JP3135630B2 - Laser-based measuring instrument using Doppler effect - Google Patents
Laser-based measuring instrument using Doppler effectInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、運動している対象の
例えば振動等を測定するドップラ効果を用いたレーザ利
用測定器に関するもので、特にレーザ光の対象物に対す
る照射角度の調整の改善に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser-based measuring instrument using the Doppler effect for measuring, for example, vibrations of a moving object, and more particularly to an improvement in the adjustment of an irradiation angle of a laser beam on the object. Things.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来のこの種のドップラ効果を用いたレ
ーザ利用測定器は、例えば図1に示す装置があった。こ
の図1に示す装置は、本発明の1実施例(符号5で示す
レーザ照射角度調整手段を付加した)をも示す図面でも
あるが、ここでは従来の方法の同等な部分のみ説明する
こととする。2. Description of the Related Art A conventional laser-based measuring instrument using the Doppler effect of this type has, for example, the apparatus shown in FIG. The apparatus shown in FIG. 1 is also a drawing showing one embodiment of the present invention (with the addition of a laser irradiation angle adjusting means indicated by reference numeral 5). Here, only the equivalent parts of the conventional method will be described. I do.
【0003】図1に示す装置は、例えば回転する測定対
象物2の回転方向と直角な方向への変位、振動等の物理
量を検出するための測定器である。レーザー光源11か
らのレーザー光は、まず、第1のビームスプリッタ(B
S1)12により、2つに分離される。第1のビームは
ミラー19を介して測定対象2に照射され、第2のビー
ムは音響光学素子(AOM)14とAOMドライバー1
5とから構成される光周波数シフト手段に入力され所定
の周波数を持つレーザ光に調整される。The apparatus shown in FIG. 1 is a measuring instrument for detecting a physical quantity such as displacement, vibration, and the like of a rotating measuring object 2 in a direction perpendicular to the rotating direction. First, the laser beam from the laser light source 11 is supplied to the first beam splitter (B
S1) It is separated into two by 12. The first beam is applied to the measurement target 2 via the mirror 19, and the second beam is applied to the acousto-optic device (AOM) 14 and the AOM driver 1
5, and is adjusted to a laser beam having a predetermined frequency.
【0004】上述の第1のビームについては、測定対象
2からの反射光が第2のビームスプリッタ(BS2)1
3及びミラー16を介して光−電気変換器18に入力さ
れる。第2のビームについては、基準光として作用し上
記の光周波数シフト手段を発し第3のビームスプリッタ
(BS3)を介して光−電気変換器18に入力される。With respect to the above-mentioned first beam, the reflected light from the measuring object 2 is converted into a second beam splitter (BS2) 1
The signal is input to the optical-electrical converter 18 via the mirror 3 and the mirror 16. The second beam acts as reference light, emits the above-described optical frequency shift means, and is input to the optical-electrical converter 18 via the third beam splitter (BS3).
【0005】光−電気変換器18では、上述の基準光
(第1のビーム)と測定対象2からの反射ビーム(第2
のビーム)が入力される。これら両ビームは、この光−
電気変換器18内において重ね干渉させられる。測定対
象2がその運動方向と直角な方向(ビーム照射方向)に
振動している場合には、第2のビーム(測定対象2の反
射光)はドップラ効果によりその周波数が所定量だけシ
フトする。従って、この光−電気変換器18内では、第
2のビームと基準光との周波数の差に応じたビート周波
数が生ぜられる。そして、このビート周波数を電気信号
に変換し、測定対象の振動に応じた周波数信号を得る。In the optical-electrical converter 18, the above-mentioned reference light (first beam) and the reflected beam (second beam)
Is input. Both of these beams are
Overlap interference occurs in the electric converter 18. When the measurement object 2 is vibrating in a direction (beam irradiation direction) perpendicular to the movement direction, the frequency of the second beam (reflected light of the measurement object 2) is shifted by a predetermined amount due to the Doppler effect. Accordingly, a beat frequency corresponding to the difference in frequency between the second beam and the reference light is generated in the optical-electrical converter 18. Then, the beat frequency is converted into an electric signal, and a frequency signal corresponding to the vibration of the measurement target is obtained.
【0006】この周波数シフト信号を利用装置4に出力
し、利用装置4内で目的の処理をなすことにより、振
動、速度または変位等各種の測定を行うことができる。By outputting this frequency shift signal to the utilization device 4 and performing desired processing in the utilization device 4, various measurements such as vibration, velocity, and displacement can be performed.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】ところで、この種のド
ップラ効果を用いたレーザ利用測定器においては、図3
左図に示すように、測定対象2に照射されるレーザ光
は、測定すべき振動の方向に一致するように照射される
ことが望ましい。図3右図に示すように、照射レーザ光
が振動面に対して垂直でない場合には、測定すべき振動
とともに測定対象2の運動による影響をも受けてしま
い、測定すべき振動を忠実に捉えることはできない。す
なわち、この種のレーザ利用測定器においては、レーザ
光の照射方向について言えば、測定すべき変位等の方向
に一致するよう調整する必要がある。By the way, in a laser-based measuring instrument using this type of Doppler effect, FIG.
As shown in the left figure, it is desirable that the laser beam irradiated to the measurement target 2 be irradiated so as to coincide with the direction of the vibration to be measured. As shown in the right diagram of FIG. 3, when the irradiation laser light is not perpendicular to the vibration plane, the laser light is affected not only by the vibration to be measured but also by the motion of the measurement target 2, and the vibration to be measured is faithfully captured. It is not possible. That is, in this type of laser-based measuring instrument, it is necessary to adjust the irradiation direction of the laser light so as to match the direction of the displacement or the like to be measured.
【0008】従来のこの種装置においては、レーザー光
の照射方向を所定の方向になるよう配置するのみで、特
にこの調整のための手段を設けてはいなかった。そのた
め、その測定結果を高精度なものとするため、その調整
をきわめて細密に行う必要があった。この発明は、この
点に関して改善することを目的としたものである。[0008] In this type of conventional apparatus, the laser light is radiated only in a predetermined direction, and no means is specifically provided for this adjustment. Therefore, in order to make the measurement result highly accurate, it was necessary to perform the adjustment very precisely. The present invention seeks to improve in this regard.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】このため、この発明にお
いては、所定の方向に運動する物体(測定対象)のその
運動方向と交わる方向の速度または変位を測定するた
め、レーザ光を上記物体に対して照射し、当該物体から
のドップラ効果が加えられた反射レーザ光を解析して上
記振動の速度または変位を測定するドップラ効果を利用
した測定装置において、レーザ光を上記測定対象に照射
する手段、上記測定対象からの反射レーザ光の周波数シ
フト量を検出する手段、上記検出された周波数シフト量
をゼロにするように上記レーザ光の上記測定対象への照
射角度を可変する手段とからなり、レーザ光の照射角度
を調整するよう構成した。According to the present invention, a laser beam is applied to an object (measurement object) moving in a predetermined direction in order to measure the speed or displacement of the object in a direction intersecting the direction of the movement. Irradiating the object to be measured with a Doppler effect measuring device that analyzes the reflected laser light to which the Doppler effect is applied from the object and measures the speed or displacement of the vibration. Means for detecting the frequency shift amount of the reflected laser light from the measurement object, and means for varying the irradiation angle of the laser light on the measurement object so as to make the detected frequency shift amount zero, It was configured to adjust the irradiation angle of the laser beam.
【0010】[0010]
【作用】図3を参照する。所定の速度v0で運動する測定
対象2のこの運動方向と直角の方向の速度または変位を
測定するためには、図3左図に示すように、測定対象2
にはその運動方向に対して垂直な方向からレーザ光を照
射することが望ましい。今、速度v0で運動する測定対象
2は、その運動方向に垂直な方向への位置変動はないも
のとする。図3左図に示すように、この測定対象2にそ
の運動方向に直角な方向からレーザ光が照射されると、
その反射レーザ光は何の影響も受けない。すなわち、測
定対象2の移動速度v0に関するドップラ効果による周波
数シフトは起こらず、同一の周波数を有したレーザ光が
反射される。Operation Referring to FIG. In order to measure the speed or displacement of the measurement object 2 moving at a predetermined speed v0 in a direction perpendicular to this direction of motion, as shown in the left diagram of FIG.
It is desirable to irradiate the laser beam from a direction perpendicular to the direction of movement. Now, it is assumed that the measurement target 2 that moves at the speed v0 does not change its position in a direction perpendicular to the direction of the movement. As shown in the left diagram of FIG. 3, when the measurement target 2 is irradiated with laser light from a direction perpendicular to the direction of its movement,
The reflected laser light is not affected at all. That is, the frequency shift due to the Doppler effect related to the moving speed v0 of the measurement target 2 does not occur, and the laser light having the same frequency is reflected.
【0011】一方、図3右図に示すように、レーザ光が
所定の角度θをもって測定対象2に照射された場合に
は、その反射レーザ光はドップラ効果によりv0・cosθの
影響を受け周波数がシフトする。このレーザ照射角度と
周波数シフト量との関係は、図4に示す関係にある。速
度v0で移動する測定対象2に対してその移動方向と直角
にレーザ光を照射した際に、その反射レーザ光は変化せ
ず最大の周波数となる。そして、照射角度が直角からず
れる毎にその周波数シフト量がしだいに大きくなる。従
って、この周波数シフト量を知ることにより、レーザ光
の測定対象2に対する照射角度を知ることができるとと
もにその調整を効率よく行うことができる。On the other hand, as shown in the right diagram of FIG. 3, when a laser beam is irradiated on the measurement target 2 at a predetermined angle θ, the reflected laser beam is affected by v0 · cos θ by the Doppler effect and the frequency is changed. shift. The relationship between the laser irradiation angle and the frequency shift amount is as shown in FIG. When the measurement target 2 moving at the speed v0 is irradiated with laser light at right angles to the moving direction, the reflected laser light does not change and has the maximum frequency. Then, each time the irradiation angle deviates from the right angle, the frequency shift amount gradually increases. Therefore, by knowing the frequency shift amount, it is possible to know the irradiation angle of the laser beam to the measurement target 2 and to adjust the angle efficiently.
【0012】[0012]
【実施例】以下、図面の1実施例を参照して本発明を説
明する。図1に示す実施例装置は、レーザ光の照射角度
に応じてシフトする周波数シフト量を検出してレーザ光
の照射角度の調整を行うものである。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to one embodiment of the drawings. The embodiment apparatus shown in FIG. 1 detects a frequency shift amount that shifts in accordance with the irradiation angle of the laser light and adjusts the irradiation angle of the laser light.
【0013】図1の装置について、実際の測定を行う前
にレーザ光の照射角度の調整を行う。光−電気変換器1
8の出力をスイッチ3を切り換えて照射角度調整手段5
に接続する。光−電気変換器18の出力信号は、周波数
−電圧変換器51によりその周波数に応じた電圧信号に
変換される。この電圧信号は比較手段53の一方の入力
となる。さらに、この比較手段53の他方の端子には、
レーザ光源11からのレーザー光が測定対象2に対して
垂直に照射された際における光−電気変換器18の出力
周波数信号に相当する基準電圧信号が基準電圧発生器5
2から入力されている。In the apparatus shown in FIG. 1, the irradiation angle of the laser beam is adjusted before the actual measurement. Optical-electrical converter 1
8 is changed over by the switch 3 to change the irradiation angle adjusting means 5
Connect to The output signal of the optical-electrical converter 18 is converted by the frequency-voltage converter 51 into a voltage signal corresponding to the frequency. This voltage signal becomes one input of the comparing means 53. Further, the other terminal of the comparing means 53 has
A reference voltage signal corresponding to the output frequency signal of the optical-electrical converter 18 when the laser light from the laser light source 11 is irradiated perpendicularly to the measurement target 2 is referred to as a reference voltage generator 5.
2 has been entered.
【0014】従って、この比較手段53内では、基準電
圧すなわち垂直な照射角度に対する実際のレーザ光の照
射角度のズレを表す信号が生じる。この比較信号は、メ
ーター等の周波数差表示器54に出力され、そのズレ量
を視覚表示する。Accordingly, a signal representing the deviation of the actual irradiation angle of the laser beam from the reference voltage, that is, the vertical irradiation angle, is generated in the comparing means 53. The comparison signal is output to a frequency difference display 54 such as a meter, and visually displays the amount of the deviation.
【0015】装置の使用者は、この表示器54の表示す
るズレ量を見ながらレーザ光源11の測定対象2に対す
る照射角度を調整する。このズレ量がゼロとなった段階
でこの調整が完了する。そして、スイッチ3を切り換え
て光−電気変換器18の出力信号を利用装置4に接続し
て目的の測定を行う。この測定動作については、先に説
明した通りである。The user of the apparatus adjusts the irradiation angle of the laser light source 11 with respect to the measurement target 2 while observing the amount of deviation displayed on the display 54. This adjustment is completed when the deviation amount becomes zero. Then, the switch 3 is switched and the output signal of the optical-electrical converter 18 is connected to the utilization device 4 to perform the intended measurement. This measurement operation is as described above.
【0016】なお、この調整は、レーザ光源11または
測定対象2の位置関係を手動によって変更してもよく、
また上記周波数のズレ量に応じて自動的に両者の位置関
係を調整する装置(例えばミラー19を上記ズレ量に応
じて自動的に調整する機構)を設けても良い。In this adjustment, the positional relationship between the laser light source 11 and the object to be measured 2 may be changed manually.
Further, a device (for example, a mechanism for automatically adjusting the mirror 19 according to the amount of the deviation) that automatically adjusts the positional relationship between the two may be provided.
【0017】図2は、この発明の第2の実施例を示すも
ので、入力される周波数信号に応じて出力レベルが変動
する増幅器を用いたものである。すなわち、この増幅器
としては、レーザ光源11のレーザ光の照射角度が測定
対象2に対してちょうど垂直の関係となった時に光−電
気変換器18(図1)から入力される周波数信号に対応
して最大の出力レベルを持つ同調増幅器を用いることが
できる。FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention, in which an amplifier whose output level fluctuates according to an input frequency signal is used. That is, this amplifier corresponds to a frequency signal input from the optical-electrical converter 18 (FIG. 1) when the irradiation angle of the laser light from the laser light source 11 is exactly perpendicular to the measurement target 2. A tuned amplifier with the highest output level can be used.
【0018】この同調増幅器は、図5に示す特性を有し
ているものが望ましい。すなわち、図に示す入力周波数
f0はレーザ光源11のレーザ光が垂直の関係で測定対象
2に照射された状態に対応する光−電気変換器18の出
力周波数に一致するものである。そして、この増幅器に
対する入力周波数がf0の時最大の出力レベルとなってい
る。従って、図6に示すように、この同調増幅器の出力
レベルを最大の状態とするようにレーザ光源11のレー
ザ光と測定対象2との位置関係の調整を行えば良い。This tuning amplifier preferably has the characteristics shown in FIG. That is, the input frequency shown in the figure
f0 is equal to the output frequency of the optical-electrical converter 18 corresponding to the state where the laser light from the laser light source 11 is irradiated on the measurement target 2 in a vertical relationship. When the input frequency to this amplifier is f0, the output level is maximum. Therefore, as shown in FIG. 6, the positional relationship between the laser beam of the laser light source 11 and the measurement target 2 may be adjusted so that the output level of the tuning amplifier is at the maximum.
【0019】図2を参照する。図2はレーザ照射角度の
調整機構を示しており、図1に示した調整機構5と同様
な働きをするものである。図1に示す光−電気変換器1
8の出力信号は、レーザ光の調整を行う際、スイッチ3
を介して図2に示す調整機構5の同調増幅器55に入力
される。この同調増幅器55は、図6に示すようにその
入力周波数信号に応じた出力レベルを有している。ピー
ク検波回路56は、同調増幅器55の出力の最大値を保
持するものである。このピーク検波回路56の出力値が
レベル表示器57により視覚表示される。Referring to FIG. FIG. 2 shows a mechanism for adjusting the laser irradiation angle, and has the same function as the adjusting mechanism 5 shown in FIG. Opto-electric converter 1 shown in FIG.
When the adjustment of the laser beam is performed, the output signal of switch 8
Is input to the tuning amplifier 55 of the adjustment mechanism 5 shown in FIG. The tuning amplifier 55 has an output level corresponding to the input frequency signal as shown in FIG. The peak detection circuit 56 holds the maximum value of the output of the tuning amplifier 55. The output value of the peak detection circuit 56 is visually displayed on the level display 57.
【0020】装置の使用者は、このレベル表示器57の
表示レベルを最大にするようにレーザ光源11のレーザ
光と測定対象2との位置関係を調整する。この調整は、
先に説明した実施例と同様、手動で行ってもよく、レー
ザ光源と測定対象2との位置関係を可変し得る機構を設
けて自動的に調整するようにしても良い。なお、この実
施例装置においては、スイッチ3(図1)を切り換える
ことで測定動作と調整動作を行う例を示したが、これら
の動作を同時に行わせるよう構成しても良い。この場合
には、図1の光−電気変換器18の出力信号を利用装置
4及び照射角度調整機構にともに送出するよう構成すれ
ば良い。The user of the apparatus adjusts the positional relationship between the laser light of the laser light source 11 and the object 2 so as to maximize the display level of the level indicator 57. This adjustment is
Similar to the above-described embodiment, the adjustment may be performed manually, or a mechanism capable of changing the positional relationship between the laser light source and the measurement target 2 may be provided to automatically adjust the positional relationship. In the apparatus of this embodiment, an example in which the measurement operation and the adjustment operation are performed by switching the switch 3 (FIG. 1) has been described. However, the configuration may be such that these operations are performed simultaneously. In this case, the output signal of the optical-electrical converter 18 shown in FIG. 1 may be sent to both the utilization device 4 and the irradiation angle adjusting mechanism.
【0021】[0021]
【発明の効果】以上、この発明によれば、レーザ光源1
1のレーザ光と測定対象との位置関係が最良の状態を検
出するよう構成し、さらに、これに基づいて上記両者の
調整を行うよう構成したので、確実でかつ効率の良い調
整を行うことができるとともにレーザ光を所定の角度に
確実に照射することができるので、精度の良い測定を行
うことができる。As described above, according to the present invention, the laser light source 1
1 is configured to detect the best condition of the positional relationship between the laser beam and the object to be measured, and furthermore, the two are adjusted based on this, so that reliable and efficient adjustment can be performed. Since the laser beam can be irradiated at a predetermined angle without fail, accurate measurement can be performed.
【図1】本発明の1実施例に関わるレーザ光の照射角度
の調整機構を有したレーザ利用測定器の構成説明図であ
る。FIG. 1 is a configuration explanatory view of a laser-based measuring instrument having a mechanism for adjusting an irradiation angle of a laser beam according to an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第2の実施例に関わるレーザ光の照射
角度の調整機構の構成説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a configuration of a laser light irradiation angle adjustment mechanism according to a second embodiment of the present invention.
【図3】本発明のレーザ光の照射角度検出原理を示す模
式図である。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a principle of detecting an irradiation angle of laser light according to the present invention.
【図4】本発明の対象となるドップラ効果を用いたレー
ザ利用測定装置のレーザ光の照射角度とその反射レーザ
光の周波数の関係を表したグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the irradiation angle of laser light of a laser-based measuring device using the Doppler effect and the frequency of the reflected laser light, which is the subject of the present invention.
【図5】本発明の第2の実施例に関わる同調増幅器の特
性を表すグラフである。FIG. 5 is a graph showing characteristics of a tuning amplifier according to a second embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第2の実施例に関わる同調増幅器の作
用を説明する模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the operation of a tuning amplifier according to a second embodiment of the present invention.
11:レーザ光源 2:測定対象 3:切換スイッチ 4:利用装置 5:照射角度調整機構 11: Laser light source 2: Measurement target 3: Changeover switch 4: Utilization device 5: Irradiation angle adjustment mechanism
Claims (2)
の当該運動方向と交わる方向の振動、速度等の物理量を
測定するため、レーザ光を上記物体に照射し、当該物体
からのドップラ効果が加えられた反射レーザ光を解析し
て上記物体の振動、速度等の物理量を測定するドップラ
効果を用いたレーザ利用測定装置において、 レーザ光を上記測定対象に照射する手段、 上記測定対象からの反射レーザ光の周波数シフト量を実
際に検出する手段、 測定すべき方向の振動、速度等の物理量に一致する方向
にて、上記測定対象に上記レーザ光を照射した際の上記
測定対象からの反射レーザ光の周波数シフト量に相当す
る周波数シフト量を出力する基準周波数シフト量出力手
段と、上記実際に検出された反射レーザ光の周波数シフ
ト量とを比較する手段、 とからなり、 上記実際に検出された反射レーザ光の周波数シフト量を
上記基準周波数シフト量出力手段の出力する周波数シフ
ト量に一致させるように上記レーザ光の上記測定対象に
対する照射角度を可変調整するよう構成したドップラ効
果を用いたレーザ利用測定器。1. An object moving in a predetermined direction (measurement object)
Vibration in the direction intersecting the direction of motion, to measure physical quantities such as speed, irradiate the object with laser light, analyze the reflected laser light to which the Doppler effect has been added from the object, vibration of the object, the laser utilized measuring device using the Doppler effect to measure the physical quantity such as velocity, means for irradiating laser light to the measurement target, the frequency shift amount of the reflected laser light from the measurement target real
Means for detecting when vibration to be measured direction, a direction corresponding to a physical quantity such as velocity
In the above, when the measurement object is irradiated with the laser light,
Equivalent to the frequency shift of the reflected laser light from the measurement target
Reference frequency shift amount output means that outputs the frequency shift amount
And the frequency shift of the reflected laser light actually detected.
Means for comparing the frequency shift amount of the reflected laser light actually detected.
The frequency shift output from the reference frequency shift amount output means
A laser-based measuring instrument using the Doppler effect, which is configured to variably adjust an irradiation angle of the laser beam to the measurement object so as to match the laser beam.
の当該運動方向と交わる方向の振動、速度等の物理量を
測定するため、レーザ光を上記物体に照射し、当該物体
からのドップラ効果が加えられた反射レーザ光を解析し
て上記振動、速度等の物理量を測定するドップラ効果を
用いたレーザ利用測定装置において、 レーザ光を上記測定対象に照射する手段、 当該測定対象に対する上記レーザ光の照射角度が所定の
角度であるときの当該反射レーザ光の周波数に一致した
周波数信号が入力されたとき最大の出力レベルを発生す
る増幅器とからなり、 上記増幅器の出力レベルを最大にするよう上記レーザ光
の上記測定対象に対する照射角度を上記所定の角度に調
整するように構成してなるドップラ効果を用いたレーザ
利用測定器。2. An object moving in a predetermined direction (measurement target)
In order to measure the physical quantity such as vibration and velocity in the direction intersecting with the movement direction, the object is irradiated with laser light, and the reflected laser light from the object to which the Doppler effect has been added is analyzed to determine the vibration, velocity, etc. A laser-based measuring apparatus using the Doppler effect for measuring the physical quantity of the laser beam; An amplifier that generates a maximum output level when a frequency signal that matches the frequency is input, and adjusts an irradiation angle of the laser light to the measurement target to the predetermined angle so as to maximize the output level of the amplifier. And a laser-based measuring device using the Doppler effect.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03238774A JP3135630B2 (en) | 1991-08-26 | 1991-08-26 | Laser-based measuring instrument using Doppler effect |
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---|---|---|---|
JP03238774A JP3135630B2 (en) | 1991-08-26 | 1991-08-26 | Laser-based measuring instrument using Doppler effect |
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JPH0552958A JPH0552958A (en) | 1993-03-02 |
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