JP2002213927A - 光ファイバ歪センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 感度が高くて精度の良い歪計測が行え、設置
も簡単で利用範囲も広い光ファイバ歪センサを提供す
る。 【解決手段】 監視対象から荷重を受けて反り曲がる板
ばね２に、固定具３を用いて光ファイバ４を取付ける。
その光ファイバ４は、板ばねの表面から適宜間隔を保っ
た位置にあり、そのため、板ばね２が曲がるときに光フ
ァイバ４に効率良く伸び歪が生じ、光ファイバ４中で起
こるブリルアン散乱光の周波数変化が大きくなってセン
サの検出感度が向上する。

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、雪崩の監視や梁
の撓みなどの監視を行うのに適した光ファイバ歪センサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】監視対象に光ファイバを固定し、この光
ファイバに生じる歪をＢＯＴＤＲ（ブリルアン散乱光利
用光ファイバ歪計測装置）で測定して監視対象の歪、変
位を監視するシステムや埋設型光センサケーブルを本出
願人は特願平９−１７４４０号や特願平９−１６１４５
２号などで提案している。

【０００３】光ファイバを歪ませてその歪を測定する方
法は、歪ゲージを用いる一般的な歪計測方法に見られる
諸問題を一掃でき、経済的で施工性にも優れる広域監視
システムをセンサと信号伝送路を兼用した１本の光ファ
イバラインを用いて構築できる利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本出願人が特願平９−
１７４４０号で提案している歪監視システムは、保護管
入り光ファイバを保持具で保持して保持具と共に監視対
象に一体化するので、監視対象がセンサを一体化できる
人工の大きな構造物や地盤、岩盤などに限定され、雪崩
などの監視には利用できない。

【０００５】また、このシステムを利用して板ばねなど
の部材の曲げ歪を検知するのも難しい。ＢＯＴＤＲは、
光ファイバ中の伸縮歪に依存するブリルアン散乱光の周
波数変化を基に、歪度合を計測するものである。従っ
て、ＢＯＴＤＲを用いて曲げ歪を検出しようとする場合
には、センサとなる光ファイバに効率良く伸縮歪が与え
られるようにしておく必要があるが、板ばねなどの部材
に光ファイバを密着させて単純に取付けると、部材が撓
むときに取付けた光ファイバが大きな張力変動を伴わず
に曲がるため感度の良い検出が行えない。

【０００６】一方、特願平９−１６１４５２号で提案し
ている光センサケーブルは、中心に置かれる鋼心ストラ
ンドの両側に保護管入り光ファイバを並列に配置し、こ
れ等を所定間隔でスペーサに固定し、スペーサ間の保護
管入り光ファイバと鋼心ストランドをゴム等で被覆して
いる。これは、監視対象から受ける力が大きいことを前
提にした埋設型のセンサケーブルであり、自身に加わる
曲げ歪の計測が可能であるが、構造上全体の曲げ剛性が
大きくなるため、小さな力に対しては高感度が得られな
い。

【０００７】また、監視対象の状態変化が緩やかに進行
すると、光ファイバのガラスコアとシリコンクラッド層
との間で滑りが生じて歪が緩和され、正確な計測が行え
ない。

【０００８】そこで、この発明は、感度が高くて精度の
良い計測が行え、設置も簡単で利用範囲も広い光ファイ
バ歪センサを提供することを目的としている。

【０００９】また、そのセンサの繰り返し使用を可能な
らしめることも目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、監視対象から荷重を受けて反
り曲がる歪検知部材に、その部材の曲率に沿う方向に配
向した光ファイバを複数箇所で固定して取付け、その光
ファイバが歪検知部材の曲げの外側にあり、かつ部材表
面から適宜間隔を保った位置にあるようにして光ファイ
バ歪センサを構成したのである。

【００１１】かかる光ファイバ歪センサは、歪検知部材
を板ばねで形成してその板ばねの片面もしくは両面に前
記光ファイバを取付けたものや、光ファイバを覆う保護
カバーを含ませ、その保護カバー経由で歪検知部材が荷
重を受けて保護カバーと共に反り曲がるようにしたもの
などが好ましい形態として挙げられる。

【００１２】また、荷重解放機構を設けて歪検知部材が
弾性変形限界に達する前に印加荷重によって荷重受け部
が押し倒されるようにしておくと、繰り返し使用の目的
も達成される。この、荷重解放機構を有するものは、倒
れた歪検知部材を荷重解放に伴って元の状態に戻す復帰
手段を備えさせるとより好ましい。

【００１３】

【作用】光ファイバを歪検知部材の表面から離れた位置
に取付けると、曲げ歪が加わったときの光ファイバの曲
げ半径が歪検知部材の曲げ半径よりも大きくなる。この
曲げ半径の増加により曲げに伴う光ファイバの伸びが光
ファイバを歪検知部材に密着して取付けたときよりも増
幅され、そのためにブリルアン散乱光の周波数変化が大
きくなってセンサの検出感度が高まる。

【００１４】また、監視対象から加わる力で歪検知部材
に曲げ歪を与え、この歪検知部材の曲げ歪を光ファイバ
の伸び歪に変えてそれを測定するので、センサをこれま
では使用できなかった雪崩などの監視に利用することが
可能になり、センサの設置も簡単になる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１に、この発明のセンサの基本
構造を示す。この光ファイバ歪センサ１は、細長い板ば
ね２の両面に固定具３を定間隔で縦列配置にして設け、
その固定具３を用いて光ファイバ４を板ばね２に取付け
て成る。

【００１６】板ばね２は、垂直に立てたときに自立状態
を維持できるものが好ましい。

【００１７】固定具３は、光ファイバ４を安定して引き
留められるものを用いる。図２に示すローラクリート
は、基板３ａ上に立設した２個のローラ３ｂに光ファイ
バ４をたすき掛けにして巻付け、ローラ間の把持具３ｃ
で光ファイバ４を軽く掴むようにしており、光ファイバ
のコアとシリコンクラッド層が摩擦によって固定され、
両者間での滑りが生じ難い。

【００１８】本出願人が特願２０００−９４０５７号で
提案している図３の固定具も、光ファイバ４を巻き掛け
たくさび３ｄに光ファイバの張力に応じた引込み力が働
き、くさび３ｄとくさび溝３ｅによる光ファイバの挾持
力が光ファイバの張力が高まるにつれて増大するので、
コアの動きが生じ難い。

【００１９】従って、監視対象の状態変化が徐々に進行
する場合の固定具は特に、図２、図３に示す如きものが
好ましい。

【００２０】光ファイバ４は、各固定具３で引き留めて
板ばね２の表面から適当な距離を保った位置に配置して
いる。

【００２１】この図１の歪センサの光ファイバに生じる
伸び歪の計算式を以下に記す。今、図４において板ばね
２が円弧を画いて弯曲すると仮定すると、 δＬ＝（２π（Ｒ＋ｈ）−２πＲ）×θ／３６０ θ／３６０の近似値はＨ／（２πＲ）式で求まるのでこ
れを代入して、 δＬ＝（２π（Ｒ＋ｈ）−２πＲ）×（Ｈ／（２π
Ｒ）） ＝ｈＨ／Ｒ よって、伸び歪はδＬ／Ｈ＝ｈ／Ｒ ここに、δＬ：伸び Ｒ：曲げ半径 ｈ：板ばねのセンタ（板厚中心）から光ファイバ固定点
までの距離 Ｈ：板ばねの高さ（長さ） 上の式における曲げ半径Ｒは、想定される曲げ荷重、荷
重比での板ばねの歪度合からどの程度の値になるかを予
測でき、その予測値と伸びの目標値を上式に当てはめて
板ばねのセンタから光ファイバ固定点までの距離ｈを決
めることができる。

【００２２】なお、例示のセンサは、光ファイバ４を板
ばね２の両面に設けたが、監視対象からの荷重が一定し
た方向に作用する場合には、荷重を受ける側の面のみに
光ファイバを設けてもよい。また、光ファイバ４は、図
１のように片面に２本ずつあると、２本の光ファイバの
片端を連ならせて他端を１本の信号伝送ラインに接続し
たり、２本の光ファイバを２本の信号伝送ラインに別々
に接続して１本を予備ラインにしたりすることができる
が、板ばね２の片面に少なくとも１本あればよい。

【００２３】図５は、図１のセンサに光ファイバ４を覆
う保護カバー５を設けた例を示している。例示の保護カ
バー５は、両側部に多数の取付け足５ａを有しており、
その取付け足５ａを板ばね２に適当な方法で取付け、監
視対象からの荷重が保護カバー５経由で伝わって板ばね
２が撓むようにしてある。このとき、保護カバー５も板
ばね２と共に反り曲がるようにしており、その反り曲が
りをスムーズに起こさせるために取付け足５ａ間に適当
な間隔をあけている。

【００２４】保護カバー５の裏側の斜視図を図６に示
す。板ばね２の両面に光ファイバ４を設ける場合には、
この保護カバー５を両面に取付け、２つのカバーの取付
け足の位置を図５に示すように交互にずらしておくとス
ムーズな曲げが許容される。

【００２５】図７は、この発明の光ファイバ歪センサ
（図は簡略化して板ばねのみを示している）の使用の一
例である。

【００２６】例えば、各種構造物の梁の撓みなどは、板
ばねの片面に光ファイバを取付けたセンサを、光ファイ
バが下になる向きにして板ばねが梁の下面に密着するよ
うに取付ければ板ばねが梁と共に撓むので、センサに特
別の工夫を施さなくても監視が行える。また、１回の使
用で壊れても問題の無い使い方をする場合にも特別の工
夫は要しない。

【００２７】ところが、雪崩などの監視では、同一監視
点で同じことが何回も繰り返されるので、センサの破壊
を防止して繰り返し使用を可能ならしめる工夫が必要に
なる。

【００２８】図７のセンサ１は、板ばね２の下部に設け
た水平支軸６を支点にして回転可能に設置している。ま
た、板ばね２の下端にラッチ７を係止させている。この
ようにしておくと、過大な荷重を受けたときにばね８が
圧縮されてラッチ７との係合が解け、センサ１が転倒し
て荷重が解放されるためセンサが破壊されない。

【００２９】図８は、荷重解放機構を有する図７のセン
サに、倒れたセンサを起こす復帰手段を含ませたもので
ある。図の復帰手段はセンサ転倒時に引き伸ばされる復
帰ばね９と、センサ１を復帰位置に止めるストッパ１０
とから成る。このような復帰手段を備えていると、荷重
が抜けた後ばね９の力でセンサが自動的に復帰して起き
上がるので、人がなかなか行けないような場所であって
も継続監視が行える。

【００３０】なお、図７、図８は、センサ１が監視対象
から荷重Ｐを直接受ける場合を想定しているが、センサ
の先端に荷重受け用の部材を取付け、監視対象から加わ
る荷重をその部材で受けて板ばね２に伝える構造でもセ
ンサに印加荷重に応じた曲げ歪を与えることができる。
この場合の荷重の解放は荷重受け部材のみを倒す方法で
も行える。

【００３１】また、図７、図８のセンサは、倒立させて
吊下支持した状態や横向き状態にして使用することもで
きる。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように、この発明の光ファイ
バ歪センサは、監視対象から加わる荷重で板ばねなどか
ら成る歪検知部材を反り曲がらせ、その曲げが増幅され
て光ファイバに効率良く伸び歪が生じるようにしたの
で、検出感度を高めて精度の良い歪監視を行うことが可
能になる。

【００３３】また、上記の構造としたことでセンサの用
途も広がり、従来のセンサでは行えなかった雪崩などの
監視も可能になる。雪崩は、斜面の積雪が徐々にずれる
前兆現象がある場合にはセンサの歪具合を基に事前に予
測することが可能であり、危険回避に役立つ。

【００３４】このほか、光ファイバを歪検知部材に予め
取付けてセンサをユニット化しておくことができるの
で、センサの設置も簡単であり、監視システム構築時の
工期短縮、手間の削減なども図れるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）基本構成の光ファイバ歪センサの概要を
示す正面図 （ｂ）同上のセンサの側面図

【図２】光ファイバ固定具の一例（ローラクリート）を
示す斜視図

【図３】光ファイバ固定具の他の例を示す平面図

【図４】光ファイバの伸び歪の計算に関する解説図

【図５】保護カバーを設けたセンサの側面図

【図６】保護カバーの裏面側の斜視図

【図７】荷重解放機構を設けたセンサの概要を示す側面
図

【図８】図７のセンサに復帰手段を加えたものを示す側
面図

【符号の説明】

１ 光ファイバ歪センサ ２ 板ばね ３ 固定具 ４ 光ファイバ ５ 保護カバー ５ａ 取付け足 ６ 水平支軸 ７ ラッチ ８ ばね ９ 復帰ばね １０ ストッパ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 監視対象から荷重を受けて反り曲がる歪
   検知部材に、その部材の曲率に沿う方向に配向した光フ
   ァイバを複数箇所で固定して取付け、その光ファイバが
   歪検知部材の曲げの外側にあり、かつ部材表面から適宜
   間隔を保った位置にある光ファイバ歪センサ。
2. 【請求項２】 歪検知部材を板ばねで形成してその板ば
   ねの片面もしくは両面に前記光ファイバを取付けた請求
   項１記載の光ファイバ歪センサ。
3. 【請求項３】 光ファイバを覆う保護カバーを含ませ、
   その保護カバー経由で歪検知部材が荷重を受けて保護カ
   バーと共に反り曲がるようにした請求項１又は２記載の
   光ファイバ歪センサ。
4. 【請求項４】 荷重解放機構を設けて歪検知部材が弾性
   変形限界に達する前に印加荷重によって荷重受け部が押
   し倒されるようにした請求項２又は３記載の光ファイバ
   歪センサ。
5. 【請求項５】 倒れた歪検知部材を荷重解放に伴って元
   の状態に戻す復帰手段を備えさせた請求項４記載の光フ
   ァイバ歪センサ。