JP2015145877A - 計数装置、物理量センサ、計数方法および物理量計測方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】計数装置7bは、計数期間中の入力信号の周期を測定して周期の度数分布を作成し、入力信号の周期の分布の代表値を算出し、周期の測定結果について、代表値の0.5倍未満の長さの周期とその直後に測定された周期を合わせた周期を結合後の周期とし、周期を合わせた信号波形を1つの信号の1周期分の波形とすることを、結合後の周期が代表値の0.5倍以上になるまで行い、信号結合の結果から計数期間中の入力信号の周期の度数分布を再度作成して周期の代表値を最新の値に更新し、信号結合の処理後の信号を数え、信号結合の結果から、代表値の0.5倍未満である周期の数の総和Nsと、代表値の(n+0.5)倍以上(n+1.5)倍未満である周期の数の総和Nwnを求め、度数NsとNwnに基づいて計数結果を補正する。
【選択図】 図28
Description
そこで、発明者は、計数期間中のMHPの周期を測定し、測定結果から計数期間中の周期の度数分布を作成し、度数分布からMHPの周期の代表値を算出し、度数分布から、代表値の第1の所定数倍以下である階級の度数の総和Nsと、代表値の第2の所定数倍以上である階級の度数の総和Nwとを求め、これらの度数NsとNwに基づいてMHPの計数結果を補正することにより、計数時の欠落や過剰な計数の影響を除去することができる計数装置を提案した(特許文献2参照)。
しかしながら、特許文献2に開示された計数装置では、短距離測定で信号強度がヒステリシス幅と比較して極端に強い場合、計数装置に入力される信号に2値化のしきい値付近でMHPよりも高周波のノイズによってチャタリングが生じ、短い周期の信号やMHPの本来の周期の半分程度の周期の信号が多発する場合がある。この場合、MHPの本来の周期よりも短い周期が周期の分布の代表値になってしまうので、MHPの計数結果を正しく補正することができず、MHPの計数結果が本来の値よりも例えば数倍大きくなってしまうという問題点があった。
また、本発明の計数装置の1構成例において、前記補正値算出手段は、前記信号計数手段の計数結果をN、前記代表値をT0、前記信号の周期がとり得る最大値をTmaxとしたとき、補正後の計数結果N’を、
また、本発明の計数装置の1構成例において、前記代表値は、中央値、最頻値、平均値、階級値と度数との積が最大となる階級値のうちのいずれか1つである。
また、本発明の計数方法の1構成例において、前記補正値算出手順は、前記信号計数手順の計数結果をN、前記代表値をT0、前記信号の周期がとり得る最大値をTmaxとしたとき、補正後の計数結果N’を、
また、本発明の計数方法の1構成例において、前記代表値は、中央値、最頻値、平均値、階級値と度数との積が最大となる階級値のうちのいずれか1つである。
以下、本発明の参考例について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の参考例に係る振動周波数計測装置の構成を示すブロック図である。
図1の振動周波数計測装置は、測定対象の物体10にレーザ光を放射する半導体レーザ1と、半導体レーザ1の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード2と、半導体レーザ1からの光を集光して放射すると共に、物体10からの戻り光を集光して半導体レーザ1に入射させるレンズ3と、半導体レーザ1を駆動する発振波長変調手段となるレーザドライバ4と、フォトダイオード2の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅部5と、電流−電圧変換増幅部5の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ部6と、フィルタ部6の出力電圧に含まれる自己結合信号であるモードホップパルス(MHP)の数を数える計数装置7と、計数装置7の計数結果に基づいて物体10の振動周波数を求める演算装置8と、演算装置8の計測結果を表示する表示装置9とを有する。
L=qλ/2 ・・・(1)
式(1)において、qは整数である。この現象は、物体10からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザ1の共振器内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。
計数装置7は、フィルタ部6の出力電圧に含まれるMHPの数を第1の発振期間P1と第2の発振期間P2の各々について数える(図5ステップS1)。図6は計数装置7の構成の1例を示すブロック図である。計数装置7は、2値化部71と、論理積演算部(AND)72と、カウンタ73と、計数結果補正部74と、記憶部75とから構成される。電流−電圧変換増幅部5とフィルタ部6と計数装置7の2値化部71とAND72とカウンタ73とは、信号計数手段を構成している。
記憶部75は、カウンタ73の計数結果と半周期測定部740の測定結果を記憶する。
計数装置7は、以上のような処理を第1の発振期間P1と第2の発振期間P2の各々について行う。
If N’u(t)≧N’d(t−1) then D(t)=1 ・・・(3)
If N’u(t)<N’d(t−1) then D(t)=0 ・・・(4)
If N’d(t)≦N’u(t−1) then D(t)=1 ・・・(5)
If N’d(t)>N’u(t−1) then D(t)=0 ・・・(6)
Na’=Na−Nsa+Nwa ・・・(7)
式(7)において、Na’は補正後の計数結果である。この補正後の計数結果Na’は、記憶部80に格納される。補正部86は、このような補正をT時間毎に行う。
本来、2値化出力D(t)の周期は物体10の振動周波数によって異なるが、物体10の振動周波数が不変であれば、2値化出力D(t)のパルスは同じ周期で出現する。しかし、ノイズのために、MHPの波形には欠落が生じたり、信号として数えるべきでない波形が生じたりして、結果として2値化出力D(t)の波形にも欠落や信号として数えるべきでない波形が生じ、2値化出力D(t)のパルスの計数結果に誤差が生じる。
fsig=Na’/T ・・・(8)
表示装置9は、演算装置8が算出した振動周波数fsigの値を表示する。
波長変調(本参考例では三角波変調)を用いた自己結合型のレーザ計測装置においては、各計数期間におけるMHPの数は、物体10との距離に比例したMHPの数と計数期間における物体10の変位(速度)に比例したMHPの数との和もしくは差になる。物体10の振動の最大速度と物体10との距離の比と、半導体レーザ1の波長変化率の大小関係によって、計測装置で得られる信号の状況を以下の2通りに分けることができる。
図18(C)に示すように物体10の速度が小さい箇所163において、例えば外乱光などに起因するホワイトノイズが加わると、2値化出力D(t)の符号が切り替わる箇所164において、2値化出力D(t)の符号が本来の値と逆の値になることがある。また、例えば外乱光などに起因するスパイクノイズが加わると、図18(D)に示すように箇所165において2値化出力D(t)の符号が局所的に反転する。
代表値算出部742が、階級値と度数との積が最大となる階級値を代表値T0とする理由も同様である。つまり、代表値T0として最頻値や中央値を用いるよりも、計数期間において、ある階級の信号が占める割合が最も大きい階級値を代表値T0とした方が、高周波ノイズが存在する場合にはより好ましい。
次に、本発明の第2の参考例について説明する。図23は本参考例の計数装置の構成の1例を示す図である。本参考例は、第1の参考例の計数装置7の代わりに計数装置7aを用いるものである。計数装置7aは、2値化部71と、AND72と、カウンタ73aと、計数結果補正部74aと、記憶部75とから構成される。
図24は本参考例の計数結果補正部74aの構成の1例を示すブロック図である。計数結果補正部74aは、半周期測定部740と、度数分布作成部741aと、代表値算出部742aと、補正値算出部743aと、信号結合部744とから構成される。
第1の参考例と同様に、度数分布作成部741aは、記憶部75に記憶された半周期測定部740の測定結果から計数期間中のMHPの半周期の度数分布を作成する(図25ステップS102)。
続いて、代表値算出部742aは、度数分布作成部741aがステップS106で作成した度数分布から、MHPの半周期の代表値T0を算出する(図25ステップS107)。これにより、記憶部75に格納されている代表値T0は、ステップS107で算出された最新の値に更新される。第1の参考例と同様に、MHPの半周期の最頻値や中央値、あるいは平均値を代表値T0としてもよいし、階級値と度数との積が最大となる階級値を代表値T0としてもよい。
最後に、補正値算出部743aは、信号結合部744の処理結果から、代表値T0の0.5倍未満である半周期の数の総和Nsと、代表値T0の2n倍以上(2n+2)倍未満(nは1以上nmax以下の自然数)である半周期の数の総和Nwnとを求め、カウンタ73aの計数結果Nを式(2)のように補正する(図25ステップS109)。
計数装置7aは、以上のような処理を第1の発振期間P1と第2の発振期間P2の各々について行う。
次に、本発明の第3の参考例について説明する。本参考例においても、計数装置の構成および処理の流れは第2の参考例と同様であるので、図23〜図25の符号を用いて本参考例について説明する。
図25のステップS101〜S103の処理は、第2の参考例と同じである。
半周期測定部740が図27(A)に示すMHPの半周期を測定すると、図27(B)に示すように半周期T1〜T20という測定結果が得られる。この場合、半周期T2,T3,T6〜T14,T16〜T19は代表値T0の0.5倍未満の長さであるため、第1の参考例の計数装置7においてはT10がMHPの半周期として認識されず、計数結果に補正誤差が生じる。
次に、本発明の実施の形態について説明する。図28は本実施の形態の計数装置の構成の1例を示す図である。本実施の形態は、第1の参考例の計数装置7の代わりに計数装置7bを用いるものである。計数装置7bは、2値化部71と、AND72と、カウンタ73bと、計数結果補正部74bと、記憶部75とから構成される。
図29は本実施の形態の計数結果補正部74bの構成の1例を示すブロック図である。計数結果補正部74bは、周期測定部745と、度数分布作成部741bと、代表値算出部742bと、補正値算出部743bと、信号結合部744bとから構成される。
続いて、代表値算出部742bは、度数分布作成部741bがステップS205で作成した度数分布から、MHPの周期の代表値T0を算出する(図30ステップS206)。これにより、記憶部75に格納されている代表値T0は、ステップS206で算出された最新の値に更新される。ステップS203と同様に、MHPの周期の最頻値や中央値、あるいは平均値を代表値T0としてもよいし、階級値と度数との積が最大となる階級値を代表値T0としてもよい。
計数装置7bは、以上のような処理を第1の発振期間P1と第2の発振期間P2の各々について行う。
また、信号が単一周波数でなくても、特定の物理量が計数期間と比較して十分低い周波数で、例えば1/10以下の周波数で振動している対象物の速度のように周期分布の広がりが小さい場合も略単一周波数として本発明の計数装置は有効である。
Claims (8)
- 特定の物理量と信号の数とが線形の関係を有し、前記特定の物理量が一定の場合は略単一周波数となる前記信号を数える計数装置において、
一定の計数期間における入力信号の周期を信号が入力される度に測定する信号周期測定手段と、
この信号周期測定手段の測定結果から前記計数期間中の入力信号の周期の度数分布を作成する度数分布作成手段と、
この度数分布作成手段が作成した度数分布から前記入力信号の周期の分布の代表値を算出する代表値算出手段と、
前記信号周期測定手段の測定結果について、前記代表値の0.5倍未満の長さの周期とその直後に測定された周期とを合わせた周期を結合後の周期とし、周期を合わせた信号波形を1つの信号の1周期分の波形とすることを、結合後の周期が前記代表値の0.5倍以上になるまで行う信号結合手段と、
前記計数期間における前記信号結合手段の処理後の信号を数える信号計数手段と、
前記信号結合手段の処理結果から、前記代表値の0.5倍未満である周期の数の総和Nsと、前記代表値の(n+0.5)倍以上(n+1.5)倍未満(nは1以上の自然数)である周期の数の総和Nwnとを求め、これらの度数NsとNwnに基づいて前記信号計数手段の計数結果を補正する補正値算出手段とを備え、
前記度数分布作成手段は、さらに、前記信号結合手段の処理結果から前記計数期間中の入力信号の周期の度数分布を作成し、
前記代表値算出手段は、前記度数分布作成手段が前記信号結合手段の処理結果から作成した度数分布から、前記入力信号の周期の代表値を算出して代表値を最新の値に更新し、
前記補正値算出手段は、前記代表値算出手段が算出した最新の代表値を用いて前記信号計数手段の計数結果を補正することを特徴とする計数装置。 - 請求項1または2記載の計数装置において、
前記代表値は、中央値、最頻値、平均値、階級値と度数との積が最大となる階級値のうちのいずれか1つであることを特徴とする計数装置。 - 測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第2の発振期間のうち少なくとも一方が繰り返し存在するように前記半導体レーザを動作させる発振波長変調手段と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、
この検出手段の出力信号を入力とし、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々を計数期間として、前記干渉波形の数を数える、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の計数装置と、
この計数装置の計数結果から前記測定対象の物理量を求める演算手段とを備えることを特徴とする物理量センサ。 - 特定の物理量と信号の数とが線形の関係を有し、前記特定の物理量が一定の場合は略単一周波数となる前記信号を数える計数方法において、
一定の計数期間における入力信号の周期を信号が入力される度に測定する信号周期測定手順と、
この信号周期測定手順の測定結果から前記計数期間中の入力信号の周期の度数分布を作成する第1の度数分布作成手順と、
この第1の度数分布作成手順で作成した度数分布から前記入力信号の周期の分布の代表値を算出する第1の代表値算出手順と、
前記信号周期測定手順の測定結果について、前記代表値の0.5倍未満の長さの周期とその直後に測定された周期とを合わせた周期を結合後の周期とし、周期を合わせた信号波形を1つの信号の1周期分の波形とすることを、結合後の周期が前記代表値の0.5倍以上になるまで行う信号結合手順と、
この信号結合手順の処理結果から前記計数期間中の入力信号の周期の度数分布を作成する第2の度数分布作成手順と、
この第2の度数分布作成手順で作成した度数分布から前記入力信号の周期の分布の代表値を算出して代表値を最新の値に更新する第2の代表値算出手順と、
前記計数期間における前記信号結合手順の処理後の信号を数える信号計数手順と、
前記信号結合手順の処理結果から、前記最新の代表値の0.5倍未満である周期の数の総和Nsと、前記最新の代表値の(n+0.5)倍以上(n+1.5)倍未満(nは1以上の自然数)である周期の数の総和Nwnとを求め、これらの度数NsとNwnに基づいて前記信号計数手順の計数結果を補正する補正値算出手順とを備えることを特徴とする計数方法。 - 請求項5または6記載の計数方法において、
前記代表値は、中央値、最頻値、平均値、階級値と度数との積が最大となる階級値のうちのいずれか1つであることを特徴とする計数方法。 - 発振波長が連続的に単調増加する第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第2の発振期間のうち少なくとも一方が繰り返し存在するように半導体レーザを動作させる発振手順と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、
この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える信号抽出手順と、
この信号抽出手順の計数結果から前記測定対象の物理量を求める演算手順とを備え、
前記信号抽出手順は、前記検出手順で得られた出力信号を入力とし、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々を計数期間として、請求項5乃至7のいずれか1項に記載の計数方法を用いることを特徴とする物理量計測方法。
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