專利名稱：激光式氣體分析儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用激光測定例如煙道內的氣體、排氣等各種氣體的 濃度的激光式氣體分析儀。
背景技術：
已知在氣體分子中，各自存在固有的光吸收光譜。例如，

圖16為 NH3 (氨)氣的吸收光譜的例。
激光式氣體分析儀，是利用激光的特定波長的吸收量與測定對象 氣體的濃度成比例的情況的分析儀，作為氣體濃度的測定方法，大致 分為2波長差方式和頻率調制方式。其中，本發(fā)明涉及使用頻率調制 方式的激光式氣體分析儀。
首先，對使用頻率調制方式的現有技術的激光式氣體分析儀的測 定原理進行說明。
圖17是表示頻率調制方式的原理圖，例如是專利文獻1中所記載
的內容。在頻率調制方式的激光式氣體分析儀中，用中心頻率f;、調制
頻率fm對半導體激光器的出射光進行頻率調制，并照射到測定對象的 氣體。在此，所謂頻率調制是使供向半導體激光器的驅動電流的波形 成為正弦波狀。
如圖18A、圖18B所示，半導體激光器的發(fā)光波長因驅動電流或 溫度而發(fā)生變化，因此通過進行頻率調制，發(fā)光波長伴隨驅動電流的 調制而被調制。
如圖17所示，由于氣體的吸收線相對于頻率大致成為二次函數， 所以該吸收線起到辨別器的作用，在受光部獲得調制頻率C的2倍的 頻率的信號(2倍波信號)。在此，由于調制頻率fm可以為任意的頻率，
因此，例如如果將調制頻率fm選擇為幾kHz左右，則能夠使用數字信
號處理裝置(DSP)或者通用的處理器，進行2倍波信號的抽取等高度 的信號處理。
另外，如果利用受光部進行包絡檢波，則能夠推定基于振幅調制的基波。通過使該基波的振幅與上述二倍波信號的振幅的比相位同步 而進行檢測，能夠與距離無關地獲得與測定對象氣體濃度成比例的信 號。
在該頻率調制方式中，在半導體激光器的種類中，使用分布歸還
型半導體激光器(DFB激光器)，僅射出單一波長的激光，測定氣體濃 度的情況較多。
在此情況下，由于DFB激光器發(fā)光的光譜線寬度比測定對象氣體 的吸收線寬度小，因此必須使DFB激光器的發(fā)光波長與測定對象氣體 的吸收波長相一致。
作為其方法，使用如下方法，即，利用預先封入有與測定對象氣 體相同的氣體成分的參照氣體單元，通過溫度控制DFB激光器的發(fā)光 波長。
作為使用如上所述的檢測原理的現有技術，例如有專利文獻2所 記載的氣體濃度測定裝置。
圖19表示在專利文獻2中記載的氣體濃度測定裝置的整體的結構。
該氣體濃度測定裝置1主要包括光源單元2、測定光聚光部3、 測定光放大部4、接收信號檢測部5、校正信號生成部6、由基波信號 放大器7A和二倍波信號放大器7B構成的參照信號放大部7、由信號 微分檢測器8A和信號同步檢測器8B構成的參照信號檢測部8、波長 穩(wěn)定化控制電路9、溫度穩(wěn)定化PID電路10、電流穩(wěn)定化電路ll、測 定/校正切換部12、和運算部13。
光源單元2產生與上述的測定對象氣體特有的吸收線一致的波長 的激光，如圖20A所示，在由金屬封裝構成的箱形狀的殼體主體26的 內部，收納有半導體激光模塊21、參照氣體單元22和光檢測器(受光 部)23。
如圖20B所示，在半導體激光模塊21的殼體21a內，設置有從兩 面射出頻率調制后的激光的半導體激光器(激光二極管)24。如圖20A 所示，具備連接器25a的光纜25從殼體21a延伸，從半導體激光器24 射出的一方的光，通過光纜25從圖19的測定光聚光部3射出到外部 (測定對象氣體的氣氛)。如圖20A所示，在殼體主體26的底面，配置有安裝有冷卻用散熱 片27的珀耳帖(Peltier)元件等溫度控制元件(未圖示)。通過利用該 溫度控制元件將動作溫度控制為一定溫度，控制振蕩波長。
如圖20B所示，在半導體激光器24的前后兩側的光軸上，配置有 用于將出射光聚光的不具有平坦面的非球面透鏡29a、 29b。通過將這 些非球面透鏡29a、 29b用作聚光用透鏡，能夠防止光反射回半導體激 光器24。
如圖20B所示，在半導體激光器24的前后兩側的光軸上在非球面 透鏡29a、 29b的外側，配置有光隔離器30a、 30b。
這些光隔離器30a、 30b通過對配置在僅通過90°的極化面的光的 偏振鏡和僅通過45。的極化面的光的檢偏鏡之間的結晶施加磁力，使 在結晶中透過的光的極化面旋轉而阻止偏振鏡的反射光的通過，防止 反射光返回半導體激光器24。
如圖20A、圖20B所示，設置在半導體激光器24的后側的光路上 的參照氣體單元22用于測定光振蕩波長的穩(wěn)定化、測定對象氣體濃度 的校正。在該參照氣體單元22中，在中空的金屬體22a的相對面形成 有光能夠通過的貫通孔，在金屬體22a的內部封入參照氣體之后，貫 通孔由玻璃窗22b密封。
參照氣體單元22的內徑的長度預先被決定，封入的參照氣體被形 成為與測定對象氣體的測定場所的環(huán)境大致相同的組成、壓力。例如， 如果測定場所的環(huán)境為空氣，則參照氣體為空氣平衡，即與空氣是相 同的組成，壓力也成為1個大氣壓。
參照氣體單元22被固定在非球面透鏡29b的后側的后方出射光容 易射入的位置。通過參照氣體單元22后的激光，由配置在其后側的光 檢測器23接收并被檢測。
此外，上述參照氣體單元22為了降低向半導體激光器24返回的 光，優(yōu)選將光通過的兩端面形成為傾斜(例如相對于出射光軸大約為6 D )。
在圖19中，測定光聚光部3將來自半導體激光器24的光射出到 外部，利用透鏡31將從作為測定對象的氣體配管等反射的測定光聚光。 此外，測定光聚光部3利用光檢測器32檢測聚光后的光并變換為電信號。
測定光放大部4由前置放大器構成，將由光檢測器32檢測到的光 電流變換為電壓，并放大輸出。另外，在測定光放大部4中，針對基 波信號、2倍波信號的各個設定有最佳放大度，以使得接收信號檢測部 5所檢測的基波相敏(phase-sensitive)檢測信號(f信號以下簡稱為 基波信號)和2倍波相敏檢波信號(2f信號以下簡稱為2倍波信號) 幾乎成為相同級別。
接收信號檢測部5在測定/校正切換部12被切換到測定光放大部4 一側時，處理來自測定光放大部4的測定光信號，對基波信號(f信號)、 2倍波信號(2f信號)和2f/f信號進行檢測。
另外，接收信號檢測部5在測定/校正切換部12被切換到校正信號 生成部6—側時，處理來自校正信號生成部6的信號，對校正用基波 信號(rf信號)、校正用2倍波信號(r2f信號)和r2Prf信號進行檢測。
在上述結構中，使用參照氣體單元22控制半導體激光器24的發(fā) 光波長。另外，通過從光檢測器32的輸出抽取表示氣體濃度的2f信號， 對測定對象氣體的濃度進行測定。
專利文獻l:日本特開平7-151681號公報(段落
、圖4等)
專利文獻2:日本特開2001-235418號公報(段落
~
氣體濃度-axlC-Dl
如上所述，在不存在測定對象氣體的情況下，通過同步檢波電路 208b不會檢測出2倍波信號，同步檢波電路208b的輸出幾乎成為直線。
但是，由于存在各種各樣的噪聲，因此即使在假定不存在測定對 象氣體的情況下，如圖10所示，同步檢波電路208b的輸出信號Sb也 成為具有凹凸的波形。在這樣的波形的情況下，在單純地僅檢測波形 的最大值、最小值的方法中，存在將噪聲導致的凹凸部分誤認為氣體 吸收波形，錯誤地檢測出最大值、最小值的問題。另外，即使在求取 波形的積分值的情況下，也同樣地存在誤檢測的可能性。
尤其是，在測定對象氣體為低濃度的情況下，上述凹凸部分成為 氣體濃度檢測時的大的誤差原因。
因此，在本實施例中，為了不將噪聲導致的凹凸部分誤認為氣體 吸收波形，使用從波長掃描驅動信號生成部204a輸出的觸發(fā)信號S4， 確定氣體吸收波形的最大值或最小值應該存在的位置。
觸發(fā)信號S4，由于與波長掃描驅動信號的1周期同步，因此在該 觸發(fā)信號S4與同步檢測電路208b的輸出信號Sb之間存在一定的時間 的相關關系。即，在存在測定對象氣體的情況下，相對于觸發(fā)信號S4 的定時，能夠幾乎準確地檢測出生成圖8的氣體吸收波形A和最大值 C、最小值B、 D的定時。
于是，在圖6所示的運算部208e中，相對于觸發(fā)信號S4的定時, 預先檢測產生氣體吸收波形A的最大值C和最小值B、 D的定時，并 加以保存。
然后，在進行氣體濃度的測定時，以從波長掃描驅動信號生成部 204a接收到的觸發(fā)信號S4為基準，從應該生成最大值C和最小值B、D的定時的同步檢波電路208b的輸出信號Sb (濾波器208d的輸出信 號)測定最大值和最小值。
對該最大值和最小值乘以氣體濃度變換系數a ，計算氣體濃度。 此外，氣體濃度變換系數a為使用已知測定氣體成分的濃度的氣體預 先進行校正而決定的系數，用于將上述的同步檢波電路輸出變換為氣 體濃度。
例如，在使測定氣體成分的濃度為0ppm的零氣體例如氮氣等、和 測定氣體成分的濃度為所希望的測定范圍的最大濃度的量程氣體(span gas)交替地流通的情況下，將零氣體、量程氣體的實測值作為第一校 正點、第二校正點，將連接這兩點的直線作為基準線。
該基準線是橫軸為己知的氣體濃度，縱軸在上述"B-C"、 "C-D" 求得的電壓輸出。將該基準線的斜率作為氣體濃度變換系數a。
由此，即使在測定對象氣體的濃度為無限接近0的低濃度的情況 下，運算部208e也能夠基于觸發(fā)信號S4正確地檢測、測定氣體吸收 波形A、最大值C和最小值B、 D。因此，不會被噪聲導致的波形的凹 凸部分影響，能夠利用上述數學式1或者數學式2高精度地進行氣體 濃度的運算。
如上所述，根據該實施方式，在光源部204在規(guī)定范圍內對激光 元件204e的發(fā)光波長進行掃描，由此，即使不使用參照氣體單元也能 夠檢測基于測定對象氣體的吸收波長。
在現有技術中，僅根據特定波長處的受光信號的振幅檢測測定對 象氣體的吸收。與此相對，在本實施方式中，對整個氣體吸收波形進 行檢測，不必將激光元件的發(fā)光波長固定，因此使檢測靈敏度穩(wěn)定， 測定精度提高。
另外，通過如圖6所示那樣構成信號處理電路20犯，與僅檢測氣 體吸收波形的最大值和最小值，或者僅檢測積分值的情況相比，能夠 更加準確地測定氣體濃度。
接著，圖11表示信號處理電路208的第三實施例的結構，對該第 三實施例的信號處理電路標注號碼208C。此外，對于與圖4、圖6相 同的構成要素標注相同的號碼，省略說明，以下以不同的部分為中心 進行說明。在圖11中，受光部207的輸出為電流信號，該電流信號通過I/V 變換器208a被變換為電壓信號。將該電壓信號稱為受光信號，在圖 12A、圖12B中表示其波形的一個例子。
圖12A為在測定環(huán)境中沒有灰塵的清潔的空間中的受光信號波 形，圖12B為有灰塵存在的空間中的受光信號波形。如從這些圖可知， 在灰塵存在的情況下，由于激光被遮擋，因此受光光量(受光信號級 別)降低。
如上所述，利用同步檢波電路208b，僅抽取射出光的調制信號的 2倍頻率成分的振幅。例如，如果對圖12A、 12B所示的受光信號進行 同步檢波，則能夠獲得分別如圖13A、 13B所示的波形。
圖13A中的A與上述同樣為氣體吸收波形，通過對該波形的振幅 w (=wa)進行檢測，能夠測定氣體濃度。
另一方面，在存在灰塵的情況下的圖13B中，與圖12B對應，振
幅w (=wb)也變小。
這樣，由于受光光量而使得氣體吸收波形的振幅發(fā)生變動，因此 尤其在灰塵量發(fā)生變動的環(huán)境中，難以進行正確的氣體濃度的測定。
因此，在本實施方式中，著眼于如圖14所示那樣受光光量級別 (level)與氣體吸收波形的振幅級別大致成比例關系的情況，通過在 運算部208e中對氣體吸收波形的振幅進行校正，即使在存在灰塵等的 環(huán)境中也能夠進行正確的氣體濃度的檢測。
艮P，如圖11所示，將從I/V變換器208a輸出的受光信號輸入作為 抽取單元的濾波器208f，取出波長掃描驅動信號成分。然后，利用運 算部208e,將波長掃描驅動信號成分和受光光量設定值的比作為受光 光量校正系數P計算出，利用上述校正系數e對從濾波器208d輸出的 氣體吸收波形的振幅進行校正。
例如，如果將圖12A、圖12B所示的受光信號輸入濾波器208f， 取出波長掃描驅動信號成分，就能夠獲得圖15A、圖15B所示的波形。 圖15A為沒有灰塵、受光光量未降低的情況，圖15B為存在灰塵、受 光光量降低的情況。
如圖15A所示，在某時刻，將沒有灰塵且受光光量最大時的受光 信號(從濾波器208f輸出的波長掃描驅動信號)的級別P (=Pmax)作為上述受光光量設定值預先設定在運算部208e。運算部208e，如圖15A所示那樣，對存在灰塵的情況下的受光信號級別P進行檢測，利用數
學式3將該P與同一時刻的Pmax的比作為受光光量校正系數i3進行運算。]8 =Pmax/P
通過對氣體吸收波形的振幅w (例如圖13B的Wb)乘以或者除以上述的校正系數j3，如數學式4所示，能夠獲得將由灰塵導致的受光光量的變動量校正后的振幅wh。
Wh=wx j3
使用這樣校正后的氣體吸收波形的振幅Wh對氣體濃度進行測定，
即使在如煙道那樣灰塵量較多的環(huán)境中受光光量的減少顯著的情況下，也能夠準確地測定氣體濃度。
根據本發(fā)明，由于不需要參照氣體單元而能夠使裝置結構簡單化，降低成本，并且由于不需要將激光元件的發(fā)光波長固定而能夠獲得檢測靈敏度穩(wěn)定，測定精度提高的效果。
另外，即使在灰塵較多的環(huán)境中，也不需要另外使用灰塵計等計量儀器，通過利用受光光量校正系數對吸收波形的振幅進行校正，能夠準確地測定氣體濃度。
19
權利要求
1.一種激光式氣體分析儀，其包括射出被頻率調制后的激光的光源部；使來自該光源部的射出光平行的射出光學系統；將從該射出光學系統經測定對象氣體所存在的空間傳播的透過光聚光的聚光光學系統；接收通過該聚光光學系統被聚光后的光的受光部；和處理該受光部的輸出信號的信號處理電路，所述信號處理電路根據所述受光部的輸出信號對所述光源部的調制信號的2倍頻率成分的信號進行檢測，對測定對象氣體的濃度進行測定，所述激光式氣體分析儀的特征在于所述光源部包括激光驅動信號生成部，其將以掃描測定對象氣體的吸收波長的方式使激光元件的發(fā)光波長可變的波長掃描驅動信號、和用于調制所述發(fā)光波長的高頻調制信號合成，作為激光驅動信號輸出；電流控制部，其將從該激光驅動信號生成部輸出的所述激光驅動信號變換為電流；和被供給從該電流控制部輸出的電流的所述激光元件，所述信號處理電路包括根據所述受光部的輸出信號檢測所述2倍頻率成分的信號的振幅的同步檢波電路；和根據存在于該同步檢波電路的輸出信號中的氣體吸收波形檢測測定對象氣體的濃度的運算部。
2. 根據權利要求1所述的激光式氣體分析儀，其特征在于 所述波長掃描驅動信號的波形是，具有偏置部分，且具有使供向所述激光元件的供給電流直線地變化，使所述激光元件的發(fā)光波長逐 漸變化的部分，并且以一定周期重復的波形，所述偏置部分是將所述激光元件的閾值電流值以上的電流供向所 述激光元件的值。
3. 根據權利要求1或2所述的激光式氣體分析儀，其特征在于-所述運算部對所述2倍頻率成分的信號的一部分進行積分，根據其積分值檢測測定對象氣體的濃度。
4. 根據權利要求1或2所述的激光式氣體分析儀，其特征在于 所述運算部對所述2倍頻率成分的信號的全部進行積分，根據其積分值檢測測定對象氣體的濃度。
5. 根據權利要求1或2所述的激光式氣體分析儀，其特征在于-所述運算部根據所述氣體吸收波形的最大值檢測測定對象氣體的濃度。
6. 根據權利要求1或2所述的激光式氣體分析儀，其特征在于-所述運算部根據所述氣體吸收波形的最小值檢測測定對象氣體的濃度。
7. 根據權利要求1或2所述的激光式氣體分析儀，其特征在于 所述運算部根據所述氣體吸收波形的最大值和最小值的差檢測測定對象氣體的濃度。
8. 根據權利要求7所述的激光式氣體分析儀，其特征在于 所述運算部根據在所述氣體吸收波形的最大值和最小值的差上乘以氣體濃度變換系數而得到的值檢測測定對象氣體的濃度。
9. 根據權利要求7或8所述的激光式氣體分析儀，其特征在于-所述運算部以從所述激光驅動信號生成部輸出的脈沖狀的觸發(fā)信號的定時為基準，預先對產生所述氣體吸收波形的最大值和最小值的 定時進行檢測并保存。
10. 根據權利要求9所述的激光式氣體分析儀，其特征在于 使所述觸發(fā)信號與所述波長掃描驅動信號同步。
11. 根據權利要求10所述的激光式氣體分析儀，其特征在于 使所述觸發(fā)信號與使所述激光元件的驅動電流為零的所述波長掃描驅動信號的定時同步。
12. 根據權利要求1所述的激光式氣體分析儀，其特征在于 所述信號處理電路還包括從所述受光部的輸出信號抽取所述波長掃描驅動信號的成分的抽取單元，所述運算部使用作為所述抽取單元的輸出信號和受光光量設定值 之比的受光光量校正系數，校正所述氣體吸收波形的振幅。
13. 根據權利要求12所述的激光式氣體分析儀，其特征在于 將所述受光光量設定值作為受光光量為最大時的所述抽取單元的輸出信號的級別。
全文摘要
本發(fā)明涉及頻率調制方式的激光式氣體分析儀。在該激光式氣體分析儀中，光源部(204)包括激光驅動信號生成部(240s)、電流控制部(204c)、激光元件(204e)、熱敏電阻(204f)、珀耳帖元件(204g)和溫度控制部(204d)，其中激光驅動信號生成部(204s)將以掃描測定對象氣體的吸收波長的方式改變激光的發(fā)光波長的波長掃描驅動信號、和調制發(fā)光波長的高頻調制信號合成，作為激光驅動信號輸出，信號處理電路(208)包括根據受光部(207)的輸出信號對調制信號的2倍頻率成分的振幅進行檢測的同步檢波電路(208b)、和運算部(208e)。
文檔編號G01N21/39GK101646934SQ20088001015
公開日2010年2月10日 申請日期2008年2月1日 優(yōu)先權日2007年2月2日
發(fā)明者中村裕介, 小泉和裕, 平山紀友, 金井秀夫, 飯?zhí)镔F志 申請人:富士電機系統株式會社