(57)【要約】【課題】検波信号の変動によるガス信号の変動を抑制できる光式ガス検知方法及び光式ガス検知装置を提供する。【解決手段】レーザ光の波長を変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で掃引する光源部２と、該レーザ光を被測定雰囲気中に透過させる光学系３と、該透過光を受光した受光信号から位相敏感検波により検波信号を検波する受光検波部４と、該検波信号からガス信号を求め、該ガス信号の波形の波高値を求め、該波高値から被測定雰囲気における所定のガスの濃度を検知する信号処理部５とを備えた光式ガス検知装置において、上記信号処理部５は、上記ガス信号を該ガス信号のレベルに応じた除数値で除算してから上記波高値を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の波長を変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で掃引し、該レーザ光を被測定雰囲気中に透過させ、該透過光を受光した受光信号から位相敏感検波により検波信号を検波し、該検波信号からガス信号を求め、該ガス信号の波形の波高値から被測定雰囲気における所定のガスの濃度を検知する光式ガス検知方法において、上記ガス信号を該ガス信号のレベルに応じた除数値で除算してから上記波高値を求めることを特徴とする光式ガス検知方法。
【請求項２】
上記ガス信号は、上記検波信号のうち１倍検波信号あるいは上記受光信号から検知したＤＣ（直流）成分信号と２倍検波信号の比から求めることを特徴とする請求項１記載の光式ガス検知方法。
【請求項３】
上記ガス信号は、上記検波信号のうち２倍検波信号から求めることを特徴とする請求項１記載の光式ガス検知方法。
【請求項４】
上記除数値は、上記変調中心波長の掃引周期の先頭におけるガス信号の値とすることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光式ガス検知方法。
【請求項５】
上記除数値は、上記変調中心波長の掃引周期の先頭におけるガス信号の値と末尾におけるガス信号の値から算出することを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光式ガス検知方法。
【請求項６】
レーザ光の波長を変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で掃引する光源部と、該レーザ光を被測定雰囲気中に透過させる光学系と、該透過光を受光した受光信号から位相敏感検波により検波信号を検波する受光検波部と、該検波信号からガス信号を求め、該ガス信号の波形の波高値を求め、該波高値から被測定雰囲気における所定のガスの濃度を検知する信号処理部とを備えた光式ガス検知装置において、上記信号処理部は、上記ガス信号を該ガス信号のレベルに応じた除数値で除算してから上記波高値を求めることを特徴とする光式ガス検知装置。
【請求項７】
上記信号処理部は、上記ガス信号を上記検波信号のうち１倍検波信号あるいは上記受光信号から検知したＤＣ（直流）成分信号と２倍検波信号の比から求めることを特徴とする請求項６記載の光式ガス検知装置。
【請求項８】
上記信号処理部は、上記ガス信号を上記検波信号のうち２倍検波信号から求めることを特徴とする請求項６記載の光式ガス検知装置。
【請求項９】
上記信号処理部は、上記除数値を上記変調中心波長の掃引周期の先頭におけるガス信号の値とすることを特徴とする請求項６〜８いずれか記載の光式ガス検知装置。
【請求項１０】
上記信号処理部は、上記除数値を上記変調中心波長の掃引周期の先頭におけるガス信号の値と末尾におけるガス信号の値から算出することを特徴とする請求項６〜８いずれか記載の光式ガス検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検波信号の変動によるガス信号の変動を抑制できる光式ガス検知方法及び光式ガス検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス分子は吸収帯と呼ばれる特定波長帯の光を吸収する性質を持っており、ガス濃度によって吸収量が左右されることから、この性質を利用してガスの濃度を検知することができる。この光式ガス検知方法は、工業計測、公害監視などの分野で用いられる。この光を光ファイバで伝送することにより、ガスの遠隔検知ができる。
【０００３】
特許文献１等の従来技術においては、光源部では、半導体レーザの駆動電流を所定の電流値を中心として高周波数の正弦波で変調することにより、波長及び強度が変調されたレーザ光を発振させる。半導体レーザの温度を掃引することにより、発振波長を対象ガスの吸収帯を中心として所定の波長範囲を所定の掃引周期で掃引する。
【０００４】
このレーザ光を光ファイバに入射させて光学系に導き、光学系内の未知濃度の対象ガスを透過させる。透過光を光ファイバで受光検波部に導き、透過光を受光した受光信号から位相敏感検波により１倍検波信号と２倍検波信号を検波する。
【０００５】
１倍検波信号と２倍検波信号の比を変調中心波長の掃引周期分求めてガス信号とし、ガス信号の波形からピーク値（波高値）を求め、波高値から光学系内の対象ガスの濃度を検知する。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２５６７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光源部や受光検波部は、半導体素子で構成されるため、温度特性やドリフト特性を有する。また、光ファイバ等の光学系も温度特性を有する。ドリフト特性の主な要因は、レーザダイオードの温度特性、光ファイバの特性変化による。
【０００８】
こうした温度特性やドリフト特性により、受光検波部内の回路の倍率の微妙な変動が起きるなどして、１倍検波信号や２倍検波信号に微妙な変動が生じてしまい、これが原因でガス信号が変動してガス検知精度が低下してしまう。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、検波信号の変動によるガス信号の変動を抑制できる光式ガス検知方法及び光式ガス検知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明の光式ガス検知方法は、レーザ光の波長を変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で掃引し、該レーザ光を被測定雰囲気中に透過させ、該透過光を受光した受光信号から位相敏感検波により検波信号を検波し、該検波信号からガス信号を求め、該ガス信号の波形の波高値を求め、該波高値から被測定雰囲気における所定のガスの濃度を検知する光式ガス検知方法において、上記ガス信号を該ガス信号のレベルに応じた除数値で除算してから上記波高値を求めるものである。
【００１１】
上記ガス信号は、上記検波信号のうち１倍検波信号あるいは上記受光信号から検知したＤＣ（直流）成分信号と２倍検波信号の比から求めてもよい。
【００１２】
上記ガス信号は、上記検波信号のうち２倍検波信号から求めてもよい。
【００１３】
上記除数値は、上記変調中心波長の掃引周期の先頭におけるガス信号の値としてもよい。
【００１４】
上記除数値は、上記変調中心波長の掃引周期の先頭におけるガス信号の値と末尾におけるガス信号の値から算出してもよい。
【００１５】
上記目的を達成するために本発明の光式ガス検知装置は、レーザ光の波長を変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で掃引する光源部と、該レーザ光を被測定雰囲気中に透過させる光学系と、該透過光を受光した受光信号から位相敏感検波により検波信号を検波する受光検波部と、該検波信号からガス信号を求め、該ガス信号の波形の波高値を求め、該波高値から被測定雰囲気における所定のガスの濃度を検知する信号処理部とを備えた光式ガス検知装置において、上記信号処理部は、上記ガス信号を該ガス信号のレベルに応じた除数値で除算してから上記波高値を求めるものである。
【００１６】
上記信号処理部は、上記ガス信号を上記検波信号のうち１倍検波信号あるいは上記受光信号から検知したＤＣ（直流）成分信号と２倍検波信号の比から求めてもよい。
【００１７】
上記信号処理部は、上記ガス信号を上記検波信号のうち２倍検波信号から求めてもよい。
【００１８】
上記信号処理部は、上記除数値を上記変調中心波長の掃引周期の先頭におけるガス信号の値としてもよい。
【００１９】
上記信号処理部は、上記除数値を上記変調中心波長の掃引周期の先頭におけるガス信号の値と末尾におけるガス信号の値から算出してもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００２１】
（１）検波信号の変動によるガス信号の変動を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２３】
図１に示されるように、本発明に係る光式ガス検知装置１は、レーザ光の波長及び強度を変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で掃引する光源部２と、該レーザ光を被測定雰囲気中に透過させる光学系３と、該透過光を受光した受光信号から位相敏感検波により検波信号を検波する受光検波部４と、該検波信号から上記変調中心波長の掃引周期分のガス信号を求め、該ガス信号の波形の波高値を求め、該波高値から被測定雰囲気における所定のガスの濃度を検知する信号処理部５とを備えた光式ガス検知装置において、上記信号処理部５は、上記ガス信号を該ガス信号のレベルに応じた除数値で除算してから上記波高値を求めるものである。
【００２４】
光源部２は、半導体レーザ６、半導体レーザ６を加熱・冷却するペルチェ素子７、ペルチェ素子７の電流を制御する温度制御用定電流源８、バイアス電流を制御するバイアス用定電流源９、バイアス印加用インダクタ１０、変調周波数ωで発振する発振器１１、交流印加用コンデンサ１２、２倍周波数２ωを生成する倍周器１３を備える。
【００２５】
光学系３は、被測定雰囲気を有する筒体（ガスセル）２１の両端にコリメートレンズ１４と集光レンズ１５とを設け、対象ガスを含む被測定雰囲気中の所定距離を光が伝播するようにしたものである。光源部２から光学系３まで、光学系３から受光検波部４までは光ファイバ１６で結ばれる。
【００２６】
光式ガス検知装置１は、例えば、装置本体（図示せず）に光源部２と受光検波部４と信号処理部５を内蔵し、光学系３において所望の現場にガスセル２１を配置し、装置本体からガスセル２１まで光ファイバ１６を布設することで、遠隔監視が可能となる。
【００２７】
受光検波部４は、光ファイバ１６に接続された受光素子１７と、発振器１１からの発振信号ωを用いて１倍検波信号を検波するロックインアンプ１８と、倍周器１３からの倍周信号２ωを用いて２倍検波信号を検波するロックインアンプ１９と、両検波信号の比を計算する割算器２０とを備える。
【００２８】
信号処理部５は、単一のブロックで示したが、ＣＰＵ、メモリ、クロック、Ａ／Ｄ変換器等を備えたコンピュータで構成することにより、後述する手順で信号処理を行うものである。
【００２９】
光式ガス検知装置１の動作の概要を説明する。
【００３０】
光源部２の半導体レーザ６から対象ガス検知用に制御された光を放射する。光源部２での制御は、光の波長を比較的速い周波数ω（１００〜１００ＫＨｚ）で振動させながら、振動の中心波長を比較的遅い時間間隔（０．５〜１０ｓｅｃ）で掃引することである。
【００３１】
光学系３では、光ファイバ１６を介してガスセル２１に光を入射させる。ガスセル２１内で、コリメートレンズ１４でコリメートされた光が被測定雰囲気中の所定距離を伝播し、集光レンズ１５で集光されてガスセル２１から出射される。被測定雰囲気を光が透過することにより、対象ガスによる吸光が起きる。
【００３２】
光学系３を経た光は、受光検波部４の受光素子１７で受光される。受光検波部４において、受光信号のうち周波数ωの１倍成分である１倍検波信号と２倍検波信号を検波し、割算器２０で１倍検波信号と２倍検波信号の比を計算してガス信号を得る。
【００３３】
信号処理部５では、必要な演算（詳しくは後述）をしてガス濃度を検知する。
【００３４】
図２は、１倍検波信号で２倍検波信号を割る割り算を、光源部２における中心波長掃引の周期を区切りとした所定の時間間隔（掃引周期）の間、連続して行った場合のガス信号３１の概念図である。複数回の掃引周期分を重ねて表示してある。
【００３５】
ガス濃度は、図示したピーク３２における縦軸値（ピーク値という）に対して公知である所定の演算を行うことで求められる。しかし、現実の計測では、温度特性やドリフト特性により、計測が不安定になり、掃引の度ごとにガス信号の波形が高さ方向に徐々にずれていく（縦軸値が総体的に減少又は増加する）現象が見られる。ガス濃度はガス信号３１のピーク値に対して所定の演算を行うことで求められるので、上記ずれに応じてガス濃度には徐々に計測誤差が生じる。
【００３６】
図３に、実際に計測を行ったときの、複数回の掃引周期分のガス信号のグラフを示す。
横軸の数値はサンプリングタイミング数を表している。つまり、所定範囲にわたり波長を掃引する周期の間に、所定時間刻みでサンプリングをしたものである。各回のガス信号が少しずつ異なるために、波形は帯状に広がる。ピーク値の変動は、縦軸目盛りで約０．１５である。
【００３７】
本発明者は、図２、図３の複数回の掃引周期分のガス信号が、適当な等比変形を加えることによって、各々の波形を互いに酷似した波形に変形できることを見出した。すなわち、変調中心波長の掃引周期ごとのガス信号を、当該掃引周期中のガス信号から該ガス信号のレベルに応じた値として求めた除数値（例えば、特定の時点における瞬時値）で除算することにより、波形を規格化する。ガス信号が当該掃引周期にわたってレベルが大きければ、除数値も当然大きい値になるので、除算によるレベル縮小効果が期待できる。逆に、ガス信号が当該掃引周期にわたってレベルが小さければ、除数値も当然小さい値になるので、除算によるレベル拡大効果が期待できる。その結果、複数回の掃引周期分の規格化ガス信号は、もとのガス信号に比して大小の差が縮まる。これにより、波形の変動を小さく抑えることができる。
【００３８】
図４は、図２と同じガス信号３１について、除数値を変調中心波長の掃引周期の先頭５１（３３）におけるガス信号３１の値とし、除数値でガス信号３１を除算して規格化したガス信号５２の概念図である。規格化処理の結果、複数回の掃引周期の規格化ガス信号５２が先頭５１において大きさが１で、互いに等しくなり、各々の波形が相似形に近くなる。よって、ピーク値の変動は減少する。これにより、ガス濃度の誤差を低減することができる。
【００３９】
すなわち、信号処理部５において、１掃引周期分のガス信号から先頭におけるガス信号の値を抽出して除数値として記憶し、除数値で当該掃引周期のガス信号を除算して規格化ガス信号を求め、規格化ガス信号から波高値を求めてガス濃度とする。
【００４０】
図５は、図２の１掃引周期分のガス信号６１（３１）について、除数値を変調中心波長の掃引周期の先頭６２（３３）におけるガス信号３１の値と末尾６３（３４）におけるガス信号３１の値から算出し、除数値をガス信号６１と共に示した概念図である。詳しくは、先頭６２におけるガス信号６１の値と末尾６３におけるガス信号６１の値とを直線（基準線と呼ぶ）６４で結び、この基準線６４の各時点における縦軸値を除数値とする。各時点における除数値でガス信号６１の瞬時値を除算することになる。
【００４１】
ここで、１掃引周期分のガス信号を整数ｎ個のデータ列で表す。先頭からｋ番目の値をＶｋとすると、先頭の値はＶ０、末尾の値はＶｎ−１で表される。このとき、基準線のｋ番目の値Ｌｋは、式（１）で計算される。
【００４２】
【数１】
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【００４３】
図６は、ガス信号３１の瞬時値Ｖｋを除数値Ｌｋで除算して規格化したガス信号７１の概念図である。複数回の掃引周期分を重ねて表示する。規格化処理の結果、複数回の掃引周期の規格化ガス信号７１が先頭７２と末尾７３において大きさが１で、互いに等しくなるため、ピーク値の変動は図４の場合よりも減少する。これにより、ガス濃度の誤差をいっそうよく低減することができる。
【００４４】
図７に、図３で実際に計測を行ったデータについて、複数回の掃引周期分のガス信号をガス信号の掃引一周期の先頭の値と末尾の値から算出した除数値により規格化処理した結果のグラフを示す。各回の規格化ガス信号は、ほとんど一致しているため、波形は一つに見える。ピーク値の変動は、縦軸目盛りで約０．０１である。
【００４５】
以上のように、本発明では、検波信号の変動によってガス信号が変動しても、ガス信号を規格化によって補正することで、ガス信号の変動を抑制することができる。よって、ガス濃度の誤差を低減することができる。
【００４６】
図１の光式ガス検知装置１では、受光検波部４が光学系３の透過光を受光した受光信号から位相敏感検波により１倍検波信号と２倍検波信号を検波し、該１倍検波信号と２倍検波信号から変調中心波長の掃引周期分のガス信号を求めた。しかし、ガス濃度を反映しているのは２倍検波信号であるので、受光検波部４では２倍検波信号のみを検波して、２倍検波信号をそのままガス信号としてもよい。また、受光信号から位相敏感検波により２倍検波信号を検波すると共に、受光信号を図示しないローパスフィルタに通して受光信号のＤＣ（直流）成分信号を検知し、該２倍検波信号を該ＤＣ（直流）成分信号で除算してガス信号を求めても良い。信号処理部５では、図１の場合と同様に該ガス信号を規格化し、規格化ガス信号の波形の波高値からガス濃度を検知する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態を示す光式ガス検知装置の光学及び電気回路構成図である。
【図２】ガス信号の波形図（横軸は波長、縦軸は無名数）である。
【図３】実測によるガス信号の波形図（横軸は波長、縦軸は無名数）である。
【図４】本発明により得られる規格化ガス信号の波形図（横軸は波長、縦軸は無名数）である。
【図５】本発明の基準線を定義するガス信号の波形図（横軸は波長、縦軸は無名数）である。
【図６】本発明により得られる規格化ガス信号の波形図（横軸は波長、縦軸は無名数）である。
【図７】実測によるガス信号に基づいた本発明により得られる規格化ガス信号の波形図（横軸は波長、縦軸は無名数）である。
【符号の説明】
【００４８】
１  光式ガス検知装置
２  光源部
３  光学系
４  受光検波部
５  信号処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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