JP2009098003A - 変位振動検出装置及び変位振動検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で低コストに実現でき、変位や振動の測定範囲の調整が容易で、メンテナンスも容易な変位振動検出装置を提供すること。
【解決手段】 建物の一部である構造体１の基準点２に固定された受光部３と基準点２から離れた場所に位置する被測定物である移動台４の上に固定された発光部５とを有し、受光部３は光検出器６と光検出器６の受光面上に発光部３の像を結像する光学系７とからなり、基準点２と被測定物４の間の相対的な変位または振動を検出する。光学系７は望遠鏡構成の光学系であり、発光部５は発光ダイオード（ＬＥＤ）により構成されている。光検出器６と光学系７は一体として固定され、その結合部には光検出器６の位置を調整する調整冶具８が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は物体の変位や振動を検出する変位振動検出装置及び方法に関し、特に建物や装置などの構造物上の基準点から離れた場所に位置する同一または別の構造物上の被測定物の変位または振動を検出する変位振動検出装置及び方法に関する。

従来、物体の変位や振動を検出する方式として、磁石やコイルを用いる方式、静電容量の変化を検出する方式、圧電素子を用いる方式、光学的な方式など様々な方式があり、その目的に合わせて用いられている。特に光学的な方式は離れた場所から被測定物の変位や振動を検知する目的には適している。

ある地点から離れた場所に位置する同一または別の構造物またはそこに設置された物体に対して何らかの操作をしたりその物体を移動したりする場合には、安全対策上または操作のため、その変位や振動を検出することが必要とされる場合がある。従来、このような場合は、変調されたレーザ光ビームを被測定物に照射しその反射光を検出してその到達時間差から距離や変位、振動を検出するレーザ変位計方式や、基準点からレーザ光を測定点に照射しその位置の変位を三角測量の手法で計測して振動を検出する方法がある。このような方式による距離測定法の一例は特許文献１に示されている。また特許文献２のように物体の移動による反射光のドップラシフトを利用したレーザドップラ振動計を用いることもできる。さらには被測定物の画像を撮像しその画像の変化から振動を検出する方法が一般的に知られている。

特開平６−２２９７５５号公報 特開２００４−１０１１８６号公報

しかし、上記の従来のレーザ変位計や三角測量を用いる方法は特殊なレーザ装置または検出装置が必要であり、装置のコストが高くなり、また、必要な精度を保つためにはメンテナンスのコストも高くなってしまう。一方、レーザドップラ振動計はやはり特殊な検出装置が必要であることから高価であり、また、ゆっくりとした変位の検出はできない。撮像画像により検出を行う方式も装置コストが高く、また被測定対象も限られてしまう。また、実用上、変位や振動の測定範囲を容易に調整できることが望ましい。また、広範な応用を考慮すると、基準点と被測定物の距離は数ｍ〜１００ｍ程度、振動による変位は０．３ｍｍ程度以上、振動周波数は０．１〜１KHｚ程度の検出感度があることが望ましい。

そこで、本発明の目的は、簡単な構成で低コストに実現でき、変位や振動の測定範囲の調整が容易で、メンテナンスも容易な変位振動検出装置および変位振動検出方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の変位振動検出装置は、構造体の基準点に固定された受光部と前記基準点から離れた場所に位置する被測定物に固定された発光部とを有し、前記受光部は光検出器と該光検出器の受光面上に前記発光部の像を結像する光学系とからなり、前記光検出器で検出される光量の変化によって前記基準点と前記被測定物の間の相対的な変位または振動を検出することを特徴とする。

前記光学系は望遠鏡構成の光学系であることが望ましい。

また、前記光検出器と前記光学系が一体として固定され、前記光検出器または前記光学系の少なくとも一方の位置を調整する手段を設けてもよい。

また、前記光検出器は受光面が分割された分割型フォトダイオードであってもよい。

また、前記発光部は発光ダイオードにより構成されていてもよい。

また、前記発光部とは異なる部分に設置された光源と該光源より出射された光を導く光ファイバとを有し、前記発光部は前記光ファイバにより導かれた光が放射される該光ファイバの端面であってもよい。

また、前記光検出器の光入射側に前記発光部から放射される光の波長を通過させる波長フィルターが設置されていてもよい。

また、前記発光部から放射される光の強度は前記振動の周波数より高い周波数で変調されていてもよい。

本発明によれば、また、構造体の基準点に受光部を、前記基準点から離れた場所に位置する被測定物に発光部を設置し、前記受光部の光検出器の受光面上に前記発光部の像を結像し、前記受光面で受光される光量の変化によって前記基準点と前記被測定物の間の相対的な変位または振動を検出する変位振動検出方法が得られる。

本発明は、被測定物に固定した発光部の像を検出器の受光面に結像して、その発光部の像が受光面から外れることにより受光光量が変化することから振動や変位を検出するものであり、受光面に対する発光部の像の相対的大きさや結像位置の設定によって変位や振動振幅の検出範囲および感度を選択できる。また、高倍率の望遠鏡光学系を用いることにより、基準点と被測定物の距離を拡大できる。光源はＬＥＤやランプなどを使用でき、検出系の構成は簡単であり特別の部品は必要としない。

以上のように、本発明により簡単な構成で低コストに実現でき、変位や振動の測定範囲の調整が容易で、メンテナンスも容易な変位振動検出装置が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明の第一の実施の形態である変位振動検出装置の構成を示す図である。図１において、第一の実施形態は、建物の一部である構造体１の基準点２に固定された受光部３と、基準点２から離れた場所に位置する被測定物である移動台４の上に固定された発光部５とを有する。受光部３は光検出器６と光検出器６の受光面上に発光部３の像を結像する光学系７とからなり、基準点２と被測定物４の間の相対的な変位または振動を検出する。基準点２と移動台４の距離は数ｍ〜１００ｍ程度である。

光学系７は望遠鏡構成の光学系であり、その倍率は１０〜１００倍程度である。発光部５は発光ダイオード（ＬＥＤ）により構成されている。その波長は１．３μｍ帯、７８０〜８６０ｎｍなどの赤外光、６５０ｎｍなどの可視光であってもよい。発光ダイオードは、ランプに比べ小型軽量、低消費電力、発光面積が小さい、高信頼、変調可能であること、さらにレーザに比べ低コストで放射角度が大きくかつ干渉しないので調整容易であること、等の特徴があり、本発明に使用する光源として適している。

光検出器６と光学系７は一体として固定され、その結合部には光検出器６の位置を調整する調整冶具８が設けられている。感度を高めるためには結像点と受光面を高精度に合せる必要があるのでこのような調整機構が必要である。

図２は本実施の形態に使用する光検出器６の受光面を示す図であり、光検出器６は図２（ａ）に示すように受光面２０が分割された分割型フォトダイオード１６であってもよく、また、図２（ｂ）に示すような単一の受光面を有する通常のフォトダイオード１７であってもよい。

分割型フォトダイオード１６を用いる場合は、図２（ａ）のように、通常、発光部の像１１は振動変位がない状態では分割された２つの受光面２０の両方にほぼ等しく光量が入射する状態に調整され、変位が生じた場合にはその光量に差が生ずることによりその変位が検出される。このような分割型のフォトダイオードを用いることにより発光部の振動変位量が簡単かつ高精度に電気信号に変換できる。

通常のフォトダイオード１７を用いる場合には、図２（ｂ）のように、受光面１０に発光部の像１１の一部が入射するように調整され、受光光量の変化から変位量を換算する。受光面の形状は０．２ｍｍ〜１０ｍｍ□程度のものを用いることができる。

なお、大きい変位量を検出する場合には発光部５は、その変位に相当する大きさの発光面をもつ光源か又はその変位幅に相当する長さの領域に複数の発光ダイオードを設置すればよい。

ここで光検出器６または光学系７の入射側に発光部５の波長のみを通過する波長フィルターを設置してもよい。この場合、発光部５からの光のみを検出できるので周辺からのノイズ光による測定誤差や感度劣化、不安定性などを回避することができる。

また、発光部５の発光ダイオードを測定対象とする振動周波数より十分に高い周波数、例えば数百KHｚ〜１０MHｚ程度で強度変調し、光検出器６により電気信号に変換後に周波数フィルターを通過させることにより、周辺からの同一波長のノイズ光の影響や他の電気ノイズの影響を除くことができ、より高感度、高精度の検出が可能となる。

図３は本実施の形態の変位振動検出装置の全体の構成を示すブロック図である。発光部５と基準点２の距離、光学系７の望遠鏡倍率、光検出器６の感度をもとに発光ダイオードの必要な強度が設定される。光学系７の望遠鏡倍率は発光部５と基準点２の距離、検出すべき振動変位量、光検出器の受光面形状から決定される。光検出器６の位置は調整冶具８によりその感度が最適な位置に調整される。受光素子で電気信号に変換された信号はアンプで増幅され、その信号が表示装置に表示すべき信号レベルや周波数であるかを判別されて表示装置に出力される。なお、受光素子に入射する光が上述のように特定の周波数で変調された光である場合には、アンプの入力前、またはアンプの出力後に周波数フィルターを通過させてノイズを除去する。

図４は本発明の第二の実施の形態である変位振動検出装置の構成を示す図である。本実施の形態は発光部以外の部分は第一の実施の形態と同様である。図４において、発光部３５とは異なる部分である受光部３の近くに設置された光源３０と光源３０より出射された光を導く光ファイバ３１とを有し、発光部３５は光ファイバ３１により導かれた光が放射される光ファイバ３１の端面からなっている。

光源３０としては発光ダイオードを用いることができ、光ファイバ３１としては、低コストで光源との結合が容易で扱いやすく、かつ端面からの放射角度の大きいプラスチック光ファイバを用いることができる。光ファイバ３１の端部は移動台４上に設けたホルダ３６により端面を受光部３に向けて固定されている。

発光部への電源の供給や電池などが不要となること及び発光部が軽量となるので被測定物への設置が容易となり、また発光部は電気部品を含まないので耐環境性に優れている。ここで、必要な発光量、発光領域を確保するため光ファイバは複数本であってもよい。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではないことはいうまでもなく、例えば発光部の形状や受光面の形状などは目的に合わせて設計可能である。また、上記実施の形態では、同一の構造物の上に、受光部及び発光部を設置したが、これらを別々の構造物上に設置してもよい。

図１は、本発明の第一の実施の形態である変位振動検出装置の構成を示す図である。 図２は本実施の形態に使用する光検出器の受光面を示す図であり、図２（ａ）は受光面が分割された分割型フォトダイオードを示す図、図２（ｂ）は単一の受光面を有するフォトダイオードを示す図である。 図３は、本実施の形態の変位振動検出装置の全体の構成を示すブロック図である。 図４は、本発明の第二の実施の形態である変位振動検出装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 構造体
２ 基準点
３ 受光部
４ 移動台
５、３５ 発光部
６ 光検出器
７ 光学系
８ 調整治具
１１ 発光部の像
１６ 分割型フォトダイオード
１７ フォトダイオード
１０、２０ 受光面
３０ 光源
３１ 光ファイバ
３６ ホルダ

Claims (9)

1. 構造体の基準点に固定された受光部と前記基準点から離れた場所に位置する被測定物に固定された発光部とを有し、前記受光部は光検出器と該光検出器の受光面上に前記発光部の像を結像する光学系とからなり、前記光検出器で検出される光量の変化によって前記基準点と前記被測定物の間の相対的な変位または振動を検出することを特徴とする変位振動検出装置。
2. 前記光学系は望遠鏡構成の光学系であることを特徴とする請求項１に記載の変位振動検出装置。
3. 前記光検出器と前記光学系が一体として固定され、前記光検出器または前記光学系の少なくとも一方の位置を調整する手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の変位振動検出装置。
4. 前記光検出器は受光面が分割された分割型フォトダイオードであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の変位振動検出装置。
5. 前記発光部は発光ダイオードにより構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の変位振動検出装置。
6. 前記発光部とは異なる部分に設置された光源と該光源より出射された光を導く光ファイバとを有し、前記発光部は前記光ファイバにより導かれた光が放射される該光ファイバの端面からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の変位振動検出装置。
7. 前記光検出器の光入射側に前記発光部から放射される光の波長を通過させる波長フィルターが設置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の変位振動検出装置。
8. 前記発光部から放射される光の強度は前記振動の周波数より高い周波数で変調されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の変位振動検出装置。
9. 構造体の基準点に受光部を、前記基準点から離れた場所に位置する被測定物に発光部を設置し、前記受光部の光検出器の受光面上に前記発光部の像を結像し、前記受光面で受光される光量の変化によって前記基準点と前記被測定物の間の相対的な変位または振動を検出する変位振動検出方法。

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