JPH0345193Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は、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ラツプ速度計に関するも
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２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２
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、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５ａ，５ｂに導びくた
めの光フアイバケーブル、４ｃ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２図に示すごとく、移動物体１にレーザ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
光ビームに反応した移動物体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fdの交流信号（以下ドツプラ
信号という）が存在する。

fd＝2v／λ・sinψ／２ ……(1) ここに ｖ；移動物体の速度 λ；レーザ光の波長 ψ；２つの送光ビームの交差角 光検出器７で電気信号に変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fd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３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、△θ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・△ｌは、２条のビームの交差
点Ａ，Ｃ間の距離、ψはＢ点でのビーム交差角、
ψ₁はＡ点でのビーム交差角、ψ₂はＣ点でのビー
ム交差角である。

レーザドツプラ速度計では、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３図のビー
ム光差部（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l₀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・△ｌ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ψであるためドツプラ周波数
fd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△θによりビーム交差角ψ₁
はψ₁＝ψ＋２・△θとなるため、ドツプラ周波
数fd₁は、次式で与えられる。

fd₁＝2v／λ・sin（ψ₁／２） ＝2v／λ・sin（ψ／２＋△θ）……(2) 同様に、パスラインＰが変動してＣ点を通る場
合、ビーム交差角ψ₂はψ₂＝ψ−２△θとなるた
めドツプラ周波数fd₂は次式で与えられる。

fd₂＝2v／λ・sin（ψ₂／２） ＝2v／λ・sin（ψ／２−△θ）……(3) 第(1)式〜第(3)式から明らかなように、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点を通つたときのドツプ周波数fdを
基準として次式で与えられる。

ε＝fd₂−fd₁／fd＝2v／λ・sin（／２−△θ）−2
v／λ・sin（／２＋△θ）／2v／λ・sin（／２）
＝−２・sin（△θ）／tan（／２）……(4) ビーム交差部の長さ２・△ｌは、ビーム径Ｄと
ビーム交差角ψからほぼ次式で近似できる。

２・△ｌ＝Ｄ／sin（／２）（mm） ……(5) 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。

δ＝ε／２・△ｌ ＝−２・sin（△θ）・cos（／２）／Ｄ（１／mm
）
……(6) 通常、ビーム拡がり△θは数mrad以下、ビー
ム交差角ψは、10゜以下に設計されるので、 sin△θ≒△θ，cos（ψ／２）≒１となり、第(6)式 は次式で近似される。

δ＝−２・△θ／Ｄ （１／mm） ……(7) 例えば、ビーム拡がり△θを3mrad、ビーム径
Ｄを４mmとしたときの測定誤差δは、 δ＝−２×３×10^-3rad／４mm ＝−1.5×10^-3 （１／mm） ……(8) 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３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からのパスライン変動量を
△lp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・△lp） ……(9) パスライン変動量△lpは、測定距離ｌが基準距
離l₀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。

〔考案が解決しようとする問題点〕

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距離の基準距離
l₀からの変動量△lpにほぼ比例した速度計測誤差
を生ずるという問題を有していた。

この考案は、かかる問題点を解決するためにな
されたもので、測定距離変動に伴なう速度計測誤
差を低減するとともに合わせパスライン変動も計
測するレーザドツプラ速度計を得ることを目的と
するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

この考案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l₀からの変動量△lpを計測する変位計
と、上記変位計の出力でもつて、測定距離ｌを基
準距離l₀に等しく保つサーボ機構を設けたもので
ある。

〔作用〕

この考案においては、送信光学系５ａ，５ｂと
移動物体１間の測定距離の基準距離l₀からの変動
量△lpを計測する変位計と、送信光学系５ａ，５
ｂ、受信光学系６と変位計を一体化したプローブ
と、上記変位計の出力でもつて、上記プローブの
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l₀に等しくなるよう制御することにより測
定距離変動に伴なう速度測定誤差を低減するとと
もに、上記プローブの移動量を検出する位置検出
器を設けてパスライン変動量を合わせ計測する。

〔実施例〕

第１図は、この考案による一実施例を示すレー
ザドツプラ速度計のブロツク図であり、以下図面
に従い説明する。

図中、１〜１０は上記従来と同じものである。
１１は三角測量の原理を用いた光学変位計で代表
される非接触な変位計、１２は送信光学系５ａ，
５ｂ、受信光学系６と変位計１１を一体化したプ
ローブ、１３は上記変位計１１の出力と基準値と
の差を増幅するサーボ増幅器、１４はサーボモー
タ、１５はサーボモータ１４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、１６はプロ
ーブ１２に固定されたボールネジのナツト、１７
はサーボモータ１４のステータを固定しているケ
ース、１８は上記プローブ１２の移動量を検出す
るリニアポテンシヨ等で代表される位置検出器で
ある。

以上の構成のレーザドツプラ速度計において、
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l₀から変動するサーボ増幅器１３は測定
距離ｌと基準距離l₀の差に比例した電圧を出力し
サーボモータ１４を駆動する。サーボモータ１４
のロータはサーボ増幅器の出力の正負に応じて正
逆回転し、サーボモータ１４のロータに直結され
たボールネジのスクリユウ１５を回転させ、プロ
ーブ１２に固定されたボールネジのナツト１５を
径由してプローブ１２を移動物体１方向に直線運
動させる。プローブ１２はリニアベアリングを介
して回転方向は拘束されて移動物体１の方向には
自由に摺動するようになつている。また、プロー
ブ１２の移動量は、ケース１７とプローブ１２と
の間に装着された位置検出器１８により計測され
るようになつている。

今、測定距離ｌが基準距離l₀を大きくなつた場
合、プローブ１２が移動物体１に近づく方向に、
反対にｌ＜l₀の場合、プローブ１２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
１４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を基準距
離l₀に等しく制御することができ、かつ、プロー
ブ１２の移動量を検出することができ、測定距離
変動に伴なう速度測定誤差を低減するとともにパ
スライン変動量も合わせ計測できるレーザドツプ
ラ速度計となる。

〔考案の効果〕

以上のように、この考案によれば、送信光学系
５ａ，５ｂと移動物体１間の測定距離ｌの基準距
離l₀からの変動量△lpを計測する変位計と、送信
光学計５ａ，５ｂ、受信光学計６と変位計を一体
化したプローブと、上記変位計の出力でもつて上
記プローブの位置を制御するサーボ機構と上記プ
ローブの移動量を検出する位置検出器を設けて、
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l₀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速度測定誤差を低減
するとともにパスライン変動量も合わせ計測でき
る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図はこの考案の一実施例を示すレーザドツ
プラ速度計の構成図、第２図は従来のレーザドツ
プラ速度計の構成図、第３図は送信光学系のビー
ム交差部を示す図である。 図中、１１は変位計、１２はプローブ、１３は
サーボ増幅器、１４はサーボモータ、１５はボー
ルネジのスクリユウ、１６はボールネジのナツ
ト、１７はケース、１８は位置検出器である。な
お、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 特定の波長のビームを出力するレーザと、上記
   レーザの出力ビームを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を伝送する光
   フアイバケーブルと、上記伝送されたレーザビー
   ムを受けて移行物体上互いに反対方向から交差さ
   せて照射する二つの送信光学系と、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て
   ドツプラシフトを起した散乱光を一緒に受信する
   受信光学系と、上記受信光学系で受信したドツプ
   ラ信号を含む散乱光を伝送する光フアイバケーブ
   ルと、上記伝送された散乱光を電気変換する光検
   出器と、上記光検出器の出力を増幅する増幅器
   と、上記増幅された信号からドツプラ周波数を検
   出する周波数追跡器と、上記周波数追跡器の出力
   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を備えたレーザドツプラ速度
   計において、上記移動物体と上記送信光学系間の
   距離変動による速度測定誤差を低減させるために
   上記距離を常に一定になるよう上記送信光学系の
   位置を制御し得るサーボ機構と上記送信光学系の
   位置を検出し得る位置検出器とを設けたことを特
   徴とするレーザドツプラ速度計。