JPH0740063B2 - 光ファイバ磁界センサ - Google Patents

光ファイバ磁界センサ

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JPH0740063B2
JPH0740063B2 JP15445790A JP15445790A JPH0740063B2 JP H0740063 B2 JPH0740063 B2 JP H0740063B2 JP 15445790 A JP15445790 A JP 15445790A JP 15445790 A JP15445790 A JP 15445790A JP H0740063 B2 JPH0740063 B2 JP H0740063B2
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magnetostrictive
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文生 鈴木
成史 山崎
良三 山内
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Fujikura Ltd
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Fujikura Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、磁界を検出するための光ファイバ磁界セン
サに係わり、従来は固定されていた検出周波数を自由に
可変できる機能を有するものに関する。
「従来の技術」 従来より、磁界の測定装置としては、マッハツェンダ干
渉計型の磁界センサ等が知られている。従来の磁界セン
サは、レーザ光を出射する光源部、出射されたレーザ光
を参照光と測定光に分岐し、それぞれ参照用光ファイバ
および測定用光ファイバに導く第1のカプラ、測定用光
ファイバ上に設けられ、磁歪体と光ファイバからなり、
磁界によりファイバ内を伝搬する光波に位相変化を与え
る磁界センサ部、磁界センサ部において位相変化を受け
た光波と上記参照光とを合流させる第2のカプラ、第2
のカプラにて発生する干渉波を検出する光検出器、光検
出器からの光を増幅するアンプ部、増幅された信号光を
表示する表示装置等から構成されている。
これら各部のうち、磁界センサ部について第6図を用い
て説明する。この図に示された磁界センサ部1は、磁歪
効果を有する柱状の磁性材料2にセンサ用光ファイバ3
を接着して構成されている。この磁歪材料としては、ニ
ッケル、フェライト、アモルファス磁性体などが使用さ
れる。センサ用光ファイバとしては、光波の偏波状態を
保持して伝送可能な偏波保持光ファイバが安定した干渉
が得られるために最適である。
「発明が解決しようとする課題」 磁歪効果とは、磁界の強弱の変化によって磁性体の長さ
等が変化する現象である。変化する度合は磁界の周波数
によって異なり、一般に、磁性体の形状と材質によって
決まる特定の周波数において変化のピークが生ずる。こ
の時の周波数を磁歪体の共振周波数と呼ぶ。第7図は、
周波数に対するこの種の磁界センサの感度特性の一例を
示す。このピーク値に相当する周波数が共振周波数であ
る。従って、従来の磁界センサでは、ある特定の周波数
で感度が高くなり、その他の周波数では感度が低い欠点
があった。すなわち、従来の磁界センサでは使用周波数
が決まっていた。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、使用周
波数を自由に可変できる光ファイバ磁界センサを提供す
ることを目的としている。
「課題を解決するための手段」 本発明は、磁歪体に光ファイバを固定してなる磁界セン
サ部を備え、該磁歪体の材質及び寸法から生じる共振現
象を利用して磁界を測定する磁界センサにおいて、上記
磁歪体に直流磁界を与える直流磁界発生手段を設け、該
直流磁界発生手段から発生させる直流磁界の強度を変化
させて磁歪体の共振点を変化させるように構成し、これ
によって上記課題を解消した。
「作用」 この発明の光ファイバ磁界センサは、磁界センサ部の磁
歪体に、直流磁界を与える直流磁界発生手段を設け、該
直流磁界発生手段から発生させる直流磁界の強度を変化
させて磁歪体のヤング率を変化させ、これによって磁歪
体の共振点を可変にすることができる。
「実施例」 第1図は、本発明の光ファイバ磁界センサの一実施例を
示す図である。この光ファイバ磁界センサ11は、レーザ
光を出射する光源部12と、出射されたレーザ光を参照光
と測定光に分岐し、それぞれ参照用光ファイバ13および
測定用光ファイバ14に導く第1のカプラ15と、測定用光
ファイバ14上に設けられた磁界センサ部16と、磁界セン
サ部16において位相変化を受けた光波と上記参照光とを
合流させる第2のカプラ17と、第2のカプラ17にて発生
する干渉波を検出する光検出器18と、光検出器からの信
号を受信して増幅するロックインアンプ19等から構成さ
れている。
上記磁界センサ部16は、第2図に示すように、磁歪体20
上に、測定用光ファイバ14を接着剤21で固定し、かつ磁
歪体20の両端に、直流磁界発生手段の2つのコイル22,2
2を近接配置して構成されている。直流磁界発生手段
は、磁歪体20両端に配置され、各々の一端側が接続され
た上記2つのコイル22,22と、これらのコイル22,22に直
流電圧を印加する可変直流電源23とから構成されてい
る。この直流磁界発生手段は、可変直流電源23によりコ
イル22,22への直流電流値を変化させることによって磁
歪体20に種々の強度の直流磁界を付与するものである。
ところで、磁歪体20が角柱状である場合の共振周波数fn
は、次式(I)で表される。
ここでnは共振の次数、lは角柱の長さ、Eはヤング
率、ρは密度である。なお、共振モードには、縦振動モ
ード、ねじれ振動モード、曲げ振動モード等何種類かあ
るが、上記式(I)は縦振動モードに対応する共振周波
数である。
この式(I)より、磁歪体20のヤング率を何らかの方法
で変化させることができれば、共振点を可変にできるこ
とがわかる。ヤング率は、磁歪体に与える直流磁界を変
化させることで変えることができ、これはΔE効果と呼
ばれる現象である。従って、この光ファイバ磁界センサ
11は、直流磁界発生手段のコイル22,22の直流電流を変
化させ、磁歪体20に付与される直流磁界強度を変化させ
ることにより、磁歪体20のヤング率が変化し、磁歪体20
の共振点を可変にできる。
以上のように、この実施例の光ファイバ磁界センサ11
は、磁歪体20に付与する直流磁界を変化させ、磁歪体20
のヤング率を変化させ、磁歪体20の共振周波数を可変す
ることによって、目的の周波数を有する交流磁界に同調
させることができ、高感度で周波数選択性のある磁界セ
ンサとなる。
第3図は本発明の他の実施例を示すものである。この実
施例では、磁歪体20に直流磁界を付与する直流磁界発生
手段として、コイル22,22と可変可変直流電源23の代わ
りに、磁歪体20に対し接近、離間する方向に移動可能に
設けられた1対の永久磁石24と、これを移動させる移動
機構とから構成したものである。磁歪体20は、架台25の
中央部に載置され、その両側にはそれぞれ永久磁石24,2
4が移動可能に配置されている。これら永久磁石24,24
は、移動機構(図示略)により架台25上を移動する一対
の移動部材26,26に対向して取り付けられている。移動
部材26,26は、各々が接近しまたは離間する方向に沿っ
て移動する。これら移動部材26,26を移動させるための
移動機構としては、例えばモータを駆動源としたカム機
構やギア伝達機構、ベルト伝達機構など種々の装置を用
いることができる。
この実施例では、磁歪体20に永久磁石24,24を接近、離
間させて磁歪体20に付与される直流磁界の強度を変化さ
せることによって、磁歪体20のヤング率が変化して磁歪
体20の共振点を可変にすることができる。したがって、
この実施例の光ファイバ磁界センサは、先の実施例と同
様に磁歪体20のヤング率を変化させ、磁歪体20の共振周
波数を可変とし、目的の周波数を有する交流磁界に同調
させることができ、高感度で周波数選択性のある磁界セ
ンサとなる。さらにこの実施例では、永久磁石とそれを
移動させる移動機構とから直流磁界発生手段を構成した
ので、磁界発生手段の構成を簡略化できる。
(実験例1) 第1図のものと同様の光ファイバ磁界センサを作製し
た。光源には波長1.3μmのDFBレーザダイオード、第1,
第2のカプラには偏波保持光ファイバカプラを用いた。
測定用光ファイバおよび参照用光ファイバには応力付与
型の偏波保持光ファイバを使用した。この光ファイバの
コア径は8μm、クラッド径125μm、被覆径は400μ
m、伝送損失は0.4dB/Km、クロストークは−45dBであ
る。
磁界センサ部は、第2図に示すものと同様の構成とし、
磁歪体は幅25mm、長さ200mm、厚さ25μmのアモルファ
ス製金属テープを、厚さ25mmとなるまで積層したものを
用いた。
また磁歪体の両側に配置したコイルは、直径1mmのエナ
メル線を200回巻き、内径50mm、外径70mmとしたものを
用いた。
このセンサを用い、まず、直流磁界を付与しない状態で
磁歪体に0.12エルステッドの交流磁界を作用させて磁歪
体の磁界周波数に対する出力特性を測定した。この結果
を第4図に示す。この図の鋭いピークは共振点であり、
低い方から2.8、6.9、11(kHz)であった。磁歪体の共
振モードには前述したように縦振動、ねじれ振動、曲げ
振動等があり、縦振動モードに体する磁歪材料の共振周
波数fnは前述の式(I)で与えられる。ここで用いた磁
歪体のヤング率は約1.2×1011N/m2、密度は6.0×103Kg/
m3である。これにより計算した磁歪体の縦振動モードの
共振周波数は11kHzであった。従って、第4図中符号L
で示した共振点は、縦振動モードに対する共振であるこ
とがわかる。以後、縦振動モード共振に限定して説明す
る。
この磁歪体の両側に配置したコイルに可変直流電源から
直流電流を流した。直流電流は、0から20Aで変化させ
て磁歪体に付与する直流磁界を0エルステッドから1000
エルステッドまで変化させた。この時の共振周波数の変
化を第5図に示した。この図から明らかなように、この
センサでは直流磁界強度の変化によって磁歪体の共振周
波数を変化させることが可能であった。
(実験例2) 実験例1で用いたコイルを永久磁石としてセンサを構成
した。永久磁石はアルニコ系であり、寸法は直径40mm、
厚さ20mmで、1000エルステッドの磁界強度を発生してい
た。この永久磁石を磁歪体の近傍1mmの位置から10mmま
で離していった。この時、共振周波数は12から11.5kHz
まで変化した。なお、永久磁石を移動して磁歪体に与え
る磁界を変化するかわりに、磁歪体と永久磁石との間に
磁性体製のプレートを挿入する方法でも同様の効果が得
られた。
「発明の効果」 以上説明したように、この発明の光ファイバ磁界センサ
は、磁歪体に付与する直流磁界を変化させ、磁歪体のヤ
ング率を変化させて磁歪体の共振周波数を変化させるこ
とができるので、任意の周波数を有する交流磁界に対し
て高感度な磁界検出ができる。
また磁歪体の共振現象を利用しているため周波数選択性
が発揮され、共振周波数以外の交流磁界については感度
が弱まり、目的の交流磁界のみ検出できるので、雑音の
少ない磁界センサを構成することができる。
さらに磁歪体に直流磁界を付与する直流磁界発生手段
は、コイルと可変直流電源とから簡単に構成でき、簡単
で小型の磁界センサを構成することができる。また直流
磁界発生手段は、移動可能に設けられた永久磁石とこれ
を移動させる移動手段とからでも構成することができ、
これによりセンサの構造を一層簡略化できる。
また、この光ファイバ磁界センサを複数個配列すること
によって、更に高感度の磁界センサを構築できる。
さらに磁界が透過可能な非磁性体容器に光ファイバ磁界
センサを収納することにより、外乱に強い装置となる。
また容器内に真空密封することによって、温度により誘
起されるノイズも除去できる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は、本発明の一実施例を示すもの
で、第1図は、光ファイバ磁界センサの概略構成図、第
2図は、磁界センサ部の概略斜視図、第3図は、本発明
の他の実施例を示す磁界センサ部の概略側面図、第4図
および第5図は、本発明に係わる実験例を説明するため
のもので、第4図は磁歪体の磁界周波数に対する出力特
性を示すグラフ、第5図は磁歪体に直流磁界を付与した
場合の共振周波数の変化を示すグラフ、第6図は従来の
光ファイバ磁界センサの磁界センサ部を例示する斜視
図、第7図は第6図に示す磁界センサ部によって得られ
る出力特性を示すグラフである。 11……光ファイバ磁界センサ、16……磁界センサ部、20
……磁歪体、22……コイル、23……可変直流電源、24…
…永久磁石。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−274084(JP,A) 特開 昭61−182517(JP,A) 特開 昭60−40970(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】磁歪体に光ファイバを固定してなる磁界セ
    ンサ部を備え、該磁歪体の材質及び寸法から生じる共振
    現象を利用して磁界を測定する磁界センサにおいて、上
    記磁歪体に直流磁界を与える直流磁界発生手段を設け、
    該直流磁界発生手段から発生させる直流磁界の強度を変
    化させて磁歪体の共振点を変化させることを特徴とする
    光ファイバ磁界センサ。
JP15445790A 1990-06-13 1990-06-13 光ファイバ磁界センサ Expired - Lifetime JPH0740063B2 (ja)

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CZ306170B6 (cs) * 2006-11-30 2016-09-07 Vysoká Škola Báňská - Technická Universita Ostrava Způsob a zařízení pro zjišťování magnetických vlastností materiálu, zejména oceli
CN112068045B (zh) * 2020-09-02 2023-07-14 中国计量大学 一种非线性干涉型磁场传感器
CN114706025B (zh) * 2022-04-15 2024-03-22 深圳技术大学 一种基于磁电效应的谐振式dc磁传感器

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