JPH10332527A - 物質検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】検知対象物までの距離を導出することで、検知
対象物の存在位置を計測する物質検知装置を提供するこ
と。 【解決手段】波長掃引レーザ駆動装置１６と、この駆動
装置１６で駆動される波長掃引レーザからのレーザ光を
検知対象物（５）に向けて出射する出射手段（１）と、
前記検知対象物（５）から後方散乱し戻った光と前記出
射手段（５）から出射されたレーザ光の一部が分岐され
た光とを干渉させ、その干渉の結果生じた光の強度変化
を電気信号に変換する変換手段（１１）と、この変換手
段（１１）による電気信号を周波数分析し、周波数から
光の走行距離差を求めて前記検知対象物（５）までの距
離を導出する手段（１５）と、を具備。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラント等におけ
る物質の漏洩を検知する物質検知装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、従来のこの種の物質検知装置の
構成を示す図である。この装置は、蒸気の漏洩を光波の
後方散乱を用いて検知する。直線偏光レーザ１０１から
出射した直線に偏光されたレーザ光１０２は、その一部
が漏洩蒸気５にて後方散乱光１０５となり、直線偏光と
なって反射される。また、レーザ光１０２の一部は壁１
０３等の物体で反射され、複数の偏光成分を含む後方散
乱光１０４となって戻る。

【０００３】これらの反射光は、紙面に対して垂直な偏
光成分のみを通す検光子１０６と、前記偏光成分と直交
する偏光成分を通す別の検光子１０７に到達する。検光
子１０６と検光子１０７にてそれぞれ偏光成分に分けら
れた光波１０８と光波１０９が、それぞれカメラ１１０
とカメラ１１１に入射し、像を形成する。カメラ１１
０、１１１で形成された各像の映像信号は、電気信号処
理回路１１２に入力される。

【０００４】そして、電気信号処理回路１１２にてカメ
ラ１１０とカメラ１１１からの各映像信号に発生する輝
点の有無を照合し、カメラ１１０からの映像信号の中に
存在する輝点に対応する点をカメラ１１１からの映像信
号から除くという処理を行なうことで、蒸気５の存在の
みを検知できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の物質検
知装置では、当該装置から漏洩位置までの距離を特定で
きず、また水蒸気等の物質種類を特定できない、という
問題がある。本発明の目的は、以下の物質検知装置を提
供することにある。 (1) 検知対象物までの距離を導出することで、検知対象
物の存在位置を計測する物質検知装置。 (2) 特定物質の検知とその存在位置の計測を同時に行な
える物質検知装置。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明の物質検知装置は以下の如く構
成されている。 （１）本発明の物質検知装置は、波長掃引レーザ駆動装
置と、この駆動装置で駆動される波長掃引レーザからの
レーザ光を検知対象物に向けて出射する出射手段と、前
記検知対象物から後方散乱し戻った光と前記出射手段か
ら出射されたレーザ光の一部が分岐された光とを干渉さ
せ、その干渉の結果生じた光の強度変化を電気信号に変
換する変換手段と、この変換手段による電気信号を周波
数分析し、周波数から光の走行距離差を求めて前記検知
対象物までの距離を導出する手段と、から構成されてい
る。 （２）本発明の物質検知装置は上記（１）に記載の装置
であって、かつ前記検知対象物から後方散乱し戻った光
を受光し、その光の強度に比例した電気信号に変換する
第２の変換手段と、この第２の変換手段による電気信号
を微分する演算手段と、この演算手段で微分された信号
と前記波長掃引レーザ駆動装置からの同期信号を得て、
前記微分された信号における変化位置を抽出し、前記検
知対象物への光の吸収の程度を算出する信号処理装置
と、を備えている。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態に係
る物質検知装置の構成を示す図である。図１において波
長掃引レーザ１は、波長掃引レーザ駆動装置１６に備え
られた掃引信号発生器（不図示）からの掃引信号の変化
にともない、発信波長または周波数を変化させることが
できるレーザ光源である。ビームスプリッタ４は、波長
掃引レーザ１から出射したレーザ光を計測対象５に投光
するとともに、計測対象５から後方散乱して戻った光を
反射する。

【０００８】ビームスプリッタ３は、波長掃引レーザ１
から出射されたレーザ光の一部を分岐し、受光器１１は
ビームスプリッタ３で分岐されビームスプリッタ１０に
て反射された光と、計測対象５からビームスプリッタ
４、ビームスプリッタ９及びビームスプリッタ１０を介
して戻ってきた光とを干渉させ、その干渉の結果生じた
光の強度変化を電気信号に変換する。周波数分析器１５
は、この電気信号の周波数を分析する。

【０００９】受光器１２は、計測対象５からビームスプ
リッタ４及びビームスプリッタ９を介して戻ってきたレ
ーザ光の強度に比例した電気信号に直接変換する。微分
器１３は、受光器１２により生じた電気信号の微分をと
り、信号処理装置１４はその微分後の信号中の変化が生
じた変化位置（時点）を上記掃引信号発生装置からの周
期信号に対応して算出する。

【００１０】波長掃引レーザ１から発生した光波２は、
ビームスプリッタ３において二つの光路に分けられる。
その一方の光波は計測対象５へ向かい、もう一方は参照
光となる。計測対象５へ向かった光波は、計測対象５例
えば水蒸気にて、その一部が後方散乱され計測対象５へ
戻る。また、計測対象５へ向かった光波の一部は計測対
象５の光物性にしたがって吸収され、また一部は透過光
７になる。

【００１１】計測対象５にて後方散乱された光波６は、
ビームスプリッタ４にて反射され、さらにビームスプリ
ッタ９にて二つの光路に分けられる。その一方の光波は
受光器１２に入射する。もう一方の光波はビームスプリ
ッタ１０を介して受光器１１に入射し、参照光用にビー
ムスプリッタ３で分けられビームスプリッタ１０にて反
射された光波と受光器１１上で干渉する。

【００１２】図２は、当該物質検知装置における各部の
信号のタイムチャートを示す図であり、（ａ）は上記掃
引信号発生器からの掃引信号（縦軸は、電圧または電
流）、（ｂ）は波長掃引レーザ１から発射されるレーザ
光の波長、（ｃ）は受光器１２における光量、（ｄ）は
微分器１３からの出力、（ｅ）は受光器１１に到達する
ビームスプリッタ３からの光波の周波数、（ｆ）は受光
器１１に到達するビームスプリッタ９からの光波の周波
数、（ｇ）は前記ビームスプリッタ３からの光波と前記
ビームスプリッタ９からの光波の周波数差、（ｈ）は受
光器１１の出力電流を示している。

【００１３】波長掃引レーザ駆動装置１６は、図２の
（ａ）に示す如き掃引信号を出力して波長掃引レーザ１
を駆動し、波長掃引レーザ１から図２の（ｂ）に示す如
き波長を有する波長掃引されたレーザ光が出力される。
そして受光器１２にて得られる信号は、前記波長掃引さ
れたレーザ光の波長にしたがって吸収が強くなる箇所
で、図２の（ｃ）に示すように後方散乱光の反射量が少
なくなる。この度合を電気的に検出するために微分器１
３を通すと、図２の（ｄ）に示す如き波形が得られる。

【００１４】微分器１３は、波長掃引をした際に生じる
レーザ光の光量の変動を受入れ、その変化分を抽出する
ために設けられている。信号処理装置１４は、微分器１
３からの出力を得るとともに、波長掃引レーザ駆動装置
１６からの同期信号を同期信号線１７を介して得ること
で、レーザ光の光量の変化位置を抽出し、計測対象５に
おけるレーザ光の吸収の有無と程度を算出する。

【００１５】受光器１１で得られる電気信号は、波長の
掃引の結果により光波の周波数も掃引されている。この
ため、図２の（ｅ）に示すビームスプリッタ３を介して
受光器１１へ入る光波の周波数と、図２の（ｆ）に示す
計測対象５から戻り、ビームスプリッタ９を介して受光
器１１へ入る光波の周波数は、空間を走行した距離の差
に比例する図２の（ｇ）に示す如き周波数差を有してい
る。これらの光波を干渉させると、受光器１１からは図
２の（ｈ）に示す如き電流波形が得られ、この波形を周
波数分析器１５にて周波数分析することで、周波数か
ら、光の走行距離差すなわち波長掃引レーザ１から前記
検知対象物までの距離が算出される。

【００１６】図３は、計測対象５である水蒸気の吸収特
性の例を示す図であり、横軸はレーザ波長、縦軸はレー
ザ光の透過率を示している。検知する物質を水蒸気とす
ると、Ａに示す領域で吸収があることが実験的に確認さ
れている。この範囲をカバーできる波長掃引レーザとし
ては、半導体レーザやパラメトリック発振レーザがあ
る。また当該物質検知装置は、計測対象の物質毎に有す
る吸収特性を選択して用いることで、その他の物質の検
知とその位置の測定に広く利用できる。

【００１７】なお、本発明は上記実施の形態のみに限定
されず、要旨を変更しない範囲で適時変形して実施でき
る。 （実施の形態のまとめ）実施の形態に示された構成およ
び作用効果をまとめると次の通りである。 ［１］実施の形態に示された物質検知装置は、波長掃引
レーザ駆動装置１６と、この駆動装置１６で駆動される
波長掃引レーザからのレーザ光を検知対象物（５）に向
けて出射する出射手段（１）と、前記検知対象物（５）
から後方散乱し戻った光と前記出射手段（５）から出射
されたレーザ光の一部が分岐された光とを干渉させ、そ
の干渉の結果生じた光の強度変化を電気信号に変換する
変換手段（１１）と、この変換手段（１１）による電気
信号を周波数分析し、周波数から光の走行距離差を求め
て前記検知対象物（５）までの距離を導出する手段（１
５）と、から構成されている。

【００１８】このように上記物質検知装置においては、
波長掃引レーザ駆動装置１６で駆動される波長掃引レー
ザ及び該レーザからのレーザ光を検知対象物（５）に向
けて出射し、前記検知対象物（５）から後方散乱し戻っ
た光と出射されたレーザ光の一部が分岐された光とを干
渉させ、その干渉の結果生じた光の強度変化を電気信号
に変換し、その電気信号を周波数分析し、周波数から光
の走行距離差を求めて前記検知対象物（５）までの距離
を導出するので、検知対象物（５）の存在位置を計測で
きる。すなわち、例えば水蒸気等の物質では、特定の波
長の光に対して鋭い吸収性を持つため、その波長近傍で
波長を掃引すれば、その後方散乱光の特定の波長の戻り
光量が少なくなるため、この物質の存在を検知できる。

【００１９】また、レーザの波長掃引によりレーザの周
波数も掃引されていることになり、その一部を予め設け
られた光路に分けて参照光とし後方散乱光と干渉させれ
ば、光路差の違いが干渉のビート波の周波数となり出力
される。これにより、光の走行距離差すなわち当該装置
から検知対象物（５）までの距離が算出され、この検知
対象物（５）の存在位置を特定できる。 ［２］実施の形態に示された物質検知装置は上記［１］
に記載の装置であって、かつ前記検知対象物（５）から
後方散乱し戻った光を受光し、その光の強度に比例した
電気信号に変換する第２の変換手段（１２）と、この第
２の変換手段（１２）による電気信号を微分する演算手
段（１３）と、この演算手段（１３）で微分された信号
と前記波長掃引レーザ駆動装置１６からの同期信号を得
て、前記微分された信号における変化位置を抽出し、前
記検知対象物（５）への光の吸収の程度を算出する信号
処理装置１４と、から構成されている。

【００２０】このように上記物質検知装置においては、
前記検知対象物（５）から後方散乱し戻った光を受光
し、その光の強度に比例した電気信号に変換し、その電
気信号を微分し、その微分された信号と前記波長掃引レ
ーザ駆動装置１６からの同期信号を得て、前記微分され
た信号における変化位置を抽出し、前記検知対象物
（５）への光の吸収の程度を算出するので、特定物質で
ある前記検知対象物（５）の検知を行なえるとともに、
この検知と前述した前記検知対象物（５）の存在位置の
計測とを同時に行なうことが可能になる。

【００２１】

【発明の効果】本発明の物質検知装置によれば、波長掃
引レーザ駆動装置で駆動される波長掃引レーザからのレ
ーザ光を検知対象物に向けて出射し、前記検知対象物か
ら後方散乱し戻った光と出射されたレーザ光の一部が分
岐された光とを干渉させ、その干渉の結果生じた光の強
度変化を電気信号に変換し、その電気信号を周波数分析
し、周波数から光の走行距離差を求めて前記検知対象物
までの距離を導出するので、検知対象物の存在位置を計
測できる。すなわち、例えば水蒸気等の物質では、特定
の波長の光に対して鋭い吸収性を持つため、その波長近
傍で波長を掃引すれば、その後方散乱光の特定の波長の
戻り光量が少なくなるため、この物質の存在を検知でき
る。

【００２２】また、レーザの波長掃引によりレーザの周
波数も掃引されていることになり、その一部を予め設け
られた光路に分けて参照光とし後方散乱光と干渉させれ
ば、光路差の違いが干渉のビート波の周波数となり出力
される。これにより、光の走行距離差すなわち当該装置
から検知対象物までの距離が算出され、この検知対象物
の存在位置を特定できる。

【００２３】さらに本発明の物質検知装置によれば、前
記検知対象物から後方散乱し戻った光を受光し、その光
の強度に比例した電気信号に変換し、その電気信号を微
分し、その微分された信号と前記波長掃引レーザ駆動装
置からの同期信号を得て、前記微分された信号における
変化位置を抽出し、前記検知対象物への光の吸収の程度
を算出するので、特定物質である前記検知対象物の検知
を行なえるとともに、この検知と前述した前記検知対象
物の存在位置の計測とを同時に行なうことが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る物質検知装置の構成
を示す図。

【図２】本発明の実施の形態に係る物質検知装置におけ
る各部の信号のタイムチャートを示す図。

【図３】本発明の実施の形態に係る計測対象である水蒸
気の吸収特性の例を示す図。

【図４】従来例に係る物質検知装置の構成を示す図。

【符号の説明】

１…波長掃引レーザ ２…波長掃引レーザ光 ３…ビームスプリッタ ４…ビームスプリッタ ５…計測対象 ６…後方散乱光 ７…透過光 ９…ビームスプリッタ １０…ビームスプリッタ １１…受光器 １２…受光器 １３…微分器 １４…信号処理装置 １５…周波数分析器 １６…波長掃引レーザ駆動装置 １７…同期信号線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 牟田 研二 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】波長掃引レーザ駆動装置と、 この駆動装置で駆動される波長掃引レーザからのレーザ
   光を検知対象物に向けて出射する出射手段と、 前記検知対象物から後方散乱し戻った光と前記出射手段
   から出射されたレーザ光の一部が分岐された光とを干渉
   させ、その干渉の結果生じた光の強度変化を電気信号に
   変換する変換手段と、 この変換手段による電気信号を周波数分析し、周波数か
   ら光の走行距離差を求めて前記検知対象物までの距離を
   導出する手段と、 を具備したことを特徴とする物質検知装置。
2. 【請求項２】前記検知対象物から後方散乱し戻った光を
   受光し、その光の強度に比例した電気信号に変換する第
   ２の変換手段と、 この第２の変換手段による電気信号を微分する演算手段
   と、 この演算手段で微分された信号と前記波長掃引レーザ駆
   動装置からの同期信号を得て、前記微分された信号にお
   ける変化位置を抽出し、前記検知対象物への光の吸収の
   程度を算出する信号処理装置と、 を備えたことを特徴とする請求項１に記載の物質検知装
   置。