JPH02240546A - チューナブルエタロンを用いたガスセンサ - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光学的に狭帯域フィルタの特性を持つチユー
ナブルエタロンを、濃度（圧力）が検出されるガスの吸
収スペクトルに応じて共振波長を変調させることにより
、任意のガスの濃度（圧力）を検出可能にするガスセン
サに関する。

［従来の技術〕 従来、例えばメタンガス等の濃度（圧力）を検出するた
めのガスセンサとして、第５図に示すような回路構成の
ものがあった。

このガスセンサは、メタンガスが封入されたガスセルを
透過した光を、ハーフミラ−１０１により一部を透過さ
せるとともに一部を反射させ、反射光を参照光としてホ
トダイオード１０２で光電変換したあと、充電変換され
た直流信号をアンプ１０３で増幅し、増幅した直流信号
を差動アンプ１０４の一方の入力端子に印加させる一方
、ハーフミラ−１０１を透過した光を、中心波長がメタ
ンガスの吸収スペクトルと一致する干渉フィルタ１０５
に通し、干渉フィルタ１０５を通過させた光を計測光と
してホトダイオード１０６で充電変換したあと、充電変
換された直流信号をアンプ１０７で増幅し、増幅した直
流信号を差動アンプ１０４のもう一方の入力端子に印加
させることにより、差動アンプ１０４において前記参照
光対応の直流信号と計測光対応の直流信号との差を増幅
させ、差動アンプ１０４から出力された信号に基づいて
メタンガスのＩＩＩｍを検出するものであった。

［発明が解決しようとする課ｆｆｉ］ 上記従来のガスセンサは、ハーフミラ−１０１で光路を
参照光と計測光とに分ＧＪ、それぞれの電気回路を独立
させているため、即ちフィードバック的な回路が無いた
め、前記アンプ１０３．１０７及び差動アンプ１０４の
電気的特性が周囲温度の変化により変動すると、それぞ
れのアンプの増幅率が微妙に変動し、前記参照光対応の
直流信号と計測光対応の直流信号が温度に対して変動す
るため、正確な濃度検出ができないという問題があった
。そのため従来のガスセンサは、その電気回路を恒温槽
の中に入れ、温度に対する回路特性を安定させることが
必要であった。そして濃度（圧力）検出精度を上げるた
めには恒温槽の温度１１１ｔｌｌｌ精度を上げることが
必要であった。しかしながら恒温槽の温度制御精度を上
げることは技術的に限界があり、且つ温度制御精度の高
い恒温槽は高価であるという問題があった。

また、直流信号増幅方式のためノイズの除去が困難であ
り、ドリフト電流が重畳されてもそれを除去することが
極めて困難であるという問題があった。

そこで、本発明では上記問題を解決するため、ガスセル
を透過した光を参照光と計測光との二つの光路に分岐す
ることなく単一光路を通し、この単一光路に設けられた
共振波長可変のチユーナブルエタロンを、温度（圧力）
が検出されるガスの吸収波長を中心に僅かに共振波長を
変調することにより、上記それぞれの波長光を通過させ
たあと光電変換し、それぞれの光の光量に対応した直流
信号を交流信号に変換したあと、それぞれの交流信号を
回期検波することにより外部ノイズの影響を無くした状
態で、ガス濃度（圧力）を演算するとともに、チユーナ
ブルエタロンの共振制御における振動範囲がいずれかの
原因によって所定範囲を越えたときに、それを補正する
ことによってガス濃度（圧力）を高精度に検出すること
を解決すべき技術的課題とするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記課題解決のための技術的手段は、チユーナブルエタ
ロンを用いたガスセンサを、被濃度（圧力）検出ガスが
封入されたガスセル内を透過した光源からの透過光を導
く光路を通った光を所定波長範囲で通過させる第１のフ
ィルタと、前記第１のフィルタを通過した光を受光した
うえ、この光を共振波長に応じて通過させるチユーナブ
ルエタロンと、前記チユーナブルエタロンを共振波長を
可変にさせるチユーナブルエタロン駆動手段と、所定周
波数の信号を発振して出力する発振器と、前記発振器か
ら出力された信号を入力し、所定周波数の参照信号を生
成して出力する参照信号生成手段と、前記チユーナブル
エタロンを通過した光を二つの光路に分光する分光手段
と、前記分光手段により分光された一方の光を前記第１
のフィルタより狭い帯域で通過させる第２のフィルタと
、前記第２のフィルタを通過した光を受光し、電気信号
に変換する第１の光電変換器と、前記第１の光電変換器
から出力された電気信号を増幅したうえ、この信号を交
流信号に変換する第１の信号増幅変換手段と、前記第１
の信号増幅変換手段から出力された交流信号と前記参照
信号生成手段からの参照信号とを入力し、この参照信号
に同期して上記交流信号を検波したうえ、同期検波信号
を出力する第１の同期検波手段と、前記被濃度（圧力）
検出ガスにより最も強く吸収される光の波長に対応した
第１の波長と、この第１の波長と僅かの所定差の被濃度
（圧力）検出ガスに吸収されない光に対応した波長の第
２の波長とを有するそれぞれの光を通過させるように前
記発振器から出力された信号に同期して前記チユーナブ
ルエタロンを共振制御するための制御信号を前記チユー
ナブルエタロン駆動手段に出力するチユーナブルエタロ
ン制御手段と、前記発振器からの信号と前記第１の同期
検波回路からの同期検波信号とを加算した信号をチユー
ナブルエタロン共振制御補正信号として前記チューナブ
ルエタＯン！ｆｕｌ１手段に出力するチユーナブルエタ
ロン共振制御補正手段と、前記分光手段により分光され
たもう一方の光を受光し、電気信号に変換する第２の光
電変換器と、前記第２の光電変換器から出力された電気
信号を増幅したうえ、この信号を交流信号に変換する第
２の信号増幅変換手段と、前記第２の信号増幅変換手段
から出力された交流信号と前記参照信号生成手段からの
参照信号とを入力し、この参照信号に同期して上記交流
信号を検波したうえ、同期検波信号を出力する第２の同
期検波手段と、前記第２の同期検波手段からの同期検波
信号を入力し、この同期検波信号に基いて前記被濃度（
圧力）検出ガスの濃度（圧力）を演算するガス濃度（圧
力）演算手段とを備えた構成にすることである。

［作　用１ 上記構成のヂ１−ナブルエタＯンを用いたガスセンサに
よると、被濃度（圧力）検出ガスが封入されたガスセル
内を透過した光源からの透過光は、第１のフィルタを通
過することにより、所定範囲の波長の光がチユーナブル
エタロンに入射される。

チユーナブルエタロン駆動手段は、前記被濃度（圧力）
検出ガスにより最も強く吸収される光の波長に対応した
第１の波長と、この第１の波長と僅かの所定差の被濃度
（圧力）検出ガスに吸収されない光に対応した波長の第
２の波長とを有するそれぞれの光を通過させるように、
前記発振器から出力された信号に同期してチユーナブル
エタロンを共振１ＩＩＩＩＯさせるための制御信号をブ
ユーナブルエタロン制御手段から受けてチユーナブルエ
タロンを共振さ往る。

チユーナブルエタロンの共振により、チユーナブルエタ
ロンを通過した光は分光手段により二元路に分光される
。分光された一方の光は、前記第１のフィルタより狭帯
域の第２のフィルタを通過したあと、第１の光電変換器
により直流信号に変換され、そのあと第１の信号増幅変
換手段により増幅され、交流信号に変換される。第１の
信号増幅変換手段により増幅され、交流信号に変換され
た信号は、第１の同期検波手段において参照信号生成手
段からの参照信号に同期して同期検波され、その出力信
号はチユーナブルエタロン共振ｔｉ１ｍ補正手段に入力
される。

同期検波出力信号を入力したチユーナブルエタロン共ｆ
ｉ１，１１　ｍ補正手段は、チ１−ナブルエタロンｔｓ
ｍ手段に対してチユーナブルエタロン共振ＤＩ　ｔｌ補
正信号を出力し、チユーナブルエタロンの振動範囲がい
ずれかの原因によって所定の幅を越えたときにそれを補
正υ制御する。

一方、前記分光手段により他方向に分光された光は、第
２の光電変換器により直流信号に変換され、そのあと第
２の信号増幅変換手段により増幅され、交流信号に変換
される。第２の信号増幅変換手段により増幅され、交流
信号に変換された信号は、第２の同期検波手段において
サンプリング信号生成手段からのサンプリング信号に同
期して同期検波され、その出力信号はガス濃度（圧力）
演算手段に入力される。

ガス濃度（圧力）演算手段は、前記被濃度検出ガスによ
り最も強く吸収される光の波長に対応した第１の波長と
、この第１の波長と僅かの所定差の被ｍ１度（圧力）検
出ガスに吸収されない光に対応した波長の第２の波長と
を有するそれぞれの光の光量差に対応した同期検波信号
に基いて前記被濃度検出ガスの濃度を演算する。

［実施例］ 次に、本発明の実施例の構成と作用を図面を参照しなが
ら説明する。

第１図は、本発明の一実施例の全体的な構成系統図であ
る。

第１図において、主ケース１に設けられた定電流回路２
から通電された定電流により、発光ダイオード（ＬＥＤ
）３から１゜３マイクロメータ帯の波長を有する光が発
光されると、この光は、光コネクタ４、及び光ファイバ
５を介して光器具ブラケット６に伝送される。この光ブ
ラケット６には、濃度（圧力）が検出される被濃度（圧
力）検出ガスとしてのメタンガスが均一に封入されたガ
スセルフが配設されている。光器具ブラケット６に伝送
された上記光は、レンズ８に入射され、レンズ８により
平行光１１ＬＩにされた状態でガスセルフを透過される
。ガスセルフを透過された平行光線Ｌ１はレンズ９によ
り集光され、マルチモードファイバ１０、光コネクタ１
１を介して主ケース１に帰還される。主ケース１にはサ
ブケース１２が内蔵されており、主ケース１に帰還され
たガスセル透過光は上記光コネクタ１１に接続されたサ
ブ光コネクタ１３を介してサブケース１２に入射される
。

サブケース１２に入射されたガスセル透過光Ｌ２は、入
射光線の一部を反射することが可能なハーフミラ−特性
を有する干渉フィルタＦ１において、透過光Ｌ３と反射
光Ｌ４とに分光される。尚、この干渉フィルタＦ１は第
３図に示すように２００１（ナノメータ）の波長帯域幅
を有している。上記反射光Ｌ４は、レンズ１５により集
光されたあと、ホトダイオードＰＤＩにより光電変換さ
れ、増幅器１６により増幅されたあと、ＡＤ変換器１７
においてディジタル信＠Ｒ１に変換される。そして反射
光Ｌ４の光間に対応した上記ディジタル信号Ｒ１はマイ
クロコンピュータ（ＣＰＵ）１８に入力される。このデ
ィジタル信号Ｒ１は、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）
１８が前記光ファイバ５、マルチモードファイバ１０の
光フフイバ光路を監視するため、所定のタイミングでマ
イクロコンピュータ１８にサンプリングされ、サンプリ
ングタイミングにおいて上記ディジタル信ＱＲ１が入力
されない場合は、上記光フアイバ光路に異常が発生した
と判断し、マイクロコンピュータ１８はアラーム出力回
路１９に異常信号を出力する。

一方、前記透過光し３は、チユーナブルエタロン２１に
入射される。このチューナブルエタロン２１は、２枚の
対向するエタロン板２１Ａ、２１Ｂを備え、それぞれの
エタロン板２１Ａ、２１Ｂの対向面には誘電体反射膜が
形成されており、入射された光をエタロン板２１Ａ、２
１Ｂの間で多重反射させ、エタロン板２１Ａ、２１Ｂ間
の距離に対応した波長の光を共振通過させるように構成
されている。エタロン板２１Ａ、２１Ｂのいずれか、例
えばエタロン板２１Ｂには、エタロン板２ＩＡ、２１Ｂ
間の距離を微少変化させるためのチユーナブルエタロン
駆動手段として、ピエゾ集子（ＰＺＴ）２２が取付けら
れており、このピエゾ素子（ＰＺＴ）２２に印加する電
圧に応じてエタロン板２１Ａ、２１Ｂ間の距離が制御さ
れる。尚、このチユーナブルエタロン２１は、帯域が１
ナノメータのものを使用している。

第２図に示すように、メタンガスの吸収スペクトルに対
応した波長、即ち１．３３１２マイクロメータの波長を
有する光と、この１．３３１２マイクロメータの波長か
ら前後どちらかに僅かにずれたＬ３７７２マイクロメー
タ（ｄλ−６ｎ−）のメタンガスに吸収されない波長光
（第３図参照）とを通過させるように、エタロン板２１
Ｂを振動させるため、ピエゾ素子２２にｌｌｌ１ｌ信号
を出力すると工ゾドライバ（チユーナブルエタロン制御
手段）２３が設けられている。

上記振動１ｉｌＪ　ｔｉｌｌにより、１．３３１２マイ
クロメータの波長を有する光と、この１．３３１２マイ
クロメータの波長から漫かにずれた１、３３７２マイク
ロメータの波長光とがエタロンを通過すると、これらの
光は二方向分光器２４により分光Ｎ１とＮ２に分けられ
る。分光Ｎ１は、第４図に示すように半値幅が４ナノメ
ータの帯域幅を有する干渉フィルタＦ２を通過されたあ
と、レンズ２５により集光され、ホトダイオードＰＤ２
において光電変換される。ホトダイオードＰＤ２におい
て光電変換され、ホトダイオードＰＤ２から出力された
直流信号は増幅器２６において増幅されたあと、４：ヤ
バシタ２７を通すことにより交流信＠Ｎ３に変換され、
同期検波回路２８に入力される。

一方、分光Ｎ２は、レンズ３０により集光され、ホトダ
イオードＰＤ３において光電変換される。

ホトダイオードＰＤ３において光電変換され、ホトダイ
オードＰＤ３から出力された直流信号は増幅器３１にお
いて増幅されたあと、キャパシタ３２を通すことにより
交流信号Ｎ４に変換され、更にゲイン調節可能なプログ
ラマブルゲインアンプ３３によりゲイン調節された交流
信号Ｎ５が同期検波回路３４に入力される。

前記マイクロコンピュータ１８に接続された発振回路（
Ｏ２０）３６は、５ＱＨｚ、の正弦波信号を発振して出
力するもので、この発振信号Ｓ１は加ｎ器３７に、また
同様の発振信号Ｓ２は位相制御回路３８に送信される。

加算器３７は発振信号Ｓ１と、後述のチユーナブルエタ
ロン共振１１１１］補正信号Ｓ３とを加算した加算信号
Ｓ４を前記ピエゾドライバ２３に出力する。

上記位相制御回路３８は、５０１１ｚの正弦波信号Ｓ２
を入力し、この５ＱＨｚ正弦波がゼロクロスするごとに
パルス信号を生成することにより、１００］ＩＺの矩形
波参照信号Ｓ５、Ｓ６を出力する。上記参照信号８５は
前記同期検波回路２８に、また、もう一方の参照信号Ｓ
６は前記同期検波回路３４に入力される。

同期検波回路２８は、上記参照信号Ｓ５と前記交流信号
Ｎ３とを入力し、参照信号Ｓ５に同期して交流信号Ｎ３
を同期検波する。同期検波回路２８において同期検波さ
れた出力信号Ｓ７は、ＰＩＤ回路（比例積分、比例微分
回路＞４０に入力される。同期検波された出力信号Ｓ７
は、前記チー１−ナブルエタロン２１がピエゾ素子２２
により振動されるとき、振動幅が何らかの原因により所
定値から変化し、前記１．３３１２マイクロメータの波
長を有する光と、この１．３３１２マイクロメータの波
長から僅かにずれた１、３３７２マイクロメータの波長
を有する光が得られなくならないよう、上記振動幅を所
定値に戻すように補正するための信号で、この信号Ｓ７
を前記ＰＩＤ回路（比例積分、比例微分回路）４０を通
してより精密な補正信号にした状態で前記チユーナブル
エタロン共振１．ＩＩ　Ｉμ補正信号８３として前記加
算器３７に印加する。

従って加算器３７からピエゾドライバ２３に出力される
信号Ｓ４は、前記発振信号Ｓ１と、チユーナブルエタロ
ン振動幅を補正するための一種のフイードバック信号と
してのチユーナブルエタロン共振制御補正信号Ｓ３とを
加算した信号となる。

また、同期検波回路３４は、前記参照信号８６と前記交
流信号Ｎ５とを入力し、参照信号Ｓ６に同期して交流信
号Ｎ５を同期検波する。同期検波回路３４において同期
検波された出力信号Ｓ８は、前記ＡＤ変換器１７により
ディジタル信号Ｓ９に変換されたあと、マイクロコンピ
ュータ１８に入力される。

マイク［１］ンビユータ１８は、同期検波回路３４から
出力された同期検波出力信号Ｓ８に対応したディジタル
信号Ｓ９を入力すると、このディジタル信号Ｓ９に基い
て、メタンガスに吸収されたあとの前記１．３３１２マ
イクロメータの波長を有する光に対応した信号と、メタ
ンガスにより吸収されない前記１．３３７２マイクロメ
ータ波艮光に対応した信号との差を演算し、更に、その
差に基いて前記ガスセルフのメタンガスの濃度（圧力）
を演算する。そして演算されたメタンガスの濃度（圧力
）は、キーボード４１の設定操作によりＬＥＤデイスプ
レィ４２に表示される。

以上のように、被濃度（圧力）検出ガスに吸収される光
の吸収スペクトルに応じた波長と、上記吸収スペクトル
対応波長より僅かにずれた波長とに共振するようにチユ
ーナブルエタロン２１を振動させてガスｎ度（圧力）を
高精度に検出する手段は、本実施例で開示したメタンガ
スに限らず、任意のガスの濃度（圧力）を検出し、表示
する場合にも有用である。

尚、ガス濃度（圧力）が予め設定された基準値を越えた
場合、警報を出すため、前記アラーム出力回路１９から
警報信号を出力することができる。

尚、上記実施例の変形例として、前記干渉フィルタＦ２
の代わりに、被濃度（圧力）検出ガスを封入したガスセ
ルを用い、前記分光Ｎ１をこのガスセルを透過させるこ
とにより、前記チユーナブルエタロン２１の共振波長の
変調の中心を常に被濃度（圧力）検出ガスの吸収波長に
合わせるようなフィードバック制御をしても良い。

また、前記チユーナブルエタロン２１の配設位置は、前
記実施例のように前記干渉フィルタＦ１の直ぐ後でなく
ても、例えば前記ガスセルフの直前、あるいは直後でも
良く、あるいはその他の有効な位置でも良い。

更に、前記ガスセルフのすぐ後に光カブラ、あるいはビ
ームスプリッタを配設し、ガスセルフを透過した光を二
つに分け、一方の光を前記干渉フィルタＦ１に入射させ
、他方の光を基準パワー測定部に入光させ、前記光ファ
イバ５、マルチモードファイバ１０の光フアイバ光路を
監視させることもできる。但し、この場合は前記干渉フ
ィルタＦ１にハーフミラ−機能を必要としない。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、被濃度（圧力）検出ガス
が封入されたガスセルを透過した光を参照光と計測光と
の二つの光路に分岐することなく単一光路を通過させ、
この単一光路に共振波長可変のチユーナブルエタロンを
設けて、濃度（圧力）が検出されるガスの吸収スペクト
ル対応の波長と、この波長と僅少差波長とのそれぞれに
共振するようにチユーナブルエタロンを振動させ、デユ
ーナブルエタロンを通過するそれぞれの光を光電変換し
たあと、光間に対応した交流信号を生成し、交流信号を
同期検波することにより、被濃度（圧力）検出ガスの吸
収スペクトルに応じた同期検波出力信号に基づいてガス
１１１１１（圧力）を演算するとともに、チユーナブル
エタロンの共振制御における振動範囲が何／Ｖらかの原
因で所定範囲を越えたときに、それを補正するようにし
たため、任意のガスの濃度（圧力）を簡単で安価な構成
で高精度に検出することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体的な構成を示す系統図
であり、第２図はメタンガスの吸収スペクトル特性図、
第３図は干渉フィルタと、チユーナブルエタロンの特性
説明図、第４図は別の干渉フィルタの特性説明図である
。また、第５図は従来のガスセンサの構成系統図である
。 ３・・・発光ダイオ−ト ド・・ガスセル Ｆｌ、Ｆ２・・・干渉フィルタ １８・・・マイクロコンビ１−タ ２１・・・チユーナブルエタロン ２２・・・ピエゾ素子 ２３・・・ピエゾドライバ ２４・・・分光器 ２６・・・増幅器 ２７・・・キャパシタ ２８・・・同期検波回路 ＰＯ２，ＰＯ２・・・ホトダイオード ３１・・・増幅器 ３２・・・キャパシタ ３４・・・同期検波回路 ３６・・・発振回路 ３７・・・加ｎ器 ３８・・・位相ｔｓｍ回路 ４２・・・ＬＥＤデイスプレィ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被濃度（圧力）検出ガスが封入されたガスセル内を透過
   した光源からの透過光を導く光路を通った光を所定波長
   範囲で通過させる第１のフィルタと、 前記第１のフィルタを通過した光を受光したうえ、この
   光を共振波長に応じて通過させるチユーナブルエタロン
   と、 前記チューナブルエタロンを共振波長を可変にさせるチ
   ューナブルエタロン駆動手段と、 所定周波数の信号を発振して出力する発振器と、前記発
   振器から出力された信号を入力し、所定周波数の参照信
   号を生成して出力する参照信号生成手段と、 前記チューナブルエタロンを通過した光を二つの光路に
   分光する分光手段と、 前記分光手段により分光された一方の光を前記第１のフ
   ィルタの帯域より狭い波長帯域で通過させる第２のフィ
   ルタと、 前記第２のフィルタを通過した光を受光し、電気信号に
   変換する第１の光電変換器と、 前記第１の光電変換器から出力された電気信号を増幅し
   たうえ、この信号を交流信号に変換する第１の信号増幅
   変換手段と、 前記第１の信号増幅変換手段から出力された交流信号と
   前記参照信号生成手段からの参照信号とを入力し、この
   参照信号に同期して上記交流信号を検波したうえ、同期
   検波信号を出力する第１の同期検波手段と、 前記被濃度（圧力）検出ガスにより最も強く吸収される
   光の波長に対応した第１の波長と、この第１の波長と僅
   かの所定差の第２の波長とを有するそれぞれの光を前記
   チユーナブルエタロンを通過させるように前記発振器か
   ら出力された信号に同期して前記チューナブルエタロン
   を共振制御するための制御信号を前記チューナブルエタ
   ロン駆動手段に出力するチューナブルエタロン制御手段
   と、 前記発振器からの信号と前記第１の同期検波回路からの
   同期検波信号とを加算した信号をチユーナブルエタロン
   共振制御補正信号として前記チユーナブルエタロン制御
   手段に出力するチューナブルエタロン共振制御補正手段
   と、 前記分光手段により分光されたもう一方の光を受光し、
   電気信号に変換する第２の光電変換器と、前記第２の光
   電変換器から出力された電気信号を増幅したうえ、この
   信号を交流信号に変換する第２の信号増幅変換手段と、 前記第２の信号増幅変換手段から出力された交流信号と
   前記参照信号生成手段からの参照信号とを入力し、この
   参照信号に同期して上記交流信号を検波したうえ、同期
   検波信号を出力する第２の同期検波手段と、 前記第２の同期検波手段からの同期検波信号を入力し、
   この同期検波信号に基いて前記被濃度（圧力）検出ガス
   の濃度（圧力）を演算するガス濃度（圧力）演算手段と
   を備えたことを特徴とするチユーナブルエタロンを用い
   たガスセンサ。