[发明专利]激光式气体分析仪

说明书

技术领域

本发明涉及利用激光测定例如烟道内的气体、排气等各种气体的浓度的激光式气体分析仪。 

背景技术

已知在气体分子中，各自存在固有的光吸收光谱。例如，图16为NH₃(氨)气的吸收光谱的例。 

激光式气体分析仪，是利用激光的特定波长的吸收量与测定对象气体的浓度成比例的情况的分析仪，作为气体浓度的测定方法，大致分为2波长差方式和频率调制方式。其中，本发明涉及使用频率调制方式的激光式气体分析仪。 

首先，对使用频率调制方式的现有技术的激光式气体分析仪的测定原理进行说明。 

图17是表示频率调制方式的原理图，例如是专利文献1中所记载的内容。在频率调制方式的激光式气体分析仪中，用中心频率f_c、调制频率f_m对半导体激光器的出射光进行频率调制，并照射到测定对象的气体。在此，所谓频率调制是使供向半导体激光器的驱动电流的波形成为正弦波状。 

如图18A、图18B所示，半导体激光器的发光波长因驱动电流或温度而发生变化，因此通过进行频率调制，发光波长伴随驱动电流的调制而被调制。 

如图17所示，由于气体的吸收线相对于频率大致成为二次函数，所以该吸收线起到辨别器的作用，在受光部获得调制频率f_m的2倍的频率的信号(2倍波信号)。在此，由于调制频率f_m可以为任意的频率，因此，例如如果将调制频率f_m选择为几kHz左右，则能够使用数字信号处理装置(DSP)或者通用的处理器，进行2倍波信号的抽取等高度的信号处理。 

另外，如果利用受光部进行包络检波，则能够推定基于振幅调制 的基波。通过使该基波的振幅与上述二倍波信号的振幅的比相位同步而进行检测，能够与距离无关地获得与测定对象气体浓度成比例的信号。 

在该频率调制方式中，在半导体激光器的种类中，使用分布归还型半导体激光器(DFB激光器)，仅射出单一波长的激光，测定气体浓度的情况较多。 

在此情况下，由于DFB激光器发光的光谱线宽度比测定对象气体的吸收线宽度小，因此必须使DFB激光器的发光波长与测定对象气体的吸收波长相一致。 

作为其方法，使用如下方法，即，利用预先封入有与测定对象气体相同的气体成分的参照气体单元，通过温度控制DFB激光器的发光波长。 

作为使用如上所述的检测原理的现有技术，例如有专利文献2所记载的气体浓度测定装置。 

图19表示在专利文献2中记载的气体浓度测定装置的整体的结构。 

该气体浓度测定装置1主要包括：光源单元2、测定光聚光部3、测定光放大部4、接收信号检测部5、校正信号生成部6、由基波信号放大器7A和二倍波信号放大器7B构成的参照信号放大部7、由信号微分检测器8A和信号同步检测器8B构成的参照信号检测部8、波长稳定化控制电路9、温度稳定化PID电路10、电流稳定化电路11、测定/校正切换部12、和运算部13。 

光源单元2产生与上述的测定对象气体特有的吸收线一致的波长的激光，如图20A所示，在由金属封装构成的箱形状的壳体主体26的内部，收纳有半导体激光模块21、参照气体单元22和光检测器(受光部)23。 

如图20B所示，在半导体激光模块21的壳体21a内，设置有从两面射出频率调制后的激光的半导体激光器(激光二极管)24。如图20A所示，具备连接器25a的光缆25从壳体21a延伸，从半导体激光器24射出的一方的光，通过光缆25从图19的测定光聚光部3射出到外部(测定对象气体的气氛)。 

如图20A所示，在壳体主体26的底面，配置有安装有冷却用散热片27的珀耳帖(Peltier)元件等温度控制元件(未图示)。通过利用该温度控制元件将动作温度控制为一定温度，控制振荡波长。 

如图20B所示，在半导体激光器24的前后两侧的光轴上，配置有用于将出射光聚光的不具有平坦面的非球面透镜29a、29b。通过将这些非球面透镜29a、29b用作聚光用透镜，能够防止光反射回半导体激光器24。 

如图20B所示，在半导体激光器24的前后两侧的光轴上在非球面透镜29a、29b的外侧，配置有光隔离器30a、30b。 

这些光隔离器30a、30b通过对配置在仅通过90°的极化面的光的偏振镜和仅通过45°的极化面的光的检偏镜之间的结晶施加磁力，使在结晶中透过的光的极化面旋转而阻止偏振镜的反射光的通过，防止反射光返回半导体激光器24。