(57)【要約】【課題】  3軸方向の振動状態を測定するためには3つの非接触振動計測計が必要となり、測定のためのコストが増加し、また調整・補正手順が複雑になる。【解決手段】  第一の平面と、該第一の平面と異なる角度の傾斜を持つ第二の平面と、該第一の平面および該第二の平面と異なる角度の傾斜を持つ第三の平面と、を備えた治具を測定対象に設置する設置工程と、前記設置工程により設置された治具に対してレーザ照射を行う照射工程と、前記照射工程による照射によって発生した該測定対象の変位または速度の少なくとも一方を測定する測定工程と、該第一の平面と該第二の平面と該第三の平面との角度に基づいて、前記測定工程により測定した該測定対象の変位または速度の少なくとも一方を補正し、互いに直交する3軸方向の情報を分離して検出する補正工程と、備える計測方法である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の平面と、該第一の平面と異なる角度の傾斜を持つ第二の平面と、該第一の平面および該第二の平面と異なる角度の傾斜を持つ第三の平面と、を備えた治具を測定対象に設置する設置工程と、
前記設置工程により設置された治具に対してレーザ照射を行う照射工程と、
前記照射工程による照射によって発生した該測定対象の変位または速度の少なくとも一方を測定する測定工程と、
該第一の平面と該第二の平面と該第三の平面との角度に基づいて、前記測定工程により測定した該測定対象の変位または速度の少なくとも一方を補正し、互いに直交する3軸方向の情報を分離して検出する補正工程と、
を備える測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の測定方法であって、
前記治具の表面に再帰反射シートが貼り付けてあることを特徴とする測定方法。
【請求項３】
請求項１に記載の測定方法であって、
前記測定工程では、該第一の平面へのレーザ照射によって該第一の平面に対して法線方向の情報を測定し、該第二の平面と該第三の平面へのレーザ照射によって該第一の平面に平行で互いに直交する2方向の情報を測定することを特徴とする測定方法。
【請求項４】
請求項１に記載の測定方法であって、
前記測定工程では、光干渉、周波数シフト、フェイズシフト、タイムオブフライトのいずれかの光現象を利用したレーザ計測器により計測することを特徴とする測定方法。
【請求項５】
請求項１に記載の測定方法であって、
前記測定工程では、レーザ計測器により計測を行い、加速度計、ジャイロのいずれか、またはその両方が該レーザ計測器に設けられていることを特徴とする測定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の測定方法であって、
前記補正工程では、該加速度計、ジャイロのいずれか、またはその両方の測定結果に基づき、該レーザ計測器の測定結果を補正することを特徴とする測定方法。
【請求項７】
請求項６に記載の測定方法であって、
前記補正工程では、時間軸上の測定結果を用いて補正を行い、補正されたデータをフーリエ変換することを特徴とする測定方法。
【請求項８】
請求項６に記載の測定方法であって、
前記補正工程では、フーリエ変換された測定結果を用いて補正を行うことを特徴とする測定方法。
【請求項９】
請求項１に記載の測定方法であって、
前記照射工程では、1軸ずつ順次照射を行うことを特徴とする測定方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の測定方法であって、
前記照射工程では、一度の照射により互いに直交する3軸に照射を行うことを特徴とする測定方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の測定方法であって、
前記測定工程では、レーザ計測器により計測を行い、該レーザ計測器で該第一の平面の任意の3点以上の座標を測定し、該3点以上の座標情報を基に、該第一の平面の法線方向と該レーザ計測器から射出されたレーザの方向との角度ずれを検出することを特徴とする測定方法。
【請求項１２】
第一の平面と、該第一の平面と異なる角度の傾斜を持つ第二の平面と、該第一の平面および該第二の平面と異なる角度の傾斜を持つ第三の平面と、を備えた治具と、
前記治具が設けられている測定対象に対してレーザ照射を行う照射部と、
前記照射部による照射によって発生した該測定対象の変位または速度の少なくとも一方を測定する測定部と、
該第一の平面と該第二の平面と該第三の平面との角度に基づいて、前記測定部により測定した該測定対象の変位または速度の少なくとも一方を補正し、互いに直交する3軸方向の情報を分離して検出する補正部と、
を備える測定システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の測定システムであって、
前記治具の表面に再帰反射シートが貼り付けてあることを特徴とする測定システム。
【請求項１４】
請求項１２に記載の測定システムであって、
前記測定部では、該第一の平面へのレーザ照射によって該第一の平面に対して法線方向の情報を測定し、該第二の平面と該第三の平面へのレーザ照射によって該第一の平面に平行で互いに直交する2方向の情報を測定することを特徴とする測定システム。
【請求項１５】
請求項１２に記載の測定システムであって、
前記測定部では、光干渉、周波数シフト、フェイズシフト、タイムオブフライトのいずれかの光現象を利用したレーザ計測器により計測することを特徴とする測定システム。
【請求項１６】
請求項１２に記載の測定システムであって、
前記測定部では、レーザ計測器により計測を行い、加速度計、ジャイロのいずれか、またはその両方が該レーザ計測器に設けられていることを特徴とする測定システム。
【請求項１７】
請求項１６に記載の測定システムであって、
前記補正部では、該加速度計、ジャイロのいずれか、またはその両方の測定結果に基づき、該レーザ計測器の測定結果を補正することを特徴とする測定システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の測定システムであって、
前記補正部では、時間軸上の測定結果を用いて補正を行い、補正されたデータをフーリエ変換することを特徴とする測定システム。
【請求項１９】
請求項１７に記載の測定システムであって、
前記補正部では、フーリエ変換された測定結果を用いて補正を行うことを特徴とする測定システム。
【請求項２０】
請求項１２に記載の測定システムであって、
前記照射部では、1軸ずつの測定を順次行い、互いに直交する3軸方向の測定を完了させることを特徴とする測定システム。
【請求項２１】
請求項１２に記載の測定システムであって、
前記照射工程では、一度の照射により互いに直交する3軸に照射を行うことを特徴とする測定システム。
【請求項２２】
請求項１２に記載の測定システムであって、
前記測定部では、レーザ計測器により計測を行い、該レーザ計測器で該第一の平面の任意の3点以上の座標を測定し、該3点以上の座標情報を基に、該第一の平面の法線方向と該レーザ計測器から射出されたレーザの方向との角度ずれを検出することを特徴とする測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は測定方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高速道路、トンネル、橋梁などの社会インフラが建造されてから５０年以上が経過し、設備の補修・メンテナンスの重要性が高まっている。橋梁に関して現状では、作業員による直接検査が行われているが、高所での作業となるため作業効率が悪く、また危険も伴う。そこで、橋梁の健全性を遠隔からモニタリングできる技術が開発されている（特許文献１）。
【０００３】
この公報には、「対象に照準を合わせると共に対象に対するレーザの入射方向と反射方向とを一致させて対象の振動を同時に測定する第１、第２及び第３の非接触型振動計と、対象に照準を合わせた第１、第２及び第３の非接触型振動計について水平面に対する第１、第２及び第３の非接触型振動計の成す鉛直角度を測定する鉛直角度測定器と、対象に照準を合わせた第１、第２及び第３の非接触型振動計について水平面において基準方向に対する第１、第２及び第３の非接触型振動計の成す水平角度を測定する水平角度測定器を有し、第１、第２及び第３の非接触型振動計の鉛直角度及び水平角度に基づいてレーザの入射角度を決定する入射角度決定手段と、第１、第２及び第３の非接触型振動計のレーザの入射角度及び前記第１、第２及び第３の非接触型振動計によって測定された対象の振動データに基づいて対象の振動の卓越方向及び卓越方向の振動特性の少なくとも一方を決定する解析手段を有する」被接触振動計測システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２３０４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献1に記載の技術では、対象の3軸方向の振動を測定するためには、3つの振動計測計が必要となり、測定コストが増加し、また測定手順を複雑にしている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第一の平面と、該第一の平面と異なる角度の傾斜を持つ第二の平面と、該第一の平面および該第二の平面と異なる角度の傾斜を持つ第三の平面と、を備えた治具（ターゲット）を測定対象に設置する設置工程と、前記設置工程により設置された治具に対してレーザ照射を行う照射工程と、前記照射工程による照射によって発生した該測定対象の変位または速度の少なくとも一方を測定する測定工程と、該第一の平面と該第二の平面と該第三の平面との角度に基づいて、前記測定工程により測定した該測定対象の変位または速度の少なくとも一方を補正し、互いに直交する3軸方向の情報を分離して検出する補正工程と、備える測定方法である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、低コスト、簡易な調整で対象の3軸方向の振動を測定可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】3軸振動計測治具の説明図である。
【図２】本発明の第一の実施形態の概略構成図である。
【図３】レーザ照射方向と直交する方向の振動測定を行う場合の説明図である。
【図４】レーザ照射方向と直交する方向の振動測定を行う場合の説明図である。
【図５】3軸方向の振動を同時計測する場合の説明図である。
【図６】角度補正の説明図である。
【図７】本発明の第二の実施形態の概略構成図である。
【図８】非接触振動計測計自身の振動補正の説明図である。
【図９】振動測定の処理フローである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の第一の実施形態を図1、図2で説明する。
【００１０】
図1には3軸振動計測治具（ターゲット）1の概略構成を示す。3軸振動計測治具1は一辺100mm程度の大きさであり、材質はアルミニウム、表面にはアルマイト処理が施されている。3軸振動計測治具1は傾斜角度の異なる3つの面２，３，４を有する。A面2はXY平面に平行である。B面3はX軸を回転中心として、XY平面に対して45度傾斜している。C面4はY軸を回転中心として、YZ平面に対して45度傾斜している。振動計測対象に3軸振動計測治具1を取り付け、これに非接触振動計測計からレーザを照射し、対象の振動状態を測定する。3軸振動計測治具1には水準器が設置されており(図示せず)、これの読みをもとに測定対象に3軸振動計測用治具を取りつける。
【００１１】
図2は、本発明の第一の実施形態の概略構成図である。
【００１２】
測定対象5に3軸振動計測治具1を取り付けて、測定対象の振動状態を計測する方法を説明する。非接触振動計測計６とコントローラ7は測定対象5から10m程度離れた場所に設置する。また、非接触振動計測計６から射出されたレーザ8がA面2にZ軸方向から照射されるように配置する。非接触振動計測計６は光干渉を利用した距離計測計であり、対象にレーザ8を照射し、反射光と参照光との位相差から対象との距離を測定する。また、非接触振動計測計６には水準器が搭載されており(図示せず)、固定用の三脚で位置決めする際には水準器の読みをもとに位置決めを行う。コントローラ7には、位相比較器、距離算出部、PC、電源などが含まれ、非接触振動計測計６で検出した光情報から対象との距離を計算し、出力する。
【００１３】
測定対象5の振動状態を測定する際には、Z軸方向から3軸振動計測治具1にレーザ8を照射する。測定条件の一例を示す。サンプリング間隔は0.01秒、測定時間は1分間、照射レーザの波長は1550nm、平均出力は10mW、繰返し周波数は５０MHzである。3軸振動計測治具1からの反射、散乱光はPDで受光し、参照光との位相差を位相比較器で測定する。ここで、PDにはソーラボ社の型番：PDA10CFを、位相比較器にはR&K社の型番：SD125IFM-0Sなどを用いればよい。位相比較器の出力に応じて、距離算出部で対象との距離を算出する。距離算出の際には、外気温、気圧などの環境データから屈折率変化の補正も行う。PCではデータストレージ、各機器の制御を行う。測定結果は測定対象5の変位の時間依存性であり、これをフーリエ変換することで、測定対象5の振動モードを算出する。
【００１４】
測定対象5がZ軸方向に振動した場合には、A面2にレーザを照射する。測定対象の振動幅と同じ変位だけA面2がZ軸方向に振動するため、A面2の定点にレーザを照射することで、測定対象5のZ軸方向の変位の時間変化を測定することができる。取得した時系列の変位データをフーリエ変換することで、Z軸方向の振動状態を求めることができる。
【００１５】
図3は、レーザ照射方向と直交する方向の振動測定を行う場合の説明図である。ここでは、図３を用いて測定対象5がY軸方向に振動している場合の測定方法を説明する。
【００１６】
レーザはB面3の定点に照射する。B面3はXY平面に対して約45度傾いているため、測定対象5がY軸方向に振動した場合には、Z軸方向からレーザ8をB面3の定点に照射していれば、Z軸方向の変位を検出可能である。B面3はXY平面に対して45度傾いているため、Y軸方向の変位ΔyとZ軸方向の変位Δzの間には次の関係がある。
【００１７】
Δy×ｃｏｓ４５°＝Δz
レーザはZ軸方向から照射されているため、測定できるのはZ軸方向の変位Δzとなる。上記関係式より、Y軸方向の変位Δyを求めることが可能である。
【００１８】
A面2にレーザ照射している時と、B面3にレーザ照射している時では、照射角度がずれるが、測定対象5と非接触振動計測計６の間の距離が非常に長ければ、角度ずれは無視しても構わない。測定対象5と非接触振動計測計６の距離が短く、角度ずれを無視できない場合は、測定結果に対して「1/cos(ずれた角度)」を乗算することで補正すればよい。
【００１９】
図4を用いて測定対象5がX軸方向に振動している場合の測定方法を説明する。レーザはC面4の定点に照射する。C面4はYZ平面に対して約45度傾いているため、測定対象5がX軸方向に振動した場合には、Z軸方向からレーザ8をC面4の定点に照射していれば、Z軸方向の変位を検出可能である。C面4はYZ平面に対して45度傾いているため、X軸方向の変位ΔxとZ軸方向の変位Δzの間には次の関係がある。
【００２０】
Δx×ｃｏｓ４５°＝Δz
レーザはZ軸方向から照射されているため、測定できるのはZ軸方向の変位Δzとなる。上記関係式より、X軸方向の変位Δxを求めることが可能である。
【００２１】
A面2にレーザ照射している時とC面4にレーザ照射している時では、照射角度がずれるが、これに関してはB面3にレーザ照射する時に同様の対応を行えばよい。
【００２２】
以上のように、3軸振動計測治具1を測定対象5に設置し、A面2、B面3、C面4のそれぞれにレーザ照射することで、1つの非接触振動計測計６で3軸方向の振動状態を測定することが可能となる。
【００２３】
1回の測定でA面2、B面3、C面4のいずれかにレーザを照射して1軸だけの振動を測定し、それを3回繰り返して3軸の振動を測定しても、図5のようにレーザをX軸方向にガルバノミラーやポリゴンミラーで走査しながら、A面2、B面3、C面4に交互にレーザを照射して3軸方向の振動を短時間に測定しても構わない。または、あらかじめA面2、B面3、C面4それぞれにレーザが照射されるように光路を分岐・調整しておき、光スイッチで高速にスイッチングすることでA面2、B面3、C面4に順次レーザを照射し、3軸方向の振動を短時間に測定しても構わない。
【００２４】
図６を用いて、非接触振動計測計６から3軸振動計測治具1に対して、斜めの方向からレーザ照射する場合の説明を行う。図６の場合では、非接触振動測定計６からレーザ8を照射する角度と3軸振動計測治具1A面2の鉛直方向になす角度がYZ平面内ではθ、XZ平面内ではφである。A面2に垂直な方向（Z軸方向）からレーザ照射を行っていないため、非接触振動計測計６の測定結果と実際の測定対象の変位は異なる。非接触振動計測計６のZ軸方向の測定結果をΔZ、Z軸方向の実際の変位をΔzとするとΔZとΔzの間には次の関係が成り立つ。
【００２５】
ΔZ＝Δz×cosθ×cosφ
上記関係式を用いれば、測定結果ΔZ、角度θと角度φから、実際の変位Δzを算出可能である。
【００２６】
角度θと角度φは非接触振動計測計６の設置場所によって異なる。角度θと角度φの測定のために、3軸振動計測治具1の一部に決められた高さの段差を設けておく。その実際の段差高さと測定結果との差から角度θと角度φを測定可能である。
【００２７】
または、非接触振動計測計６でA面2の任意の3点の座標を取得し、それら3点の座標から角度θと角度φを求めても構わない。非接触振動計測計６のレーザ照射口を原点にとる。A面2で測定した3点の極座標を、a点（r1，θ1，φ1）、b点（r2，θ2，φ2）、c点（r3，θ3，φ3）とし、A面2の法線単位ベクトルHの極座標を（1，θ0，φ0）とする。a点、b点、c点は同一面内にあるため、ベクトル(a点→b点)とベクトルH、ベクトル(a点→c点)とベクトルHは直交の関係にあり、それらの内積は0となる。この関係より、ベクトルHを算出し、θ0とφ0を求める。レーザ照射点の座標を（r4，θ4，φ4）とすると、角度θは「θ＝θ0−θ4」と、角度φは「φ＝φ0−φ4」として計算される。
【００２８】
もしくは、外積を用いてA面2の法線ベクトルを求めてもよい。ベクトル(a点→b点)とベクトル(a点→c点)は同一面内にあるため、それらの外積はA面2の法線ベクトルになる。A面2の法線ベクトルを直交座標で(X，Y，Z)とすると、以下の関係式（数１）が成り立つ。
【００２９】
【数１】
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【００３０】
これより法線ベクトルを算出し、直交座標を極座標に変換し、θ0とφ0を求めても構わない。B面3、C面4のそれぞれの法線方向とレーザ照射角度のなす角度を求める場合にも上述のように、任意の3点の座標を測定し、法線方向を算出すればよい。
【００３１】
図7を用いて第二の実施例の説明を行う。図7は図2の実施例と比較して、非接触振動計測計６に加速度計9が設置されており、その他の構成は同じであるため説明は省略する。測定対象5の振動状態の測定方法は上述の通りである。加速度計9は非接触振動計測計６自身の振動を計測する。加速度計9は3軸の加速度計であり、例えば、多摩川精機社の型番：TA7707を用いればよい。非接触振動計測計６自身が振動していれば、測定対象5の正確な振動は測定できないため、加速度計9の測定結果を用いて補正を行う。加速度計9で測定されたデータはコントローラ7に転送され、時間で積分され、変位が算出される。さらに非接触振動計測計６での測定データとマージされ、非接触振動計測計６自身の振動を補正し、測定対象5そのものの振動状態を算出する。図8を用いて補正方法を説明する。各波形の横軸は時間、縦軸は変位である。非接触振動計測計６で測定された非接触振動計測定データ11には測定対象5の振動に加えて、非接触振動計測計６の振動も含まれている。加速度計9で測定された加速度計測定データ10を非接触振動計測定データ11から引き算することで、測定対象振動データ12を求めることが可能になる。これは時系列データ同士で引き算を行っても、フーリエ変換した後に周波数空間上で引き算を行っても構わない。
【００３２】
図8では、1軸方向の振動補正だけの例で説明したが、1軸に限らず、例えば3軸方向の補正を行う場合には同様の処理を軸毎に行えばよい。
【００３３】
図7では加速度計9が非接触振動計測計６に設置されている例で説明を行ったが、ジャイロなどの姿勢制御計も同時に設置しても構わない。外部振動等でレーザ照射角度がずれた場合、測定対象5の変位の測定結果にもずれが生じる。ジャイロを取り付けることで、レーザ照射方向のずれを測定・補正を行い、測定対象5の正確な変位を測定することが可能となる。
【００３４】
図9を用いて、振動測定の処理フローを説明する。
【００３５】
フロー５０：測定対象に3軸振動計測治具を取り付ける。
【００３６】
フロー51：非接触振動計測計とコントローラを配置し、3軸振動計測治具へのレーザ照射点を設定する。レーザを照射し、レーザ照射角度と、3軸振動計測治具のA面の法線方向とのなす角度の測定を行う。
【００３７】
フロー52：レーザの照射出力、サンプリングレート、サンプリング時間などの測定条件の設定を行う。この時に、距離算出のための原点調整をしておく。また、レーザを走査しながら測定を行う場合には、このタイミングで走査条件の設定も行う。
【００３８】
フロー53：上記条件で3軸振動計測治具にレーザを照射し、振動状態を測定する。同時に加速度計やジャイロで、非接触振動計測計の振動やレーザ照射角度ずれもモニタリングしておく。
【００３９】
フロー54：加速度計とジャイロでの測定結果を用いて、非接触振動計測計の測定結果に補正を行う。
【００４０】
フロー55：補正後の振動波形をフーリエ変換し、測定対象の振動モードを算出する。
【００４１】
フロー54とフロー55の順番に関して、先に取得された時系列データをフーリエ変換し、フーリエ変換した波形を用いて、非接触振動計測計自身の振動や照射角度ずれの補正を行っても構わない。
【００４２】
図1で説明を行った3軸振動計測治具1に関して、表面に再帰反射フィルムを貼り付けても構わない。3軸振動計測治具1のA面2の鉛直方向より傾いた方向からレーザを照射した場合には、非接触振動計測計６に返ってくる反射光、散乱光の強度が弱くなり、測定が困難になる。3軸振動計測治具1の表面に再帰反射フィルムを貼り付けることで、レーザが照射された方向に返ってくる光量を大幅に増加させることが可能となり、より遠方からでも測定が可能になる。また、返ってくる光量増加によって、測定精度の向上も図れる。
【００４３】
図1では3軸振動計測治具のA面2、B面3、C面4の角度関係を上述の通りの一例で説明を行ったが、これに限定される必要はない。A面2、B面3、C面4、それぞれ面における垂線が互いに異なる角度であれば、3軸方向の振動状態は測定可能である。
【００４４】
本実施例では、光干渉を用いた非接触振動計測計を用いた例で説明を行ったが、これに限定されることはない。例えば、レーザドップラや周波数変調方式を採用した非接触振動計測計を用いても構わない。これらを用いた場合には、光干渉方式と比較して、より高速、高精度な測定が可能になる。レーザドップラを用いた場合には、測定結果は速度変化であるため、測定結果を積分することで変位に変換する必要がある。また、レーザドップラでは3軸振動計測治具への入射角度によって測定結果が変化するため、A面2、B面3、C面4のどこにレーザ照射するかによって補正係数を変化させる必要がある。しかし、入射角度ずれが無視できるぐらいに小さい場合には、補正を行わなくても構わない。
【００４５】
また、タイムオブフライト法を採用した非接触振動計測計でも構わない。これを用いた場合には、光干渉方式と比較して、より遠方から測定することが可能になる。
【００４６】
以上、本発明者らによってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４７】
1・・・3軸振動計測治具  2・・・A面  3・・・B面  4・・・C面  5・・・測定対象  ６・・・非接触振動計測計  7・・・コントローラ  8・・・レーザ  9・・・加速度計  10・・・加速度計測定データ  11・・・非接触振動計測計測定データ  12・・・測定対象振動データ  50〜55・・・処理フロー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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