JP2540670B2 - Multi-type gas detector using optical fiber - Google Patents

Multi-type gas detector using optical fiber

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JP2540670B2
JP2540670B2 JP9682691A JP9682691A JP2540670B2 JP 2540670 B2 JP2540670 B2 JP 2540670B2 JP 9682691 A JP9682691 A JP 9682691A JP 9682691 A JP9682691 A JP 9682691A JP 2540670 B2 JP2540670 B2 JP 2540670B2
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秀男 田井
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晋 大沢
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Tokyo Gas Co Ltd
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Tokyo Gas Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multi-type gas detector which employs a laser beam as a light source and an optical fiber as a transmission line.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art It is known that the presence or absence of a gas can be detected by utilizing the fact that light of a specific wavelength is easily absorbed by a certain gas. Sensing technology applying this principle is used in industrial measurement, pollution monitoring, etc. Widely used in. In addition, if this light is transmitted using an optical fiber, it is possible to remotely monitor gas.

【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。
As an example, a system capable of remotely detecting methane gas is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 59-212738. In this system, since there is an oscillation line in the 1.6 μm band that is strongly absorbed by methane gas, the light from the LED light source containing this wavelength is guided to the measurement gas by the optical fiber, and the transmitted light from that gas is converted into another light. Received by the fiber and guided to the light receiving part,
The light receiving section uses a band-pass filter or the like to separate light of a wavelength absorbed by methane gas into light of a wavelength not absorbed, and obtains the concentration of methane gas from the difference in the attenuation amount of each of these two lights.

【0004】[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。
However, in the methane detection system having such a configuration, a large number of optical components such as a half mirror and a band-pass filter are used, so that the optical system becomes complicated and the SN ratio (signal pair It is also disadvantageous in terms of noise ratio).

【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。
Therefore, a new remote gas (methane gas) detecting device using the frequency modulation method and using an optical fiber as a transmission line has been proposed (Japanese Patent Application No. 2-78498). In this detection device, the drive current of the semiconductor laser is modulated at a high frequency centering on a predetermined current value, and laser light having a modulated wavelength and intensity is oscillated. Further, a part of the laser light emitted from the semiconductor laser is used for monitoring, and the current and temperature of the laser are controlled so that the center wavelength of oscillation coincides with the predetermined position of the methane absorption line. Then, the laser beam thus stabilized and emitted is guided through an optical fiber to a gas cell containing methane gas of unknown concentration, and the light transmitted through the gas cell is received by another optical fiber and guided to a light receiving unit, where it is received. The gas concentration is obtained from the second harmonic detection signal of the laser light or the fundamental wave detection signal. According to this, extremely high SN
The ratio can detect methane gas.

【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。
However, this detector has a problem that only one kind of gas can be quantitatively measured. Usually, in order to prevent a gas explosion or the like in an environment where a special gas is used, there are several kinds of gases to be monitored. In this case, in the conventional method, it is necessary to separately sense these plural kinds of gases, so that another detection device must be newly configured and the plural devices must be used in parallel.

【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。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to detect various gases using a novel optical fiber capable of measuring many kinds of gases using one optical transmission line. To provide a device.

【0008】[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。
In order to achieve the above object, the present invention provides a plurality of semiconductor lasers each having a single gas absorption line as an oscillation line for a specific gas to be measured, and each of the semiconductor lasers is prepared. The drive current of the semiconductor laser is modulated at a high frequency by the laser driving means, the modulated laser light from each semiconductor laser is combined into one light by the branch coupler, and then the test cell is transmitted through the outgoing optical fiber. Lead to. Then, the light transmitted through the test cell is received by the optical fiber for the return path and guided to the photodetector, and the specific component in the detection output is phase-sensitively detected by the measuring means, and each specific gas existing in the test cell is detected. It is configured to simultaneously measure the concentration. Here, it is preferable to change the modulation frequency of the laser drive current. Further, it is preferable that the end face of each optical fiber be obliquely polished.

【0009】[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。
By preparing a plurality of semiconductor lasers for various kinds of specific gases and combining the lights from these semiconductor lasers into one light by the branch coupler, one set of the optical fiber for the outward path and the test cell Also, the concentrations of various specific gases can be simultaneously measured by using the return optical fiber. Moreover, when the modulation frequencies of the semiconductor lasers are changed, a plurality of kinds of gases can be easily detected only by obtaining the phase sensitive detection signal for each modulation frequency from the detection output of the transmitted light. If the end face of the optical fiber is obliquely polished, it is possible to suppress internal interference or noise due to the returning light and stabilize the signal.

【0010】[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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【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。
The present invention is directed to the remote sensing of many types of gases. When a silica-based optical fiber is used as an optical transmission line to perform measurement at a remote location, the optical fiber
It exhibits low loss characteristics around 0.8 μm to 1.7 μm. Therefore, a gas having an absorption line in this band is suitable as a gas to be detected, and in this example, methane gas and acetylene gas were targeted. Methane is 2 as an absorption line
ν 3 band Q (6) line (1.6659 μm)
A 1 + ν 3 band P (13) wire (1.5328 μm) was used. FIG. 1 shows an embodiment of a gas detection device for the purpose of simultaneous detection of methane gas and acetylene gas.

【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。
In the figure, 1a is a methane gas absorption line (1.
A semiconductor laser that oscillates light in the 6659 μm band) and 1b is a semiconductor laser that oscillates light in the acetylene gas absorption line (1.5328 μm band). Also, 2a and 2b are semiconductor lasers 1.
Collimating lenses 3a and 3b for collimating laser beams emitted forward from a and 1b, respectively, are isolators 4a and 4b for blocking return light from the subsequent optical system.
Is a condenser lens for coupling the laser light from the isolators 3a and 3b to the optical fibers 5a and 5b.

【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。
Reference numeral 11 denotes a branching coupler for coupling the respective laser beams transmitted through the optical fibers 5a and 5b, and here, a fiber type in which two optical fibers are heated and drawn in close proximity to each other. Used. 6 is a silica-based outward optical fiber that transmits the light combined by the branch coupler 11, and 9 is a test cell containing methane gas and acetylene gas of unknown concentration, inside which the laser light emitted from the fiber 6 is parallel. A collimating lens 10a for making light,
A collimator lens 10b for condensing the laser light transmitted through the cell 4 is provided. Reference numeral 7 is a silica-based return optical fiber that transmits the transmitted light condensed by the collimator lens 10b, 12 is a photodetector such as a pin photodiode for detecting the intensity of the laser light transmitted through the optical fiber 7, 20 Is an amplifier for amplifying the electric signal from the detector 12. Here, the above-mentioned optical fibers 5a, 5
The end faces of b, 6 and 7 are obliquely polished so that the returning light is reduced and an interference system does not occur inside thereof.

【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。
Reference numerals 13a and 13b are reference cells containing known concentrations of methane gas and acetylene gas, and 14a and 14b.
b is a lens for condensing the laser light emitted backward from the semiconductor lasers 1a and 1b, and 15a and 15b are reference cells 13.
p for detecting the intensity of the backward light passing through a and 13b
Photodetectors such as in-photodiodes, 19a, 19b
Is a wavelength control device that monitors the wavelength of the light source from the output components of the photodetectors 15a and 15b and adjusts the temperature of the Peltier elements 16a and 16b. The wavelength stabilizing means is configured as described above. 17a, 17b are semiconductor lasers 1a, 1
A laser drive device (laser drive means) that supplies a drive current modulated to b with a predetermined high frequency changes the modulation frequency of the drive current for each of the lasers 1a and 1b.
Further, 18a and 18b are signal processing devices (measuring means) for calculating the methane gas and acetylene gas concentrations in the test cell 9 from the specific component (that is, the second harmonic component of the above-mentioned modulation frequency) in the output of the photodetector 12. is there.

【0015】次に、上記装置の動作について説明する。Next, the operation of the above apparatus will be described.

【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。
For the modulation frequencies ω 1 and ω 2 for the semiconductor lasers 1a and 1b, it can be expected that the measurement accuracy is improved as the least common multiple thereof is increased. Therefore, the modulation frequency ω 1 of the laser 1a for methane gas is ω 1 = 51 kHz,
The frequency ω 2 of the laser 1b for acetylene gas is ω 2 = 4
I chose 9 kHz.

【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。
In the measurement, first, a methane gas mixed gas containing nitrogen as a balance gas is introduced into the reference cell 13a, and an acetylene gas mixed gas containing nitrogen as a balance gas is introduced into the other reference cell 13b. Then, the laser driving device 17
The semiconductor lasers 1a and 1b are driven by a and 17b.
The driving devices 17a and 17b are a constant current source that supplies a stable current to the semiconductor lasers 1a and 1b, an oscillator that oscillates modulation signals of frequencies ω 1 and ω 2 , respectively, and 2s of frequencies 2ω 1 and 2ω 2 from the modulation signals. It is composed of a frequency divider for producing a harmonic signal, and a bias current from a constant current source is superposed with a modulation current of frequencies ω 1 and ω 2 and supplied to the semiconductor lasers 1a and 1b. That is, each laser 1a, 1
The drive current of b is modulated with a predetermined amplitude and a predetermined frequency with a predetermined bias current as the center, whereby the laser light whose wavelength and intensity are modulated is oscillated.

【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
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。
Of the laser light thus oscillated, the light emitted to the rear side is passed through the reference cells 13a and 13b and detected by the photodetectors 15a and 15b. Detector 15
The output signals obtained from a and 15b are input to wavelength control devices 19a and 19b, respectively, and the Peltier devices 16a and 16b are temperature-controlled by signal processing there, and the temperatures of the semiconductor lasers 1a and 1b are controlled. Wavelength control device 19
a, 19b may lock-in amplifier, an integrator is constituted by a Peltier power source or the like, the detector 15a, respectively modulation frequencies omega 1 from the output signal obtained from 15b, the fundamental wave phase-sensitive detection signal for omega 2 Is calculated, and the temperatures of the semiconductor lasers 1a and 1b are adjusted so that the value becomes zero. As a result, the oscillation spectra of the lasers 1a and 1b are
It is stabilized at the center of the absorption line of each detection gas.

【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。
When the frequencies are stabilized at the centers of the absorption lines of the methane gas and the acetylene gas in this way, the laser beams emitted forward from the semiconductor lasers 1a and 1b are collimated by the collimator lenses 2a and 2b to form an isolator. After passing through 3a and 3b, a condenser lens 4a,
It is put into the optical fibers 5a and 5b by 4b. The respective laser lights transmitted through these optical fibers 5a and 5b are combined by a branch coupler 11 and transmitted through one outward optical fiber 6 and sent to the test cell 9.

【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。
In the test cell 9, the combined laser light is propagated in the air, and the light from the laser 1a is absorbed by the methane gas and the light from the laser 1b is absorbed by the acetylene gas. Fiber 7
Can be received by When the air propagation distance is small, as shown in the figure, a self-focus microlens or the like can be used as the collimator lenses 10a and 10b. It is necessary to take measures such as using a single sheet and taking a large light receiving surface.

【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。
The laser light transmitted through the return optical fiber 7 is converted into an electric signal by the photodetector 12, and the amplifier 20
The signal is amplified by and then sent to the signal processing devices 18a and 18b. The signal processing devices 18a and 18b are two lock-in amplifiers that perform fundamental wave phase sensitive detection and second harmonic phase sensitive detection for the corresponding modulation frequencies ω 1 and ω 2 , respectively, and a divider that obtains the output ratio of these amplifiers. , A recorder for recording the output of the divider. And 2
Obtain the concentration of methane gas or acetylene gas in the measurement atmosphere from the value obtained by dividing the overtone detection signal by the fundamental wave detection signal.

【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、
Now, if the center wavelengths of the light oscillated from the semiconductor lasers 1a and 1b are made to coincide with the centers ω 0 of the absorption lines of methane gas and acetylene gas respectively, as described above, the second harmonic detection signal and the fundamental wave detection signal Ratio of P (2ω) / P (ω) max
Indicates the peak value R,

【0023】[0023]

【数1】 [Equation 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。
It is expressed as follows. Here, I 0 is the center intensity of each laser output, ΔI is the intensity modulation amplitude, ΔΩ is the frequency modulation amplitude, α (ω 0 ) is the absorption coefficient at the absorption line center ω 0 of the specific gas, and γ is its α ( half-value width 2γ of ω 0 ),
c · l is the product of the concentration c of the specific gas and the light propagation distance l in the cell 9. As described above, the value R of P (2ω) / P (ω) max is proportional to the product of the concentration c of the specific gas and the propagation distance l of the light in the measurement atmosphere. The concentration c of the specific gas can be calculated by the equation 1.

【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。
As described above, according to this embodiment, the driving currents of the semiconductor lasers 1a and 1b are modulated at a predetermined high frequency, and the laser light whose wavelength and output are modulated is supplied to the test cell 9 containing methane gas and acetylene gas. Since the fundamental wave detection signal or the second-harmonic detection signal is obtained from the detection signal of the transmitted light, the concentrations of methane gas and acetylene gas in the cell 9 can be detected at a very high SN ratio.

【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。
Moreover, for transmission of laser light from the lasers 1a and 1b to the cell 9 and transmission from the cell 9 to the photodetector 12,
By using the optical fibers 6 and 7, respectively, the specific gas can be quantitatively measured or monitored at a remote place. Further, by providing two semiconductor lasers 1a and 1b having different oscillation wavelengths corresponding to methane and acetylene gas to be measured, and combining the lights from these lasers 1a and 1b into one light by the branch coupler 11. , Outbound optical fiber 6,
The concentration of these gases can be detected individually and simultaneously by using a set of optical transmission system consisting of the test cell 9 and the return optical fiber 7. Therefore, the manufacturing cost can be significantly reduced and the work of laying the optical transmission line can be omitted as compared with the conventional case where a plurality of optical transmission systems are provided according to the type of gas.

【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。
In the above embodiment, two types of signal processing devices 18a and 18b for methane gas and acetylene gas are used.
However, it is also possible to monitor the concentration of both gases by obtaining detection signals for the respective modulation frequencies ω 1 and ω 2 by the one signal processing device 18a, 18b. For example, if you use a general-purpose device as a lock-in amplifier,
Since automatic measurement by a computer becomes possible, if a computer is added to one of the signal processing devices 18a and 18b to take an automatic measurement form and the processing devices 18a and 18b are assigned to each gas measurement in a time division manner, the other The processing devices 18b and 18a can be omitted.

【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。
In the above embodiment, the laser light used for wavelength stabilization is the rear light of the semiconductor lasers 1a and 1b. However, a part of the front light is reflected by a half mirror, an optical fiber type branch coupler or the like. It is also possible to use.

【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。
Further, in the above embodiment, only one of the output ports of the branch coupler 11 is used as the light wave for detection, but the light wave from the other port is also used to detect the specific gas at multiple points. May be. Also, as the branch coupler 11,
Although the fiber type is used, a waveguide type, a half mirror type and the like are also applicable. The point is that the output from the two fibers may be input to one fiber, or conversely, the output from the one fiber may be input to the two fibers.

【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。
FIG. 2 shows another embodiment of the present invention. In this embodiment, visible light and far infrared light are used as wavelengths of light used for gas detection, and a hydrocarbon-based gas and a nitrogen compound-based gas are simultaneously detected. The configuration of the light receiving part of is shown.

【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。
As shown in FIG. 3, the currently used pin photodiode has Si for visible and near-infrared light, and Ge or InGaAs at a wavelength of 1 μm or more.
Are used respectively, and it is necessary to use the pin photodiode properly for the light wavelength.

【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。
Therefore, in this embodiment, one pin
It is not possible to deal with this with only the photodiode, and the end portion on the light receiving side of the return optical fiber 7 is connected to the fiber 2 via the branch coupler 21.
3a and 23b, and a Si pin photodiode 22a is provided at the output end of one fiber 23a, and an InGaAs pin photodiode 22b is provided at the output end of the other fiber 23b. Note that these pi
The signal processing devices 18a and 18b similar to those in the above-described embodiment are connected to the outputs of the n photodiodes 22a and 22b, respectively.

【0033】[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。
As described above, according to the present invention,
The semiconductor laser drive current is frequency-modulated, the laser light whose wavelength and output are modulated is passed through the test cell containing the specific gas, and the specific component in the detection signal of the transmitted light is phase-sensitive detected. The specific gas can be detected from the signal with a very high SN ratio. In addition, multiple semiconductor lasers with different oscillation wavelengths were prepared according to the type of gas to be measured, and the light from these lasers was combined into one light by a branch coupler, so one set of multiple types of gas was used. It can be detected at the same time only by using the optical transmission line. Furthermore, since an optical fiber is used for this optical transmission line, it is possible to remotely monitor a specific gas.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a multi-gas detector using the optical fiber of the present invention.

【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。
FIG. 2 is a block diagram showing a light receiving portion of another embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 3 is a diagram showing a spectral sensitivity characteristic of a pin photodiode.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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) 1a, 1b Semiconductor laser 6 Optical fiber for forward path 7 Optical fiber for return path 9 Test cell 11 Branch coupler 12 Photodetector 17a, 17b Laser drive device (laser drive means) 18a, 18b Signal processing device (measurement means) 19a, 19b Wavelength control device (wavelength stabilizing means)

───────────────────────────────────────────────────── 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) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Shin Osawa 5-1-1, Hidaka-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Inside the Electric Wire Research Laboratory, Nitrate Electric Cable Co., Ltd. (56) Reference JP-A-3-15742 (JP, A) ) JP-A-63-171328 (JP, A) JP-A-1-295135 (JP, A) Actually developed JP-A-62-34353 (JP, U) Special Table 4-501007 (JP, A)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【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。
1. Two or more kinds of semiconductor lasers having different oscillation wavelengths, a laser driving means for modulating a driving current of each of these semiconductor lasers with a predetermined amplitude and a predetermined frequency centered on a predetermined current value, and each of the above laser driving means. Wavelength stabilizing means for stabilizing the central wavelength of the laser light oscillated from the laser at a predetermined position of the absorption line of the corresponding specific gas, a branch coupler for joining the laser light emitted from each laser, and this coupler The optical fiber for the outward path for transmitting the light combined by the test cell, the test cell containing two or more kinds of specific gases to be measured, and the light emitted from the optical fiber for the outward path and transmitted through the test cell are transmitted. The optical path for the return path, the photodetector that converts the light intensity from the optical path for the return path into an electrical signal, and the phase sensitive detection of the specific component in the output of this detector A multi-gas detector using an optical fiber, comprising a measuring means for quantitatively measuring each specific gas.
【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。
2. A multi-type gas detection apparatus using an optical fiber according to claim 1, wherein frequencies for modulating the drive current of the semiconductor laser are changed.
【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。
3. The multi-gas detection device using an optical fiber according to claim 1, wherein the end face of each optical fiber that transmits the laser light is obliquely polished.
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