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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein magneto-optisches Element mit
Faraday-Effekt und einen optischen Magnetfeldsensor, der ein solches
Element benutzt.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Kürzlich wurde,
insbesondere auf dem Gebiet der Stromindustrie, eine Magnetfeldmessausrüstung vorgeschlagen
und kommerziell angewendet, die ein magnetooptisches Element mit
Faraday-Effekt mit einer optischen Faser kombiniert, um die Stärke eines
Magnetfelds, das sich um ein elektrisches Kabel ausbildet, durch
die Nutzung von Licht zu messen. Das Messverfahren, um eine Magnetfeldstärke um einen
Leiter, durch den ein Strom fließt, zu messen, ist dadurch
gekennzeichnet, dass das Verfahren dadurch beispielsweise gute Isolationseigenschaften
aufweist, dass Licht benutzt wird und somit nicht dem elektromagnetischen
Induktionsrauschen ausgesetzt ist, so dass das Verfahren für die Benutzung
bei Übertragungs-/Verteilungseinrichtungen
in Betracht gezogen wird.
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EP086387
offenbart ein Magnetfeldmessgerät,
das den Faraday-Effekt nutzt und einen Polarisator, ein magneto-optisches
Material und einen Analysator umfasst. Darüber hinaus offenbart US4554449
einen Magnetfeldsensor mit optischer Faser, der ebenso den Faraday-Effekt
nutzt. Der Sensor hat zwei Teile aus einer doppelbrechenden Substanz,
die zwischen den Enden eines Lichtwellenleiters und einer Stablinse
zur wirksamen Polarisationsseparation angeordnet sind. Zusätzlich umfasst
der Sensor ein reflektierendes optisches System, so dass das Licht
sich durch das Faraday-Material hin und her bewegt. JP02281169 offenbart
einen weiteren optischen Magnetfeldsensor, der einen Polarisator,
eine Stablinse, ein magneto-optisches Teil 6 und einen
Corner-cube Spiegel benutzt, so dass das einfallende Licht zweimal
durch das magneto-optische Material läuft, dann durch eine zweite
Stablinse konzentriert wird und durch den Polarisator 5 wieder
in einen zweiten Lichtwelleleiter eintritt, der dicker als der erste
Lichtwellenleiter ist. Darüber
hinaus schlägt
JP02135416 vor, eine Fresnel-Linse zu nutzen, um einen Laserstrahl
parallel auszurichten.
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3 zeigt
ein Diagramm, das ein Verfahren zum Messen eines magnetischen Felds
unter Ausnutzung des Faraday-Effekts zeigt. In 3 ist
ein magneto-optisches Element 14 in einem Magnetfeld H
angeordnet. Einfallendes Licht 8a, das durch einen Polarisator 13 in
linear polarisiertes Licht umgewandelt wird, wird dazu gebracht
durch das magneto-optische Element 14 zu laufen. Dessen
Polarisationsebene wird durch den Faraday-Effekt proportional zur
Magnetfeldstärke
H gedreht. 3 zeigt einen Fall, bei dem
die Faraday-Drehung eine negative Drehung aufweist. Das linear polarisierte
Licht, das gedreht wurde, läuft
durch einen Analysator 15, dessen Durchlasspolarisationsrichtung
sich um 45 Grad von der des Polarisators 13 unterscheidet,
und wird dann anhand der Größe des Drehwinkels θ in eine
Intensitätsänderung
des ausgehenden Lichts 8b umgewandelt. Um diesen magneto-optischen
Umwandelabschnitt zu bilden, wird üblicherweise ein optischer
Magnetfeldsensor benutzt, der, wie in der 2 dargestellt,
ausgebildet ist (siehe National Technical Report Vol. 38, No. 2,
P. 127, 1992).
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In
dem in der 2 dargestellten optischen Magnetfeldsensor
nutzt eine optische Faser 9 Multi-Mode-Fasern mit einer
Kerngröße von 80 μm, und als
Linse 12 wird eine selbstfokussierende Stablinse mit einem Pitch
von 0,25 benutzt. Der Polarisator 13 und der Analysator 15 nutzen
Polarisationsstrahlenteiler; und ein vollständig reflektierender Spiegel 16 wird
benutzt, um den optischen Ausbreitungsweg um 90 Grad zu drehen. Die
Polarisationsstrahlsplitter und der vollständig reflektierende Spiegel
sind Würfel
mit Seitenkantenlängen von
5 mm. Das magneto-optische Element 14 nutzt einen Seltene-Erden-Eisengranatkristall.
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Es
wurde ein die Magnetfeldmessausrüstung
nutzendes System, auf das dieses Prinzip angewandt wird, vorgeschlagen,
bei dem Magnetfeldmesseinheiten an mehreren Punkten in einer Übertragungs-/Verteilungslinie
angeordnet sind; die elektrischen Ausgangssignale einer jeden Messeinheit
werden in eine Recheneinheit eingegeben, wo die Summe der Ausgangssignale
oder die Differenz unter den Ausgangssignalen bezüglich ihrer
Wellenform als Referenzsignal genommen wird; und wobei beispielsweise
ein pha sengleicher Strom in der Übertragungs-/Verteilungslinie
erfasst wird, um einen Unfall zu erkennen.
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Jedoch
tritt, wenn ein ferrimagnetischer Seltene-Erden-Eisengranatkristall
als magnetooptisches Element für
solch einen optischen Magnetfeldsensor benutzt wird, durch die magnetische
Domänenausbildung, die
spezifisch für
Seltene-Erden-Eisengranatkristalle sind, ein Beugungseffekt für Licht,
das den Kristall durchlaufen hat, auf. Das gebeugte Licht wird als
Licht nullter Ordnung
24, Licht erster Ordnung
25,
Licht zweiter Ordnung
26 usw. auf einem Bildschirm
28,
wie in
14 gezeigt, vom Zentrum ausgehend
definiert. Bei dem optischen Magnetfeldsensor, der wie in
2 gezeigt
aufgebaut ist, wird im Wesentlichen Licht nullter Ordnung in der
Linse
12 auf der Lichtausgangsseite erfasst, so dass dessen
Ausgangssignal durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt wird
(siehe J. Mag. Soc. Jpn., Vol. 14, No. 4 P. 642, 1990):
wobei, θ
F die Faraday-Drehung (gesättigte Faraday-Drehung)
ist, wenn ein Material magnetisch gesättigt ist und durch θ
F = F·L
ausgedrückt,
wobei F der für
das Material spezifische Faraday-Drehkoeffizient und L eine Länge des
optischen Ausbreitungspfads (längs
des Elements) ist; M ist die Magnetisierung des Materials, wenn
ein magnetisches Feld daran angelegt wird, und Ms ist die Magnetisierung
(gesättigte
Magnetisierung), wenn das Material magnetisch gesättigt ist.
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Als
magneto-optisches Element, das für
den oben beschriebenen optischen Magnetfeldsensor benutzt wird,
wurde ein Seltener-Erden-Eisengranatkristall offenbart, der durch
die allgemeine Formel (chemische Formel 1) ausgedrückt wird,
wobei der Wert von X auf X = 1,3 gesetzt wird; der von Y auf Y =
0,1 gesetzt wird, der von Z auf Z = 0,1 gesetzt wird; und der von
W auf W = 0,6 gesetzt wird (siehe US-Patent Nr. 5,212,446 oder den
technischen Report OQE92-105, 1992, the Institute of Electronics,
Information and Communication Engineers). Im Stand der Technik ermöglicht das
Ersetzen von Bi oder Gd durch Y ein magneto-optisches Element zu
erzielen, das gute Temperatureigenschaften aufweist. Eine chemische
Formel für
den im Stand der Technik benutzten Kristall wird in der Formel 3
gezeigt. BiXGdYRZY3–(X–Y–Z)Fe5–wGawO12 (Formel 3)
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Jedoch
wurde bei einem wie in 2 ausgebildeten optischen Magnetfeldsensor
mit dem magneto-optischen Elemente wie in 4 gezeigt
ein Linearitätsfehler
der Magnetfeldmessung von ±2%
oder weniger innerhalb eines Bereichs von 0,40 kA/m bis 15,9 kA/m
(5,0 Oe bis 200 Oe) angegeben, so dass es in der Praxis ein Genauigkeitsproblem
der Magnetfeldmessausrüstung
gab.
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Der
Linearitätsfehler
ergibt sich aus der Tatsache, dass wenn ein Bi-ersetzter Seltene-Erden-Eisengranatkristall,
wie oben beschrieben, als magneto-optisches Element für einen
optischen Magnetfeldsensor benutzt wird, Lichtbeugung aufgrund der
magnetischen Domänenstruktur
des Granatkristalls auftritt, wenn Licht durch den Granatkristall,
der ein ferromagnetisches Material ist, läuft. Dadurch wird das gebeugte
Licht, das durch den Kristall gelaufen ist, nicht komplett in einem
optischen System auf der Lichtausgangsseite erfasst, da in diesem
nur Licht nullter Ordnung aufgenommen wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung, wie durch die Ansprüche 1 bis 4 jeweils definiert,
wurde im Hinblick auf diese Punkte gemacht und es ist eine Aufgabe
der Erfindung die Messgenauigkeit für Magnetfelder zu verbessern,
einen optischen Magnetfeldsensor auszubilden, der dazu fähig ist,
gebeugtes Licht höherer
Ordnung zu erfassen und eine Magnetfeldmessausrüstung bereitzustellen, die
eine hohe Messgenauigkeit hat.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Magnetfeldsensor gemäß der Ansprüche 1, 2, 3 und 4 und einer
Magnetfeldmessausrüstung
gemäß Anspruch
6 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein magneto-optisches Element mit einer
hohen Messgenauigkeit in einem großen Magnetfeldbereich bereit,
wobei der optische Magnetfeldsensor und dessen Funktionsweise nachstehend
erklärt
werden.
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Gleichung
(1), wenn ausgeschrieben, kann als Gleichung (2) dargestellt werden.
wobei M = χH, wobei χ die magnetische
Suszeptibilität
ist. Berücksichtigt
man, dass das angelegte Magnetfeld ein Wechselstrommagnetfeld ist,
kann in Gleichung (2) durch Substitution von H durch H
θsinωt die Ausgangswechselstromkomponente,
wie in Gleichung (3) dargestellt, ausgedrückt werden.
Vθac
= A·Hθ·sinωt + B·Hθ 2·sin(2ωt – π/2) (3)wobei A und
B Konstanten sind, die wie folgt dargestellt werden:
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Man
erkennt aus der Gleichung (3), dass die Gleichung, die die Ausgabe
ausdrückt,
den Term sin2ωt umfasst,
dessen Koeffizient mit dem Quadrat der Magnetfeldstärke Hθ 2 multipliziert wird. Daher ergibt sich durch
die Präsenz
einer zweiten höheren
Harmonischen bezüglich
der Fundamentalharmonischen von sinωt eine Verzerrung der Linearität bezüglich dem
Magnetfeld. Demgemäss
wird die Amplitude der zweiten höheren Harmonischen
proportional zum Quadrat von Hθ um so größer je größer die
angelegte Magnetfeldstärke
Hθ ist, so
dass die Linearität
des Ausgangssignals schlechter wird. Werden andererseits alle höheren Ordnungen
erfasst, so dass Licht einschließlich gebeugtem Licht höherer Ordnung
erfasst wird, das Ausgangssignal des Sensors durch die folgende
Gleichung ausgedrückt:
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Wie
aus der Gleichung (4) ersichtlich, wird, wenn alle höheren Ordnungen
erfasst werden, der Effektivwert des Ausgangssignals einfach proportional
zum angelegten Mag netfeld, wodurch die Nichtlinearität des Ausgangssignals
aufgrund des Vorhandenseins einer zweiten höheren Harmonischen nicht auftritt.
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Im
Hinblick darauf macht die vorliegende Erfindung das Magnetfeld,
für das
die magnetische Domänenstruktur
eines magneto-optischen Elements verschwindet, groß, d. h.
das Magnetfeld Hs, das benötigt wird,
um den Granatkristall durch die Steuerung der Komposition magnetisch
zu saturieren. Dadurch wird der Koeffizient B der zweiten höheren Harmonischen,
die die Distorsion der Linearität
bewirkt, klein gemacht, und die Messgenauigkeit des Magnetfelds
kann verbessert werden.
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Darüber hinaus
bildet die vorliegende Erfindung in einem Magnetfeldsensor mit optischen
Komponenten ein optisches System so aus, dass es das gebeugte Licht
aus dem Seltene-Erden-Eisengranatkristall, der aus einem ferrimagnetischen
Material ist, einschließlich
Licht höherer
Ordnung aufnimmt, wodurch es ermöglicht
wird die Messgenauigkeit für
das Magnetfeld zu verbessern.
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Wie
aus der gemachten Beschreibung ersichtlich, macht es die vorliegende
Erfindung möglich,
einen optischen Magnetfeldsensor bereitzustellen, der eine bessere
Linearität
als im Stand der Technik aufweist, so dass der industrielle Wert
eines solchen Sensors signifikant wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Magnetfeldmessausrüstung, die
einen optischen Magnetfeldsensor gemäß der vorliegenden Erfindung
benutzt.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines herkömmlichen
optischen Magnetfeldsensors.
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3 ist
eine typische Ansicht, die das Messprinzip eines Magnetfelds unter
Nutzung des Faraday-Effekts zeigt.
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4 ist
ein Graph, der den Linearitätsfehler
des Ausgangssignals einer Magnetfeldmessausrüstung, die ein herkömmliches
magneto-optisches Element nutzt, zeigt.
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5 ist
ein Graph, der den Linearitätsfehler
des Ausgangssignals einer Magnetfeldmessausrüstung, die ein magneto-optisches
Element einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nutzt, zeigt.
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6 ist
ein Graph, der den Linearitätsfehler
des Ausgangssignals einer Magnetfeldmessausrüstung, die ein magneto-optisches
Element einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nutzt, zeigt.
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7 ist
ein Blockdiagramm eines optischen Magnetfeldsensors nicht gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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8 ist
ein Blockdiagramm eines optischen Magneffeldsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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9 ist
ein Blockdiagramm eines optischen Magnetfeldsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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10 ist
ein Blockdiagramm eines optischen Magnetfeldsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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11 ist
ein Blockdiagramm eines optischen Magnetfeldsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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12 ist
ein Blockdiagramm eines optischen Magnetfeldsensors, der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfasst.
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13 ist
ein Graph, der den Linearitätsfehler
des Ausgangssignals einer Magnetfeldmessausrüstung, die ein magneto-optisches
Element und einen optischen Magnetfeldsensor gemäß der vorliegenden Erfindung
benutzt, zeigt.
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14 ist
eine typische Ansicht, die hilfreich ist das Lichtbeugungsphänomen, das
aufgrund des ferrimagnetischen Granatkristalls auftritt, zu erklären.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen werden Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung nachstehend erklärt.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
einer Magnetfeldmessausrüstung,
die ein magnetooptisches Element und einen optischen Magnetfeldsensor
gemäß der vorliegenden
Erfindung nutzt. Ein optischer Magnetfeldsensor 1 ist in
einem zu messenden Magnetfeld angeordnet oder befindet sich im Spalt
eines Magnetkerns 6, wie in 1 gezeigt.
In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 3 einen
optischen Lichtwellenleiter, die einen optischen Übertragungspfad
bildet. Bezugszeichen 2 bezeichnet ein optisches Signalherstellungsmittel,
das eine LED mit einem Wellenlängenbereich
um 0,8 μm,
oder eine LED mit einem Wellenlängenbereich
um 1,3 μm
oder 1,5 μm
nutzt. Bezugszeichen 4 bezeichnet Erfassungsmittel zum
Erfassen von Licht, das durch den optischen Magnetfeldsensor 1 gelaufen
ist, um das Licht in ein elektrisches Signal umzuwandeln, wobei
das Erfassungsmittel üblicherweise
Ge-PD, Si PIN-PD oder ähnliches
nutzt, wobei in diesem Fall Si PIN-PD benutzt wird, da die LED mit
dem Wellenlängenbereich
von 0,8 μm
benutzt wird. Die Ziffer 4 bezeichnet eine Signalzentraleinheit;
und die Ziffer 7 ein zu messendes elektrisches Kabel.
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Der
optische Magnetfeldsensor 1 ist üblicherweise wie in der 2 dargestellt,
aufgebaut, wobei der Polarisator 13 an einem Ende des magneto-optischen
Elements 14 und der Analysator 15 an dem anderen Ende
angeordnet sind und so installiert sind, dass deren Durchlassungs-Polarisationsrichtungen
unter 45 Grad zueinander ausgebildet sind. Der Winkel, selbst wenn
er von den 45 Grad abweicht, beeinflusst nicht wesentlich die Linearitätseigenschaften
des Sensors. Der Polarisator 13 und der Analysator 15 nutzen
oftmals Polarisationsstrahlenteiler. Die Ziffer 12 bezeichnet
eine Linse, um das zum magneto-optischen Element hin abgestrahlte
Licht in einen parallel ausgerichteten Lichtstrahl zu überführen, oder
um das Licht, das durch das magneto-optische Element hindurchgelaufen
ist, konvergieren zu lassen.
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Als
erstes wird ein Beispiel einer verbesserten Zusammensetzung des
magnetooptischen Elements erläutert,
das Teil einer erfindungsgemäßen Magnetfeldmessausrüstung nach
Anspruch 7 ist.
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Unter
Nutzung eines auf Bi2O3-PbO-B2O5 basierenden Flusses
wurde der Bi-substituierte
Seltene-Erden-Eisengranatkristall, der durch die generelle Formel
(Formel 1) ausgedrückt
wird, auf einem Ca-Mg-Zr-substituierten Gd3Ga5O12-Substrat mit
der LPE-Methode kristallin zum Wachsen gebracht. Die Tabelle 1 zeigt
das Beispiel. Die numerischen Werte zeigen die Zusammensetzungsrate
für jedes
Element an. Die Tabelle zeigt auch das Ergebnis der Linearitätsfehlermessung
innerhalb eines Magnetfeldbereiches von 0 A/m bis 15,9 kA/m (0 Oe
bis 200 Oe), wobei die magneto-optischen Elemente, die so hergestellt
wurden, im optischen Magnetfeldsensor der 2 benutzt
wurden. Die Frequenz des Wechselstrommagnetfelds ist 60 Hz. Die
Proben, die mit einem Gitter in der Tabelle 1 bezeichnet sind, gehen über den
Rahmen der vorliegenden Erfindung hinaus.
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Für die Probe
Nr. 5, die mit einem * in der Tabelle 1 markiert ist, werden die
gemessenen Linearitätsdaten
in Abhängigkeit
des Magnetfelds in 5 dargestellt. Obwohl das verbesserte
magneto-optische Element durch die generelle Formel (Formel 1) ausgedrückt wird,
wobei der Kristallzusammensetzungsbereich so ist, dass der Wert
von X die Bedingung 0,8 ≤ X ≤ 1,3 erfüllt, Y die
Bedingung 0,2 ≤ Y ≤ 0,4 erfüllt; Z die
Bedingung 0,1 ≤ Z ≤ 0,9 erfüllt; und
dass W die Bedingung 0 ≤ Z ≤ 0,3 erfüllt, wobei
der Linearitätsfehler
innerhalb des Magnetfeldbereichs 0,4 kA/m bis 15,9 kA/m (5,0 Oe
bis 200 Oe) ±1%
oder weniger beträgt.
Durch Vergleich mit der 4 des Beispiels aus dem Stand
der Technik erkennt man leicht, dass die Linearität verbessert
ist. Für
die Probe Nr. 5 aus Tabelle 1 und das oben genannte Beispiel aus
dem Stand der Technik sind die Ergebnisse der Messung für das Magnetfeld
Hs, das benötigt
wird, um das magneto-optische Element bei Raumtemperatur magnetisch
zu saturieren, in der Tabelle 2 dargestellt:
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Diese
Ergebnisse zeigen, dass der ferrigmagnetische Seltene-Erden-Eisengranatkristall,
bei dem ein nichtmagnetisches Element nicht durch Eisen ersetzt
wird, im Vergleich mit jenem bei dem das nichtmagnetische Element
anders ist, ein höheres
Hs und einen geringeren Koeffizienten B, der sich aus der Gleichung
3 ergib, aufweist, wodurch sich die Linearität bezüglich des Magnetfelds verbessert.
Obwohl das Beispiel für
ein Wechselstrommagnetfeld beschrieben wurde, können für ein Gleichstrommagnetfeld ähnliche
Betrachtungen gemacht werden, so dass für den optischen Magnetfeldsensor
mit der in 2 gezeigten Zusammensetzung sich
die Linearität
in Abhängigkeit
des magnetischen Felds um so mehr verbessert, je größer Hs des
magneto-optischen Elements ist.
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Beispiel 2
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Die
magneto-optischen Elemente der Tabelle 1 sind jene, in denen das
Gd-Element substituiert wurde, um auch Temperatureigenschaften zu
berücksichtigen.
Daher wurde für
diese in der Magnetfeldmessausrüstung
benutzten magneto-optischen Elemente eine Temperaturabhängigkeit
der Ausgangssignale innerhalb eines Temperaturbereichs von –20°C bis 80°C durchgeführt, mit
dem Ergebnis, dass der Linearitätsfehler
gleich ±1,0%
oder weniger für
alle magneto-optischen Elemente ist. Andererseits kann das magneto-optische
Element, das durch die generelle Formel (chemische Formel 2) dar gestellt
wird, wobei das Gd-Element nicht substituiert wird, als Element
mit guter Linearität
für die
Magnetfeldmessausrüstung
genutzt werden, wenn Temperatureigenschaften nicht berücksichtigt
werden. (BiXRYY3–X–Y)Fe5O12 (Formel
2)
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Die
Messergebnisse des Linearitätsfehlers
für magneto-optische
Elemente, die durch die generelle Formel (chemische Formel 2) dargestellt
werden, und die in einer wie in 1 gezeigten
Magnetfeldmessausrüstung
genutzt werden, sind in Tabelle 3 dargestellt. Die numerischen Werte
stellen die Zusammensetzungsrate für jedes Element dar.
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Die
Linearitätsmessdaten
in Abhängigkeit
des Magnetfelds sind für
die Probe Nr. 4, die mit einem * in Tabelle 3 bezeichnet wird, in 6 dargestellt.
Obwohl das magnetooptische Element durch eine generelle Formel (Formel
1) dargestellt wird, wobei der Kristallzusammensetzungsbereich so
ist, dass der Wert von X die Bedingung 0,6 ≤ X ≤ 1,3 erfüllt; und dass Y die Bedingung
0,1 ≤ Y ≤ 0,2 erfüllt, wobei
der Linearitätsfehler ±1% oder
weniger innerhalb des Magnetfeldbereichs von 0,4 kA/m bis 15,9 kA/m
(5,0 Oe bis 200 Oe) ist, so dass die Temperatureigenschaften nicht
gut sind, zeigt aber der Linearitätsfehler bezüglich des
Magnetfelds ausreichend gute Eigenschaften.
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Obwohl
das vorliegende zweite Beispiel ein Beispiel beschrieben hat, das
La als substituierendes Element benutzt, um Gitterübereinstimmung
zu erzielen, so hätte
auch ein Seltene-Erden-Element oder mehrere Arten Seltener-Erden-Elemente
als R-Elemente in der allgemeinen Formel (Formel 1) oder (Formel
2) benutzt werden können.
In diesem Fall werden gute Ergebnisse erzielt, wenn ein nicht magnetisches
Element benutzt wird, das nicht die saturierte Magnetisierung des
Bi-substituierten Seltene-Erde-Eisengranatkristalls
beeinflusst. Selbst dort wo diese anderen als Ca-Mg-Zr-substituierten Gd3Ga5O12-Kristallsubtrate
mit verschiedenen Gitterkonstanten als Granatkristallsubstrat benutzt
wurden, wurde ein Seltene-Erden-Element oder mehrere Arten Seltene-Erde-Elemente
für die
R-Elemente in der allgemeinen Formel (Formel 1) oder (Formel 2)
substituiert, um Gitterübereinstimmung
zu erzielen, um ein Ei-substituierten
Seltene-Erden-Eisengranatkristall mit guter Linearität züchten zu
können.
Um ferner die Temperatureigenschaften zu kompensieren, wurde bestätigt, dass
die Elemente wie Tb, Dy, Ho, Er und Tm auch wirksam sind.
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Obwohl
im obigen Falle ein magneto-optisches Element auf einem Ca-Mg-Zr-substituierten Gd3Ga5O12-kristallisierten
Substrat zum Wachsen gebracht wurde, so wurde durch Änderung
der Wachstumsbedingungen das Element auch auf einem Nd3Ga5O12-Substrat zum Wachsen
gebracht, wobei ähnliche
Ergebnisse erzielt wurden. Unter Nutzung der CVD-Methode, kann das
Element dazu gebracht, epitaktisch auf diesen Substraten zu wachsen.
Obwohl jedoch ein magneto-optisches Element, das durch die allgemeine
Formel (Formel 1) ausgedrückt
werden kann, und dessen Kristallzusammensetzungsbereich so ist,
dass X die Bedingung 0,8 ≤ X ≤ 1,3 erfüllt; dass
Y die Bedingung 0,2 ≤ Y ≤ 0,4 erfüllt, dass
Z die Bedingung 0,1 ≤ Z ≤ 0,9 erfüllt; und
dass W die Bedingung 0 ≤ W ≤ 0,3 erfüllt, und
ein magneto-optisches Element, das durch die allgemeine Formel (Formel
2) ausgedrückt
werden kann, und dessen Kristallzusammensetzungsbereich so ist,
dass X die Bedingung 0,6 ≤ X ≤ 1,3 und Y
die Bedingung 0,1 ≤ Y ≤ 0,2 erfüllen, ohne
epitaktisches Wachstum abhängig von
den Wachstumsbedingungen als polykristalline Substanz mit einer
beliebigen Wachstumsmethode erzielt werden kann, so kann selbst
solch ein magneto-optisches Element als polykristalline Substanz,
mit einem irgendwie erhöhten
Lichtabsorptionsverlust, ausreichend nützlich sein.
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Eine
Ausführungsform
mit der die Linearität
durch ein optisches System eines optischen Magnetfeldsensors verbessert
wurde, wird nachstehend erläutert.
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Beispiel 3 nützlich für das Verständnis der
Erfindung
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7 ist
ein Blockdiagramm, das einen optischen Magnetfeldsensor gemäß einem
Beispiel, das nicht gemäß der vorliegenden
Erfindung aber nützlich
für das
Verständnis
ist, zeigt. In 7 wird als optische Faser 9 auf
der lichteinfallenden Seite ein Multimode-Lichtwellenleiter mit einem Lichtwellenleiterkerndurchmesser von
50 μm benutzt,
während
der Lichtwellenleiter 17 auf der lichtausfallenden Seite
einen Multimode-Lichtwellenleiter
mit einem Lichtwellenleiterkerndurchmesser von 200 μm nutzt.
Die Linsen auf der lichteinfallenden und lichtausfallenden Seite
sind selbstfokussierende Stablinsen mit einem Pitch von 0,25. Der
Polarisator 13 und der Analysator 15 sind an den
gegenüberliegenden
Seiten des Seltene-Erden-Eisengranatkristalls so angeordnet, dass
ihre Durchlassungspolarisationsrichtungen gekreuzt und unter 45
Grad zueinander angeordnet sind. Der vollständig reflektierende Spiegel 16 wird
benutzt, um die Lichtausbreitung um 90 Grad umzulenken.
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Das
Licht 8a, das von der Lichtquelle ausgesendet wird, läuft durch
den Lichtwellenleiter 9, wird durch die Linse 12 parallel
ausgerichtet, dann durch den Polarisator 13 in linear polarisiertes
Licht umgewandelt und das dann reflektierte Licht 8a wird
dann in das magneto-optische Element 14 eingestrahlt. Zu
diesem Zeitpunkt ist der Strahldurchmesser des in das magneto-optische
Element 14 eingestrahlten Lichts 800 μm. Das in das magneto-optische
Element 14 eingestrahlte Licht wird durch das magneto-optische
Element 14, das eine multimagnetische Domainstruktur aufweist,
gebeugt, wie in 14 gezeigt, und läuft während es
sich ausbreitet, auseinander. Durch den Analysator 15 wird
nur die 45-Grad-Komponente bezüglich
des Polarisators 13 hindurch gelassen, und dann durch den
vollständig
reflektierten Spiegel 16 um 90 Grad in die Ausbreitungsrichtung
umgelenkt. Das um 90 Grad in die Ausbreitungsrichtung umgelenkte
Licht fällt
auf die Linse, um auf den Lichtwellenleiter 18 auf der
Lichtausgangsseite gebündelt
zu werden. Da der Seltene-Erden-Eisengranatkristall den (BiGdLaY)3(FeGa)5O12-Kristall nutzt, ist der Beugungswinkel θ bei einer
Wellenlänge
von 880 mm pro eine Ordnung gebeugten Lichts 2,6 Grad.
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Wie
in Beispiel 3 gezeigt, wo der Multimode-Lichtwellenleiter einen
Kerndurchmesser von 200 μm
aufweist, der größer als
der Kerndurchmesser von 50 μm
des Wellenleiters 9 auf der Lichteingangsseite ist, und als
Lichtwellenleiter 17 auf der Lichtausgangsseite benutzt
wird, ist die numerische Apperatur des optischen Systems auf der
Lichtausgangsseite größer als
die numerische Apperatur des optischen Systems auf der Lichteingangsseite.
Deshalb wird im vorliegenden Beispiel 3 die Ordnungszahl des gebeugten
Lichts, das die Linse 7 auf der Lichtausgangsseite erfassen
kann, groß,
wodurch es ermöglicht
wird Licht bis zu höheren
Ordnungen zu erfassen, während,
wenn für
den Lichtwellenleiter 9 der Lichtwellenleiter den gleichen
Kerndurchmesser nutzt, um den in 2 gezeigten
optischen Magnetfeldsensor wie im Stand der Technik zu bilden, nur Licht
nullter Ordnung erfasst wird.
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Ausführungsform 1
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Eine
erste Ausführungsform
eines optischen Magnetfeldsensors gemäß der Erfindung ist in 8 dargestellt.
Der optische Magnetfeldsensor der 8 unterscheidet
sich von dem Sensor des Stands der Technik in 2 dadurch,
dass die selbstfokussierenden Stablinsen mit einem Durchmesser von
1 mm und einem Pitch von 0,25 als Linse 18 auf der Lichteingangsseite
angeordnet werden, und selbstfokussierende Stablinsen mit einem
Durchmesser von 3 mm und 5 mm, und einem Pitch von 0,25 als Linse 19 auf
der Lichtausgangsseite angeordnet sind.
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Wie
in der vorliegenden Ausführungsform
gezeigt, bei der die Linse 19 auf der Lichtausgangsseite
Linsen nutzt, die einen größeren Durchmesser
aufweisen als die Linsen der Linse 18 auf der Lichteingangsseite, wird
die numerische Apperatur des optischen Systems auf der Lichtausgangsseite, ähnlich dem
Beispiel 3, größer als
die numerische Apperatur des optischen Systems auf der Lichteingangsseite.
Daher wird, in der ersten Ausführungsform
die Ordnungszahl des gebeugten Lichts, das die Linse 19 auf
der Lichtausgangsseite erfassen kann, groß, wodurch es möglich gemacht
wird Licht bis zu höheren
Ordnungen zu erfassen, während, wenn
die selbstfokussierenden Stablinsen mit gleichem Kerndurchmesser
und einem Pitch von 0,25 als Linsen auf der Lichteingangs- und -ausgangsseite
benutzt werden, um den in 2 gezeigten
optischen Magnetfeldsensor aus dem Stand der Technik zu bilden,
nur Licht nullter Ordnung erfasst.
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Die
gleiche Wirkung wurde auch erzielt, wenn anstatt des selbstfokussierenden
Stablinsen 18, 19 der 8 eine asphärische Linse
und eine sphärische
Linse, die parallel ausgerichtetes Licht erzielen kann, benutzt
werden, so dass der Durchmesser der Linse auf der Lichtausgangsseite
größer ist
als der Durchmesser der Linse auf der Lichteingangsseite.
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Ausführungsform 2
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Eine
zweite Ausführungsform
wird in der 9 gezeigt. Der optische Magnetfeldsensor
der 9 unterscheidet sich von dem in der 2 gezeigten
Beispiel des Stands der Technik dadurch, dass, wie in 9 gezeigt,
eine Fresnel-Linse 20 bezüglich dem magneto-optischen
Element 14 in der Ebene gegenüber dem Polarisator 13 in
der Lichtausbreitungsrichtung angeordnet ist. Die Fresnel-Linse
nutzt Linsen mit einem Durchmesser von 3 mm und einer numerischen
Apperatur von 0,3. Daher ist die Gesamtzonenzahl der Fresnel-Linse,
die für
die Wellenlänge
880 nm benutzt wird, ungefähr
2,56 × 105.
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Wie
in der vorliegenden Ausführungsform
gezeigt, wird, wenn die Fresnel-Linse 20 bezüglich der Lichtausbreitungsrichtung
direkt hinter dem magneto-optischen Element 14 angeordnet
ist, um das auseinander laufende Licht in einem parallel verlaufenden
Strahl umzuwandeln, das durch das magneto-optische Element 14 gebeugte
Licht wirksam in einen parallel ausgerichteten Lichtstrahl umgewandelt.
Daher wird in der zweiten Ausführungsform
die Ordnungszahl des gebeugten Lichts, das die Linse 12 auf
der Lichtausgangsseite erfassen kann, groß, wodurch es möglich gemacht
wird Licht höherer
Ordnung zu erfassen, während,
wenn der in der 2 dargestellte optische Magnetfeldsensor
aus dem Stand der Technik ausgebildet wird, nur Licht nullter Ordnung
erfasst wird.
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Die
Fresnel-Linse 20 hat einen Vorteil darin, dass die Linse
dünner
ist als eine flache Konvexlinse, so dass, wenn der optische Magnetfeldsensor
in einem Gehäuse
untergebracht wird, die äußere Form
des Sensors nicht groß ist.
Die gleiche Wirkung wurde für
eine Gitterlinse anstatt der Fresnel-Linse erzielt.
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Ausführungsform 3
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Eine
dritte Ausführungsform
ist in 10 dargestellt. Der optische
Magnetfeldsensor gemäß 10 unterscheidet
sich von dem Stand der Technik Beispiel, das in 2 gezeigt
wird, dadurch, dass sphärische Linsen 21 mit
einem Durchmesser von 3 mm als Linsen auf der Lichteingangs- und
-ausgangsseite angeordnet sind, um ein lichtkonvergierendes optisches
System zu bilden. Wenn nun das lichtkonvergierende optische System
ausgebildet werden soll, so muss man bezüglich dem Abstand c zwischen
dem Wellenleiter 9a auf der Lichteingangsseite und einer
Linse 21a auf der Lichteingangsseite, bezüglich dem
Abstand d zwischen einer Linse 21a auf der Lichteingangsseite
und dem Polarisator 13, bezüglich dem Abstand e zwischen
dem vollständig
reflektierenden Spiegel 16 und einer Linse 21b auf
der Lichtausgangsseite und bezüglich
einem Abstand f zwischen der Linse 21b auf der Lichtausgangsseite
und einem Lichtwellenleiter 9b auf der Lichtausgangsseite
auf dem Lichtausbreitungsweg sorgfältig sein, so dass in der vorliegenden
Ausführungsform
alle der jeweiligen Abstände
so ausgebildet sind, dass sie im Bereich von 1 mm bis 1,4 mm liegen.
Währenddessen werden
die Werte des Durchmessers der sphärischen Linse, c, d, e, f so
gewählt,
dass der optische Einführungsverlust
minimal gemacht wird. Jetzt sind in diesem Falle der Polarisator,
der Lichtdetektor und der vollständig
reflektierende Spiegel Würfel
mit Seitenlängen
von 5 mm. Werden als sphärisches
Linsenmaterial BK7 und als Lichtquellenwellenlänge 880 nm benutzt, so ist
der Strahldurchmesser auf Höhe
des Kristalls gleich 480 μm.
Wenn ein lichtkonvergierendes optisches System benutz wird, das
so aufgebaut ist wie in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt, befindet
sich die Kristallposition in der Nähe eines Strahlungsbauches,
so dass der Strahldurchmesser an der Kristallposition kleiner ist
als beim Stand der Technik. In Folge dessen ermöglicht es die Linse 21b auf
der Lichtausgangsseite Licht höherer
Ordnung zu erfassen.
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Ausführungsform 4
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Eine
vierte Ausführungsform
ist in der 11 dargestellt. Der optische
Magnetfeldsensor der 11 unterscheidet sich dadurch
von dem Beispiel des Stands der Technik, der in der 2 dargestellt
wird, dass ein magneto-optisches Element 22 unter einem
Winkel α geneigt
bezüglich
der Lichtausbreitungsrichtung angeordnet ist. Die bezüglich der
Lichtausbreitungsrichtung geneigte Anordnung des magneto-optischen
Elements 22 ermöglicht
es den Beugungseffekt, der sich im magneto-optischen Element ausbildet,
zu verringern.
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Der
Seltene-Erden-Eisengranatkristall aus einem ferrimagnetischen Material
hat eine magnetische Multidomainstruktur, so dass der Kristall für das Licht
zu einem Beugungsgitter wird. Generell verringert sich der Beugungseffekt
des Beugungsgitters wesentlich, wenn der Lichteinfallswinkel auf
das Beugungsgitter auf Werte größer null
Grad ansteigt. Daher wird das magneto-optische Element 22,
wie in der vorliegenden Ausführungsform
dargestellt, geneigt bezüglich
der Lichtausbreitungsrichtung angeordnet, wodurch es ermöglicht wird
den Beugungseffekt des magneto-optischen Elements zu verringern.
Dadurch wird die Messgenauigkeit verbessert. In der vorliegenden
Ausführungsform
wurde der Neigungswinkel α bezüglich der
Sensorsensibilität und
dem Lichteinführungsverlust
auf den Idealwinkel von 45 Grad eingestellt.
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Ausführungsform 5
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Eine
fünfte
Ausführungsform
ist in der 12 dargestellt. 12 zeigt
einen linearen optischen Magnetfeldsensor, bei dem der Lichtwellenleiter 9a auf
der Lichteingangsseite ein Multimode-Lichtwellenleiter mit einem
Kerndurchmesser von 200 μm
ist. Der Polarisator 13 und der Analysator 15 sind
laminierte Dünnschichtpolarisatoren
und beiden Seiten des magneto-optischen Elements sind so angeordnet,
dass deren Durchlassungspolarisationsrichtungen zueinander unter
45 Grad gekreuzt stehen. Das magnetooptische Element 14, der
Polarisator 13 und der Analysator 15, die benutzt
werden, haben eine quadratische Form mit einer Größe von 3 × 3 mm.
Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Linse und der Lichtwellenleiter 9b auf
der Lichtausgangsseite ist ein Multimode-Lichtwellenleiter mit einem Kerndurchmesser
von 400 μm.
Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Zwinge, um die Lichtwellenleiter
zu fixieren. Diese Bauteile befinden sich in einem Gehäuse 23.
Der optische Magnetfeldsensor, der in 12 gezeigt
wird, umfasst kombinatorisch die oben beschriebenen Beispiele 3 und
Ausführungsformen
3 bis 7.
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Wenn
durchgelaufenes Licht auf der Endseite auf der Lichtausgangsseite
des Lichtwellenleiters zusammenlaufen kann, so kann die Linse 12 eine
Konkavlinse oder ähnliches
benutzen. Wenn der Kerndurchmesser des Lichtwellenleiters auf der
Lichtausgangsseite größer als
der des Lichtwellenleiters auf der Lichteingangsseite ist, wird
ein Aufbau realisiert, bei dem die Linse 12 nicht angeordnet
ist.
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Um
dann die optischen Magnetfeldsensoren der 7 bis 12 bewerten
zu können,
wird eine wie in 1 gezeigte Strommessausrüstung benutzt
um den Linearitätsfehler
zu messen. Der optische Magnetfeldsensor 1 wird entweder
direkt am elektrischen Kabel installiert oder, wie in 1 gezeigt,
in der Lücke
des Kerns angeordnet.
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Tabelle
4 stellt die Ergebnisse der Linearitätsfehlermessung innerhalb eines
Magnetfeldbereiches von 0 kA/m bis 15,9 kA/m (0 Oe bis 200 Oe) für einen
optischen Magnetfeldsensor für
die oben beschriebene Strommessausrüstung zusammen. Die Frequenz
des Wechselstroms ist 60 Hz.
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Verglichen
mit den Messdaten der Beispiele aus dem Stand der Technik wird man
aus den Ergebnissen erkennen, dass die Linearität durch diese optischen Systeme
verbessert wird. Daher hat der Aufbau der optischen Magnetfeldsensoren
es in diesen optischen Systemen ermöglicht gebeugtes Licht höherer Ordnung zu
erfassen, die Signalintensität
der zweiten höheren
Harmonischen, die im Ausgangssignal enthalten ist, zu verringern
und die Linearität
des optischen Magneffeldsensors bezüglich des Magnetfels wesentlich
zu verbessern.
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Wenn
daher eine Strommessausrüstung
mit einem optischen Magnetfeldsensor gemäß dem optischen System der
vorliegenden Erfindung gebildet wird, kann ein optisches CT gebildet
werden, das einen Verhältnisfehler
von ±1%
oder weniger innerhalb des Strommessbereichs von 0,025 I bis I bezüglich dem
Nennstromwert I hat.
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Obwohl
in dem optischen Magnetfeldsensor der vorliegenden Ausführungsform
der Polarisator 13 und der Analysator 15 Polarisationsstrahlenteiler
sind, können
auch Polarisationsplättchen
aus Glas oder laminierte Dünnfilmpolarisatoren
benutzt werden. Insbesondere hat ein optischer Magnetfeldsensor,
in dem Polarisationsplättchen
aus Glas oder ein laminierter Dünnfilmpolarisator
als Polarisator 13 und Analysator 15 benutzt werden,
den großen
Vorteil, dass der Sensor verkleinert werden kann. Außerdem kann
die selbstfokussierende Stablinse durch eine Linse ersetzt werden,
die es ermöglicht
einen parallel ausgerichteten Strahl zu erzielen. Darüber hinaus
wurde ein linearer optischer Magnetfeldsensor ohne den vollständig reflektierenden
Spiegel gebildet.
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Die
Linearitätsverbesserung
wurde nicht nur für
Lichtquellen mit einem 0,8 μm-Band
erzielt, sondern auch für
die anderen Wellenlängen
im Bereich um 1,3 μm
bzw. um 1,5 μm,
die durch den Seltene-Erden-Eisengranatkristall hindurch laufen.
Es wurde auch bestätigt,
dass ein Magnetfeld mit guter Linearität nicht nur für eine Frequenz
von 60 Hz sondern auch in einem Bereich von Gleichstrom-Magnetfeldern
bis zu mehreren 100 kHz gemessen werden konnte. Obwohl Beispiele
optischer Magnetfeldsensoren dargestellt wurden, bei denen Seltene-Erden-Eisengranatkristalle
benutzt wurden, die durch die (Formel 1) ausgedrückt werden, um die Temperatureigenschaften
des optischen Magnetfeldsensors zu berücksichtigen, so kann der Aufbau
des optischen Systems der vorliegenden Ausführungsform auf alle optischen
Magnetfeldsensoren angewandt werden, die einen Granatkristall mit
einer ferrimagnetischen Substanz als magneto-optisches Element nutzen;
und ebenso kann ein optischer Magnetfeldsensor die Ausführungsformen
und Beispiele in Kombination miteinander umfassen. 13 zeigt
die Ergebnisse des Linearitätsfehler
für eine
Magnetfeldmessausrüstung,
dessen optischer Magnetfeldsensor, der das Licht-einsammelnde optische
System der Ausführungsform
3 nutzt, mit einem magneto-optischen Element ausgerüstet ist,
das durch die (Formel 1) dargestellt werden kann. Man erkennt aus
der 13, dass die Linearität offensichtlich durch die
Kristallzusammensetzung und das optische System verbessert wurde.
