JP3795779B2 - 光ファイバセンサによる構造部材応力集中部位検出方法 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、構造部材に光ファイバセンサを固定し、この光ファイバセンサを用いて構造部材において応力が集中している部位を検出する光ファイバセンサによる構造部材応力集中部位検出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
航空機や船舶、土木・建築などの構造物を構成する構造部材には、設計時に適正な強度、すなわちその構造物が耐えうる応力が、想定される外力や使用される環境などを考慮して設定される。設計者は、使用中の構造物に生じる構造部材内の応力が、設定された応力以下となるように構造部材の材料や寸法などを決定する。ところが、不適切な設計、製造不良、使用中に発生した欠陥・損傷などによって、構造部材に悪影響を及ぼす可能性のある応力集中部位が存在することがある。
【0003】
この応力集中によって、想定された範囲内にある外力であっても構造物の破壊に至ることがあるので、こうした応力集中部位を検出する技術は構造物の安全性を高める上で必要不可欠な技術である。
【0004】
構造部材の応力集中部位を検出する従来の方法には光弾性法がある。また、ひずみセンサを用いた方法もある。
【0005】
光弾性法によって構造部材の応力集中部位を測定する場合、面的なひずみの状態を把握することができ、そのひずみの状態から応力集中部位を検出することができるが、計測装置が大掛かりになる上、実際に使用されている構造物の部材に適用することは非常な困難を要し、更に構造物の形状や材料によっては測定することが不可能である。
【0006】
また、ひずみセンサを利用して応力集中部位を検出する場合、代表的なものとして、局所的なひずみを測定するひずみゲージや「光ファイバ内に格子を形成する方法」(特開昭62−500052号公報)により作成される光ファイバセンサを用いる「分散的、離散的に解析する光ファイバひずみ計」(特開昭61−502980号公報)がある。
【0007】
ひずみゲージによりひずみの大きさを測定し、そのひずみの値から応力集中を検出する場合、1つのひずみゲージでは局所的なひずみしか計測できないため、多数の測定点が必要となり、配線コードが増えて測定系が大掛かりになってしまう。更に、電磁ノイズに影響されやすく、防爆性が必要なタンカーなどへの適用は難しい。
【0008】
また、「分散的、離散的に解析する光ファイバひずみ計」(特開昭61−502980号公報)を用いてひずみの大きさを測定し、そのひずみの値から応力集中を検出する場合、上記ひずみゲージのように配線コードは増えないが、センサ部が限定された範囲でしかひずみを測定できないため、予め予測できない場所で発生する応力集中部位を検出することは困難となる。
【0009】
更に、ひずみセンサとしてブリルアン後方散乱光を利用した「後方散乱光の測定方法およびその装置」(特開平5−231923号公報)も提案されている。これは、図7に示すように、光ファイバセンサ1の片端に光ひずみ測定装置2を接続し、この装置からパルス光9を入力したときに、光ファイバセンサ1の各位置で生じるブリルアン散乱光の周波数スペクトル6の変化、すなわち周波数スペクトルのピーク位置の移動から光ファイバセンサ1に生じたひずみの大きさを検出し、またブリルアン散乱光が戻ってくるのに要する時間に基づき光ファイバセンサ1に生じたひずみの発生位置13を連続的に測定するものである。また、距離分解能は、パルス光9の幅によって決まる。例えば、10ナノ秒のパルス光9では、1mの距離分解能に相当する。これにより測定された連続的なひずみの分布を利用して応力集中部位を検出することができるが、距離分解能パルス光9の幅により制限されるため、空間分解能以下の大きさで応力が変動するような応力集中部位を検出することが困難である。
【0010】
上記「後方散乱光の測定方法およびその装置」(特開平5−231923号公報)によって、測定されたひずみ分布では、距離分解能の制限から応力集中部位を検出できない例を図面により説明を行う。例えば、図2に示されているような応力集中がない場合と、応力集中がある場合のひずみ分布をそれぞれひずみ分布41とひずみ分布42として特開平5−231923号公報に記載されている「後方散乱光の測定方法およびその装置」を用いて距離に対応させて測定したとする。図2の横軸は距離で、縦軸はひずみである。このとき、測定されるひずみ分布は図6のようになる。図6では、横軸が距離で、縦軸がひずみである。図6からわかるように、応力集中がない場合に測定されたひずみ分布41aは図2に示されているひずみ分布41と良く一致するが、応力集中がある場合に測定されたひずみ分布42aは、図2に示されているひずみ分布42の測定領域5におけるひずみ分布を正確に測定することができず、応力集中の発生を検出することができない。なお、図6の測定領域5は図2に示されている測定領域5に対応している。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の応力集中部位の検出方法のうち、ひずみセンサを用いる方法、すなわち、ひずみゲージや特開昭61−502980号公報に開示されているように「分散的、離散的に解析する光ファイバひずみ計」を用いて、ひずみを計測し、その値から応力集中部位を検出する場合は、センサ部分が限定されるため、発生位置が不明の応力集中部位を検出するには人的な労力が必要であるという困難がある。
【0012】
また、特開平5−231923号公報に記載されているように、「後方散乱光の測定方法およびその装置」を用いて距離に対応した連続的なひずみを測定し、そのひずみの分布から応力集中部位を検出する場合、距離分解能が低いために、上述したように狭い範囲で発生する応力集中部位の検出は困難であるという問題がある。
【0013】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、構造部材に発生する応力集中部位を高い距離分解能をもってより狭い範囲で適確に検出し得る光ファイバセンサによる構造部材応力集中部位検出方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1記載の本発明は、構造部材に光ファイバセンサを固定し、この光ファイバセンサを用いて構造部材において応力が集中している部位を検出する方法であって、前記光ファイバセンサの一端に接続された光ファイバひずみ測定装置から光パルスを入力し、この入力された光パルスに対して光ファイバセンサで生じる散乱光の光学的特性の変化であるブリルアン後方散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅変化を前記光ファイバひずみ測定装置で検出し、スペクトルの波形が左右非対称となるスペクトル幅変化が生じた部位を構造部材に生じている応力集中部位として検出することにより距離分解能以下の応力部位の有無を検出することを要旨とする。
【0015】
請求項1記載の本発明にあっては、構造部材に光ファイバセンサを固定し、光ファイバセンサの一端に接続された光ファイバひずみ測定装置から光パルスを入力し、この入力された光パルスに対して光ファイバセンサで生じる散乱光の光学的特性の変化であるブリルアン後方散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅変化を前記光ファイバひずみ測定装置で検出し、スペクトルの波形が左右非対称となるスペクトル幅変化が生じた部位を構造部材に生じている応力集中部位として検出することにより距離分解能以下の応力部位の有無を検出するため、従来の方法に比較して、距離分解能を向上させることができ、より狭い範囲で発生する応力集中部位を検出することができる。
【0016】
また、請求項2記載の本発明は、請求項1記載の発明において、前記光パルスを光ファイバセンサの一端に入力してから、前記散乱光が光ファイバセンサの一端に戻ってくるまでの時間を測定し、この測定した光ファイバセンサにおける散乱光の戻り時間に基づいて構造部材の応力集中発生位置を検出することを要旨とする。
【0017】
請求項2記載の本発明にあっては、散乱光が光ファイバセンサの一端に戻ってくるまでの戻り時間に基づいて構造部材の応力集中発生位置を検出するため、従来の方法に比較して、構造部材の応力集中の発生位置をより正確に検出することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る光ファイバセンサによる構造部材応力集中部位検出方法を実施する装置構成を示す斜視図である。
【0019】
本実施形態の光ファイバセンサによる応力集中部位検出方法では、図1に示すように、構造部材3に対して光ファイバセンサ1を樹脂などで固定し、該光ファイバセンサ1の一端に光ファイバひずみ測定装置2を接続する。なお、本発明で使用される光ファイバひずみ測定装置2は特開平5−231923号公報の「後方散乱光の測定方法およびその装置」に開示されている光ファイバひずみ測定装置を用いるものである。
【0020】
次に、図1のように設定した光ファイバセンサ1と部材3の位置関係を予め求めておき、部材3に生じた応力集中とそれを検出する光ファイバセンサ1の位置を対応させる。具体的には、光ファイバセンサ1の内、部材3に固定されている部分の始点11および終点12の間の光ファイバセンサ1が、部材3のどの位置に存在するかを求めておき、光ファイバセンサ1で測定された応力集中の位置の対応付けを行う。
【0021】
本実施形態の応力集中部位検出方法では、光ファイバひずみ測定装置2から光ファイバセンサ1に光パルスを入力し、この入力された光パルスに対して光ファイバセンサ1で生じる散乱光の光学的特性の変化、すなわちブリルアン後方散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅変化から部材3の応力集中部位を検出するとともに、散乱光が戻ってくるまでに要する時間を測定し、この散乱光の戻り時間から応力集中の発生した位置を検出するものである。
【0022】
具体的には、図1に示すように、部材3に固定された光ファイバセンサ1の始点11および終点12の間にある領域13において、応力集中が存在していない場合と、応力集中が存在し、それに伴いひずみが局所的に変化する場合では、ブリルアン後方散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅が変化する。すなわち、光ファイバひずみ測定装置2から光ファイバセンサ1に光パルスを入力し、この入力した光パルスに対して光ファイバセンサ1で生じるブリルアン散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅を測定した場合、領域13で応力集中がある場合とない場合でスペクトル幅が変化する。また、散乱光が戻ってくる時間を光ファイバひずみ測定装置2で測定すれば、測定された散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅が光ファイバセンサ1のどの位置で得られたものかを判定することができ、応力集中が領域13で生じていることがわかる。
【0023】
図3は、図1に示す実施形態において領域13の応力集中の検出を行った実験結果を示すグラフである。横軸は周波数で、縦軸は受光パワーを表している。図3には、2つのブリルアン散乱光の周波数スペクトルとそのスペクトル幅が示されている。1つは、領域13に応力集中がない場合に測定された周波数スペクトル61とそのスペクトル幅71、もう一方は、領域13に応力集中がある場合に測定された周波数スペクトル62とそのスペクトル幅72である。それぞれの周波数スペクトルおよびスペクトル幅は、領域13の中間点で測定されたものであることが散乱光の戻り時間から求められている。図3のスペクトル幅71およびスペクトル幅72は、それぞれ受光パワーの最大値81および最大値82の半値、すなわち図3の周波数スペクトルは対数表示されているので、最大値81または最大値82から3dB差し引いた値でのスペクトル幅を示している。これを半値幅と言うこともある。
【0024】
図3のスペクトル幅71とスペクトル幅72を比較すると、応力集中の有無でスペクトル幅の値が変化することがわかり、これにより応力集中の発生とその位置を検出することが可能となる。なお、この実験では、図2に示すように、部材3に固定された光ファイバセンサ1の始点11と終点12の長さ4mで測定を行い、その中央部の領域13の長さ0.3mにおいて一様なひずみ分布41で応力集中がない場合と、ひずみが変化するひずみ分布42で応力集中がある場合に関して、ブリルアン散乱光の周波数スペクトルとそのスペクトル幅を比較した。図2の横軸は、光ファイバセンサ1の始点11から終点12に対応する部材3の位置であり、同図中にある測定領域5が領域13に対応する。
【0025】
図4も、図1に示す実施形態において、光ファイバセンサ1の始点11と終点12の間に図2のひずみ分布41あるいはひずみ分布42のようなひずみが生じている場合に、領域13の応力集中の検出を行った実験結果を示すグラフである。図4では、横軸が距離で、縦軸がブリルアン散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅である。図4は、周波数スペクトルのスペクトル幅を距離に対応させて連続的に示したスペクトル幅分布であり、横軸は光ファイバセンサ1の始点11から終点12に対応する部材3の位置である。同図中にある測定領域5が領域13に対応する。図4から、応力集中がある場合、測定領域5付近で測定されたスペクトル幅が、測定領域5以外で測定されたスペクトル幅に比べて値が大きくなっていることから、領域13で応力集中が存在していることがわかる。
【0026】
また、応力集中によってブリルアン後方散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅が変化することは、理論的に予測することができる。ブリルアン後方散乱光はローレンツ型関数によって表せる周波数スペクトルを持ち、その形状は、
【数1】
と表せる。ここで、gB0 はブリルアンゲイン係数、vBはブリルアン周波数シ フト、ΔvBはブリルアンゲイン線幅と呼ばれるもので、スペクトル幅に対応するものである。またΔvはパルス光の周波数シフトである。ブリルアン周波数シフトは光ファイバセンサに生じるひずみによって変化し、
vB=vB0+Mε(z) …(2)
と表せる。ここでvB0 はひずみがゼロの時のブリルアン周波数シフト、Mはひずみ係数、ε(z)は光ファイバセンサの長手方向の位置zに対応するひずみである。特開平5−231923号公報に記載されている「後方散乱光の測定方法およびその装置」で測定される実際の周波数スペクトルは、距離分解能がLの時、
【数2】
と表すことができる。光ファイバセンサ1の始点11から終点12に図2のひずみ分布42が生じた場合、周波数スペクトルのスペクトル幅分布の測定値と上記の式から予測した理論値は図5のようになる。測定領域5を含むすべての位置で、測定値と理論値は良く一致するといえる。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、構造部材に光ファイバセンサを固定し、光ファイバセンサの一端から光パルスを入力し、この入力された光パルスに対して光ファイバセンサで生じる散乱光の光学的特性の変化であるブリルアン後方散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅変化から構造部材に生じている応力集中部位を検出するので、従来の方法に比較して、距離分解能を向上させることができ、より狭い範囲で発生する応力集中部位を検出することができる。
【0028】
また、本発明によれば、散乱光が光ファイバセンサの一端に戻ってくるまでの戻り時間に基づいて構造部材の応力集中発生位置を検出するので、従来の方法に比較して、構造部材の応力集中の発生位置をより正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る光ファイバセンサによる構造部材応力集中部位検出方法を実施する装置構成を示す斜視図である。
【図2】応力集中がある場合とない場合の実際のひずみ分布を示す図である。
【図3】図1に示す実施形態の装置構成により図2のひずみ分布において測定された周波数スペクトルとスペクトル幅を示す図である。
【図4】図1に示す実施形態の装置構成により図2のひずみ分布において測定されたスペクトル幅分布を示す図である。
【図5】図1に示す実施形態の装置構成により図2のひずみ分布において測定されたスペクトル幅分布と理論により予測されたスペクトル幅分布を示す図である。
【図6】従来技術の「後方散乱光の測定方法およびその装置」(特開平5−231923号公報)により図2のひずみ分布において測定されたひずみ分布を示す図である。
【図7】従来技術の「後方散乱光の測定方法およびその装置」(特開平5−231923号公報)におけるひずみの計測原理を示す模式図である。
【符号の説明】
1 光ファイバセンサ
2 光ファイバセンサひずみ測定装置
3 構造部材
Claims (2)
- 構造部材に光ファイバセンサを固定し、この光ファイバセンサを用いて構造部材において応力が集中している部位を検出する方法であって、
前記光ファイバセンサの一端に接続された光ファイバひずみ測定装置から光パルスを入力し、
この入力された光パルスに対して光ファイバセンサで生じる散乱光の光学的特性の変化であるブリルアン後方散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅変化を前記光ファイバひずみ測定装置で検出し、
スペクトルの波形が左右非対称となるスペクトル幅変化が生じた部位を構造部材に生じている応力集中部位として検出することにより距離分解能以下の応力部位の有無を検出することを特徴とする光ファイバセンサによる構造部材応力集中部位検出方法。 - 前記光パルスを光ファイバセンサの一端に入力してから、前記散乱光が光ファイバセンサの一端に戻ってくるまでの時間を測定し、この測定した光ファイバセンサにおける散乱光の戻り時間に基づいて構造部材の応力集中発生位置を検出することを特徴とする請求項1記載の光ファイバセンサによる構造部材応力集中部位検出方法。
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