CN111413295A - 分析装置、存储介质和分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供分析装置、存储介质和分析方法。在利用光吸收的分析装置中，不进行复杂的光谱运算处理，能够通过简单的运算对测量对象成分的浓度进行测量，并且对包含在试样中的测量对象成分进行分析，该分析装置包括：光源(2)，射出相对于中心波长以规定调制频率调制波长的调制光；光检测器(3)，检测调制光透射试样的试样光的强度；相关值计算部(62)，计算与试样光的强度关联的强度关联信号和规定的特征信号的相关值；以及浓度计算部(64)，使用由相关值计算部(62)得到的相关值计算测量对象成分的浓度。

Description

分析装置、存储介质和分析方法
技术领域
本发明涉及一种例如用于气体的成分分析等的分析装置等。
背景技术
以往，如专利文献1所示具有一种分析方法(TDLAS：Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy可调谐二极管激光器吸收光谱法)，调制半导体激光器的注入电流并扫描振荡波长，得到测量对象气体的吸收光谱，由此进行浓度定量。
现有技术文献
专利文献1：日本专利公开公报特开2016-90521号
但是，在通常的TDLAS中，为了根据由波长扫描得到的吸收信号来进行浓度定量，需要在首先将吸收信号的时间轴转换为波长轴而成为吸收光谱的基础上，进行光谱拟合、基线推定和多变量分析等复杂的光谱运算处理。其结果，需要高级的运算处理装置，导致分析装置的成本增大且大型化。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的主要课题在于在利用光吸收的分析装置中，不进行复杂的光谱运算处理，能够通过简单的运算对测量对象成分的浓度进行测量。
即，本发明提供一种分析装置，对包含在试样中的测量对象成分进行分析，所述分析装置的特征在于包括：光源，射出以规定调制频率对波长进行了调制的调制光；光检测器，检测所述调制光透射所述试样的试样光的强度；相关值计算部，计算作为与所述试样光的强度关联的强度关联信号与规定的特征信号的相关值的试样相关值；以及浓度计算部，使用由所述相关值计算部得到的所述试样相关值来计算所述测量对象成分的浓度。另外，在本发明中，为了计算相关值，除了包括获取强度关联信号与特征信号的相关以外，还包括获取强度关联信号与特征信号的内积。
按照这种结构，计算与试样光的强度关联的强度关联信号和特征信号的相关值，并且使用计算的相关值来计算测量对象成分的浓度，因此能够不将吸收信号转换为吸收光谱而以极少的变量捕捉吸收信号的特征，并且不进行复杂的光谱运算处理，能够通过简单的运算对测量对象成分的浓度进行测量。例如，在一般的光谱拟合中使用的数据点数需要数百点，但是在本发明中，只要使用最多数个到数十个左右的相关值，就能够以同等的精度计算浓度。其结果，能够显著地减小运算处理的负荷，不需要高级的运算处理装置，能够削减分析装置的成本，并且能够实现小型化。
优选的是，所述相关值计算部使用将所述测量对象成分的种类数和所述干涉成分的种类数相加后的数量以上的数量的特征信号来计算多个相关值。
此外，按照本发明，即使在试样中包含干涉成分，作为对数运算的线性问题，也能够通过最终归结为求解联立方程式的顺序问题这样的前所未有的飞跃性的构思，可靠地对测量对象成分的浓度进行测量。以此为目的的具体结构的一例如下所述。
优选的是，本发明的分析装置还包括对数运算部，所述对数运算部对由所述光检测器得到的光强度信号实施对数运算，所述相关值计算部将进行了所述对数运算的光强度信号用作所述强度关联信号。此时，作为所述强度关联信号可以使用从进行了所述对数运算的光强度信号中除去了直流成分的信号。由此能够除去由于光强度的变动而在强度关联信号中产生偏移时的影响。另外，除去特征信号的直流成分来计算相关值，也得到同样的结果。
优选的是，本发明的分析装置对包含一个或多个干涉成分的试样中的测量对象成分进行分析，所述分析装置还包括存储单独相关值的存储部，所述单独相关值是根据所述测量对象成分和各干涉成分单独存在时各自的所述强度关联信号和多个所述特征信号而求出的所述测量对象成分和各干涉成分各自的每单位浓度的相关值，所述浓度计算部基于由所述相关值计算部得到的多个相关值和多个所述单独相关值，计算所述测量对象成分的浓度。
所述浓度计算部通过求解联立方程式来计算所述测量对象成分的浓度，所述联立方程式由通过所述相关值计算部得到的多个相关值、多个所述单独相关值、以及所述测量对象成分和所述各干涉成分各自的浓度构成。按照这种结构，通过求解最多数个到数十个左右的元数的联立方程式这样的简单且可靠的运算，能够确定除去了干涉影响的测量对象成分的浓度。
为了能够相对于测量噪声进行误差更小的浓度确定，优选的是，所述相关值计算部使用比所述测量对象成分的种类数和所述干涉成分的种类数相加后的数量大的数量的特征信号来计算多个相关值，所述浓度计算部根据比所述测量对象成分的种类数和干涉成分的种类数相加后的数量大的元数的联立方程式并利用最小二乘法来计算所述测量对象成分的浓度。
为了增大从特征信号得到的相关值的差，并且例如使用联立方程式来提高测量对象成分的浓度的测量精度，优选的是，所述特征信号具有多个，多个所述特征信号中的至少两个是处于相互正交关系的信号。
为了进一步提高测量精度，优选的是，与所述试样光的测量分开进行参考光的测量，使用作为参考光的强度关联信号与多个所述特征信号的相关值的参考相关值，对作为所述试样光的强度关联信号与多个所述特征信号的相关值的试样相关值和所述单独相关值的值进行修正。
在此，作为参考光，不仅能够利用与从光源射出的调制光等价的光，还能够将透射不包含测量对象成分的腔室或零点气体流动的腔室、或者加入了已知浓度的气体的腔室的光用作参考光。此外，能够将在进入腔室之前由分束器等使所述调制光的一部分分离的光用作参考光。
在此，可以考虑在与所述试样光同时、所述试样光的测量的前后或任意的时机测量所述参考光。
此外，可以将对所述试样光与所述参考光的比进行了对数化的吸光度信号用作所述强度关联信号来代替通过所述参考相关值对所述试样相关值或单独相关值进行修正。
本发明的分析装置能够应用于气体等的分析。
具体地说，可以列举的是，所述光源是射出以包含所述测量对象成分的光吸收光谱的峰值的波长范围对波长进行了调制的调制光的半导体激光器，所述分析装置还包括腔室，所述试样气体被导入所述腔室，从所述半导体激光器射出的调制光向所述腔室照射，并且在透射所述腔室的试样光的光路上配置有所述光检测器。
此外，本发明还提供一种存储介质，应用于分析装置，所述分析装置具备：光源，射出相对于中心波长以规定调制频率调制波长的调制光，用于对包含在试样中的测量对象成分进行分析；以及光检测器，检测所述调制光透射所述试样的试样光的强度，所述存储介质的特征在于，使所述分析装置发挥作为相关值计算部和浓度计算部的功能，所述相关值计算部计算作为与所述试样光的强度关联的强度关联信号和规定的特征信号的相关值的试样相关值，所述浓度计算部使用由所述相关值计算部得到的试样相关值，计算所述测量对象成分的浓度。
此外，本发明还提供一种分析方法，对包含在试样中的测量对象成分进行分析，所述分析方法的特征在于，射出相对于中心波长以规定调制频率调制波长的调制光，检测所述调制光透射所述试样的试样光的强度，计算作为与所述试样光的强度关联的强度关联信号和规定的特征信号的相关值的试样相关值，使用所述试样相关值计算所述测量对象成分的浓度。
按照如上所述的本发明，在利用光吸收的分析装置中，不进行复杂的光谱运算处理，能够通过简单的运算对测量对象成分的浓度进行测量。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的分析装置的整体示意图。
图2是同一实施方式的信号处理装置的功能框图。
图3是表示同一实施方式的激光器振荡波长的调制方法的示意图。
图4是表示同一实施方式的振荡波长、光强度I(t)、对数强度L(t)、特征信号Fi(t)和相关值Si的一例的时间系列曲线图。
图5是表示同一实施方式的利用单独相关值和试样相关值的浓度计算的概念图的图。
图6是表示变形实施方式的浓度计算的流程图。
图7是表示准连续振荡中的驱动电流(电压)和调制信号的图。
图8是表示准连续振荡的测量原理的示意图。
图9是变形实施方式的分析装置的整体示意图。
图10是变形实施方式的信号处理装置的功能框图。
图11是表示变形实施方式中的多个半导体激光器的脉冲振荡时机和光强度信号的一例的示意图。
图12是表示变形实施方式的信号分离部的构成的示意图。
图13是表示变形实施方式的试样保持电路的一例的图。
附图标记说明
100…分析装置
1…腔室
2…光源(半导体激光器)
3…光检测器
61…对数运算部
62…相关值计算部
63…存储部
64…浓度计算部
具体实施方式
下面，参照附图对本发明一种实施方式的分析装置100进行说明。
本实施方式的分析装置100是浓度测量装置，测量包含在排气等试样气体中的测量对象成分(在此例如是CO或CO2等)的浓度，如图1所示，其包括：腔室1，试样气体被导入所述腔室1；作为光源的半导体激光器2，向腔室1照射调制的激光；光检测器3，设置在作为透射腔室1的激光的试样光的光路上并接收试样光；以及信号处理装置4，接收光检测器3的输出信号，基于该值来计算测量对象成分的浓度。
对各部分进行说明。
腔室1由在测量对象成分的吸收波长频带中几乎不吸收光的石英、氟化钙和氟化钡等透明材质形成光的入射口和出射口。虽然未图示，但是在该腔室1设置有用于向内部导入气体的进口和用于排出内部的气体的出口，试样气体从该进口导入并封入腔室1内。
在此，半导体激光器2是作为半导体激光器2的一种的量子级联激光器(QCL：Quantum Cascade Laser)，使中红外(4～12μm)的激光振荡。该半导体激光器2能够通过被提供的电流(或电压)来调制(改变)振荡波长。另外，只要振荡波长可变，也可以使用其他类型的激光器，为了使振荡波长变化，也可以使温度变化等。
在此，光检测器3使用比较廉价的热电堆等热型构件，但是也可以使用其他类型的构件，例如响应性良好的HgCdTe、InGaAs、InAsSb、PbSe等量子型光电元件。
信号处理装置4具备：由缓冲器和放大器等构成的模拟电路、由CPU和存储器等构成的数字电路、以及对这些模拟/数字电路之间进行转换的AD转换器和DA转换器等，按照存储在所述存储器的规定区域中的规定的程序使CPU及其周边设备协同动作，由此如图2所示发挥作为光源控制部5和信号处理部6的功能，该光源控制部5控制半导体激光器2的输出，该信号处理部6接收来自光检测器3的输出信号，对该值进行运算处理来计算测量对象成分的浓度。
以下，对各部分进行详细说明。
光源控制部5通过输出电流(或电压)控制信号来控制半导体激光器2的电流源(或电压源)。具体地说，光源控制部5以规定频率使半导体激光器2的驱动电流(或驱动电压)变化，以规定频率将从半导体激光器2输出的激光的振荡波长相对于中心波长进行调制。由此，半导体激光器2射出以规定调制频率调制的调制光。
在本实施方式中，光源控制部5使驱动电流变化为三角波状，将振荡频率调制为三角波状(参照图4的“振荡波长”)。实际上利用其他函数进行驱动电流的调制，使振荡频率成为三角波状。此外，如图3所示，以测量对象成分的光吸收光谱的峰值作为中心波长对激光的振荡波长进行调制。此外，光源控制部5可以使驱动电流变化为正弦波状、锯齿波状或任意的函数状，将振荡频率调制为正弦波状、锯齿波状或任意的函数状。
信号处理部6由对数运算部61、相关值计算部62、存储部63和浓度计算部64等构成。
对数运算部61对作为光检测器3的输出信号的光强度信号实施对数运算。表示由光检测器3得到的光强度信号的经时变化的函数I(t)成为图4的“光强度I(t)”所示，通过实施对数运算而成为图4的“对数强度L(t)”所示。
相关值计算部62计算与试样光的强度关联的强度关联信号和多个规定的特征信号的各相关值。特征信号是用于通过与强度关联信号取得相关来提取强度关联信号的波形特征的信号。作为特征信号例如能够使用正弦波信号、或除此以外的与想要从强度关联信号中提取的波形特征匹配的各种信号。
以下，说明特征信号使用正弦波信号以外的信号时的例子。相关值计算部62计算与试样光的强度关联的强度关联信号和相对于该强度关联信号能够得到与正弦波信号(正弦函数)不同的相关的多个特征信号的各相关值。在此，相关值计算部62将进行了对数运算的光强度信号(对数强度L(t))用作强度关联信号。
此外，相关值计算部62使用比测量对象成分的种类数和干涉成分的种类数相加的数量大的数量的特征信号Fi(t)(i＝1，2，…，n)并通过以下公式(数1)来计算作为试样光的强度关联信号与多个特征信号的各相关值的多个试样相关值Si。另外，数1中的T是调制周期。
[数1]
Figure BDA0002330785380000081
Figure BDA0002330785380000082
Si'＝Si-Ri
优选的是，相关值计算部62计算试样相关值时，如数1那样，计算试样相关值Si’，该试样相关值Si’进行了从试样光的强度关联信号L(t)与多个特征信号Fi(t)的相关值Si中减去作为参考光的强度关联信号L0(t)与多个特征信号Fi(t)的相关值的参考相关值Ri的修正。由此，除去了包含于试样相关值的偏移而成为与测量对象成分和干涉成分的浓度成比例的相关值，能够降低测量误差。另外，也可以是不减去参考相关值的构成。
在此，参考光的取得时机是与试样光同时、在测量的前后或任意的时机。参考光的强度关联信号或参考相关值可以预先取得并存储在存储部63中。此外，同时取得参考光的方法例如可以考虑设置两个光检测器3，通过分束器等使来自半导体激光器2的调制光分路，将一方用于试样光测量，将另一方用于参考光测量。
在本实施方式中，相关值计算部62使用比正弦函数更容易捕捉对数强度L(t)的波形特征的函数作为多个特征信号Fi(t)。在包含测量对象成分和一个干涉成分的试样气体的情况下，可以考虑使用两个以上的特征信号F1(t)、F2(t)，并且作为两个特征信号F1(t)、F2(t)例如可以考虑使用基于与吸收光谱的形状接近的洛伦兹函数的函数和基于该洛伦兹函数的函数的微分函数。此外，作为特征信号也可以使用基于福格特(Voigt)函数的函数或基于高斯函数的函数等来代替基于洛伦兹函数的函数。通过将这种函数用于特征信号，能够得到比使用了正弦函数时大的相关值，从而能够提高测量精度。
在此，特征信号优选以除去直流成分、即在调制周期进行积分时成为零的方式调整偏移。由此，能够除去由于光强度的变动而在强度关联信号中产生偏移时的影响。另外，代替除去特征信号的直流成分，可以除去强度关联信号的直流成分，也可以对特征信号和强度关联信号的两方除去直流成分。此外，作为特征信号可以分别使用测量对象成分和/或干涉成分的吸收信号的试样值或模拟它们的值。
另外，通过将两个特征信号F1(t)、F2(t)作为相互正交的正交函数列或接近正交函数列的函数列，能够更有效地提取对数强度L(t)的特征，从而能够使由后述的联立方程式得到的浓度精度良好。
存储部63存储单独相关值，该单独相关值是根据测量对象成分和各干涉成分单独存在时各自的强度关联信号和多个特征信号Fi(t)求出的测量对象成分和各干涉成分各自的每单位浓度的相关值。用于求出该单独相关值的多个特征信号Fi(t)与在相关值计算部62中使用的多个特征信号Fi(t)相同。
在此，优选的是，存储部63在存储单独相关值时，存储在从测量对象成分和各干涉成分单独存在时的相关值中减去了参考相关值的基础上进行了换算为每单位浓度的修正的单独相关值。由此，除去了包含于单独相关值的偏移而成为与测量对象成分和干涉成分的浓度成比例的相关值，能够减少测量误差。另外，也可以是不减去参考相关值的构成。
浓度计算部64使用由相关值计算部62得到的多个试样相关值来计算测量对象成分的浓度。
具体地说，浓度计算部64基于由相关值计算部62得到的多个试样相关值和存储于存储部63的多个单独相关值，计算测量对象成分的浓度。更具体地说，浓度计算部64通过求解联立方程式来计算测量对象成分的浓度，该联立方程式由通过相关值计算部62得到的多个试样相关值、存储于存储部63的多个单独相关值、以及测量对象成分和各干涉成分各自的浓度构成。
接着，兼带所述各部分的详细说明，对该分析装置100的动作的一例进行说明。以下，设想在试样气体中包含一个测量对象成分和一个干涉成分的情况。
<参考测量>
首先，光源控制部5控制半导体激光器2，以调制频率且以测量对象成分的吸收光谱的峰值为中心来调制激光的波长。另外，在使用标准气体的参考测量前，可以进行使用零点气体的参考测量，进行参考相关值的测量。
接着，由操作者或自动将标准气体(成分浓度已知的气体)导入腔室1内并进行参考测量。分别对测量对象成分单独存在的标准气体和干涉成分单独存在的标准气体进行该参考测量。
具体地说，在参考测量中，对数运算部61接收光检测器3的输出信号来计算对数强度L(t)。并且，相关值计算部62计算该对数强度L(t)与两个特征信号F1(t)、F2(t)的相关值，并将从该相关值中减去参考相关值的值除以标准气体的浓度，由此计算每单位浓度的作为各标准气体的相关值的单独相关值。另外，也可以预先存储标准气体浓度与该标准气体的相关值的关系来代替计算单独相关值。
具体如下所述。
通过将测量对象成分单独存在的标准气体导入腔室1内，由相关值计算部62计算测量对象成分的相关值S1t、S2t。在此，S1t是与第一特征信号的相关值，S2t是与第二特征信号的相关值。并且，相关值计算部62通过将从这些相关值S1t、S2t中减去了参考相关值Ri的值除以测量对象成分的标准气体浓度ct，计算单独相关值s1t、s2t。另外，测量对象成分的标准气体浓度ct预先由用户等输入信号处理部6。
此外，通过将干涉成分单独存在的标准气体导入腔室1内，由相关值计算部62计算干涉成分的相关值S1i、S2i。在此，S1i是与第一特征信号的相关值，S2i是与第二特征信号的相关值。并且，相关值计算部62通过将从这些相关值S1i、S2i中减去参考相关值Ri的值除以干涉成分的标准气体浓度ci，计算单独相关值s1i、s2i。另外，干涉成分的标准气体浓度ci预先由用户等输入信号处理部6。
由上述方式计算的单独相关值s1t、s2t、s1i、s2i存储在存储部63中。另外，该参考测量可以在产品出厂前进行，也可以定期进行。
<试样测量>
光源控制部5控制半导体激光器2，以调制频率且以测量对象成分的吸收光谱的峰值为中心来调制激光的波长。
接着，由操作者或自动将试样气体导入腔室1内并进行试样测量。
具体地说，在试样测量中，对数运算部61接收光检测器3的输出信号来计算对数强度L(t)。并且，相关值计算部62计算该对数强度L(t)与多个特征信号F1(t)、F2(t)的试样相关值S1、S2，并且计算从该相关值中减去参考相关值Ri的试样相关值S1’、S2’。
并且，浓度计算部64求解以下的二元联立方程式，该二元联立方程式由相关值计算部62计算的试样相关值S1’、S2’、存储部63的单独相关值s1t、s2t、s1i、s2i、以及测量对象成分和各干涉成分各自的浓度Ctar、Cint构成。
[数2]
s1tCtar+s1iCint＝S1′
s2tCtar+s2iCint＝S2′
由此，通过求解以上公式(数2)的联立方程式的简单且可靠的运算，能够确定消除了干涉影响的测量对象成分的浓度Ctar。
另外，即使在能够设想存在两种以上的干涉成分的情况下，通过按照干涉成分的数量追加单独相关值，并且求解与成分种类数相同元数的联立方程式，同样能够确定消除了干涉影响的测量对象成分的浓度。
即，一般来说在将测量对象成分和干涉成分相加而存在n种气体的情况下，如果将第m个特征信号中的第k种气体种类的单独相关值作为smk，将第k种气体种类的浓度作为Ck，将第m个特征信号Fm(t)中的试样相关值作为Sm’，则以下公式(数3)成立。
[数3]
Figure BDA0002330785380000121
通过求解由该公式(数3)表示的n元联立方程式，能够确定测量对象成分和干涉成分的各气体的浓度。
按照以上述方式构成的本实施方式的分析装置100，计算作为与试样光的强度关联的强度关联信号的对数强度L(t)和相对于该对数强度L(t)与多个特征信号Fi(t)的各相关值Si，并且使用计算的多个相关值Si来计算测量对象成分的浓度，因此能够不将吸収信号转换为吸收光谱而以极少的变量捕捉吸收信号的特征，并且不进行复杂的光谱运算处理，能够通过简单的运算对测量对象成分的浓度进行测量。例如，在一般的光谱拟合中使用的数据点数需要数百点，但是在本发明中，只要使用最多数个到数十个左右的相关值，就能够以同等的精度计算浓度。其结果，能够显著地减小运算处理的负荷，不需要高级的运算处理装置，能够削减分析装置100的成本并能够实现小型化。
另外，本发明并不限定于所述实施方式。
例如，所述实施方式的对数运算部61对光检测器3的光强度信号进行对数运算，但是也可以使用光检测器3的光强度信号，计算试样光的强度与参考光的强度的比的对数(所谓的吸光度)。此时，对数运算部61可以通过在计算试样光的强度的对数并计算参考光的强度的对数之后将它们相减来计算吸光度，也可以通过在求出试样光的强度与参考光的强度的比之后获取该比的对数来计算吸光度。
此外，所述实施方式的相关值计算部62计算强度关联信号与特征信号的相关值，但是也可以计算强度关联信号与特征信号的内积值。
此外，在所述实施方式中，存储部63存储使用参考相关值进行了修正的单独相关值，但是也可以是如下构成：在存储部63中预先存储修正前的单独相关值，浓度计算部63在从修正前的单独相关值中减去参考相关值的基础上，求出进行了换算为每单位浓度的修正的单独相关值。
多个特征信号并不限定于所述实施方式，只要是相互不同的函数即可。此外，作为特征信号可以使用例如表示使浓度已知的标准气体流过而得到的光强度、对数强度或吸光度的波形(试样光谱)的函数。此外，在测量一个测量对象成分的浓度的情况下，特征信号只要至少有一个即可。
此外，可以使用比n大的种类的特征信号，求出比气体种类数大的个数的单独相关值和试样相关值，制作比气体种类数大的元数的联立方程式，通过最小二乘法确定各成分浓度，由此，能够相对于测量噪声进行误差更小的浓度确定。
在此，对测量对象成分和干涉成分相加的n种气体计算各气体的浓度，在这些各气体的浓度中具有规定阈值以下的成分的情况下，可以考虑对除去了该阈值以下成分的气体再次计算各气体的浓度。
具体地说，如图6所示，第二计算部63求解由上述公式(数3)表示的n元联立方程式，计算n种的各自的浓度(S1)。并且，通过设置于信号处理部6的判断部，判断在各气体的浓度中是否具有规定阈值以下的阈值以下成分(S2)。在阈值以下成分具有j种类的情况下，浓度计算部64对除去了该阈值以下成分的(n-j)种类的气体，通过基于与上述公式(数3)同样的考虑方式表示的(n-j)元联立方程式，再次计算各气体的浓度(S3)。由此，能够精度良好地对存在的气体种类计算其浓度。这些计算以直到检测不到阈值以下成分为止或以规定次数反复进行测量对象成分的浓度计算。
此外，作为判断为没有阈值以下成分之后的动作可以列举的是判断在计算的浓度中是否具有异常值的方式(S4)。在S4中，在包含异常值的情况下，浓度计算部64返回上一次计算的浓度(S5)，判断在该上一次计算的浓度中是否具有异常值。在不包含异常值的情况下，输出不包含上述异常值的浓度(S6)。
所述实施方式的光源控制部5使半导体激光器连续振荡(CW)，但是也可以如图7所示使半导体激光器准连续振荡(准CW)。在这种情况下，光源控制部5通过输出电流(或电压)控制信号来控制各半导体激光器2的电流源(或电压源)，使电流源(或电压源)的驱动电流(驱动电压)成为用于脉冲振荡的规定阈值以上。具体地说，光源控制部5以规定周期(例如1～5MHz)反复的规定脉冲宽度(例如10～50ns、占空比5％)的脉冲振荡进行准连续振荡。并且，光源控制部5通过使电流源(或电压源)的驱动电流(驱动电压)以小于所述脉冲振荡用阈值的波长扫描用的值且以规定频率变化，产生温度变化并进行激光的振荡波长的扫描。作为对驱动电流进行调制的调制信号以三角波状、锯齿波状或正弦波状变化且其频率例如是1～100Hz。
以上述方式使半导体激光器准连续振荡而由光检测器3得到的光强度信号如图8所示。由此，能够在脉冲串整体取得吸收光谱。准连续振荡与连续振荡相比光源的耗电小且容易进行排热处理，此外，还能够实现光源的长寿命化。
此外，如图9所示，分析装置100可以包括作为向腔室1照射激光的光源的多个半导体激光器2。并且，在该分析装置100中，如图10所示，信号处理装置4发挥作为光源控制部5、信号分离部7和信号处理部6等的功能，该光源控制部5控制半导体激光器2的输出，该信号分离部7从由光检测器3得到的光强度信号中分离每个半导体激光器2的信号，该信号处理部6接收由信号分离部7分离的每个半导体激光器2的信号，并且对其值进行运算处理来计算测量对象成分的浓度。
光源控制部5使多个半导体激光器2分别脉冲振荡，并且以规定的频率对激光的振荡波长进行调制。此外，光源控制部5控制多个半导体激光器2使其分别成为与不同的测量对象成分对应的振荡波长，并且以相互相同的振荡周期且它们的振荡时机相互不同的方式进行脉冲振荡。
具体地说，光源控制部5通过输出电流(或电压)控制信号来控制各半导体激光器2的电流源(或电压源)。如图7所示，本实施方式的光源控制部5使各半导体激光器2以规定周期(例如0.5～5MHz)反复的规定脉冲宽度(例如10～100ns、占空比5％)的脉冲振荡进行准连续振荡(准CW)。
此外，如图7所示，光源控制部5通过使电流源(或电压源)的驱动电流(驱动电压)以规定频率变化，产生温度变化并进行激光的振荡波长的扫描。如图3所示，以测量对象成分的光吸收光谱的峰值为中心对各半导体激光器中的激光的振荡波长进行调制。作为使驱动电流变化的调制信号是以三角波状、锯齿波状或正弦波状变化且其频率例如为100Hz～10kHz的信号。另外，在图7中表示了调制信号以三角波状变化的例子。
以上述方式使一个半导体激光器2准连续振荡而由光检测器3得到的光强度信号如图8所示。由此，能够在脉冲串整体取得吸收信号。
此外，光源控制部5在相互不同的时机使多个半导体激光器2脉冲振荡。具体地说，如图11所示，多个半导体激光器2依次脉冲振荡，在一个半导体激光器2中的脉冲振荡的一个周期内包含其他半导体激光器2各自的一个脉冲。即，在一个半导体激光器2相互相邻的脉冲内包含其他半导体激光器2各自的一个脉冲。此时，多个半导体激光器2的脉冲以相互不重复的方式振荡。
信号分离部7从由光检测器3得到的光强度信号中分离多个半导体激光器2各自的信号。如图12所示，本实施方式的信号分离部7具有：多个试样保持电路71，分别与多个半导体激光器2对应设置；以及AD转换器72，对由该试样保持电路71分离的光强度信号进行数字转换。另外，多个半导体激光器2也可以共用一个试样保持电路71和AD转换器72。
试样保持电路71通过与对应的半导体激光器2的电流(或电压)控制信号同步的取样信号，在与半导体激光器2的脉冲振荡的时机同步的时机，从光检测器3的光强度信号中分离出对应的半导体激光器2的信号并保持。图13中表示试样保持电路71的一例，但是并不限定于此。在此，试样保持电路71构成为分离出与半导体激光器2的脉冲振荡的后半部分对应的信号并保持。具体地说，试样保持电路71的开关SW的开关时机与半导体激光器2的脉冲振荡的时机同步，保持与脉冲振荡的后半部分对应的信号。此外，如图11所示，试样保持电路71在所述后半部分(例如80～90ns时点)中的规定取样点对信号进行分离。通过将由该信号分离部7分离出的各半导体激光器2的多个信号集中而成为一个光吸收信号，与使一个半导体激光器2准连续振荡时得到的光吸收信号相比，能够得到波长分辨率良好的光吸收信号。在此，由于脉冲内的吸收变化位置根据调制信号而变化，所以通过相对于脉冲振荡在相同时机对信号进行取样，能够再现波形。此外，由于通过试样保持电路71来分离与脉冲振荡的一部分对应的信号，所以AD转换器72可以是处理速度慢的AD转换器。也可以对针对各半导体激光器2得到的多个光吸收信号进行时间平均来使用。
信号处理部6使用以上述方式由信号分离部7分离出的各半导体激光器2的吸收信号，计算与各半导体激光器2对应的测量对象成分的浓度。另外，信号处理部6的测量对象成分的浓度计算与所述实施方式相同。
此外，试样气体不仅是排气，也可以是大气等，可以是液体或固体。在这种意义上，不仅测量对象成分是气体时能够应用本发明，测量对象成分是液体或固体时也能够应用本发明。此外，不仅能够用于贯通透射测量对象的光的吸光度计算，也能够用于反射的吸光度计算。
光源也不限于半导体激光器，也可以是其他类型的激光器，只要是为确保测量精度而具有充分的半值宽度的单波长光源且能够进行波长调制，则可以使用任意光源。此外，也可以对光源进行强度调制。
此外，只要不违反本发明的宗旨可以进行各种实施方式的变形或组合。

Claims (14)

1.一种分析装置，对包含在试样中的测量对象成分进行分析，
所述分析装置的特征在于包括：
光源，射出以规定调制频率对波长进行了调制的调制光；
光检测器，检测所述调制光透射所述试样的试样光的强度；
相关值计算部，计算作为与所述试样光的强度关联的强度关联信号与规定的特征信号的相关值的试样相关值；以及
浓度计算部，使用由所述相关值计算部得到的所述试样相关值来计算所述测量对象成分的浓度。
2.根据权利要求1所述的分析装置，其特征在于，所述相关值计算部使用将所述测量对象成分的种类数和所述干涉成分的种类数相加后的数量以上的数量的特征信号来计算多个试样相关值。
3.根据权利要求1或2所述的分析装置，其特征在于，
还包括对数运算部，所述对数运算部对由所述光检测器得到的光强度信号实施对数运算，
所述相关值计算部将进行了所述对数运算的光强度信号用作所述强度关联信号。
4.根据权利要求1所述的分析装置，其特征在于，所述强度关联信号是对所述试样光与成为基准的参考光的比进行了对数化的吸光度信号。
5.根据权利要求4所述的分析装置，其特征在于，所述相关值计算部利用作为所述参考光的强度关联信号与所述特征信号的相关值的参考相关值，对所述试样相关值进行修正。
6.根据权利要求4或5所述的分析装置，其特征在于，在与所述试样光同时、所述试样光的测量的前后或任意的时机测量所述参考光。
7.根据权利要求1所述的分析装置，其特征在于，
所述特征信号具有多个，
多个所述特征信号中的至少两个是处于相互正交关系的信号。
8.根据权利要求1所述的分析装置，其特征在于，
所述分析装置对包含一个或多个干涉成分的试样中的测量对象成分进行分析，
所述分析装置还包括存储单独相关值的存储部，所述单独相关值是根据所述测量对象成分和各干涉成分单独存在时各自的所述强度关联信号和多个所述特征信号而求出的所述测量对象成分和各干涉成分各自的每单位浓度的相关值，
所述浓度计算部基于由所述相关值计算部得到的多个试样相关值和多个所述单独相关值，计算所述测量对象成分的浓度。
9.根据权利要求5所述的分析装置，其特征在于，
所述分析装置对包含一个或多个干涉成分的试样中的测量对象成分进行分析，
所述分析装置还包括存储单独相关值的存储部，所述单独相关值是根据所述测量对象成分和各干涉成分单独存在时各自的所述强度关联信号和多个所述特征信号而求出的所述测量对象成分和各干涉成分各自的每单位浓度的相关值，
所述浓度计算部基于由所述相关值计算部得到的多个试样相关值和多个所述单独相关值，计算所述测量对象成分的浓度，
所述存储部存储使用所述参考相关值进行了修正的单独相关值。
10.根据权利要求8或9所述的分析装置，其特征在于，所述浓度计算部通过求解联立方程式来计算所述测量对象成分的浓度，所述联立方程式由通过所述相关值计算部得到的多个试样相关值、多个所述单独相关值、以及所述测量对象成分和所述各干涉成分各自的浓度构成。
11.根据权利要求10所述的分析装置，其特征在于，
所述相关值计算部使用比所述测量对象成分的种类数和所述干涉成分的种类数相加后的数量大的数量的特征信号来计算多个相关值，
所述浓度计算部根据比所述测量对象成分的种类数和干涉成分的种类数相加后的数量大的元数的联立方程式并利用最小二乘法来计算所述测量对象成分的浓度。
12.根据权利要求1所述的分析装置，其特征在于，
所述测量对象成分包含在排气等试样气体中，
所述光源是射出以包含所述测量对象成分的光吸收光谱的峰值的波长范围对波长进行了调制的调制光的半导体激光器，
所述分析装置还包括腔室，所述试样气体被导入所述腔室，
从所述半导体激光器射出的调制光向所述腔室照射，并且在透射所述腔室的试样光的光路上配置有所述光检测器。
13.一种存储介质，存储有应用于分析装置的程序，所述分析装置具备：光源，射出相对于中心波长以规定调制频率调制波长的调制光，用于对包含在试样中的测量对象成分进行分析；以及光检测器，检测所述调制光透射所述试样的试样光的强度，
所述存储介质的特征在于，所述程序使所述分析装置发挥作为相关值计算部和浓度计算部的功能，
所述相关值计算部计算作为与所述试样光的强度关联的强度关联信号和规定的特征信号的相关值的试样相关值，
所述浓度计算部使用由所述相关值计算部得到的试样相关值，计算所述测量对象成分的浓度。
14.一种分析方法，对包含在试样中的测量对象成分进行分析，
所述分析方法的特征在于，
射出相对于中心波长以规定调制频率调制波长的调制光，
检测所述调制光透射所述试样的试样光的强度，
计算作为与所述试样光的强度关联的强度关联信号和规定的特征信号的相关值的试样相关值，
使用所述试样相关值计算所述测量对象成分的浓度。
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