JP2010169487A - 濃度計測装置及び濃度計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】計測対象の濃度が希薄であっても、正確にその濃度を計測することのできる、濃度計測装置及び濃度計測方法を提供する。
【解決手段】計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザダイオードを、前記レーザ光の波長が所定の波形で変調されるように制御する、発光制御部と、前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を算出する受光処理部とを具備する。前記発光制御部は、第１周波数ｆ１の正弦波である第１変調波信号を生成する第１変調波信号発生器と、第２周波数ｆ２の正弦波である第２変調波信号を生成する第２変調波信号発生器と、前記第１変調波信号と前記第２変調波信号とを乗算し、乗算信号を生成する乗算器と、前記乗算信号に基づいて前記レーザ光の波長を変調するレーザダイオードドライバとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、濃度計測装置及び濃度計測方法に関する。

計測対象の濃度を測定する技術として、レーザ光を利用した技術が知られている。この技術は、物質が、物質固有の波長（以下、固有吸収波長）の光を吸収する性質を有することを利用している。計測対象に照射するレーザ光の波長が、計測対象物質の固有吸収波長と一致していれば、レーザ光は計測対象により吸収される。このときの吸収量は、物質の濃度に依存する。そこで、計測対象を透過したレーザ光を受光し、計測対象によるレーザ光の吸収量を求める。求めた吸収量に基づいて、計測対象の濃度を算出することができる。

計測対象の濃度を計測するにあたり、計測精度を向上させることが望まれる。精度を向上させるために、レーザ光の波長を変調させる手法が知られている。レーザ光の波長を所定の周波数で変調する。そして、受光側にて得られた受光信号を、変調波の周波数に基づいて復調する。これにより、ノイズ成分が除去され、計測対象によるレーザ光の吸収量を正確に知ることができる。

さらに精度を高めるための技術が、特許文献１（特許第３８６１０５９号公報）及び特許文献２（特許第３３４２４４６号公報）に記載されている。特許文献１及び特許文献２には、レーザ光の発振波長を少なくとも２つの異なる周波数で変調し、受光した信号の中から変調された信号を周波数毎に順次それぞれ復調するガス濃度計測装置が記載されている。特許文献１及び２に記載された技術によれば、レーザ光を少なくとも二重で変調することにより、ミラーなどの光学部品で発生するフリンジの影響を除去することができ、計測精度を更に高めることができる。

特許文献１及び２に記載されたガス濃度計測装置には、二つのサイン波発生器と、加算器とが設けられている。二つのサイン波発生器で発生した二つのサイン波（変調信号）は、加算器により加算されて、半導体レーザ素子の注入電流に印加される。

特許第３８６１０５９号公報 特許第３３４２４４６号公報

濃度計測装置に対しては、計測対象の濃度が希薄であっても、正確にその濃度を計測できることが求められている。しかし、計測対象の濃度が希薄である場合、計測対象によって吸収されるレーザ光の量が微小になってしまう。そのため、既述の技術を用いたとしても、計測対象による吸収光量を示す信号のＳ／Ｎ比を十分に大きくすることができず、正確にその濃度を計測することが難しい。

すなわち、本発明の目的は、計測対象の濃度が希薄であっても、正確にその濃度を計測することのできる、濃度計測装置及び濃度計測方法を提供することにある。

以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明に係る濃度計測装置（１）は、計測対象（５）に向けてレーザ光を出射するレーザダイオード（４）を、レーザ光の波長が所定の波形で変調されるように制御する、発光制御部（２）と、計測対象（５）を透過したレーザ光を受光するフォトダイオード（６）から受光信号を取得し、受光信号に基づいて計測対象（５）の濃度を算出する受光処理部（３）とを具備する。発光制御部（２）は、第１周波数ｆ１の正弦波である第１変調波信号を生成する第１変調波信号発生器（８）と、第２周波数ｆ２の正弦波である第２変調波信号を生成する第２変調波信号発生器（９）と、第１変調波信号と第２変調波信号とを乗算し、乗算信号を生成する乗算器（１０）と、乗算信号に基づいてレーザ光の波長を変調するレーザダイオードドライバ（１２）とを備える。

この発明によれば、第１変調波信号と第２変調波信号とが乗算された乗算信号により、レーザ光の波長が変調される。レーザ光の波長が乗算信号により変調されると、計測対象によるレーザ光の吸収量の波形において、２×ｆ１成分及び２×ｆ２成分が占める割合が、二つの変調信号の加算信号を用いた場合よりも多くなる。２×ｆ１成分及び２×ｆ２成分は、計測対象によるレーザ光の吸収量を正確に反映する成分である。２×ｆ１成分及び２×ｆ２成分が占める割合が多くなるため、レーザ光の吸収量を正確且つ感度良く求めることができる。その結果、計測対象の濃度が希薄であっても、正確にその濃度を計測できる。

本発明に係る濃度計測装置（１）は、計測対象（５）に向けてレーザ光を出射するレーザダイオード（４）を、レーザ光の波長が所定の波形で変調されるように制御する、発光制御部（２）と、計測対象を透過したレーザ光を受光するフォトダイオード（６）から受光信号を取得し、受光信号に基づいて計測対象の濃度を算出する受光処理部（３）とを具備する。発光制御部（２）は、第１周波数ｆ１の正弦波である第１変調波信号を生成する第１変調波信号発生器（８）と、第２周波数ｆ２の正弦波である第２変調波信号を生成する第２変調波信号発生器（９）と、第１変調波信号及び第２変調波信号に基づいて、レーザ光の波長を変調するレーザダイオードドライバ（１２）とを備える。受光処理部（３）は、受光信号に基づいて、２×ｆ１成分を位相検波し、第１復調信号を生成する第１位相検波器（１６）と、受光信号に基づいて、２×ｆ２成分を位相検波し、第２復調信号を生成する第２位相検波器（１９）と、第１復調信号と前記第２復調信号とに基づいて、復調信号を生成する復調信号生成器（２２）と、復調信号に基づいて、計測対象の濃度を算出する濃度算出部（２１）とを備える。第１位相検波器（１６）と第２位相検波器（１９）とは、並列に設けられている。

上述の構成では、第１位相検波器（１６）と第２位相検波器（１９）とが、並列に設けられている。計測対象によるレーザ光の吸収量を示す情報は、位相検波器などを通過する毎に、その一部が失われてしまうことがある。第１位相検波器（１６）と第２位相検波器（１９）とを並列に設けることにより、直列に設けた場合よりも、失われてしまう情報を少なくすることができる。その結果、レーザ光の吸収量に関する情報をより多く残すことができ、計測対象の濃度が希薄であっても、より正確にその濃度を計測できる。

本発明に係る濃度計測装置（１）は、計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザダイオード（４）を、レーザ光の波長が所定の波形で変調されるように制御する、発光制御部（２）と、計測対象を透過したレーザ光を受光するフォトダイオード（６）から受光信号を取得し、受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を算出する受光処理部（３）とを具備する。発光制御部（２）は、第１周波数ｆ１の正弦波である第１変調波信号を生成する第１変調波信号発生器（８）と、第２周波数ｆ２の正弦波である第２変調波信号を生成する第２変調波信号発生器（９）と、第１変調波信号及び第２変調波信号に基づいて、レーザ光の波長を変調するレーザダイオードドライバ（１２）とを備える。受光処理部（３）は、受光信号に基づいて、２×ｆ１成分を位相検波し、第１復調信号を生成する第１位相検波器（１６）と、受光信号又は第１復調信号に基づいて、２×ｆ２成分を位相検波し、第２復調信号を生成する第２位相検波器（１９）と、第１復調信号及び第２復調信号の少なくとも一方に基づいて、計測対象の濃度を算出する濃度算出部（２１）と、濃度算出部（２１）において濃度の算出に利用される復調信号の切替を行う切替器（２４）とを備える。

この発明によれば、濃度算出部（２１）において利用される復調信号を、第１復調信号と第２復調信号とで切り替えることができる。ノイズの発生源の位置などにより、第１復調信号と第２復調信号とでノイズが含まれる度合いが異なることがある。このような場合に、第１復調信号と第２復調信号とを切り替えることにより、ノイズが少ない信号を選択的に用いることが可能となり、より正確に計測対象の濃度を計測することが可能となる。

本発明に係る濃度計測方法は、計測対象（５）に向けてレーザ光を出射するレーザダイオード（４）を、レーザ光の波長が所定の波形で変調されるように制御するステップと、計測対象を透過したレーザ光を受光するフォトダイオード（６）から受光信号を取得し、受光信号に基づいて計測対象の濃度を計測するステップとを具備する。その制御するステップは、第１周波数ｆ１の正弦波である第１変調波信号を生成するステップと、第２周波数ｆ２の正弦波である第２変調波信号を生成するステップと、第１変調波信号と前記第２変調波信号とを乗算し、乗算信号を生成するステップと、乗算信号に基づいて前記レーザ光の波長を変調するステップとを備える。

本発明に係る濃度計測方法は、計測対象（５）に向けてレーザ光を出射するレーザダイオード（４）を、レーザ光の波長が所定の波形で変調されるように制御するステップと、計測対象を透過したレーザ光を受光するフォトダイオード（６）から受光信号を取得し、受光信号に基づいて計測対象の濃度を計測するステップとを具備する。制御するステップは、第１周波数ｆ１の正弦波である第１変調波信号を生成するステップと、第２周波数ｆ２の正弦波である第２変調波信号を生成するステップと、第１変調波信号及び前記第２変調波信号に基づいて、前記レーザ光の波長を変調するステップとを備える。濃度を計測するステップは、受光信号に基づいて、２×ｆ１成分を位相検波し、第１復調信号を生成するステップと、受光信号に基づいて、２×ｆ２成分を位相検波し、第２復調信号を生成するステップと、第１復調信号と前記第２復調信号とに基づいて、復調信号を生成するステップと、復調信号に基づいて、前記計測対象の濃度を算出するステップとを備える。

本発明に係る濃度計測方法は、計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザダイオード（４）を、レーザ光の波長が所定の波形で変調されるように制御するステップと、計測対象を透過したレーザ光を受光するフォトダイオード（６）から受光信号を取得し、受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を計測するステップとを具備する。制御するステップは、第１周波数ｆ１の正弦波である第１変調波信号を生成するステップと、第２周波数ｆ２の正弦波である第２変調波信号を生成するステップと、第１変調波信号及び前記第２変調波信号に基づいて、前記レーザ光の波長を変調するステップとを備える。濃度を計測するステップは、受光信号に基づいて、２×ｆ１成分を位相検波し、第１復調信号を生成するステップと、受光信号又は前記第１復調信号に基づいて、２×ｆ２成分を位相検波し、第２復調信号を生成するステップと、第１復調信号及び前記第２復調信号の少なくとも一方に基づいて、前記計測対象の濃度を算出するステップと、濃度を算出するステップにおいて濃度の算出に利用される復調信号の切替を行うステップとを備える。

本発明によれば、計測対象の濃度が希薄であっても、正確にその濃度を計測することのできる、濃度計測装置及び濃度計測方法が提供される。

第１の実施形態に係る濃度計測装置を示すブロック図である。 レーザ光の波長と時刻との関係を示すグラフである。 乗算信号を示すグラフである。 レーザ光の吸収量がどのような波形で表されるかを説明するための説明図である。 波長と、計測対象による光の吸収量との関係を示すグラフである。 レーザ光の吸収量の周波数スペクトルである。 周波数スペクトルのシミュレーション結果である。 １０（ｋＨｚ）成分を示す拡大図である。 ２００（ｋＨｚ）の成分を示す拡大図である。 レーザ光の吸収量の周波数スペクトルを示している。 周波数スペクトルのシミュレーション結果である。 １０（ｋＨｚ）成分を示す拡大図である。 ２００（ｋＨｚ）の成分を示す拡大図である。 第２の実施形態に係る濃度計測装置を示すブロック図である。 第２の実施形態の変形例を示すブロック図である。 第２の実施形態の変形例を示すブロック図である。 第３の実施形態に係る濃度計測装置を示すブロック図である。

（第１の実施形態）
以下に、図面を参照しつつ、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る濃度計測装置１を示すブロック図である。この濃度計測装置１は、発光制御部２と、受光処理部３とを備えている。発光制御部２は、レーザーダイオード４を制御する部分である。発光制御部２により、レーザーダイオード４から所定波長のレーザ光が出射される。レーザ光は、計測対象ガス領域５に導かれ、計測対象による吸収を受けた後、フォトダイオード６により受光される。レーザ光を受光したフォトダイオード６は、受光信号Ｄを生成し、受光処理部３に供給する。受光処理部３は、受光信号Ｄに基づいて、計測対象の濃度を計算する。

発光制御部２は、搬送波発生器７と、第１変調波発生器８と、第２変調波発生器９と、乗算器１０と、加算器１１と、レーザーダイオードドライバ１２とを備えている。

搬送波発生器７は、搬送波信号Ａとして、ランプ波を発生させる。搬送波信号Ａの周波数は、例えば、０．５（Ｈｚ）である。

第１変調波発生器８は、第１変調波信号Ｂ１を発生させる。第１変調波信号Ｂ１は、正弦波である。第１変調波信号Ｂ１の周波数は、搬送波信号Ａの周波数よりも十分に大きく、ｆ１である。ｆ１は、例えば、１００（ｋＨｚ）である。

第２変調波発生器９は、第１変調波信号Ｂ１よりも十分に小さい周波数ｆ２で、正弦波の第２変調波信号Ｂ２を発生させる。第２変調波信号Ｂ２も第１変調波信号と同様に、正弦波である。ｆ２は、例えば、５（ｋＨｚ）である。

乗算器１０は、第１変調波信号Ｂ１と第２変調波信号Ｂ２とを乗算し、乗算信号Ｂ３を生成する。

加算器１１は、搬送波信号Ａと乗算信号Ｂ３とを加算して、合成信号Ｃを生成する。

レーザーダイオードドライバ１２は、合成信号Ｃにより、レーザーダイオード４の注入電流を変化させる。

レーザーダイオード４は、注入電流の供給を受けて、計測対象ガス領域５に向けてレーザ光を出射する。レーザーダイオード４は、計測対象が吸収する光の波長（以下、固有吸収波長と称す）に概ね一致する波長の光を発振するように構成されている。また、レーザーダイオード４は、レーザ光の発振波長が注入電流に応じて変化するように構成されている。従って、レーザ光の波長は、注入電流の波形と同じ波形で変化する。注入電流の波形は、合成信号Ｃの波形と同じであるので、レーザ光の波長は、合成信号Ｃと同じ波形で変化することになる。

図２Ａは、レーザ光の波長と時刻との関係を示すグラフである。レーザ光の波長は、直流成分に対し、搬送波信号Ａによるランプ波と正弦波である乗算信号Ｃとが重畳された波形で変化する。尚、図２Ａでは、スケールの便宜上、乗算信号Ｃの波形までは正確に反映されていない。乗算信号Ｃの波形は、実際には、図２Ｂに示されるような波形である。乗算信号Ｃは、振幅が正弦波形で変化する正弦波である。

レーザーダイオード４より発振されたレーザ光は、計測対象ガス領域５に導かれる。レーザ光の波長が、計測対象の固有吸収波長λ_０付近を通過するとき、（時刻ｔ_０近傍）、レーザ光は計測対象による吸収を受ける。但し、直流成分だけでは、レーザ光の波長を固有吸収波長λ_０に正確に一致させることは難しい。上述のように搬送波信号Ａとしてランプ波を用いることにより、レーザ光の波長を、確実に固有吸収波長λ_０を通過させることができる。計測対象ガス領域５を透過したレーザ光は、フォトダイオード６によって受光される。

フォトダイオード６は、レーザ光を受光すると、そのレーザ光の強度を示す受光信号Ｄを生成する。受光信号Ｄは、受光処理部３に供給される。

受光処理部３は、プリアンプ１３と、差動アンプ１４と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２６と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２７と、加算器２８と、アナログ／デジタルコンバータ２９と、第１バンドパスフィルタ１５と、第１位相敏感検波器１６と、第２バンドパスフィルタ１８と、第２位相敏感検波器１９と、ローパスフィルタ２０と、ガス濃度算出部２１とを備えている。

プリアンプ１３は、受光信号Ｄを増幅し、増幅信号Ｅを生成する。増幅信号Ｅは、差動アンプ１４に供給される。

差動アンプ１４は、増幅信号Ｅを、デジタルアナログコンバータ２３によりアナログ信号に変換された合成信号Ｃにより、差動増幅する。差動アンプ１４の出力信号は、計測対象ガス領域５におけるレーザ光の吸収量を示すことになる。差動アンプ１４の出力信号は、吸収信号Ｆとして、ＢＰＦ２６及びＢＰＦ２７に供給される。

ここで、レーザ光の波長を変調したときに、計測対象によるレーザ光の吸収量がどのように変化するかについて説明する。すなわち、吸収信号Ｆの波形について説明する。図３は、レーザ光の波長を、固有吸収波長λ０を中心とする正弦波で変調したときに、レーザ光の吸収量がどのような波形で表されるかを説明するための説明図である。図３（ａ）は、計測対象物質による光の吸収量と波長との関係を示すグラフである。図３（ｂ）は、変調波の波形を示し、時刻ｔとレーザ光の波長との関係を示している。図３（ｃ）は、計測対象によるレーザ光の吸収量と時刻ｔとの関係を示すグラフである。

図３（ａ）に示されるように、多くの物質では、光の吸収量の波長分布が、中心波長λ_０を中心としたガウス分布を示す。ここで、図３（ｂ）に示されるように、レーザ光の波長を、λ_０を中心とした周期２Ｔの正弦波で変化させたとする。すると、図３（ｃ）に示されるように、レーザ光の吸収量は、周期Ｔの波形を示す。言い換えれば、変調波の周波数をｆとすると、レーザ光の吸収量は、２×ｆ成分により表される。これは、光の吸収量が波長に対してガウス分布を示すからである。これを利用し、吸収信号Ｆのうちの２×ｆ成分の強度を求めれば、ノイズの影響を排除してレーザ光の吸収量に関する情報を取り出すことができる。

従って、受光処理部３は、以下に記載されるように、吸収信号Ｆの２×ｆ１成分及び２×ｆ２成分を取り出すことにより、計測対象の濃度を算出する。

ＢＰＦ２６は、吸収信号Ｆから、周波数２×ｆ１の成分を透過し、加算器２８に供給する。一方、ＢＰＦ２７は、吸収信号Ｆから、周波数２×ｆ２の成分を透過し、加算器２８に供給する。加算器２８は、ＢＰＦ２６とＢＰＦ２７とから供給された信号を加算し、アナログ／デジタルコンバータ２９に供給する。アナログ／デジタルコンバータ２９は、加算器２８から供給された信号をデジタル信号に変換し、第１バンドパスフィルタ１５に供給する。

第１バンドパスフィルタ１５は、アナログ／デジタルコンバータ２９から供給された信号から、周波数が２×ｆ１である成分を抽出し、第１バンドパス信号Ｇを生成する。

第１位相敏感検波器１６は、例えばロックインアンプである。第１位相敏感検波器１６は、第１バンドパス信号Ｇを、周波数２×ｆ１で検波し、第１復調信号Ｈを生成する。

第２バンドパスフィルタ１８は、第１復調信号Ｈから、周波数２×ｆ２成分を抽出し、第２バンドパス信号Ｊを生成する。

第２位相敏感検波器１９は、例えばロックインアンプである。第２位相敏感検波器１９は、第２バンドパス信号Ｊを、周波数２×ｆ２で検波し、第２復調信号Ｋを生成する。

ローパスフィルタ２０は、第２復調信号Ｋの低周波成分を抽出し、ローパス信号Ｌを生成する。

濃度算出部２１は、ローパス信号Ｌに基づいて、計測対象の濃度を算出する。具体的には、濃度算出部２１により、ローパス信号Ｌの波高値が求められる。ローパス信号Ｌの波高値は、固有吸収波長λ_０における吸収量に対応している。レーザ光の吸収量は、計測対象の濃度に依存するので、波高値を用いて計測対象の濃度を算出することができる。

ここで、本実施形態では、二つの異なる周波数の変調波信号（第１変調波信号Ｂ１及び第２変調波信号Ｂ２）を用いることにより、フリンジの影響を排除することができ、正確に濃度を計測することが可能となっている。

尚、受光処理部３において、アナログ／デジタルコンバータ２９以前の構成は、アナログ回路により実現可能である。また、アナログ／デジタルコンバータ２９より後段の構成は、コンピュータにインストールされたプログラムによって実現可能である。すなわち、ＢＰＦ２６及びＢＰＦ２７はアナログ回路により実現され、周波数が２×ｆ１の成分及び周波数２×ｆ２の成分を粗く抽出する。一方、第１バンドパスフィルタ１５及び第２バンドパスフィルタ１８は、コンピュータにより実現され、周波数が２×ｆ１の成分及び周波数が２×ｆ２の成分を狭い帯域で抽出する。

加えて、本実施形態では、乗算信号Ｂ３を用いているため、受光処理部３において、レーザ光の吸収量に関する情報をより多く取得することができる。その結果、計測対象の濃度が希薄であっても、正確にその濃度を計測することができる。この理由について、以下に説明する。

図４は、波長と、計測対象による光の吸収量との関係を示すグラフである。既述のように、多くの物質では、光の吸収量は波長に対してガウス分布を示す。説明の便宜上、図４に示されるように、吸収量がピークとなるときの波長λ_０を、０と定義する。また、波長が±４のときに、吸収量はほぼ０になるものと考える。このとき、吸収量Ｄは、レーザ光の波長をλとして、下記式１で表現することができる。

一方、二つの変調用の信号（第１変調波信号Ｂ１及び第２変調波信号Ｂ２）の強度（ｘ１及びｘ２）は、正弦波として、下記式２及び３により表現できる。

上式２中、ω１は第１変調波信号Ｂ１の角周波数を示し、ａ’は振幅を示し、ｔは時刻を示す。

上式３中、ω２は、第２変調波信号Ｂ２の角周波数を示し、ａ’は振幅を示し、ｔは時刻を示す。

ここで、レーザ光の中心波長が固有吸収波長λ_０（＝０）に一致しているときについて考える。すなわち、二つの変調波信号による波長の変化が、０を中心としているときについて考える。

まず、比較のため、二つの変調波信号を加算した加算信号を用いてレーザ光の波長を変調したときについて考える。このとき、レーザ光の波長λは、次の式４により、表現することができる。

上式４中、ａは、変調波信号による波長変化の振幅を示す。

式４を用いると、λ^２が下記式５により表現される。

式５と式１を用いると、レーザ光の吸収量の波形は、下記式６により表現される。

数式６より、レーザ光の吸収量Ｄの波形には、角周波数が「ω１＋ω２」、「ω１−ω２」、「２×ω１」、及び「２×ω２」の成分が含まれることが理解される。ここで、角周波数が「２×ω１」及び「２×ω２」の成分の振幅は、「ω１＋ω２」及び「ω１−ω２」の成分の振幅よりも小さい。図５は、数式６で示されるレーザ光の吸収量の周波数スペクトルを示している。図５において、横軸は角周波数を示し、縦軸はスペクトル強度を示している。図５に示されるように、スペクトル強度は、「２×ω１」及び「２×ω２」の成分よりも、「ω１＋ω２」及び「ω１−ω２」の成分の方が大きくなる。既述のように、濃度算出部２１においては、「２×ｆ１」及び「２×ｆ２」の成分が利用される。「２×ｆ１」及び「２×ｆ２」の成分は、すなわち、「２×ω１」及び「２×ω２」の成分である。すなわち、二つの変調波信号を加算した場合には、濃度の算出に利用される「２×ｆ１」及び「２×ｆ２」の成分のスペクトル強度が小さく、レーザ光の吸収量に関する情報を多く取り出すことができない。

図６は、吸収信号Ｆの周波数スペクトルのシミュレーション結果を示している。図６は、ｆ１＝１００（ｋＨｚ）、ｆ２＝５（ｋＨｚ）としたときのシミュレーション結果を示している。図６より、吸収信号Ｆには、「ｆ１＋ｆ２＝１０５（ｋＨｚ）」、「ｆ１−ｆ２＝９５（ｋＨｚ）」、「２×ｆ１＝２００（ｋＨｚ）」、及び「２×ｆ２＝１０（ｋＨｚ）」の成分が含まれていることがわかる。図７は、図６における１０（ｋＨｚ）成分を示す拡大図である。図８は、図６における２００（ｋＨｚ）の成分を示す拡大図である。図６乃至８に示されるように、２００（ｋＨｚ）と１０（ｋＨｚ）の成分は、１０５（ｋＨｚ）と９５（ｋＨｚ）の成分よりも信号強度が小さく、「２×ｆ１」及び「２×ｆ２」の成分が少ないことが確認される。

続いて、本実施形態で説明したように、乗算信号Ｂ３を用いた場合について考える。この場合、レーザ光の波長λは、次の式７により表される。

上式７中、ｂは、各変調波信号の振幅に対応する波長変化の振幅を示す。

式７を利用すると、λ^２が、次の式８により表される。

式８と式１を用いると、レーザ光の吸収量の波形は、下記式９により表現される。

数式９より、レーザ光の吸収量Ｄの波形には、角周波数が「２×ω１」、「２×ω２」、「２×（ω１＋ω２）」、及び「２×（ω１−ω２）」の成分が含まれることが理解される。ここで、角周波数が「２×ω１」及び「２×ω２」の成分の振幅（「２×ｆ１」及び「２×ｆ２」の成分の振幅）は、「２×（ω１＋ω２）」及び「２×（ω１−ω２）」の成分の振幅よりも大きい。図９は、数式９で示されるレーザ光の吸収量の周波数スペクトルを示している。図９に示されるように、スペクトル強度は、「２×ω１」及び「２×ω２」の成分の方が、「２×（ω１＋ω２）」及び「２×（ω１−ω２）」の成分よりも大きい。すなわち、二つの変調波信号を加算して用いる場合とは異なり、濃度の算出に利用される「２×ｆ１」及び「２×ｆ２」の成分の信号強度を大きくすることができ、レーザ光の吸収量に関する情報を多く取り出すことができる。

図１０は、吸収信号Ｆの周波数スペクトルのシミュレーション結果を示している。図１０は、ｆ１＝１００（ｋＨｚ）、ｆ２＝５（ｋＨｚ）としたときのシミュレーション結果を示している。図１０より、吸収信号Ｆには、「２×ｆ１＝２００（ｋＨｚ）」、「２×ｆ２＝１０（ｋＨｚ）」、「２×（ｆ１＋ｆ２）＝２１０（ｋＨｚ）」、及び「２×（ｆ１−ｆ２）＝１９０（ｋＨｚ）」の成分が含まれていることがわかる。図１１は、図１０における１０（ｋＨｚ）成分を示す拡大図である。図１２は、図１０における２００（ｋＨｚ）の成分を示す拡大図である。図１０乃至１２に示されるように、２００（ｋＨｚ）と１０（ｋＨｚ）の成分は、１９０（ｋＨｚ）と２１０（ｋＨｚ）の成分よりも信号強度が大きく、「２×ｆ１」及び「２×ｆ２」の成分が多く含まれていることが確認される。

以上説明したように、本実施形態によれば、二つの変調波信号を乗算して用いることにより、レーザ光の吸収量に関する情報を、より多く取り出すことができる。これにより、計測対象の濃度が希薄であっても、正確にその濃度を計測することができる。

尚、本実施形態では、受光処理部３に差動アンプ１４が設けられており、吸収信号Ｆは、増幅信号Ｅが合成信号Ｃで差動増幅されることにより生成される。但し、本実施形態で説明した受光処理部３の構成はあくまで一例であり、その他の構成が採用されてもよい。例えば、差動アンプ１４の参照信号として合成信号Ｃが直接に用いられるのではなく、合成信号Ｃを模擬した信号が用いられてもよい。このような場合でも、本実施形態で説明したのと同様の作用効果を得ることが可能である。

（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。図１３は、本実施形態に係る濃度計測装置１を示すブロック図である。本実施形態では、第１の実施形態に対して、受光処理部３の構成が工夫されている。その他の点については、第１の実施形態と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

図１３に示されるように、受光処理部３には、位相調整器１７と、加算器２２が追加されている。また、第１位相敏感検波器１６と第２位相敏感検波器１９とが、並列に設けられている。

すなわち、差動アンプ１４から出力された吸収信号Ｆは、ＢＰＦ（２６、２７）及びアナログデジタルコンバータ２９を介して、第１バンドパスフィルタ１５と第２バンドパスフィルタ１８との双方に供給される。第１バンドパスフィルタ１５は、吸収信号Ｆから「２×ｆ１」成分を抽出し、第１バンドパス信号Ｇとして第１位相敏感検波器１６に供給する。第１位相敏感検波器１６は、第１バンドパス信号Ｇを、「２×ｆ１」で検波し、第１復調信号Ｈを生成する。第１復調信号Ｈは、位相調整器１７で位相が調整された後、加算器２２に送られる。一方、第２バンドパスフィルタ１８は、吸収信号Ｆから「２×ｆ２」成分を抽出し、第２バンドパス信号Ｊとして第２位相敏感検波器１９に供給する。第２位相敏感検波器１９は、第２バンドパス信号Ｊを、「２×ｆ２」で検波し、第２復調信号Ｋを生成する。第２復調信号Ｋは、加算器２２へ送られる。

加算器２２は、第１復調信号Ｈと第２復調信号Ｋとを加算し、加算信号Ｍとしてローパスフィルタ２０に供給する。ローパスフィルタ２０は、加算信号Ｍの低周波成分を抽出し、濃度算出部２１へ供給する。濃度算出部２１では、加算信号Ｍの波高値に基づいて、計測対象の濃度が算出される。

第１の実施形態では、受光処理部３において、第１位相敏感検波器１６と第２位相敏感検波器１９とが直列となるように配置されている。このような構成の場合、吸収信号Ｆが、位相敏感検波器を複数回通過することになる。そのため、レーザ光の吸収量を示す情報が失われてしまい易くなる。

これに対して、本実施形態によれば、第１位相敏感検波器１６と第２位相敏感検波器１９とが並列に設けられているため、レーザ光の吸収量を示す情報のロスを最小限に抑えることができ、より高感度でレーザ光の吸収量を示す情報を取り出すことができる。

尚、本実施形態は、第１の実施形態とは独立して実施することも可能である。すなわち、必ずしも、発光制御部２において、二つの変調波信号（Ｂ１及びＢ２）の乗算信号Ｂ３を用いる必要はない。例えば、図１４Ａに示されるように、発光制御部２の構成を変形することも可能である。図１４Ａに示される例では、加算器１１が、搬送波信号Ａと、第１変調波信号Ｂ１と、第２変調波信号Ｂ２とを加算し、合成信号Ｃを生成する。このような構成としても、受光処理部３において第１位相敏感検波器１６と第２位相敏感検波器１９とが並列に設けられていれば、本実施形態で説明した作用効果を奏することが可能である。但し、二つの変調波信号の乗算信号Ｂ３を用いれば、乗算信号Ｂ３を用いることと、第１位相敏感検波器１６と第２位相敏感検波器１９とが並列であることとの相乗効果により、レーザ光の吸収量を示す情報を格段に多く取り出すことが可能となる。

また、図１４Ｂに示される変形例のように、加算方式と乗算方式とを使い分けてもよい。図１４Ｂに示される変形例では、発光制御部２に、加算器３３と、乗算器３４と、スイッチ３５とが追加されている。加算器３３は、第１変調波信号Ｂ１と第２変調波信号Ｂ２とを加算し、スイッチ３５に供給する。乗算器３４は、第１変調波信号Ｂ１と第２変調波信号Ｂ２とを乗算し、スイッチ３５に供給する。スイッチ３５は、加算器３３から取得した信号と乗算器３４から取得した信号とのうちの一方を、選択的に加算器１１に供給する。このような構成によれば、乗算方式と加算方式とを使い分けることができ、測定環境により適した測定方式を採用することが可能となる。

（第３の実施形態）
続いて、本発明の第３の実施形態について説明する。図１５は、本実施形態に係る濃度計測装置１を示すブロック図である。本実施形態では、第２の実施形態に対して、受光処理部３に、スイッチ３０（切替器）と、スイッチ３１（切替器）と、スイッチ３６（切替器）と、スイッチ３２（切替器）と、ノイズ検出部２５とが追加されている。その他の点については、第２の実施形態と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

スイッチ３０は、ＢＰＦ２６と加算器２８との間に設けられている。スイッチ３１は、ＢＰＦ２７と加算器２８との間に設けられている。スイッチ３６は、位相調整器１７と加算器２２との間に設けられている。スイッチ３２は、アナログデジタルコンバータ２９と第２バンドパスフィルタ１８との間に設けられている。

各スイッチ（切替器）は、第１復調信号Ｈと第２復調信号Ｋの切替を行うように構成されている。すなわち、これらのスイッチ（３０、３１、３６、３２）の全てがオンの場合、加算器２２は第１復調信号Ｈと第２復調信号Ｋとを加算して、ローパスフィルタ２０に供給する。一方、スイッチ３０及びスイッチ３６がオンであり、スイッチ３１及びスイッチ３２がオフの場合、第２復調信号Ｋは遮断される。その結果、加算器２２は、第１復調信号Ｈだけをローパスフィルタ２０に供給する。また、スイッチ３０及びスイッチ３６がオフであり、スイッチ３１及びスイッチ３２がオンの場合、第１復調信号Ｈが遮断される。その結果、加算器２２は、第２復調信号Ｋだけをローパスフィルタ２０に供給する。

各スイッチのオン、オフは、ノイズ検出部２５により制御される。すなわち、ノイズ検出部２５は、加算器２２から出力される信号のノイズ成分を検出する。そして、その検出結果に基づいて、各スイッチの動作を制御する。

本実施形態における濃度計測装置１の動作方法について以下に説明する。

濃度計測装置１が起動したとする。このとき、各スイッチは、加算器２２が、第１復調信号Ｈと第２復調信号Ｋとの加算信号（Ｈ＋Ｋ）を生成するように設定されている。ここで、ノイズ検出部２５が、その加算信号（Ｈ＋Ｋ）に含まれるノイズ成分を検出する。ノイズ検出部２５は、検出結果を、予め設定された閾値と比較する。ノイズ成分の検出結果が、閾値よりも低ければ、ノイズ成分が十分に少ないと判断し、この状態で濃度計測が行われる。一方、ノイズの検出結果が閾値以上であれば、ノイズ検出部２５は、各スイッチに対して、第２復調信号Ｋを遮断して第１復調信号Ｈだけを出力するように指示する。そして、ノイズ検出部２５は、出力された第１復調信号Ｈのノイズ成分を検出し、再び予め設定された閾値と比較する。ノイズ成分の検出結果が閾値よりも少なければ、この状態で濃度計測が行われる。一方、ノイズ成分の検出結果が閾値以上であった場合には、ノイズ検出部２５は、各スイッチに対して、第１復調信号Ｈを遮断して第２復調信号Ｋだけを出力するように指示する。ノイズ検出部２５は、第２復調信号Ｋのノイズ成分を検出する。そして、ノイズ検出部２５は、第１復調信号Ｈと第２復調信号Ｋとで、ノイズ成分の検出結果を比較し、ノイズ成分が少ない方の信号だけが出力されるように、各スイッチを制御する。これにより、各スイッチにより、ノイズ成分が少ない方の信号だけが選択的に濃度算出部２１に供給される。

本実施形態によれば、第１復調信号Ｈ、第２復調信号Ｋ、及び加算信号（Ｈ＋Ｋ）を選択的に切り替えることが可能である。例えば、ノイズの発生源が、第１位相敏感検波器１６に存在したとする。このような場合、第２復調信号Ｋだけを選択的に用いることにより、ノイズ成分の少ない信号を利用して濃度を算出することが可能である。

また、本実施形態では、ノイズ検出部２５により、ノイズの少ない信号が自動的に選択される。従って、ユーザにとっての操作性を向上させることができる。

また、本実施形態においては、ノイズ検出部２５が設けられていることが好ましいが、必ずしもノイズ検出部２５を設ける必要はない。例えば、受光処理部３が、オペレータによって手動で各スイッチが切替えられるように構成されていてもよい。このような構成であっても、ノイズ成分の少ない信号を選択的に採用できる、という作用については享受できる。

以上、第１〜第３の実施形態について説明した。但し、これらの実施形態は互いに独立するものではなく、矛盾の無い範囲内で組み合わせて使用することが可能である。

１ 濃度計測装置
２ 発光制御部
３ 受光処理部
４ レーザーダイオード
５ 計測対象ガス領域
６ フォトダイオード
７ 搬送波発生器
８ 第１変調波発生器
９ 第２変調波発生器
１０ 乗算器
１１ 加算器
１２ レーザダイオードドライバ
１３ プリアンプ
１４ 差動アンプ
１５ 第１バンドパスフィルタ
１６ 第１位相敏感検波器
１７ 位相調整器
１８ 第２バンドパスフィルタ
１９ 第２位相敏感検波器
２０ ローパスフィルタ
２１ 濃度算出部
２２ 加算器
２３ デジタル／アナログコンバータ
２５ ノイズ検出部
２６ バンドパスフィルタ（ｆ１）
２７ バンドパスフィルタ（ｆ２）
２８ 加算器
２９ アナログ／デジタルコンバータ
３０ スイッチ
３１ スイッチ
３２ スイッチ
３３ 加算器
３４ 乗算器
３５ スイッチ
３６ スイッチ

Claims (14)

1. 計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザダイオードを、前記レーザ光の波長が所定の波形で変調されるように制御する、発光制御部と、
   前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を算出する受光処理部と、
   を具備し、
   前記発光制御部は、
   第１周波数ｆ１の正弦波である第１変調波信号を生成する第１変調波信号発生器と、
   第２周波数ｆ２の正弦波である第２変調波信号を生成する第２変調波信号発生器と、
   前記第１変調波信号と前記第２変調波信号とを乗算し、乗算信号を生成する乗算器と、
   前記乗算信号に基づいて前記レーザ光の波長を変調するレーザダイオードドライバとを備える
   濃度計測装置。
2. 請求項１に記載された濃度計測装置であって、
   前記受光処理部は、
   前記受光信号に基づいて、２×ｆ１成分を位相検波し、第１復調信号を生成する第１位相検波器と、
   前記第１復調信号に基づいて、２×ｆ２成分を位相検波し、第２復調信号を生成する第２位相検波器と、
   前記第２復調信号に基づいて、前記計測対象の濃度を計測する濃度算出部とを備える
   濃度計測装置。
3. 請求項１に記載された濃度計測装置であって、
   前記受光処理部は、
   前記受光信号に基づいて、２×ｆ１成分を位相検波し、第１復調信号を生成する第１位相検波器と、
   前記受光信号に基づいて、２×ｆ２成分を位相検波し、第２復調信号を生成する第２位相検波器と、
   前記第１復調信号と前記第２復調信号とに基づいて、復調信号を生成する復調信号生成器と、
   前記復調信号に基づいて、前記計測対象の濃度を算出する濃度算出部とを備え、
   前記第１位相検波器と前記第２位相検波器とは、並列に設けられている
   濃度計測装置。
4. 請求項１に記載された濃度計測装置であって、
   前記受光処理部は、
   前記受光信号に基づいて、２×ｆ１成分を位相検波し、第１復調信号を生成する第１位相検波器と、
   前記受光信号に基づいて、２×ｆ２成分を位相検波し、第２復調信号を生成する第２位相検波器と、
   前記第１復調信号及び前記第２復調信号の少なくとも一方に基づいて、前記計測対象の濃度を算出する濃度算出部と、
   前記濃度算出部において濃度の算出に利用される復調信号の切替を行う切替器とを備える
   濃度計測装置。
5. 請求項４に記載された濃度計測装置であって、
   前記受光処理部は、更に、
   前記第１復調信号に含まれるノイズ成分と前記第２復調信号に含まれるノイズ成分とを検出するノイズ検出部を備え、
   前記切替器は、前記ノイズ検出部における検出結果に基づいて、切替を行う
   濃度計測装置。
6. 計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザダイオードを、前記レーザ光の波長が所定の波形で変調されるように制御する、発光制御部と、
   前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を算出する受光処理部と、
   を具備し、
   前記発光制御部は、
   第１周波数ｆ１の正弦波である第１変調波信号を生成する第１変調波信号発生器と、
   第２周波数ｆ２の正弦波である第２変調波信号を生成する第２変調波信号発生器と、
   前記第１変調波信号及び前記第２変調波信号に基づいて、前記レーザ光の波長を変調するレーザダイオードドライバとを備え、
   前記受光処理部は、
   前記受光信号に基づいて、２×ｆ１成分を位相検波し、第１復調信号を生成する第１位相検波器と、
   前記受光信号に基づいて、２×ｆ２成分を位相検波し、第２復調信号を生成する第２位相検波器と、
   前記第１復調信号と前記第２復調信号とに基づいて、復調信号を生成する復調信号生成器と、
   前記復調信号に基づいて、前記計測対象の濃度を算出する濃度算出部とを備え、
   前記第１位相検波器と前記第２位相検波器とは、並列に設けられている
   濃度計測装置。
7. 計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザダイオードを、前記レーザ光の波長が所定の波形で変調されるように制御する、発光制御部と、
   前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を算出する受光処理部と、
   を具備し、
   前記発光制御部は、
   第１周波数ｆ１の正弦波である第１変調波信号を生成する第１変調波信号発生器と、
   第２周波数ｆ２の正弦波である第２変調波信号を生成する第２変調波信号発生器と、
   前記第１変調波信号及び前記第２変調波信号に基づいて、前記レーザ光の波長を変調するレーザダイオードドライバとを備え、
   前記受光処理部は、
   前記受光信号に基づいて、２×ｆ１成分を位相検波し、第１復調信号を生成する第１位相検波器と、
   前記受光信号又は前記第１復調信号に基づいて、２×ｆ２成分を位相検波し、第２復調信号を生成する第２位相検波器と、
   前記第１復調信号及び前記第２復調信号の少なくとも一方に基づいて、前記計測対象の濃度を算出する濃度算出部と、
   前記濃度算出部において濃度の算出に利用される復調信号の切替を行う切替器とを備える
   濃度計測装置。
8. 計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザダイオードを、前記レーザ光の波長が所定の波形で変調されるように制御するステップと、
   前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を計測するステップと、
   を具備し、
   前記制御するステップは、
   第１周波数ｆ１の正弦波である第１変調波信号を生成するステップと、
   第２周波数ｆ２の正弦波である第２変調波信号を生成するステップと、
   前記第１変調波信号と前記第２変調波信号とを乗算し、乗算信号を生成するステップと、
   前記乗算信号に基づいて前記レーザ光の波長を変調するステップとを備える
   濃度計測方法。
9. 請求項８に記載された濃度計測方法であって、
   前記濃度を計測するステップは、
   前記受光信号に基づいて、２×ｆ１成分を位相検波し、第１復調信号を生成するステップと、
   前記第１復調信号に基づいて、２×ｆ２成分を位相検波し、第２復調信号を生成するステップと、
   前記第２復調信号に基づいて、前記計測対象の濃度を算出するステップとを備える
   濃度計測方法。
10. 請求項８に記載された濃度計測方法であって、
    前記濃度を計測するステップは、
    前記受光信号に基づいて、２×ｆ１成分を位相検波し、第１復調信号を生成するステップと、
    前記受光信号に基づいて、２×ｆ２成分を位相検波し、第２復調信号を生成するステップと、
    前記第１復調信号と前記第２復調信号とに基づいて、復調信号を生成するステップと、
    前記復調信号に基づいて、前記計測対象の濃度を算出するステップとを備える
    濃度計測方法。
11. 請求項８に記載された濃度計測方法であって、
    前記濃度を計測するステップは、
    前記受光信号に基づいて、２×ｆ１成分を位相検波し、第１復調信号を生成するステップと、
    前記受光信号又は前記第１復調信号に基づいて、２×ｆ２成分を位相検波し、第２復調信号を生成するステップと、
    前記第１復調信号及び前記第２復調信号の少なくとも一方に基づいて、前記計測対象の濃度を算出するステップと、
    前記濃度を算出するステップにおいて濃度の算出に利用される復調信号の切替を行うステップとを備える
    濃度計測方法。
12. 請求項１１に記載された濃度計測方法であって、
    前記濃度を計測するステップは、更に、
    前記第１復調信号に含まれるノイズ成分と前記第２復調信号に含まれるノイズ成分とを検出するステップを含み、
    前記切替を行うステップは、前記検出するステップにおける検出結果に基づいて、切替を行うステップを含んでいる
    濃度計測方法。
13. 計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザダイオードを、前記レーザ光の波長が所定の波形で変調されるように制御するステップと、
    前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を計測するステップと、
    を具備し、
    前記制御するステップは、
    第１周波数ｆ１の正弦波である第１変調波信号を生成するステップと、
    第２周波数ｆ２の正弦波である第２変調波信号を生成するステップと、
    前記第１変調波信号及び前記第２変調波信号に基づいて、前記レーザ光の波長を変調するステップとを備え、
    前記濃度を計測するステップは、
    前記受光信号に基づいて、２×ｆ１成分を位相検波し、第１復調信号を生成するステップと、
    前記受光信号に基づいて、２×ｆ２成分を位相検波し、第２復調信号を生成するステップと、
    前記第１復調信号と前記第２復調信号とに基づいて、復調信号を生成するステップと、
    前記復調信号に基づいて、前記計測対象の濃度を算出するステップとを備える
    濃度計測方法。
14. 計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザダイオードを、前記レーザ光の波長が所定の波形で変調されるように制御するステップと、
    前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を計測するステップと、
    を具備し、
    前記制御するステップは、
    第１周波数ｆ１の正弦波である第１変調波信号を生成するステップと、
    第２周波数ｆ２の正弦波である第２変調波信号を生成するステップと、
    前記第１変調波信号及び前記第２変調波信号に基づいて、前記レーザ光の波長を変調するステップとを備え、
    前記濃度を計測するステップは、
    前記受光信号に基づいて、２×ｆ１成分を位相検波し、第１復調信号を生成するステップと、
    前記受光信号又は前記第１復調信号に基づいて、２×ｆ２成分を位相検波し、第２復調信号を生成するステップと、
    前記第１復調信号及び前記第２復調信号の少なくとも一方に基づいて、前記計測対象の濃度を算出するステップと、
    前記濃度を算出するステップにおいて濃度の算出に利用される復調信号の切替を行うステップとを備える
    濃度計測方法。

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