JP5190847B2 - 光ファイバ磁気センサ - Google Patents
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Description
また、光ファイバの音圧による伸び縮みにより、水中音波を光の位相変化として取り込んで検出する光ファイバハイドロホンに関する技術も開発されている(例えば、非特許文献1)。
即ち、光ファイバに印加される外圧と、これにより生じる光の位相差との間の相関関係に基づき、光の位相差を検出することによって、元の外圧を計測するものである。そのため、位相差の検出精度が外圧の計測精度に影響を及ぼすので、位相差の検出精度を向上させ、ないしは補償することが、センサとしての性能向上に寄与するのである。
この一方の分岐光はセンシング光ファイバコイルを通過し、他方の分岐光はリファレンス光ファイバを通過する。このとき、センシング光ファイバコイルを取り囲むように設けられている励磁コイルは、励磁信号発生器から供給される正弦波状の励磁信号に基づき励磁磁界を発生しているので、この励磁磁界によって磁歪材料はそのひずみ方向に延び縮みし、磁歪材料に接着されているセンシング光ファイバコイルの光ファイバ部分も共に延び縮みする。なお、磁歪材料とこれに接着されているセンシング光ファイバコイルとで磁歪変換器が構成されている。
従って、このときのセンシング光ファイバコイル内を伝搬するセンシング光には、励磁信号による位相変化が生じる。
磁歪材料を励磁信号発生器により正弦波状に励磁した状態で外部からの磁気信号を加えたときの磁歪材料の歪み(以後、磁歪と呼ぶ)は、次式(1)で表すことができる。
光カプラから出力される干渉光は、O/E変換器を介して電気信号に変換されてPGC復調器に供給される。PGC位相復調器は、PGC信号発生器からのPGC信号を用い、入力信号をパッシブホモダイン処理で復調する。
換言すると、外部磁界が印加されることによって、PGC復調器の出力の励磁磁界成分は外部磁界信号によって振幅変調を受けている。即ち、PGC位相復調器が出力する励磁周波数成分は磁気信号に比例した振幅となる。
そこで、PGC位相復調器の出力はAM復調器に供給され、AM復調器は、励磁信号発生器から供給される励磁信号を用いて、励磁磁界成分から外部磁界成分を復調して、磁歪材料に印加された外部の磁気信号を検出する。
AM復調器は、位相復調出力から励磁周波数でAM復調して上記(1)式の2項目の振幅に比例したMkahdHsを出力する。
したがって、Mkahdの値が安定していれば、Hsも安定的に得られる。
(1)変復調の感度変化
PGC信号発生器がPGCを発生させるときに同時に強度変化が発生したり、またはPGCに高調波歪みが発生する場合、理想的にはsinφとなるPGCの奇数次の成分にcosφの成分が漏れこみ、cosφとなるPGCの偶数次の成分にはsinφの成分が漏れこみ、位相φの変化に伴って復調感度が変化する。
この他にも、前記非特許文献1に示された時分割多重伝送系を構成した場合に光パルスゲートから漏れた光の干渉など、変復調の感度を変化させる要因がある。
(2)磁歪変換器の感度変化
磁歪材料の動作点(入力直流磁界)が大きく変化したときなどに生じる磁歪定数の変化、光ファイバの被覆や光ファイバと磁歪材料を接着する接着剤の弾性係数が温度などで変化したときに生じる磁歪材料と光ファイバの機械的な結合度の変化により、磁歪変換器の感度が変化してセンサ出力に誤差が生じる。
図1は、本発明の実施の形態1に係る光ファイバ磁気センサの構成を示すブロック図である。
図1の光ファイバ磁気センサは、光源1、PGC信号発生器2、光ファイバ3a及び3b、光カプラ4、磁気信号検出部5、O/E変換器14、PGC位相復調器15、第1AM復調器16、第2AM復調器17、除算器18を有する。
光源1は、レーザ光を供給する光源である。
PGC信号発生器2は、光源1の発生するレーザ光を周波数変調するための変調信号(例えば正弦波信号)を発する。
光カプラ4は、光源1の発生するレーザ光を光ファイバ3aを介して受光し、受光したレーザ光を分岐させ、また干渉光を光ファイバ3bを介して出力する。
磁気信号検出部5は、外部の磁気信号を検出する。
O/E変換器14は、磁気信号検出部5の光信号を電気信号に変化する。
PGC位相復調器15は、O/E変換器14からの電気信号をパッシブホモダイン処理で復調する。
第1AM復調器16は、PGC復調器15の復調信号から、所定の励磁周波数に基づいてAM復調処理を行う。
第2AM復調器17は、PGC復調器15の復調信号から、所定の励磁周波数の2倍の周波数に基づいてAM復調処理を行う。
除算器18は、第1AM復調器16のAM復調出力を、第2AM復調器17のAM復調出力で除算して出力する。
除算器18の出力より、検出対象である磁界Hsを得ることができる。
励磁コイル10には、正弦波状の励磁信号を発生する励磁信号発生器11が接続されている。
励磁信号発生器11には、第1AM復調器16と第2AM復調器17が接続されている。
ここで、励磁信号発生器11の励磁振幅は、励磁振幅と外部の磁気信号の磁界の和が磁歪材料8の磁歪が前記磁界の和の二乗にほぼ比例する範囲内になるよう設定する。
12、13はセンシング光ファイバコイル6、リファレンス光ファイバ7の端末に設けられたミラーで、センシング光ファイバコイル6、リファレンス光ファイバ7、光カプラ4とでマイケルソン干渉計を構成している。
また、第2の復調器は、第2AM復調器17が相当する。
また、第1の除算器は、除算器18が相当する。
(1)
PGC信号発生器2から供給される正弦波の変調信号によりPGC変調されたレーザ光が光源1から出力され、光ファイバ3aを通って、光カプラ4により2つの光に分岐される。
(2)
この一方の分岐光はセンシング光ファイバコイル6を通過し、他方の分岐光はリファレンス光ファイバ7を通過する。
このとき、励磁コイル10は、励磁信号発生器11から供給される正弦波状の励磁信号に基づき励磁磁界を発生しているので、この励磁磁界によって磁歪材料8はそのひずみ方向に延び縮みし、磁歪材料8に接着されているセンシング光ファイバコイル6の光ファイバ部分も共に延び縮みする。
従って、このときのセンシング光ファイバコイル5内を伝搬するセンシング光には、励磁信号による位相変化が生じる。
(3)
また、磁歪変換器9の磁歪材料8に外部磁界である磁気信号が印加されると、磁歪材料8には励磁コイル10による励磁磁界と外部磁界が重畳された磁界が印加され、センシング光ファイバ6を通過するセンシング光には、2つの重畳磁界に基づく位相変化が生じる。
磁歪材料8を励磁信号発生器11により正弦波状に励磁した状態で外部からの磁気信号を加えたときの磁歪材料9の磁歪は、上記式(1)で表すことができる。
(4)
センシング光ファイバコイル6の通過光とリファレンス光ファイバ7の通過光は、ミラー12、13により光カプラ4に入力され、その光カプラ4は前記重畳磁界に基づく位相変化に対応して変化した干渉光を出力する。
(5)
光カプラ4から出力される干渉光は、O/E変換器14を介して電気信号に変換されてPGC位相復調器15に供給される。
(6)
PGC位相復調器15は、O/E変換器14の出力を受け取り、PGC信号発生器2からのPGC信号を用いて、入力信号をホモダイン処理で復調して出力する。
このPGC位相復調器15の出力には、前記励磁磁界と外部磁界との重畳磁界の印加により磁歪材料8を介して生じたセンシング光ファイバコイル6におけるセンシング光の位相変化が現れている。
換言すると、外部磁界が印加されることによって、PGC位相復調器15の出力の励磁磁界成分は外部の磁界信号によって振幅変調を受けている。即ち、PGC位相復調器15が出力する励磁周波数成分は、磁気信号に比例した振幅となる。
以上のように、PGC位相復調器15は、O/E変換器14の出力を位相復調して、式(1)の磁歪ξに比例した出力MKξを出力する。出力信号は、第1AM復調器16と第2AM復調器17に入力される。
(7)
第1AM復調器16は、PGC位相復調器15の位相復調出力を、励磁信号発生器11の励磁周波数成分(fd)でAM復調し、式(1)の2項目の振幅に比例した「MKahdHs」を出力する。
第2AM復調器17は、PGC位相復調器15の位相復調出力を、励磁信号発生器11の励磁周波数の2倍の周波数成分(2fd)でAM復調し、式(1)の4項目の振幅に比例した「MKahd^2」を出力する。
それぞれのAM復調器の出力は、除算器18に出力される。
(8)
除算器18は、第1AM復調器16の出力を第2AM復調器17の出力で除算して、「Hs/hd」を出力する。
その場合は、磁歪変換器17の感度と第1AM復調器16の感度の積と磁歪変換器17の感度と第2AM復調器17の感度の積とが等しくなるように第1AM復調器16又は第2AM復調器17の感度を変え、且つ励磁周波数と励磁周波数の2倍の周波数で等しくなるようにして、励磁成分と励磁周波数の2倍の周波数成分に対する感度の比を一定にすることが必要である。
また、第2AM復調器17の出力で第1AM復調器16の出力を除算する例を示したが、励磁信号発生器にフィードバックして感度が安定するように制御する手段、位相復調器にフィードバックしてセンサ全体の感度が安定するように制御する手段など他の手段を用いることもできる。この場合は第2AM復調器17の出力で第1AM復調器16の出力を除算することは不要となる。
また、光ファイバ干渉計として、マイケルソン干渉計を用いる例を示したが、マッハ・ツェンダ干渉計など他の型の干渉計を用いることもできる。
光ファイバ干渉計のセンシング光ファイバに磁歪材料を一体化させて磁歪変換器を構成し、該磁歪変換器に交流磁界を印加して励磁する光ファイバ磁気センサであって、
前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数に対応して生じる成分と、該励磁周波数の2倍の周波数に対応して生じる成分とに基づいて、磁気信号を検出するので、
変復調方式や、光ファイバ干渉計の構成等に依存することなく、磁気センサを構成することができる。
前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数の2倍の周波数に対応して生じる成分を復調し、当該成分の振幅を出力する第2の復調器と、
前記第1の復調器の出力を、前記第2の復調器の出力で除算して出力する第1の除算器とを有するので、
磁歪変換器9の感度、位相復調器15の位相復調の感度がキャンセルされることとなり、磁歪変換器9の感度または位相復調器15の感度が変化しても安定した出力が得られるようになり、微小な磁気信号を検出するときの検出限界と、磁気信号のレベルを測定するときの検出精度が改善されるという効果がある。
図2は、本発明の実施の形態2に係る光ファイバ磁気センサの構成を示すブロック図である。
図2において、図1に示す本発明の実施の形態1と同様の構成は、同一符号を付して重複した構成の説明を省略する。
この実施の形態2で実施の形態1と相違する構成は、参照信号発生器21を新たに設けると共に磁気信号検出部5に参照信号コイル22を新たに設けて磁歪材料8に参照信号を加えるようにしたことと、実施の形態1の第2のAM復調器17の代わりに参照信号検出器23を設けて第1AM復調器16即ちAM復調器16だけとし、さらにAM復調器16の出力と参照信号検出器23の出力を除算する除算器24と、除算器24の出力側に検出したい信号磁界の帯域を通して参照信号を遮断するフィルタ25を新たに設けたことである。
上記の関係を式で表すと、fs<fr<fd−fs(fsは信号の周波数帯の上限)と表すことができる。
また、第2の除算器は、除算器24が相当する。
本実施の形態2において、参照信号発生器21、参照信号コイル22とPGC位相復調器15以降以外は実施の形態1と同様に動作するので、実施の形態1と同様の動作については説明を省略し、相違する動作について説明する。
本実施の形態2では、磁歪材料8に励磁コイル10の励磁周波数の他に、参照信号発生器21によって参照信号コイル22を励磁する振幅hr、周波数frの参照信号がかけられる。
従って、磁歪材料8の磁歪ξは次式(2)で表すことができる。
AM復調器16の出力は「Mka・(Hs+hrsin2πfrt)」となる。
また、参照信号検出器23では、参照信号発生器21の参照信号の振幅「MKa・hr」を検出して出力する。
(3)
除算器24は、AM復調器16の出力を参照信号検出器23の出力で除算して「Hs/hr+sin2πfr」を出力する。
フィルタ25は、除算器24の出力のうち参照信号に係る成分「sin2πfr」を遮断して「Hs/hr」を出力する。
実施の形態1では、励磁成分と励磁周波数の2倍の周波数成分に対する感度の比が変化するとセンサの出力に誤差が生じるが、本実施の形態2では励磁成分と励磁周波数の2倍の周波数成分に対する感度の比が変化しても安定した出力を得ることができる。
実施の形態1より構成品が多くなるが、励磁周波数を磁歪変換器の共振周波数付近に設定する場合、励磁周波数とその2倍の周波数で磁歪変換器9の感度の比が変動することがあり、この場合に本実施の形態2の方が有利となる。
また、本実施の形態2では、参照信号検出器21の出力でAM復調器16の出力を除算する例を示したが、励磁信号発生器11にフィードバックして感度が安定するように制御する手段、位相復調器16にフィードバックしてセンサ全体の感度が安定するように制御する手段など他の手段を用いることもできる。この場合も参照信号検出器21の出力でAM復調器16の出力を除算することは不要となる。
光ファイバ干渉計のセンシング光ファイバに磁歪材料を一体化させて磁歪変換器を構成し、該磁歪変換器に交流磁界を印加して励磁する光ファイバ磁気センサであって、
前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数に対応して生じる成分を復調する復調手段を有し、
前記復調手段が復調した成分と、
前記復調手段が復調した成分のうち、前記磁歪材料に印加される参照磁界信号に対応して生じる成分とに基づいて、磁気信号を検出するので、
変復調方式や、光ファイバ干渉計の構成等に依存することなく、磁気センサを構成することができる。また、参照磁界信号に対応して生じる成分が安定していれば、センサの検出精度としても安定した出力を得ることができる。
前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数に対応して生じる成分を復調して出力する第3の復調器と、
前記第3の復調器の出力のうち、前記参照磁界信号に対応して生じる成分を検出し、当該成分の振幅を出力する参照信号検出器とを有し、
前記第3の復調器の出力と、前記参照信号検出器の出力とに基づいて、磁気信号を検出するので、
参照信号検出器でレベルを検出できる任意の関数出力に基づき、外部磁界を検出することができる。
磁歪変換器9の感度、位相復調器15の位相復調の感度をキャンセルすることができ、磁歪変換器9の感度または位相復調器15の感度が変化しても安定した出力が得られるようになる。そのため、微小な磁気信号を検出するときの検出限界と、磁気信号のレベルを測定するときの検出精度が改善されるという効果がある。
参照信号の振幅hrに基づいて、検出対象である外部信号磁界Hsを得ることができる。
即ち、実施の形態1では、励磁成分と励磁周波数の2倍の周波数成分に対する感度の比が変化するとセンサの出力に誤差が生じるが、本実施の形態2では励磁成分と励磁周波数の2倍の周波数成分に対する感度の比が変化しても安定した出力を得ることができる。
実施の形態1より構成品が多くなるが、励磁周波数を磁歪変換器の共振周波数付近に設定する場合、励磁周波数とその2倍の周波数で磁歪変換器9の感度の比が変動することがあり、この場合に本実施の形態2の方が有利となる。
図3は、本発明の実施の形態3に係る光ファイバ磁気センサの構成を示すブロック図である。
図3において、図1に示す本発明の実施の形態1と同様の構成は、同一符号を付して重複した構成の説明を省略する。
この実施の形態3で実施の形態1と相違する構成は、PGC信号にスクランブル信号を加算するスクランブル信号発生器31と加算器32を設け、実施の形態1の第2のAM復調器17を削除し、AM復調器16を1つとしたことと、AM復調器16の出力側にスクランブル信号を減衰させるフィルタ33を設けたことである。
このように、干渉光の位相を常に変動させるのは、上記ψをスクランブル信号でスクランブルして平均をとることで一定値に収束させるためである。
また、スクランブル信号の周波数帯は、検出したい磁気信号の周波数帯より高くし、且つ、スクランブル信号がAM復調器16の出力に現われないようにすることと、PGCや励磁周波数からの折り返しをも考慮して選ぶ必要があるために、励磁周波数より低い帯域に周波数成分を有するように設定する。
本実施の形態3において、スクランブル信号発生器31と加算器32以外は実施の形態1と同様に動作するので、実施の形態1と同様の動作については説明を省略し、相違する動作について説明する。
この実施の形態3では、スクランブル信号がO/E変換器14から出力される干渉計出力の位相にスクランブル信号が加算される以外は実施の形態1と同様に動作する。
PGC信号発生器2のPGC信号に、スクランブル信号発生器31のスクランブル信号を加算器32で加算して、光源1に出力する。
これは、ψが0rad(又はπrad)付近にある場合とπ/2rad(−π/2rad)付近にある場合でPGC位相復調器15の感度が変わる現象があるため、干渉光の位相を常に変動させることにより、即ちψをスクランブル信号でスクランブルして平均をとることで一定値に収束させ、ψが結果的に収束された一定値となることでPGC位相復調器15の感度の変動をできるだけ少なくすることを目的とする。
また、スクランブル信号発生器31が出力するスクランブル信号の周波数帯は、検出したい磁気信号の周波数帯より高くし、且つ、励磁周波数より低い帯域に周波数成分を有するように設定されているため、誤差成分が磁気信号より高い周波数にシフトされ、磁気信号の周波数帯での誤差が小さくなる。
(2)
AM復調器16から出力される信号にはスクランブル信号が含まれているので、フィルタ32でスクランブル信号を減衰させて外部に出力する。
中心極限定理によれば、検出信号にスクランブル信号を加算して平均することにより、分散が1/nになるため、ノイズの影響はその分減少する。本実施の形態3に係る光ファイバ磁気センサは、この定理が示す法則を利用し、スクランブル信号の加算平均を繰り返して、ノイズの影響を除去するものである。
光ファイバ干渉計の干渉光の位相を変動させるためのスクランブル信号を発生するスクランブル信号発生器を有し、
前記光ファイバ干渉計に、前記スクランブル信号発生器の出力を重畳的に印加するので、
そのスクランブル信号により、干渉光の位相が結果的に収束された一定値となってPGC位相復調器15の感度の変動をできるだけ少なくするという効果がある。
検出したい磁気信号の周波数帯域幅値より高く、かつ、前記交流磁界の励磁周波数より低く設定されているので、
誤差成分が磁気信号より高い周波数にシフトされ、磁気信号の周波数帯での誤差が小さくなることにより、変復調の感度変化による微小な磁気信号を検出するときの検出限界と、磁気信号のレベルを測定するときの検出精度が改善されるという効果がある。
最終的に、誤差成分を除去された信号を得ることができる。
Claims (4)
- 光ファイバ干渉計のセンシング光ファイバに磁歪材料を一体化させて磁歪変換器を構成し、該磁歪変換器に交流磁界を印加して励磁する光ファイバ磁気センサであって、
前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数に対応して生じる成分を復調し、当該成分の振幅を出力する第1の復調器と、
前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数の2倍の周波数に対応して生じる成分を復調し、当該成分の振幅を出力する第2の復調器と、
前記第1の復調器の出力を、前記第2の復調器の出力で除算して出力し、磁気信号を検出する第1の除算器とを有することを特徴とする光ファイバ磁気センサ。 - 光ファイバ干渉計のセンシング光ファイバに磁歪材料を一体化させて磁歪変換器を構成し、該磁歪変換器に交流磁界を印加して励磁する光ファイバ磁気センサであって、
前記磁歪変換器に参照磁界信号を印加する参照信号発生器と、
前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数に対応して生じる成分を復調して出力する第3の復調器と、
前記第3の復調器の出力のうち、前記参照磁界信号に対応して生じる成分を検出し、当該成分の振幅を出力する参照信号検出器とを有し、
前記第3の復調器の出力を、前記参照信号検出器の出力で除算して出力し、磁気信号を検出する第2の除算器を有することを特徴とする光ファイバ磁気センサ。 - 前記参照磁界信号の周波数は、検出したい磁気信号の周波数帯域幅値より高く、かつ、前記交流磁界の励磁周波数より低く設定されていることを特徴とする請求項2に記載の光ファイバ磁気センサ。
- 前記第2の除算器の出力のうち、前記参照磁界信号に対応した成分を減衰させるフィルタを、前記第2の除算器の出力側に設けたことを特徴とする請求項2に記載の光ファイバ磁気センサ。
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