JPS5933215B2 - 光音響分析器の信号処理回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、試料に光エネルギーを照射し、これが熱に変
換された量を検出して試料の分析を行う光音響分析にお
ける信号処理回路に関し、更に詳しくは分析試料及び基
準試料からの検出信号を、それぞれ掛算器に供給して自
己相関及び相関量を得て、これら相関量を更に積分器及
びアナログ・デジタル変換器を介して演算処理装置にそ
れぞれ入力するようにした光音響分析器の信号処理回路
に関するものである。

光音響分析器は、断続した光を光音響セル中の分析試料
にあて、その分析試料の吸収した光エネルギーが熱エネ
ルギーとして放出する際、分析試料の雰囲気に生ずる疎
密波をマイクロフォン等の検出素子で電気信号として検
出し、これを増幅し、記録して分析に供する分析器であ
る。

ここで、検出される電気信号は、光の断続周波数と同じ
交流信号で、その周波数と同期した交流信号を抽出し、
増幅及び整流して取り出す必要がある。そのため、従来
においては断続光を発生させるチョッパにより断続のタ
イミングを検出し、先に検出して得た交流電気信号をそ
の断続のタイミングで同期整流して出力信号を得ている
。・第１図はこの従来の複光束型光音響分析器の構成の
一例を示すブロック図であり、図中、１はキセノンラン
プ等の光源、２はチヨツパ、３は駆動モータ、４は同期
信号発生器、５は分光器、６はハーフミラ、７は基準試
料が入れられた基準側光音響セル、８は分析すべき分析
試料が入れられた分析側光音響セル、９は交流増幅器、
１０は同期整流器及び１１は割算器である。

上記の構成において、光源１を発した光はチヨツパ２で
所定周波数の断続光とされ、分光器５に入射され、ここ
から単色光出力が取り出される。

この単色光出力はハーフミラ６により複光束に分割され
、それぞれの光音響セル７と８に照射される。基準側光
音響セル７は、カーボンブラツク、パイロ電気素子等を
基準試料として基準出力Ａ。

を得る。分析側光音響セル８には分析すべき分析試料を
収容して出力Ａ１を得る。各出力Ａ。

およびＡ１は交流増幅器９および１０によりそれぞれ増
幅される。他方、フオトカプラの如き同期信号発生器４
で得られる上記断続光の同期信号を比較信号として同期
整流器１１及び１２に加え、ここで増幅器９および１０
からの各出力をそれぞれ同期整流する。次いで、その２
つの同期整流出力信号は割算器１３に入力さ粍分析試料
からの信号を基準信号で除算することにより光源強度の
補正を行なう。

ところで、光音響信号は、試料が吸収した光のエネルギ
ーが試料内部で熱に変換され、その熱エネルギーが試料
表面を介して周囲の気体に伝わり、気体の圧力が変動し
て生ずる信号である。従つて、光照射から光音響信号に
変換されるまでには時間的遅れがあり、基準側および分
析側の信号はこの遅れを含んでいる。この時間遅れには
光音響セル自体によるものと、試料の物理的性質による
もの、即ち、熱伝導率、密度、励起エネルギーの緩和時
間などがあり、後者は試料の分析上重要な項目である。
尚、前者の光音響セル自体による時間遅れは、分析側音
響セル８に同じ基準試料を収容して両出力Ａ。

（５Ａ１の位相調整を行なうことにより、実質土相殺で
きるものである。第１図に示した装置では、光源強度に
対する正規化を行なつているが、試料自体の信号遅れに
ついては光音響出力が最大になるときの同相出力及び９
０度位相が遅れた出力を同時に測定しているのであつて
、同期整流を行なうにあたつては、光音響出力が最大に
なるように位相調整しているため、測定に有効な試料表
面からの深さは断続周波数に依存して変化するにもかか
わらず、断続周波数を変えた場合のかかる位相調整では
真に必要な位相の信号を得ていない欠点を与えている。

かかる難点を解決するために、本発明者は基準信号Ａ。
の９０度位相遅れた信号を移相器で得、この９０度位相
遅れ基準信号と分析試料からの出力信号Ａ１との相関を
とることによつて、先の試料自体の信号遅れが測定でき
ることを明らかにした。これを簡単に説明すると、出力
信号Ａ１を、基準信号Ａ。及びその９０度位相遅れの信
号との相関１，１２を与える第１と第２の掛算器に入力
し、又、基準信号Ａ。及びその９０度位相遅れの信号の
それぞれの自己相関１。，Ｉ０＊を与える第３と第４の
掛算器を付設し、前記第１の掛算器の出力１を第３の掛
算器の出力１。で除算し、正規の位相の光音響出力Ｅ１
を与える第１の割算器と、前記第２の掛算器の出力１２
を第４の掛算器の出力１。＊で除算し、正規の位相から
９０度遅れた光音響出力Ｅ２を与える第２の割算器とを
備えたＥ２構成とし、信号遅れθはＴａｎθ一：によつ
て演算可能としたものである。

この結果、基準信号に対する分析試料の光音響出力の位
相遅れを正確に求められるばかりでなく、分析試料の交
換や断続周波数の変化に応じて位相調整を要するという
従来の難点を解消できたものである。

ところが、上述した信号処理回路では、基準信号に対し
て９０度位相の遅れた信号を得ることが第１の要件であ
るが、現状ではこの回路を実現するのが技術的に難しく
、又、精度の点でも一層の高精度が要望される。

そこで、本発明は、上記の問題点を解決して一層すぐれ
た光音響分析器の信号処理回路を実現することを目的と
するものであり、基準信号の位相を遅らす移相器を用い
ることなく、位相遅れを精度良く測定し得、且つ光強度
の補正をした光音響スペクトルを得ることのできる光音
響分析器の信号処理回路を提供せんとするものである。

この目的を達成するために、本発明では、分析側光音響
セル内に置かれた分析試料と基準側光音響セル内に置か
れた基準試料とに断続光を照射して各々の光音響出力を
得る光音響分析器の信号処理回路において、前記分析側
及び基準側の光音響セルからの個別光音響出力を、それ
ぞれの自己相関及びそれら両出力間の相関を与える掛算
器と積分器の３組の縦続回路に入力し、次いで、その各
出力をそれぞれアナログ・デジタル変換器を介して演算
装置に供給して、所望の各種演算を前記相関に基いて行
なうことを特徴とするものである。

以下、本発明を実施例に基いて詳細に説明する。本発明
光音響分析器の１実施例を第２図に示す。図中、交流増
幅器９および１０までの構成は第１図の場合と同じであ
り、従つて同一の参照符号を用いて、その説明を省略す
る。第２図において、１４〜１６は掛算器、１７〜１９
は定時間積分器、２０〜２２はアナログ・デジタル変換
器、２３は積分形アナログ・デジタル変換器及び２４は
演算処理装置としての計算機である。光源１を発した光
はチヨツパ２により所定の周波数に変調され、分光器５
に入射し、単色光に分散された後、ハーフミラ６により
複光束に分割されて、基準試料として例えばカーボンブ
ラツクを用いた基準側光音響セル７及び分析試料が収容
された分析側光音響セル８に入射する。

今、基準側セル７の信号の位相を基準とした分析側セル
８の信号の位相差をθとすると、光音響セルの特性によ
る時間遅れは等しいから、位相差θは分析試料自体の物
理的性質に由来する時間遅れである。

この２つの信号Ａ。

及びＡ１は各交流増幅器９及び１０によりそれぞれ増幅
され、それぞれ出力ＥＯ及びＥ，が得られる。ここで、
両方の光音響セル７及び８に基準試料、例えばカーボン
ブラツクを入れた時の出力Ｅ。（５Ｅ１とが等しくなる
よう、両増幅器９及び１０の利得を予め調整しておくも
のとする。今、基準側出力Ｅ。

を単純化してＥ。−ＡＯＳｌｎωｔで表わされるとする
と、試料側出力Ｅ，はＥ１＝Ａｌｓｉｎ（ωｔ−θ）と
なる。ここに、ωはチヨツパ２で変調される角周波数、
θは上記位相差、ＡＯとＡ１は出力Ｅ。（５Ｅ１の振幅
で、光の強度に比例する量である。第２図において、掛
算器１４は基準出力Ｅ。

の自已相関を演算し、掛算器１５は基準出力Ｅ。と分析
試料出力Ｅ１との相関を演算し、掛算器１６は分析試料
出力Ｅ１の自己相関を演算する。定時間積分器１７，１
８及び１９においては、これら掛算器１４，１５及び１
６からの演算結果をそれぞれ同時に定時間積分して相関
量及び自己相関量を得る。このため定時間積分器１７，
１８及び１９は各積分時間が連動するように構成されて
いるものとする。基準側出力Ｅ。

＝ＡＯＳｌｎωｔを自乗して定時間積分した自己相関量
をｘとおくと、となり、Ｘは光源強度の自乗に比例して
いる。

同様に分析試料側出力Ｅ１を自乗して定時間積分した自
己相関量をＺとすると、であり、Ｚも同様に光源強度の
自乗に比例している。

又、基準側出力Ｅ。と分析試料側出力Ｅ１との相関をと
り、定時間積分して得られる相関量Ｙは、となる。各相
関量Ｘ，Ｙ及びＺは、アナログ・デジタル変換器２０，
２１及び２２にて、デジタル量に変換され、それぞれ計
算機２４に入力される。

計算機２４は、目的とする情報を出力するため、以下に
述べるような演算処理を行なう。即ち、計算機２４は出
力として１１，１２，・・・１０を演算する。例えば、
１は光源強度補正の光音響出力であり、として与えられ
る。同じく、１２は基準信号に対する分析試料の信号の
位相遅れθを与えるための成分で、として与えられる。

同様にして、は、 出力１３及び１４ として出力が与えられる。

従つて、差スペクトルは、（１３−１４）の演算結果と
して与えられる。又、出力１２はＣＯｓθを与えている
から、計算機２４の演算により、出力１５として、が与
えられ、こうして、９０度位相遅れの出力が得られるこ
とになる。

更に、９０度位相の遅れた基準信号との光源補正した相
関は出力１６であつて、これは、として与えられるもの
である。

更に、基準信号と分析試料の光音響信号の比１７は、と
して与えられる。

ところで、計算機２４内での演算および伝送には各々相
応の時間を要する。

従つて、積分器１７〜１９の積分時間、分光器５の波長
掃引速度、計算機２４での信号の出入れ等は、すべて計
算機２４の動作速度に適合して制御されなければならな
い。そこで、本発明においては、計算機２４から制御信
号を取出し、この制御信号によつて積分形アナログ・デ
ジタル変換器を介して積分器１７〜１９の動作および分
光器５の動作を制御する。上記の如く、本発明では、光
音響分析器の分析側出力及び基準側出力の信号処理回路
を構成するにあたり、各串力の自己相関と、それぞれの
出力の相関のみを、別個に、掛算器と積分器との直列回
路で算出し、次いで、各々をアナログ・デジタル変換し
て計算機に入力して任意所望の信号出力が得られるよう
にしたので、信号処理回路として簡略化されたものとす
ることができる。即ち、本発明では、基準信号の位相を
遅らす移相器を用いることなく、位相遅れを精度良く測
定することができ、しかも光強度の補正をした光音響ス
ペクトルを得ることのできる光音響分析器の信号処理回
路を構成できる。なお、第３図ＡおよびＢは本発明の光
音響分析器の検出器の一例を示す。

この検出器は分析側光音響セル７および基準側光音響セ
ル８によつて構成される。分析側光音響セル７および基
準側光音響セル８はそれぞれ試料室と基準室とから構成
される。Ｒｌ，Ｒ２は試料室である。試料室Ｒｌ，Ｒ２
にはそれぞれ分析すべき試料たとえば分析試料Ｓ１およ
び基準試料Ｓ２が配置さね しかも、これら試料Ｓｌ，
Ｓ２に光エネルギを照射するための光透過窓Ｗｌ，Ｗ２
が設けられている。試料Ｓｌ，Ｓ２はそれぞれ、試料台
Ｄｌ，Ｄ２上に載置することによつて試料室Ｒｌ，Ｒ２
中に配置され、試料台Ｄｌ，Ｄ２を取りはずすことによ
つて交換可能である。試料台Ｄｌ，Ｄ２は第３図Ｂに示
すように両者が一体に形成されたものでもよく、また、
別体（図示せず）のものであつてもよい。Ｖｌ，Ｖ２は
シール素子、例えばＯリングである。光音響分析器にお
いて分析しうる試料は固体、粉体、液体等いかなるもの
であつてもよく、具体的には各種剛体、流化カドミウム
粉、酸化ホルミウム粉などの酸化物あるいは硫化物粉体
、ジルコニウム、シリコンなどの薄膜、物体表面に付着
した微量成分（人間のアカなど）、薬片、血液、色素の
溶解した溶液、各種懸濁液等があげられる。前記試料Ｓ
ｌ，Ｓ２が液体、粉体あるいは物理的性状の不安定な物
質の場合には、試料皿（図示せず）に入れて試料台Ｄｌ
，Ｄ２上に配置する。しかしながら、試料が剛体等の固
体であつても試料台Ｄｌ，Ｄ２に直接置くことは避けた
方がよい。Ｃｌ，Ｃ２は基準室である。この基準室Ｃｌ
，Ｃ２はそれぞれ、通路Ｌｌ，Ｌ２を介して試料室Ｒｌ
，Ｒ２と連通されており、これによつて試料室Ｒ１およ
び基準室Ｃ１、ならびに試料室Ｒ２および基準室Ｃ２は
それぞれ分析側光音響セル７および基準側光音響セル８
を形成する。この分析側光音響セル７および基準側光音
響セル８の中にはそれぞ瓢空気もしくは窒素もしくはヘ
リウムなどの気体が充填されている。さらに、分析側光
音響セル７の通路Ｌ１および基準側光音響セル８の通路
Ｌ２の任意の個所にはそれぞね熱式流量計形検出素子Ｇ
ｌ，Ｇ２が設置される。このようにして構成された検出
器は分析に際して、分析試料Ｓ１および基準試料Ｓ２に
それぞれ光透過窓Ｗｌ，Ｗ２を通じて波長およびエネル
ギの等しい光エネルギを同時にしかも断続的に照射する
。なお、この光エネルギは一定時間ず＼交互に照射する
ようにしてもよい。一般に物質に光エネルギを照射する
と、照射した光エネルギの一部は物質により吸収さ粍こ
の吸収された光エネルギの一部は熱エネルギに変換され
る。

しかも物質は一定の条件下でそれぞれその条件に対応す
る固有の光吸収スペクトルを有するので、前記光エネル
ギの吸収量ならびに熱エネルギへの変換量もまた固有の
値を呈する。光音響分析器はこの熱エネルギを物質すな
わち試料周辺の気体の熱膨張として検出して該物質を分
析しようとするものである。この熱エネルギはそれぞれ
試料Ｓｌ，Ｓ２の周囲の気体に伝達され、気体の熱膨脹
により試料室Ｒｌ，Ｒ２の圧力が上昇する。一方基準室
Ｃｌ，Ｃ２には光エネルギは照射されず、このため基準
室Ｃｌ，Ｃ２の圧力はいずれも変化しない。したがつて
、分析側光音響セル７においては試料室Ｒ１と基準室Ｃ
１との間、および基準側光音響セル８においては試料室
Ｒ２と基準室Ｃ２との間にそれぞれ圧力差を生じ、気体
は試料室Ｒ１から基準室Ｃ１に、および試料室Ｒ２から
基準室Ｃ２にそれぞれ流動する。照射する光を光断続チ
ヨツパ２により断続させると、気体は試料室と基準室の
圧力が平衡する方向、すなわち、基準室Ｃ１から試料室
Ｒ１の方向ならびに基準室Ｃ２から試料室Ｒ２の方向に
流動し、このため、前記気体は光断続の周期と同一周期
でそれぞれ通路Ｌｌ，Ｌ２を介して両室間で振動する。
光断続チヨツパ２による光断続の周期は１ｚ〜１０００
Ｈｚの範囲のある値に設定されている。この振動をそれ
ぞれ通路Ｌｌ，Ｌ２に配置された熱式流量計形検出素子
Ｇｌ，Ｇ２の交流の電気信号として検出する。熱式流量
計形検出素子Ｇｌ，Ｇ２の抵抗変化が上述した分析側光
音響セル７および基準側光音響セル８の出力信号として
取り出される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光音響分析器の一例の構成を示すプロツ
ク図、第２図は本発明の光音響分析器の一実施例を示す
プロツク図、第３図ＡおよびＢは本発明の光音響分析器
に使われる検出器の一例の構成を示すそれぞれ平面図お
よびそのＸ−Ｘ断面図である。 図中１・・・・・・光源、２・・・・・・チヨツパ、３
・・・・・・駆動モータ、５・・・・・・分光器、６・
・・・・・ハーフミラ、７・・・・・・基準側光音響セ
ル、８・・・・・・分析側光音響セル、９，１０・・・
・・・交流増幅器、１４，１５，１６・・・・・・掛算
器、１７，１８，１９・・・・・・積分器、２０，２１
，２２・・・・・・アナログ・デジタル変換器、２３・
・・・・・積分形アナログ・デジタル変換器、２４・・
・・・・計算機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基準側光音響セル内に置かれた基準試料と分析側光
   音響セル内に置かれた分析試料に断続光を照射して各々
   の光音響出力を得る光音響分析器の信号処理回路におい
   て、前記基準側光音響セルからの前記光音響出力を供給
   され、該光音響出力の自己相関を算出する第１回路と、
   前記分析側光音響セルからの前記光音響出力を供給され
   、該光音響出力の自己相関を算出する第２回路と、前記
   基準側及び分析側光音響セルからの前記光音響出力の双
   方を供給され、これら双方の光音響出力間の相関を算出
   する第３回路と、前記第１、第２及び第３回路からの各
   出力をそれぞれ供給される第１、第２及び第３アナログ
   ・デジタル変換器と、該第１、第２及び第３アナログ・
   デジタル変換器からの各デジタル出力を供給され前記相
   関に基いて前記分析試料の光音響分析に供する出力情報
   の算出を行なう演算装置とを具備したことを特徴とする
   光音響分析器の信号処理回路。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の信号処理回路において
   、前記第１、第２及び第３回路をそれぞれ掛算器と積分
   器との縦続回路で構成したことを特徴とする光音響分析
   器の信号処理回路。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項のいずれかに記
   載の光音響分析器の信号処理回路において、前記演算装
   置は、光源強度補正後の分析試料の光音響スペクトル、
   基準側光音響出力に対する分析側光音響出力の位相遅れ
   、基準側光音響出力と分析側光音響出力の差スペクトル
   、基準側光音響出力と分析側光音響出力の比のうちの少
   くともいずれかひとつを前記出力情報として出力するよ
   うに構成されていることを特徴とする光音響分析器の信
   号処理回路。