KR20040073146A - Optical magnetic field sensor and apparatus for measuring optical magnetic field - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력용 전류측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 패러데이효과를 가진 자성 가넷(Garnet) 단결정을 사용해서 전력 발전계통으로부터 배전계통에 흐르는 대전류 및 전기철도의 전차선에 흐르는 대전류는 물론 저전류를 정밀하게 감지하고 계측할 수 있는 광자계센서 및 상기 광자계센서를 이용한 광자계측정장치에 관한 것이다.The present invention relates to a current measuring device for power, and more particularly, using a magnetic Garnet single crystal having a Faraday effect, the high current flowing from the power generation system to the distribution system and the low current as well as the high current flowing in the electric railway line. The present invention relates to a photonic field sensor capable of precisely detecting and measuring a photoelectric field and a photonic field measuring device using the photoelectric field sensor.
종래 운용중인 전력용 전류측정에 사용되는 계기용 변성기는 철심의 전자유도를 이용하는 것으로 구조가 견고하고 신뢰성, 주파수의 특성도 양호한 편이나 전력수요가 증가함에 따라 점차 대형화 되어가는 문제점이 있다. 또한, 철심과 권선형태의 구조물로 교류전류를 변류하여 계측하기 때문에 먼지나 소금기 등에 의한 오염을 고려 거대한 부싱애관이 필요하게 되어 절연비용이 커지고, 고장시 대전류에 의해 철심이 포화되는 현상이 발생하며 각종 임펄스성 전압, 전류 그리고 자연계의 기현상에 기인한 뇌써지 등의 정전유도에 의해 측정시 영향을 받는 문제점이 있었다.The instrument transformer used in the conventional electric current measurement for electric power uses a magnetic induction of the iron core, and the structure is robust, reliable, and the characteristics of the frequency are good, but there is a problem that becomes larger gradually as the power demand increases. In addition, since the AC current is measured by the current in the form of iron core and winding type, huge bushings are required in consideration of contamination by dust or salt, resulting in increased insulation cost and saturation of the iron core due to large current in case of failure. There is a problem that is affected by the electrostatic induction of various impulsive voltages, currents and brain surges due to the phenomenon of nature.
최근에 상기와 같은 문제점을 해결하고자 광자계센서와 상기 광자계센서를 이용한 광자계측정장치가 제안되고 있다. 상기 광자계센서는 측정될 자장내에 설치되어 전류가 흐르는 도전체 주위에 발생하는 자계강도를 광을 사용해서 감지하는 장치이다.Recently, in order to solve the above problems, a magneto-optical measuring device using a magneto-optic sensor and the magneto-optical sensor has been proposed. The photo-magnetic field sensor is a device installed in the magnetic field to be measured to detect the magnetic field intensity generated around the conductor through the current using light.
도 1 은 종래 광자계센서의 구성블록도이다. 도시된 바와 같이 종래 광자계센서(100)는 광자계센서 본체(110) 소정 부위에 장착된 제 1, 제 2 광커넥터(111,112)와 제 1, 제 2 광커넥터(111, 112)에 삽입고정되어 광을 집광하는 제 1, 제 2 렌즈(113, 114)와 상기 제 1 렌즈(113)로부터 광을 입력받아 편광시키는 편광자 (114)와 상기 편광자(114)로부터의 편광을 소정 각도 회전시키는 광학 바이어스 소자(115)와 상기 광학 바이어스 소자(115)로부터 입력되는 편광을 자장에 의해 자화된 양만큼 회전시키는 자기광학소자(116)와 상기 자기광학소자(116)로부터 출력되는 출력광을 편광시키는 검광자(117)를 포함한다.1 is a block diagram illustrating a conventional magneto-optical sensor. As shown in the drawing, the conventional magneto-optic sensor 100 is inserted into and fixed to the first and second optical connectors 111 and 112 and the first and second optical connectors 111 and 112 mounted on a predetermined portion of the photo-magnetic sensor body 110. To rotate the polarized light from the first and second lenses 113 and 114 for condensing light and the first lens 113 and the polarizer 114 to polarize light from the polarizer 114. A magnetic optical element 116 for rotating the polarization input from the bias element 115 and the optical bias element 115 by an amount magnetized by a magnetic field and a sword for polarizing the output light output from the magnetic optical element 116. Photon 117.
상기 자기광학소자(116)는 패러데이효과를 가진 자성 가넷(Garnet) 단결정을 사용해서 만들어진 소자이다. 패러데이효과는 자기광학소자에 자기장을 걸고 평면편광된 빛을 자기장 방향으로 입사시키면 상기 자기광학소자을 통과하여 나오는 빛의 편광 평면이 통과한 거리에 비례하여 회전하는 것을 의미한다. 즉, 회전된 각도를라 하고 자기장의 세기를 B라 하면=VB의 관계가 있다. 이때 비례상수 V는 베르데상수라 한다. 따라서 자기광학소자의 패러데이효과는 상기 베르데상수와 관련된다.The magneto-optical device 116 is a device made using a magnetic Garnet single crystal having a Faraday effect. The Faraday effect means that when the magnetic field is applied to the magneto-optical device and the plane-polarized light is incident in the magnetic field direction, the Faraday effect rotates in proportion to the distance passed by the polarization plane of the light passing through the magneto-optical device. That is, the rotated angle If the strength of the magnetic field is B There is a relationship of = VB. The proportional constant V is called the Verde constant. The Faraday effect of the magneto-optical device is thus related to the Verde constant.
그런데 종래 광자계센서에 사용되는 자기광학소자는 비스무트 실리콘 옥사이드(BSO)인데 베르데상수가 적어 저전류 측정이 어려운 단점이 있었다. 또한 광학바이어스 소자가 온도 영향을 받기 때문에 광학바이어스 점이 드리프트되어 교류자계 측정시 완전한 교류 파형이 아닌 왜곡된 교류 파형이 출력되어 측정감도가 불량한 단점이 있었다.By the way, the magneto-optical device used in the conventional magneto-optic sensor is bismuth silicon oxide (BSO), but the low Verde constant has a disadvantage of low current measurement. In addition, since the optical bias element is affected by temperature, the optical bias point drifts, and thus, the measurement sensitivity is poor because the distorted AC waveform is output instead of the complete AC waveform when the AC magnetic field is measured.
도 2 는 종래 또 다른 광자계센서의 구성블록도이다. 여기서, 도 2 와 대응되는 구성은 동일한 도면부호로 표시된다.2 is a block diagram illustrating another conventional magneto-optical sensor. Here, the components corresponding to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.
상기 광자계센서는 편광자(114)에 부착된파장판(115)이 광학 바이어스 소자로 사용되고 검광자(117)에 부착된 자기광학소자(116)로 베르데상수가 큰 RIG(Rare earth Iron Garnet)가 사용되었다. 따라서 상기 광자계센서는 저전류측정의 어려움을 보완하였다.The photo magnetic field sensor is attached to the polarizer 114 Rare earth iron garnet (RIG) having a high Verde constant was used as the magneto-optical element 116 attached to the analyzer 117 by using the wavelength plate 115 as an optical bias element. Therefore, the photomagnetic sensor compensates for the difficulty of low current measurement.
그러나 상기 광자계센서에서도 광학 바이어스 소자로 사용되는파장판 (115)이 광의 파장과 온도의 영향을 받기 때문에 상기 광자계센서 역시 온도 변화 및 파장 변화에 따라 광학 바이어스 점이 드리프트되어 교류자계 측정시 완전한 교류 파형이 아닌 왜곡된 교류 파형이 출력되어 측정감도가 불량한 단점이 있었다.However, the optical magnetic field sensor is also used as an optical bias element Since the wavelength plate 115 is influenced by the wavelength and the temperature of light, the optical magnetic field sensor also drifts the optical bias point according to the temperature change and the wavelength change. There was a bad drawback.
또한, 종래 광자게센서에 사용되는 광학 바이어스 소자가 고가이어서 광자계센서를 제작시 비용상의 부담이 있었다.In addition, since the optical bias element used in the conventional photon sensor is expensive, there was a cost burden in manufacturing the photon sensor.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 패러데이 효과가 큰 자성 가넷(Garnet) 단결정으로 만들어져 전력 발전계통으로부터 배전계통에 흐르는 대전류 및 전기철도의 전차선에 흐르는 대전류는 물론 저전류를 정확하게 감지 및 계측할 수 있는 광자계센서 및 상기 광자계센서를 이용한 광자계측정장치를 제공함을 그 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, it is made of a magnetic Garnet (Garnet) single crystal with a large Faraday effect, the high current flowing in the distribution system from the power generation system and the high current flowing in the electric cable line of the electric railway as well as low current and accurately It is an object of the present invention to provide a photonic field sensor that can measure and a photomagnetic field measuring device using the photoelectric field sensor.
부가적으로 본 발명은 별도의 고가의 광학 바이어스 소자를 필요로 하지 않는 구조로 제작되어 제작비용이 보다 저렴한 광자계센서 및 상기 광자계센서를 이용한 광자계측정장치를 제공함을 그 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a magneto-optical sensor and a magneto-optical measuring device using the magneto-optical sensor that is manufactured in a structure that does not require a separate expensive optical bias element and the manufacturing cost is lower.
도 1 은 종래 광자계센서의 구성블록도이다.1 is a block diagram illustrating a conventional magneto-optical sensor.
도 2 는 종래 또 다른 광자계센서의 구성블록도이다.2 is a block diagram illustrating another conventional magneto-optical sensor.
도 3 은 본 발명에 따른 광자계센서의 개략적인 전체 구성블록도이다.3 is a schematic overall block diagram of a photonic field sensor according to the present invention.
도 4 는 본 발명에 따른 광자계센서의 입출력 특성을 나타낸 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the input and output characteristics of the photoelectric sensor according to the present invention.
도 5 는 본 발명에 따른 광자계센서의 온도변화에 의한 감도변화특성을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the sensitivity change characteristics of the photoelectric sensor according to the temperature change according to the present invention.
도 6 은 본 발명에 따른 자기광학소자의 자장- 패러데이 회전각에 관한 그래프이다.6 is a graph of the magnetic field-Faraday rotation angle of the magneto-optical device according to the present invention.
도 7 은 본 발명에 따른 자기광학소자의 온도변화에 의한 감도변화특성을 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the sensitivity change characteristics of the magneto-optical device according to the temperature change according to the present invention.
도 8 은 본 발명에 따른 광자계측정장치에 관한 것이다.8 relates to an apparatus for measuring photons according to the present invention.
도 9 는 본 발명에 따른 광자계측정장치의 온도변화에 따른 측정정확도의 의존성을 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing the dependence of the measurement accuracy according to the temperature change of the magneto-optical measuring device according to the present invention.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광자계센서의 일 양상에 따르면, 측정될 자장 내에 위치되어 상기 자장의 강도를 출력광의 강도로서 감지하는 광자계센서에 있어서, 상기 광자계센서에 입력되는 광을 집광하는 제1 렌즈와;According to an aspect of a photoelectric sensor according to the present invention for achieving the above object, in the optical magnetic field sensor which is located in the magnetic field to be measured to sense the intensity of the magnetic field as the intensity of the output light, the light input to the photomagnetic field sensor A first lens for condensing the light;
상기 제1 렌즈로부터 입력되는 광의 진행방향을 바꾸어주는 프리즘과;A prism for changing a traveling direction of light input from the first lens;
상기 프리즘으로부터 입력되는 광을 편광시키되 검광자와 편광방향이 45°만큼 기울어지도록 설치된 편광자와;A polarizer installed to polarize the light input from the prism, and to tilt the analyzer and the polarization direction by 45 °;
상기 편광자로부터 입력되는 편광을 상기 자장에 의해 자화된 양만큼 회전시켜 출력하는 자기광학소자와;A magneto-optical element for rotating and outputting polarized light input from the polarizer by an amount magnetized by the magnetic field;
상기 자기광학소자로부터의 출력광을 편광시키는 검광자와;An analyzer for polarizing the output light from the magneto-optical element;
상기 검광자로부터 입력되는 광을 광자계측정모듈로 집광하는 제2 렌즈;A second lens for condensing light input from the analyzer to a photomagnetic field measurement module;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.Characterized in that it comprises a.
본 발명의 기본적인 양상은 별도의 광학 바이어스 소자를 사용하지 않고 편광자와 검광자의 편광방향을 다르게 설치함으로써 광학 바이어스 소자에 의한 측정불량을 없애 보다 정확한 자계 감지 및 측정이 가능하도록 하는 것이다.The basic aspect of the present invention is to provide a more accurate magnetic field detection and measurement by eliminating the measurement failure by the optical bias element by providing different polarization directions of the polarizer and the analyzer without using a separate optical bias element.
이와 같은 구성을 갖는 광자계센서는 고가의 광학 바이어스 소자를 사용하지 않으므로 종래보다 훨씬 경제적인 장점이 있다.The photoelectric field sensor having such a configuration does not use an expensive optical bias element and thus has a much more economic advantage than the conventional one.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 전술한, 그리고 추가적인 양상을 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily understand and reproduce the present invention.
도 3 은 본 발명에 따른 광자계센서의 개략적인 전체 구성블록도이다.3 is a schematic overall block diagram of a photonic field sensor according to the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광자계센서(10)는 제 1, 제 2 광커넥터 (11, 12)와 제 1, 제 2 렌즈(13, 14)와 프리즘(15)과 편광자(16)와 자기광학소자 (17)와 검광자(18)를 포함한다.As shown, the photo magnetic field sensor 10 according to the present invention includes the first and second optical connectors 11 and 12, the first and second lenses 13 and 14, the prism 15, and the polarizer 16. And a magneto-optical element 17 and an analyzer 18.
제 1, 제 2 광커넥터(11, 12)는 FC 타입의 BNC커넥터를 사용하며 광자계센서 몸체(1) 소정 부위에 장착되어 입력광파이버(미도시)와 출력광파이버(미도시)를 접속한다.The first and second optical connectors 11 and 12 use FC type BNC connectors and are mounted on predetermined portions of the photoelectric sensor body 1 to connect the input optical fibers (not shown) and the output optical fibers (not shown).
제 1, 제 2 렌즈(13, 14)는 마이크로렌즈(microlens)를 사용하며 제 1 렌즈 (13)는 편광자(16)로 입사하는 광을, 제 2 렌즈(12)는 상기 검광자(18)로부터 출력되는 광을 집광한다.The first and second lenses 13 and 14 use microlens, and the first lens 13 receives light incident on the polarizer 16, and the second lens 12 receives the analyzer 18. Condenses the light output from the.
프리즘(15)은 상기 제 1 렌즈(13)로부터 입력되는 광의 진행방향을 편광자 (16)로 바꾸어주는 것으로서, 90도 프리즘을 사용한다.The prism 15 changes the traveling direction of the light input from the first lens 13 to the polarizer 16, and uses a 90 degree prism.
편광자(16)는 상기 프리즘(15)으로부터 입력되는 광을 편광시키는 것으로서 폴라라이저 빔 스플리터(PBS)를 사용한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 편광자(16)는 검광자와 편광방향이 45°만큼 기울어지도록 설치된다. 여기서 상기 편광자(16)는 검광자와 편광방향을 45°만큼 기울어지도록 설치하는 이유는 자기광학소자에서 편광면의 변화량에 대해 선형적 출력특성을 가지는 각이 45°부근이기 때문이다. 이러한 자기광학소자의 특성때문에 종래기술에서는 광학바이어스 소자를 사용하였지만 본 발명에서는 상기 편광자(16)는 검광자의 배열자체를 45°로 배치함으로서 종래와 똑같은 효과를 얻을 수 있다.The polarizer 16 uses a polarizer beam splitter PBS as polarizing light input from the prism 15. In the preferred embodiment of the present invention, the polarizer 16 is installed such that the analyzer and the polarization direction are inclined by 45 °. The polarizer 16 is installed so that the analyzer and the polarization direction are inclined by 45 ° because the angle having linear output characteristics with respect to the change amount of the polarization plane in the magneto-optical device is near 45 °. Due to the characteristics of the magneto-optical device, in the prior art, an optical bias device is used. However, in the present invention, the polarizer 16 can obtain the same effect as in the prior art by arranging the analyzer itself at 45 °.
자기광학소자(17)는 상기 편광자(16)로부터 입력되는 편광면을 자장에 의해 자화된 양만큼 회전시키는 것이다. 바람직한 실시예에서 상기 자기광학소자(17)는 저전류에 의한 유도되는 자장의 크기를 비교적 정밀하게 감지할 수 있는 자성 가넷 단결정으로 만들어진 것을 사용한다.The magneto-optical element 17 rotates the polarization plane input from the polarizer 16 by an amount magnetized by the magnetic field. In the preferred embodiment, the magneto-optical device 17 uses one made of magnetic garnet single crystal capable of relatively accurately detecting the magnitude of the magnetic field induced by low current.
일반적으로 우수한 특성을 지닌 자기광학소자(17)는 온도에 따른 자장측정감도의 변화가 적어야, 즉 온도특성이 좋아야 한다. 또한 패러데이효과가 클수록 저전류에 의한 유도 자장의 세기를 정밀히 계측할 수 있다.In general, the magneto-optical device 17 having excellent characteristics should have a small change in magnetic field measurement sensitivity according to temperature, that is, a good temperature characteristic. In addition, the greater the Faraday effect, the more precisely the intensity of the induced magnetic field caused by low current can be measured.
Bi(비스무트) 치환 희토류 철 가넷 단결정은 큰 패러데이효과를 가지며, 자기광학소자용으로 사용되면 자장측정장치의 감도를 개선할 수 있다.Bi (bismuth) substituted rare earth iron garnet single crystal has a large Faraday effect, and when used for a magneto-optical device can improve the sensitivity of the magnetic field measuring device.
본 발명에서는 본원 출원인에 의해 발명되어 대한민국 특허출원번호 제 2002-76264 호로 출원된 일반식이 BiaPbbYcGd3-(a+b+c)PtdFe5-dO12으로 표현되고 0.5≤a≤1.0, 0≤b≤1.0, 0.3≤c≤1.0, 0≤d≤1.0 인 Bi(비스무트) 치환 희토류 철 가넷 단결정을 사용하였다.In the present invention, a general formula invented by the applicant of the present application and filed with Korean Patent Application No. 2002-76264 is represented by Bi a Pb b Y c Gd 3- (a + b + c) Pt d Fe 5-d O 12 and 0.5 Bi (bismuth) substituted rare earth iron garnet single crystals with ≦ a ≦ 1.0, 0 ≦ b ≦ 1.0, 0.3 ≦ c ≦ 1.0, and 0 ≦ d ≦ 1.0 were used.
상기 조성에서 Bi3+는 가넷 결정내 12면체 부격자 자리에 치환되어 패러데이효과를 증대시키는 역할을 한다. 지금까지 Bi(비스무트) 치환 희토류 철 가넷 단결정의 온도 특성은 좋지 않았지만 Gd3+이온을 첨가함으로서 온도특성이 개선되고, 단결정 성장 공정상 결정내로 치환되는 Pb와 Pt 이온종은 적당히 치환량을 조절하면 자기광학적 혹은 광학적 특성의 개선에 도움이 될 수 있다. 상기 Bi(비스무트) 치환 희토류 철 가넷 단결정의 성장방법은 선출원에 기재되어 있는바 자세한 설명은 생략하기로 한다.In the composition, Bi 3+ is substituted for the dodecahedral sublattice site in the garnet crystal to play a role of enhancing the Faraday effect. Until now, the temperature characteristics of Bi (bismuth) -substituted rare earth iron garnet single crystals have not been good, but the temperature characteristics have been improved by adding Gd 3+ ions. It can help to improve the optical or optical properties. The growth method of the Bi (bismuth) substituted rare earth iron garnet single crystal is described in the prior application, which will not be described in detail.
검광자(18)는 출력광을 편광시키기 위한 것으로서 폴라라이저 빔 스플리터 (PBS)을 사용한다.The analyzer 18 uses a polarizer beam splitter (PBS) to polarize the output light.
이하, 상기 구성을 갖는 본 발명에 따른 광자계센서의 온도 특성 및 저전류에 대한 입출력 특성을 도시된 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the temperature characteristics and the input and output characteristics for the low current of the photoelectric field sensor according to the present invention having the above configuration will be described with reference to the drawings.
도 4 는 본 발명에 따른 광자계센서의 입출력 특성을 나타낸 그래프이다. 도 4 는 입력전류를 0 A ∼ 50 A까지 변화시키며 광자계센서의 입출력 특성을 나타낸 것으로서 본 발명에 따른 광자계센서는 저전류에서도 양호한 출력이 얻어짐을 알 수 있다. 또한, 입력전류에 대한 출력전류가 선형적인 특성을 보임을 알 수 있다.Figure 4 is a graph showing the input and output characteristics of the photoelectric sensor according to the present invention. Figure 4 shows the input and output characteristics of the magneto-optical sensor by varying the input current from 0 A to 50 A, it can be seen that the good magnetic field sensor according to the present invention is obtained even at low current. In addition, it can be seen that the output current with respect to the input current has a linear characteristic.
도 5 는 본 발명에 따른 광자계센서의 온도변화에 의한 감도변화특성을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the sensitivity change characteristics of the photoelectric sensor according to the temperature change according to the present invention.
도시된 바와 같이 60°∼-40°까지 한 주기동안 입력전류에 대한 광자계센서의 출력변화는 ±1% 이내이다. 이는 본 발명에 따른 광자계센서가 낮은 온도의존도를 갖으며 우수한 자장측정감도특성을 가짐을 나타낸다.As shown, the output change of the photoelectric sensor with respect to the input current for one period from 60 ° to -40 ° is within ± 1%. This indicates that the photomagnetic sensor according to the present invention has a low temperature dependency and has excellent magnetic field measurement sensitivity.
이하, 본 발명에 따른 광자계센서에 사용되는 자기광학소자의 특성을 도시된 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the characteristics of the magneto-optical device used in the photoelectric field sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
도 6 은 본 발명에 따른 자기광학소자의 자장- 패러데이 회전각에 관한 그래프이다. 도시된 바와 같이 자장에 대한 패러데이 회전각이 자장 1KOe(포화자장)까지 선형적으로 변화함을 알 수 있다. 이와 같은 특성에 따라 본 발명에 따른 자기광학소자는 수 A ∼ 10000A까지 선형적 측정이 가능하다. 또한 패러데이효과와 관련된 베르데상수가 큼을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 자기광학소자는 저전류에 의한 유도 자장의 크기를 고감도로 감지할 수 있는 것이다.6 is a graph of the magnetic field-Faraday rotation angle of the magneto-optical device according to the present invention. As shown, the Faraday rotation angle with respect to the magnetic field can be seen to change linearly to the magnetic field of 1 KOe (saturated magnetic field). According to such a characteristic, the magneto-optical device according to the present invention can measure linearly from A to 10000A. It can also be seen that the Verde constant is associated with the Faraday effect. Therefore, the magneto-optical device according to the present invention can detect the magnitude of the induced magnetic field due to low current with high sensitivity.
도 7 은 본 발명에 따른 자기광학소자의 온도변화에 의한 감도변화특성을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이 -20∼60℃ 온도범위에서 베르데상수가 온도에 따라 거의 변화가 없음을 알 수 있다.7 is a graph showing the sensitivity change characteristics of the magneto-optical device according to the temperature change according to the present invention. As shown, it can be seen that the Verde constant is almost unchanged with temperature in the temperature range of -20 ~ 60 ℃.
도 8 은 본 발명에 따른 광자계측정장치에 관한 것이다.8 relates to an apparatus for measuring photons according to the present invention.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광자계측정장치(20)는 광원구동부(21)와 광자계센서부(22)와 수광부(23)와 신호처리부(24)를 포함한다.As shown, the magneto-optical measuring device 20 according to the present invention includes a light source driving unit 21, a photo-magnetic field sensor 22, a light receiving unit 23, and a signal processing unit 24.
광원구동부(21)는 자장 내에 위치한 광자계센서에 광을 조사하기 위한 것으로서, 간단한 전기소자로 구성된 정전압부(211)와 증폭부(212)와 발광부(213)를 포함한다. 상기 발광부(213)는 850㎚ 파장대에서 광출력이 약 1.5㎽정도인 레이저 다이오드를 사용한다.The light source driver 21 is for irradiating light to a photo magnetic field sensor located in a magnetic field, and includes a constant voltage unit 211, an amplifier 212, and a light emitting unit 213 formed of a simple electric element. The light emitting unit 213 uses a laser diode having an optical output of about 1.5 GHz in the 850 nm wavelength band.
광자계센서부(22)는 상기 광원구동부(21)로부터 입사되는 광을 편광시키고 상기 편광된 광을 외부 자장에 비례하는 양만큼 회전시켜 출력한다. 상기 광자계센서부의 구성은 전술한 바와 같으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.The photo magnetic field sensor 22 polarizes the light incident from the light source driver 21 and rotates the polarized light by an amount proportional to an external magnetic field and outputs the light. Since the configuration of the photon sensor unit is as described above, a detailed description thereof will be omitted.
수광부(23)는 상기 광자계센서(22)로부터 광을 수광하여 상기 수광신호에 비례하는 전류를 출력한다. 상기 수광부(23)는 포토다이오드와 상기 포토다이오드로부터 출력되는 광전류를 증폭하는 증폭기를 포함한다. 상기 수광부의 출력전압은 직류분과 변조신호가 함께 섞인 신호가 출력된다.The light receiver 23 receives light from the photo magnetic field sensor 22 and outputs a current proportional to the light received signal. The light receiving unit 23 includes a photodiode and an amplifier for amplifying the photocurrent output from the photodiode. The output voltage of the light receiving unit outputs a signal in which a DC component and a modulation signal are mixed together.
신호처리부(24)는 상기 수광부(23)로부터 출력전압을 입력받아 직류분과 교류분으로 나누는 교류/직류분리부(241)와 교류증폭부(242)와 직류증폭부(243)와 제산(除算)부(244)와 주증폭부(245)를 포함한다.The signal processing unit 24 receives the output voltage from the light receiving unit 23 and divides the DC / DC separation unit 241 into an AC component, an AC amplifier 242, a DC amplifier 243, and a division. The unit 244 and the main amplifier 245 is included.
바람직한 실시예에 있어서, 직류와 교류가 같이 실려있는 신호에서 교류성분만 통과시키는 것은 간단한 고역 통과 필터로서 가능하나 직류성분만을 검출하기 위해 교류성분을 직류성분으로 나누는 신호처리기법을 사용한다.In a preferred embodiment, it is possible to pass only the AC component in a signal carrying both direct current and alternating current as a simple high pass filter, but a signal processing technique that divides the AC component into DC components to detect only the DC component is used.
상기 제산(除算)부(244)는 입력된 교류와 직류신호에 대한 나누기를 행하는 소자인 AD534소자를 사용하며 상기 AD534소자는 기본적으로 나누어진 값에서 10배를 출력으로 나타냄으로 결과적으로는 신호의 중간 증폭기능도 포함하는 효과를 가진다.The division unit 244 uses an AD534 element that divides the input AC and DC signals, and the AD534 element basically outputs 10 times the divided value. It also has the effect of including intermediate amplifier capability.
주증폭부(245)는 상기 제산(除算)부(244)로부터 입력받은 출력전압을 증폭하여 전류계와 같은 표시장치에 출력하기 위한 것으로서, 간단한 가변저항과 LF353소자를 포함하는 회로로 구성된다.The main amplifier 245 amplifies the output voltage received from the divider 244 and outputs the same to the display device such as an ammeter. The main amplifier 245 is composed of a circuit including a simple variable resistor and an LF353 element.
도 9 는 본 발명에 따른 광자계측정장치의 온도변화에 따른 측정정확도의 의존성을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이 60°∼-40°까지 한 주기동안 입력전류에 대한 광자계센서 측정장치의 출력변화는 ±1% 이내이다. 이는 본 발명에 따른 광자계센서가 낮은 온도의존도를 갖으며 우수한 자장측정감도특성을 가짐을 나타낸다.9 is a graph showing the dependence of the measurement accuracy according to the temperature change of the magneto-optical measuring device according to the present invention. As shown, the output change of the photoelectric sensor measuring device with respect to the input current for one cycle from 60 ° to -40 ° is within ± 1%. This indicates that the photomagnetic sensor according to the present invention has a low temperature dependency and has excellent magnetic field measurement sensitivity.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 광자계측정장치는 주위온도의 변화에 관계없이 높은 정확성과 감도로 자장강도측정이 가능하다.The magneto-optical measuring device according to the present invention having the above configuration can measure the magnetic field strength with high accuracy and sensitivity regardless of the change in the ambient temperature.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광자계센서는 베르데상수가 크고 온도 변화에 따른 자장측정감도가 우수한 자기광학소자를 사용함으로써 저전류를 측정하기에 적합한 장점이 있다.As described above, the magneto-optical sensor according to the present invention has an advantage of measuring low current by using a magneto-optical device having a large Verde constant and excellent magnetic field sensitivity according to temperature change.
또한, 본 발명에 따른 광자계센서는 별도의 고가의 광학 바이어스 소자를 필요로 하지 않는 구조로 제작되어 제작비용이 종래보다 훨씬 저렴한 장점이 있다.In addition, the magneto-optic sensor according to the present invention is manufactured in a structure that does not require a separate expensive optical bias element has an advantage that the manufacturing cost is much lower than conventional.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다라는 것은 명백하다. 따라서, 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the accompanying drawings, it will be apparent to those skilled in the art that many various obvious modifications are possible without departing from the scope of the invention from this description. Therefore, it should be interpreted by the claims described to include many such variations.
Claims (5)
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