(57)【要約】【課題】温度変化によるレーザの波長の変動の影響を受け難いガス検出方法及び装置の提供。【解決手段】光音響的近赤外線ガス検出装置は、振幅変調されたレーザ光源１、検出すべきガスを保持するガス検出室５、ガス検出室５に装着されたマイクロフォン３、検出すべきガスを保持したガス検出室５を通過したレーザ光を受ける受光素子６並びにレーザ光源１に変調信号ＳＭを与える変調周波数発生器９及びガス濃度を決定する制御手段を含む演算処理手段１５を含んで構成される。レーザ光源１は、所定の波長幅が完全に走査されるように、最小波長と最大波長の間の振幅変調のサイクル毎にその出力波長を変更させて、検出すべきガスの吸収の特性が平均化されるように構成されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光音響的近赤外レーザ式ガス検出装置を用いたガス検出方法であって、
前記ガス検出装置は近赤外レーザ光源（１）を備え、前記レーザ光源（１）を振幅変調させ、振幅変調サイクル毎に前記レーザ光源（１）の出力波長を変化させて最小波長と最大波長の間を走査することを特徴とするガス検出方法。
【請求項２】
前記レーザ光源（１）の変調は、５０％の断続的サイクルによるオン／オフ変調と同一サイクルの鋸歯波変調の積により構成されることを特徴とする請求項１に記載のガス検出方法。
【請求項３】
前記レーザ光源（１）の変調は、正弦波変調であることを特徴とする請求項１に記載のガス検出方法。
【請求項４】
前記レーザ光源（１）の変調は、５０％の断続的サイクルによるオン／オフ変調及び同一サイクルにおける前記レーザ光源（１）の温度変調であることを特徴とする請求項１に記載のガス検出方法。
【請求項５】
前記レーザ光源（１）は、検出すべきガスの吸収特性に相当する波長を出力するようにその温度が設定されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のガス検出方法。
【請求項６】
光音響的近赤外式ガス検出装置であって、
前記ガス検出装置は、少なくとも１つの振幅変調されるレーザ光源（１）、検出すべきガスを保持するガス検出室（５）、前記ガス検出室（５）に設置されたマイクロフォン（３）、レーザ光源（１）のレーザ光強度を検出する受光素子（６）並びに前記レーザ光源（１）に変調信号（ＳＭ）を送信する変調周波数生成器（９）及びガス濃度を決定する制御手段（８、１２、１３、１４）を含んで構成される演算処理装置（１５）を有し、
前記変調周波数発生器（９）は、振幅変調サイクル毎に出力波長を変化させて最小波長と最大波長の間を走査するようにレーザ光源（１）に変調信号（ＳＭ）を送信することを特徴とするガス検出装置。
【請求項７】
前記変調周波数発生器（９）は、５０％の断続的サイクルによるオン／オフ変調信号（ＳＳＭ）と同一サイクルの鋸歯波変調信号（ＳＳＴＭ）の積により構成される変調信号（ＳＭ）がレーザ光源（１）に送信されるように、矩形波変調手段（１０）及び鋸歯波変調手段（１１）を含んで構成されることを特徴とする請求項６に記載のガス検出装置。
【請求項８】
前記変調周波数発生器（９）は、正弦波変調信号（ＳＭ）を生成する正弦波変調手段（１６）を含んで構成されることを特徴とする請求項６に記載のガス検出装置。
【請求項９】
前記変調周波数発生器（９）は、５０％の断続的サイクルによるオン／オフ変調信号（ＳＭ１）を生成する矩形波発生手段（１０）及び同一サイクルにおいて前記レーザ光源（１）の温度変調信号（ＳＭ２）を生成する温度変調手段（１７）を含んで構成されることを特徴とする請求項６に記載のガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの振幅変調されたレーザ光源、検出すべきガスを保持するガス検出室、ガス検出室に装着されたマイクロフォン、検出すべきガスを保持したガス検出室を通過したレーザ光を受ける受光素子並びにレーザ光源に変調信号を与える変調周波数発生器及びガス濃度を決定する制御手段を含む演算処理手段を含んで構成される光音響的近赤外線ガスセンサによるガス検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
光音響的ガス検出は周知の原理である（図１参照）。広帯域の光源１′（通常は電球）からの光は赤外線フィルター２により、検出すべきガスの吸収線に相当する波長の光へと絞られる。所定の波長へと絞られた光は、検出すべきガスを含む可能性のある（通常はチューブ５内の）ガス試料４を通過する。検出すべきガスが含まれていれば、ガス濃度に対応する光量が吸収される。
【０００３】
検出すべきガスに吸収された光によりガス試料４の温度が僅かに上昇する。このガスが密閉されていると、温度上昇によりガス圧が上昇する。光源１′が変調されていると、検出すべきガスの吸収により検出室内の圧力が変調され、その変調はマイクロフォン３により受信される。マイクロフォン３により受信された音は、ガス吸収に比例する。光の強度はホトダイオード６により測定される。
【０００４】
いわゆる共鳴的光音響により、感度及びガス検出室へのガスの拡散が増大する。この場合、ガス吸収により生成される音がガス試料４の音響的共鳴に一致するように、変調周波数及びガス検出室の長さを選定する。音響的な固有モードを適切に選択すれば、ガス検出室（即ち、チューブ５の両端）を開放したままでも良い。
【０００５】
この測定法の問題点は、光源の変調周波数が１００Ｈｚのオーダーと限られていることである。このような周波数では、装置が周囲のノイズを受信し易く、その性能に影響する。チョッパーホイールを用いれば、より高い周波数の変調が可能であるが、そのホイールの振動が、ノイズとして変調周波数に伝わる。
【０００６】
更に、低周波数において共鳴吸収させるのには、検出室の長さを１メートル以上に設定しなければならないことも問題点である。
【０００７】
灼熱電球及びフィルターの代わりに近赤外レーザ１（時にはレーザダイオード）による近赤外（ＮＩＲ）光音響（図２参照）法では、ガスの基本吸収線の倍音が検出できる。この方法では、ＭＨｚの周波数までのオン／オフ変調に、ＮＩＲレーザダイオードを適用可能であることが大きな利点である。
【０００８】
上記赤外光音響法ではフィルターを透過した光が１００ｎｍオーダーの周波数幅を有するのに対して、ＮＩＲ光音響法に用いるレーザダイオードからの光は０．１ｎｍの周波数幅を有している。このことは、ガスセンサを校正するために、レーザの波長を検出すべきガスの吸収スペクトルの既知の波長に正確に固定する必要があることを意味している。
【０００９】
分離された狭い吸収線を有するガスに対しても、分子量の大きい炭化水素ではやや拡がった吸収線であるが、分離された吸収線のないガスに対しても、上記の固定は重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、拡がった吸収スペクトルを有するガスの濃度も測定できるガス検出方法及びガス検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は、下記のように構成した方法及び装置により解決される。
【００１２】
（１）光音響的近赤外レーザ式ガス検出装置を用いたガス検出方法であって、前記ガス検出装置は近赤外レーザ光源を備え、前記レーザ光源を振幅変調させ、振幅変調サイクル毎に前記レーザ光源の出力波長を変化させて最小波長と最大波長の間を走査することを特徴とするガス検出方法。
【００１３】
（２）前記レーザ光源の変調は、５０％の断続的サイクルによるオン／オフ変調と同一サイクルの鋸歯波変調の積により構成されることを特徴とする前記（１）に記載のガス検出方法。
【００１４】
（３）前記レーザ光源の変調は、正弦波変調であることを特徴とする前記（１）に記載のガス検出方法。
【００１５】
（４）前記レーザ光源の変調は、５０％の断続的サイクルによるオン／オフ変調及び同一サイクルにおける前記レーザ光源の温度変調であることを特徴とする前記（１）に記載のガス検出方法。
【００１６】
（５）前記レーザ光源は、検出すべきガスの吸収特性に相当する波長を出力するようにその温度が設定されることを特徴とする前記（１）ないし（４）のいずれか１項に記載のガス検出方法。
【００１７】
（６）光音響的近赤外式ガス検出装置であって、前記ガス検出装置は、少なくとも１つの振幅変調されるレーザ光源、検出すべきガスを保持するガス検出室、前記ガス検出室に設置されたマイクロフォン、前記レーザ光源のレーザ光強度を検出する受光素子並びに前記レーザ光源に変調信号を送信する変調周波数生成器及びガス濃度を決定する制御手段を含んで構成される演算処理装置を有し、前記変調周波数発生器は、振幅変調サイクル毎に出力波長を変化させて最小波長と最大波長の間を走査するように前記レーザ光源に変調信号を送信することを特徴とするガス検出装置。
【００１８】
（７）前記変調周波数発生器は、５０％の断続的サイクルによるオン／オフ変調信号と同一サイクルの鋸歯波変調信号の積により構成される変調信号が前記レーザ光源に送信されるように、矩形波変調手段及び鋸歯波変調手段を含んで構成されることを特徴とする前記（６）に記載のガス検出装置。
【００１９】
（８）前記変調周波数発生器は、正弦波変調信号を生成する正弦波変調手段を含んで構成されることを特徴とする前記（６）に記載のガス検出装置。
【００２０】
（９）前記変調周波数発生器は、５０％の断続的サイクルによるオン／オフ変調信号を生成する矩形波発生手段及び同一サイクルにおいて前記レーザ光源の温度変調信号を生成する温度変調手段を含んで構成されることを特徴とする前記（６）に記載のガス検出装置。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、拡がった吸収スペクトルを有するガスの濃度も測定できる検出方法及び装置を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明によれば、最小波長と最大波長の間の振幅変調のサイクル毎に出力する波長を変更するように、レーザ光源が振幅変調される。光音響近赤外ガスセンサは、振幅変調のサイクル毎に出力する波長を変化させて最小波長と最大波長の間が走査されるように、レーザ光源への変調信号を与える変調周波数発生器を含んで構成される。これは数個の適当な変調信号及び手段により実行される。本発明は、レーザ光源の波長が、レーザの駆動電流及びレーザチップの温度により制御されることを利用している。
【００２３】
レーザ光源は、検出すべきガスの吸収特性に相当する波長を出力するようにその温度が設定される。ある実施例では、レーザの電流変調は５０％の断続的サイクルによるオン／オフ変調ではなく、
・好ましくは５０％の断続的サイクルによるオン／オフ変調と
・同じ周波数の鋸歯状三角波変調
との積により変調され、オンのサイクルの間にレーザ光源は駆動電流により、閾値電流における周波数から、最大電流値に対応する最大波長へと増大していく。本発明では、ノイズの受信を抑制し、ガス試料の吸収長を４ｃｍまで減少させる４ｋＨｚの変調を用いている。別の実施例では、レーザ光源の駆動電流に正弦波変調を用いている。この解決法では、上記の実施例よりも正確でない結果が得られるが、ガスセンサの適用によっては満足すべき結果となる。別の実施例では、レーザ光源駆動電流は、好ましくは５０％の断続的サイクルを用いて変調され、レーザ光源の温度はレーザ光源駆動電流と同じ周波数において変調される。この方法では、速い温度変化及びそれに対応する装置が必要となる。
【００２４】
この測定結果の大要は、変調サイクル毎に波長を変化させて、所定の波長幅を完全に走査するので、検出すべきガスの吸収の特性が平均化される。この平均値は、温度の変動により誘発されるレーザの中心波長の小さな変動に対しては比較的感度が低い。
【実施例】
【００２５】
以下、図面を用いて本発明の特徴及び長所を説明するが、図面に示された実施例に限定されるものではない。
【００２６】
図１及び図２は、上述した２つの異なった光音響式ガスセンサの原理を示している。
【００２７】
図３及び図４はガス吸収強度（縦軸左）及びレーザ光強度（縦軸右）の波長（横軸）との関係を示している。これらの図はガス吸収の波長による変動を示している。図３に示されるように、限定された波長に固定されたレーザ光のピークはこの波長のみでガス吸収を検出している。広帯域のスペクトルの吸収強度の差異を考慮すると、レーザ光の波長が０．１ｎｍシフトすると吸収の差異は３０−５０％となる。このような測定結果を広い範囲に渉って変動させてもよい。図４に示されるように、（左から右へと）レーザ光のピークを所定の波長幅に渉って走査することにより、検出すべきガスの吸収特性は平均化される。
【００２８】
以下、レーザ光源として、レーザダイオードに関して記載しているが、これに限定されるものではなく、同様な結果を得るために同様な特性を有する他のレーザ光源を用いてもよい。更に、適当な検出手段を有する１つ以上のレーザ光源を用いてもよい。
【００２９】
図５は、演算処理手段１５を有するガスセンサの原理図である。加熱器または冷却器として機能する温度調節器７が装着された、好ましくはレーザダイオードであるレーザ光源１より発光された光は検出室５内のガス試料４を通過し、検出すべきガスを検出する。ガス試料４に接してマイクロフォン３が設置されている。ホトダイオード６は、光検出器として機能し、レーザ光源１からの光を受ける。検出すべきガスの吸収線に相当する波長を発光するように、温度調節器７によりレーザ光源１の温度が設定される。変調周波数生成装置９は、矩形波変調信号ＳＳＭを与える矩形波変調手段１０及び鋸歯波変調信号ＳＳＴＭを与える鋸歯波変調手段１１を含んで構成されている。レーザ光源１の駆動電流は、信号ＳＳＭとＳＳＴＭの積である変調信号ＳＭにより変調される。矩形波変調手段１０は、レーザ光源１に５０％断続サイクルのオン／オフ変調を与えるが、鋸歯波変調手段１１により、駆動電流は閾値電流から最大電流まで増大し、波長も最大波長となる。
【００３０】
マイクロフォン３は、ガスの吸収に比例する信号ＳＡをロックイン増幅器１２に送信し、ホトダイオード６はレーザ光源の光強度に比例する信号ＳＩを増幅器１３に送信する。ロックイン増幅器１２では、マイクロフォン３からの信号ＳＡと変調周波数生成装置９からの基準信号ＳＲｅｆとの積が積分され、その結果が制御装置１４へと送信される。ホトダイオード６からの信号も増幅器１３を経由して制御装置１４へ送信される。制御装置１４では、ロックイン増幅器１２で積分された結果が増幅器１３で増幅されたホトダイオード６からの信号ＳＩで除せられて規格化される。規格化された信号ＳＧＣが、求める検出室５内のガス濃度である。検出すべきガスの吸収線に相当する波長になるように、レーザ光源１の温度を維持するために制御装置１４は、温度制御装置８へも温度制御信号ＳＴを送信する。
【００３１】
図６は、レーザ光源に駆動電流変調信号ＳＭを与えるように、変調周波数生成装置９が正弦波変調器１６のみを含んで構成される別の実施例を示す。正弦波は、正弦波の負の部分を折り返すか、又は例えばレーザダイオードによって負の部分を削除して得られる直流化された正弦波である。
【００３２】
図７には更に別の実施例が示されている。この実施例では、変調周波数生成装置９は矩形波変調手段１０及び温度変調手段１７を含んで構成されている。矩形波変調手段１０はレーザ光源に第一の変調信号ＳＭ１を送信して駆動電流を変調させ、温度変調手段１７は温度調節器７に第二の変調信号ＳＭ２を送信してレーザ光源１の温度を変調させる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】赤外光音響式ガスセンサの原理を示す図
【図２】近赤外光音響式ガスセンサの原理を示す図
【図３】ガスの吸収線近傍に固定されたレーザ光のピークを示す図
【図４】ある波長幅に渉って走査されたレーザ光のピークを示す図
【図５】ガスセンサの一実施例を示すブロック図
【図６】ガスセンサの別の実施例を示すブロック図
【図７】ガスセンサの更に別の実施例を示すブロック図
【符号の説明】
【００３４】
１    レーザ光源
３    マイクロフォン
４    ガス試料
５    ガス検出室
６    ホトダイオード
７    温度調節器
８    温度制御装置
９    変調周波数生成装置
１０  矩形波変調手段
１１  鋸歯波変調手段
１２  ロックイン増幅器
１３  増幅器
１４  制御装置
１５  演算処理手段
１６  正弦波変調手段
１７  温度変調手段
ＳＳＭ  矩形波変調信号
ＳＳＴＭ  鋸歯波変調信号
ＳＭ   駆動電流変調信号
ＳＡ   吸収信号
ＳＩ   光強度信号
ＳＲｅｆ  基準信号
ＳＧＣ  規格化された信号
ＳＳＴ  温度制御信号
ＳＭＩ  第一の変調信号
ＳＭ２  第二の変調信号
【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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