JPH0273138A - Laser type gas sensor - Google Patents

Laser type gas sensor

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Publication number
JPH0273138A
JPH0273138A JP22358088A JP22358088A JPH0273138A JP H0273138 A JPH0273138 A JP H0273138A JP 22358088 A JP22358088 A JP 22358088A JP 22358088 A JP22358088 A JP 22358088A JP H0273138 A JPH0273138 A JP H0273138A
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JP
Japan
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laser
mode hop
signal processing
normalized
signal
Prior art date
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Pending
Application number
JP22358088A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shoji Doi
土肥 正二
Akira Sawada
亮 澤田
Iwao Sugiyama
巌 杉山
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH0273138A publication Critical patent/JPH0273138A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To continue measurement of the gas concentration even at the time of the occurrence of discontinuity of a spectrum due to mode hop by providing a mode hop detecting means, a temperature control means, and a laser driving current control means in a signal processing device. CONSTITUTION:A mode hop detecting means 10, a temperature control means 11, a laser driving current control means 12 are provided in the signal processing device 9 to constitute a laser type gas sensor. The means 10 detects the mode hop based on the level of a difference signal generated from a second standardized secondary differential signal from a signal processing circuit 8 with a certain difference width. The means 11 controls the element temperature of a temperature variable semiconductor laser 1 so that the mode hop position detected between two minimum points in the second standardized secondary differential signal is shifted out of the range between two minimum points. The means 12 controls the laser driving current in accordance with the second standardized secondary differential signal shifted by the control of the element temperature of the laser 1 so that the laser oscillation wavelength is within two minimum points.

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 波長可変半導体レーザから放射されたレーザ光を用いて
被測定ガスの濃度などを測定するレーザ方式ガスセンサ
に関し、 モードホップによる吸収スペクトルの不連続の影響を受
けることなくガス濃度を測定することを目的とし、 波長可変半導体レーナより放射されたレーザ光を光学手
段により二光路に分岐し、一方は測定セル内の被測定ガ
スに透過させて第1の光検知素子に入射し、他方は参照
セル内の参照ガスに透過させて第2の光検知素子に入射
し、該第1及び第2の光検知素子により各々光電変換し
て得られた゛M電気信号第1及び第2の信号処理回路に
供給して夫々第1及び第2の規格化二次微分信号を生成
し、これらの規格化二次微分信号に基づいて信号処理装
置で被測定ガスのガス濃度を算出するレーザ方式ガスセ
ンサにおいて、前記第2の規格化二次微分信号から一定
差分幅で生成した差分信号のレベルに基づいてモードホ
ップを検出するモードホップ検出手段と、該モードポツ
プ検出手段により前記第2の規格化二次微分信号中の2
つの極小点間で検出された前記モードポツプ位置を該2
つの也小点間の外へシフトするよう前記半導体レーザの
素子温度を制御する温度制御手段と、該半導体レーザの
素子温度の制御によりシフトした前記第2の規格化二次
微分信号に対応して、レーザ発振波長が上記2つの極小
点間に収まるようにシー1F駆動電流を制御するレーザ
駆f!I電流制御手段とを、前記信号処理vit冒に備
えるように構成する。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] Regarding a laser-type gas sensor that measures the concentration of a gas to be measured using laser light emitted from a wavelength tunable semiconductor laser, it is affected by discontinuity in the absorption spectrum due to mode hops. The purpose is to measure the gas concentration without any interference, and the laser beam emitted from the wavelength tunable semiconductor laser is split into two optical paths by optical means, one of which is transmitted through the gas to be measured in the measurement cell and sent to the first photodetecting element. The other one is transmitted through the reference gas in the reference cell and is incident on the second photodetecting element, and the ゛M electric signal 1st is obtained by photoelectric conversion by the first and second photodetecting elements, respectively. and a second signal processing circuit to generate first and second normalized second-order differential signals, respectively, and the signal processing device calculates the gas concentration of the gas to be measured based on these normalized second-order differential signals. In the laser type gas sensor that calculates mode hop detection means for detecting a mode hop based on the level of a difference signal generated with a constant difference width from the second normalized second-order differential signal; 2 in the normalized second-order differential signal of
The mode pop position detected between the two minimum points is
temperature control means for controlling the element temperature of the semiconductor laser so as to shift it outside the two small points; , the laser drive f! controls the sea 1F drive current so that the laser oscillation wavelength falls between the above two minimum points. I current control means is configured to provide for the signal processing operation.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明はレーザ方式ガスセンサに係り、特に波長可変半
導体レーザから放射されたレーザ光を用いて肢測定ガス
の濃度などを測定するレーザ方式ガスセンサに関する。
The present invention relates to a laser gas sensor, and more particularly to a laser gas sensor that measures the concentration of limb measurement gas using laser light emitted from a wavelength tunable semiconductor laser.

レーザ方式ガスセンサは概略第7図に示す如き構成とさ
れている。同図中、1は波長可変半導体レーザで、これ
より放射された赤外線領域のレーザ光はビームスプリッ
タ2によりその光路を2つに分岐され、」方は測定セル
3を透過して光検知素子4に入射され、他方は参照セル
5を透過して光検知素子6に入射される。測定セル3内
にはガス濃度が未知の被測定ガスが充満しており、参照
セル5内には種類、濃度が既知の参照ガスが充満されて
いる。
The laser type gas sensor has a configuration as schematically shown in FIG. In the figure, reference numeral 1 denotes a wavelength tunable semiconductor laser, and a laser beam in the infrared region emitted from the laser beam is split into two optical paths by a beam splitter 2. The optical path of the laser beam is split into two by a beam splitter 2. The other one passes through the reference cell 5 and enters the photodetector element 6 . The measurement cell 3 is filled with a gas to be measured whose gas concentration is unknown, and the reference cell 5 is filled with a reference gas whose type and concentration are known.

光検知素子4及び6は上記の被測定ガス及び参照ガスの
固有の波長帯に6いて減衰を受けたレーザ光を光電変換
し、得られた電気信号を信号処理回路7.8を通してマ
イクロコンピュータで構成されている信号処理装@9に
供給する。信号処理装@9はこの入力電気信号に基づい
て被測定ガスのガス′a度を算出する。
The photodetecting elements 4 and 6 photoelectrically convert the attenuated laser light in the wavelength band specific to the above-mentioned gas to be measured and the reference gas, and the resulting electric signal is sent to a microcomputer through a signal processing circuit 7.8. It is supplied to the configured signal processing device @9. The signal processing device @9 calculates the gas temperature of the gas to be measured based on this input electrical signal.

また、信号処理装置9は半導体レーザ1に駆動電流(レ
ーザ駆動電流)を供給して、その電流値に応じた波長で
レーザ光を発振出力させると共に、一定時間毎に漸次段
階的にレーザ駆動電流値を増加してレーザ光の波長掃引
を特定吸収線付近で行なわせる。更にこの波艮鼎引は周
期的に行なわれる。また、信号処理装置9は半導体レー
ザ1を一定の低温に保持するための温度制御手段も出力
している。
Further, the signal processing device 9 supplies a drive current (laser drive current) to the semiconductor laser 1 to oscillate and output a laser beam with a wavelength corresponding to the current value, and gradually increases the laser drive current in stages at regular intervals. By increasing the value, the wavelength sweep of the laser beam is performed near a specific absorption line. Furthermore, this wave movement is performed periodically. The signal processing device 9 also outputs temperature control means for maintaining the semiconductor laser 1 at a constant low temperature.

このような構成のレーザ方式ガスセンサにおいては、半
導体レーザの発振波長特性が変化しても、正確にガス濃
度測定を行なうことが必要とされる。
In a laser type gas sensor having such a configuration, it is necessary to accurately measure the gas concentration even if the oscillation wavelength characteristics of the semiconductor laser change.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来のレーザ方式ガスセンサにおいては、信号処理回路
7.8の各々がその入力電気信号レベルから被測定ガス
及び参照ガスの夫々について第8図(A>に示す如き特
性の受信パワーを測定し、また入力電気信号の変化分を
同期検波して第8図(B)に示す如き二次微分信号を生
成し、信号処理装置9がこれらの二次微分信号・を上記
受信パワーで除算して生成した第8図(C)に示す如き
2つの極小点a1.a2と1つの極大点b1とを有する
規格化信号から吸収量を求める。
In the conventional laser type gas sensor, each of the signal processing circuits 7.8 measures the received power having the characteristics as shown in FIG. The changes in the input electrical signal were synchronously detected to generate second-order differential signals as shown in FIG. 8(B), and the signal processing device 9 divided these second-order differential signals by the received power to generate the The absorption amount is determined from a normalized signal having two minimum points a1 and a2 and one maximum point b1 as shown in FIG. 8(C).

ここで、上記吸収量は第8図(C)に示す規格化信号(
すなわち規格化された吸収スペクトル)の1つの極大点
b1から2つの極小点1.a2を結ぶ線分C上の、極大
点b1と同一の波長(ただし、信号処理装置9はレーザ
電流から波長を推定している)の点dまでの信号mであ
る。
Here, the above absorption amount is the normalized signal (
That is, from one maximum point b1 of the normalized absorption spectrum) to two minimum points 1. This is the signal m to point d on the line segment C connecting point a2 with the same wavelength as the maximum point b1 (however, the signal processing device 9 estimates the wavelength from the laser current).

信号処理装置9は従来、このようにして特定ガスの吸収
帯中の1本の吸収線をカバーして発振するように半導体
レー4f 1の冷IiJ g度、駆vJ′ifi流の走
査幅を決めて求めた被測定ガスの吸収量に、参照ガスの
吸収量とガス濃度の比例値を掛は合わせてガス濃度を算
出していた。
Conventionally, the signal processing device 9 adjusts the scanning width of the cold current of the semiconductor laser 4f1 so as to cover one absorption line in the absorption band of a specific gas and oscillate in this manner. The gas concentration was calculated by multiplying the determined absorption amount of the measured gas by the absorption amount of the reference gas and the proportional value of the gas concentration.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

しかるに、半導体レーザ1は経時変化によりその発振波
長特性が変化することがあり、その場合にはスペクトル
に不連続点が生じることがある(これをモードホップと
いう)。
However, the oscillation wavelength characteristics of the semiconductor laser 1 may change over time, and in this case, a discontinuous point may occur in the spectrum (this is called a mode hop).

すなわら、第9図に破線で示す如く、レーザ電流の変化
に従って規格化信号が得られない不連続部分が生じる。
That is, as shown by the broken line in FIG. 9, a discontinuous portion where no normalized signal is obtained occurs as the laser current changes.

これは、この位置でレーザの発振縦モードが変化したこ
とによるもので、この不連続点を境として半導体レーザ
1の発振波長は200Å以上大きく変化する。換言する
と、半導体レーザ1の発振波長はレーザ駆動電流に応じ
て変化するが、上記の不連続部分ではレーザ駆動電流の
僅かな変化に対して発振波長が非線形的に大きく変化す
ることになる。
This is because the longitudinal oscillation mode of the laser changes at this position, and the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 changes by more than 200 Å with this discontinuity point as a boundary. In other words, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 changes depending on the laser drive current, but in the discontinuous portion, the oscillation wavelength significantly changes nonlinearly with respect to a slight change in the laser drive current.

これにより、規格化信号の2つの極小点のうち不連続部
分が存在する方の極小点は第9図にa3で示す如く本来
の極小値とは異なった極小値となり、このときのガス濃
度の測定データは無効である。
As a result, of the two minimum points of the normalized signal, the minimum point where the discontinuous portion exists becomes a minimum value different from the original minimum value, as shown by a3 in Fig. 9, and the gas concentration at this time Measurement data is invalid.

しかるに、従来はレーザ電流の変化からレーザ光の発振
波長の変化を推定して測定データを生成していたため、
レーザ駆vJ電流が正常に変化している限り上記のモー
ドホップが生じたか否かは検知できず、モードホップ時
には無効な測定データからガス濃度を測定しており、測
定の信頼性が低かった。
However, conventionally, measurement data was generated by estimating changes in the oscillation wavelength of the laser light from changes in the laser current.
As long as the laser drive vJ current is changing normally, it cannot be detected whether or not the mode hop has occurred, and when the mode hop occurs, the gas concentration is measured from invalid measurement data, resulting in low measurement reliability.

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、モードポツ
プによる吸収スペクトルの不連続の影響を受けることな
くガス濃度を測定するレーザ方式ガスセンサを提供する
ことを目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a laser gas sensor that measures gas concentration without being affected by discontinuities in the absorption spectrum due to mode pops.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

第1図は本発明の要部の原理構成図を示す。本発明にな
るレーザ方式ガスセンサは基本的には第7図に示した構
成と大略同じであるが、本発明では信号処理装置9内に
第1図に示す如くモードホップ検出手段10、温度制御
手段11及びレーザ駆8電流制御手段12を備えた点に
特徴を有する。
FIG. 1 shows a principle configuration diagram of the main part of the present invention. The laser type gas sensor according to the present invention has basically the same configuration as shown in FIG. 11 and laser drive 8 current control means 12.

モードホップ検出手段10は前記信号処理回路8からの
第2の規格化二次微分信号から一定差分幅で生成した差
分(g号のレベルに基づいてモードホップを検出する。
The mode hop detection means 10 detects a mode hop based on the level of the difference (g) generated from the second normalized quadratic differential signal from the signal processing circuit 8 with a constant difference width.

温度制御手段11は第2の規格化二次微分信号中の2つ
の極小点間で検出されたモードホップ位置を2つの極小
点間の外へシフトするよう半導体レーザ1の素子温度を
制御する。
The temperature control means 11 controls the element temperature of the semiconductor laser 1 so as to shift the mode hop position detected between the two minimum points in the second normalized second-order differential signal to the outside between the two minimum points.

また、レーザ駆動電流制御手段12は半導体レーザ1の
素子温度のυ1111によりシフトした前記第2の規格
化二次微分信号に対応して、レーザ発振波長が2つの極
小点間に収まるようにレーザ駆動電流を制御する。
Further, the laser drive current control means 12 drives the laser so that the laser oscillation wavelength falls between two minimum points in response to the second normalized second-order differential signal shifted by the element temperature υ1111 of the semiconductor laser 1. Control the current.

〔作用〕[Effect]

波長可変半導体レーデ1の発振波長は冷却温度及びレー
ザ駆動電流により一意的に定まる。しかし、経時変化が
あると同一動作条件でも発振波長が変化し、モードホッ
プの位置(波長での)が変化することがある。このモー
ドホップが規格化二次微分信号中の二つの極小点間に生
じると、(転小点が本来の位置と異なってしまい正確な
a1度測定ができなくなってしまう。
The oscillation wavelength of the wavelength tunable semiconductor radar 1 is uniquely determined by the cooling temperature and laser drive current. However, if there is a change over time, the oscillation wavelength may change even under the same operating conditions, and the position of the mode hop (in terms of wavelength) may change. If this mode hop occurs between two minimum points in the normalized second-order differential signal, the turning point will be different from the original position, making accurate a1 degree measurement impossible.

そこで、本発明ではモードホップ検出手段10によりモ
ードホップ位置の検出を行ないながら吸収線の2つの極
小点間にこれが生じなくなるまで、温度制御手段11に
より冷却温度を制御することにより、半導体レーザ1の
経時変化に対応するものである。
Therefore, in the present invention, the mode hop detection means 10 detects the mode hop position, and the temperature control means 11 controls the cooling temperature until the mode hop position is detected between the two minimum points of the absorption line. This corresponds to changes over time.

モードホップ検出手段10はモードホップ検出に際し一
定差分幅の差分信号を生成するが、第9図に示した規格
化二次微分信号のスペクトルにおいて、段階的に変化す
るレーザ駆動電流の各段階における規格化二次微分信号
mを1ポイントとすると、例えば1024ポイントで差
分の幅10ポイントのときは第2図に示ず如ぎ差分信号
スペクトルが得られる。
The mode hop detection means 10 generates a difference signal with a constant difference width when detecting a mode hop, but in the spectrum of the normalized second-order differential signal shown in FIG. Assuming that the second-order differential signal m is one point, for example, when there are 1024 points and the width of the difference is 10 points, a differential signal spectrum as shown in FIG. 2 is obtained.

第2図において、極大点MAXは第9図の極大点b1に
対応し、左側の極小点MLと右側の極小点MRは夫々第
9図の極小点a、a3に相当すす る。すなわち、極小点ML、MRは差分信号が負から正
へ変化する点であり、極大点MAXは差分信号が正から
負へ変化する点である。
In FIG. 2, the maximum point MAX corresponds to the maximum point b1 in FIG. 9, and the minimum point ML on the left side and the minimum point MR on the right side correspond to minimum points a and a3 in FIG. 9, respectively. That is, the minimum points ML and MR are the points at which the difference signal changes from negative to positive, and the maximum point MAX is the point at which the difference signal changes from positive to negative.

一方、第9図にeで示したモードホップ発生点における
差分信号は第2図にEで示す如く極めて大なるレベルと
なる。
On the other hand, the difference signal at the mode hop occurrence point indicated by e in FIG. 9 reaches an extremely high level as indicated by E in FIG. 2.

そこで、モードホップ検出手段10はこの差分信号が予
め定めた正のしきい値T+と負のしぎい値T−の間の範
囲を越えるような大レベルのレーザ駆動電流値をモード
ホップ位置として検出する。
Therefore, the mode hop detection means 10 detects a laser drive current value of such a large level that this difference signal exceeds the predetermined range between the positive threshold value T+ and the negative threshold value T- as the mode hop position. do.

温度制御手段11は半導体レーザーの冷却温度によって
モードホップの位置がシフトすることを利用する。すな
わら、仮りに素子冷却温度を増す〈冷やす)とモードホ
ップ波長が短波長側にシフトするものとすると、第3図
(A)に示ず規格化二次微分信号スペクトルが素子冷却
温度T1のとき得られる場合は、素子冷却温度をT2 
(〈T1)に増すと、規格化二次微分信号スペクトルは
第3図(B)に示す如くになる。
The temperature control means 11 utilizes the fact that the position of the mode hop shifts depending on the cooling temperature of the semiconductor laser. In other words, if the mode hop wavelength shifts to the shorter wavelength side when the element cooling temperature is increased (cooled), the normalized second-order differential signal spectrum will change to the element cooling temperature T1, which is not shown in FIG. 3(A). When obtained, the element cooling temperature is T2.
(<T1), the normalized second-order differential signal spectrum becomes as shown in FIG. 3(B).

第3図(A)、(B)かられかるように、吸収中心レー
ザ駆動電流■。からΔIoだけ長波長側にあったモード
ホップの位置が、冷却温度をT1からT2へ下げること
により、同一吸収線の吸収中心レーザ駆動電流から測っ
てΔ11の位置までモードホップの位置が変化する。Δ
11<△■。
As can be seen from Fig. 3 (A) and (B), the absorption center laser driving current ■. By lowering the cooling temperature from T1 to T2, the position of the mode hop, which was on the longer wavelength side by ΔIo, changes to the position of Δ11 as measured from the absorption center laser drive current of the same absorption line. Δ
11<△■.

であるから、モードホップの位置は短波長側にシフトし
ていることを示している。温度制御手段11はこの半導
体レーザ1の素子温度を制御lIIすることによってモ
ードホップの位置がシフトするという性質を利用してモ
ードホップ位置を2つの極小点の外にシフトする。
This shows that the position of the mode hop has shifted to the shorter wavelength side. The temperature control means 11 shifts the mode hop position outside the two minimum points by utilizing the property that the mode hop position shifts by controlling the element temperature of the semiconductor laser 1.

一方、前記レーザ駆動電流制御手段12は、温度制御手
段11による素子温度の制御により、第3図(A)、(
B)に示すように規格化二次微分信号スペクトルの吸収
中心レーザ駆@電流が【。
On the other hand, the laser drive current control means 12 controls the element temperature by the temperature control means 11 as shown in FIG.
As shown in B), the absorption center laser driving current of the normalized second-order differential signal spectrum is [.

から■1ヘシフトするので、このシフトを補なうため、
中心レーザ駆動電流をI。からT1へ増すような制御を
行なう。
Since there is a shift from ■1 to ■1, in order to compensate for this shift,
The center laser drive current is I. Control is performed to increase the number from T1 to T1.

なお、第3図(△)のようにモードホップが左側の極小
点と極大点の間に現われた場合は、モードホップを長波
長側にシフトすることにより、左側の極小点の左側へモ
ードホップ位置(波長)をシフトすることができる。ま
た、素子温度とモードホップ位は(波長)との関係は半
導体レーザ1の種類によって異なるから、上記の仮定が
逆の場合は前述した動作の逆を行なえばよい。
If a mode hop appears between the left minimum point and maximum point as shown in Figure 3 (△), by shifting the mode hop to the longer wavelength side, the mode hop will be moved to the left of the left minimum point. The position (wavelength) can be shifted. Further, since the relationship between the element temperature and the mode hop level (wavelength) differs depending on the type of semiconductor laser 1, if the above assumption is reversed, the operation described above may be performed in reverse.

このようにすることにより、半導体レーザ1の経時変化
にも対応できる安定なレーザ方式ガスセンサが得られる
By doing so, a stable laser gas sensor that can cope with changes in the semiconductor laser 1 over time can be obtained.

(実施例) 第4図は本発明の要部の一実施例のブロック図を示す。(Example) FIG. 4 shows a block diagram of an embodiment of the main part of the present invention.

同図中、第7図と同一構成部分には同一符号を付し、そ
の説明を省略する。第4図は第7図の信号処理回路8と
信号処理装置9の部分を示しており、本実施例は信号処
理装置9の構成が従来と異なる。
In the figure, the same components as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and their explanations will be omitted. FIG. 4 shows the signal processing circuit 8 and signal processing device 9 in FIG. 7, and the configuration of the signal processing device 9 in this embodiment is different from the conventional one.

第4図において、入力端子14より入力された光検知器
8よりの電気信号はザンブルホールド回路(S/H回路
)15に供給されて受信パワーが検出される一方、ロッ
クインアンプ16に供給されて二次微分信号が検出され
る。
In FIG. 4, an electrical signal from a photodetector 8 inputted through an input terminal 14 is supplied to a Zumble hold circuit (S/H circuit) 15 to detect the received power, while being supplied to a lock-in amplifier 16. and a second-order differential signal is detected.

上記の受信パワーと二次微分信号はマルチプレクサ17
により交互に時系列的に合成されてA/D変換器18へ
入力され、ここでディジタル信号に変換された後マイク
ロコンピュータ19に供給される。
The above received power and second-order differential signal are sent to the multiplexer 17
The signals are alternately synthesized in time series and inputted to the A/D converter 18, where they are converted into digital signals and then supplied to the microcomputer 19.

マイクロコンピュータ19は従来と同様に図示を省略し
た信号処理回路7からの被測定ガスの受信パワー及び二
次微分信号(ただし、これらはディジタル信号)と、A
/r)変換器18からの参照ガスの受信パワー及び二次
微分信号に関するディジタル信号とが供給されて従来と
同様の方法でガス濃度を算出すると共に、A/D変換器
18からのディジタル信号に基づいて冷却温度制御回路
20に設定温度を指示し、かつ、レーザ駆動回路21に
レーザ駆動電流の走査始点、走査終点の8値を指示する
As in the conventional case, the microcomputer 19 receives the received power of the gas to be measured and the second-order differential signal (however, these are digital signals) from the signal processing circuit 7 (not shown), and A
/r) The received power of the reference gas from the converter 18 and a digital signal related to the second-order differential signal are supplied, and the gas concentration is calculated in the same manner as in the conventional method, and the digital signal from the A/D converter 18 is Based on this, the setting temperature is instructed to the cooling temperature control circuit 20, and the eight values of the scan start point and scan end point of the laser drive current are instructed to the laser drive circuit 21.

すなわち、マイクロコンピュータ19は冷却温度制御2
11回路20と共に前記温度制御手段11を構成してお
り、またレーザ駆動回路21と共に前記レーザ駆動電流
制御手段12を構成している。冷却温度制御回路20の
出力信号は出力端子22を介して第5図に示すヒータ2
9に制御電流として供給され、その温度を可変制御する
。また、レーデ駆動回路21の出力信号は出力端子23
を介して半導体レーデ1(第5図ではレーザダイオード
25)に駆動゛電流として供給される。
That is, the microcomputer 19 controls the cooling temperature control 2.
11 circuit 20 constitutes the temperature control means 11, and together with the laser drive circuit 21 constitutes the laser drive current control means 12. The output signal of the cooling temperature control circuit 20 is sent to the heater 2 shown in FIG. 5 via the output terminal 22.
9 as a control current to variably control its temperature. Further, the output signal of the radar drive circuit 21 is transmitted to the output terminal 23.
The current is supplied to the semiconductor radar 1 (laser diode 25 in FIG. 5) as a driving current.

半導体レーザ1は第5図に示す如く、レーザダイオード
25がマウント台26を介してアルミニウム(An又は
銅(Cu)1の板状のヒートシンク27の先端側表面に
取付けられ、またヒートシンク27の裏面には温度セン
サ28が取付けられ、更にヒートシンク27の他端側に
は例えばマンガニン線が巻回された構成のヒータ29が
設けられた構成とされており、ヒータ29の一方の面に
は液体窒素などの冷媒30が接触されている。
In the semiconductor laser 1, as shown in FIG. A temperature sensor 28 is attached to the heat sink 27, and a heater 29 made of, for example, a manganin wire wound thereon is provided on the other end of the heat sink 27, and one surface of the heater 29 is heated with liquid nitrogen or the like. refrigerant 30 is in contact with the refrigerant 30.

従って、レーデダイオード25は冷媒30によって冷却
され、かつ、ヒータ29によってその素子温度が可変制
御される。このレーデダイオード25の素子温度とモー
ドホップの生じる波長との関係は予め調べられており、
これにより前記温度制御が行なわれる。
Therefore, the radar diode 25 is cooled by the coolant 30, and the element temperature is variably controlled by the heater 29. The relationship between the element temperature of the radar diode 25 and the wavelength at which mode hops occur has been investigated in advance.
This performs the temperature control.

次に本実施例によるモードホップシフト動作について更
に詳細に説明する。マイクロコンピュータ19によりΔ
/D変換器18の出力ディジタル(、i号に基づいて得
られた、正常動作時の規格化二次微分信号スペクトルが
第6図(A)に示す如きものであり、このとき素子冷却
温度がT1、極大点における吸収中心レーザ駆動電流が
■。で、レーザ駆?JJM流は1゜を中心として2つの
極小点をカバーするIO±Δ1の範囲内で走査(スキャ
ン)されているものとする。
Next, the mode hop shift operation according to this embodiment will be explained in more detail. Δ by the microcomputer 19
The normalized second-order differential signal spectrum during normal operation obtained based on the output digital signal (i) of the /D converter 18 is as shown in FIG. 6(A), and at this time, the element cooling temperature is T1, the absorption center laser drive current at the maximum point is ■.The laser drive JJM flow is assumed to be scanned within the range of IO±Δ1, which covers the two minimum points with the center at 1°. .

その後、半導体レーザ1(レーザダイオード25)の経
時変化により、上記の規格化二次微分信号スペクトルが
第6図(B)に示す如く極大点P  と右側の極小点P
HRとの間にモードホップAX PHoが生じたものとすると、本来の極小点PHRが現
われず、測定誤差となる。
Thereafter, as the semiconductor laser 1 (laser diode 25) changes over time, the normalized second-order differential signal spectrum changes from the maximum point P to the minimum point P on the right side, as shown in FIG. 6(B).
If a mode hop AX PHo occurs between HR and HR, the original minimum point PHR will not appear, resulting in a measurement error.

そこで、本実施例ではレーザダイオード25が素子温度
を低下させるとモードホップの波長位置が短波長側ヘシ
フトするものであるとすると、マイクロコンピュータ1
9は冷却温度制御回路20に対して設定温度を変更し、
スペクトル中のモードホップPHoの波長位置が極小点
PHRの右側へ移動するように、より冷却するよう指示
する。
Therefore, in this embodiment, assuming that when the laser diode 25 lowers the element temperature, the wavelength position of the mode hop shifts to the shorter wavelength side, the microcomputer 1
9 changes the set temperature for the cooling temperature control circuit 20;
An instruction is given to further cool the wavelength position of the mode hop PHo in the spectrum so that it moves to the right of the minimum point PHR.

これにより、上記スペクトルは全体が短波長側ヘシフト
し、素子温度(冷却温度)がT2(<T 1)の時に第
6図(C)に示す如く極小点PHR′が現われ、かつ、
その右側にモードホップPHo′が位置する。
As a result, the entire spectrum shifts to the shorter wavelength side, and when the element temperature (cooling temperature) is T2 (<T1), a minimum point PHR' appears as shown in FIG. 6(C), and
Mode hop PHo' is located on the right side thereof.

ただし、このままでは第6図(C)かられかるように、
同一レーザ駆動1流I。±ΔIで発振波長を観測してい
ると長波長側にシフトしたこととなり、右側の極小点P
H11′の発振波長をカバーできない。このため、マイ
クロコンピュータ19はレーザ駆動回路21に走査レー
デ駆動電流の始点と終点値を変更指示し、第6図(D)
に示す如く極大点PHAX′ におけるレーザ駆動電流
11を中心にして左、右の極小点PML’及びPHR′
を夫々カバーするような発振波長が得られる11±ΔI
なる範囲(スキャン幅)でレーザ駆動電流を変化させる
However, if this continues as it is, as shown in Figure 6 (C),
Same laser drive 1st class I. If the oscillation wavelength is observed at ±ΔI, it will be shifted to the long wavelength side, and the minimum point P on the right side
It cannot cover the oscillation wavelength of H11'. Therefore, the microcomputer 19 instructs the laser drive circuit 21 to change the starting point and end point values of the scanning radar drive current, as shown in FIG. 6(D).
As shown in FIG.
11±ΔI that can obtain oscillation wavelengths that cover each of
The laser drive current is changed within a range (scan width).

このようにして、本実施例によれば、モードホップが発
生しても規格化二次微分信号スペクトルに2つの極小点
と1つの極大点とを得ることかでき、これよりガス濃度
を算出することができる。
In this way, according to this embodiment, even if a mode hop occurs, it is possible to obtain two minimum points and one maximum point in the normalized second-order differential signal spectrum, and from this, the gas concentration can be calculated. be able to.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

上述の如く、本発明によれば、半導体レーザの経時変化
により規格化二次微分信号スペクトル中にモードホップ
が生じてスペクトルの不連続が生じても、その影響を受
けることなくガス濃度の測定を継続することができ、レ
ーザ方式ガスセンサのガス濃度測定の信頼性を向上する
ことができると共に、半導体レーザを見掛は上長寿命化
することができるなどの特長を有するものである。
As described above, according to the present invention, even if mode hops occur in the normalized second-order differential signal spectrum due to changes in the semiconductor laser over time and spectral discontinuity occurs, gas concentration can be measured without being affected by the discontinuity. It has the advantage that it can be used continuously, improve the reliability of gas concentration measurement by the laser type gas sensor, and increase the apparent lifespan of the semiconductor laser.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の要部の原理構成図、 第2図は差分スペクトルを示す図、 第3図は素子冷却温度の変化によるモードホップのシフ
トを説明する図、 第4図は本発明の要部の一実施例のブロック図、第5図
は半導体レーザ及びその温度制御構造の一例を示す図、 第6図は第4図の動作説明用規格化二次微分信号スペク
トル図、 第7図はレーザ方式ガスセンサの概略ブロック図、 第8図は第7図の動作説明用信号スペクトル図、第9図
は半導体レーザの特性が変化したときの規格化信号のス
ペクトルの一例を示す図である。 図において、 1は波長可変半導体レーゾ、 2はビームスプリッタ、 3は測定セル、 4.6は光検知素子、 5は参照セル、 7.8は信号処理回路、 9は信号処理[1゜ 10はモードホップ検出手段、 11は温度制御手段、 12はレーザ駆動電流制御手段、 19はマイクロコンピュータ、 20は冷却温度制御回路、 21はシー11駆動回路 を示ず。 本発明の要部の原理構成図 第1図 レーザ駆動電流 差分ス4クトルを示す図 第2図 1ル レーザ駆動電流 素子冷却温度の変化によるモードホップのシフトを説明
する図 第3図 信号処理装置、9 信号処理回路、8 本発明の要部の一実施例のブロック図 第 図 制御構造の一例を示す図 第5図 レーザ駆動電流 レーザ駆動電流 第4図の動作説明用規格化二次微分 信号ス浸りトル図 第 6 図(その2) レーザ駆動電流 レーザ駆動電流 第4図の動作説明用規格化二次微分 信号ス被りトル図 第 6 図(その1) レーザ方式ガスセンサの概略ブロック口笛 図 レーザ駆動電流 第 図
Figure 1 is a diagram showing the principle configuration of the main parts of the present invention, Figure 2 is a diagram showing a difference spectrum, Figure 3 is a diagram explaining mode hop shifts due to changes in element cooling temperature, and Figure 4 is a diagram showing the principle of the present invention. A block diagram of an embodiment of the main part, Fig. 5 is a diagram showing an example of a semiconductor laser and its temperature control structure, Fig. 6 is a normalized second-order differential signal spectrum diagram for explaining the operation of Fig. 4, Fig. 7 8 is a schematic block diagram of a laser type gas sensor, FIG. 8 is a signal spectrum diagram for explaining the operation of FIG. 7, and FIG. 9 is a diagram showing an example of the spectrum of a normalized signal when the characteristics of a semiconductor laser change. In the figure, 1 is a wavelength tunable semiconductor laser, 2 is a beam splitter, 3 is a measurement cell, 4.6 is a photodetector, 5 is a reference cell, 7.8 is a signal processing circuit, 9 is a signal processing [1°10 is A mode hop detection means, 11 a temperature control means, 12 a laser drive current control means, 19 a microcomputer, 20 a cooling temperature control circuit, and 21 a sea 11 drive circuit are not shown. Fig. 1 is a diagram illustrating the principle structure of the main parts of the present invention. Fig. 2 is a diagram showing the laser drive current differential vector. 9 Signal processing circuit, 8 Block diagram of an embodiment of the main part of the present invention. A diagram showing an example of a control structure. FIG. 5 Laser drive current Laser drive current FIG. Immersion torque diagram Figure 6 (part 2) Laser drive current Laser drive current Current chart

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims]  波長可変半導体レーザ(1)より放射されたレーザ光
を光学手段(2)により二光路に分岐し、一方は測定セ
ル(3)内の被測定ガスに透過させて第1の光検知素子
(4)に入射し、他方は参照セル(5)内の参照ガスに
透過させて第2の光検知素子(6)に入射し、該第1及
び第2の光検知素子(4、6)により各々光電変換して
得られた電気信号を第1及び第2の信号処理回路(7、
8)に供給して夫々第1及び第2の規格化二次微分信号
を生成し、これらの規格化二次微分信号に基づいて信号
処理装置(9)で被測定ガスのガス濃度を算出するレー
ザ方式ガスセンサにおいて、前記第2の規格化二次微分
信号から一定差分幅で生成した差分信号のレベルに基づ
いてモードホップを検出するモードホップ検出手段(1
0)と、該モードホップ検出手段(10)により前記第
2の規格化二次微分信号中の2つの極小点間で検出され
た前記モードホップ位置を該2つの極小点間の外へシフ
トするよう前記半導体レーザ(1)の素子温度を制御す
る温度制御手段(11)と、該半導体レーザ(1)の素
子温度の制御によりシフトした前記第2の規格化二次微
分信号に対応して、レーザ発振波長が上記2つの極小点
間に収まるようにレーザ駆動電流を制御するレーザ駆動
電流制御手段(12)とを、前記信号処理装置(9)に
備えたことを特徴とするレーザ方式ガスセンサ。
The laser beam emitted from the wavelength tunable semiconductor laser (1) is split into two optical paths by the optical means (2), and one optical path is transmitted through the gas to be measured in the measurement cell (3) to the first photodetector element (4). ), and the other is transmitted through the reference gas in the reference cell (5) and is incident on the second photodetecting element (6), and the first and second photodetecting elements (4, 6) respectively detect The electrical signal obtained by photoelectric conversion is sent to the first and second signal processing circuits (7,
8) to generate first and second normalized second-order differential signals, respectively, and the signal processing device (9) calculates the gas concentration of the gas to be measured based on these normalized second-order differential signals. In the laser type gas sensor, mode hop detection means (1
0), and shifting the mode hop position detected between two minimum points in the second normalized quadratic differential signal by the mode hop detection means (10) to outside between the two minimum points. temperature control means (11) for controlling the element temperature of the semiconductor laser (1), and corresponding to the second normalized second-order differential signal shifted by controlling the element temperature of the semiconductor laser (1), A laser-type gas sensor characterized in that the signal processing device (9) is equipped with a laser drive current control means (12) for controlling the laser drive current so that the laser oscillation wavelength falls between the two minimum points.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0838636A3 (en) * 1996-10-24 1999-11-03 FEV Motorentechnik GmbH Method of controlling a heating device supplied with a gas of variable compositions and device for carrying out this method

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EP0838636A3 (en) * 1996-10-24 1999-11-03 FEV Motorentechnik GmbH Method of controlling a heating device supplied with a gas of variable compositions and device for carrying out this method

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