JPH1137717A - 変位量測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長期間の使用に対しても、測定対象物の変位
量の測定感度を維持することができる変位量測定装置及
び方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 本発明は、測定対象物の変位によって生
じる光ファイバ心線１５の光損失の変化を監視し、その
光損失変化から測定対象物の変位量を測定する変位量測
定装置１０において、光ファイバ心線１５が、径方向に
弾性変形するドラム８の外周に沿って少なくとも１回巻
き付けられ、ドラム８は、変位する測定対象物により押
圧されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ心線を
用いた変位量測定装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、光ファイバ心線を用いて変位
量を測定する装置として種々のものが知られている（例
えば特開平２−２４２１１９号公報、特開平４−１３８
３０７号公報、特開平４−２１２００４号公報）。

【０００３】このうち、特開平４−２１２００４号公報
には、構造物等の形状に沿って光ファイバが敷設された
ものが開示され、この光ファイバには、測定対象物の変
位による加圧箇所が金属管内に収納されている。なお、
この光ファイバはセンサとして用いられ、この光ファイ
バにおいて測定対象物の加圧により生じた光損失変化か
ら測定対象物の変位量が求められる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来の装置では、測定対象物が変位するときにこの測
定対象物により金属管が構造物等に押しつけられて圧縮
され、光ファイバには金属管によって無理な側圧が加え
られ、光ファイバに残留応力が生じる場合がある。この
結果、装置の耐久性は劣化し、長期間使用する場合に、
測定対象物の変位量の測定感度を維持することが困難と
なる。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、長期間の使用に対しても、測定対象物の変位
量の測定感度を維持することができる変位量測定装置及
び方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の変位量測定装置は、測定対象物の変位によ
って生じる光ファイバ心線の光損失の変化を監視し、そ
の光損失変化から測定対象物の変位量を測定する変位量
測定装置において、光ファイバ心線が、径方向に弾性変
形するドラムの外周に沿って少なくとも１回巻き付けら
れ、ドラムは、変位する測定対象物により押圧されるこ
とを特徴とする。

【０００７】この変位量測定装置によれば、光ファイバ
心線に光が入射された状態で測定対象物が変位するとき
にドラムが径方向に変形されると、これに伴って光ファ
イバ心線の曲率半径が変化し、このとき生じる光ファイ
バ心線での光損失変化からドラムの径方向の変形量が求
められる。このとき、光ファイバ心線がドラムの外周に
巻き付けられて曲げられた状態にあるので、ある押圧力
に対し、光ファイバ心線で生じる光損失は、真っ直ぐな
光ファイバ心線に比べて大きく変化する。また、測定対
象物が変位するときに、ドラムが弾性変形するため、光
ファイバ心線に無理な側圧が加わることがない。

【０００８】また、本発明の変位量測定方法は、測定対
象物の変位によって生じる光ファイバ心線の光損失の変
化を監視し、その光損失変化から測定対象物の変位量を
測定する変位量測定方法において、光ファイバ心線を径
方向に弾性変形するドラムの外周に沿って少なくとも１
回巻き付ける第１のステップと、光ファイバ心線に光を
入射させる第２のステップと、測定対象物が変位し、そ
の測定対象物によりドラムが径方向に変形されるとき
に、光ファイバ心線からの光を検出し、光ファイバ心線
での光損失変化を監視する第３のステップとを備えるこ
とを特徴とする。

【０００９】この方法によれば、光ファイバ心線がドラ
ムの外周に巻き付けられて曲げられた状態にあるので、
ある押圧力に対し、光ファイバ心線で生じる光損失は、
真っ直ぐな光ファイバ心線に比べて大きく変化する。ま
た、測定対象物が変位するときに、ドラムが弾性変形す
るため、光ファイバ心線に無理な側圧が加わることがな
い。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の変
位量測定装置の好適な実施形態について詳細に説明す
る。なお、全図中、同一又は相当する構成要素には、同
一の符号を付す。

【００１１】図１は、本発明の変位量測定装置の好適な
実施形態を示す正面図である。図１に示すように、変位
量測定装置１０には、平板状ベース１上にゴム等からな
る平板状のクッション材２が設けられると共に、ベース
１の表面から垂直に延びる一対の棒状の支持部材３，３
が設けられている。この支持部材３，３は、ベース１と
平行に配置される平板状の可動部材５を貫通しており、
各支持部材３には、可動部材５を弾性的に支持する弾性
部材（例えばコイルばね）６が設けられている。また、
可動部材５は、その表面である受力面５ａで、図示しな
い測定対象物（例えば、高速道路の橋桁等）と当接され
ている。なお、図１において、矢印Ａは、測定対象物の
変位の方向を示すものである。

【００１２】また、可動部材５とクッション材２との間
には、可動部材５の変位量を検知する変位量検知センサ
７が挟まれ、この変位量検知センサ７は、測定対象物が
変位しない場合には、コイルばね６，６の付勢力により
荷重がかけられない状態となっている。変位量検知セン
サ７は、円筒状のドラム８と、このドラム８の外周に沿
って少なくとも１回巻き付けられる光ファイバ心線１５
とを備えている。光ファイバ心線１５には、その一端に
ＯＴＤＲ１９が接続され、ＯＴＤＲ１９には、光ファイ
バ心線１５の一端に接続される光カプラ１６が設けられ
ている。光カプラ１６には、光カプラ１６から分岐する
光ファイバの一方の分岐先で、光ファイバ心線１５に光
を入射させる単色光光源（例えば半導体レーザ）１７が
接続されている。

【００１３】単色光光源１７は、使用する光ファイバ心
線１５のコアを構成する材料により適宜選択される。こ
のコアを構成する材料として石英系ガラスが用いられる
場合、低損失化の観点から、１．３０μｍ、１．５５μ
ｍの波長が選択される。また、光カプラ１６から分岐す
る光ファイバの他方の分岐先には、光ファイバ心線１５
からの後方散乱光を検出し、光ファイバ心線１５の光損
失変化を監視するための光検出器（例えば光パワーメー
タ）１８が接続されている。

【００１４】図２に示すように、ドラム８は、矩形平板
状の薄厚の金属部材を巻き付けたものであり、内側に折
り曲げられた端部８ａ，８ｂ同士がドラム８の延び方向
に延びる板状部材９を介して接着剤等で接合されること
で円筒状に保持され、このような構造によりドラム８に
外力が与えられるときの変形の安定化が図られている。
ドラム８を構成する金属部材としては、ステンレススチ
ール、銅、アルミニウム、アルミニウム合金等が用いら
れ、特に、ステンレススチールが好適に用いられる。な
お、図３に示すように、ドラム８においては、金属部材
の折り曲げられた端部８ａ，８ｂ同士は、その端部８
ａ，８ｂおよび板状部材９を貫通するボルト１２にナッ
ト１３をねじ係合させることによりベース１に固定する
ことも可能である。

【００１５】図１に示すように、ドラム８は、その径方
向と支持部材３，３の延び方向とが一致するように配置
され、径方向に弾性変形可能となっている。ここで、ド
ラム８の厚みは０．１〜０．１５ｍｍであることが好ま
しい。ドラム８の厚みは、その弾性回復力及び耐久性の
良いものを選択する必要があるが、ドラム８の厚みが
０．１ｍｍ未満であると弾性回復力及び耐久性が良くな
らない傾向にあり、０．１５ｍｍを超えると安定した損
失特性が得られなくなる傾向にあるからである。さら
に、ドラム８の外径は３５〜４０ｍｍであることが好ま
しい。これは、外径が３５ｍｍ未満であるとドラム８が
圧縮される前に光ファイバ心線１５に曲げ損失が生じる
こと、ドラム８を圧縮する際に発生する曲げ損失が大き
くなりすぎること、及び光ファイバ心線１５の耐久性
（寿命）が悪くなることによる。一方、外径が４０ｍｍ
を超える（例えば５０ｍｍ）と、変位量の変化に対し、
光ファイバ心線１５の曲げ損失は単調に増加せず波状的
に変化し（図９参照）、変位量測定装置として最適な構
造ではないからである。ただし、ドラム８の外径が３０
〜３５ｍｍ又は４０〜５０ｍｍであっても変位量測定装
置として使用することは可能である。

【００１６】ドラム８のこのような構成により、測定対
象物の変位により可動部材５の受力面５ａに力が加えら
れる場合に、その変位量に応じて可動部材５によりドラ
ム８が変形され、測定対象物が変位していない場合に、
コイルばね６，６によりドラム８に加えられる力が解放
されてドラム８は元の形状に戻る。なお、図４に示すよ
うに、ドラム８は、この板状部材９の両端部９ａ，９ｂ
がそれぞれベース１に固定された基部１１から延びる一
対の起立部１１ａ，１１ｂで挟持されることでベース１
に固定されている。

【００１７】図４に示すように、このようなドラム８に
は、その外周に沿って、光ファイバ心線１５がゴムなど
からなるクッション層１４を介して螺旋状に少なくとも
１回巻き付けられ、光ファイバ心線１５は可動部材５に
当接されている。クッション層１４は、ドラム８に巻き
付けられる光ファイバ心線１５の位置を安定化させると
共に光ファイバ心線１５に加えられる応力を緩和させる
ためのものであり、光ファイバ心線１５は、例えばこの
クッション層１４上の４カ所に等間隔に貼り付けられた
粘性テープにより固定されている。なお、可動部材５又
は光ファイバ心線１５上にはクッション材（図示せず）
が設けられることが好ましく、これにより光ファイバ心
線１５に対する繰返し荷重に耐抗するようにしている。

【００１８】ここで、光ファイバ心線１５は、可動部材
５により押圧される場合に、ドラム８の径方向の任意の
変位量に対して一対一の関係にある光損失増を発生させ
る。この光ファイバ心線１５としては、シングルモード
ガラス光ファイバにシリコンゴム及びナイロン樹脂を被
覆層としたものが用いられる。なお、被覆層は、何回も
の繰返し曲げ変形等の外力に耐える点から、ナイロン樹
脂に代えてテフロン樹脂であることが好ましい。

【００１９】また、ドラム８の径方向の変位量に対して
光ファイバ心線１５に一対一の光損失増を発生させるた
めには、光ファイバ心線１５のモードフィールド径（Ｍ
ＦＤ）とカットオフ波長との比が７．６〜８．１である
ことが好ましい。ここで、カットオフ波長とは、シング
ルモード光ファイバにおいてある波長以上で一つのモー
ドしか伝搬できなくなる境目の波長をいい、光ファイバ
の屈折率分布、コア寸法などの光ファイバの構造で決定
されるものである。

【００２０】さらに、光ファイバ心線１５の巻き付け数
（ターン数）は、ドラム８の構造と伝送波長に応じて適
宜選択されるが、２５回以下であることが好ましい。こ
れは、心線巻き付け数が２５回を超えるとドラム８の弾
性回復力が弱くなり、残留損失が発生し易くなるためで
ある。ここで、残留損失とは、圧縮されたドラム８が元
の状態に戻る際に、曲げ損失がゼロにならず一部残留し
ているものをいう。

【００２１】次に、このような光ファイバ心線１５で生
ずる光損失変化とドラム８の径方向の変位量との関係を
求めるための試験装置について説明する。

【００２２】図５は、試験装置の一例を示す正面図であ
る。同図に示すように、この試験装置２０は、変位量検
知センサ７を平板状のクッション材２を介して固定する
平板状のベース１を備えている。このベース１の表面か
らは一対のスペーサ固定棒４，４が垂直に延びており、
このスペーサ固定棒４，４間にわたって定位板２５が固
定されている。定位板２５の両端部には、スペーサ固定
棒４を貫通させるスペーサ固定棒挿入孔３０がそれぞれ
形成され、各スペーサ固定棒挿入孔３０から端部にかけ
て定位調整用間隙３１が形成され、この定位調整用間隙
３１により端部が２つの分割片に分割されている。そし
て、この分割片同士がねじ３２によりねじ係合されるこ
とにより定位板２５がスペーサ固定棒４に確実に固定さ
れ、定位板２５の位置が固定される。

【００２３】また、試験装置２０には、スペーサ固定棒
４，４間にわたって可動板２６が設けられ、この可動板
２６は、各スペーサ固定棒４，４により貫通されると共
に、変位量検知センサ７に当接されている。また、可動
板２６は、定位板２５に取り付けられたスプリング２
７，２７により定位板２５に懸架されている。スプリン
グ２７は、その一端が定位板２５の貫通孔３６を横切る
スプリング固定ピン３７に固定され、他端が、可動板２
６に固定される固定板３８に固定されている。また、可
動板２６の各端部には、図６に示すように、スペーサ固
定棒４に沿って可動板２６を挟むように円筒状の固定具
３３ａ，３３ｂが設けられ、これらの内側には、スペー
サ固定棒４に摺動される円筒状の摩擦材３３ｃがそれぞ
れ設けられ、この摩擦材３３ｃにより可動板２６が安定
に移動される。

【００２４】さらに、試験装置２０には、マイクロメー
タ２１が設けられている。図７に示すように、マイクロ
メータ２１は、円筒状の固定目盛部２６と、この固定目
盛部２６の外周面に沿って回転可能な可動目盛部２２
と、固定目盛部２６から延びる円筒状の内管３９と、可
動目盛部２２の回転に連動して内管３９から延出される
駆動棒２３とを備えている。マイクロメータ２１の内管
３９は、定位板２５の中央部に形成されたマイクロメー
タ挿通孔３４に挿通され、この内管３９は、その外周面
に形成されたピン固定穴４２と、定位板２５の貫通孔４
０を貫通する貫通ピン４１との係合によりマイクロメー
タ挿通孔３４内での回転が防止される。

【００２５】また、駆動棒２３は、可動板２６の表面に
取り付けられた受力板３５に当接されている。受力板３
５を設けるのは、駆動棒２３から繰り返し受ける外力に
よる可動板２６の表面の変形を避けるためである。従っ
て、受力板３５は、可動板２６より強度の大きい材質で
構成されることが好ましい。この場合、可動板２６は例
えばアルミニウム合金で構成され、受力板３５は例えば
ステンレススチールで構成される。

【００２６】なお、可動目盛部２２には、その円周に沿
って５０等分に目盛りが記され、固定目盛部２６には、
駆動棒２３の延び方向に沿って２５等分に目盛が記さ
れ、この可動目盛部２２、固定目盛部２６の目盛から、
駆動棒２３の変位量、すなわちドラム８の径方向の変位
量が０．０１ｍｍ程度の精度で読み取られる。

【００２７】このような構成の試験装置２０において
は、マイクロメータ２１の可動目盛部２２を回転させる
と、駆動棒２３が内管３９から延出されて受力板３５を
介して可動板２６が押圧され、この可動板２６により光
ファイバ心線１５を介してドラム８が径方向に押圧さ
れ、このドラム８の押圧により光ファイバ心線１５の曲
率半径が変化し、これにより光ファイバ心線１５で光損
失が増加する。このような光損失増に対して、マイクロ
メータ２１の可動目盛り部２２、固定目盛部２６の目盛
りからドラム８の径方向の変位量を読み取ると、光損失
増とドラム８の径方向の変位量との対応関係を示すデー
タテーブルが作成される。

【００２８】次に、変位量測定装置１０の作用について
説明する。

【００２９】まず、ドラム８に巻き付けられて曲げられ
た状態に保持された光ファイバ心線１５に対し、ＯＴＤ
Ｒ１９の単色光光源１７から光を入射し、この光ファイ
バ心線１５からの後方散乱光をＯＴＤＲ１９の光検出器
１８で検出する。この状態で、測定対象物が変位して可
動部材５の受力面５ａが押圧されると、測定対象物の変
位により可動部材５が変位し、この可動部材５により光
ファイバ心線１５を介してドラム８がその径方向に押圧
される。その結果、光ファイバ心線１５の曲率半径が変
化し、このとき光ファイバ心線１５で生じる光損失変化
は光検出器１８で求められる。この光損失変化と、前述
した試験装置２０により作成されたデータテーブルとを
対照することによりドラム８の径方向の変位量が求めら
れ、測定対象物の変位量が求められる。

【００３０】このとき、光ファイバ心線１５がドラム８
の外周に巻き付けられて曲げられた状態にあるので、あ
る押圧力に対して、光損失は、真っ直ぐな光ファイバ心
線に押圧力が加えられる場合に比べて大きく変化する。
また、測定対象物が変位するときにドラム８が弾性変形
するため、ドラム８から受ける抗力が低減され、光ファ
イバ心線１５に無理な側圧が加わることがない。従っ
て、測定対象物の変位量の測定感度が向上すると共に光
ファイバ心線１５の耐久性が向上し、長期間の使用に対
しても、測定対象物の変位量の測定感度を維持すること
ができる。また、変位量測定装置１０は、光ファイバ心
線１５を長く延ばすことにより、遠隔地に設置される監
視センタ等で測定対象物の変位量を検知することができ
る。

【００３１】さらに、データテーブルは、マイクロメー
タ２１を用いた試験装置２０により精度よく作成されて
いるため、変位量測定装置１０の測定精度は、そのデー
タテーブルを用いない場合と比べてより高いものとな
る。

【００３２】なお、本発明による変位量測定装置は、前
述した実施形態に限定されるものではない。変位量測定
装置１０は、様々な分野で使用することが可能であり、
例えば、高速道路の橋桁のずれ、構造物の沈下等を定量
的に検知することができる。

【００３３】また、光損失増は、変位量の全範囲におい
て変位量に対して一対一の対応関係となっていなくても
よく、一部の範囲において一対一の対応関係があればよ
い。また、前述した実施形態では、光ファイバ心線１５
の一端側に光源１７及び光検出器１８が接続されて反射
光の損失変化が監視されているが、光ファイバ心線１５
の一端に光源１７、他端に光検出器１８が接続されるこ
とで光ファイバ心線１５の透過光の損失変化が監視され
るようにしてもよい。

【００３４】さらに、変位量測定装置１０は、前述した
実施形態のように１個のドラム８を設けて１台のみで用
いることができるが、複数個のドラム８を設け、各ドラ
ム８に光ファイバ心線１５を巻き付けるようにしてもよ
い。この場合、変位量測定装置１０は、例えばビルなど
の巨大な測定対象物の場所による変位量の分布を検知す
るのに利用することができる。

【００３５】さらにまた、本発明は、前述の実施形態の
ように、可動部材５によりドラム８が押圧される場合
に、ドラム８が光ファイバ心線１５を介して間接的に押
圧されず、可動部材５により直接に押圧されてもよい。
また、本発明は、測定対象物によりドラム８を変形させ
る場合に可動部材５が介在されなくてもよい。

【００３６】以下、実施例により本発明を更に具体的に
説明するが、本発明はこれによって制限されるものでは
ない。

【００３７】

【実施例】

（実施例１）光ファイバ心線１５として、コア径９．０
μｍの石英ガラスからなるコアと、外径１２５μｍの石
英ガラスからなるクラッドと、外径０．４ｍｍのシリコ
ンゴム及びテフロン樹脂からなる被覆層とで構成される
もの（モードフィールド径９．４μｍ、カットオフ波長
１．２３μｍ）を用い、この光ファイバ心線１５を、ス
テンレス製、外径４０ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍのドラム
の外周に沿って緊密に且つ螺旋状に１０回巻き付けた。
光源１７としては、波長１．３０μｍの半導体レーザを
用い、光検出器１８としては、光パワーメータを用い
た。

【００３８】このような構成の変位量測定装置につい
て、試験装置２０を用いて、ドラム８の径方向の変位量
（ｍｍ）に対する光ファイバ心線１５での光損失増（ｄ
Ｂ）を測定した。その結果を図８に示す。図８に示すよ
うに、ドラム８の変位量と、光損失増とが９〜２０ｍｍ
の範囲内で一対一の対応関係となった。さらに、可動部
材２６を押圧し光ファイバ心線１５を介してドラム８を
押圧する操作を繰り返し４回行ったところ、ドラム８の
径方向の変位量と光損失増との関係は変わらず、繰り返
し使用に対して耐久性が得られることが分かった。ま
た、２０ｍｍまでの変位量に対応する光損失増の最大値
が１．１０ｄＢとなり、感度はかなり良好であった。

【００３９】（実施例２）ドラムの外径を５０ｍｍと
し、心線巻き付け数を１回とし、波長１．５５μｍの半
導体レーザを用いた以外は実施例１と同様にして、変位
量測定装置についてドラム８の径方向の変位量（ｍｍ）
に対する光ファイバ心線１５での光損失増（ｄＢ）を測
定した。その結果を図９に示す。図９に示すように、ド
ラム８の変位量が１１．５〜１９ｍｍの範囲内において
は、ある光損失増に対して変位量が２、３カ所あるが、
８〜１４ｍｍ、１６〜２０ｍｍ等の変位量の範囲内にお
いてはドラム８の変位量と光損失増とは一対一の対応関
係にあり、変位量測定装置として使用できることが分か
った。

【００４０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、光
ファイバ心線がドラムの外周に巻き付けられて曲げられ
た状態にあるので、ある押圧力に対して光損失は真っ直
ぐな光ファイバ心線に比べて大きく変化する。また、測
定対象物が変位するときに、ドラムが弾性変形するた
め、光ファイバ心線に無理な側圧が加わることがない。
このため、測定対象物の変位量の測定感度が良くなると
共に光ファイバ心線の耐久性が向上し、長期間の使用に
対しても、測定対象物の変位量の測定感度を維持するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る変位量測定装置の好適な実施形態
を示す正面図である。

【図２】図１のドラムを示す正面図である。

【図３】図２のドラムの変形例を示す正面図である。

【図４】図１の変位量検知センサを示す斜視図である。

【図５】図１の変位量測定装置で用いる試験装置を示す
正面図である。

【図６】図５の定位板および可動部材の具体的構成を示
す斜視図である。

【図７】図５のマイクロメータを示す正面図である。

【図８】実施例１におけるドラムの径方向の変位量と光
ファイバ心線での光損失増との関係を示すグラフであ
る。

【図９】実施例２におけるドラムの径方向の変位量と光
ファイバ心線での光損失増との関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

８…ドラム、１０…変位量測定装置、１５…光ファイバ
心線、１７…光源、１８…光検出器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象物の変位によって生じる光ファ
   イバ心線の光損失の変化を監視し、その光損失変化から
   前記測定対象物の変位量を測定する変位量測定装置にお
   いて、 前記光ファイバ心線が、径方向に弾性変形するドラムの
   外周に沿って少なくとも１回巻き付けられ、前記ドラム
   は、変位する前記測定対象物により押圧されることを特
   徴とする変位量測定装置。
2. 【請求項２】 前記光ファイバ心線には、その光ファイ
   バ心線に光を入射させる光源と、前記光ファイバ心線か
   らの光を検出する光検出器とが接続されていることを特
   徴とする請求項１記載の変位量測定装置。
3. 【請求項３】 測定対象物の変位によって生じる光ファ
   イバ心線の光損失の変化を監視し、その光損失変化から
   前記測定対象物の変位量を測定する変位量測定方法にお
   いて、 前記光ファイバ心線を径方向に弾性変形するドラムの外
   周に沿って少なくとも１回巻き付ける第１のステップ
   と、 前記光ファイバ心線に光を入射させる第２のステップ
   と、 前記測定対象物が変位し、その測定対象物により前記光
   ファイバ心線を介して前記ドラムが径方向に変形される
   ときに、前記光ファイバ心線からの光を検出し、前記光
   ファイバ心線での前記光損失変化を監視する第３のステ
   ップと、を備えることを特徴とする変位量測定方法。