JP3634432B2

JP3634432B2 - レーザ振動計

Info

Publication number: JP3634432B2
Application number: JP04413795A
Authority: JP
Inventors: 合誠落; 田里代子羽; 川秋雄荒; 部芳明服; 本茂兼
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-03-03
Filing date: 1995-03-03
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JPH08240478A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、配管、機器、及び構造物等の振動を非接触で測定するレーザ振動計に係り、特にプラントなどに実際に使用するレーザ振動計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
振動物体に対してレーザ光の送受波を行い、受信光に含まれるドプラシフト成分を光ヘテロダイン検波して振動速度を計測する技術については、文献や過去に製品化されたレーザ振動計のカタログ等により既に広く公知となっている。
【０００３】
ところが実際に計測を行う場合、レーザ振動計自身が振動してしまうために、その影響を除去し、測定対象の振動を精度良く計測できる方法が考えられている。例えば、既に特開平５−２８８７６０号公報には、レーザ振動計自身の振動（以下自己振動と呼ぶ）の計測値から換算した計測誤差相当値を、レーザ振動計の出力信号から差し引く方法が提案されている。
【０００４】
また、レーザ振動計を自由に持ち運びする関係上、レーザ振動計を小型・軽量化することが望まれるが、例えばその方法として光源に半導体レーザを用いる方法が提案されている。
【０００５】
更に、振動物体上の複数点の振動を測定する場合や広域の振動分布を測定する場合には、レーザ光を１軸または２軸のガルバノスキャナミラーなどで走査する方法が用いられている。この方法は、特定点の１回の走査時に、その対象点の振動による連続的な移動速度を計測し、その最大値から振動の振幅を求めるものである。
【０００６】
他方、配管や回転機器の振動を計測しこれらの機器の診断をする際には、回転軸の垂直及び水平方向の振動の軌跡（リサージュ）を計測記録して機器の異常を判定している。従来技術では、このリサージュ波形の測定は、振動する物体の回転軸に対して垂直及び水平方向に加速度計を取付けこれらを同期させて計測していた。
【０００７】
最後に、非接触の振動計測によって測定対象の状態を把握したり、その測定データをその場で確認する方法としては、一般にレーザ振動計の出力信号をオシロスコープやスペクトルアナライザで観測する方法が採られている。また、接触式の方法としては聴診棒が用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のレーザ振動計は、振動計自身は振動しておらず、振動計内の光学素子は静止しているという前提で測定対象の振動速度を計測するものである。
【０００９】
しかしながら、例えはレーザ振動計をロボットなどの移動機構に搭載し、測定点を順次巡回して振動計測を行う場合など、支持部を介して移動機構側の振動が伝播し、振動計自身が振動してしまう。また、レーザ振動計を三脚などで床面に固定した場合でも、床面の振動によってレーザ振動計が振動してしまうことが考えられる。このような状態で振動計測を行うと、振動計内の個々の光学素子の振動によってレーザ光がドプラシフトし、出力信号に振動物体の振動信号と同等に混入して計測誤差になってしまうという問題点があった。
【００１０】
また、この計測誤差を除去する方法として、自己振動の計測値から換算した計測誤差相当値を、レーザ振動計の出力信号から差し引く方法が考えられるが、この方法は簡便ではあるものの、測定した自己振動がレーザ振動計の出力信号に混入する過程で位相差が生じる場合には、かえって大きな計測誤差の原因となる可能性がある。
【００１１】
また、装置を小型化するためには、光源に半導体レーザを用いることなどが考えられる。しかしながらこの方法は、半導体レーザ自身の可干渉距離が、例えばＨｅ−Ｎｅレーザなどに比べて著しく短いため、測定距離が長く取れないという問題点がある。
【００１２】
更に、振動分布計測を行う場合に、特定点の１回の走査時にその点の連続的な移動速度を計測する方法では、走査時の各点の計測時間によって計測可能な振動周波数が限定されてしまう。例えば、走査時に各点を１０ｍｓｅｃ計測するとすると、１００Ｈｚ以下の周波数の振動は計測した速度から正しい振幅を計算することはできない。従って低周波の振動を測定する場合には、非常に定速でレーザ光を走査する必要があり、測定時間が長くなってしまうという問題点がある。
【００１３】
また、リサージュを計測する場合には測定対象物に水平及び垂直方向に複数個の加速度計を取付ける必要があり、これらの計測器を同期させて計測する必要があった。このような方法では、狭隘な場所に配置されたり放射線等で汚染された機器の振動を計測するのが困難であった。また遠隔計測するにしても、遠隔計測用のレーザ振動計を複数台配置し、これらを同期させて計測する必要があり、設備を配置する手間やコストを考えると、現実的とはいえない。
【００１４】
更に、振動計測によって測定対象の状態を把握したり、その測定データをその場で確認するという従来技術には、以下のような問題点がある。まず、レーザ振動計の出力信号をオシロスコープやスペクトルアナライザで観測するのは、既に実用化されている方法ではあるが、装置全体の物量が多くなるし、更に信号波形から測定対象の状態を把握するのに、多くの経験や知識が要求される。次に聴診棒による方法については、持ち運びが便利で測定データの確認が容易という長所があるものの、可聴音域以外は測定が不可能であり、また記録性も乏しい。
【００１５】
以上のような問題点を解決するためには、以下の事項を満足するレーザ振動計が要求される。
・計器自身が振動してしまう場合でも、その影響を除去し、測定対象の振動を精度良く測定できること
・小型・軽量で、持ち運びに便利なこと
・広域の振動を短時間で正確に測定できること
・配管や回転軸の水平、垂直方向の振動の相関（リサージュ波形）が観測できること
・測定対象の状態や測定データをその場で容易に確認できること
本発明は、以上のような機能を実現するために、振動計自身が振動している状態でも精度の良い計測を行うことができ、また小型化可能であり、広域の振動を短時間で正確に測定でき、配管や回転軸の水平、垂直方向の振動の相関（リサージュ波形）を観測することが可能であり、しかも測定と同時にデータを容易に確認することができるレーザ振動計を得ることを目的とするものである。
【００１６】
本発明に係る請求項１記載のレーザ振動計は、振動物体にレーザ光を照射し、その振動物体からの反射光に含まれる振動情報から前記振動物体の振動を測定するものであって、レーザ振動計又はその支持部に、そのレーザ振動計又は支持部自身の所定の方向の振動を測定するために設けられた振動検出手段と、振動検出手段からの出力信号を増幅する振動信号処理手段と、振動物体から得られた振動情報及び振動信号処理手段の出力信号をそれぞれアナログ信号からディジタル信号に変換する第１及び第２のアナログ・ディジタル変換器、第１及び第２のアナログ・ディジタル変換器からの出力信号を、それぞれの相関成分が最少となるように調整する適応フィルタ、適応フィルタの出力信号をディジタル信号からアナログ信号に変換するディジタル・アナログ変換器を備えた信号補正手段とを具備したことを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る請求項２記載のレーザ振動計は、請求項１に記載の信号補正手段の前段に、振動情報と振動信号処理手段の出力信号とのレベルを調整するゲイン調整手段を更に設けたことを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る請求項３記載のレーザ振動計は、請求項１に記載の信号補正手段が、予めレーザ振動計又は支持部自身の振動に含まれる全周波数帯域の伝達特性と同定されているものであることを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る請求項４記載のレーザ振動計は、請求項１〜３のいずれかに記載の信号補正手段からの出力信号から注目する周波数帯域を選択するバンドパスフィルターと、選択された周波数帯域信号を可聴音の周波数領域に変換する周波数変換手段と、変換された信号を再生する音響発生手段とを更に具備したことを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る請求項５記載のレーザ振動計は、請求項１〜４のいずれかに記載の信号補正手段で補正された出力信号を記録・再生する記録手段と、信号補正手段で補正された出力信号と既に記録されている補正された出力信号の波形またはその周波数スペクトルとを各々あるいは同時に表示する同時表示手段とを更に具備したことを特徴とする。
【００２８】
【作用】
請求項１記載のレーザ振動計は、信号補正手段において、伝達経路の特性を同定し、信号補正するための適応フィルタを用いたものである。
【００３１】
これによって、伝達特性を自動的に同定でき、レーザ振動計自身の振動の影響を除去することが可能となる。
【００３２】
請求項２記載のレーザ振動計は、請求項１に記載の信号補正手段の前段に、レーザ振動計の振動情報の信号レベルと振動信号処理手段の出力信号レベルを比較し、そのバランスを調整するためのゲイン調整手段を更に設けたものである。
【００３３】
これによって、このように両者の信号レベルのバランスを取るため自己振動のみを有効に除去することが可能となる。
【００３４】
請求項３記載のレーザ振動計は、請求項１記載の信号補正手段がレーザ振動計の測定信号に混入する経路の伝達特性と予め同定しておくものである。
【００３５】
これによって、予め伝達特性を同定しておくため、より簡単な処理で自己振動のみを有効に除去することが可能となる。
【００３６】
請求項４記載のレーザ振動計は、請求項１〜３いずれかの信号補正手段からの出力信号からバンドパスフィルターによって注目する周波数帯域のみを取り出し、それを可聴音域に変換してスピーカから再生するものである。
【００３７】
これによって、測定データをその場で確認できるばかりでなく、聴診棒などでは従来観測できなかった超音波域の振動も観測することが可能となる。
【００３８】
また、請求項５記載のレーザ振動計は、請求項１〜４いずれかの信号補正手段からの出力信号を記録手段によって記録／再生し、その出力信号と、既に記録されている補正された出力信号の波形または周波数スペクトルとを各々あるいは同時に表示しするようにしたものである。
【００３９】
これによって、過去と現在の状況を容易に比較できるように測定データを記録しておくことが可能になる。
【００５２】
【実施例】
以下に本発明に係るレーザ振動計の実施例について説明する。
【００５３】
まず、第１実施例の動作の原理を以下に説明する。
【００５４】
測定者がレーザ振動計を自分の手に持って振動物体を測定する場合を考える。ここでは説明を簡単にするため、振動物体が一定レベルの振幅Ｖ_０、単一周波数ω_０で下式に従って振動していたとする。
ｖ＝Ｖ_Ｏｓｉｎ（ω_Ｏｔ） …（１）
レーザ光の送受波が正確に行われていれば、レーザ振動計からは（１）式に対応した測定信号ｖが出力されるはずである。しかし、レーザ振動計を手で支持した場合には手ぶれが発生し、それが測定信号ｖに影響を及ぼす。
【００５５】
ここでこの手ぶれによる振動ｖが、説明を簡単にするために、１方向に一定レベルの振幅Ｖ_１、単一周波数ω_１で発生するとする。
ｖ＝Ｖ_１ｓｉｎ（ω_１ｔ） …（２）
本実施例では、（２）式で示した振動を検出するため、例えばレーザ振動計を支持するケーシング内にその振動を検出する振動検出手段と、その振動検出手段からの出力信号を処理する振動信号処理手段とを設ける。
【００５６】
ここで（２）式の手ぶれによる振動には、ケーシング、光学素子支持部、光学素子、その他の部材の経路の伝達特性による振動の振幅レベルの減衰／増大や、位相の遅れ／進みが含まれている。即ち、レーザ振動計が入力する測定信号の中には（２）式のみでは表せず、以下のような振動が含まれることになる。
ｖ＝αＶ_１ｓｉｎ（ω_１ｔ＋φ） …（３）
ここでαは経路の伝達特性による振幅レベルの減衰／増大を表す比例係数であり、φは経路の伝達特性による位相の遅れ／進みを表す角度である。従って、上述した振動信号処理手段を用いただけでレーザ振動計が入力する測定データから手ぶれによる信号の影響を除去することはできない。
【００５７】
そこで、レーザ振動計の測定信号と（２）式で示される振動とを比較してαとφを同定すれば、振動信号処理手段の出力信号と伝達特性α、φを用いて、レーザ振動計の測定信号から手ぶれの振動の影響を除去することができるようになる。
【００５８】
レーザ振動計の自己振動が、３方向に発生する場合には、３方向の自己振動を各々測定し、上記と同様の処理を順次行えばよい。またこの場合でも、最も影響の大きい１方向を予め測定しておき、その方向のみ補正してもよい。
【００５９】
このような動作を実現したものが第１実施例であり、そのブロック図を図１に示す。
【００６０】
図１において、振動物体（図示せず）にレーザ光を照射し、その反射光に含まれるドプラシフト量を検出して振動物体の振動速度を測定するレーザ振動計主装置１から、測定信号ＳＬが出力される。レーザ振動計主装置１の自己振動は例えば図２に示すように、レーザ振動計主装置１内部又はその支持部（図示せず）に設置されたレーザ振動計センサヘッド５により計測される。レーザ振動計センサヘッド５には、例えばＸ，Ｙ，Ｚの３方向に設置された各加速度計２Ｘ，２Ｙ，２Ｚによって測定される。各加速度計２Ｘ，２Ｙ，２Ｚの出力信号は、それぞれ各方向毎に設けられた積分増幅器３Ｘ，３Ｙ，３Ｚに入力され、各々適切な自己振動信号ＮＸ，ＮＹ，ＮＺに変換される。レーザ振動計主装置１の測定信号ＳＬは、まずＸ方向の自己振動信号ＮＸと共にＸ方向の信号補正装置４Ｘに入力され、そこで上述したＸ方向経路の伝達特性による振幅レベル差α及び位相差φ等が補正される。次に補正された信号補正装置４Ｘからの出力信号が、Ｙ方向の自己振動信号ＮＹと共にＹ方向の信号補正装置４Ｙに入力され、そこで上述したＹ方向経路の伝達特性による振幅レベル差α及び位相差φ等が補正される。最後に、信号補正装置４Ｙからの出力信号がＺ方向の信号補正装置４Ｚに入力され、上述したＺ方向経路の伝達特性による振幅レベル差α及び位相差φ等が補正される。最終的にＺ方向の信号補正装置４Ｚから出力信号は３方向の自己振動が除去されたものとなる。
【００６１】
また、図３のブロック図に示すような実施例によっても３方向の自己振動を除去しうる。
【００６２】
図示するように、レーザ振動計主装置１からの測定信号ＳＬを同時に信号補正装置４Ｘ，４Ｙ，４Ｚに入力させて、各自己振動信号ＮＸ，ＮＹ，ＮＺを除去する。各信号補正装置４Ｘ，４Ｙ，４Ｚの出力信号は、信号切換器８に入力され、最も適切に補正されている出力信号を選択することができる。
【００６３】
これによって、ある１方向の自己振動が特に大きく測定に影響する場合にその方向の自己振動成分を除去することが可能になり有効である。また、３方向の自己振動の中で特に影響の大きいものがある時は、その方向成分の振動だけを補正することも勿論可能である。
【００６４】
本発明に係るレーザ振動計の第２実施例を図４を基に説明をする。
【００６５】
第２実施例は、自己振動を除去するための信号補正装置として、振動経路の伝達特性を同定する適応フィルタを用いたものである。
【００６６】
適応フィルタは、Ｂ．Ｗｉｄｒｏｗ他著「ＡｄａｐｔｉｖｅＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌｌ）などに詳しいが、２つの入力信号に対して、その両者に相関のある成分のみを最小とするものである。
【００６７】
図４において、フィルタ部１０は、Ａ／Ｄ変換器（アナログ・デジタル変換器）１０Ａ，１０Ｂと適応フィルタ１０Ｆと、Ｄ／Ａ変換器（デジタル・アナログ変換器）とを有する。
【００６８】
レーザ振動計主装置１からの測定信号ＳＬはＡ／Ｄ変換器（アナログ・デジタル変換器）１０Ａに、加速度計２からの自己振動信号Ｎは積分増幅器３を介してＡ／Ｄ変換器（アナログ・デジタル変換器）１０Ｂにそれぞれ入力されディジタル信号に変換される。２つのＡ／Ｄ変換器１０Ａ，１０Ｂからのディジタル出力信号は適応フィルタ１０Ｆに入力され、ここで、上述したように自己振動成分が除去される。適応フィルタ１０Ｆからの出力信号は再びＤ／Ａ変換器（デジタル・アナログ変換器）１０Ｃによってアナログ信号に変換され、補正された出力信号ＳＯが生成されることになる。
【００６９】
これによって、上記の伝達特性による振幅レベル差α、伝達特性による位相差φなどに代表される伝達特性を自動的に同定し、レーザ振動計の出力信号に含まれる自己振動の相関成分を除去することが可能となる。
【００７０】
本発明に係るレーザ振動計の第３実施例の説明をする。
【００７１】
第３実施例は、第１実施例又は第２実施例の信号補正装置の前段にレーザ振動計の計測信号レベルとの自己振動信号Ｎのレベルとを比較し、そのバランスを調整するゲイン調整手段を設けたものである。
【００７２】
以下、ゲイン調整手段の動作を説明する。
【００７３】
図５のようにレーザ振動計主装置１の出力信号Ｓと自己振動信号Ｎの周波数がごく近い場合で、レーザ振動計主装置１の出力信号Ｎのレベルと自己振動信号Ｓのレベルのバランスが悪ければ、信号補正装置の適応フィルタ内で各信号を補正しても自己振動成分とともに振動物体からの信号のレベルも落ちてしまう（図６参照）。しかし、図７に示すようにレーザ振動計主装置１の出力信号Ｎと自己振動信号Ｓのレベルのバランスが取れていれば、自己振動信号Ｎのみを有効に除去することが可能となる（図８参照）。そこで両者の信号レベルを調整するためにゲイン調整手段を設けたのである。
【００７４】
このように、計測信号と自己振動信号の周波数のバランスがとれている場合には、両者の信号をディジタル信号に変換し、それらの信号をフィルタに通すことにより、自己振動信号の成分を除去することが可能になる。
【００７５】
本発明に係るレーザ振動計の第４実施例の説明をする。
【００７６】
第４実施例は、図９のブロック図に示すように、各方向毎に補正するようにしてあり、予めレーザ振動計の測定信号に混入する経路の伝達特性と同定されている各方向成分毎にＡ／Ｄ変換器１０ＢＸ，１０ＢＹ，１０ＢＺを有するフィルタ部１０が備えられている。
【００７７】
各方向毎の自己振動信号ＮＸ，ＮＹ，ＮＺはそれぞれＡ／Ｄ変換器１０ＢＸ，１０ＢＹ，１０ＢＺに入力され、ディジタル信号に変換される。各Ａ／Ｄ変換器１０ＢＸ，１０ＢＹ，１０ＢＺからの出力信号は、Ａ／Ｄ変換器１０Ａでディジタル信号に変換された測定信号ＳＬと共に適応フィルタ１０Ｆに入力され、ここで測定信号ＳＬから自己振動成分が取り除かれ、その信号がＤ／Ａ変換器１０Ｃによってアナログ信号に変換されて、補正信号ＳＯが生成される。
【００７８】
これによって、測定の毎に各信号を同定する必要がなくなり、より簡単な処理で自己振動のみを有効に除去することが可能となる。
【００７９】
本発明に係るレーザ振動計の第５実施例を図１０のブロック図に示す。
【００８０】
図示するように、第５実施例は、図４に示した第２実施例と同様にレーザ振動計の測定信号ＳＬが処理され、補正信号ＳＯが出力される。補正信号ＳＯは、増幅器４２によって適切なレベルに増幅され、更に必要な周波数帯域のみを通すバンドパスフィルター４３を通して、必要な情報のみが選択される。こうして、選択された信号は、周波数変換器４４によって人間が聞くことのできる１０Ｈｚから２０ｋＨｚの範囲の周波数帯域に変換した上で、スピーカ１５を通して再生される。
【００８１】
これによって測定した補正信号を音として聴くことが可能になる。
【００８２】
本発明に係るレーザ振動計の第６実施例を図１０のブロック図に示す。
【００８３】
図示するように、補正信号ＳＯは必要に応じて計算機手段３８で周波数スペクトルに変換され、表示装置３９によって別に記憶している標準スペクトル値と比較され表示される。更に、周波数スペクトルは記録装置４０によって、必要に応じて生の補正信号または周波数スペクトルデータが保存される。
【００８４】
これによって補正信号を記録しておくことが可能になる。
【００８５】
本発明に係るレーザ振動計の第７実施例を図１１のブロック図に示す。
【００８６】
まず、半導体レーザ光源１９から発振したレーザ光２０ａは第１のビームスプリッタ２１Ａによって物体光２０ｂと参照光２０ｃとに分岐される。物体光２０ｂは第２のビームスプリッタ２１Ｂと集光用光学系装置２２を経て、振動物体２３に照射される。振動物体２３の表面で散乱した散乱光２０ｄは集光用光学系装置２２を経てビームスプリッタ２１Ｂまで戻り、ここで反射して光検出器２４へと導かれる。
【００８７】
一方、参照光２０ｃは第１の光学系装置２５Ａによってファイバ２６に導かれ、ファイバ２６を介して第２の光学系装置２５Ｂによってコリメートされ、再び空間伝播する参照光２０ｅとなる。参照光２０ｅは第１のミラーＭ１で屈折し、ドライバ２７によって駆動される音響光学素子２８によって変調を受け、第２のミラーＭ２で屈折し、第２のビームスプリッタ２１Ｂを通過して光検出器２４に入射する。光検出器２４は散乱光２０ｄと第２のミラーＭ２からの参照光２０ｅの干渉信号を検出し、信号処理装置２９によって振動情報が検出される。
【００８８】
ここで、ファイバ２６の長さを最適化することによって、参照光２０ｅの光路長を長くして、参照光２０ｅと物体光２０ｂとの伝播距離の差を小さくすることを考える。これは、一般にレーザ光の干渉性は干渉する２つの光路長の差に依存するため、物体光と参照光の伝播距離の差を小さくすれば、物体光の伝播距離すなわち測定距離を長く取ることができるためである。
【００８９】
そこでまず、物体光２０ｂの光路長を干渉系内と干渉系外に分けて考える。
【００９０】
まず干渉系内の物体光２０ｂの光路長Ｌｃは、第１のビームスプリッタ２１Ａ→第２のビームスプリッタ２１Ｂ→集光用光学系装置２２→第２のビームスプリッタ２１Ｂ→光検出器２４までの長さである。
【００９１】
他方、干渉系外の物体光２０ｂの光路長Ｌｓは，集光用光学系装置２２→振動物体２３→集光用光学系装置２２までの経路の長さであり、測定距離Ｌの倍の長さとなる。
【００９２】
すなわち、このレーザ振動計の限界測定距離の範囲をＬｍからＬＭとすると、
２Ｌｍ＜Ｌｓ＜２ＬＭ（４）
である。
【００９３】
一方、参照光２０ｅの光路長をファイバ２６の長さｘｌと、それ以外の長さｙｌとに分けて考える。図１１においてｙｌに相当するのは、第１のビームスプリッタ２１Ａ→第１の光学系装置２５Ａまでの長さと第２の光学系装置２５Ｂ→第１のミラーＭ１→音響光学素子２８→第２のミラーＭ２→第２のビームスプリッタ２１Ｂ→光検出器２４までの長さとの和である。
【００９４】
いまファイバ２６の屈折率をｎとすると、ファイバ２６の光学的な長さはｘｌ×ｎとなるが、一般に、
Ｌｃ＋Ｌｓ＞（ｘｌ×ｎ）＋ｙｌ …（５）
の関係が成立していると考えられる。固定焦点すなわち測定距離が一定のレーザ振動計を考えると、物体光２０ｂと参照光２０ｅの光路長が等しい場合、すなわち
Ｌｃ＋Ｌｓ＝（ｘｌ×ｎ）＋ｙｌ …（６）
の時が最も干渉性が優れていることから、ファイバ２６の長さｘｌは、
ｘｌ＝（Ｌｃ＋Ｌｓ−ｙｌ）／ｎ …（７）
とするのが良いことがわかる。
【００９５】
一方、可変焦点すなわち測定距離を測定環境に応じて変化させる場合を考えると、ファイバの長さｘｌは、測定距離の最大値ＬＭと最小値Ｌｍの中間にある場合が最も短い可干渉距離で全ての測定範囲をカバーできるため、ファイバ２６の長さは、
ｘｌ＝｛Ｌｍ＋ＬＭ＋（Ｌｃ−ｙｌ）｝／ｎ …（８）
のように決めればよい。
【００９６】
このようにすれば、可干渉距離の短い半導体レーザを用いても、性能を低下させることなく装置を小型化することができる。
【００９７】
本発明に係るレーザ振動計の第８実施例を図１２のブロック図を基に説明する。
【００９８】
本実施例では、レーザビームを振動物体２３に対して、例えば水平、垂直両方向に±１５°の範囲で操作するものである。
【００９９】
図示するように、図１１に示した集光用光学系装置２２の先に水平軸走査用ポリゴンミラー３２及び垂直軸走査用ポリゴンミラー３１が接続され、信号処理装置２９には、水平軸走査用ポリゴンミラー３２及び垂直軸走査用ポリゴンミラー３１をそれぞれ制御する走査制御装置３４を介して、水平軸走査用ポリゴンミラー３２及び垂直軸走査用ポリゴンミラー３１からの測定データを処理する振動計算機３３が接続されている。
【０１００】
振動物体２３に対して、水平方向にレーザ光を走査するための水平軸走査用ポリゴンミラー３２は、例えば左１５°から右１５°までの図１２のＳＣ方向に１周期で２ｍｓｅｃで、連続的に１００回分振動物体２３を反復走査し、１０１回目の走査は水平方向に４ｍｓｅｃ毎間隔で０．１２５°ずつ走査する。そのため、１０１回目の走査は１周期で３９６０ｍｓｅｃかかることになる。
【０１０１】
他方、振動物体２３に対して垂直方向にレーザ光を走査するための垂直軸走査用ポリゴンミラー３１は、水平軸走査用ポリゴンミラー３２の１０１回目の反復走査動作と同様に、上１５°から下１５°までを、０．１２５°の間隔で１０１回の走査を離散的に行う。このように、垂直方向の動作は水平方向に比べてかなり遅いので、ガルバノミラーを使用してもよい。
【０１０２】
垂直軸及び水平軸走査用ポリゴンミラー３１，３２の動作は，それぞれ走査制御装置３４によって制御され、各ポリゴンミラー３１，３２で計測された計測速度が記憶される。このレーザビームによる走査の方式を図１３に示す。まず水平走査動作について説明する。水平走査動作が終了するまで、水平方向で０．１２５°間隔で計測した各速度値を記憶する。従来より高速で走査する１００回までの走査である１つの点の速度観測値は、２ｍｓｅｃ毎に１００回得られる。この速度観測値を、Ｖ_１，Ｖ_２，…Ｖ_１００とする。
【０１０３】
振動物体２３の実際の振動及び最初の１００回までの走査である走査点について得られる速度観測値の例を図１４の（ａ）及び（ｂ）に示す。図１４の（ａ）は、振動物体の振動を、図１４の（ｂ）はこのような高速走査により得られる測定データを示している。
【０１０４】
走査制御装置３４を介して測定データを入力する振動計算機３３は、これらの測定データを、３次式により隣接する４点ずつのデータを内挿して２次微分した連続的な波形を作成する。また、これら１００個の速度値の列に高速フーリエ変換を適用することにより、４ｍｓｅｃ以上２００ｍｓｅｃ以下の周期、即ち、５〜２５０Ｈｚの振動成分の振幅および位相を得る。また、反復水平走査動作の最後の１０１回目は、低速の走査であるため従来と同じ方式で２５０Ｈｚ以上の高い周波数の振動データを得る。
【０１０５】
垂直走査動作については、低速の走査であるため従来と同じ方式で２５０Ｈｚ以上の高い周波数の振動データを得る。
【０１０６】
このように本実施例は、水平、垂直両軸について各々２４０点、合計５７６００点にわたる５〜２５０Ｈｚの低周波の振動を２×１００×２４０／１０００＝４８ｓｅｃで、また、２５０Ｈｚ以上の高い周波数の振動を９６０×２４０／１０００＝２３０．４ｓｅｃで、合計２７８．４ｓｅｃで計測する。従来の走査方法によるレーザ振動計では、５Ｈｚの振動を計測するには各点の振動を２００ｍｓｅｃ以上計測する必要があり、５７６００点の計測には１１５２０ｓｅｃを要することになる。
【０１０７】
このように、観測したい振動物体の振動周波数が、５Ｈｚ以上の領域であれば、本実施例のレーザ振動計は非常に効率的に振動計測を行なうことができる。
【０１０８】
本発明に係る第９実施例を図１５のブロック図を基に説明する。
【０１０９】
図１４に示すように、本実施例は第８実施例の振動計算機３３に、計測した振動物体の振幅を実時間で表示するための振動分布画像表示装置３５を更に接続したものである。
【０１１０】
上述したように本実施例の垂直及び水平走査軸走査用ポリゴンミラー３１，３２それぞれ振動物体２３に対して垂直及び水平方向に±１５°の範囲で走査する。
【０１１１】
水平走査軸走査用ポリゴンミラー３２は、水平方向に１ｍｓｅｃ周期で１００回レーザビームを左１５°から右１５°まで連続的に高速に走査するが、第実施例のように１０１回目に低速の走査は行わない。垂直走査軸走査用ポリゴンミラー３１は、上１５°から下１５°まで、０．１２５°の間隔で垂直方向に１００回走査を離散的に行なう。振動計算機３３は各走査軸走査用ポリゴンミラー３１，３２を制御する走査制御装置３４を介して反復水平走査動作が終了するまで、水平方向０．１２５°間隔で計測した速度値を記憶する。各１００回の反復水平走査動作である１つの点の速度観測値は、２ｍｓｅｃ毎に１００回得られる。この速度観測値をＶ_１，Ｖ_２，…，Ｖ_１００とする。
【０１１２】
振動計算機３３は、これらの値から最大値、最小値を選びその差によって振幅を計算する。反復水平走査で得られる２４０個の走査点に対して並列にこの計算を行なう。ある走査点の水平角度をＡ°、垂直方向角度をＢ°とし、水平、垂直とも正面を０°、左及び上方向を負の角度とする。表示装置３５の表示画面は、水平方向に左から右へ０から９５９までの、又垂直方向に上から下へ０から９５９までそれぞれの座標の格子点の画素表示が可能とする。ここで、
ｘ＝４（Ａ＋１５）／０．１２５
ｙ＝４（Ｂ＋１５）／０．１２５
として、表示装置は前記走査点の対応する以下の画素である
（ｘ，ｙ），（ｘ＋１，ｙ），（ｘ＋２，ｙ），（Ｘ＋３，ｙ），
（ｘ，ｙ＋１），（ｘ＋１，ｙ＋１），（ｘ＋２，ｙ＋１），（Ｘ＋３，ｙ＋１），
（ｘ，ｙ＋２），（ｘ＋１，ｙ＋２），（ｘ＋２，ｙ＋２），（Ｘ＋３，ｙ＋２），
（ｘ，ｙ＋３），（ｘ＋１，ｙ＋３），（ｘ＋２，ｙ＋３），（Ｘ＋３，ｙ＋３）
の１６個の格子点上に、振動計算機３３が求めた振幅に対応する輝度を表示する。本実施例のレーザ振動計は、水平、垂直両軸について２４０点、すなわち、５７６００点の５〜５００Ｈｚの振動を１×１００×２４０／１０００＝２４ｓｅｃで計測する。従来の走査式レーザ振動計では、５Ｈｚの振動を計測するには各点の振動を２００ｍｓｅｃ以上計測する必要があり、５７６００点の計測には１１５２０ｓｅｃを要することになる。
【０１１３】
このように、実時間で５〜５００Ｈｚの周波数の振動の振幅を表示画面上に表示することができるため、観測したい振動周波数が５Ｈｚ以上の領域であれば、効率的な振動表示を行なうことができる。
【０１１４】
本発明に係る第１０実施例について図１６のブロック図を基に説明する。
【０１１５】
図示するように、第１０実施例は、レーザ光の光軸Ｘ方向に対してその表面の垂直面と角度θをなして振動している振動物体２３に対して（図面上では点ａ，ｂ）レーザ光を放射するレーザ光源１９と、振動物体２３からの反射光を検出する反射光検知部３０と、その反射光から振動物体２３の振動速度ｖを計測する振動測定部３３ａと（図面上では速度ｖａ，ｖｂ）、前述した放射されたレーザ光毎にそのレーザの光軸とそのレーザ光が反射する振動物体の表面との角度θを検知する角度検知部４０（図面上では角度θａ，θｂ）と、振動測定部３３ａの振動速度ｖ及びそれに対応する角度検知部４０の角度θからＸＹ方向の速度成分を計算する直交成分計算部３３ｂと、そのＸＹ方向の速度成分を表示する２次元軌跡表示装置３５ａとを有する。
【０１１６】
以下に、詳細な動作説明を行う。
【０１１７】
一般に、レーザ振動計を用いてＸＹ方向に立体的な振動をしている物体の振動を計測する場合、レーザ光がｘ軸方向から対象物の面と垂直にあたる場合にはその対象物のＸＹ方向の振動速度は容易に計測できる。
【０１１８】
ここで、図１７に示すようにレーザ光の光軸Ｘ方向と、振動物体２３表面の垂直面とが角度θを有しており、振動物体２３が座標（ｘ０，ｙ０）を中心に振動物体２３そのものが（ｘ１（ｔ），ｙ１（ｔ））で振動している場合を考える。この時、レーザ光を照射した点（ｘ（ｔ），ｙ（ｔ））の座標は

ｙ（ｔ）＝ｙｒ … （１０）
のように振動することになる。なお、レーザ光を照射した点のＹ座標ｙｒは時間に依存せずに一定の値である。
【０１１９】
ここで角度θの時間変化が小さい場合には測定される点の速度ｖ（ｔ）は上式を時間微分することにより
ｄｘ（ｔ）／ｄｔ＝ｄｘ１（ｔ）／ｄｔ＋ｔａｎθ・ｄｙ１（ｔ）／ｄｔ…（１１）
で求められる。すなわち、測定される振動は振動物体２３のＸ方向成分とＹ方向成分を含んだ振動が測定されることになる。したがって、図１８に示すように傾きの異なる振動物体２３上の表面上の２点ａ，ｂについて振動を測定することにより、つぎのように振動物体２３上の表面上の２点ａ，ｂ上の速度ｖａ，ｖｂが得られる。
ｖａ（ｔ）＝ｖ（ｔ）ｘ＋ｖ（ｔ）ｙ×ｔａｎθａ …（１２）
ｖｂ（ｔ）＝ｖ（ｔ）ｘ＋ｖ（ｔ）ｙ×ｔａｎθｂ …（１３）
ただし、ｖ（ｔ）＝ｄｘ（ｔ）／ｄｔで、ｖ（ｔ）ｘ、及びｖ（ｔ）ｙは速度ｖ（ｔ）のＸ方向成分及びＹ方向成分である。
【０１２０】
これよりＸ方向およびＹ方向の速度成分は次式によって求められる。

すなわち、傾きの異なる面でレーザー光を用いて計測した振動とその面の傾きとを測定することにより、照射レーザー光に対して垂直の振動成分と水平の振動成分を求めることができ、立体振動を計算することができる。上記例ではａ点での速度ｖａ（ｔ）と点ｂでの速度ｖｂ（ｔ）は時刻ｔにおいて同時に計測できるとしたが、これは必ずしも同時でなくともよい。例えば、点ａにおいて、ｔ₁，ｔ₃，ｔ₅，ｔ₇，…で計測し、点ｂにおいてｔ₂，ｔ₄，ｔ₆…で計測した場合においては以下のような、補間関数ｆを使用して補間すればよい。ただし、ｔ₁＜ｔ₂＜ｔ₃＜ｔ₄＜ｔ₅＜ｔ₆，…とする。

【０１２１】
図１９は図１８の点ａと点ｂに於ける振動速度の計測データを示した２次元軌跡表示装置３５ａ上の表示画面であり、図２０はこの計測データから立体振動をプロットした２次元軌跡表示装置３５ａ上の表示画面である。
【０１２２】
これによって、レーザ光に対して異なる傾きをもつ振動物体の振動を計測することができるとともに、その計測結果を２次元の軌跡結果として表示できる。
【０１２３】
次に本発明に係るレーザ振動計の第１１実施例を図２１を用いて説明する。
【０１２４】
図２１は第１１実施例に含まれる角度検出部４０を示すブロック図である。
【０１２５】
本実施例の角度検出部４０は、レーザ距離計の機能を有するものであって、レーザの連続波を放射するレーザ光源１９ａと、この連続波と発振回路５２からの発振信号とを振幅変調させる振幅変調回路５１と、この発振回路５２からの発振信号とミラーＭを介して振動物体２３からの反射光との位相差を検出しこれを距離情報に直し、計測対象点の面の傾きを求める位相差検出回路５３とを備えている。
【０１２６】
また、３次元ＣＡＤ等の３次元の形状モデルを用いることにより、これを計測あるいは計測した画像の位置合わせをすることにより、この計測点の傾きを３次元形状モデルから知ることもできる。
【０１２７】
これにより、レーザ光と振動物体の表面との角度を求めることができる。
【０１２８】
本発明に係る第１２実施例は、第１１実施例のようにレーザ振動計内部に角度検出器を設けずに、レーザ振動計の位置にレーザ距離計を外付で備えたものである。
【０１２９】
図２２はレーザ振動計で計測した配管の振動分布を等高線表示した画面に、３次元ＣＡＤを重ね合わせて位置合わせを行なった画面を示している。
【０１３０】
これにより振動分布の計測データと計測点の面の傾きがわかり、上記の方法により機器の立体振動を２次元的に表示計測できる。
【０１３１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、自己振動の影響を除去しうるレーザ振動計を提供できる。
【０１３３】
請求項２の発明によれば、計測信号と自己振動信号の周波数のバランスがとれている場合には、両者の信号をディジタル信号に変換し、それらの信号をフィルタに通すことにより、自己振動信号の成分を除去することが可能になる。
【０１３４】
請求項３の発明によれば、測定の毎に各信号を同定する必要がなくなり、より簡単な処理で自己振動のみを有効に除去することが可能となる。
【０１３５】
請求項４の発明によれば、補正信号を測定者が音として聴くことが可能になる。
【０１３６】
請求項５の発明によれば、補正信号を記録しておくことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ振動計の第１実施例を示すブロック図。
【図２】第１実施例のセンサヘッドを示す斜視図。
【図３】本発明に係るレーザ振動計の第１実施例の変形例を示すブロック図。
【図４】本発明に係るレーザ振動計の第２実施例を示すブロック図。
【図５】本発明に係るレーザ振動計の第３実施例を説明するためのグラフ。
【図６】本発明に係るレーザ振動計の第３実施例を説明するためのグラフ。
【図７】本発明に係るレーザ振動計の第３実施例を説明するためのグラフ。
【図８】本発明に係るレーザ振動計の第３実施例を説明するためのグラフ。
【図９】本発明に係るレーザ振動計の第４実施例を示すブロック図。
【図１０】本発明に係るレーザ振動計の第５及び６実施例を示すブロック図。
【図１１】本発明に係るレーザ振動計の第７実施例を示すブロック図。
【図１２】本発明に係るレーザ振動計の第８実施例を示すブロック図。
【図１３】第８実施例を説明するための図。
【図１４】第８実施例を説明するための図。
【図１５】本発明に係るレーザ振動計の第９実施例を示すブロック図。
【図１６】本発明に係るレーザ振動計の第１０実施例を示すブロック図。
【図１７】第１０実施例を説明するためのブロック図。
【図１８】第１０実施例を説明するためのブロック図。
【図１９】各点毎の振動速度を示す画面。
【図２０】各点毎の振動速度を示す画面。
【図２１】本発明に係るレーザ振動計の第１１実施例を示すブロック図。
【図２２】本発明に係るレーザ振動計の第１２実施例の表示画面に表示される画面。
【符号の説明】
１レーザ振動計主装置
２加速度計
３積分増幅器
４信号補正装置
５レーザ振動計センサヘッド
ＳＬ測定信号
ＳＯ補正信号

Claims

振動物体にレーザ光を照射し、その振動物体からの反射光に含まれる振動情報から前記振動物体の振動を測定するレーザ振動計であって、
前記レーザ振動計又はその支持部に、そのレーザ振動計又は支持部自身の所定の方向の振動を測定するために設けられた振動検出手段と、
前記振動検出手段からの出力信号を増幅する振動信号処理手段と、
前記振動物体から得られた振動情報及び前記振動信号処理手段の出力信号をそれぞれアナログ信号からディジタル信号に変換する第１及び第２のアナログ・ディジタル変換器、前記第１及び第２のアナログ・ディジタル変換器からの出力信号を、それぞれの相関成分が最少となるように調整する適応フィルタ、前記適応フィルタの出力信号をディジタル信号からアナログ信号に変換するディジタル・アナログ変換器を備えた信号補正手段と、
を具備したことを特徴とするレーザ振動計。
前記信号補正手段の前段に、前記振動情報と前記振動信号処理手段の出力信号とのレベルを調整するゲイン調整手段を更に設けたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ振動計。
前記信号補正手段は、予め前記レーザ振動計又は支持部自身の振動に含まれる全周波数帯域の伝達特性と同定されているものであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ振動計。
前記信号補正手段からの出力信号から注目する周波数帯域を選択するバンドパスフィルターと、選択された周波数帯域信号を可聴音の周波数領域に変換する周波数変換手段と、変換された信号を再生する音響発生手段と
を更に具備したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ振動計。
前記信号補正手段で補正された出力信号を記録・再生する記録手段と、前記信号補正手段で補正された出力信号と既に記録されている補正された出力信号の波形またはその周波数スペクトルとを各々あるいは同時に表示する同時表示手段と
を更に具備したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ振動計。