JPH03277945A - ガス検知装置 - Google Patents

ガス検知装置

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JPH03277945A
JPH03277945A JP24633190A JP24633190A JPH03277945A JP H03277945 A JPH03277945 A JP H03277945A JP 24633190 A JP24633190 A JP 24633190A JP 24633190 A JP24633190 A JP 24633190A JP H03277945 A JPH03277945 A JP H03277945A
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laser
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methane
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JP24633190A
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English (en)
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Kiyoji Uehara
上原 喜代治
Hiroaki Tanaka
弘明 田中
Masayuki Matsuura
松浦 正行
Hideo Tai
田井 秀男
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Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は半導体レーザを用いたガス検知装置に関する。
(従来技術) 特定波長のレーザ光かある種の気体に吸収され易いこと
を利用して気体の有無を検出てきることか知られており
、この原理を応用したセンシンク技術か工業計測、公害
監視などに広く用いられている。−例として、He−N
eレーザにより発生されるレーザ光の3.39uLm帯
には真空波長か3.3922終m(λ1)と3.391
2弘m(入、)の2つの発振線があり、入1はメタンに
強く吸収され、λ2はメタンにわずかしか吸収されない
。そこて回し強度をもつ2つの波長のレーザ光を測定ガ
スに当て、透過光強度の差から使ってメタンの有無を感
度よく検出することか可能である。メタンは都市ガスの
生成分であるのてメタンガスの検出によって都市ガスの
漏洩か検知てきる。
この種のメタン漏洩センサか米国特許第4.489,2
39号に提案されている。このセンサは2台のレーザの
他に2台のチョッパーと2台のロックインアンプか必要
なため装置か大かかりである。この米国特許には、同時
に、このセンサ゛の欠点を解決できる2波長発振レーザ
を使ったセンサシステムも提案されているか、温度変化
などの原因により、2波長の出力を完全に等しく保つこ
とか困難であるという問題か残る。
別の方法として、1台のメカニカルチョッパーを用い、
2つのレーザからの2波長の出力を等しく調整する方法
も提案されているか、このような構成のメタン検知シス
テムは多数のミラーやハーフミラ−を用いるため光学系
か複雑て大きな体積を要する上、光軸調整が厄介であり
、レーザ光の損失も大きい。また信号処理か複雑な上、
メカニカルチョッパーを使うため高い周波数ての変調か
てきずSN比(信号対漏音比)の点で不利であるなとの
問題かある。
そこて木発明者らは特開昭62−290190号に3い
て、上記従来のガス検知システム、特にそれに用いるレ
ーザ装置の欠点を解消した新規な2波長発振レーザ装置
を提案した。この2波長発振レーザ装置は、駆動電流に
応じた波長および出力のレーザ光を発振する半導体レー
ザと特、定ガスを含む基準セルを用い、所定の電流を中
心として異なる2つの電流て半導体レーザを駆動して、
異なる2波長のレーザ光を交互に発振せしめ、かつレー
ザ光強度は一定になるように駆動電流にフィードバック
をかけるように構成されているのて、1台のレーザ装置
を用いて簡潔な構成てガス検知かてきる。
しかし、この手法ては、レーザ光の波長は特定ガスの吸
収線の中心からずれた位置に安定化される上、レーザ光
はすてに基準セルによりかなり減衰しているため、高感
度なガス検知かできない。
さらに、任意標的からのレーザ光の反射を用いてガス検
知を行なう場合、カスの量か同しても反射の条件か異な
ると異なった値を指示してしまい、定量測定かてきない
という問題かある。
(発明の[1的および構成) 本発明は上記の点にかんかみてなされたもので、高周波
て変調された半導体レーザを用いたカス検知装置におい
て、高感度のカス検知を行なうことを目的とし、この目
的を達成するために、駆動電流および温度に応じた波長
および出力のレーザ光を発振する半導体レーザな用い、
所定の電流を中心として特定の周波数て駆動電流を変調
することにより波長および強度か変調されたレーザ光を
発振せしめ、変調周波数の基本波検波信号または2倍波
検波信号か0となるように半導体レーザの駆動電流およ
び温度のいずれか一方または両方を制御するとともに、
そのレーザ光を未知濃度のガスを含む測定雰囲気に通し
、その通過レーザ光の2倍波検波信号または基本波検波
信号によりガスの濃度を検出するように構成した。
(以下余白) (実施例) 以下本発明を図面に基づいて説明する。
実施例の説明に先立って本発明の理解に必要な基本事項
を説明する。
(1)周波数変調法 分光測定において、測定感度を向上させる一つの方法に
周波数変調法という手法がある。光の周波数をなんらか
の手段で変調し、その光が対象吸収ガスを通過すると、
受光した赤外センサの出力信号は直流成分のほか変調周
波数と同じ基本波成分およびその高調波成分を持つ。そ
のうち、基本波成分、2倍波成分を位相敏感検波すると
、それぞれ吸収線の周波数に関する一次微分、二次微分
に対応する信号を得ることができる。ここで位相敏感検
波とは、信号のうちの特定の周波数、特定の位相をもつ
成分だけを抽出してその振幅を測定することを意味し、
同じ周波数の基準信号とロックインアンプと呼ばれる装
置を用いて実現される。
この手法を用いると、通常、極めて高いSN比で微小信
号の検出を行うことができる。
ここで、半導体レーザを光源としメタンを検知する場合
を例にとって周波数変調法で得られる信号の性質につい
て説明する。
メタンの濃度(分圧)をcl  光路長を2としたとき
のレーザ光の透過率Tは、よく知られた通り・T = 
e x p (−a c Q )    −(1)と表
される。αはメタンの吸収係数であり、大気圧中では、
一つの吸収線に着目すると次のようなローレンツ型の周
波数依存特性を有する。
Ω   : 先の周波数 ω、  : 吸収線の中心周波数 αo1 γ: 定数 第1図(イ)は半導体レーザを用いて観測した1、66
5μm付近のメタンの2ν、吸収帯の?収スペクトル、
同図(ロ)はその部分拡大図でおり、Q(6)線(波長
1.665μm)の場合、中心周波数ω1は約1.80
0xlO”Hz (波数表示では6002.6cm−’
)である。27は吸収線の半値幅を表し、1気圧空気中
のメタンでは約4X 10’ Hz (0,13cm−
’)である。
また、α。は吸収線の中心での吸収係数を表し、1気圧
空気中ではQ(6)線のα。は16m−’・atm−’
である。
αc12(1の場合、式(1)および(2)より、・・
・ (3) と近似できる。
半導体レーザの発振周波数Ωは温度と駆動電流の関数で
あるが、温度一定で駆動電流を周波数ωで変調すると、
Ωは次式にしたがって周波数ωで変調される。
Ω掌Ω。+ΔΩcosωt       ・・・(4)
Ω。 :半導体レーザの中心周波数 ΔΩ :周波数変調振幅 ω  :変調周波数 周波数変調振幅ΔΩは小さいのでTをΩ;Ω。
においてテーラ−展開し、 ΔΩの2次の項まで計 算すると、 となり、直流成分のほか、eO5ωt とcos2ωt
にしたがって変化する成分から成る。ここで、T。、T
o  To はそれぞれ透過率T1  その一次微分d
 T/dΩ、および二次微分d2T/dΩ2のΩ=Ω。
での値であり、以下のように与えられる。
・・・ (8) To、To  T0′の形状を第2図(イ)、 (ロ)
、(ハ)に示す。式(5)で表わされる透過率Tのうち
cosωtScos2ωを成分を位相敏感検波すれば、
それぞれT。  T0′に比例した信号が得られる。
第2図かられかるようにレーザの中心周波数Ω。とメタ
ンの吸収線の中心ω。が一致したとき、Toは最小、T
o はOS To は最大となる。
すなわち、式(6)、(7)、(8)よりそれぞれ、 To  (Ωg=(c)、)  = 1−a。c Q 
   ・=  (9)To   (Ω。=ω、)=0 
         ・・・ (10)To   (Ω0
=(lJj  =2a。c  Q/72−  (11)
となる。一方、式(8)より、To が0になるのは、 Ω 。 =  ω 。  ±   γ /IT    
      ・・・ (12)のときであり、そのとき
To は最大または最小となる。
(2)レーザの強度変調の影響 以上の議論では、レーザの発振周波数だけが変調される
と考えたが、半導体の駆動電流を変調すると、発振強度
も同時に変調を受ける。そのため、位相敏感検波した信
号には、吸収に無関係な成分が加わる。
いま、半導体レーザの駆動電流を周波数ωで変調すると
発振周波数は式(4)で与えられるのに対し、発振強度
Iは、 I=10+ΔIcos(ωt+φ)・(13)■o :
レーザ出力の中心強度 ΔI:強度変調振幅 と表わされる。ここで、φは周波数変調との間に生じる
位相差である。
メタンを通過後のレーザ光強度Pは、発振強度lと透過
率Tに比例するので、 P=A−1−T          ・・・(14)と
表わされる。ここで係数Aは反射条件などに依存する定
数で、任意反射面を標的として利用するシステムでは、
標的までの距離やその反射率により異なった値を取る。
式(14)に式(5)および(13)を代入して、 P=A [10+ΔI cos ((IJ を十φンコ
X  [CO+ΔΩ T(ICO5c+Jtと書かれる
。ただし、 である。
式(15)を展開してみると、周波数ωで変化する部分
は、微小項を無視して、 ACoΔI cos (ωt+φ) +AI。ΔΩT、)  cosωt   =・(17)
となり、位相の異なる2つの項から成る。したがって、
位相敏感検波をするときに、基準信号の位相の選び方に
よって、2つの項の寄与が異なる。
まず、式(17)の第1項の寄与が最大になる位相で基
本波検波して得られる信号をP(ω)、。
とすると、 P(ω)□8=A[Δ■C0 十 ■ 。  Δ Ω T(、’cos φ コ   
 ・   (18)と計算される。式(18)の第2項
は式(17)の第2項からの寄与である。ここで、第2
項の寄与を求める際に、 cosωt = cos (ωt+φ−φ)=cosφ
cos  (ω t +φ)+sinφsin  (ω
を十φ) ・・・(19)を用いた。
一方、式(17)の第1項の寄与が0になる位相で基本
波検波した信号をP(ω)1゜とすると、P((r) 
) 111+1 ;A I 。ΔΩT(、sinφ ・
 (20)となる。
第3図の上段および下段の図は式(2o)と(18)に
対応して、それぞれ強度変調信号が最小および最大にな
る基本波検波出力を示す。
次に、以上の予備的考察に基づき本発明によるメタンの
検知の手法を説明する。
メタンの吸収は、レーザの駆動電流を周波数ωで変調し
、透過光の基本波または2倍波での位相敏感検波信号に
より検知することができる。いずれの場合も最大感度を
得るためには、レーザの中心周波数をあらかじめ吸収線
の決められた位置に安定化することが必要となる。安定
化は、レーザ光の一部を、メタンの入った基準セルに通
すことによって実現できる。
まず、基本波検波でメタンを検出する場合には、中心周
波数Ω。を式(12)で与えられる周波数に安定化しな
くてはならない。そのためには、基準セルを通った光の
二次微分信号、すなわち2倍波検波信号を誤差信号とし
、それをOにするようにそのレーザ周波数を制御すれば
よい。
一方、2倍波検波でメタンを検出する場合には、中心周
波数Ω。をメタンの吸収線の中心に安定化しなければな
らない。そのためには、基準セルを通った光によって、
・式(20)で与えられる基本波検波信号P(ω)11
を測定し、それを0にするようにレーザの周波数を制御
すればよい。
レーザの周波数の制御は、温度および駆動電流への誤差
信号のフィードバックで行うことができる。
以上の2つの手法のどちらも実際に利用できることが確
認されているが、以下の実施例では基本波検波信号で周
波数を吸収線の中心に安定化させ、2倍波検波信号でメ
タンの検出を行う手法を採用する。
レーザ周波数をメタンの吸収線の中心に安定化させたの
ち、測定雰囲気通過後の光検出信号からcos2ωt 
成分を位相敏感検波して得られる信号P(2ω)は、 P (2(1)) =A Ia  (ΔΩ)’To’/
4−A1.  (ΔΩ)  2a6c  R/ 272
・・・ (21) となり、メタンの濃度Cと光路長9との積cQに比例す
る。すなわち、2倍波検波信号からメタンが検知できる
。もし、係数Aが一定であれば、P(2ω)から直ちに
メ、タンの定量測定が可能である。しかし、Aが変化す
るような測定条件下では、このままでは定量測定ができ
ない。その場合、次のようにして定量測定が可能となる
レーザの周波数がメタンの吸収線の中心ω、に安定化さ
れた状態で、基本波検波によりP(ω)□、を測定する
と、式(18) %式% (22) ) () との比Rを とってみると、 R=P  (2ω)/P (ω)、18となる。このR
には1反射条件に依存する定数Aが含まれていないので
、反射条件に関係なくRからメタンの濃度・光路長積c
Qを求めることができる。
第4図は一定量のメタンがあり、反射条件に依存する定
数Aが変わったときに得られる信号P(2ω)とP(ω
)。6.およびその比Rの変化を示している。ただしA
の3つの値はA 1) A 2〉Asの関係となってい
るものとする。同図(イ)および(ロ)のように、P(
2ω)およびP(ω)、、。
8が変化してもその比Rは同図(ハ)のように反射条件
によらず一定となる。すなわち、レーザの周波数を吸収
線の中心に安定化した状態で、基本波検波と2倍波検波
を同時に行うことにより、メタンの定量測定ができる。
このように、本発明によれば、反射条件に影響されず正
確なガス濃度検知ができる。
第5図はメタンの定量測定を目的とした本発明によるガ
ス検知装置の一実施例を示す。
図において、lは半導体レーザ、2は半導体レーザ1か
ら発生するレーザ光を平行光にするコリメートレンズ、
3はレーザ光を分割するビームスプリッタ、4は未知濃
度のメタンを含むガスを入れるためのテストセルでメタ
ンガスの濃度が調整できるようになっている。5はメタ
ンセル4を通過したレーザ光を集光する集光レンズ、6
はレーザ光の強度を検知するPINホトダイオードなど
の光検出器、7は既知濃度のメタンを含むガスを入れる
基準セル、8は基準セルフを通過したレーザ光を集光す
る集光レンズ、9は基準セルフを通過したレーザ光の強
度を検知するPINホトダイオードなどの光検出器、1
0は半導体レーザlの温度を制御するためのペルチェ素
子、11は周波数ωの基準信号を発振する発振器、12
は周波数ωに同期して光検出器9の出力成分を検出する
ロックインアンプ、13は周波数ωを2倍にする倍周器
、14は周波数ωの2倍の周波数2ωに同期して検出器
6の出力成分を検出するロックインアンプ、15はロッ
クインアンプ12の出力を積分する積分器、16はロッ
クインアンプ12の出力に応じて出力電流を制御して一
定の電流を出力する定電流電源、17は積分器15の出
力に基づいて正極性または負極性の定電流を出力する両
極性定電流電源、18はロックインアンプ14の出力(
P(2ω))を記録するレフーダである。
次に上記装置の動作を説明する。
変調周波数ωが高いほど検知のSN比が高いと予想され
るので、発振器11の発振周波数ωを25MHzに選ん
だ。発振器11から出力する26MHzの正弦波変gi
igは、コンデンサCを介して定電流電源16からの一
定電流に重畳して半導体レーザ1を駆動する。定電流電
源16の出力側には、発振器11の出力による影響を防
ぐためにインダクタンスLが接続されている。
一方、倍周器13は発振器11から出力する基準信号の
周波数ω(25MHz)を2倍にして50MHzの参照
信号を作る。
まず、テストセル4にメタン1%を含む窒素ガス1気圧
を入れ、半導体レーザ1の周波数を掃引したときの2倍
波検波信号は第6図に示すようになる。この図かられか
るように、メタンの吸収線のうちQ(6)線が最も大き
な信号を与えているので、測定した範囲内ではメタン検
知に用いる線としてはQ(6)線が最適であることがわ
かる。
そこで、竿導体し−ザエの発振周波数をこのQ(6)線
の中心に安定化するために、基準セルフに全圧が1気圧
のメタン混合ガスを入れ、検出器9からの出力をロック
インアンプ12により検出し、その基本波検波信号P(
ω)、1を誤差信号として積分器15で積分し、その積
分値を用いて両極性定電流電源17からペルチェ素子1
0に正または負の電流を流して半導体レーザlの温度を
制御する。同時に、定電流ii!源16はロックインア
ンプ12の出力に基づいて半導体レーザ1の駆動電流を
制御する。
このようにして、半導体レーザ1の周波数をQ(6)線
の中心に安定化したのち、検出器6の出力から周波数2
ωに同期したロックインアンプ14によりP(2ω)を
測定し、テストセル4中のメタンガスを検出する。この
P(2ω)はレコーダ18に記録される。式(21)か
られかるように、このP(2ω)には反射条件に依存す
る定数Aが含まれているが、測定環境が変化せずAが一
定である場合は、濃度Cと光路長Qとの積cg1が求め
られ、さらに2がわかっていればメタン濃度Cを測定す
ることができる。
上に述べた方法により、半導体レーザ1の発振周波数を
Q(6)線の中心に合わせたのち、テストセル4に最初
真空の状態からメタン1%を含む窒素ガス1気圧を入れ
、続いて排気した。そのとき得られた2倍波検波信号は
第7図のようになる。
同図の右側に100倍に拡大した雑音を示す。第7図よ
り、SN比は約4000となる。検知限界のSN比を1
とすると、検知可能な濃度・光路長積c9はf、3pp
m−mと計算され、この感度は2波長発振He−Neレ
ーザを用いた場合の感度に匹敵する。
上記実施令において、メタンセル4として入射レーザ光
をミラーにより複数回反射させて光路長を30mにした
多重反射セルを用い、セル内に1゜6ppmのメタンを
含む空気を入れて実験したところ、そのメタンをSNN
i2O3測定することができた。この場合の検知可能な
メタン濃度は約10ppbと計算される。このように多
重反射セルを用いる等の方法で光路長を長(とると、検
出感度は飛躍的に向上することがわかる。
第8図は任意の反射面を利用したメタンの遠隔定量測定
用の本発明によるガス検知装置の他の実施例である。図
において、第1図と同じ参照数字は同じ構成部分を示し
ている。
この実施例はレーザ光源から発生されるレーザ光を測定
雰囲気に通した後反射面で反射させ、その反射光を検出
して測定雰囲気中のメタン濃度を測定しようとするもの
である。装置の構成要素は第4図に示した実施例とほと
んど同じであるが、LDコントローラ100は、第4図
に示した実施例の発振器11、ロックインアンプ12、
倍周器13、積分器15、定電流電源16、両極性定電
流電源17とから成るものであり、LDモジュール20
0は、半導体レーザ1と、コリメータレンズ2と、ビー
ムスプリッタ3と、基準セルフと、集光レンズ8と、光
検出器9と、ペルチェ素子lOとから成るものである。
この実施例が第5図の実施例と構成上具なる点は、テス
トセル4を通過し反射面300で反射したレーザ光を集
光するための大口径の集光レンズ21が設けられている
点と、測定環境の変化による影響をなくすために、ロッ
クインアンプ14と並列に変調周波数ωに同期して光検
出器6の出力(P(ω) 、、、、 )を検出するもう
1つのロックインアンプ19と、さらに、ロックインア
ンプ14の出力P(2ω)をロックインアンプ19の出
力P(ω)46.で割算してR=P (2ω)/P(ω
)、、、を求める割算器20とを設けた点であり、この
割算器20の出力Rをレコーダ18に記録するようにし
ている。
この実施例の動作は第5図に示した実施例と実質的に同
じであるが、上述した式(23)かられかるように、割
算器20から得られるRには測定環境の反射条件に依存
する定数Aが含まれていないので、反射条件の影響を受
けずに、濃度・光路長積c9が測定できる。
この実施例は第5図の実施例が据付は型であるのに対し
て、携帯型の1ガス検知装置として利用でき、測定雰囲
気に向けてレーザ光を発することによりガス漏れ検知が
できる。
上記2つの実施例はいずれもレーザ光の変調周波数の基
本波検波信号を用いて半導体レーザの発振周波数を安定
化し、2倍波検波信号によりガス濃度を検知するように
したが、逆に2倍波検波信号を用いて半導体レーザの発
振周波数を安定化し、基本波検波信号によりガス濃度を
検知するようにしてもよい。この場合は、ロックインア
ンプ12を2ωで、ロックインアンプ14をωで同期さ
せるようにすればよい。
(以下余白) (発明の効果) 以上説明したように、本発明に3いては、駆動電流およ
び温度に応じた波長および出力のレーザ光を発振する半
導体レーザを用い、所定の電流を中心として特定の周波
数で、波長および出力か変調されたレーザ光を発振せし
め、変調周波数の基本波検波信号または2倍波検波信号
が0となるように半導体レーザの駆動電流および温度の
一方または両方を制御するとともに、そのレーザ光を未
知濃度のガスを含む測定雰囲気に通し、その通過レーザ
光の2倍波検波信号または基本波検波信号によりガスの
濃度を検出するように構成したのて、ガス濃度を高感度
て且つ正確に検出てきる。
またレーザ光の周波数の基本波成分Σよび2倍波酸分を
検出して両者の比を求めることにより測定環境に影響を
受けずに正確なガス濃度検知かできる。従って、携帯型
として任意の雰囲気中のガス漏れ検知などに有効に利用
できる。また、本発明は、複数のガスか混在する雰囲気
の中から特定のガスを選択してその濃度を検出すること
かできることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
第1図(イ)はメタンの吸収スペクトル線図、第1図(
ロ)は同吸収スペクトル線図の部分拡大図、第2図(イ
)はメタンの吸収に基づく透過率、第2図(ロ)は第2
図(イ)に示したメタン吸収線の一次微分信号、第2図
(ハ)は同メタン吸収線の二次微分信号、第3図はメタ
ン吸収線の位相敏感検波出力を示す図、第4図(イ)、
(ロ)、(ハ)は本発明による検出信号および測定結果
を示す図、第5図は本発明によるガス検知装置の実施例
のブロック線図、第6図はメタンの2倍波検波信号の波
形図、第7図は2倍波検波によるメタンの検知信号、第
8図は本発明によるガス検知装置の他の実施例のブロッ
ク線図である。 l・・・半導体レーザ、2−・・コリメートレンズ、3
・・・ビームスプリッタ、4・・・テストセル、5,8
・・・集光レンズ、6.9−・・光検出器、7・・・基
準セル。 10・・・ベルチェ素子、11・・・発振器、12.1
4・・・ロツ”クインアツブ、13・・・倍周器、15
・・・積分器、 1 6・・・定電流電源、 7・・・両極性定電流電 源。 18−・・レコーダ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)駆動電流および温度に応じた波長および強度のレ
    ーザ光を発振するレーザと、所定の温度で且つ所定の電
    流値を中心にして所定の振幅で該レーザの駆動電源を変
    調するレーザ駆動回路と、前記レーザにより発振するレ
    ーザ光の中心波長を特定のガスの吸収線の所定の位置に
    安定化させる波長安定化手段と、測定雰囲気通過後のレ
    ーザ光の強度を検出する光検出器と、該光検出器の出力
    に基づいて測定雰囲気中の特定ガスの定量測定を行なう
    測定手段からなることを特徴とするガス検知装置。
  2. (2)前記波長安定化手段は、レーザ光の変調周波数の
    基本検波信号が0となるかまたは2倍波検波信号か0と
    なるように半導体レーザの駆動電流および温度のいずれ
    か一方または両方を制御する請求項1に記載のガス検知
    装置。
JP24633190A 1990-03-27 1990-09-18 ガス検知装置 Pending JPH03277945A (ja)

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