[發(fā)明專利]物理量傳感器和物理量計(jì)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010131486.4
• 申請(qǐng)日: 2010-03-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102192707A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 上野達(dá)也
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 株式會(huì)社山武
• 主分類號(hào): G01B11/02
• 分類號(hào): G01B11/02;G01P5/26;G01D5/34
• 代理公司: 上海市華誠(chéng)律師事務(wù)所 31210
• 代理人: 孫敬國(guó)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及物理量傳感器和物理量計(jì)測(cè)方法，該物理量傳感器根據(jù)半導(dǎo)體激光器放射的激光與物體的返回光的自混合效應(yīng)產(chǎn)生的干涉的信息，計(jì)測(cè)物體的位移、速度。

背景技術(shù)

FMCW(Frequency?Modulated?Continuous?Wave)雷達(dá)和駐波雷達(dá)、自混合型激光傳感器等的采用干涉原理進(jìn)行位移(速度)測(cè)定的方法中，在基于拍頻和干涉條紋的頻率計(jì)算測(cè)定對(duì)象的位移和速度時(shí)，一般采用FFT(Fast?Fourier?Transform)等的信號(hào)處理或干涉條紋的計(jì)數(shù)處理。但是存在著這樣的問(wèn)題，為了通過(guò)FFT實(shí)現(xiàn)高分辨能力，需要很長(zhǎng)的取樣時(shí)間和較高的取樣周期的數(shù)據(jù)，因此需要非常多的處理時(shí)間。又，在干涉條紋的計(jì)數(shù)處理中，為了測(cè)定未滿半波長(zhǎng)的位移，需要使傳感器進(jìn)行物理振動(dòng)，或?qū)Ω缮鏃l紋的振幅進(jìn)行解析，這樣則存在著只能計(jì)測(cè)作為測(cè)定對(duì)象的周期運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)的問(wèn)題以及、干涉條紋的計(jì)數(shù)處理耗費(fèi)時(shí)間的問(wèn)題。

一方面，發(fā)明者提出了利用半導(dǎo)體激光的自混合效應(yīng)的波長(zhǎng)調(diào)制型的激光計(jì)測(cè)器(參照專利文獻(xiàn)1)。該激光計(jì)測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖20所示。圖20的激光計(jì)測(cè)器具有：對(duì)物體210放射激光的半導(dǎo)體激光器201；將半導(dǎo)體激光器201的光輸出變換為電信號(hào)的光電二極管202；透鏡203，該透鏡對(duì)來(lái)自半導(dǎo)體激光器201的光進(jìn)行集光并將該光照射到物體210，同時(shí)對(duì)物體210的返回光進(jìn)行激光使其入射到半導(dǎo)體激光器201；使得半導(dǎo)體激光器201在振蕩波長(zhǎng)連續(xù)增加的第一振動(dòng)期間和振動(dòng)波長(zhǎng)連續(xù)減少的第二振蕩期間交替反復(fù)的激光驅(qū)動(dòng)器204；將光電二極管202的輸出電流變換為電壓并放大的電流-電壓變換放大器205；將電流-電壓變換放大器205的輸出電壓二次微分的信號(hào)提取電路206；對(duì)信號(hào)提取電路206的輸出電壓中包含的MHP的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路207；計(jì)算與物體210的距離和物體210的速度的計(jì)算裝置208；顯示計(jì)算裝置208的計(jì)算結(jié)果的顯示裝置209。

激光驅(qū)動(dòng)器204將隨著時(shí)間以與規(guī)定的變化率反復(fù)增減的三角波驅(qū)動(dòng)電流作為注入電流提供給半導(dǎo)體激光器201。由此，對(duì)半導(dǎo)體激光器201進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使得振蕩波長(zhǎng)以規(guī)定的變化率連續(xù)增加的第一振動(dòng)期間和振蕩波長(zhǎng)以規(guī)定的變化率連續(xù)減少的第二振動(dòng)期間交替反復(fù)。圖21是顯示半導(dǎo)體激光器201的振蕩波長(zhǎng)的時(shí)間變化的示意圖。圖21中，P1為第一振蕩期間，P2為第二振蕩期間，λa為各期間振蕩波長(zhǎng)的最小值、λb為各期間振蕩波長(zhǎng)的最大值、Tt為三角波的周期。

從半導(dǎo)體激光器201出射的激光由透鏡203集光，入射到物體210。由物體210反射的光通過(guò)透鏡203集光入射到半導(dǎo)體激光器201。光電二極管202將半導(dǎo)體激光器201的光輸出變換為電流。電流-電壓變換放大器205將光電二極管202的輸出電流變換為電壓并放大，信號(hào)提取電路206對(duì)電流-電壓變換放大器205的輸出電壓進(jìn)行二次微分。計(jì)數(shù)電路207針對(duì)第一振蕩期間P1和第二振蕩期間P2分別對(duì)包含在信號(hào)提取電路206的輸出電壓中的模跳脈沖(MHP)的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)算裝置208根據(jù)半導(dǎo)體激光器201的最小振蕩波長(zhǎng)λa、最大振蕩波長(zhǎng)λb、第一振蕩期間P1中的MHP的個(gè)數(shù)和第二振蕩期間P2中的MHP的個(gè)數(shù)，計(jì)算出與物體210的距離和物體210的速度。根據(jù)這樣的自混合型的激光計(jì)測(cè)器，可以進(jìn)行半導(dǎo)體激光器201的半波長(zhǎng)程度的分辨能力的位移計(jì)測(cè)，和與半導(dǎo)體激光器201的波長(zhǎng)調(diào)制量成反比的分辨能力的距離計(jì)測(cè)。

專利文獻(xiàn)1日本特開(kāi)2006-313080號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明所要解決的問(wèn)題

根據(jù)自結(jié)合型激光計(jì)測(cè)器，和從前的FMCW雷達(dá)和駐波雷達(dá)、自混合型激光傳感器等相比，可以以高分辨能力計(jì)測(cè)測(cè)定對(duì)象的位移和速度。但是，自結(jié)合型激光計(jì)測(cè)器由于和FFT一樣其計(jì)算位移和速度需要一定程度的計(jì)測(cè)時(shí)間(在專利文獻(xiàn)1的例子中，是指半導(dǎo)體激光器的振蕩波長(zhǎng)調(diào)制的載波的半周期)，因此存在著在速度變化快的測(cè)定對(duì)象的計(jì)測(cè)中產(chǎn)生計(jì)測(cè)誤差的問(wèn)題。又，由于信號(hào)處理中需要對(duì)MHP的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此還存在著難以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的未滿半波長(zhǎng)的分辨能力的問(wèn)題。

本發(fā)明為了解決上述課題，旨在提供一種能夠以高的分辨能力計(jì)測(cè)物體的位移和速度，并能縮短計(jì)測(cè)所需的時(shí)間的物理量傳感器和物理量計(jì)測(cè)方法。

解決問(wèn)題的手段