JP3111744B2 - 構造体の変形検知方法 - Google Patents

構造体の変形検知方法

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JP3111744B2 JP05110610A JP11061093A JP3111744B2 JP 3111744 B2 JP3111744 B2 JP 3111744B2 JP 05110610 A JP05110610 A JP 05110610A JP 11061093 A JP11061093 A JP 11061093A JP 3111744 B2 JP3111744 B2 JP 3111744B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバの光伝送が
変形によって影響を受けることを利用した構造体の変形
検知方法に係り、特に、大規模構造体の変形検知に適
し、構造体の変形の状態を正確に検知することができる
構造体の変形検知方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、構造体の変形を検知する方法と
して、ひずみゲージを構造体に取り付け、このひずみゲ
ージにより構造体の局所的なひずみを測定する方法が用
いられる。構造体全体の変形状態を検知するためには、
多数のひずみゲージを構造体に取り付け、多数の局所的
なひずみデータを得て、これより全体の変形状態を求め
る。この全体の変形状態を求める方法は、機械等の比較
的小規模の構造体の変形検知には適している。その反
面、道路、線路の盛り土、切り土、堤防、ダムといった
大規模構造体に対しては、ひずみゲージの設置個数が莫
大となるので、実用的でない。
【0003】大規模構造体の変形検知方法として、光フ
ァイバの光伝送が変形によって影響を受けることを利用
した方法が注目されつつある。
【0004】図8は、この方法を示したもので、盛り土
80等の土砂81中に光ファイバ82が埋設されてい
る。土砂81が移動して盛り土が変形したり崩壊したり
した場合、光ファイバ82も土砂に伴って移動し元の状
態から変形する。この光ファイバ82の変形により伝送
損失が変化する。従って、伝送損失の変化を検知するこ
とで盛り土80の変形や崩壊を検知することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、盛り土の上
を重車両が通過すると、その重量のために盛り土は変形
する。上記従来の光ファイバを用いた方法では、検知さ
れた変形が盛り土の崩壊につながるような変形である
か、重車両の通過による変形であるかを判定することが
できなかった。
【0006】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、大規模構造体の変形検知に適し、構造体の変形の状
態を正確に検知することができる構造体の変形検知方法
を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、変形や外力に対する光伝送特性の変化の異
なる複数の光ファイバ心線を収容した光ケーブルを上記
構造体に埋設或いは付設し、それぞれの光ファイバ心線
の光伝送特性の変化の違いから上記構造体の変形の状態
を検知するものである。
【0008】上記光ケーブル内に螺旋溝を有するスペー
サを設け、この螺旋溝内に上記変形や外力に対する光伝
送特性の変化の異なる複数の光ファイバ心線を収容して
もよい。
【0009】比屈折率差の異なるコア・クラッドと弾性
率の異なる被膜とを組み合わせて少なくとも4種の光フ
ァイバ素線を形成し、これらの光ファイバ素線を並列に
配置して一体のテープ状光ファイバ心線を形成し、この
テープ状光ファイバ心線を上記光ケーブル内に収容して
もよい。
【0010】
【作用】上記構成により、構造体が変形すると光ケーブ
ルが変形や外力を受ける。これに収容されている光ファ
イバ心線も相応の変形や外力を受ける。各光ファイバ心
線は、変形や外力に対する光伝送特性の変化が異なるの
で、上記構造体の変形に対する光伝送特性の変化の大き
さがまちまちである。従って、構造体の変形の状態によ
って各光ファイバ心線の光伝送特性の変化に違いが生じ
る。検知された各光ファイバ心線の光伝送特性の変化の
違いから、構造体の変形の状態を検知することができ
る。
【0011】
【実施例】以下本発明の一実施例を添付図面に基づいて
詳述する。
【0012】図1に示した例は、本発明による構造体の
変形検知方法を盛り土の土砂1の変形検出に適用したも
のである。このための装置は、主に、光ケーブル2、光
源3、受光器4、解析装置6から構成される。光ケーブ
ル2は、土砂1の長手方向に沿わせて略まっすぐに配置
されて土砂1内に埋め込まれている。光源3及び受光器
4は、光ケーブル2を介して光信号を授受するように、
光ファイバ素線5の両端に接続される。解析装置6は、
受光器4の出力をモニタできるように受光器4に接続さ
れている。解析装置6は、光ケーブル2内の光ファイバ
素線5を伝送される光の変化から、土砂1の変形を検知
するものであり、この実施例では上記伝送光の変化は伝
送損失の増減として検知される。また、伝送損失の増減
を検出する方法としては、他にOTDR(Optical time
-domain reflectometry)による検出方法が適用可能であ
る。この場合は、光源3の位置にOTDRを設け、受光
器4を用いずに損失変化の検出を行う。
【0013】光ケーブル2は、図2のように構成されて
いる。光ケーブル2の中心には抗張力線7が設けられ、
抗張力線7の外周にはポリエチレン製のスペーサ8が設
けられている。スペーサ8はその外周の4箇所に螺旋溝
9を有している。螺旋溝9は、略角形の断面を有し、光
ケーブル2の長手方向に螺旋状に伸びている。それぞれ
の螺旋溝9内には、4心テープファイバ心線10が収容
されている。4心テープファイバ心線10を押さえるた
めに、スペーサ8の外周は押え巻き11が施されてい
る。さらに押え巻き11の外周は、ポリエチレンシース
12で被覆されている。
【0014】4心テープファイバ心線10の詳細は、図
3に示される。4心テープファイバ心線10は、互いに
物理特性の異なる4本の光ファイバ素線A、B、C、D
から構成されたものである。その構造は、各光ファイバ
素線A、B、C、Dが並列に配置され、全体の周囲がテ
ープ被覆13で覆われ、外観は偏平なテープ状を呈して
いる。それぞれの光ファイバ素線は、いずれも図4に示
すような構造を有している。即ち、石英ガラス製のコア
14及びクラッド15からなる光ファイバ、クラッド1
5の外周を覆う樹脂製の1次被覆16、さらにその外周
を覆う樹脂製の2次被覆17で構成される。
【0015】ここで光ファイバ素線A、B、C、Dは、
コア・クラッドの比屈折率差の異なる2種類の光ファイ
バと、弾性率の異なる2種類の2次被覆17とを組み合
わせて構成されたものであり、図3に併記された表の通
り、光ファイバ素線A、Cは比屈折率差の小さい光ファ
イバに弾性率の大小異なる2次被覆17を設けたもので
ある。一方、光ファイバ素線B、Dは比屈折率差の大き
い光ファイバに弾性率の大小異なる2次被覆17を設け
たものである。このように2種の材料の違いを組み合わ
せて4種の光ファイバ素線A、B、C、Dが形成され、
この4種の光ファイバ素線により上記4心テープファイ
バ心線10の如く一体のテープ状光ファイバ心線が形成
されている。さらに、この4心テープファイバ心線10
が、上記スペーサ8の螺旋溝9に収容され、本発明の構
造体の変形検知方法のための光ケーブル2が形成されて
いる。
【0016】それぞれの光ファイバ素線は、比屈折率差
と弾性率の相違から、曲げに対する伝送損失増加傾向と
側圧に対する伝送損失増加傾向に、それぞれ違った傾向
を示すものである。光ファイバ素線を曲げた場合、曲げ
半径が小さい方が伝送損失増加が大きいが、各光ファイ
バ素線同士を比較すると、被覆構造には関係なく、比屈
折率差の小さい方が伝送損失増加が大きい。一方、側圧
に対しては伝送損失増加が被覆構造に支配され、2次被
覆17の弾性率が小さい方が伝送損失増加が大きい。こ
のような構成としたことにより、本発明の光ケーブル2
は、各光ファイバ素線の伝送損失増加を検知したとき
に、曲げと側圧とを分離して検知することができる。こ
こで図5に、実験による光ケーブル2における各光ファ
イバ素線A、B、C、Dの曲げ及び側圧に対する伝送損
失増加傾向を示す。
【0017】図5(b)に示された曲げ特性は、光ケー
ブル2をマンドレルに巻き付け、曲げ半径と各光ファイ
バ素線A、B、C、Dの伝送損失増加量の関係を調べた
ものである。比屈折率差が小さく2次被覆の弾性率が小
さい光ファイバ素線Cの伝送損失増加が最も大きく、次
いでA、D、Bの順となっている。図5(b)に示され
た側圧特性は、光ケーブル2を側方からつぶし、つぶし
量と伝送損失増加量の関係を調べたものである。ここで
も光ファイバ素線Cの伝送損失増加が最も大きいが、次
いでD、A、Bの順となっている。この2つの実験結果
により、曲げと側圧とでは伝送損失増加量の大きさの順
番が異なることが明らかである。
【0018】解析装置6は、コンピュータ18で構成さ
れる。このコンピュータ18には、上記実験結果に基づ
くデータが格納されている。また、コンピュータ18に
より土砂の変形がもたらす伝送損失の増減をシミュレー
ションすることができる。解析装置6は、各光ファイバ
素線A、B、C、Dの伝送損失を常時、または間欠的に
測定し、伝送損失の増加が検出されると、その検出結果
とシミュレーション結果或いは格納データとを比較対照
する。この比較対照により土砂の変形状態が推定でき
る。
【0019】次に、本発明の構造体の変形検知方法によ
って土砂の変形を検知した実験について説明する。図1
のように盛り土の土砂1内に光ケーブル2を埋設し、こ
の土砂1を側方からブルドーザで押し込んだ。図6は、
そのようすを上から見たものであり、ブルドーザ19に
押し込まれた土砂1aは移動し、これに伴って光ケーブ
ル2aも変形している。光ケーブル2a内の各光ファイ
バ素線A、B、C、Dも変形し、解析装置6からは伝送
損失の増加が観測された。土砂1aの移動量と伝送損失
の増加量との関係は、図7のようになった。土砂移動量
が少ない状態では、C、D、A、Bの順で伝送損失増加
が大きい。ある程度土砂移動量が多くなると、DとAと
の順が入れ代わり、C、A、D、Bの順で伝送損失増加
が大きい。さらに移動が進み、土砂が崩壊、土砂崩れの
状態になると、伝送損失増加はなくなり最終的にはほぼ
元の状態の伝送損失に戻った。
【0020】この実験により、土砂移動の初期には光ケ
ーブル2が主に側圧を受け、その後は曲げを受けるよう
になることが判った。また、土砂1が崩れて光ケーブル
2が土砂1から露出してしまうと光ケーブル2は外力を
受けなくなるために伝送損失が小さくなることが判っ
た。
【0021】土砂1上を重車両が走行したときの伝送損
失増加の実験も行われた。その結果、土砂1上を重車両
が走行すると、光ケーブル2は主に側圧を受け、C、
D、A、Bの順で伝送損失増加が大きいことが判った。
これは、前記のような土砂崩れの場合と、重車両の走行
の場合とでは明確な区別ができることを意味している。
【0022】解析装置6は、図7の実験結果をコンピュ
ータ18内にデータとして保有し、このデータを伝送損
失増加の検知結果と比較照合することにより、変形の程
度を推定することができる。また、土砂崩れの状態と他
の状態とを区別すること、或いは土砂崩れを事前に検知
することができる。
【0023】なお、本実施例では、光ケーブルの伝送光
の変化を伝送損失から検知するものとしたが、伝送損失
に限定するものではない。例えば、位相特性、パルス到
達時間等の伝送特性の変化を検知することにより土砂の
変形を検知することができる。また、本実施例では盛り
土の土砂について適用したが、道路、線路の盛り土、切
り土、堤防、ダムといった大規模構造体に適用できるこ
とは勿論である。
【0024】
【発明の効果】本発明によれば、大規模構造体の変形を
検知するだけでなく、変形の状態を正確に検知するの
で、構造体の破壊、崩壊を事前に察知することができ、
災害、事故等を未然に防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す変形検知装置の概略図
である。
【図2】本発明に使用される光ケーブルの断面図であ
る。
【図3】本発明に使用される4心テープファイバ心線の
詳細を示す断面図である。
【図4】本発明に使用される光ファイバ素線の詳細を示
す断面図である。
【図5】本発明に使用される光ファイバ素線曲げ半径及
びつぶし量に対する伝送損失増加傾向を示した特性グラ
フである。
【図6】土砂の変形検知の実験方法を示す見取り図であ
る。
【図7】土砂の移動量と伝送損失の増加量との関係を示
した特性グラフである。
【図8】従来例を示す変形検知装置の断面図である。
【符号の説明】
1 土砂(構造体) 2 光ケーブル 10 4心テープファイバ心線 A、B、C、D 光ファイバ素線
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01D 5/26 - 5/38 G01D 21/00 - 21/02 G01L 1/00 - 1/26 G02B 6/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 構造体に光ファイバを埋設或いは付設
    し、この光ファイバを伝送される光の変化から上記構造
    体の変形を検知する方法において、変形や外力に対する
    光伝送特性の変化の異なる複数の光ファイバ心線を収容
    した光ケーブルを上記構造体に埋設或いは付設し、それ
    ぞれの光ファイバ心線の光伝送特性の変化の違いから上
    記構造体の変形の状態を検知することを特徴とする構造
    体の変形検知方法。
  2. 【請求項2】 上記光ケーブル内に螺旋溝を有するスペ
    ーサを設け、この螺旋溝内に上記変形や外力に対する光
    伝送特性の変化の異なる複数の光ファイバ心線を収容す
    ることを特徴とする請求項1記載の構造体の変形検知方
    法。
  3. 【請求項3】 比屈折率差の異なるコア・クラッドと弾
    性率の異なる被膜とを組み合わせて少なくとも4種の光
    ファイバ素線を形成し、これらの光ファイバ素線を並列
    に配置して一体のテープ状光ファイバ心線を形成し、こ
    のテープ状光ファイバ心線を上記光ケーブル内に収容し
    たことを特徴とする請求項1記載の構造体の変形検知方
    法。
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