을 투과한 광빔을 전기신호로 변환하기 위한 광검출기1;A photodetector 1 for converting a light beam transmitted through the output side optical fiber 1 into an electrical signal; 상기 출력측 광섬유2를 투과한 광빔을 전기신호로 변환하기 위한 광검출기2; 및A photodetector 2 for converting the light beam transmitted through the output side optical fiber 2 into an electrical signal; And 상기 광검출기1과 광검출기2에 의해 얻어지는 전기신호를 차동증폭하여 전압출력을 얻는 신호처리회로A signal processing circuit for differentially amplifying the electrical signals obtained by the photodetector 1 and the photodetector 2 to obtain a voltage output 를 포함하는 광 전류 센서.Photocurrent sensor comprising a. 제 1항에 있어서, 상기 페러데이 회전자1과 페러데이 회전자2는 가넷, 유리, ZnSe, Bi12SiO20, Bi12GeO20로된 군 중에서 선택된 페러데이 회전자인 것을 특징으로 하는 광 전류센서.The optical current sensor of claim 1, wherein the Faraday rotor 1 and the Faraday rotor 2 are a Faraday rotor selected from the group consisting of garnet, glass, ZnSe, Bi 12 SiO 20 , and Bi 12 GeO 20 .
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