JP4771779B2

JP4771779B2 - 光ファイバ式変状検出装置及びシステム

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Publication number: JP4771779B2
Application number: JP2005289295A
Authority: JP
Inventors: 勇根本; 久子角谷; 絵里子藤島; 健二森山
Original assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Current assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: JP2007101274A

Description

本発明は、例えば、降雨や増水に伴う河川堤防法面の変状の有無及び変状位置等を検出する等、斜面・法面の変状を検知する技術に関する。

近年、降雨や増水に伴う河川堤防の決壊や山岳道路の岩壁の崩落を予測し、これらの災害を未然に防止するために河川堤防等を監視し管理する手段として光ファイバを利用したセンサが注目されている。

即ち、センサ機能として長期間に亘るオンライン計測が可能である上に、無誘導性、防爆性、耐腐食性等の特徴を持つ光ファイバは、上述した災害等の防止システムの構成要素として有望であり、光ファイバの種々の特性を利用して監視対象物の変位等を測定する光ファイバセンサとして、多くの提案がなされている。

例えば、特許文献１には、光ファイバの破断や折れ曲がり等による光の損失から監視対象物の変位、変形、崩壊等の有無を検出し、また、発生箇所を把握する光ファイバセンサ（以下、第１の従来例と称する）が記載されている。即ち、この第１の従来例は、例えば、道路沿い等の広域に存在する傾斜面等の危険地点の変形、崩壊等を光ファイバの変形や破断等に変えて、危険地点の変形等を光により安全且つ迅速に観測することを目的として、異なる位置に存在する監視対象物としての隣接する一対の擁壁ブロックに対して別々に連結された一対の連結部材に光ファイバ保持部がそれぞれ設けられ、これら光ファイバ保持部が光ファイバの長手方向の異なる位置を保持して互いに近接し、連結部材間の相対変位により光ファイバに曲げ等の変形や破断を生じさせることで、監視対象物の変位等の有無を検出する。

また、特許文献２には、Ｕ字型金具を２つ用意し、一方を杭に、他方を桁に切り込みが重なるように固定し、重なった切り込みに光ファイバケーブルを通して構成され、相対変位が生じた時に切り込みがずれて光ファイバケーブルに変形を与え、光の損失から検出対象物の変位及び変位発生箇所を検出する装置（以下、第２の従来例と称する）が記載されている。即ち、この第２の従来例は、複数の杭と、これに沿って敷設された桁及び光ファイバとを用い、杭と桁の間に相対変位が生じ光ファイバが変形を受けて出力光が減衰するのを検知して斜面崩壊の発生を検出する装置において、変位検出構造として、両側辺に切り込みのあいたＵ字型金具を杭と桁の両方に切り込みが重なるように固定し、この切り込みに光ファイバを通し、斜面崩壊により相対変位が生じた時に光ファイバに曲げによる変形を生ぜしめるようにしたものであり、簡単な構成の光ファイバ保持構造により変位の検出を確実に行うことができるとしている。

特開２００１−９９７５５号公報実開平６−１８９２３号公報

しかしながら、上記第１の従来例では、監視対象物の変形が大きい場合には光ファイバが変形に留まらず破断に至ることを前提としており、このように光ファイバの破断に至った場合には、再び検出可能とするためには、光ファイバケーブルの再施工が必要になる。また、ある箇所における変位によって大きな損失が発生した場合には、２箇所以上の検出は困難になってしまう。

また、上記第２の従来例では、上記第１の従来例と同様に、検出対象物の変形が大きいと光ファイバが破断する可能性があり、再び検出可能とするために光ファイバケーブルの再施工が必要になり、また、ある箇所における変位によって大きな損失が発生した場合にはそれ以外の箇所での検出は困難になるという問題がある。加えて、この第２の従来例では、Ｕ字型金具の光ファイバケーブル長手方向の調整・位置決め手段が設けられていないので、光ファイバの変形に対する出力光の損失のばらつきが生じる。このため、損失の閾値を設定した場合、正確な検出が困難になるという大きな問題が残る。

本発明の課題は、簡単且つ低コストな構成で、変位に対する損失のばらつきが小さく、複数箇所における変位等の検出を安定して行うことができる上に、光ファイバの破断を防止することで再利用を可能とする光ファイバ式変状検出装置及びシステムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明では、変状検出装置に、光ファイバケーブルの長手方向を少なくとも２点で保持する機構と、負荷の変位に応じて回転する機構を設け、保持した光ファイバケーブルに回転機構により屈曲を与えると共に、回転機構が光ファイバケーブルを破断するまで回転しないようにするストッパーと、回転機構が光ファイバケーブルに屈曲を与える位置を位置決めする位置決め手段を設けるようにした。

これにより、光ファイバケーブルを保持する機構と負荷の変位に応じて回転することで光ファイバケーブルに屈曲を与える機構という簡単な基本構成で、位置決め手段によって変状検出装置ごとの変位に対する損失のばらつきを抑制でき、ストッパーによって光ファイバケーブルの破断を防止できるので、複数箇所における変位等の検出を安定して行うことができる。

しかして、本発明の光ファイバ式変状検出装置では、監視対象物の変状を光ファイバケーブルを伝播する光の損失により監視する光ファイバ式変状検出装置において、光ファイバケーブルと、前記光ファイバケーブルの長手方向を少なくとも２点で保持することにより該光ファイバケーブルが固定されるケーブル固定台と、前記ケーブル固定台に、所定の回転軸を中心に前記長手方向と直交する方向に回転可能に設けられ、一端側が前記監視対象物の変状により移動する負荷に連結されて該負荷の移動によって前記直交する方向に所定角度まで回転することにより他端側が前記光ファイバケーブルに当接した後該光ファイバケーブルを屈曲させて損失を発生させる損失発生部材と、前記損失発生部材が前記所定角度を超えて回転することを防止するストッパーと、前記ケーブル固定台の前記２点の保持点間における前記損失発生部材が前記光ファイバケーブルへ当接する位置を位置決めする位置決め手段とを有することを特徴とする。

かかる構成によれば、ケーブル固定台により光ファイバケーブルの長手方向を少なくとも２点で保持しつつ損失発生部材が監視対象物の変状により移動する負荷に応じて回転することで光ファイバケーブルを屈曲させて光の損失を発生させるので、この光の損失を監視することで監視対象物の変状を検出することができる。また、損失発生部材が所定角度を超えて回転することを防止するストッパーを有するので、この所定角度の設定により光ファイバケーブルの必要以上の屈曲や破断を有効に防止することが可能になる。更に、損失発生部材が光ファイバケーブルへ当接する位置を位置決めする位置決め手段を有するので、変状検出装置ごとの変位に対する損失のばらつきを抑制できるので、複数箇所における変位等の検出を安定して行うことができる。

また、前記所定角度とは、前記損失発生部材が前記光ファイバケーブルを屈曲させるが該光ファイバケーブルを破断するには至らない範囲の角度であることを特徴とする。
かかる構成によれば、光ファイバケーブルの破断を確実に防止することができる。

尚、前記位置決め手段は、前記回転軸に前記損失発生部材の両側からそれぞれ取り付けられた圧縮ばねとスペーサから構成することができる。
かかる構成によれば、圧縮ばねとスペーサにより簡単に位置決め手段を構成でき、損失のばらつきも十分に抑制可能である。

また、前記損失発生部材は、リンク機構を介した連結部材により前記負荷と連結するようにしても良い。
かかる構成によれば、負荷の変位を感度良く損失発生部材の回転動作に変換することが可能になる。

一方、以上の光ファイバ式変状検出装置が少なくとも１本のラインを構成する前記光ファイバケーブルの所定の間隔ごとに複数設けられ、それぞれ前記監視対象物の所定の間隔ごとに複数設けられた負荷に連結されると共に、前記少なくとも１本のラインを構成する光ファイバケーブルを伝播する光の損失を監視する光監視装置を備えている光ファイバ式変状検出システムを構成することもできる。
かかる構成によれば、簡単且つ低コストな構成で、変位に対する損失のばらつきが小さく、複数箇所における変位等の検出を安定して行うことができる上に、光ファイバの破断を防止することで再利用を可能とする光ファイバ式変状検出システムを提供することができる。

本発明によれば、簡単且つ低コストな構成で、変位に対する損失のばらつきが小さく、複数箇所における変位等の検出を安定して行うことができる上に、光ファイバの破断を防止することで再利用を可能とする光ファイバ式変状検出装置及びシステムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、発明の実施の形態は、本発明が実施される特に有用な形態としてのものであり、本発明がその実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係る光ファイバ式変状検出システムの基本構成を示す図である。図２は、その光ファイバ式変状検出システムに用いる変状検出ユニットの外観図であり、（ａ）は変状検出ユニットの全体構成を示し、（ｂ）は変状検出ユニットの要部を拡大して示す。図３は、その変状検出ユニットに用いる変状検出装置の機構部を示す外観図、図４は、図３の変状検出装置の機構部の要部を拡大して示す側面図、図５は、変状検出装置の断面図、図６は、変状検出装置への光ファイバケーブルの固定方法を説明するための図である。また、図７は、変状検出装置において損失発生部が光ファイバケーブルに屈曲を与える状態を示す図、図８は、変状検出装置における損失発生部の回転動作を示す図である。

図１に示すように、本実施形態に係る光ファイバ式変状検出システムは、監視対象物である河川堤防の法面３に沿って、変状検出ユニット６が１本のラインを構成する光ファイバケーブル５の所定の間隔ごとに複数設けられている。各変状検出ユニット６は、変状検出装置６９を含み、変状検出装置６９は、それぞれ負荷としてのブロック８に連結されている。また、本実施形態に係る光ファイバ式変状検出システムは、光ファイバケーブル５を伝播する光の損失を監視する光監視装置としてのＯＴＤＲ（図１には示さず）を備えており、降雨や増水に伴う河川堤防の法面３の変状を各変状検出ユニット６におけるブロック８と変状検出装置６９を固定するアンカー（図１には示さず）間の変位として捉え、その変位が所定の閾値を超えた場合に法面３の変状を検出する。

図１において、符号１は河川、２は河川の堤防、３は堤防の法面を示す。４は金属管、５は光ファイバケーブル、６は変状検出ユニットである。

変状検出ユニット６は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、変位を検出する変状検出装置６９と、変状検出装置６９を監視対象物としての河川１の堤防２の法面３に固定する固定用アンカー６６と、監視対象物としての法面３の変状により移動する負荷として法面３の変位を変状検出装置６９に伝えるブロック８と、変状検出装置６９とブロック８とを連結するロッド７とから構成されている。そして、変状検出装置６９の後述するケーブル固定台７２の台座部７２Ａを固定用アンカー６６の台座６６Ａに載せた状態でボルトにより固定して用いられる。また、変状検出装置６９は、金属性カバー７５等が取り付けられている。このように、変状検出ユニット６は、それぞれ変状検出装置６９を有し、各変状検出装置６９は、図４及び図５に示すリンク機構７１を含み、このリンク機構７１を介して、図１及び図２に示すように、ロッド７の一端側と連結され、このロッド７の他端側にはブロック８が連結されている。

変状を検出するためには、所定の変位を超えた時に光ファイバケーブル５に屈曲を与え、光の損失を発生させる必要がある。本実施形態では、変状検出装置６９は、所定変位を超えてブロック８が変位した時に、金属管４内の光ファイバケーブル５に屈曲を与える機構を有しており、図３乃至図５に示すように、この屈曲を与える機構に回転機構を用いたのが、本発明の大きな特徴である。即ち、法面３の変状時のブロック８と変状検出装置６９を固定するアンカー６６間の変位をロッド７とリンク機構７１を介して損失発生部７０に与え、損失発生部７０が回転することによって金属管４とその内部の光ファイバケーブル５に屈曲を与えるように構成されている。変状検出装置６９内の防水等は必要ないが、堤防２の法面３下部に埋設した場合にも、土砂等が浸入しないように後述する金属性カバー７５等のカバーを取り付けて用いる。

また、光の損失の測定には、後述する図１２に示す光監視装置としてのＯＴＤＲ（ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）１２を用いる。ＯＴＤＲ１２による光の損失の測定結果から法面３における変状の有無及び変状の発生箇所を検出する。１ラインあたり十数ｋｍに亘り何台でも変状検出装置６９を設置することが可能であるが、同時に発生した変状に対してはＯＴＤＲ１２のダイナミックレンジの制約から、検出できるのは５箇所程度の変状である。尚、変状を検出した場合には、観測者等が変状の発生箇所へ行き、対策として補修、監視又は調整等を施すことで、法面３を補修して災害を未然に防止することが可能となり、また、後述するように、屈曲した金属管４と光ファイバケーブル５を元に戻す（屈曲を極力解消する）ことにより再度の監視を行うこともできる。

次に、図３乃至図８を参照して、変状検出装置６９について詳細に説明しておく。尚、図３乃至図８においては、変状検出装置６９は、上記した金属性カバー７５等のカバーを取り外した主要部の構成のみを示している。変状検出装置６９は、主として金属製の板材と棒材（軸）から構成され、図３乃至図５に示すように、光ファイバケーブル５（を内部に有する金属管４、以下、単に光ファイバケーブル５と称する場合がある）の長手方向を２点で保持することにより光ファイバケーブル５が固定されるケーブル固定台７２と、ケーブル固定台７２に、回転軸７４を中心に上記長手方向と直交する方向に回転可能に設けられ、一端側が負荷としてのブロック８に連結されて該負荷としてのブロック８の移動によって上記の直交する方向に所定角度まで回転することにより他端側が光ファイバケーブル５に当接した後該光ファイバケーブル５を屈曲させて損失を発生させる損失発生部材としての損失発生部７０と、損失発生部７０が上記所定角度を超えて回転することを防止するストッパー７３と、ケーブル固定台７２の上記２点の保持点間における損失発生部７０が光ファイバケーブル５へ当接する位置を位置決めする位置決め手段として回転軸７４に損失発生部７０の両側からそれぞれ取り付けられた圧縮ばね７８とスペーサ７６とを有している。

ケーブル固定台７２は、台座部７２Ａと、台座部７２Ａ上に所定の間隔をおいて直立する２つのケーブル固定部材７２Ｂ、７２Ｃを含んでいる。ケーブル固定台７２のケーブル固定部材７２Ｂ、７２Ｃには、それぞれ上方部に光ファイバケーブル５を通した上で保持するための切り欠き７２３と、その落とし込み部分７２３ｂ、７２３ｃが形成されている。切り欠き７２３、７２３は、光ファイバケーブル５を通すために形成され、落とし込み部分７２３ｂ、７２３ｃは、光ファイバケーブル５を落とし込んだ上で保持し固定するために形成されている。尚、ケーブル固定台７２のケーブル固定部材７２Ｂ、７２Ｃには、図６及び図７に示すように、それぞれ落とし込み部分７２３ｂ、７２３ｃに落とし込んだ光ファイバケーブル５を固定するための貫通穴７２ｂ、７２ｃが形成されている。この貫通穴７２ｂ、７２ｃは、後述するように、クランピングスクリュー等を落とし込み部分７２３ｂ、７２３ｃに落とし込んだ光ファイバケーブル５まで挿通して貫通穴７２ｂ、７２ｃに固定することにより、光ファイバケーブル５を確実に保持し固定するために形成されている。

ケーブル固定台７２のケーブル固定部材７２Ｂと７２Ｃの上記間隔内には、中央よりもやや上部の中心に、その両端部をケーブル固定部材７２Ｂと７２Ｃに固定された回転軸７４が設けられ、この回転軸７４には損失発生部７０が回転可能に軸支されている。損失発生部７０は、図５に示すように、ケーブル固定部材７２Ｂ、７２Ｃよりは若干小さめの略長方形状の板材から成り、その中央よりもやや上部の中心を回転軸７４に軸支されている。

ケーブル固定台７２と損失発生部７０との間隔は、図４に示すように、スペーサ７６と圧縮ばね７８を損失発生部７０の両側から挟むように回転軸７４に組み込み、回転軸７４の長手方向に損失発生部７０の回転に支障をきたさない程度の圧縮力を付与することにより、損失発生部７０を押さえつける形でケーブル固定台７２と損失発生部７０との間隔を常に一定に保持する。これにより、各変状検出装置６９における損失のばらつきが抑制されるので、変状有りとするための損失の閾値を設定する場合にも、当該変状を正確に検出することができる。尚、本実施形態では、図３、図４及び図７に示すように、損失発生部７０は、ケーブル固定部材７２Ｂと７２Ｃ間において回転軸７４の中央よりはケーブル固定部材７２Ｂ側に近接する位置で軸支されている。そして、回転軸７４のケーブル固定部材７２Ｂと損失発生部７０間にスペーサ７６を組み込み、ケーブル固定部材７２Ｃと損失発生部７０間に圧縮ばね７８を組み込んでいる。かかる構成により、図７に示すように、損失発生部７０の回転により光ファイバケーブル５はケーブル固定部材７２Ｂと損失発生部７０間でより大きく屈曲するようになる。この結果、このケーブル固定部材７２Ｂと損失発生部７０間でより大きな損失が発生するので、損失発生ひいては検出の感度が向上し、変状をより確実に検出できることが分かっている。

損失発生部７０の一端側（高さ方向の下端側）には、図３及び図５に示すように、リンク機構７１が設けられている。損失発生部７０は、このリンク機構７１を介して連結部材としてのロッド７に接続され、負荷としてのブロック８と連結される。損失発生部７０の他端側（高さ方向の上端側）には、切り欠き７０３が形成されている。切り欠き７０３は、損失発生部７０の上方部の上記ケーブル固定部材７２Ｂ、７２Ｃの切り欠き７２３に対応する位置に形成されている。この切り欠き７０３は、上記ケーブル固定部材７２Ｂ、７２Ｃの切り欠き７２３とは反対側から［図９（ｂ）参照］、図８に示すように、回転軸７４に対応する位置まで切り欠いて形成されている。損失発生部７０は、その回転動作に伴い、この切り欠き７０３の底部（回転軸７４に対応する位置）で光ファイバケーブル５に当接し、更に回転することで押圧して屈曲させ、損失を発生させるようになっている。尚、切り欠き７０３は、負荷としてのブロック８の微小変位に対する不感領域を設けるという意味もある。

また、ケーブル固定台７２のケーブル固定部材７２Ｂと７２Ｃの上記間隔内には、その両端部をケーブル固定部材７２Ｂと７２Ｃに保持された略円柱状のストッパー７３が設けられている。このストッパー７３は、上述したように、損失発生部７０が上記所定角度を超えて回転することを防止するものである。尚、ケーブル固定台７２のケーブル固定部材７２Ｂ、７２Ｃには、図５及び図６に示すように、それぞれストッパー７３の移動案内溝７９（図３及び図４では図示を省略している）が形成されており、ストッパー７３はこの移動案内溝７９内で自由に高さ位置を決めて固定することができるようになっている。
尚、ケーブル固定台７２の台座部７２Ａには、固定用アンカー６６の台座６６Ａにボルトにより固定するための４つの固定穴７２ａが形成されている。

再び図１を参照して、変状検出ユニット６は、堤防２の法面３の長手方向に沿って一定の間隔で設けられている。即ち、各変状検出装置６９が堤防２の法面３の長手方向に沿って一定の間隔でアンカー６６［図２（ａ）参照］によって固定されていると共に、ブロック８は法面３の下方部に設置され、変状検出装置６９とロッド７によって連結されている。

この時（初期状態において）、図５及び図８に示すように、光ファイバケーブル５は各変状検出装置６９における損失発生部７０の切り欠き７０３の先端に位置し、図３及び図６に示すように、ケーブル固定台７２の切り欠き７２３、７２３の落とし込み部分７２３ｂ、７２３ｃと同一線上に揃った状態にある。また、この初期状態では、図５に示すように、損失発生部７０の後方側面とケーブル固定台７２の後方側面とは、同一面上にある。

法面３の変状に伴い図１に示したブロック８が変位することで変状検出装置６９における損失発生部７０の負荷点に変位が負荷される。即ち、例えば、図１に示すように、堤防２の法面３にクラック３２が生じると、このクラック３２が生じた箇所に設置されている変状検出装置６９に連結されたブロック８が変位し、ロッド７とリンク機構７１を介して、損失発生部７０に変位が負荷される。この変位が負荷された損失発生部７０は、図８に示すように、回転軸７４を中心に回転し、損失発生部７０の切り欠き７０３の底部がケーブル固定台７２に上述したクランピングスクリューで固定されている光ファイバケーブル５に接する。ここまでが所定変位によるもので、損失は全く発生しない。光ファイバケーブル５に接した損失発生部７０は、その後も回転軸７４を中心に回転を続け、図７及び図８に示すように、ケーブル固定台７２と損失発生部７０（の切り欠き７０３の底部）との間で光ファイバケーブル５に剪断変形を与える。この剪断変形により光ファイバケーブル５には光の損失が発生する。この剪断変形による光の損失が大きくなりすぎたり、光ファイバケーブル５が破断するまで損失発生部７０が回転したりしないように、図３及び図４並びに図７及び図８に示すように、ケーブル固定台７２には損失発生部７０の回転を規制するストッパー７３を設けている。損失発生部７０は、このストッパー７３に当接することによって回転を停止する。この時、光ファイバケーブル５を伝播する光には、複数、検出可能な大きさ、例えば、１〜２ｄＢの損失が生じ、これらをＯＴＤＲ１２を用いて測定することによって、堤防２の法面３の変状の有無及び変状箇所を検出する。尚、本実施形態の光ファイバ式変状検出システムにおいて、光ファイバケーブルのラインにおける各変状検出装置６９の取付間隔は、計測感度を良好なものとするために１ｍとした。

さて、本実施形態の光ファイバ式変状検出システムにおいて、１本のラインを構成する光ファイバケーブル５の所定の間隔ごとに複数設けられた各変状検出装置６９における損失のばらつきは、各変状検出装置６９におけるケーブル固定台７２と損失発生部７０との間隔のばらつきに依存する。そこで、本実施形態の光ファイバ式変状検出システムでは、ケーブル固定台７２と損失発生部７０との間隔は、図４に示すように、スペーサ７６と圧縮ばね７８を損失発生部７０の両側から挟むように回転軸７４に組み込み、回転軸７４の長手方向に損失発生部７０の回転に支障をきたさない程度の圧縮力を付与することにより、損失発生部７０を押さえつける形でケーブル固定台７２と損失発生部７０との間隔を常に一定に保持する。これにより、各変状検出装置６９における損失のばらつきが抑制されるので、変状有りとするための損失の閾値を設定する場合にも、当該変状を正確に検出することができる。

損失発生部７０は回転機構によって負荷点の変位を光ファイバケーブル５に与えるので、設計の段階で回転軸７４の固定位置をずらすことによって、図８に示す回転半径１（回転軸７４から損失発生部７０が光ファイバケーブル５へ当接する位置までの長さ）と回転半径２（回転軸７４から負荷点、即ち、損失発生部７０が負荷に連結される位置までの長さ）とを相互に変化させることが可能である。これにより屈曲を生じるまでの変位や荷重を変化させることができるので、変状検出装置６９の小型化も可能である。

本実施形態の光ファイバ式変状検出システムでは、光ファイバケーブル５は塑性変形可能な保護管としての金属管４内に収納されている。これにより、変形による光ファイバケーブル５の破断を更に防ぐ効果も得られている。また、設置後に、光ファイバケーブル５を外力から保護する効果もあり、光ファイバケーブル５が外力により損傷されるのを防ぐことができる。

次に、堤防２の法面３に沿って変状検出ユニット６を実際に敷設する方法について説明しておく。図９は、変状検出装置への光ファイバケーブルの設置方法を説明するための図であり、（ａ）は設置前、（ｂ）は設置途中、（ｃ）は設置後をそれぞれ示す。図１０は、かかる実際の敷設方法において、変状検出装置６９に回転防止治具を取り付けた状態を後方から見た外観図である。

上述したように、変状検出ユニット６は、変位を検出する変状検出装置６９と、変状検出装置６９を河川１の堤防２の法面３に固定する固定用アンカー６６と、法尻の変位を変状検出装置６９に伝えるブロック８と、変状検出装置６９とブロック８とを連結するロッド７とから構成されている。

まず、固定用アンカー６６の台座６６Ａが水平になるように固定用アンカー６６を堤防２の法面３に埋め込む等して設置し、変状検出装置６９のケーブル固定台７２の台座部７２Ａを固定用アンカー６６の台座６６Ａに載せた状態で４つの固定穴７２ａを用いてボルトにより取り付ける。次に、各変状検出装置６９におけるケーブル固定台７２への光ファイバケーブル５の設置は、まず、図９（ａ）に示す損失発生部７０がケーブル固定台７２に収納されている状態から図９（ｂ）に示すように、損失発生部７０を後方に倒し、ケーブル固定台７２の切り欠き７２３、７２３に、後方から光ファイバケーブル５を通し、図９（ｃ）に示すように、切り欠き７２３、７２３の落とし込み部分７２３ｂ、７２３ｃに光ファイバケーブル５を落とし込むことで行う。これにより、変状検出装置６９に簡単に光ファイバケーブル５を通すことができる。そして、１本のラインを構成する光ファイバケーブル５の所定の間隔ごとに複数設けられた各変状検出装置６９におけるケーブル固定台７２への光ファイバケーブル５の設置は、まず、各損失発生部７０を後方に倒し、各ケーブル固定台７２の切り欠き７２３、７２３に、後方からいっせいに光ファイバケーブル５を通すことで行う。これにより、変状検出装置６９の１台ずつに光ファイバケーブル５を通す必要は無くなるので、河川１の堤防２における法面３への設置等の施工の際、作業性が大幅に向上する。

光ファイバケーブル５を設置し終えたら、光ファイバケーブル５の片側をケーブル固定台７２に固定する。即ち、前述したケーブル固定台７２のケーブル固定部材７２Ｂ、７２Ｃに形成されている貫通穴７２ｂ、７２ｃのうち、一方の貫通穴７２ｂだけにクランピングスクリューを光ファイバケーブル５まで挿通して固定する。尚、貫通穴７２ｂ、７２ｃの双方にクランピングスクリュー等を挿通して光ファイバケーブル５の両側をケーブル固定台７２に固定するようにしても良いが、本実施形態では、光ファイバケーブル５の屈曲に要する負荷を小さくするために、片側だけをクランピングスクリューで固定するようにした。この状態で、図８に示したように、損失発生部７０を初期状態に設定する。その上で、図１０に示すように、損失発生部７０が回転しないように変状検出装置６９に損失発生部７０の回転防止治具６９ｂを取り付ける。この後、ブロック８を所定の位置、即ち、法面３の下方部に設置し、ブロック８をロッド７によって損失発生部７０と連結する。具体的には、損失発生部７０に結合されたリンク機構７１にロッド７を連結する。このようにして、損失発生部７０とブロック８とをロッド７及びリンク機構７１を介して連結できたら、変状検出装置６９から回転防止治具６９ｂを取り外し、金属性カバー７５等を取り付けて変状検出ユニット６の敷設が完了する。図１１は、変状検出装置６９にカバーを取り付けた状態を右側方から見た外観図である。図１１に示すように、変状検出装置６９を実際に使用する場合には、変状検出装置６９の右側方を金属性カバー７５で覆う。この金属性カバー７５には、リンク機構７１の動きを邪魔しないように、突起部７５ａが形成されている。尚、図１１では隠れて見えないが、変状検出装置６９の左側方と天面も金属性カバーで覆って使用する。このように変状検出装置６９を金属性カバーで覆って使用するのは、ケーブル固定台７２内に土砂等が浸入し、検出を困難にしてしまうのを防止するためである。

ここで、本実施形態の光ファイバ式変状検出システムにおけるＯＴＤＲ１２を用いた変状の検出方法について説明しておく。図１２は、本実施形態の光ファイバ式変状検出システムの全体構成を示す機能ブロック図である。

さて、本実施形態の光ファイバ式変状検出システムは、上述した変状検出ユニット６を複数個それぞれ所定の間隔をおいて河川１の堤防２の法面３に配置し、これら複数個の変状検出ユニット６に１本の光ファイバケーブル５を挿通し、この光ファイバケーブル５を、図１２に示すように、ＯＴＤＲ１２に接続して法面３の変状の多点計測を行うものである。

即ち、本実施形態の光ファイバ式変状検出システムでは、図１２に示すように、パルス発振器１２１により駆動されたレーザダイオード（ＬＤ）１２２は、光パルスを出力し、光パルスは方向性結合器１２３を経て光ファイバケーブル５に入射する。光ファイバケーブル５内の各変状検出ユニット６で生じた後方レーリ散乱光、あるいはフレネル反射光は入射端に戻ってくる。入射端に戻ってきた光は、方向性結合器１２３を通して受光素子（ＰＤ）１２４に入射し、電気信号に変換される。変換された電気信号は、増幅器１２５により所要のレベルまで増幅された後、解析処理部／表示部１２６により時間領域で解析され、解析結果が表示される。例えば、法面３に１ｍごとに変状検出ユニット６を設置し、かかるＯＴＤＲ１２に接続することにより変状の計測システムを構成すれば、変状の発生の有無と発生位置を同時に検出することが可能である。

次に、本発明の実施の形態の光ファイバ式変状検出システムの拡張例について述べる。図１３に示すように、本実施形態の拡張例に係る光ファイバ式変状検出システムは、観測セクション１１０と、計測セクション１２０から構成される。観測セクション１１０は、光監視装置としてのＯＴＤＲ１２と、このＯＴＤＲ１２に接続された制御用ＰＣ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）１１４と、ＯＴＤＲ１２に接続され多芯光ファイバケーブル５０の各光ファイバ芯線より構成される光チャンネルを選択する光チャンネルセレクタ（１６ポート）１１６とを有している。計測セクション１２０は、多芯光ファイバケーブル５０の光ファイバ芯線を１６ラインに分岐する分岐箱１２８と、各ライン、即ち、１ラインから成る光ファイバケーブル５（図１参照）に所定の間隔ごとに複数接続された変状検出ユニット６とを有している。

このように、ＯＴＤＲ１２による測定は、多芯光ファイバケーブル５０（光ファイバ芯線が１６本のもの）と光チャンネルセレクタ（１６ポート）１１６を使用することにより１台の測定装置（ＯＴＤＲ１２と制御用ＰＣ１１４）で１６ラインまで計測することが可能である。また、１本の多芯光ファイバケーブル５０（光ファイバ芯線が１６本のもの）により観測セクション１１０と計測セクション１２０を接続（中継）すれば良いので、計測セクション１２０（計測現場）から離れた遠隔地に観測セクション１１０（観測所）を設置することが可能である。

図１４は、ＯＴＤＲ１２によるトレースデータの一例を示すグラフである。変状に伴って発生する光の損失をＯＴＤＲ１２によって測定することで、変状の発生の有無と、当該変状の発生箇所を検出することができる。図１４において、データの立下りのところが光の損失の発生箇所である。また、初期状態から変状に伴って低下した反射光量が損失発生による光の損失分に該当する。図１４のグラフでは、距離約４８５ｍのところで約１．５ｄＢの反射光量の低下が生じており、当該距離に位置する変状検出ユニット６において変状の発生を検出したことが分かる。このように、図１４に示す例では、約１．５ｄＢの光の損失が発生すれば、トレースデータから変状の発生と、当該変状の発生箇所を特定することができることが分かった。尚、１．５ｄＢ未満の光の損失しか発生しない場合でも、データの立下りのところが認識でき、損失の発生を確認できれば十分であるので、好適には約１．５ｄＢの光の損失が発生することが望ましいが、これに限られないのは勿論である。

しかしながら、本実施形態の光ファイバ式変状検出システムでは、好適実施例として、変状に伴って約１．５ｄＢの光の損失が発生する変状検出装置６９を設計した。図１５は、変状検出装置６９における損失発生部７０の回転動作による光ファイバケーブル５における光の損失の発生を示す図であり、（ａ）は光ファイバケーブル５における光の損失の発生を示すグラフ、（ｂ）はストッパー７３の作動状態を示す図である。

図１５に加え図８をも参照して、この好適実施例としての損失発生機構について説明する。所定変位までは光ファイバケーブル５に屈曲を与えず、所定変位を超えて損失発生部７０が回転した時に光ファイバケーブル５に屈曲を与えるようになっている。また、屈曲を与えた後に、上述した損失が約１．５ｄＢ以上になったり、光ファイバケーブル５が破断したりしないようにストッパー７３を設けてある。即ち、図８に示すように、損失発生部７０は、（１）の初期状態から（２）の所定変位状態まで回転し、この段階では、図１５（ａ）に示すように、損失は発生しない。そして、（２）の所定変位状態から光ファイバケーブル５の屈曲が始まり、それに応じて損失が拡大していき、損失が約１．５ｄＢに達したところで、（３）ストッパー７３が作動するようになっている。ストッパー７３は、図１５（ｂ）に示すように、損失発生部７０がストッパー７３に当接することで、それ以上は回転できないように規制するものであり、損失が約１．５ｄＢに達する所定角度を超えて損失発生部７０が回転してしまうのを確実に防止できる。

上述したように好適実施例として設計した変状検出装置６９の効果を確認するため損失発生確認試験を行った。図１６は、本実施形態の好適実施例に係る変状検出装置６９について行った損失発生確認試験の試験構成を示すブロック図であり、図１７は、当該損失発生確認試験における損失発生箇所までの距離と反射光量の関係を示すグラフである。また、図１８は、当該損失発生確認試験におけるストッパーと損失発生部の間の距離と発生する光の損失の関係を説明するための図であり、（ａ）はストッパーと損失発生部の間の距離を示す図、（ｂ）は試験結果におけるストッパーと損失発生部の間の距離と発生する光の損失の関係を示すグラフである。

さて、この損失発生確認試験では、損失を与えるために損失発生部７０に荷重を負荷し、４０ｍｍの変位を与えた。ケーブル固定台７２と損失発生部７０の間隔は５ｍｍに固定した。従って、損失の大きさは、図１８（ａ）に示すように、損失発生部７０が光ファイバケーブル５に接した時のストッパー７３と損失発生部７０の間の距離Ｌを変化させることで目標とする値に近づけていった。試験構成としては、図１６に示すように、全長５６３ｍの光ファイバケーブル５を変状検出装置６９に対して一方が４８２ｍ、他方が８１ｍとなるように設置し、変状検出装置６９内とその付近は光ファイバケーブル５を金属管４内に収納して組み込むようにした。この損失発生確認試験において、損失発生箇所までの距離と反射光量の関係を図１７に示す。図１７において、損失発生時の立下り前と立下り後のそれぞれ２０データの平均の差と初期状態のそれの差を差し引いたものを損失とした。

損失発生部７０が光ファイバケーブル５に接した時のストッパー７３と損失発生部７０の間の距離Ｌを変化させていった測定値を図１８（ｂ）に示す。図１８（ｂ）に示すように、損失を目標とする値（約１．５ｄＢ）にするためには、図１８（ａ）に示すストッパー７３と損失発生部７０の間の距離Ｌを２．８ｍｍにすればよいことが分かった。また、１０回のばらつきは±０．５ｄＢ以内（標準偏差：０．１８７６ｄＢ）に留まることも分かった。更に、損失発生箇所は、図１７に示すトレースデータから正確に検出し得ることも分かった。

尚、変状検出装置６９に組み込まれる光ファイバケーブル５としては、例えば、コア径が数μｍ〜１０μｍ程度、径１２５μｍのシングルモード光ファイバケーブルを用いることが可能である。

光監視装置であるＯＴＤＲ１２としては、例えば、試験光波長１３１０ｎｍ、パルス幅１０ｎｓ以上（できるだけ細かく）、空間分解能１ｍ以上（できるだけ短かく）の高分解能形のＯＴＤＲを用いることが可能である。

本実施形態の光ファイバ式変状検出システムは、河川堤防等の各種堤体、地盤斜面、岩盤橋梁等の建造物等の監視対象物に対する取り付け・設置等の施工性に優れると共に、監視対象物の変状（変位や変形）を光ファイバの曲げ（屈曲）に効率良く作用させ得る構造を有している。また、比較的低コストでシステムを設置可能であるという大きな利点を有している。即ち、本実施形態では、変状検出装置６９は構造が簡単であるため比較的安価に製作することができ、また、測定にも比較的安価なＯＴＤＲ１２を用いているため、広範囲に亘る変状検出システムを低コストで構築することができる。

図１では、光ファイバ式変状検出システムの監視対象物の一例として、河川１の堤防２の法面３を挙げた。河川水位が上昇すると堤防の浸潤線が上昇し、堤防の裏法尻付近から漏水が始まる。この漏水が契機となって法尻近傍の堤防の状態変化が現れる。本発明の光ファイバ式変状検出システムによれば、この現象を早期且つ的確に捉えることが可能である。

尚、本発明の光ファイバ式変状検出システムを河川堤防等の各種堤体、地盤斜面、岩盤橋梁等の場所における災害防止対策に用いても、センサ部が光ファイバのため、誘導及び耐雷対策をとる必要が無い。

更に、本実施形態の光ファイバ式変状検出システムでは、光ファイバケーブル５は塑性変形可能な保護管としての金属管４内に収納されており、金属管４が保持されることによりケーブル固定台７２に固定される。損失発生部７０が金属管４に当接した後、該金属管４を屈曲させることで光ファイバケーブル５に屈曲を生じさせるようになっている。

この実施形態に係る発明では、光ファイバは塑性変形可能な保護管内に収納されているので、保護管の屈曲により光ファイバに屈曲を生じた後、保護管が別の外力により元の形状に復帰しない限り、光ファイバの屈曲も元に戻らないため、光監視装置により光ファイバの屈曲を確実に検出できる。

また、光ファイバが保護管内に収納されているので、監視対象物に対する取り付け・設置等の施工の際に、光ファイバの断線等をあまり心配する必要が無い。
以上、本発明について実施の形態をもとに説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更することができる。

例えば、上記実施形態においては、回転軸７４に損失発生部７０の両側からそれぞれ取り付けられた圧縮ばね７８とスペーサ７６から位置決め手段を構成したが、圧縮ばねだけ又はスペーサだけで位置決め手段を構成することもできる。

また、損失発生部７０は、リンク機構７１を介してロッド７により負荷としてのブロック８と連結するようにしたが、負荷の変位を有効に損失発生部の回転動作に変換できる構成であれば、他の機構や連結部材を用いても良い。更に、負荷としてブロック以外のものを用いても良いのは勿論である。

本発明は、所定の変位・荷重に対してオン・オフのスイッチ的な動作で検知することが可能な装置、システム、方法等であれば、河川堤防法面の変状の有無及び変状位置等を検出する装置等のみならず、他にも、道路斜面モニタリング、地すべり検知、護岸の継ぎ目開口検知、侵入検知（セキュリティシステム）等のための装置、システム、方法等にも適用可能である。

本発明の実施の形態に係る光ファイバ式変状検出システムの基本構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る光ファイバ式変状検出システムに用いる変状検出ユニットの外観図であり、（ａ）は変状検出ユニットの全体構成を示し、（ｂ）は変状検出ユニットの要部を拡大して示す。図２の変状検出装置を示す外観図である。図２の変状検出装置の要部を拡大して示す側面図である。図２の変状検出装置の断面図である。図２の変状検出装置への光ファイバケーブルの固定方法を説明するための図である。図２の変状検出装置において損失発生部が光ファイバケーブルに屈曲を与える状態を示す図である。図２の変状検出装置における損失発生部の回転動作を示す図である。図２の変状検出装置への光ファイバケーブルの設置方法を説明するための図であり、（ａ）は設置前、（ｂ）は設置途中、（ｃ）は設置後をそれぞれ示す。図２の変状検出装置の実際の敷設方法において、回転防止治具を取り付けた状態を後方から見た外観図である。図２の変状検出装置にカバーを取り付けた状態を右側方から見た外観図である。本発明の実施の形態に係る光ファイバ式変状検出システムの全体構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態の拡張例に係る光ファイバ式変状検出システムの全体構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態に係る光ファイバ式変状検出システムにおけるＯＴＤＲによるトレースデータを示すグラフである。図２の変状検出装置における損失発生部の回転動作による光ファイバケーブルにおける光の損失の発生を示す図であり、（ａ）は光ファイバケーブルにおける光の損失の発生を示すグラフ、（ｂ）はストッパーの作動状態を示す図である。本発明の実施の形態に係る光ファイバ式変状検出システムにおける損失発生確認試験の試験構成を示すブロック図である。図１６の損失発生確認試験における距離と反射光量の関係を示すグラフである。図１６の損失発生確認試験におけるストッパーと損失発生部の間の距離と発生する光の損失の関係を説明するための図であり、（ａ）はストッパーと損失発生部の間の距離を示す図、（ｂ）は試験結果におけるストッパーと損失発生部の間の距離と発生する光の損失の関係を示すグラフである。

符号の説明

１河川、２堤防、３法面、４金属管、５光ファイバケーブル、
６変状検出ユニット、７ロッド、８ブロック、１２ＯＴＤＲ、
６６固定用アンカー、６６Ａ台座、６９変状検出装置、７０損失発生部、７１リンク機構、７２ケーブル固定台、７２Ａ台座部、７３ストッパー、
７４回転軸、７５金属性カバー、７６スペーサ、７８圧縮ばね

Claims

監視対象物の変状を光ファイバケーブルを伝播する光の損失により監視する光ファイバ式変状検出装置において、
光ファイバケーブルと、
前記光ファイバケーブルの長手方向を少なくとも２点で保持することにより該光ファイバケーブルが固定されるケーブル固定台と、
前記ケーブル固定台に、所定の回転軸を中心に前記長手方向と直交する方向に回転可能に設けられ、一端側が前記監視対象物の変状により移動する負荷に連結されて該負荷の移動によって前記直交する方向に所定角度まで回転することにより他端側が前記光ファイバケーブルに当接した後該光ファイバケーブルを屈曲させて損失を発生させる損失発生部材と、
前記損失発生部材が前記所定角度を超えて回転することを防止するストッパーと、
前記ケーブル固定台の前記２点の保持点間における前記損失発生部材が前記光ファイバケーブルへ当接する位置を位置決めする位置決め手段と、を有することを特徴とする光ファイバ式変状検出装置。
請求項１記載の光ファイバ式変状検出装置において、前記所定角度とは、前記損失発生部材が前記光ファイバケーブルを屈曲させるが該光ファイバケーブルを破断するには至らない範囲の角度であることを特徴とする光ファイバ式変状検出装置。
請求項１又は２記載の光ファイバ式変状検出装置において、前記位置決め手段は、前記回転軸に前記損失発生部材の両側からそれぞれ取り付けられた圧縮ばねとスペーサから構成されることを特徴とする光ファイバ式変状検出装置。
請求項１乃至３記載の光ファイバ式変状検出装置において、前記損失発生部材は、リンク機構を介した連結部材により前記負荷と連結されていることを特徴とする光ファイバ式変状検出装置。
請求項１乃至４記載の光ファイバ式変状検出装置が少なくとも１本のラインを構成する前記光ファイバケーブルの所定の間隔ごとに複数設けられ、それぞれ前記監視対象物の所定の間隔ごとに複数設けられた負荷に連結されると共に、前記少なくとも１本のラインを構成する光ファイバケーブルを伝播する光の損失を監視する光監視装置を備えていることを特徴とする光ファイバ式変状検出システム。