JPS6161333B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6161333B2
JPS6161333B2 JP54106230A JP10623079A JPS6161333B2 JP S6161333 B2 JPS6161333 B2 JP S6161333B2 JP 54106230 A JP54106230 A JP 54106230A JP 10623079 A JP10623079 A JP 10623079A JP S6161333 B2 JPS6161333 B2 JP S6161333B2
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JP
Japan
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current
laser
amplitude
light
infrared detector
Prior art date
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Expired
Application number
JP54106230A
Other languages
English (en)
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JPS5629127A (en
Inventor
Hirobumi Kashiwara
Hiroyuki Ishizaki
Koji Shinohara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
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Publication of JPS5629127A publication Critical patent/JPS5629127A/ja
Publication of JPS6161333B2 publication Critical patent/JPS6161333B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は赤外分光分析方法、とくに波長可変レ
ーザを光源として用いる分光分析方法の改良に関
するものである。
大気汚染の原因となる有害ガスたとえば一酸化
炭素(CO)、亜硫酸ガス(SO2)等の検出、定量
に赤外線吸収を利用した分光分析方法が便利であ
ることはすでに周知である。この分光分析方法に
用いる光源として赤外線を発生する波長可変レー
ザが好適であることもすでに知られた事実であ
る。上記波長可変レーザは一般に鉛(Pb)を含
む合金半導体から成る素子を主体としており、し
かも少なくともある波長範囲内で上記電流とレー
ザ光の振動数との間には直線的関係がある。すな
わち上記の電流の値をI、レーザ光の振動数をν
とすると、次式が成立する。
ν=KI (ただし、Kは定数) ………(1) この関係を利用して、野外における大気汚染分
析の際に大気の変動による不規則なゆらぎを除去
して安定に測定を行う方法が提案された。この方
法は分光吸収曲線の導関数を求め、該導関数をそ
の原始関数で正規化することによつて上記大気の
変動による不規則なゆらぎに基づく測定値の変動
を消去することをその原理としている。以下その
原理について簡単に説明する。検出しようとする
大気中の有害ガスたとえば一酸化炭素の大気中濃
度をC、測定の際の光路長をL、使用する波長可
変レーザの出力光パワーをPo、大気通過後に受
光素子の受光面上に集められた光パワーをPrと
すると、 Pr=K・Poexp{−α(ν)CL}・(t)…(2) という関係が成立する。ただしα(ν)は一酸化
炭素の吸収係数を光の振動数νの関数として表し
たもので、(t)は大気の変動による不規則な
ゆらぎを時間tの関数の形で表した項である。ま
たKは比例常数である。上記(2)式の両辺をνで微
分すると、 P′r=dPr/dν=−KPo・CLexp{−α(ν)CL}dα/dν・(t) ………(3) が得られる。ただし簡単化するためPoをνに無
関係に一定と仮定した。前掲の(2)式と上記(3)式と
を辺々相除すると P′r/Pr=−CLα′(ν) ………(4) となつて大気の変動による不規則なゆらぎを示す
項(t)は消え、しかも右辺の絶対値は有害ガ
スの濃度Cに比例する。それ故Prの導関数P′rを
Prで正規化すれば大気の変動による不規則なゆ
らぎに影響されることなく有害ガスの大気中濃度
を知り得ることが上記(4)式からわかる。ただし上
記(4)式においてダツシユ記号は導関数すなわち微
分係数を表す。
以上の理論に基づいて実際に大気分析を行うた
めには被測定大気による吸収スペクトルの導関数
P′rを求める必要がある。このP′rを実測により求
めるために波長可変レーザに供給する電流に一定
周波数の微小振幅の交流分を重畳することにより
発光波長に微小な一定幅の変化を与えてこれに対
応する吸収後のレーザ光パワーの変化分を観測
し、このパワーの変化分からP′rを求める方法が
すでに提案されている。この方法においては光チ
ヨツパによつてレーザ光を断続して赤外線検知器
の出力を交流化して増幅し易くしている。すなわ
ち光チヨツパは赤外線検知器に入射するレーザ光
を周期的に断続するため、該赤外線検知器の出力
信号には上記光チヨツパの光断続周期の逆数に等
しい周波数成分が現れる。この周波数成分(以下
チヨツピング周波数と言う)の振幅はレーザ光の
パワーPrに比例するから、赤外線検知器の出力
信号中の交流分だけを増幅することによつて上記
レーザ光パワーPrを測定することができる。
しかし一般に赤外線検知器の出力信号は微弱な
ため、上記従来の方法においては位相拘束増幅器
(Lock−in Amplifier)を2系統使用し、片方を
チヨツピング周波数の増幅に、他方をレーザ電流
に重畳された交流分に由来する周波数成分の増幅
に充当している。上記従来の方法はこのために次
のような問題点を有している。
第一に高価で大型な位相拘束増幅器を2台使用
するため不経済であるのみならず装置が大型にな
る不利がある。第二に光チヨツパはモータにより
駆動されて回転を行うため故障が生じ易く、また
故障の無いときにも発熱や振動等の問題があり、
さらにモータの回転不整があるとチヨツピング周
波数の高調波がレーザ電流の交流分による信号中
に混入する等の不都合がある。
本発明は前述の問題点に鑑み、トラブルの多い
機械系を省き、さらに高価な位相拘束増幅器の使
用台数を減ずることを可能とする、新規な赤外分
光分析方法を提供せんとするものである。
以下図面を用いて本発明の一実施例について詳
細に説明する。
第1図は本発明に係る分光分析方法の一実施例
に使用する装置を示したものであつて、本図にお
いて波長可変レーザ1の発するレーザ光は凸レン
ズ2によつて平行光となり、平面鏡3によつて進
路を90゜曲げられて分光分析装置Aの外へ放射さ
れる。波長可変レーザ1に発光させるための電流
はレーザ電流源4(以下単に電流源という)から
供給されるが、該電流源4には電流制御回路5に
より制御されており、電流制御回路5は後述する
ようなプログラムに従つて電流源4の出力電流を
制御する。この出力電流はすなわちレーザ電流に
ほかならない。波長可変レーザ1の発光は前述し
たように凸レンズ2を通過後平面鏡3により反射
されて装置A外に出るが、その出口の近傍には孔
明き平面鏡6が設置されており、レーザ光は孔明
き平面鏡6の孔を通つて外界へ放射される。外界
へ出たレーザ光の進路には折り曲げ反射鏡7が設
置されていて、上記レーザ光はこの折り曲げ反射
鏡7により反射されて再び装置内へ帰つて来る。
帰つて来たレーザ光は孔明き平面鏡3で反射され
て90゜偏向され、凹面鏡8によつて一旦収束され
るが、別の凹面鏡9によつて再び平行光となり、
最後にいま1個の凹面鏡10によつて赤外線検知
器12の受光面上に焦点を結ぶ。なお2個の凹面
鏡9と10との間には成分および圧力既知のガス
を満たした標準セル11を必要に応じ挿脱する。
赤外線検知器12の出力電気信号は直流増幅器1
3によつて直流増幅されて、信号処理回路14へ
送られる。
以上説明した測定(分析)系において、機械的
運動を行う光チヨツパは全く用いられていない。
そして、レーザ光パワーを検出するためにレーザ
電流を一定周期で断続するとともに、赤外線検知
器12の出力電気信号を直流増幅器13によつて
増幅する。これらが本発明の主要な特徴を形づく
るのである。
さらに本実施例においてはレーザ電流に小振幅
の方形波形の電流を重畳する。これらの制御は電
流制御回路5により行われる。また増幅された赤
外線検知器12の出力信号は信号処理回路14へ
送られて所要の処理を受ける。
つぎに第1図に示した分光分析装置の動作につ
いて説明する。
まずレーザ電流を断続することにより、赤外線
検知器12の出力信号の瞬時振幅に、レーザ発光
時(通電時)と、レーザ非発光時(電流遮断時)
とで差を生じ、電流の周期的な断続により赤外線
検知器の出力信号波形は方形波状となる。この波
形の基本周期はもちろんレーザ光の断続周期に等
しい。以下この周期をTで表わすことにする。T
は一例として10msec程度に選ぶ。したがつて赤
外線検知器12の出力信号の基本周波数をとす
れば、=1/T=100Hzである。この信号の振幅が 赤外線検知器に入射したレーザ光のパワーに対応
する。ゆえに以前に掲げた(3)式中のPrおよびPo
の値をこの振幅により知ることができる。Poは
大気による吸収前のレーザ光パワー、Prは大気
通過後のそれであるから、それぞれの条件下で得
られた赤外線検知器出力信号の振幅がPoおよび
Prにそれぞれ対応するわけである。
ついで上記Prの微分係数P′rを求めるには、本
実施例においてはレーザ電流に微小振幅の方形波
電流を重畳する。この方形波電流の振幅は全レー
ザ電流の1%程度でよい。レーザ光波長の掃引を
行う場合、すなわちレーザ電流の変化によりレー
ザ光の波長を変化させる場合にも上記方形波電流
の振幅を一定にしておけば、この振幅に対応する
大気通過後におけるレーザ光パワーの変化分がレ
ーザ光パワーの微分係数に比例する。このように
してPrとP′rとを求め、前者で後者を除すること
により、有害ガスの濃度に比例する数値が得られ
ることが(4)式から明らかである。
上述の理論に対する理解をさらに深めるために
信号の波形を示し、これによつて回路動作を説明
する。第2図Aはレーザ電流の波形I(t)を示
したもので、t=t1まではI(t)=0であり、
t=t1からt=t2までは一定の高レベルI1に微小
振幅でかつ短い周期の方形波が重畳した波形とな
る。I(t)の基本周期Tは前述したように約10
msec、微小振幅の方形波(以下高周波という)
の周期T′は一般にTよりも1桁以上短くする。
一例としてT′=0.5msecとする。すなわち高周波
の繰返し周波数′=1/T′は2KHzである。
第2図Bは赤外線検知器12の出力信号の電圧
波形E(t)を示したもので、レーザ電流I=0
であつてもE(t)は零にはならない。この理由
は赤外線検知素子に直流バイアス電圧が与えられ
ていることと、背景放射とに基づく。したがつて
I=0のときのレベルEBと、I=I1のときのレ
ベルEAとの差EA−EBがレーザ光パワーに対応
する。ただし各回の通電直後はレーザ動作が若干
不安定になるので、この期間は測定を行わない。
一方、レーザ光パワーの微分係図dPr/dνは
上述した高周波成分の振幅から求められる。すな
わち(1)式から、 dν=K・dI ………(5) が成立する。ただしdνおよびdIはそれぞれレー
ザ光の振動数およびレーザ電流の微小変化分を表
す。したがつて P′r=dPr/dν=1/KdPr/dI………
(6) となる。(6)式から、dPr/dνとdPr/dIとは
比例関係にあ ることがわかる。従つてレーザ電流の高周波成分
の振幅を微小としかつ常に壱定とすれば、(6)式か
ら上記高周波成分の振幅に対応する赤外線検知器
出力中の高周波成分の振幅が微分係数dPr/dν
に比例することが理解される。
なおレーザ電流に重畳する微小振幅の電流の波
形は図示したような方形波に限らず、一般に最高
レベルと最低レベルとが平担な部分を有してい
る。波形であればよい。このような波形を選ぶの
はデジタル処理を容易にするためである。また、
レーザ光のパワー(PoまたはPr)だけの計測を
行う場合には交流増幅器を使用することもでき
る。
以上説明した本発明に係る分光分析方法は、光
チヨツパを使用しないためチヨツパ駆動用の機械
系に基因する種々のトラブルをすべて回転するこ
とができ、また直流増幅器を使用することにより
波形歪みなく赤外線検知器の出力信号を増幅する
ことができ、レーザ光パワーの微分係数を高精度
で測定することができる利点がある。ゆえに大気
中の有害ガスの濃度を精密に測定する場合に適用
してきわめて有利である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の方法の一実施例に使用する装
置の簡略系統図、第2図A,Bは前図中のレーザ
電流および赤外線検知器出力信号の波形をそれぞ
れ示す線図である。 1:波長可変レーザ、2:凸レンズ、3:平面
鏡、6:孔明き平面鏡、7:折り曲げ反射鏡、
8,9,10:凹面鏡、11:標準ガスセル、1
2:赤外線検知器、13:直流増幅器。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 波長可変赤外線レーザを光源とし、該光源に
    供給する電流を断続することにより該光源に断続
    的発光をなさしめるとともに、該供給電流にレー
    ザ光の断続周期よりも短い周期の微小振幅の方形
    波電流を重畳し、分析対象物通過後のレーザ光を
    光電変換素子に入射させて電気信号に変換し、上
    記光源に供給する電流の断続に基づく上記電気信
    号の瞬時振幅の変化により測定対象ガスの吸収特
    性を検知するとともに、該方形波電流に対応する
    成分量から測定対象ガスの濃度を検知することを
    特徴とする赤外分光分析方法。
JP10623079A 1979-08-20 1979-08-20 Infrared spectroscopic analysis method Granted JPS5629127A (en)

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JP10623079A JPS5629127A (en) 1979-08-20 1979-08-20 Infrared spectroscopic analysis method

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JP10623079A JPS5629127A (en) 1979-08-20 1979-08-20 Infrared spectroscopic analysis method

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Publication Number Publication Date
JPS5629127A JPS5629127A (en) 1981-03-23
JPS6161333B2 true JPS6161333B2 (ja) 1986-12-25

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ID=14428314

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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19725217C1 (de) * 1997-06-15 1998-07-09 Daimler Benz Ag Windschutzvorrichtung für ein offenes Kraftfahrzeug
CN104006881B (zh) * 2014-03-10 2017-01-11 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪

Family Cites Families (2)

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JPS591972B2 (ja) * 1976-03-27 1984-01-14 安立電気株式会社 演算補償回路付分光計
JPS5487588A (en) * 1977-12-24 1979-07-12 Fujitsu Ltd Infrared spectral analytical apparatus

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JPS5629127A (en) 1981-03-23

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