JP2007255894A

JP2007255894A - Ｆｂｇ式ひずみゲージ

Info

Publication number: JP2007255894A
Application number: JP2006076527A
Authority: JP
Inventors: Yoshitoshi Sueyoshi; 良敏末吉; Tei Sano; 禎佐野
Original assignee: Tokyo Sokki Kenkyujo Co Ltd
Current assignee: Tokyo Sokki Kenkyujo Co Ltd
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-10-04

Abstract

【課題】取り扱い及び製造が容易で、且つ、被測定物のひずみを精度良く測定できるようにした低コストのＦＢＧ式ひずみゲージを提供する。
【解決手段】被測定物Ｗに対する固定部３ａを有する金属パイプ３を備える。この金属パイプ３に光ファイバ１を挿入して、光ファイバ１に形成したＦＢＧ２を金属パイプ３内に収納する。次に、金属パイプ３内に、金属パイプ３と光ファイバ１とに対する接着性を持つ樹脂を充填して、ＦＢＧ２を埋め込んだ樹脂成形体４を形成する。樹脂として無機フィラーを混入したものを用い、樹脂成形体４の弾性率を大きくする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＦＢＧ(ファイバブラッグ回析格子)を形成した光ファイバを用いて被測定物のひずみを計測するＦＢＧ式ひずみゲージに関する。

ＦＢＧは、光ファイバ中を光波が伝播するとき、ＦＢＧの格子間隔に応じたブラッグ波長と呼ばれる特定の波長の光を反射する機能を持つ。そして、ＦＢＧに軸方向のひずみを生ずると、ひずみによる格子間隔の変化でブラッグ波長が変化する。そのため、ＦＢＧを形成した光ファイバを用いて橋梁等の被測定物のひずみを計測するＦＢＧ式ひずみゲージが従来知られている。

このようなＦＢＧ式ひずみゲージとして最も一般的なのは、光ファイバのＦＢＧの部分を接着剤で被測定物に直接貼り付ける方式のものである。然し、光ファイバは非常に細く且つ脆いため取り扱いにくく、ＦＢＧの押し付け時の押し付け圧が不均一になったり、接着層の厚さが不均一になりやすく、これらの不均一性に起因して測定精度に悪影響が及ぶ。

また、特許文献１により、フィルムにＦＢＧを接着して、フィルムを被測定物に貼り付けるようにしたＦＢＧ式ひずみゲージも知られている。このものでは、設置現場で被測定物にＦＢＧを直接貼り付けずに済むため取り扱いが容易になる利点があるものの、ひずみゲージの製造時にフィルムに対するＦＢＧの押し付け圧や接着層の厚さによる品質のバラツキを生じないように、高度の精度管理が必要になって製造が面倒になる不具合がある。

また、特許文献１には、エポキシ樹脂等の樹脂から成る成形体にＦＢＧを埋め込んだＦＢＧ式ひずみゲージも開示されている。このような埋め込み型のＦＢＧ式ひずみゲージは、成形体を被測定物に接着して使用するものであり、被測定物のひずみが成形体を介してＦＢＧに伝達されて、ＦＢＧに被測定物のひずみに応じたひずみを生じ、ブラッグ波長が変化する。このものでは、取り扱いが容易になると共に、品質のバラツキが生じにくく製造も容易になる利点がある。

然し、上記埋め込み型のＦＢＧ式ひずみゲージでは、成形体の被測定物に対する接着面以外の面が被測定物に拘束されない自由面になるため、被測定物のひずみにより成形体に自由面が湾曲するようなひずみを生じ、成形体に埋め込まれたＦＢＧがその軸方向以外にも変形して、ひずみの測定精度が悪くなる不具合がある。また、上記埋め込み型のＦＢＧ式ひずみゲージの製作には、成形体を形成するための成形金型が必要になって、製造コストが高くなるといった不具合もある。
特開２００１−２９６１１０号公報（００２９〜００３１、００３４、図１、図３）

本発明は、以上の点に鑑み、取り扱い及び製造が容易で、且つ、被測定物のひずみを精度良く測定できるようにした低コストのＦＢＧ式ひずみゲージを提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、ＦＢＧ(ファイバブラッグ回析格子)を形成した光ファイバを用いて被測定物のひずみを計測するＦＢＧ式ひずみゲージにおいて、被測定物に対する固定部を有する金属パイプを備え、この金属パイプに光ファイバを挿入して、ＦＢＧを金属パイプ内に収納すると共に、金属パイプ内に、金属パイプと光ファイバとに対する接着性を持つ樹脂を充填して、ＦＢＧを埋め込んだ樹脂成形体を形成することを特徴とする。

本発明のＦＢＧ式ひずみゲージは、金属パイプをその固定部において被測定物に固定して使用するものであり、ＦＢＧを被測定物に直接貼り付けずに済むため取り扱いが容易になる。また、ＦＢＧを樹脂成形体に埋め込むものであるため、フィルムにＦＢＧを接着するものと異なり品質のバラツキが生じにくく製造も容易になる。

ここで、被測定物にひずみが生ずると、固定部を介して金属パイプに被測定物と同等の軸方向ひずみを生じ、このひずみが金属パイプから樹脂成形体を介してＦＢＧに伝達される。そして、樹脂成形体は全周に亘り金属パイプで拘束されるため、樹脂成形体の軸方向以外の変形が抑止され、樹脂成形体に埋め込まれたＦＢＧの軸方向以外の変形も同様に抑止される。そのため、ＦＢＧに被測定物のひずみに応じた軸方向のひずみが確実に伝達され、このひずみによるブラッグ波長の変化から被測定物のひずみを精度良く測定することができる。

また、樹脂成形体は金属パイプに樹脂を充填することで形成されるため、樹脂成形体を形成するための成形金型は不要になり、その分製造コストを安くすることができる。

ところで、被測定物の圧縮ひずみを生じた場合には、金属パイプと樹脂成形体とを介してＦＢＧに作用する軸方向の圧縮力によりＦＢＧが座屈する可能性がある。この場合、金属パイプに充填する樹脂に無機フィラーを混入しておけば、樹脂成形体の弾性率が大きくなる。そのため、樹脂成形体によるＦＢＧの十分な径方向拘束力が得られて、ＦＢＧの座屈が効果的に防止される。従って、被測定物の圧縮ひずみも精度良く測定できる。更に、樹脂成形体によるひずみの伝達効率が良くなり、ＦＢＧに生ずるひずみが大きくなって感度が高くなる。

また、本発明において、金属パイプは一端が閉塞されたパイプであることが望ましい。これによれば、樹脂成形体がその軸端でも金属パイプで拘束されることになる。その結果、被測定物の圧縮ひずみで金属パイプの圧縮ひずみを生じたときの樹脂成形体への圧縮ひずみの伝達効率が良くなり、圧縮ひずみの測定精度が向上する。

図１及び図２は、本発明の実施形態のＦＢＧ式ひずみゲージを示している。図中１は光ファイバである。光ファイバ１の先端側は、被覆を剥離した裸線部１ａになっており、この裸線部１ａの先端部分にＦＢＧ（ファイバブラッグ回析格子）２を形成している。また、このＦＢＧ式ひずみゲージは、インコネルやステンレス等の耐蝕性に優れた金属で形成される一端が閉塞された細長形状の金属パイプ３を備えている。そして、この金属パイプ３にその他端から光ファイバ１を挿入して、ＦＢＧ２を金属パイプ３内に収納し、その後、金属パイプ３内に、樹脂を充填してＦＢＧ２を埋め込んだ樹脂成形体４を形成している。

このように、本実施形態のＦＢＧ式ひずみゲージは、ＦＢＧ２を樹脂成形体４に埋め込むものであるため、フィルムにＦＢＧを接着するものと異なり品質のバラツキが生じにくく製造が容易になる。また、樹脂成形体４は金属パイプ３に樹脂を充填することで形成されるため、樹脂成形体４を形成するための成形金型は不要になり、その分製造コストを安くすることができる。

尚、金属パイプ３に充填する樹脂は金属パイプ３と光ファイバ１とに対する強い接着性を持つものにする。これにより、樹脂成形体４は金属パイプ３とＦＢＧ２とに強固に接着する。

金属パイプ３の先端側の半部の外周面には、被測定物Ｗに対する固定部となる所定の軸方向長さ(例えば、約３０ｍｍ)のシムプレート３ａが固着されている。尚、ＦＢＧ２は、その軸方向中心がシムプレート３ａの軸方向中心に一致するように位置合わせされる。ここで、シムプレート３ａの厚さは、ひずみの伝達を阻害しないように例えば１００μｍ以下と可能な限り薄くすることが望ましい。また、金属パイプ３は、樹脂成形体４の径方向厚さを薄くしてＦＢＧ２に対するひずみの伝達効率を良くするため、例えば１．５ｍｍ以下と可能な限り小径にすることが望ましい。

金属パイプ３の尾端から引き出される光ファイバ１の導出部の尾端にはコネクタ５が接続されている。また、金属パイプ３とコネクタ５との間には金属等から成る保護チューブ６が設けられており、光ファイバ１の導出部を保護チューブ６に挿通して、光ファイバ１の導出部を保護している。更に、保護チューブ６の金属パイプ３及びコネクタ４に対する嵌着部の内面に接着剤を塗布すると共に、その外面に接着シール剤６ａを塗布し、防水性を確保している。これにより、本実施形態のＦＢＧ式ひずみゲージは水中等の種々の環境下でも使用できるようになる。

ＦＢＧ式ひずみゲージを使用する際は、図２に示す如く、金属パイプ３をシムプレート３ａにおいて被測定物Ｗにスポット溶接等で固定するだけで良い。従って、ＦＢＧ２を被測定物Ｗに直接張り付けるものと異なり取り扱いが容易になる。

被測定物Ｗにひずみが生ずると、金属パイプ３にシムプレートａと同一軸方向範囲において被測定物Ｗと同等の軸方向ひずみを生ずる。そして、樹脂成形体４が金属パイプ３及びＦＢＧ２に強固に接着しているため、金属パイプ３のひずみが樹脂成形体４を介してＦＢＧ２に伝達される。ここで、樹脂成形体４は全周に亘り金属パイプ３で拘束されており、そのため、樹脂成形体４の軸方向以外の変形が抑止され、樹脂成形体４に埋め込まれたＦＢＧ２の軸方向以外の変形も同様に抑止される。その結果、ＦＢＧ２に被測定物Ｗのひずみに応じた軸方向のひずみが確実に伝達され、このひずみによるブラッグ波長の変化から被測定物Ｗのひずみを精度良く測定することができる。

ところで、樹脂成形体４の弾性率が小さいと、被測定物Ｗの圧縮ひずみを生じた場合、金属パイプ３と樹脂成形体４とを介してＦＢＧ２に作用する軸方向の圧縮力によりＦＢＧ２の座屈を生ずることがある。また、ＦＢＧ２に対するひずみの伝達効率が低下し、被測定物Ｗのひずみに対するＦＢＧ２のひずみの比が小さくなって感度が悪くなる。この場合、金属パイプ３に充填する樹脂に無機フィラーを混入しておけば、樹脂成形体４の弾性率が大きくなる。これにより、樹脂成形体４によるＦＢＧ２の十分な径方向拘束力が得られて、ＦＢＧ２の座屈が効果的に防止される。従って、被測定物Ｗの圧縮ひずみも精度良く測定できる。更に、樹脂成形体４によるひずみの伝達効率が良くなり、被測定物Ｗのひずみに対するＦＢＧ２のひずみの比が大きくなって感度が高くなる。

また、本実施形態では、金属パイプ３として一端を閉塞したものを用いているため、樹脂成形体４がその軸端でも金属パイプ３で拘束されることになる。その結果、被測定物Ｗの圧縮ひずみで金属パイプ３の圧縮ひずみを生じたときの樹脂成形体４への圧縮ひずみの伝達効率が良くなり、圧縮ひずみの測定精度が向上する。

尚、金属パイプ３に充填する樹脂は、上述したように金属パイプ３及び光ファイバ１に対する強い接着力を持つと共に弾性率の大きなものであることが望まれるが、これ以外にも、成形性を良くするため、粘性が低く、且つ、成形収縮が小さいものであることが望ましく、更に、樹脂成形体４の熱膨張でＦＢＧ２のひずみを生ずることを防止するため、線膨張係数の小さなものであることが望ましい。

また、上記実施形態では、金属パイプ３として一端が閉塞されたものを用いているが、これに限らない。例えば、被測定物の複数箇所のひずみを測定するため、両端を開放した複数の金属パイプを用意し、光ファイバの軸方向複数箇所にＦＢＧを形成して、各金属パイプに各１個のＦＢＧが収納されるように、光ファイバを複数の金属パイプに貫通させ、各金属パイプに樹脂を充填しても良い。

図１、図２に示す金属パイプ３(径約１．０ｍｍ)に、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を主成分としこれにガラス粉等の無機フィラーを約４０％混入した樹脂を充填して第１実施例のＦＢＧ式ひずみゲージを製作し、また、第１実施例と同一の金属パイプに、芳香族アミン型エポキシ樹脂を主成分とする無機フィラーが混入されていない樹脂を充填して第２実施例のＦＢＧ式ひずみゲージを製作した。

第１実施例における樹脂成形体４の物性は、弾性率７．５×１０^３Ｎ／ｍｍ^２、引張強度５７．８Ｎ／ｍｍ^２、圧縮強度１１３．７Ｎ／ｍｍ^２、曲げ強度９１．７Ｎ／ｍｍ^２、線膨張係数２９μ／℃、硬化後収縮率０．００１％であり、また、第２実施例における樹脂成形体４の物性は、弾性率８．８×１０^２Ｎ／ｍｍ^２、引張強度３３．６Ｎ／ｍｍ^２、圧縮強度７３．０Ｎ／ｍｍ^２、曲げ強度５３．０Ｎ／ｍｍ^２、線膨張係数６２μ／℃、硬化後収縮率０．００３％であった。

第１と第２の各実施例のＦＢＧ式ひずみゲージを金属パイプ３のシムプレート３ａにおいて被測定物Ｗ(ゲージ検定の検定棒)にスポット溶接し、被測定物Ｗに１５００×１０^−６までの引張と圧縮のひずみを与えて、そのひずみとＦＢＧ式ひずみゲージの指示値（ブラッグ波長の変化をＦＢＧ２のひずみに換算した値）との関係を調べる実験を行った。下記表１は第１実施例の実験結果を示し、表２は第２実施例の実験結果を示している。尚、各表の「往」は被測定物Ｗのひずみの増加過程、「復」は被測定物Ｗのひずみの減少過程を示している。

表１，２に示されている引張と圧縮の「往」でのひずみとＦＢＧ式ひずみゲージの指示値との関係をグラフ化すると、第１実施例は図３(ａ)のようになり、第２実施例は図３(ｂ)のようになる。これら各図の横軸は被測定物Ｗのひずみ、縦軸はＦＢＧ式ひずみゲージの指示値であり、各軸の正側が引張、負側が圧縮である。各図のａ線は、被測定物Ｗのひずみに等しい理想的な指示値が得られた場合を示す。また、図４(ａ)は第１実施例における引張と圧縮の「往」での同一のひずみに対する指示値の差(ｔｅｎ・ｃｏｍ差)を示し、図４(ｂ)は第２実施例におけるｔｅｎ・ｃｏｍ差を示している。最大ｔｅｎ・ｃｏｍ差は第１実施例で８×１０^―６、第２実施例で２９９×１０^―６になった。尚、第２実施例では、圧縮ひずみに対する指示値に対し引張ひずみに対する指示値が全般的に小さくなっている。これは引張ひずみによりＦＢＧ２と樹脂成形体４との境界面での滑りを生じたためと考えられる。その結果、第２実施例ではｔｅｎ・ｃｏｍ差がかなり大きくなっている。滑りを生じなければ、これほど大きなｔｅｎ・ｃｏｍ差は生じない。

また、定格出力ＲＯ(被測定物Ｗに１５００×１０^―６のひずみを与えたときの引張と圧縮の指示値の平均値)は第１実施例で１５２２×１０^―６、第２実施例で７０８．５×１０^―６になり、第１実施例の方が感度が高くなる。これは、第１実施例の樹脂成形体４の弾性率が大きく、樹脂成形体４によるＦＢＧ２へのひずみの伝達効率が良くなるためである。

また、各実施例について、引張と圧縮の１５００×１０^―６のひずみで共に各実施例の定格出力が得られるように引いた校正直線に対する引張と圧縮の夫々の「往」での指示値の偏差(非直線性)を表１，２から求めた。更に、各実施例について、引張と圧縮の夫々の「往」と「復」での指示値の偏差(ヒステリシス)を表１，２から求めた。下記表３は第１実施例の非直線性とヒステリシスを示し、表４は第２実施例の非直線性とヒステリシスを示している。尚、非直線性とヒステリシスは夫々各実施例の定格出力ＲＯに対する百分率（％ＲＯ）で表している。

表３，４から明らかなように、第１実施例は第２実施例に比較して、引張、圧縮の何れにおいても非直線性が小さく、且つ、ヒステリシスも小さく、測定精度が良くなることが分かる。これは、第１実施例の樹脂成形体４の弾性率が大きく、樹脂成形体４によるＦＢＧ２の十分な径方向拘束力が得られて、ＦＢＧ２の軸方向以外への変形が座屈を含めて有効に防止されるためである。

本発明の実施形態のＦＢＧ式ひずみゲージの全体構造を示す切断平面図。図１のＦＢＧ式ひずみゲージを被測定物に取り付けた状態の要部の縦断面図。 (ａ)第１実施例の被測定物のひずみと指示値との関係を示すグラフ、(ｂ)第２実施例の被測定物のひずみと指示値との関係を示すグラフ。 (ａ)第１実施例のｔｅｎ・ｃｏｍ差を示すグラフ、(ｂ)第２実施例のｔｅｎ・ｃｏｍ差を示すグラフ。

符号の説明

Ｗ…被測定物、１…光ファイバ、２…ＦＢＧ、３…金属パイプ、３ａ…シムプレート（固定部）、４…樹脂成形体。

Claims

ＦＢＧ(ファイバブラッグ回析格子)を形成した光ファイバを用いて被測定物のひずみを計測するＦＢＧ式ひずみゲージにおいて、
被測定物に対する固定部を有する金属パイプを備え、この金属パイプに光ファイバを挿入して、ＦＢＧを金属パイプ内に収納すると共に、金属パイプ内に、金属パイプと光ファイバとに対する接着性を持つ樹脂を充填して、ＦＢＧを埋め込んだ樹脂成形体を形成することを特徴とするＦＢＧ式ひずみゲージ。
前記樹脂に無機フィラーを混入することを特徴とする請求項１記載のＦＢＧ式ひずみゲージ。
前記金属パイプは一端が閉塞されたパイプであることを特徴とする請求項１又は２記載のＦＢＧ式ひずみゲージ。