JP2003177011A - 歪量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光ファイバー歪センサーを用いた歪量測定装置
を小型化して、とくに例えば地下掘削孔などの狭い測定
域内での高精度な測定を可能にする。 【解決手段】二つの剛体と、該剛体間に一体に介在され
た金属管測定体とからなり、該金属管測定体は、金属管
内に、金属管両端の剛体方向に向けて光ファイバー歪セ
ンサーが、該金属管と一体的に装入されている。 これ
により構造の簡素化をはかるとともに測定の高精度を維
持し、とくに耐久性を著しく向上させ、しかもコストの
著しい低減を図ることができ、例えば地下掘削井戸や孔
の歪量を計測し、あるいは各種の建築構造物等におけ
る、特に狭い空間での各種の歪量を効率的に測定するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば地下掘削井戸や
孔内に沿って装入したパイプの長さ方向における歪量
を、光ファイバー歪センサーを用いて測定することによ
り、地下掘削井戸や孔の歪量を計測し、あるいは各種の
建築構造物等における、特に狭い空間での各種の歪量を
効率的に測定するために使用する測定装置に関し、測定
装置としての耐久性の向上および測定精度の向上をはか
ることを目的とする。

【０００２】

【従来の技術】各種の構造物等における歪量を測定する
場合において、支点と作用点間に光ファイバーを直接的
に介在させ、作用点の移動に伴う上記光ファイバーの伸
び量を光歪センサにより測定することにより歪度を計測
し、これにより、とくに極小な歪度の測定を可能にした
装置を構造物等の外側表面に貼り付けて使用する測定方
法については、すでに本出願人らにより出願されている
（特願２０００−２０４８４９）。

【０００３】上記した発明は、天井あるいは吊り下げ基
準点等不動の支点と、該支点に対して移動可能な作用点
との間に光ファイバーを直接的に介在させ、作用点の移
動に伴う光ファイバーの伸び量を光センサーにより測定
し、作用点の移動をもたらす物体の重量あるいは強度、
さらには測定面の傾斜度ならびに亀裂幅の変化等を歪度
として高精度に計測するようにしたものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の歪
度測定装置は、使用に際して支点・作用点間に光ファイ
バーを直接的に介在させ、しかも該支点・作用点の部分
のみに接着剤等を介して貼り付け使用するものであると
ころから、光ファイバー歪センサーおよび、これに接続
される光ファイバー配線等が露出することになり、該露
出部分に損傷をうけやすく耐久性に乏しい。 また、か
かる損傷を防止する観点から実際の施工現場において
は、上記した光ファイバー歪センサーや光ファイバー配
線等に樹脂被覆を施し、あるいは金属製のプロテクター
を被せる等の防護構造が施されることが多い。

【０００５】そのために、かかる防護構造による剛性が
付加されて被測定物本来の剛性度が増してしまう結果、
歪度測定に際しての精度に悪影響を及ぼしやすい。 ま
たそればかりではなく、歪度測定装置としても構造が複
雑且つ大型化するのを避けられず、しかも毀損しやすい
ために運搬や取り扱いに十分な注意力を要し、かつ測定
装置としてのコストの高騰も避けられない。

【０００６】そこで、本発明者はプラスチック材に一定
の深さの細孔を開けるとともに、該細孔内に光ファイバ
ー歪センサーを装入し、しかも装入した光ファイバー歪
センサーの長さ方向両端部に位置して該プラスチック材
より剛性に優れた二つの金属体をプラスチック材に対し
て一体に固定するとともに、二つの金属体を被測定部に
おける測定区間の両端に固定して、プラスチック材が受
けた歪応力による歪量を前記した光ファイバー歪センサ
ーにより測定する手法を案出した。

【０００７】かかるプラスチック材を用いた歪量測定法
は、取り扱い性に優れ、しかも高精度の歪量測定が可能
であるが、プラスチック材に細孔をあけるには相当の熟
練性と、作業の困難性を伴うこと、またプラスチック材
には吸湿性があり、経時的に材質・体積変化が進行して
プラスチック自体に変形や歪を生ずるために、長期にわ
たる使用をおこなう場合には次第に測定結果の信頼性が
失われるために、その完全な防湿対策を講じるのに大掛
かりな防湿保護構造とする必要があるところから必然的
に複雑かつ大型化するのを避けられない。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明にあっては、光フ
ァイバー歪センサーを用いた歪度測定装置において、測
定体としてプラスチック材に代えて金属材を使用すると
共に、構造の簡素化と測定の高精度化をはかり、とくに
耐久性を著しく向上させ、しかもコストの著しい低減を
図るようにしたものである。 しかし、ここで測定体に
金属材を使用するといっても、被測定部に固定する二つ
の剛体よりは弾性が低いものでなければ歪量の測定がで
きない。

【０００９】そこで本発明にあっては、二つの剛体に比
して質的にあまり差がない金属材を測定体として使用す
るにあたり、前記した二つの剛体と弾性の面で差をつけ
る手段として断面積の小さな金属管を使用することにし
た。 すなわち具体的には、請求項１の発明は、二つの
剛体と、該剛体間に一体に介在された金属管測定体とか
らなり、該金属管測定体は、金属管内に、金属管両端の
剛体方向に向けて光ファイバー歪センサーが、該金属管
と一体的に装入されていることを特徴とする歪量測定装
置に関する。

【００１０】また請求項２の発明は、金属管内に装入さ
れた光ファイバー歪センサーは、光ファイバー歪センサ
ーの装入後、金属管内に接着剤を充填固化させて一体化
したものであるところの請求項１に記載の歪量測定装置
に関する。 さらに請求項３の発明は、前記した二つの
剛体には、歪量を測定すべき箇所における両端部に位置
してそれぞれ被測定箇所に一体的に固定するための固定
手段を有するものであるところの請求項１又は請求項２
に記載の歪量測定装置に関する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下において本発明の具体的な内
容を図１〜２にあらわした実施例をもとに説明すると、
１Ａ・１Ｂは剛体、３は二つの剛体１Ａ・１Ｂ間に一体
に介在される金属管測定体をあらわす。 剛体１Ａ・１
Ｂは、それぞれ一定区間の測定箇所における両端に安定
的に、しかも形状変形することなく固定が可能な形状お
よび材質のものが選ばれる。 例えば測定箇所にもよる
が、地中に掘削した孔内の深さ方向における歪量を測定
する目的で使用する場合には、孔内に装入しやすい形状
（例えば円筒状）に形成するとともに、鉄（場合によっ
ては高炭素鋼や焼き入れされた炭素鋼）その他の金属な
ど、一定の硬度を有する材質のものが選ばれる。

【００１２】さらに剛体１Ａ・１Ｂには、歪量を測定す
る一定区間の始端部および終端部に一体的に固定するた
めの固定手段２が取り付けられる。 この固定手段２に
ついては、被測定箇所の形状や構造如何により種々の構
造のものが考えられるが、例えば図１にあらわされてい
るような地中Ｅに掘削された掘削孔Ｈ内に取り付ける場
合においては、掘削孔Ｈ内に装入されたパイプＰの内壁
面に剛体１Ａおよび１Ｂを、それぞれ一体に固定するた
めのドーナツ状をしたスペーサーでもよく、また周方向
均等間隔毎に放射方向に向けて突出させた複数のバー状
のものなどでもよい。

【００１３】金属管測定体３については汎用の金属パイ
プの使用が可能であり、内径については後記する光ファ
イバー歪センサー４を装入するのに必要かつ十分な内径
を有し、しかも前記した剛体１Ａ・１Ｂとともに、測定
箇所に装入する場合の障害にならない程度の大きさおよ
び長さのものが選ばれ、これらの金属管測定体３は、前
記二つの剛体１Ａ・１Ｂ間に螺子結合により、あるいは
溶接や接着剤により一体に介在され、しかも内部には光
ファイバー歪センサー４が装入される。

【００１４】すなわち、金属管測定体３内には図２にあ
らわしたように、一体接続する両側の剛体１Ａ・１Ｂ方
向に向けて光ファイバー歪センサー４を装入する。 本
実施例において使用される光ファイバー歪センサー４と
しては、当面「ＦＢＧ応用センサ」（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒ
ａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）の使用を予定しているが、本
発明において使用される光ファイバー歪センサー４とし
ては、格別これに限定されない。

【００１５】さらに光ファイバー歪センサー４が装入さ
れた金属管測定体３内には接着剤５を充填し、且つこれ
を固化させて装入された光ファイバー歪センサー４を金
属管測定体３と一体化させる。 なお４ａおよび４ｂ
は、剛体１Ａ・１Ｂ中に引き通されたところの、前記し
た光ファイバー歪センサー４に接続される光ファイバー
配線を示している。

【００１６】さらに金属管測定体３内に充填される接着
剤５については、瞬間接着剤などの揮発性のものや大気
中の水分と反応して硬化するタイプのものは不向きであ
り、この場合に使用が可能な接着剤としては、金属管測
定体３内への充填性に優れ、しかも金属管測定体３内に
おいて硬化完了をし、かつ硬化後の体積減少ができるだ
け少ないないものであればよく、そのような接着剤の一
例としてはエポキシ樹脂系の接着剤などが挙げられる。

【００１７】上記した実施例の構成において、光ファイ
バー歪センサー４としてＦＢＧ応用センサを用いた場合
の測定例について説明すると、光ファイバーの一端から
広い波長帯にわたる光を入射し、センサー部で反射され
る特定の波長の光を入射と同一端で捕光する。 センサ
ー部に歪が生じると反射波長にズレを生じ、このズレの
程度を測定して歪量を算出する。 なおこの場合、歪の
発生は、長さに変化を生じたことを意味し、正確には
［変化した分の長さ］÷［もとの長さ］であらわされ
る。

【００１８】上記したＦＢＧ応用センサは、光ファイバ
ーのコア部の屈折率を一定の周期毎に変化させたもの
で、「Ｂｒａｇｇ波長」といわれる特定の波長の光のみ
を選択的に反射する特性を有する。 したがって外力が
加わりＦＢＧ応用センサーに歪が生じると、前記したＢ
ｒａｇｇ波長が変化し、このＢｒａｇｇ波長の変化量
は、歪度と比例関係にある。 ＦＢＧ応用センサーは、
上記したＢｒａｇｇ波長の変化量と歪度との関係を利用
してＢｒａｇｇ波長の変化量を検出することにより、Ｆ
ＢＧ応用センサーにおける物体の傾斜などについて、こ
れを歪度として計測することができるようにしたもので
ある。

【００１９】しかるに、中間部に金属管測定体３を一体
に介在させた剛体１Ａ・１Ｂを、地中Ｅに掘削した掘削
孔Ｈ内に取り付けられたパイプＰ内に装入し、目的深度
での掘削孔Ｈの歪を測定する箇所の始端部と終端部と
に、それぞれ固定手段２を用いて一体的に固定すると、
両剛体１Ａ・１Ｂが受けたパイプＰの歪度に応じて金属
管測定体３を変形させる。 この場合に、金属管測定体
３内に埋設されているところの、光ファイバー歪センサ
ー４に接続されている光ファイバーの一端に所定の光量
の光を照射して測定準備をしておくものとする。

【００２０】つぎに、説明の便宜上金属管測定体３の部
分の直径のみを十分に拡大してあらわした図３の原理図
をもとに説明すると、前提としてパイプＰに歪のない箇
所では金属管測定体３に変形が発生しないために、Ｌ＝
Ｒ＝ａとなる。 しかしパイプＰに歪が存する場合には
パイプＰの長さ方向に沿って金属管測定体３が変形し、
剛体１Ａ・１Ｂは変形しないため剛体１Ａ・１Ｂはパイ
プＰの曲がりに対応した明確な角度をもった位置関係を
形成する。 なお金属管測定体３ではパイプＰが曲がっ
ていく内側（Ｒ側）で収縮が、またパイプＰが曲がって
いく外側（Ｌ側）で伸張となる。 したがってこの場合
には、Ｒ＝ａ−ｂ Ｌ＝ａ＋ｂ ということになる。
ここで剛体１Ａ・１Ｂ間の距離＝ａ とすると、剛体１
ＢがパイプＰと直交する方向への距離ｄだけ離れた位置
でのｂ´は、ｂ´＝ｄ×ｔａｎｃ と近似表現できる。

【００２１】このことから剛体１Ａと剛体１Ｂとのなす
角度と、剛体１Ａと剛体１Ｂとの間に挟まれた金属管測
定体３の変形量とには相関関係があることがわかる。
図３において角度ｃを直接求めることは困難であるが、
金属管測定体３の変形量から角度ｃを求めることができ
るため、最終的にパイプＰ、すなわち地中に対する掘削
孔の歪量を測定することができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明は上記した通り、歪量測定装置と
して、二つの剛体と、該剛体間に一体に介在された金属
管測定体とからなり、該金属管測定体は、金属管内に、
金属管両端の剛体方向に向けて光ファイバー歪センサー
が、該金属管と一体的に装入されているものであるため
に、構造の簡素化をはかるとともに測定の高精度を維持
し、とくに耐久性を著しく向上させ、しかもコストの著
しい低減を図ることができ、例えば地下掘削井戸や孔の
歪量を計測し、あるいは各種の建築構造物等における、
特に狭い空間での各種の歪量を効率的に測定することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である歪量測定装置の使用状
態をあらわした概略図。

【図２】図１における金属管測定体部分の中央部を拡大
してあらわした横断面図。

【図３】本発明のＦＢＧ応用センサを用いた測定手段の
原理説明図。

【符号の説明】

１Ａ 剛体 １Ｂ 剛体 ２ 固定手段 ３ 金属管測定体 ４ 光ファイバー歪センサー ５ 接着剤

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】二つの剛体と、該剛体間に一体に介在され
   た金属管測定体とからなり、該金属管測定体は、金属管
   内に、金属管両端の剛体方向に向けて光ファイバー歪セ
   ンサーが、該金属管と一体的に装入されていることを特
   徴とする歪量測定装置。
2. 【請求項２】金属管内に装入された光ファイバー歪セン
   サーは、光ファイバー歪センサーの装入後、金属管内に
   接着剤を充填固化させて一体化したものであるところの
   請求項１に記載の歪量測定装置。
3. 【請求項３】二つの剛体には、歪量を測定すべき箇所に
   おける両端部に位置してそれぞれ被測定箇所に一体的に
   固定するための固定手段を有するものであるところの請
   求項１又は請求項２に記載の歪量測定装置。