JP3606067B2

JP3606067B2 - 振動測定方法および装置

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Publication number: JP3606067B2
Application number: JP31113398A
Authority: JP
Inventors: 哲朗丸山; 晃義大野
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2018-10-30
Also published as: JP2000136958A; US6301968B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動測定方法および装置に係り、特に、測定対象物の微少な変位や速度や周期を計測する振動測定方法および装置に関する。
【０００２】
この振動測定方法および装置は、自動車の製造技術などの実験解析分野に応用できる。具体的には、エンジンの振動解析、車体伝搬振動解析、車室内騒音解析、さらにマフラの振動解析などである。その他の製造分野での応用は多岐に渡るが、非接触で極小領域の振動を精密に測定できるため、例えばドリルなどの工具破損検出などに好適に用いられる。さらに、モータを使ったプラントの振動の検出や、水道管、ガス管の漏れ診断などの保守に用いることもできる。さらに、西瓜等の大型果実の打音による糖度の判定など、農業分野にも応用可能である。ここで、「測定対象物」というときには、これらエンジンから西瓜まで振動測定の対象となる物体をいう。
【０００３】
【従来の技術】
従来、測定対象物の振動を計測するには、まず、レーザ共振器から発射した光をレンズを通し測定対象の表面に照射する。そして、対象表面で散乱しその一部が同様の光路で共振器に帰還し、共振器内で発振光と混合しドップラ速度成分がビート波となり光強度の変化となって現れる。このビート波を解析することで、振動の周期、速度変化、変位量などを算出している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、測定対象物の振動面がレーザ発振波長λの半分の長さ変位したときに鋸歯状のビート波が一波生じるものであるため、λ／２未満の長さの変位量やその速度変化を精密に測定するのが難しい、という不都合があった。
【０００５】
さらに、従来例では、微小な変位で振動している測定対象を測定する場合、ドップラ周波数を単純に振動面の移動速度に置き換えて振動を算出することができない、という不都合があった。
【０００６】
【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、測定対象物の振動を測定対象物の変位量にかかわらず精度良く測定することのできる振動測定方法および装置を提供することを、その目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明では、測定対象物へ第１の波長のレーザ光を照射するレザー光照射工程と、第１の波長と異なる第２の波長のレーザ光と測定対象にて反射した帰還光とのビート波を生成するビート波生成工程と、このビート波生成工程によって生成されたビート波を測定対象物の振動情報として出力する振動情報出力工程とを備えた、という構成を採っている。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。
【０００８】
ここで、第１の波長および第２の波長は、一定の長さで固定されていなくともよい。例えば、第１の波長と第２の波長の波長差を一定としたまま第１および第２の波長を順次変化させるようにしてもよいし、また、第１の波長と第２の波長との波長差が順次変化するように設定しても良い。
【０００９】
ここでは、測定対象物に照射されるレーザ光と、このレーザ光を受光する時に照射しているレーザ光とで波長に差を設定することで、この波長差に応じた周波数のビート波を生じさせている。そして、測定対象物からの帰還光は、測定対象物の移動速度に応じたドップラ効果で変化した波長となっている。このため、この測定対象物の移動によるドップラ周波数Ｆｄと、波長差によるビート周波数Ｆａとが重畳した波形を得ることができる。従って、ビート波生成工程にて生成されるビート波Ｆｂから波長差によるビート周波数成分Ｆａの影響を除去すると、測定対象物の変位の移動速度によるドップラ周波数を得る。例えば周波数Ｆｂのビート波またはこの周波数Ｆｂから波長差による周波数成分Ｆａの影響を除去した波形の周波数変化を電圧変化に変換すると測定対象物の速度変化波形となる。
【００１０】
また、測定対象物が正常な状態で、ビート波生成工程にて生成されるビート波を基準ビート波として記憶しておき、測定対象物の異常を検出する際にビート波生成工程にて生成されるビート波と基準ビート波とを比較して相違する場合には異常と判断できる。このように、振動情報出力工程は、振動情報として、ビート波そのものや、このビート波を周波数−電圧変換した速度変化波形や、また、この速度変化波形を積分した変位データや、速度変化波形を周波数分析した測定対象物の振動周波数スペクトルなどを出力する。
【００１１】
発振光と帰還光とで周波数の差を生成するには、照射光源にレーザ共振器を採用する場合、このレーザ共振器の駆動電流を変調させるとよい。また、レーザ光源自体を振動させることで、照射光と帰還光とで周波数の差を生成することができる。さらに、レーザ光源から測定対象物へ至るレーザ光を弾性表面波素子などを使って波長を変化させて測定対象にあて、反射光を共振器に帰還させるなど、照射光と帰還光との波長差を得られる種々の手法を採用できる。
【００１２】
【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。
図１に示すように、測定対象物へ第１の波長のレーザ光を照射するレザー光照射工程（ステップＳ１）と、第１の波長と異なる第２の波長のレーザ光と、測定対象にて反射した帰還光とのビート波を生成するビート波生成工程（ステップＳ２）と、このビート波生成工程Ｓ２によって生成されたビート波を前記測定対象物の振動情報として出力する振動情報出力工程（ステップＳ３）とを備えている。この振動情報出力工程Ｓ３は、例えば、第１の波長と第２の波長との波長差に応じてビート波から速度変化波形を生成する速度変化波形生成工程を備えるようにしても良い。
【００１３】
図２は図１に示した各工程で使用する波形等の例を示す波形図である。ビート波生成工程Ｓ２にて生成されるビート波の例を、図２中の符号３で示す。このビート波には、波長差による周波数成分Ｆａと、測定対象物の移動に応じたドップラ効果によるドップラ周波数成分Ｆｄとが重畳している。例えば、符号３ｂで示す位置のビート波の一波は、波長差による周波数成分のみとなっている。符号３ｃで示す位置のビート波の一波は、波長差による周波数成分Ｆａからドップラ周波数成分Ｆｄをマイナスした周波数となっている。また、符号３ａで示す位置のビート波の一波は、波長差による周波数成分Ｆａとドップラ周波数成分Ｆｄとをプラスした周波数となっている。これは、振動面の移動方向が変化したことによる。この図２で示す例では、波長差のプラスマイナスの符号の反転はない。
【００１４】
図２の符号３で示すビート波が得られたときの測定対象物の振動面の動きを符号１で示す。符号３ｂではドップラ周波数がないため、振動面は一旦停止しており、ここで折返している。そして、ビート波の周波数の最も高い位置３ａと最も低い位置３ｃとで振動面の移動速度は最速となっているため、これらの位置は振動の中心位置である。振動面の変位の方向は、ドップラ周波数Ｆｄの符号によって定る。
【００１５】
図２の符号３で示すビート波の周波数変化を電圧変化に変換すると、図２の符号４で示す速度変化波形が得られる。振動面が停止している符号３ｂの位置を速度ゼロとすると、振動面の移動方向に応じてプラスの速度およびマイナスの速度が得られる。図２に示す例では、波長差による周波数成分Ｆａを一定としているが、この波長差が連続的又は間欠的に変化する場合には、図２の速度変化波形のゼロ基準を波長差の時系列変化に応じて補正することで速度変化波形を出力することができる。
【００１６】
また、本実施形態では、波長差による高周波成分にドップラ周波数を重畳させているため、レーザ光の発振波長と無関係にドップラ周波数を得ることができる。すなわち、波長差による周波数成分Ｆａがない場合には、測定対象物の変位量がレーザ光の発振波長λの半分越えるごとに鋸歯状のビート波が生じることを利用して。この測定では、測定対象物の変位量がλ／２未満の状態を計測することが難しく、また、測定対象物の変位量がλ／２を下回ると、鋸歯状のビート波が生じなくなる。しかし、本実施形態では、自己混合する２つのレーザ光により高周波数成分を加えておき、さらにドップラ周波数成分を重ねているため、測定対象物の変位量にかかわらず図２の符号３で示すビート波を得ることができる。このため、測定対象物の振動の半周期の変位量がλ／２未満であっても良好に速度変化波形などの振動情報を得ることができる。さらには、波長差をもうけずに測定した鋸歯状のビート波の場合には、鋸歯状波一波が生じたときにλ／２変位したとカウントするため、変位の最低単位がλ／２であったが、本実施形態によると、λ／２未満の微少な変位量を測定することができる。
【００１７】
図３はレーザ駆動電流を変調することで波長差を生じさせる処理例を示すフローチャートである。図３に示す例では、レーザ共振器に変調させた駆動電流を加え（ステップＳ１１）、これによりレーザ光源から波長が順次変化するレーザ光を測定対象物に照射させる照射工程（ステップＳ１２）と、この照射工程Ｓ１２にて照射されたレーザ光が測定対象物で反射した帰還光を受光すると共に前記レーザ共振器内で前記変化した波長のレーザ光と当該帰還光とのビート波を生成するビート波生成工程（ステップＳ１３）と、このビート波生成工程Ｓ１３によって生成されたビート波を前記測定対象物の振動情報として出力する振動情報出力工程（ステップＳ１４）とを備えている。
【００１８】
半導体レーザの駆動電流によってレーザー光の波長が変化することはよく知られている。図４は実験で駆動電流を変化させたときの波長の変化を測定したものである。急激に波長が変わっているのは、モードホッピングと呼ばれる現象である。駆動電流を変化させる範囲は、モードホップが生じない範囲（範囲１）で電流量で変化させてもよいし、モードホップを含む範囲（範囲２）で変化させてもよい。駆動電流を変化させる範囲は、レーザ発振が単一モードとなる範囲が望ましい。
【００１９】
測定対象物が静止している場合、共振器から任意の波長で放出されたレーザ光が測定物まで往復して共振器に戻ると、共振器で発振しているレーザ光との波長が異なるため、この波長差によるビート波が発生する。測定対象が振動している場合には、振動面の移動によるドップラ効果で波長が変化するため、共振器ではミキシングにより駆動電流変調とドッブラ周波数によるビート周波数を得ることができる。ビート周波数が高くなることにより、振動面が往復する間に現れるビート波数が多くなり、そのビート波の周波数変化を捕えることで、振動面の移動速度変化を算出できる。
【００２０】
一例をあげ測定方法を説明する。レーザ駆動のため直流電流に三角波の交流信号を加え、範囲１で変化する電流をレーザ共振器に注入する。すると、図５に示すように、変調された駆動電流に応じてレーザ発振光の強度と波長が変化する。
【００２１】
図６に測定対象が静止している場合の例を示す。図７に示すレーザ計測装置は、半導体レーザ部１４に変調した駆動電流を生じさせる駆動電流変調部１８と、この変調された駆動電流に応じた波長のレーザ光を発振する共振器１２を有すると共に当該レーザ光を測定対象物１０Ａに照射する半導体レーザ部１４と、レーザ光を集光する対物レンズ１６と、測定対象物からの帰還光と共振器内で発振するレーザ光とが自己混合した光を受光する受光素子２０とを備えている。
【００２２】
図５に示す時間Ｔ１にレーザ共振器から放出されたλ１の波長を持つレーザ光は、測定対象の表面で散乱しその一部がレーザ共振器に帰還する。そのときの時間をＴ２、共振器での駆動電流変調による発振波長はλ２である。帰還光は、レーザ発振光と共振器で混合しレーザ光強度の変化を取り出すと、λ１とλ２の差によるビート周波数Ｆａが得られる。Ｆａとλ１、λ２との関係は、次式でもとまる。
【００２３】
｜Ｆａ｜＝Ｃ｜（１／λ１ ― １／λ２）｜．．．．．．．．．．．．式（１）
【００２４】
図７に測定対象が振動している場合を示す。時間Ｔ１にレーザ共振器から発行されたレーザ光は、測定対象表面で散乱する際にドップラ効果を受け波長が変化する。この散乱光が共振器に帰還すると、波長λ２で発振しているレーザ光に、波長λ１に対しドップラ効果で変化した波長を持つ帰還光が混合するため、レーザ光の強度変化を観測するとＦａにドップラ周波数Ｆｄが加わったビート周波数を測定できる。駆動電流の変調を行わない場合に得られるビート周波数に比べ、変調を行った場合はドップラ周波数以外にＦａという変調による周波数がビート周波数に加わるため、高いビート周波数が得られ、測定対象の振動振幅が小さい場合でも、測定対象が１周期振動する間に複数のビート波を観測することができ、ビート周波数を単純に振動面の移動速度に置き換えて振動を算出することが可能になる。
【００２５】
ここで、本実施形態の動作原理を説明する。駆動電流に変調をかけずに振幅がλ／２以下の振動を計測した場合、振動の半周期の間に現れるビート波が１波に満たないのは、次の理由による。振動周波数をＦｂとすると、１周期は１／Ｆｂであり、この１周期をＴａとする。振動面が一つの方向に移動している時間は、その半分のＴａ／２である。測定対象物の振動面の速度Ｖとドップラ周波数Ｆｄとの関係は次式（２）で表せる。測定対象が正弦振動をしていたとして、速度は刻々変化しているので、速度と変位量Ｘとの関係は以下の次式（３）で示される。
【００２６】
しかしここでは、簡単化して説明するため、平均速度Ｖａｖで０からＴａ／２の間一定に移動しているものと考えて説明する。次式（４）を式（２）に代入すると振動半周期の平均ドップラ周波数Ｆａｄｖは、次式（５）で表される。そして、振動の半周期内にドップラ効果により現れるビート波数Ｙを考えるとビート波数Ｙは次式（６）となる。したがって、変位量Ｘがλ／２より小さくなると、波数は１よりも小さくなり波形全てが現れないうちに、振動面の進行方向が変わってしまうことになり、ビート波の周波数をドップラ周波数として捕える事ができなくなる。また、振動面が移動する途中の速度変化も観測し難くなってしまう。
【００２７】
レーザの駆動電流に変調を加えることによって、あらかじめビート波を発生しておくと、ドップラ効果を受けた後で検出されるビート周波数ＦｂはＦｂ＝Ｆａ＋Ｆｄａｖであるから、振動の半周期内に現れるビート波数Ｙは次式（７）で示される。そして、次式（８）の範囲とすれば、振動の半周期内に多くのビート波を観測できる事になる。ビート波が多く発生していると、振動面の速度変化に応じてビート周波数が変化していることが細かく分かり、周波数変化を電圧変化に換えることで容易に振動速度波形を算出できる。
【００２８】
【数１】

【００２９】
このような前提から、レーザ光の波長差を、当該波長差による周波数（Ｆａ）が測定対象物の振動周期（Ｔａ）の半分（Ｔａ／２）の逆数（２／Ｔａ）以上となる長さに設定するとよい。これにより、微少な変位量についてのドップラ周波数をビート波として得ることができる。
【００３０】
次に、レーザ駆動手段（駆動電流変調部）１８の詳細構成例を説明する。図８は、直流成分と交流成分の電流を加えてレーザに供給する構成を表わしており、バイアス供給回路２１と、交流電流供給回路２４と、このバイアス電流と交流電流とを混合する混合回路２２と、この混合回路の出力を定電流化する定電流化回路２３とを備えている。
【００３１】
図９は電圧源から供給された電圧を加算し、電流に変換した後レーザに供給する構成を示す。図９に示す例では、バイアス電圧供給回路２１と、交流電圧供給回路２７と、この交流電圧供給回路２７の出力をバイアス電圧に加算する加算回路２５と、この加算回路２５が出力する電圧値を電流値に変換する電圧電流変換回路２６と、この電圧電流変換回路２６の出力を定電流化する定電流化回路２３とを備えている。
【００３２】
振動周期に対して駆動電流交流成分の周期を大きくとると、駆動電流が増加していく間、何回か振動面が往復することになる。この場合のビート波の例を図１０に示す。図１０の符号２で示す波形は駆動電流の増減によるビート波の中心電圧値の増減であり、符号３で示す波形が図２に示したビート波である。
【００３３】
上述したように本実施形態によると、振動の半周期内に数多くのビート波を得ることにより、振動面が移動する時の速度変化をビート周波数の推移から判定することができるため、振動の状態変化を詳しく解析でき、振動異常などの判定をし易くなる。また、従来の方法では、振動の半周期内にビート波が１波程度しか現れない場合、ビート波をデジタル変換し記憶してプログラム処理により振動状態を算出していたため、複雑な処理になりリアルタイムな結果出力が難しかった。本提案では、得られたビート周波数を周波数・電圧変換素子等を使って、振動速度波形等が得られることから、前述の様に複雑な処理を必要とせず振動計測ができる。
【００３４】
【実施例】
本発明の実施例を図面を参照して説明する。本実施例による振動計測装置は、図１１に示すように、測定対象物にレーザ光を照射すると共に当該測定対象物で反射する帰還光を受光するレーザ共振器１４と、このレーザ共振器１４を変調した駆動電流にて駆動するレーザ駆動手段１８と、前記レーザ共振器１４内の自己混合により生じたビート波を出力するビート波出力手段３０とを備えている。また、レーザ駆動手段１８は、レーザ光の照射時の第１の波長と帰還光を受光する時の第２の波長の波長差を、当該波長差による周波数（Ｆａ）が前記測定対象物の振動周期（Ｔａ）の半分（Ｔａ／２）の逆数（２／Ｔａ）以上となるように設定する。
【００３５】
これを詳細に説明する。
【００３６】
本実施例では、レーザ共振器１４の端面から発光されたレーザ光を電流変化として検出するフォトダイオード等の受光素子２０と、この受光素子の出力する電流変化を電圧変化に変換する電流電圧変換部３１と、この電流電圧変換部３１から出力される信号の直流成分を除去する直流成分除去部３２と、得られた信号から更に変調周波数成分を削除する変調周波数成分除去部３２と、信号電圧を増幅する増幅回路３４と、ノイズの除去などにより振動に関わる信号のみを取りだすフィルタ３５とを備えている。変調周波数成分除去部３２としては、フィルタを用いても差し支えない。また、他の方法としては、差動増幅器等で直流成分や変調周波数成分を信号から差し引く手法でも良い。図１１に示すビート波検出手段３０各部の接続の順序は適宜入替えても良い。
【００３７】
さらに、図１１に示す例では、ビート波出力手段３０に、このビート波出力手段３０によって出力されるビート波の周波数を電圧に変換することにより測定対象物の速度変化波形を生成する速度変化波形生成手段３６を併設している。また、この速度変化波形生成手段３６は、この速度変化波形をさらに解析する周波数・波形解析部３８を備えると良い。
【００３８】
レーザ駆動電流を変調してビート波を測定するためには、ビート波出力手段３０についてもいろいろな処理が必要になる。それらの処理について以下説明する。
【００３９】
レーザの駆動電流に交流電流を加えて変調した場合、駆動電流が増える時と減る時では、帰還光と共振器内の発振光の波長大小関係が逆転するため、生じるビート波周波数Ｆａの符号が変わる。このため、測定対象の速度の大きさが同じであったとしても、同様のビート波周波数が得られる訳ではない。したがって、変調をかける駆動電流の周期に合わせ、測定に適した期間を選択する必要がある。
【００４０】
＜ビート波の間欠的測定＞
測定期間の範囲選択例としては、ビート波の一部を切出す手法でもよい。図１２は、駆動電流波形が上昇している一部分のビート波のみを切出す例を示すフローチャートである。例えば、図１３に示すように駆動電流の上昇する全体３８又は部分３７に対応する期間に絞って測定する。このため、図１２に示す例では、まず、駆動電流波形の値が予め定められた値を越えたか否かを確認する（ステップＳ３１）。次いで、図１３の符号３７ａに示す位置で予め定められた任意の値を越えた場合には、駆動電流の切出しを開始する。例えば、図１３に示すようにオンパルス信号を出力する（ステップＳ３２）。
【００４１】
その後、例えばタイマによるゲート信号をハイにして、一定時間が経過したか否かを確認する（ステップＳ３３）。一定時間経過すると、ビート波の切出し処理を終了する（ステップＳ３４）。例えば、図１３に示すようにオフパルスを出力する。
【００４２】
この図１２に示した処理は、例えば図１４に示した回路により実現することができる。ゲート信号のオンしている期間は時間設定回路（タイマ）４１によって決まり、遅延素子やオペアンプ、フリップフロップ回路、バイブレータなどによる反転保持回路４２で実現する。ゲート信号がオンしている時間のみ受光素子から得られた信号を通過させ、その信号を処理することで同条件の振動波形を得ることができる。また、ゲート信号をオフするのは、任意の値をもう一点選び、駆動電流と等しくなったときにパルスを出すなどの方法でもよい。
【００４３】
ビート波の一部のみを使用するのではなく、全体を使用するには、例えばレーザ駆動信号の上昇期間と下降期間とで別々の処理をすると良い。例えば、図１５に示すように、図３に示す振動情報出力工程Ｓ１４が、駆動電流の上昇時と下降時との切替時を検出する駆動電流切替時検出工程（ステップＳ４１）と、この駆動電流切替時検出工程Ｓ４１にて検出された切替時別に駆動電流上昇期間のビート波と駆動電流下降期間のビート波とに分離するビート波分離工程（ステップＳ４２）と、このビート波分離工程Ｓ４２にて分離されたビート波と前記駆動電流の上昇又は下降それぞれでの波長差とに基づいて当該ビート波を速度変化波形に変換する分離後変換工程（ステップＳ４３，４４）とを備える。
【００４４】
この例では、レーザ駆動電流を三角波とし、図１６に示す増加期間４５と減少期間４６とでビート波を分離する。例えば、図４に示す例では、レーザ駆動電流の変化とレーザ波長の関係は、レーザ駆動電流が増加していく場合と減少していく場合とで異なる。すると、ビート周波数Ｆａを得るための波長差が増加時と減少時とで異なる。従って、図１５に示すステップＳ４３およびＳ４４では、駆動電流の増加時および減少時それぞれの波長差に応じて速度変化波形を生成する。
【００４５】
駆動電流の増加期間と減少期間を判定する方法は、以下の方法が考えられる。図１７に示す例では、駆動電流量を電圧に変換し、任意の電圧と比較することにより期間を判定する。すなわち、駆動電流量を電圧に変換し、その交流変化分の最大値と最小値を把握し、期間判定信号を発生させることができる。例えば、駆動電流の交流成分は意図して加えているため最大値と最小値をあらかじめ把握することもできるし、駆動電流量を電圧に変換し交流電圧成分を取り出して、ピークホールド回路等を使用することにより簡単に交流電圧の最大値と最小値を求めることができる。
【００４６】
図１７に示すタイムチャートに対応した回路例を図１８に示す。図１８に示す例では、最大値、最小値を記憶しておき、駆動電流量もしくは、駆動電流量を電圧に変換した信号とを比較器５０，５１にて比較することにより、駆動電流が増加から減少（又はその逆）ヘシフトする瞬間を検出する。したがって、比較器５０，５１から出た信号を（場合によっては、整形し電圧レベル調整を行った後に）、フリップフロップなどのＩＣや単安定バイブレータなどの反転保持回路５２に入力し、期間判定信号を作成することができる。また、その際中心電圧を最大値や最小値と同様に判定の為に使用してもよい。
【００４７】
駆動電流の増加と減少との切替時の判定手法としては、駆動電流量を電圧に変換し、その増減分を監視し期間を判定駆動電流量を電圧に変換し、例えば微分回路などを使って差分を出し、差分量の正負で増加期問か減少期間か判断するようにしてもよい。また、差分量がゼロの時は駆動電流が増加から減少（又はその逆）ヘジフトする瞬間であるため、この時検出した信号は期間判定信号の切り替えに使用することができる。また、駆動電流量を電圧に変換せず、回路によっての増減を監視するようにしてもよい。
【００４８】
さらに、ビート周波数と任意の周波数とを比較することにより期間を判定するようにしてもよい。ビート周波数は、駆動電流を変調して発振光と帰還光との波長の違いにより生じる周波数Ｆａを中心として、ドップラ周波数Ｆｂだけ前後に変動する。駆動電流が増加から減少（又はその逆）にシフトする瞬間、駆動電流変化がなく発振光と帰還光の波長の違いはドッブラ効果によるものだけであるため、ビート周波数が下がる。したがって、任意の周波数よりドップラ周波数が下がったとき、駆動電流が増加から減少（又はその逆）ヘジフトしたと考え、この時検出した信号を期間判定信号の切り替えに使用することができる。
【００４９】
また、ビート周波数を電圧に変換した振動加速度波形においても、ドップラ周波数の低下は振動速度波形の電圧減少となるため、任意の電圧より低くなることを検出した信号を期間判定信号の切り替えに使用することができる。上記した手法は、ビート周波数あるいは、振動加速度波形、駆動電流量を電圧に変換した波形をデジタル化し、デジタル回路やプログラムで構成しても同様の結果を得ることができる。
【００５０】
＜ビート波の連続的計測＞
次に、ビート波を分離せず、連続的にビート波を計測する手法を説明する。図１７に示した手法では、連続的な測定が難しいので、駆動電流が増えていく期間と駆動電流が減っていく期間に分けて信号の処理範囲を切り出した後、各々に合わせて補正をかけるとよい。駆動電流が増えていく期間で考えると、共振器を出て波長λ１で測定対象に向け進行したレーザ光は、測定対象表面で散乱しその一部が共振器に戻る。戻ったときの共振器内でのレーザ波長は、駆動電流量が増えているため、波長がシフトしλ２になる。したがって、λ２の波長で発振しているレーザ光に波長λ１の帰還光が混合することになる。
【００５１】
ｆ１＝Ｃ／λ１、ｆ２＝Ｃ／λ２とすると、レーザ光の強度変化としてｆ１ − ｆ２＝Ｆａが測定できる。測定対象が振動していると、ドップラ周波数ＦｂがＦａに加わることになり、振動面の移動方向によってＦｂの符号が変わるので、ビート周波数は振動１周期の間にＦａを中心に＋Ｆｂ，−Ｆｂと変化する。（ここでは、Ｆａ＞Ｆｂと設定。）Ｆａが正の周波数の場合、Ｆｂが正となる方向に振動面が移動する時には｜Ｆａ＋Ｆｂ｜のビート周波数が得られ、また、Ｆｂが負となる方向に振動面が移動する時は、｜Ｆａ − Ｆｂ｜のビート周波数が得られる。
【００５２】
一方、レーザの駆動電流が減っていく期間で考えると、発振レーザ波長λ１と帰還光の波長λ２との大小関係が逆転するためＦａの符号が変わり、Ｆｂが正となる方向に振動面が移動する時は｜−Ｆａ＋Ｆｂ｜のビート周波数が得られ、また、Ｆｂが負となる方向に振動面が移動する時は、｜−Ｆａ− Ｆｂ｜のビート周波数が得られる。したがって、レーザ駆動電流が増える時と減る時では、振動面が同じ速度で移動していても得られるビート周波数が異なってしまい、結果としてビート周波数を電圧に変換した振動速度波形は中心電圧（Ｆａのみの時に変換された電圧）を境界に反転した形となる。
【００５３】
よって、駆動電流の増加期間や減少期間の区別なく連続で測定を行うためには、得られた信号を補正する必要がある。この場合、駆動電流の周期に合わせて、処理回路を選択する。これは、駆動電流の増加期間と減少期間を判別し、それにより後段の処理回路を切り替える方法である。例えば、図１９のように増加期間用の信号処理回路に減少期間用の信号処理回路５５，５６，５７を用意し、駆動電流の増加期間と減少期問を判別した信号（期間判定信号）でルートを選択する。この場合、周波数・電圧変換回路を通った信号が、減少期間のみ電圧符号反転回路５６を経て出力することにより、増加期間と同じ条件で結果を示すことができる。場合によって、フィルタ５５や、バイアス電圧印加回路５７などを付加してもよい。
【００５４】
図２０に、ビート周波数を電圧に変化した振動速度波形に対し、同一回路を用い期間判定信号により、演算の値を変える手法を示す。図２０に示す例では、周波数電圧変換回路３７の出力する速度変化波形を第２のフィルタ５５にて例えば平滑化した後、駆動電流の期間判別信号５２ａのレベルをレベル変換部５９にて変換して基準信号とする。周波数電圧変換回路３７が出力する速度変化波形と基準信号との一例を図２１に示す。図２１中、レベル変換後の電圧値Ｖは、フィルタ後の速度変化波形の波高値よりも大きくしている。さらに、差分回路６０にて速度変化波形と基準信号との差分をとり、絶対値化部６１にて絶対値をとる。すると、速度変化波形は図２２に示す如くとなる。
【００５５】
また、レーザ駆動電流の増加期間と下降期間の変化の影響を除去するために、図２３に示すようにレーザ駆動電流を鋸歯状としてもよい。この場合、照射工程が、駆動電流を鋸歯状に変調する鋸歯状変調工程を備える。すると、駆動電流の１周期のほとんどの期間で、一定の増加量で駆動電流を増やすことができるので、処理回路を切り替えたりする必要はなく、極めて簡単に一定条件で振動測定を行うことができる。
【００５６】
次に、第１の波長と第２の波長の波長差が変化する場合の例を説明する。図２４はビート波中の波長差による周波数成分を除去する構成例を示すブロック図である。図２４に示すように、ビート波出力手段３０に、前記第１および第２の波長の波長差の時系列変化が予め定義された時系列変化情報を記憶した波長差情報記憶部７１と、この波長差情報記憶部７１に格納された波長差の時系列変化情報に基づいて前記ビート波の周波数成分のうち当該波長差による成分を除去する波長差成分除去手段７０とを併設している。すると、波長差成分除去手段７０が出力するビート波は、ドップラ周波数のみの波形となる。波長差情報記憶部７１に格納された時系列変化情報は、レーザ駆動電流の変化に応じた波長差の変化を予め計測又は算出にて求めたものである。時系列変化情報として、時系列で変化する波長差を記憶するようにしてもよいし、また、波長差によるビート周波数の変化を記憶するようにしてもよい。
【００５７】
図２５に示す例では、波長差の時系列変化に応じて、図２に示す速度変化波形４のゼロ点を補正する。すなわち、図２５に示す例では、ビート波出力手段に、前記第１および第２の波長の波長差の予め定義された時系列変化情報を記憶した波長差情報記憶部７１と、この波長差情報記憶部７１に格納された波長差の時系列変化情報に基づいて前記速度変化波形のゼロ点を補正するゼロ点補正手段７４とを併設している。
【００５８】
また、測定対象の振動変化を詳細に解析したい場合、増幅されたビート周波数をデジタル変換し、メモリに記憶後、プログラムでフーリエ処理や演算を行って、振動の加速度、速度、変位を表す波形に変換することができる。デジタル変換する信号は、ビート周波数を電圧に変換した後でもよい。
【００５９】
上述したように本実施例によると、半導体レーザを用いた自己混合方式によって振動を計測する方法は、一般的な振動計測方法とは異なり、レーザ共振器と被測定対象表面との問で外部共振器を構成し測定を行うため、使用する光学素子が数少なくでき、非常にコンパクト・廉価なセンサヘッドで振動を計測できる。
【００６０】
【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、ビート波生成工程にて、第１の波長の照射光でかつ測定対象物の速度に応じたドップラー効果により変化した波長と第２の波長のビート波を生成するため、この測定対象物の移動によるドップラ周波数と、波長差によるビート周波数とが重畳した波形を得ることができ、このため、測定対象物の変位がレーザ発振波長の半分未満であっても、測定対象物のドップラ周波数で変化するビート波を得ることができ、そして、例えばビート波生成工程にて生成されるビート波から波長差によるビート周波数成分の影響を除去すると、測定対象物の変位の移動速度によるドップラ周波数を得ることができ、しかも、振動情報出力工程が、ビート波生成工程によって生成されたビート波を測定対象物の振動情報として出力するため、例えば振動情報としてビート波そのものや、このビート波を周波数−電圧変換した速度変化波形や、また、この速度変化波形を積分した変位データや速度変化波形を周波数分析した測定対象物の振動の周波数スペクトルなどを出力することがき、さらに、従前のレーザ光の波長の半分の長さを単位とする測定と比較して精度を向上させることができるという従来にない優れた振動測定方法および装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態の構成を示すフローチャートである。
【図２】図１に示す各工程で使用する波形の例を示す波形図である。
【図３】本発明の他の実施形態の構成を示すフローチャートである。
【図４】レーザ駆動電流とレーザ発振波長の関係を示すグラフである。
【図５】レーザ駆動電流の推移とレーザ発振波長の関係を示すグラフである。
【図６】本実施形態による振動計測装置の構成を示すブロック図である。
【図７】図６に示す構成にて測定対象物が変位している状態を示すブロック図である。
【図８】図６に示した駆動電流変調部の第１の構成例を示すブロック図である。
【図９】図６に示した駆動電流変調部の第２の構成例を示すブロック図である。
【図１０】図６に示す受光素子が出力する信号の一例を示す波形図である。
【図１１】本発明の一実施例による構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１に示す構成にてビート波の一部を切出す処理の一例を示すフローチャートである。
【図１３】図１２に示す切出し処理の一例を示すタイムチャートである。
【図１４】図１２に示す処理を実現する回路の構成を示す回路図である。
【図１５】図１１に示す構成にてレーザ駆動電流の増加期間と下降期間とでビート波を分割して処理する例を示すフローチャートである。
【図１６】図１５に示す処理での増加期間と減少期間の例を示す波形図である。
【図１７】図１５に示す処理による増加期間および下降期間を識別する期間判定信号の生成例を示すタイムチャートである。
【図１８】図１７に示す処理を実現する回路の構成を示す回路図である。
【図１９】図１１に示す構成にレーザ駆動電流の減少時の処理用の回路を付加した振動計測装置の第１の構成を示すブロック図である。
【図２０】図１１に示す構成にレーザ駆動電流の減少時の処理用の回路を付加した振動計測装置の第２の構成を示すブロック図である。
【図２１】図２０に示す構成で生成されるレベル変換後の期間判定信号の構成例を示すタイムチャートである。
【図２２】図２０に示す構成で生成される絶対値化した速度変化波形の一例を示すタイムチャートである。
【図２３】レーザ駆動電流を鋸歯状とした例を示す波形図である。
【図２４】波長差の時系列変化を利用してビート波を修正する振動測定装置の構成例を示すブロック図である。
【図２５】波長差の時系列変化を利用して速度変化波形のゼロ基準を修正する振動測定装置の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１２半導体レーザ
１４レーザ共振器
１６対物レンズ
１８駆動電流変調部（レーザ駆動手段）
２０受光素子
３０ビート波検出手段
３６振動情報出力手段

Claims

測定対象物へ第１の波長のレーザ光を照射するレザー光照射工程と、前記第１の波長と異なる第２の波長のレーザ光と測定対象にて反射した帰還光とのビート波を生成するビート波生成工程と、このビート波生成工程によって生成されたビート波を前記測定対象物の振動情報として出力する振動情報出力工程とを備えたことを特徴とする振動測定方法。
前記振動情報出力工程は、前記第１の波長と第２の波長との波長差に応じて前記ビート波から速度変化波形を生成する速度変化波形生成工程を備えたことを特徴とする請求項１記載の振動測定方法。
前記波長差を、当該波長差による周波数（Ｆａ）が前記測定対象物の振動周期（Ｔａ）の半分（Ｔａ／２）の逆数（２／Ｔａ）以上となる長さに設定したことを特徴とする請求項１又は２記載の振動測定方法。
レーザ共振器に変調させた駆動電流を加えると共に当該レーザ光源から波長が順次変化するレーザ光を測定対象物に照射させる照射工程と、この照射工程にて照射されたレーザ光が測定対象物で反射した帰還光を受光すると共に前記レーザ共振器内で前記変化した波長のレーザ光と当該帰還光とのビート波を生成するビート波生成工程と、このビート波生成工程によって生成されたビート波を前記測定対象物の振動情報として出力する振動情報出力工程とを備えたことを特徴とする振動測定方法。
前記振動情報出力工程が、前記駆動電流の上昇時と下降時との切替時を検出する駆動電流切替時検出工程と、この駆動電流切替時検出工程にて検出された切替時別に駆動電流上昇期間のビート波と駆動電流下降期間のビート波とに分離するビート波分離工程と、このビート波分離工程にて分離されたビート波と前記駆動電流の上昇又は下降それぞれでの波長差とに基づいて当該ビート波を速度変化波形に変換する分離後変換工程とを備えたことを特徴とする請求項４記載の振動測定方法。
前記照射工程が、前記駆動電流を鋸歯状に変調する鋸歯状変調工程を備えたことを特徴とする請求項４記載の振動測定方法。
前記振動情報出力工程が、前記第１および第２の波長の波長差の予め定義された時系列変化情報に基づいて前記ビート波の周波数成分のうち当該波長差による成分を除去する波長差成分除去工程と、この波長差成分除去工程によって波長差の成分が除去されたビート波の周波数を電圧に変換する周波数電圧変換工程とを備えたことを特徴とする請求項４記載の振動測定方法。
前記振動情報出力工程が、前記ビート波の周波数を電圧変換する周波数電圧変換工程と、この周波数電圧変換工程によって生成された速度変化波形のゼロ点を前記第１および第２の波長の波長差の予め定義された時系列変化情報に基づいて変更するゼロ位置補正工程とを備えたことを特徴とする請求項４記載の振動測定方法。
測定対象物に第１の波長のレーザ光を照射すると共に当該測定対象物で反射する帰還光を受光するレーザ共振器と、
このレーザ共振器を変調した駆動電流にて駆動することにより、前記第１の波長と異なる第２の波長のレーザ光を、当該レーザ共振器が前記帰還光を受光する時に当該レーザ共振器から照射するレーザ駆動手段と、
前記レーザ共振器内の自己混合により生じた、前記帰還光と第２の波長のレーザ光との前記ビート波を出力するビート波出力手段とを備え、
前記レーザ駆動手段は、前記第1の波長と前記第２の波長の波長差を、当該波長差による周波数（Ｆａ）が前記測定対象物の振動周期（Ｔａ）の半分（Ｔａ／２）の逆数（２／Ｔａ）以上となる長さに設定したことを特徴とする振動計測装置。
前記ビート波出力手段に、このビート波出力手段によって出力されるビート波の周波数を電圧に変換することにより測定対象物の速度変化波形を生成する速度変化波形生成手段を併設したことを特徴とする請求項９記載の振動計測装置。
前記ビート波出力手段に、前記第１および第２の波長の波長差の時系列変化が予め定義された時系列変化情報を記憶した波長差情報記憶部と、この波長差情報記憶部に格納された波長差の時系列変化情報に基づいて前記ビート波の周波数成分のうち当該波長差による成分を除去する波長差成分除去手段とを併設したことを特徴とする請求項１０記載の振動計測装置。
前記ビート波出力手段に、前記第１および第２の波長の波長差の予め定義された時系列変化情報を記憶した波長差情報記憶部と、この波長差情報記憶部に格納された波長差の時系列変化情報に基づいて前記速度変化波形のゼロ点を補正するゼロ点補正手段とを併設したことを特徴とする請求項１０記載の振動計測装置。