JPH02284045A - チューナブルエタロンを用いたガス濃度圧力検出方法 - 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、濃度（圧力）が検出されるガスの吸収ス□ベ
クトルに応じて光学的に狭ｍ１ｊｆｆｌフィルタの特性
を持つチューナブルエタロンの共振波長を変調させるこ
とにより、任息のガスのｆＡ度（圧力）を検出する方法
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
めの手段として、第５図に示すような回路構成のものが
あった。

これは、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、光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する一方、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を通過した光を計測光としてホトダイオ
ード１０６で光電変換したあと、光電変換された直流信
号をアンプ１０７で増幅し、増幅した直流信舅を差動ア
ンプ１０４のもう一方の入力端子に印加することにより
、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し、差動アンプ１
０４から出力された信号に基づいてメタンガスの′ａ度
を検出するようになっている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来のガス濃度（圧力）検出手段は、ハーフミラ−
１０１で光路を参照光と計測光とに分け、それぞれの電
気回路を独立させているため、例えば前記アンプ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１度（圧力）
検出精度を上げるためには恒温槽の温度ゐり御精度を上
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２１１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、ドリフト電流が型骨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
ることなく甲−光路を通し、この単一光路あるいはガス
セルの４ｑ　ｋ：　設けられた共振波長可変のチューナ
ブルエタロンを、濃度（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ように制御する
とともに、チューナブルエタロンの共振波長の変調の中
心を自動的に被１Ｉ１１度（圧力）検出ガスの光の吸収
波長に合わせるようにフィードバックｉｔ、Ｉ！御する
ことにより、ガスｎ度（圧力）を高精度に検出すること
を解決寸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、被濃度（圧力）検
出ガスが封入されたガスセルにビーム状の光を透過させ
、ガスセルを透過した光をチューナブルエタロンに入射
させた状態でチューナブルエタロンを所定のタイミング
で共振変調し、前記被濃度〈圧力）検出ガスにより強く
吸収される波長の第１の光と上記ガスにより吸収されな
い波長の第２の光とを通過させるとともに、同チューナ
ブルエタＯンを通過した前記第１の光と第２の光の合計
光Ｒをモニターし、この合計光量が所定量以下に減衰し
たとき、減衰光量に基づいて前記チューナブルエタロン
の共振変調を補正し、チュ−ナブルエタロンの共振波長
の変調の中心を被濃度（圧力）検出ガスの光の吸収波長
に合わせるようにフィードバック制御するととしに、前
記第１の光と第２の光を光電変換した第１の電気信号と
第２の電気信号とに基づいて萌記被濃度（圧力）検出ガ
スによる第１の光の吸収率を演算し、この吸収率から前
記被濃度（圧力）検出ガスの濃度（圧力）を演算するこ
とことである。

あるいはまた、被濃度（圧力）検出ガスが封入されたガ
スセルにビーム状の光を入射するための入射光路に配設
されたチューナブルエタロンを所定のタイミングで共振
変調し、前記被濃度（圧力）検出ガスにより強く吸収さ
れる波長の第１の光と上記検出ガスにより吸収されない
波長の第２の光どを通過させ、同チューナブルエタロン
を通過した前記第１の光と第２の光の合計光量をモニタ
ーし、この合計光量が所定量以下に減衰したとき、減衰
光量に基づいて前記チューナブルエタロンの共振変調を
補正し、チューナブルエタロンの共振波長の変調の中心
を被濃度（圧力）検出ガスの光の吸収波長に合わせるよ
うにフィードバックｌＩＩ御するとともに、前記第１の
光と第２の光を光電変換した第１の電気信号と第２の電
気信号とに基づいて前記被濃度（圧力）検出ガスによる
第１の光の吸、収率を演算し、この吸収率から前記被濃
度（圧力）検出ガスの濃度（圧力）を演算することであ
る。

［作　用］ 上記技術的手段により、ガスセルを透過した光は従来の
ガスセンサのように参照光と計測光とに分離されること
なく同一光路を通過されるもので、同一光路を通過した
光はガスセルの後の光路、あるいはガスセルの前の光路
に設けられたチューナブルエタロンの共振変調作用によ
り被濃度（圧力）検出ガスに吸収される波長の第１の光
と、被′ａ度（圧力）検出ガスに吸収されない波長の第
２の光とをそれぞれ計測光と参照光として通過させると
ともに、チューナブルエタロンの共振波長の中心を被濃
度（圧力）検出ガスの吸収波長に合わせるようにフィー
ドバック制御されるため、計測光としての第１の光の光
量対応信号と、参照光としての第２の光の先回対応信号
とに基づいて任意のガスの濃度（圧力）を高精度に検出
する作用をする。

［実施例］ 次に、本発明の実施例を図面を参照しながら説明ブーる
。

第１図は、本発明の一実施例を実現するための全体的な
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から例えば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８
１度（圧力）検出ガスとしての例えばメタンガスが均一
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によりビーム状に集光された光線Ｌ１がガスセ
ルフを透過される。ガスセルフを透過された光線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１１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づ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２０ｎｍ（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により珊幅されたあと、ＡＤ変換器１７
にＪ３いてディジタル信号Ｒ１に変換される。そして反
射光Ｌ４の光量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、マイクロコンピユータ（ＣＰＵ
）１Ｂが前記光ファイバ５、マルチモードフ？イバ１０
の光ファ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化＠Ｒ１が入
力されない場合、あるいは極めて低い電位になった場合
、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Ｌ３は、チューナブルエタロン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２１△、２１Ｂを備え、それぞれの
エタロン板２１△、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２１△、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２１Ａ、２１Ｂ
間の距離を微少変化させるためのチューナブルエタロン
駆動手段として、例えばピエゾ素子（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２１Δ、２１Ｂ間の振動幅
が制御される。尚、このチューナブルエタロン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
を有する第１の光と、この１．３３１２マイクロメータ
の波長より僅かにずれた１、３７７２マイクロメータ（
ｄλ＝５ｎｍ）のメタンガスに吸収されない波長の第２
の光（第３図参照）とを交Ｈに通過させるようにエタロ
ン板２１Ｂを振動させるため、ピエゾ素子２２に制御信
号を出力するピエゾドライバ（チューナブルエタロン制
御手段）２３が設けられている。

上記振動制御により、１．３３１２マイクロメータの波
長を有する第１の光と、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
タの波長の第２の光とがエタロンを交互に通過すると、
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
したあと、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、
キャパシタ２７を通すことにより交流信号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、５０１１２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、後述のデユーナブルエタ
ロン共振制御補正信号Ｓ３とを加締した加締信号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、５ｏｏｚの正弦波信号Ｓ２を
入力し、この５０Ｈ７正弦波がゼ１コクロスするごとに
パルス信号を生成するもので、１００１１ｚの矩形波パ
ルス信号Ｓ５、Ｓ６を出力する。Ｆ記パルス信号Ｓ５は
薗記同朋検波回路２８に、また、もう一方のパルス信号
Ｓ６は前記同期検波回路３４に入力される。

同期検波回路２８は、上記パルス信号Ｓ５と前記交流信
号Ｎ３とを入力し、パルス信号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、前記チューナブルエタロン２１がピエゾ素子２
２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０する第１の光と、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第２の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づるための信号
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踊正信号にした状態で
前記チューナブルエタロン共振制御補正信号＄３として
前記加算器３７に印加する。従って加ｑ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、デユーナブルエタロン振動幅を補正するための
一種のフィードバック信号としてのチューノーゾルエタ
ロン共振制御補正信号Ｓ３とを加算した信舅となる。

また、同期検波回路３４は、前記パルス信号Ｓ６と前記
交流信号Ｎ５とを入力し、パルス信号Ｓ６に同期して交
流信９Ｎ５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８８は、前記ＡＤ変換器１７に
よりディジタル信号８９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。

マイクロコンピュータ１８は、同１！１１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
基づいて、メタンガスに吸収されたあとの前記１．３３
１２マイクロメータの波長を有する第１の光の光吊に対
応した信りと、メタンガスにより吸収されない前記１．
３３７２マイクロメータ波長の第２の光の光量に対応し
た信号との差を演算し、更に、その差に基づいて前記ガ
スセルフのメタンガスの濃度（圧力）を演算検出する。

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第
１の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第２の光の非吸収波長
とに共振するようにチューナブルエタロン２１を変調さ
せてガス濃度（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、前記チューナブルエタロン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、前記チューナブルエタロン２１の配段位ｎ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行でも良い。

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の光ファイバ光路を
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、濃度（圧力）が検出され
る任意のガスが封入されたガスセルにビーム状の光を透
過させ、上記ガスにより吸収される波長の第１の光の吸
収度に応じてガスの濃度を演口検出するとき、ガスセル
の復の光路、あるいはガスセルの前の光路に設けられた
チューナブルエタロンを共成変調することにより、計測
光としての上記第１の光と、ガスにより吸収されない波
長の参照光としての第２の光とを所定のタイミングで通
過させ、同チューナブルエタロンを通過した前記第１の
光と第２の光の合計先方をモニターし、この合計光ｍに
応じて前記チューナブルエタロンの共振波長の変調の中
心を被濃度（圧力）検出ガスの光の吸収波長に自動的に
合わＩるようにフィードバック制御するとともに、前記
第１の光と第２の光を光電変換した第１の電気信号と第
２の電気信号とに基づいて被濃度く圧力）検出ガスによ
る第１の光の吸収率を演埠し、この吸収率から前記被濃
度（圧力）検出ガスのａ度（圧力）を演粋することがで
きるため、任意のガスの濃度（圧力）を高精度に検出す
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、チュ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図は従来のガス濃度（圧力）検出信号の構
成系統図である。 ３・・・発光ダイオード ７・・・ガスセル Ｆｌ、Ｆ２・・・干渉フィルタ １８・・・マイクロコンピュータ ２１・・・チューナブルエタロン ２２・・・ピエゾ素子 ２３・・・ピエゾドライバ ２４・・・分光器 ２Ｇ・・・ＭｊＩＩＡ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・・・発揚回路 ３７・・・加算器 ３８・・・位相制御回路 ４２・・・ＬＥＤディスプレイ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被濃度（圧力）検出ガスが封入されたガスセルに
   ビーム状の光を透過させ、ガスセルを透過した光をチュ
   ーナブルエタロンに入射させた状態でチューナブルエタ
   ロンを所定のタイミングで共振変調し、前記被濃度（圧
   力）検出ガスにより強く吸収される波長の第１の光と上
   記ガスにより吸収されない波長の第２の光とを通過させ
   るとともに、同チューナブルエタロンを通過した前記第
   １の光と第２の光の合計光間をモニターし、この合計光
   量が所定量以下に減衰したとき、減衰光量に基いて前記
   チューナブルエタロンの共振変調を補正し、チューナブ
   ルエタロンの共振波長の変調の中心を被濃度（圧力）検
   出ガスの光の吸収波長に合わせるようにフィードバック
   制御するとともに、前記第１の光と第２の光を光電変換
   した第１の電気信号と第２の電気信号とに基づいて前記
   被濃度（圧力）検出ガスによる第１の光の吸収率を演算
   し、この吸収率から前記被濃度（圧力）検出ガスの濃度
   （圧力）を演算することを特徴とするチューナブルエタ
   ロンを用いたガス濃度圧力検出方法。
2. （２）被濃度（圧力）検出ガスが封入されたガスセルに
   ビーム状の光を入射するための入射光路に配設されたチ
   ューナブルエタロンを所定のタイミングで共振変調し、
   前記被濃度（圧力）検出ガスにより強く吸収される波長
   の第１の光と上記検出ガスにより吸収されない波長の第
   ２の光とを通過させ、同チューナブルエタロンを通過し
   た前記第１の光と第２の光の合計光間をモニターし、こ
   の合計光量が所定量以下に減衰したとき、減衰光量に基
   づいて前記チューナブルエタロンの共振変調を補正し、
   チユーナブルエタロンの共振波長の変調の中心を被濃度
   （圧力）検出ガスの光の吸収波長に合わせるようにフィ
   ードバック制御するとともに、前記第１の光と第２の光
   を光電変換した第１の電気信号と第２の電気信号とに基
   づいて前記被濃度（圧力）検出ガスによる第１の光の吸
   収率を演算し、この吸収率から前記被濃度（圧力）検出
   ガスの濃度（圧力）を演算することを特徴とするチユー
   ナブルエタロンを用いたガス濃度圧力検出方法。