JPH0354427A - 構造体の動的変形を解析する方法及びそのためのファイバーオプティック干渉計システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、構造体またはその部分が時間とともに強度お
よび方向が変化する力にさらされた時この構造体または
その部分の変形の変化を決定する目的で、この構造体ま
たはその部分の動的変形を測定する方法および装置に関
する。

ことに、本発明方法および装置は、接近困難およびまた
は不良環境にありたとえば従来の伸び計や加速度計のよ
うな伝統的な計測装置の使用が実行不能であるか役に立
たないような場合における物体の動的変形の決定に関す
るものである。

時間とともに変化する力にさらされている物体の変形の
変化を決定することは、たとえばその振動モードおよび
その内部における応力の分布および形式のような性質を
知ること、外部から受けるが他の方法では充分な精度で
決定することができない応力を知ること、物体の損傷を
回避するのにどのような手段をとったらよいかを知るこ
と、さらには物体の構造状態をたしかめる診断をするこ
とのために有用である。

以下の記載において本発明の非限定的な実施例として原
油生産における典型的な実施例、ことに通常ライザとし
て知られる上方に延びるパイプについて述べる。ライザ
は、海中の炭化水素鉱床の坑口と海面のプラットホーム
（たとえばＴＬＰすなわちテンションレグプラットホー
ム）または浮カスラストおよびまたは推進力により張力
状態に維持されて海床に対して相対位置を保つようにし
た浮遊手段とを接続するパイプである。

本発明による装置はまた、たとえばラチス構造の橋、ク
レーン、長距離送電線用のラチス構造体、機械部品など
の可変荷重ないしは周期変動応力にさらされるラチス構
造体またはその部分のような他技術分野における動的変
形の決定にも用いることができる。

ライザについての後述する実施例においては、ライザバ
イブは、その破損が環境被害と鉱床作業の長期中断との
両方をまねく結果となりその回復に相当の費用を要する
ゆえに、海底炭化水素鉱床の作業に関する構造基盤の最
もデリケートな部分のひとつである。

このようなライザは、プラットホームないしは浮遊船を
海床に対するその正確な位置に維持するための錨泊力か
らできるだけ自由であるように保持される。しかしなが
ら海浪、潮流、風などのため、ライザにも周期的な動き
ないしは応力が作用するので、これを常時監視しなけれ
ばならない。

ライブのような物体の変形を測定するのに本発明による
装置は光ファイバによる伸び測定を行なうのである。

基本的には、ファイバーオプティックトランスジューサ
が変形を光の主パラメータの変化すなわち強度、偏光お
よび位相の変化に置き換える。

ファイバーオプティック伸び計トランスジューサは既知
であり、これは直接的測定または間接的測定のいずれか
によりこれらの形式の変化のそれぞれを各別に利用する
ものである。

直接的測定の場合には、光ファイバは測定しようとする
構造体の部分にしっかりと接続される。

間接的測定の場合には、構造体の変形が光ファイバを包
含する装置に作用するようにする。本発明が目的とする
技術的課題を解決するのに用いる時には、強度変化測定
のためのファイバーオプティック仲び計センサは絶対的
な変形測定を与え得るが、数々の欠点を有している。こ
れらの欠点とはたとえば感度および測定特性の非直線性
、ｉｐＪ定ベースが制限されていること、周波数応答が
制限されていること、およびシステム信頼性に乏しいこ
となどである。

同様に、偏光変化を測定する伸び計センサは非直線性お
よび外乱に対する感度が高いことの欠点を持っている。

自己干渉計型の位相変化センサは直線性を有しかつ簡単
な構造のものであるが、たとえば光ファイバの両端に近
付く必要があることや周波数変調の問題のような他の欠
点がある。

これらとは対照的に本発明装置は、振動やゆっくりとし
た変形の測定にレーザ光線源を用いてファイバーオプテ
ィックセンサを位相変化の干渉計測定に用いることに基
づくものである。

このような測定用センサは米国特許第４，４２０，２６
０号および同第４．６５２，１２９号に記載されている
。これらの米国特許は、光ファイバ中の伝送に関するノ
ズルを抑制することにより環境外乱により妨害されない
測定を行なう技術に関する。

これらのセンサでは、変形する機械的構造体にしっかり
と接続された光ファイバは幾何学的および光学的特性に
変化を生じて、たとえばガイド光に位相ラグを誘起する
。

光ファイバ上に移された変形の積分値と光ビームの測定
された位相移動との間の関係は全測定範囲にわたって直
線性を有する。

本発明に用いられるファイバーオプティック干渉計セン
サが第１図に例示してある。

レーザ光線源２からのビーム１はビームスプリッタＢＳ
によってふたつの部分に分割され、基準光線ビーム３と
測定ビーム４とを形或する。測定ビーム４は集束コネク
タＣに進み、次いで図示しない好適な従来型の集光系統
を介してセンサ光ファイバ５内へと送られる。

この光ファイバはその平坦な端而に好適な薄い反射フィ
ルムを形成せしめることにより端部Ｍを反射面としてあ
る。光ファイバの小曲率半径に由来して生ずるビーム４
の光ファイバに沿う光線の偏光状態のばらつきを防止す
るために、偏光維持ファイバを用いることが好都合であ
る。この場合遅延板ＨＷＰが人来光線の偏光面を光ファ
イバのふたつの主複屈折面のひとつと合致する。光ファ
イバ５からの戻りの光線ビームは遅延板ＨＩＰから出発
した後端部Ｍで反射し光ファイバを反対方向に戻るが、
この戻りの光線ビームは測定に要求される情報すなわち
光位相変調を出持している。

この光位相変調は光ファイバの変形の状態に比例してい
る。

光ファイバ５はその端部部分７を符号８とＭとの間で、
測定しようとする本体６に剛に接続することにより変形
センサとして用いられる。さらに詐しくは、８とＭとの
間の本体部分において本体６の変形を測定するためのセ
ンサは光ファイバ部分７から成る。

戻りの光信号９はスブリッタＢＳにおいて基準光線ビー
ム３と干渉せしめられる。この点において基準光線ビー
ム３は鏡ＲＭで反射されてすでに変調器ＵＭを２回通っ
ている。変調器ＵＭには変調コマンドｌｍが送られて干
渉計系統に好適な周波数並進を与え、機械的変形現象の
符号を包含する位相信号のよりよい再構戒を許容する。

スプリツタＢＳで発生した干渉計信号はホトデイテクタ
ＰＤによって検出され電子ユニットに送られて信号を復
調する。

ここに提案する形式の伸び計センサは次の理由によって
きわめて有利なものである。

（イ）極度に高感度であること （口）実際上測定ベースが限られていないこと（ハ）セ
ンサレスポンスが直線性であること（二）システム配置
において適用範囲が大きいこと（ホ）通過帯域が広いこ
と （へ）測定変形値の動的受容性が大きいこと本発明によ
る装置は複数個の位相変調ファイバーオプティック干渉
計センサを用いる。

以下、典型的な実施例を第２図および第３図について説
明するが、本発明はこの特定の実施例に限定されるもの
ではない。

第２図に示すように、このセンサの光ファイバはそれぞ
れ一束として互いに平行に束ねられている。一束の中で
は各光ファイバは同一レベルから出発するが異なった長
さＬのものであり、従って剛に接続した構造体のその部
分の長さＬに生ずる変形を測定することができるのであ
る。

光ファイバはまたひとつのケーブルに組み合せられ構造
体に固定されているが、本発明の好適な実施例によれば
異なった長さの平行な光ファイバの束は保護シース、た
とえばステンレス鋼の保護シース内に収められて構造体
に固定されている。

例をあげると、この保護シースは溶接材を用いた連続溶
接または点溶接により、凸面インサートを間抑すること
により、接着材により、さらには結ぶことにより構造体
に固定することができる。

旦この保護シースが固定されると、光ファイバはこの中
に収められているので構造体と同じように変形するので
ある。

それぞれ長さＬａ・・・Ｌｊ・・・の光ファイバ７ａ・
・・７ｊ・・・は構造体に取付けた伸び計センサを構或
し、図面ではバイブとして示すこの構造体に剛に固定し
たその長さＬａ・・・Ｌｊ・・・にわたって変形を測定
する。

正しい情報を得るためには、この変形の再構成は、構造
体の全長に沿う変形の変化を知るために、問題の構造体
の異なった長さから発する多量の信号の並列解析に基づ
かなければならない。

また、ふたつの相互に鉛直をなす平面について変形を決
定することにより構造体の空間的変形を再構成すること
が必要であり、さらに本実施例の場合ライザに作用する
軸線方向荷重の存在による軸線方向の変形戊分を消去す
ることが必要である。

この軸線方向荷重は少なくともこのライザ目体の重量に
よるものである。

これらの要求は第３図に示す本発明の好適な実施例によ
って満足せしめられている。この実施例においては位相
変調ファイバーオプティックセンサは複数の同形の束に
分割されており、９０度ごとに配置したセンサのダブル
アセンブリとして構造体上に配列してある。

モジュラー電光ユニット群ＵＥＯは、変形によって誘起
された位相変調をアナログ電気出力信号Ｕに変換する。

各ユニットＵＥＯは異なった形に配置したふたつの光フ
ァイバと関連して、たわみに由来する変形状態だけが測
定されるようにする。長さＬｊの各部分にわたって、複
対のセンサｊおよびｊ．が配置されており、ふたつの相
互に鉛直な平面における変形の点再構成を可能としてい
る。

ｎ箇所の測定点には、４ｎ個の伸び計センサと２ｎ個の
電光ユニットがある。

ユニットＵＥＯｊからの信号Ｕ，は電子ユニットＩＪＥ
Ｊで処理され、アナログ形式でデータ集積システムへ送
られる。信号ｅ，は既知の一定乗数をもって位相変調値
に直接的に比例する。

光ファイバ部分ＣＩは変形または振動に由来する非通常
ノイズに対し感じ易い。

このノイズは米国特許第４，６５２，１２９号に記載さ
れている装置により消去できるし、また光ファイバ部分
ＣＩをできるだけ短かいものとしてこれを一定の位置に
維持することすなわちできるだけ変形に不感とすること
により、充分に減少せしめることができる。

光ファイバ部分ＩＭは伸び計センサである。これは管状
の本体ＩＯと剛に接触していてこれと共に変形すること
ができる。

ユニットＵＥＯの概略が第４図に示してある。この光フ
ァイバ干渉計は周波数シフトまたは周波数変調のミシエ
ルソン型のものである。

入来するレーザ光線信号はスブリッタＢＳにおいてふた
つの信号に分けられて変調ユニットＵＭへ送られて周波
数シフトを提供する。

この周波数シフトは適当な符号をもって変形の迅展を完
全に再構成する目的にとって非常に都合のよいものであ
る。

変凋ユニットＵＭからのふたつのレーザ光線ビームはＰ
ＢＳ，　ＦＲおよびＨＷＰで示す素子を介して光ファイ
バへ送られる。これらの素子は以下に述べる機能のもの
である。

（イ）素子ＢＳおよびレーザの方向に再び干渉する光フ
ァイバ内の戻りの信号を妨げること。

（口）光ファイバから生ずる全信号を回復すること。

（ハ）レーザ光線ビームを正しい偏光をもって測定光フ
ァイバ内へ送り込むこと。

レーザからの光線ビームは主複屈折軸線に沿って偏光維
持光ファイバ内に送られ、鏡面ファイバ端部Ｍで反射さ
れる。偏光維持光ファイバは直線偏光光線が実質的にそ
の偏光状態を維持しているふたつの主伝播面を有すると
いう、その複屈折性によって与えられた特性を有する単
一モード光ファイバである。このような光ファイバの使
用は、偏光のふらつきに由来する妨害をなくし、良好な
干渉計感度特性を維持する。

セパレータＰＢＳで集められた戻りの光線はビームスプ
リッタＢＳ内の干渉によって再結合される。

異なった形に配置されたホトダイオードＰＤは共通モー
ド強度ノイズを排除する。

増幅器Ａからの信号ｕ１は電子プロセッサユニットＵＥ
へ送られる。この電子プロセッサユニットＵＥはまたユ
ニットＵＭに信号Ｕ＋ｎを供給するプログラマブルキュ
リャ発生器と復調チェーンとを包含する。

信号Ｕ，は周波数復調段および積分器へ送られる。

出力ｅ１は光ファイバ間の位相変調の差に比例する所要
のアナログ信号であり、これはライザのふたつの母線間
の変形の差に比例する。

本発明による伸び計装置は数々の利点を有するが、その
中でも以下の点が特記できる。

すなわち本発明装置の信頼性は充分に高く、人間が入る
ことのできない不良環境下においても使用することが可
能である。これは、シースで覆われるかまたはケーブル
にまとめられたファイバーオブティクセンサだけが不良
環境に゛さらされ、装置の残りの部分は保護環境下にあ
るからである。

光ファイバ東とその保護手段を加えた横断寸法が全体で
数ミリメートルと小さいものである。このことは、ライ
ザの流体力学的特性に妨害を与えず、従ってライザ目体
に変更を加える必要がないことを意味する。本発明装置
は複合量の変換により大きな測定範囲を直線的にかつ充
分な動的許容性をもって高精度に決定を行なうことを可
能とする。

さらに本発明装置はその形戊および設置が簡便である。

これはそのモジュラー構造のためであり、様々に異なる
構造体に広くかつ容易に取付けることができる。

本発明はまた、測定ビームと基準ビームとがともに異な
る光ファイバ内を伝送され、これによってすべての共通
モード外部応力を排除することができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いるファイバーオブティク干渉計セ
ンサの概略を示す略図、第２図および第３図はこのセン
サの光ファイバと測定しようとするライザとを示す略図
、第４図はモジュラー電光ユニットの概略を示す略図で
ある。 １・・光線ビーム、２・・レーザ光線源、３・・基準光
線ビーム、４・・測定光線ビーム、ＢＳ・・ビームスプ
リッタ、Ｃ・・集束コネクタ、５・・センサ光ファイバ
、Ｍ・・端部、ＨＷＰ・・遅延板、６・・物体、７・・
端部部分、７ｇ，　７ｈ，７ｉ７ｊ，　７ｋ・・光ファ
イバ、９・・戻り信号、Ｊ？Ｍ・・鏡、ＵＭ・・変調器
、ＰＤ・・ホトテ゛イテクタ、ＵＥＯ・・光電ユニット
、Ｊ．Ｊ＊・・センサ、１０・・管状本体、Ａ・・増幅
器、ＰＢＳ・・セパレータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　レーザ光線源（２）と、ビームスプリッタ（ＢＳ）
   と、供試構造体に固着せしめられ前記ビームスプリッタ
   に近い端部には集束コネクタ（Ｃ）をまた他端部には反
   射面（Ｍ）を有する少なくとも１本の光ファイバ（５）
   と、前記ビームスプリッタと前記集束コネクタとの間に
   挿置された遅延板（ＨＷＰ）と、鏡（ＲＭ）と前記ビー
   ムスプリッタ（ＢＳ）との間に挿置された変調器（ＵＭ
   ）と、前記ビームスプリッタで発生した干渉計信号を受
   けこれを信号復調電子ユニットへ送るホトディテクタ（
   ＰＤ）とを包含することを特徴とする、構造体の動的変
   形を解析するためのファイバーオプティック干渉計セン
   サ。 ２　請求項１記載のセンサにおいて、前記光ファイバ（
   ５）が偏光維持光ファイバであることを特徴とするファ
   イバーオプティック干渉計センサ。 ３　請求項１記載のセンサにおいて、複数本の光ファイ
   バ（７ｇ、７ｈ、７ｉ、７ｊ、７ｋ）が互いに異なる長
   さを有し、これらが平行に束とされ、解析しようとする
   構造体（１０）に剛に接続されていることを特徴とする
   ファイバーオプティック干渉計センサ。 ４　請求項１記載のセンサにおいて、位相変調ファイバ
   ーオプティックセンサが複数の同形の束に分けられ、９
   ０度間隔を置いたセンサのダブルアセンブリとして前記
   構造体上に配置されていることを特徴とするファイバー
   オプティック干渉計センサ。 ５　請求項４記載のセンサにおいて、複数のモジュラー
   電光ユニット（ＵＥＯ）が設けられ、そのそれぞれが差
   別配置の１対の光ファイバに関連し、各電光ユニットに
   は電子ユニット（ＵＥ）を接続して各電光ユニットから
   出る信号（ｕ）を処理するようにしたことを特徴とする
   ファイバーオプティック干渉計センサ。 ６　請求項３記載のセンサにおいて、前記光ファイバの
   束をケーブル芯線に組み合せこれを保護シース内に挿置
   したことを特徴とするファイバーオプティック干渉計セ
   ンサ。 ７　請求項３記載のセンサにおいて、各光ファイバの光
   線ビーム入力端部を前記光ファイバの軸線に鉛直な平面
   内に設けたことを特徴とするファイバーオプティック干
   渉計センサ。 ８　請求項３記載のセンサにおいて、前記光ファイバの
   束が解析しようとする構造体と同じ長さを有しこれに平
   行して固着せしめられていることを特徴とするファイバ
   ーオプティック干渉計センサ。 ９　光ファイバ中を両方向に通る測定レーザ光線ビーム
   と基準レーザ光線ビームとの間の変調差を、遠い方の端
   部に反射面を有するファイバーオプティック干渉計内で
   比較して構造体の動的変形を解析する方法において、（
   ａ）前記レーザ光線の位相変調を検知し、（ｂ）段々と
   長さが増す１組の構造体部分で生ずる長さの変化を測定
   することによって構造体の変形の測定を行なうが、前記
   構造体部分は長さの短かい部分の全部を完全に包含し、
   かつこれに同じ長さのファイバーオプティックセンサ部
   分を剛に固定してあり、（ｃ）前記光線ビームをビーム
   スプリッタに入射してこれら光線ビームを再結合するこ
   とによって生ずる干渉縞のずれを基礎として前記レーザ
   光線ビームと前記基準ビームとの間の位相遅れを検出し
   て長さの変化を測定することを特徴とする、構造体の動
   的変形を解析する方法。 １０　請求項９記載の方法において、各構造体部分の単
   一平面変形の決定を、前記構造体の対向する面または母
   線に沿う部分長さ変化を比較することによって行なうこ
   とを特徴とする、構造体の動的変形を解析する方法。 １１　請求項９記載の方法において、前記構造体の空間
   的変形の測定を、９０度離れた２対または２対以上の面
   または母線に沿う長さ変化を測定し比較することによっ
   て行なうことを特徴とする、構造体の動的変形を解析す
   る方法。 １２　請求項１０記載の方法において、測定ビームおよ
   び基準ビームを互いに反対の方向に差し向け前記光ファ
   イバ中を両方向に通すことを特徴とする、構造体の動的
   変形を解析する方法。 １３　請求項９記載の方法において、両方のレーザ光線
   ビームの周波数を変調することを特徴とする、構造体の
   動的変形を解析する方法。