JP2004245806A - 鉛直変位計 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡略化されるとともに、コストの低減が可能であり、外的要因の影響を受けずに鉛直変位を正確に計測可能な鉛直変位計を提供する。
【解決手段】光ファイバ９ａと、検出用液槽３ａの液面上を浮遊し、検出用液槽３ａの液位変化に伴って鉛直方向に移動するフロート６ａと、光ファイバ９ａの一端部とフロート６ａとを接続し、フロート６ａの移動により生じた運動量を光ファイバ９ａに伝達し、光ファイバ９ａに運動量に起因したひずみを発生させるワイヤ７ａとを設ける。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、災害の発生防止あるいは災害の事前検知等のために、トンネル、橋梁、ダム、ビル、河川堤防、港湾施設等の土木構造物、地盤や雪氷等（以下、“監視対象”とする）の沈下、隆起といった鉛直変位を計測する鉛直変位計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の鉛直変位計（沈下計）の一例としては、監視対象に設置される測定用水槽と、電気式センサとを有し、監視対象の鉛直変位に伴う測定用水槽の水位変化を電気式センサで検出することにより監視対象の鉛直変位を計測するものが挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
「共和電業株式会社 ２００２，３年版総合カタログ」共和電業株式会社、２００３年
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような鉛直変位計には、以下に示すような解決すべき課題が存在する。
従来の鉛直変位計で用いられる電気式センサは、水位変化、つまり鉛直変位を高い精度で検出することができるものの、天候や高圧電線から放出される電磁波等の外的要因の影響を受けやすく、検出精度が大幅に低下してしまう場合がある。また、一つの鉛直変位計で複数の監視対象を監視する場合、複数の電気式センサを設ける必要があるとともにセンサ其々に電源を用意する必要があるため、変位計全体の構造が複雑となる。さらに、前記の点は、初期費用、維持費といったコストの増大につながり、当業者に負担を強いていた。
【０００５】
このような事情に鑑み本発明は、構造が簡略化されるとともに、コストの低減が可能であり、外的要因の影響を受けずに正確に鉛直変位を計測可能な鉛直変位計を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、液体を収容し、液体の液位を一定に保つ基準液槽と、液体を収容し、液体の液面上を浮遊するフロートを備える検出用液槽と、基準液槽と検出用液槽とを液面下で連結する連結管とを有し、検出用液槽の設置箇所に鉛直変位が生じた際に生ずる検出用液槽の液位変化を検出することにより設置箇所の鉛直変位量を計測する鉛直変位計であって、光ファイバと、検出用液槽の液面上を浮遊し、検出用液槽の液位変化に伴って鉛直方向に移動するフロートと、光ファイバの一端部とフロートとを接続し、フロートの移動により生じた運動量を光ファイバに伝達し、光ファイバに運動量に起因したひずみを発生させる伝達手段とを有することを要旨とする。
【０００７】
請求項１に記載の本発明にあっては、検出用液槽の設置箇所、つまり監視対象の鉛直変位に伴って発生する運動量を光ファイバに伝達し、これにより光ファイバにひずみを発生させ、このひずみを検出することにより監視対象の鉛直変位を計測するため、外的要因の影響を受けずに鉛直変位を正確に計測することができ、また、構造の簡略化及びコストの低減も可能なる。なお、ここでいう鉛直変位とは、隆起又は沈下若しくはこれらの両方を指す。
【０００８】
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の発明において、光ファイバの他端部に接続され、ひずみを検出する検出手段と、検出手段の検出結果に基づいて設置箇所の鉛直変位量を算出する算出手段とを有することを要旨とする。
【０００９】
請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の発明において、検出手段は、検査光を発生させる光源と、光源により発生された検査光の周波数を変換する周波数変換手段と、検査光に対してパルス変調を行うパルス変調手段と、周波数変換とパルス変調がなされた検査光を光ファイバに入射させる入射手段と、光ファイバ中で発生した検査光の後方散乱光を受光する受光手段と、受光された後方散乱光に基づいてひずみの分布を測定する分布測定手段とを有することを要旨とする。
【００１０】
請求項４に記載の本発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、伝達手段は、光ファイバの一端部とフロートに取り付けられたワイヤと、ワイヤの方向を変える滑車とを有することを要旨とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の鉛直変位計についての説明を行う。
なお、以下の実施の形態は、あくまでも本発明の説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であれば、これらの各要素又は全要素を含んだ各種の実施の形態を採用することが可能であるが、これらの実施の形態も本発明の範囲に含まれる。
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の要素には同一の符号を付与し、これに関する反復説明は省略する。
【００１２】
「第１の実施の形態」
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る鉛直変位計１ａの構成を示す図である。
鉛直変位計１ａは、基準液槽２と、検出用液槽３ａと、連結管４と、フロート６ａと、請求項に記載の伝達手段に含まれる滑車８ａ、８ｂ、８ｃ及びワイヤ７ａと、光ファイバ９ａと、接続部１０ａと、固定部１１ａと、請求項に記載の検出手段に含まれる検出部１２と、請求項に記載の算出手段に含まれる算出部１３とを有する。
【００１３】
基準液槽２と検出用液槽３ａは、液体５を収容し、液面下で連結管４により接続され、基準液槽２の液面と検出用液槽３ａの液面は同じ高さにある。なお、通常は液体５として水が用いられるがこれに限定されない。
【００１４】
検出用液槽３ａは、前述の監視対象に設置され、基準液槽２は、監視対象の鉛直変位の影響を受けない地点に設置される。
【００１５】
フロート６ａは、検出用液槽３ａの液面上を浮遊し、ワイヤ７ａと接続され、このワイヤ７ａは、滑車８ａ、８ｂ及び８ｃにより方向が変えられ、接続部１０ａにおいて光ファイバ９ａの一端部に接続されている。
【００１６】
また、光ファイバ９ａの他端部は、検出部１２に接続されるとともに、固定部１１ａにより張力が加えられた状態で固定され、検出部１２は、算出部１３に接続される。
【００１７】
また、検出用液槽３ａの設置箇所、つまり監視対象に鉛直変位が発生した場合、検出用液槽３ａの位置も変位する。この際、基準液槽２の液面の高さと、検出用液槽３ａの液面の高さとは、物理法則により同じになるため、フロート６ａの位置も液位が上下した分鉛直方向に移動し、この際に生じた運動量は、ワイヤ７ａ、滑車８ａ、８ｂ及び８ｃによって光ファイバ９ａに伝達され、これにより、光ファイバ９ａのＡの部分に、前記の運動量に起因したひずみが生じ、検出部１２は、前記のひずみを検出し、算出部１３は、検出部１２の検出結果に基づいて監視対象の鉛直変位量を検出する。
【００１８】
なお、上記の検出部１２と、これに接続された算出部１３の詳細については後述する。また、連結管４には、検出用液槽３ａの鉛直変位に対応できるように柔軟性を有した材料が用いられている。
【００１９】
次に、図２を参照しつつ上記の鉛直変位計１ａの作用について説明する。なお、鉛直変位計１ａは、監視対象の沈下と隆起の両方を計測することができるが、本図においては、監視監視対象が沈下した場合を例とする。
【００２０】
また、光ファイバ９ａを、これに力（プリテンション）が加えられた状態で固定し、光ファイバ９ａに予めひずみ（例えば、１００００μ）を発生させている場合を示す。
【００２１】
まず、監視対象が沈下すると（Ｓ１）、これに伴い検出用液槽３ａも沈下する。また、前述したよう基準液槽２と検出用液槽３ａの液面の高さは、常に同じ高さとなるので、検出用液槽３ａの相対的液位が増加し（Ｓ２）、これに伴いフロート６ａが上方への変位、つまり上昇し（Ｓ３）、ワイヤ７ａが引かれることにより運動量が光ファイバ９ａに伝達され（Ｓ４）、この光ファイバ９ａのＡの部分に更なるひずみ、つまりフロート６ａの上昇に起因したひずみが発生する（Ｓ５）。検出部１２は、更なるひずみが発生したことによるひずみ量の増加を検出し、算出部１３は、これを基に監視対象が沈下したことを検出するとともに、沈下量を算出する。
【００２２】
また、光ファイバ９ａは弾性を有しており、監視対象が隆起した場合は、フロート６ａが下降し、これにより、ひずみ量が減少するため、監視対象が隆起したことを検出できるとともに、隆起量を算出できる。
【００２３】
次に、図３を参照しつつ前記の検出部１２の詳細について説明する。
検出部１２は、光源１４と、請求項に記載の周波数変換手段に含まれる周波数変換部１５と、請求項に記載のパルス変調手段に含まれるパルス変調部１６と、請求項に記載のひずみ分布測定手段に含まれるひずみ分布測定部１７と、請求項に記載の入射手段及び受光手段に含まれる方向性結合器１８とを有する。
【００２４】
なお、図１及び図２においては、鉛直変位計１ａが１個の監視対象における鉛直変位を計測する場合を示したが、鉛直変位計１ａは、複数個の監視対象における鉛直変位を計測することが可能であり、本図はこの場合を示しており、接続部１０ａと同様の機能を有する接続部１０ｂと、前述の固定部１１ａと同様の機能を有する固定部１１ｂと、検出用液槽３ａと同用の機能を有する検出用液槽３ｂと、フロート６ａと同様の機能を有するフロート６ｂとを有し、検出用液槽３ａと３ｂは、其々異なった監視対象に設置されている。
【００２５】
光源１４は、検査光１９及び参照光２０を発生させ、周波数変換部１５は、検査光１９の周波数を連続的に変換し、パルス変調部１６は、周波数変換がなされた検査光１９に対してパルス変調を行い、検査光としての光パルス２１を生成する。
【００２６】
方向性結合器１８は、光パルス２１を光ファイバ９ａに入射させる。光パルス２１は、光ファイバ９ａのひずみ部分で後方散乱し、この際に生じた後方散乱光２２ａ、２２ｂは、方向性結合器１８により受光される。
【００２７】
ひずみ分布測定部１７は、方向性結合器１８を介して後方散乱光２２ａ、２２ｂを受光し、また、光源１４において発生した参照光２０を受光し、両者を比較することにより、受光した光が後方散乱光２２ａ、２２ｂであることを認識し、この後方散乱光２２ａ及び２２ｂの受光結果に基づいて、光ファイバ９ａにおけるひずみ分布、つまり光ファイバ９ａのどの位置にどのひずみが存在するかを測定し、算出部は、検出用液槽３ａにおける鉛直変位量と、検出用液槽３ｂにおける鉛直変位量の其々を算出する。
【００２８】
なお、検出部１２としては、例えばＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）が用いられる。
【００２９】
また、算出部１３には、鉛直変位量を算出する機能の他に、算出結果を表示する機能、ユーザ等に対して警報を発する機能等を有する。
【００３０】
なお、本図においては、２個の監視対象に対して鉛直変位量の計測を行う場合を示したがこれに限定されず、さらに別の検出用液槽を設けることにより、３個以上の監視対象に対しても鉛直変位量の計測を行うことができる。
【００３１】
「第２の実施の形態」
次に図４を参照しつつ本発明の第２の実施の形態に係る鉛直変位計１ｂについての説明を行う。
前述の本発明の第１の実施の形態に係る鉛直変位計１ａは、光ファイバ９ａにプリテンションをかけ、予めひずみを発生させ、ひずみ量の増減によって、発生した鉛直変位が沈下か隆起であるかを特定する場合を示したが、これに限定されず、沈下と隆起を別々の光ファイバで検出する構成とすることも可能であり、この場合を想定したものが図中の鉛直変位計１ｂである。
【００３２】
図示するように、鉛直変位計１ｂは、フロート６ａにさらにワイヤ７ｂが接続され、さらに滑車８ｄが設けられ、ワイヤ７ｂと光ファイバ９ｂが接続部１０ｃにおいて接続され、光ファイバ９ｂが固定部１１ｃにより固定され、これが検出部１２ｂに接続され、光ファイバ９ａが検出部１２ａに接続されており、監視対象が沈下した場合には、光ファイバ９ａのＡの部分にひずみが発生し、これを検出部１２ａにより検出し、一方、監視対象が隆起した場合には光ファイバ９ｂのＢの部分にひずみが発生し、これを検出部１２ｂにより検出する。
【００３３】
上記のような構成をとることにより、鉛直変位計１ｂは、光ファイバにプリテンションをかけずとも鉛直変位を計測することができる。
【００３４】
なお、本実施の形態においても、検出用液槽等を複数個設けることにより、１個の鉛直変位計により複数個の監視対象の鉛直変位量を計測することができる。
【００３５】
上記のとおり、本発明の鉛直変位計１ａ及び１ｂは、電気式センサの代わりに光ファイバを用いるため、電源を用意する必要もなく、外的要因の影響を受けずに正確に鉛直変位量を計測可能であり、また、一本又は２本の光ファイバのみで複数の監視対象の鉛直変位量を計測可能であり、変位計全体の構成を簡略化することが可能であり、さらに、上記の点からコストの低減も可能となる。
【００３６】
なお、上記のフロート６ａ及び６ｂは、様々な形状をとることが可能であり、また、ワイヤ７ａ及び７ｂは、運動量を伝達することができるものであれば、その材質、断面形状等は問わない。また、滑車８ａ等の個数、位置等も任意に変更可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上のとおり本発明によれば、構造が簡略化されるとともに、コストの低減が可能であり、外的要因の影響を受けずに正確に鉛直変位を計測可能な鉛直変位計を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る鉛直変位計の構成を示す図である。
【図２】図１の鉛直変位計の作用を説明するための図である。
【図３】図１及び図２の検出部の構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る鉛直変位計の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ 鉛直変位計
２ 基準液槽
３ａ、３ｂ 検出用液槽
４ 連結管
５ 液体
６ａ、６ｂ フロート
７ａ、７ｂ ワイヤ
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 滑車
９ａ、９ｂ 光ファイバ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 接続部
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 固定部
１２、１２ａ、１２ｂ 検出部
１３ 算出部
１４ 光源部
１５ 周波数変換部
１６ パルス変調部
１７ ひずみ分布測定部
１８ 方向性結合器
１９ 検査光
２０ 参照光
２１ 光パルス
２２ａ、２２ｂ 後方散乱光

Claims (4)

1. 液体を収容し、該液体の液位を一定に保つ基準液槽と、液体を収容し、該液体の液面上を浮遊するフロートを備える検出用液槽と、前記基準液槽と前記検出用液槽とを液面下で連結する連結管とを有し、前記検出用液槽の設置箇所に鉛直変位が生じた際に生ずる前記検出用液槽の液位変化を検出することにより前記設置箇所の鉛直変位量を計測する鉛直変位計であって、
   光ファイバと、
   前記検出用液槽の液面上を浮遊し、前記検出用液槽の液位変化に伴って鉛直方向に移動するフロートと、
   前記光ファイバの一端部と前記フロートとを接続し、該フロートの移動により生じた運動量を前記光ファイバに伝達し、該光ファイバに前記運動量に起因したひずみを発生させる伝達手段と
   を有することを特徴とする鉛直変位計。
2. 前記光ファイバの他端部に接続され、前記ひずみを検出する検出手段と、
   検出手段の検出結果に基づいて前記設置箇所の鉛直変位量を算出する算出手段と
   を有することを特徴とする請求項１に記載の鉛直変位計。
3. 前記検出手段は、
   検査光を発生させる光源と、
   前記光源により発生された検査光の周波数を変換する周波数変換手段と、
   前記検査光に対してパルス変調を行うパルス変調手段と、
   前記周波数変換と前記パルス変調がなされた検査光を前記光ファイバに入射させる入射手段と、
   前記光ファイバ中で発生した前記検査光の後方散乱光を受光する受光手段と、
   前記受光された後方散乱光に基づいて前記ひずみの分布を測定する分布測定手段と
   を有することを特徴とする請求項２に記載の鉛直変位計。
4. 前記伝達手段は、
   前記光ファイバの一端部と前記フロートに取り付けられたワイヤと、
   前記ワイヤの方向を変える滑車と
   を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の鉛直変位計。

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