DE10106801A1

DE10106801A1 - Schwingungsmessverfahren und Frequenzmessvorrichtung

Info

Publication number: DE10106801A1
Application number: DE10106801A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Kitazumi; Tetsuro Maruyama; Junji Watanabe; Yoshimitsu Nishimura; Hiroshi Kodera; Masao Sumi
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2001-11-08
Anticipated expiration: 2021-02-15
Also published as: US6671638B2; DE10106801B4; JP2001228017A; US20010016799A1; JP3680678B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Schwingungsmessverfahren bereit mit: einem Schritt zum Emittieren eines Laserstrahls zu einem zu messenden Objekt; einem Schritt zum Empfangen eines zurücklaufenden Strahls, der von dem Objekt reflektiert wird und eine Objektdopplerfrequenz entsprechend einer Geschwindigkeit des Objekts aufweist; einem Schritt zum Mischen des zurücklaufenden Strahls mit der Dopplerfrequenz mit einem weiteren Strahl, der beim Empfang des zurücklaufenden Strahls emittiert wird, und zum Erzeugen einer Eigenfrequenz entsprechend einer Resonatoränderung während einer Zeit von der Emission bis zum Empfang des zurücklaufenden Strahls, um eine Schwebung zu erzeugen, die die mit der Eigenfrequenz überlagerte Objektdopplerfrequenz enthält; und einem Schritt zum Ausgeben der Schwebung oder einer Information, die aus einer Signalverarbeitung der Schwebungswellenform erhalten wird, als die Objektschwingungsinformation. Dies erlaubt es, kleine Schwingungen eines zu messenden Objekts zu messen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schwingungsmessverfahren und eine Frequenz messvorrichtung und betrifft insbesondere ein Schwingungsmessverfahren und eine Frequenzmessvorrichtung zum Messen eines Schwingungszustands eines Objekts durch Verwendung eines Laser-Doppler-Schwingungsmessers des selbstmischenden bzw. selbstüberlagernden Typs.

Die vorliegende Erfindung kann auf eine Inspektions- und Kalibriervorrichtung, eine Schwingungserzeugungsvorrichtung und auf eine Vorrichtung zur Erfassung abnormer Schwingungen in einem Leistungsgerät, das über einen langen Zeitraum in Betrieb ist, angewendet werden. Hinsichtlich der Inspektions-Kalibrations-Vorrichtung kann die vor liegende Erfindung zur Frequenzüberwachung beispielsweise eines Kristalloszillators und eines Ultraschalloszillators und zur Kalibrierung eines Funktionsgenerators verwen det werden. Ferner kann im Hinblick auf ein Gerät zur Erfassung abnormer Schwingun gen die vorliegende Erfindung auf ein Detektionsgerät für Frequenzabweichung ange wendet werden, die durch eine ungewünschte Resonanz in einer Halbleiterherstellungs anlage, die hochfrequente Schwingungen nutzt, sowie durch einen Defekt in einem Werkzeug, etwa einem Bohrer, verursacht sein kann.

Die Erfindung kann ebenfalls zum Zwecke der Schwingungsanalyse verwendet werden. Insbesondere zur Analyse von Maschinenschwingungen, zur Analyse von Fahr zeugchassisschwingungen, zur Geräuschanalyse in einem Fahrzeug, zur Schalldämp ferschwingungsanalyse und dergleichen. Die Erfindung kann ebenfalls auf vielerlei indu strielle Gebiete angewendet werden. Die Erfindung kann ebenfalls zur Erfassung von Schwingungen einer Betriebsanlage, die einen Motor verwendet, zur Leckanalyse einer Wasserleistung oder einer Gasleitung zu Überwachungszwecken angewendet werden. Ferner kann die Erfindung zur Bestimmung des Zuckergehalts in großvolumigen Früch ten wie etwa Wassermelonen durch auftreffenden Schall verwendet werden. Der Begriff "Objekt", das zu messen ist, erstreckt sich über einen weiten Bereich, von Kristalloszil latoren bis zu Wassermelonen.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Herkömmlicherweise gibt es als eine Einrichtung zum Messen einer Frequenz eines schwingenden Objekts in kontaktloser Art und Weise ein Verfahren zum Ermitteln einer Frequenz, in dem ein Laserverschiebungsmesser unter Benutzung der trigonometri schen Vermessung verwendet wird.

In dem zuvor erwähnten herkömmlichen Beispiel ist es jedoch unmöglich, eine Ver schiebung während einer kurzen Zeitdauer aufgrund der Abtastzeit des Verschiebungs messers zu erfassen und es ergibt sich daher das Problem, dass aufgrund der Ab tastzeit ein Fehler in der gemessenen Schwingungsperiode verursacht wird. Dies wird besonders bedeutsam, wenn die Objektschwingung größer wird, und somit der Unter schied zwischen der Oszillationsperiode und der Abtastzeit geringer wird. Das heißt, es wird ein großer Fehler verursacht, sofern nicht die Abtastdauer zweimal so groß als die maximale Oszillationsperiode (Abtasttheorem) ist. Da ferner die trigonometrische Ver messung angewendet wird, besteht die Notwendigkeit der Anwendung eines großen Sensorkopfes, dessen Position und Richtung so eingestellt werden sollte, dass ein re flektierter Strahl nicht abgeschnitten wird. Folglich kann dieser Sensorkopf nicht zur Messung auf kleinem Raum verwendet werden.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schwingungsmessverfahren und eine Frequenzmessvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage sind, eine kleine Schwingung eines Objekts mit hoher Genauigkeit zu messen.

Das Schwingungsmessverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: Aussen den eines Laserstrahls zu einem zu messenden Objekt; Empfangen eines zurückkeh renden Strahls, der von dem Objekt reflektiert wird und der eine Objekt-Doppler- Frequenz entsprechend einer Geschwindigkeit des Objekts aufweist; Mischen des zu rücklaufenden Strahls mit der Dopplerfrequenz mit einem beim Empfangen des zurück gelaufenen Strahls emittierten Strahl und Erzeugen einer Eigenfrequenz gemäß einer Resonanzänderung während einer Zeit von der Emission bis zum Empfang des zurück gelaufenen Strahls, um eine Schwebung bzw. Schwebungswelle, die die Objektdopp lerfrequenz mit der überlagerten Eigenfrequenz enthält, zu erzeugen; und Ausgeben der Schwebung oder der Information, die aus der Signalverarbeitung der Schwebung er halten wird, als die Objektschwingungsinformation.

Das erfindungsgemäße Schwingungsmessverfahren misst eine Schwingung unter Be nutzung des Laser-Doppler-Effekts der selbstmischenden Art. Ein zurücklaufender Strahl mit einer Dopplerfrequenz entsprechend einer Geschwindigkeitsänderung eines zu messenden Objekts wird selbstmischend bzw. selbstüberlagernd mit einem emittier ten Strahl überlagert, um eine Eigenfrequenz des Resonators selbst zu erhalten. Die Eigenfrequenz wird beispielsweise durch ein Ansteuerverfahren mit einem Ansteuer strom mit sinusförmiger Wellenform mit einer Frequenz in der Nähe der Eigenfrequenz und einem Verfahren zum Inschwingungversetzen des Laserblocks mit dem Resonator erreicht. Wenn der Resonator mit einem Ansteuerstrom mit sinusförmiger Wellenform angesteuert wird, weist der in Schwingung versetzte Strahl eine Wellenlänge auf, die sich entsprechend dem Ansteuerstromwert verändert, wodurch eine Differenz zwischen dem ausgesandten und dem zurücklaufenden Strahl bewirkt wird. Diese Differenz er zeugt eine Schwebung der Eigenfrequenz des Resonators. Wenn der Laserblock mit dem Resonator physikalisch in Schwingung versetzt wird, wird durch die Resonatorge schwindigkeit und die Geschwindigkeit des zu messenden Objekts eine Dopplerfre quenz erzeugt. Die Dopplerfrequenz der Eigenfrequenz, die durch die Resonatorge schwindigkeit erzeugt wird, wird der Dopplerfrequenz des zu messenden Objekts über lagert. Die Eigenfrequenz kann als eine gedachte Geschwindigkeit des Resonators be trachtet werden. Anders ausgedrückt, es werden zwei Dopplerfrequenzen, die auf zwei Geschwindigkeitswerten basieren, gemischt bzw. überlagert. Hierbei bedeutet ein Aus druck "mit einer Dopplerfrequenz", dass ein zurücklaufender Strahl eine Frequenz auf weist, die durch den Dopplereffekt verschoben ist und die verschobene Komponente als die Dopplerfrequenz aufweist.

Wenn die Eigenfrequenzänderung in der Nähe der Dopplerfrequenzänderung liegt, wird eine Schwebungswelle bzw. Schwebung entsprechend einer Differenz der beiden Fre quenzen erzeugt. Diese Schwebung besitzt eine Einhüllende mit einer größeren Periode als die Periode der Dopplerfrequenz. Da die Frequenz der Einhüllenden eine Differenz der zwei Frequenzen ist, ist es beispielsweise in einer bevorzugten Ausführungsform möglich, diese Frequenz der Einhüllenden zu verwenden, um eine Differenz zwischen einer Frequenz des zu messenden Objekts und einer Frequenz einer gedachten Ge schwindigkeit des Resonators zu erhalten. Da die Frequenz der Einhüllenden kleiner als die Dopplerfrequenz des zu messenden Objekts ist, ist die Genauigkeit beim Erhalten des Frequenzwerts der Einhüllenden größer als die Genauigkeit beim Erhalten der Dopplerfrequenz. Folglich ist es erfindungsgemäß möglich, die Auflösung der Zahlen werte des detektierbaren kleinen Frequenzunterschiedes ohne Anheben der Auflösung des A/D-Wandlers oder dergleichen zu verbessern.

Im Schritt des Aussenden eines Lasers wird ein Laserstrahl zu dem zu messenden Ob jekt ausgesendet. Der Laserstrahl wird von der Oberfläche des Objekts gestreut und reflektiert, um dabei seine Frequenz entsprechend der Geschwindigkeit des Objekts zu ändern. Im Schritt des Empfangens des zurücklaufenden Strahls wird dieser zurücklau fende Strahl empfangen. Im Schritt des Selbstmischens wird dieser zurücklaufende Strahl im Resonator mit einem emittierten Strahl (in Schwingung versetzter Strahl) auf dem Empfang des zurücklaufenden Strahls hin gemischt. Der emittierte Strahl, der auf Empfang des zurücklaufenden Strahl hin ausgesandt wird, erzeugt eine Eigenfrequenz aufgrund einer Resonatoränderung während einer Zeitdauer von der Laserstrahlemissi on bis zum Empfang des Laserstrahls. Daher wird erfindungsgemäß ein erneut emit tierter Strahl, die eine Eigenfrequenz erzeugt, mit dem zurücklaufenden Strahl mit der Dopplerfrequenz des zu messenden Objekts überlagert. Im Schwingungsinformations ausgabeschritt wird als die Schwingungsinformation des zu messenden Objekts eine Schwebung ausgegeben, die eine Überlagerung der Objektdopplerfrequenz und der Eigenfrequenz ist, oder eine Information der Schwebung, die einer Signalverarbeitung unterzogen wird.

Diese Schwebung ist nützlich zum Erfassen einer Änderung des Schwingungszustands des zu messenden Objekts. Insbesondere, wenn die Eigenfrequenz in der Nähe der Schwingungsfrequenz des Objekts liegt, ist es möglicht, die Schwebung zu erhalten, die durch die Wellenform der Einhüllenden gekennzeichnet ist. Aus dieser Frequenz der Einhüllenden ist es möglich, einen geringen Frequenzunterschied zwischen der Modula tionsfrequenz und der Objektfrequenz zu berechnen.

Wenn ferner der Wert der Änderung der Einhüllenden unterhalb eines vorbestimmten Wertes ist, ist es möglich, zu bestimmen, dass die Eigenfrequenz mit der Objektfre quenz innerhalb eines gültigen Zahlenbereichs übereinstimmt. Daher ist es möglich, eine Frequenz des Objekts durch aufeinanderfolgendes Ändern der Eigenfrequenz, d. h. durch Synchronisieren der Eigenfrequenz mit der Objektfrequenz, zu berechnen, um eine Änderung im Wert der Einhüllenden zu erfassen.

Des Weiteren umfasst die Frequenzmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfin dung: einen Laserresonator zur Schwingungsanregung eines Laserstrahls und zum Selbstmischen des von einem zu messenden Objekts reflektierten Laserstrahls, der als ein zurücklaufender Strahl zurückkehrt, mit einem Laserstrahl, der beim Empfang des zurücklaufenden Strahls ausgesendet wird; einen Laseransteuerblock zum Ansteuern des Laserresonators mit einem Laseransteuerstrom mit sinusförmiger Wellenform; einen Laserblock zum Emittieren eines Laserstrahls, der mit einer Wellenlänge entsprechend dem Ansteuerstrom in dem Laserresonator in Schwingung versetzt wird, zu den zu messenden Objekt und zum Ausgeben einer aus der in dem Resonator erhaltenen Selbstmischung eines von dem Objekt zurücklaufenden Strahls mit einem emittierten Strahl, der mit einer Wellenlänge entsprechend einem Ansteuerstrom in dem Laserreso nator bei Empfang des zurücklaufenden Strahls emittiert wird; und einen Signalverar beitungsblock zum Ausführen einer Signalverarbeitung der Schwebung, die von dem Laserblock ausgegeben wird, und zum Ausgeben eines Verarbeitungsergebnisses als eine Schwingungsinformation, wobei der Signalverarbeitungsblock eine Funktion zur Berechnung eines kleinen Frequenzunterschiedes umfasst, um eine Schwingungsfre quenz des Objekts gemäß einer Frequenzänderung der Schwebung zu berechnen.

In dieser Frequenzmessvorrichtung wird der Laser durch die Laseransteuerung mit ei nem Laseransteuerstrom mit sinusförmiger Wellenform angesteuert. Dann wird in dem Resonator die Wellenlänge des emittierten Strahls gemäß der sinusförmigen Wellenform geändert. Wenn die Wellenlänge des ausgesandten Strahls in dem Resonator geändert wird, wird eine Schwebungsfrequenz zwischen dem emittierten Strahl und dem zurück laufenden Strahl entsprechend der Hin- und Rücklaufzeit erzeugt. Wenn der Laseran steuerstrom linear erhöht wird, ist beispielsweise die Schwebungsfrequenz konstant, wenn sich das zu messende Objekt in Ruhe befindet. Da erfindungsgemäß der La seransteuerstrom als eine sinusförmige Wellenform eingespeist wird, wird die Schwe bungsfrequenz entsprechend der schwingenden Wellenlängenänderung mit einer Peri ode der Laseransteuerstromwellenform geändert. Diese Schwingungsfrequenzänderung ist die Eigenfrequenz. Folglich wird in der erfindungsgemäßen Frequenzmessvorrich tung die Wellenlängenänderung des emittierten Strahls (des in Schwingung versetzten Strahls) als eine gedachte Geschwindigkeit des Resonators betrachtet, und die entspre chende Schwebungsfrequenz wird als die Eigenfrequenz verwendet. Ferner wird die Dopplerfrequenz gemäß einer Geschwindigkeitsänderung des zu messenden Objekts geändert. Wenn das Objekt schwingt, ist die Geschwindigkeit am Schwingungsumkehr punkt, an dem die Geschwindigkeitsrichtung sich umkehrt, gleich null. Wenn eine si nusförmige Schwingung angenommen wird, dann wird die Objektsgeschwindigkeit ent sprechend einer sinusförmigen Wellenform geändert. In diesem Falle wird die Doppler frequenz ebenfalls sinusförmig geändert.

Wenn die Laseransteuerung mit einer sinusförmigen Wellenform durchgeführt wird und das Objekt sich bewegt, besitzt der zurücklaufende Strahl eine Objektdopplerfrequenz. Dann wird in der Schwebung, die durch die Selbstmischung in dem Resonator erzeugt wird, die Eigenfrequenz mit der Objektfrequenz (Dopplerfrequenz) überlagert. Die Peri odenänderung dieser Schwebung beruht auf einer kleinen Frequenzdifferenz zwischen der Eigenfrequenz und der Objektfrequenz. Durch Beobachtung der Periodenänderung dieser Schwebung ist es daher möglich, eine Differenz zwischen dem zu messenden Objekt und der Eigenfrequenz sowie eine Frequenz des Objekts und einer Schwin gungsperiodenänderung des Objekts zu messen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Flussdiagramm, das eine Anordnung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt.

Fig. 2 erläutert einen hardwaremäßigen Aufbau in der ersten Ausführungsform.

Fig. 3 zeigt Wellenformen zur Erläuterung des Funktionsprinzips der vorliegenden Er findung: Fig. 3(A) zeigt eine Änderung der Laserschwingungsfrequenz; Fig. 3(B) zeigt eine Schwingungsfrequenzänderung davon; Fig. 3(C) zeigt eine Schwin gungsauslenkung und Fig. 3(D) zeigt eine entsprechende Dopplerfrequenzver änderung.

Fig. 4 zeigt Wellenformen zur Erläuterung des Funktionsprinzips der vorliegenden Er findung: Fig. 4(A) zeigt eine Dopplerfrequenzänderung und eine Schwebungs frequenzänderung; Fig. 4(B) zeigt einen Zustand, wenn diese überlagert wer den; Fig. 4(C) zeigt ein Beispiel der Einhüllenden der Dopplerfrequenzänderung des Strahls; und Fig. 4(D) erläutert das Prinzip der Schwebung.

Fig. 5 ist ein Flussdiagramm, das beispielhaft die erfindungsgemäße Ausführungsform in Betrieb zeigt.

Fig. 6 ist eine Blockansicht, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.

Fig. 7 ist eine Blockansicht, die eine detaillierte Anordnung eines Laseransteuerungs systems in Fig. 6 zeigt: Fig. 7(A) zeigt ein Beispiel der Erzeugung eines sinus förmigen Wellenform mittels AC-Stroms; Fig. 7(B) zeigt ein Beispiel unter Ver wendung einer Spannung.

Fig. 8 ist eine Blockansicht, die eine detaillierte Anordnung des in Fig. 6 gezeigten Signalverarbeitungssystems darstellt.

Fig. 9 zeigt ein Funktionsbeispiel und ein Beispiel einer Signalform des in Fig. 8 ge zeigten Signalverarbeitungssystems.

Fig. 10 zeigt als ein Messergebnis der Dopplerschwebungsfrequenz Signalformen im zeitlichen Verlauf: Fig. 10(A) zeigt ein Beispiel, wenn ein zu messende Objekt mit 1 kHz angesteuert wird; Fig. 10(B) zeigt ein Beispiel, wenn um 1 mHz erhöht wird.

Fig. 11 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel zur Bestimmung einer Objektfrequenz durch Synchronisation darstellt.

Fig. 12 zeigt ein Beispiel einer Einhüllenden angenäherten Wellenform, die in einem Beispiel zur Reduzierung einer Messzeit zur Approximation an eine Einhüllende verwendet wird: Fig. 12(A) zeigt ein Wellenformbeispiel, das in der Approximati on 1 verwendet wird; Fig. 12(B) zeigt ein Wellenformbeispiel, das in der Appro ximation 2 und in der Approximation 3 verwendet wird.

Fig. 13 zeigt ein Beispiel einer Wellenform als Rechenergebnis durch die Approximati on: Fig. 13(A) zeigt die Eigenschaft der maximalen Dopplerfrequenz im zeitli chen Verlauf; und Fig. 13(B) ist eine Wellenform, die ein Rechenbeispiel für ei nen kleinen Frequenzunterschied mit Bezug zu einem Messzeitintervall dar stellt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im Folgenden wird mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen eine erfindungsgemäße Ausführungsform beschrieben. Fig. 1 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbei spiel des Schwingungsmessverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfasst das Schwingungsmessverfahren entsprechend dieser Ausfüh rungsform: einen Laserstrahlemissionsschritt S1 zum Aussenden eines Laserstrahls zu einem zu messenden Objekt; einen Strahlempfangsschritt S2 zum Empfangen eines zurücklaufenden Strahls, der von dem Objekts reflektiert wird, und eine Objektdoppler frequenz entsprechend einer Geschwindigkeit des Objekts aufweist; einen Selbstmisch schritt S3 zum Selbstmischen eines neuen Strahls mit dem zurücklaufenden Strahl, d. h. einem Strahl, der in Schwingung versetzt und beim Empfang des zurücklaufenden Strahls im Rücklaufstrahlempfangsschritt S2 ausgesendet wird, und zum Erzeugen einer Eigenfrequenz entsprechend einer Änderung eines Resonators vom Zeitpunkt der La serstrahlemission bis zu dem zurücklaufenden Strahl, mit dem zurücklaufenden Strahl mit der Dopplerfrequenz; und einem Schwingungsinformationsausgabeschritt S4 zum Ausgeben einer Schwebung, die im Selbstmischungsschritt S3 erzeugt wird, wobei die Objektdopplerfrequenz der Eigenfrequenz überlagert wird, oder einer Information, nach dem die Schwebung einer Signalverarbeitung unterzogen worden ist.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung einer Schwingungsmessvorrichtung (oder einer Frequenz messvorrichtung), die vorzugsweise zum Ausführen des Schwingungsmessverfahrens verwendbar ist. Es werden für ein Objekt 10 eine Geschwindigkeitsänderung an einer Stelle, an der der Laserstrahl reflektiert wird, eine Periode der Geschwindigkeitsände rung und eine Frequenz gemessen. Die Schwingungsmessvorrichtung umfasst einen Laserblock 12, eine Linse 16 zum Fokussieren eines von dem Laserblock 12 emittierten Strahles und eines zurücklaufenden Strahles, der von dem Objekt gestreut wird, und einen Signalverarbeitungsblock, dem eine Schwebungswelle zugeführt wird, die durch Selbstmischung des zurücklaufenden Strahls, der im Laserblock 12 empfangen wird, und dem emittierten Strahl erzeugt wird.

Der Laserblock 12 umfasst eine Laserdiode 14 mit einem Laserresonator 14 und eine Fotodiode 20 zur fotoelektrischen Umwandlung der von dem Laserresonator 14 ausge gebenen Schwebung. Der Signalverarbeitungsblock 21 besitzt Hardwaremittel, etwa einen Personalcomputer, einen Mikrocomputer und eine Analogschaltung zum Verar beiten der Schwebung.

Wieder mit Bezug zu Fig. 1 schwingt im Laserstrahlemissionsschritt S1 ein Laserreso nator, der von einem vorbestimmten Laseransteuerstrom angesteuert ist, und ein in Schwingung versetzter Laserstrahl wird zu einem zu messenden Objekt ausgesendet. Dieser Strahl wird an der Oberfläche des Objekts 10 gestreut und reflektiert und ein Teil des reflektierten Strahls kehrt zu dem Laserresonator 14 (S2) zurück. Der zurücklaufen de Strahl wird mit einem neuen Strahl gemischt, der emittiert wird, und wenn der emit tierte Strahl und der zurücklaufende Strahl sich in der Frequenz unterscheiden, wird ent sprechend der Frequenzdifferenz eine Schwebungswelle erzeugt.

Erfindungsgemäß werden während der Selbstmischung des emittierten Strahls und des zurücklaufenden Strahls zwei Arten von Frequenzänderungen überlagert. Wenn die bei den Frequenzen einander ähnlich sind, wird eine Schwebungsfrequenz erzeugt. Wenn sich diese Schwebung periodisch ändert, sind die beiden Frequenzen nicht identisch, obwohl sie einander ähnlich sind. Zum Messen einer Periode der Schwebung, die von den beiden Frequenzarten bewirkt wird, ist es möglich, eine Differenz zwischen den bei den Frequenzen zu erhalten. Eine derartige Frequenzdifferenz, die aus der Schwe bungsperiode erhalten wird, kann die Messgenauigkeit (gültige Ziffern) verbessern. Wenn daher angenommen wird, dass die A/D-Umwandlungsabtastrate identisch ist, kann eine auf der Schwebungsperiode basierende Messung weiterhin im Vergleich zur direkten Messung einer Frequenz die Messgenauigkeit verbessern. Andererseits erfor dert die Berechnung, die aus der Schwebungsperiode basiert, mehr Zeit. Wenn bei spielsweise die Quantisierungsgenauigkeit im Vergleich zur Abtastrate relativ hoch ist, ist es möglich, näherungsweise eine hohe Genauigkeit ohne das Abwarten einer ganzen Schwebungsperiode zu erhalten.

Zu diesem Zwecke werden erfindungsgemäß zwei Frequenzarten durch Selbstmischung zwischen dem zurücklaufenden Strahl und dem emittierten Strahl innerhalb des Laser resonators 14 überlagert. Eine davon ist die Dopplerfrequenz entsprechend der Ge schwindigkeit des Objekts, die als eine Frequenzänderung des zurücklaufenden Strahls in Erscheinung tritt. Die andere ist die Eigenfrequenz des Resonators. Wenn der Reso nator die Eigenfrequenz erzeugt, kann der Resonator selbst physikalisch in Schwingun gen versetzt werden. Dann werden entsprechend der Resonatorgeschwindigkeit zwei Dopplerfrequenzen überlagert.

Um eine Eigenfrequenz zu erzeugen, während der Resonator fixiert ist, wird in dieser Ausführungsform eine Wellenlängendifferenz zwischen einem emittierten Strahl und einem zurücklaufenden Strahl erzeugt. Der emittierte Strahl besitzt eine erste Frequenz (Wellenlänge), die als zurücklaufender Strahl von dem Objekt in einem ruhenden Zu stand gestreut und reflektiert wird. Damit besitzt der zurücklaufende Strahl die erste Frequenz. Bevor dieser zurücklaufende Strahl den Resonator erreicht, wird die Fre quenz eines emittierten Strahls auf eine zweite Frequenz geändert. Der zurücklaufende Strahl mit der ersten Frequenz wird mit dem emittierten Strahl mit der zweiten Frequenz gemischt bzw. überlagert, wodurch eine Schwebung entsprechend einer Differenz zwi schen der ersten und der zweiten Frequenz bewirkt wird. Im Allgemeinen ändert sich die Schwingungsfrequenz in dem Laserresonator gemäß dem Laseransteuerstromwert in nerhalb eines Bereiches, in dem kein Moden-Sprung verursacht wird. Daher ist es durch Ändern des Laseransteuerstroms möglich, eine Frequenzdifferenz zwischen dem emit tierten Strahl und dem zurücklaufenden Strahl zu erzeugen.

Wenn der Laseransteuerstrom linear erhöht wird, erhöht sich die Schwingungsfrequenz linear und die Schwebungsfrequenz bleibt konstant. Das heißt, wenn der Laseransteu erstrom linear erhöht wird und das zu messende Objekt sich im Ruhezustand befindet, weist die Schwebung eine konstante Frequenz auf. Andererseits ändert sich die Dopp lerfrequenz des zu messenden Objekts entsprechend der Geschwindigkeit des Objekts. Wenn das Objekt schwingt bzw. vibriert, wird die Geschwindigkeit im Schwingungsmit telpunkt maximal und ist am Umkehrpunkt, an dem sich die Geschwindigkeitsrichtung umdreht, 0. Folglich wird die Dopplerfrequenz im zeitlichen Verlauf periodisch entspre chend der Geschwindigkeitsänderung des Objekts geändert.

Da jede Wellenform als eine Summe von sinusförmigen Wellen ausgedrückt werden kann, wird die Dopplerfrequenz entsprechend der Schwingungsperiode erhöht und ver ringert, wenn das zu messende Objekt eine einfache harmonische Schwingung auf weist. Folglich ist die Wellenform, die durch FV(Frequenz-Spannungs)-Umwandlung der Schwebung erhalten wird, eine sinusförmige Welle. Diese Dopplerfrequenzänderungs wellenform ist die erste Wellenform, während die Wellenform der Resonatoreigenfre quenzänderung die zweite Wellenform ist. Durch Überlagerung der ersten und der zweiten Wellenform ist es möglich, eine Einhüllende zu erhalten, die eine Gruppenfre quenz ähnlich einer Gruppengeschwindigkeit kennzeichnet. Da diese Einhüllende die Periode der Schwebung zeigt, ist es möglich, in genauer Weise eine Differenz zwischen der Dopplerfrequenzänderungsperiode und der Eigenfrequenzänderungsperiode zu be rechnen.

Wenn der Laseransteuerstrom zu dem Laserresonator 14 geändert wird, ändert sich die Wellenlänge. Die nach der Zeit differenzierte Wellenlängenänderung ist eine Wellenlän genänderungsgeschwindigkeit (Schwingungsfrequenzänderungsgeschwindigkeit). Wenn der Laseransteuerstrom linear erhöht wird, ist die Wellenlängenänderungsge schwindigkeit konstant und folglich ist die Schwebungsfrequenz ebenfalls konstant. Da diese Ausführungsform eine Wellenlängenänderung der Eigenfrequenz benötigt, wird der Laseransteuerstrom in sinusförmiger Weise bereitgestellt. Damit wird die Wellenlän genänderungsgeschwindigkeit als eine sinusförmige Wellenform ausgedrückt. In diesem Falle stellt sich die Schwebungsfrequenz ebenfalls als eine sinusförmige Schwingung mit einer identischen Periode dar. Die Schwebungsfrequenzänderung mit dem als si nusförmig angenommenen Laseransteuerstrom ist eine Eigenfrequenzänderungswel lenform.

Wenn daher der Laserresonator mit einer sinusförmigen Wellenform mit einer Periode in der Nähe der Schwingungsperiode des zu messenden Objekts angesteuert wird, wird eine Änderung der Eigenfrequenz erzeugt, wobei die Wellenlängenänderungsgeschwin digkeit als eine gedachte Geschwindigkeit angenommen wird. Durch Analyse der Schwebung, die durch Überlagerung der Dopplerfrequenzänderung und der Eigenfre quenzänderung erzeugt wird, ist es möglich, eine Differenz zwischen der Eigenfrequen zänderungsperiode und der Dopplerfrequenzänderungsperiode zu ermitteln.

Daher wird im Schritt S3 durch Selbstmischen eines erneut emittierten Strahles, der eine Eigenfrequenz aufweist, mit dem zurücklaufenden Strahl mit der Dopplerfrequenz eine Schwebung entsprechend einer Differenz zwischen der Eigenfrequenzänderung und der Dopplerfrequenzänderung erzeugt.

Anschließend wird im Schritt S4 die durch das Selbstmischen erzeugte Schwebung oder die Schwingungsinformation, die aus der Schwebung berechnet wird, ausgegeben. Als ein Beispiel der Signalverarbeitung der Schwebung kann der Schritt S4 einen Einhüllen den Herauslöseschritt zum Herauslösen bzw. Ermitteln einer Einhüllenden einer Schwe bungsfrequenzänderungswellenform und einen Schwingungsdifferenzberechnungs schritt zum Berechnen einer Schwingungsdifferenz zwischen der Objektdopplerfrequenz und der Eigenfrequenz entsprechend der Frequenz der im Einhüllende- Herauslöseschritt herausgelösten Einhüllenden umfassen.

Die Einhüllende der Schwebungsfrequenzänderungswellenform ist die Wellenform, die die Schwebung zeigt, die von der Differenz zwischen der Eigenfrequenzperiode und der Dopplerfrequenzperiode erzeugt wird. Von dieser Periode der Einhüllenden kann eine Differenz zwischen der Eigenfrequenzperiode und der Dopplerfrequenzperiode berech net werden.

In der in Fig. 2 gezeigten Anordnung umfasst der Signalverarbeitungsblock 21 eine Funktion zur Berechnung einer kleinen Frequenzdifferenz 22a zum Realisieren des in Fig. 1 gezeigten Schritts S4. Die Funktion zur Berechnung einer kleinen Frequenzdiffe renz berechnet die Schwingungsfrequenz des Objekts entsprechend der Schwebungs frequenzänderung.

Wie zuvor beschrieben wurde, ist es gemäß dieser Ausführungsform möglich, eine Schwingung eines Objekts mit hoher Genauigkeit zu messen, indem eine kompakte und preisgünstige Anordnung verwendet wird, die beispielsweise aus einem Halbleiterlaser, einem A/D-Wandler, einem FV-Umwandlungselement, einem Mikrocomputer, der in der Lage ist, eine digitale Signalverarbeitung auszuführen, besteht. Diese Anordnung er laubt es, vorzugsweise eine kleine Schwingung mit einer kleinen Amplitude und einer kleinen Schwingungsdauer zu messen.

Ferner ist es möglich, eine Änderung der Eigenfrequenz durch Inschwingungversetzen des Resonators selbst zu erzeugen. Dies kann vorteilhafterweise zur Erfassung einer Frequenzänderung in einer von zwei Objekten, die mit der gleichen Frequenz schwingen müssen, angewendet werden. In diesem Falle wird ein Laserblock 12 auf einem zweiten Objekt, das mit der gleichen Frequenz wie das erste Objekt schwingt, angeordnet. Der Signalverarbeitungsblock 21 besitzt eine Funktion zur Berechnung einer kleinen Schwingungsdifferenz, um eine Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des ersten Objekts und der Frequenz des zweiten Objekts zu berechnen. Dies erlaubt das Erfassen einer Schwingungsfrequenzdifferenz zwischen zwei schwingenden Objekten mit hoher Genauigkeit.

Beispiel

In diesem Beispiel wird anstatt der bloßen Frequenzmessung eines schwingenden Ob jekts die Frequenz des schwingenden Objekts mit einer Referenz verglichen, die eine bekannte Frequenz in der Nähe der Schwingung aufweist, um somit einen kleinen Fre quenzunterschied zu bestimmen. Selbst wenn ein kleiner Fehler in der Messung der Frequenz des schwingenden Objekts enthalten ist, hat dieser Fehler nur eine geringe Auswirkung, da sich der kleine Frequenzunterschied periodisch als eine große zeitliche Änderung verändert. Wenn das schwingende Objekt mit einer hohen Frequenz schwingt, wird die Referenz ebenfalls auf eine hohe Frequenz festgelegt, um damit eine große Differenz zwischen der Periode des kleinen Frequenzunterschiedes und der Ab tastzeit zu liefern, um damit das Durchführen einer hochgenauen Messung zu ermögli chen.

Sinusförmige Modulationsansteuerung

Die Referenz verwendet eine Eigenschaft, dass, wenn ein Halbleiterlaseransteuerstrom verändert wird, sich eine Schwingungswellenlänge proportional ändert. In den Laser dopplerschwingungsmesser des selbstmischenden Typs besitzt der Halbleiterlaser eine sinusförmige Modulationsfrequenz, die als Referenz verwendet wird, um einen kleinen Frequenzunterschied zwischen der Referenz und dem schwingenden Objekt zu erfas sen. Dies erlaubt es, eine Messung mit hoher Genauigkeit durchzuführen, die durch die Frequenzstabilität einer Sinusschwingungserzeugungsschaltung bestimmt ist.

Wenn der Laserresonator 14 durch eine sinusförmige Schwingung mit einer Frequenz f_m angesteuert wird und das zu messende Objekt im Ruhezustand ist, besitzen der von dem Laserblock 12 emittierte Laserstrahl und der von dem Objekt reflektierte Laserstrahl unterschiedliche Frequenzen, die in dem Resonator überlagert werden, um eine Schwe bungsfrequenz f_b zu erzeugen. Gemäß Fig. 3(A) besitzt der emittierte Laserstrahl 18 eine Frequenz, die identisch zur sinusförmigen Modulationsfrequenz des Laserresona tors ist. Wenn angenommen wird, dass der emittierte Strahl 18 die Zeit τ benötigt, um zu dem Objekt zu laufen, und von dem Objekt gestreut bzw. reflektiert wird, und als der zurücklaufende Strahl 19 in dem Resonator zurückkehrt, besitzt der zurücklaufende Strahl 19 eine Wellenform mit einer Phasenänderung von τ. Wie in Fig. 3(B) gezeigt ist, wird, wenn der emittierte Strahl 18 und der zurücklaufende Strahl 19 überlagert werden, die Schwebungsfrequenz f_b periodisch geändert.

Wenn angenommen wird, dass I_m der Modulationsstrom des Laserresonators 14, L der Abstand zwischen dem Halbleiterlaser und dem zu messenden Objekt, c die Lichtge schwindigkeit und df/di die Frequenzmodulationseffizienz des Halbleiterlasers ist, dann kann die Schwebungsfrequenz f_b durch die untige Gleichung (1) ausgedrückt werden.

Wenn ferner der Laserresonator 14 mit einem konstanten Strom angesteuert wird und das Objekt mit einer Frequenz f_t schwingt, wie in Fig. 3(C) dargestellt ist, wird die Fre quenz des reflektierten Strahls durch den Dopplereffekt aufgrund der Bewegung des Objekts geändert, und der emittierte Strahl und der zurücklaufende Strahl werden über lagert, um eine Dopplerfrequenz f_d zu erzeugen, wie dies in Fig. 3(D) dargestellt ist. Wenn angenommen wird, dass der Laserresonator 14 eine Schwingungswellenlänge λ und das Objekt eine Schwingungsamplitude x_m besitzen, dann kann die Dopplerfre quenz f_d durch die untige Gleichung (2) ausgedrückt werden. Wenn der Laserresonator 14 einer sinusförmigen Modulation mit einer Frequenz f_m unterzogen wird und das zu messende Objekt mit einer Frequenz f_t schwingt, wird eine Dopplerschwebungsfrequenz f_db entsprechend einer Summe davon erzeugt (siehe Gleichung (3)).

Wenn hierbei f_m und f_t ähnlich sind, wie in Fig. 4(A) gezeigt ist, tritt in f_db eine Änderung entsprechend der kleinen Frequenzdifferenz f_a bezüglich zu f_t als eine Wellenformein hüllende auf, wie in Fig. 4(B) gezeigt ist. Durch Messen der Frequenz dieser Einhüllen den f_dbenv ist es möglich, die kleine Frequenzdifferenz f_a zu ermitteln.

Wie in Fig. 4(D) gezeigt ist, kann, wenn eine Wellenform mit der Periode T₁ mittels einer Abtastperiode T₂ beobachtet wird, eine Schwebung als ein Übergang der durchgezoge nen Kreise in der Figur beobachtet werden. Wenn diese Schwebung eine Periode T₃ aufweist, kann die in der zuvor erwähnten Gleichung (4) gezeigte Abhängigkeit erhalten werden.

Wenn die Welle mit der Periode T₂ der Welle mit der Periode T₁ überlagert wird, wird eine Wellenform mit einer in Fig. 4(C) gezeigten Einhüllenden erhalten. Wenn eine Wellengeschwindigkeit V aus einer Frequenz multipliziert mit einer Wellenlänge erhalten wird, können die beiden in Fig. 4(A) gezeigten Wellenformen als eine Objektgeschwin digkeitsänderungswellenform und eine gedachte Resonatorgeschwindigkeitsände rungswellenform (z. B. Schwingungsfrequenzänderungsgeschwindigkeit) betrachtet wer den. Folglich zeigt die in Fig. 4(C) gezeigte Einhüllende eine relative Geschwindigkeit sänderung der Objektgeschwindigkeit und der gedachten Resonatorgeschwindigkeit. Folglich wiederholt sich eine Änderung von einer minimalen relativen Geschwindigkeits differenz zu einer maximalen relativen Geschwindigkeitsdifferenz. Die Periode dieser Einhüllenden (zwei Schwebungen) kann in der gleichen Weise wie die in Fig. 4(D) ge zeigte Schwebung behandelt werden. Folglich kann aus der Frequenz der Einhüllenden und der Eigenfrequenz die Frequenz des Objekts berechnet werden.

Die Wellenform der Einhüllenden ändert sich entsprechend einer Differenz (f_bmax - f_dmax) zwischen der Amplitude (f_dmax) der Dopplerfrequenzänderungswellenform und der Am plitude (f_bmax) der Eigenfrequenzänderungswellenform. Die Amplitude der Dopplerfre quenzänderungswellenform (f_dmax) ist eine Differenz zwischen der maximalen Frequenz und der Frequenz, wenn keine Dopplerfrequenz vorhanden ist, während die Amplitude der Eigenfrequenzänderungswellenform beispielsweise eine Differenz zwischen der ma ximalen Eigenfrequenz, wenn das Schwingungsfrequenzänderungsverhältnis maximal ist, und der Referenzfrequenz ist.

Fig. 5 ist ein Flussdiagramm, das beispielhaft den Ablauf dieses Beispiels zeigt. Es wird angenommen, dass der Laserresonator von einem Ansteuerstrom angesteuert wird, der einer sinusförmigen Modulation unterzogen worden ist. Zunächst wird ein Laserstrahl mit einer ersten Wellenlänge als die Schwingungswellenlänge entsprechend dem Wert dieses Ansteuerstroms ausgesendet (Schritt S11). Anschließend wird sin zurücklaufen der Strahl mit einer Objektdopplerfrequenz, die auf der Geschwindigkeit des zu mes senden Objekts basiert, empfangen (Schritt S12). Danach wird der emittierte Strahl mit der zweiten Wellenlänge entsprechend dem Ansteuerstrom mit einem zurücklaufenden Strahl überlagert, dessen Wellenlänge mit der Zeit τ, die zum Hin- und Zurücklaufen von und zu dem Objekt notwendig ist, geändert ist, und die resultierende Schwebung wird ausgegeben (Schritt S13). Anschließend wird diese Schwebungsfrequenz in einen Spannungswert umgewandelt (Schritt S14). Damit ist es möglich, eine Frequenzände rungswellenform (oder eine Geschwindigkeitsänderung, wenn mit einer Wellenlänge multipliziert wird) zu erhalten. Es wird eine Einhüllende dieser Frequenzänderungswel lenform herausgelöst bzw. ermittelt (Schritt S15). Diese Einhüllende besitzt beispiels weise eine Wellenform, wie sie in Fig. 4(C) gezeigt ist.

Nach dem Herauslösen der Einhüllenden wird aus der Frequenz der Einhüllenden eine kleine Frequenzdifferenz berechnet (Schritt S16). Diese kleine Schwingungsdifferenz oder die Frequenz des zu messenden Objekts wird als Schwingungsinformation ausge geben (Schritt S17).

Anschließend wird mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen ein detaillierter Aufbau der Frequenzmessvorrichtung erläutert. Fig. 6 ist eine Blockansicht, die ein Ausfüh rungsbeispiel zum Messen einer kleinen Schwingung zeigt. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, umfasst die Frequenzmessvorrichtung einen Halbleiterlaserblock 12 zum Aussenden eines oszillierenden Lichtstrahls zu einer Oberfläche eines schwingenden Objekts hin, das mit einer konstanten Frequenz schwingt, eine Linse 16 zum Bündeln des Laser strahls, einen Signalverarbeitungsblock 21 zum Verarbeiten der von dem Halbleiterla serblock 12 ausgegebenen Schwebungswellenform, eine Laseransteuerschaltung 22 zum Ansteuern des Halbleiterlaserblocks 12, und einen Sinuswellengenerator 24 zum Erzeugen einer sinusförmigen Wellenform, die in der Laseransteuerschaltung 22 ver wendet wird. Das optische System umfasst lediglich die Linse zum Bündeln des Laser strahls zu dem zu messenden Objekt, ohne dass teure optische Komponenten notwen dig sind, um damit eine preisgünstige Vorrichtung mit geringer Baugröße zu realisieren.

Der Halbleiterlaserblock 12 umfasst eine Laserdiode (LD) 14, mit einem Resonator zur Anregung eines Laserstrahls und zum Selbstmischen bzw. Überlagern des emittierten Strahls mit einem zurücklaufenden Strahl, und eine Photodiode (PD) 20 zum Erfassen eines Strahls aus der hinteren Oberfläche der Laserdiode 14.

Der Signalverarbeitungsblock 21 umfasst einen Schwebungssignalprozessor 20A zum Verstärken des von der PD 20 ausgegebenen Schwebungswellenform und einen De tektor für eine kleine Frequenzdifferenz 20B zum Berechnen einer kleinen Frequenzdif ferenz auf der Grundlage der Schwebungswellenform.

Fig. 7 ist eine Blockansicht, die ein Ausführungsbeispiel der Laseransteuerschaltung und des Sinuswellengenerators zeigt. In dem Beispiel in Fig. 7(A) werden eine DC- Stromkomponente und eine AC-Stromkomponente dem Laser zugeführt. In diesem Falle ist der Sinuswellengenerator, der in Fig. 6 gezeigt ist, eine AC- Stromversorgungsschaltung. In diesem Beispiel umfasst die Laseransteuerschaltung 22 eine DC-Strom-(Vorstrom)-Versorgungsschaltung 30, eine Mischschaltung 34 zum Mi schen des von der AC-Stromversorgungsschaltung zugeführten AC-Stroms und des DC-Stroms, und eine Stromstabilisierungsschaltung 26 zum Stabilisieren des von dieser Mischschaltung 34 ausgegebenen Stroms.

In Fig. 7(B) werden eine DC-Spannung und eine AC-Spannung addiert und anschlie ßend in einen Strom zur Zuführung zu dem Laser umgewandelt. In diesem Falle ist der Sinuswellenformgenerator 24 eine AC-Spannungsversorgungsschaltung 38. In dem Beispiel aus Fig. 7 (B) umfasst die Laseransteuerschaltung 22 eine DC-Spannungs- (Vorspannungs)-Versorgungsschaltung 36, eine Addiererschaltung 40 zum Addieren dieser Vorspannung zu der AC-Spannung, eine Spannungs-Strom-Wandlerschaltung 42 für den Stromwert, und eine Stromstabilisierungsschaltung 26 zum Stabilisieren der Stromänderung, die von der Spannungs-Strom-Wandlerschaltung 42 ausgegeben wird.

Der Sinuswellengenerator 24, der eine AC-Komponente des Ansteuerstroms erzeugt, besitzt eine veränderliche Frequenz. Die Periode der Ansteuerstrom-AC-Komponente wird auf einen Wert in der Nähe der Schwingungsperiode des zu messenden Objekts festgelegt. Die Messgenauigkeit in diesem Beispiel hängt von der Frequenzgenauigkeit des Laseransteuerstroms ab. Daher ist es vorzuziehen, einen Sinuswellengenerator mit hoher Genauigkeit zu verwenden.

Fig. 8 zeigt eine Anordnung des Signalverarbeitungssystems. Der Schwebungssignal prozessor 20A umfasst eine Strom-Spannungs-Wandlerschaltung 46 zum Umwandeln einer Stromwertänderung der von der Fotodiode 12 ausgegebenen Schwebungswel lenform in einen Spannungsänderungswert, einen Filter 48 zum Herausfiltern eines nur von der Schwingung erzeugten Signals aus dem Spannungssignal, das von der Strom- Spannungs-Wandlerschaltung 46 geliefert wird, und eine Verstärkerschaltung 50 zum Verstärken der von diesem Filter 48 herausgefilterten Schwebung.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, umfasst der Kleinfrequenzdetektor 20B eine Frequenz- Spannungs-Wandlerschaltung (FV-Wandlerelement) 52 zum Umwandeln der Schwe bungsfrequenz der Schwebungswellenform in einen Spannungswert, und einen Fre quenz/Wellenformanalysator 54 zum Analysieren der Wellenform dieser Frequenzände rungswellenform. Der Frequenz/Wellenformanalysator 54 umfasst vorzugsweise einen Spitzenwert-Haltebereich zum Festhalten eines Spitzenwerts des Spannungswerts, der von dem FV-Wandlerelement umgewandelt wurde, und zum Ausgeben des Spitzen werts als eine Einhüllende der Schwebung. Ferner kann dieser Vorgang des Spitzen werthaltens in digitaler Art und Weise durchgeführt werden.

Fig. 9 erläutert einen beispielhaften Prozessablauf des Frequenz/Wellenformanalysators 54. Zunächst besitzt ein Ausgangssignal 60 aus der FV-Wandlerschaltung 52 eine Ein hüllende, wie sie in Fig. 4(C) gezeigt ist. Der Frequenz/Wellenformanalysator 54 führt eine Spitzenwerthaltefunktion 62 durch, um die Einhüllende (64) zu erfassen. Aus dieser Periode der Einhüllenden (T) wird eine Frequenzdifferenz berechnet. Das heißt in der Beziehung mit der in Fig. 2 gezeigten Gegebenheit berechnet die Funktion zur Berech nung einer kleinen Frequenzdifferenz 22a die Frequenzdifferenz gemäß der Periode der Einhüllenden, die von dem Spitzenwerthaltebereich ausgegeben wird.

In dem in Fig. 9 gezeigten Beispiel ist das von der Frequenz-Spannungs- Wandlerschaltung 60 ausgegebene Signal eine Wellenform mit einer sinusförmigen Si gnalhöhe, die periodisch schwankt und diese Schwankungsperiode ist die Periode der kleinen Frequenzdifferenz. Dieses Signal wird einem Spitzenwerthaltevorgang unterzo gen, um einen Signalerfassungsbereich zu begrenzen, um damit eine Einhüllende zu erhalten. Die Periode dieser Einhüllenden und die kleine Frequenzdifferenz wird ermit telt. Ferner kann entsprechend diesem Wert die Frequenz des Objekts gemessen wer den.

Fig. 10(A) zeigt einen Übergang der Frequenz der Einhüllenden f_dbenv mit Bezug zur Zeitachse, wenn die Modulationsfrequenz f_m und die Objektsfrequenz f_t auf 1 kHz fest gelegt sind. Die kleine Frequenzdifferenz f_a, die aus dieser Schwankungsperiode be rechnet wird, wurde zu 0,725 mHz ermittelt. Ferner wurde die Objektfrequenz f_t um ein 1 mHz erhöht und es wurde die gleiche Messung durchgeführt. Als Ergebnis (Fig. 10(B)) wurde die kleine Frequenzdifferenz f_a zu 1,923 mHz berechnet. Somit wurde das An steigen um ungefähr 1 mHz bestätigt. Dies zeigt, dass für die festgelegte Frequenz 1 kHz eine relative Frequenzänderung in der Größenordnung von 10^-6 gemessen wurde. Um eine derartige Genauigkeit unter Anwendung des herkömmlichen Messverfahrens unter Benutzung eines Verschiebemechanismusses zu erhalten, wird eine Abtastfre quenz 1 GHz benötigt.

Wenn ferner die Lasermodulationsfrequenz gleich der Objektfrequenz ist, zeigt diese Einhüllende einen konstanten Wert und das Bearbeiten zum Ermitteln einer Einhüllen den wird in der gleichen Weise ausgeführt. Wenn eine Schwankung beobachtet wird, wird die Lasermodulationsfrequenz allmählich verändert und wenn die Einhüllende auf hört, zu schwanken, wird die Lasermodulationsfrequenz gemessen. Dieses Verfahren erlaubt das direkte Messen der Objektsfrequenz.

Fig. 11 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für das Verfahren zum Messen einer Objektschwingungsperiode durch Ändern der Periode des sinusförmigen Ansteuer stroms zeigt, so dass diese mit der Schwingungsperiode des zu messenden Objekts synchron ist. In diesem Beispiel besitzt der Signalprozessor 21 eine Synchronisations steuerfunktion zum Ändern einer Ansteuerstromfrequenz in dem Laseransteuerblock bis der zuvor erwähnte Wert der Einhüllenden einen konstanten Wert erreicht, und eine Frequenzentscheidungsfunktion zum Ausgeben einer Ansteuerstromfrequenz als Ob jektfrequenz, wenn der Wert der Einhüllenden einen konstanten Wert mittels der Syn chronisationssteuerfunktion erreicht hat.

In dem in Fig. 11 gezeigten Beispiel wird zunächst der Laser durch einen Ansteuerstrom mit einer geringeren Frequenz als eine Schwingungsfrequenz eines zu messenden Ob jekts angesteuert (Schritt S31). Anschließend wird ein zurücklaufender Strahl mit einem emittierten Strahl in dem Laserresonator 14 überlagert und eine resultierende Schwe bungswellenform wird von der Fotodiode 20 ausgegeben (Schritt S32). Diese Schwe bung wird einer Signalverarbeitung unterzogen (Schritt S33), um eine kleine Frequenz differenz zu erfassen (Schritt S34). Anschließend wird bestimmt, ob die kleine Fre quenzdifferenz gleich 0 ist (oder nicht größer als ein Schwellwert), (Schritt S35). Solan ge die Differenz nicht gleich 0 ist, wird die Laseransteuerfrequenz erhöht (Schritt S36). Wenn andererseits die kleine Frequenzdifferenz gleich 0 ist, wird die Laseransteuerfre quenz als Frequenz ausgegeben.

Als nächstes wird ein Fall erläutert, wenn die Funktion zur Berechnung einer kleinen Frequenzdifferenz 22a in Fig. 2 die Frequenzdifferenz unter Anwendung des zuvor er wähnten Einhüllendenänderungswerts auf einer Näherung basierend berechnet, wenn eine Wellenform der Einhüllenden im Voraus angenommen wird. Das heißt, es wird ein Verfahren zur Reduzierung der benötigten Messzeit erläutert.

_dmaxsin2π_a(t_a + t) + _bmax = _dbenv (5)

_dmaxsin2π_a(t_a + t_l) + _bmax = _dbenv1 (6)

_dmaxsin2π_a(t_a + t_l + Δt) + _bmax = _dbenv2 (7)

In Gleichung (3) nähert sich die Schwankung der Einhüllenden Frequenz f_dbenv der in Fig. 12(B) gezeigten Kurve, wenn die Differenz zwischen f_bmax und f_dmax klein ist, und wenn die Differenz ansteigt, nähert sich die Schwankung der in Fig. 12(A) gezeigten sinusförmigen Schwankung an. Folglich ist es möglich, eine hohe Genauigkeit beim Verwenden der Gleichung (8), wenn die Differenz zwischen f_bmax und f_dmax groß ist, und beim Verwendung von Gleichung (10), wenn die Differenz klein ist, zu erhalten.

Die Messzeit kann deutlich verringert werden, indem die kleine Frequenzdifferenz f_a zwischen der Halbleiterlasermodulationsfrequenz f_m und die Objektfrequenz f_t aus einer Differenz zwischen den Messwerten an zwei Punkten anstatt aus der Periode der Ein hüllenden berechnet wird. Die Näherung kann ein Verfahren sein, in dem angenommen wird, dass die Einhüllende als ein erstes Verfahren sinusförmig variiert, oder als einem zweiten Verfahren im Absolutwert variiert.

Approximation 1

Wenn angenommen wird, dass die Frequenz der Einhüllenden f_dbenv sinusförmig variiert, ist die Gleichung (5) oben erfüllt. Hierbei ist die Zeit t_a eine Kon stante, die eine Phasendifferenz zwischen f_m und f_t kennzeichnet. Wenn angenommen wird, dass die Frequenz der Einhüllenden zum Zeitpunkt t₁ f_dbenv1 und zum Zeitpunkt t₁ + Δ_t = f_dbenv2 ist, dann kann Gleichung (5) als Gleichung (6) und Gleichung (7) ausgedrückt werden. Wenn die Zeit t_a + t₁ aus den Gleichungen (6) und (7) eliminiert wird und an schließend die Gleichungen auf die kleine Frequenzdifferenz f_a aufgelöst wird, dann er hält man die obige Gleichung (8).

Approximation 2

Wenn die Frequenz der Einhüllenden f_dbenv die in Fig. 12(B) gezeigte Schwankung aufweist, dann ist Gleichung (9) erfüllt. Gleichung (9) kann nach der klei nen Frequenzdifferenz f_a aufgelöst werden, und man kann die obige Gleichung (10) er halten. Aus dieser Gleichung (10) kann f_a ermittelt werden.

Approximation 3

Wenn es keine Differenz zwischen f_bmax und f_dmax in Gleichung (3) gibt, dann besitzt die Gleichung (10) eine hohe Genauigkeit. Dazu wird die Laserfrequenz modulationseffizienz df/di im Voraus aufgezeichnet und anschließend wird die Objekt schwingung ohne Modulieren des Lasers gemessen, und das Ausgangssignal f_dmax aus der Fotodiode 20 wird aufgezeichnet. Die Ansteuerstromamplitude ist so, dass f_bmax ge mäß Gleichung (1) gleich f_dmax ist.

Für das Messergebnis der kleinen Frequenzdifferenz, die in Fig. 13(A) gezeigt ist, wur den die Gleichung (8) und die Gleichung (10) verwendet, um eine kleine Frequenzdiffe renz zu erhalten. Das Ergebnis ist in Fig. 13(D) gezeigt. In diesem Falle ist die Differenz zwischen f_bmax und f_dmax klein und folglich besitzt der durch die Gleichung (10) berech nete Wert einen kleineren Fehler. Wie in Fig. 13(B) gezeigt ist, zeigen mittels der Glei chung (10) erhaltene Werte näherungsweise einen konstanten Wert auf, wohingegen mittels der Gleichung (8) berechnete Werte allmählich abfallen, und keine Tendenz für eine Konvergenz aufweisen.

Erfindungsgemäß wird mit einer zuvor erläuterten Anordnung in dem Selbstmischungs schritt ein zurücklaufender Strahl von einem zu messenden Objekt in dem Resonator mit einem emittierten Strahl (schwingender Strahl), der beim Zurückkehren des zurücklau fenden Strahls emittiert wird, überlagert, um eine Schwebung zu erzeugen, in der die Objektdopplerfrequenz der Eigenfrequenz überlagert ist; der Schwingungsinformations ausgabeschritt gibt als die Schwingungsinformation des Objekts die in dem Selbst mischungsschritt erhaltene Schwebung oder eine Information, die aus einer Signalver arbeitung dieser Schwebung erhalten wird, aus. Daher tritt eine Einhüllende (Gruppen frequenz) basierend auf einer Differenz zwischen der Eigenfrequenz, die auf der ge dachten Geschwindigkeit des Resonators basiert, und der Dopplerfrequenz, die auf der Objektgeschwindigkeit basiert, in der Schwebung auf. Wenn die gedachte Resonatorge schwindigkeit konstant gehalten wird, kann durch Erfassen der Änderung dieser Einhül lenden die Periodenänderung der Objektschwebung erhalten werden. Andererseits ist es durch sukzessives Ändern der gedachten Resonatorgeschwindigkeit möglich, eine Frequenz des Objekts zu erfassen. Ferner ist es durch Berechnen der Frequenz der Einhüllenden oder der Periode der Einhüllenden möglich, die Objektfrequenz mit hoher Genauigkeit zu berechnen. Damit liefert die vorliegende Erfindung viele Vorteile gegen über dem Stand der Technik.

Ferner wird in der Frequenzdifferenzmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung der Laseransteuerblock durch einen Lasertreiberstrom mit sinusförmiger Wellenform angesteuert und der Laserresonator schwingt mit einer Wellenlängenänderung gemäß dem Ansteuerstrom, wodurch eine Eigenfrequenz entsprechend der gedachten Reso natorgeschwindigkeit, die der Geschwindigkeitsänderung dieser oszillierenden Wellen länge entspricht, erzeugt wird. Andererseits wird der zurücklaufende Strahl durch die Dopplerfrequenz entsprechend der Objektgeschwindigkeit hinzuaddiert. Wenn der emit tierte Strahl mit dem zurücklaufenden Strahl in dem Resonator überlagert wird, wird eine Schwebung als Ergebnis dieser Überlagerung der Eigenfrequenz mit der Dopplerfre quenz erzeugt. Die Periodenänderung dieser Schwebung ist eine Änderung, die auf ei ner Differenz zwischen der Eigenfrequenz und der Dopplerfrequenz beruht. Folglich ist es durch Beobachten der Frequenz dieser Schwebungswellenform möglich, eine Fre quenz des Objekts und eine Frequenzänderung zu messen. Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Frequenzmessvorrichtung bereit, die diverse Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besitzt.

Die Erfindung kann in anderen speziellen Formen ausgestaltet werden, ohne vom Grundgedanken oder deren essentiellen Eigenschaften abzuweichen. Die vorliegende Erfindung ist daher in jeder Hinsicht als illustrativ und nicht beschränkend zu betrachten, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die angefügten Patentansprüche anstatt durch die vorhergehende Beschreibung gekennzeichnet ist, und wobei alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzbereichs der Ansprüche liegen, als im Schutzbereich umschlossen zu betrachten sind.

Die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldung No. 2000-36568 (einge reicht am 15. Februar 2000) einschließlich der Beschreibung, der Ansprüche, der Zeich nungen und der Zusammenfassung sind hiermit durch Bezugnahme vollständig mit ein geschlossen.

BILDBESCHREIBUNG Fig. 1

S1 Emission des Laserstrahls
S2 Empfang des zurücklaufenden Strahls
S3 Überlagerung des neu emittierten Strahl, der eine Eigenfrequenz aufweist, mit dem zurücklaufenden Strahl mit der Dopplerfrequenz erzeugt
S4 Ausgeben der Schwebung, die durch das Überlagern erzeugt wird oder einer Schwingungsinformation, die aus der Schwebung berechnet wird
Ende

Fig. 2

22

Laseransteuerschaltung

21

Signalverarbeitungsblock

Fig. 3(A) bis 3(D)

1

emittierter Strahl

2

Laserstrahlfrequenz f

3

Zeit t

4

Schwebungsfrequenz f_b

5

Schwingungsauslenkung x

6

Dopplerfrequenz f_d

Fig. 4(A) bis 4(D)

1

Doppler-(Schwebungs)-Frequenz f_d

(f_b

)

2

Dopplerschwebungsfrequenz f_dbenv

3

Zeit t

4

Geschwindigkeitsänderungswellenform

5

(Zeit)

Fig. 5

S11 Aussenden des Laserstrahl, der mit der ersten Wellenlänge schwingt
S12 Empfang des zurücklaufenden Strahls mit der Objektdopplerfrequenz entspre chend der Geschwindigkeit des zu messenden Objekts
S13 Ausgabe der Schwebung, die durch Überlagerung des emittierten Strahls, der mit der zweiten Wellenlänge schwingt, mit dem zurücklaufenden Strahl erzeugt wird
S14 FV-Umwandlung der Schwebung
S15 Herauslösen der Einhüllenden der Dopplerschwebungsfrequenz
S16 Berechnen der kleinen Frequenzdifferenz aus der Frequenz der Einhüllenden
S16 Ausgabe als Schwingungsfrequenz
Ende

Fig. 6

20

A Schwebungssignalprozessor

20

B Kleinfrequenzdifferenzdetektor

22

Laseransteuerschaltung

24

Sinuswellengenerator

Fig. 7(A)

30

DC-Strom-(Vorstrom)-Versorgungsschaltung

32

AC-Stromversorgungsschaltung

34

Mischschaltung

26

Stromstabilisierungsschaltung

14

Resonator

1

Zufuhr des Ansteuerstroms

Fig. 7(B)

36

DC-Spannungs-(Vorspannungs)-Versorgungsschaltung

38

AC-Spannungsversorgungsschaltung

40

Addiererschaltung

42

Spannungs-Strom-Wandlerschaltung

26

Stromstabilisierungsschaltung

14

Resonator

1

Zufuhr des Ansteuerstroms

Fig. 8

14

Laserresonator

12

Fotodiode

46

Strom-Spannungs-Wandlerschaltung

48

Filter

50

Verstärkerschaltung

52

Frequenz-Spannungs-Wandlerschaltung

54

Frequenz/Wellenformanalysator

Fig. 9

60

Ausgangssignal aus der Frequenz-Spannungs-Wandlerschaltung

62

Spitzenwerthalteverarbeitung

64

Erfassung der Einhüllenden

66

Berechnen einer kleinen Frequenzdifferenz aus der Periode der Einhüllenden

1

Zeit

2

Spannung

Fig. 10(A) und 10(B)

1

Dopplerschwebungsfrequenz

2

Zeit

Fig. 11

S31 Laseransteuerung
S32 Laserresonator/Fotodiodenausgangssignal
S33 Schwebungssignalverarbeitung
S34 Erfassung der kleinen Frequenzdifferenz
S35 kleine Frequenzdifferenz gleich = 0?
S36 Erhöhen der Laseransteuerfrequenz

1

Nein

2

Ja

3

Frequenzausgabe

Fig. 13(A)

1

maximale Dopplerschwebungsfrequenz

2

Abhängigkeit der maximalen Dopplerschwebungsfrequenz f_dmax

von der Zeit dauer t

Fig. 13(D)

1

Minimale Dopplerschwebungsfrequenz

2

Rechnung unter Verwendung der korrigierten Gleichung (10)

3

Rechnung unter Verwendung der konventionellen Gleichung (8)

4

Abtastintervall

5

kleine Frequenzdifferenz fw berechnet gegenüber dem Abtastintervall

Claims

1. Schwingungsmessverfahren mit:
Aussenden eines Laserstrahls zu einem zu messenden Objekt;
Empfangen eines zurücklaufenden Strahles, der von dem Objekt reflektiert wird, und eine Objektdopplerfrequenz entsprechend einer Geschwindigkeit des Objekt aufweist;
Überlagern des zurücklaufenden Strahls mit der Dopplerfrequenz mit einem weite ren Strahl, der beim Empfang des zurücklaufenden Strahls emittiert wird, und Er zeugen einer Eigenfrequenz entsprechend einer Resonatoränderung während einer Zeit von der Aussendung bis zum Empfang des zurücklaufenden Strahls, um eine Schwebung zu erzeugen, die die mit der Eigenfrequenz überlagerte Objektdoppler frequenz enthält; und
Ausgeben der Schwebung oder einer Information, die aus einer Signalverarbeitung der Schwebung erhalten wird, als die Objektschwingungsinformation.

2. Schwingungsmessverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausgebens der Schwingungsinformation umfasst: Herauslösen einer Einhüllenden aus einer Fre quenzänderungswellenform der Schwebung und Berechnen einer Frequenzdiffe renz zwischen der Objektdopplerfrequenz und der Eigenfrequenz entsprechend ei ner Frequenz der Einhüllenden, die im Schritt des Herauslösens der Einhüllenden ermittelt wird.

3. Frequenzmessvorrichtung mit:
einem Laserresonator zum Oszillieren eines Laserstrahls und zum Überlagern des von einem zu messenden Objekt reflektierten und als zurücklaufender Strahl zu rückkehrenden Laserstrahls mit einem Laserstrahl, der beim Empfang des zurück laufenden Strahls ausgesendet wird;
einem Laseransteuerblock zum Ansteuern des Laserresonators mit einem Laseran steuerstrom mit sinusförmiger Wellenform;
einem Laserblock zum Aussenden eines Laserstrahls, der mit einer Wellenlänge entsprechend dem Ansteuerstrom in dem Laserresonator schwingt, zu dem zu messenden Objekt und zum Ausgeben einer durch Überlagerung in dem Resonator eines von dem Objekt zurücklaufenden Strahls mit einem emittierten Strahl, der mit einer Wellenlänge entsprechend dem Ansteuerstrom in dem Laserresonator beim Empfang des zurücklaufenden Strahls oszilliert, erhaltenen Schwebung; und
einem Signalverarbeitungsblock zum Durchführen einer Signalverarbeitung der Schwebung, die von dem Laserblock ausgegeben wird, und zum Ausgeben eines Verarbeitungsergebnisses als eine Schwingungsinformation,
wobei der Signalverarbeitungsblock eine Funktion zur Berechnung einer kleinen Frequenzdifferenz umfasst, um eine Schwingungsfrequenz des Objekts gemäß ei ner Frequenzänderung der Schwebung zu berechnen.

4. Die Frequenzmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Signalverarbeitungs block ein FV-Wandlerelement zum Umwandeln der Schwebungsfrequenz in eine Spannung, und einen Spitzenwerthaltebereich zum Halten eines Spitzenwerts des Spannungswerts, der durch das FV-Wandlerelement konvertiert wird, und zum Aus geben des Spitzenwerts als eine Wellenform der Einhüllenden der Schwebung, aufweist, und
die Funktion zur Berechnung der kleinen Frequenzdifferenz eine Funktion aufweist, um eine Schwingungsfrequenz des zu messenden Objekts gemäß einer Periode der Einhüllenden, die von dem Spitzenwerthaltebereich ausgegeben wird, aufweist.

5. Die Frequenzmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Funktion zur Berech nung der kleinen Frequenzdifferenz eine Funktion aufweist, um eine Schwingungs frequenz des Objekts zu messen, in dem eine Änderung des Werts der Einhüllen den auf der Grundlage einer Approximationsgleichung unter der Annahme einer Wellenform der Einhüllenden berechnet wird.

6. Die Frequenzmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Signalverarbeitungs block eine Synchronisationssteuerfunktion umfasst, um die Ansteuerstromfrequenz in dem Laseransteuerblock zu ändern bis der Wert der Einhüllenden einen kon stanten Wert erreicht.

7. Die Frequenzmessvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Signalverarbeitungs block eine Synchronisationssteuerfunktion umfasst, um die Ansteuerstromfrequenz in dem Laseransteuerblock zu ändern bis der Wert der Einhüllenden einen kon stanten Wert erreicht.

8. Die Frequenzmessvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Signalverarbeitungs block eine Synchronisationssteuerfunktion umfasst, um die Ansteuerstromfrequenz in dem Laseransteuerblock zu ändern bis der Wert der Einhüllenden einen kon stanten Wert erreicht.

9. Frequenzmessvorrichtung mit:
einem Laserresonator zum Oszillieren eines Laserstrahls und zum Überlagern des von einem ersten zu messenden Objekts reflektierten und als ein zurücklaufender Strahl zurückkehrender Strahl mit einem weiteren Laserstrahl, der beim Empfang des zurücklaufenden Strahls emittiert wird;
einem Laserblock, der an einem zweiten zu messenden Objekt angeordnet und synchron zu der Schwingung des ersten Objekts schwingt, und den Laserresonator hält; und
einem Signalverarbeitungsblock zum Durchführen einer Signalverarbeitung einer Schwingungswellenform, die von dem Laserblock ausgegeben wird, und zum Aus geben eines Verarbeitungsergebnisses als eine Schwingungsinformation,
wobei der Signalverarbeitungsblock eine Funktion zur Berechnung einer kleinen Frequenzdifferenz umfasst, um eine Frequenzdifferenz zwischen einer Frequenz des ersten Objekts und einer Frequenz des zweiten Objekts entsprechend einer Einhüllenden der Schwebungswellenform zu berechnen.