JP2004257772A

JP2004257772A - 光ファイバ式荷重計

Info

Publication number: JP2004257772A
Application number: JP2003046522A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Fujihashi; 一彦藤橋; Masaru Okutsu; 大奥津; Hiroyuki Komatsu; 宏至小松
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】外的要因の影響を受けにくく、初期設置コストおよび維持コストの低減を図る。
【解決手段】測定対象の荷重に係わる物理量を検出する光ファイバ式荷重計１。測定対象の荷重を受ける荷重受け部３と、荷重受け部３を所定方向に移動自在に支持しており、測定対象の荷重変化に基づく荷重受け部の所定方向への移動に応じて荷重受け部３の移動方向に対して略直交する外方へ弾性変形する変状部２と、変状部２の変形方向に略直交し、かつ荷重受け部３の移動方向に平行な方向を中心軸として変状部変形部２の周囲に巻回された光ファイバ４と、を備えている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、トンネル、橋梁、ダム、ビル、河川堤防、港湾施設等の大型土木構造物や地盤、雪氷に対して、災害防止あるいは災害の事前検知のためにその変状、変位等を監視する必要がある場合に、その監視要素の一つとして監視対象の荷重の大きさや荷重変化等の荷重に係わる物理量を計測する際に好適な光ファイバ式荷重計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２１世紀を迎え、より安全な生活環境を実現するために、上記トンネル、橋梁、ダム、ビル、河川堤防、港湾施設等の大型土木構造物の経年劣化や地盤、雪氷の崩壊予測等を監視するシステムの確立が望まれている。
【０００３】
この点、従来では、上述した大型土木構造物や地盤、雪氷等の測定対象に対する監視要素の一つである荷重を、ひずみゲージを含む電気式センサにより電気抵抗の変化として検出する計測方式が知られている（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
”センタホール型荷重計”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成１５年２月１４日、株式会社共和電業、［平成１５年２月１９日検索」、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｙｏｗａ−ｅｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｊａｐａｎｅｓｅ／ｐｒｏｄｕｃｔ／２００２−１０／１０−２０．ｐｄｆ＞
【０００５】
【非特許文献２】
”ロックボルトひずみ計”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成１５年２月１４日、株式会社共和電業、［平成１５年２月１９日検索」、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｙｏｗａ−ｅｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｊａｐａｎｅｓｅ／ｐｒｏｄｕｃｔ／２００２−１０／１０−４９．ｐｄｆ＞
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
確かに、上述した電気式センサは高精度である。
【０００７】
しかしながら、電気式センサは、荷重を電気的に計測しているため、例えば雷等の天候変化、高圧線等の外的要因に対して影響され易く、また、センサ自体が高価であり、初期設置コストおよび維持コストも高価であるという問題が生じていた。
【０００８】
さらに、上述した大型の測定対象に対する荷重計測の場合、その測定対象を複数点で計測する必要があるが、その複数点計測を複数の電気式センサで行った場合、複数の電気式センサと、この複数の電気式センサにより得られた検出結果を解析処理するための解析系との間の電気的配線が複雑となり、システム全体が複雑化した。さらに、複数の電気式センサそれぞれに電源が必要であるという問題が生じていた。
【０００９】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、天候、高圧電線等の外的要因の影響を受けにくく、初期設置コストおよび維持コストの低減が図れる光ファイバ式荷重計を提供することをその目的とする。
【００１０】
また、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、上記光ファイバ式荷重計を複数個用いて複数点計測を行った場合においても、システム構成が簡易であり、各光ファイバ式荷重計の電源を不要とすることを他の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、請求項１に記載されたように、測定対象の荷重に係わる物理量を検出する光ファイバ式荷重計であって、前記測定対象の荷重を受ける荷重受け部と、
前記荷重受け部を所定方向に移動自在に支持しており、前記測定対象の荷重変化に基づく前記荷重受け部の所定方向への移動に応じて当該荷重受け部の移動方向に対して略直交する外方へ弾性変形する弾性変形部と、前記弾性変形部の変形方向に略直交し、かつ前記荷重受け部の移動方向に平行な方向を中心軸として当該弾性変形部の周囲に巻回された光ファイバと、を備えている。
【００１２】
請求項２に記載された発明によれば、前記弾性変形部は環状の側面部を有しており、前記光ファイバは前記弾性変形部の前記環状側面部に巻回されており、前記環状弾性変形部の中心軸に沿って配置され、前記荷重受け部を前記弾性変形部に対して同軸状に固定支持する同軸支持部をさらに備えている。
【００１３】
請求項３に記載された発明によれば、前記弾性変形部は前記環状側面部を含む略中空円筒形状を有しており、前記荷重受け部は、前記弾性変形部の中空部と同軸状に形成された中空円板形状を有しており、前記同軸支持部は、前記弾性変形部の中空部分および前記荷重受け部の中空部分に嵌入配置された略円筒部材である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる光ファイバ式荷重計の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる光ファイバ式荷重計１の概略構成を示す斜視図である。
【００１６】
図１に示すように、光ファイバ式荷重計１は、例えばゴム等の弾性範囲が広くポアソン比が大きい弾性部材から形成された略中空円筒形状を有する変状部２と、この変状部２の一端面に同軸状に取り付けられた略中空円板状の荷重受け部３とを備えており、この荷重受け部３の端面３ａが測定対象の荷重を受ける荷重受け面として構成されている。
【００１７】
荷重受け部３は、変状部２に対して、その弾性変形により中心軸方向に沿って移動自在に支持されている。
【００１８】
また、光ファイバ式荷重計１は、変状部２の環状側面２ａに巻回された光ファイバ４と、変状部２の他端面に同軸状に取り付けられており、荷重受け部３と略同一の形状を有する荷重計台座５とを備えている。
【００１９】
変状部２、荷重受け部３および荷重計台座５それぞれの中空部は、同一面積を有し同軸状に配置されている。
【００２０】
さらに、光ファイバ式荷重計１は、この変状部２、荷重受け部３および荷重計台座５それぞれの中空部に嵌入配置されており、変状部２、荷重受け部３および荷重計台座５それぞれの中心軸を調整して同軸配置状態を固定支持するための固定支持部としての略円筒状の弾性変形可能な軸調整具６とを備えている。なお、この軸調整具６は、弾性変形可能でなくてもよく、例えば、剛体であってもよく、変状部２および荷重受け部３が軸調整具６に対して中心軸方向に沿って移動自在に支持されていてもよい。
【００２１】
次に、本実施形態の光ファイバ式荷重計１の作用について図２を用いて説明する。
【００２２】
光ファイバ式荷重計１は、荷重計台座５を底側にして取り付けられている。
【００２３】
このとき、光ファイバ式荷重計１の荷重受け部３の荷重受け面３ａに印加されている測定対象の所定部位の荷重Ｗが変化し、光ファイバ式荷重計１の荷重受け面３ａが荷重計台座５に向かって押圧された場合、荷重受け部３および変状部２は軸調整具６により互いに同軸状に支持されているため、荷重受け面３ａ上の何れの部位に荷重変化が作用しても、その荷重変化は荷重受け部３を介して光ファイバ式荷重計１の中心軸方向に沿ってロス（損失）なく変状部２に伝達される。すなわち、測定対象部位の変位に相当する荷重変化により荷重受け部３および軸調整具６が中心軸方向に沿って荷重計台座５に向かって一体に変位する。
【００２４】
このとき、変状部２が弾性範囲が広くポアソン比が大きい弾性部材から形成されているため、荷重受け部３の荷重計台座５側への変位に応じて変状部２が中心軸方向に対して略直交する方向（径方向）に沿って外方へ樽状に弾性変形する（図２参照）。
【００２５】
この弾性変形により、変状部２の環状側面２ａに巻回された光ファイバ４には引っ張り荷重が印加され、この結果、光ファイバ４に引っ張り歪みが発生する。
【００２６】
このように、本実施形態によれば、荷重受け部３に対して測定対象部位の荷重変化が作用していない状態と比べて、荷重受け部３に荷重変化が作用すると、その荷重自体、荷重変化の有無および荷重変化量等の荷重に基づく物理量を、光ファイバ４に生じた引っ張り歪みの有無および歪み量によりそれぞれ検出することができる。
【００２７】
すなわち、本実施形態によれば、測定対象部位の荷重変化に基づく物理量を電気的に計測するのではなく、荷重変化に基づく光ファイバ４の引っ張り歪みに応じて計測することができるため、例えば雷等の天候変化、高圧線等の外的要因に対する影響を受けにくくなり、計測精度を向上させることができる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、電気的構成要素を用いることなく、測定対象部位の荷重変化に基づく物理量を計測することができるため、光ファイバ式荷重計１自体のコストを低減することができる。
【００２９】
この結果、光ファイバ式荷重計１を測定対象部位の荷重変化検出用として最初に設置する場合のコスト（初期設置コスト）および交換時等に伴う維持コストをそれぞれ低減することが可能になる。
【００３０】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係わる荷重計測システム８の概略構成を示す図である。
【００３１】
この荷重計側システム８は、例えば、大型の測定対象に対して荷重の大きさおよびその変化を計測を行う場合のシステムであり、その測定対象を複数点で計測するシステムである。
【００３２】
すなわち、荷重計側システム８は、図１に示す光ファイバ式荷重計１を複数個用いて光ファイバ４に発生した引っ張り歪みを計測するシステムである。
【００３３】
図３に示すように、荷重計側システム８は、測定対象部位の荷重を複数点、すなわち、面的に受けるために、図１に示す光ファイバ式荷重計１を複数（ｎ：２以上の整数）個有しており、この複数の光ファイバ式荷重計１（以下、１ａ１、・・・、１ａｎとする）は、例えばその荷重受け部３の荷重受け面３ａが線状あるいはマトリクス状に配列されており、測定対象部位の荷重を面的に受けることが可能になっている。
【００３４】
また、複数の光ファイバ式荷重計１ａ１、・・・、１ａｎには、同一の光ファイバ４がそれぞれ巻回され、この光ファイバ４を介して直列に接続されている。なお、光ファイバ式荷重計１ａ１、・・・、１ａｎのその他の構成要素については、図１と同様であるため、その説明は省略する。
【００３５】
また、荷重計測システム８は、同一の光ファイバ４を介して直列接続された複数の光ファイバ式荷重計１ａ１、・・・１ａｎにおける一端側の光ファイバ式荷重計１ａ１から外側に引き出されたファイバ引出し部ＦＴに接続されており、光ファイバ４の歪み（ひずみ）分布を測定して電気的な歪データに変換して出力する歪み分布測定器９と、この歪み分布測定器９に対して、例えば、通信ケーブル、ＬＡＮ、公衆回線、専用線等の通信ネットワーク等を介して通信可能に接続されており、歪み分布測定器９から出力された歪みデータを受信し、受信した歪みデータに基づいて測定対象の荷重変化量や変化位置を算出し、算出結果に基づいて予め設定された閾値に応じた荷重変化発生の有無を判定して警報等を発出するパーソナルコンピュータ等の計算機１０とを備えている。
【００３６】
図３に示すように、歪み分布測定器９は、光ファイバ４に沿って連続的な歪み分布の測定が可能なブリルアン後方散乱光を用いた光学時間領域反射測定法（ＢＯＴＤＲ（ＢｒｉｌｌｏｕｉｎＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｒ））に基づく測定器である。
【００３７】
すなわち、歪み分布測定器９は、レーザ光等の信号光Ｓ１および参照光Ｓ２をそれぞれ出力する光源１１と、この光源１１から出力された信号光Ｓ１の光周波数を、例えば約１０ＧＨｚ上昇した周波数に変換する光周波数変換器１３と、この光周波数変換器１３により周波数変換された信号光Ｓ１をパルス変調して光パルスＰを生成して出力する光パルス変調器１４と、この光パルス変調器１４から出力された光パルスＰをファイバ引出し部ＦＴを介して光ファイバ４に出力し、ファイバ引出し部ＦＴを介して戻ってくる後方散乱光を分岐（スプリット）して後述するコヒーレント光受信機１６に出力するビームスプリッタ１５とを備えている。
【００３８】
また、歪み分布測定器９は、複数の光ファイバ式荷重計１ａ１、・・・、１ａｎ側からファイバ引き出し部ＦＴおよびビームスプリッタ１５を介して戻ってくるブリルアン散乱に起因する後方散乱光Ｂを受信し、受信された後方散乱光Ｂと参照光Ｓ２とを比較して、光ファイバ４全体、すなわち、複数の光ファイバ式荷重計１ａ１、・・・、１ａｎ内での歪み分布を測定し、測定された歪み分布を電気的な歪データに変換して計算機１０に出力するコヒーレント光受信機１６を備えている。
【００３９】
次に、本実施形態の荷重計測システム８の作用について図３を用いて説明する。
【００４０】
複数の光ファイバ式荷重計１ａ１、・・・、１ａｎは、それぞれ荷重計台座５を底側にして取り付けられており、また、歪み分布測定器９からは、光パルスＰが送信されて光ファイバ式荷重計１ａ１のファイバ引出し部ＦＴから光ファイバ４に入射されている。
【００４１】
このとき、複数の光ファイバ式荷重計１ａ１、・・・、１ａｎの内の例えば複数（例えばｋ（≦ｎ）個の光ファイバ式荷重計１ａ１〜１ａｋそれぞれの荷重受け部３の荷重受け面３ａに印加されている測定対象の所定部位の荷重Ｗが変化し、光ファイバ式荷重計１ａ１〜１ａｋの荷重受け面３ａが荷重計台座５に向かって押圧された場合、第１実施形態と同様に、測定対象部位の荷重変化により、各光ファイバ式荷重計１ａ１〜１ａｋの荷重受け部３が荷重計台座５に向かって変位する。
【００４２】
このとき、各光ファイバ式荷重計１ａ１〜１ａｋにおける荷重受け部３の荷重計台座５側への変位に応じて変状部２が中心軸方向に対して略直交する方向（径方向）に沿って外方へ樽状に弾性変形する（前掲図２参照）。
【００４３】
この弾性変形により、光ファイバ４における各光ファイバ式荷重計１ａ１〜１ａｋにおける変状部２の環状側面部２ａに巻回された部分（以下、ファイバ部位４ａ１〜４ａｋとする）には引っ張り荷重が印加され、この結果、ファイバ部位４ａ１〜４ａｋに引っ張り歪みが発生する。
【００４４】
このとき、光ファイバ４に入射された光パルスＰは、その光ファイバ４内を伝播しながらブリルアン散乱に基づく後方散乱光（戻り光；約１０ＧＨｚ周波数ダウンする）を発生している。
【００４５】
特に、光ファイバ４における各ファイバ部位４ａ１〜４ａｋにおいて引っ張り歪みが生じているため、この各ファイバ部位４ａ１〜４ａｋからの後方散乱光には、引っ張り歪みに起因した周波数シフトが発生している。
【００４６】
このようにして発生した後方散乱光Ｂは、光ファイバ４内を光パルス入射側に向かって伝播し、ファイバ引き出し部ＦＴおよびビームスプリッタ１５を介して分岐してコヒーレント光受信機１６に入射する。
【００４７】
このコヒーレント光受信機１６では、入射された後方散乱光Ｂおよび参照光Ｓ２間において例えば光ヘテロダイン検波が実行され、上記後方散乱光Ｂおよび参照光Ｓ２間の周波数差を表す分布（周波数分布）に対応する電気データ、すなわち、上記引っ張り歪みに起因した周波数シフト部分に対応する周波数差の分布（歪み分布）を表す歪みデータが生成される。
【００４８】
生成された歪みデータは、計算機１０に送信される。計算機１０では、歪みデータに基づいて解析処理が実行され、測定対象部位の荷重変化量や変化位置が算出される。
【００４９】
また、算出された測定対象部位の荷重変化量および変化位置に基づいて、予め設定された閾値（例えば、測定対象の許容できる最大の荷重変位レベルを表す）に応じた荷重変化発生の有無が判定され、その結果、閾値を超えた荷重変化が発生したと判定された場合には、計算機１０から警報が出力される。
【００５０】
以上述べたように、本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果、すなわち、例えば雷等の天候変化、高圧線等の外的要因からの影響を大幅に低減して計測精度を向上し、さらに、各光ファイバ式荷重計１ａ１、・・・、１ａｎのコスト低減に基づいてシステム８全体のコストを低減させることができ、初期設置コストおよび維持コストをそれぞれ低減することが可能になる。
【００５１】
特に、本実施形態では、大型の計測対象部位を複数点計測しているが、それぞれの光ファイバ式荷重計１ａ１、・・・、１ａｎと歪み分布測定器９との間を光ファイバ４のみで配線することができ、光ファイバ式荷重計１ａ１、・・・、１ａｎ毎に個別に配線する必要がないため、システム８全体を簡素化することが可能になる。
【００５２】
さらに、本実施形態では、各光ファイバ式荷重計１ａ１、・・・、１ａｎに対して電源は不要であり、電源分のコストを低減し、また、電源交換等のメンテナンスも不要になる。
【００５３】
そして、本実施形態では、上述したように、光ファイバ式荷重計１ａ１、・・・、１ａｎと歪み分布測定器９との間を光ファイバ４のみで配線することができるため、歪み分布測定器９（計算機１０）を光ファイバ式荷重計１ａ１、・・・、１ａｎに対して遠隔配置することに適しており、遠隔側において計測対象部位の荷重変化を一元的に監視することができる。
【００５４】
なお、第１および第２の実施の形態において、光ファイバ式荷重計における変状部は、略中空円筒形状を有していたが、本実施形態では、この構成に限定されるものではなく、その横断面が楕円状であってもよく、また、環状側面を有する中空の角筒形状であってもよい。また、筒形状に限らず、側面に光ファイバがそのファイバ自体に対して支障なく巻回できるのであれば、他の形状も可能である。
【００５５】
また、第１および第２の実施の形態において、光ファイバ式荷重計における荷重受け部は、略中空円板形状を有していたが、本実施形態では、この構成に限定されるものではなく、その横断面が楕円状であっても、多角形形状であってもよい。
【００５６】
さらに、また、第１および第２の実施の形態では、変状部をゴムにより形成したが、ゴム以外の他の弾性部材により形成してもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明に係わる光ファイバ式荷重計によれば、荷重受け部に対する荷重変化を光ファイバの引っ張り歪み変化として検出することができるため、荷重変化検出用の電気的構成要素が不要となる。この結果、例えば雷等の天候変化、高圧線等の外的要因に対する影響を受けにくくなり、計測精度を向上させることができる。
【００５８】
本発明に係わる光ファイバ式荷重計によれば、電気的構成要素を不要としたため、その電気的構成要素部分に相当する光ファイバ式荷重計自体のコスト低減を図ることができる。この結果、光ファイバ式荷重計の初期設置コストおよび交換時等での維持コストをそれぞれ低減することが可能になる。
【００５９】
さらに、本発明に係わる光ファイバ式荷重計を複数個用いて複数点計測を行った場合においても、それぞれの光ファイバ式荷重計と歪み分布測定用の歪み分布測定器等の監視制御系との間を光ファイバのみで配線することができ、光ファイバ式荷重計毎に個別に配線する必要がないため、光ファイバ式荷重計を複数個用いたシステム全体を簡素化することができる。
【００６０】
さらにまた、本発明では、各光ファイバ式荷重計に対して電源は不要であり、電源分のコストを低減し、また、電源交換等のメンテナンスも不要とすることができ、実用性の高いシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる光ファイバ式荷重計の概略構成を示す斜視図。
【図２】図１に示す光ファイバ式荷重計の作用を説明するための図１に対応する斜視図。
【図３】図１に示す光ファイバ式荷重計を複数個備えた荷重計測システムの概略構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１…光ファイバ式荷重計
１ａ１〜１ａｎ…光ファイバ式荷重計
２…変状部
２ａ…環状側面部
３…荷重受け部
３ａ…端面
４…光ファイバ
４ａ１〜４ａｋ…ファイバ部位
５…荷重計台座
６…軸調整具
８…荷重計測システム
９…歪み分布測定器
１０…計算機
１１…光源
１３…光周波数変換器
１４…光パルス変調器
１５…ビームスプリッタ
１６…コヒーレント光受信機

Claims

測定対象の荷重に係わる物理量を検出する光ファイバ式荷重計であって、
前記測定対象の荷重を受ける荷重受け部と、
前記荷重受け部を所定方向に移動自在に支持しており、前記測定対象の荷重変化に基づく前記荷重受け部の所定方向への移動に応じて当該荷重受け部の移動方向に対して略直交する外方へ弾性変形する弾性変形部と、
前記弾性変形部の変形方向に略直交し、かつ前記荷重受け部の移動方向に平行な方向を中心軸として当該弾性変形部の周囲に巻回された光ファイバと、
を備えたことを特徴とする光ファイバ式荷重計。
前記弾性変形部は環状の側面部を有しており、前記光ファイバは前記弾性変形部の前記環状側面部に巻回されており、
前記環状弾性変形部の中心軸に沿って配置され、前記荷重受け部を前記弾性変形部に対して同軸状に支持する弾性変形可能な同軸支持部をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ式荷重計。
前記弾性変形部は前記環状側面部を含む略中空円筒形状を有しており、前記荷重受け部は、前記弾性変形部の中空部と同軸状に形成された中空円板形状を有しており、
前記同軸支持部は、前記弾性変形部の中空部分および前記荷重受け部の中空部分に嵌入配置された略円筒部材であることを特徴とする請求項２記載の光ファイバ式荷重計。