專利名稱：物理量傳感器和物理量計(jì)測方法
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)測物體的位移、速度。
背景技術(shù)：
FMCff (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)測定的方法中，在基于拍頻和干涉條紋的頻率計(jì)算測定對象的位移和速度時，一般采用FFTO^st Fourier Transform)等的信號處理或干涉條紋的計(jì)數(shù)處理。但是存在著這樣的問題，為了通過FFT實(shí)現(xiàn)高分辨能力，需要很長的取樣時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間。又，在干涉條紋的計(jì)數(shù)處理中，為了測定未滿半波長的位移，需要使傳感器進(jìn)行物理振動，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)測作為測定對象的周期運(yùn)動的振動的問題以及、干涉條紋的計(jì)數(shù)處理耗費(fèi)時間的問題。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)的波長調(diào)制型的激光計(jì)測器 (參照專利文獻(xiàn)1)。該激光計(jì)測器的結(jié)構(gòu)如圖20所示。圖20的激光計(jì)測器具有對物體 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的光電二極管202 ；透鏡203，該透鏡對來自半導(dǎo)體激光器201的光進(jìn)行集光并將該光照射到物體210， 同時對物體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 在振蕩波長連續(xù)增加的第一振動期間和振動波長連續(xù)減少的第二振蕩期間交替反復(fù)的激光驅(qū)動器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提取電路206 ；對信號提取電路206的輸出電壓中包含的MHP的個數(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)動器204將隨著時間以與規(guī)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，對半導(dǎo)體激光器201進(jìn)行驅(qū)動，使得振蕩波長以規(guī)定的變化率連續(xù)增加的第一振動期間和振蕩波長以規(guī)定的變化率連續(xù)減少的第二振動期間交替反復(fù)。圖21是顯示半導(dǎo)體激光器201的振蕩波長的時間變化的示意圖。圖21中， Pl為第一振蕩期間，P2為第二振蕩期間，λ a為各期間振蕩波長的最小值、λ b為各期間振蕩波長的最大值、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，信號提取電路206對電流-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針對第一振蕩期間Pl和第二振蕩期間P2分別對包含在信號提取電路206的輸出電壓中的模跳脈沖(MHP)的個數(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λ a、最大振蕩波長λ b、第一振蕩期間Pl中的MHP的個數(shù)和第二振蕩期間P2中的MHP的個數(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)測器，可以進(jìn)行半導(dǎo)體激光器201的半波長程度的分辨能力的位移計(jì)測，和與半導(dǎo)體激光器201的波長調(diào)制量成反比的分辨能力的距離計(jì)測。專利文獻(xiàn)1日本特開2006-313080號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的問題根據(jù)自結(jié)合型激光計(jì)測器，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)測測定對象的位移和速度。但是，自結(jié)合型激光計(jì)測器由于和 FFT—樣其計(jì)算位移和速度需要一定程度的計(jì)測時間(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調(diào)制的載波的半周期)，因此存在著在速度變化快的測定對象的計(jì)測中產(chǎn)生計(jì)測誤差的問題。又，由于信號處理中需要對MHP的個數(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的分辨能力的問題。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)測物體的位移和速度，并能縮短計(jì)測所需的時間的物理量傳感器和物理量計(jì)測方法。解決問題的手段本發(fā)明提供一種物理量傳感器，包括對測定對象發(fā)射激光的半導(dǎo)體激光器；振蕩波長調(diào)制單元，啟動所述半導(dǎo)體激光器動作，使振蕩波長連續(xù)單調(diào)增加的第一振動期間和振動波長連續(xù)單調(diào)減少的第二振蕩期間中的至少一種反復(fù)出現(xiàn)；檢測單元，其檢測包含干涉波形的電信號，所述干涉波形由從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光和所述測定對象的返回光的自混合效應(yīng)產(chǎn)生；信號提取單元，其在每次輸入所述干涉波形時對包含在該檢測單元的輸出信號中的所述干涉波形的周期進(jìn)行計(jì)測；周期修正單元，其通過將該信號提取單元的計(jì)測結(jié)果和基準(zhǔn)周期進(jìn)行比較對所述計(jì)測結(jié)果進(jìn)行修正；計(jì)算單元，其基于由該周期修正單元修正后的各個周期，計(jì)算出所述測定對象的位移和速度中的至少一項(xiàng)。又，在本發(fā)明的物理量傳感器的一構(gòu)成例中，所述計(jì)算單元，根據(jù)計(jì)測所述干涉波形的周期的采樣時鐘的頻率、所述基準(zhǔn)周期、所述半導(dǎo)體激光的平均波長、由所述周期修正單元修正后的周期相對于所述基準(zhǔn)周期的變化量，計(jì)算出所述測定對象的位移和速度中的至少一項(xiàng)。又，在本發(fā)明的物理量傳感器的一構(gòu)成例中，所述周期修正單元，在由所述信號提取單元計(jì)測到的干涉波形的周期小于所述基準(zhǔn)周期的規(guī)定數(shù)k倍時，其中k是小于1的正值，則將該干涉波形的周期和之后所計(jì)測得到的干涉波形的周期合并后的周期作為修正后的干涉波形的周期，將組合周期得到的波形作為一個波形；在由所述信號提取單元計(jì)測到的干涉波形的周期為所述基準(zhǔn)周期的(m-k)倍以上且小于所述基準(zhǔn)周期的(m+k)倍時，其中m是2以上的自然數(shù)，將該干涉波形的周期m等分后得到的周期分別作為修正后的周期， 修正后的周期的波形具有m個。又，在本發(fā)明的物理量傳感器的一構(gòu)成例中，所述規(guī)定數(shù)k為0. 5。又，在本發(fā)明的物理量傳感器的一構(gòu)成例中，所述周期修正單元，將所述測定對象靜止時的所述干涉波形的周期或者所述即將修正之前所計(jì)測到的規(guī)定數(shù)的干涉波形的周期的平均值作為所述基準(zhǔn)周期。
又，在本發(fā)明的物理量傳感器的一構(gòu)成例中，還包括計(jì)數(shù)單元，其對包含在所述檢測單元的輸出信號中的所述干涉波形的個數(shù)，在所述第一振蕩期間和所述第二振蕩期間分別進(jìn)行計(jì)數(shù)；距離計(jì)算單元，其根據(jù)由該計(jì)數(shù)單元對干涉波形的個數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的期間的最小振蕩波長、最大振蕩波長、以及所述計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)結(jié)果來計(jì)算與所述測定對象之間的距離；周期計(jì)算單元，其根據(jù)該距離計(jì)算單元所計(jì)算得到的距離求得所述干涉波形的周期，所述周期修正單元，將所述周期計(jì)算單元求得的周期作為所述基準(zhǔn)周期。又，在本發(fā)明的物理量傳感器的一構(gòu)成例中，還包括計(jì)數(shù)單元，其對包含在所述檢測單元的輸出信號中的所述干涉波形的個數(shù)，在所述第一振蕩期間和所述第二振蕩期間分別進(jìn)行計(jì)數(shù)；距離比例個數(shù)計(jì)算單元，其通過計(jì)算所述干涉波形的個數(shù)的平均值，求得與所述半導(dǎo)體激光器和所述測定對象的平均距離成比例的干涉波形的個數(shù)即距離比例個數(shù)； 周期計(jì)算單元，其根據(jù)所述距離比例個數(shù)計(jì)算所述干涉波形的周期，所述周期修正單元將所述周期計(jì)算單元所求得的周期作為所述基準(zhǔn)周期。本發(fā)明提供一種物理量計(jì)測方法，包括振蕩步驟，啟動所述半導(dǎo)體激光器，使振蕩波長連續(xù)單調(diào)增加的第一振蕩期間和振動波長連續(xù)單調(diào)減少的第二振蕩期間中的至少一種反復(fù)出現(xiàn)；檢測步驟，檢測包含干涉波形的電信號，所述干涉波形由從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光和測定對象的返回光的自混合效應(yīng)產(chǎn)生；信號提取步驟，在每次輸入干涉波形時對包含于在所述檢測步驟得到的輸出信號中的所述干涉波形的周期進(jìn)行計(jì)測；周期修正步驟，通過將該信號提取步驟的計(jì)測結(jié)果和基準(zhǔn)周期進(jìn)行比較，對所述計(jì)測結(jié)果進(jìn)行修正；計(jì)算步驟，基于該周期修正步驟修正后的各個周期，計(jì)算出所述測定對象的位移和速度中的至少一項(xiàng)。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，通過基于各干涉波形的周期進(jìn)行計(jì)算，能夠以比從前高的分辨能力測定對象的位移和速度。又，相比于在從前的自混合型激光計(jì)測器中，需要耗費(fèi)載波的半周期的計(jì)測時間，在本發(fā)明中，由于可以根據(jù)各個干涉波形的周期求得測定對象的位移和速度，因此大幅度縮短了計(jì)測所需要的時間，并且還可以與速度變化快的測定對象相對應(yīng)。進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，通過將信號提取單元的計(jì)測結(jié)果和基準(zhǔn)周期進(jìn)行比較，可以修正干涉波形的周期誤差，因此可提高位移和速度的計(jì)測精度。


圖1是顯示本發(fā)明的第一實(shí)施方式涉及的物理量傳感器的結(jié)構(gòu)的框圖。圖2是示意性顯示本發(fā)明第一實(shí)施方式涉及的電流-電壓變換放大部的輸出電壓波形和濾波部的輸出電壓波形的波形圖。圖3是用于說明模跳脈沖的圖。圖4是顯示半導(dǎo)體激光器的振蕩波長和光電二極管的輸出波形的關(guān)系的圖。圖5是顯示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的信號提取部的構(gòu)成例的框圖。圖6是用于說明本發(fā)明第一實(shí)施方式的信號提取部的動作的圖。圖7是顯示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的計(jì)算部的構(gòu)成例的框圖。圖8是用于說明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的周期修正部的動作的圖。圖9是用于說明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的信號提取部的計(jì)測結(jié)果的修正原理的
圖10是顯示模跳脈沖的周期的度數(shù)分布的圖。圖11是顯示成為兩倍周期的模跳脈沖周期的度數(shù)分布的圖。圖12是顯示計(jì)數(shù)時欠缺的模跳脈沖中被兩等分的模跳脈沖的周期的度數(shù)分布的圖。圖13是顯示計(jì)數(shù)時欠缺的模跳脈沖中被兩等分的模跳脈沖的周期的度數(shù)分布的圖。圖14是顯示本發(fā)明的第二實(shí)施方式中的計(jì)算部的構(gòu)成例的框圖。圖15是顯示本發(fā)明的第三實(shí)施方式中的計(jì)算部的構(gòu)成例的框圖。圖16是顯示本發(fā)明的第三實(shí)施方式中的計(jì)數(shù)部的計(jì)數(shù)結(jié)果的時間變化的一例的圖。圖17是顯示本發(fā)明第三實(shí)施方式中的計(jì)數(shù)部的計(jì)數(shù)結(jié)果的時間變化的其他實(shí)例的圖。圖18是顯示本發(fā)明的第四實(shí)施方式中的半導(dǎo)體激光器的振蕩波長的時間變化的其他實(shí)例的圖。圖19是顯示本發(fā)明第五實(shí)施方式涉及的物理量傳感器的構(gòu)成的框圖。圖20是顯示現(xiàn)有的激光計(jì)測器的構(gòu)成的框圖。圖21是顯示圖20的激光計(jì)測器中的半導(dǎo)體激光器的振蕩波長的時間變化的1個實(shí)例的圖。
具體實(shí)施例方式第一實(shí)施方式下面參考附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。圖1是顯示本發(fā)明第一實(shí)施方式涉及的物理量傳感器的結(jié)構(gòu)的框圖。圖1的物理量傳感器具有對作為測定對象的物體10發(fā)射激光的半導(dǎo)體激光器 1 ；將半導(dǎo)體激光器1的光輸出變換為電信號的光電二極管2 ；透鏡3，該透鏡3對半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的光進(jìn)行集光并發(fā)射，同時對物體10的返回光進(jìn)行集光并使該返回光入射到半導(dǎo)體激光器1 ；驅(qū)動半導(dǎo)體激光器1的作為振蕩波長調(diào)制單元的激光驅(qū)動器4 ；將光電二極管2的輸出電流變換為電壓并放大的電流-電壓變換放大部5 ；從電流-電壓變換放大部5 的輸出電壓中除去載波的濾波部6 ；對包含在濾波部6的輸出電壓中的作為自混合信號的模跳脈沖(下面稱為MHP)的周期進(jìn)行計(jì)測的信號提取部7 ；基于信號提取部7計(jì)測到的各周期計(jì)算物體10的位移和速度的計(jì)算部8 ；顯示計(jì)算部8的計(jì)算結(jié)果的顯示部9。光電二極管2和電流-電壓變換放大部5構(gòu)成檢測單元。下面為了便于說明，假設(shè)半導(dǎo)體激光器1采用不具有模跳現(xiàn)象的類型(VCSEL型、DFB激光型)。激光驅(qū)動器4將隨著時間以一定的變化率反復(fù)增減三角波驅(qū)動電流作為注入電流提供給半導(dǎo)體激光器1。這樣，半導(dǎo)體激光器1被驅(qū)動為，與注入電流大小成正比地使振蕩波長以一定的變化率連續(xù)增加的第一振蕩期間Pl和振蕩波長以一定的變化率連續(xù)減少的第二振蕩期間P2交替重復(fù)。此時，半導(dǎo)體激光器1的振蕩波長的時間變化如圖21所示。 在本實(shí)施方式中，半導(dǎo)體激光器1的振蕩波長的變化速度必須是一定的。
從半導(dǎo)體激光器1出射的激光通過透鏡3集光并入射到物體10。由物體10反射的光通過透鏡3集光，入射到半導(dǎo)體激光器1。但是也不是必須通過透鏡3進(jìn)行集光。光電二極管2設(shè)置在半導(dǎo)體激光器1的內(nèi)部或者其附近，將半導(dǎo)體激光器1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)制波中抽取重疊信號的功能。圖2 (A)示意性地顯示電流-電壓變換放大部5的輸出電壓波形，圖2 (B)示意性顯示濾波部6的輸出電壓波形。這些圖顯示了從相當(dāng)于光電二極管2的輸出的圖2(A)的波形(調(diào)制波)中，除去圖2的半導(dǎo)體激光器1的振蕩波形(載波)后，提取如圖2(B)所示的MHP波形(干涉波形)的過程。接著，信號提取部7在每次MHP發(fā)生時計(jì)測包含在濾波部6的輸出電壓中的MHP的周期。這里對作為自混合信號的MHP進(jìn)行說明。如圖3所示，設(shè)鏡面層1013到物體10的距離為L，激光的振蕩波長為λ，滿足下列的共振條件時，物體10的返回光和半導(dǎo)體激光器 1的光共振器內(nèi)的激光相互增強(qiáng)，使得激光輸出稍有增加。L = qX/2'" (1)在式子(1)中，q為整數(shù)。該現(xiàn)象，即使在來自物體10的散射光非常微弱時，通過半導(dǎo)體激光器1的共振器內(nèi)體現(xiàn)的反射率的增加，產(chǎn)生放大作用，從而能充分地進(jìn)行觀測。圖4是顯示使得半導(dǎo)體激光器1的振蕩波長以某個一定的比例變化時的振蕩波長和光電二極管2的輸出波形之間的關(guān)系的圖。當(dāng)滿足式子(1)顯示的L = qX/2時，返回光和光共振器內(nèi)的激光的相位差為0° (同相位)，返回光和光共振器內(nèi)的激光為最大相互增強(qiáng)，當(dāng)L = q λ /2+ λ /4時，相位差為180° (逆相位)，返回光和光共振器內(nèi)的激光為最大相互減弱。因此，如果使得半導(dǎo)體激光器1的振蕩波長變化，激光輸出交替重復(fù)出現(xiàn)增強(qiáng)和減弱的現(xiàn)象，通過發(fā)光二極管2檢測此時的激光輸出的話，如圖4所示可得到一定周期的階梯狀的波形。這樣的波形一般稱為干涉條紋。該階梯狀的波形即各個干涉條紋的為ΜΗΡ。 如前所述，一定時間之內(nèi)使得半導(dǎo)體激光器1的振蕩波長變化時，MHP的個數(shù)與測定距離成正比地變化。圖5是顯示信號提取部7的構(gòu)成例的框圖。信號提取部7包括二值化部70和周期測定部71。圖6(A) 圖6(D)是用于對信號提取部7的動作進(jìn)行說明的圖，圖6 (A)示意性顯示濾波部6的輸出電壓的波形，即MHP的波形，圖6 (B)顯示對應(yīng)于圖6(A)的二值化部70 的輸出，圖6(C)是顯示輸入到信號提取部7的采樣時鐘CLK的圖，圖6(D)是顯示對應(yīng)于圖 6(B)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判定圖6(A)所示的濾波部6的輸出電壓為高電平(H)還是低電平(L)，并輸出如圖6(B)那樣的判定結(jié)果。此時，二值化部70在濾波部 6的輸出電壓上升達(dá)到了閾值THl以上時判定為高電平，當(dāng)濾波部6的輸出電壓下降達(dá)到了閾值ΤΗ2 (ΤΗ2 < THl)時判定為低電平，從而使得濾波部6的輸出二值化。周期測定部71在每次上升邊緣發(fā)生時測定二值化部70的輸出的上升邊緣的周期(即，MHP的周期)。此時，周期測定部71以圖6(C)所示的采樣時鐘CLK的周期為一個單位測定MHP的周期。在圖6(D)的示例中，周期測定部71，依次測定Τα、Τβ、Τγ作為 MHP的周期。根據(jù)圖6(C)、圖6(D)可知，周期Τα、Τβ、Ty的大小分別為5 [samplings]、 4[samplings] ,2[samplings]。采樣時鐘CLK的頻率相對于MHP的能得到的最高頻率為足夠高。接著，計(jì)算部8基于信號提取部7的計(jì)測結(jié)果，根據(jù)各個MHP的周期的變化計(jì)算物體10的位移和速度。圖7是顯示計(jì)算部8的構(gòu)成例的框圖。計(jì)算部8包括存儲部80、周期修正部81、物理量計(jì)算部82。存儲部80存儲信號提取部7的計(jì)測結(jié)果。周期修正部81將物體10靜止時的MHP 的周期、計(jì)算得到的距離中的MHP的周期、或本次修正之前所計(jì)測到的規(guī)定數(shù)量的MHP的周期的移動平均值中的任意一個作為基準(zhǔn)周期T0，通過比較信號提取部7本次的計(jì)測結(jié)果和基準(zhǔn)周期T0，對信號提取部7的計(jì)測結(jié)果進(jìn)行修正。圖8(A) 圖8(F)是用于說明周期修正部81的動作的圖。當(dāng)如圖8 (A)所示由信號提取部7計(jì)測得到的MHP的周期T小于0. 5T0時，周期修正部81如圖8 (B)所示將MHP的周期T和下次計(jì)測得到的MHP的周期Tnext合成后的周期作為修正后的MHP的周期T’。又，當(dāng)如圖8 (C)所示由信號提取部7計(jì)測得到的MHP的周期T在1. 5T0以上且小于2. 5T0時，周期修正部81如圖8 (D)所示將MHP的周期T兩等分后得到的周期分別作為修正后的周期Tl，、T2，。又，當(dāng)如圖8 (E)所示由信號提取部7所計(jì)測到的MHP的周期T在2. 5T0以上且小于3. 5T0的時候，周期修正部81如圖8 (F)所示將MHP的周期T三等分后得到的周期分別作為修正后的周期11’、12’、13’。在3. 5T0以上的情況下也是同樣的。即周期修正部81， 在由信號提取部7所計(jì)測得到的MHP的周期T在(m-0. 5)TO以上且小于(m+0. 5)T0的情況下(m為2以上的自然數(shù))，將MHP的周期T進(jìn)行m等分后得到的周期分別作為修正后的周期。周期修正部81在每次信號提取部7輸出計(jì)測結(jié)果時進(jìn)行如上的修正處理。圖9是說明信號提取部7的計(jì)測結(jié)果的修正原理的圖，其示意性地顯示了濾波部 6的輸出電壓波形，即MHP的波形。原本，MHP的周期根據(jù)與物體10之間的距離不同而不同，但是如果和物體10之間的距離不變，則MHP以同樣的周期出現(xiàn)。然而，由于噪音的緣故，MHP的波形會產(chǎn)生欠缺，或產(chǎn)生不應(yīng)當(dāng)作為信號的波形，從而導(dǎo)致MHP的周期產(chǎn)生誤差。如果產(chǎn)生信號的欠缺，則產(chǎn)生欠缺的地方的MHP的周期Tw是原本周期的大致兩倍。即，MHP的周期為基準(zhǔn)周期TO的大致兩倍以上時，可判斷為信號產(chǎn)生了欠缺。這樣，即可通過將周期Tw兩等分，來修正信號的欠缺。又，在計(jì)算了噪音的地方的MHP的周期Ts為原本周期的大致0. 5倍。S卩，MHP的周期小于基準(zhǔn)周期TO的大致0. 5倍時，可判斷為信號計(jì)數(shù)過剩。這樣，通過使得周期Ts和下一次計(jì)測得到的周期Tnext相加，對錯誤計(jì)數(shù)了的噪聲進(jìn)行修正。以上，是信號提取部7的計(jì)測結(jié)果的修正原理。在本實(shí)施方式中，使得用于確定視為計(jì)算了噪音的周期Ts的閾值為基準(zhǔn)周期TO的0. 5倍的值，使得用于確定視為產(chǎn)生了信號的欠缺的周期Tw的閾值不為基準(zhǔn)周期TO的2倍的值，而是1. 5倍的值，確定1. 5倍的理由將在之后進(jìn)行論述。接著，物理量計(jì)算部82根據(jù)由周期修正部81修正得到的MHP的各個周期相對于基準(zhǔn)周期TO的變化計(jì)算物體10的位移和速度。設(shè)采樣時鐘的頻率為fad[Hz]、基準(zhǔn)周期為TO [samplings]、半導(dǎo)體激光器1的振蕩平均波長為λ [m]、修正后的MHP的周期由基準(zhǔn)周期TO延長η [samplings]時，該修正后的MHP的周期中物體10的位移D [m]如下式所示。D = ηΧ λ/(2ΧΤ0)— (2)修正后MHP的周期由基準(zhǔn)周期TO縮短!![samplings]時，使得式子O)的周期變化量η的符號為負(fù)即可。半導(dǎo)體激光器1的振動波長增加的第一振蕩期間Pl中，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1的方向，當(dāng)位移D為負(fù)時，物體10的移動方向?yàn)榻咏雽?dǎo)體激光器1的方向。另，在振蕩波長減少的第二振蕩期間Ρ2中，當(dāng)位移D 為正，物體10的移動方向?yàn)榻咏雽?dǎo)體激光器1的方向，當(dāng)位移D為負(fù)時，物體10的移動方向?yàn)檫h(yuǎn)離半導(dǎo)體激光器1的方向。又，由于修正后MHP的周期為(TO+n) /fad,該修正后的MHP的周期中物體10的速度V[m/s]為下式所示。V = ηX λ / (2 X TO) X fad/ (TO+n) ... (3)物理量計(jì)算部82可根據(jù)式子( 計(jì)算物體10的位移D，根據(jù)式子( 計(jì)算物體10 的速度V。例如，設(shè)采樣時鐘的頻率fad為16 [MHz]、基準(zhǔn)周期TO為160 [samplings]、半導(dǎo)體激光器1的平均波長為850 [nm]，若修正后的MHP的周期由基準(zhǔn)周期TO增長1 [samplings]， 則可計(jì)算得到該MHP的周期中物體10的位移D為5. 31 [nm]、速度V為1. 05 [mm/s]。物理量計(jì)算部82對修正后的MHP的各周期進(jìn)行上述那樣的計(jì)算處理。顯示部9顯示計(jì)算部8的計(jì)算結(jié)果。這里，令半導(dǎo)體激光器1的振蕩波長調(diào)制的載波(三角波)的每一半周期的和與物體10的距離相關(guān)聯(lián)的MHP的個數(shù)為Ni。在將物體10的最大速度的絕對值改為了載波每一周期的位移時則為X/2XNa，每一載波半周期的MHP的個數(shù)為m 士 Na。載波每一周期的位移以λ /2XNb的速度移動時，每一載波半周期的MHP的個數(shù)為m+Nb，這樣即可觀察與該個數(shù)對應(yīng)的MHP的周期。為了求得物體10的位移D和速度V，可根據(jù)各個MHP的周期逆算每一載波半周期的MHP的個數(shù)，并根據(jù)該MHP的個數(shù)計(jì)算物體10的位移D和速度V。上述的式子O)、(3)是基于這樣的導(dǎo)出原理。在專利文獻(xiàn)1所揭示的自混合型激光計(jì)測器中，物體的位移和速度的分辨能力大致為半導(dǎo)體激光器的半波長λ/2。與之相對的，本發(fā)明實(shí)施方式中，由于位移D和速度V的分辨能力為λ/2Χη/Τ0，因此可實(shí)現(xiàn)不到波長λ/2的分辨能力，從而實(shí)現(xiàn)以比現(xiàn)有技術(shù)更高的分辨能力進(jìn)行計(jì)測。如上所述，在本實(shí)施方式中，物體10的位移D和速度可以以比現(xiàn)有技術(shù)高的分辨能力進(jìn)行計(jì)測。又，在專利文獻(xiàn)1所揭示的自混合型激光計(jì)測器中，需要耗費(fèi)載波的半周期的計(jì)測時間，而在本實(shí)施方式中，由于可根據(jù)各個MHP的周期求得物體10的位移D和速度 V，因此計(jì)測所需要的時間能夠大幅度縮短，從而可以適用于速度變化快的物體10。進(jìn)一步的，在本實(shí)施方式中，由于可修正MHP的周期的誤差，從而能夠提高位移D和速度V的計(jì)測精度。又，由于即使在物體10靜止時，各個MHP的周期在正態(tài)分布上也存在偏差，因此對計(jì)算得到的位移進(jìn)行移動平均等處理即可。又，在本實(shí)施方式中，對物體10的位移和速度進(jìn)行計(jì)測，但是也可僅對其中一項(xiàng)進(jìn)行計(jì)測。接著，對將用于確定視為信號產(chǎn)生了欠缺的周期Tw的閾值設(shè)為基準(zhǔn)周期TO的1.5倍的理由進(jìn)行說明。半導(dǎo)體激光器1的振蕩波長的變化為線性變化時，MHP的周期以基準(zhǔn)周期TO為中心正態(tài)分布(圖10)。這里，考慮MHP的波形產(chǎn)生了欠缺的情況。由于原本MHP的周期以TO為中心的正態(tài)分布，所以因?yàn)镸HP的強(qiáng)度小而在計(jì)測時產(chǎn)生了欠缺時的MHP的周期為平均值2T0、標(biāo)準(zhǔn)偏差2σ的正態(tài)分布(圖11中的f)。當(dāng)欠缺了的MHP時，在第一振蕩期間Pl或第二振蕩期間P2的任一個中，信號提取部7對MHP的個數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，其結(jié)果，MHP的個數(shù)為N 時，由于該欠缺周期為2倍的MHP的周期的度數(shù)為_( =·Ν)。又，由于計(jì)測時的欠缺減少后的大致為TO的周期的度數(shù)為如圖11所示的g，圖11的h所示的度數(shù)的減少量為 2Nw( = 2j[% ])。因此，在第一振蕩期間Pl和第二振蕩期間P2中的任一個中，未產(chǎn)生MHP 欠缺時的原本的MHP的個數(shù)N’能夠以以下的式子來表示。N，= N+j[% ] = N+Nw ... (4)接著，考慮用于修正MHP的周期的計(jì)測結(jié)果的閾值。此處，假設(shè)的是由于計(jì)測時的欠缺周期為2倍的MHP的周期的度數(shù)漸中p[%]由噪音一分為二的情況。欠缺了的MHP 中被一分為二的MHP的周期的度數(shù)為漸’(=·Ν)。再度一分為二的MHP的周期的度數(shù)分布如圖12所示。如果將視為Nw的周期的閾值設(shè)為1.5Τ0，則周期0.5Τ0以下的MHP的周期的度數(shù)為0. 5Nw' ( = 0. 5p[% ] · Nw)、周期為0. 5T0到1. 5T0的MHP的周期的度數(shù)為Nw，( = p[%] ·_)，周期為1.5T0以上的MHP的周期的度數(shù)為0.5Nw，(= 0. 5p[% ] · Nw)。因此，所有MHP的周期的度數(shù)分布如圖13所示，設(shè)與上述Ts對應(yīng)的周期的度數(shù)Ns 的閾值為0. 5T0,與上述Tw對應(yīng)的周期的度數(shù)漸的閾值為1. 5T0時，計(jì)數(shù)結(jié)果N能夠以以下式子表示。N = (N，_2Nw) +(Nw-Nw，)+2Nw，= N，-Nw+Nw'... (5)根據(jù)式子(5)，修正后的結(jié)果如以下所示，計(jì)數(shù)時未產(chǎn)生MHP欠缺的情況下原本的 MHP的個數(shù)N’可計(jì)算得到。N-0. 5Nw，+(0. 5Nw，+(Nw-Nw'))= (N-Nw+Nw，) + (0. 5Nw，+(Nw-Nw'))= N，... (6)根據(jù)以上，如果使得計(jì)算度數(shù)漸時的周期的閾值為基準(zhǔn)周期TO的1. 5倍，則可以修正計(jì)數(shù)結(jié)果N。如果三角波的每個半周期的采樣時鐘數(shù)為M,則MHP的周期T和計(jì)數(shù)結(jié)果 N之間具有T = M/N的關(guān)系，由于M為一定值，可知，用于確定視為產(chǎn)生信號欠缺的周期Tw 的閾值和計(jì)數(shù)結(jié)果N的情況相同，可以為基準(zhǔn)周期TO的1.5倍。又，在本實(shí)施方式中，基準(zhǔn)周期TO設(shè)為物體10靜止?fàn)顟B(tài)下的MHP的周期，但是不限于此，計(jì)算部8也可將修正之前所計(jì)測得到的規(guī)定個數(shù)的MHP的周期的移動平均值作為基準(zhǔn)周期TO。根據(jù)這種方法，即使在物體10無法靜止的情況下，也可求得基準(zhǔn)周期TO。第二實(shí)施方式接著，對本發(fā)明的第二實(shí)施方式進(jìn)行說明。圖14是顯示第二實(shí)施方式涉及的計(jì)算部8的構(gòu)成例的框圖。計(jì)算部8包括存儲部80、周期修正部81、物理量計(jì)算部82、計(jì)數(shù)部 83、距離計(jì)算部84、周期計(jì)算部85。物理量傳感器整體構(gòu)成和第一實(shí)施方式相同，但是半導(dǎo)體激光器1的振蕩波長的變化速度為一定，且振蕩波長的最大值Xb和振蕩波長的最小值入a分別為一定，其差A(yù)b-λ a也需要為一定。計(jì)數(shù)部83針對第一振蕩期間Pl和第二振蕩期間P2分別對包含在濾波部6的輸出中的MHP的個數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)部83可以利用由邏輯門構(gòu)成的計(jì)數(shù)器，也可以利用 FFT (Fast FourierTransform)對MHP的頻率(即，單位時間內(nèi)MHP的個數(shù))進(jìn)行計(jì)測。接著，距離計(jì)算部84基于半導(dǎo)體激光器1的最小振蕩波長λ a和最大振蕩波長 λ b和計(jì)數(shù)部83所計(jì)數(shù)得到的MHP的個數(shù)，計(jì)算與物體10的距離。在本實(shí)施方式中，物體 10的狀態(tài)可以是滿足規(guī)定條件的微小位移狀態(tài)，或是比微小位移狀態(tài)移動大的位移狀態(tài)中的任何一種。振蕩期間Pl和振動期間P2的每個期間的物體10的平均位移設(shè)為V時，微小位移狀態(tài)是指滿足(λ b- λ a) / λ b > V/Lb的狀態(tài)(但，Lb是指時刻t時的距離)，位移狀態(tài)是指滿足(λ b- λ a) / λ b彡V/Lb的狀態(tài)。首先，距離計(jì)算部84如以下式子計(jì)算現(xiàn)時刻t的距離的候補(bǔ)值La (t)、Li3 (t)和速度的候補(bǔ)值V a (t)、Vi3⑴。La (t) = AaX AbX (MHP(t_l)+MHP(t))/{4X (Ab-Aa)}...(7)L β (t) = λ a X λ b X ( I MHP (t-1)-MHP (t) I ) / {4 X ( λ b- λ a) } …⑶V a (t) = (MHP (t-1)-MHP (t)) X λ b/4 ... (9)V β (t) = (MHP (t-1)+MHP (t)) X λ b/4 ... (10)在式子(7) (10)中，MHP (t)是現(xiàn)時刻t所計(jì)算得到的MHP的個數(shù)，MHP(t_l)是指在MHP (t)的前一次所計(jì)算得到的MHP的個數(shù)。例如，如果MHP (t)為第一振蕩期間Pl的計(jì)數(shù)結(jié)果的話，MHP(t-l)為第二振蕩期間P2的計(jì)數(shù)結(jié)果，反之，如果MHP(t)為第二振蕩期間P2的計(jì)數(shù)結(jié)果的話，則MHP (t-Ι)為第一振蕩期間Pl的計(jì)數(shù)結(jié)果。候補(bǔ)值L α (t)、Va (t)是假設(shè)物體10為微小位移狀態(tài)時所計(jì)算得到的值，候補(bǔ)值 L^ α)、νβ (t)是假設(shè)物體10為位移狀態(tài)時所計(jì)算得到的值。距離計(jì)算部84在通過計(jì)數(shù)部83對MHP的個數(shù)進(jìn)行測定的各個時刻(各振蕩期間)進(jìn)行式子(7) (10)的計(jì)算。接著，距離計(jì)算部84對微小位移狀態(tài)和位移狀態(tài)，分別通過下列式子計(jì)算現(xiàn)時刻 t的距離的候補(bǔ)值與之前時刻的距離的候補(bǔ)值之間的差即歷史位移。又，在式子(11)、式子 (12)中，現(xiàn)時刻t的前一次所計(jì)算得到的距離的候補(bǔ)值為La (t-1), L β (t-1)。Vcal α (t) =La (t) _L a (t_l)... (11)Vcal β (t) = L^ (t)-Lβ (t-1)... (12)歷史位移Vcal α (t)為假設(shè)物體10為微小位移狀態(tài)時計(jì)算得到的值，歷史位移 Vcal^ (t)是假設(shè)物體10為位移狀態(tài)時計(jì)算得到的值。距離計(jì)算部84在由計(jì)數(shù)部83測定 MHP的個數(shù)的各個時刻進(jìn)行式子(11) 式子(12)的計(jì)算。又，式子(9) 式子(12)中，將物體10靠近本實(shí)施方式的物理量傳感器的方向確定為正速度，將遠(yuǎn)離的方向確定為負(fù)速度。接著，距離計(jì)算部84采用式子(7) 式子(1 的計(jì)算結(jié)果，判定物體10的狀態(tài)。如專利文獻(xiàn)1所記載的那樣，在假設(shè)物體10在微小位移狀態(tài)計(jì)算得到的歷史位移 Vcala (t)的符號為一定，且假設(shè)物體10在微小位移狀態(tài)計(jì)算得到的速度的候補(bǔ)值Va (t)和歷史位移Vcal α (t)的絕對值的平均值相等時，距離計(jì)算部84判定為物體10以微小位移狀態(tài)做等速度運(yùn)動。又，如專利文獻(xiàn)1記載的那樣，在假設(shè)物體10在位移狀態(tài)計(jì)算得到的歷史位移 Vcal^⑴的符號為一定，且假設(shè)物體10在位移狀態(tài)計(jì)算得到的速度的候補(bǔ)值Vβ (t)和歷史位移Vcal β (t)的絕對值的平均值相等時，距離計(jì)算部84判定為物體10以位移狀態(tài)做
等速度運(yùn)動。又，如專利文獻(xiàn)1記載的那樣，在假設(shè)物體10在微小位移狀態(tài)計(jì)算得到的歷史位移Vcal α (t)的符號在測定MHP的個數(shù)的各時刻反轉(zhuǎn)，且假設(shè)物體10在微小位移狀態(tài)計(jì)算得到的速度的候補(bǔ)值Va (t)和歷史位移Vcal α (t)的絕對值的平均值不一致時，距離計(jì)算部84判定為物體10以微小位移狀態(tài)做等速度運(yùn)動以外的運(yùn)動。又，如果著眼于速度的候補(bǔ)值Vi3 (t)，νβ (t)的絕對值為常數(shù)，該值和半導(dǎo)體激光器1的波長變化量(Xb-λ a)/Xb相等。此時，在假設(shè)物體10在位移狀態(tài)而計(jì)算得到的速度的候補(bǔ)值νβ (t)的絕對值和波長變化率相等，且假設(shè)物體10在微小位移狀態(tài)而計(jì)算得到的速度的候補(bǔ)值Va (t)和歷史位移Vcal α (t)的絕對值的平均值不一致時，距離計(jì)算部84判定為物體10以微小位移狀態(tài)做等速度運(yùn)動以外的運(yùn)動。又，如專利文獻(xiàn)1所記載的，在假設(shè)物體10在位移狀態(tài)而計(jì)算得到的歷史位移 Vcal^ (t)的符號在每個測定MHP的個數(shù)的時刻反轉(zhuǎn)，且假設(shè)物體10在位移狀態(tài)而計(jì)算得到的速度的候補(bǔ)值(t)和歷史位移Vcal β (t)的絕對值的平均值不一致時，距離計(jì)算部 84判定為物體10以位移狀態(tài)做等速度運(yùn)動以外的運(yùn)動。又，如果著眼于速度的候補(bǔ)值V α (t), Va (t)的絕對值為常數(shù)，該值和半導(dǎo)體激光器1的波長變化率(λ b- λ a) / λ b相等。從而距離計(jì)算部84，在假設(shè)物體10在微小位移狀態(tài)而計(jì)算得到的速度的候補(bǔ)值V α (t)的絕對值與波長變化率相等，且假設(shè)物體10在位移狀態(tài)而計(jì)算得到的速度的候補(bǔ)值V β (t)和歷史位移Vcal β (t)的絕對值的平均值不一致時，可判定物體10以位移狀態(tài)做等速度運(yùn)動以外的運(yùn)動。距離計(jì)算部84根據(jù)上述判定結(jié)果確定與物體10之間的距離。即，距離計(jì)算部84 在判定為物體10以微小位移狀態(tài)做等速度運(yùn)動時，將距離的候補(bǔ)值L α (t)作為與物體10 的距離，當(dāng)判定為物體以位移狀態(tài)做等速度運(yùn)動時，以距離的候補(bǔ)值Lβ (t)作為與物體10 的距離。又，距離計(jì)算部84，在判定為物體10以微小位移狀態(tài)做等速度運(yùn)動以外的運(yùn)動時，以距離的候補(bǔ)值La (t)作為與物體10的距離。然而，實(shí)際的距離為距離的候補(bǔ)值 La (t)的平均值。又，距離計(jì)算部84，在判定為物體以位移狀態(tài)做等速度運(yùn)動以外的運(yùn)動時，以距離的候補(bǔ)值Li3 (t)作為與物體10的距離。但是，實(shí)際的距離是距離的候補(bǔ)值 L β (t)的平均值。接著，周期計(jì)算部85根據(jù)距離計(jì)算部84所計(jì)算得到的距離求得MHP的周期。MHP 的頻率和測定距離成正比，MHP的周期和測定距離成反比。這里，預(yù)先求得MHP的周期和距離的關(guān)系并存儲在周期計(jì)算部85的數(shù)據(jù)庫(未圖示)中的話，周期計(jì)算部85可通過從數(shù)據(jù)庫中取得與距離計(jì)算部84所計(jì)算得到的距離相對應(yīng)的MHP的周期，來求得MHP的周期。 或者，如果預(yù)先求得并設(shè)定表示MHP的周期和距離之間關(guān)系的式子，周期計(jì)算部85可通過將距離計(jì)算部84計(jì)算得到的距離帶入數(shù)式，求得MHP的周期。
周期修正部81將周期計(jì)算部85求得的周期作為基準(zhǔn)周期T0，如第一實(shí)施方式中說明的那樣對信號提取部7的計(jì)測結(jié)果進(jìn)行修正即可。物理量計(jì)算部82的動作和第一實(shí)施方式的相同。在本實(shí)施方式中，即使在無法使得物體10靜止的情況下，也可求得基準(zhǔn)周期TO。第三實(shí)施方式接著，對本發(fā)明的第三實(shí)施方式進(jìn)行說明。圖15是本發(fā)明第三實(shí)施方式涉及的計(jì)算部8的構(gòu)成例的框圖。計(jì)算部8具有存儲部80 ；周期修正部81 ；物理量計(jì)算部82 ；對包括在濾波部6的輸出電壓中的MHP的個數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)部86 ；存儲計(jì)數(shù)部86的計(jì)數(shù)結(jié)果等的存儲部87 ；通過計(jì)算計(jì)數(shù)部86的計(jì)數(shù)結(jié)果的平均值，求得與半導(dǎo)體激光器1和物體10之間的平均距離成正比的MHP的個數(shù)(下面稱為距離比例個數(shù))NL的距離比例個數(shù)計(jì)算部88 ；符號賦予部89，其根據(jù)計(jì)數(shù)部86的前一次的計(jì)數(shù)結(jié)果與使用比該計(jì)數(shù)結(jié)果更之前的計(jì)數(shù)結(jié)果計(jì)算得到的距離比例個數(shù)NL的兩倍數(shù)的大小關(guān)系，對計(jì)數(shù)部86的最新計(jì)數(shù)結(jié)果賦予正負(fù)符號；根據(jù)距離比例個數(shù)NL計(jì)算MHP的周期的周期計(jì)算部90。物理量傳感器的整體結(jié)構(gòu)可與第一實(shí)施方式的相同。計(jì)數(shù)部86針對第一振蕩期間Pl和第二振蕩期間P2分別對包含于濾波部6的輸出中的MHP的個數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)部86可采用由邏輯門構(gòu)成的計(jì)數(shù)器，也可以是采用FFT 對MHP的頻率(即單位時間內(nèi)MHP的個數(shù))進(jìn)行計(jì)數(shù)的裝置。計(jì)數(shù)部86的計(jì)數(shù)結(jié)果存儲在存儲部87中。距離比例個數(shù)計(jì)算部88根據(jù)計(jì)數(shù)部86的計(jì)數(shù)結(jié)果求得距離比例個數(shù)NL。圖16 是對距離比例個數(shù)計(jì)算部88的動作進(jìn)行說明的圖，其顯示了計(jì)數(shù)部86的計(jì)數(shù)結(jié)果的時間變化。在圖16中，Nu為第一振蕩期間Pl的計(jì)數(shù)結(jié)果，Nd是第二振蕩期間P2的計(jì)數(shù)結(jié)果。 物體10的距離變化率比半導(dǎo)體激光器1的振蕩波長變化率小，物體10做簡諧振動時，計(jì)數(shù)結(jié)果Nu的時間變化和計(jì)數(shù)結(jié)果Nd的時間變化如圖16所示為相互的相位差為180度的正弦波形。專利文獻(xiàn)1中，將此時物體19的狀態(tài)作為微小位移狀態(tài)。由圖21可知，由于第一振蕩期間Pl和第二振蕩期間P2交替出現(xiàn)，計(jì)數(shù)結(jié)果Nu和計(jì)數(shù)結(jié)果Nd也交替出現(xiàn)。計(jì)數(shù)結(jié)果Nu、Nd為，距離比例個數(shù)NL和與物體的位移成正比的 MHP的個數(shù)(下面稱為位移比例個數(shù))NV的和或是差。距離比例個數(shù)NL相當(dāng)于圖16所示的正弦波形的平均值。又，計(jì)數(shù)結(jié)果Nu或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)計(jì)算部88，通過如以下式子那樣對到現(xiàn)時刻t的前兩次為止所計(jì)測到的偶數(shù)次計(jì)數(shù)結(jié)果的平均值進(jìn)行計(jì)算，來計(jì)算距離比例個數(shù)NL。NL= {N(t-2)+N(t-3)}/2— (13)式子(13)中，N(t_2)表示現(xiàn)時刻t的前兩次所計(jì)測得到的MHP的個數(shù)N，N(t_3) 表示現(xiàn)時刻t的前三次所計(jì)測得到的MHP的個數(shù)N。若現(xiàn)時刻t的計(jì)數(shù)結(jié)果N (t)為第一振動期間Pl的計(jì)數(shù)結(jié)果Nu，則前兩次的計(jì)數(shù)結(jié)果N(t-2)也是第一振蕩期間Pl的計(jì)數(shù)結(jié)果 Nu，前三次的計(jì)數(shù)結(jié)果N(t-3)為第二振蕩期間P2的計(jì)數(shù)結(jié)果Nd。相反地，如果現(xiàn)時刻t的計(jì)數(shù)結(jié)果N(t)為第二振動期間P2的計(jì)數(shù)結(jié)果Nd，則前兩次的計(jì)數(shù)結(jié)果N(t-2)也是第二振蕩期間P2的計(jì)數(shù)結(jié)果Nd，前三次的計(jì)數(shù)結(jié)果N(t-3)為第一振蕩期間Pl的計(jì)數(shù)結(jié)果Nu。式子(13)是以兩次計(jì)數(shù)結(jié)果求距離比例個數(shù)NL的情形的式子，在使用aii(m為正整數(shù))次的計(jì)數(shù)結(jié)果的情況下，距離比例個數(shù)計(jì)算部88如下式那樣計(jì)算距離比例個數(shù)NL。NL = {N(t-2m-l) +N(t_2m) +—+N(t_2)}/2m…(14)但是，式子(13)、式子(14)是用于與物體10之間的距離和物體10的速度的計(jì)測開始初期所使用的式子，從中途采用使用后述的帶符號的計(jì)數(shù)結(jié)果的下列式子代替式子 (13)，從而進(jìn)行距離比例個數(shù)NL的計(jì)算。NL = {N，(t_2)+N，(t_3)}/2 ...(15)N’ (t-2)是對前兩次的計(jì)數(shù)結(jié)果N(tl)進(jìn)行后述的符號賦予處理之后的帶符號的計(jì)數(shù)結(jié)果，N’ (t-3)是對前三次的計(jì)數(shù)結(jié)果N(t-;3)進(jìn)行后述的符號賦予處理之后的帶符號的計(jì)數(shù)結(jié)果。式子(15)在現(xiàn)時刻t的計(jì)數(shù)結(jié)果N(t)成為從MHP的個數(shù)計(jì)測開始第七次的計(jì)數(shù)結(jié)果之后使用。又，計(jì)測開始初期采用式子(14)的情況下，中途開始不采用式子(14)，而采用使用帶符號的計(jì)數(shù)結(jié)果的下列式子計(jì)算距離比例個數(shù)NL。NL= {N，(t-2m-l)+N，(t_2m)+...+N，(t-2)}/2m…(16)式子(16)在現(xiàn)時刻t的計(jì)數(shù)結(jié)果N(t)成為從MHP的個數(shù)計(jì)測開始第(&ιΧ2+3) 次的計(jì)數(shù)結(jié)果之后使用。距離比例個數(shù)NL存儲在存儲部87。距離比例個數(shù)計(jì)算部88在各個由計(jì)數(shù)部86 測定MHP的個數(shù)的時刻(各振蕩周期)，進(jìn)行如上的距離比例個數(shù)NL的計(jì)算處理。另外，用于距離比例個數(shù)NL的計(jì)算的計(jì)數(shù)結(jié)果足夠多時，也可以以奇數(shù)次的計(jì)數(shù)結(jié)果來計(jì)算距離比例個數(shù)NL。接著，符號賦予部89根據(jù)現(xiàn)時刻t的前一次所計(jì)測得到的計(jì)數(shù)結(jié)果N(t-l)和距離比例個數(shù)NL的2倍數(shù)2NL的大小關(guān)系，對計(jì)數(shù)部86的計(jì)數(shù)結(jié)果N (t)賦予正負(fù)符號。符號賦予部89具體執(zhí)行下列式子。如果N(t-l)彡 2NL 那么 N，(t) — _N(t) - (17)如果N(t-l) < 2NL 那么 N，(t) —+N(t) - (18)圖17是用于說明符號賦予部9的動作，并顯示計(jì)數(shù)部86的計(jì)數(shù)結(jié)果的時間變化的圖。物體10的距離變化率比半導(dǎo)體激光器1的振蕩波長變化率大時，計(jì)數(shù)結(jié)果Nu的時間變化為圖17的170所示的負(fù)側(cè)的波形折返到正側(cè)的形狀，同樣計(jì)數(shù)結(jié)果Nd的時間變化為圖17的171所示的負(fù)側(cè)的波形折返到正側(cè)的形狀。專利文獻(xiàn)1中，產(chǎn)生該計(jì)數(shù)結(jié)果的折返的部分的物體10的狀態(tài)為位移狀態(tài)。另一方面，不產(chǎn)生計(jì)數(shù)結(jié)果的折返的部分的物體10 的狀態(tài)為所述的微小位移狀態(tài)。為了求得包含位移狀態(tài)的振動中物體10的物理量，判定物體10為位移狀態(tài)還是微小位移狀態(tài)，當(dāng)物體10為位移狀態(tài)時，向正側(cè)折返的計(jì)數(shù)結(jié)果如圖17的170、171所示的軌跡那樣需要修正。式子(17)、式子(18)是用于判定物體10是位移狀態(tài)還是微小位移狀態(tài)的式子。在圖17中產(chǎn)生計(jì)數(shù)結(jié)果折返的位移狀態(tài)下，N(t-l)彡2NL成立。從而，如式子 (17)所示的，當(dāng)N(t-l) ^ 2NL成立時，對計(jì)數(shù)部86的現(xiàn)時刻t的計(jì)數(shù)結(jié)果N(t)賦予負(fù)符號，作為帶符號的計(jì)數(shù)結(jié)果N’(t)。另一方面，在圖16和圖17中未產(chǎn)生計(jì)數(shù)結(jié)果折返的微小位移狀態(tài)下，N(t-l)< 2NL成立。從而，如式子(18)所示，當(dāng)N(t-l) < 2NL成立時，對計(jì)數(shù)部86的現(xiàn)時刻t的計(jì)數(shù)結(jié)果N(t)為賦予了正符號，作為帶符號的計(jì)數(shù)結(jié)果N’(t)。帶符號的計(jì)數(shù)結(jié)果N’ (t)存儲在存儲部87。符號賦予部89在每個由計(jì)數(shù)部86 測定MHP的個數(shù)的時刻(各振蕩周期)，進(jìn)行上述那樣的符號賦予處理。又，式子(17)的成立條件可以是N(t-l) >2NL，式子(18)的成立條件可以是 N(t-l)彡 2NL。接著，周期計(jì)算部90根據(jù)距離比例個數(shù)NL如下式所示計(jì)算MHP的周期T。T = C/(2XfXNL) ...(19)此處，f為三角波的頻率，C為光速。周期修正部81以周期計(jì)算部90計(jì)算得到的周期作為基準(zhǔn)周期T0，如第一實(shí)施方式所說明的那樣對信號提取部7的計(jì)測結(jié)果進(jìn)行修正。物理量計(jì)算部82的動作和第一實(shí)施方式相同。在本實(shí)施方式中，即使在無法使物體10靜止的情況下，也可求得基準(zhǔn)周期TO。第四實(shí)施方式接著，對本發(fā)明的第四實(shí)施方式進(jìn)行說明。第一 第三實(shí)施方式中，使半導(dǎo)體激光器1振蕩為三角波狀，但是不限于此，也可在第三實(shí)施方式中如圖18所示使得半導(dǎo)體激光器1振蕩為鋸齒波狀。即，在本實(shí)施方式中，只要驅(qū)動半導(dǎo)體激光器1使得第一振蕩期間Pl 或第二振蕩期間P2中的任一個反復(fù)出現(xiàn)即可。但是，在第二實(shí)施方式中，需要使半導(dǎo)體激光器1振蕩為三角波狀。即使在如本實(shí)施方式一樣使半導(dǎo)體激光器1振蕩為鋸齒波狀的情況下，半導(dǎo)體激光器1的振蕩波長的變化速度也需要是一定的。第一振蕩期間Pl或第二振動期間P2中的動作和三角波振蕩的情況相同。也可如圖18所示，僅第一振蕩期間Pl重復(fù)出現(xiàn)的鋸齒波狀的振蕩的情況下，重復(fù)進(jìn)行第一振蕩期間Pl的處理，當(dāng)然，僅第二振蕩期間P2重復(fù)出現(xiàn)的鋸齒波狀的振蕩的情況下，也可重復(fù)進(jìn)行第二振蕩期間P2的處理。第五實(shí)施方式接著，對本發(fā)明的第五實(shí)施方式進(jìn)行說明。第一 第四實(shí)施方式中，雖然采用光電二極管2和電流-電壓變換放大部5作為檢測包含MHP波形的電信號的檢測單元，但也可不采用光電二極管提取MHP波形。圖19是顯示本發(fā)明的第五實(shí)施方式涉及的物理量傳感器的構(gòu)成的框圖，和圖1相同的結(jié)構(gòu)標(biāo)注同樣的符號。本實(shí)施方式的物理量傳感器，采用電壓檢測部12作為檢測單元，來代替第一實(shí)施方式中的光電二極管2和電流-電壓變換放大部5。電壓檢測部12對半導(dǎo)體激光器1的端子間電壓，即陽極-陰極間電壓進(jìn)行檢測并放大。由半導(dǎo)體激光器1發(fā)射出的激光和物體10的返回光產(chǎn)生干涉時，半導(dǎo)體激光器1的端子間電壓出現(xiàn)MHP波形。從而，可從半導(dǎo)體激光器1的端子間電壓提取MHP波形。濾波部6從電壓檢測部12的輸出電壓去除載波。物理量傳感器的其他結(jié)構(gòu)和第一實(shí)施方式的相同。這樣，在本實(shí)施方式中，可不使用光電二極管提取MHP波形，和第一實(shí)施方式比較能夠減少物理量傳感器的部件數(shù)量，從而降低物理量傳感器的制造成本。又，在本實(shí)施方式中，由于不采用光電二極管，從而可去除干擾光的影響。又，在第一 第五實(shí)施方式中至少信號提取部7和計(jì)算部8可以由，例如，具有CPU、存儲器和接口的計(jì)算機(jī)和對這些硬件資源進(jìn)行控制的程序來實(shí)現(xiàn)。CPU根據(jù)存儲在存儲器中的程序進(jìn)行第一 第五實(shí)施方式中所說明的處理。
權(quán)利要求
1.一種物理量傳感器，其特征在于，包括 對測定對象發(fā)射激光的半導(dǎo)體激光器；振蕩波長調(diào)制單元，啟動所述半導(dǎo)體激光器，使振蕩波長連續(xù)單調(diào)增加的第一振動期間和振動波長連續(xù)單調(diào)減少的第二振蕩期間中的至少一種反復(fù)出現(xiàn)；檢測單元，其檢測包含干涉波形的電信號，所述干涉波形由從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光和所述測定對象的返回光的自混合效應(yīng)產(chǎn)生；信號提取單元，其在每次輸入所述干涉波形時對包含在該檢測單元的輸出信號中的所述干涉波形的周期進(jìn)行計(jì)測；周期修正單元，其通過將該信號提取單元的計(jì)測結(jié)果和基準(zhǔn)周期進(jìn)行比較對所述計(jì)測結(jié)果進(jìn)行修正；計(jì)算單元，其基于由該周期修正單元修正后的各個周期，計(jì)算出所述測定對象的位移和速度中的至少一項(xiàng)。
2.如權(quán)利要求1所述的物理量傳感器，其特征在于，所述計(jì)算單元，根據(jù)計(jì)測所述干涉波形的周期的采樣時鐘的頻率、所述基準(zhǔn)周期、所述半導(dǎo)體激光的平均波長、由所述周期修正單元修正后的周期相對于所述基準(zhǔn)周期的變化量，計(jì)算出所述測定對象的位移和速度中的至少一項(xiàng)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的物理量傳感器，其特征在于，所述周期修正單元，在由所述信號提取單元計(jì)測到的干涉波形的周期小于所述基準(zhǔn)周期的規(guī)定數(shù)k倍時，其中k是小于 1的正值，則將該干涉波形的周期和之后所計(jì)測得到的干涉波形的周期合并后的周期作為修正后的干涉波形的周期，將組合周期得到的波形作為一個波形；在由所述信號提取單元計(jì)測到的干涉波形的周期為所述基準(zhǔn)周期的(m-k)倍以上且小于所述基準(zhǔn)周期的(m+k)倍時，其中m是2以上的自然數(shù)，將該干涉波形的周期m等分后得到的周期分別作為修正后的周期，修正后的周期的波形具有m個。
4.如權(quán)利要求3所述的物理量傳感器，其特征在于，所述規(guī)定數(shù)k為0.5。
5.如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所記載的物理量傳感器，其特征在于，所述周期修正單元，將所述測定對象靜止時的所述干涉波形的周期或者所述即將修正之前所計(jì)測到的規(guī)定數(shù)的干涉波形的周期的平均值作為所述基準(zhǔn)周期。
6.如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的物理量傳感器，其特征在于，還包括計(jì)數(shù)單元，其對包含在所述檢測單元的輸出信號中的所述干涉波形的個數(shù)，在所述第一振蕩期間和所述第二振蕩期間分別進(jìn)行計(jì)數(shù)；距離計(jì)算單元，其根據(jù)由該計(jì)數(shù)單元對干涉波形的個數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的期間的最小振蕩波長、最大振蕩波長、以及所述計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)結(jié)果來計(jì)算與所述測定對象之間的距離； 周期計(jì)算單元，其根據(jù)該距離計(jì)算單元所計(jì)算得到的距離求得所述干涉波形的周期， 所述周期修正單元，將所述周期計(jì)算單元求得的周期作為所述基準(zhǔn)周期。
7.如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所記載的物理量傳感器，其特征在于，還包括計(jì)數(shù)單元，其對包含在所述檢測單元的輸出信號中的所述干涉波形的個數(shù)，在所述第一振蕩期間和所述第二振蕩期間分別進(jìn)行計(jì)數(shù)；距離比例個數(shù)計(jì)算單元，其通過計(jì)算所述干涉波形的個數(shù)的平均值，求得與所述半導(dǎo)體激光器和所述測定對象的平均距離成比例的干涉波形的個數(shù)即距離比例個數(shù)；周期計(jì)算單元，其根據(jù)所述距離比例個數(shù)計(jì)算所述干涉波形的周期， 所述周期修正單元將所述周期計(jì)算單元所求得的周期作為所述基準(zhǔn)周期。
8.—種物理量計(jì)測方法，其特征在于，包括振蕩步驟，啟動所述半導(dǎo)體激光器，使振蕩波長連續(xù)單調(diào)增加的第一振蕩期間和振動波長連續(xù)單調(diào)減少的第二振蕩期間中的至少一種反復(fù)出現(xiàn)；檢測步驟，檢測包含干涉波形的電信號，所述干涉波形由從所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光和測定對象的返回光的自混合效應(yīng)產(chǎn)生；信號提取步驟，在每次輸入干涉波形時對包含于在所述檢測步驟得到的輸出信號中的所述干涉波形的周期進(jìn)行計(jì)測；周期修正步驟，通過將該信號提取步驟的計(jì)測結(jié)果和基準(zhǔn)周期進(jìn)行比較，對所述計(jì)測結(jié)果進(jìn)行修正；計(jì)算步驟，基于該周期修正步驟修正后的各個周期，計(jì)算出所述測定對象的位移和速度中的至少一項(xiàng)。
9.如權(quán)利要求8所述的物理量計(jì)測方法，其特征在于，所述計(jì)算步驟，根據(jù)計(jì)測所述干涉波形的周期的采樣時鐘的頻率、所述基準(zhǔn)周期、所述半導(dǎo)體激光的平均波長、在所述周期修正步驟修正后的周期相對于所述基準(zhǔn)周期的變化量，計(jì)算出所述測定對象的位移和速度中的至少一項(xiàng)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的物理量計(jì)測方法，其特征在于，所述周期修正步驟，在由所述信號提取步驟計(jì)測到的干涉波形的周期小于所述基準(zhǔn)周期的規(guī)定數(shù)k倍時，其中k是小于1的正值，則將該干涉波形的周期和之后所計(jì)測得到的干涉波形的周期合并后的周期作為修正后的干涉波形的周期，將合并周期得到的波形作為一個波形；在由所述信號提取步驟計(jì)測到的干涉波形的周期為所述基準(zhǔn)周期的(m-k)倍以上且小于所述基準(zhǔn)周期的(m+k) 倍時，其中m是2以上的自然數(shù)，則將該干涉波形的周期m等分后得到的周期分別作為修正后的周期，修正后的周期的波形具有m個。
11.如權(quán)利要求10所述的物理量計(jì)測方法，其特征在于，所述規(guī)定數(shù)k為0.5。
12.如權(quán)利要求8至11中任意一項(xiàng)所記載的物理量計(jì)測方法，其特征在于，所述周期修正步驟，將所述測定對象靜止時的所述干涉波形的周期或者所述即將進(jìn)行修正之前所計(jì)測到的規(guī)定數(shù)的干涉波形的周期的平均值作為所述基準(zhǔn)周期。
13.如權(quán)利要求8至11中任意一項(xiàng)所述的物理量計(jì)測方法，其特征在于，還包括計(jì)數(shù)步驟，對包含于在所述檢測步驟得到的輸出信號中的所述干涉波形的個數(shù)，在所述第一振蕩期間和所述第二振蕩期間分別進(jìn)行計(jì)數(shù)；距離計(jì)算步驟，根據(jù)由該計(jì)數(shù)步驟對干涉波形的個數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的期間的最小振蕩波長、最大振蕩波長、以及所述計(jì)數(shù)步驟的計(jì)數(shù)結(jié)果來計(jì)算與所述測定對象之間的距離； 周期計(jì)算步驟，根據(jù)所述距離計(jì)算步驟所計(jì)算得到的距離求得所述干涉波形的周期， 所述周期修正步驟，將所述周期計(jì)算步驟求得的周期作為所述基準(zhǔn)周期。
14.如權(quán)利要求8至11中任意一項(xiàng)所記載的物理量計(jì)測方法，其特征在于，還包括 計(jì)數(shù)步驟，對包含于在所述檢測步驟得到的輸出信號中的所述干涉波形的個數(shù)，在所述第一振蕩期間和所述第二振蕩期間分別進(jìn)行計(jì)數(shù)；距離比例個數(shù)計(jì)算步驟，通過計(jì)算所述干涉波形的個數(shù)的平均值，求得與所述半導(dǎo)體激光器和所述測定對象的平均距離成正比的干涉波形的個數(shù)即距離比例個數(shù)； 周期計(jì)算步驟，根據(jù)所述距離比例個數(shù)計(jì)算所述干涉波形的周期， 所述周期修正步驟將所述周期計(jì)算步驟所求得的周期作為所述基準(zhǔn)周期。
全文摘要
本發(fā)明的物理量傳感器，其以高的分辨能力對物體的位移和速度進(jìn)行計(jì)測，縮短計(jì)測所需時間。該物理量傳感器包括對測定對象(10)發(fā)射激光的半導(dǎo)體激光器(1)；激光驅(qū)動器(4)，其使得所述半導(dǎo)體激光器(1)動作以使振蕩波長連續(xù)單調(diào)增加的第一振動期間和振動波長連續(xù)單調(diào)減少的第二振蕩期間中的至少一種反復(fù)出現(xiàn)；光電二極管(2)和電流-電壓變換放大部(5)，其檢測包含干涉波形的電信號，所述干涉波形由從半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)射的激光和物體(10)的返回光的自混合效應(yīng)產(chǎn)生；信號提取部(7)，其對包含在電流-電壓變換放大部(5)的輸出信號中的干涉波形的周期進(jìn)行計(jì)測；計(jì)算部(8)，通過對信號提取部(7)的計(jì)測結(jié)果和基準(zhǔn)周期進(jìn)行比較來對該計(jì)測結(jié)果進(jìn)行修正，并根據(jù)修正后的各周期計(jì)算物體(10)的位移和速度中的至少一項(xiàng)。
文檔編號G01P5/26GK102192707SQ20101013148
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月4日
發(fā)明者上野達(dá)也 申請人:株式會社山武