JP2001281471A - 光ファイバ及び歪み計測システム - Google Patents

光ファイバ及び歪み計測システム

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JP2001281471A
JP2001281471A JP2000091467A JP2000091467A JP2001281471A JP 2001281471 A JP2001281471 A JP 2001281471A JP 2000091467 A JP2000091467 A JP 2000091467A JP 2000091467 A JP2000091467 A JP 2000091467A JP 2001281471 A JP2001281471 A JP 2001281471A
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optical fiber
strain
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Chishin Go
智深 呉
Tatsuo Horiuchi
辰夫 堀内
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光ファイバの素線に応力または歪み集中が発
生することを防止するとともに構造物内での定点接着を
可能にし、構造物の損傷個所では局所的に歪みを計測す
ることのできる歪み計測システムを提供する。さらに、
計測装置の歪みデータのサンプリングシフト間隔等によ
る誤差をなくすことを可能にする。 【解決手段】 本発明の歪み計測システム21は、計測
対象物に敷設された光ファイバ22と、この光ファイバ
22にパルスを入射させ、この入射パルスによる散乱光
を測定し、この散乱光の周波数シフト量から計測対象物
に発生した歪みを計測する歪み計測装置23とから構成
されている。この歪み計測システム21において、光フ
ァイバ22では素線2と被覆3との間にすべりを生じさ
せるとともに、固定点Xnを設けて素線2と被覆3との
間を固定していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバを計測
対象物に敷設して、計測対象物に発生した歪みを計測す
る歪み計測システムに係り、特に敷設する光ファイバの
素線と被覆との間にすべりを生じさせたことによって、
素線への応力集中または歪み集中を防止することのでき
る歪み計測システムに関する。
【0002】
【従来の技術】従来の光ファイバを利用した歪み計測シ
ステムの構成を図6に基づいて説明する。
【0003】図6に示すように、従来の歪み計測システ
ム101は、計測対象物に敷設された光ファイバ102
と、この光ファイバ102にパルス光Pを入射させ、こ
の入射パルスによる散乱光を測定し、この散乱光の周波
数シフト量から計測対象物に発生した歪みを計測する歪
み計測装置103とから構成されている。
【0004】この歪み計測システム101は、光ファイ
バ102を橋梁やトンネル、堤防などの構造物の表面に
接着し、この構造物に発生した歪みを計測するためのシ
ステムである。例えば、堤防やトンネルの防災管理を例
にすると、図7に示すように地盤71の土圧が変化し、
コンクリート構造物72に歪みが生じると、その表面に
接着されている光ファイバ102には伸び歪みが発生す
る。そして、このように歪みの生じた光ファイバ102
にパルス光を入射させ、その入射パルスによる散乱光を
測定すると、計測対象物に発生した歪みε(=△L/
L)を計測することができる。
【0005】ここで、この歪み計測装置103による歪
み量の計測原理を図面に基づいて説明する。
【0006】まず、歪み計測装置103は、図8に示す
ようにパルス光Pを光ファイバ102に入射させる。す
ると、光ファイバ102内ではさまざまな後方散乱光が
発生し、この後方散乱光は歪み計測装置103に到達す
る。そして、歪み計測装置103は、この後方散乱光を
受信して測定する。このとき、この後方散乱光にはレイ
リー散乱光、ブリルアン散乱光、ラマン散乱光などのさ
まざまな散乱光が存在するが、この歪み計測装置103
ではブリルアン散乱光の受光パワーを計測して歪み量を
測定する。この測定結果を図9に示す。
【0007】この測定結果から分かるように、光ファイ
バ102の歪み発生部分Zでは散乱光の周波数がf1か
らf2にシフトしている。ところが、このシフト量(f
2−f1)は歪みに比例しているので、散乱光の周波数
シフト量を測定することによって光ファイバ102に発
生した歪み量εを計測することができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の歪み計測システム101に使用されている光フ
ァイバ102は、通常の光ファイバを使用しているため
に、素線と被覆がすべて接着されて固定されている。
【0009】したがって、このような光ファイバを計測
対象物に接着し、その計測対象物にひび割れなどが発生
すると、そのひび割れによって生じた光ファイバの伸び
歪みは、光ファイバの被覆だけではなく、素線にも同時
に生じてしまう。
【0010】ところが、素線は直径約125μmの石英
ガラス系、多成分ガラス系の材質で形成されているため
に、伸び歪みに対して弱く、応力集中や歪み集中が発生
すると切断される危険があるとともに、高い緊張状態に
長時間おかれると、クリープや疲労破断が生じてしまう
危険もあった。
【0011】とくに、コンクリート構造物のようにひび
割れなどが発生しやすい構造物内に光ファイバを埋設す
る場合には、コンクリートのひび割れによって光ファイ
バが切断される危険性は高かった。
【0012】また、コンクリート構造物の歪み計測にお
いては、光ファイバのすべての面を構造物に接着する全
面接着よりも、ある一定の間隔をあけて構造物に接着す
る定点接着(定点固定)のほうが、測定の安定性や精度
が高くなることが知られている。
【0013】しかし、構造物の表面に光ファイバを定点
接着することは可能であるが、構造物内に光ファイバを
埋設する場合には定点接着することは不可能であった。
【0014】また、歪みデータのサンプリング・シフト
間隔等による歪み計測値の誤差をなくす方法としても、
距離分解能よりも長いゲージ長を設定した定点接着(定
点固定)を実現することが期待されていた。
【0015】さらに、別の問題点として、歪み計測装置
103の計測している歪み量とは、距離分解能で定めら
れた一定の距離間隔における歪みであるという問題点が
ある。例えば、歪み計測装置103の距離分解能が1m
である場合には、光ファイバ上の特定の1mの間の歪み
量を測定し、特定の1mにおける歪み量として出力して
いる。
【0016】したがって、特定の1mの間の30cmの
部分で非常に大きな歪みが発生していたとしても、残り
の70cmの部分での歪みが小さいと、局所的には限界
歪みを越えているにも関わらず、1mの平均では限界歪
みを越えていないと判断されてしまう場合があり、この
場合には構造物が非常に危険な状態であるにも関わら
ず、検知することができないという問題点があった。
【0017】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、光ファイバの素線に応力集中または
歪み集中が発生することを防止するとともに構造物内で
の定点接着を可能にし、構造物の損傷個所では局所的に
歪みを計測することのできる歪み計測システムを提供す
ることにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に記載の発明である光ファイバは、素線と
被覆との間にすべりを生じさせるとともに、前記素線と
前記被覆とを固定する固定点を設けたことを特徴とす
る。
【0019】この請求項1の発明によれば、コンクリー
ト構造物のようにひび割れなどの発生する危険のある構
造物に埋設したとしても、コンクリートのひび割れによ
って光ファイバが切断されることを防止できるととも
に、コンクリート構造物内において定点接着を実現する
ことができる。
【0020】請求項2に記載の発明である光ファイバ
は、外部から物理的変形を加えることによって前記固定
点を設けることを特徴とする。
【0021】この請求項2の発明によれば、構造物の建
設現場において光ファイバに外部から熱や圧力を加える
ことによって固定点を作れるので、建築現場で必要に応
じて自由に固定点を作ることができる。
【0022】請求項3に記載の発明である歪み計測シス
テムは、計測対象物に敷設された光ファイバと、この光
ファイバにパルスを入射させ、この入射パルスによる散
乱光を測定し、この散乱光の周波数シフト量から前記計
測対象物に発生した歪みを計測する歪み計測装置とから
構成された歪み計測システムにおいて、前記光ファイバ
は、素線と被覆との間にすべりが生じているとともに、
前記素線と前記被覆との間は一定の間隔で設けられた固
定点によって固定されていることを特徴とする。
【0023】この請求項3の発明によれば、コンクリー
ト構造物のようにひび割れなどの発生する危険のある構
造物に、光ファイバを埋設して歪み計測を行うことがで
きる。さらに、コンクリート構造物内に光ファイバを埋
設した場合でも定点接着を実現することができるので、
計測の安定性及び精度を高くすることができる。
【0024】請求項4に記載の発明である歪み計測シス
テムは、光ファイバの素線と被覆との間を固定する間隔
が、前記歪み計測装置における距離分解能と誤差とに基
づいて設定されることを特徴とする。
【0025】この請求項4の発明によれば、固定間隔毎
の歪み量を正確に計測することができるので、光ファイ
バの各固定間隔の敷設位置に基づいて、構造物における
ひび割れの発生位置を正確に特定することができる。
【0026】請求項5に記載の発明である歪み計測シス
テムの光ファイバは、前記計測対象物にループ状に敷設
されていることを特徴とする。
【0027】この請求項5の発明によれば、歪み計測装
置の距離分解能よりも短い間隔で歪みの計測を行うこと
ができ、構造物の危険個所を高精度で監視することがで
きる。
【0028】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光ファイバの
一実施形態を図面に基づいて説明する。
【0029】図1に示すように、本実施形態の光ファイ
バ1は、素線2と、被覆3と、この被覆3と素線2との
間を間隔Lで固定する固定点Xnとから構成されてい
る。
【0030】この光ファイバ1の固定点Xnの間隔Lは
一定間隔でもよいし、不規則に変化させてもよい。
【0031】また、固定点Xnでは接着するなどの方法
によって素線2と被覆3とが固定されている。ただし、
図1では素線2と被覆3との間には空間が存在するよう
に記載されているが、素線2と被覆3との間は密着して
いてもすべりを生じていればよい。
【0032】さらに、素線と被覆が一体となった通常の
光ファイバを素線2の代わりに利用することもできる。
【0033】このように、素線2と被覆3との間にすべ
りを生じさせるとともに、固定点Xnを設けて素線2と
被覆3との間を固定したことによって、被覆3に伸び歪
みが発生したとしても、素線2に応力または歪みが集中
することがなくなる。
【0034】したがって、光ファイバをひび割れの危険
のある構造物に埋設したとしても、ひび割れによって光
ファイバが切断されることを防止することができる。
【0035】さらに、コンクリート構造物内に光ファイ
バを埋設した場合でも定点接着(定点固定)を実現する
ことができる。
【0036】また、光ファイバの製造後に外部から物理
的な変形を加えることによって、固定点を設けるように
してもよい。
【0037】例えば、図2に示すように被覆3に熱収縮
材料を使用することによって、外部から熱などを加える
ことによって素線2と被覆3とを固定するようにしても
よいし、また機械的に圧力を加えて素線2と被覆3とを
固定できるようにしてもよい。
【0038】これによって、構造物の建設現場において
光ファイバに外部から熱や圧力を加えることによって固
定点を作れるので、建設現場で必要に応じて自由に固定
点を作ることができる。
【0039】次に、上述した光ファイバを利用して歪み
の計測を行う歪み計測システムの一実施形態を図面に基
づいて説明する。
【0040】図3に示すように、本実施形態の歪み計測
システム21は、計測対象物に敷設された光ファイバ2
2と、この光ファイバ22にパルスを入射させ、この入
射パルスによる散乱光を測定し、この散乱光の周波数シ
フト量から計測対象物に発生した歪みを計測する歪み計
測装置23とから構成されている。
【0041】この歪み計測システム21において、光フ
ァイバ22では上述したように素線2と被覆3との間に
すべりを生じさせるとともに、固定点Xnを設けて素線
2と被覆3との間を固定している。
【0042】また、歪み計測装置23は、従来技術で説
明した歪み計測装置と同様に構成された装置なので、詳
しい説明は省略する。
【0043】このように、本実施形態の歪み計測システ
ム21では、素線2と被覆3との間にすべりのある光フ
ァイバ22を使用したことによって、構造物のひび割れ
などによって被覆3に伸び歪みが発生したとしても、素
線2に応力または歪みが集中することを防止できる。
【0044】したがって、コンクリート構造物のように
ひび割れなどの発生する危険のある構造物内に光ファイ
バを埋設して歪みの計測を行うことができる。
【0045】さらに、コンクリート構造物内に光ファイ
バを埋設した場合でも定点接着を実現することができる
ので、全面接着をした場合に比べて計測の安定性及び精
度を高くすることができる。
【0046】次に、光ファイバ22の固定間隔Lの設定
方法について説明する。
【0047】まず、従来技術で説明したように、歪み計
測装置23は、距離分解能で定められる一定の距離間隔
での歪みを測定している。例えば、距離分解能が1mで
ある場合には、特定の1mの間の歪みを測定し、歪み量
の測定結果としている。
【0048】ところが、この歪み計測装置23には計測
位置についての誤差(現在の計測装置では±10cmと
なっている)が生じている。例えば、光ファイバ上にあ
る特定の1mについて測定しようとした場合には、測定
対象となっている1mと、その前後10cmにおける歪
みを測定してしまっている。
【0049】そこで、光ファイバの固定間隔Lを距離分
解能1mと前後の誤差20cm(10cm×2)とを考
慮して120cm、あるいはそれ以上にしておくことに
よって、各固定間隔L1、L2、・・・、Ln毎の歪み
をそれぞれ正確に測定することができる。
【0050】このように、光ファイバ22の固定間隔L
を歪み計測装置23の距離分解能と歪みデータのサンプ
リングシフト間隔等の誤差とに基づいて決めることによ
って、各固定間隔Lnの歪み量をそれぞれ正確に計測す
ることができる。
【0051】さらに、光ファイバの各固定間隔Lnの歪
みをそれぞれ計測することができるようになると、その
固定間隔Lnの構造物における敷設位置に基づいて、構
造物のどこに歪みが発生しているのかを正確に特定する
ことができる。
【0052】次に、歪み計測システムにおける光ファイ
バの敷設方法について説明する。
【0053】まず、構造物に光ファイバを敷設する場合
に、構造物には歪みのとくに発生しやすい危険個所が存
在しているので、そのような構造物を監視する上で重要
な場所の歪みはとくに正確に計測する必要がある。とこ
ろが、そのような危険個所の幅が距離分解能よりも短い
場合には危険個所の歪みを正確に計測することができな
い。例えば、歪み計測装置23の距離分解能が1mであ
る場合に、幅が20cmしかない危険個所の歪みは正確
に計測することができない。
【0054】そこで、図4に示すように、歪みの発生し
やすい危険個所に光ファイバ31をループ状に埋設す
る。
【0055】このとき、図4(a)に示すように、光フ
ァイバを立体的なループ状に埋設してもよいし、図4
(b)に示すように構造物の表面近くに埋設させてもよ
い。
【0056】また、危険個所の幅によってループの半径
及びループの巻数を調節する。
【0057】例えば、図5に示すように危険個所の幅が
狭くなっていくにしたがって、巻数を1回から3回へと
増やしていく。同様に、危険個所の幅や巻数に合わせて
ループの半径も調節する。
【0058】このように、光ファイバをループ状に埋設
することによって、歪み計測装置の距離分解能よりも短
い間隔における歪みを正確に計測することができる。
【0059】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光ファイ
バによれば、ひび割れなどの発生する危険のある構造物
に埋設したとしても、構造物内部のひび割れによって光
ファイバが切断されることを防止できるとともに、コン
クリート構造物内において定点接着を実現することがで
きる。
【0060】また、本発明の歪み計測システムによれ
ば、コンクリート構造物のようにひび割れなどの発生す
る危険のある構造物に、光ファイバを埋設して歪み計測
を行うことができる。さらに、コンクリート構造物内に
光ファイバを埋設した場合でも計測対象物内部における
定点接着(定点固定)を実現することができるので、計
測の安定性及び精度を高くすることができる。
【0061】また、光ファイバの素線と被覆の固定間隔
を、歪み計測装置の距離分解能及び歪みデータのサンプ
リングシフト間隔等による誤差に基づいて決めることに
よって、固定間隔毎の歪み量を正確に計測することがで
き、これによって、光ファイバの各固定間隔の敷設位置
に基づいて、構造物におけるひび割れなどの発生位置を
正確に特定するとともに、高精度の歪み測定を行うこと
ができる。
【0062】さらに、光ファイバをループ状に埋設する
ことによって、歪み計測装置の距離分解能よりも短い間
隔で歪みの計測を行うことができ、構造物の危険個所を
高精度で監視することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光ファイバの一実施形態を示す図
である。
【図2】本発明による光ファイバの変形例を示す図であ
る。
【図3】本発明による歪み計測システムの一実施形態の
構成を示すブロック図である。
【図4】図3に示す歪み計測システムにおける光ファイ
バの敷設方法を説明するための図である。
【図5】図3に示す歪み計測システムにおける光ファイ
バの敷設方法を説明するための図である。
【図6】従来の歪み計測システムの一実施形態の構成を
示すブロック図である。
【図7】図6に示す歪み計測システムの設置例を示す図
である。
【図8】図6に示す歪み計測システムの計測原理を説明
するための図である。
【図9】図6に示す歪み計測システムの計測原理を説明
するための図である。
【符号の説明】
1、22、31、102 光ファイバ 2 素線 3 被覆 21、101 歪み計測システム 23、103 歪み計測装置 71 地盤 72 コンクリート構造物 P 入射パルス L 固定間隔 Xn 固定点
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀内 辰夫 東京都中央区日本橋浜町2−31−1 エ ヌ・ティ・ティ・インフラネット株式会社 内 Fターム(参考) 2F065 AA02 AA20 AA65 BB12 CC23 CC40 DD16 FF42 FF61 LL02 2H050 AD06 BC12 BD06

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 素線と被覆との間にすべりを生じさせる
    とともに、前記素線と前記被覆とを固定する固定点を設
    けたことを特徴とする光ファイバ。
  2. 【請求項2】 前記光ファイバに外部から物理的変形を
    加えることによって前記固定点を設けることを特徴とす
    る請求項1に記載の光ファイバ。
  3. 【請求項3】 計測対象物に敷設された光ファイバと、
    この光ファイバにパルスを入射させ、この入射パルスに
    よる散乱光を測定し、この散乱光の周波数シフト量から
    前記計測対象物に発生した歪みを計測する歪み計測装置
    とから構成された歪み計測システムにおいて、 前記光ファイバは、素線と被覆との間にすべりが生じて
    いるとともに、前記素線と前記被覆との間は一定の間隔
    で設けられた固定点によって固定されていることを特徴
    とする歪み計測システム。
  4. 【請求項4】 前記光ファイバの素線と被覆との間を固
    定する間隔は、前記歪み計測装置における距離分解能と
    誤差とに基づいて設定されることを特徴とする請求項3
    に記載の歪み計測システム。
  5. 【請求項5】 前記光ファイバは、前記計測対象物にル
    ープ状に敷設されていることを特徴とする請求項3また
    は4に記載の歪み計測システム。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030045248A (ko) * 2001-12-01 2003-06-11 엘지전선 주식회사 광섬유를 이용한 스트레인 측정 방법
WO2005010462A1 (en) * 2003-07-24 2005-02-03 Geum-Suk Lee Fixer for fiber bragg grating sensor

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