JP4865423B2 - 光ファイバセンサおよびそれを用いた歪み測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の歪みを検知する光ファイバ型センサ技術と歪みの測定検知技術に関する。

従来、例えばトンネル等の構造物（以下、被測定物という）に発生する歪みの計測など、広範囲にわたる歪み計測や、多数の地点に及ぶ歪み計測を行う場合、一般的には、センサとして電力供給により稼動する歪みゲージなどを被測定物の表面に設置し、それぞれの歪みゲージの値をモニタする方法が用いられている（従来技術１）。しかしながらこの方法では、多数の歪みゲージを設置する必要があると共に、モニタの大きな稼動が必要であり、さらに、屋外で用いる際は電気的なノイズの影響への対策なども必要となる。

そこで近年、センサ自体への電源の供給が不要で、電気的なノイズの影響がなく、被測定物の長手方向の歪み分布測定が可能である光ファイバセンサによる歪み分布測定を行う方法の開発が進められている。特に、光ファイバの後方散乱光をモニタする方法が大きく進展している。つまり、石英ガラス系の光ファイバのブリルアン散乱光は周波数のシフト量が歪みに比例して変化する。このことを利用し、光ファイバ歪み分布測定器（B−OTDR：Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）と呼ばれる試験器を用いて光ファイバ内に発生する歪みとその位置を光ファイバ片端から連続的に測定して、被測定物の歪みの量と位置とを測定する。この方法では長尺の光ファイバセンサ１本と光ファイバ歪み分布測定器を１台用いれば、数ｋｍにおよぶ被測定物の歪みの分布測定が可能になる（従来技術２）。

なお、上記従来技術１及び従来技術２による歪み測定結果を比較した文献として、例えば、非特許文献１がある。

Kurashima、他著、「Application of fiber optic distributed sensor for strain measurement in civil engineering」、Proceedings of SPIE、Vol.3241、OFT2004-3、PP.247-258 安江、他著、「光ファイバを用いたコンクリート管ひずみ計測」、信学技報、OFT99-1、PP.1-6 大薗、他著、「低曲げ損失ボーリーファイバの実用化検討」、レーザ研究、vol.34、no.1、2006年、pp.26-30 坂東、他著、「ホーリーファイバを用いた宅内配線向け光部品」、レーザ研究、vol.34、no.1、2006年、pp.52-56

しかしながら、上記従来技術２による測定評価には、測定の距離分解能が主に光ファイバ歪み分布測定器の最小距離分解能である１ｍ程度に限定されるという問題点がある。この問題を解決するために、例えば、光ファイバの可とう性を利用し、被測定物の１ｍより短い箇所に対して歪み分布測定を行う場合には、光ファイバに対して２０〜３０ｃｍ周期で緩やかな曲げを与え折り返して被測定物に接着し、その後光ファイバ歪み分布測定器により測定を行い、擬似的に距離分解能を向上させる方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

しかしながら、非特許文献２の歪み分布測定方法についても、光ファイバを急激に折り曲げると損失が増加するため、光ファイバの折り返し点では、ある程度の大きさの曲げ径を確保する必要がある。従って、特に、広い範囲で複数箇所にわたって歪み測定を行う場合、光ファイバを直線状に接着する場合と比べて、被測定物へのファイバの接着施工作業が非常に煩雑となる。さらには、一定以上の表面積がない被測定物（被測定箇所）には、この方法の適用自体が非常に困難となってしまう。

以上のように、光ファイバ歪み分布測定器と光ファイバセンサを用いた歪みの測定方法においては、距離分解能が１ｍ程度以上に限定され、これより狭い範囲での歪み測定を行う場合には、被測定物への光ファイバの接着において、煩雑な施工処理が必要となる。さらには、表面積が狭い被測定物、例えば細長い円柱状の物体などの長手方向の歪み分布を測定する場合、前記の施工処理自体が非常に困難になってしまう。

本発明は前述した課題に鑑みて、光ファイバ歪み分布測定器の距離分解能以下で歪みの分布測定を簡易に実現できる取り扱いの容易な光ファイバセンサを提供すること、細長い円柱状の物体などの長手方向の歪み分布を光ファイバ歪み分布測定器の距離分解能以下で測定する方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決する第１の発明に係る光ファイバセンサは、円柱状の剛体と、前記剛体の表面に一定のピッチ周期で螺旋状に巻きつけられる光ファイバとから構成される光ファイバセンサであって、前記光ファイバは、１．３μｍ帯零分散ファイバであり、片端に前記光ファイバのブリルアン散乱光の周波数シフト量を測定する測定手段が接続されると共に、前記剛体の表面に密着した状態で接着固定され、且つ、前記剛体の表面に巻きつけられる前記光ファイバの光ファイバ長が前記測定手段の最小距離分解能以上の長さであり、前記剛体の半径と前記螺旋のピッチ長との比が４以上６以下であることを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係る光ファイバセンサは、円柱状の剛体と、前記剛体の表面に一定のピッチ周期で螺旋状に巻きつけられる光ファイバとから構成される光ファイバセンサであって、前記光ファイバは、空孔アシスト光ファイバであり、片端に前記光ファイバのブリルアン散乱光の周波数シフト量を測定する測定手段が接続されると共に、前記剛体の表面に密着した状態で接着固定され、且つ、前記剛体の表面に巻きつけられる前記光ファイバの光ファイバ長が前記測定手段の最小距離分解能以上の長さであり、前記剛体の半径と前記螺旋のピッチ長との比が２以下であることを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る光ファイバセンサは、上記第１又は第２の発明に係る光ファイバセンサにおいて、前記剛体の表面に前記光ファイバを螺旋状且つ密着した状態で接着固定して構成されるセンサ部における前記光ファイバの曲率半径が１５ｍｍ以下であることを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係る光ファイバセンサは、上記第１乃至第３のいずれかの発明に係る光ファイバセンサにおいて、前記剛体の表面に前記光ファイバを螺旋状且つ密着した状態で接着固定して構成されるセンサ部の近傍に、温度モニタ手段として、前記測定手段の最小距離分解能以上の長さを有する前記光ファイバを配設したことを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係る光ファイバセンサを用いた歪み測定方法は、上記第１乃至第４のいずれかの発明に係る光ファイバセンサを用いて被測定物の歪みを測定する方法であって、前記光ファイバを前記剛体の表面に前記測定手段の距離分解能以上の長さで螺旋状且つ密着した状態で接着固定して構成されるセンサ部を前記被測定物に接着固定し、前記測定手段により前記光ファイバのブリルアン散乱光の周波数のシフト量を測定し、前記被測定物の歪み分布を得ることを特徴とする。

上述した課題を解決する第６の発明に係る光ファイバセンサは、片端にブリルアン散乱光の周波数のシフト量の測定を行う測定手段が接続された光ファイバからなり、被測定物として円柱状の剛体の歪み分布を測定する光ファイバセンサであって、前記光ファイバは、１．３μｍ帯零分散ファイバであり、該光ファイバを前記被測定物の表面に一定のピッチ周期で螺旋状に巻きつけると共に、前記被測定物の表面に密着した状態で接着固定し、且つ、前記被測定物の表面に巻きつけられる前記光ファイバの光ファイバ長が、前記測定手段の最小距離分解能以上の長さであり、前記剛体の半径と前記螺旋のピッチ長との比が４以上６以下であることを特徴とする。

上述した課題を解決する第７の発明に係る光ファイバセンサは、片端にブリルアン散乱光の周波数のシフト量の測定を行う測定手段が接続された光ファイバからなり、被測定物として円柱状の剛体の歪み分布を測定する光ファイバセンサであって、前記光ファイバは、空孔アシスト光ファイバであり、該光ファイバを前記被測定物の表面に一定のピッチ周期で螺旋状に巻きつけると共に、前記被測定物の表面に密着した状態で接着固定し、且つ、前記被測定物の表面に巻きつけられる前記光ファイバの光ファイバ長が、前記測定手段の最小距離分解能以上の長さであり、前記剛体の半径と前記螺旋のピッチ長との比が２以下であることを特徴とする。

上述した課題を解決する第８の発明に係る光ファイバセンサは、上記第６又は第７のいずれかの発明に係る光ファイバセンサにおいて、前記被測定物の表面に前記光ファイバを螺旋状且つ密着した状態で接着固定した部分の近傍に、温度モニタ手段として、前記測定手段の最小距離分解能以上の長さを有する前記光ファイバを配設したことを特徴とする。

上述した課題を解決する第９の発明に係る光ファイバセンサを用いた歪み測定方法は、上記第６乃至第８のいずれかの発明に係る光ファイバセンサを用いて被測定物の歪みを測定する方法であって、前記光ファイバを前記被測定物の表面に前記測定手段の距離分解能以上の長さで一定のピッチ周期で螺旋状に巻きつけ、前記被測定物に密着させた状態で接着固定し、前記測定手段により前記光ファイバのブリルアン散乱光の周波数のシフト量を測定し、前記被測定物の歪み分布を得ることを特徴とする。

上述した本発明に係る光ファイバセンサ及び光ファイバセンサを用いた歪み測定方法によれば、従来の分解能よりも高い精度で歪み測定を行うことが可能となる。

具体的には、上記第１〜第５の発明に係る光ファイバセンサ及びこれを用いた歪み測定方法によれば、円柱形状の支持用の剛体に、光ファイバが螺旋状に巻きつけられて接着固定された構造を持つので、センサ部の長さ、例えば、支持用の剛体の長手方向の長さに対して、これよりもｋ倍（ｋ＞１）長い光ファイバを剛体の表面に巻きつけることができるため、歪み分布測定器の最小距離分解能が例えば１ｍである場合、センサ部の長さが１ｍより短い場合であっても、１ｍ以上の長さの光ファイバによって歪みの測定を行うことができる。従って、本発明に係る光ファイバセンサのセンサ部を被測定物に直線状に固定して歪みの測定を行う場合であっても、測定手段、例えば光ファイバ歪み分布測定器の最小距離分解能の１／ｋ小さい距離分解能で歪みを測定することが可能になる。

さらに、螺旋のピッチ周期を剛体の半径に対応して適切な範囲の値に調整することで、歪みの測定感度の低下（測定で検知可能な最小歪みの増加）を抑制することができる。また、光ファイバの曲率半径を１５ｍｍ以下とすれば、光ファイバの曲げ損失を０．０１ｄＢ以下程度に抑制することが可能であると共に、より理論値に近い動作を得ることができる。

また、上記第６〜第９の発明に係る光ファイバセンサによれば、被測定物に測定手段の距離分解能より長尺な光ファイバを螺旋状に巻きつけて接着固定し、光ファイバのブリルアン散乱光の周波数のシフト量を測定する測定手段を用いて歪み測定を行うので、被測定箇所の長さに対して、これよりもｋ倍（ｋ＞１）長い光ファイバによって歪み測定を行うことができるため、上記第１〜第４の発明の光ファイバセンサと同様、距離分解能の向上効果を得ることができる。

以下に、本発明の最良の形態に係る光ファイバセンサ及び円柱形状の剛体の長手方向の歪み分布を測定する方法について図面を用いて具体的に説明する。

まず、本実施形態に係る光ファイバセンサの基本的な構成と光ファイバ歪み分布測定器により測定された際の距離分解能の向上の原理について説明する。

図１に本実施形態に係る剛体と光ファイバとからなる光ファイバセンサの概略の構造の一例を示す。図１に示すように、本実施形態に係る光ファイバセンサは、円柱状の支持体である剛体１１に光ファイバ２を螺旋状に巻きつけた構成（以下、螺旋巻きともいう）となっており、センサとなる光ファイバ部分（以下、センサ部）３には、センサ部３全体を保護する被覆部材４が設けられている。光ファイバ２の片端は測定手段としての光ファイバ歪み分布測定器５に接続されている。なお、図１においては、被覆部材４は剛体１１の両端から間隔をおいて設けられているが、例えば、剛体１１の両端まで覆う構成としても構わない。

具体的には、一様な半径を有する剛体１１の表面に、一様なピッチ周期で光ファイバ２が螺旋巻きされている。光ファイバ２は、剛体１１に密着した状態で接着剤などによって該剛体１１に接着されている。剛体１１の表面は凹凸のない円滑な状態でもよいし、光ファイバを接着するためのガイド、例えば、均一な深さの螺旋状の溝を設けた状態としてもよい。さらに、光ファイバセンサはセンサ部全体を保護する被覆部材４と一体化されていることが望ましい。なお、光ファイバ歪み分布測定器５は、光ファイバ２内に発生する歪みとその位置を光ファイバ２の片端から連続的に測定することで被測定物の歪み測定を行うものである。

本実施形態に係る光ファイバセンサを用いて被測定物の歪み分布測定を行う際は、剛体１１あるいは被覆部材４と、被測定物とを直接に接着固定して使用する。光ファイバ２が一様な半径およびピッチ周期で螺旋巻きされている範囲においては、接続部や接着面を設けるなど、被測定物との接続や接着を容易にするために剛体１１や被覆部材４の外径形状を適宜加工してもよい。また、剛体１１は等方性の均一な固体材料であることが望ましく、応力に対する応答の感度を向上させるために、強度に問題が生じない範囲で剛体１１の軸心部に均一な径の穴を設け、中空構造とした状態で用いても良い。

また、光ファイバ２は途中での破断を避けるために、心線自体がＵＶ硬化性樹脂やカーボンコートなどによって通信用として用いられる光ファイバと同様に表面を被覆されている状態であることが望ましい。また、剛体１１の圧縮歪みへの応答と初期の歪みの均一化のために、剛体１１への巻きつけの際に光ファイバ２に加える張力は適切な範囲の一定値であることが望ましいが、光ファイバセンサの歪みの初期分布に多少の不均一性が残った場合であっても、該初期分布を最初に光ファイバ歪み分布測定器５で測定して記録しておけば、これとの比較によって歪みの変化を判定できるので、実用上の問題は生じない。

光ファイバ歪み分布測定器５の距離分解能を考慮して、螺旋巻きされた部分の光ファイバ長は１ｍ以上の任意の値とすればよく、測定の必要に応じて、螺旋巻き部分を十分に長くしてもよく、また光ファイバ歪み分布測定器５のダイナミックレンジの及ぶ範囲で、任意の形状や長さの光ファイバの区間を挟んだ構造や、異なる周期の螺旋巻き構造の部分を周期的に繰り返す構造などとすることも可能である。

次に、図２に基づき本実施形態に係る光ファイバセンサの他の例として、被測定物としての細長い円柱状の剛体の歪みを測定する例を詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る光ファイバセンサの他の例の概略構成を示す図である。

図２に示すように、細長い円柱状の被測定物である剛体２１の歪み分布を測定する場合、剛体２１自体に一端が光ファイバ歪み分布測定器５に接続された光ファイバ２を螺旋状に巻きつけて接着して剛体２１の歪み分布測定を行う。さらに、必要な場合には、剛体２１及び光ファイバ２の外側を図示しない被覆部材で覆って用いることができる。なお、図２に示す剛体２１は、固体材料全般であり、等方性の均一な固体材料に限定されるものではない。

次に、本実施形態の原理を説明する。図３は図１又は図２に示した光ファイバを螺旋巻きした部分の部分拡大図である。図３に示すように、本実施形態の光ファイバセンサにおいて、円柱状の剛体３１（図１の剛体１１、又は図２の剛体２１に相当）の中心から光ファイバ心線までの距離、即ち螺旋の半径をｒ、螺旋のピッチ周期をＰとすると、単位構造３０中、つまり１巻き当たりの光ファイバ長Ｌは以下に示す（１）式で表される。
Ｌ＝（Ｐ²＋（２πｒ）²）^1/2 …（１）
このとき光ファイバ２に与えられる曲率半径Ｒは、以下に示す（２）式で表される。
Ｒ＝Ｌ²／（２π）²ｒ …（２）

ここで例えば、応力によって剛体３１の長手方向に伸び歪みε_s（＞０）が生じた場合、この剛体３１の変形に伴い、光ファイバが形成する螺旋のピッチ長は以下に示す（３）式のＰ₁に拡大する。
Ｐ₁＝（１＋ε_s）Ｐ …（３）
また、螺旋の半径は以下に示す（４）式のｒ₁に縮小する。
ｒ₁＝（１−με_s）ｒ …（４）
ただし、ここでμ（＞０）は剛体３１の材料のポアソン比である。
単位構造３０中の光ファイバ２の全長は以下に示す（５）式のＬ₁に変化する。
Ｌ₁＝（Ｐ₁ ²＋（２πｒ₁）²）^1/2 …（５）

これにより、光ファイバ２自体の歪みε_fは以下に示す（６）式で与えられる。
Ｌ₁／Ｌ＝（Ｐ₁ ²＋（２πｒ₁）²）^1/2／（Ｐ²＋（２πｒ）²）^1/2＝１＋ε_f …（６）
（６）式の両辺を二乗し、歪みε_fの二乗の項は他の項と比べて十分小さいので、これらを０と近似すると、剛体３１の伸び歪みε_sと光ファイバ２の歪みε_fとの関係式として（７）式が得られる。
ε_f＝（Ｘ²−（２π）²μ）／（Ｘ²＋（２π）²）・ε_s＝Ｑε_s …（７）
ここで、Ｘ＝Ｐ／ｒであり、初期状態の光ファイバ２の螺旋の半径ｒとピッチ長Ｐとから与えられる定数（以下、比例定数Ｘという）である。

（７）式から、光ファイバ２の歪みε_fの正負は比例定数Ｘの値によって変化する、即ち、剛体の受ける歪みが伸び歪みであっても、光ファイバ２自体は伸び歪みの場合も圧縮歪みの場合もあり得ることがわかる。具体的には、ピッチ長Ｐが螺旋の半径ｒに比べて十分大きいときは剛体３１の伸び歪みε_sと光ファイバ２の歪みε_fとは正負が等しく、螺旋の半径ｒがピッチ長Ｐに比べて十分大きいときは剛体３１の伸び歪みε_sと光ファイバ２の歪みε_fとは正負が異なる。

さらに、（７）式に示す剛体３１の伸び歪みε_sと光ファイバ２の歪みとの比例定数Ｑは、剛体３１の歪みε_sに対する光ファイバ２の歪みε_fの感度を表すと考えられ、光ファイバ歪み分布測定器５を用いた歪み測定においては、歪みの検知感度を保つために、比例定数Ｑの絶対値ができるだけ１に近い値になるような半径ｒとピッチ長Ｐとの関係を有する螺旋形状を用いることが望ましい。

なお光ファイバ歪み分布測定器５で検知可能な最小歪みは、非特許文献２に記載されているように波長１．５５μｍでの測定時で、一般に３×１０^-5程度（１．５ＭＨｚ周波数シフト量に対応）である。

一方、本実施形態に係る光ファイバセンサにおいて、光ファイバ歪み分布測定器５による測定時の距離分解能には、単位構造３０中の剛体３１の長さＰと光ファイバ２の長さＬの比ｋ（以下、比例定数ｋ）が関係し、比例定数ｋができるだけ大きくなるような螺旋形状の光ファイバセンサを用いることが望ましい。このとき、光ファイバ歪み分布測定器５の距離分解能をΔｌとすると、本実施形態における光ファイバセンサはΔｌ／ｋの距離分解能を得ることが可能になる。
比例定数ｋは以下に示す（８）式によって表される。
ｋ＝Ｌ／Ｐ＝（１＋（２π／Ｘ）²）^1/2 …（８）
また、上述した（２）式で示した光ファイバ２に与えられる曲率半径Ｒは、比例定数Ｘを用いて以下に示す（９）式によって表される。
Ｒ＝Ｌ²／（２π）²ｒ＝（１＋（Ｘ／２π）²）ｒ …（９）

図４は（７）式から算出した比例定数Ｘと比例定数Ｑの関係を表すグラフである。一般に固定材料のポアソン比μは０．２〜０．４程度の値をとるので、ポアソン比μの値をパラメータとして、それぞれについて比例定数Ｘと比例定数Ｑの関係を算出した。また、図５は（８）式から算出した比例定数Ｘと比例定数ｋの関係を表すグラフである。

図５から、比例定数Ｘを約６以下とすれば、比例定数ｋは約１．４以上の値となり、測定の距離分解能を約０．７×Δｌ以下に向上させることができる。ただし、図４から、比例定数Ｘ＝３の近傍ではポアソン比μの値によらず比例定数Ｑの絶対値が小さくなり、測定感度が低下する虞があるので、（ｉ）比例定数Ｘが４以上６以下程度、又は（ii）比例
定数Ｘが２以下程度、という二つの領域が、測定に適した比例定数Ｘの領域となる。なお、上記（ｉ）の領域ではポアソン比μの小さな材料を、上記（ii）の領域ではポアソン比μの大きな材料を、剛体材料として用いることが望ましい。

上記のほかに、光ファイバセンサの特性上問題となる点としては、剛体３１の径と光ファイバ２の曲げ損失の関係が挙げられる。即ち、応力に対する応答を向上させる観点からは、剛体の径、つまり螺旋の半径ｒは小さいほうが望ましいが、螺旋の半径ｒが小さくなると（８）式から得られる曲率半径Ｒも小さくなる。通常、光ファイバ歪み分布測定器５では波長１．５５μｍの測定光が用いられるので、波長１．５５μｍでの光ファイバの曲げ損失の発生によって測定可能距離が短くなる虞があるという問題が生じる。

本実施形態に係る光ファイバセンサの場合、被測定対象物のサイズにもよるが、数十から数万回程度の螺旋巻き回数が想定される。光ファイバ歪み分布測定器５のダイナミックレンジを考慮すれば、曲率半径Ｒに対する光ファイバ２の１巻き当たりに生じる曲げ損失が０．０１ｄＢ以下であることが望ましい。従って、以下の実施例で述べるように、必要となるセンサ長と曲げ損失を予め考慮して、螺旋の半径ｒの値をできるだけ小さい値に設定すれば良い。

本実施形態では、光ファイバ２として、１．３μｍ帯零分散ファイバ（ＳＭＦ：Single Mode Fiber）または空孔アシスト光ファイバ（ＨＡＦ：Hole−assisted Fiber）を使用すると好適であるが、これらの曲げ損失特性については、例えば、非特許文献３、非特許文献４等に記載されている。

即ち、１．３μｍ帯零分散ファイバは、曲率半径Ｒ＝１５ｍｍ程度で１巻き当たりの曲げ損失が０．０１ｄＢに達するのに対し、一般に空孔アシスト光ファイバは、１．３μｍ帯零分散ファイバと同等のＧｅＯ₂濃度と外径を有するコアを持ち、その光ファイバのコアの周囲に配置される空孔によって光の閉じ込めが非常に強くなっており、曲率半径Ｒ＝５ｍｍの条件でも１巻き当たりの曲げ損失を０．００１ｄＢのオーダーに抑制することが十分に可能な構造となっている。

本発明の第１の実施例を説明する。本実施例は、例えば、図１〜図３に示し上述した実施形態の構成に適用されるものであり、光ファイバ２として１．３μｍ帯零分散ファイバを使用した場合の光ファイバセンサの設計パラメータの一例に関するものである。

例えば、螺旋巻きのパラメータである比例定数Ｘ＝Ｐ／ｒの領域を４以上６以下（４≦Ｘ≦６）程度とする場合、以下のようなパラメータ設計が可能になる。

比例定数Ｘ＝５のとき、螺旋の半径ｒ＝１１ｍｍとすれば、上述した（８）式から比例定数ｋ＝１．６、（９）式から１．３μｍ帯零分散ファイバの曲率半径Ｒ＝１８ｍｍとなる。また、（７）式で仮にポアソン比をμ＝０．３とすると比例定数Ｑ＝０．２となる。

曲率半径Ｒ＝１８ｍｍのとき、１．３μｍ帯零分散ファイバの曲げ損失は、構造パラメータにも依存するが、１巻き当たり０．００１ｄＢ程度に抑えることが可能である。従ってセンサの損失を１ｄＢ程度許容するとすれば、５００〜１０００巻き程度が可能となる。つまり、螺旋のピッチ長Ｐ＝５５ｍｍなのでセンサ長としては２５〜６０ｍ程度まで長尺化が可能である。

このときの比例定数Ｑと比例定数ｋの値から、歪みの測定感度は光ファイバ歪み分布測定器自体の感度の２０％程度になるものの、仮に光ファイバ歪み分布測定器の距離分解能を１ｍとすれば、本実施例に係る光ファイバセンサによる測定の分解能を約６０ｃｍに向上する。なお、光ファイバ歪み分布測定器で観測される歪みの値をｙ（％）とすると、実際の歪み分布の値はｙ／Ｑ（％）である。

本発明の第２の実施例を説明する。本実施例は、例えば、図１〜図３に示し上述した実施形態の構成に適用されるものであり、光ファイバ２として空孔アシスト光ファイバを使用した光ファイバセンサの設計パラメータの一例に関するものである。

例えば、螺旋巻きのパラメータである比例定数Ｘ＝Ｐ／ｒの領域を２以下（Ｘ≦２）程度とする場合、以下のようなパラメータ設計が可能になる。

比例定数Ｘ＝１．３のとき、螺旋の半径ｒ＝５．０ｍｍとすれば、（８）式から比例定数ｋ＝４．９、（９）式から空孔アシスト光ファイバの曲率半径Ｒ＝５．２ｍｍとなる。また（７）式で仮にポアソン比をμ＝０．３とすると比例定数Ｑ＝−０．２５となる。

空孔アシスト光ファイバの曲げ損失は空孔の径に依存するが、曲率半径Ｒ＝５．２ｍｍのとき、波長１．５５μｍにおいて１巻き当たり０．０００１ｄＢ程度に抑えることが可能である。また、空孔アシスト光ファイバ自体の伝送損失も１．３μｍ帯零分散ファイバよりはやや高いものの、波長１．５５μｍで１ｄＢ／ｋｍ程度の損失値を得ることが十分に可能である。

従って、本実施例に係る光ファイバセンサの損失を１ｄＢ程度許容するとすれば、空孔アシスト光ファイバ自体の損失を考慮しても、５０００〜８０００巻き程度が可能となる。つまり、ピッチ長Ｐ＝６．５ｍｍであるから、センサ長としては３０〜５０ｍ程度まで長尺化が可能である。このときの比例定数Ｑと比例定数ｋの値から、歪みの測定感度は光ファイバ歪み分布測定器自体の感度の２５％程度になるものの、仮に光ファイバ歪み分布測定器の距離分解能を１ｍとすれば、本実施例による歪み分布測定の分解能は約２０ｃｍに向上する。

空孔アシスト光ファイバについては、上述したように曲げ損失を非常に小さくすることができるので、センサ長が１５ｍ程度以下の長さでよい場合は、比例定数Ｘ＝０．６、螺旋の半径ｒ＝５．０ｍｍといったパラメータを選択することも可能である。このとき比例定数ｋ＝１０．５、曲率半径Ｒ＝５．０ｍｍ、比例定数Ｑ＝−０．２９、Ｐ＝３．０ｍｍ（螺旋５０００巻き程度）となる。なお、ポアソン比μ＝０．３とした。

このときの比例定数Ｑと比例定数ｋの値から、歪みの測定感度は光ファイバ歪み分布測定器自体の感度の３０％程度となるものの、仮に光ファイバ歪み分布測定器の分解能を１ｍとすれば、測定の分解能は約１０ｃｍに向上する。なお、光ファイバ歪み分布測定器で観測される歪みの値をｙ（％）とすると、実際の歪み分布の値はｙ／Ｑ（％）である。

なお、上述した実施例１及び実施例２は、センサ部の温度が比較的均一であり、剛体の熱膨張が無視できる条件においてのものである。例えば、非特許文献１に記載されているように、波長１．５５μｍの測定光による測定時において、１．３μｍ帯零分散ファイバでは歪み１％の変化に対して、ブリルアン散乱光の周波数のシフト量の変化は約４９３ＭＨｚ生じ、両者の関係は直線で近似できる。

従って、例えば実施例１に係る光ファイバセンサにおいて、剛体の熱膨張を考慮する必要がある場合には、この比例定数４９３ＭＨｚ／％と（６）式の比例定数Ｑの値から歪みを求めればよい。実施例２に係る光ファイバセンサにおいても同様である。

剛体のサイズや光ファイバ被覆の材質などによって、これらの比例定数１．３μｍ帯零分散ファイバのブリルアン散乱光の周波数シフト量変化及び比例定数Ｑから求められる値と、実際の歪みの値とでは若干のずれが生じることもあり得るが、より厳密な歪みの絶対値評価が必要なときは、事前に他の歪みゲージなどを用いた比較測定によって校正を行い、歪みと周波数シフトに関する比例定数をあらかじめ実験的に求めておき、これを用いることによって、より正確な評価が可能となる。

本発明の第３の実施例を図６に基づいて説明する。図６は本実施例に係る光ファイバセンサの構成の概略を示す模式図である。以下、図１〜３に示し上述した部材と同一の部材については同一符号を用いて適宜説明を省略し、異なる部材を中心に説明する。

本実施例は、センサ部５の温度（センサの布設環境温度）が初期値から無視できない程度に変化し、剛体５１の熱膨張の影響も考慮する必要がある場合についてのものである。このような場合は図６に示すような光ファイバ及び測定系の構成が好適となる。

図６に示すように、本実施例に係る光ファイバセンサは、円柱状の支持体である剛体５１の表面に、一定のピッチ周期で光ファイバ２を密着させ接着固定して構成されている。さらに、センサ部３の近傍には温度モニタ部６が設けられている。温度モニタ部６は、例えば光ファイバ２を緩やかに束取りした状態とするなど、温度モニタ部６の近傍に張力をかけずに光ファイバ歪み分布測定器５の距離分解能、例えば、１ｍ以上の長さの光ファイバを配置すればよい。

例えば、光ファイバ２として１．３μｍ帯零分散ファイバを用いる場合、非特許文献１に記載されているように、波長１．５５μｍの測定光による測定時に１．３μｍ帯零分散ファイバでは温度１℃に対して、ブリルアン散乱光の周波数シフト量変化が約１．２ＭＨｚ生じる。従って、上述した実施形態で説明した光ファイバセンサにおいても、布設環境の温度変化が大きいと、歪みの測定の誤差要因になり得ると考えられる。なお、温度と上記周波数シフト量変化の関係は直線で近似できる。

そこで、本実施例では、温度モニタ部６において温度ｔのみによる周波数シフト量ΔνＴ（ｔ）を検知し、光ファイバ２とセンサ部３の温度が等しいと仮定して、センサ部３で観測される周波数シフト量Δν（＝ΔνＴ（ｔ）＋Δνε）から温度ｔのみによる周波数シフト量（ΔνＴ（ｔ））を減算して、外的な歪みによる周波数シフト量Δνεを求める。

さらに、使用環境や剛体５１の材質によって、外的な歪みによる周波数シフト量に剛体５１の熱膨張による歪みΔνｈ（ｔ）が誤差要因として影響する可能性がある場合は、あらかじめ、センサ部３の周波数シフト量（ΔνＴ（ｔ）＋Δνｈ（ｔ））の温度ｔに対する依存性を、外的な歪みを与えない状態で事前に実験的に求めておき、実際の使用時にセンサ部３で観測される周波数シフト量Δν（＝ΔνＴ（ｔ）＋Δνｈ（ｔ）＋Δνε）からこの分を減算して、外的な歪みによる周波数シフト量Δνεを求めればよい。

なお、このときのセンサ部３の温度ｔは温度モニタ部６の周波数シフト量ΔνＴ（ｔ）から逆算して求めればよい。この際は、当然ながら温度モニタ部６を用いる代わりにセンサ部３の近傍で温度計を実際に用いて温度ｔを測定しても構わない。

上述した本実施例によれば、センサ部５の温度（センサの布設環境温度）が初期値から無視できない程度に変化し、剛体５１の熱膨張の影響も考慮する必要がある場合であっても、布設環境の温度変化によって歪み測定に誤差が生じることを防止することができる。

なお、本実施例は図１に示して上述した構成に温度モニタ部を設置する例を説明したが、図２に示した構成において温度モニタ部を設置すれば、上述した本実施例の効果と同様の効果が得られることはいうまでもない。

本発明は、各種の建造物などに対する光ファイバ歪み分布測定器を用いた歪み分布測定に利用可能である。

本発明の実施形態における光ファイバセンサの概略の構造の一例を示す模式図である。 本発明の実施形態における歪み分布測定の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態における光ファイバセンサの単位構造を示す部分拡大図である。 比例定数ＸとパラメータＱとの関係を示すグラフである。 比例定数Ｘと比例定数ｋとの関係を示すグラフである。 本発明で用いる光ファイバセンサの概略の構造の一例を示す模式図である。

符号の説明

１１，２１，３１，５１ 剛体
２ 光ファイバ
３ センサ部
４ 被覆部材
５ 光ファイバ歪み分布測定器
６ 温度モニタ部

Claims (9)

1. 円柱状の剛体と、前記剛体の表面に一定のピッチ周期で螺旋状に巻きつけられる光ファイバとから構成される光ファイバセンサであって、
   前記光ファイバは、１．３μｍ帯零分散ファイバであり、片端に前記光ファイバのブリルアン散乱光の周波数シフト量を測定する測定手段が接続されると共に、前記剛体の表面に密着した状態で接着固定され、且つ、前記剛体の表面に巻きつけられる前記光ファイバの光ファイバ長が前記測定手段の最小距離分解能以上の長さであり、前記剛体の半径と前記螺旋のピッチ長との比が４以上６以下である
   ことを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 円柱状の剛体と、前記剛体の表面に一定のピッチ周期で螺旋状に巻きつけられる光ファイバとから構成される光ファイバセンサであって、
   前記光ファイバは、空孔アシスト光ファイバであり、片端に前記光ファイバのブリルアン散乱光の周波数シフト量を測定する測定手段が接続されると共に、前記剛体の表面に密着した状態で接着固定され、且つ、前記剛体の表面に巻きつけられる前記光ファイバの光ファイバ長が前記測定手段の最小距離分解能以上の長さであり、前記剛体の半径と前記螺旋のピッチ長との比が２以下である
   ことを特徴とする光ファイバセンサ。
3. 請求項１又は請求項２記載の光ファイバセンサにおいて、
   前記剛体の表面に前記光ファイバを螺旋状且つ密着した状態で接着固定して構成されるセンサ部における前記光ファイバの曲率半径が１５ｍｍ以下である
   ことを特徴とする光ファイバセンサ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光ファイバセンサにおいて、
   前記剛体の表面に前記光ファイバを螺旋状且つ密着した状態で接着固定して構成されるセンサ部の近傍に、温度モニタ手段として、前記測定手段の最小距離分解能以上の長さを有する前記光ファイバを配設した
   ことを特徴とする光ファイバセンサ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光ファイバセンサを用いて被測定物の歪みを測定する方法であって、
   前記光ファイバを前記剛体の表面に前記測定手段の距離分解能以上の長さで螺旋状且つ密着した状態で接着固定して構成されるセンサ部を前記被測定物に接着固定し、前記測定手段により前記光ファイバのブリルアン散乱光の周波数のシフト量を測定し、前記被測定物の歪み分布を得る
   ことを特徴とする光ファイバセンサを用いた歪み測定方法。
6. 片端にブリルアン散乱光の周波数のシフト量の測定を行う測定手段が接続された光ファイバからなり、被測定物として円柱状の剛体の歪み分布を測定する光ファイバセンサであって、
   前記光ファイバは、１．３μｍ帯零分散ファイバであり、該光ファイバを前記被測定物の表面に一定のピッチ周期で螺旋状に巻きつけると共に、前記被測定物の表面に密着した状態で接着固定し、且つ、前記被測定物の表面に巻きつけられる前記光ファイバの光ファイバ長が、前記測定手段の最小距離分解能以上の長さであり、前記剛体の半径と前記螺旋のピッチ長との比が４以上６以下である
   ことを特徴とする光ファイバセンサ。
7. 片端にブリルアン散乱光の周波数のシフト量の測定を行う測定手段が接続された光ファイバからなり、被測定物として円柱状の剛体の歪み分布を測定する光ファイバセンサであって、
   前記光ファイバは、空孔アシスト光ファイバであり、該光ファイバを前記被測定物の表面に一定のピッチ周期で螺旋状に巻きつけると共に、前記被測定物の表面に密着した状態で接着固定し、且つ、前記被測定物の表面に巻きつけられる前記光ファイバの光ファイバ長が、前記測定手段の最小距離分解能以上の長さであり、前記剛体の半径と前記螺旋のピッチ長との比が２以下である
   ことを特徴とする光ファイバセンサ。
8. 請求項６又は請求項７記載の光ファイバセンサにおいて、
   前記被測定物の表面に前記光ファイバを螺旋状且つ密着した状態で接着固定した部分の近傍に、温度モニタ手段として、前記測定手段の最小距離分解能以上の長さを有する前記光ファイバを配設した
   ことを特徴とする光ファイバセンサ。
9. 請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の光ファイバセンサを用いて被測定物の歪みを測定する方法であって、
   前記光ファイバを前記被測定物の表面に前記測定手段の距離分解能以上の長さ且つ一定のピッチ周期で螺旋状に巻きつけ、前記被測定物に密着させた状態で接着固定し、前記測定手段により前記光ファイバのブリルアン散乱光の周波数のシフト量を測定し、前記被測定物の歪み分布を得る
   ことを特徴とする光ファイバセンサを用いた歪み測定方法。

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