CN102650647A - 速度测量装置以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的速度测量装置以及速度测量方法能够扩大速度的测量范围。速度测量装置包括：半导体激光器，其向测量对象的卷筒材料发射激光；光电二极管，其将激光器的光输出变换为电信号；激光驱动器，其使激光器动作，以使得振荡波长增加的第1振荡期间和振荡波长减少的第2振荡期间交替存在；电流-电压变换放大部，其将光电二极管的输出电流变换为电压；滤波部，其从电流-电压变换放大部的输出电压中去除载波；信号提取部，其计算滤波部的输出中所含有的干涉波形的数量；和运算部，其基于信号提取部的计数结果算出卷筒材料的速度。激光驱动器使激光器动作，使得在第1振荡期间和第2振荡期间，相对于时间的振荡波长变化速度的绝对值不相同。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用电磁波的干涉测量物体的速度的速度测量装置以及方法。
背景技术
以往已经提出了利用半导体激光器的自混合效应的波长调制型的速度测量装置(参照专利文献1)。图17示出了该速度测量装置的构成。图17的速度测量装置具有：向物体210发射激光的半导体激光器201；将半导体激光器201的光输出变换成电信号的光电二极管202；透镜203，所述透镜203将来自半导体激光器201的光聚光并向物体210照射、且将从物体210返回的光聚光使其入射到半导体激光器201；激光驱动器204，所述激光驱动器204使半导体激光器201的振荡波长连续增加的第1振荡期间和振荡波长连续减少的第2振荡期间交替反复；将光电二极管202的输出电流变换成电压且进行放大的电流-电压变换放大部205；从电流-电压变换放大部205的输出电压提取信号的信号提取电路206；计数装置207，所述计数装置207对信号提取电路206的输出电压中所包含的、作为由自混合效应引起的干涉条纹的模跳脉冲(以下称为MHP)的数量进行计数；计算出物体210的速度的运算装置208；显示运算装置208的计算结果的显示装置209。
激光驱动器204将相对于时间以一定的变化率反复增减的三角波驱动电流作为注入电流供给到半导体激光器201。由此，半导体激光器201以如下的状态被驱动，即振荡波长以一定的变化率连续增加的第1振荡期间和振荡波长以一定的变化率连续减少的第2振荡期间交替反复。图18是表示半导体激光器201的振荡波长的时间变化的图。图18中，P1为第1振荡期间，P2为第2振荡期间，λa为各期间的振荡波长的最小值，λb为各期间的振荡波长的最大值，Tcar为三角波的周期。
从半导体激光器201出射的激光通过透镜203被聚光，入射到物体210上。被物体210反射的光通过透镜203被聚光入射到半导体激光器201中。光电二极管202将半导体激光器201的光输出变换成电流。电流-电压变换放大部205将光电二极管202的输出电流变换成电压并进行放大，信号提取电路206从电流-电压变换放大部205的输出电压中去除半导体激光201的振荡波形(载波)。计数装置207针对第1振荡期间P1和第2振荡期间P2对信号提取电路206的输出电压中包含的MHP的数量分别进行计数。运算装置208，基于半导体激光器201的最小振荡波长λa、最大振荡波长λb、第1振荡期间P1的MHP的数量、以及第2振荡期间P2的MHP的数量，算出物体210的速度等的物理量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2006-313080号公报
发明内容
利用三角波状的载波的现有速度测量装置，与一般的利用锯齿波状的载波的干涉仪相比较，虽然能够将干涉信号分离成距离和速度并计算，但存在速度的测量范围较窄这样的问题。以下，对该问题点进行说明。
如下式所示那样，计数装置所测定的MHP的数量为与到物体的距离L成比例的项N0和与物体的速度V成比例的项A·V(A为系数)的线性总和。
N＝|N0±A·V|……(1)
在此，将向半导体激光器靠近的方向的速度V设定为正。在半导体激光器的振荡波长增加的第1振荡期间，N＝|N0+A·V|，在振荡波长减少的第2振荡期间，N＝|N0-A·V|。另外，用MHP的频率fsig表现式(1)的关系时，如下式如示。
fsig＝|f0±a·V|……(2)
f0为与到物体的距离L成比例的项，a为系数。在图19中示出了MHP的频率fsig和物体的速度V之间的关系。在图19中，fu示出半导体激光器的振荡波长增加的第1振荡期间的频率fig的变化，fd示出振荡波长减少的第2振荡期间的频率fig的变化。fmax为用信号提取电路206能够提取的MHP的最高频率，fmin为用信号提取电路206能够提取的MHP的最低频率。fmax和fmin之间的差为电路带宽。
如上所述，在利用三角波状的载波的速度测量装置中，在第1振荡期间和第2振荡期间与物体的速度V相关的系数的符号不同。因此，如图20所示，与使半导体激光器以锯齿波进行振荡的情况相比，能够用于MHP的计数的电路带宽变为一半，结果是能够使用于速度测量的电路带宽变为一半。另外，以上的问题不仅限于自混合型的速度测量装置，只要是使用三角波状的载波的速度测量装置同样都会产生这样的问题。
另一方面，如图20所示，在使用据齿波状的载波的速度测量装置中，与使用三角波状的载波的速度测量装置相比，速度的测量范围可以成大约两倍。但是，在用计数装置所计数的MHP中，无法分离基于到对象物的距离的MHP和基于对象物的速度的MHP。其结果是存在用运算装置算出的速度中产生误差这样的问题点。
本发明是为了解决上述课题而研发的，其目的在于提供一种既能维持使用三角波状的载波的速度测量装置的优点，又能扩大速度的测量范围的速度测量装置以及方法。
解决课题的手段
本发明的速度测量装置，包括：发射器，其向测量对象发射电磁波或者弹性波；振荡波长调制单元，其使所述发射器动作，以使得振荡波长连续地单调增加的第1振荡期间与振荡波长连续地单调减少的第2振荡期间交替存在；检测单元，其检测包含干涉波形的电信号，所述干涉波形是由从所述发射器发射的电磁波或者弹性波和从所述测量对象返回的反射波产生的；信号提取单元，其分别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间对包含在该检测单元的输出信号中的所述干涉波形的数量进行计算；和运算单元，其基于所述干涉波形的数量算出所述测量对象的速度，所述振荡波长调制单元使所述发射器动作，使得在所述第1振荡期间和所述第2振荡期间，相对于时间的振荡波长变化速度的绝对值不相同，设信号提取单元所能够提取的干涉波形的最高频率为fmax、能够测量的干涉波形的最低频率为fmin、所述第1振荡期间的时长为T1、所述第2振荡期间P2的时长为T2时，在所述测量对象向靠近所述发射器的方向移动的情况下，为(fmin/fmax)≥(T2/T1)，在所述测量对象向远离所述发射器的方向移动的情况下，为(fmin/fmax)≥(T1/T2)。
又，本发明的速度测量装置的1个构成例，还包括：频率测量单元，其分别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间对所述干涉波形的平均频率进行测量；和载波调整单元，其调整所述发射器的振荡波长调制的载波，以使得所述第1振荡期间的干涉波形的平均频率和所述第2振荡期间的干涉波形的平均频率的平均值，与信号提取单元所能够提取的干涉波形的最高频率和能够测量的干涉波形的最低频率的平均值相等。
又，本发明的速度测量装置的1个构成例，还包括：载波调整单元，其调整所述发射器的振荡波长调制的载波，以使得所述测量对象的速度为0时的第1振荡期间的干涉波形的频率在不低于所述信号提取单元所能够提取的干涉波形的最低频率的范围内接近所述最低频率，且使得所述测量对象的速度为0时的第2振荡期间的干涉波形的频率在不高于所述信号提取单元所能够提取的干涉波形的最高频率的范围内接近最高频率。
又，在本发明的速度测量装置的1个构成例中，所述发射器为半导体激光器，所述检测单元检测包含干涉波形的电信号，所述干涉波形是由作为从所述半导体激光器发射的电磁波的激光和作为从所述测量对象返回的反射波的折返光的自混合效应而产生的。
又，本发明的速度测量方法，包括：发射步骤，其使发射器动作，以使得振荡波长连续地单调增加的第1振荡期间与振荡波长连续地单调减少的第2振荡期间交替存在；检测步骤，其检测包含干涉波形的电信号，所述干涉波形是由从所述发射器发射的电磁波或者弹性波和从所述测量对象返回的反射波产生的；信号提取步骤，其分别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间对包含在通过该检测步骤所得到的输出信号中的所述干涉波形的数量进行计算；和运算步骤，其基于所述干涉波形的数量算出所述测量对象的速度，所述发射步骤使所述发射器动作，使得在所述第1振荡期间和所述第2振荡期间，相对于时间的振荡波长变化速度的绝对值不相同，设能够测量的干涉波形的最高频率为fmax、能够测量的干涉波形的最低频率为fmin、所述第1振荡期间的时长为T1、所述第2振荡期间P2的时长为T2时，在所述测量对象向靠近所述发射器的方向移动的情况下，为(fmin/fmax)≥(T2/T1)，在所述测量对象向远离所述发射器的方向移动的情况下，为(fmin/fmax)≥(T1/T2)。
发明效果
根据本发明，使发射器动作以使得在第1振荡期间和第2振荡期间相对于时间的振荡波长变化速度的绝对值不相同，由此能够分别在第1振荡期间和第2振荡期间使用速度测量装置的几乎全部电路带宽来进行干涉波形的计数，因此能够比以住更有效地使用电路带宽，从而能够扩大速度的测量范围。
附图说明
图1是示出本发明的第1实施形态所涉及的速度测量装置的构成的框图。
图2是示出适用本发明的第1实施形态所涉及的速度测量装置的卷筒输送装置的构成的框图。
图3是示出本发明的第1实施形态的半导体激光器的振荡波长的时间变化的一个例子的图。
图4是示意性地示出本发明的第1实施形态的电流-电压变换放大部的输出电压波形以及滤波部的输出电压波形的波形图。
图5是示出本发明的第1实施形态所涉及的速度测量装置的滤波部的构成的一个例子的图。
图6是用于对模跳脉冲进行说明的图。
图7是示出半导体激光器的振荡波长和光电二极管的输出波形之间的关系的图。
图8是示出本发明的第1实施形态所涉及的速度测量装置的运算部的构成的一个例子的框图。
图9是示出本发明的第1实施形态所涉及的速度测量装置的运算部的动作的流程图。
图10是示出本发明的第1实施形态的半导体激光器的振荡波长的时间变化以及通过信号提取部导出的模跳脉冲的数量的时间变化的图。
图11是示出本发明的第1实施形态的信号频率和物体的速度之间的关系的图。
图12是示出本发明的第1实施形态的通过信号提取部导出的模跳脉冲的数量和物体的速度之间的关系的图。
图13是示出本发明的第2实施形态所涉及的速度测量装置的构成的框图。
图14是示出本发明的第2实施形态所涉及的速度测量装置的调整部的构成的一个例子的框图。
图15是示出本发明的第3实施形态所涉及的速度测量装置的调整部的构成的一个例子的框图。
图16是示出本发明的第4实施形态所涉及的速度测量装置的构成的框图。
图17是示出现有的速度测量装置的构成的框图。
图18是示出图17的速度测量装置的半导体激光器的振荡波长的时间变化的一个例子的图。
图19是示出信号频率和物体的速度之间的关系的图。
图20是示出以锯齿波使半导体激光器振荡的情况的振荡波长的时间变化的图。符号说明
1…半导体激光器、2…光电二极管、3…透镜、4…激光驱动器、5…电流-电压变换放大部、6…滤波部、7…信号提取部、8…运算部、9…显示部、10…传感器模块、11…卷筒材料、12…调整部、13…电压检测部、80…存储部、81…距离比例个数算出部、82…速度算出部、120…频率测量部、121，121a…载波调整部
具体实施方式
[第1实施形态]
下面，参照附图对本发明的实施形态进行说明。图1是示出本发明的第1实施形态所涉及的速度测量装置的构成的框图。图1的速度测量装置包括：半导体激光器1，所述半导体激光器1是纸、薄膜、玻璃纸、金属箔、橡胶等的卷成卷筒状的物体(以下称为卷筒材料)11发射激光的发射器；光电二极管2，其将半导体激光器1的光输出变换为电信号；透镜3，其将来自半导体激光器1的光聚光并发射，且将从卷筒材料11返回的光聚光并使其入射到半导体激光器1中；激光驱动器4，其作为驱动半导体激光器1的振荡波长调制单元；电流-电压变换放大部5，其将光电二极管2的输出电流变换为电压并放大；滤波部6，其从电流-电压变换放大部5的输出电压中去除载波；信号提取部7，其计算滤波部6的输出电压中所含有的作为自混合信号的MHP的数量；运算部8，其基于信号提取部7所导出的MHP的数量算出卷筒材料11的速度；以及，显示部9，其显示运算部8的测量结果。
半导体激光器1、光电二极管2和透镜3构成传感器模块10。又，光电二极管2和电流-电压变换放大部5构成检测单元。
图2是示出适用了本实施形态的速度测量装置的卷筒材料输送装置的构成的框图。卷筒材料输送装置具有：送出侧引导轴100、接收侧引导轴101、安装于送出侧引导轴100上的送出侧辊102、安装于接收侧引导轴101上的接收侧辊103、驱动送出侧引导轴100使送出侧辊102转动的送出侧电动机驱动部(未图示)、驱动接收侧引导轴101使接收侧辊103转动的接收侧电动机驱动部(未图示)、以及控制送出侧电动机驱动部和接收侧电动机驱动部的控制部104。
送出侧电动机驱动部使送出侧辊102转动时，卷在送出侧辊102上的卷筒材料11被不断送出。在接收侧，接收侧电动机驱动部使接收侧辊103转动，由此接收侧辊103卷绕卷筒材料11。
控制部104控制送出侧电动机驱动部和接收侧电动机驱动部，使得卷筒材料11的速度为所希望的值。
由半导体激光器1、光电二极管2和透镜3构成的传感器模块10如图2所示配置在送出侧引导轴100和接收侧引导轴101之间的卷筒材料11的上方，对卷筒材料11斜向照射激光。斜向照射激光是用于测量卷筒材料11的速度。
图1的激光驱动器4、电流-电压转换放大部5、滤波部6、信号提取部7、运算部8和显示部9设置在控制部104的内部。
接下来，对本实施形态的速度测量装置的动作进行详细说明。下面，为了易于说明，假设半导体激光器1使用的是不具有模跳现象的类型(VCSEL型、DFB激光型)。
激光驱动器4，在半导体激光器的振荡波长增大的第1振荡期间和振荡波长减少的第2振荡期间内，将相对于时间的振荡波长变化速度的绝对值不同的三角波驱动电流作为注入电流供给半导体激光器1。由此，半导体激光器1在第1振荡期间和第2振荡期间交替反复地被驱动。图3是表示半导体激光器1的振荡波长的时间变化的图。图3中，P1为第1振荡期间，P2为第2振荡期间，λa为各期间的振荡波长的最小值，λb为各期间的振荡波长的最大值。在本实施形态中，振荡波长的最大值λb以及振荡波长的最小值λa各自一直保持不变，它们的差λb-λa也一直保持不变。
如图2所示，卷筒材料11在沿着水平方向靠近半导体激光器1的方向上移动时，设信号提取部7所能够提取的MHP的最高频率为fmax，能够测量的MHP的最低频率为fmin，第1振荡期间P1的时长为T1，第2振荡期间P2的时长为T2，这时下式成立。
(fmin/fmax)≥(T2/T1) …(3)
设第1振荡期间P1的振荡波长的斜率为S1，第2振荡期间P2的振荡波长的斜率为S2，以振荡波长的斜率表示式(3)时得出下式。
(fmin/fmax)≤(S1/S2) …(4)
又，与图2的情况相反，卷筒材料11在沿着水平方向远离半导体激光器1的方向上移动时，下式成立。
(fmin/fmax)≥(T1/T2) …(5)
以振荡波长的斜率表示式(5)时得出下式。
(fmin/fmax)≤(S2/S1) …(6)
如此，激光驱动器4将以式(3)～式(6)中的某一个定义的三角波驱动电流作为注入电流供给到半导体激光器1。
从半导体激光器1出射的激光通过透镜3被聚光，入射到卷筒材料11上。被卷筒材料11反射的光通过透镜3被聚光，入射到半导体激光器1中。但是，通过透镜3的聚光不是必需的。光电二极管2被配置于半导体激光器1的内部或者其附近，将半导体激光器1的光输出变换成电流。电流-电压变换放大部5将光电二极管2的输出电流变换成电压并放大。
滤波部6具有从调制波中提取叠加信号的功能。图4的(A)是示意电流-电压变换放大部5的输出电压波形的图，图4的(B)是示意性示出滤波部6的输出电压波形的图。这些图表示了，从相当于光电二极管2的输出的图4的(A)的波形(调制波)中，去除图3的半导体激光器1的振荡波形(载波)，从而提取图4的(B)的MHP波形(干涉波形)的过程。
在此，对滤波部6的构成进行说明。如图5所示，滤波部6包括去除载波用的高通滤波器60和去除噪声用的低通滤波器61。信号提取部7所能够提取的MHP的最高频率fmax由低通滤波器61的截止频率决定，信号提取部7所能够提取的MHP的最低频率fmin由高通滤波器60的截止频率决定。
接着，信号提取部7针对第1振荡期间P1和第2振荡期间P2分别求出滤波部6的输出电压中包含的MHP的数量。可利用由逻辑门构成的计数器作为信号提取部7。又，利用FFT(Fast Fourier Transform)等的频率解析方法求出MHP的频率(即，单位时间的MHP的数量)，也可以算出信号提取时间中的MHP的数量。
在此，对作为自混合信号的MHP进行说明。如图6所示，设从反射镜层13到卷筒材料11的距离为L、激光器的振荡波长为λ的话，在满足以下的谐振条件时，来自卷筒材料11的折返光和半导体激光器1的光谐振器内的激光强值叠加，激光器输出稍微增大。
L＝qλ/2…(7)
在式(7)中，q为整数。该现象即使在来自卷筒材料11的散射光极其微弱的情况下，由于半导体激光器1的谐振器内的表观反射率增加，产生放大作用，能够被充分观测。又，在图6中，14是作为反射镜的介电体多层膜。
图7是示出使半导体激光器1的振荡波长以某一定的比例变化时的振荡波长和光电二极管2的输出波形之间的关系的图。满足式(7)所示的L＝qλ/2时，折返光和光谐振器内的激光的相位差为0°(同相位)，折返光和光谐振器内的激光为最强值叠加，在L＝qλ/2+λ/4时，相位差为180°(反相位)，折返光和光谐振器内的激光为最弱值叠加。因此，使半导体激光器1的振荡波长变化的话，激光器输出变强的情况和变弱的情况交替反复出现，用光电二极管2检测此时的激光器输出的话，会得到如图7所示的一定周期的阶梯状的波形。这样的波形一般被称为干涉条纹。该阶梯状的波形，即，干涉条纹的1个个条纹都是MHP。如上所述，在某一定时间，使半导体激光器1的振荡波长变化时，MHP的数量与测量距离成比例地变化。进一步，卷筒材料11具有速度的情况下，根据多普勒效应成分使得与速度成比例的MHP的数量增减。
接着，运算部8根据信号提取部7所计算出的MHP的数量算出卷筒材料11的速度。图8是示出运算部8的构成的一实例的框图。运算部8包括存储部80、距离比例个数算出部81以及速度算出部82，所述存储部80存储通过信号提取部7导出的MHP的数量等，所述距离比例个数算出部81求出与半导体激光器1和卷筒材料11之间的平均距离成比例的MHP的数量(以下，称为距离比例个数)NL，所述速度算出部82由距离比例个数NL算出卷筒材料11的速度。
图9是示出运算部8的动作的流程图。通过信号提取部7导出的MHP的数量被储存在运算部8的存储部80中。
图10的(A)是示出半导体激光器1的振荡波长的时间变化的图，图10的(B)是示出通过信号提取部7导出的MHP的数量的时间变化的图。在图10的(B)中，Nu是第1振荡期间P1的MHP的数量，Nd是第2振荡期间P2的MHP的数量，NL是距离比例个数。从图3可以知道，由于第1振荡期间P1和第2振荡期间P2交替到来，MHP的数量Nu和Nd也交替出现。
运算部8的距离比例个数算出部81根据储存于存储部80中的MHP的数量求出距离比例个数NL(图9步骤S100)。
从图10的(A)可以知道，由于第1振荡期间P1和第2振荡期间P2交替到来，MHP的数量Nu和Nd也交替出现。MHP的数量Nu、Nd是距离比例个数NL和与各测量期间T1或者T2期间的卷筒材料11的位移成比例的MHP的数量的和或者差。
距离比例个数算出部81如下式所示那样算出距离比例个数NL。
NL＝(T1×Nd+T2×Nu)/(T1+T2) …(8)
在式(8)中，T1是第1振荡期间P1的时长，T2是第2振荡期间P2的时长。距离比例个数算出部81算出的距离比例个数NL被储存到存储部80中。距离比例个数算出部81在每当通过信号提取部7测量MHP的数量的时刻(每个振荡期间)进行如以上那样的距离比例个数NL的算出处理。另外，距离比例个数NL的算出处理，除了在每个振荡期间之外，也可以用某一期间的Nd以及Nu的值的各自的平均值代替式(8)的Nd、Nu。
接着，运算部8的速度算出部82从距离比例个数NL算出卷筒材料11的速度V(图9步骤S101)。由于通过信号提取部7导出的MHP的数量N(即，Nu或者Nd)和距离比例个数NL的差与测量期间的位移成比例，第1振荡期间P1的时长T1或者第2振荡期间P2的时长T2内的卷筒材料11的前进方向的位移D能够用下式算出。
D＝λ/2×|N-NL|×cosθ …(9)
在式(9)中，λ是半导体激光器1的振荡平均波长，θ如图2所示是源自半导体激光器1的激光的光轴相对于卷筒材料11形成的角度。通过式(9)，第1振荡期间P1的卷筒材料11的速度V能够用下式算出。
V＝D/T1 …(10)
又，第2振荡期间P2的卷筒材料11的速度V能够用下式算出。
V＝D/T2 …(11)
速度算出部82在每当通过信号提取部7测量MHP的数量的时刻采用式(10)、式(11)进行速度V的算出处理。另外，式(10)的位移D是利用Nu作为式(9)的MHP的数量N而求出的值，式(11)的位移D是利用Nd作为式(9)的MHP的数量N而求出的值。另外，速度V和位移D两者都以靠近半导体激光器的方向为正。显示部9显示速度算出部82算出的卷筒材料11的速度V。
卷筒材料输送装置的控制部104根据速度算出部82的算出结果控制送出侧电动机驱动部和接收侧电动机驱动部，使得卷筒材料11的速度V为所希望的值。另外，由于求出卷筒材料11的张力的单元不是本发明的构成要件，因此没有记载，但是也可以通过公知的技术测量卷筒材料11的张力，控制送出侧电动机驱动部和接收侧电动机驱动部，使得卷筒材料11的张力为所希望的值的情况自不必说。
图11是示出本实施形态的MHP的频率fsig和卷筒材料11的速度V之间的关系的图，图12是示出通过信号提取部7导出的MHP的数量N和卷筒材料11的速度V之间的关系的图。在图11中，fu示出半导体激光器1的振荡波长增加的第1振荡期间的频率fig的变化，fd示出振荡波长减少的第2振荡期间的频率fig的变化。
如图19所示，在现有的速度测量装置中，能够用于第1振荡期间和第2振荡期间的各自的MHP的计数的带宽为速度测量装置的电路带宽的1/2。与此相对，在本实施形态中，使用在第1振荡期间和第2振荡期间相对于时间的振荡波长变化速度的绝对值不同的载波。由此，如图11所示，在本实施形态中，在各第1振荡期间和第2振荡期间，能够使用速度测量装置的几乎全部的电路带宽进行MHP的计数，因此，能够比以往有效地使用电路带宽，能够扩大速度的测量范围。
[第2实施形态]
接着，对本发明的第2实施形态进行说明。图13是示出本发明的第2实施形态所涉及的速度测量装置的构成的框图，用同一符号标记和图1相同的构成。本实施形态的速度测量装置具有：半导体激光器1、光电二极管2、透镜3、激光驱动器4、电流-电压变换放大部5、滤波部6、信号提取部7、运算部8、显示部9、以及调整载波的调整部12。
图14是示出调整部12的构成的一实例的框图。调整部12包括频率测量部120和载波调整部121。
频率测量部120，分别对半导体激光器1的振荡波长增加的第1振荡期间和振荡波长减少的第2振荡期间测量MHP的平均频率fav。频率测量部120，如下式那样由通过信号提取部7导出的MHP的数量N和信号提取部7所计算的MHP的数量的信号提取时间T算出MHP的平均频率fav。另外，也可以利用FFT等的频率解析单元求出MHP的平均频率fav。
fav＝N/T …(12)
载波调整部121通过激光驱动器4调整载波，使得第1振荡期间的MHP的平均频率fu和第2振荡期间的MHP的平均频率fd的平均值，与信号提取部7所能够提取的MHP的最高频率fmax和能够测量的MHP的最低频率fmin的平均值相等。即，载波调整部121调整载波使得以下的式子成立。
(fu+fd)/2＝(fmax+fmin)/2 …(13)
具体来说，载波调整部121通过使载波的频率、相对于时间的振荡波长的变化率、最大振荡波长λb和最小振荡波长λa的差Δλ中的至少1个变化来调整载波。这些调整都通过从激光驱动器4供给到半导体激光器1的三角波驱动电流的调整来实现。
以上那样的载波的调整，可以在卷筒材料11没有移动的初期设定时进行，也可以在卷筒材料11的速度测量中常时进行。速度测量装置的其他的构成与第1实施形态相同。
在第1实施形态中，为了最有效地利用速度测量装置的电路带宽，理想的是式(13)成立。本实施形态中，通过调整载波，能够有效地利用速度测量装置的电路带宽，从而能够扩大速度的测量范围。
[第3实施形态]
接着，对本发明的第3实施形态进行说明。本实施形态示出第2实施形态的调整部12的其他的构成例。图15是示出本实施形态的调整部12的构成的一实例的框图。本实施形态的调整部12由载波调整部121a构成。
设图11的频率fu的斜率为a，图11的频率fd的斜率为-a，图11的频率fu的截距为f0u，图11的频率fd的截距为f0d，图12的个数Nu的斜率为Au，图12的个数Nd的斜率为Ad，这时下式成立。
fu＝f0u+a×V …(14)
Fd＝f0d-a×V …(15)
Nu＝NL+Au×V …(16)
Nd＝NL+Ad×V …(17)
载波调整部121a通过激光驱动器4调整载波，以使得截距f0u，即卷筒材料11的速度V为0时的第1振荡期间的MHP的频率，在不低于最低频率fmin的范围内接近fmin，且使得截距f0d，即卷筒材料11的速度V为0时的第2振荡期间的MHP的频率，在不高于最高频率fmax的范围内接近fmax。由此，能够得到和第2实施形态相同的效果。
[第4实施形态]
接着，对本发明的第4实施形态进行说明。在第1～第3实施形态中，使用光电二极管2和电流-电压变换放大部5作为检测含有MHP波形的电信号的检测单元，但也能够不使用光电二极管来提取MHP波形。图16是示出本发明的第4实施形态所涉及的速度测量装置的构成的框图，用同一符号标记和图1相同的构成。本实施形态的速度测量装置，使用电压检测部13作为检测装置来代替第1～第3的实施形态的光电二极管2和电流-电压变换放大部5。
电压检测部13检测并放大半导体激光器1的端子之间的电压，即阳极-阴极之间的电压。由从半导体激光器1发射的激光和来自卷筒材料11的折返光产生干涉时，在半导体激光器1的端子之间的电压中会出现MHP波形。因此，能够从半导体激光器1的端子之间的电压提取MHP波形。
滤波部6从电压检测部13的输出电压中去除载波。速度测量装置的其他的构成与第1～第3实施形态相同。
如此，在本实施形态中，能够不使用光电二极管来提取MHP波形，与第1～第3的实施形态比较能够削减速度测量装置的部件，从而能够降低速度测量装置的成本。又，在本实施形态中，由于没有使用光电二极管，因此能够去除干扰光的影响。
在本实施形态中，优选将从激光驱动器4供给到半导体激光器1的驱动电流控制在激光器振荡的阈值电流附近。由此，从半导体激光器1的端子之间的电压提取MHP波形变得容易。
另外，在第1～第4的实施形态中，至少信号提取部7、运算部8、调整部12、和控制部104能够通过例如具有CPU、存储装置以及接口的计算机和控制这些硬件资源的程序来实现。CPU根据储存于存储装置中的程序执行在第1～第4的实施形态中说明了的处理。
又，在第1～第4的实施形态中，以作为通过输送装置从送出侧向接收侧输送中的物体的卷筒材料11作为测量对象，但本发明并不限定于此。只是，测量对象优选为如图2所示的卷筒材料11的例子那样的半导体激光器1和测量对象之间的距离L大致一定的物体。
在第1～第4的实施形态中，对在自混合型的速度测量装置中适用本发明的情况进行了说明，然而也能够在自混合型以外的速度测量装置，例如使用激光多普勒或者弹性波(声波、超声波等)等的速度测量装置中适用本发明。在自混合型以外的速度测量装置中适用第1～第4实施形态的情况下，例如，也可以通过例如分光器等分离从半导体激光器发射的激光和折返光，用光电二极管检测折返光，由此，得到折返光中依赖于速度而变化的参数，或者利用超声波发射器以及接收器同样地进行基于接收波形的处理。
产业上的利用可能性
本发明能够适用于利用电磁波的干涉测量物体的速度的技术中。
Claims (8)
1.一种速度测量装置，其特征在于，包括：
发射器，其向测量对象发射电磁波或者弹性波；
振荡波长调制单元，其使所述发射器动作，以使得振荡波长连续地单调增加的第1振荡期间与振荡波长连续地单调减少的第2振荡期间交替存在；
检测单元，其检测包含干涉波形的电信号，所述干涉波形是由从所述发射器发射的电磁波或者弹性波和从所述测量对象返回的反射波产生的；
信号提取单元，其分别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间对包含在该检测单元的输出信号中的所述干涉波形的数量进行计算；和
运算单元，其基于所述干涉波形的数量算出所述测量对象的速度，
所述振荡波长调制单元使所述发射器动作，使得在所述第1振荡期间和所述第2振荡期间，相对于时间的振荡波长变化速度的绝对值不相同，设信号提取单元所能够提取的干涉波形的最高频率为fmax、能够测量的干涉波形的最低频率为fmin、所述第1振荡期间的时长为T1、所述第2振荡期间P2的时长为T2时，在所述测量对象向靠近所述发射器的方向移动的情况下，为(fmin/fmax)≥(T2/T1)，在所述测量对象向远离所述发射器的方向移动的情况下，为(fmin/fmax)≥(T1/T2)。
2.如权利要求1所述的速度测量装置，其特征在于，还包括：
频率测量单元，其分别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间对所述干涉波形的平均频率进行测量；和
载波调整单元，其调整所述发射器的振荡波长调制的载波，以使得所述第1振荡期间的干涉波形的平均频率和所述第2振荡期间的干涉波形的平均频率的平均值，与信号提取单元所能够提取的干涉波形的最高频率和能够测量的干涉波形的最低频率的平均值相等。
3.如权利要求1所述的速度测量装置，其特征在于，还包括：
载波调整单元，其调整所述发射器的振荡波长调制的载波，以使得所述测量对象的速度为0时的第1振荡期间的干涉波形的频率在不低于所述信号提取单元所能够提取的干涉波形的最低频率的范围内接近所述最低频率，且使得所述测量对象的速度为0时的第2振荡期间的干涉波形的频率在不高于所述信号提取单元所能够提取的干涉波形的最高频率的范围内接近最高频率。
4.如权利要求1至3中的任意一项所述的速度测量装置，其特征在于，
所述发射器为半导体激光器，
所述检测单元检测包含干涉波形的电信号，所述干涉波形是由作为从所述半导体激光器发射的电磁波的激光和作为从所述测量对象返回的反射波的折返光的自混合效应而产生的。
5.一种速度测量方法，其特征在于，包括：
发射步骤，其使发射器动作，以使得振荡波长连续地单调增加的第1振荡期间与振荡波长连续地单调减少的第2振荡期间交替存在；
检测步骤，其检测包含干涉波形的电信号，所述干涉波形是由从所述发射器发射的电磁波或者弹性波和从所述测量对象返回的反射波产生的；
信号提取步骤，其分别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间对包含在通过该检测步骤所得到的输出信号中的所述干涉波形的数量进行计算；和
运算步骤，其基于所述干涉波形的数量算出所述测量对象的速度，
所述发射步骤使所述发射器动作，使得在所述第1振荡期间和所述第2振荡期间，相对于时间的振荡波长变化速度的绝对值不相同，设能够测量的干涉波形的最高频率为fmax、能够测量的干涉波形的最低频率为fmin、所述第1振荡期间的时长为T1、所述第2振荡期间P2的时长为T2时，在所述测量对象向靠近所述发射器的方向移动的情况下，为(fmin/fmax)≥(T2/T1)，在所述测量对象向远离所述发射器的方向移动的情况下，为(fmin/fmax)≥(T1/T2)。
6.如权利要求5所述的速度测量方法，其特征在于，还包括：
频率测量步骤，其分别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间对所述干涉波形的平均频率进行测量；和
载波调整步骤，其调整所述发射器的振荡波长调制的载波，以使得所述第1振荡期间的干涉波形的平均频率和所述第2振荡期间的干涉波形的平均频率的平均值，与能够测量的干涉波形的最高频率和能够测量的干涉波形的最低频率的平均值相等。
7.如权利要求5所述的速度测量方法，其特征在于，还包括：
载波调整步骤，其调整所述发射器的振荡波长调制的载波，以使得所述测量对象的速度为0时的第1振荡期间的干涉波形的频率在不低于能够测量的干涉波形的最低频率的范围内接近所述最低频率，且使得所述测量对象的速度为0时的第2振荡期间的干涉波形的频率在不高于能够测量的干涉波形的最高频率的范围内接近最高频率。
8.如权利要求5至7中的任意一项所述的速度测量方法，其特征在于，
所述发射器为半导体激光器，
所述检测步骤检测包含干涉波形的电信号，所述干涉波形是由作为从所述半导体激光器发射的电磁波的激光和作为从所述测量对象返回的反射波的折返光的自混合效应而产生的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140813 Termination date: 20180216 |
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