JP2004020314A - 高感度歪計測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】必要に応じて計測感度を高められる高感度歪計測装置を提供する。
【解決手段】光ファイバ２の任意の長さの区間（計測感度を高める区間）３１の両端を第１固定点４１，４２として、固定治具４で光ファイバ２に張力を付与した状態で且つ前記区間３１内における被計測構造物２の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように無変形構造物３（又は被計測構造物の無変形部分）に固定することにより、前記区間３１を無変形区間とし、また、光ファイバ２の無変形区間３１の間の点５１を第２固定点として、固定治具５で被計測構造物１に固定する。また、１つの前記無変形区間の長さ或いは連続する複数の前記無変形区間の合計の長さが、歪計測の空間分解能に等しい長さとなるようにしてもよい。また、各歪区間の初期歪を不均等にして、無変形区間内のブリルアン散乱光のパワースペクトルのピークを２つに確実に分離させるようにしてもよい。
【選択図】 図１
【解決手段】光ファイバ２の任意の長さの区間（計測感度を高める区間）３１の両端を第１固定点４１，４２として、固定治具４で光ファイバ２に張力を付与した状態で且つ前記区間３１内における被計測構造物２の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように無変形構造物３（又は被計測構造物の無変形部分）に固定することにより、前記区間３１を無変形区間とし、また、光ファイバ２の無変形区間３１の間の点５１を第２固定点として、固定治具５で被計測構造物１に固定する。また、１つの前記無変形区間の長さ或いは連続する複数の前記無変形区間の合計の長さが、歪計測の空間分解能に等しい長さとなるようにしてもよい。また、各歪区間の初期歪を不均等にして、無変形区間内のブリルアン散乱光のパワースペクトルのピークを２つに確実に分離させるようにしてもよい。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバをセンサとして用いて構造物の歪を計測することにより、構造物の変形を調べる高感度歪計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
構造物の変形を計測する従来の技術としては、光ファイバに発生するブリルアン散乱光の歪依存性を用いて光ファイバの歪を計測する技術（文献［１］ Ｔ．Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ ｅｔ．ａｉ．， “Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｕｓｉｎｇ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ”，Ｊ，Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．１３，ｎｏ．７，ｐｐ．１２９６−１３２，Ｊｕｌｙ １９９５）を用いて、構造物の変形を計測する方法がある。
【０００３】
この方法では、光ファイバをあらかじめ計測対象の構造物に固定しておき、この光ファイバにパルス光を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワーを光ファイバの長さ方向に連続して計測することを、光ファイバへ入射するパルス光の周波数を少しずつ（１０ＭＨｚ程度）ずらしながら何度も行うことにより、光ファイバの任意の位置でのブリルアン散乱光のパワースペクトルを取得する。このとき、計測の空間分解能は、光ファイバへ入射するパルス光のパルス幅ｗで決まり、ｗ／２である（文献［１］ 参照）。また、入射パルス光の波長が１．５５μｍの場合には、光ファイバの歪１％に対するブリルアン散乱光のパワースペクトルのシフト量は０．５ＧＨｚ程度である（文献［１］ 参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術である文献［１］ の計測方法の場合、歪が小さい領域においては、計測したい歪が、歪計測誤差範囲内となってしまうために計測できず、構造物の大きな変形の予兆を十分に捕らえきれない可能性があった。構造物の構造上重要な部分を他よりも感度を高めて歪を計測する必要がある場合、入射光の波長を変える等、計測系を大幅に変更する手段しか存在しなかった。
【０００５】
また、歪ゲージのように金属の抵抗の歪依存性を利用したセンサもあるが、各センサに対し導線が必要であるため、多くの計測点を設けることができない。更に導線の抵抗による電圧の減衰のため、計測器からセンサまでの距離は１００ｍ程度に限られる。
【０００６】
従って、本発明の目的は上記の事情に鑑み、必要に応じて計測感度を高めることが可能である高感度歪計測装置を提供することである。それにより歪ゲージ等の電気式歪計測方法では実現困難な長距離にわたる大型構造物の変形を光ファイバ１本で実施することができる。光ファイバ自体がセンサとなるため、各計測点への給電や配線は不要となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する第１発明の高感度歪計測装置は、被計測構造物の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバと、
前記光ファイバを前記被計測構造物に固定する手段であり、前記光ファイバの任意の長さの区間の両端を第１固定点として、前記光ファイバに張力を付与した状態で且つ前記区間内における前記被計測構造物の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように前記被計測構造物の無変形部分或いは別の無変形構造物に固定することにより、前記区間を無変形区間とし、前記光ファイバの前記無変形区間の間の点を第２固定点として前記被計測構造物に固定する光ファイバ固定手段と、
一定の空間分解能で前記光ファイバに発生した歪を計測する手段であり、前記第２固定点を挟んだ両側の前記第１固定点までの歪区間において発生した前記光ファイバの歪の差を算出し、この歪の差から前記被計測構造物の前記無変形区間内における歪を算出する歪計測手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、第２発明の高感度歪計測装置は、被計測構造物の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバと、
前記光ファイバを前記被計測構造物に固定する手段であり、前記光ファイバの任意の長さの区間の両端を第１固定点として、前記光ファイバに張力を付与した状態で且つ前記区間内における前記被計測構造物の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように前記被計測構造物の無変形部分或いは別の無変形構造物に固定することにより、前記区間を無変形区間とし、前記光ファイバの前記無変形区間の間の点を第２固定点として前記被計測構造物に固定する光ファイバ固定手段と、
前記光ファイバに光を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数が前記光ファイバに発生している歪に依存してシフトすることを利用して、一定の空間分解能で前記光ファイバに発生した歪を計測する手段であり、前記第２固定点を挟んだ両側の前記第１固定点までの歪区間において発生した前記光ファイバの歪の差を算出し、この歪の差から前記被計測構造物の前記無変形区間内における歪を算出する歪計測手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、第３発明の高感度歪計測装置は、被計測構造物の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバと、
前記光ファイバを前記被計測構造物に固定する手段であり、前記光ファイバの任意の区間の両端を第１固定点として、前記光ファイバに張力を付与した状態で且つ前記区間内における前記被計測構造物の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように前記被計測構造物の無変形部分或いは別の無変形構造物に固定することにより、前記区間を無変形区間とし、前記光ファイバの前記無変形区間の間の点を第２固定点として、前記被計測構造物に固定し、しかも、１つの前記無変形区間の長さ或いは連続する複数の前記無変形区間の合計の長さが、歪計測の空間分解能に等しい長さとなるようにする光ファイバ固定手段と、
前記光ファイバに光を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数が前記光ファイバに発生している歪に依存してシフトすることを利用して、一定の前記空間分解能で前記光ファイバに発生した歪を計測する手段であり、前記空間分解能に等しい長さの前記無変形区間内におけるブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数の前記被計測構造物の変形による変化を検出することにより、前記第２固定点を挟んだ両側の前記第１固定点までの歪区間における光ファイバの歪を算出し、これらの歪区間の歪から前記第２固定点の変形を算出し、この第２固定点の変形から前記被計測構造物の歪を算出する歪計測手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、第４発明の高感度歪計測装置は、被計測構造物の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバと、
前記光ファイバを前記被計測構造物に固定する手段であり、前記光ファイバの任意の区間の両端を第１固定点として、前記光ファイバに張力を付与した状態で且つ前記区間内における前記被計測構造物の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように前記被計測構造物の無変形部分或いは別の無変形構造物に固定することにより、前記区間を無変形区間とし、前記光ファイバの前記無変形区間の間の点を第２固定点として、前記被計測構造物に固定し、しかも、１つの前記無変形区間の長さ或いは連続する複数の前記無変形区間の合計の長さが、歪計測の空間分解能に等しい長さとなるようにし、且つ、前記第２固定点を挟んだ両側の前記第１固定点までの歪区間であって前記空間分解能の中に含まれる全ての歪区間の初期歪が互いに異なるように前記歪区間における前記光ファイバの初期張力を設定することにより、前記無変形区間内のブリルアン散乱光のパワースペクトルのピークを前記歪区間の個数に等しい個数に分離させて区別する光ファイバ固定手段と、
前記光ファイバに光を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数が前記光ファイバに発生している歪に依存してシフトすることを利用して、一定の空間分解能で前記光ファイバに発生した歪を計測する手段であり、前記の２つに分離して区別する前記無変形区間内のブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数の差を算出し、このピーク周波数の差から前記被計測構造物の前記無変形区間内における歪を算出する歪計測手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、第５発明の高感度歪計測装置は、第３発明の高感度歪計測装置において、前記光ファイバ固定手段では、前記第２固定点が前記空間分解能に等しい長さの無変形区間の中央位置となるようにすることを特徴とする。
【００１２】
また、第６発明の高感度歪計測装置は、第４発明の高感度歪計測装置において、前記光ファイバ固定手段では、前記第２固定点が前記空間分解能に等しい長さの無変形区間の中央位置となるようにすることを特徴とする。
【００１３】
第１発明の高感度歪計測装置では、光ファイバの任意の長さの区間の両端を第１固定点として、光ファイバに張力を付与した状態で且つ前記区間内における被計測構造物の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように被計測構造物の無変形部分或いは別の無変形構造物に固定することにより、前記区間を無変形区間とし、光ファイバの前記無変形区間の間の点を第２固定点として被計測構造物に固定するため、第２固定点が、第２固定点の両側に位置する第１固定点のうちの一方の第２固定点側に変形（例えば図１において第２固定点５１が第１固定点４１側に変形）した場合、第２固定点と一方の第１固定点との間の歪区間（例えば図１における第２固定点５１と第１固定点４１との間の歪区間２１）では変形前に比べて光ファイバの歪が小さくなり、第２固定点と他方の第１固定点との間の歪区間（例えば図１における第２固定点５１と第１固定点４２との間の歪区間２２）では変形前に比べて光ファイバの歪が大きくなる。従って、この２つの歪の差を検出することにより最大２倍の計測感度向上が可能となる。
【００１４】
第１発明の高感度歪計測装置では、光ファイバの歪計測手段は任意であるが、第２発明から第６発明の高感度歪計測装置では、光ファイバの歪計測手段として、光ファイバの歪によるブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数の変化を検出することにより光ファイバの歪を計測する手段を備えたことを特徴としている。
【００１５】
第３発明の高感度歪計測装置では、第１発明と同様に光ファイバを被計測構造物と、被計測構造物の無変形構造物又は別の無変形構造物とへ固定する。但し、１つの無変形区間の長さ或いは連続する複数の無変形区間の合計の長さが、歪計測の空間分解能に等しい長さ（例えば文献［１］ の方法では入射パルス光のパルス幅の半分の長さ）となるようにしている（例えば図２或いは図４に示すように光ファイバを固定する）。この空間分解能に一致する区間に相当するブリルアン散乱光のパワースペクトルは、同空間分解能以内に複数の歪が入り混じった状態となるため、例えば図３或いは図５の実線のようになり（ピークの数がもっと少ないこともある）、被計測構造物への第２固定点（例えば図２では第２固定点５１、図４では第２固定点５１，５２の何れか）が動くと、スペクトルの周波数が変化する。このスペクトル周波数の変化は動いた第２固定点の両側の歪区間の歪情報を含むため、これらの歪の差を求めることにより計測感度を向上させることが可能となる。
【００１６】
請求項４の高感度歪計測装置は、第２固定点の両側の歪区間（例えば図２では第２固定点５１の両側の歪区間２１，２２、図４では第２固定点５１の両側の歪区間２１，２２及び第２固定点５２の両側の歪区間２３，２４）の初期歪を不均等とすることにより、これらの歪区間の光ファイバからのブリルアン散乱光のパワースペクトルが、それぞれ分離したピークとして確実に現れるようにすることによって、歪の解析を容易にするものである。例えば図３では歪区間２１，２２の歪を不均等にすることにより実線のように歪区間２１，２２に対応した２つのピークが確実に現れるようにし、図５では歪区間２１，２２，２３の歪を不均等にすることにより実線のように歪区間２１，２２，２３，２４に対応した４つのピークが確実に現れるようにしている。
【００１７】
請求項５の高感度歪計測装置は、請求項３の特殊な場合で、被計測構造物と光ファイバとを固定する第２固定点が空間分解能の中で１点のみであり、且つ、この第２固定点を空間分解能（空間分解能に等しい長さの無変形区間）の中央位置とすることにより、解析を請求項３と比較して容易にするものである。なお、請求項３，５については、例えばブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数のみに着目するのではなく、複数のローレンツ型のカーブからなる曲線をあらかじめ仮定してブリルアン散乱光のパワースペクトルの計測値をそのカーブに当てはめることにより、例えば図３の点線や図５の点線のように各々の領域（図３では歪区間２１，２２、図５では歪区間２１，２２，２３，２４）から散乱されたローレンツ型スペクトルに分離することが可能である。
【００１８】
請求項６の高感度歪計測装置は、請求項４の特殊な場合で、被計測構造物と光ファイバとを固定する第２固定点が空間分解能の中で１点のみであり、且つ、第２固定点を空間分解能（空間分解能と等しい長さの無変形区間）の中央位置とすることにより、解析を請求項４と比較して容易にするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、本発明はこれらの図面により限定されるものではない。
【００２０】
＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る高感度歪計測装置の構成図である。図１には光ファイバを被計測構造物と無変形構造物とに固定することによって計測感度を向上させる場合の構成例を模式的に示している。
【００２１】
図１に示すように、本実施の形態１の高感度歪計測装置では、被計測構造物１の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバ２と、光ファイバ固定手段としての固定治具４，５と、歪計測手段としての歪計測器６とを備えている。そして、被計測構造物１の変形を高感度で計測したい点５１を第２固定点として、固定治具５により光ファイバ２に固定し、この第２固定点５１の両側に固定治具４で無変形構造物（変形しない構造物）３に光ファイバ２を固定した第１固定点４１，４２を設けている。
【００２２】
即ち、光ファイバ２の任意の長さの区間（計測感度を高める区間）３１の両端を第１固定点４１，４２として、固定治具４で光ファイバ２に張力を付与した状態で且つ前記区間３１内における被計測構造物２の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように無変形構造物３（又は被計測構造物の無変形部分）に固定することにより、前記区間３１を無変形区間としている。そして、光ファイバ２の無変形区間３１の間の点５１を第２固定点として、固定治具５で被計測構造物１に固定している。
【００２３】
この場合、例えば被計測構造物１の第２固定点５１が第１固定点４１側に変形すると、第２固定点５１と第１固定点４１との間の歪区間２１では、変形前に比べて光ファイバ２の歪が小さくなり、第２固定点５１と第１固定点４２との間の歪区間２２では、変形前に比べて光ファイバ２の歪が大きくなる。従って、この２つの歪の差を算出することにより最大２倍の計測感度の向上が可能である。
【００２４】
例えば被計測構造物１が変形する前の歪区間２１，２２の初期歪を等しくε０ とおいた場合、被計測構造物１の変形によって例えば第１固定点５１が第１固定点４１側に動いたとすると、それによって生じた歪をεとすれば、変形後の歪区間２１，２２の歪は、それぞれε０ −ε，ε０ ＋εになる。従って、この２つの歪の差２εを求めることにより、従来のように被計測構造物のみに光ファイバを固定した場合に計測できる歪量εと比較して、２倍の計測感度の向上が達成できる。
【００２５】
歪計測器６は、従来と同様に光ファイバ２に発生するブリルアン散乱光の歪依存性を用いて光ファイバの歪を計測する技術（文献［１］ 参照）を用いて、被計測構造物１の変形（歪）を計測するものである。即ち、歪計測器６は、光ファイバ２の端部に接続されており、この光ファイバ２にパルス光（レーザ光）を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワーを光ファイバ２の長さ方向に連続して計測することを、光ファイバ２へ入射するパルス光の周波数を少しずつ（例えば１０ＭＨｚ程度）ずらしながら何度も行うことにより、光ファイバ２の任意の位置でのブリルアン散乱光のパワースペクトルを取得するものである。歪計測器６の空間分解能は、光ファイバへ入射するパルス光のパルス幅ｗで決まり、ｗ／２である。また、入射パルス光の波長が１．５５μｍの場合には、光ファイバの歪１％に対するブリルアン散乱光のパワースペクトルのシフト量は０．５ＧＨｚ程度である。
【００２６】
そして、歪計測器６では、前述のように第２固定点５１を挟んだ両側の第１固定点４１，４２までの歪区間２１，２２において発生した光ファイバ２の歪の差を算出し、この歪の差から被計測構造物１の無変形区間３１内における歪を算出する。
【００２７】
なお、歪計測手段としては、必ずしも上記のような光ファイバ２に光を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数が光ファイバ２に発生している歪に依存してシフトすることを利用して、一定の空間分解能で光ファイバ２に発生した歪を計測するものに限定せず、一定の空間分解能で光ファイバ２に発生した歪を計測する手段であって、第２固定点５１を挟んだ両側の歪区間２１，２２で発生した光ファイバ２の歪の差を算出し、この歪の差から被計測構造物２の無変形区間３１内における歪を算出するものであればよい。
【００２８】
＜実施の形態２＞
図２は本発明の実施の形態２に係る高感度歪計測装置の構成図である。図２には計測の空間分解能内でその中央の点だけが被計測構造物との固定点となる場合の構成例を模式的に示している。
【００２９】
図２に示すように、本実施の形態２の高感度歪計測装置では、上記実施の形態１と同様に被計測構造物１の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバ２と、光ファイバ固定手段としての固定治具４，５と、歪計測手段としての歪計測器６とを備えている。
【００３０】
具体的には、光ファイバ２の任意の区間（計測感度を高める区間）３１の両端を第１固定点４１，４２として、固定治具４で光ファイバ２に張力を付与した状態で且つ前記区間３１内における被計測構造物２の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように無変形構造物３（又は被計測構造物の無変形部分）に固定することにより、前記区間３１を無変形区間とし、また、光ファイバ２の無変形区間３１の間の点５１を第２固定点として、固定治具５で被計測構造物１に固定している。
【００３１】
そして、無変形区間３１の長さを、歪計測の空間分解能に等しい長さとし、且つ、第２固定点５１の位置を、無変形区間３１（空間分解能）の中央位置としている。即ち、第２固定点５１の両側の第１固定点４１，４２までの歪区間２１，２２が、等しい長さとなっている。しかも、固定治具４，５によって光ファイバ２を被計測構造物１と無変形構造物３（又は被計測構造物の無変形部分）とに固定する際、歪区間２１，２２における光ファイバ２の初期歪が不均等になるように歪区間２１，２２における光ファイバ２の初期張力を設定する。即ち、空間分解能の中に含まれる全ての歪区間２１，２２の初期歪が互いに異なるように光ファイバ２の初期張力を設定することにより、無変形区間３１内のブリルアン散乱光のパワースペクトルのピークを前記歪区間２１，２２の個数に等しい個数（この場合には２つ）に分離させて区別する。図示例では歪区間２１の初期張力を小さくして初期歪を小さくし、歪区間２２の初期張力を大きくして初期歪を大きくしている。このことによって図３に実線で示すようにブリルアン散乱光のパワースペクトルに２つのピークが確実に現れるため、この２つのピークの頂点の情報を歪計測器６で解析することにより、計測感度が２倍となる。
【００３２】
詳述すると、本実施の形態２は、図３のように計測の空間分解能内で異なる歪が発生している連続した２つの長さが等しい領域（歪区間２１，２２）から発生したブリルアン散乱光のパワースペクトルに現われる２つのピークの頂点の情報を解析することによりそれぞれの歪を求めるものである。歪区間２１と歪区間２２には変形前に異なる初期歪（初期張力）を与えておくことにより、歪区間２１と歪区間２２をあわせた領域のブリルアン散乱光のパワースペクトルに図３に実線で示すような２つのピークが現れる状態としておく。
【００３３】
ブリルアン散乱光のパワースペクトルはローレンツ型であり、周波数軸に沿ってパワースペクトルが歪に比例して変化することが知られている（文献［１］）ことを用いると、歪が単一な領域で観測されるブリルアン散乱光のパワースペクトルのピークパワーをｈ、半値半幅をｗ、歪区間２１，２２それぞれの周波数に換算した初期歪をｅ２１，ｅ２２とした場合、歪区間２１，２２それぞれから発生するブリルアン散乱光のパワースペクトルは、入射光周波数を基準としたブリルアン散乱光の周波数をｆと置くと、ローレンツ型関数として次の（１）式のように書ける。
【００３４】
【数１】
【００３５】
ここで、歪区間２１の初期歪ｅ２１の方が、歪区間２２の初期歪ｅ２２よりも小さい（ｅ２１＜ｅ２２）と仮定し、且つ、それら平均値を歪の０点とする。このようにしても一般性を失わない。その結果、Ｌ２１，Ｌ２２は、ａ＝（ｅ２１−ｅ２２）／２を用いて、次の（２）式のように書ける。
【００３６】
【数２】
【００３７】
歪区間２１と歪区間２２とを合わせた領域つまり空間分解能の長さから発生するブリルアン散乱光は、Ｌ＝Ｌ２１＋Ｌ２２となる。
２つのピーク周波数は、ｄＬ／ｄｆ＝０を解くことにより求まり、次の（３）式となるため、ａ＞ｗ／√３のときに２つのピークが現われる。従って、この条件を満たすように初期歪を選ぶ必要がある。
【００３８】
【数３】
【００３９】
この後、例えば図２において第２固定点５１が第１固定点４１側に動くことにより、歪区間２１，２２の初期歪に対して、変形により周波数換算した歪がｐだけ発生したとすると、Ｌ２１，Ｌ２２は次の（４）式のように書ける。
【００４０】
【数４】
【００４１】
このとき２つのピーク周波数の差Δｆは、次の（５）式のように書ける。
【００４２】
【数５】
【００４３】
Δｆ＜２（ａ＋ｐ）となるため、計測感度は２倍より小さい。しかし、（ａ＋ｐ）≫ｗのときには、次の（６）式を用いると、Δｆ≒２（ａ＋ｐ）であることが分かる。
【００４４】
【数６】
【００４５】
従って、実用的には、ピーク周波数の差を計測すれば感度を２倍にすることが可能となる。（ａ＋ｐ）＝２ｗ，２ｗ，４ｗとしたときの、２（ａ＋ｐ）とΔｆの差は、約０．０２８ｗ，０．００８８ｗ，０．００３８ｗ程度であり、適切な初期値を選ぶことで実用上問題ない程度まで誤差を低減させることが可能であることがわかる。
【００４６】
ところで、この場合、ブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数のみに着目するのではなく、複数のローレンツ型のカーブからなる曲線をあらかじめ仮定してブリルアン散乱光のパワースペクトルの計測値をそのカーブに当てはめることにより、図３の点線のように各々の領域（歪区間２１，２２）から散乱されたローレンツ型スペクトルに分離することも可能である。そして、これらから各歪区間２１，２２における光ファイバ２の歪を算出し、これらの歪から被計測構造物１への第２固定点５１の変形を算出し、この第２固定点５１の変形から被計測構造物１の歪を算出することができる。
【００４７】
＜実施の形態３＞
図４は本発明の実施の形態３に係る高感度歪計測装置の構成図である。図４には計測の空間分解能を低めることなく計測感度を向上させるために光ファイバを空間分解能よりも小さな区間で被計測構造物と無変形構造物とに交互に固定することによって計測感度を向上させる場合の構成例を模式的に示したものである。
【００４８】
図４に示すように、本実施の形態３の高感度歪計測装置では、被計測構造物１の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバ２と、光ファイバ固定手段としての固定治具４，５と、歪計測手段としての歪計測器６とを備えている。そして、被計測構造物１の変形を高感度で計測したい点５１，５２を第２固定点として、固定治具５により光ファイバ２に固定し、更に、これらの第２固定点５１，５２の両側に固定治具４で無変形構造物３に光ファイバ２を固定した第１固定点４１，４２，４３を設けている。
【００４９】
即ち、光ファイバ２の任意の区間（計測感度を高める区間）３１，３２の両端を第１固定点４１，４２，４３として、固定治具４で光ファイバ２に張力を付与した状態で且つ前記区間３１，３２内における被計測構造物２の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように無変形構造物３（又は被計測構造物の無変形部分）に固定することにより、前記区間３１を無変形区間とし、また、光ファイバ２の無変形区間３１，３２の間の点５１，５２を第２固定点として固定治具５で被計測構造物１に固定している。
【００５０】
そして、連続する２つの無変形区間３１，３２の合計の長さを、歪計測の空間分解能に等しい長さとしている。また、図示例では第２固定点５１の位置を、無変形区間３１の中央位置とし、第２固定点５２の位置を、無変形区間３２の中央位置としている。しかも、固定治具４，５によって光ファイバ２を被計測構造物１と無変形構造物３（又は被計測構造物の無変形部分）とに固定する際、第２固定点５１を挟んだ両側の第１固定点４１，４２までの歪区間２１，２２における光ファイバ２の初期歪、及び、第２固定点５２を挟んだ両側の第１固定点４２，４３までの歪区間２１，２２における光ファイバ２の初期歪が、不均等になるように歪区間２１，２２，２３，２４における光ファイバ２の初期張力を設定する。即ち、空間分解能の中に含まれる全ての歪区間２１，２２，２３，２４の初期歪が互いに異なるように光ファイバ２の初期張力を設定することにより、無変形区間３１，３２内のブリルアン散乱光のパワースペクトルのピークを前記歪区間２１，２２，２３，２４の個数に等しい個数（この場合には４つ）に分離させて区別する。
【００５１】
図示例では歪区間２１，２２，２３，２４の順に初期歪が大きくなるように初期張力を設定しており、この場合、図５に実線で示すように各無変形区間３１，３２に対応してそれぞれのブリルアン散乱光のパワースペクトルに２つのピークが現れる。即ち、各歪区間２１，２２，２３，２４に対応して４つのピークが現れる。このため、歪計測器６では、各々のブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数から歪を算出することが可能であり、計測感度が２倍となる。この場合も、上記実施の形態２の場合に比べて空間分解能内の歪区間が増えるだけで事情は上記実施の形態２の場合と全く同じである。
【００５２】ところで、この場合にも、上記実施の形態２の場合と同様、ブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数のみに着目するのではなく、複数のローレンツ型のカーブからなる曲線をあらかじめ仮定してブリルアン散乱光のパワースペクトルの計測値をそのカーブに当てはめることにより、図５の点線のように各々の領域（歪区間２１，２２，２３，２４）から散乱されたローレンツ型スペクトルに分離することも可能である。そして、これらから各歪区間２１，２２，２３，２４における光ファイバ２の歪を算出し、これらの歪から被計測構造物１への第２固定点５１，５２の変形を算出し、この第２固定点５１，５２の変形から被計測構造物１の歪を算出することができる。
【００５３】
＜実施例＞
ここで、図６に基づき、本発明の実施例について説明する。図６は本発明の高感度歪計測装置の実施例を示す斜視図である。図６に示すように、例えばコンクリートでできたトンネル６１の壁面６２において、トンネル６１の上部の地山から受ける応力により、２本のクラック（ひび割れ）６３が発生したとする。この２本のクラック６３に挟まれた領域はその後大きな変形につながる可能性があり、危険個所である。
【００５４】
そこで、この危険箇所の計測感度を高めるため、本実施例では２本のクラック６３で挟まれたトンネル壁面部分６２ａの１点５１を第２固定点として、固定治具５で光ファイバ２に固定し、且つ、光ファイバ２におけるクラック６３の外側の点４１，４２を第１固定点として、無変形のトンネル下部構造６４に固定することにより、高感度歪計測装置を実現している。トンネル下部構造６４と光ファイバ２との固定する第１固定点４１，４２は、トンネル壁面６２が移動しても変形しない部分である。なお、光ファイバ２の端には図示しない歪計測器が接続されており、また、トンネル壁面６２の他の場所（固定点５４，５５など）も光ファイバ２に固定されている。
【００５５】
本実施例の高感度歪計測装置によれば、危険箇所であるトンネル壁面部分６２ａに対してはトンネル壁面６２の他の場所に比べて最大２倍の計測感度でトンネル壁面の歪を計測することが可能である。図７には図６の高感度歪計測装置による計測結果の例を実線で示す。また、図７には比較のために点線で従来の方法による計測結果も示した。図７に示すように高感度歪計測方法の実施区間（第１固定点４１と第２固定点４２の間の無変形区間）では、本実施例の高感度歪計測装置により従来の方法に比べて２倍の歪が計測されている。
【００５６】
ところで、例えばトンネルでは、短いトンネンル部材を多数接続してコンクリートを吹き付けることにより建設されるため、その継ぎ目が一番弱い部分、つまり危険箇所となる。このような継ぎ目を含めた多くの危険箇所は、トンネル設計時にあらかじめ分かっている。また、トンネルが建設されてから何十年も経っている場合には、その継ぎ目ばかりでなく、あちこちにクラックが生じており、このクラックに挟まれた部分は容易に変形し易く、危険箇所となる。何れにせよ、危険箇所についてはトンネルなどの構造物ごとに何らかの基準が定められており、この基準からあらかじめ知ることができる。
【００５７】
光ファイバによる歪計測のメリットは、そのようなあらかじめ分かっている危険箇所以外の部分も含めて連続的に漏れなく歪をモニタリングすることである。しかし、光ファイバによる歪計測の感度は従来の他のセンサに比べて悪いため、なかなか実用化に至らないという現状があり、特定の部分だけでも計測感度を向上させたいという要望があった。これに対して本実施の形態の高感度歪計測装置を用いれば、上記のような光ファイバによる歪計測のメリットを有し、且つ、任意の部分の計測感度を向上させることができる。また、トンネルなどの構造物の全領域にわたって図１、図２又は図４に示すような構成を適用すれば、同構造物の全領域にわたって計測感度を高めることもできる。
【００５８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、例えばトンネルなどの大型構造物の変形を光ファイバを歪センサとしてモニタリングする場合、まんべんなく連続的に計測するだけでなく、あらかじめ分かっている危険箇所については、感度を高めて重点的に計測することができるため、危険な変形の予兆を早期に発見することに効果を発揮する。また、構造物の全領域を本発明による装置で計測すれば、構造物の全領域にわたって計測感度を高めることもでき、小さな歪を誤差から分離して計測することに効果を発揮する。また、光ファイバがセンサであり、かつ、センサ信号の伝送路となることから、歪ゲージを使った計測で問題となるような配線や給電の問題を回避して、長距離に渡って１つの計測器で計測を可能にすることにも効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る高感度歪計測装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る高感度歪計測装置の構成図である。
【図３】図２に対応するブリルアン散乱光のパワースペクトル（実線）と、異なる２つの歪区間ごとのブリルアン散乱光のパワースペクトル（点線）とを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る高感度歪計測装置の構成図である。
【図５】空間分解能内に４つの異なる歪区間が存在する場合のブリルアン散乱光のパワースペクトル（実線）と、歪区間ごとのブリルアン散乱光のパワースペクトル（点線）とを示す図である。
【図６】本発明の高感度歪計測装置の実施例を示す斜視図である。
【図７】図６に対応して、本発明の高感度歪計測装置を利用した場合の歪計測結果（実線）と、従来の方法による計測結果（点線）とを示す図である。
【符号の説明】
１ 被計測構造物
２ 光ファイバ
３ 無変形構造物
４，５ 固定治具
６ 歪計測器
２１，２２，２３，２４ 歪区間
３１，３２ 無変形区間
４１，４２，４３ 第１固定点
５１，５２ 第２固定点
５４，５５ 固定点
６１ トンネル
６２ トンネル壁面
６２ａ トンネル壁面部分
６３ クラック
６４ 無変形のトンネル下部構造
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバをセンサとして用いて構造物の歪を計測することにより、構造物の変形を調べる高感度歪計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
構造物の変形を計測する従来の技術としては、光ファイバに発生するブリルアン散乱光の歪依存性を用いて光ファイバの歪を計測する技術（文献［１］ Ｔ．Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ ｅｔ．ａｉ．， “Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｕｓｉｎｇ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ”，Ｊ，Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．１３，ｎｏ．７，ｐｐ．１２９６−１３２，Ｊｕｌｙ １９９５）を用いて、構造物の変形を計測する方法がある。
【０００３】
この方法では、光ファイバをあらかじめ計測対象の構造物に固定しておき、この光ファイバにパルス光を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワーを光ファイバの長さ方向に連続して計測することを、光ファイバへ入射するパルス光の周波数を少しずつ（１０ＭＨｚ程度）ずらしながら何度も行うことにより、光ファイバの任意の位置でのブリルアン散乱光のパワースペクトルを取得する。このとき、計測の空間分解能は、光ファイバへ入射するパルス光のパルス幅ｗで決まり、ｗ／２である（文献［１］ 参照）。また、入射パルス光の波長が１．５５μｍの場合には、光ファイバの歪１％に対するブリルアン散乱光のパワースペクトルのシフト量は０．５ＧＨｚ程度である（文献［１］ 参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術である文献［１］ の計測方法の場合、歪が小さい領域においては、計測したい歪が、歪計測誤差範囲内となってしまうために計測できず、構造物の大きな変形の予兆を十分に捕らえきれない可能性があった。構造物の構造上重要な部分を他よりも感度を高めて歪を計測する必要がある場合、入射光の波長を変える等、計測系を大幅に変更する手段しか存在しなかった。
【０００５】
また、歪ゲージのように金属の抵抗の歪依存性を利用したセンサもあるが、各センサに対し導線が必要であるため、多くの計測点を設けることができない。更に導線の抵抗による電圧の減衰のため、計測器からセンサまでの距離は１００ｍ程度に限られる。
【０００６】
従って、本発明の目的は上記の事情に鑑み、必要に応じて計測感度を高めることが可能である高感度歪計測装置を提供することである。それにより歪ゲージ等の電気式歪計測方法では実現困難な長距離にわたる大型構造物の変形を光ファイバ１本で実施することができる。光ファイバ自体がセンサとなるため、各計測点への給電や配線は不要となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する第１発明の高感度歪計測装置は、被計測構造物の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバと、
前記光ファイバを前記被計測構造物に固定する手段であり、前記光ファイバの任意の長さの区間の両端を第１固定点として、前記光ファイバに張力を付与した状態で且つ前記区間内における前記被計測構造物の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように前記被計測構造物の無変形部分或いは別の無変形構造物に固定することにより、前記区間を無変形区間とし、前記光ファイバの前記無変形区間の間の点を第２固定点として前記被計測構造物に固定する光ファイバ固定手段と、
一定の空間分解能で前記光ファイバに発生した歪を計測する手段であり、前記第２固定点を挟んだ両側の前記第１固定点までの歪区間において発生した前記光ファイバの歪の差を算出し、この歪の差から前記被計測構造物の前記無変形区間内における歪を算出する歪計測手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、第２発明の高感度歪計測装置は、被計測構造物の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバと、
前記光ファイバを前記被計測構造物に固定する手段であり、前記光ファイバの任意の長さの区間の両端を第１固定点として、前記光ファイバに張力を付与した状態で且つ前記区間内における前記被計測構造物の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように前記被計測構造物の無変形部分或いは別の無変形構造物に固定することにより、前記区間を無変形区間とし、前記光ファイバの前記無変形区間の間の点を第２固定点として前記被計測構造物に固定する光ファイバ固定手段と、
前記光ファイバに光を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数が前記光ファイバに発生している歪に依存してシフトすることを利用して、一定の空間分解能で前記光ファイバに発生した歪を計測する手段であり、前記第２固定点を挟んだ両側の前記第１固定点までの歪区間において発生した前記光ファイバの歪の差を算出し、この歪の差から前記被計測構造物の前記無変形区間内における歪を算出する歪計測手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、第３発明の高感度歪計測装置は、被計測構造物の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバと、
前記光ファイバを前記被計測構造物に固定する手段であり、前記光ファイバの任意の区間の両端を第１固定点として、前記光ファイバに張力を付与した状態で且つ前記区間内における前記被計測構造物の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように前記被計測構造物の無変形部分或いは別の無変形構造物に固定することにより、前記区間を無変形区間とし、前記光ファイバの前記無変形区間の間の点を第２固定点として、前記被計測構造物に固定し、しかも、１つの前記無変形区間の長さ或いは連続する複数の前記無変形区間の合計の長さが、歪計測の空間分解能に等しい長さとなるようにする光ファイバ固定手段と、
前記光ファイバに光を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数が前記光ファイバに発生している歪に依存してシフトすることを利用して、一定の前記空間分解能で前記光ファイバに発生した歪を計測する手段であり、前記空間分解能に等しい長さの前記無変形区間内におけるブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数の前記被計測構造物の変形による変化を検出することにより、前記第２固定点を挟んだ両側の前記第１固定点までの歪区間における光ファイバの歪を算出し、これらの歪区間の歪から前記第２固定点の変形を算出し、この第２固定点の変形から前記被計測構造物の歪を算出する歪計測手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、第４発明の高感度歪計測装置は、被計測構造物の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバと、
前記光ファイバを前記被計測構造物に固定する手段であり、前記光ファイバの任意の区間の両端を第１固定点として、前記光ファイバに張力を付与した状態で且つ前記区間内における前記被計測構造物の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように前記被計測構造物の無変形部分或いは別の無変形構造物に固定することにより、前記区間を無変形区間とし、前記光ファイバの前記無変形区間の間の点を第２固定点として、前記被計測構造物に固定し、しかも、１つの前記無変形区間の長さ或いは連続する複数の前記無変形区間の合計の長さが、歪計測の空間分解能に等しい長さとなるようにし、且つ、前記第２固定点を挟んだ両側の前記第１固定点までの歪区間であって前記空間分解能の中に含まれる全ての歪区間の初期歪が互いに異なるように前記歪区間における前記光ファイバの初期張力を設定することにより、前記無変形区間内のブリルアン散乱光のパワースペクトルのピークを前記歪区間の個数に等しい個数に分離させて区別する光ファイバ固定手段と、
前記光ファイバに光を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数が前記光ファイバに発生している歪に依存してシフトすることを利用して、一定の空間分解能で前記光ファイバに発生した歪を計測する手段であり、前記の２つに分離して区別する前記無変形区間内のブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数の差を算出し、このピーク周波数の差から前記被計測構造物の前記無変形区間内における歪を算出する歪計測手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、第５発明の高感度歪計測装置は、第３発明の高感度歪計測装置において、前記光ファイバ固定手段では、前記第２固定点が前記空間分解能に等しい長さの無変形区間の中央位置となるようにすることを特徴とする。
【００１２】
また、第６発明の高感度歪計測装置は、第４発明の高感度歪計測装置において、前記光ファイバ固定手段では、前記第２固定点が前記空間分解能に等しい長さの無変形区間の中央位置となるようにすることを特徴とする。
【００１３】
第１発明の高感度歪計測装置では、光ファイバの任意の長さの区間の両端を第１固定点として、光ファイバに張力を付与した状態で且つ前記区間内における被計測構造物の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように被計測構造物の無変形部分或いは別の無変形構造物に固定することにより、前記区間を無変形区間とし、光ファイバの前記無変形区間の間の点を第２固定点として被計測構造物に固定するため、第２固定点が、第２固定点の両側に位置する第１固定点のうちの一方の第２固定点側に変形（例えば図１において第２固定点５１が第１固定点４１側に変形）した場合、第２固定点と一方の第１固定点との間の歪区間（例えば図１における第２固定点５１と第１固定点４１との間の歪区間２１）では変形前に比べて光ファイバの歪が小さくなり、第２固定点と他方の第１固定点との間の歪区間（例えば図１における第２固定点５１と第１固定点４２との間の歪区間２２）では変形前に比べて光ファイバの歪が大きくなる。従って、この２つの歪の差を検出することにより最大２倍の計測感度向上が可能となる。
【００１４】
第１発明の高感度歪計測装置では、光ファイバの歪計測手段は任意であるが、第２発明から第６発明の高感度歪計測装置では、光ファイバの歪計測手段として、光ファイバの歪によるブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数の変化を検出することにより光ファイバの歪を計測する手段を備えたことを特徴としている。
【００１５】
第３発明の高感度歪計測装置では、第１発明と同様に光ファイバを被計測構造物と、被計測構造物の無変形構造物又は別の無変形構造物とへ固定する。但し、１つの無変形区間の長さ或いは連続する複数の無変形区間の合計の長さが、歪計測の空間分解能に等しい長さ（例えば文献［１］ の方法では入射パルス光のパルス幅の半分の長さ）となるようにしている（例えば図２或いは図４に示すように光ファイバを固定する）。この空間分解能に一致する区間に相当するブリルアン散乱光のパワースペクトルは、同空間分解能以内に複数の歪が入り混じった状態となるため、例えば図３或いは図５の実線のようになり（ピークの数がもっと少ないこともある）、被計測構造物への第２固定点（例えば図２では第２固定点５１、図４では第２固定点５１，５２の何れか）が動くと、スペクトルの周波数が変化する。このスペクトル周波数の変化は動いた第２固定点の両側の歪区間の歪情報を含むため、これらの歪の差を求めることにより計測感度を向上させることが可能となる。
【００１６】
請求項４の高感度歪計測装置は、第２固定点の両側の歪区間（例えば図２では第２固定点５１の両側の歪区間２１，２２、図４では第２固定点５１の両側の歪区間２１，２２及び第２固定点５２の両側の歪区間２３，２４）の初期歪を不均等とすることにより、これらの歪区間の光ファイバからのブリルアン散乱光のパワースペクトルが、それぞれ分離したピークとして確実に現れるようにすることによって、歪の解析を容易にするものである。例えば図３では歪区間２１，２２の歪を不均等にすることにより実線のように歪区間２１，２２に対応した２つのピークが確実に現れるようにし、図５では歪区間２１，２２，２３の歪を不均等にすることにより実線のように歪区間２１，２２，２３，２４に対応した４つのピークが確実に現れるようにしている。
【００１７】
請求項５の高感度歪計測装置は、請求項３の特殊な場合で、被計測構造物と光ファイバとを固定する第２固定点が空間分解能の中で１点のみであり、且つ、この第２固定点を空間分解能（空間分解能に等しい長さの無変形区間）の中央位置とすることにより、解析を請求項３と比較して容易にするものである。なお、請求項３，５については、例えばブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数のみに着目するのではなく、複数のローレンツ型のカーブからなる曲線をあらかじめ仮定してブリルアン散乱光のパワースペクトルの計測値をそのカーブに当てはめることにより、例えば図３の点線や図５の点線のように各々の領域（図３では歪区間２１，２２、図５では歪区間２１，２２，２３，２４）から散乱されたローレンツ型スペクトルに分離することが可能である。
【００１８】
請求項６の高感度歪計測装置は、請求項４の特殊な場合で、被計測構造物と光ファイバとを固定する第２固定点が空間分解能の中で１点のみであり、且つ、第２固定点を空間分解能（空間分解能と等しい長さの無変形区間）の中央位置とすることにより、解析を請求項４と比較して容易にするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、本発明はこれらの図面により限定されるものではない。
【００２０】
＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る高感度歪計測装置の構成図である。図１には光ファイバを被計測構造物と無変形構造物とに固定することによって計測感度を向上させる場合の構成例を模式的に示している。
【００２１】
図１に示すように、本実施の形態１の高感度歪計測装置では、被計測構造物１の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバ２と、光ファイバ固定手段としての固定治具４，５と、歪計測手段としての歪計測器６とを備えている。そして、被計測構造物１の変形を高感度で計測したい点５１を第２固定点として、固定治具５により光ファイバ２に固定し、この第２固定点５１の両側に固定治具４で無変形構造物（変形しない構造物）３に光ファイバ２を固定した第１固定点４１，４２を設けている。
【００２２】
即ち、光ファイバ２の任意の長さの区間（計測感度を高める区間）３１の両端を第１固定点４１，４２として、固定治具４で光ファイバ２に張力を付与した状態で且つ前記区間３１内における被計測構造物２の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように無変形構造物３（又は被計測構造物の無変形部分）に固定することにより、前記区間３１を無変形区間としている。そして、光ファイバ２の無変形区間３１の間の点５１を第２固定点として、固定治具５で被計測構造物１に固定している。
【００２３】
この場合、例えば被計測構造物１の第２固定点５１が第１固定点４１側に変形すると、第２固定点５１と第１固定点４１との間の歪区間２１では、変形前に比べて光ファイバ２の歪が小さくなり、第２固定点５１と第１固定点４２との間の歪区間２２では、変形前に比べて光ファイバ２の歪が大きくなる。従って、この２つの歪の差を算出することにより最大２倍の計測感度の向上が可能である。
【００２４】
例えば被計測構造物１が変形する前の歪区間２１，２２の初期歪を等しくε０ とおいた場合、被計測構造物１の変形によって例えば第１固定点５１が第１固定点４１側に動いたとすると、それによって生じた歪をεとすれば、変形後の歪区間２１，２２の歪は、それぞれε０ −ε，ε０ ＋εになる。従って、この２つの歪の差２εを求めることにより、従来のように被計測構造物のみに光ファイバを固定した場合に計測できる歪量εと比較して、２倍の計測感度の向上が達成できる。
【００２５】
歪計測器６は、従来と同様に光ファイバ２に発生するブリルアン散乱光の歪依存性を用いて光ファイバの歪を計測する技術（文献［１］ 参照）を用いて、被計測構造物１の変形（歪）を計測するものである。即ち、歪計測器６は、光ファイバ２の端部に接続されており、この光ファイバ２にパルス光（レーザ光）を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワーを光ファイバ２の長さ方向に連続して計測することを、光ファイバ２へ入射するパルス光の周波数を少しずつ（例えば１０ＭＨｚ程度）ずらしながら何度も行うことにより、光ファイバ２の任意の位置でのブリルアン散乱光のパワースペクトルを取得するものである。歪計測器６の空間分解能は、光ファイバへ入射するパルス光のパルス幅ｗで決まり、ｗ／２である。また、入射パルス光の波長が１．５５μｍの場合には、光ファイバの歪１％に対するブリルアン散乱光のパワースペクトルのシフト量は０．５ＧＨｚ程度である。
【００２６】
そして、歪計測器６では、前述のように第２固定点５１を挟んだ両側の第１固定点４１，４２までの歪区間２１，２２において発生した光ファイバ２の歪の差を算出し、この歪の差から被計測構造物１の無変形区間３１内における歪を算出する。
【００２７】
なお、歪計測手段としては、必ずしも上記のような光ファイバ２に光を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数が光ファイバ２に発生している歪に依存してシフトすることを利用して、一定の空間分解能で光ファイバ２に発生した歪を計測するものに限定せず、一定の空間分解能で光ファイバ２に発生した歪を計測する手段であって、第２固定点５１を挟んだ両側の歪区間２１，２２で発生した光ファイバ２の歪の差を算出し、この歪の差から被計測構造物２の無変形区間３１内における歪を算出するものであればよい。
【００２８】
＜実施の形態２＞
図２は本発明の実施の形態２に係る高感度歪計測装置の構成図である。図２には計測の空間分解能内でその中央の点だけが被計測構造物との固定点となる場合の構成例を模式的に示している。
【００２９】
図２に示すように、本実施の形態２の高感度歪計測装置では、上記実施の形態１と同様に被計測構造物１の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバ２と、光ファイバ固定手段としての固定治具４，５と、歪計測手段としての歪計測器６とを備えている。
【００３０】
具体的には、光ファイバ２の任意の区間（計測感度を高める区間）３１の両端を第１固定点４１，４２として、固定治具４で光ファイバ２に張力を付与した状態で且つ前記区間３１内における被計測構造物２の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように無変形構造物３（又は被計測構造物の無変形部分）に固定することにより、前記区間３１を無変形区間とし、また、光ファイバ２の無変形区間３１の間の点５１を第２固定点として、固定治具５で被計測構造物１に固定している。
【００３１】
そして、無変形区間３１の長さを、歪計測の空間分解能に等しい長さとし、且つ、第２固定点５１の位置を、無変形区間３１（空間分解能）の中央位置としている。即ち、第２固定点５１の両側の第１固定点４１，４２までの歪区間２１，２２が、等しい長さとなっている。しかも、固定治具４，５によって光ファイバ２を被計測構造物１と無変形構造物３（又は被計測構造物の無変形部分）とに固定する際、歪区間２１，２２における光ファイバ２の初期歪が不均等になるように歪区間２１，２２における光ファイバ２の初期張力を設定する。即ち、空間分解能の中に含まれる全ての歪区間２１，２２の初期歪が互いに異なるように光ファイバ２の初期張力を設定することにより、無変形区間３１内のブリルアン散乱光のパワースペクトルのピークを前記歪区間２１，２２の個数に等しい個数（この場合には２つ）に分離させて区別する。図示例では歪区間２１の初期張力を小さくして初期歪を小さくし、歪区間２２の初期張力を大きくして初期歪を大きくしている。このことによって図３に実線で示すようにブリルアン散乱光のパワースペクトルに２つのピークが確実に現れるため、この２つのピークの頂点の情報を歪計測器６で解析することにより、計測感度が２倍となる。
【００３２】
詳述すると、本実施の形態２は、図３のように計測の空間分解能内で異なる歪が発生している連続した２つの長さが等しい領域（歪区間２１，２２）から発生したブリルアン散乱光のパワースペクトルに現われる２つのピークの頂点の情報を解析することによりそれぞれの歪を求めるものである。歪区間２１と歪区間２２には変形前に異なる初期歪（初期張力）を与えておくことにより、歪区間２１と歪区間２２をあわせた領域のブリルアン散乱光のパワースペクトルに図３に実線で示すような２つのピークが現れる状態としておく。
【００３３】
ブリルアン散乱光のパワースペクトルはローレンツ型であり、周波数軸に沿ってパワースペクトルが歪に比例して変化することが知られている（文献［１］）ことを用いると、歪が単一な領域で観測されるブリルアン散乱光のパワースペクトルのピークパワーをｈ、半値半幅をｗ、歪区間２１，２２それぞれの周波数に換算した初期歪をｅ２１，ｅ２２とした場合、歪区間２１，２２それぞれから発生するブリルアン散乱光のパワースペクトルは、入射光周波数を基準としたブリルアン散乱光の周波数をｆと置くと、ローレンツ型関数として次の（１）式のように書ける。
【００３４】
【数１】
ここで、歪区間２１の初期歪ｅ２１の方が、歪区間２２の初期歪ｅ２２よりも小さい（ｅ２１＜ｅ２２）と仮定し、且つ、それら平均値を歪の０点とする。このようにしても一般性を失わない。その結果、Ｌ２１，Ｌ２２は、ａ＝（ｅ２１−ｅ２２）／２を用いて、次の（２）式のように書ける。
【００３６】
【数２】
歪区間２１と歪区間２２とを合わせた領域つまり空間分解能の長さから発生するブリルアン散乱光は、Ｌ＝Ｌ２１＋Ｌ２２となる。
２つのピーク周波数は、ｄＬ／ｄｆ＝０を解くことにより求まり、次の（３）式となるため、ａ＞ｗ／√３のときに２つのピークが現われる。従って、この条件を満たすように初期歪を選ぶ必要がある。
【００３８】
【数３】
この後、例えば図２において第２固定点５１が第１固定点４１側に動くことにより、歪区間２１，２２の初期歪に対して、変形により周波数換算した歪がｐだけ発生したとすると、Ｌ２１，Ｌ２２は次の（４）式のように書ける。
【００４０】
【数４】
このとき２つのピーク周波数の差Δｆは、次の（５）式のように書ける。
【００４２】
【数５】
Δｆ＜２（ａ＋ｐ）となるため、計測感度は２倍より小さい。しかし、（ａ＋ｐ）≫ｗのときには、次の（６）式を用いると、Δｆ≒２（ａ＋ｐ）であることが分かる。
【００４４】
【数６】
従って、実用的には、ピーク周波数の差を計測すれば感度を２倍にすることが可能となる。（ａ＋ｐ）＝２ｗ，２ｗ，４ｗとしたときの、２（ａ＋ｐ）とΔｆの差は、約０．０２８ｗ，０．００８８ｗ，０．００３８ｗ程度であり、適切な初期値を選ぶことで実用上問題ない程度まで誤差を低減させることが可能であることがわかる。
【００４６】
ところで、この場合、ブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数のみに着目するのではなく、複数のローレンツ型のカーブからなる曲線をあらかじめ仮定してブリルアン散乱光のパワースペクトルの計測値をそのカーブに当てはめることにより、図３の点線のように各々の領域（歪区間２１，２２）から散乱されたローレンツ型スペクトルに分離することも可能である。そして、これらから各歪区間２１，２２における光ファイバ２の歪を算出し、これらの歪から被計測構造物１への第２固定点５１の変形を算出し、この第２固定点５１の変形から被計測構造物１の歪を算出することができる。
【００４７】
＜実施の形態３＞
図４は本発明の実施の形態３に係る高感度歪計測装置の構成図である。図４には計測の空間分解能を低めることなく計測感度を向上させるために光ファイバを空間分解能よりも小さな区間で被計測構造物と無変形構造物とに交互に固定することによって計測感度を向上させる場合の構成例を模式的に示したものである。
【００４８】
図４に示すように、本実施の形態３の高感度歪計測装置では、被計測構造物１の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバ２と、光ファイバ固定手段としての固定治具４，５と、歪計測手段としての歪計測器６とを備えている。そして、被計測構造物１の変形を高感度で計測したい点５１，５２を第２固定点として、固定治具５により光ファイバ２に固定し、更に、これらの第２固定点５１，５２の両側に固定治具４で無変形構造物３に光ファイバ２を固定した第１固定点４１，４２，４３を設けている。
【００４９】
即ち、光ファイバ２の任意の区間（計測感度を高める区間）３１，３２の両端を第１固定点４１，４２，４３として、固定治具４で光ファイバ２に張力を付与した状態で且つ前記区間３１，３２内における被計測構造物２の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように無変形構造物３（又は被計測構造物の無変形部分）に固定することにより、前記区間３１を無変形区間とし、また、光ファイバ２の無変形区間３１，３２の間の点５１，５２を第２固定点として固定治具５で被計測構造物１に固定している。
【００５０】
そして、連続する２つの無変形区間３１，３２の合計の長さを、歪計測の空間分解能に等しい長さとしている。また、図示例では第２固定点５１の位置を、無変形区間３１の中央位置とし、第２固定点５２の位置を、無変形区間３２の中央位置としている。しかも、固定治具４，５によって光ファイバ２を被計測構造物１と無変形構造物３（又は被計測構造物の無変形部分）とに固定する際、第２固定点５１を挟んだ両側の第１固定点４１，４２までの歪区間２１，２２における光ファイバ２の初期歪、及び、第２固定点５２を挟んだ両側の第１固定点４２，４３までの歪区間２１，２２における光ファイバ２の初期歪が、不均等になるように歪区間２１，２２，２３，２４における光ファイバ２の初期張力を設定する。即ち、空間分解能の中に含まれる全ての歪区間２１，２２，２３，２４の初期歪が互いに異なるように光ファイバ２の初期張力を設定することにより、無変形区間３１，３２内のブリルアン散乱光のパワースペクトルのピークを前記歪区間２１，２２，２３，２４の個数に等しい個数（この場合には４つ）に分離させて区別する。
【００５１】
図示例では歪区間２１，２２，２３，２４の順に初期歪が大きくなるように初期張力を設定しており、この場合、図５に実線で示すように各無変形区間３１，３２に対応してそれぞれのブリルアン散乱光のパワースペクトルに２つのピークが現れる。即ち、各歪区間２１，２２，２３，２４に対応して４つのピークが現れる。このため、歪計測器６では、各々のブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数から歪を算出することが可能であり、計測感度が２倍となる。この場合も、上記実施の形態２の場合に比べて空間分解能内の歪区間が増えるだけで事情は上記実施の形態２の場合と全く同じである。
【００５２】ところで、この場合にも、上記実施の形態２の場合と同様、ブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数のみに着目するのではなく、複数のローレンツ型のカーブからなる曲線をあらかじめ仮定してブリルアン散乱光のパワースペクトルの計測値をそのカーブに当てはめることにより、図５の点線のように各々の領域（歪区間２１，２２，２３，２４）から散乱されたローレンツ型スペクトルに分離することも可能である。そして、これらから各歪区間２１，２２，２３，２４における光ファイバ２の歪を算出し、これらの歪から被計測構造物１への第２固定点５１，５２の変形を算出し、この第２固定点５１，５２の変形から被計測構造物１の歪を算出することができる。
【００５３】
＜実施例＞
ここで、図６に基づき、本発明の実施例について説明する。図６は本発明の高感度歪計測装置の実施例を示す斜視図である。図６に示すように、例えばコンクリートでできたトンネル６１の壁面６２において、トンネル６１の上部の地山から受ける応力により、２本のクラック（ひび割れ）６３が発生したとする。この２本のクラック６３に挟まれた領域はその後大きな変形につながる可能性があり、危険個所である。
【００５４】
そこで、この危険箇所の計測感度を高めるため、本実施例では２本のクラック６３で挟まれたトンネル壁面部分６２ａの１点５１を第２固定点として、固定治具５で光ファイバ２に固定し、且つ、光ファイバ２におけるクラック６３の外側の点４１，４２を第１固定点として、無変形のトンネル下部構造６４に固定することにより、高感度歪計測装置を実現している。トンネル下部構造６４と光ファイバ２との固定する第１固定点４１，４２は、トンネル壁面６２が移動しても変形しない部分である。なお、光ファイバ２の端には図示しない歪計測器が接続されており、また、トンネル壁面６２の他の場所（固定点５４，５５など）も光ファイバ２に固定されている。
【００５５】
本実施例の高感度歪計測装置によれば、危険箇所であるトンネル壁面部分６２ａに対してはトンネル壁面６２の他の場所に比べて最大２倍の計測感度でトンネル壁面の歪を計測することが可能である。図７には図６の高感度歪計測装置による計測結果の例を実線で示す。また、図７には比較のために点線で従来の方法による計測結果も示した。図７に示すように高感度歪計測方法の実施区間（第１固定点４１と第２固定点４２の間の無変形区間）では、本実施例の高感度歪計測装置により従来の方法に比べて２倍の歪が計測されている。
【００５６】
ところで、例えばトンネルでは、短いトンネンル部材を多数接続してコンクリートを吹き付けることにより建設されるため、その継ぎ目が一番弱い部分、つまり危険箇所となる。このような継ぎ目を含めた多くの危険箇所は、トンネル設計時にあらかじめ分かっている。また、トンネルが建設されてから何十年も経っている場合には、その継ぎ目ばかりでなく、あちこちにクラックが生じており、このクラックに挟まれた部分は容易に変形し易く、危険箇所となる。何れにせよ、危険箇所についてはトンネルなどの構造物ごとに何らかの基準が定められており、この基準からあらかじめ知ることができる。
【００５７】
光ファイバによる歪計測のメリットは、そのようなあらかじめ分かっている危険箇所以外の部分も含めて連続的に漏れなく歪をモニタリングすることである。しかし、光ファイバによる歪計測の感度は従来の他のセンサに比べて悪いため、なかなか実用化に至らないという現状があり、特定の部分だけでも計測感度を向上させたいという要望があった。これに対して本実施の形態の高感度歪計測装置を用いれば、上記のような光ファイバによる歪計測のメリットを有し、且つ、任意の部分の計測感度を向上させることができる。また、トンネルなどの構造物の全領域にわたって図１、図２又は図４に示すような構成を適用すれば、同構造物の全領域にわたって計測感度を高めることもできる。
【００５８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、例えばトンネルなどの大型構造物の変形を光ファイバを歪センサとしてモニタリングする場合、まんべんなく連続的に計測するだけでなく、あらかじめ分かっている危険箇所については、感度を高めて重点的に計測することができるため、危険な変形の予兆を早期に発見することに効果を発揮する。また、構造物の全領域を本発明による装置で計測すれば、構造物の全領域にわたって計測感度を高めることもでき、小さな歪を誤差から分離して計測することに効果を発揮する。また、光ファイバがセンサであり、かつ、センサ信号の伝送路となることから、歪ゲージを使った計測で問題となるような配線や給電の問題を回避して、長距離に渡って１つの計測器で計測を可能にすることにも効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る高感度歪計測装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る高感度歪計測装置の構成図である。
【図３】図２に対応するブリルアン散乱光のパワースペクトル（実線）と、異なる２つの歪区間ごとのブリルアン散乱光のパワースペクトル（点線）とを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る高感度歪計測装置の構成図である。
【図５】空間分解能内に４つの異なる歪区間が存在する場合のブリルアン散乱光のパワースペクトル（実線）と、歪区間ごとのブリルアン散乱光のパワースペクトル（点線）とを示す図である。
【図６】本発明の高感度歪計測装置の実施例を示す斜視図である。
【図７】図６に対応して、本発明の高感度歪計測装置を利用した場合の歪計測結果（実線）と、従来の方法による計測結果（点線）とを示す図である。
【符号の説明】
１ 被計測構造物
２ 光ファイバ
３ 無変形構造物
４，５ 固定治具
６ 歪計測器
２１，２２，２３，２４ 歪区間
３１，３２ 無変形区間
４１，４２，４３ 第１固定点
５１，５２ 第２固定点
５４，５５ 固定点
６１ トンネル
６２ トンネル壁面
６２ａ トンネル壁面部分
６３ クラック
６４ 無変形のトンネル下部構造
Claims (6)
- 被計測構造物の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバと、
前記光ファイバを前記被計測構造物に固定する手段であり、前記光ファイバの任意の長さの区間の両端を第１固定点として、前記光ファイバに張力を付与した状態で且つ前記区間内における前記被計測構造物の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように前記被計測構造物の無変形部分或いは別の無変形構造物に固定することにより、前記区間を無変形区間とし、前記光ファイバの前記無変形区間の間の点を第２固定点として前記被計測構造物に固定する光ファイバ固定手段と、
一定の空間分解能で前記光ファイバに発生した歪を計測する手段であり、前記第２固定点を挟んだ両側の前記第１固定点までの歪区間において発生した前記光ファイバの歪の差を算出し、この歪の差から前記被計測構造物の前記無変形区間内における歪を算出する歪計測手段とを備えたことを特徴とする高感度歪計測装置。 - 被計測構造物の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバと、
前記光ファイバを前記被計測構造物に固定する手段であり、前記光ファイバの任意の長さの区間の両端を第１固定点として、前記光ファイバに張力を付与した状態で且つ前記区間内における前記被計測構造物の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように前記被計測構造物の無変形部分或いは別の無変形構造物に固定することにより、前記区間を無変形区間とし、前記光ファイバの前記無変形区間の間の点を第２固定点として前記被計測構造物に固定する光ファイバ固定手段と、
前記光ファイバに光を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数が前記光ファイバに発生している歪に依存してシフトすることを利用して、一定の空間分解能で前記光ファイバに発生した歪を計測する手段であり、前記第２固定点を挟んだ両側の前記第１固定点までの歪区間において発生した前記光ファイバの歪の差を算出し、この歪の差から前記被計測構造物の前記無変形区間内における歪を算出する歪計測手段とを備えたことを特徴とする高感度歪計測装置。 - 被計測構造物の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバと、
前記光ファイバを前記被計測構造物に固定する手段であり、前記光ファイバの任意の区間の両端を第１固定点として、前記光ファイバに張力を付与した状態で且つ前記区間内における前記被計測構造物の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように前記被計測構造物の無変形部分或いは別の無変形構造物に固定することにより、前記区間を無変形区間とし、前記光ファイバの前記無変形区間の間の点を第２固定点として、前記被計測構造物に固定し、しかも、１つの前記無変形区間の長さ或いは連続する複数の前記無変形区間の合計の長さが、歪計測の空間分解能に等しい長さとなるようにする光ファイバ固定手段と、
前記光ファイバに光を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数が前記光ファイバに発生している歪に依存してシフトすることを利用して、一定の前記空間分解能で前記光ファイバに発生した歪を計測する手段であり、前記空間分解能に等しい長さの前記無変形区間内におけるブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数の前記被計測構造物の変形による変化を検出することにより、前記第２固定点を挟んだ両側の前記第１固定点までの歪区間における光ファイバの歪を算出し、これらの歪区間の歪から前記第２固定点の変形を算出し、この第２固定点の変形から前記被計測構造物の歪を算出する歪計測手段とを備えたことを特徴とする高感度歪計測装置。 - 被計測構造物の歪を計測するためのセンサとしての光ファイバと、
前記光ファイバを前記被計測構造物に固定する手段であり、前記光ファイバの任意の区間の両端を第１固定点として、前記光ファイバに張力を付与した状態で且つ前記区間内における前記被計測構造物の一部が変形しても前記両端の位置が変化しないように前記被計測構造物の無変形部分或いは別の無変形構造物に固定することにより、前記区間を無変形区間とし、前記光ファイバの前記無変形区間の間の点を第２固定点として、前記被計測構造物に固定し、しかも、１つの前記無変形区間の長さ或いは連続する複数の前記無変形区間の合計の長さが、歪計測の空間分解能に等しい長さとなるようにし、且つ、前記第２固定点を挟んだ両側の前記第１固定点までの歪区間であって前記空間分解能の中に含まれる全ての歪区間の初期歪が互いに異なるように前記歪区間における前記光ファイバの初期張力を設定することにより、前記無変形区間内のブリルアン散乱光のパワースペクトルのピークを前記歪区間の個数に等しい個数に分離させて区別する光ファイバ固定手段と、
前記光ファイバに光を入射したときに発生するブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数が前記光ファイバに発生している歪に依存してシフトすることを利用して、一定の空間分解能で前記光ファイバに発生した歪を計測する手段であり、前記の２つに分離して区別する前記無変形区間内のブリルアン散乱光のパワースペクトルのピーク周波数の差を算出し、このピーク周波数の差から前記被計測構造物の前記無変形区間内における歪を算出する歪計測手段とを備えたことを特徴とする高感度歪計測装置。 - 請求項３に記載する高感度歪計測装置において、
前記光ファイバ固定手段では、前記第２固定点が前記空間分解能に等しい長さの無変形区間の中央位置となるようにすることを特徴とする高感度歪計測装置。 - 請求項４に記載する高感度歪計測装置において、
前記光ファイバ固定手段では、前記第２固定点が前記空間分解能に等しい長さの無変形区間の中央位置となるようにすることを特徴とする高感度歪計測装置。
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| JP2002174003A JP2004020314A (ja) | 2002-06-14 | 2002-06-14 | 高感度歪計測装置 |
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|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007100060A1 (ja) * | 2006-03-03 | 2007-09-07 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | 光ファイバモジュールおよび光デバイス |
| JP2017120210A (ja) * | 2015-12-28 | 2017-07-06 | 鹿島建設株式会社 | 歪分布データ処理装置及び歪分布データ処理方法 |
-
2002
- 2002-06-14 JP JP2002174003A patent/JP2004020314A/ja active Pending
Cited By (3)
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| WO2007100060A1 (ja) * | 2006-03-03 | 2007-09-07 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | 光ファイバモジュールおよび光デバイス |
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