JPH04326042A - 光ファイバを用いた多種ガス検出装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光源としてレーザ光を
採用し、伝送路として光ファイバを用いた多種類ガス検
出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特定波長の光がある種の気体に吸収され
易いことを利用して、気体の有無を検出できることが知
られており、この原理を応用したセンシング技術が工業
計測、公害監視などで広く用いられている。また、この
光を光ファイバを利用して伝送すれば、気体の遠隔監視
も可能となる。

【０００３】一例としてメタンガスを遠隔検知しうるシ
ステムが、特開昭　５９−２１２７３８号公報に示され
ている。このシステムでは、１．６μｍ帯にメタンガス
に強く吸収される発振線があることから、この波長を含
むＬＥＤ光源からの光を光ファイバで測定ガスまで導き
、そのガスからの透過光を別の光ファイバで受けて受光
部に導き、受光部で帯域透過フィルタ等を用いてメタン
ガスに吸収される波長の光と吸収されない波長の光とに
分光し、これら２つの光それぞれの減衰量の相違からメ
タンガスの濃度を求めている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
構成のメタン検知システムでは、ハーフミラー、帯域透
過フィルタ等の多数の光部品を用いるため、光学系が複
雑になる上、ＳＮ比　（信号対雑音比）　の点でも不利
である。

【０００５】そこで、周波数変調法を応用しかつ光ファ
イバを伝送路とした新規な遠隔ガス（メタンガス）　検
出装置が提案されている（特願平２−７８４９８　号）
。この検出装置では、半導体レーザの駆動電流を所定の
電流値を中心として高周波数で変調し、波長および強度
の変調されたレーザ光を発振させる。また、半導体レー
ザから出射するレーザ光の一部をモニタ用として用い、
レーザの電流及び温度を制御して発振の中心波長をメタ
ン吸収線の所定位置に一致させる。そして、こうして安
定化され出射されたレーザ光を光ファイバを介して未知
濃度のメタンガスを含むガスセルに導き、そのガスセル
内を透過した光を別の光ファイバで受けて受光部まで導
き、受光部でレーザ光の２倍波検波信号または基本波検
波信号よりガス濃度を求めている。これによれば、極め
て高いＳＮ比でメタンガスを検出できる。

【０００６】しかし、この検出装置では１種類のガスし
か定量測定できないという問題がある。通常、特殊ガス
を扱う環境下でのガス爆発等を未然に防止するには、監
視すべきガスは数種類にも及ぶ。この場合従来方式では
、これら複数種のガスを別々にセンシングする必要から
、新たに別の検出装置を構成して、複数の装置を並列的
に使用しなければならない。

【０００７】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、多種類のガスを１組の光伝送路
を用いて測定できる、新規な光ファイバを利用した多種
ガス検出装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、単一のガスの吸収線を発振線としてもつ
半導体レーザを、測定対象とする特定ガスについて複数
用意し、それぞれの半導体レーザの駆動電流をレーザ駆
動手段により高周波数で変調し、この変調された各半導
体レーザからのレーザ光を分岐結合器で１つの光に合流
させたのち、往路用光ファイバを介してテストセルまで
導く。そして、テストセル内を透過した光を復路用光フ
ァイバで受けて光検出器まで導き、その検出出力中の特
定成分を測定手段により位相敏感検波して、テストセル
内に存在するそれぞれの特定ガス濃度を同時に測定する
よう構成したものである。ここで、レーザの駆動電流の
変調周波数を各々変えることが好ましい。また、各々の
光ファイバの端面には斜め研磨を施すのが好ましい。

【０００９】

【作用】半導体レーザを測定対象とする多種類の特定ガ
スについて複数用意し、これら半導体レーザからの光を
分岐結合器により１つの光に合流することで、１組の往
路用光ファイバ、テストセル及び復路用光ファイバを用
いて、各種の特定ガスの濃度を同時測定できる。しかも
、半導体レーザの変調周波数を各々変えると、透過光の
検出出力からそれぞれの変調周波数についての位相敏感
検波信号を得るのみで、複数種のガスをも簡単に検出で
きる。また、光ファイバの端面を斜め研磨すれば、戻り
光に起因した内部での干渉即ち雑音を抑えて、信号の安
定化を図ることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。

【００１１】本発明は多種類のガスの遠隔測定を目的と
したものである。遠隔地での測定を行うために光伝送路
として石英系光ファイバを用いると、その光ファイバは
　０．８μｍ　〜　１．７μｍ　付近で低損失特性を示
す。そのため、検出対象とするガスとしては、吸収線が
この帯域内にあるものが適しており、本実施例ではメタ
ンガスとアセチレンガスとを対象とした。吸収線として
メタンは２ν３　バンドＱ（６）　線（１．６６５９　
μｍ　）を、アセチレンはν１　＋ν３　バンドＰ（１
３）線（１．５３２８　μｍ　）を用いた。　　図１は
、メタンガスとアセチレンガスとの同時検出を目的とし
たガス検出装置の一実施例を示すものである。

【００１２】図において、１ａはメタンガス吸収線　（
１．６６５９μｍ帯）　の光を発振する半導体レーザ、
１ｂはアセチレンガス吸収線　（１．５３２８μｍ　帯
）　の光を発振する半導体レーザである。また、２ａ，
２ｂは半導体レーザ１ａ，１ｂから前方に出射するレー
ザ光をそれぞれ平行光にするコリメートレンズ、３ａ，
３ｂは後続の光学系からの戻り光を遮断するためのアイ
ソレータ、４ａ，４ｂはアイソレータ３ａ，３ｂからの
レーザ光を光ファイバ５ａ，５ｂにカップリングするた
めの集光レンズである。

【００１３】１１は光ファイバ５ａ，５ｂ中を伝送して
きたそれぞれのレーザ光を結合するための分岐結合器で
、ここでは、２本の光ファイバを近接させて加熱・延伸
したファイバ型のものが用いられる。６は分岐結合器１
１で合流した光を伝送する石英系の往路用光ファイバ、
９は未知濃度のメタンガス及びアセチレンガスを含むテ
ストセルで、その内部には、ファイバ６から出射したレ
ーザ光を平行光にするコリメートレンズ１０ａと、セル
４内を透過したレーザ光を集光するためのコリメートレ
ンズ１０ｂとが設けられている。７はコリメートレンズ
１０ｂにより集光した透過光を伝送する石英系の復路用
光ファイバ、１２は光ファイバ７中を伝送したレーザ光
の強度を検出するためのｐｉｎフォトダイオードなどの
光検出器、２０は検出器１２からの電気信号を増幅する
増幅器である。ここで、上記各光ファイバ５ａ，５ｂ，
６，７の端面は、戻り光を減少させてその内部にて干渉
系が発生しないように、斜め研磨が施されている。

【００１４】１３ａ，１３ｂはそれぞれ既知濃度のメタ
ンガス、アセチレンガスを含む基準セル、１４ａ，１４
ｂは半導体レーザ１ａ，１ｂから後方に出射したレーザ
光を集光するレンズ、１５ａ，１５ｂは基準セル１３ａ
，１３ｂを通過した後方光の強度を検出するためのｐｉ
ｎフォトダイオードなどの光検出器、１９ａ，１９ｂは
光検出器１５ａ，１５ｂの出力成分から光源の波長をモ
ニタし、ペルチェ素子１６ａ，１６ｂの温度調整を行う
波長制御装置であり、以上により波長安定化手段が構成
されている。１７ａ，１７ｂは半導体レーザ１ａ，１ｂ
にそれぞれ所定の高周波数で変調された駆動電流を供給
するレーザ用駆動装置　（レーザ駆動手段）　で、レー
ザ１ａ，１ｂごとに駆動電流の変調周波数を変えている
。 また、１８ａ，１８ｂは光検出器１２の出力中の特定成
分（即ち上記変調周波数の２倍波成分）からテストセル
９中のメタンガス及びアセチレンガス濃度をそれぞれ算
出する信号処理装置　（測定手段）　である。

【００１５】次に、上記装置の動作について説明する。

【００１６】半導体レーザ１ａ，１ｂに対する変調周波
数ω１　，ω２　は、その最小公倍数が大きい方が測定
精度が向上することが予想できる。そのため、メタンガ
ス用のレーザ１ａの変調周波数ω１　をω１　＝５１ｋ
Ｈｚに、アセチレンガス用のレーザ１ｂの周波数ω２　
をω２　＝４９ｋＨｚに選んだ。

【００１７】測定は、まず、基準セル１３ａに窒素をバ
ランスガスとしたメタンガス混合ガスを入れ、他方の基
準セル１３ｂには窒素をバランスガスとしたアセチレン
ガス混合ガスを入れる。そして、レーザ用駆動装置１７
ａ，１７ｂにより半導体レーザ１ａ，１ｂを駆動する。 駆動装置１７ａ，１７ｂは、半導体レーザ１ａ，１ｂに
安定した電流を供給する定電流源、それぞれ周波数ω１
　，ω２　の変調信号を発振する発振器、この変調信号
から周波数２ω１　，２ω２　の２倍波信号を作る倍周
器等から構成されており、定電流源からのバイアス電流
に周波数ω１　，ω２　の変調電流が重畳されて、半導
体レーザ１ａ，１ｂに供給される。すなわち、各レーザ
１ａ，１ｂの駆動電流は、所定のバイアス電流を中心と
して所定の振幅と所定の周波数とでもって変調され、こ
れにより波長及び強度が変調されたレーザ光が発振され
る。

【００１８】こうして発振されたレーザ光のうち、後方
側に出射した光は基準セル１３ａ，１３ｂに通され、光
検出器１５ａ，１５ｂにより検出される。検出器１５ａ
，１５ｂより得られる出力信号はそれぞれ波長制御装置
１９ａ，１９ｂに入力され、そこでの信号処理によりペ
ルチェ素子１６ａ，１６ｂが温度調節され、半導体レー
ザ１ａ，１ｂの温度が制御される。波長制御装置１９ａ
，１９ｂは、ロックインアンプ、積分器、ペルチェ用電
源等から構成されており、検出器１５ａ，１５ｂから得
られた出力信号よりそれぞれ変調周波数ω１　，ω２　
についての基本波位相敏感検波信号を求め、その値がゼ
ロとなるように半導体レーザ１ａ，１ｂの温度を調節す
る。これによりレーザ１ａ，１ｂの発振スペクトルは、
それぞれの検出ガスの吸収線の中心に安定化される。

【００１９】このようにしてメタンガス、アセチレンガ
スそれぞれの吸収線の中心に周波数を安定化すると、半
導体レーザ１ａ，１ｂから前方に出射されるレーザ光を
、コリメートレンズ２ａ，２ｂにより平行光とし、アイ
ソレータ３ａ，３ｂを通したあと、集光レンズ４ａ，４
ｂにより光ファイバ５ａ，５ｂに入れる。これら光ファ
イバ５ａ，５ｂ中を伝送した各レーザ光は、互いに分岐
結合器１１により合流され、１本の往路用光ファイバ６
中を伝送されてテストセル９へ送られる。

【００２０】テストセル９内では合流されたレーザ光が
空中伝搬され、そのうちレーザ１ａからの光がメタンガ
スに、レーザ１ｂからの光がアセチレンガスにそれぞれ
吸収されたのち、効率よく対向する復路用光ファイバ７
に受けられる。空中伝搬距離が小さい場合、図中に示し
たようにコリメートレンズ１０ａ，１０ｂとしてセルフ
ォクマイクロレンズ等で対応できるが、伝搬距離を長く
して測定感度を高める場合、平凸レンズ等の単レンズを
数枚使用して受光面を大きく取る等の対処が必要である
。

【００２１】復路用光ファイバ７内を伝送したレーザ光
は、光検出器１２にて電気信号に変換され、増幅器２０
で信号増幅された後、信号処理装置１８ａ，１８ｂに送
られる。信号処理装置１８ａ，１８ｂは、それぞれ対応
する変調周波数ω１　，ω２　についての基本波位相敏
感検波および２倍波位相敏感検波を行う２つのロックイ
ンアンプ、これらアンプの出力比を得る割算器、割算器
の出力を記録する記録計等より構成されている。そして
、２倍波検波信号を基本波検波信号で割った値より測定
雰囲気におけるメタンガスあるいはアセチレンガスの濃
度を求める。

【００２２】今、上述の如く半導体レーザ１ａ，１ｂよ
り発振する光の中心波長を、それぞれメタンガス、アセ
チレンガスの吸収線の中心ω０　に一致させると、２倍
波検波信号と基本波検波信号との比Ｐ　（２ω）／Ｐ（
ω）ｍａｘ　　はピーク値Ｒを示し、

【００２３】

【数１】

【００２４】と表される。ここで、Ｉ０　は各々のレー
ザ出力の中心強度、ΔＩは強度変調振幅、ΔΩは周波数
変調振幅、α　（ω０　）　は特定ガスの吸収線中心ω
０　での吸収係数、γはそのα　（ω０　）　の半値幅
２γの半分の値、ｃ・ｌは特定ガスの濃度ｃとセル９で
の光伝搬距離ｌとの積である。このように、Ｐ　（２ω
）／Ｐ　（ω）ｍａｘ　　の値Ｒは、特定ガスの濃度ｃ
と測定雰囲気中での光の伝搬距離ｌとの積に比例するた
め、伝搬距離ｌがわかれば、数１により特定ガスの濃度
ｃを算出できる。

【００２５】このように本実施例によれば、半導体レー
ザ１ａ，１ｂの駆動電流を所定の高周波数で変調し、波
長および出力が変調されたレーザ光をメタンガス、アセ
チレンガスを含むテストセル９に通過させ、その透過光
の検出信号から基本波検波信号または２倍波検波信号を
得たことにより、セル９内のメタンガスおよびアセチレ
ンガスの濃度を非常に高いＳＮ比で検出できる。

【００２６】しかも、レーザ１ａ，１ｂからセル９への
レーザ光の伝送、セル９から光検出器１２への伝送に、
それぞれ光ファイバ６，７を用いたことにより、特定ガ
スを遠隔地にて定量測定ないし監視できる。また、測定
対象とするメタンおよびアセチレンガスに対応して発振
波長の異なる２つの半導体レーザ１ａ，１ｂを設け、こ
れらレーザ１ａ，１ｂからの光を分岐結合器１１により
１つの光に合流したことにより、往路用光ファイバ６、
テストセル９及び復路用光ファイバ７からなる１組の光
伝送系を用いて、これらガスの濃度を個別にかつ同時に
検出できる。よって、ガスの種類に応じて光伝送系を複
数設ける従来に比べ、製造コストを大幅に削減できると
共に、光伝送路の敷設作業も省ける。

【００２７】なお、上記実施例では、メタンガス用とア
セチレンガス用の２種類の信号処理装置１８ａ，１８ｂ
を設けたが、一方の信号処理装置１８ａ，１８ｂにより
、それぞれの変調周波数ω１　，ω２　についての検波
信号を得るようにして、両者ガスの濃度をモニタしても
よい。例えばロックインアンプとして汎用器を用いると
、コンピュータによる自動測定が可能となるため、一方
の信号処理装置１８ａ，１８ｂにコンピュータを付加し
て自動測定形態をとり、その処理装置１８ａ，１８ｂを
時分割でそれぞれのガス測定に割当れば、他方の処理装
置１８ｂ，１８ａは省略できる。

【００２８】また、上記した実施例では、波長安定に用
いるレーザ光を半導体レーザ１ａ，１ｂの後方光を利用
しているが、前方光の一部をハーフミラー、光ファイバ
型分岐結合器等により利用することも可能である。

【００２９】また、上記実施例では、分岐結合器１１の
出力ポートの１つしか検出用の光波として用いていない
が、もう一方のポートからの光波も利用して、特定ガス
を多点検知してもよい。また、分岐結合器１１として、
ファイバ型のものを用いたが、導波路型、ハーフミラー
を用いたもの等でも適用可能である。要は、２本のファ
イバからの出力を１本のファイバへ入力する役目、ある
いは、その逆に１本のファイバからの出力を２本のファ
イバへ入力する役目をもつものであればよい。

【００３０】図２は、本発明の他の実施例を示したもの
である。この実施例は、ガス検出に用いる光の波長とし
て可視光と遠赤外光とを用い、炭化水素系ガスと窒素化
合物系ガスとを同時検出するようにしたものであり、図
にはこの場合の受光部の構成が示されている。

【００３１】現在使用されているｐｉｎフォトダイオー
ドは、図３に示すように、可視および近赤外光に対して
Ｓｉが、波長１μｍ　以上ではＧｅあるいはＩｎＧａＡ
ｓがそれぞれ使用されており、ｐｉｎフォトダイオード
の使用に際して、光波長に対する使い分けが必要である
。

【００３２】そのため、この実施例では、１つのｐｉｎ
フォトダイオードのみでは対応できず、復路用光ファイ
バ７の受光側端部を分岐結合器２１を介してファイバ２
３ａ，２３ｂに２分し、一方のファイバ２３ａの出力端
にＳｉ　　ｐｉｎフォトダイオード２２ａを、他方のフ
ァイバ２３ｂの出力端にはＩｎＧａＡｓ　　ｐｉｎフォ
トダイオード２２ｂをそれぞれ設けている。なお、これ
らｐｉｎ　フォトダイオード２２ａ，２２ｂの出力には
、それぞれ上記実施例同様の信号処理装置１８ａ，１８
ｂが接続されている。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体レーザの駆動電流を周波数変調して、波長および
出力が変調されたレーザ光を特定ガスを含むテストセル
に通過させ、その透過光の検出信号中の特定成分を位相
敏感検波したので、その検波信号から特定ガスを非常に
高いＳＮ比で検出できる。また、測定対象とするガスの
種類に対応して発振波長の異なる半導体レーザを複数用
意し、これらレーザからの光を分岐結合器により１つの
光に合流したので、多種類のガスをも１組の光伝送路を
用いるのみで同時に検出できる。さらに、この光伝送路
に光ファイバを用いたので、特定ガスの遠隔モニタが可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明光ファイバを用いた多種ガス検出装置の
一実施例を示すブロック図である。

【図２】本発明の他の実施例の受光部を示したブロック
図である。

【図３】ｐｉｎフォトダイオードの分光感度特性を示し
た図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ　　半導体レーザ ６　　往路用の光ファイバ ７　　復路用の光ファイバ ９　　テストセル １１　　分岐結合器 １２　　光検出器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　発振波長の異なる２種類以上の半導体
   レーザと、これら半導体レーザの駆動電流をそれぞれ所
   定の電流値を中心として所定の振幅と所定の周波数でも
   って変調するレーザ駆動手段と、前記各レーザより発振
   するレーザ光の中心波長をそれぞれ対応する特定ガスの
   吸収線の所定位置に安定化させる波長安定化手段と、前
   記各レーザより出射するレーザ光を合流する分岐結合器
   と、この結合器により合流された光を伝送する往路用光
   ファイバと、測定対象とする２種類以上の特定ガスが入
   ったテストセルと、上記往路用光ファイバから出射され
   、テストセル内を透過した光を伝送する復路用光ファイ
   バと、この復路用光ファイバからの光強度を電気信号に
   変換する光検出器と、この検出器の出力中の特定成分を
   位相敏感検波して、上記特定ガスそれぞれの定量測定を
   行う測定手段とからなることを特徴とする光ファイバを
   用いた多種ガス検出装置。
2. 【請求項２】　　前記半導体レーザの駆動電流を変調す
   る周波数を、各々変えたことを特徴とする請求項１記載
   の光ファイバを用いた多種ガス検出装置。
3. 【請求項３】　　前記レーザ光を伝送する各光ファイバ
   の端面を、斜め研磨したことを特徴とする請求項１記載
   の光ファイバを用いた多種ガス検出装置。