JP2006030007A - 光ファイバ電流センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 回転運動による測定誤差をなくする光ファイバ電流センサを提供する。
【解決手段】 電流路の周囲にセンシングファイバ14を周回させ、光源光を2つに分岐して出射するカプラ8の両出射端に伝送用光ファイバをそれぞれ接続し、両伝送用光ファイバにそれぞれλ/4素子15,16を介してセンシングファイバ14の両端を接続し、このセンシングファイバ14を正逆廻りに伝搬する光の干渉を検出する受光器5を設け、伝送用光ファイバの途中に遅延用コイル12を形成して遅延用の余長を持たせた光ファイバ電流センサにおいて、上記遅延用コイル12が一方向に巻いた部分と反対方向に巻いた部分とからなるので、光ジャイロの影響が相殺される。
【選択図】 図1
【解決手段】 電流路の周囲にセンシングファイバ14を周回させ、光源光を2つに分岐して出射するカプラ8の両出射端に伝送用光ファイバをそれぞれ接続し、両伝送用光ファイバにそれぞれλ/4素子15,16を介してセンシングファイバ14の両端を接続し、このセンシングファイバ14を正逆廻りに伝搬する光の干渉を検出する受光器5を設け、伝送用光ファイバの途中に遅延用コイル12を形成して遅延用の余長を持たせた光ファイバ電流センサにおいて、上記遅延用コイル12が一方向に巻いた部分と反対方向に巻いた部分とからなるので、光ジャイロの影響が相殺される。
【選択図】 図1
Description
本発明は、ファラデー効果を利用した光ファイバ電流センサに係り、回転運動による測定誤差をなく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、電流路の周囲にセンシングファイバを周回させ、光源光を2つに分岐して出射するカプラの両出射端に伝送用光ファイバをそれぞれ接続し、両伝送用光ファイバにそれぞれλ/4素子を介してセンシングファイバの両端を接続したものであり、カプラの一方の出射端から出射した光は他方の出射端へ戻り他のカプラで受光器に受光されるようになっている。
光ファイバ電流センサは、このセンシングファイバを正逆廻りに伝搬する光に対しセンシングファイバで囲まれた空間を通る電流に伴う磁界によりファラデー効果を作用させ、両伝搬光に生じた位相差を光の干渉を利用して検出し、この位相差から電流を求めるものである。
この光ファイバ電流センサの原理や細部は、非特許文献1〜4に詳しく述べられている。すなわち、光ファイバ電流センサの詳しい原理及び基本的な構成は非特許文献1に、電鉄用変電所用途の光ファイバ電流センサについては非特許文献2に、λ/4素子については非特許文献3に、Shupe(シュッペ)効果については非特許文献4にそれぞれ述べられている。これらをもって本発明の背景技術の開示に代える。
「サニャック干渉型光電流変成器(CT)によるプラズマ電流計測」、一ノ瀬祐治、阿部充志、プラズマ・核融合学会誌、第76巻第6号、593−600頁、2000年6月
「直流電気鉄道用光ファイバ電流センサの開発」、林屋均、熊谷達也、日野政巳、遠藤猛、安藤政人、根岸英雄、Proceedings of 32nd Meeting on Lightwave Sensing Technology、141−146頁、December,2003
「Temperature and Vibration Insensitive Fiber−Optic Current Sensor」、K.Bohnert、P.Gabus、J.Nehring、H.Brandle、JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.20,No.2,267−275頁、FEBRUARY 2002
「Thermally Induced nonreciprocity in the fiberoptic interferometer」、Shupe,D.M.、Appl.Opt.19,654.1980
図4に背景技術の光ファイバ電流センサの構成を、図5に遅延用光ファイバの構成を示す。
図4に示されるように、光ファイバ電流センサは、センサヘッド2とセンサ本体1とに分割構成され、センサ本体1には、光源4、受光器5、初段のカプラ6、偏光子7、ループ側のカプラ8、位相変調器11、遅延用コイル112、伝送用光ファイバ9,10が収容され、センサヘッド2には、センシングファイバ14、2つのλ/4素子15,16、伝送用光ファイバ17,18が収容され、センサヘッド2とセンサ本体1の光コネクタ間を伝送用光ファイバ125,126で接続するようになっている。
図5に示されるように、遅延用光ファイバ112は、光ファイバ122がボビン124の胴に一方向に巻かれている。
背景技術では、遅延用コイルが一方向にのみ巻き回されている。このようなコイル状の光ファイバに角速度(角加速度)が生じると光ジャイロの原理で両方向の伝搬光に位相差が生じることが知られている。よって、光ファイバ電流センサにおいても、例えばセンサ本体が回転するなどして遅延用コイルが角運動すると電流測定による位相差に光ジャイロによる位相差が重なって測定誤差が発生することになる。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、回転運動による測定誤差をなくする光ファイバ電流センサを提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は、電流路の周囲にセンシングファイバを周回させ、光源光を2つに分岐して出射するカプラの両出射端に伝送用光ファイバをそれぞれ接続し、両伝送用光ファイバにそれぞれλ/4素子を介してセンシングファイバの両端を接続し、このセンシングファイバを正逆廻りに伝搬する光の干渉を検出する受光器を設け、伝送用光ファイバの途中に遅延用コイルを形成して遅延用の余長を持たせた光ファイバ電流センサにおいて、上記遅延用コイルが一方向に巻いた部分と反対方向に巻いた部分とからなるものである。
上記遅延用コイルは、上記伝送用光ファイバが中間点で折り返され、この中間点より片側部分と反対側部分とが互いに沿わせて巻かれていることにより、これら両側部分の互いの巻き方向が反対になっていてもよい。
上記遅延用コイルは、2本の光ファイバを互いに沿わせて巻いた後、両光ファイバの同じ側の片端同士を融着してあってもよい。
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
(1)回転運動による測定誤差がなくなる。
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図1に示されるように、本発明に係る光ファイバ電流センサは、センサ本体1と、センサヘッド2と、これらにセンサ本体1とセンサヘッド2とを繋ぐ光コード3とに分割構成されている。
センサ本体1は、ファラデー効果を作用させるための光を発生させる光源4と、干渉光を受光する受光器5と、光源光をループ側のカプラ8に導くと共にループ側のカプラ8からの干渉光を受光器5に導く初段のカプラ6と、初段のカプラ6からの光源光を偏光させる偏光子7と、偏光子7を経た光源光を2つに分岐して出射すると共に2つの戻り光を合成(干渉)させて初段のカプラ6へ戻すループ側のカプラ8と、このカプラ8の両出射端a,bにそれぞれ接続された伝送用光ファイバ9,10と、一方の伝送用光ファイバ10に設けられた位相変調器11と、一方の伝送用光ファイバ10の途中に形成された遅延用コイル12とを1つのシャーシ13に収容したものである。
センサヘッド2は、ねじりファイバからなるセンシングファイバ14と、2つのλ/4素子15,16と、伝送用光ファイバ17,18とを1つのシャーシ19に収容したものである。センシングファイバ14は測定対象の電流路の一例である導体ケーブル(図にはケーブル断面が表れている)20を周回するように設置される。
遅延用コイル12は、図2、図3に示されるように、一方向(CW)に巻いた部分と反対方向(CCW)に巻いた部分とからなる。なお、ここで巻き方向とは、ループ側のカプラ8のどちらか特定の出射端a(あるいはb)から出射された光が遅延用コイル12において回る方向という意味である。図3の光ファイバ中を伝搬する光が紙面より手前に向かうことを・印で示し、紙面より奥に向かうことを×印で示してある。
遅延用コイル12は、伝送用光ファイバ10が遅延用コイル12の中間点21となる箇所で折り返され、この中間点21より片側部分22と反対側部分23とが互いに沿わせて巻かれていることにより、これら両側部分22,23の互いの巻き方向が反対になっている。
このような遅延用コイル12を製造する際には、1本の光ファイバを一方向に巻いた後、反対方向に巻き返すのではなく、図2のように伝送用光ファイバ中に適宜に中間点(注;分かりやすくするため、極端にはみ出して図示してあるが、その必要は特にない)21を決めておき、この中間点21で折り返した片側部分22と反対側部分23とを平行に揃えてボビン24に巻き取るとよい。あるいは、2本の別々の光ファイバを互いに沿わせて巻いた後、両光ファイバの同じ側の片端同士(中間点21に相当する箇所)を融着して1本にすることで、その1本の光ファイバに一方向に巻いた部分と反対方向に巻いた部分とを形成してもよい。
図2、図3の遅延用コイル12において、一方向(CW)に巻いた部分と反対方向(CCW)に巻いた部分とでは、互いに光ファイバ長が等しく、巻き回数も等しく、コイル断面積も等しいのが好ましい。
図1の光ファイバ電流センサにおいて、遅延用コイル12を含む全ての伝送用光ファイバ9,10,17,18,25,26は偏波面保存光ファイバである。言い換えると、センシングファイバ14がねじりファイバである以外は全ての光ファイバ部分が偏波面保存光ファイバである。これは、センシングファイバ14には低複屈折率を有する光ファイバを用い、それ以外の光ファイバには偏波面保存光ファイバを用いて偏波面変動によるドリフト(干渉ノイズ)を低減するためである。
図1の光ファイバ電流センサにおいて、光源及び位相変調器の制御や受光器の受光出力から測定電流を算出する制御については、公知事項であるので、本明細書では説明を省略する。
図1のλ/4素子15,16は伝送用光ファイバ17,18の一部分を溶融させた状態で光ファイバ軸の回りに円周角にして約45°ねじって構成したものである。この加工の詳細は非特許文献3の図6(Fig.6)に開示されている通りである。
図1に示されるように、伝送用光ファイバの一部25,26はセンサ本体1とセンサヘッド2との間を連絡する連絡用光ファイバ25,26である。この2本の連絡用光ファイバ25,26は、一体にしてある。つまり、2本の連絡用光ファイバ25,26を両者が密着するように互いに添わせ、束ねたり互いに接着することで1本のコード3にまとめてある。この1本のコード3は両端のみ分岐させてあり、2本に分岐した連絡用光ファイバ25,26の両端には、それぞれセンサ本体1の光コネクタに結合する光コネクタとセンサヘッド2の光コネクタに結合する光コネクタとが取り付けられている。
以下、本発明に係る光ファイバ電流センサの基本的動作と、効果について説明する。
光源4から出射された光は初段のカプラ6から偏光子7を通過して直線偏光となる。その直線偏光は、ループ側のカプラ8で分岐されて両出射端a,bから出射され、一方は伝送用光ファイバ9,25,17、他方は伝送用光ファイバ10,26,18を経てλ/4素子15,16へ至り、センシングファイバ14に右回光(CW光)と左回光(CCW光)として入射する。2つの直線偏光は、λ/4素子15,16を通過したとき、偏光角の回転方向が同じ円偏光となる。
センシングファイバ14は、測定対象の一例である導体ケーブル20を周回するように設置されているので、導体ケーブル20を流れる電流から発生する外部磁界により、センシングファイバ14中の光は影響を受ける。この現象をファラデー効果と呼ぶ。この影響を受ける光が円偏光の場合、その位相が磁界の強さにより変化する。CW光が+θの位相変化を受けたときCCW光は−θの位相変化を受けることになる。その結果、両回り光間には2θの位相差が発生する。センシングファイバ14を出てカプラ8に戻った両回り光はカプラ8で結合し互いに干渉し合う。その干渉光の強度は受光器5で検出される。
この干渉光の強度で表される位相差θと導体ケーブル20を流れる電流との間には次の式が成り立つので、電流値を求めることができる。
θ=2nVeI
ただし、 θ;ファラデー効果により生じる位相差(rad)
Ve;ヴェルデ数(rad/A)
n;センシングファイバ14の巻き数(回)
I;導体ケーブル20の電流値(A)
である。
ただし、 θ;ファラデー効果により生じる位相差(rad)
Ve;ヴェルデ数(rad/A)
n;センシングファイバ14の巻き数(回)
I;導体ケーブル20の電流値(A)
である。
しかし、従来の光ファイバ電流センサには、遅延用コイルが角運動すると電流測定による位相差に光ジャイロによる位相差が重なって測定誤差が発生するという問題があった。そこで、本発明では、遅延用コイル12が一方向に巻いた部分と反対方向に巻いた部分とを有し、好ましくは両部分で互いに光ファイバ長が等しく、巻き回数も等しく、コイル断面積も等しいようにした。光ジャイロの原理による伝搬光の位相差は、一方向に巻いた部分で生じる位相差と反対方向に巻いた部分で生じる位相差とが相殺される。このため遅延用コイル12が角運動しても、その影響は受光器5で検出される干渉光の光強度には表れない。よって、電流測定には測定誤差が発生しない。
また、光ジャイロではコイルに温度変化があると、光ファイバの熱伸縮と屈折率の温度変化とにより、回転相当の出力(回転をしていないのに回転をしたかのように生じる位相差)が発生する。これをシュッペ効果という。従って、図2、図3のボビン24に対し仮に片側部分22を全長分重ねて巻き付けた層(層厚=光ファイバ径×複数)の外周に反対側部分23を全長分重ねて巻き付けるという巻き方にすると、片側部分22の層と反対側部分23の層とで温度変化に差が生じる。するとシュッペ効果による位相差が両光ファイバで異なることになり、この巻き方で遅延用コイルを作成すると温度変化による電流の測定誤差が生じる。その点、本発明では片側部分22と反対側部分23とを平行に揃えてボビン24に巻き取るようにしたので、片側部分22と反対側部分23に生じる温度変化が同じである。よって、本発明の光ファイバ電流センサは、温度変化による電流の測定誤差が生じない。
また、この光ファイバ電流センサは、センシングファイバ14以外の全ての光ファイバ部分が偏波面保存光ファイバであるため、偏波変動によるドリフト(干渉光ノイズ)を低減することができる。
また、この光ファイバ電流センサは、2本の連絡用光ファイバ(伝送用光ファイバ)25,26を1本のコード3にまとめてある。よって、この光コード3に含まれる2本の伝送用光ファイバは同じ外乱が加わる環境に置かれることになる。
以上の説明の中でセンシングファイバ14には、ねじりファイバを用いるものとしたが、高温でアニールされた通信用のシングルモードファイバを使用してもよい。
また、遅延用コイル12は一方の伝送用光ファイバ10のみに形成するものとしたが、もう一方の伝送用光ファイバ9にも形成してもよい。このようにしたとき、カプラ8の両出射端a,b間に形成されるループの中間(出射端aからも出射端bからも距離が同じところ)にセンシングファイバ14を配置することができる。これに加え、センシングファイバ14と同じ面積を囲うループ状光ファイバをセンサヘッド2内に設けると、センサヘッド2に加わる外乱、回転をキャンセルすることができる。
また、光ファイバ電流センサは、導体ケーブル20に流れる電流を測定対象にしたが、空間電流でも測定することができる。
また、光ファイバ電流センサは、移動体にも搭載して使用することができ、この場合、光ジャイロの影響が除去されていることが、有利となる。
4 光源
5 受光器
8 カプラ
9,10,17,18,25,26 伝送用光ファイバ
12 遅延用コイル
14 センシングファイバ
15,16 λ/4素子
5 受光器
8 カプラ
9,10,17,18,25,26 伝送用光ファイバ
12 遅延用コイル
14 センシングファイバ
15,16 λ/4素子
Claims (3)
- 電流路の周囲にセンシングファイバを周回させ、光源光を2つに分岐して出射するカプラの両出射端に伝送用光ファイバをそれぞれ接続し、両伝送用光ファイバにそれぞれλ/4素子を介してセンシングファイバの両端を接続し、このセンシングファイバを正逆廻りに伝搬する光の干渉を検出する受光器を設け、伝送用光ファイバの途中に遅延用コイルを形成して遅延用の余長を持たせた光ファイバ電流センサにおいて、上記遅延用コイルが一方向に巻いた部分と反対方向に巻いた部分とからなることを特徴とする光ファイバ電流センサ。
- 上記遅延用コイルは、上記伝送用光ファイバが中間点で折り返され、この中間点より片側部分と反対側部分とが互いに沿わせて巻かれていることにより、これら両側部分の互いの巻き方向が反対になっていることを特徴とする請求項1記載の光ファイバ電流センサ。
- 上記遅延用コイルは、2本の光ファイバを互いに沿わせて巻いた後、両光ファイバの同じ側の片端同士を融着してあることを特徴とする請求項1又は2記載の光ファイバ電流センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004209785A JP2006030007A (ja) | 2004-07-16 | 2004-07-16 | 光ファイバ電流センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004209785A JP2006030007A (ja) | 2004-07-16 | 2004-07-16 | 光ファイバ電流センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=35896547
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2004209785A Pending JP2006030007A (ja) | 2004-07-16 | 2004-07-16 | 光ファイバ電流センサ |
Country Status (1)
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JP (1) | JP2006030007A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102053199A (zh) * | 2009-10-29 | 2011-05-11 | 徐启峰 | 一种数字光纤电流传感器 |
KR101097396B1 (ko) | 2009-08-27 | 2011-12-23 | 한국전기연구원 | 광변류기 및 이의 신호처리방법 |
-
2004
- 2004-07-16 JP JP2004209785A patent/JP2006030007A/ja active Pending
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KR101097396B1 (ko) | 2009-08-27 | 2011-12-23 | 한국전기연구원 | 광변류기 및 이의 신호처리방법 |
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