JP2796650B2 - Multi-gas detector - Google Patents
Multi-gas detectorInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザ素子を用
いた多種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-gas detector using a semiconductor laser device.
【0002】[0002]
【従来の技術】特定波長のレーザ光がある種の気体に吸
収されやすいことを利用してガス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、公害監視などに広く用いられている。一例
として、He−Neレーザにより発生されるレーザ光の
3.3922μmの発振線はメタンに強く吸収されるこ
とを利用してメタンの有無を感度よく検出することが可
能である。メタンは都市ガスの主成分であるのでメタン
ガスの検出によって都市ガスの漏洩が検知できる。しか
し半導体レーザを用いてガス検知を行う場合にはレーザ
素子の温度により発振波長が大きく変わるのでレーザ光
の発振波長をガスの吸収線の中心波長に合わせて安定化
する必要がある。2. Description of the Related Art It is known that the presence or absence of gas can be detected by utilizing the fact that laser light of a specific wavelength is easily absorbed by a certain kind of gas. Sensing technology using this principle is used for industrial measurement, pollution monitoring, etc. Widely used for As an example, the presence or absence of methane can be detected with high sensitivity by utilizing the fact that the 3.3922 μm oscillation line of the laser light generated by the He—Ne laser is strongly absorbed by methane. Since methane is the main component of city gas, leakage of city gas can be detected by detecting methane gas. However, when gas detection is performed using a semiconductor laser, the oscillation wavelength greatly changes depending on the temperature of the laser element. Therefore, it is necessary to stabilize the oscillation wavelength of the laser light in accordance with the center wavelength of the gas absorption line.
【0003】特願平2−78498号においては、周波
数変調法を応用しかつ光ファイバを伝送路とした遠隔ガ
ス(メタンガス)検出装置が提案されている。この検出
装置では、半導体レーザ素子の駆動電流を所定の電流値
を中心として高周波信号で変調するとともに、半導体レ
ーザ素子から出射されるレーザ光の一部を用いて、半導
体レーザ素子の電流および温度を制御して発振の中心波
長をメタンの吸収線の所定位置に一致させることでレー
ザ光の発振波長を安定化している。そしてこの安定化さ
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、そのガスセル内を通過した光
を別の光ファイバで受け、受光部で電気信号に変換した
後位相敏感検波器によりレーザ光の2倍波検波信号およ
び基本波検波信号を求めこれら2つの信号の比からガス
濃度を求めている。[0003] Japanese Patent Application No. 2-78498 proposes a remote gas (methane gas) detection apparatus to which a frequency modulation method is applied and which uses an optical fiber as a transmission line. In this detection device, the drive current of the semiconductor laser element is modulated by a high-frequency signal around a predetermined current value, and the current and the temperature of the semiconductor laser element are changed by using a part of the laser light emitted from the semiconductor laser element. The oscillation wavelength of the laser beam is stabilized by controlling the center wavelength of the oscillation to coincide with a predetermined position of the absorption line of methane. The stabilized laser light is guided through an optical fiber to a gas cell containing an unknown concentration of methane gas, the light passing through the gas cell is received by another optical fiber, converted into an electric signal by a light receiving unit, and then phase-sensitive. A detector detects a double-wave detection signal and a fundamental-wave detection signal of the laser beam, and obtains a gas concentration from a ratio of these two signals.
【0004】しかし、この検出装置では1種類のガスの
濃度しか検知できないので、多種類のガスの濃度を検知
したい場合には、ガスの種類の数だけ検知装置を用意し
なければならないという問題がある。However, since this detector can detect only one type of gas concentration, if it is desired to detect the concentration of various types of gases, there is a problem that the number of detection devices must be prepared as many as the number of types of gas. is there.
【0005】これに対して本願出願人は特願平3−96
826号において多種類のガスを検知する多種ガス検知
装置を提案した。On the other hand, the applicant of the present application has filed Japanese Patent Application No. 3-96.
No. 826 proposes a multi-gas detecting device for detecting various gases.
【0006】図3は本願出願人による多種ガス検知装置
の概略構成図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a multi-gas detecting device by the present applicant.
【0007】この装置はメタンガスの吸収線を発振線と
してもつ半導体レーザ素子1aとアセチレンガスの吸収
線を発振線としてもつ半導体レーザ素子1bとを備え、
半導体レーザ素子1aをメタン用駆動装置2aにより周
波数f1 で変調し、半導体レーザ素子1bをアセチレン
用駆動装置2bにより周波数f1 とは異なる周波数f 2
で変調する。この変調された半導体レーザ素子1aから
のレーザ光をメタンガスの封入された参照用セル3aを
通過させて受光器4aで受けて電気信号に変換し、メタ
ン用波長制御装置5aにより半導体レーザ素子1aに設
けられたペルチェ素子6aの温度を制御し、半導体レー
ザ1bからのレーザ光をアセチレンガスの封入された参
照用セル3bを通過させて受光器4bで受けて電気信号
に変換し、アセチレン用波長制御装置5bにより半導体
レーザ素子1bに設けられたペルチェ素子6bの温度を
制御する。In this device, the absorption line of methane gas is regarded as an oscillation line.
Semiconductor device 1a and absorption of acetylene gas
A semiconductor laser element 1b having a line as an oscillation line,
The semiconductor laser element 1a is rotated by the methane driving device 2a.
Wave number f1 And the semiconductor laser element 1b is changed to acetylene.
Frequency f1 Frequency f different from Two
Modulate with From the modulated semiconductor laser device 1a
The reference light cell 3a filled with methane gas.
The light is passed through, received by the light receiver 4a, converted into an electric signal,
Installed in the semiconductor laser device 1a by the wavelength control device 5a.
Controlling the temperature of the Peltier element 6a
Laser beam from the laser 1b into the acetylene gas
The electric signal is received by the light receiver 4b after passing through the illumination cell 3b.
And converted to semiconductor by the acetylene wavelength controller 5b.
The temperature of the Peltier element 6b provided in the laser element 1b is
Control.
【0008】一方、半導体レーザ素子1a、1bからの
レーザ光を反射光を防止するアイソレータ7aを介して
分岐結合器8で一つの光に混合したのち、往路用光ファ
イバ9を介して測定用セル10まで導き、測定用セル1
0内を通過した光を復路用光ファイバ11を介して光検
出器12まで導きアンプ13で増幅する。そしてさら
に、この検出出力中の周波数f1 に対応する成分をメタ
ン用信号処理装置14aにより位相敏感検波して、測定
用セル10内のメタンガスの濃度を検出し、検出出力中
の周波数f2 に対応する成分をアセチレン用信号処理装
置14bにより位相敏感検波して、測定用セル10内の
アセチレンガスの濃度を検出する。On the other hand, the laser light from the semiconductor laser elements 1a and 1b is mixed into one light by a branching coupler 8 via an isolator 7a for preventing reflected light, and then a measurement cell is output via an optical fiber 9 for a forward path. Lead to 10 and measure cell 1
The light passing through 0 is guided to the photodetector 12 through the return optical fiber 11 and amplified by the amplifier 13. And further, the component corresponding to the frequency f 1 in the detection output by the phase-sensitive detection by methane signal processing device 14a, and detects the concentration of methane in the measurement cell 10, the frequency f 2 in the detection output The corresponding component is subjected to phase sensitive detection by the acetylene signal processor 14b to detect the concentration of the acetylene gas in the measurement cell 10.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
構成の多種ガス検知装置では、参照用のセルと、このセ
ルを通過したレーザ光を受光する受光器がそれぞれ検知
したいガスの種類の数だけ必要となり、しかもそれぞれ
別々に発振波長を安定化しなければならないので装置が
複雑になる上、大型化するという問題点がある。However, in the multi-type gas detecting device having such a configuration, the reference cell and the light-receiving device that receives the laser beam passing through the cell have the same number as the number of types of gas to be detected. However, it is necessary to stabilize the oscillating wavelength separately, so that there is a problem that the device becomes complicated and the size becomes large.
【0010】本発明は、上記の点にかんがみてなされた
ものであり、その目的は、複数の半導体レーザを用いて
多種類のガスを同時に検出するガス検知装置において、
各半導体レーザの発振波長を同時に安定化することにあ
る。[0010] The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a gas detection device for simultaneously detecting many kinds of gases using a plurality of semiconductor lasers.
It is to stabilize the oscillation wavelength of each semiconductor laser at the same time.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】前記目的は、本発明によ
ると、発振波長の異なる複数の半導体レーザと、各半導
体レーザの駆動電流をそれぞれ異なる所定の周波数で変
調する変調手段とを備え、変調手段により変調され複数
のガスが封入された測定用セルを通過したレーザ光を用
いて測定用セル内のガスの濃度を検出する多種ガス検出
装置であって、各半導体レーザから出射するレーザ光を
混合する混合手段と、複数の参照用ガスが封入された参
照用セルと、参照用セルを透過したレーザ光を受光する
受光手段と、受光手段の出力から所定の周波数に等しい
周波数成分を検出し、周波数成分に基づいて各半導体レ
ーザの波長をそれぞれ安定化する複数の波長安定化手段
とを設けた多種ガス検出装置によって達成される。According to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a plurality of semiconductor lasers having different oscillation wavelengths; and a modulator for modulating a drive current of each semiconductor laser at a different predetermined frequency. A multi-gas detection device for detecting the concentration of gas in a measurement cell using laser light that has been modulated by means and passed through a measurement cell in which a plurality of gases have been sealed, and detects laser light emitted from each semiconductor laser. Mixing means for mixing, a reference cell filled with a plurality of reference gases, a light receiving means for receiving laser light transmitted through the reference cell, and detecting a frequency component equal to a predetermined frequency from an output of the light receiving means. This is achieved by a multi-species gas detection device provided with a plurality of wavelength stabilizing means for stabilizing the wavelength of each semiconductor laser based on the frequency component.
【0012】[0012]
【作用】本発明の多種ガス検出装置は、異なる所定の周
波数で変調された複数のレーザ光を混合手段で混合し、
複数の参照用ガスが封入された参照用セルを通過させた
後受光手段で受光し、複数の波長安定化手段で所定の周
波数に対応したレーザ光の発振波長をそれぞれ安定化す
る。The multi-gas detector of the present invention mixes a plurality of laser lights modulated at different predetermined frequencies by a mixing means,
After passing through a reference cell filled with a plurality of reference gases, the light is received by a light receiving unit, and the oscillation wavelength of the laser light corresponding to a predetermined frequency is stabilized by a plurality of wavelength stabilizing units.
【0013】[0013]
【実施例】以下本発明を図面に基づいて説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings.
【0014】図1は本発明による多種ガス検知装置の一
実施例の概略構成図であり、ここではメタンガスとアセ
チレンガスとの2種類のガスを検知する装置として説明
する。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of one embodiment of a multi-gas detecting apparatus according to the present invention. Here, the description will be made as an apparatus for detecting two kinds of gases, methane gas and acetylene gas.
【0015】図示した多種ガス検知装置は、2個の半導
体レーザ素子20a、20bと、半導体レーザ素子20
aの発振波長を安定化するとともに周波数f1 で変調す
るメタン用波長制御装置21aと、半導体レーザ素子2
0bの発振波長を安定化するとともに周波数f2 で変調
するアセチレン用波長制御装置21bと、既知の濃度の
メタンガスとアセチレンガスとの混合ガスが封入された
参照用セル22と、各半導体レーザ素子20a、20b
から出射される変調されたレーザ光を混合するビームス
プリッタ23と、ビームスプリッタ23から出力され参
照用セル22を透過したレーザ光を受光し電気信号に変
換する受光手段としての光検出器24と、未知の濃度の
メタンガスとアセチレンガスとの混合ガスが封入された
測定用セル25と、ビームスプリッタ23から出力さ測
定用セル25を透過するレーザ光を受光して電気信号に
変換する光検出器26と、光検出器26から出力される
電気信号とメタン用波長制御装置21aから出力される
周波数f1 の信号とからメタンを検出するメタン検出装
置27aと、光検出器26から出力される電気信号とア
セチレン用波長制御装置21bから出力される周波数f
2 の信号とからアセチレンを検出するアセチレン検出装
置27bとで構成されている。The illustrated multi-gas detecting apparatus has two semiconductor laser elements 20a and 20b and a semiconductor laser element 20a.
methane wavelength control device 21a for modulating at a frequency f 1 with stabilizing the oscillation wavelength of a, the semiconductor laser element 2
0b acetylene wavelength control device 21b for modulating at frequency f 2 as well as stabilizing the oscillation wavelength of the reference cell 22 which mixed gas is sealed with a known concentration of methane gas and acetylene gas, the semiconductor laser elements 20a , 20b
A beam splitter 23 that mixes the modulated laser light emitted from the light source, a photodetector 24 as a light receiving unit that receives the laser light output from the beam splitter 23 and transmitted through the reference cell 22 and converts the laser light into an electric signal, A measuring cell 25 in which a mixed gas of methane gas and acetylene gas of unknown concentration is sealed, and a photodetector 26 which receives a laser beam output from the beam splitter 23 and transmitted through the measuring cell 25 and converts it into an electric signal. When the methane detector 27a for detecting methane and a signal of frequency f 1 is outputted from the electric signal and methane wavelength controller 21a output from the photodetector 26, the electrical signal output from the optical detector 26 And the frequency f output from the acetylene wavelength controller 21b
And an acetylene detector 27b for detecting acetylene from the two signals.
【0016】半導体レーザ素子20a、20bは、素子
自体の温度が高くなると発振波長が長くなり、温度が低
くなると発振波長が短くなる特性を有しており、半導体
レーザ素子20a、20bには図示しないペルチェ素子
が熱伝導板を介して取り付けられている。The semiconductor laser elements 20a and 20b have such characteristics that the oscillation wavelength becomes longer when the temperature of the element itself becomes higher, and the oscillation wavelength becomes shorter when the temperature becomes lower. The semiconductor laser elements 20a and 20b are not shown. A Peltier element is mounted via a heat conducting plate.
【0017】ペルチェ素子はP型半導体とN型半導体と
が交互に金属板を介して接続されて構成されており、電
流の流れる方向により接続部が加熱または冷却されるの
で、ペルチェ素子に印加する電圧または電流を制御する
ことにより半導体レーザ素子20a、20bの発振波長
を安定化することができる。The Peltier element is composed of a P-type semiconductor and an N-type semiconductor connected alternately via a metal plate, and the connection is heated or cooled depending on the direction of current flow. The oscillation wavelength of the semiconductor laser elements 20a and 20b can be stabilized by controlling the voltage or the current.
【0018】ビームスプリッタ23は一般にハーフミラ
ーで構成されており、ハーフミラーに所定の角度で入射
された光ビームを反射光と透過光との2つに分割する。
半導体レーザ素子20aから出射し光路L1 を通るレー
ザ光は、その一部がビームスプリッタ23を透過し、測
定用セル25に入射するとともに、他の一部がビームス
プリッタ23で反射して参照用セル22に入射する。半
導体レーザ素子20bから出射されて光路L2 を通るレ
ーザ光も同様に、その一部がビームスプリッタ23で反
射して、測定用セル25に入射するとともに、他の一部
がビームスプリッタ23を透過して参照用セル22に入
射する。The beam splitter 23 is generally constituted by a half mirror, and splits a light beam incident on the half mirror at a predetermined angle into two parts, a reflected light and a transmitted light.
Laser light passing through the optical path L 1 emitted from the semiconductor laser device 20a, the then partially transmitted through the beam splitter 23 make incidence to the measurement cell 25, a reference reflecting another part by the beam splitter 23 The light enters the cell 22. Is emitted from the semiconductor laser device 20b laser beam likewise passing through the optical path L 2, a portion thereof is reflected by the beam splitter 23, transmitted along with entering the measurement cell 25, the other part of the beam splitter 23 And enters the reference cell 22.
【0019】半導体レーザ素子20a、20bと、参照
用セル22と、測定用セル25とは、半導体レーザ素子
20aから出射されてビームスプリッタ23を透過した
レーザ光の光路L3 と、半導体レーザ素子20bから出
射し、ビームスプリッタ23で反射したレーザ光の光路
L3 とが一致するように配置され、半導体レーザ素子2
0bから出射されてビームスプリッタ23を透過したレ
ーザ光の光路L4 と、半導体レーザ20aから出射され
ビームスプリッタ23で反射したレーザ光の光路L4 と
が一致するように配置されている。このため光路L3 、
L4 上では半導体レーザ素子20aから出射したレーザ
光と半導体レーザ素子20bから出射したレーザ光とが
混合されることになるのでビームスプリッタ23は混合
手段として機能する。The semiconductor laser device 20a, and 20b, and the reference cell 22, the measuring cell 25, the optical path L 3 of the laser beam is emitted from the semiconductor laser element 20a passes through the beam splitter 23, the semiconductor laser device 20b And the laser beam reflected by the beam splitter 23 is disposed so as to coincide with the optical path L 3 of the laser beam.
Is emitted from 0b to the optical path L 4 of the laser beam transmitted through the beam splitter 23, the optical path L 4 of the laser beam reflected by the outgoing beam splitter 23 is arranged to coincide from the semiconductor laser 20a. Therefore, the optical path L 3 ,
Since L so that the laser beam emitted from the semiconductor laser device the laser light emitted from 20a and the semiconductor laser device 20b are mixed on 4 the beam splitter 23 functions as a mixing means.
【0020】受光器24、26は入射したレーザ光を電
気信号に変換する素子であり、たとえばフォトダイオー
ドであるが、これに限定されずフォトトランジスタを用
いてもよい。The light receivers 24 and 26 are elements for converting incident laser light into electric signals, and are, for example, photodiodes, but are not limited thereto, and may use phototransistors.
【0021】メタン用波長制御装置21aは、受光器2
4からの出力成分から半導体レーザ素子20aの波長を
モニタし、発振波長を安定化するため半導体レーザ素子
20aに取り付けられたペルチェ素子の温度が所定の温
度になるように温度調整を行うとともに半導体レーザ素
子21aの駆動電流を周波数f1 で変調する。アセチレ
ン用波長制御装置21bも同様に、半導体レーザ素子2
0bに取り付けられたペルチェ素子の温度が所定の温度
になるように半導体レーザ素子20bの温度調整を行う
とともに半導体レーザ素子20bの駆動電流を周波数f
2 で変調する。The methane wavelength control device 21a includes the light receiving device 2
The wavelength of the semiconductor laser element 20a is monitored from the output component from the semiconductor laser element 4 and the temperature is adjusted so that the temperature of the Peltier element attached to the semiconductor laser element 20a becomes a predetermined temperature in order to stabilize the oscillation wavelength. modulating the driving current of the element 21a at the frequency f 1. Similarly, the acetylene wavelength control device 21b also
The temperature of the semiconductor laser element 20b is adjusted so that the temperature of the Peltier element attached to the semiconductor laser element 20b becomes a predetermined temperature, and the driving current of the semiconductor laser element 20b is adjusted to the frequency f.
Modulate by 2 .
【0022】メタン検出装置27aは測定用セル25中
のメタンガスの濃度を算出し、アセチレン用検出装置2
7bは測定用セル25中のアセチレンガスの濃度を算出
する。The methane detecting device 27a calculates the concentration of methane gas in the measuring cell 25, and calculates the acetylene detecting device 2
7b calculates the concentration of acetylene gas in the measurement cell 25.
【0023】次に多種ガス検知装置の動作について説明
する。Next, the operation of the multi-gas detector will be described.
【0024】半導体レーザ素子20a、20bの変調周
波数f1 、f2 はその最小公倍数が大きい方が測定精度
が向上することが知られているので、たとえばメタンガ
ス用の半導体レーザ素子20aの変調周波数f1 を51
KHZ に、アセチレンガス用の半導体レーザ素子20b
の変調周波数f2 を49KHZ に選んだ。変調周波数は
49KHZ 、51KHZ であるが、互いに整数倍でなけ
れば他の周波数を用いてもよい。It is known that the larger the least common multiple of the modulation frequencies f 1 and f 2 of the semiconductor laser elements 20 a and 20 b is, the higher the measurement accuracy is. Therefore, for example, the modulation frequency f 1 of the semiconductor laser element 20 a for methane gas is improved. 1 to 51
KH Z , semiconductor laser element 20b for acetylene gas
Chose the modulation frequency f 2 to 49KH Z. Modulation frequency 49KH Z, is a 51KH Z, may use other frequencies if integer multiples each other.
【0025】まずメタン用波長制御装置21aとアセチ
レン用波長制御装置21bとを駆動する。半導体レーザ
素子20aはメタンの吸収波長に等しい波長で励起する
とともに周波数51KHZ で変調され、半導体レーザ素
子20bはアセチレンの吸収波長に等しい波長で励起す
るとともに周波数49KHZ で変調される。その結果、
各半導体レーザ素子20a、20bからは所定のバイア
ス電流を中心として所定の周波数で変調されたレーザ光
が発振される。First, the methane wavelength controller 21a and the acetylene wavelength controller 21b are driven. The semiconductor laser element 20a is modulated at a frequency 51KH Z with excitation at a wavelength equal to the absorption wavelength of methane, the semiconductor laser device 20b is modulated at a frequency 49KH Z with excitation at a wavelength equal to the absorption wavelength of acetylene. as a result,
Each of the semiconductor laser elements 20a and 20b oscillates a laser beam modulated at a predetermined frequency with a predetermined bias current as a center.
【0026】こうして発振されたレーザ光のうち、半導
体レーザ素子20aから出射されビームスプリッタ23
を透過したレーザ光と、半導体レーザ素子20bから出
射されビームスプリッタ23で反射したレーザ光との混
合光は、参照用セル22を透過した後受光器24で電気
信号に変換される。受光器24より得られる出力信号は
それぞれ波長制御装置21a、21bに入力されるが、
メタン用波長制御装置21aにおいては周波数51KH
Z の変調波だけについて信号処理が行われてペルチェ素
子の電圧が制御され、半導体レーザ素子20aの温度が
制御されるのでメタンの吸収波長に発振波長が安定化さ
れる。これに対してアセチレン用制御装置21bにおい
ては周波数49KHZ の変調波だけについて信号処理が
行われてペルチェ素子の電圧が制御され、半導体レーザ
素子20bの温度が制御される。波長制御装置21a、
21bは内蔵する位相敏感検波器、積分器、ペルチェ素
子用電源などで構成されており、受光器24から得られ
た出力信号はそれぞれ変調周波数49KHZ 、51KH
Z についての基本波の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素子20a、20bの
温度を制御する。これにより半導体レーザ素子20a、
20bの発振波長はそれぞれの検出ガスの吸収線の中心
に同時に安定化される。Of the laser light oscillated in this manner, the laser light emitted from the semiconductor laser element 20a and emitted from the beam splitter 23
Is mixed with the laser light emitted from the semiconductor laser element 20b and reflected by the beam splitter 23, passes through the reference cell 22, and is converted into an electric signal by the light receiver 24. Output signals obtained from the light receiver 24 are input to the wavelength controllers 21a and 21b, respectively.
In the methane wavelength control device 21a, the frequency is 51 KH.
Signal processing is performed only on the modulated wave of Z to control the voltage of the Peltier device and control the temperature of the semiconductor laser device 20a, so that the oscillation wavelength is stabilized at the absorption wavelength of methane. This signal processing for only the modulation wave frequency 49KH Z in acetylene control unit 21b is performed by the voltage of the Peltier element is controlled relative to the temperature of the semiconductor laser device 20b is controlled. Wavelength control device 21a,
21b is phase sensitive detector for internal integrator, etc. is constituted by a power supply for the Peltier element, an output signal obtained from the light receiver 24 each modulation frequency 49KH Z, 51KH
A phase-sensitive detection signal of the fundamental wave for Z is obtained, and the temperatures of the semiconductor laser elements 20a and 20b are controlled so that the value becomes zero. Thereby, the semiconductor laser element 20a,
The oscillation wavelength of 20b is simultaneously stabilized at the center of the absorption line of each detection gas.
【0027】一方、半導体レーザ素子20aから出射さ
れてビームスプリッタ23を透過したレーザ光と、半導
体レーザ素子20bから出射されてビームスプリッタ2
3で反射したレーザ光との混合光は測定用セル25を透
過した後受光器26で電気信号に変換され、メタン用検
出装置27aおよびアセチレン用検出装置27bに入力
される。メタン用検出装置27aおよびアセチレン用検
出装置27bは、それぞれ対応する変調周波数49KH
Z 、51KHZ についての基本波の位相敏感検波信号お
よび2倍波位相敏感検波信号を出力する2つの位相敏感
検波器、位相敏感検波器の出力比を得る割算器、割算器
の出力を記録する記録計などで構成されている。そし
て、2倍波位相敏感検波信号の値を基本波位相敏感検波
信号の値で割った値から測定用セル25におけるメタン
ガスおよびアセチレンガスの濃度を求める。On the other hand, the laser light emitted from the semiconductor laser element 20a and transmitted through the beam splitter 23 and the laser light emitted from the semiconductor laser element 20b and
The mixed light with the laser light reflected by 3 passes through the measuring cell 25, is converted into an electric signal by the light receiver 26, and is input to the methane detecting device 27a and the acetylene detecting device 27b. The detecting device 27a for methane and the detecting device 27b for acetylene are each provided with a corresponding modulation frequency of 49 KH.
Z, 2 single phase sensitive detector for outputting a phase-sensitive detection signal and the second harmonic wave phase-sensitive detection signal of a fundamental wave for 51KH Z, divider to obtain an output ratio of the phase-sensitive detector, the output of divider It consists of a recorder to record. Then, the concentration of the methane gas and the acetylene gas in the measurement cell 25 is obtained from a value obtained by dividing the value of the second-harmonic phase-sensitive detection signal by the value of the fundamental-wave phase-sensitive detection signal.
【0028】半導体レーザ素子20a、20bで発振さ
れるレーザ光の中心波長を、それぞれメタンガス、アセ
チレンガスの吸収線の中心f0 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(2f)/P(f)
max はピーク値Rを示し、数1のように表わされる。When the center wavelength of the laser light oscillated by the semiconductor laser elements 20a and 20b is made to coincide with the center f 0 of the absorption lines of methane gas and acetylene gas, respectively, the ratio between the second harmonic detection signal and the fundamental detection signal is obtained. P (2f) / P (f)
max indicates the peak value R and is expressed as in Equation 1.
【0029】[0029]
【数1】 R=P(2f)/P(f)max =I0 (ΔF)2 α(f0 )・c・L/(2ΔI・γ2 ) 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、ΔFは周波数変調振幅、α(f0 )は特定
ガスの吸収線中心f0 での吸収係数、γはそのα(f
0 )の半値幅2γの半分の値、c・Lは特定ガスの濃度
cと測定用セル25での光伝搬距離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。R = P (2f) / P (f) max = I 0 (ΔF) 2 α (f 0 ) · c · L / (2ΔI · γ 2 ) where I 0 is the laser output. The center intensity, ΔI is the intensity modulation amplitude, ΔF is the frequency modulation amplitude, α (f 0 ) is the absorption coefficient of the specific gas at the absorption line center f 0 , and γ is the α (f
0 ), half of the half value width 2γ, c · L, is proportional to the product of the concentration c of the specific gas and the light propagation distance L in the measuring cell 25. The gas concentration c can be calculated.
【0030】図2は多種ガス検知装置の他の実施例の概
略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of another embodiment of the multi-gas detecting device.
【0031】この実施例と図1に示した多種ガス検出装
置との相違点は、レーザ光集光用のレンズ29、30が
用いられ、ビームスプリッタ23の代わりにファイバカ
ップラ28が用いられ、半導体レーザ素子20a、20
b、ファイバーカップラ28、参照用セル24および測
定用セル25間が光ファイバF1 、F2 、F3 およびF
4 で接続されていることである。The difference between this embodiment and the multi-gas detector shown in FIG. 1 is that lenses 29 and 30 for condensing laser light are used, a fiber coupler 28 is used instead of the beam splitter 23, and a semiconductor Laser elements 20a, 20
b, the fiber coupler 28, the reference cell 24 and the measurement cell 25 are optical fibers F 1 , F 2 , F 3 and F
4 is connected.
【0032】半導体レーザ素子20aがメタン用波長制
御装置21aによって周波数f1 で変調され、半導体レ
ーザ素子20aから出射したレーザ光がレンズ29を介
して光ファイバF1 でファイバカップラ28に入射す
る。半導体レーザ素子20bがアセチレン用波長制御装
置21bによって周波数f2 で変調され、半導体レーザ
素子21bから出射したレーザ光がレンズ30を介して
光ファイバF2 でファイバカップラ28に入射する。フ
ァイバカップラ28で半導体レーザ素子20aおよび半
導体レーザ素子20bからのレーザ光を混合し、混合さ
れたレーザ光は光ファイバF3 、F4 を介して参照用セ
ル22および測定用セル25を照射する。参照用セル2
2を透過したレーザ光は受光器24により電気信号に変
換されメタン用波長制御装置21aおよびアセチレン用
波長制御装置21bに入力され、測定用セル25を透過
したレーザ光は受光器26により電気信号に変換されメ
タン用波長制御装置27aに入力される。The semiconductor laser element 20a is modulated at the frequency f 1 by the methane wavelength controller 21a, and the laser light emitted from the semiconductor laser element 20a enters the fiber coupler 28 via the lens 29 via the optical fiber F 1 . The semiconductor laser device 20b is modulated at a frequency f 2 by acetylene wavelength control device 21b, a laser beam emitted from the semiconductor laser element 21b is incident on the fiber coupler 28 in the optical fiber F 2 via the lens 30. Mixed laser beam from the semiconductor laser element 20a and the semiconductor laser device 20b in the fiber coupler 28, the laser beam mixing irradiates an optical fiber F 3, F 4 reference cell 22 and the measurement cell 25 through the. Reference cell 2
2 is converted into an electric signal by a photodetector 24 and input to a wavelength control device 21a for methane and a wavelength control device 21b for acetylene. The laser beam transmitted through the measuring cell 25 is converted into an electric signal by a photodetector 26. It is converted and input to the methane wavelength control device 27a.
【0033】以下前述の多種ガス検知装置と同様に、メ
タン用波長制御装置21aでは周波数51KHZ の変調
波だけについて信号処理が行われることによりペルチェ
素子の電圧が制御され、半導体レーザ素子20aの温度
が制御され、発振波長が安定化される。アセチレン用波
長制御装置21bでは周波数49KHZ の変調波だけに
ついて信号処理が行われることによりペルチェ素子の電
圧が制御され、半導体レーザ素子20bの温度が制御さ
れ、発振波長が安定化される。[0033] Similar to the following foregoing various gas detecting device, the voltage of the Peltier element is controlled by the signal processing is performed for only the modulated wave methane wavelength controller 21a the frequency 51KH Z, the temperature of the semiconductor laser element 20a Is controlled, and the oscillation wavelength is stabilized. Voltage of the Peltier element is controlled by the signal processing is performed for only the modulated wave of acetylene for the wavelength control unit 21b in the frequency 49KH Z, the temperature of the semiconductor laser device 20b is controlled, the oscillation wavelength is stabilized.
【0034】このように周波数f1 で変調された半導体
レーザ素子20aのレーザ光と、周波数f1 とは異なる
周波数f2 で変調された半導体レーザ素子20bのレー
ザ光とをビームスプリッタ23またはファイバカップラ
28で混合し、参照用セル22内のガスを通過させた後
受光器24で受光し、メタン用波長制御装置21aで周
波数f1 に対応したレーザ光の発振波長を安定化し、同
時にアセチレン用波長制御装置21bで周波数f2 に対
応したレーザ光の発振波長を安定化することにより、従
来は測定したいガスの種類の数だけ参照用セル22と受
光器24が必要であり、波長の安定を別々に行っていた
が、本発明では1つの参照用セルと1つの受光器で波長
の安定化が同時にできる。The laser beam and the beam splitter 23 or the fiber coupler and the laser beam of the semiconductor laser device 20b which is modulated at a different frequency f 2 to the frequency f 1 of the semiconductor laser element 20a which is modulated in this manner at the frequency f 1 After mixing in 28 and passing the gas in the reference cell 22, the light is received by the light receiver 24, the methane wavelength controller 21 a stabilizes the oscillation wavelength of the laser light corresponding to the frequency f 1 , and at the same time, the acetylene wavelength by stabilizing the oscillation wavelength of the laser beam corresponding to the frequency f 2 by the control unit 21b, prior to the reference cell 22 by the number of types of gases to be measured is required photoreceiver 24, a wavelength stability separate However, according to the present invention, the wavelength can be stabilized by one reference cell and one light receiver at the same time.
【0035】なお、本実施例ではガス検出装置の発振波
長の安定を行っているが、これに限定されず、レーザを
用いた通信装置、たとえば多重通信装置等における発振
波長の安定を行ってもよい。In this embodiment, the oscillation wavelength of the gas detector is stabilized. However, the present invention is not limited to this. The oscillation wavelength may be stabilized in a communication device using a laser, for example, a multiplex communication device. Good.
【0036】[0036]
【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
各半導体レーザより出射する変調されたレーザ光を混合
する混合手段と、混合手段で混合された後複数の参照用
ガスが封入された参照用セルと、参照用セルを透過した
レーザ光を受光する受光手段と、受光手段の出力から所
定の周波数に等しい周波数成分を検出し、周波数成分に
基づいて各半導体レーザの波長をそれぞれ安定化する複
数の波長安定化手段とを設けたので、複数の半導体レー
ザを用いて多種類のガスを同時に検出するガス検知装置
の各半導体レーザの発振波長が同時に安定化される。As described above, in the present invention,
Mixing means for mixing the modulated laser lights emitted from the respective semiconductor lasers, a reference cell filled with a plurality of reference gases after being mixed by the mixing means, and receiving the laser light transmitted through the reference cells The light receiving means and the plurality of wavelength stabilizing means for detecting a frequency component equal to a predetermined frequency from the output of the light receiving means and stabilizing the wavelength of each semiconductor laser based on the frequency component are provided. The oscillation wavelength of each semiconductor laser of the gas detection device for simultaneously detecting various types of gases using a laser is simultaneously stabilized.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】本発明による多種ガス検知装置の一実施例の概
略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of one embodiment of a multi-gas detection device according to the present invention.
【図2】本発明による多種ガス検知装置の他の実施例の
概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of another embodiment of the multi-gas detecting apparatus according to the present invention.
【図3】本願出願人による多種ガス検知装置の概略構成
図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a multi-gas detection device by the present applicant.
20a、20b 半導体レーザ素子 21a アセチレン用波長制御装置 21b メタン用波長制御装置 22 参照用セル 24、26 受光器 25 測定用セル 27a メタン用検出装置 27b アセチレン用検出装置 28 ファイバカップラ Reference Signs List 20a, 20b Semiconductor laser element 21a Wavelength controller for acetylene 21b Wavelength controller for methane 22 Reference cell 24, 26 Receiver 25 Measurement cell 27a Detector for methane 27b Detector for acetylene 28 Fiber coupler
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−98235(JP,A) 特開 平2−69639(JP,A) 特開 平1−307640(JP,A) 特開 平2−291940(JP,A) 特開 平3−4147(JP,A) 特開 昭63−165735(JP,A) 特開 平4−326042(JP,A) 特開 平2−208531(JP,A) 特開 平2−122243(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-62-98235 (JP, A) JP-A-2-69639 (JP, A) JP-A-1-307640 (JP, A) JP-A-2- 291940 (JP, A) JP-A-3-4147 (JP, A) JP-A-63-165735 (JP, A) JP-A-4-326604 (JP, A) JP-A-2-208531 (JP, A) JP-A-2-122243 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) G01N 21/00-21/01 G01N 21/17-21/61
Claims (3)
と、該各半導体レーザの駆動電流をそれぞれ異なる所定
の周波数で変調する変調手段とを備え、該変調手段によ
り変調され複数のガスが封入された測定用セルを通過し
たレーザ光を用いて該測定用セル内のガスの濃度を検出
する多種ガス検出装置であって、前記各半導体レーザか
ら出射するレーザ光を混合する混合手段と、複数の参照
用ガスが封入された参照用セルと、該参照用セルを透過
したレーザ光を受光する受光手段と、該受光手段の出力
から前記所定の周波数に等しい周波数成分を検出し、該
周波数成分に基づいて前記各半導体レーザの波長をそれ
ぞれ安定化する複数の波長安定化手段とを設けたことを
特徴とする多種ガス検出装置。1. A semiconductor device comprising: a plurality of semiconductor lasers having different oscillation wavelengths; and a modulator for modulating a drive current of each of the semiconductor lasers at a different predetermined frequency. What is claimed is: 1. A multi-gas detector for detecting a concentration of a gas in a measuring cell by using a laser beam passed through a measuring cell, comprising: a mixing unit for mixing laser beams emitted from the respective semiconductor lasers; A reference cell in which the reference gas is sealed, a light receiving unit that receives the laser beam transmitted through the reference cell, and a frequency component equal to the predetermined frequency is detected from an output of the light receiving unit, based on the frequency component. A plurality of wavelength stabilizing means for stabilizing the wavelength of each of the semiconductor lasers.
ことを特徴とする請求項1に記載の多種ガス検出装置。2. The multi-gas detection apparatus according to claim 1, wherein said mixing means is a beam splitter.
り、該ファイバーカップラと各半導体レーザとが光ファ
イバで接続されるとともに前記ファイバーカップラと前
記参照用セルとが光ファイバで接続されていることを特
徴とする請求項1に記載の多種ガス検出装置。3. The mixing means is a fiber coupler, wherein the fiber coupler and each semiconductor laser are connected by an optical fiber, and the fiber coupler and the reference cell are connected by an optical fiber. The multi-type gas detection device according to claim 1, wherein
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