JP2009092467A - 歪み検出用光ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】モルタル等の歪み測定対象物に生じた０．１ｍｍ程度の微小クラックをも検出可能な歪み検出用光ケーブルの提供。
【解決手段】歪み測定対象物に埋設されるケーブル外被内に、少なくとも歪み検出用光ファイバが設けられた歪み検出用光ケーブルであって、ケーブル外被外面に、長手方向に沿って所定間隔毎に、ケーブル外被と異なる合成樹脂又は接着剤からなる複数の突起部が設けられたことを特徴とする歪み検出用光ケーブル。
【選択図】図２

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検出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、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知られている。従来、光ファイバを用いる歪み測定技術に関して、例えば、特許文献１〜４に開示された技術が提案されている。

特許文献１には、光ファイバ芯線を長さ方向に直交する方向に複数並設し、光ファイバ芯線それぞれの周囲に配された外皮被覆が隣り合う同士で連続している歪センサ用複芯型光ファイバケーブルであって、隣り合う外皮被覆同士の連続部に、長さ方向に沿って溝が設けられた歪センサ用複芯型光ファイバケーブルが開示されている。

特許文献２には、光ファイバと、抗張力体と、前記光ファイバと前記抗張力体とを全長にわたって一括被覆した最外層と、を有し、前記最外層表面に、前記光ファイバケーブルの長手方向に直交又は傾斜する溝が、前記長手方向にわたって形成された光ファイバケーブルが開示されている。

特許文献３には、同一平面上に互いに平行に配置された抗張力体と光ファイバとを外被で一括被覆した光ファイバケーブルであって、前記抗張力体の中心と前記光ファイバの中心を通る平面に沿ってケーブル幅方向に延びる複数本の溝が、前記外被の表面にケーブル長手方向に沿って間欠的に設けられていることを特徴とする光ファイバケーブルが開示されている。

特許文献４には、 光ファイバ素線の外周に未硬化の熱硬化性マトリックス樹脂を含浸させた複数の補強繊維を巻き付けて強化被覆層を形成し、該強化被覆層の外周に溶融した熱可塑性樹脂を押し出し成型して押出被覆層を形成し、該押出被覆層を冷却して硬化させた後、加熱して上記強化被覆層を硬化させて上記押出被覆層と一体化させる歪みセンシング用光ケーブルの製造方法において、上記強化被覆層を硬化させた後に、上記押出被覆層の表面を軟化させた状態で、一定の間隔で凸部が形成されたローラ間に挿通させることにより、上記押出被覆層の表面に凹部を形成する歪みセンシング用光ケーブルの製造方法が開示されている。
特開２００６−６４７６１号公報 特開２００６−５８７１１号公報 特開２００５−１２８３２６号公報 特開２００２−２３０３０号公報

モルタルは、クラックが生じると、それが成長し、１ｍｍを超えると剥離するに至る。よって０．１ｍｍ程度のクラックの検出が必要とされる。しかしながら、前述した従来技術による光ケーブルでは、モルタル中での密着性が不十分であり、クラック発生時に光ケーブルが移動することで０．１ｍｍ程度の微小なクラックを検知することができない。

図１は、モルタルに埋設した従来の光ケーブルにおけるクラック発生時の挙動を模式的に示す図であり、図中、符号１は光ケーブル、２はモルタル、３はクラックである。図１に示すように、従来の光ケーブル１にあっては、モルタル２にクラック３が発生した場合、モルタル２中での密着性が不十分であるため、光ケーブル１の外被がモルタルから剥離して移動してしまい、この移動により光ケーブル１内の歪み検出用光ファイバに本来加わるべき歪みが開放され、光ファイバを用いて検出される歪みのピークが減少してしまう（図１の下側グラフ参照。）。前述したように、クラック３の幅が１ｍｍ以下、特に０．１ｍｍ程度の微小クラックの場合、検出することが困難となる。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、モルタル等の歪み測定対象物に生じた０．１ｍｍ程度の微小クラックをも検出可能な歪み検出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、歪み測定対象物に埋設されるケーブル外被内に、少なくとも歪み検出用光ファイバが設けられた歪み検出用光ケーブルであって、
ケーブル外被外面に、長手方向に沿って所定間隔毎に、ケーブル外被と異なる合成樹脂又は接着剤からなる複数の突起部が設けられたことを特徴とする歪み検出用光ケーブルを提供する。

本発明の歪み検出用光ケーブルにおいて、前記突起部は、ポリイミド系熱硬化性樹脂からなることが好ましい。

本発明の歪み検出用光ケーブルにおいて、前記突起部は、熱可塑性樹脂からなるものであってもよい。

本発明の歪み検出用光ケーブルにおいて、前記ケーブル外被内に、少なくとも１心の前記歪み検出用光ファイバと、少なくとも１心の温度補償用光ファイバとを含むことが好ましい。

本発明の歪み検出用光ケーブルは、ケーブル外被に設けた複数の突起部によって、モルタル・コンクリート構造物等の歪み測定対象物に埋設した状態で、ケーブル外被と歪み測定対象物との間の密着性が向上し、歪み測定対象物に発生した幅０．１ｍｍ程度の微小なクラックも歪みとして検出可能となり、歪み検出精度を向上させることができる。
本発明の歪み検出用光ケーブルは、ケーブル外被外面に、長手方向に沿って所定間隔毎に、ケーブル外被と異なる合成樹脂又は接着剤からなる複数の突起部が設けられたものなので、ボビン巻き形状でも良好な伝送特性を有する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図２及び図３は、本発明の歪み検出用光ケーブルの一実施形態を示す図であり、図２は歪み検出用光ケーブルの製造方法の一例を示す概略構成図、図３（ａ）は図２中のａ−ｂ部断面図、図３（ｂ）は図２中のａ’−ｂ’部断面図である。これらの図中、符号１０は歪み検出用光ファイバ心線、１１は温度補償用光ファイバコード、１２は抗張力体であるアラミドＦＲＰ、１３はケーブル外被形成用の押出ヘッド、１４は突起部１６形成用の樹脂供給部、１５はエアー供給路、１６は突起部、１７は歪み検出用光ケーブル、１８は巻き取りドラム、１９はケーブル外被、Ｐは突起部１６の形成ピッチである。

この歪み検出用光ケーブル１７は、図２に示すように、光ケーブルの製造装置を用い、歪み検出用光ファイバ心線１０と、温度補償用光ファイバコード１１と、抗張力体であるアラミドＦＲＰ１２とを、外被形成用の押出ヘッド１３に供給し、それらの周囲に外被となる樹脂を押出し、ヘッド出口から、前記各線材の周囲をケーブル外被１９で囲んだ歪み検出用光ケーブル１７を製造する。さらに本製造例では、押出ヘッド１３の出口側近傍に配置した樹脂供給部１４から断続的に一定量の樹脂を吐出させて、押出ヘッド１３から出た歪み検出用光ケーブル１７のケーブル外被１９外面に該樹脂を付着させ、硬化させることによって、ケーブル外被１９外面に、長手方向に沿って所定間隔毎に、ケーブル外被１９と異なる合成樹脂又は接着剤からなる複数の突起部１６を設ける。

このように製造される歪み検出用光ケーブル１７は、図３に示すように、ケーブル外被１９内に、歪み検出用光ファイバ心線１０と、温度補償用光ファイバコード１１と、抗張力体であるアラミドＦＲＰ１２とが納められ、またケーブル外被１９外面に、長手方向に沿って所定間隔毎に、ケーブル外被１９と異なる合成樹脂又は接着剤からなる複数の突起部１６が設けられた構造になっている。

この突起部１６を形成する材料としては、ポリイミド系熱硬化性樹脂が好適であるが、それ以外にも熱可塑性樹脂等を使っても同様の効果を発現できる。ポリイミド系熱硬化性樹脂を用いて突起部１６を形成する場合には、未硬化のポリイミド系熱硬化性樹脂を樹脂供給部１４からケーブル外被１９に滴下し、図示していない加熱手段（赤外線ランプや温風加熱装置）によって加熱硬化させ、突起部１６を形成する。この際、樹脂供給部１４のノズル径、樹脂液の粘度を適宜設定すると共に、、樹脂液の滴下タイミングと滴下量をエアー供給量で適宜調整することで、所望の大きさ及び形成ピッチＰで突起部１６を形成することができる。

この歪み検出用光ケーブル１７は、ケーブル外被１９に突起部１６を設けたことで、この光ケーブル１７をモルタル・コンクリート構造物等の歪み測定対象物に埋設した状態で、ケーブル外被１９と歪み測定対象物との間の密着性が向上し、歪み測定対象物に発生した幅０．１ｍｍ程度の微小なクラックも歪みとして検出可能となり、歪み検出精度を向上させることができる。

また、この歪み検出用光ケーブル１７は、ケーブル外被１９外面に、長手方向に沿って所定間隔毎に突起部１６を設けた構造としたので、ボビン巻き形状でも良好な伝送特性を有する。
一方、ケーブル外被１９外面に、長手方向に沿って連続した突起部（すなわち、突条）を設けて歪み検出用光ケーブルを作製した場合、得られた突条付きの歪み検出用光ケーブルは、ケーブル巻き取り時にボビン上で突条が下層のケーブル外被に側圧を与え、伝送損失が劣化する問題を生じる。
以下、実施例により本発明の効果を実証する。

図２に示す製造方法に従って、図３（ａ），（ｂ）に図示した断面を有する歪み検出用光ケーブル１７を製造した。
歪み検出用光ファイバ心線１０としては、シングルモードファイバ素線をポリエステルエラストマー（ＴＰＥＥ）製の被覆層で被覆した外径０．９ｍｍの光ファイバ心線を用いた。
温度補償用光ファイバコード１１としては、シングルモードファイバ素線をポリエステルエラストマー（ＴＰＥＥ）製の被覆層で被覆した外径１．１ｍｍの光ファイバコードを用いた。
抗張力体であるアラミドＦＲＰ１２としては、直径０．８ｍｍのアラミド繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）線材を用いた。
ケーブル外被１９としては、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂を用い、外径約２．８ｍｍの断面環状に形成した。

この光ケーブル本体のケーブル外被１９外面に、ポリイミド系熱硬化性樹脂からなる接着剤を滴下し、硬化させ、長手方向に沿って所定間隔毎に突起部１６を設けた。
本実施例において、突起部の形成ピッチＰ＝１０ｍｍ、突起部の幅Ｗ＝２．５ｍｍとし、接着剤塗布量を調整し、突起部高さＨを０．１ｍｍから２．３ｍｍまでの範囲で変化させ、突起部高さＨの異なる歪み検出用光ケーブルを試作した。

［埋め込み引き抜き試験］
試作した光ケーブルについて、埋め込み引き抜き試験を実施し、突起部の高さと光ケーブルの移動量との関係を調べた。
試作した光ケーブルを、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、埋め込んだ光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光ケーブル移動量（光ケーブル−モルタル埋設部際に印をつけ、前記荷重印加後の印の移動量を測定）を測定した。結果を図５に示す。
図５の結果から、突起部高さＨ＝０．８ｍｍ未満であると、光ケーブルの移動が認められ、Ｈ＝０．８ｍｍ以上であると、その移動を防止できることが分かった。

［巻き取りボビンロス試験］
前述した通り作製した、突起部の高さＨを変化させて試作した光ケーブルを、直径３００ｍｍのボビン上に５００ｍ巻き取り、その光ケーブル中の歪み測定用光ファイバについて、ＯＴＤＲにより伝送損失（ボビンロス）を測定し、突起部の高さＨとボビンロスとの関係を調べた。実使用において正確な歪み測定を行うために、伝送損失目標値を１ｄＢ／ｋｍ未満と定めた。結果を図６に示す。
図６の結果から、Ｈ＝２．３ｍｍ以上では、突起部による側圧により、伝送損失が１ｄＢ／ｋｍを超える結果となった。
図５及び図６の結果から、突起部高さＨの範囲としては、０．８ｍｍ≦Ｈ≦２．０ｍｍが適正な範囲であることがわかった。

［クラック歪み測定試験］
試作した光ケーブルのうち、突起部の高さＨ＝０．８ｍｍの光ケーブルを用い、図４に示す測定装置によってクラック歪み測定試験を行った。
図４に示す試験装置は、固定台２１と、これに対して所定方向に接近・離間するスライド台２０とを有している。双方の台を接触状態とし、台上に光ケーブル１７を乗せ、接着剤２２で台と光ケーブルとを固定する。（図４（ａ）参照。）。次に、スライド台２０を離間方向に移動させ、双方の台間にクラック２３を生じさせ、局所歪みを発生させる（図４（ｂ）参照。）。なお、クラック２３の幅は、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲とした。この局所歪みを生じさせた状態で、光ケーブル中の歪み測定用光ファイバについて、ＢＯＴＤＲにより歪みを測定し、クラック幅と歪みとの関係を調べた。結果を図７に示す。
図７に示すように、０．１ｍｍのクラックについても、２００μＳｔｒａｉｎ程度の歪みの検出が可能であった。また、局所歪み発生状態のまま、一週間保持した後でも、歪み値の変化は見られなかった。

従来の光ケーブルをモルタルに埋設し、クラックが発生した場合に、ケーブルの移動により歪みが開放されてピークが減少する状態を説明する概略図である。 歪み検出用光ケーブルの製造方法の一例を示す概略構成図である。 （ａ）は図２中のａ−ｂ部断面図、（ｂ）は図２中のａ’−ｂ’部断面図である。 実施例で行ったクラック歪み測定試験の概要を説明する構成図であり、（ａ）は局所歪み印加前、（ｂ）局所歪み印加後である。 実施例で行った埋め込み引き抜き試験結果を示すグラフである。 実施例で行った巻き取りボビンロス試験の結果を示すグラフである。 実施例で行ったクラック歪み測定試験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１０…歪み検出用光ファイバ心線、１１…温度補償用光ファイバコード、１２…アラミドＦＲＰ、１３…押出ヘッド、１４…樹脂供給部、１５…エアー供給路、１６…突起部、１７…歪み検出用光ケーブル、１８…巻き取りドラム、１９…ケーブル外被、２０…スライド台、２１…固定台、２２…接着剤、２３…クラック。

Claims (4)

1. 歪み測定対象物に埋設されるケーブル外被内に、少なくとも歪み検出用光ファイバが設けられた歪み検出用光ケーブルであって、
   ケーブル外被外面に、長手方向に沿って所定間隔毎に、ケーブル外被と異なる合成樹脂又は接着剤からなる複数の突起部が設けられたことを特徴とする歪み検出用光ケーブル。
2. 前記突起部がポリイミド系熱硬化性樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の歪み検出用光ケーブル。
3. 前記突起部が熱可塑性樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の歪み検出用光ケーブル。
4. 前記ケーブル外被内に、少なくとも１心の前記歪み検出用光ファイバと、少なくとも１心の温度補償用光ファイバとを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の歪み検出用光ケーブル。

Images