JPH0277626A - フアイバー光学振動センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は元ファイバーを用いて振動を検出するセンサー
に関するものである。

衝撃および振動に対する抵抗は全ての種類の材料、機器
、および装置の特性として不可欠なパラメータである。

試験される物体が小型または中型である場合には、適当
な振動および衝撃テーブル上で試験が行なわれるが、相
当大きな場合には適当なセンサーを装置の１ケ所以上の
点に取付けることが必要である。これは、車両および電
気的および電気機械的装置のような予定の装置の振動状
態を、正常作動中に、連続的にモニタすることが要求さ
れる場合に、行なわれる。この目的のため。

圧電型、容量型および電力型のような種々の形式の電気
機械的変換器が一般に用いられている。

しかしながら、このような従来既知のセンサーは作業環
境に反する理由で制限を受ける特別な場合がある。例え
ば、電気的装置の場合には、モニタを行なうために用い
る場所に強い電磁界が存在し、この電磁界が振動パラメ
ータの記録をゆがめる惧れがあり、あるいは、電気信号
と望ましくない干渉を生じ、電気的絶縁に関して特に高
電圧の場合に問題を生じることもある。

これらの特定の用途における問題点から、本発明によれ
ば、振動部材を用いる振動センサーの使用および光学的
検出方法ならびに電気的制御ユニッ）Ｋ接続するために
光ファイバーの使用を提案する。これがたーめ、センサ
ーを完全に誘電材料（ガラスまたはプラスチック）で造
って高周波数であっても、電磁界に対し完全に絶縁およ
び完全に影響を受けないようにするのがよい。さらにま
た、制御ユニットをセンサー自身から遠隔の（すなわち
キロメーター離れた）場所に設けるのがよい。

本発明によるセンサーは、振動シートの運動を光学的に
検出することに特に基本とするものである。シートの一
端をセンサーのケーシングと一体とし、検出すべき振動
本体上に固定し、シートの他端を遊端とし、試験中の本
体に固定されたシート端によって発生される強制振動の
原則にしたがってシート遊端がセンサー本体に対して運
動するよう構成する。このシート遊端の運動を屈折率勾
配（グレイン）を有する２個の円筒形マイクロレンズを
端に取付けたセンサー本体と一体の２本の光ファイバー
によって構成した光学的三角測定系により検出する。こ
のような系は、この種形式の用途では初めてであり、マ
イクロメータのオーダーでの精度を得ることができる。

したがって、本発明による振動センサーは、検出すべき
本体に機械的に連結された振動用シートと、このシート
の可動部分の変位を記録するためのファイバー光学光電
記録系とを実質的に具える。

実際には、シートは一端で抑止され、記録系はシートの
他端の遊端をモニタする。

単一７アイパーを有する系も可能であるが、記録系はフ
ァイ・９一端にマイクロレンズを取付けた２本の光ファ
イバーを有する光学的三角測定系が有利であり、マイク
ロレンズの光軸な相互に向け傾斜させてシートの可動部
分で収斂させる。マイクロレンズは屈折率勾配（を有す
る円筒形式のもの（グランデッドインデックス　レンズ
またはグリノ）を用いるのがよい。

ある場合には、検出すべき本体で生じる特定周波数値で
共振し始めるようシートを造るのが有利である。したが
って、交流電機の部分を試験するため、主周波数の値に
よって決定される周波数値でシートが共振し始めるよう
Ｋしてもよい。

本発明のセンサーの主な用途の一つとして、例えば、大
型の交流発電機のステータ、高圧変成器、電力モータそ
の他のような電機の部品の振動を遠隔モニタし、機械を
特徴づけ、作動をモニタするため、その振動の振幅が異
常な場合に早めに、介入する。これらの用途の全てにお
いて、センサーの下記の特別な性質が重要であり、これ
らの性質は本発明によるセンサーに存在する。

＋１１　　誘電材料（プラスチック、ガラス）を用いて
探針を製造、これＫより探針を特に悪い環境においても
、また、特に、電機内の強い電界および磁界の存在する
場所で作動することができまた、理想的絶縁を確実にす
ることができる。

（２１光学的作動であり、したがって電磁的干渉がなく
、また、特に探針から電子制御ユニットまでの部分に沿
って光学的作動である。

（３）　　センサーからの距離が大であっても振動の振
幅および周波数の検出が特に光ファイバーの低減衰性の
ため可能である。

（４）機械の振動周波数（１００または１２０Ｈｚ）に
おいて共振するシートの製造が可能であり、したがって
、シートにおける振動の機ｉ的増幅を利用し、マイクロ
メータ程度に感度を高めることができる。

（５）小型（数の３程度）、軽量（数グラム程度）であ
るばかりでなく、コンバクトモ、丈夫で、気密であり、
これがため、近づ（ことの困難な場所でもセンサーを用
いることができる。

上述した高感度その他の特徴のため、例えば、陸および
海での地ｆｌ　ｉ　ｆｆ１ｌＪのような多くの他の用途
にも用いることができる。

交流を用いて作動する電機の解析に応用するため、共振
現象を利用し、１００（または１２０）Ｈｚ　　の固定
周波数での振動を測定するのに好適なセンサーを製造す
るのが有利であり、その理由は電機の主振動モードの周
波数が５０（または６０）Ｈｚ　　の主周波数であるか
らである。

センサーを高い温度変化を受ける本体（例えば。

電機）に応用する場合には、モニタ操作への温度変化の
影響を減少またはなくすため、センサの本体または支持
体を熱膨張係数の高い材料で構成してセンナを設けるこ
とができ、また、本体または支持体の熱膨張によって生
じる振動素子の動きがセンサーが取付けられる本体の振
動によって生じる振動素子の動きの方向と実質的に一致
する方向に生じるような方法で振動素子を本体または支
持体に応用する。

この形式のセンサーでは、後に詳’ｆＥ　Ｉｃ説明する
特定の信号処理モードを用いることによって、温度の変
化とは無関係に、モニタおよび記録を行なうことができ
る。

本発明は、また、本体または、さらに一般的に。

物理系の振動を記録する方法に関するものである。

本発明の方法は実質的に、振動を記録する系に振動素子
を機械的に連結し、振ｒＩｉｈ素子に電磁放射ビームを
入射し、測定すべき本体とともに振動素子を振動し、入
射ビームを振動素子の表面で屈折させ、放射ビームを捕
集して振動素子の位置の変化分である信号を発生させ、
振動によって変調させ、この信号を記録手段によって記
録し、測定すべき振動に関するパラメータを決定するた
めに処理することをモニタする。　　　　　゛ 得られた信号を種々の方法で処理することができ、特に
、所望の精度に応じた方法で処理することができる。例
えば、高度の精度が必要でない場合には、信号を振動素
子の位置の、第１度の関数で概算してもよい。より高い
精度が要求される場合には上述した形式の振動記録方法
を用いるに際し、記録した信号を、振動素子の位置の、
少なくとも第２度の関数によって概算し、この関数をフ
ーリエ級数で第２調和に展開し、振動素子の振動の振幅
を記録信号のフーリエ級数展開の調和成分の係数の関数
として決定する。

本発明方法を実施する°さらに特に有利な方法を特許請
求の範囲に記載している。

本発明の他の主題は、本体、装置または物理系の振動を
記録する装置である。本発明によれば、前記装置が、記
録する本体または系に固定して取付けられる本体を有す
るセンサーと、前記本体に取付けた振動素子と、前記振
動素子の部分上に電磁エネルギの放射ビームを入射し、
振動素子によって屈折された電磁エネルギのビームを記
録するためのファイバ光学系と、振動素子に入射する電
磁エネルギのビームを発生させる手段および前記振動素
子によって屈折された電磁エネルギの前記ビームを記録
する手段を具える光電記録系とを具える。

本発明による装置の他の実施態様を特許請求の範囲に記
載している。

本発明の他の主題は、記録すべき本体に機械的に連結さ
れた振動素子と、振動素子の可動部分の運動を記録し得
るとともに記録すべき本体の局部の温度を測定し得るフ
ァイバー光学光電子記録および測定系とを具える振動セ
ンサーを用いることである。

検出した信号を近似または概算するために、第２度の関
数を用いることＫよって、温度によって影響されない結
果を得ることができる利点の他忙、記録される本体の局
部的温度を測定することもできる。実際に、振動素子の
位置は、センサーが取付けられた本体によって生じる振
動を勘定に入れた時間と、センサーの熱変形による本体
の温度との両方の関数である。さらにまた、振動素子の
振動の振幅は強制振動、すなわち、センサーが取付けら
れた本体の振動の振幅の関数である。光学的記録系に対
する振動素子の位置によって表わされる変数に第２度の
関数を用いることによって、温度とは無関係に、すなわ
ち、熱膨張によって生じる運動項を打切った強制振動の
振幅を得ることができる。同時に、本発明の方法によれ
ば、振幅素子の振動のパラメータとは無関係に、熱膨張
によって生じた前記運動項を求めることもできる。運動
値から、温度値を求めることができる。温度を記録する
ことができる唯一の条件はセンサーが取付られる本体、
これがため、振動素子が実際に振動していることである
。

次に本発明の実施例を図面につき説明する。

第１図はセンサーの作動原理を示す。プラスチック材料
で造った薄いシート１の一端ＩＡをセンサーの本体３に
固着し、このセンサー本体を試験すべき装置の部分５Ａ
に断固に取付ける。薄板ｌの平面に対して直角な方向ｔ
Ｘにおける振動の結果として、この振動と同じ周波数お
よび振幅でシート１の遊端１Ｂが振動する。光学的検出
系は２個のマルチモード光ファイバー７および９の端に
それぞれ取付けた円筒形レンズ１０および１２を具えて
おり、その屈折率勾配（グリンーロッド）は角度θで互
に傾斜した光軸を有し、遊端１Ｂの領域で収斂し、光軸
の一方はシート１に対してほぼ直角である。上述した光
学系はシート１の遊端１Ｂの瞬間位置を極めて正確に検
出する。２個の光ファイバー７．９の一方はセンサー（
第５図おも参照）　Ｋ　ＬＥＤ　１４　Ｋよって発生さ
れた赤外線を送り、他方の光ファイバー９はシート１の
表面によって拡散された光の部分を集め、これはシート
の位置の関数であっである範囲内でシートの位置にほぼ
比例する。グリンロッド型レンズ１０．１２（グレーデ
ッド　インデックス　レンズ）を選択した理由はコンパ
クトに構成する要求があることと光ファイバーへの取付
けが便宜であるためで、センサーの作動の点からはグリ
ンロッド型レンズに限られるものでないこと勿論である
。適当な光電系が、ファイバーの他端に設けられ、この
光電系はＬＥＤ源１４に電力を供給し、フォトダイオー
ド１６により光を検出し、信号を処理し、測定の最終結
果を振動の振幅および、所要に応じ、周波数で供給する
。加速度の値は上述した２つのパラメータに直接に関係
することは自明である。

次に、可動素子を構成するシート、光学系および光ｉユ
ニットにつき検討する。

簡単な方法として、休止状態およびセンサーの本体３に
対するシート１の遊端１Ｂの瞬間的ずれをＸとする。こ
の可変量ｘに対する運動式を次式で表わすことができる
。

上式において、 ２：休止位置からのセンサー本体３の変位（強制項）： Ｗｏ：減衰環のない振動の自由周波数；μ：減衰係数； パラメータＷｏ　　およびμは２つの他のパラメータに
よって表わすことができる。すなわちＷ、：減衰環の存
在する自由振動の周波数；τ：減衰の時間定数（自由振
動の振幅を因子ｅＫよって減じるために必要な時間。

これらは次式で示される Ｗｌ　＝　ｗ（、ｒでπ；ワＴ了　　　　・・・（２）
τ　＝　２　／　（Ｗｏμ） 上式から次式が導かれる μ＝２／ｒ硼フ］■ Ｗ１７四石コファ　　　　　・・・（３）式（１）を解
くと、シートの振動の振幅と強制項の振幅（正弦曲線状
励磁を仮定）との間の比Ｇ　（Ｗ）が次式で与えられる
。

Ｇ（Ｗ）　＝　ｌ／　Ｃｃｌ’−（２−ａ’）ａ”＋　
１３　−＋４１上弐においてＷは強制周波数で、αは比
Ｗｏ／ｗである。

関数Ｇ　（Ｗ）はμ〈ａの場合に最大となり、（臨界値
より小さい減衰状態）、この最大値において、Ｑｏ＝　
Ｉ／（μＦニア５−〕　　　　　・・・＋５）で表わさ
れる。

減衰係数が小さい場合。

さらにまた。

Ｇ（Ｗ）−＞Ｉ　　　　　　　Ｗ◆■に対しＧ（Ｗ）　
＋　（Ｗ／Ｗｏ　）　　Ｗ　＋　ＯＫ対し　、、、　１
７Ｊ第２図は撮動の周波数の関数としてのシートの利得
のグラフを示し、Ｗｌ　：　１００　ＨｚでのＧ。の種
々の値Ｃ３０，２５，２０，１５，１０ａｎ　＞　ｉｗ
対する一組波帯幅が小さくなり、この結果、系が臨界的
となる。

第３図は、横軸上の減衰係数μの関数としての周波帯幅
の広がり（３ｄ３１Ｃおける周波帯幅を共振周波数に対
する／Ｊ！−セントで示す）のグラフを示す。

前述したように、シート１の遊端１Ｂの瞬間位置を記録
するために提案された光学系は、センサー本体に対して
、グリンーロツドマイクロレンズ１０．１２が端に設け
られた２本のマルチモード光ファイバー７および９を具
える。レンズは商標名セルホック（５ＥＬＦＯＣ）型Ｓ
ＬＷ　−１−８−０，２５９−Ｃ−０４３の既知のもの
をＮ、Ｇ、ＳのＰ　−０ＰＡＬのような適当な容器内で
用いることができ、この省略記号はこれらのレンズが直
径１．８ｍで、８３０画　の波長で１Ａピツチを有し、
この波長でレンズ面に反射防止処理が施されていること
を意味している。このようなレンズを特長づけているパ
ラメータを１、 ｎｏ＝１．５９９　　　　軸線上の反射高バ＝　０．３
３２　　　二次勾配奇数 この結果、焦点長ｆは ｆ　＝　Ｉ／　（ｎｏ／Ｔ　）　＝　ｌ　、　８Ｂ３７
　ＩＩＩ　　　　・・・＋８１である。

ｒｌ　（２１００μｍ）をファイバーの芯の半径とし、
θ１（＝１１．５°＝０．２ラデアン）を許容角度とす
ると。

ｒ＝ｆθ、　＝　０．３７７　　　レンズの出口面上で
光フアイノ櫂−によって照明さ れる円の半径 θ。＝　ｒｌ　／ｆ　＝　３　、０４°　レンズから出
る光線の拡がり角度 ２つのパラメータＬ（Ｌ＝レンズ１０および１２の外側
表面の中心間の距離）と第１図のθを所要の性能に最も
適した位置を記録するための系の応答系な有するよう選
択することができる。このため、２個のレンズができる
限り最小の距離りを有し、整列素子Ｐ　−０ＰＡＬの全
体寸法に比肩するもので、極めて小さな角度θで、でき
るだけ広い直線応答範囲を有するようにし、例えば、Ｌ
＝２．５龍およびθ＝１３６と選択することができる。

第４図は、上述した特性を有する変位センサーの応答と
してレンズによって集められる電力を９０゛俤拡散する
コダック紙よりなるスクリーンを用いて測定した結果を
プロットした曲線を示す、横軸はスクリーンの距離（ｎ
）、すなわちスクリーンに平行なレンズの出口面からシ
ートの表面までの距離を示し、縦軸は他方のレンズを６
３０μＷで照明したときのレンズによって集められた電
力を示す。これから留意されるようＫ、最大点くおいて
集められた電力の部分は約１２５　ｐｐｍである。

第４図には、また、ベストフィツトを３１冨の範囲にわ
たって適用し、その中心を８．１５ｙｎの距離に心出し
して得られた直線ＲＢ　をも示している。

上記範囲内で優れた直線性を有することを認めることが
できる。直線の傾きを僅かく下げることによって、応答
の直線性またはシートの利得を満足するととくよってよ
り大きな範囲を得ることができる。第４図の直線ＲＢは
約２５　ｎＷ　／　ｔｓｍの傾斜を有し、したがって、
検出系が少なくともｌ　ｎＷを解像し得ると仮定すれば
１、シートの位置に対して約４０μｍの解像力がある。

したがって、Ｇ。

＝１０の利得によって、３００μｍのピーク対ピークの
一次動力学範囲で４μｍの解像力を得ることができる。

しかし、実際には、シートの変位は純並進運動でな（、
小さな回転をともなう。これがため、第４図のグラフか
ら僅かにずれを生じ、さらに正確に云えば、両端におい
て電力が低減する。ベスト−フィン）Ｋよる直線に近似
の範囲内で、これらのずれは無視し得るものである。

第５図の回路図において、電流Ｉがフォトダイオードに
よって検出される。第４図の直線ＲＢ上に仕事点が位置
すると仮定し、光学系からのシートのずれをＸとすると
。

Ｉ　＝　ｈ（Ａｘ　＋　Ｂ）　　　　　　　−ａｌｌで
電流工が表わされる。

上式において、ｈは光学系全体の挿入損失またはＬＥＤ
　１４　Ｋよりファイバー忙注入される電力、ファイバ
ー７．９およびコネクターによる損失、シート１の光拡
散率およびフォトダイオード１６の感度による係数であ
る。したがって、この係数は、例えば、ファイバーが折
曲げられることによる時間の変化、コネクターの切離し
およびその後の再接続、ＬＥＤの放射変化等により影響
される。

しかし、定数ＡおよびＢは光学的三角測量系の本来の応
答にのみ関連し、長時間でも定数として合理的にみなさ
れる。

Ｘが時間により変化する場合、センサーの振動を計算に
入れて正弦波法則にしたがって、またはＸの平均値が定
数であるような場合には、〈　〉を用いてパラメータの
１時的平均値を示し、これは次式で表わされる。

（Ｉ）＝　ｈ（Ａ（ｘ）＋　９）　　　　　　　　　　
　・・・ｆ１３また、 ｈ　＝　（Ｉ）　／　（Ａ（ｘ）　＋　Ｂ　）　　　　
　　　　−０３したがって、 δＸが測定しよ５とする振動の振幅であり、δＩが検出
される電流の振動の振幅であるとすると、次式の関係が
成立する。

δ工 δｘ　＝　ｋ□　　　　　　　　　　・・・αり＜Ｉ＞ この場合、ｋ　＝　（ｘ）十二 式αＳはｈの値に関係なく、δＩ　および＜１＞、シた
がって光学系の損失における変動を測定して値δＸ　を
得る方法を示す。

第５図に１０ツク線図で示す回路は、式α９により７オ
トダイオード１６によって検出される信号を処理するこ
とができる。

相互コンダクタンス前置増幅器２０は７オ）／イオード
からの電流を電圧に変換する。上述の前置増幅器の出力
を２個の回路に送り、第１の回路２２は交互結合回路で
、シートの振動周波数に中心を合わした狭帯域活動フィ
ルター２４を具え。

選択的増幅のため、信号／ノイズ比を実質的に改善する
。２６における出力信号は低域フィルター２８によって
整流、積分および制御され、検出電流の増幅値δＩＫ比
例する電圧ｖ１を得る。第２回□路３０は直結回路で、
低域フィルター３２を具え。

このフィルターは＜Ｄに比例する電圧ｖ２を供給する。

最後に、２つの値ｖ１およびｖ２を受けるアナログ　デ
イバイダー３４はＶｌ　／　Ｖ２比に比例した、したが
って、式１１９にしたがってδｘ　Ｋ比例した電圧を供
給する。自明のように、定数にの値は較正振動テーブル
での較正によって固定され、最終回路の増幅を調整する
。

上述した基準を用いて、考えていたものとは異なる性質
を有するファイバー光センサーを造ることができる。例
えば、非共振性の広帯域センサーを構成し、シートを共
振周波数より遥かに大きな周波数で作動させ、これＫよ
り７ラツトな応答性を得ることができる。さらにまた、
第４図の直線によって「適合」される範囲より広い範囲
でセンサーの応答性の線形化を達成するよ５信号処理回
路をさら忙高性能に構成することもできる。

共振用シートの製造には、共振周波数えの温度の影響お
よび寸法の両方に関して特別な注意が要求される。ｆＦ
Ｋ、極めて小さいセンサーを造ろうとする場合には、極
めて薄いシートを用いる必要がある。

上述の考案は、センサーが取付けられる本体およびセン
サー自体に生じ得ろ熱膨張を勘定に入れていない。これ
らの熱膨張は常に無視し得るものではない。次に、上述
した考案をさらに進めると。

本発明の方法をさらに開発する場合、振動測定への温度
の影響を勘定に入れることが可能であることが示される
。また、センサーによって検出されたデータを算術的に
処理することによって、振動の検出から温度測定を開始
することができ、したがって、同じセンサーを用いて振
動測定ばかりでなく温度測定をも行なうことができる。

温度の影響を考える場合、振動振幅２゜で強制項の正弦
波形状進行を仮定すると、微分方程式（１）の解を次式
で書くことができる。

ｘ（ｔ）　＝　ｘｏ（Ｔ）　＋　Ｘ、Ｉｅｏｓ（ｗｔ）
　　　　　＝　（１６’）上式において、 ｘｏ：センサー本体３の温度の関数としてのシートのＸ
方向における運動、この項は測定によって求めることが
でき、センナ−の材料を適当に選択することによって増
加させることができる。

Ｘ、：　　シート１の余弦波形状制御の振幅。

Ｗ　：　強制項の角周波数。

シートの振動振幅は次式でも表わし得る。

ＸＩ　：＝：　Ｚｏ＊　ｃ　ＣＷ） 上式において、Ｇ（Ｗ）はシートの機械的利得で、強制
項の角周波数Ｗおよび減衰係数μの関数である。第２図
のグラフにおいてはＧ（Ｗ）の向上を周波数の関数とし
て示しており１強制項のＨｚ　　で表わしており、−群
の曲線に対してμの関数としてパラメータで表わされる
。シートの機械的利得Ｇ（Ｗ）を導入することによって
、方程式１９を次のように書（ことができる。

ｘ（ｔ）＝：ｘ（１（Ｔ）　＋ＺＯ−Ｇ（Ｗ）ｃａｎ（
ｗｔ）　　　　・−ｎＦｊこれがため、シート１の遊端
１Ｂの運動Ｘを記録することによって、センサーが取付
けられる装置の振動を特徴づけるパラメータ（すなわち
、パラメータ２゜、Ｗ）および装置の温度のパラメータ
の両方についての情報を得ることができる。この目的の
ため、簡単に前述した光ファイバー７．９および屈折率
勾配を有するレンズ１０．１２を具える光学系を用いる
。この光学系はレンズの特定のパラメータ（光軸上の屈
折率および二次勾配定数）およびファイバーの特徴（入
射許容角度およびコアの半径）によって特徴づけられる
ばかりでなく、第１図に示すパラメータＬおよびθ、す
なわち、レンズ１０．１２の外側表面の中心間の距離お
よび２個のレンズの光軸間の角度θによっても特徴づけ
られる。これらのパラメータを適当に選択することＫよ
って所要の利点によりよく合った位置を記録するための
応答曲線を系が有するようにすることができる。このた
め、１例として、Ｌ＝２．５ｍおよびθ＝１３゜ と仮定することができる。

第６因はシートに対し平行なレンズ出射面からシートま
での距離Ｘの関数としての電力の曲線を示し、この電力
を上述の特性を有するセンサーのレンズによって運動に
応答して捕集し、拡散率が９０係のコダック紙によるス
クリーンによって測定したものである。図示の曲線は、
商標名セルフォック（５ＥＬＦＯＣ）型　ＳＬＷ　−１
，８−０，２５９−Ｃ−０４３の戊知の形式のグリンー
ロッド　マイクロレンズを用い、コア半径が１００μｍ
で、入射許容角度θが０．２　ｒａｄの光学ファイバー
を用いて測定した結果をプロットして示す。

第６図のグラフから明らかなように、ｘ（ｔ）をε〜１
０龍の範囲内とする場合、曲線はほぼ２次関数、特に、
放物線で表わすことができる。このよ５にして、光電系
のフォトダイオード１６によって記録される電流を次式
で表わすことができる。

Ｉ　＝Ｃ（−Ａｘ　　＋　Ｂｘ　−１）　　　＝ｌｉ上
式においてＡ、Ｂ、Ｃは放物線のパラメータを示す。

式αＧを式ａＤに導入し、第２調和にフーリエ級数展開
を行ってフォトダイオードによって検出される電流を示
す次式が得られる。

１＝Ｉｏ−ｔ４１−ｃｏｓ（ｗｔ）＋Ｉ２　・ｅｏｓ（
２ｗｔ）　　・・・ｔ１８上式において、工。、　１１
．　Ｉ２　　は係数であり。

■。＝　Ｃ（−Ａ（ｘ、’　＋　Ｊ！−イ）＋ＢＸＯ’
　Ｉ　）■、　＝　Ｃ−ｘｌ　・（−２Ａｘｏ十　Ｂ　
）工２＝＋Ｃ−Ａ−ｘ１・・・ａ９ で表わされる。

上式の項Ｃを除去し、！（１を見出し、Ｚ□　＝　ｘｌ
／Ｇ　（Ｗ）として３つの方程式の系ａ９を解（ことが
でき。

これにより次式が得られる。

したがって、光学系７，９，１０．１２によって記録さ
れる光学信号に対応する電流信号の係数ｒｏ、　Ｉｉ　
＋　Ｉ２　　の測定結果から、項ｘＯおよびｚＯｌすな
わち、熱膨張の値（温度にほぼ比例）および強制振動の
振幅を互に無関係に求めることができへ方程式２０から
明らかなように１強制振動の振幅は温度のパラメータ（
すなわち、センサーの熱膨゛張）Ｋよって影響されず、
記録される信号Ｉのフーリエ級数展開の係数！。、　ｒ
、　、　Ｉ２　　の値と、パラメータＡおよびＢとＫよ
って完全く決定され、パラメータＡおよびＢはセンサー
の固有のパラメータで較正で求められる。

同様に、値ｘ０はセンサーの固有のＡ：ｙメータＡおよ
びＢの関数として、３つの調和成分の測定結果から求め
られる。Ｘａの決定は強制項のパラメータＺ（１，Ｗと
は無関係に行なわれる。関数Ｘ。（Ｔ）は一般に一次関
数であるが、全ての場合に、常に適当な規準化によって
その進みを求めることができる。

方程式（２）およびΩＤを基礎として、先づ、振動のパ
ラメータを、温度とは無関係に、また温度変化によって
生ずる誤りなしに、求めることができ。

次に、所要に応じ、センサーが取付けられた点における
試験中の装置の温度を求めることができる。

センサーおよび適当な記録方法を種々のモードにしたが
って用いることができ１例えば、一定または可変の電界
および／または磁界、記録および測定系の機能低下およ
びエミッターの光学的出力の変動のような外部因子によ
って影響されることなく極めて信頼し得る測定結果を得
ることができる。シートの共振周波数が強制項の周波数
と比較して極めて高い場合、センサーを加速度計として
用いてもよい。実際上、このような状況下では。

関数Ｇ　（Ｗ）が比（Ｗ／Ｗ。）にほぼ比例する。なお
、馬はシート１の共振角周波数である。したがって、弐
ＣＤを時間につき２回微分することにより１次式％式％ 上式において、Ｋは定数である。したがって上述の状況
下では、センサーを取付けた本体の加速度をセンサーが
記録することができる。

留意すべきこととして、系ａ９から項Ｃを除去すること
ができ、この項Ｃは式ｆｉ８から出てきたもので、時間
とともに変化する光学系の機能低下（ファイツク−の折
れ曲り、電源、コネクター、シートの拡散性の変動、系
に入射する光学的力の損失等）のよ５な複数の因子に依
存している。したがって。

振動および／または温度の測定を行なう際に基礎として
用いられる式ム１およびＩ２ＤはパラメータＡおよびＢ
と関数Ｇ　（Ｗ）だけを含んでおり、これらは。

光電子記録系およびセンサーの特徴が一度限定されてし
まうと、時間とともに厳密に一定のままである。

第７図は、上述した方法で振動および／または温度のパ
ラメータを記録するための光電子系の１例をブロック線
図で示している。第７図に明らかに示しているよ５に、
フォトダイオード１６によって記録された電流信号は増
幅器５０に通過し。

電流信号を電圧信号に変換する。次に、この電圧信号は
アナログ／デジタル変換器５２に通され、信号をプロセ
ッサー５４に通すためにデジタルに変換する。プロセッ
サー５４はフォトダイオード１６によって記録される電
流信号の変換によって得られるデジタル信号のフーリエ
変換を行なうよう適当にプログラムされており、記録し
た信号の調和成分工。、　１１．　Ｉ２および相対的角
周波数Ｗを得る。記録されたこれらの値く基づき、また
、規準化によって決定されてメモリーに記録されている
パラメータＡ、Ｈの値および関数Ｇ　（Ｗ）の値忙基づ
いてプロセッサー５４は式圓および／または１２Ｄによ
って検査中の装置の温度Ｔの値および／または強制項の
損幅２゜を決定する。処理結果は、所要忙応じ、ビデオ
またはプリンター５６．５８によって示される。留意す
べきよ５に、いくつかの場合、Ｗの値が既知であり１例
えば、機械的振動の角周波数が主周波数の２倍である電
機に応用することができる。

フォトダイオード１６によって記録された信号の処理を
アナログ手段またはプロセッサー５４と同じ演算を行な
う適当なデジタル回路を用いているデジタル手段によっ
て適当なプログラム手段によって行ない得ること勿論で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるセンサーの概略線図、第２図は振
動周波数とシートの利得との関係を示すグラフ、第３図
は減衰係数とバンド幅との関係を示すグラフ、第４図は
レンズによって集められる電力の変化を示すグラフ、第
５図は光電回路のブロック線図、第６図は他の実施例に
よる第４図と同様の電力の変化を示すグラフ、第７図は
本発明による装置の他の実施例を示すフロック線図であ
る。 １・・・シート、　　ＩＡ・・・遊端、　７．９・・・
元ファイ−々−１１０，１２・・・レンズ、　　１４・
・・ＬＥＤ源、　　１６・・・フォトダイオード、　２
０・・・前置増幅器、　２２・・・第１回路、　２４・
・・狭帯域活動フィルター、　　２８・・・低域フィル
ター、３０・・・第２回路、　　３２・・・低域フィル
ター、３４・・・アナログデイバイダー。 手続？ｒ１３正書（自発） 平成１年９月１４日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、検出すべき本体（５）に機械的に連結された振動素
   子（１）と、この振動素子（１）の可動部分の変位を記
   録する光ファイバー（７、９）を有する光電記録系を具
   えることを特徴とする振動センサー。 ２、振動素子がシートで構成され、このシートが一端で
   抑止され、記録系がシートの他方の遊端（１Ｂ）をモニ
   タする請求項１記載の振動センサー。 ３、記録系が光学三角測定系であり、２個の光ファイバ
   ー（７、９）の端にマイクロレンズ（１０、１２）が設
   けられ、これらのレンズの光軸が相互に向け傾斜され、
   振動素子（１）の可動遊端（１３）で収斂している請求
   項１記載の振動センサー。 ４、マイクロレンズが屈折率勾配（グレーデツドインデ
   ツクス　レンズまたはグリン）を有する円筒形式のもの
   である請求項３記載の振動センサ５、検出すべき本体に
   生ずる特定の周波数の値で共振し始めるような振動素子
   モードである請求項１〜４のいづれか１項に記載の振動
   センサー。 ６、主周波数の値によつて決定される周波数の値で共振
   し始めるよう振動素子が構成されている交流電機の部分
   の振動を検出する請求項５記載の振動センサー。 ７、振動素子（１）がその一端で支持体（３）に連結さ
   れ、高い熱膨張係数を有する材料で造られ、前記本体ま
   たは支持体（３）の熱膨張によつて生じる前記振動素子
   （１）の運動がセンサーを取付ける本体の振動によつて
   生じる振動素子（１）の運動の方向と実質的に一致する
   方向に行なわれるような方法で前記振動素子が前記本体
   または支持体（３）に取付けられている請求項１〜６の
   いづれか１項に記載の振動センサー。 ８、振動を記録する系に振動素子（１）を機械的に連結
   し、前記振動素子（１）に電磁放射ビームを入射し、測
   定すべき本体とともに振動素子を振動し、入射ビームを
   前記素子（１）の表面で屈折させ、放射ビームを捕集し
   て前記振動素子（１）の位置の変化分である信号（Ｉ）
   を発生させ、振動によつて変調させ、この信号を記録手
   段（１６）によつて記録し、処理して測定すべき振動に
   関するパラメータを決定することを特徴とする本体また
   は物理系の振動を記録する方法。 ９、前記振動素子の位置の変化分である信号（Ｉ）を振
   動素子（１）の位置の第１度の関数によつて概算する請
   求項８記載の方法。 １０、記録した信号（Ｉ）を前記振動素子（１）の位置
   の少なくとも第２度の関数によつて概算し、前記関数を
   フーリエ級数で第２調和関数に展開し、振動素子（１）
   の振動の振幅を記録信号のフーリエ級数展開の調和成分
   の係数（Ｉ＿０、Ｉ＿１、Ｉ＿２）の関数として決定す
   る請求項８記載の方法。 １１、前記関数が、 Ｉ＝Ｃ・Ｃ−Ａｘ＾２＋Ｂｘ−１） の形式の第２度関数である請求項１０記載の方法。 １２、振動素子（１）の位置（ｘ）が方程式ｘ（ｔ）＝
   ｘ＿０＋Ｚ＿０・Ｇ（Ｗ）・ｃｏｓ（ｗｔ）で表わされ
   、上式において、ｘ＿０が時間（ｔ）に関する定数であ
   り、Ｗが測定すべき振動の角週波数であり、記録信号（
   Ｉ）をフーリエ級数で Ｉ＝Ｉ＿０＋Ｉ＿１ｃｏｓ（ｗｔ）＋Ｉ＿２ｃｏｓ２ｗ
   ｔ・・（１８）の形の第２調和に展開し、フーリエ級数
   展開の係数Ｉ＿０、Ｉ＿１、Ｉ＿２が、 Ｉ＿０＝Ｃ（−Ａ（ｘ＿０＾２＋１／２ｘ＾２）＋Ｂｘ
   ＿０−１）Ｉ＿１＝Ｃ（ｘ＿１（−２Ａｘ＿ｏ＋Ｂ））
   Ｉ＿２＝１／２ＣＡｘ＿１＾２・・・（１９）で表わさ
   れ、これらの係数を Ｚ＿０＝１／Ｇ（Ｗ）・（２（Ｂ＾２＋４Ａ））＾１＾
   ／＾２／２Ａ・Ｉ＿２／（Ｉ＿２＾２＋Ｉ＿０Ｉ＿２＋
   Ｉ＿１２／８）＾１＾／＾２・・・（２１） の式に基づいて測定すべき振動の振幅（Ｚ＿０）を決定
   するために用いる請求項１１記載の方法。 １３、Ｘ＿０を方程式 Ｘ＿０＝Ｂ／２Ａ・〔２（Ｂ＾２＋４Ａ）〕＾１＾／＾
   ２／８Ａ・Ｉ＿１／（Ｉ＿２＾２＋Ｉ＿０Ｉ＿２＋Ｉ＿
   １２／８）＾１＾／＾２（２０） に基づいて決定する請求項１２記載の方法。 １４、記録したアナログ信号（Ｉ）をデジタル信号に変
   換し、プログラムした電子プロセツサによつて処理する
   請求項１０〜１３のいづれか１項に記載の方法。 １５、記録する本体または系に固定して取付けられる本
   体（３）を有するセンサーと、前記本体（３）に取付け
   た振動素子（１）と、前記振動素子の部分（１Ｂ）上に
   電磁エネルギの放射ビームを入射し、振動素子（１）に
   よつて屈折された電磁エネルギのビームを記録するため
   のファイバー光学系（７、９、１０、１２）と、振動素
   子に入射する電磁エネルギのビームを発生させる手段お
   よび前記振動素子によつて屈折された電磁エネルギの前
   記ビームを記録する手段（１６）を具える光電系（１４
   、１６、５０、５２、５４；２２、３０、３４）とを具
   える振動を記録する装置。 １６、前記光電系がさらに、記録したアナログ信号をデ
   ジタル信号に変換する手段（５０、５２）と、少なくと
   も請求項１０〜１４の方法により変換信号を処理するた
   めのプログラム手段（５４）とを具える請求項１５記載
   の装置。 １７、記録すべき本体に機械的に連結された振動素子（
   １）と、振動素子の可動部分の運動を記録し、記録すべ
   き本体の局部的温度を測定するためのフアイバー光学電
   子系とを具える振動センサーを使用すること。