JP2796651B2 - ガス検知装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザ素子を用い
たガス検知装置に関する。

【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半導体
レーザ素子が温度により発振波長を大きく変えるのでレ
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。

【０００３】そこで本願出願人は平成３年７月２４日付
けで半導体レーザ素子の発振波長を正確に制御し、２種
類のガスを検知するようにしたガス検知装置について出
願した。図４はそのガス検知装置のブロック線図であ
る。

【０００４】図において、ガス検知装置は制御系１と測
定系２とから構成されており、制御系１は２つのレーザ
発振器３、４と、レーザ発振器３を周波数ｆ1 で変調す
るとともに発振波長を安定化する変調／制御器５と、レ
ーザ発振器４を周波数ｆ2 で変調するとともに発振波長
を安定化する変調／制御器６とを有し、測定系２はレー
ザ発振器３のレーザ光とレーザ発振器４のレーザ光とを
混合するファイバカップラ７と、未知の濃度のガスが封
入される測定用セル８と、この測定用セル８を通過した
レーザ光を受け電気信号に変換する受光器９と、受光器
９からの出力信号を周波数ｆ₁ で位相敏感検波して１次
の位相敏感検波信号（１次微分信号）I_f1 を出力する位
相敏感検波器１０と、受光器９からの出力信号を周波数
ｆ₁ で位相敏感検波して２次の位相敏感検波信号（２次
微分信号）I_2f を出力する位相敏感検波器１１と、同様
に受光器９からの出力信号を周波数ｆ₂ で位相敏感検波
して１次の位相敏感検波信号I_f2 を出力する位相敏感検
波器１２と、受光器９からの出力信号を周波数ｆ₂ の２
倍波で位相敏感検波して２次の位相敏感検波信号I_2f2を
出力する位相敏感検波器１３と、１次の位相敏感検波信
号I_f1,2 と２次の位相敏感検波信号I_2f1,2との比からガ
スの濃度をそれぞれ演算する演算器１４、１５と、演算
結果を記録するレコーダ１６とを有している。

【０００５】図５は図４に示したレーザ発振器３と変調
／制御器５の概略構成図である。

【０００６】レーザ発振器３は、前後にレーザ光を出射
する半導体レーザ素子１７と、電流の方向により発熱ま
たは吸熱するペルチェ素子１８と、既知の濃度のガスが
封入された参照用セル１９と、この参照用セル１９を通
過したレーザ光を受光し電気信号に変換する受光器２０
と、半導体レーザ素子１７から出射したレーザ光を集光
するコリメータレンズ２１とを有しており、変調／制御
器５は、周波数ｆの信号を発振する発振器２２と、位相
敏感検波器２３と、積分器２４と、電流源２５と、定電
流源２６と、電流ミキサ２７と、バイアス電流発生器２
８とを有している。

【０００７】定電流源２６の電流で励起された半導体レ
ーザ素子１７が、電流ミキサ２７で発振器２２からの周
波数ｆの高周波により変調され、前後方向にレーザ光を
発振する。参照用セル１９を通過したレーザ光を受光器
２０により電気信号に変換し、位相敏感検波器２３によ
り位相敏感検波して１次の位相敏感検波信号を積分器２
４に出力する。積分器２４はバイアス電流発生器２８か
らの電流でバイアスされ定電流源２６の出力電流を制御
することによりペルチェ素子１８の温度が制御され、半
導体レーザ素子１７の温度、すなわち発振波長が制御さ
れる。

【０００８】図４に戻って、たとえばメタンの吸収波長
に対応したレーザ光がレーザ発振器３から出射され、ア
セチレンの吸収波長に対応したレーザ光がレーザ発振器
４から出射されると両レーザ光はファイバカップラ７で
混合され、光ファイバ２９を介して測定用セル８を通過
し、光ファイバ３０を介して受光器９で電気信号に変換
される。変換された電気信号は位相敏感検波器１０〜１
３に入力され、位相敏感検波器１０はメタンの吸収波長
に対応する１次の位相敏感検波信号を出力し、位相敏感
検波器１１はメタンの吸収波長に対応する２次の位相敏
感検波信号を出力する。１次の位相敏感検波信号は光量
に比例し、２次の位相敏感検波信号は光量およびガスの
濃度に比例するので、割算器１４で２次の位相敏感検波
信号で１次の位相敏感検波信号を割り算するとメタンの
濃度が算出され、レコーダ１６に記録される。アセチレ
ンの濃度も同様にして位相敏感検波器１２、１３と割算
器１５で算出される。

【０００９】レーザ発振器４と変調／制御器６について
も構成および動作は同様である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】そのために、前述した
本願出願人による２種のガスを検知するガス検知装置で
は、波長を安定化するのに２台の周波数の異なる発振
器、２つの参照用セル、２つの受光器、２つの位相敏感
検波器が必要であり、さらにガスの濃度を求めるには４
台の位相敏感検波器が必要であるのでシステムが大がか
りとなり、コスト高になってしまう。

【００１１】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、簡単な構成で、しかも小型の
装置で２種類のガスを検知することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的は、本発明によ
ると、（ａ）第１のガスの吸収線に対応する波長のレー
ザ光を発振し、所定の周波数の信号で変調された第１の
レーザ光を発する第１の半導体レーザと、（ｂ）第２の
ガスの吸収線に対応する波長のレーザ光を発振し、所定
の周波数の信号と同一の周波数で位相がΦ（Φ≠ｎπ／
２，ｎ＝０，±１，±２…）だけ異なる信号で変調され
た第２のレーザ光を発する第２の半導体レーザと、
（ｃ）第１のレーザ光と第２のレーザ光とを混合する混
合器と、（ｄ）混合器から出力し既知濃度の第１のガス
および第２のガスが封入された参照用セルを通過したレ
ーザ光を受光して電気信号に変換する第１の受光器と、
（ｅ）受光器の出力を受け１次の位相敏感検波信号のｓ
ｉｎ成分およびｃｏｓ成分を出力する第１の位相敏感検
波器と、（ｆ）ｓｉｎ成分から第１のレーザ光に関する
１次の位相敏感検波信号を求めて第１のレーザ光の波長
を安定化する第１の波長安定器と、（ｇ）ｃｏｓ成分か
らｓｉｎ成分とｃｏｔΦとの積を引き算し第２のレーザ
光に関する１次の位相敏感検波信号を求めて第２のレー
ザ光の波長を安定化する第２の波長安定器と、（ｈ）混
合器から未知濃度の第１のガスおよび第２のガスが封入
された測定用セルを通過したレーザ光を受光して電気信
号に変換する第２の受光器と、（ｉ）第２の受光器の出
力および所定の周波数の信号を受け１次の位相敏感検波
信号のｓｉｎ成分およびｃｏｓ成分を出力する第２の位
相敏感検波器と、（ｊ）第２の受光器の出力および所定
の周波数の信号を受け２次の位相敏感検波信号のｓｉｎ
成分およびｃｏｓ成分を出力する第３の位相敏感検波器
と、（ｋ）第１のレーザ光に関する１次の位相敏感検波
信号のｃｏｓ成分からｓｉｎ成分とｃｏｔΦとの積を引
き算した値で第１のレーザ光に関する２次の位相敏感検
波信号のｃｏｓ成分から第１のレーザ光に関する２次の
位相敏感検波信号のｓｉｎ成分とｃｏｔ２Φとの積を引
き算した値を割り算して第１のガスの濃度を求める第１
の演算器と、（ｌ）第２のレーザ光に関する２次の位相
敏感検波信号のｓｉｎ成分を第２のレーザ光に関する１
次の位相敏感検波信号のｓｉｎ成分で割り算して第２の
ガスの濃度を求める第２の演算器とを備えたガス検知装
置によって達成される。

【００１３】

【作用】本発明のガス検知装置は、所定の周波数で変調
され第１のガスの吸収線に対応する波長の第１のレーザ
光と、位相がΦ（Φ≠ｎπ／２，ｎ＝０，±１，±２
…）だけ異なる所定の周波数で変調され第２のガスの吸
収線に対応する波長の第２のレーザ光とが混合されたレ
ーザ光が参照用セルと測定用セルとを通過する。参照用
セルを通過したレーザ光は第１の受光器で電気信号に変
換され、第１の位相敏感検波器に入力される。第１の位
相敏感検波器より得られる１次の位相敏感信号のｓｉｎ
成分に基づいて第１のレーザ光の波長が安定化され、１
次の位相敏感信号のｃｏｓ成分からｓｉｎ成分とｃｏｔ
Φとの積を引き算して得られる値に基づいて第２のレー
ザ光の波長が安定化される。

【００１４】一方、測定用セルを通過したレーザ光は受
光器で電気信号に変換された後第２および第３の位相敏
感検波器に入力される。第２の位相敏感検波器は１次の
位相敏感検波信号のｓｉｎ成分およびｃｏｓ成分を第１
および第２の演算器に出力し、第３の位相敏感検波器は
２次の位相敏感検波信号のｓｉｎ成分およびｃｏｓ成分
を第１および第２の演算器に出力し、第１の演算器は第
１のレーザ光に関する１次の位相敏感検波信号のｃｏｓ
成分からｓｉｎ成分とｃｏｔΦとの積を引き算した値で
第１のレーザ光に関する２次の位相敏感検波信号のｃｏ
ｓ成分から第１のレーザ光に関する２次の位相敏感検波
信号のｓｉｎ成分とｃｏｔ２Φとの積を引き算した値を
割り算して第１のガスの濃度を求め、第２の演算器は第
２のレーザ光に関する２次の位相敏感検波信号のｓｉｎ
成分を第２のレーザ光に関する１次の位相敏感検波信号
のｓｉｎ成分で割り算して第２のガスの濃度を求める。

【００１５】

【実施例】以下本発明を図面に基づいて説明する。

【００１６】図１は本発明によるガス検知装置の一実施
例の概略構成図であり、メタンガスの濃度ｄ_m とアセチ
レンガスの濃度ｄ_a を検知する装置として例示する。

【００１７】図に示すようにガス検知装置は、制御系４
０と測定系４１とから構成されている。

【００１８】制御系４０は、ペルチェ素子がそれぞれ取
り付けられた２つの半導体レーザ素子４２、４３と、半
導体レーザ素子４２、４３から出射したレーザ光Ｌ₁ 、
Ｌ₂を光ファイバＦ₁ 、Ｆ₂ を介して混合するファイバ
カップラ４４と、既知の濃度の混合ガス（メタンＣＨ₄
とアセチレンＣ₂ Ｈ₂ ）を封入した参照用セル４５と、
参照用セル４５を通過したレーザ光を受けて電気信号に
変換する受光器４６と、受光器４６からの電気信号に基
づいて半導体レーザ素子４２、４３の発振波長を安定化
する変調／制御器４７とを有している。

【００１９】一方、測定系４１は未知の濃度のメタンお
よびアセチレンの混合ガスが封入された測定用セル４８
と、測定用セル４８を通過したレーザ光を受けて電気信
号に変換する受光器４９と、受光器４９からの電気信号
を変調／制御器４７からの周波数ｆの電気信号で位相敏
感検波して１次の位相敏感検波信号I_fを出力する位相敏
感検波器５０と、同信号を位相敏感検波して２次の位相
敏感検波信号I_2f を出力する位相敏感検波器５１と、１
次の位相敏感検波信号I_fと２次の位相敏感検波信号I_2f
とから第１のガスとしてのメタンの濃度ｄ_m を算出する
演算器５２と、同様に第２のガスとしてのアセチレンの
濃度ｄ_a を算出する演算器５３とを有している。

【００２０】図２は、図１に示した制御系４０をさらに
詳しく説明するための制御系の概略構成図である。

【００２１】制御系４０は、半導体レーザ素子４２、４
３、ファイバカップラ４４、参照用セル４５、受光器４
６の他に、互いに位相がΦだけ異なる２つの余弦波信号
ｃｏｓ（２πｆ_o ｔ）およびｃｏｓ（２πｆ_o ｔ＋Φ）
を発生する発振器５４と、１次の位相敏感検波信号のｓ
ｉｎ成分およびｃｏｓ成分を同時に出力する位相敏感検
波器５５と、演算器５６と、位相敏感検波器５５の１次
の位相敏感検波信号を積分する積分器５７、５８と、半
導体レーザ素子４２に設けられたペルチェ素子に電流を
印加する電流源５９と、電流源５９にバイアス電流を加
えるバイアス電流発生器６０と、半導体レーザ素子４３
に設けられたペルチェ素子に電流を印加する電流源６１
と、電流源６１にバイアス電流を加えるバイアス電流発
生器６２とを有している。但しΦは数１を満足する位相
角である。

【００２２】

【数１】 Φ≠ｎπ／２，ｎ＝０，±１，±２…（ラジアン） 半導体レーザ素子４２、４３から出射したレーザ光Ｌ
₁ 、Ｌ₂はそれぞれレーザ光の反射を防止するためのア
イソレータＩ₁ 、Ｉ₂ およびレーザ光を集光するための
レンズＬ_e1、Ｌ_e2を介して光ファイバＦ₁ 、Ｆ₂ を通し
てファイバカップラ４に導かれる。

【００２３】半導体レーザ素子４２、４３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いる。半導体レー
ザ素子４２、４３にはペルチェ素子が取り付けられてお
り、このペルチェ素子は、ペルチェ効果を利用した素子
である。ペルチェ効果はＮ型半導体とＰ型半導体とを交
互に接合して電流を流すと、ジュール熱が発生する以外
に、その接合部で熱を発生するか、または熱の吸収が起
こる現象である。なお、この現象は電流を流す方向を逆
にすると発熱と吸熱とが逆になるのでペルチェ素子の印
加電圧または電流を制御することで半導体レーザ素子の
発振波長を制御することができる。

【００２４】発振器５４は、ｃｏｓ（２πｆ_o ｔ）、ｃ
ｏｓ（２πｆ_o ｔ＋Φ）で表わされる（位相差がΦ異な
る）２つの余弦波信号を発振する。ここでｆ_o は周波
数、ｔは時間を表わす。定電流源６３は、半導体レーザ
素子４２がメタンの吸収線に対応する波長を発振するた
めの一定の電流を発生し、定電流源６４は、半導体レー
ザ素子４３がアセチレンの吸収線に対応する波長を発振
するのに必要な一定の電流を発生する。このため半導体
レーザ素子４２から出射するレーザ光は周波数ｆの信号
で周波数変調され、半導体レーザ素子４３から出射する
レーザ光は同一の周波数ｆで位相がΦだけ異なる信号で
周波数変調される。

【００２５】ファイバーカップラ４４は、半導体レーザ
素子４２から出射されるレーザ光Ｌ₁ と、半導体レーザ
素子４３から出射されるレーザ光Ｌ₂ とを混合し、混合
されたレーザ光は光ファイバＦ₃ を介して参照用セル４
５に入射され、光ファイバＦ₄ およびレンズＬ_e3を介し
て測定用セル４８に入射される（図１参照）。

【００２６】受光器４６は参照用セル４５を通過したレ
ーザ光を電気信号に変換する素子で、たとえばフォトダ
イオードが用いられるが、これに限定されずフォトトラ
ンジスタを用いてもよい。（図１）位相敏感検波器５５
は、受光器４６から出力される電気信号の中から特定の
周波数かつ特定の位相をもつ成分（１次微分信号）だけ
を抽出し、復調する。これにより、高いＳ／Ｎ比で微小
信号の検出を行うことができる。

【００２７】一般に特定の周波数で変調されたレーザ光
が、特定の波長の光を吸収するガスを通過し、センサで
受光されると、このセンサの出力信号は直流成分の他に
変調周波数と同じ周波数をもつ基本波成分およびその高
調波成分から成る。そのうち、基本波成分、２倍高調波
成分を位相敏感検波器で位相敏感検波すると、波長に関
する１次微分または２次微分に対応する信号を得ること
ができ、１次微分信号のｓｉｎ成分とｃｏｓ成分とを同
時に出力するか、または２次微分信号のｓｉｎ成分とｃ
ｏｓ成分とを同時に出力することができる。

【００２８】図３は、周波数変調されたレーザ光を表わ
すベクトル（ａ）、レーザ光を位相敏感検波器により１
次微分した信号（ｂ）、レーザ光を位相敏感検波器によ
り２次微分した信号（ｃ）のベクトル図をそれぞれ示
す。

【００２９】位相敏感検波器５５は、アセチレンおよび
メタンの透過光強度を１次微分し、図３（ｂ）に示すよ
うに１次微分した信号をさらにｓｉｎ成分とｃｏｓ成分
とに分解してI^f _sin （＝I^f _a ｓｉｎΦ）およびI^f _cos
（＝I^f _m ＋I^f _a ｃｏｓΦ）として出力する。なお半導体
レーザ素子４３から出射される周波数変調されたレーザ
光Ｌ₂ の発振周波数ω_a の大きさは数２で表わされ、半
導体レーザ素子４２から出射される周波数変調されたレ
ーザ光Ｌ₁ の発振周波数ω_m の大きさは数３で表わされ
る。

【００３０】

【数２】ω_a ＝ω_0a＋ω_1aｃｏｓ（２πｆ_o ｔ＋Φ）

【００３１】

【数３】ω_m ＝ω_0m＋ω_1mｃｏｓ（２πｆ_o ｔ） ここでω_0aはアセチレンの吸収波長に対応する波長のレ
ーザ光Ｌ₂ の角周波数、ω_1aは変調振幅の角周波数、ω
_0mはメタンの吸収波長に対応する波長のレーザ光Ｌ₁ の
角周波数、ω_1mは変調振幅の角周波数を表わす。

【００３２】図に示すように２つのベクトルω_1mとω_1a
はΦの位相差があるのがわかる。これらのレーザ光Ｌ
₁ 、Ｌ₂ を混合し、参照用セル４５を通過して受光器４
６で電気信号に変換し位相敏感検波器５５に入力する
と、１次微分信号I_fが得られ、図３（ｂ）に示すような
ベクトルＩ^f _m、Ｉ^f _aが得られる。

【００３３】図３（ｂ）に示すように、１次微分信号I_f
も位相差がΦだけ位相が異なった状態で出力されるの
で、１次微分信号のｓｉｎ成分としてＩ^f _aｓｉｎΦ（＝
I^f _sin）を出力するが、ｃｏｓ成分としてはＩ^f _aｃｏｓ
Φ＋Ｉ^f _m（＝I^f _sin ）を出力し、アセチレンに対する１
次微分信号Ｉ^f _aとメタンに対する１次微分信号Ｉ^f _aとを
含んだまま出力してしまう。

【００３４】ところが半導体レーザ素子４２の発振波長
を制御するためにはアセチレン透過光の１次微分信号Ｉ
^f _aとメタン透過光の１次微分信号Ｉ^f _mとを分離しなけれ
ば誤って波長を制御することになるので演算器５６でI^f
_cos −I^f _sin ｃｏｔΦの演算を行う。

【００３５】積分器５７は、周波数ｆの正弦波信号で周
波数変調されたレーザ光Ｌ₁ に対応した１次微分信号、
すなわちI^f _sinを積分し、積分器５８は、周波数ｆで位
相がΦだけ異なる正弦波信号で周波数変調されたレーザ
光Ｌ₂ に対応した１次微分信号、すなわちI^f _cos −I^f
_sin ｃｏｔΦを積分する。

【００３６】積分器５７は、１次微分信号Ｉ^f _aのｓｉｎ
成分から電流源５９を駆動するのに必要な信号を発生
し、電流源５９は、積分器５７の出力に対応した電流を
ペルチェ素子に供給し、ペルチェ素子は電流源５９の電
流の大きさおよび方向に応じて吸熱または発熱する。

【００３７】一方、積分器５８は、１次微分信号Ｉ^f _mの
ｓｉｎ成分から電流源６１を駆動するのに必要な信号を
発生し、電流源６１は、積分器５８の出力に対応した電
流をペルチェ素子に供給し、ペルチェ素子は電流源６１
の電流の大きさおよび方向に応じて吸熱または発熱す
る。

【００３８】バイアス電流発生器６０は電流源５９にバ
イアス電流を印加することが可能である。これは半導体
レーザ素子４２、受光器４６、位相敏感検波器５５、積
分器５７、電流源５９およびペルチェ素子は１次微分信
号がゼロとなることで波長が安定化するようなループを
形成しているので、他の波長に変更したい場合に半導体
レーザ素子４２の波長が所定の値になるように調整する
ためである。同様に半導体レーザ素子４３、受光器４
６、位相敏感検波器５５、演算器５６、積分器５８、電
流源６１およびペルチェ素子も１次微分信号がゼロとな
るようなループを形成しているので、バイアス電流発生
器６２を用いてバイアス電流を印加して発振波長を変更
することができる。

【００３９】再び図１に戻って説明すると、測定系４１
において測定用セル４８はメタンガスボンベ６５、窒素
ガスボンベ６６、アセチレンガスボンベ６７に接続され
ており、各コック６８、６９、７０を開閉することによ
り測定用セル４８内の成分比を可変することができる。
なお窒素Ｎ₂ はメタンの濃度ｄ_m およびアセチレンの濃
度ｄ_a を調整するために用いられるが、メタンおよびア
セチレンと化学反応を生じないガスであれば他のガスを
用いてもよい。この測定用セル４８にはファイバーカッ
プラ４４からのレーザ光が入射され、レンズＬ_e4、
Ｌ_e5、光ファイバＦ₅ を介して受光器４９に入射され
る。受光器４９は混合されたレーザ光を電気信号に変換
し、変換された信号は位相敏感検波器５０、５１に入力
される。

【００４０】位相敏感検波器５０は、受光器４９からの
電気信号および変調／制御器４７からの発振周波数ｆに
基づいてレーザ光Ｌ₁ 、Ｌ₂ に関する１次微分信号のｓ
ｉｎ成分およびｃｏｓ成分を出力し、位相敏感検波器５
１は、レーザ光Ｌ₁ 、Ｌ₂ に関する２次微分信号のｓｉ
ｎ成分およびｃｏｓ成分を出力する。

【００４１】第１の演算器としての演算器５２は、レー
ザ光Ｌ₁ に関する１次微分信号のｃｏｓ成分I^f _cos の値
からｓｉｎ成分とｃｏｔΦとの積I^f _sin ｃｏｔΦの値を
引き算した値（I^f _cos −I^f _sin ｃｏｔΦ）でレーザ光Ｌ
₁ に関する２次微分信号のｃｏｓ成分I^2f _cosの値から２
次微分信号のｓｉｎ成分とｃｏｔ２Φとの積の値I^2f _sin
ｃｏｔ２Φを引き算した値（I^2f _cos−I^2f _sinｃｏｔ２
Φ）を割り算してメタンの濃度ｄ_m を算出し、第２の演
算器としての演算器５３は、レーザ光Ｌ₂ に関する２次
微分信号の値I^2f _sinをレーザ光Ｌ₁ に関する１次微分信
号の値I^f _sin で割り算してアセチレンの濃度ｄ_a を算出
する。

【００４２】図３（ｃ）は２次微分信号を示すベクトル
図である。

【００４３】図に示すように２次微分信号I^2f _mは水平方
向のベクトルであり、２次微分信号I^2f _aは垂直方向のベ
クトルであるので、ｃｏｓ成分はI^2f _m＋I^2f _aｃｏｓ２Φ
で、ｓｉｎ成分はI^2f _aｓｉｎ２Φとなるので、メタンの
濃度ｄ_m は（I^2f _cos−I^2f _sinｃｏｔ２Φ）を（I^f _cos −
I^f _sin ｃｏｔΦ）で割れば求まり、アセチレンの濃度ｄ
_a はI^2f _sinをＩ^f _sinで割れば求まる。

【００４４】次にガス検知装置の動作を図１および図２
を参照して説明する。

【００４５】図２において発振器５４から位相がΦ異な
る２つの信号ｃｏｓ（２πｆ_o ｔ）およびｃｏｓ（２π
ｆ_o ｔ＋Φ）が、定電流源６３、６４で発生される電流
に重畳されることにより半導体レーザ素子４２、４３が
周波数変調される。半導体レーザ素子４２、４３から出
射したレーザ光Ｌ₁ 、Ｌ₂ はファイバーカップラ４４で
混合され、混合されたレーザ光の一方は参照用セル４５
に入射され、他方のレーザ光は測定用セル４８に入射さ
れる。参照用セル４５を通過したレーザ光は受光器４６
で電気信号に変換され位相敏感検波器５５に送出され
る。位相敏感検波器５５から１次微分信号のｓｉｎ成分
が積分器５７および引算器５６の一方の入力に送出さ
れ、１次微分信号のｃｏｓ成分が演算器５６の他方の入
力に送出される。積分器５７はｓｉｎ成分、すなわちメ
タンの信号の１次微分信号をそのまま積分して電流源５
９を駆動し、所定の電流がペルチェ素子に印加され、ペ
ルチェ素子の温度が制御され、半導体レーザ素子４２か
ら出射されるレーザ光Ｌ₁ がメタンの吸収波長に対応し
た波長に安定化される。演算器５６はｃｏｓ成分I^f _cos
からｓｉｎ成分とｃｏｔΦとの積I^f _sin ｃｏｔΦを引き
算することによりアセチレンの信号の１次微分信号のみ
抽出してこれを積分して電流源６１を駆動し、所定の電
流がペルチェ素子に印加されて、半導体レーザ素子４３
から出射されるレーザ光Ｌ₂ がアセチレンの吸収波長に
対応した波長に安定化される。

【００４６】図１に示すように測定用セル４８を通過し
たレーザ光は受光器４９で電気信号に変換され、位相敏
感検波器５０、５１に送出され、これとともに位相敏感
検波器５０、５１には変調／制御器４７の発振器５４の
信号ｆ_o が入力されている。位相敏感検波器５０は１次
微分信号のｃｏｓ成分I^f _cos を演算器５２に出力し、１
次微分信号のｓｉｎ成分I^f _sin を演算器５３に出力す
る。位相敏感検波器５１は２次微分信号のｃｏｓ成分I
^2f _cosを演算器５２に出力し、ｓｉｎ成分I^2f _sinを演算
器５３に出力する。演算器５２はメタンの濃度ｄ_m を算
出し、演算器５３はアセチレンｄ_a の濃度を算出する。

【００４７】このように本実施例によれば、制御系４０
において、所定の周波数ｆ_o で変調されメタンの吸収波
長に対応する発振波長のレーザ光Ｌ₁ と、Φだけ位相の
異なる所定の周波数ｆ_o で変調されアセチレンの吸収波
長に対応する発振波長のレーザ光Ｌ₂ とをファイバーカ
ップラ４４で混合し、参照用セル４５を通過した後受光
器４６で電気信号に変換してメタンの吸収波長に対応す
るレーザ光Ｌ₁ に関する１次微分信号に基づいて半導体
レーザ素子４２の温度を制御することによりメタンの吸
収波長に対応する発振波長が安定化され、アセチレンの
吸収波長に対応するレーザ光Ｌ₂ に関する１次微分信号
に基づいて半導体レーザ素子４３の温度を制御すること
によりアセチレンの吸収波長に対応する発振波長が安定
化される。

【００４８】一方測定系４１において、ファイバーカッ
プラ４４で混合されたレーザ光が測定用セル４８を通過
した後受光器４９で電気信号に変換され、位相敏感検波
器５０によりレーザ光Ｌ₁ 、Ｌ₂ に関する１次微分信号
が演算器５２、５３に送出され、位相敏感検波器５１に
よりレーザ光Ｌ₁ 、Ｌ₂ に関する２次微分信号が演算器
５２に入力され、演算器５２によりメタンの濃度ｄ_m が
演算され、演算器５３によりアセチレンの濃度ｄ_a が演
算される。

【００４９】したがって従来はメタンとアセチレンとの
混合ガスの濃度ｄ_m 、ｄ_a を求めるのに２つの参照用セ
ルと、３つの受光器と、６台の位相敏感検波器とが必要
だったが、本実施例においては１つの参照用セルと、２
つの受光器と、３台の位相敏感検波器とでメタンの濃度
ｄ_m とアセチレンの濃度ｄ_a とを求めることができ、装
置の小型化、コストダウン、操作性の向上が実現でき
た。

【００５０】なお、本実施例では位相差がΦであるが、
Φがπ／４のときはｃｏｔΦが１となり、ｃｏｔ２Φが
０となるので演算器５２、５６での処理が簡略化され
る。すなわち演算器５２におけるメタンの濃度ｄ_m の演
算が数４から数５へ簡略化され、

【００５１】

【数４】 ｄ_m ＝（I^2f _cos−I^2f _sinｃｏｔ２Φ）／（I^f _cos −I^f _sin ｃｏｔΦ）

【００５２】

【数５】ｄ_m ＝I^2f _cos／（I^f _cos −I^f _sin ） 演算器５６での演算が数６から数７へ簡略化される。

【００５３】

【数６】I^f _a ＝I^f _cos −I^f _sin ｃｏｔΦ

【００５４】

【数７】I^f _a ＝I^f _cos −I^f _sin さらに、本実施例では演算器５２は図ではI^f _cos の値か
らI^f _sin ｃｏｔΦの値を引いた値でI^2f _cosの値からI^2f
_sinｃｏｔ２Φを引き算した値を割っているが、演算器
５２の代わりに引算器と割算器とを用いて構成してもよ
い。また参照用セル４４および測定用セル４８に封入さ
れるガスもメタン、アセチレンに限定されるものではな
い。さらに２つのレーザ光をファイバーカップラ４４で
混合しているが、ビームスプリッタを用いてもよい。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、所定の周波数の信号で変調され第１のガスの吸収線
に対応する波長の第１のレーザ光と、第２のガスの吸収
線に対応する波長のレーザ光を前記所定の周波数と同一
の周波数で位相がΦ異なる信号で変調された第２のレー
ザ光とを混合器で混合し、混合したレーザ光を参照用セ
ルに通過させて第１の受光器で電気信号に変換し、第１
の位相敏感検波器の第１のレーザ光に関する１次の位相
敏感検波信号のｓｉｎ成分に基づいて第１のレーザ光の
波長を安定化し、第２のレーザ光に関する１次の位相敏
感検波信号のｃｏｓ成分からｓｉｎ成分を引き算して得
られる値に基づいて第２のレーザ光の波長を安定化す
る。

【００５６】一方、混合器で混合したレーザ光を測定用
セルに通過させて第２の受光器で得られた電気信号と所
定の周波数の信号とを第２の位相敏感検波器および第３
の位相敏感検波器で受け、第２の位相敏感検波器からは
１次の位相敏感検波信号のｓｉｎ成分およびｃｏｓ成分
を出力するとともに第３の位相敏感検波器からは２次の
位相敏感検波信号ｓｉｎ成分およびｃｏｓ成分を出力
し、第１の演算器は第１のレーザ光に関する１次の位相
敏感検波信号のｃｏｓ成分からｓｉｎ成分とｃｏｔΦと
の積を引き算した値で第１のレーザ光に関する２次の位
相敏感検波信号のｃｏｓ成分から第１のレーザ光に関す
る２次の位相敏感検波信号のｓｉｎ成分とｃｏｔ２Φと
の積を引き算した値を割り算して第１のガスの濃度を求
め、第２の演算器は第２のレーザ光に関する２次の位相
敏感検波信号のｓｉｎ成分を第２のレーザ光に関する１
次の位相敏感検波信号のｓｉｎ成分で割り算して第２の
ガスの濃度を求めるので、簡単な構成でしかも小型の装
置で２種類のガスの濃度を検知することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガス検知装置の一実施例の概略構
成図である。

【図２】図１に示した制御系をさらに詳しく説明するた
めの概略構成図である。

【図３】周波数変調されたレーザ光を表わすベクトル
（ａ）、レーザ光を位相敏感検波器により１次微分した
信号（ｂ）、レーザ光を位相敏感検波器により２次微分
された信号（ｃ）のベクトル図をそれぞれ示す。

【図４】本願出願人によるガス検知装置のブロック線図
である。

【図５】図４に示したガス検知装置のレーザ発振器と変
調／制御器との概略構成図である。

【符号の説明】

４０ 制御系 ４１ 測定系 ４２、４３ 半導体レーザ素子 ４４ ファイバカップラ ４５ 参照用セル ４６、４９ 受光器 ４８ 測定用セル ５０、５１、５５ 位相敏感検波器 ５２、５３ 演算器 ５４ 発振器 ５６ 演算器

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）第１のガスの吸収線に対応する波長
   のレーザ光を発振し、所定の周波数の信号で変調された
   第１のレーザ光を発する第１の半導体レーザと、 （ｂ）第２のガスの吸収線に対応する波長のレーザ光を
   発振し、前記所定の周波数の信号と同一の周波数で位相
   がΦ（Φ≠ｎπ／２，ｎ＝０，±１，±２…）だけ異な
   る信号で変調された第２のレーザ光を発する第２の半導
   体レーザと、 （ｃ）前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを混
   合する混合器と、 （ｄ）該混合器から出力し既知濃度の前記第１のガスお
   よび前記第２のガスが封入された参照用セルを通過した
   レーザ光を受光して電気信号に変換する第１の受光器
   と、 （ｅ）該受光器の出力を受け１次の位相敏感検波信号の
   ｓｉｎ成分およびｃｏｓ成分を出力する第１の位相敏感
   検波器と、 （ｆ）該ｓｉｎ成分から前記第１のレーザ光に関する１
   次の位相敏感検波信号を求めて前記第１のレーザ光の波
   長を安定化する第１の波長安定器と、 （ｇ）前記ｃｏｓ成分から前記ｓｉｎ成分とｃｏｔΦと
   の積を引き算し前記第２のレーザ光に関する１次の位相
   敏感検波信号を求めて前記第２のレーザ光の波長を安定
   化する第２の波長安定器と、 （ｈ）前記混合器から未知濃度の前記第１のガスおよび
   前記第２のガスが封入された測定用セルを通過したレー
   ザ光を受光して電気信号に変換する第２の受光器と、 （ｉ）該第２の受光器の出力および前記所定の周波数の
   信号を受け１次の位相敏感検波信号のｓｉｎ成分および
   ｃｏｓ成分を出力する第２の位相敏感検波器と、 （ｊ）前記第２の受光器の出力および前記所定の周波数
   の信号を受け２次の位相敏感検波信号のｓｉｎ成分およ
   びｃｏｓ成分を出力する第３の位相敏感検波器と、 （ｋ）前記第１のレーザ光に関する１次の位相敏感検波
   信号のｃｏｓ成分からｓｉｎ成分とｃｏｔΦとの積を引
   き算した値で前記第１のレーザ光に関する２次の位相敏
   感検波信号のｃｏｓ成分から前記第１のレーザ光に関す
   る２次の位相敏感検波信号のｓｉｎ成分とｃｏｔ２Φと
   の積を引き算した値を割り算して前記第１のガスの濃度
   を求める第１の演算器と、 （ｌ）前記第２のレーザ光に関する２次の位相敏感検波
   信号のｓｉｎ成分を前記第２のレーザ光に関する１次の
   位相敏感検波信号のｓｉｎ成分で割り算して前記第２の
   ガスの濃度を求める第２の演算器と を備えたことを特徴とするガス検知装置。
2. 【請求項２】 前記Φがπ／４であることを特徴とする
   請求項１に記載のガス検知装置。
3. 【請求項３】 前記第１のガスがメタンガスであり、前
   記第２のガスがアセチレンガスであることを特徴とする
   請求項１および請求項２のいずれか１項に記載のガス検
   知装置。