JP2008145403A - 歪み計測システム及びｉｃタグ - Google Patents

Abstract

【課題】建築物等に生じた歪みを、非破壊且つ非接触で計測できるようにする。
【解決手段】建築物の構造部材の内部に埋設されるＩＣタグ１と、ＩＣタグから情報を読み出す読み出し装置２００とを備える歪み計測システムであって、ＩＣタグは、構造部材のＩＣタグが埋設された部分の歪みを検出するためのセンサー１０２，１０４と、センサーの出力信号を無線で外部に送信する送信回路１１２，１１４とを備え、読み出し装置は、ＩＣタグから送信された信号を受信する受信回路２０２，２０４を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、建築物等を構成する柱、梁、壁、床等に生じた歪みを非接触で計測する技術に関するものである。

建築物等を構成する柱、梁、壁、床等のコンクリート部材は、年月の経過と共に劣化し、歪みを生ずる。このようなコンクリート構造物の劣化を評価する方法は、従来より種々考えられているが、コンクリートの中性化やそれに伴う鉄筋の腐食度を測定する場合は、コアを採取したり、鉄筋に電流を流して抵抗値の変化を測定したりする方法が一般的に用いられている。
特開２００６−１８４０２５号公報

特に鉄筋の腐食度を検査する方法では、鉄筋が露出するまでコンクリートにドリルで孔を開け、露出した鉄筋に通電するという方法がとられる。この場合、ドリルでの穿孔時に鉄筋を損傷させる場合があり、最悪の場合、鉄筋を破断させてしまうことがある。即ち、このような検査は、いわば微破壊検査であり、コンクリートに僅かではあるが損傷を与えるものであり、構造物にとってはあまり好ましい方法ではない。

また、この検査を行う場合には、検査のたびに検査試料としてコンクリートからコアを抜き取る必要があり、コアを抜き取る場所の調査にも時間を要する。

なお、特開２００６−１８４０２５号公報（特許文献１）には、非破壊で機器類の検査をする方法として、発電所、変電所、工場等における配管の検査個所にＩＣタグを取り付け、そのＩＣタグからの信号により検査個所を特定し、その検査個所を聴診棒で聴診することにより、配管の状態のデータをとる方法が開示されている。しかしながら、この方法は聴診することで検査をする方法であるので、建築物に生じた歪みを検出することはできない。

したがって、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、建築物等に生じた歪みを、非破壊且つ非接触で計測できるようにすることである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる歪み計測システムは、構造部材の内部に埋設されるＩＣタグと、該ＩＣタグから情報を読み出す読み出し装置とを備える歪み計測システムであって、前記ＩＣタグは、前記構造部材の前記ＩＣタグが埋設された部分の歪みを検出するためのセンサーと、前記センサーの出力信号を無線で外部に送信する送信手段とを備え、前記読み出し装置は、前記ＩＣタグから送信された信号を受信する受信手段を備えることを特徴とする。

また、この発明に係わる歪み計測システムにおいて、前記送信手段及び前記受信手段は、ＲＦＩＤの原理により無線通信を行なうことを特徴とする。

また、この発明に係わる歪み計測システムにおいて、前記ＩＣタグは、前記センサーの出力信号を増幅する増幅手段と、該増幅手段で増幅された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段とをさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係わるＩＣタグは、建築物の構造部材の内部に埋設されるＩＣタグであって、前記構造部材の前記ＩＣタグが埋設された部分の歪みを検出するためのセンサーと、前記センサーの出力信号を無線で外部に送信する送信手段と、を備えることを特徴とする。

また、この発明に係わるＩＣタグにおいて、前記送信手段は、ＲＦＩＤの原理により無線通信を行なうことを特徴とする。

本発明によれば、建築物等に生じた歪みを、非破壊且つ非接触で計測することが可能となる。

以下、本発明の好適な一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係わる歪み計測システムに用いられる歪みセンサータグのセンサーパッケージを示す図である。そして、図１（ａ）は、コンクリート部材に埋設される歪みセンサータグのセンサーパッケージ１００の外観図、図１（ｂ）は、センサーパッケージ１００の断面図である。

図１において、センサーパッケージ１００は、歪みセンサータグ１と、歪みセンサータグ１を被覆する保護材を構成するビニールシート２とからなる。歪みセンサータグ１は２枚のビニールシート２に挟み込まれるようにしてビニールシート２により被覆されている。なお、保護材はビニールシートに限定されるものではなく、非金属材料であれば他の材料であっても良い。

歪みセンサータグ１の周囲のビニールシート２は、接着、圧着、溶着等の各種の方法により貼着され、特に歪みセンサータグ１に対してコンクリートの水分が浸透しないように水密に貼着され、防水性を確保する。

次に、図２は、本発明の一実施形態に係わる歪み計測システムの概略構成を示すブロック図である。

図２において、歪み計測システムは、建築物の柱、梁、壁、床等のコンクリート部材に埋設される歪みセンサータグ１を内包したセンサーパッケージ１００と、センサーパッケージ１００とは別体で、歪みセンサータグ１が検出するコンクリート部材の歪みを無線で読み出す、あるいは歪みセンサータグ１に必要な情報を記録するための情報読み出し／記録装置２００とから構成されている。

歪みセンサータグ１は、歪みを検出するためのひずみゲージ１０２ａを備えるブリッジ回路１０２と、ブリッジ回路１０２に電源を供給するためのブリッジ電源回路１０３と、ブリッジ回路１０２の出力を検出する平衡回路１０４と、平衡回路１０４から出力されるアナログ電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１０６と、Ａ／Ｄ変換器１０６から出力された歪みを表わすデジタルデータを処理するＩＣチップ１０８と、ＩＣチップ１０８で処理されたデジタルデータを記憶するメモリ１１０と、歪みを表わすデジタルデータを情報読み出し／記録装置２００に送信するための送受信回路１１２と、送受信回路１１２と情報読み出し／記録装置２００との間の信号のやり取りを行なうと共に、情報読み出し／記録装置２００から発信される電磁波等によりＩＣチップ１０８の電源となる起電力を発生するためのアンテナ１１４とを備えて構成されている。アンテナ１１４で発生された電力は、ブリッジ電源回路１０３、平衡回路１０４、Ａ／Ｄ変換器１０６、ＩＣチップ１０８に供給される。なお、本実施形態で言う歪みセンサーとは、ひずみゲージ１０２ａと平衡回路１０４をあわせたものである。

ここで、ひずみゲージ１０２ａは、既によく知られたひずみゲージであり、説明するまでもないが、念のために、ひずみゲージによるひずみを検出する原理について説明しておく。

図３は、図２に示したブリッジ回路（ホイットストーンブリッジ回路）１０２の具体的な構成を示す図である。

ブリッジ回路１０２は、抵抗Ｒ１であるひずみゲージ１０２ａと、抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を備えている。

ひずみゲージ１０２ａが貼り付けられた構造物に歪みが生ずると、ひずみゲージ１０２ａが伸縮し、抵抗値が変化する。この抵抗値の変化をブリッジ回路１０２で検出する。

構造物の歪みとひずみゲージ１０２ａの抵抗の関係は、次の式で表わされる。

ε＝ΔＬ／Ｌ＝（ΔＲ１／Ｒ１）／Ｋ
ここで、εは歪み、Ｌは構造物の長さ、ΔＬは構造物の伸び量、Ｒ１はひずみゲージの抵抗、ΔＲ１はひずみゲージが歪みを受けたときの抵抗変化量、Ｋはゲージ率である。

そして、上記の抵抗変化量を、微小変化を前提として、ブリッジ回路１０２を用いて電圧に変換する。

図３における入力電圧Ｅに対するブリッジ回路１０２の出力電圧ｅは、Ｒ１・Ｒ３＝Ｒ２・Ｒ４の関係を用いると、
ｅ＝｛（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２）²｝×
｛（ΔＲ１／Ｒ１）−（ΔＲ２／Ｒ２）＋（ΔＲ３／Ｒ３）−（ΔＲ４／Ｒ４）｝Ｅ
となる。

Ｒ１がひずみゲージ１０２ａの抵抗であるとし、Ｒ２〜Ｒ４には抵抗がないものすると、
ｅ＝（１／４）Ｋ・ε・Ｅ
となる。

上記の式から、歪みεを求めることができる。

以上が、ひずみゲージ１０２ａで歪みを検出する原理である。

次に、図２に戻って、情報読み出し／記録装置２００は、歪みセンサータグ１に電磁波等を送信するためのアンテナ２０２と、歪みセンサータグ１から歪みデータを読み出す、あるいは歪みセンサータグ１に必要な情報を送信するためのリーダ／ライタ部２０４とを備えている。

ここで、歪みセンサータグ１は無線ＩＣタグであり、情報読み出し／記録装置２００とともに、所謂ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）と呼ばれる無線通信システムを構成している。

ＲＦＩＤには、交流磁界によるコイルの相互誘導を利用して５５０ＫＨｚ以下の長波帯での交信を行なう電磁結合方式と、主に１３５ＫＨｚ以下、あるいは１３．５６ＭＨｚ帯の短波の電磁波を利用する電磁誘導方式と、８００／９００ＭＨｚのＵＨＦ帯を利用する電磁波伝播方式と、２．４５ＧＨｚの準マイクロ波帯により交信を行なうマイクロ波方式とがあるが、いずれの方式も本実施形態に適用可能である。

上記のように構成される歪み計測システムにおいては、情報読み出し／記録装置２００から誘導磁場によりアンテナ１１４を介して電力を供給された送受信回路１１２から、歪みセンサータグ１の内部の機器に電力が供給される。これにより、ブリッジ回路１０２は、歪みに比例した電圧を出力し、この電圧が平衡回路１０４で検出され、さらにＡ／Ｄ変換器１０６でデジタルデータに変換されて、ＩＣチップ１０８を介してメモリ１１０に記憶される。そして、情報読み出し／記録装置２００は、メモリ１１０に記憶された歪みデータをアンテナ１１４，２０２を介して読み出す。この歪みデータの利用方法については後述する。

次に、図４は、本実施形態の歪み計測システムを、より具体的に示した図である。

図２における説明と一部重複するが、歪みセンサータグ１は、歪みを検出するためのブリッジ回路１０２と、ブリッジ回路１０２から出力される信号を処理する処理回路部１２０と、処理回路部１２０と情報読み出し／記録装置２００との間の信号のやり取りを行なうと共に、情報読み出し／記録装置２００から発信される電磁波等により処理回路部１２０の電源となる起電力を発生するためのアンテナ１１４とを備えて構成されている。なお、図２における平衡回路１０４、Ａ／Ｄ変換器１０６、ＩＣチップ１０８、メモリ１１０、送受信回路１１２が、図４における処理回路部１２０に相当する。

このように構成される歪みセンサータグ１は、例えば、ブリッジ回路１０２の長さＬ１＝１０ｍｍ、処理回路部１２０の幅Ｌ２＝１０ｍｍ、歪みセンサータグ１の長さＬ＝６０ｍｍ、歪みセンサータグ１の幅Ｗ＝２０ｍｍ、と言った程度の寸法で実現することが可能である。

そして、歪みセンサータグ１から情報読み出し／記録装置２００により読み出されたコンクリート或いは鉄筋の歪みを示すデータは、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）３００に入力され保存される。ＰＣ３００では、入力された歪みデータに基づいて、初期値からのひずみの変化を解析し、表示する。さらに、ＰＣ３００は、歪みデータを他の場所にあるデータベースに無線で送信する。

次に、図５は、センサーパッケージ１００をコンクリート部材に埋設した状態を示した図である。

図５において、センサーパッケージ１００は、施工時のコンクリート打設前に、鉄筋４００の適切な場所に貼り付けられる。或いは、既存の構造物で、鉄筋の腐食の進行をモニタリングしたい個所があれば、その部位のコンクリートを取り除いて、センサーパッケージ１００を貼り付けることも容易にできる。

図６は、センサーパッケージ１００内の歪みセンサータグ１から情報読み出し／記録装置２００により歪みデータを読み取る様子を示す図である。

図６の例では、柱部材を構成するコンクリート部材Ｂ内に複数のセンサーパッケージ１００が埋設されている。作業者は、情報読み出し／記録装置２００を用いて、センサーパッケージ１００内の歪みセンサータグ１から情報を読み取ったり、新たな情報を書き込むことができる。センサーパッケージ１００が複数埋設されているので、いずれかが動作不良になったとしても、他のセンサーパッケージ１００から情報を読み取ったり、或いは、書き込むことができ、信頼性の高い情報管理が可能となる。

以上説明したように、本実施形態の歪み計測システムにおいては、コンクリート構造物に傷をつけないばかりか、非接触で測定することで、鉄筋の表面の状況に関わらず、鉄筋の腐食状況を入手することができる。また、計測器も小型で、しかも計測時間は、従来の試験法に比べて格段に速い。例えば、従来では、ドリル穿孔、配線、通電、計測、埋め戻し、を一連の作業とすれば、１箇所の検査に少なくとも１時間以上かかる。一方、本実施形態の方法では、鉄筋の一箇所における歪みを瞬時に（１秒足らずで）、しかも非接触で検出可能で、ひずみの時間変化も瞬時に見ることができる。

本発明の一実施形態に係わる歪み計測システムに用いられる歪みセンサータグのセンサーパッケージを示す図である。 本発明の一実施形態に係わる歪み計測システムの概略構成を示すブロック図である。 図２に示したブリッジ回路（ホイットストーンブリッジ回路）の具体的な構成を示す図である。 一実施形態の歪み計測システムを、より具体的に示した図である。 センサーパッケージをコンクリート部材に埋設した状態を示した図である。 センサーパッケージ内の歪みセンサータグから情報読み出し／記録装置により歪みデータを読み取る様子を示す図である。

符号の説明

１ 歪みセンサータグ
２ ビニールシート
１００ センサーパッケージ
１０２ ブリッジ回路
１０２ａ ひずみゲージ
１０３ ブリッジ電源回路
１０４ 平衡回路
１０６ Ａ／Ｄ変換器
１０８ ＩＣチップ
１１０ メモリ
１１２ 送受信回路
１１４ アンテナ
２００ 情報読み出し／記録装置
２０２ アンテナ
２０４ リーダ／ライタ部

Claims (5)

1. 構造部材の内部に埋設されるＩＣタグと、該ＩＣタグから情報を読み出す読み出し装置とを備える歪み計測システムであって、
   前記ＩＣタグは、
   前記構造部材の前記ＩＣタグが埋設された部分の歪みを検出するためのセンサーと、
   前記センサーの出力信号を無線で外部に送信する送信手段とを備え、
   前記読み出し装置は、
   前記ＩＣタグから送信された信号を受信する受信手段を備えることを特徴とする歪み計測システム。
2. 前記送信手段及び前記受信手段は、ＲＦＩＤの原理により無線通信を行なうことを特徴とする請求項１に記載の歪み計測システム。
3. 前記ＩＣタグは、前記センサーの出力信号を増幅する増幅手段と、該増幅手段で増幅された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の歪み計測システム。
4. 建築物の構造部材の内部に埋設されるＩＣタグであって、
   前記構造部材の前記ＩＣタグが埋設された部分の歪みを検出するためのセンサーと、
   前記センサーの出力信号を無線で外部に送信する送信手段と、
   を備えることを特徴とするＩＣタグ。
5. 前記送信手段は、ＲＦＩＤの原理により無線通信を行なうことを特徴とする請求項４に記載のＩＣタグ。

Images