振動振幅測定方法

非接触での振動振幅の測定方法として，レーザ変位計とレーザドップラー振動計がある．

レーザ変位計は安価だがサンプリング周波数が低く，一方，レーザドップラー振動計は高 価でサンプリング周波数も高い特徴を有している．ここでは，製作した超音波ホーンの振 幅を測定するにあたり，両測定方法で振幅を測定し，安価なレーザ変位計でも振幅測定が 可能であるか検証した．

使用したレーザ変位計とレーザドップラー振動計の仕様をTable 2-8，

Table 2-9に示す．レーザ変位計は三角測量の原理を応用し変位を検出するセンサーである．

レーザ光線を測定対象物（超音波ホーンの先端面）に照射し，それから反射する散乱光を レンズで集光し RS-CMOS センサーで受光する．対象物の位置が変動すると，RS-CMOS 上の受光位置が移動し，それを検出することで，対象物までの距離が測定できる．一方，

ドップラ振動計は，レーザ光のドップラ・シフトを利用して振動速度を検出するセンサー である．レーザの照射方向に動いている測定対象物にレーザを照射すると，ドップラ効果 により測定対象物で反射したレーザの周波数は移動速度に比例した量だけ変化する．この 周波数変化を検出し，測定対象物の速度が測定できる．

振幅測定時の写真をFig.2-31に示す．レーザ変位計はその測定原理から測定対象物まで の距離が決まっている．一方，レーザドップラー振動計は可干渉距離を避ければ測定対象 物までの距離を任意に設定することができる．Fig.2-32に振幅測定結果を示す．縦軸に振 幅を，横軸に超音波発振機の定格電流に対する割合を示す．超音波振動子は入力電流と振 幅の間には比例関係があり，電流が増えると超音波振動子の振幅が大きくなることがわか っている．そこで，両測定方式とも電流が大きくなると振幅が大きくなる傾向となった．

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しかし，ドップラーレーザー変位計の測定値はほぼ右上がりの直線上にあるのに比べ，レ ーザ変位計は所々で右上がりの直線から外れる傾向がある．

ここで，レーザ変位計の測定値が外れる理由について考察してみる．Fig.2-33に振幅測 定データを示す．レーザドップラー振動計の測定データ波形に比べ，レーザ変位計の測定 データ波形は，正弦波グラフが変形している．これは，サンプリング数が影響している．

超音波振動周波数が20KHzに対し，レーザ変位計の最大周波数は392kHz，レーザドップ ラー振動計の最大周波数は3MHzであり約7.5倍の差がある．それ以上に，測定方法の違 いが大きく影響している．レーザ変位計は変位を計測するのに対し，レーザドップラー振 動計は速度を計測しその値を変位に変換している．速度計測に比べ変位計測は，測定環境 からさまざまな振動ノイズの影響を受けやすい．これらの原因によりレーザ変位計の測定 値の安定性が低下したと考えられる．

以上のことから，振動振幅計測について，安価なレーザ変位計でも20kHz程度までの振 動振幅を測定することが可能である．しかし，レーザ変位計は測定方式の特性上さまざま な振動ノイズの影響を受けやすい．より高度な測定をする場合は，堅牢な机上で防振台を 使用するなど振動ノイズ対策をとる必要がある．

Fig.2-31 Equipment for amplitude measurement a) Using a laser Doppler vibromater (Above figure) b) Using a laser displacement sensor (Below figure)

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Table 2-8 Specifications of Laser Doppler Vibromater ¹⁵⁾

Detection unit Detection demodulation system Velocity demodulation using optical heterodyne detection Laser beam Light source He-Ne laser (632.8 ㎚ wavelength)

Reflected light output Within 1 mW

Laser safety standard Conforming to Laser Class 2 Minimum laser spot

diameter

Approx. 20 ㎛ or less (φ=1/e2 when the focusing position is 100 ㎜.)

Approx. 3 ㎛ or less (When the LV-0151A is mounted.) WD=approx. 38.9 ㎜ Standard lens Variable-focus lens 100 ㎜ to 10 m (∞) *With the coherence length mark

Outer dimensions of the detection unit (W*H*D)

53㎜*52.5㎜*152.5㎜

Weight of the detection unit Approx. 750 g (When the LV-0181 is installed. Not including the cable.) Conversion unit Detection

velocity

Frequency range 0.3 to 3 MHz (fc=-3dB) *common to each velocity range 0.001 m/s/V (option): 0.3 to 200 kHz (fc=-3dB)

Maximum detection velocity 10 m/s o-p (20 m/s o-p) Minimum velocity resolution 0.3 ㎛/s or less

(when at 0.01 (m/s) /v) 0.05 ㎛/s or less 8when the LV-0800 is installed.)

Outer dimensions (W*H*D) 410㎜*120㎜*325㎜

Weight Approx. 8.1 ㎏ (including sensor and cable)

Operating temperature range 0 to 40 ℃

Operating humidity range 30 to 80 % RH with no condensation

Storage temperature range -10 to +50°C

Input voltage AC100 to 240 V (50/60Hz)

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Table 2-9 Specifications of Laser Displacement Sensor ¹⁶⁾

Sensor head Model LK-H023

Mounting mode Diffuse reflection

Reference distance 20 ㎜

Measurement range ±3 ㎜

Light source Wavelength 650 ㎚

Laser class Class 3R (IEC 60825-1)

Spot diameter (at reference distance) ø25 ㎛

Linearity ±0.02% of F.S (F.S.=6㎜)

Repeatability 0.02㎛ (0.01㎛)

Sampling cycle 2.55/5/10/20/50/100/200/500/1000 μs (9 steps selectable)

Temperature fluctuation 0.01% of F.S./℃ (F.S.= 6 ㎜)

Enclosure rating IP67

Ambient temperature 0 to +50℃

Relative humidity 35 to 85%RH (No condensation)

Weight Approx. 230g

Controller unit Model LK-G5000V

Display (LK-HD500) Minimum display unit 0.001㎛

Display range ±999.999 ㎛ to ±9999.99 ㎜ (7 settings selectable) Display cycle Approx. 10 times/sec.

Power supply Power supply voltage 24 VDC±10%

Maximum current consumption 0.6 A or less with 1 head Environment

resistance

Ambient temperature 0 to 50℃

Relative humidity 35 to 85 % RH (No condensation)

Weight Approx. 600g

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Fig.2-32 Comparison of the amplitude measurement results of the measurement method

Fig.2-33 Measurement of the amplitude waveform a) Using a Laser Doppler Vibromater (Above figure) b) Using a Laser Displacement Sensor (Below figure)

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