JP6007454B2

JP6007454B2 - 水分センサ

Info

Publication number: JP6007454B2
Application number: JP2012183383A
Authority: JP
Inventors: 山本　陽一; 陽一山本; 貴紀國丸; 恵輔前川; 西垣　誠; 誠西垣; 小松　満; 満小松; 昭治瀬尾; 克戸井田; 宏孝田岸; 千良竹延
Original assignee: Kajima Corp; Okayama University NUC; Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Kajima Corp; Okayama University NUC; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-08-22
Also published as: JP2014041054A

Description

本発明は、例えば土中の水分量などを検出・測定する水分センサに係り、特に受感部に水分量に応じて膨潤・収縮する膨潤材料（以下、膨潤材料と略記する）を用いた水分センサに関するものである。

放射性廃棄物の地層処分における安全評価や地下空洞の建設では、地下水流動場を把握することは非常に重要である。表層地盤の不飽和帯における土壌水分の観測を行うことで、直接的にその地点の地下水涵養量を求めることができる。また、廃棄体周辺の粘土（ベントナイト）で作られた緩衝材層への水分の侵入を検出・計測することも重要となる。

従来、土中の水分量などを検出・測定する方法として、ＡＤＲやＦＤＲなどの誘電率を利用した電気式センサが用いられていたが、下記のような問題点を有している。

（ａ）電気的ノイズに弱いので、例えば変電所、送電線あるいは特殊な工場の付近などでは、ノイズ対策が必要であり、場合によればモニタリングができないことがある。
（ｂ）微弱でも電流が流れるので、防爆が要求される場所や環境では使用できない。
（ｃ）長期間使用して伝送ケーブルの絶縁性が低下してくると、データの信頼性が問題となる。
（ｄ）伝送ケーブルが比較的太いので、多点計測の場合には膨大な伝送ケーブルの引き回しが必要となり、センサの配置などが煩雑で、場合によっては構造物本体に弱部を形成することになる。
（ｅ）落雷でセンサならびに測定システムにダメージを受けやすく、最悪の場合は全壊することもある。

これに対して光ファイバーを用いた測定システムでは前述した電気的手法の欠点を解消して、下記のような特長があり、次世代のモニタリングシステムとして有望視されている。

（ａ）電気的ノイズの影響が一切ない。
（ｂ）本質的に完全防爆であるから、使用環境に制限されることがない。
（ｃ）電気的な絶縁不良は発生しない。
（ｄ）光ファイバーは緩衝層を含めた外径が通常、０．２５ｍｍと電線に比べて細いので、ケーブルの引き回しが問題にはならない。
（ｅ）本質的に絶縁体なので落雷による影響はない。

従来、土壌水分などの観測において光ファイバーを用いた方法としては、例えば下記のような非特許文献３，４などを挙げることができる。
非特許文献３：Alessi,R.S.,L.Prunty :Soil-water Determination Using Fiber Optics,Soil Sci,Soc.Am,Vol.50,pp.860-863,1986.
この非特許文献３に記載の研究では、光ファイバーセンサにより、ガラスビーズと砂質土に対して含水量を測定している。具体的には、容器内に試料を詰め、空気圧を増加させて水分量を調整した上で、得られた電圧と圧力及び体積含水率のそれぞれの関係から、線形関係で相関できる結果を得ている。

非特許文献４：Texier,S.,S.Pamukcu,J.Toulouse:Advances in subsurface water content measurement with a distributed Brillouin scattering fiber-optic sensor,Proceedings of SPIE,Vol.5855, pp.555-558,2005.
この非特許文献４に記載の研究では、分布型ブルリアン散乱光ファイバーセンサを用いて低透水性物質の水分を吸収し、ポリマーが膨潤することによる光ファイバーの引っ張り歪，ポリマーが乾燥することによる光ファイバーの圧縮歪をブルリアン散乱シフトとして、そのシフト量を計測している。
またその他に土中の水分センサに関しては、例えば下記特許文献１，２ならびに非特許文献１，２などを挙げることができる。

特開２００５−３５１６６３号公報特開２００５−１２７７４４号公報

２００９年１０月１５〜１７日公益社団法人日本地下水学会秋季講演会講演要旨「１５．光ファイバー式圧力計を用いた土中水分量計測に関する研究」２０１０年１１月１１〜１３日公益社団法人日本地下水学会秋季講演会講演要旨「１５．光ファイバー土中水分計の開発に関わる水膨潤材料の検討」 Alessi,R.S.,L.Prunty :Soil-water Determination Using Fiber Optics,Soil Sci,Soc.Am,Vol.50,pp.860-863,1986. Texier, S.,S.Pamukcu,J.Toulouse:Advances in subsurface water content measurement with a distributed Brillouin scattering fiber-optic sensor,Proceedings of SPIE,Vol.5855, pp.555-558,2005.

前記特許文献１，２ならびに非特許文献１〜４には、後述する本発明に係る水分センサの具体的な構造などについては記載されていない。

また、前記非特許文献３の従来技術では、直径約１ｍｍの光ファイバーセンサでの水分量を測定する手法としての課題を有しており、過渡的に局所的な値を求める可能性があることが記載されている。
さらに、前記非特許文献４の従来技術では、計測可能な含水率が０〜３０％の範囲であり、飽和状態に近い含水率の計測は難しいことが記載されている。
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、正確に水分量の測定が可能で実用的な水分センサを提供することにある。

前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、
吸水あるいは乾燥の状態によって膨潤・収縮する膨潤材料と、
その膨潤材料を充填・保持する膨潤材料保持部と、
その膨潤材料保持部に充填された前記膨潤材料の吸水による膨潤圧で弾性変形するメンブレムと、
そのメンブレムの歪量を検出する圧力センサを備え、
前記圧力センサは、前記メンブレムの歪量を検出するセンサ部を設けた光ファイバーを有し、前記メンブレムの弾性変形によって生じる歪が前記光ファイバーの光軸方向に作用するように構成され、
前記膨潤材料保持部は、両端に開口部を有する筒形をしており、
その膨潤材料保持部の一方の開口部が前記メンブレムによって閉塞され、
前記圧力センサを収納したケーシングの開口部が、前記膨潤材料ならびに前記メンブレム付きの前記膨潤材料保持部によって閉塞され、
前記膨潤材料保持部の周壁と前記メンブレムによって形成される断面形状が凹状の空間部内に前記膨潤材料が充填されて、
水分が含有される被測定物の面に前記膨潤材料保持部の他方の開口部を当接して、前記膨潤材料の一部を前記被測定物の面に直接接触させることを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、
前記ケーシングがコップ形をしており、そのケーシングの開口部が、前記膨潤材料ならびに前記メンブレム付きの前記膨潤材料保持部によって閉塞され、
前記圧力センサが、
側面形状が略コ字状をした変位−歪変換部材を有し、その変位−歪変換部材の一端が前記メンブレムに取り付けられ、変位−歪変換部材の他端が前記ケーシングの底部に取り付けられて、
前記変位−歪変換部材の中間部で一方側に突出した橋状部の側面に、前記光ファイバーのセンサ部が貼り付けられていることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１の手段において、
前記ケーシングがコップ形をしており、そのケーシングの開口部が、前記膨潤材料ならびに前記メンブレム付きの前記膨潤材料保持部によって閉塞され、
前記圧力センサが、
前記メンブレムから前記ケーシングの底部に向けて取り付けられた変位伝達部材と、
前記ケーシングの底部から前記変位伝達部材に向けて取り付けられたファイバー支持部材と、
前記変位伝達部材と前記ファイバー支持部材の間に形成された隙間部に前記センサ部が配置されるように、前記変位伝達部材から前記ファイバー支持部材に掛けて固定された光ファイバーから構成されていることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第１ないし第３のいずれかの手段において、
前記センサ部が、当該光ファイバーのコア部の光軸線上に屈折率の異なる回折格子を一定の間隔で並設した構成によっていることを特徴とするものである。

本発明の第５の手段は、
前記第４の手段に記載のセンサ部が１本の光ファイバーに対して任意の間隔をおいて複数個取り付けることができることを特徴とするものである。

本発明の第６の手段は前記第１ないし第５のいずれかの手段において、
前記センサ部が、当該光ファイバーのコア部の光軸線上に第１の半透過ミラーと第２の半透過ミラーを空隙を介して対向・配置して、前記第１の半透過ミラーで反射した第１の反射光と、前記第２の半透過ミラーで反射した第２の反射光を、波長毎に分離して干渉させる構成になっていることを特徴とするものである。

本発明の第７の手段は前記第１ないし第６のいずれかの手段において、
前記膨潤材料が、ウレタン系の膨潤性ゴム材料であることを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、正確に水分量の測定が可能で実用的な水分センサを提供することができる。

本発明の第１実施例に係る水分センサの断面図である。その第１実施例に係る水分センサの膨潤・収縮試験を行った結果を示す特性図である。本発明の第２実施例に係る水分センサの断面図である。ＦＢＧ方式における光ファイバー式圧力センサの原理説明図で、（ａ）は複数個のＦＢＧセンサ部を備えた光ファイバーの側面図、（ｂ）はＦＢＧセンサ部の内部の状態を示す拡大図である。ＦＢＧセンサ部の構成図である。ＦＢＧセンサ部に入射される入力光、ＦＢＧセンサ部で反射される反射光、ＦＢＧセンサ部を透過する透過光の波形図である。ＦＰＩセンサ部の構成図である。各膨潤材料の試料Ｎｏ．と材料名と材料形状をまとめた図表である。各膨潤材料の膨潤性、収縮性、耐久性、加工性ならびに水質依存性について検討した結果をまとめた図表である。各膨潤材料について膨潤・収縮特性試験を行った結果をまとめた図表である。試料Ｎｏ．９，１１，１３の膨潤材料について、繰り返し膨潤・収縮試験を行った結果をまとめた図表である。本発明における圧力センサの第１の具体例を示す水分センサの断面図である。本発明における圧力センサの第２の具体例を示す水分センサの断面図である。本発明における圧力センサの第３の具体例を示す水分センサの断面図である。本発明の実施例に係るＦＢＧ方式の複数個の水分センサ部を土中に埋設して水分量を計測する多連装計測が可能な水分センサ群を示す概略構成図である。本発明の実施例に係るＦＢＧ方式あるいはＦＰＩ方式の複数個の水分センサ部を土中に埋設して水分量を計測する水分センサ群を示す概略構成図である。本発明の第３実施例に係るコンクリート中の水分量を測定する水分センサの一部断面図である。

（光ファイバー式圧力センサの原理）
光ファイバーを用いた水分センサを検討する上で、計測システムの精度や大きさなどを考慮すると、ＦＢＧ方式またはＦＰＩ方式が例えばＯＴＤＲ方式、Ｂ−ＯＴＤＲ方式、Ｒ−ＯＴＤＲ方式などの他の方式に比べて特に好適である。
前記ＦＢＧは、Fiber Bragg Gratingの略で、光ファイバーのコア部の一部に回折格子と呼ばれる屈折率の異なる部分を一定間隔で格子状に並べることにより、その間隔に比例した特定の波長の光だけが反射される。この部分をＦＢＧセンサ部として利用するものである。真空中の光の速度に対応した反射波長λ_０は、下記（１）式によって示される。
λ_０＝２ｎＤ・・・（１）
式中λ_０は反射波長、ｎは屈折率、Ｄは回折格子の間隔である。

また、波長、圧力、温度の関係は下記（２）式によって示される。
（∂λ／λ）＝Ａε＋ＢｄＴ・・・（２）
式中λは波長、Ａ、Ｂは係数、εは歪、Ｔは温度である。

このように反射波長λ_０は（１）式により回折格子の間隔Ｄが伸縮すると、それに応じて反射波長λ_０が変化する。従ってこの反射波長λ_０を計測すればＦＢＧ歪εが分かる。その歪εに基づいて圧力の大きさを知ることができる。なお、屈折率ｎは温度Ｔによって変化する。

次に本発明の実施例を図面と共に説明する。
図４は、ＦＢＧ方式における光ファイバー式圧力センサの原理説明図で、同図（ａ）は複数個のＦＢＧセンサ部を備えた光ファイバーの側面図、同図（ｂ）はＦＢＧセンサ部の内部の状態を示す拡大図である。図５はＦＢＧ圧力・温度センサの一例を示す構成図、図６はＦＢＧセンサ部に入射される入力光、ＦＢＧセンサ部の回折格子で反射される反射光、ＦＢＧセンサ部の回折格子を透過する透過光の波形図である。

図４（ａ）に示すように、１本の光ファイバー１の光軸方向に沿って任意の間隔をおいて複数個（例えば６〜７個）のＦＢＧセンサ部２を設けることができる。本実施例で用いる光ファイバー１は、緩衝層３ｂ（図４（ｂ）参照）を含めて外径が０．２５ｍｍである。

前記ＦＢＧセンサ部２の内部には図４（ｂ）に示すように、光ファイバー１のコア部３ａに屈折率の異なる回折格子４が光軸方向に一定間隔で並設されている。このＦＢＧセンサ部２は、光ファイバー１の先端部あるいは光ファイパー１の途中の任意の箇所を特殊加工することにより形成される。

前記ＦＢＧセンサ部２に入射される入力光５は図６（ａ）に示すような波長波形を有し、その入力光５の一部はＦＢＧセンサ部２の回折格子４で反射され、反射光６として戻る。この反射光６は、図６（ｂ）に示すような波長波形を有している。

ＦＢＧセンサ部２の回折格子４を透過した透過光７は図６（ｃ）に示すように、当該ＦＢＧセンサ部２に入射された入力光５からＦＢＧセンサ部２で反射した反射光６が部分的に抜け落ちた形の波長波形となり、次に波長の異なる隣のＦＢＧセンサ部２に入力光５としてそのまま入射される仕組みになっている。

このようなことからＦＢＧ方式の圧力センサには、レーザー光のような単一波長ではなく、幅広い周波数帯域を有する広帯域光が用いられ、実用的には１本の光ファイバー１で６〜７点の多連装計測が可能であり、ＦＢＧ方式の大きな特長となっている。

ＦＢＧセンサ部２の具体的な構成は図５に示すように、光ファイバー１がステンレス管などの保護チューブ８内に収納されており、保護チューブ８の一方の開口端は薄い弾性変形可能なメンブレム９の固定により閉塞されている。このメンブレム９の内面に光ファイバー１の先端部が接着剤などによって固定１０され、また、光ファイバー１のＦＢＧセンサ部２以外の箇所が保護チューブ８の内周面に接着剤などによって固定１０されている。前記保護チューブ８は、合成樹脂や合成ゴムなどの電気絶縁性チューブで構成されている。

ＦＢＧセンサ部２には予め光軸方向に沿って引っ張り応力が掛けられており、図５に示すようにメンプレム９に圧力１１が作用するとメンプレム９の中央部がＦＢＧセンサ部２側に押圧変形され、その度合によりＦＢＧセンサ部２が歪、ＦＢＧセンサ部２で生じる反射光６（図４（ｂ）参照）の波長が変化する。

前記ＦＰＩは、Fabry-Perot Interferometerの略で、図７はＦＰＩセンサ部の構成図である。

図７に示すように、光ファイバー１の光軸線上に、２枚の第１の半透過ミラー１２ａと第２の半透過ミラー１２ｂが空隙１３を介して対向・配置されている。第１の半透過ミラー１２ａは伝播用光ファイバー１ａに支持され、第２の半透過ミラー１２ｂは反射用光ファイバー１ｂに支持されている。このＦＰＩセンサ部は、光ファイバー１の先端部を特殊加工することによって形成される。

白色光を入力光５として入射し、そして第１の半透過ミラー１２ａで反射した第１の反射光６ａと、第２の半透過ミラー１２ｂで反射した第２の反射光６ｂを、波長毎に分離して干渉させる方式である。

前記空隙１３（０〜数十μｍ）が空洞長（Ｉ）となり、センサ内部では伝播用光ファイバー１ａと反射用光ファイバー１ｂが３〜１０ｍｍのゲージ長（Ｌｇ）で、保護チューブ８あるいはメンブレム９に固定１０されている。水圧１１にともなう圧力は、ゲージ長（Ｌｇ）に対する空洞長（Ｉ）の比率（Ｉ／Ｌｇ）として測定される。単純な干渉では、出力は縞模様として現れるから、縞模様上の縞数を数えることで圧力を計測することができる。

このＦＰＩ方式における光ファイバー式圧力センサは、±０．１μｍの高精度測定が可能で、分解性能ならびに温度特性も優れており、動的な変化の計測ができる。

本発明に係る光ファイバーを用いた水分センサの測定原理は、前述の光ファイバーを用いたＦＢＧ方式またはＦＰＩ方式の圧力センサを、土中水分量の変化に応じて伸縮させることで測定するものである。そのため水分センサのセンサ部を効果的に伸縮させるのに膨潤材料が用いられる。

（膨潤材料の選択）
一般に膨潤材料は、合成ゴム、スポンジ状ゴム、高吸水高吸湿繊維（不織布）、高分子ポリマーの４種類に分類される。図８は各膨潤材料の試料Ｎｏ．と材料名（記号で簡略表示）と材料形状をまとめた図表、図９は各膨潤材料の膨潤性、収縮性、耐久性、加工性ならびに水質依存性について検討した結果をまとめた図表である。

図８に示すように試料Ｎｏ．１〜９の合成ゴムに関しては、材料形状が固形状（試料Ｎｏ．１，２）、ペースト状（試料Ｎｏ．３，４）、ウレタン原液からなる液状（試料Ｎｏ．５〜９）のものがある。また、図９に示す高分子ポリマーは紙おむつなどに使用される材料であり、膨潤性は他の材料に比べて優れているが、収縮性に関しては前記試料Ｎｏ．５〜９の液状合成ゴムよりも劣り、膨潤特性は水質に強く依存するという欠点があり、水分センサ用としては不適格と判断した。そのため図８には高分子ポリマーを掲載していない。

次に図８に示す試料Ｎｏ．１〜１３について膨潤・収縮特性試験を行い、その結果を図１０にまとめて示した。この膨潤・収縮特性試験は、各材料からなる供試体を開放した（拘束しない）状態で蒸留水に浸漬して膨潤させ、その後に乾燥収縮させて、そのときの体積変化量を測定した。体積変化は、供試体に付けたマーカーを基準にその変化量をノギスで測定して、膨潤体積倍率を算出した。

この膨潤・収縮特性試験の結果、試料Ｎｏ．１（固形状合成ゴム），２（固形状合成ゴム），３（ペースト状合成ゴム），４（ペースト状合成ゴム），１０（スポンジ状ゴム），１２（スポンジ状ゴム）は、膨潤過程で４〜８日以上、収縮過程で３〜５日以上の長時間を要した。土中の水分量を計測するセンサとしては、反応時間が非常に重要な要素である。従って、これらの材料は水分センサの膨潤材料としては不適格と判断した。

試料Ｎｏ．５（液状合成ゴム），６（液状合成ゴム）は、膨潤体積倍率が１．０２〜１．０５倍と他の膨潤材料と比較して小さい。試料Ｎｏ．７（液状合成ゴム）は、材料が硬化しなかったため、膨潤材料から除外した。試料Ｎｏ．８（液状合成ゴム）は、膨潤および収縮時間は１日で、膨潤体積倍率も３．４倍と比較的大きい値であったが、収縮過程において初期よりも材料が収縮したため、膨潤材料から除外した。

試料Ｎｏ．９（液状合成ゴム），１３（不織布）は、膨潤過程で数秒〜１日で膨潤し、収縮過程では１日で収縮して反応時間は短時間であった。また試料Ｎｏ．１１（スポンジ状ゴム）は、１日で膨潤し、収縮過程においては２日を要したが、膨潤体積倍率においては２倍以上の高倍率であり、水分センサの受感部に圧力を与えるものとして好適であると判断した。これらの判定結果は、図１０の判定の欄に記載されている。

次に試料Ｎｏ．９，１１，１３の３種類の膨潤材料について、繰り返し膨潤・収縮試験を行い、その結果を図１１に示す。この試験方法は、膨潤・収縮過程における測定時間をそれぞれ１日と設定し、供試体を拘束しない状態で膨潤・収縮を５回繰り返して、体積変化量の経時変化を測定した。

この図から明らかなように、試料Ｎｏ．１１，１３は、形状の再現性が得られず、重量も減少する傾向を示した。この原因として、膨潤・収縮を繰り返すことにより、材料中の高吸水性樹脂が溶出していることが考えられる。これに対して試料Ｎｏ．９は形状の再現性があり、水分センサ受感部の膨潤材料として安定した材料であることを確認した。本実施例で使用する試料Ｎｏ．９はウレタン系の膨潤性ゴム材料で、例えば株式会社アデカ商品名Ａ−５０Ｎなどがある。この商品名Ａ−５０Ｎは、ウレタンプレポリマーと可塑剤とトルエンジイソシアネートを含んだウレタン系の液状ゴム材料である。

本発明の光ファイバーを用いた水分センサは、図５あるいは図７で説明した光ファイバー式圧力センサの原理を応用した水分センサである。例えば土中の水分センサのように土圧や耐久性の面で様々な影響があることから、土中への設置を考慮した構造になっている。

（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例に係る水分センサの断面図である。
図１に示すように、コップ形をした例えばステンレス鋼などの金属あるいは硬質合成樹脂からなるケーシング２１の下端開口部は、蓋形をした例えばステンレス鋼あるいは硬質合成樹脂などの剛性材料からなる保持ブロック２２で閉塞されている。具体的には、ケーシング２１の下端開口部に保持ブロック２２が螺合されている。保持ブロック２２の略中央部には平面形状が円形で容器型（断面凹型）をした収納部２３が一体に設けられており、収納部２３はケーシング２１の下端部よりも若干突出して凸型構造になっている。

その収納部２３の底部ならびに周壁には、孔径が例えば１〜２ｍｍ程度の多数の透孔２４が形成されている。
収納部２３の内側には、ウレタン系の膨潤性ゴム材料からなる前記試料Ｎｏ．９の膨潤材料２５が充填されている。断面凹型をした収納部２３の上方開口部は、薄くて弾性変形可能な金属製のメンブレム２６によって閉塞されている。メンブレム２６の周辺部は、収納部２３の開口部に固定されている。

後述するメンブレム２６の押圧変形は、ケーシング２１内に収納されている圧力センサ２７によって検出される。本発明で適用される圧力センサ２７の具体的な構成については後で説明する。

この水分センサを土中に埋設すると、土中の水分２８が収納部２３の底部ならびに周壁の透孔２４から内部に浸透して、それを膨潤材料２５が吸収して膨潤し、その膨潤圧２９によってメンブレム２６の中央部が盛り上がるように押圧変形される。

そしてこのメンブレム２６の押し上げ力３０（圧力）大きさは圧力センサ２７によって計測され、それによって土中の水分量が検出できる。

土中の水分量が多いと、膨潤材料２５は多量の水分を吸収して大きく膨潤し、その膨潤圧２９によりメンブレム２６の押し上げ力３０は大きい。反対に土中の水分量が少ないと、膨潤材料２５の吸水に伴う膨潤圧２９は低く、押し上げ力３０は小さい。

図２は、外径６ｍｍ、高さ４．５ｍｍの収納部２３に膨潤材料２５を充填した圧力発生部を有する水分センサの膨潤・収縮試験を行った結果を示す特性図である。この試験は、恒温室内の温度を２３℃、湿度を５０％と一定にし、蒸留水を入れた容器内に水分センサを浸漬させて、膨潤圧力の経時変化を見たものである。

この膨潤・収縮試験の結果、膨潤時間は約１０時間、膨潤圧力は４．５ＭＰａで、短時間で膨潤し、膨潤圧力も十分であることから、土中水分センサとして好適であることが分かった。なお、圧力発生部における膨潤材料２５の充填量を調整することにより、膨潤圧力の調整が可能である。

本実施例では保持ブロック２２の略中央部に収納部２３を設けて、その収納部２３が保持ブロック２２の底部から突出した凸状構造になっているが、全体が容器状をした保持ブロック２２を用いて、その容器状保持ブロック２２の底部あるいは必要に応じて周壁部に、多数の透孔２４を形成することも可能である。

（第２実施例）
図３は、本発明の第２実施例に係る水分センサの断面図である。本実施例で前記第１実施例と相違する点は、圧力発生部の構成である。

ケーシング２１の下端開口部に装着される保持ブロック２２が、例えばステンレス鋼などの金属からなる筒体３１と、その筒体３１の下端開口部を閉塞する円盤状の硬質多孔質体３２から構成されている。この多孔質体３２は、所定の大きさの金属粒子を互いに焼結したポーラスメタルからなり、径が１〜２ｍｍ程度の連続した細孔を有し、複数本のネジ３３によって筒体３１に固定されている。

この多孔質体３２の上面と筒体３１の内周面によって形成される空間部内には、ウレタン系の膨潤性ゴム材料からなる前記試料Ｎｏ．９の膨潤材料２５が充填されている。保持ブロック２２（筒体３１）の上端開口部は、薄くて弾性変形可能なメンブレム２６によって閉塞されており、メンブレム２６の周辺部は保持ブロック２２（筒体３１）の上端開口部に固定されている。

この水分センサを土中に埋設していると、土中の水分２８が多孔質体３２の細孔から内部に浸透して、それを膨潤材料２５が吸収して膨潤し、その膨潤圧２９によってメンブレム２６の中央部が盛り上がるように押圧変形される。

そしてこのメンブレム２６の押し上げ力３０の大きさは圧力センサ２７によって計測され、それによって土中の水分量が検出できる。

本実施例では金属焼結体からなる多孔質体を用いたが、無機粒子の焼結体からなる透水性の多孔質体を用いることも可能である。
また本実施例では円盤状の多孔質体３２を用いたが、例えば底部と周壁部とを一体に形成した容器状の多孔質体を用いることも可能である。

図１２は圧力センサ２７の第１の具体例を示す水分センサの断面図で、この具体例ではＦＢＧ方式の圧力センサが用いられている。
図１２に示すように、側面形状が略コ字状をした金属板からなる変位−歪変換部材３３がケーシング２１内に配置されており、変位−歪変換部材３３の一端３４ａがメンブレム２６の中央部に接合され、変位−歪変換部材３３の他端３４ｂがケーシング２１の底部３５に接合されている。

この変位−歪変換部材３３の中間部で一方側に突出した橋状部３６の側面に、光ファイバー１の先端部に設けられたＦＢＧ圧力センサ部２が、張力を付与した状態で貼り付けられている。

前述のように土中の水分２８を膨潤材料２５が吸収して膨潤し、その膨潤圧２９によってメンブレム２６の中央部が盛り上がるように押圧変形すると、その押し上げ力３０は変位−歪変換部材３３に作用して、変位−歪変換部材３３の橋状部３６が外側に向けて湾曲する。この橋状部３６には光ファイバー１のＦＢＧ圧力センサ部２が貼り付けられているため、橋状部３６の湾曲度合いから歪量を検出することができる。
なお、土中の水分量と歪量との関係は予め把握されており、歪量を検出すると土中の水分量が分かるようになっている。

図１３は圧力センサ２７の第２の具体例を示す水分センサの断面図で、この具体例でもＦＢＧ方式の圧力センサが用いられている。
この具体例の場合図１３に示すように、メンブレム２６の中央部からケーシング２１の底部３５に向けて金属板からなる変位伝達部材３７が立設されている。また、ケーシング２１の底部３５から前記変位伝達部材３７に向けて金属板からなるファイバー支持部材３８が垂設されており、変位伝達部材３７とファイバー支持部材３８の間には隙間部３９が形成されている。

そして光ファイバー１の先端部が変位伝達部材３７からファイバー支持部材３８に掛けて貼り付けられており、光ファイバー１に設けられたＦＢＧ圧力センサ部２が隙間部３９の位置において、張力を付与した状態で架設されている。

この具体例の場合、土中水分２８の吸収に伴う膨潤材料２５の膨潤圧２９によってメンブレム２６の中央部が盛り上がり、その押し上げ力３０（圧力）は変位伝達部材３７を介して光ファイバー１のＦＢＧ圧力センサ部２に伝達され、メンブレム２６の歪量を検出することができる。

前記第１ならびに第２の具体例における変位−歪変換部材３３ならびに変位伝達部材３７は、メンブレム２６の歪をＦＢＧ圧力センサ部２の光軸方向に伝達する機能を有している。

図１４は圧力センサ２７の第３の具体例を示す水分センサの断面図で、この具体例では歪ゲージ式の圧力センサが用いられている。
この具体例の場合図１４に示すように、メンブレム２６の上面に抵抗ブリッジからなる歪ゲージ４０が貼られており、押し上げ力３０によって変化するメンブレム２６の歪量を電圧変化として検出することができる。

なお、メンブレム２６の位置によって歪量が違う場合があるため、複数個所（本具体例では４個所）にわたって歪ゲージ４０を貼り着けて、検出値の偏りを抑制している。図中の４１は中継基板、４２はセンサケーブルである。

前記具体例では、ＦＢＧ方式の圧力センサや電気式圧力センサを用いた場合について説明したが、本発明はＦＰＩ方式、ＯＴＤＲ方式、Ｂ−ＯＴＤＲ方式のなどの他の光学式センサを用いる場合、あるいは不純物拡散によって形成されたシリコンゲージが形成されたシリコンチップを有する半導体式圧力センサを用いる場合にも適用可能である。

図１５は、ＦＢＧ方式の複数個（本実施例７個）の水分センサ部４７ａ〜４７ｇを土中４５の深さ方向に連続して埋設することにより、各深さでの水分量を計測する多連装計測が可能な水分センサ群を示している。なお、図中の符号２５はセンサ内部に装填された膨潤材料、２６はメンブレムである。

図１５に示すように、各水分センサ部４７ａ〜４７ｇを様々な方向に向けて埋設することにより、土中４５のあらゆる方面の水分量計測が可能となる。

各水分センサ部４７ａ〜４７ｇからのデータは計測装置４３に入力されて土中４５の水分量が計測され、得られた計測データは記録装置４４に記録されて、土中水分量の監視が行われる。

本実施例のように土中４５の深さ方向に所定の間隔をおいて複数個の水分センサ部４７ａ〜４７ｇを埋設しておけば降水４６の土中４５での浸透状況を直接的確に把握することができる。

図１６は、ＦＢＧ方式あるいはＦＰＩ方式の複数個の水分センサ部４８ａ〜４８ｃを土中４５に個別に埋設して、土中４５の水分量を計測する水分センサ群を示している。この場合、各水分センサ部４８ａ〜４８ｃの深さを変えて土中４５に埋設しているが、同じ深さで埋設位置をそれぞれ変えることも可能である。

この場合も各水分センサ部４８ａ〜４８ｃのデータは計測装置４３に入力されて土中４５の水分量が計測され、得られた計測データは記録装置４４に記録されて、土中水分量の監視が行われる。

前記個々の水分センサ部４７、４８は、図１または図３に示す構造を有している。
また、個々の水分センサ部４７、４８は、監視対象領域の土中に孔を形成して、その孔の中に水分センサ部を埋め込むことができる。また、廃棄体周辺に緩衝材層を設ける場合には、緩衝材層を形成する際に粘土（ベントナイト）と一緒に水分センサ部をそれぞれの位置・向きに配置して、水分センサ付きの緩衝材層を形成することもできる。

前記実施例では土中の水分量を計測する場合について説明したが、本発明は例えば硬化後のコンクリートに孔を開けて、その孔に水分センサを埋めて、コンクリート中の水分量など他の対象物中の水分の検出・測定にも適用可能である。

図１７は、本発明の第３の実施例に係るコンクリート中の水分量を測定する水分センサの一部断面図である。
コップ形をしたケーシング２１の下端開口部には両端に開口部を有する筒形の保持ブロック２２が装着され、保持ブロック２２の高さ方向の中間部内側はメンブレム２６によって閉塞されており、メンブレム２６の周辺部はその保持ブロック２２の中間部に固定されている。

ケーシング２１の内側には前記具体例で説明したうちの１つの圧力センサ２７が装着されている。保持ブロック２２の略下半分の内周面とメンブレム２６の下面によって形成される断面形状が凹状の空間部内には、ウレタン系の膨潤性ゴム材料からなる前記試料Ｎｏ．９の膨潤材料２５が充填されている。

この膨潤材料２５を充填した保持ブロック２２の下端開口部を、水分量を測定しようとするコンクリート４９の面５０に当接して、前記下端開口部をコンクリート面５０に接着剤５１で固定する。そのため膨潤材料２５の一部が、コンクリート面５０に直接接触する構造になる。

コンクリート４９中の水分２８は保持ブロック２２の下端開口部から膨潤材料２５に吸収され、それに伴って発生する膨潤圧２９はメンブレム２６に作用し、メンブレム２６の歪量が圧力センサ２７によって計測され、コンクリート４９中の水分量が検出できる。

なお、図１に示す収納部２３の透孔２４内、あるいは図３に示す多孔質体３２内の細孔内に水分２８が溜まるが、この実施例の場合は膨潤材料２５がコンクリート面５０に直接接触しているため、膨潤材料２５に直に吸収されるという特長を有している。

１：光ファイバー、
２：ＦＢＧセンサ部、
４：回折格子、
５：入力光、
６：反射光、
７：透過光、
９：メンブレム、
１１：圧力、
１２ａ：第１の半透過ミラー、
１２ｂ：第２の半透過ミラー、
１３：空隙、
２１：ケーシング、
２２：保持ブロック、
２３：収納部、
２４：透孔、
２５：膨潤材料、
２６：メンブレム、
２７：圧力センサ、
２８：水分、
２９：膨潤圧、
３０：押し上げ力、
３１：筒体、
３２：多孔質体、
４５：土中、
４７，４８：水分センサ部。

Claims

吸水あるいは乾燥の状態によって膨潤・収縮する膨潤材料と、
その膨潤材料を充填・保持する膨潤材料保持部と、
その膨潤材料保持部に充填された前記膨潤材料の吸水による膨潤圧で弾性変形するメンブレムと、
そのメンブレムの歪量を検出する圧力センサを備え、
前記圧力センサは、前記メンブレムの歪量を検出するセンサ部を設けた光ファイバーを有し、前記メンブレムの弾性変形によって生じる歪が前記光ファイバーの光軸方向に作用するように構成され、
前記膨潤材料保持部は、両端に開口部を有する筒形をしており、
その膨潤材料保持部の一方の開口部が前記メンブレムによって閉塞され、
前記圧力センサを収納したケーシングの開口部が、前記膨潤材料ならびに前記メンブレム付きの前記膨潤材料保持部によって閉塞され、
前記膨潤材料保持部の周壁と前記メンブレムによって形成される断面形状が凹状の空間部内に前記膨潤材料が充填されて、
水分が含有される被測定物の面に前記膨潤材料保持部の他方の開口部を当接して、前記膨潤材料の一部を前記被測定物の面に直接接触させることを特徴とする水分センサ。
請求項１に記載の水分センサにおいて、
前記ケーシングがコップ形をしており、そのケーシングの開口部が、前記膨潤材料ならびに前記メンブレム付きの前記膨潤材料保持部によって閉塞され、
前記圧力センサが、
側面形状が略コ字状をした変位−歪変換部材を有し、その変位−歪変換部材の一端が前記メンブレムに取り付けられ、変位−歪変換部材の他端が前記ケーシングの底部に取り付けられて、
前記変位−歪変換部材の中間部で一方側に突出した橋状部の側面に、前記光ファイバーのセンサ部が貼り付けられていることを特徴とする水分センサ。
請求項１に記載の水分センサにおいて、
前記ケーシングがコップ形をしており、そのケーシングの開口部が、前記膨潤材料ならびに前記メンブレム付きの前記膨潤材料保持部によって閉塞され、
前記圧力センサが、
前記メンブレムから前記ケーシングの底部に向けて取り付けられた変位伝達部材と、
前記ケーシングの底部から前記変位伝達部材に向けて取り付けられたファイバー支持部材と、
前記変位伝達部材と前記ファイバー支持部材の間に形成された隙間部に前記センサ部が配置されるように、前記変位伝達部材から前記ファイバー支持部材に掛けて固定された光ファイバーから構成されていることを特徴とする水分センサ。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の水分センサにおいて、
前記センサ部が、当該光ファイバーのコア部の光軸線上に屈折率の異なる回折格子を一定の間隔で並設した構成になっていることを特徴とする水分センサ。
前記請求項４に記載のセンサ部が１本の光ファイバーに対して任意の間隔をおいて複数個取り付けることができることを特徴とする水分センサ。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の水分センサにおいて、
前記センサ部が、当該光ファイバーのコア部の光軸線上に第１の半透過ミラーと第２の半透過ミラーを空隙を介して対向・配置して、前記第１の半透過ミラーで反射した第１の反射光と、前記第２の半透過ミラーで反射した第２の反射光を、波長毎に分離して干渉させる構成になっていることを特徴とする水分センサ。
請求項１ないし６のいずれか１に記載の水分センサにおいて、
前記膨潤材料が、ウレタン系の膨潤性ゴム材料であることを特徴とする水分センサ。