JPH08101014A - 変位・速度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】容易に高精度の測定結果が得られる速度・変位
測定装置を提供する。 【構成】直線偏光である第１レーザー光線と、該第１レ
ーザー光線の偏波面と一定角度異なる偏波面を有し、第
１レーザー光線の周波数から所定周波数だけシフトした
周波数を有する第２レーザー光線とを共通の出力端子か
ら出力する光源１０と、第１及び第２レーザー光線を一
端に受ける１本の偏波面保存光ファイバー１２と、この
偏波面保存光ファイバーの他端に接続され、第１レーザ
ー光線を被測定対象物に照射し、その第１反射光線を上
記偏波面保存光ファイバーに戻すと共に、第２レーザー
光線を所定位置で反射した第２反射光線を偏波面光ファ
イバーに戻す測定ヘッド１４と、偏波面保存光ファイバ
ーの一端からの第１及び第２反射光線を検出し、この検
出出力から被測定対象物の速度及び位置の変位を測定す
る測定手段１６とを具える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定対象物の変位及
び速度を非接触で測定する変位・速度測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来技術】振動体等の被測定対象の変位や速度を非接
触で測定する技術として光ヘテロダイン法を利用した測
定器がある。光ヘテロダイン法の基本原理は、周波数の
僅かに異なる光を干渉させた際に生じるビート信号（う
なり）を利用するものである。異なる光路を通った２本
の光を混合し、発生したビート信号を光電変換すると、
その信号の位相Φは次式で与えられる。

【数１】Φ ＝ ２πＬ12／λ ここで、λは、ビート信号の波長であり、Ｌ12は、元の
２つの光の光路差を表す。この式から、ビート信号の位
相変化分ΔΦの測定をすると、光路差の変化分ΔＬ12が
得られ、ビート信号の周波数の測定から光路差の時間的
な変化量として現れる被測定物体の移動速度が得られ
る。

【０００３】このような光ヘテロダイン法を利用した従
来の測定器には、種々の計算・制御等を行う測定器本体
と光学系素子を含む測定ヘッドの間を光ファイバーで接
続し、被測定対象物の近傍に測定ヘッドを配置して測定
するものがある。このような測定器では、ビート信号を
利用するので、周波数が所定量だけ異なる２つのレーザ
ー光、すなわち、参照光と測定光を使用する。これら２
つの光信号は、測定器本体から別々の光ファイバーを介
して測定ヘッドに供給され、被測定対象物により反射さ
れた測定光と所定位置で反射された参照光が別々の光フ
ァイバーを介して測定器本体に戻され、光ヘテロダイン
測定法により処理して速度や変位を測定できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の光ヘテ
ロダイン測定器では、測定光と参照光を別々の光ファイ
バーで測定ヘッドに伝送し、測定ヘッドから別々の光フ
ァイバーを介して本体に戻すようにしているので、光フ
ァイバーが曲げられたり、振動が加わった場合には、光
ファイバーの内部のガラスが変形し、ガラス結晶の応力
により屈折率が変化することから光の伝播速度が変化
し、測定誤差が発生することになる。このため、高い測
定精度を実現するには、複数の光ファイバーの特性を揃
え、曲げたり振動が加わらないように注意しなければな
らず、作業が煩雑でコストも嵩むという問題があった。

【０００５】そこで、本発明の目的は、容易に高精度の
測定結果が得られる変位・速度測定装置を提供すること
である。

【課題を解決する為の手段】本発明の変位・速度測定装
置は、直線偏光である第１レーザー光線と、該第１レー
ザー光線の偏波面と一定角度異なる偏波面を有し、上記
第１レーザー光線の周波数から所定周波数だけシフトし
た周波数を有する第２レーザー光線とを共通の出力端子
から出力する光源と、第１及び第２レーザー光線を一端
に受ける１本の偏波面保存光ファイバーと、この偏波面
保存光ファイバーの他端に接続され、上記第１レーザー
光線を被測定対象物に照射し、その第１反射光線を上記
偏波面保存光ファイバーに戻すと共に、上記第２レーザ
ー光線を所定位置で反射した第２反射光線を上記偏波面
光ファイバーに戻す測定ヘッドと、偏波面保存光ファイ
バーの一端からの上記第１及び第２反射光線を検出し、
この検出出力から上記被測定対象物の速度及び位置の変
位を測定する測定手段とを具える。

【０００６】また、本発明の変位・速度測定装置の測定
ヘッドは、第１レーザー光線を第１被測定対象物に照射
すると共に、上記第２レーザー光線を異なる方向に分離
させるビーム・スプリッタと、このビーム・スプリッタ
からの第２レーザー光線を偏向させ、第２被測定対象物
に照射する偏向手段とを具え、第１及び第２被測定対象
物から反射された第１及び第２反射光線を偏波面保存光
ファイバーに戻すことを特徴とする。

【０００７】

【実施例】図１は、本発明の速度・変位測定装置の一実
施例の構成を簡略に示すブロック図である。この装置
は、光源部１０とこの光源部１０に接続された偏波面保
存光ファイバー１２と、この偏波面保存光ファイバー１
２の他端に接続された測定ヘッド１４と、被測定対象物
１５から測定ヘッド１４及び偏波面保存光ファイバー１
２を介して戻された反射光線を測定する測定手段１６と
を含んでいる。光源部１０は、２つのレーザー光線を発
生する。これらの２つの出力レーザー光線は、周波数が
所定周波数（例えば８０ＭＨｚ）だけ異なり、偏波面も
所定角度（例えば９０゜）だけ異なっている。レーザー
光源２０の出力レーザー光線は、偏光ビーム・スプリッ
タ２２により偏波面が所定角度（例えば９０゜）だけず
れた２つの光線に分解される。ビーム・スプリッタ２２
からの一方の出力光線（第１レーザー光線）は、ハーフ
・ミラー２４及び２６を介して光源部１０から出力さ
れ、ビーム・スプリッタ２２の他方の出力光線（第２レ
ーザー光線）はＡＯＭ（音響光学変調器）２８により例
えば８０ＭＨｚのような所定周波数シフトを受ける。発
振器３０は、８０ＭＨｚの基準信号を発生し、これがＡ
ＯＭ２８における周波数シフト量に等しくなる。ＡＯＭ
２８から出力された第２レーザー光線は、反射器３２及
び３４、ハーフ・ミラー２４及び２６を介して第１レー
ザー光線と共に共通の出力端から出力される。

【０００８】光源部１０から出力された第１及び第２レ
ーザー光線は、偏波面保存光ファイバー１２を偏波面の
関係を維持しながら伝播する。これら第１及び第２レー
ザー光線は、測定ヘッド１４の中のビーム・スプリッタ
３６により分離され、第１レーザー光線が被測定対象物
１５に照射され、その反射光線が同じ光路を逆行する。
また、第２レーザー光線は、測定ヘッド１４の中の所定
位置に設けられた基準反射ミラー３８で反射され、同じ
光路を逆行する。被測定対象物１５からの第１反射光線
と基準反射ミラー３８からの第２反射光線は、偏波面保
存光ファイバー１２を逆行し、ハーフ・ミラー２６で反
射され、測定手段１６に送られる。これら第１及び第２
反射光線は、先ず偏光フィルタ４０に照射され、所定偏
光方向の成分のみが通過する。偏光フィルタ４０を通過
した光線は、光／電変換器（Ｏ／Ｅ）４２により電気信
号に変換され、測定処理部４４により光ヘテロダイン法
により処理されて被測定対象物の速度及び変位が測定さ
れる。この測定処理部４４では、ヘテロダイン法により
ビート周波数（実施例では８０ＭＨｚ）の信号が必要な
ので、発振器３０の出力信号が測定処理部４４に供給さ
れている。

【０００９】図１の測定装置によれば、第１及び第２レ
ーザー光線及び第１及び第２反射光線が共通の偏波面保
存光ファイバー１２を通るように構成したので、たとえ
ファイバーが曲げられたり、振動が加えられたりして
も、その影響は伝播する光線に同等に与えられることか
ら、測定手段で光ヘテロダイン法により測定した際に誤
差成分は相互に相殺されることとなる。よって、取扱い
の面倒は無くなり、光ファイバーも１本のみなのでコス
トも低減する。

【００１０】図２は、図１の測定処理部４４の実施例の
構成を示すブロック図である。Ｏ／Ｅ４２からの電気信
号は帯域通過フィルタＢＰＦ５０を通り、緩衝増幅器５
２を介して第１ミキサ５４に供給され、第１基準発振器
５６の出力（７０ＭＨｚ）と混合される。この第１ミキ
サ５４の出力は、ＦＭ検波器５８及び位相検波器６０に
供給される。第１基準発振器５６の出力と第２基準発振
器６２の出力とが第２ミキサ６４で混合され、このミキ
サ６４の出力が位相検波器６０の他方の入力端に供給さ
れる。ＦＭ検波器５８からＬＰＦ（低域通過フィルタ）
６６を介して得んは被測定対象物１５の速度信号であ
る。また、位相検波器６０からＬＰＦ６８を介して得ら
れるのは、被測定対象物１５の変位信号である。更に、
ＦＭ検波器５８の出力は、微分器７０にも供給され、こ
こで更に微分されて被測定対象物１５の加速度信号が得
られる。これら速度信号、変位信号、加速度信号及び緩
衝増幅器５２の出力であるモニタ信号がマイクロ・プロ
セッサ（図示せず）に供給され適切に処理される。この
図２の構成は、光ヘテロダイン法による測定装置として
当業者には周知のものである。ここでは、第２発振器を
含んでいるが、図１のように、光源部の発振器３０から
供給するようにしても良い。

【００１１】図３は、測定ヘッド１４の他の実施例の構
成を示す簡略図である。偏波面保存光ファイバー１２か
らの第１及び第２レーザー光線は、ビーム・スプリッタ
３６により２つに分岐され、第１レーザー光線は第１被
測定対象物に照射される。他方、第２レーザー光線は、
反射器のような偏光器３９により第２被測定対象物に照
射される。これら第１及び第２被測定対象物による反射
光線は、同じ光路を逆行して図１の装置の測定手段１６
に戻される。この図３の構成による測定ヘッドを用いる
と、２つの被測定対象物の間の離間距離の変位及び相対
的速度を測定することができる。

【００１２】以上本発明の好適実施例について説明した
が、本発明はここに説明した実施例のみに限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱することなく必要に応
じて種々の変形及び変更を実施し得ることは当業者には
明らかである。

【００１３】

【発明の効果】本発明によれば、１本の偏波面保存光フ
ァイバを用い、測定光線及び参照光線の両方を同時に伝
送するように構成したので、光ファイバーに曲げ、衝
撃、振動等が加えられても、発生する誤差が相殺され、
高い測定精度を容易に維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の速度・変位測定装置の一実施例の構成
を示すブロック図である。

【図２】図１の測定処理部の一実施例の構成を示すブロ
ック図である。

【図３】図１の測定ヘッドの別の実施例の構成を示すブ
ロック図である。

【符号の説明】 １０ 光源部 １２ 偏波面保存光ファイバー １４ 測定ヘッド １６ 測定手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直線偏光である第１レーザー光線と、該
   第１レーザー光線の偏波面と一定角度異なる偏波面を有
   し、上記第１レーザー光線の周波数から所定周波数だけ
   シフトした周波数を有する第２レーザー光線とを出力す
   る光源と、 上記第１及び第２レーザー光線を一端に受ける１本の偏
   波面保存光ファイバーと、 該偏波面保存光ファイバーの他端に接続され、上記第１
   レーザー光線を被測定対象物に照射し、その第１反射光
   線を上記偏波面保存光ファイバーに戻すと共に、上記第
   ２レーザー光線を所定位置で反射した第２反射光線を上
   記偏波面光ファイバーに戻す測定ヘッドと、 上記偏波面保存光ファイバーの上記一端に接続され、上
   記第１及び第２反射光線を検出しこの検出出力から上記
   被測定対象物の速度及び位置の変位を測定する測定手段
   とを具えることを特徴とする変位・速度測定装置。
2. 【請求項２】 上記測定ヘッドは、上記第１レーザー光
   線を第１被測定対象物に照射すると共に、上記第２レー
   ザー光線を異なる方向に分離させるビーム・スプリッタ
   と、 該ビーム・スプリッタからの上記第２レーザー光線を偏
   向させ、第２被測定対象物に照射する偏向手段とを具
   え、 上記第１及び第２被測定対象物から反射された第１及び
   第２反射光線を上記偏波面保存光ファイバーに戻すこと
   を特徴とする請求項１記載の変位・速度測定装置。