JPH04136745A - ガス検出装置 - Google Patents

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］ この発明はガスによる赤外線の吸光現象を利用してガス
検出を行うもので、特に光源として半導体レーザを利用
したガス検出装置に間するものである。

［従来の技術］ ガスに赤外線を照射した場合、そのガス特有の波長に吸
光スペクトルが存在する。従来より、このような吸光現
象を利用したガス検出装置の開発が進められてきており
、最近では、光源として半導体レーザを利用し、検査空
間にレーザ光を投射する遠隔型のガス検出装置が開発さ
れつつある。

第６図は、例えば、特開平１−３０４３４４号公報に示
された従来のガス検出装置を示す構成図であり、図にお
いて、　（３１）は発振波長を特定ガスの吸収波長に合
わせた半導体レーザ（以下、ＬＤと記す）、　（３２）
はＬＤ（３１）用の駆動装置、　（３３）は特定ガスの
吸収波長からずれた波長を持つＬＤ、　（３４）はＬＤ
　（３３）用の駆動装置、　（３５）はＬＤ（３１）を
強度変調するための正弦波を発生する発振器、　（３６
）は発振器（３５）からの正弦波信号の位相をπだけず
らして駆動装置（３４）に供給するための位相調整器、
（３７）はＬＤ（３１）、ＬＤ　（３３）から発射され
た各ビームを重畳するビームスプリッタ−（３８）は外
部へビームを投射するために光路を偏向する鏡、　（３
９）は反射光を集光する集光用レンズ、　（４０）は検
出器、　（４１）はバンドパスフィルター、　（４２）
はバンドパスフィルター（４１）を通過した信号の振幅
を測定する振幅測定器、　（４３）は反射面である。

次に動作について説明する。

ＬＤ（３１）を駆動装置（３２）を用いて測定対象ガス
の吸光波長にあわせて発振させるとともに、発振器（３
５）を用いて特定周波数ｆ１をもつ正弦波にて強度変調
をかける。一方、ＬＤ　（３３）は駆動装置（３４）を
用いて該ガスの吸光波長からずれた波長で発振させられ
るとともに、位相調整器（３６）によって、発振器（３
５）から発生する信号をπだけ位相をずらした正弦波信
号で強度変調をかけられる。このとき、２台のＬＤの発
振強度は等しくなるように調整をしておく。このように
して発振させられた二つのＬ　Ｄビームはビームスプリ
ッタ−（３７）、鏡（３８）を介して一本のビームとな
り、反射面（４３）上に照射される。反射面（４３）か
ら反射された光は、集光レンズ（３９）によって、検出
器（４０）上に集光される。検出器（４０）によって光
電変換された信号はバンドパスフィルタ（４１）によっ
て、発振器（３５）による強度変調の周波数成分のみを
通過させた後、振幅測定器（４２）によって、通過した
信号の振幅を測定する。出射したＬＤビームの光路上に
ガスが存在しない場合、集光された光の中で、ＬＤ（３
１）、ＬＤ　（３３）によって発光した光はともに同じ
振幅を持って集光されることから、互いの強度変調分は
打ち消し合い、検出器（４０）から出力される信号はＤ
Ｃ信号となり、バンドパスフィルタ（４１）を通過する
信号成分は０となる。一方、光路上にガスが存在する場
合、二つのＬＤビームのうち、ＬＤ（３１）から発振し
た光はガスによって吸収されるため、集光される光のう
ちＬＤ（３１）から出る光の強度はＬＤ　（３３）と比
較して減少する。このため、検出器（４０）からの出力
は変調周波数で正弦波的に変化する変調成分を持つ信号
となり、振幅測定器（４２）で振幅が測定され、その振
幅量はガスによる光の吸収量に対応する。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のガス検出装置は以上のように構成されていたので
、ＬＤ、及び駆動装置がそれぞれ２台必要となることか
ら装置規模が増大するとともに、二台のＬＤから発射さ
れたビームを同一光路に厳密にあわせる必要があり、光
学系の調整が困難となるといった装置構成上の問題点が
あった。さらに、ガス以外の要因による受光強度の変動
、例えばＬＤそのものの強度変動や波長変動によって生
じるガスに対する吸収率の変化等、によって検出結果が
影響されるといった測定上の問題点かあった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、光学系の簡易化を実現するとともに、ＬＤ自
身の強度変動や波長変動の影響を受けないガス検出装置
を得ることを目的としたものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係わるガス検出装置は、複数の発振縦モード
を有する半導体レーザ、温度、電流を変化させて、上記
半導体レーザの波長を変化させる半導体レーザ駆動回路
、上記複数の発振縦モードのうちの一つのモードを選択
し、抽出する波長分離器、この波長分離器を制御して、
検出ガスの吸光波長にあわせた検出モードと上記吸光波
長よりずれた参照モードを切換える切換え手段、上記波
長分離器から出射した出射光の一部を受光する第１の光
学系、上記出射光を検出環境に投光し、受光する第２の
光学系、第１の光学系の受光強度と第２の光学系の受光
強度との間の強度比を算出する演算手段、及び上記検出
モードに対する上記強度比と上記参照モードに対する上
記強度比の差または比の変化を調べてガスの存在を判定
する判定手段を備えたものである。

［作用コ この発明におけるガス検出装置は、光源として１台のＬ
Ｄを用いるが、光源となるこのＬＤは、通常複数の発振
縦モードを有している。このため、このうち−本の縦モ
ードがガスの吸光波長と一致するように波長を同調させ
、各モードを選択的に分離し出力させることにより、１
台のＬＤでガス検出用の光と参照用の光を取り出せるこ
とが可能となる。また、ＬＤの出射光の一部を取り出し
てモニターし、得られた該モニター強度と受光強度との
比を常に測定する。このとき、ＬＤ自身の強度変動及び
波長変動は、面談強度に同等の影響を及ぼすことから、
測定した該比を検出モード、参照モードで比較し、その
変化の検出からガス検出を行うことにより、ＬＤ発振光
の強度変動及び波長変動の影響を除去することが可能と
なる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例によるガス検出装置を示す構成
図であり、図において、　（１）は半導体レーザ（ＬＤ
）、　（２）はＬＤの駆動回路、（３）は出射ビームを
平行ビームに変換するビームコリメート系、　（４）は
エタロン、　（５）はエタロン（４）に取り付けられた
回転機構、　（６）は回転機構（６）を駆動制御するコ
ントローラ、（７）はＬＤビームを分離するビームスプ
リッタ−（８）はＬＤビームを外部へ投光するための光
路偏向用の鏡、（９）はビームスプリッタ（７）を透過
した光を受光する検出器、　（１０）は検出器（９）か
らの出力を増幅するアンプ、　（１１）は検査空間内に
ある構造体などの表面、　（１２）は構造体表面（１１
）からの散乱光を集光する集光鏡、　（１３）は集光し
た散乱光を受光する検出器、　（１４）は検出器（１３
）からの出力を増幅するアンプ、　（１５）はアンプ（
１０）とアンプ（１４）からの出力の比を取る割算器、
（１６）はコントローラ（６）から出力されるエタロン
回転制御信号に同期して割算器（１５）出力を、測定の
モードに応じて記憶する機能を持つメモリ、（１７）は
記憶していた両モードの測定結果を比較し、その比率の
変化の検知によって、ガス検出の有無を判断する判定回
路である。また、第２図（ａＸｂ）（ｃ）は各々、ガス
の吸光スペクトルとＬＤの発振スペクトルの関係を示す
特性図であり、図において、　（１８）は測定対象ガス
の吸光スペクトル、　（１８１）は吸光スペクトルの中
心波長、（１９）はＬＤの発振スペクトル、　（２０）
及び（２１）はエタロンを回転させたときに得られる透
過率分光分布、　（２２）はエタロンの透過率分光分布
が分布（２０）のときにエタロンを透過したＬＤビーム
のスペクトル、　（２３）はエタロンの透過率分光分布
が分布（２１）の場合においてエタロンを透過した光の
スペクトルを示す。また、第３図はこの発明の一実施例
によるガス検出装置における検出データを示す曲線図で
あり、図において、　（２４）は参照モードにおいて測
定されたモニタ強度と受光強度との間の強度比、　（２
５）はガスが存在しない場合の検出モードにおいて測定
された上記強度比、　（２６）は測定ガスが存在する場
合に検出モードで測定された上記強度比、（２７）、　
（２８）は参照モードによる測定区間、（２９）、　（
３０）は検出モードによる測定区間を示す。また、第４
図はこの発明の一実施例に係わる判定回路を示すブロッ
ク図であり、図において、　（４５）、　（４６）はメ
モリ（Ｉ６）に格納された測定データを保持するフリッ
プフロップ、（４７）はフリップフロップ（４５）、　
（４６）からの両出力データの閏の差を演算する減算器
、（４９）はプリセット値を保持するフリップフロップ
、　（４８）は減算器（４７）からの出力データと上記
プリセット値との間の差を演算する減算器、　（５０）
は減算器（４８）からの出力データの正負に応じてガス
発生の有無を表示する検出結果表示器である。

次に動作について説明する。

ＬＤ　（１）は複数の縦モードを持って発振する。

このときＬＤ　（１）はＬＤ駆動回路（２）で温度、電
流をコントロールすることにより１、発振スペクトルが
持っている縦モードの一つをガスの吸光波長に同調させ
る。このようにコントロールされたＬＤ（１）からでた
光は、ビームコリメートレンズ（３）により平行ビーム
に変換され、エタロン（４）に入射させられる。エタロ
ン（４）は透過波長を任意に選択する機能を持っている
。ここでは、エタロン（４）を回転機構（５）によって
回転させ、回転によるエタロン内の光路長を変化させる
ことにより、透過スペクトルの中心波長を任意に変化さ
せる。例えば、エタロンの回転角をある所定の値に設定
すると、透過率分光分布の中心波長が吸光スペクトルと
同じ（２０）を選択でき、ガスの吸光波長（１８１）に
同調した縦モード光（２２）のみを抽出することができ
る。ここでは、この縦モード光を選択したときの測定モ
ードを検出モードと呼ぶこととする。さらに、エタロン
を別の所定角度に回転すると、エタロンの透過率分光分
布を（２１）とすることができ、ガスの吸光波長に同調
した縦モードに隣接した縦モード光（２３）のみを選択
的に抽出することができる。この縦モード光はガスによ
る吸収の効果はない。この条件における測定モードを参
照モードと呼ぶ。このように、エタロン（４）を回転コ
ントローラ（６）の駆動信号によって回転させることに
より、検出モードと参照モードを任意に切り換えること
が可能となる。エタロン（４）を透過した光は、一部ビ
ームスブリッタ（７）を透過し、モニタ強度として検出
器（９）で受光、光電変換され、アンプ（１０）によっ
て増幅される。一方、ビームスプリッタ（７）で反射し
た光は鏡（８）によって光路を偏向させられ、検出空間
へ投光される。投光された光は検出空間内にある構造体
表面（１１）に照射される。構造体表面（１１）で発生
した散乱光は集光鏡（１２）によって検出器（１３）に
集められ、光電変換された後、アンプ（１４）によって
増幅される。検出器（１３）によって得られた受光強度
信号と、検出器（９）によって検出されたモニタ強度信
号はともに割算器（１５）へ入力され、強度比（受光強
度／モニタ強度）が演算される。演算された上記強度比
はメモリ（１６）に入力される。メモリ（１６）では、
回転コントローラ（６）より出力される測定モード切り
替え信号をもとに、測定モードに応じて得られた強度比
が所定のメモリに格納される。検出モードで測定された
強度比はガスの有無によって値が変化する。第３図は割
算器（１５）の出力例を示しており、検出モードでの測
定区間（２９）、（３０）の内、測定区間（２９）はガ
スのない状態のものであり、得られた出力は強度比（２
５）のレベルとなる。これに対し、測定区間（３０）は
ガスのある状態のものであり、得られる出力は強度比（
２６）のレベルとなる。　　一方、参照モード（２７）
、　（２８）では、ガスのない測定区間（２７）、およ
びガスのある測定区間（２８）の両区間において得られ
る出力は、ともに強度比（２４）のレベルとなり変化は
みられない。判定回路（１７）はこのような両側室モー
ドにおいて測定された強度比を常に監視し、両者の比率
に変化があるとガスが発生したと判断する。

判定回路（１７）の動作を以下に説明する。

判定回ｍ（１７）は、例えば第４図に示すような構成を
しており、メモリ（１６）に格納されていた、参照モー
ドで測定されたデータ、及び検出モードで測定されたデ
ータは、回転機構コントロール信号を基に、両モードの
測定が完了した時点でそれぞれフリップフロップ（４５
）、　（４６）に転送される。転送されたデータは次の
両モードの測定終了時までフリップフロップに保持され
ると共に、減算器（４７）へそれぞれ出力される。減算
器（４７）では参照モードで測定されたデータと検出モ
ードで測定されたデータの差を演算し、演算器（４８）
の持つ入力端子の一つへ出力する。

また、予めガスが存在しない場合における参照モードと
検出モードの両モードの測定データの差、つまり第３図
における測定レベル（２４）と測定値レベル（２５）の
差を求めておき、その値をプリセット値としてフリップ
フロップ（４９）を介し、減算器（４８）の入力端子の
一つへ出力する。

減算器（４８）では、プリセット値から、減算器（４７
）からの出力値を減算し、その結果を検出結果表示器（
５０）に出力する。検出結果表示器（５０）は、プリセ
ット値が減算器（４７）からの出力値と比較して等しい
か大きい場合、つまり演算結果が０以上の場合、ガスの
発生無しと表示し、さらに減算器（４７）からの出力値
がプリセット値より小さい場合、つまり演算結果が負の
場合、ガスの発生ありと表示する。

第５図はこの発明の他の実施例に係わる判定回路を示す
ブロック図であり、上記減算器（４７）の代わりに除算
器（５１）を用いたものである。

このような構成の判定回路においても上記構成のものと
同様の効果が得られる。つまり、予めガスが存在しない
場合に測定した＃照モードと検出モードにおける測定デ
ータの比と、ガスの検出時における測定データの比との
差を求め、その差の正負によってガス発生の有無を検出
してもよい。

また、減算器（４８）の代わりに除算器を用い、除算結
果の値が１より大きいか小さいかという、１との大小比
較を行ない、その大小間係により、ガス発生の有無を判
定する事も可能である。

［発明の効果コ 以上のように、この発明によれば複数の発振縦モードを
有する半導体レーザ、温度、電流を変化させて、上記半
導体レーザの波長を変化させる半導体レーザ駆動回路、
上記複数の発振縦モードのうちの一つのモードを選択し
、抽出する波長分離器、この波長分離器を制御して、検
出ガスの吸光波長にあわせた検出モードと上記吸光波長
よりずれた参照モードを切換える切換え手段、上記波長
分離器から出射した出射光の一部を受光する第１の光学
系、上記出射光を検出環境に投光し、受光する第２の光
学系、第１の光学系の受光強度と第２の光学系の受光強
度との間の強度比を算出する演算手段、及び上記検出モ
ードに対する上記強度比と上記参照モードに対する上記
強度比の差または比の変化を調べてガスの存在を判定す
る判定手段によりガス検出装置を構成したので、駆動装
置も含めて１台のＬＤで光源を構成することが可能とな
り、光学系の簡易化とともに、光学系の調整が容易にな
る。また信号処理系において、ＬＤの強度変動、反射面
の反射率変化の影響を受けない安定したガス検出が可能
となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるガス検出装置を示す
構成図、第２図（ａＸｂ）（ｃ）は各々、ガスの吸光ス
ペクトルとＬＤの発振スペクトルの関係を示す特性図、
第３図はこの発明の一実施例によるガス検出装置におけ
る検出データを示す曲線図、第４図はこの発明の一実施
例に係わる判定回路を示すブロック図、第５図はこの発
明の他の実施例に係わる判定回路を示すブロック図、及
び第６図は従来のガス検出装置を示す構成図である。 図において、　（１）は半導体レーザ、　（２）は半導
体レーザ駆動回路、（４）はエタロン、（５）は回転機
構、　（６）は回転コントローラ、　（７）はビームス
プリッタ、　（８）は鏡、　（９）は検出器、　（１１
）は構造体表面、　（１２）は集光鏡、（１３）は検出
器、　（１５）は割算器、　（１６）はメモリ、　（１
７）は判定回路を示す。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 第１図 ２：Ｌｏ、＠初１ボを １２：革光り先 晴間 第３図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　複数の発振縦モードを有する半導体レーザ、温度、電
   流を変化させて、上記半導体レーザの波長を変化させる
   半導体レーザ駆動回路、上記複数の発振縦モードのうち
   の一つのモードを選択し、抽出する波長分離器、この波
   長分離器を制御して、検出ガスの吸光波長にあわせた検
   出モードと上記吸光波長よりずれた参照モードを切換え
   る切換え手段、上記波長分離器から出射した出射光の一
   部を受光する第１の光学系、上記出射光を検出環境に投
   光し、受光する第２の光学系、第１の光学系の受光強度
   と第２の光学系の受光強度との間の強度比を算出する演
   算手段、及び上記検出モードに対する上記強度比と上記
   参照モードに対する上記強度比の差または比の変化を調
   べてガスの存在を判定する判定手段を備えたガス検出装
   置。