JP2017053772A - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変位を増幅させることで微小な変位であっても精度よく測定することが可能な変位測定装置を提供する。
【解決手段】光軸Ｓの直交方向の変位を測定する変位測定装置１である。
そして、レーザー光の照射部２１と、レーザー光を２回反射させることで、入射光路Ｓ１とは光軸の直交方向の位置が異なり、かつ入射光路と略平行な出射光路Ｓ３を生成する直角反射ミラー部３と、測定対象に取り付けられた直角反射ミラー部で反射された出射光路の受光位置の検出が可能なＰＳＤ素子部２２とを備えている。
このＰＳＤ素子部によって検出された受光位置から入射光路と出射光路との距離Ｌ１，Ｌ３が算出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光の光軸の直交方向の変位を測定する変位測定装置に関するものである。

特許文献１に開示されているように、レーザー光と再帰性反射体と反射光検出手段とを組み合わせて、レーザー光の光軸に直交する成分を有する変位量を測定する方法が知られている。

特許文献１では、再帰性反射体に反射率の異なる複数の領域が同心状に設けられており、反射光検出手段となるＰＩＮフォトダイオードで反射光の光量（レベル）を検出することで、再帰性反射体のどの位置で反射が行われたかを算定する構成となっている。

一方、特許文献２には、非接触型振動計を使って構造物の測定を行う場合に、振動計が設置場所から受ける振動や風などの影響を取り除くことが可能な構成が開示されている。これによって、大型の構造物に生じる微動のような非常に小さい振動であっても測定ができるようになる。

また、特許文献３の図４（第３実施例）には、レーザー光発射手段とレーザー光受光手段とを直線的に設置できない場合に、レーザー光の方向を偏向させるためのプリズムを中間に配置することが開示されている。

特開２００６−２６６９７３号公報 特開２００４−１８４３７７号公報 特開２００６−２５８６１３号公報

しかしながら特許文献１の変位量測定方法では、再帰性反射体の異なる反射率の領域の広さによって測定精度が異なり、微小な変位を測定するには不向きな構成となっている。

そこで、本発明は、変位を増幅させることで微小な変位であっても精度よく測定することが可能な変位測定装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の変位測定装置は、光軸の直交方向の変位を測定する変位測定装置であって、レーザー光の照射部と、前記レーザー光を２回又は３回反射させることで、入射光路とは前記光軸の直交方向の位置が異なり、かつ前記入射光路と略平行な出射光路を生成する反射体と、測定対象に取り付けられた前記反射体で反射された前記出射光路の受光位置の検出が可能な光位置検出部とを備え、前記光位置検出部によって検出された受光位置から前記入射光路と前記出射光路との距離が算出されることを特徴とする。

ここで、前記反射体は、前記測定対象の変位が包含される大きさとなるように、直交する２面又は３面の鏡面によって形成されている構成とすることができる。

また、前記照射部と前記光位置検出部とを有するレーザー式計測器には、それ自体の変動を検出する変動計が取り付けられている構成とすることもできる。さらに、前記変動計は、加速度計又は速度計と傾斜計とを有していることが好ましい。

また、前記照射部及び光位置検出部と前記反射体との間に、前記レーザー光の向きを変える偏向レンズ部が配置された構成とすることができる。

このように構成された本発明の変位測定装置は、レーザー光を２回又は３回反射させることで、入射光路とは光軸の直交方向の位置が異なり、かつ入射光路と略平行な出射光路を生成する反射体を備えている。

そして、反射体で反射された出射光路の受光位置は、光位置検出部によって検出される。ここで、測定対象に取り付けられた反射体の光軸の直交方向の実際の変位と比べて増幅された変位が、入射光路と出射光路との距離には反映される。

このように変位を増幅させることで、微小な変位であっても精度よく測定することができるようになる。微小な変位は、そのまま測定すれば、様々な影響を受けやすくなるが、変位を増幅させることによって影響を相対的に小さくすることができれば、測定精度を向上させることができる。

詳細には、測定対象の変位が包含される大きさとなるように、直交する２面又は３面の鏡面によって反射体を形成することで、様々な大きさの変位を測定することができるようになる。

また、照射部と光位置検出部とを有するレーザー式計測器に、それ自体の変動を検出する変動計が取り付けられていれば、振動や風などの影響を除去した測定結果を得ることができる。

さらに、変動計が加速度計又は速度計と傾斜計とを有していれば、レーザー式計測器の変位だけでなく、仰角や俯角などの傾きにおける変動による影響も取り除くことができる。

また、照射部及び光位置検出部と反射体との間に、レーザー光の向きを変える偏向レンズ部を配置することによって、測定対象がどのような場所にあっても、測定しやすい場所でレーザー式計測器による測定を行うことができるようになる。

本実施の形態の変位測定装置の構成及び作用を説明する図である。 直角反射ミラー部が回転したときに測定される距離を説明する図であって、（ａ）は変位測定装置の状態を示した図、（ｂ）は測定される距離が回転の有無に関わらず等しくなることを説明するための図である。 直角反射ミラー部に変位と回転が生じた際に測定される距離を説明する図であって、（ａ）は変位測定装置の状態を示した図、（ｂ）は測定される距離を説明するための図である。 レーザー式計測器に変動が生じない場合の変位測定装置による測定方法を説明する模式図である。 レーザー式計測器に変動が生じる場合の変位測定装置による測定方法を説明する模式図である。 偏向レンズ部が配置された実施例の変位測定装置の全体構成及び測定方法を説明する模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の変位測定装置１の構成及び作用を説明するための図である。この変位測定装置１では、レーザー光の光軸Ｓの直交方向の変位δを測定することができる。

レーザー光の光軸Ｓの直交方向の変位δとは、測定対象に取り付けられた反射体となる直角反射ミラー部３が移動した際の変位量の中で、レーザー光の光軸Ｓの直交方向（図１の左右方向）の成分をいう。

測定対象は、コンクリート構造物、鋼構造物、複合構造物など変位δが生じるものであればいずれの構造及び形態であってもよい。測定対象がコンクリート構造物であれば、例えば鉄筋コンクリート構造物、プレストレストコンクリート構造物又は鋼材とコンクリートとの合成断面の構造物などが該当する。
また、測定対象は、桁部材、梁部材、床版、柱部材、壁部材、橋脚などのいずれの形態であってもよい。

この測定対象の変位δを測定する本実施の形態の変位測定装置１は、レーザー光の照射部２１と、反射されてきたレーザー光の受光位置を検出させる光位置検出部（２２）とによって主に構成されるレーザー式計測器２を備えている。

照射部２１は、後述する反射体となる直角反射ミラー部３に向けて、センサヘッドからレーザー光を照射させる装置である。ここで、レーザー光の光軸Ｓとは、センサヘッドから照射される光線の中心軸を指す。

一方、光位置検出部は、レーザー光などを受光した際に、その受光位置の検出が可能な受光素子である。受光素子としては、ＰＳＤ（Position Sensitive Device）、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)などの素子が使用できる。

ＰＳＤ素子部２２は、ＰＳＤを受光素子として備えた光学式変位センサである。ＰＳＤは、フォトダイオードの表面抵抗を利用したスポット光の位置センサであり、ＰＳＤ素子部２２の受光レンズ（図示省略）を通ってＰＳＤ上に集光されたスポット光に対して、位置に比例した電流が出力される。

ＰＳＤは、ＣＣＤなどとは異なり非分割型であるため、連続した電気信号を得ることができ、位置分解能、応答性などに優れている。このようなＰＳＤの出力値を演算処理することによって、受光位置を算定することができる。

そして、本実施の形態の変位測定装置１は、上述したレーザー式計測器２と、レーザー光を２回反射させる反射体としての直角反射ミラー部３とによって主に構成される。

直角反射ミラー部３は、測定対象の変位δが包含される大きさとなるように、直交する第１鏡面３１と第２鏡面３２という２面の鏡面によって形成される。第１鏡面３１及び第２鏡面３２は、正反射（鏡面反射）を起こさせる鏡面である。

照射部２１から照射されたレーザー光は、入射光路Ｓ１を通って第１鏡面３１に入射される。そして、第１鏡面３１で正反射した入射光路Ｓ１は、反射光路Ｓ２を通って第２鏡面３２に入射される。

さらに、第２鏡面３２で正反射された出射光路Ｓ３は、入射光路Ｓ１と略平行となって、照射部２１に隣接して配置されたＰＳＤ素子部２２によって受光される。

ここで、向きが反対で略平行となる入射光路Ｓ１と出射光路Ｓ３とは、光軸Ｓの直交方向の位置が異なっている。すなわち、変位δが生じる前の直角反射ミラー部３（図１の二点鎖線）によって２回の反射がされるレーザー光は、入射光路Ｓ１と出射光路Ｓ３との間に、光軸直交方向の距離Ｌ１が存在している。

この直角反射ミラー部３は、測定対象に取り付けられる。このため、測定対象に光軸直交方向の変位δが生じると、直角反射ミラー部３にも同じく光軸直交方向の変位δが生じることになる。

そして、直角反射ミラー部３に変位δが生じた後の入射光路Ｓ１と出射光路Ｓ３との間の距離Ｌ３は、変位前の距離より大きくなっている。この変位前後の距離Ｌ１，Ｌ３の差は、２δとなる。

要するに、実際に測定対象に生じた変位δは、２倍に増幅されてレーザー式計測器２によって測定されることになる。この説明において、レーザー式計測器２の位置は不動である。

一方、図２（ａ）に示すように、測定対象（直角反射ミラー部３）が角度θだけ回転することがある。このため、回転が距離Ｌ１，Ｌ３の測定結果に与える影響について検討する。

結論から言えば、図２（ａ）に示すように、光軸直交方向の変位δがない場合では、角度θの回転が直角反射ミラー部３に生じても、入射光路Ｓ１と出射光路Ｓ３との間の光軸直交方向の距離Ｌ１，Ｌ３に変化はない。

図２（ｂ）に示すように、回転前の距離Ｌ１は√２・Ｔ１となり、回転後の距離Ｌ３も√２・Ｔ１となるので、Ｌ１＝Ｌ３となる。すなわち、直角反射ミラー部３によって再帰性反射される入射光路Ｓ１と出射光路Ｓ３との間の光軸直交方向の距離Ｌ１は、直角反射ミラー部３の回転による影響を受けない。

そして、実際の測定対象（直角反射ミラー部３）には、図３（ａ）に示すように、光軸直交方向の変位δと角度θの回転とが同時に生じる。そこで、この状態における入射光路Ｓ１と出射光路Ｓ３との間の光軸直交方向の距離Ｌ１，Ｌ３の差について検証する。

図３（ｂ）は、変動前後の距離Ｌ１，Ｌ３の関係を導くための図解と関係式を示している。それぞれで検証した結果から推定できるように、入射光路Ｓ１と出射光路Ｓ３との間の光軸直交方向の距離Ｌ１，Ｌ３は、直角反射ミラー部３の回転による影響は受けず、光軸直交方向の変位δのみが２倍に増幅されて加算される。
Ｌ３＝Ｌ１＋２δ （式１）

続いて、本実施の形態の変位測定装置１を使用した変位測定方法について説明する。図４に、両端が支点Ｍ２，Ｍ２で支持された測定対象となる梁Ｍ１の模式図を示した。

この梁Ｍ１の下面側には、直角反射ミラー部３が取り付けられる。この梁Ｍ１は、載荷によって上下に撓む部材で、この撓みによって光軸直交方向の変位δ_ｔと角度θ_ｔの回転が直角反射ミラー部３には生じることになる。

そして、直角反射ミラー部３に向けてレーザー光の照射が可能となる位置には、レーザー式計測器２が設置される。このレーザー式計測器２は、照射されるレーザー光（光軸Ｓ）の仰角がθ_０となる角度で、直角反射ミラー部３までの距離がＬ_Ｌとなる位置に設置される。

さらに、前提として、設置されたレーザー式計測器２には、変動が生じないものとする。すなわち、レーザー式計測器２は、設置面の振動や風などの様々な影響を受けない、又は作用する振動等が無視できるほど小さいものとする。

このような条件下に設置されたレーザー式計測器２を備えた変位測定装置１によって、光軸直交方向の変位δ_ｔの測定を行う。まずは、変位δ_ｔが生じる前の入射光路Ｓ１と出射光路Ｓ３との間の光軸直交方向の距離Ｌ１を、基準値とするために測定する。

続いて、載荷によって梁Ｍ１が撓んでいる状態のときに、直角反射ミラー部３によって再帰性反射される入射光路Ｓ１と出射光路Ｓ３との間の光軸直交方向の距離Ｌ３を測定する。

そして、変動時に測定された距離Ｌ３と、基準値とした距離Ｌ１とを、上記（式１）に代入して、直角反射ミラー部３の変位δ_ｔを算出する。
δ_ｔ＝（Ｌ３−Ｌ１）／２ （式２）
ここで、直角反射ミラー部３が角度θ_ｔで回転していても、変位δ_ｔの測定結果に影響はない。

この変位測定装置１によって測定された変位δ_ｔは、水平面と光軸Ｓとがなす仰角θ_０を使って、梁Ｍ１の鉛直変位δ_ｙ又は水平変位δ_ｘに変換することができる。
δ_ｙ＝δ_ｔ・cosθ_０ （式３）
δ_ｘ＝δ_ｔ・sinθ_０ （式４）

これに対して図５には、レーザー式計測器２Ａ自体が、設置面となる地上面からの振動を受けたり風を受けたりして、変動する場合の変位測定装置１Ａの構成を示した。

測定対象となる変位δ_ｔが常時微動測定などの微小な場合は、レーザー式計測器２Ａ自体に生じる変動が微小であっても、その影響を無視すれば誤差が大きくなってしまう。そこで、振動などの影響を取り除くために、レーザー式計測器２Ａに変動計４を取り付ける。

この変動計４には、加速度計又は速度計と傾斜計とが備えられている。加速度計又は速度計及び傾斜計には、微小振動などの検出が可能な微動センサが使用される。例えば、低周波域での感度の高い小型微動測定用のサーボ型速度計を、速度計として利用することができる。

そして、変動計４の加速度計又は速度計によって検出された値を積分することで、レーザー式計測器２Ａの光軸直交方向の変位δ_ｒを算出する。また、変動計４の傾斜計によって検出された値から、レーザー式計測器２の回転角θ_ｒを算出する。

このように微振動などが起きる条件下に設置されたレーザー式計測器２Ａを備えた変位測定装置１Ａによって、直角反射ミラー部３の光軸直交方向の変位δ_ｔの測定を行う。

まず、変位δ_ｔが生じる前の入射光路Ｓ１と出射光路Ｓ３との間の光軸直交方向の距離Ｌ１を、基準値とするために測定する。また、レーザー距離計などを使って、レーザー式計測器２Ａと直角反射ミラー部３との距離Ｌ_Ｌを測定しておく。

続いて、載荷によって梁Ｍ１が撓んでいる状態のときに、直角反射ミラー部３によって再帰性反射される入射光路Ｓ１と出射光路Ｓ３との間の光軸直交方向の距離Ｌ３を測定する。

また、レーザー式計測器２Ａに取り付けられた変動計４では、レーザー式計測器２Ａの光軸直交方向の変位δ_ｒと、レーザー式計測器２Ａの回転角θ_ｒとを測定する。この変動計４による測定は、距離Ｌ３の測定と同期して行われる。

そして、基準値とした距離Ｌ１と、変動時に測定された距離Ｌ３と、その時のレーザー式計測器２Ａ自体の変位δ_ｒ及び回転角θ_ｒと、レーザー式計測器２Ａと直角反射ミラー部３との距離Ｌ_Ｌとから、上記（式１）に基づいて直角反射ミラー部３の変位δ_ｔを算出する。
δ_ｔ＝（Ｌ３−Ｌ１）／２＋δ_ｒ＋θ_ｒ・Ｌ_Ｌ （式５）

また、この変位測定装置１Ａによって測定された変位δ_ｔは、光軸Ｓの仰角θ_０を使って、上記（式３），（式４）に示した式により、梁Ｍ１の鉛直変位δ_ｙ及び水平変位δ_ｘに変換することができる。

次に、本実施の形態の変位測定装置１，１Ａの作用について説明する。
このように構成された本実施の形態の変位測定装置１，１Ａは、レーザー光を２回反射させることで、入射光路Ｓ１とは光軸Ｓの直交方向の位置が異なり、かつ入射光路Ｓ１と略平行な出射光路Ｓ３を生成する直角反射ミラー部３を備えている。

そして、直角反射ミラー部３で反射された出射光路Ｓ３の受光位置は、ＰＳＤ素子部２２によって正確な位置として検出される。ここで、測定対象に取り付けられた直角反射ミラー部３の光軸Ｓの直交方向の実際の変位δと比べて増幅された変位２δが、入射光路Ｓ１と出射光路Ｓ３との距離Ｌ３に反映される。

このように変位δを２倍に増幅させることで、微小な変位δであっても精度よく測定することができるようになる。微小な変位δは、そのまま測定すれば、様々な影響を受けやすくなるが、変位δを２倍に増幅させることによって影響を相対的に小さくすることができれば、測定精度を向上させることができる。

詳細には、測定対象の変位δが生じる前後で、図１に示すように、入射光路Ｓ１、第１鏡面３１での正反射、反射光路Ｓ２、第２鏡面３２での正反射、ＰＳＤ素子部２２による受光が成立する大きさとなるように、直交する２面の鏡面（３１，３２）によって直角反射ミラー部３を形成することで、様々な大きさの変位δを測定することができるようになる。

また、照射部２１とＰＳＤ素子部２２とを有するレーザー式計測器２Ａに、それ自体の変動を検出する変動計４が取り付けられていれば、振動や風などの影響を除去した測定結果を得ることができる。

すなわち変動計４が加速度計又は速度計と傾斜計とを有していれば、レーザー式計測器２Ａの変位δ_ｒだけでなく、仰角θ_０や俯角などの傾きにおけるレーザー式計測器２Ａの回転角θ_ｒなどの変動による影響も取り除くことができる。

以下、前記した実施の形態とは別の形態について、図６を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については、同一用語又は同一符号を付して説明する。

前記実施の形態では、レーザー式計測器２，２Ａの照射部２１から照射したレーザー光を、直角反射ミラー部３の第１鏡面３１に直接、当てることができる場合について説明した。
本実施例では、照射部２１から照射したレーザー光を、直角反射ミラー部３の第１鏡面３１に直接、当てることができない場合について説明する。

図６には、コンクリート構造物であるＲＣ桁６を、測定対象として例示している。このＲＣ桁６は、橋梁６０において、橋脚６２，６２間に架け渡される鉄筋コンクリート製の長尺部材である。この橋梁６０のＲＣ桁６に対する載荷は、例えば列車Ｔの走行によって行われる。

列車Ｔの走行によってＲＣ桁６に載荷がされると、ＲＣ桁６の上面６ａが圧縮側となり、下面６ｂが引張側となる曲げが生じる。この曲げ（ＲＣ桁６の撓み）によって生じる光軸Ｓの直交方向の変位δを、直角反射ミラー部３が取り付けられた位置で測定する。ここで、変位δの基準となる光軸Ｓの方向は、直角反射ミラー部３に入射される直前の方向を指す。

本実施例の変位測定装置１Ｂでは、レーザー式計測器２Ａと直角反射ミラー部３との間に、レーザー光の光軸Ｓの向きを変える偏向レンズ部５が配置される。詳細には、偏向レンズ部５は、ＲＣ桁６の下面６ｂに取り付けられる。

偏向レンズ部５は、プリズム５１と、プリズム５１の角度を変更することが可能な回動基台５２とによって主に構成される。地上面６１に設置されたレーザー式計測器２Ａから仰角θ_０で偏向レンズ部５に向けて照射されたレーザー光（光軸Ｓ）は、プリズム５１によってＲＣ桁６の下面６ｂと略平行する向きに偏向される。

そして、ＲＣ桁６の下面６ｂと略平行する向きの光軸Ｓとなったレーザー光は、直角反射ミラー部３の第１鏡面３１に入射される。なお、偏向レンズ部５のプリズム５１の向きは、レーザー式計測器２Ａの設置後に調整することができる。

このようにして、偏向レンズ部５に向けてレーザー光の照射が可能となる位置にレーザー式計測器２Ａが設置された変位測定装置１Ｂによって、変位δが生じる前の入射光路Ｓ１と出射光路Ｓ３との間の光軸直交方向の距離Ｌ１を基準値として測定する。

続いて、橋梁６０のＲＣ桁６に対して、列車Ｔを走行させる。この列車Ｔの走行によってＲＣ桁６には曲げが生じ、それに伴って変位δが発生することになる。

また、列車Ｔの走行による微小な振動が、橋脚６２から地上面６１を介してレーザー式計測器２Ａに伝達された場合は、変動計４によってレーザー式計測器２Ａ自体に生じる微小変動（変位δ_ｒ，回転角θ_ｒ）が測定される。

このように、レーザー式計測器２Ａと直角反射ミラー部３との間に、レーザー光の光軸Ｓの向きを変える偏向レンズ部５を配置することによって、測定対象となるどのような場所に直角反射ミラー部３が取り付けられても、測定しやすい場所でレーザー式計測器２Ａによる測定を行うことができる。
なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態及び実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば前記実施の形態では、レーザー光を２回反射させる直角反射ミラー部３について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、プリズム反射材（コーナーキューブ）、ガラスビーズなどの再帰性反射材を反射体として使用することもできる。３枚の直角三角形の鏡面によって構成される三角錐状のプリズム反射材は、再帰性反射させるためにレーザー光を内部で３回反射させる。

また、前記実施例では、列車Ｔの通過による載荷で発生した変位δを測定する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、自動車や地震動や風などが荷重として載荷される場合であってもよい。

１，１Ａ，１Ｂ 変位測定装置
２，２Ａ レーザー式計測器
２１ 照射部
２２ ＰＳＤ素子部（光位置検出部）
３ 直角反射ミラー部（反射体）
３１ 第１鏡面
３２ 第２鏡面
４ 変動計
５ 偏向レンズ部
６ ＲＣ桁（測定対象）
Ｓ 光軸
Ｓ１ 入射光路
Ｓ３ 出射光路
Ｍ１ 梁（測定対象）
Ｌ１，Ｌ３ （入射光路と出射光路との）距離

Claims (5)

1. 光軸の直交方向の変位を測定する変位測定装置であって、
   レーザー光の照射部と、
   前記レーザー光を２回又は３回反射させることで、入射光路とは前記光軸の直交方向の位置が異なり、かつ前記入射光路と略平行な出射光路を生成する反射体と、
   測定対象に取り付けられた前記反射体で反射された前記出射光路の受光位置の検出が可能な光位置検出部とを備え、
   前記光位置検出部によって検出された受光位置から前記入射光路と前記出射光路との距離が算出されることを特徴とする変位測定装置。
2. 前記反射体は、前記測定対象の変位が包含される大きさとなるように、直交する２面又は３面の鏡面によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
3. 前記照射部と前記光位置検出部とを有するレーザー式計測器には、それ自体の変動を検出する変動計が取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の変位測定装置。
4. 前記変動計は、加速度計又は速度計と傾斜計とを有していることを特徴とする請求項３に記載の変位測定装置。
5. 前記照射部及び光位置検出部と前記反射体との間に、前記レーザー光の向きを変える偏向レンズ部が配置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の変位測定装置。