JP7246706B2 - 建設構造物用の歪み検知システム - Google Patents

Description

本発明は、建設構造物用の歪み検知システムに係り、特に、歪みセンサの温度補償に関する。

例えば、特許文献１には、複数のカーボンナノチューブを主体とした歪みセンサ素子の構造が開示されている。この歪みセンサ素子は、帯状の基板と、検出層と、一対の電極とを備える。基板は、伸縮性を有する。検出層は、複数のカーボンナノチューブを含む。これらのカーボンナノチューブは、基板の長手方向に延在しており、幅方向に所定の間隔を空けて配置されている。これによって、検出層として、基板の幅方向に並列に配置された複数の検出領域が形成される。一対の電極は、検出層の両端に設けられている。かかる構成によれば、検出層が、基板の幅方向に並列に配置された複数の検出領域を有するので、基板の幅に依存することなく、検出領域の幅、ひいては電気抵抗特性を設定でき、歪みセンサ素子としての寸法や電気的特性を所望の仕様どおり正確に設計できる。

また、特許文献２には、ビル、橋梁、高架道路、トンネル、ダムといった構造物の安全を監視するための歪みセンサが開示されている。この歪みセンサは、導電性粒子をプラスチック、ゴムなどの高分子に分散させ、粒子の接触による粒子連鎖を形成し、系内に導電性回路を形成した系を用いる。この系に外力が加わると、導電性回路も伸張を受けて、電気抵抗が増加する。したがって、電気抵抗の増加分を測定することにより、伸張歪みを計測することができる。

特開２０１７－２０８５６号公報 特開平１１－２４１９０３号公報

ところで、トンネルや橋梁などの建設物は、外気に晒されており、温度環境の変化が大きい。そのため、建設構造物の歪みを歪みセンサで検知する場合、外気の温度や近傍の熱源（例えばトンネル内の走行車）が外乱として影響し、歪みセンサによって検知された値（歪み量）に誤差が生じ易い。特に、建設構造物のような広範囲に亘るものを複数の歪みセンサで検知する場合、歪みセンサの取付位置によって温度がばらつく可能性がある。したがって、建設構造物の用途では、このような温度のバラツキも考慮しなければならない。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、建設構造物の歪みを精度よく検知することである。

かかる課題を解決すべく、本発明は、複数の歪みセンサと、複数の温度センサと、温度補間部と、歪み補正部とを有する建設構造物用の歪み検知システムを提供する。複数の歪みセンサは、建設構造物の歪みを検知し、取付位置が互いに異なる。複数の温度センサは、歪みセンサの近傍にそれぞれが配置され、歪みセンサとは個数が異なる。温度補間部は、複数の温度センサによって検知された複数の温度に基づく補間によって、歪みセンサのそれぞれの取付位置における温度を算出する。歪み補正部は、歪みセンサによって検知された歪みを、歪みセンサの取付位置に対応した温度に基づいて補正する。ここで、複数の歪みセンサは、可撓性を有する帯状の基材の延在方向に並んで配置されており、センサアレイとして一体化されている。

ここで、本発明において、上記複数の温度センサは、上記基材の延在方向に並んで配置されており、上記センサアレイとして一体化されていてもよい。また、好ましくは、上記温度センサの数は、上記歪みセンサの数よりも少ない。さらに、上記温度補間部は、歪みセンサの両端のそれぞれから最も近い位置に設けられた２つの温度センサによって検知された温度に基づく補間によって、歪みセンサの取付位置における温度を算出することが好ましい。

本発明によれば、温度センサによって検知された複数の温度に基づく補間によって、可撓性を有する帯状の基材上に並んで配置された複数の歪みセンサのそれぞれの取付位置における温度を算出し、歪みセンサによって検知された歪みを、歪みセンサの取付位置に対応した温度に基づいて補正する。このように、歪みセンサの取付位置に応じた温度で歪みセンサの温度補償を個別に行うことで、建設構造物の歪みを全体的に精度よく検知できる。

建設物に設置された歪み検知システムの概略図 一例としてのセンサアレイの平面図 他の一例としてのセンサアレイの平面図 歪み検知システムのブロック構成図 歪みセンサおよび温度センサの配置図（ｍ＞ｎ） 温度の線形補間の説明図 温度の曲線補間の説明図 歪みセンサおよび温度センサの配置図（ｍ＜ｎ）

図１は、建設物に設置された歪み検知システムの概略図である。この歪み検知システム１は、トンネル、橋梁、高架道路、ビル、ダムといった建設物の設置現場に取り付けられ、建設構造物の歪みを検知する。同図は、トンネルへの取付例を示しており、その構造物の一例として、コンクリートや支保工の歪みを検知する。支保工とは、トンネルや橋梁などの土木工事や建設などにおいて、上方や側方からの荷重を受けて岩盤などが崩れないように支える仮設的な構造物である。歪み検知システム１は、複数の歪みセンサ２と、複数の温度センサ３と、計測装置４とを主体に構成されている。

複数の歪みセンサ２（符号２は、後述する歪みセンサ２ａ～２ｄの総称である。）は、例えば、カーボンを主材としたものを用いることができ、建設構造物の歪みを検知する。それぞれの歪みセンサ２の取付位置は互いに異なっており、本実施形態では、トンネルの周方向に沿って、所定の間隔を空けて並んで取り付けられている。なお、歪みセンサ２の取付方向は、歪みを検知すべき対象に応じて適宜設定すればよく、トンネルの周方向に限らず、奥行方向などであってもよい。複数の歪みセンサ２は、有線または無線を介して、計測装置４に接続されている。

複数の歪みセンサ２の取り付けは、個々に独立したセンサユニットを個別に取り付けることによって行ってもよいが、複数の歪みセンサ２を一体化したセンサアレイを用いれば、取付作業を省力化でき、配線の引き回しを簡略化できる。図２は、一例としてのセンサアレイの平面図である。このセンサアレイ５Ａは、広範囲に及ぶような計測対象に取り付けられ、個々の測定箇所における歪みを並列的に検知する。センサアレイ５Ａは、基材５ａと、複数の歪みセンサ２ａ～２ｄと、複数の横配線５ｂと、複数の縦配線５ｃと、コネクタ５ｄとを主体に構成されている。

基材５ａは、合成樹脂などの絶縁性薄膜で形成されており、可撓性を有する。この基材５ａは、所定の幅を有し、長手方向に帯状に延在している。複数の歪みセンサ２ａ～２ｄは、基材５ａの長手方向（延在方向）に列状に並んで配置され、それぞれが線状に延在している。隣接した歪みセンサ（例えば２ａ，２ｂ）は、所定の間隔を空けて配置されており、互いに電気的に分離されている。それぞれの歪みセンサ２ａ～２ｄは、互いに異なる箇所を測定対象とし、自己に加わる外力に応じて伸縮することによって、電気的特性が変化する。具体的には、ある歪みセンサ２が伸びると、その抵抗値が大きくなる。この抵抗値の変化（印加電圧の電圧変化）をモニタリングすることで、測定箇所における歪みの程度が検知される。歪みセンサ２を構成する部材（歪みセンサ部材）としては、例えば、電気抵抗が比較的大きいカーボン材などを用いることができる。

複数の横配線５ｂは、幅方向に並んで配置されており、それぞれが基材５ａの長手方向に延在している。横配線５ｂは、基材５ａの上下に位置する２つの配線群に別れている。上側の配線群は、入力線として歪みセンサ２に一定電圧を入力すると共に、下側の配線群は、出力線として歪みセンサ２の検知電圧が出力される。それぞれの歪みセンサ２には、上下の横配線５ｂがそれぞれ１本ずつ割り当てられている。複数の縦配線５ｃは、横配線５ｂと交差する方向、典型的には基材５ａの幅方向（横配線５ｂとの直交方向）に延在している。縦配線５ｃは、横配線５ｂのいずれかと、歪みセンサ２のいずれかとを個別に接続する。これにより、歪みセンサ２は、その一端が、縦配線５ｃのいずれかを介して１本の入力線（横配線５ｂ）に接続され、その他端が、縦配線５ｃのいずれかを介して１本の出力線（横配線５ｂ）に接続される。コネクタ５ｄは、基材５ａの一端側に設けられている。コネクタ５ｄは、外部の計測装置４側（これに接続された配線を含む。）と接続可能な形状を有しており、複数の横配線５ｂのそれぞれの端部が集約されている。

複数の温度センサ３は、歪みセンサ２の近傍にそれぞれが配置されており、その取付位置における温度を個別に検知する。温度センサ３の個数（ｎ）は、歪みセンサ２の個数（ｍ）とは異なっており、典型的にはｎ＜ｍとなる（ただし、後述するようにｎ＞ｍであってもよい。）。複数の温度センサ３は、有線または無線を介して、計測装置４に接続されている。

複数の温度センサ３の取り付けは、個々に独立したセンサユニットを個別に取り付けることによって行ってもよいが、複数の温度センサ３を一体化したセンサアレイを用いてもよい。図３は、他の一例としてのセンサアレイの一例を示す平面図である。このセンサアレイ５Ｂは、図２に示したセンサアレイ５Ａをベースとしており、歪みセンサ２の配置面とは反対の面（裏面）に、複数の温度センサ３と、必要な配線（図示せず）とを設けたものである。複数の温度センサ３は、基材５ａの延在方向に並んで配置されている。温度センサ３に接続される配線は、上述した横配線５ｂと同様、コネクタ５ｄに集約されている。なお、それ以外の点については、図２の構成と同様なので、同一の符号を付して説明を省略する。

図４は、歪み検知システム１のブロック構成図である。計測装置４は、温度補間部６と、歪み補正部７とを有する。歪みセンサ２の個数がｍ、温度センサ３の個数がｎの場合、それぞれの温度センサ３によって検知されたｎ個の温度値Ｔ1～Ｔnが温度補間部６に入力される。温度補間部６は、温度値Ｔ1～Ｔnに基づく補間によって、それぞれの歪みセンサ２の取付位置におけるｍ個の温度Ｔ1～Ｔmを算出する。

また、それぞれの歪みセンサ２によって検知されたｍ個の歪み値Ｄ1～Ｄmが歪み補正部７に入力される。歪み補正部７は、歪みセンサ２によって検知された歪み値Ｄ1～Ｄmを、個々の歪みセンサ２の取付位置に対応した温度Ｔ1～Ｔmに基づいて、個別に補正する。例えば、歪み値Ｄ1は温度Ｔ1に基づいて補正され、歪み値Ｄ2は温度Ｔ2に基づいて補正されるといった如くである。この補正は、計測装置４内に保持されているテーブルを参照することによって、あるいは、所定の関数への代入によって行われる。歪み補正部７によって補正された歪み値Ｄ'1～Ｄ'mは、計測装置４が備える記憶部に随時記憶され、必要に応じて表示部に表示される。

図５は、歪みセンサ２および温度センサ３の配置図（ｍ＞ｎ）であり、一例として、ｍ＝５，ｎ＝２の場合を示す。５個の歪みセンサ２がＸ方向に等間隔で並んでおり、それぞれの取付位置ｘ1～ｘ5は既知である。また、２つの温度センサ３もＸ方向に並んでおり、それぞれが取付位置ｘ1，ｘ5に取り付けられている。この場合、３つの取付位置ｘ2～ｘ4には温度センサ３が存在しないので、これらの温度値Ｔ2～Ｔ4は、２つの温度値Ｔ1，Ｔ5を入力とした補間によって算出される。

図６は、温度Ｔ1～Ｔ5の線形補間の説明図である。まず、既知の２点（ｘ1，Ｔ1）、（ｘ5，Ｔ5）を直線で結ぶ。つぎに、この直線上において、取付位置ｘ2に対応するＴ2が算出され、このＴ2が取付位置ｘ2における温度値となる。同様に、取付位置ｘ3に対応する温度値Ｔ3、取付位置ｘ4に対応する温度値Ｔ4がそれぞれ算出される。これにより、歪みセンサ２よりも温度センサ３の個数が少なくても、それぞれの歪みセンサ２の取付位置における温度を推定することができる。

図７は、温度Ｔ1～Ｔ5の曲線補間の説明図である。図１に示したように、トンネルの周方向に歪みセンサ２が一定の間隔で配置される場合、高さ方向の変化は一定とはならず、歪みセンサ２の取付位置が高くなるにつれて、その変化量が徐々に小さくなっていく。そこで、このような高さ方向の変化を考慮した曲線を設定し、この曲線に基づいた補間を行えば、補間精度の向上を図ることができる。

図８は、歪みセンサ２および温度センサ３の配置図（ｍ＜ｎ）であり、一例として、ｍ＝３，ｎ＝４の場合を示す。３個の歪みセンサ２がＸ方向に等間隔で並んでおり、それぞれの取付位置ｘ1～ｘ3は既知である。また、４つの温度センサ３もＸ方向に並んでいる。２つの温度センサ３は、取付位置ｘ1,ｘ3に対応しているので、これらの温度はＴ1，Ｔ4として自ずと確定する。一方、取付位置ｘ2には温度センサ３が存在しないので、その温度は、２つの温度値Ｔ2，Ｔ3を入力とした補間によって算出される。

このように、本実施形態によれば、温度センサ３によって検知された複数の温度に基づく補間によって、歪みセンサ２のそれぞれの取付位置における温度を算出し、歪みセンサ２によって検知された歪みを、歪みセンサ２の取付位置に対応した温度に基づいて補正する。このように、歪みセンサ２の取付位置に応じた温度で歪みセンサ２の温度補償を個別に行うことで、建設構造物の歪みを全体的に精度よく検知できる。特に、本実施形態のように、歪みセンサ２の両端のそれぞれから最も近い位置に設けられた２つの温度センサ３によって検知された温度に基づく補間によって、当該歪みセンサ２の取付位置における温度を算出する（例えば、取付位置ｘ2の温度は、ｘ2に設置された歪センサ２の両端から最も近い位置に設けられた２つの温度センサの温度T2及びT3により算出する）ことで、補間の精度を向上させることができる。

１ 歪み検知システム
２（２ａ～２ｄ） 歪みセンサ
３ 温度センサ
４ 計測装置
５Ａ，５Ｂ センサアレイ
５ａ 基材
５ｂ 横配線
５ｃ 縦配線
５ｄ コネクタ
６ 温度補間部
７ 歪み補正部

Claims (4)

1. 建設構造物用の歪み検知システムにおいて、
   建設構造物の歪みを検知し、取付位置が互いに異なる複数の歪みセンサと、
   前記歪みセンサの近傍にそれぞれが配置され、前記歪みセンサとは個数が異なる複数の温度センサと、
   前記複数の温度センサによって検知された複数の温度に基づく補間によって、前記歪みセンサのそれぞれの取付位置における温度を算出する温度補間部と、
   前記歪みセンサによって検知された歪みを、前記歪みセンサの取付位置に対応した温度に基づいて補正する歪み補正部と有し、
   前記複数の歪みセンサは、可撓性を有する帯状の基材の延在方向に並んで配置されており、センサアレイとして一体化されていることを特徴とする建設構造用の歪み検知システム。
2. 前記複数の温度センサは、前記基材の延在方向に並んで配置されており、前記センサアレイとして一体化されていることを特徴とする請求項１に記載された建設構造物用の歪み検知システム。
3. 前記温度センサの数は、前記歪みセンサの数よりも少ないことを特徴とする請求項１に記載された建設構造物用の歪み検知システム。
4. 前記温度補間部は、前記歪みセンサの両端のそれぞれから最も近い位置に設けられた２つの温度センサによって検知された温度に基づく補間によって、前記歪みセンサの取付位置における温度を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された建設構造物用の歪み検知システム。

Images