JP5618422B2

JP5618422B2 - Ｆｂｇ光ファイバセンサ型ひずみセンサ

Info

Publication number: JP5618422B2
Application number: JP2011191453A
Authority: JP
Inventors: 琢之田村; 昇上明戸; 松元　和伸; 和伸松元
Original assignee: Tobishima Corp
Current assignee: Tobishima Corp
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2031-09-02
Also published as: JP2013053895A

Description

本発明はＦＢＧ光ファイバセンサ型ひずみセンサに係り、特にＦＢＧの多重化に時間分割多重化方式（ＴＤＭ方式）を用いたＦＢＧ光ファイバセンサ型ひずみセンサに関するものである。

従来、地盤やコンクリート構造物などのいわゆるひずみを計測するには、一般にひずみゲージが用いられていた。

例えば、パイプひずみ計は、塩化ビニルパイプの表面に軸方向に複数のひずみゲージを直列に接着して構成し、該パイプを例えば地盤内のボーリング孔に挿入設置し、地すべり面の深度、そして地すべりの程度を把握するものである。

特開２００９−３１０１７号公報

しかしながら、従来使用されている例えば、パイプひずみ計では、当該パイプひずみ計に接着するひずみゲージは、１個につき２個の端子を有しており、もって、ひずみ計測点を高密度にすべく、ゲージの個数を増加させると、前記端子に結線するリード線の本数も必然的に増加せざるを得なくなる。

そして、結線作業の多大な労力とパイプひずみ計への前記のリード線の配置の困難さから、前記ひずみゲージを、いわゆる間隔を狭めて高密度に配置したセンサを製作することは、現実の問題として実際にはきわめて困難であるとの課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するために創案されたものであって、本発明では、ひずみセンサの構築に際して、特に、ＦＢＧの多重化に時間多重化方式（ＴＤＭ方式）を用いたＦＢＧ光ファイバセンシング技術を使用して構築し、いわゆるこの構築されたＦＢＧ光ファイバ型ひずみセンサを高密度に配置することが出来るセンサとなし、もって高密度のひずみ分布を詳細に、正確に計測できるひずみセンサを提供することを目的とするものである。

そして、本発明によるひずみセンサを用いれば、地盤やコンクリートなどの建設構造物の維持管理や施工管理のための計測・モニタリングが容易に行えるものとなる。

本発明によるＦＢＧ光ファイバセンサ型ひずみセンサは、
ＦＢＧの多重化に時間分割多重化方式（ＴＤＭ方式）が用いられ、複数のＦＢＧ間の間隔が２．５ｍ以上必要とするＦＢＧ光ファイバセンサ型ひずみセンサであり、
前記複数のＦＢＧを少なくとも２．５ｍ以上の間隔をあけて１本の光ファイバ上に配置した１本のセンサ本線について、一定の長さにおける長手方向両端部側で前記１本のセンサ本線を互い違いに折り返し、前記一定の長さ内で幅方向に平行間隔を保持し、前記長手方向には平行に延びる複数のセンサ線を形成し、
前記長手方向に平行に延びる複数のセンサ線のうち、いずれかのセンサ線上に配置されたＦＢＧと各々隣り合う状態となる、前記長手方向に平行に延びる複数のセンサ線のうち、いずれか他のセンサ線上に配置されたＦＢＧとの間隔が前記一定の長さ内で、前記長手方向に向かい２．５ｍ以下の間隔配置となっても各々配置されたＦＢＧについてそれぞれひずみ計測が可能とされると共に、前記いずれかのセンサ線に配置されたＦＢＧと、該ＦＢＧに隣り合うこととなる他のセンサ線に配置されたＦＢＧとの間の間隔は、前記２.５ｍの間隔にかかわらず、前記一定の長さ内で、前記長手方向に向かい、所望の間隔に設定自在とされた、
ことを特徴とし、
または、
前記幅方向に向かって平行に並ぶ複数のセンサ本線あるいはセンサ線を被覆体により被覆した、
ことを特徴とし、
または、
前記いずれかのセンサ線上に配置されたＦＢＧにつき、前記長手方向で各々隣り合う状態となる他のいずれかのセンサ線上に配置されたＦＢＧとの間隔が２．５ｍ以下の任意の間隔で自在に配置できると共に、前記被覆体で被覆して、あらかじめＦＢＧ光ファイバセンサユニットが各々形成可能とされ、前記任意間隔で配置され、被覆された各々のＦＢＧについてそれぞれひずみ計測が可能とされた、
ことを特徴とし、
または、
ＦＢＧの多重化に時間分割多重化方式（ＴＤＭ方式）が用いられ、複数のＦＢＧ間の間隔が２．５ｍ以上必要とするＦＢＧ光ファイバセンサ型ひずみセンサであり、
帯板状をなす被覆体上で、複数のＦＢＧを少なくとも２．５ｍ以上の間隔をあけて１本の光ファイバ上に配置した１本のセンサ本線について、前記被覆体の長手方向両端部側で互い違いに折り返し、前記被覆体の幅方向に向かい平行間隔を有し、被覆体の長手方向に平行に延びる複数のセンサ線を形成し、
前記長手方向に平行に延びる複数のセンサ線のうち、いずれかのセンサ線上に配置されたＦＢＧと各々隣り合う状態となる、前記長手方向に平行に延びる複数のセンサ線のうち、いずれか他のセンサ線上に配置されたＦＢＧとの間隔が、前記被覆体の長手方向に向かい、２．５ｍ以下の間隔配置となっても各々配置されたＦＢＧについてそれぞれひずみ計測が可能とされると共に、前記いずれかのセンサ線に配置されたＦＢＧと、該ＦＢＧに隣り合うこととなる他のセンサ線に配置されたＦＢＧとの間の間隔は、前記２.５ｍの間隔にかかわらず、前記被覆体の長手方向に向かい、所望の間隔に設定自在とされ、
前記被覆体の長手方向両端部に設けられた膨出部状の折り返し部内で、１本のセンサ本線を折り返し可能とし、
前記隣り合うＦＢＧ間の間隔が所望通りのものとなったとき、前記被覆体と他方の被覆体とを重ね合わせ接着して前記複数のセンサ線を被覆し、隣り合うＦＢＧ間の間隔を自由に設定しうる光ファイバセンサユニットを形成してなり、
前記折り返し部から延びたセンサ本線は、他の光ファイバセンサユニットのセンサ本線と接続可能とされて、長いひずみセンサが形成可能とされた、
ことを特徴とするものである。

本発明によるＦＢＧ光ファイバセンサ型ひずみセンサであれば、ひずみセンサの構築に際して、特に、ＦＢＧの多重化に時間多重化方式（ＴＤＭ方式）を用いたＦＢＧ光ファイバセンシング技術を使用して構築し、構築したいわゆるこのＦＢＧ光ファイバ型ひずみセンサを高密度に配置することが出来、もって高密度のひずみ分布を詳細に計測できるひずみセンサを提供できるものとなり、そして、その結果、地盤やコンクリートなどの建設構造物の維持管理や施工管理のための計測・モニタリングが容易に行え、かつ地盤やコンクリート構造物内部の詳細なひずみ分布を正確に計測することができるとの優れた効果を奏する。

本発明の概略構成を説明する概略構成説明図（その１）である。本発明の概略構成を説明する概略構成説明図（その２）である。本発明を適用した実施例の概略構成を説明する概略構成説明図（その１）である。本発明を適用した実施例の概略構成を説明する概略構成説明図（その２）である。光ファイバ型ひずみセンサの構成を説明する説明図（その１）である。光ファイバ型ひずみセンサの構成を説明する説明図（その２）である。光ファイバ型ひずみセンサの構成を説明する説明図（その３）である。従来のひずみセンサの構成を説明する説明図である。

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

ＦＢＧ光ファイバセンシング技術を用いて構成したＦＢＧ光ファイバセンサ型ひずみセンサの場合、図５に示す様に、複数個のＦＢＧ１・・・が書き込まれた光ファイバ２の素線を用いることにより、１本の光ファイバケーブルの配線で複数点のひずみ計測点が配置可能となる。

そして、複数本の光ファイバ２・・・の素線を、ＦＢＧ１・・・の位置を考慮しながら、幅方向に向かい平行に配置することにより、さらに多くのひずみ計測点を長手方向に向かって配置することもできる（図６参照）。

ここで、本発明によるＦＢＧ光ファイバセンサ型ひずみセンサは、ＦＢＧ１の多重化に時間分割多重化方式（ＴＤＭ方式）を用いたＦＢＧ光ファイバセンサ型ひずみセンサとして構成してある。

すなわち、ＦＢＧ１・・・の多重化に時間分割多重化方式（ＴＤＭ方式）を用いることにより、最大１００個のＦＢＧ１・・・を１本の光ファイバ２上に配置でき、もって最大１００個のひずみ計測点を１本の光ファイバ２上に配置することが出来るものとなる。しかし、隣り合うＦＢＧ１、１間の間隔は少なくとも２．５ｍ以上あけておかなければならない。

すなわち、図７から理解される様に、ＦＢＧ１・・・の多重化に時間分割多重化方式（ＴＤＭ方式）を用い、大量複数個のＦＢＧ１・・・について所定間隔（少なくとも２．５ｍ以上）をあけて配置した光ファイバ２の素線を長手方向に向かって互い違いに折り返して配置するよう工夫すれば、１本の配線数で、さらに高密度に大量のひずみ計測点を配置することが出来、光測定器13での測定が出来るのである。

これに対し、従来のひずみゲージ１５・・・を使用した場合には、図８に示す様に、複数のひずみゲージ１５・・・につき、多数の配線が必要とされ、きわめて煩雑な配線状態となる。なお、符号１４はデータロガーを示す。

ところで、標準的な光ファイバ２の素線の外径は0.25ｍｍと非常に細い線によって構成されており、前記光ファイバ２の素線を長手方向に向かって互い違いに折り返し、幅方向に平行になるように並べて配置しても、この平行配置間隔は充分に小さくすることが出来る。

もって、従来のひずみゲージと同程度の数ｍｍから1ｃｍ程度の幅の中に、光ファイバ２の素線を長手方向に互い違いに折り返して配置し、幅方向に平行に並ぶ複数のセンサ線４・・・を形成し、前記複数のセンサ線４・・・のいずれかにＦＢＧ１が配置してあれば、その配置位置でのひずみ検出が出来る構成としたのである。

よって、その結果、大量複数個のＦＢＧ１・・・によって多数のひずみ計測点数を前記長手方向に向かい高密度に設置することが可能となった。

すなわち、長手方向に向かい、いずれかのセンサ線４・・・に配置されたＦＢＧ１と他のいずれかのセンサ線４に配置された隣り合うＦＢＧ１との間の距離が、たとえ２．５ｍよりも短い距離であっても、それぞれ高密度に配置されたＦＢＧ１・・・でひずみ検出が行えることになる。

１本の光ファイバ２上では、少なくとも２．５ｍ以上の間隔を有しておかなければ、それぞれ配置したＦＢＧ１・・・からのひずみ計測は出来ないものであったが、前記の構成を採用すればひずみセンサ自体の寸法を大きくすることなく大量の計測点が高密度に形成できることになる。

すなわち、互い違いに折り返す作業の際、いずれかのセンサ線４・・・に配置されたＦＢＧ１に対し、隣り合う他のセンサ線４に配置されたＦＢＧ１との間の間隔を、前述した「２．５ｍ以上の間隔」にこだわらず、いくらでも自由に設定して形成できるのである。

例えば、図３に示す様に、橋桁５のひずみ検出の際には、柱６との接合部付近では特に緊密な間隔でのひずみ検出が要求されるため、緊密な間隔でＦＢＧ１・・・の配置が要求されるが、中央部分では緊密な間隔でのひずみ検出は必要でない。よって、比較的粗い間隔でのＦＢＧ１の設置でかまわないものとされるごときである。

なお、１本の光ファイバ２を互い違いに折り返し、複数のセンサ線４・・・と該センサ線４・・・に配置されたＦＢＧ１・・・とを有して構成されるＦＢＧ光ファイバ型ひずみセンサの形成は、計測現場で作製するのみならず、あらかじめ工場などで当該センサ自体を作製しておくことが出来る。

すなわち、図１及び図２から理解されるように、所定の幅を有する帯板状の被覆体７上で１本の光ファイバ２で構成されたセンサ本線３を互い違いに折り返し、幅方向に向かい平行に並ぶセンサ線４・・・を形成する。この際、前記被覆体７の長手方向に向かい、いずれかのセンサ線４に配置されたＦＢＧ１と、該ＦＢＧ１に隣り合うことになる他のセンサ線４に配置されたＦＢＧ１との間の間隔を所望の間隔に設定しながら複数のセンサ線4・・・を折り返す作業を行う。

そして、隣り合うＦＢＧ１・・・間の間隔が所望通りのものとなったとき、被覆体7と他方の被覆体７とを重ね合わせ接着して被覆する。これにより隣り合うＦＢＧ１・・・間の間隔を自由に設定したＦＢＧ光ファイバセンサユニット８が容易に構成できる。

なお、長手方向両端部には膨出部として構成された折り返し部９、９が設けられている。光ファイバ２は、基本的には、折り曲げ不可であるが、1本のセンサ本線３を前記折り返し部９で、約４０ｍｍの許容折り曲げ半径をもって折り返せば何ら計測作業に問題を生じない。

しかも前述したように、光ファイバ２は極めて細い線であるので、前記折り返し部９の寸法がきわめて大きくなることもない。そして、折り返し部９から延びたセンサ本線３については接続具１０を用いて、他のＦＢＧ光ファイバセンサユニット８から延びたセンサ本線３と接続すれば、きわめて長い光センサ型ひずみセンサを形成することが出来る。

なお、前記した被覆体７は、ガラス繊維強化樹脂（FRP）や金属片等の部材で構成すればよい。このように被覆体7で複数のセンサ線４・・・を被覆すれば、あらかじめ所定の位置に複数のＦＢＧ１・・・をセットし、平行に並べて設置した複数のセンサ線４・・・を確実に固定することが出来、また外部からの衝撃を防ぐことも出来る。

よって、地中やコンクリート構造物内へ該ＦＢＧ光ファイバ型ひずみセンサを埋設する場合にも、埋設時に生ずる破損、損傷を確実に防止できるものとなる。

図４は、本発明によるＦＢＧ光ファイバ型ひずみセンサ１２を地盤変位計測用ひずみセンサとして利用したもので、ひずみセンサとなるＦＢＧ１・・・を数ｃｍの間隔で多数配置することにより、地盤１１内の地すべりの位置と、その程度を詳細に把握することができる。この際の被覆体７は金属製あるいは合成樹脂製などのパイプ状のものを使用すればよい。

次に、図３は、前記したように、本発明によるＦＢＧ光ファイバ型ひずみセンサ１２をコンクリート埋没型ひずみセンサとして使用した状態を概略的に説明したもので、コンクリート構造物、例えば橋桁５の施工時において、応力が集中する部材接合部付近、すなわち柱６との接合付近に、特にＦＢＧ１・・・を緊密に配置したＦＢＧ光ファイバ型ひずみセンサ１２をあらかじめ埋設設置することにより、地震などによる外力を受けたときのコンクリート構造物内に発生するひずみを、正確に捉えることができるものとなる。

１ＦＢＧ
２光ファイバ
３センサ本線
４センサ線
５橋桁
６柱
７被覆体
８ＦＢＧ光ファイバセンサユニット
９折り返し部
１０接続具
１１地盤
１２ＦＢＧ光ファイバ型ひずみセンサ
１３光測定器
１４データロガー
１５ひずみゲージ

Claims

ＦＢＧの多重化に時間分割多重化方式（ＴＤＭ方式）が用いられ、複数のＦＢＧ間の間隔が２．５ｍ以上必要とするＦＢＧ光ファイバセンサ型ひずみセンサであり、
前記複数のＦＢＧを少なくとも２．５ｍ以上の間隔をあけて１本の光ファイバ上に配置した１本のセンサ本線について、一定の長さにおける長手方向両端部側で前記１本のセンサ本線を互い違いに折り返し、前記一定の長さ内で幅方向に平行間隔を保持し、前記長手方向には平行に延びる複数のセンサ線を形成し、
前記長手方向に平行に延びる複数のセンサ線のうち、いずれかのセンサ線上に配置されたＦＢＧと各々隣り合う状態となる、前記長手方向に平行に延びる複数のセンサ線のうち、いずれか他のセンサ線上に配置されたＦＢＧとの間隔が前記一定の長さ内で、前記長手方向に向かい２．５ｍ以下の間隔配置となっても各々配置されたＦＢＧについてそれぞれひずみ計測が可能とされると共に、前記いずれかのセンサ線に配置されたＦＢＧと、該ＦＢＧに隣り合うこととなる他のセンサ線に配置されたＦＢＧとの間の間隔は、前記２.５ｍの間隔にかかわらず、前記一定の長さ内で、前記長手方向に向かい、所望の間隔に設定自在とされた、
ことを特徴とするＦＢＧ光ファイバセンサ型ひずみセンサ。
前記幅方向に向かって平行に並ぶ複数のセンサ本線あるいはセンサ線を被覆体により被覆した、
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のＦＢＧ光ファイバセンサ型ひずみセンサ。
前記いずれかのセンサ線上に配置されたＦＢＧにつき、前記長手方向で各々隣り合う状態となる他のいずれかのセンサ線上に配置されたＦＢＧとの間隔が２．５ｍ以下の任意の間隔で自在に配置できると共に、前記被覆体で被覆して、あらかじめＦＢＧ光ファイバセンサユニットが各々形成可能とされ、前記任意間隔で配置され、被覆された各々のＦＢＧについてそれぞれひずみ計測が可能とされた、
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のＦＢＧ光ファイバセンサ型ひずみセンサ。
ＦＢＧの多重化に時間分割多重化方式（ＴＤＭ方式）が用いられ、複数のＦＢＧ間の間隔が２．５ｍ以上必要とするＦＢＧ光ファイバセンサ型ひずみセンサであり、
帯板状をなす被覆体上で、複数のＦＢＧを少なくとも２．５ｍ以上の間隔をあけて１本の光ファイバ上に配置した１本のセンサ本線について、前記被覆体の長手方向両端部側で互い違いに折り返し、前記被覆体の幅方向に向かい平行間隔を有し、被覆体の長手方向に平行に延びる複数のセンサ線を形成し、
前記長手方向に平行に延びる複数のセンサ線のうち、いずれかのセンサ線上に配置されたＦＢＧと各々隣り合う状態となる、前記長手方向に平行に延びる複数のセンサ線のうち、いずれか他のセンサ線上に配置されたＦＢＧとの間隔が、前記被覆体の長手方向に向かい、２．５ｍ以下の間隔配置となっても各々配置されたＦＢＧについてそれぞれひずみ計測が可能とされると共に、前記いずれかのセンサ線に配置されたＦＢＧと、該ＦＢＧに隣り合うこととなる他のセンサ線に配置されたＦＢＧとの間の間隔は、前記２.５ｍの間隔にかかわらず、前記被覆体の長手方向に向かい、所望の間隔に設定自在とされ、
前記被覆体の長手方向両端部に設けられた膨出部状の折り返し部内で、１本のセンサ本線を折り返し可能とし、
前記隣り合うＦＢＧ間の間隔が所望通りのものとなったとき、前記被覆体と他方の被覆体とを重ね合わせ接着して前記複数のセンサ線を被覆し、隣り合うＦＢＧ間の間隔を自由に設定しうる光ファイバセンサユニットを形成してなり、
前記折り返し部から延びたセンサ本線は、他の光ファイバセンサユニットのセンサ本線と接続可能とされて、長いひずみセンサが形成可能とされた、
ことを特徴とする光ファイバセンサ型ひずみセンサ。