JP3996561B2 - レーザドップラ振動計 - Google Patents

Description

本発明は回転体の振動や変位を、回転体で反射させたレーザ光にドップラ効果によって生じるドップラシフトを利用して測定するレーザドップラ振動計に関するものである。

測定物の振動や変位を、ドップラ効果によって、回転体で反射させたレーザ光に生じるドップラシフトを利用して測定するレーザドップラ振動計としては、たとえば、図７に構成を示す、ヘテロダイン干渉法を用いたレーザドップラ振動計が知られている（たとえば、特開平７−１２０３０４号公報）。

図中において、レーザ光源１から出射された周波数f0のレーザービームは、第１ビームスプリッタ２で二分され、二分された一方のビームは、音響光学素子３で周波数fM分、周波数がシフトされ周波数f0＋fMの参照ビームとして、第２ビームスプリッタ４を介して受光ユニット５に入射する。一方、二分された他方のビームは、第３ビームスプリッタ６と送受光ヘッド７を介して測定物１００に照射され、測定物１００で反射された反射ビームは送受光ヘッド７で受光され、第３ビームスプリッタ６、ミラー８、第２ビームスプリッタ４を介して受光ユニット５に入射する。

ここで、反射ビームの周波数には、測定物１００の速度に応じたドップラシフトfDが生じており、反射ビームの周波数はf0＋fDとなる。したがって、参照ビームと反射ビームとの干渉によりfM±fDのビート周波数が受光ユニット５において観測される。そこで、fDの周波数成分を抽出し、FM復調することにより、測定物１００の振動速度に応じた速度信号が得られ、この速度信号を解析装置９において積分することにより測定物１００の変位が求められる。

また、このようなレーザドップラ振動計における測定精度向上の技術としては、測定物１００の表面状態の不均一によって反射光に生じる振幅変調による誤差を補正するために、受光ユニット５において反射光を光電変換する光検出器の出力電圧の直流成分が一定に保たれるように、当該出力電圧の増幅率を制御する技術が知られている（たとえば、特開平４−５４１９２号公報）。

この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては以下のものがある。
特開平７−１２０３０４号公報 特開平４−５４１９２号公報

前記従来のレーザドップラ振動計によれば、回転体の回転軸と垂直な方向の振動や変位を測定する場合に以下の問題が生じる。
すなわち、レーザビームの光軸上に、回転体の回転軸が正確に位置していないと、回転体の周速の影響が測定結果に混入し、測定精度が劣化する。また、回転体の反射面で生じた正反射光以外の散乱光成分の受光ユニット５への入射による精度劣化の程度が比較的大きい。

そこで、本発明は、回転体の回転軸と垂直な方向の振動や変位を精度良く測定することのできるレーザドップラ振動計を提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、回転体に当該回転体の回転軸と垂直な方向よりレーザビームを照射し、入射される反射ビームに生じたドップラシフト量より求まる速度信号を積分して求まる変位信号に基づいて、当該回転体の回転軸と垂直な方向の振動を測定するレーザドップラ振動計に、前記回転体の回転周期を検出する回転周期検出手段と、前記回転体の１回転周期期間分の前記変位信号の変化量を見かけ変位量単位として算出する見かけ変位量単位算出手段と、前記変位信号が表す変位量のうちの、前記速度信号に含まれる前記回転体表面の回転軸と垂直な測定対象方向の変位によらない速度成分に起因する成分である見かけ変位量を、前記見かけ変位量単位が１回転周期分の前記見かけ変位量の総和であるとして推定する見かけ変位量推定手段と、前記変位信号が表す変位量から、前記見かけ変位量を減算して、前記回転体の変位量とする変位算出手段とを備えたものである。

このようなレーザドップラ振動計によれば、レーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって速度信号に混入する速度成分によって変位信号中に現れる見かけの変位の１回転周期の総和を、前記回転体の１回転周期期間分の前記変位信号の変化量より求める。ここで、速度信号に含まれる回転体表面の回転軸と垂直な方向の真の変位による速度成分を積分して得られる変位量の１回転周期の総和は０であるので、このようにすることにより、見かけの変位の１回転周期の総和を正確に算定することができる。したがって、このようにして求めた見かけの変位の１回転周期の総和に基づいて、各時点における見かけ変位の量を推定して、これを変位信号が表す変位量から減算することにより、回転体の回転軸と垂直な方向の振動や変位を精度良く測定することができるようになる。

以上のように本発明によれば、回転体の回転軸と垂直な方向の振動や変位を精度良く測定することのできるレーザドップラ振動計を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１に、本実施形態に係るレーザドップラ振動計の構成を示す。
図示するように、レーザドップラ振動計は、レーザ光源１、第１ビームスプリッタ２、音響光学素子３、第２ビームスプリッタ４、受光ユニット５、第３ビームスプリッタ６、送受光ヘッド７、ミラー８、解析装置９、回転センサ１０とを備えている。すなわち、本レーザドップラ振動計は、図７に示したレーザドップラ振動計に回転センサ１０を追加した構成を有している。

さて、このような構成において、レーザ光源１から出射された周波数f0のレーザービームは、第１ビームスプリッタ２で二分され、二分された一方のビームは、音響光学素子３で周波数fM分、周波数がシフトされ周波数f0＋fMの参照ビームとして、第２ビームスプリッタ４を介して受光ユニット５に入射する。一方、二分された他方のビームは、第３ビームスプリッタ６と送受光ヘッド７を介して測定物１００に照射され、測定物１００で反射された反射ビームは送受光ヘッド７で受光され、第３ビームスプリッタ６、ミラー８、第２ビームスプリッタ４を介して受光ユニット５に入射する。

ここで、反射ビームの周波数には、測定物１００の速度に応じたドップラシフトfDが生じており、反射ビームの周波数はf0＋fDとなる。したがって、参照ビームと反射ビームとの干渉によりfM±fDのビート周波数が受光ユニット５において観測される。そこで、受光ユニット５において、入力するfDの周波数成分を抽出し、FM復調することにより、測定物１００の振動に応じた速度信号Vが得られ、解析装置９において、この速度信号Vを解析することにより測定物１００の変位が求められる。

一方、回転センサ１０は、測定物１００の回転周期を検出し、測定物１０の回転に同期した同期信号を解析装置９に出力するセンサである。ここで、たとえば、回転センサ１０としては、測定物１００に貼付した反射マーカ１０１をレーザ光によって検出するレーザセンサなどを用いることができる。

以下、このようなレーザドップラ振動計における測定物の変位を算出する変位算出処理について説明する。
まず、本実施形態における変位算出の原理の概要について図２を用いて示す。
いま、速度信号Vに含まれる測定物１００の真の変位によって生じる速度成分がa１に示すものであり、速度信号Vに含まれるレーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じる速度成分がa２に示すように一様な速度を持つものであるとする。
この場合、速度信号Vを積分して得られる変位は、測定物１００の真の変位によるa１の速度成分を積分して得られるb１の変位と、レーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じるa２の速度成分を積分して得られる見かけの変位b２を加算した変位Pとなる。

ここで、図よりも理解されるように、測定物１００の真の変位によるa１の速度成分を積分して得られる変位b１は、測定物１００の回転周期と同じ周期を持つ周期信号となり、１周期の変位の積分値は０であり、測定物１００の同じ回転角度に対しては必ず同じ値の変位が得られる。

一方、レーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じる見かけの変位b２の１周期の変位の積分値は通常０とはならず、レーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じる速度成分a２が一様である場合には、b２に示すように単調に増加していくことになる。一方で、レーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じる速度成分a２は、測定物１００の回転周期と同じ周期を持つ周期信号となり、測定物１００の同じ回転角度に対しては必ず同じ値の速度が得られるので、測定物１００の１回転周期中に生じる、レーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じる見かけの変位b２の変位の変化量は常に一定である。

したがって、ある時点の変位Pから、その１回転周期前の時点の変位Pを減じた値Dは、１回転周期期間中に生じたレーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じる見かけの変位b２の変化量を表すことになる。
そして、レーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じるa２が一様である場合には、差分Dからレーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって各時点における生じる見かけの変位Eを推定することができ、変位Pを推定値Eの推定に要する時間遅延させた変位P’から、この推定値Eを減算した値Rとして、測定物１００の真の変位b１が得られることになる。

以下、このような変位算出処理を行う構成について説明する。
図３aは、解析装置９において変位算出処理を行う変位算出ブロックの構成例を示したものである。
図示した構成では、受光ユニット５から入力する速度信号VをA／D変換器３０１でデジタル変換して速度データVとする、そして積分ブロック３０２において速度データVを積分し、変位データPを得る。差分ブロック３０４は、この変位データPと、遅延ブロック３０３によって変位データPを測定物の１回転周期遅延した遅延変位データP'の差分を求め差分データDとする。そして、積分ブロック３０６において、差分データを乗算器３０５で１／mした値の積分値を求めて見かけ変位推定データEとし、遅延ブロック３０３において一回転周期遅延した変位データP'からみかけ変位推定データEを、減算ブロック３０７において減算し、算出変位データRとする。ここで、乗算器で乗算に用いるmは、測定物１００の１回転周期期間中に生成する、A／D変換器３０１の速度データVのサンプリング数である。

そして、シーケンス制御部３０８は、回転センサから入力する回転同期信号に同期して、以上各部の動作を制御する。具体的には、回転センサ１０から入力する回転同期信号に同期したA／D変換器３０１のサンプリングクロックの生成を行う。また、シーケンス制御部３０８は、積分ブロック３０６の積分動作の開始と減算ブロック３０７の算出変位データRの出力動作の開始を、積分ブロック３０２の積分動作の開始より１回転周期遅らせる。これにより、図２に示すように、変位データPの生成開始から１回転周期遅れて、見かけ変位推定データEのと算出変位データRの算出が開始される。

ところで、このような変位算出処理は、ソフトウエアの処理によって実現することもできる。
図３bに、解析装置９においてソフトウエアの処理によって変位算出処理を行う場合の変位算出ブロックの構成例を示す。
図示するように、この変位算出ブロックでは、A／D変換器３５１は、受光ユニット５から入力する速度信号Vをデジタル変換して速度データVとして入力バッファ３５３に格納する。一方、ロータリーエンコーダ３５２は、回転センサ１０から入力する回転同期信号に同期したA／D変換器３５１のサンプリングクロックの生成と、測定開始後何回転周期目の速度データVであって回転周期中何番目の速度データVであるかを識別可能に速度データVが入力バッファ３５３に格納されるように、速度データVの入力バッファ３５３の書き込み位置の制御を行う。

そして、CPU３５５は、メモリ３５４を利用しながら変位算出処理を行って、入力バッファ３５３に格納された速度データ速度データVに基づいた算出変位データRの算出を行って出力バッファ３５６に格納する。
次に、このCPUが行う変位算出処理の手順を図４に示す。
図示するようにこの処理では、速度データVを測定順に入力バッファ３５３より読み出し（ステップ４０２、４１４、４１８、４１６）、以下の処理を行う。
すなわち、n番目の回転周期のi番目の速度データをV（n、i）として、と速度データV（n、i）と速度データV（n、i）に先行して測定した各速度データVの総和を求め、n番目の回転周期のi番目の変位データP（n、i）とし、メモリ３５４に格納する（ステップ４０４）。
そして、得られた変位データPが、２番目以降の回転周期の変位データである場合には（ステップ４０６）、その変位データP（n、i）から、メモリ３５４に格納されている、その変位データPの１回転周期前の変位データP'=P（n−１、i）を減算し、n番目の回転周期のi番目の差分データD（n，i）とする（ステップ４０８）。そして、差分データD（n，i）と、その差分データD（n，i）に先行して求めた差分データDの総和のiMax分の１を求め（ステップ４１０）、nー１番目の回転周期のi番目の見かけ変位推定データE（nー１、i）とする。ただし、iMaxは１回転周期期間中の速度データVのサンプル数である。

そして、メモリ３５４から読み出した変位データP（n−１、i）から、見かけ変位推定データE（nー１、i）を減算し、nー１番目の回転周期のi番目の算出変位データR（nー１、i）として出力バッファに格納する（ステップ４１２）。
さて、解析装置９は、以上のような変位算出処理によって求めた算出変位データRに対して、測定物１００の各回転周期で同回転角度（同じiの値）に対して得られた変位値の平均化やその他の後処理を施して最終的な測定物１００の各回転角に対する変位を出力する。

以上、本発明の実施形態について説明した。
以上のように、本実施形態によれば、レーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じる速度成分が一様である場合には、これによって生じる見かけの変位を排除して、測定物１００の真の変位を算出することができる。
ところで、本実施形態は、レーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じる速度成分が一様でない場合においても、レーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じる見かけの変位による測定誤差をある程度抑制することができる。

すなわち、たとえば、図５に示すように、速度信号Vに含まれる測定物１００の真の変位によって生じる速度成分がa１に示すものであり、速度信号Vに含まれるレーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じる速度成分がa２に示すように１回転周期中で変動するものであるとする。

そして、この例に対しては、測定物１００の真の変位によるa１の速度成分を積分して得られる変位はb１となり、レーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じるa２の速度成分を積分して得られる見かけの変位はb２のようになる。したがって、変位P、差分信号D、見かけの変位の推定値Eは、各々図示するように求まり、変位P'から見かけの推定値Eを減算して求まる算出変位Rは、図示するように、変位Pに比べ、真の変位b１との誤差が抑制されたものとなる。

ここで、この場合の誤差の抑制の程度は、速度信号Vに含まれるレーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じる速度成分a２の大きさや発生パターンに依存して異なるものととなるが、いずれにしても、本実施形態に係る変位算出処理によれば、１回転周期分を越える見かけの変位が、変位算出の誤差として累積されるされることはない。

ところで、以上の実施形態では、見かけの変位の推定値Eを、変位データPの一回転周期前の変位データPとの差分データD（n，i）の積分値の１回転周期分のサンプル数分の１として求めたが、この見かけの変位の推定値Eは、以下のようにして求めるようにしてもよい。

すなわち、２番目以降の回転周期の変位データP（n、i）について求めた差分データD（n，i）と、差分データD（n，i）に先行して同じiについて求めた全ての差分データD（j，i）の総和を見かけの変位の推定値E’（n、i）とし、P（n，i）−E’（n、i）を算出変位R（n−１、i）とするようにしてもよい。但し、jは、２以上n未満の整数である。このようにすることにより、図５に示した速度信号Vに含まれる測定物１００の真の変位によって生じる速度成分がa１と、速度信号Vに含まれるレーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じる速度成分a２に対して、見かけの変位の推定値E’は図６aに示すように求まり、このE’を変位データPから減算することにより、変位データPから前回転周期までに生じた見かけの変位を算出変位から除去した算出変位データRが得られる。図より理解されるように、このようにしても、１回転周期分以上の見かけの変位が、算出変位の誤差として累積されるされることを排除することができる。

または、このようにして求めたE’（n、i）に、｛i×D（２， i）｝／iMaxを減算した値をE”（n、i）とし、P（n，i）−E”（n、i）を算出変位R（n−１、i）とするようにしてもよい。この場合には、速度信号Vに含まれるレーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じる速度成分a２の大きさが一定の場合には、得られる算出変位Rは、前記実施形態の見かけ変位推定データEを用いて求めた算出変位Rと等しいものとなる。すなわち、たとえば、図２に示した速度信号Vに含まれる測定物１００の真の変位によって生じる速度成分がa１と、速度信号Vに含まれるレーザビームの光軸と回転体の回転軸との位置ずれや散乱光によって生じる速度成分a２に対して、見かけの変位の推定値E”は図６aに示すように求まり、このE”を変位データPから減算することにより、変位データPから前回転周期までに生じた見かけの変位を算出変位から除去した算出変位データRが得られる。

本発明の実施形態に係るレーザドップラ振動計の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る変位算出の原理を示す図である。 本発明の実施形態に係る変位算出ブロックの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る変位算出処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る変位算出例を示す図である。 本発明の実施形態に係る変位算出例を示す図である。 従来のレーザドップラ振動計の構成を示す図である。

符号の説明

１：レーザ光源、２：第１ビームスプリッタ、３：音響光学素子、４：第２ビームスプリッタ、５：受光ユニット、６：第３ビームスプリッタ、７：送受光ヘッド、８：ミラー、９：解析装置、１０：回転センサ、１００：測定物、１０１：反射マーカ、３０１：A／D変換器、３０２：積分ブロック、３０３：遅延ブロック、３０４：差分ブロック、３０５：乗算器、３０６：遅延ブロック、３０７：減算ブロック、３０８：シーケンス制御部、３５１：A／D変換器、３５２：ロータリーエンコーダ、３５３：入力バッファ、３５４：メモリ、３５５：CPU、３５６：出力バッファ。

Claims (2)

1. 回転体に当該回転体の回転軸と垂直な方向よりレーザビームを照射し、入射される反射ビームに生じたドップラシフト量より求まる速度信号を積分して求まる変位信号に基づいて、当該回転体の回転軸と垂直な方向の振動を測定するレーザドップラ振動計であって、
   前記回転体の回転周期を検出する回転周期検出手段と、
   前記回転体の１回転周期期間分の前記変位信号の変化量を見かけ変位量単位として算出する見かけ変位量単位算出手段と、
   前記変位信号が表す変位量のうちの、前記速度信号に含まれる前記回転体表面の回転軸と垂直な測定対象方向の変位によらない速度成分に起因する成分である見かけ変位量を、前記見かけ変位量単位が１回転周期分の前記見かけ変位量の総和であるとして推定する見かけ変位量推定手段と、
   前記変位信号が表す変位量から、前記見かけ変位量を減算して、前記回転体の変位量とする変位算出手段とを有することを特徴とするレーザドップラ振動計。
   
2. 回転体に当該回転体の回転軸と垂直な方向よりレーザビームを照射し、入射される反射ビームに生じたドップラシフト量より求まる速度信号を積分して求まる変位信号に基づいて、当該回転体の回転軸と垂直な方向の振動を測定するレーザドップラ振動計において、回転体表面の回転軸と垂直な方向の変位を算出する変位算出方法であって、
   前記回転体の１回転周期期間分の前記変位信号の変化量を見かけ変位量単位として算出するステップと、
   前記変位信号が表す変位量のうちの、前記速度信号に含まれる前記回転体表面の回転軸と垂直な測定対象方向の変位によらない速度成分に起因する成分である見かけ変位量を、前記見かけ変位量単位が１回転周期分の前記見かけ変位量の総和であるとして推定するステップと、
   前記変位信号が表す変位量から、前記見かけ変位量を減算して、前記回転体の変位量とするステップとを有することを特徴とする変位算出方法。

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