JP2006030007A - 光ファイバ電流センサ - Google Patents

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

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。

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。

本発明の一実施形態を示す光ファイバ電流センサの構成図である。 本発明に用いる遅延用コイルの斜視図である。 本発明に用いる遅延用コイルの断面図である。 従来の光ファイバ電流センサの構成図である。 従来の遅延用コイルの断面図である。

符号の説明

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

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
   
   

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