WO2006095620A1

WO2006095620A1 - 光センサおよび光電流・電圧センサ

Info

Publication number: WO2006095620A1
Application number: PCT/JP2006/303872
Authority: WO
Inventors: Kiyoshi Kurosawa; Kazuomi Shirakawa
Original assignee: The Tokyo Electric Power Company, Incorporated
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2006-09-14
Also published as: JP4853474B2; JPWO2006095620A1; US20090212763A1; US7786719B2

Abstract

【課題】キャリア信号を用いない、高速な光強度検出方式を実現して構成の簡素化を図るとともに、出力の較正を容易にする。【解決手段】光源からの光をセンサに導き、センサにて物理量に基づき前記光の強度を変調し、変調された光を偏波の直交する２つの成分ＰＡ，ＰＢに分け、受光素子６１，６２でそれぞれ受信し、受光素子６１，６２の出力から両成分の和と差の比を求めて物理量を検出するに当たり、前記２つの受光素子のそれぞれ入射される光に対してはそれぞれ可変光減衰器７１，７２、前記２つの受光素子からの出力信号に対してはそれぞれ可変増幅器８１，８２の少なくとも１つを設け、光減衰率または増幅率を調整することで、センサ出力のゼロ点と感度の較正を可能にする。

Description

明細書

光センサおよび光電流'電圧センサ

技術分野

[0001] この発明は光センサ、特に直流から高周波の交流までの広範囲の電流.電圧の測定が可能な光電流 ·電圧センサに関する。

背景技術

[0002] 近年、ファラデー効果を利用した交流電流検出用光ファイバ電流センサの開発-実用化が進められている（例えば非特許文献 1参照)。この交流用センサの開発に伴い、パワーエレクトロニクス機器や、それを応用した直流送電設備，直流変電設備などへの適用を目的とする直流用光ファイバ電流センサの実現が期待されている。

[0003] この直流用センサでは、直流 (周波数ゼロの成分)の検出のみではなぐ高周波成分が重畳した直流電流の検出、および立上がり時間の短い電流（lmsec以下、ときには 1 sec)の検出が可能であることが必要とされる。このような要求に対しては、交流用に確立されてきた技術の活用に加えて、ゼロ点設定の方法 (被測定電流がゼロのときに出力をゼロに設定すること）、および感度設定の方法（出力の感度を規定値設定すること)、さらにはそれらの設定値の安定ィ匕などが課題となる。これらの課題は、強度変調型交流センサにおいては、受信信号の変調度を演算処理にて求める方法により達成されており、前掲の非特許文献 1にも記載されているところである。

[0004] 一方、直流用には上記変調度演算方式を用いることが出来ないため、例えば光フアイバジャイロに用いられるサニヤック干渉計を応用する方式 (例えば、非特許文献 2 ) ,光へテロダインを応用する方式 (例えば、非特許文献 3)などの開発が進められている。図 8は、その非特許文献 2に示す方式を図示したもので、以下、その概要について説明する。

[0005] 光源を発した光カ^プラ 1、デボラライザを通過後、偏光子を通過して直線偏光とされる。光はさらに、力ブラ 2により 2つに分けられてループ型ファイバ干渉計に入射し、それぞれループの内部を逆方向に回る光となる。 2つの光は、 1Z4波長板で円偏波に変換された後、センサファイバを伝搬する。その際、被測定電流が誘起する磁界がセンサファイバに印加されることによって、ファラデー効果により両者の伝搬速度の間に差が生じる。この 2つの光を力ブラ 2で合波した後、受光素子に入射することにより、位相差つまり電流に応じた受光強度の変化が起こる。この受光強度の変化から電流値を求める。

[0006] 上記システムには、感度の確保と受光強度の変動に対する出力の安定性確保を目的として、圧電振動子 (PZT)を用いて光の変調を行なうことによってキャリア信号を作り出し、ファラデー効果によってそのキャリアがさらに変調を受ける仕組みが用いられている。キャリアを復調することにより、システム出力を得る。すなわち、図 8において、変調信号を作り出すために基準信号発生器、振動子駆動部および圧電振動子などが設けられる。

[0007] また、変調の効率を高めるため、付加ファイバ (例えば、 100m程度）が設けられる。

さらに、変調の深さを一定に保っため、受信信号の中から変調周波数の 2倍波と 4倍波を抽出して両者の比を求め、その比に比例する信号を変調回路にフィードバックする。信号処理部には、同期検波回路などのやや複雑な要素が必要となる。

[0008] サニヤック干渉計方式では、変調を行なわな!/、と、原理上電流が小さ!/、ときのシステムの感度がゼロとなるため、変調は必須である。さらに、この方式では、システムの測定精度を保つ上で変調'復調を行なうことのほかに 1Z4波長板、偏光子、デポララィザなどの光学部品には特性が高精度のものを選ぶ必要がある。

非特許文献 1：黒澤「光ファイバ電流センサの開発と応用」静電気学会誌 28卷 5号 (第 251— 257頁） 2004

非特干文献 2 : M.takahashi,et al「¾agnac Interferometer-type fiber-optic current sen sor using single-mode fiber down leads」 Technical Digest of l th International confe rence on optical fiber sensor

非特許文献 3：黒澤「光へテロダイン法を応用した光電流変成器の基本特性の検討」電気学会論文誌 B117卷 3号 (第 354— 363頁） 1997

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] 上記のように、サニヤック干渉計方式には次のような問題がある。ィ)繊細かつ複雑な光学系を必要とする。

口)複雑な信号処理回路を必要とする。

ハ)キャリア信号を作成し、その変調'復調という操作を行なうことから、応答速度を早くすることが難しい。応答速度を高めるためにはキャリア周波数を高める必要があり、その場合には変調電力が増すとともに、信号処理回路の負担も増加する。

[0010] したがって、この発明の課題は、キャリア信号を用いない、高速な (高速応答，立上力 ^時間の短い)受信信号光の強度に情報を持たせる光強度検出方式を実現して構成の簡素化を図るとともに、ゼロ点調整や出力の較正を容易にすることにある。課題を解決するための手段

[0011] このような課題を解決するため、請求項 1の発明では、光源力の光を光学部品からなるセンサに導き、このセンサにて物理量に基づき前記光の強度を変調し、変調された光を偏波の直交する 2つの成分に分け、第 1,第 2の受光素子でそれぞれ受信し、第 1,第 2受光素子の出力から両成分の和と差の比を求めて物理量を検出するに当たり、

前記 2つの受光素子のそれぞれ入射される光に対してはそれぞれ可変光減衰器、前記 2つの受光素子からの出力信号に対してはそれぞれ可変増幅器の少なくとも 1 つを設け、光減衰率または増幅率を調整することで、センサ出力のゼロ点と感度の較正を可能にしたことを特徴とする。

[0012] 請求項 2の発明では、光源力もの光を光学部品からなるセンサに導き、このセンサにて物理量に基づき前記光の強度を変調し、変調された光を偏波の直交する 2つの成分に分け、 2つの受光素子でそれぞれ受信する一方、前記光源からの光を直接抽出して第 3の受光素子で受信し、第 1,第 2受光素子のいずれか一方の出力と第 3の受光素子出力との差を求め、この差と第 3の受光素子出力との比を求めて物理量を検出するに当たり、

前記第 1,第 2受光素子のいずれか一方と第 3の受光素子のそれぞれに入射される光に対してはそれぞれ可変光減衰器、前記第 1,第 2受光素子のいずれか一方と第 3の受光素子力の出力信号に対してはそれぞれ可変増幅器の少なくとも 1っを設け、光減衰率または増幅率を調整することで、センサ出力のゼロ点と感度の較正を可能にしたことを特徴とする。

[0013] 上記請求項 1または 2の発明に、ファラデー効果の原理を適用することで光電流センサを得ることができ（請求項 3の発明）、または、ポッケルス効果の原理を適用することで光電圧センサを得ることができる（請求項 4の発明）。

発明の効果

[0014] この発明によれば、キャリア信号を用いない、高速応答化が容易な光強度検出方式を実現したので、構成が著しく簡素化されるとともに、ゼロ点調整や出力の較正が容易となり、その結果、直流から高周波の交流までの広範囲の電流'電圧の測定が可能となる利点がもたらされる。

図面の簡単な説明

[0015] [図 1]この発明の原理説明図

[図 2]図 1における P , Pと Θ との関係説明図

A B F

[図 3]この発明の実施の形態を示す構成図

[図 4]この発明の他の実施の形態を示す構成図

[図 5]図 3と図 4とを兼用可能な構成図

[図 6]2信号方式のシステム構成図

[図 7] 1信号方式のシステム構成図

[図 8]従来例としてのサニヤック干渉計方式を示す構成図

符号の説明

[0016] 1…光源、 2…ビームスプリッタ、 3…偏光子、 4…ファラデー素子、 5…検光子、 61, 62, 63· ··受光素子（PD)、 71, 72, 73· ··可変光減衰器 (ATT)、 81, 82, 83· ··可変増幅器 (G)、 91…加算器、 92· ··減算器、 10· ··割算器 (DIV)、 11· ··低域通過フィルタ (LPF) 12"'ミラー、 13…偏 Z検光子。

発明を実施するための最良の形態

[0017] 図 1はこの発明の原理構成図である。

[0018] 同図において、 1は光源、 2はビームスプリッタ、 3は偏光子、 4はファラデー素子、 5 は検光子、 61, 62, 63はフォトダイオード (PD)等の受光素子である。 [0019] いま、図 1のビームスプリッタ 2の分離率を R、光量の伝送効率を 7? 、ファラデー素

1

子 4の長さを L、ファラデー回転角を Θ 、ベルデ定数を V、電流 Iにより生成する磁界

F

の強さを Hとして

I 2 Θ

F I < π/2, Θ =VHL=Vr"(l)

F

とおくと、受光素子 61, 62および 63にそれぞれ入射する光量 P , Pおよび Pは次

A B R

式で表わされる。

[0020] P = 7? - η - η - (1-R) (1/2)Ρ (1 + 2 θ )···(2)

A 1 2 A 0 F

P = η ' V ' V · (1— R) (lZ2) P (1— 2 θ )…（3)

B 1 2 B 0 F

P η · η -R-P ·'·(4)

R 1 R 0

理想状態では、

R=0---(5)

V = V = V = V = v =1···(6)

1 2 R A Β

なので、 (5), (6)式を (2), (3), (4)に代入すると、

Ρ =(1/2)Ρ (1 + 20 )···(7)

A O F

P =(1/2)P (1-2Θ )···(8)

B O F

P =0···(9)

R

となる。

(1)2信号方式

Pと Pの両方の信号を用いる方式である。ここで、（7)式 +(8)式を求めると、

A B

P +P =Ρ ·'·(10)

A B O

P P =P -2Θ ー（11)

A B O F

となる。よって、変調度を Mとすると、

2

M =(P -P )/(P +P )=2Θ "'(12)

2 A B A B F

と表わすことができる。 P , Pと 0 との関係を図示すると、図 2のようになる。

A B F

[0021] すなわち、理想状態ならば変調度 Mをセンサ出力とすることにより、精度を確保で

2

きる力実際は、 η , η , η , η , η ≠ 1である。そこで、 R = 0として、上記（2) , (

1 2 R A Β

3)式から変調度 Mを求めると、

2

M =(P -P )/(P +P ) ={ η (1 + 2Θ )~ η (1-2Θ )}/{ η (1 + 20 )+ η (1— 20 )}

A F Β F A F Β F

•••(13)

となり、 η = η でない限り、明らかに

A B

Μ≠2Θ

2 F

である。

[0022] したがって、直接（12)式で表わされる Mを求めても、センサ出力の精度は確保で

2

きない。そこで、図 1の受光素子 61, 62に入射する光量 P , Pに係数 G , Gを乗じ

A B A B

て、

P，=G P ---(14)

A A A

P，=G P ---(15)

B B B

として、上記（13)式の P , Pに置き換えて変調度 Mを求めると、

A B 2

M ={G - 7] (1 + 2Θ )-G · r? (1— 2 Θ )}/{G - η (1 + 2Θ )

2 A A F B B F A A F

+ G · 7] (1-2Θ )} ·'·(16)

B B F

となる。

[0023] いま、 G · η =G - η ---(17)

A A Β Β

とおいて、これを（16)式に代入すると、

Μ =2Θ ---(18)

2 F

が得られる。 G , Gの調整は、 Θ =0のときに、 Μ =0となるようにすればよい。

A B F 2

(2) 1信号方式

一方の信号のみを用いる方式である、ここでは、例えば Pを用いこととし、 Pを示す

A A

(7)式を下記する。

[0024] P =(1/2)Ρ (1 + 2Θ )···(7)

A O F

上記（7)式から P Z2を差し引いたものを、変調度 Mとして求める。

0 1

[0025] M =Ρ -Ρ /2= θ ·'·(19)

1 A 0 F

上式より、理想状態であれば変調度 Mをセンサ出力とすることにより、精度を確保

1

できるが、実際は、 7? , 7? , 7? ≠1である。そこで、 R = 0として、上記（2)式力も変

1 2 A

調度 Mを求めると、

1

Μ = η η η - (l/2)P (1 + 2Θ )-(l/2)P = (ΐ/2)Ρ { η η η - (1 + 2Θ )ー1 "（20)

0 1 2 A F

となる。

[0026] 上式は η η =1でない限りは、明らかに Μ ≠ 0 である。したがって、（19)式

1 2 A I F

で表わされる Mを求めても、センサ出力の精度は確保できない。そこで、受光素子 6

1

1に入射する光量 Pに係数 Gを乗じるとともに、通常、光源の安定ィ匕が困難であるこ

A A

とを考慮し、 Pと比例関係にある参照信号 Pを用いる。このとき、受光素子 63に入射

0 R

する光量 Pにも係数 Gを乗じるものとする。すなわち、

R R

P，=G P ·'·(21)

A A A

P，=G P ·'·(22)

R R R

とする。

[0027] (21), (22)式に先の（2), (4)式を代入し、次式で表わされる変調度 Mを求める。

[0028] M ={G · η η η (l—R) (l/2)P (1 + 20 ) ~G · η η RP }/G · η η R

Ρ

ο

={G · η η (1-R) (1/2) (1 + 20 )-G · 7} R}/G · η R

A 2 A F R R R R

••• (23)

いま、

(1/2)G - η η (1 R)=G · R=K〜（24)

A 2 A R R

とおいて（23)式に代入すると、次式のようになる。

[0029] M ={2ΚΘ + (Κ-Κ)}/Κ=2Θ ---(25)

1 F F

G , Gの調整は、 Θ =0のときに、 Μ =0となるようにすればよい。

A R F 1

[0030] ところで、簡素な構成の強度検出方式でゼロ点と感度の設定、設定値の安定化、高速応答などの特性を持つ装置を構築するには、以下のような条件を考慮する必要がある。

ィ)受信光信号の値は、光源強度と光源から受光素子に至る光路の伝送効率に応じて決まる。これらの値は装置を組立てる際に一定の値に定まるのではなぐ光学系毎に異なる。

口）光源から光ファイバ電流素子の間は必ず、コア径の細い単一モードファイバとなることなどから、光学系の僅かな狂いがセンサ素子に入射する光量の変化を引き起こし易い。一方、センサ素子直近の検光子を通過した光の受光素子までの伝送には、コァ径の太いマルチモードファイバを用いることができる。したがって、センサ素子への入射光量の安定化と、センサ素子通過光の受光素子までの伝送効率の安定化の困難度を比較すると、前者のセンサ素子への入射光量の安定化の方が難しい。

[0031] 以上の考察から、強度変調による直流電流検出装置を構築する上では、以下のことが有効であることが分かる。

a)被測定電流がゼロのときに、光学的または電気的手段によって信号の値を調整し、出力をゼロに較正できるよう、光学系と信号処理系を工夫する。

b)センサ素子への入射光量に対し出力が変動しないよう、光学系と信号処理系をェ夫する。

[0032] そこで、この発明では以下のようにする。図 3はこの発明の実施の形態を示す構成図である。これは、 2信号方式における（17)式を満たすように、係数 G , G , Gを調

A B R

整可能にした信号処理基本構成例を示す。

[0033] 例えば、センサ出力光を偏波の直交する 2つの成分に分けて得た P , Pのそれぞ

A B

れを、可変光減衰器 (ATT) 71 , 72を介して受光素子 (PD) 61 , 62に導くとともに、受光素子 PDからの出力信号に対しては可変増幅器 (G) 81 , 82を挿入したものである。なお、 91は減算器、 92は加算器、 10は割算器 (DIV)を示す。

[0034] その調整方法は、（1)被測定電流 = 0とした状態で、 (2) ATT71 , 72の減衰率 α

A

，、または G81， 82の増幅率 g， gを変え、出力 S = 0となるように調整する。この

B A B

ようにすると、先の（17)式の条件が満たされる。すなわち、

G - η = G · η … ァ）

A A Β Β

が成立する。ここに、

G = α g - - (26)

A A A

G = a g - - (27)

B B B

である。なお、（17) , (26) , (27)式を満たす条件として、 α , α , g , gのすベて

A B A B

を調節する必要は無ぐこれら 4つのパラメータのうちの少なくとも 1つを調整すれば良い。

[0035] 図 4はこの発明の別の実施の形態を示す構成図である。これは、 1信号方式における（24)式を満たすように、係数 G , G , Gを調整可能な信号処理基本構成例を示

A B R

す。

[0036] 例えば、センサ出力光を偏波の直交する 2つの成分に分けて得た P , Pのいずれ

A B

か一方と参照光 Pを、可変光減衰器 (ATT) 71 , 73を介して受光素子 (PD) 61, 63

R

に導くとともに、受光素子 PD力もの出力信号に対しては可変増幅器 (G) 81, 83を挿入したものである。なお、 11はローパスフィルタ（LPF)で、参照信号にリップルなどの交流成分が含まれている場合に、この影響を取り除くために設けられる。

[0037] その調整方法は、図 3の場合と同様である。すなわち、（1)被測定電流 =0とした状態で、 (2) ATT71, 73の減衰率ひ , a 、または G81, 83の増幅率 g , gを変え、

A R A R

出力 S = 0となるように調整する。このようにすると、先の（24)式の条件が満たされる。すなわち、

(1/2) G - 7? 7? (1 R) =G · 7? R〜（24)

A 2 A R R

が成立する。ここに、

G = α g - (28)

A A A

G = α g - (29)

R R R

である。なお、（24) , (28) , (29)式を満たす条件として、 α , α , g , gのすベて

A R A R

[0038] 図 5に図 3と図 4の両方に兼用し得る回路例を示す。

[0039] これは、上側の系統に信号 P , Pのいずれか一方（ここでは P )を導入し、下側の

A B A

系統に信号 Pまたは Pを選択的に導入するとともに、 2つのスィッチ SWを図示の位

B R

置にそれぞれ設けたものである。したがって、下側の系統に信号 P

Bを導入しスィッチ

SWをオンとすれば図 3の回路、また下側の系統に信号 Pを導入しスィッチ SWをォ

R

フとすれば図 4の回路を得ることができる。

[0040] 図 6,図 7に以上のようなセンサ光学系と信号処理系とからなる全体構成図を示す。

[0041] 図 6は 2信号方式、図 7は 1信号方式の例で、図 6 (a)は透過型、 (b)は反射型を示し、図 7 (a)は透過型、（b)は反射型 (その 1)、（c)は反射型 (その 2)をそれぞれ示す。その機能，作用は上述の通りであるので、説明は省略する。なお、図 6 (b)、図 7 (b) (c)の符号 12はミラー、 13は偏 Z検光子 (偏光子と検光子の機能を有する）であるなお、以上では主として電流センサについて説明した力この発明はファラデー効果に代えてポッケルス効果の原理を適用することで光電圧センサを提供することができ、電流，電圧を含む物理量を検出する光センサを提供することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 光源力もの光を光学部品からなるセンサに導き、このセンサにて物理量に基づき前記光の強度を変調し、変調された光を偏波の直交する 2つの成分に分け、第 1,第 2 の受光素子でそれぞれ受信し、第 1,第 2受光素子の出力から両成分の和と差の比を求めて物理量を検出するに当たり、

前記 2つの受光素子のそれぞれ入射される光に対してはそれぞれ可変光減衰器、前記 2つの受光素子からの出力信号に対してはそれぞれ可変増幅器の少なくとも 1 つを設け、光減衰率または増幅率を調整することで、センサ出力のゼロ点と感度の較正を可能にしたことを特徴とする光センサ。

[2] 光源力もの光を光学部品からなるセンサに導き、このセンサにて物理量に基づき前記光の強度を変調し、変調された光を偏波の直交する 2つの成分に分け、 2つの受光素子でそれぞれ受信する一方、前記光源からの光を直接抽出して第 3の受光素子で受信し、第 1,第 2受光素子のいずれか一方の出力と第 3の受光素子出力との差を求め、この差と第 3の受光素子出力との比を求めて物理量を検出するに当たり、前記第 1,第 2受光素子のいずれか一方と第 3の受光素子のそれぞれに入射される光に対してはそれぞれ可変光減衰器、前記前記第 1,第 2受光素子のいずれか一方と第 3の受光素子力の出力信号に対してはそれぞれ可変増幅器の少なくとも 1つを設け、光減衰率または増幅率を調整することで、センサ出力のゼロ点と感度の較正を可能にしたことを特徴とする光センサ。

[3] 前記請求項 1または 2に記載の光センサに、ファラデー効果を用いた光電流センサ

[4] 前記請求項 1または 2に記載の光センサに、ポッケルス効果を用いた光電圧センサ