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JP2002202257A - Gas detector - Google Patents

Gas detector

Info

Publication number
JP2002202257A
JP2002202257A JP2000402113A JP2000402113A JP2002202257A JP 2002202257 A JP2002202257 A JP 2002202257A JP 2000402113 A JP2000402113 A JP 2000402113A JP 2000402113 A JP2000402113 A JP 2000402113A JP 2002202257 A JP2002202257 A JP 2002202257A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
gas
container
light source
detection device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000402113A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaya Nanami
雅也 名波
Toshiyuki Suzuki
敏之 鈴木
Takeshi Tsukamoto
威 塚本
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.)
Anritsu Corp
Original Assignee
Anritsu Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anritsu Corp filed Critical Anritsu Corp
Priority to JP2000402113A priority Critical patent/JP2002202257A/en
Publication of JP2002202257A publication Critical patent/JP2002202257A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Optical Measuring Cells (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To perform accurate gas detection by reducing a drift of an electric signal when a speckle pattern changes by reducing the brightness difference of the speckle pattern. SOLUTION: This gas detector 1 is equipped with a gas container 3 for containing a detected gas, a light source 5 for emitting divergent light into the container 3, a light diffusion surface 11 formed on an inner wall surface of the container 3 to diffuse the divergent light, and a photoreceptor 9 for receiving light from the container 3 concurrent with the launch of the divergent light. A light diffusion plate 21 is disposed in the container 3 to directly receive the divergent light incoming from the light source 5. The diffusion plate 21 is rotated in a prescribed cycle by a motor 23. Since the divergent light from the light source 5 is diffused by the diffusion plate 21 and the diffusion plate 21 is rotated in the prescribed cycle by the motor 23, the brightness difference of the speckle pattern of a laser beam received by the photoreceptor 9 is reduced.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ吸収分光を
利用したガス検出装置に係り、特に目的とするガスの有
無の検知や濃度測定のためにガスを導入してレーザ光と
相互作用を行わせるガスセルを有するガス検出装置に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas detection apparatus utilizing laser absorption spectroscopy, and more particularly to introducing a gas to detect the presence or absence of a target gas and to measure the concentration of the gas, thereby performing an interaction with a laser beam. The present invention relates to a gas detector having a gas cell to be made.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザ吸収分光は、物質が固有の光波長
に対して大きな吸収をもつという性質を利用して、分析
などに用いられる分光技術の一種である。この技術をガ
ス分析の分野で応用することにより、目的とするガスの
検出や濃度測定が可能となる。
2. Description of the Related Art Laser absorption spectroscopy is a type of spectroscopic technique used for analysis and the like, utilizing the property that a substance has a large absorption at a specific light wavelength. By applying this technology in the field of gas analysis, it becomes possible to detect and measure the concentration of a target gas.

【0003】従来のガス検出装置の光学系の一例を図5
に示す。この光学系はレーザ光源51、ガスセル52お
よび受光器53より構成される。ガスセル52は、通
常、ガスを収容するための容器54、ガス導入孔55と
ガス排出孔56、およびレーザ光57が通過するための
第一の窓58と第二の窓59より構成される。レーザ光
源51より出射したレーザ光57は第1の窓58から入
射し、容器54内部に収容されたガスでその一部が吸収
され、第二の窓59より出射して受光器53に達する。
レーザ光57の波長を被検出ガスの吸収波長付近で変化
させると図6のようなガス吸収曲線がみられる。この曲
線上で大きな吸収を示す波長になるべく近い波長のレー
ザ光を用いて、該レーザ光のガスによる吸収の度合い、
すなわち受光器53で受光するレーザ光の光量の変化量
を測ることでガス濃度(ガス検出を含む)を知ることが
できる。
FIG. 5 shows an example of an optical system of a conventional gas detector.
Shown in This optical system includes a laser light source 51, a gas cell 52, and a light receiver 53. The gas cell 52 generally includes a container 54 for storing gas, a gas introduction hole 55 and a gas discharge hole 56, and a first window 58 and a second window 59 through which a laser beam 57 passes. The laser light 57 emitted from the laser light source 51 enters through the first window 58, is partially absorbed by the gas contained in the container 54, emits from the second window 59, and reaches the light receiver 53.
When the wavelength of the laser beam 57 is changed near the absorption wavelength of the gas to be detected, a gas absorption curve as shown in FIG. 6 is observed. Using laser light of a wavelength as close as possible to the wavelength showing large absorption on this curve, the degree of absorption of the laser light by gas,
That is, the gas concentration (including gas detection) can be known by measuring the amount of change in the amount of laser light received by the light receiver 53.

【0004】ところで、実際にガスの濃度測定を行うと
様々な原因による誤差が生じるが、その中でもレーザ光
の干渉によって発生するドリフトによる誤差は絶対値も
大きくまた対策も難しい。具体的には、レーザ光がガス
セルの窓を透過するときや受光器内部の光学系を透過す
るときに多重反射が生じ、これが元のレーザ光と干渉
し、光強度の変化として現れる。この強度変動が吸収曲
線に畳重した場合、あたかも被検出ガスの濃度が変化し
たかのごとく観測されてしまう。
[0004] By the way, when the gas concentration is actually measured, errors due to various causes occur. Among them, errors due to drift caused by laser light interference have a large absolute value and it is difficult to take countermeasures. Specifically, multiple reflections occur when the laser light passes through the window of the gas cell or through the optical system inside the light receiver, which interferes with the original laser light and appears as a change in light intensity. When this intensity fluctuation is superimposed on the absorption curve, it is observed as if the concentration of the detected gas has changed.

【0005】そこで、光学的な多重反射を極力避けるた
め、従来では図7に示すような工夫がされてきた。この
例ではウェッジ形状のガラス板の両面に反射防止膜61
を施したものをガスセル52の窓材に用いている。この
ようにすることで多重反射による干渉の影響を減らすこ
とができる。
In order to avoid optical multiple reflection as much as possible, conventionally, a device as shown in FIG. 7 has been devised. In this example, antireflection films 61 are formed on both sides of a wedge-shaped glass plate.
Is used for the window material of the gas cell 52. By doing so, the influence of interference due to multiple reflection can be reduced.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ガスセ
ル52で多重反射を抑えても、受光器53の部分で同様
の問題が生じる。例えば受光器53にフォトダイオード
(以後、PDという。)を使用した場合、PD容器の窓
とPD素子表面の間で多重反射が生じ、これが測定誤差
となってしまう。このように干渉が原因となる誤差は、
光学系のさまざまな場所で生じる可能性があるため、全
ての光学部品において干渉が起こらないように改善して
いくことは難しい。
However, even if multiple reflections are suppressed by the gas cell 52, a similar problem occurs at the light receiver 53. For example, when a photodiode (hereinafter, referred to as PD) is used for the light receiver 53, multiple reflection occurs between the window of the PD container and the surface of the PD element, and this causes a measurement error. The error caused by the interference is
Since it is possible to occur in various places in the optical system, it is difficult to improve all optical components so that interference does not occur.

【0007】そこで、本件発明者等は、測定に用いる光
の多重反射による測定誤差を抑えたガス検出装置を既に
出願している(特開平2000−206035号公
報)。
Accordingly, the present inventors have already filed an application for a gas detection apparatus in which a measurement error due to multiple reflection of light used for measurement is suppressed (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-206035).

【0008】上記特開平2000−206035号公報
に開示されるガス検出装置71では、可干渉性を有する
レーザ光を拡散させて可干渉性を崩す光拡散体をガスセ
ル内部もしくは外部の光路に設けることにより、干渉が
原因となる光学的ノイズ(以下、干渉ノイズと呼ぶ)を
低下させている。上記公報に開示されるガス検出装置の
一例として、図8に示すガス検出装置71では、ガス導
入孔72aとガス排出孔72bを有した被検出ガスを収
容するための容器72の形状を球とし、この容器72の
内壁面全面に反射型の光拡散体73を形成し、容器72
の壁面の外側に光源74と受光器75を装着した構成と
なっている。
In the gas detecting device 71 disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2000-206035, a light diffuser for diffusing a coherent laser beam to break the coherence is provided in an optical path inside or outside the gas cell. As a result, optical noise (hereinafter referred to as interference noise) caused by interference is reduced. As an example of the gas detection device disclosed in the above publication, in a gas detection device 71 shown in FIG. 8, the shape of a container 72 for containing a gas to be detected having a gas introduction hole 72a and a gas discharge hole 72b is a sphere. A light diffuser 73 of a reflection type is formed on the entire inner wall surface of the container 72,
The light source 74 and the light receiver 75 are mounted on the outside of the wall surface of the light emitting device.

【0009】ところで、図8に示すガス検出装置71を
採用した場合、容器72の内壁面全面に光拡散体73が
形成されるので、光源74からの発散光が光拡散体73
によって拡散されると、微小な凹凸の粗い面からなる光
拡散体73の光拡散によってスペックルを生じる。この
スペックルは、上記のようなレーザ光等の干渉性の高い
光で光学的に粗い表面を照らすときに起こる無秩序に分
布した暗点と明点である。スペックルは、粗い表面の微
細部分で再放射される多くの無秩序な要素波が複雑に干
渉することにより形成される。
When the gas detector 71 shown in FIG. 8 is employed, the light diffuser 73 is formed on the entire inner wall surface of the container 72, so that the divergent light from the light source 74 is emitted from the light diffuser 73.
When the light is diffused, speckles are generated by the light diffusion of the light diffuser 73 having a rough surface with minute unevenness. The speckles are irregularly distributed dark spots and bright spots that occur when an optically rough surface is illuminated with highly coherent light such as laser light as described above. Speckle is formed by the complex interference of many disordered component waves that are re-emitted at fine parts of a rough surface.

【0010】一般的に、レーザ光などのコヒーレント光
を光学的粗面に照明すると、照明された表面はレーザ光
を反射してスペックルパターンを生ずる。このスペック
ルパターンの明暗の差は、レーザ光の空間的可干渉性が
低下することで小さくなる。
Generally, when coherent light such as laser light is illuminated on an optically rough surface, the illuminated surface reflects the laser light to generate a speckle pattern. The difference between the light and dark of the speckle pattern is reduced due to a decrease in the spatial coherence of the laser light.

【0011】そして、上記のように発生するスペックル
パターンは、そのパターンの状態が変化しなければ、測
定誤差に影響を及ぼすことなく、正確なガス検出及びガ
ス濃度測定が可能である。
If the speckle pattern generated as described above does not change its state, accurate gas detection and gas concentration measurement can be performed without affecting the measurement error.

【0012】しかしながら、光源74が発する熱による
温度変化、容器72に送り込まれるガスの温度変化、装
置に組み込んだ回路の熱による温度変化等によって容器
72が変形すると、容器72の壁面に形成された光拡散
体73の面も変形するため、スペックルパターンもゆっ
くりと動いて変化してしまう。このスペックルパターン
の変化は、装置71の各所をネジ止めして設置する場
合、装置71に触れて容器72に僅かな歪みが生じて
も、同様に起こる現象である。そして、上記のように温
度変化や外部応力によってスペックルパターンが変化す
ると、受光器75の受光量に応じた電気信号にドリフト
が生じ、このドリフトによって測定誤差を招き、正確な
ガス検出が行えないという問題が生じる。
However, when the container 72 is deformed due to a temperature change due to the heat emitted from the light source 74, a temperature change of the gas sent into the container 72, a temperature change due to the heat of a circuit incorporated in the apparatus, etc., the heat is formed on the wall surface of the container 72. Since the surface of the light diffuser 73 is also deformed, the speckle pattern also moves slowly and changes. This change in the speckle pattern is a phenomenon that occurs when the device 71 is screwed and installed, even if the container 72 touches the device 71 and a slight distortion occurs. When the speckle pattern changes due to a change in temperature or external stress as described above, a drift occurs in an electric signal corresponding to the amount of light received by the light receiver 75, and this drift causes a measurement error, making it impossible to perform accurate gas detection. The problem arises.

【0013】そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてな
されたものであり、光拡散の条件を積極的に変化させて
レーザ光の空間的可干渉性を低下させることで、スペッ
クルパターンの明暗の差を小さくし、スペックルパター
ンが変化したときの電気信号のドリフトを低減して正確
なガス検出を行うことができるガス検出装置を提供する
ことを目的としている。
In view of the above, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and the spatial coherence of laser light is reduced by actively changing the conditions of light diffusion to thereby reduce the speckle pattern. It is an object of the present invention to provide a gas detection device that can reduce the difference in brightness and darkness, reduce drift of an electric signal when a speckle pattern changes, and perform accurate gas detection.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明による請求項1に記載のガス検出装置は、被検出
ガスを収容するためのガス容器3と、該ガス容器3に光
を入射する光源5と、前記光を拡散するように前記ガス
容器3の内壁面の少なくとも一部に形成された光拡散面
11と、前記光源5からの光の入射に伴う前記ガス容器
3からの光を受光する受光器9とを備え、該受光器9が
受光する受光量に基づいて前記被検出ガスの有無や濃度
を検出するガス検出装置において、前記ガス容器3の内
部に設けられて、前記光源5からの光を直接受けて拡散
させる光拡散手段21と、該光拡散手段21を所定の周
期で移動させる移動手段23と、を備えたことを特徴と
する。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a gas detecting apparatus for receiving a gas to be detected, and a light incident on the gas container. Light source 5, a light diffusion surface 11 formed on at least a part of an inner wall surface of the gas container 3 so as to diffuse the light, and light from the gas container 3 accompanying the incidence of light from the light source 5. And a light detector 9 for detecting the presence or absence and concentration of the gas to be detected based on the amount of light received by the light receiver 9, provided in the gas container 3, A light diffusing unit 21 for directly receiving and diffusing light from the light source 5 and a moving unit 23 for moving the light diffusing unit 21 at a predetermined cycle are provided.

【0015】請求項2に記載のガス検出装置は、請求項
1に記載のガス検出装置において、前記移動手段23
が、前記光拡散手段21を回転させる回転機構をなして
いることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided the gas detecting device according to the first aspect, wherein the moving means 23 is provided.
However, the present invention is characterized in that a rotating mechanism for rotating the light diffusing means 21 is formed.

【0016】請求項3に記載のガス検出装置は、請求項
1に記載のガス検出装置において、前記移動手段23
が、前記光拡散手段21を振動させる振動機構をなして
いることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided the gas detecting device according to the first aspect, wherein the moving means 23 is provided.
However, a vibration mechanism for vibrating the light diffusion means 21 is provided.

【0017】請求項4に記載のガス検出装置は、請求項
1〜請求項3の何れかに記載のガス検出装置において、
前記光拡散手段21が、前記光源5からの光を反射させ
ることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a gas detector according to any one of the first to third aspects.
The light diffusing means 21 reflects light from the light source 5.

【0018】請求項5に記載のガス検出装置は、請求項
1〜請求項3の何れかに記載のガス検出装置において、
前記光拡散手段21が、前記光源5からの光を透過させ
ることを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a gas detection apparatus according to any one of the first to third aspects,
The light diffusing means 21 transmits light from the light source 5.

【0019】請求項6に記載のガス検出装置は、請求項
1〜請求項5の何れかに記載のガス検出装置において、
前記光拡散手段21および前記移動手段23が、前記光
源5からの光を直接受ける部位とは別に複数設けられて
いることを特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a gas detection apparatus according to any one of the first to fifth aspects.
A plurality of the light diffusing means 21 and the moving means 23 are provided separately from a portion which directly receives light from the light source 5.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して具体的に説明する。図1は本発明のガス検出
装置の第一実施の形態を示す構成図である。図1に示す
ように、ガス検出装置1は、主にガス容器3と、光源5
と、受光器9とから大略構成されている。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of the gas detection device of the present invention. As shown in FIG. 1, the gas detection device 1 mainly includes a gas container 3 and a light source 5.
And a light receiver 9.

【0021】まず、ガス容器3は、被検出ガスが収容さ
れるガスセルとして構成されている。本実施の形態での
ガス容器3は、その内部が球状をなす内壁面を有して形
成されている。ガス容器3の材質は、被検出ガスの種類
に応じてアルミやステンレス等の金属、あるいはガラス
が材料とされる。具体的には、例えば二酸化炭素(CO
2 )、メタン(CH4 )、亜酸化窒素(N2 O)等のよ
うに腐食性の無いガスに対しては金属製が好ましく、ア
ンモニア(NH3 )や塩化水素(HCl)等のように腐
食性が強いガスに対してはガラス製が好ましい。
First, the gas container 3 is configured as a gas cell for storing a gas to be detected. The gas container 3 in the present embodiment is formed to have a spherical inner wall surface. The material of the gas container 3 is a metal such as aluminum or stainless steel, or glass according to the type of the gas to be detected. Specifically, for example, carbon dioxide (CO
2 ), non-corrosive gases such as methane (CH 4 ) and nitrous oxide (N 2 O) are preferably made of metal, such as ammonia (NH 3 ) and hydrogen chloride (HCl). Glass is preferred for highly corrosive gases.

【0022】ガス容器3の内壁面は、微小な凹凸面から
なる光拡散面11として構成されている。更に説明する
と、剛性を有するアルミやステンレスなどの金属を例え
ば旋盤やフライス加工でくり抜いてガス容器3を形成
し、このガス容器3の内壁面の表面に放電加工やホーニ
ング処理で梨子地状の光拡散面11を形成している。こ
の他、光拡散面11は、アルミやステンレスなどの金属
や、ガラス等の反射性とされた表面をフロスト状に仕上
げたものや、これらの表面にアルミや金を蒸着したも
の、もしくは反射率の大きな粉末(ポリテトラフロロエ
チレン,硫酸バリウム,硫黄等)を塗布したものが利用
できる。
The inner wall surface of the gas container 3 is formed as a light diffusion surface 11 composed of minute uneven surfaces. More specifically, a metal such as aluminum or stainless steel having a rigidity is cut out by, for example, a lathe or a milling process to form a gas container 3. A diffusion surface 11 is formed. In addition, the light-diffusing surface 11 may be a metal such as aluminum or stainless steel, a frosted surface made of a reflective material such as glass, an aluminum or gold vapor-deposited surface, or a reflectance. A powder coated with a large powder (polytetrafluoroethylene, barium sulfate, sulfur, etc.) can be used.

【0023】ガス容器3には、被検出ガスを導入するガ
ス導入孔13と、被検出ガスを排出するガス排出孔15
とが設けられている。これにより、ガス容器3の内部に
は、一定量の被検出ガスがガス導入孔13より導入され
収容される。ガス容器3の内部に収容された被検出ガス
の検出および濃度測定が終了した場合には、ガス容器3
の内部の被検出ガスがガス排出孔15から排出される。
その後、次の検出および濃度測定の対象となる被検出ガ
スがガス導入孔13から導入され、ガス置換が行われ
る。
The gas container 3 has a gas inlet 13 for introducing a gas to be detected and a gas outlet 15 for discharging the gas to be detected.
Are provided. As a result, a certain amount of the gas to be detected is introduced into the gas container 3 through the gas introduction hole 13 and accommodated therein. When the detection and concentration measurement of the gas to be detected contained in the gas container 3 are completed, the gas container 3
Is discharged from the gas discharge hole 15.
Thereafter, a gas to be detected, which is a target of the next detection and concentration measurement, is introduced from the gas introduction hole 13 and gas replacement is performed.

【0024】ガス容器3には、第一の貫通孔17と第二
の貫通孔19が設けられている。第一の貫通孔17から
は、光源5からの発散光がガス容器3の内部に入射され
る。また、第二の貫通孔19からは、受光器9に向けて
ガス容器3の内部からの拡散光が出射される。なお、第
一の貫通孔17と光源5との間、第二の貫通孔19と受
光器9との間は、例えばOリング等のシール部材を用い
て気密が保てる構造となっている。
The gas container 3 has a first through hole 17 and a second through hole 19. The divergent light from the light source 5 enters the gas container 3 from the first through hole 17. Further, diffused light from the inside of the gas container 3 is emitted from the second through hole 19 toward the light receiver 9. The airtightness between the first through hole 17 and the light source 5 and the airtightness between the second through hole 19 and the light receiver 9 are provided by using a sealing member such as an O-ring.

【0025】次に、光源5は、本実施の形態では半導体
レーザ(LD)を採用したレーザ光源として構成されて
いる。この光源5は、図示しないが、例えば半導体レー
ザ、電子冷却素子、参照用ガスセル、参照用受光器が密
閉容器内に収容されたユニット構造をなす。電子冷却素
子は、その上に配置される半導体レーザを正確に温度制
御する。また、参照用ガスセルおよび参照用受光器は、
半導体レーザからの後方光を利用して半導体レーザの発
振波長を被検出ガスの吸収スペクトルの中心波長に合わ
せる。
Next, the light source 5 is configured as a laser light source employing a semiconductor laser (LD) in the present embodiment. Although not shown, the light source 5 has a unit structure in which, for example, a semiconductor laser, an electronic cooling element, a reference gas cell, and a reference light receiver are housed in a closed container. The electronic cooling element precisely controls the temperature of the semiconductor laser disposed thereon. The reference gas cell and the reference light receiver are
Using the backward light from the semiconductor laser, the oscillation wavelength of the semiconductor laser is adjusted to the center wavelength of the absorption spectrum of the gas to be detected.

【0026】上記構成の光源5は、半導体レーザより前
方光が出射される素子端面側が、ガス容器3の第一の貫
通孔17からガス容器3の内部を望むようにして配され
ている。これにより、光源5は、コリメートレンズや光
アイソレータ等の部品を要さず発散光を出射する。
The light source 5 having the above configuration is arranged such that the element end face side from which the forward light is emitted from the semiconductor laser views the inside of the gas container 3 from the first through hole 17 of the gas container 3. Thus, the light source 5 emits divergent light without requiring components such as a collimator lens and an optical isolator.

【0027】次に、受光器9は、例えばフォトダイオー
ドで構成され、ガス容器3の第二の貫通孔19からガス
容器3の内部を望むようにして設けられる。なお、第二
の貫通孔19は、第一の貫通孔17を介してガス容器3
の内部に出射された光源5からの発散光を直接受けない
範囲に配されている。これにより、受光器9は、光源5
からの発散光を直接受けることなく配置される。
Next, the light receiver 9 is formed of, for example, a photodiode, and is provided so as to view the inside of the gas container 3 from the second through hole 19 of the gas container 3. In addition, the second through hole 19 is connected to the gas container 3 through the first through hole 17.
Are disposed so as not to directly receive the divergent light from the light source 5 emitted into the inside. As a result, the light receiver 9 is
It is arranged without directly receiving the divergent light from.

【0028】受光器9では、光源5から発散光が出射さ
れると、被検出ガスが収容されたガス容器3の内部にて
光拡散面11で拡散された拡散光を受光する。そして、
被検出ガスにて吸収された拡散光の受光量に応じた電気
信号を出力する。なお、本実施の形態のガス検出装置1
では、受光器9から出力された電気信号を所定周波数毎
(例えば10kHz毎)にサンプリングする。
When the divergent light is emitted from the light source 5, the light receiver 9 receives the diffused light diffused by the light diffusing surface 11 inside the gas container 3 containing the gas to be detected. And
An electric signal corresponding to the amount of the diffused light received by the gas to be detected is output. Note that the gas detection device 1 of the present embodiment
Then, the electric signal output from the light receiver 9 is sampled at every predetermined frequency (for example, every 10 kHz).

【0029】図1に示すように、上述したガス容器3の
内部には、光拡散手段としての光拡散板21が配設され
ている。光拡散板21には、光透過型と光反射型とがあ
る。光透過型は、ポリテトラフロロエチレン板やメアク
リル樹脂板をサンドペーパー等で研磨加工したもの、あ
るいは光学ガラスを研磨材ですりガラス状に加工したも
の、もしくは「光拡散板」や「ディフェーザ」として市
販されている光学部品が採用される。光反射型は、金属
や、ガラス等の反射性とされた表面をフロスト状に仕上
げたものや、これらの表面にアルミや金を蒸着したも
の、もしくは反射率の大きな粉末(ポリテトラフロロエ
チレン,硫酸バリウム,硫黄等)を塗布したものが採用
される。
As shown in FIG. 1, a light diffusing plate 21 as a light diffusing means is disposed inside the gas container 3 described above. The light diffusion plate 21 includes a light transmission type and a light reflection type. The light transmission type is commercially available as a polytetrafluoroethylene plate or a acrylic resin plate polished with sandpaper or the like, or an optical glass polished with an abrasive, and processed into a glass form, or as a "light diffusion plate" or "dephaser" Optical components are employed. The light-reflective type has a reflective surface such as metal or glass finished in a frosted state, an aluminum or gold deposited on these surfaces, or a powder having a large reflectivity (polytetrafluoroethylene, Those coated with barium sulfate, sulfur, etc. are employed.

【0030】光拡散板21は、図1に示すように平板状
に形成され、光源5から出射される発散光の光路中であ
って、発散光を直接受ける範囲に配置される。発散光を
直接受ける範囲は、発散光である光源5からのビーム光
の光強度のピークを1としたときに、少なくとも光強度
のレベルが1/e2 の発散光を直接受ける範囲であれば
よい。
The light diffusing plate 21 is formed in a flat plate shape as shown in FIG. 1, and is arranged in an optical path of the divergent light emitted from the light source 5 and in a range where the divergent light is directly received. The range in which the divergent light is directly received is at least the level of the light intensity of 1 / e 2 when the peak of the light intensity of the light beam from the light source 5 which is the divergent light is set to 1. Good.

【0031】光拡散板21は、移動手段により移動可能
とされている。移動手段としては、図1に示すように回
転機構をなすモータ23が考えられる。光拡散板21
は、モータ23の駆動により回転移動する。モータ23
による光拡散板21の回転周波数は、上記サンプリング
周波数(10kHz)に対して異なる周波数であって、
且つ、整数倍でない、例えば0.9kHzあるいは1.
1kHz等、サンプリング周波数に同期しないように設
定される。
The light diffusing plate 21 can be moved by moving means. As the moving means, a motor 23 forming a rotating mechanism as shown in FIG. 1 can be considered. Light diffusion plate 21
Rotates by the drive of the motor 23. Motor 23
Is different from the above-mentioned sampling frequency (10 kHz),
And it is not an integral multiple, for example, 0.9 kHz or 1.
It is set so as not to be synchronized with the sampling frequency such as 1 kHz.

【0032】また、図1で示す光拡散板21は、平板状
の面が、光源5から出射される発散光(レーザ光)の光
軸Sに直交するように配されている。また、モータ23
は、その出力軸23aが前記光軸S上となるように配さ
れている。すなわち、光拡散板21は、発散光を受ける
平板面が光源5からの発散光の光軸Sと直交して、該光
軸Sを中心として回転移動する。
The light diffusing plate 21 shown in FIG. 1 is arranged such that the flat surface is orthogonal to the optical axis S of the divergent light (laser light) emitted from the light source 5. Also, the motor 23
Are arranged such that their output shaft 23a is on the optical axis S. That is, the light diffusing plate 21 has a flat surface that receives the divergent light orthogonal to the optical axis S of the divergent light from the light source 5 and rotates around the optical axis S.

【0033】上記構成では、ガス導入孔13からガス容
器3の内部に被検出ガスが収容された状態で光源5が駆
動されると、第一の貫通孔17を介して光源5からの発
散光がガス容器3の内部に照射される。この発散光は、
ガス容器3の内壁面にある光拡散面11によって様々に
拡散される。さらに、拡散面によって拡散されたレーザ
光は、ガス容器3の内部で複数回反射する。そして、複
数回の反射により様々な経路を経たレーザ光は、第二の
貫通孔19を介して受光器9により受光される。
In the above configuration, when the light source 5 is driven in a state in which the gas to be detected is accommodated in the gas container 3 from the gas introduction hole 13, the divergent light from the light source 5 passes through the first through hole 17. Is irradiated inside the gas container 3. This divergent light
The light is diffused variously by the light diffusion surface 11 on the inner wall surface of the gas container 3. Further, the laser light diffused by the diffusion surface is reflected a plurality of times inside the gas container 3. Then, the laser light that has passed through various paths due to multiple reflections is received by the light receiver 9 through the second through hole 19.

【0034】ガス容器3の内部にて光源5から受光器9
に至るレーザ光は、被検出ガスに吸収される。これによ
り、受光器9では、受光量が変化して出力する電気信号
にレベル変動が生じる。即ち、電気信号のレベル変動に
よりガスの有無が検出され、且つ、レベルの高差により
ガスの濃度が検出されることとなる。
The light source 5 receives the light from the light receiver 9 inside the gas container 3.
Is absorbed by the gas to be detected. As a result, in the photodetector 9, the level of the electric signal output varies due to the change in the amount of received light. That is, the presence / absence of gas is detected based on the level fluctuation of the electric signal, and the concentration of the gas is detected based on a high level difference.

【0035】ここで、ガス容器3の内部にて、光源5か
ら出射される発散光の一部は、光拡散面11に到達する
以前に、光拡散板21に達して拡散される。また、光拡
散板21の回転移動により、所定の周期で光拡散板21
にて拡散されるレーザ光の拡散条件が変化する。そし
て、光拡散板21にて拡散されたレーザ光は、上記の如
くガス容器3の内壁面にある光拡散面11によって複数
回反射して様々に拡散されて受光器9に達する。
Here, inside the gas container 3, a part of the divergent light emitted from the light source 5 reaches the light diffusion plate 21 and diffuses before reaching the light diffusion surface 11. The rotation of the light diffusion plate 21 causes the light diffusion plate 21 to rotate at a predetermined cycle.
Changes the diffusion condition of the laser light diffused by. The laser light diffused by the light diffusion plate 21 is reflected a plurality of times by the light diffusion surface 11 on the inner wall surface of the gas container 3 as described above, is variously diffused, and reaches the light receiver 9.

【0036】したがって、上記構成のガス検出装置1で
は、光源5から発せられる熱による温度変化、外気に晒
されたガスの温度変化、装置に組み込んだ回路の熱によ
る温度変化等による容器の変形で生じるスペックルパタ
ーンの変化が無視できる程に、移動可能な光拡散板21
によって上記スペックルパターンが積極的に、且つラン
ダムに変化し移動して明暗の差が小さくなるので、スペ
ックルパターンによる干渉ノイズが低減され、受光器9
が出力する電気信号のドリフトを低減することができ、
測定誤差をなくして正確なガス検出を行うことが可能で
ある。
Therefore, in the gas detection device 1 having the above-described structure, the container is deformed due to a temperature change due to heat emitted from the light source 5, a temperature change of gas exposed to the outside air, a temperature change due to heat of a circuit incorporated in the device, and the like. The movable light diffusing plate 21 can be changed so that the resulting change in the speckle pattern can be ignored.
As a result, the speckle pattern positively and randomly changes and moves to reduce the difference in brightness, so that interference noise due to the speckle pattern is reduced, and
Can reduce the drift of the electrical signal output by
Accurate gas detection can be performed without measurement errors.

【0037】ところで、上述した実施の形態では、光拡
散板21が平板面を光源5からの発散光の光軸Sと直交
し、モータ23が光軸Sを中心として光拡散板21を回
転移動させるように構成されているがこの限りではな
く、以下に説明する構成であっても上記効果を得ること
が可能である。
In the above-described embodiment, the light diffusing plate 21 has its flat surface orthogonal to the optical axis S of the diverging light from the light source 5 and the motor 23 rotates the light diffusing plate 21 about the optical axis S. However, the present invention is not limited thereto, and the above-described effects can be obtained even with the configuration described below.

【0038】具体的に、図2では、第二実施の形態とし
て、光拡散板21の平板面を光源5からの発散光の光軸
Sと直交して配し、モータ23の出力軸23aを光軸S
から外れた位置として光拡散板21を回転移動させるよ
うにしている。
Specifically, in FIG. 2, as a second embodiment, the flat surface of the light diffusing plate 21 is arranged orthogonal to the optical axis S of the divergent light from the light source 5, and the output shaft 23a of the motor 23 is Optical axis S
The light diffusing plate 21 is rotated and moved as a position out of the range.

【0039】図3では、第三実施の形態として、光拡散
板21の平板面を光源5からの発散光の光軸S(あるい
はモータ23の出力軸23a)と直交しないように傾
け、この光拡散板21を偏心して回転移動させるように
している。この図3の構成の場合、光拡散板21の回転
中心(モータ23の出力軸23a)は、光軸S上あるい
は光軸Sから外れた位置の何れであってもよい。
In FIG. 3, as a third embodiment, the flat surface of the light diffusing plate 21 is inclined so as not to be orthogonal to the optical axis S of the divergent light from the light source 5 (or the output shaft 23a of the motor 23). The diffusion plate 21 is eccentrically rotated. In the case of the configuration of FIG. 3, the rotation center of the light diffusion plate 21 (the output shaft 23a of the motor 23) may be either on the optical axis S or at a position off the optical axis S.

【0040】また、図4は、第四実施の形態として、光
源5の発散光を直接受ける光拡散板21の他に、別の光
拡散板21を回転移動するようにした構成である。この
場合、発散光を直接受ける光拡散板21および別の光拡
散板21や、モータ23による回転中心の位置の形態
は、図1乃至図3に示す形態の何れであってもよい。こ
のように、別の光拡散板21があれば、更に光拡散の条
件が変化して上記スペックルパターンによる干渉ノイズ
が低減されて、より正確なガス検出を行うことが可能と
なる。
FIG. 4 shows a fourth embodiment in which, in addition to the light diffusing plate 21 which directly receives the divergent light of the light source 5, another light diffusing plate 21 is rotated. In this case, the light diffusion plate 21 and another light diffusion plate 21 which directly receive the divergent light, and the form of the position of the rotation center by the motor 23 may be any of the forms shown in FIGS. As described above, if there is another light diffusion plate 21, the condition of light diffusion is further changed, interference noise due to the speckle pattern is reduced, and more accurate gas detection can be performed.

【0041】さらに、図1乃至図4で示す形態では、移
動手段としてモータ23を記して説明しているが、その
他、移動手段として振動により光拡散板21を移動させ
る振動機構をなしていてもよい。この場合、振動機構と
しては、例えば携帯電話機等の振動呼び出し装置として
使用されるバイブレータ、ボイスコイルモータ、ピエゾ
効果を利用したPZT素子等のリニアアクチュエータ、
超音波発生装置等を採用することが考えられる。また、
振動周波数は、上記サンプリング周波数(10kHz)
に対して異なる周波数であって、且つ、整数倍でない、
例えば0.9kHzあるいは1.1kHz等、サンプリ
ング周波数に同期しないように設定される。また、振動
の方向は、光軸Sに沿った方向、あるいは光軸Sに交差
する方向、もしくはその複合方向がある。
Further, in the embodiments shown in FIGS. 1 to 4, the motor 23 is described as the moving means, but a vibration mechanism for moving the light diffusion plate 21 by vibration may be used as the moving means. Good. In this case, as the vibration mechanism, for example, a vibrator used as a vibration calling device such as a mobile phone, a voice coil motor, a linear actuator such as a PZT element using a piezo effect,
It is conceivable to employ an ultrasonic generator or the like. Also,
The vibration frequency is the above sampling frequency (10 kHz)
Are different frequencies and are not integral multiples of
For example, it is set so as not to be synchronized with the sampling frequency, such as 0.9 kHz or 1.1 kHz. The direction of vibration includes a direction along the optical axis S, a direction crossing the optical axis S, or a composite direction thereof.

【0042】なお、図1乃至図4の構成に関し、光拡散
板21の形状は、平板状に限らず光源5の発散光に向け
て凹面をなしていたり、あるいは凸面をなしていたり、
もしくは凹面及び曲面が複合された凹凸面をなしていて
もよい。
1 to 4, the shape of the light diffusing plate 21 is not limited to a flat plate, but may be concave or convex toward the divergent light of the light source 5.
Alternatively, a concave and convex surface may be formed by combining a concave surface and a curved surface.

【0043】また、上述した各実施の形態でのガス検出
装置1では、ガスセルをなすガス容器3の内部形状を球
とした場合を図示して説明したが、ガス容器3は内壁面
の少なくとも一部に光拡散面11が設けられていれば球
に限定されるものではなく、例えば楕円体、長円体、円
錐体等の形状であってもよい。
Also, in the gas detection device 1 according to each of the above-described embodiments, the case where the inner shape of the gas container 3 forming the gas cell is a sphere is described, but the gas container 3 has at least one of the inner wall surfaces. The shape is not limited to a sphere as long as the light diffusion surface 11 is provided on the portion, and may be, for example, an ellipsoid, an ellipsoid, a cone, or the like.

【0044】また、上述した各実施の形態でのガス検出
装置1では、光源5からの出射してガス容器3の内部で
拡散されたレーザ光を受光する受光器9を単一として図
示して説明したが、受光器9は、光源5からの発散光を
直接受けない部位にて、複数設けられていてもよい。
In the gas detector 1 according to each of the above-described embodiments, a single light receiver 9 for receiving laser light emitted from the light source 5 and diffused inside the gas container 3 is illustrated as a single unit. As described above, a plurality of light receivers 9 may be provided at portions not directly receiving divergent light from the light source 5.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上説明したように本発明によるガス検
出装置は、光源から出射される光を光拡散手段により拡
散させ、且つ、移動手段により光拡散の条件を変化させ
るので、受光器の受光面上でのスペックルパターンの明
暗の差が小さくなり、受光量に応じた電気信号を安定し
て検出でき、スペックルパターンが変化したときの電気
信号のドリフトを低減して正確なガス検出を行うことが
できる。
As described above, in the gas detector according to the present invention, the light emitted from the light source is diffused by the light diffusing means and the condition of light diffusion is changed by the moving means. The difference between the light and dark of the speckle pattern on the surface is reduced, the electric signal according to the received light amount can be detected stably, and the drift of the electric signal when the speckle pattern changes reduces the gas detection accurately. It can be carried out.

【0046】光拡散手段には、反射型や透過型を用い、
また、移動手段には、回転機構や振動機構を用いる等各
種構成で上記と同様の効果を得ることができる。
As the light diffusing means, a reflection type or a transmission type is used.
In addition, the same effect as described above can be obtained by various configurations such as using a rotating mechanism or a vibration mechanism as the moving means.

【0047】光拡散手段および移動手段は、光源からの
光を直接受ける部位とは別に複数設けられていてもよ
く、これによれば、更に光拡散の条件が変化してスペッ
クルパターンによる干渉ノイズが低減されて、より正確
なガス検出を行うことができる。
A plurality of light diffusing means and moving means may be provided separately from the part which directly receives light from the light source. According to this, the condition of light diffusion is further changed and interference noise due to speckle pattern is generated. Is reduced, and more accurate gas detection can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のガス検出装置の第一実施の形態を示す
構成図。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a gas detection device of the present invention.

【図2】本発明のガス検出装置の第二実施の形態を示す
構成図。
FIG. 2 is a configuration diagram showing a second embodiment of the gas detection device of the present invention.

【図3】本発明のガス検出装置の第三実施の形態を示す
構成図。
FIG. 3 is a configuration diagram showing a third embodiment of the gas detection device of the present invention.

【図4】本発明のガス検出装置の第四実施の形態を示す
構成図。
FIG. 4 is a configuration diagram showing a fourth embodiment of the gas detection device of the present invention.

【図5】従来のガス検出装置の光学系の一例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing an example of an optical system of a conventional gas detection device.

【図6】ガス吸収曲線を示す図。FIG. 6 is a view showing a gas absorption curve.

【図7】従来のガス検出装置の構成を示す図。FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a conventional gas detection device.

【図8】従来のガス検出装置の他の構成を示す図。FIG. 8 is a diagram showing another configuration of a conventional gas detection device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…ガス検出装置、3…ガス容器、5…光源、9…受光
器、11…光拡散面、21…光拡散手段(光拡散板)、
23…移動手段(モータ)。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas detector, 3 ... Gas container, 5 ... Light source, 9 ... Light receiver, 11 ... Light diffusion surface, 21 ... Light diffusion means (light diffusion plate),
23. Moving means (motor).

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塚本 威 東京都港区南麻布五丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内 Fターム(参考) 2G057 AA01 AB02 AB04 AB06 AC03 BA05 BB08 DA10 2G059 AA01 BB01 DD12 DD13 EE01 EE12 GG01 GG02 HH01 JJ26 KK04 LL04 NN01 NN02 NN06 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Takeshi Tsukamoto F-term (reference) 2G057 AA01 AB02 AB04 AB06 AC03 BA05 BB08 DA10 2G059 AA01 BB01 DD12 DD13 EE01 within Anritsu Corporation 5-10-27 Minamiazabu, Minato-ku, Tokyo EE12 GG01 GG02 HH01 JJ26 KK04 LL04 NN01 NN02 NN06

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 被検出ガスを収容するためのガス容器
(3)と、該ガス容器に光を入射する光源(5)と、前
記光を拡散するように前記ガス容器の内壁面の少なくと
も一部に形成された光拡散面(11)と、前記光源から
の光の入射に伴う前記ガス容器からの光を受光する受光
器(9)とを備え、該受光器が受光する受光量に基づい
て前記被検出ガスの有無や濃度を検出するガス検出装置
において、 前記ガス容器の内部に設けられて、前記光源からの光を
直接受けて拡散させる光拡散手段(21)と、 該光拡散手段を所定の周期で移動させる移動手段(2
3)と、 を備えたことを特徴とするガス検出装置。
1. A gas container (3) for containing a gas to be detected, a light source (5) for entering light into the gas container, and at least one of inner wall surfaces of the gas container so as to diffuse the light. A light diffusing surface (11) formed in a portion, and a light receiver (9) for receiving light from the gas container accompanying the incidence of light from the light source, based on the amount of light received by the light receiver. A gas detecting device for detecting presence or absence and concentration of the gas to be detected, provided inside the gas container, for directly receiving and diffusing light from the light source; Moving means (2) for moving
3) A gas detection device comprising:
【請求項2】 前記移動手段(23)が、前記光拡散手
段(21)を回転させる回転機構をなしていることを特
徴とする請求項1に記載のガス検出装置。
2. The gas detection device according to claim 1, wherein the moving means (23) forms a rotating mechanism for rotating the light diffusing means (21).
【請求項3】 前記移動手段(23)が、前記光拡散手
段(21)を振動させる振動機構をなしていることを特
徴とする請求項1に記載のガス検出装置。
3. The gas detecting device according to claim 1, wherein the moving means (23) forms a vibration mechanism for vibrating the light diffusing means (21).
【請求項4】 前記光拡散手段(21)が、前記光源
(5)からの光を反射させることを特徴とする請求項1
〜請求項3の何れかに記載のガス検出装置。
4. The light diffusion means (21) for reflecting light from the light source (5).
The gas detection device according to claim 3.
【請求項5】 前記光拡散手段(21)が、前記光源
(5)からの光を透過させることを特徴とする請求項1
〜請求項3の何れかに記載のガス検出装置。
5. The light diffusion means (21) for transmitting light from the light source (5).
The gas detection device according to claim 3.
【請求項6】 前記光拡散手段(21)および前記移動
手段(23)が、前記光源(5)からの光を直接受ける
部位とは別に複数設けられていることを特徴とする請求
項1〜請求項5の何れかに記載のガス検出装置。
6. The light diffusing means (21) and the moving means (23) are provided in a plurality in addition to a part which directly receives light from the light source (5). The gas detection device according to claim 5.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106198452A (en) * 2016-08-09 2016-12-07 上海禾赛光电科技有限公司 Gas analyzing apparatus based on spectral technique and method

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