JP2004361285A - 角度センサ及びそれを用いた管路計測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】精度良く小口径の管路の管路計測も可能にする管路計測装置を提供する。
【解決手段】弾性体6と、該弾性体6の折り曲げに応じて伸縮するように該弾性体6に取り付けられ、伸縮に応じて反射波長が変化するFBG15とを備えた角度センサ2と、該角度センサ2を保持して管路10の長手方向に沿って移動させる移動装置12a、12bと、前記移動装置12a、12bの移動量を計測する移動量計測器8と、前記FBG15の反射波長から弾性体6の曲げ角度を演算する角度演算部17と、前記移動装置12a、12bの移動量と弾性体6の曲げ角度とから角度センサ2の移動軌跡を計算する軌跡演算部27とにより、管路10の埋設位置を計測する。
【選択図】 図1
【解決手段】弾性体6と、該弾性体6の折り曲げに応じて伸縮するように該弾性体6に取り付けられ、伸縮に応じて反射波長が変化するFBG15とを備えた角度センサ2と、該角度センサ2を保持して管路10の長手方向に沿って移動させる移動装置12a、12bと、前記移動装置12a、12bの移動量を計測する移動量計測器8と、前記FBG15の反射波長から弾性体6の曲げ角度を演算する角度演算部17と、前記移動装置12a、12bの移動量と弾性体6の曲げ角度とから角度センサ2の移動軌跡を計算する軌跡演算部27とにより、管路10の埋設位置を計測する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管路計測装置に係り、角度を計測する装置及び埋設管路の埋設位置を計測する装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
地中に埋設された電力管路や通信管路、ガス管などの埋設位置は、施工図面により把握されている。埋設管路近くを掘削する場合には、これらの図面に加えて、管路計測装置により埋設位置を正確に把握し、工事により管路が損傷する可能性をできるだけ抑制している。
【0003】
このような目的で使用される従来の管路計測装置を以下に説明する。
【0004】
図10の管路計測装置51は、筐体に収納され計測を行うための角速度センサ52と、角速度センサ52の信号を伝送する通信ケーブル56と、通信ケーブル56の送出量を検出する計尺器58と、角速度センサ52から供給される角速度データ等から演算を行い角速度センサ52の移動軌跡を求めるコンピュータ57と、角速度センサ52を牽引するための牽引索59と、角速度センサ52を牽引するウインチ61とを備えて構成されている。
【0005】
図示したように、角速度センサ52は、測定される埋設管路60内を牽引索59を介してウインチ61の牽引により移動し、計測を行う。
【0006】
演算を行うコンピュータ57には、角速度演算部67と、軌跡演算部77とが内蔵されている。
【0007】
角速度センサ52は、計測される管路60の中をウインチ61に牽引されて管路長手方向に通信ケーブル56と共に移動する。ウインチ61は、角速度センサ52に接続された牽引索59を牽引し、計測される管路60内に置かれた角速度センサ52を管路長手方向に移動させる。
【0008】
通信ケーブル56は、管路60内を移動する角速度センサ52において検出された角速度データをコンピュータ57に伝送すると共に、角速度センサ52に必要電力を給電する。計尺器58は、ウインチ61に牽引された通信ケーブル56の送出量即ち角速度センサ52の移動距離を検出し、コンピュータ57に移動距離データとして供給する。コンピュータ57は、角速度演算部67において角速度センサ52で検出された角速度データから角度演算を行う。この角度演算結果と計尺器58から供給された移動距離データとから、軌跡演算部77において角速度センサ52の軌跡演算を行い、この軌跡演算によって管路60内での移動軌跡が求められる。
【0009】
管路計測装置51による計測過程を以下に説明する。角速度センサ52は通信ケーブル56に接続され、通信ケーブル56の端がウインチ61によって牽引される。牽引された牽引索59及び角速度センサ52は、埋設された管路60に沿って移動する。一般的に管路60は一直線には敷設されておらず複雑に折れ曲がっているので、管路60の方向が変わったり、管路60の屈曲部を通過した際には、角速度センサ52において方向の変化に応じた角速度が検出される。角速度センサ52で検出された角速度データは通信ケーブル56により接続されているコンピュータ57の角速度演算部67に供給される。角速度演算部67に供給された角速度データは、演算により角速度センサ52の通った管路60の屈曲部の角度データとなる。
【0010】
ウインチ61によって牽引された牽引索59及び角速度センサ52は、牽引に従って管路60内を移動し、計尺器58によりその通信ケーブル56の送出量即ち角速度センサ52の移動距離が検出される。計尺器58によって検出された移動距離データは、コンピュータ57の軌跡演算部77に供給される。
【0011】
角速度演算部67で演算された角速度データと、計尺器58から供給された移動距離データとは、コンピュータ57の軌跡演算部77で演算されて角速度センサ52が管路60を移動した移動軌跡となる。これにより管路60の埋設位置を得ることができる。
【0012】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【0013】
【特許文献1】
特開平7−75630号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来管路計測装置においては、次のような問題点があった。
【0015】
従来の管路計測装置51においては、一般的に角速度センサ52として方位磁石や機械式ジャイロが用いられていた。
【0016】
しかしながら、方位磁石を用いた場合には角速度センサ(磁石)の近傍に鉄骨や鉄管などの磁性体金属が存在すると、実用上充分な精度で角度データを計測することができないことがしばしばあった。
【0017】
また、機械式ジャイロを用いた場合には、機械式ジャイロの形状が大きいため小口径の管路60内に配置することができず、管路計測を行えないと云う問題があった。
【0018】
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決し、精度良く小口径の管路の管路計測も可能な管路計測装置を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項1の発明は、弾性体と、該弾性体の折り曲げに応じて伸縮するように該弾性体に取り付けられ、伸縮に応じて反射波長が変化する光ファイバブラッググレーティング(FBG)とを備えたものである。
【0020】
請求項2の発明は、角度センサを管路内で移動させ該管路を計測する管路位置計測において、弾性体にFBGを取り付けられた角度センサと、該角度センサを保持して管路の長手方向に沿って移動させる移動装置と、前記移動装置の移動量を計測する移動量計測器と、前記FBGの反射波長から弾性体の曲げ角度を演算する角度演算部と、前記移動装置の移動量と弾性体の曲げ角度とから角度センサの移動軌跡を計算する軌跡演算部とを備えたものである。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【0022】
図1は、本発明の好適実施の形態である角度センサ2を示す。
【0023】
角度センサ2は、光ファイバ5に設けられた屈折率の異なる光ファイバブラッググレーティング(以下、FBGと称す)15と、FBG15が密着して固定し取り付けられた弾性体6とを備えて構成され、光ファイバ5及びFBG15が弾性体6に取り付けられ、FBG15には光ファイバ5が接続されている。少なくとも、FBG15は、全長にわたり弾性体6に密着して固定されている。弾性体6に密着して固定されるFBG15は、弾性体6長手方向に直線状に固定され弾性体6長手方向の伸縮に応じて、FBG15も弾性体6と共に伸縮する構造となっている。弾性体6は、例えば板状、ロッド状、管状などの部材で形成される。
【0024】
角度センサ2は、光ファイバ5及び光ファイバ5に設けられたFBG15が密着し固定して取り付けられる構造となっており、弾性体6に外部から何らかの力が加わると、光ファイバ5及びFBG15にも力が加わる。弾性体6は、図示した様に板状であるため、光ファイバ5長手方向の左右よりは、上下の折り曲げが容易である。FBG15が弾性体6の上面に取り付けられているときは、弾性体6を上下山なりに折り曲げた状態では弾性体6の上面とともにFBG15は光ファイバ5長手方向に伸張する。逆に、弾性体6を上下谷なりに折り曲げた状態では弾性体6の上面とともにFBG15は光ファイバ5長手方向に縮む。
【0025】
図2に角度センサの実施の形態の構成図を示す。
【0026】
具体的には、図示するように角度センサ2の光ファイバ5には、コヒーレント光を発光する光源3と、FBG15からの反射光の波長を計測する波長計測装置4とが接続され、各光ファイバ5a、5b、5cはカプラ9と接続され、角度センサ2からの反射波長の計測が行われる。
【0027】
光源3から発光されたコヒーレント光は、光ファイバ5aを介してカプラ9に供給される。カプラ9に供給されたコヒーレント光は、光ファイバ5cを介してFBG15に供給される。コヒーレント光が供給されたFBG15は、該FBG15に特定の波長の光が到達した際には、FBG15において光の反射が生じる。この光の反射は、光ファイバ5の長手方向に屈折率の異なる領域を有していることから生じる現象である。
【0028】
FBG15にて反射した光は、光ファイバ5cを逆送しカプラ9に供給される。カプラ9に供給された反射光は、光ファイバ5bを介して波長計測装置4に供給される。波長計測装置4において反射光の波長が計測される。
【0029】
FBG15は、光ファイバ5の長手方向に屈折率の異なる領域を有し、FBG15は特定の波長の光のみを反射させる性質を有する。
【0030】
図3は、光ファイバ5に設けられたFBG15と光の関係を示す説明図である。
【0031】
図示した光ファイバ5は、光ファイバ長手方向に形成された屈折率が高い部分であるコア33と、光ファイバ長手方向にコア33を取り囲んでいる形成されるコア33よりも屈折率の低い部分であるクラッド34と、コア33にコア33とは屈折率の異なる領域として設けられたFBG15とを備えて構成されている。
【0032】
図示したように矢印35の方向に図2で示した光源3からコヒーレント光が光ファイバ5に供給される。供給されたコヒーレント光は、光ファイバ5のコア33を伝送する。伝送されたコヒーレント光は、コア33に設けられたFBG15を通過しようとする際に、FBG15が特定の屈折率を有する場合にはコヒーレント光はFBG15において反射する。次式に、コヒーレント光の波長とFBG15の屈折率との関係を示す。
【0033】
【数1】λ=2nΛ ・・・・・(1)
λ:コヒーレント光の波長
n:FBG15の屈折率
Λ:屈折率の等しいFBG15の間隔
伝送されたコヒーレント光の波長がλの時に、FBG15の屈折率nの周期構造間隔がΛで、これらの関係が式(1)を満たすときに波長λのコヒーレント光は、FBG15において反射し、図示した矢印36の方向に伝送される。
【0034】
図2において光ファイバ5に伸縮力が加わった場合には、力が加わった領域の長さが変化するため、領域の長さの変化に応じて反射波長λが変化することになる。FBG15の伸び率と反射波長の変化率は、比例関係にあることが知られている。
【0035】
図4に弾性体6に密着して固定し取り付けられたFBG15が弾性体6と共に折り曲げられた場合の状態を示す。弾性体6に取り付けられたFBG15が弾性体6と共に曲げ角度θだけ折り曲げられることで、光ファイバ5及びFBG15が伸張される。
【0036】
図5(a)は、FBG15が伸張する前後の反射波長λと反射強度の特性を示す。FBG15伸張前の反射波長λ=λ0に対して、FBG15を伸張させることで反射波長λ=λ1に変化する。
【0037】
図5(b)は、図4に示した折り曲げが生じたFBG15に於ける反射波長λと曲げ角度θとの関係を示す。波長λと曲げ角度θが比例関係にあることがグラフより分かる。従ってあらかじめ、この波長反射λの変化量と曲げ角度θの対応を求めておくことにより、反射波長λの変化量から弾性体6及びFBG15の曲げ角度θを求めることができる。
【0038】
図1の変形例を図6に示す。角度センサ2、2’は、図1に示した板状の弾性体6を2つ用いて、図6に示すように直交する弾性体6−1、6−2を構成する。これら弾性体6−1、6−2にそれぞれFBG15−1,15−2を設けた光ファイバ5が密着して固定し取り付けられる。弾性体6−1は、上下方向に折り曲げ易い。弾性体6−2は光ファイバ5の長手方向に対して左右方向に折り曲げ易い。この折り曲げに従い弾性体6−1に密着して固定しているFBG15−1は上下方向に曲がり易く、上下方向の曲げ角度を検出する。弾性体6−2に密着し固定されているFBG15−2は光ファイバ5の長手方向に対して左右方向に曲がり易く、左右方向の曲げ角度を検出する。各々のFBG15−1、15−2における反射波長λを波長計測装置(図示せず)で計測することにより、FBG15−1の上下方向の曲げ角度及びFBG15−2の左右方向の角度を同時に測定することができる。
【0039】
このように角度センサ2は、FBG15を設けた光ファイバ5及び弾性体6で構成され、装置構成が簡易であることから、角度センサ2として小型化でき、小口径管路であっても管路の計測が可能となる。
【0040】
また、光の反射波長λを計測することで目的である管路の曲げ角度θの計測が可能となる。その結果、管路近傍に鉄骨等の磁性体が在る場合にも周囲の電磁干渉の影響を受けないため、精度の高い角度計測が可能となる。
【0041】
図7は、FBG15を設けた角度センサ2を用いた角度センサ部16のより具体的な実施形態を示す。
【0042】
角度センサ部16は、FBG(図示せず)を設けた光ファイバ5を密着して固定し取り付けた弾性体(図示せず)と、光ファイバ5及び弾性体を収納した筐体22と、筐体22を管路10の中心に管路10と平行に保持して管路10内を長手方向に移動する移動装置12a、12bとを備えて構成される。
【0043】
移動装置12a、12bは、それぞれロッド63の周りにガイドリング64a、64bを設けてなる。ガイドリング64a、64bによって常にロッド63は管路10のほぼ中心に保持される。ガイドリング64a、64bは、角度センサ部16が管路10内を円滑に移動するために設けられている。移動装置12aと移動装置12bとの間には筐体22がつながれており、よって筐体22も管路10の中心に保持される。
【0044】
移動装置12a、12bは、角度センサ部16の前部、後部で異なる方向に向けることができる構成となっており、角度センサ部16が管路10内を移動した場合、各々管路10に沿って移動する。
【0045】
具体的には、移動装置12aを牽引索19で牽引すると筐体22、移動装置12bは牽引索19の牽引に応じて移動装置12aと共に移動する。
【0046】
移動装置12a、筐体22及び移動装置12bが管路10の屈曲部を通過すると、筐体22は管路10の曲げ角度θに応じて折り曲がる。
【0047】
以上の構成により、角度センサ部16は、管路10内を移動装置12にガイドされ、ウインチ(図示せず)に牽引されて移動し、管路10の形状に応じて直進、折り曲げられながら移動する。
【0048】
図8に、ウインチ(図示せず)に牽引されて移動する角度センサ部16が管路10の屈曲部を通過する際の状態を示す。
【0049】
角度センサ部16は、管路10の屈曲部を通過すると移動装置12aと移動装置12bとの間の筐体22の部分で管路10の屈曲部に従い、角度センサ部16の筐体22が同じ角度で折り曲がる。筐体22の折り曲がりにより筐体22内の弾性体及び弾性体に密着して固定したFBG(図示せず)も同様に折り曲がる。この折り曲げは、筐体22の露出した部分で前述の図4の折り曲げの状態と同じである。従って、FBG15が曲げ角度θであるとき、図5(a)、図5(b)に示す反射波長λに変化が生じ、筐体22の屈曲前に反射波長λ=λ0であったものが、折り曲げ後に反射波長λ=λ1になる。
【0050】
なお、図8では管路10の屈曲部を二次元的に示したが、三次元的な屈曲部であってもよい。図6のように直交二軸の折り曲げ角度を計測する角度センサ2、2’を用いれば、直交二軸それぞれの軸の折り曲げ角度を互いに独立して計測することができる。
【0051】
次に、上記角度センサ部16を用いた管路計測装置を説明する。
【0052】
図9の管路計測装置1は、筐体22に収納され計測を行うための角度センサ部16と、角度センサ部16に於ける反射光を伝送する光ファイバ5と、光ファイバ5にコヒーレント光を供給する光源3と、反射光を計測する波長計測装置4と、光源3や波長計測装置4を接続するカプラ9と、角度センサ部16(移動装置12a、12bを含む)の移動距離を計測するための移動量計測器としての機能を有し光ファイバ5の送出量を計測する計尺器8と、波長計測装置4から供給される反射波長のデータ等から演算を行い角度センサ部16の移動軌跡を求めるコンピュータ7と、角度センサ部16を牽引するための牽引索19と、角度センサ部16を牽引するウインチ11とを備えて構成されている。角度センサ部16は、前述図7、図8で示した構造となっている。
【0053】
図示したように、角度センサ部16は測定される埋設管路10内を繋がれた牽引索19を介してウインチ11の牽引により移動し、角度計測を行う。
【0054】
演算を行うコンピュータ7には、角度演算部17と、軌跡演算部27とが内蔵されている。
【0055】
光源3から発光されたコヒーレント光は、カプラ9に供給される。カプラ9に供給されたコヒーレント光(光源光)は、光ファイバ5を介して、角度センサ部16に供給される。
【0056】
光源光の供給される角度センサ部16は、計測される管路10の中を牽引索19に牽引されて管路長手方向に移動する。角度センサ部16の内部には図1或いは図6で説明したFBG15と弾性体6が内蔵されているのはもちろんである。ウインチ11は、角度センサ部16に接続された牽引索19を牽引し、計測される管路10内に置かれた角度センサ部16を管路長手方向に移動させる。角度センサ部16内のFBG15は管路10を移動する際に各々の位置の折り曲げ角度θに応じた波長を反射する。この反射波長が角度センサ部16で検出される各位置の角度データに相当する。
【0057】
光ファイバ5は、管路10内を移動する角度センサ部16における反射光を波長計測装置4に伝送する。波長計測装置4は、光ファイバ5から供給された反射光により反射光の波長を計測する。コンピュータ7の角度演算部17は、波長計測装置4によって計測された反射光の波長データによる演算を行い、角度センサ部16に於ける折り曲げ角度θを算出する。この折り曲げ角度θが、管路10屈曲部の各々の角度データである。
【0058】
計尺器8は、ウインチ11に牽引された牽引索19の牽引量(光ファイバ5の送出量)即ち角度センサ部16、移動装置12a、12bの移動距離を検出し、コンピュータ7の軌跡演算部27に供給する。軌跡演算部27は、角度演算部17で算出された角度データと計尺器8から供給された角度センサ部16の移動距離データとから角度センサ部16の軌跡演算を行うことができる。この計測過程により管路10の管路位置計測ができ、管路10内での移動軌跡が求められる。
【0059】
管路計測装置1による計測過程を以下に説明する。角度センサ部16は光ファイバ5に接続され、移動装置12aが牽引索19を介してウインチ11により牽引されている。牽引された光ファイバ5及び角度センサ部16は、埋設された管路10内を長手方向に移動する。角度センサ部16が移動するのに伴って、管路10の屈曲部を通過すると、角度センサ部16は管路10の曲がり具合(曲げ角度θ)に応じた曲げ歪を受ける。この曲げ歪みに応じて角度センサ部16は光源光を反射し、この反射された光は、光ファイバ5により接続されている波長計測装置4に供給される。波長計測装置4で反射波長が計測され、計測された反射波長のデータは、角度演算部17に供給される。供給された反射波長のデータは演算され、その演算結果により、角度センサ部16の通った管路10の屈曲部の曲げ角度データが得られる。
【0060】
なお、図9に示す管路10は二次元的に示してあるが、一般的には三次元的な屈曲部を有する管路10である。図6のように直交二軸の折り曲げ角度を計測可能な角度センサ2、2’を用いた角度センサ部16を管路計測装置1の構成にすることで、直交二軸それぞれの軸の折り曲げ角度を互いに独立して計測することができる。
【0061】
牽引索19を介して牽引することで光ファイバ5及び角度センサ部16は、管路10内を移動し、計尺器8により光ファイバ5の送出量を計尺することで、牽引索19の牽引量即ち角度センサ部16の移動距離が検出される。計尺器8によって検出された角度センサ部16(移動装置12a、12bを含む)の移動距離データは、コンピュータ7の軌跡演算部27に供給される。
【0062】
角度演算部17で算出された角度データと、計尺器8から供給された移動距離データとは、コンピュータ7の軌跡演算部27で演算される。軌跡演算部27での演算結果は、角度センサに管路10内の移動軌跡に対応し、これにより管路10の管路位置計測ができ、管路10の埋設位置が得ることができる。
【0063】
以上、記したように、本実施の形態により従来に比べ小形の角度センサを実現でき、該角度センサを用いた管路計測装置により、小口径の埋設管路の位置を正確に計測することが可能となると共に、管路近傍に鉄骨等の磁性体が在る場合にも周囲の電磁干渉の影響を受けないため、精度の高い角度計測が可能となる。
【0064】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば精度の良い管路計測装置が得られるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の角度センサの実施形態を示す斜視図である。
【図2】本発明の角度センサの実施形態を示す構成図である。
【図3】光ファイバに設けられたFBGと反射波長の関係を示す説明図である。
【図4】本発明の角度センサの動作を示す側面図である。
【図5】図5(a)は、本発明の角度センサの特性を示す特性図である。図5(b)は、本発明の角度センサの特性を示す特性図である。
【図6】図1の変形例を示す説明図である。
【図7】本発明の管路計測装置の一実施形態を示す側面図である。
【図8】本発明の管路計測装置の一実施形態を示す側面図である。
【図9】本発明の管路計測装置の一実施形態を示す構成図である。
【図10】従来の管路計測装置を示す構成図である。
【符号の説明】
2 角度センサ
3 光源
4 波長計測装置
5 光ファイバ
6 弾性体
8 移動量計測器(計尺器)
9 カプラ
12a、12b 移動装置
15 光ファイバブラッググレーティング(FBG)
17 角度演算部
27 軌跡演算部
【発明の属する技術分野】
本発明は、管路計測装置に係り、角度を計測する装置及び埋設管路の埋設位置を計測する装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
地中に埋設された電力管路や通信管路、ガス管などの埋設位置は、施工図面により把握されている。埋設管路近くを掘削する場合には、これらの図面に加えて、管路計測装置により埋設位置を正確に把握し、工事により管路が損傷する可能性をできるだけ抑制している。
【0003】
このような目的で使用される従来の管路計測装置を以下に説明する。
【0004】
図10の管路計測装置51は、筐体に収納され計測を行うための角速度センサ52と、角速度センサ52の信号を伝送する通信ケーブル56と、通信ケーブル56の送出量を検出する計尺器58と、角速度センサ52から供給される角速度データ等から演算を行い角速度センサ52の移動軌跡を求めるコンピュータ57と、角速度センサ52を牽引するための牽引索59と、角速度センサ52を牽引するウインチ61とを備えて構成されている。
【0005】
図示したように、角速度センサ52は、測定される埋設管路60内を牽引索59を介してウインチ61の牽引により移動し、計測を行う。
【0006】
演算を行うコンピュータ57には、角速度演算部67と、軌跡演算部77とが内蔵されている。
【0007】
角速度センサ52は、計測される管路60の中をウインチ61に牽引されて管路長手方向に通信ケーブル56と共に移動する。ウインチ61は、角速度センサ52に接続された牽引索59を牽引し、計測される管路60内に置かれた角速度センサ52を管路長手方向に移動させる。
【0008】
通信ケーブル56は、管路60内を移動する角速度センサ52において検出された角速度データをコンピュータ57に伝送すると共に、角速度センサ52に必要電力を給電する。計尺器58は、ウインチ61に牽引された通信ケーブル56の送出量即ち角速度センサ52の移動距離を検出し、コンピュータ57に移動距離データとして供給する。コンピュータ57は、角速度演算部67において角速度センサ52で検出された角速度データから角度演算を行う。この角度演算結果と計尺器58から供給された移動距離データとから、軌跡演算部77において角速度センサ52の軌跡演算を行い、この軌跡演算によって管路60内での移動軌跡が求められる。
【0009】
管路計測装置51による計測過程を以下に説明する。角速度センサ52は通信ケーブル56に接続され、通信ケーブル56の端がウインチ61によって牽引される。牽引された牽引索59及び角速度センサ52は、埋設された管路60に沿って移動する。一般的に管路60は一直線には敷設されておらず複雑に折れ曲がっているので、管路60の方向が変わったり、管路60の屈曲部を通過した際には、角速度センサ52において方向の変化に応じた角速度が検出される。角速度センサ52で検出された角速度データは通信ケーブル56により接続されているコンピュータ57の角速度演算部67に供給される。角速度演算部67に供給された角速度データは、演算により角速度センサ52の通った管路60の屈曲部の角度データとなる。
【0010】
ウインチ61によって牽引された牽引索59及び角速度センサ52は、牽引に従って管路60内を移動し、計尺器58によりその通信ケーブル56の送出量即ち角速度センサ52の移動距離が検出される。計尺器58によって検出された移動距離データは、コンピュータ57の軌跡演算部77に供給される。
【0011】
角速度演算部67で演算された角速度データと、計尺器58から供給された移動距離データとは、コンピュータ57の軌跡演算部77で演算されて角速度センサ52が管路60を移動した移動軌跡となる。これにより管路60の埋設位置を得ることができる。
【0012】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【0013】
【特許文献1】
特開平7−75630号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来管路計測装置においては、次のような問題点があった。
【0015】
従来の管路計測装置51においては、一般的に角速度センサ52として方位磁石や機械式ジャイロが用いられていた。
【0016】
しかしながら、方位磁石を用いた場合には角速度センサ(磁石)の近傍に鉄骨や鉄管などの磁性体金属が存在すると、実用上充分な精度で角度データを計測することができないことがしばしばあった。
【0017】
また、機械式ジャイロを用いた場合には、機械式ジャイロの形状が大きいため小口径の管路60内に配置することができず、管路計測を行えないと云う問題があった。
【0018】
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決し、精度良く小口径の管路の管路計測も可能な管路計測装置を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項1の発明は、弾性体と、該弾性体の折り曲げに応じて伸縮するように該弾性体に取り付けられ、伸縮に応じて反射波長が変化する光ファイバブラッググレーティング(FBG)とを備えたものである。
【0020】
請求項2の発明は、角度センサを管路内で移動させ該管路を計測する管路位置計測において、弾性体にFBGを取り付けられた角度センサと、該角度センサを保持して管路の長手方向に沿って移動させる移動装置と、前記移動装置の移動量を計測する移動量計測器と、前記FBGの反射波長から弾性体の曲げ角度を演算する角度演算部と、前記移動装置の移動量と弾性体の曲げ角度とから角度センサの移動軌跡を計算する軌跡演算部とを備えたものである。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【0022】
図1は、本発明の好適実施の形態である角度センサ2を示す。
【0023】
角度センサ2は、光ファイバ5に設けられた屈折率の異なる光ファイバブラッググレーティング(以下、FBGと称す)15と、FBG15が密着して固定し取り付けられた弾性体6とを備えて構成され、光ファイバ5及びFBG15が弾性体6に取り付けられ、FBG15には光ファイバ5が接続されている。少なくとも、FBG15は、全長にわたり弾性体6に密着して固定されている。弾性体6に密着して固定されるFBG15は、弾性体6長手方向に直線状に固定され弾性体6長手方向の伸縮に応じて、FBG15も弾性体6と共に伸縮する構造となっている。弾性体6は、例えば板状、ロッド状、管状などの部材で形成される。
【0024】
角度センサ2は、光ファイバ5及び光ファイバ5に設けられたFBG15が密着し固定して取り付けられる構造となっており、弾性体6に外部から何らかの力が加わると、光ファイバ5及びFBG15にも力が加わる。弾性体6は、図示した様に板状であるため、光ファイバ5長手方向の左右よりは、上下の折り曲げが容易である。FBG15が弾性体6の上面に取り付けられているときは、弾性体6を上下山なりに折り曲げた状態では弾性体6の上面とともにFBG15は光ファイバ5長手方向に伸張する。逆に、弾性体6を上下谷なりに折り曲げた状態では弾性体6の上面とともにFBG15は光ファイバ5長手方向に縮む。
【0025】
図2に角度センサの実施の形態の構成図を示す。
【0026】
具体的には、図示するように角度センサ2の光ファイバ5には、コヒーレント光を発光する光源3と、FBG15からの反射光の波長を計測する波長計測装置4とが接続され、各光ファイバ5a、5b、5cはカプラ9と接続され、角度センサ2からの反射波長の計測が行われる。
【0027】
光源3から発光されたコヒーレント光は、光ファイバ5aを介してカプラ9に供給される。カプラ9に供給されたコヒーレント光は、光ファイバ5cを介してFBG15に供給される。コヒーレント光が供給されたFBG15は、該FBG15に特定の波長の光が到達した際には、FBG15において光の反射が生じる。この光の反射は、光ファイバ5の長手方向に屈折率の異なる領域を有していることから生じる現象である。
【0028】
FBG15にて反射した光は、光ファイバ5cを逆送しカプラ9に供給される。カプラ9に供給された反射光は、光ファイバ5bを介して波長計測装置4に供給される。波長計測装置4において反射光の波長が計測される。
【0029】
FBG15は、光ファイバ5の長手方向に屈折率の異なる領域を有し、FBG15は特定の波長の光のみを反射させる性質を有する。
【0030】
図3は、光ファイバ5に設けられたFBG15と光の関係を示す説明図である。
【0031】
図示した光ファイバ5は、光ファイバ長手方向に形成された屈折率が高い部分であるコア33と、光ファイバ長手方向にコア33を取り囲んでいる形成されるコア33よりも屈折率の低い部分であるクラッド34と、コア33にコア33とは屈折率の異なる領域として設けられたFBG15とを備えて構成されている。
【0032】
図示したように矢印35の方向に図2で示した光源3からコヒーレント光が光ファイバ5に供給される。供給されたコヒーレント光は、光ファイバ5のコア33を伝送する。伝送されたコヒーレント光は、コア33に設けられたFBG15を通過しようとする際に、FBG15が特定の屈折率を有する場合にはコヒーレント光はFBG15において反射する。次式に、コヒーレント光の波長とFBG15の屈折率との関係を示す。
【0033】
【数1】λ=2nΛ ・・・・・(1)
λ:コヒーレント光の波長
n:FBG15の屈折率
Λ:屈折率の等しいFBG15の間隔
伝送されたコヒーレント光の波長がλの時に、FBG15の屈折率nの周期構造間隔がΛで、これらの関係が式(1)を満たすときに波長λのコヒーレント光は、FBG15において反射し、図示した矢印36の方向に伝送される。
【0034】
図2において光ファイバ5に伸縮力が加わった場合には、力が加わった領域の長さが変化するため、領域の長さの変化に応じて反射波長λが変化することになる。FBG15の伸び率と反射波長の変化率は、比例関係にあることが知られている。
【0035】
図4に弾性体6に密着して固定し取り付けられたFBG15が弾性体6と共に折り曲げられた場合の状態を示す。弾性体6に取り付けられたFBG15が弾性体6と共に曲げ角度θだけ折り曲げられることで、光ファイバ5及びFBG15が伸張される。
【0036】
図5(a)は、FBG15が伸張する前後の反射波長λと反射強度の特性を示す。FBG15伸張前の反射波長λ=λ0に対して、FBG15を伸張させることで反射波長λ=λ1に変化する。
【0037】
図5(b)は、図4に示した折り曲げが生じたFBG15に於ける反射波長λと曲げ角度θとの関係を示す。波長λと曲げ角度θが比例関係にあることがグラフより分かる。従ってあらかじめ、この波長反射λの変化量と曲げ角度θの対応を求めておくことにより、反射波長λの変化量から弾性体6及びFBG15の曲げ角度θを求めることができる。
【0038】
図1の変形例を図6に示す。角度センサ2、2’は、図1に示した板状の弾性体6を2つ用いて、図6に示すように直交する弾性体6−1、6−2を構成する。これら弾性体6−1、6−2にそれぞれFBG15−1,15−2を設けた光ファイバ5が密着して固定し取り付けられる。弾性体6−1は、上下方向に折り曲げ易い。弾性体6−2は光ファイバ5の長手方向に対して左右方向に折り曲げ易い。この折り曲げに従い弾性体6−1に密着して固定しているFBG15−1は上下方向に曲がり易く、上下方向の曲げ角度を検出する。弾性体6−2に密着し固定されているFBG15−2は光ファイバ5の長手方向に対して左右方向に曲がり易く、左右方向の曲げ角度を検出する。各々のFBG15−1、15−2における反射波長λを波長計測装置(図示せず)で計測することにより、FBG15−1の上下方向の曲げ角度及びFBG15−2の左右方向の角度を同時に測定することができる。
【0039】
このように角度センサ2は、FBG15を設けた光ファイバ5及び弾性体6で構成され、装置構成が簡易であることから、角度センサ2として小型化でき、小口径管路であっても管路の計測が可能となる。
【0040】
また、光の反射波長λを計測することで目的である管路の曲げ角度θの計測が可能となる。その結果、管路近傍に鉄骨等の磁性体が在る場合にも周囲の電磁干渉の影響を受けないため、精度の高い角度計測が可能となる。
【0041】
図7は、FBG15を設けた角度センサ2を用いた角度センサ部16のより具体的な実施形態を示す。
【0042】
角度センサ部16は、FBG(図示せず)を設けた光ファイバ5を密着して固定し取り付けた弾性体(図示せず)と、光ファイバ5及び弾性体を収納した筐体22と、筐体22を管路10の中心に管路10と平行に保持して管路10内を長手方向に移動する移動装置12a、12bとを備えて構成される。
【0043】
移動装置12a、12bは、それぞれロッド63の周りにガイドリング64a、64bを設けてなる。ガイドリング64a、64bによって常にロッド63は管路10のほぼ中心に保持される。ガイドリング64a、64bは、角度センサ部16が管路10内を円滑に移動するために設けられている。移動装置12aと移動装置12bとの間には筐体22がつながれており、よって筐体22も管路10の中心に保持される。
【0044】
移動装置12a、12bは、角度センサ部16の前部、後部で異なる方向に向けることができる構成となっており、角度センサ部16が管路10内を移動した場合、各々管路10に沿って移動する。
【0045】
具体的には、移動装置12aを牽引索19で牽引すると筐体22、移動装置12bは牽引索19の牽引に応じて移動装置12aと共に移動する。
【0046】
移動装置12a、筐体22及び移動装置12bが管路10の屈曲部を通過すると、筐体22は管路10の曲げ角度θに応じて折り曲がる。
【0047】
以上の構成により、角度センサ部16は、管路10内を移動装置12にガイドされ、ウインチ(図示せず)に牽引されて移動し、管路10の形状に応じて直進、折り曲げられながら移動する。
【0048】
図8に、ウインチ(図示せず)に牽引されて移動する角度センサ部16が管路10の屈曲部を通過する際の状態を示す。
【0049】
角度センサ部16は、管路10の屈曲部を通過すると移動装置12aと移動装置12bとの間の筐体22の部分で管路10の屈曲部に従い、角度センサ部16の筐体22が同じ角度で折り曲がる。筐体22の折り曲がりにより筐体22内の弾性体及び弾性体に密着して固定したFBG(図示せず)も同様に折り曲がる。この折り曲げは、筐体22の露出した部分で前述の図4の折り曲げの状態と同じである。従って、FBG15が曲げ角度θであるとき、図5(a)、図5(b)に示す反射波長λに変化が生じ、筐体22の屈曲前に反射波長λ=λ0であったものが、折り曲げ後に反射波長λ=λ1になる。
【0050】
なお、図8では管路10の屈曲部を二次元的に示したが、三次元的な屈曲部であってもよい。図6のように直交二軸の折り曲げ角度を計測する角度センサ2、2’を用いれば、直交二軸それぞれの軸の折り曲げ角度を互いに独立して計測することができる。
【0051】
次に、上記角度センサ部16を用いた管路計測装置を説明する。
【0052】
図9の管路計測装置1は、筐体22に収納され計測を行うための角度センサ部16と、角度センサ部16に於ける反射光を伝送する光ファイバ5と、光ファイバ5にコヒーレント光を供給する光源3と、反射光を計測する波長計測装置4と、光源3や波長計測装置4を接続するカプラ9と、角度センサ部16(移動装置12a、12bを含む)の移動距離を計測するための移動量計測器としての機能を有し光ファイバ5の送出量を計測する計尺器8と、波長計測装置4から供給される反射波長のデータ等から演算を行い角度センサ部16の移動軌跡を求めるコンピュータ7と、角度センサ部16を牽引するための牽引索19と、角度センサ部16を牽引するウインチ11とを備えて構成されている。角度センサ部16は、前述図7、図8で示した構造となっている。
【0053】
図示したように、角度センサ部16は測定される埋設管路10内を繋がれた牽引索19を介してウインチ11の牽引により移動し、角度計測を行う。
【0054】
演算を行うコンピュータ7には、角度演算部17と、軌跡演算部27とが内蔵されている。
【0055】
光源3から発光されたコヒーレント光は、カプラ9に供給される。カプラ9に供給されたコヒーレント光(光源光)は、光ファイバ5を介して、角度センサ部16に供給される。
【0056】
光源光の供給される角度センサ部16は、計測される管路10の中を牽引索19に牽引されて管路長手方向に移動する。角度センサ部16の内部には図1或いは図6で説明したFBG15と弾性体6が内蔵されているのはもちろんである。ウインチ11は、角度センサ部16に接続された牽引索19を牽引し、計測される管路10内に置かれた角度センサ部16を管路長手方向に移動させる。角度センサ部16内のFBG15は管路10を移動する際に各々の位置の折り曲げ角度θに応じた波長を反射する。この反射波長が角度センサ部16で検出される各位置の角度データに相当する。
【0057】
光ファイバ5は、管路10内を移動する角度センサ部16における反射光を波長計測装置4に伝送する。波長計測装置4は、光ファイバ5から供給された反射光により反射光の波長を計測する。コンピュータ7の角度演算部17は、波長計測装置4によって計測された反射光の波長データによる演算を行い、角度センサ部16に於ける折り曲げ角度θを算出する。この折り曲げ角度θが、管路10屈曲部の各々の角度データである。
【0058】
計尺器8は、ウインチ11に牽引された牽引索19の牽引量(光ファイバ5の送出量)即ち角度センサ部16、移動装置12a、12bの移動距離を検出し、コンピュータ7の軌跡演算部27に供給する。軌跡演算部27は、角度演算部17で算出された角度データと計尺器8から供給された角度センサ部16の移動距離データとから角度センサ部16の軌跡演算を行うことができる。この計測過程により管路10の管路位置計測ができ、管路10内での移動軌跡が求められる。
【0059】
管路計測装置1による計測過程を以下に説明する。角度センサ部16は光ファイバ5に接続され、移動装置12aが牽引索19を介してウインチ11により牽引されている。牽引された光ファイバ5及び角度センサ部16は、埋設された管路10内を長手方向に移動する。角度センサ部16が移動するのに伴って、管路10の屈曲部を通過すると、角度センサ部16は管路10の曲がり具合(曲げ角度θ)に応じた曲げ歪を受ける。この曲げ歪みに応じて角度センサ部16は光源光を反射し、この反射された光は、光ファイバ5により接続されている波長計測装置4に供給される。波長計測装置4で反射波長が計測され、計測された反射波長のデータは、角度演算部17に供給される。供給された反射波長のデータは演算され、その演算結果により、角度センサ部16の通った管路10の屈曲部の曲げ角度データが得られる。
【0060】
なお、図9に示す管路10は二次元的に示してあるが、一般的には三次元的な屈曲部を有する管路10である。図6のように直交二軸の折り曲げ角度を計測可能な角度センサ2、2’を用いた角度センサ部16を管路計測装置1の構成にすることで、直交二軸それぞれの軸の折り曲げ角度を互いに独立して計測することができる。
【0061】
牽引索19を介して牽引することで光ファイバ5及び角度センサ部16は、管路10内を移動し、計尺器8により光ファイバ5の送出量を計尺することで、牽引索19の牽引量即ち角度センサ部16の移動距離が検出される。計尺器8によって検出された角度センサ部16(移動装置12a、12bを含む)の移動距離データは、コンピュータ7の軌跡演算部27に供給される。
【0062】
角度演算部17で算出された角度データと、計尺器8から供給された移動距離データとは、コンピュータ7の軌跡演算部27で演算される。軌跡演算部27での演算結果は、角度センサに管路10内の移動軌跡に対応し、これにより管路10の管路位置計測ができ、管路10の埋設位置が得ることができる。
【0063】
以上、記したように、本実施の形態により従来に比べ小形の角度センサを実現でき、該角度センサを用いた管路計測装置により、小口径の埋設管路の位置を正確に計測することが可能となると共に、管路近傍に鉄骨等の磁性体が在る場合にも周囲の電磁干渉の影響を受けないため、精度の高い角度計測が可能となる。
【0064】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば精度の良い管路計測装置が得られるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の角度センサの実施形態を示す斜視図である。
【図2】本発明の角度センサの実施形態を示す構成図である。
【図3】光ファイバに設けられたFBGと反射波長の関係を示す説明図である。
【図4】本発明の角度センサの動作を示す側面図である。
【図5】図5(a)は、本発明の角度センサの特性を示す特性図である。図5(b)は、本発明の角度センサの特性を示す特性図である。
【図6】図1の変形例を示す説明図である。
【図7】本発明の管路計測装置の一実施形態を示す側面図である。
【図8】本発明の管路計測装置の一実施形態を示す側面図である。
【図9】本発明の管路計測装置の一実施形態を示す構成図である。
【図10】従来の管路計測装置を示す構成図である。
【符号の説明】
2 角度センサ
3 光源
4 波長計測装置
5 光ファイバ
6 弾性体
8 移動量計測器(計尺器)
9 カプラ
12a、12b 移動装置
15 光ファイバブラッググレーティング(FBG)
17 角度演算部
27 軌跡演算部
Claims (2)
- 弾性体と、該弾性体の折り曲げに応じて伸縮するように該弾性体に取り付けられ、伸縮に応じて反射波長が変化する光ファイバブラッググレーティング(FBG)とを備えたことを特徴とする角度センサ。
- 角度センサを管路内で移動させ該管路を計測する管路位置計測において、弾性体にFBGを取り付けられた角度センサと、該角度センサを保持して管路の長手方向に沿って移動させる移動装置と、前記移動装置の移動量を計測する移動量計測器と、前記FBGの反射波長から弾性体の曲げ角度を演算する角度演算部と、前記移動装置の移動量と弾性体の曲げ角度とから角度センサの移動軌跡を計算する軌跡演算部とを備えたことを特徴とする管路計測装置。
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