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

チューナブルエタロンを用いたガスセンサ

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JPH067099B2
JPH067099B2 JP6134089A JP6134089A JPH067099B2 JP H067099 B2 JPH067099 B2 JP H067099B2 JP 6134089 A JP6134089 A JP 6134089A JP 6134089 A JP6134089 A JP 6134089A JP H067099 B2 JPH067099 B2 JP H067099B2
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幸一 池川
均 高見
精治 安
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Toho Gas Co Ltd
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SANTETSUKU KK
Toho Gas Co Ltd
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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。
JP6134089A 1989-03-14 1989-03-14 チューナブルエタロンを用いたガスセンサ Expired - Fee Related JPH067099B2 (ja)

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