JP2002054924A - 変位計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】変位を高分解能で精密且つ自動化的に遠距離か
ら計測することができ、しかも、計測時間が短く、安価
で取り付けの簡単な発光ダイオードを光源として使用で
きる優れた変位計測装置を提案するものである。 【解決手段】計測地点に設置した光源２からの光ビーム
をレンズ５を介して受光し、分割された受光面ｆを備え
た受光センサー４と、該センサーの中心に光ビームが移
行する如くセンサーを移動させる移動機構Ａと、センサ
ーの各受光面に於ける光量差を検出した信号をバランス
させるように移動機構を駆動する駆動回路と、移動機構
の変位量を測定する計測手段とを有し、センサーに於け
る受光強度を計測しながら光源２を所定の発光強度に調
整するフィードバック回路を設けることにより、光ビー
ムが完全にセンサーの中心に移行しなくても正確な計測
が行える如く構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は変位計測装置に関
し、詳しくは、掘削工事に於ける周辺地盤の変位等を遠
距離から精密かつ自動化的に計測することができる変位
計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】建物や鉄道路線に近接して掘削工事を行
う場合に、常に周辺地盤の変位を精密に計測しながら工
事の安全を確保する必要がある。相対的な変形量の計測
ではダイヤルゲージ等かなりの精度のものが存在する
が、地盤が全体的に平行移動するよう場合には無力であ
る。この様な場合には各計測ポイントの絶対変位を測定
する必要があるが、その様な場合の方法として、レーザ
照準器等によって光ビームによる基準線を設定し、この
基準線からの変位量を測定しながら作業を進める方法が
採られている。

【０００３】この方法に於いては、レーザ照準器などか
ら出射される光ビーム径の中心位置を基準に対象物の変
位等を測定するため、光ビーム径の中心を正確に求める
必要がある。ところが、光源から遠ざかるに従ってビー
ム径が広がり、ビーム中心がわかり難くなり、正確なビ
ーム中心を求めることが出来ず、変位量の測定精度が低
下し、その結果高分解能のものが少ない。

【０００４】この様な点を考慮した光電式変位検出装置
が提案されている（特開平８−２４０４０９号）。この
装置は、分割された受光面を有する受光センサーを備
え、各受光面の出力差を検出することにより各受光面の
光量差を検出し、検出器からの光量差検出信号がゼロに
なるように受光センサーのサーボ制御を行い対象物の変
位量を測定できる如く構成したものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記変位検出装置は、
対象物の変位量を精度よく測定できる優れたものではあ
るが、受光量を完全にバランスするまでサーボ制御を行
わなければならないため、計測時間がかかるという問題
がある。また、レーザ光を使用するため、コスト的な問
題や、目に入ると危険である等の安全面での問題も生じ
る。更に、ビーム径の広がりによる精度低下への対応も
困難である。

【０００６】本発明は上記した点に鑑みなされたもの
で、変位を高分解能で精密且つ自動化的に遠距離から計
測することができ、しかも、計測時間が短く、安価で取
り付けの簡単な発光ダイオードを光源として使用できる
優れた変位計測装置を提案するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本請求項１発明の変位計
測装置は、上記課題を解決するため、計測地点に設置し
た光源２と、光源からの光ビームを受光するとともに、
分割された受光面ｆを備えた受光センサー４と、受光セ
ンサー前方に設置したレンズ５と、受光センサーの中心
に光ビームが移行する如くセンサーを移動させるための
移動機構Ａと、受光センサーの各受光面に於ける光量差
を検出した光量差検出信号をバラスンさせるように移動
機構を駆動する駆動回路と、移動機構の変位量を測定す
る計測手段とを有してなる変位計測装置に於いて、受光
センサー４に於ける受光強度を計測しながら光源２を所
定の発光強度に調整するフィードバック回路を備えてな
ることを特徴とする変位計測装置として構成した。

【０００８】また、請求項２発明の装置は、光源２が発
光ダイオードである請求項１記載の変位計測装置として
構成した。

【０００９】また、請求項３発明の装置は、光源２から
の光ビームを所定周波数で点滅させるとともに、該周波
数での同調増幅を受光センサーで行う如く構成した請求
項１記載の変位計測装置として構成した。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例の形態を図
面を参照して説明する。

【００１１】図１に示す如く、本発明の変位検出装置１
は、変位計測地点にターゲットとなる光源２を設けてい
る。光源２としてはレーザーや発光ダイオード等種々採
用でき特に限定されないが、後述する如く、受光センサ
ーの前方位置にレンズを設置しているため、安価に入手
できる発光ダイオードを用いても充分目的を達成できる
ものである。ターゲットは１箇所であっても良いが、通
常は複数設けることになり、その場合、前方のものが後
ろのものの邪魔にならない様に直線上からズラした位置
に設置すると良い。また、ターゲットは計測中に常時発
光させておいても良いが、光源と太陽光等の外乱光を区
別するために、光源を一定周波数で点滅させ、受光部で
はこの周波数だけを同調増幅する如く構成してもよい。

【００１２】また、ターゲットから離れた位置に不動に
固定して計測器本体３を備えている。該本体は、図２に
示す如く、受光センサー４及び該センサーを移動させる
移動機構Ａを備えている。

【００１３】受光センサー４は光源２からの光ビームを
受光するとともに、分割された受光面を備えている。受
光センサー４の受光面は測定対象となるターゲットの変
位形態により選択すると良く、例えば、変位形態が一次
元の場合には、図３に示す如き「日」の字型に配置した
一対の受光面ｆ（f1，f2）を有するセンサー４を用いる
ことができる。同図に於いて(a) はターゲットの像がズ
レている状態を、(b)は像が中心にある状態をそれぞれ
示す。また、二次元の場合には、図４に示す如き「田」
の字型に配置した４個の受光面ｆ（f1，f2，f3，f4）有
するセンサー４を用いることが出来る。同図に於いて
(a) はターゲットの像がズレている状態を、(b) は像が
中心にある状態をそれぞれ示す。尚、一次元の場合、図
３に示す如き水平方向の変位用の外に、図示しないが、
上下に受光面を並設した垂直方向変位用のものを採用す
ることも可能である。

【００１４】本発明装置では、センサー４に結んだ光源
の像の中心位置からのズレから変位を計測するものであ
り、各受光面ｆの境界部分に中心が存在する如く構成し
ており、従って、各受光面ｆの受光量が等しい時ターゲ
ットの像が中心位置にある如く構成している。また、受
光センサー４の前方にレンズ５を設けている。該レンズ
５は受光面近傍を焦点とするもので、該レンズを設ける
ことにより、ターゲットからの光ビームを受光面に絞り
込み、その結果、上記した如く安価な発光ダイオードを
使用しても充分機能する。

【００１５】また、本発明の変位計測装置は、受光セン
サー４が計測した受光強度をもって所定の発光強度に調
整するフィードバック回路を備えている。受光センサー
４に於ける受光量のバランス点はターゲットの発光強度
により微妙にずれるため、受光強度を計測しながらフィ
ードバック回路によって適切な発光強度を調整して所定
の受光量とするものである。また、受光量が一定の時、
ターゲットまでの距離に比例して、バランス点近傍では
バランス点からの距離と受光面の光量差の間には比例関
係があり、例えば図５に示す例の如くターゲットまでの
距離が１０ｍの場合を例にとると、バランス点ａから±
０．４ｍｍ以内程度では比例関係がなりたち、また、図
示しないが、ターゲットまでの距離が５０ｍの時にはバ
ランス点ａから±２ｍｍ以内程度で比例関係がなりた
ち、従って、予めこの関係値を計測しておけば、完全に
中心位置にこなくてもこの基準範囲内にセンサーの中心
が入った際に計測が可能となる。適切な発光強度は光源
２の種類によっても異なるが、飽和受光量を１０００と
した場合、５５０〜６００程度に調整すると良い。

【００１６】移動機構Ａは、受光センサー４の中心（バ
ランス点）に光ビームが移行する如くセンサー４を移動
させるためのもので、その具体的機構は種々採用でき
る。一対の受光面ｆ有するセンサー４を用いた場合に
は、水平方向或いは垂直方向への直線的な往復移動が可
能な機構であれば良く、４個の受光面を有するセンサー
４を用いた場合には、上下左右にセンサーをそれぞれ往
復移動することが可能な機構とすれば良い。図示例で
は、水平方向の一次元的変位を測定する場合のもので、
ガイドフレーム６に対して水平方向に移動可能に設けた
一対の受光面ｆを有する受光センサー４を備え、モータ
ー７に連動したボールネジ８によりガイドレールに沿っ
て水平方向に移動可能に設けている。モーターは正逆回
転が可能なものを使用し、必要に応じた回転によりセン
サー４をバランス点側へ移動させる如く構成している。

【００１７】受光センサー４の移動は駆動回路によって
行う。この駆動回路は、受光センサー４の各受光面ｆの
出力差を検出することにより、各受光面ｆの光量差を検
出し、この光量差をバランスさせる信号をモーター７に
伝達する。

【００１８】また、移動機構の変位量を測定する測定手
段を備えている。測定手段の具体例としては、レーザー
変位計や、回転角を計り変位量に換算するエンコーダを
用いるなど、一般的な方法を採用できる。

【００１９】次いで、計測の一例を以下に示す。 計測装置のセンサー移動方向がターゲットの移動方
向と平行になるように設置する。

【００２０】 各計測点は後ろの点が隠れない程度の
直線上に配置する。

【００２１】 最初の測点の発光ダイオードを点灯
し、フィードバック回路により受光センサーの出力から
発光ダイオードの光量を調整する。二つの受光面の出力
差を検出することにより各受光面の光量差を検出し、光
量差検出信号をゼロの方向にバランスさせるように移動
機構を駆動して、光ビームが略中心位置に来る如くセン
サーを移動し、次いで移動量を測定する。この際、光ビ
ームの中心が正確に各受光面の中央に位置していなくて
も、予め求めた「バランス点からの距離」と「受光面の
光量差」との関係値から正確な変位量を計測できる。測
定が終わったら発光ダイオードを消灯する。各測点毎に
順次同一の作業を繰り返し、全点測定を終了する。

【００２２】 測定の時間間隔は計測装置にセットし
ておき、時間が来ればの要領で測定を行うが、各点の
測定に当たっては、まずセンサーを前回の測定位置へ移
動させセンサーのアンバラスが生じているかをチェック
し、生じていれば平衡点へセンサーを移動させ変位量を
測定する。

【００２３】尚、上述した本発明装置に適用可能な計測
回路の例を、一次元の変移形態の場合を例として図６に
ブロック図で示しており，その際のＣＰＵ内での演算ア
ルゴリズムを図７にブロック図で示している。図６に於
いて、各受光面f1，f2の出力をそれぞれ同調増幅回路を
介して積分回路に送り、ここで平均化してＣＰＵに送
る。ＣＰＵ内では図７に示す如く、適性受光量の比較を
行い不都合があればＤＡコンバータを介して発光ダイオ
ードの電流値の調整を行う。適性受光量の場合にはf1と
f2の差を計算し、移動機構によりバランス点近傍へ光ビ
ームを移動させ、上記段落15で述べた様な基準以内の比
例関係にある場合には、f1とf2の差から計測手段により
移動量を計算する。

【００２４】本発明の計測方法は、山止め壁、斜面、盛
土の変形測定、ダムや橋梁の変位、沈下の監視、トンネ
ル内空変位の計測、河川、港湾、空港等の沈下測定等に
好適に採用できる。尚、実験室レベルで予備試験したと
ころ、５０ｍ遠方のターゲットで０．２ｍｍの移動量を
識別出来た。これは従来の計測器に比べ３倍以上の精度
が期待できることを示している。

【００２５】

【発明の効果】以上説明した如く本発明によれば、変位
を高分解能で精密且つ自動化的に遠距離から計測するこ
とができ、しかもサーボ制御が極めて短時間で行えるた
め、計測時間を大幅に短縮することができる。また、受
光面前方にレンズを設けているため、光源の種類に係わ
らず光ビームを受光面に絞り込み、受光面でのターゲッ
ト像を非常に小さくでき、より高い精度の計測を行える
ものである。

【００２６】また、請求項２発明の装置では、非常に低
価格で取り付けも簡単な発光ダイオードを使用しても高
い精度での計測を行える利点がある。

【００２７】また、請求項３発明の装置では、太陽光等
の外乱光を確実に区別することができ、より正確な計測
を行える利点を備える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の計測装置を説明する説明図である。

【図２】本発明の計測装置を説明する説明図である。

【図３】センサーの一例を示す正面図である。

【図４】センサーの他の例を示す正面図である。

【図５】ターゲットの移動とセンサー出力との関係を示
すグラフである。

【図６】本発明に適用可能な計測回路の例を示すブロッ
ク図である。

【図７】ＣＰＵ内での演算アルゴリズムを示すブロック
図である。

【符号の説明】

２…光源，３…計測器本体，４…受光センサー，５…レ
ンズ，６…ガイドフレーム，７…モーター，８…ボール
ネジ，ａ…バランス点，ｆ…受光面，Ａ…移動機構

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】計測地点に設置した光源２と、光源からの
   光ビームを受光するとともに、分割された受光面ｆを備
   えた受光センサー４と、受光センサー前方に設置したレ
   ンズ５と、受光センサーの中心に光ビームが移行する如
   くセンサーを移動させるための移動機構Ａと、受光セン
   サーの各受光面に於ける光量差を検出した光量差検出信
   号をバラスンさせるように移動機構を駆動する駆動回路
   と、移動機構の変位量を測定する計測手段とを有してな
   る変位計測装置に於いて、受光センサー４に於ける受光
   強度を計測しながら光源２を所定の発光強度に調整する
   フィードバック回路を備えてなることを特徴とする変位
   計測装置。
2. 【請求項２】光源２が発光ダイオードである請求項１記
   載の変位計測装置。
3. 【請求項３】光源２からの光ビームを所定周波数で点滅
   させるとともに、該周波数での同調増幅を受光センサー
   で行う如く構成した請求項１記載の変位計測装置。