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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