JPH0664173U - Fiber optic current sensor - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小電流域から大電流域まで精度良く電流検出
を行うことができる光ファイバ電流センサを提供する。 【構成】 送電線等の１次導体（図示せず）を貫通させ
た円筒状の非磁性体からなるボビン１にシングルモード
型の光ファイバ２をコイル状に巻装し、光ファイバ２の
一端面に偏光子３を介してレーザーダイオード等の光源
４を対向させて、光ファイバ２の一端に直線偏光の光を
入射させるようにしている。光ファイバ２の他端面に検
光子５を介してホトダイオード等の受光素子６を対向さ
せ、光ファイバ２の他端から出射した光を受光素子６で
受けるようにしている。また、光ファイバ２の他端から
の出射光の光ファイバ２の一端への入射光に対する位相
差が略１８０度の整数倍となるように光ファイバ２の巻
回半径および光ファイバ２の巻回長さを設定している。 (57) [Summary] [Objective] To provide an optical fiber current sensor capable of accurately detecting current from a small current region to a large current region. [Structure] A single mode optical fiber 2 is wound in a coil shape on a bobbin 1 made of a cylindrical non-magnetic material that penetrates a primary conductor (not shown) of a power transmission line or the like, A light source 4 such as a laser diode is opposed to the end face via a polarizer 3 so that linearly polarized light is incident on one end of the optical fiber 2. A light receiving element 6 such as a photodiode is opposed to the other end surface of the optical fiber 2 via an analyzer 5, and the light emitted from the other end of the optical fiber 2 is received by the light receiving element 6. Further, the winding radius of the optical fiber 2 and the winding of the optical fiber 2 are adjusted so that the phase difference between the light emitted from the other end of the optical fiber 2 and the light incident on one end of the optical fiber 2 is an integer multiple of approximately 180 degrees. The length is set.

Description

【考案の詳細な説明】[Detailed description of the device]

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】[Industrial applications]

この考案は、送電線等の電路に流れる電流を磁気光学効果を有する、例えばシ ングルモード型の光ファイバを利用して検出する光ファイバ電流センサに関する ものである。 The present invention relates to an optical fiber current sensor for detecting a current flowing in an electric line such as a power transmission line by using a single mode optical fiber having a magneto-optical effect.

【０００２】[0002]

【従来の技術】[Prior art]

図２に従来の光ファイバ電流センサの概略図を示す。この光ファイバ電流セン サは、送電線等の１次導体（図示せず）を貫通させた円筒状の非磁性体からなる ボビン１にシングルモード型の光ファイバ２をコイル状に巻装し、光ファイバ２ の一端面に偏光子３を介してレーザーダイオード等の光源４を対向させて、光フ ァイバ２の一端に直線偏光の光を入射させるようにしている。光ファイバ２の他 端面には、検光子５を介してホトダイオード等の受光素子６を対向させ、光ファ イバ２の他端から出射した光を受光素子６で受けるようにしている。 FIG. 2 shows a schematic view of a conventional optical fiber current sensor. In this optical fiber current sensor, a single mode optical fiber 2 is wound in a coil shape on a bobbin 1 made of a cylindrical non-magnetic material that penetrates a primary conductor (not shown) of a transmission line or the like, A light source 4 such as a laser diode is opposed to one end surface of the optical fiber 2 via a polarizer 3 so that linearly polarized light is incident on one end of the optical fiber 2. A light receiving element 6 such as a photodiode is opposed to the other end surface of the optical fiber 2 via an analyzer 5 so that the light receiving element 6 receives the light emitted from the other end of the optical fiber 2.

【０００３】 上記の光ファイバ２は、ボビン１に巻回半径ｒ（つまり、ボビン１の半径がｒ ）、巻回長さＬで巻回されている。巻回長さＬは、ボビン１に巻回している部分 の長さのみであり、それ以外の延長部分は含まれない。 以上のような構成の計測用の光ファイバ電流センサにおいては、１次導体に電 流Ｉが流れたとき、１次導体と鎖交した光ファイバ２中で、ファラディ効果によ り直線偏光の偏波面が回転する。偏波面の回転角θは、ベルデ定数をＶ、光ファ イバ２のターン数をＮとすると、The optical fiber 2 is wound around the bobbin 1 with a winding radius r (that is, the radius of the bobbin 1 is r 2) and a winding length L. The winding length L is only the length of the portion wound around the bobbin 1, and does not include any other extended portion. In the optical fiber current sensor for measurement having the above configuration, when the current I flows in the primary conductor, the polarization of linearly polarized light is changed by the Faraday effect in the optical fiber 2 interlinking with the primary conductor. The wavefront rotates. If the Verdet constant is V and the number of turns of the optical fiber 2 is N, the rotation angle θ of the plane of polarization is

【０００４】[0004]

【数１】 θ＝ＶＮＩ となる。つまり、偏波面の回転角θは、電流Ｉに比例し、かつターン数Ｎに比例 する。この回転角θの変化を、入射直線偏光に対して４５度傾けた検光子５で光 強度の変化に変換して、受光素子６で検出すると、１次導体に流れる電流Ｉを計 測することができる。## EQU00001 ## .theta. = VNI. That is, the rotation angle θ of the plane of polarization is proportional to the current I and also to the number of turns N. This change in the rotation angle θ is converted into a change in light intensity by the analyzer 5 tilted by 45 degrees with respect to the incident linearly polarized light, and when detected by the light receiving element 6, the current I flowing in the primary conductor is measured. You can

【０００５】[0005]

【考案が解決しようとする課題】[Problems to be solved by the device]

一般に、シングルモード型の光ファイバ２中を伝搬する光は、本来は直線偏光 （ＬＰ₀₁モード）であるが、光ファイバ２をボビン１に巻回することにより、Ｌ Ｐ₀₁モードの縮退が解け、２つの固有偏波モードが生じる。 この２つの固有偏波モードは光ファイバ２の巻回半径により異なる。さらに、 この２つのモード間の伝搬定数が異なること（複屈折）、ならびに光ファイバ２ の巻回半径および巻回長さに全く考慮が払われることなくボビン１に光ファイバ ２が巻回されることから、光ファイバ２の一端への入射光に対する光ファイバ２ の他端からの出射光の位相差がランダムであり、ちょうど１８０度の整数倍にな っていることはなく、光ファイバ２からの出射光は直線偏光から楕円偏光に変化 し、このことが電流検出の際の誤差要因となっている。In general, light propagating through the optical fiber 2 medium single mode type is originally a linearly polarized light (LP ₀₁ mode), by winding the optical fiber 2 to the bobbin 1, melts degeneracy of L P ₀₁ mode Two unique polarization modes occur. The two natural polarization modes differ depending on the winding radius of the optical fiber 2. Furthermore, the optical fiber 2 is wound on the bobbin 1 without any consideration being given to the difference in the propagation constants between these two modes (birefringence) and the winding radius and winding length of the optical fiber 2. Therefore, the phase difference between the light incident on one end of the optical fiber 2 and the light emitted from the other end of the optical fiber 2 is random, and is not an exact multiple of 180 degrees. The emitted light changes from linearly polarized light to elliptically polarized light, which is an error factor in current detection.

【０００６】 このように直線偏光から楕円偏光に変化することによる誤差は、直線偏光の偏 波面の回転角が大きくなる（大電流域）と、直線偏光の場合との誤差が大きくな り、特に、大電流域での電流検出精度が低くなるという問題があった。 なお、図２において、符号７は入射光の偏光状態（直線偏光）を示し、符号８ は出射光の偏光状態（楕円偏光）を示している。The error due to the change from the linearly polarized light to the elliptically polarized light as described above becomes large when the rotation angle of the polarization plane of the linearly polarized light becomes large (large current region), and the error becomes large especially in the case of linearly polarized light. However, there has been a problem that the accuracy of current detection in the large current region becomes low. In FIG. 2, reference numeral 7 indicates the polarization state of the incident light (linear polarization), and reference numeral 8 indicates the polarization state of the emitted light (elliptical polarization).

【０００７】 したがって、この考案の目的は、小電流域から大電流域まで精度良く電流検出 を行うことができる光ファイバ電流センサを提供することである。Therefore, an object of the present invention is to provide an optical fiber current sensor capable of accurately detecting current from a small current region to a large current region.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

この考案の光ファイバ電流センサは、１次導体を包囲するように光ファイバを コイル状に巻装し、この光ファイバの一端に光を入射させる光源を設け、光ファ イバの他端からの出射光を受ける受光素子を設けている。この際、光ファイバの 他端からの出射光の光ファイバの一端への入射光に対する位相差が略１８０度の 整数倍となるように光ファイバの巻回半径および光ファイバの巻回長さを設定し ている。 The optical fiber current sensor of the present invention has an optical fiber wound in a coil shape so as to surround the primary conductor, is provided with a light source for making light incident on one end of the optical fiber, and emits light from the other end of the optical fiber. A light receiving element that receives light is provided. At this time, the winding radius of the optical fiber and the winding length of the optical fiber are set so that the phase difference between the light emitted from the other end of the optical fiber and the light incident on one end of the optical fiber is an integer multiple of approximately 180 degrees. It is set.

【０００９】[0009]

【作用】[Action]

この考案の構成によれば、光ファイバの巻回半径および光ファイバの巻回長さ を光ファイバの他端からの出射光の光ファイバの一端への入射光に対する位相差 が略１８０度の整数倍となるように設定しているので、光ファイバの一端から入 射した直線偏光の光は、光ファイバの巻回によって光ファイバ中を伝搬する途中 で直線偏光の状態から楕円偏光の状態に変化しても、光ファイバの他端から直線 偏光の状態で、かつ１次導体の電流に応じた角度だけ偏波面が回転した状態で出 射することになる。 According to the configuration of the present invention, the winding radius of the optical fiber and the winding length of the optical fiber are integers in which the phase difference between the light emitted from the other end of the optical fiber and the light incident on one end of the optical fiber is approximately 180 degrees. Since it is set to double, the linearly polarized light incident from one end of the optical fiber changes from the linearly polarized state to the elliptically polarized state while propagating in the optical fiber due to the winding of the optical fiber. Even so, the light will be emitted from the other end of the optical fiber in a state of linear polarization and in a state in which the plane of polarization is rotated by an angle corresponding to the current of the primary conductor.

【００１０】[0010]

【実施例】【Example】

この考案の一実施例を図１に基づいて説明する。 この光ファイバ電流センサは、図１に示すように、送電線等の１次導体（図示 せず）を貫通させた円筒状の非磁性体からなるボビン１にシングルモード型の光 ファイバ２をコイル状に巻装し、光ファイバ２の一端面に偏光子３を介してレー ザーダイオード等の光源４を対向させて、光ファイバ２の一端に直線偏光の光を 入射させるようにしている。光ファイバ２の他端面には、検光子５を介してホト ダイオード等の受光素子６を対向させ、光ファイバ２の他端から出射した光を受 光素子６で受けるようにしており、基本的な構成は図２の従来例と同様である。 An embodiment of this invention will be described with reference to FIG. In this optical fiber current sensor, as shown in FIG. 1, a single mode optical fiber 2 is coiled on a bobbin 1 made of a cylindrical non-magnetic material that penetrates a primary conductor (not shown) of a power transmission line or the like. A light source 4 such as a laser diode is opposed to one end surface of the optical fiber 2 via a polarizer 3 so that linearly polarized light is incident on one end of the optical fiber 2. A light receiving element 6 such as a photodiode is opposed to the other end surface of the optical fiber 2 via an analyzer 5 so that the light emitted from the other end of the optical fiber 2 is received by the light receiving element 6. The structure is similar to that of the conventional example shown in FIG.

【００１１】 従来例との相違点は、光ファイバ２の他端からの出射光の光ファイバ２の一端 への入射光に対する位相差が略１８０度の整数倍となるように光ファイバ２の巻 回半径（ボビン１の巻回半径）ｒ′および光ファイバ２の巻回長さＬ′を設定し た点である。 このように、光ファイバ２の巻回半径ｒ′および光ファイバ２の巻回長さＬ′ を設定すると、光ファイバ２の一端から入射した直線偏光の光は、光ファイバ２ の巻回によって光ファイバ２中を伝搬する途中で直線偏光の状態から楕円偏光の 状態に変化しても、光ファイバ２の他端から直線偏光の状態で、かつ１次導体の 電流に応じた角度だけ偏波面が回転した状態で出射することになり（符号８′で 示す）、誤差要因である出射光が楕円偏光となる状態を解消することができる。The difference from the conventional example is that the optical fiber 2 is wound so that the phase difference between the light emitted from the other end of the optical fiber 2 and the light incident on one end of the optical fiber 2 is an integer multiple of approximately 180 degrees. This is the point at which the winding radius (the winding radius of the bobbin 1) r ′ and the winding length L ′ of the optical fiber 2 are set. As described above, when the winding radius r ′ of the optical fiber 2 and the winding length L ′ of the optical fiber 2 are set, linearly polarized light incident from one end of the optical fiber 2 is converted into light by the winding of the optical fiber 2. Even if the state of linear polarization changes to the state of elliptically polarized light while propagating in the fiber 2, the polarization plane changes from the other end of the optical fiber 2 to the state of linear polarization and at an angle corresponding to the current of the primary conductor. The light is emitted in a rotated state (indicated by reference numeral 8 '), and it is possible to eliminate the state where the emitted light is elliptically polarized light, which is a cause of error.

【００１２】 光ファイバ２の他端からの出射光の光ファイバ２の一端への入射光に対する位 相差が略１８０度の整数倍となるように光ファイバ２の巻回半径（ボビン１の巻 回半径）ｒ′および光ファイバ２の巻回長さＬ′を調整するには、光ファイバ２ からの検光子５を通した出射光の光強度を検出するパワーメータを設置し、光強 度が最大（直線偏光の状態）となるように、光ファイバ２の巻回長さＬ′および ／または光ファイバ２の巻回半径ｒ′を調節することにより行う。The winding radius of the optical fiber 2 (the winding of the bobbin 1) is such that the phase difference of the light emitted from the other end of the optical fiber 2 with respect to the light incident on one end of the optical fiber 2 is an integer multiple of approximately 180 degrees. In order to adjust the radius r'and the winding length L'of the optical fiber 2, a power meter for detecting the light intensity of the emitted light from the optical fiber 2 through the analyzer 5 is installed. This is performed by adjusting the winding length L'of the optical fiber 2 and / or the winding radius r'of the optical fiber 2 so that the maximum (state of linearly polarized light) is obtained.

【００１３】 例えば、シングルモード型の光ファイバ２では、７５ｍｍの巻回半径（曲げ半 径）ｒ′に対して、複屈折δ_S が１７°／ｍとなっている（出典；A.M.Smith AP PLIED OPTICS/Vol.19, No.15/1 August 1980）。つまり、光ファイバ２の長さを 、例えば１８０°／１７°≒１０ｍとすると、複屈折はほぼ１８０°、つまり光 ファイバ２の一端からの入射光に対する光ファイバ２の他端からの出射光の位相 差がほぼ１８０°となり、光ファイバ２の一端から直線偏光の状態で入射した光 は、光ファイバ２の他端からほぼ直線偏光の状態で出射することになる（曲げ半 径ｒ′が７５ｍｍの場合）。For example, in the single mode optical fiber 2, the birefringence δ _S is 17 ° / m for a winding radius (bending half diameter) r ′ of 75 mm (Source: AMSmith AP PLIED OPTICS /Vol.19, No.15 / 1 August 1980). That is, assuming that the length of the optical fiber 2 is, for example, 180 ° / 17 ° ≈10 m, the birefringence is approximately 180 °, that is, the output light from the other end of the optical fiber 2 with respect to the input light from one end of the optical fiber 2. The phase difference becomes approximately 180 °, and the light that is linearly polarized from one end of the optical fiber 2 is output from the other end of the optical fiber 2 in a substantially linearly polarized state (the bending radius r ′ is 75 mm. in the case of).

【００１４】 また経験上、複屈折が１５°（１７°）以内なら、１％以内の精度の光ファイ バ電流センサを作成することが可能である。したがって、曲げ半径が７５ｍｍの 場合には、ｎを１以上の整数として、光ファイバ２の巻回長さＬ′を、（ｎ×１ ８０°／１７°±１）ｍの範囲、つまり（１０±１）ｍの範囲に抑えれば、複屈 折が１７°以内となり、ほぼ１％以内の精度の光ファイバ電流センサを実現でき る。Further, empirically, if the birefringence is within 15 ° (17 °), it is possible to manufacture an optical fiber current sensor with an accuracy within 1%. Therefore, when the bending radius is 75 mm, n is an integer of 1 or more, and the winding length L ′ of the optical fiber 2 is in the range of (n × 180 ° / 17 ° ± 1) m, that is, (10 If it is controlled to within ± 1) m, the double bending will be within 17 °, and an optical fiber current sensor with an accuracy within approximately 1% can be realized.

【００１５】 なお、光ファイバ２の巻回半径ｒ′が７５ｍｍ以外の数値の場合は、１ｍあた りの複屈折の角度が異なるので、それに合わせて巻回長さＬ′を設定することが 必要である。 この光ファイバ電流センサは、光ファイバ２の巻回径および光ファイバ２の巻 回長さを光ファイバ２の他端からの出射光の光ファイバ２の一端への入射光に対 する位相差が略１８０度の整数倍となるように設定しているので、光ファイバ２ の巻回によって光ファイバ２中を伝搬する光が直線偏光の状態から楕円偏光の状 態に変化しても、光ファイバ２の他端から出射する光を直線偏光の状態として、 誤差の要因となる楕円偏光が生じないようにすることができ、小電流域から大電 流域まで精度良く電流検出を行うことができる。When the winding radius r ′ of the optical fiber 2 is a value other than 75 mm, the birefringence angle per 1 m is different, so the winding length L ′ can be set accordingly. is necessary. In this optical fiber current sensor, the winding diameter of the optical fiber 2 and the winding length of the optical fiber 2 are such that the phase difference between the light emitted from the other end of the optical fiber 2 and the light incident on one end of the optical fiber 2 is Since it is set to be an integer multiple of approximately 180 degrees, even if the light propagating in the optical fiber 2 is changed from the linearly polarized state to the elliptically polarized state by the winding of the optical fiber 2, The light emitted from the other end of 2 can be made into a linearly polarized state so that elliptically polarized light, which causes an error, is not generated, and current detection can be performed accurately from a small current region to a large current region.

【００１６】 なお、光ファイバの巻回半径については、上記実施例では、７５ｍｍを例にと って説明したが、巻回半径については、７５ｍｍに限らない。The winding radius of the optical fiber has been described in the above embodiment by taking 75 mm as an example, but the winding radius is not limited to 75 mm.

【００１７】[0017]

【考案の効果】[Effect of device]

この考案の光ファイバ電流センサによれば、光ファイバの巻回径および光ファ イバの巻回長さを光ファイバの他端からの出射光の光ファイバの一端への入射光 に対する位相差が略１８０度の整数倍となるように設定しているので、光ファイ バの他端から出射する光を直線偏光の状態として、誤差の要因となる楕円偏光が 生じないようにすることができ、小電流域から大電流域まで精度良く電流検出を 行うことができ、広ダイナミックレンジ化が可能となる。 According to the optical fiber current sensor of the present invention, the winding diameter of the optical fiber and the winding length of the optical fiber are such that the phase difference between the light emitted from the other end of the optical fiber and the light incident on the one end of the optical fiber is substantially equal. Since it is set to an integer multiple of 180 degrees, it is possible to make the light emitted from the other end of the optical fiber into a linearly polarized state so that elliptically polarized light that causes an error does not occur. Current can be detected accurately from the current region to the large current region, and a wide dynamic range can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】この考案の一実施例の光ファイバ電流センサの
構成を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an optical fiber current sensor according to an embodiment of the present invention.

【図２】従来例の構成を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ ボビン ２ 光ファイバ ３ 偏光子 ４ 光源 ５ 検光子 ６ 受光素子 1 bobbin 2 optical fiber 3 polarizer 4 light source 5 analyzer 6 light receiving element

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 吉田 修 京都市右京区梅津高畝町47番地 日新電機 株式会社内 (72)考案者 川勝 健 京都市右京区梅津高畝町47番地 日新電機 株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Osamu Yoshida 47 Umezu Takaune-cho, Ukyo-ku, Kyoto City, Nissin Electric Co., Ltd. (72) Inventor Ken Kawakatsu 47 Umezu Taka-une-cho, Ukyo-ku, Kyoto City

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 【請求項１】 １次導体を包囲するようにコイル状に巻
装した光ファイバと、この光ファイバの一端に光を入射
させる光源と、前記光ファイバの他端からの出射光を受
ける受光素子とを備え、前記光ファイバの他端からの出
射光の前記光ファイバの一端への入射光に対する位相差
が略１８０度の整数倍となるように前記光ファイバの巻
回半径および前記光ファイバの巻回長さを設定した光フ
ァイバ電流センサ。1. An optical fiber wound in a coil shape so as to surround a primary conductor, a light source for making light incident on one end of the optical fiber, and a light receiving element for receiving light emitted from the other end of the optical fiber. And the winding radius of the optical fiber and the optical fiber so that the phase difference of the light emitted from the other end of the optical fiber with respect to the light incident on the one end of the optical fiber is an integer multiple of approximately 180 degrees. Optical fiber current sensor with set winding length.