JP3649666B2 - 光ファイバセンサおよびそれを用いた歪み計測方法 - Google Patents
光ファイバセンサおよびそれを用いた歪み計測方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバセンサおよびそれを用いた歪み計測方法に関し、特に、土木、鉄鋼等の構造物の変形を計測・監視するための光ファイバセンサおよびそれを用いた歪み計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いた歪み計測センサとして、近年、ＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）やＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）などの装置が利用されてきている。
【０００３】
土構造物の変形を計測するセンサとして、特開平１０−１７６９６５号公報に示されているように、光ファイバとその周囲の弾性を有する管が一体とされ、その先端部で折り返されているものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバは、その先端部で光ファイバが折り返されて用いられる。その折返し部にて、光ファイバの曲げ半径が小さいと、光ファイバが折れ易くなる。さらに、光ファイバの曲げ半径が小さいと、光ファイバ内の反射条件が他と異なる部位が生じ、伝送光の減衰率が大きくなることがある。
【０００５】
一方、光ファイバの曲げ半径を大きくすると、その光ファイバを収容する管の太さが大きくなり、その光ファイバセンサを地中に埋設する際の打ち込み作業が困難となったり、打ち込みによって地面が変状するなどの影響がある。
【０００６】
またさらに、従来は光ファイバの長手方向の全てまたは大部分が管内に固定されていたため、光ファイバセンサの長手方向長さに対して局所的な変形は検出困難であった。
【０００７】
本発明の目的は、光ファイバの強度特性、例えば折れ曲がりや変形への追従に影響を与えない光ファイバセンサを提供することである。
本発明の他の目的は、光ファイバの伝送光の減衰率に影響を与えない光ファイバセンサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、設置（打ち込み）作業の容易な光ファイバセンサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、設置によって測定対象に影響を与えない光ファイバセンサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、局所的な変形を計測可能な光ファイバセンサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、信号光の特性が最も均一な位置で評価する光ファイバセンサを用いた歪み計測方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、歪みを正確に検出可能な光ファイバセンサを用いた歪み計測方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中の請求項対応の技術的事項には、括弧（）つき、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、請求項対応の技術的事項と実施の複数形態のうちの少なくとも一つの形態の技術的事項との一致・対応関係を明白にしているが、その請求項対応の技術的事項が実施の形態の技術的事項に限定されることを示すためのものではない。
【０００９】
本発明の光ファイバセンサ（１０）は、概ね直線状に設けられた直線部および概ね曲線状に設けられた曲線部（１１ｔ）とを有する光ファイバ（１１）と、前記光ファイバ（１１）の前記直線部を収める管（１２）と、前記光ファイバ（１１）の前記曲線部（１１ｔ）を収める収容部（１３）とを備えてなり、前記収容部（１３）は、前記管（１２）の内径の半分よりも大きな曲げ半径を有する前記曲線部（１１ｔ）を収めることができる大きさに形成されている。
【００１０】
本発明の光ファイバセンサ（１０）において、前記収容部（１３）は、先細り形状を有している。
【００１１】
本発明の光ファイバセンサ（１０）において、前記収容部（１３）は、概ね鏃状に形成されている。ここで、鏃状とは平たい形状を指している。
【００１２】
本発明の光ファイバセンサ（２０）は、計測光が入射される光ファイバ（２１）と、前記光ファイバ（２１）が固定される固定部（２２）とを備えてなり、前記入射された計測光は、前記光ファイバ（２１）を伝搬しているときに、前記計測光の条件に対応する設定長さ（ＧＬ）を有し、前記光ファイバ（２１）は、前記固定部（２２）に対し、前記設定長さ（ＧＬ）以上の間隔で固定される。
【００１３】
本発明の光ファイバセンサ（３０）は、計測光が入射される光ファイバ（３１）と、前記光ファイバ（３１）を収めるガイドパイプ（３４）と、前記ガイドパイプ（３４）を収める管（３２）とを備えてなり、前記入射された計測光は、前記光ファイバ（３１）を伝搬しているときに、前記計測光の条件に対応する設定長さ（ＧＬ）を有し、前記光ファイバ（３１）は、前記ガイドパイプ（３４）に対し、前記設定長さ（ＧＬ）以上の間隔で固定され、前記ガイドパイプ（３４）は、前記管（３２）が変形したときに該管（３２）の変形に応じて前記光ファイバ（３１）が変形するように、前記光ファイバ（３１）をガイドする。
【００１４】
本発明の光ファイバセンサを用いた歪み計測方法は、（ａ） 測定対象物に光ファイバセンサを設置することと、（ｂ） 前記光ファイバセンサに光を入射することと、（ｃ） 前記光ファイバセンサから後方散乱光を検出することと、（ｄ） 前記後方散乱光のスペクトルの幅（Ｄ）を求めることと、（ｅ） 前記求められたスペクトルの幅（Ｄ）が設定値以下であるか否かを判定することと、（ｆ） 前記スペクトルの幅（Ｄ）が前記設定値以下であるときに前記後方散乱光の周波数を求めることと、（ｇ） 前記求められた周波数に基づいて、前記測定対象物の歪みを計測することを備えている。
【００１５】
杭（管）の内面に沿うようにガイドパイプを固定し、光ファイバをそのガイドパイプの中に挿入して所定の間隔で固定する。杭の先端の折返し部分では、鏃のような形状の容器を固定し、内部で光ファイバを半径が３０ｍｍ以下にならないようにして折り返す。
【００１６】
また、信号処理では、信号光の測定間隔を（光ファイバの固定間隔−ＧＬ）以下にして測定した後方散乱光のスペクトルの半値幅を求め、最も半値幅が狭くなるサンプル点のスペクトルから中心周波数を求め、歪み値に換算する。
【００１７】
先端が鏃状になるので杭部分の直径を細くすることが可能で、かつ打ち込みが容易で、打ち込み時に周囲に与える影響を小さくできる。
定点で固定しているので局所的な変形に追従可能で、かつガイドパイプに入っているので面外の変形による感度の低下を防ぐことができる。
さらに、固定点の評価を最適点でできるので、測定値がばらつくなどの問題を防ぐことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態が説明される。
【００１９】
図１を参照して、第１実施形態の光ファイバセンサについて説明する。
図１において、符号１０は光ファイバセンサを示している。光ファイバセンサ１０はここではＦＢＧ型センサである。光ファイバセンサ１０は、例えば、盛土に埋め込まれ、その盛土に生じた変形（歪み）を計測する。
【００２０】
光ファイバセンサ１０は、光ファイバ１１と、管１２と、先端キャップ部１３とを備えている。
光ファイバ１１の一端部１１ａは、光ファイバ１１内に光を入射し、その反射光を受光する装置（図示せず）に接続されている。
光ファイバ１１の他端部１１ｂは、管１２の内面上部をその基端側１２ａから先端部１２ｂに向けて挿通され、その先端部１２ｂから管１２の外部に出た箇所で折り返された後に、管１２の内面下部をその基端側１２ａに向けて挿通される。これにより、管１２の上位置または下位置での盛土に生じた変形を計測することができる。
【００２１】
なお、管１２には、管１２の側方左位置または右位置での盛土に生じた変形を計測するために、光ファイバ１１の他にもう１本の光ファイバ（図示せず）が設けられている。その光ファイバの一端部は、上記装置に接続され、その他端部は管１２の内面左部をその基端部１２ａから先端部１２ｂに向けて挿通され、その先端部１２ｂから管１２の外部に出た箇所で折り返された後に、管１２の内面右部をその基端部１２ａに向けて挿通される。この光ファイバと上記光ファイバ１１により、管１２の周囲の上下左右の四方向で盛土に生じた変形を計測することができる。
【００２２】
光ファイバ１１は、管１２の内面に対し、その光ファイバ１１の長手方向の所定間隔おきに固定点１９にて固定されている。その固定手段には、エポキシ樹脂系の接着剤が用いられる。
【００２３】
ＦＢＧ型である光ファイバセンサ１０の光ファイバ１１のコア（図示せず）には、その長手方向の所定間隔おきに屈折率の異なる複数の光学系フィルタ（図示せず）が設けられている。
各フィルタは、入射光のうち特定の波長の光のみを反射する。盛土の変形によって管１２が変形し、管１２の変形に追従して光ファイバ１１が伸縮すると、フィルターの格子の間隔が変化し、その変化に伴い反射する光の波長が変化する。これにより、盛土の変形を計測することができる。
【００２４】
光ファイバ１１は、光ファイバ本体に被覆がされた構成をしている。その光ファイバ本体の直径は１２５μｍであり、その被覆を含めた光ファイバ１１の直径は２００μｍ〜２ｍｍである。
【００２５】
管１２は、対象物の変形に追従するような物質（金属、樹脂など）、例えば塩化ビニル製である。管１２の材質は、土圧に潰されない程度の硬さを有するとともに、測定対象物（例えば盛土）の変形に対して追従して変形自在であるものが選択される。測定対象物の伸び方向の変形を計測するものとしては、管１２は、対象物の変形に追従するような形状（蛇腹構造など）の物質（金属、樹脂等）であり、例えば金属製の蛇腹管であることができる。
【００２６】
光ファイバセンサ１０の先端部には、光ファイバ１１のうち管１２の先端部１２ｂから出ている部分を覆う先端キャップ部１３が設けられている。
先端キャップ部１３は、基板部１４と、その基板部１４に設けられたカバー本体部１５および周回壁部１６を有している。
【００２７】
基板部１４は、円形平板状に形成されている。基板部１４の中央部には、管１２の内径以上の直径を有する孔が形成されており、その孔を通じて光ファイバ１１が管１２の先端部１２ｂから外部に出ている。
【００２８】
基板部１４には、周回壁部１６が立設されている。周回壁部とは、その周方向が閉じた（連続した）円筒状に形成された壁部を意味する。周回壁部１６の内周部１６ａは、管１２の外径部１２ｃに対し、その全周に亘って接着剤（図示せず）によって接続される。
【００２９】
光ファイバ１１のうち、管１２の先端部１２ｂから出ている部分の曲げ半径ｒは、３０ｍｍ以上とされている。
カバー本体部１５は、その曲げ半径ｒを有する光ファイバ１１の折返し部分１１ｔを、該折返し部分１１ｔと非接触の状態で収容可能な大きさに形成されている。
【００３０】
カバー本体部１５は、概ね鏃状に形成され、第１部分１５ａと、第２部分１５ｂと、第３部分１５ｃとを有している。
第１部分１５ａは、底部が開放された円錐状に形成されている。
第３部分１５ｃは、基板部１４の最外周部に立設され、漸次その直径が小さくなるように形成された周回壁部である。
第２部分１５ｂは、第１部分１５ａと第３部分１５ｃとを接続するように第１部分１５ａおよび第３部分１５ｃと連続的に形成され、第１部分１５ａのうちの最大径の部分から第３部分１５ｃのうちの最小径の部分まで漸次その直径が大きくなるように形成された周回壁部である。
【００３１】
第１実施形態によれば、上記構成のカバー本体部１５が用いられるため、光ファイバ１１の折返し部分１１ｔは、光ファイバ１１の伝送光の特性および光ファイバ１１の強度特性に関して問題がないとされる曲げ半径（本実施形態では、３０ｍｍ以上に設定）ｒで曲げられることができる。
さらに、カバー本体部１５は、概ね鏃状に形成されるため、光ファイバセンサ１０が地中等に杭のように打ち込まれる場合、打ち込まれ易い。
一方、光ファイバセンサ１０のうち折返し部分１１ｔ以外は、光ファイバ１１を収容する管１２を十分に細く構成することができるため、打ち込まれ易い上に、打ち込みによる地面の隆起等の影響を最小限に抑えることができる。
【００３２】
次に、第２実施形態について説明する。
【００３３】
第２実施形態の光ファイバセンサ２０は、ここではＢＯＴＤＲ型である。光ファイバセンサ２０は、例えば、図２に示されるように、トンネルの坑内Ｋの周面ＳＲの周方向に沿って埋め込まれ、そのトンネルに生じた変形（歪み）を計測する。
【００３４】
図３に示されるように、光ファイバセンサ２０は、光ファイバ２１と、管２２と、先端キャップ部２３とを備えている。
光ファイバ２１の一端部２１ａは、光ファイバ２１内に光を入射し、その反射光を受光する装置（図示せず）に接続されている。
光ファイバ２１の他端部２１ｂは、管２２の内部をその基端側２２ａから先端部２２ｂに向けて挿通され、その先端部２２ｂから管２２の外部に出た箇所で折り返された後に、管２２の内部をその基端側２２ａに向けて挿通される。
なお、管２２には、第１実施形態と同様に、光ファイバ２１の他にもう１本の図示しない光ファイバが設けられている。
【００３５】
光ファイバ２１は、管２２の内面に対し、その光ファイバ２１の長手方向においてＧＬ（ゲージレングス）以上に設定された固定間隔ＤＳおきに固定点２９にて固定されている。その固定手段には、エポキシ樹脂系の接着剤が用いられる。この場合、光ファイバ２１は、それぞれの固定点２９と固定点２９の間の区間に、均一の歪みが発生している状態（例えば０．１％の張力がかかった状態）で固定される。
【００３６】
光ファイバ２１は、光ファイバ本体に被覆がされた構成をしている。その光ファイバ本体の直径は１２５μｍであり、その被覆を含めた光ファイバ２１の直径は２００μｍ〜２ｍｍである。管２２は、塩化ビニル製である。管２２の材質に関しては管１２と同様に考えることができる。
【００３７】
光ファイバセンサ２０の先端部には、光ファイバ２１のうち管２２の先端部２２ａから出ている部分を覆う先端キャップ部２３が設けられている。先端キャップ部２３の構成は、第１実施形態の先端キャップ部１３の構成と同一である。
【００３８】
本実施形態では、光ファイバ２１が管２２に対して固定される間隔ＤＳが上記ＧＬ以上であることがポイントの一つとなる。以下、この点について説明する。
【００３９】
上記装置は、その一端部２１ａから光ファイバ２１に、光パルスを入射する。その入射された光パルスは、光ファイバ２１内を伝搬していくとともに、その光ファイバ２１内で散乱する。その後方散乱光を一端部２１ａを介して上記装置が受光する。上記装置は、その受光した後方散乱光の受光タイミング（時間）と光強度の関係から、光ファイバ２１の長手方向の特性（変形の有無）を計測する。
【００４０】
すなわち、入射してから受光するまでの受光時間が長くなるに連れて、換言すれば、一端部２１ａからの光ファイバ２１の長手方向の距離が大きくなるに連れて、受光した光の強度が一定の比で小さくなっていれば、光ファイバ２１の長手方向の特性は均一で、光パルスが光ファイバ２１の長手方向の距離に応じて減衰しながら伝搬していることが分かる。
【００４１】
ＢＯＴＤＲ装置では、後方散乱光のうちのブリルアン散乱光に着目する。受光したブリルアン散乱光がもつ光強度のうちの中心と思われる値を抽出し、その中心値の周波数（中心周波数）を検出する。光ファイバ２１の長手方向のうちそのブリルアン散乱光が散乱した地点（測定区間）に歪みが生じていれば、上記中心周波数の変化として表れる。これにより、トンネルの坑内の変形を計測することができる。
【００４２】
図４に示されるように、ＢＯＴＤＲ装置６１から入射される光パルスのパルス幅（パルスの持続時間）は、１０ｎｓｅｃである。その光パルスが光ファイバ２１に入射されて伝搬していく場合、その光パルスは、光ファイバ２１内では１ｍの長さに相当する。本実施形態では、この１ｍが前述のＧＬである（図５参照）。受光するブリルアン散乱光には、この１ｍ内で生じた散乱光の全てが含まれる。この１ｍが歪み検出の際の測定区間となる。
【００４３】
ここで、光ファイバ２１がこの１ｍよりも小さい、例えば２０ｃｍ間隔で管２２に対して固定されているケースを考える。さらにここでは、その両端部が固定された２０ｃｍの光ファイバ２１の部分に、歪みが生じており、例えばとなりあうその３箇所の歪みのレベルは互いに異なっているとする（図６参照）。この場合、その２０ｃｍの部分を含む１ｍの測定区間に対応するブリルアン散乱光に関しては、図７に示されるように、その中心周波数が互いに異なる、３つのスペクトルが含まれることになる。この状態において、３つのスペクトルが含まれる全体の中から単一の中心周波数を求めることは非常に困難である。後方散乱光には通常ノイズが含まれるから、なおさら困難である。このことから、測定区間（ＧＬ区間）に対して局所的に発生した（１ｍに対して２０ｃｍ、即ちＧＬに対して小さい領域での）変形は計測が不可能な場合があった。
なお、１ｍの測定区間に対しては、少なくともおよそ５０％以上の範囲で均一なレベルの歪みでなければ計測不可能とされている。
【００４４】
これに対し、本実施形態では上記の通り、光ファイバ２１がＧＬ以上に設定された固定間隔ＤＳおきに管２２に対して固定されている。ここでは、固定間隔ＤＳは１ｍとする。上記ケースと同様に、光ファイバ２１のある部分に、長さ２ｍｍの歪みが３箇所ずつ生じており、その３箇所の歪みのレベルは互いに異なっているとする。１ｍ（固定間隔ＤＳ）の区間の両端部のみが固定されている場合、その両端部間の１ｍの区間では、光ファイバ２１は自由に（規制を受けることなく）伸縮可能である。したがって、その両端部が固定された１ｍの光ファイバ２１の部分においては、その１ｍ内に生じた歪み（ここでは３箇所の互いにレベルの異なる歪み）は、その１ｍの区間で平均化される。その結果、その１ｍの区間には、その区間の概ね全域または大部分に亘って一定のレベルの単一の歪みが生じることになる。これにより、その１ｍの測定区間からは単一の中心周波数を有するブリルアン散乱光が得られることになり、測定区間（ＧＬ区間）に対して局所的な変形であっても安定的に計測することができる。
【００４５】
次に、第３実施形態について説明する。
【００４６】
第３実施形態の光ファイバセンサ３０は、ＢＯＴＤＲ型である。光ファイバセンサ３０は、図８に示されるように、例えば、トンネルの坑内Ｋを正面視したとき、その坑内の周面ＳＲから地中に向けて放射状に埋め込まれ、そのトンネルに生じた変形（歪み）を計測する。
【００４７】
図９に示されるように、光ファイバセンサ３０は、光ファイバ３１と、管３２と、先端キャップ部３３と、ガイドパイプ３４とを備えている。
【００４８】
ガイドパイプ３４は、管３２の長手方向の長さと概ね同じ長さを有している。ガイドパイプ３４の外径は管３２の内径よりも小さく、ガイドパイプ３４の内径は光ファイバ３１の外径よりも大きい。２本のガイドパイプ３４が、側面視して管３２の内面の上部および下部のそれぞれに固定されている。各ガイドパイプ３４は、そのガイドパイプ３４の長手方向の概ね全領域が、管３２の内面に対して接着剤７１（図１２、図１３参照）で固定されている。
【００４９】
光ファイバ３１は、光ファイバ本体に被覆がされた構成をしている。その光ファイバ本体の直径は１２５μｍであり、その被覆を含めた光ファイバ３１の直径は２００μｍ〜２ｍｍである。管３２は、塩化ビニル製である。管３２の材質に関しては管１２と同様に考えることができる。
【００５０】
ガイドパイプ３４は、金属または樹脂製の管である。ガイドパイプ３４は、管３２の変形に追従して変形自在な材質が選択される。さらに、ガイドパイプ３４が変形したときに、その変形したガイドパイプ３４に沿って（その変形通りに）そのガイドパイプ３４内の光ファイバ３１が変形するように、光ファイバ３１の外径よりもガイドパイプ３４の内径が大き過ぎないことが必要である。さらに、ガイドパイプ３４の内面は、光ファイバ３１の伸縮の妨げとならない程度に摩擦係数が小さい（滑り易い）ことが必要である。
【００５１】
光ファイバ３１の一端部３１ａは、光ファイバ３１内に光を入射し、その散乱光を受光する装置（図示せず）に接続されている。
光ファイバ３１の他端部３１ｂは、第１のガイドパイプ３４の内部をその基端側３４ａから先端部３４ｂに向けて挿通され、その先端部３４ｂから管３２（または第１のガイドパイプ３４）の外部に出た箇所で折り返された後に、第２のガイドパイプ３４の内部をその基端側３４ａに向けて挿通される。
なお、管３２には、第１実施形態と同様に、光ファイバ３１の他にもう１本の図示しない光ファイバが設けられている。
【００５２】
光ファイバ３１は、各ガイドパイプ３４の内面に対し、その光ファイバ３１の長手方向においてＧＬ以上に設定された固定間隔ＤＳおきに固定点３９にて固定されている。その固定手段には、エポキシ樹脂系の接着剤７２（図１３参照）が用いられる。
【００５３】
図９のＸ１−Ｘ１線断面図を図１２に示す。図９のＸ２−Ｘ２線断面図を図１３に示す。図１２に示されるように、固定点３９以外の箇所では、ガイドパイプ３４は、管３２の内面に対して接着剤７１で固定されており、光ファイバ３１はガイドパイプ３４に対しては固定されていない。図１３に示されるように、固定点３９の箇所では、ガイドパイプ３４が管３２の内面に対して接着剤７１で固定されているとともに光ファイバ３１がガイドパイプ３４に対して接着剤７２で固定されている。
【００５４】
光ファイバセンサ３０の先端部には、光ファイバ３１のうち管３２（またはガイドパイプ３４）の先端部３２ｂ（３４ｂ）から出ている部分を覆う先端キャップ部３３が設けられている。先端キャップ部３３の構成は、第１実施形態の先端キャップ部１３の構成と同一である。
【００５５】
本実施形態では、光ファイバ３１が上記ＧＬ以上の固定間隔ＤＳで固定点３９にて固定される場合、その光ファイバ３１は、直接的に管３２に固定されるのではなく、ガイドパイプ３４に固定されていることがポイントの一つとなる。以下、この点について説明する。
【００５６】
図１０に示されるように、光ファイバ３１が直接的に管３２に固定される場合、その隣接する固定点３９同士の間の間隔が大きいと、例えば管３２が上向きに凸に曲げ変形したときであっても、光ファイバ３１がその管３２の上向きに凸の変形通りには変形せずに、符号Ｍに示されるように、管３２の内面３２ｓから離間する向き（内側）にせり出すことがある。この場合、管３２の伸び変形量に対応して光ファイバ３１が本来変形しなければならない伸び変形量よりも、実際の光ファイバ３１の伸び変形量が小さくなることや、管３２が伸び変形したのとは逆に、光ファイバ３１には縮み変形が生じることがある。その結果、測定対象物の歪みを正確に計測することができない。
【００５７】
図１１に示されるように、本実施形態では、上記問題点を解決するために、管３２の変形に応じて自らが変形するとともに、その管３２の変形に応じて光ファイバ３１が変形するようにその光ファイバ３１を案内・規制するためのガイドパイプ３４を採用している。
【００５８】
なお、光ファイバ３１をガイドパイプ３４に対し、ＧＬ以上の固定間隔ＤＳで固定した理由は、上記第２実施形態と同じである。
【００５９】
次に、第４実施形態について説明する。
【００６０】
第４実施形態は、ＢＯＴＤＲのように光ファイバの測定値が連続的に得られる計測方式における信号処理に関する。
【００６１】
図１４において符号４１は、光ファイバである。光ファイバ４１は、所定の固定間隔ＤＳで管（図示せず）に固定されている。定点固定では、隣り合う固定点間で歪み（のレベル）が異なる場合がある。その場合、光パルスである計測光がそれらの隣り合う固定点間に跨った状態で、その後方散乱光（ブリルアン散乱光）を検出すると、図１５に示されるように、２つのレベルの異なる歪みに応じた２つのスペクトルが重なり、その結果として、測定対象の光の中心周波数を求めることが困難となる。さらに、計測光がそれらの隣り合う固定点間にどのように跨るかによって測定値が異なる。
【００６２】
単一の固定間隔ＤＳの間に計測光が入っていないことから、上記の問題が起きる。図１５に示されるように、２つのスペクトルが重なっている場合、そのスペクトルの半値幅Ｄが広くなる。本実施形態では、このスペクトルの幅Ｄに着目して、図１８に示される以下の方法により信号処理を行い、上記問題を解決する。
【００６３】
ステップＳ１に示されるように、評価点の近傍か否かが判定される。すなわち、例えば図８に示されるように、長い光ファイバが１台のＢＯＴＤＲ装置に接続され測定値（後方散乱光）が連続的に得られるときに、そのうちの予め設定された評価点（歪み計測対象点）の後方散乱光のみを計測対象とするために、その受光タイミングに基づいて評価点に相当する測定値のみを抽出する。
【００６４】
ステップＳ１の結果、その受光タイミングに基づいて、評価点の近傍ではないと判断された場合（ステップＳ１−Ｎ）には、再度ステップＳ１を繰り返して、評価点近傍の測定光についてのみ、ステップＳ２以降のステップを行う。
【００６５】
ステップＳ１の結果、評価点近傍であると判定された場合（ステップＳ１−Ｙ）には、その測定光のスペクトルの半値幅Ｄを計算する（ステップＳ２）。その計算結果が最小であるか否かが判断される（ステップＳ３）。このステップＳ３では、予め設定された値よりも小さいと判断されれば最小であると判断されることもできるし、あるいはステップＳ１およびステップＳ２を複数の測定光に対して実行して、その複数の内の中で最小であるものが最小であると判断されることができる。
【００６６】
ステップＳ３の結果、最小ではないと判断された場合（ステップＳ３−Ｎ）には、測定光を抽出する測定位置をずらした後に（ステップＳ４）、再度ステップＳ１に戻る。ステップＳ３の結果、最小であると判断された場合（Ｓ３−Ｙ）には、その中心周波数のシフト量を算出する（ステップＳ５）。
【００６７】
ステップＳ３の結果、その測定光のスペクトルの半値幅Ｄが最小である場合には、図１６および１７に示すように、スペクトルが均一で固定間隔ＤＳの間に計測光が入っていることになる。
【００６８】
図１６に示されるように、信号光の測定間隔を（光ファイバ４１の固定間隔ＤＳ−測定光の長さＧＬ）以下にして、測定した後方散乱光のスペクトル半値幅Ｄを求め、最も半値幅Ｄが狭くなるサンプル点のスペクトルから中心周波数を求め、歪み値に換算する。
【００６９】
以上説明したように、上記実施形態では、ＢＯＴＤＲやＦＢＧなどのように光ファイバ上でシリアルにセンサが接続可能でかつ軸方向の歪みを計測可能で、有限のＧＬをもつセンサにおいて、以下の４つの点が上記実施形態のポイントの一部とされる。
【００７０】
第１の点は、打込み式の杭（管）に光ファイバを貼り付けて杭の変形を計測するセンサで、杭の先端の折返し部分を鏃の形状の部分に収納して杭の直径を小さくし、打ち込みやすくした点である。従来は、伝送光の特性、および光ファイバの強度特性により曲げ半径が３０ｍｍ以上必要であり、杭自体の形状が大きくなっていた。その結果、打ち込みが困難であったり、打ち込みにより地面の隆起などの影響があった。
【００７１】
第２の点は、杭の内部での固定間隔をＧＬまたはそれ以上にした点である。従来は、全面的に固定していたため、局所的な変形を検出することができなかった。
【００７２】
第３の点は、光ファイバをガイドパイプの中に挿入し、所定の間隔で固定された光ファイバが測定対象物の変形に追従しながら軸方向の伸びが発生するようにした点である。
【００７３】
第４の点は、ＢＯＴＤＲのように光ファイバの連続的な測定値が得られる計測方式において信号光の測定間隔を光ファイバの（固定間隔−ＧＬ）以下にして定点固定された区間の測定値を評価する際に、信号光の特性が最も均一な位置で評価するようにした点である。従来は、ＢＯＴＤＲのように測定値が連続的に得られる方法の場合、定点固定では、隣り合う固定点間で歪みが異なる場合があり、測定値がばらつく可能性がある。これは、測定装置の歪み値の求め方に問題があり、測定光が１つの固定区間に収まった時の光によって発生する信号光を得ることが困難であり、測定する光の中心周波数を求める際に隣り合う固定区間で発生する信号光が混ざって測定されるためである。
【００７４】
【発明の効果】
本発明の光ファイバセンサによれば、杭の直径を小さくし打ち込み部に対して影響が小さく、感度の高いセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態の光ファイバセンサを示す側面図である。
【図２】図２は、本発明の第２実施形態において光ファイバセンサが用いられている状態を示す正面図である。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態の光ファイバセンサを示す側面図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態の光ファイバセンサにＢＯＴＤＲ装置から光パルスが入射される状態を説明するための側面図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態の光ファイバセンサにおいて、入射される光パルスとＧＬとの関係を示す図である。
【図６】図６は、従来一般の光ファイバセンサにおいて、単一の測定区間にレベルが互いに異なる複数の歪みが生じているケースを説明するための図である。
【図７】図７は、従来一般の光ファイバセンサにおいて、周波数が異なる３つのスペクトルを示す図である。
【図８】図８は、本発明の第３実施形態の光ファイバセンサが用いられている状態を示す正面図である。
【図９】図９は、本発明の第３実施形態の光ファイバセンサを示す側面図である。
【図１０】図１０は、従来一般の光ファイバセンサにおいて、管の変形に光ファイバの変形が追従しない状態を示す正面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３実施形態の光ファイバセンサにおいて、図１０の問題が解消された状態を示す正面図である。
【図１２】図１２は、図９のＸ１−Ｘ１線断面図である。
【図１３】図１３は、図９のＸ２−Ｘ２線断面図である。
【図１４】図１４は、従来一般の光ファイバセンサに関し、計測光が隣接する固定点間に跨った状態を示す側面図である。
【図１５】図１５は、図１４のケースにおいて２つのスペクトルが重なっている状態を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の第４実施形態に関し、計測光が単一の固定点間に入っていいる状態を示す側面図である。
【図１７】図１７は、図１５のケースにおいて単一のスペクトルのみがある状態を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の第４実施形態の動作の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 光ファイバセンサ
１１ 光ファイバ
１１ａ 一端部
１１ｂ 他端部
１１ｔ 折返し部分
１２ 管
１２ａ 基端部
１２ｂ 先端部
１２ｃ 外径部
１３ 先端キャップ部
１４ 基板部
１５ カバー本体部
１５ａ 第１部分
１５ｂ 第２部分
１５ｃ 第３部分
１６ 周回壁部
１６ａ 内周部
１９ 固定点
２０ 光ファイバセンサ
２１ 光ファイバ
２１ａ 一端部
２１ｂ 他端部
２２ 管
２２ａ 基端部
２２ｂ 先端部
２３ 先端キャップ部
２９ 固定点
３０ 光ファイバセンサ
３１ 光ファイバ
３１ａ 一端部
３１ｂ 他端部
３２ 管
３２Ｓ 管内面
３３ 先端キャップ部
３４ ガイドパイプ
３４ａ 基端部
３４ｂ 先端部
３９ 固定点
４１ 光ファイバ
６１ ＢＯＴＤＲ装置
７１ 接着剤
７２ 接着剤
Ｄ スペクトルの半値幅
ＤＳ 固定間隔
ＧＬ ゲージレングス
Ｋ トンネルの坑内
ｒ 半径
ＳＲ 周面
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバセンサおよびそれを用いた歪み計測方法に関し、特に、土木、鉄鋼等の構造物の変形を計測・監視するための光ファイバセンサおよびそれを用いた歪み計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いた歪み計測センサとして、近年、ＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）やＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）などの装置が利用されてきている。
【０００３】
土構造物の変形を計測するセンサとして、特開平１０−１７６９６５号公報に示されているように、光ファイバとその周囲の弾性を有する管が一体とされ、その先端部で折り返されているものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバは、その先端部で光ファイバが折り返されて用いられる。その折返し部にて、光ファイバの曲げ半径が小さいと、光ファイバが折れ易くなる。さらに、光ファイバの曲げ半径が小さいと、光ファイバ内の反射条件が他と異なる部位が生じ、伝送光の減衰率が大きくなることがある。
【０００５】
一方、光ファイバの曲げ半径を大きくすると、その光ファイバを収容する管の太さが大きくなり、その光ファイバセンサを地中に埋設する際の打ち込み作業が困難となったり、打ち込みによって地面が変状するなどの影響がある。
【０００６】
またさらに、従来は光ファイバの長手方向の全てまたは大部分が管内に固定されていたため、光ファイバセンサの長手方向長さに対して局所的な変形は検出困難であった。
【０００７】
本発明の目的は、光ファイバの強度特性、例えば折れ曲がりや変形への追従に影響を与えない光ファイバセンサを提供することである。
本発明の他の目的は、光ファイバの伝送光の減衰率に影響を与えない光ファイバセンサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、設置（打ち込み）作業の容易な光ファイバセンサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、設置によって測定対象に影響を与えない光ファイバセンサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、局所的な変形を計測可能な光ファイバセンサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、信号光の特性が最も均一な位置で評価する光ファイバセンサを用いた歪み計測方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、歪みを正確に検出可能な光ファイバセンサを用いた歪み計測方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中の請求項対応の技術的事項には、括弧（）つき、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、請求項対応の技術的事項と実施の複数形態のうちの少なくとも一つの形態の技術的事項との一致・対応関係を明白にしているが、その請求項対応の技術的事項が実施の形態の技術的事項に限定されることを示すためのものではない。
【０００９】
本発明の光ファイバセンサ（１０）は、概ね直線状に設けられた直線部および概ね曲線状に設けられた曲線部（１１ｔ）とを有する光ファイバ（１１）と、前記光ファイバ（１１）の前記直線部を収める管（１２）と、前記光ファイバ（１１）の前記曲線部（１１ｔ）を収める収容部（１３）とを備えてなり、前記収容部（１３）は、前記管（１２）の内径の半分よりも大きな曲げ半径を有する前記曲線部（１１ｔ）を収めることができる大きさに形成されている。
【００１０】
本発明の光ファイバセンサ（１０）において、前記収容部（１３）は、先細り形状を有している。
【００１１】
本発明の光ファイバセンサ（１０）において、前記収容部（１３）は、概ね鏃状に形成されている。ここで、鏃状とは平たい形状を指している。
【００１２】
本発明の光ファイバセンサ（２０）は、計測光が入射される光ファイバ（２１）と、前記光ファイバ（２１）が固定される固定部（２２）とを備えてなり、前記入射された計測光は、前記光ファイバ（２１）を伝搬しているときに、前記計測光の条件に対応する設定長さ（ＧＬ）を有し、前記光ファイバ（２１）は、前記固定部（２２）に対し、前記設定長さ（ＧＬ）以上の間隔で固定される。
【００１３】
本発明の光ファイバセンサ（３０）は、計測光が入射される光ファイバ（３１）と、前記光ファイバ（３１）を収めるガイドパイプ（３４）と、前記ガイドパイプ（３４）を収める管（３２）とを備えてなり、前記入射された計測光は、前記光ファイバ（３１）を伝搬しているときに、前記計測光の条件に対応する設定長さ（ＧＬ）を有し、前記光ファイバ（３１）は、前記ガイドパイプ（３４）に対し、前記設定長さ（ＧＬ）以上の間隔で固定され、前記ガイドパイプ（３４）は、前記管（３２）が変形したときに該管（３２）の変形に応じて前記光ファイバ（３１）が変形するように、前記光ファイバ（３１）をガイドする。
【００１４】
本発明の光ファイバセンサを用いた歪み計測方法は、（ａ） 測定対象物に光ファイバセンサを設置することと、（ｂ） 前記光ファイバセンサに光を入射することと、（ｃ） 前記光ファイバセンサから後方散乱光を検出することと、（ｄ） 前記後方散乱光のスペクトルの幅（Ｄ）を求めることと、（ｅ） 前記求められたスペクトルの幅（Ｄ）が設定値以下であるか否かを判定することと、（ｆ） 前記スペクトルの幅（Ｄ）が前記設定値以下であるときに前記後方散乱光の周波数を求めることと、（ｇ） 前記求められた周波数に基づいて、前記測定対象物の歪みを計測することを備えている。
【００１５】
杭（管）の内面に沿うようにガイドパイプを固定し、光ファイバをそのガイドパイプの中に挿入して所定の間隔で固定する。杭の先端の折返し部分では、鏃のような形状の容器を固定し、内部で光ファイバを半径が３０ｍｍ以下にならないようにして折り返す。
【００１６】
また、信号処理では、信号光の測定間隔を（光ファイバの固定間隔−ＧＬ）以下にして測定した後方散乱光のスペクトルの半値幅を求め、最も半値幅が狭くなるサンプル点のスペクトルから中心周波数を求め、歪み値に換算する。
【００１７】
先端が鏃状になるので杭部分の直径を細くすることが可能で、かつ打ち込みが容易で、打ち込み時に周囲に与える影響を小さくできる。
定点で固定しているので局所的な変形に追従可能で、かつガイドパイプに入っているので面外の変形による感度の低下を防ぐことができる。
さらに、固定点の評価を最適点でできるので、測定値がばらつくなどの問題を防ぐことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態が説明される。
【００１９】
図１を参照して、第１実施形態の光ファイバセンサについて説明する。
図１において、符号１０は光ファイバセンサを示している。光ファイバセンサ１０はここではＦＢＧ型センサである。光ファイバセンサ１０は、例えば、盛土に埋め込まれ、その盛土に生じた変形（歪み）を計測する。
【００２０】
光ファイバセンサ１０は、光ファイバ１１と、管１２と、先端キャップ部１３とを備えている。
光ファイバ１１の一端部１１ａは、光ファイバ１１内に光を入射し、その反射光を受光する装置（図示せず）に接続されている。
光ファイバ１１の他端部１１ｂは、管１２の内面上部をその基端側１２ａから先端部１２ｂに向けて挿通され、その先端部１２ｂから管１２の外部に出た箇所で折り返された後に、管１２の内面下部をその基端側１２ａに向けて挿通される。これにより、管１２の上位置または下位置での盛土に生じた変形を計測することができる。
【００２１】
なお、管１２には、管１２の側方左位置または右位置での盛土に生じた変形を計測するために、光ファイバ１１の他にもう１本の光ファイバ（図示せず）が設けられている。その光ファイバの一端部は、上記装置に接続され、その他端部は管１２の内面左部をその基端部１２ａから先端部１２ｂに向けて挿通され、その先端部１２ｂから管１２の外部に出た箇所で折り返された後に、管１２の内面右部をその基端部１２ａに向けて挿通される。この光ファイバと上記光ファイバ１１により、管１２の周囲の上下左右の四方向で盛土に生じた変形を計測することができる。
【００２２】
光ファイバ１１は、管１２の内面に対し、その光ファイバ１１の長手方向の所定間隔おきに固定点１９にて固定されている。その固定手段には、エポキシ樹脂系の接着剤が用いられる。
【００２３】
ＦＢＧ型である光ファイバセンサ１０の光ファイバ１１のコア（図示せず）には、その長手方向の所定間隔おきに屈折率の異なる複数の光学系フィルタ（図示せず）が設けられている。
各フィルタは、入射光のうち特定の波長の光のみを反射する。盛土の変形によって管１２が変形し、管１２の変形に追従して光ファイバ１１が伸縮すると、フィルターの格子の間隔が変化し、その変化に伴い反射する光の波長が変化する。これにより、盛土の変形を計測することができる。
【００２４】
光ファイバ１１は、光ファイバ本体に被覆がされた構成をしている。その光ファイバ本体の直径は１２５μｍであり、その被覆を含めた光ファイバ１１の直径は２００μｍ〜２ｍｍである。
【００２５】
管１２は、対象物の変形に追従するような物質（金属、樹脂など）、例えば塩化ビニル製である。管１２の材質は、土圧に潰されない程度の硬さを有するとともに、測定対象物（例えば盛土）の変形に対して追従して変形自在であるものが選択される。測定対象物の伸び方向の変形を計測するものとしては、管１２は、対象物の変形に追従するような形状（蛇腹構造など）の物質（金属、樹脂等）であり、例えば金属製の蛇腹管であることができる。
【００２６】
光ファイバセンサ１０の先端部には、光ファイバ１１のうち管１２の先端部１２ｂから出ている部分を覆う先端キャップ部１３が設けられている。
先端キャップ部１３は、基板部１４と、その基板部１４に設けられたカバー本体部１５および周回壁部１６を有している。
【００２７】
基板部１４は、円形平板状に形成されている。基板部１４の中央部には、管１２の内径以上の直径を有する孔が形成されており、その孔を通じて光ファイバ１１が管１２の先端部１２ｂから外部に出ている。
【００２８】
基板部１４には、周回壁部１６が立設されている。周回壁部とは、その周方向が閉じた（連続した）円筒状に形成された壁部を意味する。周回壁部１６の内周部１６ａは、管１２の外径部１２ｃに対し、その全周に亘って接着剤（図示せず）によって接続される。
【００２９】
光ファイバ１１のうち、管１２の先端部１２ｂから出ている部分の曲げ半径ｒは、３０ｍｍ以上とされている。
カバー本体部１５は、その曲げ半径ｒを有する光ファイバ１１の折返し部分１１ｔを、該折返し部分１１ｔと非接触の状態で収容可能な大きさに形成されている。
【００３０】
カバー本体部１５は、概ね鏃状に形成され、第１部分１５ａと、第２部分１５ｂと、第３部分１５ｃとを有している。
第１部分１５ａは、底部が開放された円錐状に形成されている。
第３部分１５ｃは、基板部１４の最外周部に立設され、漸次その直径が小さくなるように形成された周回壁部である。
第２部分１５ｂは、第１部分１５ａと第３部分１５ｃとを接続するように第１部分１５ａおよび第３部分１５ｃと連続的に形成され、第１部分１５ａのうちの最大径の部分から第３部分１５ｃのうちの最小径の部分まで漸次その直径が大きくなるように形成された周回壁部である。
【００３１】
第１実施形態によれば、上記構成のカバー本体部１５が用いられるため、光ファイバ１１の折返し部分１１ｔは、光ファイバ１１の伝送光の特性および光ファイバ１１の強度特性に関して問題がないとされる曲げ半径（本実施形態では、３０ｍｍ以上に設定）ｒで曲げられることができる。
さらに、カバー本体部１５は、概ね鏃状に形成されるため、光ファイバセンサ１０が地中等に杭のように打ち込まれる場合、打ち込まれ易い。
一方、光ファイバセンサ１０のうち折返し部分１１ｔ以外は、光ファイバ１１を収容する管１２を十分に細く構成することができるため、打ち込まれ易い上に、打ち込みによる地面の隆起等の影響を最小限に抑えることができる。
【００３２】
次に、第２実施形態について説明する。
【００３３】
第２実施形態の光ファイバセンサ２０は、ここではＢＯＴＤＲ型である。光ファイバセンサ２０は、例えば、図２に示されるように、トンネルの坑内Ｋの周面ＳＲの周方向に沿って埋め込まれ、そのトンネルに生じた変形（歪み）を計測する。
【００３４】
図３に示されるように、光ファイバセンサ２０は、光ファイバ２１と、管２２と、先端キャップ部２３とを備えている。
光ファイバ２１の一端部２１ａは、光ファイバ２１内に光を入射し、その反射光を受光する装置（図示せず）に接続されている。
光ファイバ２１の他端部２１ｂは、管２２の内部をその基端側２２ａから先端部２２ｂに向けて挿通され、その先端部２２ｂから管２２の外部に出た箇所で折り返された後に、管２２の内部をその基端側２２ａに向けて挿通される。
なお、管２２には、第１実施形態と同様に、光ファイバ２１の他にもう１本の図示しない光ファイバが設けられている。
【００３５】
光ファイバ２１は、管２２の内面に対し、その光ファイバ２１の長手方向においてＧＬ（ゲージレングス）以上に設定された固定間隔ＤＳおきに固定点２９にて固定されている。その固定手段には、エポキシ樹脂系の接着剤が用いられる。この場合、光ファイバ２１は、それぞれの固定点２９と固定点２９の間の区間に、均一の歪みが発生している状態（例えば０．１％の張力がかかった状態）で固定される。
【００３６】
光ファイバ２１は、光ファイバ本体に被覆がされた構成をしている。その光ファイバ本体の直径は１２５μｍであり、その被覆を含めた光ファイバ２１の直径は２００μｍ〜２ｍｍである。管２２は、塩化ビニル製である。管２２の材質に関しては管１２と同様に考えることができる。
【００３７】
光ファイバセンサ２０の先端部には、光ファイバ２１のうち管２２の先端部２２ａから出ている部分を覆う先端キャップ部２３が設けられている。先端キャップ部２３の構成は、第１実施形態の先端キャップ部１３の構成と同一である。
【００３８】
本実施形態では、光ファイバ２１が管２２に対して固定される間隔ＤＳが上記ＧＬ以上であることがポイントの一つとなる。以下、この点について説明する。
【００３９】
上記装置は、その一端部２１ａから光ファイバ２１に、光パルスを入射する。その入射された光パルスは、光ファイバ２１内を伝搬していくとともに、その光ファイバ２１内で散乱する。その後方散乱光を一端部２１ａを介して上記装置が受光する。上記装置は、その受光した後方散乱光の受光タイミング（時間）と光強度の関係から、光ファイバ２１の長手方向の特性（変形の有無）を計測する。
【００４０】
すなわち、入射してから受光するまでの受光時間が長くなるに連れて、換言すれば、一端部２１ａからの光ファイバ２１の長手方向の距離が大きくなるに連れて、受光した光の強度が一定の比で小さくなっていれば、光ファイバ２１の長手方向の特性は均一で、光パルスが光ファイバ２１の長手方向の距離に応じて減衰しながら伝搬していることが分かる。
【００４１】
ＢＯＴＤＲ装置では、後方散乱光のうちのブリルアン散乱光に着目する。受光したブリルアン散乱光がもつ光強度のうちの中心と思われる値を抽出し、その中心値の周波数（中心周波数）を検出する。光ファイバ２１の長手方向のうちそのブリルアン散乱光が散乱した地点（測定区間）に歪みが生じていれば、上記中心周波数の変化として表れる。これにより、トンネルの坑内の変形を計測することができる。
【００４２】
図４に示されるように、ＢＯＴＤＲ装置６１から入射される光パルスのパルス幅（パルスの持続時間）は、１０ｎｓｅｃである。その光パルスが光ファイバ２１に入射されて伝搬していく場合、その光パルスは、光ファイバ２１内では１ｍの長さに相当する。本実施形態では、この１ｍが前述のＧＬである（図５参照）。受光するブリルアン散乱光には、この１ｍ内で生じた散乱光の全てが含まれる。この１ｍが歪み検出の際の測定区間となる。
【００４３】
ここで、光ファイバ２１がこの１ｍよりも小さい、例えば２０ｃｍ間隔で管２２に対して固定されているケースを考える。さらにここでは、その両端部が固定された２０ｃｍの光ファイバ２１の部分に、歪みが生じており、例えばとなりあうその３箇所の歪みのレベルは互いに異なっているとする（図６参照）。この場合、その２０ｃｍの部分を含む１ｍの測定区間に対応するブリルアン散乱光に関しては、図７に示されるように、その中心周波数が互いに異なる、３つのスペクトルが含まれることになる。この状態において、３つのスペクトルが含まれる全体の中から単一の中心周波数を求めることは非常に困難である。後方散乱光には通常ノイズが含まれるから、なおさら困難である。このことから、測定区間（ＧＬ区間）に対して局所的に発生した（１ｍに対して２０ｃｍ、即ちＧＬに対して小さい領域での）変形は計測が不可能な場合があった。
なお、１ｍの測定区間に対しては、少なくともおよそ５０％以上の範囲で均一なレベルの歪みでなければ計測不可能とされている。
【００４４】
これに対し、本実施形態では上記の通り、光ファイバ２１がＧＬ以上に設定された固定間隔ＤＳおきに管２２に対して固定されている。ここでは、固定間隔ＤＳは１ｍとする。上記ケースと同様に、光ファイバ２１のある部分に、長さ２ｍｍの歪みが３箇所ずつ生じており、その３箇所の歪みのレベルは互いに異なっているとする。１ｍ（固定間隔ＤＳ）の区間の両端部のみが固定されている場合、その両端部間の１ｍの区間では、光ファイバ２１は自由に（規制を受けることなく）伸縮可能である。したがって、その両端部が固定された１ｍの光ファイバ２１の部分においては、その１ｍ内に生じた歪み（ここでは３箇所の互いにレベルの異なる歪み）は、その１ｍの区間で平均化される。その結果、その１ｍの区間には、その区間の概ね全域または大部分に亘って一定のレベルの単一の歪みが生じることになる。これにより、その１ｍの測定区間からは単一の中心周波数を有するブリルアン散乱光が得られることになり、測定区間（ＧＬ区間）に対して局所的な変形であっても安定的に計測することができる。
【００４５】
次に、第３実施形態について説明する。
【００４６】
第３実施形態の光ファイバセンサ３０は、ＢＯＴＤＲ型である。光ファイバセンサ３０は、図８に示されるように、例えば、トンネルの坑内Ｋを正面視したとき、その坑内の周面ＳＲから地中に向けて放射状に埋め込まれ、そのトンネルに生じた変形（歪み）を計測する。
【００４７】
図９に示されるように、光ファイバセンサ３０は、光ファイバ３１と、管３２と、先端キャップ部３３と、ガイドパイプ３４とを備えている。
【００４８】
ガイドパイプ３４は、管３２の長手方向の長さと概ね同じ長さを有している。ガイドパイプ３４の外径は管３２の内径よりも小さく、ガイドパイプ３４の内径は光ファイバ３１の外径よりも大きい。２本のガイドパイプ３４が、側面視して管３２の内面の上部および下部のそれぞれに固定されている。各ガイドパイプ３４は、そのガイドパイプ３４の長手方向の概ね全領域が、管３２の内面に対して接着剤７１（図１２、図１３参照）で固定されている。
【００４９】
光ファイバ３１は、光ファイバ本体に被覆がされた構成をしている。その光ファイバ本体の直径は１２５μｍであり、その被覆を含めた光ファイバ３１の直径は２００μｍ〜２ｍｍである。管３２は、塩化ビニル製である。管３２の材質に関しては管１２と同様に考えることができる。
【００５０】
ガイドパイプ３４は、金属または樹脂製の管である。ガイドパイプ３４は、管３２の変形に追従して変形自在な材質が選択される。さらに、ガイドパイプ３４が変形したときに、その変形したガイドパイプ３４に沿って（その変形通りに）そのガイドパイプ３４内の光ファイバ３１が変形するように、光ファイバ３１の外径よりもガイドパイプ３４の内径が大き過ぎないことが必要である。さらに、ガイドパイプ３４の内面は、光ファイバ３１の伸縮の妨げとならない程度に摩擦係数が小さい（滑り易い）ことが必要である。
【００５１】
光ファイバ３１の一端部３１ａは、光ファイバ３１内に光を入射し、その散乱光を受光する装置（図示せず）に接続されている。
光ファイバ３１の他端部３１ｂは、第１のガイドパイプ３４の内部をその基端側３４ａから先端部３４ｂに向けて挿通され、その先端部３４ｂから管３２（または第１のガイドパイプ３４）の外部に出た箇所で折り返された後に、第２のガイドパイプ３４の内部をその基端側３４ａに向けて挿通される。
なお、管３２には、第１実施形態と同様に、光ファイバ３１の他にもう１本の図示しない光ファイバが設けられている。
【００５２】
光ファイバ３１は、各ガイドパイプ３４の内面に対し、その光ファイバ３１の長手方向においてＧＬ以上に設定された固定間隔ＤＳおきに固定点３９にて固定されている。その固定手段には、エポキシ樹脂系の接着剤７２（図１３参照）が用いられる。
【００５３】
図９のＸ１−Ｘ１線断面図を図１２に示す。図９のＸ２−Ｘ２線断面図を図１３に示す。図１２に示されるように、固定点３９以外の箇所では、ガイドパイプ３４は、管３２の内面に対して接着剤７１で固定されており、光ファイバ３１はガイドパイプ３４に対しては固定されていない。図１３に示されるように、固定点３９の箇所では、ガイドパイプ３４が管３２の内面に対して接着剤７１で固定されているとともに光ファイバ３１がガイドパイプ３４に対して接着剤７２で固定されている。
【００５４】
光ファイバセンサ３０の先端部には、光ファイバ３１のうち管３２（またはガイドパイプ３４）の先端部３２ｂ（３４ｂ）から出ている部分を覆う先端キャップ部３３が設けられている。先端キャップ部３３の構成は、第１実施形態の先端キャップ部１３の構成と同一である。
【００５５】
本実施形態では、光ファイバ３１が上記ＧＬ以上の固定間隔ＤＳで固定点３９にて固定される場合、その光ファイバ３１は、直接的に管３２に固定されるのではなく、ガイドパイプ３４に固定されていることがポイントの一つとなる。以下、この点について説明する。
【００５６】
図１０に示されるように、光ファイバ３１が直接的に管３２に固定される場合、その隣接する固定点３９同士の間の間隔が大きいと、例えば管３２が上向きに凸に曲げ変形したときであっても、光ファイバ３１がその管３２の上向きに凸の変形通りには変形せずに、符号Ｍに示されるように、管３２の内面３２ｓから離間する向き（内側）にせり出すことがある。この場合、管３２の伸び変形量に対応して光ファイバ３１が本来変形しなければならない伸び変形量よりも、実際の光ファイバ３１の伸び変形量が小さくなることや、管３２が伸び変形したのとは逆に、光ファイバ３１には縮み変形が生じることがある。その結果、測定対象物の歪みを正確に計測することができない。
【００５７】
図１１に示されるように、本実施形態では、上記問題点を解決するために、管３２の変形に応じて自らが変形するとともに、その管３２の変形に応じて光ファイバ３１が変形するようにその光ファイバ３１を案内・規制するためのガイドパイプ３４を採用している。
【００５８】
なお、光ファイバ３１をガイドパイプ３４に対し、ＧＬ以上の固定間隔ＤＳで固定した理由は、上記第２実施形態と同じである。
【００５９】
次に、第４実施形態について説明する。
【００６０】
第４実施形態は、ＢＯＴＤＲのように光ファイバの測定値が連続的に得られる計測方式における信号処理に関する。
【００６１】
図１４において符号４１は、光ファイバである。光ファイバ４１は、所定の固定間隔ＤＳで管（図示せず）に固定されている。定点固定では、隣り合う固定点間で歪み（のレベル）が異なる場合がある。その場合、光パルスである計測光がそれらの隣り合う固定点間に跨った状態で、その後方散乱光（ブリルアン散乱光）を検出すると、図１５に示されるように、２つのレベルの異なる歪みに応じた２つのスペクトルが重なり、その結果として、測定対象の光の中心周波数を求めることが困難となる。さらに、計測光がそれらの隣り合う固定点間にどのように跨るかによって測定値が異なる。
【００６２】
単一の固定間隔ＤＳの間に計測光が入っていないことから、上記の問題が起きる。図１５に示されるように、２つのスペクトルが重なっている場合、そのスペクトルの半値幅Ｄが広くなる。本実施形態では、このスペクトルの幅Ｄに着目して、図１８に示される以下の方法により信号処理を行い、上記問題を解決する。
【００６３】
ステップＳ１に示されるように、評価点の近傍か否かが判定される。すなわち、例えば図８に示されるように、長い光ファイバが１台のＢＯＴＤＲ装置に接続され測定値（後方散乱光）が連続的に得られるときに、そのうちの予め設定された評価点（歪み計測対象点）の後方散乱光のみを計測対象とするために、その受光タイミングに基づいて評価点に相当する測定値のみを抽出する。
【００６４】
ステップＳ１の結果、その受光タイミングに基づいて、評価点の近傍ではないと判断された場合（ステップＳ１−Ｎ）には、再度ステップＳ１を繰り返して、評価点近傍の測定光についてのみ、ステップＳ２以降のステップを行う。
【００６５】
ステップＳ１の結果、評価点近傍であると判定された場合（ステップＳ１−Ｙ）には、その測定光のスペクトルの半値幅Ｄを計算する（ステップＳ２）。その計算結果が最小であるか否かが判断される（ステップＳ３）。このステップＳ３では、予め設定された値よりも小さいと判断されれば最小であると判断されることもできるし、あるいはステップＳ１およびステップＳ２を複数の測定光に対して実行して、その複数の内の中で最小であるものが最小であると判断されることができる。
【００６６】
ステップＳ３の結果、最小ではないと判断された場合（ステップＳ３−Ｎ）には、測定光を抽出する測定位置をずらした後に（ステップＳ４）、再度ステップＳ１に戻る。ステップＳ３の結果、最小であると判断された場合（Ｓ３−Ｙ）には、その中心周波数のシフト量を算出する（ステップＳ５）。
【００６７】
ステップＳ３の結果、その測定光のスペクトルの半値幅Ｄが最小である場合には、図１６および１７に示すように、スペクトルが均一で固定間隔ＤＳの間に計測光が入っていることになる。
【００６８】
図１６に示されるように、信号光の測定間隔を（光ファイバ４１の固定間隔ＤＳ−測定光の長さＧＬ）以下にして、測定した後方散乱光のスペクトル半値幅Ｄを求め、最も半値幅Ｄが狭くなるサンプル点のスペクトルから中心周波数を求め、歪み値に換算する。
【００６９】
以上説明したように、上記実施形態では、ＢＯＴＤＲやＦＢＧなどのように光ファイバ上でシリアルにセンサが接続可能でかつ軸方向の歪みを計測可能で、有限のＧＬをもつセンサにおいて、以下の４つの点が上記実施形態のポイントの一部とされる。
【００７０】
第１の点は、打込み式の杭（管）に光ファイバを貼り付けて杭の変形を計測するセンサで、杭の先端の折返し部分を鏃の形状の部分に収納して杭の直径を小さくし、打ち込みやすくした点である。従来は、伝送光の特性、および光ファイバの強度特性により曲げ半径が３０ｍｍ以上必要であり、杭自体の形状が大きくなっていた。その結果、打ち込みが困難であったり、打ち込みにより地面の隆起などの影響があった。
【００７１】
第２の点は、杭の内部での固定間隔をＧＬまたはそれ以上にした点である。従来は、全面的に固定していたため、局所的な変形を検出することができなかった。
【００７２】
第３の点は、光ファイバをガイドパイプの中に挿入し、所定の間隔で固定された光ファイバが測定対象物の変形に追従しながら軸方向の伸びが発生するようにした点である。
【００７３】
第４の点は、ＢＯＴＤＲのように光ファイバの連続的な測定値が得られる計測方式において信号光の測定間隔を光ファイバの（固定間隔−ＧＬ）以下にして定点固定された区間の測定値を評価する際に、信号光の特性が最も均一な位置で評価するようにした点である。従来は、ＢＯＴＤＲのように測定値が連続的に得られる方法の場合、定点固定では、隣り合う固定点間で歪みが異なる場合があり、測定値がばらつく可能性がある。これは、測定装置の歪み値の求め方に問題があり、測定光が１つの固定区間に収まった時の光によって発生する信号光を得ることが困難であり、測定する光の中心周波数を求める際に隣り合う固定区間で発生する信号光が混ざって測定されるためである。
【００７４】
【発明の効果】
本発明の光ファイバセンサによれば、杭の直径を小さくし打ち込み部に対して影響が小さく、感度の高いセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態の光ファイバセンサを示す側面図である。
【図２】図２は、本発明の第２実施形態において光ファイバセンサが用いられている状態を示す正面図である。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態の光ファイバセンサを示す側面図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態の光ファイバセンサにＢＯＴＤＲ装置から光パルスが入射される状態を説明するための側面図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態の光ファイバセンサにおいて、入射される光パルスとＧＬとの関係を示す図である。
【図６】図６は、従来一般の光ファイバセンサにおいて、単一の測定区間にレベルが互いに異なる複数の歪みが生じているケースを説明するための図である。
【図７】図７は、従来一般の光ファイバセンサにおいて、周波数が異なる３つのスペクトルを示す図である。
【図８】図８は、本発明の第３実施形態の光ファイバセンサが用いられている状態を示す正面図である。
【図９】図９は、本発明の第３実施形態の光ファイバセンサを示す側面図である。
【図１０】図１０は、従来一般の光ファイバセンサにおいて、管の変形に光ファイバの変形が追従しない状態を示す正面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３実施形態の光ファイバセンサにおいて、図１０の問題が解消された状態を示す正面図である。
【図１２】図１２は、図９のＸ１−Ｘ１線断面図である。
【図１３】図１３は、図９のＸ２−Ｘ２線断面図である。
【図１４】図１４は、従来一般の光ファイバセンサに関し、計測光が隣接する固定点間に跨った状態を示す側面図である。
【図１５】図１５は、図１４のケースにおいて２つのスペクトルが重なっている状態を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の第４実施形態に関し、計測光が単一の固定点間に入っていいる状態を示す側面図である。
【図１７】図１７は、図１５のケースにおいて単一のスペクトルのみがある状態を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の第４実施形態の動作の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 光ファイバセンサ
１１ 光ファイバ
１１ａ 一端部
１１ｂ 他端部
１１ｔ 折返し部分
１２ 管
１２ａ 基端部
１２ｂ 先端部
１２ｃ 外径部
１３ 先端キャップ部
１４ 基板部
１５ カバー本体部
１５ａ 第１部分
１５ｂ 第２部分
１５ｃ 第３部分
１６ 周回壁部
１６ａ 内周部
１９ 固定点
２０ 光ファイバセンサ
２１ 光ファイバ
２１ａ 一端部
２１ｂ 他端部
２２ 管
２２ａ 基端部
２２ｂ 先端部
２３ 先端キャップ部
２９ 固定点
３０ 光ファイバセンサ
３１ 光ファイバ
３１ａ 一端部
３１ｂ 他端部
３２ 管
３２Ｓ 管内面
３３ 先端キャップ部
３４ ガイドパイプ
３４ａ 基端部
３４ｂ 先端部
３９ 固定点
４１ 光ファイバ
６１ ＢＯＴＤＲ装置
７１ 接着剤
７２ 接着剤
Ｄ スペクトルの半値幅
ＤＳ 固定間隔
ＧＬ ゲージレングス
Ｋ トンネルの坑内
ｒ 半径
ＳＲ 周面
Claims (5)
- 概ね直線状に設けられた直線部および概ね曲線状に設けられた曲線部とを有する光ファイバと、
前記光ファイバの前記直線部を収める管と、
前記光ファイバの前記曲線部を収める収容部とを具え、
前記収容部は、前記光ファイバの伝送光の特性および前記光ファイバの強度特性に関して問題がないとされるように十分に大きい曲げ半径を有する前記曲線部を収めることができる大きさに形成され、
前記直線部は一端部と他端部とを備え、前記一端部と前記他端部は前記管の中に通され、
前記曲線部は前記他端部と前記一端部に接続する折返し部として形成され、
前記直線部は設定長さの間隔で固定され、前記設定長さは前記直線部を通る計測光のパルス幅より長い
光ファイバセンサ。 - 請求項１記載の光ファイバセンサにおいて、
前記収容部は、先細り形状を有している
光ファイバセンサ。 - 請求項１記載の光ファイバセンサにおいて、
前記収容部は、概ね鏃状に形成されている
光ファイバセンサ。 - 請求項２又は３に記載の光ファイバセンサにおいて、
前記収容部は土中に打ち込まれる
光ファイバセンサ。 - 請求項４記載の光ファイバセンサにおいて、
前記管は土中に打ち込まれる
光ファイバセンサ。
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