JPH0727026B2 - レーザドツプラ速度計 - 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４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４図は例えば三菱電機技
報Vol.58・No.7・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）はレーザ発生手段，（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（5
a），（5b）に導びくための光フアイバケーブル，（4
c）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４図に示すごとく，移動物体（１）にレーザ発生手段
（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
f_d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）で電気信号に交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f_d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５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系では,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５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を基準距離と
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点を通る場合は，ビ
ーム交差角はであるためドツプラ周波数f_d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点を通る場合，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f_d1は次式で与えられる。

同様にパラライン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f_d2は次式で与えられる。

第（１）式〜第（３）式で明らかなように，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点を通ったときのドツプラ周波数f_dを基準として次
式に与えられる。

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， sinΔθ≒Δθ， 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５図のＢ点を通るパスライン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を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，通板時の板のバタツキにより数mm〜数10mm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課題〕

上記従来のレーザドツプラ速度計は，移動物体（１）の
パスライン変動に伴なう測定不能状態や測定距離の基準
距離l_oからの変動量Δl_pにほぼ比例した速度計測誤差を
生ずるという課題を有していた。

この発明は，かかる課題を解決するためになされたもの
で，測定距離変動に伴う欠測，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したものであ
る。

〔課題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，送信光学系
（5a），（5b）と移動物体（１）間の測定距離の基準距
離l_oからの変動量Δl_pを検出する変位検出光学系をレー
ザドツプラ速度計の送受信光学系を共用し上記変位検出
光学系から得られる変位検出信号でもつて，測定距離ｌ
を基準距離l_oに等しく保つ倣いサーボ機構を設けたもの
である。

〔作用〕 この発明においては，送信光学系（5a），（5b）と移動
物体（１）間の測定距離の基準距離l_oからの変動量Δl_p
を検出する変位検出光学系と，従来のレーザドツプラ速
度計の送受信光学系とを共用化し上記変位検出光学系か
ら得られる変位検出信号でもつて，上記光学系の位置を
制御するサーボ機構を設けて，移動物体（１）のパスラ
イン変動に応じて，常に測定距離ｌが基準距離l_oに等し
くなるように倣い制御することにより測定距離変動に伴
なう欠測，速度測定誤差を低減する。

〔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
ラ速度計の構成図であり，以下図面に従い説明する。

図中，（１）〜（３），（７）〜（10）は上記従来と同
じものである。（11a），（11b），（11c），（11d），
（11e）はレーザ発生手段（２）から発信されたレーザ
光をビームスプリツタ（３）で２分割された各々のレー
ザ光の方向を変えるミラー，（12a），（12b）は移動物
体（１）からの散乱光を光検出器（７）に集光するレン
ズ，（13）はレンズ（12a），（12b）で集光された受信
光の焦点位置で距離変調をかけるために一定周波数で振
動するピンホール付振動子，（14）は振動子を一定周波
数で駆動する正弦波発振器，（15）はレーザ（２），ビ
ームスプリツタ（３），光検出器（７），ミラー（11
a），（11b），（11c），（11d），（11e），レンズ（1
2a），（12b），振動子（13）を固定する光学ベース，
（16）は光検出器（７）の出力信号のうち上記振動子
（13）の振動周波数で距離変調かけられた信号のみを取
り出す選択増幅器，（17）は選択増幅器（16）の出力信
号のレベルと位相を検出する位相検波器，（18）は位相
検波器（17）の出力を平滑するローパスフイルタ，（1
9）はサーボ増幅器，（20）はサーボモータ，（21）は
サーボモータ（20）のロータに結合されて回転するボー
ルネジのスクリユウ，（22）は光学ベース（15）に固定
されたボールネジのナツト，（23）はサーボモータ（2
0）のステータを固定しているケース，（24）はケース
（23）に両端固定されその上を光学ベース（15）が自由
に直線運動するよう光学ベース（15）を支持するガイド
である。

以上の構成のレーザドツプラ速度計において，ビームス
プリツタ（３）で２分割されたレーザ光の一方は，ミラ
ー（11a），（11b）を経由し，又，他方のレーザ光は，
ミラー（11c），（11d），（11e）を経由し移動物体
（１）上に互いに反対方向から交差させて照射されてい
る。移動物体（１）で散乱されたレーザ光はレンズ（12
a），（12b）で集光され光検出器（７）で電気変換され
る。光検出器（７）で電気変換された信号には，第
（１）式で示したドツプラ周波数f_dを含んでいるため，
従来のレーザドツプラ速度計同様増幅器（８），周波数
追跡器（９）を経由し速度演算器（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。

第２図（ａ）に示すように２本の照射レーザビームの交
差位置の中心に移動物体（１）の反射面があるときすな
わち測定距離ｌが基準距離l_oの位置で移動物体（１）か
らの散乱光をレンズ（12a），（12b）で集光した結像点
（最小ビームスポツト径位置）に振動子（13）を配置し
振動子（13）のピンホールを光軸の中心においている。
第２図（ｂ）に示すように移動物体（１）の反射面に距
離がレンズ（12a）に−Δl_pだけ近づくとレンズ（12b）
の結像点は振動子（13）の後方＋Δl_p′だけシフトし，
反対に第２図（ｃ）に示すように移動物体（１）の反射
面の距離がレンズ（12a）より＋Δl_pだけ遠ざかるとレ
ンズ（12b）の結像点は振動子（13）の前方−Δl_p′だ
けシフトする。振動子（13）のピンホールを通過する受
信光の強度は振動子（13）のピンホール位置と結像点と
が一致する点が最つとも大きく振動子（13）のピンホー
ル位置から結像点が前後にピンホールを通過するビーム
が拡がるため小さくなる。従つて光検出器（７）で電気
変換された信号は第３図（ａ）に示すように移動物体
（１）との測定距離ｌが基準距離l_oのときピークとなり
移動物体（１）との測定距離ｌが基準距離l_oから前後に
ズレると小さくなるガウシアン曲線となる。

今，振動子（13）を正弦波発振器（14）によりある一定
周波数で振動させると光検出器（７）の出力信号は第３
図（ａ）のガウシアン曲線の傾きに対応した振動子（1
3）の振動周波数で輝度変調された交流信号が得られ
る。この交流信号は移動物体（１）の測定距離ｌが基準
距離l_oより手前に位置するガウシアン曲線のピークの左
側では振動子（13）の振動方向と同位相，反対に移動物
体（１）が遠ざかる位置であるガウシアン曲線の右側で
は逆位相，移動物体（１）が丁度基準距離l_oに位置する
ガウシアン曲線のピークでは，振動周波数の２倍高調波
となる。又，上記交流信号のレベルはガウシアン曲線の
傾きに比例する。

上記光検出器（７）の出力信号のうち振動子（13）の振
動周波数成分のみ選択して増幅する選択増幅器（16）で
信号S/Nを改善した後，振動子（13）の振動位相の基準
である正弦波発振器（14）の出力と位相検波器（17）で
位相検波しローパスフイルタ（18）で平滑すると，第３
図（ｂ）に示すような移動物体（１）の測定距離ｌの基
準距離l_oを０とし移動物体（１）の距離変動Δl_pに比例
した変位検出信号が得られる。

移動物体（１）のパスライン変動により測定距離ｌが基
準距離l_oから変動すると上記変位検出信号は測定距離ｌ
と基準距離l_oの差に比例した正負の電圧を発生しサーボ
増幅器（19）に入力されたのちサーボモータ（20）を駆
動する。サーボモータ（20）のロータはサーボ増幅器
（19）の出力の正負に応じて正逆回転し，サーボモータ
（20）のロータに直結されたボールネジのスクリユウ
（21）を回転させ，光学ベース（15）に固定されたボー
ルネジのナツト（22）を経由して光学ベース（15）を移
動物体（１）の方向に直線運動させる。

光学ベース（15）はガイド（24）を介して回転方向は拘
束されて移動物体（１）の方向のみ自由に摺動するよう
になつている。

今，測定距離ｌが基準距離l_oより大きくなつた場合，光
学ベース（15）が移動物体（１）に近づく方向に，反対
にｌ＜l_oの場合，光学ベース（15）が移動物体（１）か
ら遠ざかる方向に摺動するようにサーボモータ（19）の
回転方向を定めることにより，移動物体（１）がパスラ
イン変動しても常に測定距離ｌが基準距離l_oに等しく倣
い制御でき，測定距離変動に伴なう欠測，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，レーザドツプラ速度
計の光学系と移動物体（１）までの測定距離ｌの基準距
離l_oからの変動量Δl_pを検出する変位検出光学系を光学
ベース上に共用一体化し，上記変位検出光学系から得ら
れる変位検出信号でもつて上記光学ベースの位置を制御
するサーボ機構を設けて，移動物体（１）のパスライン
変動に応て，常に測定距離ｌが基準距離l_oに等しくなる
ように制御することで測定距離変動に伴なう欠測，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図は光学系の結像点を示す図，第３図
は変位検出信号の特性図，第４図は従来のレーザドツプ
ラ速度計の構成図，第５図は送信光学系のビーム交差部
を示す図である。 図中，（11a），（11b），（11c），（11d）はミラー，
（12a），（12b）はレンズ，（13）はピンホール付振動
子，（14）は正弦波発振器，（15）は光学ベース，（1
6）は選択増幅器，（17）は位相検波器，（18）はロー
パスフイルタ，（19）はサーボ増幅器，（20）はサーボ
モータ，（21）はボールネジのスクリユウ，（22）はボ
ールネジのナツト，（23）はケース，（24）はガイドで
ある。 なお，図中同一符号は同一または相当部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤岡 克志 岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地な し） 川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (56)参考文献 特公 平３−55798（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】特定の波長の光を出力するレーザ発生手段
   と，上記レーザ発生手段の出力ビームを２分割するビー
   ムスプリツタと，上記２分割したレーザビームの方向を
   移動物体上に交差させて照射し得るための複数のミラー
   と，上記二つの照射ビームの各々について移動物体の速
   度に応じたドツプラシフトを起した散乱光を一緒に受信
   するレンズ系と，上記レンズ系で受信したドツプラ信号
   を含む散乱光を電気変換する光検出器と，上記全ての構
   成品を収納する光学ベースと，上記光検出器の出力を増
   幅する増幅器と，上記増幅器で増幅された信号からドツ
   プラ周波数を検出するドツプラ周波数検出手段と，上記
   ドツプラ周波数検出手段の出力信号であるドツプラ周波
   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
   レーザドツプラ速度計において，上記レンズ系の結合点
   近辺に設けられ受信光に距離変調をかけるために振動す
   るピンホール付振動子と，上記光検出器の出力で得られ
   る上記ピンホール付振動子による輝度変調信号から上記
   移動物体と上記光学ベースまでの距離変動を検出する距
   離変動検出手段と，上記距離変動検出手段の距離変動検
   出信号から上記移動物体と上記光学ベース間の距離が常
   に一定になるように制御する倣い制御手段とを具備した
   ことを特徴とするレーザドツプラ速度計。
2. 【請求項２】上記レンズ系の結像点に設けた上記ピンホ
   ール付振動子を駆動する正弦波発振器と，上記光検出器
   の出力信号の中から上記ピンホール付振動子の振動周波
   数成分である輝度変調信号のみを選択増幅する選択増幅
   器と，上記移動物体と上記光学ベースの基準距離からの
   前後の距離変動によりレベルと位相が変化する上記選択
   増幅器の出力信号を上記ピンホール付振動子の振動位相
   基準である上記正弦波発振器の出力で位相検波する位相
   検波器と，上記位相検波器の出力信号を平滑するローパ
   スフイルタとから距離変動検出手段を構成したことを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のレーザドツプ
   ラ速度計。
3. 【請求項３】距離変動検出手段の距離変動検出信号を入
   力し，電力増幅するサーボ増幅器と，このサーボ増幅器
   の出力の正負に応じて正逆回転するサーボモータと，こ
   のサーボモータの回転運動を直線運動に変換する機構
   と，この直線運動に合せて摺動する上記光学ベースとか
   ら倣い制御手段を構成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第（１）項記載のレーザドツプラ速度計。