专利名称：计数装置、物理量传感器、计数方法以及物理量测量方法
技术领域：
本发明涉及一种对信号的数量进行计数的计数装置，以及一种使用计数装置测定 干涉波形的数量，并求出测定对象的物理量的干涉型物理量传感器。
背景技术：
原来，提出了一种使用半导体激光器的自混合效应的波长调制型激光测量器(参 照专利文献1)。该激光测量器的构成如图22所示。图22的激光测量器包括半导体激光 器201，其向物体210发射激光；光电二极管202，其将半导体激光器201的光输出变换为 电信号；透镜203，其将来自半导体激光器201的光聚光并照射到物体210，并将从物体210 返回的光聚光使其入射到半导体激光器201中；激光器驱动器204，其使半导体激光器201 的振荡波长连续地增加的第1振荡期间与振荡波长连续地减少的第2振荡期间交替反复； 电流-电压变换放大部205，其将光电二极管202的输出电流变换为电压并放大；信号提取 电路206，其将电流-电压变换放大部205的输出电压进行2次微分；计数装置207，其对信 号提取电路206的输出电压中所含有的跳模脉冲(以下，记为MHP)的数量计数；运算装置 208，其计算出与物体210的距离以及物体210的速度；以及，显示装置209，显示运算装置 208的算出结果。激光器驱动器204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 为注入电流提供给半导体激光器201。由此，半导体激光器201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。图23是示出半导体激光器201的振荡波长随时间变化的图。在图23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。从半导体激光器201出射的激光通过透镜203被聚光之后入射到物体210中。由 物体210反射的光通过透镜203被聚光之后入射到半导体激光器201中。光电二极管202 将半导体激光器201的光输出变换为电流。电流-电压变换放大部205将光电二极管202 的输出电流变换为电压并放大，信号提取电路206对电流-电压变换放大部205的输出电 压进行2次微分。计数装置207对信号提取电路206的输出电压中所含有的MHP的数量分 别就第1振荡期间Pl和第2振荡期间P2进行计数。基于半导体激光器1的最小振荡波长 λ a、最大振荡波长λ b、第1振荡期间Pl的MHP的数量以及第2振荡期间P2的MHP的数 量，运算装置208计算出与物体210的距离以及物体210的速度。采用上文所述的测量器的话，会将例如干扰光等的噪音作为MHP进行计数、或者 因为信号的缺失而导致MHP漏记，因此存在着计数装置所计数的MHP的数量产生误差，所计 算出的距离等的物理量也产生误差这样的问题。鉴于此，发明者提出了一种计数装置，其测定计数期间中的MHP的周期，并基于测 定结果生成计数期间中的周期的频数分布，基于频数分布计算出MHP的周期的代表值，基 于频数分布求出代表值的第1规定数倍以下的等级的频数的总和Ns和代表值的第2规定数倍以上的等级的频数的总和Nw，基于这些频数Ns和Nw对MHP的计数结果进行校正，由此 可以除去计数时的缺漏和过剩的计数的影响(参照专利文献2)。现有技术文献专利文献专利文献1日本特开2006-313080号公报专利文献2日本特开2009-47676号公报
发明内容
发明所要解决的问题根据专利文献2所公开的计数装置，只是在SN(Signal to Noise ratio)没有极 端下降的情况下可以进行大致良好的校正。但是，采用专利文献2中所公开的计数装置的话，在短距离测定中，信号强度和滞 后宽度(t 7 f U〉7幅)相比非常强的情况下，由于频率高于MHP的噪音的影响，输入到 计数装置的信号会在二值化的阈值附近产生颤振("夕夕’)，短周期的信号、MHP的 原来周期的一半左右的周期的信号会多有发生。此时，比MHP的原来的周期短的周期成为 周期的分布的代表值，因此，不能对MHP的计数结果进行正确地校正，MHP的计数结果是原 来的值的例如数倍大。本发明正是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供了一种计数装置及计 数方法，即使是在输入到计数装置的信号中连续地产生高频的噪音的情况下，也可以对计 数误差进行校正，还提供了 一种物理量传感器及物理量测量方法，可以对MHP的计数误差 进行校正，并提高物理量的测定精度。解决问题所用的技术手段本发明的计数装置，其在特定的物理量和信号的数量具有线性的关系、且所述特 定的物理量一定的情况下，对为大致单一频率的所述信号进行计数，其特征在于，该计数装 置包括信号计数单元，对一定的计数期间的输入信号的数量进行计数；信号周期测定单 元，在每次输入信号时，对所述计数期间中的所述输入信号的周期进行测定；频数分布生 成单元，基于该信号周期测定单元的测定结果来生成所述计数期间中的信号周期的频数分 布；代表值算出单元，基于所述频数分布，求出等级值和频数的积为最大的等级值作为所述 信号周期的代表值；和校正值算出单元，基于所述频数分布，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、以及所述代表值的(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对所述信号计数单元的计数结果进 行校正，其中η是1以上的自然数。又，在本发明的计数装置的一个构成例中，将所述信号计数单元的计数结果设为 N，将所述代表值设为Τ0，将所述信号周期可取得的最大值设为Tmax时，所述校正值算出单 元按照下式求出校正后的计数结果N’ 数式1
1^maxN，= N-Ns + Z(nxNwn)
5Tnmax<^=-本发明的物理量传感器，其特征在于，包括向测定对象发射激光的半导体激光 器；振荡波长调制单元，其使所述半导体激光器动作，使得振荡波长连续地单调增加的第1 振荡期间和振荡波长连续地单调减少的第2振荡期间中的至少一个反复存在；检测单元， 其对含有干涉波形的电信号进行检测，该干涉波形是通过从所述半导体激光器发射的激光 和从所述测定对象返回的光的自混合效应而产生的；如权利要求1或者2所述的计数装置， 其输入所述检测单元的输出信号，并分别以所述第1振荡期间和所述第2振荡期间为计数 期间，对所述干涉波形的数量进行计数；和运算单元，基于所述计数装置的计数结果，求出 所述测定对象的物理量。本发明的计数方法，其在特定的物理量和信号的数量具有线性的关系、且所述特 定的物理量一定的情况下，对为大致单一频率的所述信号进行计数，其特征在于，所述计数 方法包括信号计数步骤，对一定的计数期间的输入信号的数量进行计数的；信号周期测 定步骤，在每次输入信号时，对所述计数期间中的所述输入信号的周期进行测定；频数分布 生成步骤，基于该信号周期测定步骤的测定结果来生成所述计数期间中的信号周期的频数 分布；代表值算出步骤，基于所述频数分布，求出等级值和频数的积为最大的等级值作为所 述信号周期的代表值；和校正值算出步骤，基于所述频数分布，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对所述信号计数单元的计数结果进 行校正，其中，η是1以上的自然数。本发明的物理量测量方法，其特征在于，包括振荡步骤，使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振荡期间和振荡波长连续地单调减少的第2振荡期间 中的至少一个反复存在；检测步骤，对含有干涉波形的电信号进行检测，该干涉波形是通过 从所述半导体激光器发射的激光和从所述测定对象返回的光的自混合效应而产生的；信号 提取步骤，对在该检测步骤得到的输出信号中所含有的所述干涉波形的数量，分别就所述 第1振荡期间和所述第2振荡期间进行计数；和运算步骤，基于该信号提取步骤的计数结 果，求出所述测定对象的物理量，所述信号提取步骤中，输入所述检测步骤中得到的输出信 号，分别以所述第1振荡期间和所述第2振荡期间为计数期间，使用权利要求4或者5所记 载的各个步骤。发明的效果根据本发明，对计数期间中的输入信号的周期进行测定，并基于该测定结果生成 计数期间中的信号周期的频数分布，并基于频数分布，求出等级值和频数的积为最大时的 等级值作为信号周期的代表值，再基于频数分布，求出没有达到代表值的0. 5倍的等级的 频数的总和Ns、以及在代表值的(n+0. 5)倍以上且没有达到(n+1. 5)倍(η是1以上的自然 数)的等级的频数的总和Nwn，通过基于这些频数Ns和Nwn对信号计数单元的计数结果进 行校正，使得即使在输入到计数装置的信号中连续地产生高频的噪音的情况下，也可以高 精度地校正计数误差。而且，在本发明中，由于使用能够高精度地校正计数误差的计数装置，因此即使是 在输入到计数装置的信号中连续地产生频率比干涉波形高的噪音的情况下，也可以高精度地测量测定对象的物理量。
图1是示出作为本发明的第1实施形态的物理量传感器的一个实例的振动频率测 量装置的构成的框图。图2是示意性地示出本发明的第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3是对跳模脉冲进行说明的图。图4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5是示出本发明的第1实施形态的计数装置和运算装置的动作的流程图。图6是示出本发明的第1实施形态的计数装置的构成的一个实例的框图。图7是示出本发明的第1实施形态的计数装置的计数结果校正部的构成的一个实 例的框图。图8是对本发明的第1实施形态的计数装置的动作进行说明的图。图9是示出跳模脉冲的周期的频数分布的一个实例的图。图10是对本发明的第1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11是示出本发明的第1实施形态的运算装置的构成的一个实例的框图。图12是对本发明的第1实施形态的运算装置的二值化部的动作进行说明的图。图13是对本发明的第1实施形态的运算装置的周期测定部的动作进行说明的图。图14是示出将本发明的第1实施形态的计数装置的计数结果二值化之后的二值 化输出的周期的频数分布的一个实例的图。图15是示意性地表示用于本发明的第1实施形态的运算装置的计数器的计数结 果的校正的频数的图。图16是对在物体的振动的最大速度和距物体的距离的比小于半导体激光的波长 变化率的情况下，由本发明的第1实施形态的振动频率测量装置所得到的信号进行说明的 图。图17是示出根据图16的二值化输出而生成的周期的频数分布的图。图18是对在物体的振动的最大速度和距物体的距离的比大于半导体激光的波长 变化率的情况下，由本发明的第1实施形态的振动频率测量装置所得到的信号进行说明的 图。图19是示出本发明的第2实施形态的运算装置的构成的一个实例的框图。图20是示出本发明的第2实施形态的计数装置和运算装置的动作的流程图。图21是示出作为本发明的第3实施形态的物理量传感器的一个实例的振动频率 测量装置的构成的框图。图22是示出现有的激光测量器的构成的框图。图23是示出图22的激光测量器的半导体激光的振荡波长随时间变化的一个实例 的图。符号说明1…半导体激光器，2…光电二极管，3…透镜，4…激光器驱动器，5…电流-电压变换放大部，6…滤波部，7…计数装置，8、8a···运算装置，9…显示装置，10…物体，1L···电压检 测部，71···二值化部，72…逻辑乘运算部，73…计数器，74…计数结果校正部，75…存储部， 80…存储部，81···二值化部，82、82a···周期测定部，83、83a…频数分布生成部，84···基准周 期算出部，85…计数器，86、86a...校正部，87、87a...频率算出部，88…周期和算出部，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是示出作为本发明的第1实 施形态的物理量传感器的1例的振动频率测量装置的构成的框图。图1的振动频率测量装置包括半导体激光器1，其向作为测定对象的物体10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，且将从物体10返回的光聚光使其入射到半导体激光器1中； 激光器驱动器4，其成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，其从电流-电压变换放大部 5的输出电压中除去载波；计数装置7，其对滤波部6的输出电压中所含有的作为自混合信 号的跳模脉冲(MHP)的数量进行计数；运算装置8，其基于计数装置7的计数结果求出物体 10的振动频率；以及，显示装置9，其显示运算装置8的测量结果。光电二极管2和电流-电压变换放大部5构成检测单元。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)。激光器驱动器4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 注入电流提供给半导体激光器1。由此，半导体激光器1与注入电流的大小成比例地被驱 动，使得其振荡波长以一定的变化率连续地增加的第1振荡期间Pi与振荡波长以一定的变 化率连续地减少的第2振荡期间P2交替反复。此时的半导体激光器1的振荡波长随时间 的变化如图23所示。在本实施形态中，振荡波长的最大值Xb及振荡波长的最小值Xa — 般分别为一定值，它们的差Xb-λ a也一般为一定值。从半导体激光器1出射的激光通过透镜3被聚光并入射到物体10上。由物体10 反射的光通过透镜3被聚光并入射到半导体激光器1上。但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具有从调制波中提取出叠加信号的功能。图2(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2 (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2 (A)的波形 (调制波)中除去图2的半导体激光器1的振荡波形(载波)，再提取出图2 (B)的MHP波 形(干涉波形)。在这里对作为自混合信号的MHP进行说明。如图3所示，假设镜层1013距物体10 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，从物体10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，激光输出略有增加。L = qA /2... (1)
在式(1)中，q是整数。即使来自物体10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。图4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 = q λ/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检测此时的激光输出，则可以得到如图4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。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。下面，对计数装置7和运算装置8的动作进行说明。图5是示出计数装置7和运 算装置8的动作的流程图。接着，计数装置7就各个第1振荡期间Pl和第2振荡期间Ρ2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(图5的步骤Si)。图6是示出计数装置7的构 成的一个实例的框图。计数装置7包括二值化部71、逻辑乘运算部(AND) 72、计数器73、 计数结果校正部74以及存储部75。电流-电压变换放大部5、滤波部6、计数装置7的二值 化部71、AND72以及计数器73构成信号计数单元。图7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8(A) 图8(F)是对计数装置7的动作进行说明的图，图8 (A)是示意性地示出 滤波部6的输出电压的波形、即MHP的波形的图，图8(B)是示出与图8(A)对应的二值化部 71的输出的图，图8(C)是示出输入到计数装置7中的门信号GS的图，图8(D)是示出与图 8(B)对应的计数器73的计数结果的图，图8(E)示出输入到计数装置7中的时钟信号CLK 的图，图8(F)是示出与图8(B)对应的周期测定部740的测定结果的图。首先，计数装置7的二值化部71对图8(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8(B)所示的判断结果。此时，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8(C)所示的门信号GS的逻辑乘运算的结 果，计数器73对AND72的输出的上升进行计数。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计数的是计数期间中的AND72的输出的上升沿的数量(即MHP的上升沿的
数量)。另一方面，计数结果校正部74的周期测定部740在每次产生上升沿时测定计数期 间中的AND72的输出的上升沿的周期(S卩，MHP的周期)。此时，周期测定部740以图8(E) 所示的时钟信号CLK的周期作为一个单元测定MHP的周期。在图8(F)例中，周期测定部 740依次测定1^、1^、1^作为MHP的周期。根据图8(E、)图8 (F)可以清楚地看出，周期Τα ,Τβ ,Ty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，基于频数分布生成部741所生成的频数分布，计数结果校正部74的代表值 算出部742计算出MHP的周期的代表值TO。在专利文献2所公开的计数装置中，使用最频 值、中央值作为MHP的周期的代表值，但是，在输入到计数装置中的信号由于频率比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
一种计数装置，其特定的物理量和信号的数量具有线性关系、且所述特定的物理量一定的情况下，对为大致单一频率的所述信号进行计数，其特征在于，该计数装置包括信号计数单元，对一定的计数期间的输入信号的数量进行计数；信号周期测定单元，在每次输入信号时，对所述计数期间中的所述输入信号的周期进行测定；频数分布生成单元，基于该信号周期测定单元的测定结果来生成所述计数期间中的信号周期的频数分布；代表值算出单元，基于所述频数分布，求出等级值和频数的积为最大的等级值作为所述信号周期的代表值；和校正值算出单元，基于所述频数分布，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对所述信号计数单元的计数结果进行校正，其中n是1以上的自然数。
2.如权利要求1所述的计数装置，其特征在于，将所述信号计数单元的计数结果设为N，将所述代表值设为Τ0，将所述信号周期可取 得的最大值设为Tmax时，所述校正值算出单元按照下式求出校正后的计数结果N’ 数式1
3.—种物理量传感器，其特征在于，包括 向测定对象发射激光的半导体激光器；振荡波长调制单元，其使所述半导体激光器动作，使得振荡波长连续地单调增加的第ι 振荡期间和振荡波长连续地单调减少的第2振荡期间中的至少一个反复存在；检测单元，其对含有干涉波形的电信号进行检测，该干涉波形是通过从所述半导体激 光器发射的激光和从所述测定对象返回的光的自混合效应而产生的；如权利要求1或者2所述的计数装置，其输入所述检测单元的输出信号，并分别以所述 第1振荡期间和所述第2振荡期间为计数期间，对所述干涉波形的数量进行计数；和 运算单元，基于所述计数装置的计数结果，求出所述测定对象的物理量。
4.一种计数方法，其特定的物理量和信号的数量具有线性的关系、且所述特定的物理 量一定的情况下，对为大致单一频率的所述信号进行计数，其特征在于，所述计数方法包 括信号计数步骤，对一定的计数期间的输入信号的数量进行计数； 信号周期测定步骤，在每次输入信号时，对所述计数期间中的所述输入信号的周期进 行测定；频数分布生成步骤，基于该信号周期测定步骤的测定结果来生成所述计数期间中的信 号周期的频数分布；代表值算出步骤，基于所述频数分布，求出等级值和频数的积为最大的等级值作为所 述信号周期的代表值；和校正值算出步骤，基于所述频数分布，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Nw1^f所述信号计数单元的计数结果进行校正，其中，η是1 以上的自然数。
5.如权利要求4所述的计数方法，其特征在于，所述校正值算出步骤中，将所述信号计数步骤的计数结果设为N，将所述代表值设为 Τ0，将所述信号周期可取得的最大值设为Tmax时，按照下式求出校正后的计数结果N’ 数式 2
6.一种物理量测量方法，其特征在于，包括振荡步骤，使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振荡期间和振 荡波长连续地单调减少的第2振荡期间中的至少一个反复存在；检测步骤，对含有干涉波形的电信号进行检测，该干涉波形是通过从所述半导体激光 器发射的激光和从所述测定对象返回的光的自混合效应而产生的；信号提取步骤，对在该检测步骤得到的输出信号中所含有的所述干涉波形的数量，分 别就所述第1振荡期间和所述第2振荡期间进行计数；和运算步骤，基于该信号提取步骤的计数结果，求出所述测定对象的物理量，所述信号提取步骤中，输入所述检测步骤中得到的输出信号，分别以所述第1振荡期 间和所述第2振荡期间为计数期间，使用权利要求4或者5所记载的各个步骤。
全文摘要
一种张力·速度测量装置，其可以校正计数误差，包括使半导体激光器(1)振荡的激光器驱动器(4)；计数装置(7)，其对将半导体激光器(1)的输出变换为电信号的光电二极管(2)的输出中所含有的干涉波形进行计数。计数装置(7)测定计数期间中的干涉波形的周期，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，再基于该频数分布，将等级值和频数的积为最大的等级值作为干涉波形的周期的代表值T0，求出没有达到代表值T0的0.5倍的等级的频数的总和Ns、及在代表值T0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，并基于这些频数Ns和Nwn校正计数结果。
文档编号G01H9/00GK101936766SQ201010227099
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月29日 优先权日2009年6月29日
发明者上野达也 申请人:株式会社山武