JP2000097647A - 光ファイバを用いた構造物の変状計測方法および光ファイバセンサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造物に大きな変位を生じても破断せずに変
位を計測することができ、高い位置特定精度を有し、圧
縮変位も詳細に計測できる変状計測方法の提供、および
それに使用する光ファイバセンサーの提供。 【解決手段】 計測対象となる構造物に螺旋状に整形し
た光ファイバセンサー１５を取り付け、この光ファイバ
センサー１５の光伝搬特性の変化を電気光学的測定装置
１４により測定することで構造物の変状を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、橋梁などの人工
的な構造物や岩盤、斜面などを対象とし、その歪みや変
位あるいは損傷などの変状を光ファイバを用いて計測す
る方法の改良に関し、また、その改良された方法に用い
る光ファイバセンサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバを用いた構造物の変状計測方
法について、典型的な技術が特開平１０−１９７２９８
号公報に詳しく解説されている。この従来技術では、岩
盤や土木構造物などの計測対象となる構造物に直線状の
光ファイバケーブルを取り付け、この光ファイバケーブ
ルの片端に電気光学的測定装置を接続する。この装置は
光ファイバに光パルスを入射し、そのパルスの後方散乱
光を検出する。計測対象構造物に歪みなどの変状をきた
すと、構造物に敷設されている光ファイバケーブルにそ
れが伝わり、光ファイバに変位を引き起こす。この変位
は光パルスの後方散乱光の周波数や強度などの特性を変
化させ、測定装置では光ファイバケーブルに生じたこの
変化を測定する。その結果を分析することで構造物の変
状を計測することが出来る。

【０００３】この従来技術では、たとえば岩盤の表面に
這うように光ファイバケーブルを引き伸ばして敷設し、
接着剤や固定治具で固定している。また、計測対象がコ
ンクリート構造物である場合、たとえばコンクリート打
設前の鉄筋に光ファイバケーブルを添わせて接着剤やバ
ンドで固定しておいて、コンクリート中に埋め込んでい
る。これらの敷設方式では、光ファイバーケーブルは岩
盤表面の起伏などに対応して曲折するものの、基本的に
はほとんど直線的なラインに沿って引き伸ばして敷設さ
れる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の技術に
おいては、敷設した光ファイバが破断しやすい、光
ファイバの敷設ラインの上のどの位置で歪みを生じたの
か特定する位置特定精度が低い、光ファイバに断面方
向の圧縮歪みを生じさせるような計測対象物の変状を計
測する精度が低い、光ファイバに軸方向の圧縮歪みを
生じさせるような計測対象物の変状測定ができないなど
の問題点があった。

【０００５】つまり、光ファイバが計測対象物に直線的
なレイアウトで引き伸ばして敷設されているので、計測
対象物にある程度以上の大きな変位が生じると、光ファ
イバが伸びきったり局所的に大きな曲げを生じて破断し
やすい。また、長い光ファイバのどの部位で歪みが発生
したのかを特定する分解能は、使用する光ファイバの特
性および電気光学的測定装置の特性により決まる。典型
的な例では、歪み発生部位の特定精度は１００ｃｍ程度
であり、これを数十分の一に向上させることは難しい。
このような特性の光ファイバを直線的なレイアウトで計
測対象物に敷設しているので、対象物における変状をき
たした位置の特定精度も１００ｃｍ程度とあまり高くな
い。

【０００６】また、圧縮歪みにはセンサーの断面方向の
圧縮歪みとセンサーの軸方向の圧縮歪みとがあるが、断
面方向の圧縮については光ファイバに直接に圧縮歪みが
発生すれば測定装置はこれに高感度に感応するのである
が、計測対象物の変状を受けて光ファイバにも同じよう
に圧縮歪みが生ずる敷設形態をとることが難しい。ま
た、軸方向の圧縮歪みを測定するのはほとんど不可能で
ある。

【０００７】この発明は以上のような従来の課題に鑑み
なされたもので、その目的は、構造物に大きな変位を生
じても破断せずに変位を計測することができ、高い位置
特定精度を有し、圧縮変位も詳細に計測できる変状計測
方法の提供と、それに使用する光ファイバセンサーを提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、計測対象となる構造物に螺旋状に整形した光ファイ
バセンサーを取り付け、この光ファイバセンサーの光伝
搬特性の変化を電気光学的測定手段により測定すること
で前記構造物の変状を計測することを特徴とする光ファ
イバを用いた構造物の変状計測方法である。

【０００９】請求項２に記載の発明は、弾性材からなる
円柱状の芯材に光ファイバを螺旋状に巻き付けて整形し
たことを特徴とする光ファイバセンサーである。

【００１０】請求項３に記載の発明は 請求項２におい
て、前記芯材およびこれに巻き付けられた光ファイバを
被覆材で覆ったことを特徴とする光ファイバセンサーで
ある。

【００１１】請求項４に記載の発明は、光ファイバを適
宜な保形材料で被覆するとともに、その被覆された光フ
ァイバを螺旋状に整形したことを特徴とする光ファイバ
センサーである。

【００１２】請求項５に記載の発明は適宜な保形材料か
らなる線材と光ファイバとを添わせて一体化し、その線
材と光ファイバとを螺旋状に整形したことを特徴とする
光ファイバセンサーである。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は螺旋型に整形した光ファイ
バセンサーの一例であり、ゴムなどの弾性材からなる芯
材１２に光ファイバ１１を巻き付け、全体をシール材な
どの被覆材１３で覆ったものである。この片端に電気光
学的測定装置１４が接続されることになる。

【００１４】図１の例で重要なことが二点ある。第一点
は螺旋の内径Ｄを一定に保つことであり、もう一点は螺
旋の軸方向の間隔ｂを一定に保つことである。これらを
一定に保つことによって光ファイバの曲率が一定に保た
れる。なお、曲率半径と光強度損失との関係を調べたあ
る実験の結果から求められる半径Ｄ／２の適切な値は、
一例として７ｍｍから１０ｍｍ程度である。その実験結
果によると、曲率半径６ｍｍ以下になると光強度の損失
が大きく、螺旋状のファイバ１１中を伝搬するうちにほ
ぼ強度がゼロになってしまう。また、曲率半径を１０ｍ
ｍ以上にした実験では、曲率半径の変化による光強度の
損失はほとんど検出されなかった。これらの点に鑑み、
使用する光ファイバ１１の特性と使用する電気光学的測
定装置１４の特性に合わせて、光ファイバセンサーとし
ての螺旋形態を適切に設定する。

【００１５】適切に設定された光ファイバセンサーによ
れば、螺旋状の光ファイバに力が加わり伸び、圧縮や曲
げなどの歪みや変位が生じたとき、その部分の曲率が変
化して、後方散乱光の強度や周波数といった特性が変化
する。歪みや変位と、これら特性の変化との関係はあら
かじめ実験によって求めておき、これを測定結果分析の
基礎データとして用いる。

【００１６】電気光学的測定装置１４の動作原理を表す
概略を図２に示す。この装置１４は従来技術のように後
方散乱光の周波数を測定分析して光ファイバの長さ方向
に生じた歪みを計測することができる上に、後方散乱光
の強度を測定分析して光ファイバに生じた曲げ歪みなど
の変位も計測することが出来る。まず光源部２１で発生
させた光パルスをコネクタ２６に接続された光ファイバ
センサーに入射する。光ファイバセンサーの各部分では
散乱光が発生し、受光部２５ではこの散乱光のうち後方
散乱成分を受信する。本発明では受信機の中でも高感度
測定が可能なコヒーレント光受信器を使用する。このコ
ヒーレント光受信器２５では光源部２１から入射される
参照光と先の後方散乱光とを受信し、次に信号処理回路
２３でそれらの情報が解析され、表示器２３に結果が表
示される。長さ方向の歪み測定においては散乱光の周波
数シフトを解析し、曲げ歪みの測定では散乱光の強度の
損失を解析して構造物の変状を計測する。

【００１７】また、歪みおよび光損失の発生位置は、光
パルスを光ファイバに入射してから後方散乱光が受信部
で検出されるまでの時間差を測定することにより特定す
る。

【００１８】この発明の変状計測方法の具体的な実施の
形態を図３に示している。この実施例では橋梁３１のよ
うな長いコンクリート構造物の変状を計測すべく、橋梁
の表面に図１の螺旋状光ファイバセンサー３２を敷設し
ている。敷設する方法としては、例えば接着剤で仮固定
したあと固定治具を用いてアンカーやネジなどで表面に
固定する。

【００１９】梁の底部に軸方向に沿って螺旋状光ファイ
バセンサーを敷設し、上方より荷重をかけた場合は、梁
に歪みが生じセンサーが引き伸ばされ曲率が変化する。
この変化に伴う後方散乱光の特性の変化をもとに、構造
物の変状を計測する。このとき大きな荷重がかかると底
部に大きな変位や亀裂が生じることがあるが、そのとき
従来の直線上光ファイバセンサーでは局所的に大きく曲
がったファイバが破断することがあった。しかし本発明
ではファイバが螺旋状に整形されているため、ファイバ
が受ける変位は大幅に緩和され、破断する可能性は著し
く少ない。

【００２０】一方、同様の荷重をかけた場合に梁の上面
に軸方向に沿ってこの螺旋状光ファイバセンサーを敷設
しておけば、センサーに軸方向の圧縮力が生じ螺旋が縮
む。従来の直線状光ファイバセンサーではその形状ゆえ
に軸方向の圧縮歪みを測定することは不可能であった
が、本発明の螺旋状光ファイバセンサーでは構造物に生
じた軸方向の圧縮変位を螺旋が縮むことによって曲率の
変化として測定できる。

【００２１】また、従来の直線状光ファイバセンサー
で、本発明と同じ電気光学的測定装置を使用して歪みを
測定するときの距離分解能は、入射する光パルス幅を１
２ナノセカンドとしたときで１００ｃｍ程度であった。
ところが螺旋状センサーではこの分解能が格段に向上す
る。例えば、太さ１４０マイクロメートル、長さ１ｍの
光ファイバを用いて螺旋の直径２．５ｍｍで密に螺旋状
センサーを作成すると、螺旋全体の長さが８．９ｍｍと
なる。この螺旋状センサーを構造物３１に取り付けるの
で、全長１ｍの光ファイバが構造物３１の表面の長さ
８．９ｍｍの区間に密に配設されていることになる。従
って光ファイバの長さにして１ｍの位置分解能があれ
ば、螺旋状センサーを敷設してある構造物３１について
はセンサー敷設方向に沿って８．９ｍｍの分解能で変状
を生じた部位を特定できることになる。

【００２２】この発明の第２の実施例を図４に示してい
る。ここでは、コンクリート構造物４１の内部に図１の
螺旋状光ファイバケーブルを敷設している。この場合は
コンクリート打設前にあらかじめ鉄筋４２に固定するよ
うにする。その方法は例えば接着剤で鉄筋に沿って仮固
定したあと、バンドなどで固定すればよい。

【００２３】この実施例では伸び、曲げおよび軸方向の
圧縮による変位に加えて、センサー断面方向の圧縮によ
る変位も測定することができる。例えば、構造物内部に
ほぼ均一な平面状の圧縮力が発生したとすると、この螺
旋状センサー４３を楕円形に押しつぶす。すると当然セ
ンサーの曲率が変化し、その変化を測定することで構造
物の変位を計測することができる。圧縮力を受けた螺旋
状光ファイバセンサー４３が楕円形に歪む様子を図５に
示す。

【００２４】従来の直線状光ファイバセンサーでは、構
造物に生じたセンサー断面方向の圧縮変位を光ファイバ
に同様に伝えて、その変位を計測するようにすることが
困難であった。また、その圧縮変位を光ファイバに伝え
たとしても、位置特定分解能が低かったため、圧縮力の
分布を詳細に調べることは困難であった。しかしこの発
明の螺旋状光ファイバセンサー４３は高い位置特定精度
を有するため、図４の実施例では、構造物の圧縮力によ
る断面方向の圧縮歪みも詳細に計測される。

【００２５】つぎに、この発明に係る光ファイバセンサ
ーの他の構造例について説明する。図６に示す光ファイ
バセンサーは形状記憶性樹脂などの保形材料で被覆し、
その被覆した光ファイバを螺旋状に整形したものであ
る。図１と同様に片端に電気光学的測定装置を接続す
る。螺旋の内径や間隔についての条件は図１の例と同様
である。また、被覆するのではなく、コイルバネのよう
な螺旋の保形材料と光ファイバを添わせて一体化し、螺
旋形の形状を保つようにしてもよい。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、センサー部に螺旋状に
整形した光ファイバセンサーを使用するため、土木構造
物や岩盤、斜面の変状計測において、局所的に大きな変
位が発生したときにもそれが緩和されて、センサーが破
断する可能性が従来よりもずっと低くなる。また、螺旋
形にした分センサーの長さが短くなるので、変状が発生
した箇所を特定する位置特定精度が格段に向上する。ま
た、改善された位置特定精度とその螺旋型の形状により
構造物の圧縮変位を詳細に計測できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】螺旋型に整形した光ファイバセンサーの一例で
ある。

【図２】電気光学的測定装置の動作原理を説明する図で
ある。

【図３】螺旋状光ファイバセンサーを用いた変状計測方
法の、第１の実施例に係る概略図である。

【図４】螺旋状光ファイバセンサーを用いた変状計測方
法の、第２の実施例に係る概略図である。

【図５】圧縮力を受けた螺旋状光ファイバセンサーが楕
円形に歪む様子である。

【図６】螺旋型に整形した光ファイバセンサーの第２の
例である。

【符号の説明】

１１、５２、６２ 光ファイバケーブル １２、５１ 芯材 １３、５３、６１ 被覆材 １４ 電気光学的測定装置 １５、３２、４３、２８ 螺旋状光ファイバセンサー ４２ 鉄筋

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 計測対象となる構造物に螺旋状に整形し
   た光ファイバセンサーを取り付け、この光ファイバセン
   サーの光伝搬特性の変化を電気光学的測定手段により測
   定することで前記構造物の変状を計測することを特徴と
   する光ファイバを用いた構造物の変状計測方法。
2. 【請求項２】 弾性材からなる円柱状の芯材に光ファイ
   バを螺旋状に巻き付けて整形したことを特徴とする光フ
   ァイバセンサー。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記芯材およびこれ
   に巻き付けられた光ファイバを被覆材で覆ったことを特
   徴とする光ファイバセンサー。
4. 【請求項４】 光ファイバを適宜な保形材料で被覆する
   とともに、その被覆された光ファイバを螺旋状に整形し
   たことを特徴とする光ファイバセンサー。
5. 【請求項５】 適宜な保形材料からなる線材と光ファイ
   バとを添わせて一体化し、その線材と光ファイバとを螺
   旋状に整形したことを特徴とする光ファイバセンサー。