WO2013111699A1 - センサ用光ファイバおよび電力装置監視システム - Google Patents

センサ用光ファイバおよび電力装置監視システム Download PDF

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WO2013111699A1
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optical fiber
sensor
light
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功 今岡
嘉文 須崎
弘 岩田
Kiyoshi NAKAGAWA (中川 清)
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株式会社豊田自動織機
国立大学法人香川大学
独立行政法人国立高等専門学校機構
中川 香保里
中川 光
中川 直
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    • G01R19/03—Measuring effective values, i.e. root-mean-square values using thermoconverters

Definitions

  • the present invention relates to a sensor optical fiber and a power device monitoring system including the sensor optical fiber.
  • an optical fiber in which an FBG (fiber Bragg grating) is formed is used as a sensor for measuring temperature, not current or voltage.
  • the FBG is a diffraction grating in which the refractive index of the core of the optical fiber is changed by a predetermined length period (grating period) along the axial direction, and the incident light to the optical fiber depends on the grating period. It has a characteristic of reflecting light of a specific wavelength (Bragg wavelength) and transmitting the remaining light.
  • the grating period changes accordingly. Since the Bragg wavelength changes linearly with respect to the change in the grating period, the temperature can be measured based on the change amount of the Bragg wavelength.
  • Patent Document 1 discloses a temperature measurement system that uses a laser as a light source of incident light to an optical fiber and measures temperatures with a plurality of FBGs provided on an outer panel of an aircraft.
  • Patent Document 2 describes an optical component in which the outer peripheral portion of the cladding layer of the optical fiber is subjected to metallization.
  • Patent Documents 1 and 2 do not describe the measurement of current and voltage using an optical fiber, and the current and voltage can be measured even if the optical fibers described in Patent Documents 1 and 2 are used as they are. I can't.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide an optical fiber for a sensor and a power device monitoring system capable of measuring current or voltage with high accuracy.
  • an optical fiber for a sensor according to the present invention is coated with an FBG in which the refractive index of the core of the optical fiber for the sensor is periodically changed along the direction in which incident light propagates, and the FBG. And a pair of electrodes provided on the metal layer.
  • the heat generation amount of the metal layer changes according to the strength of the current.
  • the FBG expands to change the Bragg wavelength, and accordingly, the wavelength of light transmitted through the FBG changes.
  • the metal layer may include a resistive metal material.
  • the metal layer may expand and contract in the direction in which incident light propagates due to Joule heat generated in the metal layer.
  • the sensor optical fiber may include a plurality of FBGs, and one of the metal layer electrodes of one of the FBGs may be connected to a resistor.
  • the sensor optical fiber may include an environmental temperature sensor unit, and the environmental temperature sensor unit may include an FBG different from the FBG.
  • the FBG may include a metallized portion that is covered with a metal layer and a non-metalized portion that is not covered with the metal layer.
  • the total length of the metallized portion in the direction in which incident light propagates may be equal to the total length of the non-metalized portion in the direction in which incident light propagates.
  • the metallized portion may be provided at the center of the direction in which incident light propagates in the FBG.
  • the power device monitoring system includes the above-described sensor optical fiber, a light source that emits light having a plurality of wavelengths as incident light, and a bandwidth of light transmitted through the FBG or reflected by the FBG. And a calculation means for calculating a current flowing in the metal layer or a voltage applied to the metal layer based on the bandwidth.
  • a power device monitoring system includes the above-described sensor optical fiber, a light source that emits incident light, and a light measurement unit that measures light transmitted through the FBG or light reflected by the FBG.
  • the sensor optical fiber includes a plurality of FBGs, and the plurality of FBGs include a current FBG and a voltage FBG.
  • the metal layer of the current FBG is connected in series to the power device, and the metal layer of the voltage FBG One of the electrodes may be connected to a resistor, and the metal layer of the voltage FBG may be connected in parallel to the power device.
  • the light source may emit light having a plurality of wavelengths as incident light
  • the light measurement unit may be a spectroscopic unit that measures the spectrum of light.
  • the spectroscopic means may identify the Bragg wavelength reflected by the FBG, and the power device monitoring system may calculate a current flowing through the metal layer or a voltage applied to the metal layer based on the Bragg wavelength.
  • the optical fiber for the sensor includes an environmental temperature sensor unit, the environmental temperature sensor unit includes an FBG different from the above-described FBG, and the spectroscopic unit specifies and calculates the wavelength reflected by the environmental temperature sensor unit as a reference Bragg wavelength.
  • the means may calculate a current or a voltage based on a difference between the Bragg wavelength and the reference Bragg wavelength.
  • the calorific value of the metal layer differs depending on the current to be measured or the current corresponding to the voltage to be measured, and the Bragg wavelength of the FBG is accordingly changed. Since it changes, the current or voltage can be measured optically, improving accuracy.
  • FIG. 5 is an enlarged view of a part of the sensor optical fiber of FIG. 4.
  • FIG. 6 shows the relationship of the Bragg wavelength of each FBG of FIG. 6 is an enlarged view of a part of a sensor optical fiber according to Embodiment 3.
  • FIG. It is a figure which shows a mode that the spectrum of the light reflected by FBG changes according to the electricity supply to the metal layer of FIG. It is a figure which shows the modification of the optical fiber for sensors of FIG.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of a configuration of a power device monitoring system 1 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the power device monitoring system 1 is used to measure the current or voltage of the power device and thereby monitor the power device.
  • the power device means, for example, a high-power power device, and includes a battery, a storage battery, a generator, a transformer, and the like.
  • the power device may be a device called a power device, or may be a high-voltage electric circuit or a part thereof.
  • the power device monitoring system 1 includes a sensor optical fiber 10 and a light processing device 20.
  • the sensor optical fiber 10 has a configuration as a known optical fiber.
  • the sensor optical fiber 10 includes a core and a clad as a configuration for propagating incident light in a predetermined direction.
  • the sensor optical fiber 10 includes an optical fiber portion 11 having a configuration as a normal optical fiber, and an FBG 12.
  • the refractive index of the core in the optical fiber portion 11 is assumed to be constant.
  • the refractive index of the core periodically changes with a predetermined length period (grating period) along the direction in which the incident light propagates.
  • the FBG 12 has a characteristic that the incident light reflects light of a specific wavelength (Bragg wavelength) determined according to the grating period and transmits the remaining light.
  • the optical fiber part 11 and the FBG 12 are made of a material such as quartz glass, for example, and have a positive coefficient of thermal expansion.
  • the FBG 12 is formed by irradiating the core of the optical fiber with ultraviolet rays or the like.
  • the sensor optical fiber 10 includes a metal layer 13 that covers the FBG 12.
  • the sensor optical fiber 10 includes a pair of electrodes 14 and 15 provided on the metal layer 13.
  • the electrodes 14 and 15 are connected to different positions of the metal layer 13 by electric wires 16 and 17, respectively. By applying a voltage between the electrode 14 and the electrode 15, a current can be passed through the metal layer 13.
  • the metal layer 13 is a heating element including a resistance metal material having a certain resistance, and for example, is entirely composed of a resistance metal material. Specific examples of such a resistance metal material include titanium, nichrome, stainless steel, and silver. The resistance metal material may be a material in which titanium, nichrome, stainless steel and copper are mixed.
  • the metal layer 13 is formed in a cylindrical surface on the outer periphery of the FBG 12. In the present embodiment, all parts subjected to Bragg processing are covered with the metal layer 13.
  • the metal layer 13 is not necessarily required to completely cover the entire FBG 12, and may be any one that covers at least a part of the FBG 12. Further, the metal layer 13 is formed on, for example, the cladding layer of the FBG 12 and covers the cladding layer, but is not necessarily limited to directly covering the cladding layer.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining expansion of the FBG 12. It shows that the length L of the FBG 12 and the metal layer 13 in the axial direction (that is, the direction in which the incident light propagates) increases by ⁇ L due to the current I flowing through the metal layer 13.
  • the FBG 12 is heated, expands due to thermal stress, and expands in the axial direction. Further, the Joule heat causes the metal layer 13 itself to expand and expand in the axial direction, and the FBG 12 extends in the axial direction by the stress at this time.
  • the metal layer 13 is shown to extend only to the right side, but in reality, the metal layer 13 extends to both sides in the axial direction.
  • the FBG 12 and the metal layer 13 expand and contract due to Joule heat.
  • the grating period of the FBG 12 also changes.
  • the grating period is one of the elements that define the Bragg wavelength of the FBG 12, and the Bragg wavelength changes linearly with respect to the amount of change in the grating period. That is, when the FBG 12 expands, the grating period also increases, and accordingly, the Bragg wavelength shifts to the long wavelength side. Conversely, when the temperature of the FBG 12 decreases and the FBG 12 contracts, the grating period also decreases, and accordingly, the Bragg wavelength shifts to the short wavelength side. Therefore, a numerical value representing the temperature of the FBG 12 can be measured based on the shift amount of the Bragg wavelength.
  • FIG. 3 shows how the spectrum of the light transmitted through the sensor optical fiber 10 changes according to the change of the Bragg wavelength.
  • 3A shows a spectrum of transmitted light at the temperature Ta
  • FIG. 3B shows a spectrum of transmitted light at the temperature Tb.
  • Ta ⁇ Tb.
  • the actual light source is not an ideal white light source
  • the spectrum is actually not flat as shown in FIG. 3, but attenuates on the long wavelength side and the short wavelength side. Use the shape shown.
  • the wavelength band used in the present embodiment is sufficiently narrow, there is no need for an ideal white light source, and it may be a broad emission wavelength band that can be regarded as flat within the use range.
  • the wavelength ⁇ a corresponds to the Bragg wavelength. Since the FBG 12 reflects most of the light having the wavelength ⁇ a, the light having the wavelength ⁇ a and a wavelength in the vicinity thereof does not pass through the sensor optical fiber 10, and as a result, the spectrum of the transmitted light has a minimum value at the wavelength ⁇ a.
  • the temperature of the FBG 12 increases from Ta to Tb, the Bragg wavelength shifts to the long wavelength side, for example, becomes ⁇ b. In this case, the light having the wavelength ⁇ b and the wavelength in the vicinity thereof does not pass through the sensor optical fiber 10, and as a result, the spectrum of the transmitted light has a minimum value at the wavelength ⁇ b.
  • the light processing apparatus 20 includes a light source 21 and a light measurement unit 22.
  • the light source 21 emits incident light to the sensor optical fiber 10.
  • the light source 21 is, for example, a laser diode, but may be another light source, for example, a non-laser LED. As shown in FIG. 3, the light source 21 emits light having a continuous spectrum. That is, the incident light consists of a plurality of wavelengths.
  • the light measuring means 22 receives and measures the light transmitted through the sensor optical fiber 10.
  • the light measuring means 22 has a function of measuring the spectrum of light transmitted through the sensor optical fiber 10 and can be constituted by a known spectroscopic means.
  • the light measurement unit 22 includes a plurality of filters having different wavelength characteristics and a light intensity measurement unit that measures the intensity of light transmitted through each filter, and converts the light intensity at each wavelength into an electrical signal.
  • the light intensity measuring means can be composed of a MOS or a CCD.
  • the light measuring means 22 can specify the wavelength reflected by the FBG 12 (that is, the Bragg wavelength of the FBG 12).
  • the wavelength at which the spectrum shows the minimum value is specified as the Bragg wavelength.
  • the light processing apparatus 20 includes a control unit 23 connected to the light measurement unit 22.
  • the control unit 23 includes a calculation unit 24 that performs a calculation based on the signal received from the light measurement unit 22.
  • the computing means 24 has a function of calculating the current flowing through the metal layer 13 based on the Bragg wavelength of the FBG 12. For example, the amount of heat generated by the metal layer 13 is determined according to the magnitude of the current flowing through the metal layer 13, and the amount of heat generated by the metal layer 13 is proportional to the thermal stress applied to the FBG 12, so that the amount of change in Bragg wavelength (predetermined reference Bragg The difference from the wavelength) depends on the magnitude of the current flowing through the metal layer 13.
  • the computing unit 24 can calculate the magnitude of the current based on the relational expression representing this relation.
  • the reference Bragg wavelength and the relational expression can be stored in advance in the computing means 24, for example.
  • the value of the current flowing through the metal layer 13 can be measured, and thus the electrodes 14 and 15 of the metal layer 13 are measured. If it is connected to a desired position, it can be used as a current sensor.
  • the power device monitoring system 1 optically measures the current value based on the change of the Bragg wavelength, it is not affected by electromagnetic noise or the like, so that high-accuracy measurement is possible. Further, since the portion subjected to the Bragg processing (including the entire FBG 12) is covered with the metal layer 13, the reflection wavelength band is not distorted.
  • the power device monitoring system 1 can convert the current value into a voltage value. In other words, in this case, the calculation unit 24 has a function of calculating the voltage applied to the metal layer 13 based on the Bragg wavelength of the FBG 12.
  • Embodiment 2 FIG.
  • the expansion / contraction of the FBG 12 due to a change in environmental temperature is not particularly taken into consideration.
  • the second embodiment is configured to perform measurement with higher accuracy in consideration of changes in environmental temperature.
  • FIG. 4 shows a configuration of the power device monitoring system 101 according to the second embodiment and a battery 200 that is an example of a power device to be monitored.
  • the power device monitoring system 101 includes a sensor optical fiber 110 and an optical processing device 150.
  • the sensor optical fiber 110 includes an optical fiber portion 111 and three FBGs. These three FBGs are a temperature guarantee FBG 112, a voltage FBG 122, and a current FBG 132, respectively. In the present embodiment, these three FBGs all have the same characteristics (length, material, grating period, thermal expansion coefficient, etc.).
  • FIG. 5 is an enlarged view of a part of the optical fiber 110 for sensors.
  • the temperature assurance FBG 112, the voltage FBG 122, and the current FBG 132 are provided in the core of the same sensor optical fiber 110. That is, these three FBGs are provided on the same optical path.
  • the light measured by the light measuring unit 152 is only the light that has passed through all of the temperature assurance FBG 112, the voltage FBG 122, and the current FBG 132.
  • the temperature assurance FBG 112 has the same configuration as the FBG used as a conventional temperature sensor.
  • the temperature assurance FBG 112 is not covered with a metal layer (however, a configuration in which a coating with a metal layer is provided is not excluded).
  • the temperature assurance FBG 112 is an FBG different from the voltage FBG 122 and the current FBG 132 as shown in the figure, and functions as an environmental temperature sensor unit that measures the temperature of the surrounding environment.
  • a metal layer 123 and a metal layer 133 are formed on the voltage FBG 122 and the current FBG 132, respectively.
  • a pair of electrodes 124 and 125 are provided on the metal layer 123, and are connected to different positions of the metal layer 123 by electric wires 126 and 127, respectively.
  • One of these electrodes is inserted into a resistor 128 having a resistance value R1 via a corresponding electric wire 126.
  • the metal layer 133 is provided with a pair of electrodes 134 and 135, which are connected to different positions of the metal layer 133 by electric wires 136 and 137, respectively. Unlike the voltage FBG 122, no resistor is inserted in the current FBG 132.
  • the light processing apparatus 150 includes a light source 151, a light measurement unit 152, and a control unit 153.
  • the light source 151 emits incident light to the sensor optical fiber 110
  • the light measurement unit 152 receives and measures the light transmitted through the sensor optical fiber 110.
  • the control unit 153 includes a calculation unit 154 and a light source control unit 155.
  • the battery 200 includes an anode 201 and a cathode 202, and a load 203 is connected between the anode 201 and the cathode 202. In this way, the battery 200 and the load 203 constitute an electric circuit C.
  • the battery 200 has an internal resistance R2 and the load 203 is equivalent to the resistance R3.
  • the resistance value of the metal layer 123 of the voltage FBG 122 is Rv
  • it is preferable to design the magnitude relationship between the resistors to be, for example, R1 >> R3 >> R2, Rv, Ri, but is not limited thereto.
  • the metal layer 123 and the resistor 128 of the voltage FBG 122 are connected to the battery 200 in parallel in the electric circuit C. Further, the metal layer 133 of the current FBG 132 is connected in series to the battery 200 in the electric circuit C.
  • the temperature assurance FBG 112 is independent of the electric circuit C. With such a configuration, the Bragg wavelength of the temperature assurance FBG 112 becomes a wavelength corresponding to the ambient temperature, while the Bragg wavelengths of the voltage FBG 122 and the current FBG 132 correspond to the ambient temperature of the metal layer 123 and the metal layer 133, respectively. The wavelength corresponds to the temperature obtained by adding the temperature corresponding to the heat generation.
  • the length L1 (FIG. 4) of the portion between the electrodes 134 and 135 of the current FBG 132 is always connected to be constant.
  • the length L1 may be adjusted so that the resistance value of this portion is always constant.
  • any configuration may be used as long as the calculation unit 154 can acquire or calculate the resistance value of the portion of the electric circuit C.
  • FIG. 6 shows the relationship of the Bragg wavelength of each FBG.
  • FIG. 6A schematically shows a spectrum around the Bragg wavelength ⁇ t of the temperature assurance FBG 112 enlarged in the wavelength direction.
  • FIG. 6B shows a spectrum of reflected light reflected by each of the three FBGs. As shown in FIG. 6B, since the three FBGs reflect light at different Bragg wavelengths, the light spectrum measured by the light measuring means 152 has three minimums as shown in FIG. The value appears.
  • the computing means 154 calculates the current and voltage related to the battery 200 based on the Bragg wavelengths ⁇ t, ⁇ v, and ⁇ i. This calculation can be performed as follows, for example. First, the computing means 154 obtains the shortest of the three minimum values appearing in the spectrum as the Bragg wavelength ⁇ t of the temperature assurance FBG 112, and then obtains the shortest as the Bragg wavelength ⁇ v of the voltage FBG 122, Next, the shortest one (that is, the longest one) is acquired as the Bragg wavelength ⁇ i of the current FBG 132.
  • the difference ⁇ v ⁇ v ⁇ t for compensating for the error due to the environmental temperature is calculated, and the current flowing through the metal layer 123 of the voltage FBG 122 is calculated based on the difference ⁇ v. Further, the voltage between the electrodes 124 and 125 of the metal layer 123 is calculated based on the current flowing through the metal layer 123 and the resistance value R 1 of the resistor 128. This voltage is a voltage between the anode 201 and the cathode 202 of the battery 200. In this way, the power device monitoring system 101 measures the voltage value of the battery 200.
  • the current and voltage of the battery 200 can be measured, and the state of the battery 200 can be monitored.
  • the power device monitoring system 101 optically measures the current value and the voltage value based on the change of the Bragg wavelength, and thus can measure with high accuracy.
  • the temperature of the temperature assurance FBG 112 itself does not vary between when the power device monitoring system 101 is stopped and when it is operating. That is, there is no need to warm up the temperature assurance FBG 112 or to stabilize the temperature assurance FBG 112 with respect to the environmental temperature.
  • the change in Bragg wavelength and measurement thereof in each FBG are optical and are not subjected to electromagnetic interference, so that measurement with a high S / N ratio can be performed by eliminating electromagnetic noise.
  • the measurement of the wavelength corresponding to the environmental temperature (reference Bragg wavelength ⁇ t) and the measurement of the wavelength corresponding to the current and current (Bragg wavelengths ⁇ i and ⁇ v) are both performed based on the fluctuation of the Bragg wavelength of the FBG, that is, Since it is based on the same physical principle, error compensation is more accurate.
  • the light processing device measures current and / or voltage based on the transmitted light that has passed through each FBG.
  • the light processing apparatus may measure a current or a voltage based on the reflected light reflected by each FBG.
  • the light measuring means is provided on the incident side of the sensor optical fiber, and measures the spectrum of the light reflected by each FBG.
  • the Bragg wavelength is specified as a wavelength that gives the maximum value of the measured spectrum.
  • a resistor corresponding to the resistor 128 of the second embodiment may be provided on the electric wire 16 of the metal layer 13 of the first embodiment (FIG. 1).
  • the power device monitoring system 1 of the first embodiment can measure the voltage more accurately.
  • the sensor optical fiber may include both an FBG provided with a resistor and an FBG without a resistor (that is, FBG 12 shown in FIG. 1).
  • the configuration in which both FBGs are provided is the same as the configuration in which the temperature assurance FBG 112 is omitted in the sensor optical fiber 110 of the second embodiment (FIG. 4).
  • Embodiment 2 three FBGs are used, but this may be two or more.
  • either the voltage FBG 122 or the current FBG 132 can be omitted.
  • the power device monitoring system 101 measures either the current or the voltage of the battery 200.
  • the current FBG 132 is connected in parallel with a part of the electric circuit C, but this may be connected in series to the electric circuit C in the same manner as a conventional ammeter.
  • the calculation means 154 can measure the current value flowing through the metal layer 133 of the current FBG 132 as it is as the current value of the battery 200.
  • the temperature assurance FBG 112, the voltage FBG 122, and the current FBG 132 all have the same characteristics, but they may have different characteristics. For example, they may have different coefficients of thermal expansion, and may have different grating periods at the same temperature. Even in such a configuration, if the respective characteristics are known, the calculation means 154 can calculate the current value and the voltage value by an appropriate calculation.
  • Embodiment 3 FIG.
  • a current detection unit and a temperature detection unit are provided in one FBG, and calculation based on the reflection bandwidth is performed, thereby enabling temperature guarantee (temperature compensation) with a single FBG.
  • FIG. 7 is an enlarged view of a part of the sensor optical fiber 310 according to the third embodiment.
  • differences from the sensor optical fiber 10 of the first embodiment (FIGS. 1 and 2) will be described.
  • the sensor optical fiber 310 includes a metal layer 313 that covers the FBG 312.
  • the metal layer 313 is formed by metal vapor deposition, for example.
  • the length of the FBG 312 in the axial direction is L0.
  • the metal layer 313 does not cover the entire FBG 312 but covers only a part thereof. That is, the FBG 312 includes a metallized portion 312 a that is covered with the metal layer 313 and a non-metalized portion 312 b that is not covered with the metal layer 313. (The non-metallized portion 312b does not need to be exposed and may be covered with a structure other than the metal layer.)
  • the grating period is constant throughout the FBG 312. That is, the grating period of the metallization unit 312a and the grating period of the non-metallization unit 312b are the same.
  • the metallization unit 312a functions as a current detection unit
  • the non-metallization unit 312b functions as a temperature detection unit.
  • the metallization unit 312a is provided in the center of the FBG 312 in the axial direction and has an axial length La.
  • La Lb. That is, the total length of the metallization unit 312a (in the example of FIG. 7, the total length is La because there is only one metallization unit 312a) is equal to the total length of the non-metallization unit 312b.
  • the metallized portion 312a and the non-metalized portion 312b have the same spectral characteristics at the same temperature because the grating periods are the same and the lengths are the same.
  • FIG. 8 shows how the spectrum of light reflected by the FBG 312 changes in response to energization of the metal layer 313.
  • FIG. 8A shows a state before energization.
  • the FBG 312 is entirely at a temperature before energization (for example, room temperature). That is, the reflection spectrum Sa of the metallization unit 312a matches the reflection spectrum Sb of the non-metallization unit 312b. The peak wavelength at this time is ⁇ 0.
  • the bandwidth of the wavelength reflected by the entire FBG 312 is assumed to be B0. This bandwidth B0 can be measured by a known method. For example, the bandwidth B0 is a width of a band in which the intensity of reflected light is equal to or greater than a predetermined threshold.
  • FIG. 8B shows a state immediately after energization of the metal layer 313 is started.
  • the metallized portion 312a rapidly rises in temperature, and the reflection spectrum Sa shifts to the longer wavelength side due to thermal expansion.
  • the temperature of the non-metallized portion 312b has not risen, and thus the reflection spectrum Sb remains unchanged.
  • the power device monitoring system includes a light source that emits light having a plurality of wavelengths as incident light, a light measurement unit (spectral unit) that measures a bandwidth Bt of a wavelength reflected by the FBG 312, and a measured bandwidth It can comprise so that the calculation means which calculates the electric current which flows into the metal layer 313 based on Bt may be provided. Note that the voltage applied to the metal layer 313 can be calculated in the same manner.
  • the control unit may store in advance the bandwidth B0 of the wavelength reflected by the FBG 312 when the current is zero.
  • FIG. 8C shows a state where energization to the metal layer 313 is continued for a while.
  • Heat propagates from the metallized portion 312a to the entire sensor optical fiber 310, and the reflection spectra Sa and Sb of the metallized portion 312a and the non-metalized portion 312b are both shifted to the longer wavelength side.
  • the shift is performed by ⁇ t.
  • the entire reflection spectrum of the FBG 312 is shifted to the longer wavelength side without changing its shape. Therefore, the bandwidth of the wavelength reflected by the entire FBG 312 remains Bt and does not change.
  • the value ⁇ i that depends only on the magnitude of the current can be obtained with high accuracy regardless of the magnitude ⁇ t of the temperature variation of the entire sensor optical fiber 310 due to the continued energization.
  • FIG. 8D shows a state immediately after the energization is stopped. Since the metallized portion 312a is rapidly cooled, the reflection spectrum Sa returns to the short wavelength side, but due to the temperature rise of the entire sensor optical fiber 310, the longer wavelength side than before the start of energization (state of FIG. 8A). The peak wavelength is ⁇ 2. Further, the reflection spectrum Sb of the non-metallized portion 312b does not change, and the peak wavelength remains ⁇ 2. Therefore, the reflection spectrum Sa of the metallized portion 312a matches the reflection spectrum Sb of the non-metalized portion 312b.
  • the reflection spectrum of the entire FBG 312 is shifted to the longer wavelength side than before the start of energization (FIG. 8A), but the bandwidth of the reflection spectrum is B0 as before the start of energization.
  • the magnitude of the current can be obtained with high accuracy regardless of the presence or absence of the influence ⁇ t of the temperature fluctuation of the entire sensor optical fiber 310 due to the continuation of energization. Note that when a certain amount of time elapses after the energization is stopped, the temperature of the entire sensor optical fiber 310 decreases, and the state before the start of energization (FIG. 8A) is restored.
  • the current detection unit (metallization unit 312a) and the temperature detection unit (non-metallization unit 312b) are provided in one FBG, and the calculation based on the reflection bandwidth is performed.
  • An accurate current value or voltage value can be calculated by performing temperature guarantee (temperature compensation) with the FBG 312.
  • the current value can be accurately calculated even when the amount of heat accumulated due to heat generation causes a drift in wavelength shift.
  • the FBG 312 can be realized by one FBG element, an increase in cost can be avoided. In particular, a temperature sensor or the like using an external FBG is unnecessary, and the cost can be reduced and the entire apparatus can be downsized.
  • the length of the metallized portion 312a and the length of the non-metalized portion 312b are equal to each other, the respective reflection spectra exhibit common characteristics (for example, the same reflectivity), and more accurate measurement can be performed.
  • these lengths are not equal, it is theoretically possible to perform measurement if the lengths are not zero. Also, these lengths do not need to be exactly the same, and even if the lengths are slightly different, the lengths are mutually different as long as the errors given to the wavelength measurement accuracy or current / voltage calculation accuracy are negligible. Can be considered equal.
  • the thermal responsiveness of the non-metalized portion 312b is increased (that is, the time constant is reduced).
  • the thermal responsiveness of the non-metalized portion 312b can be maintained to some extent if the non-metalized portion 312b is located on both sides of the metalized portion 312a.
  • the metallization unit 312a is provided in the FBG 312, it is possible to calculate the current value with a certain degree of thermal responsiveness.
  • the metallization unit 312a may be provided at the end as in the modification shown in FIG. . 9, the sensor optical fiber 410 includes an FBG 412.
  • the FBG 412 has a metallized portion 412a (length La) covered by a metal layer 413 and a non-metalized portion 412b (length) not covered by the metal layer 413. Lb).
  • the current and / or voltage is measured based on the wavelength of the light reflected by the FBG 312.
  • the current or voltage may be measured based on the wavelength of light transmitted through the FBG 312.

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Abstract

　電流または電圧を高い精度で測定できるセンサ用光ファイバを提供する。　センサ用光ファイバ１０は、コアの屈折率を周期的に変化させたＦＢＧ１２と、ＦＢＧ１２を被覆する金属層１３と、金属層１３に設けられる一対の電極１４および１５とを備える。電極１４および１５を測定対象の所望の位置に接続し、ＦＢＧ１２のブラッグ波長の変化に基づいて、金属層１３に流れる電流を算出する。

Description

センサ用光ファイバおよび電力装置監視システム
　本発明は、センサ用光ファイバと、当該センサ用光ファイバを備える電力装置監視システムとに関する。
　電池や発電機等の状況を監視するためには電流や電圧の測定が必要となる。従来の電流センサや電圧センサでは、たとえば電磁誘導の原理を用いて測定を行う。
　また、電流や電圧ではなく、温度を測定するためのセンサとして、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）が形成された光ファイバが利用される。ＦＢＧとは、光ファイバのコアの屈折率を軸方向に沿った所定の長さ周期（グレーティング周期）で変化させた回折格子であって、光ファイバへの入射光に対し、グレーティング周期に応じた特定の波長（ブラッグ波長）の光を反射し、残りの光を透過するという特性を有している。温度変化に応じてＦＢＧが熱膨張すると、それに伴ってグレーティング周期が変化する。ブラッグ波長は、グレーティング周期の変化に対して線形に変化するため、ブラッグ波長の変化量に基づいて温度を測定することが可能となる。また、一本の光ファイバに複数のＦＢＧを形成すれば複数箇所の温度を測定する多点温度測定が可能となる。例えば特許文献１には、光ファイバへの入射光の光源としてレーザーを用い、航空機の外板上に設けられた複数のＦＢＧで温度を測定する温度測定システムが開示されている。
　なお、温度センサ用でない光ファイバの構成の例として、特許文献２には、光ファイバのクラッド層の外周部にメタライズ処理を施した光部品が記載されている。
特表２００９－５１６８５５号公報 特開２００４－２９６９１号公報
　しかしながら、従来の電流センサや電圧センサでは、測定値に含まれる誤差が比較的大きく、精度の高い測定を行うことが困難であるという問題があった。
　また、従来のセンサ用光ファイバでは、電流や電圧を測定することができないという問題があった。たとえば特許文献１および２には、光ファイバを用いて電流・電圧を測定することについては記載がなく、また、特許文献１および２に記載される光ファイバをそのまま用いても電流・電圧の測定はできない。
　本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、電流または電圧を高い精度で測定できるセンサ用光ファイバおよび電力装置監視システムを提供することを目的とする。
　上述の問題を解決するため、この発明に係るセンサ用光ファイバは、入射光が伝播する方向に沿って、センサ用光ファイバのコアの屈折率を周期的に変化させたＦＢＧと、ＦＢＧを被覆する金属層と、金属層に設けられる一対の電極とを備える。
　このような構成によれば、測定すべき電流（または測定すべき電圧に対応する電流）が金属層に流れた場合に、その電流の強さに応じて金属層の発熱量が変化する。そして、金属層の発熱量と金属層の熱による膨張の応力に応じて、ＦＢＧが伸張してブラッグ波長が変化し、これに伴ってＦＢＧを透過する光の波長が変化する。
　金属層は抵抗金属材料を含んでもよい。
　金属層に発生するジュール熱により、入射光が伝播する方向に金属層が伸縮するものであってもよい。
　センサ用光ファイバは、複数のＦＢＧを備え、ＦＢＧの１つが有する金属層の電極のうち一方は抵抗器に接続されてもよい。
　センサ用光ファイバは環境温度センサ部を備え、環境温度センサ部は、ＦＢＧとは異なるＦＢＧを備えてもよい。
　ＦＢＧは、金属層によって被覆されるメタライズ部と、金属層によっては被覆されない非メタライズ部とを備えてもよい。
　メタライズ部の、入射光が伝播する方向における合計の長さと、非メタライズ部の、入射光が伝播する方向における合計の長さとは互いに等しいものであってもよい。
　メタライズ部は、ＦＢＧにおいて、入射光が伝播する方向中央に設けられてもよい。
　また、この発明に係る電力装置監視システムは、上述のセンサ用光ファイバと、入射光として複数の波長からなる光を放射する光源と、ＦＢＧを透過した光またはＦＢＧによって反射された波長の帯域幅を測定する分光手段と、帯域幅に基づいて金属層に流れる電流または金属層に印加された電圧を算出する、算出手段とを備える。
　また、この発明に係る電力装置監視システムは、上述のセンサ用光ファイバと、入射光を放射する光源と、ＦＢＧを透過した光またはＦＢＧによって反射された光を測定する光測定手段とを備える。
　センサ用光ファイバは、複数のＦＢＧを備え、複数のＦＢＧは、電流用ＦＢＧおよび電圧用ＦＢＧを含み、電流用ＦＢＧの金属層は、電力装置に直列に接続され、電圧用ＦＢＧの金属層の電極のうち一方は抵抗器に接続され、電圧用ＦＢＧの金属層は、電力装置に並列に接続されてもよい。
　光源は、入射光として複数の波長からなる光を放射し、光測定手段は、光のスペクトルを測定する分光手段であってもよい。
　分光手段は、ＦＢＧによって反射されたブラッグ波長を特定し、電力装置監視システムは、ブラッグ波長に基づいて、金属層に流れる電流または金属層に印加された電圧を算出してもよい。
　センサ用光ファイバは環境温度センサ部を備え、環境温度センサ部は、上述のＦＢＧとは異なるＦＢＧを備え、分光手段は、環境温度センサ部によって反射された波長を基準ブラッグ波長として特定し、算出手段は、ブラッグ波長と基準ブラッグ波長との差分に基づいて、電流または電圧を算出してもよい。
　本発明のセンサ用光ファイバおよび電力装置監視システムによれば、測定すべき電流によって、または測定すべき電圧に対応する電流によって、金属層の発熱量が異なり、これに応じてＦＢＧのブラッグ波長が変化するので、電流または電圧を光学的に測定することができ、精度が向上する。
本発明の実施の形態１に係る電力装置監視システムの構成を示す図である。 図１のＦＢＧの伸張を説明する図である。 図１のセンサ用光ファイバを透過する光のスペクトルが変化する様子を示す図である。 実施の形態２に係る電力装置監視システムの構成を示す図である。 図４のセンサ用光ファイバの一部の拡大図である。 図４の各ＦＢＧのブラッグ波長の関係を示す図である。 実施の形態３に係るセンサ用光ファイバの一部の拡大図である。 図７の金属層への通電に応じて、ＦＢＧによって反射される光のスペクトルが変化する様子を示す図である。 図７のセンサ用光ファイバの変形例を示す図である。
　以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
　図１は本発明の実施の形態１に係る電力装置監視システム１の構成の概略を示す模式図である。
　電力装置監視システム１は、電力装置の電流または電圧を測定し、これによって電力装置を監視するために用いられる。電力装置とは、たとえば強電の電力装置を意味し、電池、蓄電池、発電機、変電器等を含む。また、電力装置とは、パワーデバイスと呼ばれるものであってもよく、高圧電気回路またはその一部であってもよい。
　電力装置監視システム１は、センサ用光ファイバ１０および光処理装置２０を備える。センサ用光ファイバ１０は、公知の光ファイバとしての構成を有する。たとえば、センサ用光ファイバ１０は、入射光を所定の方向に伝播させるための構成として、コアおよびクラッドを備える。
　センサ用光ファイバ１０は、通常の光ファイバとしての構成を有する光ファイバ部１１と、ＦＢＧ１２とを備える。図１の例では、光ファイバ部１１におけるコアの屈折率は一定であるものとする。ＦＢＧ１２において、コアの屈折率は、入射光が伝播する方向に沿って、所定の長さ周期（グレーティング周期）をもって周期的に変化する。このため、ＦＢＧ１２は、入射光に対し、グレーティング周期に応じて定まる特定の波長（ブラッグ波長）の光を反射し、残りの光を透過するという特性を有している。なお、光ファイバ部１１およびＦＢＧ１２は、例えば石英ガラス等の材料から形成されており、その熱膨張率は正の値となっている。また、一例として、ＦＢＧ１２の形成は、光ファイバのコアに紫外線等を照射することによって行われる。
　センサ用光ファイバ１０は、ＦＢＧ１２を被覆する金属層１３を備える。また、センサ用光ファイバ１０は、金属層１３に設けられる一対の電極１４および１５を備える。電極１４および１５は、それぞれ電線１６および１７によって金属層１３の異なる位置に接続される。電極１４と電極１５との間に電圧を印加することにより、金属層１３に電流を流すことができる。
　金属層１３は、一定の抵抗を有する抵抗金属材料を含む発熱体であり、たとえばその全体が抵抗金属材料によって構成される。このような抵抗金属材料の具体例としてはチタン、ニクロム、ステンレス、銀が挙げられる。また、抵抗金属材料は、チタン、ニクロム、ステンレスと銅とを混合した材料であってもよい。この金属層１３は、ＦＢＧ１２の外周に円筒面状に形成される。本実施の形態において、ブラッグ加工してある部分はすべて金属層１３で被覆されている。金属層１３は、必ずしもＦＢＧ１２の全体を完全に被覆する必要はなく、ＦＢＧ１２の少なくとも一部を被覆するものであればよい。さらに、金属層１３は、たとえばＦＢＧ１２のクラッド層上に形成されてクラッド層を被覆するものであるが、必ずしもクラッド層を直接被覆するものに限られない。
　このような構成において、金属層１３に電流が流れると、金属層１３に発生するジュール熱によりＦＢＧ１２が伸張する。これについて、図２を用いて説明する。
　図２は、ＦＢＧ１２の伸張を説明する図である。金属層１３に流れる電流Ｉにより、ＦＢＧ１２および金属層１３の軸方向（すなわち入射光が伝播する方向）の長さＬがΔＬだけ増加することを示す。金属層１３にジュール熱が発生すると、ＦＢＧ１２が加熱されて熱応力により膨張して軸方向に伸張する。また、このジュール熱により金属層１３自身が膨張して軸方向に伸張し、この際の応力によりＦＢＧ１２を軸方向に伸張させる。このような効果により、ＦＢＧ１２の長さＬがΔＬだけ増加する。
　なお図２では説明の便宜上、金属層１３が右側にのみ伸張するように示しているが、実際には金属層１３は軸方向両側に伸張する。このように、ＦＢＧ１２および金属層１３はジュール熱により伸縮する。
　ＦＢＧ１２の長さの変化に伴い、ＦＢＧ１２のグレーティング周期もまた変化する。グレーティング周期は、ＦＢＧ１２のブラッグ波長を規定する要素の１つとなっており、グレーティング周期の変化量に対してブラッグ波長が線形に変化するようになっている。すなわち、ＦＢＧ１２が伸張すると、グレーティング周期も大きくなるため、それに伴ってブラッグ波長が長波長側にシフトする。逆に、ＦＢＧ１２の温度が低下してＦＢＧ１２が収縮すると、グレーティング周期も小さくなるため、それに伴ってブラッグ波長が短波長側にシフトする。したがって、ブラッグ波長のシフト量に基づいて、ＦＢＧ１２の温度を表す数値を測定することが可能となる。
　図３は、ブラッグ波長の変化に応じて、センサ用光ファイバ１０を透過する光のスペクトルが変化する様子を示す。図３（ａ）は温度Ｔａにおける透過光のスペクトルであり、図３（ｂ）は温度Ｔｂにおける透過光のスペクトルである。ここでＴａ＜Ｔｂとする。なお、現実の光源は理想的な白色光源ではないため、実際にはスペクトルは図３のように平坦なものではなく長波長側および短波長側において減衰するが、ここでは説明の便宜上図３に示す形状を用いる。また、本実施形態において使用する波長帯域は十分に狭いので、理想的な白色光源の必要は無く、使用範囲内でフラットと見なせる程度のブロードの発光波長帯域であればよい。
　図３（ａ）に示すように、温度Ｔａでは、波長λａがブラッグ波長に相当する。ＦＢＧ１２が波長λａの光の大部分を反射するため、波長λａおよびその近傍の波長を持つ光はセンサ用光ファイバ１０を透過せず、結果として透過光のスペクトルは波長λａにおいて極小値を示す。
　ＦＢＧ１２の温度がＴａからＴｂに上昇すると、ブラッグ波長が長波長側にシフトし、たとえばλｂとなる。この場合には、波長λｂおよびその近傍の波長を持つ光はセンサ用光ファイバ１０を透過せず、結果として透過光のスペクトルは波長λｂにおいて極小値を示す。
　図１に戻り、光処理装置２０の構成について説明する。
　光処理装置２０は、光源２１および光測定手段２２を備える。光源２１は、センサ用光ファイバ１０に対して入射光を放射する。光源２１はたとえばレーザーダイオードであるが、他の光源であってもよく、たとえば非レーザーのＬＥＤであってもよい。光源２１は、図３に示すように、連続的なスペクトルを持つ光を放射する。すなわち、入射光は複数の波長からなる。
　光測定手段２２は、センサ用光ファイバ１０を透過した光を受光し測定する。光測定手段２２はセンサ用光ファイバ１０を透過した光のスペクトルを測定する機能を有し、公知の分光手段によって構成することができる。たとえば、光測定手段２２は、それぞれ異なる波長特性を有する複数のフィルタと、各フィルタを透過した光の強度を測定する光強度測定手段とを備え、各波長における光の強度を電気信号に変換する。ここで、光強度測定手段は、ＭＯＳやＣＣＤによって構成することができる。このようにして、光測定手段２２はＦＢＧ１２によって反射された波長（すなわちＦＢＧ１２のブラッグ波長）を特定することができる。たとえば、スペクトルが極小値を示す波長をブラッグ波長として特定する。
　また、光処理装置２０は、光測定手段２２に接続される制御部２３を備える。制御部２３は、光測定手段２２から受信した信号に基づいて演算を行う演算手段２４を備える。演算手段２４は、ＦＢＧ１２のブラッグ波長に基づいて、金属層１３に流れる電流を算出する機能を有する。
　たとえば、金属層１３に流れる電流の大きさに応じて金属層１３の発熱量が定まり、金属層１３の発熱量はＦＢＧ１２に加わる熱応力に比例するので、ブラッグ波長の変化量（所定の基準ブラッグ波長からの差分）は、金属層１３に流れる電流の大きさに依存することになる。演算手段２４は、この関係を表す関係式に基づいて電流の大きさを算出することができる。なお、この基準ブラッグ波長および関係式は、たとえばあらかじめ演算手段２４に記憶させておくことができる。
　以上のように、本発明の実施の形態１に係る電力装置監視システム１によれば、金属層１３に流れる電流値を測定することができるので、金属層１３の電極１４および１５を測定対象の所望の位置に接続すれば、電流センサとして用いることができる。ここで、電力装置監視システム１は電流値をブラッグ波長の変化に基づいて光学的に測定するので、電磁ノイズ等の影響を受けないため高い精度の測定が可能である。
　また、ブラッグ加工してある部分（ＦＢＧ１２の全体を含む）はすべて金属層１３で被覆されているので、反射波長帯域の歪みが生じない。
　なお、金属層１３の抵抗値は既知であるため、電力装置監視システム１は、電流値を電圧値に変換することができる。すなわち、この場合、演算手段２４は、ＦＢＧ１２のブラッグ波長に基づいて、金属層１３に印加された電圧を算出する機能を有する。
実施の形態２．
　実施の形態１では、環境温度の変化によるＦＢＧ１２の伸縮についてはとくに考慮していない。実施の形態２は、環境温度の変化を考慮し、より精度の高い測定を行える構成としたものである。
　図４は、実施の形態２に係る電力装置監視システム１０１と、監視対象の電力装置の例である電池２００との構成を示す。電力装置監視システム１０１は、センサ用光ファイバ１１０および光処理装置１５０を備える。センサ用光ファイバ１１０は、光ファイバ部１１１と、３つのＦＢＧとを備える。これら３つのＦＢＧは、それぞれ、温度保証用ＦＢＧ１１２、電圧用ＦＢＧ１２２および電流用ＦＢＧ１３２である。本実施形態では、これら３つのＦＢＧは、すべて同一の特性（長さ、材質、グレーティング周期、熱膨張率など）を有する。
　図５は、センサ用光ファイバ１１０の一部の拡大図である。温度保証用ＦＢＧ１１２、電圧用ＦＢＧ１２２および電流用ＦＢＧ１３２は、同一のセンサ用光ファイバ１１０のコアに設けられる。すなわち、これら３つのＦＢＧは、同一の光路上に設けられる。このような構成により、光測定手段１５２によって測定される光は、温度保証用ＦＢＧ１１２、電圧用ＦＢＧ１２２および電流用ＦＢＧ１３２のすべてを透過した光のみとなる。
　温度保証用ＦＢＧ１１２は、従来の温度センサとして用いられるＦＢＧと同様の構成を有する。たとえば、本実施形態では、温度保証用ＦＢＧ１１２は金属層によっては被覆されない（ただし金属層による被覆が設けられる構成を除外するものではない）。この温度保証用ＦＢＧ１１２は、図示のように電圧用ＦＢＧ１２２および電流用ＦＢＧ１３２とは異なるＦＢＧであり、周囲環境の温度を測定する環境温度センサ部として機能する。
　電圧用ＦＢＧ１２２および電流用ＦＢＧ１３２には、実施の形態１と同様に、それぞれを被覆する金属層１２３および金属層１３３が形成される。
　電圧用ＦＢＧ１２２について、金属層１２３には一対の電極１２４および１２５が設けられ、それぞれ電線１２６および１２７によって金属層１２３の異なる位置に接続される。これら電極のうち一方（図５の例では電極１２４）は、対応する電線１２６を介して抵抗値Ｒ１を有する抵抗器１２８に挿入される。
　また、電流用ＦＢＧ１３２について、金属層１３３には一対の電極１３４および１３５が設けられ、それぞれ電線１３６および１３７によって金属層１３３の異なる位置に接続される。電圧用ＦＢＧ１２２と異なり、電流用ＦＢＧ１３２には抵抗器は挿入されない。
　図４に戻り、光処理装置１５０の構成について説明する。
　光処理装置１５０は、光源１５１、光測定手段１５２および制御部１５３を備える。実施の形態１と同様に、光源１５１はセンサ用光ファイバ１１０に対して入射光を放射し、光測定手段１５２はセンサ用光ファイバ１１０を透過した光を受光し測定する。制御部１５３は、演算手段１５４および光源制御手段１５５を備える。
　電池２００は陽極２０１および陰極２０２を備え、陽極２０１および陰極２０２の間には負荷２０３が接続される。このようにして、電池２００および負荷２０３は電気回路Ｃを構成する。ここで、電池２００は内部抵抗Ｒ２を有し、負荷２０３は抵抗Ｒ３と等価であるとする。また、電圧用ＦＢＧ１２２の金属層１２３の抵抗値はＲｖであり、電流用ＦＢＧ１３２の金属層１３３の抵抗値はＲｉであるとする（Ｒｖ＝Ｒｉであってもよい）。この場合、各抵抗の大小関係は、たとえばＲ１＞＞Ｒ３＞＞Ｒ２，Ｒｖ，Ｒｉとなるよう設計することが好ましいが、これに限られない。
　電圧用ＦＢＧ１２２の金属層１２３および抵抗器１２８は、電気回路Ｃにおいて電池２００に並列に接続される。また、電流用ＦＢＧ１３２の金属層１３３は、電気回路Ｃにおいて電池２００に直列に接続される。温度保証用ＦＢＧ１１２は電気回路Ｃからは独立している。このような構成により、温度保証用ＦＢＧ１１２のブラッグ波長は周囲の温度に対応する波長となり、一方、電圧用ＦＢＧ１２２および電流用ＦＢＧ１３２のブラッグ波長は、周囲の温度にそれぞれ金属層１２３および金属層１３３の発熱に対応する温度を加えた温度に対応する波長となる。
　なお、実施の形態２では、電気回路Ｃにおいて、電流用ＦＢＧ１３２の電極１３４および１３５の間の部分の長さＬ１（図４）は、常に一定となるように接続される。変形例として、この部分の抵抗値が常に一定となるように、長さＬ１を調整してもよい。いずれにしても、演算手段１５４が、電気回路Ｃの当該部分の抵抗値を取得または算出できる構成であればよい。
　次に、図６を用いて、実施の形態２に係る電力装置監視システム１０１の動作を説明する。
　図６は、各ＦＢＧのブラッグ波長の関係を示す。図６（ａ）は、温度保証用ＦＢＧ１１２のブラッグ波長λｔ周辺のスペクトルを、波長方向に模式的に拡大したものである。図６（ｂ）は、３つのＦＢＧそれぞれが反射する反射光のスペクトルを示す。図６（ｂ）に示すように、３つのＦＢＧがそれぞれ異なるブラッグ波長において光を反射するため、光測定手段１５２が測定する光のスペクトルには、図６（ａ）に示すように３つの極小値が現れる。
　演算手段１５４は、各ブラッグ波長λｔ、λｖおよびλｉに基づいて、電池２００に係る電流および電圧を算出する。この算出は、たとえば次のようにして行うことができる。演算手段１５４は、まず、スペクトルに現れる３つの極小値のうち波長が最も短いものを温度保証用ＦＢＧ１１２のブラッグ波長λｔとして取得し、次に短いものを電圧用ＦＢＧ１２２のブラッグ波長λｖとして取得し、次に短いもの（すなわち最も長いもの）を電流用ＦＢＧ１３２のブラッグ波長λｉとして取得する。
　そして、環境温度による誤差を補償するための差分Δλｖ＝λｖ－λｔを算出し、この差分Δλｖに基づいて電圧用ＦＢＧ１２２の金属層１２３に流れる電流を算出する。さらに、金属層１２３に流れる電流と、抵抗器１２８の抵抗値Ｒ１とに基づいて、金属層１２３の電極１２４および１２５の間の電圧を算出する。この電圧が、電池２００の陽極２０１および陰極２０２の間の電圧となる。このようにして、電力装置監視システム１０１は電池２００の電圧値を測定する。
　同様に、演算手段１５４は、環境温度による誤差を補償するための差分Δλｉ＝λｉ－λｔを算出し、この差分Δλｉに基づいて電流用ＦＢＧ１３２の金属層１３３に流れる電流を算出する。そして、この電流と、金属層１３３の抵抗値Ｒｉ（あらかじめ記憶していてもよい）と、電気回路Ｃにおける電極１３４および１３５の間の抵抗値とに基づき、電気回路Ｃに流れる電流を算出する。このようにして、電力装置監視システム１０１は電池２００の電流値を測定する。
　以上のように、本発明の実施の形態２に係る電力装置監視システム１０１によれば、電池２００の電流および電圧を測定することができ、電池２００の状態を監視することができる。実施の形態１と同様に、電力装置監視システム１０１は、電流値および電圧値をブラッグ波長の変化に基づいて光学的に測定するので、高い精度の測定が可能である。
　また、実施の形態２では、ブラッグ波長λｉおよびλｖの絶対値をそのまま用いるのではなく、環境温度に対応するブラッグ波長λｔとの差分Δλｉ＝λｉ－λｔおよびΔλｖ＝λｖ－λｔを用いるので、環境温度の変動に起因する誤差を補償することができ、さらに高い精度の測定が可能である。
　また、温度保証用ＦＢＧ１１２およびその周辺には電流が流れないので、温度保証用ＦＢＧ１１２自体の温度は電力装置監視システム１０１の停止時と稼動時とで変動しない。すなわち、温度保証用ＦＢＧ１１２のウォームアップや、環境温度に対して温度保証用ＦＢＧ１１２をスタビライズさせる作業が不要となる。また、各ＦＢＧにおけるブラッグ波長の変化およびその測定は光学的なものであり、電磁的干渉を受けないので、電磁的なノイズを排除してＳ／Ｎ比の高い測定を行うことができる。
　また、環境温度に対応する波長（基準ブラッグ波長λｔ）の測定と、電流および電流に対応する波長（ブラッグ波長λｉおよびλｖ）の測定を、いずれもＦＢＧのブラッグ波長の変動に基づいて行う、すなわち同じ物理的原理に基づいて行うので、誤差の補償がより正確になる。
　上述の実施の形態１および２において、以下のような変形を加えることができる。
　実施の形態１および２では、光処理装置は各ＦＢＧを透過した透過光に基づいて電流および／または電圧を測定する。変形例として、光処理装置は各ＦＢＧによって反射された反射光に基づいて電流または電圧を測定してもよい。この場合、光測定手段はセンサ用光ファイバの入射側に設けられ、各ＦＢＧによって反射された光のスペクトルを測定する。また、ブラッグ波長は、測定されたスペクトルの極大値を与える波長として特定されることになる。
　実施の形態１（図１）の金属層１３の電線１６に、実施の形態２（図５）の抵抗器１２８に相当する抵抗器が設けられてもよい。この場合は、実施の形態１の電力装置監視システム１は、電圧をより正確に測定することができる。また、センサ用光ファイバは、そのように抵抗器を設けたＦＢＧと、抵抗器を設けないＦＢＧ（すなわち図１に示すＦＢＧ１２）との双方を備えてもよい。これら双方のＦＢＧを設けた構成は、実施の形態２（図４）のセンサ用光ファイバ１１０において温度保証用ＦＢＧ１１２を省略した構成と同等である。
　実施の形態２では３つのＦＢＧを用いるが、これは２つ以上であればよい。たとえば、電圧用ＦＢＧ１２２または電流用ＦＢＧ１３２のいずれか一方を省略することができる。この場合、電力装置監視システム１０１は電池２００の電流または電圧のいずれか一方を測定することになる。
　実施の形態２では電流用ＦＢＧ１３２は電気回路Ｃの一部と並列に接続されるが、これは従来の電流計と同様に電気回路Ｃに直列に接続されてもよい。この場合、演算手段１５４は、電流用ＦＢＧ１３２の金属層１３３に流れる電流値をそのまま電池２００の電流値として測定することができる。
　実施の形態２では、温度保証用ＦＢＧ１１２、電圧用ＦＢＧ１２２および電流用ＦＢＧ１３２はすべて同一の特性を有するが、これらはそれぞれ異なった特性を有してもよい。たとえば、それぞれ異なる熱膨張率を有してもよく、同一の温度においてそれぞれ異なるグレーティング周期を有してもよい。このような構成であっても、それぞれの特性が既知であれば、演算手段１５４は適切な演算によって電流値および電圧値を算出することができる。
実施の形態３．
　実施の形態３は、１つのＦＢＧに電流検出部および温度検出部を設け、反射帯域幅に基づく演算を行うことにより、単一のＦＢＧで温度保証（温度補償）を可能とするものである。
　図７は、実施の形態３に係るセンサ用光ファイバ３１０の一部の拡大図である。以下、実施の形態１のセンサ用光ファイバ１０（図１、図２）との相違点を説明する。
　センサ用光ファイバ３１０は、ＦＢＧ３１２を被覆する金属層３１３を備える。金属層３１３は、たとえば金属蒸着により形成される。
　ＦＢＧ３１２の軸方向の長さをＬ０とする。実施の形態１と異なり、金属層３１３はＦＢＧ３１２の全体を被覆するのではなく、一部のみを被覆する。すなわち、ＦＢＧ３１２は、金属層３１３によって被覆されるメタライズ部３１２ａと、金属層３１３によっては被覆されない非メタライズ部３１２ｂとを備える。（なお非メタライズ部３１２ｂは露出している必要はなく、金属層以外の構造によって被覆されてもよい。）
　ＦＢＧ３１２の全体を通してグレーティング周期は一定である。すなわち、メタライズ部３１２ａのグレーティング周期と非メタライズ部３１２ｂのグレーティング周期とは同一である。本実施形態では、メタライズ部３１２ａが電流検出部として機能し、非メタライズ部３１２ｂが温度検出部として機能する。
　メタライズ部３１２ａは、ＦＢＧ３１２の軸方向中央に設けられ、軸方向の長さＬａを有する。また、非メタライズ部３１２ｂは、ＦＢＧ３１２においてメタライズ部３１２ａの軸方向両側に設けられ、それぞれの側で軸方向の長さＬｂ／２を有する。すなわち、非メタライズ部３１２ｂの合計の長さはＬｂであり、Ｌ０＝Ｌａ＋Ｌｂとなる。
　本実施形態ではＬａ＝Ｌｂである。すなわち、メタライズ部３１２ａの合計の長さ（図７の例では、メタライズ部３１２ａは１箇所なので、合計の長さはＬａである）は、非メタライズ部３１２ｂの合計の長さに等しい。このように、メタライズ部３１２ａと非メタライズ部３１２ｂとは、互いにグレーティング周期が等しく、かつ長さも等しいので、同一の温度では同一のスペクトル特性を有することになる。
　図８は、金属層３１３への通電に応じて、ＦＢＧ３１２によって反射される光のスペクトルが変化する様子を示す。図８（ａ）は通電前の状態を表す。ＦＢＧ３１２は全体が通電前の温度（たとえば室温）にある。すなわち、メタライズ部３１２ａの反射スペクトルＳａと、非メタライズ部３１２ｂの反射スペクトルＳｂとは一致する。このときのピーク波長をλ０とする。また、ＦＢＧ３１２全体で反射される波長の帯域幅をＢ０とする。この帯域幅Ｂ０は公知の方法によって測定することができ、たとえば反射される光の強度が所定の閾値以上となる帯域の幅である。
　図８（ｂ）は、金属層３１３への通電が開始された直後の状態を表す。通電開始直後は、メタライズ部３１２ａのみ急速に温度が上昇し、熱膨張により反射スペクトルＳａが長波長側にシフトする。ここではΔλｉだけシフトして、ピーク波長がλ１＝λ０＋Δλｉとなったとする。この時点では非メタライズ部３１２ｂの温度は上昇しておらず、したがって反射スペクトルＳｂは元のままである。
　このようにメタライズ部３１２ａの反射スペクトルＳａだけがシフトした結果、ＦＢＧ３１２全体でみると反射スペクトルの幅が広がる。このとき、ＦＢＧ３１２全体で反射される波長の帯域幅をＢｔとすると、Ｂｔ＝Ｂ０＋Δλｉとなる。したがって、Ｂ０およびＢｔを測定すればΔλｉを算出することができる（たとえばΔλｉ＝Ｂ２－Ｂ０）。さらに、Δλｉは電流の大きさに依存するので、Δλｉに基づいて電流の大きさを算出することができる。
　たとえば、電力装置監視システムは、入射光として複数の波長からなる光を放射する光源と、ＦＢＧ３１２によって反射された波長の帯域幅Ｂｔを測定する光測定手段（分光手段）と、測定された帯域幅Ｂｔに基づいて金属層３１３に流れる電流を算出する算出手段とを備えるよう構成することができる。なお金属層３１３に印加された電圧も同様に算出可能である。制御部は、電流が０である場合にＦＢＧ３１２によって反射される波長の帯域幅Ｂ０を予め記憶していてもよい。
　図８（ｃ）は、金属層３１３への通電がしばらく継続している状態を表す。メタライズ部３１２ａからセンサ用光ファイバ３１０の全体に熱が伝播し、メタライズ部３１２ａおよび非メタライズ部３１２ｂの反射スペクトルＳａおよびＳｂがいずれも長波長側にシフトする。ここではΔλｔだけシフトしたとする。この結果、メタライズ部３１２ａの反射スペクトルのピーク波長はλ３＝λ１＋Δλｔとなり、非メタライズ部３１２ｂの反射スペクトルＳｂのピーク波長はλ２＝λ０＋Δλｔとなる。
　このような状態では、金属層３１３に流れる電流が一定であっても、メタライズ部３１２ａの反射スペクトルＳａのピーク波長が時間とともに変動するので、電流値の算出を反射スペクトルＳａのピーク波長のみに基づいて厳密に行うには、なんらかの補正が必要となる。
　しかしながら、Δλｔのシフトはメタライズ部３１２ａおよび非メタライズ部３１２ｂに同様に現れるため、ＦＢＧ３１２全体の反射スペクトルはその形状が変わらないまま全体が長波長側にシフトする。したがって、ＦＢＧ３１２全体で反射される波長の帯域幅はＢｔのままで変化しない。このように、通電継続によるセンサ用光ファイバ３１０全体の温度変動の影響Δλｔの大きさに関わらず、電流の大きさのみに依存する値Δλｉを精度良く求めることができる。
　図８（ｄ）は、通電を停止した直後の状態を表す。メタライズ部３１２ａは急速に冷却されるため反射スペクトルＳａは短波長側に戻るが、センサ用光ファイバ３１０全体の温度上昇のため、通電開始前（図８（ａ）の状態）よりは長波長側寄りであり、ピーク波長はλ２となる。また、非メタライズ部３１２ｂの反射スペクトルＳｂは変化せず、ピーク波長はλ２のままである。したがって、メタライズ部３１２ａの反射スペクトルＳａと、非メタライズ部３１２ｂの反射スペクトルＳｂとが一致する。
　この時点では、ＦＢＧ３１２全体の反射スペクトルは通電開始前（図８（ａ））に比べて長波長側にシフトしているが、反射スペクトルの帯域幅は通電開始前と同じくＢ０となる。このように、通電継続によるセンサ用光ファイバ３１０全体の温度変動の影響Δλｔの存否に関わらず、電流の大きさを精度良く求めることができる。
　なお、通電停止後しばらく時間が経過すると、センサ用光ファイバ３１０全体の温度が低下し、通電開始前の状態（図８（ａ））に戻る。
　このように、実施の形態３によれば、１つのＦＢＧに電流検出部（メタライズ部３１２ａ）および温度検出部（非メタライズ部３１２ｂ）を設け、反射帯域幅に基づく演算を行うので、単一のＦＢＧ３１２で温度保証（温度補償）を行って正確な電流値または電圧値を算出することができる。
　したがって、発熱による熱量蓄積が波長シフトのドリフトをもたらすような場合であっても、正確に電流値を算出することができる。
　また、１個のＦＢＧ素子でＦＢＧ３１２を実現できるため、コストの上昇が回避できる。とくに、外付けＦＢＧによる温度センサ等は不要であり、コストを低減するとともに装置全体を小型化することができる。
　また、メタライズ部３１２ａの長さと非メタライズ部３１２ｂの長さとが互いに等しいので、それぞれの反射スペクトルが共通する特性（たとえば同一の反射率）を示し、より精度の高い測定を行うことができる。ただし、これらの長さが等しくない場合であっても、それぞれ０でない長さであれば測定を行うことは理論上可能である。また、これらの長さは厳密に一致する必要はなく、長さが多少異なっていても、波長の測定精度または電流・電圧の算出精度に与える誤差が無視できる程度であれば、長さが互いに等しいとみなすことができる。
　また、メタライズ部３１２ａは、ＦＢＧ３１２の軸方向中央に設けられるので、非メタライズ部３１２ｂの熱応答性が高まる（すなわち時定数が小さくなる）。ただし、厳密に中央に配置される必要はなく、メタライズ部３１２ａの両側に非メタライズ部３１２ｂが位置する構成であれば、ある程度非メタライズ部３１２ｂの熱応答性を維持することができる。
　ただし、メタライズ部３１２ａがＦＢＧ３１２のどこに設けられても、ある程度の熱応答性をもって電流値の算出を行うことは可能であり、たとえば図９に示す変形例のように端部に設けられてもよい。図９の変形例において、センサ用光ファイバ４１０はＦＢＧ４１２を備え、ＦＢＧ４１２は金属層４１３によって被覆されるメタライズ部４１２ａ（長さＬａ）と、金属層４１３によっては被覆されない非メタライズ部４１２ｂ（長さＬｂ）とを備える。
　実施の形態３では、ＦＢＧ３１２によって反射された光の波長に基づいて電流および／または電圧を測定する。変形例として、ＦＢＧ３１２を透過した光の波長に基づいて電流または電圧を測定してもよい。

Claims (14)

  1. 　センサ用光ファイバであって、
    　入射光が伝播する方向に沿って、前記センサ用光ファイバのコアの屈折率を周期的に変化させたＦＢＧと、
    　前記ＦＢＧを被覆する金属層と、
    　前記金属層に設けられる一対の電極と
    を備えたセンサ用光ファイバ。
  2. 　前記金属層は抵抗金属材料を含む、請求項１に記載のセンサ用光ファイバ。
  3. 　前記金属層に発生するジュール熱により、前記入射光が伝播する方向に前記金属層が伸縮する、請求項１に記載のセンサ用光ファイバ。
  4. 　前記センサ用光ファイバは、複数の前記ＦＢＧを備え、
    　前記ＦＢＧの１つが有する前記金属層の電極のうち一方は抵抗器に接続される、請求項１に記載のセンサ用光ファイバ。
  5. 　前記センサ用光ファイバは環境温度センサ部を備え、
    　前記環境温度センサ部は、前記ＦＢＧとは異なるＦＢＧを備える、請求項１に記載のセンサ用光ファイバ。
  6. 　前記ＦＢＧは、前記金属層によって被覆されるメタライズ部と、前記金属層によっては被覆されない非メタライズ部とを備える、請求項１に記載のセンサ用光ファイバ。
  7. 　前記メタライズ部の、前記入射光が伝播する方向における合計の長さと、
    　前記非メタライズ部の、前記入射光が伝播する方向における合計の長さと
    は互いに等しい、請求項６に記載のセンサ用光ファイバ。
  8. 　前記メタライズ部は、前記ＦＢＧにおいて、前記入射光が伝播する方向中央に設けられる、請求項６に記載のセンサ用光ファイバ。
  9. 　請求項６に記載のセンサ用光ファイバと、
    　前記入射光として複数の波長からなる光を放射する光源と、
    　前記ＦＢＧを透過した光または前記ＦＢＧによって反射された波長の帯域幅を測定する分光手段と、
    　前記帯域幅に基づいて前記金属層に流れる電流または前記金属層に印加された電圧を算出する、算出手段と
    を備える、電力装置監視システム。
  10. 　請求項１に記載のセンサ用光ファイバと、
    　前記入射光を放射する光源と、
    　前記ＦＢＧを透過した光または前記ＦＢＧによって反射された光を測定する光測定手段と
    を備えた電力装置監視システム。
  11. 　前記センサ用光ファイバは、複数の前記ＦＢＧを備え、
    　前記複数のＦＢＧは、電流用ＦＢＧおよび電圧用ＦＢＧを含み、
    　前記電流用ＦＢＧの金属層は、前記電力装置に直列に接続され、
    　前記電圧用ＦＢＧの金属層の電極のうち一方は抵抗器に接続され、
    　前記電圧用ＦＢＧの金属層は、前記電力装置に並列に接続される、
    請求項１０に記載の電力装置監視システム。
  12. 　前記光源は、前記入射光として複数の波長からなる光を放射し、
    　前記光測定手段は、光のスペクトルを測定する分光手段である、請求項１０に記載の電力装置監視システム。
  13. 　前記分光手段は、前記ＦＢＧによって反射されたブラッグ波長を特定し、
    　前記電力装置監視システムは、前記ブラッグ波長に基づいて、前記金属層に流れる電流または前記金属層に印加された電圧を算出する、算出手段をさらに備える、請求項１２に記載の電力装置監視システム。
  14. 　前記センサ用光ファイバは環境温度センサ部を備え、
    　前記環境温度センサ部は、前記ＦＢＧとは異なるＦＢＧを備え、
    　前記分光手段は、前記環境温度センサ部によって反射された波長を基準ブラッグ波長として特定し、
    　前記算出手段は、前記ブラッグ波長と前記基準ブラッグ波長との差分に基づいて、前記電流または前記電圧を算出する、請求項１３に記載の電力装置監視システム。
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