JP3837410B2

JP3837410B2 - Ｆｂｇ式傾斜計

Info

Publication number: JP3837410B2
Application number: JP2003384157A
Authority: JP
Inventors: 一徳山賀; 敏宏古川; 清一藤田
Original assignee: NTT Advanced Technology Corp
Current assignee: NTT Advanced Technology Corp
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2023-11-13
Also published as: JP2005147802A

Description

本発明は、中間にＦＢＧ(光ファイバブラッグ回折格子)を形成した光ファイバを用いて、被測定物の傾斜角を計測するＦＢＧ式傾斜計に関する。

傾斜計は、土木・建築現場で構造物等の被測定物の傾斜を計測するために使用されるものであり、被測定物に固定される基台に回転軸を介して軸支される振り子式の錘を備えている。そして、従来は、錘の回転軸の回転角度を検出するポテンショメータ等の電気式角度センサを設け、被測定物の傾斜による基台に対する錘の傾きで発生する回転軸の回転角度変化を電気式角度センサで検出して、被測定物の傾斜角を計測している(例えば、特許文献１参照。)。

然し、このような電気式角度センサを用いた傾斜計では、落雷による故障やノイズ混入を生じ易く、土木・建築現場に、落雷による計器故障やノイズ混入を防ぐため避雷器を設置することが必要になり、経費がかかる。

ところで、従来、光学的な歪み検知素子としてＦＢＧ(光ファイバブラッグ回折格子)が知られている。ＦＢＧは、光ファイバ中を光波が伝搬しているとき、ブラッグ波長と呼ばれる或る特定の波長の光を反射する機能を持った光ファイバである。ＦＢＧのブラッグ波長は、ＦＢＧに作用する張力（ＦＢＧのひずみ）に応じて変化する性質がある。そのため、ＦＢＧは、ひずみ検知素子として利用できる。そこで、近年、ＦＢＧに作用する張力を振り子式の錘により被測定物の傾斜角に応じて変化させ、被測定物の傾斜角を計測するようにしたＦＢＧ式傾斜計の開発が試みられている。
特開平１０−９８６１号公報

上記したＦＢＧ式傾斜計は、ＦＢＧが落雷の影響を受けない光学的検知素子であるため、避雷器設備が不要になり、経費を削減できる。然し、ＦＢＧのブラッグ波長は温度によっても変化する性質があり、その変化率(零点移動量)は歪み相当で約＋８×１０^−６／℃(波長シフト量が９〜１０ｐｍ／℃)になる。従って、ＦＢＧ式傾斜計を使用する場合は、雰囲気温度を測定し、測定された雰囲気温度に応じ傾斜角の計測値を補正することが要求される。その結果、雰囲気温度の測定が必要になって、コストがかかると共に、温度補償のための補正処理が必要になって、手間がかかる。

本発明は、以上の点に鑑み、雰囲気温度の測定や温度補償のための補正が不要なＦＢＧ式傾斜計を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明では、被測定物に固定される基台に軸支した振り子式の錘と、中間にＦＢＧ(光ファイバブラッグ回折格子)を形成した光ファイバとを備え、ＦＢＧに作用する張力を前記錘により被測定物の傾斜角に応じて変化させ、被測定物の傾斜角を計測するようにしたＦＢＧ式傾斜計において、円弧形状の金属帯を設け、前記光ファイバを、前記ＦＢＧが前記金属帯の両端間の切欠き部に張り渡されるように、前記金属帯に固定し、前記錘からの力を前記金属帯に入力して、この力による前記金属帯の歪みで前記ＦＢＧに作用する張力が被測定物の傾斜角に応じて変化されるようにすると共に、前記金属帯の円弧形状の前記切欠き部を通る直径方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に直交する前記円弧形状の直径方向をＹ軸方向として、前記金属帯のＹ軸方向両側部に両端部を連結した二股形状のバイメタル部材を設け、前記ＦＢＧに作用する張力を雰囲気温度に応じ前記バイメタル部材により前記金属帯を介して変化させ、雰囲気温度に応じた前記ＦＢＧのブラッグ波長の変化を抑制するようにしている。

ＦＢＧのブラッグ波長は、温度変化と張力変化との何れに対しても正の変化を生じ、雰囲気温度の上昇によるブラッグ波長の増加分だけ張力低下でブラッグ波長を減少させることにより、雰囲気温度でブラッグ波長が変化しないように温度補償することができる。本発明は、この原理を利用したものであり、雰囲気温度に応じたバイメタル部材のたわみ変化により金属帯がＦＢＧに平行なＹ軸方向の力を受け、ＦＢＧに作用する張力が雰囲気温度によるブラッグ波長の変化を抑制するように自動的に可変され、温度補償が為される。従って、雰囲気温度の測定や補正が不要になり、コストダウンを図ることができる。

ところで、測定可能な角度範囲の中間点から一方の測定限界角度までを(＋)の容量、中間点から他方の測定限界角度までを(−)の容量として、被測定物が(＋)の容量方向に傾斜したときに、ＦＢＧに作用する張力が増加するなら、被測定物が(−)の容量方向に傾斜すると、ＦＢＧに作用する張力は減少する。ここで、ＦＢＧが弛むと計測不能になる。この場合、傾斜計を予め少なくとも(−)の容量分だけ(＋)の容量方向に傾斜させて設置すれば、ＦＢＧに初期張力が付与され、(−)の容量方向に傾斜してもＦＢＧの弛みを生じず、(−)の容量を確保できる。然し、この作業を土木・建築現場で行うことは、重力方向に基準を合わせて設置する場合、即ち、錘の回転中心と前記中間点とを結ぶ基準線が重力方向に平行になるように設置する場合に比し相当な手間がかかる。また、傾斜計を傾斜させて設置すると、傾斜計が転倒し易く故障要因にもなる。

この場合、バイメタル部材の中間部分を、切欠き部のＸ軸方向反対側に位置する金属帯の中間部分にＸ軸方向の隙間を存して対向するように配置し、バイメタル部材の中間部分と金属帯の中間部分とを両者間の隙間量を調節自在な連結手段を介して連結すれば、上記不具合を解消できる。即ち、連結手段によりバイメタル部材の中間部分と金属帯の中間部分との間の隙間量を変化させると、金属帯とバイメタル部材とが弾性変形し、これによる応力変化でＦＢＧに作用する張力が変化する。従って、連結手段による前記隙間量の調節によりＦＢＧに(−)の容量分の初期張力を付与することができ、傾斜計を傾斜させて設置せずに済む。また、ＦＢＧに作用する張力を微調節することも可能になるため、光ファイバを金属帯に固定する際に付加する張力を厳密に管理する必要がなく、組立効率も向上する。

ところで、金属帯に錘からの力をＸ軸方向に入力しても、金属帯の歪みでＦＢＧに作用する張力は変化するが、錘からの力の変化、即ち、被測定物の傾斜角の変化をＦＢＧの張力変化に変換する効率が悪くなる。一方、金属帯のＹ軸方向一側部と他側部とを、夫々、基台と錘とに連結すれば、金属帯に錘からの力がＦＢＧに平行なＹ軸方向に入力されることになる。そのため、被測定物の傾斜角の変化がＦＢＧの張力変化に効率良く変換される。従って、錘の質量が小さくても、所要の感度で傾斜角を計測できるようになり、傾斜計の軽量化を図れる。

図１は本発明に係るＦＢＧ式傾斜計の実施形態を示している。図中１は被測定物(図示省略)に固定される基台であり、基台１に立設した支柱部１ａの前面に支軸１ｂを突設し、支軸１ｂに振り子式の錘２をその上端部に装着したベアリング２ａを介して傾動自在に軸支している。そして、錘２からの力を入力する円弧状の金属帯３を設け、中間にＦＢＧ(光ファイバブラッグ回折格子)４を形成した光ファイバ５を、金属帯３の両端間の切欠き部３ａにＦＢＧ４が張り渡されるように、ＦＢＧ４の両側の部分において金属帯３の両端に固定している。これにより、後述する如く、錘２からの力による金属帯３の歪みでＦＢＧ４に作用する張力が被測定物の傾斜角に応じて変化する。そして、光ファイバ５を図外の波長測定器に接続し、ＦＢＧ４の張力変化に伴うブラッグ波長の変化に基づいて被測定物の傾斜角を計測することができる。尚、金属帯３の熱膨張に起因するＦＢＧ４の張力変化を小さくするため、金属帯３は線膨張係数が極めて小さなスーパーインバで形成される。

ここで、切欠き部３ａを通る金属帯３の円弧形状の直径方向をＸ軸方向、これに直交する円弧形状の直径方向をＹ軸方向とする。図２から明らかなように、金属帯３のＹ軸方向一側部には、支柱部１ａに固定した支軸１ｂに平行なピン１ｃに嵌合するベアリング６ａを具備するベアリングホルダ６_１が固定され、金属帯３のＹ軸方向他側部には、錘２の上端に突設したアーム部２ｂに固定される支軸１ｂに平行なピン２ｃに嵌合するベアリング６ａを具備するベアリングホルダ６_２が固定されている。かくして、金属帯３は、そのＹ軸方向一側部と他側部とにおいて基台１と錘２とに連結されることになる。この状態では、金属帯３により錘２の傾動が拘束され、被測定物の傾斜で基台１が傾くと、錘２も重力方向に対し傾き、次式、
Ｍ＝Ｌ１・Ｗ・Ｇ・ｓｉｎθ
で表されるモーメントＭが錘２に発生する。尚、Ｌ１は支軸１ｂから錘２の重心までの距離、Ｗは錘２の質量、Ｇは重力加速度、θは重力方向に対する錘２の傾斜角である。そして、金属帯３には、錘２からそのモーメントＭに応じた力Ｆが入力され、この力Ｆは、支軸１ｂからピン１ｃまでの距離をＬ２として、Ｆ＝Ｍ／Ｌ２になる。

ここで、錘２に図２の時計方向へのモーメントが発生した場合、錘２からの力で金属帯３がＹ軸方向に拡幅するように歪み、ＦＢＧ４に作用する張力が増加してブラッグ波長が長くなり、一方、錘２に図２の反時計方向へのモーメントが発生した場合は、錘２からの力で金属帯３がＹ軸方向に縮幅するように歪み、ＦＢＧ４に作用する張力が減少してブラッグ波長が短くなる。そのため、ブラッグ波長の変化に基づいて錘２に発生するモーメント、即ち、被測定物の傾斜角を測定することができる。

ところで、ブラッグ波長はＦＢＧ４に作用する張力だけでなく温度によっても変化する。そこで、ＦＢＧ４の温度補償のために、金属帯３のＹ軸方向両側部に両端部７ａ，７ａを連結した二股形状のバイメタル部材７を設けている。尚、バイメタル部材７の各端部７ａは、金属帯３のＹ軸方向の各側部に、各ベアリングホルダ６_１，６_２と共にボルト８で共締めされている。

バイメタル部材７の撓み方向は、その両端部７ａ，７ａが雰囲気温度の上昇でＹ軸方向に接近し、雰囲気温度の上昇でＹ軸方向に離隔するように設定され、また、温度に対するブラッグ波長の変化率に応じた撓み力が発生するように、バイメタル部材７の形状、材質を設定している。そのため、雰囲気温度が上昇すると、バイメタル部材７を介して金属帯３に作用するＹ軸方向内側への撓み力により切欠き部３ａの幅が狭められて、ＦＢＧ４に作用する張力が減少し、雰囲気温度が下降すると、バイメタル部材７を介して金属帯３に作用するＹ軸方向外側への撓み力により切欠き部３ａの幅が広げられて、ＦＢＧ４に作用する張力が増加する。そして、雰囲気温度の上昇によるブラッグ波長の増加分はＦＢＧ４の張力減少に伴うブラッグ波長の減少で相殺され、雰囲気温度の下降によるブラッグ波長の減少分はＦＢＧ４の張力増加に伴うブラッグ波長の増加で相殺される。従って、雰囲気温度でブラッグ波長が変化しないように温度補償することができる。

バイメタル部材７の中間部分７ｂは、切欠き部３ａのＸ軸方向反対側に位置する金属帯３の中間部分３ｂにＸ軸方向に隙間を存して対向するように配置されている。そして、バイメタル部材７の中間部分７ｂと金属帯３の中間部分３ｂとを両者間の隙間量Ａを調節自在な連結手段９を介して連結している。本実施形態で連結手段９は、金属帯３の中間部分３ｂおよびバイメタル部材７の中間部分７ｂに貫通するＸ軸方向に長手のボルト９ａと、金属帯３の中間部分３ｂをボルト頭部との間に挟むようにボルト９ａに螺挿したナット９ｂと、バイメタル部材７の中間部分７ｂを挟むようにボルト９ａに螺挿した一対のナット９ｃ，９ｄとで構成されている。かくして、ナット９ｃ，９ｄの位置を変化させることで、バイメタル部材７の中間部分７ｂと金属帯３の中間部分３ｂとの間の隙間量Ａを調節することができる。このようにして隙間量Ａを変化させると、金属帯３とバイメタル部材７とが弾性変形し、これによる応力変化でＦＢＧ４に作用する張力が変化する。

ここで、傾斜計により測定可能な角度範囲の中間点から一方(錘２に図２の時計方向のモーメントが発生する傾斜方向)の測定限界角度までを(＋)の容量、中間点から他方(錘２に図２の反時計方向のモーメントが発生する傾斜方向)の測定限界角度までを(−)の容量とする。被測定物が(＋)の容量方向に傾斜したときは、ＦＢＧ２に作用する張力が増加するが、被測定物が(−)の容量方向に傾斜すると、ＦＢＧ２に作用するする張力は減少する。この場合、ＦＢＧ２が弛むと計測不能になるため、(−)の容量を確保するには、ＦＢＧ２に少なくとも(−)の容量分の初期張力を付与しておく必要がある。そのために、傾斜計を予め少なくとも(−)の容量分だけ(＋)の容量方向に傾斜させて設置することも考えられるが、これでは傾斜計の設置作業に手間がかかる。一方、本実施形態では、上記の如く連結手段９による前記隙間量Ａの調節でＦＢＧ４に作用する張力を調節できるため、傾斜計を傾斜させて設置しなくても、ＦＢＧ４に(−)の容量分の初期張力を付与することができる。また、ＦＢＧ４に作用する張力を微調節することも可能になるため、光ファイバ５を金属帯３に固定する際に付加する張力を厳密に管理する必要がなく、組立性も向上する。

尚、上記第１実施形態では、バイメタル部材７を金属帯３の内側に配置したが、図３に示す第２実施形態の如く、バイメタル部材７を金属帯３の外側、即ち、バイメタル部材７の中間部分７ｂが金属帯３の中間部分３ｂのＸ軸方向外側に位置するように配置しても良い。この場合も、バイメタル部材７の中間部分と金属帯３の中間部分とを上記と同様の連結手段９で連結して、バイメタル部材７の中間部分と金属帯３の中間部分との間の隙間量Ａを調節することにより、ＦＢＧ４に作用する張力を調節できる。

また、連結手段９による張力調節機能を得ることはできないが、バイメタル部材７を、図４に示す第３実施形態の如く、その中間部分７ｂが金属帯３の切欠き部３ａに対向するように配置することも可能である。この場合、バイメタル部材７の中間部分７ｂと金属帯３の中間部分３ｂとを、夫々、基台１と錘２とに連結し、錘２からの力が金属帯３に対しＸ軸方向に入力されるようにしても、金属帯３が二次的にＹ軸方向に歪み、ＦＢＧ４に作用する張力が変化する。然し、これでは、錘２からの力の変化、即ち、被測定物の傾斜角の変化がＦＢＧ４の張力変化に効率良く変換されず、感度が悪くなる。一方、上記の如く金属帯３のＹ軸方向一側部と他側部とを、夫々、基台１と錘２とに連結すれば(第３実施形態もこのようになっている)、金属帯３に錘２からの力がＦＢＧ４に平行なＹ軸方向に入力されることになる。そのため、被測定物の傾斜角の変化がＦＢＧ４の張力変化に効率良く変換される。従って、錘２の質量が小さくても、所要の感度で傾斜角を計測できるようになり、傾斜計の軽量化を図れる。

尚、第３実施形態では、バイメタル部材７を金属帯３の外側に配置しているが、バイメタル部材７を、切欠き部３ａ側に位置させて、金属帯３の内側に配置することも可能である。

また、図示しないが、上記の如く構成されたＦＢＧ式傾斜計は、光ファイバ５の引き出し口を有するケースが被せられて、機械的に保護され、更に、パッキン等を用いて防水される。また、ＦＢＧ式傾斜計を中継用の光ケーブルを介して直列に複数台接続し、複数箇所の傾斜角を計測することもできる。

本発明に係る傾斜計の第１実施形態の分解斜視図。第１実施形態の要部の正面図。第２実施形態の要部の正面図。第３実施形態の要部の正面図。

符号の説明

１…基台、２…錘、３…金属帯、３ａ…切欠き部、３ｂ…中間部分、４…ＦＢＧ、５…光ファイバ、７…バイメタル部材、７ａ…端部、７ｂ…中間部分、９…連結手段。

Claims

被測定物に固定される基台に軸支した振り子式の錘と、中間にＦＢＧ(光ファイバブラッグ回折格子)を形成した光ファイバとを備え、ＦＢＧに作用する張力を前記錘により被測定物の傾斜角に応じて変化させ、被測定物の傾斜角を計測するようにしたＦＢＧ式傾斜計において、
円弧形状の金属帯を設け、前記光ファイバを、前記ＦＢＧが前記金属帯の両端間の切欠き部に張り渡されるように、前記金属帯に固定し、前記錘からの力を前記金属帯に入力して、この力による前記金属帯の歪みで前記ＦＢＧに作用する張力が被測定物の傾斜角に応じて変化されるようにすると共に、
前記金属帯の円弧形状の前記切欠き部を通る直径方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に直交する前記円弧形状の直径方向をＹ軸方向として、前記金属帯のＹ軸方向両側部に両端部を連結した二股形状のバイメタル部材を設け、前記ＦＢＧに作用する張力を雰囲気温度に応じ前記バイメタル部材により前記金属帯を介して変化させ、雰囲気温度に応じた前記ＦＢＧのブラッグ波長の変化を抑制するようにしたことを特徴とするＦＢＧ式傾斜計。
前記バイメタル部材の中間部分を、前記切欠き部のＸ軸方向反対側に位置する前記金属帯の中間部分にＸ軸方向の隙間を存して対向するように配置し、前記バイメタル部材の前記中間部分と前記金属帯の前記中間部分とを両者間の隙間量を調節自在な連結手段を介して連結することを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧ式傾斜計。
前記金属帯のＹ軸方向一側部と他側部とを、夫々、前記基台と前記錘とに連結することを特徴とする請求項１または２に記載のＦＢＧ式傾斜計。