(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を光学部品からなるセンサヘッドに導き、このセンサヘッドにて時間的に変化する交流測定対象に基づき前記光の強度を変調し、変調された光を受信して電気信号に変換し、その交流成分と直流成分との比から変調度を示す規格化受信信号を求め、この規格化受信信号に基き前記交流測定対象の値を求める強度変調型光センサにおいて、
前記センサヘッドに入射する光の一部を分離・受信して参照信号を得、この参照信号の交流成分と直流成分との比から規格化参照信号を求め、この規格化参照信号を前記規格化受信信号から減算することにより、雑音の低減化を図ることを特徴とする強度変調型光センサ。
【請求項２】
前記請求項１に記載の強度変調型光センサに、ファラデー効果を用いた強度変調型光電流センサ。
【請求項３】
前記請求項１に記載の強度変調型光センサに、ポッケルス効果を用いた強度変調型光電圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は強度変調型光センサ、特に雑音を低減することが可能な強度変調型光電流・電圧センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光センサとして、測定対象によって変調された信号光に、それとは異なる周波数の局部発振信号を混合して生じる干渉を光電検出器で受光・検出する、いわゆる光ヘテロダイン方式のセンサ（例えば、非特許文献１参照）など、高精度のものがあるが、構成が複雑であるなどの理由から、近年は、ファラデー効果を利用した光強度の変調を原理とする電流検出センサ、およびポッケルス効果を利用した光強度の変調を原理とする電圧検出センサの開発・実用化が進められている。【０００３】
これら光強度変調型センサの基本動作は、次の通りである。
ａ）光源からセンサヘッドに送られる光が、測定対象によって強度変調される。
ｂ）強度変調を受けた光が受光素子に送られ、受信信号光の光量に比例する電気信号に変換される。
ｃ）電気信号の値の変化から受光量の変化を求め、測定対象の大きさを知る。【０００４】
このような光強度変調型センサでは、測定対象以外の要因による受信信号光量変動のセンサ出力への影響を抑制することが、測定精度を確保する上での重要課題である。【０００５】
光量変動の原因としては、光源強度の変動、光をセンサヘッドに送る伝送路の伝送効率の変動、およびセンサヘッドから受光素子に至る光伝送路の伝送効率の変動に分類でき、また、それぞれの光量変動をドリフト的な変動と、比較的高速な変動とに分けて考えることができる。【０００６】
これらの光量変動の出力への影響を抑制するため、光学系の堅牢化などのハードウエア面の対策以外に、非特許文献２に開示の次のような対策がとられている。
１）変調度演算：受信信号光を変換して得られた受信電気信号から、フィルタを用いて交流成分と直流成分を抽出し、両者の比（変調度）を求める。
２）光源への入力エネルギーの安定化：光源への入力電気エネルギーを一定に制御する。
３）光源強度の制御：受信信号光量の時間平均が一定となるよう、光源素子を駆動するために素子へ入力する電気エネルギーを制御する。【０００７】
なお、原理上２）と３）の両方を実施することはできない。
【非特許文献１】「光ヘ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Ｂ．Ｖｏｌ．１１７，Ｎｏ．３，１９９７（第３５４−３６３頁）
【非特許文献２】「改訂版光ファイバセンサ技術資料」芳野俊彦監修、１９８６（第４０４−４０５頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記１）〜３）のような対策を施すことにより、ドリフト的な変動は除去することができる。一方、光量変動がドリフト的でない比較的高速なものには、上記１）の方法は無力である。何故ならば、光量変動に伴う電気信号の交流成分は、信号から交流分を取り出すフィルタを通過してしまい、信号と区別できなくなるためである。特に、交流的な光量変動の主たるものとして、光源素子への入力信号リップルがある。【０００９】
したがって、この発明の課題は、光源にリップルがあるような場合でも、センサ出力に影響を与えないようにし、測定精度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、光源からの光を光学部品からなるセンサヘッドに導き、このセンサヘッドにて時間的に変化する交流測定対象に基づき前記光の強度を変調し、変調された光を受信して電気信号に変換し、その交流成分と直流成分との比から変調度を示す規格化受信信号を求め、この規格化受信信号に基き前記交流測定対象の値を求める強度変調型光センサにおいて、
前記センサヘッドに入射する光の一部を分離・受信して参照信号を得、この参照信号の交流成分と直流成分との比から規格化参照信号を求め、この規格化参照信号を前記規格化受信信号から減算することにより、雑音の低減化を図ることを特徴とする。【００１１】
上記請求項１の発明に、ファラデー効果の原理を適用することで強度変調型光電流センサを得ることができ（請求項２の発明）、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強度変調型光電圧センサを得ることができる（請求項３の発明）。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、光源のリップルなどによる雑音を低減でき、測定精度を向上させることが可能となるだけでなく、光電流センサまたは光電圧センサを容易に実現することが可能となる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態を示す構成図
【図２】図１の変形例を示す構成図
【図３】この発明の検証または実験のための構成図
【図４】実験結果その１を示す波形図
【図５】実験結果その２を示す波形図
【符号の説明】
【００１４】
１…光源（ＡＳＥ）、２…ファイバカプラ、３…光路（ファイバ）、４…光学部品（強磁性ファラデー回転子＋偏光分離素子）、５…ミラー、６…センサファイバ、７…導体、８１，８２…受光素子（ＰＤ）、９１Ａ，９２Ａ…帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）、９１Ｂ，９２Ｂ…低域通過フィルタ（ＬＰＦ）、１０１，１０２…割算器、１１…減算器。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。【００１６】
同図において、１は光源（ＡＳＥ）、２はファイバカプラ、３はファイバからなる光路、４は強磁性ファラデー回転子と偏光分離素子からなる光学部品、５はミラー、６はセンサファイバ、７は被測定導体、８１，８２はフォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子、９１Ａ，９２Ａは帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）、９１Ｂ，９２Ｂは低域通過フィルタ（ＬＰＦ）、１０１，１０２は割算器、１１は減算器をそれぞれ示す。【００１７】
いま、光源１に含まれる雑音を周波数ωnの正弦波としてモデル化する。光源１からの出力光ＰLは、αを雑音含有率として次式のように表わされる。【００１８】
ＰL＝Ｐ0（１＋αｃｏｓωnｔ）…（１）
また、ファラデー回転角をθFとすると、導体に流れる電流をｉ（＝Ｉ0ｃｏｓωSｔ）、ベルデ定数をＶとして、
θF＝Ｖｉ＝ＶＩ0ｃｏｓωSｔ…（２）
で表わされる。【００１９】
受光素子８１の出力をＶSとすると、ａを伝送・変換効率として、
ＶS＝ａＰL（１＋ｓｉｎ２θF）…（３）
で表わされる。【００２０】
上記（３）式に（１），（２）式を代入し、｜２θF｜≪π／２とすると、ＶSは次式のように表わされる。【００２１】
ＶS≒ａＰ0（１＋αｃｏｓωnｔ）（１＋２ＶＩ0ｃｏｓωSｔ）…（４）
この（４）式を展開すると、
ＶS＝ａＰ0（１＋２ＶＩ0ｃｏｓωSｔ＋αｃｏｓωnｔ
＋２ＶＩ0αｃｏｓωnｔｃｏｓωSｔ）…（５）
となる。ここで、ωn≠ωSとすると、（５）式の第１項はＤＣ成分、第２項以下がＡＣ成分となる。【００２２】
そこで、ａＰ0→ＤS、ａＰ0（２ＶＩ0ｃｏｓωSｔ＋αｃｏｓωnｔ＋２ＶＩ0αｃｏｓωnｔｃｏｓωSｔ）→ＡSとおいて両者の比ＸSを求めると、
ＸS＝ＡS／ＤS
＝２ＶＩ0ｃｏｓωSｔ＋αｃｏｓωnｔ＋２ＶＩ0αｃｏｓωnｔｃｏｓωSｔ…（６）
となり、第１項は信号成分、第２・第３項は雑音成分となる。このように、ＤＣ成分とＡＣ成分との比を取ることで、受信信号の規格化が行なわれる。【００２３】
雑音成分の第２項と第３項を比較すると、αも２ＶＩ0も微小量と考えているので、第２項の方が影響が大きい。そこで、この項を除去するために、参照光Ｐrを利用する。【００２４】
まず、受光素子８２の出力Ｖrは、ｂを伝送・変換効率として、
Ｖr＝ｂＰL＝ｂＰ0（１＋αｃｏｓωnｔ）…（７）
となる。上記と同様に、第１項はＤＣ成分、第２項はＡＣ成分であるので、
ｂＰ0→Ｄr、ｂＰ0αｃｏｓωnｔ→Ａrとおいて両者の比Ｘrを求めると、
Ｘr＝Ａr／Ｄr＝αｃｏｓωnｔ…（８）
となる。つまり、両者の比Ｘrを求めることで、参照信号の規格化が行なわれる。【００２５】
先の（６）式から上記（８）式を差し引くと、Ｓｏｕｔが次式のように求められる。【００２６】
Ｓｏｕｔ＝ＸS−Ｘr＝２ＶＩ0ｃｏｓωSｔ＋２ＶＩ0αｃｏｓωnｔｃｏｓωSｔ…（９）
（６）式と（９）式を比較すると、（９）式の方には（６）式第２項の雑音成分が無いことが分かる。なお、（９）式には、まだ同第２項の雑音成分が残っているが、この項は微小である。つまり、（６）式第２項に比較してα倍の大きさであり、微小量なので無視することができる。【００２７】
すなわち、受信信号に雑音成分が含まれるときは、基準となる信号（参照信号）を抽出し、これを受信信号から差し引くことが容易に考えられる。このとき、受信信号から単純に参照信号を差し引くだけでは、雑音成分を除去することはできない。何故ならば、受信信号と参照信号では、信号の時間平均値（信号レベル）が異なり、両者に含まれる雑音成分の大きさが異なるからである。【００２８】
そこで、この発明では参照信号についても交流成分を直流成分で規格化し、その変調度（規格化参照信号）を求め、この規格化参照信号を規格化受信信号から差し引くことにより、雑音成分を正確に除去し得るようにしたものである。【００２９】
図２に図１の変形例を示す。図１ではファイバカプラ２からは参照信号のみを導くようにしたが、ここでは受信信号も導くようにして光路を１本としたものである。その他は図１と同様なので、詳細は省略する。【００３０】
以上では、主としてファラデー効果を利用した光強度の変調を原理とする電流検出センサについて説明したが、この発明はポッケルス効果を利用した光強度の変調を原理とする電圧検出センサに対しても、上記と同様にして適用できることは云うまでも無い。【００３１】
図３に、この発明の検証または実験のための構成例を示す。【００３２】
これは、図１と同様の構成にし、導体に実効値（ｒｍｓ）が０．３Ａ，５０Ｈｚの交流電流ｉ（等価被測定電流＝０．３５×７６０（回）＝２６６Ａ〔ｒｍｓ〕）を流したとき、各端子の信号波形をオシロスコープで観測するものである。なお、光源からの光の波長は１５５０ｎｍ、光ファイバカプラでの光減衰量は３ｄＢ、ファイバは1回巻、ファイバへの導体を７６０巻としている。【００３３】
図４，図５に、上記オシロスコープで観測される波形を示す。なお、図４は図３で参照信号端子Ｔ４を接続した場合、図５は同じく参照信号端子Ｔ４を接続しない場合を示す。オシロスコープ画面の上側（Ｃｈ１）には端子Ｔ０からの被測定電流Ｙを、下側（Ｃｈ２）には各端子Ｔ１〜Ｔ３からの信号Ａｓ，Ａｒ，Ｓｏｕｔをそれぞれ導入し、これらの量を図４（ａ），（ｂ），（ｃ）のように表示した例である。また、オシロスコープ画面の横軸は５ｍｓｅｃ／ｄｉｖの時間軸、縦軸の上側（Ｃｈ１）は２０ｍＶ／ｄｉｖ，下側（Ｃｈ２）は１００ｍＶ／ｄｉｖの電圧軸を示している。【００３４】
図４（ｃ）と図５に示す被測定電流Ｙと信号Ｓｏｕｔの関係を比較すれば明らかなように、図５に示す参照信号を利用しない従来例相当のものでは、信号Ｓｏｕｔの波形が被測定電流Ｙの波形に対して歪んでいるのに対し、参照信号を利用するこの発明のもの図４（ｃ）では、信号Ｓｏｕｔの波形は被測定電流Ｙの波形と殆ど同じ正弦波となっており、雑音成分が低減していることが分かる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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