JP2008275489A - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＢＧセンサに生じる温度変化ΔＴの影響を取り除いて歪のみを取り出す。
【解決手段】それぞれ計測対象50と同一の熱膨張率βを有し且つ計測対象50の表面上に一辺11、21を対向させて所定間隔L1で定着させる第１定着体10及び第２定着体20と、両定着体10、20間に架渡して両定着体10、20に固定する一対のＦＢＧセンサ２、３とでセンサ１を構成する。第１定着体10の対向辺11に第２定着体20側へ延出し且つその対向辺11と隙間Ｓを介して向い合う対向縁13が一部分に形成された第１延出部12を設け、第２定着体20の対向辺21に第１定着体10側へ延出し且つ隙間Ｓ内で第１延出部12の対向縁13と所定間隙L2で向い合う対向縁23が一部分に形成された第２延出部22を設け、一方のＦＢＧセンサ２を両定着体10、20の延出部12、22の対向縁13、23を結ぶ線上に固定し、他方のＦＢＧセンサ３を両定着体10、20の延出部12、22以外の対向辺11、21を結ぶ線上に固定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は光ファイバセンサに関し、とくにＦＢＧ方式の光ファイバセンサ（光ファイバ・グレーティング）を用いて計測対象に生じた歪を計測する光ファイバセンサに関する。

ビル・橋梁等の構造物や設備機器等の機械類の耐久性、疲労、損傷、寿命等（以下、これらをまとめて健全性という）を把握・診断するため、その構造物や機械類に生じる歪の分布や歪の履歴（歪の進行速度、最大歪量や動特性の変化等）の計測が要求されることがある。従来の構造物における一般的な健全性モニタリングでは、構造物の所要部位（例えば鉄骨の溶接部や接合部、補強用垂直ブレス材等の応力集中部）に電気式の歪ゲージや加速度センサを取り付けて歪を計測している。しかし、歪ゲージ等の電気式センサはセンサ部及び伝送部に電磁ノイズ・雷対策や防錆加工等の様々な処理が必要であることから、最近ではこれらを必要としない光ファイバセンサを用いた健全性モニタリングが注目され研究開発が進められている。光ファイバセンサは、電気信号ではなく光信号を用いるため電磁ノイズに強く、防爆性があり、石英ガラス製であるため防錆加工の必要がなく、更に屋外で長期間使用できる耐久性能を有するなど健全性モニタリングに適した特徴を持っている。

健全性モニタリングに用いる光ファイバセンサの１つに、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）方式の光ファイバセンサがある（以下、ＦＢＧセンサ又は光ファイバ・グレーティングということがある）。これは、光ファイバのコア部の屈折率を光の進行方向において周期的に変化させ、グレーティングとしたものである。ＦＢＧセンサのグレーティング部（検知部）は、屈折率変化の周期ｄと実効的な屈折率ｎ₀とによって定まるブラッグ波長λ_B（(1)式参照）近傍の波長の光のみを反射し、その他の波長の光はそのまま透過する。(1)式から、グレーティング部の屈折率ｎ₀又は周期ｄが変化すると、それに応じてグレーティング部から反射されるブラッグ波長λ_Bも変化することが分かる。例えば、ＦＢＧセンサのグレーティング部に外力が負荷されて光ファイバの軸方向に歪εが生じると、それに応じてグレーティング部が伸縮して周期ｄが変化すると共に実効的な屈折率ｎ₀も変化する。この周期ｄ及び屈折率ｎ₀の変化によって生じるブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλ_B1は(2)式で与えられる。(2)式においてρ_cは光弾性係数であり、歪εによるグレーティング部の実効的な屈折率の変化を表す係数である。(2)式から分かるように、ＦＢＧセンサのグレーティング部を計測対象に固定したうえでブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλ_B1を検出すれば、そのグレーティング部（検知部）が固定された計測対象の歪εを計測することができる。

ただし、ＦＢＧセンサのグレーティング部は外力だけでなく温度変化ΔＴの影響を受ける。温度変化ΔＴに伴い、周期ｄと実効的な屈折率ｎ₀とが変化するためである。(1)式の両辺を温度で偏微分すれば、温度変化ΔＴによるブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλ_B2として(3)式が得られる。ただし、α及びζはそれぞれ温度変化ΔＴに伴う周期ｄ及び屈折率ｎ₀の変化率である。ＦＢＧセンサのグレーティング部に外力と温度変化ΔＴとが同時に負荷された場合のブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλ_fbgは、外力の影響によるシフト量Δλ_B1と温度変化ΔＴの影響によるシフト量Δλ_B2とを合わせた(4)式で表される。ＦＢＧセンサで実際に検出されるのは(4)式のシフト量Δλ_fbgであり、歪εに関するシフト量Δλ_B1のみを検出することはできない。このため、ＦＢＧセンサによって計測対象の歪εを精度良く計測するためには、検出されるシフト量Δλ_fbgから温度変化ΔＴの影響によるシフト量Δλ_B2を取り除く温度補償方法が必要となる。

従来から光ファイバセンサにおける温度補償方法として、図９に示すように、線膨張係数が光ファイバと等しい基板63上に歪計測用ＦＢＧセンサ61を固着すると共に、その基板63上に変位が拘束されないように弛んだ状態で温度補償用ＦＢＧセンサ62を固着し、両ＦＢＧセンサ61、62で検出されるブラッグ波長のシフト量の差により歪εを計測する方法が提案されている（特許文献１）。また特許文献２は、図１０に示すように、Ｘ方向に相対的に移動可能な第１保持具64と第２保持具65の間に第１ＦＢＧセンサ61と第２ＦＢＧセンサ62とを一方の張力が強まると他方の張力が弱まるように固定し、両ＦＢＧセンサ61、62で検出されるブラッグ波長のシフト量の差によってＸ方向の歪εを計測する方法を開示している。更に特許文献３は、図１１に示すように、歪計測用ＦＢＧセンサ61の両端を取付け板67、68で計測対象50に固定すると共に、計測対象50と線膨張率が等しい取付け板69で温度補償用ＦＢＧセンサ62の一端のみを計測対象50に固定し、両ＦＢＧセンサ61、62で検出されるブラッグ波長のシフト量の差によって歪εを計測する方法を開示している。
特許第２９８３０１８号公報 特開２００２−２５７５２０公報 特許第３７１１９０５号公報

しかし、特許文献１〜３の開示する温度補償方法は何れも、実際にＦＢＧセンサで検出されるブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλから全ての温度変化ΔＴの影響を取り除くことができず、計測対象50の歪εを精度良く計測できない問題点がある。一般にＦＢＧセンサは、図９に示すように、基板63等の固定板に接着剤等により取り付けられたうえで計測対象50の表面に固定される。固定板の熱膨張率がＦＢＧセンサと異なる場合は、温度変化ΔＴに伴う固定板の伸縮がＦＢＧセンサに伝達され、ブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλに固定板の伸縮の影響が反映される。また、計測対象50の熱膨張率が固定板と異なる場合は、温度変化ΔＴに伴う計測対象50の伸縮が固定板を介してＦＢＧセンサに伝達され、ブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλに計測対象50の伸縮の影響が反映される。従って、実際にＦＢＧセンサで検出されるシフト量Δλの温度補償を行うためには、温度変化ΔＴによってＦＢＧセンサ自体に生じる影響（(3)式のシフト量Δλ_B2）だけでなく、ＦＢＧセンサに連結された固定板や計測対象の温度変化ΔＴによる伸張の影響を取り除く必要がある。

具体的には、ＦＢＧセンサの線膨張率αと固定板の線膨張率βとが異なると、温度変化ΔＴに伴う固定板の伸縮によってＦＢＧセンサが歪（＝（β−α）ΔＴ）を受ける。この固定板の伸縮の影響は(11)式のブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλ_B3となり、検出される温度変化ΔＴの影響によるシフト量Δλ_sensorは(12)式となる。また、固定板の線膨張率βと計測対象50の線膨張率γとが異なる場合は、温度変化ΔＴに伴う計測対象50の伸縮によってＦＢＧセンサが固定板を介して歪（＝（γ−β）ΔＴ）を受ける。この計測対象50の伸縮の影響は(13)式のブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλ_B4となり、検出される温度変化ΔＴの影響によるシフト量Δλ_targetは(14)式となる。(13)式におけるηは歪拡大率であり、計測対象50の伸縮によって固定板に生じる歪のうちＦＢＧセンサに伝達される実効的な歪の割合を示し、固定板の構造により決定される係数である。他方、外力によって生じる計測対象50の歪εも固定板を介してＦＢＧセンサに伝達されるが、この外力による影響は歪拡大率ηを用いて(15)式のシフト量λ_B5と表され、外力と温度変化ΔＴとが同時に負荷された場合は(16)式のシフト量Δλ_allが検出される。ＦＢＧセンサで計測対象50の歪εを精度良く計測するためには、検出される(16)式のシフト量Δλ_allから、温度変化ΔＴの影響による(14)式のシフト量Δλ_target〔すなわち、温度変化ΔＴによるＦＢＧセンサ自体の伸縮の影響（(3)式のシフト量Δλ_B2）と、固定板の伸縮の影響（(11)式のシフト量Δλ_B3）と、計測対象の伸縮の影響（(13)式のシフト量Δλ_B4）との全て〕を取り除く必要がある。

図９に示す温度補償方法では、歪計測用ＦＢＧセンサ61において(16)式のシフト量Δλ_allが検出され、温度補償用ＦＢＧセンサ62において(3)式のシフト量Δλ_B2が検出される。(16)式から、両ＦＢＧセンサ61、62のシフト量の差は、Δλ_B3＋Δλ_B4＋Δλ_B5となる。ＦＢＧセンサの線膨張率αと固定板（基板63）の線膨張率βとが等しいことから(11)式のシフト量Δλ_B3は０となるが、求めたいΔλ_B5以外にも温度変化ΔＴに依存する項Δλ_B4（＝λ_Bη（1−ρ_c）（γ−β）ΔＴ）が残ってしまうので、温度変化ΔＴの影響を取り除くことができないことになる（(21)式）。また図９の方法では、温度補償用ＦＢＧセンサ62を弛んだ中空状態で保持しているため、外部から加わる振動に応じて温度補償用ＦＢＧセンサ62が変形しやすく、長期にわたる計測期間中に歪εの計測精度が劣化するおそれがある。

また図１０に示す温度補償方法では、第１保持具64と第２保持具65とが相対的に移動すると第１ＦＢＧセンサ64と第２ＦＢＧセンサ65とに逆向きの力が加わるので、両ＦＢＧセンサ61、62で検出される外力による歪εの影響（(15)式のシフト量Δλ_B5）は符号が逆向きとなる。また、温度変化ΔＴに伴う計測対象50の伸縮の影響（(13)式のシフト量Δλ_B4）も符号が逆向きとなる。すなわち、第１ＦＢＧセンサ61では(16)式のシフト量Δλ_all(+)が検出されるのに対し、第２ＦＢＧセンサ62ではΔλ_B4、Δλ_B5の符号が逆向きのシフト量Δλ_all(-)（＝Δλ_B2＋Δλ_B3−Δλ_B4−Δλ_B5）が検出される。従って、両ＦＢＧセンサ61、62のシフト量の差は(22)式となり、やはり温度変化ΔＴに依存する項２Δλ_B4（＝２λ_Bη（1−ρ_c）（γ−β）ΔＴ）が残ってしまい、求めたい計測対象50の歪εの成分Δλ_B5のみを取り出すことはできない。

更に図１１に示す温度補償方法では、温度計測用ＦＢＧセンサ62の固定板69の線膨張率βを計測対象50の線膨張率γと等しくしているため、ＦＢＧセンサ62で検出される固定板の伸縮による歪の影響は(23)式のシフト量Δλ_B3'となる。すなわち、歪計測用ＦＢＧセンサ61では(16)式のシフト量Δλ_allが検出されるのに対し、温度補償用ＦＢＧセンサ62では温度変化ΔＴの影響による(3)式のシフト量Δλ_B2と(23)式のシフト量Δλ_B3'とを重ね合わせたシフト量Δλ_sensor（＝Δλ_B2＋Δλ_B3'）が検出される。従って、両ＦＢＧセンサ61、62のシフト量の差は(24)式となり、やはり温度変化ΔＴに依存する項（＝（η−１）λ_B（1−ρ_c）（γ−β）ΔＴ）が残ってしまうため、計測対象50の歪εを精度良く計測することができない。また、温度計測用モジュール62は片持ち梁構造であるため、長期にわたる計測期間中に温度補償用ＦＢＧセンサ62が変形して計測精度が劣化するおそれもある。

上述した温度変化ΔＴに依存する項（(21)式、(22)式、及び(24)式のアンダーライン部分）は、温度変化ΔＴを無視できるような短期的な歪計測であれば大きな問題とならないが、構造物の小さな歪を長期にわたり計測する健全性モニタリングのような場合は問題となる。そこで本発明の目的は、ＦＢＧセンサに生じる温度変化ΔＴの影響を取り除いて歪のみを取り出すことができる光ファイバセンサを提供することにある。

図１及び図２〜図４の実施例を参照するに、本発明による光ファイバセンサの一態様は、それぞれ計測対象50と同一の熱膨張率βを有し且つ計測対象50の表面上に一辺11、21を対向させて所定間隔L1（図示例では定着部材６、６間の所定間隔L1）で定着させる第１定着体10及び第２定着体20と、両定着体10、20間に架渡して両定着体10、20に固定する一対の光ファイバ・グレーティング２、３とを備えてなり、第１定着体10の対向辺11に第２定着体20側へ延出し且つその対向辺11と隙間Ｓを介して向い合う対向縁13が一部分に形成された第１延出部12を設け、第２定着体20の対向辺21に第１定着体10側へ延出し且つ隙間Ｓ内で第１延出部12の対向縁13と所定間隙L2で向い合う対向縁23が一部分に形成された第２延出部22を設け、光ファイバ・グレーティング２、３の一方（図示例では光ファイバ・グレーティング２）を両定着体10、20の延出部12、22の対向縁13、23を結ぶ線上に固定し、光ファイバ・グレーティング２、３の他方（図示例では光ファイバ・グレーティング３）を両定着体10、20の延出部12、22以外の対向辺11、21を結ぶ線上に固定してなるものである。

好ましくは、一対の光ファイバ・グレーティング２、３を平行に固定する。更に好ましくは、図示例のように、第１定着体10及び第２定着体20の延出部12、22以外の対向辺11、21に、それぞれ第２定着体20側及び第１定着体10側に突出し且つ先端縁18、28が所定間隙L3で相互に向い合う第１突出部17及び第２突出部27を設け、光ファイバ・グレーティング２、３の他方（図示例では光ファイバ・グレーティング３）を両突出部17、27の先端縁18、28を結ぶ線上に固定する。この場合は、両延出部12、22の対向縁13、23間の所定間隙L2と両突出部17、27の先端縁18、28間の所定間隙L3とを同じ大きさとすることができる。

望ましくは、図６（Ａ）に示すように、両延出部12、22の対向縁13、23間に両定着体10、20より小さい剛性で両対向縁13、23を連結する対向縁架橋部31を設け、両突出部17、27の先端縁18、28間に両定着体10、20より小さい剛性で両先端縁18、28を連結する先端縁架橋部32を設ける。対向縁架橋部31と先端縁架橋部32とは同じ断面積とすることができる。更に望ましくは、第１定着体10及び第２定着体20と対向縁架橋部31及び先端縁架橋部32とを、計測対象50と同一の熱膨張率βの板状部材から一体成形したものとする。また同図（Ｄ）に示すように、第１定着体10及び第２定着体20の外縁を相互に連結する外縁結合部33、34を設けることができる。この場合は、第１定着体10及び第２定着体20と外縁結合部33、34とを、計測対象50と同一の熱膨張率βの板状部材から一体成形した枠体30としてもよい。

また図７の実施例を参照するに、本発明による光ファイバセンサの他の態様は、それぞれ計測対象50と同一の熱膨張率βを有する上層定着体10、20及び下層定着体15、25の積層体（10＋15）、（20＋25）であって計測対象50の表面上に上層10、20及び下層15、25の各一辺を対向させて所定間隔L1（図示例では定着部材６、６間の所定間隔L1）で定着させる第１積層定着体19及び第２積層定着体29と、両積層定着体19、29間に架渡して両定着体19、29に固定する一対の光ファイバ・グレーティング２、３とを備えてなり、第１積層定着体19の上下一方側層（上層10又は下層15）の対向辺11又は16に第２積層定着体29側へ延出し且つその対向辺11又は16と隙間Ｓを介して向い合う対向縁13が一部分に形成された第１延出部12を設け、第２積層定着体29の前記上下一方側層（上層20又は下層25のうち第１積層定着体19の第１延出部12を設けた側の層）の対向辺21又は26に第１積層定着体10側へ延出し且つ隙間Ｓ内で第１延出部12の対向縁13と所定間隙L2で向い合う対向縁23が一部分に形成された第２延出部22を設け、光ファイバ・グレーティング２、３の一方（図示例では光ファイバ・グレーティング２）を両延出部12、22の対向縁13、23を結ぶ線上に固定し、光ファイバ・グレーティング２、３の他方（図示例では光ファイバ・グレーティング３）を両積層定着体19、29の上下他方側層（延出部12、22を設けた層と反対側の下層15、25又は上層10、20）の対向辺16、26又は11、21を結ぶ線上に固定してなるものである。

好ましくは、一対の光ファイバ・グレーティング２、３を上下方向に位置合わせして平行に固定する。必要に応じて、図７（Ｄ）に示すように、第１積層定着体19及び第２積層定着体29の上層10、20と下層15、25との間にそれぞれスペーサ14、24を設けることができる。更に好ましくは、第１積層定着体19及び第２積層定着体29の上下他方側層（延出部12、22を設けた層と反対側の下層15、25又は上層10、20）の対向辺16、26又は11、21にそれぞれ第２積層体29側及び第１積層体19側に突出し且つ先端縁18、28が所定間隙L3で相互に向い合う第１突出部17及び第２突出部27を設け、光ファイバ・グレーティング２、３の他方（図示例では光ファイバ・グレーティング３）を両突出部17、27の先端縁18、28を結ぶ線上に固定する。この場合は、上下一方側層（上層10、20又は下層15、25）の両延出部12、22の対向縁13、23間の所定間隙L2と、上下他方側層（下層15、25又は上層10、20）の両突出部17、27の先端縁18、28間の所定間隙L3とは同じ大きさとすることができる。

望ましくは、図８に示すように、両延出部12、22の対向縁13、23間に両積層定着体19、29より小さい剛性で両対向縁13、23を連結する対向縁架橋部31を設け、両突出部17、27の先端縁18、28間に両積層定着体19、29より小さい剛性で両先端縁18、28を連結する先端縁架橋部32を設ける。この場合は、同図（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、第１積層定着体19及び第２積層定着体29の上下一方側層（上層10、20又は下層15、25）と対向縁架橋部31とを計測対象50と同一の熱膨張率βの板状部材から一体成形したものとし、第１積層定着体19及び第２積層定着体29の上下他方側層（下層15、25又は上層10、20）と先端縁架橋部32とを計測対象50と同一の熱膨張率βの板状部材から一体成形したものとすることができる。

また、第１積層定着体19及び第２積層定着体29の上下一方側層（上層10、20又は下層15、25）の外縁を相互に連結する外縁結合部33、34を設け、第１積層定着体19及び第２積層定着体29の上下他方側層（下層15、25又は上層10、20）の外縁を相互に連結する外縁結合部33、34を設けることができる。この場合は、上下一方側層（上層10、20又は下層15、25）と外縁結合部33、34とを計測対象50と同一の熱膨張率βの板状部材から一体成形した枠体36又は35とし、上下他方側層（下層15、25又は上層10、20）と外縁結合部33、34とを計測対象50と同一の熱膨張率βの板状部材から一体成形した枠体35又は36としてもよい。

本発明による光ファイバセンサは、計測対象50の表面上に一辺11、21を対向させて所定間隔L1で定着する第１定着体10及び第２定着体20をそれぞれ計測対象50と同一の熱膨張率βを有する材質製とし、第１定着体10の対向辺11から第２定着体20側へ延出する第１延出部12の一部分にその対向辺11と隙間Ｓを介して向い合う対向縁13を形成すると共に、第２定着体20の対向辺21から第１定着体10側へ延出する第２延出部22の一部分にその隙間Ｓ内で第１延出部12の対向縁13と所定間隙L2で向い合う対向縁23を形成し、一方のＦＢＧセンサ２を両定着体10、20の延出部12、22の対向縁13、23を結ぶ線上に固定すると共に、他方のＦＢＧセンサ３を両定着体10、20の延出部12、22以外の対向辺11、21を結ぶ線上に固定するので、次の顕著な効果を奏する。

（イ）一対のＦＢＧセンサ２、３を計測対象50と同一の熱膨張率βを有する定着体10、20を介して計測対象50に固定するので、ＦＢＧセンサ２、３で検出されるブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλ_all（(16)式）から温度変化ΔＴに伴う計測対象50の伸縮の影響（(13)式のシフト量Δλ_B4）を取り除くことができる。
（ロ）また、外力による計測対象50の歪εが両ＦＢＧセンサ２、３に逆向きに加わるので、ＦＢＧセンサ２、３で検出されるシフト量Δλ_allの差演算を行うことで、温度変化ΔＴによるＦＢＧセンサ自体の伸縮の影響（(3)式のシフト量Δλ_B2）と定着体10、20の伸縮の影響（(11)式のシフト量Δλ_B3）とを共に取り除き、計測対象50の歪εのシフト量（(15)式のシフト量Δλ_B5）のみを取り出すことができ、計測対象50の歪εを精度良く計測することができる。
（ハ）計測対象50に定着する定着体10、20の所定間隔L1と、ＦＢＧセンサ２を固定する定着体10、20の対向縁13、23の所定間隙L2との比、及び突出部17、27の先端縁18、28の所定間隙L3との比により計測対象50の歪εを所要の拡大率η（＝L1／L2、及びL1／L3）で検出することができ、用途や場所に応じて計測感度を調節できると共に、歪εの計測精度の向上を図ることができる。
（ニ）また、ＦＢＧセンサ３を定着体10、20の対向辺11、21に設けた突出部17、27の先端縁18、28を結ぶ線上に固定し、ＦＢＧセンサ２を固定する延出部12、22の対向縁13、23の所定間隙L2と、ＦＢＧセンサ３を固定する突出部17、27の先端縁18、28の所定間隙L3とを同じ大きさとすることで、両ＦＢＧセンサ２、３で検出される歪εの拡大率ηを揃えることができ、歪εを計測する演算の容易化を図ると共に、歪計測精度の更なる向上を図ることができる。

（ホ）熱膨張率等の計測対象50に依存したパラメタを必要としない計測対象50の歪計測が可能となるので、様々な計測対象50の歪計測に適用できる汎用的な光ファイバセンサとすることができる。
（ヘ）計測対象50に定着体10、20を定着させる前又は定着させた後に、その定着体10、20にＦＢＧセンサ２、３を同じ条件で固定すれば足りるので、施工が簡便・容易であって設置品質のバラツキが生じにくく、長期間安定的な歪計測が可能となる。
（ト）また、定着体10、20を板状又は板状枠体とすることで、定着体10、20の加工及び取扱いの容易化を図ると共に、計測対象50への定着施工作業やＦＢＧセンサ２、３の固定施工作業の更なる容易化を図ることができる。
（チ）定着体を層状に重ねた一対の積層定着体を計測対象50の表面に対向させて定着させ、ＦＢＧセンサ２及びＦＢＧセンサ３をそれぞれ両積層定着体の上層の間及び下層の間に上下方向に位置合わせして固定することにより、両ＦＢＧセンサ２、３の歪及び温度に対する環境を極めて近接させることが可能であり、更に高精度な歪測定が期待できる。

図１は、計測対象50の表面に取り付けた本発明の光ファイバセンサ１の実施例を示す。図示例の光ファイバセンサ１は、歪計測対象50と同じ熱膨張率βの材質の第１定着体10及び第２定着体20と、両定着体10、20の間に架渡して固定する一対のＦＢＧセンサ２、３（光ファイバ４、５のグレーティング部）とを有する。各定着体10、20の熱膨張率βは計測対象50の熱膨張率γとできる限り一致していることが望ましいが、想定される温度変化ΔＴに対して計測対象50の伸縮の影響（(13)式のシフト量Δλ_B4）を取り除くことができる許容範囲内であれば、計測対象50の熱膨張率と多少相異していてもよい。例えば鉄骨や機械類等の金属系の計測対象50の歪εを計測する場合は、各定着体10、20を同じ金属材質製とする。また、構造物のコンクリート表面を計測対象50とする場合は、各定着体10、20をコンクリートの熱膨張率γとほぼ等しい炭素鋼製とする。ただし、骨材の種類や配合量によってコンクリートの熱膨張率γにバラツキが生じることから、炭素鋼製を原則とするが、計測対象50の熱膨張率γに応じて各定着体10、20の材質を選択又は調製することが望ましい。

図２は、計測対象50の表面上に定着させた第１定着体10及び第２定着体20の平面図及び断面図を示す。図示例の第１定着体10及び第２定着体20はそれぞれ、計測対象50の表面上に一辺11、21を対向させて所定間隔L1で定着させる定着部と、その対向辺11、21の一部分から定着体20及び10側に延出する第１延出部12及び第２延出部22と、その対向辺11、21の他の部分から定着体20及び10側に突出する第１突出部17及び第２突出部27とで構成されている。図示例では、各定着部の定着孔6a（図６（Ｄ）参照）に挿通させた適当な定着部材６（例えばネジ等）で定着体10、20を計測対象50の表面に定着し、その定着部材６、６の間を所定間隔L1としている。ただし、定着体10、20は接着剤又は溶接等を用いて計測対象50に定着してもよく、その場合は、各定着部の計測対象50に定着させた部位の間隔（例えば対向辺11、21の間隔）を所定間隔L1とすればよい。

図示例の第１定着体10の延出部12には、一部分に側方へ張り出した張出部（又は突起部）12aを設け、その張出部12aにより第１定着体10の対向辺11と隙間Ｓを介して向い合う対向縁13が形成されている。また第２定着体20の延出部22には、その一部分に第１定着体10の対向辺11と第１延出部12との間の隙間Ｓ内に張り出した張出部（又は突起部）22aを設け、その張出部22aにより隙間Ｓ内で第１延出部12の対向縁13と所定間隙L2で向い合う対向縁23が形成されている（同図（Ｂ）参照）。第１定着体10の突出部17と第２定着体20の突出部27とは、各々の先端縁18、28が所定間隙L3で相互に向い合うように突出している（同図（Ｃ）参照）。

図２のＸ方向の外力により計測対象50に歪εが発生すると、その歪εは第１定着体10及び第２定着体20に伝達され、両延出部12、22の対向縁13、23の間隙L2と両突出部17、27の先端縁18、28の間隙L3とにそれぞれ極性の異なる変位を同時に発生する。すなわち、計測対象50の歪変形に応じて両定着体10、20に互いが離れる又は近付くような負荷が加わると、突出部17、27の先端縁18、28は同じように互いが離れる又は近付くように移動し、延出部12、22の対向縁13、23は反対に互いが近付く又は離れるように移動する。このため、延出部12、22の対向縁13、23に架渡して両端が固定された一方のＦＢＧセンサ２と、突出部17、27の先端縁18、28に架渡して両端が固定された他方のＦＢＧセンサ３とには、それぞれ引張力、圧縮力が負荷される。各定着体10、20は、対向辺11、12の相対的な変位が全てＦＢＧセンサ２、３に集中するように、ＦＢＧセンサ２、３を構成する光ファイバ４、５よりも十分に大きい剛性とすることが望ましい。

図２の実施例では、各定着体10、20の定着部を矩形とし、その定着部の対向辺11、21に一端を支持して直角方向に伸びるＬ字形の延出部12、22を設け、そのＬ字形延出部12、22の他端の張出部12a、22aにおける一端側の端縁を間隙L2で相互に向い合わせて対向縁13、23としている。ただし、延出部12、22の形状は図示例に限定されず、両定着体10、20の変形方向と反対極性の変形が対向縁13、23の間に生じるような任意の形状を選択できる。例えば、図３（Ｂ）に示すように延出部12、22を定着体10、20から斜め方向に伸ばしてもよく、同図（Ａ）に示すように延出部12、22の先端以外の中間部位に張出部（又は突起部）12a、22aを設けてもよい。また、同図（Ｃ）に示すように、張出部（又は突起部）12a、22aに代えて、延出部12、22の湾曲させた先端縁を相互に対向させ、その先端縁を間隙L2で向い合う対向縁13、23としてもよい。

また、突出部17、27の形状も、図２の実施例のように各定着体10、20に一端を支持して直角方向に伸びるＩ字形のものに限定されず、両定着体10、20の変形方向と同じ極性の変形が先端縁18、28の間に生じるような任意の形状を選択できる。好ましくは、図示例のように、ＦＢＧセンサ３を固定する突出部17、18の先端縁18、28の間隙L3と、ＦＢＧセンサ２を固定する延出部12、22の対向縁13、23の間隙L2とを同じ大きさとし、後述するように両定着体10、20の歪変形の拡大率ηを一致させる。ただし、対向縁13、23の間隙L2と先端縁18、28の間隙L3とを同じ大きさとすることは本発明に必須の条件ではなく、間隙L2及び間隙L3の大きさがそれぞれ所定であれば、後述するＦＢＧセンサ２、３のシフト量Δλ_allの差演算の際に歪拡大率ηの相違を補正することができる。従って、図３（Ａ）に示すように、定着体10、20の両方又は一方の突出部17、27を省略し、ＦＢＧセンサ３を両定着体10、20の延出部12、22以外の対向辺11、21に架渡して固定することも可能である。

図２の実施例において、両定着体10、20の所定間隔L1の対向辺11、21間に生じた計測対象50の歪εによる変形は、両延出部12、22の所定間隙L2の対向縁13、23間に架渡されたＦＢＧセンサ２によって拡大率η（＝L1／L2）の変形として検出され、両突出部17、27の所定間隙L3の先端縁18、28間に架渡されたＦＢＧセンサ３によって拡大率η（＝L1／L3）の変形として検出される。ＦＢＧセンサ２、３において計測対象50の歪εを拡大して検出することにより、歪εの検出感度及び検出精度を高めることができる。ただし、検出感度を大きくし過ぎるとＦＢＧセンサ２、３が切断する危険もあるので、歪拡大率ηは用途や場所に応じて適宜調節することが望ましい。

ＦＢＧセンサ２、３における歪拡大率ηは、両定着体10、20の所定間隔L1に対する対向縁13、23の所定間隙L2の比、又は先端縁18、28の所定間隙L3の比を変えることで調節可能である。例えば図４（Ａ）に示すように、両定着体10、20の対向辺11、21の対向向きに対して両延出部12、22の対向縁13、23の対向向き及び両突出部17、27の先端縁18、28の対向向きをそれぞれ角度θ＝４５度で交差させることにより、ＦＢＧセンサ２、３における歪拡大率ηを０．７（＝１／√２）倍に減らすことができる。また、同図（Ｂ）に示すように、両定着体10、20の外縁に定着体20及び10側へ張り出した外延部33、34を設け、その外延部33、34を所定間隙L2、L3より小さい所定間隙L1で計測対象50に定着（ネジ止め等）させることにより、ＦＢＧセンサ２、３で検出される歪拡大率ηを１以下とすることができる。なお、定着体10、20の剛性がＦＢＧセンサ２、３を構成する光ファイバ４、５に比べて十分に大きくない場合は、計測対象50の歪εが両ＦＢＧセンサ２、３のみに集中せず、一部が両定着体10、20によって緩和される。この緩和の度合いをｋ（＜１）とすれば、両ＦＢＧセンサ２、３で検出される変形の拡大率ηはｋ倍に縮小される。

望ましくは、図示例のように各定着体10、20をそれぞれ、定着部と延出部12、22と突出部17、27とが同一面上に配置された板状とする。このような板状の定着体10、20は、例えば打ち抜き加工等の一体成形により比較的容易に且つ安価に製造することができる。また、定着体10、20の片側表面を計測対象50に確実に定着させると共にその反対側表面にＦＢＧセンサ２、３を固定することができ、計測対象50への定着作業及びＦＢＧセンサ２、３の固定作業の容易化が図れる。ただし、定着体10、20は平面状のものに限定されず、例えば図１（Ｂ）に示すように、直角又は特定角度で交差する計測対象50の表面等に設置する場合は、延出部12、22及び突出部17、27を定着部に対して折れ曲がり面又は曲面とすることができる。

また図２（Ｄ）及び同図（Ｅ）に示すように、各定着体10、20には、延出部12、22及び突出部17、27を計測対象50の表面から離して支持するスペーサ（脚部）14、24を含めることができる。例えば、図１（Ｂ）のようにコンクリート構造物等の計測対象50のひび割れ部又は接合部51aに本発明の光ファイバセンサ１を取り付ける場合や、平滑でない凹凸表面に光ファイバセンサ１を定着させる場合は、スペーサ14によって延出部12、22及び突出部17、27を計測対象50の表面から浮かして定着することが有効である。図示例では両定着体10、20のスペーサ14の高さを揃えているが、高さの異なる凹凸表面に跨って定着させる場合は、両定着体10、20のスペーサ14の高さを相違させることも有効である。なお、図２（Ｅ）のようにスペーサ14、24が変形しやすい場合は、計測対象50の歪εの一部がスペーサ14、24の変形によって緩和されるため、ＦＢＧセンサ２、３で検出される変形の拡大率ηは減少することになる。

ＦＢＧセンサ２及び３は、それぞれ接着剤、連結用ネジ、溶接等により定着体10、20の延出部12、22の表面又は突出部17、27の表面に固定することができる。定着体10、20の表面が平滑であってＦＢＧセンサ２、３の位置決めが困難である場合は、図５（Ａ）に示すように、延出部12、22の表面又は突出部17、27の表面に、ＦＢＧセンサ２、３の両端の光ファイバ４、５を這わせるための位置決め溝41を形成してもよい（同図（Ｂ）も参照）。位置決め溝41は、延出部12、22又は突出部17、27の剛性に大きく影響を与えない程度の幅及び深さとする。位置決め溝41を形成することにより、定着体10、20とＦＢＧセンサ２、３との接着強度を増やすこともできる。更に接着強度を増やすため、同図（Ｃ）に示すように、定着体10、20と同じ熱膨張率の押え部材（ブロック等）42を用い、位置決め溝41に嵌合させたＦＢＧセンサ２、３を押え部材42で固定してもよい。図示例では押え部材42を接着剤43で固定しているが、ネジ等で固定することもできる。

望ましくは、図５（Ｄ）に示すように、定着体10、20の延出部12、22の表面と突出部17、27の表面とにそれぞれプリテンション調節具45を設け、プリテンション調節具45によりＦＢＧセンサ２及び３を定着体10、20に固定する。図２の実施例は、それ自体弾性体であるＦＢＧセンサ２、３を間隙L2、L3に架渡して圧縮と引張とを加える方式であるから、ＦＢＧセンサ２、３で圧縮及び引張の何れの歪も安定的に検出できるように、予め引張力を加えた状態（プリテンションをかけた状態）でＦＢＧセンサ２、３を延出部12、22の表面及び突出部17、27の表面に固定することが望ましい。図示例のプリテンション調節具45には矢印方向の長穴が穿たれており、その長穴の下方の延出部12、22及び突出部17、27には例えばネジ孔が穿たれ、プリテンション調節具45を矢印方向に移動させることでＦＢＧセンサ２、３に加わるプリテンションの強さを調整することができる。なお、図示例では第１定着体10と第２定着体20とが離れており、両者の間にＦＢＧセンサ２、３を架渡すことが困難である場合も考えられるが、そのような場合は、両定着体10、20の対向辺11、12の間隔L1を一時的に固定できる取外し可能な外縁結合部33、34（図６（Ｄ）参照）を用いることができる。

また、計測対象50の歪εの発生方向（例えば図２のＸ方向）が推定できる場合は、図示例のように、各ＦＢＧセンサ２、３を両定着体10、20の間に外力のかかる方向に架渡して平行に固定することが望ましい。ＦＢＧセンサ２、３の向きを外力のかかる方向と一致させることにより、ＦＢＧセンサ２、３で検出される計測対象50の歪εの検出感度（歪変換効率）を最大化することができる。また、ＦＢＧセンサ２、３を固定する延出部12、22の端となる対向縁13、23と突出部17、27の端となる先端縁18、28の近傍において、ＦＢＧセンサ２、３に応力が集中することを避けることができる。更に、ＦＢＧセンサ２、３がほぼ同じ歪及び温度の環境（雰囲気）となるように、両延出部12、22の対向縁13、23と両突出部17、27の先端縁18、28とは隣接する近傍部位とすることが望ましい。

次に、図１及び図２を参照して、本発明の光ファイバセンサ１による歪計測方法について説明する。図示例の光ファイバセンサ１は、上述した両定着体10、20の対向縁13、23の間と先端縁18、28との間とにそれぞれＦＢＧセンサ２、３を固定したのち、その定着体10、20の定着部をＦＢＧセンサ２、３と共に計測対象50の表面に定着させて設置する。例えば、予め工場等で一対のＦＢＧセンサ２、３に定着体10、20を固定したセンサユニット又はモジュールを製造しておけば、光ファイバセンサ１の設置作業の容易化を図ることができる。各ＦＢＧセンサ２、３のプリテンションの調整は、センサユニット又はモジュールを工場で製造する段階で行うことができる。ただし、計測対象50の表面に定着体10、20を定着させたのち、その定着体10、20の間にＦＢＧセンサ２、３を架渡して固定することも可能である。この場合は、例えば図５（Ｄ）のプリテンション調節具45により、取り付け現場においてＦＢＧセンサ２、３のプリテンションを調整する。

本発明の光ファイバセンサ１は、２本のＦＢＧセンサ２、３を、定着体10、20上に同じ条件（例えば同一の接着剤やその乾燥状態）で固定することできる。従って、２本のＦＢＧセンサ２、３の固定手法が異なる従来の光ファイバセンサ（特許文献１等）に比し、２本のＦＢＧセンサ２、３の固定品質にバラツキが生じにくい特徴がある。各ＦＢＧセンサ２、３には、広帯域の光信号を送出すると共にグレーティング部で発生するブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλを測定する歪計測器７と、両ＦＢＧセンサ２、３のシフト量Δλの差を求めて計測対象50の歪εを算出する歪量算出装置８とを接続する。

なお、２本の光ファイバ４、５を用いるのではなく、図示例のように配線した１本の光ファイバ上に形成された２個のＦＢＧセンサ（グレーティング部）２、３を定着体10、20に架渡して固定することも可能である。この場合は、それぞれブラック波長の異なるＦＢＧセンサ２、３を用意しておけば、歪計測器７及び歪量算出装置８によって各センサ２、３のシフト量Δλを容易に知ることができる。または、ＦＢＧセンサ２、３のブラッグ波長が同じであっても、反射光波長λ_Bとその時間遅れｔとにより何れのＦＢＧセンサ２、３からの反射光であるかを識別し、各センサ２、３のシフト量Δλを知ることができる。また、例えば図１（Ｂ）に示すように、光ファイバにより直列接続された複数の光ファイバセンサ１を計測対象50（例えば構造物の応力集中が想定されるブレス材、耐震壁等）に沿って配置し、計測対象50上の複数部位における歪εを単独の歪計測器７及び歪量算出装置８で計測することも可能である。

光ファイバセンサ１の両定着体10、20の対向縁13、23の間隙L2と先端縁18、28の間隙L3とが同じ大きさ（同じ歪拡大率η）であるとすると、光ファイバセンサ１に外力と温度変化ΔＴとが同時に負荷された場合に、先端縁18、28の間に固定されたＦＢＧセンサ３において発生する(31)式のブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλ_all(+)が歪計測器７で検出され、対向縁13、23の間に固定したＦＢＧセンサ２において発生する(32)式のブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλ_all(-)が歪計測器７で検出される。また歪量算出装置８において、両ＦＢＧセンサ２、３で検出されたブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλの差が(33)式により算出される。

(33)式では、両ＦＢＧセンサ２、３で同じ極性である温度変化ΔＴの影響、すなわち温度変化ΔＴによるセンサ自体の伸縮の影響（(3)式のシフト量Δλ_B2）と定着体10、20の伸縮の影響（(11)式のシフト量Δλ_B3）とが相殺されている。また(33)式では、両定着体10、20の熱膨張率β（(11)式及び(13)式参照）が計測対象50の熱膨張率γと等しいことから、温度変化ΔＴに伴う計測対象50の伸縮の影響（(13)式のシフト量Δλ_B4）も取り除かれている。すなわち、(33)式の差演算によってＦＢＧセンサ２、３で検出されるブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλ_allから温度変化ΔＴの影響によるシフト量Δλ_target（(14)式）を全て補償し、計測対象50の歪εのシフト量（(15)式のシフト量Δλ_B5）のみを取り出すことができる。なお、計測対象50に図２のＹ方向の歪εが生じた場合、両ＦＢＧセンサ２、３で検出される歪εのシフト量（(15)式のシフト量Δλ_B5）は等しくなるので、(33)式の差演算によりＹ方向の歪εの影響は取り除くことができ、Ｘ方向の歪εのみを精度良く求めることができる。

従って、歪量算出装置８において、(33)式のシフト量Δλと先端縁18、28の間隙L3（又は対向縁13、23の間隙L2）の歪拡大率ηとから、両定着体10、20の所定間隔L1における計測対象50の歪εを精度良く計測することができる。(33)式におけるブラッグ波長λ_B及び光弾性係数ρ_cは、例えば予め歪量算出装置８のメモリに記憶しておくことができる。なお、定着体10、20の対向縁13、23の間隙L2と先端縁18、28の間隙L3とが異なる大きさである場合（(31)式のΔλ_all(-)の歪拡大率η₍₊₎と(32)式のΔλ_all(-)の歪拡大率η_(-)とが異なる場合）は、(33)式において２Δλ_B5＝（η₍₊₎＋η_(-)）・λ_B（１−ρ_c）εとなるので、(33)式の差演算結果を歪拡大率（η₍₊₎＋η_(-)）で補正すればよい。

また、本発明の光ファイバセンサ１から求められる(33)式は、従来の(21)、(22)、(24)式のアンダーライン部分のように熱膨張率γなどの計測対象50に依存する係数や、実験的に決める必要のある係数を含んでおらず、計測対象50の形状・構造等に依存しない汎用的な歪計測が可能である。更に、本発明の光ファイバセンサ１によれば、歪拡大率ηを調節することで光ファイバセンサ１の計測感度を調整することが可能であり、(31)式及び(32)式における外力による歪εの影響を温度変化ΔＴによる影響に比べて拡大することができる。外力による影響を拡大することで、センサ１の設置場所や方法の相違に起因して温度補償性能のバラツキが生じた場合でも、その温度補償性能を所定水準以上に保つことができる。なお、(31)式と(32)式とを加えると(34)式となり、外力による歪εの影響を取り除き、温度変化ΔＴによるシフト量のみを残すこともできる。このため本発明の光ファイバセンサ１を用いれば、センサ１の設置環境における温度変化を知ることも可能である。

こうして本発明の目的である「ＦＢＧセンサに生じる温度変化ΔＴの影響を取り除いて歪のみを取り出すことができる光ファイバセンサ」の提供を達成できる。

図６は、第１定着体10及び第２定着体20の延出部12、22の対向縁13、23の間に両定着体10、20より小さい剛性で両対向縁13、23を連結する対向縁架橋部31を設け、両突出部17、27の先端縁18、28の間に両定着体10、20より小さい剛性で両先端縁18、28を連結する先端縁架橋部32を設けた本発明の光ファイバセンサ１の実施例を示す。各架橋部31、32も、定着体10、20と同様に歪計測対象50と同じ熱膨張率βの材質とする。図示例では、架橋部31、32の表面にＦＢＧセンサ２、３を接着剤等で固定することができ、架橋部31、32を介して定着体10、20の変形がＦＢＧセンサ２、３に伝達するので、予め引張力（プリテンション）を加えた状態でＦＢＧセンサ２、３を固定するかどうかは任意である。必要に応じて、図５（Ａ）の場合と同様に、架橋部31、32の表面にＦＢＧセンサ２、３を構成する光ファイバ４、５を這わせるための位置決め溝41を設けてもよい。

架橋部31、32は、荷重Ｐ−歪εの関係が同一となるように同じ断面積とすることが望ましい。例えば図６（Ｂ）及び同図（Ｃ）に示すように、架橋部31をその両端の延出部12、22より歪変形しやすいように幅が細く且つ厚さが薄い小断面積の棒状部とし、架橋部32をその両端の突出部17、27より歪変形しやすいように幅が細く且つ厚さが薄い小断面積の棒状部とする。更に望ましくは、上述したように架橋部31の長さL2（対向縁13、23の間隙L2）と架橋部32の長さL3（先端縁18、28の間隙L3）とを一致させる。両架橋部31、32の剛性を等しく且つ両定着体10、20より小さくすることにより、対向辺11、12の相対的な変位を両架橋部31、32に集中させることができる。ただし、両架橋部31、32の剛性が小さい場合は計測対象50の歪εの一部が架橋部31、32によって緩和され、その緩和度合いｋ（＜１）に応じてＦＢＧセンサ２、３で検出される変形の拡大率ηが縮小される。また、光ファイバセンサ１は両架橋部31、32が座屈しない範囲で用いる必要がある。

また、図６（Ｄ）に示すように、両定着体10、20と両架橋部31、32とを、計測対象50と同一の熱膨張率βの板状部材から打ち抜き加工等で一体成形したものとすることができる。両定着体10、20と両架橋部31、32とを一体成形することにより、計測対象50への定着作業及びＦＢＧセンサ２、３の固定作業の一層の容易化が図れる。図示例では更に、歪計測対象50と同じ熱膨張率βの材質の外縁結合部33、34によって定着体10、20の外縁を相互に連結し、両定着体10、20と両架橋部31、32と外縁結合部33、34との全体を一体成形の枠体30としている。架橋部31、32の剛性が小さい場合は作業時に両定着体10、20が変形して支障となることも考えられるが、外縁結合部33、34を設けることで枠体30を変形しにくくすることができ、定着作業及び固定作業の一層の効率化が期待できる。なお、外縁結合部33、34を枠体30から取外し可能なものとし、計測対象50への定着作業及びＦＢＧセンサ２、３の固定作業の終了後に外縁結合部33、34を枠体30から取外して再利用等することも可能である。

図７及び図８は、計測対象50と同一の熱膨張率βを有する上層定着体10及び下層定着体15を積層した第１積層定着体19と、同じく熱膨張率βを有する上層定着体20及び下層定着体25を積層した第２積層定着体29とを用い、一方のＦＢＧセンサ２を両積層定着体19、29間の上層定着体10、20の間に架渡して固定し、他方のＦＢＧセンサ３を両積層定着体19、29間の下層定着体15、25の間に架渡して固定する本発明の光ファイバセンサ１の実施例を示す。上述した図１〜図６の実施例では、計測対象50の表面にＦＢＧセンサ２、３を水平方向に隔てて固定しているので、ＦＢＧセンサ２、３の歪及び温度の環境（雰囲気）が多少相違する場合が考えられる。これに対し図７の実施例では、両ＦＢＧセンサ２、３を上下方向に位置合わせして固定することができ、ＦＢＧセンサ２、３に対する歪及び温度の環境をほぼ一致させることができる。

図７（Ａ）の積層定着体19、29の上層定着体10、20は、計測対象50の表面上に一辺11、21を対向させて所定間隔L1で定着させる定着部と、その対向辺11、21から積層定着体29、19側に延出する第１延出部12及び第２延出部22とで構成されている。図示例では、各積層定着体19、29の位置合わせした定着孔6aに定着部材６（例えばネジ等）を挿通して各定着体19、29を計測対象50の表面に定着し、その定着部材６、６の間隔を所定間隔L1としているが、各積層定着体19、29を接着剤又は溶接等で計測対象50に定着し、その計測対象50に定着させた部位の間隔（例えば対向辺11、21の間隔）を所定間隔L1としてもよい。

上層定着体10の延出部12の一部分に側方へ張り出した張出部12aを設け、その張出部12aにより第１定着体10の対向辺11と隙間Ｓを介して向い合う対向縁13を形成する。また上層定着体20の延出部22の一部分に第１定着体10の対向辺11と第１延出部12との間の隙間Ｓ内に張り出した張出部（又は突起部）22aを設け、その張出部22aにより隙間Ｓ内で第１延出部12の対向縁13と所定間隙L2で向い合う対向縁23を形成する（同図（Ｃ）参照）。延出部12、22の形状は図示例のようにＬ字形のものに限定されず、上述したように、上層定着体10、20の変形方向と反対極性の変形が対向縁13、23の間に生じるような任意の形状とすることができる。

また図７（Ａ）の積層定着体19、29の下層定着体15、25は、計測対象50の表面上に一辺16、26を対向させて所定間隔L1で定着させる定着部と、その対向辺16、26から積層定着体29、19側に突出する第１突出部17及び第２突出部27とで構成されている。突出部17、突出部27は、各々の先端縁18、28が所定間隙L3で相互に向い合うように突出させる（同図（Ｂ）参照）。突出部17、27の形状も実施例のようにＩ字形のものに限定されず、上述したように、下層定着体15、25の変形方向と同じ極性の変形が先端縁18、28の間に生じるような任意の形状とすることができる。ただし、図３（Ａ）に沿って説明したように、下層定着体15、25の両方又は一方の突出部17、27は省略することが可能であり、ＦＢＧセンサ３を下層定着体15、25の対向辺16、26に架渡して固定してもよい。なお、下層定着体15、25は、積層定着体19、29が一体として変形するように、上層定着体10、20に接着剤等で固定する。

図７（Ｄ）に示すように、一対のＦＢＧセンサ２、３にかかる外力が異なる極性となるように、ＦＢＧセンサ２を上層定着体10、20の延出部12、22の対向縁13、23に架渡して固定し、他方のＦＢＧセンサ３を下層定着体15、25の突出部17、27の先端縁18、28に架渡して固定する。同図から分かるように、積層定着体19、29の上層定着体10、20及び下層定着体15、25をそれぞれ板状とし、ＦＢＧセンサ２、３を上下方向に位置合わせして固定することで、ＦＢＧセンサ２、３の歪及び温度の環境を極めて近接させることが可能である。好ましくは、ＦＢＧセンサ２、３で検出される歪εの拡大率ηが一致するように、ＦＢＧセンサ２を固定する上層の対向縁13、23の間隙L2と、ＦＢＧセンサ３を固定する下層の先端縁18、28の間隙L3とを同じ大きさとする。必要に応じて、第１積層定着体19の上層10と下層15との間及び第２積層定着体29の上層20と下層25との間にそれぞれスペーサ14、24を設け、ＦＢＧセンサ２、３の間隔を適宜に調節してもよい。スペーサ14、24は、積層定着体19、29が一体として変形するように、上層定着体10、20と下層定着体15、25との間に接着剤等で固定する。図２（Ｄ）のように、下層定着体15、25の下方に、積層定着体19、29を計測対象50の表面から離して支持するスペーサ（脚部）14、24を含めることも可能である。

好ましくは、図８に示すように、上層定着体10、20の延出部12、22の対向縁13、23の間にその上層定着体10、20より小さい剛性で両対向縁13、23を連結する対向縁架橋部31を設け、下層定着体15、25の突出部17、27の先端縁18、28の間にその下層定着体15、25より小さい剛性で両先端縁18、28を連結する先端縁架橋部32を設け、その架橋部31、32の表面にＦＢＧセンサ２、３を接着剤等で固定する。図６を参照して上述したように、架橋部31、32は荷重Ｐ−歪εの関係が同一となるように同じ断面積とすることができ、歪変形しやすいように幅が細く且つ厚さが薄い小断面積の棒状部とすることができる。

更に好ましくは、図８（Ｂ）及び同図（Ｃ）に示すように、上層定着体10、20と架橋部31とを計測対象50と同一の熱膨張率βの板状部材から打ち抜き加工等で一体成形した上層枠体36とし、下層定着体15、25と架橋部32とを計測対象50と同一の熱膨張率βの板状部材から一体成形した下層枠体35とする。上層枠体36及び下層枠体35を用いることにより、計測対象50への定着作業及びＦＢＧセンサ２、３の固定作業の容易化が期待できる。図６（Ｃ）に示すように、上層枠体36に上層定着体10、20の外縁を相互に結合する外縁結合部33、34を含め、下層枠体35に上層定着体10、20の外縁を相互に結合する外縁結合部33、34を含めることで、枠体35、36を変形しにくくすることも可能である。

図７及び図８の光ファイバセンサ１においても、外力と温度変化ΔＴとが同時に負荷された場合に、下層定着体15、25の間に固定されたＦＢＧセンサ３においてブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλ_all(+)（(31)式）が検出され、上層定着体10、20の間に固定したＦＢＧセンサ２においてブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλ_all(-)（(32)式）が検出されるので、両ＦＢＧセンサ２、３で検出されたブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλの差（(33)式）を算出することにより、ＦＢＧセンサ２、３で検出されるブラッグ波長λ_Bのシフト量Δλ_allから温度変化ΔＴの影響によるシフト量Δλ_target（(14)式）を全て取り除き、計測対象50の歪εのシフト量（(15)式のシフト量Δλ_B5）のみを取り出すことができる。しかも、ＦＢＧセンサ２、３に対する歪及び温度の環境をほぼ一致させることができるので、設置場所や方法にバラツキが生じた場合でも、(33)式の差演算により温度変化ΔＴの影響を確実に取り除くことができ、計測対象50の歪計測精度の向上が期待できる。なお図示例では、上述したように上層定着体10、20に反対極性の変形を生じる延出部12、22を設け、下層定着体15、25に同じ極性の変形を生じる突出部17、27を設けているが、上層定着体10、20に突出部17、27を設けると共に下層定着体15、25に延出部12、22を設けた場合も同様の計測が可能である。

一対の定着体を用いた本発明の光ファイバセンサの一例の説明図である。 図１の光ファイバセンサの平面図及び断面図である。 一対の定着体を用いた光ファイバセンサの他の一例の説明図である。 一対の定着体を用いた光ファイバセンサの更に他の一例の説明図である。 定着体に光ファイバ・グレーティングを固定する方法の説明図である。 一対の定着体を架橋部で連結した枠体を用いた光ファイバセンサの一例の説明図である。 一対の積層定着体を用いた光ファイバセンサの一例の説明図である。 一対の積層定着体を用いた光ファイバセンサの他の一例の説明図である。 従来の光ファイバ・グレーティングを用いたセンサの一例の説明図である。 従来の光ファイバ・グレーティングを用いたセンサの他の一例の説明図である。 従来の光ファイバ・グレーティングを用いたセンサの更に他の一例の説明図である。

符号の説明

１…光ファイバセンサ
２、３…光ファイバ・グレーティング（ＦＢＧセンサ）
４、５…光ファイバ
６…定着部材 6a…定着孔
７…歪計測器 ８…歪量算出装置（コンピュータ）
９…メモリ
10…第１定着体（上層定着体） 11…対向辺
12…第１延出部 13…対向縁
14…スペーサ 15…下層定着体
16…対向辺 17…第１突出部
18…先端縁 19…第１積層定着体
20…第２定着体（上層定着体） 21…対向辺
22…第２延出部 23…対向縁
24…スペーサ 25…下層定着体
26…対向辺 27…第２突出部
28…先端縁 29…第２積層定着体
30…枠体 31…対向縁架橋部
32…先端縁架橋部 33…外縁部（外縁結合部）
34…外縁部（外縁結合部） 35…下層枠体
36…上層枠体
41…位置決め溝 42…押え部材
43…接着剤 45…プリテンション調節具
50…計測対象 51…鉄骨柱
52…鉄骨梁 51a…ひび割れ部又は接合部
61…ＦＢＧセンサ 62…ＦＢＧセンサ
63…基板 64…保持具
64a、64b…保持部 65…保持具
65a、65b…保持部 66、67、68…取付け板

Claims (19)

1. それぞれ計測対象と同一の熱膨張率を有し且つ計測対象の表面上に一辺を対向させて所定間隔で定着させる第１定着体及び第２定着体と、両定着体間に架渡して当該両定着体に固定する一対の光ファイバ・グレーティングとを備えてなり、前記第１定着体の対向辺に第２定着体側へ延出し且つ当該対向辺と隙間を介して向い合う対向縁が一部分に形成された第１延出部を設け、前記第２定着体の対向辺に第１定着体側へ延出し且つ前記隙間内で第１延出部の対向縁と所定間隙で向い合う対向縁が一部分に形成された第２延出部を設け、前記光ファイバ・グレーティングの一方を両定着体の延出部の対向縁を結ぶ線上に固定し、前記光ファイバ・グレーティングの他方を両定着体の延出部以外の対向辺を結ぶ線上に固定してなる光ファイバセンサ。
2. 請求項１の光ファイバセンサにおいて、前記一対の光ファイバ・グレーティングを平行に固定してなる光ファイバセンサ。
3. 請求項１又は２の光ファイバセンサにおいて、前記第１定着体及び第２定着体の延出部以外の対向辺にそれぞれ第２定着体側及び第１定着体側に突出し且つ先端縁が所定間隙で相互に向い合う第１突出部及び第２突出部を設け、前記光ファイバ・グレーティングの他方を両突出部の先端縁を結ぶ線上に固定してなる光ファイバセンサ。
4. 請求項３の光ファイバセンサにおいて、前記両延出部の対向縁間の所定間隙と前記両突出部の先端縁間の所定間隙とを同じ大きさとしてなる光ファイバセンサ。
5. 請求項３又は４の光ファイバセンサにおいて、前記両延出部の対向縁間に前記両定着体より小さい剛性で両対向縁を連結する対向縁架橋部を設け、前記両突出部の先端縁間に前記両定着体より小さい剛性で両先端縁を連結する先端縁架橋部を設けてなる光ファイバセンサ。
6. 請求項５の光ファイバセンサにおいて、前記対向縁架橋部及び先端縁架橋部を同じ断面積としてなる光ファイバセンサ。
7. 請求項５又は６の光ファイバセンサにおいて、前記第１定着体及び第２定着体と前記対向縁架橋部及び先端縁架橋部とを、計測対象と同一の熱膨張率の板状部材から一体成形したものとしてなる光ファイバセンサ。
8. 請求項１から７の何れかの光ファイバセンサにおいて、前記第１定着体及び第２定着体の外縁を相互に連結する外縁結合部を設けてなる光ファイバセンサ。
9. 請求項８の光ファイバセンサにおいて、前記第１定着体及び第２定着体と前記外縁結合部とを、計測対象と同一の熱膨張率の板状部材から一体成形した枠体としてなる光ファイバセンサ。
10. 請求項８の光ファイバセンサにおいて、前記外縁結合部を取外し可能としてなる光ファイバセンサ。
11. それぞれ計測対象と同一の熱膨張率を有する上層定着体及び下層定着体の積層体であって計測対象の表面上に上層及び下層の各一辺を対向させて所定間隔で定着させる第１積層定着体及び第２積層定着体と、両積層定着体間に架渡して当該両定着体に固定する一対の光ファイバ・グレーティングとを備えてなり、前記第１積層定着体の上下一方側層の対向辺に第２積層定着体側へ延出し且つ当該対向辺と隙間を介して向い合う対向縁が一部分に形成された第１延出部を設け、前記第２積層定着体の前記上下一方側層の対向辺に第１積層定着体側へ延出し且つ前記隙間内で第１延出部の対向縁と所定間隙で向い合う対向縁が一部分に形成された第２延出部を設け、前記光ファイバ・グレーティングの一方を前記両延出部の対向縁を結ぶ線上に固定し、前記光ファイバ・グレーティングの他方を両積層定着体の上下他方側層の対向辺を結ぶ線上に固定してなる光ファイバセンサ。
12. 請求項１１の光ファイバセンサにおいて、前記一対の光ファイバ・グレーティングを上下方向に位置合わせして平行に固定してなる光ファイバセンサ。
13. 請求項１１又は１２の光ファイバセンサにおいて、前記第１積層定着体及び第２積層定着体の上層と下層との間にそれぞれスペーサを設けてなる光ファイバセンサ。
14. 請求項１１から１３の何れかの光ファイバセンサにおいて、前記第１積層定着体及び第２積層定着体の上下他方側層の対向辺にそれぞれ第２積層体側及び第１積層体側に突出し且つ先端縁が所定間隙で相互に向い合う第１突出部及び第２突出部を設け、前記光ファイバ・グレーティングの他方を両突出部の先端縁を結ぶ線上に固定してなる光ファイバセンサ。
15. 請求項１４の光ファイバセンサにおいて、前記両延出部の対向縁間に前記両積層定着体より小さい剛性で両対向縁を連結する対向縁架橋部を設け、前記両突出部の先端縁間に前記両積層定着体より小さい剛性で両先端縁を連結する先端縁架橋部を設けてなる光ファイバセンサ。
16. 請求項１５の光ファイバセンサにおいて、前記第１積層定着体及び第２積層定着体の上下一方側層と前記対向縁架橋部とを計測対象と同一の熱膨張率の板状部材から一体成形したものとし、前記第１積層定着体及び第２積層定着体の上下他方側層と前記先端縁架橋部とを計測対象と同一の熱膨張率の板状部材から一体成形したものとしてなる光ファイバセンサ。
17. 請求項１１から１６の何れかの光ファイバセンサにおいて、前記第１積層定着体及び第２積層定着体の上下一方側層の外縁を相互に連結する外縁結合部、及び前記第１積層定着体及び第２積層定着体の上下他方側層の外縁を相互に連結する外縁結合部を設けてなる光ファイバセンサ。
18. 請求項１７の光ファイバセンサにおいて、前記第１積層定着体及び第２積層定着体の上下一方側層と外縁結合部とを計測対象と同一の熱膨張率の板状部材から一体成形した枠体とし、前記第１積層定着体及び第２積層定着体の上下他方側層と外縁結合部とを計測対象と同一の熱膨張率の板状部材から一体成形した枠体としてなる光ファイバセンサ。
19. 請求項１７の光ファイバセンサにおいて、前記外縁結合部を取外し可能としてなる光ファイバセンサ。

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