JPS63275935A - Gas sensor - Google Patents
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Abstract
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、環境温度の変化により光学系に発生す
る光定在波が原因となる濃度測定値のゆらぎを抑圧する
ため、波長変調の振幅を光学系に発生する光定在波の間
隔のX倍(XはJ(π×X)=Oをみたす、Jは2次の
ベッセル関数)の条件となる構成とし、光定在波による
ノイズを抑圧するようにしている。[Detailed Description of the Invention] [Summary] The present invention is an infrared semiconductor laser type gas sensor using a differential measurement method, and the present invention solves fluctuations in concentration measurement values caused by optical standing waves generated in the optical system due to changes in environmental temperature. In order to suppress this, the amplitude of the wavelength modulation must be X times the interval of the optical standing waves generated in the optical system (X satisfies J(π×X)=O, J is a quadratic Bessel function). The structure is designed to suppress noise caused by optical standing waves.
本発明は赤外半導体レーザ方式ガスセンサに関し、特に
1!J 填a度の変化により光学系に発生する光定在波
が原因となる濃度測定値のゆらぎを抑圧して高精度の濃
度測定ができるようにした赤外半導体レーザ方式ガスセ
ンサに関するものである。The present invention relates to an infrared semiconductor laser type gas sensor, particularly 1! The present invention relates to an infrared semiconductor laser type gas sensor that suppresses fluctuations in concentration measurement values caused by optical standing waves generated in an optical system due to changes in loading a, thereby making it possible to perform highly accurate concentration measurements.
ガスセンサは、小型、高感度、短時間測定で、しかも高
精度の測定が要求される。この高精度の測定において、
特に温度変化により光学系に発生する光定在波が原因と
なる濃度測定値のゆらぎをな(す必要があり、それがた
めの方策が必要とされている。Gas sensors are required to be small, highly sensitive, short-time measurement, and highly accurate. In this highly accurate measurement,
In particular, it is necessary to eliminate fluctuations in concentration measurement values caused by optical standing waves generated in the optical system due to temperature changes, and a method for this purpose is required.
第5図は従来の赤外レーザ方式ガスセンサのブロック図
、第6図および第7図はその動作を説明するための図で
ある。FIG. 5 is a block diagram of a conventional infrared laser type gas sensor, and FIGS. 6 and 7 are diagrams for explaining its operation.
第5図において、従来のガスセンサは、波長可変レーザ
光を出力するレーザ1と、該レーザ光を平行光とするレ
ンズ6と、該平行光を分割するハーフミラ−1Oと、ハ
ーフミラ−10で分割された一方のレーザ光が被測定ガ
ス2を透過する長光路セル28と、該透過光を集光する
レンズ7と、レンズ7で集光された光を検知して電気信
号に変換する検知器8とを備えている。In FIG. 5, the conventional gas sensor is divided into a laser 1 that outputs a variable wavelength laser beam, a lens 6 that converts the laser beam into parallel light, a half mirror 1O that divides the parallel light, and a half mirror 10. On the other hand, a long optical path cell 28 through which the laser beam passes through the gas to be measured 2, a lens 7 which condenses the transmitted light, and a detector 8 which detects the light condensed by the lens 7 and converts it into an electrical signal. It is equipped with
また、ハーフミラ−10で分割された他の一方のレーザ
光をミラー1)を介して収納した既知のガス内を透過す
る参照セル12と、参照セル12を透過したレーザ光を
レンズ13を介して検知して電気信号に変換する検知器
14と、前記検知器8および検知器14の出力信号をそ
れぞれ処理する信号処理回路3および15と、各信号処
理回路の出力信号を計算して濃度表示する割算部16お
よび表示器9とを備えた構成となっている。Further, the other laser beam divided by the half mirror 10 is passed through the reference cell 12 which passes through a known gas housed through the mirror 1), and the laser beam which has passed through the reference cell 12 is passed through the lens 13. A detector 14 that detects and converts it into an electrical signal, signal processing circuits 3 and 15 that process the output signals of the detector 8 and the detector 14, respectively, and calculates the output signal of each signal processing circuit and displays the concentration. The configuration includes a divider 16 and a display 9.
その動作を図面を参照して説明する。Its operation will be explained with reference to the drawings.
第5図において、半導体レーザ1の発光はレンズ6によ
り平行光線にされて大気中の微9な被測定ガス(例えば
NO2等の公害ガス)2を通過する。透過した光はレン
ズ7により、赤外線検知器8に集光され、電気信号に変
換される。In FIG. 5, the light emitted from a semiconductor laser 1 is made into parallel light by a lens 6, and passes through a minute gas to be measured (for example, a pollution gas such as NO2) 2 in the atmosphere. The transmitted light is focused by a lens 7 onto an infrared detector 8 and converted into an electrical signal.
半導体レーザ1は、第6図に示すように、電流Iを変え
ることにより、連続的に波長を掃引できる。As shown in FIG. 6, the semiconductor laser 1 can continuously sweep the wavelength by changing the current I.
第7図Bは被1)定ガス2の吸収スペクトルである。微
分計測法では、レーザに流すバイアス電流に微少な交流
を重畳する。レーザ発振波長の時間変化は、第7図Aの
ようになる。それゆえに、被測定ガス2を透過したレー
ザのパワーは、第7図Cのような時間変化となり、検知
器8で検出される。図中のhはガス濃度にほぼ比例する
。FIG. 7B shows the absorption spectrum of 1) constant gas 2. In the differential measurement method, a minute alternating current is superimposed on the bias current flowing through the laser. The temporal change of the laser oscillation wavelength is as shown in FIG. 7A. Therefore, the power of the laser transmitted through the gas to be measured 2 changes over time as shown in FIG. 7C, and is detected by the detector 8. h in the figure is approximately proportional to the gas concentration.
信号処理回路3は、第7図Cの交流を検波してhを計る
。このように微分計測法においては、レーザの発振波長
を変調する。The signal processing circuit 3 detects the alternating current shown in FIG. 7C and measures h. In this way, in the differential measurement method, the oscillation wavelength of the laser is modulated.
一方、レンズ6を通過直後にハーフミラ−10により分
割されて図中、上方に進んだ光は、参照セル12を通過
してレンズ13により検知器14に集光される。参照セ
ル12には濃度が既知のガスが収納されており、検知器
14および信号処理回路15は、前述した検知器8およ
び信号処理回路3と同様に動作して濃度が既知のガスに
対する信号h′を計る。On the other hand, the light that is split by the half mirror 10 immediately after passing through the lens 6 and travels upward in the figure passes through the reference cell 12 and is focused by the lens 13 onto the detector 14 . The reference cell 12 stores a gas with a known concentration, and the detector 14 and signal processing circuit 15 operate in the same manner as the detector 8 and signal processing circuit 3 described above to generate a signal h for the gas with a known concentration. ′ is measured.
割算器16は、濃度が既知の信号h ′に対する未知濃
度の被測定ガスの信号りの比を計算して出力する。表示
装置9は割算器16の出力をガス濃度に換算して表示す
る。The divider 16 calculates and outputs the ratio of the signal h' of the measured gas of unknown concentration to the signal h' of known concentration. The display device 9 converts the output of the divider 16 into a gas concentration and displays it.
なお、第7図A、Bに示すように、微分計測のための波
長変調の振幅aは、従来吸収線の半値半幅すの2倍程度
で使用していた。これは、第7図Cの検出信号(h)の
大きさがこのとき最も大きくとれるからである。As shown in FIGS. 7A and 7B, the amplitude a of wavelength modulation for differential measurement has conventionally been used at about twice the half-width at half maximum of the absorption line. This is because the magnitude of the detection signal (h) in FIG. 7C is maximized at this time.
上記、従来の赤外レーザ方式ガスセンサにおいて、レン
ズやレーザ容器の窓等の表面で多重反射がおきる。その
ため、光定在波が発生する。環境温度の変化によって光
学部品間の距離が変化したり、レンズ等光学部品の屈折
率が変化して光定在波の位相が変化する。このため測定
感度が制限される。In the conventional infrared laser gas sensor described above, multiple reflections occur on surfaces such as the lens and the window of the laser container. Therefore, optical standing waves are generated. Changes in environmental temperature change the distance between optical components, or the refractive index of optical components such as lenses changes, causing the phase of the optical standing wave to change. This limits measurement sensitivity.
第8図は光定在波によるノイズを示す図であり、間隔の
一定な正弦波状の波が連なった形状をなしている。この
波は温度の変化によって実線から点線のように位相が変
化する。FIG. 8 is a diagram showing noise due to optical standing waves, which is in the form of a series of sinusoidal waves with constant intervals. The phase of this wave changes from a solid line to a dotted line as the temperature changes.
第9図はガスによる吸収スペクトルを示しており、測定
時には第8図と第9図を重ね合わせたスペクトルからガ
スの吸収スペクトルの大きさを測ることになる。このと
き吸収スペクトル波形の幅と、ノイズとなる光定在波の
波形の周期が近いため、吸収スペクトルを分離できない
。このため、濃度測定値に光定在波によるノイズが加わ
り、温度変化によって濃度測定値がゆらぐ欠点を生じて
いた。FIG. 9 shows the absorption spectrum of the gas, and during measurement, the magnitude of the absorption spectrum of the gas is measured from the superimposed spectrum of FIGS. 8 and 9. At this time, since the width of the absorption spectrum waveform and the period of the waveform of the optical standing wave that becomes noise are close, the absorption spectra cannot be separated. For this reason, noise due to optical standing waves is added to the measured concentration value, resulting in the disadvantage that the measured concentration value fluctuates due to temperature changes.
本発明はこのような点に鑑みて創作されたもので、温度
変化により光学系に発生する光定在波によるノイズによ
って測定濃度値がゆらぐことを防止することができする
ガスセンサを提供することを目的としている。The present invention was created in view of these points, and it is an object of the present invention to provide a gas sensor that can prevent the measured concentration value from fluctuating due to noise caused by optical standing waves generated in the optical system due to temperature changes. The purpose is
第1図は本発明のガスセンサのブロック図を示しており
、三角波発生回路21と、A/D変換器22と、オシレ
ータ23と、ROM25と、D/A変換器24と、加算
器26と、掛は算器27から成るレーザ電流設定回路2
9を従来のガスセンサに付設し、該レーザ電流設定回路
27により、波長変調の振@(第3図へ信号のピークt
oピーク値)が、光学系に発生する光定在波の周期のX
倍(XはJ2(π×X)=0をみたす、Jは2次のベッ
セル関数)となるように構成している。FIG. 1 shows a block diagram of the gas sensor of the present invention, which includes a triangular wave generation circuit 21, an A/D converter 22, an oscillator 23, a ROM 25, a D/A converter 24, an adder 26, Laser current setting circuit 2 consisting of a multiplier 27
9 is attached to a conventional gas sensor, and the laser current setting circuit 27 adjusts the amplitude of the wavelength modulation @ (the peak t of the signal in Fig. 3).
o peak value) is the period of the optical standing wave generated in the optical system
(X satisfies J2(π×X)=0, J is a quadratic Bessel function).
三角波発生回路21は、レーザ1に流すバイアス電流、
つまり発振波長を決めている。レーザ1のチューニング
レートは発振波長によって異なるため1)発振波長をア
ドレスとし、変調振幅をデータとするROM25を用い
て、オシレータ23で発生した正弦波の振幅をD/A変
換器24で発振波長毎に変えることにより、すべての波
長で光学系に発生する光定在波の間隔のX倍(XはJ2
(π×X)=0をみたす、J は2次のベッセル関数
)となる条件を満たすようにしている。The triangular wave generation circuit 21 supplies a bias current to the laser 1;
In other words, it determines the oscillation wavelength. The tuning rate of the laser 1 differs depending on the oscillation wavelength. By changing to
The condition is such that (π×X)=0, J is a quadratic Bessel function).
第2図は本発明の一実施例のガスセンサのブロック図、
第3図は一実施例の光定在波に対する信号量を示す図で
ある。FIG. 2 is a block diagram of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing the signal amount for an optical standing wave in one embodiment.
第2図に示すように、一実施例のガスセンサは、三角波
発生回路21と、A/D変換器22と、オシレータ23
と、ROM25と、D/A変換器24と、加算器26と
、掛は算器29とから成るレーザ電流設定回路27を従
来のガスセンサに付設した構成としている。As shown in FIG. 2, the gas sensor of one embodiment includes a triangular wave generation circuit 21, an A/D converter 22, and an oscillator 23.
A laser current setting circuit 27 consisting of a ROM 25, a D/A converter 24, an adder 26, and a multiplier 29 is attached to a conventional gas sensor.
三角波発生回路21は所定の周期を持った速波信号を発
生する。この速波信号はレーザ1に流すバイアス電流、
つまりレーザ1の発振波長を決めており、A/D変換器
22でデジタル信号に変換されてROM25に入力され
る。The triangular wave generating circuit 21 generates a fast wave signal having a predetermined period. This fast wave signal is a bias current flowing through the laser 1,
That is, the oscillation wavelength of the laser 1 is determined, which is converted into a digital signal by the A/D converter 22 and input to the ROM 25.
ROM25には、予め発振波長に対応した変調振幅が格
納されており、入力されるA/D変換器22の出力発振
波長をアドレスとして変調振幅のデータを読み出してD
/A変換器24に出力する。The modulation amplitude corresponding to the oscillation wavelength is stored in the ROM 25 in advance, and the data of the modulation amplitude is read out using the input output oscillation wavelength of the A/D converter 22 as an address.
/A converter 24.
D/A変換器24は、ROM25より読み出された変調
振幅データをアナログ量に変換する。掛は算器29はオ
シレータ23で発生した正弦波の振幅(ピークtoヒー
ク)を発振波長毎に変える。これによって全ての波長で
光学系に発生する光定在波の周期のX倍(XはJ2 (
、π×X)−〇をみたす、Jは2次のベッセル関数)と
なる条件を満たすようにしている。The D/A converter 24 converts the modulation amplitude data read from the ROM 25 into an analog quantity. A multiplier 29 changes the amplitude (peak to peak) of the sine wave generated by the oscillator 23 for each oscillation wavelength. As a result, the period of the optical standing wave generated in the optical system at all wavelengths is multiplied by X (X is J2 (
, π×X)−〇, where J is a quadratic Bessel function).
加算器26は、三角波発生回路21の出力信号と掛は算
器27の出力信号とを加算してレーザ1の 電流を設定
する。The adder 26 adds the output signal of the triangular wave generating circuit 21 and the output signal of the multiplier 27 to set the current of the laser 1.
第3図(a)、 (b)、 (clは光定在波に対する
信号量を示す図であり、第3図(1))は光学系に発生
する光定在波を示し、第3図(a)は微分計測のための
波長変調を示し、第3図(C)は検知器出力の信号を示
す。Figure 3 (a), (b), (cl is a diagram showing the signal amount for an optical standing wave, Figure 3 (1)) shows the optical standing wave generated in the optical system, Figure 3 (a) shows wavelength modulation for differential measurement, and FIG. 3(C) shows the signal of the detector output.
第3図(a)、 Cb+、 fc)に示すように、2次
微分計測を行うので、信号量は、f D)のフーリエ級
数展開のCo52tの係数に比例する。つまり、XCo
5nt ・・・・・・・・・・(1)Cos2tの係
数は、
B / πCo5(ASint十φ)Cos2tdt=
2 BJ、! (A) ・・・・・・・・・・・・
・(2)(2)式となるので、J2(A) −〇となる
Aでは光定在波に対する信号量はOとなり、ノイズの抑
圧が可能である。As shown in FIG. 3(a), Cb+, fc), since second-order differential measurement is performed, the signal amount is proportional to the Co52t coefficient of the Fourier series expansion of fD). In other words, XCo
5nt ・・・・・・・・・(1) The coefficient of Cos2t is: B / πCo5 (ASint + φ) Cos2tdt=
2 BJ,! (A) ・・・・・・・・・・・・
- (2) Since the formula (2) is obtained, the signal amount for the optical standing wave becomes O at A where J2(A) - 0, and noise can be suppressed.
ここに、A−π×(波長変量の振幅÷光定在波の間隔)
であるので、例えば第4図に示すように、波長変調の振
幅と光定在波の間隔の比が1.63.2.68.3.7
0゜・・・であれば、ノイズの抑圧が可能となる。Here, since A-π×(amplitude of wavelength variable ÷ interval of optical standing waves), for example, as shown in Fig. 4, the ratio of the amplitude of wavelength modulation to the interval of optical standing waves is 1.63. .2.68.3.7
If it is 0°..., noise can be suppressed.
上記の条件をレーザ1の駆動電流に通用することにより
、例えば被測定ガス2を測定するための長光路セル28
で発生する光定在波によるノイズを抑圧することができ
る。By applying the above conditions to the drive current of the laser 1, the long optical path cell 28 for measuring the gas 2 to be measured, for example.
It is possible to suppress noise caused by optical standing waves generated in
以上説明したように本発明によれば、光学系に発生する
定在波によるノイズを抑圧することができるので、環境
温度の変化に対して安定なガス濃度測定が可能となる。As described above, according to the present invention, noise caused by standing waves generated in the optical system can be suppressed, so that stable gas concentration measurement can be performed against changes in environmental temperature.
第1図は本発明のガスセンサの要部ブロック図、第2図
は本発明の一実施例のガスセンサのブロック図・
第3図は一実施例の光定在波に対する信号量を示す図、
第4図は一実施例の波長変調の振幅と光定在波の間隔の
比に対する。光定在波に対する信号量を示す、
第5図は従来の赤外レーザ方式ガスセンサのプロ7り図
、
第6図はレーザの波長掃引を説明するための図、第7図
は吸収スペクトルを説明するための図、第8図は光定在
波によるノイズを示す図、第9図はガスによる吸収スペ
クトルである。
図において、1はレーザ、2は被測定ガス、3゜15は
信号処理回路、6,7.13はレンズ、8,14は検知
器、9は表示器、10はハーフミラ−1)1はミラー、
12は参照セル、16は割算器、21は三角波発生回路
、22はA/D変換器、23はオシレータ、24はD/
A変換器、25はROM、26は加算器、27は掛は算
器、28は長光路セル、29はレーザ電流設定回路を示
している。
、杢発−耳偽7r又℃シシ宇:Q7−ロヅ7m第1図
一実)をB〜の〃フリサ)70ブ70
第2図
でb′ Ω
一大)斧σソらモ疋h3E、、ズ丁丁)信号量5木T口
第3図
才疋未めf’3’T*−文たZ訃ハフ“O”t7面第5
図
L−f’q3Mxンンタ1eil弓珂T≦ための1第6
図
で吸収夕坊 禮土涜形
1)εUZズ、−ζ7ト月 hi叉〕フ万Tふ八−のダ
ボ第7図
一つl
充足5遣+:J3/イスー9木T図
第8図
カー−−よ5吸q7又X7←ル
第9図
)Q−Fig. 1 is a block diagram of main parts of a gas sensor of the present invention, Fig. 2 is a block diagram of a gas sensor of an embodiment of the invention, Fig. 3 is a diagram showing the signal amount for an optical standing wave of an embodiment, FIG. 4 shows the ratio between the amplitude of wavelength modulation and the interval of optical standing waves in one embodiment. Figure 5 shows the signal amount for optical standing waves. Figure 5 is a schematic diagram of a conventional infrared laser gas sensor. Figure 6 is a diagram to explain the wavelength sweep of the laser. Figure 7 is an explanation of the absorption spectrum. FIG. 8 is a diagram showing noise due to optical standing waves, and FIG. 9 is an absorption spectrum due to gas. In the figure, 1 is a laser, 2 is a gas to be measured, 3.15 is a signal processing circuit, 6, 7.13 is a lens, 8, 14 is a detector, 9 is a display, 10 is a half mirror. ,
12 is a reference cell, 16 is a divider, 21 is a triangular wave generation circuit, 22 is an A/D converter, 23 is an oscillator, and 24 is a D/D converter.
25 is a ROM, 26 is an adder, 27 is a multiplier, 28 is a long optical path cell, and 29 is a laser current setting circuit. , heather - ear fake 7r and ℃shishiu: Q7-Rozu 7m Fig. 1 Kazumi) of B ~'s〃Furisa) 70bu 70 Fig. 2 b' Ω Ichidai) Ax σ sora mohi h3E ,, zu ding ding) Signal amount 5 木 T 口 3 Gand Ganinde der der der der der der derd
Figure L-f'q3Mx nta 1eil bow T≦1th 6th
Absorbing Yubo in diagrams, earth sacrilege form 1) εUZ, -ζ7 to month hi fork] Fuman T fuhachi dowel No. 7 figure one l Satisfaction 5 kaku +: J3/Isu 9 tree T figure 8 figure Car--Yo 5 Suction q7 Also X7 ← Le Figure 9) Q-
Claims (2)
を用いてガスの吸収スペクトルを測定することにより、
微量なガスの濃度測定を行うガスセンサにおいて、 前記微分計測のために行う波長変調の振幅(ピークto
ピーク値)を、光学系に発生する光定在波の周期のX倍
(XはJ_2(π×X)=0をみたす、Jは2次のベッ
セル関数)としたことを特徴とするガスセンサ。(1) By using an infrared semiconductor laser (1) as a light source and measuring the absorption spectrum of the gas using the differential measurement method,
In a gas sensor that measures the concentration of a trace amount of gas, the amplitude (peak to
A gas sensor characterized in that the peak value) is set to be X times the period of an optical standing wave generated in an optical system (X satisfies J_2(π×X)=0, J is a quadratic Bessel function).
変調のための変調電流値をデータとしたROM(25)
を設け、前記吸収スペクトルの測定に必要な波長領域で
常に上記1項記載の関係が保たれるようにしたことを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載のガスセンサ。(2) ROM (25) with the wavelength of the laser as an address and the modulation current value for wavelength modulation of the laser as data
2. The gas sensor according to claim 1, wherein the relationship set forth in claim 1 is always maintained in a wavelength range necessary for measuring the absorption spectrum.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11204687A JPS63275935A (en) | 1987-05-07 | 1987-05-07 | Gas sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11204687A JPS63275935A (en) | 1987-05-07 | 1987-05-07 | Gas sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63275935A true JPS63275935A (en) | 1988-11-14 |
Family
ID=14576662
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11204687A Pending JPS63275935A (en) | 1987-05-07 | 1987-05-07 | Gas sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS63275935A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004125331A (en) * | 2002-10-04 | 2004-04-22 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Control method and control device for sludge combustion furnace |
-
1987
- 1987-05-07 JP JP11204687A patent/JPS63275935A/en active Pending
Cited By (1)
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