JPH10197330A - 振動計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋸歯状波に含まれるノイズ成分を有効に除去
し振動計測の精度を高めること。 【解決手段】 測定対象物から反射したレーザ光を観測
する光検出手段１０と、この光検出手段１０から出力さ
れた波形信号をデジタル信号に変換すると共に当該デジ
タル信号に基づいて鋸歯状波を検出する信号処理手段１
２と、この信号処理手段１２によって検出された各鋸歯
状波毎の波長に基づいて測定対象物の変位を算出する演
算手段１４とを備えている。しかも、信号処理手段１２
が、当該信号処理手段１２によって変換されたデジタル
信号を微分すると共に当該微分波形データを出力する微
分波形算出部２２と、この微分波形算出部２２によって
算出された微分波形の値がゼロとなる点を変化点として
直線で接続する第１の近似波形生成部２３とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動測定装置に係
り、特に、レーザ光を用いて非接触で測定対象物の振動
を測定する振動測定装置に関する。

【０００２】振動測定装置の測定対象は、エンジン、ボ
ディ、ドア、窓、マフラーなど、騒音や車体特性を測定
するときのみならず、ドリル、バイトなど加工機器の異
常振動の検出にも用いる。また、その他振動解析が必要
な種々の対象物を含む。

【０００３】

【従来の技術】従来より、車体の振動計測は、対象物に
設置する加速度ピックアップや、スリット光を用いたモ
アレ振動計により行っている。しかしながら、加速度ピ
ックアップは接触式であるため、センサや接続ケーブル
の重量が振動に影響を与え、このため、正確な振動測定
が困難となる。さらに、モアレ振動計では、全体の振動
傾向は判るが、対象物の振動の変位を測定することがで
きない。

【０００４】このため、出願人は、測定対象物から反射
したレーザ光を観測する受光素子１０と、この受光素子
１０から出力された波形信号を解析すると共に鋸歯状波
を検出する信号処理手段１２と、この信号処理手段１２
によって検出された各鋸歯状波毎の波長差に基づいて測
定対象物の振動方向の切り替わり時を算出する演算手段
１４と、この演算手段１４によって算出された切り替わ
り時情報に基づいて前記各鋸歯状波の波長を前記対象物
の変位データに変換するデータ変換手段１６とを備えた
振動計測装置を開発し、既に出願している（特願平８−
１８５５７６号）。

【０００５】図８はこの振動測定装置の概略構成を示す
説明図である。レーザ光源１０から照射されたレーザ光
は測定対象物１で反射し、受光素子としてのレーザ光源
で受光する。受光素子１０で受光したレーザ光は、測定
対象物の振動面の変位量に応じた鋸歯状波ｄとなる。鋸
歯状波は、振動面がレーザ波長の半分の距離（λ／２）
変位したとき、一波発生するため、この鋸歯状波の波数
を計数すると、測定対象物の変位を計測することができ
る。

【０００６】この鋸歯状波ｄは、増幅器１１で増幅さ
れ、Ａ／Ｄコンバータ２１でデジタル信号に変換され
る。プログラムへの入力信号波形はＡ／Ｄコンバータに
よりディジタル化された鋸歯状波の波形である。信号処
理手段や演算手段等として機能するコンピュータは、デ
ジタル化された鋸歯状波から測定対象物の変位を算出す
る。

【０００７】図９は鋸歯状波ｄと振動面変位の関係を示
す説明図である。鋸歯状波の周波数は被測定物の振動速
度に比例することから、装置全体としては鋸歯状波の波
長から単位移動量にかかる時間を求め、振動変位を算出
している。レーザドップラ振動計では、平均値を中心線
ｃとして使用し、中心線ｃを横切る間隔で、測定対象物
の変位（波長の１／２）を求めている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、信号処
理手段へ入力された信号にノイズ成分が含まれている場
合、このノイズが中心線ｃを上下してしまうと、測定対
象物に変位が生じたものと検出してしまう、という不都
合があった。

【０００９】正しく信号成分の波長の検出が行われない
と、出力結果である振動変位も意味がないものになって
しまう。

【００１０】この不都合に対し、従来のノイズ成分の除
去の手法としては、図１０に示すように、もとの入力信
号波形を任意の時間幅に含まれる波高値の平均の値で取
り出す平滑化処理が行われていた。

【００１１】しかしながら、平滑化処理では、ノイズ成
分の振幅減少に効果があるが、完全なノイズ成分の除去
ができない、という不都合があった。

【００１２】さらに、中心線付近にノイズ成分が存在す
る場合、平滑化処理後の波形でも中心線をまたぐ可能性
があり、この場合、誤検出してしまう、という不都合が
あった。

【００１３】さらに、ノイズ成分と同様に信号成分自体
も振幅のピークが削られるため、波形が鈍ってしまう、
という不都合があった。

【００１４】

【発明の目的】本発明は、係る従来例の有する不都合を
改善し、特に、鋸歯状波に含まれるノイズ成分を有効に
除去し振動計測の精度を高めることのできる振動測定装
置を提供することを、その目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、測
定対象物から反射したレーザ光を観測する光検出手段
と、この光検出手段から出力された波形信号をデジタル
信号に変換すると共に当該デジタル信号に基づいて鋸歯
状波を検出する信号処理手段と、この信号処理手段によ
って検出された各鋸歯状波毎の波長に基づいて前記測定
対象物の変位を算出する演算手段とを備えている。しか
も、前記信号処理手段が、当該信号処理手段によって変
換されたデジタル信号を微分すると共に当該微分波形デ
ータを出力する微分波形算出部と、この微分波形算出部
によって算出された微分波形の値がゼロとなる点を変化
点として直線で接続する第１の近似波形生成部とを備え
た、という構成を採っている。これにより前述した目的
を達成しようとするものである。

【００１６】信号処理手段が、光検出手段から出力され
た波形信号をデジタル信号に変換すると共に当該デジタ
ル信号に基づいて鋸歯状波を検出し、微分波形算出部
が、デジタル信号を微分すると共に当該微分波形データ
を出力するため、鋸歯状波の変化率を示す波形データが
算出される。そして、第１の近似波形生成部が、微分波
形算出部によって算出された微分波形の値がゼロとなる
点を変化点として直線で接続するため、鋸歯状波の振幅
の中心位置でのノイズによるズレが除去される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１８】〔第１実施形態〕図１は、本発明による振
動測定装置の構成を示すブロック図である。振動測定装
置は、測定対象物から反射したレーザ光を観測する光検
出手段１０と、この光検出手段１０から出力された波形
信号をデジタル信号に変換すると共に当該デジタル信号
に基づいて鋸歯状波を検出する信号処理手段１２と、こ
の信号処理手段１２によって検出された各鋸歯状波毎の
波長に基づいて測定対象物の変位を算出する演算手段１
４とを備えている。

【００１９】しかも、信号処理手段１２が、当該信号処
理手段１２によって変換されたデジタル信号を微分する
と共に当該微分波形データを出力する微分波形算出部２
２と、この微分波形算出部２２によって算出された微分
波形の値がゼロとなる点を変化点として直線で接続する
第１の近似波形生成部２３とを備えている。また、デジ
タル信号を微分する前に、鋸歯状波を平滑化し、周波数
の高いノイズ成分を除去するようにしてもよい。

【００２０】この第１の実施形態では、微分の計算を事
前に行い、大きく傾きが変わる点を抽出することで、ノ
イズの影響を除去している。

【００２１】図２（Ａ）は、Ａ／Ｄコンバータ２１から
信号処理手段に入力された鋸歯状波の一例を示す説明図
である。鋸歯状波の一波長ａ1は、測定対象物が１／２
波長分変位した時間を示す。本実施形態では、波長検出
用しきい値ｃと鋸歯状波が交差する点を基準としてこの
波長ａ1を求めている。

【００２２】しかし、図２（Ａ）に示すように、鋸歯状
波がノイズや平滑化処理により変形すると、波長検出用
しきい値ｃと鋸歯状波とが交差するときに、当該鋸歯状
波の波長が精度良く現れない。比較的精度良く現れると
考えられる変化点ｈ部分を基準とすると、波長検出用し
きい値ｃとの交差部分での波長はノイズにより変化して
しまう。

【００２３】このため、微分波形算出部２２は、図２
（Ａ）に示す鋸歯状波を微分して、微分波形を生成す
る。すると、微分値＝０の点が、鋸歯状波の変化点ｈと
なるため、変化点ｈを次々と直線で結ぶことで、第１の
近似波形生成部２３は、図２（Ｂ）に示す波形を生成す
ることができる。すると、符号ｂで示すように、中心線
付近に存在するノイズ成分を全て取り除くことができ、
このため、鋸歯状波の波長を精度良く抽出することがで
きる。

【００２４】〔第２実施形態〕図３は本発明による第２
の実施形態の構成を示すブロック図である。この第２実
施形態では、鋸歯状波の変化点ｈを判別するための微分
値に幅を持たせ、ノイズ成分による誤動作を低減させる
ものである。

【００２５】第２の実施形態による振動測定装置は、図
３に示すように、信号処理手段１２が、Ａ／Ｄコンバー
タによって変換されたデジタル信号を微分すると共に当
該微分波形データを出力する微分波形算出部２２と、波
形信号に含まれる微小変動の上下値に応じて定められる
一定幅のしきい値を設定するしきい値設定部２４とを備
えている。

【００２６】さらに、しきい値設定部２４によって設定
されるしきい値を微分波形算出部２２によって算出され
た微分波形の値の変化の方向に応じて上端値又は下端値
に変化させるヒステリシス特性補正部２５と、このヒス
テリシス特性補正部２５によって補正された上端値及び
下端値のしきい値を前記微分波形が共に越えた点を変化
点として直線で接続する第２の近似波形生成部２６とを
備えている。

【００２７】図４はヒステリシス特性を示す説明図であ
る。本実施形態では、ヒステリシス特性補正部２５が、
鋸歯状波の微分波形が下側からしきい値に接近する場合
と、上側からしきい値に接近する場合とで、しきい値を
変化させている。図４に示すように、中心値（微分値＝
０）ｊ1をしきい値として判定すると、符号ｋで示す二
点鎖線部分で、１波分波長の算出をしてしまうが、しき
い値を上端値ｊ2及び下端値ｊ3に変化させることで、二
点鎖線部分のノイズの影響を除去して波長の算出を行う
ことができる。

【００２８】すなわち、本実施形態では、誤動作をより
低減するために鋸歯状波の抽出にヒステリシス特性を持
たせたものである。微分値＝０を越えた時点で抽出を行
っていたものを、微分値が０付近を越えなければ反応し
ないようにした。

【００２９】微分値の判断を行う幅は、０を最小値とし
た任意の値に設定できるため、測定対象物の種類や、ま
た計測環境などによって定まるノイズ成分により可変で
ある。すなわち、しきい値設定部は、外部指令に基づい
てしきい値の幅を設定する。また、入力された鋸歯状波
を解析することでこのしきい値の幅を自動的に設定する
ようにしても良い。

【００３０】図５は第２実施形態によるノイズ除去の具
体例を示す説明図である。図５（Ａ）に示すように、鋸
歯状波の入力波形ｄに周波数の高いノイズ成分が含まれ
ているとき、この鋸歯状波を微分すると、図５（Ａ）に
示すようにノイズ部分に影響されて比較的大きい変動を
有する波形となる。第２の近似波形生成部が、この微分
波形をしきい値（微分値＝０）ｊ1に基づいて変化点ｈ
を抽出し、順次接続すると、図５（Ｂ）に示す波形ｆと
なる。このような波形では、図５（Ｂ）の符号ｍで示す
二点鎖線部分のように、波長を計測するためのしきい値
ｃとの交点で、ノイズ成分によって誤計測する可能性が
ある。

【００３１】しかしながら、本実施形態では、微分波形
から変化点を抽出するためのしきい値を「微分値＝０」
ではなく、ｊ2からｊ3まで幅を持たせ、ヒステリシス特
性によりこのしきい値を変化させているため、本来的な
変化点ｈのみが良好に抽出される。すると、ノイズ成分
の影響を除去して、波長の計測を行うことができる。

【００３２】また、変化点の抽出の条件として出力波形
ｆの振幅も考慮に入れるとよい。具体的には、前記第２
の近似波形生成部２６が、当該第２の近似波形生成部２
６によって生成された波形が予め定められた振幅に達し
ないときには当該変化点を削除する振幅別波形補正機能
２７を備える。すると、ある変化点の次の変化点までの
振幅が、一定の振幅に到達しない場合には、当該変化点
をノイズとして破棄する。このため、振幅も考慮に入れ
て、信号成分の振幅より大幅に少ない変化量の抽出も避
けることができる。

【００３３】図６は図３に示した構成での動作を示すフ
ローチャートである。鋸歯状波が入力されると、必要に
応じて平滑化処理を行う（ステップＳ１）。さらに、こ
の平滑化処理を行った鋸歯状波を微分し、微分波形を算
出する（ステップＳ２）。次いで、この微分波形から変
化点を抽出し、三角波に近似した波形を生成する（ステ
ップＳ３）。そして、波長検出用しきい値ｃを用いて当
該近似波形との交点を抽出し、波長を算出する（ステッ
プＳ４）。

【００３４】さらに、鋸歯状波を三角形近似波形に変換
した後、中心線を越える間隔で単位変位変化量を１つ変
化させ振動変位を算出している（図９参照）。振動方向
の切換点付近では、波長の１／２が大きくなるため、波
長の１／２を利用して振動方向の切換を判定し、変位の
累積方向を反転させる（ステップＳ５）。これを繰り返
すことにより、非接触で測定対象物の振動を計測する。

【００３５】〔第３実施形態〕図７は、入力波形と出力
波形の関係図である。図７では、入力波形を微分値の無
限大と０付近と−無限大とに分け、矩形波を出力させて
いる。図６に示した例と同様に、必要に応じて平滑化を
行った後、微分値により構成し直し、鈍りのない矩形波
を出力するため、入力波形にリンギング成分等の高調波
が含まれていても、ノイズ成分が全くない矩形波を出力
することができる。

【００３６】上述したように各実施形態によると、鈍り
のない三角波を出力することができる。抽出のための微
分値の判別にヒステリシスを持たせ、ヒステリシス幅を
変化させることでノイズに対する誤動作を少なくでき
る。さらに、抽出のための微分値や振幅変化量の設定を
変えることで、三角波以外の信号である矩形波やさらに
角の多い波形にも対応可能である。

【００３７】また、抽出のための微分値や振幅変化量の
設定により、完全にノイズ成分がのってない近似波形の
出力も可能となる。さらに、平滑化処理方式の後処理と
して使用することも可能である。

【００３８】

【発明の効果】本発明は以上のように構成され機能する
ので、これによると、微分波形算出部が、鋸歯状波を微
分すると共に当該微分波形データを出力し、第１の近似
波形生成部が、微分波形算出部によって算出された微分
波形の値がゼロとなる点を変化点として直線で接続する
ため、鋸歯状波の振幅の中心位置でのノイズや平滑化処
理によるズレを除去することができ、このため、計測対
象物や計測環境の変化にかかわらず、測定対象物の変位
を精度良く測定することのできる従来にない優れた振動
測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック
図である。

【図２】図１に示した構成での鋸歯状波のノイズ除去の
一例を示す説明図であり、図２（Ａ）は鋸歯状波の例を
示す図で、図２（Ｂ）はその変化点を抽出して接続した
例を示す図である。

【図３】本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック
図である。

【図４】図３で示したヒステリシス特性補正部の動作例
を示す説明図である。

【図５】図３に示した構成での鋸歯状波のノイズ除去の
一例を示す説明図であり、図５（Ａ）はノイズを含んだ
鋸歯状波の一例を示す図で、図５（Ｂ）は第１の実施形
態での処理結果を示す図で、図５（Ｃ）は第２の実施形
態での処理結果を示す図である。

【図６】図３に示した構成での動作例を示すフローチャ
ートである。

【図７】第３の実施形態による処理例を示す説明図であ
り図７（Ａ）は入力波形の一例を示す図で、図７（Ｂ）
は平滑化処理を行った波形を示す図で、図７（Ｃ）は微
分波形による変化点の抽出を行った波形を示す図であ
る。

【図８】レーザドップラ振動計の概略構成を示す説明図
である。

【図９】鋸歯状波と振動面変位の関係を示す図である。

【図１０】平滑化処理の一例を示す図で、図１０（Ａ）
はノイズを含んだ鋸歯状波の一例を示す図で、図１０
（Ｂ）は平滑範囲の一例を示す図で、図１０（Ｃ）は平
滑化後の波形を示す図である。

【符号の説明】

１０ 光検出手段 １２ 信号処理手段 １４ 演算手段 ２１ Ａ／Ｄコンバータ ２２ 微分波形算出部 ２３ 第１の近似波形生成部 ２４ しきい値設定部 ２５ ヒステリシス特性補正部 ２６ 第２の近似波形生成部 ２７ 振幅別波形補正機能

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象物から反射したレーザ光を観測
   する光検出手段と、この光検出手段から出力された波形
   信号をデジタル信号に変換すると共に当該デジタル信号
   に基づいて鋸歯状波を検出する信号処理手段と、この信
   号処理手段によって検出された各鋸歯状波毎の波長に基
   づいて前記測定対象物の変位を算出する演算手段とを備
   えた振動計側装置において、 前記信号処理手段が、当該信号処理手段によって変換さ
   れたデジタル信号を微分すると共に当該微分波形データ
   を出力する微分波形算出部と、この微分波形算出部によ
   って算出された微分波形の値がゼロとなる点を変化点と
   して直線で接続する第１の近似波形生成部とを備えたこ
   とを特徴とする振動測定装置。
2. 【請求項２】 測定対象物から反射したレーザ光を観測
   する光検出手段と、この光検出手段から出力された波形
   信号をデジタル信号に変換すると共に当該デジタル信号
   に基づいて鋸歯状波を検出する信号処理手段と、この信
   号処理手段によって検出された各鋸歯状波毎の波長に基
   づいて前記測定対象物の変位を算出する演算手段とを備
   えた振動計側装置において、 前記信号処理手段が、当該信号処理手段によって変換さ
   れたデジタル信号を微分すると共に当該微分波形データ
   を出力する微分波形算出部と、前記波形信号に含まれる
   微小変動の上下値に応じて定められる一定幅のしきい値
   を設定するしきい値設定部と、このしきい値設定部によ
   って設定されるしきい値を前記微分波形算出部によって
   算出された微分波形の値の変化の方向に応じて上端値又
   は下端値に変化させるヒステリシス特性補正部とを備
   え、 このヒステリシス特性補正部に、当該ヒステリシス特性
   補正部によって補正された上端値及び下端値のしきい値
   を前記微分波形が共に越えた点を変化点として直線で接
   続する第２の近似波形生成部を併設したことを特徴とす
   る振動測定装置。
3. 【請求項３】 前記前記第２の近似波形生成部が、当該
   第２の近似波形生成部によって生成された波形が予め定
   められた振幅に達しないときには当該変化点を削除する
   振幅別波形補正機能を備えたことを特徴とする請求項２
   記載の振動測定装置。