JPH0136566B2 - - Google Patents
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- JPH0136566B2 JPH0136566B2 JP3369382A JP3369382A JPH0136566B2 JP H0136566 B2 JPH0136566 B2 JP H0136566B2 JP 3369382 A JP3369382 A JP 3369382A JP 3369382 A JP3369382 A JP 3369382A JP H0136566 B2 JPH0136566 B2 JP H0136566B2
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- fiber
- vibration
- vibration detector
- optical fiber
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- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 30
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 11
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 6
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 2
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
- G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
- G01H9/006—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors the vibrations causing a variation in the relative position of the end of a fibre and another element
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、機械構造物の機械振動を非接触で計
測するための２乗屈折率分布光フアイバを用いた
振動検出器に関するものである。
測するための２乗屈折率分布光フアイバを用いた
振動検出器に関するものである。
（従来の技術）
従来の光フアイバを用いた振動検出器の例を第
１図及び第２図に示す。
１図及び第２図に示す。
第１図において、１，２，３は光フアイバ、４
はレーザ、５は半透鏡、６は光検出器、７はスペ
クトルアナライザ、８は被測定物体である。
はレーザ、５は半透鏡、６は光検出器、７はスペ
クトルアナライザ、８は被測定物体である。
この振動検出器の測定原理は、ドツプラー効果
に基づくもので、ドツプラー周波数が被測定物体
８の振動振幅と振動周波数の積に比例するため、
高周波微小振動に対しては有用であるが、低周波
微小振動になると測定精度が上がらないという欠
点がある。
に基づくもので、ドツプラー周波数が被測定物体
８の振動振幅と振動周波数の積に比例するため、
高周波微小振動に対しては有用であるが、低周波
微小振動になると測定精度が上がらないという欠
点がある。
また、光検出器６でヘテロダイン検波したドツ
プラー周波数信号をスペクトルアナライザ７で周
波数分析した場合には、振動振幅しか得られず、
振動周波数は別の方法で測定しなければならない
という欠点がある。
プラー周波数信号をスペクトルアナライザ７で周
波数分析した場合には、振動振幅しか得られず、
振動周波数は別の方法で測定しなければならない
という欠点がある。
一方、第２図の例において、９は中心に位置す
る照光用フアイバ、１０は照光用フアイバ９の周
囲に等方向に配置された複数本の受光用フアイ
バ、１１は光源、１２は受光素子、１３は被測定
物体８に付着した反射体である。
る照光用フアイバ、１０は照光用フアイバ９の周
囲に等方向に配置された複数本の受光用フアイ
バ、１１は光源、１２は受光素子、１３は被測定
物体８に付着した反射体である。
この振動検出器の測定原理は、ステツプインデ
クス型光フアイバ内での全反射を利用することに
より、中心に位置する照光用フアイバ９から円錐
状の光束を出射させ、振動物体上に生じる環状の
光強度分布を周囲に等方的に配置された複数本
（図示例では６本）の受光用フアイバ１０で検出
しようというものである。
クス型光フアイバ内での全反射を利用することに
より、中心に位置する照光用フアイバ９から円錐
状の光束を出射させ、振動物体上に生じる環状の
光強度分布を周囲に等方的に配置された複数本
（図示例では６本）の受光用フアイバ１０で検出
しようというものである。
しかし、この振動検出器の入出力特性は、かな
り強い非線形を示すため、測定対象が限定されて
しまうという欠点がある。
り強い非線形を示すため、測定対象が限定されて
しまうという欠点がある。
（発明が解決しようとする課題）
本発明は上述の従来の欠点を改善するためのも
ので、その第一の目的は、振動周波数の測定精度
を測定可能な振動振幅の範囲で均一にすることが
可能な振動検出器を提供することにあり、第二の
目的は、振動振幅と振動周波数を同一の光検出器
で測定し得る振動検出器を提供することにあり、
そして第三の目的は、入出力特性が良好な直線性
を示す振動検出器を提供することにある。
ので、その第一の目的は、振動周波数の測定精度
を測定可能な振動振幅の範囲で均一にすることが
可能な振動検出器を提供することにあり、第二の
目的は、振動振幅と振動周波数を同一の光検出器
で測定し得る振動検出器を提供することにあり、
そして第三の目的は、入出力特性が良好な直線性
を示す振動検出器を提供することにある。
（課題を解決するための手段）
上記課題を解決するために本発明の構成要旨
は、 ２乗屈折率分布光フアイバの入射面を集光レン
ズの焦点に且つ両者を同一光軸上に配置し、被測
定物体に当てた光線のスポツトをフアイバ出射面
後方に設置された光検出器により検出し得るよう
構成したことを特徴とする振動検出器にある。
は、 ２乗屈折率分布光フアイバの入射面を集光レン
ズの焦点に且つ両者を同一光軸上に配置し、被測
定物体に当てた光線のスポツトをフアイバ出射面
後方に設置された光検出器により検出し得るよう
構成したことを特徴とする振動検出器にある。
（実施例）
以下、本発明の実施例を図面に基づい詳細に説
明する。
明する。
第３図はこの発明の第１の実施例を示す構成図
である。
である。
第３図において、１４は２乗屈折率分布光フア
イバで、このフアイバ１４の半径方向の屈折率分
布ｎ（ｒ）はn2（ｒ）＝n0 2〔１−（gr）2〕で与えられ
且つ長さは（2m＋１）LP／４である。ただし、
LP＝2π／ｇ、ｍ＝０，１，２……である。
イバで、このフアイバ１４の半径方向の屈折率分
布ｎ（ｒ）はn2（ｒ）＝n0 2〔１−（gr）2〕で与えられ
且つ長さは（2m＋１）LP／４である。ただし、
LP＝2π／ｇ、ｍ＝０，１，２……である。
１５は集光レンズ、１６は位置検出器である。
いま、被測定物体８に付着した反射体１３の変
位がｄ、そして反射体に対するレーザ光線の入射
角がαならば、反射光線はフアイバ１４の入射面
１９に、 なる角度θiで入射することが示される。
位がｄ、そして反射体に対するレーザ光線の入射
角がαならば、反射光線はフアイバ１４の入射面
１９に、 なる角度θiで入射することが示される。
ここで、ｆは集光レンズ１５の焦点距離で、レ
ンズ１５の収差は無視できるものとする。また、
θiはフアイバ１４内における入射角である。
ンズ１５の収差は無視できるものとする。また、
θiはフアイバ１４内における入射角である。
なお、レンズ１５はフアイバ１４と同一光軸上
に且つ無限遠にある像をフアイバ１４の入射面１
９に結像するように配置されている。
に且つ無限遠にある像をフアイバ１４の入射面１
９に結像するように配置されている。
上記の角度θiでフアイバ１４に入射した光線の
経路は、子午面をｘ−ｚ平面とすれば、 ｘ（ｚ）＝sinθi／ｇsin（gz／cosθi） (2) x〓（ｚ）＝dx／dz＝tanθicos（gz／cosθi） (3) で与えられる。
経路は、子午面をｘ−ｚ平面とすれば、 ｘ（ｚ）＝sinθi／ｇsin（gz／cosθi） (2) x〓（ｚ）＝dx／dz＝tanθicos（gz／cosθi） (3) で与えられる。
従つて、フアイバ１４の出射面２０の後方ｌの
位置でスポツトを測定すると仮定すればｘ方向に
計つた位置はxlは、 となる。但し、xzは、ｚ＝（2m＋１）LP／４、す
なわち、フアイバ１４の出射面２０でのｘ（ｚ）
の値で、x〓z＝dxz／dz、 nz 2＝np 2〔１−（gxz）2〕である。
位置でスポツトを測定すると仮定すればｘ方向に
計つた位置はxlは、 となる。但し、xzは、ｚ＝（2m＋１）LP／４、す
なわち、フアイバ１４の出射面２０でのｘ（ｚ）
の値で、x〓z＝dxz／dz、 nz 2＝np 2〔１−（gxz）2〕である。
ここで、変位ｄとスポツト位置xlの関係を分か
り易くするために、｜（2d／ｆ）sinα｜＜＜１とし
て式(1)〜(4)を整理すれば、 xl１／npｇ・2d／ｆsin α (5) となり、変位ｄとスポツト位置xlとは、略線形関
係にあることが分かる。
り易くするために、｜（2d／ｆ）sinα｜＜＜１とし
て式(1)〜(4)を整理すれば、 xl１／npｇ・2d／ｆsin α (5) となり、変位ｄとスポツト位置xlとは、略線形関
係にあることが分かる。
ゆえに、フアイバ１４の出射面20の後方ｌの位
置に置かれた位置検出器１６により、スポツトの
位置を検出すれば、被測定物体８の振動振幅並び
に振動周波数を測定することが可能となる。
置に置かれた位置検出器１６により、スポツトの
位置を検出すれば、被測定物体８の振動振幅並び
に振動周波数を測定することが可能となる。
第４図はこの発明の第２の実施例を示す構成図
である。
である。
第４図において、１７は出射面２１を加工した
２乗屈折率分布光フアイバである。式(2)から分か
るように、光線の蛇行周期がフアイバ１７への反
射光線の入射角θiすなわち被測定物体８に付着し
た反射体１３の変位の大きさｄによつて異なるた
め、フアイバ長を長くすれば、変位ｄとスポツト
位置xlの線型性が劣化する。
２乗屈折率分布光フアイバである。式(2)から分か
るように、光線の蛇行周期がフアイバ１７への反
射光線の入射角θiすなわち被測定物体８に付着し
た反射体１３の変位の大きさｄによつて異なるた
め、フアイバ長を長くすれば、変位ｄとスポツト
位置xlの線型性が劣化する。
そこで、いま、
ｚ＝１／2g（2m＋１）π cosθi (6)
となるように、フアイバの出射面２１を一定の形
状に加工する。ただし、ｍ＝０，１，２………で
ある。式(6)を分かり易くするために、 ｜（2d／ｆ）sin α｜＜＜１とすれば、 ｚ１／2g（2m＋１）π〔１−１／２（gxz）2〕 (7) となり、出射面２１を回転放物面状に加工すれば
よいことが判明した。このように端面加工したフ
アイバ１７を用いて構成した振動検出器において
は、フアイバ長を増加しても、入出力特性の劣化
はほとんどない。
状に加工する。ただし、ｍ＝０，１，２………で
ある。式(6)を分かり易くするために、 ｜（2d／ｆ）sin α｜＜＜１とすれば、 ｚ１／2g（2m＋１）π〔１−１／２（gxz）2〕 (7) となり、出射面２１を回転放物面状に加工すれば
よいことが判明した。このように端面加工したフ
アイバ１７を用いて構成した振動検出器において
は、フアイバ長を増加しても、入出力特性の劣化
はほとんどない。
第５図は本発明の第３の実施例を示す構成図で
ある。
ある。
第５図において、１８はその長さが（ｍ＋１）
LP／２の２乗屈折率分布光フアイバである。た
だし、LP＝2π／ｇ、ｍ＝０，１，２……である。
LP／２の２乗屈折率分布光フアイバである。た
だし、LP＝2π／ｇ、ｍ＝０，１，２……である。
第５図において、集光レンズ１５にレーザ４か
ら平行光速が入射すると、平行光束は集光レンズ
１５の焦点距離ｆの位置に置かれたフアイバ１８
の端面（出射面ともいう）２２に、 tanθ＝ａ／ｆ (8) なる角度θで入射する。ここで、2aは平行光束
径でレンズ１５の収差は無視できるものとする。
ら平行光速が入射すると、平行光束は集光レンズ
１５の焦点距離ｆの位置に置かれたフアイバ１８
の端面（出射面ともいう）２２に、 tanθ＝ａ／ｆ (8) なる角度θで入射する。ここで、2aは平行光束
径でレンズ１５の収差は無視できるものとする。
フアイバ１８に入射した光束は一定周期の伸縮
を繰り返した後、フアイバ１８から出射し、被測
定物体８上の反射体１３で反射された後、フアイ
バ１８の開口数で決まる一定の光束のみがフアイ
バ１８へ戻つてくる。そして、フアイバ１８を出
射した後、半透鏡５で光検出器６へ導かれ、被測
定物体の振動によつて変調された光強度が検出さ
れる。本実施例の振動検出特性を、 ｜θ｜≪１として検討すると、光検出器６に導か
れる光束面積Slは近似的に、 Sl＝ηπθ2〔（−１）mLD＋Ｌ〕2 (9) となる。但し、LDは光検出器６と集光レンズ１
５との間隔、Ｌは反射体１３とフアイバ１８の端
面２３との間隔である。そして、ηは照光光束面
積と受光光束面積との比である。
を繰り返した後、フアイバ１８から出射し、被測
定物体８上の反射体１３で反射された後、フアイ
バ１８の開口数で決まる一定の光束のみがフアイ
バ１８へ戻つてくる。そして、フアイバ１８を出
射した後、半透鏡５で光検出器６へ導かれ、被測
定物体の振動によつて変調された光強度が検出さ
れる。本実施例の振動検出特性を、 ｜θ｜≪１として検討すると、光検出器６に導か
れる光束面積Slは近似的に、 Sl＝ηπθ2〔（−１）mLD＋Ｌ〕2 (9) となる。但し、LDは光検出器６と集光レンズ１
５との間隔、Ｌは反射体１３とフアイバ１８の端
面２３との間隔である。そして、ηは照光光束面
積と受光光束面積との比である。
式において、
Ｌ＝LO＋dO sinωt，dO≪LO(10)
とおけば、
SlSO＋SdSinωt (11)
となるので、振動計測が可能である。ただし、
SO＝ηπθ2〔（−１）mLD＋LO〕2
Sd＝2ηπθ2〔（−１）mLD＋LO〕dO
であり、被測定物体８の左方に示された両矢印記
号←→は、被測定物体８に付着した反射体１３の変
位（dOsinωt）を示す。
号←→は、被測定物体８に付着した反射体１３の変
位（dOsinωt）を示す。
（発明の効果）
本発明は以下のような効果を奏する。
振動周波数の測定精度を測定可能な振動振幅
の範囲で均一にすることが可能である。また、
測定精度は、集光レンズの焦点距離あるいはレ
ーザ光の被測定物体に対する入射角によつて調
整できる。
の範囲で均一にすることが可能である。また、
測定精度は、集光レンズの焦点距離あるいはレ
ーザ光の被測定物体に対する入射角によつて調
整できる。
振動振幅と振動周波数を同一の光検出器で測
定できる。
定できる。
振動検出器の入出力特性が良好な直線性を示
す。
す。
第１図及び第２図は従来の振動検出器の構成
図、第３図はこの発明の実施例を示す振動検出器
の構成図、第４図及び第５図はこの発明の他の実
施例を示す構成図である。 １，２，３……光フアイバ、４……レーザ、５
……半透鏡、６……光検出器、７……スペクトル
アナライザ、８……被測定物体、９……照光用フ
アイバ、１０……受光用フアイバ、１１……光
源、１２……受光素子、１３……反射体、１４…
…２乗屈折率分布光フアイバ、１５……集光レン
ズ、１６……位置検出器、１７，１８……２乗屈
折率分布光フアイバ、１９……入射面、２０……
出射面、２１……出射面、２２……端面（出射面
ともいう）、２３……端面。
図、第３図はこの発明の実施例を示す振動検出器
の構成図、第４図及び第５図はこの発明の他の実
施例を示す構成図である。 １，２，３……光フアイバ、４……レーザ、５
……半透鏡、６……光検出器、７……スペクトル
アナライザ、８……被測定物体、９……照光用フ
アイバ、１０……受光用フアイバ、１１……光
源、１２……受光素子、１３……反射体、１４…
…２乗屈折率分布光フアイバ、１５……集光レン
ズ、１６……位置検出器、１７，１８……２乗屈
折率分布光フアイバ、１９……入射面、２０……
出射面、２１……出射面、２２……端面（出射面
ともいう）、２３……端面。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ ２乗屈折率分布光フアイバの入射面を集光レ
ンズの焦点に且つ両者を同一光軸上に配置し、複
測定物体に当てた光線のスポツトをフアイバ出射
面後方に設置された光検出器により検出し得るよ
う構成したことを特徴とする振動検出器。 ２ ２乗屈折率分布光フアイバの出射面を一定の
形状に加工したことを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の振動検出器。 ３ ２乗屈折率分布光フアイバの出射面を集光レ
ンズの焦点に且つ両者を同一光軸上に配置し、被
測定物体に当てた光の強度分布をフアイバ出射面
後方に設置された半透鏡及び光検出器により検出
し得るよう構成したことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の振動検出器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3369382A JPS58150830A (ja) | 1982-03-02 | 1982-03-02 | 振動検出器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3369382A JPS58150830A (ja) | 1982-03-02 | 1982-03-02 | 振動検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58150830A JPS58150830A (ja) | 1983-09-07 |
| JPH0136566B2 true JPH0136566B2 (ja) | 1989-08-01 |
Family
ID=12393493
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3369382A Granted JPS58150830A (ja) | 1982-03-02 | 1982-03-02 | 振動検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58150830A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES2052963T3 (es) * | 1988-08-12 | 1994-07-16 | Consiglio Nazionale Ricerche | Sensor de vibraciones de fibra optica. |
-
1982
- 1982-03-02 JP JP3369382A patent/JPS58150830A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58150830A (ja) | 1983-09-07 |
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