專利名稱：物理量傳感器以及物理量測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)由于從半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光與從物體返回的返回光的自混合效應(yīng)而產(chǎn)生的干涉的信息，對物體的位移、速度進(jìn)行測量的物理量傳感器以及物理量測量方法。
背景技術(shù)：
關(guān)于FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)雷達(dá)或駐波雷達(dá)、自混合型激光器傳感器等的、利用干涉原理的位移(速度)測定方法，在基于脈動或干涉條紋的頻率算出測定對象的位移、速度時一般采用FFT(快速傅里葉變換)等的信號處理、干涉條紋的計數(shù)處理等。但是，為了通過FFT實現(xiàn)高分辨率，需要長的采樣時間和高的采樣周期的數(shù)據(jù)，存在需要巨大的處理時間這樣的問題。又，關(guān)于干涉條紋的計數(shù)處理，為了測量不到半波長的位移，需要使傳感器進(jìn)行物理振動，或者進(jìn)行干涉條紋的振幅的分析，存在只能對作為測定對象的周期運動的振動進(jìn)行測量這樣的問題，進(jìn)一步存在干涉條紋的計數(shù)處理需要花費時間這樣的問題。
另一方面，發(fā)明者提出了一種使用半導(dǎo)體激光器的自混合效應(yīng)的波長調(diào)制型激光測量器(參照專利文獻(xiàn)I)。該激光測量器的構(gòu)成如圖15所示。圖15的激光測量器包括半導(dǎo)體激光器201，其向物體210發(fā)射激光；光電二極管202，其將半導(dǎo)體激光器201的光輸出變換為電信號；透鏡203，其將來自半導(dǎo)體激光器201的光聚光并照射到物體210，并將從物體210返回的光聚光使其入射到半導(dǎo)體激光器201中；激光器驅(qū)動器204，其使半導(dǎo)體激光器201的振蕩波長連續(xù)地增加的第I振蕩期間與振蕩波長連續(xù)地減少的第2振蕩期間交替反復(fù)；電流-電壓變換放大部205，其將光電二極管202的輸出電流變換為電壓并放大；信號提取電路206，其將電流-電壓變換放大部205的輸出電壓進(jìn)行2次微分；計數(shù)裝置207，其對信號提取電路206的輸出電壓中所含有的MHP的數(shù)量計數(shù)；運算裝置208，其計算出與物體210的距離以及物體210的速度；以及，顯示裝置209，顯示運算裝置208的算出結(jié)果。激光器驅(qū)動器204將相對于時間以一定的變化率反復(fù)增減的三角波驅(qū)動電流作為注入電流提供給半導(dǎo)體激光器201。由此，半導(dǎo)體激光器201被驅(qū)動為振蕩波長以一定的變化率連續(xù)地增加的第I振蕩期間與振蕩波長以一定的變化率連續(xù)地減少的第2振蕩期間交替反復(fù)。圖16是示出半導(dǎo)體激光器201的振蕩波長隨時間變化的圖。在圖16中，Pl是第I振蕩期間，P2是第2振蕩期間，\ a是各期間的振蕩波長的最小值，\ b是各期間的振蕩波長的最大值，Tt是三角波的周期。從半導(dǎo)體激光器201出射的激光通過透鏡203被聚光之后入射到物體210中。由物體210反射的光通過透鏡203被聚光之后入射到半導(dǎo)體激光器201中。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-電壓變換放大部205將光電二極管202的輸出電流變換為電壓并放大，信號提取電路206對電流-電壓變換放大部205的輸出電壓進(jìn)行2次微分。計數(shù)裝置207對信號提取電路206的輸出電壓中所含有的跳模脈沖(MHP)的數(shù)量分別就第I振蕩期間Pl和第2振蕩期間P2進(jìn)行計數(shù)?；诎雽?dǎo)體激光器201的最小振蕩波長\ a、最大振蕩波長\ b、第I振蕩期間Pl的MHP的數(shù)量以及第2振蕩期間P2的MHP的數(shù)量，運算裝置208計算出與物體210的距離以及物體210的速度。根據(jù)這樣的自混合型的激光測量器，能夠進(jìn)行約半導(dǎo)體激光器201的半波長的分辨率的位移測量和與半導(dǎo)體激光器201的波長調(diào)制量成反比例的分辨率的距離測量。專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I日本特開2006-313080號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的問題 與現(xiàn)有的FMCW雷達(dá)或駐波雷達(dá)、自混合型激光器傳感器等相比，根據(jù)自混合型的激光測量器，能夠以高的分辨率測量測定對象的位移、速度。但是，采用自混合型的激光測量器的話，由于和FFT相同地，位移、速度的算出需要一定的時間(在專利文獻(xiàn)I中，半導(dǎo)體激光器的振蕩波長調(diào)制的載波的半周期)，因此有在速度的變化快的測定對象的測量中產(chǎn)生測量誤差這樣的問題。又，由于在信號處理中需要對MHP的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)，因此存在難以實現(xiàn)不到半導(dǎo)體激光器的半波長的分辨率這樣的問題。本發(fā)明是為了解決上述課題而作出，其目的是提供能夠以高的分辨率測量物體的位移、速度，且能夠縮短測量所需要的時間的物理量傳感器以及物理量測量方法。解決課題的手段本發(fā)明的物理量傳感器的特征在于包括向測定對象發(fā)射激光的半導(dǎo)體激光器；振蕩波長調(diào)制單元，其使所述半導(dǎo)體激光器動作，以使得振蕩波長連續(xù)地單調(diào)增加的第I振蕩期間和振蕩波長連續(xù)地單調(diào)減少的第2振蕩期間中的至少一個反復(fù)存在；檢測單元，其對含有干涉波形的電信號進(jìn)行檢測，該干涉波形是由于從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光與從所述測定對象返回的返回光的自混合效應(yīng)而產(chǎn)生的；信號提取單元，其在每次輸入干涉波形時，對該檢測單元的輸出信號中所包含的所述干涉波形的周期進(jìn)行測量；以及運算單元，其基于該信號提取單元所測量的各個周期算出所述測定對象的位移和速度中的至少一方。又，在本發(fā)明的物理量傳感器的I個構(gòu)成例中，所述運算單元根據(jù)測量所述干涉波形的周期的采樣時鐘的頻率、基準(zhǔn)周期、所述半導(dǎo)體激光器的平均波長以及所述信號提取單元所測量的周期的相對于所述基準(zhǔn)周期的變化量，算出所述測定對象的位移和速度中的至少一方。又，本發(fā)明的物理量傳感器的I個構(gòu)成例進(jìn)一步具有載波調(diào)整單元，其能夠?qū)λ霭雽?dǎo)體激光器的振蕩波長調(diào)制的載波的振幅或者頻率進(jìn)行調(diào)整。又，在本發(fā)明的物理量傳感器的I個構(gòu)成例中，所述載波調(diào)整單元調(diào)整所述載波的振幅或者頻率，使得所述測定對象為靜止時的所述干涉波形的周期或者即將調(diào)整之前所測量的規(guī)定數(shù)量的干涉波形的周期的平均值為被預(yù)先規(guī)定的周期。又，在本發(fā)明的物理量傳感器的I個構(gòu)成例中，所述被預(yù)先規(guī)定的周期是與物理量傳感器能處理的干涉波形的最高頻率的1/2的值相對應(yīng)的周期。又，在本發(fā)明的物理量傳感器的I個構(gòu)成例中，所述載波調(diào)整單元將所述載波的振幅或者頻率減小規(guī)定量。
又，在本發(fā)明的物理量傳感器的I個構(gòu)成例中，所述載波調(diào)整單元將所述載波的振幅或者頻率增大規(guī)定量。又，在本發(fā)明的物理量傳感器的I個構(gòu)成例中，所述運算單元將所述測定對象為靜止時的所述干涉波形的周期設(shè)為所述基準(zhǔn)周期。又，本發(fā)明的物理量傳感器的I個構(gòu)成例進(jìn)一步包含計數(shù)單元，其就各個所述第I振蕩期間和所述第2振蕩期間對所述檢測單元的輸出信號中所包含的所述干涉波形的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)；距離算出單元，其根據(jù)通過該計數(shù)單元對干涉波形的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)的期間中的最小振蕩波長、最大振蕩波長和所述計數(shù)單元的計數(shù)結(jié)果，算出與所述測定對象的距離；以及周期算出單元，其根據(jù)該距離算出單元所算出的距離，求出所述干涉波形的周期，所述運算單元將所述周期算出單元求出的周期設(shè)為所述基準(zhǔn)周期。
又，本發(fā)明的物理量傳感器的I個構(gòu)成例進(jìn)一步包含計數(shù)單元，其就各個所述第I振蕩期間和所述第2振蕩期間對所述檢測單元的輸出信號中所包含的所述干涉波形的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)；距離比例個數(shù)算出單元，其通過算出所述干涉波形的數(shù)量的平均值，求出與所述半導(dǎo)體激光器和所述測定對象的平均距離成比例的、作為干涉波形的數(shù)量的距離比例個數(shù)；以及周期算出單元，其根據(jù)所述距離比例個數(shù)算出所述干涉波形的周期，所述運算單元將所述周期算出單元求出的周期設(shè)為所述基準(zhǔn)周期。又，本發(fā)明的物理量測量方法的特征在于包括振蕩步驟，其使所述半導(dǎo)體激光器動作，以使得振蕩波長連續(xù)地單調(diào)增加的第I振蕩期間和振蕩波長連續(xù)地單調(diào)減少的第2振蕩期間中的至少一個反復(fù)存在；檢測步驟，其對含有干涉波形的電信號進(jìn)行檢測，該干涉波形是由于從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光與從所述測定對象返回的返回光的自混合效應(yīng)而產(chǎn)生的；信號提取步驟，其在每次輸入干涉波形時，對通過該檢測步驟得到的輸出信號中所包含的所述干涉波形的周期進(jìn)行測量；以及運算步驟，其基于通過該信號提取步驟測量到的各個周期算出所述測定對象的位移和速度中的至少一方。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，通過根據(jù)測量了的各個干涉波形的周期進(jìn)行計算，能夠以比現(xiàn)有技術(shù)高的分辨率測量測定對象的位移、速度。又，采用現(xiàn)有的自混合型的激光測量器的話，需要花費載波的半周期的測量時間，而在本發(fā)明中，由于能夠根據(jù)各個干涉波形的周期求出測定對象的位移、速度，因此能夠大幅度地縮短測量所需要的時間，也能夠應(yīng)對速度變化快的測定對象。又，在本發(fā)明中，通過設(shè)置能夠調(diào)整半導(dǎo)體激光器的振蕩波長調(diào)制的載波的振幅或者頻率的載波調(diào)整單元，能夠從將關(guān)于測定對象的速度的測量的動態(tài)范圍設(shè)為最大，或者使位移、速度的分辨率提高，或者使位移、速度的測量精度提高這三個項目中，適當(dāng)?shù)剡x擇想要重視的項目。


圖I是示出本發(fā)明的第I實施形態(tài)所涉及的物理量傳感器的構(gòu)成的框圖。圖2是示意性地示出本發(fā)明的第I實施形態(tài)的電流-電壓變換放大部的輸出電壓波形及濾波部的輸出電壓波形的波形圖。圖3是對跳模脈沖進(jìn)行說明的圖。
圖4是示出半導(dǎo)體激光器的振蕩波長與光電二極管的輸出波形的關(guān)系的圖。圖5是示出本發(fā)明的第I實施形態(tài)所涉及的信號提取部的構(gòu)成例的框圖。圖6是說明本發(fā)明的第I實施形態(tài)的信號提取部的動作的圖。圖7是示出本發(fā)明的第2實施形態(tài)所涉及的物理量傳感器的構(gòu)成的框圖。圖8是說明在本發(fā)明的第2實施形態(tài)中從激光器驅(qū)動器被供給至半導(dǎo)體激光器的三角波驅(qū)動電流的振幅的調(diào)整方法的圖。圖9是示出本發(fā)明的第4實施形態(tài)的運算部的構(gòu)成例的框圖。圖10是示出本發(fā)明的第5實施形態(tài)的運算部的構(gòu)成例的框圖。圖11是示出本發(fā)明的第5實施形態(tài)的計數(shù)部的計數(shù)結(jié)果隨時間變化的一個實例 的圖。圖12是示出本發(fā)明的第5實施形態(tài)的計數(shù)部的計數(shù)結(jié)果隨時間變化的另一個實例的圖。圖13是示出本發(fā)明的第6實施形態(tài)的半導(dǎo)體激光器的振蕩波長隨時間變化的另一個實例的圖。圖14是示出本發(fā)明的第7實施形態(tài)所涉及的物理量傳感器的構(gòu)成的框圖。圖15是示出現(xiàn)有的激光測量器的構(gòu)成的框圖。圖16是示出圖15的激光測量器中的半導(dǎo)體激光器的振蕩波長隨時間變化的一個實例的圖。符號的說明I…半導(dǎo)體激光器、2…光電二極管、3…透鏡、4…激光器驅(qū)動器、5…電流-電壓變換放大部、6…濾波部、7…信號提取部、8…運算部、9…顯示部、10…物體、11…載波調(diào)整部、12…電壓檢測部、70…二值化部、71…周期測定部、80…物理量算出部、81，84…計數(shù)部、82…距離算出部、83…周期算出部、85…存儲部、86…距離比例個數(shù)算出部、87…符號賦予部、88…周期算出部。
具體實施例方式(第I實施形態(tài))下面，參照附圖對本發(fā)明的實施形態(tài)進(jìn)行說明。圖I是示出本發(fā)明的第I實施形態(tài)的物理量傳感器的構(gòu)成的框圖。圖I的物理量傳感器包括半導(dǎo)體激光器1，其向作為測定對象的物體10發(fā)射激光；光電二極管2，其將半導(dǎo)體激光器I的光輸出變換為電信號；透鏡3，其將來自半導(dǎo)體激光器I的光聚光并照射，且將從物體10返回的返回光聚光使其入射到半導(dǎo)體激光器I中；激光器驅(qū)動器4，其成為驅(qū)動半導(dǎo)體激光器I的振蕩波長調(diào)制單元；電流-電壓變換放大部5，其將光電二極管2的輸出電流變換為電壓并放大；濾波部6，其從電流-電壓變換放大部5的輸出電壓中去除載波；信號提取部7，其對濾波部6的輸出電壓中所含有的作為自混合信號的跳模脈沖(以下稱MHP)的周期進(jìn)行測量；運算部8，其基于信號提取部7所測量的每個周期計算出物體10的位移、速度；以及，顯示裝置9，其顯示運算部8的計算結(jié)果。光電二極管2和電流-電壓變換放大部5構(gòu)成檢測單元。下面，為了易于說明，假設(shè)半導(dǎo)體激光器I使用的是不具有模跳現(xiàn)象的類型(VCSEL型、DFB激光型)。
激光器驅(qū)動器4將相對于時間以一定的變化率反復(fù)增減的三角波驅(qū)動電流作為注入電流提供給半導(dǎo)體激光器I。由此，半導(dǎo)體激光器I與注入電流的大小成比例地被驅(qū)動，使得其振蕩波長以一定的變化率連續(xù)地增加的第I振蕩期間Pl與振蕩波長以一定的變化率連續(xù)地減少的第2振蕩期間P2交替反復(fù)。此時的半導(dǎo)體激光器I的振蕩波長隨時間的變化如圖16所示。在本實施形態(tài)中，半導(dǎo)體激光器I的振蕩波長的變化速度需要是一定的。從半導(dǎo)體激光器I出射的激光通過透鏡3被聚光并入射到物體10上。由物體10反射的光通過透鏡3被聚光并入射到半導(dǎo)體激光器I上。但并不是一定要通過透鏡3聚光。光電二極管2配置于半導(dǎo)體激光器I的內(nèi)部或者其附近，將半導(dǎo)體激光器I的光輸出變換為電流。電流-電壓變換放大部5將光電二極管2的輸出電流變換為電壓并放大。濾波部6具有從調(diào)制波中提取出疊加信號的功能。圖2(A)是示意性地示出電流-電壓變換放大部5的輸出電壓波形的圖，圖2 (B)是示意性地示出濾波部6的輸出電壓波形的圖。這些圖表示如下的過程，首先從與光電二極管2的輸出相當(dāng)?shù)膱D2(A)的波形(調(diào)制波)中去除圖2的半導(dǎo)體激光器I的振蕩波形(載波)，再提取出圖2 (B)的MHP波 形(干涉波形)。接著，信號提取部7在每次產(chǎn)生MHP時，對濾波部6的輸出電壓中所包含的MHP的周期進(jìn)行測量。在這里對作為自混合信號的MHP進(jìn)行說明。如圖3所示，假設(shè)鏡層1013距物體10的距離為L、激光器的振蕩波長為\，在滿足下面的諧振條件時，從物體10返回的返回光與半導(dǎo)體激光器I的光諧振器內(nèi)的激光強度值疊加，激光輸出略有增加。L=q 入/2... (I)在算式(I)中，q是整數(shù)。即使來自物體10的散射光非常微弱，通過增加半導(dǎo)體激光器I的諧振器內(nèi)的表觀反射率，產(chǎn)生放大作用，也可以充分地觀測到該現(xiàn)象。圖4是示出使半導(dǎo)體激光器I的振蕩波長以一定的比例變化時、振蕩波長與光電二極管2的輸出波形的關(guān)系的圖。在滿足算式(I)所示的L=qX/2時，返回光與光諧振器內(nèi)的激光的相位差為0° (同相位)，返回光與光諧振器內(nèi)的激光為最強值疊加，L=q X/2+X/4時，相位差為180° (逆相位)，返回光與光諧振器內(nèi)的激光為最弱值疊加。因此，如果使半導(dǎo)體激光器I的振蕩波長變化，激光輸出變強的狀態(tài)與變?nèi)醯臓顟B(tài)交替反復(fù)出現(xiàn)，如果通過光電二極管2檢測此時的激光輸出，則可以得到如圖4所示的一定周期的階梯狀的波形。這樣的波形一般被稱為干涉條紋。該階梯狀的波形，即各個干涉條紋就是MHP。如前所述，在某一定的時間內(nèi)使半導(dǎo)體激光器I的振蕩波長變化時，MHP的數(shù)量與測定距離成比例地變化。圖5是示出信號提取部7的構(gòu)成例的方框圖。信號提取部7包括二值化部70和周期測定部71。圖6 (A) 圖6⑶是對信號提取部7的動作進(jìn)行說明的圖，圖6 (A)是示意性地示出濾波部6的輸出電壓的波形、即MHP的波形的圖，圖6(B)是示出與圖6(A)對應(yīng)的二值化部70的輸出的圖，圖6(C)是示出輸入到信號提取部7中的采樣時鐘CLK的圖，圖6(D)是示出與圖6(B)對應(yīng)的周期測定部71的測定結(jié)果的圖。首先，信號提取部7的二值化部70對圖6(A)所示的濾波部6的輸出電壓是高電平(H)還是低電平(L)進(jìn)行判斷，并輸出如圖6(B)所示的判斷結(jié)果。此時，在濾波部6的輸出電壓上升達(dá)到閾值THl以上時，二值化部70判斷為高電平，在濾波部6的輸出電壓下降達(dá)到閾值TH2(TH2〈TH1)以下時，二值化部70判斷為低電平，由此將濾波部6的輸出二值化。周期測定部71在每次產(chǎn)生上升沿時，對二值化部70的輸出的上升沿的周期(即、MHP的周期)進(jìn)行測量。此時，周期測定部71以圖6(C)所示的采樣時鐘CLK的周期作為一個單位對MHP的周期進(jìn)行測定。在圖6 (D)的實例中，周期測定部71依次測定T a、T P、T Y作為MHP的周期。從圖6(C)、圖6(D)可知，周期Ta、TP、Ty的大小分別是5 [samplings]、4[samplings]、2samplings]。采樣時鐘CLK的頻率要充分高于MHP的能取得的最高頻率。接著，運算部8基于信號提取部7的測量結(jié)果，根據(jù)各個MHP的周期的變化算出物體10的位移、速度。將采樣時鐘的頻率設(shè)為fad[Hz]、將基準(zhǔn)周期設(shè)為NO [samplings]、將半導(dǎo)體激光器I的振蕩平均波長設(shè)為、[m]、假設(shè)運算對象的MHP的周期從基準(zhǔn)周期NO增長n [samplings],如下算式獲得該運算對象的MHP的周期的物體10的位移D[m]。D=nXA/(2XN0)... (2) 基準(zhǔn)周期NO是指物體10靜止時的MHP周期，或者所算出的距離的MHP的周期。運算對象的MHP的周期從基準(zhǔn)周期NO變短n [samplings]的情況下,將算式(2)的周期變化量n的符號變?yōu)樨?fù)號即可。關(guān)于半導(dǎo)體激光器I的振蕩波長為增加的第I振蕩期間P1，位移D為正時，物體10的移動方向是遠(yuǎn)離半導(dǎo)體激光器I的方向，位移D為負(fù)時，物體10的移動方向是靠近半導(dǎo)體激光器I的方向。又，關(guān)于振蕩波長為減少的第2振蕩期間P2，位移D為正時，物體10的移動方向是靠近半導(dǎo)體激光器I的方向，位移D為負(fù)時，物體10的移動方向是遠(yuǎn)離半導(dǎo)體激光器I的方向。又，根據(jù)基準(zhǔn)周期TO能夠算出與物體10的距離。作為算出方法有在專利文獻(xiàn)I中使位移為0而算出的方法。又，由于運算對象的MHP的周期是(NO+N)/fad，所以運算對象的MHP的周期中的物體10的速度V[m/s]如下算式獲得。V=nX 入 / (2 XNO) X fad/ (N0+n)... (3)運算部8能夠通過算式(2)算出物體10的位移D，且能夠通過算式(3)算出物體10的速度V。例如將采樣時鐘的頻率fad設(shè)為16 [Hz]、將基準(zhǔn)周期NO設(shè)為160 [samplings]、將半導(dǎo)體激光器I的平均波長設(shè)為850 [nm]、假設(shè)運算對象的MHP的周期從基準(zhǔn)周期NO增長I [samplings],能夠計算出運算對象的MHP的周期中的物體10的位移D是5. 31 [nm]、速度V是1.05[mm/S]。運算部8在每次產(chǎn)生MHP時，進(jìn)行以上那樣的算出處理。顯示部9顯示運算部8的算出結(jié)果。這里，將半導(dǎo)體激光器I的振蕩波長調(diào)制的載波(三角波)的每個半周期的、與和物體10的距離相關(guān)聯(lián)的MHP的數(shù)量設(shè)為NI。如果在將物體10的平均速度的絕對值換算為每個載波半周期的位移時，將物體10的平均速度的絕對值設(shè)為X/2 XNa，則每個載波半周期的MHP的數(shù)量則為Nl+Na或者Nl-Na。每個載波半周期的位移以X /2 XNb的速度移動時，每個載波半周期的MHP數(shù)量則為Nl+Nb或者Nl-Nb，由此觀測與該數(shù)量對應(yīng)的MHP的周期。要求得物體10的位移D和速度V，只要從各個MHP的周期對每個載波半周期的MHP的數(shù)量進(jìn)行逆運算，從該MHP的數(shù)量計算出物體10的位移D和速度V即可。上述的算式(2)、算式(3)是基于這樣的導(dǎo)出原理。又，上述的平均速度是指某I個MHP間的平均速度。采用在專利文獻(xiàn)I中所揭示的自混合型激光測量器的話，物體的位移、速度的分辨率是半導(dǎo)體激光器的半波長X/2左右。相對于此，在本實施形態(tài)中，由于位移D和速度V的分辨率是X/2Xn/N0，因此能夠?qū)崿F(xiàn)不到半波長X/2的分辨率，從而能夠?qū)崿F(xiàn)比現(xiàn)有技術(shù)聞的分辨率的測量。如上所述，在本實施形態(tài)中，能夠以比現(xiàn)有技術(shù)高的分辨率對物體10的位移D和速度V進(jìn)行測量。又，采用在專利文獻(xiàn)I中所揭示的自混合型的激光測量器的話，要花費載波的半周期的測量時間，而在本實施形態(tài)中，由于能夠從各個MHP的周期求出物體10的位移D和速度V，因此能夠大幅度地縮短測量所需要的時間，也能夠應(yīng)對速度變化快的物體10。又，由于各個MHP的周期即使物體10為靜止，以正態(tài)分布也存在偏差，因此最好對算出了的位移施行移動平均等的處理。又，在本實施形態(tài)中，雖然對物體10的位移和速度雙方進(jìn)行測量，但是也可以僅對任一方進(jìn)行測量。(第2實施形態(tài))·下面，對本發(fā)明的第2實施形態(tài)進(jìn)行說明。圖7是示出本發(fā)明的第2實施形態(tài)所涉及的物理量傳感器的結(jié)構(gòu)的框圖，與圖I相同的結(jié)構(gòu)標(biāo)注相同符號。本實施形態(tài)的物理量傳感器相對于第I實施形態(tài)的物理量傳感器增加了載波調(diào)整部11。載波調(diào)整部11是在物體10為靜止的初期設(shè)定時，例如根據(jù)由操作者所輸入的載波調(diào)整指示信號，通過激光器驅(qū)動器4對三角波驅(qū)動電流的振幅(載波的振幅)進(jìn)行調(diào)整，以使得信號提取部7測量了的MHP的周期T為被預(yù)先規(guī)定的周期T0。這里，被預(yù)先規(guī)定的周期TO是與物理量傳感器能處理的MHP的最高頻率fmax的1/2的值對應(yīng)的周期(T0=2/fmax)。物理量傳感器能處理的MHP的最高頻率fmax通過在物理量傳感器的電路(例如電流-電壓變換放大部5中所包含的運算放大器)來決定。圖8是用于說明從激光器驅(qū)動器4被供給至半導(dǎo)體激光器I的三角波驅(qū)動電流的振幅的調(diào)整方法的圖。激光器驅(qū)動器4根據(jù)來自載波調(diào)整部11的指示，將驅(qū)動電流的直流成分(DC偏置)CB固定為一定值，就在該狀態(tài)下對驅(qū)動電流的振幅AMP進(jìn)行調(diào)整。如本實施形態(tài)那樣，將測量到的MHP的周期設(shè)定為被預(yù)先規(guī)定的周期TO的話，能夠使關(guān)于物體10的速度V的測量的動態(tài)范圍最大。又，載波調(diào)整部11也可以通過激光器驅(qū)動器4對三角波驅(qū)動電流的頻率(載波的頻率)進(jìn)行調(diào)整，使得信號提取部7所測量的MHP的周期T為被預(yù)先規(guī)定的周期T0。又，雖然在本實施形態(tài)中，將用于調(diào)整的MHP的周期T設(shè)置為物體10在靜止?fàn)顟B(tài)的周期，但是也不限于此，也可以將即將調(diào)整之前被測量到的規(guī)定數(shù)量的MHP的周期的移動平均作為周期T，對載波的振幅或者頻率進(jìn)行調(diào)整。本實施形態(tài)適用于已知物體10為振動時或者已知物體10的速度較大的時候。(第3實施形態(tài))下面，對本發(fā)明的第3實施形態(tài)進(jìn)行說明。在本實施形態(tài)中，傳感器的構(gòu)成與第2實施形態(tài)相同，因此采用圖7的符號進(jìn)行說明。物體10的位移D和速度V的分辨率與在MHP的I個周期所包含的采樣時鐘數(shù)量成比例地提高。半導(dǎo)體激光器I與物體10的距離變遠(yuǎn)的話，MHP的頻率增高(MHP的個數(shù)變多)，因此，MHP的I個周期所包含的采樣時鐘數(shù)量減少，則位移D和速度V的分辨率降低。gp，與物體10的距離變?yōu)锳倍的話，在MHP的I個周期所包含的采樣時鐘數(shù)量減少為1/A倍，位移D和速度V的分辨率變壞A倍。 這里，在根據(jù)與物體10的距離較遠(yuǎn)等的理由，重視位移D和速度V的分辨率的情況下，也可以進(jìn)行和第2實施形態(tài)不同的調(diào)整。即，例如由操作者輸入分辨率重視調(diào)整指示信號的話，載波調(diào)整部11通過激光器驅(qū)動器4將三角波驅(qū)動電流的振幅或者頻率(載波的振幅或者頻率)從之前的值減小規(guī)定量。調(diào)整使得載波的振幅或者頻率變小的話，即使與物體10的距離相同，與調(diào)整前相比，MHP的周期變長，因此能夠增加MHP的I個周期所包含的采樣時鐘數(shù)量，且能夠使位移D和速度V的分辨率提高。又，作為初期的調(diào)整方法，使用在第2實施形態(tài)中說明了的調(diào)整方法即可。 又，與物體10的距離較遠(yuǎn)的情況下，MHP的周期變短，位移D和速度V的分辨率降低，但是由于MHP的個數(shù)增多，MHP的周期的頻數(shù)分布是大致高斯分布，因此能夠精度良好地求出基準(zhǔn)周期。相反地，與物體10的距離較近的情況下，MHP的周期增長，位移D和速度V的分辨率提高，但是由于MHP的周期的高斯分布的分散是與周期成比例地增大，MHP的個·數(shù)也減少，因此基準(zhǔn)周期的精度降低。這里，在根據(jù)與物體10的距離較近等的理由，重視測量精度的情況下，也可以進(jìn)行以下那樣的調(diào)整。即，例如由操作者輸入精度重視調(diào)整指示信號的話，載波調(diào)整部11通過激光器驅(qū)動器4將三角波驅(qū)動電流的振幅或者頻率(載波的振幅或者頻率)從之前的值增大規(guī)定量。由此，能夠使MHP的基準(zhǔn)周期的精度提高，且能夠使位移D和速度V的測量精度提高。(第4實施形態(tài))下面，對本發(fā)明的第4實施形態(tài)進(jìn)行說明。在第I實施形態(tài)中，將基準(zhǔn)周期NO設(shè)為物體10為靜止?fàn)顟B(tài)的MHP的周期，但是本實施形態(tài)是對基準(zhǔn)周期NO的另外的求出方法進(jìn)行說明。圖9是示出本發(fā)明的第4實施形態(tài)所涉及的運算部8的構(gòu)成例的框圖。運算部8包括物理量算出部80、計數(shù)部81、距離算出部82和周期算出部83。雖然物理量傳感器的整體的結(jié)構(gòu)和第I 第3實施形態(tài)相同，但是需要半導(dǎo)體激光器I的振蕩波長的變化速度為一定，且振蕩波長的最大值Xb以及振蕩波長的最小值X a分別為一定，它們的差A(yù)b-Aa也是一定的。計數(shù)部81就各個第I振蕩期間Pl和第2振蕩期間P2對濾波部6的輸出電壓中所含有的MHP的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)。計數(shù)部81也可以利用由邏輯門構(gòu)成的計數(shù)器，也可以利用FFT (快速傅里葉變換)對MHP的頻率(即每單位時間的MHP的數(shù)量)進(jìn)行測量。接著，距離算出部82基于半導(dǎo)體激光器I的最小振蕩波長Xa、最大振蕩波長入b、以及計數(shù)部81所計算的MHP的數(shù)量，算出與物體10的距離。在本實施形態(tài)中，物體10的狀態(tài)是滿足規(guī)定的條件的微小位移狀態(tài)，或者比微小位移狀態(tài)活動大的位移狀態(tài)中的某一個。將振蕩期間Pl和振蕩期間P2的每I個期間的物體10的平均位移設(shè)為V時，微小位移狀態(tài)是指滿足U b- X a) / X b>V/Lb的狀態(tài)(但是，Lb是時刻t時的距離)，位移狀態(tài)是指滿足Ub-Xa)/Xb = V/Lb的狀態(tài)。首先，距離算出部82如下算式算出當(dāng)前時刻t的距離的候選值L a⑴，L @⑴和速度的候選值V a⑴，V P⑴。La ⑴=入 aX 入 bX (MHP(t-l)+MHP(t))/{4X (入 b-入 a)}…(4)L3 ⑴=入 aX 入 bX (|MHP(t-l)-MHP(t) |)/{4X (入 b-入 a)}...(5)Va (t) = (MHP (t_l) -MHP (t)) X 入 b/4... (6)(t) = (MHP(t-l)+MHP(t)) X 入 b/4 ... (7)在算式(4) (7)中，MHP (t)是當(dāng)前時刻t下所算出的MHP的數(shù)量，MHP(t-l)是在MHP⑴的上一次所算出的MHP的數(shù)量。例如，MHP(t)是第I振蕩期間Pl的計數(shù)結(jié)果的話，MHP(t-1)是第2振蕩期間P2的計數(shù)結(jié)果，相反地，MHP(t)是第2振蕩期間P2的計數(shù)結(jié)果的話，MHP(t-1)是第I振蕩期間Pl的計數(shù)結(jié)果。候選值La (t), Va (t)是假設(shè)物體10為微小位移狀態(tài)所計算的值，且候選值(t)，VP (t)是假設(shè)物體10為位移狀態(tài)所計算的值。距離算出部82在每個通過計數(shù)部81測定MHP的數(shù)量的時刻(每個振蕩期間)，進(jìn)行算式⑷ 算式(7)的計算。接著，距離算出部82如下算式就微小位移狀態(tài)和位移狀態(tài)的各狀態(tài)，分別算出作為當(dāng)前時刻t的距離的候選值與之前時刻的距離的候選值的差的歷史位移。又，在算式(8)、算式(9)中，將在當(dāng)前時刻t的前一次所算出的距離的候選值設(shè)為La (t-1)，LP (t-1)。Vcal a ⑴=La ⑴-L a (t-1)... (8)Vcal ^ (t) =L ^ (t) -L ^ (t_l)…(9)歷史位移Vcal a (t)是假設(shè)物體10為微小位移狀態(tài)所計算的值，且歷史位移 Vcal 3 (t)是假設(shè)物體10為位移狀態(tài)所計算的值。距離算出部82在每個通過計數(shù)部81測定MHP的數(shù)量的時刻，進(jìn)行算式(8) 算式(9)的計算。又，在算式(6) 算式(9)中，將物體10接近本實施形態(tài)的物理量傳感器的方向規(guī)定為正的速度，將遠(yuǎn)離的方向規(guī)定為負(fù)的速度。接著，距離算出部82使用算式(4) 算式(9)的算出結(jié)果對物體10的狀態(tài)進(jìn)行判斷。如在專利文獻(xiàn)I中所記載的那樣，距離算出部82在假設(shè)物體10為微小位移狀態(tài)而計算的歷史位移Vcal a (t)的符號一定、且假設(shè)物體10為微小位移狀態(tài)而計算的速度的候選值Va (t)和歷史位移Vcala (t)的絕對值的平均值是相等的情況下，判斷為物體10以微小位移狀態(tài)等速度運動。又，如在專利文獻(xiàn)I中所記載的那樣，距離算出部82在假設(shè)物體10為位移狀態(tài)而計算的歷史位移VcalP (t)的符號一定、且假設(shè)物體10為位移狀態(tài)而計算的速度的候選值
⑴和歷史位移Vcal P⑴的絕對值的平均值是相等的情況下，判斷為物體10以位移狀態(tài)等速度運動。又，如在專利文獻(xiàn)I中所記載的那樣，距離算出部82在假設(shè)物體10為微小位移狀態(tài)而計算的歷史位移Vcal a (t)的符號在每次測定MHP的數(shù)量的時刻反轉(zhuǎn)、且假設(shè)物體10為微小位移狀態(tài)而計算的速度的候選值V a (t)和歷史位移Vcal a (t)的絕對值的平均值不一致的情況下，判斷為物體10為以微小位移狀態(tài)進(jìn)行等速度運動以外的運動。又，注意速度的候選值VP (t)的話，(t)的絕對值是常數(shù)，該值等于半導(dǎo)體激光器I的波長變化率(X b- X a) / X b。因此，距離算出部82可以在假設(shè)物體10為位移狀態(tài)而計算的速度的候選值^^ (t)的絕對值和波長變化率相等、且假設(shè)物體10為微小位移狀態(tài)而計算的速度的候選值V a (t)和歷史位移Vcal a (t)的絕對值的平均值不一致的情況下，判斷為物體10以微小位移狀態(tài)進(jìn)行等速度運動以外的運動。又，如在專利文獻(xiàn)I中所記載的那樣，距離算出部82在假設(shè)物體10為位移狀態(tài)而計算的歷史位移VcalP (t)的符號在每次測定MHP的數(shù)量的時刻反轉(zhuǎn)、且假設(shè)物體10為位移狀態(tài)而計算的速度的候選值VP (t)和歷史位移VcalP (t)的絕對值的平均值不一致的情況下，判斷為物體10以位移狀態(tài)進(jìn)行等速度運動以外的運動。又，注意速度的候選值V a (t)的話，Va (t)的絕對值是常數(shù)，該值等于半導(dǎo)體激光器I的波長變化率(X b- X a) / X b。因此，距離算出部82可以在假設(shè)物體10為位移狀態(tài)而計算的速度的候選值V a (t)的絕對值和波長變化率相等、且假設(shè)物體10為微小位移狀態(tài)而計算的速度的候選值VP (t)和歷史位移VcalP (t)的絕對值的平均值不一致的情況下，判斷為物體10以微小位移狀態(tài)進(jìn)行等速度運動以外的運動。距離算出部82基于上述的判定結(jié)果確定與物體10的距離。即，距離算出部82是在判定為物體10以微小位移狀態(tài)等速度運動的情況下，將距離的候選值La (t)設(shè)為與物體10的距離，在判定為物體10以位移狀態(tài)等速度運動的情況下，將距離的候選值LP (t)設(shè)為與物體10的距離。又，距離算出部82在判定為物體以微小位移狀態(tài)進(jìn)行等速度運動以外的運動的情況下，將距離的候選值La (t)設(shè)為與物體10的距離。但是，實際的距離是距離的候選值La (t)的平均值。又，距離算出部82在判定為物體以位移狀態(tài)進(jìn)行等速度運動以外的運動的情況下，將距離的候選值L P (t)設(shè)為與物體10的距離。但是，實際的距離是距離的候選值L Mt)的平均值。 接著，周期算出部83根據(jù)距離算出部82所算出的距離求出MHP的周期。MHP的頻率與測量距離成比例，且MHP的周期與測量距離成反比例。在此，如果預(yù)先求出MHP的周期和距離的關(guān)系且登記到周期算出部83的數(shù)據(jù)庫(未圖示)中的話，周期算出部83能夠通過從數(shù)據(jù)庫取得與由距離算出部82所算出的距離對應(yīng)的MHP的周期，由此求出MHP的周期?；蛘撸绻A(yù)先求出表示MHP的周期和距離的關(guān)系且進(jìn)行設(shè)定的話，周期算出部83能夠通過將由距離算出部82所算出的距離代入算式中，由此算出MHP的周期。物理量算出部80將周期算出部83求出的周期設(shè)為基準(zhǔn)周期NO，基于信號提取部7的測量結(jié)果，根據(jù)各個MHP的周期的變化算出物體10的位移、速度。S卩，物理量算出部80通過在第I實施形態(tài)說明了的算式(2)算出物體10的位移D，通過算式(3)算出物體10的速度V。根據(jù)本實施形態(tài)，即使是在無法使之靜止的物體10的情況下，也能夠求出基準(zhǔn)周
期NO。(第5實施形態(tài))下面，對本發(fā)明的第5實施形態(tài)進(jìn)行說明。圖10是示出本發(fā)明的第5實施形態(tài)所涉及的運算部8的構(gòu)成例的框圖。運算部8包括物理量算出部80;對濾波部6的輸出電壓所包含的MHP的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)部84;存儲計數(shù)部84的計數(shù)結(jié)果等的存儲部85;通過算出計數(shù)部84的計數(shù)結(jié)果的平均值，求出與半導(dǎo)體激光器I和物體10的平均距離成比例的MHP的數(shù)量(以下稱為距離比例個數(shù))NL的距離比例個數(shù)算出部86;根據(jù)與使用計數(shù)部84的前一次的計數(shù)結(jié)果和該計數(shù)結(jié)果之前的計數(shù)結(jié)果所算出的距離比例個數(shù)NL的2倍數(shù)量的大小關(guān)系，將正負(fù)符號賦予計數(shù)部84的最新計數(shù)結(jié)果的符號賦予部87;根據(jù)距離比例個數(shù)NL算出MHP的周期的周期算出部88。物理量傳感器的整體的結(jié)構(gòu)和第I 第3實施形態(tài)相同。計數(shù)部84就各個第I振蕩期間Pl和第2振蕩期間P2對濾波部6的輸出中所含有的MHP的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)。計數(shù)部84也可以利用由邏輯門構(gòu)成的計數(shù)器，也可以利用FFT對MHP的頻率(即每個單位時間的MHP的數(shù)量)進(jìn)行測量。計數(shù)器84的計數(shù)結(jié)果存儲于存儲部85中。
距離比例個數(shù)算出部86根據(jù)計數(shù)部84的計數(shù)結(jié)果求出距離比例個數(shù)NL。圖11是對距離比例個數(shù)算出部86的動作進(jìn)行說明的圖，是表示計數(shù)部84的計數(shù)結(jié)果的時間變化的圖。在圖11中，Nu是第I振蕩期間Pl的計數(shù)結(jié)果，Nd是第2振蕩期間P2的計數(shù)結(jié)果。物體10的距離變化率比半導(dǎo)體激光器I的振蕩波長變化率小，且物體10為簡諧振動的情況下，計數(shù)結(jié)果Nu的時間變化和計數(shù)結(jié)果Nd的時間變化是如圖11所示的彼此的相位差為180度的正弦波形狀。在專利文獻(xiàn)I中，將該時刻的物體10的狀態(tài)作為微小位移狀態(tài)。從圖16可知，第I振蕩期間Pl和第2振蕩期間P2交替到來，因此，計數(shù)結(jié)果Nu和計數(shù)結(jié)果Nd也交替出現(xiàn)。計數(shù)結(jié)果Nu、Nd是距離比例個數(shù)NL和與物體10的位移成比例的MHP的數(shù)量(以下，稱為位移比例個數(shù))NV兩者的和或差。距離比例個數(shù)NL相當(dāng)于圖11所示的正弦波形狀的平均值。又，計數(shù)結(jié)果Nu或者Nd與距離比例個數(shù)NL的差相當(dāng)于位 移比例個數(shù)NV。距離比例個數(shù)算出部86通過如下算式所示那樣地算出直到當(dāng)前時刻t的前2次所測量的偶數(shù)次的計數(shù)結(jié)果的平均值，由此算出距離比例個數(shù)NL。NL= {N(t-2)+N(t-3)}/2…(10)在算式(10)中，N(t-2)表示在當(dāng)前時刻t的前2次所測量的MHP的數(shù)量，N(t-3)表示在當(dāng)前時刻t的前3次所測量的MHP的數(shù)量。當(dāng)前時刻t的計數(shù)結(jié)果N(t)為第I振蕩期間Pl的計數(shù)Nu的話，前2次的計數(shù)結(jié)果N(t-2)也是第I振蕩期間Pl的計數(shù)結(jié)果Nu，前3次的計數(shù)結(jié)果N(t-3)則是第2振蕩期間P2的計數(shù)結(jié)果Nd。相反地，當(dāng)前時刻t的計數(shù)結(jié)果N(t)為第2振蕩期間P2的計數(shù)Nd的話，前2次的計數(shù)結(jié)果N(t-2)也是第2振蕩期間P2的計數(shù)結(jié)果Nd，前3次的計數(shù)結(jié)果N(t-3)則是第I振蕩期間Pl的計數(shù)結(jié)果Nu。算式(10)是以兩次的計數(shù)結(jié)果求出距離比例個數(shù)的情況的算式，但是對于使用2m(m是正整數(shù))次的計數(shù)結(jié)果的情況，距離比例個數(shù)算出部86如下算式那樣地算出距離比例個數(shù)NL。NL= {N (t-2m-l) +N (t_2m) +... +N (t_2)} /2m ... (I I)但是，算式(10)、算式(11)是在物體10的位移以及速度的測量開始初期所使用的算式，從中途替代算式(10)而通過使用后面敘述的帶符號的計數(shù)結(jié)果的下式來算出距離比例個數(shù)NL。NL={N’(t-2)+N，(t-3)}/2— (12)N’ (t-2)是對前2次的計數(shù)結(jié)果N(t-2)施行了后面敘述的符號賦予處理后的帶符號的計數(shù)結(jié)果，N’ (t-3)是對前2次的計數(shù)結(jié)果N(t-3)施行了符號賦予處理后的帶符號的計數(shù)結(jié)果。使用算式(12)的情形是當(dāng)前時刻t的計數(shù)結(jié)果N(t)成為從MHP的數(shù)量的測量開始起的第7次的計數(shù)結(jié)果時以后。又，在測量開始初期使用算式(11)的情況下，從中途替代算式(11)，而通過使用帶符號的計數(shù)結(jié)果的下式來算出距離比例個數(shù)NL。NL={N，(t-2m-l)+N，(t-2m)+…+N，(t-2)}/2m ...(13)使用算式(13)的情形是當(dāng)前時刻t的計數(shù)結(jié)果N (t)成為從MHP的數(shù)量的測量開始起的第(2mX2+3)次的計數(shù)結(jié)果時以后。
距離比例個數(shù)NL被儲存在存儲部85中。在每次通過計數(shù)部84測定MHP的數(shù)量的時刻(每個振蕩期間)，距離比例個數(shù)算出部86進(jìn)行以上那樣的距離比例個數(shù)NL的算出處理。又，在用于距離比例個數(shù)NL的算出的計數(shù)結(jié)果充分多時，也可以以奇數(shù)次的計數(shù)結(jié)果算出距離比例個數(shù)NL。接著，符號賦予部87根據(jù)在當(dāng)前時刻t的前一次所測量的計數(shù)結(jié)果N(t-l)和距離比例個數(shù)NL的2倍數(shù)量2NL的大小關(guān)系，將正負(fù)符號賦予計數(shù)部84的計數(shù)結(jié)果N(t)。符號賦予部87具體地說執(zhí)行以下的算式。IfN(t-1) ≥ 2NL Then N，(t) — _N(t)... (14)IfN(t-l)<2NL Then N，(t) — +N(t)...(15) 圖12是對符號賦予部87的動作進(jìn)行說明的圖，是表示計數(shù)部84的計數(shù)結(jié)果的時間變化的圖。物體10的距離變化率為比半導(dǎo)體激光器I的振蕩波長變化率大的情況下，計數(shù)結(jié)果Nu的時間變化是用圖12的170示出的負(fù)側(cè)的波形被翻轉(zhuǎn)至正側(cè)的形狀，同樣地，計數(shù)結(jié)果Nd的時間變化是用圖12的171示出的負(fù)側(cè)的波形被翻轉(zhuǎn)至正側(cè)的形狀。在專利文獻(xiàn)I中，將產(chǎn)生該計數(shù)結(jié)果的翻轉(zhuǎn)的部分的物體10的狀態(tài)作為位移狀態(tài)。另一方面，未產(chǎn)生計數(shù)結(jié)果的翻轉(zhuǎn)的部分的物體10的狀態(tài)是所述的微小位移狀態(tài)。為了求出包含位移狀態(tài)的振動中的物體10的物理量，判定物體10為位移狀態(tài)還是為微小位移狀態(tài)，在物體10為位移狀態(tài)的情況下，需要進(jìn)行修正以使得被翻轉(zhuǎn)至正側(cè)的計數(shù)結(jié)果描繪出圖12的170，171示出的軌跡。算式(14)、算式(15)是用來判定物體10是位移狀態(tài)還是微小位移狀態(tài)的算式。在圖12中，在產(chǎn)生計數(shù)結(jié)果的翻轉(zhuǎn)的位移狀態(tài)下，N(t-l) ^ 2NL成立。因此，如算式(14)所示，N(t-l) ^ 2NL成立的情況下，將對計數(shù)部84的當(dāng)前時刻t的計數(shù)結(jié)果N(t)賦予負(fù)號后的結(jié)果設(shè)為帶符號的計數(shù)結(jié)果N’(t)。另一方面，在圖11以及圖12中，在未產(chǎn)生計數(shù)結(jié)果的翻轉(zhuǎn)的微小位移狀態(tài)下，N(t-1)〈2NL成立。因此，如算式(15)所示，N(t-1)〈2NL成立的情況下，將對計數(shù)部84的當(dāng)前時刻t的計數(shù)結(jié)果N(t)賦予正號后的結(jié)果設(shè)為帶符號的計數(shù)結(jié)果N’(t)。帶符號的計數(shù)結(jié)果N’ (t)被儲存在存儲部85中。在每次通過計數(shù)部84測定MHP的數(shù)量的時刻(每個振蕩期間)，符號賦予部87進(jìn)行以上那樣的符號賦予處理。另外，也可以將算式(14)的成立條件設(shè)為N(t-1) >2NL，將算式(15)的成立條件設(shè)為 N(t-1) ^ 2NL。接著，周期算出部88根據(jù)距離比例個數(shù)NL如下式那樣算出MHP的周期T。T=C/(2XfXNL)…(16)這里，f是二角波的頻率，C是光速。物理量算出部80將周期算出部88求出的周期設(shè)為基準(zhǔn)周期NO，基于信號提取部7的測量結(jié)果根據(jù)各個MHP的周期的變化算出物體10的位移、速度。即，物理量算出部80通過在第I實施形態(tài)說明了的算式(2)算出物體10的位移D，通過算式(3)算出物體10的速度V。根據(jù)本實施形態(tài)，即使是在無法使之靜止的物體10的情況下，也能夠求出基準(zhǔn)周
期NO。(第6實施形態(tài))
下面，對本發(fā)明的第6實施形態(tài)進(jìn)行說明。在第I 第5實施形態(tài)中，雖然使半導(dǎo)體激光器I振蕩為三角波狀，但是不限于此，在第I 第3、第5實施形態(tài)中也可以如圖13所示，使半導(dǎo)體激光器I振蕩為鋸齒波狀。即，在本實施形態(tài)中，使半導(dǎo)體激光器I動作以使得第I振蕩期間Pl或者第2振蕩期間P2的某一方反復(fù)存在即可。但是，在第4實施形態(tài)中，需要使半導(dǎo)體激光器I振蕩為三角波狀。在如本實施形態(tài)那樣使半導(dǎo)體激光器I振蕩為鋸齒波狀的情況下，也需要半導(dǎo)體激光器I的振蕩波長的變化速度為一定。第I振蕩期間Pl或者第2振蕩期間P2中的動作和三角波振蕩的情況相同。如圖13所示，在僅第I振蕩期間Pl反復(fù)存在的鋸齒波狀的振蕩的情況下反復(fù)進(jìn)行第I振蕩期間Pl的處理即可，在僅第2振蕩期間P2反復(fù)存在的鋸齒波狀的振蕩的情況下反復(fù)進(jìn)行第2振蕩期間P2的處理即可，這是不必再說的。(第7實施形態(tài))下面，對本發(fā)明的第7實施形態(tài)進(jìn)行說明。在第I 第6實施形態(tài)中，使用光電二 極管2和電流-電壓變換放大部5作為檢測含有MHP波形的電信號的檢測單元，但不使用光電二極管，也能夠提取MHP波形。圖14是示出本發(fā)明的第7實施形態(tài)所涉及的物理量傳感器的結(jié)構(gòu)的框圖，與圖I相同的結(jié)構(gòu)標(biāo)注相同符號。本實施形態(tài)的物理量傳感器是使用電壓檢測部12作為檢測單元來替代第I 第6實施形態(tài)的光電二極管2和電流-電壓變換放大部5。電壓檢測部12檢測出半導(dǎo)體激光器I的端子間電壓、即陽極-陰極間電壓并進(jìn)行放大。從半導(dǎo)體激光I放射出的激光和從物體10返回的返回光產(chǎn)生干涉時，在半導(dǎo)體激光I的端子間的電壓中就會出現(xiàn)MHP波形。因此，能夠從半導(dǎo)體激光I的端子間的電壓中提取出MHP波形。濾波部6從電壓檢測部12的輸出電壓中去除載波。物理量傳感器的其他結(jié)構(gòu)與第I 第6實施形態(tài)相同。由此，在本實施形態(tài)中，可以不使用光電二極管就提取出MHP波形，與第I 第6實施形態(tài)相比，可以削減物理量傳感器的部件的數(shù)量，從而可以降低物理量傳感器的成本。而且，在本實施形態(tài)中，由于不使用光電二極管，可以去除干擾光帶來的影響。另外，在第I 第7實施形態(tài)中，至少信號提取部7、運算部8和載波調(diào)整部11能夠通過包括例如CPU、存儲裝置以及接口的計算機和控制這些硬件資源的程序來實現(xiàn)。CPU根據(jù)儲存于存儲裝置中的程序執(zhí)行在第I 第7實施形態(tài)中說明了的處理。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明可以應(yīng)用于根據(jù)由于從半導(dǎo)體激光器所發(fā)射的激光與從物體返回的返回光的自混合效應(yīng)而產(chǎn)生的干涉的信息來測量物體的物理量的技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種物理量傳感器，其特征在于，包括 向測定對象發(fā)射激光的半導(dǎo)體激光器； 振蕩波長調(diào)制單元，其使所述半導(dǎo)體激光器動作，以使得振蕩波長連續(xù)地單調(diào)增加的第I振蕩期間和振蕩波長連續(xù)地單調(diào)減少的第2振蕩期間中的至少一個反復(fù)存在； 檢測單元，其對含有干涉波形的電信號進(jìn)行檢測，該干涉波形是由于從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光與從所述測定對象返回的返回光的自混合效應(yīng)而產(chǎn)生的； 信號提取單元，其在每次輸入干涉波形時，對該檢測單元的輸出信號中所包含的所述干涉波形的周期進(jìn)行測量；以及 運算單元，其基于該信號提取單元所測量的各個周期算出所述測定對象的位移和速度中的至少一方。
2.如權(quán)利要求I所述的物理量傳感器，其特征在于， 所述運算單元根據(jù)測量所述干涉波形的周期的采樣時鐘的頻率、基準(zhǔn)周期、所述半導(dǎo)體激光器的平均波長以及所述信號提取單元所測量的周期的相對于所述基準(zhǔn)周期的變化量，算出所述測定對象的位移和速度中的至少一方。
3.如權(quán)利要求I或2所述的物理量傳感器，其特征在于，進(jìn)一步具有載波調(diào)整單元，其能夠?qū)λ霭雽?dǎo)體激光器的振蕩波長調(diào)制的載波的振幅或者頻率進(jìn)行調(diào)整。
4.如權(quán)利要求3所述的物理量傳感器，其特征在于，所述載波調(diào)整單元調(diào)整所述載波的振幅或者頻率，使得所述測定對象為靜止時的所述干涉波形的周期或者即將調(diào)整之前所測量的規(guī)定數(shù)量的干涉波形的周期的平均值為被預(yù)先規(guī)定的周期。
5.如權(quán)利要求4所述的物理量傳感器，其特征在于，所述被預(yù)先規(guī)定的周期是與物理量傳感器能處理的干涉波形的最高頻率的1/2的值相對應(yīng)的周期。
6.如權(quán)利要求3所述的物理量傳感器，其特征在于，所述載波調(diào)整單元將所述載波的振幅或者頻率減小規(guī)定量。
7.如權(quán)利要求3所述的物理量傳感器，其特征在于，所述載波調(diào)整單元將所述載波的振幅或者頻率增大規(guī)定量。
8.如權(quán)利要求2所述的物理量傳感器，其特征在于，所述運算單元將所述測定對象為靜止時的所述干涉波形的周期設(shè)為所述基準(zhǔn)周期。
9.如權(quán)利要求2所述的物理量傳感器，其特征在于，進(jìn)一步包含 計數(shù)單元，其就各個所述第I振蕩期間和所述第2振蕩期間對所述檢測單元的輸出信號中所包含的所述干涉波形的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)； 距離算出單元，其根據(jù)通過該計數(shù)單元對干涉波形的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)的期間中的最小振蕩波長、最大振蕩波長和所述計數(shù)單元的計數(shù)結(jié)果，算出與所述測定對象的距離；以及周期算出單元，其根據(jù)該距離算出單元所算出的距離，求出所述干涉波形的周期， 所述運算單元將所述周期算出單元求出的周期設(shè)為所述基準(zhǔn)周期。
10.如權(quán)利要求2所述的物理量傳感器，其特征在于，進(jìn)一步包含 計數(shù)單元，其就各個所述第I振蕩期間和所述第2振蕩期間對所述檢測單元的輸出信號中所包含的所述干涉波形的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)； 距離比例個數(shù)算出單元，其通過算出所述干涉波形的數(shù)量的平均值，求出與所述半導(dǎo)體激光器和所述測定對象的平均距離成比例的、作為干涉波形的數(shù)量的距離比例個數(shù)；以及 周期算出單元，其根據(jù)所述距離比例個數(shù)算出所述干涉波形的周期， 所述運算單元將所述周期算出單元求出的周期設(shè)為所述基準(zhǔn)周期。
11.一種物理量測量方法，其特征在于，包括 振蕩步驟，其使所述半導(dǎo)體激光器動作，以使得振蕩波長連續(xù)地單調(diào)增加的第I振蕩期間和振蕩波長連續(xù)地單調(diào)減少的第2振蕩期間中的至少一個反復(fù)存在； 檢測步驟，其對含有干涉波形的電信號進(jìn)行檢測，該干涉波形是由于從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光與從所述測定對象返回的返回光的自混合效應(yīng)而產(chǎn)生的； 信號提取步驟，其在每次輸入干涉波形時，對通過該檢測步驟得到的輸出信號中所包含的所述干涉波形的周期進(jìn)行測量；以及 運算步驟，其基于通過該信號提取步驟測量到的各個周期算出所述測定對象的位移和速度中的至少一方。
12.如權(quán)利要求11所述的物理量測量方法，其特征在于， 所述運算步驟根據(jù)測量所述干涉波形的周期的采樣時鐘的頻率、基準(zhǔn)周期、所述半導(dǎo)體激光器的平均波長以及所述信號提取步驟所測量的周期的相對于所述基準(zhǔn)周期的變化量，算出所述測定對象的位移和速度中的至少一方。
13.如權(quán)利要求11或12所述的物理量測量方法，其特征在于，進(jìn)一步具有載波調(diào)整步驟，其能夠?qū)λ霭雽?dǎo)體激光器的振蕩波長調(diào)制的載波的振幅或者頻率進(jìn)行調(diào)整。
14.如權(quán)利要求13所述的物理量測量方法，其特征在于，所述載波調(diào)整步驟調(diào)整所述載波的振幅或者頻率，使得所述測定對象為靜止時的所述干涉波形的周期或者即將調(diào)整之前所測量的規(guī)定數(shù)量的干涉波形的周期的平均值為被預(yù)先規(guī)定的周期。
15.如權(quán)利要求14所述的物理量測量方法，其特征在于，所述被預(yù)先規(guī)定的周期是與能處理的干涉波形的最高頻率的1/2的值相對應(yīng)的周期。
16.如權(quán)利要求13所述的物理量測量方法，其特征在于，所述載波調(diào)整步驟將所述載波的振幅或者頻率減小規(guī)定量。
17.如權(quán)利要求13所述的物理量測量步驟，其特征在于，所述載波調(diào)整步驟將所述載波的振幅或者頻率增大規(guī)定量。
18.如權(quán)利要求12所述的物理量測量方法，其特征在于，所述運算步驟將所述測定對象為靜止時的所述干涉波形的周期設(shè)為所述基準(zhǔn)周期。
19.如權(quán)利要求12所述的物理量測量方法，其特征在于，進(jìn)一步包含 計數(shù)步驟，其就各個所述第I振蕩期間和所述第2振蕩期間對通過所述檢測步驟得到的輸出信號中所包含的所述干涉波形的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)； 距離算出步驟，其根據(jù)通過該計數(shù)步驟對干涉波形的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)的期間中的最小振蕩波長、最大振蕩波長和所述計數(shù)步驟的計數(shù)結(jié)果，算出與所述測定對象的距離；以及周期算出步驟，其根據(jù)通過該距離算出步驟所算出的距離，求出所述干涉波形的周期，所述運算步驟將通過所述周期算出步驟求出的周期設(shè)為所述基準(zhǔn)周期。
20.如權(quán)利要求12所述的物理量測量方法，其特征在于，進(jìn)一步包含 計數(shù)步驟，其就各個所述第I振蕩期間和所述第2振蕩期間對通過所述檢測步驟得到的輸出信號中所包含的所述干涉波形的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)；距離比例個數(shù)算出步驟，其通過算出所述干涉波形的數(shù)量的平均值，求出與所述半導(dǎo)體激光器和所述測定對象的平均距離成比例的、作為干涉波形的數(shù)量的距離比例個數(shù)；以及 周期算出步驟，其根據(jù)通過所述距離比例個數(shù)算出的所述干涉波形的周期， 所述運算步驟將通過所述周期算出步驟求出的周期設(shè)為所述基準(zhǔn)周期。
全文摘要
本發(fā)明涉及能夠以高的分辨率測量物體的位移、速度，且縮短測量所需的時間的物理量傳感器以及物理量測量方法。該物理量傳感器包括向物體(10)發(fā)射激光的半導(dǎo)體激光器(1)；使半導(dǎo)體激光器(1)動作，以使得振蕩波長連續(xù)地單調(diào)增加的第1振蕩期間和振蕩波長連續(xù)地單調(diào)減少的第2振蕩期間中的至少一個反復(fù)存在的激光器驅(qū)動器(4)；對含有由于從半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)射的激光和從物體(10)返回的返回光的自混合效應(yīng)而產(chǎn)生的干涉波形的電信號進(jìn)行檢測的光電二極管(2)和電流-電壓變換放大部(5)；在每次輸入干涉波形時，對電流-電壓變換放大部(5)的輸出信號中所包含的干涉波形周期進(jìn)行測量的信號提取部(7)；以及基于信號提取部(7)所測量的各個周期算出物體(10)的位移、速度中的至少一方的運算部(8)。
文檔編號G01B11/00GK102792183SQ20108006528
公開日2012年11月21日 申請日期2010年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月10日
發(fā)明者上野達(dá)也 申請人:阿自倍爾株式會社