JP2697782B2 - 変位速度またはひずみ速度計測方法およびそれに用いる装置 - Google Patents

変位速度またはひずみ速度計測方法およびそれに用いる装置

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JP2697782B2 JP7050736A JP5073695A JP2697782B2 JP 2697782 B2 JP2697782 B2 JP 2697782B2 JP 7050736 A JP7050736 A JP 7050736A JP 5073695 A JP5073695 A JP 5073695A JP 2697782 B2 JP2697782 B2 JP 2697782B2
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和郎 影山
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、伸縮中の被測定物の
変位速度またはひずみ速度を計測する方法およびそれに
用いる計測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】被測定物に荷重が作用して被測定物が変
形する場合の、その変形の速度を検出する場合等には変
位速度またはひずみ速度計測装置が使用される。
【0003】従来の変位速度計測装置の一種として光周
波数を利用した計測装置があり、その一例として光ファ
イバーレーザードップラー速度計がある。この光ファイ
バーレーザードップラー速度計はレーザー光を光ファイ
バーを通して移動物体に照射したとき、その散乱光はド
ップラー効果により元の周波数からシフトするので、そ
の光周波数の変化を検出して被測定物の移動速度を測定
するものである(「光ファイバセンサ」大越孝敬 編、
オーム社(1986)、第155頁〜第160頁)。
【0004】この技術は光ファイバーの先端にプローブ
を取付けることが必要となるので、センサーの構成が複
雑になるほか、光ファイバーはもっぱら導光部材として
だけに使用され、光がプローブの先端から空間を隔てて
被測定物に反射するので、ノイズが入り易く高精度の測
定は困難である。
【0005】一方、光ファイバー自体の伸び縮みを測定
することが研究レベルで行われているが、これは光ファ
イバーの伸びによる光路差(位相差)を測るものであ
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしこの光ファイバ
ー自体の伸び縮みから光路差を測る技術では被測定物の
変形は測れるが、特に変形速度が早い動的問題には光フ
ァイバーの内部に定在波が生じるため使用することが出
来ない。
【0007】この発明は、上記の如き事情に鑑みてなさ
れたものであって、光ファイバー自体の伸び縮みから被
測定物の変位速度を測定することができ、特に変形速度
が速い動的な変形状態を高精度に測定することができる
計測方法およびそれに用いる計測装置を提供することを
目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、伸縮中の
被測定物における変位速度またはひずみ速度を正確に測
定する方法および装置を開発するために鋭意研究を重ね
た結果、光ファイバーを被測定物にそれと同調して伸縮
可能に取り付け、その中にレーザー光を導入して、伸び
縮みに対応して生じるドップラー効果に基づく周波数の
シフトを利用することにより、被測定物の変位速度また
はひずみ速度を簡単に、かつ高精度で計測しうることを
見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。す
なわち、本発明は、光ファイバーを2分して一方を測定
部、他方を導光部とし、測定部の一端を反射面に、導光
部に連絡する他端を基準面に形成するとともに、該測定
部を伸縮中の被測定物に、それと同調して伸縮可能に固
定したのち、導光部を介してレーザー光を導入し、反射
面からの反射光と基準面からの反射光とを干渉させ、被
測定物の変形に伴って測定部の反射面が基準面に対し変
位する際のドップラー効果に基づく周波数のシフトに比
例した周波数のうなりを発生させ、そのうなり波形を検
波して被測定物の変位速度またはひずみ速度を計測する
方法および先端Aを反射面に、後端Bを基準面に形成し
た被測定物に固定させる測定部7と、該基準面に接続す
る導光部8とを有する光ファイバー6、レーザー光源
9、該レーザー光源からの光を光ファイバーの導光部8
を介して測定部7に導入する集光器12、基準面と前記
反射面からの反射光を干渉させる干渉計15、干渉によ
り生じたうなりをAM検波するAM検波器16及びこれ
より取り出されたうなり信号をFM検波するFM検波器
17から構成されたことを特徴とする変位速度またはひ
ずみ速度計測装置を提供するものである。
【0009】
【作用】被測定物に固定した光ファイバーの測定部の伸
縮の速度を、光ファイバー内に設けられた反射面で反射
したレーザー光の周波数の変化からドップラー効果の原
理にもとづいて計測することにより被測定物の変形速度
を測定する。ノイズが少ない状態で高精度の測定が可能
になる。
【0010】
【実施例】以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面
について説明する。
【0011】図1において、1は被測定物2の変位また
はひずみ速度を計測する計測装置である。計測装置1は
センサー3、光学系4、計測系5、レーザー光源9を備
えている。
【0012】センサー3は光ファイバー6を有し、光フ
ァイバー6は、被測定物2に固着されて被測定物2の変
形に従って同じ変形をするようにしてある測定部7と、
レーザー光を伝搬させることを目的とする導光部8から
構成される。測定部7の一方の端面Aは到達したレーザ
ー光の一部または全部を反射するように反射面が形成さ
れている。反射面を形成する技術としては気泡の注入な
ど既に開発されている技術がある。測定部7のもう一方
の端面Bは、測定部7と導光部8の境界である。導光部
8の端面C側には光学系4が取付けられ、光学系4の一
端にレーザー光源9が配置され、出口端に計測系5が配
置されている。光学系4は集光器12、ハーフミラー1
3、基準面14を備えている。集光器12は導光部8の
端面Cにレーザー光源9からのレーザー光を光ファイバ
ー6の中に入射し、かつ端面Aで反射してきたレーザー
光を集光するためのものである。ハーフミラー13はレ
ーザー光源9からのビームを光ファイバー6への入射光
と基準面14への入射光に分割し、かつ光ファイバー6
からの反射光を計測系5に透過しかつ基準面14からの
反射光を計測系5に反射するものである。基準面14は
干渉の基準光を形成するものでミラー等で構成される。
計測系5は基準光と反射光の周波数の差を出力信号とし
て検出するもので、干渉計15、AM検波器16、FM
検波器17を備えている。このような計測系5は従来か
らいわゆるレーザー速度計として知られているものであ
る。
【0013】このような構成の計測装置1を使用して、
被測定物2の変形またはひずみ速度の計測は次のように
なされる。
【0014】まず、光ファイバー6の予め長さLが知ら
れている測定部7を被測定物2の変形またはひずみに従
って同じ変形をするように被測定物2に固着する。次に
レーザー光源9を発光させる。レーザー光源9から発生
したレーザー光はハーフミラー13によって直進する光
線と図では左へ90度折れ曲がる光線に分岐される。左
に折れ曲がった光線は集光器12を介して光ファイバー
6の導光部8に導かれる。導光部8はフリーな状態にあ
り、この部分が伸び縮みすることはない。導光部8を伝
播したレーザー光は被測定物2に固着された測定部7の
端面Aで反射し、導光部8を逆の経路を通って集光器1
2に至り、ハーフミラー13を通過して干渉計15に入
力される。一方、レーザー光源9からハーフミラー13
を透過して直進したレーザー光は座標系に固定された基
準面14で反射しハーフミラー13で左90度折れ曲が
り、これも干渉計15に入力される。このようにして測
定部7の端面Aと基準面14で反射したレーザー光が干
渉計15に入力されることになるが、測定部7の端面A
で反射したレーザー光はドップラー効果により、測定部
7の端面Aの速度、すなわち測定部7の変位速度に比例
した周波数シフトがある。
【0015】すなわち、被測定物2が変形し、それに伴
って光ファイバー6の測定部7の長さ(ゲージ長さL)
が時間とともに変化し、端面Aの反射面が速度v(=d
L/dt)で端面Bの基準面に対して変位する場合、基
準面におけるレーザー光の周波数fB と端面Aで反射し
た反射光の周波数fA の差をf=fA −fB とすると、
fがレーザー光の波長λと速度v より次式で与えられ
る。 f=2v /λ
【0016】これがドップラー効果と呼ばれているもの
である。周波数のシフトfを測定すれば、上式から速度
v が求められる。そこで両方のレーザー光を干渉計15
で重ね合わせると周波数のシフトに比例した周波数のう
なりを生じる、そのうなり波形はレーザー光の振動を伝
送波とする振幅信号であるから、AM検波器16により
AM検波することによりうなり信号を取り出すことがで
きる。うなり信号の周波数が変位速度信号である。すな
わちうなり信号は周波数変調した変位速度信号であるか
ら、FM検波器17によりFM検波することにより、速
度信号を取り出す事ができる。
【0017】(他の実施例)基準光の採り方としては図
2(a)のように光ファイバー6の外部に基準面14を
設けてレーザー光源からの出力の一部を利用する方法
(導光部の伸び縮みが無視できる場合、上記の実施例は
この場合に相当する)の他に、光ファイバーの内に基準
光を形成する基準面を形成してもよい。この方法として
は図2(b)に示すように光ファイバー6の導光部8と
同じ長さの導光部8aだけをもつ他の光ファイバー6a
を導光部8に沿わせて一体に固定して1組の導光部8b
を構成し、レーザー光源9から出力されたレーザー光を
分配器21で2つに分岐し、それぞれのレーザー光を光
ファイバー6,6aに入射し、他の光ファイバー6aに
設けられた端面Dで反射したレーザー光を基準光とする
方法を採用しても良い。この場合にはもう一方の光ファ
イバー6に設けられた端面Aで反射したレーザー光の周
波数と基準光の差を計測することにより端面A−B(A
−D)間の測定部7における変位速度を測定できる。さ
らに図2(c)のように1本の光ファイバー6の測定部
7における端面Bを一部反射面として構成し、この端面
Bで一部反射したレーザー光を基準光とする方法を採用
してもよい。その他にも基準光の取り採り方は任意の方
法を採ることができる。
【0018】光ファイバー6の測定部7の端面Aは実際
に端面になっている必要はなく、到達したレーザー光の
一部あるいは全部を反射できれば良い。
【0019】測定部7は1本の光ファイバー6について
1個設けられる場合の他に複数の測定部が導光部をはさ
んで交互に1本の光ファイバー中に設けられても良い。
【0020】入射するレーザー光は連続光である必要は
ない。閃光時間の極めて短い不連続光であれば、反射波
の帰ってくるまでの時間を計測することにより、測定部
の位置が同定できるので、複数の測定部が1本の光ファ
イバーに設定されていても、それらをほぼ同時に計測す
ることが可能である。
【0021】光ファイバー6の測定部7はいずれの場合
も、被測定物の変形またはひずみにしたがって伸縮する
ように被測定物に固着するのであれば被測定物2の表面
に貼り付けても、被測定物2の内部に埋めても良い。
【0022】(実験例)図3に示す計測装置の構成で被
測定物である引張り試験片に光ファイバーの測定部を張
り付け、その測定部における試験片の変位速度を測定し
た。試験片に負荷する荷重の波形は5,10及び20H
zの正弦波とし、周期的な繰り返し荷重を負荷した。そ
の時の本発明によるセンサーの出力結果を図4に示す。
本適用例では変位速度信号は荷重信号に比例した正弦波
となり、実際の変位速度の変化(コサインカーブ)が測
定できていることがわかる。
【0023】
【発明の効果】このようにこの発明の計測装置では測定
用の光を光ファイバーの外に出すことがなく、光ファイ
バーの内で反射された光を測定するので、ノイズがな
く、高精度の測定が可能であり、また特別のプローブ等
を必要とすることもないので装置の構成も簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の計測装置を示す構成説明図。
【図2】各種の基準光の採り方を示す説明図。
【図3】実験に用いた計測装置を示す構成説明図。
【図4】実験における変位速度信号の出力例を示すグラ
フ。
【符号の説明】
1 計測装置 2 被測定物 3 センサー 4 光学系 5 計測系 6 光ファイバー 6a 光ファイバー 7 測定部 8 導光部 8a 導光部 8b 導光部 9 レーザー光源 12 集光器 13 ハーフミラー 14 基準面 15 干渉計 16 AM検波器 17 FM検波器 21 分配器 A,B,C,D 端面

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光ファイバーを2分して一方を測定部、
    他方を導光部とし、測定部の一端を反射面に、導光部に
    連絡する他端を基準面に形成するとともに、該測定部を
    伸縮中の被測定物に、それと同調して伸縮可能に固定し
    たのち、導光部を介してレーザー光を導入し、反射面か
    らの反射光と基準面からの反射光とを干渉させ、被測定
    物の変形に伴って測定部の反射面が基準面に対し変位す
    る際のドップラー効果に基づく周波数のシフトに比例し
    た周波数のうなりを発生させ、そのうなり波形を検波し
    て被測定物の変位速度またはひずみ速度を計測する方
    法。
  2. 【請求項2】 先端を反射面に、後端を基準面に形成し
    た被測定物に固定させる測定部と、該基準面に接続する
    導光部とを有する光ファイバー、レーザー光源、該レー
    ザー光源からの光を光ファイバーの導光部を介して測定
    部に導入する集光器、基準面と前記反射面からの反射光
    を干渉させる干渉計、干渉により生じたうなりをAM検
    波するAM検波器及びこれより取り出されたうなり信号
    をFM検波するFM検波器から構成されたことを特徴と
    する変位速度またはひずみ速度計測装置。
JP7050736A 1995-03-10 1995-03-10 変位速度またはひずみ速度計測方法およびそれに用いる装置 Expired - Lifetime JP2697782B2 (ja)

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