JPH0251004A

JPH0251004A - ストレインゲージシステム

Info

Publication number: JPH0251004A
Application number: JP1163605A
Authority: JP
Inventors: D Reichel Michael; マイケル・ディー・ライフェル; John V Wright; ジョン・ブイ・ライト; A Rabson Thomas; トーマス・エイ・ラブソン
Original assignee: Reiton Corp
Current assignee: Reiton Corp
Priority date: 1988-06-24
Filing date: 1989-06-26
Publication date: 1990-02-21
Also published as: CA1324898C; EP0348039B1; DE68914520D1; DE68914520T2; US4983035A; EP0348039A2; EP0348039A3

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］この発明はストレインゲージシステムに関する。

［発明の概要］レーＩｆ装置は構造部材中に生じる歪等の測定量をレー
ザビームの形で符号化するために用いることができる。

さらに詳しく説明すると、圧縮あるいは引張り応力が加
わっている構造部材は、通常は応力に応じて撓む。引張
りが加えられていると、構造部材は伸び、部材に加えら
れる応力に比例あるいは関係した歪を生じる。反対方向
の応力は符号を逆にした歪を生じる。この明細書では、
歪を符号化し符号化したレーザビームを出射するように
なったレーザ装置の実施例について開示されている。す
なわら、この明ＩＯ書はモニタしている構造部材の歪あ
るいは他の測定変量をレーザビームの周波数変化に変換
するレーザ装置の幾つかの実施例について述べている。

レーザビームは構造部材から容易に送信することができ
、遠隔地において受信、複合、解読される。言ってみれ
ば、この発明の装置は、テストを受けている構造部材に
取付けられるストレインゲージを提供している。ゲージ
からの信号はややこしいワイヤやケーブルを用いずに構
造部材から送られる。従って、この発明のレーザ装置は
測定システムあるいはテレメトリ−システムあるいは測
定及びテレメトリ−システムとして用いることができる
。

この発明の装置は、レーザ作用を行なう活性材料から形
成された固体から成るレーデ、本体を有する。このレー
ザ本体は二つあるいはそれ以上の反射面、すなわちミラ
ーと協働し、測定した歪情報をレーザから発射されるビ
ームの中に符号化する。

レーザ媒質から成るレーザ本体の選択された一方の端面
あるいは両方の端面からビームが放射されるように、ミ
ラーの反射率は調整される。また、分離した、あるいは
離れた（外部の）反射ミラーを設（プることができ、こ
の反射ミラーはレーザ本体の面と平行に設置される。こ
の外部反射ミラーは離れた点からレーデ本体の中へレー
ザビームを戻し、レーザ本体内におけるコヒーレントな
ビーム発生に変調を加える。レーザ本体と外部ミラーと
の間には空間あるいはギャップが形成されており、この
空間あるいはギャップのためにミラーをレーザ本体から
離して固定することが可能となる。

ミラー及びレーザ本体に対するこの空間により、対象と
している構造部材へ本測定装置を取付ける場合にその取
付は方を変えることができる。従って・、歪測定を行な
う部分の長さしを調整することができる。従って、歪測
定を行なう部分の長さＬを調節することができ歪をレー
ザの周波数に符号化することができる。

このように、レーザ媒質から成るキャビティ内で発生し
たレーザビームはキャビティの一方の端面から外へ出、
ある距Ｉｎ　、（空間）を伝搬した後外部ミラーで反射
されてレーザ本体の中に戻る。この戻ったビームによっ
てレーザ本体中では距離に応じた周波数のレーザビーム
が発生され、このビームがレーザ本体から出射される。

出射されたビームは次にレーザ本体のもう一方の端面あ
るいは外部ミラーから戻される。この時、部材の長さ［
の変化を符号化しており、ビームの周波数は長さしの構
造部材に生じている歪の関数になる。

外部ミラー及びレーザ本体は構造部材に固定されている
ことを思い出す必要がある。二つの部材の間には定在波
が形成される。間隙が変わると定α波が変化し、周波数
が変わる。この時の周波数の変化は空間の長さの変化、
すなわちｄＬに依存する。

この発明の他の実施例はレーザ本体と外部ミラーとの間
に設けられた拡張キャビティ及びこれに連結された別の
キャビティを有する。こうした様々な実施例は、レーザ
本体の端面及び外部ミラーに施される反射あるいは透過
の仕上げのタイプにある程度関係している。レーザ本体
は、通常その間でコヒーレントなシー１アビ−１＼が形
成される離間した端面を有している。

この発明の装置を要約すると、互いに平行な部分反射面
及びこれと離間した外部反射ミラーを有するレーザ本体
ということになる。外部反射ミラーは、全反射ミラーあ
るいは部分反射ミラーのどちらでもよい。前述した二つ
の部材は、構造部材中の応力を計測するために取付は装
置を用いて構造部材上に取付けられる。応力は歪に変換
され、歪によって部材間の間隔が変化する。間隔が変わ
ると、間隔及び応力によって周波数は変化する。

［実施例］前述したこの発明の特徴、利点、及び目的をさらに詳し
く理解してもらうために、以下で添附図面を用いてこの
発明の詳細な説明する。

まず、第１図を参照して説明する。柱等の構造部材１２
に働く応力を符号化するレーザ符号化システムであるス
トレインゲージシステムは参照番号１０で表されている
。応力によってフレーム部材に歪が生じ、この歪がスト
レインゲージシステム１０によって測定される。本シス
テムは直方体形状のレーザ本体１４を有する。このレー
ザ本体１４は反射ミラー１６と対向して配置される。第
一の基板層１８は構造部材１２に取付けられていて、直
方体のレーザ媒質を接着剤等で固定している。同様の基
板層２０が反射ミラー１６を固定している。このように
、接合装置は基板層１８，２０を有し、基板層１８．２
０によって前記部材を互いに平行、かつ離間した状態で
固定している。

レーザ本体１４は端面２２を有する。端面２２は反対側
の端面２４及びこれと分離して設けられたミラー面２６
と平行である。三つの面は平行で特定の距離だけ離間さ
れており、相互に及びレーザ本体１４の活性材料と協働
して以下で説明するコヒーレントな出力ビームを発生す
る。レーザ本体１４は特定の長さρを有し、一方端面２
４はミラー面２６から距離ｄだけ離間されている。シス
テム全体の長さしはｄ−＋ｌで与えられる。

端面２２．２４は適当な無反射コーティングが施されて
いる。ミラー面２６は全反射あるいは部分反射状態にコ
ーティングされている。他の而の反射率についてはさら
に説明されるであろう。

以下の式（１）はレーザ本体１５におけるレーザ発振の
周波数を与えている。

（１）　　Ｆ＝ｍＣ／２ｎＬここに、Ｆ：周波数（Ｈｚ）ｍ：整数Ｃ：真空中の光の速度ｎ：内部キャビティ材料の屈折率ｌ−：第１図のキャビティの良さである。すべての内部キャビティ材料の屈折率は同じで
あると仮定する。式（１）をＬで微分すると式（２）が
得られる。

（２）　　ｄＦ／ｉ−、＝−ｍＣ／２ｎ！−”この式（
２）から、微小増分近似式である式（３）が得られる。

（３）　　Δｆ＝　（−ｍＣ／２ｎＬ２）ΔＬここに、 Δｆ：周波数変化 ΔＬ：長さ変化である。式（３）は関係がリニヤであることを示してい
る。すなわち、周波数は歪に比例して変化する。この関
係はΔＬがキャビティの長さＬに比べてずつと小さい限
り成り立つ。Ｌは第１図に示されている長さである。次
に第２図を参照して説明する。第２図にはレーザ本体が
示されている。図かられかるように、本体端面の一方に
は光学アパーチャ３２が設けられている。光学アパーチ
ャ３２に対してｘｙＺ座標系が定義されており、レーザ
ビームはＺ軸に沿って伝搬する。光学アパーチャ３２か
ら出射されるビームは、レーザキャビティへ流れ込む電
流に応じて発生される。このようにレーザ本体１４はレ
ーザビームを発生するために流される電流に応じて動作
する。レーザビームは二つの端面の一方に形成された光
学アパーチャ３２から出射される。

次に第３図を参照して説明する。第３図は離間して設け
られた反射ミラーと協働するキャビティの動作を示して
いる。第３図はレーザキャビティから反射ミラーへ行き
来する波の運動を示している。ビームはミラーのところ
で反射し、キャビティへ戻る。インターフェースはミラ
ーと面するキャビテイ面における無反射コーティングの
反射の度合に依存する。第３図の実施例では距１１ｄが
増えると周波数が増大する。間隔のこうした小さな変化
は周波数変化として符号化され、従って間隔は周波数の
関数として測定される。

第３図の実施例は距離ｄの変化がいかにして出力周波数
に符号化されるかを示している。すなわち、出力周波数
はある範囲にわたって距離の変化に比例する。出力信号
は正確に測定することができ、周波数偏移を正確に決め
ることができるため、歪もまた正確に測定することがで
きる。この測定値は構造部材の距ｆｉｄにわたっての変
化を反映している。これは外部ミラーがレーザ媒質の活
性に寄与するコンボーネン］−を構成しているからであ
る。すなわち、レーザ本体を構成する材料が励起される
とビームが発生され、このビームが距離を隔てた外部反
射ミラーまで送られる。次にビームはそのすべであるい
は一部がキャビティまで戻され、キャビティ内でコヒー
レントなレーザビームを発生する。キャビティ内から送
り出されたエネルギは反射によってキャビティに戻され
、前述のようにしてコヒーレントなシー１１発振を維持
する。

重要な要因は、レーザキャビティの二つの端面にお【プ
るコーティングである。ビームのうら必要な部分がキャ
ビティ内に保持され、一方で端面から出たビームが外部
ミラーで完全にあるいは部分的に反射されるようにコー
ティングによって反射率を制御する必要がある。このた
め、所望の反射が得られるように反射の母が調整される
。同様にして、反対側の端面も、放出されたビームが充
分なビームパワーを有しビームがある距離だけ伝搬して
受信、処理されるように、反射率が制御される。

連結されたキャビティ内の周波数は、応力による変動を
受ける外部ミラーの正確な位置によって部分的に決定さ
れるため、歪はビームの周波数に正しく符号化される。

第４図のキャピテイには無反射コーティングが施されて
いる。この実施例ではシリコン酸化物が所望の厚さにコ
ーティングされている。この場合には、第１図に示され
ているように外部ミラーとキャビティの遠い方の端面と
の間に定在波が形成される。言い換えれば、シリコン酸
化物コーティングのために、長さ１のキャビティ内には
レーザ作用が起きず、そのかわりに長さＬのキャビティ
内でレーザ作用が行われ、波のパターンは長さＬの間で
広がっている。この拡張されたキャビティは、外部ミラ
ーを反射面としている。この場合には出力の周波数は長
さＬの変動に依存し、長さＬの変化を符号化している。

第３図と第４図との違いは、第４図では長さしにわたっ
ての歪が考えられているのに対して第３図ではもっと短
い長さρにわたっての歪だけが考えられていることであ
る。

しかし、第３図と第４図の二つのキャビティシステムの
動作モードには大きな違いがある。

第５図は本発明の装置を理解するうえで非常に有用な三
つの波形を示している。活性材料のオプティカルゲイン
が第５図の一番上のグラフ（ａ）に示されている。この
グラフは周波数の関数として装置のオプティカルゲイン
を表しているベル状の曲線４２である。Ｗｆはゲインプ
ロフィールの幅である。真中のグラフ（ｂ）はキャビテ
ィ内の周波数の関数としてクォリティファクタＱを示し
たものである。グラフ中のピークで表されているある特
定の周波数においてキャビティは共振する。また、第５
図の一番下のグラフ（Ｃ）はレーザの出力が上の二つの
グラフの積に比例している様子を示している。図かられ
かるように、レーザ発振は限られた周波数においてのみ
生じる。Ｃ／２ｎＬ＞＞Ｖｌとすることによって、レー
ザをシングルモードで発振させることができる。周波数
の増分は、ベース周波数に応じてシフトされる。

レーザキャビティを形成している材料は従来のレーザ材
料のどれを用いてもよく、その−例はガリウム−アルミ
ニウムーひ素である。しかし、適当な物理パラメータを
もっていれば他の任意の材料を用いることができる。

上述した実施例は単に説明のためのものであり、発明を
制限するものではない。従って、この発明によるストレ
インゲージシステムは発明の精神及び範囲から逸脱しな
い限りいかなる形によっても実施することができる。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明によるストレインゲージシステムの実７
１鋼例を示しており、第１図は構造部材に取付【ノられ
たストレインゲージシステムを示す図、第２図はレーザ
本体とその一方の端面から出射されたビームを示す図、
第３図はレーザキャビティ及びこれと協動するミラーを
示す図、第４１図はキャビティ本体の端面に施された反
射面及びその結果形成される拡張されたキャビティを示
す図、第５図はレーザ出力と周波数の関係及び選択され
るレーザ周波数を示すグラフである。１４・・・レーザ本体１６・・・反射ミラー１８．２０　　・・・基　　板　　Ｒ１２２，２４・・
・端面２６・・・ミラー面

Claims

【特許請求の範囲】

（１）細長いレーザ本体と、このレーザ本体と協働する反射ミラーと、歪を受ける部材へ前記レーザ本体及び反射ミラーを取付
けるための取付け装置と、を有し、前記レーザ本体がレーザ作用を行なう活性材料
から形成されていてレーザビームを出力し、前記反射ミ
ラーがこの反射ミラーから反射された前記レーザビーム
を前記レーザ本体の中に導き、前記部材が歪を受けた時
に前記レーザ本体及び反射ミラーをこの歪に比例して動
かすことによって前記レーザ本体からの出力レーザビー
ムに歪を符号化するように設定されているストレインゲ
ージシステム。
（２）前記レーザ本体が互いに平行な一対の端面を有し
、前記反射ミラーがそれら端面と平行でかつそれらから
離間されている特許請求の範囲第１項記載のストレイン
ゲージシステム。
（３）前記レーザ本体が一方の端面からビームを送出し
、前記反射ミラーでこのビームを反射させるように設定
されている特許請求の範囲第２項記載のストレインゲー
ジシステム。
（４）前記反射ミラー及び前記活性材料から成るレーザ
本体の中との間に拡張されたキャビティが形成されてい
る特許請求の範囲第１項記載のストレインゲージシステ
ム。
（５）前記活性材料から成るレーザ本体の一方の端面が
その上に特定の無反射コーティングを施されており、前
記キャビティ及びレーザ本体の中でコヒーレントなレー
ザビームが発生される特許請求の範囲第４項記載のスト
レインゲージシステム。
（６）前記細長いレーザ本体に設けられたアパーチャか
らレーザビームが出射されるように設定されており、前
記レーザ本体がレーザビームを送出するためキャビティ
を形成している特許請求の範囲第１項記載のストレイン
ゲージシステム。
（７）前記レーザ本体と反射ミラーが互いに離間されて
おり、歪を受けた部材がこの歪の結果として間隔を変化
させ、この間隔の変化がレーザビームの周波数シフトと
して符号化される特許請求の範囲第１項記載のストレイ
ンゲージシステム。
（８）前記レーザ本体と反射ミラーが拡張されたキャビ
ティを形成し、レーザ作用がビームの発生及び反射ミラ
ーにおける反射と協働する特許請求の範囲第１項記載の
ストレインゲージシステム。
（９）前記反射ミラーの反射率が１００％である特許請
求の範囲第１項記載のストレインゲージシステム。
（１０）前記反射ミラーがビームを前記レーザ本体の一
方の端面の中へ反射させるように設定されている特許請
求の範囲第１項記載のストレインゲージシステム。