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“用光纤测量电流” 东京电力展示试制测量仪

东京电力与横川电机联合开发成功了使用光纤的电流测量仪(光纤电流传感器),并在“TECHNO-FRONTIER 2005”2005年日本电子工业博览会,200542022日,东京幕张Messe国际会展中心)上展出了试制品。利用的是强磁场可使光的偏振面发生旋转的法拉第效应。其优点很多,包括:体积小、便于在现有设备中安装、抗电磁噪音能力强以及可实现长距离信号传输等等。

  所谓的法拉第效应就是通过磁场中的透明物质的光的偏振面发生旋转的现象(偏振旋转)。旋转角与磁场强度成正比、磁场强度与电流成正比。因此,测出通过磁场的光的偏振面的旋转角,就可以计算出电流强度。比如,测量线圈的电流时,只需在线圈内部穿过一条光纤即可。

  截止目前,光纤电流传感器的实用化方面,一直存在两大课题。一是光纤承受的应力会造成偏振旋转(光弹性效应)。这样一来,测量到的偏转角中,就很难确定到底有多大程度是因为法拉第效应或者光弹性效应。再一个就是光纤本身的三维曲线形状也会导致偏振旋转的发生。具体而言,光纤在某个位置的曲率的线积分值会成为旋转角。

  对于第一个问题,通过将光纤材料由普通的石英玻璃改为铅玻璃得到了解决。铅玻璃的光弹性系数相当小,只有0.45×10-9cm2/kg,大约仅为石英玻璃(350×10-9cm2/kg)的1/770。这样,就将光弹性效应引起的偏振旋转降低到了实用水平。

  对于后一个问题,通过将偏振角的测量由透过型改为反射型得到了解决。在光纤的末端装上镜子,以此来测量反射光。由于曲线形状引起的偏振旋转是曲率的线积分,所以在反射的情形下,去路的旋转部分就会被来回路所抵消。由于法拉第效应引起的偏振旋转只有在光线通过磁场方向时才产生,因此在反射型中没有变化。

  这种光纤电流传感器可以测量±100kA的电流。东京电力认为,该产品有望应用于混合车的马达以及SiC(碳化硅)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)等用途。此次的试制品是与横河电机联合开发的,但量产和销售是不是交由合作伙伴负责,目前尚未确定。据称,目前已接到多家企业的咨询。

東京電力は,光ファイバを使った電流計測器(光ファイバ電流センサ)を横河電機と共同開発し,その試作品を「TECHNO-FRONTIER 2005」(200542022日,幕張メッセ)に出展した。磁界によって光の偏波面が回転するファラデー効果を利用したもの。小型,既設機器への取り付けが簡単,電磁雑音に強い,長距離信号伝送が可能などさまざまなメリットがある。

 ファラデー効果とは,磁界中の透明物質を通過する光の偏波面が回転する現象(偏波回転)。回転角は磁界の強さに比例し,磁界の強さは電流に比例する。従って,磁界を通過させた光の偏波面の回転角を測定することで,電流を算出できる。例えばコイルの電流を測る場合は,コイル内部に光ファイバを通すだけで済む。

 光ファイバ電流センサの実用化には,これまで二つの課題があった。一つは,ファイバにかかる応力によって偏波回転が発生すること(光弾性効果)。これにより,計測した偏波回転角のうち,どの程度がファラデー効果によるもので,どの程度が光弾性効果によるものか分からなくなる。もう一つは,光ファイバの描く3次元曲線形状によっても偏波回転が発生すること。具体的には光ファイバのある地点のねじれ率を線積分した値が回転角になるという。

 前者の問題は,光ファイバの材質を一般的な石英ガラスから鉛ガラスとすることで解決した。鉛ガラスの光弾性係数は0.45×10-9cm2/kgと,石英ガラスの350×10-9cm2/kgの約1/770と小さい。これにより,光弾性効果による偏波回転を実用可能なレベルに抑えた。

 後者の問題は,偏波角の測定を透過型から反射型にすることで解決した。光ファイバの終端にミラーを付け,反射光を測定に使う。曲線形状による偏波回転はねじれ率の線積分なので,反射型の場合,往路の回転分が復路で打ち消される。ファラデー効果による偏波回転は光が磁界方向を通過するときにしか発生しないので,反射型でも変化しない。

 この光ファイバ電流センサでは,±100kAまでの電流を測定可能。東京電力は,ハイブリッド車に使うモータや,SiC(炭化ケイ素),IGBT(絶縁ゲート型バイポーラ・
トランジスタ)といった用途を見込んでいる。今回の試作品は横河電機との共同開発だが,量産・販売を手掛けるパートナーになるかは未定。他企業からの引き合いも多いという。

 

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