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振動計の測定原理

振動計の測定原理

レーザを振動する物体に照射すると、その反射光はドップラ効果により周波数シフトを受けます。
そのシフト周波数fdは振動物体の速度をV、レーザの波長をλとすると fd=2V/λ になります。

しかし、光の周波数は数100THzと非常に高周波(632.8nmのHe-Neレーザの場合474THz)なので、この信号を直接電気信号に変換し電気回路で信号処理することは不可能です。
そこで通常は干渉計を構成し、光を周波数信号ではなく光の強度信号として検出します。

レーザを2分岐し片方を静止した基準ミラーに照射し、もう片方を振動物に照射すると、その反射光はドップラシフトを受けるので、それぞれの反射光を干渉させることで 両者の差の周波数と和の周波数が発生します。

ところがO/E変換器は数100THzになる和の周波数には応答しませんので、差の周波数が強度信号として検出され、それがドップラシフト周波数fdであり、振動物が近付く場合も遠ざかる場合もその速度に比例した周波数が検出されます。

これをホモダイン検波法と言いますが、方向を判別することができません。それを解決する手段として、一定周波数に変換する光ヘテロダイン検波法があります。

 

基準ミラーに向かうレーザ(参照光)と振動物に照射するレーザ(測定光)との間にあらかじめ周波数差(下図の場合は、80MHz)を持たせることで、振動物が静止している場合でも一定のキャリア周波数f80が検出されるような構成にします。すると振動物が近付いてプラスに周波数シフト(+fd)すると検出される信号はf80+fdとなり、

また遠ざかる場合はマイナスに周波数シフト(-fd)するのでf80-fdとなりキャリア信号f80にfdが重畳された周波数変調波(FM波)が検出されるので、この信号をFM復調すると電圧の大きさが速度量になり電圧の極性が振動方向になるので、どの方向にどれだけの速度で移動したかが判別できます。

干渉計上で光の周波数を2種類設けるには、AOM(音響光学変調器)にて光の周波数をシフトさせる方法が一般に採用されますが、他にマルチモードレーザをモード分離する方法や安定した2台のレーザを使用する方法などが考えられます。

光ヘテロダイン微小振動測定装置の測定原理

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