JP2570222B2 - 信号処理装置 - Google Patents
信号処理装置Info
- Publication number
- JP2570222B2 JP2570222B2 JP63239738A JP23973888A JP2570222B2 JP 2570222 B2 JP2570222 B2 JP 2570222B2 JP 63239738 A JP63239738 A JP 63239738A JP 23973888 A JP23973888 A JP 23973888A JP 2570222 B2 JP2570222 B2 JP 2570222B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- noise component
- signal waveform
- fuzzy inference
- calculating
- displacement
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- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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- Indication And Recording Devices For Special Purposes And Tariff Metering Devices (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は,ノイズ成分を含む信号波形を入力し,ノ
イズ成分を除去して得られる信号波形を導く信号処理装
置に関する。一例としてこの発明は,レーザ光を物体に
照射し,その反射光に基づいて物体までの距離(変位)
を計測するレーザ変位計において用いられる信号処理装
置,すなわち物体表面の微少な形状変化による反射光の
偏向雑音をファジィ推論により低減する補正装置に関す
る。
イズ成分を除去して得られる信号波形を導く信号処理装
置に関する。一例としてこの発明は,レーザ光を物体に
照射し,その反射光に基づいて物体までの距離(変位)
を計測するレーザ変位計において用いられる信号処理装
置,すなわち物体表面の微少な形状変化による反射光の
偏向雑音をファジィ推論により低減する補正装置に関す
る。
レーザ変位計は被測定物にレーザ光を照射し,その反
射光をPSDなどの受光素子上に結像させ,この決像位置
を検出し,三角測量の原理により変位を求めている。し
かしながら被測定物の表面には材質や加工状態で微少な
凹凸があり,レーザ反射光を微少に偏向させ計測雑音源
となっている。この雑音パターンは被測定物の表面状態
に起因する。したがって,被測定物を移動させながら連
続的に変位を計測する場合,移動速度によって雑音成分
の周波数が変動するため,固定された周波数特性をもつ
フィルタ回路ではこの雑音成分を除去できず,雑音を含
んだ計測出力しか得られないので測定精度を上げられな
いという問題点がある。
射光をPSDなどの受光素子上に結像させ,この決像位置
を検出し,三角測量の原理により変位を求めている。し
かしながら被測定物の表面には材質や加工状態で微少な
凹凸があり,レーザ反射光を微少に偏向させ計測雑音源
となっている。この雑音パターンは被測定物の表面状態
に起因する。したがって,被測定物を移動させながら連
続的に変位を計測する場合,移動速度によって雑音成分
の周波数が変動するため,固定された周波数特性をもつ
フィルタ回路ではこの雑音成分を除去できず,雑音を含
んだ計測出力しか得られないので測定精度を上げられな
いという問題点がある。
発明の概要 この発明は,ノイズ成分を含む信号波形からファジィ
推論により雑音を除いた信号波形を推定することによ
り,比較的高精度の雑音を除いた信号波形の推定を可能
とする信号処理装置を提供することを目的とする。
推論により雑音を除いた信号波形を推定することによ
り,比較的高精度の雑音を除いた信号波形の推定を可能
とする信号処理装置を提供することを目的とする。
またこの発明は,レーザ変位計の出力波形からファジィ
推論により雑音を除いた変位を推定して出力を補正する
ことにより,比較的高精度の測定を可能とする補正装置
を提供することを目的とする。
推論により雑音を除いた変位を推定して出力を補正する
ことにより,比較的高精度の測定を可能とする補正装置
を提供することを目的とする。
この発明の信号処理装置は,入力されたノイズ成分を
含む信号波形からノイズ成分を除去して得られる信号波
形を導く所定の演算式を演算する演算手段,上記ノイズ
成分を含む信号波形からファジィ推論のための入力パラ
メータを抽出する手段,および上記抽出手段によって抽
出されたパラメータを入力し,あらかじめ定められたル
ールと上記パラメータのメンバーシップ関数および上記
演算式で用いる係数のメンバーシップ関数とに基づいて
上記係数を演算して上記演算手段に与えるファジィ推論
手段を備えていることを特徴とする。
含む信号波形からノイズ成分を除去して得られる信号波
形を導く所定の演算式を演算する演算手段,上記ノイズ
成分を含む信号波形からファジィ推論のための入力パラ
メータを抽出する手段,および上記抽出手段によって抽
出されたパラメータを入力し,あらかじめ定められたル
ールと上記パラメータのメンバーシップ関数および上記
演算式で用いる係数のメンバーシップ関数とに基づいて
上記係数を演算して上記演算手段に与えるファジィ推論
手段を備えていることを特徴とする。
この発明によると,上記ファジィ推論手段によって推
論された係数を用いて所定の演算式によりノイズ成分を
除去した信号波形が得られるので,比較的高精度にノイ
ズ成分が除去された信号波形が得られる。
論された係数を用いて所定の演算式によりノイズ成分を
除去した信号波形が得られるので,比較的高精度にノイ
ズ成分が除去された信号波形が得られる。
この発明によるレーザ変位計の出力補正装置は,レー
ザ光を被測定物に照射し,その反射光に基づいて被測定
物の変位量を表わす信号を出力するレーザ変位計におい
て,被測定物の変位量を表わすノイズ成分を含む信号波
形からノイズ成分を除去して得られる推定変位量を表わ
す信号波形を導く所定の演算式を演算する演算手段,上
記ノイズ成分を含む信号波形からファジィ推論のための
入力パラメータを抽出する手段,ならびに上記抽出手段
によって抽出されたパラメータを入力し,あらかじめ定
められたルールと,上記パラメータおよび上記演算式で
用いる係数のそれぞれのメンバーシップ関数とに基づい
て上記係数を演算して上記演算手段に与えるファジィ推
論手段を備えていることを特徴とする。
ザ光を被測定物に照射し,その反射光に基づいて被測定
物の変位量を表わす信号を出力するレーザ変位計におい
て,被測定物の変位量を表わすノイズ成分を含む信号波
形からノイズ成分を除去して得られる推定変位量を表わ
す信号波形を導く所定の演算式を演算する演算手段,上
記ノイズ成分を含む信号波形からファジィ推論のための
入力パラメータを抽出する手段,ならびに上記抽出手段
によって抽出されたパラメータを入力し,あらかじめ定
められたルールと,上記パラメータおよび上記演算式で
用いる係数のそれぞれのメンバーシップ関数とに基づい
て上記係数を演算して上記演算手段に与えるファジィ推
論手段を備えていることを特徴とする。
この発明によると,上記ファジィ推論手段によって推
論された係数を用いて所定の演算式によりノイズ成分を
除去した推定変位量を表わす信号が得られるので,被測
定物表面の微細な凹凸に基づくノイズ成分を取除き,測
定精度を向上することができる。
論された係数を用いて所定の演算式によりノイズ成分を
除去した推定変位量を表わす信号が得られるので,被測
定物表面の微細な凹凸に基づくノイズ成分を取除き,測
定精度を向上することができる。
実施例の説明 第1図はレーザ変位計の概要構成を示している。
レーザ変位計のセンサ・ヘッド10内には半導体レーザ
11,投光レンズ,受光レンズおよび位置検出素子(PSD)
が設けられている。半導体レーザ11はその駆動回路13に
よって駆動される。半導体レーザ11から出射されたレー
ザ・ビームは投光レンズを通り,細く絞られて被測定物
Ojの表面にレーザ・スポットを形成する。被測定物Ojの
表面のレーザ・スポットは,この表面で乱反射(拡散反
射)され,その一部が集光レンズにより位置検出素子12
上の一点に像を結ぶ。この状態から被測定物Ojが矢印A
方向に変位すると,受光レンズに入射する光の光軸がず
れるために位置検出素子12上に結ぶ像は矢印B方向に変
化する。位置検出素子12の出力は増幅器,各種演算回路
を含む処理回路14に与えられ,被測定物Ojの変位を表わ
す信号として出力される。この処理回路14の出力がこの
発明による出力補正装置20に入力し,後述する補正を加
えられたのち最終的な補正出力として出力される。
11,投光レンズ,受光レンズおよび位置検出素子(PSD)
が設けられている。半導体レーザ11はその駆動回路13に
よって駆動される。半導体レーザ11から出射されたレー
ザ・ビームは投光レンズを通り,細く絞られて被測定物
Ojの表面にレーザ・スポットを形成する。被測定物Ojの
表面のレーザ・スポットは,この表面で乱反射(拡散反
射)され,その一部が集光レンズにより位置検出素子12
上の一点に像を結ぶ。この状態から被測定物Ojが矢印A
方向に変位すると,受光レンズに入射する光の光軸がず
れるために位置検出素子12上に結ぶ像は矢印B方向に変
化する。位置検出素子12の出力は増幅器,各種演算回路
を含む処理回路14に与えられ,被測定物Ojの変位を表わ
す信号として出力される。この処理回路14の出力がこの
発明による出力補正装置20に入力し,後述する補正を加
えられたのち最終的な補正出力として出力される。
レーザ変位計は実際には,第2図に示すように,面方
向Apに連続的に移動する被測定物Ojのセンサ・ヘッド10
からの変位量を測定するために使用される場合が多い。
被測定物Ojの表面は第2図に誇張して描かれているよう
に微細な凹凸がある。このために処理回路14からの出力
は,第3図および第4図に示すように,被測定物Ojの表
面の粗さに起因するノイズが重畳した波形となる。これ
らの図において横軸は時間,縦軸はセンサ・ヘッド10に
対する変位量である。破線で示す曲線がノイズ成分が除
去して得られる推定変位量である。第3図は被測定物Oj
の面方向Apへの移動速度が速い場合を,第4図は移動速
度が遅い場合をそれぞれ示している。ノイズ成分の振幅
の程度は加工状態や材質によるが,いずれも反射光の散
乱状況が微妙に変化するためである。これはホワイト・
ノイズとは異なり位置による再現性がある。
向Apに連続的に移動する被測定物Ojのセンサ・ヘッド10
からの変位量を測定するために使用される場合が多い。
被測定物Ojの表面は第2図に誇張して描かれているよう
に微細な凹凸がある。このために処理回路14からの出力
は,第3図および第4図に示すように,被測定物Ojの表
面の粗さに起因するノイズが重畳した波形となる。これ
らの図において横軸は時間,縦軸はセンサ・ヘッド10に
対する変位量である。破線で示す曲線がノイズ成分が除
去して得られる推定変位量である。第3図は被測定物Oj
の面方向Apへの移動速度が速い場合を,第4図は移動速
度が遅い場合をそれぞれ示している。ノイズ成分の振幅
の程度は加工状態や材質によるが,いずれも反射光の散
乱状況が微妙に変化するためである。これはホワイト・
ノイズとは異なり位置による再現性がある。
測定精度を向上させるためにはこのノイズ成分を低減
する必要があるが,ノイズ成分は位置に依存するので,
被対象物Ojの移動速度に応じて,第3図と第4図との対
比から明らかなように横軸が圧縮または伸長されること
になり,一定の周波数特性のフィルタ回路を用いてノイ
ズ低減が困難である。ところが注目すべきことは,人間
は第3図,第4図の波形を観測することにより被対象物
の推定変位量を読みとることがえきる。このような人間
による推論過程をファジィ推論を用いて行ない,最終的
に推定変位量を表わす信号を出力するのが出力補正装置
20である。
する必要があるが,ノイズ成分は位置に依存するので,
被対象物Ojの移動速度に応じて,第3図と第4図との対
比から明らかなように横軸が圧縮または伸長されること
になり,一定の周波数特性のフィルタ回路を用いてノイ
ズ低減が困難である。ところが注目すべきことは,人間
は第3図,第4図の波形を観測することにより被対象物
の推定変位量を読みとることがえきる。このような人間
による推論過程をファジィ推論を用いて行ない,最終的
に推定変位量を表わす信号を出力するのが出力補正装置
20である。
第5図は処理回路14から出力される信号波形を拡大し
て示すものである。ここでPn-1,Pn,Pn+1,…は変位量の
極値を示し,Cn-1,Cn,Cn+1,…は変位量の推定値を示して
いる。
て示すものである。ここでPn-1,Pn,Pn+1,…は変位量の
極値を示し,Cn-1,Cn,Cn+1,…は変位量の推定値を示して
いる。
今回の推定値Cnは,前回の推定値Cn-1と,前回および
今回の極値Pn-1,Pnとを用いて次式で表現できる。
今回の極値Pn-1,Pnとを用いて次式で表現できる。
Cn=Cn-1+Kn[(Pn+Pn-1)/2−Cn-1] …(1) ここでKnはダンピング・ファクタに相当する補正係数
であり, 0≦Kn≦1 の範囲の値をとる。
であり, 0≦Kn≦1 の範囲の値をとる。
第(1)式において補正係数Knがファジィ推論により
求められる。このファジィ推論のために次のような入力
パラメータDnが定義される。
求められる。このファジィ推論のために次のような入力
パラメータDnが定義される。
Dn=Pn−Pn-1 パラメータDnは隣接する極値の差である。
第6図は出力補正装置20の構成例を示している。この
回路はディスクリートな回路素子により構成されている
ように表現されているが,もちろんディジタル・コンピ
ュータを用いたソフトウェア処理によっても実現できる
のはいうまでもない。
回路はディスクリートな回路素子により構成されている
ように表現されているが,もちろんディジタル・コンピ
ュータを用いたソフトウェア処理によっても実現できる
のはいうまでもない。
処理回路14の出力は微分回路21で微分され,極値検出
回路22に与えられ,ここで入力信号の微分値が0になる
ことにより極値Pnが検出される。サンプルホールド回路
24はこの極値検知タイミングによりサンプルホールド回
路23の出力をホールドする。一方サンプルホールド回路
23へは極値Pnの検知タイミングが,サンプルホールド回
路24のサンプル期間だけ遅延回路25により遅延されて与
えられ,処理回路14の出力をサンプルホールドする。こ
の結果つぎの極値Pn+1の検知タイミングまえはサンプル
ホールド回路23には今回の極値Pn検知時の,サンプルホ
ールド回路24には前回の極値Pn-1の検知時のタイミング
における処理回路14の出力値がそれぞれホールドされる
ことになる。
回路22に与えられ,ここで入力信号の微分値が0になる
ことにより極値Pnが検出される。サンプルホールド回路
24はこの極値検知タイミングによりサンプルホールド回
路23の出力をホールドする。一方サンプルホールド回路
23へは極値Pnの検知タイミングが,サンプルホールド回
路24のサンプル期間だけ遅延回路25により遅延されて与
えられ,処理回路14の出力をサンプルホールドする。こ
の結果つぎの極値Pn+1の検知タイミングまえはサンプル
ホールド回路23には今回の極値Pn検知時の,サンプルホ
ールド回路24には前回の極値Pn-1の検知時のタイミング
における処理回路14の出力値がそれぞれホールドされる
ことになる。
減算回路26は,Dn=Pn−Pn-1の減算を行ないパラメー
タDnを算出する。一方減算回路26の出力は遅延回路27に
より遅延されるので,この遅延時間中は遅延回路27の出
力は前回のパラメータDn-1に相当する信号となる。これ
らのパラメータDn,Dn-1を表わす信号はファジィ推論部2
8に入力され第(1)式の補正係数Knを推定するのに用
いられる。
タDnを算出する。一方減算回路26の出力は遅延回路27に
より遅延されるので,この遅延時間中は遅延回路27の出
力は前回のパラメータDn-1に相当する信号となる。これ
らのパラメータDn,Dn-1を表わす信号はファジィ推論部2
8に入力され第(1)式の補正係数Knを推定するのに用
いられる。
一方,極値Pn,Pn-1を表わす信号は加算回路29で相互
に加算されたのち除算回路30で1/2にされ,さらに減算
回路31に与えられる。減算回路31にはサンプルホールド
回路32から前回の推定値Cn-1を表わす信号が入力されて
おり,ここで(Pn+Pn-1)/2−Cn-1の演算が行なわれ
る。この出力が乗算回路33に入力され,ファジィ推論部
28で求められた補正係数Knと乗算されたのち加算回路34
に与えられ第(1)式の演算が行なわれて今回の推定値
Cnが求められる。遅延回路35は,Pnの検知タイミング後,
Cnが出力されるまでの所要時間を遅延させるためのもの
で,サンプルホールド回路32でサンプルホールドするタ
イミングを供給する。サンプルホールド回路32の出力は
Pn検知タイミングごとの離散値なものとなっているの
で,低減通過フィルタ(LPF)36により平滑化を行なう
ことにより最終補正出力が生成される。
に加算されたのち除算回路30で1/2にされ,さらに減算
回路31に与えられる。減算回路31にはサンプルホールド
回路32から前回の推定値Cn-1を表わす信号が入力されて
おり,ここで(Pn+Pn-1)/2−Cn-1の演算が行なわれ
る。この出力が乗算回路33に入力され,ファジィ推論部
28で求められた補正係数Knと乗算されたのち加算回路34
に与えられ第(1)式の演算が行なわれて今回の推定値
Cnが求められる。遅延回路35は,Pnの検知タイミング後,
Cnが出力されるまでの所要時間を遅延させるためのもの
で,サンプルホールド回路32でサンプルホールドするタ
イミングを供給する。サンプルホールド回路32の出力は
Pn検知タイミングごとの離散値なものとなっているの
で,低減通過フィルタ(LPF)36により平滑化を行なう
ことにより最終補正出力が生成される。
ファジィ推論部28はファジィ推論ないしはファジィ演
算を実行するいかなるタイプの装置で実現してもよい。
すなわち,ファジィ推論のための専用ディバイス(アナ
ログ・タイプ・ディジタル・タイプを問わず)(たとえ
ば「日経エレクトロニクス」1987年7月27日,第148頁
〜第152頁,日経マグロウヒル社を参照)のみならず,
ファジィ推論を実行するようにプログラムされたバイナ
リィ・タイプのコンピュータ,プロセッサ等により実現
される。
算を実行するいかなるタイプの装置で実現してもよい。
すなわち,ファジィ推論のための専用ディバイス(アナ
ログ・タイプ・ディジタル・タイプを問わず)(たとえ
ば「日経エレクトロニクス」1987年7月27日,第148頁
〜第152頁,日経マグロウヒル社を参照)のみならず,
ファジィ推論を実行するようにプログラムされたバイナ
リィ・タイプのコンピュータ,プロセッサ等により実現
される。
補正係数Knの推論のために次の事項が前提となってい
る。
る。
(1)ノイズ変位は位置に依存し,被対象物の移動速度
には影響されない。
には影響されない。
(2)ノイズパターンは被対象物の材質や加工状態によ
り変化するが,周期性がある。
り変化するが,周期性がある。
(3)被対象物の移動速度を測定する手段は用意されな
い。
い。
(4)人間は観測波形のノイズ分を無意識に丸めてい
る。
る。
ファジィ推論のために,入力パラメータDn,Dn-1およ
び推論されるべき補正係数Knに対して,たとえばPL(正
の大きな値),PM(正の中位な値),PS(正の小さな
値),ZR(零付近の値),NS(負の小さな値),NM(負の
中位な値)およびNL(負の大きな値)という言語情報が
用意され,これらの言語情報はたとえば第7図に示すよ
うなメンバーシップ関数によって表現される。そして,
ファジィ推論のためのルールとして第8図に示すような
ルールが用意される。第8図はたとえば, DnがNLでかつDn-1がPLならばKnをPLとせよ DnがNMでかつDn-1がPLならばKnをNSとせよ DnがNSでかつDn-1がPLならばKnをNSとせよ というようなルール(If−thenルール)を表わしてい
る。第8図には18個のルールが示されているがもちろん
これらのルールのいくつかのみを抽出して用いることが
できる。
び推論されるべき補正係数Knに対して,たとえばPL(正
の大きな値),PM(正の中位な値),PS(正の小さな
値),ZR(零付近の値),NS(負の小さな値),NM(負の
中位な値)およびNL(負の大きな値)という言語情報が
用意され,これらの言語情報はたとえば第7図に示すよ
うなメンバーシップ関数によって表現される。そして,
ファジィ推論のためのルールとして第8図に示すような
ルールが用意される。第8図はたとえば, DnがNLでかつDn-1がPLならばKnをPLとせよ DnがNMでかつDn-1がPLならばKnをNSとせよ DnがNSでかつDn-1がPLならばKnをNSとせよ というようなルール(If−thenルール)を表わしてい
る。第8図には18個のルールが示されているがもちろん
これらのルールのいくつかのみを抽出して用いることが
できる。
ファジィ推論部28は入力パラメータDn,Dn-1をこれら
のルールに適用して,たとえばMIN/MAX演算により補正
係数Knのメンバーシップ関数を演算し,これをデファジ
ファイアにより非ファジィ化して出力する。
のルールに適用して,たとえばMIN/MAX演算により補正
係数Knのメンバーシップ関数を演算し,これをデファジ
ファイアにより非ファジィ化して出力する。
第1図はレーザ変位計の全体構成の概要を示す構成図,
第2図は被測定物表面を拡大して示すものであり,第3
図および第4図はノイズ成分を含む変位量を表わす信号
波形を示す波形図,第5図は上記信号波形のモデルを示
す波形図,第6図は出力補正装置の構成例を示すブロッ
ク図,第7図はメンバーシップ関数の例を示すグラフ,
第8図はファジィ推論のためのルールを示すテーブルで
ある。 10……センサ・ヘッド, 14……処理回路, 20……出力補正装置, 26,31……減算回路, 28……ファジィ推論部, 29,34……加算回路, 33……乗算回路。
第2図は被測定物表面を拡大して示すものであり,第3
図および第4図はノイズ成分を含む変位量を表わす信号
波形を示す波形図,第5図は上記信号波形のモデルを示
す波形図,第6図は出力補正装置の構成例を示すブロッ
ク図,第7図はメンバーシップ関数の例を示すグラフ,
第8図はファジィ推論のためのルールを示すテーブルで
ある。 10……センサ・ヘッド, 14……処理回路, 20……出力補正装置, 26,31……減算回路, 28……ファジィ推論部, 29,34……加算回路, 33……乗算回路。
Claims (2)
- 【請求項1】入力されたノイズ成分を含む信号波形から
ノイズ成分を除去して得られる信号波形を導く所定の演
算式を演算する演算手段, 上記ノイズ成分を含む信号波形からファジィ推論のため
の入力パラメータを抽出する手段,および 上記抽出手段によって抽出されたパラメータを入力し,
あらかじめ定められたルールと上記パラメータのメンバ
ーシップ関数および上記演算式で用いる係数のメンバー
シップ関数とに基づいて上記係数を演算して上記演算手
段に与えるファジィ推論手段, を備えた信号処理装置。 - 【請求項2】レーザ光を被測定物に照射し,その反射光
に基づいて被測定物の変位量を表わす信号を出力するレ
ーザ変位計において, 被測定物の変位量を表わすノイズ成分を含む信号波形か
らノイズ成分を除去して得られる推定変位量を表わす信
号波形を導く所定の演算式を演算する演算手段, 上記ノイズ成分を含む信号波形からファジィ推論のため
の入力パラメータを抽出する手段,ならびに 上記抽出手段によって抽出されたパラメータを入力し,
あらかじめ定められたルールと,上記パラメータおよび
上記演算式で用いる係数のそれぞれのメンバーシップ関
数とに基づいて上記係数を演算して上記演算手段に与え
るファジィ推論手段, を備えたレーザ変位計の出力補正装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63239738A JP2570222B2 (ja) | 1988-09-27 | 1988-09-27 | 信号処理装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63239738A JP2570222B2 (ja) | 1988-09-27 | 1988-09-27 | 信号処理装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0288918A JPH0288918A (ja) | 1990-03-29 |
JP2570222B2 true JP2570222B2 (ja) | 1997-01-08 |
Family
ID=17049197
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63239738A Expired - Lifetime JP2570222B2 (ja) | 1988-09-27 | 1988-09-27 | 信号処理装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2570222B2 (ja) |
-
1988
- 1988-09-27 JP JP63239738A patent/JP2570222B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0288918A (ja) | 1990-03-29 |
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