速度测量装置以及方法

专利名称：速度测量装置以及方法
技术领域：
本发明涉及一种速度测量装置以及方法，其对作为通过输送装置从送出侧输送到 接收侧输送中的物体的卷筒材料的速度进行测量。
背景技术：
对于从送出部不断地输送纸、膜、玻璃纸、金属箔、橡胶等绕卷成辊状的物体(以 下，称为卷筒材料(々工^ ))，并对卷筒材料进行规定的处理，再通过接收部绕卷处理后的 卷筒材料的输送装置来说，需要将卷筒材料的移动速度控制为一定，并准确地测量所输送/ 绕卷的卷筒材料的长度。以往，作为测量卷筒材料的速度的方法，已有专利文献1所揭示的方法。图21是 示出专利文献1所揭示的以往的速度测量装置的构成的框图。在该速度测量装置中，通过 透镜201将从激光器/ 二极管单元200射出的激光作为测定光束202会聚在例如纸片等的 卷筒材料205上。在测定光束202的路径上具有卷筒材料205的情况下，该卷筒材料205 反射测定光束202，使其散射。该散射的测定光束202的发射的1部分沿着原来的路径，通 过透镜201会聚在激光器/ 二极管单元200的发射表面上，再次进入激光器的光谐振器中。 其结果，激光发射的强度发生变化。该激光发射的强度的变化通过将发射的变化转换为电 信号的激光器/ 二极管单元200内的光电二极管以及处理该电信号的电子电路203检测出 来。电子电路203形成控制器204的一部分。控制器204控制辊子206的旋转，因此也 控制卷筒材料205的移动。卷筒材料205移动时，通过卷筒材料205反射的返回光承受了 多普勒频移。这意味着返回光的频率变化或者产生频率偏移。该频率偏移由卷筒材料205 的移动速度决定。再进入激光器的光谐振器的返回光与在光谐振器中生成的激光相干涉。 该干涉意味着在光谐振器中发生自混合效应。激光发射的强度由于该干涉被定期地增减。在这里，将相对于时间以一定的变化率反复增减的三角波驱动电流作为注入电流 提供给激光器/ 二极管单元200的激光器，激光器被驱动为振荡波长以一定的变化率连续 地增加的第1振荡期间与振荡波长以一定的变化率连续地减少的第2振荡期间交替反复。 在第1振荡期间从光电二极管输出的电信号所包含的脉冲的数量与在第2振荡期间从光电 二极管输出的电信号所包含的脉冲的数量之差，与卷筒材料205的速度成比例。因此，电子 电路203可以根据该脉冲的数量之差求出卷筒材料205的速度。但是，采用专利文献1，在激光器和卷筒材料205之间的光学路径的长度比较短， 激光器的振荡波长调制的频率以及振幅比较小，而在所要检测的卷筒材料205的移动比较 快时等某些一定的情况下，卷筒材料205的速度不与所述脉冲的数量之差成比例。这时，求 出在第1振荡期间从光电二极管输出的电信号所包含的脉冲的数量和在第2振荡期间从光 电二极管输出的电信号所包含的脉冲的数量的平均值，通过从该平均值减去一定的常数， 确定卷筒材料205的速度。现有技术文献
专利文献专利文献1 日本专利第4180369号公报

发明内容
发明要解决的问题如上所述，对于专利文献1所揭示的以往的速度测量装置，是 以大致知道卷筒材料的速度、激光器与卷筒材料的距离为前提的，其根据卷筒材料的状态 灵活使用速度的算出方法。但是，专利文献1所揭示的以往的速度测量装置还存在如下问 题在不知道卷筒材料的速度、与卷筒材料的距离时，就不能根据卷筒材料的状态灵活运用 速度的算出方法，不能正确算出卷筒材料的速度。本发明正是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种速度测量装置以及 方法，其对于自混合(自己結合)型的速度测量装置即便在不知道卷筒材料的速度、激光器 和卷筒材料的距离的情况下也能够进行应对，而且能够准确地测量卷筒材料的速度。解决课题的手段本发明的速度测量装置，其特征在于，包括半导体激光器，其向卷筒材料发射激 光，所述卷筒材料是通过输送装置从送出侧输送到接收侧的输送中的物体；振荡波长调制 单元，其使所述半导体激光器动作，以使得振荡波长连续地单调增加的第1振荡期间与振 荡波长连续地单调减少的第2振荡期间交替存在；检测单元，其检测包含干涉波形的电信 号，所述干涉波形是由从所述半导体激光器发射的激光和从所述卷筒材料返回的返回光的 自混合效应而产生的；信号提取单元，其分别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间对包 含在该检测单元的输出信号中的所述干涉波形的数量进行计算；符号赋予单元，其对该信 号提取单元的最新的计数结果赋予正负的符号；距离比例个数算出单元，其采用由该符号 赋予单元赋予了符号的带符号计数结果算出所述干涉波形的数量的平均值，并由此求出距 离比例个数，所述距离比例个数是与所述半导体激光器和所述卷筒材料的平均距离成比例 的干涉波形的数量；以及速度算出单元，根据该距离比例个数算出单元所算出的距离比例 个数算出所述卷筒材料的速度，所述符号赋予单元根据所述信号提取单元的前一次的计数 结果与采用该计数结果以前的计数结果算出的所述距离比例个数的2倍的大小关系、所述 信号提取单元的计数结果的增减方向是否一致、或者计数结果的平均值的变化，对所述信 号提取单元的最新的计数结果赋予正负的符号。又，在本发明的速度测量装置的一个构成例中，所述信号提取单元包括干涉波形 计数单元，其分别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间对包含在所述检测单元的输出 信号中的所述干涉波形的数量进行计算；干涉波形周期测定单元，在每次输入干涉波形时， 对该干涉波形计数单元计算干涉波形的数量的计数期间中的所述干涉波形的周期进行测 定；干涉波形周期频数分布生成单元，基于该干涉波形周期测定单元的测定结果生成所述 计数期间中的干涉波形的周期的频数分布；代表值算出单元，基于所述干涉波形的周期的 频数分布，求出等级值(階級値)和频数的积为最大时的等级值作为所述干涉波形的周期 的分布的代表值；校正值算出单元，基于所述干涉波形的周期的频数分布，求出没有达到所 述代表值的0. 5倍的等级的频数的总和Ns、以及在所述代表值的(n+0. 5)倍以上且没有达 到(n+1.5)倍的等级的频数的总和Nwn，通过基于这些频数Ns和Nwn对所述干涉波形计数 单元的计数结果进行校正，并输出校正后的计数结果，其中，η是1以上的自然数。
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又，在本发明的速度测量装置的一个构成例中，将所述干涉波形计数单元的计数 结果设为Na，将所述代表值设为T0，将所述干涉波形的周期能取得的最大值设为Tmax时，所 述校正值算出单元按照下式数式1
？maxNa' 二 Na — Ns + Z (η χ Nwn)
η=1
_8] η画S^L求出校正后的计数结果Na’。又，在本发明的速度测量方法，其特征在于，包括振荡步骤，使向卷筒材料发射激 光的半导体激光器动作，以使得振荡波长连续地单调增加的第1振荡期间与振荡波长连续 地单调减少的第2振荡期间交替存在，所述卷筒材料是通过输送装置从送出侧输送到接收 侧的输送中的物体；检测步骤，检测包含干涉波形的电信号，所述干涉波形是由从所述半导 体激光器发射的激光和从所述卷筒材料返回的返回光的自混合效应而产生的；信号提取步 骤，分别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间对包含在由检测步骤得到的输出信号中 的所述干涉波形的数量进行计算；符号赋予步骤，对该信号提取步骤的最新的计数结果赋 予正负的符号；距离比例个数算出步骤，采用由该符号赋予步骤赋予了符号的带符号计数 结果算出所述干涉波形的数量的平均值，由此求出距离比例个数，所述距离比例个数是与 所述半导体激光器和所述卷筒材料的平均距离成比例的干涉波形的数量；以及速度算出步 骤，根据在该距离比例个数算出步骤算出的距离比例个数算出所述卷筒材料的速度，所述 符号赋予步骤根据所述信号提取步骤的前一次的计数结果与采用该计数结果以前的计数 结果算出的所述距离比例个数的2倍的大小关系、所述信号提取步骤的计数结果的增减方 向是否一致、或者计数结果的平均值的变化，对所述信号提取步骤的最新的计数结果赋予 正负的符号。发明效果采用本发明，通过设置符号赋予单元，根据所述信号提取单元的前一次的计数结 果与采用该计数结果以前的计数结果算出的所述距离比例个数的2倍的大小关系、所述信 号提取单元的计数结果的增减方向是否一致、或者计数结果的平均值的变化，对所述信号 提取单元的最新的计数结果赋予正负的符号，能够判定卷筒材料是位移状态还是微小位移 状态，在卷筒材料为位移状态的情况下，可以进行对折回正侧的计数结果赋予负的符号的 校正，因此能够正确算出距离比例个数，结果可以正确算出卷筒材料的速度。因此，本发明 即便在不知道卷筒材料的速度或半导体激光器和卷筒材料的距离的情况下，也能够进行对 应。又，在本发明中，对计数期间中的干涉波形的周期进行测定，并基于该测定结果生 成计数期间中的干涉波形的周期的频数分布，并基于该频数分布将等级值和频数的积为最 大时的等级值作为干涉波形的周期的代表值，求出没有达到代表值TO的0. 5倍的等级的频 数的总和Ns、以及在代表值TO的(η+0. 5)倍以上且没有达到(η+1. 5)倍的等级的频数的总 和Nwn，通过基于这些频数Ns和Nwn对干涉波形计数单元的计数结果进行校正，使得即使在 输入到信号提取单元的信号中连续地产生频率比干涉波形高的噪音的情况下，也可以高精度地校正干涉的计数误差，从而可以提高卷筒材料的速度的测量精度。


图1是示出本发明的第1实施形态的速度测量装置的构成的框图。图2是示出适用了本发明的第1实施形态的速度测量装置的卷筒材料输送装置的 构成的框图。图3是示出本发明的第1实施形态的半导体激光器的振荡波长的时间变化的一个 实例的图。图4是示意性示出本发明的第1实施形态的电流-电压变换放大部的输出电压波 形及滤波部的输出电压波形的波形图。图5是对模跳脉冲进行说明的图。图6是示出半导体激光的振荡波长与光电二极管的输出波形的关系的图。图7是示出本发明的第1实施形态的运算部的结构的一个实例的框图。图8是示出本发明的第1实施形态的运算部的动作的流程图。图9是对本发明的第1实施形态的符号赋予部的动作进行说明的图。图10是对本发明的第1实施形态的符号赋予部的动作进行说明的图。图11是对本发明的第1实施形态的距离比例个数算出部的动作进行说明的图。图12是示出本发明的第2实施形态的运算部的动作的流程图。图13是示出本发明的第3实施形态的运算部的动作的流程图。图14是示出本发明的第4实施形态的信号提取部的结构的一个实例的框图。图15是示出本发明的第4实施形态的计数结果校正部的结构的一个实例的框图。图16是对本发明的第4实施形态的信号提取部的动作进行说明的图。图17是示出模跳脉冲的周期的频数分布的一个实例的图。图18是对本发明的第4实施形态的计数器的计数结果的校正原理进行说明的图。图19是示出本发明的第5实施形态的速度测量装置的构成的框图。图20是示出速度测量装置的传感器模块的其它配置实例的图。图21是示出现有的速度测量装置的结构的框图。符号说明1…半导体激光器、2…光电二极管、3…透镜、4…激光驱动器、5…电流-电压变换 放大部、6…滤波部、7、7w信号提取部、8…运算部、9…显示部、10···传感器模块、11···卷筒 材料、12···电压检测部、71···二值化部、72···逻辑积运算部、73···计数器、74···计数结果校正 部、75···存储部、80…存储部、81···距离比例个数算出部、82···速度算出部、83···符号赋予 部、100…送出侧引导轴、101…接收侧引导轴、102…送出侧辊、103…接收侧辊、104…控制 部、740…周期测定部、741…频数分布生成部、742…代表值算出部、743…校正值算出部。
具体实施例方式(第1实施形态)下面，参照附图对本发明的实施形态进行说明。图1是示出本发明的第1实施形 态的速度测量装置的构成的框图。图1的速度测量装置包括半导体激光1，其向作为测定对象的卷筒材料11发射激光；光电二极管2，其将半导体激光器1的光输出变换为电信号； 透镜3，其将来自半导体激光器1的光聚光并照射，同时，将从卷筒材料11返回的光聚光并 入射到半导体激光器1中；激光驱动器4，其作为驱动半导体激光器1的振荡波长调制单 元；电流-电压变换放大部5，其将光电二极管2的输出电流变换为电压并放大；滤波部6， 其除去电流-电压变换放大部5的输出电压中的载波；信号提取部7，其计算滤波部6的输 出电压中所含有的作为自混合信号的跳模脉冲(以下，称为MHP)的数量；运算部8，其基于 信号提取部7的计数结果算出卷筒材料11的速度；以及，显示部9，其显示运算部8的测量 结果。半导体激光器1、光电二极管2和透镜3构成传感器模块10。又，光电二极管2和 电流-电压变换放大部5构成检测单元。图2是示出适用了本实施形态的速度测量装置的卷筒材料输送装置的构成的框 图。卷筒材料输送装置具有送出侧引导轴100、接收侧引导轴101、安装于送出侧引导轴 100上的送出侧辊102、安装于接收侧引导轴101上的接收侧辊103、驱动送出侧引导轴100 使送出侧辊102转动的送出侧电动机驱动部(未图示)、驱动接收侧引导轴101使接收侧辊 103转动的接收侧电动机驱动部(未图示)、以及控制送出侧电动机驱动部和接收侧电动机 驱动部的控制部104。送出侧电动机驱动部使送出侧辊102转动时，卷在送出侧辊102上的卷筒材料11 被不断送出。在接收侧，接收侧电动机驱动部使接收侧辊103转动，由此接收侧辊103绕卷 卷筒材料11。控制部104控制送出侧电动机驱动部和接收侧电动机驱动部，使得卷筒材料11的 速度为所希望的值。由半导体激光器1、光电二极管2和透镜3构成的传感器模块10如图2所示配置 在送出侧引导轴100和接收侧引导轴101之间的卷筒材料11的上面，对卷筒材料11斜向 照射激光。斜向照射激光是用于测量卷筒材料11的速度。图1的激光驱动器4、电流-电压转换放大部5、滤波部6、信号提取部7、运算部8 和显示部9设置在控制部104的内部。接下来，对本实施形态的速度测量装置的动作进行详细说明。下面，为了易于说 明，假设半导体激光器1使用的是不具有模跳现象的类型(VCSEL型、DFB激光型)。激光驱动器4将相对于时间以规定的变化率反复增减的三角波驱动电流作为注 入电流提供给半导体激光器1。由此，半导体激光1被驱动使得与注入电流的大小成比例的 振荡波长以一定的变化率连续地增加的第1振荡期间与振荡波长以一定的变化率连续地 减少的第2振荡期间交替反复。图3是示出半导体激光器1的振荡波长的时间变化的图。 在图3中，Pl是第1振荡期间，P2是第2振荡期间，λ a是各期间的振荡波长的最小值，λ b 是各期间的振荡波长的最大值，Tt是三角波的周期。在本实施形态中，振荡波长的最大值 Ab及振荡波长的最小值λ a —般分别为恒定值，它们的差Xb-λ a也一般为恒定值。从半导体激光器1出射的激光通过透镜3被聚光并入射到卷筒材料11上。由卷 筒材料11反射的光的一部分通过透镜3被聚光并入射到半导体激光器1上。但是，并不是 一定要通过透镜3聚光。光电二极管2配置于半导体激光器1的内部或者其附近，将半导 体激光器1的光输出变换为电流。电流-电压变换放大部5将光电二极管2的输出电流变换为电压并放大。滤波部6具有从调制波提取叠加信号的功能。图4(A)是示意性地示出电流-电 压变换放大部5的输出电压波形的图，图4 (B)是示意性地示出滤波部6的输出电压波形的 图。这些图表示如下的过程，首先从与光电二极管2的输出相当的图4(A)的波形(调制 波)中除去图3的半导体激光器1的振荡波形(载波)，再提取出图4(B)的MHP波形(干 涉波形)。接着，信号提取装置7就各个第1振荡期间Pl和第2振荡期间P2分别对滤波部 6的输出电压中所含有的MHP的数量进行计数。信号提取部7也可以利用由逻辑门构成的 计数器，也可以利用FFT(Fast Fourier Transform)对MHP的频率(即每个单位时间的MHP 的数量)进行测量。在这里，对作为自混合信号的MHP进行说明。如图5所示，假设镜面层1013距卷 筒材料11的距离为L、激光器的振荡波长为λ，在满足下面的谐振条件时，从卷筒材料11 返回的光与半导体激光器1的光谐振器内的激光强值叠加，激光器输出略有增加。L = qA /2... (1)在式(1)中，q是整数。即使来自卷筒材料11的散射光非常微弱，通过增加半导 体激光器1的谐振器内的表观反射率，产生放大作用，也可以充分地观测到该现象。另外， 在图5中，1019是成为镜面的电介质多层膜。图6是示出使半导体激光器1的振荡波长以一定的比例变化时、振荡波长与光 电二极管2的输出波形的关系的图。在满足式(1)所示的L = qX/2时，返回光与光谐 振器内的激光的相位差为0° (同相位)，返回光与光谐振器内的激光为最强值叠加，L = qX/2+λ/4时，相位差为180° (逆相位)，返回光与光谐振器内的激光为最弱值叠加。因 此，如果使半导体激光器1的振荡波长变化，激光器输出变强的状态与变弱的状态交替反 复出现，如果通过光电二极管2检测此时的激光器输出，则可以得到如图6所示的一定周期 的阶梯状的波形。这样的波形一般被称为干涉条纹。该阶梯状的波形，即各个干涉条纹就 是ΜΗΡ。如上所述，在某一定的时间内使半导体激光器1的振荡波长变化时，MHP的数量与 测定距离成比例地变化。进一步地，卷筒材料11具有速度时，根据多普勒效应成分使得与 速度成比例的MHP的数量进行增减。接下来，运算部8根据信号提取部7所计算出的MHP的数量算出卷筒材料11的速 度。图7是示出运算部8的构成的一个实例的框图。运算部8包括存储信号提取部7的 计数结果等的存储部80、求出与半导体激光器1和卷筒材料11的平均距离成比例的MHP的 数量(以下，称为距离比例个数)NL的距离比例个数算出部81、算出卷筒材料11的速度的 速度算出部82、根据信号提取部7的计数结果的增减方向的一致不一致对信号提取部7的 最新的计数结果赋予正负符号的符号赋予部83。图8是示出运算部8的动作的流程图。信号提取部7的计数结果被储存在运算部 8的存储部80中。运算部8的符号赋予部83判定信号提取部7的第1振荡期间Pl的计数结果和第 2振荡期间Ρ2的计数结果的增减方向是否一致(图8的步骤S100)，根据该判定结果对信 号提取部7的最新的计数结果赋予正负的符号(图8的步骤S101、S102)。图9 (A)、图9 (B)、图10 (A)、图10 (B)是用于对符号赋予部83的动作进行说明的图，图9 (A)、图10 (A)是示出半导体激光器1的振荡波长的时间变化的图，图9 (B)、图10⑶ 是示出信号提取部7的计数结果的时间变化的图。在图9(B)、图10(B)中，Nu是第1振荡 期间Pl的计数结果，Nd是第2振荡期间P2的计数结果，NL是距离比例个数。从图3可知， 第1振荡期间Pl和第2振荡期间P2交替到来，计数结果Nu和计数结果Nd也交替出现。 另外，在图9(B)、图10(B)的实例中，示出计数结果Nu为从半导体激光器1的照射面来看， 在卷筒材料11与作为光源的半导体激光器1之间包含某规定的波数的波面的位置的位移 方向与卷筒材料11的速度方向相对时的计数结果Na的情形。对卷筒材料11施加张力时， 卷筒材料11以与张力对应的固有的振动频率振动。伴随着卷筒材料11的振动的半导体激 光器1和卷筒材料11的距离变化率比半导体激光器1的振荡变化率小，卷筒材料11沿着 铅垂方向简谐振动时，第1振荡期间Pl的计数结果Nu的时间变化和第2振荡期间P2的计 数结果Nd的时间变化如图9 (B)所示成为互相的相位差为180度的正弦波形。在日本特开 2006-313080号公报中，将此时的卷筒材料11的状态作为微小位移状态。另一方面，半导体激光器1和卷筒材料11的距离变化率比半导体激光器1的振荡 波长变化率大时，计数结果Nd的时间变化变为图10(B)的负侧的波形250折回至正侧的波 形251的形状。在日本特开2006-313080号公报中，将该计数结果的产生折回的部分的卷 筒材料11的状态作为位移状态。另一方面，计数结果的未产生折回的部分的卷筒材料11 的状态是所述的微小位移状态。另外，在专利文献1中，将位移状态表现为激光器和卷筒材 料之间的光学路径的长度比较短，振荡波长调制的频率以及振幅比较小，所检测的卷筒材 料的移动比较快的情形。对于计数结果的产生折回的部分，就这样使用计数结果算出后述的距离比例个数 NL时，距离比例个数NL是与本来的值不同的值。S卩，为了正确求出距离比例个数NL，判定卷筒材料11为位移状态还是微小位移状 态，在卷筒材料11为位移状态的情况下，需要进行对向正侧折回的计数结果赋予负的符号 的校正。因此，如图9(B)所示，在计数结果Nd的时间变化相对于计数结果Nu的时间变化 为相反方向的情况下(图8的步骤SlOO的否)，符号赋予部83判定卷筒材料11为微小位 移状态，输出对信号提取部7的现时刻t的计数结果N(t)赋予了正的符号的带符号计数结 果N’(t)(图8的步骤S101)。如图10(B)所示，在计数结果Nd的时间变化相对于计数结 果Nu的时间变化为相同方向的情况下(图8的步骤SlOO的是)，符号赋予部83判定卷筒 材料11为位移状态，输出对信号提取部7的现时刻t的计数结果N(t)赋予了负的符号的 带符号计数结果N’(t)(图8的步骤S102)。如果现时刻t的计数结果为Nu，则计数结果Nu的增减能够通过现时刻t的计 数结果Nu(t)和2次前的计数结果Nu(t-2)的差Nu(t)-Nu(t-2)的符号来进行辨别，计 数结果Nd的增减可以通过前一次的计数结果Nd(t-Ι)与3次前的计数结果Nd(t-3)的 差Nd(t-l)-Nd(t-3)符号来进行辨别。另一方面，如果现时刻t的计数结果为Nd，则计数 结果Nu的增减能够通过前一次的计数结果Nu(t-Ι)和3次前的计数结果Nu(t-3)的差 Nu(t-l)-Nu(t-3)的符号来进行辨别，计数结果Nd的增减可以通过现时刻t的计数结果 Nd(t)与2次前的计数结果Nd (t-2)的差Nd (t)-Nd (t-2)符号来进行辨别。这样的增减的辨别结果，在计数结果Nu、Nd共同增加时或者共同减少时，可以判断计数结果Nd的时间变化相对于计数结果Nu的时间变化为相同的方向，卷筒材料11为位 移状态。又，在计数结果Nu、Nd的某一方增加而另一方减少的情况下，可以判断计数结果Nd 的时间变化相对于计数结果Nu的时间变化为相反的方向，卷筒材料11为微小位移状态。带符号计数结果N’ (t)被储存在存储部80中。在每次通过信号提取部7进行MHP 的数量的测定时(每个振荡期间)，符号赋予部83都进行如上所述的符号赋予处理。接下来，运算部8的距离比例个数算出部81根据由符号赋予部83赋予了符号的 带符号计数结果求出距离比例个数NL(图8的步骤S103)。图11 (A)、图11 (B)是用于对距 离比例个数算出部81的动作进行说明的图，图Il(A)是示出半导体激光器1的振荡波长的 时间变化的图，图Il(B)是示出信号提取部7的计数结果的时间变化的图。从图11 (A)可知，第1振荡期间Pl和第2振荡期间P2交替到来，计数结果Nu和 计数结果Nd也交替出现。计数结果Nu、Nd是距离比例个数NL和与卷筒材料11的位移成 比例的MHP的数量(以下，称为位移比例个数)NV两者的和或差。距离比例个数NL与计数 结果Nu和Nd的平均值相当。又，计数结果Nu或者Nd与距离比例个数NL的差相当于位移 比例个数NV。距离比例个数算出部81如以下公式所示采用现时刻t以前的带符号计数结果算 出距离比例个数NL。NL = (Nu，+Nd，)/2......(式 2)在式O)中，Nu’是对计数结果Nu施行了符号赋予处理之后的带符号计数结果， Nd’是对计数结果Nd施行了符号赋予处理之后的带符号计数结果。另外，在速度的测量开始初期时，得不到用来判定信号提取部7的计数结果Nu、Nd 的增减方向是否一致的足够个数的计数结果Nu、Nd。因此，符号赋予部83不能判定信号提 取部7的计数结果Nu、Nd的增减方向是否一致，不能输出带符号计数结果。因此，在测量开 始初期时，距离比例个数算出部81利用使用计数结果Nu、Nd的下式来替代式(2)，由此算 出距离比例个数NL。NL = (Nu+Nd) /2...(3)S卩，距离比例个数算出部81在测量开始初期时采用式(3)算出距离比例个数NL， 在通过符号赋予部83算出距离比例个数NL的算出所需的带符号计数结果，之后，采用式 ⑵算出距离比例个数NL。距离比例个数算出部81所计算出的比例个数NL被储存在存储部80中。在每次 通过信号提取部7进行MHP的数量的测定时(每个振荡期间)，距离比例个数算出部81都 进行以上那样的距离比例个数NL的算出处理。另外，本实施形态中，采用2次的计数结果 算出距离比例个数NL，但是也可以采用an(m是正的整数)次的计数结果算出距离比例个数 NL。接下来，运算部8的速度算出部82根据距离比例个数NL算出卷筒材料11的速度 V (图8的步骤S104)。信号提取部7的计数结果N (即Nu或者Nd)与距离比例个数NL的 差与卷筒材料11的速度V成比例，因此每个半导体激光器1的振荡波长调制的载波(三角 波)的半周期的卷筒材料11的前进方向的位移D能够通过下式算出。D= λ /2 X IN-NL | X cos θ...⑷在式中，λ是半导体激光器1的振荡平均波长，θ如图2所示是来自半导体
12激光器1的激光的光轴与卷筒材料11所成的角度。将载波的频率设为f时，基于式，卷 筒材料11的速度V能够通过下式算出。V= λ XfX IN-NLI Xcos θ— (5)在每次通过信号提取部7进行MHP的数量的测定时(每个振荡期间)，速度算出部 82都进行基于式(5)的速度V的算出处理。显示部9显示速度算出部82所算出的卷筒材 料11的速度V。卷筒材料输送装置的控制部104根据速度算出部82的算出结果，控制送出侧电动 机驱动部和接收侧电动机驱动部，使得卷筒材料11的速度V为所希望的值。另外，求出卷 筒材料11的张力的单元由于不是本发明的构成要件，因此没有记载，当然也可以通过周知 的技术测量卷筒材料11的张力，并通过控制送出侧电动机驱动部和接收侧电动机驱动部， 使得卷筒材料11的张力达到所希望的值。如上所述，在本实施形态中，通过设置符号赋予部83，能够判定卷筒材料11是位 移状态还是微小位移状态，在卷筒材料11为位移状态的情况下，可以进行对折回正侧的计 数结果赋予负的符号的校正，因此能够正确算出距离比例个数，结果可以正确算出卷筒材 料11的速度。因此，在本实施形态中，即便在不知道卷筒材料11的速度、半导体激光器1 和卷筒材料11的距离的情况下，也能够进行对应，从而可以准确算出卷筒材料11速度。(第2实施形态)在第1实施形态中，是根据信号提取部7的计数结果的增减方向是否一致来对信 号提取部7的最新的计数结果赋予正负的符号，但是也可以根据信号提取部7的前一次的 计数结果和采用该计数结果以前的计数结果算出的距离比例个数NL的2倍数的大小关系， 对信号提取部7的最新的计数结果赋予正负的符号。在本实施形态中，速度测量装置的构 成与第1实施形态相同，因此采用图1、图7的符号进行说明。图12是示出本实施形态的运算部8的动作的流程图，对与第1实施形态相同的处 理附加与图8相同的符号。本实施形态的符号赋予部83判定现时刻t的前一次所测量的计数结果N (t-Ι)和 采用该计数结果N(t-l)之前的计数结果算出的距离比例个数NL的2倍的2NL的大小关系 (图12的步骤S105)，根据该大小关系对信号提取部7的现时刻t的计数结果N (t)赋予正 负的符号(图12的步骤S106、S107)。如果现时刻t的计数结果N(t)是第1振荡期间Pl的计数结果Nu，则前一次的计 数结果N(t-l)是第2振荡期间P2的计数结果Nd。相反，如果现时刻t的计数结果N(t)是 第2振荡期间P2的计数结果Nd，则前一次的计数结果N(t-l)是第1振荡期间Pl的计数结 果Nu。符号赋予部83具体地说执行以下式子。如果N(t-l)彡 2NL 则 N，(t) — _N(t)... (6)如果N(t-l) < 2NL 则 N，(t) — +N(t)…(7)式(6)、式(7)是用来判定卷筒材料11是位移状态还是微小位移状态的式子。在产 生计数结果的折回的位移状态下，N(t-l)彡2NL成立。因此，如式(6)所示，在N(t-l)彡2NL 成立时(图12的步骤S105中的是)，符号赋予部83将对信号提取部7的现时刻t的计数 结果N(t)赋予了负的符号的带符号计数结果N’ (t)输出(图12的步骤S107)。另一方面，在未产生计数结果的折回的微小位移状态下，N(t-l) < 2NL成立。因此，如式(7)所示，在N(t-l) <2NL成立时(图12的步骤S105中的否)，符号赋予部83将 对信号提取部7的现时刻t的计数结果N(t)赋予了正的符号的带符号计数结果N’ (t)输 出(图12的步骤S106)。带符号计数结果N’ (t)被储存在存储部80中。在每次通过信号提取部7进行MHP 的数量的测定时(每个振荡期间)，符号赋予部81都进行以上那样的符号赋予处理。另外，也可以将式(6)的成立条件设为N(t-l) > 2NL，将式(7)的成立条件设为 N(t-l)彡 2NL。与第1实施形态相同，由于在速度的测量开始初期时，得不到计数结果N(t-l)和 采用该计数结果N(t-l)以前的计数结果算出的距离比例个数NL的2倍2NL的大小关系， 因此符号赋予部83无法判定大小关系，故不能输出带符号计数结果。因此，距离比例个数 算出部81在测量开始初期时采用式(3)算出距离比例个数NL，在通过符号赋予部83算出 距离比例个数NL的算出所需的带符号计数结果之后，采用式(2)算出距离比例个数NL。速度测量装置的其他构成与第1实施形态相同。这样，在本实施形态中，可以获得 与第1实施形态相同的效果。(第3实施形态)下面，对本发明的第3实施形态进行说明。产生图10(B)所说明的那样的计数结 果时，计数结果Nu、Nd的平均值发生变化。因此，符号赋予部83也可以根据计数结果Nu、 Nd的平均值的变化对信号提取部7的最新的计数结果赋予正负的符号。在本实施形态中， 速度测量装置的构成与第1实施形态相同，因此采用图1、图7的符号进行说明。图13是示出本实施形态的运算部8的动作的流程图，对与第1实施形态相同的处 理附加与图8相同的符号。在本实施形态中，在现时刻t以前求出的计数结果Nu的最新的平均值相对于该 值之前求出的计数结果Nu的平均值在规定的阈值以内、且现时刻t以前求出的计数结果 Nd的最新的平均值相对于该值之前求出的计数结果Nd的平均值在规定的阈值以内的情况 下，判断计数结果Nu、Nd的各自的平均值没有变化(图13的步骤S108中的否)，符号赋予 部83输出对现时刻t的计数结果N(t)赋予了正的符号的带符号计数结果N’ (t)(图13的 步骤S109)。又，在现时刻t以前求出的计数结果Nu的最新的平均值相对于该值之前求出 的计数结果Nu的平均值超过了规定的阈值、或者现时刻t以前求出的计数结果Nd的最新 的平均值相对于该值之前求出的计数结果Nd的平均值超过了规定的阈值的情况下(图13 的步骤S108中的是)，符号赋予部83输出对现时刻t的计数结果N(t)赋予了负的符号的 带符号计数结果N’ (t)(图13的步骤S110)。带符号计数结果N’ (t)被储存在存储部80中。在每次通过信号提取部7进行MHP 的数量的测定时(每个振荡期间)，符号赋予部83都进行以上那样的符号赋予处理。与第1实施形态相同，在速度的测量开始初期时，由于不能检测计数结果Nu、Nd的 平均值的变化，因此符号赋予部83不能输出带符号计数结果。因此，距离比例个数算出部 81在测量开始初期时采用式(3)算出距离比例个数NL，在通过符号赋予部83算出距离比 例个数NL的算出所需的带符号计数结果之后，采用式(2)算出距离比例个数NL。速度测量装置的其他构成与第1实施形态相同。这样，在本实施形态中，可以获得 与第1实施形态相同的效果。
(第4实施形态)下面，对本发明的第4实施形态进行说明。本实施形态示出信号提取部的其它的 构成实例。图14是示出本实施形态的信号提取部7a的构成的一个实例的框图。信号提取 部7a包括二值化部71、逻辑积运算部(AND) 72、计数器73、计数结果校正部74以及存储 部75。二值化部71与AND72以及计数器73构成干涉波形计数单元。图15是示出计数结果校正部74的构成的一个实例的框图。计数结果校正部74 包括周期测定部740、频数分布生成部741、代表值算出部742以及校正值算出部743。图16(A) 图16(F)是用于对信号提取部7a的动作进行说明的图，图16 (A)是滤 波部6的输出电压的波形，即示意性地示出MHP的波形的图，图16(B)是示出与图16㈧对 应的二值化部71的输出的图，图16(C)是示出输入到信号提取部7a中的门信号GS的图， 图16(D)是示出与图16(B)对应的计数器73的计数结果的图，图16(E)是示出输入到信号 提取部7a中的时钟信号CLK的图，图16(F)是示出与图16(B)对应的周期测定部740的测 定结果的图。首先，信号提取部7a的二值化部71对图16(A)所示的滤波部6的输出电压是高 电平(H)还是低电平(L)进行判断，并输出如图16(B)所示的判断结果。这里，在滤波部6 的输出电压上升达到阈值THl以上时，二值化部71判断该输出电压为高电平，在滤波部6 的输出电压下降达到阈值TH2 (TH2 < THl)以下时，二值化部71判断该输出电压为低电平， 由此将滤波部6的输出二值化。AND72输出二值化部71的输出与如图16(C)所示的门信号GS的逻辑积运算的结 果，计数器73对AND72的输出的上升边进行计数(图16(D))。这里，门信号GS是在计数期 间(本实施形态的第1振荡期间Pl或者第2振荡期间P2)的起点上升、在计数期间的终点 下降的信号。因此，计数器73计算的是计数期间中的AND72的输出的上升边缘的数量(即， MHP的上升边缘的数量)。另一方面，计数结果校正部74的周期测定部740在每次产生上升边缘时测定计数 期间中的AND72的输出的上升边缘的周期(即，MHP的周期)。此时，周期测定部740以图 16(E)所示的时钟信号CLK的周期作为一个单元进行MHP的周期的测定。在图16(F)的实 例中，周期测定部740依次测定Τα、Τβ、Τγ作为MHP的周期。根据图16(Ε、)图16(F)可 以清楚地看出，周期Τα、Τβ、Τγ的大小分别为5、4、2个时钟周期。时钟信号CLK的频率 要充分高于MHP的取得的最高频率。存储部75存储计数器73的计数结果和周期测定部740的测定结果。门信号GS下降，计数期间结束之后，计数结果校正部74的频数分布生成部741基 于存储于存储部75中的测定结果生成计数期间中的MHP的周期的频数分布。然后，计数结果校正部74的代表值算出部742基于频数分布生成部741所生成的 频数分布，计算出MHP的周期的代表值TO。虽然有使用最频值、中央值作为MHP的周期的代 表值的方法，但是，在将输入到信号提取部7a的信号由于频率比MHP高的噪音而在二值化 的阈值附近连续地发生颤振的情况下，将最频值、中央值作为MHP的周期的代表值就是不 合适的。因此，本实施形态的代表值算出部742将等级值和频数的积为最大时的等级值作 为MHP的周期的代表值TO。表1示出频数分布的数值例以及该数值例的等级值和频数的积。表1频数分布的数值例
权利要求
1.一种速度测量装置，其特征在于，包括半导体激光器，其向卷筒材料发射激光，所述卷筒材料是通过输送装置从送出侧输送 到接收侧的输送中的物体；振荡波长调制单元，其使所述半导体激光器动作，以使得振荡波长连续地单调增加的 第1振荡期间与振荡波长连续地单调减少的第2振荡期间交替存在；检测单元，其检测包含干涉波形的电信号，所述干涉波形是由从所述半导体激光器发 射的激光和从所述卷筒材料返回的返回光的自混合效应而产生的；信号提取单元，其分别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间对包含在该检测单元 的输出信号中的所述干涉波形的数量进行计算；符号赋予单元，其对该信号提取单元的最新的计数结果赋予正负的符号； 距离比例个数算出单元，其采用由该符号赋予单元赋予了符号的带符号计数结果算出 所述干涉波形的数量的平均值，并由此求出距离比例个数，所述距离比例个数是与所述半 导体激光器和所述卷筒材料的平均距离成比例的干涉波形的数量；以及速度算出单元，根据该距离比例个数算出单元所算出的距离比例个数算出所述卷筒材 料的速度，所述符号赋予单元根据所述信号提取单元的前一次的计数结果与采用该计数结果以 前的计数结果算出的所述距离比例个数的2倍的大小关系、所述信号提取单元的计数结果 的增减方向是否一致、或者计数结果的平均值的变化，对所述信号提取单元的最新的计数 结果赋予正负的符号。
2.如权利要求1所述的速度测量装置，其特征在于， 所述信号提取单元包括 干涉波形计数单元，其分别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间对包含在所述检 测单元的输出信号中的所述干涉波形的数量进行计算；干涉波形周期测定单元，在每次输入干涉波形时，对该干涉波形计数单元计算干涉波 形的数量的计数期间中的所述干涉波形的周期进行测定；干涉波形周期频数分布生成单元，基于该干涉波形周期测定单元的测定结果生成所述 计数期间中的干涉波形的周期的频数分布；代表值算出单元，基于所述干涉波形的周期的频数分布，求出等级值和频数的积为最 大时的等级值作为所述干涉波形的周期的分布的代表值；校正值算出单元，基于所述干涉波形的周期的频数分布，求出没有达到所述代表值的 0.5倍的等级的频数的总和Ns、以及在所述代表值的(n+0. 5)倍以上且没有达到(n+1. 5) 倍的等级的频数的总和Nwn，通过基于这些频数Ns和Nwn对所述干涉波形计数单元的计数 结果进行校正，并输出校正后的计数结果，其中，η是1以上的自然数。
3.如权利要求2所述的速度测量装置，其特征在于，将所述干涉波形计数单元的计数结果设为Na，将所述代表值设为Τ0，将所述干涉波形 的周期能取得的最大值设为Tmax时，所述校正值算出单元按照下式数式1Na' = Na - Ns + J] (η χ Nwn) η=1n < Tmax "max = rpQ求出校正后的计数结果Na’。
4.一种速度测量方法，其特征在于，包括振荡步骤，使向卷筒材料发射激光的半导体激光器动作，以使得振荡波长连续地单调 增加的第1振荡期间与振荡波长连续地单调减少的第2振荡期间交替存在，所述卷筒材料 是通过输送装置从送出侧输送到接收侧的输送中的物体；检测步骤，检测包含干涉波形的电信号，所述干涉波形是由从所述半导体激光器发射 的激光和从所述卷筒材料返回的返回光的自混合效应而产生的；信号提取步骤，分别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间对包含在由检测步骤得 到的输出信号中的所述干涉波形的数量进行计算；符号赋予步骤，对该信号提取步骤的最新的计数结果赋予正负的符号； 距离比例个数算出步骤，采用由该符号赋予步骤赋予了符号的带符号计数结果算出所 述干涉波形的数量的平均值，由此求出距离比例个数，所述距离比例个数是与所述半导体 激光器和所述卷筒材料的平均距离成比例的干涉波形的数量；以及速度算出步骤，根据在该距离比例个数算出步骤算出的距离比例个数算出所述卷筒材 料的速度，所述符号赋予步骤根据所述信号提取步骤的前一次的计数结果与采用该计数结果以 前的计数结果算出的所述距离比例个数的2倍的大小关系、所述信号提取步骤的计数结果 的增减方向是否一致、或者计数结果的平均值的变化，对所述信号提取步骤的最新的计数 结果赋予正负的符号。
5.如权利要求4所述的速度测量方法，其特征在于， 所述信号提取步骤包括干涉波形计数步骤，分别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间对包含于在所述检 测步骤得到的输出信号中的所述干涉波形的数量进行计算；干涉波形周期测定步骤，在每次输入干涉波形时，对通过该干涉波形计数步骤计算干 涉波形的数量的计数期间中的所述干涉波形的周期进行测定；干涉波形周期频数分布生成步骤，基于该干涉波形周期测定步骤的测定结果生成所述 计数期间中的干涉波形的周期的频数分布；代表值算出步骤，基于所述干涉波形的周期的频数分布，求出等级值和频数的积为最 大时的等级值作为所述干涉波形的周期的分布的代表值；校正值算出步骤，基于所述干涉波形的周期的频数分布，求出没有达到所述代表值的 0.5倍的等级的频数的总和Ns、以及在所述代表值的(n+0. 5)倍以上且没有达到(n+1. 5) 倍的等级的频数的总和Nwn，通过基于这些频数Ns和Nwn对所述干涉波形计数步骤的计数 结果进行校正，并输出校正后的计数结果，其中，η是1以上的自然数。
6.如权利要求5所述的速度测量方法，其特征在于，将所述干涉波形计数步骤的计数结果设为Na，将所述代表值设为Τ0，将所述干涉波形的周期能取得的最大值设为Tmax时，所述校正值算出步骤按照下式数式2
全文摘要
本发明的速度测量装置以及方法能够对卷筒材料的速度进行测量。速度测量装置包括向作为测定对象的卷筒材料(11)发射激光的半导体激光器(1)；将半导体激光器的光输出变换为电信号的光电二极管(2)；透镜(3)，将来自半导体激光器的光聚光并照射，同时将从卷筒材料返回的光聚光并入射到半导体激光器中；驱动半导体激光器的激光驱动器(4)；将光电二极管2的输出电流变换为电压并放大的电流-电压变换放大部(5)；除去电流-电压变换放大部的输出电压中的载波的滤波部(6)；计算滤波部的输出电压中所含有的干涉波形的数量的信号提取部(7)；基于信号提取部的计数结果算出卷筒材料的速度的运算部(8)。
文档编号G01P3/36GK102116775SQ201010583389
公开日2011年7月6日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年1月5日
发明者上野达也 申请人:株式会社山武