JP7186811B2 - 計測装置および計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、計測装置および計測方法に関する。

特許文献１には、複数本の光ファイバケーブルを用いて、例えば長さ１００ｍの大型の構造物の変形などを計測する方法が開示されている。

特開２０００－１７６７８号公報

より簡易な構成で計測を可能とするため、１本の光ファイバを用いて、計測対象物の変形に伴う傾斜量や断面性能（中立軸の位置や断面係数等）の変化を計測可能とすることが求められていた。

本発明はこのような事情を考慮してなされ、１本の光ファイバを用いて、計測対象物の変形に伴う傾斜量や断面性能（中立軸の位置や断面係数等）の変化を計測できる計測装置または計測方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る計測装置は、ＦＢＧが形成された１本の光ファイバと、前記光ファイバに接続された光測定器と、前記光ファイバに接する第１円弧面を有する第１ガイド部材と、前記光ファイバに接する第２円弧面を有する第２ガイド部材と、を備え、前記第１ガイド部材および前記第２ガイド部材は、一方向において間隔を空けて配置されるとともに、計測対象物に固定され、前記光ファイバは、前記計測対象物の計測面に沿い、かつ前記一方向に沿って配置された第１部分と、両端部が前記第１円弧面および前記第２円弧面に接する第２部分と、を有し、前記第２部分は、前記第１円弧面から前記第２円弧面に向かうに従って前記計測面から離れるように配置されている。

上記態様によれば、１本の光ファイバを用いて、計測対象物の変形に伴う計測面の傾斜量や、計測対象物の断面性能（中立軸の位置や断面係数等）の変化を計測することができる。また、計測対象物としての構造物の変形を、微細な区間において精密かつ連続して計測することが可能となる。

ここで、前記計測装置は、前記第１ガイド部材および前記第２ガイド部材が固定されたベース部材をさらに備え、前記ベース部材が前記計測対象物に固定されてもよい。

本発明の第２の態様に係る計測方法は、ＦＢＧが形成された１本の光ファイバに、張力が印加された張力印加区間と、張力が印加されない無張力区間と、を設け、前記無張力区間の前記光ファイバの歪量の測定結果を用いて温度校正を行い、前記張力印加区間の前記光ファイバの歪量の測定結果を用いて、計測対象物が変形することに伴って生じる、前記計測対象物の計測面の傾斜量を計測する。

本発明の第３の態様に係る計測方法は、ＦＢＧが形成された１本の光ファイバに、計測対象物の計測面に沿って配置された第１部分と、前記計測面から直線的に離れるように配置された第２部分と、を設けて、前記計測対象物の変形に伴って、前記第１部分において生じるひずみと、前記第２部分において生じるひずみと、に基づき、前記計測対象物の中立軸の前記計測面からの距離を計測する。

本発明の第４の態様に係る計測方法は、ＦＢＧが形成された１本の光ファイバを計測対象物に固定し、前記計測対象物が変形することに伴って前記光ファイバに生じる歪量を用いて、前記計測対象物の第１方向の傾斜量および前記第１方向に直交する第２方向の傾斜量を計測する。

上記計測方法において、前記光ファイバに生じる歪量を用いて、前記第１方向および前記第２方向の双方に直交する軸方向回りの前記計測対象物のねじれを計測してもよい。

本発明の上記態様によれば、１本の光ファイバを用いて、計測対象物の変形に伴う傾斜量や断面性能（中立軸の位置や断面係数等）の変化を計測できる計測装置または計測方法を提供することができる。

第１実施形態に係る計測装置を第１方向から見た図である。 図１Ａの計測装置を第２方向から見た図である。 第１実施形態に係る計測方法を説明するための概略図である。 図２Ａの計測対象物が変形した後の状態を示す概略図である。 第２実施形態に係る計測装置を第１方向から見た図である。 図３Ａの計測装置を第２方向から見た図である。 第３実施形態に係る計測装置を第１方向から見た図である。 図４Ａの計測装置を第２方向から見た図である。 第１～第３実施形態の計測装置の第１の使用例を示す図である。 第１～第３実施形態の計測装置の第２の使用例を示す図である。 図６ＡのＶＩ－ＶＩ断面矢視図である。 第１～第３実施形態の計測装置の第３使用例を示す図である。 図７ＡのＶＩＩ－ＶＩＩ断面矢視図である。 第４実施形態に係る計測装置を第１方向から見た図である。 図８の計測装置を第２方向から見た図である。 第４実施形態に係る計測原理を説明するための図である。 第４実施形態に係る計測原理を説明するための図である。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態の計測装置について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、計測装置１は、取付ユニット１０と、光測定器２０と、を備えている。取付ユニット１０は、シート材１１と、ベース部材１２と、第１ガイド部材１３と、第２ガイド部材１４と、１本の光ファイバ１５と、を備えている。取付ユニット１０は計測対象物Ｔの表面（計測面ｔ１）に固定される。光ファイバ１５にはＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）が形成されている。光測定器２０は、光ファイバ１５に測定光を出射し、ＦＢＧで反射された反射光を分析することで、光ファイバ１５の各部における歪を測定するように構成されている。具体的には、光測定器２０はＯＦＤＲ（Optical Frequency Domain Reflectometry）によって光ファイバ１５の各部の歪を測定する。光測定器２０は、計測対象物Ｔに固定されてもよいし、固定されなくてもよい。光測定器２０は精密機器であるため、特に計測対象物Ｔが地中や海中に設置される場合、光測定器２０は計測対象物Ｔから離れた地上に配置するとよい。

計測対象物Ｔは、任意の構造物などである。具体的には、鋼管杭、鋼管矢板、鋼矢板（Ｕ型、Ｚ型、ハット型、直線型など）、Ｈ型鋼、ＰＣ壁体、ＰＣ杭、橋梁の各部材、建築部材（柱、梁、壁面）、貯蔵施設、地下空間やトンネルの壁面や天井などが挙げられる。ただし、上記以外の計測対象物Ｔに本実施形態の計測装置１および計測方法を適用してもよい。

（方向定義）
本実施系形態では、ＸＹＺ直交座標系を設定して各構成の位置関係を説明する。光ファイバ１５の軸方向を軸方向Ｚといい、図面ではＺ軸によって表す。軸方向Ｚにおいて、光測定器２０側を－Ｚ側と表し、その反対側を＋Ｚ側と表す。軸方向Ｚに直交する一方向を第１方向Ｘといい、図面ではＸ軸によって表す。軸方向Ｚおよび第１方向Ｘの双方に直交する方向を第２方向Ｙといい、図面ではＹ軸によって表す。第１方向Ｘは変形前の計測対象物Ｔの計測面ｔ１に垂直な方向であり、第２方向Ｙは変形前の計測面ｔ１に平行な方向である。第１方向Ｘにおいて、計測対象物Ｔから見た取付ユニット１０側を＋Ｘ側と表し、その反対側を－Ｘ側と表す。第２方向Ｙにおいて、一方側を＋Ｙ側と表し、他方側を－Ｙ側と表す。
第１実施形態の計測装置１および計測方法によれば、計測対象物Ｔの第１方向Ｘにおける傾斜量と、計測対象物Ｔの断面性能（中立軸の位置や断面係数等）の変化を計測可能である。

シート材１１は、取付ユニット１０の他の構成部材を計測対象物Ｔに取り付けることを容易にするために用いられる。シート材１１としては、計測対象物Ｔの計測面ｔ１に固定可能であり、計測面ｔ１の変形に追従して変形する材質が好適である。シート材１１は、例えば厚さ０．０１～０．３ｍｍの金属（ＳＵＳ）製シートなどである。なお、シート材１１は無くてもよく、例えばベース部材１２を計測対象物Ｔに直接取り付けてもよい。

ベース部材１２は、第１ガイド部材１３と第２ガイド部材１４との間隔を固定し、かつ、計測面ｔ１の変形に追従して第１ガイド部材１３および第２ガイド部材１４を変位させるために用いられる。ベース部材１２としては、第１ガイド部材１３および第２ガイド部材１４を固定可能であり、計測面ｔ１の変形に追従して変形する材質が好適である。図１Ａ、図１Ｂの例では、ベース部材１２は、軸方向Ｚに沿って延びる２本のレールである。各レールは、例えば幅および厚さが０．３～０．５ｍｍの金属（ＳＵＳ）製角材などである。２本のレールは第２方向Ｙに間隔を空けて配置され、レール同士の間に、光ファイバ１５の一部が位置している。なお、ベース部材１２の形状は適宜変更可能であり、例えば２本のレールが接続されて一体化されていてもよい。

第１ガイド部材１３および第２ガイド部材１４はそれぞれ、少なくとも一部に円弧面１３ａ、１４ａを有しており、当該円弧面１３ａ、１４ａに光ファイバ１５が当接する。本実施形態の第１ガイド部材１３および第２ガイド部材１４は、中心軸線が第２方向Ｙに沿う円柱形状であり、外周面が先述の円弧面１３ａ、１４ａとなっている。なお、第１ガイド部材１３および第２ガイド部材１４の形状は適宜変更可能であり、例えば半円柱形状であってもよいし、円筒形状であってもよい。

第１ガイド部材１３および第２ガイド部材１４は、軸方向Ｚにおいて間隔を空けて配置されている。第１ガイド部材１３は－Ｚ側に位置し、第２ガイド部材１４は＋Ｚ側に位置している。図１Ｂに示すように、本実施形態では、軸方向Ｚにおいて、光測定器２０と第１ガイド部材１３との間の任意の区間をＺ軸計測区間Ｓｚと称し、第１ガイド部材１３と第２ガイド部材１４との間の区間をＸ軸計測区間Ｓｘと称する。また、光ファイバ１５のうち、Ｚ軸計測区間Ｓｚに位置する部分を第１部分Ｐ１といい、Ｘ軸計測区間Ｓｘに位置する部分を第２部分Ｐ２という。光ファイバ１５には、少なくとも第１部分Ｐ１および第２部分Ｐ２において、所定の張力が印加されている。言い換えると、Ｚ軸計測区間ＳｚおよびＸ軸計測区間Ｓｘは、光ファイバ１５に張力が印加された区間（以降、「張力印加区間」という）である。

図１Ｂに示すように、光ファイバ１５のうちＺ軸計測区間Ｓｚに位置する第１部分Ｐ１は、計測面ｔ１に沿って、直線状に配置されている。光ファイバ１５は、第１ガイド部材１３の－Ｘ側、すなわち第１ガイド部材１３と計測面ｔ１との間を通されている。また、光ファイバ１５は、第２ガイド部材１４のユニット側（＋Ｘ側）を通されている。光ファイバ１５には所定の張力が印加されるため、光ファイバ１５は、第１ガイド部材１３の円弧面１３ａおよび第２ガイド部材１４の円弧面１４ａに接する。また、張力により、第１ガイド部材１３と第２ガイド部材１４との間で光ファイバ１５は直線状に張られた状態となる。

図２Ａおよび図２Ｂは、本実施形態の計測装置１の計測原理を説明する概略図である。図２Ｂは、測定対象物Ｔに第１方向Ｘの荷重（第２方向Ｙに延びる軸線を中心とした曲げモーメントＭ）が作用して、測定対象物Ｔに撓み変形が生じた様子を示している。図２Ａ、図２Ｂでは、説明の便宜上、光ファイバ１５の第１部分Ｐ１および第２部分Ｐ２を重ねて表示している。また、シート材１１およびベース部材１２は、計測対象物Ｔの変形に伴う光ファイバ１５の伸びの量（歪量）を考慮する上では実質的に無視できるため、図２Ａ、図２Ｂでは図示を省略している。なお、測定対象物Ｔは、少なくともＺ軸計測区間ＳｚおよびＸ軸計測区間Ｓｘにおいて、均一で連続した変形を生じるものとして説明する。

図２Ａ、図２Ｂなどに示され、以下の説明に用いる各記号の定義は以下の通りである。
Ａ０：第１ガイド部材１３の円弧面１３ａのうち計測面ｔ１に最も近い点
Ｂ０：第１ガイド部材１３の円弧面１３ａのうち計測面ｔ１から最も遠い点
Ａ１：第２ガイド部材１４の円弧面１４ａのうち計測面ｔ１に最も近い点
Ｂ１：第２ガイド部材１４の円弧面１４ａのうち計測面ｔ１から最も遠い点
Ａ’１：変形後の、点Ａ０に対する相対変位後の点Ａ１の位置
Ｂ’１：変形後の、点Ｂ０に対する相対変位後の点Ｂ１の位置
Ｂ’１：第２ガイド部材１４の円弧面１４ａのうち計測面ｔ１から最も遠い点
Ｌａｚ：変形が生じる前の点Ａ０と点Ａ１との間の距離
Ｌ’ａｚ：変形後の、計測面ｔ１に沿った点Ａ０と点Ａ’１との間の円弧長
Ｌ”ａｚ：変形後の、点Ａ０と点Ａ’１との間の直線長
Ｌａｘ：第２部分Ｐ２の長さ（点Ａ０－Ｂ１間の直線長）
Ｌ’ａｘ：変形後の、第２部分Ｐ２の長さ（点Ａ０－Ｂ’１間の直線長）
Ｌｃｈ：変形前の測定対象物Ｔの中立軸と計測面ｔ１との間の距離
Ｌ’ｃｈ：変形後の測定対象物Ｔの中立軸と計測面ｔ１との間の距離
∠θａ：第２部分Ｐ２が計測面ｔ１に対してなす角の大きさ
∠θ’ａ：変形後において第２部分Ｐ２が計測面ｔ１に対してなす角の大きさ
∠θ_Ａ０：∠（Ｂ０―Ａ０―Ａ１）の大きさ
∠θ’_Ａ０：点Ａ’０における計測面ｔ１の法線が、変形前の計測面ｔ１の法線に対してなす角の大きさ
∠θ’_Ａ1：点Ａ’１における計測面ｔ１の法線が、変形前の計測面ｔ１の法線に対してなす角の大きさ
∠θ’_Ａ０および∠θ’_Ａ1は、測定対象物Ｔの変形により、ガイド部材１３、１４が配置された位置で生じた計測対象部Ｔの傾斜量を示している。

先述の通り、光ファイバ１５には張力が印加されているため、光ファイバ１５の第２部分Ｐ２の－Ｚ側の端部は点Ａ０に接し、＋Ｚ側の端部は点Ｂ１に接することになる。
上記パラメータを用いて、∠θ’_Ａ０および∠θ’_Ａ1の大きさを計測する計測方法について説明する。

図２Ａと図２Ｂとを比較すると、図２Ｂでは、測定対象物Ｔの変形により、光ファイバ１５の第１部分Ｐ１および第２部分Ｐ２でひずみ（伸び）が生じている。第１部分Ｐ１で生じるひずみをεｚと表し、第２部分Ｐ２で生じるひずみをεｘと表す。εｚ、εｘの値は、光測定器２０がＯＦＤＲによる解析を行うことで取得できる。Ｌａｚ、Ｌａｘの値は、計測装置１の設計によるものであるから、既知である。Ｌ’ａｚの値は、εｚの値から換算できる。Ｌ”ａｚの値は、εxより換算できる。また、Ｌ”ａｚ＝Ｒ×ｓｉｎ（∠θ’_Ａ１／２）×２の関係にある。点Ａ０、Ｂ０間の距離（すなわち第１ガイド部材１３の直径）をＤ１とし、光ファイバ１５の第２部分P2の表面がガイド部材１３の表面１３aの表面と接する点を１３a0とし、ガイド部材１３の中心と点１３a0を結ぶ直線が鉛直方向（直線A0～B0）との角度を∠θbとする。同様に光ファイバ１５の第２部部分P2の表面がガイド部材１４の表面１４aと接する点を１４b1とした場合も同様に∠θbの角度となる。また、光ファイバ１５の直径をＤｆとし、Ｄ’１＝Ｄ１＋Ｄｆとすると、∠θb＝asin（（D‘１)／Laz）である。また、直線(１３a1―１４b1)の延長線が直線（A1-B1）の延長線と交わる点をBf1とし、その対象点（A1側の交点）をAf1とすれば、直線（Af1-Bf1）の長さは、Laz×tan(∠θb)＝D’iとなる。∠θｂおよびD‘iの値はＬａｚおよびＤ１に基づいて三角関数により算出できる。また、光ファイバ１５の直径をＤｆとし、Ｄ’１＝Ｄ１＋Ｄｆとすると、∠θ’_Ａ０の値はＬ”ａｚ、Ｄ’i、Ｌ’ａｘ、およびＬ”ａｚに基づいて三角形の挟角の定理より算出できる。

さらに、幾何学的な関係から、以下の（１）式が成立する。
∠θ’_Ａ０＝∠θ_Ａ０－∠θ’_Ａ1÷２ …（１）
（１）式を変形すると、（１）’式が得られる。
∠θ’_Ａ1＝（π／２－∠θ’_Ａ０）×２ …（１）’

ここで、∠θ’_Ａ1はＬ”ａｚより算出するため、（１）’式は循環計算となる。そこで、一次的にＬ”ａｚ＝Ｌ’ａｚとして（１）’式に基づいて∠θ’_Ａ1の値を算出し、事後的に誤差を修正するという手法を採用する。またこの他に、理論上の誤差として「εzの増大とともに、光ファイバ１５の伸び方向と点Ａ０から点Ｂ１に向かう方向とに僅かずつ差異が生じる」という現象がある。これらは、同程度の誤差を生じるため、理論誤差の合計を計算の最終段階でΔ∠θ’_Ａ1＝Ｇ*εｚ＾^２の指数関数に近似して修正する（Δ∠θ’_Ａ1は∠θ’_Ａ1の変化量、Ｇは中立軸深さにより変化する定数）。このような方法によれば、理論上の誤差を無視できる程度の大きさにすることができる。
以上より、光ファイバ１５の第１部分Ｐ１および第２部分Ｐ２に生じるひずみの測定結果に基づいて、∠θ’_Ａ０および∠θ’_Ａ１ の値（すなわち、変形に伴う計測面ｔ１の傾斜量）を算出することができる。

また、変形後の測定対象物Ｔの中立軸の曲率半径をＲとすると、Ｒ＝Ｌ’ａｚ÷∠θ’_Ａ1が成立する。上述の通り、Ｌ’ａｚおよび∠θ’_Ａ1はどちらも算出可能な値であるから、Ｒの値も算出可能である。そして、Ｒ＝Ｌ’ｃｈ÷εｚとなることが知られているから、Ｌ’ｃｈの大きさも算出可能である。
以上より、光ファイバ１５の第１部分Ｐ１および第２部分Ｐ２に生じるひずみの測定結果に基づいて、Ｌ’ｃｈの値（すなわち、測定対象物Ｔの変形後の断面性能（中立軸の位置や断面係数等）の変化）を算出することができる。

なお、光ファイバ１５は、計測対象物Ｔが変形することに加えて、温度の変化によっても伸縮する。このため、光ファイバ１５の歪量の測定結果には、計測対象物Ｔの変形に起因する成分と、温度変化に起因する成分と、が含まれる。より高精度に計測対象物Ｔの傾斜量を計測するには、光測定器２０の測定結果から、温度変化に起因する成分を除去する（すなわち温度校正を行う）ことが好ましい。

そこで、本実施形態では、上述の張力印加区間に加えて、光ファイバ１５に張力が印加されていない区間（以降、「無張力区間」という）を設ける。無張力区間は、光ファイバ１５の任意の部分に設けることができる。無張力区間における光ファイバ１５の歪量は温度変化に起因するものであるから、当該歪量を用いて温度校正を行えばよい。

以上説明したように、本実施形態の計測装置１は、ＦＢＧが形成された１本の光ファイバ１５と、光ファイバ１５に接続された光測定器２０と、光ファイバ１５に接する第１円弧面１３ａを有する第１ガイド部材１３と、光ファイバ１５に接する第２円弧面１４ａを有する第２ガイド部材１４と、を備え、第１ガイド部材１３および第２ガイド部材１４は、一方向（軸方向Ｚ）において間隔を空けて配置されるとともに、計測対象物Ｔに固定され、光ファイバ１５は、計測対象物Ｔの計測面ｔ１に沿い、かつ前記一方向に沿って配置された第１部分Ｐ１と、両端部が第１円弧面１３ａおよび第２円弧面１４ａに接する第２部分Ｐ２と、を有し、第２部分Ｐ２は、第１円弧面１３ａから第２円弧面１４ａに向かうに従って計測面ｔ１から離れるように配置されている。

上記のような構成により、１本の光ファイバ１５を用いて、計測対象物Ｔの変形に伴う計測面ｔ１の傾斜量や、計測対象物Ｔの中立軸の位置などを計測することができる。そして、上記構成によれば、計測対象物Ｔとしての構造物の変形を、微細な区間において精密かつ連続して計測することが可能となる。

また、計測装置１は、第１ガイド部材１３および第２ガイド部材１４が固定されたベース部材１２をさらに備え、ベース部材１２が計測対象物Ｔに固定されている。これにより、光ファイバ１５を計測対象物Ｔに取り付けるための構成をユニット化することができる。したがって、光ファイバ１５の計測対象物Ｔへの取付が容易となる。

また、本実施形態の計測方法は、ＦＢＧが形成された１本の光ファイバ１５に、張力が印加された張力印加区間と、張力が印加されない無張力区間と、を設け、無張力区間の光ファイバ１５の歪量の測定結果を用いて温度校正を行い、張力印加区間の光ファイバ１５の歪量の測定結果を用いて、計測対象物Ｔが変形することに伴って生じる、計測対象物Ｔの計測面ｔ１の傾斜量を計測する。これにより、より高精度に傾斜量を計測することが可能となる。

また、本実施形態の計測方法は、ＦＢＧが形成された１本の光ファイバ１５に、計測対象物Ｔの計測面ｔ１に沿って配置された第１部分Ｐ１と、計測面ｔ１から直線的に離れるように配置された第２部分Ｐ２と、を設けて、計測対象物Ｔの変形に伴って、第１部分Ｐ１において生じるひずみεｚと、第２部分Ｐ２において生じるひずみεｘと、に基づき、計測対象物Ｔの中立軸の計測面ｔ１からの距離を計測する。このような計測方法により、従来は計測することが容易ではなかった設置後の構造物の中立軸の位置の変化を、１本の光ファイバ１５を用いて計測することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

第１実施形態では、計測対象物Ｔに第１方向Ｘの荷重が作用した場合の計測対象物Ｔの傾斜量（∠θ’_Ａ０および∠θ’_Ａ１ の値）を計測した。これに加えて、本実施形態では、計測対象物Ｔに第２方向Ｙの荷重が作用した場合の計測対象物Ｔの傾斜量を計測する。

図３Ａ、図３Ｂに示すように、本実施形態では、第２ガイド部材１４の＋Ｚ側に、第３ガイド部材１６および第４ガイド部材１７が配置されている。第３ガイド部材１６および第４ガイド部材１７は、中心軸線が第１方向Ｘに沿う円柱形状である点を除き、第１ガイド部材１３および第２ガイド部材１４と同様の構成である。本実施形態では、第３ガイド部材１６と第４ガイド部材１７との間の区間をＹ軸計測区間Ｓｙと称する。Ｙ軸計測区間Ｓｙも張力印加区間である。

光ファイバ１５は、第３ガイド部材１６の＋Ｙ側および第４ガイド部材１７の－Ｙ側を通されている。光ファイバ１５は、第３ガイド部材１６の円弧面１６ａおよび第４ガイド部材１７の円弧面１７ａに接している。これにより、Ｙ軸計測区間Ｓｙにおいて、光ファイバ１５は、第２方向Ｙにおける一方側から他方側に向けて直線状に延びている。Ｙ軸計測区間Ｓｙにおいて、計測面ｔ１から＋Ｘ側に一定の間隔だけ離れた位置に、光ファイバ１５が位置している。

本実施形態では、計測対象物Ｔに第２方向Ｙの荷重が作用することによる変形に伴い、Ｙ軸計測区間Ｓｙにおける光ファイバ１５に生じるひずみをεｙと称する。εｙの値も、光測定器２０によるＯＦＤＲによって取得することができる。εｙの値に基づき、第１実施形態と同様の手法を用いれば、計測対象物Ｔに第２方向Ｙの荷重が作用した場合の計測対象物Ｔの傾斜量を計測することができる。さらに、計測対象物Ｔの第２方向Ｙにおける中立軸の位置も、第１実施形態と同様に計測することが可能である。

以上説明したように、本実施形態の計測方法によれば、ＦＢＧが形成された１本の光ファイバ１５を計測対象物Ｔに固定し、計測対象物Ｔが変形することに伴って光ファイバ１５に生じるひずみ量であるεｘ、εｙ、およびεｚを用いて、計測対象物Ｔの第１方向Ｘの傾斜量および第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙの傾斜量を計測することが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態について説明するが、第２実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

第２実施形態では、計測対象物Ｔに第１方向Ｘおよび第２方向Ｙの荷重が作用した場合の計測対象物Ｔの傾斜量を計測した。これに加えて、本実施形態では、計測対象物Ｔに生じる軸方向Ｚ回りのねじれの量を計測する。

図４Ａ、図４Ｂに示すように、本実施形態では、第３ガイド部材１６の＋Ｚ側に、第５ガイド部材１８、第６ガイド部材１９、第７ガイド部材２１、および第８ガイド部材２２が配置されている。第５ガイド部材１８および第６ガイド部材１９の構成は、第１ガイド部材１３および第２ガイド部材１４の構成と同様である。第７ガイド部材２１および第８ガイド部材２２の構成は、第３ガイド部材１６および第４ガイド部材１７の構成と同様である。本実施形態では、第５ガイド部材１８と第６ガイド部材１９との間の区間を副Ｘ軸計測区間Ｓｘ’と称する。また、第７ガイド部材２１と第８ガイド部材２２との間の区間を副Ｙ軸計測区間Ｓｙ’と称する。また、第８ガイド部材２２よりも＋Ｚ側の任意の区間を副Ｚ軸計測区間Ｓｚ’と称する。副Ｘ軸計測区間Ｓｘ’、副Ｙ軸計測区間Ｓｙ’、および副Ｚ軸計測区間Ｓｚ’も張力印加区間である。なお、測定対象物Ｔは、少なくともこれらの張力印加区間において、傾斜量およびねじれ量の両方において均一で連続した変形を生じるものとして説明する。

副Ｙ軸計測区間Ｓｙ’の軸方向Ｚにおける長さは、Ｙ軸計測区間Ｓｙの軸方向Ｚにおける長さとは同一であってはならない（整数倍であることが望ましい）。副Ｘ軸計測区間Ｓｘ’、副Ｙ軸計測区間Ｓｙ’、および副Ｚ軸計測区間Ｓｚ’の数は、複数（ｎ箇所）であってもよい。ｎは１以上の整数である。ｎ箇所のうち、注目する副Ｘ軸計測区間Ｓｘ’、副Ｙ軸計測区間Ｓｙ’、および副Ｚ軸計測区間Ｓｚ’が設けられた位置をｉと表し、Ｘ軸計測区間Ｓｘ、Ｙ軸計測区間Ｓｙ、およびＺ軸計測区間Ｓｚが設けられた位置をｉ＝１と表すとき、本実施形態では、（ｉ）～（ｉ＋１）間の相対的傾斜変化を計算する。なお、（ｉ）～（ｉ＋１）間に、第１方向Ｘおよび第２方向Ｙの双方において傾斜量の変化があり、かつ捩れが生じている場合を前提とする。Ｘ軸計測区間ＳｘおよびＹ軸計測区間Ｓｙの計測結果、若しくは副Ｘ軸計測区間Ｓｘ’および副Ｙ軸計測区間Ｓｙ’の計測結果に基づくと、ＸＹ投影面における合成傾斜角βｚが得られる。（ｉ）の位置と（ｉ＋１）の位置とで、合成傾斜角βｚを比較することで、合成傾斜角の変化量（Δβz)を検出できる。このΔβzが、（ｉ）～（ｉ＋１）間において生じたねじれの量である。

以上説明したように、本実施形態によれば、光ファイバ１５に生じる歪量を用いて、第１方向Ｘおよび第２方向Ｙの双方に直交する軸方向Ｚ回りの計測対象物Ｔのねじれを計測することが可能である。

次に、第１～第３実施形態の計測装置１の使用例を説明する。
図５に示すように、１つの柱状の計測対象物Ｔに対して、複数の取付ユニット１０を取り付け、これらの取付ユニット１０に共通の光ファイバ１５を固定してもよい。この場合、１つの光測定器２０および１本の光ファイバ１５を用いて、各取付ユニット１０の位置における計測対象物Ｔの傾斜量、中立軸、ねじれを計測することができる。

また、図６Ａ、図６Ｂに示すように、１つの円筒状の計測対象物Ｔの内周面に、当該円筒の長手方向に沿って、複数の取り付けユニット１０を取り付けてもよい。この計測対象物Ｔは、具体的には鋼管杭などであり、計測面ｔ１は鋼管杭などの内周面である。この場合、光ファイバ１５の軸方向Ｚと鋼管杭の長手方向が一致する。この場合も、各取付ユニット１０の位置における計測対象物Ｔ（鋼管杭）の傾斜量、中立軸、ねじれを計測することができる。また、例えば鋼管杭が水中に設置されて外周側から浸食される場合などには、計測面ｔ１（内周面）からの中立軸の位置を計測することで、鋼管杭の厚みの減少を把握することも可能である。

また、図７Ａ、図７Ｂに示すように、箱型構造物である計測対象物Ｔの３つの内面に、それぞれ複数の取付ユニット１０を取り付けてもよい。この場合、３つの内面がそれぞれ計測面ｔ１となる。
また、前記実施形態ではＯＦＤＲを用いて光ファイバ１５の各部の歪を測定したが、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）などの他の方法を用いてもよい。

（第４実施形態）
次に、本発明に係る第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態等で説明した取付ユニット１０を改良し、より使用しやすくしたものである。第１実施形態等と同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。なお、図８Ａでは光ファイバ１５等の表示を省略している。

図８Ａに示すように、本実施形態の取付ユニット３０は、シート材３１と、主棒材３２～３４と、補助棒材３５、３６と、を備える。主棒材３２～３４および補助棒材３５、３６は、シート材３１に固定されている。固定の方法は任意であるが、例えばシート材３１、主棒材３２～３４、および補助棒材３５、３６が金属（例えばＳＵＳ）である場合は、溶接によって固定してもよい。また、接着剤等によって固定してもよい。取付ユニット３０は、第１実施形態の取付ユニット１０等と同様に、計測対象物Ｔに取り付けられる。取付ユニット３０の計測対象物Ｔへの固定の方法は任意であるが、溶接や接着剤（例えばエポキシ系接着剤）等による固定を採用できる。

シート材３１の－Ｘ側の面は、計測対象物Ｔの表面ｔ１に接している。シート材３１には貫通孔３１ａが形成されている。貫通孔３１ａは、軸方向Ｚに延びる長孔である。貫通孔３１ａの内側に、補助棒材３５、３６が配置されている。補助棒材３５、３６は第２方向Ｙに沿って延びる円柱状である。シート材３１の厚みよりも補助棒材３５、３６の直径が大きいため、補助棒材３５、３６の一部が、貫通孔３１ａから＋Ｘ側に向けて突出している。一例として、シート材３１の厚みが０．３ｍｍであり、補助棒材３５、３６の直径が０．５ｍｍであってもよい。補助棒材３５は貫通孔３１ａにおける－Ｚ側の端部に位置し、補助棒材３６は貫通孔３１ａにおける＋Ｚ側の端部に位置している。

主棒材３２～３４は、シート材３１の＋Ｘ側の面に固定されている。主棒材３２～３４は第２方向Ｙに沿って延びる円柱状である。主棒材３２～３４の長さは、第２方向Ｙにおける貫通孔３１ａの幅よりも大きい。主棒材３２～３４は貫通孔３１ａを跨ぐように配置されている。主棒材３２～３４の直径は例えば１ｍｍである。

図８Ｂに示すように、光ファイバ１５は、補助棒材３５の＋Ｘ側、主棒材３２の－Ｘ側、主棒材３３の＋Ｘ側、主棒材３４の－Ｘ側、および補助棒材３６の＋Ｘ側を順に通過している。主棒材３２、３４の－Ｘ側を通過するため、光ファイバ１５は部分的に貫通孔３１ａの内側に位置する。このように、貫通孔３１ａを設けることで、計測対象物Ｔの表面ｔ１からの取付ユニット３０の出っ張りを少なくすることができる。光ファイバ１５は主棒材３３の＋Ｘ側を通されるため、主棒材３３の－Ｘ側の部分には貫通孔３１ａが設けられていなくてもよい。言い換えると、２つの貫通孔３１ａが主棒材３２の－Ｘ側および主棒材３４の－Ｘ側にそれぞれ設けられていてもよい。主棒材３２よりも－Ｚ側、および主棒材３４よりも＋Ｚ側の領域においては、光ファイバ１５はエポキシ樹脂などによって固められ、シート材３１に固定されている。主棒材３２から主棒材３４までの区間においては、光ファイバ１５はエポキシ樹脂などによって固められておらず、露出している。主棒材３２から主棒材３４までの区間において、光ファイバ１５には所定の張力が加えられており、棒材間における光ファイバ１５は直線状である。計測対象物Ｔが杭材である場合、主棒材３２から主棒材３４までの区間において露出した光ファイバ１５を保護するため、少なくともこの区間における光ファイバ１５を保護チューブ等によって覆うことが好ましい。これにより、杭材（計測対象物Ｔ）とともに取付ユニット３０および光ファイバ１５が地面に圧入されたときに、光ファイバ１５が損傷することを抑制できる。保護チューブは、例えば半円筒状であり、計測対象物Ｔに固定される。

本実施形態においては、シート材３１の－Ｚ側の端部から補助棒材３５までの区間が、第１実施形態等で説明したＺ軸計測区間Ｓｚに相当する。また、主棒材３２から主棒材３３までの区間が、第１実施形態等で説明したＸ軸計測区間Ｓｘに相当し、主棒材３３から主棒材３４までの区間が、第３実施形態で説明した副Ｘ軸計測区間Ｓｘ’に相当する。

以下、本実施形態の計測方法について説明する。以下の説明では、各記号を以下のように定義する。
ε：光ファイバ１５に生じる歪
Ｌｃｈ：変形前の測定対象物Ｔの中立軸と計測面ｔ１との間の距離
Ｌａ：変形が生じる前の計測区間の長さ
∠θ’Ａ0：外力の影響を除去し、傾斜変化が錆進行のみで生じた場合の推定傾斜角で、変形後の∠（B’f0－A’f0－A’f1）角度
∠θ’_Ａｉ：計測区間における曲げ傾斜
Ｌ’ａ：変形後の、計測面ｔ１に沿った点Ａ０と点Ａｉとの間の円弧長
Ｒ：計測対象物Ｔに曲げモーメントＭが作用することで生じる曲げ半径

計測対象物Ｔに曲げモーメントＭが作用して撓み変形することで、光ファイバ１５に歪εが生じた場合について考える。Ｒ＝Ｌｃｈ／εであり、Ｌ’ａ＝Ｌａ×（１＋ε）である。歪により生じる回転半径はＲ＝Ｌｃｈである。Ｌ’ａ／（π×Ｒ）＝∠θ’_Ａｉ／πであるから、以下の（２）式が成立する。
∠θ’_Ａｉ＝Ｌ’ａ／Ｒ＝Ｌａ／Ｌｃｈ×ε×（１＋ε） …（２）

経時変化により、計測対象物Ｔに錆が進行し、ＬｃｈがＬ”ｃｈに変化し、εがε”に変化し、∠θ’_Ａｉが∠θ”_Ａｉ：に変化したとする。このとき、（２）式をもとに以下の（３）式が得られる。
∠θ”_Ａｉ＝Ｌ’ａ／Ｒ＝Ｌａ／Ｌ”ｃｈ×ε”×（１＋ε”） …（３）
（２）式を（３）式で割ることで、以下の（４）式が得られる。
∠θ’_Ａｉ／∠θ”_Ａｉ＝Ｌ”ｃｈ×ε”×（１＋ε”）／Ｌｃｈ×ε×（１＋ε） …（４）
（４）式を変形することで、以下の（５）式が得られる。
Ｌ”ｃｈ／Ｌｃｈ＝∠θ’_Ａｉ／∠θ”_Ａｉ×（ε×（１＋ε））／（ε”×（１＋ε”）） …（５）

計測対象物Ｔに錆が進行していない場合はＬ”ｃｈ／Ｌｃｈ＝１であるから、（５）式より、以下の（６）式が得られる。
∠θ’_Ａｉ／∠θ”_Ａｉ＝（ε”×（１＋ε”）／（ε×（１＋ε）） …（６）
計測対象物Ｔの歪εは、経験的に、１００～５００μεである。このため、ε×ε項およびε”×ε”は充分に小さく、無視することができる。したがって、（ε”×（１＋ε”）／（ε×（１＋ε））≒ε／ε”と近似できる。よって、（６）式を変形することで（７）式が得られる。
∠θ”_Ａｉ≒∠θ’_Ａｉ×ε”／ε …（７）
つまり、∠θ”_Ａｉは歪εと一次相関関係があり、また、曲げモーメントＭとも一次相関関係がある。

次に、Ｚ軸計測区間Ｓｚにおける長さＬＢの光ファイバ１５に歪εが生じて長さＬ’Ｂとなり、Ｘ軸計測区間Ｓｘにおける長さＬｂの光ファイバ１５に歪ε_Ｂが生じて長さＬ’ｂとなった場合について考える。つまり、Ｌ’Ｂ＝ＬＢ×（１＋ε）であり、Ｌ’ｂ＝Ｌｂ×（１＋ε_Ｂ）である。曲げモーメントＭにより、図９に示す∠θ_Ａ０が∠θ’_Ａ０に増大したとする。∠θ_Ａ０は三角形の夾角定理によって、以下の式（８）により求まる。
∠θ_Ａ０＝ａｃｏｓ（（Ｄ’ｉ^{^2}＋ＬＢ^{^2}－Ｌｂ^{^2}）／（２×Ｄ’ｉ×ＬＢ）） …（９）
曲げモーメントＭによって点Ａｉに発生する傾斜角∠θ’_Ａｉは以下の式（９）により求まる。
∠θ’_Ａｉ＝（∠θ’_Ａ０－∠θ_Ａ０）×２ …（８）

一般的に、錆の厚さと鋼材の断面性能は一次相関であることが知られている。
外力が変化せずに錆が進行し、歪εがε’’’に変化し、歪ε_Ｂがε_Ｂ’’’に変化し、∠θ’_Ａｉが∠θ’’’_Ａｉに変化した場合を考える。このとき、式（５）をもとに、以下の式（９）が得られる。
１＞Ｌ”ｃｈ／Ｌｃｈ＝∠θ’_Ａｉ／∠θ’’’_Ａｉ×（ε×（１＋ε））／（ε’’’×（１＋ε’’’）） …（９）
錆が進行する際の比較基準時（図１０における点Ａ０）のε、ε_Ｂの値（ε０、ε_Ｂ０）から∠θ’_Ａｉを算出し、錆が進行した後のε’’’、ε’’’_Ｂの値から∠θ’’’_Ａｉを算出する。∠θ’_Ａｉ／∠θ’’’_Ａｉ＝βとする。図１０より、錆進行厚さｒを推定する。
推定式は ｒ＝（１－β）／α …（１０） である。
αとは、低減勾配であり、計測対象となる鋼材の規格寸法より理論的係数としてシミュレーションにより求めることができ、鋼矢板等の主要鋼材については製造メーカーから公表されている。

図１０において、直線Ｌ１は、曲げモーメントＭ（応力）が一定で錆が進行したと仮定した場合を示している。直線Ｌ２は、錆が進行せず、曲げモーメントＭ（応力）が増加したと仮定した場合を示している。直線Ｌ１の傾きをβ１としたとき、β１は計測対象となる鋼材の規格寸法と比較基準時の錆進行ｒおよびSz区間の歪値より理論的係数としてシミュレーションにより求めることができる。

点Ａｉにおけるεｉ、ε_Ｂｉの値は、計測装置による測定結果から得られる。点Ａｓは、横軸がεｉのときに直線Ｌ１上に位置する点である。点Ａｓにおける縦軸の値をεＡｓと表す。点Ａｍは、横軸εｉのときに直線Ｌ２上に位置する点である。点Ａｍにおける縦軸の値をεＡｍと表す。グラフより、ε_Ｂｉ－εＡｍの値が求まる。
以下の式（１１）は、錆が比較基準時より進行していないと仮定したときに、計測値ε’ｉの値から、εＡｍを推計する式である。
εＡｍ＝（εｉ－ε0）×α１ ＋εB0…（１１）

以下の式（１２）は外力が比較基準時から外力が変化していないと仮定したとき、計測値ε’ｉの値から、εＡｓを推計する式である。つまりε’の増加分が錆進行によるものだけであると仮定した場合に、錆進行厚さｒを推計する式である。
εＡｓ’＝（εｉ－ε0）×β１＋εB0…（１２）
式（１２）において、β１は式（１１）におけるα１と同様に、計測対象となる鋼材の規格寸法と比較基準時の錆進行ｒおよびSz区間の歪値より理論的係数としてシミュレーションにより求めることができる。

外力の増加によって比較基準時の点Ａ０（ε０、ε_Ｂ０）から点Ｃ１（εＣｉ、ε_ＢＣｉ）に変化し、錆の進行によって点Ｃ１から点Ａｉ（εｉ、ε_Ｂｉ）に変化した場合について考える。（εＣｉ－ε０）／（εｉ－ε０）＝ηとすると、以下の式（１３）、（１４）が成り立つ。
（ε_Ｂｉ－εＡｍ）＝（β１－α１）×（εｉ－ε０）×η …（１３）
（εＡｓ－ε_Ｂｉ）＝（β１－α１）×（εｉ－ε０）×（１－η） …（１４）
式（１３）、（１４）から、以下の式（１５）が得られる。
η＝（ε_Ｂｉ－εＡｍ）／（εＡｓ－εＡｍ） …（１５）

このηを用いて、Ａ’ｉ（ε’ｉ、ε’_Ｂｉ）の値を計算し、∠θ’_Ａ０を求める。また、比較基準時の∠θ_Ａ０と錆進行後の∠θ’_Ａ０との比（∠θ_Ａ０／∠θ’_Ａ０）＝βを算出し、先述の数式（１０）を適用し、錆進行厚さｒを推定する。以上より、光ファイバ１５の計測結果を用いて、錆の進行厚さ度合い（ｒの値）を求めることが可能である。

本実施形態によれば、杭材に取り付けユニット３０を取り付けたまま、杭材を地面に圧入することで、地中の杭材の錆進行を、光ファイバ１５を通した光測定器２０の光の測定結果によって推定することができる。
なお、本実施形態の計測原理を、他の計測装置に適用することも可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。
例えば、図１Ｂに示した計測装置１において、第２ガイド部材１４の＋Ｚ側に他のガイド部材（例えば図４Ｂの第６ガイド部材１９）を配置し、当該他のガイド部材の－Ｘ側に光ファイバ１５を通してもよい。

１…計測装置 １２…ベース部材 １３…第１ガイド部材 １３ａ…第１円弧面 １４…第２ガイド部材 １４ａ…第２円弧面 １５…光ファイバ ２０…光測定器 Ｔ…計測対象物 ｔ１…計測面

Claims (6)

1. ＦＢＧが形成された１本の光ファイバと、
   前記光ファイバに接続された光測定器と、
   前記光ファイバに接する第１円弧面を有する第１ガイド部材と、
   前記光ファイバに接する第２円弧面を有する第２ガイド部材と、を備え、
   前記第１ガイド部材および前記第２ガイド部材は、一方向において間隔を空けて配置されるとともに、計測対象物に固定され、
   前記光ファイバは、前記計測対象物の計測面に沿い、かつ前記一方向に沿って配置された第１部分と、両端部が前記第１円弧面および前記第２円弧面に接する第２部分と、を有し、
   前記第２部分は、前記第１円弧面から前記第２円弧面に向かうに従って前記計測面から離れるように配置され、
   前記光測定器は、ＯＦＤＲによって前記光ファイバの各部の歪量を測定する、計測装置。
2. 前記第１ガイド部材および前記第２ガイド部材が固定されたベース部材をさらに備え、
   前記ベース部材が前記計測対象物に固定される、請求項１に記載の計測装置。
3. 請求項１に記載の計測装置を用いた計測方法であって、
   前記光ファイバに、張力が印加された張力印加区間と、張力が印加されない無張力区間と、を設け、
   前記無張力区間の前記光ファイバの歪量をＯＦＤＲによって測定し、
   前記無張力区間の前記光ファイバの歪量の測定結果を用いて温度校正を行い、
   前記張力印加区間の前記光ファイバの歪量の測定結果を用いて、前記計測対象物が変形することに伴って生じる、前記計測対象物の前記計測面の傾斜量を、幾何学的に計測する、計測方法。
4. 請求項１に記載の計測装置を用いた計測方法であって、
   前記光ファイバに、前記第１部分と、前記計測面から直線的に離れるように配置された前記第２部分と、を設けて、
   前記計測対象物の変形に伴って、前記第１部分において生じるひずみεｚをＯＦＤＲによって測定した結果と、前記第２部分において生じるひずみεｘをＯＦＤＲによって測定した結果と、前記計測対象物の中立軸の曲率半径Ｒを幾何学的に求めた結果と、に基づき、前記計測対象物の中立軸の前記計測面からの距離Ｌ’ｃｈを、Ｒ＝Ｌ’ｃｈ÷εｚの関係式から計測する、計測方法。
5. 請求項１に記載の計測装置を用いた計測方法であって、
   前記光ファイバを前記計測対象物に固定し、前記計測対象物が変形することに伴って前記光ファイバに生じる歪量をＯＦＤＲによって測定した結果を用いて、前記計測対象物の第１方向の傾斜量および前記第１方向に直交する第２方向の傾斜量を幾何学的に計測する、計測方法。
6. 前記第１方向の傾斜量および前記第２方向の傾斜量に基づいて、前記第１方向および前記第２方向に平行な投影面における合成傾斜角を計算し、前記合成傾斜角の変化量に基づいて、前記第１方向および前記第２方向の双方に直交する軸方向回りの前記計測対象物のねじれを計測する、請求項５に記載の計測方法。

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