JP2017120210A - 歪分布データ処理装置及び歪分布データ処理方法 - Google Patents

歪分布データ処理装置及び歪分布データ処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】同一時刻における歪分布データを得ることができる歪分布データ処理装置及び歪分布データ処理方法を提供する。
【解決手段】異なる時刻に光ファイバ２１の複数の位置の歪みを測定する分布型の光ファイバセンサ２と、光ファイバセンサ２により得られた歪分布データに基づいて、同一時刻における光ファイバ２１の複数の位置の歪みを算出する歪分布データ処理装置３と、を備える。歪分布データ処理装置３は、光ファイバセンサ２が測定した歪分布データを取得する取得部３１と、取得部３１が取得した歪分布データの時間及び位置の補間により、同一時刻における光ファイバ２１の複数の位置の歪みを算出する補間部３２と、補間部３２が算出した同一時刻における光ファイバ２１の歪分布データとして出力する出力部３４と、備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、分布型の光ファイバセンサにより測定した歪分布データを処理する歪分布データ処理装置及び歪分布データ処理方法に関する。
光ファイバセンサを用いて歪みを測定する光ファイバセンシングの分野においては、一般的にＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）センサが用いられている（例えば、非特許文献１参照）。ＦＢＧセンサは、光ファイバのコア内に複数のＦＢＧ素子（回析格子）を形成されたセンサであり、ブラッグ波長の反射光の光スペクトラムを解析することで、ＦＢＧ素子が形成された位置の歪みを測定することができる。なお、ＦＢＧセンサは、準分布型の光ファイバセンサと呼ばれる。
Optical Fiber Sensors Guide -Fundamentals & Applications-,Micron Optics(http://www.micronoptics.com/uploads/documents/Updated_Optical_Fiber_Sensors_Guide_130529.pdf)
しかしながら、ＦＢＧセンサでは、センサ部となるＦＢＧ素子が離散化されており、また、ＦＢＧ素子の位置を容易に変更することができない。このため、ＦＢＧセンサでは、任意の位置における歪分布データを得ることができない。
この点、ブリルアン散乱現象等を利用した分布型の光ファイバセンサのうちの一部では、測定する位置を切り替えながら（ランダムアクセスしながら）各位置の歪みを測定することで、光ファイバ全長にわたる連続した歪分布データを得ることができる。なお、こうした光ファイバセンサは、ランダムアクセス型の光ファイバセンサとも呼ばれる。
しかしながら、ランダムアクセス型の光ファイバセンサでは、ある時刻においては一点の歪みしか測定することができないため、ランダムアクセス型の光ファイバセンサにより得られる歪分布データは、各点の計測時刻が一致した歪分布データではない。このため、同一時刻における歪分布を観察することができない。更に、測定した歪みから測定対象物の変位を算出しても、測定対象物の振動モードを観察することができない。
そこで、本発明は、同一時刻における歪分布データを得ることができる歪分布データ処理装置及び歪分布データ処理方法を提供することを目的とする。
本発明に係る歪分布データ処理装置は、分布型の光ファイバセンサが異なる時刻に光ファイバの複数の位置の歪みを測定した歪分布データを取得する取得部と、取得部が取得した歪分布データの時間及び位置の補間により、同一時刻における光ファイバの複数の位置の歪みを算出する補間部と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る歪分布データ処理装置では、取得部が歪分布データを取得すると、補間部は、この歪分布データの時間及び位置の補間により、同一時刻における光ファイバの複数の位置の歪みを算出する。これにより、同一時刻における光ファイバの歪分布データを得ることができる。そして、例えば、光ファイバを橋梁等の測定対象物に取り付けることで、同一時刻における測定対象物の歪分布データを得ることができる。
この場合、補間部は、取得部が取得した歪分布データの歪み及び位置の補間により、同一位置における光ファイバの複数の時間の歪みを算出することが好ましい。この歪分布データ処理装置では、補間部は、歪分布データの歪み及び時間の補間により、同一位置における光ファイバの複数の時間の歪みを算出する。これにより、同一位置における光ファイバの歪の時間的変化を得ることができる。そして、例えば、光ファイバを橋梁等の測定対象物に取り付けることで、同一位置における測定対象物の歪の時間的変化を得ることができる。
また、補間部が補間した歪分布データから、光ファイバを取り付けた測定対象物の歪分布の時間的変化を算出する算出部を更に備えることが好ましい。この歪分布データ処理装置では、算出部は、補間部が補間した歪分布データから測定対象物の歪分布の時間的変化を算出するため、測定対象物の振動モード等を容易に観察することができる。
また、補間部が算出した同一時刻における光ファイバの複数の位置の歪みを歪分布データとして出力する出力部を更に備えることが好ましい。この歪分布データ処理装置では、出力部は、補間部が算出した歪分布データを出力するため、同一時刻における歪分布及び同一位置における歪の時間的変化を容易に観察することができる。
本発明に係る歪分布データ処理方法は、分布型の光ファイバセンサが異なる時刻に光ファイバの複数の位置の歪みを測定した歪分布データを取得する取得ステップと、取得ステップにおいて取得した歪分布データの時間及び位置の補間により、同一時刻における光ファイバの複数の位置の歪みを算出する補間ステップと、を備えることを特徴とする。
本発明に係る歪分布データ処理方法では、取得ステップにおいて歪分布データを取得すると、補間ステップにおいて、この歪分布データの時間及び位置の補間により、同一時刻における光ファイバの複数の位置の歪みを算出する。これにより、同一時刻における光ファイバの歪分布データを得ることができる。そして、例えば、光ファイバを橋梁等の測定対象物に取り付けることで、同一時刻における測定対象物の歪分布データを得ることができる。
また、補間ステップでは、取得ステップにおいて取得した歪分布データの歪み及び位置の補間により、同一位置における光ファイバの複数の時間の歪みを算出することが好ましい。この歪分布データ処理方法では、補間ステップにおいて、歪分布データの歪み及び時間の補間により、同一位置における光ファイバの複数の時間の歪みを算出する。これにより、同一位置における光ファイバの歪みの時間的変化を得ることができる。そして、例えば、光ファイバを橋梁等の測定対象物に取り付けることで、同一位置における歪の時間的変化を得ることができる。
本発明によれば、同一時刻における歪分布データを得ることができる。
歪測定装置を示す概略構成図である。 歪分布データ処理装置を示す概略ブロック図である。 光ファイバセンサにより得られた歪分布データを示す図である。 補間部により補間した歪分布データを示す図である。 実施例の実験装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は左側面図、（ｃ）は正面図である。 梁部材を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図である。 歪ゲージで拘束条件１の梁部材の歪みを測定した歪分布データを示す図である。 図７に示す０ｍ地点における歪の時間的変化を示す図である。 光ファイバセンサで拘束条件１の梁部材の歪みを測定した歪分布データを示す図である。 図９に示す０ｍ地点における歪の時間的変化を示す図である。 光ファイバセンサで得た歪分布データを時間及び位置で補間した歪分布データを示す図である。 図１１に示す０ｍ地点における歪の時間的変化を示す図である。 拘束条件１における比較結果を示す図であり、（ａ）は歪ゲージの測定歪分布データ、（ｂ）は光ファイバセンサの測定歪分布データ、（ｃ）は光ファイバセンサの補間歪分布データである。 拘束条件２における比較結果を示す図であり、（ａ）は歪ゲージの測定歪分布データ、（ｂ）は光ファイバセンサの測定歪分布データ、（ｃ）は光ファイバセンサの補間歪分布データである。 拘束条件３における比較結果を示す図であり、（ａ）は歪ゲージの測定歪分布データ、（ｂ）は光ファイバセンサの測定歪分布データ、（ｃ）は光ファイバセンサの補間歪分布データである。 拘束条件３における比較結果を示す図であり、（ａ）は歪ゲージの測定歪分布データ、（ｂ）は光ファイバセンサの測定歪分布データ、（ｃ）は光ファイバセンサの補間歪分布データである。 各振動周期における歪ゲージの測定歪分布データと光ファイバセンサの補間歪分布データとの比較結果を示す図である。 歪ゲージの測定歪分布データに対する光ファイバセンサの測定歪分布データ及び光ファイバセンサの補間歪分布データの相関を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明に係る歪分布データ処理装置、歪分布データ処理方法及び歪測定装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、全図中、同一又は相当部分には同一符号を付すこととする。
図１は、歪測定装置を示す概略構成図である。図１に示すように、歪測定装置１は、光ファイバセンサ２と、歪分布データ処理装置３と、を備える。
光ファイバセンサ２は、異なる時刻に測定対象物４の複数の位置の歪みを測定するための分布型の光ファイバセンサである。分布型の光ファイバセンサ２としては、ブリルアン散乱現象を利用したＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）、ＢＯＣＤＲ（BrillouinOptical Correlation Domain Reflectometry）、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）等がある。このうち、ＢＯＣＤＡ及びＢＯＣＤＲは、ランダムアクセス型の光ファイバセンサと呼ばれ、特に本実施形態に好適である。光ファイバセンサ２は、光ファイバ２１と、測定器２２と、を備える。
光ファイバ２１は、測定対象物４に取り付けられて、測定対象物４の歪みを疑似的に光ファイバ２１内に生じさせるものである。光ファイバ２１は、歪の測定感度を向上するために、測定対象物４に密着させて直線状又はループ状に設置することが好ましい。
測定器２２は、光ファイバ２１の歪みを測定するものである。測定器２２は、ブリルアン散乱現象等を利用して、光ファイバ２１の複数の位置における歪みを測定する。例えば、光ファイバ内で生じるブリルアン散乱光は、入射光と後方散乱光との周波数差が歪み量に依存することが知られている。そこで、測定器２２は、光ファイバ２１に入射するポンプ光によりブリルアン散乱光を発生させ、光源（不図示）の発振周波数を変調することで特定の位置におけるブリルアン散乱光を選択し観測する。そして、測定器２２は、局所的に発生させた誘導ブリルアン散乱光を検出して、当該位置における光ファイバ２１の歪みを算出する。
但し、測定器２２は、ある時刻においては一点の歪みしか測定することができない。そこで、測定器２２は、光源の発振周波数を変調して誘導ブリルアン散乱を局所的に発生させる位置を連続的に変えることで、光ファイバ２１の全長にわたる歪分布を測定する。つまり、光ファイバセンサ２は、異なる時刻に光ファイバ２１の複数の位置の歪みを測定する。これにより、異なる時刻に光ファイバ２１の複数の位置の歪みを測定した歪分布データが得られる。なお、歪分布データは、測定器２２により測定された複数の歪測定値により構成され、具体的には、少なくとも、２以上の時刻に光ファイバ２１の２以上の位置の歪みを測定した４以上の歪測定値により構成される。この場合、３以上の時刻に光ファイバ２１の２以上の歪を測定した６以上の歪測定値であると、後述する測定対象物４の振動モードを観察するのに好適である。
歪分布データ処理装置３は、パソコンなどのコンピュータ装置により構成されており、光ファイバセンサ２により得られた歪分布データに基づいて、同一時刻における測定対象物４の複数の位置の歪みを算出する。
図２は、歪分布データ処理装置を示す概略ブロック図である。図２に示すように、歪分布データ処理装置３は、取得部３１と、補間部３２と、算出部３３と、出力部３４と、を備える。
取得部３１は、光ファイバセンサ２により得られた歪分布データを取得する。そして、取得部３１は、取得した歪分布データを補間部３２に送信する。
補間部３２は、取得部３１が取得した歪分布データの時間及び位置の補間（面補間）により、同一時刻における光ファイバ２１の複数の位置の歪みを算出する。この補間は、公知の様々な方法により行うことができ、例えば、下記の式（１）又は式（２）により行うことができる。式（１）は、観測値を必ず通るように補間するＥｘａｃｔ Ｍｅｔｈｏｄであり、（２）式は観測値を通らないＡｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ Ｍｅｔｈｏｄである（Lam, Nina Siu-Ngan. "Spatial interpolation methods: areview." The American Cartographer 10.2 (1983): 129-150.）。なお、式（１）及び（２）において、ｐは歪み、ｘは位置、ｙは時間、ａは係数、Ｚは観測された歪、をそれぞれ表す。また、式（１）及び（２）において、Ｎは、２以上の整数であり、好ましくは３以上の整数である。
Figure 2017120210
Figure 2017120210
ここで、図３及び図４を参照して、補間部３２の補間処理を説明する。
図３は、光ファイバセンサにより得られた歪分布データを示す図である。図３において、太線は、歪ゲージにより測定された光ファイバ２１の実際の歪であり、黒点は、光ファイバセンサにより得られた歪分布データである。なお、図３では、歪分布データである黒点を細線で結んでいる。図４は、補間部により補間した歪分布データを示す図である。
図３に示すように、光ファイバセンサ２により得られた歪分布データは、複数の位置において測定された歪測定値で構成されるが、何れも同期されておらず、異なる時刻に測定された値となる。このため、ある時刻の複数の位置における歪測定を観測することができない。つまり、光ファイバセンサ２により得られた歪分布データでは、光ファイバ２１の同一時刻における歪を観察することができない。
そこで、補間部３２は、図４に示すように、取得部３１が取得した歪分布データを時間及び位置で補間することで、所定時間毎、かつ、所定間隔毎の、光ファイバ２１の歪みを算出する。これにより、補間部３２は、同一時刻における光ファイバ２１の複数の位置の歪みを算出する。なお、図４では、１４ミリ秒毎、かつ、０．２５ｍ毎の、光ファイバ２１の歪みを算出した場合示している。
更に、補間部３２は、取得部３１が取得した歪分布データの歪み及び位置の補間（面補間）により、同一位置における光ファイバ２１の複数の時間の歪みを算出する。この補間は、公知の様々な方法により行うことができ、例えば、上記の式（１）又は式（２）により行うことができる。
算出部３３は、補間部３２が補間した歪分布データ（補間歪分布データ）から、光ファイバ２１を取り付けた測定対象物４の歪分布の時間的変化を算出する。上述したように、補間部３２は、複数の時刻における歪分布データ（複数の位置における歪）を補間する。そこで、算出部３３は、この複数の時刻における歪分布データから、測定対象物４の歪分布の時間的変化を算出する。測定対象物４の歪分布の時間的変化は、例えば、測定対象物４の固有振動数、測定対象物４の振動モード等により表すことができる。なお、固有振動数及び振動モードの算出は、周知の方法により行うことができる。
出力部３４は、同一時刻における光ファイバ２１の複数の位置の歪み、及び同一位置における光ファイバ２１の複数の時間の歪みを歪分布データとして出力する。つまり、出力部３４は、補間部３２により補間した歪分布データを出力する（図３参照）。出力部３４の出力形態は、特に限定されるものではなく、例えば、歪分布データを画像として表示装置から出力してもよく、歪分布データを文字として印刷装置から出力してもよい。また、出力部３４は、算出部３３により算出された測定対象物４の時間的変化も出力してもよい。
次に、歪分布データ処理方法について説明する。
まず、測定ステップＳ１として、測定器２２は、異なる時刻に光ファイバ２１の複数の位置の歪みを測定する。これにより、光ファイバセンサ２により、光ファイバ２１の異なる位置の歪みを異なる時刻に測定した歪分布データが得られる。
次に、取得ステップＳ２として、取得部３１は、測定ステップＳ１で得られた分布データを取得する。つまり、取得部３１は、光ファイバセンサ２が異なる時刻に光ファイバ２１の複数の位置の歪みを測定した歪分布データを取得する。
次に、補間ステップＳ３として、補間部３２は、取得ステップＳ２において取得した歪分布データの時間及び位置の補間により、同一時刻における光ファイバ２１の複数の位置の歪みを算出する。更に、補間部３２は、取得ステップＳ２において取得した歪分布データの歪み及び位置の補間により、同一位置における光ファイバ２１の複数の時間の歪みを算出する。
次に、算出ステップＳ４として、算出部３３は、補間ステップＳ３において補間した歪分布データから、測定対象物４の歪分布の時間的変化を算出する。
次に、出力ステップＳ５として、出力部３４は、補間ステップＳ３において算出した同一時刻における光ファイバの複数の位置の歪み、及び同一位置における光ファイバ２１の複数の時間の歪みを出力する。なお、出力ステップＳ５では、算出ステップＳ４で算出した測定対象物４の歪分布の時間的変化も出力してもよい。
このように、本実施形態では、分布型の光ファイバセンサ２が異なる時刻に光ファイバ２１の複数の位置の歪みを測定すると、取得部３１がこの歪分布データを取得する。そして、補間部３２は、この歪分布データの時間及び位置の補間により、同一時刻における光ファイバ２１の複数の位置の歪みを算出する。これにより、同一時刻における光ファイバ２１の複数の位置の歪分布データを得ることができる。そして、光ファイバ２１を測定対象物４に取り付けておくことで、同一時刻における測定対象物４の歪分布データを得ることができる。これにより、測定対象物４の同一時刻における歪分布を観察することができる。この場合、歪から変位を算出することで、測定対象物４の振動モードを観察することができる。
また、補間部３２は、歪分布データの歪み及び時間の補間により、同一位置における光ファイバ２１の複数の時間の歪みを算出する。これにより、同一位置における光ファイバ２１の歪の時間的変化を得ることができる。そして、光ファイバ２１を測定対象物４に取り付けておくことで、同一位置における測定対象物４の歪の時間的変化を得ることができる。
また、算出部３３は、補間部３２が補間した歪分布データから測定対象物４の歪分布の時間的変化を算出するため、測定対象物４の振動モード等を容易に観察することができる。
また、出力部３４は、補間部３２が算出した歪分布データを出力するため、同一時刻における歪分布データ、及び同一位置における歪の時間的変化を容易に観察することができる。このとき、歪から算出された変位を出力することで、測定対象物４の振動モードを容易に観察することができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
次に、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
図５は、実施例の実験装置を示す図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は左側面図、図５（ｃ）は正面図である。図５に示すように、実施例の実験装置１０では、測定対象物として、ジュラルミン製の細長い梁部材１４を用いた。梁部材１４の長さ（図５（ａ）における左右方向の寸法）を２．１ｍとし、梁部材１４の幅（図５（ａ）における上下方向の寸法）を３２ｍｍとし、梁部材１４の厚さ（図５（ｃ）における上下方向の寸法）を６ｍｍとした。梁部材１４の右側端部を右支持部１５Ｒで支持し、梁部材１４の左側端部を左支持部１５Ｌで支持した。右支持部１５Ｒ及び左支持部１５Ｌによる梁部材１４の支持間の長さを、２．０ｍとした。
図６は、梁部材を示す図であり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は底面図である。図５及び図６に示すように、梁部材１４の上面には、０．２５ｍ間隔で歪ゲージ１６を９個取り付けた。具体的には、梁部材１４の長さ方向における中央位置を０ｍ地点とし、０ｍ地点から右支持部１５Ｒ側を正（＋）側とし、０ｍ地点から左支持部１５Ｌ側を負（−）側とした。そして、−１ｍ地点、−０．７５地点、−０．５０地点、−０．２５地点、０ｍ地点、０．２５ｍ地点、０．５０ｍ地点、０．７５ｍ地点及び１ｍ地点の９地点に、それぞれ歪ゲージ１６を取り付けた。また、梁部材１４の下面には、歪ゲージ１６と対向するように梁部材１４の長さ方向に沿って光ファイバセンサ１７の光ファイバ１８を取り付けた。右支持部１５Ｒ及び左支持部１５Ｌの拘束条件を表１のように変えて、梁部材１４の中央部を押すことにより梁部材１４を振動させた。なお、表１の拘束条件は、梁部材１４を橋梁モデルとした場合に、拘束条件１から拘束条件４に進むに従い、橋梁モデルのうち支承部（右支持部１５Ｒ及び左支持部１５Ｌ）が経時劣化して行く状況を再現した条件となる。
Figure 2017120210
そして、各歪ゲージ１６により２００Ｈｚで同期した歪みを測定した。この測定値の分布データを、歪ゲージ１６の測定歪分布データという。拘束条件１における歪ゲージ１６の測定歪分布データを図７に示す。更に、図７に示す０ｍ地点における歪の時間的変化を図８に示す。図８の（ａ）は、時間軸方向に測定した歪を線で結んだ測定歪分布データを示しており、図８の（ｂ）は、測定した歪をそのまま点で表わした測定歪分布データを示している。
また、光ファイバセンサ１７により各歪ゲージ１６に対応する位置の歪みを７０Ｈｚで巡回しながら測定した。この測定値の分布データを、光ファイバセンサ１７の測定歪分布データという。拘束条件１における光ファイバセンサ１７の測定歪分布データを図９に示す。なお、歪ゲージ１６と光ファイバ１８とは、梁部材１４の反対側の面に取り付けられているため、歪ゲージ１６の測定歪分布データと光ファイバセンサ１７の測定歪分布データとは、正負逆の値となる。更に、図９に示す０ｍ地点における歪の時間的変化を図１０に示す。図１０の（ａ）は、時間軸方向に測定した歪を線で結んだ測定歪分布データを示しており、図１０の（ｂ）は、測定した歪をそのまま点で表わした測定歪分布データを示している。
また、光ファイバセンサ１７により得られた歪分布データを、時間及び位置の補間により、同一時刻における光ファイバ１８の各歪ゲージ１６に対応する位置の歪みを算出した。この算出した歪分布データを、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データという。拘束条件１における光ファイバセンサ１７の補間歪分布データを図１１に示す。更に、図１１に示す０ｍ地点における歪の時間的変化を図１２に示す。図１２の（ａ）は、時間軸方向に算出した歪を線で結んだ測定歪分布データを示しており、図１２の（ｂ）は、算出した歪をそのまま点で表わした測定歪分布データを示している。
図７に示すように、歪ゲージ１６の測定歪分布データは、同一時刻において梁部材１４の各位置の歪みを測定した歪分布データである。このため、梁部材１４の同一時刻における歪分布を観察することができるとともに、梁部材１４全体の歪みの時間的変化を観察することができる。
これに対し、図９に示すように、光ファイバセンサ１７の測定歪分布データは、異なる時刻において梁部材１４の各位置の歪みを測定した離散的な歪分布データである。このため、梁部材１４の同一時刻における歪分布を観察することができず、梁部材１４全体の歪みの時間的変化も観察することができない。
そして、図１１に示すように、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データは、同一時刻における梁部材１４の各位置の歪みが補間により算出された歪分布データである。このため、歪ゲージ１６の測定歪分布データと同様に、梁部材１４の同一時刻における歪分布を観察することができるとともに、梁部材１４全体の歪みの時間的変化を観察することができる。
また、図８の（ａ）及び（ｂ）に示すように、歪ゲージ１６の測定歪分布データでは、全ての測定時刻に同一位置の歪みを測定しているため、同一位置における歪の時間的変化を正確に観察することができる。
これに対し、図１０の（ａ）及び（ｂ）に示すように、光ファイバセンサ１７の測定歪分布データでは、全ての測定時刻に同一位置の歪みを測定していないため、歪ゲージ１６の測定歪分布データ（図８の（ａ）及び（ｂ）参照）と比較して、同一位置における歪の時間的変化を正確に観察することができない。特に、図１０の（ｂ）に示すように、測定した歪を線で結ばずに、測定した歪をそのまま点で表わすと、測定点が分散したように示されるため、同一位置における歪の時間的変化を観察することができない。
そして、図１２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データでは、同一時刻における梁部材１４の各位置の歪みが補間により算出されているため、光ファイバセンサ１７の測定歪分布データよりも、同一位置における歪の時間的変化を正確に観察することができる。
次に、歪ゲージ１６の測定歪分布データに基づいて算出した梁部材１４の固有振動数と、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データに基づいて算出した梁部材１４の固有振動数と、を比較した。この比較では、梁部材１４を振動させてから１０秒後における梁部材１４の固有振動数を比較した。比較結果を表２に示す。梁部材１４の固有振動数は、梁部材１４全体の歪みの時間的変化に相当する。
Figure 2017120210
表２に示すように、拘束条件２と拘束条件３とでは、歪ゲージ１６の測定歪分布データに基づいて算出した梁部材１４の固有振動数と、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データに基づいて算出した梁部材１４の固有振動数とが、同じ値となる。このため、固有振動数によっては、拘束条件２と拘束条件３とを区別することは難しい。しかしながら、歪ゲージ１６の測定歪分布データに基づいて算出した梁部材１４の固有振動数と光ファイバセンサ１７の補間歪分布データに基づいて算出した梁部材１４の固有振動数とは、全ての拘束条件において、極めて近接した値となっている。このため、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データは、固有振動数における変化を表すパラメータとして十分な精度を有していることが分かる。
次に、歪ゲージ１６の測定歪分布データに基づいて算出した梁部材１４の減衰比と、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データに基づいて算出した梁部材１４の減衰比と、を比較した。この比較では、梁部材１４を振動させてから１０秒後における梁部材１４の減衰比を比較した。比較結果を表３に示す。
Figure 2017120210
表３に示すように、歪ゲージ１６の測定歪分布データに基づいて算出した梁部材１４の減衰比と光ファイバセンサ１７の補間歪分布データに基づいて算出した梁部材１４の減衰比とは、拘束条件が１から拘束条件４に進むに従い離れて行く。しかしながら、上述したように、拘束条件１から拘束条件４に進むに従い橋梁モデルが経時劣化して行く状況を再現した条件となるため、この比較結果から、橋梁モデルにおける減衰比の経時的な変化傾向を推定することができる。
次に、各拘束条件において、歪ゲージ１６の測定歪分布データと、光ファイバセンサ１７の測定歪分布データと、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データと、を比較した。この比較では、０、π／３、２π／３、πの振動周期における梁部材１４の歪みを比較した。比較結果を図１３〜図１６に示す。
図１３は、拘束条件１における比較結果を示す図である。図１４は、拘束条件２における比較結果を示す図である。図１５は、拘束条件３における比較結果を示す図である。図１６は、拘束条件４における比較結果を示す図である。図１３〜図１６において、（ａ）は歪ゲージ１６の測定歪分布データ、（ｂ）は光ファイバセンサ１７の測定歪分布データ、（ｃ）は光ファイバセンサ１７の補間歪分布データを示す。なお、光ファイバセンサ１７は、ある時刻においては一点の歪みしか測定できないため、図１３〜図１６の（ｂ）では、０、π／３、２π／３、πのときに測定された値以外は、前回測定された値のままとなっている。
図１３〜図１６の（ａ）に示すように、歪ゲージ１６の測定歪分布データでは、何れの拘束条件においても、梁部材１４の同一時刻における歪分布を観察することができるとともに、梁部材１４全体の歪みの時間的変化を観察することができる。
これに対し、図１３〜図１６の（ｂ）に示すように、光ファイバセンサ１７の測定歪分布データは、歪ゲージ１６の測定歪分布データからかけ離れた歪分布データとなっている。このため、何れの拘束条件においても、梁部材１４の同一時刻における歪分布を観察することができず、梁部材１４全体の歪みの時間的変化も観察することができない。
そして、図１３〜図１６の（ｃ）に示すように、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データは、歪ゲージ１６の測定歪分布データに近い歪分布データとなっている。このため、梁部材１４の同一時刻における歪分布を観察することができるとともに、梁部材１４全体の歪みの時間的変化を観察することができる。
次に、歪ゲージ１６の測定歪分布データと、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データと、を比較した。この比較では、各振動周期における、歪ゲージ１６の測定歪分布データと、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データとを、同じグラフ上にプロットした。拘束条件１における各歪分布データの比較結果を図１７に示す。図１７において、横軸は、歪ゲージ１６の測定歪分布データを示しており、縦軸は、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データを示している。
図１７に示すように、歪ゲージ１６の測定歪分布データと光ファイバセンサ１７の補間歪分布データとは、反比例の関係となっている。上述したように、歪ゲージ１６の測定歪分布データと光ファイバセンサ１７の測定歪分布データとは、正負逆の値となることから、この関係から、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データは、十分な精度を有していることが分かる。
次に、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データの補間精度を確かめるために、歪ゲージ１６の測定歪分布データと光ファイバセンサ１７の測定歪分布データとの相関係数Ｒ２と、歪ゲージ１６の測定歪分布データと光ファイバセンサ１７の補間歪分布データとの相関係数Ｒ２と、を算出した。算出結果を表４に示す。
Figure 2017120210
また、この二つの相関係数Ｒ２と、上述した歪ゲージ１６の測定歪分布データと光ファイバセンサ１７の補間歪分布データとに基づいて算出した固有振動数との差異（Discrepancy in Natural Frequency）と、歪ゲージ１６の測定歪分布データと光ファイバセンサ１７の補間歪分布データとに基づいて算出した減衰比の差異（Discrepancy in Damping Ratio）と、を同じ図にプロットした。プロットした図を図１８に示す。図１８において、横軸は、正規化した固有振動数（Normalized Natural Frequency）を示し、左縦軸は、差異（Discrepancy）を示し、右縦軸は、相関係数Ｒ２を示す。
表４及び図１８に示すように、歪ゲージ１６の測定歪分布データに対する光ファイバセンサ１７の補間歪分布データの相関は、光ファイバセンサ１７の測定歪分布データよりも高くなっている。このことから、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データは、十分な精度を有していることが分かる。
１…歪測定装置、２…光ファイバセンサ、２１…光ファイバ、２２…測定器、３１…取得部、３２…補間部、３４…出力部、３…歪分布データ処理装置、４…測定対象物、１０…実験装置、１４…梁部材、１５Ｌ…左支持部、１５Ｒ…右支持部、１６…歪ゲージ、１７…光ファイバセンサ、１８…光ファイバ。
次に、光ファイバセンサ１７の補間歪分布データの補間精度を確かめるために、歪ゲージ１６の測定歪分布データと光ファイバセンサ１７の測定歪分布データとの相関係数Ｒ２と、歪ゲージ１６の測定歪分布データと光ファイバセンサ１７の補間歪分布データとの相関係数Ｒ２と、を算出した。算出結果を表４に示す。
Figure 2017120210
また、この二つの相関係数Ｒ２と、上述した歪ゲージ１６の測定歪分布データと光ファイバセンサ１７の補間歪分布データとに基づいて算出した固有振動数との差異（Discrepancy in Natural Frequency）と、歪ゲージ１６の測定歪分布データと光ファイバセンサ１７の補間歪分布データとに基づいて算出した減衰比の差異（Discrepancy in Damping Ratio）と、を同じ図にプロットした。プロットした図を図１８に示す。図１８において、横軸は、正規化した固有振動数（Normalized Natural Frequency）を示し、左縦軸は、差異（Discrepancy）を示し、右縦軸は、相関係数Ｒ２を示す。

Claims (6)

  1. 分布型の光ファイバセンサが異なる時刻に光ファイバの複数の位置の歪みを測定した歪分布データを取得する取得部と、
    前記取得部が取得した前記歪分布データの時間及び位置の補間により、同一時刻における前記光ファイバの複数の位置の歪みを算出する補間部と、を備えることを特徴とする、
    歪分布データ処理装置。
  2. 前記補間部は、前記取得部が取得した前記歪分布データの歪み及び位置の補間により、同一位置における前記光ファイバの複数の時間の歪みを算出することを特徴とする、
    請求項１に記載の歪分布データ処理装置。
  3. 前記補間部が補間した前記歪分布データから、前記光ファイバを取り付けた測定対象物の歪分布の時間的変化を算出する算出部を更に備えることを特徴とする、
    請求項１又は２に記載の歪分布データ処理装置。
  4. 前記補間部が補間した前記歪分布データを出力する出力部を更に備えることを特徴とする、
    請求項１〜３の何れか一項に記載の歪分布データ処理装置。
  5. 分布型の光ファイバセンサが異なる時刻に光ファイバの複数の位置の歪みを測定した歪分布データを取得する取得ステップと、
    前記取得ステップにおいて取得した前記歪分布データの時間及び位置の補間により、同一時刻における前記光ファイバの複数の位置の歪みを算出する補間ステップと、を備えることを特徴とする、
    歪分布データ処理方法。
  6. 前記補間ステップでは、前記取得ステップにおいて取得した前記歪分布データの歪み及び位置の補間により、同一位置における前記光ファイバの複数の時間の歪みを算出することを特徴とする、
    請求項５に記載の歪分布データ処理方法。

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