JPS60119409A - 変位測定方法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は被測定物にマイクロ波を投射し、その送信波と
、被測定物からの反射波との位相差を利用して被測定物
の変位を測定する方法に関する。

〔従来技術〕

被測定物の変位を測定する方法としてはマイクロ波を被
測定物へ向けて投射し、その反射波と送信波との位相差
を利用する方法が知られている。

その方法には、Ｄｏｕｂｌｅ　５ｉｄｅｂａｎｄ　Ｗｉ
ｔｈ　ＣａｒｒｉｅｒＰｒｅｓｅｎｔ方式＋　Ｄｏｕｂ
ｌｅ　５ｉｄｅｂａｎｄ　Ｗｉｔｈ　５ｕｐｐｒｅｓｓ
ｅｄＣａｒｒｉｅｒ方式、　Ｓｉｎｇｌｅ　５ｉｄｅｂ
ａｎｄ　Ｗｉｔｈ　ＣａｒｒｉｅｒＰｒｅｓｅｒ＋を方
式、　Ｓｉｎｇｌｅ　５ｉｄｅｂａｎｄ　Ｗｉｔｈ　５
ｕｐｐｒｅｓｓｅｄＣａｒｒｉｅｒ方式等があり、これ
らにはいずれも位相器が用いられている。

然るごとくマイクロ波帯の位相器はその回路が複雑であ
り、高価についていた。このためこのような測定方法に
より工業計測を行うにはその回路のコスト上、計測通用
範囲が限定されてしまい好ましくなかった。

〔目的〕

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その
目的とするところ心Ｊ低周波帯の移相器を用いることに
より回路を簡潔にし、これに伴い取扱いを容易とし、ま
た信頼度を高め得る変位測定方法を提供するにある。

〔構成〕

本発明に係る変位測定方法は、被測定物へ向ｉ−１での
マイクロ波の送信波と、それからの反射波との位相差を
利用して被測定物の変位を測定する方法において、低周
波にて周期的変調をかけたマイクロ波をアンテナ良導き
、被測定物へ投射し、また該アンテナにて反則波を受信
し、送１受信波の混合波を検波し、検波信号の奇数次で
あるｎ次高調波成分及び２ｎ次高調波成分を抽出し、一
方、前記低周波を９０°移和して第１移相信号を得、ま
た、その倍周波の第２移相信号を得、第１移相信号とｎ
次高調波成分の信号とを掛算し、これによって得られた
信号と２ｎ次高調波成分の信号とを加算して加算信号を
得、該加算信号と第２移相信号との位相差を検出し、こ
の位相差に基づき被測定物の変位をめることを特徴とす
る。

〔実施例〕

以下本発明を図面に基づき具体的に説明する。

図面は本発明の実施状態を示す模式図であり、図中１は
Ｍｔｌｚオーダーの低周波発振器、２ばマイクロ波発振
器を夫々示している。マイクロ波発振器２の送信波は低
周波発振器１からの発振波（Ｂａｓｉｎ（ωｍ　ｔ）〕
により周波数変調されており、送信波ｅ５ば導波管３を
介して導波管３の先端に取付けられたアンテナ４へ送ら
れる。該アンテナ４は被測定物Ａに向けられている。前
記導波管３の中途にはハイブリッド結合器１５が設げら
れており、ハイブリッド結合器１５には２乗特性の検波
器５の入力端子が接続されている。

検波器５はマイクロ波発振器２からの送信波ｅ３及び被
測定物Ａからの反射波ｅｒの混合波を検波し、検波信号
ｅｏを０次高調波を抽出する第１帯域フイルター６及び
それに対応した２０次高調波を抽出する第２帯域フイル
ター８へ送る。第１帯域フイルター６から得た信号は第
１増幅器７にて増幅されて掛算器１０へ与えられ、第２
帯域フイルター８から得た信号は第２増幅器９にて増幅
されて加算器１１へ与えられる。

前記低周波発振器１の発振波（Ｅｏｓｉｎ（ωｍｔ））
は９０°移相器１２へ与えられ、ここで９０°移和され
てその移相信号が掛算器１０に与えられている。掛算器
１０ば第１増幅器７からの信号Ｅ１と９０°移相器】２
からの移相信号とを掛算し、その信号を加算器１】へ与
える。

加算器１１ば第２増幅器９からの信号Ｅ２と掛算器１０
からの信号とを加算し、加算信号Ｅ３を位相比較器１４
へ与える。

前記９０°移相器１２が出力する移相信号は倍調波発生
器１３へ与えられ、前記移相信号の倍周波を有する信号
が作成されて、これが位相比較器１４へ与えられる。

位相比較器１４は加算器１，１からの信号Ｅ３と倍調波
発生器１３からの信号との位相を比較して位相差を検出
し、検出信号を出力する。

次に本発明の測定原理につき説明する。送信波ｅｓはマ
イクロ波発振器２からのマイクロ波が低周波発振器１か
らの発振波により周波数変調されたものであるので、そ
の角周波数ωを式で表せば下記（１）式にて示される。

ω−ωθ十２・Δω・ｓｉｎ　（ωｍｔ）　・・・（１
）但し、ωｍ　：中心周波数（ω０　＞　ωｍ）Δω：
周波数変化幅 このような送信波が検波器５へ入力される。このときの
送信波ｅｓは下記（２）式で表される。

ｅｓ　−Ｅｓ　−５ｉｎ　（ωｔ）　−（２１但し、Ｅ
ｓ　：送信波の振幅 被測定物Ａからの反射波ｅｒについては、送信波が検波
器５からアンテナ４までの間を往復することによる位相
遅れ分をα、またアンテナ４が送信波を出力して被測定
物Ａからの反射波を捉える間の位相遅れ分をφとすると
、反射波ｅｒは下記（３）式にて示される。

ｅｒ　＝Ｅｒ　−５ｊｎ　（ωｔ−φ−α’）　−（３
１但し、Ｅｒ　：反射波の振幅 検波器５ば信号ｅｓとｅｒとを混合して入力しているの
で、２乗特性の検波器５ば下記（４）式にて示される信
号ｅ。を出力する。

ｅｎ　−ｋ　（％Ｅｓ”　十％Ｅｒ′！＋Ｅｓ　−Ｅｒ
　−ｃｏｓ　（φ十（Ｘ）　）−（４１但し、ｋ：検波
器の感度 いま、アンテナ４から被測定物Ａまでの距離をＸとする
と、位相遅れφは下記（５）式にて表され、し 但し、Ｃ：マイクロ波伝搬速度 この（５）式に前記（１１式を代入するとφは（６）式
となる。

・・・（６） 一−−−−−−−−−−−−−りとすると、ｃｏｓ　φ
は下記（７）式にて表される。即ち、 ｃｏｓ　ψ＝ｃｏｓ　（φｔ＋　＋Ｄ−ｓｉｎ　（０ｍ
　ｔ）　１”’ＣＯ３φｏ　５ｃｏｓ　ｆＤ３ｓｉｎ　
（ωｍｔ））−ｓｉｎ　ψａ　・ｓｊｎ　（Ｄ−ｓｉｎ
　（ωｍｔ））＝、Ｌ　（Ｄ）　・ｃｏｓ　φｏ　＋２
・ｃｏｓ　φ０〜 ・ｓｉｎ　ｆ　（２ｎ＋　１　）ωｍｔ）　・・・（７
）但し、Ｊｏ　（Ｄ）、Ｊｚｎ　（Ｄ）、、Ｊ？ｎ＝ｔ
　（Ｄ）は第１種へソセル関数 したがって、（７）式に示されるような合成波である前
記（４）式の検波器出力信号ｅｏば下記（８）式にて示
される。

（（Ｑ−ｚ・ｋＨ（Ｅｓ　２　＋Ｅｒ　”　）＋に−Ｅ
ｓ−Ｅｒ［、Ｊｏ（Ｄ）・ｃｏｓφΩ−２・Ｊ＋（Ｄ）
・５ｉｎ（φｏ−）α）・ｓｊｎ　（０ｍ　ｔ）　＋２
・Ｊｚ　（１））　・ｃｏｓ　（φθ十α）　・ｃｏｓ
　（２ωｍ　ｔ）−２・、Ｊ３　（Ｄ）−ｓｒｎ　（φ
０　＋α）　・ｓｉｎ　（３ωｍｔ）　→−・・・〕・
・・（８） 検波器５の出力信号ｅ。は奇数次である０次高調波を抽
出する第１帯域フイルター６及び２０次高調波を抽出す
る第２帯域フイルター８へ送られるので、例えばｎ−１
とすると第１．第２帯域フイルター６．８は夫々ωｍ、
２ωｍの角周波数の信号を抽出する。更に抽出信号は夫
々ゲインＧ＋。

Ｇ２の第１．第２増幅器７．９へ送られ、第１゜第２増
幅器７，９ば夫々の入力信号を増幅して下記＋９１．１
Ｉｆｌ１式にて示される信号Ｅ＋　、Ｅ２を出力する。

Ｅ＋　−２−に−Ｅｓ　−Ｅｒ　’Ｊｌ　（Ｄ）　・Ｇ
＋−５ｉｎ　（０ｍ　ｔ）　・ｓｉｎ　（φθ＋α）−
（９１Ｅ２　＝２・ｋ−Ｅｓ　−Ｅｒ　−Ｊｚ　（Ｄ）
　・Ｇ２−ｃｏｓ（２ωｍｔ）・Ｃ０３（φ、＋α）−
００１信号Ｅ２はそのまま加算器１１へ送られる。一方
の信号Ｅ１ば掛算器１０へ送られ、ここで低周波発振器
１からの発振波（Ｅｏｓｉｎ（ωｍｔ））が９０゜移相
器１２により９０°移相された信号（Ｅｏｃｏｓ（ωｍ
ｔ））と１１算されて加算器１１へ送られる。

加算器１１は信号Ｅ２と掛算器１０からの信号とを加算
し、下記（１１）式で示される加算信号Ｅ３を位相比較
器１４へ送る。

Ｅ３　＝Ｅ＋　・ｃｏｓ　（ωｍｔ）　４−Ｅ２−に−
Ｅｓ　−Ｅｒ　・　（２・Ｊｚ　（Ｄ）　・Ｇ２−ｃｏ
ｓ（２ωｍｔ）祷ｃｏｓ（φ（、＋α）−２・、Ｊ＋　
（Ｄ）　・Ｇ＋　・ｓｉｎ　（０ｍ　ｔ）−ｓｉｎ　（
φθ　＋α）　・ｃｏｓ　（ωｍｔ））−に−Ｅｓ　−
Ｅｒ　・　〔２・Ｊｚ　（Ｄ）・Ｇ２−ｃｏｓ　（２ω
ｍｔ）　争ｃｏｓ　（φＯ→−α）Ｊ＋　（Ｄ）　・Ｇ
＋　・ｓｉｎ　（２ωｍ　ｔ）・ｓｉｎ　（φ０　＋α
）〕　・・・（１１）さて、予め第１．第２増幅器７，
９のゲインＧ＋。

Ｇ２を被測定物Ａの変位範囲に応じて夫々の増幅レベル
Ｇ。が Ｇｏ　＝Ｊ＋　（Ｄ＞　・Ｇ＋≧２　・Ｊｚ　（Ｄ）　
・Ｇ２を満足するように調整しておくことにより上記（
１１）式の加算信号Ｅ３は下記（１２）式で表される。

Ｅ３　＝に−Ｅｓ　−Ｅｒ　−Ｇ１　−ｃｏｓ　（２ω
ｍｔ十φ。＋α）　・・・（１２） ０ 一方、位相比較器１４へ送られる倍調波発生器１３の出
力信号は、９０°移相器１２の出力信号Ｅ。・ｃｏｓ　
（ωｍｔ）を倍周波したものであり、Ｅｎ　・ｃｏｓ（
２ωｍｔ）である。したがって位相比較器１４へ与えら
れる信号の角周波数は共に２ωｍとなっている。位相比
較器１４は倍調波発生器１３からの信号ＥＯ−ｃｏｓ　
（２ωｍ　ｔ）と前記（１２）式で示される加算信号Ｅ
３との位相を比較して位相差を検出し、検出信号を１１
１力する。つまり出力信号として番：１φ。→−αが得
られる。

測定位相φ。十αには２π毎の任意性があるので、これ
から距１ｉ１１ｔ　ｘを決定することばできないが、α
は検波器５〜アンテナ４間距離により一定であるので、
位相変化Δφ。より被測定物Ａの変位ΔＸを知ることが
できる。即ち変位ΔＸは である。

なお、上記測定原理のところでは抽出波として第１種ヘ
ソセル関数がＪ＋　（Ｄ）、Ｊ２　（Ｄ）の１ ものをフィルターにより抽出しているが、これ以外のも
のを抽出してもよく、その抽出波を用いても本発明は実
施できる。そして距離Ｘに応して感度の良い抽出波を使
用すればより精度の良い測定ができる。また上記説明で
はマイクロ波として正弦波を使用しているが、本発明は
これに限らず他の矩形波、三角波等を用いてもよく、矩
形波、三角波等を用いても同様の結果が得られることば
勿論である。

次に実施例に基づき本発明の効果について説明する。マ
イクロ波発振器２にはバラクタ同調ガン発振器を、また
アンテナ４には１５ｄＢオブテイマムホーンを用い、ア
ンテナ４を０．５ｍ程度離れた０、５ｍ　Ｘ　０．５ｍ
の鋼板である被測定物Ａに向け、中心周波数ωＤ／２π
：　１０．５２５ＧＩＩｚ　、中心波長λ：約２８．５
ｍｍ、周波数変化幅Δω／　２　ｎ　：　ｌＯＭＨｚ　
、出カニ約１０ｍＷのマイクロ波を送信して鋼板の変位
測定を行った。

その結果、分解能として１０μｍ、また最大変位１４．
２５　ｉｎに対する装置位相変化出力のりニアリティ±
０．１真ｍ以下を得た。

〔効果〕

以上詳述した如く本発明に係る変位測定方法は、低周波
にて変調したマイクロ波を用いるので移相器は低周波の
ものでよく、しかも移相角度が９０゜と固定しておけば
よいから回路構成が簡潔であり、また測定のための取扱
いが容易であり、更に信頼度が高く、また十分高精度な
測定が可能である。

そして本発明による場合は安価な測定装置を提供できる
等本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施状態を示す模式図である。 ■・・・低周波発振器　２・・・マイクロ波発振器３・
・・導波管　４・・・アンテナ　５・・・検波器６．８
・・・第１．第２帯域フイルター　７．９・・・第１、
第２増幅器　１０・・・掛算器　１１・・・加算器１２
・・・９０°移相器　１３・・・倍調波発生器　１４・
・・位相比較器 特　許　出願人　住友金属工業株式会社代理人　弁理士
　河　野　登　夫 ３ ■ｉ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■、被測定物へ向けてのマイクロ波の送信波と、それか
   らの反射波との位相差を利用して被測定物の変位を測定
   する方法において、 低周波にて周期的変調をかけたマイクロ波をアンテナ良
   導き、被測定物へ投射し、また該アンテナにて反射波を
   受信し、 送、受信波の混合波を検波し、検波信号の奇数次である
   ｎ次高調波成分及び２０次高調波成分を抽出し、 一方、前記低周波を９０°移和して第１移相信号を得、
   また、その倍周波の第２移相信号を得、 第１移相信号とｎ次高調波成分の信号とを掛算し、これ
   によって得られた信号と２ｎ次高調波成分の信号とを加
   算して加算信号を得、該加算信号と第２移相信号との位
   相差を検出し、この位相差に基づき被測定物の変位をめ
   るごとを特徴とする変位測定方法。