JP2540670B2 - 光ファイバを用いた多種ガス検出装置 - Google Patents
光ファイバを用いた多種ガス検出装置Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光源としてレーザ光を
採用し、伝送路として光ファイバを用いた多種類ガス検
出装置に関する。
採用し、伝送路として光ファイバを用いた多種類ガス検
出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】特定波長の光がある種の気体に吸収され
易いことを利用して、気体の有無を検出できることが知
られており、この原理を応用したセンシング技術が工業
計測、公害監視などで広く用いられている。また、この
光を光ファイバを利用して伝送すれば、気体の遠隔監視
も可能となる。
易いことを利用して、気体の有無を検出できることが知
られており、この原理を応用したセンシング技術が工業
計測、公害監視などで広く用いられている。また、この
光を光ファイバを利用して伝送すれば、気体の遠隔監視
も可能となる。
【0003】一例としてメタンガスを遠隔検知しうるシ
ステムが、特開昭 59-212738号公報に示されている。こ
のシステムでは、1.6μm帯にメタンガスに強く吸収
される発振線があることから、この波長を含むLED光
源からの光を光ファイバで測定ガスまで導き、そのガス
からの透過光を別の光ファイバで受けて受光部に導き、
受光部で帯域透過フィルタ等を用いてメタンガスに吸収
される波長の光と吸収されない波長の光とに分光し、こ
れら2つの光それぞれの減衰量の相違からメタンガスの
濃度を求めている。
ステムが、特開昭 59-212738号公報に示されている。こ
のシステムでは、1.6μm帯にメタンガスに強く吸収
される発振線があることから、この波長を含むLED光
源からの光を光ファイバで測定ガスまで導き、そのガス
からの透過光を別の光ファイバで受けて受光部に導き、
受光部で帯域透過フィルタ等を用いてメタンガスに吸収
される波長の光と吸収されない波長の光とに分光し、こ
れら2つの光それぞれの減衰量の相違からメタンガスの
濃度を求めている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
構成のメタン検知システムでは、ハーフミラー、帯域透
過フィルタ等の多数の光部品を用いるため、光学系が複
雑になる上、SN比 (信号対雑音比) の点でも不利であ
る。
構成のメタン検知システムでは、ハーフミラー、帯域透
過フィルタ等の多数の光部品を用いるため、光学系が複
雑になる上、SN比 (信号対雑音比) の点でも不利であ
る。
【0005】そこで、周波数変調法を応用しかつ光ファ
イバを伝送路とした新規な遠隔ガス(メタンガス) 検出
装置が提案されている(特願平2-78498 号)。この検出
装置では、半導体レーザの駆動電流を所定の電流値を中
心として高周波数で変調し、波長および強度の変調され
たレーザ光を発振させる。また、半導体レーザから出射
するレーザ光の一部をモニタ用として用い、レーザの電
流及び温度を制御して発振の中心波長をメタン吸収線の
所定位置に一致させる。そして、こうして安定化され出
射されたレーザ光を光ファイバを介して未知濃度のメタ
ンガスを含むガスセルに導き、そのガスセル内を透過し
た光を別の光ファイバで受けて受光部まで導き、受光部
でレーザ光の2倍波検波信号または基本波検波信号より
ガス濃度を求めている。これによれば、極めて高いSN
比でメタンガスを検出できる。
イバを伝送路とした新規な遠隔ガス(メタンガス) 検出
装置が提案されている(特願平2-78498 号)。この検出
装置では、半導体レーザの駆動電流を所定の電流値を中
心として高周波数で変調し、波長および強度の変調され
たレーザ光を発振させる。また、半導体レーザから出射
するレーザ光の一部をモニタ用として用い、レーザの電
流及び温度を制御して発振の中心波長をメタン吸収線の
所定位置に一致させる。そして、こうして安定化され出
射されたレーザ光を光ファイバを介して未知濃度のメタ
ンガスを含むガスセルに導き、そのガスセル内を透過し
た光を別の光ファイバで受けて受光部まで導き、受光部
でレーザ光の2倍波検波信号または基本波検波信号より
ガス濃度を求めている。これによれば、極めて高いSN
比でメタンガスを検出できる。
【0006】しかし、この検出装置では1種類のガスし
か定量測定できないという問題がある。通常、特殊ガス
を扱う環境下でのガス爆発等を未然に防止するには、監
視すべきガスは数種類にも及ぶ。この場合従来方式で
は、これら複数種のガスを別々にセンシングする必要か
ら、新たに別の検出装置を構成して、複数の装置を並列
的に使用しなければならない。
か定量測定できないという問題がある。通常、特殊ガス
を扱う環境下でのガス爆発等を未然に防止するには、監
視すべきガスは数種類にも及ぶ。この場合従来方式で
は、これら複数種のガスを別々にセンシングする必要か
ら、新たに別の検出装置を構成して、複数の装置を並列
的に使用しなければならない。
【0007】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、多種類のガスを1組の光伝送路
を用いて測定できる、新規な光ファイバを利用した多種
ガス検出装置を提供することにある。
のであり、その目的は、多種類のガスを1組の光伝送路
を用いて測定できる、新規な光ファイバを利用した多種
ガス検出装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、単一のガスの吸収線を発振線としてもつ
半導体レーザを、測定対象とする特定ガスについて複数
用意し、それぞれの半導体レーザの駆動電流をレーザ駆
動手段により高周波数で変調し、この変調された各半導
体レーザからのレーザ光を分岐結合器で1つの光に合流
させたのち、往路用光ファイバを介してテストセルまで
導く。そして、テストセル内を透過した光を復路用光フ
ァイバで受けて光検出器まで導き、その検出出力中の特
定成分を測定手段により位相敏感検波して、テストセル
内に存在するそれぞれの特定ガス濃度を同時に測定する
よう構成したものである。ここで、レーザの駆動電流の
変調周波数を各々変えることが好ましい。また、各々の
光ファイバの端面には斜め研磨を施すのが好ましい。
に、本発明は、単一のガスの吸収線を発振線としてもつ
半導体レーザを、測定対象とする特定ガスについて複数
用意し、それぞれの半導体レーザの駆動電流をレーザ駆
動手段により高周波数で変調し、この変調された各半導
体レーザからのレーザ光を分岐結合器で1つの光に合流
させたのち、往路用光ファイバを介してテストセルまで
導く。そして、テストセル内を透過した光を復路用光フ
ァイバで受けて光検出器まで導き、その検出出力中の特
定成分を測定手段により位相敏感検波して、テストセル
内に存在するそれぞれの特定ガス濃度を同時に測定する
よう構成したものである。ここで、レーザの駆動電流の
変調周波数を各々変えることが好ましい。また、各々の
光ファイバの端面には斜め研磨を施すのが好ましい。
【0009】
【作用】半導体レーザを測定対象とする多種類の特定ガ
スについて複数用意し、これら半導体レーザからの光を
分岐結合器により1つの光に合流することで、1組の往
路用光ファイバ、テストセル及び復路用光ファイバを用
いて、各種の特定ガスの濃度を同時測定できる。しか
も、半導体レーザの変調周波数を各々変えると、透過光
の検出出力からそれぞれの変調周波数についての位相敏
感検波信号を得るのみで、複数種のガスをも簡単に検出
できる。また、光ファイバの端面を斜め研磨すれば、戻
り光に起因した内部での干渉即ち雑音を抑えて、信号の
安定化を図ることができる。
スについて複数用意し、これら半導体レーザからの光を
分岐結合器により1つの光に合流することで、1組の往
路用光ファイバ、テストセル及び復路用光ファイバを用
いて、各種の特定ガスの濃度を同時測定できる。しか
も、半導体レーザの変調周波数を各々変えると、透過光
の検出出力からそれぞれの変調周波数についての位相敏
感検波信号を得るのみで、複数種のガスをも簡単に検出
できる。また、光ファイバの端面を斜め研磨すれば、戻
り光に起因した内部での干渉即ち雑音を抑えて、信号の
安定化を図ることができる。
【0010】
【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。
説明する。
【0011】本発明は多種類のガスの遠隔測定を目的と
したものである。遠隔地での測定を行うために光伝送路
として石英系光ファイバを用いると、その光ファイバは
0.8μm 〜 1.7μm 付近で低損失特性を示す。そのた
め、検出対象とするガスとしては、吸収線がこの帯域内
にあるものが適しており、本実施例ではメタンガスとア
セチレンガスとを対象とした。吸収線としてメタンは2
ν3 バンドQ(6) 線(1.6659 μm )を、アセチレンはν
1 +ν3 バンドP(13)線(1.5328 μm )を用いた。 図
1は、メタンガスとアセチレンガスとの同時検出を目的
としたガス検出装置の一実施例を示すものである。
したものである。遠隔地での測定を行うために光伝送路
として石英系光ファイバを用いると、その光ファイバは
0.8μm 〜 1.7μm 付近で低損失特性を示す。そのた
め、検出対象とするガスとしては、吸収線がこの帯域内
にあるものが適しており、本実施例ではメタンガスとア
セチレンガスとを対象とした。吸収線としてメタンは2
ν3 バンドQ(6) 線(1.6659 μm )を、アセチレンはν
1 +ν3 バンドP(13)線(1.5328 μm )を用いた。 図
1は、メタンガスとアセチレンガスとの同時検出を目的
としたガス検出装置の一実施例を示すものである。
【0012】図において、1aはメタンガス吸収線 (1.
6659μm帯) の光を発振する半導体レーザ、1bはアセ
チレンガス吸収線 (1.5328μm 帯) の光を発振する半導
体レーザである。また、2a,2bは半導体レーザ1
a,1bから前方に出射するレーザ光をそれぞれ平行光
にするコリメートレンズ、3a,3bは後続の光学系か
らの戻り光を遮断するためのアイソレータ、4a,4b
はアイソレータ3a,3bからのレーザ光を光ファイバ
5a,5bにカップリングするための集光レンズであ
る。
6659μm帯) の光を発振する半導体レーザ、1bはアセ
チレンガス吸収線 (1.5328μm 帯) の光を発振する半導
体レーザである。また、2a,2bは半導体レーザ1
a,1bから前方に出射するレーザ光をそれぞれ平行光
にするコリメートレンズ、3a,3bは後続の光学系か
らの戻り光を遮断するためのアイソレータ、4a,4b
はアイソレータ3a,3bからのレーザ光を光ファイバ
5a,5bにカップリングするための集光レンズであ
る。
【0013】11は光ファイバ5a,5b中を伝送して
きたそれぞれのレーザ光を結合するための分岐結合器
で、ここでは、2本の光ファイバを近接させて加熱・延
伸したファイバ型のものが用いられる。6は分岐結合器
11で合流した光を伝送する石英系の往路用光ファイ
バ、9は未知濃度のメタンガス及びアセチレンガスを含
むテストセルで、その内部には、ファイバ6から出射し
たレーザ光を平行光にするコリメートレンズ10aと、
セル4内を透過したレーザ光を集光するためのコリメー
トレンズ10bとが設けられている。7はコリメートレ
ンズ10bにより集光した透過光を伝送する石英系の復
路用光ファイバ、12は光ファイバ7中を伝送したレー
ザ光の強度を検出するためのpinフォトダイオードな
どの光検出器、20は検出器12からの電気信号を増幅
する増幅器である。ここで、上記各光ファイバ5a,5
b,6,7の端面は、戻り光を減少させてその内部にて
干渉系が発生しないように、斜め研磨が施されている。
きたそれぞれのレーザ光を結合するための分岐結合器
で、ここでは、2本の光ファイバを近接させて加熱・延
伸したファイバ型のものが用いられる。6は分岐結合器
11で合流した光を伝送する石英系の往路用光ファイ
バ、9は未知濃度のメタンガス及びアセチレンガスを含
むテストセルで、その内部には、ファイバ6から出射し
たレーザ光を平行光にするコリメートレンズ10aと、
セル4内を透過したレーザ光を集光するためのコリメー
トレンズ10bとが設けられている。7はコリメートレ
ンズ10bにより集光した透過光を伝送する石英系の復
路用光ファイバ、12は光ファイバ7中を伝送したレー
ザ光の強度を検出するためのpinフォトダイオードな
どの光検出器、20は検出器12からの電気信号を増幅
する増幅器である。ここで、上記各光ファイバ5a,5
b,6,7の端面は、戻り光を減少させてその内部にて
干渉系が発生しないように、斜め研磨が施されている。
【0014】13a,13bはそれぞれ既知濃度のメタ
ンガス、アセチレンガスを含む基準セル、14a,14
bは半導体レーザ1a,1bから後方に出射したレーザ
光を集光するレンズ、15a,15bは基準セル13
a,13bを通過した後方光の強度を検出するためのp
inフォトダイオードなどの光検出器、19a,19b
は光検出器15a,15bの出力成分から光源の波長を
モニタし、ペルチェ素子16a,16bの温度調整を行
う波長制御装置であり、以上により波長安定化手段が構
成されている。17a,17bは半導体レーザ1a,1
bにそれぞれ所定の高周波数で変調された駆動電流を供
給するレーザ用駆動装置 (レーザ駆動手段) で、レーザ
1a,1bごとに駆動電流の変調周波数を変えている。
また、18a,18bは光検出器12の出力中の特定成
分(即ち上記変調周波数の2倍波成分)からテストセル
9中のメタンガス及びアセチレンガス濃度をそれぞれ算
出する信号処理装置 (測定手段) である。
ンガス、アセチレンガスを含む基準セル、14a,14
bは半導体レーザ1a,1bから後方に出射したレーザ
光を集光するレンズ、15a,15bは基準セル13
a,13bを通過した後方光の強度を検出するためのp
inフォトダイオードなどの光検出器、19a,19b
は光検出器15a,15bの出力成分から光源の波長を
モニタし、ペルチェ素子16a,16bの温度調整を行
う波長制御装置であり、以上により波長安定化手段が構
成されている。17a,17bは半導体レーザ1a,1
bにそれぞれ所定の高周波数で変調された駆動電流を供
給するレーザ用駆動装置 (レーザ駆動手段) で、レーザ
1a,1bごとに駆動電流の変調周波数を変えている。
また、18a,18bは光検出器12の出力中の特定成
分(即ち上記変調周波数の2倍波成分)からテストセル
9中のメタンガス及びアセチレンガス濃度をそれぞれ算
出する信号処理装置 (測定手段) である。
【0015】次に、上記装置の動作について説明する。
【0016】半導体レーザ1a,1bに対する変調周波
数ω1 ,ω2 は、その最小公倍数が大きい方が測定精度
が向上することが予想できる。そのため、メタンガス用
のレーザ1aの変調周波数ω1 をω1 =51kHzに、
アセチレンガス用のレーザ1bの周波数ω2 をω2 =4
9kHzに選んだ。
数ω1 ,ω2 は、その最小公倍数が大きい方が測定精度
が向上することが予想できる。そのため、メタンガス用
のレーザ1aの変調周波数ω1 をω1 =51kHzに、
アセチレンガス用のレーザ1bの周波数ω2 をω2 =4
9kHzに選んだ。
【0017】測定は、まず、基準セル13aに窒素をバ
ランスガスとしたメタンガス混合ガスを入れ、他方の基
準セル13bには窒素をバランスガスとしたアセチレン
ガス混合ガスを入れる。そして、レーザ用駆動装置17
a,17bにより半導体レーザ1a,1bを駆動する。
駆動装置17a,17bは、半導体レーザ1a,1bに
安定した電流を供給する定電流源、それぞれ周波数
ω1 ,ω2 の変調信号を発振する発振器、この変調信号
から周波数2ω1 ,2ω2 の2倍波信号を作る倍周器等
から構成されており、定電流源からのバイアス電流に周
波数ω1 ,ω2 の変調電流が重畳されて、半導体レーザ
1a,1bに供給される。すなわち、各レーザ1a,1
bの駆動電流は、所定のバイアス電流を中心として所定
の振幅と所定の周波数とでもって変調され、これにより
波長及び強度が変調されたレーザ光が発振される。
ランスガスとしたメタンガス混合ガスを入れ、他方の基
準セル13bには窒素をバランスガスとしたアセチレン
ガス混合ガスを入れる。そして、レーザ用駆動装置17
a,17bにより半導体レーザ1a,1bを駆動する。
駆動装置17a,17bは、半導体レーザ1a,1bに
安定した電流を供給する定電流源、それぞれ周波数
ω1 ,ω2 の変調信号を発振する発振器、この変調信号
から周波数2ω1 ,2ω2 の2倍波信号を作る倍周器等
から構成されており、定電流源からのバイアス電流に周
波数ω1 ,ω2 の変調電流が重畳されて、半導体レーザ
1a,1bに供給される。すなわち、各レーザ1a,1
bの駆動電流は、所定のバイアス電流を中心として所定
の振幅と所定の周波数とでもって変調され、これにより
波長及び強度が変調されたレーザ光が発振される。
【0018】こうして発振されたレーザ光のうち、後方
側に出射した光は基準セル13a,13bに通され、光
検出器15a,15bにより検出される。検出器15
a,15bより得られる出力信号はそれぞれ波長制御装
置19a,19bに入力され、そこでの信号処理により
ペルチェ素子16a,16bが温度調節され、半導体レ
ーザ1a,1bの温度が制御される。波長制御装置19
a,19bは、ロックインアンプ、積分器、ペルチェ用
電源等から構成されており、検出器15a,15bから
得られた出力信号よりそれぞれ変調周波数ω1 ,ω2 に
ついての基本波位相敏感検波信号を求め、その値がゼロ
となるように半導体レーザ1a,1bの温度を調節す
る。これによりレーザ1a,1bの発振スペクトルは、
それぞれの検出ガスの吸収線の中心に安定化される。
側に出射した光は基準セル13a,13bに通され、光
検出器15a,15bにより検出される。検出器15
a,15bより得られる出力信号はそれぞれ波長制御装
置19a,19bに入力され、そこでの信号処理により
ペルチェ素子16a,16bが温度調節され、半導体レ
ーザ1a,1bの温度が制御される。波長制御装置19
a,19bは、ロックインアンプ、積分器、ペルチェ用
電源等から構成されており、検出器15a,15bから
得られた出力信号よりそれぞれ変調周波数ω1 ,ω2 に
ついての基本波位相敏感検波信号を求め、その値がゼロ
となるように半導体レーザ1a,1bの温度を調節す
る。これによりレーザ1a,1bの発振スペクトルは、
それぞれの検出ガスの吸収線の中心に安定化される。
【0019】このようにしてメタンガス、アセチレンガ
スそれぞれの吸収線の中心に周波数を安定化すると、半
導体レーザ1a,1bから前方に出射されるレーザ光
を、コリメートレンズ2a,2bにより平行光とし、ア
イソレータ3a,3bを通したあと、集光レンズ4a,
4bにより光ファイバ5a,5bに入れる。これら光フ
ァイバ5a,5b中を伝送した各レーザ光は、互いに分
岐結合器11により合流され、1本の往路用光ファイバ
6中を伝送されてテストセル9へ送られる。
スそれぞれの吸収線の中心に周波数を安定化すると、半
導体レーザ1a,1bから前方に出射されるレーザ光
を、コリメートレンズ2a,2bにより平行光とし、ア
イソレータ3a,3bを通したあと、集光レンズ4a,
4bにより光ファイバ5a,5bに入れる。これら光フ
ァイバ5a,5b中を伝送した各レーザ光は、互いに分
岐結合器11により合流され、1本の往路用光ファイバ
6中を伝送されてテストセル9へ送られる。
【0020】テストセル9内では合流されたレーザ光が
空中伝搬され、そのうちレーザ1aからの光がメタンガ
スに、レーザ1bからの光がアセチレンガスにそれぞれ
吸収されたのち、効率よく対向する復路用光ファイバ7
に受けられる。空中伝搬距離が小さい場合、図中に示し
たようにコリメートレンズ10a,10bとしてセルフ
ォクマイクロレンズ等で対応できるが、伝搬距離を長く
して測定感度を高める場合、平凸レンズ等の単レンズを
数枚使用して受光面を大きく取る等の対処が必要であ
る。
空中伝搬され、そのうちレーザ1aからの光がメタンガ
スに、レーザ1bからの光がアセチレンガスにそれぞれ
吸収されたのち、効率よく対向する復路用光ファイバ7
に受けられる。空中伝搬距離が小さい場合、図中に示し
たようにコリメートレンズ10a,10bとしてセルフ
ォクマイクロレンズ等で対応できるが、伝搬距離を長く
して測定感度を高める場合、平凸レンズ等の単レンズを
数枚使用して受光面を大きく取る等の対処が必要であ
る。
【0021】復路用光ファイバ7内を伝送したレーザ光
は、光検出器12にて電気信号に変換され、増幅器20
で信号増幅された後、信号処理装置18a,18bに送
られる。信号処理装置18a,18bは、それぞれ対応
する変調周波数ω1 ,ω2 についての基本波位相敏感検
波および2倍波位相敏感検波を行う2つのロックインア
ンプ、これらアンプの出力比を得る割算器、割算器の出
力を記録する記録計等より構成されている。そして、2
倍波検波信号を基本波検波信号で割った値より測定雰囲
気におけるメタンガスあるいはアセチレンガスの濃度を
求める。
は、光検出器12にて電気信号に変換され、増幅器20
で信号増幅された後、信号処理装置18a,18bに送
られる。信号処理装置18a,18bは、それぞれ対応
する変調周波数ω1 ,ω2 についての基本波位相敏感検
波および2倍波位相敏感検波を行う2つのロックインア
ンプ、これらアンプの出力比を得る割算器、割算器の出
力を記録する記録計等より構成されている。そして、2
倍波検波信号を基本波検波信号で割った値より測定雰囲
気におけるメタンガスあるいはアセチレンガスの濃度を
求める。
【0022】今、上述の如く半導体レーザ1a,1bよ
り発振する光の中心波長を、それぞれメタンガス、アセ
チレンガスの吸収線の中心ω0 に一致させると、2倍波
検波信号と基本波検波信号との比P (2ω)/P(ω)max
はピーク値Rを示し、
り発振する光の中心波長を、それぞれメタンガス、アセ
チレンガスの吸収線の中心ω0 に一致させると、2倍波
検波信号と基本波検波信号との比P (2ω)/P(ω)max
はピーク値Rを示し、
【0023】
【数1】
【0024】と表される。ここで、I0 は各々のレーザ
出力の中心強度、ΔIは強度変調振幅、ΔΩは周波数変
調振幅、α (ω0 ) は特定ガスの吸収線中心ω0 での吸
収係数、γはそのα (ω0 ) の半値幅2γの半分の値、
c・lは特定ガスの濃度cとセル9での光伝搬距離lと
の積である。このように、P (2ω)/P (ω)max の値
Rは、特定ガスの濃度cと測定雰囲気中での光の伝搬距
離lとの積に比例するため、伝搬距離lがわかれば、数
1により特定ガスの濃度cを算出できる。
出力の中心強度、ΔIは強度変調振幅、ΔΩは周波数変
調振幅、α (ω0 ) は特定ガスの吸収線中心ω0 での吸
収係数、γはそのα (ω0 ) の半値幅2γの半分の値、
c・lは特定ガスの濃度cとセル9での光伝搬距離lと
の積である。このように、P (2ω)/P (ω)max の値
Rは、特定ガスの濃度cと測定雰囲気中での光の伝搬距
離lとの積に比例するため、伝搬距離lがわかれば、数
1により特定ガスの濃度cを算出できる。
【0025】このように本実施例によれば、半導体レー
ザ1a,1bの駆動電流を所定の高周波数で変調し、波
長および出力が変調されたレーザ光をメタンガス、アセ
チレンガスを含むテストセル9に通過させ、その透過光
の検出信号から基本波検波信号または2倍波検波信号を
得たことにより、セル9内のメタンガスおよびアセチレ
ンガスの濃度を非常に高いSN比で検出できる。
ザ1a,1bの駆動電流を所定の高周波数で変調し、波
長および出力が変調されたレーザ光をメタンガス、アセ
チレンガスを含むテストセル9に通過させ、その透過光
の検出信号から基本波検波信号または2倍波検波信号を
得たことにより、セル9内のメタンガスおよびアセチレ
ンガスの濃度を非常に高いSN比で検出できる。
【0026】しかも、レーザ1a,1bからセル9への
レーザ光の伝送、セル9から光検出器12への伝送に、
それぞれ光ファイバ6,7を用いたことにより、特定ガ
スを遠隔地にて定量測定ないし監視できる。また、測定
対象とするメタンおよびアセチレンガスに対応して発振
波長の異なる2つの半導体レーザ1a,1bを設け、こ
れらレーザ1a,1bからの光を分岐結合器11により
1つの光に合流したことにより、往路用光ファイバ6、
テストセル9及び復路用光ファイバ7からなる1組の光
伝送系を用いて、これらガスの濃度を個別にかつ同時に
検出できる。よって、ガスの種類に応じて光伝送系を複
数設ける従来に比べ、製造コストを大幅に削減できると
共に、光伝送路の敷設作業も省ける。
レーザ光の伝送、セル9から光検出器12への伝送に、
それぞれ光ファイバ6,7を用いたことにより、特定ガ
スを遠隔地にて定量測定ないし監視できる。また、測定
対象とするメタンおよびアセチレンガスに対応して発振
波長の異なる2つの半導体レーザ1a,1bを設け、こ
れらレーザ1a,1bからの光を分岐結合器11により
1つの光に合流したことにより、往路用光ファイバ6、
テストセル9及び復路用光ファイバ7からなる1組の光
伝送系を用いて、これらガスの濃度を個別にかつ同時に
検出できる。よって、ガスの種類に応じて光伝送系を複
数設ける従来に比べ、製造コストを大幅に削減できると
共に、光伝送路の敷設作業も省ける。
【0027】なお、上記実施例では、メタンガス用とア
セチレンガス用の2種類の信号処理装置18a,18b
を設けたが、一方の信号処理装置18a,18bによ
り、それぞれの変調周波数ω1 ,ω2 についての検波信
号を得るようにして、両者ガスの濃度をモニタしてもよ
い。例えばロックインアンプとして汎用器を用いると、
コンピュータによる自動測定が可能となるため、一方の
信号処理装置18a,18bにコンピュータを付加して
自動測定形態をとり、その処理装置18a,18bを時
分割でそれぞれのガス測定に割当れば、他方の処理装置
18b,18aは省略できる。
セチレンガス用の2種類の信号処理装置18a,18b
を設けたが、一方の信号処理装置18a,18bによ
り、それぞれの変調周波数ω1 ,ω2 についての検波信
号を得るようにして、両者ガスの濃度をモニタしてもよ
い。例えばロックインアンプとして汎用器を用いると、
コンピュータによる自動測定が可能となるため、一方の
信号処理装置18a,18bにコンピュータを付加して
自動測定形態をとり、その処理装置18a,18bを時
分割でそれぞれのガス測定に割当れば、他方の処理装置
18b,18aは省略できる。
【0028】また、上記した実施例では、波長安定に用
いるレーザ光を半導体レーザ1a,1bの後方光を利用
しているが、前方光の一部をハーフミラー、光ファイバ
型分岐結合器等により利用することも可能である。
いるレーザ光を半導体レーザ1a,1bの後方光を利用
しているが、前方光の一部をハーフミラー、光ファイバ
型分岐結合器等により利用することも可能である。
【0029】また、上記実施例では、分岐結合器11の
出力ポートの1つしか検出用の光波として用いていない
が、もう一方のポートからの光波も利用して、特定ガス
を多点検知してもよい。また、分岐結合器11として、
ファイバ型のものを用いたが、導波路型、ハーフミラー
を用いたもの等でも適用可能である。要は、2本のファ
イバからの出力を1本のファイバへ入力する役目、ある
いは、その逆に1本のファイバからの出力を2本のファ
イバへ入力する役目をもつものであればよい。
出力ポートの1つしか検出用の光波として用いていない
が、もう一方のポートからの光波も利用して、特定ガス
を多点検知してもよい。また、分岐結合器11として、
ファイバ型のものを用いたが、導波路型、ハーフミラー
を用いたもの等でも適用可能である。要は、2本のファ
イバからの出力を1本のファイバへ入力する役目、ある
いは、その逆に1本のファイバからの出力を2本のファ
イバへ入力する役目をもつものであればよい。
【0030】図2は、本発明の他の実施例を示したもの
である。この実施例は、ガス検出に用いる光の波長とし
て可視光と遠赤外光とを用い、炭化水素系ガスと窒素化
合物系ガスとを同時検出するようにしたものであり、図
にはこの場合の受光部の構成が示されている。
である。この実施例は、ガス検出に用いる光の波長とし
て可視光と遠赤外光とを用い、炭化水素系ガスと窒素化
合物系ガスとを同時検出するようにしたものであり、図
にはこの場合の受光部の構成が示されている。
【0031】現在使用されているpinフォトダイオー
ドは、図3に示すように、可視および近赤外光に対して
Siが、波長1μm 以上ではGeあるいはInGaAs
がそれぞれ使用されており、pinフォトダイオードの
使用に際して、光波長に対する使い分けが必要である。
ドは、図3に示すように、可視および近赤外光に対して
Siが、波長1μm 以上ではGeあるいはInGaAs
がそれぞれ使用されており、pinフォトダイオードの
使用に際して、光波長に対する使い分けが必要である。
【0032】そのため、この実施例では、1つのpin
フォトダイオードのみでは対応できず、復路用光ファイ
バ7の受光側端部を分岐結合器21を介してファイバ2
3a,23bに2分し、一方のファイバ23aの出力端
にSi pinフォトダイオード22aを、他方のファ
イバ23bの出力端にはInGaAs pinフォトダ
イオード22bをそれぞれ設けている。なお、これらpi
n フォトダイオード22a,22bの出力には、それぞ
れ上記実施例同様の信号処理装置18a,18bが接続
されている。
フォトダイオードのみでは対応できず、復路用光ファイ
バ7の受光側端部を分岐結合器21を介してファイバ2
3a,23bに2分し、一方のファイバ23aの出力端
にSi pinフォトダイオード22aを、他方のファ
イバ23bの出力端にはInGaAs pinフォトダ
イオード22bをそれぞれ設けている。なお、これらpi
n フォトダイオード22a,22bの出力には、それぞ
れ上記実施例同様の信号処理装置18a,18bが接続
されている。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体レーザの駆動電流を周波数変調して、波長および
出力が変調されたレーザ光を特定ガスを含むテストセル
に通過させ、その透過光の検出信号中の特定成分を位相
敏感検波したので、その検波信号から特定ガスを非常に
高いSN比で検出できる。また、測定対象とするガスの
種類に対応して発振波長の異なる半導体レーザを複数用
意し、これらレーザからの光を分岐結合器により1つの
光に合流したので、多種類のガスをも1組の光伝送路を
用いるのみで同時に検出できる。さらに、この光伝送路
に光ファイバを用いたので、特定ガスの遠隔モニタが可
能である。
半導体レーザの駆動電流を周波数変調して、波長および
出力が変調されたレーザ光を特定ガスを含むテストセル
に通過させ、その透過光の検出信号中の特定成分を位相
敏感検波したので、その検波信号から特定ガスを非常に
高いSN比で検出できる。また、測定対象とするガスの
種類に対応して発振波長の異なる半導体レーザを複数用
意し、これらレーザからの光を分岐結合器により1つの
光に合流したので、多種類のガスをも1組の光伝送路を
用いるのみで同時に検出できる。さらに、この光伝送路
に光ファイバを用いたので、特定ガスの遠隔モニタが可
能である。
【図1】本発明光ファイバを用いた多種ガス検出装置の
一実施例を示すブロック図である。
一実施例を示すブロック図である。
【図2】本発明の他の実施例の受光部を示したブロック
図である。
図である。
【図3】pinフォトダイオードの分光感度特性を示し
た図である。
た図である。
1a,1b 半導体レーザ 6 往路用の光ファイバ 7 復路用の光ファイバ 9 テストセル 11 分岐結合器 12 光検出器 17a,17b レーザ用駆動装置 (レーザ駆動手段) 18a,18b 信号処理装置 (測定手段) 19a,19b 波長制御装置 (波長安定化手段)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大沢 晋 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日 立電線株式会社電線研究所内 (56)参考文献 特開 平3−15742(JP,A) 特開 昭63−171328(JP,A) 特開 平1−295135(JP,A) 実開 昭62−34353(JP,U) 特表 平4−501007(JP,A)
Claims (3)
- 【請求項1】 発振波長の異なる2種類以上の半導体レ
ーザと、これら半導体レーザの駆動電流をそれぞれ所定
の電流値を中心として所定の振幅と所定の周波数でもっ
て変調するレーザ駆動手段と、前記各レーザより発振す
るレーザ光の中心波長をそれぞれ対応する特定ガスの吸
収線の所定位置に安定化させる波長安定化手段と、前記
各レーザより出射するレーザ光を合流する分岐結合器
と、この結合器により合流された光を伝送する往路用光
ファイバと、測定対象とする2種類以上の特定ガスが入
ったテストセルと、上記往路用光ファイバから出射さ
れ、テストセル内を透過した光を伝送する復路用光ファ
イバと、この復路用光ファイバからの光強度を電気信号
に変換する光検出器と、この検出器の出力中の特定成分
を位相敏感検波して、上記特定ガスそれぞれの定量測定
を行う測定手段とからなることを特徴とする光ファイバ
を用いた多種ガス検出装置。 - 【請求項2】 前記半導体レーザの駆動電流を変調する
周波数を、各々変えたことを特徴とする請求項1記載の
光ファイバを用いた多種ガス検出装置。 - 【請求項3】 前記レーザ光を伝送する各光ファイバの
端面を、斜め研磨したことを特徴とする請求項1記載の
光ファイバを用いた多種ガス検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9682691A JP2540670B2 (ja) | 1991-04-26 | 1991-04-26 | 光ファイバを用いた多種ガス検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9682691A JP2540670B2 (ja) | 1991-04-26 | 1991-04-26 | 光ファイバを用いた多種ガス検出装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04326042A JPH04326042A (ja) | 1992-11-16 |
JP2540670B2 true JP2540670B2 (ja) | 1996-10-09 |
Family
ID=14175366
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9682691A Expired - Lifetime JP2540670B2 (ja) | 1991-04-26 | 1991-04-26 | 光ファイバを用いた多種ガス検出装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2540670B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08247939A (ja) * | 1995-03-15 | 1996-09-27 | Anritsu Corp | ガス濃度測定装置 |
JP3342446B2 (ja) * | 1999-08-31 | 2002-11-11 | 三菱重工業株式会社 | ガス濃度計測装置 |
JP4135670B2 (ja) * | 2004-04-12 | 2008-08-20 | 日立電線株式会社 | 光式ガスセンサ |
JP4775798B2 (ja) * | 2006-05-18 | 2011-09-21 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 複数ガス濃度同時測定装置 |
JP5314301B2 (ja) * | 2008-03-14 | 2013-10-16 | 三菱重工業株式会社 | ガス濃度計測方法および装置 |
JP2012108095A (ja) * | 2010-08-03 | 2012-06-07 | Fuji Electric Co Ltd | 多成分用レーザ式ガス分析計 |
JP2012108156A (ja) * | 2012-02-29 | 2012-06-07 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | ガス濃度計測方法および装置 |
JP2015049168A (ja) * | 2013-09-03 | 2015-03-16 | 株式会社島津製作所 | ガス吸光度測定装置 |
-
1991
- 1991-04-26 JP JP9682691A patent/JP2540670B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH04326042A (ja) | 1992-11-16 |
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