JP3108866B2 - Laser vibration displacement measuring device - Google Patents

Laser vibration displacement measuring device

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JP3108866B2
JP3108866B2 JP09127593A JP12759397A JP3108866B2 JP 3108866 B2 JP3108866 B2 JP 3108866B2 JP 09127593 A JP09127593 A JP 09127593A JP 12759397 A JP12759397 A JP 12759397A JP 3108866 B2 JP3108866 B2 JP 3108866B2
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治 佐々木
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株式会社エスアイアイ・アールディセンター
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  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は被測定物に照射する
レーザ参照光とこの参照光とは位相差を持つ被測定物か
らの反射光により生じるビート成分を復調することによ
り、振動する被測定物の速度および振動変位を、非接触
の状態で計測する装置に関する。本発明はレーザ測長器
の技術分野の範疇に属するものであり、産業用精密モー
タの偏芯精度を保証するための品質検査をはじめ、微小
な振動の計測を必要とする幅広い分野で利用されてい
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser reference beam for irradiating an object to be measured and a beat component generated by reflected light from the object to be measured having a phase difference between the reference light and the reference light. The present invention relates to a device for measuring the speed and vibration displacement of an object in a non-contact state. The present invention belongs to the technical field of laser measuring instruments, and is used in a wide range of fields that require measurement of minute vibrations, including quality inspection to guarantee the eccentricity of industrial precision motors. ing.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のレーザ振動変位測定装置の構成の
概要と基本的な動作原理を図6を用いて以下に説明す
る。レーザ振動変位測定装置31において、レーザ発振
装置2により発振されるレーザ光はビームスプリッター
3aにより2つの光波に分けられる。一つの光波は音響
光学変換器4を経て光ヘテロダインによる周波数シフト
を与える。この時、音響光学変換器4はビート周波数発
振器7の一定周波数の信号により駆動される。周波数シ
フトを付与された光波はビームスプリッター(ハーフミ
ラー)3cを経て、光電変換器6に導波される。一方、
ビームスプリッター3aを通過した光波はビームスプリ
ッター(ハーフミラー)3bを経て被測定物8に照射さ
れる。この時、被測定物8が振動している場合、被測定
物8からの反射光はドップラ効果により、被測定物8の
速度に比例した周波数シフトを受ける。ドップラ効果に
より周波数シフトを受けた反射光はビームスプリッター
3b及びミラー5により光電変換器6に導波されるよう
な光学的配置と調整がなされる。光電変換器6では周波
数の異なる2つの光波が重なる結果、光の振幅にビート
成分が生じる。ビート成分はこの光電変換器6により光
から電気信号に変換される。ここで得られたビート成分
を含むの電気信号は一般的に微弱なので、増幅器11を
用いて増幅している。被測定物8の速度を反映した周波
数は、F/V変換器33を用いることにより、増幅器1
1の出力信号から分離・抽出される。被測定物8の速度
を求める場合は、このF/V変換器33の出力を速度信
号bとして取り出す。一方、被測定物8の変位を求める
場合は、F/V変換器33の出力を積分器34により積
分し、変位に相当する電圧出力として変位信号aを取り
出す。なお、被測定物8の速度がゼロの場合のF/V変
換器33の出力オフセットを検出するため信号切換器3
2を設け、測定時は光電変換器6出力を増幅器11に送
りオフセット確認時にはビート周波数発振器7出力を増
幅器11に送っている。
2. Description of the Related Art An outline of the configuration of a conventional laser vibration displacement measuring device and a basic operation principle will be described below with reference to FIG. In the laser vibration displacement measuring device 31, the laser light oscillated by the laser oscillating device 2 is split into two light waves by the beam splitter 3a. One light wave passes through the acousto-optic converter 4 and gives a frequency shift due to optical heterodyne. At this time, the acousto-optic converter 4 is driven by a constant frequency signal from the beat frequency oscillator 7. The light wave having the frequency shift is guided to the photoelectric converter 6 via the beam splitter (half mirror) 3c. on the other hand,
The light wave that has passed through the beam splitter 3a is applied to the device under test 8 via a beam splitter (half mirror) 3b. At this time, when the DUT 8 is vibrating, the reflected light from the DUT 8 undergoes a frequency shift proportional to the speed of the DUT 8 due to the Doppler effect. The reflected light that has undergone the frequency shift due to the Doppler effect is optically arranged and adjusted so as to be guided to the photoelectric converter 6 by the beam splitter 3 b and the mirror 5. In the photoelectric converter 6, as a result of the two light waves having different frequencies overlapping, a beat component is generated in the light amplitude. The beat component is converted from light into an electric signal by the photoelectric converter 6. Since the electric signal including the beat component obtained here is generally weak, the electric signal is amplified using the amplifier 11. By using the F / V converter 33, the frequency reflecting the speed of the device under test 8 can be adjusted by the amplifier 1
1 from the output signal. When determining the speed of the device under test 8, the output of the F / V converter 33 is extracted as a speed signal b. On the other hand, when determining the displacement of the device under test 8, the output of the F / V converter 33 is integrated by the integrator 34, and the displacement signal a is extracted as a voltage output corresponding to the displacement. The signal switch 3 for detecting the output offset of the F / V converter 33 when the speed of the device under test 8 is zero.
2, the output of the photoelectric converter 6 is sent to the amplifier 11 at the time of measurement, and the output of the beat frequency oscillator 7 is sent to the amplifier 11 at the time of confirming the offset.

【0003】一方、三角測量原理による変位計も利用さ
れておりは、この原理は被測定物に斜めにレーザ光を当
て、被測定物により反射された光を受光する位置(発光
ー受光間距離)から被測定物までの距離を求める物であ
る。
[0003] On the other hand, a displacement meter based on the principle of triangulation is also used. This principle is based on obliquely irradiating a laser beam to an object and receiving light reflected by the object (distance between light emission and light reception). ) Is a distance from the object to be measured.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ振動変位
測定装置の場合、被測定物の速度に対応した信号をF/
V変換器により得ているので、被測定物の速度が速度検
出レンジに対して極端に小さい場合、あるいは被測定物
の振動周波数がビート周波数発振器の周波数に対してと
極めて低い場合、十分な出力が得られない。例えば、被
測定物の速度が比較的に大きい、1kHz以上の周波数
帯域における計測の場合、被測定物の速度を反映した信
号成分が大きく高いS/N比となるため、測定精度の高
い計測が可能である。しかしながら、被測定物の速度が
減少し、100Hz以下の周波数帯域の場合、その周波
数の低下と共に被測定物の速度を反映した信号成分が小
さくなり、F/V変換器におけるS/N比が著しく低下
するため、その信号を積分して変位を求めても信頼性の
著しく欠如した結果となる。例えば波長632.8nm
の赤色レーザ光を用い、20Hzの振動体の測定を行う
場合、約1μm程度の明らかなノイズが発生した。この
ことは1μm程度の振幅を持つ振動体の振幅計測は従来
のレーザ振動変位測定装置では不可能であることを意味
するものである。
In the case of a conventional laser vibration displacement measuring device, a signal corresponding to the speed of an object to be measured is F /
If the speed of the device under test is extremely small with respect to the speed detection range, or if the vibration frequency of the device under test is extremely low with respect to the frequency of the beat frequency oscillator, sufficient output can be obtained. Can not be obtained. For example, in the case of measurement in a frequency band of 1 kHz or more in which the speed of the device under test is relatively large, the signal component reflecting the speed of the device under test has a large S / N ratio, so that measurement with high measurement accuracy is performed. It is possible. However, when the speed of the device under test decreases and the frequency band is 100 Hz or less, the signal component reflecting the speed of the device under test decreases as the frequency decreases, and the S / N ratio in the F / V converter significantly increases. Because of the decrease, even if the displacement is obtained by integrating the signal, the result is extremely lacking in reliability. For example, a wavelength of 632.8 nm
When a 20 Hz vibrating body is measured by using the red laser light, a clear noise of about 1 μm is generated. This means that it is impossible to measure the amplitude of a vibrating body having an amplitude of about 1 μm using a conventional laser vibration displacement measuring device.

【0005】S/N比を改善するために測定速度レン
ジ、測定振動周波数レンジを狭めるとF/V変換に時間
がかかり不規則な速度変化あるいは変位の検出が難し
い。以上から当然の事として、ほとんど静止状態にある
被測定物の極めてゆっくりとした変位を測定する事は不
可能である。一方、三角測量原理による変位計は、検出
器のサイズと分解能の制限から、測定分解能と測定範囲
の両立が困難であり、さらに、測定装置/検出器と被測
定物との距離の制約もあり使い勝手が悪かった。
If the measurement speed range and the measurement vibration frequency range are narrowed to improve the S / N ratio, it takes time for F / V conversion, and it is difficult to detect irregular speed changes or displacements. As a matter of course, it is impossible to measure an extremely slow displacement of the object to be measured which is almost stationary. On the other hand, the displacement meter based on the principle of triangulation makes it difficult to achieve both the measurement resolution and the measurement range due to the limitations of the size and resolution of the detector, and furthermore, the distance between the measuring device / detector and the object to be measured is limited. It was not easy to use.

【0006】一般に産業用精密モータの偏芯精度を保証
するための品質検査をはじめ微小な振動の計測を必要と
する場合は、被測定物の振動数が不明であり、広範囲な
振動周波数帯域における計測が要求されることが多い。
測定に際しては低速振動を計測可能な他の装置とレーザ
振動変位測定装置を併用して計測する場合も少なくな
く、多大な測定・検査コスト費用を強いられることが余
義なくされていた。
In general, when a minute vibration measurement such as a quality inspection for guaranteeing the eccentricity accuracy of an industrial precision motor is required, the vibration frequency of the object to be measured is unknown, and the vibration in a wide vibration frequency band is required. Measurement is often required.
At the time of measurement, there are not a few cases where the laser vibration displacement measuring device is used in combination with another device capable of measuring low-speed vibration, and it has been unavoidable that a large measurement and inspection cost is imposed.

【0007】また、精密なアクチュエータの測定では、
高い位置/変位分解能と広い測定範囲が要求され、必要
に応じて測定範囲を分割して、何回もの測定を行わなけ
ればならなかった。
In the measurement of a precise actuator,
A high position / displacement resolution and a wide measurement range were required, and the measurement range had to be divided as necessary to perform multiple measurements.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ振動変位
測定装置では、従来のレーザ振動変位測定装置における
F/V変換器と積分器に代えて、直交復調器と位相処理
回路と加算回路とを設けた回路構成にすることにより、
被測定物が低速で振動している場合における高精度測定
の困難性を解消した。
According to the laser vibration displacement measuring device of the present invention, a quadrature demodulator, a phase processing circuit, an adding circuit are used instead of the F / V converter and the integrator in the conventional laser vibration displacement measuring device. By providing a circuit configuration with
The difficulty of high-accuracy measurement when the object to be measured vibrates at low speed has been eliminated.

【0009】直交復調器は、同期検波を行う事により光
電変換器により得られる信号をビート周波数発振器の信
号と同じ位相の成分と、その位相に対し90度進んだ位
相の成分の2つの成分に分解して出力する(それぞれ前
者をI成分、後者をQ成分と称す)。即ち、直交復調器
は、時間軸基底の入力信号を位相基底のI−Q座標平面
における1点に変換する。直交復調器により得られたI
成分/Q成分は位相処理回路により、長さ(変位)に変
換される。ここで、位相処理回路で出力される長さ(変
位)は、直交復調器におけるQ成分とI成分の比の逆正
接に比例し、I−Q座標平面上における第1象限から第
4象限までの360度1回転で使用測定光の波長の半分
であることから容易に長さに換算する事ができる。
The quadrature demodulator converts a signal obtained by the photoelectric converter by performing synchronous detection into two components, a component having the same phase as the signal of the beat frequency oscillator and a component having a phase advanced by 90 degrees with respect to the phase. The output is decomposed (the former is referred to as an I component and the latter is referred to as a Q component). That is, the quadrature demodulator converts the input signal on the time base into one point on the IQ coordinate plane on the phase base. I obtained by the quadrature demodulator
The component / Q component is converted into a length (displacement) by the phase processing circuit. Here, the length (displacement) output from the phase processing circuit is proportional to the inverse tangent of the ratio between the Q component and the I component in the quadrature demodulator, and is from the first quadrant to the fourth quadrant on the IQ coordinate plane. Since one rotation of 360 degrees is half the wavelength of the measuring light used, it can be easily converted to a length.

【0010】更に、この位相の回転数を検出し、これに
対応した長さと現在得られている位相角に基づく変位量
とを加算回路により加算する事により波長の半分以上に
広い範囲の変位が測定可能となる。以上の構成での精度
は、復調器の内部ノイズに起因するI−Q座標平面上に
おけるばらつきは角度換算で高々5度程度であることを
考え合わせると、例えば波長632.8nmの赤色レーザ
光を用いた場合、10nm(=316.2nm /360°
×5°)以下となる。
Further, the rotation number of this phase is detected, and the corresponding length and the displacement amount based on the currently obtained phase angle are added by an adder circuit. It becomes measurable. The accuracy of the above configuration is as follows. Considering that the variation on the IQ coordinate plane due to the internal noise of the demodulator is at most about 5 degrees in angle conversion, for example, a red laser beam having a wavelength of 632.8 nm is used. When used, 10 nm (= 316.2 nm / 360 °)
× 5 °) or less.

【0011】以上の手段を講ずることにより、静止状態
に近い変位を含む広い測定振動数帯において精度が高
く、しかも広い測定範囲での変位計測が可能となった。
By taking the above measures, the displacement can be measured with high accuracy in a wide measurement frequency band including the displacement close to the stationary state and in a wide measurement range.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】下、本発明のレーザ振動変位測定
装置の実施の形態を図面を用いて説明する。図1におい
て、本発明のレーザ振動変位測定装置1は、出力2m
W、波長632.8nmの赤色He−Neレーザ発振装
置2を光源として使用した。He−Neレーザ発振装置
2から出力された光波は、ビームスプリッター3aによ
り2方向に分波する。一方は、光弾性効果による屈折率
の変化を利用した音響光学変換器4(A.O.M.)に
より、光の周波数がビート周波数発振器7の信号周波
数、例えば10.5MHzだけシフトされ、ビームスプ
リッター(ハーフミラー)3c を経て光電変換器6、
具体的にはアバランシェ・フォト・ダイオードに照射さ
れるよう光学的に調整されている。もう一方の光波はビ
ームスプリッター(ハーフミラー)3bを経て被測定物
8に照射され、被測定物8で反射し、この反射光はビー
ムスプリッター(ハーフミラー)3bからミラー5を経
て、光電変換器6に導かれるよう光学的に設計してい
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of a laser vibration displacement measuring apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In FIG. 1, a laser vibration displacement measuring device 1 of the present invention has an output of 2 m.
A red He-Ne laser oscillator 2 having a wavelength of W and a wavelength of 632.8 nm was used as a light source. The light wave output from the He-Ne laser oscillation device 2 is split into two directions by the beam splitter 3a. On the other hand, the frequency of light is shifted by the signal frequency of the beat frequency oscillator 7, for example, 10.5 MHz, by the acousto-optic converter 4 (AOM) using the change in the refractive index due to the photoelastic effect, Through the splitter (half mirror) 3c, the photoelectric converter 6,
Specifically, it is optically adjusted to irradiate an avalanche photodiode. The other light wave is applied to the device under test 8 via a beam splitter (half mirror) 3b and is reflected by the device 8 to be measured. The reflected light is transmitted from the beam splitter (half mirror) 3b via a mirror 5 to a photoelectric converter. 6 is optically designed.

【0013】この時、被測定物8は20Hzの振動数、
振幅レベルは約0.5μmであった。反射光は光源であ
る赤色He−Neレーザ発振装置2からの参照光と光路
差(一定の光路差+被測定物の変位の2倍)を持つた
め、それに対応した位相差を持つことになる。この位相
差には被測定物8の位置/変位に関する情報が含まれて
いる。光電変換器6では、被測定物8での反射光と周波
数シフトされた参照光とが重なる結果、干渉を起してビ
ートを発生する。しかも、上記反射光の位相差と、この
ビート成分とビート周波数発振器7の信号との位相差と
は対応しており、このビート成分を光電変換器6により
電気信号に変換し、ビート周波数発振器7の信号との位
相差を求めることにより被測定物8の変位を算出するこ
とができる。以下、復調部分について詳細に述べる。
At this time, the DUT 8 has a frequency of 20 Hz,
The amplitude level was about 0.5 μm. The reflected light has an optical path difference (a constant optical path difference + twice the displacement of the device under test) with respect to the reference light from the red He-Ne laser oscillation device 2 which is the light source, and therefore has a phase difference corresponding thereto. . The phase difference includes information on the position / displacement of the device under test 8. In the photoelectric converter 6, as a result of the reflected light from the device under test 8 and the frequency-shifted reference light overlapping, interference occurs to generate a beat. Moreover, the phase difference between the reflected light and the phase difference between the beat component and the signal of the beat frequency oscillator 7 correspond to each other, and the beat component is converted into an electric signal by the photoelectric converter 6 and the beat frequency oscillator 7 The displacement of the DUT 8 can be calculated by calculating the phase difference from the signal of FIG. Hereinafter, the demodulation portion will be described in detail.

【0014】光電変換器6の出力は信号切換器9に加え
られる。信号切換器9の他方の入力にはビート周波数発
振器7の周波数と多少ずれた周波数を発振する校正発振
器10が接続され、測定の前の調整時にこの校正発振器
10の信号が後段に送られる。信号切換器9の出力は、
光電変換器6の出力レベルが一般的に微弱であるため、
増幅器11により復調が可能なレベルまで増幅する。増
幅器11の出力は直交復調器12に接続される。直交復
調器12の構成を図2に示す。直交復調器12は、特性
バラツキが小さい2つの周波数ミキサ15a , 15
b 、同相分配器16および90度分配器17 から構
成される。ビート周波数発振器7からの参照信号cを9
0度分配器17に入力し、90度分配器17からの一方
の出力は周波数ミキサ15aに加え、前記出力と比べて
位相が90度進むよう調整した他方の出力は周波数ミキ
サ 15bに加える。光電変換器6の出力を増幅器11
で増幅したビート信号dは同相分配器16に加え、ふた
つに分配して周波数ミキサ15a , 15bに加え
る。これらの構成により直交復調を行った。ここで、周
波数ミキサ15aから得られるI成分信号eはビート信
号dの位相成分のうちI−Q座標平面上における実軸へ
の内積に比例した値であり、周波数ミキサ15bから得
られるQ成分信号fは90度分配器17から周波数ミキ
サ15aに加えられる信号に対して90゜位相が進んだ
信号を用いることからビート信号dの位相成分のうちI
−Q座標平面上における虚軸への内積に比例した値とな
る。直交復調器12の出力は位相処理回路13に加える
が、位相処理回路13の構成とその動作を図3を用いて
説明する。
The output of the photoelectric converter 6 is applied to a signal switch 9. The other input of the signal switch 9 is connected to a calibration oscillator 10 that oscillates at a frequency slightly different from the frequency of the beat frequency oscillator 7, and the signal of the calibration oscillator 10 is sent to the subsequent stage at the time of adjustment before measurement. The output of the signal switch 9 is
Since the output level of the photoelectric converter 6 is generally weak,
The signal is amplified by the amplifier 11 to a level at which demodulation is possible. The output of the amplifier 11 is connected to the quadrature demodulator 12. FIG. 2 shows the configuration of the quadrature demodulator 12. The quadrature demodulator 12 is composed of two frequency mixers 15a, 15a having a small characteristic variation.
b, an in-phase distributor 16 and a 90-degree distributor 17. The reference signal c from the beat frequency oscillator 7 is set to 9
One output from the 90-degree distributor 17 is input to the 0-degree distributor 17, and is applied to the frequency mixer 15a, and the other output whose phase is advanced by 90 degrees compared to the output is applied to the frequency mixer 15b. The output of the photoelectric converter 6 is connected to the amplifier 11
The beat signal d amplified in the step (1) is supplied to the in-phase distributor 16, divided into two, and supplied to the frequency mixers 15a and 15b. Quadrature demodulation was performed by these configurations. Here, the I component signal e obtained from the frequency mixer 15a is a value proportional to the inner product of the phase component of the beat signal d on the real axis on the IQ coordinate plane, and the Q component signal obtained from the frequency mixer 15b. f uses a signal whose phase is advanced by 90 ° with respect to the signal applied from the 90-degree distributor 17 to the frequency mixer 15a.
-A value proportional to the inner product on the imaginary axis on the Q coordinate plane. The output of the quadrature demodulator 12 is applied to a phase processing circuit 13. The configuration and operation of the phase processing circuit 13 will be described with reference to FIG.

【0015】位相処理回路13は、まずI成分信号eお
よびQ成分信号fがアナログ信号電圧であり、以降の処
理を安定に行う目的から各々の信号をA/D変換器18
a,18bを用いてデジタル信号に変換し、以後デジタ
ル処理を行う。I成分信号eおよびQ成分信号fには残
留直流オフセット電圧が含まれているのでこのオフセッ
トをキャンセルするためA/D変換器18a,18bの
出力はそれぞれ加算器19a,19bに接続し、マイク
ロコンピュータ14から供給されるオフセットキャンセ
ルデータと加算する。これにより加算器19a,19b
の出力からはオフセットが取り除かれる。次に加算器1
9a,19bの出力は乗算器20a,20bによりI信
号データおよびQ信号データのレベル調整、バランス調
整を行う。
The phase processing circuit 13 first converts the I-component signal e and the Q-component signal f into analog signal voltages, and converts each signal into an A / D converter 18 for the purpose of performing the subsequent processing stably.
The digital signal is converted into a digital signal using the signals a and 18b, and thereafter, digital processing is performed. Since the I-component signal e and the Q-component signal f contain a residual DC offset voltage, the outputs of the A / D converters 18a and 18b are connected to adders 19a and 19b, respectively, in order to cancel the offset. The data is added to the offset cancel data supplied from 14. Thereby, the adders 19a, 19b
The offset is removed from the output of. Next, adder 1
The outputs of 9a and 19b perform level adjustment and balance adjustment of I signal data and Q signal data by multipliers 20a and 20b.

【0016】これらの調整について図4のI−Q平面図
を用いて説明する。図4(a)は調整が終了した状態を
示すもので、I成分、Q成分の軌跡は真円で円の中心が
原点に一致している。図4(b)は調整前の状態を示す
もので、I成分、Q成分の軌跡の中心がI軸のプラス方
向にずれており、Q軸方向はマイナスにずれている。こ
れらのずれを加算器19a,19bにより補正する。ま
た、軌跡が楕円でI軸方向の直径とQ軸方向の直径に差
がある場合、乗算器20a,20bにより補正を行う。
具体的にオフセットキャンセルデータを算出するために
は、マイクロコンピュータ14の信号により増幅器11
の動作を停止して同相分配器16への入力信号であるビ
ート信号dをゼロとし、乗算器20a,20bの乗算係
数としてマイクロコンピュータ14により1倍を指定
し、乗算器20a,20bの出力をマイクロコンピュー
タ14が取り込み、この値の補数を計算してオフセット
キャンセルデータを得る。次に、乗算器20a,20b
の乗算係数の算出については、測定前の調整モード状態
で被測定物8を少し移動してこの時の乗算器20a,2
0bの出力軌跡を分析しI成分、Q成分変化のそれぞれ
のPP(ピーク・トゥ・ピーク)値が規定値内かどうか
判定し、規定値内でない場合はマイクロコンピュータ1
4により増幅器11のゲインを変化させて規定値内にな
るように調整する。
These adjustments will be described with reference to the IQ plan view of FIG. FIG. 4A shows a state in which the adjustment is completed. The trajectories of the I component and the Q component are perfect circles, and the center of the circle coincides with the origin. FIG. 4B shows a state before the adjustment, in which the centers of the trajectories of the I component and the Q component are shifted in the plus direction of the I axis, and shifted in the minus direction in the Q axis direction. These shifts are corrected by the adders 19a and 19b. When the trajectory is elliptical and there is a difference between the diameter in the I-axis direction and the diameter in the Q-axis direction, correction is performed by the multipliers 20a and 20b.
In order to specifically calculate the offset cancellation data, the signal of the microcomputer 14 is used to calculate the offset cancel data.
Is stopped, the beat signal d, which is an input signal to the in-phase distributor 16, is set to zero, and the microcomputer 14 designates 1 times as a multiplication coefficient of the multipliers 20a and 20b, and outputs the outputs of the multipliers 20a and 20b. The microcomputer 14 takes in the data and calculates the complement of this value to obtain offset cancel data. Next, the multipliers 20a and 20b
Is calculated by slightly moving the DUT 8 in the adjustment mode state before the measurement.
The output locus of 0b is analyzed to determine whether the respective PP (peak-to-peak) values of the I-component and Q-component changes are within a specified value.
4, the gain of the amplifier 11 is changed so as to be within a specified value.

【0017】一方、I成分、Q成分PP(ピーク・トゥ
・ピーク)値が規定値内である場合は、I成分、Q成分
のバランスをとるためにどちらか値の低い方の信号ライ
ンのゲインを大きくする。今、I成分が低い場合、(補
正後のI成分の乗算係数)=(補正前のI成分の乗算係
数)×(Q成分のPP値)/(I成分のPP値)の演算
を行い、この補正乗算係数値を乗算器20aに送り込
む。なお、調整モード状態で被測定物8を少し移動した
場合、オフセットキャンセルがなされていなくても、図
4(b)で説明したように、出力の最大値と最小値のバ
ランス(プラス・マイナスのバランス)から補正値を算
出することが可能である。乗算器20a,20bの乗算
係数を求めるための実用的な手段として、図1の実施例
では信号切換器9および校正発振器10を用意してい
る。調整時にはマイクロコンピュータ14の指示により
信号切換器9の出力を校正発振器10側に切り換え、増
幅器11により増幅した後同相分配器16へ入力する。
これによりI成分信号eおよびQ成分信号fはビート周
波数発振器7と校正発振器10との周波数差の周期で変
化することになり、図4(b)の軌跡が得られ、補正値
を算出することができる。
On the other hand, when the I-component and Q-component PP (peak-to-peak) values are within specified values, the gain of the signal line of the lower one is adjusted to balance the I-component and Q-component. To increase. Now, when the I component is low, an operation of (multiplication coefficient of the I component after correction) = (multiplication coefficient of the I component before correction) × (PP value of the Q component) / (PP value of the I component) is performed. This corrected multiplication coefficient value is sent to the multiplier 20a. When the DUT 8 is slightly moved in the adjustment mode state, the balance between the maximum value and the minimum value of the output (plus / minus) as described with reference to FIG. It is possible to calculate a correction value from (balance). In the embodiment of FIG. 1, a signal switch 9 and a calibration oscillator 10 are prepared as practical means for obtaining the multiplication coefficients of the multipliers 20a and 20b. At the time of adjustment, the output of the signal switch 9 is switched to the side of the calibration oscillator 10 in accordance with an instruction from the microcomputer 14, amplified by the amplifier 11, and then input to the in-phase distributor 16.
As a result, the I-component signal e and the Q-component signal f change in the cycle of the frequency difference between the beat frequency oscillator 7 and the calibration oscillator 10, and the locus shown in FIG. 4B is obtained, and the correction value is calculated. Can be.

【0018】次に乗算器20a,20bの出力をxy−
θ変換器21に加える。ここでは前述のようにQ成分と
I成分の比の逆正接を求めるわけであるが、ここではあ
らかじめ計算した変換テーブルを書き込んだROMを用
いて、入力データとして乗算器20a,20bからのデ
ータをアドレスとして用い、ROM出力データが長さ/
変位となるように構成している。なお、xy−θ変換器
21は粗いROMテーブルと補間演算器との組み合わせ
としても良い。xy−θ変換器21の出力は乗算器22
に加えられ、マイクロコンピュータ14の指定により測
定レンジの設定に対応した乗算係数が掛けられる。この
乗算器22は完全な乗算器でなくてもシフト動作のみで
も対応可能である。乗算器22の出力には加算器23が
接続され測定範囲の拡大を行う。マイクロコンピュータ
14内のサブCPUがxy−θ変換器21の出力を監視
し、位相が0゜付近から360゜付近に変化する様子を
解析し、360゜から0゜に位相が変化する度に変位加
算値として1/2波長に相当する長さを積算していく。
逆に位相が0゜から360゜に変化した場合は1/2波
長分減算する。こうして得られた変位加算値はマイクロ
コンピュータ14から加算器23に送られxy−θ変換
器21の出力と加算されて最終的な変位信号aとして取
り出される。以上の動作により高精度の変位測定が可能
になる。
Next, the outputs of the multipliers 20a and 20b are xy-
to the θ converter 21. Here, the arc tangent of the ratio of the Q component and the I component is obtained as described above. Here, the data from the multipliers 20a and 20b are used as input data by using a ROM in which a conversion table calculated in advance is written. Used as an address, and the ROM output data
It is configured to be displaced. The xy-θ converter 21 may be a combination of a coarse ROM table and an interpolation calculator. The output of the xy-θ converter 21 is a multiplier 22
Is multiplied by a multiplication coefficient corresponding to the setting of the measurement range according to the designation of the microcomputer 14. The multiplier 22 is not a complete multiplier, but can be adapted only by a shift operation. An adder 23 is connected to the output of the multiplier 22 to expand the measurement range. The sub CPU in the microcomputer 14 monitors the output of the xy-θ converter 21 and analyzes how the phase changes from around 0 ° to around 360 °, and displaces each time the phase changes from 360 ° to 0 °. A length corresponding to a half wavelength is integrated as an addition value.
Conversely, when the phase changes from 0 ° to 360 °, the phase is subtracted by 波長 wavelength. The displacement addition value thus obtained is sent from the microcomputer 14 to the adder 23, added to the output of the xy-θ converter 21, and taken out as the final displacement signal a. The above operation enables highly accurate displacement measurement.

【0019】次に図5のブロック図を用いて本発明の他
の実施の形態例であるレーザ振動変位測定装置24の構
成を説明する。これまで説明したブロックと同一の機能
を有するブロックには同じ番号を付けている。図1の実
施例と異なる点についてのみ説明する。ビート周波数発
振器7と同様の目的で用いる第一局部発振器25(例え
ば10MHz)の出力に周波数変換器26を設け、その
もう一方の入力に第二局部発振器27(例えば3MH
z)を接続し、周波数変換器26の出力に接続したBP
F(バンドパスフィルタ)から13MHzの信号を取り
出す。周波数変換器29にはこの13MHzの信号と増
幅器11からの信号を加え、3MHz付近の測定信号を
得る。周波数変換器29の出力には第二の増幅器30を
接続し、この出力を直交復調器12に接続する。直交復
調器12のもう一方の参照入力としては第二局部発振器
27の3MHzの信号を用いる。
Next, the configuration of a laser vibration displacement measuring device 24 according to another embodiment of the present invention will be described with reference to the block diagram of FIG. Blocks having the same functions as the blocks described so far are given the same numbers. Only the differences from the embodiment of FIG. 1 will be described. A frequency converter 26 is provided at the output of a first local oscillator 25 (for example, 10 MHz) used for the same purpose as the beat frequency oscillator 7, and a second local oscillator 27 (for example, 3 MHz) is provided at the other input.
z) and the BP connected to the output of the frequency converter 26
A 13 MHz signal is extracted from F (bandpass filter). The 13 MHz signal and the signal from the amplifier 11 are added to the frequency converter 29 to obtain a measurement signal near 3 MHz. A second amplifier 30 is connected to the output of the frequency converter 29, and this output is connected to the quadrature demodulator 12. As the other reference input of the quadrature demodulator 12, a 3 MHz signal of the second local oscillator 27 is used.

【0020】このような構成により図1の実施例と同様
に同期検波が可能になり、変位出力を得ることができ
る。図1の実施例では反射光が極端に弱い場合に増幅器
11の増幅度を大きくする必要が生じ、発振が起き易く
不安定になる。図5の実施例においては、周波数変換器
29の前後に適切な増幅度を持つ増幅器11と第二の増
幅器30を持ち、それぞれの増幅器間の結合はあまり問
題とならないのでトータルの増幅度を大きくでき、反射
光が極端に弱い場合の測定精度を確保できる。また、周
波数ミキサ29の出力は低い周波数に設定でき、これに
よりデジタル処理の直交復調器を採用することができ、
より安定な出力を得ることができる。
With such a configuration, synchronous detection becomes possible as in the embodiment of FIG. 1, and a displacement output can be obtained. In the embodiment shown in FIG. 1, when the reflected light is extremely weak, it is necessary to increase the amplification degree of the amplifier 11, and the oscillation is likely to occur and the oscillation becomes unstable. In the embodiment of FIG. 5, the amplifier 11 and the second amplifier 30 having an appropriate amplification degree are provided before and after the frequency converter 29, and the coupling between the respective amplifiers does not cause much problem, so that the total amplification degree is increased. Measurement accuracy when reflected light is extremely weak. In addition, the output of the frequency mixer 29 can be set to a low frequency, so that a quadrature demodulator for digital processing can be adopted.
A more stable output can be obtained.

【0021】なお、これまで説明した構成で、各ブロッ
クの詳細回路、あるいは、アナログ処理とデジタル処理
の切りわけは上記内容に限定されるものではなく、他の
構成も考えられるがそれらも本発明に含まれものであ
る。
In the configuration described so far, the detailed circuit of each block or the separation between analog processing and digital processing is not limited to the above description, and other configurations can be considered. Are included.

【0022】[0022]

【発明の効果】本発明のレーザ振動変位測定装置は、上
記の構成とすることにより、ほとんど静止状態の被測定
物の極めてゆっくりとした変位を含む広い測定振動数帯
における精度の高い変位計測が可能となり、しかも、広
い測定範囲にわたって測定が可能になった。また、周波
数変換器を有する構成ではこのような効果に加えて、反
射光が極端に弱い場合にも安定な測定を行うことが可能
になった。このため、測定に際しては従来の低速振動を
計測可能な他の装置とレーザ振動変位測定装置を併用し
て計測する場合が少なくなり、測定・検査費用を低減す
ることが可能となった。本発明の工業的な意義、社会的
な貢献性は極めて大きい。
According to the laser vibration displacement measuring apparatus of the present invention having the above-described configuration, highly accurate displacement measurement in a wide measuring frequency band including an extremely slow displacement of an object to be measured in an almost stationary state can be performed. It is possible, and moreover, it is possible to measure over a wide measuring range. In addition, in the configuration having the frequency converter, in addition to such an effect, stable measurement can be performed even when the reflected light is extremely weak. For this reason, in the case of measurement, the number of cases in which measurement is performed using a laser vibration displacement measuring device in combination with another conventional device capable of measuring low-speed vibration is reduced, and measurement and inspection costs can be reduced. The industrial significance and social contribution of the present invention are extremely large.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のレーザ振動変位測定装置の実施の形態
を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a laser vibration displacement measuring device according to the present invention.

【図2】本発明のレーザ振動変位測定装置における直交
復調器のブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram of a quadrature demodulator in the laser vibration displacement measuring device of the present invention.

【図3】本発明のレーザ振動変位測定装置における位相
処理回路のブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram of a phase processing circuit in the laser vibration displacement measuring device of the present invention.

【図4】本発明における位相処理回路の調整法を説明す
るためのI−Q平面図である。
FIG. 4 is an IQ plan view for explaining a method of adjusting a phase processing circuit according to the present invention.

【図5】本発明のレーザ振動変位測定装置の他の実施の
形態を示すブロック図である。
FIG. 5 is a block diagram showing another embodiment of the laser vibration displacement measuring device of the present invention.

【図6】従来のレーザ振動変位測定装置のブロック図で
ある。
FIG. 6 is a block diagram of a conventional laser vibration displacement measuring device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 本発明のレーザ振動変位測定装置 2 レーザ発振装置 3a、3b、3c ビームスプリッター 4 音響光学変換器 5 ミラー 6 光電変換器 7 ビート周波数発振器 8 被測定物 9 信号切換器 F/V変換器 10 校正発振器 積分器 11 増幅器 12 直交復調器 13 位相処理回路 14 マイコロコンピュータ 15a、15b 周波数ミキサ 16 同相分配器 17 90度分配器 18a、18b A/D変換器 19a、19b 加算器 20a、20b 乗算器 21 XYーθ変換器 22 乗算器 23 加算器 24 本発明のレーザ振動変位測定装置 25 第一局部発振器 26、29 周波数変換器 27 第二局部発振器 28 BPF(バンドパスフィルタ) 30 第二の増幅器 31 従来のレーザ振動変位測定装置 32 信号切換器 33 F/V変換器 34 積分器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser vibration displacement measuring device of the present invention 2 Laser oscillation device 3a, 3b, 3c Beam splitter 4 Acousto-optic converter 5 Mirror 6 Photoelectric converter 7 Beat frequency oscillator 8 DUT 9 Signal switch F / V converter 10 Calibration Oscillator Integrator 11 Amplifier 12 Quadrature demodulator 13 Phase processing circuit 14 Microcomputer 15a, 15b Frequency mixer 16 In-phase distributor 17 90-degree distributor 18a, 18b A / D converter 19a, 19b Adder 20a, 20b Multiplier 21 XY-θ converter 22 Multiplier 23 Adder 24 Laser vibration displacement measuring device of the present invention 25 First local oscillator 26, 29 Frequency converter 27 Second local oscillator 28 BPF (bandpass filter) 30 Second amplifier 31 Conventional Laser vibration displacement measuring device 32 Signal switch 33 F / V converter 34 Minute unit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 猪越 良夫 千葉県千葉市美浜区中瀬1丁目8番地 株式会社エスアイアイ・アールディセン ター内 (56)参考文献 特開 平7−120304(JP,A) 特開 平5−100663(JP,A) 特開 平8−219868(JP,A) 特開 平5−340952(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01H 9/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Yoshio Inakoshi 1-8 Nakase, Mihama-ku, Chiba City, Chiba Pref. A) JP-A-5-100663 (JP, A) JP-A-8-219868 (JP, A) JP-A-5-340952 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) ) G01H 9/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 被測定物の振動変位を測定するための測
定媒体であるレーザ光を発振するためのレーザ発振装置
と、参照光および被測定物からの反射光を分光するため
のビームスプリッターと、参照光の周波数をシフトする
ための音響光学変換器と、音響光学変換器に一定の周波
数を加えるためのビート周波数発振器と、これらの光を
合成した光の振幅と対応する電圧を取り出す光電変換器
と、光電変換により得られた信号から速度あるいは変位
情報を取り出すための復調部を備えたレーザ振動変位測
定装置において、前記復調部が少なくとも前記光電変換
器により得られた信号を増幅するための増幅器と、増幅
した後の信号を同期検波により直交成分に分解する直交
復調器と、直交復調器から出力される直交成分を変位に
換算するための位相処理回路とから構成されることを特
徴とするレーザ振動変位測定装置。
1. A laser oscillation device for oscillating a laser beam as a measurement medium for measuring a vibration displacement of an object to be measured, a beam splitter for dispersing reference light and light reflected from the object to be measured. An acousto-optic converter for shifting the frequency of the reference light, a beat frequency oscillator for applying a constant frequency to the acousto-optic converter, and a photoelectric conversion for extracting a voltage corresponding to the amplitude of the light obtained by combining these lights. In a laser vibration displacement measuring device provided with a demodulator and a demodulator for extracting speed or displacement information from a signal obtained by photoelectric conversion, the demodulator is configured to amplify at least a signal obtained by the photoelectric converter. An amplifier, a quadrature demodulator for decomposing the amplified signal into quadrature components by synchronous detection, and a phase for converting quadrature components output from the quadrature demodulator into displacements A laser vibration displacement measuring device comprising a processing circuit.
【請求項2】 前記位相処理回路の後に測定範囲を拡大
するための加算器を設けたことを特徴とする特許請求項
1記載のレーザ振動変位測定装置。
2. The laser vibration displacement measuring device according to claim 1, further comprising an adder provided after the phase processing circuit for expanding a measurement range.
【請求項3】 前記直交復調器の前に第二の増幅器を設
け、更にその前に周波数変換器を設けたことを特徴とす
る請求項1または2記載のレーザ振動変位測定装置。
3. The laser vibration displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein a second amplifier is provided before the quadrature demodulator, and a frequency converter is further provided before the second amplifier.
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