JP2009103495A - 光ファイバセンサケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】クラック等の局所歪応力を分散させ、かつセンシングを可能とする光ファイバセンサケーブルを提供する。
【解決手段】少なくとも１本の歪検出用光ファイバ１１と、少なくとも１本の温度補償用光ファイバ１２を収納するルースチューブ１４と、少なくとも１対の抗張力体１５とが、タイトに一括被覆されてなる光ファイバセンサケーブル１０において、歪検出用光ファイバ１１の周囲を発泡層１７で被覆する。
【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構造物、モルタル構造物、河川の堤防、山岳の斜面等の土壌に埋め込んで使用される光ファイバセンサケーブルに関する。

近年、建築物、橋梁、トンネル等のコンクリート構造物、モルタル構造物、河川の堤防、山岳の斜面等の土壌に、光ファイバケーブルを、直線的に、あるいはループ状に埋設し、ＢＯＴＤＡ等を用いて光ファイバ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ている。

例えば特許文献１には、歪検出用光ファイバと温度補償光ファイバを備える光ファイバセンサケーブルが記載されている。
また、特許文献２には、被覆層に凹凸を付けた光ファイバセンサケーブルが記載されており、これにより、歪対象物との密着向上を図り、より正確な歪測定が可能になることが開示されている。
特開２００１−３０４８２２号公報 特開２００２−０２３０３０号公報

従来の光ファイバセンサケーブルの構造の一例を図５（ａ）に示す。この光ファイバセンサケーブル２０は、歪検出用光ファイバ２１と、温度補償用光ファイバ２２を抗張力繊維２３中に収納するルースチューブ２４と、１対の抗張力体２５，２５とが、シース樹脂層２６により、タイトに一括被覆されてなり、モルタル等の構造物中に埋め込み、構造物の歪やクラックの発生を監視する。クラックＣが発生したときには、図５（ｂ）に示すように、埋め込んだ光ファイバセンサケーブル２０のクラック発生部には局所的な伸び歪（図５（ｂ）中、白抜きの矢印にて模式的に示す。）が加わるため、その箇所を検出できる。

しかしながら、歪検出用光ファイバ２１に局所的に光ファイバの破断伸び以上の歪がかかったり、大きな伸び歪が印加されたまま長時間置かれたりすると、光ファイバが破断して、センサとして機能しなくなる問題が生じた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、クラック等の局所歪応力を分散させ、かつセンシングを可能とする光ファイバセンサケーブルを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、少なくとも１本の歪検出用光ファイバと、少なくとも１本の温度補償用光ファイバを収納するルースチューブと、少なくとも１対の抗張力体とが、タイトに一括被覆されてなる光ファイバセンサケーブルであって、前記歪検出用光ファイバの周囲が発泡層で被覆されていることを特徴とする光ファイバセンサケーブルを提供する。

本発明の光ファイバセンサケーブルによれば、歪検出用光ファイバの周囲に発泡層を設けることで、クラック発生時の応力を分散し、歪検出用光ファイバへの歪印加量を低減することができる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に示すように、本形態例の光ファイバセンサケーブル１０は、少なくとも１本の歪検出用光ファイバ１１と、少なくとも１本の温度補償用光ファイバ１２を収納するルースチューブ１４と、少なくとも１対の抗張力体１５，１５とが、タイトに一括被覆され、さらに、歪検出用光ファイバ１１の周囲が発泡層１７で被覆されているものである。

歪検出用光ファイバ１１は、光ファイバに歪が加わった際のレイリー散乱光やブリルアン散乱光の変化をＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）やＢＯＴＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ）などを用いて測定することにより、コンクリート構造物、モルタル構造物、土壌などの対象物に生じた歪を検出するためのものであり、対象物に歪が生じたときに、その歪みが歪検出用光ファイバ１１に印加される。

温度補償用光ファイバ１２は、ルースチューブ１４内に、抗張力繊維１３とともにルースに収納されている。これにより、温度変化によらないケーブル（シース等）の伸縮やクラック等があっても、温度補償用光ファイバ１２に外力等の影響を受けにくく、より確実な温度補償が可能になる。歪検出用光ファイバ１１と温度補償用光ファイバ１２を同一の光ファイバセンサケーブルに設けることで、一括して歪みおよび温度のデータを得ることができ、温度補償された正確な歪検出を行うことができる。

本実施形態において、歪検出用光ファイバ１１及び温度補償用光ファイバ１２は、その材質、コア径、クラッド径、被覆の構造などに関して、特に限定されず、適宜選択して使用することができる。特に、強度や安定性に優れ、かつ良好な伝送特性が得られることから、石英ガラス系光ファイバに１層以上の被覆を施した光ファイバ素線や光ファイバ心線などを用いることが好ましい。歪検出用光ファイバ１１及び温度補償用光ファイバ１２の本数は、１本に限定されることなく、それぞれ１本または複数本を設けた構成とすることができる。

本実施形態における抗張力繊維１３は、温度補償用光ファイバ１２に縦添えされ、温度補償用光ファイバ１２をルースに支持する。このように、温度補償用光ファイバ１２を中空構造のルースチューブ１４内に収納することで、正確な温度補償が可能になる。

抗張力繊維１３としては、特に限定されるものではないが、例えば、アラミド繊維（芳香族ポリアミド繊維）等の高強度繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が挙げられる。温度補償用光ファイバ１２及び抗張力繊維１３をルースチューブ１４内にルースに収納することで、温度補償用光ファイバコードを構成してもよく、この場合、ルースチューブ１４は温度補償用光ファイバコードの被覆として、温度補償用光ファイバ１２及び抗張力繊維１３を一体化する。

また、ケーブルの抗張力体１５として、鋼線などの金属線などのテンションメンバが設けられる。テンションメンバは、金属線に限られず、アラミド繊維（芳香族ポリアミド繊維）等の高強度繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などを用いることもできる。抗張力体１５は、少なくとも１対（２本）が設けられる。例えば図１（ａ）や図２に示すように、断面円形のケーブルであれば、その直径方向両側に１本ずつで１対とする態様、図３に示すように、断面矩形のケーブルであれば、その長辺方向両側に１本ずつで１対とする態様が例示できる。また、２対以上の抗張力体１５を設けることもできる。

光ファイバセンサケーブル１０の一括被覆に用いられるシース樹脂は、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しい。また、土砂やそれに含まれる水分の浸透を防ぐために、耐水特性を有することが望ましい。このような樹脂としては、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（ＰＥＴ）系樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）系樹脂、アクリロニトリルブタジエンスチレン（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が挙げられる。シース用の樹脂は、シースの押出成形時に、凹凸の形成が実現しやすいように、樹脂の流動性が小さすぎず、かつ、ケーブル形状が維持しやすいように、樹脂の流動性が大きすぎないことが好ましく、メルトフローレート（ＭＦＲ）で０．２〜２０ｇ／１０ｍｉｎの範囲にあることが好ましい。

図１に示す光ファイバセンサケーブル１０においては、光ファイバ及び抗張力体を一括被覆するシースが、発泡層１７と、その周囲を被覆する保護層１６との２層からなる。発泡層１７は、シース樹脂として用いられる上記樹脂に発泡剤やガス等を添加することによって適当な発泡倍率で発泡させた発泡樹脂から構成することができる。発泡樹脂のベースとなる樹脂の具体例としては、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマー、ポリオレフィンエラストマー、ポリエステルエラストマー、ゴム系樹脂、オレフィン系樹脂などが挙げられる。本形態例では、発泡樹脂が１層被覆されているが、特にこれに限られるものではなく、発泡樹脂を２層以上被覆することもできる。

保護層１６は、耐アルカリ性、耐紫外線性、耐水性等を付与するため、ケーブルの外周に設けられている。このような光ファイバセンサケーブル１０は、例えば、歪検出用光ファイバ１１と、温度補償用光ファイバ１２をルースチューブ１４中に収納した温度補償用光ファイバコードと、抗張力体１５とを、長手方向を揃えて並列させ、これらの周囲に発泡樹脂を押出成形して発泡層１７にて一括被覆し、さらにその周囲に保護層１６を形成する方法によって製造することができる。

本形態例の光ファイバセンサケーブル１０は、モルタル等の構造物中に埋め込み、構造物の歪やクラックの発生を監視するために用いることができる。クラックＣが発生したときには、図１（ｂ）に示すように、埋め込んだ光ファイバセンサケーブル２０のクラック発生部には局所的な伸び歪（図１（ｂ）中、白抜きの矢印にて模式的に示す。）が加わるため、その箇所を検出できる。

さらに本形態例の光ファイバセンサケーブル１０によれば、歪検出用光ファイバ１１の周囲に発泡層１７が設けられているので、ケーブル周囲の構造物中にクラック等が発生したとき、それによる応力は、発泡層１７を伝ってから歪検出用光ファイバ１１に印加されることになる。図１（ｂ）に模式的に示すように、クラック発生時の応力を分散し、歪検出用光ファイバ１１に印加される伸び歪を低減することができるので、歪検出用光ファイバ１１の破断や損傷等を防止し、センサとして機能する寿命を延長することができる。

また、発泡層１７の材質、厚さ、発泡倍率等を調整することにより、ケーブル周囲に発生した歪の大きさと、歪検出用光ファイバ１１に印加される歪印加量の比を変えることができる。これにより、所定以上の歪印加量を検出する歪検出センサにおいて、ケーブル周囲に発生した歪を発泡層１７で低減した歪印加量に応じた歪の検出を行うことができるので、歪検出レベルのコントロールが可能になる。例えば、発泡層１７による歪の低減率が大きい場合には、歪を検出する下限しきい値をより大きくすることができ、そのしきい値未満の歪の検出を抑制することができる。

以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

例えば図２に示す光ファイバセンサケーブル１０Ａにおいては、発泡層１７が歪検出用光ファイバ１１単体を被覆するように設けられ、歪検出用光ファイバ１１を被覆した発泡層１７と、温度補償用光ファイバ１２を収納したルースチューブ１４と、抗張力体１５とが、保護層１６により一括被覆されている。この形態例によっても、図１に示す光ファイバセンサケーブル１０と同様の効果が得られると考えられる。本形態例では、歪検出用光ファイバ１１の周囲に発泡樹脂を１層被覆しているが、特にこれに限られるものではなく、発泡樹脂を２層以上被覆することもできる。

また、ケーブル構造は図１、図２のように丸型に限られるものではなく、図３に示す光ファイバセンサケーブル１０Ｂのように、角型（断面矩形状）その他の断面形状を有するケーブルに適用することも可能である。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。

図１（ａ）に示すように、歪検出用光ファイバ１１と、ルースチューブ１４の内部に温度補償用光ファイバ１２及びアラミド繊維１３をルースに収納してなる温度補償用光ファイバコードと、２本の抗張力体１５，１５とを並列に配置し、その上に発泡倍率を変えたポリオレフィン樹脂を被覆してφ３．５ｍｍとし、さらにその上に保護層（耐アルカリ、耐紫外線、耐水等）としてショアＤによる硬さが５０のポリエチレン（以下「ショアＤ５０のポリエチレン」と略記する。）を被覆して、φ４．０ｍｍの光ファイバセンサケーブルを製造した。

（例１）
例１においては、歪検出用光ファイバ１１としてφ０．２５ｍｍの光ファイバ心線を、温度補償用光ファイバコードとしてφ１．５ｍｍの光ファイバコードを、抗張力体としてφ０．４ｍｍ鋼線を用い、その上に発泡倍率が１．２倍のポリオレフィン樹脂を被覆することにより発泡層の外径としてφ３．５ｍｍとし、さらに保護層としてショアＤ５０のポリエチレンを被覆することによりケーブル外径としてφ４．０ｍｍとした。

（例２）
例２においては、歪検出用光ファイバ１１としてφ０．２５ｍｍの光ファイバ心線を、温度補償用光ファイバコードとしてφ１．５ｍｍの光ファイバコードを、抗張力体としてφ０．４ｍｍ鋼線を用い、その上に発泡倍率が１．５倍のポリオレフィン樹脂を被覆することにより発泡層の外径としてφ３．５ｍｍとし、さらに保護層としてショアＤ５０のポリエチレンを被覆することによりケーブル外径としてφ４．０ｍｍとした。

（例３）
例３においては、歪検出用光ファイバ１１としてφ０．２５ｍｍの光ファイバ心線を、温度補償用光ファイバコードとしてφ１．５ｍｍの光ファイバコードを、抗張力体としてφ０．４ｍｍ鋼線を用い、その上に発泡倍率が１．７倍のポリオレフィン樹脂を被覆することにより発泡層の外径としてφ３．５ｍｍとし、さらに保護層としてショアＤ５０のポリエチレンを被覆することによりケーブル外径としてφ４．０ｍｍとした。

（例４）
例４においては、歪検出用光ファイバ１１としてφ０．２５ｍｍの光ファイバ心線を、温度補償用光ファイバコードとしてφ１．５ｍｍの光ファイバコードを、抗張力体としてφ０．４ｍｍ鋼線を用い、その上に発泡無しのポリオレフィン樹脂を被覆することにより発泡無し樹脂層の外径としてφ３．５ｍｍとし、さらに保護層としてショアＤ５０のポリエチレンを被覆することによりケーブル外径としてφ４．０ｍｍとした。

上記４種の光ファイバセンサケーブルを作製し、各ケーブルをモルタル中へ埋め込み、クラック発生時の歪検出感度について比較した。

例１〜４の光ファイバセンサケーブルをモルタル中に埋め込み、１．５ｍｍのクラックを発生させ、ケーブル内の歪検出用光ファイバに印加される歪についてＢＯＴＤＡを用いて測定を行った。この測定結果を図４に示す。図４のグラフに示すように、発泡層の発泡倍率が１．２倍である例１では歪ピーク値が約１８００μＳｔｒａｉｎ、発泡層の発泡倍率が１．５倍である例２では歪ピーク値が約３５００μＳｔｒａｉｎ、発泡層の発泡倍率が１．７倍である例３では歪ピーク値が約６０００μＳｔｒａｉｎ、発泡無しの樹脂を用いた例４では歪ピーク値が約７３００μＳｔｒａｉｎであった。
すなわち、発泡倍率が上昇するに従い、クラック発生箇所における歪検出用光ファイバの歪ピーク値が低減する。つまり、光ファイバへの歪印加量をコントロールすることが可能になった。

さらに、例１〜４の各光ファイバセンサケーブルについて、伝送損失特性を測定した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、歪検出用光ファイバの周囲に発泡層を設けた場合（例１〜３）であっても、発泡無しの樹脂を用いた場合（例４）と比べて遜色のない伝送ロスを示し、いずれも良好な結果であった。

本発明の光ファイバセンサケーブルは、建築物、橋梁、トンネル等のコンクリート構造物、モルタル構造物、河川の堤防、山岳の斜面等の土壌における歪みセンシング用として、好適に利用することができる。

本発明の光ファイバセンサケーブルの一形態例において（ａ）構造を表す横断面図、および（ｂ）作用を説明する部分縦断面図である。 本発明の光ファイバセンサケーブルの第２の形態例を表す横断面図である。 本発明の光ファイバセンサケーブルの第３の形態例を表す横断面図である。 試験例におけるクラック発生部歪を表すグラフである。 従来の光ファイバセンサケーブルの一例を表す横断面図である。

符号の説明

Ｃ…クラック、１０，１０Ａ，１０Ｂ…光ファイバセンサケーブル、１１…歪検出用光ファイバ、１２…温度補償用光ファイバ、１３…抗張力繊維、１４…ルースチューブ、１５…抗張力体、１６…保護層（シース）、１７…発泡層。

Claims (1)

1. 少なくとも１本の歪検出用光ファイバと、少なくとも１本の温度補償用光ファイバを収納するルースチューブと、少なくとも１対の抗張力体とが、タイトに一括被覆されてなる光ファイバセンサケーブルであって、前記歪検出用光ファイバの周囲が発泡層で被覆されていることを特徴とする光ファイバセンサケーブル。

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