JP3543497B2

JP3543497B2 - 振動測定装置

Info

Publication number: JP3543497B2
Application number: JP18557696A
Authority: JP
Inventors: 哲朗丸山
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2016-06-26
Also published as: JPH109943A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動測定装置に係り、特に、対象物の構造解析の基礎となる当該対象物の振動を測定する振動測定装置に関する。
【０００２】
振動測定装置の測定対象は、エンジン、ボディ、ドア、窓、マフラーなど、騒音や車体特性を測定するときのみならず、ドリル、バイトなど加工機器の異常振動の検出にも用いる。また、その他振動解析が必要な種々の対象物を含む。
【０００３】
【従来の技術】
従来より、車体の振動計測は、対象物に設置する加速度ピックアップや、スリット光を用いたモアレ振動計により行っている。
【０００４】
振動測定装置で測定した対象物の振動は、当該対象物の振動解析に利用される。例えば、図１４に示すように、測定対象物５２に加速度ピックアップ５１を設置し、この加速度ピックアップ（ピックアップセンサ）５１から出力される加速度データを周波数伝達関数に変換し、共振周波数での振幅に基づいて対象物の構造を解析することが行われている。このような解析により、測定対象物の剛性の判定（例えば、溶接の良否の判定）などを行う。
【０００５】
また、振動解析の応用例として、車室内騒音対策がある。車室内騒音の低減を行うためには剛性及び減衰の向上が必要となるが、これをどのように行うかを定めるにあっては、車両ボディの詳細な振動解析結果が参考となる。このための車両ボディの振動測定では、車両の複数箇所に加速度ピックアップを取り付けるなど、複数箇所の振動を測定する必要がある。
【０００６】
また、加工機（例えば、ドリルモータ５４）の異常振動検出は、従来より、モータの駆動電流変化による検出や、ＡＥ (Acoustic Emission)による衝撃音の検出や、また、図１５に示すように、取付治具を５３を介して設置したピックアップセンサ５１により行っていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、加速度ピックアップ（ピックアップセンサ）５１は接触式であるため、センサや接続ケーブル５６の重量が振動に影響を与えるため、正確な測定が困難となる。さらに、モアレ振動計では、全体の振動傾向は判るが、対象物の振動の変位を測定することができない。
【０００８】
また、モータなど加工機の振動測定については、モータの駆動電流変化による検出では、後付けが難しく、ドリル径が３ｍｍ以下になると検出が難しい。このため、正常な対象物の振動解析結果との比較によるモータのギヤの欠けなどの検出が難しく、特に、小型モータでは振動測定装置及び振動解析装置による異常判定を行うことができない、という不都合があった。
【０００９】
さらに、衝撃音による検出は、歯が折れた衝撃音を検出するものであるが、装置が高価であり、周囲騒音の影響を受けやすく衝撃音の検出が難しい、という不都合があり、さらに、ピックアップマイクロホンを接触させる面は平面が望まれることなど条件が厳しい。
【００１０】
また、センサとケーブルの重量によって振動特性が変化し、センサを取り付ける位置で異常振動検出条件が変化してしまうため、対象物の構造を安定して良好に解析することができなくなる。このため、非接触式での振動測定装置が望まれるが、非接触式で振動の変位までも測定する振動測定装置は知られていない。
【００１１】
さらに、車体ボディから小型モータまで振動測定の対象は広く、さらに、溶接の良否検査や加工機の良否検査などは製造工程に組み込むことが望まれるため、振動測定装置も、コンパクトで設置が容易でかつ安価なものが望まれる。
【００１２】
【発明の目的】
本発明は、係る従来例の有する不都合を改善し、特に、非接触式で振動の変位を測定することのできる簡易な振動測定装置を提供することを、その目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明では、測定対象物から反射したレーザ光を観測する光検出手段と、この光検出手段から出力された波形信号を解析すると共に鋸歯状波を検出する信号処理手段と、この信号処理手段によって検出された各鋸歯状波毎の波長差に基づいて前記測定対象物の振動方向の切り替わり時を算出する演算手段とを備えている。
しかも、この演算手段に、当該演算手段によって算出された切り替わり時情報に基づいて前記各鋸歯状波の波長を前記対象物の変位データに変換するデータ変換手段を併設した、等の構成を採っている。これにより前述した目的を達成しようとするものである。
【００１４】
レーザドップラ速度計は測定対象物の移動速度を測定できるため、測定対象物の振動面の変位の測定が可能である。しかし、振動面の移動方向が変化するときには、測定対象面は移動しないため、レーザドップラ速度計が出力する信号が乱れ、振動面の進行方向切り替わり位置（時）を出力信号から判定することができなかった。本発明では、レーザドップラ速度計により振動面の変位を測定する際の出力信号の特性を利用し、この振動面の進行方向切り替わり時を演算により求め、これにより、測定対象物の振動面の変位を測定するものである。振動面の進行方向切り替わり時を演算により正確に求めることで、振動解析を行うための要求に適した振動測定信号となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明による振動測定装置の構成を示すブロック図である。振動測定装置は、測定対象物から反射したレーザ光を観測する光検出手段１０と、この光検出手段１０から出力された波形信号を解析すると共に鋸歯状波を検出する信号処理手段１２と、この信号処理手段１２によって検出された各鋸歯状波毎の波長差に基づいて測定対象物の振動方向の切り替わり時を算出する演算手段１４とを備えている。
【００１７】
しかも、この演算手段１４に、当該演算手段１４によって算出された切り替わり時情報に基づいて各鋸歯状波の波長を対象物の変位データに変換するデータ変換手段１６を併設している。
【００１８】
図１に示す構成では、信号処理手段１２が、振動対象物の振動面の変位に応じた鋸歯状波を検出し、データ変換手段１６が、鋸歯状波の波長に応じて測定対象物の変位データを出力するため、対象物の振動面の変位を測定することができ、さらに、演算手段１４が、各鋸歯状波毎の波長差に基づいて測定対象物の振動方向の切り替わり時を算出するため、対象物の振動面の移動方向の変化時を検出することができ、このため、鋸歯状波の波長に応じた変位量の変位方向を特定することができる。従って、レーザドップラ速度計（ＬＤＶ）により対象物の振動を測定することが可能となる。
【００１９】
また、図２に示すように、演算手段１４は、信号処理手段１２によって検出された隣り合う各鋸歯状波のピーク間時間を順次計時する計時部と、この計時部によって計時された各鋸歯状波毎のピーク間時間に基づいて対象測定物の振動の半周期に応じた信号波形を抽出する半周期波形信号抽出部と、この半周期波形信号抽出部によって抽出された半周期信号波形の中心位置を切り替わり時として算出する切り替わり時算出部とを備えている。
【００２０】
この図２に示す構成では、計時部が、鋸歯状波のピーク間時間（波長）を順次計時し、半周期波形信号抽出部が、鋸歯状波のピーク間時間に基づいて測定対象物の振動面の振動の半周期に応じた長さの半周期波形信号を出力する。そして、切り替わり時算出部は、半周期信号の中心位置を振動面の移動方向の切り替わり時として算出する。
【００２１】
具体的には、半周期波形信号抽出部が、計時部によって計時された複数の鋸歯状波のピーク間時間のうち最長のピーク間時間を検索する第１の検索機能と、この第１の検索機能によって検索された最長のピーク間時間に基づいて比較範囲を定めると共に当該比較範囲内の最短ピーク時間を持つ鋸歯状波を検索する第２の検索機能と、この第２の検索機能によって検索された鋸歯状波間の信号波形を半周期信号波形として抽出する抽出機能とを備えている。
【００２２】
図３に示すように、信号処理手段１２は、測定対象物の振動面ａの変位量ｂに応じた鋸歯状波ｄを検出される。鋸歯状波は、振動面がレーザ波長の半分の距離（λ／２）変位したとき、一波発生する。このため、第１の検索機能により検索された最長のピーク間時間は、最長の波長であるから、変位によって鋸歯状波が生ずるＬＤＶにあっては測定対象物が移動していないことを意味する。
【００２３】
従って、この波長が最長となるところで、振動面の移動方向が切り替わっていることとなる。しかし、図４に示すように、変位がないときの波形の乱れ方はは一様ではないため、振動方向切り替わり時前後の波形ｄである最長波長の解析によっては振動方向切り替わり位置ｃ1（ｃ2）を正確に知ることができない。
【００２４】
このため、第２の検索機能は、第１の検索機能によって検索された最長のピーク間時間に基づいて比較範囲を定めると共に、当該比較範囲内の最短ピーク時間を持つ鋸歯状波を検索する。この第２の検索機能により、一方の振動方向切り替わり位置ｃ1から、他方の振動方向切り替わり位置ｃ2までの波形信号を比較範囲として、最短ピーク時間を持つ鋸歯状波を検索する。この最短ピーク時間は、振動面が最も高速に振動する位置となる。
【００２５】
第２の検索機能によって順次検索される最短ピーク時間は、一般的に、一方の振動方向切り替わり位置ｃ1から、他方の振動方向切り替わり位置ｃ2の中心位置となる。さらに、抽出機能は、第２の検索機能によって検索された鋸歯状波間の信号波形を半周期信号波形として抽出する。すなわち、１つの振動方向切り替わり時を含む半周期分の波形を抽出する。
【００２６】
次いで、切り替わり時算出部２４は、半周期信号の中心位置を振動面の移動方向の切り替わり時として算出する。物体の振動には対称性があるため、半周期信号の中心位置は振動面の移動方向の切り替わり位置となる。
【００２７】
〔実施例〕
次に、自己混合型ＬＤＶを用いた実施例を説明する。自己混合型ＬＤＶは、非接触で測定ができ、センサヘッドが小型、安価であるため、複数用意することができ、さらに、相対変位をサブミクロンオーダーで測定することが可能であるため、振動計測に最適と考えられる。この自己混合型ＬＤＶの詳細については、特公昭８−２７３５０号公報に開示されている。
【００２８】
自己混合型ＬＤＶでは、振動面にレーザビームを照射して反射光をレーザに戻すことにより、振動面の変位に応じた鋸歯状波が発生する。上述したように、鋸歯状波は、振動面がレーザ波長の半分の距離（λ／２）変位したとき、一波発生する。従って、鋸歯状波をカウントすると測定対象物の変位を測定することとなる。時間経過に沿って変位（鋸歯状波）を数えれば、振動状態を測定することができる。
【００２９】
しかし、振動面の移動方向が変わるときは、移動速度はゼロに近づき、鋸歯状波の波長は長く波形が間延びした状態となるため、波形形状による識別が難しい。すなわち、振動面の移動方向が変わるときには、鋸歯状波の傾きによる判定ができない。さらに、振動面の変位がλ／２の倍数であるとは限らないので、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、方向の切り替わり近くの鋸歯状波はさまざまな波形となる。
【００３０】
また、加工機の振動を検出する場合にも、この付近に特徴のある振動周波数が現れるので、他の周波数が加算された場合にも、方向切り替わり時間を正確に判断する必要がある。
【００３１】
〔信号処理〕
図５は本実施例の第１実施例の構成を示すブロック図である。演算部１４は、パルス毎の波長データを記憶するメモリ１４Ａと、このメモリ１４Ａから波長データを読み出すと共に当該各鋸歯状波毎の波長データに基づいて測定対象物の振動方向の切り替わり時を演算する切り替わり時演算回路１４Ｂとを備えている。また、光検出手段１０として、センサヘッド１０を採用し、このセンサヘッドの１０の出力は、信号処理手段１２のアンプ１２Ａにより増幅される。
【００３２】
図５に示す例では、信号処理手段１２は、波形信号を鋸歯状波毎のパルス信号に変換するパルス化部１３を備えている。パルス化部１３は、アンプ１２Ａの出力をデジタルデータに変換するＡ／Ｄコンバータ１２Ｂと、このＡ／Ｄコンバータ１２Ｂが出力するデジタルデータから鋸歯状波を検出する鋸歯状波検出回路１２Ｄとを備えている。この鋸歯状波検出回路１２Ｄは、検出した鋸歯状波に番号を付与する番号付与部を備えている。さらに、演算手段１４は、鋸歯状波検出回路１２Ｄから出力される鋸歯状波のピーク間時間を計測する時間計測回路１２Ｅを備えている。
【００３３】
図５に示す例では、センサヘッド１０のフォトダイオードで検出した鋸歯状波を、アンプ１２Ａで増幅してデジタルデータに変換し、メモリ１２Ｃに蓄積する。次いで、メモリの波形データから、鋸歯状波を識別し、ナンバーを付けると共に、経過時間を記録する。一波あたりの経過時間から、方向切り替わり時間を演算により求め、メモリ１４Ａ内の変位増減情報を修正する。
【００３４】
図６は、デジタル変換せずアナログ波形から鋸歯状波を判定、番号を付け経過時間を記録する構成である。図６に示す例では、信号処理手段１２が、波形信号を鋸歯状波毎のパルス信号に変換するパルス化部（パルス化回路）１２Ｆと、このパルス化回路１２Ｆから出力されるパルス信号の各パルスにパルス番号を付与する番号付与部とを備え、演算手段１４が、パルス化手段１２Ｆから出力されるパルス信号に基づいて当該各パルス出力間の時間を計時するカウンタ１２Ｈと、このカウンタ１２Ｈから出力されるパルス毎の波長データを記憶するメモリ１４Ａと、このメモリ１４Ａから波長データを読み出すと共に当該各鋸歯状波毎の波長データに基づいて前記測定対象物の振動方向の切り替わり時を演算する切り替わり時演算回路１４Ｂとを備えている。
【００３５】
パルス化回路１２Ｆは、波形を微分することにより時間に対する電圧の変化量から鋸歯状波を識別する。識別した後は、鋸歯状波に応じてパルスを出力する。パルスに番号を付けると同時に、フリーランニングカウンタ等により時間経過を表すデータを受信し記録する。次に、一波あたりの経過時間から、方向切り替わり時間を演算によって求め、メモリ内の変位増減情報を修正する。そして、時間経過に対する振動面の変位をグラフ化すると、振動状態が解析できる。
【００３６】
図５又は図６に示す構成により、図７に示すように、鋸歯状波をパルス化してパルス番号を付与することができる。
【００３７】
〔振動方向の切り替わり時〕
振動方向の切り替わり時を求める手法について図８を参照して説明する。図８の横軸は、図５の処理構成で鋸歯状波をパルス化したとき、各パルスに付与した番号である。縦軸は、パルス間の時間、すなわち、一鋸歯状波の波長である。方向切り替わり時間における鋸歯状波には、次の特徴がみられる。
【００３８】
（１）．方向切り替わり時間を中心として対照的
（２）．多様な鋸歯状波となるため、鋸歯状波長の長い山は複数出現する可能性がある。
（３）．振動方向切り替わり時間付近の鋸歯状波長は他の部分に比べて確実に長い。
【００３９】
これらのことから、振動方向の切り替わり時間を、鋸歯状波長と時系列パルス化したときのパルス番号をＮ、パルス列の大きさをｍ、パルス列最初のパルス番号をＭｓ、最後のパルス番号をＭｅ、鋸歯状波長をλ_B（Ｎ）、とすると、中心点すなわち振動方向が反転したときのパルス番号Ｎｃは次式（１）で求めることができる。
【００４０】
【数１】

【００４１】
図９に示すように、振動方向切り替わり時Ｎｃが算出されたため、Ｎｃ＜Ｎ＜Ｍｅの範囲内ｅにあるメモリ内の変位増減情報を変更する。図９に示す例では、Ｎｃ以降の変位増減情報ｅである「１」を変位増減情報ｆである「０」に変更する。この演算は、回路を作成して行うこともできるが、積算、除算の必要があるため、マイコンなどプログラムを使って処理するのが望ましい。
【００４２】
図１０に示すように、時間経過に対して振動面の変位をグラフ化する際、変位増減情報が前のデータと変わらなければ、鋸歯状波長分ごとにλ／２づつ加算（または減算）し続ける。変位増減情報が前のデータと異なるときは、一転してλ／２づつ減算（又は加算）し、グラフ化する。
【００４３】
次に、パルス列の抽出処理を説明する。移動方向反転時のパルス番号を求めるには、移動方向反転時を中心として振動の半周気分のパルス列を抽出して演算しなくてはならない。
【００４４】
ここでは、振動面の移動速度が最も速いときのパルスを基点にＭｓ、Ｍｅを求める。移動速度が最も速いということは、鋸歯状波の波長が最も短いということであるから、順次波長を比較して最小の鋸歯状波長を探し、これに対応するパルス番号をＭｓ、Ｍｅとする。
【００４５】
図１１はこのパルス列の抽出処理の一例を示すフローチャートである。まず、鋸歯状波波長を順次比較する場合、振動の半周期内で比較を終える必要がある。この範囲を決めるために、記憶した全ての波長の中から最大波長を探し（ステップＳ１）、許容範囲を定める（ステップＳ２）。
【００４６】
次いで、順次鋸歯状波波長を比較して最小波長を検索する（ステップＳ３）。最小波長を探すために比較している波長がこの最大波長範囲に入ったら、比較すべき範囲を越えたと判断するし、最小波長に対するパルス番号を配列に入れる（ステップＳ４）。これを繰り返すと、配列には最小は長を持つパルス番号が残り、パルス列を抽出するために必要なＭｓ，Ｍｅになる（ステップＳ５）。
【００４７】
別のパルス列抽出方法としては、最大波長を見つけ最大波長許容範囲を定め、その波長を持つパルス列を抽出する方法も考えられる。この場合、最小波長も同様に探しておき、波長の変化幅から許容範囲を決定する。
【００４８】
さらに別のパルス列抽出方法として、最大波長を見つけ最大波長許容範囲を定め、その波長をもつパルス列を抽出する方法も考えられる。この場合、最小波長も同様に探しておき、波長の変化幅から許容範囲を決定する。
【００４９】
振動状態が定常的であれば、最大・最小波長はいつも同じ値であり、上記２方法とも有効である。振動状態が変動的である場合、常に抽出する範囲を探す前者の方法が優れている。
【００５０】
図１２及び図１３に本実施例による自己混合型ＬＤＶを用いた振動測定の一例を示す。図１２に示すように、ドアパネルａ１の複数箇所の振動を測定するときでも、比較的安価な半導体レーザヘッドの複数備えるだけでよく、また、振動測定個所の変化に容易に対応でき、さらに、測定個所が多数となっても、非接触式であるため、測定対象物の振動に影響を与えない。
【００５１】
しかも、図１３に示すように、非接触式でレーザ光により対象物の振動を測定するため、対象物の大きさにかかわらず振動測定を行うことができ、さらに、測定面は必ずしも平面でなくとも測定が可能である。従って、振動解析によるモータの歯欠けの検出等の処理を良好に行うことができる。さらに、本実施例によると、従来例と比較して飛躍的に簡易でかつ耐久性の良い振動測定装置を提供できることができるため、対象物の剛性良否や溶接不良の検出など製造工程における振動解析を容易に行うことが可能となる。
【００５２】
また、振動方向切り替わり時間検出方法について効果を述べると、次の点があげられる。
(1). 鋸歯状波の形が乱れても、振動方向切り替わり時間の検出ができる。
(2). 振動方向切り替わり時、鋸歯状波の波長が多様に変わっても、正確に切り替わり時間を検出できる。
(3). パルス列の抽出範囲が多少ズレても、検出結果に影響はない。
【００５３】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成され機能するので、これによると、信号処理手段が、振動対象物の振動面の変位に応じた鋸歯状波を検出し、データ変換手段が、鋸歯状波の波長に応じて測定対象物の変位データを出力するため、対象物の振動面の変位を測定することができ、さらに、演算手段が、各鋸歯状波毎の波長差に基づいて測定対象物の振動方向の切り替わり時を算出するため、対象物の振動面の移動方向の変化時を良好に検出することができ、このため、鋸歯状波の波長に応じた変位量の変位方向を演算により特定することができ、従って、レーザドップラ速度計により対象物の振動を測定することが可能となり、このため、簡易な構成で且つ非接触式で振動の変位を測定することのできる従来にない優れた振動測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した演算手段の構成を示すブロック図である。
【図３】測定対象物の振動面の変位量を示す説明図である。
【図４】図４（Ａ）〜（Ｃ）が振動方向切り替わり時の前後の波形を示す波形図である。
【図５】本発明の第１実施例の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２実施例の構成を示すブロック図である。
【図７】信号処理手段によってパルス化された鋸歯状波の一例を示す説明図である。
【図８】パルス列の抽出を説明するためのグラフ図である。
【図９】変位増減情報の変更を説明するための説明図である。
【図１０】データ変換手段によるデータ変換の一例を示す説明図である。
【図１１】パルス列の抽出処理の一例を示すフローチャートである。
【図１２】ドアパネルを測定対象物とした振動測定の一例を示す説明図である。
【図１３】ドリルモータを測定対象物とした振動測定の一例を示す説明図である。
【図１４】従来の振動測定の一例を示す説明図である。
【図１５】従来の振動測定の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０光検出手段
１２信号処理手段
１４演算手段
１６データ変換手段
２０計時部
２２半周期波形信号抽出部
２４切り替わり時算出部

Claims

測定対象物から反射したレーザ光を観測する光検出手段と、この光検出手段から出力された波形信号を解析すると共に鋸歯状波を検出する信号処理手段と、この信号処理手段によって検出された各鋸歯状波毎の波長差に基づいて前記測定対象物の振動方向の切り替わり時を算出する演算手段とを備えると共に、
この演算手段に、当該演算手段によって算出された切り替わり時情報に基づいて前記各鋸歯状波の波長を前記対象物の変位データに変換するデータ変換手段を併設したことを特徴とする振動測定装置。
前記演算手段が、前記信号処理手段によって検出された隣り合う各鋸歯状波のピーク間時間を順次計時する計時部と、この計時部によって計時された各鋸歯状波毎のピーク間時間に基づいて前記測定対象物の振動の半周期に応じた信号波形を抽出する半周期波形信号抽出部と、この半周期波形信号抽出部によって抽出された半周期信号波形の中心位置を前記切り替わり時として算出する切り替わり時算出部とを備えたことを特徴とする請求項１記載の振動測定装置。
前記半周期波形信号抽出部が、前記計時部によって計時された複数の鋸歯状波のピーク間時間のうち最長のピーク間時間を検索する第１の検索機能と、この第１の検索機能によって検索された最長のピーク間時間に基づいて比較範囲を定めると共に当該比較範囲内の最短ピーク時間を持つ鋸歯状波を検索する第２の検索機能と、この第２の検索機能によって前記比較範囲毎に検索された鋸歯状波間の信号波形を半周期信号波形として抽出する抽出機能とを備えたことを特徴とする請求項２記載の振動測定装置。
前記信号処理手段が、前記波形信号を鋸歯状波毎のパルス信号に変換するパルス化部と、このパルス化部から出力されるパルス信号の各パルスにパルス番号を付与する番号付与部とを備え、
前記演算手段が、前記パルス化部から出力される前記パルス信号に基づいて当該各パルス出力間の時間を計時するカウンタと、このカウンタから出力されるパルス毎の波長データを記憶するメモリと、このメモリから波長データを読み出すと共に当該各鋸歯状波毎の波長データに基づいて前記測定対象物の振動方向の切り替わり時を演算する切り替わり時演算回路とを備えたことを特徴とする請求項１記載の振動測定装置。