JP2002107122A - 光ファイバ歪みセンサ及びこのセンサを用いた歪み測定装置 - Google Patents
光ファイバ歪みセンサ及びこのセンサを用いた歪み測定装置Info
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Abstract
置とともにその変位方向を特定できるようにする。 【解決手段】 歪み測定対象物10の変形に追従するフ
レキシブルな棒状体21の周囲4箇所に光ファイバ30
からなる導光路22,23,24,25を棒状体21の
軸線Oに対して平行に形成してなる光ファイバ歪みセン
サ20を、歪み測定対象物10に取り付ける。光ファイ
バ歪みセンサ20の各導光路22,23,24,25に
それぞれ片端からパルス光を入射し戻ってきたブリルア
ン散乱光を検出する。そしてこのブリルアン散乱光に基
づいて各導光路22,23,24,25を形成する光フ
ァイバの部位A,B,C,D毎に歪み分布を算出し、こ
の歪み分布から歪み測定対象物10の歪み位置及び変位
方向を測定する。
Description
形成される梁や杭等の構造物の歪み測定、さらには土塊
の地すべり等によるせん断方向や曲げ方向の変位検知等
に利用される光ファイバ歪みセンサ及びこのセンサを用
いた歪み測定装置に関する。
た歪み測定装置の構成を図10に示す。すなわち従来
は、コンクリート梁等の構造物1に対してその一方向
(Z方向)に光ファイバ2を1本貼り付ける。そして、
この光ファイバ2が構造物1の変形に追従して伸縮した
際に光ファイバ2の長手方向に発生する歪みを歪み分布
測定器3で測定する仕組みである。
パルス光を入射すると、入射したパルス光が光ファイバ
2の内部で散乱して入射端側に後方散乱光として戻る。
このとき、光ファイバ2の伸縮で歪んだ箇所から来る後
方散乱光と、伸縮がない箇所から来る後方散乱光とは周
波数が異なることが知られている。そこで、前記歪み分
布測定器3は、前記光ファイバ2の片端からパルス光を
入射し、戻ってくる後方散乱光を測定して、異なった周
波数の散乱光が戻る時間から歪みが生じた箇所を特定し
ていた。
光ファイバ2を用いた歪み測定技術においては、光ファ
イバ2の伸縮から構造物1の歪み有無及びその位置まで
は特定できるが、構造物1がどの方向に変位して歪んで
いるのかまでは知り得なかった。
たもので、その目的とするところは、構造物や土塊等の
歪み測定対象物に生じた歪みの位置のみならずその変位
方向までも特定できる光ファイバ歪みセンサ及びこのセ
ンサを用いた歪み測定装置を提供しようとするものであ
る。
センサは、歪み測定対象物の変形に追従するフレキシブ
ルな棒状体の周囲複数箇所に光ファイバからなる導光路
を棒状体の軸線に対して平行に形成してなるものであ
る。
に棒状体の軸線に沿って溝を形成し、この各溝内に光フ
ァイバを配設して、棒状体の周囲複数箇所に棒状体の軸
線に対して平行な導光路を形成してなることが望まし
い。
折り返すことによって、棒状体の周囲複数箇所に前記棒
状体の軸線に対して平行な導光路を形成してなることが
望ましい。
歪み測定対象物の変形に追従するフレキシブルな棒状体
の周囲4箇所に光ファイバからなる導光路を棒状体の軸
線に対して平行にかつ一定の間隔を空けて形成してなる
ものを含む。
対象物の変形に追従するフレキシブルな棒状体の周囲複
数箇所に光ファイバからなる導光路を棒状体の軸線に対
して平行に形成してなる光ファイバ歪みセンサと、この
光ファイバ歪みセンサの各導光路にその片端からパルス
光を入射し戻ってきたブリルアン散乱光を検出する光検
出手段と、この光検出手段で検出されるブリルアン散乱
光に基づいて各導光路毎にその長手方向の歪み分布を計
測し出力する歪み分布出力手段とを備え、歪み分布出力
手段により出力される各導光路の長手方向の歪み分布か
ら光ファイバ歪みセンサが設けられた歪み測定対象物の
歪み位置及び変位方向を測定するようにしたものであ
る。
面を用いて説明する。はじめに、本発明をコンクリート
等で形成される梁や杭等の構造物の歪み測定に用いる場
合について説明する。
において10は例えばコンクリート材からなる平板状の
歪み測定対象物であり、20は本発明に係わる光ファイ
バ歪みセンサ20であり、30は光ファイバであり、4
0は歪み分布測定器である。
(a)の斜視図及び同図(b)の正面図に示すように、
円筒状の棒状体であるファイバ固定部材21の周囲4箇
所に、光ファイバ30からなる導光路22,23,2
4,25を、該ファイバ固定部材21の軸線Oに対して
平行に、かつ一定の間隔を空けて形成してなるものであ
る。具体的には、先ず、1本の光ファイバ30をファイ
バ固定部材21の外周面所定位置に該ファイバ固定部材
21の一方の端部(−Z方向側端部)から他方の端部
(Z方向側端部)に向けて軸線Oと平行になるように張
り合わせて第1の導光路22を形成する。次に、この光
ファイバ30をファイバ固定部材21の他方の端部で折
り返した後、該ファイバ固定部材21の外周面でかつ軸
線Oに対して前記第1の導光路22と線対称となる位置
に他方の端部から一方の端部に向けて軸線Oと平行にな
るように張り合わせて第2の導光路23を形成する。次
に、この光ファイバ30をファイバ固定部材21の一方
の端部で折り返した後、該ファイバ固定部材21の外周
面でかつ第1の導光路22までの距離と第2の導光路2
3までの距離とが等しくなる所定位置に一方の端部から
他方の端部に向けて軸線Oと平行になるように張り合わ
せて第3の導光路24を形成する。最後に、この光ファ
イバ30をファイバ固定部材21の他方の端部で折り返
した後、該ファイバ固定部材21の外周面でかつ軸線O
に対して前記第3の導光路24と線対称となる位置に他
方の端部から一方の端部に向けて軸線Oと平行になるよ
うに張り合わせて第4の導光路24を形成する。そし
て、第1の導光路22乃至第4の導光路25を形成した
1本の光ファイバ30のいずれか一端を歪み分布測定器
40のパルス光源41に接続可能となるように延伸して
いる。
測定対象物10のしなりや伸縮等の変形に追随して変位
するフレキシブルなパイプを用いている。このパイプと
しては、その1例として、既に市販されている歪みゲー
ジを用いた歪みセンサに用いられている硬質塩化ビニル
管(呼び径40mm×外径48mm×肉厚mm)を利用でき
る。
1からパルス光を光ファイバ30に光周波数を可変しな
がら入射し、光ファイバ30から戻ってくる後方散乱光
のうちブリルアン散乱光を光検出部42にて検出する。
そして、この光検出部42にて検出された各光周波数の
ブリルアン散乱光から信号処理部43にてブリルアン散
乱光のスペクトラム分布を測定し、次いでこのスペクト
ラム分布から光ファイバ30の長さ方向のブリルアン周
波数シフトを求めて、このブリルアン周波数シフトから
光ファイバ30の長さ方向の歪み分布を得る。ここで、
光ファイバ30の全長に対して各導光路22,23,2
4,25を形成する光ファイバの部位A,B,C,Dは
予め分かっているので、信号処理部43では、さらに前
記光ファイバ30の長さ方向の歪み分布から各光ファイ
バの部位A,B,C,D毎に歪み分布を抽出し、評価テ
ーブル44に設定されているデータを参照してファイバ
固定部材21の変位位置とともに変位方向を算出する。
そして、この算出結果等をモニタ45に出力するもので
ある。
に、ファイバ固定部材21の変位方向に対する各光ファ
イバの部位A,B,C,Dの伸縮(+:伸長,−:収
縮)の関係を予め設定したテーブルである。
歪みセンサ20を歪み測定対象物10に取り付けたとき
のファイバ固定部材21の軸線Oに対して第1の導光路
22が位置する方向をX、第2の導光路23が位置する
方向を−X、第3の導光路が位置する方向をY、第4の
導光路が位置する方向を−Yとしたとき、歪み測定対象
物10の変形に追随してファイバ固定部材21がX方向
に変位した場合には第1の導光路22を形成する光ファ
イバの部位Aが収縮し、第2の導光路23を形成する光
ファイバの部位Bが伸長し、第3及び第4の導光路2
4,25をそれぞれ形成する光ファイバの部位C,Dは
伸縮の中立軸上にあって歪みが検知されないので、光フ
ァイバの部位Aに対して「−」,光ファイバの部位Bに
対して「+」,光ファイバの部位C及びDに対してそれ
ぞれ「0」が設定されている。同様に、ファイバ固定部
材21が−X方向に変位した場合には、光ファイバの部
位Aが伸長し、光ファイバの部位Bが収縮し、光ファイ
バの部位C,Dは歪みが検知されないので、光ファイバ
の部位Aに対して「+」,光ファイバの部位Bに対して
「−」,光ファイバの部位C及びDに対してそれぞれ
「0」が設定されている。
位した場合には、光ファイバの部位Cが収縮し、光ファ
イバの部位Dが伸長し、光ファイバの部位A,Bは伸縮
の中立軸上にあって歪みが検知されないので、光ファイ
バの部位Cに対して「−」,光ファイバの部位Dに対し
て「+」,光ファイバの部位A及びBに対してそれぞれ
「0」が設定されている。同様に、ファイバ固定部材2
1が−Y方向に変位した場合には、光ファイバの部位C
が収縮し、光ファイバの部位Dが伸長し、光ファイバの
部位A,Bは歪みが検知されないので、光ファイバの部
位Cに対して「+」,光ファイバの部位Dに対して
「−」,光ファイバの部位A及びBに対してそれぞれ
「0」が設定されている。
(X方向とY方向との間)に変位した場合には、光ファ
イバの部位A,Cが収縮し、光ファイバの部位B,Dが
伸長するので、光ファイバの部位A,Cに対してそれぞ
れ「−」,光ファイバの部位B,Dに対してそれぞれ
「+」が設定されている。同様に、ファイバ固定部材2
1がX・−Y方向(X方向と−Y方向との間)に変位し
た場合には、光ファイバの部位A,Dが収縮し、光ファ
イバの部位B,Cが伸長するので、光ファイバの部位
A,Dに対してそれぞれ「−」,光ファイバの部位B,
Cに対してそれぞれ「+」が設定され、ファイバ固定部
材21が−X・−Y方向(−X方向と−Y方向との間)
に変位した場合には、光ファイバの部位B,Dが収縮
し、光ファイバの部位A,Cが伸長するので、光ファイ
バの部位B,Dに対してそれぞれ「−」,光ファイバの
部位A,Cに対してそれぞれ「+」が設定され、ファイ
バ固定部材21が−X・Y方向(−X方向とY方向との
間)に変位した場合には、光ファイバの部位B,Cが収
縮し、光ファイバの部位A,Dが伸長するので、光ファ
イバの部位B,Cに対してそれぞれ「−」,光ファイバ
の部位A,Dに対してそれぞれ「+」が設定されてい
る。
伸長した場合には、各光ファイバの部位A,B,C,D
がいずれも伸長するので、各光ファイバの部位A,B,
C,Dに対してそれぞれ「−」が設定されている。同様
に、ファイバ固定部材21が軸線方向に収縮した場合に
は、各光ファイバの部位A,B,C,Dがいずれも収縮
するので、各光ファイバの部位A,B,C,Dに対して
それぞれ「+」が設定されている。
は、光ファイバ歪みセンサ20を構成するファイバ固定
部材21の周囲に該ファイバ固定部材21の軸線Oに対
して平行に取り付けられた4本の導光路22,23,2
4,25毎に片端からパルス光を入射し、各導光路2
2,23,24,25から戻ってきた後方散乱光のうち
ブリルアン散乱光を検出する光検出手段として機能す
る。また、信号処理部43,評価テーブル44及びモニ
タ45は、上記光検出手段で検出されるブリルアン散乱
光に基づいて各導光路22,23,24,25毎にその
長手方向の歪み分布を計測し出力する歪み分布出力手段
として機能する。
ァイバ歪みセンサ20及び歪み分布測定器40を用い
て、図1に示す平板状の歪み測定対象物10の歪み位置
及び変位方向を測定する場合、歪み測定対象物10の表
面に光ファイバ歪みセンサ20を図2に示すように取り
付ける。つまり、歪み測定対象物10の表面に対して第
1の導光路22と第2の導光路23とを結ぶ平面が平行
となり、第3の導光路24と第4の導光路25とを結ぶ
平面が垂直となるように取り付ける。また、光ファイバ
歪みセンサ20から延伸されている光ファイバ30の片
端を歪み分布測定器40に接続する。
光源41からパルス光を光ファイバ30に光周波数を可
変しながら入射する。そうすると、入射したパルス光が
光ファイバ30の内部で散乱し、入射した端部に後方散
乱光として戻る。このとき、光ファイバ30の伸縮で歪
んだ箇所から戻る後方散乱光は、伸縮がない箇所から戻
る後方散乱光とは周波数が異なる。そこで、歪み分布測
定器40では、光ファイバ30から戻ってくる後方散乱
光のうちブリルアン散乱光を光検出部42にて検出す
る。そして、この光検出部42にて検出された各光周波
数のブリルアン散乱光から信号処理部43にてブリルア
ン散乱光のスペクトラム分布を測定し、次いでこのスペ
クトラム分布から光ファイバ30の長さ方向のブリルア
ン周波数シフトを求めて、このブリルアン周波数シフト
から光ファイバ30の長さ方向の歪み分布を得る。さら
に、この光ファイバ30の長さ方向の歪み分布から、各
導光路22,23,24,25をそれぞれ構成する光フ
ァイバの部位A,B,C,D毎に歪み分布を抽出し、評
価テーブル44に設定されているデータを参照してファ
イバ固定部材21の変位位置とともに変位方向を算出す
る。こうして、信号処理部43にて算出された結果は、
モニタ45に出力されるので、オペレータは、ファイバ
固定部材21の変位位置と変位方向,つまりは歪み測定
対象物10の変位位置と変位方向を確認できる。
5を形成する光ファイバの部位A,B,C,Dの歪み分
布が図4に示す通りであったとする。この場合、ファイ
バ固定部材21の一端側より距離p1〜p2の位置で光
ファイバの部位Aが収縮し、光ファイバの部位Bが伸長
しているので、歪み測定対象物10は、位置p1〜p2
でX方向に歪んでいることが分かる。また、ファイバ固
定部材21の一端側より距離p3〜p4の位置で光ファ
イバの部位Aと光ファイバの部位Dが収縮し、光ファイ
バの部位Bと光ファイバの部位Cが伸長しているので、
歪み測定対象物10は、位置p3〜p4でX・−Y方向
に歪んでいることが分かる。
タ45への出力結果から、誰もが容易に歪み測定対象物
10に生じた歪みの位置とその変位方向を特定できるよ
うになる。
歪み測定対象物10の歪み測定について説明したが、図
5(a)に示すように、例えば橋脚51の基板52を支
えるコンクリート杭53の歪み測定にも本発明を適用す
ることができる。この場合、同図(b)に示すコンクリ
ート杭53の水平断面図のように、コンクリート杭53
の中心軸に沿って全長に亙り光ファイバ歪みセンサ20
を埋設する。なお、符号54はコンクリート杭53の軸
方向に環状に埋設される鉄筋である。こうすることによ
り、コンクリート杭53に生じる水平方向の歪みは勿論
のこと垂直方向の歪みまで、コンクリート杭53の全長
に亙りその位置と方向を正確に測定することができる。
を用いて土塊の地すべり等によるせん断方向や曲げ方向
の変位も検知することができる。すなわち、図6に示す
ように、本発明の光ファイバ歪みセンサ20を埋設した
地層の軟弱層が図中矢印M方向に滑動したとすると、導
光路22を形成する光ファイバの部位Aがすべり面aで
伸張し、すべり面bで収縮する。逆に、導光路23を形
成する光ファイバの部位Bがすべり面aで収縮し、すべ
り面bで伸張する。導光路24,25を形成する光ファ
イバの部位C,Dは伸縮の中立軸上にあって歪みが検知
されない。その結果、光ファイバの各部位A,B,C,
Dの歪み分布は、それぞれ図7の(a),(b),
(c),(d)のようになる。この歪み分布を確認する
ことにより、地盤がすべり面aからすべり面bまでの幅
Lで図中矢印M方向に滑動していることが分かる。
部材21の外周面に光ファイバ30を張り付けて4本の
導光路22,23,24,25を形成したが、ファイバ
固定部材21が本実施の形態のように円筒状の棒状体の
場合、内周面に光ファイバ30を張り付けて4本の導光
路22,23,24,25を形成してもよい。この場
合、前記実施の形態のように外周面に光ファイバ30を
張り付ける場合と比較して施工上の困難性はあるが、内
周面に張り付けることで光ファイバ30が被測定対象物
10と直接接触しなくなるので損傷しにくくなり、信頼
性を高めることができる。
材21の外周面に、その軸線Oに沿って4本の溝51,
52,53,54を等間隔で形成し、各溝内に前記実施
の形態と同様に光ファイバ30を配線して、ファイバ固
定部材21の軸線Oに対して平行となる4本の導光路2
2,23,24,25を形成してもよい。こうすること
により、導光路22,23,24,25を形成する光フ
ァイバの部位がファイバ固定部材21に対して安定に取
り付けられるので、測定精度を高めることができる。
材21の周囲4箇所に光ファイバからなる導光路22,
23,24,25を等間隔で形成したものを示したが、
導光路の数は4本に限定されるものではなく、例えば図
9に示すように、ファイバ固定部材21の周囲3箇所に
光ファイバからなる導光路61,62,63を等間隔で
形成したものであってもよい。また、相対する2箇所に
光ファイバからなる導光路を形成したものも本発明は含
むものである。ただし、前記実施の形態のように周囲4
箇所に導光路22,23,24,25を等間隔で形成し
た方が歪み方向を容易に算出できるという利点がある。
器40に評価テーブル44を設け、導光路22,23,
24,25をそれぞれ形成する光ファイバの部位A,
B,C,D毎の歪み分布から評価テーブル44を参照し
て歪み測定対象物10の歪み位置及び変位方向を測定す
るようにしたが、評価テーブル44を設けず、光ファイ
バの部位A,B,C,D毎の歪み分布をモニタ45に直
接出力するように構成しても、オペレータが各光ファイ
バの部位A,B,C,D毎の歪み分布から歪み測定対象
物10の歪み位置及び変位方向を推測できるので、本発
明の効果を奏し得るものである。この他、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論で
ある。
バ歪みセンサを用いて構造物等の歪み測定対象物の歪み
測定を行うことにより、歪み測定対象物に生じた歪みの
位置のみならずその変位方向までも特定できるようにな
るので、歪み測定対象物に生じた歪みによる悪影響を事
前に的確に察知できるようになる。また、本発明の光フ
ァイバ歪みセンサを地層に埋設することによって、土塊
の地すべり等によるせん断方向や曲げ方向の変位も的確
に検知できる効果を奏する。
測定対象物に生じた歪みの位置とその変位方向を特定す
ることができる歪み測定装置を提供できる。
の構造を示す斜視図及び正面図。
図。
布特性の一例を示す図。
図。
み分布特性の一例を示す図。
視図。
示す正面図。
Claims (5)
- 【請求項1】 歪み測定対象物の変形に追従するフレキ
シブルな棒状体の周囲複数箇所に光ファイバからなる導
光路を前記棒状体の軸線に対して平行に形成してなるこ
とを特徴とする光ファイバ歪みセンサ。 - 【請求項2】 棒状体の周囲複数箇所に前記棒状体の軸
線に沿って溝を形成し、この各溝内に光ファイバを配設
して、前記棒状体の周囲複数箇所に前記棒状体の軸線に
対して平行な導光路を形成してなることを特徴とする請
求項1記載の光ファイバ歪みセンサ。 - 【請求項3】 1本の光ファイバを棒状体の端部で折り
返すことによって、前記棒状体の周囲複数箇所に前記棒
状体の軸線に対して平行な導光路を形成してなることを
特徴とする請求項1記載の光ファイバ歪みセンサ。 - 【請求項4】 歪み測定対象物の変形に追従するフレキ
シブルな棒状体の周囲4箇所に光ファイバからなる導光
路を前記棒状体の軸線に対して平行にかつ一定の間隔を
空けて形成してなることを特徴とする光ファイバ歪みセ
ンサ。 - 【請求項5】 歪み測定対象物の変形に追従するフレキ
シブルな棒状体の周囲複数箇所に光ファイバからなる導
光路を前記棒状体の軸線に対して平行に形成してなる光
ファイバ歪みセンサと、この光ファイバ歪みセンサの各
導光路にその片端からパルス光を入射し戻ってきたブリ
ルアン散乱光を検出する光検出手段と、この光検出手段
で検出されるブリルアン散乱光に基づいて各導光路毎に
その長手方向の歪み分布を計測し出力する歪み分布出力
手段とを具備し、前記歪み分布出力手段により出力され
る各導光路の長手方向の歪み分布から前記光ファイバ歪
みセンサが設けられた歪み測定対象物の歪み位置及び変
位方向を測定することを特徴とする歪み測定装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000297525A JP2002107122A (ja) | 2000-09-28 | 2000-09-28 | 光ファイバ歪みセンサ及びこのセンサを用いた歪み測定装置 |
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JP2000297525A JP2002107122A (ja) | 2000-09-28 | 2000-09-28 | 光ファイバ歪みセンサ及びこのセンサを用いた歪み測定装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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