JP4208067B2 - Fiber optic sensor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、土中等に埋設等の形態で設置されてそこの変形量等の検出に用いられる光ファイバセンサーに関し、詳しくは、光ファイバが単列状態または複列状態・並走状態で支持体に装着された光ファイバセンサーに関する。
このような光ファイバセンサーは、例えば、光ファイバのブリルアン散乱光を利用して光ファイバの長手方向の歪み分布を測定するBOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)等を行うに際して、測定端子(検出子・検出端)として有用である。
【0002】
【従来の技術】
地滑り等の環境条件変動を監視するために監視対象箇所に長い光ファイバを設置する技術として、光ファイバに長手方向の伸び歪を与えた状態で固定するもの(例えば、特許文献1参照。)、光ファイバに張力を掛けたままで構造物表面に骨材入反応硬化性樹脂で覆装するものが(例えば、特許文献2参照。)、知られている。これらは何れも埋設しないで用いるものであり、監視対象物とは別体に製造され測定範囲(センシング区間)に亘って延びる支持体は、採用されていない。すなわち、前者は、光ファイバが支点毎に設けられた杭に固定されており、光ファイバの長手方向に離れた2点の支点を持つ支持体は導入されていない。後者は、測定範囲の全域に亘って光ファイバが構造物に覆装固定されており、やはり、光ファイバの長手方向に離れた2点の支点を持つ支持体は導入されていない。また、何れも、測定範囲では、光ファイバが真っ直ぐに張設されている。
【0003】
これに対し、土中等に埋設して用いる技術としては、可撓性ケーシング管(条材)に光ファイバを挿入して充填材で固定したものや(例えば、特許文献3参照。)、塩ビパイプ(条材)を継ぎ足しながら外周に光ファイバをバンド等で固定したもの(例えば、特許文献4参照。)、短尺管体(条材)を繋ぎ合わせながら光ファイバに張力を掛けた状態で固定するものが(例えば、特許文献5参照。)、知られている。これらの場合は、光ファイバの長手方向に離れた2点以上の支点を持つ支持体として、条材が採用され、それが測定範囲に亘って延びた状態で埋設されるが、やはり、この場合も、測定範囲では、光ファイバが真っ直ぐに張設されている。
【0004】
図9は、そのような光ファイバセンサーを縦にして簡略表示した正面図であり、(a)は、埋設直後の状態、(b)は、想定される環境変動が発生した後の状態を示している。
この光ファイバセンサー20は(図9(a)参照)、条材からなる支持体21と4列の光ファイバ10とを組み合わせたものであり、光ファイバ10が何れも支持体21と長手方向を揃えて支持体21の外周面に装着されている。その装着に際し、各光ファイバ10は、支持体21の外周面を周方向に4等分するところに分配され、センシング区間を画する所定ピッチで支持体21外周面上に付設された複数・多数の支点22によって支持される。
このような光ファイバセンサー20の埋設は、土壌に掘削した穴に光ファイバセンサー20を挿入してから、その穴に充填材を投入する等のことで、行われる。
そして(図9(b)参照)、地滑り等が発生し、その土壌変形に伴って光ファイバセンサー20が弓なりに湾曲すると、凹側の光ファイバ10は縮む一方、凸側の光ファイバ10は伸びるので、それらの歪みの量や差に基づいて、変動の程度や方向を検知することができる。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−296112号公報 (第1頁、図2−3)
【特許文献2】
特開2002−131024号公報 (第1−2頁、図1)
【特許文献3】
特開平2−52222号公報 (第1頁、第6図)
【特許文献4】
特開平10−197298号公報 (第1頁、図4)
【特許文献5】
特開2002−54956号公報 (第1頁、図3)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の光ファイバセンサーでは、環境条件変動が複数のセンシング区間に亘って分布する状態で発生することを想定していることから、単一センシング区間内で生じる狭い変動などの局所的な変動に対しては変形状態が異なるので、満足のいく測定結果が得られるとは限らない。例えば(図9(c)参照)、単一センシング区間より狭い地層だけ光ファイバセンサー20を横切って変位したような場合、支持体21の変形モードがほぼ両端固定梁の状態になることから、支持体21と共に光ファイバ10が変形し難くなるうえ、凹凸いずれでも光ファイバ10が同じように変形して、歪みにほとんど差がなくなるので、変動程度の検出感度が不足するばかりか、変動方向の検知能力も喪失してしまう。このため、例えば急峻な断層の発生が予想されるような場合には、従来の光ファイバセンサーだけで十分とは言えない。
【0007】
このような支持体の変形不足に起因する不都合に対しては、或る程度の剛性を具備した支持体を用いる場合、例えば(図10(a)参照)、従来より細い条材からなる支持体31を採用し、その代わりに支持体31の周りに充填資材32を付着させてセンサー全体の太さを維持し、その中に光ファイバ10を埋め込むことで、光ファイバ10を従来同様に配設することも考えられる。この場合、支持体31が変形しないときでも、充填資材32が細い支持体31の両脇を通過して容易に移動変形することから、局所的な土壌変形等にも、光ファイバ10が良く追従して変形するので、変動程度の検出感度が高くなる。もっとも、この光ファイバセンサー30でも、光ファイバ10が凹側でも凸側でも同じように歪むため(図10(b),(c)参照)、変動方向まで十分に検知できる訳ではない。
【0008】
そこで、監視対象箇所に埋設して用いるという使用目的と、保管・運搬・設置などが容易に行えるよう監視対象物より剛な支持体に光ファイバを装着させておくという製造態様は、維持したうえで、監視対象の環境変動が局所的な場合でも、高い感度で変動程度を検出することができるばかりか、変動方向の検出も可能になるよう、光ファイバセンサーの構造に工夫を凝らすことが、技術的な課題となる。
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、埋設先などの設置対象の局所変動を良く検出しうる光ファイバセンサーを実現することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために創案された本発明の解決手段について、その要旨を、図面を引用して説明する。図1は、本発明の原理を示し、(a)が光ファイバセンサーの端面図・平面図、(b)及び(c)が光ファイバセンサー設置箇所の縦断正面図である。
【0010】
本発明の光ファイバセンサーは、局所変動の予想されるところに、光ファイバ10を湾曲させて設置し、この湾曲部分を測定に用いることを、本旨とする。そのため、この光ファイバセンサー40には(図1(a)参照)、光ファイバ10に加えて、それを2点で支持する一対の支点42も具備される。支点42は固定のためそれぞれ固定部材41等に取着される。
そして、監視対象の土壌等44に光ファイバセンサー40を設置するときには(図1(b)参照)、測定範囲であるセンシング区間43の両端位置それぞれに支点42が来るよう固定部材41を配置する。また、光ファイバ10には、センシング区間43よりも長いものを採用して、弓状に湾曲させ、その中央部・中間部の凸側を測定希望方向に向けておく。
【0011】
そうすると、センシング区間43内で局所的に土壌等44が変形移動すると、その部分の土壌等44が光ファイバ10を押して、光ファイバ10に力Fが作用する。土壌等44の変動方向が光ファイバ10の凸側の向きと一致している場合(図1(c)参照)、力Fは、光ファイバ10の湾曲を更に深めようとして、光ファイバ10には長手方向引張力が加わる。
これに対し、図示は割愛したが、土壌等44の変動方向が光ファイバ10の凸側の向きと直交する場合には、光ファイバ10はその湾曲形状がほぼそのままに保たれた状態で側方に移動するので、外力が加わらない。また、土壌等44の変動方向が光ファイバ10の凸側と逆向きの場合には、外力が湾曲を浅くするように作用したり湾曲形状を高調波的に歪ませるように作用したりして、光ファイバ10に圧縮力が加わる傾向となる。何れの場合も、光ファイバ10に長手方向引張力が加わることはない。
【0012】
このように光ファイバ10を湾曲させて設置したことにより、光ファイバ10が支持体等の変形能に束縛されることなく環境変動に随伴して忠実に変形するうえ、凸側への変形には強く感応して大きな歪みを生じるので、検出感度が向上する。しかも、その検出特性には湾曲方向に対応した異方性が付与されるので、支持体の変形態様などに束縛されることなく、望みの方向の変動を検出することが可能となる。
したがって、この発明によれば、監視対象箇所に光ファイバセンサーを設置して変動状態を測定するという使用目的の下で、監視対象の環境変動が局所的な場合でも、高い感度で変動程度を検出することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
このような解決手段で達成された本発明の光ファイバセンサーについて、その実施に向けた幾つかの形態について、構成および作用効果を説明する。
【0014】
[第1の実施の形態]
本発明の第1実施形態の光ファイバセンサーは、出願当初の請求項1に記載の如く、環境条件変動観測用の光ファイバと、これを長手方向に亘って支持する支持体とを備えた光ファイバセンサーであって、次のような構造のセンシング区間を設けたことを特徴とするものである。すなわち、センシング区間は、前記光ファイバの長手方向上に間隔をあけて設定した2点に亘る測定範囲であり、このセンシング区間においては、前記光ファイバが、前記2点を支点として前記支持体に支持され且つ前記2点に挟まれた部分では湾曲部を有する変形可能な形態となっている、というものである。なお、前記支持体は、少なくとも前記2点に亘って延びている。
【0015】
この場合、センシング区間で光ファイバを湾曲させたことで、埋設箇所の変動が局所的な場合でも特に凸側への変動程度を高い感度で検出することができるという上述の利点が得られ、さらに、光ファイバの湾曲可能性・変形可能性を維持しつつセンシング区間の両端で光ファイバが支持体にて支持されるようにしたことにより、センシング区間の長さや光ファイバの湾曲程度を予め確立しておくとともに、少なくとも光ファイバよりは剛な支持体を持って取り扱うこともできるので、保管・運搬・設置なども容易になる。
これにより、監視対象箇所に埋設して用いるという使用目的と、保管・運搬・設置などが容易に行えるよう監視対象物より剛な支持体に光ファイバを装着させておくという製造態様とを、維持したうえで、監視対象の環境変動が局所的な場合でも、高い感度で変動程度を検出することができるばかりか、変動方向の検出も可能なようになる。
【0016】
[第2の実施の形態]
本発明の第2の実施形態は、出願当初の請求項2に記載の如く、上述した第1実施形態の光ファイバセンサーであって、前記光ファイバが複列配置されたものである。しかも、その各列の光ファイバについては各々に前記センシング区間すなわち上述した構造のセンシング区間が望ましくは複列状態で設けられる。さらに、それら各列の光ファイバに係る前記湾曲部の凸側が相互に独立した方位を向く状態で、すなわちそれら複数の湾曲部の向きが異なる状態で、前記光ファイバの複列配置がなされている、というものである。
これにより、複数方位を対象として変動状態の検出が行えることとなる。あるいは、変動方向をより正確に検出できるようになる。
【0017】
[第3の実施の形態]
本発明の第3の実施形態は、出願当初の請求項3に記載の如く、上述した第1,第2実施形態の光ファイバセンサーであって、前記センシング区間が前記光ファイバの長手方向上に複数連ねて設けられている。すなわち、前記光ファイバに沿って前記センシング区間が直列に連なっている、というものである。
これにより、広い範囲を監視することができる。
【0018】
[第4の実施の形態]
本発明の第4の実施形態は、出願当初の請求項4に記載の如く、上述した第1〜第3の実施形態の光ファイバセンサーであって、前記センシング区間において、その両端に位置する前記2点で前記光ファイバが前記支持体に支持されていることに加えて、この2点に挟まれた部分では、前記光ファイバが前記支持体でなく充填資材によって支持されている、というものである。具体的には、前記光ファイバの包絡線もしくは包絡面が閉じている場合や概ね閉じている場合にはそれを含む仮想空間に関してその内部空間が、又は、前記光ファイバの包絡線もしくは包絡面が閉じていない場合には前記光ファイバに前記支持体も加えてそれらの包絡線もしくは包絡面を含む仮想空間を閉状態に近づけたものについてその内部空間が、次のような充填資材により埋め尽くされている、というものである。すなわち、この充填資材には、前記支持体よりも変形し易い物が採用されて、例えば軟らかいもの・弾性率の小さいもの・弾性限の低いもの等が採用されていて、前記内部空間が、内部に亘る歪伝達の可能な中実体となっている。
この場合、光ファイバの初期状態の湾曲態様・湾曲形状が製造時に充填資材によって規定・確定されるので、後の埋設作業等が容易かつ正確に行えることとなる。
【0019】
[第5の実施の形態]
本発明の第5の実施形態は、出願当初の請求項5に記載の如く、上述した第4実施形態の光ファイバセンサーであって、前記中実体が直に又は介在物と共に可撓性の膜体で包まれている、というものである。
これにより、光ファイバや支持体で構成されるセンシング機構から充填資材が剥落するのを防止することができる。
【0020】
[第6の実施の形態]
本発明の第6の実施形態は、出願当初の請求項6に記載の如く、上述した第3〜第5の実施形態の光ファイバセンサーであって、渡り区間で折畳み可能な長尺状に構成したものである。具体的には、有限長さのものを複数個用いて前記支持体を構成し、それら有限長さのもの各々に対し前記センシング区間を1又は2以上配したものについて前記有限長さのものに対応する各有限長部分を棒状の集合センサーとし、前記光ファイバを共有する形で前記光ファイバの長手方向に前記集合センサーの複数基を連ね、この連なりにおいて隣り合う集合センサー同士の間を渡り区間として確保し、この渡り区間では前記光ファイバを前記支持体から自由にしている。
これにより、必要に応じて光ファイバセンサーを折り畳むことが可能となるので、長尺の光ファイバセンサーに関しても保管や運搬が容易になる。
【0021】
[第7の実施の形態]
本発明の第7の実施形態は、出願当初の請求項7に記載の如く、上述した第1〜第6の実施形態の光ファイバセンサーであって、前記光ファイバが、金属製の鞘体によって覆装され、しかも、その鞘体から張力を及ぼされている、というものである。
これにより、保護と張力付与とを同時に叶えることができる。なお、張力にて光ファイバに伸びの歪みを予め持たせておくことで、凸側だけでなく凹側への変動も明確に且つ区別して検出することができる。
【0022】
このような解決手段や実施形態で達成された本発明の光ファイバセンサーについて、これを実施するための具体的な形態を、以下の第1〜第6実施例により説明する。
図2に示した第1実施例は、上述した第1実施形態を具現化したものであり、図3,図4に示した第2実施例は、上述した第2〜第3の実施形態を具現化したものであり、図5の第3実施例および図6の第4実施例は、何れも、上述した第4〜第5の実施形態を具現化したものであり、図7に示した第5実施例は、上述した第6実施形態を具現化したものであり、図8に示した第6実施例は、上述した第7実施形態を具現化したものである。
【0023】
【第1実施例】
本発明の光ファイバセンサーの第1実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図2は、(a)が光ファイバセンサーの端面図・平面図、(b)が縦断正面図である。
【0024】
この光ファイバセンサー50は、BOTDRで土壌の歪み(環境条件変動)を観測するために、その測定端子となる1本の光ファイバ10と、これを支持するための2個の支点42及び1本の支持体51とを具えている。
光ファイバ10は、例えば特許文献1〜5記載の公知のもので足りるが、測定目的に適うものであれば、それ以外のものでも良い。その典型的な直径は2mmである。その長さは、測定個所に応じて適宜選定され、数mの場合もあれば、数kmの場合もある。
【0025】
支持体51は、光ファイバ10を長手方向に亘って支持し、土壌44に埋設されるので、腐食し難い剛な条材が適している。例えば、アルミニウムやステンレスの真っ直ぐな筒材が用いられる。
支持体51は、光ファイバ10を支点42にて局所固定できれば、特許文献1〜5記載の公知のものでも良く、その他の締結具や挟持具等を利用したものでも良い。2個の支点42は、支持体51上に所定間隔をあけて設定される。その所定間隔は、測定しようとする範囲であるセンシング区間43の区間長に一致・対応している。
【0026】
光ファイバ10を支持体51に装着させて光ファイバセンサー50を組み上げるとき、支点42を用いて2点で光ファイバ10が支持体51に固定されるが、その際、センシング区間43には、その区間長に湾曲のための余長をプラスした長さ分の光ファイバが支点42間に仕込まれる。これにより、光ファイバ10は、その長手方向上に間隔をあけて設定した2点を支点42として支持体51に支持され且つその2点に挟まれた部分では湾曲部を有する変形可能な形態のものとなる。また、センシング区間43は、そのような構造を具有することとなる。
【0027】
この第1実施例の光ファイバセンサー50について、その使用態様及び動作を、図面を引用して説明する。図2は、(b)及び(c)共に光ファイバセンサー埋設箇所の縦断正面図であり、(b)は埋設直後の状態、(c)は環境変動後の状態を示している。
【0028】
この例では(図2(b)参照)、光ファイバセンサー50を鉛直に設置するので、先ず土壌44に縦穴52を掘削し、その中へ光ファイバセンサー50を挿し入れ、それから穴52を土や充填材等で満たして、光ファイバセンサー50を埋設する。
その際、適宜な方法で更に必要であれば適宜な道具や補助具も用いて、センシング区間43部分の光ファイバ10を弓形に湾曲させ、その凸側を土壌44の局所変動の予想される方向に向けておく(図では右へ向いている)。
【0029】
なお、センシング区間43内での土壌44の局所変動時に支持体51が追随変形したり追随移動したりするおそれがある場合には、センシング区間43の外側に固定部材41を設置し、それで支持体51の端部を固定するのが望ましい。固定部材41は、金属製の厚板やコンクリートブロックなどの製造品でも良く、埋まっていた岩石などを流用したものでも良い。支持体51の剛性が高くて及び/又は支持体51がセンシング区間43外へ十分に突き出ていて、センシング区間43内での土壌44の局所変動では支持体51が大して変形したり移動したりしないような場合には、固定部材41は必要ない。
【0030】
土壌44中のセンシング区間43から延びた光ファイバ10は、支持体51の中空等を利用して地上に至り、BOTDRの測定装置12に接続される。測定装置12や、その測定手法は、例えば特許文献1〜5で言及されている公知のもので足りる。
こうして歪み測定の準備が調う。
【0031】
そして(図2(c)参照)、センシング区間43のところで、土壌44に局所変動が生じると(図では中間層部分が左から右へずれている)、それによってセンシング区間43のところの支持体51と光ファイバ10とが押されるが、両端部を固定されている細長い支持体51はほとんど変形せず、変動中の土壌44が支持体51の両脇を通過して移動するので、支点42の位置もほぼ固定され移動しない。そのため、変動中の土壌44による推力Fが効率よく光ファイバ10の湾曲部に掛かることとなる。この力Fによって支点42間の光ファイバ10が伸張し、その延び歪み量が測定装置12によって光学的に検出される。
こうして、この光ファイバセンサー50にあっては、監視対象の土壌44の変動が局所的な場合でも、その変動を的確に検出することができる。
【0032】
【第2実施例】
本発明の光ファイバセンサーの第2実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図3は、(a)が光ファイバセンサーの端面図・正面図、(b)がその側面図である。
この光ファイバセンサー50が上述した光ファイバセンサー40と相違するのは、複数・多数のセンシング区間43が直列に連なっている点である。
【0033】
センシング区間43の数は、測定範囲の長さに対応して適宜設定され、支持体51及び光ファイバ10は、その区間長さよりも長くされる。一方向の変動のみ測定すれば足りる場合には、光ファイバ10の湾曲部の凸側を支持体51から見て同じ向きに揃えても良いが、この例では、双方向・往復方向の変動を測定しうるよう、光ファイバ10の湾曲部の凸側が、センシング区間43の連なりを基準として交互に且つ支持体51を基準として反対側へ、向けられている。また、光ファイバ10は単列のままで、隣り合うセンシング区間43で支点42を共用している。ここで数値例を挙げると、支持体51の直径Aの典型値は2mm〜10mm、光ファイバ10の湾曲に関する振幅Bは5mm〜50mm、センシング区間の幅Cは1m程度であるが、それを上回るものも下回るものも測定状況に応じて適宜採用される。
【0034】
この第2実施例の光ファイバセンサー50について、その使用態様及び動作を、図面を引用して説明する。図3は、(c)が挟持タイプ充填資材の斜視図、(d)が光ファイバセンサーと充填資材とを組み立てたところの側面図、(e)がその埋設箇所の縦断側面図である。
【0035】
この場合、光ファイバセンサー50の埋設に先だって、光ファイバセンサー50を一組の充填資材54+56で包み込む作業が行われる。充填資材54+56は(図3(c)参照)、粘土ケーキや発泡ゴムなどの扱い易く変形に追随しやすい材料からなる丸棒を二つ割りした形状に成形して充填資材54,56を構成し、必要に応じて一方の充填資材54の分割面における軸芯対応箇所に溝55を彫ったものである。
【0036】
このような溝55に支持体51を納めながら、充填資材54の分割面上に光ファイバセンサー50を乗せて、光ファイバ10の湾曲部の形状を整え、それから充填資材56を重ねる。そして、充填資材54,56を圧着その他の手段で結合させると(図3(d)参照)、光ファイバセンサー50が充填資材54+56によって挟持され、所要構造のセンシング区間43を光ファイバ10の長手方向に複数連ねた状態が確立される。
【0037】
このような光ファイバセンサー50は、充填資材54+56の形状を大きく崩さない限り、各センシング区間43の所要構造が維持されるので、埋設作業が容易かつ的確に行える。そして(図3(e)参照)、光ファイバセンサー50を充填資材54+56と共に土壌44に埋設すれば、どのセンシング区間43でも、光ファイバ10の湾曲部の凸側に向けた土壌44の局所変動が、これに追随して起こる充填資材54+56の局所変動により媒介伝達されて、高感度で検出される。なお、図示の例では、光ファイバセンサー50を水平に設置して、土壌44の上下動を検出するようになっているが、設置の向きに制約は無く、測定したい変動の向きに応じて決められる。
【0038】
なお、図4(a)に示した変形例は、2本の光ファイバ10を半波長分だけずらして複列化したものであり、どのセンシング区間43でも双方向・往復方向に歪み測定を行えるようになっている。
図4(b)に示した変形例は、1本の長い光ファイバ10を折り返して複列化したものである。この例では光ファイバ10が支持体51のところで折り返しており、図4(a)の例では光ファイバ10が支持体51と交叉しているが、何れであっても、総てのセンシング区間43で双方向測定可能になっている。
図4(c)に示した変形例は、図4(b)の2列の光ファイバ10を2組採用しそれらを1/4半波長分だけずらして合計4列にしたものであり、センシング区間43が半分ずつずれて多重化された結果、センシング区間43端部の不感帯が解消されている。
【0039】
図4(d)に示した変形例は、やはり図4(b)の2列の光ファイバ10を2組採用したものであるが、この場合は、長手方向にずらすのでなく、支持体51を軸にして一方を90゜回転させており、端面視で直交状態にしている。これにより、この光ファイバセンサー50は、各列の光ファイバ10に係る湾曲部が相互に独立した方位に凸側を配向したものとなっている。
この場合、支持体51を中心として光ファイバ10が四方に配置されているので、土壌44の変動量について、各配置方向への成分が、該当する方向の光ファイバ10によって検出される。そのため、それらのベクトル和を算出するといった演算により、支持体51に直交する任意方向の変動が検知される。
【0040】
【第3実施例】
図5に製造過程を示した本発明の光ファイバセンサー60が上述した光ファイバセンサー50と相違するのは、充填資材61と膜体62とが予め組み付けられている点である。なお、ここでは、上述した光ファイバセンサー50のうち図4(d)の変形例をベースにしたものを具体例にして、説明する。
【0041】
この場合、先ず(図5(a)参照)、支持体51にセンシング区間43対応の所定ピッチで支点42を取着し、次に(図5(b)参照)、支点42のところを残して支持体51の周囲に粘土等の充填資材61を付けるが、充填資材61は支点42に近いほど薄く支点42から遠いほど厚くなるようにする。そのとき、支持体51を中心軸にした軸対称形にすると形を整えやすい。充填資材61が中膨らみの紡錘形になったら、その上に光ファイバ10を重ね(図5(c)参照)、その光ファイバ10を支点42のところで支持体51に係止する。光ファイバ10が弛まないよう留意しながら、光ファイバ10を充填資材61の表面に沿って延ばす。そのようにして、光ファイバ10を、端面視で支持体51の四方から、装着する。それから(図5(d)参照)、市販の薄い熱収縮チューブから適宜な径のものを選出した可撓性の膜体62を被せ、それをドライヤー等で加熱収縮させて、充填資材61上に密着させる。
【0042】
これにより、充填資材61の不所望な乾燥や剥落が防止される。また、光ファイバ10が、充填資材61と膜体62とに挟持されて保護されると同時に、センシング区間43において必要とされる変形可能な湾曲部を具有することとなる。さらに、光ファイバセンサー60は、各センシング区間43において、光ファイバ10と支持体51との包絡線や包絡面のなす内部空間が、充填資材61により埋め封じられて、内部に亘る歪伝達の可能な中実体となる。
このような光ファイバセンサー60は、充填資材61の装着まで工場等で済ませて長く保管しておくことができるうえ、保管や運搬時に破損するおそれもほとんど無く、現場で埋設するときにも迅速施工が可能なので、実用価値が高い。
【0043】
【第4実施例】
図6に製造過程を示した本発明の光ファイバセンサーが上述した第3実施例のものと相違するのは、光ファイバ10の包絡線・包絡面の外部にも充填資材63が付加されている点である。
すなわち、この光ファイバセンサー60は、支持体51に充填資材61を付けその上に光ファイバ10を張るところまでは上述したのと同じであるが(図5(c),図6(a)参照)、それを膜体62で直に包むのでなく、外周部分に充填資材63を付け足して丸棒状にし(図6(b)参照)、それから膜体62を被せ(図6(c)参照)、加熱収縮させて仕上げるのである(図6(d)参照)。
【0044】
充填資材63の材質は、土壌44に似ていて土壌44の歪みを良く伝達しうるものであれば良く、充填資材61と同じでも異なっていても良い。
この場合、上述した第3実施例の作用効果を引き継ぐのに加えて、長手方向に直交する横断面の形状が一様になって、埋設先の一般的形状である丸穴に良く適合するので、施工が更に容易になる。
【0045】
【第5実施例】
本発明の光ファイバセンサーの第5実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図7は、(a)及び(b)何れも光ファイバセンサー70の側面透視図であり、(a)が展開状態、(b)が折畳状態である。
この光ファイバセンサー70が上述した光ファイバセンサー60と相違するのは、折り畳み可能になったことである。
すなわち、光ファイバセンサー70は、上述した光ファイバセンサー60を長尺にするに際して、保管や運搬などの取扱を容易に行えるよう、集合センサー71と渡り区間72とを交互に配して直列接続した状態に改造することで、折り畳み可能にしたものである。
【0046】
具体的には(図7(a)参照)、集合センサー71毎に、有限長さの支持体51を用いて、部分的には上述の光ファイバセンサー60と同様に幾つかのセンシング区間43を配して棒状体に仕上げる。ただし、光ファイバ10は、複数基の集合センサー71を長手方向に数珠繋がり状態で一列に連ねるために、長手方向に分割しないで、複数基の集合センサー71に共有させる。また、その連なりにおいて隣り合う集合センサー71の間、これは支持体51の無い渡り区間72となるが、この渡り区間72では、損傷することなく180゜以上曲げられる長さの光ファイバ10を、自由状態で確保する。
【0047】
望ましくは何回も捲回可能な自由長さを確保して、複数回・多数回の捲回を施して、渡り区間72では光ファイバ10を図示のようなコイル状に形成しておくと良い。さらに、渡り区間72では、可撓性のカバー73で光ファイバ10を包んで、自由状態の光ファイバ10を保護するとともに、捲回が解けるのを防止するのが好ましい。なお、図示は割愛したが、カバー73に代えて又はそれに加えて光ファイバ10の内側に可撓性チューブを設けても良く、それらが軸方向に移動可能になっていても良い。数値例を挙げると、集合センサー71の長さは2m〜10m、渡り区間72の区間長は100mm〜600mm、渡り区間72における光ファイバ10の自由長は1500mm〜3000mm、渡り区間72における光ファイバ10の捲回数は5回〜10回であるが、それを上回るものも下回るものも適宜採用される。
【0048】
この場合、渡り区間72で光ファイバ10を支持体51から自由にしたことにより、渡り区間72で曲げ伸ばしすることで、光ファイバセンサー70をコンパクトに折り畳むことも長く引き延ばすことも容易に行える。
そして、このような長尺の光ファイバセンサーは、工場で組み立てた後の保管や運搬は嵩張らないよう折り畳んだ状態で行われ(図7(b)参照)、現場では一本の棒状に伸ばして土壌44に埋設され(図7(a)参照)、それから測定装置12に接続されて使用に供される。
こうして、この光ファイバセンサー70にあっては、長尺であるにも拘わらず、保管も運搬も設置も楽に行える。
【0049】
【第6実施例】
本発明の光ファイバセンサーの第6実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図8は、(a)及び(b)何れも光ファイバの横断面図であり、(c)が光ファイバの外観図である。
この光ファイバセンサーが上述した光ファイバセンサー50,60,70と相違するのは、光ファイバ10が鞘体11で覆装されている点である。
【0050】
鞘体11は、ステンレス製の薄いチューブであり、光ファイバ10の保護および張力付与のために、光ファイバ10を中空内に納め(図8(a)参照)、光ファイバ10に張力を与えた状態で所定ピッチ毎に「かしめ」を行って(図8(b),(c)参照)、光ファイバ10の張力および鞘体11の反力が恒常的に維持されるようになっている。鞘体11は、外径が2mm、肉厚が0.2mmで、「かしめ」ピッチは1000mmであるが、これらは典型値であり、応用目的に応じて適宜設計変更される。
【0051】
この場合、鞘体11を利用して予め光ファイバ10に張力が付与される。張力付与は、測定目的に応じて必要なとき必要なだけ行うが、一般に、歪み測定では、光ファイバ10を例えば0.5%伸ばす程度にする。そうすることで、伸びだけでなく縮みも測定可能となる。
そのため、センシング区間43における光ファイバ10の湾曲部が凸側へ押されて伸び歪みを生じたときはもちろん上述したようにして検知できるのに加えて、同じか又は重複するセンシング区間43において湾曲部の凸側を反対側に向けて設置された光ファイバ10及び鞘体11については、その湾曲部が凹側へ押されて、鞘体11に縮み歪みを生じると同時に、光ファイバ10の張力および予歪みが減るので、両者を合わせると検出能力がほぼ倍増する。
【0052】
【その他】
なお、上記の各実施例では、監視対象の環境条件変動の具体例として土壌の歪みを挙げ、また、センサーの設置形態として埋設を挙げたが、本発明のセンサーの利用は、これに限られるものでなく、防波堤,ダム,堤防のようなコンクリート構造物の変形を埋込みや貼りつけ(図4(a)〜(c)のセンサーなど)設置して監視し、あるいは、湖沼の氷結挙動を水中に浸漬設置して観察するなど、設置した光ファイバケーブルの光学的状態に影響を及ぼす利用条件であれば良い。
【0053】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の光ファイバセンサーにあっては、センシング区間で光ファイバを湾曲させるようにしたことにより、特に凸側への検出感度が向上するので、埋設先の局所変動を良く検出しうる光ファイバセンサーを実現することができたという有利な効果が有る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の原理を示し、(a)が光ファイバセンサーの端面図・平面図、(b)及び(c)が光ファイバセンサー埋設箇所の縦断正面図である。
【図2】 本発明の第1実施例について、(a)が光ファイバセンサーの端面図・平面図、(b)及び(c)が光ファイバセンサー埋設箇所の縦断正面図である。
【図3】 本発明の第2実施例について、(a)が光ファイバセンサーの端面図・正面図、(b)がその側面図、(c)が挟持タイプ充填資材の斜視図、(d)が光ファイバセンサーと充填資材とを組み立てたところの側面図、(e)がその埋設箇所の縦断側面図である。
【図4】 (a)〜(d)何れも、第2実施例の変形例を示し、左側が光ファイバセンサーの端面図・正面図であり、右側が側面図である。
【図5】 本発明の光ファイバセンサーの第3実施例について、製造過程を示し、(a)〜(d)何れも、左側が端面図・正面図であり、右側が側面図である。
【図6】 本発明の光ファイバセンサーの第4実施例について、製造過程を示し、(a)〜(d)何れも、左側が端面図・正面図であり、右側が側面図である。
【図7】 本発明の光ファイバセンサーの第5実施例について、(a)及び(b)共に側面透視図であり、(a)が展開状態、(b)が折畳状態である。
【図8】 本発明の光ファイバセンサーの第6実施例について、(a)及び(b)共に光ファイバの横断面図であり、(c)は光ファイバの外観図である。
【図9】 従来の光ファイバセンサーについて、(a)〜(c)何れも正面図である。
【図10】 その改良案について、(a)〜(c)何れも光ファイバセンサーの縦断正面図である。
【符号の説明】
10…光ファイバ、11…鞘体、12…測定装置、
20…光ファイバセンサー、21…支持体、22…支点、
30…光ファイバセンサー、31…支持体、32…充填資材、
40…光ファイバセンサー、41…固定部材、42…支点、
43…センシング区間、44…土壌、
50…光ファイバセンサー、51…支持体、52…穴、
54…充填資材、55…溝、56…充填資材、
60…光ファイバセンサー、61…充填資材、62…膜体、63…充填資材、
70…光ファイバセンサー、71…集合センサー、
72…渡り区間、73…カバー
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical fiber sensor that is installed in a form such as buried in the soil and used to detect the amount of deformation, etc., and more particularly, the optical fiber is supported in a single row state, a double row state, or a parallel running state. It is related with the optical fiber sensor with which it was equipped.
Such an optical fiber sensor, for example, performs BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometry), which measures the strain distribution in the longitudinal direction of the optical fiber using the Brillouin scattered light of the optical fiber, and so on. It is useful as a detection end).
[0002]
[Prior art]
As a technique for installing a long optical fiber at a monitoring target location in order to monitor environmental condition fluctuations such as landslides, the optical fiber is fixed in a state in which a longitudinal strain is applied (for example, see Patent Document 1). A structure in which the surface of a structure is covered with an aggregate-containing reaction-curable resin while applying tension to the optical fiber is known (for example, see Patent Document 2). None of these are used without being embedded, and a support that is manufactured separately from the monitoring object and extends over the measurement range (sensing section) is not employed. That is, in the former, an optical fiber is fixed to a pile provided for each fulcrum, and a support having two fulcrums separated in the longitudinal direction of the optical fiber is not introduced. In the latter, the optical fiber is covered and fixed to the structure over the entire measurement range, and a support having two fulcrum points separated from each other in the longitudinal direction of the optical fiber is not introduced. In either case, the optical fiber is stretched straight in the measurement range.
[0003]
On the other hand, as a technique to be used by being embedded in the soil or the like, an optical fiber is inserted into a flexible casing tube (strip material) and fixed with a filler (for example, see Patent Document 3), or a PVC pipe. Fixing the optical fiber in a tensioned state while joining the short fiber (strip material) with the optical fiber fixed to the outer periphery with a band or the like while adding the (strip material). Something is known (for example, see Patent Document 5). In these cases, a strip is used as a support having two or more fulcrums separated in the longitudinal direction of the optical fiber, and is embedded in a state where it extends over the measurement range. However, the optical fiber is stretched straight in the measurement range.
[0004]
FIG. 9 is a front view schematically showing such an optical fiber sensor vertically, where (a) shows a state immediately after embedding, and (b) shows a state after an assumed environmental fluctuation has occurred. ing.
This optical fiber sensor 20 (see FIG. 9A) is a combination of a support 21 made of strip material and four rows of optical fibers 10, and each of the optical fibers 10 has a longitudinal direction relative to the support 21. They are all mounted on the outer peripheral surface of the support 21. At the time of mounting, each optical fiber 10 is distributed to a place where the outer peripheral surface of the support 21 is divided into four equal parts in the circumferential direction, and a plurality of plural optical fibers 10 attached on the outer peripheral surface of the support 21 at a predetermined pitch that defines a sensing section. The fulcrum 22 is supported.
Such embedment of the optical fiber sensor 20 is performed by inserting the optical fiber sensor 20 into a hole excavated in the soil and then introducing a filler into the hole.
Then (see FIG. 9B), when a landslide or the like occurs and the optical fiber sensor 20 bends in accordance with the deformation of the soil, the concave optical fiber 10 contracts while the convex optical fiber 10 extends. Therefore, the degree and direction of variation can be detected based on the amount and difference of the distortions.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-296112 A (first page, FIG. 2-3)
[Patent Document 2]
JP 2002-131024 (Page 1-2, FIG. 1)
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 2-52222 (first page, FIG. 6)
[Patent Document 4]
JP-A-10-197298 (first page, FIG. 4)
[Patent Document 5]
JP 2002-54956 A (first page, FIG. 3)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a conventional optical fiber sensor, it is assumed that fluctuations in environmental conditions occur in a state of being distributed over a plurality of sensing intervals. Therefore, local variations such as narrow fluctuations occurring in a single sensing interval are assumed. Since the deformation state is different with respect to general fluctuations, satisfactory measurement results are not always obtained. For example (see FIG. 9 (c)), when only a formation narrower than the single sensing section is displaced across the optical fiber sensor 20, the deformation mode of the support 21 is almost in the state of fixed beams at both ends. The optical fiber 10 is not easily deformed together with the body 21, and the optical fiber 10 is similarly deformed in any of the concaves and convexes so that there is almost no difference in distortion. The ability is also lost. For this reason, for example, when a steep fault is expected, a conventional optical fiber sensor is not sufficient.
[0007]
For the inconvenience due to such a lack of deformation of the support, when using a support having a certain degree of rigidity, for example (see FIG. 10 (a)), a support made of a strip material thinner than conventional ones. 31 is used instead, and the filling material 32 is attached around the support 31 to maintain the thickness of the entire sensor, and the optical fiber 10 is embedded therein, so that the optical fiber 10 is arranged as in the conventional case. It is also possible to do. In this case, even when the support 31 is not deformed, the filling material 32 passes through both sides of the thin support 31 and easily moves and deforms. Therefore, the optical fiber 10 also closely follows local soil deformation and the like. Therefore, the detection sensitivity to the extent of fluctuation is increased. However, even in this optical fiber sensor 30, since the optical fiber 10 is similarly distorted on the concave side and the convex side (see FIGS. 10B and 10C), it is not possible to sufficiently detect the fluctuation direction.
[0008]
Therefore, the purpose of use is to be embedded in the location to be monitored, and the manufacturing mode in which the optical fiber is attached to a support that is more rigid than the monitored object so that it can be easily stored, transported, installed, etc. is maintained. Therefore, even if the environmental fluctuation of the monitoring target is local, not only can the degree of fluctuation be detected with high sensitivity, but also the ingenuity in the structure of the optical fiber sensor so that the fluctuation direction can be detected. It becomes a technical challenge.
This invention is made in order to solve such a subject, and it aims at implement | achieving the optical fiber sensor which can detect the local fluctuation | variation of installation objects, such as an embedding destination, well.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The gist of the solution means of the present invention created to solve such problems will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the principle of the present invention, in which (a) is an end view / plan view of an optical fiber sensor, and (b) and (c) are longitudinal front views of an optical fiber sensor installation location.
[0010]
The purpose of the optical fiber sensor of the present invention is to bend the optical fiber 10 where local fluctuation is expected, and to use this curved portion for measurement. Therefore, in addition to the optical fiber 10, the optical fiber sensor 40 is also provided with a pair of fulcrums 42 for supporting it at two points (see FIG. 1A). The fulcrum 42 is attached to the fixing member 41 or the like for fixing.
When the optical fiber sensor 40 is installed on the soil 44 or the like to be monitored (see FIG. 1B), the fixing member 41 is disposed so that the fulcrum 42 comes to each end position of the sensing section 43 that is the measurement range. The optical fiber 10 is longer than the sensing section 43 and is bent in an arcuate shape, with the convex side of the center / intermediate portion facing the desired measurement direction.
[0011]
Then, when the soil etc. 44 is deformed and moved locally in the sensing section 43, the soil etc. 44 in that portion pushes the optical fiber 10, and a force F acts on the optical fiber 10. When the variation direction of the soil 44 coincides with the direction of the convex side of the optical fiber 10 (see FIG. 1C), the force F is applied to the optical fiber 10 to further deepen the curvature of the optical fiber 10. A longitudinal tensile force is applied.
On the other hand, although illustration is omitted, when the direction of change of the soil 44 or the like is perpendicular to the direction of the convex side of the optical fiber 10, the optical fiber 10 is laterally kept in its curved shape. Because it moves to, no external force is applied. Further, when the variation direction of the soil or the like 44 is opposite to the convex side of the optical fiber 10, the external force acts to shallow the curve or to distort the curve harmonically. The compression force tends to be applied to the optical fiber 10. In either case, no longitudinal tensile force is applied to the optical fiber 10.
[0012]
By installing the optical fiber 10 in such a curved manner, the optical fiber 10 can be faithfully deformed in accordance with environmental changes without being restricted by the deformability of the support or the like, and can be deformed to the convex side. Since it is strongly sensitive and causes large distortion, the detection sensitivity is improved. In addition, since the anisotropy corresponding to the bending direction is given to the detection characteristics, it is possible to detect a change in the desired direction without being restricted by the deformation mode of the support.
Therefore, according to the present invention, it is possible to detect the degree of fluctuation with high sensitivity even if the environmental fluctuation of the monitoring target is local, for the purpose of measuring the fluctuation state by installing an optical fiber sensor at the monitoring target position. can do.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
About the optical fiber sensor of this invention achieved by such a solution, a structure and an effect are demonstrated about several forms for the implementation.
[0014]
[First Embodiment]
The optical fiber sensor according to the first embodiment of the present invention, as described in claim 1 at the beginning of the application, is an optical fiber including an optical fiber for observing changes in environmental conditions and a support that supports the optical fiber in the longitudinal direction. The fiber sensor is characterized by providing a sensing section having the following structure. That is, the sensing section is a measurement range that spans two points set at an interval in the longitudinal direction of the optical fiber. In this sensing section, the optical fiber is attached to the support using the two points as fulcrums. The portion supported and sandwiched between the two points has a deformable form having a curved portion. The support body extends at least over the two points.
[0015]
In this case, by bending the optical fiber in the sensing section, it is possible to obtain the above-mentioned advantage that the degree of fluctuation to the convex side can be detected with high sensitivity even when the fluctuation of the buried portion is local, The length of the sensing section and the degree of bending of the optical fiber are established in advance by supporting the optical fiber at the both ends of the sensing section while maintaining the bendability / deformability of the optical fiber. In addition, since it can be handled with a support that is at least more rigid than the optical fiber, it can be easily stored, transported and installed.
In this way, the purpose of use is to be embedded and used in the location to be monitored, and the manufacturing mode in which the optical fiber is attached to a support that is more rigid than the monitored object so that storage, transportation, installation, etc. can be performed easily. In addition, even when the environmental fluctuation of the monitoring target is local, not only the degree of fluctuation can be detected with high sensitivity, but also the fluctuation direction can be detected.
[0016]
[Second Embodiment]
A second embodiment of the present invention is the optical fiber sensor of the first embodiment described above, as described in claim 2 at the beginning of the application, in which the optical fibers are arranged in double rows. In addition, each of the optical fibers in each row is preferably provided with the sensing zone, that is, the sensing zone having the above-described structure, in a double row state. Further, the double-row arrangement of the optical fibers is made in a state where the convex sides of the curved portions related to the optical fibers in each row are oriented in mutually independent directions, that is, in a state where the directions of the curved portions are different. That's it.
As a result, the variation state can be detected for a plurality of directions. Alternatively, the direction of fluctuation can be detected more accurately.
[0017]
[Third Embodiment]
A third embodiment of the present invention is the optical fiber sensor of the first and second embodiments described above, as defined in claim 3 at the beginning of the application, wherein the sensing section is on the longitudinal direction of the optical fiber. A plurality are provided in series. That is, the sensing sections are connected in series along the optical fiber.
Thereby, a wide range can be monitored.
[0018]
[Fourth Embodiment]
A fourth embodiment of the present invention is the optical fiber sensor according to any one of the first to third embodiments described above, as defined in claim 4 at the beginning of the application, and is located at both ends of the sensing section. In addition to being supported by the support at two points, the optical fiber is supported not by the support but by a filling material at a portion sandwiched between the two points. is there. Specifically, when the envelope or envelope of the optical fiber is closed or substantially closed, the internal space with respect to the virtual space including the envelope, or the envelope or envelope of the optical fiber is When not closed, the inner space of the optical fiber including the support and the virtual space including the envelope or envelope surface thereof close to the closed state is filled with the following filling material. It is that. That is, a material that is more easily deformed than the support is used for the filling material, for example, a soft material, a material with a low elastic modulus, a material with a low elastic limit, etc. are used, and the internal space is an internal space. It is a solid body capable of transmitting strain over a wide range.
In this case, the initial bending state and bending shape of the optical fiber are defined and determined by the filling material at the time of manufacture, so that the subsequent embedding operation and the like can be performed easily and accurately.
[0019]
[Fifth Embodiment]
A fifth embodiment of the present invention is the optical fiber sensor according to the fourth embodiment as described in claim 5 at the beginning of the application, wherein the solid body is a flexible membrane directly or together with inclusions. It is wrapped in the body.
Thereby, it can prevent that a filling material peels from the sensing mechanism comprised with an optical fiber or a support body.
[0020]
[Sixth Embodiment]
The sixth embodiment of the present invention is an optical fiber sensor according to the third to fifth embodiments described above, as described in claim 6 at the beginning of the application, and is configured in a long shape that can be folded in the crossover section. It is a thing. Specifically, the support is constituted by using a plurality of finite lengths, and one or two or more sensing sections are arranged for each of the finite lengths. Each corresponding finite length portion is a rod-shaped collective sensor, and a plurality of the collective sensors are connected in the longitudinal direction of the optical fiber so as to share the optical fiber, and a section spans between adjacent collective sensors in this series. In this transition section, the optical fiber is free from the support.
Thereby, since it becomes possible to fold an optical fiber sensor as needed, storage and transportation also become easy about a long optical fiber sensor.
[0021]
[Seventh Embodiment]
A seventh embodiment of the present invention is the optical fiber sensor according to any one of the first to sixth embodiments described above, as recited in claim 7 at the beginning of the application, wherein the optical fiber is a metal sheath. It is covered and tension is applied from the sheath body.
Thereby, protection and tension | tensile_strength provision can be achieved simultaneously. It should be noted that by providing the optical fiber with a strain of elongation in advance by tension, not only the convex side but also the concave side can be detected clearly and distinctly.
[0022]
About the optical fiber sensor of this invention achieved with such a solution or embodiment, the concrete form for implementing this is demonstrated by the following 1st-6th Example.
The first example shown in FIG. 2 embodies the first embodiment described above, and the second example shown in FIGS. 3 and 4 differs from the second to third embodiments described above. The third example of FIG. 5 and the fourth example of FIG. 6 both embody the fourth to fifth embodiments described above and are shown in FIG. The fifth example embodies the above-described sixth embodiment, and the sixth example illustrated in FIG. 8 embodies the above-described seventh embodiment.
[0023]
[First embodiment]
A specific configuration of the optical fiber sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 2A is an end view / plan view of the optical fiber sensor, and FIG. 2B is a longitudinal front view thereof.
[0024]
This optical fiber sensor 50 has one optical fiber 10 as a measurement terminal and two fulcrums 42 and one for supporting it in order to observe soil distortion (environmental condition fluctuation) with BOTDR. The support body 51 is provided.
For the optical fiber 10, for example, known ones described in Patent Documents 1 to 5 are sufficient, but other optical fibers may be used as long as they are suitable for measurement purposes. Its typical diameter is 2 mm. The length is appropriately selected according to the measurement location, and may be several meters or several kilometers.
[0025]
Since the support body 51 supports the optical fiber 10 in the longitudinal direction and is embedded in the soil 44, a rigid strip material that does not easily corrode is suitable. For example, a straight tube material made of aluminum or stainless steel is used.
As long as the optical fiber 10 can be locally fixed at the fulcrum 42, the support 51 may be a known one described in Patent Documents 1 to 5, or may be one using other fasteners or clamping tools. The two fulcrums 42 are set on the support 51 with a predetermined interval. The predetermined interval coincides with and corresponds to the section length of the sensing section 43 which is a range to be measured.
[0026]
When the optical fiber 10 is mounted on the support 51 and the optical fiber sensor 50 is assembled, the optical fiber 10 is fixed to the support 51 at two points using the fulcrum 42. An optical fiber having a length obtained by adding a surplus length for bending to the section length is charged between the fulcrums 42. As a result, the optical fiber 10 is supported by the support body 51 with the two points set at intervals in the longitudinal direction as fulcrums 42, and a deformable form having a curved portion at a portion sandwiched between the two points. It will be a thing. Further, the sensing section 43 has such a structure.
[0027]
The use mode and operation of the optical fiber sensor 50 of the first embodiment will be described with reference to the drawings. 2 (b) and 2 (c) are longitudinal front views of the optical fiber sensor embedding location, (b) shows a state immediately after embedding, and (c) shows a state after environmental change.
[0028]
In this example (see FIG. 2 (b)), since the optical fiber sensor 50 is installed vertically, first, a vertical hole 52 is excavated in the soil 44, the optical fiber sensor 50 is inserted therein, and then the hole 52 is inserted into the soil. The optical fiber sensor 50 is embedded by filling with a filler or the like.
At that time, if necessary, if necessary, using an appropriate tool or auxiliary tool, the optical fiber 10 in the sensing section 43 is bent into an arcuate shape, and the convex side of the optical fiber 10 is predicted to be a local variation of the soil 44. (Look to the right in the figure).
[0029]
When there is a possibility that the support body 51 may be deformed or moved following local variation of the soil 44 in the sensing section 43, the fixing member 41 is installed outside the sensing section 43, and the support body is thus supported. It is desirable to fix 51 ends. The fixing member 41 may be a manufactured product such as a metal plank or a concrete block, or may be a diverted rock or the like. The rigidity of the support body 51 is high and / or the support body 51 protrudes sufficiently outside the sensing section 43, and the support body 51 does not deform or move greatly due to local fluctuation of the soil 44 within the sensing section 43. In such a case, the fixing member 41 is not necessary.
[0030]
The optical fiber 10 extending from the sensing section 43 in the soil 44 reaches the ground using the hollow of the support 51 or the like, and is connected to the BOTDR measurement device 12. The measuring device 12 and the measuring method thereof may be known ones mentioned in Patent Documents 1 to 5, for example.
This prepares for strain measurement.
[0031]
And (refer to FIG. 2 (c)), when the local variation occurs in the soil 44 at the sensing section 43 (in the figure, the intermediate layer portion is shifted from the left to the right), the support at the sensing section 43 thereby 51 and the optical fiber 10 are pushed, but the elongated support body 51 fixed at both ends hardly deforms, and the changing soil 44 moves through both sides of the support body 51, so that the fulcrum 42 The position of is almost fixed and does not move. Therefore, the thrust F by the changing soil 44 is efficiently applied to the curved portion of the optical fiber 10. The optical fiber 10 between the fulcrums 42 is stretched by this force F, and the amount of extension strain is optically detected by the measuring device 12.
Thus, in the optical fiber sensor 50, even when the variation of the monitored soil 44 is local, the variation can be accurately detected.
[0032]
[Second embodiment]
A specific configuration of the second embodiment of the optical fiber sensor of the present invention will be described with reference to the drawings. 3A is an end view / front view of the optical fiber sensor, and FIG. 3B is a side view thereof.
The optical fiber sensor 50 is different from the above-described optical fiber sensor 40 in that a plurality of sensing sections 43 are connected in series.
[0033]
The number of sensing sections 43 is appropriately set according to the length of the measurement range, and the support 51 and the optical fiber 10 are longer than the section length. If it is sufficient to measure the fluctuation in only one direction, the convex side of the curved portion of the optical fiber 10 may be aligned in the same direction when viewed from the support body 51. The convex side of the curved portion of the optical fiber 10 is directed alternately on the basis of the series of sensing sections 43 and to the opposite side on the basis of the support 51 so that measurement can be performed. Further, the optical fiber 10 remains in a single row, and the fulcrum 42 is shared by the adjacent sensing sections 43. Here, as a numerical example, the typical value of the diameter A of the support 51 is 2 mm to 10 mm, the amplitude B related to the bending of the optical fiber 10 is 5 mm to 50 mm, and the width C of the sensing section is about 1 m, but exceeds that. Those below and below are appropriately adopted depending on the measurement situation.
[0034]
The use mode and operation of the optical fiber sensor 50 of the second embodiment will be described with reference to the drawings. 3 (c) is a perspective view of the sandwich type filling material, FIG. 3 (d) is a side view of the assembled optical fiber sensor and the filling material, and FIG. 3 (e) is a longitudinal side view of the buried portion.
[0035]
In this case, prior to embedding the optical fiber sensor 50, an operation of wrapping the optical fiber sensor 50 with a set of filling materials 54 + 56 is performed. Filling material 54 + 56 (see FIG. 3 (c)) is formed by dividing a round bar made of a material that is easy to handle, such as clay cake and foamed rubber, and easily deforms into two shapes to form the filling materials 54 and 56. Accordingly, the groove 55 is carved at a position corresponding to the axial center in the divided surface of the one filling material 54.
[0036]
The optical fiber sensor 50 is placed on the split surface of the filling material 54 while the support 51 is placed in such a groove 55, the shape of the curved portion of the optical fiber 10 is adjusted, and then the filling material 56 is overlapped. When the filling materials 54 and 56 are joined by pressure bonding or other means (see FIG. 3D), the optical fiber sensor 50 is sandwiched between the filling materials 54 + 56, and the sensing section 43 of the required structure is moved in the longitudinal direction of the optical fiber 10. A state where a plurality of lines are connected to each other is established.
[0037]
In such an optical fiber sensor 50, the required structure of each sensing section 43 is maintained unless the shape of the filling material 54 + 56 is largely changed, so that the burying work can be performed easily and accurately. And (refer FIG.3 (e)), if the optical fiber sensor 50 is embed | buried in the soil 44 with the filling material 54 + 56, in any sensing area 43, the local fluctuation | variation of the soil 44 toward the convex side of the curved part of the optical fiber 10 will be carried out. This is mediated by local variation of the filling material 54 + 56 that occurs following this, and is detected with high sensitivity. In the example shown in the figure, the optical fiber sensor 50 is installed horizontally to detect the vertical movement of the soil 44. However, the installation direction is not limited, and is determined according to the direction of fluctuation to be measured. It is done.
[0038]
In the modification shown in FIG. 4A, two optical fibers 10 are shifted by a half wavelength to form a double row, and distortion can be measured in both sensing and reciprocating directions in any sensing section 43. It is like that.
In the modification shown in FIG. 4B, one long optical fiber 10 is folded back to form a double row. In this example, the optical fiber 10 is folded back at the support 51. In the example of FIG. 4A, the optical fiber 10 intersects with the support 51. Bidirectional measurement is possible.
The modification shown in FIG. 4C employs two sets of the two rows of optical fibers 10 in FIG. 4B and shifts them by ¼ half wavelength to make a total of four rows. As a result of the section 43 being shifted by half and multiplexed, the dead zone at the end of the sensing section 43 is eliminated.
[0039]
The modified example shown in FIG. 4 (d) also employs two sets of the two rows of optical fibers 10 in FIG. 4 (b). In this case, the support body 51 is not displaced in the longitudinal direction. One of the shafts is rotated by 90 °, and is in an orthogonal state in end view. Thus, in the optical fiber sensor 50, the curved portions of the optical fibers 10 in each row are oriented on the convex side in mutually independent orientations.
In this case, since the optical fiber 10 is arranged in all directions with the support 51 as the center, the component in each arrangement direction is detected by the optical fiber 10 in the corresponding direction with respect to the variation amount of the soil 44. Therefore, a change in an arbitrary direction orthogonal to the support 51 is detected by an operation such as calculating the vector sum thereof.
[0040]
[Third embodiment]
The optical fiber sensor 60 of the present invention whose manufacturing process is shown in FIG. 5 is different from the optical fiber sensor 50 described above in that a filling material 61 and a film body 62 are assembled in advance. Here, a specific example of the above-described optical fiber sensor 50 based on the modification of FIG. 4D will be described.
[0041]
In this case, first (see FIG. 5A), the fulcrum 42 is attached to the support 51 at a predetermined pitch corresponding to the sensing section 43, and then (see FIG. 5B), leaving the fulcrum 42. A filling material 61 such as clay is attached around the support 51, and the filling material 61 is made thinner as it is closer to the fulcrum 42 and thicker as it is farther from the fulcrum 42. At that time, it is easy to arrange the shape if it is axisymmetric with the support 51 as the central axis. When the filling material 61 has a spindle shape with a bulge, the optical fiber 10 is stacked thereon (see FIG. 5C), and the optical fiber 10 is locked to the support 51 at the fulcrum 42. The optical fiber 10 is extended along the surface of the filling material 61 while taking care not to loosen the optical fiber 10. In this way, the optical fiber 10 is mounted from the four sides of the support 51 in the end view. Then (see FIG. 5 (d)), a flexible film body 62 having an appropriate diameter selected from commercially available thin heat-shrinkable tubes is covered, and the film is heated and shrunk with a drier or the like to be placed on the filling material 61. Adhere closely.
[0042]
Thereby, the undesired drying and peeling of the filling material 61 are prevented. In addition, the optical fiber 10 is sandwiched and protected by the filling material 61 and the film body 62 and at the same time has a deformable curved portion required in the sensing section 43. Further, in each sensing section 43, the optical fiber sensor 60 is capable of transmitting strain in the inner space formed by the envelope 61 and the envelope surface of the optical fiber 10 and the support 51 with the filling material 61. Become a solid entity.
Such an optical fiber sensor 60 can be stored for a long time in a factory or the like until the filling material 61 is mounted. In addition, there is almost no risk of damage during storage or transportation. Because it is possible, practical value is high.
[0043]
[Fourth embodiment]
The optical fiber sensor of the present invention whose manufacturing process is shown in FIG. 6 is different from that of the third embodiment described above in that a filling material 63 is also added outside the envelope / envelope surface of the optical fiber 10. Is a point.
That is, the optical fiber sensor 60 is the same as described above until the optical fiber 10 is stretched on the support material 51 with the filling material 61 (see FIGS. 5C and 6A). ), Instead of directly wrapping it with the film body 62, a filling material 63 is added to the outer peripheral portion to form a round bar (see FIG. 6 (b)), and then the film body 62 is covered (see FIG. 6 (c)), This is finished by heat shrinking (see FIG. 6D).
[0044]
The material of the filling material 63 may be the same as or different from the filling material 61 as long as it is similar to the soil 44 and can transmit the strain of the soil 44 well.
In this case, in addition to taking over the effects of the third embodiment described above, the shape of the cross-section perpendicular to the longitudinal direction becomes uniform, and it fits well with the round hole that is the general shape of the embedding destination. Construction becomes even easier.
[0045]
[Fifth embodiment]
The specific configuration of the fifth embodiment of the optical fiber sensor of the present invention will be described with reference to the drawings. 7A and 7B are side perspective views of the optical fiber sensor 70, where FIG. 7A is a developed state and FIG. 7B is a folded state.
The optical fiber sensor 70 is different from the optical fiber sensor 60 described above in that it can be folded.
That is, in the optical fiber sensor 70, when the above-described optical fiber sensor 60 is elongated, the collective sensors 71 and the crossing sections 72 are alternately arranged and connected in series so that the handling such as storage and transportation can be easily performed. It can be folded by remodeling it to a state.
[0046]
Specifically (see FIG. 7A), for each of the collective sensors 71, a support body 51 of a finite length is used, and some sensing sections 43 are partially formed in the same manner as the optical fiber sensor 60 described above. Arrange it and finish it into a rod-shaped body. However, the optical fiber 10 is shared by the plural collective sensors 71 without being divided in the longitudinal direction in order to connect the plural collective sensors 71 in a row in a row in the longitudinal direction. In addition, between the adjacent collective sensors 71 in the series, this is a transition section 72 without the support body 51. In this transition section 72, the optical fiber 10 having a length that can be bent by 180 ° or more without being damaged, Secure in a free state.
[0047]
Desirably, a free length that can be wound many times is secured, and a plurality of times and many times of winding are performed, and the optical fiber 10 is formed in a coil shape as shown in the cross section 72. . Further, in the crossing section 72, it is preferable to wrap the optical fiber 10 with a flexible cover 73 to protect the optical fiber 10 in a free state and to prevent the winding from being unwound. Although illustration is omitted, a flexible tube may be provided inside the optical fiber 10 instead of or in addition to the cover 73, and they may be movable in the axial direction. As a numerical example, the length of the collective sensor 71 is 2 m to 10 m, the section length of the transition section 72 is 100 mm to 600 mm, the free length of the optical fiber 10 in the transition section 72 is 1500 mm to 3000 mm, and the optical fiber 10 in the transition section 72. The number of wrinkles is from 5 to 10 times, and those exceeding and below are appropriately employed.
[0048]
In this case, by making the optical fiber 10 free from the support body 51 in the crossover section 72, the optical fiber sensor 70 can be easily folded in a compact manner or extended by bending and extending in the crossover section 72.
Such a long optical fiber sensor is stored and transported after being assembled at the factory in a folded state so as not to be bulky (see FIG. 7B), and is stretched into a single rod at the site. It is embedded in the soil 44 (see FIG. 7A), and then connected to the measuring device 12 for use.
Thus, the optical fiber sensor 70 can be easily stored, transported and installed despite being long.
[0049]
[Sixth embodiment]
A specific configuration of the sixth embodiment of the optical fiber sensor of the present invention will be described with reference to the drawings. 8A and 8B are cross-sectional views of the optical fiber, and FIG. 8C is an external view of the optical fiber.
This optical fiber sensor is different from the optical fiber sensors 50, 60, 70 described above in that the optical fiber 10 is covered with a sheath body 11.
[0050]
The sheath body 11 is a thin tube made of stainless steel, and the optical fiber 10 is accommodated in a hollow for protecting the optical fiber 10 and applying tension (see FIG. 8A), and tension is applied to the optical fiber 10. In this state, “caulking” is performed at predetermined pitches (see FIGS. 8B and 8C), so that the tension of the optical fiber 10 and the reaction force of the sheath body 11 are constantly maintained. The sheath body 11 has an outer diameter of 2 mm, a wall thickness of 0.2 mm, and a “caulking” pitch of 1000 mm. These are typical values, and the design is appropriately changed according to the application purpose.
[0051]
In this case, tension is preliminarily applied to the optical fiber 10 using the sheath body 11. The tension is applied only when necessary according to the measurement purpose. In general, in the strain measurement, the optical fiber 10 is extended by, for example, 0.5%. By doing so, not only elongation but also shrinkage can be measured.
Therefore, when the bending portion of the optical fiber 10 in the sensing section 43 is pushed to the convex side to cause elongation distortion, it can be detected as described above, and in addition, the bending section in the same or overlapping sensing section 43 can be detected. As for the optical fiber 10 and the sheath body 11 installed with the convex side of the optical fiber 10 facing the opposite side, the curved portion is pushed to the concave side to cause the sheath body 11 to be contracted and distorted. Since the pre-distortion is reduced, the combined detection capacity almost doubles.
[0052]
[Others]
In each of the above-described embodiments, soil distortion is cited as a specific example of environmental condition variation to be monitored, and embedding is cited as an installation form of the sensor. However, the use of the sensor of the present invention is limited to this. It is not necessary to monitor the deformation of concrete structures such as breakwaters, dams, and embankments by embedding or pasting them (such as the sensors shown in Figs. 4 (a) to (c)) or monitoring the icing behavior of lakes underwater. It is sufficient to use conditions that affect the optical state of the installed optical fiber cable, such as immersing and observing.
[0053]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, in the optical fiber sensor of the present invention, since the optical fiber is bent in the sensing section, the detection sensitivity especially on the convex side is improved. There is an advantageous effect that an optical fiber sensor capable of detecting fluctuations can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the principle of the present invention, in which (a) is an end view / plan view of an optical fiber sensor, and (b) and (c) are longitudinal front views of an optical fiber sensor embedded portion.
2A is an end view / plan view of an optical fiber sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIGS. 2B and 2C are longitudinal front views of an optical fiber sensor embedded portion.
3A is an end view / front view of an optical fiber sensor according to a second embodiment of the present invention, FIG. 3B is a side view thereof, FIG. 3C is a perspective view of a sandwich type filling material, FIG. Is a side view of the assembled optical fiber sensor and filling material, and (e) is a longitudinal side view of the buried portion.
4A to 4D each show a modified example of the second embodiment, in which the left side is an end view / front view of the optical fiber sensor, and the right side is a side view. FIG.
FIG. 5 shows a manufacturing process for the third embodiment of the optical fiber sensor of the present invention, and in each of (a) to (d), the left side is an end view / front view, and the right side is a side view.
FIG. 6 shows the manufacturing process of the fourth embodiment of the optical fiber sensor of the present invention, and in each of (a) to (d), the left side is an end view / front view, and the right side is a side view.
7A and 7B are side perspective views of a fifth embodiment of the optical fiber sensor of the present invention, where FIG. 7A is a developed state and FIG. 7B is a folded state.
8A and 8B are cross-sectional views of an optical fiber according to a sixth embodiment of the optical fiber sensor of the present invention, and FIG. 8C is an external view of the optical fiber.
9A and 9C are front views of a conventional optical fiber sensor.
FIG. 10 is a longitudinal front view of the optical fiber sensor in all of the improvement proposals (a) to (c).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Optical fiber, 11 ... Sheath body, 12 ... Measuring apparatus,
20 ... optical fiber sensor, 21 ... support, 22 ... fulcrum,
30 ... Optical fiber sensor, 31 ... Support, 32 ... Filling material,
40 ... optical fiber sensor, 41 ... fixing member, 42 ... fulcrum,
43 ... Sensing section, 44 ... Soil,
50 ... Optical fiber sensor, 51 ... Support, 52 ... Hole,
54 ... Filling material, 55 ... Groove, 56 ... Filling material,
60 ... Optical fiber sensor, 61 ... Filling material, 62 ... Film body, 63 ... Filling material,
70: optical fiber sensor, 71: collective sensor,
72: Crossing section, 73 ... Cover

Claims (6)

環境条件変動観測用の光ファイバと、これを長手方向に亘って支持する支持体とを備えた光ファイバセンサーであって、
前記光ファイバがその長手方向上に間隔をあけて設定した2点を支点として前記支持体に支持され且つ前記2点に挟まれた部分では湾曲部を有する変形可能な形態となっている構造のセンシング区間を設けたものであり、
前記光ファイバは複列配置されていて、その各列の光ファイバについて前記センシング区間が設けられており、各列の光ファイバに係る前記湾曲部は、相互に独立した方位に凸側が配向するように構成されていることを特徴とする光ファイバセンサー。
An optical fiber sensor comprising an optical fiber for observing fluctuations in environmental conditions and a support that supports the optical fiber in the longitudinal direction,
The optical fiber is supported by the support with two points set at intervals in the longitudinal direction as a fulcrum, and has a deformable configuration having a curved portion at a portion sandwiched between the two points. It has a sensing section ,
The optical fibers are arranged in double rows, and the sensing section is provided for each row of optical fibers, and the convex portions of the curved portions of the optical fibers in each row are oriented in mutually independent orientations. An optical fiber sensor characterized by comprising:
前記センシング区間が前記光ファイバの長手方向上に複数連ねて設けられていることを特徴とする請求項1記載の光ファイバセンサー。The optical fiber sensor according to claim 1, wherein a plurality of the sensing sections are provided continuously in the longitudinal direction of the optical fiber. 前記センシング区間において、前記光ファイバの又はそれと前記支持体との包絡線もしくは包絡面の内部空間が、充填資材により埋め封じられて、内部に亘る歪伝達の可能な中実体となっている、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光ファイバセンサー。In the sensing section, the inner space of the envelope or the envelope surface of the optical fiber or of the optical fiber and the support is buried with a filling material, and is a solid body capable of transmitting strain over the inside. The optical fiber sensor according to claim 1 or 2, wherein 前記中実体は可撓性の膜体で包まれていることを特徴とする請求項3記載の光ファイバセンサー。The optical fiber sensor according to claim 3, wherein the solid body is wrapped with a flexible film body. 請求項2乃至請求項4の何れかに記載の光ファイバセンサーであって、前記支持体には有限長さのものを複数用い、それぞれに前記センシング区間を1又は2以上配して棒状の集合センサーとし、前記光ファイバを共有する形で前記光ファイバの長手方向に前記集合センサーの複数基を連ねるとともに、この連なりにおいて隣り合う集合センサーの間の渡り区間では前記光ファイバを前記支持体から自由にしたことにより、前記渡り区間で折畳み可能な長尺状に構成したことを特徴とする光ファイバセンサー。5. The optical fiber sensor according to claim 2 , wherein a plurality of finite lengths are used for the support, and one or two or more sensing sections are provided for each of the supports. As a sensor, a plurality of the collective sensors are connected in the longitudinal direction of the optical fiber so as to share the optical fiber, and the optical fiber is freely separated from the support in a transition section between adjacent collective sensors in this series. Accordingly, the optical fiber sensor is configured in a long shape that can be folded in the crossing section. 前記光ファイバは、金属製の鞘体により、この鞘体から張力を及ぼされる形で覆装されている、ことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の光ファイバセンサー。The optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the optical fiber is covered with a metal sheath so as to be tensioned from the sheath.
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