JPH0224349B2

JPH0224349B2 -

Info

Publication number: JPH0224349B2
Application number: JP57129524A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Matsumoto
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-07-27
Filing date: 1982-07-27
Publication date: 1990-05-29
Also published as: DE3326736C2; GB2125960B; JPS5919875A; US4539521A; DE3326736A1; GB8319967D0; GB2125960A

Description

【発明の詳細な説明】

ａ技術分野本発明はフアラデ効果（磁気光学効果）を用い
て磁界、電流等を計測する装置に係り、特にフア
ラデ回転角を検出する磁界測定装置に関する。ｂ発明の技術的背景及びその問題点高電圧、高電流機器の電流を計測するため、被
測定電流によつて生じた磁界を利用し、この磁界
の強よさによつて、磁気光学物質（フアラデロテ
ータ）の偏光方位角が回転する現象を把えて電流
を検出する技術がある。この技術は従来の変流器による電流検出に比
し、絶縁性が優れ、磁界を乱したりすることもな
く、又周波数特性が優ぐれていると云う特長を持
つ。しかしながら、従来の偏光回転角（フアラデ回
転角）を計測する方式は回転角を光強度の振幅で
検出しており、光路中の損失の影響を受け、又、
回転角に比例した検出量が得られず、光強度振幅
をフオトダイオード等の光電気変換器で電気信号
に変換する過程で、温度等のドリフトの影響で高
精度の検出が困難な状況にある。こゝで、従来、最も利用されているフアラデ回
転角検出方式を第１図によつて説明し、その欠点
を述べる。第１図のレーザ光源１は単一周波数ω
で光電磁波の電界E₁がｘ軸から45゜の方位角を持
つ直線偏光を出射し、その光線はｚ軸方向に進
み、フアラデロテータ２を通り、ウオラストンプ
リズム４で、光線は２分され光線９，１０となつ
てフオトダイオード５，６に入射する。今、フア
ラデーロテータ２の入射面に第１図のようなｚ軸
と直交する直角座標軸ｘ、ｙ軸をとり、その出射
面に第１図のようなｚ軸と直交する直角座標軸
ξ，η軸をとる。又、ξ，η軸は各々ｘ，ｙ軸に
平行にとる。フアラデロテータ２に第１図に示すようにコイ
ル状導線３を巻き、この導線３に電流Ｉを流す
と、図示のようにｚ軸方向に電流Ｉに比例した磁
界H_zが発生する。この磁界H_zにより入射方位角
45゜の直線偏光E₁はフアラデロテータ２を通ると、
F゜だけ偏光回転しその出射光E₂は第１図に示す
如く方位角が45゜＋F゜の直線偏光E₂となる。この偏光回転角F゜はＦ＝VkHzLなる式で与え
られ、Vkはベルデの定数といわれフアラデロテ
ータ２の磁気光学物質の材料によつて決まる、ま
たＬはフアラデロテータ２のｚ軸方向の距離であ
る。かくして偏光回転角Ｆを測ることにより、磁
界H_zまたはそれに比例する電流Ｉを以下に述べ
る方法により計測できる。今、レーザ光源１の直線偏光E₁の振巾をａ、
光の周波数をωとすれば、E₁＝asinωtで方位角
45゜の方向に振動している。このE₁のｘ，ｙ軸成
分Ex，Eyはで与えられる。このような電界成分Ex，Eyがフ
アラデロテータ２を通ると、ロテータ２の偏光回
転作用により、次の回転角度F゜の座標回転行列の
作用を受けたξ，η方向の電界成分、Eξ，Eηが
ロテータ２の出射面に生ずる。故に、電界成分Eξ，Eηを持つ合成電界E₂は直
線偏光で、E₂の方位角θは tanθ＝Eη／Eξ＝sinF＋cosF／cosF−sinF＝tan（45゜
＋Ｆ） …（2A）よりθ＝45゜＋Ｆが得られ、入射波E₁の直線偏光
方位角45゜から、出射波E₂の直線偏光方位角45゜＋
F゜へ変化し、方位角がF゜だけ回転する。また(2)式
よりE₂の振幅｜E₂｜＝√｜｜²＋｜｜²＝ａ
となり、その振幅は｜E₁｜＝ａと同じであるこ
とがわかる。ウオラストンプリズム４はξ軸方向の偏光成分
Eξ軸方向の偏光成分Eξのみを光線９とし、フオ
トダイオード５に入れ、またη軸方向の偏光成分
Eηのみを光線１０とし、フオトダイオード６に
入れるようにする。フオトダイオード５は光線９
の光強度｜Eξ｜²に比例した電気信号Iξに変換
し、フオトダイオード６は光強度｜Eη｜²に比例
した電気信号Inに変換する。電子回路７はIξ，Iη
より Iη−Iξ／Iη＋Iξ を計算し、検出量とする。(2)式より

【式】

【式】だから、 Iη−Iξ／lη＋Iξ＝｜Eη｜²−｜Eξ｜²／｜Eη｜²＋
｜Eξ｜²＝（sinF＋cosF）²−（cosF−sinF）²／（sinF
＋cosF）²＋（cosF−sinF）²＝4sinFcosF／２＝sin2F…
(3) (3)式より、第１図の方式では検出量はsin2Fで
検出され、フアラデー回転角Ｆに比例した値は検
出されない。したがつてＦ＝１／２sin^-1（Iη−Iξ／I
η＋Iξ）なる計算によつて、Ｆを求めるような計算機構を
必要とする欠点を持つ。また、Ｆが180゜変化する
毎に検出量が同じ値をとるので、Ｆの検出範囲が
±90゜以内しか、測定できない欠点を持つ。第１図の最も重大な欠点は光強度｜Eξ｜²，｜
Eη｜²をフオトダイオード５，６で電気信号に変
換する過程でドリフトが発生することである。一
般にフオトダイオードの暗電流が信号分Iξ，Iηに
加わり、この暗電流は温度と共にドリフトし、こ
の暗電流分を分離した光強度信号Iξ，Iηを得るた
めの回路は複雑になる欠点がある。また、第１図
の両方のフオトダイオード５，６は完全に同じ
光／電気変換効率をも維持しないと検出誤差が生
ずるが、この変換効率は経年変化があり、両方の
ダイオードの特性を経年変化迄完全に合わすこと
は困難である。ｃ発明の目的本発明の目的は上記従来方式の欠点を克服する
ために検出方式に光スーパーヘテロダイン検出を
用い、検出電気信号の位相がフアラデ回転角によ
り磁界に比例することから光伝送損失及び光電気
変換器のドリフトの影響を受けない高精度の磁界
測定装置を得ることにある。ｄ発明の概要本発明は、直線偏光が互いに直交し周波数差△
ωを有する２周波のレーザー光を出力する光源
と、この２周波のレーザー光の一部を基準光とし
て反射抽出するビームスプリツタと、該基準光の
一定方位角の偏光を通過させる第１の検光子と、
該第１の検光子を通過した光から周波数△ωの第
１の電気信号を得る第１の光電変換手段と、該２
周波のレーザー光の一部を互いに回転方向の異な
る２つの円偏光に変換する入／４波長板と、フア
ラデ効果を有し該２つの円偏光を通過させる磁気
光学物質と、該磁気光学物質を通過した２つの円
偏光の一定方位角の偏光を通過させる第２の検光
子と、該第２の検光子を通過した光から周波数△
ωの第２の電気信号を得る第２の光電変換手段を
設け、上記第１の電気信号と第２の電気信号の位
相差から磁界の強さに比例したフアラデ回転角を
検出することを特徴とする磁界測定装置である。ｅ発明の実施例本発明の、光学系の構成を第２図に示す。二周
波数レーザ１１は第２図に示すように、ｘ軸方向
に直線偏光した光周波数ωの電界Exとｙ軸方向
に直線偏光した光周波数ω＋Δωの電界Eyを持
つ、光線をｚ軸方向に出射する。このような二周
波数レーザ１１としてはゼーマン効果を利用した
ものが市販されて居り、Δωは2π×1.2×10⁶
（rad／ｓ）程度であるのでフオトダイオードは
このΔω周波数に十分応答できる。また、ゼーマ
ン効果以外の二周波数レーザとしては普通の横方
向単一モードレーザの縦モードが二周波数ωとω
＋Δωの光を発振し、ωとω＋Δωの周波数の光
は互いに直角に直接偏光している事実を利用する
ことも可能である。或いは、単一周波数ωのレー
ザ光からブラツグセル等の光周波数シフターで周
波数ω＋Δωの周波数を作る方法を採用すること
も可能である。以上述べたいずれかの方法の直接偏光が互いに
直交した二周波数レーザ１１の光線はｚ軸方向に
進み、ビームスプリツタ１２で２分され、一方は
第２図の電界Ex，Eyとなつて入/4波長板１５へ
入射する。他方の光線は検光子１３へ向けられ
る。ビームスプリツタ１２から出た一方の光線の電
界Ex，Eyの振幅が共に

【式】とすればEx，Ey は(4)式で与えられる。 (4)式で表わされた直線偏光がその光学主軸がｘ
軸と45゜の方位角に置かれた入/4板１５を通過す
ると、第２図に示す如くEx成分は方位角がｙ軸
よりωtで右回転する振幅a/2の円偏光E_Rとなり、
その電界E_Rのｘ軸成分E_RXはE_RX＝ａ／２sinωt、ｙ軸成分E_RyはE_Ry＝ａ／２cosωtとなる。また、Ey成分は方位角がｘ軸より（ω＋Δω）ｔで左回転す
る振幅a/2の円偏光E_Lとなり、その電界E_Lのｘ軸
成分E_LXはE_LX＝ａ／２cos（ω＋Δω）ｔ、ｙ軸成分 E_LyはE_Ly＝ａ／２sin（ω＋Δω）ｔとなる。したがつて入/4板１５を出射した、ｘ軸方向、
ｙ軸方向の電界成分Ex′，Ey′は次式で与えられ
る。この電界Ex′，Ey′がフアラデローテータ１６
を通過するとその出力ｘ，ｙ軸方向の電界Ex″，
Ey″は(2)式と同様な、座標回転行列の作用を受け
(6)式で与えられる。 Ex″ Ey″＝cosF −sinF sinF cosFEx′ Ey′ …(6) 故に Ex″＝Ex′cosF−Ey′sinF …(7) (7)式に(5)式を代入すると、 Ex″＝ａ／２〔cosF（１−sinΔωt）−sinFcosΔωt〕
sinωt＋ａ／２〔cosF cosΔωt−sinF（１＋sinΔωt）〕cosωt＝｜Ex″
｜sin（ωt＋δ）但し、tanδ＝
cosFcosΔωt−（１＋sinΔωt）／cosF（１−sinΔωt
）−sinFcosΔωt が得られる。第２図の検光子１７はｘ軸方向の電界Ex″のみ
を通過させ、フオトダイオード１８に入れる。フ
オトダイオード１８は光強度｜Ex″｜²に比例し
た電気信号Ixに変換する。したがつて電気信号Ix
は Ix＝｜Ex″｜²＝a²／２〔１−sin（Δωt＋2F）〕…(9) このIxのΔω周波数成分を電気フイルタで抽出
すればフアラデ回転角Ｆの２倍で位相変調された
周波数Δωの電気信号が得られる。このように光の二周波数ωとω＋Δωより差周
波数Δω成分を取り出す技術は光スーパーヘテロ
ダイン検出と云われている。第２図のビームスプリツタ１２から検光子１３
に向う他方の光線も第２図のEx，Eyと同じ互い
に直交した直線偏光状態となつて居り、検光子１
３はｘ軸から45゜の方位角の直線偏光を通過させ
るように配置する。したがつて検光子１３から出射する直線偏光の
電界Erefは次式で与えられる。＝｜Eref｜sin（ωt＋δ′）但し、 tanδ′＝sinΔωt／１＋cosΔωt 上記電解Erefの光線フオトタイオード１４に入
射する。フオトダイオード１４は光強度｜Eref｜
^２に比例した電気信号Irefに変換する。したがつ
てIrefは Iref＝｜Eref｜²＝a²／２（１＋cosΔωt） …(11) このIrefのΔω周波数成分のみ抽出すれば基準
位相の周波数Δωの電気信号が得られる。次に本発明の電子回路系を第３図に示す。また
そのタイミング図を第４図に示す。第２図のフオ
トダイオード１４，１８を再び、第３図のフオト
ダイオード１４，１８によつて示す。(11)式で与え
られるIrefの周波数成分Δωがフイルタ１９で抽
出され、その出力ａは第４図ａのように直流分の
ない正弦波になる、この出力ａは零電圧検出器２
１で波形整形され、出力ａがO^vを負から正に横
切る時点で３段カウンタ２３をトリガする。３段
カウンタ２３は第４図ｂに示すようにトリガされ
る毎に１，２，３の状態をくり返えし、状態が３
から１に変化する時第４図ｃに示すような出力ｃ
を出す、この出力ｃはフリツプフロツプ２５をリ
セツトする。一方(9)式で与えられる位相がフアラデ回転角Ｆ
の２倍2Fで位相変調された電気信号IxのΔω周波
数成分がフイルタ２０で抽出され、その出力ｄは
第４図ｄの正弦波となる。この出力ｄは零電圧検
出器２２で出力O^vを負から正に横切る時点で３
段カウンタ２４をトリガする。このカウンタ２４
も第４図ｅに示すように、１，２，３の状態をく
り返えし、状態が３から１に変化する時、第４図
ｆに示すような出力ｆを出し、この出力ｆはフリ
ツプフロツプ２５をセツトする。したがつて第４図ｇに示すようにフリツプフロ
ツプがリセツトしている期間は3.5π−2F^(rad)、セ
ツトしている期間は2.5π＋2F^(rad)となる。このフリツプフロツプ２５の出力ｇは第４図ｇ
に示す如く、セツトしている時＋3.5^vリセツトし
ている時は−2.5^vの電圧を出力し、RCによる低
域通過フイルタ２６を介して平均直流電圧ｖを出
力し、これが検出値となる。直流平均電圧ｖは、ｖ＝3.5V（2.5π＋2F）−2.5V（3.5π−2F）／6π＝2
V／πＦ…(12) となり完全にフアラデ回転角Ｆに比例した電圧
が、検出値ｖとして得られる。(12)式より本発明の
方式ではヘテロダイン差周波数Δωが変わつても
検出値に影響を与えないと云う利点が認められ
る。又第３図の構成に於いては電気信号Iref，Ix
の直流分はフイルタ１９，２０でカツトされるの
でフオトダイオード１４，１８のドリフトに影響
されない。また、(9)，(11)式で与えられる。Iref，
IxのΔω成分の振幅a²/2の大きさに無関係に零電
圧検出器２１，２２がO^v点を検出する。故にレ
ーザ１１の光出力変動は精度を損わない。又、フ
オトダイオードの光電気変換の経年変化に無関係
である。また第３図の構成ではフアラデ回転角Ｆが±
1.5πradの範囲の検出能力を持つ。検出範囲は第
３図のカウンタ２３，２４の段数を増やすことに
よりいくらでも増加できる。ｆ他の実施例第５図に本発明の他の実施例を示す。第５図は
超高圧導体２７に流れる電流Ｉを測定する装置で
ある。上記導体２７にフアラデ効果がある単一モ
ード光フアイバ３０を数回巻きつけるとこのフア
イバ３０は電流Ｉによつて偏光方位角を回転させ
る。二周波数レーザ１１は直線偏光が互いに直交
した二周波数の光線を出し、この光線は偏波面保
存フアイバ２８を通つて直線偏光状態が損われる
ことなく、ビームスプリツタ１２に達する。ビー
ムスプリツタ１２で光は２分され、一方は入/4板
１５に進み、フアラデ効果を持つ単一モードフア
イバ３０でフアラデ回転作用を受け検光子１７で
一定偏光成分の電界Ex″が取り出される。この電
界Ex″は(8)式で与えられ、その光強度は(9)式のよ
うにΔωで強度変調された光である。この光はフ
アイバ３１でフオトダイオード１８に達し電気信
号Ixとなる。光フアイバ３１は周波数帯域がΔω
以上のものならば(9)式の光強度変調の位相変調情
報２Ｆは正確に伝送される。又、本発明の検出原
理は振幅の変動に無関係に検出するのでフアイバ
３１の損失により、検出誤差が生じない。したが
つてフアイバ３１で長距路の情報伝送ができる。ビームスプリツタ１２よりの他方の光線は検光
子１３により(10)式の電界Erefが取り出され、その
光強度は(11)式で与えられる。この光はフアイバ２
９でフオトダイオード１４に達し、電気信号Iref
となる。フアイバ２９も周波数帯域がΔω以上の
ものならば基準位相情報をフアイバ２９が長くて
も正確に伝送できる。したがつて超高圧導体２７
から遠く離れている変電所屋内３２へ電流Ｉの測
定値を伝送することができ、雷発生時の電気雑音
が大きくても正確に電流Ｉを計測できることにな
る。従来フアラデ効果がある単一モードフアイバ３
０を遠方の変電所屋内３２迄の途中の光伝送路に
於いてフアラデ回転情報Ｆが乱れて、使いものに
ならなかつたが、本発明によれば、途中の光伝送
路の光伝送損失、偏光状態分散に無関係に高精度
でフアラデ回転情報を長距離の間伝送することが
できる。ｇ発明の効果本発明の磁界測定装置によればフアラデ効果に
よる位相変調を利用するので光伝送路の伝送損失
が精度に影響せず長距離伝送が可能となり、従来
の方式の様に複雑な計算が不要となり、検出の応
答特性の良い高精度の磁界測定装置を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のフアラデ回転角を測定する装
置の構成図、第２図は、本発明の光学系の構成
図、第３図は本発明の電子回路系の構成図、第４
図は第３図を説明するためのタイミング図、第５
図は本発明の他の実施例を示す図である。１……単一周波数レーザ、２，１６……フアラ
デロテータ、４……ウオラストンプリズム、５，
６，１４，１８……フオトダイオード、７……電
子回路、１１……二周波数レーザ、１２……ビー
ムスピリツタ、１３，１７……検光子、１５……
入／４波長板、１９，２０……電気フイルタ、２
１，２２……零電圧検出器、２３，２４……カウ
ンタ、２５……フリツプフロツプ、２７……高圧
導体、２８……偏波面保存フアイバ、２９，３１
……光フアイバ、３０……単一モードフアイバ。

Claims

【特許請求の範囲】

１直線偏光が互いに直交し周波数差△ωを有す
る２周波のレーザー光を出力する光源と、この２
周波のレーザー光の一部を基準光として反射抽出
するビームスプリツタと、該基準光の一定方位角
の偏光を通過させる第１の検光子と、該第１の検
光子を通過した光から周波数△ωの第１の電気信
号を得る第１の光電変換手段と、該２周波のレー
ザー光の一部を互いに回転方向の異なる２つの円
偏光に変換する入/4波長板と、フアラデ効果を有
し該２つの円偏光を通過させる磁気光学物質と、
該磁気光学物質を通過した２つの円偏光の一定方
位角の偏光を通過させる第２の検光子と、該第２
の検光子を通過した光から周波数△ωの第２の電
気信号を得る第２の光電変換手段を設け、上記第
１の電気信号と第２の電気信号の位相差からフア
ラデ回転角を検出することを特徴とする磁界測定
装置。