JP3771754B2 - 光ファイバ変位計測装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル、鉄鋼、コンクリート構築物等の歪(ひび割れ等)を計測するのに好適な光ファイバ変位計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、光ファイバの散乱光を分析することにより、光ファイバにかかる歪量を計測する歪分布測定器(BOTDR:Brillouin Optical Time Domain Reflectometer )が開発されている。この歪分布測定器(BOTDR)では、光ファイバの片端からパルス光を入射し、該光ファイバ内で生じるブリルアン散乱光及びレーリー散乱光の後方散乱光をコヒーレント検波方法により高感度に検出する。このとき、散乱光の光波と光ファイバ中の音波との相互作用により入射したパルス光の光周波数に対して上方及び下方にシフトしたブリルアン散乱光が検出されることを利用し、ブリルアン散乱光のブリルアンスペクトルから光ファイバの歪分布を測定する。
【0003】
図8は、前記歪分布測定器(BOTDR)の基本構成を示す図である。光源1から発光した光周波数fのCW光は、光周波数シフタ2によりΔfの周波数シフトを受け、光周波数f+Δfのパルス光として被測定光ファイバ3の片端から入射される。すると、パルス光の入射により光ファイバ3内で散乱光が発生する。この散乱光のうち、後方散乱光が光周波数fのCW光(ローカル光)と合波され、信号処理装置4へ入射される。
【0004】
ブリルアン散乱光の周波数は、入射パルス光に対してブリルアン周波数シフトfBだけシフトするため、光周波数シフタ2の周波数シフト量ΔfをfBにすることにより、後方散乱光に含まれるブリルアン後方散乱光のみを検出することができる。
【0005】
光周波数シフタ2の周波数シフト量を変化させながら繰り返し測定を行うことにより、光ファイバ3の長手方向の各位置におけるブリルアンスペクトル、すなわちブリルアン周波数シフトνBの分布を測定することができる。ブリルアン周波数シフトfBは、光ファイバに生じた歪に比例して変化する。その関係を次式(1)に示す。
【0006】
f(ε)=fB(0)×(1+K×ε)・・・・・・・・・(1)
f(ε);実測のブリルアンスペクトルの最大レベルの周波数
fB(0);光ファイバの固有ブリルアン周波数シフト
(ゼロ歪の周波数)
K;歪係数 ε;歪量(%)
【0007】
そして、前記歪分布測定器(BOTDR)の距離分解能は、性能上現時点では約1mである。そこで、本発明者等は、この1mより短距離区間に発生する歪を計測したい場合は、図7に示すように、光ファイバ3の可撓性により、計測対象物の歪発生区間に折り返しで配置(施工)することで、疑似的に1m以下の距離分解能で計測することができ、歪検知感度を数倍に上げられることを実験等で確認すると共に、特開平10−357677号等で提案している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図7のような折り返し施工にあっては、通常折返し部3aが不感帯(歪がかからない区間)となることから、感度が低下する場合が生じる。
【0009】
例えば、前記折り返し施工において距離分解能を上げるために、光ファイバ3を多数回折り返してセンサ部3b(歪がかかる直線部)の長さをどんどん短くすると、歪がかかる区間の割合と歪がかからない区間の割合がだんだん近くなり、歪の進行時におけるブリルアンスペクトルは、例えば図8のようになり、折返し部3aのブリルアンスペクトル(波形)とセンサ部3bのブリルアンスペクトル(波形)との高さが略同じになる。
【0010】
この場合、計測器の原理からすると、前記二つの波形をトータルしたものから歪を算出する。即ち、前記トータルした二つの波形の近似曲線を求めてその最大値を中心周波数f1とすることになる。因みに、波形の頂点(ピーク)を出す計算方法として、単純にデジタル値の一番大きい値から中心周波数を出すのは、精度が低い。
【0011】
そして、前記求めた中心周波数f1とシフト前の基準周波数f0とで変化量ΔFが計測され、これに基づいて歪の進行状況が検知されることになる。この結果、前記基準周波数f0と実際にシフトしたセンサ部3bの中心周波数f2とで得られる実際の変化量ΔFとは異なったものとなり、実際の歪の進行状況とは異なった進行状況が検知されるのである。
【0012】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、その目的は、光ファイバの折り返し施工を採用した光ファイバ変位計測装置の感度(精度)向上を図ることにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成する本発明の光ファイバ変位計測装置は、連続する一本の光ファイバを計測対象物の計測箇所に複数回折り返して複数の折返し部とセンサ部とが形成されるよう配置し、前記光ファイバのブリルアンスペクトルを測定することで前記計測箇所の変位を計測する信号処理装置を備えた光ファイバ変位計測装置において、前記信号処理装置は、光ファイバの折り返し施工時に、折返し部に対しセンサ部のテンションを相対的に強く設定するか又はセンサ部のみにプリテンションを付与すると共に、折返し部の長さの割合よりセンサ部の長さの割合を十分大きくした条件下で、折返し部のブリルアンスペクトルとセンサ部のブリルアンスペクトルが周波数領域に関して十分離れて存在し、かつ後者のレベルが前者のレベルよりも十分高くなっているブリルアンスペクトルを測定することを特徴とする。
【0014】
また、連続する一本の光ファイバを計測対象物の計測箇所に複数回折り返して複数の折返し部とセンサ部とが形成されるよう配置し、前記光ファイバのブリルアンスペクトルを測定することで前記計測箇所の変位を計測する信号処理装置を備えた光ファイバ変位計測装置において、前記信号処理装置は、測定したブリルアンスペクトルの折返し部のブリルアンスペクトルとセンサ部のブリルアンスペクトルの中、折返し部のブリルアンスペクトルを差し引くためのテンプレートを有することを特徴とする。
【0016】
また、前記テンプレートは、光ファイバの折り返し施工時に、予め所定の長さの比を有した折返し部とセンサ部とに同一プリテンションを付与して施工し、これから測定されたブリルアンスペクトルから折返し部のブリルアンスペクトルに対応して作られることを特徴とする。
【0017】
また、前記テンプレートは、光ファイバの折り返し施工時に、予め折返し部のプリテンションよりセンサ部のプリテンションを強く設定して、これから測定されたブリルアンスペクトルから折返し部のブリルアンスペクトルに対応して作られることを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光ファイバ変位計測装置を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
【0019】
[第1実施例]
図1は本発明の第1実施例を示す、光ファイバ変位計測装置の概略構成図、図2は同じく信号処理手順の説明図である。
【0020】
図1において、従来例を示す図6と異なるのは、計測対象物であるトンネル内壁等のひび割れ部Wに一本の光ファイバ3が複数回(図示例では4回)折り返して配置(施工)される点である。そして、ひび割れ部Wをまたぐ5本のセンサ部(歪がかかる直線部)3bの両端部は適宜の手段で固定される。従って、4箇所の折返し部3aは歪がかからない不感帯となる。その他の構成は、信号処理装置4における後述する信号処理を除いて、図6と同様なので、図6と同一部材・部位には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
【0021】
そして、本実施例では、前記信号処理装置4において、測定されたブリルアンスペクトルの折返し部3aのブリルアンスペクトル(波形)とセンサ部3bのブリルアンスペクトル(波形)の中、折返し部3aのブリルアンスペクトル(波形)を無視し、センサ部3bのブリルアンスペクトル(波形)のみからその中心周波数を出してこれを変化量ΔFの基準とするようになっている。
【0022】
具体的には、図2に示すように、折返し部3aに基づくブリルアンスペクトル(波形)とセンサ部3bに基づくブリルアンスペクトル(波形)が周波数領域に関して十分離れて存在し、かつ後者のレベルが前者のレベルよりも十分高くなっている。そのためには、光ファイバ3の折り返し施工時に、予め折返し部3aのプリテンションよりセンサ部3bのプリテンションを強く設定すると共に、折返し部3aの長さの割合よりセンサ部3bの長さの割合を十分大きくしている。
【0023】
このように構成されるため、計測器の処理特性として、図2の(a)のようなブリルアンスペクトルが得られた場合、頂点が高いセンサ部3bのブリルアンスペクトル(波形)の頂点から例えば−3dBのところで線を引き(閾値を設定し)、当該閾値以上のデータに基づき中心周波数を出すことになり、この際に、頂点が前記−3dBの線より低い折返し部3aのブリルアンスペクトル(波形)は無視されることになる。
【0024】
これにより、以後シフト(変形)するのは、図2の(b)に示すように、センサ部3bのブリルアンスペクトル(波形)だけであり、前記求めた中心周波数を基準周波数f0としシフトしたセンサ部3bの中心周波数f1とで得られる変化量ΔFを計測することで、ひび割れ部Wにおける歪の進行状況が感度(精度)良く検知されることになる。
【0025】
[第2実施例]
図3は本発明の第2実施例を示す、信号処理手順の説明図で、図4は同じく異なった信号処理手順の説明図である。
【0026】
この実施例は、前記信号処理装置4において、測定されたブリルアンスペクトルの折返し部3aのブリルアンスペクトル(波形)とセンサ部3bのブリルアンスペクトル(波形)の中、折返し部3aのブリルアンスペクトル(波形)を無視する手段として、予め用意したテンプレートで折返し部3aのブリルアンスペクトル(波形)を差し引くようにした例である。
【0027】
具体的には、図3に示すように、先ず、光ファイバ3の折り返し施工時に、予め所定の長さの比を有した折返し部3aとセンサ部3bとに同一プリテンションを付与して施工し、これから測定されたブリルアンスペクトル(折返し部3aとセンサ部3bとの合成信号の)から折返し部3aのブリルアンスペクトル(波形)に対応した分だけのテンプレート(差し引き基準信号)5を作る。例えば、長さの比が1:1であれば、前記合成信号に1/2を乗じれば、前記差し引き基準信号が得られる(図3の(a)〜(b)の手順参照)。
【0028】
次に、歪が進行し、その時に測定されたブリルアンスペクトルから前記テンプレート5で引き算をすれば、シフトしたセンサ部3bのブリルアンスペクトル(波形)だけが残り、その中心周波数f1が得られる(図3の(c)〜(d)の手順参照)。
【0029】
この後、シフト前のセンサ部3bのブリルアンスペクトル(波形)の中心周波数を基準周波数f0とし、これとシフトしたセンサ部3bの中心周波数f1とで得られる変化量ΔFを計測することで、ひび割れ部Wにおける歪の進行状況が感度(精度)良く検知される。
【0030】
尚、前記センサ部3bに折返し部3aより多少大きめにテンションがかかり、センサ部3bのブリルアンスペクトル(波形)が多少ずれていても、上述したのと同様の信号処理をすれば、十分実用的な精度が得られる。
【0031】
図4の信号処理手順は、先ず、光ファイバ3の折り返し施工時に、第1実施例と同様に、予め折返し部3aのプリテンションよりセンサ部3bのプリテンションを強く設定して、これから測定されるブリルアンスペクトルにおいて折返し部3aのブリルアンスペクトル(波形)とセンサ部3bのブリルアンスペクトル(波形)を完全に分離させる。
【0032】
次に、前記ブリルアンスペクトルから折返し部3aのブリルアンスペクトル(波形)に対応した分だけのテンプレート(差し引き基準信号)5を作る(図3の(a)〜(b)の手順参照)。
【0033】
次に、歪が進行し、その時に測定されたブリルアンスペクトルから前記テンプレート5で引き算をすれば、シフト前後のセンサ部3bのブリルアンスペクトル(波形)だけが残る(図3の(c)〜(d)の手順参照)。
【0034】
この後、シフト前のセンサ部3bのブリルアンスペクトル(波形)の中心周波数を基準周波数f0とし、これとシフトしたセンサ部3bの中心周波数f1とで得られる変化量ΔFを計測することで、ひび割れ部Wにおける歪の進行状況が感度(精度)良く検知される。
【0035】
尚、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であることはいうまでもない。例えば、第1の実施例で折返し部のテンションはゼロとしてセンサ部のみにプリテンションを付与するようにしても良い。また、上記各実施例では、光ファイバの折返し施工において、計測対象物の複数箇所で折り返す場合に本発明を適用した例を説明したが、図5に示すように、一箇所にまとめて折り返す場合に本発明を適用しても良い。この場合には、センサ部の占有面積を大幅に削減できる利点がある。更に、本発明は、ひび割れ測定に限らず、変位計としても適用できる。
【0036】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項1に係る光ファイバ変位計測装置は、連続する一本の光ファイバを計測対象物の計測箇所に複数回折り返して複数の折返し部とセンサ部とが形成されるよう配置し、前記光ファイバのブリルアンスペクトルを測定することで前記計測箇所の変位を計測する信号処理装置を備えた光ファイバ変位計測装置において、前記信号処理装置は、光ファイバの折り返し施工時に、折返し部に対しセンサ部のテンションを相対的に強く設定するか又はセンサ部のみにプリテンションを付与すると共に、折返し部の長さの割合よりセンサ部の長さの割合を十分大きくした条件下で、折返し部のブリルアンスペクトルとセンサ部のブリルアンスペクトルが周波数領域に関して十分離れて存在し、かつ後者のレベルが前者のレベルよりも十分高くなっているブリルアンスペクトルを測定するので、測定されたブリルアンスペクトルから変形分(センサ部)だけの信号を効果的に取り出せるので、感度(精度)が向上し、光ファイバの折返し施工を採用した変位計測装置の距離分解能向上効果を十分に発揮できるという効果が得られる。
【0038】
本発明の請求項2に係る光ファイバ変位計測装置は、連続する一本の光ファイバを計測対象物の計測箇所に複数回折り返して複数の折返し部とセンサ部とが形成されるよう配置し、前記光ファイバのブリルアンスペクトルを測定することで前記計測箇所の変位を計測する信号処理装置を備えた光ファイバ変位計測装置において、前記信号処理装置は、測定したブリルアンスペクトルの折返し部のブリルアンスペクトルとセンサ部のブリルアンスペクトルの中、折返し部のブリルアンスペクトルを差し引くためのテンプレートを有するので、請求項1と同様の作用・効果が得られる。
【0039】
本発明の請求項3に係る光ファイバ変位計測装置は、前記テンプレートは、光ファイバの折り返し施工時に、予め所定の長さの比を有した折返し部とセンサ部とに同一プリテンションを付与して施工し、これから測定されたブリルアンスペクトルから折返し部のブリルアンスペクトルに対応して作られることを特徴とするので、折返し部のブリルアンスペクトルを容易に無視することができ、請求項1と同様の作用・効果が得られる。
【0040】
本発明の請求項4に係る光ファイバ変位計測装置は、前記テンプレートは、光ファイバの折り返し施工時に、予め折返し部のプリテンションよりセンサ部のプリテンションを強く設定して、これから測定されたブリルアンスペクトルから折返し部のブリルアンスペクトルに対応して作られることを特徴とするので、折返し部のブリルアンスペクトルを容易に無視することができ、請求項1と同様の作用・効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す、光ファイバ変位計測装置の概略構成図である。
【図2】同じく信号処理手順の説明図である。
【図3】本発明の第2実施例を示す、信号処理手順の説明図である。
【図4】同じく異なった信号処理手順の説明図である。
【図5】光ファイバの折返し施工の異なった例を示す説明図である。
【図6】歪分布測定器(BOTDR)の概略構成図である。
【図7】光ファイバの折返し施工の一例を示す説明図である。
【図8】光ファイバの折返し施工で測定されるブリルアンスペクトルの不具合を示す説明図である。
【符号の説明】
1 光源
2 光周波数シフタ
3 光ファイバ
3a 折返し部
3b センサ部
4 信号処理装置
5 テンプレート
W ひび割れ部
Claims (4)
- 連続する一本の光ファイバを計測対象物の計測箇所に複数回折り返して複数の折返し部とセンサ部とが形成されるよう配置し、前記光ファイバのブリルアンスペクトルを測定することで前記計測箇所の変位を計測する信号処理装置を備えた光ファイバ変位計測装置において、前記信号処理装置は、光ファイバの折り返し施工時に、折返し部に対しセンサ部のテンションを相対的に強く設定するか又はセンサ部のみにプリテンションを付与すると共に、折返し部の長さの割合よりセンサ部の長さの割合を十分大きくした条件下で、折返し部のブリルアンスペクトルとセンサ部のブリルアンスペクトルが周波数領域に関して十分離れて存在し、かつ後者のレベルが前者のレベルよりも十分高くなっているブリルアンスペクトルを測定することを特徴とする光ファイバ変位計測装置。
- 連続する一本の光ファイバを計測対象物の計測箇所に複数回折り返して複数の折返し部とセンサ部とが形成されるよう配置し、前記光ファイバのブリルアンスペクトルを測定することで前記計測箇所の変位を計測する信号処理装置を備えた光ファイバ変位計測装置において、前記信号処理装置は、測定したブリルアンスペクトルの折返し部のブリルアンスペクトルとセンサ部のブリルアンスペクトルの中、折返し部のブリルアンスペクトルを差し引くためのテンプレートを有することを特徴とする光ファイバ変位計測装置。
- 前記テンプレートは、光ファイバの折り返し施工時に、予め所定の長さの比を有した折返し部とセンサ部とに同一プリテンションを付与して施工し、これから測定されたブリルアンスペクトルから折返し部のブリルアンスペクトルに対応して作られることを特徴とする請求項2記載の光ファイバ変位計測装置。
- 前記テンプレートは、光ファイバの折り返し施工時に、予め折返し部のプリテンションよりセンサ部のプリテンションを強く設定して、これから測定されたブリルアンスペクトルから折返し部のブリルアンスペクトルに対応して作られることを特徴とする請求項2記載の光ファイバ変位計測装置。
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