JPH067100B2 - チューナブルエタロンを用いたガス濃度圧力検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、濃度（圧力）は検出されるガスの吸収スペク
トルに応じて光学的に狭帯域フィルタの特性を持つチュ
ーナブルエタロンの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）を検出する方法に関する。

［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
めの手段として、第５図に示すような回路構成のものが
あった。

これは、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する一方、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１０５に通し、干渉
フィルタ１０５を通過し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することによ
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し、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
を検出するようになっている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来のガス濃度（圧力）検出手段は、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、例えば前記アンプ１０
３，１０７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、この単一光路あるいはガス
セルの前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ように制御するととも
に、チューナブルエタロンの共振波長の変調の中心を自
動的に被濃度（圧力）検出ガスの光の吸収波長に合わせ
るようにフィードバック制御することにより、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、被濃度（圧力）検
出ガスが封入されたガスセルにビーム状の光を透過さ
せ、ガスセルを透過した光をチューナブルエタロンに入
射させた状態でチューナブルエタロンを所定のタイミン
グで共振変調し、前記被濃度（圧力）検出ガスにより強
く吸収される波長の第１の光と上記ガスにより吸収され
ない波長の第２の光とを通過させるとともに、同チュー
ナブルエタロンを通過した前記第１の光と第２の光の合
計光量をモニターし、この合計光量が所定量以下に減衰
したとき、減衰光量に基づいて前記チューナブルエタロ
ンの共振変調を補正し、チューナブルエタロンの共振波
長の変調の中心を被濃度（圧力）検出ガスの光の吸収波
長に合わせるようにフィードバック制御するとともに、
前記第１の光と第２の光を光電変換した第１の電気信号
と第２の電気信号とに基づいて前記被濃度（圧力）検出
ガスによる第１の光の吸収率を演算し、この吸収率から
前記被濃度（圧力）検出ガスの濃度（圧力）を演算する
ことことである。

あるいはまた、被濃度（圧力）検出ガスが封入されたガ
スセルにビーム状の光を入射するための入射光路に配設
されたチューナブルエタロンを所定のタイミングで共振
変調し、前記被濃度（圧力）検出ガスにより強く吸収さ
れる波長の第１の光と上記検出ガスにより吸収されない
波長の第２の光とを通過させ、同チューナブルエタロン
を通過した前記第１の光と第２の光の合計光量をモニタ
ーし、この合計光量が所定量以下に減衰したとき、減衰
光量に基づいて前記チューナブルエタロンの共振変調を
補正し、チューナブルエタロンの共振波長の変調の中心
を被濃度（圧力）検出ガスの光の吸収波長に合わせるよ
うにフィードバック制御するとともに、前記第１の光と
第２の光を光電変換した第１の電気信号と第２の電気信
号とに基づいて前記被濃度（圧力）検出ガスによる第１
の光の吸収率を演算し、この吸収率から前記被濃度（圧
力）検出ガスの濃度（圧力）を演算することである。

［作用］ 上記技術的手段により、ガスセルを透過した光は従来の
ガスセンサのように参照光と計測光とに分離されること
なく同一光路を通過されるもので、同一光路を通過した
光はガスセルの後の光路、あるいはガスセルの前の光路
に設けられたチューナブルエタロンの共振変調作用によ
り被濃度（圧力）検出ガスに吸収される波長の第１の光
と、被濃度（圧力）検出ガスに吸収されない波長の第２
の光とをそれぞれ計測光と参照光として通過させるとと
もに、チューナブルエタロンの共振波長の中心を被濃度
（圧力）検出ガスの吸収波長に合わせるようにフィード
バック制御されるため、計測光としての第１の光の光量
対応信号と、参照光としての第２の光の光量対応信号と
に基づいて任意のガスの濃度（圧力）を高精度に検出す
る作用をする。

［実施例］ 次に、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は、本発明の一実施例を実現するための全体的な
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から例えば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）検出ガスとしての例えば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によりビーム状に集光された光線Ｌ１がガスセル
７を透過される。ガスセル７を透過された光線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、あるいは極めて低い電位になった場合、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、例えばピエゾ素子（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間の振動幅
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
第１の光と、この1.3312マイクロメータの波長より僅か
にずれた1.3772マイクロメータ（ｄλ＝６nm）のメタン
ガスに吸収されない波長の第２の光（第３図参照）とを
交互に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
する第１の光と、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の第２の光と
がエタロンを交互に通過すると、これらの光は二方向分
光器２４により分光Ｎ１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を通過したあと、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ＰＤ２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２
８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。

３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
信号を生成するもので、１００Hzの矩形波パルス信号Ｓ
５、Ｓ６を出力する。上記パルス信号Ｓ５は前記同期検
波回路２８に、また、もう一方のパルス信号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、上記パルス信号Ｓ５と前記交流信
号Ｎ３とを入力し、パルス信号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２
２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
有する第１の光と、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第
２の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
記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Ｓ
３とを加算した信号となる。

また、同期検波回路３４は、前記パルス信号Ｓ６と前記
交流信号Ｎ５とを入力し、パルス信号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に基づい
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第１の光の光量に対応した信号
と、メタンガスにより吸収されない前記1.3372マイクロ
メータ波長の第２の光の光量に対応した信号との差を演
算し、更に、その差に基づいて前記ガスセル７のメタン
ガスの濃度（圧力）を演算検出する。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ディスプイレイ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第
１の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第２の光の非吸収波長
とに共振するようにチューナブルエタロン２１を変調さ
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、濃度（圧力）が検出され
る任意のガスが封入されたガスセルにビーム状の光を透
過させ、上記ガスにより吸収される波長の第１の光の吸
収度に応じてガスの濃度を演算検出するとき、ガスセル
の後の光路、あるいはガスセルの前の光路に設けられた
チューナブルエタロンを共振変調することにより、計測
光としての上記第１の光と、ガスにより吸収されない波
長の参照光としての第２の光とを所定のタイミングで通
過させ、同チューナブルエタロンを通過した前記第１の
光と第２の光の合計光量をモニターし、この合計光量に
応じて前記チューナブルエタロンの共振波長の変調の中
心を被濃度（圧力）検出ガスの光の吸収波長に自動的に
合わせるようにフィードバック制御するとともに、前記
第１の光と第２の光を光電変換した第１の電気信号と第
２の電気信号とに基づいて被濃度（圧力）検出ガスによ
る第１の光の吸収率を演算し、この吸収率から前記被濃
度（圧力）検出ガスの濃度（圧力）を演算することがで
きるため、任意のガスの濃度（圧力）を高精度に検出す
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図は従来のガス濃度（圧力）検出信号の
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 (2)

【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
   セルにビーム状の光を透過させ、ガスセルを透過した光
   をチューナブルエタロンに入射させた状態でチューナブ
   ルエタロンを所定のタイミングで共振変調し、前記被濃
   度（圧力）検出ガスにより強く吸収される波長の第１の
   光と上記ガスにより吸収されない波長の第２の光とを通
   過させるとともに、同チューナブルエタロンを通過した
   前記第１の光と第２の光の合計光量をモニターし、この
   合計光量が所定量以下に減衰したとき、減衰光量に基い
   て前記チューナブルエタロンの共振変調を補正し、チュ
   ーナブルエタロンの共振波長の変調の中心を被濃度（圧
   力）検出ガスの光の吸収波長に合わせるようにフィード
   バック制御するとともに、前記第１の光と第２の光を光
   電変換した第１の電気信号と第２の電気信号とに基づい
   て前記被濃度（圧力）検出ガスによる第１の光の吸収率
   を演算し、この吸収率から前記被濃度（圧力）検出ガス
   の濃度（圧力）を演算することを特徴とするチューナブ
   ルエタロンを用いたガス濃度圧力検出方法。
2. 【請求項２】被濃度（圧力）検出ガスが封入されたガス
   セルにビーム状の光を入射するための入射光路に配設さ
   れたチューナブルエタロンを所定のタイミングで共振変
   調し、前記被濃度（圧力）検出ガスにより強く吸収され
   る波長の第１の光と上記検出ガスにより吸収されない波
   長の第２の光とを通過させ、同チューナブルエタロンを
   通過した前記第１の光と第２の光の合計光量をモニター
   し、この合計光量が所定量以下に減衰したとき、減衰光
   量に基づいて前記チューナブルエタロンの共振変調を補
   正し、チューナブルエタロンの共振波長の変調の中心を
   被濃度（圧力）検出ガスの光の吸収波長に合わせるよう
   にフィードバック制御するとともに、前記第１の光と第
   ２の光を光電変換した第１の電気信号と第２の電気信号
   とに基づいて前記被濃度（圧力）検出ガスによる第１の
   光の吸収率を演算し、この吸収率から前記被濃度（圧
   力）検出ガスの濃度（圧力）を演算することを特徴とす
   るチューナブルエタロンを用いたガス濃度圧力検出方
   法。