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加工撒学聯1告（工学）N・、55ユ987年12月     ，3

LDVによる平均速度の測定

（昭和62年4．月20日  原稿受イ寸）

制御工学科小宮勤一

      森  下     太

Measurement of Mean Velocity by means of LDV

       by Kin．ichi KOMIYA       Futoshi MORISHITA

      Abstract

蕊㌶鶯三欝鶯竃≧嚥鶯i緊鷲竃鷹

9「am・The lm

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1．まえがき      2．実験装置

測定酬は通當のLDVのi胱系において光縣およ   s［ …『 隔 p I＿ぷ

      1』，       1㌔・rel・

ぴ信号処理系に若干の変吏を行なっている。実験装置お

よび実蹴果について述べ1流」馴定の応用への可能性  ㌫。 1㌫．

       、・上已

レーザト・方継計（LDV〕は醜測定の一つの 剛｛・実職置の酬を示す．この装IF［嚥糊成は 方法として非蜘によ端蜘分の速度酬定できるこ H・−N・レーザを光源としてトラ。肪式のf言号処齪

とか砿く用いられている調・流速測定への応用にお をもつLDVである．すなわち光源からの光をピー、、ス いては非接触測定の利点が重視されていて勘多くの応 プ1戊・タで2つに分け．集光レ以で 1・」定箇所に集光す

されている〜〕 @      の一部を齢し．朴マルチプライヤで電気鰐に変換

この報告はLDVを利肌て剛転円板の緬の平均連 している．この信号はド。プラ周波数を古んでいるので

分の連度の測定が出来る特色をすて．出来るだけ広い音日

分の速度の酬を一度聞ミ肌ようと鵡たものである． h。＿ご∵．

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圃一1 EXPE印MENTAL ARRANGEMENT

34      小宮勤一・森下 太

ができる。       を平面状に集光レンズによって円板上に直線状に集光さ  ホトマルチプライヤの出力は前置増間器で増『畠され周   せる。このことによって測定部分を広げることができる。

波数トラッカの入力となる。周波数トラッカの機能は次   班に円板の前に図2に示す5個2列のピンホールをもっ の通りである。入力信号の周波数に追従するように電圧   マスク］をおき．円板上に直線状に集光している光を図 制御発振器（VCO）の出力周波数を電圧によって制御   3に示す5個の点になるように設置する。このピンホー一

しているので，VCOの出力周波数を局波数電圧変換   ルの大きさは各スポットの光の強度が同じになるように

（F／V変換）を行なえばドフプラ信号に対応するアナロ   実験的に求めた。この為に外部及び内部のピンホールの グ信号を得ることができる。このアナログ信号を光学系   大きさが大きく，他はそれより小さくなっている。また の設置条件に入れて信号処理を行ない連度表示がされる。

但しトラッカの入力信号は問欠的でしかもノイズを含ん

二㌶イ1鷺霊≧；㌫蕊   加（宝』

い時ににはドロップアウトの検出回路が働いて，ドロッ

プアウト直前の表示を保持する機能をもたせてある。       叶  （1mm）

       ＃2（o．4㎜）

以上のよう繊置及びその離によって＿点の」蛾は   。   ・3（α・mm）

       寸     、4（q2 mm）

測定できるが．多点の連度測定，あるいは平均速度の測

       。5（1mm）

定をすることを考えると，光学系及び信号処理系を測定 点の数だけ用意して同時測定を行なうか，あるいは測定 点を移動して周頂的に何点かの測定を行なう2）必要が

でてくる．しかし一方，一般、，もちいられているLDv   Mask1

において測定体積中の速度が一様でない場合，すなわち      図一2 MASK 1 連度分布がある場合には検出されたドップラ信号中に速

度分布に対応するドップラ信号が全部含まれているはず

合亡＝ll＝蕊：㌶： 謬諺・ぐ『㌧

に次のような改造を加えた。なおこの実験において測定         図一3 RATATING DISC の対象としたのは回転円板の表而の線速度で．円板は1享

さ5mm，半径60mmの透明アクリル樹脂製であり，そ

の一面を散乱光が得やすいようにヤスリによって表面に       i 細いきずを一面につけてある。また円板の回ほ速度は光      1

電式のピ。クア。ブと剛酬・よって測定し，レーザ速  」［i、−L一

度計による測定値の参照値とした。       ＼㌔］il

      −1㍍   山  3．光学系及び信号処理系の改造       L＝5mm

      w＝01m  （亙⊃

 光学系に潤しては図1に示す円筒レンズ．マスク1及

びマスク2の増設を行なった。円筒レンズによって光束       図一4 MASK 2

LDVによる平均速度の測定      35

円板全体に対して中心から各スポットまでの長さは図3 に示す通1〕である。更に不必要な散乱光を制阻するため

にFI板の後方にスリット状のマスク2（図4｝を設けて，    （己）  ・ ホトマルチプライヤに入射させる。      200

 以上述べたような改造によって得られるドップラ信号

のなかには円板上の5点の速度に対応するドップラ信号    O が含まれているが．信号処理系は一系列であるのでこの

ま・では或る瞬問の最も光の強度の強い点の速度が順次

指示されるだけで平均速度は求められない。また前述の   300 ようにドップラ信号は朋欠的となリドロップアウト回路

が作動して直前の測定仙を保持することになる，また一

       ←o 方マスク1のために5点の速度に対応するドップラ信号   三        〇 が得られるひん度はほf等しいと考え，検出される信号    O の度数分布を測定することを試みた。

       200

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503rPs l          ト

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      80    100    120    ］40

ナログ信号をA／D変換器によってディジタル信号に変       VELOCi丁Y 〔rrγs〕

換し，適当なサンプリング間隔でマイクロコンピュータ のメモリに記憶させ，その後マイクロコンピュータに

よって度数分布を求めてヒストグラムを作成する。サン プリング間隔は78μs，A／Dコンバータのゴit干化はユOV

が］2ビットに対応させてある。       200  入力信号がない時の処置は次による。すなわちドロッ

プアウト回路が作動している時はサンプリングを中止し，

入力がある時のみサンプリングを行なう。この機能に    0 よってサンプリングされるデータは最も新しいデータに

限られることになる。

 ヒストグラムは速度のデータを］．17×10−2m／sに相   200 当する2、掴mV毎に区切って度数を数えている。

    ，

（d） 1 ．｛

 4．実験結果および検酎

      ⊆o  前節に述べた装置および方法によって得られたヒスト    自       o グラムの例を図5に示す。円板の回転連度を24．9−44．O

rpsの範囲で6段階に変えてある。横軸は光学系の設置   200 条件からえられる測定周波数に対応する線速度が示され，

縦柚は度数を示している。

 この結果から度数の多い山が3つ表われているが，速     O

270rPs l

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Aム！ll州

     I      l       ．

2419rPS

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1酬；

80   100   120   140

度が8m／s以下に対応する信号は回転数が変化しても       VELOCITY ［凧ノ5］

ピー一クの位置は変化していない。こ・に現れている信号

は図5の（b）の場合にみられるように全く現れない場合も      図一5 EXAMP」ES OF HISTOGRAM 1

36       小宮勤一・査下 太

あって，信号中に含まれるノイズによるものと判断され．  ことが示された。

したがってこの実験装置において測定できる速度の下限    この実験装置は改良すべき点が多く残されている。光 は8m／sとなる。       学系の調整がむずかしいこと，また信号処理装置方法も  8m／s以上の速度に対応する度数分布の別の例を図   改善の余地がある。前書に述べたように流速の平均を測 6に示している。この図の横軸にはマスク1のピンホー  定することを試みて或る程度の成果を得ているので別の ルに対応する速度が＃1−＃5で示してあり，度数分布   機会に報告する。

のピンホールに対応する速度の位置をNo．3とNα4で

 検出されるドッブラ信号には円板上の5点に対応する 速度のドップラ信号が含まれている。しかしこの実験の データからは5点に対応する速度にピークは現れず，ピ

ンホール＃1−＃3の中央部と，＃4−一＃5の中央部の 連度に相当する2つのピークが現れている。この理由は

ドップラ周波数が比較的近いため．また度数分布の広が りの為に互に分離されていないことが考えられるqこの 傾向は円板の回転数が減少することより薪しくなり，図

6の（3）に示されるように度数分布のピークは一つしか現

 図6の〔1）．②には度数分布のピークは2つ現れている   ← が，No．4のピごクに比べてNo．3のピークは度数が非   言 常に少なし㌔これは実験装置に付加したマスク1のピン

ホ＿」の大きさ，位置が関係するが最勘大きさでなく 3°°

各ピンホールの光の強度が等しくなかったために生じた

      ＿       0

と考えられる。この点に閏しては更に検討の必要がある。

5個のピンホールからの信号を分離するにはピンホール

       10   11   12   13   14

を行なわなくてはならない。

 図6のヒストグラムのピークに相当する速度は．2個     図一6 EXAMPLES OF H旧TOGRAM 2 および3個のピンホールの位置に対応する速度の何らか

の意味での代表であると考えられる。この注度から平均 を算出する操作をマイクロコンピュータで行なった。そ

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の結果を図7に示す。円板の回転速度から求めた平均速    15 度とよく一致していること柚かる・

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周麟トラ・カを信号処理瓢として用し るLDVに

おいて多点の平均速度の可能性を実験的に検討した。測   〉 @読

定の対象は回転円板の上の直線の平均速度で，一般の LDVの光学系にピンホールをもつマスクとスリソトを

加貞て同時に多点のドップラ信号をとり入れて一系列の    0 信号処理装置に若干の改造を加えた結果．限られた測定

／   ・m邑己已ur由

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」         L                 10   20   30   40   50  ［rP5］

条件，速度範囲でほあるが平均速度の測定が可能である       図一ア EXPERIMENTAL RESULTS

LDVによる平均速度の測定      37

参 考 文 献

〕〕例えば

  B．M． WATRASIEWICZ＆MJ． RUDD；LASER DOP−

  PLER MEASUREMENTS． BU丁TERWORTHS，（1976）

2）N．NAKATANI、 M． TAKITA， T． IZUMI＆T． YAMA−

  DA， LASER DOPPER VELOCIMETRY  USING   POLARIZATION−PRESERVING OPTICAL FIBERS   FOR SIMULTQANEOUS MEASUREMENT OF MUL−

  TIDMENSONAL VELOCITY COMPONENTS， R、 S．1．

  p．p．2025，2029，（】985）