多成分用激光式气体分析计技术领域
本发明涉及对空间内的各种测定对象气体的有无、浓度进行分析的多
成分用激光式气体分析计。
背景技术
激光式气体分析计例如在石油化工厂的加热处理、火力发电等中用于
对高温燃烧气体的燃烧状态的监控。燃烧状态的参数通常是排气成分中的
O2(氧气)气体浓度和CO(一氧化碳)气体浓度。参照附图对这点进行说明
。图5是表示燃烧器内的空气过剩率与气体浓度之间的关系的特性图。此外
，作为后述的专利文献1的图2而公开了该图5。通过该特性图可知以下的情
况。
(a)随着空气过剩率的增大、即氧气的增多，燃烧所未使用的氧气增
加，O2气体浓度也会提高。进而剩余的氧气对氮气进行氧化，从而NOx气体
浓度也会提高。这样，能通过监视O2气体浓度来判定空气过剩。
(b)相反地，随着空气过剩率减小、即氧气减少，成为不完全燃烧，
CO气体浓度提高。进而，燃烧所未使用的燃料(烃类)增加，燃料的气体
浓度也会提高。这样，能通过监视CO浓度来判定空气不足。
因此，通过对排气中的O2气体浓度和CO气体浓度进行监视，来实现一
边维持完全燃烧状态一边使过剩空气变得最小的最合适的燃烧控制。另外
，实现能量损耗较小的高效的燃烧。除此以外，还会减轻作为环境污染物
质的Nox气体的排出。
接着，对排气中的多成分气体分析的现有技术进行说明。例如，已知
专利文献1、2所记载的发明、非专利文献1所公开的技术。对各文献的内容
进行概括，并参照附图来对这些现有技术进行说明。
作为现有技术1，已知有专利文献1所记载的发明。图6是包含使用了现
有技术的激光的燃烧气体分析装置的燃烧系统的整体结构图。燃烧系统100
在围栏/壁101内具有燃烧器102、103。将空气及燃料提供给这些燃烧器102
、103。来自燃烧器120、103的火焰104、105对管道106内的碳化氢进行加
热。
燃烧气体分析装置具有包含可调谐二极管激光器(以下表述为TDL)107
、109及检测器108、110的两组TDL分析系统。这两组TDL分析系统对一氧化
碳(CO)、气相的水(H2O)以及气相的碳化氢(例如包含甲烷(CH4))进
行测定。另外，燃烧气体分析装置包含氧化锆传感器111、112。氧化锆传
感器111、112对氧气(O2)进行测定。
利用光学性测定即TDL分光来进行该气体分析。在TDL分光中，在与CO
、H2O及碳化氢(CH4等)有关的各个吸收峰值的波长下对激光进行吸收。所
吸收的光的量用通过其它方式进行检测、测定的气体浓度、压力、温度及
光学性路径长度的函数来表示。按照以下(1)～(4)的顺序来进行该气
体分析。
(1)单体的可调谐二极管激光器照射出波长被调节至2.0～2.5μm的
范围内的光。该光通过燃烧气体而射入至光检测器。光检测器生成燃烧气
体的吸收分布。
(2)将燃烧气体的吸收分布进行数字化。
(3)数字计算机对数字化后的吸收分布进行保存。
(4)数字计算机对数字化后的吸收分布进行处理，从而对燃烧气体中
的CO、H2O及碳化氢(CH4等)的浓度进行测定。
这里，由于能同时对CO、H2O及碳化氢(CH4等)进行测定，因此，从以
下多个候选项中选择波长。
当燃烧气体的温度约为1100℃时，能从2302.1；2303.9；2319.1；2323.6
；2325.2；2326.8；2331.9；2333.7；2335.5；2342.8；2346.8；2348.2
；2356.1；2363.1；及2373.1这些特定的波长(纳米)中进行选择。
另外，当燃烧气体的温度约为300℃时，能从2307.8；2320.6；2323.6
；2331.9；2339.3；2353.9；2360.8；2368.0；2373.1；2389.3；及2401.0
这些特定的波长(纳米)中进行选择。
最佳的波长选择依赖于用途，通过适度的实验来决定。在该测定时，
采用多变量模型，该多变量模型利用在多个波长下的测定结果。该燃烧气
体分析装置利用多个波长来进行激光气体分析，利用多变量模型来计算出
燃烧气体中的一氧化碳、气相的水及气相的碳化氢的气体浓度。此外，氧
化锆传感器对氧气的气体浓度进行测定。即，对燃烧气体中的CO气体浓度
和O2气体浓度进行测定。专利文献1所记载的发明如上所述。
另外，作为现有技术2，已知有专利文献2所记载的发明。引用以下文
献的内容并进行概括，以对本发明进行说明。图7是使用了现有技术的激光
的气体浓度测量装置的整体结构图。该气体浓度测量装置使用两个激光二
极管来对两种气体浓度进行测量。
激光的光源由第一激光二极管(LD1)201和第二激光二极管(LD2)202
构成。第一激光二极管201与LD1电流驱动电路203、204相连接，并对温度和
电流进行控制。第二激光二极管202与LD2电流驱动电路205、206相连接，并
对温度和电流进行控制。
LD1电流驱动电路203上经由加法器207而分别施加有第一直流电流208
、谐波209、调谐信号210、211、分时单元212的脉冲信号212a以及波长锁
定信号213。另外，LD2电流驱动电路205上经由加法器214而分别施加有第二
直流电流215、谐波209、调谐信号210、211、分时单元212的脉冲信号212a
以及波长锁定信号213。
第一激光二极管201与第二激光二极管202交替起振。第一激光二极管
201利用所施加的电流(第一直流电流208、脉冲信号212a相加后的电流)
，在第一气体成分的吸收波长λ1下起振。另外，第二激光二极管202利用所
施加的电流(第二直流电流215与脉冲信号212a相加后的电流)，在第二气
体成分的吸收波长λ2下起振。
如此，利用合波器216对来自第一激光二极管201的起振激光和来自第
二激光二极管202的起振激光交替地进行合流，并使其通过光纤的激光光路
而射入至分波器217。从分波器217照射出的激光光束经由一个透镜(准直
器)218而通过气体流通区域，并输出至另一个透镜(聚焦透镜)219。
通过气体流通区域后的激光被配置于另一个透镜219附近的受光单元
220的光电二极管(PD)所接受。基于被受光单元220所接受的气体吸收信
号，利用后级的解调处理单元221、标准信号处理单元222、AD转换器223及
计算机224，来计算出两种气体浓度。
图8中示出了来自第一激光二极管201的波长λ1的起振及来自第二激
光二极管202的波长λ2的起振的概要。成为波长λ1起振的期间与波长λ2起
振的期间交替出现的激光。能根据波长λ1起振的时间内的气体的吸收信号
来测量出第一气体的气体浓度，并根据波长λ2起振的时间内的气体的吸收
信号来测量出第二气体的气体浓度。
此外，时间分割(Δt)的定时与所取出的气体信号之间的对应，在计
算机224中自动进行计算。由此，能简单且可靠地计算出多种气体浓度。
如此，即使第一、第二激光光束通过相同的光轴，也能以分时方式交
替地向受光单元220照射各个激光，因此，容易取出与各个气体相对应的信
号。
这样的现有技术的气体浓度测量装置以锅炉、垃圾焚烧炉、燃烧机关
的燃烧室等密闭容器内所产生的气体、或从该密闭容器向外部排出的气体
作为检测对象。在现有技术中，第一、第二气体成分气体以NH3气体和H2O气
体为对象，但能通过波长的变更来对O2浓度和CO浓度来进行检测。这样的气
体浓度测量装置利用激光来对这些气体进行测定，从而能高效地对多种气
体浓度进行测量。专利文献2所记载的发明如上所述。
另外，作为现有技术3有非专利文献1所记载的发现。该发现是关于在
对CO进行气体分析时水分的影响的发现。引用非专利文献1的记载一边进行
概括一边对该发现进行说明。
在该非专利文献1中对利用假设燃烧气体中的CO气体浓度的波长可变
半导体激光分光法(以下记为TDLAS)而做出的分析进行了记载。另外，对
提高检测灵敏度的波长调谐分光法(以下记为WMS)进行了记载。
在图9的表示高温、高浓度的水分气体和CO气体的吸收频谱的特性图中
使用了被称为R(10)、R(11)的CO气体的吸收谱线。R(10)、R(11)
是位于波长2.3微米频带的吸收谱线。R(10)在波数4297.7cm-1(波长
2326.8nm)处具有吸收强度的峰值，R(11)在波数4300.7cm-1(波长2325.2nm
)处具有吸收强度的峰值。
在该图9中，还示出了包含R(10)、R(11)的波长区域中的CO气体、
水分的吸收频谱。在R(10)、R(11)的波长周边具有水分的吸收强度，
因此，在高温、高浓度的水分环境下的CO浓度测定伴随着水分干扰。即使
如此，在R(10)、R(11)的波长下水分的吸收也较小。一边利用这些R(
10)或R(11)的吸收谱线来抑制水分的影响，一边检测CO气体的吸收。主
要由水分干扰来决定CO气体浓度的测定精度。
非专利文献1所记载的发明如上所述。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特表2010-519544号公报(发明名称“燃烧气体
分析”)
专利文献2：日本专利特开2012-108156号公报(发明名称“气体浓度
测量方法及装置”)
非专利文献
非专利文献1：MeasurementScienceandTechnology(测量科学与技
术),20(2009)115201(9pp)(论文题目“AbsorptionsensorforCOin
combustiongasesusing2.3μmtunablediodelasers(使用2.3μm可调
谐二极管激光器的燃烧气体中CO的吸收传感器)”)
发明内容
发明所要解决的技术问题
在专利文献1所记载的现有技术中，为了利用多变量模型来进行气体浓
度分析，对包含多个吸收谱线的波长的幅度较大的波长进行扫描。因此，
需要用于进行扫描而获取吸收光数据的时间。另外，未采用波长调制分光
法。出于这些理由，难以高速且高灵敏度地对低浓度的CO气体浓度进行检
测。另外，一组传送单元和检测器对CO气体进行测定，氧化锆传感器对O2
气体进行测定，因此，必须在炉中设置多个透明窗、传感器设置部位，设
计上的制约较多。
在专利文献2所记载的现有技术中，为了将两个激光二极管201、202
设为同一激光光束，采用合波器216和光纤的激光光路。一般，在将来自多
个激光二极管的激光相结合并经由光纤来进行传送时，因插入损耗和传送
损耗而使光量降低。其结果是，能被受光元件所接受的光量降低。因此，
存在以下问题：用于计算气体浓度的信号强度降低，气体浓度测定的稳定
性受损。
另外，在将来自激光二极管的激光与光纤相结合时，激光二极管与光
纤之间有可能会产生光学干扰噪音。该光学干扰噪音会导致计算气体浓度
的检测信号所包含的噪音增加，在这种情况下，也存在气体浓度测定的稳
定性受损的问题。
另外，根据非专利文献1的发现，必须排除CO气体浓度检测时的H2O气
体浓度的影响。
因此，本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，提供一种
用一台装置同时、高速、高精度、高灵敏度、高稳定性地对O2气体浓度和CO
气体浓度进行测定的激光式气体分析计。
解决技术问题所采用的技术手段
因此，本发明提出了一种多成分用激光式气体分析计，该多成分用激
光式气体分析计采用波长可变激光分光法和波长调制分光法，所述波长可
变激光分光法和波长调制分光法对测定对象空间的氧气和一氧化碳气体中
的一种即第一测定对象气体和另一种即第二测定对象气体的浓度进行测定
，所述多成分用激光式气体分析计的特征在于，包括发光部和受光部，
所述发光部包括：
第一发光元件，该第一发光元件射出包含第一测定对象气体的光吸收
频谱的波长频带的激光；
第二发光元件，该第二发光元件射出包含第二测定对象气体的光吸收
频谱的波长频带的激光；
平行光转换部，该平行光转换部将从第一发光元件射出并扩散的激光
转换成第一大致平行光，并将其作为第一检测光而射出；
带发光部孔抛物柱面镜，该带发光部孔抛物柱面镜具有使第一检测光
透过的贯通孔、及用于对从第二发光元件射出并扩散的激光进行反射并将
其转换成第二大致平行光以作为第二检测光来射出的抛物柱面镜，且使第
一、第二检测光沿同一光轴传播到测定对象空间；以及
调制光生成部，该调制光生成部将根据第一、第二测定对象气体进行
波长调制后的激光的驱动电流提供给第一、第二发光元件，
所述受光部包括：
宽频带聚焦部，该宽频带聚焦部将沿同一光轴传播到测定对象空间的
第一、第二检测光一起聚焦；
宽频带受光元件，该宽频带受光元件接受由宽频带聚焦部进行聚焦后
的第一、第二检测光，并输出第一、第二检测信号；以及
受光信号处理部，该受光信号处理部基于从宽频带受光元件接收到的
第一、第二检测信号，来进行气体分析，
发光部的调制光生成部与受光部的受光信号处理部被同步，且在不同
的时间单独地对氧气和一氧化碳气体的浓度进行测定，
发光部的调制光生成部对第一发光元件或第二发光元件进行波长扫描
，以使其包含在对一氧化碳气体进行分析时一氧化碳气体的波长2326.8nm
的吸收谱线、及存在于波长2326.8nm附近且吸收强度的峰值波长不同的水
分气体的吸收谱线，
受光部的受光信号处理部基于一氧化碳气体的吸收和水分气体的吸收
的信息来对一氧化碳气体浓度和水分气体浓度进行运算，并将其作为基于
水分气体的吸收信息对由水分气体所造成的干扰进行修正后的一氧化碳气
体浓度。
另外，本发明提出了一种多成分用激光式气体分析计，该多成分用激
光式气体分析计采用波长可变激光分光法和波长调制分光法，所述波长可
变激光分光法和波长调制分光法对测定对象空间的氧气和一氧化碳气体中
的一种即第一测定对象气体和另一种即第二测定对象气体的浓度进行测定
，所述多成分用激光式气体分析计的特征在于，包括发光部和受光部，
所述发光部包括：
第一发光元件，该第一发光元件射出包含第一测定对象气体的光吸收
频谱的波长频带的激光；
第二发光元件，该第二发光元件射出包含第二测定对象气体的光吸收
频谱的波长频带的激光；
平行光转换部，该平行光转换部将从第一发光元件射出并扩散的激光
转换成第一大致平行光，并将其作为第一检测光而射出；
带发光部孔抛物柱面镜，该带发光部孔抛物柱面镜具有使第一检测光
透过的贯通孔、及用于对从第二发光元件射出并扩散的激光进行反射并将
其转换成第二大致平行光以作为第二检测光来射出的抛物柱面镜，且使第
一、第二检测光沿同一光轴传播到测定对象空间；以及
调制光生成部，该调制光生成部将根据第一、第二测定对象气体进行
了波长调制后的激光的驱动电流提供给第一、第二发光元件，
所述受光部包括：
受光部抛物柱面镜，该受光部抛物柱面镜将在同一光轴上沿测定对象
空间传播的第一、第二检测光一起进行反射；
宽频带受光元件，该宽频带受光元件接受由受光部抛物柱面镜进行聚
焦和反射后的第一、第二检测光，并输出第一、第二检测信号；以及
受光信号处理部，该受光信号处理部基于从宽频带受光元件接收到的
第一、第二检测信号，来进行气体分析，
发光部的调制光生成部与受光部的受光信号处理部被同步，且在不同
的时间单独地对氧气和一氧化碳气体的浓度进行测定，
发光部的调制光生成部对第一发光元件或第二发光元件进行波长扫描
，以使其包含对一氧化碳气体进行分析时一氧化碳气体的波长2326.8nm的
吸收谱线、及存在于波长2326.8nm附近且吸收强度的峰值波长不同的水分
气体的吸收谱线，
受光部的受光信号处理部基于一氧化碳气体的吸收和水分气体的吸收
的信息来对一氧化碳气体浓度和水分气体浓度进行运算，并将其作为基于
水分气体的吸收信息对由水分气体所造成的干扰进行修正后的一氧化碳气
体浓度。
发明效果
根据本发明，能提供一种用一台装置同时、高速、高精度、高灵敏度、
高稳定性地对O2气体浓度和CO气体浓度进行测定的激光式气体分析计。
附图说明
图1是用于实施本发明的实施方式1所涉及的多成分用激光式气体分析
计的整体结构图。
图2是表示典型的InGaAs光电二极管的、受光灵敏度的波长依赖性的图
线。
图3是表示水分气体和CO气体的检波波形的图，图3(a)是表示存在水
分气体和CO气体时的检波波形的图，图3(b)是表示仅存在水分气体时的
检波波形的图，图3(c)是表示仅存在CO气体时的检波波形的图。
图4是用于实施本发明的实施方式2所涉及的多成分用激光式气体分析
计的整体结构图。
图5是表示燃烧器内的空气过剩率与气体浓度之间的关系的特性图。
图6是包含使用了现有技术的激光的燃烧气体分析装置的燃烧系统的
整体结构图。
图7是现有技术的气体浓度测量装置的整体结构图。
图8是现有技术的气体浓度测量装置的分时发光动作的说明图。
图9是表示高温、高浓度的水分气体和CO气体的吸收谱线的特性图。
具体实施方式
接着，以下参照附图对用于实施本发明的实施方式1所涉及的多成分用
激光式气体分析计进行说明。图1是本实施方式的多成分用激光式气体分析
计的整体结构图。
本实施方式的多成分用激光式气体分析计1对在壁50a和壁50b的内部
流通的气体所包含的第一测定对象气体即氧气(以下记为O2气体)的气体浓
度、以及第二测定对象气体即一氧化碳气体(以下记为CO气体)的气体浓
度进行测定。另外，若气体浓度为0或规定值以下，则为检测出无气体的情
况，也能检测出气体的有无。
详细而言，多成分用激光式气体分析计1包括发光部10、受光部20、通
信线30。
发光部10包括调制光生成部11、第一发光元件12a、第二发光元件12b
、准直器透镜13、设有贯通孔14a的带发光部孔抛物柱面镜14、发光部窗板
15、发光部容器16、光轴调整凸缘52a。
受光部20包括受光信号处理部21、宽频带聚焦透镜22、宽频带受光元
件23、受光部窗板24、受光部容器25、光轴调整凸缘52b。
通信线30在发光部10与受光部20之间利用电信号进行通信，发光部10
与受光部20同步地进行信号处理。虽然将在后面进行描述，但在发光部10
发出对第一测定对象气体进行分析的激光时，受光部20进行分析第一测定
对象气体的处理。另外，在发光部10发出对第二测定对象气体进行分析的
激光时，受光部20进行分析第二测定对象气体的处理。此外，也可以采用
无线、光通信那样的通信部来代替通信线。能采用利用了这些通信线、无
线、光通信的通信部。
在这样的多成分用激光式气体分析计1中，发光部10射出第一检测光
40a或第二检测光40b。这些第一检测光40a或第二检测光40b都被投射至同
一光轴41。而且，仅第一检测光40a和第二检测光40b中的任意一个以分时
方式被投射至壁50a和壁50b的内部的测定对象空间。
此时，第一检测光40a的光量的一部分被O2气体所吸收，或者，第二检
测光40b的光量的一部分被CO气体所吸收。未被吸收的剩余的光即透射光被
射入受光部20，对其光量进行检测。根据所检测出的光量来求出测定对象
的气体浓度。
接着，对多成分用激光式气体分析计1的机械性构造进行说明。
如图1所示，在包含O2气体、CO气体的气体所流通的配管等的壁50a、
50b上分别开设有孔。凸缘51a、51b通过焊接等固定于这些孔。光轴调整凸
缘52a、52b以可机械性移动的方式安装于这些凸缘51a、51b。发光部10、
受光部20能利用光轴调整凸缘52a、52b来进行位置调整。
因此，光轴调整凸缘52a对第一检测光40a和第二检测光40b的射出角进
行调整。另外，光轴调整凸缘52b对第一检测光40a和第二检测光40b的入射
角进行调整。利用光轴调整凸缘52a、52b，在受光部20中以最大的光量来
接受从发光部10射出的第一检测光40a或第二检测光40b。进而，第一检测
光40a和第二检测光40b这两者位于同一光轴41，都由受光部20以最大的光
量来进行接受。
发光部容器16和受光部容器25在各自的内部内置有发光元件、光学元
件及电气电子电路，将这些元件与外部气体隔离，以保护这些元件不受风
雨、尘埃及污损等的影响。
包括发光部窗板15和受光部窗板24，其中，发光部容器16和受光部容
器25的一部分上开设有孔，且该孔被堵住。发光部窗板15和受光部窗板24
位于第一检测光40a和第二检测光40b的光路内，一边使第一检测光40a进而
第二检测光40b透过，一边阻止包含O2气体、CO气体的气体进入发光部10、
受光部20的内部。由此，发光元件、光学元件及电气电子电路不会直接与
气体相接触，内部受到保护。机械性构造如上所述。
接着，对光学系统进行说明。将O2气体所吸收的波长设为λ1。λ1从波
长759nm至波长770nm的范围内进行选择。另外，将CO气体所吸收的波长设
为λ2。λ2选择波长2336.8nm。
这里，对选择了用于检测CO气体的特定的波长λ2(2336.8nm)的吸收
谱线的理由进行描述。
CO气体在波长1.6微米频带、波长2.3微米频带、波长4.6微米频带中具
有吸收频谱，因此，能根据在这些波长下发光的激光的吸光来对CO气体浓
度进行测定。
这里，从典型上来说，考虑燃烧气体中的CO气体浓度为100ppm级，水
分浓度为10％级。在这种情况下，波长1.6微米频带中CO气体的吸收强度较
低，难以对100ppm级的CO气体浓度进行检测。另外，波长4.6微米频带中水
分的吸收强度过大，难以排除水分干扰。
因此，为了正确且稳定地测量燃烧气体中的CO气体浓度，从灵敏度和
水分干扰的观点来看波长2.3微米频带最为合适。此外，在位于波长2.3微
米频带的多个CO气体吸收谱线中，在本实施方式中特别使用在波长
2326.8nm处具有中心波长的吸收谱线。如非专利文献1的发现、以及在本申
请的附图的图9的特性图中也示出的那样，波长2326.8nm(图9的R(10))
即使在波长2.3微米频带中的CO气体的吸收谱线之中，也特别作为具有水分
干扰较小的吸收谱线的波长而为人所知。
使用激光元件从而能在与其吸收谱线相比水分干扰较低的状态下对CO
气体浓度进行测量，所述激光元件在波长单一模式下对该吸收谱线进行波
长扫描，并一边进行波长调制一边对CO气体的吸收谱线进行分析。然而，
如非专利文献1中的发现所示出的那样，由于水分的干扰并非完全没有，因
此，若不对水分进行应对，则CO气体的测定精度由水分的吸收所造成的干
扰来决定。
因此，在本实施方式中，分析CO气体的激光元件进行波长扫描，使得
能同时对存在于波长2326.8nm附近且吸收强度的峰值波长不同的一氧化碳
气体的吸收谱线与水分气体的吸收谱线进行分析。在波长2326.8nm附近，
在CO气体吸收谱线的峰值附近存在水分吸收谱线，能收敛于一个激光元件
的波长扫描范围内，因此，能同时对水分气体和CO气体浓度进行测定。
接着，对发光部10和受光部20的光学性功能/信号处理功能进行说明。
在这些发光部10和受光部20中，在由第一发光元件12a和第二发光元件12b
同时发光的情况下，无法从光学上分离信号。因此，由发光部10的第一发
光元件12a和第二发光元件12b以分时方式进行动作，通过通信线30在受光
部20中同步且交替地进行信号处理。
如图8所示，在某个期间内，发光部10的第一发光元件12a发光并照射
第一检测光40a，受光信号处理部21利用宽频带受光元件23所接受的检测信
号来对第一测定对象气体O2气体的气体浓度进行分析。另外，在其它期间内
，发光部10的第二发光元件12b发光并照射第二检测光40b，受光信号处理
部21利用宽频带受光元件23所接受的检测信号来对第二测定对象气体CO气
体的气体浓度进行分析。像这样对信号进行电气性分离。由此，能独立地
计算出O2气体即第一测定对象气体和CO气体即第二测定对象气体的气体浓
度。在时间上几乎能同时进行检测。
首先，对检测O2气体时的发光部10/受光部20进行说明。
调制光生成部11是信号处理/电流驱动电路。照射与O2气体的吸光特性
相对应的第一检测光。此外，将第一检测光设为根据O2气体来进行波长调制
的调制光。因此，调制光生成部11将用于像这样利用激光而发出的检测光
的驱动电流信号提供给第一发光元件12a。
第一发光元件12a是激光元件，例如是DFB激光二极管(Distributed
FeedbackLaserDiode：分布反馈激光二极管)、VCSEL二极管(Vertical
CavitySurfaceEmittingLaserDiode：垂直空腔表面发射激光二极管)
、或DBR激光二极管(DistributedBraggReflectorLaserDiode：分布
布喇格反射器激光二极管)。第一发光元件12a能利用电流和温度来对发光
波长进行可变控制。
第一发光元件12a是以波长λ1及其周边的波长来发光的激光元件。第
一发光元件12a以包含O2气体吸收谱线的波长来进行扫描。λ1从波长759nm
至波长770nm的范围内进行选择。
因此，进行温度控制，从而使得第一发光元件12a的发光中心波长成为
O2气体的特定的吸收谱线的中心波长。另外，对驱动电流进行控制，从而对
O2气体的特定的吸收谱线的中心波长周边的波长进行时间性扫描。此外，将
适当的正弦波调制重叠于驱动电流，从而能利用波长调制分光法高灵敏度
地进行测定。
第一发光元件12a的发光点配置于准直器透镜13的焦点附近。使来自第
一发光元件12a的射出光一边扩散一边射入准直器透镜13，并将其转换成作
为大致平行光的第一检测光40a。准直器透镜13在波长λ1及其周边的波长处
透射率较高。此外，在本实施方式中，对使用准直器透镜13来作为本发明
的平行光转换部的结构进行了说明，但其并不意在限定为准直器透镜。例
如，作为平行光转换部，也可以使用抛物面镜来代替准直器透镜。
带发光部孔抛物柱面镜14在其抛物面镜的中心附近具有贯通孔14a。贯
通孔14a使第一检测光40a透过。因此，希望其孔的大小与第一检测光40a的
光束直径程度相同。作为大致平行光的第一检测光40a透过发光部窗板15传
播至壁50a、50b的内部、即包含O2气体、CO气体的气体所流通的空间。
接着，对受光部20进行说明。受光部20接受透过受光部窗板24的第一
检测光40a，对因测定对象气体的吸光特性而被吸收的光进行分析。第一检
测光40a射入宽频带聚焦透镜22。宽频带聚焦透镜22在波长λ1及其周边的波
长处透射率较高。
由宽频带聚焦透镜22所聚焦的第一检测光40a射入至在宽频带聚焦透
镜22的焦点附近配置有受光面的宽频带受光元件23。这样的宽频带聚焦透
镜22、宽频带受光元件23的位置关系与发光部10中的说明相同，适当地配
置于光轴41，在宽频带受光元件23中获得最大化后的受光光量。
宽频带受光元件23在波长λ1(波长759nm至波长770nm的范围)及其周
边的波长处是具有灵敏度的受光元件。来自宽频带受光元件23的受光信号
包含O2气体的吸收信号，作为电信号而被发送至受光信号处理部21。受光信
号处理部21中设有对进行了波长调制后的激光的调制频率的高频进行锁定
检波的电路，能进行高灵敏度的气体检测。在受光信号处理部21中，对所
述电信号进行处理，从而计算出O2气体的气体浓度值。
接着，对检测CO气体时的发光部10/受光部20进行说明。
调制光生成部11照射与CO气体的吸光特性相对应的第二检测光。此外
，将第二检测光设为根据CO气体来进行波长调制的调制光。因此，调制光
生成部11将用于像这样利用激光来发出的检测光的驱动电流信号提供给第
二发光元件12b。
第二发光元件12b是激光元件，例如是如上所述的DFB激光二极管、
VCSEL二极管、或DBR激光二极管。第二发光元件12b能利用电流和温度来对
发光波长进行可变控制。第二发光元件12b是以λ2及其周边的波长来发光的
激光元件。第二发光元件12b以包含CO气体吸收谱线及其附近的水分的吸收
谱线的波长来进行扫描。λ2为波长2336.8nm。
进行温度控制，使得第二发光元件12b的发光中心波长成为CO气体的特
定的吸收谱线的中心波长。另外，对驱动电流进行控制，从而对CO气体的
特定的吸收谱线的中心波长周边的波长进行时间性扫描。此外，将适当的
正弦波调制重叠于驱动电流，从而能利用波长调制分光法高灵敏度地进行
测定。
第二发光元件12b的发光点配置于带发光部孔抛物柱面镜14的抛物柱
面的焦点附近。使来自第二发光元件12b的射出光一边扩散一边射入带光学
部孔的抛物柱面镜14，并将其转换成作为大致平行光的第二检测光40b。带
发光部孔抛物柱面镜14在波长λ2及其周边的波长处反射率较高。此外，在
本实施方式中，使用角度90度的离轴抛物柱面镜，但离轴角度也可以不设
为90度。
从第二发光元件12b发出的光中，射入贯通孔14a的部分的光量未被转
换成第二检测光40b，因此受到损耗。为了将该损耗抑制得较小，贯通孔14a
的开口直径越小越好。另一方面，带发光部孔抛物柱面镜14的贯通孔14a与
上述第一检测光40a的光束直径程度相同，设为能允许的最小的开口直径。
另外，第一检测光40a的光束直径必须比第二检测光40b的光束直径要
小。为了实现上述目的，希望将准直器透镜13的聚焦距离设得比带发光部
孔抛物柱面镜14的聚焦距离要足够小。
另外，将贯通孔14a设置成与第二检测光40b的光轴平行。由此，透过
贯通孔14a的第一检测光40a与利用带发光部孔抛物柱面镜14而成为大致平
行光的第二检测光40b虽然光束直径不同，但也能重合于同一光轴41上。
另外，未图示的光轴微调整机构能在将大致平行光维持不变的情况下
，对第一检测光40a和第二检测光40b的射出角度进行微调整。由此，第一
检测光40a和第二检测光40b的光轴41一致。
层叠有光轴41的作为大致平行光的第二检测光40b透过发光部窗板15
传播至壁50a、50b的内部、即包含O2气体、CO气体的气体所流通的空间。
接着，对受光部20进行说明。受光部20接受透过受光部窗板24后的第
二检测光40b，对因测定对象气体的吸光特性而吸收的光进行分析。
第二检测光40b射入至宽频带聚焦透镜22。宽频带聚焦透镜22在波长λ
2及其周边的波长处透射率较高。此外，宽频带聚焦透镜22也使第一检测光
40a透过，因此，在波长λ1及其周边的波长、以及波长λ2及其周边的波长
处，由透射率较高的材料来构成。
由宽频带聚焦透镜22所聚焦的第二检测光40b射入至在宽频带聚焦透
镜22的焦点附近配置有受光面的宽频带受光元件23。这样的宽频带聚焦透
镜22、宽频带受光元件23的位置关系与发光部10中的说明相同，适当地配
置于光轴41，在宽频带受光元件23中获得最大化后的受光光量。
宽频带受光元件23在波长λ2(波长2336.8nm)及其周边的波长处具有
灵敏度。此外，宽频带受光元件23还对第一检测光40a进行受光，因此，选
择在波长λ1(波长759nm至波长770nm的范围)及其周边的波长、以及波长
λ2(波长2336.8nm)及其周边的波长处都具有灵敏度的受光元件。
上述λ1、λ2都包含于近红外区域(700nm～2500nm)。因此，宽频带
受光元件23可以设为与近红外区域的波长相对应的受光元件，例如如图2所
示，能采用在500nm～2500nm处具有灵敏度的InGaAs(铟镓砷化物)光电二
极管。
此外，在波长900nm以下，虽然受光灵敏度小至0.2A/W以下，但即使是
这样的信号也能检测出，通过对检测信号进行适当放大，能进行分析。
InGaAs光电二极管能对在500nm～2500nm处具有吸收的多个检测对象气体
进行检测，并用一个受光元件来提取信号。
来自宽频带受光元件23的受光信号包含CO气体的吸收信号，作为电信
号而被发送至受光信号处理部21。受光信号处理部21中设有对进行波长调
制后的激光的调制频率的高频进行锁定检波的电路，能进行高灵敏度的气
体检测。在受光信号处理部21中，对所述电信号进行处理，从而计算出CO
气体的气体浓度值。
此外，在本实施方式中，为了利用宽频带聚焦透镜22的折射效应来聚
焦于宽频带受光元件23，会产生因波长λ1与λ2之间的差异而导致的色像差
的影响。因此，由于减轻了因色像差而产生的受光光量的下降，因此，能
利用单透镜、二重透镜、折射透镜等来代替宽频带聚焦透镜22，从而减轻
色像差的影响。另外，能增大宽频带受光元件23的受光面积，即使波长λ1
与λ2的聚焦位置发生偏差，也能进行受光。
接着，对水分的校正进行说明。激光式气体分析计的受光信号处理部
21基于通过对所述激光元件进行波长扫描而获得的CO气体的吸收和水分气
体的吸收的信息，来对CO气体浓度和水分气体浓度进行运算，进而在CO气
体浓度的运算中基于水分气体的吸收信息来对水分气体所导致的干扰进行
校正。
图3是在波长2326.8nm周边利用一边进行波长扫描一边进行波长调制
的激光元件来对水分气体和CO气体的吸收进行观测的示例。在该说明中，
假设为对波长调制的频率的2倍的频率进行锁定检波的情况，因此，图3中
所示的吸收波形呈与未进行波长调制时的吸收波形的二阶微分相近似的形
状。
图3(a)是对水分气体和CO气体的吸收进行观测而得到的波形。图3
(b)是仅对水分气体的吸收进行观测而得到的波形。图3(c)是仅对CO气
体的吸收进行观测而得到的波形。水分气体及CO气体的浓度根据这些吸收
波形的波谷与波峰之间的振幅来进行运算。例如，根据如图3(a)所示的
VPx’与Vbx’的电压的差分来对水分气体的浓度进行运算。同时，例如根据Vpx
与Vbx的电压的差分来对CO气体的浓度进行运算。
作为该波长区域中气体的吸收频谱的特征，CO气体的吸收谱线彼此之
间的间隔较宽，且不与和特定的吸收谱线相邻的吸收谱线相重合。另一方
面，水分气体在如燃烧气体那样的高温高浓度状态下，具有到处都存在吸
收那样的复杂的频谱。
反映这样的特征，可看到波长2326.8nm周边的水分气体与CO气体的吸
收谱线的波峰发生分离，但实际上水分气体到处都存在吸收，因此，即使
在CO气体的吸收波长处也存在水分气体的吸收。
因此，在图3(c)中，CO气体的吸收的波峰周边不存在吸收，因此电
压平坦，另一方面，在图3(b)中，水分气体的吸收的波峰周边也存在吸
收，因此电压未必平坦，对CO气体具有吸收的波长也会造成影响。其结果
是，如图3(a)所示，在水分气体与CO气体的吸收共存的情况下，一氧化
碳气体的吸收波形会因水分气体而发生变形。这导致作为CO气体浓度的测
定中的水分气体干扰而使测定的精度发生恶化。
然而，可知该水分干扰的影响与水分气体浓度成正比。因此，在本实
施方式中，在每次对CO气体浓度进行计算时都进行如下校正：即，同时也
对水分气体浓度进行测定，对将适当的比例系数乘以该水分气体浓度而得
到的校正值进行计算，将所测得的CO气体浓度减去该校正值来减轻水分干
扰的影响，从而设为所获得的CO气体浓度。由此，能进一步提高CO气体浓
度测定的精度。
以上对多成分用激光式气体分析计1进行了说明。此外，在该多成分用
激光式气体分析计中能采用各种变形方式。例如，在上述实施方式中，将
第一发光元件12a设为在波长λ1及其周边的波长处发光的激光元件，将第二
发光元件12b设为在波长λ2及其周边的波长处发光的激光元件。然而，第一
发光元件12a也可以照射检测CO气体的激光，另外，第二发光元件12b也可
以照射检测O2气体的激光。
在这种情况下，将第一发光元件12a设为在波长λ2及其周边的波长处
发光的激光元件，将第二发光元件12b设为在波长λ1及其周边的波长处发光
的激光元件。准直器透镜13由在波长λ2处透射率较高的材料来构成。带发
光部孔抛物柱面镜14由在波长λ1处反射率较高的材料来构成。由此，用宽
频带受光元件23来对CO气体浓度、O2气体浓度进行检测。若在发光部10一侧
和受光部20一侧同步地进行信号处理，则能与之前的说明同样地进行测定
。也能采用这样的实施方式。
接着，参照图4对实施方式2的多成分用激光式气体分析计2进行说明。
在本实施方式中，采用对之前的实施方式1中受光部20的结构的一部分进行
变更后的受光部20’。此外，关于发光部10、通信线30、检测处理，与之前
的说明相同，因此省略重复说明，仅对不同之处重点进行说明。
受光部20’包括受光信号处理部21、宽频带受光元件23、受光部窗板24
、受光部容器25、受光部抛物柱面镜26、光轴调整凸缘52b。
在本实施方式中，使用无孔的受光部抛物柱面镜26来作为聚焦部，使
用宽频带受光元件23来作为受光元件，以取代实施方式1的宽频带聚焦透镜
22。受光部抛物柱面镜26由在波长λ1及其周边的波长、以及波长λ2及其周
边的波长处反射率都较高的材料来构成。
在本实施方式中，第一检测光40a和第二检测光40b都射入至受光部抛
物柱面镜26，所反射出的第一检测光40a和第二检测光40b进行聚焦并射入
至宽频带受光元件23。由于在反射方式下进行聚焦，因此，具有不会因波
长λ1与λ2不同而导致出现色像差的影响的优点。
这样的受光部20’与之前的实施方式1相同，在某个期间内，发光部10
的第一发光元件12a发光来照射第一检测光40a，受光信号处理部21利用宽
频带受光元件23所接受到的检测信号来对第一测定对象气体的气体浓度进
行分析。另外，在其它期间内，发光部10的第二发光元件12b发光来照射第
二检测光40b，受光信号处理部21利用宽频带受光元件23所接受到的检测信
号来对第二测定对象气体的气体浓度进行分析。此时，通过通信线30并在
受光部20中同步地互相进行信号处理。像这样对信号进行电气性分离。由
此，能独立地计算第一、第二检测对象气体即O2气体、CO气体的气体浓度。
另外，作为变形方式，第一发光元件也可以照射检测CO气体的激光，
另外，第二发光元件也可以照射检测O2气体的激光。在这种情况下，将第一
发光元件12a设为在波长λ2及其周边的波长处发光的激光元件，将第二发光
元件12b设为在波长λ1及其周边的波长处发光的激光元件。准直器透镜13
由在波长λ2处透射率较高的材料来构成。带发光部孔抛物柱面镜14由在波
长λ1处反射率较高的材料来构成。若在发光部10一侧和受光部20一侧同步
地进行处理，则能与之前的说明同样地进行测定。即使采用这样的结构，
也能实施本发明。
以上对本发明进行了说明。根据本发明，采用不使用光纤光学系统的
简易的空间光学系统，将来自两个激光二极管的发光结合至同一光轴上，
并将激光的光量高效地传送至受光元件，提高测定对象气体的信号强度，
减少噪音，从而能提供一种多成分用激光式气体分析计，该多成分用激光
式气体分析计能减少插入损耗、传送损耗及光学干扰噪音，同时(在时间
上连续地对第一、第二测定对象气体进行瞬间检测，可以说几乎是同时的
)且稳定地对多个气体浓度进行测定。
另外，本发明对作为激光的第一、第二检测光的损耗进行抑制，另外
，减少噪音，从而能提供一种多成分用激光式气体分析计，该多成分用激
光式气体分析计能提高检测对象气体的信号强度，同时且稳定地对多个气
体浓度进行测定。
因此，根据本发明，能提供一种用一台装置同时、高速、高精度、高
灵敏度、高稳定性地对O2气体浓度和CO气体浓度进行测定的激光式气体分析
计。
工业上的实用性
本发明的多成分用激光式气体分析计适合用作为锅炉、垃圾焚烧等燃
烧排气测定、燃烧控制。除此以外，作为钢铁用气体分析[高炉、转炉、热
处理炉、烧结(颗粒设备)、焦炉]、蔬菜水果储藏及成熟、生化学(微生
物)[发酵]、大气污染[焚烧炉、排出烟脱硫/脱硝]、汽车、船舶等的内燃
机的排气(除尘)防灾[爆炸性气体检测、有毒气体检测、新建筑材料燃烧
气体分析]、植物培育用、化学用分析[石油精炼工厂、石油化工厂、煤气
生产厂]、环境用[地面浓度、隧道内浓度、停车场、楼宇管理]、理化学各
种实验用等的分析计也是有用的。
标号说明
1、2：多成分用激光式气体分析计
10：发光部
11：调制光生成部
12a：第一发光元件
12b：第二发光元件
13：准直器透镜
14：带发光部孔抛物柱面镜
14a：贯通孔
15：发光部窗板
16：发光部容器
20、20’：受光部
21：受光信号处理部
22：宽频带聚焦透镜
23：宽频带受光元件
24：受光部窗板
25：受光部容器
26：受光部抛物柱面镜
30：通信线
40a：第一检测光
40b：第二检测光
41：光轴
50a、50b：壁
51a、51b：凸缘
52a、52b：光轴调整凸缘