JP3774751B2

JP3774751B2 - 半導体レーザデジタル振動計測装置

Info

Publication number: JP3774751B2
Application number: JP06466394A
Authority: JP
Inventors: 茂信篠原; 守生豊嶋
Original assignee: Shizuoka University NUC
Current assignee: Shizuoka University NUC
Priority date: 1994-03-08
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: JPH07244160A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体レーザを用いて振動する物体の変位を測定する半導体レーザデジタル振動計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザドップラー速度計（ＬＤＶ）を用いた振動解析装置は、ヘリウムネオンレーザを用いた装置に比べて光学系が簡単である。
最近、自己混合型半導体レーザと速度方向判別回路などを用いて、光学系のみならず信号処理系をもさらに簡単化した半導体レーザデジタル振動変位計測装置が発明され、出願されている（特願平５−８３３７４号）。
【０００３】
前記出願にかかる半導体レーザデジタル振動計測装置では、任意の非周期振動を測定する場合には測定可能な振動周波数範囲が制限される。前記装置の構成と動作を簡単に説明する。
図１３は従来技術の半導体レーザデジタル振動変位計測装置のブロック図、図１４は図１３に示した振動変位計測装置の動作を説明するための波形図である。
図１３において、半導体レーザダイオード（ＬＤ）１は、レーザ発振周波数が固定され、半導体レーザダイオード駆動回路１０からの注入電流でレーザ発光するものであり、注入電流は一定の直流電流である。
半導体レーザダイオード（ＬＤ）１の射出光は、前方へ光学素子（ＬＥ）２を通して対象物（Ｏｂ）３に照射され、そこからのドップラー周波数偏移した反射光の一部が半導体レーザダイオード（ＬＤ）１に戻り光として帰還し、自己混合効果を発生させる。
そして、半導体レーザダイオード（ＬＤ）１の後方への出射光は、ドップラービート信号による出力変動として、受光素子（ＰＤ）４で電気信号に変換され、増幅回路５により増幅される。このドップラービート信号は、図１４の（ａ）に示すような波形となる。自己混合効果により変位の方向に応じてビート波の傾きが逆転している。
そのビート波の傾きより方向を判断する方向判断回路（ＤＤＣ：Ｄｉｒｅｃｔ−ｉｏｎＤｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎＣｉｒｃｕｉｔ）Ａ１により判断されその出力電圧は、図１４の（ｂ）に示すように矩形波となる。
この方向判断信号によりドップラービート波のカウンタＡ２のモードを増加または減少と切り換えることによって、図１４の（ｎ）に示すような増減する計数値信号を得ている。
【０００４】
前記計数値ｎと変位ｘとの関係式は、λをレーザの発振波長とすると、
ｘ＝（λ／２）・ｎ
と表される。
この計数値信号（ｎ）は、それを取り込んだ演算処理回路９でフィルタ処理することにより図１４（ｘ）に示す変位情報が得られる。
また、計数値信号を高速フーリエ変換ＦＦＴ処理することで振動スペクトル解析を行うことができる。
なお、図１４は理解を容易にするために、振動変位が正弦波の場合を例に取って示してある。
図１３に示されている方向判別回路Ａ１の出力電圧は時刻ｔ₀，ｔ₁，ｔ₂の時点に変化し、カウンタＡ２のモードを加算，減算，加算へと切り換えている。
速度零時刻の検出には低域ろ波器（ＬＰＦ）を用いるので、実際には時間遅れを生じ、図１４のｔ₀'，ｔ₁'，ｔ₂'の時刻にカウンタＡ２のモードを切り換えることになる。この遅れ時間が、速度零時刻の直後に最初の鋸歯状波が発生するまでの時間よりも小さい場合にはカウンタ回路Ａ２は正しく動作し、変位のデジタル信号を得ることができる。
ところが、正弦波振動変位にその周期よりもかなり短い時間内に変化する振動成分が重畳しているような一般的な非周期振動の場合には、従来のデジタル振動変位計では測定できない場合がある。
この問題を図１５を参照して説明する。図１５はその１例として、正弦波振動変位に単発的な速い変化分が重畳している場合を示す。理想的な場合には方向判別回路Ａ１の出力電圧は時刻ｔ₀，ｔ₁，ｔ₂の他にｔ₃，ｔ₄で速度零時刻に対応して変化する。しかし、実際には、速度零時刻検出の時間遅れのため、方向判別電圧は時刻ｔ₀'，ｔ₁'，ｔ₂'，ｔ₃'，ｔ₄'に変化する。時刻ｔ₃'は最初の鋸歯状波の立ち上がりの時刻ｔ₅よりも遅れるので、カウンタモードは変化せず、減算のままである。
したがって、カウンタＡ２はｔ₅の時刻に１カウント加算すべきであるのに誤って１カウント減算する。時刻ｔ₃'からｔ₄'の期間は加算モードであるがカウンタ出力は変化しない。時刻ｔ₄'は、速度零時刻の直後に現れる最初の鋸歯状波の立ち上がり時刻ｔ₆よりも早いので、方向判別回路Ａ１の出力電圧は変化して減算モードとなっている。従って、時刻ｔ₆の時に、１カウント減算される。同様にして、時刻ｔ₇，ｔ₈，ｔ₉で１カウントずつ減算される。
したがって、カウンタ出力値は図１５のｎに示す破線の曲線のようになり、正しい値を示さない。
一方、方向判別回路Ａ１が正しく動作した場合のカウンタ出力値は図１５のｎに示す実線となり、変位出力値はｘに示す実線の曲線となる。ｘに示す破線の曲線は誤動作した時の変位出力値を示す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、前記の従来の半導体レーザデジタル振動計測装置は、ドップラービート波の波数を計数するカウンタ回路と、カウンタのモードを変える方向判別回路の機能が分離していたため、速い変化をする振動変位が低周波振動変化に重畳している場合には、正確な測定ができないという問題がある。
本発明の主たる目的は、前記問題を解決し、周波数範囲の広い高周波非周期振動を測定することのできる半導体レーザデジタル振動計測装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、前記半導体レーザデジタル振動計測装置を複数用いて複数の振動情報を同時に取得して解析することができる半導体レーザデジタル振動計測装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による半導体レーザデジタル振動計測装置は、
半導体レーザを用いて振動する物体の変位を測定する半導体レーザデジタル振動計測装置であって、レーザ発振周波数が固定された半導体レーザと、
前記半導体レーザに電流を供給する駆動回路と、
前記半導体レーザの射出光を対象物の表面に照射し、その反射光の一部が戻り光として前記半導体レーザに結合するように配置された光学装置と、
前記対象物の振動変位に関係して生ずる半導体レーザの出力の変化を検出する受光素子と、前記受光素子出力から信号成分を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の出力の振幅を一定に保つ自動振幅制御回路と、
前記自動振幅制御回路出力のドップラービート波の１波ごとに正または負の振動変位に応じてアップまたはダウンカウント用信号を発生するカウント用信号発生回路と、
前記カウント用信号発生回路からのパルスを計数するバイナリーカウンタと、前記バイナリーカウンタ回路の計数値を記憶し前記振動変位を演算する演算処理回路とから構成されている。
前記カウント用信号発生回路を、対象物の移動方向により前記自動振幅制御回路出力のドップラービート波の傾きの大きさが異なることを利用して正または負の振動変位に応じてアップまたはダウンカウント用信号を発生するように構成することができる。
また、前述の半導体レーザデジタル振動計測装置複数組を利用して２以上の振動情報を同時に取得する半導体レーザデジタル振動計測装置を構成することができる。
【０００７】
【実施例】
以下、本発明を図面等を参照してさらに詳しく説明する。
図１は本発明による半導体レーザデジタル振動計測装置の実施例を示すブロック図、図２は図１に示す実施例の動作を説明するための波形図である。
図１において、半導体レーザダイオード（ＬＤ）１は、レーザ発振周波数が固定され、半導体レーザダイオード駆動回路１０からの注入電流でレーザ発光するものであり、注入電流は、一定の直流電流である。
光学装置を形成する光学素子（ＬＥ）２は、半導体レーザダイオード（ＬＤ）１の射出光を対象物（Ｏｂ）３の表面に照射し、その反射光の一部が戻り光として半導体レーザダイオード（ＬＤ）１に結合するように配置されている。
受光素子（ＰＤ）４は、対象物（Ｏｂ）３の振動変位に関係して生ずる半導体レーザの出力の変化を検出するものである。増幅回路５は、受光素子（ＰＤ）４の出力から信号成分を増幅するものである。
自動振幅制御回路６は、対象物（Ｏｂ）３の異なる表面を照射した場合に戻り光の電力が変化して受光素子４の出力が変化した場合にも一定の振幅のビート波出力が得られるように、自動制御する回路である。
カウント用信号発生回路７は、自動振幅制御回路６の出力のドップラービート波の１つの波数ごとに計数用のパルス１個を出力する回路である。
マイナスの変位、すなわち物体３の表面が半導体レーザ１から遠ざかる場合には、カウント用信号発生回路７のダウンカウント用信号出力端子ｂから鋸歯状波１波ごとに１個のパルスが出力される。同様に、プラスの変位の場合にはカウント用信号発生回路７のアップカウント用信号出力端子Ｃから鋸歯状波１波ごとに１個のパルスが出力される。バイナリーカウンタ８は、上記のアップカウント信号パルスを加算し、ダウンカウントパルスを減算して計数値信号を出力する。
演算処理回路９はバイナリーカウンタ回路８の計数値を記憶し対象物（Ｏｂ）３の振動変位を演算するものである。
【０００８】
次に、前記半導体レーザデジタル振動計測装置のカウント用信号発生回路７の詳細な構成を図３、図４を参照して説明する。図４は図３に示す実施例の動作を説明するための波形図である。
図４において、自動振幅制御回路６の出力波形（ａ）は振幅が一定に保持されており、振動変位が正の場合には鋸歯状波の立ち上がりが急であり、立ち下がりは緩やかである。一方、振動変位が負の場合には鋸歯状波の立ち下がりが急であり、立ち上がりが緩やかである。
図３に示すカウント用信号発生回路７の３個のコンパレータ７１，７２，７３の基準レベルＶ_refをそれぞれＶ_h，Ｖ_g，Ｖ_lと設定する。
まず、プラス変位の場合にのみ、１個の鋸歯状波に対して加算用の１カウントパルスが得られることを説明する。自動振幅制御回路６は振幅検出器６１と利得制御増幅器６２から構成されている。この自動振幅制御回路６の出力波形（ａ）のレベルがＶ_ref＝Ｖ_lに達するとコンパレータ７３がオンする。
このときのポジティブエッジでポジティブシングルショット７７が幅Ｔｗ１の単発パルス（ｅ）をその出力端子に発生する。
続いて、（ａ）のレベルがＶ_ref＝Ｖ_gに達すると、同様にコンパレータ７２がオンし、このときのポジティブエッジでポジティブシングルショット７６のみが幅Ｔｗ１の単発パルス（ｄ）をその出力端子に発生する。
この２つの単発パルス（ｄ）と（ｅ）の論理積をアンド回路（ＡＮＤ１）７９で発生させると、幅の狭い単発パルス（Ｃ）が出力端子に得られる。
したがって、信号（ａ）がＶ_ref＝Ｖ_lとＶ_ref＝Ｖ_gを横切る時間差がほとんどないようなとき、プラスの１カウントパルスがＣ端子で得られる。
一方、信号（ａ）が緩やかに立ち下がるときには、Ｖ_ref＝Ｖ_hでネガティブシングルショット７４が幅Ｔｗ２の単発パルス（ｆ）をその出力端子に発生し、
Ｖ_ref＝Ｖ_gでネガティブシングルショット７５が幅Ｔｗ２の単発パルス（ｇ）をその端子に発生する。
この２つの単発パルス（ｆ）と（ｇ）は信号（ａ）が緩やかに立ち下がるときには、重なる時間帯がないので、アンド回路（ＡＮＤ２）７８でその積をとっても零になり、出力端子に出力は生じない。すなわち、この場合にはダウンカウントパルスを発生しない。
【０００９】
次に、マイナス変位の場合にのみ、減算用の１カウントパルスが得られることを説明する。立ち下がりが急の場合には、まず、Ｖ_ref＝Ｖ_hになった時、ネガティブエッジが第１のコンパレータ７１で発生し、第１のネガティブシングルショット７４の出力端子において幅Ｔｗ２の単発パルス（ｆ）が発生する。
続いてＶ_ref＝Ｖ_gになったとき、コンパレータ７２がネガティブエッジを発生し、第２のネガティブシングルショット７５の出力端子に幅Ｔｗ２の単発パルス（ｇ）が発生する。この２つのパルス（ｆ）と（ｇ）は時間帯が重なっているので、アンド回路（ＡＮＤ２）７８の出力端子に細いパルス（ｂ）すなわちダウンカウントパルス１個が発生する。なお、緩やかな立ち上がり部分では図４に示すように、ポジティブシングルショット７６の出力端子とポジティブシングルショット７７の出力端子にそれぞれ幅Ｔｗ１の単発パルス（ｄ）と（ｅ）を発生するが、（ｄ）と（ｅ）は離れているのでその積は零となり、アップカウントパルスは現れない。
すなわち、カウント用信号発生回路７は、振幅を一定に保持されたビート信号に含まれる鋸歯状波の１波ごとに、正負の変位に応じて加算または減算用の１カウントパルスを発生することができる。
【００１０】
図５に、前記半導体レーザデジタル振動計測装置の実施例装置で非定常信号でラウドスピーカを駆動してその振動面に光ビートをスポット照射して得られたときのドップラービート波形（ａ）と駆動信号波形（Ｐ）を示す。
図６にドップラービート波形（ａ）の計数結果（ｎ）を示す。
ラウドスピーカ表面の変位振動波形（ｘ）は、駆動信号波形（Ｐ）に比例しているはずである。
図６の計数結果（ｎ）は駆動信号波形（Ｐ）の特徴をよく表しており、計数結果（ｎ）は変位振動波形（ｘ）を再現しているものと言える。
図６の計数結果を微分すれば速度波形が、さらにもう一回微分すれば加速度波形が得られる。さらに高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理すれば、変位波形、速度波形、加速度波形の周波数スペクトルが得られる。
【００１１】
本発明による半導体レーザデジタル振動計測装置を利用して振動物体表面の２点の変位振動波形を同時に測定するシステムを構成することができる。
図７に２点の変位振動波形の同時測定のための実施例のブロック図を示す。
この装置は、前述した実施例の主要部を（ＣＨ１，ＣＨ２）の２チャンネル構成で使用し、２点の変位振動波形同時測定システムを構成したものである。
被測定振動物体（Ｏｂ）は、ラウドスピーカ表面に取り付けたアルミニウム箔である。このラウドスピーカはスピーカドライバの駆動信号により駆動される。
ＳＭＬはセルフォックマイクロレンズでそれぞれ各チャンネルの光学装置を形成している。
自己混合型の半導体レーザ（ＬＤ）２個を用い、それぞれに対応させられているホトダイオード（ＰＤ）の出力を増幅器（ＡＭＰ）を通してそれぞれのカウンタ回路に入力する。
このカウンタ回路は図１、および図３に示した自動振幅制御回路６、カウント用信号発生回路７およびバイナリーカウンタ８と同様の構成を備えるものである。各チャンネルから得られたカウント値（ｎ₁），（ｎ₂）はバッファメモリに取り込んでから、インターフェースボードを通してコンピュータ（演算処理回路）に取り込み、演算を行う。
【００１２】
図８に、２点同時刻のドップラービート波の（ａ₁）_,（ａ₂）とスピーカ駆動電圧（ｐ）を示す。波形（ａ₁）はビート周波数が高いので、変位振幅が大きいことを示している。
図９に、同時刻に測定した２点のドップラービート波の計数値（ｎ₁）と（ｎ₂）の波形図を示す。
図１０に（ｎ₁）と（ｎ₂）から求めた２点の変位波形を示す。
変位のピークツーピークの振幅は（ｘ₁）と（ｘ₂）でそれぞれ１１．３μｍと６．６μｍである。ただし、移動平均法を用いて平滑化点数９個で平均化を行った結果である。なお、変位の時系列データを平滑化微分することで加速度波形を得ることができる。また、各変位波形、速度波形、加速度波形に（ＦＦＴ）演算処理することで各波形の周波数スペクトルを求めることができる。
図１１に、図１０の変位波形（ｘ₁），（ｘ₂）から求めた周波数スペクトルを示す。基本波周波数は４９０Ｈｚであり周波数分解能の誤差の範囲で駆動電圧Ｐの周波数４６５Ｈｚと一致する。第２、第３高調波の存在も正確に測定していることが判る。
図１２にチャンネル２の変位波形（ｘ₂）の各周波数成分がチャンネル１の変位波形（ｘ₁）の各周波数成分に対して有する位相の差を周波数の関数として示す。チャンネル２の基本波はπラジアン、第２，第３高調波は約−０．９πラジアンの位相差をチャンネル１の対応した周波数成分に対して有する。
【００１３】
【発明の効果】
以上、詳しく説明したように本発明による半導体レーザデジタル振動計測装置は、レーザ発振周波数が固定された半導体レーザと、
前記半導体レーザに電流を供給する駆動回路と、
前記半導体レーザの射出光を対象物の表面に照射し、その反射光の一部が戻り光として前記半導体レーザに結合するように配置された光学装置と、
前記対象物の振動変位に関係して生ずる半導体レーザの出力の変化を検出する受光素子で構成したので、光学系の部分で周波数シフタと光分岐路および鏡を用いずに構成することができ、光学系の構成を簡素化することができる。
また、前記受光素子出力から信号成分を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の出力のドップラービート波の振幅を一定に保つ自動振幅制御回路と、
前記自動振幅制御回路出力のドップラービート波の１波ごとに正または負の振動変位に応じてアップまたはダウンカウント用信号を発生するカウント用信号発生回路と、
前記カウント用信号発生回路からのパルスを計数するバイナリーカウンタと、
前記バイナリーカウンタ回路の計数値を記憶し、前記振動変位を演算する演算処理回路とから構成したので、周波数範囲の広い高周波非同期振動を測定することができる。
また本発明のデジタル振動計測装置を多数用いれば、多数点の変位振動波形を同時に計測できる。
すなわち本発明による半導体レーザデジタル振動計測装置は振動面の振動モードの解析やその周波数特性の測定などに広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体レーザデジタル振動計測装置の実施例を示すブロック図である。
【図２】図１に示した実施例の動作を説明するための波形図である。
【図３】図１に示した実施例のカウント用信号発生回路の実施例を示すブロック図である。
【図４】図３に示したカウント用信号発生回路の実施例の動作を説明するための波形図である。
【図５】非定常信号でスピーカを駆動したときのドップラ−ビート波形と駆動信号を示すグラフである。
【図６】図５に示したドップラ−ビート波形（ａ）の計数結果（ｎ）を示すグラフである。
【図７】本発明による半導体レーザデジタル振動計測装置の他の応用的な実施例である。２点の変位振動波形同時測定システムの実施例を示すブロック図である。
【図８】図７に示した実施例の動作を説明するための波形図である。
【図９】図７に示した２点の変位振動波形同時測定システムの各点のドップラ−ビート波の計数値（ｎ₁)，（ｎ₂)を示すグラフである。
【図１０】図７に示した２点の変位振動波形同時測定システムによる２点の変位（ｘ₁），（ｘ₂）を示すグラフである。
【図１１】図１０に示した各点の変位（ｘ₁），（ｘ₂）の周波数スペクトルをハンニング窓関数を使用して計算し、示したグラフである。
【図１２】チャンネル２の変位波形（ｘ₂）に対するチャンネル１の位相差を示すグラフである。
【図１３】先の提案に係る半導体レーザデジタル振動計測装置の基本構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３に示した半導体レーザデジタル振動計測装置の基本動作を説明するための波形図である。
【図１５】図１３に示した半導体レーザデジタル振動計測装置の問題となる動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１半導体レーザ（ＬＤ）
２光学装置
３対象物
４受光素子
５増幅回路
６自動振幅制御回路
７カウント用信号発生回路
８バイナリーカウンタ
９演算処理回路
１０駆動回路

Claims

レーザ発振周波数が固定された半導体レーザと、前記半導体レーザに電流を供給する駆動回路と、前記半導体レーザの射出光を対象物に照射し、その反射光の一部が戻り光として前記半導体レーザに結合するように配置された光学装置と、前記対象物の振動変位に関係して生ずる半導体レーザの出力の変化を検出する受光素子と、前記受光素子出力から信号成分を増幅する回路と、前記増幅回路の出力の振幅を一定に保つ自動振幅制御回路と、前記自動振幅制御回路の出力からカウント用信号を発生するカウント用信号発生回路と、前記カウント用信号発生回路からのパルスを計数するバイナリーカウンタと、前記バイナリーカウンタ回路の計数値を記憶し前記振動変位を演算する演算処理回路とから構成されている振動物体の変位を測定する半導体レーザデジタル振動計測装置において、前記のカウント用信号発生回路が、ドップラービート波の１波ごとに正または負の振動変位に応じてアップまたはダウンカウント用信号を発生するために、基準レベル（Ｖｈ＞Ｖｇ＞Ｖｌ）の異なる３個のコンパレータを備え、コンパレータ１は基準レベルＶｈ、コンパレータ２は基準レベルＶｇ、コンパレータ３は基準レベルＶｌを持ち、コンパレータ１の出力はネガティブシングルショット１に入力され、コンパレータ２の出力はネガティブシングルショット２とポジティブシングルショット１に入力され、コンパレータ３の出力はポジティブシングルショット２に入力され、ネガティブシングルショット１とネガティブシングルショット２の出力はアンド回路２の入力となり、ポジティブシングルショット１、ポジティブシングルショット２の出力はアンド回路１の入力となり、前記アンド回路１の出力は、アップダウンカウント信号入力を有するバイナリーカウンタ回路のアップカウント信号となり、アンド回路２の出力は前記バイナリーカウンタ回路のダウンカウント信号となるよう接続されていることを特徴とする半導体レーザデジタル振動変位計測装置。