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

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WO2006095619A1
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Kiyoshi Kurosawa
Kazuomi Shirakawa
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The Tokyo Electric Power Company, Incorporated
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/247Details of the circuitry or construction of devices covered by G01R15/241 - G01R15/246

Definitions

  • the present invention relates to an intensity modulation type photosensor, and more particularly to an intensity modulation type photocurrent / voltage sensor capable of reducing noise.
  • optical sensor As an optical sensor, a so-called optical heterodyne type sensor (for example, a photo detector that receives and detects interference generated by mixing a signal signal modulated by a measurement object with a local oscillation signal having a frequency different from that of a signal)
  • optical heterodyne type sensor for example, a photo detector that receives and detects interference generated by mixing a signal signal modulated by a measurement object with a local oscillation signal having a frequency different from that of a signal
  • current detection sensors based on the principle of modulation of light intensity using the Faraday effect, and Pockels have been used. Development and commercialization of a voltage detection sensor based on the principle of modulation of light intensity using the effect is in progress.
  • the light sent to the sensor head is intensity-modulated by the object to be measured.
  • the causes of fluctuations in the amount of light can be classified into fluctuations in the light source intensity, fluctuations in the transmission efficiency of the transmission path for sending light to the sensor head, and fluctuations in the transmission efficiency of the optical transmission path from the sensor head to the light receiving element,
  • Each light quantity variation can be divided into a drift variation and a relatively high-speed variation.
  • Non-Patent Document 2 In order to suppress the influence of these light quantity fluctuations on the output, the following countermeasures disclosed in Non-Patent Document 2 are taken in addition to hardware countermeasures such as robustness of the optical system. 1) Modulation degree calculation: Using a filter from the received electrical signal obtained by converting the received signal light To extract the AC and DC components and determine the ratio (modulation) between them.
  • Control of light source intensity The electric energy input to the element is controlled in order to drive the light source element so that the time average of the amount of received signal light is constant.
  • Non-Patent Document 1 “Examination of basic characteristics of photocurrent transformer using optical heterodyne method” IEEJ Transactions B. Vol. 117, No. 3, 1997 (pp. 354-363)
  • Non-Patent Document 2 “Technical Document for Revised Optical Fiber Sensor”, supervised by Toshihiko Yoshino, 1986 (404-405)
  • the above method 1) is ineffective for a relatively high-speed device that does not drift in terms of light intensity. This is because the AC component of the electrical signal due to the change in the amount of light passes through a filter that extracts the AC component from the signal and cannot be distinguished from the signal. In particular, there is an input signal ripple to the light source element as a main cause of AC light quantity fluctuation.
  • an object of the present invention is to improve the measurement accuracy by preventing the sensor output from being affected even when the light source has ripples.
  • the light of the light source power is guided to a sensor head made of an optical component, and based on the AC measurement object that changes with time in this sensor head, The intensity of the light is modulated, the modulated light is received and converted into an electrical signal, a standardized received signal indicating the degree of modulation is obtained from the ratio of the alternating current component and the direct current component, and this standardized received signal is obtained.
  • a reference signal is obtained by separating and receiving a part of the light incident on the sensor head, and a ratio between the AC component and the DC component of the reference signal is obtained.
  • a standardized reference signal is obtained from the standardized reference signal and subtracted from the standardized received signal to reduce noise.
  • an intensity-modulated photoelectric current sensor can be obtained (invention of claim 2), and the principle of the Pockels effect can be substituted for the Faraday effect.
  • an intensity modulation type photovoltage sensor can be obtained (the invention of claim 3).
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a modification of FIG.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention.
  • 1 is a light source (ASE)
  • 2 is a fiber force plastic
  • 3 is an optical path that also has fiber force
  • 4 is an optical component comprising a ferromagnetic Faraday rotator and a polarization separation element
  • 5 is a mirror
  • 6 is a sensor.
  • Saber 7 is the conductor to be measured
  • 81 and 82 are light receiving elements such as photodiodes (PD)
  • 91A and 92A are band pass filters (BPF)
  • 91B and 92B are low pass filters (LPF)
  • 101 and 102 are An arithmetic unit
  • 11 represents a subtracter.
  • Moderui spoon noise included in the light source 1 as a sine wave of frequency omega eta.
  • the output light ⁇ from light source 1 is expressed as follows, where ⁇ is the noise content.
  • V be a constant.
  • V aP (l + sin20) (3)
  • V aP (1+ acosco t) (1 + 2VI cosco t) '"(4)
  • V aP (1 + 2VI cosco t + acosco t
  • the first term is the signal component
  • the second and third terms are the noise components.
  • the received signal is normalized by taking the ratio of the DC component to the AC component.
  • the term is more influential. Therefore, the reference beam P is used to eliminate this term.
  • the output V of the light receiving element 82 is b as transmission / conversion efficiency
  • the first term is the DC component and the second term is the AC component, so when the ratio X between bP ⁇ D and bP a cos cot ⁇ A is obtained,
  • the reference signal is normalized by obtaining the ratio between the two.
  • Eq. (9) has no noise component in the second term of Eq. (6). Although the noise component of the second term still remains in Eq. (9), this term is very small. In other words, it is ⁇ times larger than the second term in Eq. (6) and can be ignored because it is a minute amount.
  • a received signal contains a noise component
  • the noise component cannot be removed by simply subtracting the reference signal from the received signal. This is because the time average value (signal level) of the received signal is different from that of the reference signal, and the magnitude of the noise component contained in both is different.
  • the AC component is normalized with the DC component, the degree of modulation (standardized reference signal) is obtained, and the standardized reference signal is subtracted from the standardized received signal.
  • the noise component can be accurately removed.
  • FIG. 2 shows a modification of FIG. In Fig. 1, only the reference signal is guided from the fiber force bra 2, but here the optical signal is made one so that the received signal is also guided.
  • the other details are the same as in Fig. 1, and details are omitted.
  • the current detection sensor based on the principle of light intensity modulation using the Faraday effect has been described.
  • the present invention relates to a voltage detection sensor based on the principle of light intensity modulation using the Pockels effect.
  • FIG. 3 shows a configuration example for verification or experiment of the present invention.
  • FIG. 4 and 5 show waveforms observed with the oscilloscope.
  • 4 shows the case where the reference signal terminal T4 is connected in FIG. 3
  • FIG. 5 shows the case where the reference signal terminal T4 is not connected.
  • the measured current Y from the terminal TO is introduced on the upper side (Chi) of the oscilloscope screen, and the signals As, Ar, and Sout from the terminals T1 to T3 are introduced on the lower side (Ch2).
  • the horizontal axis of the oscilloscope screen is the time axis of 5 msecZdiv
  • the upper side (Chi) of the vertical axis is 20 mVZdiv
  • the lower side (Ch2) is the voltage axis of lOOmVZ div!

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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 ωη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。
[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。
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