JP2009098003A - Vibration displacement detecting device and method of detecting displacement and vibration - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は物体の変位や振動を検出する変位振動検出装置及び方法に関し、特に建物や装置などの構造物上の基準点から離れた場所に位置する同一または別の構造物上の被測定物の変位または振動を検出する変位振動検出装置及び方法に関する。 The present invention relates to a displacement vibration detection apparatus and method for detecting displacement and vibration of an object, and more particularly to a measurement object on the same or another structure located at a location away from a reference point on a structure such as a building or apparatus. The present invention relates to a displacement vibration detection apparatus and method for detecting displacement or vibration.
従来、物体の変位や振動を検出する方式として、磁石やコイルを用いる方式、静電容量の変化を検出する方式、圧電素子を用いる方式、光学的な方式など様々な方式があり、その目的に合わせて用いられている。特に光学的な方式は離れた場所から被測定物の変位や振動を検知する目的には適している。 Conventionally, there are various methods for detecting displacement and vibration of an object, such as a method using a magnet or a coil, a method for detecting a change in capacitance, a method using a piezoelectric element, and an optical method. It is used together. In particular, the optical method is suitable for the purpose of detecting the displacement and vibration of the object to be measured from a remote location.
ある地点から離れた場所に位置する同一または別の構造物またはそこに設置された物体に対して何らかの操作をしたりその物体を移動したりする場合には、安全対策上または操作のため、その変位や振動を検出することが必要とされる場合がある。従来、このような場合は、変調されたレーザ光ビームを被測定物に照射しその反射光を検出してその到達時間差から距離や変位、振動を検出するレーザ変位計方式や、基準点からレーザ光を測定点に照射しその位置の変位を三角測量の手法で計測して振動を検出する方法がある。このような方式による距離測定法の一例は特許文献1に示されている。また特許文献2のように物体の移動による反射光のドップラシフトを利用したレーザドップラ振動計を用いることもできる。さらには被測定物の画像を撮像しその画像の変化から振動を検出する方法が一般的に知られている。
When performing any operation on or moving the same or another structure located at a location away from a certain point or an object installed there, for safety measures or for the operation, It may be necessary to detect displacement and vibration. Conventionally, in such cases, a laser displacement meter method that detects the distance, displacement, and vibration from the arrival time difference by irradiating the object to be measured with a modulated laser light beam and detecting the reflected light, or laser from a reference point There is a method of detecting vibration by irradiating a measurement point with light and measuring the displacement of the position by a triangulation method. An example of such a distance measurement method is shown in
しかし、上記の従来のレーザ変位計や三角測量を用いる方法は特殊なレーザ装置または検出装置が必要であり、装置のコストが高くなり、また、必要な精度を保つためにはメンテナンスのコストも高くなってしまう。一方、レーザドップラ振動計はやはり特殊な検出装置が必要であることから高価であり、また、ゆっくりとした変位の検出はできない。撮像画像により検出を行う方式も装置コストが高く、また被測定対象も限られてしまう。また、実用上、変位や振動の測定範囲を容易に調整できることが望ましい。また、広範な応用を考慮すると、基準点と被測定物の距離は数m〜100m程度、振動による変位は0.3mm程度以上、振動周波数は0.1〜1KHz程度の検出感度があることが望ましい。 However, the above-described conventional method using a laser displacement meter or triangulation requires a special laser device or detection device, which increases the cost of the device and also increases the maintenance cost in order to maintain the required accuracy. turn into. On the other hand, the laser Doppler vibrometer is expensive because it requires a special detection device, and it cannot detect a slow displacement. The method of performing detection based on a captured image also has a high apparatus cost, and the measurement target is limited. In practice, it is desirable that the measurement range of displacement and vibration can be easily adjusted. In consideration of a wide range of applications, the distance between the reference point and the object to be measured is about several to 100 m, the displacement due to vibration is about 0.3 mm or more, and the vibration frequency is about 0.1 to 1 kHz. desirable.
そこで、本発明の目的は、簡単な構成で低コストに実現でき、変位や振動の測定範囲の調整が容易で、メンテナンスも容易な変位振動検出装置および変位振動検出方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a displacement vibration detection device and a displacement vibration detection method that can be realized with a simple configuration at low cost, can easily adjust the measurement range of displacement and vibration, and can be easily maintained.
上記課題を解決するため、本発明の変位振動検出装置は、構造体の基準点に固定された受光部と前記基準点から離れた場所に位置する被測定物に固定された発光部とを有し、前記受光部は光検出器と該光検出器の受光面上に前記発光部の像を結像する光学系とからなり、前記光検出器で検出される光量の変化によって前記基準点と前記被測定物の間の相対的な変位または振動を検出することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the displacement vibration detection device of the present invention includes a light receiving unit fixed to a reference point of a structure and a light emitting unit fixed to an object to be measured located away from the reference point. The light receiving unit includes a photodetector and an optical system that forms an image of the light emitting unit on a light receiving surface of the photodetector, and the reference point and the reference point according to a change in the amount of light detected by the photodetector. Relative displacement or vibration between the measured objects is detected.
前記光学系は望遠鏡構成の光学系であることが望ましい。 The optical system is preferably a telescopic optical system.
また、前記光検出器と前記光学系が一体として固定され、前記光検出器または前記光学系の少なくとも一方の位置を調整する手段を設けてもよい。 In addition, the photodetector and the optical system may be fixed integrally, and a means for adjusting the position of at least one of the photodetector or the optical system may be provided.
また、前記光検出器は受光面が分割された分割型フォトダイオードであってもよい。 Further, the photodetector may be a divided photodiode having a light receiving surface divided.
また、前記発光部は発光ダイオードにより構成されていてもよい。 The light emitting unit may be formed of a light emitting diode.
また、前記発光部とは異なる部分に設置された光源と該光源より出射された光を導く光ファイバとを有し、前記発光部は前記光ファイバにより導かれた光が放射される該光ファイバの端面であってもよい。 A light source installed in a portion different from the light emitting unit; and an optical fiber that guides light emitted from the light source, and the light emitting unit emits light guided by the optical fiber. It may be an end face.
また、前記光検出器の光入射側に前記発光部から放射される光の波長を通過させる波長フィルターが設置されていてもよい。 In addition, a wavelength filter that allows a wavelength of light emitted from the light emitting unit to pass through may be installed on the light incident side of the photodetector.
また、前記発光部から放射される光の強度は前記振動の周波数より高い周波数で変調されていてもよい。 Further, the intensity of the light emitted from the light emitting unit may be modulated at a frequency higher than the frequency of the vibration.
本発明によれば、また、構造体の基準点に受光部を、前記基準点から離れた場所に位置する被測定物に発光部を設置し、前記受光部の光検出器の受光面上に前記発光部の像を結像し、前記受光面で受光される光量の変化によって前記基準点と前記被測定物の間の相対的な変位または振動を検出する変位振動検出方法が得られる。 According to the present invention, the light receiving unit is installed at the reference point of the structure, the light emitting unit is installed at the object to be measured located away from the reference point, and on the light receiving surface of the photodetector of the light receiving unit. A displacement vibration detection method is provided in which an image of the light emitting section is formed and relative displacement or vibration between the reference point and the object to be measured is detected by a change in the amount of light received by the light receiving surface.
本発明は、被測定物に固定した発光部の像を検出器の受光面に結像して、その発光部の像が受光面から外れることにより受光光量が変化することから振動や変位を検出するものであり、受光面に対する発光部の像の相対的大きさや結像位置の設定によって変位や振動振幅の検出範囲および感度を選択できる。また、高倍率の望遠鏡光学系を用いることにより、基準点と被測定物の距離を拡大できる。光源はLEDやランプなどを使用でき、検出系の構成は簡単であり特別の部品は必要としない。 The present invention forms an image of the light emitting part fixed to the object to be measured on the light receiving surface of the detector, and detects vibration and displacement because the amount of received light changes when the image of the light emitting part is removed from the light receiving surface. Therefore, the detection range and sensitivity of the displacement and vibration amplitude can be selected by setting the relative size of the image of the light emitting unit with respect to the light receiving surface and the setting of the imaging position. In addition, the distance between the reference point and the object to be measured can be increased by using a high-magnification telescope optical system. An LED, a lamp, or the like can be used as the light source, and the configuration of the detection system is simple and no special parts are required.
以上のように、本発明により簡単な構成で低コストに実現でき、変位や振動の測定範囲の調整が容易で、メンテナンスも容易な変位振動検出装置が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a displacement vibration detection device that can be realized with a simple configuration and at low cost, can easily adjust the measurement range of displacement and vibration, and can be easily maintained.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明の第一の実施の形態である変位振動検出装置の構成を示す図である。図1において、第一の実施形態は、建物の一部である構造体1の基準点2に固定された受光部3と、基準点2から離れた場所に位置する被測定物である移動台4の上に固定された発光部5とを有する。受光部3は光検出器6と光検出器6の受光面上に発光部3の像を結像する光学系7とからなり、基準点2と被測定物4の間の相対的な変位または振動を検出する。基準点2と移動台4の距離は数m〜100m程度である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a displacement vibration detecting apparatus according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the first embodiment is a light receiving unit 3 fixed to a
光学系7は望遠鏡構成の光学系であり、その倍率は10〜100倍程度である。発光部5は発光ダイオード(LED)により構成されている。その波長は1.3μm帯、780〜860nmなどの赤外光、650nmなどの可視光であってもよい。発光ダイオードは、ランプに比べ小型軽量、低消費電力、発光面積が小さい、高信頼、変調可能であること、さらにレーザに比べ低コストで放射角度が大きくかつ干渉しないので調整容易であること、等の特徴があり、本発明に使用する光源として適している。
The
光検出器6と光学系7は一体として固定され、その結合部には光検出器6の位置を調整する調整冶具8が設けられている。感度を高めるためには結像点と受光面を高精度に合せる必要があるのでこのような調整機構が必要である。
The
図2は本実施の形態に使用する光検出器6の受光面を示す図であり、光検出器6は図2(a)に示すように受光面20が分割された分割型フォトダイオード16であってもよく、また、図2(b)に示すような単一の受光面を有する通常のフォトダイオード17であってもよい。
FIG. 2 is a view showing a light receiving surface of the
分割型フォトダイオード16を用いる場合は、図2(a)のように、通常、発光部の像11は振動変位がない状態では分割された2つの受光面20の両方にほぼ等しく光量が入射する状態に調整され、変位が生じた場合にはその光量に差が生ずることによりその変位が検出される。このような分割型のフォトダイオードを用いることにより発光部の振動変位量が簡単かつ高精度に電気信号に変換できる。
When the
通常のフォトダイオード17を用いる場合には、図2(b)のように、受光面10に発光部の像11の一部が入射するように調整され、受光光量の変化から変位量を換算する。受光面の形状は0.2mm〜10mm□程度のものを用いることができる。
When a
なお、大きい変位量を検出する場合には発光部5は、その変位に相当する大きさの発光面をもつ光源か又はその変位幅に相当する長さの領域に複数の発光ダイオードを設置すればよい。
If a large amount of displacement is detected, the
ここで光検出器6または光学系7の入射側に発光部5の波長のみを通過する波長フィルターを設置してもよい。この場合、発光部5からの光のみを検出できるので周辺からのノイズ光による測定誤差や感度劣化、不安定性などを回避することができる。
Here, a wavelength filter that passes only the wavelength of the
また、発光部5の発光ダイオードを測定対象とする振動周波数より十分に高い周波数、例えば数百KHz〜10MHz程度で強度変調し、光検出器6により電気信号に変換後に周波数フィルターを通過させることにより、周辺からの同一波長のノイズ光の影響や他の電気ノイズの影響を除くことができ、より高感度、高精度の検出が可能となる。
Further, by intensity-modulating the light-emitting diode of the light-emitting
図3は本実施の形態の変位振動検出装置の全体の構成を示すブロック図である。発光部5と基準点2の距離、光学系7の望遠鏡倍率、光検出器6の感度をもとに発光ダイオードの必要な強度が設定される。光学系7の望遠鏡倍率は発光部5と基準点2の距離、検出すべき振動変位量、光検出器の受光面形状から決定される。光検出器6の位置は調整冶具8によりその感度が最適な位置に調整される。受光素子で電気信号に変換された信号はアンプで増幅され、その信号が表示装置に表示すべき信号レベルや周波数であるかを判別されて表示装置に出力される。なお、受光素子に入射する光が上述のように特定の周波数で変調された光である場合には、アンプの入力前、またはアンプの出力後に周波数フィルターを通過させてノイズを除去する。
FIG. 3 is a block diagram showing the overall configuration of the displacement vibration detecting apparatus of the present embodiment. The required intensity of the light emitting diode is set based on the distance between the
図4は本発明の第二の実施の形態である変位振動検出装置の構成を示す図である。本実施の形態は発光部以外の部分は第一の実施の形態と同様である。図4において、発光部35とは異なる部分である受光部3の近くに設置された光源30と光源30より出射された光を導く光ファイバ31とを有し、発光部35は光ファイバ31により導かれた光が放射される光ファイバ31の端面からなっている。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a displacement vibration detecting apparatus according to the second embodiment of the present invention. This embodiment is the same as the first embodiment except for the light emitting portion. In FIG. 4, a
光源30としては発光ダイオードを用いることができ、光ファイバ31としては、低コストで光源との結合が容易で扱いやすく、かつ端面からの放射角度の大きいプラスチック光ファイバを用いることができる。光ファイバ31の端部は移動台4上に設けたホルダ36により端面を受光部3に向けて固定されている。
A light-emitting diode can be used as the
発光部への電源の供給や電池などが不要となること及び発光部が軽量となるので被測定物への設置が容易となり、また発光部は電気部品を含まないので耐環境性に優れている。ここで、必要な発光量、発光領域を確保するため光ファイバは複数本であってもよい。 Eliminates the need for power supply to the light emitting unit and batteries, and makes the light emitting unit lightweight, making it easy to install on the object to be measured, and the light emitting unit is excellent in environmental resistance because it contains no electrical components. . Here, a plurality of optical fibers may be used in order to secure a necessary light emission amount and light emission region.
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではないことはいうまでもなく、例えば発光部の形状や受光面の形状などは目的に合わせて設計可能である。また、上記実施の形態では、同一の構造物の上に、受光部及び発光部を設置したが、これらを別々の構造物上に設置してもよい。 Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the shape of the light-emitting portion and the shape of the light-receiving surface can be designed according to the purpose. Moreover, in the said embodiment, although the light-receiving part and the light emission part were installed on the same structure, you may install these on a separate structure.
1 構造体
2 基準点
3 受光部
4 移動台
5、35 発光部
6 光検出器
7 光学系
8 調整治具
11 発光部の像
16 分割型フォトダイオード
17 フォトダイオード
10、20 受光面
30 光源
31 光ファイバ
36 ホルダ
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