JP2005055450A

JP2005055450A - 光ファイバ式ひずみゲージ

Info

Publication number: JP2005055450A
Application number: JP2004345003A
Authority: JP
Inventors: Isamu Nemoto; 勇根本; Taro Uesugi; 太郎上杉
Original assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Current assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】
簡単且つ低コストな構成で温度補償の問題を解決し得る上に、供試体に溶接・接着する等によりその供試体に加わる引張力等を検出し得るコンパクトな構成の光ファイバ式ひずみゲージを提供すること
【解決手段】
ゲージベースに空隙部を介して連続的に形成した第１及び第２の溝に固定される光ファイバの前記空隙部内に位置する部分にブラッグ回折格子（ＦＢＧ）を形成し、第１及び第２の溝内の光ファイバの軸方向と直交する方向に沿った溶着部を有する光ファイバ式ひずみゲージにおいて、ゲージベースの材料の線膨張係数と測定対象物の線膨張係数との差を利用して温度補償を行う。ＦＢＧに圧縮力が付与されると座屈してしまう虞れを解消するため、プリテンション装置を用いて予めＦＢＧに引張力を付与した状態で溶着部を測定対象物に溶接等して用いる。
【選択図】図2

Description

本発明は、工業プロセス計測、リニアモータカー・送電線・発電機等におけるひずみ測定等、強電磁界ノイズ環境下の計測、落雷環境下の土木関連計測等に用いられる光ファイバ式ひずみゲージに関し、特に、ＦＢＧ［ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ（光ファイバブラッグ回折格子）］法を用いた光ファイバ式ひずみゲージに関する。

従来、ＦＢＧ法を用いた光ファイバ式ひずみゲージ等の光ファイバ式センサが種々提案されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３等参照）。ＦＢＧ法は、通信用シングルモード型光ファイバのコア部の屈折率をファイバ軸方向に周期的に変化させた光ファイバブラッグ回折格子を検出素子として用い、該回折格子への入射光のうち屈折率の周期に対応した特定の波長（ブラッグ波長）のみが選択的に反射される現象を利用したものである。即ち、検出素子に歪みが加えられると、回折格子の周期が変化することから、反射光の波長にシフトを生じるので、この波長のシフト量から加えられた歪み量を測定できる。

しかしながら、このＦＢＧ法を用いた光ファイバ式センサでは、上述したブラッグ波長が温度によって変化する性質があるため、ＦＢＧ法を用いた光ファイバ式センサを歪みの検出に用いる場合には、検出する歪みのレベル（例えば、数百マイクロストレイン）が周辺の温度変化（例えば、−２０〜７０℃）に基づくファイバ自身の歪みのレベルと同程度であり、温度変化の影響を除外する方法（温度補償）が必要である。

従来のＦＢＧ法を用いた光ファイバ式センサのうち、特許文献１には、ＦＢＧを２個用い、一方のＦＢＧを用いて当該ＦＢＧ型光ファイバと略等しい線膨張係数を有する基板に固着した歪み検出用センサを構成し、他方のＦＢＧを用いて両側で変位が拘束されないように基板に固着した温度補償用センサを構成し、これら２つのセンサを光ファイバで直列或いは並列に接続した例（以下、第１の従来例と称する）が記載されている。

また、特許文献２には、引張力或いは温度変化が加わるとＦＢＧの屈折率及び格子間隔が変化する結果、ブラッグ波長も変化するが、格子の数は変化しないので、反射波の帯域幅は変化しない性質を利用して上述した温度補償の問題を解決する例（以下、第２の従来例と称する）が記載されている。即ち、この第２の従来例は、長さ方向の一部に格子間隔の均一なＦＢＧ部分を有する光ファイバと、引張力が加わると不均一な歪みを発生する部分を有する引張部材とから成り、光ファイバのＦＢＧ部分を引張部材の上記不均一な歪みを発生する部分に接着固定した構成を備え、引張力が加わるとＦＢＧ部分の格子間隔が不均一になり、反射波の帯域幅が広がるので、帯域幅の変化で引張力を測定できる。

更に、特許文献３には、菱形の枠部材と、この枠部材の一組の対角線上に当該枠部材の内側に突出するように設けられた一対の光ファイバ支持部材と、この一対の光ファイバ支持部材にそれらの間にＦＢＧ部分が位置するように支持された光ファイバと、枠部材を弾性変形させて光ファイバに張力を付与するねじ式張力調整部とを備え、上記一対の光ファイバ支持部材を枠部材より熱膨張率の大きい材料で構成したＦＢＧの温度補償装置（以下、第３の従来例と称する）が記載されている。

特許第２９８３０１８号公報特開２０００−９７７８６号公報特開２０００−１２１８４４号公報

しかしながら、上記第１の従来例は、それぞれＦＢＧを用いた２つのセンサを光ファイバで直列或いは並列に接続するため、ＦＢＧが２個必要になり、コストが高くなる。また、２つのセンサをそれぞれ接着する工程が必要となるため、組立工数が増加し、この点からもコストが高くなる。また、２個のＦＢＧについて予め較正が必要になるので繁雑である等の問題がある。

また、上記第２の従来例は、引張部材に不均一な歪みを発生する部分を形成するので構成が複雑となり、また、力学的力センサとして引張力等の測定は可能であるが、供試体に貼り付ける等によりその供試体に加わる引張力等を検出し得るひずみゲージ等のようなコンパクトな構成のものではない。

更に、上記第３の従来例は、菱形の枠部材と、一対の光ファイバ支持部材と、ねじ式張力調整部とを備える等、装置の構成も比較的大型となり、上記第２の従来例と同様に、供試体に貼り付ける等によりその供試体に加わる引張力等を検出し得るひずみゲージ等のようなコンパクトな構成のものではない。

本発明の課題は、簡単且つ低コストな構成で温度補償の問題を解決し得る上に、供試体に溶接・接着する等によりその供試体に加わる引張力等を検出し得るコンパクトな構成の光ファイバ式ひずみゲージを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明では、空隙部が形成されたゲージベースと、前記ゲージベースの一方面において前記空隙部を介して連続的に形成された第１及び第２の溝と、前記第１及び第２の溝に固定されて延びる光ファイバと、該光ファイバの前記空隙部内に位置する部分に形成されたブラッグ回折格子から成るセンシング素子と、前記ゲージベースと測定対象物とを固定する固定手段により前記光ファイバ及び前記センシング素子の軸方向と直交する方向に沿って固着力を加えられる溶着部とを有する光ファイバ式ひずみゲージを構成し、前記ゲージベースの材料の線膨張係数と測定対象物の線膨張係数との差を利用して温度補償を行うようにした。

このような発明によれば、ＦＢＧを１個のみ用いる場合でも、温度補償が可能であるコンパクトな構成の光ファイバ式ひずみゲージを低コストに得ることができる。

また、前記センシング素子としてのＦＢＧに圧縮力が付与されると座屈してしまう虞れを解消するため、本発明の光ファイバ式ひずみゲージは、前記センシング素子に予め引張力を付与した状態で用いるようにした。

これにより、測定レンジは狭まるが、座屈の虞れなく、圧縮ひずみの測定も可能となる。更に、本発明では、前記センシング素子に予め引張力を付与するために、前記光ファイバ式ひずみゲージに装着するための装着手段と、前記センシング素子に引張力を付与するためのテンション付与手段と、該テンション付与手段により付与される引張力を調整するための調整手段とを有するプリテンション装置を用い、光ファイバ式ひずみゲージのゲージベースに前記プリテンション装置を取り付けるための取付部を設けるようにした。

これにより、測定現場で大変作業性良く、座屈防止のために予め引張力を付与した状態で、光ファイバ式ひずみゲージを測定対象物に取り付けて用いることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば以下の効果を奏することができる。すなわち、本発明によれば、ＦＢＧを用いた光ファイバ式ひずみゲージでありながら、温度補償用のＦＢＧを設けることなく、１つのＦＢＧで温度補償をした歪み計測が可能である。

また、歪み拡大機能により、微小歪みを検出可能である（換言すれば、見かけ上のゲージ率を増加し得る）。更に、起歪部の応力を低く押さえられ、剛性の高いセンサを実現できるだけでなく、起歪部構造の単純化を図れるので、コスト低減にも結び付く。

一方また、本発明によれば、温度補償用のＦＢＧが不要となるので、温度補償用のＦＢＧを別個に製作する必要が無くなり、高価であるＦＢＧ費用を削減できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、発明の実施の形態は、本発明が実施される特に有用な形態としてのものであり、本発明がその実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施の形態である光ファイバ式ひずみゲージを示す平面図である。図１に示すように、本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージは、Ｈ型の空隙部１３が形成されて全体として矩形状を有するゲージベース１０と、ゲージベース１０の一方面において空隙部１３を介して連続的に形成された第１及び第２の溝１４，１５と、例えば、接着剤によりこれらの溝に固定されて延びる光ファイバ１１とを備えている。光ファイバ１１は、空隙部１３内に浮いた状態でセンシング素子としてのＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）１１１を有している。

また、ゲージベース１０には、第１及び第２の溝１４，１５内における光ファイバ１１の軸方向と直交する方向に延びて空隙部１３の両側に形成された段差１６Ａ，１６Ｂにより、空隙部１３の周囲に位置する薄肉部１７と、この薄肉部１７より厚さの厚い厚肉部１８Ａ，１８Ｂとが区画形成されている。更に、ゲージベース１０の薄肉部１７にはくびれ部２０が形成されている。これにより、薄肉部１７の剛性が低下され、鋼材などの測定対象物（図示せず）のひずみに応じてゲージベース１０が変形し易くなっている。

厚肉部１８Ａ側には、ゲージベース１０と測定対象物（図示せず）とを、例えば、スポット溶接により固定するための溶着部１２Ａ，１２Ａが、それぞれ第１の溝１４の近傍からゲージベース１０の短手方向両側まで形成されている。また、厚肉部１８Ｂ側には、同様に、ゲージベース１０と測定対象物（図示せず）とを、例えば、スポット溶接により固定するための溶着部１２Ｂ，１２Ｂが、それぞれ第２の溝１５の近傍からゲージベース１０の短手方向両側まで形成されている。尚、ここで、溶着部１２Ａ，１２Ｂは、後述するように、スポット溶接し易いように、薄肉状に形成されている。なお、ゲージベース１０と測定対象物とを固定するための溶着には種々の形態を採用することができ、本実施の形態のスポット溶接の他、接着剤による接着、更に、ガス圧接のような圧接のみならず、種々の融接およびろう付け技術等で両者を固定することが可能である。

厚肉部１８Ａのそれぞれ溶着部１２Ａ，１２Ａよりも内側（薄肉部１７側）には、後述するように、プリテンション治具のピン部を挿入して取り付けるための孔２２Ａ，２２Ａが形成されている。また、厚肉部１８Ｂのそれぞれ溶着部１２Ｂ，１２Ｂよりも内側（薄肉部１７側）には、同様に、プリテンション治具のピン部を挿入して取り付けるための孔２２Ｂ，２２Ｂが形成されている。

さて、本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージを使用する場合、測定対象物のひずみを、検出部として設けた光ファイバ１１のＦＢＧ１１１に伝えて検出する。即ち、本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージを用いるには、測定対象物（図示せず）にゲージベース１０を固定し、光ファイバ１１の一端を光源側（図示せず）に接続し、他端を光検出手段（図示せず）に接続して用いる。測定対象物に応力が作用してひずみが生じると、ゲージベース１０も同じように引っ張り又は圧縮される。この結果、空隙部１３の間隔Ｇが、引っ張りの場合には増加し、圧縮の場合には減少する。そして、空隙部１３の間隔Ｇが増減することにより空隙部１３におけるＦＢＧ１１１に歪みが加えられる。これにより、ＦＢＧ１１１における回折格子の周期が変化することから、反射光の波長にシフトを生じる。従って、この波長のシフト量を光検出手段にて検出することにより、ひずみ量を計測することができる。

このように、本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージによれば、引っ張りひずみだけでなく圧縮ひずみの測定も可能である。また、検出感度の比較的高いＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子）をセンシング素子として用いているので、測定対象物がひずみの大きい鉄の場合は勿論、ひずみの小さいコンクリートの場合でも、高精度な検出が可能である。ここで、本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージでは、図１に示すように、第１及び第２の溝１４，１５内における光ファイバ１１の軸方向と直交する方向に延びて形成された各溶着部１２Ａ，１２Ｂ内に２列に亘ってスポット溶接を行うことによりゲージベース１０と測定対象物とが固定される。このように、光ファイバ１１の軸方向と直交する方向に沿って働く固着力によって光ファイバ式ひずみゲージと測定対象物とが固定されると、ゲージ長が光ファイバ１１の軸方向における固着部間距離となる。従って、ゲージ長が光ファイバ１１の軸方向における固着部間距離となるので、後述する線膨張を用いた温度補償におけるゲージ長の不確実さがなくなる。

更に、薄肉状に形成された溶着部１２Ａ，１２Ｂのそれぞれ厚肉部１８Ａ，１８Ｂとの段差１２ａ，１２ｂに、例えば、スポット溶接機を沿わせて動かすだけで第１及び第２の溝１４，１５内における光ファイバ１１の軸方向と直交する方向に沿った溶着部１２Ａ，１２Ｂを測定対象物に溶着できるので、光ファイバ式ひずみゲージ取り付け作業の容易化を図ることが可能になる。

次に、本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージにおける温度変化の影響を除外する方法（温度補償）について説明する。

再び図１を参照して、本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージについて、温度補償方法を説明する。図１に示す光ファイバ式ひずみゲージにおいては、上述したように、第１及び第２の溝１４，１５内における光ファイバ１１の軸方向と直交する方向に延びて形成された溶着部１２Ａ，１２Ｂ内にスポット溶接等によりゲージベース１０と測定対象物とが固定される結果、光ファイバ１１の軸方向と直交する方向に沿って働く固着力によって光ファイバ式ひずみゲージと測定対象物とが固定され、ゲージ長が光ファイバ１１の軸方向における固着部間距離Ｌとなっている。

図示の光ファイバ式ひずみゲージにおいて、例えば、温度の上昇により測定対象物に固定されたゲージベース１０全体が伸長した場合には、厚肉部１８Ａと厚肉部１８Ｂもそれに伴って伸長する分、間隔Ｇが増加してＦＢＧ１１１における回折格子の周期が長くなることから、反射光の波長にシフトを生じるが、厚肉部１８Ａと厚肉部１８Ｂそれぞれの自由端側も間隔Ｇ内で伸長する結果、その分だけ間隔Ｇを減少させる方向に作用する。このため間隔Ｇの増加がその分だけ相殺されるので、温度変化による影響を減少させ得る構造となっている。

ここで、上記光ファイバ式ひずみゲージにおいて、かかる温度変化による影響を可及的に小さくするための条件等につき、図１を参照しつつ、説明する。ここでは、説明を簡単にするために、測定対象物のひずみが接合部（図示せず）上の図１に示すゲージベース１０に１００％伝達し、ゲージベース１０のひずみは光ファイバ１１に１００％伝達するものとして説明する。
［前提条件］
αｆ（＝αｇ）：ファイバ及びＦＢＧの線膨張係数＜＜αａ，ｂここで、αａ：測定対象物の線膨張係数、αｂ：ゲージベース１０の線膨張係数とする。即ち、ファイバの線膨張係数αｆ（＝ＦＢＧの線膨張係数αｇ）は、測定対象物の線膨張係数αａやゲージベース１０の線膨張係数αｂよりも十分小さいものとする。また、厚肉部１８Ａ，１８Ｂに比して薄肉部１７及びＦＢＧ１１１の引張り・圧縮剛性が十分低いものとする。

従って、測定対象物に歪みを付加した場合、厚肉部１８Ａ，１８Ｂの歪みは略０、また、ゲージベース１０のＰ部（厚肉部１８Ａ，１８Ｂと薄肉部１７の境界線付近）は、温度を加えた場合、Ｑ部を始点に自由膨張し、伸びを中央の薄肉部１７が吸収するものとする。各部の寸法を図１に示すものとすると、

例えば、図１において、αａ：測定対象物の線膨張係数（図示の例では、１１ｅ−６）、αｂ：ゲージベース１０’の線膨張係数（図示の例では、１６ｅ−６）、間隔Ｇ＝１１ｍｍとすると、ＦＢＧ１１１’においては、λＢ＝２ｎ０Λが成り立つ。ここで、λＢ：ブラッグ波長、ｎ０：ＦＢＧ１１１’のコアの実効平均屈折率、Λ：屈折率の変化を与えた周期である。１／λＢ・δΛＢ／δε＝７．８０ｅ−７（με^-1） ∴δλＢ＝１．２１ｅ−３／１με１／λＢ・δλＢ／δＴ＝０．０００００６６７（℃^-1） ∴δλＢ＝１．０３ｅ−２／１℃となり、１℃あたりの相当ひずみは、１．０３ｅ−２／１．２１ｅ−３＝８．５５（με／℃）となる。

従って、温度による影響を消すには、

すなわち、上記条件下において、間隔Ｇ＝１１ｍｍに対しＬ＝５４．０１ｍｍとすれば、温度変化による影響を可及的に小さくし得ることが判明した。Ｌ／Ｇ＝５４．０１／１１となり、従って、Ｇ＝１１ｍｍとすれば、Ｌ＝５４．０１ｍｍ、一方、Ｇ＝３ｍｍとすれば、Ｌ＝１４．７３ｍｍ、Ｇ＝５ｍｍとすれば、Ｌ＝２４．５５ｍｍとなる。かかる寸法に形成することにより、温度影響が少ない光ファイバ式ひずみゲージを実現できる。

実際の設計にあたっては、上記で前提としたひずみの伝達は１００％でないため、各部材間での伝達効率を実測またはＦＥＭ（有限要素法）等で求め、それらのひずみ伝達効率を考え合わせることにより最適形状を求めれば良い。

ところで、約１０ｍｍのＦＢＧを用いた光ファイバ式ひずみゲージの場合、圧縮力が加わると、ＦＢＧ部分が座屈してしまう虞れがある。このようにＦＢＧ部分が座屈してしまうと、正確な歪み検出が困難となるばかりか、以後、その光ファイバ式ひずみゲージは使用できなくなる。そこで、かかる座屈を防止する手段として、本発明者は、以下のような実施例につき検討した。
［実施例］本実施例では、プリテンション治具を用いて所定のプリテンションを与えることにより圧縮（実際は引張り状態）及び引張り状態で、座屈を有効に防止しつつ温度補償が可能となる。尚、この場合、ＦＢＧの力計測に使用し得る範囲は狭まるが、温度補償は可能となる。

尚、ここでの温度補償は、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージをスポット溶接等により歪み測定対象物に取り付けた場合、例えば、ゲージを取り付けるセンサ（変位計等）の起歪部鋼材又は歪み計測を行う橋梁等構造物の鋼材に取り付けた場合に、鋼材の外気温等による温度変化に伴う見かけ歪みを無くするための補償法であり、ゲージを取り付ける前のゲージ単体での温度補償ではない。

温度補償のための所定のプリテンションを与えるプリテンション治具の使い方を含め、本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージの使用方法について、図２および図３を用いて説明する。

まず、本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージと共に使用するプリテンション治具の構成について説明する。

このプリテンション治具５０は、図２および図３に示すように、治具本体５２と、テンション調整棒５４とを有している。治具本体５２は、弾性材から成り、長手方向断面がコ字状の押圧力調整部５６と、長手方向両端側に形成された押圧部５８Ａ，５８Ｂとを含んでいる。押圧力調整部５６は、図３に示すように、くびれ部２０，２０のくびれ部分に達する程度の幅に形成され、押圧部５８Ａ，５８Ｂは、ゲージベース１０の幅と略等しい幅に形成されている。押圧部５８Ａ，５８Ｂの長手方向両端側下面には、それぞれ仮固定部５８ａ，５８ｂが設けられており、これら仮固定部５８ａ，５８ｂには、それぞれ仮固定用ピン５８ａ１及び５８ａ２，５８ｂ１及び５８ｂ２が圧入されている。テンション調整棒５４は、中央につまみ部５４Ａが圧入され、両端側はボールねじ状に切られている。治具本体５２の押圧力調整部５６におけるテンション調整棒５４が挿通する対応位置はボールナット状に形成されている。これにより、このプリテンション治具５０は、テンション調整棒５４のつまみ部５４Ａを、例えば、図示矢印Ｍ方向に回せば、押圧力調整部５６の面５６Ａと５６Ｂが相互に離反する方向（図示矢印Ｍ’方向）に移動し、反対に、図示矢印Ｎ方向に回せば、押圧力調整部５６の面５６Ａと５６Ｂが相互に接近する方向（図示矢印Ｎ’方向）に移動するようになっている。従って、仮固定部５８ａ，５８ｂの仮固定用ピン５８ａ１及び５８ａ２，５８ｂ１及び５８ｂ２を前述したゲージベース１０の孔２２Ａ，２２Ａと２２Ｂ，２２Ｂにそれぞれ挿入した状態で、テンション調整棒５４のつまみ部５４Ａを図示矢印Ｍ方向に回せば、押圧部５８Ａ，５８Ｂそれぞれの仮固定部５８ａ，５８ｂ及び仮固定用のピン５８ａ１及び５８ａ２，５８ｂ１及び５８ｂ２を介してゲージベース１０（光ファイバ１１）に長手方向の引張力を与えることができる。反対に、同様の状態で、テンション調整棒５４のつまみ部５４Ａを図示矢印Ｎ方向に回せば、ゲージベース１０（光ファイバ１１）に長手方向の圧縮力を与えることが可能である。

本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージの温度補償を可能とする使用方法について詳説する。まず、本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージを測定対象物１９（図２参照）に取り付け、溶着部１２Ａ，１２Ａのそれぞれ厚肉部１８Ａとの段差に、例えば、スポット溶接機を沿わせて動かすことにより、溶着部１２Ａ，１２Ａを測定対象物１９に溶着する（ステップ１）。次に、仮固定部５８ａ，５８ｂの仮固定用ピン５８ａ１及び５８ａ２，５８ｂ１及び５８ｂ２をゲージベース１０の孔２２Ａ，２２Ａと２２Ｂ，２２Ｂにそれぞれ挿入することにより、プリテンション治具５０を光ファイバ式ひずみゲージに装着する（ステップ２）。この状態で、所定のプリテンション（引張力）になるように、テンション調整棒５４のつまみ部５４Ａを図示矢印Ｍ方向に回して調整する。この場合、つまみ部５４Ａを図示矢印Ｎ方向に戻す等して調整することが可能である（ステップ３）。所定のプリテンション（引張力）への調整が完了したら、今度は、溶着部１２Ｂ，１２Ｂのそれぞれ厚肉部１８Ｂとの段差に、例えば、スポット溶接機を沿わせて動かすことにより、溶着部１２Ｂ，１２Ｂを測定対象物１９に溶着する（ステップ４）。これにより、ゲージベース１０（光ファイバ１１）に長手方向の引張力を印加した状態で、光ファイバ式ひずみゲージを測定対象物１９に取り付けることができる。尚、光ファイバ式ひずみゲージを測定対象物１９に取り付けた後は、テンション調整棒５４のつまみ部５４Ａを図示矢印Ｎ方向に回して、押圧部５８Ａ，５８Ｂの押圧力を緩めた上で、プリテンション治具５０を光ファイバ式ひずみゲージから取り外す（ステップ５）のは勿論である。このように、本実施の形態の光ファイバ式ひずみゲージを測定対象物１９に固定したら、光ファイバ１１の一端を光源側（図示せず）に接続し、他端を光検出手段（図示せず）に接続して計測する。測定対象物１９に応力が作用してひずみが生じると、ゲージベース１０も同じように引っ張り又は圧縮される。この結果、空隙部１３の間隔Ｇが、引っ張りの場合には増加し、圧縮の場合には減少する。そして、空隙部１３の間隔Ｇが増減することにより空隙部１３におけるＦＢＧ１１１に歪みが加えられる。これにより、ＦＢＧ１１１における回折格子の周期が変化することから、反射光の波長にシフトを生じる。従って、この波長のシフト量を光検出手段にて検出することにより、ひずみ量を計測し得る（ステップ６）。

本実施の形態では、ゲージベース１０における薄肉部１７とくびれ部２０とによって厚肉部１８Ａ，１８Ｂに比べてよりフレキシブルな部分が形成されている。このため、第１に、引っ張り剛性が低下して内力が小さくなるので、測定対象物に取り付けられた場合に、測定対象物との固着部におけるせん断応力が抑制される結果、ゲージ特性のばらつきが低減されるので、信頼性の高いひずみ量の計測が可能になる。第２に、測定対象物に取り付ける場合に、プリテンション治具５０の押圧部５８Ａ，５８Ｂによる引張又は圧縮力が作用しても、この引張又は圧縮力は、このフレキシブルな部分に吸収されるので、取り付けの際に溶着部１２Ａ，１２Ｂに作用する剪断応力を低下させることが可能となる。

一方、上述した如き構成のプリテンション治具５０によれば、微小ではない、略１ｋｇｆ前後のプリテンション力を付加できるので、テンション調整棒５４等によりプリテンション力を手動で調整することができる。尚、ゲージベース１０の薄肉部１７にはくびれ部２０を予め設けず、ゲージベース１０の長手方向両側の溶着部１２Ａ，１２Ｂを両方とも測定対象物１９に溶接等した後に、当該薄肉部を一部切断分離することにより、くびれ部を形成してもよい。或いは、ゲージベース１０の長手方向両側の溶着部１２Ａ，１２Ｂを両方とも測定対象物１９に溶接等した後に、図１及び図３に示すようなくびれ部２０を予め有する薄肉部１７を、更に、一部切断分離するようにしても良い。これにより、溶着部１２Ａ，１２Ｂに対する剪断応力を更に低下させ、薄肉部１７やくびれ部２０等によるフレキシビリティをより完全にすることも可能である。

本発明者等は、座屈防止手段としての他の様々な可能性につき検討してみた。例えば、図４（ａ）に示すように、ＦＢＧ１１１部分を管状の座屈防止スリーブ７０で覆うことも考えてみた。そして、ある程度の座屈防止効果は得られたが、上記実施例のように、機械的にプリテンションを与える方がより有効に座屈を防止することができると認められた。また、機械的にプリテンションを与える手段として、例えば、図４（ｂ）に示すように、光ファイバ式ひずみゲージを作製後、ゲージベース１０を測定対象物１９に接着・固定した上で、光ファイバ１１の一端をプーリ４２を介して台４４に固定し、一方、光ファイバ１１の他端をプーリ４６を介しておもり４８に固定し、おもり４８に作用する重力を利用して、光ファイバ１１（ＦＢＧ１１１）にプリテンションを与えることも考えてみた。プリテンションを与えるという目的では、上記実施例と同様の効果は得られたが、実験室等では別論、現場での作業性という点では、上記実施例の方がはるかに優れていることが容易に判明した。

以上、本発明について実施の形態をもとに説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更することができる。例えば、上記実施形態では、プリテンション治具の取付部を（貫通）孔２２Ａ，２２Ｂとして形成したが、プリテンション治具のピン部を挿入して取り付けられるものであれば非貫通孔でも良く、更に、プリテンション治具側に貫通又は非貫通孔を設け、ゲージベース１０には、プリテンション治具の取付部をピン或いは突起として形成しても良い。

また、例えば、くびれ部２０や段差部１６Ａ，１６Ｂに区画された薄肉部１７及び厚肉部１８Ａ，１８Ｂは形成されていなくてもよい。但し、これらが形成されていれば、測定対象物１９のひずみに伴ってゲージベース１０が変形しやすくなるので、より精度の高いひずみ量の計測を行うことができる。

また、本明細書において光ファイバ１１の軸方向と直交する方向とは、光ファイバ１１の軸方向と厳密な意味で直角に交わる方向のみを指すのではない。すなわち、測定対象物１９で発生したひずみに伴う内力がゲージベース１０に発生しない角度内であれば、光ファイバ１１の軸方向と直角に近い角度で交わる方向も含まれる。

更に、本実施の形態においては、ゲージベース１０には連続的な第１及び第２の溝１４，１５を形成しているが、本発明において溝数は本実施の形態に限定されるものではない。すなわち、空隙部１３を介して他の連続的に形成された溝を更に設け、光ファイバ１１を複数本配置するようにしてもよい。

本発明の一実施の形態である光ファイバ式ひずみゲージを示す平面図である。図１の光ファイバ式ひずみゲージをプリテンション治具とともに示す断面図である。図１の光ファイバ式ひずみゲージをプリテンション治具とともに示す平面図である。座屈防止手段の他の例を示す図であり、（ａ）は、座屈防止スリーブを用いる例、（ｂ）は、おもりを利用してプリテンションを与える例をそれぞれ示す。

符号の説明

１０ゲージベース１１光ファイバ１２Ａ，１２Ｂ溶着部１３空隙部
１４第１の溝１５第２の溝１６Ａ，１６Ｂ段差部１７薄肉部
１８Ａ，１８Ｂ厚肉部１９測定対象物２０くびれ部Ｇ間隔
Ｌ固着部間距離１１１ＦＢＧ２２Ａ，２２Ｂ孔５０プリテンション治具
５２治具本体５４テンション調整棒５４Ａつまみ部５６押圧力調整部
５８Ａ，５８Ｂ押圧部５８ａ，５８ｂ仮固定部
５８ａ１，５８ａ２仮固定用ピン５８ｂ１，５８ｂ２仮固定用ピン

Claims

空隙部が形成されたゲージベースと、前記ゲージベースの一方面において前記空隙部を介して連続的に形成された第１及び第２の溝と、前記第１及び第２の溝に固定されて延びる光ファイバと、該光ファイバの前記空隙部内に位置する部分に形成されたブラッグ回折格子から成るセンシング素子と、前記ゲージベースと測定対象物とを固定する固定手段により前記光ファイバ及び前記センシング素子の軸方向と直交する方向に沿って固着力を加えられる溶着部とを有することを特徴とする光ファイバ式ひずみゲージ。
請求項１記載の光ファイバ式ひずみゲージにおいて、更に、前記光ファイバ及び前記センシング素子の軸方向と直交する方向に延びて前記空隙部の両側に形成された段差部により前記ゲージベースに区画形成され、前記空隙部の周囲に位置する薄肉部と、該薄肉部より厚さの厚い厚肉部とを有することを特徴とする光ファイバ式ひずみゲージ。
請求項２記載の光ファイバ式ひずみゲージにおいて、更に、前記ゲージベースの前記薄肉部に形成されたくびれ部を有することを特徴とする光ファイバ式ひずみゲージ。
請求項１乃至３記載の光ファイバ式ひずみゲージにおいて、前記ゲージベースは、第１の線膨張係数を有する材料から成り、該光ファイバ式ひずみゲージは、第２の線膨張係数を有する材料から成る前記測定対象物に固定され、前記第１の線膨張係数と前記第２の線膨張係数の差を利用して温度補償を行うものであることを特徴とする光ファイバ式ひずみゲージ。
請求項１乃至４記載の光ファイバ式ひずみゲージは、前記センシング素子に予め引張力を付与した状態で用いられることを特徴とする光ファイバ式ひずみゲージ。
請求項５記載の前記センシング素子に予め引張力を付与するためのプリテンション装置であって、前記光ファイバ式ひずみゲージに装着するための装着手段と、前記センシング素子に引張力を付与するためのテンション付与手段と、該テンション付与手段により付与される引張力を調整するための調整手段とを有することを特徴とするプリテンション装置。
請求項６記載のプリテンション装置を用いて前記センシング素子に予め引張力を付与した状態で用いられる光ファイバ式ひずみゲージであって、前記ゲージベースの一方面に前記プリテンション装置を取り付けるための取付部を有していることを特徴とする光ファイバ式ひずみゲージ。