JPH11173820A

JPH11173820A - 歪センサ、その製造方法及びその歪センサを利用した計測システム

Info

Publication number: JPH11173820A
Application number: JP9339889A
Authority: JP
Inventors: Hiroko Ogawa; 裕子小川
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 1999-07-02

Abstract

(57)【要約】【課題】センサの小型化を図るとともに、物体の歪を
精度良く計測する。【解決手段】硬化時の収縮が少ない２液混合常温硬化
型エポキシ樹脂１３で、金属基板１１上に、グレーティ
ングによる反射光の波長が所定波長に設定されるＦＢＧ
からなる光ファイバ１２を固着することで、設定された
ブラッグ反射波長を無荷重状態で所定波長に保持させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバを用い
て歪を検出する歪センサ、その製造方法及びその歪セン
サを利用した計測システムに関する。

【０００２】

【関連する背景技術】従来、この種の歪センサには、例
えば図２１に示すように、固定基板１と可動基板２の２
つの基板に、光ファイバの一種であるＦＢＧ（Fiber Br
agg Grating）３をニカワ４等で貼り付け、可動基板２
の可動に伴う変位をＦＢＧ３の波長シフト量に基づいて
計測していた。ＦＢＧ３とは、光ファイバのコアの中
に、入力する光の進行方向に沿うように回析格子５を作
成したものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記歪セン
サでは、固定基板と可動基板とを有するので、センサの
構成が大きくなり、小型化が図れないという問題点があ
った。また、１つの基板の上に上記ＦＢＧを貼り付けた
ものもあるが、貼り付けに使用する接着剤によっては、
硬化時に収縮が大きくなり、ＦＢＧに設定された反射光
の波長（以下、「ブラッグ反射波長」という）が変化し
てしまい、精度良く歪を計測することができないという
問題点があった。

【０００４】そこで、本発明は、上記問題点に鑑みなさ
れたもので、センサの小型化が図れるとともに、物体の
歪を精度良く計測できる歪センサ、その製造方法及びそ
の歪センサを利用した計測システムを提供することを目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、例えば鉄鋼系金属からなる金属部材
と、グレーティングによる反射光の波長が所定波長に設
定されるＦＢＧを使用した光ファイバと、前記金属部材
上に前記光ファイバを固着する、例えば２液混合常温硬
化型エポキシ樹脂とからなる歪センサが提供される。

【０００６】すなわち、硬化時の収縮が少ない２液混合
常温硬化型エポキシ樹脂で金属部材上に光ファイバを固
着することで、設定されたブラッグ反射波長を無荷重状
態で所定波長に保持させる。また、前記鉄鋼系金属は、
一般構造用圧延鋼材、ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材
又はステンレス鋼鋼材からなるのが好ましい。

【０００７】また、２液混合常温硬化型エポキシ樹脂
は、例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と、変性ポ
リチオールとを含み、ペースト状の粘度からなるもの、
又は例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と、ポリサ
ルファイド及びポリアミドアミンの混合剤とを含み、１
２０００乃至１５０００ｃｐｓの粘度からなるものが好
ましい。

【０００８】また、歪センサの製造方法としては、金属
部材上に常温硬化型エポキシ樹脂による下地層を形成さ
せ、該下地層上に、グレーティングによる反射光の波長
が所定波長に設定され、かつコーティング部の一部が除
去されて露出した光ファイバの心線の一部を固着させ、
さらに前記金属部材上に前記下地層、前記光ファイバを
覆う常温硬化型エポキシ樹脂による樹脂層を形成させる
ことが好ましい。

【０００９】また、前記除去部分の心線は、下地層より
長手方向に長く、かつ該下地層と前記コーティング部の
端面間には、間隔が設けられることが好ましい。さら
に、上記歪センサを利用した計測システムとしては、荷
重により変位する物体の各部に設置されるとともに、グ
レーティングによる反射光の波長がそれぞれ異なる波長
に設定され、前記物体の歪に応じて前記反射光の波長が
変化する複数の歪センサと、光ファイバを介して前記各
歪センサに前記反射光の波長を含む波長帯のブロードな
光を出力する光源と、前記各歪センサからの反射光の波
長を計測し、該反射光の波長を計測し、該反射光の波長
に基づき前記物体の歪を計測する計測手段とを備えるこ
とが好ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に係る歪センサ、その製造
方法及びその歪センサを利用した計測システムを図１乃
至図２０の図面に基づいて説明する。図１は、本発明に
係る歪センサの構成の一例を示す構成図である。図にお
いて、本実施例の歪センサ１０は、金属基板１１上に、
無負荷状態でのブラッグ反射波長が所定波長に設定され
るＦＢＧからなる光ファイバ１２を、例えば常温硬化型
エポキシ樹脂からなる接着剤１３で固着させて構成され
ている。

【００１１】上記歪センサ１０では、光ファイバ１２の
一端に光源（図示せず）を接続させ、他端を開放させ
る。そして、上記光源から、設定されたブラッグ反射波
長を含む波長帯の光を光ファイバ１２に出力し、金属基
板１１に加わった歪みに応じたＦＢＧからの反射光のブ
ラッグ反射波長の変化を光スペクトラムアナライザ等の
測定器（図示せず）で測定し、上記歪みを計測してい
る。

【００１２】なお、本実施例では、被覆された光ファイ
バ１２のコーティング部１２ａを除去し、心線（クッラ
ドとコア）１２ｂを直接接着剤１３で接着させている
が、本発明はこれに限らず、例えば被覆されたコーティ
ング部を除去することなく、ＦＢＧを接着剤で金属基板
に接着することも可能である。この場合には、コーティ
ング部が緩衝材として機能し、金属基板に生じた歪が直
接ＦＢＧに伝わらなくなり、その結果、計測される歪量
が大きくなったり、又は小さくなる可能性があるので、
上記歪量に基づいて計測値を所定の換算式等で補正する
必要がある。

【００１３】また、歪センサにおいて、外力による荷重
を効率良く光ファイバに伝える金属基板や接着剤を選定
することは、歪の検出精度に大きな影響を与えることと
なり、歪センサを製造する上での重要な要素となる。そ
こで、本発明者は、以下に示すように、上記要素の選定
のための実験を行った。上記実験では、２液混合常温硬
化型エポキシ樹脂、紫外線硬化型エポキシ樹脂、１液加
熱硬化型エポキシ樹脂、２液混合加熱硬化型アクリル樹
脂、シアノアクリレートの各接着剤を被実験対象とし
た。

【００１４】また、実験に先立ち、本発明者は、２液混
合常温硬化型エポキシ樹脂が接着剤として有効と考え、
Ａ〜Ｃの異なる３つの接着剤を被実験対象とした。ここ
で、２液混合常温硬化型エポキシ樹脂Ａ，Ｂは、主剤が
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂で、硬化剤が変性ポリ
チオールで、かつ粘度がペースト状の接着剤であり、２
液混合常温硬化型エポキシ樹脂Ｃは、主剤がビスフェノ
ールＡ型エポキシ樹脂で、硬化剤がポリサルファイドと
ポリアミドアミンの混合物で、かつ粘度が１２０００〜
１５０００ｃｐｓの接着剤である。

【００１５】なお、本発明者が、２液混合常温硬化型エ
ポキシ樹脂が本発明の接着剤として有効と考えた理由
は、加熱硬化型では、光ファイバを保護しているコーテ
ィング部に悪影響（例えば黄色に変色）を与える可能性
があり、１液型では、加熱硬化の場合がほとんどのため
である。すなわち、光ファイバのコーティングによく使
用されているのはアクリル樹脂で、そのガラス転移温度
は、１３０〜１６０℃といわれ、加熱硬化型の接着剤で
は、１６０℃ほどで硬化するためである。また、上記Ｆ
ＢＧは、曲がりが生じるとブラッグ反射波長が変化して
しまうので、接着剤の硬化時に収縮が生じるとＦＢＧが
曲がってしまい、ブラッグ反射波長が変化する場合があ
る。また、硬化時の温度変化が小さい方が残留応力が少
ないと考えられる。

【００１６】これに対して、２液混合常温硬化型エポキ
シ樹脂は、常温硬化型であること、硬化時の収縮が少な
いことが挙げられる。例えば、２液混合常温硬化型エポ
キシ樹脂Ａの収縮に関する実験データを表１に示すと、

【００１７】

【表１】となった。ここで、温度とは、実験室の室温である。

【００１８】なお、温度変化に対する波長シフト量はお
よそ０．０２ｎｍ／℃であるから、上記実験のように４
℃下がれば、本来は０．０８ｎｍ波長が短くなるはずで
あるが、実験では０．０３ｎｍなので、上記温度は目安
である。逆に波長シフト量が０．０３〜０．０７ｎｍの
変化は、温度にして１．５〜３．５℃の変化であるの
で、実験室の室温としてはばらつきの許容範囲内であ
り、２液混合常温硬化型エポキシ樹脂Ａは、ほとんど収
縮してないといえる。

【００１９】まず、金属基板を選定するためのＦＢＧの
ブラッグ反射波長の変化量の実験を示す。図２は、上記
実験用のサンプルの概略構成を示す概略図である。図に
おいて、金属棒１５は、材質として使用する可能性の高
い一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）とニッケルクロム
モリブデン鋼鋼材（ＳＮＣＭ４３９）の直径１１ｍｍ丸
棒を使用し、その長手方向の中央位置に歪ゲージ１６と
ＦＢＧ１７を接着した。このＦＢＧ１７の接着には、上
記２液混合常温硬化型エポキシ樹脂Ａを使用し、接着長
を５５ｍｍとした。また、ＦＢＧ１７のブラッグ反射波
長は、室温、歪み無付加状態で１５５５ｎｍ前後のもの
を使用した。

【００２０】実験装置は、図３に示す摸式図のように、
光源２０からの光は、アイソレータ２１、３ｄＢ光カプ
ラ２２を介してＦＢＧ１７に供給されている。３ｄＢ光
カプラ２２とＦＢＧ１７間は、リードファイバとして長
さ２０ｋｍのシングルモードファイバ（ＳＦＭ）を接続
した。ＦＢＧ１７に加わる荷重は、金属棒１５の両端を
引張試験機２３で引張ることで与えている。この引張り
荷重に対するＦＢＧ１７からの反射スペクトル変化は、
光スペクトルアナライザ２４で測定した。

【００２１】この測定結果である歪みに対するブラック
反射波長の関係を図４、図５に示す。これら図から明ら
かなように、一般構造用圧延鋼材とニッケルクロムモリ
ブデン鋼鋼材では、歪みに対するブラック反射波長の変
化は、再現性が良いことがわかる。但し、一般構造用圧
延鋼材において測定したデータで、歪み下降時にばらつ
きが出たのは、荷重に対する歪量がばらついたことに起
因する。また、ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材の第１
回目歪み下降時に塑性変形的伸びが若干生じたため、第
１回目歪み上昇のデータは除いて評価した。

【００２２】また、上記結果から、これら鋼材の他に、
ステンレス鋼鋼材やその他の鉄鋼系金属も本発明の金属
基板に使用することができると考えられる。次に、接着
剤の選定について説明する。歪センサは、屋外で使用さ
れることを考慮し、−４０〜５０℃の温度範囲で使用で
きそうな上記７種類の接着剤の中から実際にヒートサイ
クル実験を行って、結果の良好なものを選定する。

【００２３】サンプルは、図６に示すように、金属基板
１１に光ファイバ１２を各接着剤１３で接着させ、図７
に示すヒートサイクル（以下、「ＨＣ」という）の条件
で実験を行った。なお、図６以下の図面において、図１
と同様の構成部分については、説明の都合上、同一符号
を付記した。被実験サンプルは、各接着剤毎に上記ＨＣ
を行う前に引張試験を行うもの、上記ＨＣを８０回、３
００回、６００回ずつ行った後にそれぞれ引張試験を行
うものの４つのグループに分けた。また、この引張試験
を行う引張試験機には、図３に示したものを用いて、被
実験サンプルが破断するまで荷重を加えた。

【００２４】図８は、上記引張試験の実験結果である。
図において、シアノアクリレートは、ＨＣを８０回行っ
た後に、７０％以上の被実験サンプルでひび割れや剥が
れといった異常が発生したので、本発明の接着剤には適
当ではないと判断した。また、紫外線硬化型エポキシ樹
脂と１液加熱硬化型エポキシ樹脂は、全体的に破断荷重
が低いので、本発明の接着剤には適当ではないと判断し
た。

【００２５】次に、本発明者は、２液混合常温硬化型エ
ポキシ樹脂Ａ〜Ｃと２液混合加熱硬化型アクリル樹脂に
対して別の被実験サンプルを用意して、図９に示す低温
ＨＣの条件で実験を行った。被実験サンプルは、各接着
剤毎に上記低温ＨＣを３０００回行った後に、図３の引
張試験機で破断するまでそれぞれ引張試験を行った。２
液混合加熱硬化型アクリル樹脂は、上記低温ＨＣを行っ
た段階で、被実験サンプルにひび割れや剥がれといった
異常が発生したので、本発明の接着剤には適当ではない
と判断した。

【００２６】また、２液混合常温硬化型エポキシ樹脂
は、上記低温ＨＣを行った後での引張試験でも、図８と
同様の実験結果を得ることができた。そこで、本発明者
は、２液混合常温硬化型エポキシ樹脂が本発明の接着剤
に適していると判断した。このように、本実施例の歪セ
ンサは、硬化時の収縮が少ない２液混合常温硬化型エポ
キシ樹脂で１つの鉄鋼系金属基板に光ファイバを固着で
きるので、小型化が図れるとともに、設定されたブラッ
グ反射波長を無荷重状態で所定波長に保持させて基準が
定まり、荷重に応じたブラッグ反射波長の変化により歪
を精度良く計測できる。

【００２７】このことから、本発明では、金属基板は、
一般構造用圧延鋼材、ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材
又はステンレス鋼鋼材等からなる鉄鋼系金属が好まし
い。また、２液混合常温硬化型エポキシ樹脂は、例えば
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と、変性ポリチオール
とを含み、ペースト状の粘度からなるもの、又は例えば
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と、ポリサルファイド
及びポリアミドアミンの混合剤とを含み、１２０００乃
至１５０００ｃｐｓの粘度等からなるものが好ましい。

【００２８】そして、本発明に係る歪センサは、上記鉄
鋼系金属からなる金属基板と、ＦＢＧと、上記２液混合
常温硬化型エポキシ樹脂との組み合わせで構成させ、上
記金属基板上にＦＢＧを、上記２液混合常温硬化型エポ
キシ樹脂で固着させるのが適当であるとの結論を得た。
また、一般に光ファイバにファイバグレーティングを形
成する際には、心線（クッラドとコア）に被覆されてい
るコーティング部を除去してグレーティングを作製する
ので、この工程の際に歪センサを製造するのが容易と考
えられる。

【００２９】次に、本発明に係る歪センサの製造方法に
ついて、図１０〜図１３の工程図を用いて説明する。ま
ず、本発明では、図１０に示すように、一般構造用圧延
鋼材、ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材又はステンレス
鋼鋼材等の鉄鋼系金属からなる金属基板１１上に２液混
合常温硬化型エポキシ樹脂１３による下地層１３ａを形
成する。この下地層１３ａは、長方形で、層の厚さが例
えば光ファイバ１２のコーティング部１２ａの厚さと同
じ厚さである６０〜７０μｍに設定する。これにより、
光ファイバ１２は、反りのない真っ直ぐな状態になり、
一定の強度が保たれることとなる。

【００３０】光ファイバ１２は、図１１に示すように、
ＦＢＧのコーティングが除去されており、除去部分の長
さは、下地層１３ａの長手方向の長さより長く設定す
る。次に、下地層１３ａが硬化後、図１２に示すよう
に、光ファイバ１２を真っ直ぐの状態のままで、ＦＢＧ
の心線１３ｂを下地層１３ａ上に固定する。この時、下
地層１３ａとコーティング部１２ａの端面間には、２〜
３ｍｍの間隔ｄを設けるように固定する。この間隔ｄを
設ける理由は、下地層１３ａとコーティング部１２ａが
重なり合うと、段差が生じ光ファイバ１２が反ったりし
て直線性が失われてしまい、その状態で図中左右方向に
荷重が加わると、光ファイバ１２の強度が弱くなって断
線したり、反射波長に影響を与えるためである。

【００３１】そして、図１３に示すように、金属基板１
１上に、下地層１３ａ、光ファイバ１２のコーティング
部１２ａの一部及び心線１２ｂを覆う２液混合常温硬化
型エポキシ樹脂１３による樹脂層１３ｂを形成させて、
光ファイバ１２を固着し、図１に示す歪センサ１０を製
造することができる。すなわち、本実施例の製造方法で
は、硬化時の収縮が少ない２液混合常温硬化型エポキシ
樹脂で金属部材上に光ファイバを固着するので、設定さ
れたブラッグ反射波長を無荷重状態で所定波長に保持さ
せることができるとともに、ＦＢＧ（光ファイバ）は、
直線性を維持した状態で硬化されるので、一定の強度が
保たれる。

【００３２】次に、上記歪センサを利用した計測システ
ムについて図１４〜図１８の図面に基づいて説明する。
図１４は、土砂崩れ防護用のフェンスに本発明に係る歪
センサを利用した変形計測システムの構成図である。図
において、フェンス３０は、例えば枠３１と網３２部分
から構成されている。各歪センサ１０は、フェンス３０
の枠３１部分に固着されて、光ファイバケーブル１８を
介してシリアルに配設されており、土砂崩れなどによる
岩石や土砂の固まりがフェンス３０に引っかかり、フェ
ンス３０の枠３１に変形が生じると、その歪みを検出す
る。

【００３３】観測所３３は、光ファイバケーブル１８に
波長帯のブロードな光を出力する光源３４と、光ファイ
バケーブル１８からの光を受光して波長を測定する測定
器３５とから構成されている。光源３４は、例えば図１
５の入力スペクトルの波形図に示すように、波長帯がλ
A〜λB（ｎｍ）のブロードな光を光ファイバケーブル１
８に出力している。光源３４からの光は、光ファイバケ
ーブル１８から歪センサを透過して次の歪センサに入力
している。なお、本実施例におけるシステムでの接続形
態の終端部は、全ての歪センサ１０を透過した光が反射
しないように開放状態に設定されている。

【００３４】また、測定器３５は、例えば波長計や光ス
ペクトラムアナライザ等からなり、各歪センサ１０から
枠３１の変形に応じたブラッグ反射波長変化を、図１６
の反射スペクトルから測定し、枠３１の歪みを計測して
いる。この測定器３５に入力されるブラッグ反射波長
は、λA〜λB（ｎｍ）の波長帯のブロードな光出力に多
重された反射スペクトルとして現される。

【００３５】本実施例では、ＦＢＧの回析格子で回析さ
れる反射光の特定周波数（中心波長）を各歪センサ１０
毎に予め異なる波長、例えば図１６に示すように、歪セ
ンサ１０が４つの場合を述べると、各センサにおける中
心波長をλ1、λ2、λ3、λ4（ｎｍ）にそれぞれ設定
し、ブラッグ反射波長が歪によってシフトすることを利
用している。なお、この歪みとブラッグ反射波長の関係
は、図４、図５に示したように、歪みの増減に対するブ
ラッグ反射波長の変化が、ほぼ直線状に変化する比例関
係にある。

【００３６】各歪センサ１０では、枠３１の変形を歪と
して検知し、その歪に基づいて変化した波長の反射光
を、観測所３３に送出しており、光源３４からの光は、
歪センサを介して次の歪センサに順次入力されている。
また、各歪センサ１０からの反射光は、光源３４からの
光の進行方向とは逆の進行方向で、自己より観測所３３
側に接続された歪センサをそれぞれ介して測定器３５に
入力されている。

【００３７】ところで、上記計測システムでは、上記歪
に基づいて変化するブラッグ反射波長の範囲が複数の歪
センサにおいて重なり合うと、測定器３５では、いずれ
のセンサからの波長なのか判断ができなくなる。このた
め、本発明では、上記変化するブラッグ反射波長の範囲
を、各歪センサ毎に異なる波長の範囲に予め設定してお
く必要がある。以下に、その設定の一例を述べる。

【００３８】まず、例えば枠の変形に対するフルスケー
ルの歪量をＳ（με）とすると、ＦＢＧの歪に対する波
長のシフト量λS（ｎｍ／με）から、フルスケールで
の波長シフト量λFを求めると、 λF＝λS×Ｓ（ｎｍ）となる。ここで、温度に依存した波長シフト量λTと波
長の半値幅λHを考慮に入れると、中心波長間隔Δλ
は、 Δλ＝λF＋λT＋λH（ｎｍ）となる。ここで、シリアルに接続された歪センサのうち
の歪センサ２０における中心波長を上記λ1（ｎｍ）と
すると、歪センサ２１における中心波長λ2（ｎｍ）
は、 λ2＝λ1＋Δλ（ｎｍ）となり、同様にしてＮ番目の歪センサにおける中心波長
λNは、 λN＝λ1＋Δλ×（Ｎ−１）（ｎｍ）Ｎ：任意の整数となる。なお、実際の上記計測システムに用いる場合に
は、歪みの上限値（例えば断線が生じる時の値）を予め
設定しておき、上記上限値に応じてＦＢＧによるブラッ
グ反射波長の変化範囲を設定する方法が考えられる。

【００３９】なお、本実施例の荷重監視システムにおい
て設置される歪センサの個数Ｎは、光源１７の使用可能
な波長の範囲によって制限される。また、ブラッグ反射
波長の変化範囲の設定は、本実施例に限らず、物理的に
任意に設定することも可能である。このような計測シス
テムにおいて、観測所３３の光源３４から出力されたブ
ロードな光は、光ファイバケーブル１８を介して枠３１
の各部分に設置された歪センサ１０に順次入力してお
り、各歪センサ１０からは、枠３１の変形に応じて変化
する波長の反射光を、同じ光ファイバケーブル１８を介
して測定器３５に出力する。

【００４０】測定器３５では、入力する反射光の反射ス
ペクトラムを測定し、その光出力レベルに基づいて各歪
センサ１０からのブラッグ反射波長の変化を測定し、枠
３１の歪みを測定する。例えば、フェンス３０の枠３１
に土砂崩れなどで変形が生じ、図１７、図１８に示すよ
うに、第３番目の歪センサ１０からのブラッグ反射波長
がλ3からλ3＋Δλa，λ3＋Δλbと順に変化する場
合、測定器３５は、上記変化するブラッグ反射波長に応
じた枠３１の歪みの履歴を検出して観測者に通知するこ
とができる。これにより、観測者は、上記通知された歪
みからフェンス３０の変形異常を検知し、警報の発信な
どの処置を行うことが可能となる。

【００４１】従って、本実施例では、光ファイバケーブ
ルを介してフェンスの枠の各ポイントに設置したＦＢＧ
使用の歪センサをシリアルに接続して、フェンスの歪み
に応じたブラッグ反射波長を信号伝送するので、歪セン
サはＦＢＧ使用により電気的に絶縁され、サージや落雷
等の状況下においても、その影響を受けることなく正確
にフェンスの歪みを検知して通知することができる。

【００４２】また、本実施例では、１本の光ファイバケ
ーブルに複数の歪センサをシリアルに接続することがで
きるので、複数の歪センサによる同時多点計測を実現で
き、かつリード線等の部品点数を削減して製作コストを
低減できる。また、本実施例では、光ファイバケーブル
で歪センサからのブラッグ反射波長を信号伝送するの
で、歪センサ等の計測系に電源が不要になるとともに、
遠隔の歪み監視が実現できる。

【００４３】また、本実施例では、歪センサの中心波長
とその波長の変化範囲を、歪量と反射光の波長シフト量
の関係に基づいて予め設定するので、高分解能で、かつ
広ダイナミックレンジで変化する歪みを計測することが
できる。また、本発明に係る歪センサは、図１に示すよ
うに金属基板上にＦＢＧを固着した後に、上記金属基板
をフェンスの枠に固着させて用いても良いし、又は上記
枠の各部分に直接ＦＢＧを２液混合常温硬化型エポキシ
樹脂で接着して作製しても良い。

【００４４】また、図１９は、土砂崩れ防護用のフェン
スに用いた場合の他の実施例で、歪センサ１０は、フェ
ンス３０の網３２部分に直接ＦＢＧを２液混合常温硬化
型エポキシ樹脂で接着して作製され、光ファイバケーブ
ル１８を介してシリアルに接続されており、網３２に加
わる変形を歪として検出している。このシステムでは、
網３２部分に直接ＦＢＧを接着するので、枠に取り付け
た図１８のものと比べて、フェンスの変形をより迅速に
検出することができる。さらに、本実施例では、図１９
に示すように、光ファイバケーブル１８を網３２に沿わ
して取り付けており、例えば網が切れてそれとともに光
ファイバケーブル１８が断線した場合には、断線部分以
降に接続されてる歪センサから観測所には所定のブラッ
グ反射波長が出力されないこととなる。従って、観測所
は、この結果からもフェンス３０の変形異常を検知する
ことができる。

【００４５】また、本発明に係る歪センサは、上記フェ
ンスの枠と網にそれぞれ接着し、かつ光ファイバケーブ
ルを介してシリアルに接続させて、上記枠と網の変形を
観測するように用いることも可能である。さらに、本発
明に係る歪センサを利用した変形計測システムは、上記
土砂崩れ防護用のフェンスの場合に限らず、他のフェン
ス例えば図２０に示す進入防止用のフェンスの場合にも
用いることが可能である。図において、歪センサ１０
は、フェンス３０上部の柵３６部分に直接ＦＢＧを２液
混合常温硬化型エポキシ樹脂で接着して作製され、光フ
ァイバケーブル１８を介してシリアルに接続されてお
り、柵３６に加わる変形を歪として検出している。この
場合も１本の光ファイバケーブルに各ポイントで歪セン
サを接続させ、システムとして遠隔の同時多点観測がで
きる。

【００４６】また、この進入防止用のフェンスの場合
も、本発明に係る歪センサを、上記フェンスの枠と網と
柵にそれぞれ接着し、かつ光ファイバケーブルを介して
シリアルに接続させて、上記枠と網と柵の変形を観測す
るように用いることも可能である。なお、本実施例で
は、フェンスの歪を計測するシステムについて説明した
が、本発明はこれに限らず、例えばロードセルによる荷
重監視や水位に変化、地形の変化、フェンス以外の枠体
の変形、鉄塔や橋や建物等の建造物の変形等を計測する
システムにも応用が可能である。これらの場合には、本
発明に係る歪センサでこれらの変化や変形を歪量として
計測した後、上記歪量をそれぞれに該当する物理量に変
換することによって、被計測対象物の変化や変形を容易
に検知することができる。

【００４７】また、上記ＦＢＧを用いた歪センサでは、
温度の影響によって得られたデータに誤差が生じる場合
がある。そこで、歪センサの近くで歪の影響が少ない所
に、温度補償用のＦＢＧを片側を接着して固定し、その
反対方向を開放させた状態にして設置し、上記ＦＢＧか
ら得られたデータ（反射光の波長）に基づき、上記歪セ
ンサから得られたデータの温度の影響を補正することも
可能である。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、一般
構造用圧延鋼材、ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材又は
ステンレス鋼鋼材等の鉄鋼系金属からなる金属部材と、
グレーティングによる反射光の波長が所定波長に設定さ
れる光ファイバと、前記金属部材上に前記光ファイバを
固着する２液混合常温硬化型エポキシ樹脂とからなる歪
センサが提供されるので、センサの小型化が図れるとと
もに、物体の歪を精度良く計測できる。

【００４９】歪センサの製造方法としては、金属部材上
に２液混合常温硬化型エポキシ樹脂による下地層を形成
させ、該下地層上に、グレーティングによる反射光の波
長が所定波長に設定される光ファイバの心線の一部を固
着させ、さらに前記金属部材上に前記下地層、前記光フ
ァイバを覆う２液混合常温硬化型エポキシ樹脂による樹
脂層を形成させるので、設定されたブラッグ反射波長を
無荷重状態で所定波長に保持させることができる。

【００５０】前記除去部分の心線は、該下地層より長手
方向に長く、かつ該下地層と前記コーティング部の端面
間には、間隔が設けられるので、光ファイバは直線性を
維持した状態で硬化されて、一定の強度が保たれる。歪
センサを利用した計測システムとしては、荷重により変
位する物体の各部に設置されるとともに、グレーティン
グによる反射光の波長がそれぞれ異なる波長に設定さ
れ、前記物体の歪に応じて前記反射光の波長が変化する
複数の歪センサと、光ファイバを介して前記各歪センサ
に前記反射光の波長を含む波長帯のブロードな光を出力
する光源と、前記各歪センサからの反射光の波長を計測
し、該反射光の波長を計測し、該反射光の波長に基づき
前記物体の歪を計測する計測手段とを備えたので、サー
ジや落雷等の状況下においても、その影響を受けること
なく正確に物体の歪みを検知して通知することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る歪センサの構成の一例を示す構成
図である。

【図２】歪ゲージとＦＢＧを接着させた実験用のサンプ
ルの概略構成を示す概略図である。

【図３】実験装置である引張試験機の摸式図である。

【図４】図３の引張試験機での測定結果である歪みに対
するブラック反射波長の関係を示す関係図である。

【図５】同じく歪みに対するブラック反射波長の関係を
示す関係図である。

【図６】接着剤の選定のための実験に用いるサンプルの
概略構成を示す概略図である。

【図７】接着剤の選定のための実験に用いるヒートサイ
クルの条件を示す図である。

【図８】同じくその実験結果を示す破断荷重の図であ
る。

【図９】同じく接着剤の選定のための実験に用いる低温
ヒートサイクルの条件を示す図である。

【図１０】本発明に係る歪センサの製造工程を説明する
ための工程図である。

【図１１】同じく製造工程を説明するための工程図であ
る。

【図１２】同じく製造工程を説明するための工程図であ
る。

【図１３】同じく製造工程を説明するための工程図であ
る。

【図１４】土砂崩れ防護用のフェンスに本発明に係る歪
センサを利用した変形計測システムの構成の一例を示す
構成図である。

【図１５】図１４に示した光源から出力される光の入力
スペクトルを示す波形図である。

【図１６】同じく測定器に取り込まれる光の反射スペク
トルを示す波形図である。

【図１７】図１４に示した歪センサからのブラッグ反射
波長が変化した場合の光の反射スペクトルを示す波形図
である。

【図１８】同じくブラッグ反射波長が変化した場合の光
の反射スペクトルを示す波形図である。

【図１９】土砂崩れ防護用のフェンスに本発明に係る歪
センサを利用した変形計測システムの構成の他の例を示
す構成図である。

【図２０】進入防止用のフェンスに本発明に係る歪セン
サを利用した変形計測システムの構成の一例を示す構成
図である。

【図２１】従来の歪センサの構成を示す構成図である。

【符号の説明】

１０歪センサ１１金属基板１２光ファイバ１２ａコーティング部１２ｂ心線１３接着剤（２液混合常温硬化型エポキシ樹脂）１３ａ下地層１３ｂ樹脂層１８光ファイバケーブル３０フェンス３１枠３２網３３観測所３４光源３５測定器３６柵

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属部材と、グレーティングによる反射
光の波長が所定波長に設定される光ファイバと、前記金
属部材上に前記光ファイバを固着する常温硬化型エポキ
シ樹脂とからなることを特徴とする歪センサ。
【請求項２】前記金属部材は、鉄鋼系金属からなるこ
とを特徴とする請求項１に記載の歪センサ。
【請求項３】前記鉄鋼系金属は、一般構造用圧延鋼
材、ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材又はステンレス鋼
鋼材からなることを特徴とする請求項２に記載の歪セン
サ。
【請求項４】前記常温硬化型エポキシ樹脂は、２液混
合常温硬化型エポキシ樹脂からなることを特徴とする請
求項１に記載の歪センサ。
【請求項５】前記２液混合常温硬化型エポキシ樹脂
は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と、変性ポリチオ
ールとを含むことを特徴とする請求項１に記載の歪セン
サ。
【請求項６】前記２液混合常温硬化型エポキシ樹脂
は、ペースト状の粘度からなることを特徴とする請求項
５に記載の歪センサ。
【請求項７】前記２液混合常温硬化型エポキシ樹脂
は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と、ポリサルファ
イド及びポリアミドアミンの混合剤とを含むことを特徴
とする請求項１に記載の歪センサ。
【請求項８】前記２液混合常温硬化型エポキシ樹脂
は、１２０００乃至１５０００ｃｐｓの粘度からなるこ
とを特徴とする請求項７に記載の歪センサ。
【請求項９】金属部材上に、グレーティングによる反
射光の波長が所定波長に設定される光ファイバの心線を
常温硬化型エポキシ樹脂で固着させることを特徴とする
歪センサの製造方法。
【請求項１０】金属部材上に常温硬化型エポキシ樹脂
による下地層を形成させ、該下地層上に、グレーティン
グによる反射光の波長が所定波長に設定される光ファイ
バの心線の一部を固着させ、さらに前記金属部材上に前
記下地層、前記光ファイバを覆う常温硬化型エポキシ樹
脂による樹脂層を形成させることを特徴とする歪センサ
の製造方法。
【請求項１１】前記光ファイバは、コーティング部の
一部が除去されており、該除去部分の前記心線の一部を
下地層上に固着させることを特徴とする請求項９又は１
０に記載の歪センサの製造方法。
【請求項１２】前記除去部分の心線は、該下地層より
長手方向に長く、かつ該下地層と前記コーティング部の
端面間には、間隔が設けられることを特徴とする請求項
１１に記載の歪センサの製造方法。
【請求項１３】荷重により変位する物体の歪を計測す
る計測システムにおいて、前記物体の各部に設置されるとともに、グレーティング
による反射光の波長がそれぞれ異なる波長に設定され、
前記物体の歪に応じて前記反射光の波長が変化する複数
の歪センサと、光ファイバを介して前記各歪センサに光を出力する光源
と、前記各歪センサからの反射光の波長を計測し、該反射光
の波長を計測し、該反射光の波長に基づき前記物体の歪
を計測する計測手段とを備えたことを特徴とする歪セン
サを利用した計測システム。
【請求項１４】前記光源は、前記各歪センサに前記反
射光の波長を含む波長帯のブロードな光を出力すること
を特徴とする請求項１３に記載の歪センサを利用した計
測システム。