JPH06109843A - ドップラ効果を利用した測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 温度変化等の不正要因が生じた際にも正確、
かつ、高精度な校正ができるドップラ効果を利用した測
定器を提供する。 【構成】 測定モードと校正モードを切り換えるモード
切換手段を備え、校正時においては校正用の基準電圧に
基づいて補償電圧発生手段の調整を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はドップラ効果が加えられ
たレーザ光線と基準レーザ光線とから得られるビート周
波数を電圧信号に変換して測定を行う測定器に関するも
ので、特に複数の測定レンジを切り換えて使用する方式
のものに関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来技術を説明する図で、ドップ
ラ効果を利用した測定器の構成を示すブロック図であ
る。以下、この図を参照して従来技術を説明する。

【０００３】例示した装置は、レーザ光源１１と、レー
ザ光源用の電源１１１と、第１および第２の偏光ビーム
スプリッタ（以下ＰＢＳという）１２ａおよび１２ｂ
と、波長板１３と、レンズ系１４と、音響光学素子（以
下ＡＯＭという）１５と、このＡＯＭを駆動するＡＯＭ
ドライバ１５１と、反射ミラー１６と、ビームスプリッ
タ（以下ＢＳという）１７とからなる光学系１と光／電
気信号変換器（以下Ｏ／Ｅ変換器という）２１と、周波
数変換回路２２と、周波数／電圧変換器（以下Ｆ／Ｖ変
換器という）２３と、このＦ／Ｖ変換回路２３に接続さ
れＦ／Ｖ変換回路の出力レンジを切り換える切換スイッ
チ２３１と、補正手段ならびに補償電圧発生手段として
のオフセット回路３と、増幅器２４とからなる電気系２
とを備えている。

【０００４】レーザ光源１１から出射されたレーザ光
は、第１のＰＢＳ１２ａにて測定用のレーザ光（以下測
定光という）と比較参照用のレーザ光に分光される。上
記比較参照用のレーザ光は、まずＡＯＭ１５に入射され
る。ここで、このレーザ光の周波数は所定量シフトされ
て所望の周波数に調整される。この所定量は上記ドライ
バ１５１からの励起信号に基づいて定められるものであ
る。その後、レーザ光はＢＳ１７を介してＯ／Ｅ変換器
２１に入射され、基準となる参照光として使用に供され
る。

【０００５】また上記測定光は、第２のＰＢＳ１２ｂ、
波長板１３およびレンズ系１４を順次介して被測定物４
に照射される。被測定物４に照射された測定光は、被測
定物の移動速度に応じた影響（ドップラ効果）が加えら
れ、この影響に応じた分だけ測定光の周波数をシフトし
た状態で反射する。この反射したレーザ光（以下反射光
という）は、レンズ系１４、波長板１３、第２のＰＢＳ
１２ｂ、反射ミラー１６およびＢＳ１７を順次介してＯ
／Ｅ変換器２１に入射される。

【０００６】Ｏ／Ｅ変換器２１では、これら入射された
２つの光を電気信号に変換する。ここで電気信号に変換
されるものは、２つのレーザ光のビート（うねり）成分
である。すなわち、これら２つの参照光と反射光との間
の周波数差がビート周波数として検出されて変換され
る。

【０００７】今、被測定物４が静止した状態にあるなら
ば、上述したＡＯＭ１５での周波数のシフト量が上記反
射光と測定光との周波数の差となり、この差がビート周
波数として変換される。一方、被測定物４が移動してい
る状態ならば、このビート周波数は、反射光と測定光と
の差に加えてドップラ効果によるシフト量が重畳された
周波数となる。この変換された電気信号は、さらに周波
数変換回路２２にて、電気信号として扱い易い比較的低
周波域の信号に変換される。この信号をＦ／Ｖ変換器２
３にて周波数に応じた電圧信号に変換し、さらに増幅器
２４で増幅し、所定処理を行い被測定物４の移動速度や
振動周波数を求める。

【０００８】このように構成されたドップラ効果を利用
した測定器では、高精度な測定を行うため、被測定物４
の移動速度（振動周波数）に応じて検出感度を切り換え
る構成となっており、これは上記周波数変換回路２２の
レンジの切り換えとともにＦ／Ｖ変換回路２３の周波数
／電圧変換のレンジを切り換えることでなされていた。
例えば、周波数変換回路２２からの出力信号の周波数
が、ある基準周波数ｆ１に近い場合にはレンジ切り換え
スイッチ２３１をレンジ１側に、同様に別の基準周波数
ｆ２に近い場合にはレンジ切り換えスイッチ２３１をレ
ンジ２側に接続する。そして、両測定においても、Ｆ／
Ｖ変換回路２３は、基準周波数信号が到来したときに所
定の電圧を出力するように構成されていた。しかしなが
ら、これらの出力電圧には何らかの要因により所期の値
とずれることがあり得るので、このような装置において
はＦ／Ｖ変換器２３と増幅器２４との間に図４に示す補
償用のオフセット回路３’を配し、この差を校正するこ
とがなされていた。ここで、従来のオフセット回路を
３’としたのは、従来のオフセット回路と本発明により
開示されるオフセット回路とを区別するためである。以
下、’を付して示したものは、従来のオフセット回路の
構成を示すものとする。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】オフセット回路３’
は、補正手段としての第１の増幅器３１’と、この増幅
器３１’の負側入力端子に接続された補償電圧発生手段
としての電源回路３２’とを有している。さらに、この
電源回路３２’は、適当な値を有する補償用の電圧ｅ
１’およびｅ２’を上記切換スイッチ２３１に対応して
動作する切換スイッチＳＷ１’により切り換えている。
なお、増幅器３１’の正側入力端子に上記Ｆ／Ｖ変換回
路２３の出力が接続され、増幅器３１’の出力には上記
増幅器２４に接続されている。

【００１０】このように構成されたオフセット回路３’
では、補償用の電圧ｅ１’およびｅ２’が所定の値に定
められ、上記基準周波数を有する信号が入力されたとき
に第１の増幅器３１’から０［Ｖ］の信号を出力する構
成となっている。従って、周囲温度の変化等の不正要因
によりＦ／Ｖ変換回路２３の変換率が変化した際には、
この変化分が上記第１の増幅器３１’により増幅された
形で出力されてしまうので、校正の精度が悪くなってし
まうといった問題点があった。本発明はこの点に対して
なされたものであり、その目的とするところは、不正要
因が生じた際においても正確、かつ、高精度な校正がで
きるドップラ効果を利用した測定器を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このため本発明のドップ
ラ効果を利用した測定器は、運動する被測定物体のドッ
プラ効果が加えられた反射レーザ光と、基準レーザ光と
の周波数の差をＯ／Ｅ変換器により測定周波数信号とし
て取り出し、該測定周波数信号に基づき、上記物体の振
動、速度等の物理量を測定するドップラ効果を利用した
測定器であって、上記測定周波数信号を測定電圧信号に
変換する周波数／電圧変換手段と、該周波数／電圧変換
手段から出力された測定電圧信号の適正値からのずれを
補償する補償電圧を発生する補償電圧発生手段とを少な
くとも有したドップラ効果を利用した測定器において、
測定レンジ切り換え時あるいは操作者の指示または所定
のタイミングにより、装置の測定モードと校正モードと
を切り換えるモード切り換え手段を有し、上記校正モー
ド時においては、基準周波数源から発生された校正用の
基準周波数信号を上記測定周波数信号に代えて上記周波
数／電圧変換手段に入力させ、該周波数／電圧変換手段
の出力の適正値からのズレに応じた補償電圧を発生する
よう上記補償電圧発生手段を設定することを特徴とす
る。

【００１２】

【作用】校正は、測定レンジの切り換え時に自動的に行
われる。また、操作者の指示により任意のタイミングで
行うこともできる。校正時において、基準周波数電圧源
からの基準周波数電圧が測定周波数電圧に代えて周波数
／電圧変換手段に入力される。そしてこのときの周波数
／電圧変換手段の出力に適正値からのズレが生じている
場合には、このズレを補償する補償電圧を発生するよう
補償電圧発生手段を校正する。この段階で校正モードが
終了し、自動的に測定モードに切り換えられる。前述の
周波数／電圧変換手段の測定信号に関する出力電圧に上
記補償電圧が付加される。従って、上記不正要因により
周波数／電圧変換手段からの出力が変化したときでも適
宜校正動作が行われるので、この変化に対応することが
可能となり、高精度の校正ができる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明のドップラ効果を利用した測定
器における、オフセット回路３を中心とする主要部の第
１の回路構成を示すブロック図である。本発明における
他の構成は、従来技術にて示したものと同様であるの
で、ここでは重複を避けるためその説明を省略する。

【００１４】図１において、オフセット回路３は、上記
補正手段として第１の増幅器Ａ１を有し、一方、上記補
償電圧発生手段として、第１の発信器３１、コントロー
ラ３２、第２の発信器３３、第１のゲート回路３４、Ｄ
／Ａ変換器３５、アップダウン（Ｕ／Ｄ）カウンタ３
６、第２のゲート回路３７、補償電圧発生回路３８、第
２の増幅器Ａ２および比較器Ａ３等を有している。

【００１５】図１に示した装置は、測定モードと校正モ
ードとを有している。測定モード状態においては先に説
明したと同様に、光学系１からの光信号がＯ／Ｅ変換器
２１に入力され、Ｆ／Ｖ変換回路２３、第１の増幅器Ａ
１、および増幅器４を経て目的の出力信号を生成する。

【００１６】校正モードは、例えば測定レンジを変更す
るときに行われるもので、当該レンジでのオフセット値
の所期設定を行うものである。まず、レンジ選択スイッ
チＳＷ３ａでレンジを選択する。このレンジ選択スイッ
チＳＷ３ａはレンジ切り換えスイッチ２３１および上記
第１の発信器３１の出力周波数に連動している。このレ
ンジ選択スイッチＳＷ３ａで選択されたレンジに応じ
て、レンジ切り換えスイッチ２３１は目的のレンジ（例
えばレンジ２）に切り替わり、また上記発信器３１が発
する基準周波数はそれに対応する周波数（例えばｆ２）
に切り替わる。この時点でコントローラ３２は信号ｔｃ
を発し、ＳＷ１を上記第１の発信器３１側（ＣＡＬ）に
接続するとともに第１のゲート回路３４のゲートを開き
周波数ｆ３の信号を第２のゲート回路３７に対して印加
する。また、この校正動作を操作者が任意のタイミング
で行うときは、校正スイッチＳＷ３ｂを接続する。この
際、測定レンジおよび発信器３１の出力周波数はスイッ
チ押下時の状態を維持したまま、先と同様に、ＳＷ１を
上記第１の発信器３１側に接続し、かつ、第１のゲート
回路３４のゲートを開いて周波数ｆ３の信号を後述する
第２のゲート回路に対して印加する。

【００１７】校正モードにおいて、上記第１の発信器３
１から発せられた基準周波数信号は上記Ｆ／Ｖ変換回路
２３に入力される。このＦ／Ｖ変換回路２３では、変換
レンジおよび入力周波数に応じて所定値の基準電圧信号
を出力する。なお、実施例装置においては、説明を容易
にするために２レンジの装置を示してあるが、これより
多くのレンジを有する場合がある。

【００１８】上記第１の増幅器Ａ１は、その正側入力端
子に上記Ｆ／Ｖ変換回路２３の出力が、負側入力端子に
は後述する補償電圧が入力され、これら２つの入力電圧
の差分値を１〜１０倍程度の増幅率で増幅し、上記増幅
器２４に対して出力する。また、第２の増幅器Ａ２の正
負の入力端子にはそれぞれ上記第１の増幅器Ａ１と同一
の信号が入力され、これら２つの入力電圧の差分値を数
１０〜数１００倍程度の増幅率で増幅して出力する。

【００１９】第２の増幅器Ａ２の出力は比較器Ａ３の正
側入力端子に入力される。この比較器Ａ３の負側入力端
子にはグランドレベル（０［Ｖ］）が入力されているの
で、比較器Ａ３はゼロクロスコンパレータ、すなわち、
増幅器Ａ２からの出力が０［Ｖ］以下の時はＬレベルを
出力し、０［Ｖ］を越えたときはＨレベルを出力する２
値化回路として動作する。従って、この比較器３の出力
端側にあるＴＰ１での信号は、Ｌレベルでは０［Ｖ］、
Ｈレベルでは所定の電圧（例えば５［Ｖ］）が出力さ
れ、接続されるデジタル回路とのマッチングが図られて
いる。

【００２０】この信号は第２のゲート回路３７に入力さ
れる。この第２のゲート回路３７はインバータ３７１、
第１のＮＡＮＤゲート３７２および第２のＮＡＮＤゲー
ト３７３から構成されている。ここで信号は２つに分岐
し、一方はインバータ３７１を介して第１のＮＡＮＤゲ
ート３７２の正側入力端子に入力され、他方は第２のＮ
ＡＮＤゲート３７３の正側入力端子に直接入力されてい
る。また、これら両ＮＡＮＤゲートの負側入力端子に
は、第２の発信器３３からの信号が入力される。この第
２の発信器３３は、先に述べた様に、第２のゲート回路
３７との間に配された第１のゲート回路３４により、上
記校正時間ｔｃの間、所定の周波数信号ｆ３を出力する
ようになっている。従って、上記ＴＰ１での信号がＨレ
ベルの時には、第２のＮＡＮＤゲート３７３から、一
方、Ｌレベルの時には、第１のＮＡＮＤゲート３７２か
らこの周波数ｆ３に応じた電気信号が送出される。この
第１のＮＡＮＤゲート３７２からの出力はＵＰクロック
ｆ５として、第２のＮＡＮＤゲート３７３からの出力は
ＤＯＷＮクロックｆ４として、それぞれがＵ／Ｄカウン
タ３６に入力される。

【００２１】Ｕ／Ｄカウンタ３６では、これら２つのク
ロックに応じてその指示値を増減し、Ｄ／Ａコンバータ
３５にこの指示値を送出する。Ｄ／Ａコンバータ３５は
Ｕ／Ｄカウンタ３６からの指示値に応じ、後述する補償
電圧発生回路３８に対してアナログ値で電圧を出力する
が、この出力は抵抗Ｒ９およびＲ１２により出力範囲を
制限されている。この範囲制限は、Ｄ／Ａコンバータの
分解能を向上させるためになさたものである。仮に、こ
のＤ／Ａコンバータ３５が０〜６［Ｖ］の範囲を可変と
するものであった場合、抵抗Ｒ９、Ｒ１２を適当値に設
定するにより、この可変範囲を０〜２［Ｖ］と制限する
ことができる。こうすると１クロック当たりの制御電圧
を１／３にできるので、実質的な分解能を３倍向上させ
ることができる。

【００２２】補償電圧発生回路３８は、バッファアンプ
Ａ５、差動アンプＡ４を備え、上記Ｄ／Ａコンバータ３
５の出力アナログ電圧は、このバッファアンプＡ５を介
して差動アンプＡ４の負側入力端子に入力される。この
差動アンプＡ４の正側入力端子には補償基準電圧ｅ１が
印加されている。従って、この差動アンプＡ４からは、
この補償基準電圧ｅ１と上記アナログ電圧との差分が補
償電圧として出力される。

【００２３】この補償電圧は、上記第２の増幅器Ａ２の
負側入力端子および上記第１の増幅器Ａ１の負側入力端
子の両者に対して入力される。従って、第２の増幅器Ａ
２においては帰還ループを形成し、上記校正時間ｔｃの
間、比較器Ａ３の正側入力端子に入力される電圧が０
［Ｖ］となるまで上記Ｕ／Ｄカウンタ３６の指示値を増
減して補償電圧を可変する。この補償電圧がこのように
して決定された段階で上記Ｕ／Ｄカウンタ３６の指示値
が固定されコントローラ３２による構成モードが終了す
る。なお、この第２の増幅器Ａ２は数１０〜数１００倍
の増幅率を有しているので、入力されたＦ／Ｖ変換回路
２３から出力された基準電圧と補償電圧との差分は増幅
され、より高精度での校正がなされる。また、第１の増
幅器Ａ１においては、この高精度に校正された補償電圧
と上記Ｆ／Ｖ変換回路２３から出力された基準電圧との
差分を１〜１０倍程度の増幅率で増幅して上記増幅器２
４に出力する。要するに、この構成では、補償電圧は高
い増幅率を有する第２の増幅器により定められ、この補
償電圧は低い増幅率を有する第１の増幅器で利用される
ので、結果として高い校正精度が得られる。

【００２４】図２は本発明における第２の回路構成を示
すブロック図である。上述した第１の回路構成との差異
は、次の点にある。 構成用の基準周波数信号をＯ／Ｅ変換器２１の後段に
入力するようにした点。 第２の増幅器Ａ２の正側入力を第１の増幅器Ａ１の出
力とした点。 補償電圧発生回路３８の差動増幅器Ａ４の正側入力端
子に接続された補償基準電圧をＦ／Ｖ変換回路２３のレ
ンジにあわせて切り換えた点。 差動増幅器Ａ４の正側入力端子と出力端子の間にスイ
ッチＳＷ５により接続自在に制御されるコンデンサＣ１
を配した点。

【００２５】上記は、周波数変換回路２２の変動分も
合わせて補償可能に構成したものである。この第２の実
施例装置においてはＯ／Ｅ変換器２１の後段にあるＦ／
Ｖ変換器２３の回路構成を総称して 周波数／電圧変換
手段と呼ぶことにする。上記上記第１の増幅器Ａ１自
身が有するオフセット電圧を補正するためになされたも
のである。この構成では、第１の増幅器Ａ１の出力が基
準電圧となるので、第１の増幅器自身のオフセット電圧
を含めた形で補正される。上記は、より高精度での校
正をするためになされたもので、周波数／電圧変換手段
のレンジ切り換えに起因して生じる若干の出力差によ
り、Ｄ／Ａ変換器３５の制御範囲が広くなることに対し
てなされたものである。この構成によれば、レンジ切り
換えに時において、周波数／電圧変換手段からの出力に
対応して補償基準電圧を切り換えるので、Ｄ／Ａ変換器
の制御範囲を狭めることができ、高精度の校正が可能と
なる。上記は、測定時のノイズ削減と校正時の応答性
向上を両立させるためになされたもので、校正時におい
てはＳＷ５を切り放して応答性を向上させ、測定時にお
いてはＳＷ５を接続して、高周波ノイズを低減させるも
のである。これら〜により、より高精度の校正を行
うことができる。

【００２６】なお、以上の実施例においては校正モード
に変更する場合を、測定レンジ切り換え時、使用者の操
作時に行う旨説明したが、予め装置内に校正モード実行
プログラムを設けるなどして測定開始時あるいは測定中
の所定のタイミングにおいて自動的に校正動作を実行さ
せることも可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のドップラ
効果を利用した測定器によれば、外的要因が変化した際
においても正確、かつ、高精度な校正ができるといった
利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例装置を示すブロック図であ
る。

【図２】本発明の第２実施例装置を示すブロック図であ
る。

【図３】本発明が適用されるドップラ効果を利用した測
定器のブロック図である。

【図４】従来装置を示す説明図である。

【符号の説明】

２１ Ｏ／Ｅ変換器 ２２ 周波数変換回路 ２３ Ｆ／Ｖ変換回路 ２４ 増幅器 ３ オフセット回路 ３５ Ｄ／Ａ変換器 ３６ Ｕ／Ｄカウンタ ３７ 第２のゲート回路 ３８ オフセット電圧発生回路 Ａ１ 第１の増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 卓之 神奈川県横浜市戸塚区品濃町503−10 グ ラフテック株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 運動する被測定物体のドップラ効果が加
   えられた反射レーザ光と、基準レーザ光との周波数の差
   をＯ／Ｅ変換器により測定周波数信号として取り出し、
   該測定周波数信号に基づき、上記物体の振動、速度等の
   物理量を測定するドップラ効果を利用した測定器であっ
   て、 上記測定周波数信号を測定電圧信号に変換する周波数／
   電圧変換手段と、該周波数／電圧変換手段から出力され
   た測定電圧信号の適正値からのずれを補償する補償電圧
   を発生する補償電圧発生手段とを少なくとも有したドッ
   プラ効果を利用した測定器において、 測定レンジ切り換え時あるいは操作者の指示または所定
   のタイミングにより、装置の測定モードと校正モードと
   を切り換えるモード切り換え手段を有し、 上記校正モード時においては、基準周波数源から発生さ
   れた校正用の基準周波数信号を上記測定周波数信号に代
   えて上記周波数／電圧変換手段に入力させ、該周波数／
   電圧変換手段の出力の適正値からのズレに応じた補償電
   圧を発生するよう上記補償電圧発生手段を設定すること
   を特徴とするドップラ効果を利用した測定器。