JPH0432991B2 - - Google Patents

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JPH0432991B2
JPH0432991B2 JP58032778A JP3277883A JPH0432991B2 JP H0432991 B2 JPH0432991 B2 JP H0432991B2 JP 58032778 A JP58032778 A JP 58032778A JP 3277883 A JP3277883 A JP 3277883A JP H0432991 B2 JPH0432991 B2 JP H0432991B2
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JP
Japan
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optical
magnetic field
signal
magnetic
light
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JP58032778A
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JPS59159076A (ja
Inventor
Tadashi Sato
Genji Takahashi
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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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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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
  • Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、フアラデ効果を有する磁気旋光体に
よつて回転される偏光面の回転角を検出し、これ
によつて磁界強度を検出する磁界センサに関す
る。
〔発明の背景〕
この種の磁界センサとしては、第1図又は第2
図に示すものが提案されている。第1図に示すも
のは磁界の強度Hそのものを計測するものであ
り、第2図に示すものは導体に流れる電流Iによ
つて形成される磁界の強度Hを計測し、これによ
つて電流Iを計測しようとする変流器の一例であ
る。
第1図に示すように、発光ダイオード等からな
る発光部1から射出される光は、光フアイバ2を
介して集光レンズ3に導びかれ、集光レンズ3に
より平行光に近い光になつて偏光子4に入射さ
れ、この偏光子4により取り出された偏光が磁気
旋光体5に入射されるようになつている。磁気旋
光体5は置かれた磁界の強度H(図示矢印方向)
によつていわゆるフアラデ効果を示すもの、例え
ば鉛ガラスや磁性膜等によつて形成されている。
したがつて、磁気旋光体5一端面に入射された偏
光の偏光面は、磁界強度Hに比例してθだけ回転
されて他端面から射出される。この射出光は偏光
プリズム又は偏光ビームスプリツタ等からなる検
光子7に入射され、ここにおいて直角2成分(X
成分、Y成分)のベクトル光に分光されるように
なつている。これらのベクトル光はそれぞれ集光
レンズ8,9によつて集光されて光量信号PX
PYとなり、光フアイバ10,11を介して受光
素子12,13に導かれるようになつている。受
光素子12,13は例えばフオトダイオードから
形成されており、受光する光量信号PX,PYに比
例した電流信号を出力する光電変換器である。磁
界が交番磁界の場合を例にとれば、この電流信号
は電流電圧変換アンプ14,15によつて、次式
(1)、(2)に示す電圧信号VX,VYに変換されるよう
になつている。なお、同式中のK1は定数である。
VX=K1(1+sin2θ) ……(1) VY=K1(1−sin2θ) ……(2) 電圧信号VXはアナログ加算器16,17の+
入力端に入力され、電圧信号VYはアナログ加算
器16の+入力端とアナログ加算器17の−入力
端にそれぞれ入力されている。アナログ加算器1
7の出力は割算器18の分子入力端に、アナログ
加算器16の出力は割算器18の分母入力端にそ
れぞれ入力されている。これによつて、割算器1
8から出力される信号V0は次式(3)で表わされた
ものとなる。
V0=VX−VY/VX+VY=sin2θ ……(3) 式(3)で、θ<<1なる範囲においては次式(4)が
成立する。なお、同式中K2は比例定数である。
V0≒2θ=K2・H ……(4) 即ち、式(4)から明らかなように、割算器18の
出力信号V0によつて磁界強度Hを検出するよう
になつているのである。
第2図は前述したように磁界センサを変流器に
適用した場合の一例である。即ち、導体6に流れ
る交流電流Iを検出しようとするものである。磁
気旋光体5には導体6が貫通される孔が形成され
ており、偏光子4から射出された光は磁気旋光体
5内を図示点線で示した光路を経て、検光子7に
導びかれるようになつている。即ち、光は導体6
を周回するようになつている。その他は第1図図
示例と同一に構成されている。
したがつて、磁気旋光体5内を透過される偏光
は、電流Iに比例して生ずる磁界の強度Hに比例
してその偏光面が回転され、割算器18の出力
V0は前式(3)と同じになり、θ<<1なる範囲に
おいては次式(5)に示すものとなる。なお同式中
K3は比例定数である。
V0≒2θ=K3・I ……(5) このようにして、導体6に流れる電流Iを検出
するようになつているのである。
しかしながら、第1図又は第2図に示したもの
にあつて、光フアイバ10,11や光源1等の光
学系の特性が変動したり、光フアイバ10,11
間に特性のアンバランス等が生じることがあり、
前記光量信号PX,PYに誤差信号としてのノイズ
が含まれることがある。例えば、光量信号の伝送
に差が生じて信号VYが次式(6)で示すものとなる
ことがある。
VY=K1(1−δ)(1−sin2θ) ……(6) これによつて出力信号V0は次式(7)となつてし
まい、大きな誤差が生じてしまうという欠点があ
つた。
V0≒2θ(1+δ/2) ……(7) 〔発明の目的〕 本発明の目的は、光フアイバ等の光学系の特性
変動に伴う誤差を除去して、安定且つ高精度の磁
界センサを提供しようとすることにある。
〔発明の概要〕
本発明は、光フアイバから射出される光量信号
を電気信号に変換した後、この電気信号から各々
の平均値を減算し、更に各々前記平均値で除算
し、この除算して得られる信号の差に基づいて偏
光面の回転角を検出することにより、光フアイバ
等の光学系の特性変動に伴う誤差を除去して、安
定な且つ高精度の検出を行なおうとするものであ
る。
〔発明の実施例〕
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
第3図に本発明の第1実施例を示す。本実施例
は第1図図示従来例に対応するものであり、光学
系は同一構成であるから説明を省略する。
第3図に示したように、受光素子12,13に
よつて変換された電流信号は、電流電圧変換アン
プ14,15によつて電圧信号VX,VYに変換さ
れ、各々低域フイルタ19,20とアナログ加算
器21,22の+入力端とに入力される。低域フ
イルタ19,20の出力は前記アナログ加算器2
1,22の他の+入力端と割算器23,24の分
母入力端とに各々入力されている。この割算器2
3,24の分子入力端には前記アナログ加算器2
1,22の出力が入力されており、割算器23,
24の出力は各々アナログ加算器25の−入力端
と+入力端とに入力されている。
このように構成される信号処理回路の動作につ
いて以下に説明する。磁界が交番磁界とすると、
電流電圧変換アンプ14,15の出力信号VX
XYは前式(1)、(2)にて表わされたものとなつてい
る。低域フイルタ19,20は入力される信号
VX,VYの交流成分を除去して平均値XY
し、さらに反転して出力する。なお、平均値X
YはK1に等しいものになる。アナログ加算器2
1,22の出力信号は各々(VXX)、(VY
)となり、割算器23,24の出力信号S1,S2
は各々次式(8)、(9)で表わすものとなる。
S1=VX−VX/−VX=−sin2θ≒−2θ……(8) S2=VY−VY/−VY=sin2θ≒2θ ……(9) したがつて、アナログ加算器25の出力信号
V0は、次式(10)で表わすものとなる。
V0=S2−S1≒4θ≒K2・H ……(10) ここで、本実施例によれば光学系の特性変動に
伴う誤差を除去することができるということにつ
いて説明する。
まず、光学系の誤差要因は大きく2つに分けら
れる。1つは光フアイバ10,11の光伝送損失
が経時劣化して2本の伝送特性が不均一になつた
り、それらの温度特性が異なるために伝送特性が
不均一になることに起因して、非常に緩慢な光量
変動が生ずる場合である。他の1つは光学構成部
品が機械的に歪んだり、振動したりすることによ
つて、実質的にフアラデ回転現象が発生すること
に起因して、速い光量変動が発生する場合であ
る。これらの誤差要因は実験及び理論の両面から
確認している。
前記の非常に緩慢な光量変動に伴う誤差信号が
含まれると、アンプ14,15の出力VX,XY
各々式(11)、(12)に表わすものとなる。
VX=K1・(1−δX)・(1+sin2θ) ……(11) VY=K1・(1−δY)・(1−sin2θ) ……(12) これらは、低域フイルタ19,20によつて平
均値化されると式(13)、(14)で表わすものとな
る。
X=K1(1−δX) ……(13) Y=K1(1−δY) ……(14) さらに、アナログ加算器21,22と割算器2
3,24によつて、交流信号成分を取り出すとと
もに平均値に対する比を求めることにより、信号
S1,S2は前記式(8)、(9)で表わすものとなり、誤差
要因δX,δYが除去される。
一方、交番磁界と同程度の速い光量変動を伴う
誤差成分δX′,δY′が含まれると、アンプ14,1
5の出力VX,VYは各々式(15)、(16)に示すも
のとなり、それらの波形は第4図a,cに示すよ
うに、誤差成分δX′,δY′を含んだものとなつてい
る。
VX=K1・(1−δX′)・(1+sin2θ)≒K
1・(1+2θ−δX′)……(15) VY=K1・(1−δY′)・(1+sin2θ)≒K
1・(1−2θ−δY′)……(16) したがつて、割算器23,24の出力信号S1
S2及びアナログ加算器25の出力信号V0は、そ
れぞれ式(17)、(18)、(19)に示すものとなり、
それらの波形は第4図b,d,eに示すようにな
る。
S1=VX−VX/−VX≒−(2θ−δX′)……(17) S2=VY−VY/−VY≒2θ+δY′ ……(18) V0≒4θ+(δY′−δX′) ……(19) 式(19)に示したように、誤差項(δY′−δX′)
が残るが、δX′=δY′となるように光フアイバ1
0,11の特性ができるだけそろつたものを選定
し、且つ同一ケーブル内に設置するようにすれ
ば、機械的振動等に起因する誤差を除去すること
ができる。つまり、光量信号のうち真の信号成分
が逆位相、誤差成分が同位相となることに着目
し、信号を差動処理して信号成分を増大し、誤差
成分を低減して、高精度の検出を行なえるように
しているのである。
また、本発明によれば信号処理回路がアナログ
処理となつているので、広帯域にわたる周波数の
交番磁界を高速度で検出できるという効果もあ
る。
第5図に示す本発明の第2実施例を示す。本実
施例は第2図図示従来例に対応するものであり、
信号処理回路の部分は前記第1実施例と同一構成
となつている。したがつて、本実施例によれば前
記第1実施例と同一の効果が得られ、安定で且つ
高い精度で導体に流れる交流電流を検出すること
ができる。
第6図に本発明の第3実施例を示す。第6図に
は本発明の信号処理回路の部分のみが示されてい
る。図示されているように、電流電圧変換アンプ
14,15の出力信号VX,VYはA/D変換器2
6,27によつてデジタル信号に変換され、マイ
クロプロセツサ等により形成されるデジタル演算
装置28に入力されている。この演算装置28は
入力信号VX,VYの平均値を演算し、さらに前記
式(8)、(9)、(10)の演算を実行して出力信号V0
D/A変換器29に出力するようになつている。
これによつてD/A変換器29の出力信号は、磁
界強度H又は電流Iに比例した出力電圧を得るこ
とができる。
したがつて本実施例によれば、信号をデジタル
演算処理していることから、信号処理における精
度が一層向上され、さらに高精度に磁界又は電流
を検出することができる。また、検出にかかる信
号はsin2θ等の正弦関数であるが、逆正弦関数
sin-1(X)等の演算要素を付加した信号処理を容
易に実行させることができることから、θ<<1
なる範囲に制限されることなく広い範囲の検出が
可能になる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、光フア
イバ等の光学系の特性変動に伴う誤差を除去する
ことができ、これによつて磁界又は電流を安定に
且つ高精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図は光学式磁界センサの例を示
す構成図、第3図は本発明の光学式磁界センサの
第1実施例の構成図、第4図a〜eは実施例を説
明するための各部信号波形図、第5図は本発明の
光学式磁界センサの第2実施例の構成図、第6図
は本発明の光学式磁界センサの第3実施例の要部
構成図である。 4……偏光子、5……磁気旋光体、6……導
体、7……検光子、10,11……光フアイバ、
12,13……受光素子、14,15……電流電
圧変換アンプ、19,20……低域フイルタ、2
1,22……アナログ加算器、23,24……割
算器、25……アナログ加算器、28……デジタ
ル演算装置。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 印加される磁場強度に応じて偏光面が回転す
    るフアラデ効果を有する磁気旋光体と、該磁気旋
    光体を透過されてくる偏光を直角2成分のベクト
    ル光信号に分光する検光子と、該光信号を光フア
    イバを介して受光し各々電気信号に変換する受光
    素子と、該受光素子から出力される電気信号によ
    つて前記偏光面の回転角を検出して磁場強度を検
    出する信号処理回路とを備え、前記信号処理回路
    は入力される信号から各々の平均値を減算し更に
    各々の前記平均値で除算し、該除算して得られる
    信号の差に基づいて前記回転角を検出するように
    構成されたことを特徴とする光学式磁界センサ。 2 特許請求の範囲第1項記載の発明において、
    前記磁気旋光体は導電体に近接して配置され該導
    体に流れる電流に応じて変化する磁場内に設けら
    れたものであることを特徴とする光学式磁界セン
    サ。
JP58032778A 1983-03-02 1983-03-02 光学式磁界センサ Granted JPS59159076A (ja)

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JPS59159076A JPS59159076A (ja) 1984-09-08
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0690236B2 (ja) * 1985-05-23 1994-11-14 三菱電機株式会社 光応用測定装置
JPS62333A (ja) * 1985-06-26 1987-01-06 株式会社東芝 磁気共鳴イメ−ジング装置
JPH0778526B2 (ja) * 1991-08-29 1995-08-23 日本碍子株式会社 光磁界センサ
AU643913B2 (en) * 1992-02-21 1993-11-25 Ngk Insulators, Ltd. Optical magnetic field sensor

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5988665A (ja) * 1982-11-13 1984-05-22 Hitachi Ltd 光応用磁界センサ

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JPS59159076A (ja) 1984-09-08

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