JPH11201722A - Displacement measuring device and displacement measuring method - Google Patents
Displacement measuring device and displacement measuring methodInfo
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- JPH11201722A JPH11201722A JP10005119A JP511998A JPH11201722A JP H11201722 A JPH11201722 A JP H11201722A JP 10005119 A JP10005119 A JP 10005119A JP 511998 A JP511998 A JP 511998A JP H11201722 A JPH11201722 A JP H11201722A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー光を用い
て物体の変位を非接触で測定する変位測定方法および変
位測定装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a displacement measuring method and a displacement measuring device for measuring a displacement of an object in a non-contact manner using a laser beam.
【０００２】[0002]
【従来の技術】レーザを使用する物体の変位測定方法お
よび変位測定装置の従来例の代表的なものとして、２例
示す。図７は、従来の第１の例として挙げるもので、二
つの光路を使用する変位測定システムを示す。2. Description of the Related Art Two typical examples of a conventional displacement measuring method and a displacement measuring apparatus using a laser are shown below. FIG. 7 shows a first conventional example of a displacement measurement system using two optical paths.
【０００３】まず、レーザダイオードＬＤからのレーザ
光をビームスプリッタＭａによって二つのビームＬ1 、
Ｌ2 に分ける。Ｌ1 の光路上には超音波光周波数シフト
装置ＡＯＭが置かれ、一方のビームＬ1 がＡＯＭ装置を
通過して、その光周波数がｆ R だけシフトした参照光が
得られる。一方のビームＬ2 を直接、変位測定対象物体
Ｓの表面に照射すると、物体表面から反射される散乱光
が物体の変位によって光周波数がｆs だけドップラシフ
トする。散乱光と参照光をビームスプリッタＭ 1 によっ
て合波した後、フォトダイオードＰＤで混合すると干渉
光の強度がｆR−ｆs の周波数で変化する。この場合、
ｆR は定数で、干渉光はｆs だけの関数となる。ｆ
s は、変位測定対象物体の運動速度をＶとしたとき、 ｆs ＝２・Ｖ／λ・ｃｏｓθ（θは運動速度Ｖの方向と
反射光方向がなす角） で表すことができる。First, a laser from a laser diode LD
The light is split into two beams L by a beam splitter Ma.1,
LTwoDivided into L1Ultrasonic optical frequency shift on the optical path of
The device AOM is placed and one beam L1AOM equipment
Pass and its optical frequency is f RThe reference light shifted only
can get. One beam LTwoThe displacement measurement object directly
When illuminating the surface of S, scattered light reflected from the object surface
Is the optical frequency fsOnly dopplasif
To Beam splitter M for scattered light and reference light 1By
Interference after mixing with photodiode PD
Light intensity is fR−fsIt changes at the frequency. in this case,
fRIs a constant and the interference light is fsOnly function. f
sIs given by the following equation, where V is the motion velocity of the displacement measurement object.s= 2 · V / λ · cos θ (θ is the direction of the movement velocity V
The angle formed by the direction of the reflected light).
【０００４】ここで、ｆR −ｆs がｆR より大きいか小
さいかを見て、物体の運動方向を判断し、ｆR −ｆs が
ｆR よりシフトした量｜ｆs ｜によって物体の運動速度
をみる。物体の運動速度波形を時間積分することで変位
波形を求められる。図８により、半導体レーザの自己混
合法による変位測定システムを使用した従来の第２の方
法を示す。[0004] Here, a look at how f R -f s is less than or greater than f R, to determine the movement direction of the object, f R -f s is the amount shifted from f R | of the object by | f s Look at the exercise speed. The displacement waveform can be obtained by time-integrating the motion velocity waveform of the object. FIG. 8 shows a second conventional method using a displacement measuring system based on the self-mixing method of a semiconductor laser.
【０００５】無変調のレーザダイオードから出射したレ
ーザビームＬ0 が変位測定対象物体Ｓの表面に照射され
て反射され、一部の散乱光Ｌ1 が元の光路に沿って、レ
ーザダイオードに戻る。戻った光Ｌ1 とレーザダイオー
ド共振器中のレーザ光が混合して、干渉現象が起こる。
干渉信号がダイオードパッケージに内蔵されたフォトダ
イオードＰＤで検出される。自己混合によって起きた干
渉信号の特徴としては、図示のように鋸波となることで
ある。鋸波の傾きが物体の変位方向を表し、鋸波の数が
λ／２を単位とした変位の量を表す。このように、鋸波
の傾きと数により変位波形を求めることができる。[0005] The laser beam L 0 emitted from the laser diode of the unmodulated reflected is radiated to the surface of the displacement measurement object S, a part of the scattered light L 1 along the original optical path and returns to the laser diode. Returning was the light L 1 and the laser beam in the laser diode cavity is mixed, the interference phenomenon occurs.
An interference signal is detected by the photodiode PD built in the diode package. The characteristic of the interference signal caused by the self-mixing is that it has a sawtooth wave as shown in the figure. The inclination of the sawtooth indicates the displacement direction of the object, and the number of the sawtooth indicates the amount of displacement in units of λ / 2. Thus, the displacement waveform can be obtained from the inclination and the number of the sawtooth waves.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上記の第１の従来の方
法では、二つの光路が必要となり、また、参照光路にＡ
ＯＭ装置も必要となって光学系が複雑となり、装置全体
の体積も大きくなり、コストも高くなる。また、使用環
境が制限されたり、光軸合せに熟練を要したり、光路調
節に手間がかかり変位測定対象物体が制限される等の問
題がある。In the above-mentioned first conventional method, two optical paths are required, and A
The need for an OM device also complicates the optical system, increases the volume of the entire device, and increases the cost. In addition, there are problems that the use environment is restricted, that the optical axis alignment requires skill, that the adjustment of the optical path is troublesome, and that the displacement measurement target object is limited.
【０００７】また、上記第２の従来の方法は光学システ
ムが簡単であるという長所があるが、変位方向判別は、
鋸波の傾きの非対照度に依存し、この非対照度は反射光
の強度に依存するので、鋸波の傾きの非対照度が小さい
とき、測定誤差が大きくなるという欠点がある。したが
って、本願発明は従来の各方法における問題点の改善を
図ると同時に、低コストで小型化、耐環境性に優れた変
位測定方法および変位測定装置を提供することを目的と
する。The second conventional method has an advantage that the optical system is simple.
Since the asymmetricity of the sawtooth wave depends on the asymmetry, and the asymmetricity depends on the intensity of the reflected light, there is a disadvantage that the measurement error increases when the asymmetricity of the sawtooth wave is small. Accordingly, an object of the present invention is to provide a displacement measuring method and a displacement measuring device which are small in size and excellent in environmental resistance at the same time as improving the problems in the conventional methods.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本願の請求項１に記載の変位測定装置は、周期性上
下同量変動波形によって変調されたレーザ変調電流に応
じたレーザ光を出射するレーザ光出力手段と、前記レー
ザ光出力手段から出射したレーザ光の光路上に設けら
れ、レーザ光出力手段からのレーザ光を一部反射する参
照物体と、変位検出対象物体からの反射光と参照物体か
らの反射光とが干渉した干渉光を受光し、当該干渉光よ
りモードホップ信号を検出し、前記レーザ変調電流１周
期内のレーザ変調電流の上昇期間のモードホップの数と
レーザ変調電流の下降期間のモードホップの数をそれぞ
れ計数し、レーザ変調電流１周期毎に前記レーザ変調電
流の上昇期間と下降期間のモードホップの数の差を求
め、当該モードホップの数の差を出力する変位サンプル
手段と、前記変位サンプル手段で求めたレーザ変調電流
１周期毎の前記レーザ変調電流の上昇期間と下降期間の
モードホップの数の差を時間的にディジタル積分してデ
ィジタル積分信号を求め、該ディジタル積分信号から振
動周波数より低い周波数特性を有する誤差累積信号を除
去した変位波形を出力する変位波形検出手段とから構成
されることを特徴としている。According to a first aspect of the present invention, there is provided a displacement measuring apparatus for generating a laser beam corresponding to a laser modulation current modulated by a periodic waveform having the same vertical variation. Laser light output means for emitting light, a reference object provided on the optical path of the laser light emitted from the laser light output means, and partially reflecting the laser light from the laser light output means, and reflected light from the displacement detection target object And a mode hop signal is detected from the interference light, and the number of mode hops during the rising period of the laser modulation current within one cycle of the laser modulation current and the laser modulation are detected. The number of mode hops in the current falling period is counted, and the difference between the number of mode hops in the rising period and the falling period of the laser modulation current is obtained for each cycle of the laser modulation current. A displacement sampling means for outputting a difference in number, and a time-digital integration of a difference in the number of mode hops between a rising period and a falling period of the laser modulation current for each cycle of the laser modulation current obtained by the displacement sampling means. And a displacement waveform detecting means for obtaining a digital integrated signal, and outputting a displacement waveform obtained by removing an error accumulation signal having a frequency characteristic lower than the oscillation frequency from the digital integrated signal.
【０００９】請求項２に記載の変位測定装置は、周期性
上下同量変動波形によって変調されたレーザ変調電流に
応じたレーザ光の一部を出射し、変位検出対象物体から
の反射光を検出し、前記レーザ光の別の一部と前記反射
光を自己混合し検出信号を出力するレーザ光出力手段
と、レーザ光出力手段からの検出信号が入力すると、当
該検出信号よりモードホップ信号を検出し、前記レーザ
変調電流１周期内のレーザ変調電流の上昇期間のモード
ホップの数とレーザ変調電流の下降期間のモードホップ
の数をそれぞれ計数し、レーザ変調電流１周期毎に前記
レーザ変調電流の上昇期間と下降期間のモードホップの
数の差を求め、当該モードホップの数の差を出力する変
位サンプル手段と、前記変位サンプル手段で求めたレー
ザ変調電流１周期毎の前記レーザ変調電流の上昇期間と
下降期間のモードホップの数の差を時間的にディジタル
積分してディジタル積分信号を求め、該ディジタル積分
信号から振動周波数より低い周波数特性を有する誤差累
積信号を除去した変位波形を出力する変位波形検出手段
とから構成されることを特徴としている。According to a second aspect of the present invention, there is provided a displacement measuring device which emits a part of a laser beam corresponding to a laser modulation current modulated by a periodic waveform of the same amount and detects reflected light from a displacement detection target object. A laser light output means for self-mixing another part of the laser light and the reflected light to output a detection signal; and when a detection signal from the laser light output means is input, a mode hop signal is detected from the detection signal. Then, the number of mode hops during the rising period of the laser modulation current and the number of mode hops during the falling period of the laser modulation current within one cycle of the laser modulation current are counted, and the laser modulation current is counted every one cycle of the laser modulation current. Displacement sampling means for determining the difference in the number of mode hops between the rising period and the falling period, and outputting the difference in the number of mode hops; A digital integrated signal was obtained by temporally digitally integrating the difference in the number of mode hops between the rising period and the falling period of the laser modulation current, and an error accumulation signal having a frequency characteristic lower than the oscillation frequency was removed from the digital integrated signal. And a displacement waveform detecting means for outputting a displacement waveform.
【００１０】請求項３に記載の発明では、請求項１また
は２に記載の変位測定装置において、前記周期性上下同
量変動波形が、三角波、正弦波、鋸波、二乗余弦波、ガ
ウス波のいずれか１つであることを特徴としている。請
求項４に記載の変位測定方法は、周期性上下同量変動波
形によって変調されたレーザ変調電流に応じたレーザ光
を出射し、レーザ光の光路上に設けられレーザ光を一部
反射する参照物体からの反射光と変位検出対象物体から
の反射光とが干渉した干渉光よりモードホップ信号を検
出し、前記レーザ変調電流１周期内のレーザ変調電流の
上昇期間のモードホップの数とレーザ変調電流の下降期
間のモードホップの数をそれぞれ計数し、レーザ変調電
流１周期毎に前記レーザ変調電流の上昇期間と下降期間
のモードホップの数の差を求め、レーザ変調電流１周期
毎の前記レーザ変調電流の上昇期間と下降期間のモード
ホップの数の差を時間的にディジタル積分してディジタ
ル積分信号を求め、該ディジタル積分信号から振動周波
数より低い周波数特性を有する誤差累積信号を除去した
変位波形を求めることを特徴としている。According to a third aspect of the present invention, in the displacement measuring apparatus according to the first or second aspect, the periodic upper and lower same amount fluctuation waveform is a triangular wave, a sine wave, a sawtooth wave, a raised cosine wave, or a Gaussian wave. It is characterized by any one. The displacement measuring method according to claim 4, wherein a laser beam is emitted in accordance with a laser modulation current modulated by a periodic vertical fluctuation waveform, and is provided on an optical path of the laser beam and partially reflects the laser beam. The mode hop signal is detected from the interference light in which the reflected light from the object and the reflected light from the displacement detection target object interfere with each other, and the number of mode hops during the rising period of the laser modulation current within one cycle of the laser modulation current and the laser modulation are determined. The number of mode hops in the current falling period is counted, and the difference between the number of mode hops in the rising period and the falling period of the laser modulation current is obtained for each cycle of the laser modulation current. A digital integration signal is obtained by temporally digitally integrating the difference between the number of mode hops between the rising period and the falling period of the modulation current, and a frequency lower than the oscillation frequency is obtained from the digital integration signal. It is characterized by determining the displacement waveform to remove the accumulated error signal having a characteristic.
【００１１】[0011]
【発明の実施の形態】以下、本発明の振動測定方法及び
振動測定装置を、図１乃至図５を用いて説明する。 〔構 成〕図１は本発明による振動測定装置の構成を示
し、図２は図１の各点における出力波形を示す。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A vibration measuring method and a vibration measuring apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. [Configuration] FIG. 1 shows a configuration of a vibration measuring apparatus according to the present invention, and FIG. 2 shows output waveforms at respective points in FIG.
【００１２】図１において、本発明の振動測定装置は、
レーザ光出力手段１、変位サンプル手段２及び変位波形
検出手段３を基本構成としている。レーザ光出力手段１
は、変調電流波形発生部１１、レーザ変調電流源部１
２、半導体レーザダイオード部１３により構成されてい
る。変調電流波形発生部１１は、周期性上下同量変動波
形ａを出力する。In FIG. 1, the vibration measuring device of the present invention
The laser beam output means 1, the displacement sample means 2, and the displacement waveform detection means 3 have a basic configuration. Laser light output means 1
Is a modulation current waveform generator 11, a laser modulation current source 1
2. It is composed of a semiconductor laser diode section 13. The modulation current waveform generator 11 outputs a periodic upper and lower same amount fluctuation waveform a.
【００１３】レーザ変調電流源部１２は、一定電流基準
値を変調電流波形発生部１１から出力した周期性上下同
量変動波形ａにより変調した上下変動電流ｂを出力す
る。半導体レーザダイオード部１３は、レーザ変調電流
源部１２からの上下変動電流ｂにより駆動され、レーザ
光を出射する。参照物体Ｍは、半導体レーザダイオード
部１３から出射されるレーザ光の光路上に設けられ、半
導体レーザダイオード部１３から出射されるレーザ光を
一部透過するとともに参照反射光として反射し、変位測
定対象物体の表面Ｓからの反射光を透過する。The laser modulation current source 12 outputs a vertical fluctuation current b obtained by modulating a constant current reference value with the periodic vertical fluctuation waveform a output from the modulation current waveform generator 11. The semiconductor laser diode unit 13 is driven by the vertical fluctuation current b from the laser modulation current source unit 12 and emits a laser beam. The reference object M is provided on the optical path of the laser light emitted from the semiconductor laser diode unit 13, partially transmits the laser light emitted from the semiconductor laser diode unit 13, reflects the laser light as reference reflected light, The reflected light from the surface S of the object is transmitted.
【００１４】変位サンプル手段２は、信号検出増幅部２
１、モードホップパルス検出分離部２２、レーザ変調電
流１周期内変位検出部２３、フォトダイオード２４とか
ら構成されている。フォトダイオード２４は、変位検出
対象物体および参照物体により反射された反射光が干渉
した干渉光を検出し、検出信号を出力する。The displacement sampling means 2 includes a signal detection amplification section 2
1, a mode hop pulse detection / separation unit 22, a displacement detection unit 23 within one cycle of a laser modulation current, and a photodiode 24. The photodiode 24 detects the interference light that is reflected by the light reflected by the displacement detection target object and the reference object, and outputs a detection signal.
【００１５】信号増幅検出部２１は、フォトダイオード
２４からの検出信号が入力すると、モードホップ信号ｃ
を出力する。モードホップパルス検出分離部２２は、信
号検出増幅部２１からのモードホップ信号ｃからモード
ホップの数に応じてレーザ変調電流の上昇期間のモード
ホップパルス連ｊとレーザ変調電流の下降期間のモード
ホップパルス連ｋを出力する。When the detection signal from the photodiode 24 is input to the signal amplification detection unit 21, the mode hop signal c
Is output. The mode hop pulse detection / separation unit 22 determines the mode hop pulse sequence j during the rising period of the laser modulation current and the mode hop pulse j during the falling period of the laser modulation current according to the number of mode hops from the mode hop signal c from the signal detection amplification unit 21. The pulse train k is output.
【００１６】レーザ変調電流１周期内変位検出部２３
は、モードホップパルス連ｊおよびｋをもとにレーザ変
調電流の１周期ごとのレーザ変調電流の上昇期間のモー
ドホップパルス数Ｎ1 とレーザ変調電流の下降期間のモ
ードホップパルス数Ｎ2 及び両者の差ΔＮ＝Ｎ2 −Ｎ1
を求め、このΔＮの値を量子化変位サンプル値として出
力する。このΔＮの絶対値は、レーザ変調電流１周期内
の反波長λ／２で量子化された物体の変位量であり、Δ
Ｎの符号は物体の変位の方向を示す。The displacement detecting section 23 within one cycle of the laser modulation current
Are the number of mode hop pulses N 1 during the rising period of the laser modulation current and the number N 2 of mode hop pulses during the falling period of the laser modulation current for each period of the laser modulation current based on the mode hop pulse trains j and k. Difference ΔN = N 2 −N 1
And outputs the value of ΔN as a quantized displacement sample value. The absolute value of ΔN is the displacement of the object quantized at the anti-wavelength λ / 2 within one cycle of the laser modulation current,
The sign of N indicates the direction of displacement of the object.
【００１７】変位波形検出手段３は、変位累積演算部３
１とハイパスディジタルフィルタ処理部３２とから構成
されている。変位累積演算部３１は、前記変位サンプル
手段２から得た量子化変位サンプル値ΔＮを加算して変
位量の累積値ΣΔＮを求める。ハイパスディジタルフィ
ルタ処理部３２は、変位累積演算部３１で得られた累積
値ΣΔＮから振動信号周波数より十分に低い周波数成分
を持つΔＮの誤差累積成分を除去して目的とする変位波
形ｍを求める。The displacement waveform detecting means 3 comprises a displacement accumulator 3
1 and a high-pass digital filter processing unit 32. The displacement accumulator 31 adds the quantized displacement sample value ΔN obtained from the displacement sampling means 2 to obtain a cumulative displacement value ΣΔN. The high-pass digital filter processing unit 32 obtains a target displacement waveform m by removing an error accumulation component of ΔN having a frequency component sufficiently lower than the vibration signal frequency from the accumulated value ΣΔN obtained by the displacement accumulation operation unit 31.
【００１８】〔原 理〕次に、本願発明の原理を説明す
る。変調電流波形発生部１１からの周期性上下同量変動
波形ａを三角波形とした場合、レーザ変調電流源部１２
からの上下変動電流ｂは図３（ｂ）に示されるような三
角波電流となる。半導体レーザダイオード部１３はこの
三角波電流に応じたレーザ光を変位測定対象物に対し照
射する。[Principle] Next, the principle of the present invention will be described. When the periodic variation waveform a from the modulation current waveform generator 11 is a triangular waveform, the laser modulation current source 12
The vertical fluctuation current b is a triangular wave current as shown in FIG. The semiconductor laser diode unit 13 irradiates a laser beam corresponding to the triangular wave current to the displacement measurement target.
【００１９】図３（ａ）中、Ｓは変位測定対象物体の表
面を、また、Ｍは参照物体の表面を表す。レーザ光ｌ1
の一部が参照物体の表面Ｍにより反射され、参照反射光
ｒ1 が得られる。一方、レーザ光ｌ1 のうち参照物体を
通過したレーザ光ｌ2 が変位測定対象物体の表面Ｓで反
射され反射光ｒ2 が得られる。参照反射光ｒ1 と反射光
ｒ 2 が干渉し、この干渉光がフォトダイオードＰＤによ
り検出される。このとき、参照物体の表面Ｍと変位測定
対象物体の表面Ｓで、式 Ｌ＝ｎ×λ／２ ……（１） を満足すれば、干渉の強度が一番強くなる。ここで、Ｌ
は参照物体の表面Ｍから変位測定対象物体の表面Ｓまで
の距離を、λはレーザ光の波長を表す。ｎは整数で、参
照物体の表面Ｍから変位測定対象物体の表面Ｓの間に入
っている半波長の数を表す。In FIG. 3A, S is a table of an object to be measured for displacement.
M represents the surface of the reference object. Laser light l1
Is reflected by the surface M of the reference object, and the reference reflected light
r1Is obtained. On the other hand, the laser light l1Out of the reference object
Laser light l passedTwoIs anti-static on the surface S of the displacement measurement object.
Reflected light rTwoIs obtained. Reference reflected light r1And reflected light
r TwoInterfere with each other, and this interference light is
Detected. At this time, the surface M of the reference object and the displacement measurement
If the expression L = n × λ / 2 (1) is satisfied on the surface S of the target object, the interference intensity becomes the strongest. Where L
Is from the surface M of the reference object to the surface S of the object whose displacement is to be measured.
And λ represents the wavelength of the laser light. n is an integer.
Between the surface M of the illuminated object and the surface S of the displacement measurement object
Represents the number of half-wavelengths.
【００２０】（１）式を変形して（２）式が得られる。 ｎ＝２Ｌ・ｆ／ｃ （ｆはレーザ光の周波数、ｃは光速）……（２） （２）式が示すように、ｎは、Ｌ、ｆの関数で、ｎは
Ｌ、ｆの変化に従って変化する。ｎが１だけ変化する
と、干渉光の強度には１つの波が発生し、一つのモード
ホップが発生する。The equation (2) is obtained by modifying the equation (1). n = 2L · f / c (f is the frequency of the laser beam, c is the speed of light) (2) As shown in equation (2), n is a function of L and f, and n is a change in L and f. It changes according to. When n changes by 1, one wave is generated in the intensity of the interference light, and one mode hop is generated.
【００２１】図３（ｂ）の信号ｂはレーザ駆動電流波形
を示し、信号ｃは信号検出増幅部２１で検出した干渉光
の強度変化を示すモードホップ信号を表す。モードホッ
プ信号ｃからわかるように、干渉光の強度は駆動電流の
電流変化に従いながら、小さなステップ波形が重畳して
いる。この小さな波形はｎの変化によりモードホップパ
ルスが発生することを表す。A signal b in FIG. 3B indicates a laser drive current waveform, and a signal c indicates a mode hop signal indicating a change in the intensity of the interference light detected by the signal detection amplifier 21. As can be seen from the mode hop signal c, a small step waveform is superimposed while the intensity of the interference light follows the current change of the drive current. This small waveform indicates that a mode hop pulse is generated by a change in n.
【００２２】（２）式を時間ｔで微分すると次式（３）
が得られる。 ｄｎ／ｄｔ＝２Ｌ／ｃ・ｄｆ／ｄｔ＋２ｆ／ｃ・ｄＬ／ｄｔ ……（３） ここで、ｄｆ／ｄｔは光周波数の変調率で、電流変化率
ｄｉ／ｄｔに比例する。すなわち、ｄｆ／ｄｔ＝−Ｇ・
ｄｉ／ｄｔ（Ｇは正数で、単位電流変化当たりの周波数
の変化量で、単位はＨｚ／ｍＡ）となる。When the equation (2) is differentiated with respect to time t, the following equation (3) is obtained.
Is obtained. dn / dt = 2L / c · df / dt + 2f / c · dL / dt (3) where df / dt is a modulation rate of an optical frequency and is proportional to a current change rate di / dt. That is, df / dt = −G ·
di / dt (G is a positive number and is a frequency change per unit current change, and the unit is Hz / mA).
【００２３】ｄＬ／ｄｔは参照物体の表面Ｍが固定の時
の変位測定対象物体の表面Ｓの運動速度であり、変調電
流周期内ではほぼ一定であると考えることができる。ｄ
ｎ／ｄｔはモードホップ周波数で、変調電流による光周
波数シフトと変位測定対象物体の表面Ｓの運動速度の両
方に関係している。（３）式より次式（４）式が得られ
る。DL / dt is the speed of movement of the surface S of the displacement measurement object when the surface M of the reference object is fixed, and can be considered to be substantially constant within the modulation current cycle. d
n / dt is a mode hop frequency, which is related to both the optical frequency shift due to the modulation current and the movement speed of the surface S of the displacement measurement object. The following equation (4) is obtained from the equation (3).
【００２４】 ｄｎ／ｄｔ＝−２ＬＧ／ｃ・ｄｉ／ｄｔ＋２ｆ／ｃ・ｄＬ／ｄｔ ……（４） ｄｎ／ｄｔが０になる時の変位測定対象物体の表面Ｓの
運動速度を臨海速度Ｖ c と呼び、 Ｖc ＝ＬＧ／ｆ・ｄｉ／ｄｔ ……（５） で与えられている。Dn / dt = −2LG / c · di / dt + 2f / c · dL / dt (4) The surface S of the displacement measurement object when dn / dt becomes 0
Movement speed to seaside speed V cAnd Vc= LG / f · di / dt (5)
【００２５】いま、変位測定対象物体の表面Ｓの運動速
度が臨海速度より常に小さい場合を考える。この時、｜
２ＬＧ／ｃ・ｄｉ／ｄｔ｜＞｜２ｆ／ｃ・ｄＬ／ｄｔ｜
が成立するので、ｄｎ／ｄｔの符号は、２ＬＧ／ｃ・ｄ
ｉ／ｄｔにより決まる。レーザ変調電流の上昇期間（０
からＴ／２まで）内のモードホップ数Ｎ1 は、次式
（６）により表わされる。Now, consider the case where the velocity of movement of the surface S of the displacement measurement object is always lower than the critical speed. At this time,
2LG / c · di / dt |> | 2f / c · dL / dt |
Holds, the sign of dn / dt is 2LG / c · d
Determined by i / dt. Rise period of laser modulation current (0
To T / 2), the number of mode hops N 1 is represented by the following equation (6).
【００２６】[0026]
【数１】 (Equation 1)
【００２７】レーザ変調電流の下降期間（Ｔ／２からＴ
まで）内のモードホップの数Ｎ2 は、次式（７）とな
る。The falling period of the laser modulation current (from T / 2 to T
The number N 2 of the mode hops in the following expression is expressed by the following equation (7).
【００２８】[0028]
【数２】 (Equation 2)
【００２９】（７）式−（６）式から、From the equations (7)-(6),
【００３０】[0030]
【数３】 (Equation 3)
【００３１】ここで、ΔＬ1 ’＝Ｌ3 −Ｌ1 であり、１
周期内の微小変位であり、一般的には、１周期ごとに変
化する。（８）式は次式（９）式となる。 ΔＬ1 ’＝λ／２・（Ｎ2 −Ｎ1 ）＝λ／２・（ΔＮ）1 ……（９） ここで、（ΔＮ）i はｉ番目の三角波電流１周期内の微
小変位に対応したΔＮである。Here, ΔL 1 ′ = L 3 −L 1 and 1
This is a minute displacement within a cycle, and generally changes every cycle. Equation (8) becomes the following equation (9). ΔL 1 '= λ / 2 · (N 2 −N 1 ) = λ / 2 · (ΔN) 1 (9) where (ΔN) i corresponds to a minute displacement in one cycle of the i-th triangular wave current. ΔN.
【００３２】（９）式からわかるように、レーザ変調電
流の１周期内の変位測定対象物体の表面Ｓの変位は（Ｎ
2 −Ｎ1 ）に比例する。（Ｎ2 −Ｎ1 ）はλ／２で量子
化されたレーザ変調電流の１周期内の変位量のディジタ
ル値を示す。そして（Ｎ2 −Ｎ1 ）の符号は変位測定対
象物体の表面Ｓの運動方向を表し、変位測定対象物体の
表面Ｓが遠ざかるときは正である。As can be seen from equation (9), the displacement of the surface S of the displacement measurement object within one cycle of the laser modulation current is (N
Proportional to 2 -N 1). (N 2 −N 1 ) indicates a digital value of a displacement amount within one cycle of the laser modulation current quantized by λ / 2. The sign of (N 2 −N 1 ) indicates the direction of movement of the surface S of the displacement measurement object, and is positive when the surface S of the displacement measurement object moves away.
【００３３】なお、以上の結論は、変位測定対象物体の
表面Ｓの運動速度が臨海速度より小さいという条件で得
られたものであるが、この条件は電流変化率ｄｉ／ｄｔ
を調節すれば、容易に実現できる。ところで、時刻０か
ら時刻ｔまでの間に、変位測定対象物体の表面Ｓが移動
することによる変位をΔＬとすると、The above conclusion was obtained under the condition that the speed of movement of the surface S of the object to be measured for displacement is smaller than the critical speed. This condition is based on the current change rate di / dt.
It can be easily realized by adjusting. By the way, assuming that the displacement caused by the movement of the surface S of the displacement measurement target object from time 0 to time t is ΔL,
【００３４】[0034]
【数４】 (Equation 4)
【００３５】で与えられる。ここに、ｎは１以上の整数
であり、測定に用いられた三角波の数であり、 ｎＴ＝ｔ ……（１１） である。従って、（１０）式は、Is given by Here, n is an integer of 1 or more, and is the number of triangular waves used for the measurement, and nT = t (11). Therefore, equation (10) is
【００３６】[0036]
【数５】 (Equation 5)
【００３７】（９）式を用いると、Using equation (9),
【００３８】[0038]
【数６】 (Equation 6)
【００３９】従って、三角波電流の１周期ごとに実測し
たΔＮ＝Ｎ2 −Ｎ1 を代数的に加算した値は、λ／２で
量子化された変位を与える。なお、（６）乃至（８）式
からわかるように、Ｎ2 −Ｎ1 の値は、変位Ｌ3 −Ｌ1
と光波長λのみによって決定される。すなわち、変調電
流波形としては、１周期内で上昇部と下降部を各１回有
する飛びのない単調連続周期波形であれば、どのような
形でもよいことがわかる。Therefore, a value obtained by algebraically adding ΔN = N 2 −N 1 actually measured for each cycle of the triangular wave current gives a displacement quantized by λ / 2. As can be seen from the equations (6) to (8), the value of N 2 −N 1 is the displacement L 3 −L 1
And the light wavelength λ alone. In other words, it can be understood that the modulation current waveform may have any shape as long as it is a single-tone continuous periodic waveform having one rising portion and one falling portion in one cycle and having no jump.
【００４０】〔動 作〕次に、本発明による振動測定装
置の実施例について図４および図５を参照して説明す
る。図４は図１に示す振動測定装置の構成図をさらに細
かく分けたものである。図５は図４の各点における出力
波形を示したものである。図４に示す振動測定装置は、
変調電流波形発生部１１とレーザ変調電流源部１２と半
導体レーザダイオード部１３とから構成されるレーザ光
出力手段１と、信号検出増幅部２１とモードホップパル
ス検出分離部２２とレーザ変調電流１周期内変位検出部
２３とフォトダイオード２４とから構成される変位サン
プル手段２と、変位累積演算部３１とハイパスディジタ
ルフィルタ処理部３２とから構成される振動変位波形検
出手段３により構成されている。[Operation] Next, an embodiment of the vibration measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 shows the configuration of the vibration measuring device shown in FIG. 1 in more detail. FIG. 5 shows the output waveform at each point in FIG. The vibration measuring device shown in FIG.
A laser light output unit 1 including a modulation current waveform generation unit 11, a laser modulation current source unit 12, and a semiconductor laser diode unit 13, a signal detection amplification unit 21, a mode hop pulse detection separation unit 22, and one cycle of a laser modulation current It comprises a displacement sampling means 2 comprising an inner displacement detecting section 23 and a photodiode 24, and a vibration displacement waveform detecting means 3 comprising a displacement accumulating operation section 31 and a high-pass digital filter processing section 32.
【００４１】本実施例においては、変調電流波形発生部
１１は三角波を発生する三角波発生回路を用いている
が、これに限らず正弦波等、他の周期性上下同量変動波
形の発生回路とすることも可能である。変調電流波形発
生部である三角波発生回路１１は、三角波形ａを出力す
る。レーザ変調電流源部１２は、一定電流基準値を三角
波発生回路１１から出力した三角波形ａにより変調した
上下変動電流ｂを出力する。In the present embodiment, the modulation current waveform generator 11 uses a triangular wave generating circuit for generating a triangular wave. However, the present invention is not limited to this. It is also possible. The triangular wave generation circuit 11 serving as a modulation current waveform generator outputs a triangular waveform a. The laser modulation current source unit 12 outputs a vertical fluctuation current b obtained by modulating a constant current reference value with a triangular waveform a output from the triangular wave generation circuit 11.
【００４２】半導体レーザダイオード部１３は、レーザ
変調電流源部１２からの上下変動電流ｂにより駆動さ
れ、これに応じたレーザ光を出射する。参照物体は、半
導体レーザダイオード部１３から出射されるレーザ光の
光路上に設けられ、半導体レーザダイオード部１３から
出射されるレーザ光を一部透過するとともに参照反射光
として反射し、変位測定対象物体の表面Ｓからの反射光
を透過する。The semiconductor laser diode section 13 is driven by a vertically fluctuating current b from the laser modulation current source section 12, and emits a laser beam corresponding to the current. The reference object is provided on the optical path of the laser light emitted from the semiconductor laser diode unit 13, partially transmits the laser light emitted from the semiconductor laser diode unit 13, reflects the laser light as reference reflected light, and The light reflected from the surface S is transmitted.
【００４３】変位測定対象物体および参照物体からの反
射光が干渉した干渉光は、フォトダイオード２４により
検出され、干渉光を検出したフォトダイオード２４は、
干渉光の受光強度に応じて検出信号を出力する。フォト
ダイオード２４からの検出信号は、信号検出増幅部２１
の検出回路２１１に入力し、検出信号が入力した検出回
路２１１はモードホップ信号ｃを出力する。The interference light that is reflected by the reflected light from the displacement measurement object and the reference object is detected by the photodiode 24, and the photodiode 24 that detects the interference light
A detection signal is output according to the received light intensity of the interference light. The detection signal from the photodiode 24 is output to the signal detection amplification unit 21.
The detection circuit 211 receives the detection signal and outputs the mode hop signal c.
【００４４】検出回路２１１からのモードホップ信号ｃ
が入力した信号レベル調整回路２１２は、モードホップ
信号ｃのレベルを調整して出力する。信号検出部２１の
信号レベル調整回路２１２からのモードホップ信号ｃは
二つに分けられ、モードホップパルス検出分離部２２に
入力される。モードホップパルス検出分離部２２では、
一方のモードホップ信号ｃはローパス回路２２１を経て
信号ｄとなって微分回路２２２に入力される。微分回路
２２２から出力した信号ｅは比較成形回路２２３により
レーザ変調電流の上昇期間をハイレベルと対応させた矩
形波ｆを得る。The mode hop signal c from the detection circuit 211
The signal level adjusting circuit 212 to which is input is adjusted and output the mode hop signal c. The mode hop signal c from the signal level adjustment circuit 212 of the signal detection unit 21 is divided into two and input to the mode hop pulse detection separation unit 22. In the mode hop pulse detection / separation unit 22,
One mode hop signal c passes through the low-pass circuit 221 to become a signal d and is input to the differentiating circuit 222. From the signal e output from the differentiating circuit 222, a rectangular wave f in which the rising period of the laser modulation current corresponds to the high level is obtained by the comparison shaping circuit 223.
【００４５】他方のモードホップ信号ｃはハイパス回路
２２４に入力され、ハイパス回路２２４の出力する信号
ｈは比較成形回路２２５を経てモードホップ矩形パルス
ｉを得る。そして、信号ｆと信号ｉとをＡＮＤ回路２２
６に入力して、レーザ変調電流の上昇期間のモードホッ
プ矩形パルス信号ｊを得て、レーザ変調電流１周期内変
位検出部２３に出力される。The other mode hop signal c is input to the high-pass circuit 224, and the signal h output from the high-pass circuit 224 passes through the comparison shaping circuit 225 to obtain a mode hop rectangular pulse i. Then, the signal f and the signal i are connected to the AND circuit 22.
6 to obtain a mode-hop rectangular pulse signal j in the rising period of the laser modulation current, which is output to the displacement detection unit 23 within one cycle of the laser modulation current.
【００４６】一方、比較成形回路２２３を経た信号ｆは
反転回路２２７に入力されてレーザ変調電流の下降期間
をハイレベルと対応させた対応させた矩形波ｇを得る。
そして信号ｇと信号ｉとをＡＮＤ回路２２８に入力し
て、レーザ変調電流の下降期間のモードホップ矩形パル
ス信号ｋを得て、レーザ変調電流１周期内変位検出部２
３に出力される。On the other hand, the signal f which has passed through the comparison shaping circuit 223 is input to the inverting circuit 227 to obtain a corresponding rectangular wave g in which the falling period of the laser modulation current corresponds to the high level.
The signal g and the signal i are input to an AND circuit 228 to obtain a mode hop rectangular pulse signal k in a falling period of the laser modulation current, and the displacement detection unit 2 within one cycle of the laser modulation current.
3 is output.
【００４７】レーザ変調電流１周期内変位検出部２３で
は、モードホップパルス検出分離部２２から出力したモ
ードホップ矩形パルス信号ｊおよびｋの矩形波の数、つ
まり、モードホップ数がそれぞれカウンタ２３１、２３
２でカウントされ、レーザ変調電流の１周期ごとにコン
ピュータ或いはＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッ
サ）等の変位検出演算部２３３に矩形波のカウント数が
出力される。つまり、レーザ変調電流の１周期ごとにカ
ウンタから出力した変調電流上昇期間と下降期間に対応
するモードホップ数Ｎ1 、Ｎ2 をサンプルすることにな
る。In the displacement detecting section 23 within one cycle of the laser modulation current, the number of rectangular waves of the mode hop rectangular pulse signals j and k output from the mode hop pulse detecting / separating section 22, that is, the number of mode hops is counted by counters 231 and 23, respectively.
The number of square waves is output to the displacement detection calculation unit 233 such as a computer or a DSP (Digital Signal Processor) for each cycle of the laser modulation current. That is, the number of mode hops N 1 and N 2 corresponding to the rising and falling periods of the modulation current output from the counter for each cycle of the laser modulation current are sampled.
【００４８】カウンタ２３１、２３２は、１周期ごとに
クリアされる。変位検出演算部２３３では、ΔＮ＝Ｎ2
−Ｎ1 を計算し、このΔＮの値（量子化変位サンプル
値）を変位波形検出手段３に出力する。振動変位波形検
出手段３の変位累積演算部３１では、前記変位サンプル
手段２から得た変調電流１周期内の量子化変位サンプル
値ΔＮを加算して変位量の累積値ΣΔＮを計算し積分デ
ィジタル信号ｌを求める。The counters 231 and 232 are cleared every cycle. In the displacement detection calculation unit 233, ΔN = N 2
−N 1 is calculated, and the value of ΔN (quantized displacement sample value) is output to the displacement waveform detecting means 3. The displacement accumulating section 31 of the vibration displacement waveform detecting means 3 adds the quantized displacement sample value ΔN within one cycle of the modulation current obtained from the displacement sampling means 2 to calculate a cumulative value 変 位 ΔN of the displacement amount, and obtains an integrated digital signal. Find l.
【００４９】そして、ハイパスディジタルフィルタ処理
部３２にて、変位累積演算部３１で得られた積分ディジ
タル信号ｌのうち、振動周波数より十分に低い周波数成
分を持つ誤差累積差分を除去し、変位波形のディジタル
信号ｍを求める。尚、変位サンプル手段２および振動変
位波形検出手段３を共通のコンピュータあるいはＤＳＰ
で行わせるようにしてもよい。Then, the high-pass digital filter processing section 32 removes an error accumulated difference having a frequency component sufficiently lower than the vibration frequency from the integrated digital signal 1 obtained by the displacement accumulated operation section 31 to obtain a displacement waveform. Find the digital signal m. The displacement sampling means 2 and the vibration displacement waveform detecting means 3 are shared by a common computer or DSP.
May be performed.
【００５０】また、図９に本発明の他の実施例に係る変
位測定装置を示す。この変位測定装置は、図１に示した
ように、半導体レーザＦＭ変調手段１ａ、変位サンプル
手段２ａ及び振動変位波形検出手段３からなり、図１お
よび図４に示した前述の実施例と同一機能を有する構成
については、説明の便宜上、同一の符号を付している。FIG. 9 shows a displacement measuring apparatus according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, this displacement measuring device comprises a semiconductor laser FM modulating means 1a, a displacement sampling means 2a and a vibration displacement waveform detecting means 3, and has the same function as the above-described embodiment shown in FIGS. Are denoted by the same reference numerals for convenience of explanation.
【００５１】図９に示す変位測定装置において、半導体
レーザダイオード部１３ａは、フォトダイオード内蔵半
導体レーザダイオード或いは出力端にファイバ付きのフ
ォトダイオード内蔵半導体レーザダイオード等、半導体
レーザダイオードとフォトダイオードが一体化されてい
るものである。半導体レーザダイオードは、変位測定対
象物体および内蔵しているフォトダイオードにレーザ光
を出射する。フォトダイオードは、変位測定対象物体か
らの反射光と半導体レーザダイオードから供給されるレ
ーザ光を検出し、すなわち、この２つのレーザ光を自己
混合し検出信号として信号検出増幅部２１ａに出力す
る。信号検出増幅部２１ａでは、このフォトダイオード
からの検出信号が入力すると、モードホップ信号ｃを出
力する。In the displacement measuring device shown in FIG. 9, the semiconductor laser diode section 13a is formed by integrating a semiconductor laser diode and a photodiode, such as a semiconductor laser diode with a built-in photodiode or a semiconductor laser diode with a fiber at the output end. Is what it is. A semiconductor laser diode emits laser light to a displacement measurement target object and a built-in photodiode. The photodiode detects the reflected light from the displacement measurement target object and the laser light supplied from the semiconductor laser diode, that is, self-mixes the two laser lights and outputs it as a detection signal to the signal detection amplifier 21a. When the detection signal from the photodiode is input, the signal detection amplifier 21a outputs a mode hop signal c.
【００５２】ここで、半導体レーザダイオードから内蔵
フォトダイオードに対して供給されるレーザ光は上記実
施例における参照物体からの反射光と同じ作用をする。
したがって、前記半導体レーザダイオード部１３をフォ
トダイオード内蔵半導体レーザダイオード等により構成
すれば、参照物体を設ける必要はなくなる。以上のよう
に、本発明による変位測定装置は、周期性上下同量変動
波形により変調されるレーザ変調電流源により駆動され
る半導体レーザダイオードから出射されるレーザ光を変
位測定対象物体に照射し、その反射光を検出するととも
に、参照物体を使用してモードホップ信号を検出し、こ
のモードホップ信号をディジタル処理して変位波形を得
るようにしている。これにより、簡単な光学系のシステ
ムで、装置を小型化できるとともに、光軸も一つである
ため、光学調整が簡単であり、複雑な設定を必要としな
い変位測定装置が得られる。Here, the laser light supplied from the semiconductor laser diode to the built-in photodiode has the same function as the reflected light from the reference object in the above embodiment.
Therefore, if the semiconductor laser diode section 13 is constituted by a semiconductor laser diode with a built-in photodiode, it is not necessary to provide a reference object. As described above, the displacement measurement device according to the present invention irradiates the displacement measurement target object with the laser light emitted from the semiconductor laser diode driven by the laser modulation current source modulated by the periodic upper and lower fluctuation waveform, In addition to detecting the reflected light, a mode hop signal is detected using a reference object, and the mode hop signal is digitally processed to obtain a displacement waveform. As a result, a simple optical system can be used to reduce the size of the device, and since there is only one optical axis, an optical adjustment is simple and a displacement measuring device that does not require complicated settings can be obtained.
【００５３】図６は、本発明の他の実施例に係る変位測
定装置を示す。この変位測定装置も、図１に示したよう
に、半導体レーザＦＭ変調手段１、変位サンプル手段２
及び振動変位波形検出手段３からなり、これらの具体的
な構成は、図１および図４に示したものと同様である。
したがって、上記実施例と同一機能を有する構成につい
ては、説明の便宜上、同一の符号を付している。FIG. 6 shows a displacement measuring apparatus according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, this displacement measuring device also has a semiconductor laser FM modulating means 1, a displacement sampling means 2
And a vibration displacement waveform detecting means 3 having a specific configuration similar to that shown in FIG. 1 and FIG.
Therefore, components having the same functions as those of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals for convenience of explanation.
【００５４】変位波形検出手段３で得られた変位波形ｍ
を、ＣＲＴ等の波形表示手段４に表示することができ
る。また、振動波形分析手段５において、変位波形検出
手段３で得られた変位波形ｍを解析して、波形、振動周
波数、振動数をもとに振動の特性を解析し、振動体の特
定や振動原因等の調査に利用することができる。The displacement waveform m obtained by the displacement waveform detecting means 3
Can be displayed on the waveform display means 4 such as a CRT. Further, the vibration waveform analyzing means 5 analyzes the displacement waveform m obtained by the displacement waveform detecting means 3 and analyzes the characteristics of the vibration based on the waveform, the vibration frequency, and the frequency to specify the vibration body and the vibration. It can be used to investigate the cause.
【００５５】また、本発明による変位測定は、変位測定
対象物体の運動速度が臨海速度Ｖｃより小さいという条
件を前提にしている。このため、電流変化率ｄｉ／ｄｔ
を調節する必要がある。そこで、図６に示すように、変
位スペクトル分析手段５において、変位波形ｍの周波数
成分分布を求め、この周波数成分分布での最高周波数を
最高周波数検出手段７で求める。 周波数比較手段８で
は、最高周波数検出手段７で求めた最高周波数と変調電
流波形発生部（上記実施例においては三角波発生部）１
１で出力している周期性上下同量変動波形ａの周波数を
比較する。The displacement measurement according to the present invention is premised on the condition that the movement speed of the displacement measurement object is lower than the critical speed Vc. For this reason, the current change rate di / dt
Need to be adjusted. Therefore, as shown in FIG. 6, the displacement spectrum analyzing means 5 obtains the frequency component distribution of the displacement waveform m, and the highest frequency in this frequency component distribution is obtained by the highest frequency detecting means 7. In the frequency comparing means 8, the highest frequency obtained by the highest frequency detecting means 7 and the modulated current waveform generator (triangular wave generator in the above embodiment) 1
The frequency of the periodic upper and lower same amount fluctuation waveform a outputted at 1 is compared.
【００５６】このとき、最高周波数検出手段７で求めた
最高周波数が変調電流波形発生部１１で出力している周
期性上下同量変動波形ａの周波数よりも小さい（例えば
１／１０以下）ければ、周期性上下同量変動波形ａの周
波数はそのままにしておく。もし、最高周波数検出手段
７で求めた最高周波数が変調電流波形発生部１１で出力
している周期性上下同量変動波形ａの周波数よりも大き
（例えば１／１０以上）ければ、変調周波数コントロー
ル手段９に信号を出力する。At this time, if the highest frequency obtained by the highest frequency detecting means 7 is smaller than the frequency of the periodic fluctuation waveform a outputted by the modulation current waveform generator 11 (for example, 1/10 or less). , The frequency of the periodic upper and lower variation waveform a is left as it is. If the highest frequency obtained by the highest frequency detecting means 7 is higher than the frequency of the periodic fluctuation waveform a outputted by the modulation current waveform generator 11 (for example, 1/10 or more), the modulation frequency control is performed. A signal is output to the means 9.
【００５７】変調周波数コントロール手段９は、周波数
比較手段８からの信号が入力すると、周期性上下同量変
動波形ａの周波数を変更（例えば、それまでの値の２倍
に）する。これにより、ｄｉ／ｄｔが所定の値となるよ
うに調節し、高い精度を維持することができる。なお、
変調電流波形発生部１１の周波数のコントロールは、一
定時間間隔或いは所定の時刻に行うようにしてもよい。When the signal from the frequency comparing means 8 is input, the modulation frequency control means 9 changes the frequency of the periodic upper and lower same amount fluctuation waveform a (for example, to twice the previous value). Thus, di / dt can be adjusted to have a predetermined value, and high accuracy can be maintained. In addition,
The control of the frequency of the modulated current waveform generator 11 may be performed at fixed time intervals or at a predetermined time.
【００５８】[0058]
【発明の効果】上述のように、本発明は、駆動電流変調
と物体変位によるレーザ光外部共振器のモードホップ現
象を利用してモードホップ数を検出、解析することで物
体の振動変位を測定するようにしたもので、これによ
り、光学系を含む装置の構造が簡素化され、光軸も一つ
であるため、光学調整が簡単であり、装置を低コストと
することができる。As described above, the present invention measures the vibration displacement of an object by detecting and analyzing the number of mode hops using the mode hop phenomenon of a laser external cavity due to drive current modulation and object displacement. Thus, the structure of the device including the optical system is simplified, and since there is only one optical axis, the optical adjustment is simple and the device can be manufactured at low cost.
【００５９】また、装置の使用環境に対する条件が厳し
くなく、精度の高い振動測定を可能とすることができ
る。Further, the conditions for the use environment of the apparatus are not strict, and highly accurate vibration measurement can be performed.
【図１】本発明による振動測定装置の基本構成を示すブ
ロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a vibration measuring device according to the present invention.
【図２】本発明の各構成ブロックにより得られる信号波
形を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing signal waveforms obtained by respective constituent blocks of the present invention.
【図３】本発明の振動測定の測定原理を説明する図であ
る。（ａ）は光学装置と光路の概略を示す図、（ｂ）は
振動体の変位（上図）、駆動電流波形（中図）、モード
ホップ信号（下図）とし、それぞれの時間変化を示す図
である。FIG. 3 is a diagram illustrating a measurement principle of vibration measurement according to the present invention. (A) is a diagram schematically showing an optical device and an optical path, and (b) is a diagram showing displacement of a vibrating body (upper diagram), a drive current waveform (middle diagram), and a mode hop signal (lower diagram), and showing respective time changes. It is.
【図４】本発明の実施例に係る振動測定装置のブロック
構成図である。FIG. 4 is a block configuration diagram of a vibration measuring device according to an embodiment of the present invention.
【図５】図４の各ブロックで得られる信号波形を示す図
である。FIG. 5 is a diagram showing signal waveforms obtained in each block of FIG. 4;
【図６】本発明の振動測定の他の実施例を示す図であ
る。FIG. 6 is a view showing another embodiment of the vibration measurement of the present invention.
【図７】従来のレーザ光を利用した振動測定装置の一例
を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of a conventional vibration measuring device using laser light.
【図８】従来のレーザ光を利用した振動測定装置の他の
例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing another example of a conventional vibration measuring device using laser light.
【図９】本発明の振動測定の他の実施例を示す図であ
る。FIG. 9 is a view showing another embodiment of the vibration measurement of the present invention.
１ レーザ光出力手段 １ａ レーザ光出力手段 ２ 変位サンプル手段 ２ａ 変位サンプル手段 ３ 変位波形検出手段 ４ 波形表示手段 ５ 変位スペクトル分析手段 ６ 変位スペクトル表示手段 ７ 最高周波数検出手段 ８ 周波数比較手段 ９ 変調周波数コントロール手段 １１ 変調電流波形発生部 １２ レーザ変調電流源部 １３ 半導体レーザダイオード部 １３ａ 半導体レーザダイオード部 ２１ 信号検出増幅部 ２１ａ 信号検出増幅部 ２２ モードホップパルス検出分離部 ２３ レーザ変調電流１周期内変位検出部 ２４ フォトダイオード ３１ 変位累積演算部 ３２ ハイパスディジタルフィルタ処理部 ２１１ 信号検出回路 ２１２ 信号レベル調整回路 ２２１ ローパス回路 ２２２ 微分回路 ２２３ 比較成形回路 ２２４ ハイパス回路 ２２５ 比較成形回路 ２２６ ＡＮＤ回路 ２２７ 反転回路 ２２８ ＡＮＤ回路 ２３１ カウンタ１ ２３２ カウンタ２ ２３３ 変位検出演算部 REFERENCE SIGNS LIST 1 laser light output means 1 a laser light output means 2 displacement sample means 2 a displacement sample means 3 displacement waveform detection means 4 waveform display means 5 displacement spectrum analysis means 6 displacement spectrum display means 7 maximum frequency detection means 8 frequency comparison means 9 modulation frequency control Means 11 Modulation current waveform generation unit 12 Laser modulation current source unit 13 Semiconductor laser diode unit 13a Semiconductor laser diode unit 21 Signal detection amplification unit 21a Signal detection amplification unit 22 Mode hop pulse detection separation unit 23 Displacement detection unit within one cycle of laser modulation current Reference Signs List 24 Photodiode 31 Displacement accumulation operation unit 32 High-pass digital filter processing unit 211 Signal detection circuit 212 Signal level adjustment circuit 221 Low-pass circuit 222 Differentiation circuit 223 Comparison molding circuit 224 High-pass circuit 225 Comparison molding time 226 the AND circuit 227 inverting circuit 228 the AND circuit 231 Counter 1 232 Counter 2 233 displacement detection calculation unit
─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成１０年１２月２日[Submission date] December 2, 1998
【手続補正１】[Procedure amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】０００７[Correction target item name] 0007
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【０００７】また、上記第２の従来の方法は光学システ
ムが簡単であるという長所があるが、変位方向判別は、
鋸波の傾きの非対称度に依存し、この非対称度は反射光
の強度に依存するので、鋸波の傾きの非対称度が小さい
とき、測定誤差が大きくなるという欠点がある。したが
って、本願発明は従来の各方法における問題点の改善を
図ると同時に、低コストで小型化、耐環境性に優れた変
位測定方法および変位測定装置を提供することを目的と
する。The second conventional method has an advantage that the optical system is simple.
Depending on the non-symmetry of the sawtooth slope, since this non-symmetry is dependent on the intensity of the reflected light, when non-symmetry of the slope of the sawtooth wave is small, there is a disadvantage that the measurement error increases. Accordingly, an object of the present invention is to provide a displacement measuring method and a displacement measuring device which are small in size and excellent in environmental resistance at the same time as improving the problems in the conventional methods.
【手続補正２】[Procedure amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００１６[Correction target item name] 0016
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００１６】レーザ変調電流１周期内変位検出部２３
は、モードホップパルス連ｊおよびｋをもとにレーザ変
調電流の１周期ごとのレーザ変調電流の上昇期間のモー
ドホップパルス数Ｎ1 とレーザ変調電流の下降期間のモ
ードホップパルス数Ｎ2 及び両者の差ΔＮ＝Ｎ2 −Ｎ1
を求め、このΔＮの値を量子化変位サンプル値として出
力する。このΔＮの絶対値は、レーザ変調電流１周期内
の半波長λ／２で量子化された物体の変位量であり、Δ
Ｎの符号は物体の変位の方向を示す。The displacement detecting section 23 within one cycle of the laser modulation current
Are the number of mode hop pulses N 1 during the rising period of the laser modulation current and the number N 2 of mode hop pulses during the falling period of the laser modulation current for each period of the laser modulation current based on the mode hop pulse trains j and k. Difference ΔN = N 2 −N 1
And outputs the value of ΔN as a quantized displacement sample value. The absolute value of ΔN is the displacement of the object quantized at half wavelength λ / 2 within one cycle of the laser modulation current,
The sign of N indicates the direction of displacement of the object.
【手続補正３】[Procedure amendment 3]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００５２[Correction target item name] 0052
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００５２】ここで、半導体レーザダイオードから内蔵
フォトダイオードに対して供給されるレーザ光は上記実
施例における参照物体からの反射光と同じ作用をする。
したがって、前記半導体レーザダイオード部１３をフォ
トダイオード内蔵半導体レーザダイオード等により構成
すれば、参照物体を設ける必要はなくなる。以上のよう
に、本発明による変位測定装置は、周期性上下同量変動
波形により変調されるレーザ変調電流源により駆動され
る半導体レーザダイオードから出射されるレーザ光を変
位測定対象物体に照射し、その反射光を検出するととも
に、レーザダイオードから内蔵フォトダイオードに供給
されるレーザ光を参照光として使用してモードホップ信
号を検出し、このモードホップ信号をディジタル処理し
て変位波形を得るようにしている。これにより、簡単な
光学系のシステムで、装置を小型化できるとともに、光
軸も一つであるため、光学調整が簡単であり、複雑な設
定を必要としない変位測定装置が得られる。Here, the laser light supplied from the semiconductor laser diode to the built-in photodiode has the same function as the reflected light from the reference object in the above embodiment.
Therefore, if the semiconductor laser diode section 13 is constituted by a semiconductor laser diode with a built-in photodiode, it is not necessary to provide a reference object. As described above, the displacement measuring device according to the present invention irradiates the laser beam emitted from the semiconductor laser diode driven by the laser modulation current source modulated by the periodic vertical fluctuation waveform to the displacement measurement target object, The reflected light is detected and supplied from the laser diode to the built-in photodiode.
The mode hop signal is detected by using the laser beam thus obtained as reference light, and the mode hop signal is digitally processed to obtain a displacement waveform. As a result, a simple optical system can be used to reduce the size of the device, and since there is only one optical axis, an optical adjustment is simple and a displacement measuring device that does not require complicated settings can be obtained.
【手続補正４】[Procedure amendment 4]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００５４[Correction target item name] 0054
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００５４】変位波形検出手段３で得られた変位波形ｍ
を、ＣＲＴ等の波形表示手段４に表示することができ
る。また、変位スペクトル分析手段５において、変位波
形検出手段３で得られた変位波形ｍを解析して、振動周
波数成分を求める。さらに、この振動数とすでに得た振
動波形をもとに振動の特性を解析し、振動体の特定や振
動原因等の調査に利用することができる。The displacement waveform m obtained by the displacement waveform detecting means 3
Can be displayed on the waveform display means 4 such as a CRT. Further, in the displacement spectral analysis means 5, analyzes the displacement waveform m obtained by the displacement waveform detecting unit 3 calculates the vibration frequency component. In addition, this frequency and the already obtained
The characteristics of the vibration can be analyzed based on the dynamic waveform and used to identify the vibrating body or to investigate the cause of the vibration.
【手続補正５】[Procedure amendment 5]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００５６[Correction target item name] 0056
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００５６】このとき、最高周波数検出手段７で求めた
最高周波数が変調電流波形発生部１１で出力している周
期性上下同量変動波形ａの周波数よりも小さ（例えば１
／１０以下）ければ、周期性上下同量変動波形ａの周波
数はそのままにしておく。もし、最高周波数検出手段７
で求めた最高周波数が変調電流波形発生部１１で出力し
ている周期性上下同量変動波形ａの周波数よりも大き
（例えば１／１０以上）ければ、変調周波数コントロー
ル手段９に信号を出力する。[0056] At this time, the maximum frequency detecting means 7 obtains the highest frequency modulation current waveform generator periodic outputs 11 vertically same amount variation waveforms smaller than the frequency of a (e.g., 1
/ 10 or less), the frequency of the periodic upper and lower same amount fluctuation waveform a is kept as it is. If the highest frequency detecting means 7
If the highest frequency obtained in step (1) is higher than the frequency of the periodic fluctuation waveform a outputted by the modulation current waveform generator 11 (for example, 1/10 or more), a signal is output to the modulation frequency control means 9. .
【手続補正６】[Procedure amendment 6]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００５８[Correction target item name] 0058
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【００５８】[0058]
【発明の効果】上述のように、本発明は、駆動電流変調
と物体変位によるレーザ外部共振器のモードホップ現象
を利用してモードホップ数を検出、解析することで物体
の振動変位を測定するようにしたもので、これにより、
光学系を含む装置の構造が簡素化され、光軸も一つであ
るため、光学調整が簡単であり、装置を低コストとする
ことができる。According to the present invention as described above, the present invention provides a drive current modulation and detects a mode hop numbers using a mode hop phenomenon of lasers outer portion resonator by the object displacement, a vibration displacement of an object by analyzing Is to measure it,
Since the structure of the device including the optical system is simplified and the number of optical axes is one, the optical adjustment is simple and the device can be manufactured at low cost.
【手続補正７】[Procedure amendment 7]
【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing
【補正対象項目名】図７[Correction target item name] Fig. 7
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【図７】 FIG. 7
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武藤 範雄 東京都港区元赤坂１丁目６番６号 綜合警 備保障株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Norio Muto 1-6-6 Moto-Akasaka, Minato-ku, Tokyo Inside Sogo Police Security Co., Ltd.
Claims (4)
位を測定する変位測定装置であって、 周期性上下同量変動波形によって変調されたレーザ変調
電流に応じたレーザ光を出射するレーザ光出力手段と、 前記レーザ光出力手段から出射したレーザ光の光路上に
設けられ、レーザ光出力手段からのレーザ光を一部反射
する参照物体と、 変位検出対象物体からの反射光と参照物体からの反射光
とが干渉した干渉光を受光し、当該干渉光よりモードホ
ップ信号を検出し、前記レーザ変調電流１周期内のレー
ザ変調電流の上昇期間のモードホップの数とレーザ変調
電流の下降期間のモードホップの数をそれぞれ計数し、
レーザ変調電流１周期毎に前記レーザ変調電流の上昇期
間と下降期間のモードホップの数の差を求め、当該モー
ドホップの数の差を出力する変位サンプル手段と、 前記変位サンプル手段で求めたレーザ変調電流１周期毎
の前記レーザ変調電流の上昇期間と下降期間のモードホ
ップの数の差を時間的にディジタル積分してディジタル
積分信号を求め、該ディジタル積分信号から振動周波数
より低い周波数特性を有する誤差累積信号を除去した変
位波形を出力する変位波形検出手段とから構成されるこ
とを特徴とする変位測定装置。1. A displacement measuring device for measuring a displacement of a displacement detection target object by using a laser beam, wherein the laser beam emits a laser beam corresponding to a laser modulation current modulated by a periodic upper and lower fluctuation waveform. Output means, a reference object provided on the optical path of the laser light emitted from the laser light output means, and partially reflecting the laser light from the laser light output means; reflected light from the displacement detection target object and the reference object The interference light interfering with the reflected light is received, a mode hop signal is detected from the interference light, and the number of mode hops in the rising period of the laser modulation current and the falling period of the laser modulation current in one cycle of the laser modulation current. Count the number of mode hops of each,
A displacement sampling means for calculating the difference in the number of mode hops between the rising and falling periods of the laser modulation current for each cycle of the laser modulation current, and outputting the difference in the number of mode hops; A digital integrated signal is obtained by digitally temporally integrating the difference in the number of mode hops between the rising period and the falling period of the laser modulation current for one cycle of the modulation current, and has a frequency characteristic lower than the oscillation frequency from the digital integration signal. A displacement measuring device comprising: a displacement waveform detecting means for outputting a displacement waveform from which an error accumulation signal has been removed.
位を測定する変位測定装置であって、 周期性上下同量変動波形によって変調されたレーザ変調
電流に応じたレーザ光の一部を出射し、変位検出対象物
体からの反射光を検出し、前記レーザ光の別の一部と前
記反射光を自己混合し検出信号を出力するレーザ光出力
手段と、 レーザ光出力手段からの検出信号が入力すると、当該検
出信号よりモードホップ信号を検出し、前記レーザ変調
電流１周期内のレーザ変調電流の上昇期間のモードホッ
プの数とレーザ変調電流の下降期間のモードホップの数
をそれぞれ計数し、レーザ変調電流１周期毎に前記レー
ザ変調電流の上昇期間と下降期間のモードホップの数の
差を求め、当該モードホップの数の差を出力する変位サ
ンプル手段と、 前記変位サンプル手段で求めたレーザ変調電流１周期毎
の前記レーザ変調電流の上昇期間と下降期間のモードホ
ップの数の差を時間的にディジタル積分してディジタル
積分信号を求め、該ディジタル積分信号から振動周波数
より低い周波数特性を有する誤差累積信号を除去した変
位波形を出力する変位波形検出手段とから構成されるこ
とを特徴とする変位測定装置。2. A displacement measuring device for measuring a displacement of a displacement detection target object by using a laser beam, wherein the displacement measuring device emits a part of the laser beam corresponding to a laser modulation current modulated by a periodic vertical fluctuation waveform. A laser light output unit that detects reflected light from the displacement detection target object, self-mixes another part of the laser light with the reflected light, and outputs a detection signal; and a detection signal from the laser light output unit. When input, a mode hop signal is detected from the detection signal, and the number of mode hops during the rising period of the laser modulation current and the number of mode hops during the falling period of the laser modulation current in one cycle of the laser modulation current are counted, respectively. Displacement sampling means for calculating the difference in the number of mode hops between the rising and falling periods of the laser modulation current for each cycle of the laser modulation current, and outputting the difference in the number of mode hops; The digital integration signal is obtained by temporally digitally integrating the difference between the number of mode hops between the rising period and the falling period of the laser modulation current for each cycle of the laser modulation current obtained by the sampling means. A displacement waveform detecting means for outputting a displacement waveform from which an error accumulation signal having a lower frequency characteristic has been removed.
波、正弦波、鋸波、二乗余弦波、ガウス波のいずれか１
つであることを特徴とする請求項１または２に記載の振
動測定装置。3. The waveform according to claim 1, wherein the periodic waveform of the same amount is one of a triangular wave, a sine wave, a sawtooth wave, a raised cosine wave, and a Gaussian wave.
The vibration measuring device according to claim 1, wherein the vibration measuring device comprises:
位を測定する変位測定方法であって、 周期性上下同量変動波形によって変調されたレーザ変調
電流に応じたレーザ光を出射し、 レーザ光の光路上に設けられレーザ光を一部反射する参
照物体からの反射光と変位検出対象物体からの反射光と
が干渉した干渉光よりモードホップ信号を検出し、 前記レーザ変調電流１周期内のレーザ変調電流の上昇期
間のモードホップの数とレーザ変調電流の下降期間のモ
ードホップの数をそれぞれ計数し、レーザ変調電流１周
期毎に前記レーザ変調電流の上昇期間と下降期間のモー
ドホップの数の差を求め、 レーザ変調電流１周期毎の前記レーザ変調電流の上昇期
間と下降期間のモードホップの数の差を時間的にディジ
タル積分してディジタル積分信号を求め、該ディジタル
積分信号から振動周波数より低い周波数特性を有する誤
差累積信号を除去した変位波形を求めることを特徴とす
る変位測定方法。4. A displacement measuring method for measuring a displacement of a displacement detection target object using a laser beam, comprising: emitting a laser beam corresponding to a laser modulation current modulated by a periodic vertical fluctuation waveform; A mode hop signal is detected from interference light generated by interference between reflected light from a reference object, which is provided on an optical path of light, and partially reflects laser light and reflected light from a displacement detection target object. The number of mode hops during the rising period of the laser modulation current and the number of mode hops during the falling period of the laser modulation current are counted, and the number of mode hops during the rising period and the falling period of the laser modulation current is counted every cycle of the laser modulation current. A digital integration signal is obtained by digitally integrating the difference in the number of mode hops between the rising period and the falling period of the laser modulation current for each cycle of the laser modulation current. Calculated, displacement measuring method and obtains the displacement waveform to remove the accumulated error signal with a lower frequency characteristics than the vibration frequency of the digital integrated signal.
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