JPS5991322A

JPS5991322A - 振動測定装置

Info

Publication number: JPS5991322A
Application number: JP20108982A
Authority: JP
Inventors: Kimio Yamada; 山田　喜美雄
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-11-18
Filing date: 1982-11-18
Publication date: 1984-05-26
Also published as: JPH025249B2

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】〔発明の利用分野〕本発明は、機械などの振動を非接触で測定ｉ’Ｊ’　ｆ
ｉｔ：にした振動測定装置に関する。

〔従来技術〕

光学の分野に、スペックルパターンと呼ｔ」、れるパタ
ーンが存在する。このスペックルパターンとは、物体に
照射したレーザの敵乱光が干渉して作る明暗の斑点模様
を云う（０ＰＴＩＣＡ　ＡＣ’ｌＡ　ＶＵＬ、　２４゜
ＮＯ，７，７０５〜７２４．１９７７）。かがるスペッ
クルパターンは、照射物体の変位に比例してルｂくこと
がｆく知られてい−る。このスペックルパターンが′１
勿体の変位に比例して動くことを利用し、相関法によシ
変位量を測定する方法がある８この方法では、アレイセ
ンサで検出されたパターンの変位前後の相関から変位量
を求める。振動の場合、変位量が時間と共に変化するた
め、最大変位を求めるためには、振動周期よシも速く相
関を計算する必要があるが、現在の時点では、技術上不
可能である。

従って、上記方法は物体の振動測定には事実上適用でき
ない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、スペックルパターンによる物体の振動
測定を可能にした振動測定装置を提供するものである。

〔発明の概要〕

スペックルパターンは、３次元分布をなし、照射面が照
射レーザの波長以上の凹凸を持つ場合に発生する。第１
図に物体振動測定の原理図を示す。

物体１は図の矢印上方向に振動しているものとする。且
つ照射レーザ光が矢印方向から物体１に照射する。この
レーザ光の照射によって物体の照射面から散乱光が発生
し、スペックルパターン２が発生する。このスペックル
パターンは照射面の振動方向と同一方向に振動し、その
夏位員は物体の振動振幅に比例する。

かかるスペックルパターンの発生位置に２つの光センサ
２１，２２を設ける。この２つの光センサ２１と２２と
は、振動方向にその光゛取面が位置するように配置軸層
はｌ闘以下の距離に２１と２２とをおく）され、且つこ
の２つの光電面で振動するスペックルパターンの検出を
行う。第２図に、その各部波形を示す。物体ｌは、第２
図に示すように正弦波（又は余弦波）の如く振動してい
るものとする。かかる物体１の振動に対して、第２図に
示すようにセンナ２１．２２は、スペックルパターンの
検出を行う。尚、このセンサ２１，２２の検出信号は、
本来、直流成分を含むものであるが、ｗ、２図の検出信
号では、この直流成力の除去をはかシ、交流成分のみを
開示している。考え方としては、直流成分を除去する回
路をセンサ２１゜２２の出力側に設けておき、この回路
の出力が第２図に示す如きものになったとみてよい。

この検出波形で、受光面にスペックルが存在する時は、
出力が正に、その逆は負になるため、スペックルと検出
波形の山は一対、−に対応している。

今、センサ２１と２２との振動方向での間隔が、Δｔと
すると、１１」−のスペックルが検出される時間遅れΔ
ｔは、即ち、第２図に示す対応する山の時間ずれは、となる。ここで、Ｖはスペックルの移動速度である。

従って、物体ｌの一方向振動時（振動波形の山から谷ま
でに相当）に光センサ２１．２２で得られる信号間の相
関を求めることでΔｔが測定でき、（１）　　式を利用
してスペックルの移動速度Ｖが求まる。、物体の変位Ｘとスペックルの変位Ｘとの間には次式が成
立つ。

ここで、Ｌ、は、物体１からセンサ２１，２２までの距
離、Ｌ、はレーザ光の波面の曲率半径（レーザの共振器
の中心から物体照射面までの距離である。共振器間隔よ
シも出力から照射面までの距離が大きい時に成立。小さ
い時は別）、θはレーザ光と物体の法線のなす角である
。レーザ光を物体にはぼ垂直に照射すれば、ｃｏｓ”　
θ中１となる。この関係ヲ（２）式に代入し、時間微分
すれば、となる。今、・物体が単一周期で振動している
場合変位Ｘは、ｘ　＝　ｘ　ｅ　１１１１１　ωｔ　　　　　　　　　
　　　−・＜４）となる。但し、ｘ、は変位の最大振幅
値である。

従って、（４）式よシ速度Ｖは、ｖ　＝　ｖ　、ωｃｏｓωｔ　　　　　　　　　　　・
（５）となる。これから、スペックルの移動速度の最大
値Ｖ、は、となる。スペックルが最大移動速度Ｖ、で動いている時
、即ち、変位の中心でのΔｔ、を求めれば、（１）、（
６）式から最大変位Ｘ、は、となる。従って、スペック
ルの最大移動速［Ｖ。

に対する時間遅れΔ【、と角周波数ωが求まれば、（７
）式から変位がかわる。

第２図から明らかなように、スペックルの移動速度は、
変位の中心Ｐ３で最大になり、両端Ｐａ。

Ｐ２では速度が零になる。従って、検出器信号は、振動
の両端、即ち振動波形の山（Ｐｌ　）と谷（Ｐりでは直
流成分のみとなり、変位の中心Ｐ３では周波数が高くな
る。センサ検出信号の交流成分のみを検出し、全波整流
後、包絡線検波すると、振動波形の山又は谷が、包絡線
信号の０（ｖ）に対応する。

従って、包絡線波形がＯ（Ｖ）から立上る時にパルス信
号を出せば、パルス間隔は振動の半周期に一致する。又
、パルスの発生周期から物体の振動数ｆが求まる。スペ
ックルの最大移動速度は、上記パルス間の検出波形に、
その中央に大きなウェイトを置くような重み関数（例え
ばｓｔｎ　’　　θ・）を乗じた後に相関金地ることで
求まる。

物体１が往復運動する場合、同一スペックルがセンサ間
を通過する時間遅れΔｔは、往きと帰りで逆になる。従
って、数周期に渡って相関を取ると、相殺されて相関の
度合が悪くなる。そのため、振動の一方向運動時の検出
器信号のみ全取り出し、相関金地ることが重要である。

以上の方法によれは、物体の振動周期と変イｓ’ｔ−ｋ
遠隔で測定できる。

〔発明の実施例〕

第３図は本発明の遠隔振動ａｔ＋＋定装置の実施例を示
す図である。光センサ４１．４２は、第２図の光センサ
２１，２２に相当する。光ファイバ３１゜３２の一端は
、スペックルパター／を検出すべく位置固定し、他端は
、光センサ４１，４２の光重面に突き合せておく。これ
によって、光ファイバ３１．３２の一端でのスペックル
パターンが該ファイバ自身に取込まれ、ファイノ（内を
伝達され、光センサ４１，４２は　この伝達光全検出す
る。

光センサ４１，４２の出力は、振動の両端では直流とな
り、相関を取る上で、及び振動の半周期を求める上での
妨けとなる。

フィルタ５１．５２は、以上の直流成分を除去する機能
を持つ。一方のフィルタ５１の出力は、半周期分析器６
に入力し、他方のフィルタ５２の出力はトランジェント
レコーダ９に入力する。

半周期分析器６は、振動変位の両端に対応するパルス信
号を作る。このパルス信号の発生間隔から振動の周期１
１が求まる。更に、このパルス信号は、トランジェント
レコーダ９へ送られ、信号取込み、及び終了の制御に供
する。

トランジェントレコーダ９は、半周期分析器６からのト
リガー信号で、光セン・す”４１．４２の出力信号で且
つフィルタ５１．５２によってフィルタリングされた交
流信号を取込み、次のトリガーで記録を停止する。

トランジェントレコーダ９は、基本的には２つのメモリ
よυ成る。第１のメモリは、フィルタ５１の出力をサン
プリングして格納するメモリである。

第２のメモリは、フィルタ５２の出力をサンプリングし
て格納するメモリである。この２つのメモリの出力は、
相関器９に送られ、相関入力となる。

トランジェントレコーダのサンプリング周期は、測定す
べき振動数の上限で決まり、ｌｃｈ当りの記録容量は振
動数の下限で決まる。今、１０ｉ１ｚからＩＫＨ！まで
の範囲の振動を測定する場合を考える。物体が１方向に
変位した場合に、光センサの受光面を横切るスペックル
の数は、約１０細根度である。従って、光センサ出力の
最大周波数は２０ＫＨｚであるため、その波形を十分模
擬するだめには、２００ＫＨｊ、即ち５μｓでサンプリ
ングする必要がある。１０　ＨＺの振動の半周期分、即
ち５９ｍ５分のデータを記録するには、ＩＣｈ当り１０
にワード、即ち２０にワードの記録容量が必要となる。

従って、トランジェントレコーダの性能としては、す〉
′ブリング周期５μｓ、記憶容量２０にワードが必要で
ある。この場合、振動周期によシ、信号の記録される容
量が異なるため、データを収録した最終メモリ番号Ｎを
記憶して置き、その情報を椙等に相関器７に送る。相関
器７では、信号が記録されているメモリのデータのみを
取り込む。例えば、ｌＫＨ２の振動の場合には、ｌｃｈ
当シー００点のデータが記録される。即ち、Ｎは１００
である。スペックルの最大移動速度を求めるために信号
の中心にウェイトラ持ち両端で０になる重み関数を収録
データに乗する。重み関数としては、例えば、５−−Ｉ
が用いられる。相関器７のメモリ内に記録されたデータ
に上記重み関数を乗じた後に、相互相関を求める。相互
相関が最遅れΔｔ、と半周期分析器６で求めた振動周期
Ｔから変位Ｘ、を求める。

第４図は、半周期分析器６の詳細なブロック図である。

半周期分析器６に入力される信号は、第４図に示すよう
な変調を受けだ交流信号である。

入力信号は、全波整流回路６１で全波整流され、検波回
路６２で包絡線処理される。この包絡線波形は、変調信
号の１／２周期に一致し、波の谷の部分は、第２図から
明らかなように変位のどちらか一方の端に対応する。立
上シ時パルス発生回路６３は、ノイズレベルよυ高電位
に設けた比較レベルを包絡線波形が低電圧側から高電圧
側に越えた時にパルスを発生する。比較レベル（図の点
線で示すレベル）をできるだけアース電位に近づけるこ
とにより、パルス間隔は、変調波の１／２周期に一致し
、又、変位の一方向運動期間に対応する。従って、この
パルス全トランジェントレコーダ９に送シ、信号域シ込
みと停止のトリガーパルスに使用する。周期分析器６４
は、パルス間隔から変調波の周期を求め、変位測定器８
へ送る。

第５図は、本発明の別の実施例を示すブロック図である
。光信号の検出から交流成分の取り出しまでは第３図で
説明した手段と同じである。図中９１ｄ）？ンジエント
レコーダ、ｉｏｉ、ｔマイクロコンピュータである。ト
ランジェントレコーダ９は、信号を一定周期でサンプリ
ングすると同時に、古いデータを時系列順に捨てている
。マイクロコンピュータ１０の命令により、データの取
シ込み、停止をする。マイクロコンピュータｌＯは、ト
ランジェントレコーダ９のデータを取シ込み、第３図の
実施例で示した処理と同じ処理をソフトウェアで実行す
る。以下、その動作手順について説明する。トランジェ
ントレコーダ９のサンプリング周期は前述したように５
μｓ１容量は、変調波の半周期分が必ず記録されている
必要があるため、一周期分、４０にワードである。チャ
ンネルｌ。

２のＩ　’ｔｌ’ｆ目のメモリの値ｔＡ（Ｉ）、１３（
１）とする。マイクロコンピュータ１０は、チャンネル
ｌのデータＡ（Ｉ）を取り込み、変調波の半周期分を取
り出す操作をする。

まずＡ（Ｉ）の絶対値Ａ　’　（Ｉ）＝　Ｉ　Ａ（Ｉ月
を求め、Ａｏ（Ｉ）の微分係数が０になる点、即ち交流
波形の山又は谷に当たる点Ｉｋｉ求める。ＩｋとＩｈ＋
＋の間の点■１に対する値Ａ’（ＩＪ）は内挿、によっ
て新しく求める。この結果、Ａ’（Ｉ）は、又流信号の
包絡線波形に一致する。Ａ’（Ｉ）の最大値Ａ　ｒｎの
１／１０に設定したレベルＡｔ−Ａ、Ｓ／ｌＯを一側か
ら＋側へ越えた点全順に、Ｍｌｌ・・・、　Ｍ　Ｌとす
る。変調波の振動周期Ｔは、Ｔ＝（ＭＬ−Ｍｌ）Ｘ　１
０−’／（Ｌ−１）と求まる。

トランジェントレコーダ９のＡ（Ｍｌ）〜（Ｍ　ｇ）　
。

Ｂ（Ｍｌ）〜Ｂ（Ｍｘ）までのデータをマイクロコンピ
ュータ１０内のメモリ、Ａ（０）〜Ａ　（１０。

Ｂ（０）〜Ｂ（Ｋ　）　、　　（Ｋ＝Ｍ２−Ｍ凰）にそ
れぞれ取シ込む。スペックルの移動速度が最大の時の相
関を求めるため、変位の両端で０、中心で１となる重み
関数、例えば、ｇ（Ｉ）＝ＳＩｎ’　　（πＩ／Ｋ）　
ｆｃ−Ａ（Ｉ）。

Ｂ　（Ｉ）に乗じ、相互相関を求める。相互相関々数几
（Ｊ）は次式で定義される。

几（Ｊ）＝Σｇ（Ｉ）Ａ（Ｉ）ｇ　（Ｉ−Ｊ　）Ｂ　（
Ｉ−Ｊ）・・・（８）１ｍ（１１（、（Ｊ）が最大になる時のＪ’ｚＪ−とする。検出
信号間の時間遅れΔｔ、は、ΔＬ　＝０．５Ｊ、　ｘ　
１０−’　　となる。角振動数ωは、ω＝２π／Ｔであ
ることから、振動周期Ｔと時間遅れΔｔａｆ：用い、（
７）によシ振動の変位量Ｘ、が求まる。以上説明した動
作手順全第６図に示す。

第７図は、本発明による遠隔振動６１す定装置をタービ
ンロータ軸受けの振動測定に適用した場合の説明図であ
る。図中、１２０は、遠隔振動測定装置、１３０は、レ
ーザ、１４０は回転軸、１５ｏ。

１５１は軸受、１６０はタービン翼である。レーデの光
を振動測定対象（軸受部）に照射する。粗面から散乱さ
れた光は空間上で干渉し、光フアイバケーブル３１．３
２の受光面にスペックルパターンを生じる。軸受１５０
がレーザ光に垂直方向に振動することによシ、スペック
ルパターンも同方向に振動する。スペックルパターンの
振動によるスペックルの通過に従い、光センサ４１，４
２で交流信号が検出される。遠隔振動測定装置１２０で
は、前述した手段により軸受１５０の振動数と変位量が
算出される。本方法の特徴は、１ｍ程度離れた位置から
振動が非接触で測定できること、又、光学系が非常に単
純なためｉ周整が容易なことである。従って、従来測定
が不０■能であった同温、狭あい部の振動測定（例えば
、タービンロータ軸受）が可能になる。

以上の各実施例では、光センサの事例として光電変換素
子の事例を示したが、代りにホトマル（光電子増倍管）
ｆ：使用することもできる。微小な光であるスペックル
パターンの検出にはホトマルは適している。イメージセ
ンサ（ラインセンザ）も使用できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、離れだ点（例えば
１ｍ程度）から非接触振動測定が可能になることから、
高温部や狭あい部の測定ができ、振動の測定対象範囲が
拡大する。これにより、従来不可能だった機器の診断が
でき、故障や損傷を未然に防ぐことができるため経済性
や稼動率の向上に寄与できる。又、本装置は光学系が簡
単なため、従来の光学測定器につきまとった調整が不曹
などの特徴があり、測定のための装置配置が短時間でで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、レーザスペックル法による振動測定の概略図
、第２図は、光センサ信号の特徴と振動波形とを示す概
略図、第３図は、本発明になる一実施例を示すブロック
図、第４図は、半周期分析器の詳細なブロック図、第５
図は、本発明の別の実施例を示すブロック図、第６図は
、マイクロコンピュータで振動数と変位を計算するため
の手順を示す流れ図、第７図は、本発明をタービンロー
タ軸受の振動測定に適用した時の概略図である。３１．３２・・・光フアイバーケーブル、４１．４２・
・・光センサ、５１．５２・・・フィルター、６・・・
半周期分析器、７・・・相関器、８・・・変位測定器、
９・・・トランジェントレコーダ、６１・・・全波整流
回路、６２・・・検波回路、６３・・・立上シ時パルス
発生回路、６４・・・周期分析器、１０・・・マイクロ
コンピュータ、１２０・・・遠隔振動測定装置、１３０
・・・レーザ、１４０・・・回転軸、１５０，１５１・
・・軸受、１６０・・・タービ代理人　弁理士　秋本正
実第４図第５０結６図

Claims

【特許請求の範囲】１、往倶運動をしている物体にレーザ元金照射しＭｅＪ
体からの反射光の中の測定壁間上での近接２点における
光強鼓葡検出する第１の手段と、該手段からの各点対応
の検出信号から変死成分のみを取出す手段と、核２つの
変流信号の中の一方の包絡線の周期金求め、包絡線波形
の谷ごとにパルス１ば号音出力する第２の手段と、咳パ
ルス侶号から次のパルス信号までの２つの交流信号に両
端で０、中央で１に規格化した重み関数を乗じ、それら
の相互相関が最大になる時間差を求める第３の手段と、
該求めた時間差と前記包絡線の周期とから物体の振動の
変位量を求める第４の手段と、より成る指動測定装置。２、上記測定壁間上での光は、散乱光によるスペックル
パターンであり、近接２点とは該スペックルパターンの
物体振動に伴うパターンの変位位置とする特許請求の範
囲第１項記載の振動測定装置。３、上Ｒｔ２第１の手段でｅ」１、上記近接２点の位置
に光ファイバの一端を設け、該光ファイバの他端音光検
出手段の受光面に突き合せ、該光検出手段によって近接
２点の位置での光を検出することによって光強度検出を
行う檜成とする％ｆｆ請求の１・゛へ間第１ＪＲ記載の
振動測定装置。４、上記光検出手段は、ホトマルよシ成る特ｔと１＝請
求の範囲第３項記載の振動測定装置。