JP2002048518A - 光ファイバセンサを用いた変位測定方法 - Google Patents

光ファイバセンサを用いた変位測定方法

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JP2002048518A
JP2002048518A JP2000236032A JP2000236032A JP2002048518A JP 2002048518 A JP2002048518 A JP 2002048518A JP 2000236032 A JP2000236032 A JP 2000236032A JP 2000236032 A JP2000236032 A JP 2000236032A JP 2002048518 A JP2002048518 A JP 2002048518A
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displacement
tube
fiber sensors
fiber sensor
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Hitoshi Kumagai
仁志 熊谷
Keiichi Okada
敬一 岡田
Hiroshige Ono
博重 大野
Hiroshi Naruse
央 成瀬
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Shimizu Construction Co Ltd
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Shimizu Corp
Original Assignee
Shimizu Construction Co Ltd
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Shimizu Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】光ファイバの長さ方向に沿って連続的に検出で
きる歪み量に基づいて変位を算出し、地中変位の測定に
おいて変位測定の方向が限定されることなくその測定を
行なえるようにするとともに、測定誤差を抑える。 【解決手段】それぞれが光ファイバからなる少なくとも
三本の光ファイバセンサ2を、光ファイバセンサ2の長
さ方向と直交する平面で光ファイバセンサ2の位置が多
角形の頂点となるようにして配置し、光ファイバセンサ
2相互の並設間隔が光ファイバセンサ2の長さ方向に沿
って一定になるようにして、この光ファイバセンサ2を
チューブ3に設けて、チューブ3を地中に設置し、チュ
ーブ3の長さ方向に沿った任意位置での起点に対する変
位を、光ファイバセンサ2それぞれから長さ方向に沿っ
て前記起点から任意位置まで連続して得られる歪み量を
積分して算出する。

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センサを
用いた変位測定方法に関するものである。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】従来からトンネル掘削
工事や盛土工事などにおいて地盤変位を測定するには、
水管式沈下計や傾斜計を用いて変位を得るようにしてい
る。しかしながら、前者は管内の水位を利用するもので
鉛直方向での変位しか測定できないものである。また、
後者の傾斜計を用いて変位測定をする場合についても、
一般的には水平、鉛直のどちらかの方向での変位しか測
定できず、また、人為的に選択された複数の不連続位置
で測定された傾斜角、即ち、離散的に測定された傾斜角
を積分して変位に換算することとなり、測定誤差を大き
くするという問題があった。
【0003】ところで、光ファイバには、光を入射し、
その光の一部が散乱されると、散乱光として入射端に戻
ってくる性質がある。この散乱光の強度の変化を調べる
ことで光ファイバの曲がりを求めることができ、周波数
分布を解析することによって歪みなどを求めることがで
きる。また入射から散乱光が戻ってくるまでの時間から
光ファイバの計測位置を決定できる。このように本発明
は、光ファイバの片側から光ファイバ全体に渡っての歪
みや損失およびその位置が検出できるという点に着目し
たものである。そこで本発明は上記事情に鑑み、光ファ
イバの長さ方向に沿って連続的に検出できる歪み量に基
づいて変位を算出できるようにすることを課題とし、地
盤変位の測定において変位測定の方向が限定されること
なくその測定を行なえるようにするとともに、測定誤差
を抑えることを目的とするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を考慮
してなされたもので、それぞれが光ファイバからなる少
なくとも三本の光ファイバセンサを、該光ファイバセン
サの長さ方向と直交する平面で光ファイバセンサの位置
が多角形の頂点となるようにして配置するとともに、該
光ファイバセンサ相互の並設間隔が光ファイバセンサの
長さ方向に沿って一定になるようにして、プラスチック
製または繊維強化プラスチック製のチューブに設けて、
該チューブを地中に設置し、前記チューブの長さ方向に
沿った任意位置での起点に対する変位を、前記光ファイ
バセンサそれぞれから長さ方向に沿って前記起点から前
記任意位置まで連続して得られる歪み量を積分して算出
する構成としたことを特徴とする光ファイバセンサを用
いた変位測定方法を提供して、上記課題を解消するもの
である。
【0005】
【発明の実施の形態】つぎに本発明に係る実施の形態に
基づいて詳細に説明する。図中1は長尺なセンサ装置
で、図1にはその一部分において構成部材がその断面位
置を異ならせて斜視状態にして示されている。前記セン
サ装置1の構成部材は光ファイバからなる四本の光ファ
イバセンサ2とプラスチック製または繊維強化プラスチ
ック製のチューブ3であり、前記光ファイバセンサ2そ
れぞれはチューブ3の板厚4内に埋め込まれた状態にし
てそのチューブ3の長さ方向に亘って設けられている。
【0006】チューブ3の断面方向において光ファイバ
センサ2それぞれの位置は、該光ファイバセンサ2の長
さ方向Aと直交する平面上で描くことのできる正四角形
Bの頂点B1,B2,B3,B4となるようにしてお
り、図上、上下位置で対向位置する二本の光ファイバセ
ンサ2が頂点B1,B3を通り、図上、左右位置で対向
する二本の光ファイバセンサ2が頂点B2,B4を通っ
ている。そして、光ファイバセンサ2相互の並設間隔D
1、D2、D3、D4それぞれが光ファイバセンサ2の
長さ方向Aに沿って一定になり、チューブ3の長さ方向
に沿って光ファイバセンサ2の位置が周方向にずれるこ
となく、即ち、チューブ3の長さ方向と光ファイバセン
サ2の長さ方向とを平行にしている。また、センサ装置
1における上記チューブ3にはその長さ方向に亘ってセ
ンサ装置自体の上側を表現する指示手段5が設けられて
いて、この指示手段5はマーキングや凹凸によって形成
されている。さらに、この指示手段5は一つの光ファイ
バセンサ2に近接するように設けられている。図におい
て6はチューブ3の内部に充填されたグラウトである。
【0007】本発明では、上記構造のセンサ装置1は地
中に設置するもので、掘り下げた地盤にこのセンサ装置
1を敷設してから埋め戻しを行なったり、ボーリング孔
内に固定させるなどして地中に設置する。なお、上記グ
ラウトは地中に設置する前に充填する必要が必ずしもあ
るものではなく、地中に設置した後に充填してもよい。
また、グラウトの代わりに形状を保持するためチューブ
の内径と同じ程度の外径を持つ中空パイプや中空円筒を
挿入してもよい。そして、このようにして地中に位置す
ることになるセンサ装置1に図示しない散乱光検出手段
を接続し、上記各光ファイバセンサ2に所要の光を入射
させ散乱光を受け取り、光ファイバの特性によってこの
散乱光から得られる光ファイバセンサ2の歪み量からチ
ューブ3の長さ方向に沿った任意位置での起点に対する
三次元的な変位を算出し、これによってセンサ装置1を
位置させた地中の変位を測定する。
【0008】上述したように、上記実施の例におけるセ
ンサ装置1において、各光ファイバセンサ2それぞれか
ら長さ方向Aに沿っての歪み量が連続して得られる(長
さ方向に沿った歪み分布として得られる)。そしてつぎ
に、便宜上、図1で示したセンサ装置1を地中に横にし
て敷設したものと想定し、この状態に基づいて、上下に
相対する二本の光ファイバセンサ2のそれぞれの歪み量
でチューブ3の上下変位、長さ変位を算出する例を説明
する。起点aの変位及び回転をゼロとして、長さ方向の
距離xの地点における起点aに対しての上下変位、起点
aに対しての長さ変位は、上下の光ファイバセンサ2の
間の距離をd、上側の光ファイバセンサ2の起点aから
距離x位置での歪み量をεx1、下側の光ファイバセンサ
2のxでの歪み量をεx2とすると、図2に示す通りに積
分して算出できる。
【0009】このようにして、チューブ3の上下変位、
長さ方向の変位が得られ、これが、地中において、起点
aからの長さ方向の距離xの地点での起点aに対しての
上下変位と長さ変位となる。また同じ上記センサ装置1
から水平変位を測定する場合には、左右に相対する二本
の光ファイバセンサ2それぞれの歪み量を、上記上下変
位を算出する式の歪み量と入れ替えればよく、同様にし
て算出することで地中での起点aからの水平変位が測定
できる。
【0010】上記実施の例では、チューブ3の板厚4に
光ファイバセンサ2を埋め込んだものを示したが、本発
明はこれに限定されるものではない。その他の例が図
3、図4に示されていて、図3に示すようにチューブ3
の内面はたは外面7に光ファイバセンサ2を接着固定し
たり、また、図4に示すようにチューブ3の内部にその
チューブ3の長さ方向に亘って適宜間隔でスペーサ8を
配置し、このスペーサ8に設けた透孔8aに光ファイバ
センサ2を通して支持するようにしてもよい。また、上
記実施の例では、四本の光ファイバセンサをチューブ3
に設けたものとして説明したが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、少なくとも三本の光ファイバセンサ
をチューブに設けるようにすればよく、それら光ファイ
バセンサはその長さ方向と直交する平面で光ファイバセ
ンサの位置が多角形の頂点となるようにして配置すれば
よい。そして、長さ方向に直交する平面上に沿った一つ
の方向で相対する少なくとも一対の光ファイバセンサか
ら得られる歪み量を上述のように変位算出に用いて、そ
の一つの方向における変位と長さ方向の変位を算出する
とともに、前記平面上に沿って前記一つの方向に直交す
るもう一つの方向で相対する少なくとも一対の光ファイ
バセンサから得られる歪み量を上述のように変位算出に
用いて、もう一つの方向における変位を算出すればよ
い。
【0011】図5はセンサ装置1を横方向にして敷設し
た例であって、例えば、トンネル掘削9に際してのトン
ネル周辺地盤変位の測定の例を示しており、センサ装置
1が通る地中の一部に力Fが加わってその地中の一部分
が変位すれば、この変位測定方法によりセンサ装置1の
いずれの場所で変位しているか、また、その三次元的な
変位量を測定できる。図6はセンサ装置1を上下方向に
敷設した例であって、斜面の変位及び滑り位置の測定の
例を示していて、同様に変位測定方法によりセンサ装置
1のいずれの場所で変位しているか、また、その三次元
的な変位量を測定できる。
【0012】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光センサ
ファイバを用いた変位測定方法によれば、それぞれが光
ファイバからなる少なくとも三本の光ファイバセンサ
を、該光ファイバセンサの長さ方向と直交する平面で光
ファイバセンサの位置が多角形の頂点となるようにして
配置するとともに、該光ファイバセンサ相互の並設間隔
が光ファイバセンサの長さ方向に沿って一定になるよう
にして、プラスチック製または繊維強化プラスチック製
のチューブに設けて、該チューブを地中に設置し、前記
チューブの長さ方向に沿った任意位置での起点に対する
変位を、前記光ファイバセンサそれぞれから長さ方向に
沿って前記起点から前記任意位置まで連続して得られる
歪み量を積分して算出する構成としたことを特徴とする
ものである。これによって、地中において光ファイバセ
ンサに沿った任意位置での三次元的な変位を測定でき、
従来の一方向に限定された変位測定に比べて地中内での
より多くの状況を簡単に把握できるようになる。さら
に、光ファイバセンサの長さ方向に沿って連続的に検出
された歪み量に基づいて変位を算出するため、離散的に
傾斜角を測定して変位を算出していた従来方法に比べて
測定誤差を極めて小さくすることができるなど、実用性
に優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光ファイバセンサを用いた変位測
定方法における光ファイバセンサの一例を示す説明図で
ある。
【図2】二本の光ファイバセンサによる上下変位と長さ
変位を算出する例を示す説明図である。
【図3】光ファイバセンサの他の取付例を示す説明図で
ある。
【図4】同じく光ファイバセンサの他の取付例を示す説
明図である。
【図5】光ファイバセンサを横にして敷設した地中が変
位した状態を示す説明図である。
【図6】光ファイバセンサを縦にして敷設した地中が変
位した状態を示す説明図である。
【符号の説明】
1…センサ装置 2…光ファイバセンサ 3…チューブ 4…板厚 5…指示手段 6…グラウト 8…スペーサ A…光ファイバセンサの長さ方向
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 敬一 東京都港区芝浦一丁目2番3号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 大野 博重 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 成瀬 央 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 Fターム(参考) 2F065 AA01 AA65 CC40 FF31 FF41 GG00 JJ00 LL03 PP01 QQ14 2F076 BA11 BB09 BD01 BD06 BD17 2F103 CA07 EA11 EA18 EA23 GA15

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】それぞれが光ファイバからなる少なくとも
    三本の光ファイバセンサを、該光ファイバセンサの長さ
    方向と直交する平面で光ファイバセンサの位置が多角形
    の頂点となるようにして配置するとともに、該光ファイ
    バセンサ相互の並設間隔が光ファイバセンサの長さ方向
    に沿って一定になるようにして、プラスチック製または
    繊維強化プラスチック製のチューブに設けて、該チュー
    ブを地中に設置し、前記チューブの長さ方向に沿った任
    意位置での起点に対する変位を、前記光ファイバセンサ
    それぞれから長さ方向に沿って前記起点から前記任意位
    置まで連続して得られる歪み量を積分して算出する構成
    としたことを特徴とする光ファイバセンサを用いた変位
    測定方法。
  2. 【請求項2】上記チューブを地中に設置する前に、また
    は設置した後にチューブの内部にグラウトを充填する請
    求項1に記載の光ファイバセンサを用いた変位測定方
    法。
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