JP2003075132A - 光学的歪み測定方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定精度および信頼性が高い、ブリュアン散
乱光を利用した歪み測定方法およびその装置を提供す
る。 【解決手段】 歪み被測定物７に歪み検出用光ファイバ
５を固定し、ブリュアン散乱光歪み測定器１０により歪
みを測定する方法であって、ブリュアン散乱光歪み測定
器１０と被測定物７との間に挿入した参照歪み光ファイ
バに参照歪みを与える。ブリュアン散乱光歪み測定器１
０のゼロレベルが変動しても、参照歪みを参照すること
により被測定物７の正確な歪みを知ることができる。

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、被測定物に固定
した光ファイバの歪みをブリュアン散乱光歪み測定器に
より測定する光学的歪み測定方法およびその装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】歪み測定方法は、抵抗線歪み計を使用す
る方法が一般的である。しかし、抵抗線歪み計は、点測
定であること、使用している細径の金属線が酸化等の劣
化を受けやすいこと、あるいは電磁ノイズを受けやすい
こと等の種々の欠点を有している。このため、抵抗線歪
み計は、構造物の歪み分布測定や長期にわたる経時的な
歪み測定には、技術的および費用の面で適用限界があっ
た。

【０００３】近年、これら諸問題を解決する手段とし
て、光ファイバを用いて被測定構造物の歪みを測定する
方法が提案され、工業的適用が始まっている。測定原理
によって歪み測定法を分類すると、ブリュアン散乱光
法、光干渉法、および位相法に大別される。

【０００４】ブリュアン散乱光法は、光ファイバで生じ
るブリュアン散乱を利用した測定法である。光ファイバ
に入射した光の一部は透過せずに後方に散乱される。後
方散乱光のうち、フォノンとの相互作用により散乱され
る光をブリュアン散乱という。この散乱光の周波数はフ
ォノンの周波数だけ減少し、減少している周波数は光フ
ァイバに発生している歪みに比例して変化する。したが
って、周波数の減少状況を測定し、かつ光を入射してか
ら後方に戻ってっくる時間を測定することにより、光フ
ァイバの長手方向に発生している歪みを分布として把握
することができる。ブリュアン散乱光法以外は、せいぜ
い多点測定（最大１００点前後）でしかない。分布歪み
測定として数千点を超える測定点を取れるブリュアン散
乱光歪み測定器（以下、ＢＯＴＤＲと略す）は、それま
での歪み測定の適用限界を超えるものとして脚光を浴び
工業的適用の可能性が検討され始めている。

【０００５】図５は、ＢＯＴＤＲによる歪み測定装置の
一例を示している。ＢＯＴＤＲ１０には、通信用光ファ
イバ１を介して光ファイバ接合箱３が接続されている。
光ファイバ接合箱３に歪み検出光ファイバ５が接続さ
れ、歪み検出光ファイバ５は被測定物７に固定されてい
る。市販されているＢＯＴＤＲは、最大適用距離約８０
km、最高距離分解能１m、最高歪み分解能±０．００５
％である。このＢＯＴＤＲは地滑り、岩盤崩落、地盤沈
下、コンクリートの割れ・崩落等に適用可能と推察され
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記ＢＯＴＤＲの工業
的適用に際し、次のような問題を解決する必要がある。
ＢＯＴＤＲが使用される温度環境変化、ＢＯＴＤＲを構
成する各種素子の安定度等によりゼロレベルが変動する
ので、歪みを正確に測定することができない。実際の経
時的測定における測定値の変動幅は、例えば±０．０５
％程度である。したがって、経時的歪み測定で、測定値
が所定の歪みを超えると警報を発する警報システムとし
て使用する場合、信頼性に欠けるという問題がある。ま
た、実際の瞬間的な歪み測定に際しても、被測定物にど
の程度の歪みが新たに発生しているのか判断できない場
合がある。ちなみに、現在のＢＯＴＤＲの最高歪み分解
能は、無歪みの光ファイバで歪み測定しているときにお
ける測定値の変動幅を意味している。

【０００７】この発明の課題は、測定精度および信頼性
が高い、ブリュアン散乱光を利用した歪み測定方法およ
びその装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の光学的歪み測
定方法は、被測定物に歪み検出用光ファイバを固定し、
ブリュアン散乱光歪み測定器により歪みを測定する方法
において、ブリュアン散乱光歪み測定器と被測定物との
間に挿入した参照歪み光ファイバに参照歪みを与える。

【０００９】この発明の光学的歪み測定方法では、ブリ
ュアン散乱光歪み測定器のゼロレベルが変動しても、参
照歪みを参照することにより被測定物の正確な歪みを知
ることができる。

【００１０】上記歪み測定方法で、ブリュアン散乱光歪
み測定器で測定した参照歪みの変動に応じて、被測定物
の測定歪み値を修正するようにしてもよい。あるいは、
参照歪みを許容限界値に設定し、許容限界値を超えた場
合に警報を発するようにしてもよい。

【００１１】この発明の光学的歪み測定装置は、ブリュ
アン散乱光歪み測定器と、ブリュアン散乱光歪み測定器
と被測定物との間に配置された参照歪み発生装置と、一
端がブリュアン散乱光歪み測定器に接続され、他端部が
被測定物に固定された光ファイバとを備えている。前記
参照歪み発生装置は、基盤と、基盤上に直線に沿って移
動可能に設けられた第1可動盤および第２可動盤と、複
数段のプーリーがプーリー軸に軸方向に間隔をおいて取
り付けられた第１プーリーブロックおよび第２プーリー
ブロックと、第１プーリーブロックおよび第２プーリー
ブロックのプーリーに交互に巻き掛けられてた参照歪み
光ファイバと、第１可動盤を前記直線に沿って変位させ
る可動盤変位装置と、第１可動盤の変位によって前記参
照歪み光ファイバを介し第２可動盤に加わる荷重に基づ
き参照歪み光ファイバの歪みを求める参照歪み測定装置
とからなっている。そして、前記第１プーリーブロック
の第１段プーリーおよび第２プーリーブロックの最終段
プーリーに巻き掛けられた参照歪み光ファイバはそれぞ
れこれらプーリーに固定されている。

【００１２】上記光学的歪み測定装置において、第１可
動盤を変位させると、第１段プーリーと最終段プーリー
との間の参照歪み光ファイバに引張力が加わり、参照歪
み光ファイバに歪みを生じる。第１可動盤を変位させて
参照歪み光ファイバの歪み（参照ひずみ）を所定の値に
設定する。参照歪みの設定値は、ある時点（例えば測定
開始時点）にブリュアン散乱光歪み測定器で測定された
参照歪みとする。参照歪みおよび被測定物の歪みは、ブ
リュアン散乱光歪み測定器で測定される。被測定物の歪
み測定値は、ブリュアン散乱光歪み測定器で測定された
参照歪みの変動に基づいて修正される（参照歪み光ファ
イバの歪みは変動しない）。参照歪みの変動は、ブリュ
アン散乱光歪み測定器で測定された、参照歪みと設定時
の参照歪みとを比較して求める。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、この発明による歪み測定
装置の一例を示す装置全体の概略図である。ＢＯＴＤＲ
１０と光ファイバ接合箱３とを結ぶ通信用光ファイバ１
に参照歪み発生装置２０が設けられている。接合箱４か
ら延びるに歪み検出用光ファイバ５は、被測定物７に固
定されている。参照歪み発生装置２０は、ＢＯＴＤＲ１
０に隣接して配置されている。

【００１４】図２および図３は、上記参照歪み発生装置
２０を示している。参照歪み発生装置２０は、主として
基盤２１、可動盤３０、プーリーブロック４０、可動盤
変位装置６０、参照歪み測定装置７０およびケーシング
８０とからなっている。

【００１５】基盤２１は長方形をしており、ケーシング
８０の底部を構成している。基盤２１の上面に、基盤長
手方向に延びるガイド２３が設けられている。

【００１６】可動盤３０は、第１可動盤３１および第２
可動盤３２からなっている。第１可動盤３１および第２
可動盤３２は、基盤２１の長手方向に間隔をおき配置さ
れている。第１可動盤３１および第２可動盤３２は、上
記ガイド２３に沿い移動可能である。

【００１７】プーリーブロック４０は、第１プーリーブ
ロック４１および第２プーリーブロック４２からなって
いる。第１プーリーブロック４１は、第１段プーリー４
４、第３段プーリー４６、第５段プーリー４８および第
７段プーリー５０が、第１可動盤３１に垂直に固定され
た第１プーリー軸５３に下から間隔をおき順次取り付け
られている。第１段プーリー４４は第１プーリー軸５３
に固定された非回転プーリーであり、第３段、第５段、
第７段プーリーは回転プーリーである。同様に、第２プ
ーリーブロック４２は、第２段プーリー４５、第４段プ
ーリー４７、第６段プーリー４９および第８段プーリー
５１が第２可動盤３２の第２プーリー軸５４に取り付け
られている。第２段、第４段、第６段プーリーはそれぞ
れ回転プーリーであり、第８段プーリー５１は非回転プ
ーリーである。第２プーリーブロック４２のプーリー
は、第１プーリーブロック４１のものよりプーリー間ピ
ッチの１／２だけ上方に位置している。

【００１８】可動盤変位装置６０は、マイクロメーター
ヘッドと同様な構造となっており、スピンドル６３の先
端部が第２可動盤３２の先端面（図２で右側面）に接触
している。つまみ６４でねじ軸（図示しない）を回転す
ると、スピンドル６３が前進し、第２可動盤３２がガイ
ド２３に沿って変位する。マイクロメーターヘッド機構
により変位量を微調整することができる。可動盤変位装
置６０のシンブル６１とスリーブ６２の目盛で第２可動
盤３２の変位量を読み取ることができる。

【００１９】参照歪み測定装置７０は、基盤２１に取り
付けられたロードセル７２を備えている。第１可動盤３
１の後端面が、ロードセル７２の荷重受圧面に接してい
る。参照歪み測定装置７０は、Ａ／Ｄ変換器およびマイ
クロコンピューター（いずれも図示しない）を有する歪
み演算・表示装置７４を備えている。可動盤変位装置６
０により第２可動盤３２を後退（図２で左方向変位）さ
せると、参照歪み光ファイバ２に引張力が加わる。この
引張力による第１可動盤３１の変位はロードセル７２で
阻止され、ロードセル７２に圧縮荷重が作用する。圧縮
荷重はロードセル７２で検出され、Ａ／Ｄ変換器でデジ
タル信号に変換される。圧縮荷重はマイクロコンピュー
ターで歪みに換算され、歪みは参照歪みとして歪み演算
・表示装置７４の表示部にデジタル表示される。荷重と
参照歪み光ファイバの歪みとの関係は、あらかじめ実験
で求めておく。

【００２０】ケーシング８０は、上記基盤２１、可動盤
３０、プーリーブロック４０その他を格納し、密封して
いる。ケーシング８０の壁は断熱材で作られており、ケ
ーシング８０の内部は恒温室となっている。ケーシング
８０内にはヒーター８２およびファン８６が設けられて
いる。ケーシング８０の室内温度は温度検出器８４で検
出され、温度信号はコントローラー８５に出力される。
ヒーター電源８３は検出した室内温度に基づきコントロ
ーラー８５で制御され、ケーシング８０の室内温度は一
定に保持される。

【００２１】ケーシング８０の前面に、入力側コネクタ
８８および出力側コネクタ８９がそれぞれ固定されてい
る。入力側コネクタ８８および出力側コネクタ８９にお
いて、通信用光ファイバ１と参照歪み光ファイバ２とが
接続されている。これらコネクタ８８、８９は内部がシ
ールされており、ケーシング８０の室内は外気から遮断
されている。

【００２２】参照歪み光ファイバ２が第１段〜第８段プ
ーリーに順次巻き掛けられ、第１プーリーブロック４１
および第２プーリーブロック４２を交互に経由して入力
側コネクタ８８から出力側コネクタ８９まで延びてい
る。参照歪み光ファイバは第１段プーリー４４および第
８（最終）段プーリー５１に樹脂で固定されている。光
ファイバ入力側コネクタ８８にＢＯＴＤＲ１０が、出力
側コネクタ８９に歪み検出用光ファイバ５（図１参照）
が、それぞれ通信用光ファイバ１を介して接続される。

【００２３】上記のように構成された歪み測定装置によ
る歪み測定方法について説明する。可動盤変位装置６０
により第２可動盤３２を後退（図２で左方向変位）さ
せ、参照歪み光ファイバ２に所定の歪みを与える。参照
歪み測定装置７０で参照歪み光ファイバ２に加わる荷重
を検出する。荷重は歪みに換算され、歪み演算・表示装
置７４に表示される。参照歪みは被測定物の歪みととも
にＢＯＴＤＲ１０でも測定され、ＢＯＴＤＲ１０のモニ
ターに表示される。ＢＯＴＤＲ１０のゼロレベルが変動
した場合、設定時の参照歪みと測定時の参照歪みとの差
分を求め、この差分を被測定物の歪み測定値に加えて被
測定物の歪み測定値を修正する。

【００２４】

【実施例】図４に示すように歪み検出用光ファイバ５を
アルミ板８に接着剤にて固定し、アルミ板８を引張試験
機９により引張り、所定の歪みを印加する。ＢＯＴＤＲ
１０による測定を８回繰り返し、参照歪み発生装置２０
内の歪み値（参照Ｂ値）および引張試験機９により生じ
ている歪み発生部の歪み値（測定Ｂ値）を測定した。参
照歪み発生装置２０内の歪み（参照歪み値）は初回測定
時の参照Ｂ値（０．４７６９％）に一致するように調整
した。引張試験機９による印加歪み値（測定歪み値）は
歪み付与長さ（約３ｍ）に対する印加伸び率（０．５８
％）として設定した。修正ＭＢ値は参照Ｂ値が初回測定
時の値（０．４７６９％）であると仮定して、その差分
で測定Ｂ値を修正したものである。これらの結果を表１
および図５に示す。各測定値の統計的解析結果を表２に
示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】修正ＭＢ値は測定Ｂ値に比較すると、変動
幅および標準偏差値において、約１／５以下になり精度
が格段に向上していることがわかる。また、平均値も測
定歪み値（０．５８％）によく一致している。

【００２８】なお、今回の修正方法は「差分」を用いて
いるが、参照歪み値と測定Ｂ値が大きくかけ離れている
場合などは、別のより適切な修正方法を採用する。要
は、参照歪み値と測定Ｂ値との相関を明らかにし、それ
に基づいて修正すればよい。

【００２９】

【発明の効果】この発明の光学的歪み測定方法は、ブリ
ュアン散乱光歪み測定器のゼロレベルが変動しても、参
照歪みを参照することにより被測定物の正確な歪みを知
ることができる。ブリュアン散乱光歪み測定器で測定し
た参照歪みの変動に応じて、被測定物の測定歪み値を修
正するようにすると、ブリュアン散乱光歪み測定器のゼ
ロレベルが周囲温度などにより変動しても、被測定物の
正確な歪み測定値を得ることができる。また、参照歪み
を許容限界値に設定し、許容限界値を超えた場合に警報
を発するようにした場合、警報発信の遅れ、あるいは誤
報の発生を防ぐことができ、警報システムの信頼性が向
上する。

【００３０】この発明の光学的歪み測定装置は、参照歪
み光ファイバに加わる荷重に基づいて参照歪みを求める
ので、参照歪みを正確に設定することができる。参照歪
み光ファイバは第１プーリーブロックおよび第２プーリ
ーブロックの複数段のプーリーに交互に巻き掛けられて
いるので、狭いケーシング内であっても数ｍ以上の参照
歪み光ファイバを収納することができる。このため、参
照歪みを高精度で設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のブリュアン散乱光を利用した歪み測
定装置の概略構成図である。

【図２】この発明の参照歪み発生装置の１実施の形態で
あって、図３に示すａ−ａ線に沿う側断面図である。

【図３】上記参照歪み発生装置の図２に示すｂ−ｂ線に
沿う平断面図である。

【図４】この発明の実施例に用いた装置の概略構成図で
ある。

【図５】実施例における歪み値の変動を示すグラフであ
る。

【図６】従来のブリュアン散乱光を利用した歪み測定装
置の概略構成図である。

【符号の説明】

１ 通信用光ファイバ ２ 参照歪み光フ
ァイバ ５ 歪み測定用光ファイバ ７ 被測定物 ９ 引張試験機 １０ ＢＯＴＤＲ ２０ 参照歪み発生装置 ２１ 基盤 ２３ ガイド ３０ 可動盤 ３１ 第１可動盤 ３２ 第２可動盤 ４０ プーリーブロック ４１ 第１プーリ
ーブロック ４２ 第２プーリーブロック ４４〜５１ プー
リー ６０ 可動盤変位装置 ７０ 参照歪み測
定装置 ７２ ロードセル ７４ 歪み演算・
表示装置 ８０ ケーシング ８２ ヒーター ８４ コントローラー ８４ 温度検出器 ８６ ファン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川村 研二 千葉県習志野市東習志野７丁目６番１号 日鐵溶接工業株式会社機器・オプト事業部 内 (72)発明者 上野 修一 千葉県習志野市東習志野７丁目６番１号 日鐵溶接工業株式会社機器・オプト事業部 内 Ｆターム(参考） 2F065 AA02 AA20 AA65 BB05 CC14 CC23 DD11 DD15 FF41 FF61 FF70 QQ25 RR09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物に歪み検出用光ファイバを固定
   し、ブリュアン散乱光歪み測定器により歪みを測定する
   方法において、ブリュアン散乱光歪み測定器と被測定物
   との間に挿入した参照歪み光ファイバに参照歪みを与え
   ることを特徴とする光学的歪み測定方法。
2. 【請求項２】 前記ブリュアン散乱光歪み測定器で測定
   した参照歪みの変動に応じて被測定物の測定歪み値を修
   正する請求項１記載の光学的歪み測定方法。
3. 【請求項３】 ブリュアン散乱光歪み測定器と、一端が
   ブリュアン散乱光歪み測定器に接続され、他端部が被測
   定物に固定された光ファイバとを備えた光学的歪み測定
   装置において、前記ブリュアン散乱光歪み測定器と被測
   定物との間に参照歪み発生装置が設けられており、参照
   歪み発生装置が、基盤と、基盤上に直線に沿って移動可
   能に設けられた第1可動盤および第２可動盤と、複数段
   のプーリーがプーリー軸に軸方向に間隔をおいて取り付
   けられた第１プーリーブロックおよび第２プーリーブロ
   ックと、第１プーリーブロックおよび第２プーリーブロ
   ックのプーリーに交互に巻き掛けられてた参照歪み光フ
   ァイバと、第１可動盤を前記直線に沿って変位させる可
   動盤変位装置と、第１可動盤の変位によって前記参照歪
   み光ファイバを介し第２可動盤に加わる荷重に基づき参
   照歪み光ファイバの歪みを求める参照歪み測定装置とか
   らなり、前記第１プーリーブロックの第１段プーリーお
   よび第２プーリーブロックの最終段プーリーに巻き掛け
   られた参照歪み光ファイバはそれぞれこれらプーリーに
   固定されていることを特徴とする光学的歪み測定装置。