JP3691329B2

JP3691329B2 - ガス濃度測定装置

Info

Publication number: JP3691329B2
Application number: JP2000047890A
Authority: JP
Inventors: 潔木村; 孝弥井関
Original assignee: Anritsu Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Anritsu Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2020-02-24
Also published as: JP2001235420A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザを光源とし、光の吸収を利用して光学的にガス濃度を測定して例えば都市ガス、化学プラント等のガス漏洩を検出するにあたり、測定系を乱すことなくガス濃度測定時や測定システム構築時等の定期的なガス濃度の校正が行えるガス濃度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタン、二酸化炭素、アセチレン、アンモニア等の気体には、分子の回転や構成原子間の振動等に応じて特定波長の光を吸収する吸収帯があることは既に知られている。例えば、メタンの場合には、１．７μｍ、３．３μｍ、７．７μｍ帯等に吸収帯を有している。この吸収帯を利用したガス濃度測定装置では、所定距離（この距離によって測定光路長が確定される）隔てて光源部と受光部を配置し、光源部の半導体レーザ（ＬＤ）より周波数変調されたレーザ光を測定対象ガスの雰囲気に通し、その透過光を受光部のフォト検出器で受けたときの出力信号から測定対象ガスのガス濃度を測定している。
【０００３】
ここで、受光部の出力信号から検出される変調周波数の基本波位相敏感検波信号（１ｆ信号）には、強度変調に起因する大きなオフセットが生じるため、特に微少なガス濃度を高感度で測定するには、ｆ信号に比べてオフセットのかなり小さい２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号）が用いられる。
【０００４】
実際にガス濃度を測定するにあたっては、測定ガス吸収線に合わせた波長の測定光が測定ガス雰囲気中を通ると、測定ガスにより測定光が吸収され、濃度に応じた強度で変調周波数の２倍の周波数の強度変化、すなわち２ｆが生成される。この２ｆともとの変調周波数ｆの強度変化の比率２ｆ／ｆを測定してガス濃度が測定される。上記２ｆ／ｆの値は、ガス濃度に比例するので、この値に係数をかければガス濃度になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のガス濃度測定装置では、フォト検出器で受光した受光信号電流を受光電圧信号に変換して増幅する機能を有する受光プリアンプを受光部に備えている。この種の従来の受光プリアンプは、入力される信号を一定の増幅度で増幅するため、検出したガス濃度信号のｆと２ｆではｆ信号強度に対して２ｆ信号強度の方がはるかに小さい。そこで、２ｆ信号強度を大きくするため、受光プリアンプの増幅度大きく設定すると、ｆ信号強度も大きくなり信号回路が飽和してしまうこともあり、これらｆ信号と２ｆ信号の強度差がその後の処理に影響し、結果として濃度測定誤差を招くという問題があった。このため、この種のガス濃度測定装置では、初段のプリアンプで信号強度を測定濃度範囲において最適な比にしておくことが望まれていた。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、従来に比べて濃度測定誤差が小さく、測定精度の向上を図ることができるガス濃度測定装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、周波数変調されたレーザ光を出射する半導体レーザ２４を有する光源部２と、該光源部から測定対象ガスの雰囲気を通ったレーザ光を受光する受光部３２と、該受光部の受光信号から前記半導体レーザの変調周波数の基本波位相敏感検波信号および２倍波位相敏感検波信号を検出する受信信号検出部５と、該受信信号検出部が検出する前記基本波位相敏感検波信号および２倍波位相敏感検波信号の比に基づいて前記測定対象ガスのガス濃度を演算する演算部１３とを備えたガス濃度測定装置１において、
前記基本波位相敏感検波信号よりも前記２倍波位相敏感検波信号のゲインが大きくなるように前記受光部からの受光信号を増幅して出力する測定光増幅部４を備え、
前記受光部は、受光したレーザ光を受光電流に変換するフォトダイオードからなり、
前記測定光増幅部は、前記受光部で生成した受光電流を受光電圧に変換する電流電圧回路４ａと、該電流電圧回路からの信号のうち前記２倍波位相敏感検波信号をそのまま通過させ、それ以外の信号を減衰させるバンドパスフィルター４ｂと、該バンドパスフィルターを通過した受光信号を所定の増幅度で増幅する信号増幅器４ｃとを備えたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明によるガス濃度測定装置の実施の形態を示し、反射型のガス濃度測定装置の全体構成図、図２は図１における測定光増幅部の内部構成の一例を示す図、図３は図１の装置に適用される半導体レーザモジュールの内部構造を示す平面図、図４は図３の半導体レーザモジュールの内部構造を示す側面図、図５は図１における２倍波信号増幅器および信号同期検出器の構成例を示すブロック図、図６は図１における基本波信号増幅器および信号微分検出器の構成例を示すブロック図、図７は図１における温度安定化ＰＩＤ回路の構成例を示すブロック図、図８は図１における電流安定化回路の構成例を示すブロック図、図９は図１における受光系の構成例を示すブロック図である。
【００１１】
図１に示すガス濃度測定装置１は、光源ユニット（光源部）２、測定光集光部３、測定光増幅部４、受信信号検出部５、基本波信号増幅器７Ａ、２倍波信号増幅器７Ｂ、信号微分検出器８Ａ、信号同期検出器８Ｂ、波長安定化制御回路９、温度安定化ＰＩＤ回路１０、電流安定化回路１１、演算部１３から概略構成される。
【００１２】
光源ユニット２は、測定ガス特有の吸収線に合致した波長のレーザ光を発生するものであり、図３および図４に示すように、金属パッケージからなる箱型形状のケース本体の内部に、半導体レーザモジュール２１Ａ（２１）、参照ガスセル２２、フォト検出器（受光部）２３が収容されている。
【００１３】
半導体レーザモジュール２１Ａのケース内には、周波数変調されたレーザ光を両面から出射する半導体レーザ（レーザダイオード）２４が配設されている。ケース２１ａからはコネクタ２５ａを備えた光ケーブル２５が延出されており、半導体レーザ２４から出射される一方の光が光ケーブル２５を介して測定光集光部３より外部（測定対象ガスの雰囲気）に出射されるようになっている。
【００１４】
ケース本体２６の底面には、冷却用フィン２７が取り付けられた温度制御素子（ペルチェ素子）２８が配設されている。半導体レーザ２４は、動作温度、動作電流により発振波長が変化する性質があるため、温度制御素子２８により動作温度を一定温度に制御することにより発振波長が制御される。
【００１５】
半導体レーザ２４の前後両側の光軸上には、半導体レーザ２４の出射光を集光するための平な面を持たない非球面レンズ２９（２９ａ，２９ｂ）が配設されている。非球面レンズ２９は、平らな面を持たないため、集光用レンズとして使用することにより半導体レーザ２４に光が反射して戻るのを防止することができる。
【００１６】
半導体レーザ２４の前後両側の光軸上で、非球面レンズ２９ａ，２９ｂの外側には光アイソレータ３０（３０ａ，３０ｂ）が配設されている。光アイソレータ３０は、９０°の偏波面の光のみを通す偏光子と、４５°の偏波面の光のみを通す検光子との間に配置された結晶に磁力を印加することで、結晶中を透過する光の偏波面を回転させて偏光子での反射光の通過を阻止し、半導体レーザ２４に反射光が戻るのを防止している。
【００１７】
参照ガスセル２２は、半導体レーザ２４の後ろ側の光路上に配設されている。参照ガスセル２２は、測定光発振波長安定化に用いられるもので、内部が空洞の金属胴２２ａの対向する面に光を通過させる貫通穴が形成され、内部に測定対象ガスと同等の参照ガスが封入された後、貫通穴がガラス窓２２ｂによって封止されている。
【００１８】
参照ガスセル２２は、非球面レンズ２９ｂの後ろ側に、後方出射光が入射しやすい位置に固定される。参照ガスセル２２を通過したレーザ光は、参照ガスセル２２の後ろ側に配設されたフォト検出器２３によって受光検出される。
【００１９】
なお、上記参照ガスセル２２は、後述する他の構成の半導体レーザモジュール２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄのように、半導体レーザ２４への戻り光を低減するため、光が通過する両端面を斜め（例えば射光軸に対して約６°）に形成するのが好ましい。
【００２０】
測定光集光部３は、光源ユニット２の半導体レーザ２４からの光を外部に出射し、測定対象となるガス配管などから反射した測定光をレンズ３１で集光し、この集光した光をフォト検出器（受光部）３２で受光検出し、電気信号（受光電流）に変換して出力している。
【００２１】
測定光増幅部４は、プリアンプで構成され、測定光集光部３のフォト検出器３２で検出出力される測定光信号の受光電流を受光電圧に変換し、さらに設定された増幅度で増幅して出力している。
【００２２】
図２を例にとって測定光増幅部４の構成について説明すると、図２に示す測定光増幅部４は、電流電圧変換回路４ａ、バンドパスフィルター４ｂ、信号増幅器４ｃを備えて構成される。
【００２３】
電流電圧変換回路４ａは、フォト検出器（受光フォトダイオード）３２に接続され、フォト検出器３２から入力される受光電流を受光電圧に変換している。
【００２４】
バンドパスフィルター４ｂは、電流電圧変換回路４ａから入力される受光電圧のうち、２倍波信号（２ｆ信号）をそのまま通過させ、それ以外の信号を減衰させている。例えば基本波信号（ｆ信号）を百分の一に減衰させている。
【００２５】
信号増幅器４ｃは、バンドパスフィルター４ｂを通過した受光信号を適切な大きさまで増幅して出力する。
【００２６】
受信信号検出部５は、測定光増幅部４で増幅された測定光信号を信号処理し、基本波信号（ｆ信号）、２倍波信号（２ｆ信号）、２ｆ／ｆ信号を検出している。
【００２７】
ここで、戻り光の影響を受けない状態で、基本波信号、２倍波信号を検出し、発振波長を精度よく安定化する手段について説明する。
【００２８】
図８において、信号重畳手段としての電流安定化回路１１は、ＬＤバイアス電流を設定するバイアス電流生成回路１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、変調周波数の基本波であるＦｍのレベルを設定する基本波変調電流生成回路１１ｄ，１１ｅ，１１ｆと、変調周波数の２倍波（２Ｆｍ）のレベルを設定する抑圧電流生成回路１１ｇ，１１ｈ，１１ｉ，１１ｊ，１１ｋ，１１ｌ，１１ｍと、基本波変調周波数のｎ倍（例えばｎ＝５０〜５００倍程度）の変調周波数（ｎＦｍ）のレベルを設定する受光レベル変動抑圧電流生成回路１１ｐ，１１ｑと、これら各回路で設定された電流を加算する加算回路１１ｎと、加算された電流を増幅し、この増幅された電流により半導体レーザを駆動する半導体レーザ駆動アンプ１１ｏとを備えて構成される。
【００２９】
電流安定化回路１１では、半導体レーザバイアス電流、半導体レーザ変調電流（基本波変調電流）、ＬＤ抑圧電流、ＬＤ受光レベル変動抑圧電流をそれぞれ設定し、これらの電流設定値を加算して半導体レーザ電流として半導体レーザ２４に流す。半導体レーザモジュール２１Ａを例にとって説明すれば、半導体レーザ２４に電流が流れると、半導体レーザ２４の前方、後方にレーザ光を出射する。前方に出射したレーザ光は非球面レンズ２９ａにより集光され光アイソレータ３０ａを通過し、光ケーブル２５を通して測定光集光部３より外部に放射する。この際、光アイソレータ３０ａによって半導体レーザ２４への戻り光を低減している。後方に出射したレーザ光は非球面レンズ２９ｂにより集光され光アイソレータ３０ｂを通過し参照ガスセルに導かれる。この際、光アイソレータ３０ｂによって半導体レーザ２４への戻り光を低減している。参照ガスセル２２を通過したレーザ光はフォト検出器２３で検出され電流電圧変換プリアンプ３５により増幅される。
【００３０】
参照ガスセル２２内部には参照ガスが封入されており、その吸収線によりレーザ光が吸収され２倍波が生成される。電流電圧変換プリアンプ３５により増幅された信号（Ｓ１）は、基本波信号増幅器７Ａで増幅され（Ｓ２）、信号微分検出器８Ａにより位相微分検波され（Ｓ３）、図１６（ｂ）破線に示す出力波形になる。また、２倍波は、２倍波信号増幅器７Ｂで増幅され（Ｓ５）、信号同期検出器８Ｂによりレベル検出され（Ｓ６）、図１６（ｂ）実線に示す出力波形になる。
【００３１】
温度安定化ＰＩＤ回路１０は、温度センサ２８ａの誤差入力をＰＩＤ演算し、その演算結果を温度制御素子２８に出力し、半導体レーザ２４の動作温度を所定の温度に設定する。波長安定化制御回路９は、マイクロプロセッサ、メモリ等を使用し、以下に説明する図１０等の処理を実行し、半導体レーザ２４が出射するレーザ光の発振波長を測定ガス吸収線の中心波長に発振安定化する機能を有している。この中心波長に常に安定して発振することにより、測定光のガス検出レベルを安定化でき、正確なガス濃度を測定できることを保証している。
【００３２】
（設定温度の検索）
まず、温度を設定する処理を説明する。温度安定化ＰＩＤ回路１０は、温度センサ２８ａの誤差入力をＰＩＤ演算し、その演算結果を温度制御素子２８に出力し、半導体レーザ２４の動作温度を所定の温度に設定している。すなわち、この温度安定化ＰＩＤ回路１０は、半導体レーザ２４の温度設定値が吸収線の中心波長に一致する温度、例えば２６℃に設定する。この際、波長安定化制御回路９から入力したデジタル信号をＤ／Ａ変換器（ＤＡＣ）でアナログ信号に変換する。また、電流安定化回路１１により半導体レーザ２４のバイアス電流を、例えば１００ｍＡに、半導体レーザ２４の変調電流を、例えば２５ｍＡに設定する。
【００３３】
次に、温度安定化ＰＩＤ回路１０で、動作温度バイアス値を徐々に高くし、そのときの信号微分検出器８Ａの信号強度を測定し、図１７（ｂ）破線に示す出力波形を得る。なお、本設定温度の検索は、半導体レーザ２４の動作条件、例えばバイアス電流を変更した際に行えばよい。
【００３４】
（初期設定の説明）
次に、半導体レーザ発振波長初期設定処理を図１０のフローチャートを用いて説明する。半導体レーザ動作温度をＢ点の温度に設定する（ａ）。つぎにＣ点の温度まで徐々に変えていく（ｂ）。Ｂ点の動作温度からＣ点の動作温度まで変える（ｅ）間に信号微分検出器８Ａの出力を監視し（ｃ）、出力が最大値および最小値となる半導体レーザ２４の動作温度を記憶する（ｄ）。最小値の動作温度と最大値の動作温度とのちょうど中間の動作温度を算出し（ｆ）、その動作温度を温度安定化ＰＩＤ回路１０に設定する（ｇ）。動作温度を設定した後、信号微分検出器８Ａの出力がほぼ零であることを確認する（ｈ）。つぎに動作温度を少し高く設定し、信号微分検出器８Ａの出力が下がりマイナス方向に変動することを確認し、反対に温度を低く設定すると出力が上がりプラス方向に変動することを確認する（ｉ）。この確認が終了した後、スイッチ３６をオンにして温度安定化ＰＩＤ回路１０にフィードバックする（ｊ）。その後、半導体レーザ２４の温度が安定していることを確認する（ｋ）。温度が安定していればフィードバックが正しく動作していることになる。
【００３５】
このとき、図１７のようにフィードバック信号が変動していると、半導体レーザ２４の発振波長は変動するが、本例ではフィードバック信号が滑らかなため、半導体レーザ２４の発振波長は安定する。
【００３６】
（２倍波ピーク安定化の説明）
続いて処理する、半導体レーザ２４の発振波長の２倍波ピーク安定化処理を説明する。温度安定化ＰＩＤ回路１０の動作温度バイアス値を増減する（ｌ）。信号同期検出器８Ｂの出力を監視し、出力が最大値になる動作温度バイアス値を温度安定化ＰＩＤ回路１０に設定する（ｍ）。その後、信号ピーク検出出力値を常に監視し（ｎ）、常に極大値になるように動作温度バイアス値を変化させ温度安定化ＰＩＤ回路１０に設定する。この処理を短い間隔で繰り返すことにより測定対象ガスの最大吸収点（波長λ₀）に半導体レーザ２４の発振波長を維持し安定にすることができる。設定温度の検索、および初期設定をした後、２倍波ピーク安定化の処理をするため、半導体レーザ２４の発振波長を、所定の吸収線の最大吸収点に安定化することができる。
【００３７】
（信号同期検出器の説明）
信号同期検出器８Ｂの詳細を、図５に基づいて説明する。フォト検出器２３で受けた信号を増幅器７Ｂａで増幅する。混合器７Ｂｃは、その信号と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）７Ｂｉで発振させた周波数信号と混合し、中間周波数を生成する。本例では、局部発振器７Ｂａの周波数を４５５ｋＨｚ−２Ｆｍとし、中間周波数を４５５ｋＨｚとした。これを狭帯域フィルタ７Ｂｄに通し、位相同期検波器８Ｂｇで同期検波する。同期検波した信号を低域フィルタ８Ｂｈを経て直流アンプ８Ｂｉで増幅する。この増幅された信号の最大値が２倍波のピークとなる。ここで、位相シフト器８Ｂｂで、光学系等で遅延した信号の位相と、発振器８Ｂａの２Ｆｍの位相とを調整する。
【００３８】
（２倍波歪抑圧動作の説明）
電流安定化回路１１の２倍波歪抑圧動作を図８で説明する。電流安定化回路１１は、波長安定化制御回路９からの制御信号（Ｓ９）により、半導体レーザ２４に駆動電流（Ｓ１２）を発生する。ＬＤバイアス電流値により、半導体レーザ２４のバイアス電流を設定する。基本波変調電流値により、変調周波数の基本波であるＦｍのレベル（電流値）を設定する。ＬＤ抑圧電流値により、変調周波数の２倍波（２Ｆｍ）のレベル（電流値）を設定する。ＬＤ受光レベル変動抑圧電流値により、基本波変調周波数のｎ倍波（ｎＦｍ、ｎ＝５０〜５００）のレベル（電流値）を設定する。
【００３９】
なお、抑圧電流生成回路におけるＬＤ抑圧電流値、受光レベル変動抑圧電流生成回路における発振器１１ｐの倍率ｎおよびアッテネータの出力電流値は、使用される半導体レーザ２４によって周波数特性が異なるため、ある程度の可変範囲を持っており、使用される半導体レーザ２４に応じて最適な値に設定される。具体的な可変範囲は、基本波変調電流値を２０ｍＡppとしたとき、ＬＤ抑圧電流値０．１〜０．５ｍＡ、ｎ＝５０〜５００、出力電流値５〜２０ｍＡppである。
【００４０】
そして、上記設定による電流は加算器１１ｎで重畳され、バッファ１１ｏを介して半導体レーザ２４に供給される。戻り光の影響を無くしても、半導体レーザ２４により変調波２倍波歪が出る場合には、２倍波歪抑圧電流を設定して、基本波に重畳し、２倍波歪が最小になるようにする。具体的には、発振器１１ｇの２Ｆｍの位相を、位相シフト器１１ｈで逆相にして、基本波に重畳する。その際、重畳するレベルを、基本波から発生する２倍波の歪をキャンセルするように、減衰器（ＡＴＴ）１１ｍを調整する。
【００４１】
演算部１３は、受信信号検出部５からの基本波信号（ｆ信号）、２倍波信号（２ｆ信号）を入力とし、その比に基づいて測定対象ガスのガス濃度を演算している。
【００４２】
次に、上記のように安定化されたレーザ光を測定対象ガスの雰囲気に通してガス濃度を測定する構成および動作を説明する。図９は本例のガス濃度測定装置における受信系のブロック図である。
【００４３】
受信系をなす受信信号検出部５は、電流電圧変換器５Ａ、ＬＤ変調基本波増幅回路５Ｂ、ＬＤ変調２倍波増幅回路５Ｃ、除算器５Ｄを備えて構成される。この受信信号検出部５では、測定光増幅部４から入力される信号から基本波信号（１ｆ信号）と２倍波信号（２ｆ信号）を検波し、基本波信号と２倍波信号の比（２ｆ／ｆ）から演算部１３が測定対象ガスのガス濃度を計測を行っている。
【００４４】
ＬＤ変調基本波増幅回路５Ｂは、バンドパスフィルタ５ａ、増幅器５ｂ、基本波ローカル信号発生器５ｃ、位相敏感検波器５ｄ、増幅器５ｅを備えて構成され、電流電圧変換器５Ａからの電圧信号をバンドパスフィルタ５ａに通して増幅器５ｂで増幅した後、基本波ローカル信号発生器５ｃからの信号により位相敏感検波器５ｄにおいて基本波信号を位相敏感検波し、増幅器５ｅで増幅して除算器５Ｄに出力している。
【００４５】
ＬＤ変調２倍波増幅回路５Ｃは、バンドパスフィルタ５ｆ、増幅器５ｇ、２倍波ローカル信号発生器５ｈ、位相敏感検波器５ｉ、増幅器５ｊを備えて構成され、電流電圧変換器５Ａからの電圧信号をバンドパスフィルタ５ｆに通して増幅器５ｇで増幅した後、２倍波ローカル信号発生器５ｈからの信号により位相敏感検波器５ｉにおいて２倍波信号を位相敏感検波し、増幅器５ｊで増幅して除算器５Ｂｄに出力している。
【００４６】
除算器５Ｄは、ＬＤ変調２倍波増幅回路５Ｃからの２倍波信号の振幅を、ＬＤ変調基本波増幅回路５Ｂからの基本波信号の振幅で除算してガス濃度に比例した信号検出出力を得ている。
【００４７】
上記構成によるガス濃度測定装置では、電源が投入されると、半導体レーザ２４から出射される一方の光が光ケーブル２５を介して測定光集光部３から外部に測定光として出射される。この測定光の出射に伴って測定対象ガスの雰囲気を通り反射してくる光は、測定光集光部３のレンズ３１で集光されてフォト検出器３２で受光検出される。このフォト検出器３２が受光検出した電気信号は、測定光増幅部４により所定の増幅度で増幅された後、受信信号検出部５に入力される。受信信号検出部５では、入力される信号からｆ、２ｆを検出して演算部１３に入力する。演算部１３では、受信信号検出部５から入力されるｆ、２ｆの比（２ｆ／ｆ）に基づいて測定対象ガスのガス濃度を演算する。
【００４８】
ところで、上述したガス濃度測定装置では、反射型の半導体レーザモジュール２１Ａを用いた構成としているが、透過型の半導体レーザモジュールを用いた構成としてもよい。
【００４９】
図１１〜図１３は本例のガス濃度測定装置に適用できる透過型の半導体レーザモジュール（光源部）の構成例を示している。なお、図１、図３及び図４に示す半導体レーザモジュール２１Ａと同一の構成要素には同一番号を付して説明する。
【００５０】
図１１に示す半導体レーザモジュール２１Ｂ（２１）では、傾斜した前面に保護ガラス４１が固着された円筒型ケース４２の中心軸線上に半導体レーザ２４が配設されている。半導体レーザ２４は温度コントロールを可能とするため、円筒型ケース４２内の基板４３上の基台４４表面に取り付けられた温度制御素子（ペルチェ素子）２８の上に搭載されている。半導体レーザ２４の前後両側の光軸上には、平な面を持たない非球面レンズ２９（２９ａ，２９ｂ）が配設されている。これら非球面レンズ２９は半導体レーザ２４の出射光を集光するために位置を調整後、半導体レーザ２４と共に温度制御素子２８上の取付台４５に固定される。このとき、平らな面を持たない非球面レンズ２９を集光用レンズとして使用することにより、半導体レーザ２４に光が反射し戻ることを防止できる。
【００５１】
半導体レーザ２４の前側の光軸上で、保護ガラス４１と非球面レンズ２９ａとの間には、半導体レーザ２４に反射光が戻るのを防止するための光アイソレータ３０ａが配設されている。
【００５２】
半導体レーザ２４の後ろ側の光路上には参照ガスセル２２が配設されている。参照ガスセル２２は、半導体レーザ２４への戻り光を低減するために両端面２２ｃ，２２ｄが斜めに（例えば射光軸に対して約６度）形成されている。そして、参照ガスセル２２は、非球面レンズ２９ｂの後ろ側に、後方出射光が入射しやすい位置に固定され、参照ガスセル２２の後ろ側に置かれたフォト検出器２３に光が入射する構造とされている。また、半導体レーザ２４の後ろ側の光路上で、非球面レンズ２９ｂと参照ガスセル２２との間には、半導体レーザ２４に反射光が戻るのを阻止するための光アイソレータ３０ｂが配設されている。
【００５３】
次に、図１２に示す半導体レーザモジュール２１Ｃ（２１）は、図１１のフォト検出器２３を、射光軸に対して約１０度角度を付けたものである。図１２は半導体レーザモジュールの具体的数値を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。非球面レンズ２９ａは、焦点距離が約０．７ｍｍであり、外周には外径２．５ｍｍの金属性の円筒が取りつけてある。この非球面レンズ２９ａは、半導体レーザ２４の発光点より０．２ｍｍ離れた位置で出射光が平行光になるように位置調整され、金属性の円筒部分で温度制御素子２８上の取付台４５にＹＡＧレーザ溶接で固定する。また、非球面レンズ２９ｂは、焦点距離が約３ｍｍであり、半導体レーザ２４の発光点より３ｍｍ離れた位置で出射光が平行光になるように位置調整されて取付台４５にＹＡＧレーザ溶接で固定する。
【００５４】
光アイソレータ３０ａは、その中心が半導体レーザ２４の光軸と一致するように基板４５上の取付台４５に固定し、保護ガラス４１と非球面レンズ２９ａとの間の光路上に配置する。また、光アイソレータ３０ｂは、その中心が半導体レーザ２４の光軸と一致するように基台４４上の取付台４５に固定し、非球面レンズ２９ｂと参照ガスセル２２との間の光路上に配置する。
【００５５】
参照ガスセル２２は、直径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍの円筒型で、材質ガラスで構成されている。両端面２２ｃ、２２ｄのガラス窓は、反射した戻り光を少なくするために約６度傾けてあり、半導体レーザ２４の後方出力光が効率よく内部を透過するように非球面レンズ２９ｂのすぐ後方に参照ガスセル２２の中心と光軸が一致するように配置する。また、フォト検出器２３を、光軸面に対して約１０°角度を付けて円筒型ケース４２に取りつけてあるため、半導体レーザ２４への戻り光を少なくできる。
【００５６】
次に、図１３に示す半導体レーザモジュール２１Ｄ（２１）は、上面側が開口した箱型形状のケース本体５１の内部に、各部品（基台４４に設けられた非球面レンズ２９ａ，２９ｂ、半導体レーザ２４、温度制御素子２８をはじめ、取付台５２，５３に設けられた光アイソレータ３０ａ，３０ｂや参照ガスセル２２、フォト検出器２３）を収容したものである。開口したケース本体５１の上面はカバー部材５４が溶接封止されており、光アイソレータ３０ａの前方の光路上に位置してケース本体５１の側面に形成されたレーザ出射窓５５の結露を防ぐことができる。
【００５７】
なお、ケース本体５１に収容される内部構成については、前述した図１１および図１２の半導体レーザモジュール２１Ｂ，２１Ｃと同一なので、その構成部品には同一番号を付し、詳細な説明については省略している。
【００５８】
次に、図１４（ａ），（ｂ）は図３の半導体レーザモジュール２１Ｂが接続される光路長可変型のガス濃度測定装置の構成例を示している。
【００５９】
この光路可変型のガス濃度測定装置の光学計測部６１は、レール６２が形成された保持部材６３に対して移動可能に保持された２つの筐体６４，６５を備えている。一方の筐体６４は、光ケーブル２５を介して半導体レーザモジュール２１Ｂとの間に接続することにより光源部６７を構成している。他方の筐体６５は、受光部６８を構成している。
【００６０】
図１４（ａ）に示すように、光源部６７の筐体６４には、アダプタを備えたＬ字状の支持部材６９が固定されている。この支持部材６９のアダプタには、光ケーブル２５のコネクタ２５ａが着脱可能に取り付けられる。また、コネクタ２５ａの出射端面の光軸上には、平な面を持たない非球面レンズ７０が取り付けられたホルダ７１が配設されている。
【００６１】
図１４（ｂ）に示すように、受光部６８の筐体６５には、光源部６７側の非球面レンズ７０と対向する光軸上に、同様の平な面を持たない非球面レンズ７２が配設されている。この非球面レンズ７２後方の筐体６５内には、光軸上にフォト検出器２３が取り付けられたＬ字状の支持部材７３が配設されている。
【００６２】
それぞれの筐体６４，６５の底面側部には、レール６２の側面に対して取付片７４が取り付けられている。取付片７４には筐体６４，６５をレール６２に対して固定するための固定ネジ７５が取り付けられている。各筐体６４，６５は、固定ネジ７５を緩めた状態で光軸に沿った方向（図１４（ｂ）の矢印Ｘ方向）にレール６２上を移動する。これにより、光源部６７と受光部６８との間の測定光路長を任意に可変できる。そして、光源部６７と受光部６８とは、測定光路長が一度調整設定されると、その後は固定して使用される。
【００６３】
なお、光学計測部６１の光源部６７としては、図３の半導体モジュール２Ｂに限定されるものではなく、半導体レーザモジュール２１Ａ，２１Ｃ，２１Ｄなどを用いることもできる。
【００６４】
次に、図１５は多重セル型ガス濃度測定装置の一例を示している。この多重セル型ガス濃度測定装置は、多重セル８１と光学系（光源部６７および受光部６８）が筐体８２内に配設されて一つのユニットを構成している。なお、光学系である光源部６７および受光部６８は、図１４に示すものと同一構成なので、同一の構成要素には同一番号を付し、その説明については省略する。
【００６５】
多重セル８１は、基部が気密構造の円筒型形状の管８３で構成されている。管８３の内壁面両端部には、複数の反射ミラー（図１５の例では、管８３の左側部に一つ、右側部に二つ）８４（８４ａ，８４ｂ，８４ｃ）が配置されている。管８３の左側部の上部には光源部６７が着脱可能に取り付けられている。また、管８３の左側部の下部には、光源部６７と光軸が平行となるように受光部６８が着脱可能に取り付けられている。管８３の上部には、測定対象ガスの注入、排出を行うためのガス取入パイプ８５とガス排出パイプ８６とが並設されている。この多重セル８１では、光源部６７からの光が管８３内の複数の反射ミラー８４により多重反射されて受光部６８に導かれる。
【００６６】
この多重セル型ガス濃度測定装置によれば、多重セル８１と光学系６７，６８が同一箇所に配置されるので、単一の振動機構を用いて筐体８２を光軸方向に振動させることにより、光源部６７と受光部６８との間の測定光路長を変更することができる。しかも、装置全体の小型化が図れ、小さいスペースで測定光路長を長く設定して測定感度を向上させることができ、特に低濃度のガスを測定する場合に最適である。
【００６７】
以上説明した本例のガス濃度測定装置において、測定光増幅部４は、ガス濃度測定範囲を０〜１０００ｐｐｍ−ｍの範囲とすると、基本波信号（ｆ信号）の増幅度に比べて、２倍波信号（２ｆ信号）の増幅度を１００倍程度大きく設定するのが好ましい。すなわち、測定光増幅部４のｆ、２ｆのゲイン比設定は、測定濃度範囲にしたがって最適値にすればよい。
【００６８】
図１に示す構成の反射型のガス濃度測定装置の場合、基本波信号（ｆ信号）の増幅度を１０００００倍に設定し、２倍波信号（２ｆ信号）の増幅度を１０００００００倍に設定すると、最適値の濃度検出信号２ｆ／ｆの値（１に近い値）が得られる。
【００６９】
また、例えば測定光増幅部４の２ｆとｆのゲイン比を１００に設定してデータを取得すると、図１８に示すようなガス濃度と２ｆ／ｆの関係が得られ、測定濃度範囲が１００〜１０００ｐｐｍ−ｍにおいて２ｆ／ｆが１に近い値となる。
【００７０】
このように、本例のガス濃度測定装置によれば、測定光増幅部４のゲインを基本波信号（ｆ信号）より２倍波信号（２ｆ信号）のゲインを大きく設定し、基本波信号と２倍波信号で異なったゲインとする構成としたので、基本波信号に対してはるかに強度の低い２倍波信号の強度を大きくして基本波信号と２倍波信号の強度を略同程度とすることができ、従来に比べて濃度測定誤差が小さくなり、測定精度の向上を図ることができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明のガス濃度測定装置によれば、測定光増幅部をなすプリアンプのゲインを基本波信号より２倍波信号のゲインを大きく設定し、基本波信号と２倍波信号で異なったゲインとし、基本波信号に対してはるかに強度の低い２倍波信号の強度を大きくして基本波信号と２倍波信号の強度を略同程度とすることができるので、従来に比べて濃度測定誤差を小さくでき、測定精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガス濃度測定装置の全体構成図
【図２】図１における測定光増幅部の内部構成の一例を示す図
【図３】図１の装置に適用される半導体レーザモジュールの内部構造を示す平面図
【図４】図３の半導体レーザモジュールの内部構造を示す側面図
【図５】図１における２倍波信号増幅器および信号同期検出器の構成例を示すブロック図
【図６】図１における基本波信号増幅器および信号微分検出器の構成例を示すブロック図
【図７】図１における温度安定化ＰＩＤ回路の構成例を示すブロック図
【図８】図１における電流安定化回路の構成例を示すブロック図
【図９】図１における受信系の構成例を示すブロック図
【図１０】本装置における半導体レーザ発振波長安定化の処理を示すフローチャート
【図１１】本装置に適用できる半導体レーザモジュールの他の構成例を示す図
【図１２】（ａ），（ｂ）本装置に適用できる半導体レーザモジュールの他の構成例を示す図
【図１３】（ａ），（ｂ）本装置に適用できる半導体レーザモジュールの他の構成例を示す図
【図１４】（ａ），（ｂ）図２の半導体レーザモジュールが接続される光路長可変型のガス濃度測定装置の構成例を示す図
【図１５】多重セル型のガス濃度測定装置の構成例を示す図
【図１６】（ａ）参照ガスセル内の測定対象ガスのレーザ光吸収波形を示す図
（ｂ）信号微分波形（破線）および２ｆ信号のピーク検出波形（実線）を示す図
【図１７】従来の半導体レーザモジュールを用いた電流電圧変換プリアンプの出力波形を示す図
【図１８】本装置において測定光増幅部の２ｆとｆのゲイン比を１００にしたときのガス濃度と２ｆ／ｆの関係を示す図
【符号の説明】
１…ガス濃度測定装置、２…光源部（光源ユニット）、４…測定光増幅部、４ａ…電流電圧変換回路、４ｂ…バンドパスフィルター、４ｃ…信号増幅器、５…受信信号検出部、１３…演算部、２１…半導体レーザ、３２…受光部（フォト検出器）。

Claims

周波数変調されたレーザ光を出射する半導体レーザ（２４）を有する光源部（２）と、該光源部から測定対象ガスの雰囲気を通ったレーザ光を受光する受光部（３２）と、該受光部の受光信号から前記半導体レーザの変調周波数の基本波位相敏感検波信号および２倍波位相敏感検波信号を検出する受信信号検出部（５）と、該受信信号検出部が検出する前記基本波位相敏感検波信号および２倍波位相敏感検波信号の比に基づいて前記測定対象ガスのガス濃度を演算する演算部（１３）とを備えたガス濃度測定装置（１）において、
前記基本波位相敏感検波信号よりも前記２倍波位相敏感検波信号のゲインが大きくなるように前記受光部からの受光信号を増幅して出力する測定光増幅部（４）を備え、
前記受光部は、受光したレーザ光を受光電流に変換するフォトダイオードからなり、
前記測定光増幅部は、前記受光部で生成した受光電流を受光電圧に変換する電流電圧回路（４ａ）と、該電流電圧回路からの信号のうち前記２倍波位相敏感検波信号をそのまま通過させ、それ以外の信号を減衰させるバンドパスフィルター（４ｂ）と、該バンドパスフィルターを通過した受光信号を所定の増幅度で増幅する信号増幅器（４ｃ）とを備えたことを特徴とするガス濃度測定装置。