JP4160009B2

JP4160009B2 - 光ファイバ歪みセンサ

Info

Publication number: JP4160009B2
Application number: JP2004084505A
Authority: JP
Inventors: 豊大宮; 研二川村; 和文田畑
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: JP2005274200A

Description

本発明は、光ファイバを用いた歪みセンサに関する。

最近、光ファイバを用いて、地殻変動、地滑り、建物の倒壊等の歪みを連続的な分布として測定する方法が提案され、一部現場に実験的に適用されるようになってきた。この測定システムは、光ファイバに入射したパルス光の後方散乱光(ブリルアン散乱光)の歪み依存性を有する周波数シフト量を時分割的に測定し、歪みの大きさと生じている場所を分布として知ることができる。この方式をＢＯＴＤＲ(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)方式と呼ぶ。この測定システムの適用により比較的安価に歪みを分布として測定できるようになった。その測定能力は、距離分解能１ｍ、歪み分解能０．１ｍｍ／１ｍであり、許容ダイナミックレンジ(光ファイバによる全伝送損失)は測定条件によるが最低値で約２ｄＢである。

また、ブリルアン散乱光を用いて歪み検出を行う光ファイバ歪みセンサを使用するシステムは多数提案されているが、このシステムに適用される光ファイバ歪みセンサの種類を大きく分けると、樹脂コート型と金属管内包型の２種類である。いずれも使用環境を考慮して機械的強度および耐候性の向上が図られてきているが、その測定可能な歪み値は約２．５％（２５ｍｍ／１ｍ）までである。この値は、これまでに提案されたいずれの歪みセンサも石英系の光ファイバを直線的に引き伸ばすので光ファイバ自身の伸び率によって制限されるものである。

歪みセンサとして光ファイバを被測定物に全線に固定した場合は、特開２００１−２２８３８０号公報（特許文献１）、特開２００２−５７５９号公報（特許文献２）、特開２００２−１０７２６９号公報（特許文献３）など、歪みセンサ全線において光ファイバが外皮と固定された光ファイバ歪みセンサは、被測定物に亀裂などの微少な区間に歪みが発生した場合、センサが局所的に伸ばされるため光ファイバの伸び限界に簡単に達してしまうため、断線することがある。

特開２００１−２８１０７７号公報（特許文献４）に示される光ファイバが外皮と間欠固定の歪みセンサは平かしめで光ファイバ心線を外皮と固定していたが、外皮管の内面上下又は左右の接触面しかないため歪みが大きくなると外皮と光ファイバ心線の間に滑りの生じるおそれがあった。外皮と光ファイバ心線の間に滑りを止めるためにかしめを強くすると光ファイバが破断するおそれがある。また、かしめ部の構造が図３のＢ点の断面図に示されるように空隙６が存在するため、光ファイバ心線の位置の調整が難しく、安定した低い伝送損失の光ファイバ歪みセンサの製造歩留まりを下げる要因の一つになっていた。

さらに平かしめ構造の光ファイバ歪みセンサは、かしめ部が金属管の外径より外に張り出すこともあったため、光ファイバ歪みセンサ敷設時にかしめ部が押されて開き、付与張力が抜けてしまうことがあった。

また、光ファイバが外皮と間欠固定された歪みセンサでは固定された区間の長さで平均して変状を受けるため、全線固定された歪みセンサに比べ亀裂で歪みセンサが断線するという事態にはなり難いが、微少範囲の変状に対しての感度が低くなる傾向がある。

光ファイバの各固定区間全体で変状を受けた場合、伸び限界および測定限界は変わらない。被測定物が建造または地質物の変状を長期的かつ連続的に分布計測できる検知幅が±１０％位の歪みセンサのニーズが出はじめているが、この要求に応えられる検知範囲を網羅可能な歪みセンサは未だ開発されていないのが実情である。
特開２００１−２２８３８０号公報特開２００２−５７５９号公報特開２００２−１０７２６９号公報特開２００１−２８１０７７号公報

本発明は、光ファイバ歪みセンサにおいて外皮と光ファイバ心線との間の滑りを防止することにより歪みセンサの精度の向上、光ファイバ心線と被覆外皮との一体化の安定と強化による品質の向上、一体化部の空隙を廃した全周絞りかしめによる品質の安定化を目的とするとともに、さらに、光ファイバ歪みセンサによる歪み量の測定範囲を拡大させるための光ファイバ歪みセンサ形状の具現化を目的とするものである。

本発明の要旨は、入射した光のブリルアン散乱により光ファイバに生じた歪みを検出する光ファイバ歪みセンサにおいて、光ファイバは所定の張力を保持し、金属外皮に全長にわたり所定の間隔をおいて全周絞りかしめにより外皮内面に固定されており、かつ螺旋状に形成されていることを特徴とする光ファイバ歪みセンサである。

外皮と光ファイバとの全周絞りかしめ構造は、かしめ部での外皮である被覆管内面への光ファイバ心線の全周密着を実現し、外皮と光ファイバ間の滑りを防止し、よって、光ファイバ歪みセンサとして直線状に布設した場合でも長手方向の測定限界近辺の歪みを精度良く測定することができる。さらに、かしめ形状が全周絞りかしめ構造の光ファイバ歪みセンサは、かしめ部が外皮径以上の外部張り出しを無くすことができるので敷設構造による光ファイバへの付与張力の抜け、又はその減退をなくすることができる。

さらに、光ファイバ歪みセンサを螺旋形に成形加工することにより歪みの測定限界を２．５％から最大で約１,０００％まで拡大することができる。

本発明は、歪み検出の限界値が引き上がることにより、歪み量の範囲が広く、また精度が高いことからワイヤなどの張力付与物の伸び検知、地滑り、岩盤崩落などの地表調査、建造物の崩壊の予知等に使用が見込まれ、地滑りでは滑動の直前、張力付与物に関しては切れる寸前まで測定することが可能である。従来の歪みセンサにおいては、「注意報」レベルで測定限界に達していたものが「警報」の水準まで考えることができるようになる。

本発明の光ファイバ歪みセンサは、光ファイバが伸び歪みを生じた状態で光ファイバを被覆する外皮に固定されている。伸び歪みの大きさは０．０１〜２％、好ましくは０．１〜１％である。この下限の０．０１％は測定器の検出限界であり、歪みが２％を超えると光ファイバが破断するおそれがある。また、好ましい範囲で０．１％以上であれば均一に余長を与えることができる。

図１に示す本発明例の外皮２の材料として、耐環境性、温度特性を考慮して金属が用いられる。

外皮の金属材料としては、ステンレス鋼、ニッケル基合金、銅、チタン、アルミニウム等が用いられる。その使い分けとしては、通常の大気中での使用にはステンレス鋼外皮を用い、例えば火山付近の土中に埋め込む場合などの耐塩素、耐硫化水素又は耐電蝕性が必要とされる雰囲気中ではニッケル基合金管を用いる。海水に曝される環境、例えば海底ケーブルや護岸ブロックのような環境における長期間の使用にはチタン管、その他、被測定物の材質に合わせる必要がある場合にはアルミニウム管や銅管を外皮に用いることもある。

次に本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１において、図１ａは本発明光ファイバ歪みセンサの直線状態を示す全体概要であり、ｂ図はａ図のＡ−Ａ断面、図１ｃは図１ａのＢ−Ｂ断面図である。

光ファイバ歪みセンサ単体としての構造は、コア部５、クラッド部４からなる裸光ファイバを、樹脂被覆３により覆われた光ファイバ心線Ｆがある。その光ファイバ心線Ｆに所定の張力を持たせて金属外皮２に全周絞りかしめ１により図１ｃの如く固定されている。かしめ部１は任意の間隔Ｌを設けて製作され、かしめ部１以外では図１ｂに示す空隙６が存在する。

図１に示す如く、かしめ形状１を丸形の全周絞りかしめにすることにより、光ファイバ心線Ｆに付与張力が逃げる滑り現象を与えないように固定することができ、かしめ部１が金属管２の外径よりも外側に張り出すことが無くなったので敷設時などにかしめ１が開く可能性をなくすることができる。全周絞りかしめによって光ファイバ心線Ｆの樹脂被覆３に絞り部の金属管外皮２がくい込む深さは、両者の滑りの発生を止め、かつかしめ力による光ファイバへの影響がないことを考慮して０．１５ｍｍ〜０．２５ｍｍが好ましい。このくい込みの深さは、樹脂被覆３の材質、物性値によって異なるが通常の樹脂被覆の場合は０．２ｍｍ（半径方向）であれば、金属外皮２と光ファイバ心線Ｆとの滑りを止めることができる。

本発明の直線形光ファイバ歪みセンサの原理は、入射したパルス光の後方散乱光の内、ブリルアン散乱光の距離毎におけるピークの位置からひずみ量を検出する。ひずみは４９３［ＭＨｚ／％］としてひずみ量は算出される。また測定器から出力される光学ひずみの値は（被測定物の動き）＝（センサの動き）となるので機械的な歪みと１対１で出力される。

光ファイバ歪みセンサによっては外皮２と光ファイバ心線Ｆとの間で滑ることにより破断を避ける設計のものもあるので一概には言えないが、通常約３％まで機械的に引っ張るとガラスの弾性域を超えてしまうため破断するか、滑りが生じて歪みの値が実際よりも低くなり測定できなくなる。破断せず、滑りが生じるまでは「機械ひずみ」＝「光学ひずみ」として整理して問題はない。

つぎに、本発明である螺旋形光ファイバ歪みセンサについて、図２ａおよびｂを用いて説明する。図２に示す光ファイバ歪みセンサは、図１に示した光ファイバ心線Ｆに所定の張力を持たせて金属外皮２に全周絞りかしめ１により図１ｃの如く固定されている光ファイバ歪みセンサを径Ｄ、ピッチｄに螺旋状に成形加工したものである。

また、螺旋形光ファイバ歪みセンサにおいて、長手方向の測定限界は、歪みセンサを螺旋形にすることで光ファイバ心線Fにかかる長手方向の変位を小さくすることができるため、実歪みの測定限界を直線状の光りファイバ歪みセンサに対して最大で４桁ほど拡大することができる。

すなわち、外皮金属管２中の光ファイバ心線Ｆが螺旋の径Ｄの内側に逃げることによる付与張力の低下を考慮に入れ、直線状の歪みセンサより高い付与張力を印加した光ファイバ歪みセンサＨを螺旋形に成形加工をする。螺旋の径Ｄやピッチｄを変えることにより実際の歪みで５〜１０００％の変形を、光学歪みが約２．５％伸びるまでの変形で受けることができる。

実歪み％と光学歪み％との換算は、次に示す補正式（１）、（２）を用いた計算により行う。
歪みセンサの全長：Ｌ、螺旋の巻き数：ｎ、螺旋のピッチ：ｄ、螺旋の半径：Ｄ／２とすると、各変数の関係は、
Ｌ＝ｎ・｛（Ｄπ）²＋ｄ²｝^1/2 …（１）
で表される。
螺旋歪みセンサの全長はｄ×ｎで表され、Ｄを定数と仮定すれば、ｎは定数なので
ｄｎ＝｛Ｌ²−（Ｄπｎ）²｝^1/2 …（２）
となり、螺旋センサの全長Ｌの関数になる。

実歪みが印加されたときの螺旋歪みセンサの全長ｄ’ｎは、基準の歪みセンサの全長Ｌを１とした値に光学歪み％の差分値εを足し、Ｌ’＝（１＋ε）Ｌとして（２）式に代入して求める。

次に本発明を実施例について比較例とともに説明する。
表１には、本発明の実施例および比較例のデータを併せて記載し、図８には実施例および比較例の機械変位％と光学歪み％の関係をグラフで示す。

実施例に使用した金属管入り光ファイバは特開昭６２−４４０１０号公報において開示されている金属管に光ファイバ心線を振動挿通方法による。すなわち、通常の樹脂被覆を有する石英系シングルモード光ファイバ心線Ｆを金属管２に振動を与えながら金属管２に振動挿通し、光ファイバＦの余長を特開昭６３−１８７２０９号公報に開示されている方法によってマイナス０．１％に調整して付与した後、所定間隔で金属管２を全周絞りかしめ１、光ファイバＦを金属管２の内壁に固定して光ファイバＦには所定の歪みを生じる張力を付与した。その後、張力を解放して図１に示す直線状の光ファイバ歪みセンサとした。

実施例に使用した光ファイバ歪みセンサの材質およびサイズ等は、次のとおりである。裸光ファイバ外径：０．１２５ｍｍ、樹脂被覆外径：０．９ｍｍ、樹脂材質：ナイロン、金属管外径：２．０ｍｍ、金属管内径：１．６ｍｍ、金属管材質：ステンレス鋼、かしめ間隔：１ｍ、かしめ部内径：０．７ｍｍ、付与張力：２１０Ｎ、初期歪み：０．１％である。

光ファイバ歪みセンサによる歪み測定結果について、表１および図８を用いて詳細に説明する。図８において、点線で示す直線歪みセンサの理論値に対して、実線に黒○プロットで示す実測値は、光学歪み値が１．９％までは理論値の値と平行しているが約２．０％を超えると測定値に誤差が生じるようになる。従来の歪みセンサである細線に白抜き□プロットで示す平かしめによる測定実測値は理論値曲線との差分が約１．５％まで測定機器の測定精度内０．０２％に収まっているが１．６％より大きな変状に対しては差分が大きくなり、正確な歪み値が得られない。

また、螺旋形光ファイバ歪みセンサは、螺旋径Ｄ＝５０ｍｍ、前記金属管を螺旋ピッチｄ＝４０ｍｍ、巻数３０の螺旋形である。これを用いて機械変位が０．１―４０％の鉛直方向(螺旋進行方向)に対する伸びの歪み測定試験を実施した。その結果は、図８に示すごとく機械変位が２５％程度まで、ほぼ理論値に整合する値を示している。

表１および図８において、直線型光ファイバ歪みセンサは、理論値との差分が１．９％まで測定機器の測定精度である０．０５％未満に入っていたが、従来例の平かしめ歪みセンサの結果は、１．５％で滑りが発生したのか０．０２％以上外れて下がり、理論値とのかい離が大きくなった。両者を比較すると全周絞りかしめの光ファイバ歪みセンサは、平かしめのセンサに比べ機械ひずみに対し約０．４％計測範囲が広いという結果が得られた。

次いで、本発明２の螺旋形光ファイバ歪みセンサは、全周絞りかしめでの実施例では、機械変位が約２５％まで計算値との差分が０．０３％以下であった。他方、従来例の平かしめ歪みセンサでの比較例の結果は、機械変位が約１４％で理論値から０．０４％以上の差分が見られた。両者を比較すると本発明の全周絞りかしめの螺旋形歪みセンサは、従来の平かしめ螺旋形ひずみセンサからみて機械変位約１０％歪みまで歪み計測範囲が広い点で優れている。

さらに、螺旋の径Ｄを大きく、ピッチｄを小さくしていくと測定限界は大きくすることはできるが、その分精度が低くなる。反対に螺旋の径Ｄを小さく、ピッチｄを大きくしていくと測定限界は小さくなるが測定結果の精度は上げることができる。

また、螺旋の径Ｄはあまり小さくすると今度は光ファイバ自身に曲げに依る損失が出てしまうので大きく取る方が望ましい。使い勝手を考えると螺旋の径Ｄは約３０ｍｍ〜８０ｍｍが好ましい。

次に本発明の光ファイバ歪みセンサの製造例を図４乃至７図を用いて説明する。
図４は本発明光ファイバ歪みセンサの製造工程の概略図、図５および図６は全周絞りかしめ装置の概要を示す。

図４において、光ファイバ歪みセンサの製造工程は、予め製造されて繰り出しドラム２０に巻かれた金属管入り光ファイバＧは、矯正ローラ２２を経てかしめ付与装置２９に送られ、プリテンション付加用ロール２６およびダンサロール２７を経由して樹脂塗布装置２３を経て、順次螺旋成形装置４９、加熱装置３８、冷却装置４３を経て巻取りドラム４５にて巻き取られる。この行程において、直線光ファイバ歪みセンサを製造する場合は、螺旋成形装置４９を外し、被覆も不必要であれば樹脂塗布装置２３、加熱装置３８、冷却装置４３も外す。この製造工程は、各行程の駆動装置に結線された制御ケーブル４８によって主制御装置４７に接続されている。なお、図４中の参照符号２１は金属管光ファイバ繰出し装置であり、４６は光ファイバ歪みセンサ巻取り装置である。

次に、製造工程の作動状況とともに製造例を説明する。
金属管の中に通常の樹脂被覆を有する石英系シングルモード光ファイバを挿通した金属管入り光ファイバＧをドラム２０に巻き、金属管光ファイバ繰出しドラム２０としてセットし、矯正ロール２２で金属管入り光ファイバＧの曲がり癖を直してかしめ付与装置２９でかしめる。かしめ付与の機構は図５に示す多段階ロールダイス式かしめ付与装置５６又は図６に示す回転ロール加圧絞り式かしめ付与装置５０がある。絞りかしめを付与する際には、金属管光ファイバＧの動きが間歇的に止まる。その一時的な移動の停止がその後の工程の停止等による影響をさせないための制御をダンサロール２７にて制御する。

全周絞りかしめを付与する時点では、光ファイバに各絞りかしめ間における張力を予め付与するためにプリテンション付加用ロール２６を調整して適正な設定値まで金属管に張力を与えて金属管入り光ファイバＧの金属管を伸ばす。次いで、それに樹脂塗布装置２３で樹脂被覆を付け、成形ロール２４で形を整える。その後、螺旋成形装置４９で螺旋構造に成形加工し、加熱ヒータ３９、４０とヒータ温度検知器４１、４２により温度管理された加熱装置３８でアニールすることにより被覆の樹脂の内部応力を取り除き、冷却装置４３で冷却して光ファイバ歪みセンサHが製造され、光ファイバ歪みセンサ巻取りドラム４５に巻き取る。それぞれの装置はその機能に応じてブロックに分かれており、ブロック毎に自由かつ容易に組み替えが可能なモジュール方式を採用している。

全周絞りかしめの製造方法の１例である図５に示す如く各スタンドに順次孔径を小さくした多段階ロールダイス方式は、ガイドローラ３０によって位置を調整された光ファイバ歪みセンサの金属管２に丸く窪みのついたロールダイス３１〜３３をそれぞれ６０度づつ角度の違うシリンダ３４〜３６により、かしめ位置検出機３７で制御した位置に順次押し出すことにより、金属管を挟み込み絞る動作を大きい径から順に数段階にわたってロールダイス３１〜３３の孔径を変えて行うことにより所定の絞り外径を付与して光ファイバ心線Fを金属管外皮２の内面に固定する。

全周絞りかしめの製造方法に関する他の例として回転ロール加圧絞り方式は、図６に示し、図示しない架台に固定された駆動歯車５１によって回動する大歯車５３が光ファイバ心線Ｆを通過する孔を設け、その大歯車５３には先端に回転するローラ５４を付けたシリンダ５５を１２０゜毎に３機、シリンダ５５は大歯車５３上に同心円上に来るように配置し、その中心に光ファイバ心線Fが通るようにセットする。シリンダ５５が押しつけられ金属管を中心に大歯車５３が回転することにより光ファイバ歪みセンサＨを製造する。

次に図２に示す螺旋形光ファイバ歪みセンサの製造例を図７に基づいて概要を説明する。
図４に示す製造工程の成形装置２４および加熱装置３８間、４９の位置に図７に示す螺旋成形装置６０を設置することにより製造工程とし、螺旋成形装置６０の主要部は、螺旋変形付与軸駆動装置６１、螺旋変形付与軸６２および螺旋変形付与軸６２を上下から挟み外面に螺旋形の溝を有する送り用ガイドロール６４からなり、台座６７に搭載された螺旋形光ファイバ歪みセンサＲＨの収納はドラム４５に巻き取らず、所定の長さに切断する。または図示しない回転するドラム缶に落下させて積層して敷設前の製品螺旋形光ファイバ歪みセンサとする。

図７において、樹脂塗布装置２３から送られてくる光ファイバ歪みセンサＨは、螺旋変形付与軸駆動装置６１によって回転する螺旋変形付与軸６２にガイドローラ６５、供給ローラ６６を経て供給される。光ファイバ歪みセンサＨは予め螺旋溝６３に合わせて螺旋変形付与軸６２に巻き付けられ、螺旋溝６３を設けたセンサ送り用ガイドロール６４が螺旋変形付与軸６２の上下で回転することによってピッチを固定したまま送られ、螺旋変形付与軸６２を回転させて張力を掛けることによって、光ファイバ歪みセンサＨは所定の螺旋形に塑性変形が付与されて送り出されることにより螺旋形に成形加工する。螺旋変形付与軸６２には螺旋成形時の塑性変形量と螺旋成形付与軸６２から解放されたときのスプリングバックの量を考慮して螺旋成形付与軸６２の径および螺旋ピッチｄを、光ファイバ歪みセンサＨが設定した螺旋の内径Ｄおよびピッチｄのサイズよりスプリングバックの量だけサイズを小さく設定する。

本発明の全周絞りかしめによる光ファイバ歪みセンサの断面図である。本発明の螺旋形に成形加工した光ファイバ歪みセンサの模式図である。従来の平かしめによる光ファイバ歪みセンサの断面図である。本発明の光ファイバ歪みセンサを製造する装置例の全体概要を示す。本発明の光ファイバ歪みセンサを製造する多段階ロールダイス方式のかしめ付与装置例の概略図である。本発明の光ファイバ歪みセンサを製造する回転ロール加圧絞り方式のかしめ付与装置例の概略図である。本発明の光ファイバ歪みセンサの螺旋形に変形加工する装置例の概略図である。機械変位に対する光学歪みの結果を本発明例と比較例とを比較して示す線図である。

符号の説明

Ｌ：かしめ間隔
δ：かしめ長さ。
Ｆ：光ファイバ心線
Ｇ：金属管入り光ファイバ
Ｈ：光ファイバ歪みセンサ
１：全周絞りかしめ部
２：金属による外皮
３：樹脂被覆
４：クラッド部
５：コア部
６：空隙
７：かしめ部
ｄ：螺旋ピッチ
Ｄ：螺旋径
２０：金属管光ファイバ繰出しドラム
２１：金属管光ファイバ繰出し装置
２２：矯正ロール
２３：樹脂塗布装置
２４：成形ロール
２６：プリテンション付加用ロール
２７：ダンサロール（キャプスタン）
２８：ガイドロール
２９：かしめ付与装置
３０：ガイドローラ
３１：ロールダイス(大)
３２：ロールダイス（中）
３３：ロールダイス（小）
３４〜３６：ロールダイス押付エアーシリンダ
３７：かしめ位置検出器
３８：加熱装置
３９、４０：加熱ヒータ１および２
４１、４２：ヒータ温度検知器１および２
４３：冷却装置
４４：温度センサ
４５：光ファイバ歪みセンサ巻取りドラム
４６：光ファイバ歪みセンサ巻取り装置
４７：主制御装置
４８：制御ケーブル
５０：回転ロール加圧絞り式かしめ付与加装置
５１：駆動用歯車
５２：ガイド歯車
５３：回転ローラ搭載歯車
５４：絞り加工用回転ローラ
５５：シリンダ
５６：多段階ロールダイス式かしめ付与装置
６０：螺旋成形装置
６１：螺旋変形付与軸駆動装置
６２：螺旋変形付与軸
６３：螺旋溝
６４：センサ送り用ガイドロール
６５：ガイドローラ
６６：供給ローラ
６７：台座
ＲＨ：螺旋光ファイバ

Claims

入射した光のブリルアン散乱により光ファイバに生じた歪みを検出する光ファイバ歪みセンサにおいて、光ファイバは所定の張力を保持し、金属外皮に全長にわたり所定の間隔をおいて全周絞りかしめにより外皮内面に固定されており、かつ螺旋状に形成されていることを特徴とする光ファイバ歪みセンサ。