JP3725447B2 - 物理量測定センサと物理量測定システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバの曲率変動に伴って発生する光損失の変動から様々な物理量の変化を測定可能とした物理量測定センサと、それを用いた物理量測定システムに関するものであり、特に河川の水位変化を測定するのに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
物理量の変化に伴って発生する光ファイバの光損失変動をＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometter）によって検出することによって、物理量の変化を測定可能としたセンサは既に存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバの光損失には「曲げ」による損失と、「側圧」による損失の２種があり、前者は曲げ損失（マクロべンディングロス）、後者は側圧損失（マイクロべンディングロス）と呼ばれている。曲げ損失は光ファイバの曲げ径が小さくなるほど増大し、側圧損失は光ファイバに作用する側圧が大きくなるほど増大する。
【０００４】
従来のセンサでは物理量の変化に応じて光ファイバに曲げ及び側圧の双方又は一方が無制限に作用し、前記曲げ損失及び側圧損失の双方又は一方が無限に増大する構造となっている。従って、一本の光ファイバの長手方向複数箇所にセンサを設け、当該光ファイバにおける光損失を同ファイバの一端に接続したＯＴＤＲによって検出しようとする際に次のような問題があった。即ち、光ファイバの長手方向１箇所において物理量が大きく変化すると、同箇所において発生する光損失が過剰に増大し、それより遠方で発生した光損失を前記ＯＴＤＲによって検出することができなくなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本件出願の第１の物理量測定センサは、物理量の変化に伴って変位する変動体と、検知用光ファイバを巻き付け可能であり、且つ前記変動体の変位に伴って形状変化して巻き付けられている検知用光ファイバの曲率を変化させる構造体と、検知用光ファイバの曲率変化に伴う光損失変動を測定可能な測定器とを備え、前記構造体は４つの細長板状体の長手方向両端同士を連結ピンによって互いに回動可能に連結して伸縮可能な方形枠状とし、いずれか一本の連結ピンが固定され他の連結ピンはフリーであり、固定された連結ピンと対向する連結ピン又はその近傍に変動体が連結され、変動体が変位すると前記対向する連結ピンの間の間隔が伸びるか縮むかして形状変化し、この形状変化により検知用光ファイバの曲率が変化するようにしたものである。
【０００６】
本件出願の第２の物理量測定センサは、前記物理量測定センサにおいて、変動体と構造体との間に、変動体の変位を構造体に伝達する伝達機構が設けられたものである。
【０００７】
本件出願の第３の物理量測定センサは、前記物理量測定センサにおいて、伝達機構が変動体の変位量を増大させて構造体に伝達可能なものである。
【０００８】
本件出願の第４の物理量測定センサは、前記物理量測定センサにおいて、構造体の形状変化が所定範囲内に規制されているものである。
【０００９】
本件出願の第１の物理量測定システムは、前記第１〜第５のいずれかの物理量測定センサが二以上配置され、それら物理量測定センサの検知用光ファイバ同士が伝送用光ファイバを介して接続され、伝送用光ファイバが光ファイバの曲率変化に伴う光損失変動を測定可能な測定器に接続されたものである。
【００１０】
本件出願の第２の物理量測定システムは、前記物理量測定システムにおいて、検知用光ファイバと伝送用光ファイバとを兼用としたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本発明の物理量測定センサの実施形態の一例を図１に基づいて説明する。本実施形態に示す物理量測定センサは、図１（ａ）（ｂ）に示すように、物理量の変化に伴って変位する変動体１と、変動体１の変位に伴って形状変化する構造体２と、構造体２の形状変化に応じて曲率が変化する検知用光ファイバ３と、その検知用光ファイバ３の曲率変化に伴う光損失変動を測定可能な測定器(図示しない)とを備えている。
【００１２】
前記構造体２は図１（ａ）に示すように、４つの細長板状体１０（１０ａ〜１０ｄ）の長手方向両端同士を連結ピン１１（１１ａ〜１１ｄ）によって互いに回動可能に連結して方形枠状とし、任意の連結ピン１１又はその近傍に、これと対向する連結ピン１１又はその近傍方向への圧力が加えられると、これら２つの連結ピン１１間の間隔が所定距離に縮まるまで扁平する（形状変化する）ものである。この構造体２は同図に示すように筺体１２内に収容され、前記形状変化が阻害されないように同筺体１２に固定されており、連結ピン１１ｃ又はその近傍に連結ピン１１ａ又はその近傍方向への圧力が加えられると、連結ピン１１ｃが連結ピン１１ａに接近するように扁平して、図１（ａ）に示す状態から同図（ｂ）に示す状態に形状変化する。
【００１３】
前記変動体１は図１（ａ）に示すような細長の棒であり、長手方向一端が前記構造体２の連結ピン１１cに連結され、他端が筺体１２の底面１３を貫通して外部に突出し、外部に突出した端部に浮子（フロート）１４がネジ止めされている。この浮子１４は、一端が前記筺体１２の底面１３に固定され、他端が開口した筒状のガイド１５内に収容され、同ガイド１５の内側において伝達体２の長手方向へのみ移動可能（昇降可能）とされている。換言すれば、ガイド１５によって伝達体２の長手方向以外の方向への移動が規制されている。従って、河川の水位上昇によって前記浮子１４が水没して応力（浮力）を受けると、変動体１が鉛直方向（長手方向）へ押し上げられ、構造体２の連結ピン１１ｃに連結ピン１１ａ方向への圧力が加えられる。即ち、浮子１４が水位上昇という物理量の変化に伴って発生した応力（浮力）を受けると、その応力によって変動体１が変位し、これによって図１（ａ）に示す構造体２が同図（ｂ）に示すように扁平する（形状変化する)。
【００１４】
前記検知用光ファイバ３は図１（ａ）に示すように、構造体２の各連結ピン１１ａ〜１１ｄに掛け回されるようにして同構造体２の周囲に巻かれ、その長手方向複数箇所において同構造体２に固定されている。従って、構造体２が図１（ａ）に示す状態から同図（ｂ）に示す状態に形状変化すると、検知用光ファイバ３も図１（ａ）に示す状態（円形のリング状）から同図（ｂ）に示す状態（横長楕円形のリング状）に変化する。即ち、構造体２に巻装された検知用光ファイバ３の曲率が局部的に大きくなり（曲率半径が小さくなり）、同検知用光ファイバ３に光損失（曲げ損失）が発生するか、光損失（曲げ損失）が増大する。もっとも、構造体２は２つの連結ピン１１ａ、１１ｃ間の間隔が所定距離に縮まるまでは扁平するが、それ以上は扁平しないように規制されている。即ち、一定の扁平度までは形状変化するが、それ以上は形状変化しないように規制されているので、検知用光ファイバ３の曲率変化も所定範囲内に止まる。また、前記のようにして検知用光ファイバ３の曲率が変化して同ファイバ３に曲げ損失が発生する際に、同ファイバ３に側圧が作用することは一切ないか、殆どない。
【００１５】
以上により、検知用光ファイバ３に接続した測定器（ＯＴＤＲ：Optical Time Domain Reflectometter）によって同ファイバ３の光損失変動を監視することによって、河川の水位上昇を検知することができる。また、様々な水位毎に、その水位において発生する検知光ファイバ３の光損失量を測定し、これを予めデータ化しておくことによって、測定された光損失量と前記データを比較して、現在の河川水位を略特定することもできる。
【００１６】
（実施形態２）
本発明の物理量測定センサの実施形態の他例を図２〜図６に基づいて説明する。本実施形態に示す物理量測定センサは図２に示すように、物理量の変化に伴って変位する変動体２２と、筺体２０内に収容され、前記変動体２２の変位に伴って形状変化する構造体２１（図３）と、変動体２２の変位を前記構造体２１に伝達する伝達機構２３と、構造体２１の形状変化に応じて曲率が変化する検知用光ファイバ２４（図３）と、検知用光ファイバ２４の曲率変化に伴う光損失変動を測定可能な測定器（図示しない）とを備えている。
【００１７】
前記構造体２１は図３に示すように、４つの細長板状体３０（３０a〜３０d）の長手方向両端同士を連結ピン３１（３１ａ〜３１ｄ）によって互いに回動可能に連結して方形枠状とし、任意の連結ピン３１又はその近傍に、これと対向する連結ピン３１又はその近傍方向への圧力が加えられると、これら２つの連結ピン３１間の間隔が所定距離に縮まるまで扁平する（形状変化する）ものである。本実施形態に示す物理量測定センサでは図３に示すように、この構造体２１を筺体２０内に収容し、前記連結ピン３１ｂを同筺体２１に固定すると共に、連結ピン３１ｄをガイド穴３２内において図中の矢印方向へ往復移動可能とし、他の連結ピン３１ａ及び３１ｃをフリーとしてある。従って、連結ピン３１ｄ又はその近傍に連絡ピン３１ｂ又はその近傍方向への圧力が加えられると、連結ピン３１ｄがガイド穴３２のガイドに沿って連結ピン３１ｂに接近して 、図４（ａ）に示す状態から同図（ｂ）に示す状態に形状変化する。
【００１８】
前記検知用光ファイバ２４は図３に示すように、構造体２１の各連結ピン３１ａ〜３１ｄに掛け回されるようにして同構造体２１の周囲に巻かれ、その長手方向複数箇所において同構造体２１に固定されている。従って、構造体２１が図４（ａ）に示す状態から同図（ｂ）に示す状態に形状変化すると、検知用光ファイバ２４も図４（ａ）に示す状態（円形のリング状）から同図（ｂ）に示す状態（縦長楕円形のリング状）に変化する。即ち、構造体２１に巻かれた検知用光ファイバ２４の曲率が局部的に大きくなり（曲率半径が小さくなり）、同光ファイバ２４に光損失（曲げ損失）が発生するか、光損失（曲げ損失）が増大する。もっとも、図３に示すように、構造体２１の連結ピン３１ｄはガイド穴３２内においてのみ移動可能なので、同ガイド穴３２の端部に当接するまでは連結ピン３１ｂに接近するが、それ以上は接近しない。即ち、構造体２１は、一定の扁平度までは形状変化するが、それ以上は形状変化しないように規制されているので、検知用光ファイバ２４の曲率変化も所定範囲内に止まる。また、前記のようにして検知用光ファイバ２４の曲率が変化して同ファイバ２４に曲げ損失が発生する際に、同ファイバ２４に側圧が作用することは一切ないか、殆どない。
【００１９】
前記伝達機構２３は図５（ａ）（ｂ）に示す２つのピストン５０、５１と、一端が一方のピストン５０に継ぎ手５２を介して接続され、他端が他方のピストン５１に継ぎ手５３を介して接続されたチューブ５４と、そのチューブ５４内に充填された流体５５とから構成されており、一方のピストン５０のロッド５６は前記変動体２２に連結され（図６）、他方のピストン５１のロッド５７は前記構造体２１の連結３１ｄに連結されている（図３）。従って、変動体２２の変位に伴って図５（ａ）に示す一方のピストン５０が同図（ｂ）に示すように押出されると、これによって発生した圧力が流体５５を媒体として他方のピストン５１に伝達されて、同ピストン５１が同図（ｂ）に示すように押出される。これによって、図３に示す構造体２１の連結ピン３１ｄに同連結ピン３１ｂ方向への圧力が加えられて、当該構造体２１が図４（ａ）に示す状態から同図（ｂ）に示す状態に形状変化される。ここで、一方のピストン５０の押出し面積を他方のピストン５１のそれよりも大きくして、一方のピストン５０の押出し量（変動体２２の変位量）に対して、他方のピストン５１の押出し量が大きくなるようにしてある。
【００２０】
前記変動体２２は図６に示すように、一端を支点ピン６０によって前記ピストン５０のハウジング５８に固定し、それより先端側を同ピストン５０のロッド５６に取付ピン６２を介して連結し、他端に浮子（フロート）６３をネジ止めした細長の棒であり、浮子６３が水没して浮力を受けると、前記支点ピン６０を支点として図中の矢印方向へ回動して（変位して）、前記のようにピストン５０を押出すようにしてある。
【００２１】
以上により、図２に示す浮子６３が水没して浮力を浮けると、変動体２２が図中の矢印方向へ回動して変位し、それによって発生した圧力が伝達機構２３を介して筺体２０内の構造体２１（図３）に伝達され、同構造体２１が形状変化する。これによって、検知用光ファイバ２４の曲率が変化して同ファイバ２４に光損失（曲げ損失）が発生する。従って、光ファイバ２４の光損失変動を同ファイバ２４に接続した測定器（ＯＴＤＲ）によって監視することによって、河川の水位上昇を検知することができる。また、様々な水位毎に、その水位において発生する検知用光ファイバ３の光損失量を測定し、これを予めデータ化しておくことによって、測定された光損失量と前記データを比較して、現在の河川水位を略特定することもできる。
【００２２】
（実施形態３）
本発明に物理量測定システムの実施形態の一例を図７に基づいて説明する。本実施形態に示す物理量測定システムは、前記実施形態１又は実施形態２に示した本発明の物理量測定センサを複数箇所に設置し、それらセンサにおける検知用光ファイバ３（図１）又は２４（図３）を１本の伝送用光ファイバ７０で繋ぎ、その伝送用光ファイバ７０を監視装置７１に接続したものである。ここで監視装置７１は、光ファイバの光損失変動を測定可能な測定部（ＯＴＤＲ）７２と、その測定部７２を制御する制御部７３とを備えており、前記伝送用光ファイバ７０は測定部７２に接続されている。以上によって、複数の物理量測定センサが伝送用光ファイバ７０を介して一つの監視装置７１に接続されて一括管理され（集中管理され）、何れかの物理量測定センサにおける検知用光ファイバ３又は２４の曲率が変化して、同ファイバ３又は２４に光損失が発生するか、または同ファイバ３又は２４の光損失が増大すると、それが測定部７２によって測定され、測定結果が図示されていないパソコンやプリンタ等に出力される。
【００２３】
ここで、夫々の物理量測定センサにおける検知用光ファイバ３又は２４は前記の通り、その曲率変化が所定範囲内に止められている。また、検知用光ファイバ３又は２４はその曲率が変化することはあっても、側圧が作用することは一切ないか、殆どない。従って、何れかの物理量測定センサにおける検知用光ファイバ３又は２４における光損失が過剰に増大し、それより遠方に設置されているセンサの検知用光ファイバ３又は２４における光損失が測定不可能になるといった問題が発生する虞はない。
【００２４】
（実施形態４）
本発明の物理量測定システムの実施形態の一例を図８に基づいて説明する。本実施形態に示す物理量測定システムの基本機成は前記実施形態３に示すものと同一である。異なるのは図８に示すように、複数の物理量測定センサにおける検知用光ファイバ３又は２４を繋ぐ伝送用光ファイバ７０を複数本設け、夫々の伝送用光ファイバ７０を光スイッチ７４によって測定部７２に切替接続可能としたことである。以上によって、より多くの物路量測定センサが一つの監視装置によって一括管理され、測定範囲がより一層拡大される。
【００２５】
尚、前記実施形態３又は実施形態４においては、夫々の物理量測定センサにおける検知用光ファイバ３又は２４をこれらとは別の伝送用光ファイバ７０によって互いに接続したが、当該伝送用光ファイバ７０を夫々の物理量測定センサにおける構造体２（図１）又は構造体２１（図３）に順次巻き付けても同様の作用・効果を得ることができる。即ち、夫々の物理量測定センサにおける検知用光ファイバ３又は２４と、これらを互いに接続する伝送用光ファイバ７０を兼用としても同様の作用・効果を得ることができる。
【００２６】
前記本発明の物理量測定センサ及び物理量測定システムによって測定可能な物理量の変化は、河川の水位変化に限定されない。例えば、湖、池、水槽、貯水タンク等における水位変化を測定することもできる。また、水位変化以外の物理量の変化の有無や変化の程度を測定することもできる。
【００２７】
【発明の効果】
本件出願の第１の物理量測定センサは、物理量の変化に伴って変位する変動体と、検知用光ファイバを巻き付け可能であり、且つ前記変動体の変位に伴って形状変化して巻き付けられている検知用光ファイバの曲率を変化させる構造体と、検知用光ファイバの曲率変化に伴う光損失変動を測定可能な測定器とを備え、検知用光ファイバの曲率変化に起因する光損失変動から物理量の変化の有無や変化の程度を測定する。従って、簡潔な構成によって、機々な物理量の変化の有無や変化の程度を確実に検知することができる。
【００２８】
本件出願の第２の物理量測定センサは、変動体と構造体との間に、変動体の変位を構造体に伝達する伝達機構が設けられている。従って、変動体の設置位置(測定点）と構造体の設置位置が離れていても物理量の変化の有無や変化の程度を確実に検知することができる。
【００２９】
本件出願の第３の物理量測定センサは、伝達機構が変動体の変位量を増大させて構造体に伝達可能であるため、変動体の変位量が僅かであっても、構造体に十分な形状変化を生じさせることができる。従って、僅かな物理量の変化も確実に検知することができる。
【００３０】
本件出願の第４の物理量測定センサは、構造体の形状変化が所定範囲内に規制されているため、検知用光ファイバに発生する光損失も所定範囲内に規制される。従って、二以上のセンサを配置して複数箇所における物理量の変化を測定する際に、一箇所における物理量が大幅に変化しても、当該箇所よりも遠方の測定が阻害されることがない。
【００３１】
本件出願の物理量測定システムは、次のような効果を有する。
（１）前記のような効果を有する本発明の物理量測定センサを用いるので、前記と同様の効果を得ることができる。
（２）持に、前記物理量測定センサの構造体は、その形状変化が所定範囲内に規制されているため、検知用光ファイバに発生する光損失も所定範囲内に抑制される。従って、このセンサを二以上配置して、複数箇所における物理量の変化を測定する際に、一箇所における物理量が大幅に変化しても、当該箇所よりも遠方の測定が阻害されることのないシステムが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の物理量測定センサの実施形態の一例を示す図であって、（ａ）は構造体が形状変化する前の状態を示す説明図、（ｂ）は構造体が形状変化した後の状態を示す説明図。
【図２】 本発明の物理量測定センサの実施形態の他例を示す概略図。
【図３】 図２に示す物理量測定センサの構造体を示す説明図。
【図４】 （ａ）は図３に示す機造体が形状変化する前の状態を示す説明図、（ｂ）は同構造体が形状変化した後の状態を示す説明図。
【図５】 図２に示す物理量測定センサの伝達機構を示す図であって、（ａ）は変動体が変位する前の状態の説明図、（ｂ）は変動体が変位した後の状態を示す説明図。
【図６】 図２に示す物理量測定センサの変動体を示す説明図。
【図７】 本発明の物理量測定システムの実施形態の一例を示す概略図。
【図８】 本発明の物理量測定システムの実施形態の他例を示す概略図。
【符号の説明】
１、２２ 変動体
２、２１ 構造体
３、２４ 検知用光ファイバ
２３ 伝達機構
７０ 伝達用光ファイバ

Claims (6)

1. 物理量の変化に伴って変位する変動体と、検知用光ファイバを巻き付け可能であり、且つ前記変動体の変位に伴って形状変化して巻き付けられている検知用光ファイバの曲率を変化させる構造体と、検知用光ファイバの曲率変化に伴う光損失変動を測定可能な測定器とを備え、前記構造体は４つの細長板状体の長手方向両端同士を連結ピンによって互いに回動可能に連結して伸縮可能な方形枠状とし、いずれか一本の連結ピンが固定され他の連結ピンはフリーであり、固定された連結ピンと対向する連結ピン又はその近傍に変動体が連結され、変動体が変位すると前記対向する連結ピンの間の間隔が伸びるか縮むかして形状変化し、この形状変化により検知用光ファイバの曲率が変化するようにしたことを特徴とする物理量測定センサ。
2. 変動体と構造体との間に、変動体の変位を構造体に伝達する伝達機構が設けられたことを特徴とする請求項１記載の物理量測定センサ。
3. 伝達機構は、変動体の変位量を増大させて構造体に伝達可能であることを特徴とする請求項２記載の物理量測定センサ。
4. 構造体の形状変化が所定範囲内に規制されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の物理量測定センサ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の物理量測定センサが二以上配置され、それら物理量測定センサの検知用光ファイバ同士が伝送用光ファイバを介して接続され、伝送用光ファイバが光ファイバの曲率変化に伴う光損失変動を測定可能な測定器に接続されたことを特徴とする物理量測定システム。
6. 検知用光ファイバと伝送用光ファイバとが兼用であることを特徴とする請求項５記載の物理量測定システム。

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