JP2005315806A - 振動計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、ＡＥセンサや加速時計やジオホーンを用いる必要がなく、しかも、地下水圧のような外圧が存在しても振動計測が可能な振動計測装置を提供することである。
【解決手段】 光源からコヒーレント光を光ファイバ２０に送る。光ファイバ２０に形成された湾曲部２１を通過したコヒーレント光（信号光）は、測定器に送られる。測定器は、信号光と参照光とに基づいて、信号光における波長変動を計測し、波長の変動量に基づいて振動を測定する。
保護部３０の保護体３１により、湾曲部２１を外圧から保護することができる。したがって、地下水圧のような外圧が存在する環境化でも、正確な振動計測が可能である。
さらに、保護体３１の外側に延びる光ファイバ２０を保護管３２で保護しているので、地下水圧などの外圧が存在する環境下でも、光ファイバ２０がつぶれることなく、したがって、正確な振動測定が可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光ファイバ中を伝搬するコヒーレント光を利用した振動計測装置に関するものである。

岩盤や地盤における微小な破壊音を検出するために、セラミック圧電素子型のセンサ（以下「ＡＥセンサ」という）を用いた振動計測装置が用いられている。この装置の一例を図１に示す。

この装置は、測定器１と、プリアンプ電源２と、プリアンプ３と、ＡＥセンサ４とから構成されている。プリアンプ電源２と測定器１とは、ＡＥセンサからの出力を伝達する信号線５により接続されている。プリアンプ電源２には、給電用配線６により、測定器１から直流の電力が供給されている。

ＡＥセンサ４に圧力が加わると、圧力が電気信号に変換される。この電気信号は、プリアンプ３で増幅され、測定器１に送られる。電気信号（例えば電圧値または電流値）の変動を測定器１により検出することにより、ＡＥセンサ４に加わった圧力の変動を測定できる。

このような従来の装置には、以下に示すような問題がある。
（１）ＡＥセンサは固有の共振周波数を持つ。すると、共振周波数周辺の振動に対しては、それ以外の帯域の振動よりも高感度となる。したがって、従来の装置では、ＡＥセンサ固有の周波数特性により、計測結果が左右される。
（２）信号の減衰を考慮すると、信号線の延長距離Ｌ_１（図１参照）は、５００ｍ程度が限度である。したがって、離間した位置での振動計測は困難である。また、離間地を含む多点での振動計測を行うときには、複数の測定器を用意する必要がある。
（３）信号線としては、一般に、同軸ケーブルが用いられる。信号線は、電気信号を伝達しているため、経路上に存在する外乱により電気ノイズが信号線に入ってしまう。すると、計測精度が劣化するという問題がある。
（４）侵入する電気ノイズを防いだり除去するためには、多くの時間やコストを要する。（５）計測システムが複雑となり、その設置、操作、ノイズ対策などの作業に専門技術者が必要となる。
（６）ＡＥセンサが高価であるだけでなく、装置が複雑なので、全体として高価である。

一方、ＡＥセンサを用いない振動計測装置として、下記特許文献１に記載の技術が存在する。
国際公開WO03/002956公報

この技術は、光ファイバに湾曲部を形成しておき、この湾曲部を通過したコヒーレント光の、光としての周波数変化に基づいて、湾曲部に加わった振動（変位速度）を検出できるようになっている。

しかしながら、特許文献１記載の技術を岩盤内や地下深部において使用すると、地下水圧によって、光ファイバが径方向につぶれてしまうことがある。すると、伝搬できる光の量が減少し、ＳＮ比が著しく劣化するおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ＡＥセンサを用いる必要がなく、しかも、地下水圧のような外圧が存在しても振動計測が可能な振動計測装置を提供することを目的としている。

本発明に係る振動計測装置は、光源と、光ファイバと、保護部と、測定器とを備えている。前記光源は、コヒーレント光を前記光ファイバに入射する構成となっている。前記光ファイバは、前記コヒーレント光が通過する湾曲部を有している。前記保護部は、前記湾曲部を覆う保護体を備えている。前記保護体は、前記保護体への外圧に対する耐圧性を有している。前記測定器は、前記湾曲部を通過した前記コヒーレント光（以後「信号光」という）と、前記湾曲部を通過しない前記コヒーレント光（以後「参照光」という）とに基づいて、前記信号光の波長の変化を検出する構成となっている。

前記保護体は、前記湾曲部を実質的に全て覆う密封容器と、この密封容器の内部に充填された充填材とを備えていてもよい。

前記湾曲部は、前記密封容器の内面に接触して取り付けられていてもよい。

前記保護部は、さらに保護管を備えていてもよい。前記保護管は、前記保護体からその外部に延びる前記光ファイバの周囲を覆っている。さらに、前記保護管は、前記保護管への外圧に対する耐圧性を有している。

前記保護管は、径方向への圧力に対する耐圧性を有し、かつ、長さ方向において屈曲可能な柔軟性を有していてもよい。

前記保護体は、前記湾曲部を覆った状態において水密または気密に構成されていることが好ましい。

前記保護管は、前記湾曲部を覆った状態において水密または気密に構成されていることが好ましい。

本発明の計測装置は、ＡＥセンサを用いずに、振動計測が可能である。さらに、この装置では、地下水圧のような外圧が存在しても、振動計測が可能である。

（第１実施形態の構成）
以下、本発明の第１実施形態に係る振動計測装置を、図２〜図５を参照して説明する。この振動計測装置は、光源１０と、光ファイバ２０と、保護部３０（図３参照）と、測定器４０とを備えている。

光源１０は、コヒーレント光を光ファイバ２０に入射する構成となっている。このような光源１０は、例えばレーザ装置を用いて構成することができる。

光ファイバ２０は、光源から入力されたコヒーレント光が通過する湾曲部２１を有している。湾曲部２１は、光ファイバ２０を湾曲（周回を含む）させることにより形成されている。

この実施形態では、湾曲部２１を有する光ファイバ２０が複数配置されており、多チャンネルでの測定が可能となっている。各チャンネルを構成する光ファイバ２０の構成はいずれも同様なので、この明細書では各光ファイバに同じ符号を付し、一つの光ファイバ２０の構成について説明する。

測定器４０は、湾曲部２１を通過したコヒーレント光（信号光）と、湾曲部２１を通過しないコヒーレント光（参照光）とに基づいて、信号光の波長の変化を検出する構成となっている。参照光に対する信号光の波長（光としての波長）の変化は、湾曲部２１に加えられた振動（変位速度）に対応している。

参照光は、光ファイバ２０を適宜分岐させたり、他の光路を設けることにより、光源１０から測定器４０に送られる。

光源１０、光ファイバ２０および測定器４０の構成は、前記特許文献１記載のものと基本的に同様なので、これらについては、これ以上詳細な説明は省略する。

保護部３０は、保護体３１と保護管３２とを備えている（図３参照）。保護体３１は、密封容器３１１と充填材３１２とを備えている（図４参照）。

密封容器３１１は、本体３１１１と延出部３１１２とを備えている（図４参照）。本体３１１１は、両端面が閉鎖された円筒状に形成されている（図３および図４参照）。本体３１１１の底面には、湾曲部２１が、接着剤により接触状態で取り付けられている。この構成により、湾曲部２１が保護体３１の密封容器３１１によりほぼ完全に覆われたものとなっている。本体３１１１は、密封容器３１１の外部からそれ自身に作用する外圧（例えば地下水圧）に抗して湾曲部２１を保護できるだけの耐圧性を有している。密封容器３１１の材質としては、例えばステンレスである。密封容器３１は、湾曲部２１を水密および気密な状態で密封している。

本体３１１１の側面には、光ファイバ２０を本体３１１１の内部に導入するための開口が形成されている。延出部３１１２は、円筒状とされており、本体３１１１の側面に形成された開口から外側方向に延長されている（図４参照）。

充填材３１２は、密封容器３１１の内部に充填されている。充填材３１２の素材としては、湾曲部２１の上面を押さえてその移動を規制できるものであればよく、例えば、シリコーン（silicone）である。

保護管３２は、延出部３１１２に嵌め合わされており、延出部３１１２の外側方向に延長されている。保護管３２は、円筒状に形成されており、その内部に光ファイバ２０を相通させるようになっている。

保護管３２の材質としては、保護管３２への外圧に対する耐圧性を有しているものであればよく、例えばステンレスである。また、保護管３２としては、この実施形態では、光ファイバ２を水密および気密な状態で密封している。

（第１実施形態の動作）
つぎに、本実施形態に係る振動計測装置の動作について説明する。まず、光源１０からコヒーレント光を光ファイバに送る。湾曲部２１を通過したコヒーレント光（信号光）は、光ファイバ２０により測定器４０に送られる。測定器４０は、信号光と参照光とのビートに基づいて、信号光の光としての波長変動を計測し、波長の変動量に基づいて振動（変位速度）の大きさを測定する。この動作は、前記した特許文献１と基本的に同様である。なお、本実施形態では、保護体３１の密封容器３１１の底面に生じた振動（弾性変形）を湾曲部２１で検出していることになる。

しかしながら、特許文献１記載の技術では、岩盤内や深い地中に湾曲部２１を配置すると、湾曲部２１が地下水圧などの外圧でつぶれてしまい、光の通過量が減ってＳＮ比が劣化し、測定精度が悪くなるおそれがあった。

これに対して、本実施形態の装置では、保護部３０の保護体３１により湾曲部２１を外圧から保護しているので、外圧が存在する環境化でも、正確な振動計測が可能であるという利点がある。

さらに、本実施形態の装置では、保護体３１の外側に延びる光ファイバ２０を保護管３２で保護しているので、地下水圧などの外圧が存在する環境下でも、光ファイバ２０がつぶれにくく、したがって、正確な振動測定が可能となる。

図５に、本実施形態の装置の使用例を示す。この図に示されるように、光ファイバ２０の湾曲部２１（図５中には図示せず）を内部に収納した複数の保護部３０を、岩盤内に形成したボーリング孔５０の内部に配置し、セメントミルク５１を充填する。これにより、岩盤内の振動を多チャンネルで計測することができる。

第１実施形態の装置によれば、さらに、次のような利点を発揮できる。
（１）ＡＥセンサと異なり、共振を用いていないので、広い周波数帯域での振動計測が可能である。したがって、振動の原波形に近い波形を観測することができ、例えば岩盤評価の信頼性を向上させることができる。
（２）光ファイバは低損失であるため、光信号を遠距離まで伝送することができる。伝送距離Ｌ_２（図２参照）として、例えば、数十ｋｍが可能であると考えられる。したがって、広範囲にわたる振動の監視が可能となる。
（３）光ファイバ中を伝搬する信号は光を搬送波としている。このため、作業現場で発生した電源ノイズや、経路中で発生した雷などの外乱の影響を受けにくく、この点からも高い測定精度を達成することが可能となる。
（４）ＡＥセンサを用いた装置の場合は、電気ノイズの処理や対策に費やす時間や費用が大きい。これに対して、本実施形態の装置では、（３）の利点に起因して、このような時間や費用を削減できる。
（５）ＡＥセンサを用いた装置に比較して、装置全体としての構成を簡便にすることができる。
（６）光ファイバの湾曲部（センサとして機能する部分）は、光ファイバを湾曲ないし周回させるだけで形成できる。したがって、ＡＥセンサと比較して、センサ部分の費用も安価となり、振動計測を経済的に行うことができる。
（７）光ファイバの湾曲部を用いた振動計測においては、広い周波数帯域での振動を計測することができる。したがって、第１実施形態の装置によれば、従来のＡＥセンサでは検出困難な低周波の振動をも検出することができる。したがって、本実施形態の装置を、従来のジオホーンや加速度計に替えて、マイクロサイスミシティの用途に用いることもできる。
（８）保護体３１を水密および気密に構成したので、気体や液体による湾曲部２１への浸食を防止することができる。このため、装置の湾曲部２１部分の寿命を向上させることができる。同様に、光ファイバ２を保護管３２で水密および気密に密封することにより、光ファイバ２の寿命を向上させることができる。

（第２実施形態）
つぎに、本発明の第２実施形態に係る振動計測装置を図６および図７に基づいて説明する。この実施形態においては、密封容器３１１を構成する延出部３１１２が、本体３１１１の端面（図６において上面）から外側方向に延長されている（図７参照）。保護管３２は、延出部３１１２に対して、かしめることによって接続されている（図７参照）。

図８に、本実施形態の装置の使用例を示す。この図に示されるように、光ファイバ２０の湾曲部２１（図８中には図示せず）を内部に収納した複数の保護部３０を、岩盤の壁面内に埋設する。光ファイバ２０は、岩盤の表面から外部に取り出される。これにより、岩盤壁面内の振動を多チャンネルで計測することができる。

第２実施形態の装置における他の構成および利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、詳細についての説明を省略する。

（第３実施形態）
つぎに、本発明の第３実施形態に係る振動計測装置を図９に基づいて説明する。この実施形態においては、保護管３２の材質として、径方向への圧力に対する耐圧性を有し、かつ、屈曲可能な柔軟性を有しているものが用いられている。そのような材質としては、例えば、シンフレックス（商品名）やインコロイ（商品名）がある。

また、第３実施形態では、保護管３２と密封容器３１１とは、接続管３１３を介して接続されている。保護管３２と接続管３１３とは、かしめることによって連結されている。また、接続貫３１３と密封容器３１１の延出部３１１２とは、テーパねじにより連結されている。

さらに、第３実施形態では、密封容器３１１の本体３１１１の上面が開口されており、この部分に蓋体３１１３がねじ込まれている。本体３１１１と蓋体３１１３との間には、水密性を保つためのＯリング３１１４が取り付けられている。また、水密および気密を保つためには、本体３１１１と蓋体３１１３とは溶接されていても良い。

第３実施形態の装置によれば、保護管３２が屈曲可能なので、湾曲部２１を必要な箇所に設置する作業が容易となるという利点がある。

第３実施形態の装置における他の構成および利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、詳細についての説明を省略する。

（第４実施形態）
つぎに、本発明の第４実施形態に係る振動計測装置を、図１０に基づいて説明する。前記した各実施形態においては、図２に示されるように、各湾曲部２１を通過した光を個別に測定器４０に戻すという多チャンネル構成となっている。これに対して、第４実施形態では、複数の湾曲部２１を縦列に接続した構成となっている。各湾曲部２１に、保護部３０が取り付けられている（図示せず）。このようにすると信号線の数が減るので、設置が容易となるという利点がある。

第４実施形態の装置における他の構成および利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、詳細についての説明を省略する。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得るものである。

ＡＥセンサを用いた従来の振動計測装置の概略的な構成を示す説明図である。 本発明の第１実施形態に係る振動計測装置の全体的な概略構成を示す説明図である。 本発明の第１実施形態における保護体および保護管を説明するための説明図である。 本発明の第１実施形態における保護体および保護管の横断面図である。 本発明の第１実施形態に係る振動計測装置の設置例を示す説明図である。 本発明の第２実施形態における保護体および保護管を説明するための説明図である。 図６の要部拡大断面図である。 本発明の第２実施形態に係る振動計測装置の設置例を示す説明図である。 本発明の第３実施形態における保護体および保護管を説明するための説明図である。 本発明の第４実施形態に係る振動計測装置の全体的な概略構成を示す説明図である。

符号の説明

１０ 光源
２０ 光ファイバ
２１ 湾曲部
３０ 保護部
３１１ 保護体
３１１１ 本体
３１１２ 延出部
３１１３ 蓋体
３１１４ Ｏリング
３１２ 充填材
３１３ 接続管
３２ 保護管
４０ 測定器
５０ ボーリング孔
５１ セメントミルク

Claims (7)

1. 光源と、光ファイバと、保護部と、測定器とを備えており、
   前記光源は、コヒーレント光を前記光ファイバに入射する構成となっており、
   前記光ファイバは、前記コヒーレント光が通過する湾曲部を有しており、
   前記保護部は、前記湾曲部を覆う保護体を備えており、前記保護体は、前記保護体への外圧に対する耐圧性を有しており、
   前記測定器は、前記湾曲部を通過した前記コヒーレント光（以後「信号光」という）と、前記湾曲部を通過しない前記コヒーレント光（以後「参照光」という）とに基づいて、前記信号光の波長の変化を検出する構成となっている
   ことを特徴とする振動計測装置。
2. 前記保護体は、前記湾曲部を実質的に全て覆う密封容器と、この密封容器の内部に充填された充填材とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の振動計測装置。
3. 前記湾曲部は、前記密封容器の内面に接触して取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の振動計測装置。
4. 前記保護部は、さらに保護管を備えており、前記保護管は、前記保護体からその外部に延びる前記光ファイバの周囲を覆っており、さらに、前記保護管は、前記保護管への外圧に対する耐圧性を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動計測装置。
5. 前記保護管は、径方向への圧力に対する耐圧性を有し、かつ、長さ方向において屈曲可能な柔軟性を有していることを特徴とする請求項４に記載の振動計測装置。
6. 前記保護体は、前記湾曲部を覆った状態において水密または気密に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動計測装置。
7. 前記保護管は、前記湾曲部を覆った状態において水密または気密に構成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の振動計測装置。
   

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