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JPH0778526B2 - 光磁界センサ - Google Patents

光磁界センサ

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Publication number
JPH0778526B2
JPH0778526B2 JP4035037A JP3503792A JPH0778526B2 JP H0778526 B2 JPH0778526 B2 JP H0778526B2 JP 4035037 A JP4035037 A JP 4035037A JP 3503792 A JP3503792 A JP 3503792A JP H0778526 B2 JPH0778526 B2 JP H0778526B2
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JP
Japan
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arithmetic circuit
light
magnetic field
output
polarized light
Prior art date
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JP4035037A
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JPH05113471A (ja
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久和 岡島
雅樹 野田
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NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Publication date
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Priority to AU32842/93A priority patent/AU643913B2/en
Priority to EP19930301189 priority patent/EP0557090B1/en
Priority to DE1993620384 priority patent/DE69320384T2/de
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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
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/245Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R15/246Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect

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

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光磁界センサに関し、特
にファラデー効果を利用して高精度の測定が可能な光磁
界センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来から、ファラデー効果を利用して磁
界の強さを求める光磁界センサは種々の構造のものが知
られている。その一例として、特開昭61ー82179
号公報において、ファラデー素子を通過して検光子より
出射した2つのP偏光およひS偏光の光強度比を利用す
ることにより、ファラデー効果に無関係な光伝送路の損
失差に起因する誤差を補正して高精度で磁界強度を測定
できる磁界計測方法が開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述した特開昭61ー
82179号公報に開示された技術では、光磁界センサ
に磁界が印加されていないときの検光子より出射される
P偏光強度J1 とS偏光強度J2 の比a(=J1 /J
2 )を求めておき、光磁界センサに磁界が加わったとき
の信号取込時にS偏光強度J2 に対しこの比aを乗ずる
規格化による信号処理を行っているため、ファラデー効
果に無関係な光伝送路の損失差に起因する誤差を補正す
ることができる。しかしながら、上述した比aを乗ずる
信号処理しか行っていないため、温度に依存する誤差は
補正されず、特に温度変化の大きい状態で使用する光磁
界センサとして、高精度の測定をできない問題があっ
た。
【0004】本発明の目的は上述した課題を解消して、
温度に起因する計測誤差を排除して高精度の磁界強度の
測定ができる光磁界センサを提供しようとするものであ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の光磁界センサ
は、少なくとも光源と、光ファイバ伝送路を介して光源
から出射した光を直線偏光とする偏光子と、この直接偏
光に、印加された磁界に応じたファラデー効果を与える
ファラデー素子と、ファラデー効果を与えられた直線偏
光をS偏光とP偏光とに分離する検光子と、S偏光を受
光して光強度に応じた電気信号V1 に変換する第1の受
光素子と、P偏光を受光して光強度に応じた電気信号V
2 に変換する第2の受光素子と、第1の受光素子から供
給された電気信号V1 に基づき、その直流成分をDC1
としたとき、V11=(V1 ーDC1)/DC1の式より
出力V11を得る第1の演算回路と、第2の受光素子から
供給された電気信号V2 に基づき、その直流成分をDC
2としたとき、V22=(V2ーDC2)/DC2の式よ
り出力V22を得る第2の演算回路と、必要に応じて反転
・増幅した第1の演算回路からの出力V11と第2の演算
回路からの出力V22とから、定数α、βをα+β=1と
したとき、V11・V22が正のときはV3 =1/(α/V
11+β/V22)の式より、V11・V22が負のときはV3
=1/(α/V11−β/V22)の式より、出力V3 を得
る第3の演算回路とからなり、第3の演算回路からの出
力V3 から磁界の強度を求めることを特徴とするもので
ある。
【0006】
【作用】上述した構成において、従来とほぼ同様の光磁
界センサの構成にさらに第3の演算回路を付加すること
により、従来と同様に光源の発光量変動、光路中の損失
に起因する計測誤差を第1および第2の演算回路におけ
る規格化のための計算により排除し、さらに第1および
第2の演算回路の出力から温度に起因する計測誤差を第
3の演算回路における所定の演算により排除するよう構
成しているため、高精度の磁界強度の測定を達成するこ
とができる。
【0007】
【実施例】図1は本発明の光磁界センサの一例の構成を
示す図である。図1において、1はLEDからなる光
源、2は光伝送路をなす光ファイバ、3は散乱光を平行
光にするロッドレンズ、4は光を直線偏光にする偏光
子、5は与えられた磁界強度に応じて直線偏光を回転さ
せてファラデー効果を与えるBi12SiO20からなるフ
ァラデー素子、6はファラデー効果を付与された直線偏
光をS偏光とP偏光とに分離する検光子である。
【0008】また、7は検光子6で分離されたS偏光の
平行光を集光するための第1のロッドレンズ、8は光伝
送路をなす第1の光ファイバ、9はS偏光をその強度に
応じた電気信号に変換するためのフォトダイオードから
なる第1の受光素子、10は変換された電気信号を演算
・増幅して光路中の損失に起因する計測誤差等を排除す
る第1の演算回路、11は検光子6で分離されたP偏光
の平行光を集光するための第2のロッドレンズ、12は
光伝送路をなす第2の光ファイバ、13はP偏光をその
強度に応じた電気信号に変換するためのフォトダイオー
ドからなる第2の受光素子、14は変換された電気信号
を演算・増幅して光路中の損失に起因する計測誤差等を
排除する第2の演算回路である。ここで、第1の演算回
路10と第2の演算回路14に於ける増幅率は等しい。
【0009】上述した構成は従来の光磁界センサの構成
とほぼ同一であり、本発明で特徴的なのは、第1の演算
回路10の出力と第2の演算回路14の出力からさらに
所定の計算をして、温度に起因する計測誤差を排除する
ための第3の演算回路15を設けた点である。すなわ
ち、この第3の演算回路15により、必要に応じて反転
・増幅した第1の演算回路10の出力をV11、必要に応
じて反転・増幅した第2の演算回路14の出力をV22
α、βを定数でα+β=1としたとき、V11・V 22が正
のときはV3 =1/(α/V11+β/V22)を、V11
22が負のときはV3 =1/(α/V11−β/V22
を、計算して出力している。
【0010】以下、上述した構成の本発明の光磁界セン
サの各演算回路における動作について説明する。光源1
の波長を850nm、Bi12SiO20単結晶の素子長さ
l=4.02mmとしたとき、第1および第2の受光素
子9、13の出力光強度I1、I2 は入力光強度をI0
としたとき、以下の数1、数2で示される。
【数1】 I1 =I0 /2{1−2Δφ0 ΔTl−2(Ve +ΔVe ΔT)Hl}
【数2】 I2 =I0 /2{1+2Δφ0 ΔTl+2(Ve +ΔVe ΔT)Hl} ここで、Δφ0 :自然旋光能温度変化率、ΔT:25℃
からの温度変動、l:素子長、Ve :ヴェルデ定数、Δ
e :ヴェルデ定数温度変化率、H:交流磁界である。
【0011】第1の演算回路10および第2の演算回路
14においては、第1の受光素子9および第2の受光素
子13から供給された電気信号V1 およびV2 に基づ
き、それぞれの直流成分をDC1およびDC2としたと
き、V11=(V1 −DC1)/DC1の式およびV22
(V2 −DC2)/DC2の式より以下の数3および数
4に示す出力V11および出力V22を得ている。
【数3】 V11=−2(Ve +ΔVe ΔT)Hl/(1−2Δφ0 ΔTl)
【数4】 V22=2(Ve +ΔVe ΔT)Hl/(1+2Δφ0 ΔTl) となる。
【0012】ここで、V3 =1/(α/V11−β/
22):α+β=1と定義すると、以下の数5を得るこ
とができる。
【数5】 V3 =−2(Ve +ΔVe ΔT)Hl/{1ー2(2αー1)Δφ0 ΔTl} したがって、上記数5の出力が温度依存しないために
は、以下の恒等式数6を満たせば良いこととなる。
【数6】V3 (ΔT)=V3 (ΔT=0) よって、α=(1−ΔVe /2Ve Δφ0 ΔTl)/2
が得られ、本実施例においては、α=0.6805、β
=0.3195が導出される。V11およびV22が実際に
は正の値で得られることを考慮して、改めて第3の演算
回路15の出力V 3 をV3 =1/(α/V11+β/
22):α+β=1と定義している。
【0013】実際に、上述した構成の本発明例、図2に
示す構成の比較例および従来技術で説明した特開昭61
ー82179号公報で開示された従来例の3種類の光磁
界センサを作製し、磁界と出力の関係、光量変動に伴う
出力変動、温度変化に伴う出力変動をそれぞれ求めた。
その結果、以下の表1に示す結果が得られ、従来例、比
較例に比べて本発明例では光量変動および温度変化に伴
う出力変動に依存することなく、出力V3 がHに比例し
て測定できることを確認できた。なお、本発明例におい
て、センサ温度をー20℃から80℃の間で変化させ、
25℃の時の出力に対する出力変化率を求め、その温度
特性を評価した。結果を図3(a)〜(c)に示す。こ
れらの結果から、第1の演算回路9の出力V11および第
2の演算回路13の出力V22ともに温度による変化が生
じていても、本発明の特徴である第3の演算回路15の
出力V3 は温度の影響を全く受けないことがわかる。
【0014】
【表1】
【0015】また、上述した実施例において、素子長誤
差や素子を斜めに接着したために有効素子長が長くなる
ことに起因する誤差によって、必ずしもα=0.680
5、β=0.3195の定数値で温度特性が0%になる
とは限らないが、その場合は実測したV11とV22の温度
特性から帰納的にα、βを導出し、最適なα、βを用い
て第3の演算回路15で出力処理を行えば、温度特性を
0%にすることができる。今、素子長lが誤差等によっ
て短い場合について、V11とV22の温度特性が図4
(a)、(b)に示すようであったとすると、これらを
α=0.6805、β=0.3195の定数を使用して
第3の演算回路で処理すると、出力V3 の温度特性は図
4(c)のように変化する。
【0016】そこで、ー20℃でのV11とV22の出力
値、80℃でのV11とV22の出力値から帰納的にα、β
を求めると以下のようになる。すなわち、以下の数7よ
りα、βを求めれば良い。
【数7】 α/V11(−20℃)+β/V22(−20℃)= α/V11(80℃)+β/V22(80℃) その結果、素子長が短い本実施例では、α=0.722
2、β=0.2778を得て、これにより処理された出
力V3 の温度特性は図5に示すようになり、帰納的に求
めたα、βを使用することにより、第3の演算回路で処
理することが可能なことがわかった。
【0017】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、、従来とほぼ同様の光磁界センサの構成にさ
らに第3の演算回路を付加することにより、第1および
第2の演算回路の出力から温度に起因する計測誤差を第
3の演算回路における所定の演算により排除するよう構
成しているため、高精度の磁界強度の測定を達成するこ
とができる。また、従来と同様に第1および第2の演算
回路における規格化のための計算をも実施しているた
め、光源の発光量変動、光路中の損失に起因する計測誤
差を排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光磁界センサの一例の構成を示す図で
ある。
【図2】比較例の光磁界センサの一例の構成を示す図で
ある。
【図3】本発明の光磁界センサの温度特性の一例を示す
グラフである。
【図4】本発明の光磁界センサの温度特性の他の例を示
すグラフである。
【図5】本発明の光磁界センサの温度特性のさらに他の
例を示すグラフである。
【符号の説明】
1 光源 2 光ファイバ 3 ロッドレンズ 4 偏光子 5 ファラデー素子 6 検光子 7 第1のロッドレンズ 8 第1の光ファイバ 9 第1の受光素子 10 第1の演算回路 11 第2のロッドレンズ 12 第2の光ファイバ 13 第2の受光素子 14 第2の演算回路 15 第3の演算回路 16 ミラー

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも光源と、光ファイバ伝送路を
    介して光源から出射した光を直線偏光とする偏光子と、
    この直接偏光に、印加された磁界に応じたファラデー効
    果を与えるファラデー素子と、ファラデー効果を与えら
    れた直線偏光をS偏光とP偏光とに分離する検光子と、
    S偏光を受光して光強度に応じた電気信号V1 に変換す
    る第1の受光素子と、P偏光を受光して光強度に応じた
    電気信号V2 に変換する第2の受光素子と、第1の受光
    素子から供給された電気信号V1 に基づき、その直流成
    分をDC1としたとき、V11=(V1 ーDC1)/DC
    1の式より出力V11を得る第1の演算回路と、第2の受
    光素子から供給された電気信号V2 に基づき、その直流
    成分をDC2としたとき、V22=(V2 ーDC2)/D
    C2の式より出力V22を得る第2の演算回路と、必要に
    応じて反転・増幅した第1の演算回路からの出力V11
    第2の演算回路V22とから、定数α、βをα+β=1と
    したとき、V11・V22が正のときはV3 =1/(α/V
    11+β/V22)の式より、V11・V22が負のときにはV
    3 =1/(α/V11−β/V22)の式より、出力V3
    得る第3の演算回路とからなり、第3の演算回路からの
    出力V3 から磁界の強度を求めることを特徴とする光磁
    界センサ。
JP4035037A 1991-08-29 1992-02-21 光磁界センサ Expired - Fee Related JPH0778526B2 (ja)

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US08/012,843 US5382901A (en) 1991-08-29 1993-02-02 Optical magnetic field sensor capable of precise measurement without temperature induced errors
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EP19930301189 EP0557090B1 (en) 1992-02-21 1993-02-18 Optical magnetic field sensor
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JP3-242386 1991-08-29
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JPH05113471A JPH05113471A (ja) 1993-05-07
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