JPS63113346A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は、微分計測法を用いた赤外半導体レーザ方式ガ
スセンサにおいて、半導体レーザのバイアス電流に対す
る波長の変化率（以後チューニングレートと記す）の変
動によるガス濃度測定値のゲインドリフトを抑圧するた
め、エタロン板を用いてチューニングレートを測定し、
ゲインの補正を行うことにより、長期間安定にガス濃度
測定が行えるようにしたものである。

（産業上の利用分野〕 本発明は赤外半導体レーザ方式ガスセンサに関し、特に
半導体レーザのチューニングレートの変動を補正して長
期間安定にガス濃度測定を行なうようにしたガスセンサ
に関するものである。

ガスセンサは、小型、高感度、短時間測定で、しかも高
信頼性が要求される。赤外半導体レーザ方式ガスセンサ
は可搬型であり、望ましい特徴を備えている。

かかる赤外半導体レーザ方式ガスセンサにおいては、特
に長期間にわたって安定にガス濃度測定を行う必要があ
り、それがための方策が要望されている。

〔従来の技術〕

第４図は従来の赤外レーザ方式ガスセンサのブロック図
を示している。

第４図において、半導体レーザ１より発光したレーザ光
はレンズ２により平行光線にされて大気中の微Ｈな被測
定ガス３（例えば、二酸化窒素ＮＯ２等の公害ガス）を
通過する。透過した光はレンズ４により、赤外線センサ
５に集光される。

半導体レーザ１は、第５図の掃引特性図に示すように、
バイアス電流を変えることにより連続的に波長を掃引で
きる。すなわち、バイアス電流を所定値１ｏから正弦波
状に増減する形で変化させることによって、第６図Ａに
示すような、波長λＤを中心に正弦波状に波長が変化す
るレーザ光が得られる。

このレーザ光が被測定ガス３を通過する場合、被測定ガ
ス３の吸収スペクトルは、第６図Ｂで表わされ、その透
過パワーは、レーザ光の掃引中心波長λ０で最小となり
、最長波長および最短波長との間にｈの減衰によるパワ
ーの差が発生する。

この減衰によるパワーの差りは被測定ガスの濃度にほぼ
比例する。

被測定ガス３を通過したレーザ光は、第６図Ｃに示すよ
うに、ｈの振幅を持った掃引周波数の２倍の周波数とな
って赤外線センサ５で受光され、電気信号に変換されて
信号処理回路６に出力される。信号処理回路６は、第６
図Ｃの交流を検波して吸収パワーの差りを検出する。

一方、レンズ２を通過直後、ハーフミラ−７により分割
されて図中上方向に進んだレーザ光は、ミラー８を介し
て参照セル９を通りレンズ１０により赤外線センサ１１
に集光される。

参照セル９には濃度が既知、の被測定ガスを入れておく
。

信号処理回路１２は、前述した信号処理回路６と同様に
動作して濃度が既知のガスに対する減衰による信号ｈ′
を検出する。

割算器１３は、濃度が既知のｈ′に対する未知濃度のｈ
の比を計算して出力する。表示装置１４は割算器１３の
出力濃度比から被測定ガス３の濃度を換算して表示する
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のガスセンサでは、半導体レーザの素子特性が変化
した場合、チューニングレートが変化するので、レーザ
のバイアス電流に重畳する微少交流が同じであっても、
波長１辰幅が変化し、そのため、第６図の相互関係から
明らかなように透過パワーｈが見掛は上変化したことに
なってガス濃度測定値が変動する。

これを防ぐ目的で、参照セルを用い、既知濃度のガスに
対する信号を常に測定し、未知濃度のガスに対する信号
との比を計算することにより、チューニングレートの影
響を避けていた。

しかし、測定対称ガスが二酸化窒素（ＮＯ２）等反応し
易いガスの場合、例えば、参照セルの材料そのものと反
応してしまうので、参照セル内のガスの濃度が変化して
わからなくなり、チューニングレートの影響を避けるこ
とができない欠点が生じた。

本発明はこのような点に鑑みて創作されたもので、半導
体レーザのチューニングレートが変化しても被測定ガス
の濃度を正確に測定することができるガスセンサを提供
することを目的としている。

〔問題点を解決するためめ手段〕

簡単に述べると本発明は、従来のような参照セルの既知
ガス濃度に対応した吸収量を規準とする考え方を改め、
測定時点毎に半導体レーザのチューニングレートを規準
として被測定ガスの濃度測定をなすようにしたものであ
る。

第１図は本発明のガスセンサのブロック図を示している
。

上記問題点を解消するため、本発明のガスセンサは、ハ
ーフミラ−７で分光したレーザ光を透過するエタロン板
１５と、該エタロン板１５を透過し、赤外線センサ１１
で変換された電気信号より半導体レーザ１のチューニン
グレートを測定するチューニングレート測定回路１６と
、予めチューニングレートの変動に対応した補正係数を
格納し、チューニングレート測定回路１Ｂの出力値によ
って該当する補正係数を出力する記憶部１７を備えると
ともに、赤外線センサ５と信号処理回路６で得た被測定
ガス３を透過したレーザ光のスペクトラムの検出値に前
記補正係数を乗算する乗算器１８を設けた構成としてい
る。

〔作用〕

第２図はエタロン板１５によるチューニングレート測定
を説明する図である。半導体レーザ１のバイアス電流を
掃引することにより、エタロン板１５の透過光強度は、
第２図に示すように、一定の周期を持って波形を形成す
る。この波形の山と山。

谷と谷の波長間隔はエタロンに固有なものであるので、
山と山の電流間隔Ｉを測定することによりチューニング
レートがわかる。

チューニングレート測定回路１６は上記の要領により半
導体レーザ１のチューニングレートを測定し、その測定
値を記憶部１７に出力する。

記憶部１７は、チューニングレート測定回路１６の出力
値に対応した補正係数を乗算器１８に出力し、乗算器１
８において被測定ガスの濃度を補正して正しい濃度を計
算し、表示装置１４で濃度表示を行う。

〔実施例〕

第３図は本発明の一実施例のガスセンサのブロック図を
示しており、説明を容易とするために第１図、第４図と
同一部位は同一符号をもって示している。

第３図に示すように、一実施例のガスセンサはレーザ光
を発生する半導体レーザ１と、半導体レーザ１の出力レ
ーザ光を分離するハーフミラ−７と、ハーフミラ−７で
分離された一方向のレーザ光を透過する長光路セル２０
と、長光路セル２０を通過したレーザ光を検知して電気
信号に変換する赤外線センサ５と赤外線センサ５の出力
信号を検波する信号処理回路６とを備えている。

また、ハーフミラ−７で分離された他の一方向のレーザ
光を透過するエタロン板１５と、エタロン板１５を透過
したレーザ光をヰ★知して電気信号に変換する赤外線セ
ンサ１１と、赤外線センサ１１の出力信号より半導体レ
ーザ１のチューニングレートを測定するチューニングレ
ート測定回路１６と、予めチューニングレートに応じた
補正係数を格納し、チューニングレート測定回路１Ｂの
出力信号によって該当する補正係数を出力する記憶部（
ＲＯＭ）　１７を備えるとともに、信号処理回路６で得
た検波出力に前記補正係数を乗算する乗算器１８を設け
、該乗算器１８の出力を表示装置１４で表示する構成と
している。

第３図において、ヘリウム循環式冷凍機１９によって冷
却された半導体レーザ１は、バイアス電流を変えること
により規定幅の波長を連続的に掃引したレーザ光を出力
する。この出力レーザ光は、レンズ２で平行光となり、
ハーフミラ−７で分離される。

ハーフミラ−７で分離された一方向のレーザ光は、例え
ば、ゲルマニウムの平行平面板、つまりエタロン板１５
を通過する。この通過レーザ光は、ゲルマニウム板の平
行面の間隔とゲルマ材の屈折率等によって規定される、
第２図に示すような、山と山、谷と谷の間隔が固有な波
形となって赤外線センサ１１で受光され電気信号に変換
される。

チューニングレート測定回路１６は、赤外線センサ１１
の出力を受けてレーザ光の山と山との間の電流を計測し
、半導体レーザ１のチューニングレートを測定して記憶
部１７に出力する。

記憶部１７には予めチューニングレートに対応した補正
係数が格納されており、チューニングレート測定回路１
６より出力されるチューニングレートをアドレスとして
それに対応した補正係数を乗算器１８に出力する。

ハーフミラ−７で分離された他の一方向のレーザ光は、
球面鏡３個で形成された長光路セル２０を通過する。こ
の通過によって長光路セル２０に存在する大気中の測定
対象ガスの吸収を受け、第６図（Ｃ１に示すような、掃
引周波数の２倍の周波数で被測定ガス濃度にほぼ比例し
た大きさ振幅りを持った波形となる。

赤外線センサ５は上記のレーザ光を受光し電気信号に変
換して信号処理回路６に出力する。信号処理回路６は入
力レーザ光に対する信号を検波して検波値りを得、乗算
器１８に出力する。

乗算器１８は、信号処理回路６より出力される被測定ガ
スの検波値りに記憶部１７より出力される補正係数を乗
じ、被測定ガスの正しい濃度を算出して表示装置１４を
介して濃度表示を行う。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、半導体レーザのチ
ューニングレートの変動によるガス濃度測定値のゆらぎ
が抑圧されるので、二酸化窒素（ＮＯ７り等反応し易い
気体に対しても長期間安定に測定することができる高信
頼度のガスセンサが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガスセンサのブロック図、第２図はエ
タロン板によるチューニングレート測定の説明図、 第３図は本発明の一実施例のガスセンサのブロック図、 第４図は従来のガスセンサのブロック図、第５図は半導
体レーザの掃引特性図、 第６図は吸収スペクトルを説明するための図である。 図において、１は半導体レーザ、２．４．１０はレンズ
、３は被測定ガス、５．１１は赤外線センサ、６．１２
は信号処理回路、７はハーフミラ−１８はミラー、９は
参照セル、１３は割算器、１４は表示装置、１５はエタ
ロン板、１６はチューニングレート測定回路、１７は記
憶部、１８は乗算器、１９は冷凍機、２０は長光路セル
をそれぞれ示している。 、杢ｉト叫ｄ７でシプーフ“ａ、ｎガ 第１図 第２図 −吏坊色？１肖π°ズ１＞−ケｉフ″ロー／７回第３図 ぞＬ粗め力”スセソ丈句７−Ｄｖ、７ｆｆｌ第４図 １ζｌ停し　−１ｒ゛つノ１−ラ１婁牛すｔ口第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体レーザ（１）のバイアス電流を所定範囲変化させ
   て所定の幅内で波長の変化する赤外レーザ光を作成し、
   該レーザ光を被測定ガス（３）内を透過してその吸収ス
   ペクトルを赤外線センサ（５）と信号処理回路（６）で
   検出し、該検出値より前記被測定ガス（３）の濃度測定
   を行うガスセンサにおいて、 前記レーザ光を透過するエタロン板（１５）と、該エタ
   ロン板（１５）の透過スペクトルから前記半導体レーザ
   （１）のバイアス電流に対する波長の変化率を測定する
   チューニングレート測定回路（１６）と、前記チューニ
   ングレート測定回路（１６）の測定結果に対応して予め
   定めた補正係数を記憶する記憶部（１７）と、前記信号
   処理回路（６）の検出値に前記補正係数を乗算する乗算
   回路（１８）を備えて成ることを特徴とするガスセンサ
   。