JP2004500570A

JP2004500570A - 応力を測定する光ファイバ・デバイス

Info

Publication number: JP2004500570A
Application number: JP2001565964A
Authority: JP
Inventors: カネロプーロ，バジリオ; リシャール，ジャン−フランソワ; コトロトシオス，ジョージ
Original assignee: ファイバー　オプティック　センサーズ−エフオーエス　ソシエテ　アノニム
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2004-01-08
Also published as: CA2402675A1; AU2000227912A1; US20030066356A1

Abstract

本発明は、測定対象応力に従い光伝送を変化させるべく設計された手段を備える光ファイバ部分（７）が埋設された母材の形態の少なくとも一個の変換器（１）を備えるデバイスに関する。上記光ファイバ（７）の一方の入力端は光送信器（８）に接続され且つ一方の出力端は光検出器（９）に接続されるべく設計される。上記変換器（１）は、上記光ファイバ部分（７）により長手方向に貫通延在される長寸形状である。中央部分（２）は測定対象応力を受けるべく設計され、その２個の端部は夫々、測定対象構造に取付けられるべく配置された２個の応力伝達部分（３、４）であって上記中央部分（２）に応力を伝達する２個の部分（３、４）に対して固定される。上記母材は、測定対象構造の弾性率に近い弾性率を上記変換器（１）に提供すべく繊維により補強された複合材料から作成される。

Description

【０００１】
本発明は、測定対象応力に依存して光の伝送が変化される如く適合形成もしくは構成された光ファイバの少なくとも一部分が貫通する母材から形成された少なくとも一個の変換器を備えた応力測定用の光ファイバ・デバイスであって、上記応力は上記母材により上記光ファイバへと伝達され、該光ファイバの入力端は光送信器へ且つ出力端は光受信器への接続が意図された光ファイバ・デバイスに関する。
【０００２】
光ファイバを伝送される光に対し、該ファイバが受ける応力に従い変化を引き起こすべく適合形成された一本以上の光ファイバに対して結合された多数の歪みゲージは既に存在する。
【０００３】
欧州特許第０６４０８２４号（ＥＰ０６４０８２４）においては、当該複数の光ファイバが相互に平行となる如く、検査されるべき構造自体に対してそれ自体が固定された支持体に固定された複数の光ファイバを備えることで上記構造における亀裂を検出するシステムが提案されている。また応力を測定すべく、上記ファイバに沿いブラッグ格子が載置され得る。この場合、上記光ファイバは上記測定用支持体の一体的部分を形成せずに、該支持体の表面に固定される。この支持体は更に、定義特性が既知である歪みゲージを構成するのでは無く、ファイバと測定対象構造との間の単純なインタフェースを構成する。この場合、それは亀裂の存在を検出すべく使用されるのであり、応力の大きさを測定すべく使用されるのではない。
【０００４】
国際公開公報第９７／１５８０５号（ＷＯ９７／１５８０５）の場合、ブラッグ格子を含む光ファイバは、応力の測定が意図された金属構造に溶接され得る支持プレートに直交して延在する２本のスタッドの回りに巻回される。上記構造における応力は上記各スタッドに対する支持体へと伝えられて各スタッドの距離を変化させるが故に上記ファイバに及ぼされる張力を変化させることから、上記光ファイバに沿い伝送される光の波長は上記ブラッグ格子により変化され得る。
【０００５】
このプローブを用いた測定は上記光ファイバの巻回張力に依存するが、該張力は気候および温度に依存して変化し易いことから、斯かるプローブは定期的に較正されねばならない。しかし、橋梁、ダム、飛行機の翼、発電所の蒸気発生器、および一般的には任意の土木構造などの構造を監視すべく数十個または数百個ものプローブが必要ならば、各プローブを較正する作業を行うのは事実上不可能である。
【０００６】
米国特許第５，５９４，８１９号（ＵＳ５，５９４，８１９）は応力を測定すべく金属構造に対し光ファイバを固定する方法に関しており、この場合に上記ファイバは金属化されると共にろう付けもしくは溶接により金属支持体ブロックに固定され、該支持体自体が測定対象金属構造に対し溶接により固定される。この固定方法は複雑であることから、斯かるプローブの製造は不経済である。
【０００７】
欧州特許第０３５７２５３号（ＥＰ０３５７２５３）は、測定されるべきパラメータに依存する変形を受けるべく選択された母材内に光ファイバが埋設された光ファイバ式検出器に関している。この変形は上記光ファイバに伝達され、該ファイバを伝搬する光の特性を変化させることから、測定された応力の関数として上記パラメータの量が求められ得る。故に上記母材は、測定されるべきパラメータの存在下で変形を受け得る材料で作成されねばならない。故にこの場合にそれは歪みゲージでは無い、と言うのも、応力は測定されるべきパラメータの特性量であり、測定されるべきパラメータ自体では無いからである。
【０００８】
上述の解決策の殆どは歪みゲージに関しておらず、特に、測定用光ファイバを複合母材に結合する歪みゲージに関していない。応力を測定すべく母材に光ファイバが埋設される唯一の上記公報において、応力は測定されるべき別のパラメータの特性であることから、それは歪みゲージでは無く、測定されるべき一定の物理量を該物理量に比例する応力へと変換すべく母材が設計されたゲージである。
【０００９】
欧州特許第０３８０７６４号（ＥＰ０３８０７６４）には、光ファイバ歪みゲージが良好に記述されている。この場合に光ファイバは母材内に埋設されず、問題となる解決策は取付けおよび調節の操作を要することから当該機器のコストが増大する。更に該光ファイバは保護され且つ外乱または劣化さえ受け得ることから、測定の結果に対し影響を有し得る。
【００１０】
本発明の目的は、上述の解決策の欠点を少なくとも部分的に克服するに在る。
【００１１】
この目的のために、本発明の主題は請求項１に定義された如き応力測定用の光ファイバ変換器である。
【００１２】
このゲージの種々の補足的特徴および変形例は、他の請求項に定義される。
【００１３】
本発明に係る歪みゲージは、既知の固有特性であって一つのゲージから他のゲージへと完全に再現可能な固有特性を有する。これらの特性、特に弾性率は更に、応力の測定が望まれる構造に従い適合され得る。当該ゲージの変換器を形成する複合体内に上記光ファイバが取入れられたなら、該光ファイバは母材自体の要素として挙動する。これに加え、この母材は不都合な外部からの攻撃または影響を防止する役割を果たす。
【００１４】
較正は不要であり、ゲージの特性は用いられる複合体に従い選択され；該複合体は任意の構造に対し固定されまたは斯かる構造と一体化され、測定された値はこの構造における応力の値である。
【００１５】
添付図面は、本発明の主題である応力測定用の光ファイバ変換器の２つの実施例を概略的に且つ例示的に示している。
【００１６】
第１実施例に係る変換器は、応力の測定が意図された一定断面の中央部分２を備えた歪みゲージを形成する複合体から作成された一定厚みの長寸変換器１の形態であり、上記中央部分の２個の端部は、応力の測定が望まれる構造に対して該ゲージを接続すべく適合形成された応力伝達部分３、４と一体的である。これらの応力伝達部分の各々は、曲率Ｒ_１、Ｒ_２により中央部分２へと接続された拡大部分を有する。上記構造から応力を中央部分２へと伝達する役割を果たすこれらの応力伝達部分３、４は各々、長寸変換器１の長手軸心に関して対称的な相対位置を占める２個の開口５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂを有する。これらの開口は監視されるべき構造に対して応力伝達部分３、４を固定すべく用いられることから、該構造は開口５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂに嵌合する柄（ほぞ）を備えねばならないが、ボルトであれば、測定されるべき上記構造に対し当該変換器を確実に固定し得る。
【００１７】
長寸変換器１の長手方向には、光ファイバ７が貫通する。その一方の端部は光送信器８への接続が意図される一方、他端は光受信器９に接続される。用いられる測定デバイスに依存して光は部分的にまたは完全に反射されることから、図１に示された如く光送信器８および光受信器９は光ファイバ７の同一の端部に載置され得るが、その場合に光ファイバ７の該端部はＹ字形状１０を有することで該光ファイバ７の同一端部が当業者に公知の様式で光送信器８および光受信器９に接続されるのを許容する。上記歪みゲージの変換器１の中央部分２を貫通する光ファイバ７の一部分はたとえば、測定されるべき応力を受ける該光ファイバ７の歪みに依存して変化する所定波長を選択的に反射することが意図されたブラッグ格子を有し得る。反射光の波長を入射光と比較すれば、この応力の値が決定され得る。干渉法などの他の光測定原理も用いられ得る。
【００１８】
本発明に係る複合体から作成される変換器１は、母材を構成することが意図された一群の樹脂薄寸体であって相互に平行な直線状補強繊維の層が埋設された一群の樹脂薄寸体により形成される。この例において樹脂はＰＥＥＫであり、補強繊維は特に炭素繊維、アラミド繊維またはガラス繊維とさえされる高弾性率の繊維である。繊維の選択、ならびに母材内におけるその割合の選択は変換器１の所望弾性率に依存する。
【００１９】
一実施例に依れば、補強繊維により補強されたＰＥＥＫ薄寸体は変換器１の形状へと切断される。これらの薄寸体の幾枚かは補強繊維が変換器１の長手軸心に対し平行に載置される如く切断され、その他の薄寸体は該長手軸心に対し直交して延在する補強繊維を有する。変形例に依れば、各薄寸体は積層された後で上記変換器の形状へと切断され得る。
【００２０】
これらの薄寸体は次に、一方が上側部分で他方が下側部分である２個の部分から形成された型であって、上記各薄寸体が上記変換器の形状に事前切断されているなら変換器１と同一の形状を有し、その他の場合には各薄寸体と同一の矩形状を有する型内に積層される。好適には、積層体の各面には離型の促進が意図されるアルミニウム箔が載置され得る。上記型の下側部分がまず、万力内に載置される。離型の促進を意図する試剤が型の表面へと噴射されてその上にアルミニウム箔が載置されるが、該アルミニウム箔の表面上には上記離型剤が噴射されている。
【００２１】
以下の例においては、長手軸心に対して繊維が０°の角度を形成する複合薄寸体が、長手軸心に対して繊維が９０°の角度を形成する複合薄寸体と次の様にして交互配置されるべく事前切断された８枚の複合薄寸体が積層される：１枚の０°繊維配向薄寸体、１枚の９０°繊維配向薄寸体、２枚の０°配向薄寸体、１枚の９０°配向薄寸体、３枚の０°配向薄寸体。
【００２２】
次に光ファイバ７は上記長手軸心に沿い載置され、すなわち、上記変換器の幅に関して良好に中心合わせされ、そのブラッグ格子は変換器１の中央部分２に関して長手方向に中心合わせされる。光ファイバ７が直線状であることを確実にすべく該光ファイバ７の各端部には錘が取付けられ、且つ、３枚の０°配向薄寸体、１枚の９０°配向薄寸体、２枚の０°配向薄寸体、１枚の９０°配向薄寸体および１枚の０°配向薄寸体を連続的に載置することで事前切断複合薄寸体の積層が継続される。最後に、その上に第２アルミニウム箔が載置され、離型剤が該箔上の表面上に噴射されると共に可能的には型の上側部分の表面に噴射される。
【００２３】
次に上記型の２個の部分を把持する役割を果たす各ボルトが締め付けられるが、これは、型の一方の対角線に沿って位置する２個のＭ１０ボルトを締め付け、次に型の他方の対角線に沿って位置する別の２個のＭ１０ボルトを締め付け、且つ、該長手軸心の中心を通過する垂直線に沿い変換器１の長手軸心に関して対称的に位置する２個のＭ１０ボルトを締め付けることで行われる。これらのボルトは、トルクレンチを用いて４Ｎ・ｍのトルクまで締め付けられる。
【００２４】
上記型は次に４００℃で１０分間加熱され、ボルトは再び４Ｎ・ｍのトルクまで締め付けられる。温度は更に２５分だけ４００℃に維持され、型の各ボルトは５Ｎ・ｍのトルクまで締め付けられる。加熱温度は再び２５分維持され、アセンブリ全体が離型の前に冷まされる。
【００２５】
記述された例において、変換器１は約２．２ｍｍの厚みおよび１２０ｍｍの長さを有し、中央部分２の長さは２０ｍｍでありその幅は５ｍｍであり、曲率Ｒ_１およびＲ_２は各々が１０ｍｍであり、応力伝達部分３、４の幅は２４ｍｍである。
【００２６】
変形例として、用いられる複合体は、監視されるべき構造に対して変換器が溶接されるのを許容すべく上記の形式の高弾性率繊維および金属繊維の混合物により補強される複合体ともされ得る。
【００２７】
別の変形例に依れば、ブラッグ格子の挙動を変化させる温度変化の影響を補償するために熱係数がゼロに近い複合体を得るべく、斯かる複合体の組成に含まれる各成分およびそれらの割合を選択することが可能である。この様にすれば、自己補償型の変換器が達成され得る。
【００２８】
図１に示された第１実施例に係る上記変換器の厚みは一定であると共に開口５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂは監視されるべき構造に対して該変換器が固定され得るのを意図することから、該変換器はより詳細には、監視されるべき構造の表面に固定されることが意図される。
【００２９】
一方、図２に示された第２実施例はより詳細には、特にコンクリート構造などの構造内に埋設され得るべく設計される。変換器１１は一定幅であり、応力測定用中央部分１２は薄寸体から成り、応力伝達部分１３、１４はこの場合には中央部分１２より厚寸であり、付加的な厚みは該中央部分の薄寸体の各側にほぼ対称的に分配される。各応力伝達部分１３、１４の夫々の内側横方向面１３ａ、１４ａは、６°から３０°、好適には６°から１５°の角度θを形成する。光ファイバ７はほぼ変換器１１の長手軸心に沿って通ると共に、ブラッグ格子は応力測定用部分１２の長さの中央に中心合わせされる。
【００３０】
先の実施例と同様に、変換器１１は高弾性率繊維により補強された複合体から作成される。この例において歪みゲージは６４０ｍｍの長さを有し、中央部分１２は３２０ｍｍの長さを有する。この変換器１１の幅は８０ｍｍである。また中央部分１２の厚みは２から２．５ｍｍであり、応力伝達部分１３、１４の厚みは６から７ｍｍである。
【００３１】
この実施例の利点は、該実施例によれば所定構造には固定手段が配備される必要が無いという事実に在る、と言うのも、監視されるべき構造に対して上記変換器を埋設することのみが必要とされるからである。但しこの利点は実際問題としては建造中のコンクリート構造に限定される一方、上記第１実施例は如何なる構造に対しても且つ既存のコンクリート構造に対しても固定され得る。
【００３２】
此処までは、光ファイバ７が変換器を貫通する実施例が記述されて来た。但し当業者であれば、同一の光ファイバが異なる波長に対する幾つかのブラッグ格子を含み、各格子は該光ファイバに沿う所定距離毎に分布され、これらの格子の各々は変換器１または１１に結合され、且つ、各ブラッグ格子により反射された信号は光受信器９により多重化され得ることは当然に明らかであろう。この配置構成に依れば典型的に、同一の測定装置を備えた１０個から２０個の変換器からの信号を測定し、且つ、多重化に依る結果を区別することができ、各変換器により記録された応力の値を決定し得る。変換器の個数およびそれらの間の間隔は、監視されるべき構造に従い適合され得る。
【００３３】
斯かる場合、光ファイバを通して伝達されるマイクロベンドにより誘起される損失を可及的に減少することが非常に重要である。このマイクロベンドを可及的に減少すべく、光ファイバ７に対しては、該光ファイバを可及的に直線状に維持するために該光ファイバの各端部に錘を固定することで一定の張力が及ぼされる。但し、これは不十分であることが観察されており、且つ、上記複合体の母材に埋設された補強繊維によりマイクロベンドが引き起こされることが確認されている。
【００３４】
その理由は、先の例において言及された如く変換器１もしくは１１の母材は該母材の樹脂により被覆された連続的で平行な補強繊維の薄寸体から形成され、これらの補強繊維の配向が９０°の角度で交差されているからである。但しこの例において実現され得る如く、光ファイバに接近するほど、該ファイバに平行に配向された補強繊維の層の数は多くなる。実際、光ファイバ７と平行な補強繊維を有する層の割合を光ファイバ７の直近において増加することによりこの光ファイバにおけるマイクロベンドは減少されて更には損失が減少されることから、単一の光ファイバに沿い載置され得る変換器の個数が増加され得ることが例証された。
【００３５】
変形例として、応力測定を実施すべく干渉法を用いることも可能である。この場合には、一方は測定対象応力を受ける光ファイバであり且つ他方は基準となる光ファイバである２本の光ファイバに沿い進行する各光信号間の干渉が測定される。
【００３６】
最後に、上記変換器の中間ファイバの各側に載置された２本の光ファイバであって、一方の助力により圧縮力を且つ他方により引張力を測定する２本の光ファイバも同一の変換器を貫通し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、第１実施例の平面図である。
【図２】
図２は、第２実施例の斜視図である。

Claims

測定対象応力に依存して光の伝送が変化される如く適合形成された光ファイバ（７）の少なくとも一部分が貫通する母材から形成された少なくとも一個の変換器（１；１１）を備えた応力測定用の光ファイバ・デバイスであって、上記応力は上記母材により上記光ファイバ（７）へと伝達され、該光ファイバ（７）の入力端は光送信器（８）へ且つ出力端は光受信器（９）への接続が意図された光ファイバ・デバイスにおいて、
上記変換器（１；１１）は上記光ファイバ（７）の上記一部分が長手方向に貫通する長寸形状であり、該変換器は測定対象応力を受けることが意図された中央部分（２；１２）を含み、該中央部分の２個の端部は、該中央部分（２；１２）に対して応力を伝達する２個の部分（３、４；１３、１４）であって該２個の部分を測定対象構造に締着する手段（５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ；１３ａ、１４ａ）を有する２個の部分と夫々一体的であり、且つ、
上記母材は、上記測定対象構造の弾性率と同様の弾性率を上記変換器（１；１１）に与えるべく繊維により補強された複合体から作成される、
ことを特徴とする光ファイバ・デバイス。
前記変換器（１）はほぼ一定厚みを有し、前記光ファイバ（７）は該変換器（１；１１）の厚み及び幅のほぼ中央を貫通することを特徴とする、請求項１記載のデバイス。
前記補強繊維は高弾性率繊維であることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載のデバイス。
前記補強繊維は前記変換器に対し、一部が長手方向に配向され且つ一部が横方向に配向された繊維の平行層の形態で配設されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
前記光ファイバ（７）に近接している複合体の層は該光ファイバ（７）に平行に配向された補強繊維を有し、且つ、
該光ファイバ（７）に対し上記補強繊維が平行に配向された連続的層の枚数または厚みは、該光ファイバ（７）に接近するにつれて漸進的に増加することを特徴とする、請求項４記載のデバイス。
前記光ファイバを通る光の伝送を変化させる前記手段はブラッグ格子により形成されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
前記ブラッグ格子に対する温度変化の影響を補償すべく前記母材の熱係数はゼロに近く選択されることを特徴とする、請求項６記載のデバイス。
前記変換器（１；１１）が金属構造に半田付けされるのを許容すべく前記母材の少なくとも一方の外面の近傍において前記母材に金属が取入れられることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
前記応力伝達部分（１３、１４）は各々、前記変換器（１１）の長さに亙り延在する薄寸体（１２）の各側において２個の付加的厚みを有し、各付加的厚みの内側横方向面（１３ａ、１４ａ）は上記薄寸体（１２）の面に関して６°から３０°の角度（θ）を形成することを特徴とする、請求項１および請求項３から８のいずれか一項に記載のデバイス。
同一の光ファイバに対し複数の変換器が結合され、該複数の変換器に結合された上記ファイバの夫々の部分は異なる波長を反射するブラッグ格子を各々有し、前記光受信器（９）は反射信号を多重化する手段を含むことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のデバイス。