JP2007139693A

JP2007139693A - 設定ひずみ告知型目視光ひずみ計

Info

Publication number: JP2007139693A
Application number: JP2005336802A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kanai; 誠金井; Isamu Osawa; 勇大澤
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2007-06-07

Abstract

【課題】装置コストが低く、極めて簡単な測定作業により被測定部材のひずみを測定できる設定ひずみ告知型目視光ひずみ計を提供する。
【解決手段】基材１０の長手方向の両端を、構造物の壁面等の被測定個所に固定し、光ファイバー１２中にレーザ光等の光を導入する。この状態で、被測定個所にひずみが発生すると、この被測定個所に固定された基材１０にひずみが伝達される。基材１０には切り欠き部１６及び円孔部１８が形成されているので、応力集中が起き、全体のひずみが円孔部１８で挟まれた部分に集中する。このため、円孔部１８で挟まれた部分が伸張する。この結果、基材１０の円孔部１８で挟まれた部分に接着されている光ファイバー１２にもひずみが生じ、破断ひずみを越えると破断される。光ファイバー１２が破断されると、その中に導入されたレーザ光が散乱し、ひずみが生じたことを観察者に告知できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定部材に生じたひずみを測定するための光ひずみ計、特に予め設定したひずみが生じたことを目視で確認できる設定ひずみ告知型目視光ひずみ計に関する。

従来より、光ファイバーを使用したひずみ計が種々提案されている。これは、光ファイバーにレーザ光を通したときに生じる散乱光（ブリルアン散乱光）の周波数が、ひずみの大きさに比例して変化することを利用して、被測定物に生じたひずみを測定するものである。

しかし、このような光ファイバーを使用したひずみ測定装置は、一般に高価であった。そこで、下記特許文献１には、通信用の安価な光ファイバーを使用し、光ファイバー内を透過した透過光を測定し、あるいは入射光に対する透過光の強度比を測定することにより、被測定部材・構造物の損傷エリアを簡易に特定する損傷検知用光ファイバーが開示されている。
特開２００２−４８６７６号公報

しかし、上記従来の技術においては、透過光あるいは入射光に対する透過光の強度比を測定する装置が必要であり、装置コストが高くなるとともに、測定作業の煩雑さを十分に解消できていないという問題があった。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、装置コストが低く、極めて簡単な測定作業により被測定部材のひずみを測定できる設定ひずみ告知型目視光ひずみ計を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、設定ひずみ告知型目視光ひずみ計であって、板状の基材と、前記基材の表面上に接着された光ファイバーと、前記光ファイバーの近傍に少なくとも一つ形成され、前記基材に外力が作用した場合に応力集中を生じさせる応力集中構造と、を備え、前記基材のひずみ値が設定値以上となると前記光ファイバーが破断し、破断部分で発光することを特徴とする。

また、上記設定ひずみ告知型目視光ひずみ計において、前記応力集中構造が、前記基材の端部から前記光ファイバーの近傍まで、少なくとも一つ形成された切り欠き部であることを特徴とする。

ここで、上記切り欠き部の、前記光ファイバーの近傍側端部には、円孔部が形成されていてもよい。

また、上記応力集中構造は、前記光ファイバーに対して対称の位置に２つ形成されていてもよい。

また、上記光ファイバーには、可視光が導入されていることを特徴とする。この可視光は、ひずみの検査時のみ導入してもよい。

以上の構成により、予め設定した大きさのひずみが生じたことを、観察者が目視で確認することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、本発明にかかる設定ひずみ告知型目視光ひずみ計の構成例が示される。図１において、鉄等の金属で矩形板状に形成された基材１０の表面には、光ファイバー１２が、所定長さだけ適宜な接着剤１４により接着されている。この光ファイバー１２は、ひずみの測定場所に応じて必要な長さを確保され、上記所定長さ基材１０に接着されている。また、基材１０には、その両端部から上記接着された光ファイバー１２に向かって２つの切り欠き部１６が形成されている。また、切り欠き部１６の、上記光ファイバー１２の近傍側端部には、円孔部１８が形成されている。なお、上記基材１０の形状は、矩形に限らず、楕円形、円形、多角形等使用場所に応じて適宜決定できる。また、切り欠き部１６は、基材１０に外力が作用した場合に応力集中を生じさせる構造であればその形状は限定されない。例えば、光ファイバー１２の近傍に円形、矩形等の貫通孔を形成してもよい。これらの基材１０に応力集中を生じさせる構造が、本発明の応力集中構造に相当する。

図１に示された設定ひずみ告知型目視光ひずみ計は、基材１０の長手方向の両端を、構造物の壁面等のひずみを測定したい個所（以後、被測定個所という）に固定し、光ファイバー１２中にレーザ光等の可視光を導入する。この状態で、地震等により被測定個所にひずみが発生すると、この被測定個所に固定された基材１０にひずみが伝達される。このとき、基材１０の全体にひずみが発生するが、図１に示されるように、基材１０には切り欠き部１６が形成されているので応力集中が起き、全体のひずみが円孔部１８で挟まれた部分に集中する。従って、上記ひずみが基材１０の長手方向に生じた場合、基材１０の円孔部１８で挟まれた部分が伸張する。このため、基材１０の円孔部１８で挟まれた部分に接着されている光ファイバー１２にもひずみが生じ、破断ひずみを越えると破断される。上述したように、光ファイバー１２中にはレーザ光等の可視光が導入されているので、破断個所で光が散乱し、ひずみが生じたことを観察者に告知することができる。そこで、基材１０、切り欠き部１６及び円孔部１８を、所望のひずみが生じたときに、円孔部１８で挟まれた部分が光ファイバー１２の破断ひずみを越えるまで伸張するように構成しておけば、観察者が光ファイバー１２の破断個所から散乱する光を目視で観察することにより、予め設定したひずみが被測定個所に発生したことを確認することができる。

なお、光ファイバー１２には、常時可視光を導入していてもよいし、ひずみの検査時のみ可視光を導入してもよい。

本実施形態にかかる設定ひずみ告知型目視光ひずみ計においては、基材１０の長手方向の長さを調節することで計測したいひずみ値を設定することができる。以下に、ひずみ値の設定方法を説明する。

まず、光ファイバー１２の引張強度試験を行う。この引張強度試験は、引張試験機により光ファイバー１２を引っ張り、破断したときのひずみを測定することにより行う。引張試験機としては、電子式万能試験機ＣＡＴＹ（米倉製作所製）を使用した。また、ひずみの計測は、ＭＴＳ社製Ｅｘｔｅｎｓｏｍｅｔｅｒを使用した。

図２には、光ファイバー１２としてのポリイミド被覆のシングルモードファイバー（４．２μＳＭＦ・ＰＩ／１２５／１５０東京特殊電線株式会社製）の引張試験結果が示される。図２において、縦軸には光ファイバー１２にかかる荷重が示され、横軸には光ファイバー１２のひずみが示される。図２からわかるように、光ファイバー１２のひずみは、荷重の増加とともに直線的に上昇し、ひずみが５．３％に達したときに破断した。また、このときの荷重は６．４ｋｇｆ（６２．７Ｎ）であった。なお、この結果は、使用する光ファイバー１２の種類等により変動するので、光ファイバー１２毎に決定することが必要である。

次に、基材１０の引張試験を行う。この引張試験は、図１に示される基材１０を引張試験片として、その長手方向に引張試験機により引っ張り、試験片に生じるひずみを測定することにより行う。ひずみの測定位置は、二つの円孔部１８により挟まれた基材１０の中央である。試験片に生じるひずみの大きさはひずみゲージを貼付して測定した。

図３は、上記基材１０の引張試験の説明図である。図３において、引張試験片である基材１０には、その長手方向の中心軸に向かって２つの切り欠き部１６が形成されている。この切り欠き部１６の幅は１ｍｍとした。また、切り欠き部１６の上記中心軸側の端部には、円孔部１８が形成されている。この円孔部１８の直径は５ｍｍとした。このような基材１０の長手方向の両端部側を、引張試験機のグリップ２０により把持させ、引っ張り力を作用させた。その際、上述したように、基材１０の中央にひずみゲージ２２を貼付し、その位置におけるひずみの大きさを測定した。ここで、基材１０をグリップ２０が把持する間隔Ｌは、５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍの３種類とした。

なお、上記引張試験機としては、島津サーボパルサーＭＯＤＥＬＥＨＦ−ＵＢＳ−２０Ｌ５ｔｆを使用した。基材１０を固定するグリップ２０は、ＭＴＳ社製油圧くさびグリップ６４７を使用した。引張試験は、変位制御で行い、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／分で実施した。計測項目は、荷重、グリップ２０間の変位、ひずみである。ひずみゲージ２２は、大ひずみ用ゲージＫＦＥＬ−２−１２０−Ｃ１（最大ひずみ約１５％、共和電業株式会社製）を使用した。基材１０の伸びは、上下の把持位置間の変位を、変位変換器ＤＴ−１０Ｄ（共和電業株式会社製）を使用し計測した。

図４には、上記引張試験の結果が示される。図４において、縦軸は基材１０の総ひずみ値であり、グリップ２０間の変位をひずみ値に変換した値である。被測定個所に生じるひずみは、この総ひずみに等しくなる。また、横軸は基材１０の中央部のひずみ値であり、基材１０の中央に貼ったひずみゲージ２２の値である。

図４に示されるように、中央部ひずみが同じ場合、総ひずみ値は、グリップ２０が把持する間隔Ｌを１５０ｍｍとしたときに最も小さく、以降１００ｍｍ、５０ｍｍの順に総ひずみ値が大きくなっている。

また、図４の縦軸に示される総ひずみ値と、横軸に示される中央部ひずみ値とを比較すると、上記間隔Ｌが何れの場合にも中央部のひずみ値の方が大きくなっている。これにより、基材１０に生じるひずみは、その中央部すなわち円孔部１８の近傍に集中していることがわかる。

図１に示されるように、本実施形態の設定ひずみ告知型目視光ひずみ計では、光ファイバー１２が基材１０に形成された円孔部１８で挟まれた部分を通過して基材１０に接着されている。図２に示される結果から、光ファイバー１２が破断するひずみが５．３％とすると、図４の横軸に示される中央部ひずみがこの値になったときに光ファイバー１２が破断することになる。また、上述したように、一定の中央部ひずみが発生する場合の総ひずみ値は、上記間隔Ｌにより制御することができる。これより、光ファイバー１２が破断する際の総ひずみ値は、上記間隔Ｌの値によって制御できることがわかる。なお、被測定個所に設定ひずみ告知型目視光ひずみ計を固定する場合には、長手方向の長さが上記Ｌに等しい基材１０を使用すればよい。このように、基材１０の長手方向の長さを調節することにより、計測したいひずみ（総ひずみ値）を所望の値に設定することができる。

以上より、図４に示された結果等に基づき、基材１０の長手方向の長さを適宜調整すれば、所望のひずみが基材１０にかかったことを、光ファイバー１２が破断して発生する散乱光によって目視で観察することができる。

図５には、本発明にかかる設定ひずみ告知型目視光ひずみ計の変形例が示され、図１と同一要素には同一符号を付している。図５において、基材１０には、その両端部から基材１０に接着された光ファイバー１２に向かって２つの切り欠き部１６が形成されているが、円孔部１８は形成されていない。本発明の原理は、基材１０にひずみが生じたときに、切り欠き部１６または円孔部１８の近傍に応力が集中し、その部分でひずみが増幅されて光ファイバー１２を破断させ、散乱光を発生させるということである。材料力学の原理から、円孔部１８を形成しなくても切り欠き部１６の近傍に応力を集中させることができる。従って、図５に示されるように、円孔部１８を形成しなくても、図１に示された設定ひずみ告知型目視光ひずみ計と同様の効果を奏することができる。なお、この場合、基材１０の総ひずみ値と中央部のひずみ値との関係は、図４とは異なるので、適宜実験等によりそれらの関係を決定する。

図６、図７には、本発明にかかる設定ひずみ告知型目視光ひずみ計の他の変形例が示され、図１と同一要素には同一符号を付している。

図６に示された例では、基材１０の一方の端部から、基材１０に接着された光ファイバー１２に向かって切り欠き部１６が一つ形成されている。また、切り欠き部１６の上記光ファイバー１２の近傍側端部には、円孔部１８が形成されている。

また、図７に示された例では、基材１０の一方の端部から、基材１０に接着された光ファイバー１２に向かって切り欠き部１６が一つ形成されているが、円孔部１８は形成されていない。

上記図６及び図７の例では、切り欠き部１６及び／または円孔部１８が光ファイバー１２の一方側にのみ形成されているが、切り欠き部１６の端部または円孔部１８の近傍に応力が集中する点では、図１及び図５の例と共通している。従って、図６及び図７に示された設定ひずみ告知型目視光ひずみ計においても、図１及び図５に示された設定ひずみ告知型目視光ひずみ計と同様の効果を奏することができる。なお、この場合にも、基材１０の総ひずみ値と中央部のひずみ値との関係は、図４とは異なるので、適宜実験等によりそれらの関係を決定する。

以下に、本実施形態の具体例１８を実施例として説明する。なお、本発明は、本実施例に限定されるものではない。

矩形状の冷間圧延鋼板（ＳＳ４００相当、鋼板幅２０ｍｍ、厚さ２ｍｍ、長手方向長さ１００ｍｍ）を基材１０とし、その表面に光ファイバー１２としてポリイミド被覆のシングルモードファイバー（４．２μＳＭＦ・ＰＩ／１２５／１５０東京特殊電線株式会社製）を接着した。また、基材１０の両端部から幅１ｍｍの切り欠き部１６を形成し、その光ファイバー１２側の端部に直径５ｍｍの円孔部１８を形成して、本実施例の設定ひずみ告知型目視光ひずみ計とした。

上記光ファイバー１２には、一方の端から赤色光源を入射した。光源には、ペン型ＬＤ可視光源（株式会社三喜製）を使用し、光コネクターを接続して入射した。光ファイバー１２を基材１０へ接着する接着剤は、アラルダイト（チバガイギー社製）を使用した。円孔部１８付近の光ファイバー１２は、約３ｍｍの長さでポリイミド被覆を除去して接着した。

上記設定ひずみ告知型目視光ひずみ計を二つ準備し、引張試験機である島津サーボパルサーＭＯＤＥＬＥＨＦ−ＵＢＳ−２０Ｌにより長手方向に引っ張って基材１０にひずみを生じさせた。その際の総ひずみと基材１０にかかる荷重を測定した。なお、光ファイバー１２から光が発生した時点で試験を終了させた。

図８には、上記測定結果が示される。図８において、縦軸には基材１０にかかる荷重が、横軸には総ひずみが示されている。図８に示されるように、２本の試験片でほぼ同じ総ひずみで光が発生した。この結果、設定したひずみで確実に光ファイバー１２が破断され、散乱光が発生することがわかる。従って、本実施例の設定ひずみ告知型目視光ひずみ計は、設定したひずみが被測定個所に発生したことを確実に告知できることがわかる。

また、一旦光ファイバー１２が破断されると、被測定個所のひずみがもとの小さい値に戻っても、散乱光が発生し続けるので、ひずみが生じたとの告知を維持することができる。

本発明にかかる設定ひずみ告知型目視光ひずみ計の構成例を示す図である。光ファイバーの引張試験結果を示す図である。基材の引張試験の説明図である。基材の引張試験の結果を示す図である。本発明にかかる設定ひずみ告知型目視光ひずみ計の変形例を示す図である。本発明にかかる設定ひずみ告知型目視光ひずみ計の他の変形例を示す図である。本発明にかかる設定ひずみ告知型目視光ひずみ計の他の変形例を示す図である。実施例における設定ひずみ告知型目視光ひずみ計の引張試験の結果を示す図である。

符号の説明

１０基材、１２光ファイバー、１４接着剤、１６切り欠き部、１８円孔部、２０グリップ、２２ひずみゲージ。

Claims

板状の基材と、
前記基材の表面上に接着された光ファイバーと、
前記光ファイバーの近傍に少なくとも一つ形成され、前記基材に外力が作用した場合に応力集中を生じさせる応力集中構造と、
を備え、前記基材のひずみ値が設定値以上となると前記光ファイバーが破断し、破断部分で発光することを特徴とする設定ひずみ告知型目視光ひずみ計。
請求項１記載の設定ひずみ告知型目視光ひずみ計において、前記応力集中構造が、前記基材の端部から前記光ファイバーの近傍まで、少なくとも一つ形成された切り欠き部であることを特徴とする設定ひずみ告知型目視光ひずみ計。
請求項２記載の設定ひずみ告知型目視光ひずみ計において、前記切り欠き部の、前記光ファイバーの近傍側端部に円孔部が形成されていることを特徴とする設定ひずみ告知型目視光ひずみ計。
請求項１から請求項３のいずれか一項記載の設定ひずみ告知型目視光ひずみ計において、前記応力集中構造は、前記光ファイバーに対して対称の位置に２つ形成されていることを特徴とする設定ひずみ告知型目視光ひずみ計。
請求項１から請求項４のいずれか一項記載の設定ひずみ告知型目視光ひずみ計において、前記光ファイバーには、可視光が導入されていることを特徴とする設定ひずみ告知型目視光ひずみ計。
請求項５記載の設定ひずみ告知型目視光ひずみ計において、前記光ファイバーには、ひずみの検査時のみ可視光が導入されることを特徴とする設定ひずみ告知型目視光ひずみ計。