JPS59670A - 光フアイバ磁界センサ - Google Patents

光フアイバ磁界センサ

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JPS59670A
JPS59670A JP57109140A JP10914082A JPS59670A JP S59670 A JPS59670 A JP S59670A JP 57109140 A JP57109140 A JP 57109140A JP 10914082 A JP10914082 A JP 10914082A JP S59670 A JPS59670 A JP S59670A
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JP
Japan
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magnetic field
light
optical fiber
wavelengths
detection means
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Pending
Application number
JP57109140A
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English (en)
Inventor
Motoo Shimizu
清水 基夫
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by NEC Corp, Nippon Electric Co Ltd filed Critical NEC Corp
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Publication of JPS59670A publication Critical patent/JPS59670A/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R33/0322Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect using the Faraday or Voigt effect

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  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は磁界の変化に応じて偏光面が回転を行う磁気光
学効果を利用した高電圧領域における電流計測などに応
用される光ファイバ磁毘センサの改良に関するものであ
る。
光源から発した光を偏光子手段により一定の偏光状態と
した後これを鉛ガラス等の磁気光学効果素子の1つであ
るいわゆるファラデー効果素子の内部を透過させると9
周囲の磁界に対応した偏光の変調をうけるため、その光
゛を検光子手段を通過させると、この偏光の変化に応じ
た光電力の変化がある。これを更にフォトダイオード等
の光検出手段で電気信号に変換することにより、逆に磁
界を求められるとい)計測法は広く知られている。
光フアイバ磁界センサはこの計測法を電気的絶縁性の高
い光ファイバと組合わせて構成したもので。
数十万ないし百方ボルトの超高圧の電力設備の計測が可
能でちるため古くから研究が行われ成る程度実用化され
ている。
しかし乍ら上記のような光フアイバ磁界センサにおいて
は、出力信号が検光子手段の出力光電力であるだめ、各
構成要素間における光結合損失や光フアイバ内の光伝送
損失などが温度変動や光ファイバの屈曲その他にょシ変
化すると直ちに測定誤差となり、正確な結果が得られず
長期的な測定信頼性に乏しいという欠点があった。
したがって本発明の目的は光フアイバ磁界センサにおけ
る上記の測定誤差を可及的に小さくした信頼性の高い光
フアイバ磁界センサを得ようとするものである。
本発明は前述の偏光の変調が伝波光波長により異ること
に着目し、同一の光路内に互いに波長の異る複数の光を
伝搬させ、これらの光が磁界Hによシ受ける影響の差異
を演算処理することにょシ磁界を求めようとするもので
ある。
すなわち本発明によれば、複数の波長の偏光を時分割的
に送出する手段と、外部磁界の変化に対応してその内部
を通過する偏光に変化を与える磁気光学効果手段と、検
光子手段と、光フアイバ手段と、光検出手段と、この光
検出手段の出方電気信号を前記光波長との対応のもとに
演算処理して前記磁界を求める演算手段とを順次配設し
て成る光フアイバ磁界センサが得られる。また前記の光
送出手段から光検出手段までのほかに、前記光送出手段
の出力または内部における光の一部を分岐する光分岐手
段と1分岐された一部の光を検出するモニタ光検出手段
と、このモニタ光検出手段の検出した出力電気信号と前
記光検出手段の発する出力電気信号を用いて演算処理し
て前記磁界を求める演算手段とを有する光フアイバ磁界
センサが得られる。
次に図面を参照して詳細に説明する。
第1図は従来の光フアイバ磁界センサのト渉→−4補成
を示した図である。第1図において、レーザダイオード
(LD)や発光ダイオード(LED)等の光源1から発
した光を光ファイバ2および偏光子3を介して鉛ガラス
等の磁気光学効果手段4に導き、その出力光を検光子手
段5および光ファイバ6を介し、光検出手段7によシミ
気信号に変換出力する。いま磁気光学効果手段4の長さ
をlとし、これが光線と平行な磁界成分Hを有する磁界
内におかれているとすると、偏光子3により直線偏光と
された光はいわゆるファラデー効果によりα=VH1”
   ・・・・・・・・・(1)で表される角度αだけ
の偏光面回転をうける。ここでVはベルデ定数と呼ばれ
るもので、材料にょシ異なる磁気光学効果の影響の強さ
を表わす定数である。(1)式から分るように、磁界H
の変化に対するαの関係は直線の関係となる。この回転
の結果検光子手段5の出力光レベルPoは磁気光学効果
手段4への入力すなわち偏光子手段3の出力光の偏波面
方向と検光子手段5の偏光方向の設定によシ、磁界Hの
変化に対し特異な関係を示す。
第2図は上に説明した偏光回転角αと出力光レベルPa
の磁界Hに対する関係すなわち磁界センサの磁気光学効
果をあられした図である。これらの関係を用いて超高圧
の電流Iが生起する磁界Hの中にこのセンサを配置すれ
ば、出力光レベルPoを測定することによシ磁界H従っ
て電流■を測定することが可能である。この構成では通
常絶縁のために光ファイバ2および6が用いられる。
ここで偏光子手段3は、もし光源1がLDやIIe−N
eレーザ等で既に十分な偏光特性を有しておシその偏光
が例えばファイバ2を用いないで直接磁気光学効果素子
4に導入可能である場合、或いは特殊な偏光保存ファイ
バ等の利用によシ十分に偏光が維持されている場合には
無くて済むものであるが1通常は必要となるものである
さて、上記のような構成の光フアイバ磁界センサにおい
ては、出力信号が出力光レベルそのものであるため、先
に簡単に説明したように1例えば光ファイバ6が屈曲や
温度変化をうけて伝搬損失に変化がでたシ各手段の間で
の結合損失が変動したりすると、それはただちに測定誤
差となる欠点があったのである。
第3図は本発明の詳細な説明する図である。第3図にお
いて、簡単のために入射側でのλl。
λ2の2つの波長の光レベルが同図(A)の様に共にP
oであるとすると、出射側では通常短波長側(λ1 )
の方がベルデ定数が大なため、λl側の方が磁界の影響
をうけ易く同図(B)の様な結果を得る。いま波長λl
、λ2に対するベルデ定数を■I + v2 とし、さ
らに P=f(α) ・Po −= f(VHl)・P。
の関係があるとすれば* Vt7 = K+ + V2
1=に2として。
P+=f(α1)・Po=f(V+H6)Po=f(K
tH)P。
P2=f(α2) Po = f (V2Hl) Po
 = f (K2H) P。
から1両出力の比YミPl/P2は Y”” f(KtH)/f(K2H)  ・・・曲・・
(2)であられされる。通常f(α)は正弦又は余弦関
数であるので、成る測定範囲では、(2)式のYの値は
Hに対し1価の非線形関数となり、YとHに1対1の関
係をとることができ、従って両川力の比Yを測定するこ
とによシ磁界Hを求めることができる。而もこの場合フ
ァイバ系およびその結合部の損失変動に起因する誤差は
除去できるので、従来より精度よく磁界Hを求めること
ができる。
第4図は本発明の一実施例の構成を示した図である。は
じめに概要について説明すると、11はλ1.λ2の2
波長にピークを有しかつ後述の様に時分割的にこの2波
長を送出する光源手段。
12〜16は第1図の従来例と同様に光ファイバ。
偏光子手段、磁気光学効果手段、検光子手段および光フ
アイバ手段をそれぞれあられしている。この系において
、制御手段17の信号によシ例えば交互に数十μsの開
光源11より発した光λ1゜λ2はそれぞれレベル変化
をうけて光電力Pl。
P2として光検出手段18に入射する。光検出手段18
はλl、λ2の制御手段17による2つの波長の発生の
タイミングに同期してそれぞれのレベルを検出し、その
結果をアナログ又はマイクロコンピュータなどのデジタ
ル演算手段19で演算処理することによシ磁界Hを求め
ることができる。
いうまでもなく、λl 、λ2の交互に発生する間隔が
短ければ、ファイバ等への外乱の影響は無視可能となる
次に部分的に説明すると、光源手段11としては波長λ
l、λ2をそれぞれ発するLED 、 LD等矩形・ぞ
ルスにより交互に出力するようになっている。第5図は
光源手段11の他の例を示した図であって、λl、λ2
の2つの光源23a 、23bからの光を制御手段17
の信号にもとづいて高速光スイッチ24で交互に切替え
て光ファイバ12に結合するものである。以上の2つの
例は現状では実用的である。将来的には1発光波長を制
御可能なり、DやLEDも開発され利用可能と考えられ
る。
ここで第4図に戻って、光検出手段18は光ファイバ1
6の出力端に結合されたフォトダイオード(PD)等の
光検出素子31と、制御手段17の信号によ多動作する
デマルチブレフサ32を用いてレベルP1+P1 を検
出するようになっている。この光検出手段18の出力は
制御手段17の信号にもとすいて波長λl、λ2に対応
したデータがアナログ形又はデジタル形の演算手段19
に入力され演算処理される。
第6図は光検出手段18の他の1つの例を示した図であ
って、光検出素子33(31と同じ)の出力をサンプル
ホールド回路34を介してA/D変換回路35に送るよ
うになっている。この回路の出力はこの場合デジタル形
の演算手段に送出される。
第7図は光検出手段18の更に他の例を示した図であっ
て、光フアイバ分波器36によシλ1゜λ2の波長に分
波し、光検出素子37a、37bの出力を制御手段17
の信号によ多動作するサンプルホールド回路38a 、
38bを介して演算手段19に出力するようになってい
る。
ここで再度第4図に戻って、この第4図の装置には偏光
子13が設けられているが、もし光源11がLDのよう
な一定の偏光特性を有し且つ光ファイバ12が偏光保全
性光ファイバであって磁気光学光学素子に送られる光が
偏光である場合は。
偏光子13は必ずしも設けなくてよいものである。
第8図は本発明の他の実施例の構成を示す図である。こ
の実施例は特に測定精度を向上させるだめのものである
。すなわち、前記の4図の例では2つの波長の光の磁気
光学効果手段14への入射レベルを共にPoとして同一
としていたが、これは実質的に調整がかなり困難であシ
、さらに光フ、γイバ12についても光ファイバ16と
同様温度変化で伝搬特性の変動をうける。この場合単に
光1言号レベルの変化については2つの波長がある程度
近似していればその影響は相殺的に働くため問題は少い
といえるが、光ファイバ12における偏波面の回転等の
影響は測定結果に直接影響する。
従ってこの第8図の実施例ではこうした問題を排除する
ために、磁気光学効果手段14の入力側にて入射光を分
岐41で分岐し、そのレベルをモニターするモニタ光検
出手段42を取付け、このデータを演算手段43に入力
する。演算手段43では光検出手段18の出力をモニタ
光検出手段42の出力で割ってこれを正規化し、この正
規化した値から磁界Hを求めるようにしたものである。
ここでモニタ光検出手段42としては制御手段17の信
号に対応して光検出手段18と同様の構成により2波長
λl 、λ2を独立に検出できるものが望ましいが、要
求される測定精度によってはλl。
λ2のいずれか一波長かあるいはその和としての平均レ
ベルを検出して用いることも可能である。
第9図は本発明の更に他の実施例の構成を示した図であ
る。この種の装置を超高圧の電力設備の計測に用いると
きは、偏光子13.磁気光学効果素子14.および検光
子15は一体化して高圧部分に設置する。したがって光
ファイバ12によって生じる偏光特性の劣化を承知の上
で、磁気光学効果手段14の入射側ではなく光源52の
出力側に配置し、この分岐51にモニタ光検出手段53
を配置したものである。この構成では勿論測定精度は光
ファイバ12の分だけ低下するが、先に述べたように光
源11自体がLDのように一定の偏光特性を有し、光フ
ァイバ12が偏光保存性を有する場合には、測定精度の
低下は僅かで済むのでこの構成は有効である。しかもこ
の場合は偏光子13は設けなくてもよい。
第10図は本発明の別の実施例の構成を示した図である
。第10図の装置において、検光子手段61の直交する
2つの出力光を例えばV偏波光とH偏波光に分け、それ
ぞれ別の光フアイバ手段62aおよび62bを経て、制
御手段17により制御される2組の光検出手段63a 
、63bへ伝送し、λ1.λ2のそれぞれのV偏波、H
偏波成分のデータを得てこれまだ制御手段17によ多制
御される演算手段64にて処理し、磁界Hが求められる
以上の説明では説明の都合上波長はλ1.λ2の2つと
したが実用に適した範囲で波長数を増大し、演算入力デ
ータを増加させることは測定精度の向上に有益であり本
発明の主旨に沿うものである。
なお9本発明の説明に直接関係のないレンズや光学位相
板等については記述を省略した。また本発明の構成はノ
・−ドウエアの選択と光波長の発生のタイミングと各光
検出手段の信号出力や演算回路のタイミングとの組合せ
により多様な形式を採用できる。
また以上の説明では磁気光学効果手段として鉛ガラスブ
ロックを例として示したが、これはその他の材料のもの
および光ファイバの如く上記の例とは異なった構造・形
態のものであっても本質的に本発明に含まれるものであ
る。また第4図についての説明で述べたように、偏光子
は必ずしも必要としないものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の光フアイバ磁界センサの轟i嘔構成の一
例を示す図、第2図は上記の磁界センサにおける磁気光
学効果を説明する図、第3図は本発明の詳細な説明する
図、第4図は本発明の一実施例の構成を示す図、第5図
は本発明に適した光源手段の構成の一例を説明する図、
第6図は本発明に適した光検出手段の構成の一例を説明
する図、第7図は本発明に適した光検出手段の構成の他
の例を説明する図、第8図は本発明の他の実施例の構成
を示す図、第9図は本発明の更に他の実施例の構成を示
す図、第10図は本発明の別の実施例の構成を示す図で
ある。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 複数の波長の偏光を時分割的に送出する手段と、
    外部磁界の変化に対応してその内部を通過する偏光に変
    化を与える磁気光学効果手段と、検光子手段と、光フア
    イバ手段と、光検出手段と。 この光検出手段の出力電気信号を前記光波長との対応の
    もとに演算処理して前記磁界を求める演算手段とを順次
    配設して成る光フアイバ磁界センサ。 2、複数の波長の偏光を時分割に送出する光送出手段と
    、外部磁界の変化に対応してその内部を通過する偏光に
    変化を与える磁気光学効果手段と。 検光子手段と、光フアイバ手段と、光検出手段と。 前記光送出手段の出力または内部における光の一部を分
    岐する光分岐手段と1分岐された一部の光を検出するモ
    ニタ光検出手段と、このモニタ光検出手段の検出した出
    力電気信号と前記光検出手段の発する出力電気信号を用
    いて演算処理して前記磁界を求める演算手段とを有する
    光フアイバ磁界センサ。
JP57109140A 1982-06-26 1982-06-26 光フアイバ磁界センサ Pending JPS59670A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60149917A (ja) * 1984-01-17 1985-08-07 Agency Of Ind Science & Technol 光応用計測装置
WO1989003046A1 (en) * 1987-09-30 1989-04-06 Kabushiki Kaisha Toshiba Fiberoptic sensor
CN107449471A (zh) * 2017-09-29 2017-12-08 中国计量大学 一种基于高掺锗光纤探头的磁场和温度同时测量装置

Cited By (4)

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CN107449471A (zh) * 2017-09-29 2017-12-08 中国计量大学 一种基于高掺锗光纤探头的磁场和温度同时测量装置

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