JP6619379B2 - 成分濃度測定装置および方法 - Google Patents
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Description
そこで、電磁波を照射し局所的に加熱して熱膨張を起こして発生する音波を観測する、光音響法が注目されている。
また、本発明の成分濃度測定装置の1構成例において、前記被測定物の温度を制御する温度制御部をさらに備え、前記光照射部は、異なる2つの波長の光を前記被測定物に同時に照射し、前記音響モード推定部は、第1の波長の光の強度を一定にして第2の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第2の波長の光の強度の測定結果と、前記温度制御部により前記被測定物の温度を変化させた後に前記第1の波長の光の強度を一定にして前記第2の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第2の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推定することを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の1構成例において、前記被測定物に照射される複数の光は、これら複数の光の波長に対する、前記被測定物に含まれる測定対象の成分以外の成分の光吸収係数が略等しいことを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の1構成例において、前記光照射部は、異なる波長の複数の光をそれぞれ平行光にして前記被測定物の略同一領域に同軸で照射し、異なる波長の複数の光のビーム径は略等しいことを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の1構成例において、前記共振器は、前記光照射部から照射される光の光軸に対して略直交する面を2つ持ち、これらの面は互いに平行平面となっていることを特徴とするものである。
本発明では、コリメートされた光を用いることで音波の干渉の影響を低減する。被測定物の形状が自由に変更できる場合は、音波の波長の半分に対して径の方が細い円筒形状の被測定物を用いることで、コリメート光と同等の効果を得ることができる。コリメートされた光は、強度分布として以下の式(1)のように表すことができる。
光吸収係数αは式(3)のように記述することができる。
被測定物内の特定の成分がΔCだけ濃度変化したとすると、以下の式(8)が成立する。
第1の波長の光を被測定物に照射し、共振器長Lを任意の範囲で掃引することで図2に示すような共振器長Lと音圧との関係を取得する。この図2のピークから被測定物内での音波の共振器長Lを選択することができる。
第1の補正方法と同様に、第1の波長の光を被測定物に照射し、共振器長Lを任意の範囲で掃引することで図2に示すような共振器長Lと音圧との関係を取得する。この図2のピークから被測定物内での音波の共振器長Lを選択することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図3は本発明の第1の実施例に係る成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。本実施例の成分濃度測定装置は、レーザ光を放射するレーザダイオード1−1,1−2,1−3と、レーザダイオード1−1,1−2,1−3を駆動するレーザドライバ2と、レーザダイオード1−1,1−2,1−3から放射されたレーザ光を導く光ファイバ3−1,3−2,3−3と、レーザダイオード1−1,1−2,1−3から放射されたレーザ光を合波する光合波器4と、光合波器4によって合波されたレーザ光を導く光ファイバ5と、光ファイバ5によって導かれる光を平行光にして被測定物12に照射するコリメータ6と、光音響効果によって被測定物12から発生する光音響信号を検出し、音圧に比例した電気信号に変換する光音響信号検出部となる音響センサ7と、音響センサ7から出力された電気信号を増幅する増幅器8と、参照信号を発生するファンクションジェネレータ9と、増幅器8の出力信号とファンクションジェネレータ9から出力された参照信号とを入力として、増幅器8の出力信号から所望の周波数の測定信号を検出するロックインアンプ10と、レーザドライバ2とファンクションジェネレータ9とロックインアンプ10とを制御すると共に、ロックインアンプ10が検出した測定信号を処理して特定の成分濃度を導出するコンピュータからなる情報処理装置11と、被測定物12を収容し、光音響信号を増幅する共振器となる光音響セル13とから構成される。
本実施例では、被測定物12は例えば円筒形の光音響セル13内に導入され、光音響セル13に設けられたガラス製の光学窓を通してレーザ光が照射されるようになっている。
次に、本発明の第2の実施例について説明する。図11は本発明の第2の実施例に係る成分濃度測定装置の構成を示すブロック図であり、図3と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例の成分濃度測定装置は、レーザダイオード1−1,1−2と、レーザドライバ2と、光ファイバ3−1,3−2と、光合波器4と、光ファイバ5と、コリメータ6と、音響センサ7と、増幅器8と、ファンクションジェネレータ9と、ロックインアンプ10と、情報処理装置11aと、被測定物12の温度を変化させる温度制御器15とから構成される。
こうして、本実施例では、上記の第1の実施例と同様の効果を得ることができる。
Claims (8)
- 互いに異なる波長の複数の光を同一の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して被測定物に照射する光照射部と、
前記光照射部によって照射される複数の強度変調光のうち少なくとも1つの光の強度を変化させる光強度制御部と、
光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を増幅する共振器と、
この共振器によって増幅された光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出部と、
前記光強度制御部が変化させた光の強度を測定する光強度測定部と、
強度を変化させる光の波長が異なる2つの場合または前記被測定物の温度が異なる2つの場合について、それぞれの場合で前記電気信号の強度が最低となったときの前記光強度測定部の測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定部と、
この音響モード推定部が推定した音響モードと、前記被測定物に含まれる測定対象の成分に対する濃度測定感度と音響モードとの既知の関係に基づいて、前記測定対象の成分に対する濃度測定感度の補正係数を決定する補正係数決定部と、
前記光強度測定部の測定結果から得られる光強度の変化量と前記補正係数に基づいて前記測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出部とを備えることを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項1記載の成分濃度測定装置において、
前記光照射部は、異なる2つの波長の光を前記被測定物に同時に照射し、
前記音響モード推定部は、第1の波長の光の強度を一定にして第2の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第2の波長の光の強度の測定結果と、前記第1の波長の光の強度を一定にして第3の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第3の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推定することを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項1記載の成分濃度測定装置において、
前記被測定物の温度を制御する温度制御部をさらに備え、
前記光照射部は、異なる2つの波長の光を前記被測定物に同時に照射し、
前記音響モード推定部は、第1の波長の光の強度を一定にして第2の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第2の波長の光の強度の測定結果と、前記温度制御部により前記被測定物の温度を変化させた後に前記第1の波長の光の強度を一定にして前記第2の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第2の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推定することを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項2または3記載の成分濃度測定装置において、
前記共振器は、共振器長が可変であり、
前記共振器長を制御する共振器長制御部をさらに備え、
前記光照射部は、異なる2つの波長の光を前記被測定物に同時に照射する前に、前記第1の波長の光のみを前記被測定物に照射し、
前記共振器長制御部は、前記第1の波長の光のみを前記被測定物に照射したときに得られる前記電気信号の強度が最大となるように前記共振器長を設定することを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の成分濃度測定装置において、
前記被測定物に照射される複数の光は、これら複数の光の波長に対する、前記被測定物に含まれる測定対象の成分以外の成分の光吸収係数が略等しいことを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の成分濃度測定装置において、
前記光照射部は、異なる波長の複数の光をそれぞれ平行光にして前記被測定物の略同一領域に同軸で照射し、
異なる波長の複数の光のビーム径は略等しいことを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の成分濃度測定装置において、
前記共振器は、前記光照射部から照射される光の光軸に対して略直交する面を2つ持ち、これらの面は互いに平行平面となっていることを特徴とする成分濃度測定装置。 - 互いに異なる波長の複数の光を同一の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して被測定物に照射する第1のステップと、
前記被測定物に照射する複数の強度変調光のうち少なくとも1つの光の強度を変化させる第2のステップと、
光照射によって前記被測定物から発生し共振器によって増幅された光音響信号を検出して電気信号を出力する第3のステップと、
前記第2のステップで変化させた光の強度を測定する第4のステップと、
強度を変化させる光の波長が異なる2つの場合または前記被測定物の温度が異なる2つの場合について、それぞれの場合で前記電気信号の強度が最低となったときの前記第4のステップの測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記光音響信号の共振モードである音響モードを推定する第5のステップと、
この第5のステップで推定した音響モードと、前記被測定物に含まれる測定対象の成分に対する濃度測定感度と音響モードとの既知の関係に基づいて、前記測定対象の成分に対する濃度測定感度の補正係数を決定する第6のステップと、
前記第4のステップの測定結果から得られる光強度の変化量と前記補正係数に基づいて前記測定対象の成分の濃度を導出する第7のステップとを含むことを特徴とする成分濃度測定方法。
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