JP3859999B2

JP3859999B2 - 光学的歪み測定方法およびその装置

Info

Publication number: JP3859999B2
Application number: JP2001262888A
Authority: JP
Inventors: 和文田畑; 研二川村; 修一上野
Original assignee: 日鐵溶接工業株式会社
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: JP2003075132A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、被測定物に固定した光ファイバの歪みをブリュアン散乱光歪み測定器により測定する光学的歪み測定方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
歪み測定方法は、抵抗線歪み計を使用する方法が一般的である。しかし、抵抗線歪み計は、点測定であること、使用している細径の金属線が酸化等の劣化を受けやすいこと、あるいは電磁ノイズを受けやすいこと等の種々の欠点を有している。このため、抵抗線歪み計は、構造物の歪み分布測定や長期にわたる経時的な歪み測定には、技術的および費用の面で適用限界があった。
【０００３】
近年、これら諸問題を解決する手段として、光ファイバを用いて被測定構造物の歪みを測定する方法が提案され、工業的適用が始まっている。測定原理によって歪み測定法を分類すると、ブリュアン散乱光法、光干渉法、および位相法に大別される。
【０００４】
ブリュアン散乱光法は、光ファイバで生じるブリュアン散乱を利用した測定法である。光ファイバに入射した光の一部は透過せずに後方に散乱される。後方散乱光のうち、フォノンとの相互作用により散乱される光をブリュアン散乱という。この散乱光の周波数はフォノンの周波数だけシフトし、シフトしている周波数は光ファイバに発生している歪みに比例して変化する。したがって、周波数のシフト状況を測定し、かつ光を入射してから後方に戻ってくる時間を測定することにより、光ファイバの長手方向に発生している歪みを分布として把握することができる。ブリュアン散乱光法以外は、せいぜい多点測定（最大１００点前後）でしかない。分布歪み測定として数千点を超える測定点を取れるブリュアン散乱光歪み測定器（以下、ＢＯＴＤＲと略す）は、それまでの歪み測定の適用限界を超えるものとして脚光を浴び工業的適用の可能性が検討され始めている。
【０００５】
図６は、ＢＯＴＤＲによる歪み測定装置の一例を示している。ＢＯＴＤＲ１０には、通信用光ファイバ１を介して光ファイバ接合箱４が接続されている。光ファイバ接合箱４に歪み検出光ファイバ５が接続され、歪み検出光ファイバ５は被測定物７に固定されている。市販されているＢＯＴＤＲは、最大適用距離約８０km、最高距離分解能１m、最高歪み分解能±０．００５％である。このＢＯＴＤＲは地滑り、岩盤崩落、地盤沈下、コンクリートの割れ・崩落等に適用可能と推察される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記ＢＯＴＤＲの工業的適用に際し、次のような問題を解決する必要がある。ＢＯＴＤＲが使用される温度環境変化、ＢＯＴＤＲを構成する各種素子の安定度等によりゼロレベルが変動するので、歪みを正確に測定することができない。実際の経時的測定における測定値の変動幅は、例えば±０．０５％程度である。したがって、経時的歪み測定で、測定値が所定の歪みを超えると警報を発する警報システムとして使用する場合、信頼性に欠けるという問題がある。また、実際の瞬間的な歪み測定に際しても、被測定物にどの程度の歪みが新たに発生しているのか判断できない場合がある。ちなみに、現在のＢＯＴＤＲの最高歪み分解能は、無歪みの光ファイバで歪み測定しているときにおける測定値の変動幅を意味している。
【０００７】
この発明の課題は、測定精度および信頼性が高い、ブリュアン散乱光を利用した歪み測定方法およびその装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の光学的歪み測定方法は、被測定物に歪み検出用光ファイバを固定し、ブリュアン散乱光歪み測定器により歪みを測定する方法において、ブリュアン散乱光歪み測定器と前記歪み検出用光ファイバとの間に挿入した参照歪み光ファイバに一定の参照歪みを与え、前記ブリュアン散乱光歪み測定器による参照歪み測定値の変動に応じて被測定物の測定歪み値を修正する。
【０００９】
この発明の光学的歪み測定方法では、ブリュアン散乱光歪み測定器のゼロレベルが変動しても、参照歪みを参照することにより被測定物の正確な歪みを知ることができる。
【００１０】
上記歪み測定方法で、一定温度に保持した参照歪み光ファイバに参照歪みを与えるようにしてもよい。あるいは、参照歪みを許容限界値に設定し、許容限界値を超えた場合に警報を発するようにしてもよい。
【００１１】
この発明の光学的歪み測定装置は、ブリュアン散乱光歪み測定器と、ブリュアン散乱光歪み測定器と被測定物との間に配置された参照歪み発生装置と、一端がブリュアン散乱光歪み測定器に接続され、他端部が被測定物に固定された光ファイバとを備えている。前記参照歪み発生装置は、基盤と、基盤上に直線に沿って移動可能に設けられた第1可動盤および第２可動盤と、複数段のプーリーがプーリー軸に軸方向に間隔をおいて取り付けられた第１プーリーブロックおよび第２プーリーブロックと、第１プーリーブロックおよび第２プーリーブロックのプーリーに交互に巻き掛けられてた参照歪み光ファイバと、第１可動盤を前記直線に沿って変位させる可動盤変位装置と、第１可動盤の変位によって前記参照歪み光ファイバを介し第２可動盤に加わる荷重に基づき参照歪み光ファイバの歪みを求める参照歪み測定装置とからなっている。そして、前記第１プーリーブロックの第１段プーリーおよび第２プーリーブロックの最終段プーリーに巻き掛けられた参照歪み光ファイバはそれぞれこれらプーリーに固定されている。
【００１２】
上記光学的歪み測定装置において、第１可動盤を変位させると、第１段プーリーと最終段プーリーとの間の参照歪み光ファイバに引張力が加わり、参照歪み光ファイバに歪みを生じる。第１可動盤を変位させて参照歪み光ファイバの歪み（参照ひずみ）を所定の値に設定する。参照歪みの設定値は、ある時点（例えば測定開始時点）にブリュアン散乱光歪み測定器で測定された参照歪みとする。参照歪みおよび被測定物の歪みは、ブリュアン散乱光歪み測定器で測定される。被測定物の歪み測定値は、ブリュアン散乱光歪み測定器で測定された参照歪みの変動に基づいて修正される（参照歪み光ファイバの歪みは変動しない）。参照歪みの変動は、ブリュアン散乱光歪み測定器で測定された、参照歪みと設定時の参照歪みとを比較して求める。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明による歪み測定装置の一例を示す装置全体の概略図である。ＢＯＴＤＲ１０と光ファイバ接合箱４とを結ぶ通信用光ファイバ１に参照歪み発生装置２０が設けられている。接合箱４から延びる歪み検出用光ファイバ５は、被測定物７に固定されている。参照歪み発生装置２０は、ＢＯＴＤＲ１０に隣接して配置されている。
【００１４】
図２および図３は、上記参照歪み発生装置２０を示している。参照歪み発生装置２０は、主として基盤２１、可動盤３０、プーリーブロック４０、可動盤変位装置６０、参照歪み測定装置７０およびケーシング８０とからなっている。
【００１５】
基盤２１は長方形をしており、ケーシング８０の底部を構成している。基盤２１の上面に、基盤長手方向に延びるガイド２３が設けられている。
【００１６】
可動盤３０は、第１可動盤３１および第２可動盤３２からなっている。第１可動盤３１および第２可動盤３２は、基盤２１の長手方向に間隔をおき配置されている。第１可動盤３１および第２可動盤３２は、上記ガイド２３に沿い移動可能である。
【００１７】
プーリーブロック４０は、第１プーリーブロック４１および第２プーリーブロック４２からなっている。第１プーリーブロック４１は、第１段プーリー４４、第３段プーリー４６、第５段プーリー４８および第７段プーリー５０が、第１可動盤３１に垂直に固定された第１プーリー軸５３に下から間隔をおき順次取り付けられている。第１段プーリー４４は第１プーリー軸５３に固定された非回転プーリーであり、第３段、第５段、第７段プーリーは回転プーリーである。同様に、第２プーリーブロック４２は、第２段プーリー４５、第４段プーリー４７、第６段プーリー４９および第８段プーリー５１が第２可動盤３２の第２プーリー軸５４に取り付けられている。第２段、第４段、第６段プーリーはそれぞれ回転プーリーであり、第８段プーリー５１は非回転プーリーである。第２プーリーブロック４２のプーリーは、第１プーリーブロック４１のものよりプーリー間ピッチの１／２だけ上方に位置している。
【００１８】
可動盤変位装置６０は、マイクロメーターヘッドと同様な構造となっており、スピンドル６３の先端部が第２可動盤３２の先端面（図２で右側面）に接触している。つまみ６４でねじ軸（図示しない）を回転すると、スピンドル６３が前進し、第２可動盤３２がガイド２３に沿って変位する。マイクロメーターヘッド機構により変位量を微調整することができる。可動盤変位装置６０のシンブル６１とスリーブ６２の目盛で第２可動盤３２の変位量を読み取ることができる。
【００１９】
参照歪み測定装置７０は、基盤２１に取り付けられたロードセル７２を備えている。第１可動盤３１の後端面が、ロードセル７２の荷重受圧面に接している。参照歪み測定装置７０は、Ａ／Ｄ変換器およびマイクロコンピューター（いずれも図示しない）を有する歪み演算・表示装置７４を備えている。可動盤変位装置６０により第２可動盤３２を後退（図２で左方向変位）させると、参照歪み光ファイバ２に引張力が加わる。この引張力による第１可動盤３１の変位はロードセル７２で阻止され、ロードセル７２に圧縮荷重が作用する。圧縮荷重はロードセル７２で検出され、Ａ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換される。圧縮荷重はマイクロコンピューターで歪みに換算され、歪みは参照歪みとして歪み演算・表示装置７４の表示部にデジタル表示される。荷重と参照歪み光ファイバの歪みとの関係は、あらかじめ実験で求めておく。
【００２０】
ケーシング８０は、上記基盤２１、可動盤３０、プーリーブロック４０その他を格納し、密封している。ケーシング８０の壁は断熱材で作られており、ケーシング８０の内部は恒温室となっている。ケーシング８０内にはヒーター８２およびファン８６が設けられている。ケーシング８０の室内温度は温度検出器８４で検出され、温度信号はコントローラー８５に出力される。ヒーター電源８３は検出した室内温度に基づきコントローラー８５で制御され、ケーシング８０の室内温度は一定に保持される。
【００２１】
ケーシング８０の前面に、入力側コネクタ８８および出力側コネクタ８９がそれぞれ固定されている。入力側コネクタ８８および出力側コネクタ８９において、通信用光ファイバ１と参照歪み光ファイバ２とが接続されている。これらコネクタ８８、８９は内部がシールされており、ケーシング８０の室内は外気から遮断されている。
【００２２】
参照歪み光ファイバ２が第１段〜第８段プーリーに順次巻き掛けられ、第１プーリーブロック４１および第２プーリーブロック４２を交互に経由して入力側コネクタ８８から出力側コネクタ８９まで延びている。参照歪み光ファイバは第１段プーリー４４および第８（最終）段プーリー５１に樹脂で固定されている。光ファイバ入力側コネクタ８８にＢＯＴＤＲ１０が、出力側コネクタ８９に歪み検出用光ファイバ５（図１参照）が、それぞれ通信用光ファイバ１を介して接続される。
【００２３】
上記のように構成された歪み測定装置による歪み測定方法について説明する。可動盤変位装置６０により第２可動盤３２を後退（図２で左方向変位）させ、参照歪み光ファイバ２に所定の歪みを与える。参照歪み測定装置７０で参照歪み光ファイバ２に加わる荷重を検出する。荷重は歪みに換算され、歪み演算・表示装置７４に表示される。参照歪みは被測定物の歪みとともにＢＯＴＤＲ１０でも測定され、ＢＯＴＤＲ１０のモニターに表示される。ＢＯＴＤＲ１０のゼロレベルが変動した場合、設定時の参照歪みと測定時の参照歪みとの差分を求め、この差分を被測定物の歪み測定値に加えて被測定物の歪み測定値を修正する。
【００２４】
【実施例】
図４に示すように歪み検出用光ファイバ５をアルミ板８に接着剤にて固定し、アルミ板８を引張試験機９により引張り、所定の歪みを印加する。ＢＯＴＤＲ１０による測定を８回繰り返し、参照歪み発生装置２０内の歪み値（参照Ｂ値）および引張試験機９により生じている歪み発生部の歪み値（測定Ｂ値）を測定した。参照歪み発生装置２０内の歪み（参照歪み値）は初回測定時の参照Ｂ値（０．４７６９％）に一致するように調整した。引張試験機９による印加歪み値（測定歪み値）は歪み付与長さ（約３ｍ）に対する印加伸び率（０．５８％）として設定した。修正ＭＢ値は参照Ｂ値が初回測定時の値（０．４７６９％）であると仮定して、その差分で測定Ｂ値を修正したものである。これらの結果を表１および図５に示す。各測定値の統計的解析結果を表２に示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【表２】

【００２７】
修正ＭＢ値は測定Ｂ値に比較すると、変動幅および標準偏差値において、約１／５以下になり精度が格段に向上していることがわかる。また、平均値も測定歪み値（０．５８％）によく一致している。
【００２８】
なお、今回の修正方法は「差分」を用いているが、参照歪み値と測定Ｂ値が大きくかけ離れている場合などは、別のより適切な修正方法を採用する。要は、参照歪み値と測定Ｂ値との相関を明らかにし、それに基づいて修正すればよい。
【００２９】
【発明の効果】
この発明の光学的歪み測定方法は、ブリュアン散乱光歪み測定器のゼロレベルが変動しても、参照歪みを参照することにより被測定物の正確な歪みを知ることができる。ブリュアン散乱光歪み測定器で測定した参照歪みの変動に応じて、被測定物の測定歪み値を修正するようにすると、ブリュアン散乱光歪み測定器のゼロレベルが周囲温度などにより変動しても、被測定物の正確な歪み測定値を得ることができる。また、参照歪みを許容限界値に設定し、許容限界値を超えた場合に警報を発するようにした場合、警報発信の遅れ、あるいは誤報の発生を防ぐことができ、警報システムの信頼性が向上する。
【００３０】
この発明の光学的歪み測定装置は、参照歪み光ファイバに加わる荷重に基づいて参照歪みを求めるので、参照歪みを正確に設定することができる。参照歪み光ファイバは第１プーリーブロックおよび第２プーリーブロックの複数段のプーリーに交互に巻き掛けられているので、狭いケーシング内であっても数ｍ以上の参照歪み光ファイバを収納することができる。このため、参照歪みを高精度で設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のブリュアン散乱光を利用した歪み測定装置の概略構成図である。
【図２】この発明の参照歪み発生装置の１実施の形態であって、図３に示すａ−ａ線に沿う側断面図である。
【図３】上記参照歪み発生装置の図２に示すｂ−ｂ線に沿う平断面図である。
【図４】この発明の実施例に用いた装置の概略構成図である。
【図５】実施例における歪み値の変動を示すグラフである。
【図６】従来のブリュアン散乱光を利用した歪み測定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１通信用光ファイバ２参照歪み光ファイバ
５歪み測定用光ファイバ７被測定物
９引張試験機１０ＢＯＴＤＲ
２０参照歪み発生装置２１基盤
２３ガイド３０可動盤
３１第１可動盤３２第２可動盤
４０プーリーブロック４１第１プーリーブロック
４２第２プーリーブロック４４〜５１プーリー
６０可動盤変位装置７０参照歪み測定装置
７２ロードセル７４歪み演算・表示装置
８０ケーシング８２ヒーター
８４コントローラー８４温度検出器
８６ファン

Claims

被測定物に歪み検出用光ファイバを固定し、ブリュアン散乱光歪み測定器により歪みを測定する方法において、ブリュアン散乱光歪み測定器と前記歪み検出用光ファイバとの間に挿入した参照歪み光ファイバに一定の参照歪みを与え、前記ブリュアン散乱光歪み測定器による参照歪み測定値の変動に応じて被測定物の測定歪み値を修正することを特徴とする光学的歪み測定方法。
一定温度に保持した参照歪み光ファイバに参照歪みを与える請求項１記載の光学的歪み測定方法。
ブリュアン散乱光歪み測定器と、一端がブリュアン散乱光歪み測定器に接続され、他端部が被測定物に固定された光ファイバとを備えた光学的歪み測定装置において、前記ブリュアン散乱光歪み測定器と被測定物との間に参照歪み発生装置が設けられており、参照歪み発生装置が、基盤と、基盤上に直線に沿って移動可能に設けられた第1可動盤および第２可動盤と、複数段のプーリーがプーリー軸に軸方向に間隔をおいて取り付けられた第１プーリーブロックおよび第２プーリーブロックと、第１プーリーブロックおよび第２プーリーブロックのプーリーに交互に巻き掛けられてた参照歪み光ファイバと、第１可動盤を前記直線に沿って変位させる可動盤変位装置と、第１可動盤の変位によって前記参照歪み光ファイバを介し第２可動盤に加わる荷重に基づき参照歪み光ファイバの歪みを求める参照歪み測定装置とからなり、前記第１プーリーブロックの第１段プーリーおよび第２プーリーブロックの最終段プーリーに巻き掛けられた参照歪み光ファイバはそれぞれこれらプーリーに固定されていることを特徴とする光学的歪み測定装置。