JP3023771B2 - 振動センサ校正装置 - Google Patents

振動センサ校正装置

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JP3023771B2
JP3023771B2 JP9189358A JP18935897A JP3023771B2 JP 3023771 B2 JP3023771 B2 JP 3023771B2 JP 9189358 A JP9189358 A JP 9189358A JP 18935897 A JP18935897 A JP 18935897A JP 3023771 B2 JP3023771 B2 JP 3023771B2
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孝 臼田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、周期的な振動振
幅を振動センサを用いて測定するとともに、マイケルソ
ン型光波干渉計を用いて計数法で測定し、その計数法に
よる測定情報を参照情報として振動センサ測定情報を校
正するようにした振動センサ校正装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】振動ピックアップ(振動センサ)の絶対
校正法は現在JIS B 0908(振動及び衝撃ピッ
クアップの校正方法−基本概念、1991年)に規定さ
れている。そのうち、マイケルソン型光波干渉計を用
い、周期的振動に対応する光路長の変化を干渉縞の最大
輝度の数として検出し、その最大輝度数から変位振幅を
求める方法は計数法と呼ばれ、広く実施されている。
【0003】図3は従来の振動センサ校正装置における
光学系を原理的に示す図である。この振動センサ校正装
置は、加振器3(対物鏡4)の振動振幅を、振動ピック
アップ(振動センサ)101と光学系(マイケルソン型
光波干渉計)とを用いてそれぞれ測定し、その双方の測
定データを比較検討することで、振動ピックアップ10
1を校正するものである。
【0004】図において、光源1の光は、電界ベクトル
E0の電場内を進んでビームスプリッタ(半透反射板)
2に入射し、そのまま透過もしくは反射する。透過光
は、電界ベクトルE2の電場内を進んで、加振器3で振
動させられている対物鏡4で反射後、ビームスプリッタ
2に戻る。反射光は、電界ベクトルE1の電場内を進ん
で、参照鏡5で反射後、同様にビームスプリッタ2に戻
ってくる。そして、これらのビームスプリッタ2に戻っ
てきた各々の光は再結合して干渉光となり、電界ベクト
ル(E1+E2)の電場内を進み、光検出器6に入る。
【0005】干渉光は、ビームスプリッタ2から参照鏡
5、対物鏡4までの各距離(基準光路長)L1,L2の
距離差Lに応じて、強め合ったり、打ち消し合ったりし
ている。
【0006】ここで、測定すべき対物鏡4の振動変位を
d(t)で表し、その振幅をd0とする。光源1の光の
波長をλとすると、光検出器6に入射する光束(干渉
光)の輝度I(t)は、次式(1)で表される。
【数1】
【0007】上記式(1)において、最大輝度は、次の
式(2)の条件を満たすとき生じる。
【数2】 ここで、n:整数 さらに、2つの最大輝度間の距離に相当する変位はλ/
2(波長の半分)で与えられる。
【0008】図4は従来の振動センサ校正装置の装置例
を示す図である。干渉光は光検出器6により電気信号と
して検出される。加振器3は正弦波発振器7により生じ
増幅器8で増幅された正弦波に従い振動し、その振動に
応じて対物鏡4が振動する。計数カウンタ9は正弦波発
振器7からの正弦波の1周期をゲートタイムとし、この
間の光検出器6からの電気的なパルス信号Voを干渉光
の最大輝度として計数する。1周期(ゲートタイム)の
間に計数された最大輝度数をRとすると、対物鏡5の変
位振幅d0は、次式(3)で与えられる。
【数3】
【0009】一方、加振器3と対物鏡4との間には、振
動ピックアップ101が介在しており、この振動ピック
アップ101が検出した加振器3(対物鏡4)の振動
は、電気信号としてピックアップアンプ102で増幅さ
れた後、電圧計103から出力される。そして、この電
圧計103に出力された振動ピックアップ101による
測定データと、上記の計数カウンタ9でのデータとが比
較検討され、その結果に基づいて振動ピックアップ10
1の校正が行われる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の振動センサ
校正装置による測定、すなわち光学系による測定の不確
かさ(誤差)の要因のうち、振動振幅に関するものは、
主に量子化誤差と干渉縞の計数誤差に起因する。このう
ち、量子化誤差は光干渉による輝度間隔を計測の最小単
位(レーザ波長の1/2)とするため避けられないもの
である。
【0011】一方、計数誤差は、パルス信号のうち、実
際には輝度に対応する信号ではなく、単なるノイズであ
るにもかかわらず、そのノイズを輝度信号として計数し
てしまう現象である。この現象を図5に示す。横軸は時
間tを、縦軸は電圧Vを示す。Voは光検出器6での検
出電圧、Vthは計数カウンタ9におけるしきい電圧を
それぞれ示す。計数カウンタ9は、1周期(ゲートタイ
ム)内で検出電圧Voがしきい電圧Vthを上回った回
数を計数する。対物鏡4の振動折り返し付近における検
出電圧Voを拡大したものが図6である。区間Mに示す
ように、検出電圧Voは実際にはノイズを含んでいるた
め、検出電圧Voがしきい電圧Vth近傍で折り返すと
き、ノイズによる計数誤差が生じる。このことは、参照
データとして用いる光学系データの信頼性を低下させ、
結果的に振動ピックアップ101の校正精度を悪化させ
る要因となっていた。
【0012】
【課題を解決するための手段】 このようなノイズによる
計数誤差は、図5および図6に示すように、検出電圧V
oをVo’にシフトし、電圧波形の折り返しレベルをV
thから確実に離すことにより防ぐことができる。
【0013】そして、検出電圧Voの波形を望ましい波
形Vo’にシフトさせるには、基準光路長L1を光波長
λの数分の1程度増減すればよい。光源1にHe−Ne
レーザを用いた場合、波長λは約633nmなので、1
00nm程度に相当する。
【0014】基準光路長L1を変化させるのは一般に参
照鏡5を移動することで実現できるが、機械的に行うた
めには、波長λに比べ十分な位置分解能と直進安定性の
ある直動装置が必要となる。このような装置は一般に大
がかりで高価であるという欠点がある。
【0015】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
振動センサの校正精度を向上させるとともに、光学系に
よる測定の不確かさを減ずる手段を安価に実現すること
ができる振動センサ校正装置を提供することを目的とす
る。
【0016】 上記目的を 達成するために、この発明の振
動センサ校正装置は、周期的な振動振幅を振動センサを
用いて測定するとともに、マイケルソン型光波干渉計を
用いて計数法で測定し、その計数法による測定情報を参
照情報として振動センサ測定情報を校正するようにした
振動センサ校正装置において、上記マイケルソン型光波
干渉計での干渉縞を電気的なパルス信号に変換するとと
もに、そのマイケルソン型光波干渉計でのビームスプリ
ッタと参照鏡との間の光路内に光透過体を配置し、その
光透過体と光路との成す角度の微少調整により、上記パ
ルス信号をシフトアップし、そのシフトアップしたパル
ス信号のカウント数から振動振幅を求め上記参照情報と
した、ことを特徴としている。
【0017】
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。図1はこの発明の振動セ
ンサ校正装置における光学系を原理的に示す図である。
なお、以下の説明において、上記従来の振動センサ校正
装置(図3、図4、図5および図6)と同一の構成要素
には、同一符号等を付してその説明を省略することとす
る。
【0018】この発明は、ビームスプリッタ2と参照鏡
5との間の基準光路長は、参照鏡5を移動させる以外
に、その光路内に屈折率の異なる物質を挿入することで
も等価的に変化させることができることに着目して成さ
れたものである。すなわち、ビームスプリッタ2と参照
鏡5との間の光路に、均一な厚さと屈折率を有する光透
過体、例えばガラスまたはガラスに準ずる材料から成る
平板Pを挿入している。この平板Pは回転微動台10に
保持してあり、平板Pと光路との成す角度は、回転微動
台10によって任意の角度に微調整するすることができ
る。なお、この平板Pの光路への挿入は、図1からも分
かるように、基準光路長の変化にのみ寄与し、光軸のズ
レなどの悪影響は生じない。
【0019】ここで、平板Pの空気に対する屈折率を
N、厚さをtとする。光の入射角(回転微動台10の回
転角度)がθとなるように回転微動台10を調整する
と、この平板Pを挿入したことによる実質的な基準光路
長変化量δは近似的に、次式(4)で表される。
【数4】
【0020】Nを1.5、tを2mmとすると、上記式
(4)から光の入射角θを0度から0.1度に変化させ
たときの基準光路長変化量δは、約2nmとなる。一般
に分解能1/10度程度の回転微動台は容易に得ること
ができる。一方、上記したように、光源1にHe−Ne
レーザを用いた場合、検出電圧Voを望ましい波形V
o’にシフトさせるには、基準光路長を100nm程度
増減することが要求されるが、回転微動台10を用いる
上記手段では、θを0度から0.1度に変化させたとき
の基準光路長変化量δは約2nmであるので、基準光路
長L1を波長λの数十分の1レベルで変化させることが
できる。
【0021】このため、この発明の構成によれば十分な
分解能で波形Voをシフトさせることができ、しきい電
圧Vth付近におけるノイズの影響を除去することがで
きる。したがって、光学系の測定精度を向上させること
ができ、振動ピックアップ101の校正を高精度で確実
なものとすることができる。
【0022】また、基準光路長L1の増減を、容易に得
ることができる回転微動台10を用いて行うので、安価
に振動センサ校正装置の精度向上を実現することができ
る。
【0023】図6は本発明の振動センサ校正装置の構成
例を示す図である。平板Pを保持する回転微動台10を
適当に回転し、検出電圧Voのシフトにより計数カウン
タ9の表示値が安定するまで、回転角度θを調整するこ
とで、ノイズの影響のない加速度測定が可能となる。
【0024】もしくは、オシロスコープ11により検出
電圧Voの波形を観察し、適当な波形にシフトするま
で、回転微動台10の回転角度θを調整するようにして
もよい。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の振動セ
ンサ校正装置によれば、マイケルソン型光波干渉計での
ビームスプリッタと参照鏡との間の光路内に光透過体を
配置し、その光透過体と光路との成す角度の微少調整に
より、パルス信号をシフトアップし、そのシフトアップ
したパルス信号をカウントするようにしたので、基準光
路長を波長に比べ十分精密に変化させることができ、こ
のため、十分な分解能でパルス信号をシフトアップで
き、このシフトアップにより、ノイズの影響を確実に除
去させることができる。したがって、マイケルソン型光
波干渉計での測定精度を向上させることができ、振動セ
ンサの校正を高精度で確実なものとすることができる。
【0026】また、光透過体と光路との成す角度の調整
は、例えば回転微動台を用いることで容易に行うことが
できるので、安価に振動センサ校正装置の精度向上を実
現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の振動センサ校正装置における光学系を
原理的に示す図である。
【図2】本発明の振動センサ校正装置の構成例を示す図
である。
【図3】従来の振動センサ校正装置における光学系を原
理的に示す図である。
【図4】従来の振動センサ校正装置の装置例を示す図で
ある。
【図5】干渉光の光検出器による検出電圧Voとしきい
電圧Vthを示す図である。
【図6】検出電圧Voカウント時のノイズによる影響の
説明とそれを改善した場合の波形の例を示す図である。
【符号の説明】
1 光源 2 ビームスプリッタ 3 加振器 4 対物鏡 5 参照鏡 6 光検出器 7 正弦発振器 9 計数カウンタ 10 回転微動台 11 オシロスコープ P 平板 δ 基準光路長変化量 θ 光入射角(回転微動台の回転角度) Vo 干渉光の検出電圧 Vo’シフト電圧

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周期的な振動振幅を振動センサを用い
    て測定するとともに、マイケルソン型光波干渉計を用い
    て計数法で測定し、その計数法による測定情報を参照情
    報として振動センサ測定情報を校正するようにした振動
    センサ装置において、 上記マイケルソン型光波干渉計での干渉縞を電気的なパ
    ルス信号に変換するとともに、そのマイケルソン型光波
    干渉計でのビームスプリッタと参照鏡との間の光路内に
    均一な厚さと屈折率を有する透過体を配置し、その光透
    過体と光路との成す角度の微少調整により、基準光路長
    を変更して上記パルス信号をシフトアップすることによ
    り上記パルス信号のノイズの影響を除去し、そのシフト
    アップしたパルス信号のカウント数から振幅を求め上記
    参照情報とした、 ことを特徴とする振動センサ校正装置。
  2. 【請求項2】 上記光透過体を任意の角度に設定可能
    な回転微動台に保持することで、上記透過体と光路との
    成す角度の微少調整を行うようにした、 ことを特徴とする請求項1に記載の振動センサ校正装
    置。
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CN104764477B (zh) * 2014-01-08 2018-01-12 致茂电子(苏州)有限公司 具有在线校正功能的光学检测装置
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