WO2006095619A1 - 強度変調型光センサおよび光電流・電圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】光源にリップルがあるような場合でも、センサ出力に与える影響を最低限にし、測定精度を向上させる。 【解決手段】強度変調型光センサでは、光源１からの光をセンサヘッド６に導き、時間的に変化する交流測定対象（例えば電流ｉ）に基づき光の強度を変調し、変調された光を受光素子８１で受信して電気信号に変換し、その交流成分Ａｓと直流成分Ｄｓとの比から変調度を示す規格化受信信号Ｘｓを求めて交流測定対象の値を求めるが、この発明では、さらにセンサヘッド６に入射する光の一部を分離・受信して参照信号Ｖｒを得、この参照信号の交流成分Ａｒと直流成分Ｄｒとの比から規格化参照信号Ｘｒを求め、この規格化参照信号Ｘｒを前記規格化受信信号Ｘｓから減算することで、雑音成分の低減化を図り精度を向上させる。                                                                                 

Description

明 細 書

強度変調型光センサおよび光電流'電圧センサ

技術分野

[0001] この発明は強度変調型光センサ、特に雑音を低減することが可能な強度変調型光 電流 ·電圧センサに関する。

背景技術

[0002] 光センサとして、測定対象によって変調された信号光に、それとは異なる周波数の 局部発振信号を混合して生じる干渉を光電検出器で受光 '検出する、いわゆる光へ テロダイン方式のセンサ（例えば、非特許文献 1参照）など、高精度のものがあるが、 構成が複雑であるなどの理由から、近年は、ファラデー効果を利用した光強度の変 調を原理とする電流検出センサ、およびポッケルス効果を利用した光強度の変調を 原理とする電圧検出センサの開発'実用化が進められている。

[0003] これら光強度変調型センサの基本動作は、次の通りである。

a)光源力もセンサヘッドに送られる光が、測定対象によって強度変調される。

b)強度変調を受けた光が受光素子に送られ、受信信号光の光量に比例する電気信 号に変換される。

c)電気信号の値の変化力 受光量の変化を求め、測定対象の大きさを知る。

[0004] このような光強度変調型センサでは、測定対象以外の要因による受信信号光量変 動のセンサ出力への影響を抑制することが、測定精度を確保する上での重要課題で ある。

[0005] 光量変動の原因としては、光源強度の変動、光をセンサヘッドに送る伝送路の伝 送効率の変動、およびセンサヘッドから受光素子に至る光伝送路の伝送効率の変動 に分類でき、また、それぞれの光量変動をドリフト的な変動と、比較的高速な変動と に分けて考えることができる。

[0006] これらの光量変動の出力への影響を抑制するため、光学系の堅牢化などのハード ウェア面の対策以外に、非特許文献 2に開示の次のような対策がとられている。 1)変調度演算：受信信号光を変換して得られた受信電気信号から、フィルタを用い て交流成分と直流成分を抽出し、両者の比 (変調度)を求める。

2)光源への入力エネルギーの安定ィ匕：光源への入力電気エネルギーを一定に制御 する。

3)光源強度の制御：受信信号光量の時間平均が一定となるよう、光源素子を駆動す るために素子へ入力する電気エネルギーを制御する。

[0007] なお、原理上 2)と 3)の両方を実施することはできない。

非特許文献 1：「光へテロダイン法を応用した光電流変成器の基本特性の検討」電気 学会論文誌 B. Vol. 117, No. 3, 1997 (第 354— 363頁）

非特許文献 2 :「改訂版光ファイバセンサ技術資料」芳野俊彦監修、 1986 (第 404— 405頁）

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] 上記 1)〜3)のような対策を施すことにより、ドリフト的な変動は除去することができる 。一方、光量変動がドリフト的でない比較的高速なものには、上記 1)の方法は無力 である。何故ならば、光量変動に伴う電気信号の交流成分は、信号から交流分を取 り出すフィルタを通過してしまい、信号と区別できなくなるためである。特に、交流的 な光量変動の主たるものとして、光源素子への入力信号リップルがある。

[0009] したがって、この発明の課題は、光源にリップルがあるような場合でも、センサ出力 に影響を与えないようにし、測定精度を向上させることにある。

課題を解決するための手段

[0010] このような課題を解決するため、請求項 1の発明では、光源力 の光を光学部品か らなるセンサヘッドに導き、このセンサヘッドにて時間的に変化する交流測定対象に 基づき前記光の強度を変調し、変調された光を受信して電気信号に変換し、その交 流成分と直流成分との比から変調度を示す規格化受信信号を求め、この規格化受 信信号に基き前記交流測定対象の値を求める強度変調型光センサにおいて、 前記センサヘッドに入射する光の一部を分離'受信して参照信号を得、この参照信 号の交流成分と直流成分との比から規格化参照信号を求め、この規格化参照信号 を前記規格化受信信号から減算することにより、雑音の低減化を図ることを特徴とす る。

[0011] 上記請求項 1の発明に、ファラデー効果の原理を適用することで強度変調型光電 流センサを得ることができ (請求項 2の発明）、ファラデー効果に代えてポッケルス効 果の原理を適用することで強度変調型光電圧センサを得ることができる (請求項 3の 発明)。

発明の効果

[0012] この発明によれば、光源のリップルなどによる雑音を低減でき、測定精度を向上さ せることが可能となるだけでなく、光電流センサまたは光電圧センサを容易に実現す ることが可能となる利点が得られる。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1]この発明の実施の形態を示す構成図

[図 2]図 1の変形例を示す構成図

[図 3]この発明の検証または実験のための構成図

[図 4]実験結果その 1を示す波形図

[図 5]実験結果その 2を示す波形図

符号の説明

[0014] 1…光源 (ASE)、 2· ··ファイバ力ブラ、 3…光路 (ファイバ）、 4…光学部品（強磁性 ファラデー回転子 +偏光分離素子）、 5· ··ミラー、 6…センサファイバ、 7…導体、 81, 82…受光素子（PD)、 91A, 92A…帯域通過フィルタ（BPF)、 91B, 92B…低域通 過フィルタ (LPF)、 101, 102· ··割算器、 11 · ··減算器。

発明を実施するための最良の形態

[0015] 図 1はこの発明の実施の形態を示す構成図である。

[0016] 同図において、 1は光源 (ASE)、 2はファイバ力プラ、 3はファイバ力もなる光路、 4 は強磁性ファラデー回転子と偏光分離素子からなる光学部品、 5はミラー、 6はセン サファイバ、 7は被測定導体、 81, 82はフォトダイオード (PD)等の受光素子、 91A, 92Aは帯域通過フィルタ（BPF)、 91B, 92Bは低域通過フィルタ（LPF)、 101, 102 は割算器、 11は減算器をそれぞれ示す。 [0017] いま、光源 1に含まれる雑音を周波数 ω_ηの正弦波としてモデルィ匕する。光源 1から の出力光 Ρは、 αを雑音含有率として次式のように表わされる。

し

[0018] Ρ =Ρ (1+ acosc t)'"(l)

し 0 n

また、ファラデー回転角を Θ とすると、導体に流れる電流を i( = I cosco t)、ベルデ

F O S

定数を Vとして、

Θ =Vi=VI cosco t---(2)

F O S

で表わされる。

[0019] 受光素子 81の出力を Vとすると、 aを伝送 ·変換効率として、

S

V =aP (l + sin20 )···(3)

S し F

で表わされる。

[0020] 上記（3)式に（1), (2)式を代入し、 I 20 I《πΖ2とすると、 Vは次式のように

F S

表わされる。

[0021] V =aP (1+ acosco t) (1 + 2VI cosco t)'"(4)

S O n O S

この（4)式を展開すると、

V =aP (1 + 2VI cosco t+ acosco t

S O O S n

+ 2 VI acosco tcosc t) ··* (5)

0 n S

となる。ここで、 ω ≠ωとすると、（5)式の第 1項は DC成分、第 2項以下が AC成分と

n S

なる。

[0022] そこで、 aP→D、 aP (2 VI cosco t+ acosco t + 2VI acosco tcosco t)→Aと

0 S 0 0 S n 0 n S S おいて両者の比 Xを求めると、

s

X =A/D

S S S

=2 VI cos ω t+ acosco t + 2VI acosco tcosco t-* (6;

O S n 0 n S

となり、第 1項は信号成分、第 2·第 3項は雑音成分となる。このように、 DC成分と AC 成分との比を取ることで、受信信号の規格化が行なわれる。

[0023] 雑音成分の第 2項と第 3項を比較すると、 aも 2VIも微小量と考えているので、第 2

0

項の方が影響が大きい。そこで、この項を除去するために、参照光 Pを利用する。

[0024] まず、受光素子 82の出力 Vは、 bを伝送 ·変換効率として、

V =bP =bP (1+ acosco t)---(7)

r L 0 n となる。上記と同様に、第 1項は DC成分、第 2項は AC成分であるので、 bP→D、bP a cos co t→Aとおいて両者の比 Xを求めると、

0 r 0 n r r

X =Α /Ό = a cos o t- " (8)

となる。つまり、両者の比 を求めることで、参照信号の規格化が行なわれる。

[0025] 先の（6)式から上記（8)式を差し弓 Iくと、 Soutが次式のように求められる。

[0026] Sout=X— X = 2VI cos o t + 2VI a cos o tcos o t- - - (9)

S r 0 S 0 n S

(6)式と（9)式を比較すると、 (9)式の方には (6)式第 2項の雑音成分が無 、ことが 分かる。なお、（9)式には、まだ同第 2項の雑音成分が残っているが、この項は微小 である。つまり、（6)式第 2項に比較して α倍の大きさであり、微小量なので無視する ことができる。

[0027] すなわち、受信信号に雑音成分が含まれるときは、基準となる信号 (参照信号)を 抽出し、これを受信信号から差し引くことが容易に考えられる。このとき、受信信号か ら単純に参照信号を差し引くだけでは、雑音成分を除去することはできない。何故な らば、受信信号と参照信号では、信号の時間平均値 (信号レベル)が異なり、両者に 含まれる雑音成分の大きさが異なるからである。

[0028] そこで、この発明では参照信号にっ 、ても交流成分を直流成分で規格化し、その 変調度 (規格化参照信号)を求め、この規格化参照信号を規格化受信信号から差し 引くことにより、雑音成分を正確に除去し得るようにしたものである。

[0029] 図 2に図 1の変形例を示す。図 1ではファイバ力ブラ 2からは参照信号のみを導くよう にしたが、ここでは受信信号も導くようにして光路を 1本としたものである。その他は図 1と同様なので、詳細は省略する。

[0030] 以上では、主としてファラデー効果を利用した光強度の変調を原理とする電流検出 センサについて説明したが、この発明はポッケルス効果を利用した光強度の変調を 原理とする電圧検出センサに対しても、上記と同様にして適用できることは云うまでも 無い。

[0031] 図 3に、この発明の検証または実験のための構成例を示す。

[0032] これは、図 1と同様の構成にし、導体に実効値 (rms)が 0. 3A, 50Hzの交流電流 i

(等価被測定電流 =0. 35 760 (回）= 266八 1113〕）を流したとき、各端子の信号 波形をオシロスコープで観測するものである。なお、光源からの光の波長は 1550nm 、光ファイバ力ブラでの光減衰量は 3dB、ファイバは 1回卷、ファイバへの導体を 760 巻としている。

[0033] 図 4,図 5に、上記オシロスコープで観測される波形を示す。なお、図 4は図 3で参 照信号端子 T4を接続した場合、図⁵は同じく参照信号端子 T4を接続しな 、場合を 示す。オシロスコープ画面の上側（Chi)には端子 TOからの被測定電流 Yを、下側（ Ch2)には各端子 T1〜T3からの信号 As, Ar, Soutをそれぞれ導入し、これらの量 を図 4 (a) , (b) , (c)のように表示した例である。また、オシロスコープ画面の横軸は 5 msecZdivの時間軸、縦軸の上側（Chi)は 20mVZdiv,下側（Ch2)は lOOmVZ divの電圧軸を示して!/、る。

[0034] 図 4 (c)と図 5に示す被測定電流 Yと信号 Soutの関係を比較すれば明らかなように 、図 5に示す参照信号を利用しない従来例相当のものでは、信号 Soutの波形が被 測定電流 Yの波形に対して歪んでいるのに対し、参照信号を利用するこの発明のも の図 4 (c)では、信号 Soutの波形は被測定電流 Yの波形と殆ど同じ正弦波となって おり、雑音成分が低減していることが分力る。

Claims

請求の範囲

[1] 光源力もの光を光学部品からなるセンサヘッドに導き、このセンサヘッドにて時間的 に変化する交流測定対象に基づき前記光の強度を変調し、変調された光を受信して 電気信号に変換し、その交流成分と直流成分との比力 変調度を示す規格ィ匕受信 信号を求め、この規格ィ匕受信信号に基き前記交流測定対象の値を求める強度変調 型光センサにおいて、

前記センサヘッドに入射する光の一部を分離'受信して参照信号を得、この参照信 号の交流成分と直流成分との比から規格化参照信号を求め、この規格化参照信号 を前記規格化受信信号から減算することにより、雑音の低減化を図ることを特徴とす る強度変調型光センサ。

[2] 前記請求項 1に記載の強度変調型光センサに、ファラデー効果を用いた強度変調 型光電流センサ。

[3] 前記請求項 1に記載の強度変調型光センサに、ポッケルス効果を用いた強度変調 型光電圧センサ。