JP7088494B2 - 物質検出装置 - Google Patents
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Description
前者は、直接差分による演算で、濃度厚み積を算出する演算処理自体は簡易であり、距離の測定も可能だが、2波長を出射するために、発光周期を遅くする、レーザーダイオードを2個用いるなど複雑な処理、装置構成が必要である。
後者は、微小な信号変化を特定周波数の出力を取り出し演算することにより、高感度に測定が可能で、非常にコンパクトな設計が可能な技術である。しかし濃度厚み積の演算、発光部の駆動制御が難しくなる。
また、両者とも波長を測定対象の吸収波長位置に一定に保つことが非常に難しいほか、レーザーダイオードの出力に依存し、波長が変わるため、測定中のレーザーパワーを一定にすることも難しい。波長は温度と入力電流により決まるため、ハイパワーで所望の波長を出力することにも制限が生じる。
前記発光部の発光を制御する制御部と、
前記発光部が発光し空間を経た光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した信号を処理する演算部と、を備えて前記空間における検出対象物質を検出する物質検出装置であって、
前記制御部は、前記発光部に、急峻に変化する一定の振幅の矩形波である電流を入力することで、前記矩形波の立ち上がり後立下り前の区間において、前記発光部が発光する光の波長に前記検出対象物質の吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与え、前記電流を所定周波数に制御し、
前記演算部は、前記受光部が受光した信号の高調波成分に基づき、前記検出対象物質を検出する物質検出装置である。
請求項2記載の発明は、検出対象物質を検出するための光を発光する発光部と、
前記発光部の発光を制御する制御部と、
前記発光部が発光し空間を経た光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した信号を処理する演算部と、を備えて前記空間における検出対象物質を検出する物質検出装置であって、
前記制御部は、前記発光部に急峻に変化する電流を入力することで、前記発光部が発光す
る光の波長に前記検出対象物質の吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与え、前記電流を所定周波数に制御し、
前記演算部は、前記受光部が受光した信号の高調波成分に基づき、前記検出対象物質を検出し、
前記制御部は、前記発光部への入力電流に応じた前記受信部が受信する信号の立ち上がり後立下り前の区間の後半に前記発光部が発光する光の波長が前記吸収波長を通過する変化をするように前記電流を前記発光部へ入力する物質検出装置である。
前記位相検波器から前記演算部に前記高調波成分の信号が入力される請求項1から請求項5のうちいずれか一に記載の物質検出装置である。
DFB-LDに図1の矩形波電流を入力すると、図2A-2Dに示すようにDFB-LDの出射光の波長が変化する。この波長変化範囲に検出対象ガスの吸収波長λ1があるようにする。
負のピークa1に隣接する正のピークa2,a3は、非吸収波長の受光信号であるので、負のピークa1と、正のピークa2又はa3との相対性により検出対象ガスの濃度厚み積を算出可能である。本実施形態では、受光信号の奇数倍波信号成分1fと偶数倍波信号成分2fとの信号成分比2f/fに基づき検出対象ガスの濃度厚み積を算出する。
図5に示すように物質検出装置100Aは、検出対象ガスG1を検出するための光(測定光101)を発光する発光部102と、発光部102の発光を制御する制御部103と、発光部102が発光し検出対象空間S1を経た光(反射物R1で反射)を受光する受光部104と、受光部104が受光した信号V1を処理する演算部105と、を備える。
また、物質検出装置100Aは、受光部104の検出値を増幅する増幅器110、増幅器110の出力信号をAD変換するAD変換器112等を備える。
発光部102の発光素子として分布帰還型レーザーダイオード(DFB-LD)を備える。
演算部105は、AD変換器112から、受光部104が受光したガスG1の吸収波長及び非吸収波長に亘る受光信号時系列データを得る。
その間、制御部103は温度制御部114を制御して発光部102の温度を一定に保つ。温度制御部114にペルチェ素子などの温調素子が含まれる。制御部103および演算部105は、ハードディスク等の記憶媒体に記憶されたプログラムをCPU等のプロセッサーが実行することによって実現される。
次に、演算部105は、受光信号時系列データを高速フーリエ変換処理して(S12)、1f信号成分と、2f信号成分を得て(S13)、その信号成分比2f/fに基づき濃度厚み積を算出する(S14)。
検出対象ガスの濃度厚み積の信号成分比2f/fに対する特性は、実験等により図9に示すように得られる。図9に示すように線形的な変化を示す。そこで、濃度換算式を作成し、これに信号成分比2f/fを入力して濃度厚み積を算出する。
ここでは、図9のグラフ(実線)を一次関数(破線)で近似する。図7の一次関数(破線)の傾きa、縦軸のオフセットbとして、(濃度厚み積)=(2f/f)×a+b を濃度換算式とする。
図10A-10C及び図11A-11Bに示すように制御部103は、発光部102への入力電流に応じて受信部104が受信する信号の立ち上がり後立下り前の区間Taに発光部102が発光する光の波長が検出対象ガスの吸収波長λ1を通過する変化をするように電流を入力する。すなわち、発光部102が発光する光の波長が吸収波長λ1となった時点t(λ1)が区間Taにあるようにする。発光部102が発光する光の波長が吸収波長λ1と等しくなった時点t(λ1)が区間Taにあれば、矩形部aの天面にボトムピークが生じ、検出対象ガスの影響が大きく受光信号に反映され、高感度に検出することができるからである。また、測定光101のパワー一定の状態(矩形部aの天面の部分)で検出対象ガスの有無により受光信号の変化を得ることができるため、高精度に検出することができる。
これに対し、制御部103が温度制御部114を介してLD温度をT2へと低く制御することで、図10Bに示すように、図3Aに示す検出対象ガスが無い場合の波形に対する欠けが大きくなり、検出対象ガスを高感度に検出することができる。
しかし、発光部102の発光波長が吸収波長λ1と等しくなる時点t(λ1)が図10Bに示すように区間Taの前半にあると、時点t(λ1)後の受光信号の盛り返しが大きい。
図10Cに示すように、制御部103は、区間Taの後半に時点t(λ1)があるように、すなわち、区間Taの後半に測定光101の波長が吸収波長を通過する変化をするように電流を入力する。これにより、検出対象ガスの影響がさらに大きく受光信号に反映され、高感度に検出することができる。
図2A-2Dに示したように周波数fが変わっても、測定光101の波長の時間変化特性は変わらない。ただ、短波長ほど時間的に短く終了する。
そこで、図11Aに示すように、f=10kHzで、時点t(λ1)が区間Ta内で早期過ぎる場合は、図11Bに示すようにf=100kHzと、周波数を高く設定し、図3Aに示す検出対象ガスが無い場合の波形に対する欠けを相対的に大きくすることで、高感度に検出することができる。
測定光101のパワー一定の状態(矩形部aの天面の部分)で図2A-2Dに示すように測定光101の波長を変化させることができる、すなわち、波長変化させても測定光101の強度変化が抑えられており、吸収波長の時と非吸収波長の時とで発光強度が一定しているから高精度に検出対象ガスを検出することができる。
図5や図7に示すように装置構成も従来の2f検波方式と同等以上に簡易である。
さらに測定光101の飛行時間により背景までの距離も測定でき、距離と濃度厚み積から濃度(平均濃度)を算出することができる。なお、距離測定原理は、TOF法(Time OfFlight:飛行時間測定法)による。
以上のように本実施形態によれば、比較的簡単な構成で発光、受光が可能であり、発光の出力を一定に保った状態で吸収波長及び非吸収波長に亘り波長を変えて物質を容易に精度よく検出することができる。
100B 物質検出装置
101 測定光
102 発光部
103 制御部104 受光部
105 演算部
110 増幅器
111 位相検波器
112 AD変換器
113 電流制御部
114 温度制御部
G1 検出対象ガス
R1 反射物
S1 検出対象空間
V1 受信信号
λ1 吸収波長
Claims (6)
- 検出対象物質を検出するための光を発光する発光部と、
前記発光部の発光を制御する制御部と、
前記発光部が発光し空間を経た光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した信号を処理する演算部と、を備えて前記空間における検出対象物質を検出する物質検出装置であって、
前記制御部は、前記発光部に、急峻に変化する一定の振幅の矩形波である電流を入力することで、前記矩形波の立ち上がり後立下り前の区間において、前記発光部が発光する光の波長に前記検出対象物質の吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与え、前記電流を所定周波数に制御し、
前記演算部は、前記受光部が受光した信号の高調波成分に基づき、前記検出対象物質を検出する物質検出装置。 - 検出対象物質を検出するための光を発光する発光部と、
前記発光部の発光を制御する制御部と、
前記発光部が発光し空間を経た光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した信号を処理する演算部と、を備えて前記空間における検出対象物質を検出する物質検出装置であって、
前記制御部は、前記発光部に急峻に変化する電流を入力することで、前記発光部が発光する光の波長に前記検出対象物質の吸収波長及び非吸収波長に亘る変化を与え、前記電流を所定周波数に制御し、
前記演算部は、前記受光部が受光した信号の高調波成分に基づき、前記検出対象物質を検出し、
前記制御部は、前記発光部への入力電流に応じた前記受信部が受信する信号の立ち上がり後立下り前の区間の後半に前記発光部が発光する光の波長が前記吸収波長を通過する変化をするように前記電流を前記発光部へ入力する物質検出装置。 - 前記制御部は、前記発光部への入力電流に応じた前記受信部が受信する信号の立ち上がり後立下り前の区間に前記発光部が発光する光の波長が前記吸収波長を通過する変化をするように前記電流を前記発光部へ入力する請求項1に記載の物質検出装置。
- 前記演算部は、前記受光部が受光した信号の、前記所定周波数の奇数倍波信号成分と偶数倍波信号成分との信号成分比に基づき、前記物質の濃度厚み積を算出する請求項1から請求項3のうちいずれか一に記載の物質検出装置。
- 前記制御部は、前記電流をデューティ比50%の矩形波とする請求項1から請求項4のうちいずれか一に記載の物質検出装置。
- 前記所定周波数を基準に前記高調波成分を同期検出する位相検波器を備え、
前記位相検波器から前記演算部に前記高調波成分の信号が入力される請求項1から請求項5のうちいずれか一に記載の物質検出装置。
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