光電流傳感器中的溫度依賴性誤差的降低方法及光電流傳感器裝置的製作方法

2023-09-21 06:32:20 2

專利名稱：光電流傳感器中的溫度依賴性誤差的降低方法及光電流傳感器裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光電流傳感器，特別涉及利用法拉第效應等磁光學效應來測定交流電流的、光電流傳感器中的溫度依賴性誤差的降低方法以及在該方法中使用的光電流傳感器裝置。
背景技術：
期待通過利用光纖的法拉第效應來實現具有小型、柔性、抗電磁噪聲、長距離信號傳送、抗電壓等各種優點的電流傳感器(光纖電流傳感器)。為此，在很多機構中進行了很多年的光纖電流傳感器的研究開發。其中，作為典型的開發實例，有以在傳感器纖維中使用鉛玻璃纖維並且在傳感器纖維的一端配置反射鏡為特徵的方式，即專利文獻1所公開的反射型鉛玻璃纖維光電流傳感器。
在圖18中示出專利文獻1所公開的裝置的結構。
在該圖中，1是光源，11是循環器，12是方解石等的偏振光分離元件，13是由永久磁鐵(13a)和YIG等鐵磁性體晶體(13b)構成的鐵磁性法拉第轉子，14是反射鏡，15是成為測定對象的電流所流過的導體，16是傳感器纖維，21A、21B是受光元件(PD)，22A、22B是放大器(A)，23A、23B是帶通濾波器(BPF)，24A、24B是低通濾波器(LPF)，25A、25B是用於求出電信號的交流分量和直流分量之比的除法器，26是極性反轉器，27是乘法器。此外，10是光學系統，20是信號處理電路，循環器11可以置換為半透射半反射鏡或者光纖耦合器(optical fiber coupler)。作為傳感器纖維16，在此使用了鉛玻璃纖維，但也可以使用石英玻璃纖維。
當圖示圖18的偏振光分離元件周圍的偏振波狀態時，則如圖19。在此，x方向表示與紙面垂直的方向，另外，y方向表示與紙面平行的方向。
如圖19所示，在從光源1引導、併入射到偏振光分離元件12的光之中，在x方向上振動的分量E1(·)(用點來表示是向量)通過偏振光分離元件12後，入射到傳感器纖維16中。並且，將由反射鏡14反射、再次通過傳感器纖維16、鐵磁性法拉第轉子13，並返回偏振光分離元件12的光的偏振波設為E2(·)。
在通過鐵磁性法拉第轉子(13)以及傳感器纖維(16)時偏振波轉動，由此可知在分量E2(·)中如圖20所示生成x方向分量和y方向分量兩者，分離為這兩個的偏振分量EA、EB如下式所示。
EA＝EMcos(2θG+2θi)cosω1tEB＝EMsin(2θG+2θi)cosω1t在此，EM是返回光E2(·)的振幅(V/m)，ω1是光波的角頻率(rad/sec)，θG是通過一次鐵磁性法拉第轉子的光所受到的法拉第轉角(rad)，因此在往返的情況下為2θG。
θi是光通過一次傳感器纖維時所受到的法拉第效應引起的偏振波的轉角(法拉第轉角)(rad)，因此在往返的情況下為2θi。
在此，光的強度與偏振波的振動的瞬時值的2次方的時間平均值成比例，因此偏振波EA和EB的強度IA和IB如下式所示。此外，對符號等賦予(-)表示平均值。
IA＝k1{EM2cos2(2θG+2θi)cos2ω1t}(-)＝(1/4)k1EM2{1+cos4(θG+θi)}同樣地，IB＝k1{EM2sin2(2θG+2θi)cos2ω1t}(-)＝(1/4)k1EM2{1-cos4(θG+θi)}
在此，{*}(-)是時間平均，IA是偏振光分離元件通過A分量的強度(W/m2)，IB是偏振光分離元件通過B分量的強度(W/m2)，k1是係數，由上述用IA、IB表示的各個光，通過圖18的循環器(11)和偏振光分離元件(12)引導到受光元件PDA以及PDB中，從受光元件作為信號輸出與接收到的光的強度IA、IB成比例的電流或者電壓。這些電信號在通過放大器22A、22B之後，成為圖18所示的電信號PA、PB。這些如下式所示。
PA＝A·cos2(2θG+2θi)＝A[1+cos{4(θG+θi)}](1a)PB＝B[1-cos{4(θG+θi)}] (1b)在此，A、B都是與平均受光量成比例的係數，與光源的輸出、從光源到受光元件(21)為止的光路中的光的衰減的變動等一起變化。θG、θi是如上所述的偏振波面的轉角(法拉第轉角)。
另外，由於被測定電流是交流，因此成為如下。
θi＝Vi (2a)i＝I0cosωt (2b)θi＝VI0cosωt (2c)在此，V是傳感器纖維的維爾德常數(rad/A)，i是被測定電流(A)，I0是被測定電流的振幅(A)，ω是被測定電流的角頻率(rad/sec)。
現在，考慮傳感器纖維的維爾德常數V以及法拉第轉角θG依賴於溫度的情況。
即，設為如下。
V＝(1+αT)Vs(3)θG＝(1+βT)Fsd (4)在此，Vs是基準溫度中的傳感器纖維的維爾德常數(rad/A)，α是傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴係數(1/℃)(例如，鉛玻璃纖維的α為0.01％/K左右，石英玻璃纖維的α為0.0069％/K左右)，T是傳感器周圍溫度和基準溫度之差(℃)，Fs是基準溫度中的鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能(rad/m)，d是鐵磁性法拉第轉子的厚度(m)，β是鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能的溫度依賴係數(1/℃)。
另外，為了確保傳感器的輸入輸出特性的直線性，如下式那樣獲得光學偏置。
Fsd＝π/8(5a)此外，θGs＝Fsd (5b)在此，θGs是在基準溫度中通過鐵磁性法拉第轉子的光所受到的法拉第轉角(rad)。
在前面的(1)式中代入(2)、(3)、(4)、(5)式時，得到考慮了構成部件的溫度依賴的電信號PA、PB的式。
PA＝A[1+cos{4(1+βT)Fsd+(1+αT)VsI0cosωt}]＝A[1+cos{π/2+4βFsd T+4(1+αT)VsI0cosωt}](6a)
PB＝B[1-cos{π/2+4βFsd T+4(1+αT)VsI0cosωt}](6b)在此，作為實際成立的條件，作出如下假定。
|4βFsd T|＜＜π/2(7a)|4(1+αT)VsI0|＜＜π/2(7b)在將(7a)、(7b)式代入(6)式時，如下式所示。
PA＝A{1-sin4(βFsd T)+4(1+αT)VsI0cosωt}＝A{(1-4βFsd T)-4(1+αT)VsI0cosωt}(8a)PB＝B{(1+4β Fsd T)+4(1+αT)VsI0cosωt} (8b)(8a)、(8b)式的第一項是信號的直流分量(DC分量)。另外，第二項是交流分量。這些與溫度一起變動。因此，圖18的調製信號SA、SB是電信號PA、PB的直流分量和交流分量之比，表示調製度。這些信號在考慮利用BPF、LPF分離電信號的交流分量和直流分量的情況、對於SA反轉極性的情況、以及(7a)式的條件時可以用下式表示。
SA＝(-1)[PA]AC/[PA]DC＝-1×{-4(1+αT)VsI0cos ωt}/(1-4βFsd T)＝(1+αT)·4 VsI0cos ωt/(1-4βFsd T)(9a)SB＝[PB]AC/[PB]DC＝(1+αT)·4 VsI0cos ωt/(1+4βFsd T)(9b)並且，根據(9)式，圖18中的最終輸出Sout為如下。
Sout＝(SA+SB)/2＝(1/2){1/(1-4βFsd T)+1/(1+4βFsd T)×4(1+αT)VsI0cos ωt＝(1+αT)·4 VsI0cos ωt/{(1-4βFsd T)·(1+4βFsd T)}＝(1+αT)·4 VsI0cos ωt/{1-(4βFsd T)2}(10)當考慮上述(7a)式的條件、省略(10)式的分母的二次項時，Sout用概略的下式表示。
Sout(1+αT)·4 VsI0cosωt(11)在這種圖18所示的測定在電流測定裝置中示出的被測定電流i的電流測定裝置中，具有如下優點。
1)不受平均受光量變動的影響。
如從(9a)、(9b)式可知，通過求出調製信號SA、SB，消去根據光源的搖晃等產生的測定誤差即(6a)、(6b)式的係數A、B。
2)不受光彈性的影響雖然在式中沒有示出，但是通過將鉛玻璃纖維用於傳感器纖維，不會受到由傳感器纖維的應力引起的輸出變動。
3)不受傳感器纖維所構成的曲線的變形的影響雖然在式中沒有示出，但是通過作為反射型，纖維出射光的偏振波不依賴於曲線形。
4)可以抑制光學偏置的溫度變動如從(9)～(11)式可知，通過求出兩個調製信號SA、SB的平均，可以減小鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能的溫度依賴性對輸出Sout帶來的影響。
換句話說，上述1)～3)如下。
1)相對於光源的發光量以及光學系統的連接效率的變動是穩定的。
2)以及3)不需要用於固定傳感器纖維的框，整個傳感器為小型且具有柔性。另外，可以不打開流過被測定電流的導體而安裝傳感器。
此外，關於圖18所示的電流測定裝置的優點等，例如詳細記載於文獻1以及專利文獻1中。
文獻1黑澤、廣木、白川，「小型·フレキシブルな光フアイバ電流センサ」第30回，光波センシング技術研究會講演論文集，P.133-140，No.LST30-19，2002年12月專利文獻1日本特開平10-319051號公報發明內容發明要解決的問題在可以實現上述的1)、2)以及3)的特長的反射型鉛玻璃纖維傳感器中，作為為了確保傳感器輸入輸出的直線性所必需的光學偏置的手段，使用通過永久磁鐵進行磁飽和的鐵磁性法拉第轉子，這從小型化等的理由出發實用性優異。然而，在市售的鐵磁性法拉第轉子中存在溫度特性。因此，在使用鐵磁性法拉第轉子的情況下，需要補償(降低)該元件的溫度特性。
在圖18所示的以往方式中，以該溫度特性的補償為目的進行(6)～(11)式所示的信號處理。而且，如這些(6)～(11)式所示，通過該處理，可以進行溫度特性的補償。然而，不能否定因此而使結構變複雜了。即，作為以往技術的第一問題，問題1為了抑制鐵磁性法拉第轉子的溫度特性引起的光學偏置的溫度變動，成為雙重的信號處理電路以及接收光學系統，結構複雜。
另外，如從(11)式可知，即使進行調製度的平均處理，也不能補償由傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴導致的傳感器輸出的溫度依賴。
圖21(a)表示圖18的情況下的調製信號SA、SB的誤差率和溫度的關係，該圖的(b)表示傳感器纖維的溫度特性。即，即使如圖21(a)那樣進行調製信號SA、SB的平均處理，也存在圖21(b)所示的問題2，也就是說，問題2不能補償由傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴導致的、傳感器輸出的溫度依賴。此外，溫度依賴α在鉛玻璃纖維的情況下，從文獻2以及圖21(b)可知是0.01％/℃(＝1％/100℃)左右。
文獻2K.Kurosawa，「Optical Current Transducers UsingFlint Glass Fiber as the Faraday Sensor Element」，OpticalReview Vol.4，No.1A，pp.38-44，1997另外，關於由傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴導致的傳感器輸出的溫度依賴，在代替進行調製度的平均處理而使鐵磁性法拉第轉子的溫度特性為零的情況下也是一樣。
因此，本發明的問題在於，同時解決上述問題1和問題2。
用於解決問題的方法為了解決這樣的問題，在權利要求1的發明中，其特徵在於，在將被測定交流電流所感應的法拉第效應作為光的強度調製信號而取出的光電流傳感器中，作為插入到起偏振器和檢偏振器之間的光路中的鐵磁性法拉第轉子，選擇將上述光的強度調製信號轉換為電信號時、以交流分量和直流分量的比表示的調製度相對於溫度變化為恆定的轉子，由此降低由上述光電流傳感器的維爾德常數的溫度依賴性導致的傳感器輸出的溫度依賴。
在權利要求2的發明中，其特徵在於，在將被測定交流電流所感應的法拉第效應作為光的強度調製信號而取出的光電流傳感器中，作為插入到起偏振器和檢偏振器之間的光路中的鐵磁性法拉第轉子，選擇在將上述光的強度調製信號轉換為電信號時、其法拉第轉角能使該電信號的交流分量的由溫度引起的變化率與上述電信號的直流分量的由溫度引起的變化率相同或者變小的轉子，由此降低由上述光電流傳感器的維爾德常數的溫度依賴性導致的傳感器輸出的溫度依賴。
在權利要求3的發明中，其特徵在於，所述光電流傳感器是如下的傳感器利用起偏振器從光源發出的光生成直線偏振光，使該直線偏振光通過由透明介質構成的傳感器元件，在將被測定交流電流所感應的磁場施加到上述傳感器元件上時，利用檢偏振器將對通過傳感器元件的光所產生的法拉第效應作為受到強度調製的光(強度調製光)的信號而取出，將該強度調製光轉換為電信號，作為傳感器的輸出獲得以該電信號的交流分量和直流分量的比表示的調製度，在上述光電流傳感器中，在從上述起偏振器經由傳感器元件到達檢偏振器為止的光路上，插入磁飽和的鐵磁性法拉第轉子，作為在該鐵磁性法拉第轉子中產生的法拉第轉角的溫度依賴值，選擇上述調製度相對於溫度變化為恆定的值，由此降低由上述傳感器元件的維爾德常數的溫度依賴性導致的傳感器輸出的溫度依賴。
在上述權利要求3的發明中，作為在上述鐵磁性法拉第轉子中產生的法拉第轉角的溫度依賴值，選擇上述調製度的溫度依賴的絕對值比傳感器元件的維爾德常數的溫度依賴的值的絕對值小的值，由此降低由上述傳感器元件的維爾德常數的溫度依賴性導致的傳感器輸出的溫度依賴性誤差的絕對值(權利要求4的發明)。在這些權利要求3或者4的發明中，從上述光源發出並通過上述起偏振器的光，在通過上述鐵磁性法拉第轉子以及傳感器元件後，用鏡子反射而回到兼用作檢偏振器的上述起偏振器，該反射光通過兼用作檢偏振器的起偏振器，由此作為受到強度調製的光的信號而取出(權利要求5的發明)。
在權利要求3或者4的發明中，在上述鐵磁性法拉第轉子中產生的法拉第轉角的溫度依賴值滿足下述(I)式的關係-α≤α±2βFsd≤α...(I)其中，α表示傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴係數，β表示鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能的溫度依賴係數，Fs表示基準溫度中的鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能，d表示鐵磁性法拉第轉子的厚度(權利要求6的發明)。
在權利要求3至5中任一項的發明中，在上述鐵磁性法拉第轉子中產生的法拉第轉角的溫度依賴值滿足下述(II)式的關係-α≤α±4βFsd≤α...(II)其中，α表示傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴係數，β表示鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能的溫度依賴係數，Fs表示基準溫度中的鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能，d表示鐵磁性法拉第轉子的厚度(權利要求7的發明)。
另外，在權利要求1至7中任一項的發明中，能夠將法拉第轉動能和其溫度依賴特性不同的多個法拉第轉子進行組合，改變各轉子的厚度而調整上述鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉角和其溫度依賴的值(權利要求8的發明)。
在權利要求9的發明中，其特徵在於，具有轉換單元，將被測定交流電流所感應的法拉第效應作為光的強度調製信號而取出，將該光的強度調製信號轉換為電信號；運算單元，抽出該電信號的交流分量和直流分量，運算以交流分量和直流分量的比來表示的調製度；以及調整單元，進行調整，使得上述交流分量的由溫度引起的變化率與上述直流分量的由溫度引起的變化率相同或者變小。
權利要求10的發明，是將被測定交流電流所感應的法拉第效應作為光的強度調製信號而取出的光電流傳感器裝置，其特徵在於，具有鐵磁性法拉第轉子，插入到起偏振器和檢偏振器之間的光路中；轉換單元，將來自上述檢偏振器的光信號轉換為電信號；以及運算單元，抽出該電信號的交流分量和直流分量，運算以交流分量和直流分量的比來表示的調製度，在上述鐵磁性法拉第轉子中產生的法拉第轉角的溫度依賴值滿足下述(I)式的關係-α≤α±2βFsd≤α...(I)其中，α表示傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴係數，β表示鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能的溫度依賴係數，Fs表示基準溫度中的鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能，d表示鐵磁性法拉第轉子的厚度。
權利要求11的發明，是將被測定交流電流所感應的法拉第效應作為光的強度調製信號而取出的光電流傳感器裝置，其特徵在於，具有兼用作檢偏振器的起偏振器；傳感器元件，在其一端安裝了鏡子；鐵磁性法拉第轉子，其插入到上述起偏振器和傳感器元件之間的光路中；轉換單元，將來自上述檢偏振器的光信號轉換為電信號；以及運算單元，抽出該電信號的交流分量和直流分量，運算以交流分量和直流分量的比來表示的調製度，在上述鐵磁性法拉第轉子中產生的法拉第轉角的溫度依賴值滿足下述(II)式的關係-α≤α±4βFsd≤α...(II)其中，α表示傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴係數，β表示鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能的溫度依賴係數，Fs表示基準溫度中的鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能，d表示鐵磁性法拉第轉子的厚度。
在權利要求10或者11的發明中，能夠將法拉第轉動能和其溫度依賴特性不同的多個法拉第轉子進行組合，改變各轉子的厚度而調整上述鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉角和其溫度依賴的值(權利要求12的發明)。
發明的效果在反射型光纖電流傳感器的情況下，能得到下面的(1)、(2)項的效果，另外，在透射型光纖電流傳感器的情況下，能得到(2)項的效果。
(1)不需要以往的結構中的為了抑制由光學偏置的溫度依賴導致的輸出溫度變動而使用的調製度的平均處理，可以簡化光學系統/電子電路以及結構。
(2)可以補償傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴導致的、輸出的溫度依賴。


圖1是表示本發明的第一實施方式的結構圖。
圖2是本發明的原理其一的說明圖。
圖3是本發明的原理其二的說明圖。
圖4是說明兩個鐵磁性法拉第轉子的組合方法的說明圖。
圖5是表示本發明的第二實施方式的結構圖。
圖6是第I方式的情況下的參數和應該選擇的信號之間的關係說明圖。
圖7是使第I方式有效的參數的範圍說明圖。
圖8是表示透射型傳感器的結構的結構圖。
圖9是入射到偏振光分離元件的光的偏振方位說明圖。
圖10是第II方式的情況下的參數和應該選擇的信號之間的關係說明圖。
圖11是使第II方式有效的參數的範圍說明圖。
圖12是在反射型中光學偏置為正和負的情況下的SA、SB式的比較說明圖。
圖13是第III方式的情況下的參數和應該選擇的信號之間的關係說明圖。
圖14是使第III方式有效的參數的範圍說明圖。
圖15是在透射型中光學偏置為正和負的情況下的SA、SB式的比較說明圖。
圖16是第IV方式的情況下的參數和應該選擇的信號之間的關係說明圖。
圖17是使第IV方式有效的參數的範圍說明圖。
圖18是表示以往例的結構圖。
圖19是圖18所示的偏振光分離元件附近的偏振波狀態說明圖。
圖20是圖19的光信號分量說明圖。
圖21是圖18的情況下的調製度的誤差率和溫度之間的關係以及傳感器纖維的溫度特性說明圖。
附圖標記說明1光源；10光學系統；11循環器；12偏振光分離元件；13鐵磁性法拉第轉子；13a永久磁鐵；13b鐵磁性體晶體；14反射鏡；15導體；16傳感器纖維(鉛玻璃纖維)；17起偏振器；18檢偏振器；20信號處理電路；21A、21B受光元件；22A、22B放大器；23A、23B帶通濾波器；24A、24B低通濾波器；25A、25B除法器；26極性反轉器；27乘法器。
具體實施例方式
在說明本發明的實施方式之前，首先說明本發明的原理。
參照圖2。
假定溫度從某一溫度開始變低。那麼，維爾德常數V變小。
也就是說，對於相同的測定對象電流i，偏振波面轉角(法拉第轉角)變小，因此，測定對象電流i和輸出信號P之間的關係從圖2(a)中的I變化為II。那麼，輸出的電信號P從圖2(b)III變化為IV。也就是說，對於相同測定對象電流i，所輸出的電信號P的振幅變小。
由於電信號P除去光源的影響， 因此利用直流分量[P]DC、交流分量[P]AC的比(調製度)的信號S來評價最終測定值。在此，如果隨著交流分量[P]AC所變動的比例k(＝[PI]AC/[PII]AC)，直流分量[P]DC的值也變動為k倍，則調製信號S看上去沒發生由溫度引起的變動。另外，如果直流分量[P]DC所變動的比例j變動為大於0的值且變動為小於交流分量[P]AC所變動的比例k倍的值，那麼與不採用任何對策(j＝0)時相比，可以降低依賴於溫度的誤差。
以上說明了溫度變低的情況，以下說明溫度變化為比某一溫度高的情況。
此時，維爾德常數V變大，因此對於相同的測定對象電流i，偏振波面轉角(法拉第轉角)變大。那麼，關於電信號P，對於相同測定對象電流i，所輸出的電信號P的振幅變大。
在此，如果隨著交流分量[P]AC變動的比例k，直流分量[P]DC的值也變動為k倍，那麼最終所使用的調製信號S就看起來不產生由溫度引起的變動。另外，如果使直流分量[P]DC變動的比例j變動為大於0的值、且小於交流分量[P]AC變動的比例k倍的值，那麼與不採用任何對策(j＝0)時相比，可以降低依賴於溫度的誤差。
即，不管是在溫度變高的情況和變低的情況下，如果使從溫度依賴性生成的電信號P的交流分量[P]AC變動的比例k和直流分量[P]DC變動的比例j相同或變小，則可以降低整個裝置的依賴於溫度而發生的溫度誤差。這就是本發明的基本概念。
在此，只要知道測定器的結構，自然就能得到維爾德常數及其溫度依賴性。另外，使直流分量[P]DC變動的比例j變化的方法也可以通過安裝根據溫度使直流分量[P]DC的值成為j倍的運算器來實現。由於預先知道測定器的結構要素(傳感器纖維、法拉第轉子等)整體帶來的溫度依賴特性，因此在利用溫度傳感器測定外部溫度的同時利用乘法器對預先準備的數據的值乘以直流分量[P]DC就可以實現(省略了圖)。
此外，通過使光學偏置變動也可以實現依賴於溫度的誤差的降低。只要知道測定器的結構，自然就能得到傳感器纖維的維爾德常數及其溫度依賴特性。在增大光學偏置時，電信號P從II變化為V。也就是說，直流分量[P]DC從圖2(c)的[PII]DC變化為[PV]DC。如果該變動的比例J』([PII]DC/[PV]DC)小於交流分量[P]AC變動的比例k倍，則可以降低測定裝置整體的依賴於溫度而發生的誤差。
在此，可以根據構成鐵磁性法拉第轉子的鐵磁性體晶體(13b)的厚度、材質等，調整光學偏置的變動。
與通過乘法器的實現方法相比，利用鐵磁性法拉第轉子對直流分量[P]DC的值進行乘法運算的方法的優越性在於不需要另外設置運算裝置、溫度傳感器；可以根據各個構成元件所具有的物理特性，自身降低由溫度產生的測定誤差。
進而，具體說明在通過使光學偏置變動而實現本發明的情況下的本發明的原理。
在前面的(9a)式中，可以認為如果能夠使分母和分子的與溫度T有關的項的值相等，則能夠消除SA的溫度依賴。即，如下式。
1+αT＝1-4βFsd Tα＝-4βFsd(12)說明該情況的圖3示意性地說明了使[PA]AC和[PA]DC的比相等的情況。
但是，由於(9a)式成立的條件是(5)式，因此在此再次記述。
Fsd＝π/8(5 a)將(5a)式代入(12)式時，α＝-πβ/2也就是說，鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能的溫度依賴係數β為β＝-2α/π(13)
此外，作為調整β的方法，已知有下面的文獻3所記載的方法。
文獻3川上、白石、大橋，「光フアイバと光フアィバ型デバイス」，P275-283，1996.7，初版，培風館將(12)式和(5a)式代入(9a)式時得到下式。
SA＝4 VsI0cosωt(14)根據以上得到下面的結論。
如果使用使(13)式成立的鐵磁性法拉第轉子，則通過調節轉子的厚度d，實現由(5a)式表示的光學偏置的設定，實現由(12)式表示的鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能的溫度依賴β和傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴α兩者的補償。
如果設定該條件，則可以實現以下2點。
(1)不需要如以往例那樣的以補償由鐵磁性法拉第轉子的溫度依賴引起的光學偏置變動為目的的調製度的平均化處理。
(2)另外，可以消除由傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴引起的輸出的溫度依賴。
因此，通過應用上述的想法，可以解決在上述的問題1以及2中敘述的兩個問題。這表明可以利用比圖18簡單的結構達到更高的精度。
以上敘述了除去調製信號SA的溫度依賴的條件，但是通過同樣的想法，也可以應用於調製信號SB。
此時的條件與SA的情況不同，如下所示。
消除(9b)式的溫度特性的條件如下式所示。
1+αT＝1+4βFsd T因此，α＝4βFsd(15)此外，同樣需要(5a)式。
Fsd＝π/8(5a)
將(5a)式代入(15)式時，β＝2α/π(16)比較(16)式和(13)式時，可知其符號相反。
在(5a)式中，Fsd＝π/8(5a)並且，Fs＞0(由於d＞0)。
另一方面，在利用了使Fs＜0的鐵磁性法拉第轉子的情況下，如下所示，Fsd＝-π/8(17)由此，在考慮(6)式以後的式的符號而進行變形時，可以與上述同樣地進行討論。
雖然稍微長了一些，以上就是本發明的原理。另外，以上將分母、分子設為與溫度無關地相等，但是代替其也可以使兩者的比為恆定值。
圖1是表示根據以上原理的本發明的實施方式的結構圖。
如從該圖也可知，其特徵在於將由光源1、循環器11、鐵磁性法拉第轉子13、反射鏡14以及傳感器纖維16等構成的光學系統的偏振光分離元件變更為起偏振器17，將信號處理電路構成為由受光元件21、放大器22、BPF23、LPF24、除法器25以及極性反轉器26構成的一個系統而進行簡化，其他功能、作用等與圖18的情況一樣。因此省略其詳細說明。
下面說明組合兩個鐵磁性法拉第轉子的方法。
作為將法拉第轉動能的溫度依賴符號不同的兩個鐵磁性法拉第轉子相組合併將法拉第轉角的溫度依賴設為接近零的值的、光纖通信的光隔離器用法拉第轉子，例如，有文獻4中的商品化了的轉子。
文獻4
「Zero Temperature Dependence Faraday Rotator (R-type series)」Technical manual No.GO4-03，Mitsubishi Gas ChemicalCompany Inc.
Info-Advanced Materials Division，Photocrystal Inc.，Tokyo Plant另外，在前面的文獻3的P.275中也介紹了同樣的技術。
這樣，通過組合兩個鐵磁性法拉第轉子，可以調整法拉第轉角的溫度依賴。
下面實際應用該知識，參照圖4說明降低(補償)鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能的溫度依賴和傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴兩者的方法。
首先，該圖中所示的各記號的意義如下。
F1S是轉子1的基準溫度中的法拉第轉動能(rad/m)，F2S是轉子2的基準溫度中的法拉第轉動能(rad/m)，d1是轉子1的厚度(m)，d2是轉子2的厚度(m)，β1是轉子1的法拉第轉動能的溫度係數(1/℃)，β2是轉子2的法拉第轉動能的溫度係數(1/℃)，而且，通過一次圖4的兩個轉子1、2的光的法拉第轉角如下式所示。
θG＝(1+β1T)F1Sd1+(1+β2T)F2Sd2(18)另外，根據前面的(5a)式，基準溫度中的總的法拉第轉角成為π/8，因此從(18)式得到下式。
F1Sd1+F2Sd2＝π/8(19)另外，參照(9a)式時，作為使傳感器的輸出的溫度特性成為零的條件，得到下式。
1+αT＝1-4(β1F1Sd1T+β2F2Sd2T)α＝-4(β1F1Sd1+β2F2Sd2)(20)如果能夠從(19)、(20)式求出d1、d2，當提供α(傳感器纖維的溫度係數)、F1S以及F2S(兩個轉子的法拉第轉動能)、β1以及β2(兩個轉子的法拉第轉動能的溫度係數)時，求出使傳感器輸出的溫度依賴成為零的條件。
此外，在這種情況下，上面的(9a)式變更為如下式。
SA＝(1+αT)·4VsI0cosωt/{1-4(β1F1Sd1+β2F2Sd2)T}(21)如下求出d1、d2。
根據(19)，F2Sd2＝π/8-F1Sd1(19』)將(19』)代入(20)，α＝-4{β1F1Sd1+β2(π/8-F1Sd1)}＝-β2·π/2-4(β1-β2)F1Sd1因此，d1＝(α+πβ2/2)/4(β1-β2)F1S(22)另外，根據(19)，F1Sd1＝π/8-F2Sd2(19」)將(19」)代入(20)，α＝-4{β1(π/8-F2Sd2)+β2F2Sd2}＝-πβ1/2+4(β1-β2)F2Sd2因此，d2＝(α+πβ1/2)/(-4)(β2-β1)F2S(23)在(22)式、(23)式中，必須是如下。
d1≥0(24a)d2≥0(24b)因此，需要滿足下面的條件。
β2≠β1(25a)F2S≠0(25b)F1S≠0(25c)下面說明組合三個以上的情況。
鐵磁性法拉第轉子的個數不限於兩個，即使是三個以上也能實現本方式。例如，在三個的情況下與(19)、(20)對應的式如下。
F1Sd1+F2Sd2+F3Sd3＝π/8 (26)α＝-4(β1F1Sd1+β2F2Sd2+β3F3Sd3)(27)此時的條件是(26)、(27)兩個式，未知數為d1、d2、d3這三個。因此存在多組滿足條件的解的組(d1、d2、d3)。
在圖5中示出將以上的反射型的想法應用於透射型的例子。
在此，除了在起偏振器17和檢偏振器18之間插入鐵磁性法拉第轉子13並去掉反射鏡之外與圖1相同，因此省略詳細說明。
通過檢偏振器18相對起偏振器17的方位差和由鐵磁性法拉第轉子13引起的偏振波的轉動，獲得該情況下的光學偏置。即，θA+FSd＝π/4(28)在此，θA＝檢偏振器方位(rad)，FS＝鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能(rad/m)，d＝鐵磁性法拉第轉子厚度(m)。
此外，在(28)式中，假定使用一個鐵磁性法拉第轉子，但是從與上述同樣的考慮出發，也可以組合多個轉子。
在設定了(28)式中表示的光學偏置的情況下，根據與(9a)式相同的想法，可以用下式表示輸出Sout。
Sout＝(1+αT)2 VsI0cosωt/(1-2βFSd T)(29)該(29)式不具有溫度特性的條件，與前面的(12)式同樣地如下式所示。
α＝-2βFSd(30)根據(30)式，d＝-α/(2β FS)(31)將(31)式代入(28)式時，求出θA。
θA＝π/4+α/2β(32)在(31)、(32)式的條件的情況下，輸出Sout成為下式。
Sout＝2 VsI0cosωt(33)以上，作為鐵磁性法拉第轉子(石榴石)，選擇在將光的強度調製信號轉換為電信號時，以交流分量和直流分量的比表示的調製度相對於溫度變化為恆定的轉子，但是也可以選擇相對於溫度變化成為恆定範圍的轉子，以下詳細說明該情況。
現在考慮在上述圖18中SA或者SB的溫度依賴成為零的條件。此外，各記號等的意義如第3頁17～25行、第4頁1～14行所示。
在這種情況下，在前面的(9a)、(9b)式，即，在SA＝(1+αT)·4 VsI0cosωt/(1-4βFsd T) (9a)SB＝(1+αT)·4 VsI0cosωt/(1+4βFsd T) (9b)中，設為|αT|＜＜1、|4βFsd T|＜＜1而進行簡化時，如下所示。
SA＝(1+αT)·4 VsI0cosωt/(1-4βFsd T)(1+αT)(1+4βFsd T)·4 VsI0cosωt＝(1+αT+4βFsd T+4αβFsd T2)·4 VsI0cosωt(1+αT+4βFsd T)·4 VsI0cosωt＝{1+(α+4βFsd)T}·4 VsI0cosωt(34a)同樣地，SB也如下式所示。
SB＝{1+(α-4βFsd)T}·4 VsI0cosωt(34b)根據(9a)、(9b)式或者(34a)式，SA的溫度依賴成為零的條件為，
α＝-4βFsd(35a)SB的溫度依賴成為零的條件為，α＝4βFsd(35b)通常，基準溫度中的光學偏置設定為正，因此根據前面的(5a)式，Fsd＝π/8(將在後面敘述光學偏置為負的情況)。
觀察(35a)、(35b)式時，可知關於α、β的正、負符號的一組，對於a)是否可以將圖18中的調製信號SA的溫度依賴調整為零？b)是否可以將圖18中的調製信號SB的溫度依賴調整為零？能夠得到不同的結果。
關於α、β的正、負符號的一組，無法將SA、SB兩者的溫度依賴調整為零。這是因為，在(35a)或者(35b)的任一個成立、(34a)、(34b)的任一方的中括號{*}內的第二項成為零的情況下，另一方的中括號{*}內的第二項成為2α。也就是說，將SA或者SB中的一方的溫度依賴調整為零時，另一方成為傳感器元件的兩倍的維爾德常數的溫度依賴的兩倍。
即，當，SA或者SB＝4 VsI0cosωt(36a)時，成為如下。
SA或者SB＝(1+2αT)·4 VsI0cosωt(36b)進而，假設在上述條件下進行了調製度的平均處理，則此時的最終輸出Sout如下。
Sout＝1/2{(36a)式右邊+(36b)式右邊}＝(1+αT)·4 VsI0cosωt(36c)也就是說，即使使用完全不具有溫度特性的石榴石、β＝0，也會殘留α的影響。
從以上可知，關於根據α、β的符號，是否可將SA的溫度依賴設為零、或者可將SB＝的溫度依賴設為零，如圖6那樣進行分類。
在石榴石的法拉第轉動能的溫度係數為零的情況下，即，將β＝0代入(34a)、(34b)式時，SA＝(1+αT)·4 VsI0cosωt(37a)SB＝(1+αT)·4 VsI0cosωt(37b)另外，當使用這些信號進行了調製度的平均處理時，其輸出Sout成為，Sout＝(SA+SB)/2＝(1+αT)·4 VsI0cosωt(37c)可知在石榴石的溫度依賴為零、β＝0的情況下，SA、SB、Sout的溫度依賴係數都成為與傳感器元件的維爾德常數的溫度係數α相等。
因此，使上述反射型的光學偏置為正的第I方式有效的參數的範圍是使系統輸出SA或者SB的溫度依賴係數成為從-|α|到+|α|的範圍的值。即，根據(34a)、(34b)式，成為滿足下式的某一個的範圍。
根據(34a)式如下。
(0≤)|α+4βFsd|≤|α|(SA的溫度依賴小於|α|) (38a)(0≤)|α-4βFsd|≤|α|(SB的溫度依賴小於|α|) (38b)下面求出滿足(38a)、(38b)式的參數的具體值。
(1)0≤α的情況從(38a)式求出α、β、Fs的關係。
(1-a)關於SA有效的範圍(1-a-1)在α+4βFsd為正的情況下，(38a)式是0≤α+4βFsd≤|α|-α≤α+4βFsd≤|α|-α
-|α|/4d≤βFs≤0(39a)(1-a-2)在α+4βFsd為負的情況下是0≤α+4βFsd≤|α|-2|α|≤4βFsd≤-|α|-|α|/2d≤βFs≤-|α|/4d (39b)(1-b)關於SB有效的範圍根據(38b)式為0≤|α-4βFsd|≤|α|，(1-b-1)在α-4βFsd為正的情況下是0≤α-4βFsd≤|α|-α≤-4βFsd≤|α|-α0≤4βFsd≤α/4d(39c)(1-b-2)在α-4βFsd為負的情況下是0≤-(α-4βFsd)≤|α|α≤4βFsd≤|α|+α＝2|α|，α/4d≤βFs≤α/2d(39d)(2)α≤0的情況(2-a)關於SA有效的範圍(2-a-1)α+4βFsd為正的情況0≤|α+4βFsd|≤|α|在此，由於α＝-|α|，因此，0≤(-|α|+4βFsd)≤|α||α|≤4βFsd≤2|α||α|/4d≤βFs≤|α|/2d(39e)(2-a-2)α+4βFsd為負的情況0≤-(α+4βFsd)≤|α|由於α＝-|α|，0≤|α|-4βFsd≤|α|
-|α|≤-4βFsd≤00≤4βFsd≤|α|0≤βFs≤|α|/4d(39f)(2-b)關於SB有效的範圍(2-b-1)α-4βFsd為正的情況0≤(α-4βFsd)≤|α|由於α＝-|α|，0≤-|α|-4βFsd≤|α||α|≤-|α|-4βFsd≤2|α|-|α|/2d≤4βFsd≤-|α|/4d(39g)(2-b-2)α-4βFsd為負的情況0≤-(α-4βFsd)≤|α|由於α＝-|α|，0≤|α|+4βFsd≤|α|-|α|≤4βFsd≤0-|α|/4d≤βFs≤0(39h)歸納以上的(38a)、(38b)、(39a)～(39h)式時，如圖7所示。
以上說明了反射型的情況(第I方式)。下面說明透射型的情況。
透射型的整體結構如圖8所示。此外，圖8的附圖標記1表示光源，12表示偏振光分離元件、13表示法拉第轉子(石榴石)，16表示纖維傳感器，17表示入射起偏振器，PD表示受光元件，BPF表示帶通濾波器，LPF表示低通濾波器。
現在，將由法拉第轉子(石榴石)引起的偏振波面的轉角(法拉第轉角)設為θG(rad)、將偏振光分離元件主軸相對於入射起偏振器主軸的傾斜角設為θB(rad)、將在傳感器纖維中產生的法拉第轉角設為θi(rad)時，入射到偏振光分離元件的光的偏振方位如圖9所示。另外，偏振光分離元件的輸出PA、PB如下所示。
PA＝A』cos2(θB+θG+θi)＝A{1+cos2(θB+θG+θi)}其中，A＝A』/2(40a)PB＝B’sin2(θB+θG+θi)＝B{1-cos2(θB+θG+θi)}其中，B＝B』/2(40b)在此，設被測定電流為i、維爾德常數為V時，θi＝Vi＝V I0cosωt(41)再次寫下前面的(3)、(4)式時，V＝(1+αT)Vs(3)θG＝(1+βT)Fsd(4)另外，由光學偏置2(θB+Fsd)＝π/2得到θB+Fsd＝π/4(42)將(3)、(4)、(41)、(42)式代入(40a)、(40b)中。
PA＝A[1+cos2{θB+Fsd+βFsd T+(1+αT)VsI0cosωt}]＝A[1+cos{π/2+2βFsd T+(1+αT)2 VsI0cosωt}]＝A[1-sin{2βFsd T+(1+αT)·2 VsI0cosωt}](43a)PB＝B[1+sin{2βFsd T+(1+αT)·2 VsI0cosωt}](43b)設sin[*]的|[*]|為|[*]|＜＜π/2時，PA＝A{(1-2βFsd T)-(1+αT)·2 VsI0cosωt} (44a)PB＝B{(1+2βFsd T)+(1+αT)·2 VsI0cosωt} (44b)[PA]DC＝A(1-2βFsd T)(45a)[PA]AC＝-A(1+αT)·2 VsI0cosωt (45b)[PB]DC＝B(1-2βFsd T)(45c)[PB]AC＝-B(1+αT)·2 VsI0cosωt (45d)根據(45)式，SA＝-1×[PA]AC/[PA]DC＝(1+αT)·2 VsI0cosωt/(1-2βFsd T)(46a)SB＝[PB]AC/[PB]DC
＝(1+αT)·2 VsI0cosωt/(1+2βFsd T)(46b)與反射型的情況同樣地設|αT|＜＜1、|2βFsd T|＜＜1，將(46a)、(46b)式進一步變形。
SA＝(1+αT)·2 VsI0cosωt/(1-2βFsd T)(1+αT)(1-2βFsd T)·2 VsI0cosωt{1+(α+2βFsd)T}·2 VsI0cosωt(47a)SB＝(1+αT)·2 VsI0cosωt/(1+2βFsd T)(1+αT)(1-2βFsd T)·2 VsI0cosωt{1+(α-2βFsd)T}·2 VsI0cosωt(47b)根據(47a)，使SA的溫度依賴成為零的條件是α＝-2βFsd(48a)根據(47b)，使SB的溫度依賴成為零的條件是α＝2βFsd(48b)下面，考慮各參數的正負符號和SA、SB的溫度依賴的關係。
首先，考慮光學偏置為+π/2的情況、即θB+Fsd＝π/4的情況(關於θB+Fsd＝-π/4的情況，另外進行探討)。
觀察(48a)、(48b)兩個式時可知，關於α、Fs、β這三個參數的正負符號的一組，在是否可以將圖8中的調製信號SA的溫度依賴調整為零、以及是否可以將調製信號SB的溫度依賴調整為零這些方面不同。
此外，關於α、Fs、β的正負符號的一組，無法將SA、SB兩者的溫度依賴調整為零。這是因為在(47a)、(47b)這兩個式中，一個式的{*}內的第二項成為零的情況下，另一個式的{*}內的第二項成為2α。也就是說，可知將SA或者SB一方的溫度依賴調整為零時，另一方成為傳感器元件的維爾德常數的溫度依賴的兩倍。即，當，SA或者SB＝2 VsI0cosωt(49a)時，
SB或者SA＝(1+2αT)·2 VsI0cosωt(49b)進而，在上述條件下進行調製度的平均處理時，最終輸出Sout是Sout＝{(49a)式右邊+(49b)式右邊}/2＝(1+2αT)·2 VsI0cosωt(49c)也就是說，即使β＝0，也會殘留α的影響。當示出各參數α、Fs、β的正負符號和應該選擇的信號之間的關係時，如圖10所示。
在此，考察使透射型的光學偏置為正的第II方式有效的參數的範圍。
在石榴石的法拉第轉動能的溫度係數為零的情況下，即，將β＝0代入前面的(47a)、(47b)式時，成為SA＝(1+αT)·2 VsI0cosωt(50a)SB＝(1+αT)·2 VsI0cosωt(50b)假設使用這兩個信號進行調製度的平均處理時，輸出Sout是Sout＝(SA+SB)/2＝(1+αT)·2 VsI0cosωt(50c)根據上述的(50a)、(50b)、(50c)式可知，在石榴石的溫度依賴為零，也就是β＝0的情況下，SA、SB、Sout的溫度依賴係數都成為與傳感器元件的維爾德常數的溫度係數α相等。
因此，在系統輸出SA或者SB的溫度依賴係數處於從-|α|到|α|的範圍的情況下，即根據(47a)、(47b)式，透射型有效的範圍成為滿足下面任一個的範圍。
根據(47a)式，(0＜＜)|α+βFsd|＜＜|α|(51a)根據(47b)式，(0＜＜)|α-βFsd|＜＜|α|(51b)還有在反射型中沒有的(42)式的關係，Fsd＝π/4-θB。
下面求出滿足(51a)、(51b)的具體的參數值。
(1)0≤α的情況從(51a)式求出α、β、Fs的關係。
(1-a)關於SA有效的範圍(1-a-1)在α+2βFsd為正的情況下，(51a)式成為0≤α+2βFsd≤|α|成為-α≤2βFsd≤|α|-α-|α|/2d≤β Fs≤0(52a)(1-a-2)在α+2βFsd為負的情況下，成為0≤α+2βFsd≤|α|，-2|α|≤2βFsd≤-|α|-|α|/d≤βFs≤-|α|/2d(52b)(1-b)關於SB有效的範圍根據(51b)式，是0≤|α-2βFsd|≤|α|，(1-b-1)α-2βFsd為正的情況0≤α-2βFsd≤|α|-α≤-2βFsd≤|α|-α0≤βFsd≤|α|/2d(52c)(1-b-2)α-2βFsd為負的情況0≤-(α-2βFsd)≤|α||α|≤2βFsd≤|α|+α＝2|α||α|/2d≤βFs≤|α|/d(52d)(2)α≤0的情況(2-a)關於SA有效的範圍(2-a-1)α+2βFsd為正的情況0≤|α+2βFsd|≤|α|
在此，由於α＝-|α|，0≤-|α|+2βFsd≤|α||α|≤2βFsd≤2|α||α|/2d≤βFs≤|α|/d(52e)(2-a-2)α+2βFsd為負的情況0≤-(α+2βFsd)≤|α|由於α＝-|α|，0≤|α|-2βFsd≤|α|-|α|≤-2βFsd≤00≤2βFsd≤|α|0≤βFs≤|α|/2d(52f)(2-b)關於SB有效的範圍(2-b-1)α-2βFsd為正的情況0≤(α-2βFsd)≤|α|由於α＝-|α|，0≤-|α|-2βFsd≤|α||α|≤-2βFsd≤2|α|-|α|/d≤2βFsd≤-|α|/2d(52g)(2-b-2)α-2 β Fsd為負的情況0≤-(α-2βFsd)≤|α|由於α＝-|α|，0≤|α|+2βFsd≤|α|-|α|≤2βFsd≤0-|α|/2d≤βFs≤0(52h)歸納以上的(51a)、(51b)、(52a)～(52h)式時，成為圖11那樣。到此為止，將光學偏置設為正、即如前面的(5a)式那樣作為Fsd＝+π/8
進行了說明，但是也可以將其設定為負，這種情況下是Fsd＝-π/8(53)代替(5a)式將(53)式代入前面的(6)、(8)式中時，前面的(9a)、(9b)式分別成為下面的(54a)、(54b)那樣。
SA＝-(1+αT)·4 VsI0cosωt/(1+4βFsd T)(54a)SB＝-(1+αT)·4 VsI0cosωt/(1-4βFsd T)(54b)分別比較(9a)式和(54a)以及(9b)和(54b)式時，後面的(54a)成為對(9b)式賦予負號的式，另外(54b)成為對(9a)式賦予負號的式。圖12示出了它們的關係。
如上所述，將光學偏置從正改變為負時，可得到如下結論1.將光學偏置從正改變為負時，SA、SB與被測定電流的極性相反。
2.前面的圖6變為圖13(交換A和B即可)。
3.前面的圖7變為圖14(交換A和B即可)。
當示出各參數α、Fs、β的正負符號與應該選擇的信號之間的關係時，如圖14所示。
在此，考察使光學偏置為負的反射型的第III方式有效的參數的範圍。
將(54a)、(54b)式與(34a)、(34b)式的情況同樣地進行變形。
SA＝-(1+αT)·4 VsI0cosωt/(1+4βFsd T)-(1+αT)(1-4βFsd T)·4 VsI0cosωt-{1+(α-4βFsd)T}·4 VsI0cosωt(55a)同樣地，SB也成為下式。
SB-{1+(α+4βFsd)T}·4 VsI0cosωt (55b)根據上述(55a)、(55b)，決定使第III方式有效的參數的範圍的條件式，成為滿足下面兩個式中任一個的範圍。
根據(55a)式，
(0≤)|(α-4βFsd)|≤|α|(SA的溫度依賴係數小於|α|) (56a)根據(55b)式，(0≤)|(α+4βFsd)|≤|α|(SB的溫度依賴係數小於|α|) (56b)將(56a)、(56b)式與(38a)、(38b)式進行比較時，可知只有下標A和B互不相同。因此，滿足(56a)、(56b)式的參數值的具體公式參照圖7成為如圖14所示。
下面，考慮透射型的光學偏置為負的情況(第IV方式)。在該情況下，θB+Fsd＝-π/4(57)使用該式時，(46a)、(46b)式如下。
SA＝-(1+αT)·2 VsI0cosωt/(1+2βFsd T)(58a)SB＝-(1+αT)·2 VsI0cosωt/(1-2βFsd T)(58b)假設|2βFsd T|＜＜1、|αT|＜＜1，將(58a)、(58b)進行變形時，成為下面的(59a)、(59b)式那樣。
SA＝-(1+αT)(1-2βFsd T)·2 VsI0cosωt-{1+(α-2βFsd)T}·2 VsI0cosωt (59a)SB＝-(1+αT)·2 VsI0cosωt/(1-2βFsd T)-{1+(α+2βFsd)T}·2 VsI0cosωt (59b)根據(59a)式，SA的溫度依賴成為零的條件是，α＝2βFsd根據(59b)式，SB的溫度依賴成為零的條件是，α＝-2βFsd對(47a)、(47b)式和(58a)、(58b)式進行對比表示時成為如圖15所示。
根據圖15，將光學偏置從正變為負時，結構與圖8相同，(58a)式成為對(47b)式賦予負號的式，(58b)式成為對(47a)式賦予負號的式。由此，可得到如下結論。
1)將光學偏置從正改變為負時，SA、SB與被測定電流的極性相反。
2)前面的圖10變為圖16。
3)前面的圖11變為圖17。
當示出各參數α、Fs、β的正負符號與應該選擇的信號之間的關係時，如圖17所示。
確定使上述光學偏置為負的透射型的第IV方式有效的參數的範圍的條件式，成為滿足下面兩個式中任一個的範圍。
根據(59a)式，(0≤)|(α-2βFsd)|≤|α|(SA的溫度依賴係數小於|α|) (60a)根據(59b)式，(0≤)|(α+2βFsd)|≤|α|(SB的溫度依賴係數小於|α|) (60b)將(60a)、(60b)式與(a)、(b)式進行比較時，可知只有下標A和B分別互不相同。因此，滿足(60a)、(60b)式的參數值的具體公式參照圖11成為如圖17所示。
下面說明光學偏置偏移的情況。可分為反射型和透射型，首先從反射型(第V方式)開始說明。
設光學偏置為正，Fsd中存在誤差δ。
Fsd＝/8+δ(61)其中，設|δ|＜＜π/2。
在這種情況下，前面的(6a)、(6b)式分別表示為如(62a)、(62b)式所示。
PA＝A[1+cos{π/2+4δ+4βFsd T+4(1+αT)VsI0cosωt}](62a)PB＝B[1-cos{π/2+4δ+4βFsd T+4(1+αT)VsI0cosωt}](62b)(62a)式可以變形為下式那樣
PA＝A[1-sin{(4δ+4βFsd T)-4(1+αT)VsI0cosωt}]A[{1-(4δ+4βFsd T)}-4(1+αT)·VsI0cosωt](63a)同樣地，(62b)可以變形為下式那樣PBB[{1+(4δ+4βFsd T)}+4(1+αT)·VsI0cosωt](63b)根據(63a)、(63b)式，SA、SB成為下式SA＝(1+αT)·4 VsI0cosωt/(1-4δ-4βFsd T) (64a)SB＝(1+αT)·4 VsI0cosωt/(1+4δ+4βFsd T) (64b)進一步簡化它們時，成為SA(1+4δ+4βFsd T)(1+αT)·4 VsI0cosωt當省略二次項時，成為下式。
SA＝{1+4δ+(α+4βFsd)T}·4 VsI0cosωt (65a)同樣地，SB成為如(65b)式那樣。
SB＝{1-4δ+(α-4βFsd)T}·4 VsI0cosωt (65b)將(65a)、(65b)式與前面的(34a)、(34b)式進行比較時，可以將具有光學偏置偏移時的對輸出SA、SB的影響歸納為如下。
a)靈敏度改變。
SA的靈敏度變化+4δ，SB的靈敏度變化-4δ。
b)最優解的式不變。
(65a)式的表示溫度依賴的項(α+4βFsd)T與(34a)的相應項相等，另外(65b)式的表示溫度依賴的項(α-4βFsd)T與(34b)式相等。
因此，使SA、SB的溫度依賴成為零的條件式也與(35a)、(35b)式相等。因此，關於是否可以根據α、β的符號使SA的溫度依賴為零、或者使SB的溫度依賴為零的說明圖與圖6相同。
c)表示使上述的第V方式有效的參數的範圍的式也不變。
條件式與(38a)、(38b)式相同，說明圖也與圖7相同。
此外，在光學偏置偏移的情況下，實施調製度的平均處理而得到的輸出信號Sout根據(65a)、(65b)式成為如下所示Sout＝(SA+SB)/2＝{(65a)+(65b)}/2＝(1+αT)·4 VsI0cosωt(66)根據該(66)式，調製度的平均處理的效果如下。
·可以除去石榴石的溫度依賴的影響。
·可以除去光學偏置偏移的影響。
另一方面，調製度的平均處理在如下方面不能說是有效的。
·不能除去傳感器元件的維爾德常數的溫度依賴的影響(參照(66)式的αT項)。
下面，說明透射型(第VI方式)。
設光學偏置為正，Fsd中存在誤差δ。
θB+Fsd＝π/4+δ(67)其中，設|δ|＜＜π/2。
在該情況下，前面的(43a)、(43b)式分別表示為如下面的(68a)、(68b)所示。
PA＝A[1+cos{π/2+2δ+2βFsd T+2(1+αT)VsI0cosωt}]A[1-sin{(2δ+2βFsd T)-2(1+αT)VsI0cosωt}](68a)PB＝B[1-cos{π/2+4δ+4βFsd T+2(1+αT)VsI0cosωt}]B[{1+sin(2δ+2βFsd T)}+2(1+αT)VsI0cosωt](68b)(68a)式可以變形為下式PAA[{1-(2δ+2βFsd T)}-2(1+αT)VsI0cosωt](69a)同樣地(68b)式可以變形為下式
PBB[{1+(2δ+2βFsd T)}+2(1+αT)VsI0cosωt](69b)根據(69a)、(69b)式，SA、SB成為下式SA＝(1+αT)·2 VsI0cosωt/(1-2δ-2βFsd T) (70a)SB＝(1+αT)·2 VsI0cosωt/(1+2δ+2βFsd T) (70b)進-步簡化它們時，成為SA(1+4δ+4βFsd T)(1+αT)·4 VsI0cosωt當省略二次項時，成為下式。
SA＝{1+2δ+(α+2βFsd)T}·2 VsI0cosωt (71a)同樣地，SB成為(71b)式。
SB＝{1-2δ+(α-2βFsd)T}·2 VsI0cosωt (71b)將(71a)、(71b)式與前面的(47a)、(47b)式進行比較時，可以將具有光學偏置偏移時的對輸出SA、SB的影響歸納如下a)靈敏度改變。
SA的靈敏度變化+2δ，SB的靈敏度變化-2δ。
b)最優解的式不變。
(71a)式的表示溫度依賴的項(α+2βFsd)T與(47a)的相應項相等，另外(71b)式的表示溫度依賴的項(α-2βFsd)T與(47b)式相等。
因此，使SA、SB的溫度依賴成為零的條件式也與(48a)、(48b)式相等。因此，關於是否可以根據α、β的符號使SA的溫度依賴為零、或者使SB的溫度依賴為零的說明圖與圖10相同。
c)表示使上述第V方式有效的參數的範圍的式也不變。
條件式與(50a)、(50b)式相同，說明圖也與圖11相同。其中，前面的(42)式變形為Fsd＝π/4-θB-δ。
此外，在光學偏置發生了偏移的情況下，實施調製度的平均處理而得到的輸出信號Sout根據(71a)、(71b)成為如下所示
Sout＝(SA+SB)/2＝{(71a)+(71b)}/2＝(1+αT)·2 VsI0cosωt(72)根據該(72)式，調製度的平均處理的效果如下。
·可以除去石榴石的溫度依賴的影響。
·可以除去光學偏置偏移的影響。
另一方面，調製度的平均處理在如下方面不能說是有效的。
·不能除去傳感器元件的維爾德常數的溫度依賴的影響(參照(72)式的αT項)。
在前節中對光學偏置為正、光學偏置偏移的情況調查了特性。其結果，可知即使光學偏置發生偏移，表示其方式的特性的公式等也不變。
關於光學偏置為負、光學偏置發生了偏移的情況，可以認為也與上述同樣，因此省略對該條件下的特性的說明。
權利要求
1.一種光電流傳感器中的溫度依賴性誤差的降低方法，其特徵在於，在將被測定交流電流所感應的法拉第效應作為光的強度調製信號而取出的光電流傳感器中，作為插入到起偏振器和檢偏振器之間的光路中的鐵磁性法拉第轉子，選擇將上述光的強度調製信號轉換為電信號時、以交流分量和直流分量的比表示的調製度相對於溫度變化為恆定的轉子，由此降低由上述光電流傳感器的維爾德常數的溫度依賴性導致的傳感器輸出的溫度依賴。
2.一種光電流傳感器中的溫度依賴性誤差的降低方法，其特徵在於，在將被測定交流電流所感應的法拉第效應作為光的強度調製信號而取出的光電流傳感器中，作為插入到起偏振器和檢偏振器之間的光路中的鐵磁性法拉第轉子，選擇在將上述光的強度調製信號轉換為電信號時、其法拉第轉角能使該電信號的交流分量的由溫度引起的變化率與上述電信號的直流分量的由溫度引起的變化率相同或者變小的轉子，由此降低由上述光電流傳感器的維爾德常數的溫度依賴性導致的傳感器輸出的溫度依賴。
3.一種光電流傳感器中的溫度依賴性誤差的降低方法，其特徵在於，所述光電流傳感器是如下的傳感器利用起偏振器從光源發出的光生成直線偏振光，使該直線偏振光通過由透明介質構成的傳感器元件，在將被測定交流電流所感應的磁場施加到上述傳感器元件上時，利用檢偏振器將對通過傳感器元件的光所產生的法拉第效應作為受到強度調製的光(強度調製光)的信號而取出，將該強度調製光轉換為電信號，作為傳感器的輸出獲得以該電信號的交流分量和直流分量的比表示的調製度，在上述光電流傳感器中，在從上述起偏振器經由傳感器元件到達檢偏振器為止的光路上，插入磁飽和的鐵磁性法拉第轉子，作為在該鐵磁性法拉第轉子中產生的法拉第轉角的溫度依賴值，選擇上述調製度相對於溫度變化為恆定的值，由此降低由上述傳感器元件的維爾德常數的溫度依賴性導致的傳感器輸出的溫度依賴。
4.根據權利要求3所述的光電流傳感器中的溫度依賴性誤差的降低方法，其特徵在於，作為在上述鐵磁性法拉第轉子中產生的法拉第轉角的溫度依賴值，選擇上述調製度的溫度依賴的絕對值比傳感器元件的維爾德常數的溫度依賴的值的絕對值小的值，由此降低由上述傳感器元件的維爾德常數的溫度依賴性導致的傳感器輸出的溫度依賴性誤差的絕對值。
5.根據權利要求3或者4所述的光電流傳感器中的溫度依賴性誤差的降低方法，其特徵在於，從上述光源發出並通過上述起偏振器的光，在通過上述鐵磁性法拉第轉子以及傳感器元件後，用鏡子反射而回到兼用作檢偏振器的上述起偏振器，該反射光通過兼用作檢偏振器的起偏振器，由此作為受到強度調製的光的信號而取出。
6.根據權利要求3或者4所述的光電流傳感器中的溫度依賴性誤差的降低方法，其特徵在於，在上述鐵磁性法拉第轉子中產生的法拉第轉角的溫度依賴值滿足下述(I)式的關係-α≤α±2βFsd≤α...(I)其中，α表示傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴係數，β表示鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能的溫度依賴係數，Fs表示基準溫度中的鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能，d表示鐵磁性法拉第轉子的厚度。
7.根據權利要求3至5中任一項所述的光電流傳感器中的溫度依賴性誤差的降低方法，其特徵在於，在上述鐵磁性法拉第轉子中產生的法拉第轉角的溫度依賴值滿足下述(II)式的關係-α≤α±4βFsd≤α...(II)其中，α表示傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴係數，β表示鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能的溫度依賴係數，Fs表示基準溫度中的鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能，d表示鐵磁性法拉第轉子的厚度。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的光電流傳感器中的溫度依賴性誤差的降低方法，其特徵在於，將法拉第轉動能和其溫度依賴特性不同的多個法拉第轉子進行組合，改變各轉子的厚度而調整上述鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉角和其溫度依賴的值。
9.一種光電流傳感器裝置，其特徵在於，具有轉換單元，將被測定交流電流所感應的法拉第效應作為光的強度調製信號而取出，將該光的強度調製信號轉換為電信號；運算單元，抽出該電信號的交流分量和直流分量，運算以交流分量和直流分量的比來表示的調製度；以及調整單元，進行調整，使得上述交流分量的由溫度引起的變化率與上述直流分量的由溫度引起的變化率相同或者變小。
10.一種光電流傳感器裝置，將被測定交流電流所感應的法拉第效應作為光的強度調製信號而取出，其特徵在於，具有鐵磁性法拉第轉子，插入到起偏振器和檢偏振器之間的光路中；轉換單元，將來自上述檢偏振器的光信號轉換為電信號；以及運算單元，抽出該電信號的交流分量和直流分量，運算以交流分量和直流分量的比來表示的調製度，在上述鐵磁性法拉第轉子中產生的法拉第轉角的溫度依賴值滿足下述(I)式的關係-α≤α±2βFsd≤α...(I)其中，α表示傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴係數，β表示鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能的溫度依賴係數，Fs表示基準溫度中的鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能，d表示鐵磁性法拉第轉子的厚度。
11.一種光電流傳感器裝置，將被測定交流電流所感應的法拉第效應作為光的強度調製信號而取出，其特徵在於，具有兼用作檢偏振器的起偏振器；傳感器元件，在其一端安裝了鏡子；鐵磁性法拉第轉子，其插入到上述起偏振器和傳感器元件之間的光路中；轉換單元，將來自上述檢偏振器的光信號轉換為電信號；以及運算單元，抽出該電信號的交流分量和直流分量，運算以交流分量和直流分量的比來表示的調製度，在上述鐵磁性法拉第轉子中產生的法拉第轉角的溫度依賴值滿足下述(II)式的關係-α≤α±4βFsd≤α...(II)其中，α表示傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴係數，β表示鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能的溫度依賴係數，Fs表示基準溫度中的鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉動能，d表示鐵磁性法拉第轉子的厚度。
12.根據權利要求10或者11所述的光電流傳感器裝置，其特徵在於，將法拉第轉動能和其溫度依賴特性不同的多個法拉第轉子進行組合，改變各轉子的厚度而調整上述鐵磁性法拉第轉子的法拉第轉角和其溫度依賴的值。
全文摘要
能夠將由傳感器纖維的維爾德常數的溫度依賴引起的傳感器的溫度依賴降低為低成本。在以往的反射型光傳感器纖維中，為了降低傳感器的溫度依賴，採取將信號處理電路以及接收光學系統二重化、進行調製信號的平均化處理等對策，但是在本發明中，為了消除調製信號的溫度依賴性，選擇鐵磁性法拉第轉子(13)，使得以交流分量和直流分量的比表示的調製度(S
文檔編號G01R15/24GK101023365SQ20058002846
公開日2007年8月22日 申請日期2005年8月17日 優先權日2004年8月25日
發明者黑澤潔, 白川和臣 申請人:東京電力株式會社