JP2000097760A - 振動を計測する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 単純な処理で測定対象物の振動の状態を判定
すること。 【解決手段】 レーザ共振器で発振するレーザ光を測定
対象物に照射する照射工程Ｄ１と、この照射工程Ｄ１に
よって照射されたレーザ光の戻り光を受光する受光工程
Ｄ２と、この受光工程Ｄ２で受光し共振器内で発信した
レーザ光と自己混合したレーザ光を光電変換する光電変
換工程Ｄ３と、この光電変換工程Ｄ３で変換されて出力
されるビート波の波形の状態を解析する信号処理工程と
を備えている。そして、信号処理工程は、ビート波の周
波数を分析する周波数分析工程Ｄ６と、この周波数分析
工程Ｄ６で分析された周波数のうちピークとして現れる
周波数を抽出するピーク周波数抽出工程Ｄ７と、このピ
ーク周波数抽出工程Ｄ７で抽出された周波数のうち最も
低い周波数を測定対象物の基本振動周波数と判定する判
定工程Ｄ８とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動を計測する方
法および装置に係り、特に、レーザ光のドップラ効果を
利用して測定対象物の振動の状態を計測する方法および
装置に関する。

【０００２】この振動測定装置は、自動車の製造技術な
どの実験解析分野に応用できる。具体的には、エンジン
の振動解析、車体伝搬振動解析、車室内騒音解析、さら
にマフラの振動解析などである。その他の製造分野での
応用は多岐に渡るが、非接触で極小領域の振動を精密に
測定できるため、例えばドリルなどの工具破損検出など
に好適に用いられる。さらに、モータを使ったプラント
の振動の検出や、水道管、ガス管の漏れ診断などの保守
に用いることもできる。さらに、西瓜等の大型果実の打
音による糖度の判定など、農業分野にも応用可能であ
る。ここで、「測定対象物」というときには、これらエ
ンジンから西瓜まで振動測定の対象となる物体をいう。

【０００３】

【従来の技術】従来、測定対象物の振動の状態を解析す
るには、測定対象物に加速度ピックアップを取り付け
て、測定対象物を打撃するなどして振動させ、加速度ピ
ックアップの出力を分析するようにしていた。しかし、
加速度ピックアップの場合、測定対象物と接触するた
め、測定対象物が微小である場合や、高温である場合に
は振動の測定を行うことができない。また、接触式であ
ると、測定対象物の振動に影響を及ぼしてしまう。

【０００４】非接触に振動を計測する方法として、レー
ザを使ってドップラ効果により振動を測定する装置があ
る。例えば、特開平１０−９９４３号公報にて開示した
例では、レーザ光を発振し測定対象物に照射し、反射光
と発振光を混合させることで、振動により発生し反射光
に含まれたドップラ周波数を検出し、振動周波数を測定
する。

【０００５】自己混合方式を除き全ての振動計は、発振
光と反射光との混合を、高級な光学素子を使い外部で行
うため、素子を配置するためのスペースが必要であり、
装置も高価になり質量も重くなってしまう。これに対し
て自己混合方式では、発振光と反射光との混合をレーザ
共振器（レーザダイオード）にて行なうため、光学素子
を殆ど必要とせず安価・小型・軽量にドップラ周波数を
検出でき振動周波数を測定できる。

【０００６】自己混合方式で発生したビート波から振動
情報を検出する手法として、ビート波をカウントして振
動変位に換算し振動情報を得る方法、ビート波を微分し
た振動速度情報から振動面の進行方向反転を判定し振動
変位の方向を得る方法などが提案されてきた。これら
は、振動面の進行方向が反転する間に生じた、いくつか
のビート波を計測することにより処理を行うものであ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、ビート波の抽出処理や計数処理が必要とな
り、処理が複雑となってしまう、という不都合があっ
た。さらに、ビート波をカウントする手法では、測定対
象物の変位をレーザ光の波長λの半分を単位として算出
するため、λ／２未満の長さで変位する測定対象物の振
動の状態を知ることができない、という不都合があっ
た。

【０００８】また、従来例では、振動の状態を知るため
に変位量を算出する手法であるため、多数の計数処理が
必要となり、リアルタイムでの異常振動の計測などへ応
用するための応答速度の確保が難しい、という不都合が
あった。

【０００９】

【発明の目的】本発明は、係る従来例の有する不都合を
改善し、特に、単純な処理で測定対象物の振動の状態を
判定することのできる振動計測方法および装置を提供す
ることを、その目的とする。本発明はまた、λ／２未満
の長さで変位する測定対象物の振動の状態を高速に測定
することのできる振動計測方法および装置を提供するこ
とを、その目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の発明者は、実験
により、測定対象物の変位がλ／２を下回ったときの波
形を観測した。すると、一周期に満たない鋸歯状波が現
れる。測定対象物の振動振幅が、λ／２より大きい場
合、自己混合方式では、ビート波が１波生じる毎にλ／
２変位したと考えることができる。測定対象の振動振幅
がλ／２より小さい場合、振動面の移動によって変化す
る光路長がλに満たないため、発振光と反射光の位相関
係が最初の状態から３６０゜以上ずれることがない。結
果、発振光と反射光が混合され生じたビート波が、鋸歯
状波として１周期現れることはなくなり、一部欠けた波
形となる。振動面の進行方向が変わることにより、発振
光に対し進んでいた反射光の位相が遅れるため、進行方
向が変わった時間を中心に前記波形が対称的に連なる波
形となり、あたかもアルファベットのＭ（またはＷ）の
ように見える。よって、この時の波形をＭ字状態の波形
と呼ぶ。更に振動振幅が小さくなると、レーザの光路長
変化が少なくなり、位相関係のずれも少なくなる。した
がって、ビート波に現れる鋸歯状波の部分も少なくな
る。これが鋸歯状波の傾き部分である場合、振動面の進
行方向が変わった時間を中心に対称的な波形で連なるた
め、正弦波の様なビート波となる。この状態の波形をＳ
字状態の波形という。Ｓ字状態のビート波では、周期が
まさに振動の周期を表している。また、ビート波の振幅
は、反射光量、そして鋸歯状波の現れる部分と割合に依
存する。反射光量が一定の時、鋸歯状波の部分的に現れ
る範囲が狭くなるほど、波高値は小さくなる。部分的に
現れる範囲は、振動面の移動によって変化した光路長に
よるものであり、Ｓ字状態の波形振幅は測定対称の振動
振幅に比例している。本明細書では、ビート波につい
て、ビート波の上端（上方極点）から下端（下方極点）
までのピークからピークまでの物理量と、振動の極点
（振動の折り返し点）で生ずる一方の極点から中心へ向
かい、再度一方の極点へ至る波のピークからピークまで
の物理量を振幅という。従って、通常の正弦波にて波高
というものを、ここでは振幅ということがある。

【００１１】本発明は、レーザ共振器で発振するレーザ
光を測定対象物に照射する照射工程と、この照射工程に
よって照射されたレーザ光の戻り光を受光する受光工程
と、この受光工程で受光し共振器内で発信したレーザ光
と自己混合したレーザ光を光電変換する光電変換工程
と、この光電変換工程で変換されて出力されるビート波
の波形の状態を解析する信号処理工程とを備えている。
しかも、信号処理工程は、ビート波の周波数を分析する
周波数分析工程と、この周波数分析工程で分析された周
波数のうちピークとして現れる周波数を抽出するピーク
周波数抽出工程と、このピーク周波数抽出工程で抽出さ
れた周波数のうち最も低い周波数を測定対象物の基本振
動周波数と判定する判定工程とを備えた、という構成を
採っている。これにより前述した目的を達成しようとす
るものである。

【００１２】本発明では、周波数分析工程にて、自己混
合により生じたビート波を周波数分析する。そして、ピ
ーク周波数抽出工程では、ビート波の周波数成分のうち
ピークとして現れる周波数成分を抽出する。次いで、判
定工程では、複数のピークのうち、最も低い周波数成分
を、測定対象物の基本振動周波数と判定する。測定対象
物の振動振幅がλ／２以上の場合には、測定対象物の折
返しに相当する部分のビート波の周期が長くなる。この
折返しから折返しまでの周波数が測定対象物の基本振動
周波数であり、最も低い周波数である。また、測定対象
物の振動振幅がλ／２以下で約λ／４以上の場合にも、
測定対象物の振動の周期に応じてビート波の波形が鏡像
的に現れるため、ビート波の一番長い周期が測定対象物
の基本振動周波数となる。さらに、約λ／４未満でＳ字
状態の波形での場合には、このＳ字状態の波形は測定対
象物の振動をそのまま表しているため、このＳ字状態の
波形を周波数分析するとその最も低い周波数は測定対象
物の基本振動周波数となる。このように、測定対象物の
振動振幅によらず、周波数分析により測定対象物の振動
の状態を測定する。

【００１３】望ましい実施形態では、ビート波に低周波
数成分のノイズが重畳することを考慮して、ビート波の
うち低周波数成分を除去するフィルタ処理を行った後に
周波数分析を行うようにしてもよい。また、周波数分析
した後に、目的の周波数よりも低いピークについては測
定対象から除去する処理を加えるようにしても良い。

【００１４】このような振動の計測方法は、測定対象物
の異常の検出に応用することができる。この場合、測定
対象物の正常時での基本振動周波数を記憶しておき、こ
の予め定められた値と、測定した基本振動周波数とを比
較することで振動状態の変化を検出し、その変化が大き
い場合には測定対象物に異常が発生したと判定する。ま
た、このような異常の検出処理のために比較する値は、
基本振動周波数のみならず、例えば、基本振動周波数と
当該基本振動周波数の高調波となっている周波数のピー
クとの周波数の比率でもよい。

【００１５】また、本発明では、測定対象物の振動の周
波数を利用するものとして、信号処理工程は、ビート波
のうち予め定められた帯域の周波数成分のみを通過させ
るフィルタ工程と、このフィルタ工程を通過したビート
波の周波数の高低の変化を信号の強弱の変化に変換する
変換工程と、この変換工程によって生成された信号波形
の一波は測定対象物の振動周期の半周期での速度変化と
判定する判定工程とを備えた、という構成を採ってい
る。ここでは、ビート波をＦ−Ｖ変換することで、速度
の変化を表す波形を生成する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。 ＜第１の実施形態＞図１は本発明の第１の実施形態の構
成を示すフローチャートである。本実施形態による振動
計測方法は、レーザ共振器で発振するレーザ光を測定対
象物に照射する照射工程Ｄ１と、この照射工程Ｄ１によ
って照射されたレーザ光の戻り光を受光する受光工程Ｄ
２と、この受光工程Ｄ２で受光し共振器内で発信したレ
ーザ光と自己混合したレーザ光を光電変換する光電変換
工程Ｄ３と、この光電変換工程Ｄ３で変換されて出力さ
れるビート波の波形の状態を解析する信号処理工程とを
備えている。

【００１７】望ましい実施形態では、信号処理工程は、
ビート波のうち予め定められた帯域の周波数成分のみを
通過させるフィルタ工程Ｄ４と、このフィルタ工程で通
過したビート波を周波数分析用に一定期間ごとに区分す
る区分工程Ｄ５とを前処理として備えるとよい。

【００１８】そして、信号処理工程は、ビート波の周波
数を分析する周波数分析工程Ｄ６と、この周波数分析工
程Ｄ６で分析された周波数のうちピークとして現れる周
波数を抽出するピーク周波数抽出工程Ｄ７と、このピー
ク周波数抽出工程Ｄ７で抽出された周波数のうち最も低
い周波数を測定対象物の基本振動周波数と判定する判定
工程Ｄ８とを備えている。

【００１９】次に、このような原理を利用して測定対象
物の振動計測装置の実施形態を説明する。図２に示すよ
うに、振動計測装置は、測定対象物１から反射したレー
ザ光を観測する光検出手段２と、この光検出手段２から
出力された波形信号を解析すると共にビート波を検出す
るビート波検出手段８と、ビート波のうち予め定められ
た帯域の周波数成分のみを通過させるフィルタ手段１３
と、このフィルタ手段１３を通過したビート波を対称に
周波数分析する周波数分析手段５８と、この周波数分析
手段５８が出力する周波数スペクトルに基づいて測定対
象物の振動の状態を解析する解析手段６０とを備えてい
る。しかも、解析手段６０は、周波数スペクトルのピー
クとなる各成分のうち最も低いピークの周波数を測定対
象物の基本周波数と判定する判定部を備えている。

【００２０】図２に示す例では、この周波数分析手段５
８および解析手段６０は、演算装置１４で実現してい
る。演算装置は、ワークステーション、マイクロプロセ
ッサ又はパーソナルコンピュータなどであり、主記憶装
置やＣＰＵなどを備える。周波数を分析するためのプロ
グラムがこのＣＰＵで実行されると、演算装置１４は周
波数分析手段５８として動作する。また、演算装置１４
によらず、論理回路や、ＦＦＴアナライザーなどにより
実現してもよい。

【００２１】図３は図２に示した光検出手段２の構成例
を示す。光検出手段２は、レーザ光を出力するレーザダ
イオード４と、このレーザダイオード４の共振器内で発
振光と戻り光とが自己混合した光を受光するフォトダイ
オード６とを備えている。また、レーザダイオードの共
振器４によって発振されたレーザ光は、レンズ５で集光
されて測定対象物に照射される。

【００２２】図４に振動変位とビート波の関係を示す。
図４に示すように、振動変位がλ／２を越えると、鋸歯
状波が一波生じる。振動変位が小さくなり、約λ／４未
満となると、図４の右側に示すように、ビート波は測定
対象物の振動の状態をそのまま表す波形となる。図４の
ビート波のうち左側と中央をＭ字状態と呼び、右側の状
態をＳ字状態と呼ぶ。

【００２３】自己混合方式で反射光に含まれるドップラ
周波数成分をビート波として検出すると、図５の様な波
形になる。この時、ドップラ周波数ｆｄと振動面の移動
速度ｖとの関係は次式１の関係である。そして、式
（１）より、振動速度のレーザ方向成分は式（２）で表
すことができる。よって、鋸歯状波一周期での振動面の
移動量はλ／２となる。また、振動面がλ／２移動した
ときに、鋸歯状波１波発生すると考えることが出来る。

【００２４】

【数１】

【００２５】ビート波の波数をカウントすることによ
り、振動面の変位、振動速度、振動加速度が求まる。し
かしながら、振動面の進行方向が反転するとき、一定の
形にならないため検出することは困難であった。簡単に
振動周波数を算出するには、この振動面の進行方向反転
時を知る必要があり、この検出が自己混合方式による振
動測定には不可欠であった。

【００２６】鋸歯状波から振動面の進行方向反転時を検
出する方法として、鋸歯状波波長をそれぞれ算出してそ
の波長分布から検出する方法、鋸歯状波を微分し波形の
傾き情報から検出する方法などがある。しかし、いずれ
も進行方向が反転する間に多くの鋸歯状波が存在してい
ることが前提であり、鋸歯状波が少ない場合に振動面の
進行方向反転時を検出することが難しかった。振動面の
変位量が少なくなると、振動面の進行方向が反転する間
に現れる鋸歯状波が少なくなる。さらに、振動変位がλ
／２以下になると、従来提案していた内容では進行方向
反転時の判断が困難となった。

【００２７】図６乃至図８は、振動変位がλ／２以下と
なり、鋸歯状波が一波生じなくなった例を示す。図６お
よび図８に示すように、振動変位がλ／２以下となると
ビート波は様々な形状になり、進行方向反転時の判断を
することが困難となる。本実施形態では、このような図
６乃至図８に示すＭ字状態のビート波であっても、ま
た、図５に示すようなＭ字状態のビート波であっても、
また、Ｓ字状態のビート波であっても、進行方向反転時
を探索する処理を行わずに振動の特徴を検出するもので
ある。

【００２８】振動変位が２μｍ以上ある場合、図５の様
に鋸歯状と異なる形の部分が振動面の進行方向反転時で
あると容易に判定することができる。しかし、振動変位
がλ／２より小さくなってくると、図６乃至図８のよう
に複雑な波形になる。

【００２９】図９乃至図１１はこれら振動変位がλ／２
よりも小さい場合のＭ字状態のビート波をタイプ別に分
類すると共に、その書くタイプのビート波を周波数分析
した周波数スペクトルの例を示す図である。

【００３０】変位がλ／２より小さいＭ字状波の場合、
鋸歯状波から抽出される範囲によって観測されるビート
波形は大きく３つに分類される。図９に示す小さな波形
がピークに生じるタイプ（タイプ１）と、図１０に示す
ピークに波形が殆ど生じず１振動周期にビート波が１波
現れるタイプ（タイプ２）と、図１１に示す１振動周期
にビート波が２波現れるタイプ（タイプ３）とに分類で
きる。これは、それぞれ鋸歯状波の中から抽出される波
形範囲が異なり、抽出された後鏡像的に波形を構成して
いるためである。これらを周波数分析すると、タイプ１
では振動周波数ｆ１、タイプ２では振動周波数ｆ２、タ
イプ３では周波数ｆ２が主に観測される。

【００３１】タイプ３の場合、出現する波形は鋸歯状波
であるので、波形的あるいはｆ２の高調波成分を検出す
ることによって、タイプ３のビート波である事を識別し
得られた周波数（ｆ２）を１／２して振動周波数を求め
ることができる。タイプ３でない場合、タイプ１あるい
は２であるので、得られた周波数の中で最も低い周波数
（ｆ１）を検出し振動周波数として求めることができ
る。

【００３２】現実的に複振動であることが多いので、タ
イプ１、２、３の波形が混在している。（図８）従っ
て、λ／２未満の変位量のときのビート波を周波数分析
したとき主に観測された周波数の中から最も低い周波数
（ｆ１）を振動周波数として求めることができる。

【００３３】また、振動状態の変化をｆ１、ｆ２など周
波数の比率を把握することにより検出することができ
る。この場合、判定工程は、基本振動周波数と当該基本
振動周波数の高調波となっている周波数のピークとの比
率を測定対象物の振動の特徴を表す値として算出する工
程を備える。このｆ１とｆ２との比率を算出することに
より、ビート波の変化である測定対象物の振動の状態の
変化を測定対象物の変位量によらず的確に表すことがで
きる。

【００３４】λ／２より大きい振動体に対して発生した
ビート波を周波数分析して振動状態を観測する方法とし
て、次の方法も有効である。反射光量が適量の場合には
鋸歯状波がＳＮ良く観測され、振動面の進行方向が反転
する間に現れる複数の鋸歯状波の周波数成分が、基本周
波数と共に、２次、３次の高調波が拡がりをもって現れ
る。そして、基本周波数、２次、３次の順に波形におい
て占める割合が小さくなるため、階段状の周波数分布と
なる。このとき、基本周波数群（拡った周波数群の内の
最も低い周波数群）において、最低の周波数は振動周波
数を現わし、最高の周波数は振動面の最速移動時のドッ
プラ周波数を現わしている。従って、最低の周波数を測
定することにより振動周期を、最高の周波数を測定する
ことにより振動速度や加速度を検出できる。

【００３５】この場合、判定工程は、ピーク周波数抽出
工程で抽出された周波数のうち最高の周波数を測定対象
物の最高速移動時のドップラ周波数と判定する工程を備
えるとよい。また、判定工程は、ドップラ周波数に基づ
いて測定対象物の最高速移動時の振動速度又は加速度を
算出する工程を備えるとよい。

【００３６】Ｓ字状態のビート波の場合には、鋸歯状波
の抽出される範囲が狭くなるため、比較的波形はシンプ
ルになり、ビート波の周期を（複雑な処理無しで）波形
や周波数解析により求めることができ、振動状態を知る
ことができる。Ｆ−Ｖ変換した後に、解析して求めても
よい。

【００３７】図１２乃至図１５に種々のタイプのビート
波とその周波数スペクトルを示す。図１２に示す例で
は、タイプ２のビート波に低周波数成分が重畳してい
る。この場合、図１２（Ｂ）に示すように、周波数のピ
ークとしてｆ０とｆ１とが現れている。このうち、ｆ０
が測定対象物の基本振動周波数である。図１３に示す例
では、タイプ１のビート波に低周波数成分が重畳してい
る。この場合、図１３（Ｂ）に示すピークｆ１が測定対
象物の基本振動周波数である。

【００３８】図１４は測定対象物の振動がλ／２より大
きい変位量で振動する場合のＭ字状態のビート波の拡大
図であり、この場合であっても、測定対象物の基本振動
周波数はｆ１に現れる。すなわち、図１４（Ａ）に拡大
して示した折返し部分の周期が図１４（Ｂ）のピークｆ
１の周波数となる。これは、図１５に示すＭ字状波であ
っても同様である。

【００３９】図１２乃至図１５に示すように、実際の測
定では測定対象物や低周波数成分がピークとして現れ
る。このため、ビート波の低周波成分をフィルタ処理に
より取り除いてから周波数分析するようにするとよい。
また、周波数スペクトルのうち、予め定められた周波数
よりも低い周波数のスペクトルを削除するようにしても
よい。

【００４０】上述したように第１の実施形態によると、
測定対象物の振動の特徴を表す情報を測定対象物の変位
量にかかわらず一定の手法で得ることができ、特に、ビ
ート波のうち測定対象外の低域を遮断し、さらに周波数
スペクトルのピークのうち最も低い周波数を測定対象物
の基本振動周波数と判定するため、測定対象物の振動の
状態を良好に示す特徴値を比較的単純な構成で得ること
ができる。本実施形態ではまた、ビート波の周波数スペ
クトルのピークのうち最も低い周波数成分とその次に低
い周波数成分の比率を測定対象物の振動の特徴値とす
る。すると、ビート波の状態の変化を良好に表す値を得
ることができる。

【００４１】＜第２の実施形態＞図１６は本発明の第２
の実施形態による振動計測方法の構成を示すフローチャ
ートである。図１６に示すように、本実施形態による振
動計測方法は、レーザ共振器で発振するレーザ光を測定
対象物に照射する照射工程Ｅ１と、この照射工程Ｅ１に
よって照射されたレーザ光の戻り光を受光する受光工程
Ｅ２と、この受光工程Ｅ２で受光し共振器内で発信した
レーザ光と自己混合したレーザ光を光電変換する光電変
換工程Ｅ３と、この光電変換工程Ｅ３で変換されて出力
されるビート波の波形の状態を解析する信号処理工程と
を備えている。

【００４２】そして、信号処理工程は、ビート波のうち
予め定められた帯域の周波数成分のみを通過させるフィ
ルタ工程Ｅ４と、このフィルタ工程Ｅ４を通過したビー
ト波の周波数の高低の変化を信号の強弱の変化に変換す
る変換工程Ｅ５と、この変換工程Ｅ５によって生成され
た信号波形の一波は測定対象物の振動周期の半周期での
速度変化と判定し又は出力する判定工程Ｅ６とを備えて
いる。

【００４３】図１７は図１６に示したＦ−Ｖ変換工程Ｅ
５の詳細処理を示すフローチャートである。ビート波が
入力され（Ｅ１０）、フィルタ処理を行った後（Ｅ１
１）、予め定められたしきい値電圧Ｖｒｅｆと、入力さ
れたビート波の電圧とを比較する（Ｅ１２）。ビート波
の電圧値がしきい値を越え、または下回るときを基準に
方形波を作成する（Ｅ１３）。このビート波と方形波の
関係を図１８に示す。図１８に示すように、方形波の間
隔は、ビート波の周期を表す。次いで、この方形波のサ
イクルに合わせて電流出力する（Ｅ１４）。これによ
り、ビート波の周期の変化を電流値の変化に変換され
る。その後、平滑処理を行い（Ｅ１５）、さらに電流を
電圧へ変換する。これにより、ビート波の鋸歯状波の波
長の変化に応じた信号を生成することができる。この信
号は、測定対象物の速度の変化を表す。

【００４４】このとき、振動面の移動方向（速度方向）
が異なっていても、観測される周波数の範囲は変わりな
く、移動の往路と復路で同様に周波数が推移する。例を
挙げれば、振動体が単振動をしていた場合、ビート波の
周波数を電圧に変換した波形（速度変化波形）を観測す
ると、１振動周期に対し１／２の周期を保つ。従って速
度変化波形から振動周波数等を計測するためには、次の
方法が考えられる。

【００４５】・速度変化波形を周波数分析し、得られた
周波数を１／２し振動周波数を得る。 ・速度変化波形の１周期ごとに符号を反転させ（もしく
は、任意の電圧軸に対して対象になるように波形を反転
させる）、速度変化波形２周期で１周期の振動波形に整
形する。そして、この周波数や振幅を測定することによ
って振動状態を観測できる。

【００４６】また、この波形を微分することにより加速
度、積分することにより変位を計測できるため、振動に
伴うパワーや振動振幅との振動状態測定が可能となる。
１周期ごとに速度変化波形の符号を反転させる方法の例
としては、速度変化波形がある任意の電圧レベル（通
常、速度がないときに対応する電圧レベル）を横切ると
き、トグル回路によって電圧レベルを反転させる方法、
ビート波の中で鋸歯状波の傾きを識別することによっ
て、速度変化波形の任意の場所（通常ボトムの部分）に
対応する箇所で速度変化波形の符号を反転させる方法で
実現できる。これらの方法は、デジタル信号化して同様
な方法で実現することも可能である。また、速度変化波
形をそのまま（あるいは周波数分析で）観測することに
よって、振動状態に変化があったことを知ることができ
る。

【００４７】

【発明の効果】本発明は以上のように構成され機能する
ので、これによると、周波数分析工程にて、自己混合に
より生じたビート波を周波数分析し、判定工程にて、周
波数スペクトルに現れるピークのうち最も低い周波数成
分を測定対象物の基本振動周波数と判定するため、測定
対象物の振動振幅がλ／２以上であってもλ／２未満で
あっても、測定対象物の振動の特徴である基本振動周波
数を計測することができ、従って、測定対象物の固有振
動数の変化を比較的単純な構成で測定することができ、
このため、例えば異常の検出などの処理を応答性良くか
つ小型の装置にて実現することができるという従来にな
い優れた振動を計測する方法および装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施形態の構成を示すフローチ
ャートである。

【図２】本発明による振動計測装置の実施形態の構成を
示すブロック図である。

【図３】図２に示した光検出手段の詳細旺盛を示す説明
図である。

【図４】測定対象物の振動変位とビート波の関係を示す
波形図であり、図４（Ａ）は振動変位の例を示す図で、
図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示したそれぞれの振動変位に
対応するビート波の状態を示す図である。

【図５】鋸歯状波となるビート波の一例を示す波形図で
ある。

【図６】測定対象物の変位がλ／２未満となり鋸歯状波
が生じなくなった場合のビート波の第１の例を示す波形
図である。

【図７】測定対象物の変位がλ／２未満となり鋸歯状波
が生じなくなった場合のビート波の第２の例を示す波形
図である。

【図８】測定対象物の変位がλ／２未満となり鋸歯状波
が生じなくなった場合のビート波の第３の例を示す波形
図である。

【図９】タイプ１のビート波とその周波数スペクトルの
一例を示す図であり、図９（Ａ）はビート波の例を示す
波形図で、図９（Ｂ）はその周波数スペクトルを示すス
ペクトル図である。

【図１０】タイプ２のビート波とその周波数スペクトル
の一例を示す図であり、図１０（Ａ）はビート波の例を
示す波形図で、図１０（Ｂ）はその周波数スペクトルを
示すスペクトル図である。

【図１１】タイプ３のビート波とその周波数スペクトル
の一例を示す図であり、図１１（Ａ）はビート波の例を
示す波形図で、図１１（Ｂ）はその周波数スペクトルを
示すスペクトル図である。

【図１２】タイプ２のビート波に低周波成分が重畳した
ビート波とその周波数スペクトルの一例を示す図であ
り、図１２（Ａ）はビート波の例を示す波形図で、図１
２（Ｂ）はその周波数スペクトルを示すスペクトル図で
ある。

【図１３】タイプ１のビート波に低周波成分が重畳した
ビート波とその周波数スペクトルの一例を示す図であ
り、図１３（Ａ）はビート波の例を示す波形図で、図１
３（Ｂ）はその周波数スペクトルを示すスペクトル図で
ある。

【図１４】Ｍ字状態のビート波とその周波数スペクトル
の第１の例を示す図であり、図１４（Ａ）はビート波の
例を示す波形図で、図１４（Ｂ）はその周波数スペクト
ルを示すスペクトル図である。

【図１５】Ｍ字状態のビート波とその周波数スペクトル
の第２の例を示す図であり、図１５（Ａ）はビート波の
例を示す波形図で、図１５（Ｂ）はその周波数スペクト
ルを示すスペクトル図である。

【図１６】本発明の第２の実施形態の構成を示すフロー
チャートである。

【図１７】図１６に示したＦ−Ｖ変換の詳細を示すフロ
ーチャートである。

【図１８】図１７に示した方形波作成の一例を示す波形
図である。

【符号の説明】

１ 測定対象物 ２ レーザ素子 ４ レーザダイオード（共振器） ６ フォトダイオード ８ ビート波検出手段 １０ 増幅器 １２ Ａ／Ｄ変換器 １４ 演算装置 ２０ 表示装置 ５８ 周波数分析手段 ６０ 解析手段

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ共振器で発振するレーザ光を測定
   対象物に照射する照射工程と、この照射工程によって照
   射されたレーザ光の戻り光を受光する受光工程と、この
   受光工程で受光し前記共振器内で前記発信したレーザ光
   と自己混合したレーザ光を光電変換する光電変換工程
   と、この光電変換工程で変換されて出力されるビート波
   の波形の状態を解析する信号処理工程とを備え、 前記信号処理工程は、前記ビート波の周波数を分析する
   周波数分析工程と、この周波数分析工程で分析された周
   波数のうちピークとして現れる周波数を抽出するピーク
   周波数抽出工程と、このピーク周波数抽出工程で抽出さ
   れた周波数のうち最も低い周波数を前記測定対象物の基
   本振動周波数と判定する判定工程とを備えたことを特徴
   とする振動計測方法。
2. 【請求項２】 前記判定工程は、前記基本振動周波数と
   当該基本振動周波数の高調波となっている前記周波数の
   ピークとの比率を測定対象物の振動の特徴を表す値とし
   て算出する工程を備えたことを特徴とする請求項１記載
   の振動計測方法。
3. 【請求項３】 前記判定工程は、前記ピーク周波数抽出
   工程で抽出された周波数のうち最高の周波数を前記測定
   対象物の最高速移動時のドップラ周波数と判定する工程
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の振動計測方
   法。
4. 【請求項４】 前記判定工程は、前記ドップラ周波数に
   基づいて前記測定対象物の最高速移動時の振動速度又は
   加速度を算出する工程を備えたことを特徴とする請求項
   ３記載の振動計測方法。
5. 【請求項５】 前記信号処理工程は、前記周波数分析工
   程の前に、前記ビート波のうち予め定められた帯域の周
   波数成分のみを通過させるフィルタ工程と、このフィル
   タ工程で通過した前記ビート波を周波数分析用に一定期
   間ごとに区分する区分工程とを備えたことを特徴とする
   請求項１乃至５いずれか記載の振動計測方法。
6. 【請求項６】 レーザ共振器で発振するレーザ光を測定
   対象物に照射する照射工程と、この照射工程によって照
   射されたレーザ光の戻り光を受光する受光工程と、この
   受光工程で受光し前記共振器内で前記発信したレーザ光
   と自己混合したレーザ光を光電変換する光電変換工程
   と、この光電変換工程で変換されて出力されるビート波
   の波形の状態を解析する信号処理工程とを備え、 前記信号処理工程は、前記ビート波のうち予め定められ
   た帯域の周波数成分のみを通過させるフィルタ工程と、
   このフィルタ工程を通過したビート波の周波数の高低の
   変化を信号の強弱の変化に変換する変換工程と、この変
   換工程によって生成された信号波形の一波は前記測定対
   象物の振動周期の半周期での速度変化と判定する判定工
   程とを備えたことを特徴とする振動測定方法。
7. 【請求項７】 前記変換工程は、前記信号波形の二周期
   を一周期に変換することにより振動波形を生成する工程
   を備え、 前記判定工程は、前記振動波形に基づいて前記測定対象
   物の振動の状態を算出する工程を備えたことを特徴とす
   る請求項６記載の振動測定方法。
8. 【請求項８】 測定対象物から反射したレーザ光を観測
   する光検出手段と、この光検出手段から出力された波形
   信号を解析すると共にビート波を検出するビート波検出
   手段と、ビート波のうち予め定められた帯域の周波数成
   分のみを通過させるフィルタ手段と、このフィルタ手段
   を通過したビート波を対称に周波数分析する周波数分析
   手段と、この周波数分析手段が出力する周波数スペクト
   ルに基づいて測定対象物の振動の状態を解析する解析手
   段とを備え、 前記解析手段が、前記周波数スペクトルのピークとなる
   各成分のうち最も低いピークの周波数を前記測定対象物
   の基本周波数と判定する判定部を備えたことを特徴とす
   る振動測定装置。
9. 【請求項９】 測定対象物から反射したレーザ光を観測
   する光検出手段と、この光検出手段から出力された波形
   信号を解析すると共にビート波を検出するビート波検出
   手段と、ビート波のうち予め定められた帯域の周波数成
   分のみを通過させるフィルタ手段と、このフィルタ手段
   を通過したビート波の周波数の高低の変化を信号の強弱
   の変化に変換する変換手段と、この変換手段によって生
   成された信号波形の一波は前記測定対象物の振動周期の
   半周期での速度変化と判定する判定手段とを備えたこと
   を特徴とする振動測定装置。