JPH0623774B2 - 光計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、レーザ利用による回転機械内部の流動測定
に好適な光計測装置に関するものである。

〔従来の技術〕

回転を利用した流体機械として産業上広く利用されてい
るものに、軸流空気圧縮器，軸流空気タービン，液体用
軸流ポンプ等がある。これらの流体機械は、主に内部の
回転羽根車（回転翼）によって仕事がなされる。したが
って、設計上、回転翼周辺の流動を調べることがきわめ
て重要であるが、プローブ等を挿入して測定することが
不可能であることから、特にレーザを利用した非接触計
測法が注目されている。最近利用されている手法として
はレーザ流速計がある。

レーザ流速計の流動計測法の原理は、流体中にレーザ光
線を照射し、流体中に混入させた微粒子から散乱光を発
光せしめ、この散乱光に含まれている光の遷移周波数
（ドプラー効果による）等を調べることにより微粒子の
流動、すなわち流体の流動を知るという方法に基づいて
いる。したがって、回転機械内部の流動を測定する場合
は、第６図に示す方法を用いる。

第６図において、１はケーシングで、流入口２を有し、
内部には一般にストラットまたは静止翼列３ａおよび３
ｂと、回転翼４を取付けたロータ５とから成り立ってい
る。６はノーズコーンである。流体７は流入口２から入
り回転翼４を通過して後方流路へと流れていく。測定し
ようとする位置は回転翼周辺の流路であるから、回転翼
４の円周上のケーシング１の特定位置にガラス製の測定
窓８を付ける。この測定窓８がレーザ光線の入射および
散乱光収集用として使われる。レーザ光源１０から発し
たレーザ光１１は、光学装置１２で数本のレーザビーム
に分割された後、レンズ１３によって絞られながら測定
窓８を通して回転翼列の流路内へ入射される。流路内の
１点でこれらのレーザビームの焦点ができ、この焦点を
流体７中の微粒子が通過したときに散乱光１４を発す
る。この散乱光１４を入射時と同じレンズ（または異な
るレンズ）によって集光し、ミラー１５によって信号処
理装置１６へと導き回転翼４間を流れる流体７の速度を
求める。もちろん、回転翼４が通過する際は翼先端によ
って強い反射光を生ずるので、それを防止するためのゲ
ーティングシステムも必要である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、この従来の流れ計測装置では次のような
問題点があった。

(1)．レーザビームの微小な焦点での速度情報しか得ら
れないため、流路内の流動パターンを測定するために多
くの時間を要する。

(2)．測定窓８のガラス面，ロータ５内壁面および回転
翼４の先端部から強い反射光が生じ、散乱光１４の抽出
が困難である。

(3)．回転翼４の形状が複雑な場合は、レーザビームが
翼先端部によって遮断され、流路内に透過しない。

(4)．回転翼４面近傍の測定は、ビーム焦点をつくるこ
とが難しく、測定しにくい。

この発明は、これらの問題点を解決するためになされた
もので、測定時間が短く、放射光および強度の反射光に
よる影響を受けない流れ計測装置に好適な光計測装置を
提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明にかかる光計測装置は、レーザビーム発生装置
と、このレーザビーム発生装置からのレーザビームを伝
達するためレーザビーム発生装置のビーム出射面にその
一端を対向させて固定し他端を固定した伝送光ファイバ
と、この伝送光ファイバの固定された他端からの光を受
光して回転体に光を導く放射光ファイバと、放射光ファ
イバから放射されたレーザ光が回転体内部によって反射
された反射光を受信する受信装置とから構成され、放射
光ファイバは、回転体の回転軸もしくは回転軸に取り付
けた物体に固定し、回転軸の回転に伴い放射光ファイバ
の端面と伝送光ファイバの出射面とが光軸上で対面した
ときにレーザビームを伝送光ファイバから放射光ファイ
バへと転送する構成としたものである。

さらに、放射光ファイバは、その出射端面を光軸に対し
て斜めに切断し、その切断面に反射膜を蒸着してレーザ
ビームを光軸に対して傾いた方向に放射する構成とした
ものである。

また、放射光ファイバは、薄いシート状に結合し、それ
を回転体の一部に貼り付け、レーザビームがすべの光フ
ァイバから出射する構成としたものである。

〔作用〕

この発明においては、レーザ光は伝送光ファイバを通っ
てから放射光ファイバに入り、この放射光ファイバが取
り付けられた回転体等にレーザ光を放射し、その反射光
を受信して信号処理する。

そして、放射光ファイバは、伝送光ファイバと放射光フ
ァイバとの両端面が光軸上で対面したときにレーザビー
ムの伝送が行われる。

さらに、斜めの切断面に反射膜が設けられているので、
レーザビームは光軸に対し所要方向に放射される。

また、放射光ファイバを薄いシート状に結合したので、
発光する光は光シート面となり、広い面積に亙って光が
照射される。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示すもので、１〜８，１
４は第６図と同じものであり、２０はレーザ光源、２１
は高速・高感度受光処理装置、２２は伝送光ファイバ、
２３はマニプレータである。

次に、動作について説明する。

まず、レーザ光を流路内部で発光させる方法について述
べる。

第１図において、レーザ光源２０で発光させたレーザ光
をマニプレータ２３によって伝送光ファイバ２２に導
く。伝送光ファイバ２２は静止翼列３ａを通りノーズコ
ーン６の内部に設けたアダプタに固定される。その詳細
図を第２図に示す。

第２図において、アダプタ３１に固定された伝送光ファ
イバ２２の対面位置に入射端３３が配置され、ロータ５
の中心に固定された放射光ファイバ３２を置く。放射光
ファイバ３２の他端の放射端３４は、測定すべき流路内
に導きレーザ光を放射する。この際、放射光ファイバ３
２は単心または多心のものでもよい。また、伝送光ファ
イバ２２と放射光ファイバ３２の対面位置は回転軸中心
以外でもよい。中心を外れた位置で対面させると回転に
同期した間欠発光を得ることができる。

次に、回転翼４の周辺に一様な光シートを得る方法につ
いて述べる。第３図に放射光ファイバ３２の放射端３４
の形状と発光の状況を示す。放射端３４は任意の角度α
に切断し反射膜３５がコーティングしてある。そのた
め、光は反射膜３５の反対方向へ任意の角度で放射され
る。

第４図に示すように、これらの放射光ファイバ３２を多
数横に張り合せるとシート状になる。この先端から発光
させると光シートが得られる。

したがって、このシート状の放射光ファイバ３２を回転
翼４に貼りつけると、第５図のように、翼の断面を中心
にシート状に光が放射される。この状態で、従来方法の
ように流体７中に散乱粒子を混入しておけば光シート面
で散乱光１４が発生する。これらの散乱光１４を測定窓
８を通して収集し、高速・高感度受光処理装置２１（第
１図）を用いて解析すれば瞬時に回転翼４周辺の流動を
知ることができる。半径方向の測定位置は貼りつけるシ
ート状光ファイバの位置によって決まるので、あらかじ
めきめておく必要があるが、数枚の回転翼４にそれぞれ
異なる半径位置に貼りつけておいて順次測定する方法
や、数種類のレーザ光を１枚の回転翼４の異なる半径位
置で発光させ、光学的処理によって瞬時にいくつかの半
径位置の流動を測定する方法を用いることができる。

〔発明の効果〕

この発明は、以上詳細に述べたように、 (1)レーザビーム発生装置と、このレーザビーム発生装
置からのレーザビームを伝達するためレーザビーム発生
装置のビーム出射面にその一端を対向させて固定し他端
を固定した伝送光ファイバと、この伝送光ファイバの固
定された他端からの光を受光して回転体に光を導く放射
光ファイバと、放射光ファイバから放射されたレーザ光
が回転体内部によって反射された反射光を受信する受信
装置とから構成されているので、回転翼列等の回転体内
の流れを計測するのに有効である。すなわち、従来、回
転翼列等の内部流れの計測において可視化技術を応用す
ることは高速パルス発生器，入射窓，空間分解能，時間
分解能などの多くの問題があり、実用化に至っていな
い。この発明によれば、回転体内の任意の場所に光ファ
イバで光を送ることができる。

(2)そして、光照射を回転体と同期させることが容易で
ある。すなわち伝送光ファイバを固定し、放射光ファイ
バを回転体に取り付け、伝送光ファイバの出射端が放射
光ファイバの端面と回転につれて対面としたとき光伝送
が行われるようにしたため、回転体に対する同期を完全
に一致できる。

(3)また、任意の方向へ放射光ファイバら出射させるこ
とができる。すなわち放射光ファイバの出射端面を光軸
に対し斜めに所要角度に切断し、その切断面に反射膜を
設けてあるので、反射膜の角度に応じた方向にレーザビ
ームは放射される。

(4)さらに、静止物体周辺の流れの計測に有効である。
すなわち、従来のレーザ可視化技術においては物体に対
して外部からレーザ光を照射する。この際、光が届かな
い影の部分が生ずる欠点がある。特に、形状が複雑な場
合には適用できない。この発明ではシート状に放射光フ
ァイバを構成したので、これを物体に貼りつけて物体表
面から発光させることができるため、複雑な形状でも影
を生じない。

そして、シート状の光ファイバにより均一な光シートを
作り出せるため精度の高い測定が可能となる。光源に通
常のレーザを使用でき、かつ光ファイバで伝送できるた
め実験装置のコンパクト化が図れる。

(5)物体表面近傍の流れ計測に有効である。すなわち、
従来の方法では、外部から光を照射するため途中で光の
吸収が生じたり、物体表面で光の反射が生じたりするた
め、物体の極近傍での計測が困難であった。この方法に
よれば、物体表面から発光するため、こうした物体表面
の流れの計測に特に有効である。

上述したように、この発明の光計測装置は、他の業界に
おいても極めて有効な装置を提供するものと考えられ
る。例えば圧縮機やタービン等の動翼の変形に関するリ
アルタイムモニタシステム，振動形，トルク計などへの
応用が考えられる。その他、この発明の直角方向放射型
光ファイバおよびシート状光ファイバの開発は他の産業
界においても新たな発展をもたらす可能性がある。例え
ばシート状表示器，インテリアなどへの応用も考えられ
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構成略図、第２図
は、第１図の要部の詳細を示す部分断面図、第３図はこ
の発明に用いる光ファイバの例を示す図、第４図は同じ
くシート状に結合した光ファイバの例を示す図、第５図
は、第４図のシート状の光ファイバを回転翼の計測に適
用した例を示す図、第６図は従来のレーザ光を用いた流
れ計測装置の一例を示す構成略図である。 図中、１はケーシング、２は流入口、３ａはストラッ
ト、３ｂは静止翼列、４は回転翼、５はロータ、７は流
体、８は測定窓、１０はレーザ光源、１１はレーザ光、
１２は光学装置、１３はレンズ、１４は散乱光、１５は
ミラー、１６は信号処理装置、２０はレーザ光源、２１
は高速・高感度受光処理装置、２２は伝送光ファイバ、
２３はマニプレータ、３１はアダプタ、３２は放射光フ
ァイバ、３３は入射端、３４放射端である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザビーム発生装置と、このレーザビー
   ム発生装置からのレーザビームを伝達するため前記レー
   ザビーム発生装置のビーム出射面にその一端を対向させ
   て固定し他端を固定した伝送光ファイバと、この伝送光
   ファイバの固定された他端からの光を受光して回転体に
   光を導く放射光ファイバと、前記放射光ファイバから放
   射されたレーザ光が前記回転体内部によって反射された
   反射光を前記放射光ファイバおよび伝送光ファイバを介
   して受信する受信装置とから構成され、前記放射光ファ
   イバは回転体の回転軸もしくは前記回転軸に取り付けた
   物体に固定し、前記回転軸の回転に伴い前記放射光ファ
   イバの端面と伝送光ファイバの出射面とが光軸上で対面
   したときにレーザビームを伝送光ファイバから放射光フ
   ァイバへと転送する構成としたことを特徴とする光計測
   装置。
2. 【請求項２】放射光ファイバの出射端面を光軸に対して
   斜めに切断し、その切断面に反射膜を蒸着してレーザビ
   ームを光軸に対して傾いた方向に放射する構成としたこ
   とを特徴とする請求項(1) に記載の光計測装置。
3. 【請求項３】放射光ファイバを薄いシート状に結合し、
   それを回転体の一部に貼り付け、レーザビームがすべて
   の光ファイバから出射する構成としたことを特徴とする
   請求項(1) に記載の光計測装置。