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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Schwingungsmessung, und insbesondere ein derartiges Verfahren
und eine derartige Einrichtung, die zur Messung des Schwingungszustands
eines Gegenstands unter Verwendung eines Doppler-Schwingungsmeßgeräts mit Eigenmischung
dienen.
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Aus
der Druckschrift
DE
40 06 690 C6 ist bereits eine Schwingungsmeßeinrichtung
bekannt mit einem Laseroszillator, einer Steuerung zur Erzeugung
einer modulierten Schwebungsfrequenz und einem Signalprozessor zum
Durchführen
einer Signalverarbeitung der Schwebungswellen.
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Auch
aus den folgenden Druckschriften sind bereits Schwingungsmeßeinrichtungen
bekannt:
DE 197
07 773 C2 ,
US
5 680 212 A ,
US
5 827 971 A ,
US
3 958 881 A , Shonohara, S. et al.: Laser Doppler velocimeter
using the self-mixing effect of a semiconductor laser diode. In:
Applied Optics, 1986, Band 25 (9), S. 1417–1419, Shinohara. S. et al.:
Approximate theory and characteristics of Laser Doppler Velocimeter
using self-mixing effect of semiconductor laser diode. In: Electron. & Communicat. In
Japan – Part
2, 1989, Band 72, S. 444–452,
Shibata, T. et al.: Automatic measurement of velocity and length
of moving plate using self-mixing laser diode. In: IEEE Trans. IM,
1999, Band 48(6), S. 1062–1067,
Mito, K. et al.: Self-mixing effect of the semiconductor laser Doppler
method for blood flow measurement. In: Medical & Biol. Engineering & Computing, 1993,
Band 31, S. 308–310.
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Die
vorliegende Erfindung kann auf verschiedenen Gebieten eingesetzt
werden, bei denen eine Schwingungsuntersuchung vorgenommen werden
kann. Spezielle Anwendungen umfassen die Schwingungsuntersuchung
von Maschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, die Körperschall-Schwingungsuntersuchung,
und die Schwingungsuntersuchung von Schalldämpfern. Auch in anderen Herstellungsgebieten
gibt es verschiedene Anwendungszwecke. Daher kann die vorliegende
Erfindung für
Wartungszwecke eingesetzt werden, beispielsweise die Erfassung von
Schwingungen in einer Fabrik, in der ein Motor eingesetzt wird,
oder für
die Lecksuche bei Wasser- oder Gasrohren. Darüber hinaus läßt sie sich
auf dem Gebiet der Landwirtschaft einsetzen, beispielsweise zur
Feststellung des Zuckergehaltes großer Früchte wie beispielsweise Wassermelonen
unter Nutzung der Klopfgeräusche.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
die Messung einer Schwingungsfrequenz mit sehr geringer Amplitude,
beispielsweise 200 nm, oder von Änderungen
der Geschwindigkeit einer schwingenden Oberfläche, und kann daher bei Untersuchungs-
und Kalibriergeräten
für Einrichtungen
eingesetzt werden, die Schwingungen erzeugen, oder bei Geräten zur
Erfassung anomaler Schwingungen für Langzeituntersuchungen von
Energieerzeugungseinrichtungen. Derartige Untersuchungs- und Kalibriergeräte können beispielsweise
dazu eingesetzt werden, Quarz- oder Ultraschalloszillatoren in Bezug
auf deren Frequenz zu untersuchen, oder um Funktionsgeneratoren
zu kalibrieren. Weiterhin können
derartige Geräte
zur Erfassung anomaler Schwingungen dazu eingesetzt werden, Defekte
in Halbleiterherstellungseinrichtungen festzustellen, unter Verwendung hochfrequenter
Schwingungen, wobei sich diese Defekte daraus ergeben, daß Schwingungsenergie
nicht wirksam mittels Resonanz weitergeleitet wird, oder es können derartige
Geräte
zur Feststellung von Beschädigungen
bei Werkzeugen wie beispielsweise Bohrern verwendet werden.
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Der
nachstehend verwendete Begriff "gemessener
Gegenstand" betrifft
daher einen Gegenstand, dessen Schwingungen gemessen werden sollen,
wobei dieser Gegenstand den Bereich von Brennkraftmaschinen bis
zu Werkzeugen umfaßt.
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Herkömmliche
Mittel zur Messung der Frequenz eines schwingenden Gegenstands auf
berührungslose
Weise umfassen ein Verfahren zur Frequenzbestimmung, bei dem beispielsweise
ein Laserverschiebungsmeßgerät eingesetzt
wird, mit welchem Triangulation durchgeführt wird. Weiterhin ist eine
Schwingungsmeßeinrichtung,
die ein Doppler-Schwingungsmeßgerät verwendet,
und von der Anmelderin erhältlich
ist, in dem japanischen offengelegten Patent Nr. 11-287699 beschrieben.
Die in dieser Veröffentlichung
vorgeschlagene Vorgehensweise umfaßt die Feststellung von Schwebungssignalen
auf der Grundlage der Differenz zwischen der Frequenz ausgesandten
Lichtes und der Frequenz zurückkehrenden
Lichtes, mit überlagerter
Dopplerfrequenz, in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit eines gemessenen Gegenstands, und die Feststellung
der Verschiebung des gemessenen Gegenstands oder eine Änderung
von dessen Geschwindigkeit, auf der Grundlage der Schwebungen.
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Bei
der in dieser Veröffentlichung
vorgeschlagenen Vorgehensweise wird die Verschiebung auf der Grundlage
der Anzahl an Schwebungswellen gemessen, unter Ausnutzung der Tatsache,
daß jedesmal
dann eine Schwebungswelle erzeugt wird, wenn der gemessene Gegenstand
um eine Länge λ/2 verschoben
wird, welche der Hälfte
der Schwingungswellenlänge λ des Lasers
entspricht. Eine Umkehrposition der Ausbreitungsrichtung wird unter
Nutzung der Tatsache bestimmt, daß eine Schwebungswelle entsprechend
der Umkehrposition eine abweichende Signalform aufweist, und eine
große
Wellenlänge
hat, da der gemessene Gegenstand um eine Länge verschoben ist, die kleiner
ist als λ/2.
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Allerdings
hängt bei
diesem Beispiel für
den Stand der Technik die Genauigkeit der Schwingungsmessungen von
der Schwingungswellenlänge
eines Lasers ab, so daß es
in nachteiliger Art und Weise schwierig sein kann, in geeigneter
Weise eine Verschiebung zu messen, die kleiner als λ/2 ist, oder
Bedingungen geringer Hochfrequenzschwingungen mit einer Schwingungswellenlänge von
kleiner als λ/2.
Darüber
hinaus sind verschiedene Signalverarbeitungsvorgänge dazu erforderlich, die
Umkehrposition zu bestimmen, was in nachteiliger Weise zu einer
enormen Anzahl an Vorgängen
führt,
die durchgeführt
werden müssen,
wenn der gemessene Gegenstand eine hohe Frequenz aufweist. Wenn
der gemessene Gegenstand Schwingungen erzeugt, die mehrere Schwingungen
mit komplizierter Zuordnung umfassen, statt nur einer einfachen
harmonischen Schwingung, kann es in nachteiliger Weise schwierig
sein, exakt die Schwingungsbedingungen zu berechnen, in Abhängigkeit
von der Vorgehensweise zur Feststellung der Umkehrposition.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Ausschaltung der
Nachteile beim herkömmlichen
Stand der Technik, so daß eine
Einrichtung und ein Verfahren zur Schwingungsmessung zur Verfügung gestellt
werden, welche die exakte Messung der Schwingungszustände eines
gemessenen Gegenstands gestatten, ohne Abhängigkeit von der Schwingungswellenlänge eines
Lasers.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 10, 11 und 12 gelöst.
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In
dem Laserresonator wird eine Eigenmischung des zurückkehrenden
Strahls, der durch Verschiebung des ausgesandten Strahls um ein
Ausmaß entsprechend
der Dopplerfrequenz in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands erhalten wird,
mit dem Strahl durchgeführt,
der ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende Strahl empfangen
wird, wodurch die Schwebungswellen erzeugt werden. Zu diesem Zeitpunkt
sorgt die Steuerung zur Erzeugung einer modulierten Schwebungsfrequenz
dafür,
daß die Schwebungswellen
eine modulierte Schwebungsfrequenz aufweisen, die höher ist
als die Dopplerfrequenz, welche dem zurückkehrenden Strahl überlagert
ist, und sich in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands ändert. Die
Steuerung zur Erzeugung der modulierten Schwebungsfrequenz kann beispielsweise
so ausgebildet sein, daß sie
für den
Laserresonator einen Lasertreiberstrom zur Verfügung stellt, welcher die Schwingungsfrequenz
des Laserresonators ändert,
oder so, daß der
Laserresonator als solcher mit konstanter Geschwindigkeit verschoben
wird, um als modulierte Schwebungsfrequenz eine Dopplerfrequenz
zu erzeugen, die nicht einer Bewegungsgeschwindigkeit des gemessenen
Gegenstands entspricht.
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Da
die Steuerung zur Erzeugung der modulierten Schwebungsfrequenz (oder
Lasertreibersteuerung) für
die Bereitstellung der modulierten Schwebungsfrequenz für die Schwebungswellen
sorgt, die durch die Eigenmischung erhalten werden, stellt die Frequenz
der Schwebungswellen (die Dopplerfrequenz oder die tatsächlich beobachtete
Frequenz der Schwebungswellen) die Summe der modulierten Schwebungsfrequenz und
der Dopplerfrequenz dar, die von der Geschwindigkeit des gemessenen
Gegenstands abhängt.
Schwingt der gemessene Gegenstand, so weist, da sich die Dopplerfrequenz
in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands ändert, eine
Schwebungswelle entsprechend einer Position, an welcher der gemessene
Gegenstand seine Bewegungsrichtung ändert, eine Dopplerfrequenz
von Null auf. Hierbei ist die Doppler-Schwebungsfrequenz (beobachtete Frequenz)
die modulierte Schwebungsfrequenz, die von der Steuerung zur Erzeugung
der modulierten Schwebungsfrequenz erzeugt wird. Da die beobachtete
Frequenz der Schwebungswelle an der Umkehrposition die modulierte
Schwebungsfrequenz ist, weicht die Schwebungswelle an der Umkehrposition
nicht infolge des Dopplereffekts von der ursprünglichen Frequenz ab.
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Da
der gemessene Gegenstand seine Bewegungsrichtung an der Umkehrposition ändert und
dann beschleunigt wird, ändert
sich die Dopplerfrequenz. Bei einer Sinusschwingung ist die Geschwindigkeit
im Zentrum der Position der Schwingung am höchsten. Daher ändert sich
die Doppler-Schwebungsfrequenz in Bezug auf die modulierte Schwebungsfrequenz
in Abhängigkeit
von Änderungen
der Dopplerfrequenz. Daher lassen sich die Schwebungswellen auch
so ansehen, daß sie
ein Signal darstellen, das mit Hilfe einer Frequenzmodulation unter
Verwendung der Dopplerfrequenz erhalten wird, wobei das Signal die
modulierte Schwebungsfrequenz als Trägerfrequenz verwendet. Kleine Änderungen
der Dopplerfrequenz können
durch Erhöhung
der modulierten Schwebungsfrequenz bestimmt werden, die als die
Trägerfrequenz
eingesetzt wird; dies bedeutet, daß die Genauigkeit unabhängig von
der Schwingungswellenlänge
des Laserresonators eingestellt wird. Wenn beispielsweise Schwingungen
eines gemessenen Gegenstands, der mit einer bestimmten Frequenz
schwingt, gemessen werden, und wenn die modulierte Schwebungsfrequenz
zehnmal so hoch ist wie die Schwingungsfrequenz, werden zehn Perioden
von Schwebungswellen pro Periode des gemessenen Gegenstands erhalten,
was zu zehn Posten von Dopplerfrequenzinformation führt.
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Der
Signalprozessor erzeugt Schwingungsinformation auf der Grundlage
der Schwebungswellen. Die Schwebungswellen selbst sind nützlich als
Schwingungsinformation, da sie ein Signal mit einer Frequenz darstellen,
die in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands moduliert wird.
Weiterhin ist eine Signalform, die durch eine Frequenz-Spannungswandlung
der Schwebungswellen erhalten wird, eine Änderung der Signalform der
Dopplerfrequenz in Bezug auf die modulierte Schwebungsfrequenz,
welche einer Geschwindigkeitsänderungssignalform
entspricht. Die Geschwindigkeitsänderungssignalform
kann differenziert werden, um eine Beschleunigungsänderungssignalform
zu erhalten, oder integriert werden, um eine Verschiebungsänderungssignalform
zu erhalten, und die Periode der Geschwindigkeitsänderungssignalform
entspricht einer Schwingungsperiode. Weiterhin wird die modulierte
Schwebungsfrequenz von der Doppler-Schwebungsfrequenz subtrahiert,
um die Dopplerfrequenz zu erhalten. Dann kann die Geschwindigkeit
aus der Dopplerfrequenz und der Laseroszillatorwellenlänge bestimmt
werden.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
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1 als
Blockschaltbild den Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
Darstellung zur Erläuterung
von Einzelheiten des Aufbaus eines Lasers, der wie in 1 gezeigt
aufgebaut ist;
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3 ein
Flußdiagramm
mit einem Beispiel für
einen Vorgang der Erzeugung von Schwingungsinformation unter Verwendung
der in 1 dargestellten Anordnung;
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4 ein Signalformdiagramm, das zur Erläuterung
des Betriebsprinzips dieser Ausführungsform nützlich ist,
wobei 4(A) ein Beispiel für eine Schwingungssignalform
zeigt, 4(B) ein Beispiel für eine Dopplerfrequenzänderungssignalform
(Geschwindigkeitsänderungssignalform)
zeigt, 4(C) eine Phasendifferenz zwischen
einem ausgesandten Strahl und einem zurückkehrenden Strahl zeigt, 4(D) ein Beispiel für Schwebungswellen zeigt, die
eine modulierte Schwebungsfrequenz entsprechend einer Differenz
der Laserstrahlfrequenz aufweisen, die durch die in 4(C) gezeigte Phasendifferenz wird, und 4(E) die Frequenz von Schwebungswellen in einem
Fall erläutert,
in welchem ein gemessener Gegenstand ortsfest bleibt;
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5 eine
Darstellung zur Erläuterung
verschiedener Frequenzen, die bei der in 1 gezeigten
Anordnung erhalten werden;
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6 eine Darstellung zur Erläuterung
eines Beispiels für
den Aufbau einer Einstelleinheit für eine optische Weglänge gemäß der in 1 gezeigten
Ausführungsform,
wobei 6(A) ein Beispiel zeigt, in
welchem mehrere Spiegel als die Einstelleinheit für die optische
Weglänge
verwendet werden, und 6(B) ein Beispiel
zeigt, bei dem ein Lichtleiter als die Einstelleinheit für die optische
Weglänge
verwendet wird;
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7 ein
Signalformdiagramm mit einem Beispiel für eine Schwingungsmessung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform,
wobei 7(A) ein Beispiel für eine Schwingungsverschiebungssignalform
zeigt, 7(B) ein Beispiel für die Signalform
von Schwebungswellen in diesem Fall zeigt, und 7(C) ein
Beispiel für
eine Frequenzänderungssignalform
(Geschwindigkeitsänderungssignalform)
zeigt, die erhalten wird, wenn eine Frequenz-Spannungswandlung (F/V-Wandlung)
der Schwebungswellen durchgeführt
wird;
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8 ein
schematisches Blockschaltbild eines Beispiels für die Ausbildung der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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9 ein Signalformdiagramm eines Beispiels
für eine
Treiberstromsignalform gemäß der ersten
Ausführungsform,
wobei 9(A) ein Beispiel zeigt, bei
welchem ein Lasertreiberstrom gleichschenkelig dreieckförmige Wellen
aufweist, 9(B) ein Beispiel zeigt, in
welchem der Lasertreiberstrom Sägezahnwellen
aufweist, und 9(C) ein Beispiel zeigt, bei
welchem Dreieckswellen selektiv verarbeitet werden;
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10 ein
Blockschaltbild eines Beispiels für den Aufbau einer Einrichtung
zum Ermitteln von Schwingungsinformation gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
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11 als Blockschaltbild ein Beispiel für den Aufbau
einer Entfernungsschaltung für
eine frei wählbare
Signalform gemäß der vorliegenden
Ausführungsform,
wobei 11(A) schematisch den Aufbau
zeigt, und 11(B) ein Beispiel für einen
Aufbau zum Entfernen von dreieckförmigen Wellenbestandteilen
von Schwebungswellen auf der Grundlage des Lasertreiberstroms zeigt;
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12 ein
Blockschaltbild eines weiteren Beispiels für die Entfernungsschaltung
für eine
frei wählbare Signalform
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform;
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13 ein Blockschaltbild eines Beispiels
für den
Aufbau zum Erzeugen einer Schwingungsgeschwindigkeitssignalform
aus Schwebungswellen gemäß dieser
Ausführungsform,
wobei 13(A) ein Beispiel für eine Anordnung
zur Ausgabe von Änderungen
der Doppler-Schwebungsfrequenz
als Änderungen
der Schwingungsgeschwindigkeit zeigt, und 13(B) ein
Beispiel für
einen Aufbau zur Ausgabe von Änderungen der
Doppler-Schwebungsfrequenz als Änderungen
der Schwingungsgeschwindigkeit zeigt;
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14 ein
Blockschaltbild eines Beispiels für den Aufbau eines Signalprozessors
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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15 ein Signalformdiagramm, das zur Erläuterung
eines Vorgangs gemäß der zweiten
Ausführungsform
nützlich
ist, wobei 15(A) ein Beispiel zeigt, in
welchem die Periode von Schwebungswellen direkt bestimmt wird, und 15(B) ein Beispiel zeigt, in welchem die Periode
differenzierter Schwebungswellen bestimmt wird;
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16 ein
Blockschaltbild eines Beispiels für den Aufbau einer dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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17 ein
Spektraldiagramm, welches ein Beispiel für das Frequenzspektrum von
Schwebungswellen zeigt, die bei der dritten Ausführungsform verwendet werden;
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18 als
Blockschaltbild ein Beispiel für
den Aufbau einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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19 ein
Signalformdiagramm, das die Phasenbeziehung zwischen zwei Lasertreiberströmen gemäß der vierten
Ausführungsform
zeigt;
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20 als
Blockschaltbild ein Beispiel für
den Aufbau der vierten Ausführungsform
im einzelnen;
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21 als
Blockschaltbild ein Beispiel für
den Aufbau einer fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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22 ein Signalformdiagramm, das ein Beispiel
für Schwebungswellen
in einer stabilen Periode gemäß der fünften Ausführungsform
zeigt, wobei 22(A) Schwebungswellen in einem
Fall zeigt, in welchem der gemessene Gegenstand ortsfest bleibt,
und 22(B) ein Beispiel für Schwebungswellen
in einem Fall zeigt, in welchem der gemessene Gegenstand schwingt.
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1 zeigt
als Blockschaltbild den Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Eine Schwingungsmeßeinrichtung
gemäß dieser
Ausführungsform
weist eine Lasereinheit 12 auf, die mit einem Laserresonator
versehen ist, um einen Laserstrahl schwingen zu lassen, und Schwebungswellen
durch Eigenmischung eines zurückkehrenden
Strahls, der erhalten wird, wenn der ausgesandte Strahl durch den
gemessenen Gegenstand reflektiert wird, mit einem Strahl, der schwingt
und ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende Strahl empfangen
wird, zu erzeugen. Die Schwingungsmeßeinrichtung weist weiterhin
eine Steuerung 8 zur Erzeugung einer modulierten Schwebungsfrequenz
auf, um bei den Schwebungswellen eine modulierte Schwebungsfrequenz
fb zu erzeugen, die höher ist als die Dopplerfrequenz,
welche dem zurückkehrenden Strahl überlagert
ist, und sich in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands ändert, sowie
einen Signalprozessor 21 zur Durchführung einer Signalverarbeitung
bei den Schwebungswellen, die durch die Eigenmischung in dem Laserresonator
erzeugt werden, und zur Ausgabe eines Ergebnisses der Verarbeitung
als Schwingungsinformation. Der Signalprozessor 21 weist
eine Einrichtung zum Ermitteln von Schwingungsinformation 22 zur
Erzeugung von Schwingungsinformation aus den Schwebungswellen auf, durch
Festlegung von Änderungen
der Frequenz der Schwebungswellen (Änderungen der Doppler-Schwebungsfrequenz
fdb) als Änderungen einer modulierten
Schwebungsfrequenz fb um das Ausmaß der Dopplerfrequenz Δfd.
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Weiterhin
weist bei dem in 1 gezeigten Beispiel die Steuerung 8 zur
Erzeugung einer modulierten Schwebungsfrequenz eine Lasertreibersteuerung 24 zum
Steuern des Betriebs des Laserresonators in der Lasereinheit 12 unter
Verwendung eines Lasertreiberstroms mit vorbestimmter Signalform
und Periode auf. Die Lasertreibersteuerung 24 weist vorzugsweise
eine Sägezahnwellenerzeugungsfunktion 26 auf,
um einen Lasertreiberstrom (vgl. 9(B))
zu erzeugen, der eine Periode aufweist, die von einer optischen Weglänge L zu
dem gemessenen Gegenstand 10 abhängt, und von der Maximalfrequenz
der gemessenen Schwingung, und sägezahnförmig ist.
Alternativ kann eine Dreieckswellenerzeugungsfunktion 28 zur
Erzeugung eines Lasertreiberstroms (sh. 9(A))
vorgesehen werden, der gleichschenkelig dreiecksförmige Sägezahnwellen aufweist.
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2 ist
nützlich
zur Erläuterung
des Aufbaus der Schwingungsmeßeinrichtung,
wobei hauptsächlich Einzelheiten
des Aufbaus der in 1 dargestellten Lasereinheit 12 dargestellt
sind. Ein gemessener Gegenstand 10 stellt einen Gegenstand
dar, der in Bezug auf Schwingungszustände untersucht werden soll,
und in Bezug auf Änderungen
der Geschwindigkeit an einer Position gemessen wird, an welcher
ein Laserstrahl reflektiert wird, in Bezug auf die Periode der Änderungen,
die Schwingungsfrequenz, und die Verschiebung. Die Schwingungsmeßeinrichtung
weist eine Lasereinheit 12 auf, eine Linse 16 zum
Sammeln eines von der Lasereinheit 12 ausgesandten Strahls
und eines zurückkehrenden
Strahls, der von dem gemessenen Gegenstand zurückgestreut wird, einen Signalprozessor 21,
welchem Schwebungswellen zugeführt
werden, wobei die Schwebungswellen erzeugt werden, wenn eine Eigenmischung
des von der Lasereinheit 12 empfangenen, zurückkehrenden
Strahls und des ausgesandten Strahls auftritt.
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Die
Lasereinheit 12 weist eine Diode (LD) 14 auf,
die mit einem Laserresonator versehen ist, und eine Photodiode (PD) 20 zur
photoelektrischen Umwandlung von Schwebungswellen, die von dem Laserresonator in
der Laserdiode ausgegeben werden. Der Signalprozessor 21 ist
mit einer Hardwareeinrichtung wie beispielsweise einem Personalcomputer,
einem Mikrocomputer, oder etwa einer Analogschaltung versehen, um eine
Signalverarbeitung von Schwebungswellen durchzuführen.
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3 ist
ein Flußdiagramm,
welches ein Beispiel zeigt, bei welchem die in den 1 und 2 dargestellte
Anordnung zur Erzeugung von Schwingungsinformation verwendet wird.
Bei dem in 3 dargestellten Beispiel werden
die Signalform und Periode eines Treiberstroms für den Laserresonator auf der
Grundlage einer vorbestimmten Sollmodulationsschwebungsfrequenz
fdobj eingestellt (Schritt S1, Treiberstromsignalform-Einstellungsschritt).
Alternativ kann die Entfernung (optische Weglänge L) zwischen der Lasereinheit 12 und
dem gemessenen Gegenstand zusammen mit der Treiberstromsignalform
eingestellt werden. Die Sollmodulationsschwebungsfrequenz fbobj wird vorzugsweise in Abhängigkeit
von der zu messenden Maximalfrequenz innerhalb einer einzelnen Schwingungsperiode
des gemessenen Gegenstands eingestellt, oder in Abhängigkeit
von mehreren überlagerten
Schwingungsperioden. Wenn der gemessene Gegenstand eine Schwingungsfrequenz
von 100 kHz aufweist, und wenn die Sollmodulationsschwingungsfrequenz
fbobj 800 kHz beträgt, dann erhält man acht
Perioden von Schwebungswellen pro Schwingungsperiode des gemessenen Gegenstands.
Wenn der gemessene Gegenstand eine niedrige Schwingungsfrequenz
und eine hohe Amplitude aufweist, verglichen mit der Laserschwingungswellenlänge, dann
führt die
herkömmliche
Vorgehensweise zu einer großen
Anzahl an Schwebungswellen jedesmal dann, wenn sich der gemessene
Gegenstand hin- und herbewegt. Im Gegensatz hierzu kann die vorliegende
Ausführungsform
die Genauigkeit der Messungen dadurch ändern, daß sie die Sollmodulationsschwingungsfrequenz
fbobj ändert.
Daher können
Belastungen in Bezug auf die Signalverarbeitung verringert werden,
während
die erforderliche Genauigkeit beibehalten wird. Wenn die Sollmodulationsschwebungsfrequenz
fbobj hoch eingestellt wird, können darüber hinaus
die Schwingungsbedingungen gut gemessen werden, selbst wenn die Änderung
eine Verschiebung aufweist, die kleiner ist als die Hälfte der
herkömmlichen
Laserschwingungswellenlänge
(λ/2).
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Daher
wird bei der vorliegenden Ausführungsform
die Sollmodulationsschwingungsfrequenz fbobj in
Abhängigkeit
von der Obergrenze der zu messenden Frequenz und der Anzahl an Schwebungswellen
(Dopplerfrequenzwert) eingestellt, die innerhalb einer Periode des
gemessenen Gegenstands erhalten werden sollen. Sobald die Sollmodulationsschwebungsfrequenz
fbobj eingestellt wurde, kann dann, wenn
die optische Weglänge
L zu dem gemessenen Objekt festgelegt ist, eine tatsächliche
modulierte Schwebungsfrequenz fb dadurch geändert werden,
daß die Änderungsrate
(df/dt) des Lasertreiberstroms, d.h. der Laserschwingungsfrequenz (df/dt)
eingestellt wird. Wenn daher die optische Weglänge L eingestellt wurde, und
eine bestimmte Sollmodulationsschwebungsfrequenz fbobj vorgegeben
ist, kann dann die Periode (Neigung) des Lasertreiberstroms variiert
werden.
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Wenn
die Treiberstromsignalform im Schritt S1 eingestellt wurde, wird
ein Laserstrahl ausgesandt (Schritt S2, Laserstrahlaussendeschritt).
Dann wird ein zurückkehrender
Strahl nach der Hin- und Herbewegungszeit τ eines ausgesandten Strahls
empfangen (Schritt S3, Rückkehrstrahlempfangsschritt).
In dem Rückkehrstrahlempfangsschritt
S3 wird daher ein Teil des zurückkehrenden
Strahls empfangen, der durch den Abschnitt 10 des gemessenen
Gegenstands gestreut und reflektiert wurde, nachdem er in dem Laserstrahlaussendeschritt
S2 ausgesandt wurde, und sich über
die vorbestimmte optische Weglänge
L ausgebreitet hat.
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Daraufhin
werden Schwingungswellen detektiert, die eine Doppler-Schwebungsfrequenz
(fdb) aufweisen, welche der Summe der Differenz
der Frequenz (modulierte Schwebungsfrequenz: fb)
zwischen dem zurückkehrenden
Strahl, der in dem Rückkehrstrahlempfangsschritt
S3 empfangen wird, und einem Strahl, der ausgesandt wird, wenn der
zurückkehrende
Strahl empfangen wird, und einer Dopplerfrequenz (Δfd), die von der Bewegungsgeschwindigkeit
des gemessenen Gegenstands abhängt
(Schritt S4, Schwebungswellendetektorschritt) entspricht. Die Doppler-Schwebungsfrequenz
(fdb) ist die beobachtete Frequenz der Schwebungswellen,
die tatsächlich
in dem Schwebungswellendetektorschritt S4 beobachtet wird, und es
gilt = |± Δfd + fd|.
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Daraufhin
wird Schwingungsinformation auf der Grundlage der Schwebungswellen
erzeugt, welche die Doppler-Schwebungsfrequenz fdb aufweisen
(Schritt S5, Schwingungsinformationserzeugungsschritt). Dies wird
nachstehend im einzelnen erläutert.
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[Meßprinzip]
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Ausdrücke, die
zur Erläuterung
des Betriebsprinzips der vorliegenden Ausführungsform nützlich sind, sind
nachstehend angegeben.
- [Δfd:
- Dopplerfrequenz
- V:
- Bewegungsgeschwindigkeit
des gemessenen Gegenstands
- λ:
- Laserschwingungswellenlänge]
- [X:
- Bewegung;
- ν:
- Nummer der Doppler-Schwebungswelle]
- [C:
- Lichtgeschwindigkeit
- df/dt:
- Strahlfrequenzänderungsrate
in der Periode ohne Modenänderung
- L:
- Länge zum gemessenen Gegenstand
- f:
- Laserschwingungsfrequenz]
- [τ:
- Hin- und Rücklaufzeit
des ausgesandten Strahls
- fb:
- Modulierte Schwebungsfrequenz]
- [fdb:
- Doppler-Schwebungsfrequenz]
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Die
Beziehung zwischen der Dopplerfrequenz Δfd und
der Geschwindigkeit V einer schwingenden Oberfläche des gemessenen Gegenstands
wird durch Gleichung (1) ausgedrückt,
wobei die Laserschwingungswellenlänge mit λ bezeichnet ist. Das Bezugszeichen Δfd bezeichnet die Dopplerfrequenz, also die
Differenz zwischen der Frequenz f des ausgesandten Strahls und der
Frequenz fd des zurückkehrenden Strahls, moduliert
infolge des Dopplereffekts. Wenn der gemessene Gegenstand mit einem
Laserstrahl bestrahlt wird, der konstant mit konstantem Treiberstrom
schwingt, um Schwebungswellen auf der Grundlage des Eigenmischungsverfahrens
zu erzeugen, ist die Frequenz der beobachteten Schwingungswellen
gleich der Dopplerfrequenz Δfd. Durch Integration von Gleichung (1) kann
die Beziehung zwischen der Nummer ν an Schwebungswellen und der
Verschiebung durch Gleichung (2) ausgedrückt werden. Herkömmlich wird
die Verschiebung der schwingenden Oberfläche unter Verwendung der Hälfte der
Länge der
Schwingungswellenlänge (λ/2) als Minimalverschiebung
berechnet, wobei die Anzahl der Schwebungswellen im Verlauf der
Zeit gezählt wird.
Da die Frequenz der Schwebungswellen gleich der Dopplerfrequenz Δfd ist, ermöglicht die Bestimmung der beobachteten
Frequenz der Schwebungswellen die Berechnung der Schwingungsgeschwindigkeit
V auf der Grundlage von Gleichung (3).
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Eine
niedrige Schwingungsfrequenz des gemessenen Gegenstands führt zu einer
großen
Schwingungsamplitude und einer großen Anzahl an Schwebungswellen,
die jedesmal dann erzeugt werden, wenn sich die schwingende Oberfläche hin-
und herbewegt. Bei höherer
Frequenz nimmt jedoch die Schwingungsamplitude ab, so daß häufig weniger
als eine Schwebungswelle beobachtet wird, wenn sich die schwingende Oberfläche bewegt.
In diesem Fall ist es daher schwierig, die Schwingungsverschiebung
durch Zählen
der Anzahl an Schwebungswellen zu berechnen. Darüber hinaus kann die Schwingungsverschiebung
nicht einfach mit einer Genauigkeit von weniger als λ/2 gemessen
werden.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
werden die Schwebungswellen unter Verwendung einer vorbestimmte
Bezugsgröße erzeugt,
und wird die Dopplerfrequenz Δfd der modulierten Schwebungsfrequenz fb überlagert,
welche diese Bezugsgröße bildet,
um die Auflösung
von der Schwingungswellenlänge
auf eine Auflösung
bei der modulierten Schwebungsfrequenz fb zu ändern, welche
die Bezugsgröße bildet.
Hierdurch wird die Meßgenauigkeit
verbessert, im Vergleich zu Messungen, die auf der Schwingungswellenlänge beruhen. Daher
kann bei dieser Ausführungsform
eine Verschiebung von weniger als λ/2 berechnet werden, und können die
Schwingungsbedingungen des gemessenen Gegenstands gemessen werden,
der eine hohe Frequenz und eine kleine Amplitude aufweist.
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Um
die modulierte Schwebungsfrequenz fb zu
erzeugen, welche die Bezugsgröße bildet,
werden die Frequenz des ausgesandten Strahls und die Frequenz des
zurückkehrenden
Strahls so gewählt,
daß sie
voneinander verschieden sind. Wenn beispielsweise der Resonator 14 mit
konstanter Geschwindigkeit bewegt wird, wird eine Dopplerfrequenz
erzeugt, die sich von der Dopplerfrequenz des gemessenen Gegenstands
unterscheidet, und die von der Geschwindigkeit des Resonators 14 abhängt. Da
die Schwingungswellenlänge des
Laserresonators durch Erhöhung
des Treiberstroms variiert wird, kann darüber hinaus die modulierte Schwebungsfrequenz
fb durch Variation des Lasertreiberstroms
erzeugt werden. Die modulierte Schwebungsfrequenz fb ist
konstant, wenn der Treiberstrom mit konstanter Rate zunimmt. Wenn
der Resonator bewegt wird, ist die modulierte Schwebungsfrequenz
fb konstant, wenn die Geschwindigkeit des
Resonators konstant ist. Wenn die modulierte Schwebungsfrequenz
fb geändert
werden soll, können
sich zeitlich ändernde
Komponenten der modulierten Schwebungsfrequenz von der gemessenen
Doppler-Schwebungsfrequenz fdb entfernt werden,
während
die Bedingung erfüllt
wird, daß die
modulierte Schwebungsfrequenz ausreichend höher ist als die Dopplerfrequenz.
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Der
Halbleiterlaserresonator 14 zeichnet sich dadurch aus,
daß sich
die Laserwellenlänge
in Abhängigkeit
von der Stärke
des Treiberstroms ändert.
Dies liegt daran, daß die
Temperatur ansteigt, und sich daher die Schwingungswellenlänge in dem
Laserresonator ändert,
wenn die Stärke
des in eine Aktivierungsschicht des Laserresonators injizierten
Stroms zunimmt. Daher wird die Laserwellenlänge aufeinanderfolgend geändert, wenn
der Treiberstrom für
den Halbleiterlaser mit konstanter Rate geändert wird, nachdem der zurückkehrende
Strahl von einer Oberfläche
des gemessenen Gegenstands 10 zu dem Laserresonator zurückkehrt ist,
so daß ein
externer Resonator gebildet wird.
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Wenn
die Laserschwingungswellenlänge
mit konstanter Rate geändert
wird, und der von der Oberfläche
des gemessenen Gegenstands 10 gestreute und reflektierte
Strahl zum Resonator 14 zurückkehrt ist, wo er mit dem
Strahl gemischt wird, der ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende
Strahl empfangen wird, werden dann die Schwebungswellen fb erzeugt, während der gemessene Gegenstand
ortsfest bleibt.
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Wenn
die Frequenz des ausgesandten Strahls mit f bezeichnet wird, die
Rate, mit der die Strahlfrequenz durch Änderung des Lasertreiberstrom
geändert
wird, mit df/dt bezeichnet wird, die Entfernung (Länge des
externen Resonators) zu dem gemessenen Gegenstand mit L bezeichnet
wird, und die Geschwindigkeit des Laserstrahls in einer Meßumgebung
mit C bezeichnet wird, so wird die modulierte Schwebungsfrequenz fb, die man erhält, wenn der gemessene Gegenstand
ortsfest bleibt, durch Gleichung (4) gegeben. Wenn beide Seiten
der Gleichung für
die Beziehung zwischen der Frequenz f und der Wellenlänge λ des ausgesandten Strahls
differenziert werden, und die Strahlfrequenzänderungsrate df/dt durch die
Frequenzänderungsrate ausgedrückt wird,
erhält
man Gleichung (5). Wird Gleichung (4) durch Gleichung (5) ersetzt,
so erhält
man Gleichung (6). Die Hin- und Herlaufzeit τ = (2L/C) für den ausgesandten Strahl,
und die Wellenlängenänderungsrate,
können
durch die Differenz zwischen der Wellenlänge λ1 des ausgesandten Laserstrahls
und der Wellenlänge λ2 jenes Strahls
ausgedrückt
werden, der ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende Strahl empfangen
wird, woraus man Gleichung (7) erhält.
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Es
wird daher angenommen, daß ein
Laserstrahl, der von dem Laserresonator ausgesandt wird, der mit
der Wellenlänge λ1 zu einer
frei wählbaren
Zeit t1 schwingt, durch die Oberfläche des gemessenen Gegenstands
reflektiert und gestreut wird, wobei der gemessene Gegenstand von
dem Laserresonator durch eine Entfernung L getrennt ist, und dann
zum Resonator zu einem Zeitpunkt t2 zurückkehrt. Wenn der Laserstrahlstrom
mit konstanter Rate variiert wird, schwingt der Laser mit der Wellenlänge λ2 zum Zeitpunkt
t2. In dem Resonator erfahren der Laserstrahl, der mit der Wellenlänge λ2 schwingt,
und der zurückgekehrte
Laserstrahl mit der Wellenlänge λ1 eine Eigenmischung.
Wenn die Photodiode dann einen Strahl von dem Resonator empfängt, werden
Schwebunqswellen, die von der Differenz der Wellenlängen infolge
einer Interferenz zwischen den Wellenlängen λ1 und λ2 abhängen, als Änderung der Lichtintensität detektiert.
Auf diese Weise können die
modulierte Schwebungsfrequenz fb, die durch
die Anstiegsrate des Lasertreiberstroms eingestellt wird, die Strahlfrequenzänderungsrate
df/dt, und die Hin- und Herlaufzeit τ für den ausgesandten Strahl (oder
die Entfernung L zu dem gemessenen Gegenstand und die Geschwindigkeit
C des Laserstrahls) erzeugt werden, während der gemessene Gegenstand
ortsfest bleibt (beispielsweise, wenn die Bewegungsrichtung der Schwingung
umgekehrt wird).
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Die
Entfernung L zu dem gemessenen Gegenstand ändert sich in Abhängigkeit
von der Bewegung der schwingenden Oberfläche. Wenn jedoch die Entfernung
Lext (Länge
des externen Resonators) zu dem gemessenen Gegenstand, der beobachtet
wird, wenn der gemessene Gegenstand ortsfest bleibt, etwa 150 mm beträgt, und
eine Schwingungsverschiebung Xm gleich 1 μm ist, dann gilt Xm << Lext und daher L ≤ Lext. Die Auswirkungen der Änderung
der Entfernung L auf das Ausmaß der Änderung
müssen
daher nicht berücksichtigt
werden.
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Wenn
die Schwebungswellen die modulierte Schwebungsfrequenz fb aufweisen, während der gemessene Gegenstand
ortsfest bleibt, so weist dann, wenn die Oberfläche des gemessenen Gegenstands
eine Geschwindigkeit aufweist, die beobachtete Frequenz (Doppler-Schwebungsfrequenz)
fdb der Schwebungswellen die Summe der beobachteten
Schwebungsfrequenz fb und der Dopplerfrequenz Δfd (Gleichung (8)) auf. Wenn der gemessene
Gegenstand ortsfest ist, ist die Dopplerfrequenz Δfd gleich Null, und daher ist die Doppler-Schwebungsfrequenz
fdb = fb. Wie in (8) gezeigt ist, ist dann, wenn die modulierte
Schwebungsfrequenz fd ausreichend hoch ist,
ihre Doppler-Schwebungsfrequenz fd gleich
der modulierten Schwebungsfrequenz fb, verschoben
um das Ausmaß der
Dopplerfrequenz Δfd.
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Bei
einer konstanten modulierten Schwebungsfrequenz fb repräsentieren
Variationen der Doppler-Schwebungsfrequenz fdb der
Schwebungswellen, die von der Photodiode 20 detektiert
werden, Variationen der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands 10.
Wenn beispielsweise der gemessene Gegenstand 10 mit einfachen
harmonischen Schwingungen schwingt, so entspricht die Schwingungsperiode
der Periode der Doppler-Schwebungsfrequenz fdb.
Dann kann die Komponente der modulierten Schwebungsfrequenz fb von der Doppler-Schwebungsfrequenz fdb subtrahiert werden, um die Dopplerfrequenz
db zu erhalten; in diesem Falle muß das Vorzeichen der sich ergebenden
Frequenz beachtet werden. Daher kann die Schwingungsgeschwindigkeit
berechnet werden, und kann die Verschiebung berechnet werden, nämlich durch
zeitliche Integration der Schwingungsgeschwindigkeit.
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Das
Prinzip dieser Operation wird erneut unter Bezugnahme auf Signalformen
erläutert. 4(A) ist ein Signalformdiagramm, welches ein Beispiel
für eine
Schwingungsverschiebungssignalform zeigt. In diesem Fall nimmt die
Schwingungsverschiebung zum Resonator 14 hin zu. Wenn der
gemessene Gegenstand 10 mit einer Frequenz ft schwingt, ändert der
Dopplereffekt, der aufgrund der Bewegung des Gegenstands auftritt, die
Frequenz des reflektierten Strahls, und da der ausgesandte Strahl
und der zurückkehrende
Strahl miteinander gemischt werden, werden Schwebungswellen mit
der Dopplerfrequenz Δfd erzeugt, wie dies in 4 gezeigt
ist. Bei den in 4(A) gezeigten Schwingungen
entspricht ein Maximalwert Δfdmax der Dopplerfrequenz einer maximalen
Geschwindigkeit, die in der Nähe
des Zentrums der Amplitude der Schwingung des gemessenen Gegenstands
beobachtet wird, wenn sich letzteres annähert, wogegen ein Minimalwert Δfdmin der Dopplerfrequenz einer Maximalgeschwindigkeit
entspricht, die beobachtet wird, wenn sich der gemessene Gegenstand
wegbewegt. Wie in 4(B) gezeigt ist, ist die Änderungssignalform
der Dopplerfrequenz das Differential der Schwingungsverschiebungssignalform,
die eine Schwingungsänderungssignalform
ist. Die Multiplikation der Dopplerfrequenz mit der Wellenlänge des
ausgesandten Strahls hat nämlich
die Dimension einer Geschwindigkeit.
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Die 4(C) bis (E) sind Signalformdiagramme, die nützlich zur
Erläuterung
sind, wie die modulierte Schwebungsfrequenz fb erzeugt
wird. In diesem Fall wird von dem gemessenen Gegenstand angenommen, daß er ortsfest
ist. Die Signalform, die mit dem Bezugszeichen 32 in 4(C) bezeichnet ist, repräsentiert Variationen der Wellenlänge des
ausgesandten Strahls (Variationen der Frequenz), und die Signalform,
die mit dem Bezugszeichen 33 bezeichnet ist, repräsentiert
Variationen der Signalform (oder Variationen der Frequenz) des zurückkehrenden
Strahls, die nach der Hin- und
Herlaufzeit τ des
ausgesandten Strahls beobachtet werden.
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Der
ausgesandte Strahl 32, der mit der Wellenlänge λ1 zum Zeitpunkt
t1 ausgesandt wird, kehrt zu dem Resonator um die Hin- und Herbewegungszeit τ des ausgesandten
Strahls später
zurück,
also zum Zeitpunkt t2. Zu diesem Zeitpunkt weist der ausgesandte
Strahl 32 die Wellenlänge λ2 auf. Dann
werden Schwebungswellen mit der modulierten Frequenz fb,
wie dies mit dem Bezugszeichen 34 in 4(D) angedeutet ist, in Abhängigkeit von der Differenz
der Wellenlängen
oder Frequenzen erzeugt. Wenn die Wellenlängenänderungsrate konstant ist,
ist auch die modulierte Schwebungsfrequenz fb konstant,
wie dies mit dem Bezugszeichen 35 in 4(E) angedeutet ist.
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Wie
aus 4(C) hervorgeht, kehrt sich
die Beziehung zwischen der Frequenz des ausgesandten Strahls und
der Frequenz des zurückkehrenden
Strahls beim Spitzenwert und Minimalwert des Lasertreiberstroms
um. Nach dem Spitzenwert des Lasertreiberstroms ist keine Differenz
zwischen den Frequenzen des ausgesandten und des zurückkehrenden
Strahls vorhanden, und wird die modulierte Schwebungsfrequenz gleich
Null oder kehrt sich um, ist also nicht konstant. Perioden, in denen
die modulierte Schwebungsfrequenz nicht konstant ist, werden hier
als nicht konstante Perioden 37 bezeichnet.
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Die
Signalverarbeitung wird durch Verwendung der Schwebungswellen in
Perioden 36 erleichtert, in denen die modulierte Schwebungsfrequenz
konstant ist, und die von den nicht konstanten Perioden 37 getrennt
sind, wie dies in 4(C) gezeigt ist.
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Unter
Bezugnahme auf 5 wird ein Vorgang beschrieben,
durch welchen Schwebungswellen erzeugt werden, durch gegenseitige Überlagerung
einer Dopplerfrequenzkomponente und einer Komponenten der modulierten
Schwebungsfrequenz. 5 ist nützlich zur qualitativen Erläuterung
der Beziehung zwischen den Frequenzen, zeigt jedoch nicht genau
die quantitativen Beziehungen zwischen den Frequenzen. Aus dieser
Figur geht hervor, daß sich
der gemessene Gegenstand wegbewegt, daß die Dopplerfrequenz Δfd ein negatives Vorzeichen hat, und daß gilt:
f1 > fd sowie fdb > fb.
Der ausgesandte Strahl 32 mit der Frequenz f1 wird von
der Lasereinheit 12 zum Zeitpunkt t1 ausgesandt. Wenn der
Strahl durch den gemessenen Gegenstand 10 reflektiert wird,
der die Geschwindigkeit V aufweist, ändert der Dopplerfrequenz die
Frequenz f1 des ausgesandten Strahls zur
Frequenz fd des zurückkehrenden Strahls. Die Differenz
zwischen den Frequenzen f1 und fd entspricht der Dopplerfrequenz Δfd, die positiv ist, wenn die Geschwindigkeit
(Bewegungsrichtung) des gemessenen Gegenstands zu dem Resonator
hingeht. Wenn eine Frequenzanalyse unter Idealbedingungen durchgeführt wird,
ist die Frequenz f1 des ausgesandten Strahls
um das Ausmaß der
Frequenz Δfd verschoben, was zu der Frequenz fd des zurückkehrenden
Lichtes führt.
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Da
der Lasertreiberstrom geändert
wird, ändert
sich die Frequenz des ausgesandten Strahls auf f2 zum Zeitpunkt
t2. Die Differenz zwischen der Frequenz f1 des
ausgesandten Strahls und der Frequenz f2 des Strahls,
der ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende Strahl empfangen
wird, entspricht der modulierten Schwebungsfrequenz fb,
die durch die Gleichungen (4), (7) oder dergleichen definiert wird.
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Die
beiden Wellen, die miteinander innerhalb des Resonators 14 gemischt
werden, sind der zurückkehrende
Strahl mit der Frequenz fd und der ausgesandte
Strahl mit der Frequenz f2, wenn der zurückkehrende Strahl
empfangen wird. Die Differenz zwischen den Frequenzen f2 und
fd entspricht der Doppler-Schwebungsfrequenz
fdb, da die Frequenz f1 des
ausgesandten Strahls herausfällt.
Die beobachtete Frequenz der Schwebungswellen infolge der Eigenmischung
entspricht daher der Summe der modulierten Schwebungsfrequenz fb und der Dopplerfrequenz Δfd. Das Vorzeichen der modulierten Schwebungsfrequenz
fb hängt
davon ab, ob der Lasertreiberstrom ansteigt oder absinkt. Die Laserwellenlänge nimmt
kontinuierlich entsprechend dem Lasertreiberstrom zu. Wenn eine
positive Frequenz durch eine Strommodulation erzeugt wird, während der
Treiberstrom ansteigt, entspricht der Absolutwert der Differenz
zwischen der modulierten Schwebungsfrequenz fb und der
beobachteten Doppler-Schwebungsfrequenz fdb der
Schwebungswellen der Größe der Dopplerfrequenz, und
auf dieser Grundlage kann die Bewegungsgeschwindigkeit des gemessenen
Gegenstands berechnet werden.
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Wenn
die Schwingungsperiode oder Schwingungsgeschwindigkeit wichtiger
ist als die Schwingungsrichtung, kann die Doppler-Schwebungsfrequenzvariationssignalform
als die Geschwindigkeitsvariationsform verwendet werden, unabhängig von
der Bewegungsrichtung der schwingenden Oberfläche des gemessenen Gegenstands.
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Durch
Erzeugung der Schwebungswellen mit der Doppler-Schwebungsfrequenz
fdb durch Verschiebung der modulierten Schwebungsfrequenz
um das Ausmaß der
Dopplerfrequenz, anstatt die Dopplerfrequenz Δfd als
die Schwebungswellen zu verwenden, stellt die vorliegende Erfindung
die Dopplerfrequenz Δfd erheblich exakter zur Verfügung als
dies beim Stand der Technik der Fall ist, wodurch eine genaue Messung der
Schwingungsgeschwindigkeit oder Schwingungsperiode ermöglicht wird.
Wenn die modulierte Schwebungsfrequenz fb als
Trägerfrequenz
der Dopplerfrequenz Δfd angesehen wird, und die modulierte Schwebungsfrequenz
fb in Abhängigkeit von der Schwingungsperiode
des gemessenen Gegenstands eingestellt wird, in Abhängigkeit
von einer Obergrenze der zu messenden Frequenz, und dergleichen,
kann die Anzahl detektierter Schwebungswellen in Abhängigkeit
von der Leistung des Signalprozessors 21 eingestellt werden, was
eine frei wählbare
Auswahl der Meßgenauigkeit
und der Datenmenge ermöglicht,
die für
die Messung erforderlich ist.
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6 ist nützlich zur Erläuterung
eines Beispiels für
den Aufbau einer Einstelleinheit für die optische Weglänge gemäß der vorliegenden
Ausführungsform. 6(A) zeigt, daß mehrere Spiegel als Einstelleinheit für die optische
Weglänge
verwendet werden, und 6(B) zeigt
ein Beispiel, bei welchem ein Lichtleiter als die Einstelleinheit
für die
optische Weglänge
verwendet wird. Wie in (4) gezeigt
ist, hängt
die modulierte Schwebungsfrequenz fb von
der optischen Weglänge
L ab. Andererseits kann es erforderlich sein, da die modulierte
Schwebungsfrequenz fb, die sich infolge
der Modulation des Treiberstroms ergibt, ausreichend höher eingestellt
sein muß als
die Dopplerfrequenz Δfd, daß die
optische Weglänge
L vergrößert wird.
Falls keine Entfernung zum gemessenen Gegenstand vorhanden ist,
kann die optische Weglänge
L unter Verwendung des Spiegels 60 eingestellt werden,
wie dies in 6(A) gezeigt ist. Alternativ
kann, wie in 6(B) gezeigt, der gemessene
Gegenstand mit dem ausgesandten Strahl über den Lichtleiter 61 bestrahlt
werden, so daß das zurückkehrende
Licht von dem gemessenen Gegenstand 10 zu dem Laserresonator
geführt
werden kann.
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7 ist
ein Signalformdiagramm, welches ein Beispiel für eine Schwingungsmessung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
zeigt. 7(A) ist ein Diagramm, das
ein Beispiel für
eine Schwingungsverschiebungssignalform zeigt, und 7(B) ist
ein Diagramm, das ein Beispiel für
die Signalformen Schwebungswellen in diesem Fall zeigt. Bei dem
in 7(A) gezeigten Beispiel nimmt die
Verschiebung zum Resonator hin zu. Bei der Position, die mit dem
Bezugszeichen 3c bezeichnet ist, bewegt sich daher der
gemessene Gegenstand weg, und ist die Dopplerfrequenz Δfd negativ, und wenn daher die modulierte
Schwebungsfrequenz fb positiv ist, und die
Differenz zwischen diesen beiden Frequenzen bestimmt wird, weist
die sich ergebende Doppler-Schwebungsfrequenz fdb einen
verringerten Wert auf, und ist daher die Periode länger. Wenn die
modulierte Schwebungsfrequenz fb negativ
ist, wird die Beziehung zwischen der Bewegungsrichtung der schwingenden
Oberfläche
und der Periode der Schwebungswellen umgekehrt.
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Bei
der Position, die mit dem Bezugszeichen 3b bezeichnet ist,
kehrt der gemessene Gegenstand seine Bewegungsrichtung um, so daß die Geschwindigkeit
gleich Null wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die gemessene Doppler-Schwebungsfrequenz
fdb gleich der modulierten Schwebungsfrequenz
fb, die durch Modulation des Lasertreiberstroms
erzeugt wird. Da die Schwebungswelle ihre richtige Signalform an
diesem Umkehrpunkt beibehält,
werden verschiedene Vorteile erzielt. Erstens wird, da der Schwingung
des gemessenen Gegenstands mehrere Schwingungsperioden überlagert
sind, selbst wenn der gemessene Gegenstand kompliziert verschoben
wird, die Frequenz einfach um das Ausmaß der Dopplerfrequenz relativ
zur modulierten Schwebungsfrequenz moduliert, so daß der Schwingungszustand
richtig gemessen werden kann. Selbst wenn eine Abschwächung der
Schwingungen des gemessenen Gegenstands gemessen werden soll, und
die Verschiebung des gemessenen Gegenstands infolge der Abschwächung Null
wird, wird die Doppler-Schwebungsfrequenz entsprechend der beobachteten
Frequenz der Schwebungswellen einfach gleich der modulierten Schwebungsfrequenz,
und behalten die Schwebungswellen ihre richtige Signalform bei,
so daß der
Vorgang der Abschwächung
exakt gemessen werden kann.
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Wie
in 7 gezeigt ist, verwenden dann, wenn die Schwingung
des gemessenen Gegenstands unter Verwendung der Schwingungsmeßeinrichtung
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
gemessen wird, die Schwebungswellen, die im Ausmaß der Dopplerfrequenz
moduliert werden, die modulierte Schwebungsfrequenz als Zentrumsfrequenz.
Wenn mit diesen Schwebungswellen eine Frequenz-Spannungswandlung (F/V-Wandlung)
durchgeführt
wird, erhält
man die in 7(C) gezeigte Schwingungsvariationssignalform. Weiterhin
können
die Richtung und Größe der Geschwindigkeit
berechnet werden, da die Dopplerfrequenz dadurch erhalten wird,
daß die
modulierte Schwebungsfrequenz von der Doppler-Schwebungsfrequenz
subtrahiert und das sich ergebende Vorzeichen umgekehrt wird.
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Erste Ausführungsform
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[Signalkorrekturvorgang]
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8 zeigt
als Blockschaltbild schematisch ein Beispiel für eine Schwingungsmeßeinrichtung,
die allen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gemeinsam ist. Bei dem in 8 gezeigten
Beispiel weist die Schwingungsmeßeinrichtung die Lasereinheit 12 auf,
die mit dem Laserresonator 14 für die Schwingungen eines Laserstrahls
versehen ist, und eine Eigenmischung eines zurückkehrenden Strahls, der erhalten
wird, wenn der ausgesandte Strahl durch den gemessenen Gegenstand
reflektiert wird, mit einem Strahl hervorruft, der schwingt und
ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende
Strahl empfangen wird, sowie die Photodiode 20 zur photoelektrischen
Umwandlung der Schwebungswellen, die durch die Eigenmischung in
dem Laserresonator erzeugt werden.
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Die
Schwingungsmeßeinrichtung
weist weiterhin die Lasertreibersteuerung 24 zum Steuern
des Betriebs des Laserresonators unter Verwendung eines Lasertreiberstroms
mit vorbestimmter Signalform und Periode auf, und den Signalprozessor 21 zum
Detektieren von Schwebungswellen mit der modulierten Schwebungsfrequenz
fb entsprechend der Differenz der Frequenzen
zwischen einem ausgesandten Strahl und einem zurückkehrenden Strahl, wobei die
Differenz in dem Resonator 14 auftritt, in Abhängigkeit
von Variationen (df/ft) der Laserstrahlschwingungswellenlänge, die
durch zeitliche Änderungen
des Lasertreiberstroms hervorgerufen werde, und in Abhängigkeit
von der Periode τ zwischen
dem Aussenden des ausgesandten Strahls und dem Empfang des zurückkehrenden
Strahls.
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Der
Signalprozessor 21 weist weiterhin eine Einrichtung zur
Ereugung eines Signals, das Frequenzänderungen angibt, auf, um Variationen
der Dopplerfrequenz Δfd anzugeben, die von der Geschwindigkeit
des gemessenen Gegenstands abhängen,
und die der modulierten Schwebungsfrequenz fb der
Schwebungswellen überlagert
sind. Weiterhin weist der Signalprozessor 21 eine Schwebungswellendetektorschaltung 51 zum Detektieren
von Schwebungswellen aus einem PD-Ausgangssignal auf, eine Entfernungsschaltung 52 für eine frei
wählbare
Signalform zum Entfernen von Komponenten mit starker Lichtintensitätsänderung
von dem PD-Ausgangssignal, das von der Schwebungswellendetektorschaltung 51 detektiert
wird, wobei die Komponenten entsprechend dem Lasertreiberstrom variieren,
und eine Signalverstärkerschaltung 53 zum
Verstärken des
Signals, von welchem die modulierten Komponenten durch die Entfernungsschaltung 52 für alle frei
wählbaren
Signalformen entfernt wurde. Das Signal, das von der Signalverstärkerschaltung 53 verstärkt wurde, wird
dann der Einrichtung zur Erzeugung eines Frequenzänderungssignals 22A als
die voranstehend geschilderten Schwebungswellen zugeführt.
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9 ist ein Signalformdiagramm, welches
ein Beispiel für
eine Treiberstromsignalform gemäß der ersten
Ausführungsform
zeigt. 9(A) zeigt ein Beispiel, bei
welchem der Lasertreiberstrom aus gleichschenkelig dreieckförmigen Wellen
besteht, und 9(B) zeigt ein Beispiel, bei
welchem der Strom aus Sägezahnwellen
mit abfallender Flanke besteht. Wenn sich der Lasertreiberstrom
um einen konstanten Betrag ändert,
ist die Frequenz konstant, die sich infolge einer Modulation entsprechend
dem Treiberstrom ergibt. Wenn sich daher die gemessene Doppler-Schwebungsfrequenz
fdb der Schwebungswellen ändert, wird
sofort eine Änderung
der Dopplerfrequenz Δfd erkannt, die von der Geschwindigkeit des
gemessenen Gegenstands abhängt,
was die Ermittlung des Schwingungszustands erleichtert. Die Signalform
(zeitliche Änderung)
des Treiberstroms umfaßt
daher vorzugsweise sich periodisch wiederholende gerade Linien,
die eine feste Neigung oder Steigung aufweisen, wie dies in 9(A) oder (B) gezeigt ist. Obwohl die Sägezahn-Treiberstromsignalform,
die in 9(B) gezeigt ist, einfach zu
verarbeiten ist, in Bezug auf das Entfernen des Lasertreiberstroms,
oder die Berechnung der modulierten Schwebungsfrequenz fb, können
auch Dreieckswellen verwendet werden, die symmetrische Steigungen
aufweisen, wie dies in 9(A) gezeigt
ist. Bei den Dreieckswellen ist eine vorbestimmte Signalverarbeitung
dazu erforderlich, die Dopplergeschwindigkeit zu berechnen, da die Erhöhung oder
Abnahme der modulierten Schwebungsfrequenz davon abhängt, ob
ein gerader Abschnitt der Signalform eine positive oder negative
Steigung oder Neigung aufweist. Zur Vereinfachung der Signalverarbeitung
ist die Signalform vorzugsweise eine Sägezahnwelle, die eine lange
Steigung oder Neigung aufweist, wie dies in 9(B) gezeigt
ist.
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Wenn
die dreieckförmige
Welle in 9(A) als Treiberstrom verwendet
wird, und sowohl positive als auch negative Steigungen bzw. Neigungen
gemessen werden, muß der
Frequenzvorgang in Abhängigkeit
davon ausgewählt
werden, ob die Signalform eine positive oder negative Steigung bzw.
Neigung aufweist. 10 zeigt als Blockschaltbild
ein Beispiel für
den Aufbau einer Einrihtung zum Ermitteln von Schwingungsinformation
in einem Fall, in welchem eine dreieckförmige Welle als Lasertreiberstromsignalform
verwendet wird. Es wird beispielsweise eine Auswahlperiode unabhängig davon
eingestellt, ob der Treiberstrom ansteigt oder absinkt, wie dies
in 9(C) gezeigt ist. Gemessene Dopplerfrequenzen
können
gleichförmig
dadurch bearbeitet werden, daß jede
von ihnen durch eine Berechnungseinrichtung entsprechend der Auswahlperiode hindurchgeleitet
wird.
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Bei
dem in 10 gezeigten Beispiel weist
der Signalprozessor 21 eine Frequenzberechnungsvorrichtung 54 auf,
um die Frequenz (Doppler-Schwebungsfrequenz) fdb eines
Schwebungswellensignals 3 zu berechnen, eine Berechnungsvorrichtung 55 zur
Berechnung der Dopplerfrequenz Δfd unter Verwendung der modulierten Schwebungsfrequenz
fb, die infolge der Modulation des Lasertreiberstroms
auftritt, und einen periodenweise arbeitenden Signalprozessor 22B zum
Abziehen der Dopplerfrequenz aus jeder der ansteigenden und absinkenden
Perioden, wenn der Lasertreiberstrom eine Dreieckssignalform aufweist.
Bei dem in 10 gezeigten Beispiel weist
der periodenweise arbeitende Signalprozessor 22B mehrere
Umkehreinheiten 56 zur Umkehrung der Polarität (des Vorzeichens)
der Dopplerfrequenz Δfd auf, die durch die Berechnungsvorrichtung 55 berechnet
wird, und einen Selektor 57 zur Auswahl einer Dopplerfrequenz
oder einer Dopplerfrequenz mit umgekehrter Polarität, abhängig von
den in 9(C) gezeigten Zeitpunkten.
Die Dopplerfrequenz Δfd wird entsprechend Zeitreihen ausgegeben,
um eine Frequenzänderungssignalform
auszugeben.
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11 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau
einer Entfernungsschaltung für
eine frei wählbare
Signalform gemäß der vorliegenden
Ausführungsform. 11(A) zeigt schematisch den Aufbau, und 11(B) zeigt ein Beispiel für den Aufbau zum Entfernen
von Dreieckskomponenten aus der Schwebungswelle. Bei dem in 11(A) gezeigten Beispiel weist eine ein 8 gezeigte
Entfernungsschaltung 52 für eine frei wählbare Signalform
ein Hochpaßfilter 63 auf,
das hochfrequente Komponenten durchläßt, und Gleichspannungskomponenten
sperrt, und eine Einheit zum Entfernen von dreieckförmigen Wellenkomponenten
(Treiberstromkomponentenentfernungseinheit) 64 zum Entfernen
von Komponenten mit variierender Lichtintensität von den Signalen, die durch
das Hochpaßfilter 63 hindurchgegangen
sind, wobei sich die Komponenten entsprechend dem Lasertreiberstrom ändern. Die
Einheit zum Entfernen von dreieckförmigen Wellenkomponenten 64 dient als
Sägezahnwellenkomponentenentfernungseinheit,
wenn der Treiberstrom sägezahnförmig ist.
-
Elektrische
Signale, die den Änderungen
der Lasertrahlintensität
zugeordnet sind (PD-Ausgangssignal), die von der Photodiode 20 detektiert
wird, werden durch ein Filter 63 hindurchgeleitet, um nur
Wechselspannungskomponenten zu erhalten. Die abgezogenen Signale
enthalten Dreieckskomponenten proportional zur Treiberstromsignalform,
da die Laserstrahlintensität
entsprechend dem Treiberstrom ansteigt bzw. abnimmt. Da die Dreieckskomponenten
im Vergleich zu Schwebungswellen sehr groß sind, müssen sie (Sägezahnkomponenten) entfernt
werden, bevor die Signalverstärkung
erfolgen kann.
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Im
einzelnen können
die Treiberstromkomponenten dadurch entfernt werden, daß eine dreieckförmige Spannung
(nachfolgend auch Dreiecksspannung genannt) entsprechend der Dreiecks-
oder Sägezahnwelle des
Treiberstroms vorgesehen wird, die Amplitude durch Verstärkung oder
dergleichen eingestellt wird, und die eingestellte Spannung von
dem PD-Ausgangssignal synchron mit diesem subtrahiert wird. Bei
dem in 11(B) dargestellten Beispiel
ist eine Spannungseinstellvorrichtung 65 vorgesehen, um
die Spannung einer Dreiecksspannungssignalform einzustellen, die
von der Lasertreibersteuerung 24 erzeugt wird, so daß sie im wesentlichen
gleich der Spannung von Dreieckswellenkomponenten des PD-Ausgangssignals
ist, eine Photodetektor- und Synchronisationsvorrichtung 66 zum
Detektieren der Phase des PD-Ausgangssignals und zum Synchronisieren
der detektierten Phase mit der Phase des Signals, dessen Amplitude
durch die Spannungseinstellvorrichtung 65 eingestellt wurde,
und eine Arithmetikschaltung 67 zum Subtrahieren des Dreieckswellensignals,
dessen Phase durch die Photodetektor- und Synchronisationsvorrichtung 66 eingestellt
wurde, von einem Anteil des PD-Ausgangssignals, der durch das Hochpaßfilter
hindurchgegangen ist, um nur Schwebungswellen abzuziehen, welche
die Doppler-Schwebungsfrequenz aufweisen.
-
12 zeigt
als Blockschaltbild ein weiteres Beispiel für die Entfernungsschaltung 52 für frei wählbare Signalformen.
Bei dem in 12 dargestellten Beispiel werden
nur Dreieckskomponenten von dem PD-Ausgangssignal abgezogen, und
werden die Dreieckskomponenten nach Einstellung der Spannung und
der Phase von dem Signal subtrahiert. Bei dem in 12 gezeigten
Beispiel weist die Einheit zum Entfernen von dreieckförmigen Wellenkomponenten 64 eine
Dreieckswellenabziehvorrichtung 68 auf, um Dreieckswellenkomponenten
von dem Anteil des PD-Ausgangssignals abzuziehen, der durch das
Hochpaßfilter 63 hindurchgelangt ist,
eine Phasen- und Spannungseinstellvorrichtung 69 zur Einstellung
der Phase und der Spannung der Dreieckssignalform, die von der Dreieckswellenabziehvorrichtung 68 abgezogen
wurde, und eine Berechnungsvorrichtung 67 zum Subtrahieren
von Signalkomponenten, die von der Phasen- und Spannungseinstellvorrichtung 69 ausgegeben
werden, von dem Anteil des PD-Ausgangssignals, der durch das Hochpaßfilter 63 hindurchgelangt
ist.
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Die
Dreieckswellenkomponenten können
ebenfalls dadurch von dem PD-Ausgangssignal entfernt werden, daß die Abschneidefrequenz
des Hochpaßfilters 63 in
Abhängigkeit
von der Periode der Treiberstromsignalform eingestellt wird. Da
ein Frequenzunterschied zwischen den Schwebungswellen und den Änderungen
des Treiberstroms vorhanden ist, und die Schwebungswellen eine höhere Frequenz
aufweisen, kann nämlich
das Hochpaßfilter 63 dazu
verwendet werden, von dem Signal die Dreieckswellenkomponenten zu
entfernen, die aufgrund von Änderungen
des Treiberstroms auftreten.
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Bei
den in den 11 und 12 dargestellten
Beispielen werden die Dreieckswellenkomponenten, die vom Treiberstrom
herstammen, von dem PD-Ausgangssignal entfernt, das danach verstärkt wird.
Daher können
nur die Schwebungswellenkomponenten breitbandig verwendet werden.
Zum Beispiel kann zur Umwandlung in ein Digitalsignal die Auflösung eines
A/D-Wandlers maximal ausgenutzt werden.
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Zweite Ausführungsform
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[Berechnung für Frequenzänderungen]
-
Im
Zusammenhang mit einer zweiten Ausführungsform wird eine Anordnung
zur Berechnung einer Frequenzänderungssignalform
aus Schwebungswellen im einzelnen geschildert. 13(A) zeigt eine Anordnung zur Ausgabe von Änderungen
der Doppler-Schwebungsfrequenz als Änderungen der Schwingungsgeschwindigkeit.
Da die beobachtete Frequenz von Schwebungswellen der Differenz zwischen
der Dopplerfrequenz Δfd und der modulierten Schwebungsfrequenz
fb entspricht, können dann, wenn die modulierte
Schwebungsfrequenz fb konstant ist, Änderungen
der Doppler-Schwebungsfrequenz als Geschwindigkeitsvariationssignalform
verwendet werden, welche eine Geschwindigkeit von Null bei der modulierten
Schwebungsfrequenz anzeigt. Bei dem in 13(A) gezeigten
Beispiel weist die Einrichtung zur Erzeugung eines Frequenzänderungssignals 22A eine
Signalkorrektureinheit 72 zur Korrektur verstärkter Schwebungswellen
in Bezug auf nicht konstante Perioden oder dergleichen auf, und
einen Frequenz-Spannungswandler
(F/V-Wandler) 73 zur Umwandlung der Frequenz von Schwebungswellen,
die von der Signalkorrekturschaltung ausgegeben werden, in eine
Spannung. Die in 13(A) gezeigte Anordnung kann
als Analogschaltung implementiert werden, und ist geeignet für Einsätze zum
Messen anomaler Schwingungen des gemessenen Gegenstands in Echtzeit.
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13(B) zeigt ein Beispiel für eine Anordnung zur Ausgabe
von Änderungen
der Dopplerfrequenz Δfd als Änderungen
der Schwingungsgeschwindigkeit. Bei dem in 13(B) dargestellten
Beispiel werden Komponenten fb der modulierten
Schwebungsfrequenz entfernt, anstelle von Änderungen der Doppler-Schwebungsfrequenz
fdb, um eine Frequenzvariationssignalform
zu erzeugen, die nur aus Dopplerfrequenzkomponenten Δfd besteht. Bei dem in 13(B) gezeigten
Beispiel weist die Einrichtung zur Erzeugung eines Frequenzänderungssignals 22A zusätzlich zu
der in 13A dargestellten Anordnung
eine Arithmetikschaltung 75 auf, um die modulierte Schwebungsfrequenz
fb von einer Änderungssignalform der Doppler-Schwebungsfrequenz
fdb abzutrennen, die von dem F/V-Wandler 73 ausgegeben
wird. Die Arithmetikschaltung 75 gibt als Schwingungsinformation
eine Änderungssignalform
der Dopplerfrequenz aus, eine Geschwindigkeitsänderungssignalform, die durch
Multiplikation der Änderungssignalform
mit einer Wellenlänge
erhalten wird, eine Verschiebungsänderungssignalform, die durch
Integration der Geschwindigkeitsänderungssignalform
erhalten wird, oder dergleichen.
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Die
Dopplerfrequenz kann dadurch berechnet werden, daß ein verstärktes Signal
(Schwebungswellen) mit einer modulierten Schwebungsfrequenz multipliziert
wird, die vorher mit Hilfe der Strommodulation erhalten wird, und
durch Messung der sich ergebenden Einhüllenden.
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14 zeigt
als Blockschaltbild ein Beispiel für den Aufbau des Signalprozessors
gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bei dem in den 14 und 15 dargestellten Beispiel wird eine digitale
Signalverarbeitung zur Ausgabe einer Frequenzänderungssignalform verwendet.
Im einzelnen wird die Periode von Schwebungswellen numerisch und
zeitlich aus Schwebungswellendaten bestimmt. Beispielsweise kann
die Periode der Signalform dadurch bestimmt werden, daß die Schwebungswellen
differenziert werden, um Spitzenwerte der Signalform zu ermitteln,
und die Zeit zwischen den Spitzenwerten festzustellen, oder durch
Messung von Abschnitten, an denen die Schwebungswellen selbst eine
frei wählbare
Spannung überqueren.
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Die
Messung der Periode von Spitzenwert zu Spitzenwert wird nicht durch
zentrale Spannungsänderungen
beeinflußt,
jedoch durch Rauschen. Das Beispiel, bei dem Messungen von Abschnitten
erfolgen, in denen die Schwebungswellen eine frei wählbare Spannung
durchlaufen, wird durch zentrale Spannungsänderungen beeinflußt, jedoch
durch Rauschen nicht relativ beeinflußt. Die Periode der Signalform
kann daher dadurch exakt berechnet werden, daß die Vorgehensweise in Abhängigkeit
von den Signalbedingungen ausgewählt
wird.
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Bei
dem Beispiel, bei welchem die Schwebungswellen differenziert werden,
wird die Signalform vorzugsweise vorher gemittelt, um die negativen
Einflüsse
des Rauschens auszuschalten. Die Spitzenwerte der Signalform können dadurch
festgestellt werden, daß ein
Signal differenziert wird, das zur Unterdrückung von Rauschen gemittelt
wurde, so daß die
Spitzenwerte als Punkte festgestellt werden können, an denen der differenzierte
Wert eine Null-Linie von der positiven Seite zur negativen Seite
hin überquert.
Die Spitzenwerte können
auch als Punkte festgestellt werden, an denen der differenzierte
Wert die Null-Linie von der negativen Seite aus zur positiven Seite
hin überquert.
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Zum
Unterdrücken
von Rauschen ist es nützlich,
daß dann,
wenn das Intervall zwischen den Punkten, an denen der differenzierte
Wert die Null-Linie von der positiven Seite zu der negativen Seite überquert,
kürzer als
eine vorhersehbare Schwebungswellenlänge ist, das Intervall zwischen
zwei stetig ineinander übergehenden
Punkten als die Periode akkumuliert wird. Wenn die Steigung der
Signalform, die beobachtet wird, wenn der differenzierte Wert die
Null-Linie von der positiven Seite zu der negativen Seite hin überschreitet,
steiler als ein vorhergesagter Wert ist, kann dies als Rauschen
angesehen werden, und vernachlässigt
werden.
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Bei
jenem Beispiel, bei dem die Periode der Schwebungswellen direkt
bestimmt wird, wird eine Vorrichtung zum Mitteln eines größeren Bereiches
des Signals verwendet, um eine zentrale Spannung zu bestimmen, so
daß das
Intervall zwischen Punkten, an denen die Schwebungswelle diese Spannungslinie
von der positiven Seite zu der negativen Seite (oder umgekehrt) überschreitet,
gemessen werden kann.
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Bei
jenem Beispiel, bei welchem differenzierte Schwebungswellen, die
durch Differenzieren der Schwebungswellen erhalten werden, zur Erzeugung
einer Frequenzvariationssignalform verwendet werden, weist die Einrichtung
zur Erzeugung eines Frequenzänderungssignals 22A eine
Differenzierfunktion 77 zum Differenzieren der Schwebungswellen
auf, und eine Nulldurchgangsperiodenberechnungsfunktion 78 zum
Berechnen, als Frequenzvariationssignalform, von Variationen der
Periode, in welcher die durch die Differenzierfunktion 77 differenzierten
Schwebungswellen die Null-Linie überschreiten,
wie dies in 14 gezeigt ist. Weiterhin kann
mit einer Funktion zur Bildung des Inversen des Wertes der Periode,
die von der Nulldurchgangsperiodendetektorfunktion 78 detektiert
wird, eine Frequenzvariationssignalform (Geschwindigkeitsvariationssignalform
des gemessenen Gegenstands) erzeugt werden.
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15(A) zeigt ein Beispiel, bei welchem die Periode
der Schwebungswellen direkt bestimmt wird, und 15(B) zeigt ein Beispiel, bei welchem die Periode
der differenzierten Schwebungswellen bestimmt wird. Bei dem in 15(A) gezeigten Beispiel wird die Periode T dadurch
bestimmt, daß Positionen
festgestellt werden, an denen die Schwebungswellen die Null-Linie
von der negativen Seite zur positiven Seite hin überqueren. Bei dem in 15(B) gezeigten Beispiel wird die in 14 dargestellte
Anordnung dazu verwendet, die Schwebungswellen zu differenzieren,
und werden die Positionen festgestellt, an denen die differenzierten Schwebungswellen
die Null-Linie von der negativen Seite zur positiven Seite hin überqueren,
wodurch die Periode T von einem Spitzenwert zum nächsten bestimmt
wird.
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Dritte Ausführungsform
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[Berechnung für das Frequenzspektrum]
-
In
Bezug auf eine dritte Ausführungsform
werden Grundlagen eines Beispiels beschrieben, bei dem eine Frequenzanalyse
von Schwebungswellen erfolgt. 16 zeigt
als Blockschaltbild ein Beispiel für den Aufbau der dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bei dem in 16 gezeigten
Beispiel weist der Signalprozessor 21 eine Signalkorrektureinheit 72 auf,
um Rauschen von Schwebungswellen zu entfernen, eine Fourier-Analysefunktion 81 zur
Bestimmung des Frequenzspektrums der Schwebungswellen, und eine Dopplerfrequenzberechnungsfunktion 82 zur
Berechnung eines Maximal- oder Minimalwertes der Dopplerfrequenz,
der von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands abhängt, auf
der Grundlage einer Spektralbreite um die Schwebungsfrequenz des
Frequenzspektrums herum, das von der Fourier-Analysefunktion 81 erzeugt
wird.
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17 ist
ein Spektraldiagramm, das ein Beispiel für das Frequenzspektrum von
Schwebungswellen zeigt, die bei der dritten Ausführungsform verwendet werden.
Die Frequenzverteilung der Schwebungswellen unter Idealbedingungen
wird beobachtet, wenn die Frequenz um das Ausmaß der Dopplerfrequenz Δfd in Bezug auf die modulierte Schwebungsfrequenz
fb verschoben wird, die durch Strommodulation
erzeugt wird. Die modulierte Schwebungsfrequenz fb,
die durch Modulation des Treiberstroms erhalten wird, entspricht
daher dem Zentrum einer Spektralbreite, die erhalten wird, wenn
mit dem Signal eine Fourier-Analyse durchgeführt wird, und eine minimale
Dopplerfrequenz Δdfmin bzw. eine maximale Dopplerfrequenz Δbdmax entspricht dem Absolutwert einer Frequenz,
die durch Subtraktion der modulierten Schwebungsfrequenz fb von einer Minmialfrequenz fbdmin bzw.
einer Maximalfrequenz fbdmax in der Spektralbreite
erhalten wird.
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Wenn
daher mit den Schwebungswellen 3 eine Fourier-Analyse durchgeführt wird,
unter Einsatz einer Vorgehensweise wie beispielsweise FFT (schnelle
Fourier-Transformation), können
die modulierte Frequenz fb und die maximale
Dopplerfrequenz Δ fd max aus den gemessenen Schwebungswellen
bestimmt werden. Sobald die maximale Dopplerfrequenz Δfd m ax ermittelt wurde,
kann die maximale Bewegungsgeschwindigkeit des gemessenen Gegenstands
unter Verwendung von Gleichung (3) berechnet werden.
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In 16 weist
der Signalprozessor eine Frequenzberechnungsvorrichtung 80 zur
Berechnung des Absolutwertes einer Frequenz zwischen der modulierten
Frequenz fdb der Schwebungswellen und der
zentralen modulierten Schwebungsfrequenz fb als
Dopplerfrequenz Δfd auf, die von der Geschwindigkeit des gemessenen
Gegenstands abhängt,
und eine Vorrichtung zur Berechnung der Bewegungsgeschwindigkeit 83 zur Berechnung
der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands auf der Grundlage
der Dopplerfrequenz Δfd, die von der Dopplerfrequenzberechnungsvorrichtung 80 berechnet
wird. Die Dopplerfrequenzberechnungsvorrichtung 80 verwendet
die FFT bei dem in 16 gezeigten Beispiel, jedoch
kann die Dopplerfrequenz auch dadurch erhalten werden, daß eine vorher
berechnete oder gemessene, modulierte Schwebungsfrequenz von der
beobachteten Frequenz der Schwebungswellen abgezogen wird.
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Vierte Ausführungsform
-
[Mehrere Resonatoren]
-
Bei
einer vierten Ausführungsform
werden mehrere Laserresonatoren dazu verwendet, kontinuierliche Schwingungsmessungen
ohne Verwendung von Schwebungswellen in der nicht konstanten Periode
zu ermöglichen,
die von der Signalform des Lasertreiberstroms abhängt. 18 zeigt
als Blockschaltbild ein Beispiel für den Aufbau der vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Eine Schwingungsmeßeinrichtung gemäß dieser
Ausführungsform
weist mehrere Laserresonatoren 90 und 91 auf,
in denen ein Laserstrahl schwingt, und in denen eine Eigenmischung
eines zurückkehrenden
Strahls, der erhalten wird, wenn der schwingende, ausgesandte Strahl
durch den gemessenen Gegenstand reflektiert wird, mit einem Strahl
hervorgerufen wird, der schwingt und ausgesandt wird, wenn der zurückkehrende
Strahl empfangen wird, eine Lasertreibersteuerung 92 zum
Steuern des Betriebs jedes der mehreren Laserresonatoren 90 und 91 unter Verwendung
eines entsprechenden Lasertreiberstroms mit entsprechender vorbestimmter
Signalform und Phase, und einen Signalprozessor 95 zur
Verwendung, als modulierte Schwebungsfrequenz fb,
einer Frequenzdifferenz zwischen dem ausgesandten Strahl und dem
zurückkehrenden
Strahl, die in jedem der mehreren Resonatoren auftritt, um Schwebungswellen
zu detektieren, denen die Dopplerfrequenz Δfd überlagert ist,
wobei die Dopplerfrequenz von der Bewegungsgeschwindigkeit des gemessenen
Gegenstands abhängt.
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Der
Signalprozessor 95 weist einen Schwebungswellenselektor 93 zur
Auswahl jener der Schwebungswellen auf, die in jedem der mehreren
Resonatoren 90 und 91 auftritt, und in dem Laserresonator 90 auftreten,
der keine nicht konstante Periode 37 aufweist, wenn die
modulierte Schwebungsfrequenz fdb nicht konstant
ist, entsprechend der Phase und der Periode des Lasertreiberstroms,
sowie eine Einrichtung zum Ermitteln von Schwingungsinformation 94 zur
Erzeugung von Schwingungsinformation in Bezug auf den gemessenen
Gegenstand auf der Grundlage der Schwebungswellen, die durch den
Schwebungswellenselektorabschnitt 93 ausgewählt werden.
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19 ist
ein Signalformdiagramm, welches die Phasenbeziehung zwischen den
beiden Lasertreiberströmen
gemäß der vierten
Ausführungsform
zeigt. In einem Abschnitt der Lasertreiberstromsignalform, in welchem
sich deren Steigung ändert,
also bei einem Spitzenwert der Treiberstromsignalform, ändert sich
der Strom nicht, so daß keine
Schwebungswelle infolge einer Modulation des Treiberstroms auftritt.
Wenn eine Dreiecks- oder Sägezahnsignalform
tatsächlich
erzeugt werden soll, verliert dann, da es schwierig ist, sofort die
Steigung der Signalform beim Spitzenwert der Signalform zu ändern, die
Signalform ihre Linearität
vor und nach dem Spitzenwert, und ähnelt eher einer Kurve. In
der Nähe
des Spitzenwertes der Treiberstromsignalform tritt daher entweder
die modulierte Schwebungsfrequenz fb nicht
auf, oder ist instabil. Wenn daher, wie in 19 gezeigt
ist, Messungen durchgeführt
werden, bei denen sich die Phasen der Lasertreiberströme voneinander
unterscheiden, überlappen
sich die momentanen Perioden 37 der modulierten Schwebungsfrequenz fb zwischen den Resonatoren nicht. Daher können kontinuierliche
Schwingungsmessungen stabil unter Verwendung der Schwebungswellen
in stabilen Perioden der modulierten Schwebungsfrequenz beider Resonatoren
durchgeführt
werden.
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20 zeigt
als Blockschaltbild ein Beispiel für den Aufbau der vierten Ausführungsform
im einzelnen. Bei dem in 20 dargestellten
Beispiel führen
ein erster Laser A, der mit dem Bezugszeichen 90 bezeichnet ist,
und ein zweiter Laser B, der mit dem Bezugszeichen 91 bezeichnet
ist, jeweils die F/V-Wandlung durch, und wählt ein Selektor 93 zwischen
den Lasern A und B aus, um die nicht konstanten Perioden 37 der
Schwebungswellen zu entfernen. Im einzelnen weist der Laser A eine
Signalkorrekturschaltung 72A zum Entfernen von Rauschen
von den Schwebungswellen auf, einen F/V-Wandler 73A zur
Umwandlung von Änderungen
der Periode der Schwebungswellen, die kein Rauschen aufweisen, in
Spannungsänderungen,
und eine Spannungseinstellschaltung 75A zur Normierung
eines Spannungswertes für
eine Geschwindigkeitsvariationssignalform, die von dem F/V-Wandler 73A ausgegeben
wird. Der Laser B ist ähnlich
aufgebaut, und die Spannungseinstellschaltungen 65A und 65B ändern die
Amplituden der beiden Geschwindigkeitsvariationssignalformen so
ab, daß sie
dieselbe Form aufweisen.
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Fünfte Ausführungsform
-
[Nicht konstante Periode]
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Bei
einer fünften
Ausführungsform
wird ein einzelner Laser dazu verwendet, die nicht konstanten Perioden
von der Signalform zu entfernen, damit Schwingungen intermittierend
gemessen werden können.
Dies ist nützlich
zur Überwachung
der maximalen Schwingungsgeschwindigkeit. 21 zeigt
als Blockschaltbild ein Beispiel für eine Anordnung gemäß der fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bei dem in 21 gezeigten
Beispiel weist der Signalprozessor 21 eine Korrekturvorrichtung 95 für nicht
konstante Perioden zum Entfernen nicht konstanter Schwebungswellen
von den nicht konstanten Perioden auf, wenn die modulierte Schwebungsfrequenz
entsprechend der Phase und der Periode des Lasertreiberstroms nicht
konstant ist, sowie die Einrichtung zum Ermitteln von Schwingungsinformation 94 zur
Erzeugung von Schwingungsinformation in Bezug auf den gemessenen
Gegenstand auf der Grundlage der Schwebungswellen, die durch die Korrektureinheit 95 für nicht
konstante Perioden korrigiert wurden. Die Korrektureinheit 95 für nicht
konstante Perioden korrigiert die Schwebungswellen entsprechend
den nicht konstanten Perioden, die von der Periode und der Phase
der Lasertreiberstromsignalform abhängen. Beispielsweise kann ein
Wert für
die Schwebungswellen auf Null eingestellt werden, oder können die
Schwebungswellen durch eine Signalform mit ausreichend kleiner Periode
ersetzt werden. Wenn der Wert für
die Schwebungswellen auf Null eingestellt wird, können die Änderungen
der Schwebungswellen aus den nicht konstanten Perioden entfernt
werden, ohne den Aufbau der Einrichtung zum Ermitteln von Schwingungsinformations 94 zu ändern.
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22 ist ein Signalformdiagramm, welches
ein Beispiel für
Schwebungswellen in der stabilen Periode bei der fünften Ausführungsform
zeigt. 22(A) zeigt Schwebungswellen,
die man beobachtet, wenn der gemessene Gegenstand ortsfest ist,
und 22(B) zeigt ein Beispiel für Schwebungswellen,
die man beobachtet, wenn der gemessene Gegenstand schwingt. Läßt man die
in 22 gezeigten Schwebungswellen sich
fortsetzen, führt
dies zu Schwebungswellen, die gleich jenen sind, die bei anderen
Ausführungsformen verwendet
werden, beispielsweise der vierten Ausführungsform. Bei dem in 22(A) gezeigten Beispiel ändert sich die Amplitude der
Schwebungswellen geringfügig,
jedoch ist die Periode im wesentlichen konstant; die von dieser
Periode abhängige
Frequenz ist die modulierte Schwebungsfrequenz fdb.
Bei dem in 22(B) gezeigten Beispiel wird
die modulierte Schwebungsfrequenz durch die Dopplerfrequenz Δfd moduliert. Die Periode beginnt mit hoher
Größe, nimmt
dann ab, und dann wieder zu. Diese Änderungen der Frequenz entsprechen
Dopplerfrequenzkomponenten des gemessenen Gegenstands. Die vorliegende
Ausführungsform
erzielt eine hohe modulierte Schwebungsfrequenz in der Größenordnung
von Megaherz, selbst mit kostengünstigen Teilen,
wodurch die Auflösung
von Messungen der Schwingungsverschiebung oder Geschwindigkeit des
gemessenen Gegenstands wesentlich verbessert wird.
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Da
die vorliegende Erfindung so wie voranstehend geschilder ausgebildet
ist und arbeitet, sorgt die Steuerung für die Erzeugung der modulierten
Schwebungsfrequenz dafür,
daß die
Schwebungswellen die modulierte Schwebungsfrequenz fb aufweisen,
die höher
ist als die Dopplerfrequenz Δfd, die dem rückkehrenden Strahl überlagert
ist, und sich in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstands ändert, was
es ermöglicht,
Schwebungswellen mit der modulierten Schwebungsfrequenz fb selbst dann zu erzeugen, wenn der gemessene
Gegenstand ortsfest bleibt. Die Dopplerfrequenz Δfd des
gemessenen Gegenstands wird den Schwebungswellen als Summe von sich
und der modulierten Schwebungsfrequenz fb überlagert,
so daß bei
einer konstanten modulierten Schwebungsfrequenz Änderungen der beobachteten
Frequenz der Schwebungswellen (Doppler-Schwebungsfrequenz fdb) Änderungen
der Dopplerfrequenz Δfd repräsentieren.
Daher kann eine Änderungssignalform
der Doppler-Schwebungsfrequenz fdb, die
durch Beobachtung der Schwebungswellen erhalten wird, als Geschwindigkeitsänderungssignalform
verwendet werden. Da die Doppler-Schwebungsfrequenz Δdb in Abhängigkeit
von der Anzahl an Schwebungswellen gemessen werden kann, kann darüber hinaus
die Auflösung
der Schwingungsmessungen dadurch verbessert werden, daß die modulierte
Schwebungsfrequenz fb hoch eingestellt wird.
Insbesondere kann die Auflösung
im Vergleich zur herkömmlichen
Berechnung der Verschiebung und Geschwindigkeit unter Verwendung
der Hälfte
der Länge
der Schwingungsfrequenz (λ/2)
als Einheit wesentlich verbessert werden. Daher können Schwingungen
mit sehr kleiner Periode oder sehr kleine Änderungen der Verschiebung
exakt gemessen werden, die herkömmlich nicht
stabil gemessen werden können.
Andererseits kann, wenn zu viele Schwebungswellen in Bezug auf die Schwingungsperiode
des gemessenen Gegenstands erzeugt werden, infolge einer großen Verschiebung,
im Vergleich zur Größe von λ/2, die Anzahl
an Schwebungswellen relativ zur Schwingungsperiode des gemessenen
Gegenstands eingestellt werden, durch Einstellung einer niedrigen
modulierten Schwebungsfrequenz. Durch eine variable modulierte Schwebungsfrequenz
fb kann daher die Verbesserung der Meßgenauigkeit
und die Verringerung der Datenmenge in erforderlichem Ausmaß eingestellt
werden. Da Schwebungswellen selbst dann erzeugt werden, wenn der
gemessene Gegenstand ortsfest bleibt, kann die Umkehr der Bewegungsrichtung
oder der Geschwindigkeit auf der Grundlage von Änderungen der beobachteten
Frequenz (Doppler-Schwebungsfrequenz) der Schwebungswellen selbst
dann gemessen werden, wenn bei dem gemessenen Gegenstand komplizierte
Schwingungen auftreten, bei welchen mehrere Schwingungsperioden
einander überlagert
vorhanden sind. Da die Schwebungswellen ihre richtige Signalform
selbst dann beibehalten, wenn der gemessene Gegenstand anhält, kann
darüber
hinaus die Schwingungsabschwächung
richtig gemessen werden. Daher können
eine neue und hervorragende Schwingungsmeßeinrichtung und ein neues
und hervorragendes Schwingungsmeßverfahren zur Verfügung gestellt
werden, welche exakt die Schwingungsbedingungen des gemessenen Gegenstands
messen können,
ohne Abhängigkeit
von der Laseroszillatorwellenlänge.
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Die
Erfindung läßt sich
auf andere Arten und Weisen verwirklichen, ohne von ihrem Wesen
oder ihren wesentlichen Merkmalen abzuweichen. Die vorliegenden
Ausführungsformen
sollen daher in jeglicher Hinsicht als erläuternd und nicht einschränkend verstanden
werden, da sich der Umfang der Erfindung aus der Gesamtheit der
vorliegenden Anmeldeunterlagen ergibt, und daher die beigefügten Patentansprüche Wesen
und Umfang der Erfindung umfassen sollen.