JP2008298672A

JP2008298672A - 歪みセンシング用光ケーブル

Info

Publication number: JP2008298672A
Application number: JP2007146750A
Authority: JP
Inventors: Daiki Takeda; 大樹竹田; Takeshi Shimomichi; 毅下道
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2008-12-11

Abstract

【課題】コンクリートやモルタル構造物などの埋設対象物との間の密着性に優れ、かつ製造が容易な歪みセンシング用光ケーブルの提供。
【解決手段】温度補償用光ファイバコードと、歪検出用光ファイバ心線と、抗張力体とを有するケーブルであって、それらの線材を撚り合わせ、その上に少なくとも１種類以上の樹脂を１層以上押出し被覆することで、ケーブル外被上に撚り目を形成し、該撚り目の撚りピッチを１０ｍｍ〜７００ｍｍの範囲としたことを特徴とする歪みセンシング用光ケーブル。
【選択図】図１

Description

本発明は、建築物、橋梁、トンネル等のコンクリート、モルタル構造物若しくは河川の堤防、山岳の斜面等の土壌に埋め込んで使用する歪みセンシング用光ケーブルに関する。

近年、建築物、橋梁、トンネル等のコンクリート構造物若しくは河川の堤防、山岳の斜面等の土壌に光ファイバを直線的に或いはループ状に埋設し、光ファイバ中に光を伝播させることにより、各構造物の歪みをオンラインで測定する方法が開発された（例えば、特許文献１〜７参照。）。

特許文献１には、外被表面に、長手方向に対して直角の凹凸を形成することで、測定対象物に埋設した時に、光ファイバケーブルと測定対象物との摩擦力を増加させることで、正確な測定が可能になることが開示されている。
特許文献２には、ケーブルを管路内に引き止める方法が開示されている。
特許文献３には、ケーブル下撚りの形状がシース表面に現れる構造が開示されている。
特許文献４には、ケーブル下撚りに、一定厚さのシースを施すことで、シース上に下撚りの形状が現れる構造が開示されている。
特許文献５には、光ファイバ心線（温度補償用）と光ファイバ素線（歪み検出用）が同一支持体に収納されている構造が開示されている。
特許文献６には、同一シース内に、タイトに歪み検出用光ファイバと、ルースに温度補償用光ファイバが収納された構造が開示されている。
特許文献７には、温度補償用光ファイバと抗張力部材をシースで一括的に被覆してなる温度補償用光ケーブルを、歪み検出用光ケーブルと平行に配し、測定対象物上に弛みを有する状態で間欠的に固定した構造が開示されている。
なお、これらのケーブルは、埋設物中で接着剤を塗布したり、間欠的にケーブルをアンカーのようなもので固定したりして使用されている。
特開２００２−２３０３０号公報特開昭６２−１６００２２号公報米国特許第４６８７２９４号明細書米国特許第６９１２３４７号明細書米国特許第６２１５９２７号明細書特開２０００−７５１７４号公報特開２００２−２６７４２４号公報

しかしながら、この種の歪みセンシング用の光ファイバケーブルは、ケーブル外被が平滑であるとコンクリート、モルタル構造物や土壌との密着度が低いため、引っ張り荷重や振動を受けると内部のケーブルが移動してしまい、正確な歪測定ができなくなるという問題が生じるおそれがあった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、コンクリートやモルタル構造物などの埋設対象物との間の密着性に優れ、かつ製造が容易な歪みセンシング用光ケーブルの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、温度補償用光ファイバコードと、歪検出用光ファイバ心線と、抗張力体とを有するケーブルであって、それらの線材を一方向に撚り合わせ、その上に少なくとも１種類以上の樹脂を１層以上押出し被覆することで、ケーブル外被上に撚り目を形成し、該撚り目の撚りピッチを１０ｍｍ〜７００ｍｍの範囲としたことを特徴とする歪みセンシング用光ケーブルを提供する。

また本発明は、温度補償用光ファイバコードと、歪検出用光ファイバ心線と、抗張力体とを有するケーブルであって、それらの線材をＳＺ撚りに撚り合わせ、その上に少なくとも１種類以上の樹脂を１層以上押出し被覆することで、ケーブル外被上に撚り目を形成し、該撚り目の撚りピッチを１０ｍｍ〜７００ｍｍの範囲としたことを特徴とする歪みセンシング用光ケーブルを提供する。

また本発明は、温度補償用光ファイバコードと、歪検出用光ファイバ心線と、抗張力体とを有するケーブルであって、それらの線材のうちの１種を中心体として残りの２種の線材をその上に一方向に撚り合わせ、その上に少なくとも１種類以上の樹脂を１層以上押出し被覆することで、ケーブル外被上に撚り目を形成し、該撚り目の撚りピッチを１０ｍｍ〜７００ｍｍの範囲としたことを特徴とする歪みセンシング用光ケーブルを提供する。

また本発明は、温度補償用光ファイバコードと、歪検出用光ファイバ心線と、抗張力体とを有するケーブルであって、それらの線材のうちの１種を中心体として残りの２種の線材をその上にＳＺ撚りに撚り合わせ、その上に少なくとも１種類以上の樹脂を１層以上押出し被覆することで、ケーブル外被上に撚り目を形成し、その撚り目の撚りピッチを１０ｍｍ〜７００ｍｍの範囲としたことを特徴とする歪みセンシング用光ケーブルを提供する。

本発明の歪みセンシング用光ケーブルにおいて、シース樹脂が、メルトフローレート０．２〜２０ｇ／１０ｍｉｎであるポリエチレン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ＡＢＳ系樹脂からなる群から選択された１種であることが好ましい。

本発明の歪みセンシング用光ケーブルは、ケーブル外被上に撚り目を有し、その撚り目の撚りピッチを１０ｍｍ〜７００ｍｍの範囲としたものなので、コンクリートやモルタル構造物などの埋設対象物との間の密着性に優れ、埋設後にケーブルが移動せず、正確な歪み測定が可能となる。また、製造が容易であるので、安価に提供できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１及び図２は、本発明の歪みセンシング用光ケーブルの一実施形態を示し、図１は歪みセンシング用光ケーブルの概略上面断面図、図２は図１中のＡ−Ａ’断面図である。これらの図中、符号１は歪みセンシング用光ケーブル、２は温度補償用光ファイバコード、３は歪検出用光ファイバ心線、４は抗張力体、５はケーブル外被である。

本実施形態の歪みセンシング用光ケーブル１は、温度補償用光ファイバコード２と、歪検出用光ファイバ心線３と、抗張力体４とを有するケーブルであって、それらの線材を撚り合わせ、その上に少なくとも１種類以上の樹脂を１層以上押出し被覆することで、ケーブル外被５上に撚り目を形成し、該撚り目の撚りピッチを１０ｍｍ〜７００ｍｍの範囲としたことを特徴としている。

温度補償用光ファイバコード２は、歪みセンシング用光ケーブル１に圧力が加わった場合でも、光ファイバコード外被内部の光ファイバに歪みが加わらない構造の光ファイバコードが用いられ、例えば、光ファイバ心線の外周に抗張力体（アラミド繊維など）を縦添えし、その外周にＰＶＣシースなどのコード外被を設けた構造の光ファイバコードが挙げられる。

歪検出用光ファイバ心線３は、歪みセンシング用光ケーブル１のケーブル外被５に圧力が加わった場合に、被覆内の光ファイバに圧力が伝えられる程度の被覆を有する光ファイバ心線を用いることができる。

抗張力体４は、撚り合わせた光ファイバコードや光ファイバ心線に張力が加わらないように設けられ、例えば、アラミド繊維強化プラスチック（アラミドＦＲＰ）などが用いられる。

ケーブル外被５には、コンクリートやモルタルの強アルカリに対抗するために耐アルカリ性を有することが望まれる。また、土砂やそれに含まれる水分の浸透を防ぐために、耐水特性についても有することが望まれる。このようなケーブル外被５として用いる樹脂としては、ポリエチレン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ＡＢＳ系樹脂、また、これらの材料を組み込んだエラストマー材料などが挙げられる。このケーブル外被５用の樹脂は、メルトフローレート（ＭＦＲ）が０．２〜２０ｇ／１０ｍｉｎの範囲にあることが望ましい。ＭＦＲが前記範囲未満であると、押出成型時にその流動性が小さいために、ケーブル外被５表面の凹凸の形成が発現しにくくなる。また、ＭＦＲが前記範囲を超えると、ケーブル形状が維持できなくなる。

本発明の歪みセンシング用光ケーブル１において、前記温度補償用光ファイバコード２と、歪検出用光ファイバ心線３と、抗張力体４との各線材は、撚り合わせた状態でケーブルを構成している。これらの各線材の撚り合わせ方式は、次のａ）〜ｄ）であることが望ましい。
ａ）各線材を一方向に撚り合わせる方式、
ｂ）各線材をＳＺ撚りに撚り合わせる方式、
ｃ）各線材のうちの１種（例えば抗張力体４）を中心体として残りの２種の線材をその上に一方向に撚り合わせる方式、
ｄ）各線材のうちの１種（例えば抗張力体４）を中心体として残りの２種の線材をその上にＳＺ撚りに撚り合わせる方式。

そして、前述のａ）〜ｄ）のいずれかの方式で各線材を撚り合わせ、前記ケーブル外被５で一括被覆することで、得られるケーブル外被５の表面には、螺旋状の凹凸である「撚り目」が形成される。
歪みセンシング用光ケーブル１のケーブル外被５外表面に螺旋状の「撚り目」を設けることで、この光ケーブルをコンクリート構造物や土壌に埋設すると、「撚り目」の凹凸にコンクリート（セメント粒子や土砂等）が入り込むので、光ケーブルと埋設対象物との間の密着性が向上する。

また本発明では、その撚り目の撚りピッチを１０ｍｍ〜７００ｍｍの範囲としている。撚りピッチが前記範囲未満であると、製造に手間がかかり、コストが増加してしまう問題がある。撚りピッチが前記範囲を超えると、歪みセンシング用光ケーブル１をモルタル等に埋設して荷重を加えた際に、ケーブルが移動し易くなってしまう。

本発明の歪みセンシング用光ケーブル１は、建築物、橋梁、トンネル等のコンクリート、モルタル構造物若しくは河川の堤防、山岳の斜面等の土壌に埋め込んで使用する。測定対象物に歪みを生じると、歪みセンシング用光ケーブル１に歪みが伝えられるので、この時の歪みを検出する。歪みの検出は、例えば、光ファイバ（ここでは歪検出用光ファイバ心線３）にブリルアン散乱光の観測用の光パルス試験器（いわゆるＢＯＴＤＲ）を接続し、光パルス試験器を用いて光ファイバの光試験を行ってブリルアン散乱光を観測することで行う。具体的には、光ファイバに試験光を入射すると、該光ファイバの長手方向に歪みが生じている場合には、後方散乱光の一つであるブリルアン散乱光を生じ、該ブリルアン散乱光の波長は入射した試験光の波長からずれているため、この周波数シフト量から該光ファイバの歪み量を検出することができる。また、試験光入射後に、ブリルアン散乱光が前記光パルス試験器で受光、観測されるまでの時間（戻り時間）を検知することにより、光ファイバに歪みが生じている位置の概略を把握することができる。

このようにして、歪検出用光ファイバ心線３の歪み量および歪み位置を検出することで、測定対象物の歪み量および歪み位置を特定することができる。
しかし、光ファイバに温度変化が生じると、該光ファイバで実際に検出される歪み量は、測定対象物の歪み量と、光ファイバの温度変化に伴って生じる光ファイバ自身の歪み量とを合わせたものとなってしまう。
本発明の歪みセンシング用光ケーブル１では、歪検出用光ファイバ心線３で検出した歪み量から、温度補償用光ファイバコード２で検出した歪み量を差し引くことにより、高精度に測定対象物の歪み量を測定することができる。すなわち、温度補償用光ファイバコード２は、測定対象物の歪みに伴って自身が歪みを生じることが無く、該温度補償用光ファイバコード２自身の温度変化に伴う伸縮による歪み量のみを検出する。したがって、測定対象物の歪みに伴う歪み量と自身の温度変化に伴う自身の伸縮による歪み量との総和を検出する歪検出用光ファイバ心線３の歪み量検出値から、前記温度補償用光ファイバコード２の歪み量検出値を差し引けば、測定対象物の歪み量を正確に測定できる訳である。

このような温度の影響の補正は、具体的には、以下のようにして行う。すなわち、温度補償用光ファイバコード２の光試験データから、ブリルアン散乱光の入射光に対する周波数の温度変化によるシフト量を求め、該シフト量を、歪検出用光ファイバ心線３の光試験によって検出されたブリルアン散乱光の周波数のシフト量から差し引くことで、歪検出用光ファイバ心線３の測定対象物の歪みに起因するブリルアン散乱光の周波数のシフト量を求めることができる。

あるいは、温度補償用光ファイバコード２への入射光のラマン散乱光の後方散乱光を光パルス試験器で受光検出したデータから、ブリルアン散乱光の検出データを補正する手法を採用しても良い。温度補償用光ファイバコード２への光の入射により検出されるラマン散乱光の後方散乱光は、該温度補償用光ファイバコード２の温度によって強度が変化するので、検出されるラマン散乱光の後方散乱光の強度は、該温度補償用光ファイバコード２の部分的な温度の違いに対応して異なる。そして、検出波形（ストークス光と反ストークス光のＯＴＤＲ波形）の散乱強度から両者の強度比をとり、所定の理論式から温度を求めれば良い。
以下、実施例により本発明の効果を実証する。

次に具体的な数値を挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本実施例では、図１及び図２に示す構造の歪みセンシング用光ケーブルを作製した。この歪みセンシング用光ケーブルは、対象物の歪検知を行うφ０．９ｍｍの光ファイバ心線と、歪測定時の温度補償を行うφ１．１ｍｍの光ファイバコードと、抗張力体として実装したφ０．８ｍｍのアラミドＦＲＰと、これらの線材の外周に被覆されたケーブル外被とから構成されている。これらの各線材を一方向、もしくはＳＺ状に撚り、その上にポリエチレンを被覆し、φ２．８ｍｍとした。撚った線材の上にポリエチレンを押出し被覆することでケーブル外被上に螺旋状の凹凸である「撚り目」を形成した。

また、この「撚り目」はケーブル製造時の撚り線機の回転数や線材送り出し線速で「撚りピッチ」（螺旋凹凸のスパン）がきまる。この「撚りピッチ」を１０ｍｍから２０００ｍｍとした場合、および、撚り無しとした場合のモルタル密着度を測定した。これらの結果を図３に示す。

図３の結果より、撚りピッチが７００ｍｍ以下である場合、モルタル中におけるケーブルの移動が起こらないことが確認された。

なお、モルタル密着度は、得られた光ケーブルを埋設長が１００ｍｍになるようにモルタル（林工業セメント社製、商品名デザインワークス）に十分脱泡しながら埋め込み、２３±５℃で７日間放置養生したサンプルを使用し、引張試験機を用いて、埋め込んだケーブルの片端に荷重２０ｋｇｆの引抜荷重×１分間を印加した際のケーブル移動量（ケーブル−モルタル埋設部際に印を付け、上記荷重印加後の印の移動量を測定）を測定した。

このようにして得られた光ケーブルをコンクリートやモルタル、または土砂に埋設した際の伝送性能は、１．０ｄＢ／ｋｍ以下と十分に歪検出が可能である値であり、モルタル浸漬後のケーブル端末に２０ｋｇ×１ｍｉｎの荷重を印加したがケーブルの移動はみられなかった。

本発明の歪みセンシング用光ケーブルの一実施形態を示す概略側面断面図である。図１中のＡ−Ａ’断面図である。実施例の結果を示し、撚りピッチとモルタル中におけるケーブルの移動量の関係を示すグラフである。

符号の説明

１…歪みセンシング用光ケーブル、２…温度補償用光ファイバコード、３…歪検出用光ファイバ心線、４…抗張力体、５…ケーブル外被。

Claims

温度補償用光ファイバコードと、歪検出用光ファイバ心線と、抗張力体とを有するケーブルであって、それらの線材を一方向に撚り合わせ、その上に少なくとも１種類以上の樹脂を１層以上押出し被覆することで、ケーブル外被上に撚り目を形成し、該撚り目の撚りピッチを１０ｍｍ〜７００ｍｍの範囲としたことを特徴とする歪みセンシング用光ケーブル。
温度補償用光ファイバコードと、歪検出用光ファイバ心線と、抗張力体とを有するケーブルであって、それらの線材をＳＺ撚りに撚り合わせ、その上に少なくとも１種類以上の樹脂を１層以上押出し被覆することで、ケーブル外被上に撚り目を形成し、該撚り目の撚りピッチを１０ｍｍ〜７００ｍｍの範囲としたことを特徴とする歪みセンシング用光ケーブル。
温度補償用光ファイバコードと、歪検出用光ファイバ心線と、抗張力体とを有するケーブルであって、それらの線材のうちの１種を中心体として残りの２種の線材をその上に一方向に撚り合わせ、その上に少なくとも１種類以上の樹脂を１層以上押出し被覆することで、ケーブル外被上に撚り目を形成し、該撚り目の撚りピッチを１０ｍｍ〜７００ｍｍの範囲としたことを特徴とする歪みセンシング用光ケーブル。
温度補償用光ファイバコードと、歪検出用光ファイバ心線と、抗張力体とを有するケーブルであって、それらの線材のうちの１種を中心体として残りの２種の線材をその上にＳＺ撚りに撚り合わせ、その上に少なくとも１種類以上の樹脂を１層以上押出し被覆することで、ケーブル外被上に撚り目を形成し、その撚り目の撚りピッチを１０ｍｍ〜７００ｍｍの範囲としたことを特徴とする歪みセンシング用光ケーブル。
シース樹脂が、メルトフローレート０．２〜２０ｇ／１０ｍｉｎであるポリエチレン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ＡＢＳ系樹脂からなる群から選択された１種であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の歪みセンシング用光ケーブル。