JPH06105292B2 - レーザドップラ速度計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は，光のドツプラ効果を利用して鉄鋼，非鉄金
属等製造ラインの移動物体の速度を非接触で測定するレ
ーザドツプラ速度計に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に，移動物体の速度を光のドツプラ効果を利用して
測定するには，第２図に示すような構成のレーザドツプ
ラ速度計が用いられていた。第２図は例えば三菱電機技
報vol.58・No7・1984第34頁〜第38頁に記載の光フアイ
バセンサーレーザ干渉計−に示された従来のレーザドツ
プラ速度計の構成図であり，図において（１）は移動物
体，（２）は特定の波長を出力するレーザ，（３）はレ
ーザ光を２分割するビームスプリツタ，（4a），（4b）
はビームスプリツタ（３）で２分割されたレーザ光を送
信光学系（5a），（5b）に導びくための光フアイバケー
ブル，（4c）は後述する受信光学系の受信光を伝送する
光フアイバケーブル，（６）は移動物体（１）から散乱
された光を受信するための受信光学系，（７）は受信光
を電気信号に変換する光検出器，（８）は増幅器，
（９）は周波数追跡器，（10）は速度演算器である。

第２図に示すごとく，移動物体（１）にレーザ（２）か
ら発信したレーザ光をビームスプリツタ（３）で２分割
し，各々の光を光フアイバケーブル（4a）（4b）と送信
光学系（5a）（5b）で，互いに反対方向から移動物体
（１）上に交差させて照射すると，各々の送光ビームに
対応した移動物体（１）の散乱光の波長は，移動物体
（１）の速度ｖに応じて，いわゆる正負のドツプラシフ
トを起こす。この２つの正負のドツプラシフトを受けた
散乱光を受信光学系（６）で受信し，光フアイバケーブ
ル（4c）で光検出器（７）に導びき電気信号に変換する
と，この電気信号の中には，受信光の強さに比例する直
流信号と第（１）式に示すドツプラ周波数fdの交流信号
（以下ドツプラ信号という）が存在する。

ここに v;移動物体の速度 λ；レーザ光の波長 ;2つの送光ビームの交差角 光検出器（７）で電気信号に変換されたドツプラ信号は
微弱なため増幅器（８）で増幅された後，周波数追跡器
（９）でドツプラ周波数fdを計測し，第（１）式により
速度演算器（10）で速度演算することにより移動物体
（１）の速度ｖを求めることができる。このことは公知
の事実である。

第３図は、送信光学系（5a），（5b）からの２条のビー
ムの交差部を示す図であり，図中Ｄはビーム径，Δθは
ビーム拡がり,A点,B点,C点は２条のビームの交差点を示
すもので，それぞれ，ビームの下限，中央，上限の交差
点を示す。

ｌは，送信光学系（5a），（5b）から移動物体（１）ま
での測定距離,2・Δｌは,2条のビームの交差点A,C間の
距離，はＢ点でのビーム交差角，１はＡ点でのビー
ム交差角，２はＣ点でのビーム交差角である。

レーザドツプラ速度計では,2条のビーム各々のドツプラ
シフトを受けた散乱光を受信してドツプラ信号を得るた
め，移動物体（１）は第３図のビーム交差部（Ａ〜Ｃ点
間）になければならない。

通常，移動物体（１）の走行ラインＰ（以下パスライン
という）が２条のビームの交差点Ｂを通り２条ビームの
交差する中心線に垂直になるように送信光学系（5a），
（5b）を配置し，このときの測定距離l_oを基礎距離と
し、速度演算器（10）の速度計測値ｖ′を移動物体
（１）の速度ｖに等しくなるように校正する。

この場合移動物体（１）のパスラインＰが平行移動して
も,A点,C点を越えなければ、ドツプラ信号が得られ移動
物体（１）の速度ｖの計測が可能となる。すなわち，ビ
ーム交差部の長さ２・Δｌが，移動物体（１）の速度計
測可能な許容パスラインＰ変動範囲を示す。

移動物体（１）のパスラインＰが,B点を通場合は，ビー
ム交差角はであるためドツプラ周波数fdは速度ｖに対
して第（１）式で与えられる。しかしながら、パスライ
ンＰが変動してＡ点を通場合，ビーム拡がりΔθにより
ビーム交差角_１は_１＋２・Δθとなるため，ドツプ
ラ周波数fd₁は次式で与えられる。

同様に，パスラインＰが変動してＣ点を通る場合，ビー
ム交差角_２は_２＝−２Δθとなるためドツプラ周
波数fd₂は次式で与えられる。

第（１）式〜第（３）式から明らかなように，移動物体
（１）がパスラインＰ変動を起こすと，移動物体（１）
の速度ｖに対して得られるドツプラ周波数は異つた値と
なり，ドツプラ周波数から移動物体（１）の速度ｖを算
出する速度演算器（10）の速度計測値ｖ′は誤差を含む
こととなる。

今，パスラインＰが,A点からＣ点まで変動したときの測
定誤差率εは，第（１）式〜第（３）式からパスライン
がＢ点を通つたときのドツプラ周波数fdを基準として次
式で与えられる。

ビーム交差部の長さ２・Δｌは，ビーム径Ｄとビーム交
差角からほぼ次式で近似できる。

従つて，パスラインＰの単位距離変動当りの測定誤差δ
は、第（４），第（５）式から次式で与えられる。

通常，ビーム拡がりΔθは数mrad以下，ビーム交差角
は,10°以下に設計されるので， となり，第（６）式は次式で近似される。

例えば，ビーム拡がりΔθを3^mrad，ビーム径Ｄを4mmと
したときの測定誤差δは となり，パスラインＰ変動1mm当り約−0.15（％）の測
定誤差となる。ここで第（８）式の符号の（−）は，パ
スラインＰが測定距離ｌとして長くなる方向に変動した
ときに負の測定誤差を与えることを示すものであり，測
定距離変動にほぼ比例した測定誤差を与える。

第３図のＢ点を通パスラインＰを基準としてこのときの
測定距離l_oからのパスライン変動量Δl_pとすると，速度
演算器（10）の速度計測値ｖ′は，次式で与えられる。

ｖ′＝ｖ（１＋δ・Δl_p） ……（９） パスライン変動量Δl_pは，測定距離ｌが基準距離l_oより
長くなる方向を（＋）とし，反対に短くなる方向を
（−）とする。

一般的に，鉄鋼ライン等の移動物体（１）のパスライン
Ｐは，移動物体（１）の板厚により0.1〜数mm変動す
る。従つて，送信光学系（5a），（5b）と移動物体
（１）間の測定距離が変化することとなり，速度計測値
に誤差を生ずる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来のレーザドツプラ速度計は，移動物体（１）の
板厚変化に伴なう測定距離の基準距離l_oからの変動量Δ
l_pにほぼ比例した速度計測誤差を生ずるという問題を有
していた。

この発明は，かかる問題点を解決するためになされたも
ので，測定距離変動に伴なう速度計測誤差を低減したレ
ーザドツプラ速度計を得ることを目的とするものであ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係わるレーザドツプラ速度計は、移動物体
（１）が板厚方向に変動するパスライン変動量Δl_pを計
測する板厚計と，上記板厚計の出力を用いて速度測定誤
差を補正する板厚補正回路とを設けたものである。

〔作用〕

この発明においては，移動物体（１）の板厚を計測する
板厚計と，速度演算器（10）の出力端に板厚補正回路を
設けて，移動物体（１）のパスライン変動に伴なう測定
距離変動にほぼ比例して速度測定誤差を生ずる速度演算
器（10）の速度出力を板厚計の出力を用いて測定誤差を
低減するように補正する。

〔実施例〕

第１図は，この発明による一実施例を示すレーザドツプ
ラ速度計のブロツク図であり，以下図面に従い説明す
る。

図中，（１）〜（10）は上記従来と同じものである。
（11）はＸ線厚さ計等で代表される板厚計，（12）は速
度演算器（10）の出力を補正する板厚補正回路である。

以上の構成のレーザドツプラ速度計において，移動物体
（１）の板厚が０の状態のとき測定距離が基準距離l_oに
なるように送信光学系（5a），（5b）を設定すると，板
厚ｔの変化に応じて測定距離ｌ第３図においてＡ方向に
板厚が変化すればｌ＝l_o−ｔと変化し、またＢ方向に板
厚が変化すればｌ＝l_o＋ｔと変化し，測定距離の基準距
離l_oからの変動量Δl_pは移動物体（１）の板厚ｔとして
板厚計（11）で計測される。板厚計（11）の出力である
板厚ｔと速度演算器（10）の出力である速度計測値ｖ′
とは，それぞれ板厚補正回路（12）に入力される。

板厚補正回路（12）では第（10）式に示す演算を行つて
いる。

k;比例定数 ｖ″；板厚補正回路（12）の出力 今，第（10）式の比例定数ｋを第（８）式に示す単位測
定距離変動当りの測定誤差δに等しくなるように設定す
れば，第（９），第（10）式において板厚ｔ＝Δl_pを考
慮すると，板厚補正回路（12）の出力ｖ″は，移動物体
（１）の速度ｖと等しくなり，板厚変化に伴なう測定距
離変動による速度測定誤差を低減したレーザドツプラ速
度計となる。

〔発明の効果〕

以上のように，この発明によれば，移動物体（１）のパ
スラインＰに対し移動物体（１）が板厚方向に変動する
パスライン変動量Δl_pを計測する板厚計と，速度演算器
（10）の出力端に板厚補正回路を設けて，移動物体
（１）の板厚変化に伴なう測定距離変動による速度測定
誤差を低減したレーザドツプラ速度計が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すレーザドツプラ速度
計の構成図，第２図は従来のレーザドツプラ速度計の構
成図，第３図は送信光学系のビーム交差部を示す図であ
る。 図中，（11）は板厚計，（12）は板厚補正回路である。 なお，図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】特定の波長を出力するレーザと、上記レー
   ザの出力ビームを２分割するビームスプリッタと、上記
   ２分割したレーザビームを、移動物体のパスラインＰに
   対し直交する直線を中心とした所望の交差角でその交点
   を通る上記移動物体に照射する二つの送信光学系と、上
   記二つの照射ビームの各々について移動物体の速度に応
   じてドップラシフトを起した散乱光を受信する受信光学
   系と、上記受信光学系で受信したドップラ信号を含む散
   乱光を電気変換する光検出器と、上記光検出器の出力を
   増幅する増幅器と、上記増幅された信号からドップラ周
   波数を検出する周波数追跡器と、上記周波数追跡器の出
   力信号であるドップラ周波数から移動物体の速度を演算
   する速度演算器とを備えたレーザドップラ速度計におい
   て、上記パスラインＰと上記送信光学系間の基準距離l_o
   と、上記移動物体と上記送信光学系間の測定距離ｌとの
   差に相当するパスライン変動量Δl_pを移動物体の板厚と
   して計測する厚さ計と、上記速度演算器の速度計測値と
   上記厚さ計のパスライン変動量Δl_pとを入力し、上記速
   度計測値に含まれる、パスラインＰに直交する方向での
   パスライン変動量Δl_pにほぼ比例した速度誤差を上記厚
   さ計のパスライン変動量Δl_pを用いて除去する補正回路
   とを具備したことを特徴とするレーザドップラ速度計。