JP2007205741A - Ｆｂｇ光ファイバセンサを用いた変位測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】FBG方式（ファイバグレーティング方式）の光ファイバセンサで変位測定装置を構成することにより、１台の変位測定装置によって被測定物の傾斜角度のみならず、傾斜方向をも同時に計測することが可能な変位測定装置を提供する。
【解決手段】本発明は、変位測定装置であり、筐体と、筐体内部の天井面から吊下された吊り下げ部材と、吊り下げ部材に接続された錘と、錘を筐体側面の複数方向同一高さ位置から引張支持する複数本の錘引張支持材と、各錘引張支持材のひずみを計測する計測部と、 を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、FBG光ファイバセンサを用いた変位測定装置にかかり、特に地すべり斜面などの傾斜角度等の地盤傾斜を検知する変位測定装置に関するものである。

変位測定装置は地盤や構造物などの挙動変化による傾斜角度の変化量を計測する装置である。従来の変位測定装置は内部に錘を内蔵しており、筐体と錘の相対的な位置変化量を検知し変位測定装置の傾斜角度に変換するものである。
したがって、原理的に一軸方向のみの傾斜を計測する構造となっていた。
このため、例えば同時に二軸方向以上の傾斜を計測したい場合には、計測必要とする軸方向毎に複数の変位測定装置を設置する必要があった。
特開２０００−９７６９３号公報 特開平０８−５３７３号公報 特開２００１−５０７４４号公報

かくして、本発明は前記従来の課題に対処すべく創案されたものであり、いわゆるFBG方式（ファイバグレーティング方式）の光ファイバセンサで変位測定装置を構成することにより、１台の変位測定装置によって被測定物の傾斜角度のみならず、傾斜方向をも同時に計測することが可能な変位測定装置の提供を目的とするものである。

本発明による変位測定装置は、
筐体と、
筐体内部の天井面から吊下された吊り下げ部材と、
前記吊り下げ部材に接続された錘と、
前記錘を筐体側面の複数方向同一高さ位置から引張支持する複数本の錘引張支持材と、
前記各錘引張支持材のひずみを計測する計測部と、
を有することを特徴とし、
または、
筐体と、
筐体内部の天井面から吊下された吊り下げ部材と、
前記吊り下げ部材に接続された錘と、
前記錘を筐体底面側部の少なくとも三方向位置から引張支持する少なくとも三本の錘引張支持材と、
前記各錘引張支持材のひずみを計測する計測部と、
を有することを特徴とし、
または、
前記計測部は、錘引張支持材のひずみを計測する検知器と、該検知器の計測信号を伝送する伝送部材と、を備えて構成し、
前記検知器は、FBGセンサを用いて構成されると共に、伝送部材は光ファイバケーブルを用いて構成された、
ことを特徴とし、
または、
前記錘引張支持材を、光ファイバケーブルで構成した、
ことを特徴とし、
または、
前記複数の錘引張支持材の配置は、１本の光ファイバケーブルを引き回して配置構成した、
ことを特徴とするものである。

本発明による変位測定装置であれば、１台の変位測定装置によって被測定物の傾斜角度のみならず、傾斜方向をも同時に計測することが可能となる。すなわち軸方向毎の変位測定装置設置が不要となり、コストを安価にして計測できるとの優れた効果を奏する。

以下、本発明を図に基づき説明する。
図１は、本発明による変位測定装置１の基本的構成を示す。本発明において、筒状をなす筐体２内に変位測定装置１が収納されており、例えば被測定物の上面部に筐体２の底面部１０が載置固定されて計測される。なお、筐体２の材質については何ら限定されないが、所定の剛性を必要とする観点から、鉄、アルミ等の金属部材で製作されることが好ましい。
筐体２内部天井面から吊下された吊り下げ部材３は、その下端に錘４を接続する。ここで吊り下げ部材３は、錘４の鉛直方向の張力を保持できるものであればその材質は問われない。但し長期にわたる耐久性を確保するためには、例えば針金、ピアノ線等の金属部材が好ましい。
また、吊り下げ部材３に接続された錘４は、上部に吊り下げ部材３との取り付け部を有し、側面又は下部において後述する錘引張支持材５との接続が可能であれば、形態材質を問わない。

次に図１から理解されるように前記錘４を引張支持するために、筐体２底面側部の四方向位置に錘引張支持材５・・・の一端が固設され、前記錘引張支持材５・・・の他端が前記錘４下部側面に接続されている。図１においては、四方向に四本の錘引張支持材５・・・を敷設しているが、錘引張支持材５の敷設は四方向四本に限定されるものではない。錘引張支持材５が複数方向に複数本敷設されていれば、本発明における変位測定装置１の機能は発揮され、被測定物の傾斜角度及び傾斜方向の同時測定は可能となるものである。但し計測値の精度を考慮すると錘引張支持材５を少なくとも三方向に三本敷設することが好ましく、四方向に四本敷設することは、より高い精度の計測を可能とするものである。

また、錘引張支持材５・・・の一端固設場所も、筐体２底面側部の四方向位置に限定されるものではない。すなわち筐体２側面であって同一高さ位置であれば、複数以上の方向に錘引張支持材５・・・の一端を固設することにより、本発明における変位測定装置１の機能は発揮され得る。

さらに、錘引張支持材５の材質については、柔軟性を有する弾性部材が好ましい。後述するように本発明の原理は
錘引張支持材５のひずみを計測し、被測定物の傾斜角度及び傾斜方向を算出するものだからである。図１においては、当該錘引張支持材５として光ファイバケーブル７を使用している。そして一本の光ファイバケーブル７を引き回して配置構成することにより、信号送信用の伝送部材を含んだ錘引張支持材５・・・が四方向に四本敷設されこととなる。この錘引張支持材５の敷設例につき述べると、該錘引張支持材５・・・は、まず一本の光ファイバケーブル７を筐体２底面部側面に穿設された一の貫通孔１７を介して外部から導入し、筐体２底面部側面四箇所及び錘４下部側面四箇所の部分で前記光ファイバケーブル７を固着することにより形成される。そして光ファイバケーブル７は四本の錘引張支持材５・・・を配置構成した後に他の貫通孔１７を介して外部へ導出される。

ここで光ファイバケーブル７の第一の固着部は導入された貫通孔１７近傍の筐体２底面部側面である。この固着については何ら限定されるものではなく、例えば接着剤、結束等の固着が考えられる。そして第二の固着部は、前記固着部と錘４の間で前記光ファイバケーブル７が張設されるように、錘４下部側面に設けられる。

次に第三の固着部は前記第二固着部１２と同じ高さであり、かつ前記第二固着部１２から錘４の軸心周りに90度回転させた位置に設ける。第二固着部１２と第三固着部１３の間にあっては、光ファイバケーブル７は弛みを持たせることが望ましい。そして第四の固着部は、筐体２の底面部側面であって第一固着部１１と同じ高さであり、かつ前記第一固着部１１から錘４の軸心周りに90度回転させた位置に設ける。ここでの固着は、第二の固着部と同様に第三固着部１３との間で前記光ファイバケーブル７が張設されるようになされるものである。以下同様に第五乃至第八の固着がなされ、四本の錘引張支持材５・・・が配置構成される。

次に、錘引張支持材５・・・のひずみを計測する計測部８は、ひずみを計測することができる検知器と該検知器の計測信号を伝送する伝送部材と、を備えて構成されるものである。ここで前記検知器は、ひずみを検出できるものであればどのようなものでも構わない。
つまり前記錘引張支持材５・・・に働く張力の変化を、各錘引張支持材５・・・のひずみ計測値から算出することが目的だからである。図１においては、各錘引張支持材５・・・を構成する光ファイバケーブル７の中にＦＢＧセンサ６を設置することにより、検知器を構成し、伝送部材として光ファイバケーブル７を用いている。

ここで本発明の計測原理を説明すると、図１の筐体２が水平面に載置されている場合には、各錘引張支持材５・・・に働く各張力は等しいものと考えられる。しかし載置面が傾斜すると筐体２も傾斜し錘４に働く重力の各錘引張支持材５・・・に与える分力が変化する。そうすると、各錘引張支持材５・・・に働く張力が変化する。ここで張力の変化によって生じるひずみは検知器よって計測できる。したがって計測された各ひずみ値から、各錘保持材５・・・に働く張力が算出されこの値から、筐体２の傾斜角および傾斜方向を求めることができるものである。

図２乃至図４は、計測原理を説明する説明図であって、傾斜した被測定物上の変位測定装置１の側面を図２が示し、同じく平面を図４が示す。図３は、錘４の鉛直線を含む一部断面図であり、錘４に働く重力Ｗと該Ｗの筐体底面部１０へ平行な分力Ｓの関係を示すものである。
ここで、錘４を支持する各錘引張支持材５・・・に発生する張力をＴ１〜Ｔ４とし、添え字の１〜４は図４で規定する方向を示すものとする。また錘引張支持材５に発生する張力Ｔiの筐体底面部１０へ平行な各四方向への分力をＰi、錘４に働く重力をＷ、錘４の重力の分力をＳとし、筐体２の傾斜角度をθ、回転角度をφ、錘引張支持材５と筐体底面部１０がなす角度をαとする。

図２乃至図４からは、被測定物の傾斜角度がθ°であり、傾斜方向は、P2の方向からP3の方向へφ°回転した方向であることが解る。
まず、錘４を支持する各錘引張支持材５・・・に発生する張力Ｔ１〜Ｔ４及び該張力の筐体底面部１０へ平行な各四方向への分力Ｐ１〜Ｐ４は、ひずみ検知器に発生するひずみε１、ε２、ε３、ε４、および光ファイバケーブル７の断面積Ａとその弾性係数Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４から、以下のように定まる。

次に、錘４に働く重力Ｗと錘４に働く重力の筐体底面部１０へ平行な分力Ｓとの関係及び上記Ｐiから以下のように、傾斜の方向φ傾斜角度θを算出することができる。

以上本実施例では、錘引張支持材５に光ファイバケーブル７を使用し、ひずみ検知器にＦＢＧセンサ６を使用しているが、本発明はこの形態に限定されるものではない。

例えば錘引張支持材５は、上記のようにひずみ量計測から張力変化導き出せることから、弾性体であればいかなる材質のものでも使用可能であることが理解できる。またひずみ検知器にＦＢＧセンサ６以外のものを使用しても、上記計測原理からは何等問題ないことが理解できる。図１における実施例の長所は、光ファイバケーブル７を引き回し構成することで、錘引張支持材５、計測部８を実現した点が挙げられる。したがって図１の実施例以外の実施に際しては、本発明の構成物をそれぞれ構成すればよい。またＦＢＧセンサ６以外のひずみ検知器を使用した場合には、計測信号を伝送するための伝送部材も別途必要となる。

図５は、本発明に係る変位測定装置１の使用例である地すべり斜面における防災監視の例を示す。

本発明の変位測定装置１を地すべりが予測される斜面に設置することにより、地盤内の地すべりによって引き起こされる斜面の傾斜角度及び傾斜方向の変化量が計測可能となり、災害を事前に予知することが可能となるものである。

本発明による概略構成を説明する構成説明図である。 本発明による計測原理を説明する説明図（その１）である。 本発明による計測原理を説明する説明図（その２）である。 本発明による計測原理を説明する説明図（その３）である。 本発明による実施例を説明する説明図である。

符号の説明

１ 変位測定装置
２ 筐体
３ 吊り下げ部材
４ 錘
５ 錘引張支持材
６ FBGセンサ
７ 光ファイバケーブル
８ 計測部
９ 筐体天井部
１０ 筐体底面部
１１ 第一固着部
１２ 第二固着部
１３ 第三固着部
１４ 第四固着部
１５ 第五固着部
１６ 第八固着部
１７ 貫通孔

Claims (5)

1. 筐体と、
   筐体内部の天井面から吊下された吊り下げ部材と、
   前記吊り下げ部材に接続された錘と、
   前記錘を筐体側面の複数方向同一高さ位置から引張支持する複数本の錘引張支持材と、
   前記各錘引張支持材のひずみを計測する計測部と、
   を有することを特徴とする変位測定装置。
   
2. 筐体と、
   筐体内部の天井面から吊下された吊り下げ部材と、
   前記吊り下げ部材に接続された錘と、
   前記錘を筐体底面側部の少なくとも三方向位置から引張支持する少なくとも三本の錘引張支持材と、
   前記各錘引張支持材のひずみを計測する計測部と、
   を有することを特徴とする変位測定装置。
   
3. 前記計測部は、錘引張支持材のひずみを計測する検知器と、該検知器の計測信号を伝送する伝送部材と、を備えて構成し、
   前記検知器は、FBGセンサを用いて構成されると共に、伝送部材は光ファイバケーブルを用いて構成された、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の変位測定装置。
   
4. 前記錘引張支持材を、光ファイバケーブルで構成した、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の変位測定装置。
   
5. 前記複数の錘引張支持材の配置は、１本の光ファイバケーブルを引き回して配置構成した、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項４記載の変位測定装置。
   

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