JP2009058239A - Fbg光ファイバセンサ式傾斜計 - Google Patents

Fbg光ファイバセンサ式傾斜計 Download PDF

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Abstract

【課題】いわゆるFBG方式の光ファイバセンサを用いて傾斜計を構成し、新たな傾斜検出構造を創案することにより、設置を含めたトータルコストを安価にし、確実に各種の傾斜が計測でき、故障等の影響も防止でき、また、広域にわたる同時計測の場合でも敷設する伝送ケーブル本数を少なくでき、かつ伝送最大距離を延長できるFBG光ファイバセンサ式傾斜計の提供を目的とするものである。
【解決手段】本発明は、筒状をなす傾斜計本体の中空収納部内に配置され、中空収納部上部壁に所定間隔をあけ、各々一端部が固定されて垂下すると共に、プーリー状回動板の両側面に各々他端部が固着されたFBGからなる検出部を有する光ファイバと、プーリー状回動板の略中央位置に設けられ、プーリー状回動板を回動可能にした保持部と、保持部より連結プレートを介して保持される錘部とを備え、プーリー状回動板は、錘部の傾きに連動して回動する、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傾斜計にかかり、特に地すべり斜面地盤や構造物の傾斜角度等の傾斜を検知するFBG光ファイバセンサ式傾斜計に関するものである。
ここに、傾斜計とは一般に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を指標する。
しかして、従来の傾斜計は、筐体の内部に錘を内蔵して構成されており、筐体と錘の相対的な位置変化量を検知し傾斜計の傾斜角度に変換する構造とされている。そして、錘の相対的な位置変化量は錘の保持部材のひずみ量として検知するものが多く、いずれもひずみ量は電気信号として出力されている(特許公開公報2000-97693号、特許公開公報2001-50744号参照)。
しかしながら、前記従来の傾斜計は、複数の傾斜計を同時に用いる際、電気信号の伝送は1つの傾斜計で1本のケーブルが必要なためケーブルの材料費と設置費用が多大となってしまう。また、ケーブルを複数本通すため、ボーリング孔を太くしなければならない可能性がある。さらには、電気信号を測定器に伝送する距離は最大1km程度であり、それ以上は増幅装置が必要となるので機器費用や設置費用が多大となる。また、電気信号を用いるため、落雷で損傷し測定不能になる。また、電磁ノイズの大きい場所では計測誤差を生じるため使用できない。との課題があった。
特開2000−97693号公報 特開2001−50744号公報
かくして、本発明は前記従来から存する傾斜計の課題に対処すべく創案されたものであって、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を用いて傾斜計を構成し、しかも前記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を用いて新たな傾斜検出構造を創案することにより、設置を含めたトータルコストを安価にし、しかも確実に各種の傾斜が計測でき、さらに落雷による故障および電磁ノイズの影響をも防止でき、また、広域にわたる同時計測の場合であっても、敷設する伝送ケーブル本数を少なくでき、かつ伝送最大距離を延長できるFBG光ファイバセンサ式傾斜計の提供を目的とするものである。
本発明によるFBG光ファイバセンサ式傾斜計は、
筒状をなす傾斜計本体の中空収納部内に配置され、中空収納部上部壁に所定間隔をあけ、各々一端部が固定されて垂下すると共に、プーリー状回動板の両側面に各々他端部が固着されたFBGからなる検出部を有する光ファイバと、
前記プーリー状回動板の略中央位置に設けられ、前記傾斜計本体側に保持されると共に、該保持部を支点として前記プーリー状回動板を回動可能にした保持部と、該保持部より連結プレートを介して保持される錘部とを備え、
前記プーリー状回動板は、前記錘部の傾きに連動して回動する、
ことを特徴とし、
または、
筒状をなす傾斜計本体の中空収納部内に配置され、中空収納部上部壁に所定間隔をあけ、各々一端部が固定されて垂下すると共に、プーリー状回動板の両端面に各々他端部が固着された一対のFBGからなる検出部を有する光ファイバと、
前記プーリー状回動板の略中央位置に穿設された貫通孔と、該貫通孔の両開口側に添設された連結プレートと、該連結プレートに保持される錘部と、
を有し、
前記プーリー状回動板と連結プレートとは、前記貫通孔及び一対の連結プレートを挿通し、前記傾斜計本体側に保持された取付軸により連結され、傾斜計本体が傾斜することにより、錘部に連結されたプーリー状回動板が前記取付軸を支点として回動し、前記上部壁とプーリー状回動板の両端面との間に固着された光ファイバが有する一対のFBGからなる検出部を伸縮可能に構成した、
ことを特徴とし、
または、
筒状をなす傾斜計本体の中空収納部内に配置され、中空収納部上部壁に所定間隔をあけ、各々一端部が固定されて垂下すると共に、プーリー状回動板の両端面に各々他端部が固着された一対のFBGからなる検出部を有する光ファイバと、
前記プーリー状回動板の略中央位置に穿設された貫通孔と、該貫通孔の両開口側に添設される連結プレートと、該連結プレートに保持される錘部と、前記連結プレートが挿通する長穴状規制孔を有し、プーリー状回動板と錘部とを区画する、傾斜計本体に固定された閉塞板と、
を有し、
前記プーリー状回動板と連結プレートとは、前記閉塞板上に立設され、プーリー状回動板の表裏面に添設されてプーリー状回動板を保持する保持プレート、及び該保持プレートに添設された連結プレートを貫通し、前記貫通孔を挿通した取付軸により連結され、傾斜計本体が傾斜することにより、錘部に連結されたプーリー状回動板が前記取付軸を支点として回動し、前記一対のFBGからなる検出部を伸縮可能に構成した、
ことを特徴とし、
または、
前記FBG光ファイバセンサ式傾斜計の傾斜計本体の上部または下部に、前記FBG光ファイバセンサ式傾斜計におけるプーリー状回動板が前後方向に回動するよう光ファイバセンサ、錘部を配置して構成した第2のFBG光ファイバセンサ式傾斜計を略90度回転させて取り付け、左右方向及び前後方向の傾斜を検出可能とした、
ことを特徴とし、
または、
前記FBG光ファイバセンサ式傾斜計に併設して、前記FBG光ファイバセンサ式傾斜計におけるプーリー状回動板が前後方向に回動するよう前記FBG光ファイバセンサ式傾斜計を略90度回転させて配置し、左右方向及び前後方向の傾斜を検出可能とした、
ことを特徴とし、
または、
前記FBG光ファイバセンサ式傾斜計を複数個用意し、該複数個のFBG光ファイバセンサ式傾斜計は、前記光ファイバで直列に接続された、
ことを特徴とし、
または、
前記複数個のFBG光ファイバセンサ式傾斜計は、地表面や構造物上において横方向に向かい直列に接続設置された、
ことを特徴とし、
または、
前記複数個のFBG光ファイバセンサ式傾斜計は、地中孔内において略鉛直方向直列に接続設置された、
ことを特徴とするものである。
本発明による傾斜計であれば、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を用いて新たな傾斜検出構造を創案してなり、設置を含めたトータルコストを安価にし、しかも確実に各種の傾斜が計測でき、さらに落雷による故障および電磁ノイズの影響をも防止でき、また、広域にわたる同時計測の場合であっても、敷設する伝送ケーブル本数を少なくでき、かつ伝送最大距離を延長できるとの優れた効果を奏する。
以下本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。
ここで、FBG光ファイバセンサ式傾斜計は、一般に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を指標する。
図2などにおいて、符号1は筒状をなす傾斜計本体を示す。したがって、該傾斜計本体1の内部には上下方向(鉛直方向)に伸びる空間からなる中空収納部2が設けられている。
該中空収納部2の上部壁3には所定の間隔を開けてFBGからなる検出部4、4が設けられた光ファイバ5,5の一端部側が固定されて垂下しており、その他端部側はプーリー状回動板6の両側面に固定される。
ここで、本実施例において、プーリー状回動板6の形状は、概ね、円形状ならかるものを中心水平位置から横に切断し、その下側部分についての半円状とされたものに等しい形状、すなわち下弦半円形状に構成されており、両側の側面部分は曲面ではなく上下に様略直線状に形成された側面として形成するものとしている。
しかして、図1等の図から理解されるように、前記光ファイバ5,5の他端側はこの略直線状をなす両側端面に固着される。
そして、このプーリー状回動板6の略中央位置には回転軸となる回転軸用穴7が穿設されており、プーリー状回動板6の表裏面から添設された一対の保持プレート11、11及び該保持プレート11,11の外側から添設された連結プレート8,8を嵌挿する固定用軸棒9がこの回転軸用穴7を通過して、プーリー状回動板6と一対の保持プレート11,11及び一対の連結プレート8,8とを緊結している。そしてこの部分がプーリー状回動板6の回転軸となる。
ここで、前記保持プレート11,11は、傾斜計本体1の内側面に固定され、前記プーリー状回動板6と錘部10とを区画する閉塞板12上に立設されており、プーリー状回動板6を所定位置で保持する機能を果たしている。なお、閉塞板12は傾斜計本体1に固定されている。
なお、前記の固定用軸棒9を長尺に構成し、傾斜計本体1の側壁間に架設して回転軸とすれば前記保持プレート11,11を設けなくともよい構造となり、そのような構造を採用しても構わない。
さらに、連結プレート8,8の下端部側には錘部10が連結されて取り付けられており、図4から理解されるように、傾斜計本体1が例えば、左右方向に傾斜すると、前記錘部10が常に垂直方向に向かって垂下するため、錘部10に連結された連結プレート8,8を介してプーリー状回動板6は、前記固定用軸棒9を回動軸として回動する様構成されている。
閉塞板12には、前記回動方向へ揺動する連結プレート8,8が挿通する長穴状規制孔13が上下方向へ貫通して一対設けられており、該長穴状規制孔13の長さ分だけ錘部10に連結した連結プレート8,8は、例えば左右方向へ揺動する。
ここで、長穴状規制孔13の形状、特にその孔の長さについてであるが、通常プーリー状回動板6の傾斜が、光ファイバが引張り力により切れない程度に長穴状規制孔13の孔の長さが決定されており、連結プレート8,8はその長さの分だけ揺動可能とされる。従って、それ以上の傾斜に対しては、連結プレート8,8の揺動を止めてしまっている。すなわち、長穴状規制孔13の孔の長さ以上に連結プレート8,8が傾いてしまうと、その傾きの分だけプーリー状回動板6も回動してしまうことになり、そのプーリー状回動板6の回動により光ファイバ5にも強力な引っ張り力が加わる。すると光ファイバ5は耐えきれず切断してしまうことになるからである。
次に、FBGにより構成された検出部4を有する光ファイバ5の配置状態につき説明する。
まず、例えば、光ファイバ5は傾斜計本体1の上方から挿入され、傾斜計本体1の上部壁3にその一端部が固定される。さらに所定間隔をあけた後、プーリー状回動板6の左側の側端面に垂下して敷設され、そこで他端部が固定される。そして、前記一端部と他端部との間にFBGより構成された検出部4が配置される。
前記他端部の固定後、プーリー状回動板6の下部湾曲部外周面に沿って右側側面側に敷設される。そして、プーリー状回動板6の右側側面側を通り、傾斜計本体1の上方から再度プーリー状回動板6の左側面側を通過させて、傾斜計本体1の下側に敷設する。
ここで、傾斜計本体1の下側に、2個目、あるいは3個目などのFBG光ファイバセンサ式傾斜計を形成する場合には、さらに上記と同様に光ファイバ5を敷設するものとする。
しかし、そうでない場合は、若干の長さを保持した後、再び、傾斜計本体1の右側を上昇通過させて、傾斜計本体1の上方に持って行き、さらに下側に移動させて、プーリー状回動板6の右側測端面に光ファイバ5の他端部を固定させる。
その後、上方に移動させ、所定間隔をあけた後、傾斜計本体1の上部壁3に一端部を固定させる。しかして、前記固定された他端部と一端部の間にFBGにより構成された検出部4が配置されるものとなる。しかして、これにより、FBGからなる検出部4,4はプーリー状回動板6の両側面側に一対設けられるものとなる。
ここで、図12を参照して、複数のFBGからなる検出部4・・・が形成された光ファイバの引き回し状態につき説明する。
図12(a)に示すように、鉛直方向に複数の傾斜計を直列に設置したとき、上方から挿入した光ファイバ5は(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)の順番でFBGからなる検出部4が配置されるよう引き回し、配置しても構わないものであり、また図12(b)に示されるように、上方から挿入した光ファイバ5を(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)の順番でFBGからなる検出部4が配置されるよう引き回し、配置しても構わないものである。
次に、この様に構成されたFBG光ファイバセンサ式傾斜計の動作につき説明する。
傾斜を計測する箇所が未だ傾斜してない場合には、図3に示すように、傾斜計は傾斜せず、もって、一対のFBGからなる検出部4,4にも何ら変化は生じない。
次に図4に示すように、設置箇所に傾斜が生じた場合、設置された傾斜計も傾斜する。ここで、錘部10は常に鉛直方向に垂下している。よって、錘部10に連結されている連結プレート8,8も鉛直方向に垂下する。よって、錘部10とこれに連結されている連結プレート8,8は図4から理解されるように、傾斜計本体1の左側へ移動する。すると、この錘部10及び連結プレート8、8の揺動により、プーリー状回動板6が回動し、図4において、向かって左側のFBGからなる検出部4が伸張する。逆に、向かって右側のFBGからなる検出部4は縮む。
この際の波長の変化、あるいはひずみを検出して傾斜の角度が検出される。その具体的な例を図6の表に示す。
なお、FBGからなる検出部4は温度によってもその波長やひずみに変化が生じる。そのため、FBGによる検出部4,4は2つ以上設けるとよい。2つ以上あれば、温度による値の変化を容易に補正できるからである。
ところで、傾斜計が傾斜したとき、例えば傾斜計本体1の側面部や天井部が歪むことがあってはならない。また、傾斜計本体1自身も、被測定物の傾斜にかかわらず変形しない剛性が要求される。したがって傾斜計本体1は鉄、アルミ等の金属部材で製作されることが望ましい。
次に、図7に本発明の他の実施例につき説明する。図7では1本の長尺な傾斜計本体1内に、例えば左右方向の傾斜と前後方向の傾斜が計測できる様に各構成部材を配置して一つの傾斜計を構成したものである。
よって、図7では傾斜計本体1の上方に例えば、前後方向の傾斜、すなわち矢印Aの方向の傾斜が計測できるようプーリー状回動板6や錘部10を設置した。そして、傾斜計本体1の下方には、例えば、左右方向の傾斜、すなわち矢印Bの方向の傾斜が計測できるようプーリー状回動板6や錘部10を設置したものである。これにより、1つの傾斜計で例えば前後方向の傾斜と左右方向の傾斜が計測できるものとされた。
図8はさらに本発明の他の実施例を示したものである。この実施例では、例えば橋桁14の地盤傾斜を計測するよう構成したものである。例えば、橋桁14の地盤において、例えば橋軸方向の傾斜のみ計測するのであれば、1台の傾斜計を設置すればよい。しかしながら、例えば橋軸直角方向の傾斜も計測したいときには、プーリー状回動板の回動向きを90度変えて2台設置すればよい。これにより、現場の複雑な傾斜も計測することが出来る。
なお、図9乃至図11に示すように、傾斜計を鉛直方向に複数台繋いで使用することもできる。ここで、図9はダムの品質管理計測としての本発明の使用であり、図10は、掘削時における掘削面挙動監視としての本発明の使用であり、図11はいわゆる山の法面など斜面の挙動計測としての本発明の使用である。
さらに、図8のように2台の傾斜計を併設すると共に、次の橋桁14に2台併設していくなど、例えば地表面上に、すなわち横方向に向けて直列に設置することも出来る。
次に、図13には本発明による傾斜計を鉛直方向に向かい、直列に繋ぎ、一つの傾斜計装置を形成した概略説明図を示したものである。
なお、複数の傾斜計を水平方向に向かい直列に接続設置して傾斜計測する実施例としては、当該発明の傾斜計を地すべりが予測される斜面に設置し、地すべりによる斜面の傾斜角度の変化量を計測し、災害を事前に予知する場合が考えられる。すなわち地すべり斜面の防災監視に効果を発揮するものと考えられる。
また複数の傾斜計を垂直方向に向かい直列に設置して傾斜計測する実施例としては、当傾斜計を地中に掘削した孔の中に設置することにより、地盤の移動による地盤内の変状を計測することができる。すなわち地盤の斜面下方のすべり挙動の計測に効果を発揮するものと考えられる。
傾斜計と傾斜計との間には所定間隔を設けるべく接続パイプ15が介在され、該接続パイプ15と傾斜計とは接続用ねじ16によって接続されている。また、複数個のFBGからなる検出部4が設けられ、かつこれら検出部4からの信号を送受信する送受信部ともなる1本の光ファイバ5は傾斜計の上方から挿入され、その後、複数の傾斜計内で引き回された後、再び傾斜計の上方から外部へ配置されるのである。
ここで、符号17は光ファイバ保護チューブであり、該光ファイバ保護チューブ17によりFBGからなる検出部4からの信号を送受信する光ファイバ5が確実に保護されている。
ところで、FBGからなる検出部4は、1本の光ファイバで最大100個まで同時に取り付け、接続可能であるため、伝送用ケーブルの本数は少なくなる。このため、従来のように太いボーリング孔を削孔する必要が全くない。
さらに、検出部4からの信号を送受信する光ファイバ5は、長距離の伝送でも減衰が少なく、最大約9kmまで増幅装置を用いずに伝送可能であると言われている。従って、複数の傾斜計を同時に用いる際の伝送ケーブル設置の労力が軽減され、設置費用も安くなる。この様に特別の装置を付加せずとも長距離の信号伝送を可能としてある。
なお、各傾斜計は傾斜計本体1の上方から伝送用となる光ファイバ5を導入、導出するものとしている。したがって該伝送用の光ファイバ5を例えばコネクタ接続あるいは融着接続などで長尺に接続することによって、複数の傾斜計間および末端の傾斜計から、いわゆる外部の測定装置までの間を伝送用となる光ファイバ5で直列接続することが可能となるのである。
本発明の概略構成を説明する構成説明図(その1)である。 本発明の概略構成を説明する構成説明図(その2)である。 本発明の概略構成を説明する構成説明図(その3)である。 本発明の概略構成を説明する構成説明図(その4)である。 本発明の概略構成を説明する構成説明図(その5)である。 計測データを説明する説明図である。 本発明の他の実施例における概略構成を説明する構成説明図(その1)である。 本発明の他の実施例における概略構成を説明する構成説明図(その2)である。 本発明の(フィルダムでの)設置例の構成を示す構成説明図(その1)である。 本発明の(山留めでの)設置例の構成を示す構成説明図(その2)である。 本発明の(地すべり)設置例の構成を示す構成説明図(その3)である。 光ファイバの引き回し状態を説明する説明図である。 傾斜計を鉛直方向に接続した状態を説明する説明図である。
符号の説明
1 傾斜計本体
2 中空収納部
3 上部壁
4 検出部
5 光ファイバ
6 プーリー状回動板
7 回転軸用穴
8 連結プレート
9 固定用軸棒
10 錘部
11 保持プレート
12 閉塞板
13 長穴状規制孔
14 橋桁
15 接続パイプ
16 接続用ねじ
17 光ファイバ保護チューブ

Claims (8)

  1. 筒状をなす傾斜計本体の中空収納部内に配置され、中空収納部上部壁に所定間隔をあけ、各々一端部が固定されて垂下すると共に、プーリー状回動板の両側面に各々他端部が固着されたFBGからなる検出部を有する光ファイバと、
    前記プーリー状回動板の略中央位置に設けられ、前記傾斜計本体側に保持されると共に、該保持部を支点として前記プーリー状回動板を回動可能にした保持部と、該保持部より連結プレートを介して保持される錘部とを備え、
    前記プーリー状回動板は、前記錘部の傾きに連動して回動する、
    ことを特徴とするFBG光ファイバセンサ式傾斜計。
  2. 筒状をなす傾斜計本体の中空収納部内に配置され、中空収納部上部壁に所定間隔をあけ、各々一端部が固定されて垂下すると共に、プーリー状回動板の両端面に各々他端部が固着された一対のFBGからなる検出部を有する光ファイバと、
    前記プーリー状回動板の略中央位置に穿設された貫通孔と、該貫通孔の両開口側に添設された連結プレートと、該連結プレートに保持される錘部と、
    を有し、
    前記プーリー状回動板と連結プレートとは、前記貫通孔及び一対の連結プレートを挿通し、前記傾斜計本体側に保持された取付軸により連結され、傾斜計本体が傾斜することにより、錘部に連結されたプーリー状回動板が前記取付軸を支点として回動し、前記上部壁とプーリー状回動板の両端面との間に固着された光ファイバが有する一対のFBGからなる検出部を伸縮可能に構成した、
    ことを特徴とするFBG光ファイバセンサ式傾斜計。
  3. 筒状をなす傾斜計本体の中空収納部内に配置され、中空収納部上部壁に所定間隔をあけ、各々一端部が固定されて垂下すると共に、プーリー状回動板の両端面に各々他端部が固着された一対のFBGからなる検出部を有する光ファイバと、
    前記プーリー状回動板の略中央位置に穿設された貫通孔と、該貫通孔の両開口側に添設される連結プレートと、該連結プレートに保持される錘部と、前記連結プレートが挿通する長穴状規制孔を有し、プーリー状回動板と錘部とを区画する、傾斜計本体に固定された閉塞板と、
    を有し、
    前記プーリー状回動板と連結プレートとは、前記閉塞板上に立設され、プーリー状回動板の表裏面に添設されてプーリー状回動板を保持する保持プレート、及び該保持プレートに添設された連結プレートを貫通し、前記貫通孔を挿通した取付軸により連結され、傾斜計本体が傾斜することにより、錘部に連結されたプーリー状回動板が前記取付軸を支点として回動し、前記一対のFBGからなる検出部を伸縮可能に構成した、
    ことを特徴とするFBG光ファイバセンサ式傾斜計。
  4. 前記請求項1、請求項2または請求項3に記載されたFBG光ファイバセンサ式傾斜計の傾斜計本体の上部または下部に、前記請求項1、請求項2または請求項3に記載されたFBG光ファイバセンサ式傾斜計におけるプーリー状回動板が前後方向に回動するよう光ファイバセンサ、錘部を配置して構成した第2のFBG光ファイバセンサ式傾斜計を略90度回転させて取り付け、左右方向及び前後方向の傾斜を検出可能とした、
    ことを特徴とするFBG光ファイバセンサ式傾斜計。
  5. 前記請求項1、請求項2または請求項3に記載されたFBG光ファイバセンサ式傾斜計に併設して、前記請求項1、請求項2または請求項3に記載されたFBG光ファイバセンサ式傾斜計におけるプーリー状回動板が前後方向に回動するよう前記FBG光ファイバセンサ式傾斜計を略90度回転させて配置し、左右方向及び前後方向の傾斜を検出可能とした、
    ことを特徴とするFBG光ファイバセンサ式傾斜計。
  6. 前記FBG光ファイバセンサ式傾斜計を複数個用意し、該複数個のFBG光ファイバセンサ式傾斜計は、前記光ファイバで直列に接続された、
    ことを特徴とする請求項1、請求項2、請求項3、請求項4または請求項5記載のFBG光ファイバセンサ式傾斜計。
  7. 前記複数個のFBG光ファイバセンサ式傾斜計は、地表面や構造物上において横方向に向かい直列に接続設置された、
    ことを特徴とする請求項1、請求項2、請求項3、請求項4または請求項5記載のFBG光ファイバセンサ式傾斜計。
  8. 前記複数個のFBG光ファイバセンサ式傾斜計は、地中孔内において略鉛直方向直列に接続設置された、
    ことを特徴とする請求項1、請求項2、請求項3、請求項4または請求項5記載のFBG光ファイバセンサ式傾斜計。
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