JPH067099B2 - チューナブルエタロンを用いたガスセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光学的に狭帯域フィルタの特性を持つチュー
ナブルエタロンを、濃度（圧力）が検出されるガスの吸
収スペクトルに応じて共振波長を変調させることによ
り、任意のガスの濃度（圧力）を検出可能にするガスセ
ンサに関する。

［従来の技術］ 従来、例えばメタンガス等の濃度（圧力）を検出するた
めのガスセンサとして、第５図に示すような回路構成の
ものがあった。

このガスセンサは、メタンガスが封入されたガスセルを
透過した光を、ハーフミラー１０１により一部を透過さ
せるとともに一部を反射させ、反射光を参照光としてホ
トダイオード１０２で光電変換したあと、光電変換され
た直流信号をアンプ１０３で増幅し、増幅した直流信号
を差動アンプ１０４の一方の入力端子に印加させる一
方、ハーフミラー１０１を透過した光を、中心波長がメ
タンガスの吸収スペクトルと一致する干渉フィルタ１０
５に通し、干渉フィルタ１０５を通過させた光を計測光
としてホトダイオード１０６で光電変換したあと、光電
変換された直流信号をアンプ１０７で増幅し、増幅した
直流信号を差動アンプ１０４のもう一方の入力端子に印
加させることにより、差動アンプ１０４において前記参
照光対応の直流信号と計測光対応の直流信号との差を増
幅させ、差動アンプ１０４から出力された信号に基づい
てメタンガスの濃度を検出するものであった。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来のガスセンサは、ハーフミラー１０１で光路を
参照光と計測光とに分け、それぞれの電気回路を独立さ
せているため、即ちフィードバック的な回路が無いた
め、前記アンプ１０３，１０７及び差動アンプ１０４の
電気的特性が周囲温度の変化により変動すると、それぞ
れのアンプの増幅率が微妙に変動し、前記参照光対応の
直流信号と計測光対応の直流信号が温度に対して変動す
るため、正確な濃度検出ができないという問題があっ
た。そのため従来のガスセンサは、その電気回路を恒温
槽の中に入れ、温度に対する回路特性を安定させること
が必要であった。そして濃度（圧力）検出精度を上げる
ためには恒温槽の温度制御精度を上げることが必要であ
った。しかしながら恒温槽の温度制御精度を上げること
は技術的に限界があり、且つ温度制御精度の高い恒温槽
は高価であるという問題があった。

また、直流信号増幅方式のためノイズの除去が困難であ
り、ドリフト電流が重畳されてもそれを除去することが
極めて困難であるという問題があった。

そこで、本発明では上記問題を解決するため、ガスセル
を透過した光を参照光と計測光との二つの光路に分岐す
ることなく単一光路を通し、この単一光路に設けられた
共振波長可変のチューナブルエタロンを、濃度（圧力）
が検出されるガスの吸収波長を中心に僅かに共振波長を
変調することにより、上記それぞれの波長光を通過させ
たあと光電変換し、それぞれの光の光量に対応した直流
信号を交流信号に変換したあと、それぞれの交流信号を
同期検波することにより外部ノイズの影響を無くした状
態で、ガス濃度（圧力）を演算するとともに、チューナ
ブルエタロンの共振制御における振動範囲がいずれかの
原因によって所定範囲を越えたときに、それを補正する
ことによってガス濃度（圧力）を高精度に検出すること
を解決すべき技術的課題とするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記課題解決のための技術的手段は、チューナブルエタ
ロンを用いたガスセンサを、被濃度（圧力）検出ガスが
封入されたガスセル内を透過した光源からの透過光を導
く光路を通った光を所定波長範囲で通過させる第１のフ
ィルタと、前記第１のフィルタを通過した光を受光した
うえ、この光を共振波長に応じて通過させるチューナブ
ルエタロンと、前記チューナブルエタロンを共振波長を
可変にさせるチューナブルエタロン駆動手段と、所定周
波数の信号を発振して出力する発振器と、前期発振器か
ら出力された信号を入力し、所定周波数の参照信号を生
成して出力する参照信号生成手段と、前記チューナブル
エタロンを通過した光を二つの光路に分光する分光手段
と、前記分光手段により分光された一方の光を前記第１
のフィルタより狭い帯域で通過させる第２のフィルタ
と、前記第２のフィルタを通過した光を受光し、電気信
号に変換する第１の光電変換器と、前記第１の光電変換
器から出力された電気信号を増幅したうえ、この信号を
交流信号に変換する第１の信号増幅変換手段と、前記第
１の信号増幅変換手段から出力された交流信号と前記参
照信号生成手段からの参照信号とを入力し、この参照信
号に同期して上記交流信号を検波したうえ、同期検波信
号を出力する第１の同期検波手段と、前記被濃度（圧
力）検出ガスにより最も強く吸収される光の波長に対応
した第１の波長と、この第１の波長と僅かの所定差の被
濃度（圧力）検出ガスに吸収されない光に対応した波長
の第２の波長とを有するそれぞれの光を通過させるよう
に前記発振器から出力された信号に同期して前記チュー
ナブルエタロンを共振制御するための制御信号を前記チ
ューナブルエタロン駆動手段に出力するチューナブルエ
タロン制御手段と、前記発振器からの信号と前記第１の
同期検波回路からの同期検波信号とを加算した信号をチ
ューナブルエタロン共振制御補正信号として前記チュー
ナブルエタロン制御手段に出力するチューナブルエタロ
ン共振制御補正手段と、前記分光手段により分光された
もう一方の光を受光し、電気信号に変換する第２の光電
変換器と、前記第２の光電変換器から出力された電気信
号を増幅したうえ、この信号を交流信号に変換する第２
の信号増幅変換手段と、前記第２の信号増幅変換手段か
ら出力された交流信号と前記参照信号生成手段からの参
照信号とを入力し、この参照信号に同期して上記交流信
号を検波したうえ、同期検波信号を出力する第２の同期
検波手段と、前記第２の同期検波手段からの同期検波信
号を入力し、この同期検波信号に基いて前記被濃度（圧
力）検出ガスの濃度（圧力）を演算するガス濃度（圧
力）演算手段とを備えた構成にすることである。

［作用］ 上記構成のチューナブルエタロンを用いたガスセンサに
よると、被濃度（圧力）検出ガスが封入されたガスセル
内を透過した光源からの透過光は、第１のフィルタを通
過することにより、所定範囲の波長の光がチューナブル
エタロンに入射される。チューナブルエタロン駆動手段
は、前記被濃度（圧力）検出ガスにより最も強く吸収さ
れる光の波長に対応した第１の波長と、この第１の波長
と僅かの所定差の被濃度（圧力）検出ガスに吸収されな
い光に対応した波長の第２の波長とを有するそれぞれの
光を通過させるように、前記発振器から出力された信号
に同期してチューナブルエタロンを共振制御させるため
の制御信号をチューナブルエタロン制御手段から受けて
チューナブルエタロンを共振させる。

チューナブルエタロンの共振により、チューナブルエタ
ロンを通過した光は分光手段により二光路に分光され
る。分光された一方の光は、前記第１のフィルタより狭
帯域の第２のフィルタを通過したあと、第１の光電変換
器により直流信号に変換され、そのあと第１の信号増幅
変換手段により増幅され、交流信号に変換される。第１
の信号増幅変換手段により増幅され、交流信号に変換さ
れた信号は、第１の同期検波手段において参照信号生成
手段からの参照信号に同期して同期検波され、その出力
信号はチューナブルエタロン共振制御補正手段に入力さ
れる。

同期検波出力信号を入力したチューナブルエタロン共振
制御補正手段は、チューナブルエタロン制御手段に対し
てチューナブルエタロン共振制御補正信号を出力し、チ
ューナブルエタロンの振動範囲がいずれかの原因によっ
て所定の幅を越えたときにそれを補正制御する。

一方、前記分光手段により他方向に分光された光は、第
２の光電変換器により直流信号に変換され、そのあと第
２の信号増幅変換手段により増幅され、交流信号に変換
される。第２の信号増幅変換手段により増幅され、交流
信号に変換された信号は、第２の同期検波手段において
サンプリング信号生成手段からのサンプリング信号に同
期して同期検波され、その出力信号はガス濃度（圧力）
演算手段に入力される。

ガス濃度（圧力）演算手段は、前記被濃度検出ガスによ
り最も強く吸収される光の波長に対応した第１の波長
と、この第１の波長と僅かの所定差の被濃度（圧力）検
出ガスに吸収されない光に対応した波長の第２の波長と
を有するそれぞれの光の光量差に対応した同期検波信号
に基いて前記被濃度検出ガスの濃度を演算する。

［実施例］ 次に、本発明の実施例の構成と作用を図面を参照しなが
ら説明する。

第１図は、本発明の一実施例の全体的な構成系統図であ
る。

第１図において、主ケース１に設けられた定電流回路２
から通電された定電流により、発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）３から1.3マイクロメータ帯の波長を有する光が発
光されると、この光は、光コネクタ４、及び光ファイバ
５を介して光器具ブラケット６に伝送される。この光ブ
ラケット６には、濃度（圧力）が検出される被濃度（圧
力）検出ガスとしてのメタンガスが均一に封入されたガ
スセル７が配設されている。光器具ブラケット６に伝送
された上記光は、レンズ８に入射され、レンズ８により
平行光線Ｌ１にされた状態でガスセル７を透過される。
ガスセル７を透過された平行光線Ｌ１はレンズ９により
集光され、マルチモードファイバ１０、光コネクタ１１
を介して主ケース１に帰還される。主ケース１にはサブ
ケース１２が内蔵されており、主ケース１に帰還された
ガスセル透過光は上記光コネクタ１１に接続されたサブ
光コネクタ１３を介してサブケース１２に入射される。

サブケース１２に入射されたガスセル透過光Ｌ２は、入
射光線の一部を反射することが可能なハーフミラー特性
を有する干渉フィルタＦ１において、透過光Ｌ３と反射
光Ｌ４とに分光される。尚、この干渉フィルタＦ１は第
３図に示すように２０nm（ナノメータ）の波長帯域幅を
有している。上記反射光Ｌ４は、レンズ１５により集光
されたあと、ホトダイオードＰＤ１により光電変換さ
れ、増幅器１６により増幅されたあと、ＡＤ変換器１７
においてディジタル信号Ｒ１に変換される。そして反射
光Ｌ４の光量に対応した上記ディジタル信号Ｒ１はマイ
クロコンピュータ（ＣＰＵ）１８に入力される。このデ
ィジタル信号Ｒ１は、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）
１８が前記光ファイバ５、マルチモードファイバ１０の
光ファイバ光路を監視するため、所定のタイミングでマ
イクロコンピュータ１８にサンプリングされ、サンプリ
ングタイミングにおいて上記ディジタル信号Ｒ１が入力
されない場合は、上記光ファイバ光路に異常が発生した
と判断し、マイクロコンピュータ１８はアラーム出力回
路１９に異常信号を出力する。

一方、前記透過光Ｌ３は、チューナブルエタロン２１に
入射される。このチューナブルエタロン２１は、２枚の
対向するエタロン板２１Ａ，２１Ｂを備え、それぞれの
エタロン板２１Ａ，２１Ｂの対向面には誘電体反射膜が
形成されており、入射された光をエタロン板２１Ａ，２
１Ｂの間で多重反射させ、エタロン板２１Ａ，２１Ｂ間
の距離に対応した波長の光を共振通過させるように構成
されている。エタロン板２１Ａ，２１Ｂのいずれか、例
えばエタロン板２１Ｂには、エタロン板２１Ａ，２１Ｂ
間の距離を微少変化させるためのチューナブルエタロン
駆動手段として、ピエゾ素子（ＰＺＴ）２２が取付けら
れており、このピエゾ素子（ＰＺＴ）２２に印加する電
圧に応じてエタロン板２１Ａ，２１Ｂ間の距離が制御さ
れる。尚、このチューナブルエタロン２１は、帯域が１
ナノメータのものを使用している。

第２図に示すように、メタンガスの吸収スペクトルに対
応した波長、即ち、1.3312マイクロメータの波長を有す
る光と、この1.3312マイクロメータの波長から前後どち
らかに僅かにずれた1.3772マイクロメータ（ｄλ＝６n
m）のメタンガスに吸収されない波長光（第３図参照）
とを通過させるように、エタロン板２１Ｂを振動させる
ため、ピエゾ素子２２に制御信号を出力するピエゾドラ
イバ（チューナブルエタロン制御手段）２３が設けられ
ている。

上記振動制御により、1.3312マイクロメータの波長を有
する光と、この1.3312マイクロメータの波長から僅かに
ずれた1.3372マイクロメータの波長光とがエタロンを通
過すると、これらの光は二方向分光器２４により分光Ｎ
１とＮ２に分けられる。分光Ｎ１は、第４図に示すよう
に半値幅が４ナノメータの帯域幅を有する干渉フィルタ
Ｆ２を通過されたあと、レンズ２５により集光され、ホ
トダイオードＰＤ２において光電変換される。ホトダイ
オードＰＤ２において光電変換され、ホトダイオードＰ
Ｄ２から出力された直流信号は増幅器２６において増幅
されたあと、キャパシタ２７を通すことにより交流信号
Ｎ３に変換され、同期検波回路２８に入力される。

一方、分光Ｎ２は、レンズ３０により集光され、ホトダ
イオードＰＤ３において光電変換される。ホトダイオー
ドＰＤ３において光電変換され、ホトダイオードＰＤ３
から出力された直流信号は増幅器３１において増幅され
たあと、キャパシタ３２を通すことにより交流信号Ｎ４
に変換され、更にゲイン調節可能なプログラマブルゲイ
ンアンプ３３によりゲイン調節された交流信号Ｎ５が同
期検波回路３４に入力される。

前記マイクロコンピュータ１８に接続された発振回路
（ＯＳＣ）３６は、５０Hzの正弦波信号を発振して出力
するもので、この発振信号Ｓ１は加算器３７に、また同
様の発振信号Ｓ２は位相制御回路３８に送信される。加
算器３７は発振信号Ｓ１と、後述のチューナブルエタロ
ン共振制御補正信号Ｓ３とを加算した加算信号Ｓ４を前
記ピエゾドライバ２３に出力する。

上記位相制御回路３８は、５０Hzの正弦波信号Ｓ２を入
力し、この５０Hz正弦波がゼロクロスするごとにパルス
信号を生成することにより、１００Hzの矩形波参照信号
Ｓ５、Ｓ６を出力する。上記参照信号Ｓ５は前記同期検
波回路２８に、また、もう一方の参照信号Ｓ６は前記同
期検波回路３４に入力される。

同期検波回路２８は、上記参照信号Ｓ５と前記交流信号
Ｎ３とを入力し、参照信号Ｓ５に同期して交流信号Ｎ３
を同期検波する。同期検波回路２８において同期検波さ
れた出力信号Ｓ７は、ＰＩＤ回路（比例積分、比例微分
回路）４０に入力される。同期検波された出力信号Ｓ７
は、前記チューナブルエタロン２１がピエゾ素子２２に
より振動されるとき、振動幅が何らかの原因により所定
値から変化し、前記1.3312マイクロメータの波長を有す
る光と、この1.3312マイクロメータの波長から僅かにず
れた1.3372マイクロメータの波長を有する光が得られな
くならないよう、上記振動幅を所定値に戻すように補正
するための信号で、この信号Ｓ７を前期ＰＩＤ回路（比
例積分、比例微分回路）４０を通してより精密な補正信
号にした状態で前記チューナブルエタロン共振制御補正
信号Ｓ３として前記加算器３７に印加する。従って加算
器３７からピエゾドライバ２３に出力される信号Ｓ４
は、前記発振信号Ｓ１と、チューナブルエタロン振動幅
を補正するための一種のフィードバック信号としてのチ
ューナブルエタロン共振制御補正信号Ｓ３とを加算した
信号となる。

また、同期検波回路３４は、前記参照信号Ｓ６と前記交
流信号Ｎ５とを入力し、参照信号Ｓ６に同期して交流信
号Ｎ５を同期検波する。同期検波回路３４において同期
検波された出力信号Ｓ８は、前記ＡＤ変換器１７により
ディジタル信号Ｓ９に変換されたあと、マイクロコンピ
ュータ１８に入力される。

マイクロコンピュータ１８は、同期検波回路３４から出
力された同期検波出力信号Ｓ８に対応したディジタル信
号Ｓ９を入力すると、このディジタル信号Ｓ９に基い
て、メタンガスに吸収されたあとの前記1.3312マイクロ
メータの波長を有する光に対応した信号と、メタンガス
により吸収されない前記1.3372マイクロメータ波長光に
対応した信号との差を演算し、更に、その差に基いて前
記ガスセル７のメタンガスの濃度（圧力）を演算する。
そして演算されたメタンガスの濃度（圧力）は、キーボ
ード４１の設定操作によりＬＥＤディスプレイ４２に表
示される。

以上のように、被濃度（圧力）検出ガスに吸収される光
の吸収スペクトルに応じた波長と、上記吸収スペクトル
対応波長より僅かにずれた波長とに共振するようにチュ
ーナブルエタロン２１を振動させてガス濃度（圧力）を
高精度に検出する手段は、本実施例で開示したメタンガ
スに限らず、任意のガスの濃度（圧力）を検出し、表示
する場合にも有用である。

尚、ガス濃度（圧力）が予め設定された基準値を越えた
場合、警報を出すため、前記アラーム出力回路１９から
警報信号を出力することができる。

尚、上記実施例の変形例として、前記干渉フィルタＦ２
の代わりに、被濃度（圧力）検出ガスを封入したガスセ
ルを用い、前記分光Ｎ１をこのガスセルを透過させるこ
とにより、前記チューナブルエタロン２１の共振波長の
変調の中心を常に被濃度（圧力）検出ガスの吸収波長に
合わせるようなフィードバック制御をしても良い。

また、前記チューナブルエタロン２１の配設位置は、前
記実施例のように前記干渉フィルタＦ１の直ぐ後でなく
ても、例えば前記ガスセル７の直前、あるいは直後でも
良く、あるいはその他の有効な位置でも良い。

更に、前記ガスセル７のすぐ後に光カプラ、あるいはビ
ームスプリッタを配設し、ガスセル７を透過した光を二
つに分け、一方の光を前記干渉フィルタＦ１に入射さ
せ、他方の光を基準パワー測定部に入光させ、前記光フ
ァイバ５、マルチモードファイバ１０の光ファイバ光路
を監視させることもできる。但し、この場合は前記干渉
フィルタＦ１にハーフミラー機能を必要としない。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、被濃度（圧力）検出ガス
が封入されたガスセルを透過した光を参照光と計測光と
の二つの光路に分岐することなく単一光路を通過させ、
この単一光路に共振波長可変のチューナブルエタロンを
設けて、濃度（圧力）が検出されるガスの吸収スペクト
ル対応の波長と、この波長と僅少差波長とのそれぞれに
共振するようにチューナブルエタロンを振動させ、チュ
ーナブルエタロンを通過するそれぞれの光を光電変換し
たあと、光量に対応した交流信号を生成し、交流信号を
同期検波することにより、被濃度（圧力）検出ガスの吸
収スペクトルに応じた同期検波出力信号に基づいてガス
濃度（圧力）を演算するとともに、チューナブルエタロ
ンの共振制御における振動範囲が何んらかの原因で所定
範囲を越えたときに、それを補正するようにしたため、
任意のガスの濃度（圧力）を簡単で安価な構成で高精度
に検出することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体的な構成を示す系統図
であり、第２図はメタンガスの吸収スペクトル特性図、
第３図は干渉フィルタと、チューナブルエタロンの特性
説明図、第４図は別の干渉フィルタの特性説明図であ
る。また、第５図は従来のガスセンサの構成系統図であ
る。 ３…発光ダイオード ７…ガスセル F1,F2……干渉フィルタ 18……マイクロコンピュータ 21……チューナブルエタロン 22……ピエゾ素子 23……ピエゾドライバ 24……分光器 26……増幅器 27……キャパシタ 28……同期検波回路 PD2,PD3……ホトダイオード 31……増幅器 32……キャパシタ 34……同期検波回路 36……発振回路 37……加算器 38……位相制御回路 42……ＬＥＤディスプレイ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安 精治 愛知県小牧市大字上末122番地 サンテッ ク株式会社内 (72)発明者 村上 知広 愛知県小牧市大字上末122番地 サンテッ ク株式会社内 (56)参考文献 特開 昭54−4185（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−50641（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被濃度（圧力）検出ガスが封入されたガス
   セル内を透過した光源からの透過光を導く光路を通った
   光を所定波長範囲で通過させる第１のフィルタと、 前記第１のフィルタを通過した光を受光したうえ、この
   光を共振波長に応じて通過させるチューナブルエタロン
   と、 前記チューナブルエタロンを共振波長を可変にさせるチ
   ューナブルエタロン駆動手段と、 所定周波数の信号を発振して出力する発振器と、 前記発振器から出力された信号を入力し、所定周波数の
   参照信号を生成して出力する参照信号生成手段と、 前記チューナブルエタロンを通過した光を二つの光路に
   分光する分光手段と、 前記分光手段により分光された一方の光を前記第１のフ
   ィルタの帯域より狭い波長帯域で通過させる第２のフィ
   ルタと、 前記第２のフィルタを通過した光を受光し、電気信号に
   変換する第１の光電変換器と、 前記第１の光電変換器から出力された電気信号を増幅し
   たうえ、この信号を交流信号に変換する第１の信号増幅
   変換手段と、 前記第１の信号増幅変換手段から出力された交流信号と
   前記参照信号生成手段からの参照信号とを入力し、この
   参照信号に同期して上記交流信号を検波したうえ、同期
   検波信号を出力する第１の同期検波手段と、 前記被濃度（圧力）検出ガスにより最も強く吸収される
   光の波長に対応した第１の波長と、この第１の波長と僅
   かの所定差の第２の波長とを有するそれぞれの光を前記
   チューナブルエタロンを通過させるように前記発振器か
   ら出力された信号に同期して前記チューナブルエタロン
   を共振制御するための制御信号を前記チューナブルエタ
   ロン駆動手段に出力するチューナブルエタロン制御手段
   と、 前記発振器からの信号と前記第１の同期検波回路からの
   同期検波信号とを加算した信号をチューナブルエタロン
   共振制御補正信号として前記チューナブルエタロン制御
   手段に出力するチューナブルエタロン共振制御補正手段
   と、 前記分光手段により分光されたもう一方の光を受光し、
   電気信号に変換する第２の光電変換器と、 前記第２の光電変換器から出力された電気信号を増幅し
   たうえ、この信号を交流信号に変換する第２の信号増幅
   変換手段と、 前記第２の信号増幅変換手段から出力された交流信号と
   前記参照信号生成手段からの参照信号とを入力し、この
   参照信号に同期して上記交流信号を検波したうえ、同期
   検波信号を出力する第２の同期検波手段と、 前記第２の同期検波手段からの同期検波信号を入力し、
   この同期検波信号に基いて前記被濃度（圧力）検出ガス
   の濃度（圧力）を演算するガス濃度（圧力）演算手段と
   を備えたことを特徴とするチューナブルエタロンを用い
   たガスセンサ。