WO2010041583A1 - 光ファイバ電流センサ - Google Patents

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WO2010041583A1
WO2010041583A1 PCT/JP2009/067134 JP2009067134W WO2010041583A1 WO 2010041583 A1 WO2010041583 A1 WO 2010041583A1 JP 2009067134 W JP2009067134 W JP 2009067134W WO 2010041583 A1 WO2010041583 A1 WO 2010041583A1
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light
optical fiber
drive current
optical
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English (en)
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Inventor
山口達史
張偉
Original Assignee
東光電気株式会社
株式会社日本Ａｅパワーシステムズ
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/245—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R15/246—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber current sensor that measures a current value using the Faraday effect.
  • An optical fiber current sensor is a device that measures a current value by using a Faraday effect in which a plane of polarization of light passing through an optical fiber rotates by the action of a magnetic field. For example, for measuring a current value in a gas-insulated switchgear. It's being used.
  • Patent Document 1 an invention described in Japanese Patent Publication No. Hei 7-248338 (Patent Document 1) is known.
  • the current measuring device of Patent Document 1 forms a light source, an optical system component including means for deflecting light from the light source into linearly polarized light, and an optical path that goes around the outer circumference of the current to be measured to generate linearly polarized light.
  • ASE light source is a broadband light source having a very wide spectral width of the wavelength, there is an advantage that laser oscillation is stable even if there is light returning to the light source. Further, since the ASE light source is a broadband light source having a very wide wavelength spectrum width, there is an advantage that mode hopping of the emission spectrum due to a temperature change or the like does not occur.
  • the ASE light source has high output, excellent output stability and low coherence, so it has the feature that it is not affected by interference noise, etc., and is very stable against return light and temperature changes. It is optimal as a light source for optical fiber current sensors. Further, in the current measuring device of Patent Document 1, an SLD (Super Luminescent Diode) light source is used as a light source.
  • the SLD light source is an infrared light emitting element having both high brightness of a laser diode and low coherence of an LED (Light Emitting Diode).
  • the ASE light source described as the prior art is expensive at about 200,000 yen, which increases the cost of the entire optical fiber current sensor.
  • the SLD light source is also expensive. Therefore, in order to reduce the cost of the light source of the optical fiber current sensor, there is a demand for applying a relatively inexpensive semiconductor laser of 10,000 to 20,000 yen instead of the conventionally used ASE light source and SLD light source.
  • the reason why the semiconductor laser could not be applied as the light source of the optical fiber current sensor until now (in other words, the reason why the ASE light source or the SLD light source has been applied) is as follows. (1) Since the wavelength spectrum width of a semiconductor laser is narrow, the laser oscillation becomes unstable due to the return light to the light source, and a large noise is generated as the optical output varies. This is because return light to the light source is generated due to reflection of the connector connection portion or the like. (2) Since the wavelength of the semiconductor laser is narrow, the oscillation wavelength has temperature dependence, and the center wavelength of the gain spectrum changes with temperature change, so there is a difference in the rate of change between the two.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to make it possible to apply a semiconductor laser as a light source unit, thereby maintaining measurement performance and economically producing the product with a reduced cost.
  • An object of the present invention is to provide an optical fiber current sensor that can be made and can be further spread.
  • the optical fiber current sensor of the present invention in order to broaden the spectrum width of the wavelength of the semiconductor laser, specifically, the following measures are taken to stabilize the optical output and suppress the generation of noise. Applicable. (1) A high-frequency current of 200 MHz to 300 MHz is superimposed on the driving current of the semiconductor laser, and multimode light emission is performed instead of single mode light emission. Thereby, the spectrum width is widened to stabilize the laser output, and as a result, noise generation is suppressed. (2) By controlling the temperature of the semiconductor laser using a Peltier element, the temperature is stabilized and mode hopping is suppressed.
  • An optical fiber current sensor of the present invention includes a conductor through which a current to be measured flows, an optical path formed so as to circulate around an outer periphery of the conductor, and a light source unit on which a semiconductor laser is mounted.
  • the linearly polarized light generated from the light is passed through the optical path, the Faraday angle of the linearly polarized light passing through the optical path is rotated by the magnetic field action of the current to be measured flowing through the conductor, and the Faraday angle is rotated.
  • An optical fiber current sensor including an arithmetic processing unit that calculates polarized light by dividing the polarized light into first and second detection lights orthogonal to each other, and calculates a current to be measured based on the light amounts of the first and second detection lights.
  • the light source unit includes a DC drive current generation unit that generates a DC drive current and a high frequency drive current generation unit that generates a high frequency drive current, and the DC drive current from the DC drive current generation unit The combined current obtained by superimposing a high frequency driving current from the frequency driving current generating unit, characterized by emitting a laser beam having a multimode light input to the semiconductor laser.
  • the optical fiber current sensor of the present invention includes a conductor through which a current to be measured flows, an optical path formed so as to circulate around an outer periphery of the conductor, and a light source unit on which a semiconductor laser is mounted, and the light source unit
  • the linearly polarized light generated from the laser beam is passed through the optical path, the Faraday angle of the linearly polarized light passing through the optical path is rotated by the magnetic field action of the current to be measured flowing through the conductor, and the Faraday angle is rotated.
  • the linearly polarized light is divided into first and second detection lights that are orthogonal to each other, the light quantity (of the first and second detection lights) is calculated, and the measurement target is based on the light quantities of the first and second detection lights.
  • An optical fiber current sensor including an arithmetic processing unit for calculating a current, wherein the light source unit includes a DC driving current generating unit that generates a DC driving current, a high frequency driving current generating unit that generates a high frequency driving current, and the semiconductor Laser temperature And a combined current obtained by superimposing the high-frequency drive current from the high-frequency drive current generator on the direct-current drive current from the direct-current drive current generator is input to the semiconductor laser.
  • a laser beam is emitted.
  • the high-frequency driving current generated by the high-frequency driving current generator is a high-frequency current selected from 200 MHz to 300 MHz.
  • the optical path is a reflection type optical path that includes an optical fiber and a reflection portion provided at a tip of the optical fiber, and linearly polarized light in the optical fiber is reflected by the reflection portion.
  • the optical path includes an optical fiber, and a sensor head optical unit including a deflector and an analyzer disposed opposite to an end surface of the optical fiber, and linearly polarized light in the optical fiber is the sensor head optical unit. It is a transmissive optical path that transmits in one direction.
  • a semiconductor laser can be applied as a light source unit, so that measurement performance can be maintained and cost reduction can be achieved economically to achieve further spread.
  • a fiber current sensor can be provided.
  • FIG. 1 is a block diagram of an optical fiber current sensor of the best mode (reflection type) for carrying out the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of the light source unit.
  • FIGS. 3A to 3D are explanatory diagrams showing optical output waveforms of only a high-frequency superimposed drive current and a high-frequency component, which indicate the relationship with a DC drive current, a high-frequency drive current, and an oscillation start current, respectively.
  • FIGS. 4A to 4C are spectrum diagrams of laser light superimposed at high frequency.
  • FIG. 5 is a block diagram of a circulator optical unit.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of the optical unit for the sensor head.
  • FIG. 7 is a block diagram of the arithmetic processing unit.
  • FIG. 8 is a block diagram of another type (transmission type) optical fiber current sensor.
  • FIG. 1 is a block diagram of the optical fiber current sensor of this embodiment.
  • the optical fiber current sensor 10 of the present embodiment relates to a reflection type optical fiber current sensor.
  • the optical fiber current sensor 10 includes a circuit unit 1, an optical circulator 2, and a sensor head 3, and has a function of measuring the value of the current flowing through the electric wire 4.
  • the electric wire 4 is a specific example of a conductor through which a current to be measured flows according to the present invention.
  • the circuit unit 1 includes a light source unit 100, an optical attenuator 110, two photodiodes (PD) 120 and 130, and voltage signals P 1 and P 2 corresponding to the amounts of light from the photodiodes (PD) 120 and 130.
  • the optical circulator 2 includes an optical unit 200 for optical circulators.
  • the sensor head 3 further includes a sensor head optical unit 300, an optical fiber 310, and a mirror 320 serving as a reflection unit.
  • FIG. 2 is a block diagram of the light source unit
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of high frequency superposition
  • FIG. 4 is a spectrum diagram of laser light superposed with high frequency
  • FIG. 5 is a block diagram of a circulator optical unit
  • FIG. 6 is a sensor head optical unit.
  • FIG. 7 is a block diagram of the arithmetic processing unit.
  • the light source unit 100 that characterizes the present invention will be described.
  • the light source unit 100 includes a semiconductor laser 101, an APC (Automatic Power Control) circuit 102, a signal generator 103, an alternating current (AC) cutting inductor 104, a direct current (DC) cutting capacitor 105, and a temperature adjustment.
  • Part 106 is provided.
  • the semiconductor laser 101 includes a laser diode 101a and a back monitor light receiving element 101b.
  • a driving current for driving the laser diode 101a is supplied from the APC circuit 102. This drive current is supplied with a DC drive current Iop having only a DC component as shown in FIG.
  • the laser diode 101a emits light during a period when a high-frequency superimposed drive current (Iop + Iout) exceeding the oscillation start current Ith is input, and emits light during a period when a current less than the oscillation start current Ith is input. It is not to do.
  • the DC drive current Iop is adjusted to be the same as the oscillation start current Ith. If a high-frequency superimposed drive current (Iop + Iout) is input to the laser diode 101a, the LD light output waveform Po is such that a pulsed laser beam is emitted every predetermined period, as is apparent from FIG. become.
  • the optical output waveform Po oscillates at a pulse with a firing time ratio (Duty) of 50%.
  • a spectrum of laser light becomes multimode light emission in a light emission state in a plurality of modes as shown in FIGS.
  • FIGS. For example, in the case of a semiconductor laser that emits single-mode laser light having a wavelength of 1550 nm, sideband waves appear on the left and right with respect to the center wave having a wavelength of 1550 nm. This sideband tends to increase as the frequency f of the high-frequency drive current Iout increases. Therefore, considering the example shown in FIG.
  • the frequency of the high-frequency drive current Iout is preferably one frequency selected from 200 MHz to 300 MHz, for example, 250 MHz.
  • the semiconductor laser starts to emit light in multi-mode light emission, and becomes single-mode light emission over time, and the time is about several nsec.
  • the frequency f of the high-frequency drive current Iout for driving the semiconductor laser needs to be 200 MHz and the cycle must be 5 nsec or more. Further, when the frequency f of the high-frequency drive current Iout becomes too high, the light emission of the semiconductor laser tends not to follow, but at present, there are various types of semiconductor lasers.
  • the frequency f of the high-frequency drive current Iout is compatible with the GHz class. Conversely, even if the frequency f is 10 MHz and the period is about 100 nsec, the current measured by the optical fiber current sensor can be measured. Any frequency up to about 10 kHz can be used without problems. Therefore, the frequency f of the high-frequency drive current Iout for driving the semiconductor laser can be selected and used from the range of several MHz to several GHz.
  • the circuit 102 controls the laser light amount to be constant based on the detection signal. As a result, the output of the laser beam is always constant so as not to fluctuate.
  • the temperature adjustment unit 106 includes a temperature sensor 106a, a driver unit 106b, and a Peltier element 106c.
  • the driver unit 106b drives the Peltier element 106c to absorb heat,
  • the temperature near the semiconductor laser 101 is controlled so as to maintain a predetermined temperature.
  • the temperature adjusting unit 106 By providing the temperature adjusting unit 106, the occurrence of mode hopping or the like due to heat rise is prevented, and a stable output of laser light can be ensured.
  • the output of the laser beam can be made constant and the noise characteristics can be improved.
  • the temperature can be kept constant so that mode hopping does not occur.
  • Such laser light emitted from the light source unit 100 is incident on the optical attenuator 110 shown in FIG.
  • the optical attenuator 110 corrects variations due to individual differences in the laser beam emission light intensity and the insertion loss of the optical circulator optical unit 200, the sensor head optical unit 300, the optical fiber 310, and the loop unit 310a. And 130 are optimally adjusted.
  • the laser light emitted from the optical attenuator 110 is emitted to the circulator optical unit 200 of the optical circulator 2 via the polarization plane holding fiber 1 (PMF1). As shown in FIG.
  • the circulator optical unit 200 includes a birefringent element (polarization / analyzer) 201, a ferromagnetic magneto-optical element 202, two permanent magnets 203, and a metal case 204 in a metal case 204.
  • the metal case 204 is preferably one that is not easily deformed by an external force or a temperature change.
  • the laser light incident through the polarization plane holding fiber 1 (PMF1) is incident on the birefringent element (polarization / analyzer) 201.
  • the birefringent element (polarization / analyzer) 201 functions as a polarizer, and polarizes and emits the laser beam to the ferromagnetic magneto-optical element 202 so that the Faraday rotation angle becomes linearly polarized light having an initial angle.
  • the ferromagnetic magneto-optical element 202 is a ferromagnetic Faraday rotator made of a ferromagnetic crystal such as yttrium, aluminum, garnet (YIG), or magnetic garnet, and is magnetically saturated by upper and lower permanent magnets 203, and is a laser. When the light passes, the laser beam is rotated by 45 degrees Faraday. Angle adjustment is achieved by adjusting the thickness.
  • the laser beam emitted from the ferromagnetic magneto-optical element 202 is emitted to the sensor head optical unit 300 of the sensor head 3 through the polarization plane holding fiber 2 (PMF2).
  • the sensor head optical unit 300 includes a birefringent element (polarization / analyzer) 301, a ferromagnetic magneto-optical element 302, two permanent magnets 303, and a metal case 304 in a metal case 304.
  • the metal case 304 is also preferably one that is not easily deformed by an external force or a temperature change, like the metal case 204 described above.
  • the laser light incident through the polarization plane holding fiber 2 (PMF2) is incident on the birefringence element (polarization / analyzer) 301.
  • the birefringent element (polarization / analyzer) 301 functions as a polarizer, and when the laser beam passes, the laser beam is polarized so as to be linearly polarized light and emitted to the ferromagnetic magneto-optical element 302. To do.
  • the ferromagnetic magneto-optical element 302 is a ferromagnetic Faraday rotator made of a ferromagnetic crystal such as yttrium, aluminum, garnet (YIG) or magnetic garnet, and is magnetically saturated by upper and lower permanent magnets 303, and is a laser. When the light passes, the laser beam is rotated by 22.5 degrees Faraday. Angle adjustment is achieved by adjusting the thickness. Laser light emitted from the ferromagnetic magneto-optical element 302 is emitted to the optical fiber 310. As shown in FIG. 1, the optical fiber 310 is formed with a loop portion 310 a that circulates around the electric wire 4, and a mirror 320 is provided at the end thereof.
  • the mirror 320 is a specific example of the reflecting portion of the present invention, and the mirror 320 on which the reflecting film is formed is fixed to the end of the optical fiber 310, or a metal vapor deposition film or a dielectric multilayer on the end face of the optical fiber 310. Form the film directly. If the direct formation is adopted rather than the end fixing, the rotating end side of the optical fiber 310 is not thickened and the miniaturization is promoted. The linearly polarized light introduced into the optical fiber 310 passes through the loop portion 310a and is reflected by the mirror 320 at the rotating end, and then propagates from the rotating end side toward the incident end side.
  • the plane of polarization of the linearly polarized light rotates in proportion to the magnitude of the measured current under the action of a magnetic field formed by the measured current flowing through the electric wire 4.
  • the laser beam incident after returning from the optical fiber 310 is incident on the ferromagnetic magneto-optical element 302 again.
  • the ferromagnetic magneto-optical element 302 rotates the Faraday rotation by 22.5 degrees again with respect to the laser beam when the laser beam passes.
  • This laser light is incident on a birefringent element (polarization / analyzer) 301.
  • the birefringent element (polarization / analyzer) 301 is separated into two orthogonal linear components that are orthogonal to each other and output to the polarization plane holding fiber 2 (PMF2) and the single mode fiber 2 (SMF2), respectively.
  • the laser beam incident through the polarization plane maintaining fiber 2 (PMF2) is incident again on the ferromagnetic magneto-optical element 202.
  • the ferromagnetic magneto-optical element 202 rotates the Faraday by 45 degrees again with respect to the laser beam when the laser beam passes. Angle adjustment is achieved by adjusting the thickness.
  • This laser light is incident on a birefringent element (polarization / analyzer) 201.
  • the birefringent element (polarization / analyzer) 201 is separated into two linear parallel components orthogonal to each other, and is emitted to the polarization plane holding fiber 1 (PMF1) and the single mode fiber 1 (SMF1), respectively.
  • the light returning from the polarization-maintaining fiber 1 (PMF1) to the optical attenuator 110 and the light source 100 is not used for measurement or the like. Rather, the return light incident on the semiconductor laser 101 makes the emission unstable as described above. However, in the present invention, high-frequency superimposition is performed, and light emission does not become unstable. In addition, since the APC circuit 102 is also stabilized, the combination of these realizes stable light emission of laser light.
  • the return light from the single mode fiber 1 (SMF1) and the single mode fiber 2 (SMF2) is optically biased at 45 °.
  • Linearly polarized light such as these are input to photodiodes (PD) 120 and 130, respectively.
  • the photodiodes (PD) 120 and 130 calculate the light amounts of the first and second detection lights, respectively, and convert them into voltage signals P 1 and P 2 corresponding to the light amounts of the first and second detection lights.
  • an amplifier may be connected to the subsequent stage of the photodiodes (PD) 120 and 130 to amplify the voltage signals P 1 and P 2 to obtain a voltage signal having an optimum amplitude.
  • These voltage signals P 1 and P 2 are respectively input to the arithmetic processing unit 140.
  • the arithmetic processing unit 140 includes a band pass filter (BPF) 141, a low pass filter (LPF) 142, a divider (AC / DC) 143, a band pass filter (BPF) 144, and a low pass filter (LPF). 145, a divider (AC / DC) 146, a polarity inverter (R) 147, and an adder 148.
  • BPF band pass filter
  • LPF low pass filter
  • divider AC / DC
  • R polarity inverter
  • the band pass filter (BPF) 141 extracts and outputs only the in-band AC component from the voltage signal obtained from the photodiode (PD) 120, and removes the out-of-band DC component and the high-frequency noise component.
  • the low-pass filter (LPF) 142 extracts and outputs only a DC component from the voltage signal obtained from the photodiode (PD) 120.
  • the divider (AC / DC) 143 takes a ratio between an alternating current component and a direct current component.
  • the band pass filter (BPF) 144 extracts and outputs only the in-band AC component from the voltage signal obtained from the photodiode (PD) 130, and removes the out-of-band DC component and the high-frequency noise component.
  • the low-pass filter (LPF) 145 extracts and outputs only the DC component from the voltage signal obtained from the photodiode (PD) 130.
  • the divider (AC / DC) 146 takes a ratio of an alternating current component and a direct current component.
  • the polarity inverter 147 converts the sign of + ⁇ .
  • the adder 148 takes the sum of the output of the divider (AC / DC) 143 and the output obtained by inverting the polarity of the divider (AC / DC) 146.
  • the voltage signals V1 and V2 of the photodiodes (PD) 120 and 130 are as follows.
  • ⁇ is the Faraday rotation angle caused by the Faraday effect by the measured current of the electric wire 4.
  • ⁇ changes with time according to the alternating current, and thus becomes ⁇ (t).
  • a and B are the amplification degrees of the photodiodes (PD) 120 and 130 for the respective polarization components.
  • ⁇ is a rotation angle of an error included due to deformation of the fiber winding shape and vibration of the fiber.
  • the band-pass filters (BPF) 141 and 144 and the low-pass filters (LPF) 142 and 145 use the AC signals (2 ⁇ (t) and ⁇ 2 ⁇ (t)) from the voltage signals V1 (t) and V2 (t), respectively. Separated into direct current components (1 + 2 ⁇ , 1-2 ⁇ ). Then, the division means 143 and 146 determine the component ratio of each AC component and DC component. When the component ratios are written in order as M1 (t) and M2 (t) and an approximation of ⁇ ⁇ 1 is used, the following equation is obtained. Amplification degrees A and B are eliminated, thereby eliminating measurement errors.
  • the arithmetic processing unit 140 outputs the current value calculated as described above to the output unit 150 as current data.
  • the output unit 150 is a display unit such as a liquid crystal display (LCD), for example, and displays a current value such as 5 kA.
  • the optical fiber current sensor 10 of the present invention has been described above. In such an optical fiber current sensor 10, a waveform with less noise was obtained while reducing the cost by making it possible to use an inexpensive semiconductor laser, and the AC current waveform to be measured was stably observed.
  • FIG. 8 is a block diagram of an optical fiber current sensor showing another example.
  • the optical fiber current sensor 20 of the present embodiment relates to a transmission type optical fiber current sensor.
  • the optical fiber current sensor 20 includes a circuit unit 1 and a sensor head 3 and has a function of measuring the value of the current flowing through the electric wire 4.
  • the electric wire 4 is a specific example of a conductor through which a current to be measured flows according to the present invention.
  • the circuit unit 1 includes a light source unit 100, photodiodes (PD) 120 and 130, an arithmetic processing unit 140, and an output unit 150, as in the example of FIG.
  • the sensor head 3 includes an optical fiber 310 that circulates around the electric wire 4, and a sensor head optical unit 330 that includes a polarizer 331 and an analyzer 332 that are disposed to face the end face of the optical fiber 310.
  • the light source unit 100 has the same configuration as that of the light source unit 100 described above with reference to FIGS. 2, 3, and 4, and emits multimode laser light.
  • the laser light emitted from the light source unit 100 is emitted to the polarizer 331 of the sensor optical unit 330.
  • the laser light incident through the polarization plane maintaining fiber 1 (PMF1) is incident on the polarizer 331.
  • the polarizer 331 is polarized so that the laser light becomes linearly polarized light, and is emitted to the optical fiber 310.
  • the laser light emitted from the polarizer 331 is emitted to the optical fiber 310.
  • the optical fiber 310 is formed with a loop portion 310 a that circulates the electric wire 4.
  • the linearly polarized light passing through the loop portion 310 of the optical fiber 310 propagates toward the analyzer 332.
  • the polarization plane of the linearly polarized light rotates in proportion to the magnitude of the current to be measured under the action of the magnetic field generated by the current to be measured flowing through the electric wire 4.
  • the laser light incident from the optical fiber 310 is emitted to the analyzer 332.
  • the photon 332 is separated into two orthogonal linear components that are orthogonal to each other and input to the photodiodes (PD) 120 and 130, respectively.
  • the arithmetic processing unit 140 performs the same arithmetic processing as described above, and the output unit 150 displays a current value, for example, 5 kA.
  • the optical fiber current sensors of these reflective and transmissive examples have been described. According to these embodiments, in order to widen the spectral width of the wavelength, the laser beam of the multimode light of the semiconductor laser is emitted to maintain the measurement performance and stabilize the light output and suppress the noise generation. It is possible to provide an optical fiber current sensor that can be manufactured economically by reducing the cost by using an inexpensive semiconductor laser, and as a result, can be widely used.
  • the optical fiber current sensor of the present invention is incorporated in a gas-insulated switchgear installed in a power transmission and substation, etc., and can be used as an optical current transformer using a semiconductor laser as a light source, and has good measurement performance of current flowing through a conductor. Therefore, it can be widely applied.

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Abstract

光ファイバ電流センサの光源部として半導体レーザを適用可能とし、計測性能を維持すると共にコスト低減を図って経済的に製作でき、更なる普及を実現する。　被測定電流が流れる電線４の外周に、光路となる光ファイバ３１０を周回させ、半導体レーザを搭載した光源部１００のレーザ光から生成した直線偏波光を、光路内に通過させて被測定電流の磁界作用によりファラデー角を回転させ、この直線偏波光を直交する第１，第２の検出光に分けてフォトダイオード１２０、１３０で測定した第１、第２の光量に基づいて演算処理部１４０で被測定電流を算出する際に、光源部１００には、直流駆動電流を発生させる直流駆動電流発生部と、高周波駆動電流を発生させる高周波駆動電流発生部とを備えて、直流駆動電流に高周波駆動電流を重畳した合成電流を、半導体レーザに入力してマルチモード光のレーザ光を出射する。また光源部１００には、半導体レーザの温度を調節する温度調節部を備える。

Description

光ファイバ電流センサ
　本発明は、ファラデー効果を利用して電流値について測定する光ファイバ電流センサに関する。
　光ファイバ電流センサは、光ファイバを通過する光の偏波面が磁界の作用により回転するファラデー効果を利用して電流値を測定する装置であり、例えば、ガス絶縁開閉装置内における電流値の測定に利用されている。
　このような光ファイバ電流センサの従来技術の一例が、例えば日本の特許公開公報平成７−２４８３３８号（特許文献１）に記載された発明が知られている。この特許文献１の電流測定装置は、光源と、この光源からの光を直線偏波光に偏向させる手段を含む光学系部品と、被測定電流の外周を周回する光路を形成して直線偏波光を通過させる特定された組成比率の鉛ガラス光ファイバーとから概略構成される反射型の装置である。
　従来技術の光ファイバ電流センサでは、光源としてＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源を使用するのが一般的である。このＡＳＥ光源は、波長のスペクトル幅が非常に広いブロードバンド光源であるため、光源への戻り光があってもレーザ発振が安定しているという利点がある。また、ＡＳＥ光源は波長のスペクトル幅が非常に広いブロードバンド光源であるため、温度変化等による発光スペクトルのモードホッピングが起こらないという利点もある。
　このようにＡＳＥ光源は、高出力で、優れた出力安定性及び低可干渉性であるため、干渉雑音などに影響されない特長があり、戻り光や温度変化等に対して非常に安定しており、光ファイバ電流センサの光源としては最適である。
　また、特許文献１の電流測定装置では、光源としてＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ　Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ　Ｄｉｏｄｅ）光源を使用している。ＳＬＤ光源は、レーザダイオードの高輝度とＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）の低コヒーレンス性を合せ持つ赤外発光素子である。しかも、コヒーレンスノイズなどレーザダイオードの短所を補う高輝度光源であり、光応用計測や光通信などの高いＳ／Ｎを必要とする分野で使用されている。
　しかしながら、従来技術として説明したＡＳＥ光源は、価格が約２０万円と高価であり、光ファイバ電流センサ全体のコストを引き上げる要因となっている。また、ＳＬＤ光源も同様に高価であるという問題があった。
　そこで、光ファイバ電流センサの光源のコストダウンを図るため、従来使用しているＡＳＥ光源やＳＬＤ光源に代えて１万円から２万円と比較的安価な半導体レーザを適用したいという要請がある。これまで光ファイバ電流センサの光源として、半導体レーザを適用できなかった理由（換言すれば、ＡＳＥ光源やＳＬＤ光源を適用してきた理由）は、次の通りである。
（１）半導体レーザは、波長のスペクトル幅が狭いため、光源への戻り光によってレーザ発振が不安定になり、光出力の変動と共に大きなノイズが発生する。これは、コネクタ接続部の反射等により光源への戻り光が発生することに起因している。
（２）半導体レーザは、波長のスペクトル幅が狭いため、発振波長が温度依存性を有しており、利得スペクトルの中心波長も温度変化に伴って変化するから、両者の変化率に差があると、温度変化等に基づき発光スペクトルに所謂モードホッピングが起きてしまい、この瞬間に大きなノイズが発生する。
　上記のような事情から、半導体レーザを光ファイバ電流センサに単純には適用することができず、適用するためには半導体レーザの波長のスペクトル幅が狭いことに起因する諸問題を解決する必要があった。
　本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、光源部として半導体レーザを適用可能とすることで、計測性能を維持すると共にコスト低減を図って経済的に製作できるようにし、更なる普及を実現する光ファイバ電流センサを提供することにある。
　本発明の光ファイバ電流センサでは、半導体レーザの波長のスペクトル幅を拡げるため、具体的には次の対策を施すことで光出力の安定化及びノイズ発生の抑制を行って、光ファイバ電流センサに適用可能とする。
（１）半導体レーザの駆動電流に、２００ＭＨｚから３００ＭＨｚの高周波電流を重畳してシングルモード発光に代えてマルチモード発光とする。これにより、スペクトル幅を広げてレーザ出力の安定化を図り、その結果ノイズ発生を抑制する。
（２）ペルチェ素子を用いて半導体レーザの温度制御を行うことにより、温度の安定化を図ってモードホッピングを抑制する。
　本発明の光ファイバ電流センサは、被測定電流が流れている導体と、前記導体の外周を周回するように形成した光路と、半導体レーザを搭載した光源部とを有し、前記光源部のレーザ光から生成した直線偏波光を前記光路内に通過させ、前記導体を流れる被測定電流の磁界作用により前記光路内を通過する直線偏波光のファラデー角を回転させ、このファラデー角を回転させた直線偏波光を直交する第１、第２の検出光に分けて光量を算出し、前記第１、第２の検出光の光量に基づいて被測定電流を算出する演算処理部を備える光ファイバ電流センサであって、前記光源部は、直流駆動電流を発生させる直流駆動電流発生部と、高周波駆動電流を発生させる高周波駆動電流発生部とを備え、前記直流駆動電流発生部からの直流駆動電流に前記高周波駆動電流発生部からの高周波駆動電流を重畳した合成電流を、前記半導体レーザに入力してマルチモード光のレーザ光を出射することを特徴とする。
　また、本発明の光ファイバ電流センサは、被測定電流が流れている導体と、前記導体の外周を周回するように形成した光路と、半導体レーザを搭載した光源部とを有し、前記光源部のレーザ光から生成した直線偏波光を前記光路内に通過させ、前記導体を流れる被測定電流の磁界作用により前記光路内を通過する直線偏波光のファラデー角を回転させ、このファラデー角を回転させた直線偏波光を直交する第１、第２の検出光に分けて（第１、第２の検出光の）光量を算出し、前記第１、第２の検出光の光量に基づいて被測定電流を算出する演算処理部を備える光ファイバ電流センサであって、前記光源部は、直流駆動電流を発生させる直流駆動電流発生部と、高周波駆動電流を発生させる高周波駆動電流発生部と、前記半導体レーザの温度制御を行う温度調節部を備え、前記直流駆動電流発生部からの直流駆動電流に前記高周波駆動電流発生部からの高周波駆動電流を重畳した合成電流を、前記半導体レーザに入力してマルチモード光のレーザ光を出射することを特徴とする。
　好ましくは、前記高周波駆動電流発生部で発生させる前記高周波駆動電流は、２００ＭＨｚから３００ＭＨｚまでの中から選択された高周波電流であることを特徴とする。
　また好ましくは、前記光路は、光ファイバと、前記光ファイバの先端に設けた反射部とからなり、前記光ファイバ中の直線偏波光が前記反射部で反射する反射型の光路であることを特徴とする。
　更に好ましくは、前記光路は、光ファイバと、前記光ファイバの端面に対向配置する偏向子と検光子からなるセンサヘッド光学部とからなり、前記光ファイバ中の直線偏波光が前記センサヘッド光学部で一方向に透過する透過型の光路であることを特徴とする。
　発明の効果
　本発明のように構成すれば、光源部として半導体レーザを適用可能にできるため、計測性能を維持すると共にコスト低減を図って経済的に製作できるようにし、更なる普及を実現する光ファイバ電流センサを提供することができる。
　図１は、本発明を実施するための最良の形態（反射型）の光ファイバ電流センサのブロック図である。
　図２は、光源部のブロック図である。
　図３（ａ）から（ｄ）は、それぞれ直流駆動電流、高周波駆動電流、発振開始電流との関係を示す高周波重畳駆動電流、高周波成分のみの光出力波形を示す説明図である。
　図４（ａ）から（ｃ）は、高周波重畳されたレーザ光のスペクトル図である。
　図５は、サーキュレータ用光学部のブロック図である。
　図６は、センサヘッド用光学部の説明図である
　図７は、演算処理部のブロック図である。
　図８は、他の形態（透過型）の光ファイバ電流センサのブロック図である。
　以下、本発明を実施するための最良の形態について図に基づき説明する。図１は本実施例の光ファイバ電流センサのブロック図である。本実施例の光ファイバ電流センサ１０は、反射型の光ファイバ電流センサに関するものである。
　光ファイバ電流センサ１０は、回路部１、光サーキュレータ２、センサヘッド３を備え、電線４に流れる電流の値を計測する機能を有している。電線４は本発明の被測定電流が流れている導体の具体例である。
　回路部１は、内部に光源部１００、光減衰器１１０、二つのフォトダイオード（ＰＤ）１２０、１３０、これらフォトダイオード（ＰＤ）１２０、１３０からの各光量に応じた電圧信号Ｐ１、Ｐ２を演算して電流を算出する演算処理部１４０、電流値を表示する出力部１５０を備えている。
　また光サーキュレータ２は、光サーキュレータ用光学部２００を備えている。更にセンサヘッド３は、センサヘッド用光学部３００、光ファイバ３１０、反射部となるミラー３２０を備えている。
　続いて、各部構成の詳細について図を参照しつつ説明する。図２は光源部のブロック図、図３は高周波重畳の説明図、図４は高周波重畳されたレーザ光のスペクトル図、図５はサーキュレータ用光学部のブロック図、図６はセンサヘッド用光学部の説明図、図７は演算処理部のブロック図である。
　まず、本発明の特徴をなす光源部１００について説明する。光源部１００は、図２で示すように、半導体レーザ１０１、ＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路１０２、信号発生器１０３、交流（ＡＣ）カット用インダクタ１０４、直流（ＤＣ）カット用キャパシタ１０５、温度調整部１０６を備えている。半導体レーザ１０１は、レーザダイオード１０１ａとバックモニタ受光素子１０１ｂから構成されている。
　続いて、光源部１００での発光について説明する。ＡＰＣ回路１０２からは、レーザダイオード１０１ａを駆動する駆動電流が供給される。この駆動電流は、交流（ＡＣ）カット用インダクタ１０４により、高周波のノイズ成分が除去されて、図３（ａ）に示すような直流成分のみの直流駆動電流Ｉｏｐが供給される。
　信号発生器１０３からは、レーザダイオード１０１ａを駆動する直流駆動電流Ｉｏｐに重畳する高周波電流が供給される。この高周波電流は、直流（ＤＣ）カット用キャパシタ１０５により直流成分が除去されて、図３（ｂ）に示すような高周波成分のみの高周波駆動電流Ｉｏｕｔが供給される。
　この直流駆動電流Ｉｏｐに高周波駆動電流Ｉｏｕｔが重畳された図３（ｃ）に示すような合成電流である高周波重畳駆動電流（Ｉｏｐ＋Ｉｏｕｔ）が、半導体レーザ１０１のレーザダイオード１０１ａに供給される。レーザダイオード１０１ａは、図３（ｃ）で示すように発振開始電流Ｉｔｈを上回る高周波重畳駆動電流（Ｉｏｐ＋Ｉｏｕｔ）が入力された期間では発光し、発振開始電流Ｉｔｈを下回る電流が入力された期間では発光しないというものである。ここに直流駆動電流Ｉｏｐは発振開始電流Ｉｔｈと同じになるように調整されている。
　レーザダイオード１０１ａに高周波重畳駆動電流（Ｉｏｐ＋Ｉｏｕｔ）が入力されたならば、ＬＤ光出力波形Ｐｏは、図３（ｄ）でも明らかなように、所定期間毎にパルス状のレーザ光が発光されることになる。直流駆動電流Ｉｏｐは、発振開始電流Ｉｔｈと同じにした場合、光出力波形Ｐｏは点弧時間比率（Ｄｕｔｙ）５０％のパルス発振をする。
　このようなレーザ光のスペクトルは、図４（ａ）から（ｃ）に示すような複数モードとなった発光状態のマルチモード発光になる。例えば、波長１５５０ｎｍのシングルモードのレーザ光を発光する半導体レーザである場合には、波長１５５０ｎｍの中心波を基準として左右に側帯波が現れる。この側帯波は、高周波駆動電流Ｉｏｕｔの周波数ｆが高くなるにつれて増加する傾向にある。このため、図４に示した例で検討すると高周波駆動電流Ｉｏｕｔの周波数は、２００ＭＨｚから３００ＭＨｚの中から選択された一の周波数、例えば２５０ＭＨｚが好ましい。
　なお、半導体レーザは、発光し始めはマルチモード発光であり、時間経過と共にシングルモード発光となり、その時間は数ｎｓｅｃ程度である。このため、マルチモード発光状態を維持するためには、半導体レーザを駆動する高周波駆動電流Ｉｏｕｔの周波数ｆが２００ＭＨｚ、周期を５ｎｓｅｃ以上にする必要がある。また、高周波駆動電流Ｉｏｕｔの周波数ｆがあまり高くなると、半導体レーザの発光が追従できなくなる傾向にあるが、現在では半導体レーザの種類は多種多様になっている。これらの半導体レーザでは、高周波駆動電流Ｉｏｕｔの周波数ｆがＧＨｚ級に対応可能なものもあるし、逆にこの周波数ｆが１０ＭＨｚ、周期を１００ｎｓｅｃ程度であっても光ファイバ電流センサで測定する電流の周波数が１０ｋＨｚ程度までのものであれば問題なく使用できる。それ故、半導体レーザを駆動する高周波駆動電流Ｉｏｕｔの周波数ｆは、数ＭＨｚから数ＧＨｚの範囲の中から選択して使用することができる。
　また、光ファイバ電流センサ１０では、戻り光が半導体レーザ１０１へ入射した場合にはレーザ光の光量が増減するが、バックモニタ受光素子１０１ｂが戻り光の光量に応じた検出信号を出力し、ＡＰＣ回路１０２が検出信号に基づいてレーザ光の光量を一定にするように制御する。これにより、レーザ光の出力が変動しないように常時一定にしている。
　また、温度調節部１０６を設けることにより、光源部１００の温度が一定となるように配慮している。温度調節部１０６は、温度センサ１０６ａ、ドライバ部１０６ｂ、ペルチェ素子１０６ｃを備えている。温度センサ１０６ａが温度に比例する物理量を検出してドライバ部１０６ｂへ出力しており、ドライバ部１０６ｂで温度が上昇したと判定したときに、ドライバ部１０６ｂはペルチェ素子１０６ｃを駆動して吸熱し、特に半導体レーザ１０１付近の温度が所定温度を維持するように制御する。この温度調節部１０６を設けることにより、熱上昇に起因するモードホッピング等の発生を防止しており、レーザ光の安定した出力を確保できる。
　このような光源部１００では、半導体レーザ１０１に高周波電圧を印加することでレーザ光の出力を一定にして雑音特性を改善することができる。更に、温度を一定にしてモードホッピングも起こらないようにすることができる。これにより、安価な半導体レーザ１０１を用いて光ファイバ電流センサに適用できる光源部を確保することが可能となった。
　このような光源部１００から出射されたレーザ光は、図１に示す光減衰器１１０へ入射される。光減衰器１１０は、レーザ光の出射光強度及び光サーキュレータ用光学部２００、センサヘッド用光学部３００、光ファイバ３１０、ループ部３１０ａの挿入損失の個体差によるばらつきを補正して、フォトダイオード１２０及び１３０の受光強度を最適に調整する。
　光減衰器１１０から出射されたレーザ光は、偏波面保持ファイバ１（ＰＭＦ１）を介して光サーキュレータ２のサーキュレータ用光学部２００へ出射される。
　このサーキュレータ用光学部２００は、図５で示すように金属ケース２０４内に複屈折素子（偏／検光子）２０１、強磁性磁気光学素子２０２、二個の永久磁石２０３、金属ケース２０４を備えている。金属ケース２０４は、外力や温度変化に対して変形しにくいものが望ましい。
　偏波面保持ファイバ１（ＰＭＦ１）を介して入射されたレーザ光は、複屈折素子（偏／検光子）２０１に入射される。この場合の複屈折素子（偏／検光子）２０１は偏光子として機能し、ファラデー回転角度が初期角度の直線偏波光となるようにレーザ光を偏光して強磁性磁気光学素子２０２へ出射する。
　強磁性磁気光学素子２０２は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＩＧ）や磁性ガーネットなどの強磁性体結晶からなる強磁性ファラデー回転子であり、上下の永久磁石２０３により磁気的に飽和しており、レーザ光が通過する際に、レーザ光に対して４５度ファラデー回転させる。角度の調節は厚さを調整することで実現される。
　強磁性磁気光学素子２０２から出射されたレーザ光は、偏波面保持ファイバ２（ＰＭＦ２）を介してセンサヘッド３のセンサヘッド用光学部３００へ出射される。このセンサヘッド用光学部３００は、図６で示すように金属ケース３０４内に複屈折素子（偏／検光子）３０１、強磁性磁気光学素子３０２、二個の永久磁石３０３、金属ケース３０４を備えている。この金属ケース３０４も、上記した金属ケース２０４と同様に外力や温度変化に対して変形しにくいものが望ましい。
　偏波面保持ファイバ２（ＰＭＦ２）を介して入射されたレーザ光は、複屈折素子（偏／検光子）３０１に入射される。この場合も、複屈折素子（偏／検光子）３０１は偏光子として機能し、レーザ光が通過する際に、レーザ光が直線偏波光となるように偏光して強磁性磁気光学素子３０２へ出射する。
　強磁性磁気光学素子３０２は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＩＧ）や磁性ガーネットなどの強磁性体結晶からなる強磁性ファラデー回転子であり、上下の永久磁石３０３により磁気的に飽和しており、レーザ光が通過する際に、レーザ光に対して２２．５度のファラデー回転させる。角度の調節は厚さを調整することで実現される。
　強磁性磁気光学素子３０２から出射されたレーザ光は、光ファイバ３１０へ出射される。光ファイバ３１０は、図１に示すように、電線４を周回するようなループ部３１０ａが形成され、その端部にミラー３２０が設けられる。このミラー３２０は、本発明の反射部の具体例であり、反射膜を形成したミラー３２０を光ファイバ３１０の端部に固定したり、又は、光ファイバ３１０の端面に金属蒸着膜や誘電体多層膜を直接形成する。端部固定よりも直接形成を採用すれば、光ファイバ３１０の周回端側が太くならず、小型化を促進する。
　光ファイバ３１０内に導入された直線偏波光は、ループ部３１０ａを通過し、周回端のミラー３２０で反射した後、今度は、周回端側から入射端側に向けて伝播する。これらの過程において、電線４を流れる被測定電流により形成される磁界の作用を受けて、直線偏波光の偏波面が被測定電流の大きさに比例して回転する。
　光ファイバ３１０から戻って入射されたレーザ光は、強磁性磁気光学素子３０２へ再度入射する。強磁性磁気光学素子３０２は、レーザ光が通過する際に、レーザ光に対して再度２２．５度のファラデー回転させる。このレーザ光は複屈折素子（偏／検光子）３０１に入射される。複屈折素子（偏／検光子）３０１は、直交する二つの直線平行成分に分離し、それぞれ偏波面保持ファイバ２（ＰＭＦ２）とシングルモードファイバ２（ＳＭＦ２）へ出射する。
　偏波面保持ファイバ２（ＰＭＦ２）を介して入射されたレーザ光は、強磁性磁気光学素子２０２に再度入射される。強磁性磁気光学素子２０２は、レーザ光が通過する際に、レーザ光に対して再度４５度のファラデー回転させる。角度の調節は厚さを調整することで実現される。このレーザ光は複屈折素子（偏／検光子）２０１に入射される。複屈折素子（偏／検光子）２０１は、直交する二つの直線平行成分に分離し、それぞれ偏波面保持ファイバ１（ＰＭＦ１）とシングルモードファイバ１（ＳＭＦ１）へ出射する。
　偏波面保持ファイバ１（ＰＭＦ１）から光減衰器１１０や光源１００へ戻る光は、計測等には使用されず、むしろ半導体レーザ１０１へ入射する戻り光は先ほども説明したように発光を不安定にするものであるが、本発明では高周波重畳がなされており、発光が不安定になることはない。また、ＡＰＣ回路１０２でも安定化するため、これらが相俟って安定したレーザ光の発光を実現している。
　さて、シングルモードファイバ１（ＳＭＦ１）とシングルモードファイバ２（ＳＭＦ２）からの戻り光は４５°の光学的なバイアスが付されていることになる。これらのような直線偏波光がそれぞれフォトダイオード（ＰＤ）１２０、１３０へ入力される。フォトダイオード（ＰＤ）１２０、１３０は、それぞれ第１，第２の検出光の光量を算出し、これら第１，第２の検出光の光量に応じた電圧信号Ｐ１、Ｐ２に変換する。
　なお、図示しないアンプを、フォトダイオード（ＰＤ）１２０、１３０の後段にそれぞれ接続し、電圧信号Ｐ１、Ｐ２を増幅して最適な振幅の電圧信号となるようにしても良い。これら電圧信号Ｐ１、Ｐ２は、演算処理部１４０へそれぞれ入力される。また、図１では入射側に偏波面保持ファイバ１及び２（ＰＭＦ１及び２）を、出射側にシングルモードファイバ１及び２（ＳＭＦ１及び２）を使用した例で説明したが、これら双方を偏波面保持ファイバ或いはシングルモードファイバとすることもできる。
　演算処理部１４０は、図７で示すように、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４１、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４２、除算器（ＡＣ／ＤＣ）１４３、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４５、除算器（ＡＣ／ＤＣ）１４６、極性反転器（Ｒ）１４７、加算器１４８を備える。
　バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４１は、フォトダイオード（ＰＤ）１２０から得られた電圧信号のうち帯域内の交流成分のみ抽出して出力し、帯域外の直流成分や高周波ノイズ成分を除去する。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４２は、フォトダイオード（ＰＤ）１２０から得られた電圧信号のうち直流成分のみ抽出して出力する。除算器（ＡＣ／ＤＣ）１４３は、交流成分と直流成分の比をとる。
　バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４４は、フォトダイオード（ＰＤ）１３０から得られた電圧信号のうち帯域内の交流成分のみ抽出して出力し、帯域外の直流成分や高周波ノイズ成分を除去する。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４５は、フォトダイオード（ＰＤ）１３０から得られた電圧信号のうち直流成分のみ抽出して出力する。除算器（ＡＣ／ＤＣ）１４６は、交流成分と直流成分の比をとる。
　極性反転器１４７は、＋−の符号を変換する。加算機１４８は、除算器（ＡＣ／ＤＣ）１４３の出力と、除算器（ＡＣ／ＤＣ）１４６の極性を反転した出力と、の和をとる。
　次に、この演算処理部１４０の動作を説明する。フォトダイオード（ＰＤ）１２０と１３０の電圧信号Ｖ１とＶ２は、次式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ここで、θは電線４の測定電流によってファラデー効果により引き起こされるファラデー回転角である。なお、交流電流を測定する場合、ファラデー回転角θは、交流電流にしたがい時間によって変化するのでθ（ｔ）となる。
　また、ＡとＢは、各々の偏光成分に対するフォトダイオード（ＰＤ）１２０と１３０の増幅度である。また、δはファイバ巻回形状の変形、ファイバの振動により含まれる誤差の回転角である。
　上記したθ（ｔ）とδがともに小さい場合は、ｓｉｎ（２θ（ｔ）＋２δ）は、２θ（ｔ）＋２δと近似できるため、次式のように変形される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　次にバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４１，１４４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４２，１４５で、電圧信号Ｖ１（ｔ）とＶ２（ｔ）からそれぞれ交流成分（２θ（ｔ）、−２θ（ｔ））と直流成分（１＋２δ、１−２δ）とに分離する。そして、除算手段１４３，１４６でそれぞれの交流成分と直流成分の成分比を求める。それらの成分比を順にＭ１（ｔ）、Ｍ２（ｔ）と書き、δ≪１という近似を使うと、次式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　増幅度Ａ，Ｂは消去され、それによる測定誤差はなくなる。続いて、加算器１４８で成分比Ｍ１（ｔ）、−Ｍ２（ｔ）の和を求めると、次式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　これにより基準偏光方位のずれδを相殺することができる。なお、交流電流を測定する場合、測定電流によって引き起こされるファラデー回転角をθとすれば、流した電流をｊ（ｔ）＝ｊ０ｓｉｎωｔとすると、これに対応したファラデー回転角は、θ（ｔ）＝θ０ｓｉｎωｔであり、ファラデー回転角はωで振動する。ここでＶはベルデ定数、Ｎは光ファイバの巻き数で、θ０＝ＶＮｊ０である。そして、θ（ｔ）＝θ０ｓｉｎωｔ＝ＶＮｊ０ｓｉｎωｔであるので、ｊ（ｔ）＝ｊ・ｓｉｎωｔ＝θ（ｔ）／ＶＮから電流ｊ（ｔ）を求めることができる。
　演算処理部１４０は、上記のようにして算出した電流値を電流データとして出力部１５０へ出力する。出力部１５０は、例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）等の表示部であり、例えば、５ｋＡというように電流値を表示する。
　以上本発明の光ファイバ電流センサ１０について説明した。このような光ファイバ電流センサ１０では、安価な半導体レーザを使用可能としてコスト低減を図りつつ、ノイズの少ない波形が得られ、測定すべき交流電流波形が安定に観測された。
　続いて、他の実施例について図を参照しつつ説明する。図８は他の例を示す光ファイバ電流センサのブロック図である。本実施例の光ファイバ電流センサ２０は、透過型の光ファイバ電流センサに関するものである。
　光ファイバ電流センサ２０は、回路部１、センサヘッド３を備え、電線４に流れる電流の値を計測する機能を有している。電線４は本発明の被測定電流が流れている導体の具体例である。
　回路部１は、図１の例と同様に光源部１００、フォトダイオード（ＰＤ）１２０，１３０、演算処理部１４０、出力部１５０を備えている。またセンサヘッド３は、電線４を周回する光ファイバ３１０、光ファイバ３１０の端面に対向配置する偏光子３３１と検光子３３２を有するセンサヘッド用光学部３３０を備えている。
　光源部１００は、先に図２，図３，図４を用いて説明した光源部１００と同様な構成としており、マルチモード光のレーザ光を出射するようにしている。このような光源部１００から出射されたレーザ光は、センサ用光学部３３０の偏光子３３１へ出射される。
　偏波面保持ファイバ１（ＰＭＦ１）を介して入射されたレーザ光は、偏光子３３１に入射される。この偏光子３３１は、レーザ光が直線偏波光となるように偏光して光ファイバ３１０へ出射する。
　偏光子３３１から出射されたレーザ光は光ファイバ３１０へ出射される。光ファイバ３１０は、図８に示すように、電線４を周回するようなループ部３１０ａが形成されている。光ファイバ３１０のループ部３１０を通過する直線偏波光は、検光子３３２に向けて伝播する。これらの過程において、電線４を流れる被測定電流の作る磁界の作用を受けて、直線偏波光の偏波面が被測定電流の大きさに比例して回転する。
　光ファイバ３１０から戻って入射されたレーザ光は、検光子３３２へ出射する。光子３３２は、直交する二つの直線平行成分に分離し、それぞれフォトダイオード（ＰＤ）１２０，１３０へ入力される。以下、演算処理部１４０は、先に説明したと同様の演算処理を行って出力部１５０は、例えば、５ｋＡといいうように電流値を表示する。
　以上、これら反射型や透過型の実施例の光ファイバ電流センサについて説明した。これらの実施例によれば、波長のスペクトル幅を拡げるために、半導体レーザのマルチモード光のレーザ光を出射することで計測性能を維持すると共に光出力の安定化及びノイズ発生の抑制を行い、安価な半導体レーザによりコスト低減を図って経済的に製作できるようにし、その結果、一般への普及を図る光ファイバ電流センサを提供することができる。
　本発明の光ファイバ電流センサは、送変電所等に設置するガス絶縁開閉装置に組込み、光源部に半導体レーザを用いた光変流器として活用でき、導体に流れる電流の計測性能がよくて経済的であるため、広く適用することができる。

Claims (5)

  1. 被測定電流が流れている導体と、前記導体の外周を周回するように形成した光路と、半導体レーザを搭載した光源部とを有し、前記光源部のレーザ光から生成した直線偏波光を前記光路内に通過させ、前記導体を流れる被測定電流の磁界作用により前記光路内を通過する直線偏波光のファラデー角を回転させ、このファラデー角を回転させた直線偏波光を直交する第１、第２の検出光に分けて光量を算出し、前記第１、第２の検出光の光量に基づいて被測定電流を算出する演算処理部を備える光ファイバ電流センサであって、前記光源部は、直流駆動電流を発生させる直流駆動電流発生部と、高周波駆動電流を発生させる高周波駆動電流発生部とを備え、前記直流駆動電流発生部からの直流駆動電流に前記高周波駆動電流発生部からの高周波駆動電流を重畳した合成電流を、前記半導体レーザに入力してマルチモード光のレーザ光を出射することを特徴とする光ファイバ電流センサ。
  2. 被測定電流が流れている導体と、前記導体の外周を周回するように形成した光路と、半導体レーザを搭載した光源部とを有し、前記光源部のレーザ光から生成した直線偏波光を前記光路内に通過させ、前記導体を流れる被測定電流の磁界作用により前記光路内を通過する直線偏波光のファラデー角を回転させ、このファラデー角を回転させた直線偏波光を直交する第１、第２の検出光に分けて光量を算出し、前記第１、第２の検出光の光量に基づいて被測定電流を算出する演算処理部を備える光ファイバ電流センサであって、前記光源部は、直流駆動電流を発生させる直流駆動電流発生部と、高周波駆動電流を発生させる高周波駆動電流発生部と、前記半導体レーザの温度制御を行う温度調節部を備え、前記直流駆動電流発生部からの直流駆動電流に前記高周波駆動電流発生部からの高周波駆動電流を重畳した合成電流を、前記半導体レーザに入力してマルチモード光のレーザ光を出射することを特徴とする光ファイバ電流センサ。
  3. 請求項１又は２において、前記高周波駆動電流発生部で発生させる前記高周波駆動電流は、２００ＭＨｚから３００ＭＨｚまでの中から選択された高周波電流であることを特徴とする光ファイバ電流センサ。
  4. 請求項１から３のいずれかにおいて、前記光路は、光ファイバと、前記光ファイバの先端に設けた反射部とからなり、前記光ファイバ中の直線偏波光が前記反射部で反射する反射型の光路であることを特徴とする光ファイバ電流センサ。
  5. 請求項１から３のいずれかにおいて、前記光路は、光ファイバと、前記光ファイバの端面に対向配置する偏向子と検光子からなるセンサヘッド光学部とからなり、前記光ファイバ中の直線偏波光が前記センサヘッド光学部で一方向に透過する透過型の光路であることを特徴とする光ファイバ電流センサ。
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