JPS63200084A - レ−ザドツプラ速度計 - 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〕 この発明は、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
ザドツプラ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？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ｍ機技
報Ｖｏ１．５Ｂ　・Ｎｏ、　７　・１９８４第３４頁〜
第３８頁に記載の光ファイバセン廿−レーザ干渉計−に
示これ九従来のレーザドツプラ速度計の構成図であシ０
図において（１１は移動物体、（２１けレーザ、Ｃ３）
けレーザ光ｆ２分割するビームスプリッタ、　　（４ａ
）、　（４ｂ）はビームスプリッタ３１で２分割された
レーザ光を送信光学系（５ａ）。

（ｓｂ）　Ｋｍび（コア径５０μｍ程度のマルチモード
４イブの光ファイバケーブル、　　（４０）は後述する
受信光学系の受信光を伏込するコア径１００μｍ以上の
大口径マルチモードタイプの光ファイバケーブル、（６
）は移動物体（１１から散乱された光會受信するための
受信光学系、（７１は受信光ｆ電気信号に変換する光検
出器、　ＩｇｌＦｉ増幅器、（９）は周波数追跡器。

０１は速度演算器である。

謝２図に示すごとく、移１ｋ１１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ッタ（３νで
２分割し、各々の光を光ファイバケーブル（４ａ）＃（
４ｔ））と送信光学系（５ａ）、　（５１））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対応した移動物体（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）？受けた散乱光を受信光学系（６）で受信
し、光ファイバケーブル（４Ｃ）で光検出器（７）に導
び′＃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）式に示すト
°ツプラ絢波数ｆｄの交流信号（以下ドツプラ信号とい
う）が存在中る。

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（７１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１周波数追跡器
（９）でドツプラ周波数ｆｄ　ｆ計測し、ｊｌＥｎ＋式
によシ速度演算器ａ・で速度演算することによシ移動物
体（１）の速度ｖｔ求めることができる。このことは公
昶の事実である。

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９９図中りはビーム径、
Δθはビーム拡がシ、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、上限の交差点會示す。

送信光学系（ｓａ）、　　（５ｂ）でビームウェストを
構成するようレーザビームは平行光になされるが。

光ファイバケーブル（ａａ）、　（４ｂ）としてコア径
５０μｍ程度のマルチモード４イブを使用しているため
、光ファイバケーブル（４１！Ｌ）＃　（ａｂ）から出
たレーザ光は、５０μｍの径をもつ有限な面光源であシ
かつ約２００ｍｒａｄ程度のビーム拡がシをもつため、
送信光学系（ｓａ）、　（５ｂ）の照射ビームは完全に
平行光とはならず、ビーム拡が夛Δθは数□ｒａｄ以上
となる。

ｔは、送信光学系（５ａ）、　　（５ｂ）から移動物体
＋１１までの測定距離、２・Δｔけ、　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０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図のビーム交差部（Ａ、Ｏ
点間）になけねばならない。

通常、移動物体（１１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？通クシ２条ビーム
交差する中心線に蚕直になるように送信光学系（５ａ）
、　（５ｂ）　１−配置し、このときの幽定距畦ｔｏ管
基準距離とし、速度演算器ａ・の速度計側値ｖ’　　？
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、０点を越えなければ、ドツプラ信号が得られ
移動物体（１１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・Δｔが、移動物体＋１１の速
度計測可能な許容パスラインＰＫ動範囲を示す。

＄　１１　物体（１１のパスラインＰが、３点１する場
合は、ビーム交差角はψであるためドツプラｌｉｄ波数
ｆｄは速度ｖ［対して、第（１）式で与えられる。しか
しながら、パスラインＰが変験してＡ点を通る場合、ビ
ーム拡がシΔθによシビーム交差角ψ１はψ１＝ψ＋２
・Δθとなるため、ドツプラ周波数ｆｄ１は次式で与え
られる。

ニー・虐（９’十Δθ）・・・・・・・・−・・・・・
　　（２）Ａ　　　　　　　２ 同様にパスラインＰが変動して０点を通る場合。

ビーム交差角ψ２はψ２＝ψ−２Δθ　となるためドツ
プラ馳波数ｆｄ２は次式で与えられる。

第（１＋式〜第（３１式から明らかなように、移動物体
ｆｉ＋がパスラインＰ変かを起こすと、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った値と
なυ、ドツプラ筒波数から移動物体（１１の速度Ｖを算
出する速度演算器ａＯの速度計側値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，ａｔで変動したとき
の測定誤差率εけ、躯（１１式〜第（３１式からパスラ
インがＢ点を通ったときのドツプラ周波数ｆｄを基皐と
して次式に与えられる。

ビーム交差部の長さ２・Δｔは、　ビーム径りとビーム
交差角ψからほぼ次式で近似できる。

従って、パスラインＰの単位距障変勧当シの測定誤差δ
は、　第＋４！、第（５）式から次式で与えられる。

δ　＝□ ２・Δｔ 辿常、ビーム拡がシΔθは数ｍｒａｄ程度、　ビーム交
差角ψは、１０°以下に設計されるので。

幽ΔθζΔθ、■（（Ｌ）＃１となシ、第（６１式は次
式で近似される。

ｒａａ 例えば、ビーム拡がシΔθを３　　、ビーム径りを４０
としたときの測定誤差δは。

Ｈ となシ、パスラインＰ変動１Ｒ＊当シ約−０，１５（％
）の測定誤差となる。ここで第（８１式の符号の（へ）
は。

パスラインＰが測定圧ｈｔとして長（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シ、
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を基糸としてこのとき
の測定圧＃Ｉ１．ｏからのパスライン変動−？Δｔｐ　
とすると、速度演算器ａＯの速度計側値Ｖ′は１次式で
与えられる。

ｖ’＝ｖ（１＋δ・Δｔｐ）　　　　・・・・・・・・
・・・・・・・　（９１パスライン変動慮Δｔｐは、測
定圧Ｈｔが基準距＄　ｔｏより長くなる方向を←）とし
０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ｌｃＩ′ｌ物体（１）のパ
スラインＰけ１通板時の板のバＩツキによシ数關〜数１
０ｍ変動する。従って、送信光学系（５ａ）、（５ｂ）
と移動物体（１１間の測定距離が変化することとなシ。

速度計側値に誤差ケ生ずる。

〔発明が解決しようと干る問題点〕

上記従来のレーザドツプラ速度計は、送信光学系（５ａ
）＋　（５ｂ）の照射ビームのビーム拡がシΔθによシ
移動物体（１）のパスライン変動に伴なう測定距離の基
臨距離ｔｏからの変動菫Δｚｐにほぼ比例し、た速度計
測誤差を生ずるという問題を治していた。

この発明は、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したレ
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？解決するための手段〕

この発明に係わるレーザドツプラ速度計は、送信用光フ
ァイバケーブル（４ａ）、　（４ｂ＞として、コア径６
μｍ程度のシングルモードタイプの光ファイバケーブル
を使用し、上記光ファイノくケーブルの後にコリメーよ
レンズを設けたものである。

〔作用〕

この発８）４ＶＣおいては、上記コア径６μｍ程度のシ
ングルモードタイプの光ファイバケーブルで。

レーザ（２）から発信されたレーザ光を伝送するため。

シングルモードタイプの光ファイバケーブルから出たレ
ーザ光は、約６μｍ　と点光源とみなせ、コリメータレ
ンズの焦点の位置に光ファイバケーブルのレーザ出射口
を合わせｈば、コリメータレンズ？出たレーザビームの
ビーム拡がシΔθは非常に小さくなシ、従って、照射ビ
ーム拡がシΔθの大きさにより生ずるａ＋＋ｊ定距離定
距離変体−う速度計測誤差を低減している。

〔実施例〕

第１図は、この発明による一実施例を示すレーザドツプ
ラ速度計の構成図であシ、以下図面に従い説明する。

図中ｆｌｌ、　＋２１．　（４Ｃ）　、　　＋６１〜α
１は上記従来と同じ本のである。αυはレーザ（２）か
ら発信されたレーザ光ケ伝送するコア径６μｍ程度のノ
ングルモード光ファイバケーブル、α２は上記シングル
モード光ファイバケーブル（１１１の端末、αＪは上記
端末α２から出次レーザ光を平行にするための焦点距離
ｆ　（ＵＥ）をもつコリメータレンズ、　　Ｑ４１はコ
リメータレンズα３からのレーザビームを２分割するハ
ーフミラ−１αりはハーフミラ−Ｉの反射光の方向を変
えるミラーである。

以上の構成のレーザドツプラ速度計において。

レーザ（２）から発信されたレーザ光は、シングルモー
ド光ファイバケーブルａｌｌ［よシ端末ａ’ａ″ｌ！！
で導かれる。端末ａｚの端面は約６μｍの点光源とみな
せその端面からレーザ光は約２０（ｊｍｒａｄ程度のビ
ーム拡が９で射出されている。上記端末α２から距離ｆ
　（、）の所にコリメータレンズα３が配置され、レー
ザ光？平行ビームにしている。

コリメータレンズ０の出力ビームは、ハーフミラ−α４
で２分割され、ハーフミラ−α瘤の透過光とハーフミラ
−Ｉの反射光はミラーａりｆ経由してそれぞれ移動物体
（１）上に互いに交差角ψでもって交差するようになっ
ている。

コア径６μｍ程度のシングルモード光ファイバケーブル
ａ１１で導かれ之レーザ光は、端末（１３の端面では約
６μｍ程度の点光源となっているため、端末α２の端面
からコリメータレンズαｊの距離ヲコリメータレンズａ
３の焦点距離ｆ　（ｎ）に合わせることによシ、コリメ
ーｉレンズ０の出力レーザビームのビーム拡がシΔθが
Ｑ、　３　ｙ＠　ｒａｄ以下にすることができ、従来例
で問題となったビーム拡がシΔθに依存して生ずる測定
距離変動に伴なう速度計測誤差を１／１０以下に低減し
たレーザドツプラ速度計となる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、レーザ（２）から発
信したレーザ光をコア径６μｍ程度のシングルモード光
ファイバケーブルαυでｚｍｌ末αｚＶｃｓキ。

端末（１３の端面からコリメータレンズα３１までの距
離をコリメータレンズ０の焦点距離ｆ（ＩＩＩ）に合わ
せることで、コリメータレンズ（ｌ：１の出力レーザビ
ームのビーム拡がシΔθを０．３ｍｒａｄにすることか
でき、ビーム拡がシΔθの大きさに依存して生ずる？１
ｌ１１定距離変動に伴なう速度計測誤差を低減したレー
ザドツプラ速度計が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施夕ＩＩ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−ム交差部を示す図
である。 区１中、ａυはシングルモード光ファイバケーブル。 α２は端末、α３はコリメータレンズ、α４はハーフミ
ラ−０ａりはミラーである。 なお０図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）特定の波長を出力するレーザと、上記レーザのレ
   ーザ光を伝送するシングルモード光ファイバケーブルと
   、上記シングルモード光ファイバケーブルの端末から出
   射したレーザ光を平行ビームにするためのコリメータレ
   ンズと、上記コリメータレンズの出力レーザビームを２
   分割するハーフミラーと、上記ハーフミラーで２分割さ
   れた各々のレーザビームの方向を変えて移動物体上に互
   いに反対方向から交差させて照射し得るミラーと、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
   てドッ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ップラ信号を含
   む散乱光を伝送する光ファイバケーブルと、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ッ
   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ップラ周波数から移動物体の速度
   を演算する速度演算器とを備えたレーザドップラ速度計
   。
2. （２）シングルモード光ファイバケーブル端末の端面と
   コリメータレンズとの距離をコリメータレンズの焦点距
   離に合うように調整するようにした特許請求の範囲第（
   １）項のレーザドップラ速度計。