JP2005283469A - Vibration measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動を計測するための装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for measuring vibration.
物体中を伝播する弾性波(弾性振動)や機械構造物の振動を計測するために、従来
からピエゾなどの圧電素子を用いた振動センサが用いられている。しかしながら、こ
の技術では、測定可能な周波数帯域が限られていたり、付加的質量が被測定物に影響を
与えたり、ゲージ長を大きくとれないといった問題があった。
Conventionally, a vibration sensor using a piezoelectric element such as a piezo has been used to measure an elastic wave (elastic vibration) propagating in an object and a vibration of a mechanical structure. However, this technique has a problem that the measurable frequency band is limited, the additional mass affects the object to be measured, and the gauge length cannot be increased.
また、レーザドップラ光ファイバセンサを振動センサに応用することが提案されている。この方法の原理は、概略次の通りである。まず、光ファイバの一端に光源を接続する。ファイバの他端には、入力光を反射してファイバに戻す反射鏡を取り付ける。光ファイバに振動が加わると、ファイバの伸縮に伴い、ファイバ中での光路長が変化する。光路長の時間変化をdL/dtとすると、ファイバ端で反射する光は、ドップラー効果により、dL/dtに比例して、その周波数が変化する。したがって、ファイバ端からの反射光と入力光との周波数変化を計測することで、振動を計測することができる。このようなセンサは、広帯域ではあるが、低感度であるという解決課題を有している。 It has also been proposed to apply a laser Doppler optical fiber sensor to a vibration sensor. The principle of this method is roughly as follows. First, a light source is connected to one end of the optical fiber. At the other end of the fiber, a reflecting mirror that reflects input light and returns it to the fiber is attached. When vibration is applied to the optical fiber, the optical path length in the fiber changes as the fiber expands and contracts. When the time change of the optical path length is dL / dt, the frequency of light reflected from the fiber end changes in proportion to dL / dt due to the Doppler effect. Therefore, vibration can be measured by measuring the frequency change between the reflected light from the fiber end and the input light. Such a sensor has a solution problem of low sensitivity although it has a wide band.
ところで、本発明者は、光ファイバを湾曲させ、この湾曲部に振動を与えて、入力光と、ファイバを通過した出力光との間での周波数変化を観察した。その結果、湾曲部において、微少振動に対応した周波数変化が発生しているという知見を既に得ている。 By the way, the inventor has bent the optical fiber and applied vibration to the bent portion, and observed the frequency change between the input light and the output light that passed through the fiber. As a result, the knowledge that the frequency change corresponding to the minute vibration has already occurred in the curved portion has been obtained.
この知見に基づき、本発明者は、下記特許出願を行っている。
この文献記載の技術の概要を、図1に基づいて説明する。この振動計測装置は、入力部1と光ファイバ2と検出部3とAOM(Acoustic Optical Modulator)4とを備えている。
An outline of the technique described in this document will be described with reference to FIG. This vibration measuring apparatus includes an input unit 1, an
入力部1は、光ファイバ2に入力光を入力するものである。具体的には、入力部1は、半導体や気体などを用いたレーザである。入力部1は、カプラ21を介して光ファイバ2に接続されている。入力部1とカプラ21との間には、入力光の一部をAOM4に送るためのハーフミラー11が配置されている。
The input unit 1 inputs input light to the
光ファイバ2は、計測すべき振動が加えられる湾曲部20を有している。湾曲部20は、光ファイバ2を周回することによって形成されている。湾曲部20は、振動を計測すべき箇所に配置される。例えば、湾曲部20は、接着剤や接着テープなどの固定手段により、被計測箇所に固定される。
The
検出部3は、湾曲部20を通過した、光ファイバ2からの出力光と、入力部1からの入力光との間での周波数変化を検出するものである。具体的には、ハーフミラー11、AOM4(後述)、ハーフミラー31を介して送られた入力光と、光ファイバ2からの出力光とのビートをとり、ビート周波数の変化を検出できるようになっている。これにより、入出力光間の周波数変化を検出している。検出部3は、カプラ22を介してファイバ2に接続されている。
The
AOM4は、入力光周波数f0を変化させて、f0+fM(fMは正負を含む。)とすることができるようになっている。そのようなAOMの構成は周知である。 The AOM 4 can change the input optical frequency f 0 to f 0 + f M (f M includes positive and negative). Such AOM configurations are well known.
この装置を用いた振動計測方法は以下の通りである。
まず、ファイバ2の湾曲部20を、任意の固定手段(例えば接着剤)を用いて、被計測箇所に配置する。一方、ファイバ2には、入力部1から入力光を送っておく。この状態で、湾曲部20に振動(弾性波)が加わると、振動に応じて、湾曲部20を通過する光の周波数が変化する。すなわち、出力光の周波数が変化する。この周波数変化を検出部3で検出する。これにより、湾曲部20に加えられた振動を周波数変化として検出することができる。
The vibration measurement method using this apparatus is as follows.
First, the
ところで、本発明者は、前記の知見に加えて、振動計測における指向性を制御できる、円弧部の形状についての知見を得た。 By the way, in addition to the above knowledge, the present inventor has obtained knowledge about the shape of the arc portion that can control the directivity in vibration measurement.
本発明は、この知見に基づいてなされたもので、振動計測における指向性を制御できる振動計測装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made based on this finding, and an object thereof is to provide a vibration measuring device capable of controlling directivity in vibration measurement.
本発明に係る振動計測装置は、入力部と導波路と検出部とを備えている。前記入力部は、前記導波路に入力光を入力するものである。前記導波路は、計測すべき振動が加えられる長円部を有している。前記長円部は、前記入力光が通過するものとなっている。前記検出部は、前記長円部を通過した前記導波路からの出力光と前記入力光との間での周波数変化を検出するものである。 The vibration measuring apparatus according to the present invention includes an input unit, a waveguide, and a detection unit. The input unit inputs input light to the waveguide. The waveguide has an oval part to which vibration to be measured is applied. The ellipse part allows the input light to pass through. The detection unit detects a change in frequency between the output light from the waveguide that has passed through the ellipse and the input light.
前記長円部は、二つの円弧部と、これら二つの円弧部の開口部分を繋ぐ二つの直線部とを備えることができる。 The oval portion may include two arc portions and two straight portions connecting the opening portions of the two arc portions.
前記導波路は、例えば光ファイバである。 The waveguide is, for example, an optical fiber.
前記長円部は、前記光ファイバを周回することにより形成することもできる。 The ellipse can also be formed by circling the optical fiber.
前記振動計測装置は、振動計測における指向性を有していてもよい。 The vibration measuring device may have directivity in vibration measurement.
本発明に係る振動計測方法は、前記振動計測装置における前記円弧部の曲率半径Rと前記直線部の長さlとの比を調整することにより、振動計測における指向性を制御する構成となっている。 The vibration measuring method according to the present invention is configured to control directivity in vibration measurement by adjusting a ratio between the radius of curvature R of the arc portion and the length l of the linear portion in the vibration measuring device. Yes.
本発明によれば、振動計測における指向性を制御できる振動計測装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the vibration measuring device which can control the directivity in vibration measurement can be provided.
本発明の一実施形態に係る振動計測装置および計測方法について、図2を参照しながら以下に説明する。この実施形態の説明においては、特許文献1に記載きさいされた、図1の装置と同様の構成については、同一符号を付して説明を簡略化する。 A vibration measuring apparatus and measuring method according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. In the description of this embodiment, the same components as those in the apparatus shown in FIG.
この振動計測装置では、図1の湾曲部20に代えて、長円部120が用いられている。長円部120は、1本の導波路としての光ファイバ2を長円状に周回させることにより構成されている。長円部120は、二つの円弧部121と、これら二つの円弧部121の開口部分を繋ぐ二つの直線部122とを備えている。直線部122どうしは、この実施形態ではほぼ平行となっている。
In this vibration measuring apparatus, an
直線部122としては、曲率半径が円弧部121に対して有意に大きい(つまり直線に近い)形状であればよい。また、円弧部121の曲率は一定でなくても良い。したがって、長円部120の形状としては、扁平な楕円状であってもよい。
The
光ファイバ2の種類としては、特に限定されず、例えばGI型、SI型、シングルモード型、マルチモード型などの適宜のものが利用可能である。また、光ファイバ2に代えて、他の種類の導波路(例えば中空金属パイプや、ガラス基板にマイクロ加工された光路)を用いることも可能である。
The type of the
光ファイバ2またはそれに代わる導波路の材質としては、可逆的変形すなわち弾性変形をするものが好ましい。弾性体には、鋼などの金属材料、ガラスやセラミック、プラスチックなどの、ほとんど全ての工業材料が含まれる。
As the material of the
つぎに、前記装置を用いた振動計測方法の一例を説明する。
まず、ファイバ2の長円部120を、任意の固定手段(例えば接着剤や接着テープ)を用いて、被計測箇所に配置する。固定手段は任意である。また、長円部120に振動が伝達できれば、長円部120は固定されていなくても良い。
Next, an example of a vibration measurement method using the apparatus will be described.
First, the
一方、ファイバ2には、入力部1から入力光を送っておく。この状態で、長円部120に振動(弾性波)が加わると、振動に応じて、長円部120を通過する光の周波数が変化する。すなわち、出力光の周波数が変化する。この周波数変化を検出部3で検出する。これにより、長円部部20に加えられた振動を周波数変化として検出することができる。長円部120において検出できる振動は、原理的には、円弧部121の半径方向へのベクトル成分を有する振動であると考えられる。
On the other hand, input light is sent from the input unit 1 to the
また、AOM4を用いることにより、検出部3に入力される入力光の周波数を変えることができる。AOM4での周波数変化量を変えることにより、長円部120を通過した光の周波数変化が正方向なのか負方向なのかを知ることができる。
Moreover, the frequency of the input light input into the
ここまでの動作は、前記した特許文献1記載の技術と同様である。ただし、本実施形態の装置では、下記の理由により、振動計測における指向性を得ることができる。しかも、この指向性は、円弧部121の曲率半径Rと直線部122の長さlとの比率を変えることにより制御されうる。その理由を以下に記載する。
The operation up to this point is the same as the technique described in Patent Document 1. However, in the apparatus of this embodiment, directivity in vibration measurement can be obtained for the following reason. Moreover, this directivity can be controlled by changing the ratio between the radius of curvature R of the
図3に模式的に示すような、伸縮・湾曲が可能な任意の導波路Γの一端A(光源)から光を入射し、他端B(観測点)で観測した場合、光のドップラー効果により生じる光の周波数変化fDは次式のように表される。
When light is incident from one end A (light source) of an arbitrary waveguide Γ that can expand and contract and bend as schematically shown in FIG. 3 and observed at the other end B (observation point), the Doppler effect of light The frequency change f D of the generated light is expressed as follows:
ただし、f0とc0は、光源の周波数と真空中における光の速度、neqは光の導波路の等価屈折率、ベクトルvは線素dsの変位速度ベクトル、κは線素dsの曲率、ベクトルrとベクトルnはそれぞれ、線素dsの単位方向ベクトルと単位法線ベクトルである。 Where f 0 and c 0 are the frequency of the light source and the speed of light in vacuum, n eq is the equivalent refractive index of the optical waveguide, vector v is the displacement velocity vector of the line element ds, and κ is the curvature of the line element ds , Vector r and vector n are the unit direction vector and unit normal vector of the line element ds, respectively.
なお、図3における導波路Γの端Aと端Bには、光源(入力部)と検出部とが取り付けられているものとする。この場合、両端は動かない(あるいは導波路と一緒に動く)ので、上式の第1項は零となる。導波路の一部を被測定物に貼り付けた場合、湾曲部以外の導波路での変形・伸縮が無視できる場合は、近似的に両端A、Bは、貼り付けられた湾曲部の端とみなすことができる。 It is assumed that a light source (input unit) and a detection unit are attached to the ends A and B of the waveguide Γ in FIG. In this case, both ends do not move (or move together with the waveguide), so the first term in the above equation is zero. When a part of the waveguide is attached to the object to be measured, if deformation / extension in the waveguide other than the curved part can be ignored, both ends A and B are approximately the ends of the attached curved part and Can be considered.
以下に、いくつかの導波路形状について感度の計算を行う。ただし、測定対象領域(積分領域)においてひずみ速度分布は一様であると仮定し、x、y方向軸ひずみ速度をそれぞれ
せん断ひずみ速度を
とする。
In the following, the sensitivity is calculated for several waveguide shapes. However, it is assumed that the strain rate distribution is uniform in the measurement target region (integration region), and the x- and y-direction axial strain rates are
Shear strain rate
And
(1)円形状の場合
図4に示すような、真円ループ状導波路の場合のひずみ速度と周波数シフトの関係の理論式は以下の通りである。なお、ここでλは任意の比例定数である。ただし、物理的には、λは、導波路中の光の波長に相当している。
(1) Case of Circular Shape The theoretical formula of the relationship between strain rate and frequency shift in the case of a perfect circular loop waveguide as shown in FIG. 4 is as follows. Here, λ is an arbitrary proportionality constant. However, physically, λ corresponds to the wavelength of light in the waveguide.
ループがN巻の場合、湾曲部と振動発生部との間に存在するコーティング層や接着層などでのひずみの伝達係数(較正係数)をKaとして、fDは以下のようになる。
When the loop has N windings, f D is as follows, where Ka is the strain transfer coefficient (calibration coefficient) in the coating layer or adhesive layer existing between the curved portion and the vibration generating portion.
ただし、Ravは、N巻したループの半径の平均値である。N巻では感度がN倍となる。また真円形状の場合、座標系の取り方によらない、いわゆる主ひずみ速度を計測している。つまり指向性はない。 However, R av is an average value of the radius of the loop wound N times. In volume N, the sensitivity is N times. In the case of a perfect circle shape, the so-called principal strain rate is measured regardless of the coordinate system. In other words, there is no directivity.
(2)U字型の場合
図5に示すような、長さlの直線部と半径Rの半円部からなる、U字型導波路の場合の理論式は次のようになる。
(2) In the case of U-shaped The theoretical formula in the case of a U-shaped waveguide consisting of a linear portion having a length l and a semicircular portion having a radius R as shown in FIG.
長手方向(x方向)と横方向(y方向)のひずみの感度の比Sxyは、
となり、l/Rの比が大きいほど、指向性と長手方向の感度はともに高くなる。
Strain sensitivity ratio S xy in the longitudinal direction (x direction) and lateral direction (y direction) is
Thus, the larger the ratio of l / R, the higher the directivity and the longitudinal sensitivity.
(3)長円形状の場合
図2に示すような、両端が半径Rで平行部の長さがlの長円形状の場合の理論式は次式となる。
(3) In the case of an oval shape As shown in FIG. 2, the theoretical formula in the case of an oval shape with both ends having a radius R and the length of the parallel portion is as follows.
感度の比Sxyは、以下のように表せる。
The sensitivity ratio S xy can be expressed as follows.
長円形状の場合においても、指向性と感度がl/Rに比例して大きくなることは、U字型と同じである。N巻の場合は、全体の感度がN倍になることは、真円の場合と同じである。せん断ひずみ速度成分はドップラー周波数シフトには影響を与えない。 Even in the case of an oval shape, the directivity and sensitivity increase in proportion to l / R, which is the same as the U-shape. In the case of N windings, the overall sensitivity is N times the same as in the case of a perfect circle. The shear strain rate component does not affect the Doppler frequency shift.
したがって、本実施形態の装置によれば、l/Rの比を調整することにより、振動計測における指向性を制御することができるという利点がある。他の構成および利点は、特許文献1記載の技術と同様である。 Therefore, according to the apparatus of this embodiment, there is an advantage that the directivity in vibration measurement can be controlled by adjusting the ratio of 1 / R. Other configurations and advantages are the same as those of the technique described in Patent Document 1.
なお、前記実施形態の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。 The description of the embodiment is merely an example, and does not indicate a configuration essential to the present invention. The configuration of each part is not limited to the above as long as the gist of the present invention can be achieved.
1 入力部
2 光ファイバ
20 湾曲部
3 検出部
120 長円部
121 円弧部
122 直線部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
前記入力部は、前記導波路に入力光を入力するものであり、
前記導波路は、計測すべき振動が加えられる長円部を有し、
前記長円部は、前記入力光が通過するものとなっており、
前記検出部は、前記長円部を通過した前記導波路からの出力光と前記入力光との間での周波数変化を検出するものであることを特徴とする振動計測装置。 An input unit, a waveguide, and a detection unit;
The input unit inputs input light to the waveguide,
The waveguide has an oval part to which vibration to be measured is applied,
The oval part is one through which the input light passes,
The vibration measuring apparatus, wherein the detection unit detects a frequency change between output light from the waveguide that has passed through the ellipse and input light.
The vibration measurement method using the vibration measurement device according to claim 2, wherein the directivity in vibration measurement is controlled by adjusting a ratio between a radius of curvature R of the arc portion and a length l of the straight portion. A vibration measurement method characterized by that.
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Cited By (1)
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