レーザードップラー振動計とは？

レーザードップラー振動計とはレーザーのドップラー効果を利用して、表面の振動の周波数と振幅を非接触で計測する振動計のことです。
本記事ではレーザードップラー振動計の原理をわかりやすく解説します。

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既存の振動測定においては、接触式の加速度センサーが広く使用されています。
しかし、加速度センサーでは測定困難な場合がございます。
例えば…

• 対象物が高温の物体
• 狭小なエリアの測定
• 超音波領域の測定
• 短時間で複数箇所の振動測定

また、測定対象箇所を点ではなく面(複数点)で測定したい場合には加速度センサーを複数個、対象物に設置することとなります。
そうなると、測定対象物の質量が大幅に変化してしまい、振動測定結果に影響をおよぼすこととなります。
(更に、設置個数が多いほど測定毎時、センサー設置においての個人差が発生いたします）
あらゆる対象物において、質量負荷なく振動測定をご希望の際はぜひとも、レーザードップラー振動計をご検討ください。

• スキャニング振動計はガルバノミラーを使用して測定対象物の表面をレーザーにてスキャンするため、短時間で複数ポイントの測定箇所を自動測定します。振動モードをアニメーションで可視化希望の場合に最適です。
• シングルタイプの振動計はZ方向での振動速度を検出します。
  出力はアナログBNC信号となり、速度、変位、加速度の3点のパラメーターにおいて同時出力が可能です。

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移動する対象物から反射された光は、対象物の速度に比例して周波数が変化します（ドップラー効果）。
干渉計でこの周波数シフトを測定することにより、物体の振動運動を正確に測定できます。

▌ドップラー効果

波が接近する（または後退する）発信源から放出される場合、連続する波頭は、放出されたよりも短い（長い）時間間隔で検出器に到達します。この現象は、周波数のシフトとして観察され、ドップラー効果として知られています。音響上の例としては、例えば歩行者が、通り過ぎる救急車のサイレンの音の高さに明らかな変化を感じるということがあります。波長λc のレーザーでの測定された周波数シフト Δfc は、実際の振動測定アプリケーションでは高精度で速度 v に比例します。　Δfc = 2 v/λc

▌振動測定

検出された周波数シフトは、レーザー光が反射される表面の速度 v(t) と、変位 d(t) および加速度 a(t) を導出するために使用されます。
周波数 f および変位 d(t) = D sin(2π f t) の調和振動の場合、変位、速度、および加速度の振幅は、　A = 2π f V = 4π² f² D .

▌干渉計

周波数の変化は、マッハ・ツェンダー干渉計によって強度の時系列に変換され、その周波数領域は、さらなる電子処理にアクセスできます。干渉計内で、レーザービームは基準ビームと測定ビームに分離されます。プローブから反射された光は、基準ビームと干渉します。光検出器に記録された強度には、基準ビーム Ic と反射光 Iv の強度以外にも、光路の差 Δz に関連する情報が含まれています。
I(t) = Ic + Iv + 2 (Ic Iv)1/2 cos (2 π Δz(t)/λ) .

▌ヘテロダインの読み出し

強度の変化は、物体が振動計に近づいているか遠ざかっているかに依存しません。このあいまいさは、ヘテロダインによって取り除かれます。基準ビームの周波数が一定量fbで相関している場合、移動しないプローブの両方のビームの干渉により、周波数fbで高調波強度が変化します。この搬送波信号 ∝ cos (2 π fb) は、測定対象の動きによって変調されます。その動きの方向に応じて、強度の周波数はより高いまたはより低い周波数に向かってシフトします。

▌復調

測定された物体の動きに関する情報は、強度からの復調によって取得されます。デジタル信号に変換した後、信号プロセッサーは測定対象の変位と速度をリアルタイムで測定します。復調（多くの場合、デコーディングとも呼ばれます）は、速度または変位のいずれかに対して実行されます。

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従来の HeNe レーザーベースの振動計に加えて、Optomet は SWIR レーザーベースの振動計開発の先駆的な存在であります。

▌ヘリウムネオン・レーザー

HeNe レーザー光源は、632nm の波長で作動します。赤い測定ビームは肉眼で見ることができ、ターゲティングレーザーを必要とせずに位置決めできます。比較的短い波長でレーザービームは非常に小さなスポット径に焦点を合わせることができます。このように、HeNe レーザー振動計は微細構造の測定に非常に適しています。吸収率がほんのわずかであるため、HeNe レーザーは水を通して測定することもできます。
HeNe レーザーの出力は、眼に対する安全性のため 1 mW に制限されています。したがって、HeNe ベースの振動計は、十分な信号が測定対象から散乱して戻るときに、通常反射率の高い表面上で使用されます。HeNe レーザーは縦モードだけに限定されていません：周波数が互いに近い波列が重なり合ってうなり周波数が生成されるため、測定ビームの強度、つまり信号品質は作動距離に左右されます。

▌赤外線振動測定

反射率の低い表面や遠くの物体で最高の信号品質とデータ品質を実現するために、Optomet は SWIR （短波長赤外線）レーザー振動計を開発しました。目に見えない測定ビームは、同軸の緑色ターゲティングレーザーを使用して位置決めします。
1,550nm の波長と 10mW のレーザー出力を備え、HeNe レーザーと比較して十倍の出力が利用可能なこのレーザーは、同時に最高の眼に対する安全性等級（クラス1）を持っています。光検出器の三倍高い効率と組み合わせて、赤外線振動測定は、単一縦モードレーザーのおかげで、測定距離に関係なく、ほとんどすべての振動測定タスクに対して十分な信号品質のための条件を提供します。高温安定性と長い耐用寿命は、さらに付加価値をお届けします。
Optomet SWIR レーザー振動計を使用する場合、暗い、粗い、または反射率の低い表面でも、測定面を処理する必要はありません。長距離での、あるいは光る表面および生体組織の測定といったチャレンジングなアプリケーションにおいても、Optomet SWIR 振動測定技術が真に輝きます。

表4.レーザー光をビームスプリッターにて振動状態にある対象物とディテクターに分岐します。
振動物体から反射されたレーザー光（散乱光）とディテクターに照射されたレーザー光（参照光）を干渉させることでドップラー効果由来の振動成分を検出します。

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デジタルデコーダーは、リアルタイムで測定された強度曲線を変位、速度、および加速度の関連する物理的測定量に変換します。

▌デジタル信号処理

Optometは、振動計のパフォーマンスとデータ品質を向上させるために、常にデジタル信号処理を使用してきました。特に高精度測定技術では、経年劣化、温度依存性、ノイズ、および非線形性によるアナログ復調の欠点を防ぐ必要があります。デジタル信号処理を使用すると、感度、分解能、安定性が大幅に向上し、データ品質と測定の確実性が向上します。非常に低いノイズレベルが達成されるため、非常に弱い信号でも正確な測定が可能です。

▌Optomet UltraDSP テクノロジー

Optomet UltraDSPテクノロジーは、効率的なアルゴリズムと、パワーフルで省エネのFPGAとのコンビネーションに基づいています。センサーデータは、振動計によって遅延なしで処理され、特殊な有限インパルス応答（FIR）フィルターは、最も困難な測定環境下でも信頼性の高い正確な測定値を提供します。

▌測定データ

Optometは、最大1億6000万サンプル/秒のサンプルレートを備えた、世界初のデジタル・オーバー・イーサネットベースの振動計を開発しました。最大32ビットの変位、速度、加速度のこのデジタルストリームにより、妥協することなく、可能な限り最高のデータ品質が確実に生成されていることの安心感をユーザーに与えます。各チャネルの標準BNCコネクターを使用すると、Optomet振動計を任意のアナログデータ収集環境に統合できます。

General Measurement Specifications

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既存の振動測定においては、圧電型セラミックセンサーや加速度センサーなどの接触式センサーが使用されていました。
しかしながら、様々な要因により接触式センサーを測定対象物に張り付けることができない場合がございます。
その様な状況においてもレーザードップラー振動計であれば、あらゆる対象物において質量負荷なく振動測定が可能となっております。
ユーザー様のあらゆるニーズに対応させていただくよう、当社では多岐にわたる製品ラインナップをご用意しております。
皆様のどんな課題も解決できるよう尽力させていただきます。

レーザードップラー振動計を導入する際は、ぜひお気軽にご相談ください。

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