JPH01307640A - ガス検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はレーザ光を用いた差分吸収法によりガスを検
知するガス検知装置、特にガス検知精度の向上に関する
ものである。

［従来の技術］ ガス分子の化学的、物理的性質である光吸収を利用して
ガスを検知する差分吸収法は、例えば文献「センサ技術
」　（技術調査会、昭和６１年２月号）第２９頁〜第３
１頁に開示されている。この文献に開示されたガス検知
システムはＨｅ−Ｎｅレーザの３．３９μｍ帯のメタン
ガスに強く吸収される波長のレーザ光と、このレーザ光
と波長が僅かに異なりメタンガスに吸収されない波長の
レーザ光をメカニカルチョッパで交互に切替えたり、あ
るいは１個のレーザ発振器の発振器長を機械的に変化さ
せて２波長のレーザ光を得て、この２波長のレーザ光を
路面や壁などの被ｎ１定部に向けて照射し、そこからの
乱反射光強度の差から光路中のメタンを検出するように
している。この差分吸収法は２波長のレーザ光を使用す
ることにより検出すべきガス以外の要因によるレーザ光
の光量の減衰を補償しているため精度良くガスを検知す
ることができる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の２波長のレーザ光を使用した差分吸収法は波長が
僅かに異なるレーザ光をメカニカルチョッパにより出射
させたり、あるいは発振器長を機械的に変化させて出射
させているため、２波長のレーザ光の波長安定と高速ス
イッチングに限界があった。このためガス検知センサを
空間的に高速で掃引することができないという問題点が
あった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
であり、高速度で精度良くガスを検知することができる
ガス検知装置を得ることを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るガス検知装置は測定ガスの吸収波長に合
った波長のレーザ光を出射する第１半導体レーザ装置と
、該第１半導体レーザ装置から出射するレーザ光の波長
と僅かに異なり測定ガスに吸収されない波長のレーザ光
を出射する第２半導体レーザ装置と、上記各レーザ光の
波長より短い波長の参照レーザ光を出射する第３半導体
レーザ装置と１周波数ｆ　（Ｈｚ）の信号を発振し、第
１半導体レーザ装置と第３半導体レーザ装置とから出射
するレーザ光の強度を変調する発振器と、該発振器から
出力する信号と位相π／２（ｒａｄ）ずらした信号を出
力し、第２半導体レーザ装置から出射するレーザ光の強
度を変調する位相調整器と、第１半導体レーザ装置と第
２半導体レーザ装置から投光した２波長のレーザ光を受
光し電気信号に変換する第１受光器と、第３半導体レー
ザ装置から投光した参照レーザ光を受光し参照電気信号
に変換する第２受光器と、該第２受光器から送られる参
照電気信号により、第１受光器から送られる位相が異な
った電気信号の振幅を検出するロックインアンプと、該
ロックインアンプで検出した振幅の比を演算する比演算
器とを備えたことを特徴とする［作　用］ この発明においては、第１半導体レーザ装置と第２半導
体レーザ装置から出射する波長の異なったレーザ光の強
度を異なった位相の変調信号により変調して、２波長の
レーザ光の強度を変化させて２波長のレーザ光を電気的
に切換えるようにしたものである。

また、この２波長のレーザ光の空中伝送による位相おく
れを参照レーザ光により補正するようにしたものである
。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図であり、
図において１は測定ガスの吸収波長に合った波長例えば
１．３１１１１１帯の光を出°射する第１の半導体レー
ザ発振器（以下、レーザ発振器という）、２はレーザ発
振器１を駆動し、かつその出力を制御する駆動装置、３
はレーザ発振器１から出射するレーザ光の波長と僅かに
異なり、かつ測定ガスに吸収されない波長のレーザ光を
出射する第２の半導体レーザ発振器、４はレーザ発振器
３の駆動装置である。５はレーザ発振器１，３で出射す
るレーザ光の波長より大きく異なる波長、例えば０．８
３−帯の波長の参照レーザ光を出射する第３の半導体レ
ーザ発振器、６はレーザ発振器５の駆動装置である。７
は周波数ｆ　（Ｈｚ）の信号を発振する発振器であり、
発振器７から駆動装置２，６に送る周波数ｆ　（Ｈｚ）
の信号によりレーザ発振器１，５から出射するレーザ光
の強度すなわち振幅を変調する。８は発振器７から送ら
れる周波数ｆ　（Ｈｚ）の信号に同期して、この信号と
位相がπ／２（ｒａｄ）異なる信号を駆動装置４に送る
位相調整器である。

駆動装置４は位相調整器８から送られる信号によリレー
ザ発振器３が出射するレーザ光の強度を変調する。した
がってレーザ発振器１，５から送られるレーザ光の強度
とレーザ発振器３から送られるレーザ光の強度は位相が
π／２（ｒａｄ）異なっている。

９．１０は各レーザ発振器ｉｔ　　３＋　　５から出射
されるレーザ光を同一光路に導く半透鏡、１１は反射鏡
、１２は集光レンズである。１３は誘電体多層膜フィル
タからなる光分波器であり、光分波器１３はレーザ発振
器１，３から出射する例えば１，３−帯の波長のレーザ
光は透過し、レーザ発振器５から出射する０、８３μ帯
の波長の参照レーザ光は反射して、波長帯の異なるレー
ザ光を分波する。

１４は光分波器１３で分波された波長１．３−帯の２波
長のレーザ光を受光し各々電気信号に変換する受光器、
１５は光分波器１３で分波された０、８３μ帯の参照レ
ーザ光を受光し、参照電気信号に変換する参照用受光器
である。

１６は受光器１４に入射した位相がπ／２（ｒａｄ）相
違する２波長のレーザ光による電気信号と参照用受光器
１５に入射した参照用レーザ光による参照電気信号を入
力し、参照電気信号により位相が相違する電気信号の振
幅を各々検出するロックインアンプ、１７はロックイン
アンプ１Ｂから送られる振幅の比を演算する比演算器、
１８は壁等被測定部の散乱部である。

上記のように構成されたガス検知装置によりガスを検知
するときは、各駆動装置２，４．６を駆動して各レーザ
発振器１，３．５を安定状態としてから、発振器７より
駆動装置２．６に周波数ｆ（ｌ（ｚ　）の信号を送り、
駆動装置２，６によりレーザ発振器１から出射する１、
３１Ｊｆｌｌ帯のレーザ光とレーザ発振器３から出射す
る参照レーザ光の強度に変調を与える。同時に発振器７
から位相調整器８に周波数ｆ　（Ｈｚ）の信号を送る。

位相調整器８は送られた信号に同期して、この信号と位
相がπ／２（ｒａｄ）異なる信号を駆動装置４に送る。

駆動装置４は位相調整器８から送られた信号によりレー
ザ発振器３から出射するレーザ光の強度に変調を与える
。

このようにして、レーザ発振器１，３からは波長が僅か
に異なり、レーザ光の強度分布が異なる２波長のレーザ
光を、またレーザ発振器５からは参照レーザ光を同時に
出射して、半透鏡９，１０と反射鏡１１を介して散乱部
１８に投光する。散乱部１８で散乱、反射されたレーザ
光は集光レンズ１２で集光され光分波器１３に入射する
。光分波器１３に入射したレーザ光はレーザ発振器１，
３から送られる波長１．３．帯のレーザ光とレーザ発振
器５から送られる波長０．８３−帯のレーザ光に分波さ
れ、波長１．３−帯の２波長のレーザ光は受光器１４に
入射し、波長０．８３−帯の参照レーザ光は参照用受光
器１５に入射する。受光器１４と参照用受光器１５に入
射したレーザ光は各々電気信号と参照電気信号に変換さ
れてロックインアップ１６に送られる。

第２図はロックインアップ１６に送られた電気信号の波
形を示し、ａはレーザ発振器１から投光されたガスの吸
収波長と同一波長を有するレーザ光による電気信号、ｂ
はレーザ発振器３から投光された、レーザ発振器１のレ
ーザ光と波長が僅かに異なり、かつ変調信号の位相がπ
／２（ｒａｄ）異なるレーザ光による電気信号、Ｃはレ
ーザ発振器５から投光された参照レーザ光による参照電
気信号である。

ここで、レーザ発振器１．３からレーザ光を投光すると
同時にレーザ発振器５から波長の短い参照レーザ光を投
光したのは、レーザ光の空中伝送による位相の遅れを参
照レーザ光で補正すると共に散乱、吸収により微弱とな
ったレーザ光の強度すなわち振幅の検出精度を参照レー
ザ光の強度を利用して高めるためである。

すなわち、第２図の波形ａ、ｂで示す受光器１４から送
られた電気信号は波形Ｃで示す参照電気信号に比べて、
その波形が滑らかとなっている。そこで参照電気信号の
波形Ｃのピーク点２０における電気信号の波形ａの振幅
と、波形Ｃのピーク点２０より位相がπ／２（ｒａｄ）
ずれた零クロス点２１における電気信号の波形すの振幅
を検出することにより精度良く振幅を測定することがで
きる。

ロックインアップ１６により検出された位相がπ／２（
ｒａｄ）相違する振幅は比演算器１７に送られて、その
振幅比が演算される。

このようにしてレーザ発振器１，３から散乱部１８に僅
かに異なる２波長のレーザ光を投光したときに、レーザ
光の光路中にガスが存在しないと、レーザ発振器１から
投光したガスの吸収波長と同一波長を有するレーザ光も
吸収されないため、ロックインアンプ１６で検出した波
形ａの振幅は波形すの振幅とほぼ同程度となっている。

一方、レーザ光の光路中にガスが存在すると、レーザ発
振器１から投光したガスの吸収波長と同じ波長を有する
レーザ光は、そのガスの濃度、ガスの存在する距離に応
じて吸収され、受光器１４に入射したときはその強度す
なわち振幅が小さいレーザ光となっている。したがって
ロックインアンプ１６で検出する波形ａの振幅は波形す
の振幅と比べて相対的に小さくなる。そこで、この振幅
比を比演算器１７で求めることによりレーザ光の光路中
のガスの存在及びその濃度を測定することができる。

［発明の効果コ この発明は以上説明したように、波長の僅かに異なるレ
ーザ光の強度を異なる変調信号で変調することにより、
２波長のレーザ光の強度を変化させて、２波長のレーザ
光を切換えるようにしたので、高速スイッチングを行う
ことができ、ガスを高速で検知することができる。

またエネルギーの大きい参照レーザを同時に投光するこ
とにより、２波長のレーザ光の振幅検出を補正するよう
にしたので、広い空間を精度良く検知することができ、
ガス検知能率を大幅に向上させることができる。

さらに、２波長の強度を切換えるときに、レーザ光の波
長には変動がないため、安定した波長でガスを検知する
ことができ、ガス検知精度を高めることができる効果も
有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示すブロック図、第２図は
上記実施例のロックインアップに入力する電気信号の波
形図である。 １．３．５・・・半導体レーザ発振器、２，４．６・・
・駆動装置、７・・・発振器、８・・・位相調整器、９
゜ｌＯ・・・半透鏡、１１・・・反射鏡、１２・・・集
光レンズ、１３・・・光分波器、１４・・・受光器、１
５・・・参照用受光器、１６・・・ロックインアップ、
１７・・・比演算器。 代理人　弁理士　佐々木　宗　治

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 測定ガスの吸収波長に合った波長のレーザ光を出射する
   第１半導体レーザ装置と、該第１半導体レーザ装置から
   出射するレーザ光の波長と僅かに異なり測定ガスに吸収
   されない波長のレーザ光を出射する第２半導体レーザ装
   置と、上記各レーザ光の波長より短い波長の参照レーザ
   光を出射する第３半導体レーザ装置と、周波数ｆ（Ｈｚ
   ）の信号を発振し、第１半導体レーザ装置と第３半導体
   レーザ装置とから出射するレーザ光の強度を変調する発
   振器と、該発振器から出力する信号と位相π／２（ｒａ
   ｄ）ずらした信号を出力し、第２半導体レーザ装置から
   出射するレーザ光の強度を変調する位相調整器と、第１
   半導体レーザ装置と第２半導体レーザ装置から投光した
   ２波長のレーザ光を受光し電気信号に変換する第１受光
   器と、第３半導体レーザ装置から投光した参照レーザ光
   を受光し参照電気信号に変換する第２受光器と、該第２
   受光器から送られる参照電気信号により、第１受光器か
   ら送られる位相が異なった電気信号の振幅を検出するロ
   ックインアンプと、該ロックインアンプで検出した振幅
   の比を演算する比演算器とを備えたことを特徴とするガ
   ス検知装置。