JP4521533B2 - 応力−ひずみ検出システム - Google Patents

Description

本発明は、構造物に加わった応力−ひずみを検出する応力−ひずみ検出システム及びその構造物の応力異常・劣化を診断する安全管理用システムに関する。
特に、大型構造物に応力発光材料を適用した応力−ひずみ検出システム及びその構造物の応力異常・劣化を診断する安全管理用システムに関する。

従来からビル建物、高架橋、橋梁、道路、パイプライン及びトンネル等の大型構造物における応力−ひずみを検出するための検出装置が開発されている。
例えば、応力−ひずみ検出システムとして、大型構造物の表面にひずみゲージを貼り付けたものが広く知られている。
このひずみゲージによりひずみ量を直接的に検出することができるが、応力−ひずみ線図から対応する応力を求めることができる。
このようにして応力やひずみを算出することにより、構造物の力学的な構造解析ができ崩壊等の災害を未然に防止することが可能である。

また従来から、応力−ひずみ検出システムとして、ひずみゲージの他に圧電素子を用いたものが広く知られている（例えば、特許文献１参照）。
圧電素子に圧力が加わり圧電体の分極が変化すると、電圧が発生するため、この性質を利用して構造物の発生応力変化を算出することができる。

特開２００４−６９５４８号公報 特開２００１−２１５１５７号公報 特開２００４−８５４８３号公報

しかしながら、上述したようなひずみゲージを用いた応力−ひずみ検出システムでは、橋梁等の貼付け面に密着するようにしてひずみゲージを貼り付けなければならなかったので、貼付け作業に手間がかかっていた。
また、長期に渡りひずみゲージを用いた測定を行う間にひずみゲージが貼付け面から剥がれてしまうことがあり、この場合、応力−ひずみ検出システムの信頼性がなくなる。

更に、ひずみゲージ自体を常時通電による計測状態にしておかなければならず、消費電力の点で効率が悪く、大型構造物の常時モニタリングに実用することは困難である。

一方、圧電素子を用いた応力−ひずみ検出システムでは、圧電体層のインピーダンスが高いため、ノイズが発生し易い傾向がある。
また、構造物と圧電素子とが一体的になってひずむ必要があるため、圧電素子を組み込んだ荷重測定装置を構造物にアンカーを用いて確実に固定する必要があった。
このようなことから、圧電素子を使ったものもシステムの信頼性の観点から見て問題があった。
一方、本発明者らは今までに応力発光材料を利用した応力分布の計測システムを開発しているが（例えば、特許文献２参照）、これは応力発光材料から放出された光をカメラで計測するシステムであるために、カメラで取れる視野が制限されている点や、周囲の光からの干渉のために、明るい環境では利用できない制限、さらに表面の光しか計測できないなどの点で利用限定されている。
また、発明者らは応力発光材料を用いた光ファイバセンサを開発されているが（例えば、特許文献３参照）、光ファイバーの伝播損失（透明性の制限）のために、応力発光信号の伝播距離は制限されている点や、ファイバセンサは局部しか測定できないために、計測できるエリアの点で利用制限されている。

本発明は、上述した課題を解決するものである。
すなわち、本発明は、システム構築を容易に行うことができ、信頼性が高く、消費電力が小さく、且つノイズの発生等の影響を受けにくい、広範囲・広域に計測できる応力−ひずみ検出システムを提供することを目的とする。

かくして、本発明者は、このような課題背景に対して鋭意研究を重ねた結果、構造物上に設けられた応力発光材料からの放射光を測光して構造物のひずみ量を算出するとともに、受光・信号処理して無線で送信することにより、上記の問題点を解決することができることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明は、（１）、構造物に発生した応力−ひずみを検出する応力−ひずみ検出システムであって、前記構造物に層状に形設された応力発光材料が適用され、前記応力発光材料の上下面には反射層が形設され、前記構造物上又は前記構造物の近傍に、前記構造物に応力−ひずみが発生した時に前記応力発光材料から放射された放射光を受光し光電変換する受光手段と、該受光手段からの電気信号を処理する信号処理手段と、前記電気信号を電波に変換して発信する送信手段と、を有するノードが設けられ、前記応力発光材料から放射された放射光を前記反射層で反射させながら前記受光手段に導くことを特徴とする応力−ひずみ検出システムに存する。
また、本発明は、（２）、構造物に発生した応力−ひずみを検出する応力−ひずみ検出システムであって、前記構造物に層状に形設された応力発光材料が適用され、前記応力発光材料の上下面には、前記応力発光材料より屈折率の低い材料からなる低屈折率層が形設され、前記構造物上又は前記構造物の近傍に、前記構造物に応力−ひずみが発生した時に前記応力発光材料から放射された放射光を受光し光電変換する受光手段と、該受光手段からの電気信号を処理する信号処理手段と、前記電気信号を電波に変換して発信する送信手段と、を有するノードが設けられ、前記応力発光材料中で放射された放射光を前記受光手段に導くことを特徴とする応力−ひずみ検出システムに存する。

また、本発明は、（３）、前記送信手段から発信された電波を受信する受信手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の応力−ひずみ検出システムに存する。

また、本発明は、（４）、前記応力発光材料の上面に形設された前記反射層より上層に保護層が形設されたことを特徴とする請求項１記載の応力−ひずみ検出システムに存する。

また、本発明は、（５）、前記応力発光材料の上面に形設された前記低屈折率層より上層に保護層が形設されたことを特徴とする請求項２記載の応力−ひずみ検出システムに存する。

また、本発明は、（６）、前記ノードが複数箇所に設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の応力−ひずみ検出システムに存する。

また、本発明は、（７）、前記ノードに記憶手段が設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の応力−ひずみ検出システムに存する。

また、本発明は、（８）、前記ノードを外部からの電波により駆動状態と非駆動状態とに切り換えるためのＯＮ／ＯＦＦ手段が、前記ノードに設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の応力−ひずみ検出システムに存する。
また、本発明は、（９）、前記ノードは複数箇所に設けられ、該複数箇所に設けられたノードには識別コードが付与され、外部からの制御信号を前記識別コードにより取捨選択して前記ＯＮ／ＯＦＦ手段を駆動状態と非駆動状態とに切り換えることを特徴とする請求項８記載の応力−ひずみ検出システムに存する。

また、本発明は、（１０）、前記ノードが前記構造物の複数箇所に分散的に設けられ、前記ノードによって検出された前記構造物に発生した応力−ひずみをデータ解析センターへ伝達し、前記構造物の複数箇所の応力−ひずみ情報から前記構造物の疲労及び損傷の状態を全般的に診断することを特徴とする請求項１又は２に記載の応力−ひずみ検出システムを使った構造物の応力異常・劣化を診断する安全管理用システムに存する。

なお、本発明の目的に添ったものであれば、上記発明を適宜組み合わせた構成も採用可能である。

本発明によれば、構造物には応力発光材料が適用され、構造物の表面に接着又は構造物の内部に埋め込み、構造物に応力−ひずみが発生した時に応力発光材料から放射された放射光を受光する手段へ伝達する、応力発光材料と一体的に構成された光導波路（例えば、光ファイバー）と、受光し光電変換する受光手段と、該受光手段からの電気信号を処理する信号処理手段と、電気信号を電波に変換して発信する送信手段と、を有するノードが設けられた。
このノードは、単に応力発光材料層上に設けるだけで良いので、取付け信頼性の観点から有利である。

また、システム構築に関しては、橋梁やトンネル等の施工時に同時に応力発光材料層を形成することができ、施工作業が容易である。
また、ひずみゲージを用いる場合は常時通電による計測状態にしておかなければならないが、応力発光材料を用いる場合は応力発光材料自体を電気回路に組み込む必要が全くない。
そのため、低消費電力化及び低ノイズ化が図られる利点がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いて説明する。
本実施形態の応力−ひずみ検出システムは、構造物に発生した応力−ひずみを検出する応力−ひずみ検出システムであり、特に、システムの施工性の観点から大型構造物に好適に用いることができる。
構造物としては、例えば、建物、高架橋、橋梁、道路、トンネル、線路、ダム、風力発電装置、ガス、石油等の貯蔵タンク、油田や原子力発電所等でのパイプライン、船舶、航空機及び車両等の種々のものが挙げられる。

これら構造物に応力やひずみが発生した場合には、図１に示すように、橋梁やトンネル等から適時の情報が送信され、例えば管理センター等にある受信機等の受信手段１に受信され、ノート型パーソナルコンピュータ等の演算表示手段２を用いてデータの解析が行われる。
遠隔地にある受信機に情報を送信する場合は、携帯電話と同様に移動体通信交信機或いは複数の中継基地局を用いると良い。

演算表示手段２で解析されたデータ又は解析される前の受信データは、例えば、図２に示すように、広くインターネットを介して他の管理者の演算表示手段２Ａに送信することができ、管理センター以外の人による管理も可能である。

本発明の特徴は、構造物に応力発光材料が適用され、構造物上又は構造物の近傍に、構造物に応力−ひずみが発生した時に応力発光材料から放射された放射光を受光する受光手段が設けられた点にある。
ここで、応力発光材料について簡単に述べる。

応力発光材料とは、母体材料と発光中心元素とからなる物質が添加された固体材料のことをいう。
そして応力発光は、次のようにして行われる。
すなわち、応力、衝撃力及び振動等の機械的なエネルギーによって応力発光材料を変形させると発光中心元素の周囲に電界が発生し、発光中心元素中にある電子が励起されるが、励起された電子は瞬時に基底状態に戻り、その位置エネルギーの差分に相当する光エネルギーが放出される。

ここで母体材料としては、例えば、アルカリ土類アルミン酸塩を用いることができ、また発光中心元素としては、希土類元素又は遷移元素を用いることができる。
なお希土類元素としては、例えば、Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕを用いることができ、遷移元素としては、例えば、Ｖ，Ｍｎ，Ｃｒを用いることができる。

〔第一実施形態〕
図３は、本発明の応力−ひずみ検出システムの第一実施形態に係る応力発光材料の適用例を示している。
応力発光材料の適用例としては、例えば図３に示すように、小プレート状の応力発光材料４を構造物３の上に取り付けたものが挙げられ（この場合、取付方法としては、接着剤を用いて固定する方法や内部に埋め込み等を用いて固定する方法が挙げられる）。

その他の適用例としては、自然硬化型又は熱硬化型の透明樹脂性の応力発光材料４を構造物３の上に塗布して硬化させるものが挙げられる。
すなわち、応力発光材料の適用とは、取付け方法は限定されず、また、広域連続に渡る層であると、ブロック状の部分的な層であるとを問わず、いわゆる広く応力発光材料の層を形成することをいう。

応力発光材料４の層の上には、構造物３に応力−ひずみが発生した時に応力発光材料４から放射された放射光を受光し光電変換する受光手段と、該受光手段からの電気信号を処理する信号処理手段と、前記電気信号を電波に変換して発信する送信手段と、を有するノード５が設けられている。

このノード５は、種々のものがあるが、例えば内部の電気回路等を保護するためにボックス状の筐体７（図４参照）を備えている。
そして、このノード５を埋設するように、保護層６が形成されており、この保護層６は、ノード５を外部からの衝撃から保護できるものが好ましい。

次に、ノード５の機械的構造の一例を示す。
図４に示すように、ノード５の容器状の筐体７には、受光手段８である受光素子が実装された電気回路基板９が取り付けられている。
この電気回路基板９には、信号処理手段や送信手段となる電気回路が備わっており、必要によっては記憶手段１０が実装されている。
なお、応力発光材料中で放射された放射光を効率良く受光手段８で受光するために、受光手段８と応力発光材料４との間に集光手段を配設しても良い。

図５は、本実施形態に係る応力−ひずみ検出システムのブロック図である。
先ず、応力発光材料中で放射された放射光は受光手段８である受光素子で受光され光電変換される。
次いで、受光手段８から信号処理手段１１に電気信号が送られ、デジタル信号に変換され、このデジタル信号の情報は記憶手段１０に一時的又は長期的に記録される。

このデジタル信号は送信手段１２により電波に変換され、受信手段１に向けて送信される。
この電波の強さによって受信手段１の位置とノード５の位置との距離が異なるものとなる。
電波の強さを大きくすることで、受光データを遠隔地に送信し遠隔地で受信することができる。
そして、受信手段１で受信された電気信号（応力―ひずみ）データを用いて演算表示手段２でひずみ量が算出され、表示部に表示される。

図６は、ノード５内に設けられた電気回路の信号処理の流れを説明するためのブロック図である。
先ず、信号処理手段１１からの操作により受光手段８からアナログの電気信号が出力され、アンプ１３で信号の増幅が行われる。
次いで、この増幅信号はＡ／Ｄ変換器１４によりデジタル信号に変換される。
このデジタル信号は信号処理回路１５を経て記憶手段１０に記録される。
記憶手段１０を設けると、リアルタイムな受光データを保存することができ、後日、構造物３の応力−ひずみ状態を確認することができる。

なお、記憶手段１０に受光データを記録するにあたりＡ／Ｄ変換器１４でデジタル信号に変換されるが、デジタル信号はアナログ信号に比べてデータサイズが小さいので、記憶手段１０を小型化できる。
また、デジタル信号を保存する場合は、アナログ信号を保存する場合のような保存データの劣化が生じない。

また、デジタル信号処理ではプログラムによって処理を記述するため、アナログ信号処理に比べて電気回路の面積が小さくて済む上、処理方法の変更が容易である。
また、デジタル信号を用いる場合は、アナログ信号を用いる場合に比べてデータ送信時にノイズが乗り難い。

デジタル信号を記録する際、受光手段８がＣＣＤ等の多数の画素からなるものであれば、記憶手段１０へのデジタル信号の入出力の際、圧縮／伸長回路１６でデータの圧縮を行うと良い。
信号処理回路１５は、タイミングジェネレータ１７を制御し受光素子からデータを取り出すタイミングを一定時間間隔にする。

信号処理手段１１には、ノード５を駆動するプログラムが記録されたＲＯＭ―RAM１８が設けられている。
このＲＯＭ１８に記録されたプログラムは、外部からの電波を送信手段１２が受け、ノード５を駆動するためのＯＮデータ信号が検出手段制御部１９に入力することにより、起動する。
なお、便宜上、送信手段１２と記載しているが、送信手段１２は本実施形態では送受信機能を有する。

信号処理手段１１で得られたデジタル信号は、送信手段１２に入力される。
この送信手段１２に入力したデジタル信号は、送信手段制御部２０を介して変調部２１に入力する。
この変調部２１は、送信部２２及びアンテナ２３を用いて放出される電波である搬送波をデジタル変調する機能を有する。

一方、復調部２４は、アンテナ２３及び受信部２５を用いて受信した電波を周波数分解し、搬送波と受光データ波とに分け、デジタルの受光データが得られる。
復調部２４で得られたデジタル信号は送信手段制御部２０を介して信号処理手段１１に入力される。
この入力信号は、具体的には検出手段制御部１９に設けられたＯＮ／ＯＦＦ手段を切り換えるための信号である。

ＯＮ／ＯＦＦ手段は、受光手段８と送信手段１２とを備えるノード５を外部からの電波により駆動状態と非駆動状態とに切り換えるためのものであり、具体的には、電気回路基板９に形成されたトランジスタスイッチング回路である。
スイッチング回路を設けておけば、非測定時の電力の消費を抑止することができる。

外部からの電波により駆動させたいノード５のみを任意に選択して駆動させることができ、また、選択するノード５の変更もプログラムを作成しておけば自動的に行うことができ便宜である。

なお、信号処理手段１１及び送信手段１２を駆動させるための電源には、例えば、蓄電池（ボタン電池等）や太陽電池を好適に用いることができる。

また、アンテナ２３から電波を受信して電力の蓄積を行うことができる充電池を用いることができる。

図７は、受信手段１における信号の処理の流れを説明するためのブロック図である。
先ず、送信手段１２（図６記載）から発信された電波は、中継通信機器を介して又は直接的に受信手段１で受信される。
この受信手段１では、アンテナ２６及び受信部２７により受信した電波が電気信号に変換され、次いで復調部２８において、変調した搬送波に含まれた受光データが取り出される。
この受光データは受信手段制御部２９に送られ、Ｉ／Ｆコネクタ３０を介して演算表示手段２に向けて出力される。

受信手段１のＩ／Ｆコネクタ３０から出力された電気信号は、Ｉ／Ｆコネクタ３１を介して演算表示手段２に入力される。
そして、コンピュータ３３により、構造物に加わった応力−ひずみの大きさが算出され、表示部３４に表示される。
そして、応力−ひずみ分布データはハードディスクやフレキシブルディスク等の記録媒体３２に記録される。

ノード５を駆動状態にしたり非駆動状態にしたりする信号、すなわちＯＮ／ＯＦＦデータ信号は、コンピュータ３３に接続された入力手段３５から入力され、コンピュータ３３、Ｉ／Ｆコネクタ３１，３０を介して受信手段制御部２９に入力される。
受信手段制御部２９に入力されたＯＮ／ＯＦＦデータ信号は、変調部３６を介して、送信部３７及びアンテナ２６を用いて電気信号から電波に変換され、変調された電波が放出される。
なお、便宜上、受信手段１と記載しているが、受信手段１は本実施形態では送受信機能を有する。

図８は、本実施形態の応力−ひずみ検出システムの処理の流れを示している。
先ず、ステップＳ１において、構造物に設置された複数のノード５のノード駆動／非駆動データを作成する。
ノード駆動／非駆動データは、ノード毎に割り当てられた識別コードと、ＯＮ／ＯＦＦデータとからなる。
識別コードは、例えば図９に示すように、十六進数で決定される。
識別コードがＡ１の場合、二進数にすると、「１００１０００１」である。
また、駆動データは「１」、非駆動データは「０」とされる。

そのため、識別コードＡ１のノードを駆動する場合、例えば「１ １００１０００１」というテキストデータを作成する。
そして、このようなテキストデータをノードの数と同数、行を変えながら作成する。
このデータの作成作業は、ハードウェア的には、入力手段３５、表示部３４及びコンピュータ３３を用いて行う。

次いで、ステップＳ２において、ノード駆動／非駆動データが乗せられた搬送波を受信手段１から発信する。
ステップＳ３では、ノード駆動／非駆動データが乗せられた搬送波を送信手段１２で受信する。
各ノード５は、受信した電波からノード駆動／非駆動データを取り出し、自己に割り当てられた識別コードに応じた駆動指令又は非駆動指令を受ける。

この指令に応じて、ステップＳ４において、検出手段制御部１９内のＯＮ／ＯＦＦ手段が作動し、ノード５を駆動状態にするか又はノード５の非駆動状態を維持する。
勿論、駆動状態の時に非駆動状態の信号を受信したら、駆動状態から非駆動状態に切り換わる。

ノード５が駆動状態にされた場合は、ステップＳ５において、受光手段８により所定のタイミングで測光が行われる。
この測光による受光データは、ステップＳ６において記憶手段１０に記録され処理した後、決まった時間に、ステップＳ７において送信手段１２から受信手段１に向けて送信されるか、又はステップＳ６を経ずに、すなわち記憶手段１０に記録されずに直接的に送信手段１２から受信手段１に向けて送信される。

次いで、ステップＳ８において、測光を継続するか否かの判断がなされる。
この判断の基準は、予めＲＯＭ―RAM１８に記録されたプログラムに則って行うことができる。
測光を継続する場合は、ステップＳ５に戻り、継続しない場合は終了する。

一方、送信手段１２から発信された受光データは、ステップＳ９において受信手段１により受信される。
この受光データは、複数のノード５から同時に又はほぼ同時に、また各ノード５から所定時間間隔で送信されてくるので、ステップＳ１０において記録媒体３２に逐次受信データが記録される。

また、各々個々のノード５の識別は、例えば、送信信号に識別機能（例えば識別コード）を持たせたりすることで可能であり、その手段は問わない。
全部のノードを機能させマルチ送信をすれば、リアルタイムに広い範囲に渡る領域の受光データを受信することが可能である。

そして、ステップＳ１１において、ハードディスク等の記録媒体３２に記録されたデータを用いて構造物の応力−ひずみ分布を算出する数値解析が行われる。
この数値解析は、予め、作成しておいた専用のソフトウェアを用いて行う。
勿論、受信データを記録媒体３２に記録せずに、逐次受信データを用いて数値解析を行っても良い。
なお、この場合でも、バッファーメモリにデータを一時的に保管する必要がある。

ステップＳ１２では、表示部３４に数値解析結果が表示される。
この数値解析結果を保存したい場合には、ステップＳ１３において記録媒体３２に保存する。
そして、一連の処理が終了する。

図９は、所定間隔を置いて整列配置された複数のノードの駆動状態を示している。
図に示すように、各ノードには識別機能のための識別コードＡ１〜ＡＧが付与されている。
この記号は、十六進数で各ノード毎に識別コードを割振りしたものである。
図では、例えば、識別コードがＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ５，Ａ６，Ａ７，Ａ９，ＡＡ，ＡＢのノードが駆動状態にあり、識別コードがＡ４，Ａ８，ＡＣ，ＡＤ，ＡＥ，ＡＦ，ＡＧのノードが非駆動状態にある。

このようなノードの駆動状態と非駆動状態との選択は、外部からの制御信号を識別コードにより取捨選択してＯＮ／ＯＦＦ手段を駆動状態と非駆動状態とに切り換えることにより行う。
そのため、一度に多数のノードにＯＮ／ＯＦＦデータを送信することができ、効率的である。

図１０に示すように、識別コードがＡ６，Ａ７，ＡＡ，ＡＢであるノードで囲われる正方形領域のある地点（図中、Ｘ印）で応力発光が発生したとすると、周囲のノードはこの光を受光する。
そのため、例えば、識別コードがＡ６，Ａ７，ＡＡ，ＡＢのノードで受光して得られた受光データを線形補間することにより、地点Ｘの受光量を算出することができる。
また、応力発光した領域が点でなく、複数箇所のノードを含むような広い領域であったとしても、各ノードをグリッドとして、面的な応力−ひずみ分布を得ることができる。

上述した第一実施形態によれば、構造物３に応力発光材料４が適用され、構造物３に、構造物３に応力−ひずみが発生した時に応力発光材料４から放射された放射光を受光し光電変換する受光手段８と、該受光手段８からの電気信号を処理する信号処理手段１１と、前記電気信号を電波に変換して発信する送信手段１２と、を有するノード５が設けられた。
このノード５は、単に応力発光材料層上に載置するだけで良いので、取付け信頼性の観点から有利である。

また、システム構築に関しては、橋梁やトンネル等の施工時に応力発光材料層を形設したり、応力発光材料ブロックを埋設したりするだけで良く、システム構築作業が容易である。
また、ひずみゲージを用いる場合は常時通電による計測状態にしておかなければならないが、応力発光材料４を用いる場合は応力発光材料自体を電気回路に組み込む必要がなく通電を行う必要がないので、低消費電力化及び低ノイズ化が図られたシステムを構築することができる。

〔第二実施形態〕
図１１は、本発明の応力−ひずみ検出システムの第二実施形態に係る応力発光材料の適用例を示している。
この第二実施形態は、第一実施形態と比べて応力発光材料の適用例のみ異なるため、その他のシステムの構成についての説明は省略する。

図に示すように、構造物３の上には応力発光材料４が、連続的に層状に形成されている。
この応力発光材料層の上下面には反射層４Ａ，４Ｂが形設されている。
反射層４Ａ，４Ｂの材質には金属を用いることができるが、応力発光材料４から放射された光を反射層４Ａ，４Ｂで反射させながらノード５内の受光手段８に導くために、反射層４Ａ，４Ｂの応力発光材料側の面は、例えば鏡面仕上げをする必要がある。
応力発光材料４の上面側に形設された反射層４Ａの上には透明樹脂製の保護層６が形設されている。

図１２は、応力発光材料中に、局所的に応力発光が生じた場合の光の伝送状態を示している。
図に示すように、応力発光材料中で放射された光は、反射層４Ａ，４Ｂで反射されながら近隣のノード５に導かれる。
ノード５内の受光手段で受光された後の受光データの処理は第一実施形態と同様に行われる。

この第二実施形態によれば、反射層４Ａ，４Ｂで反射させながら放射光をノード５に導くので、広域に渡り形成された応力発光材料層の全面が、受光データ算出の対象となる。

〔第三実施形態〕
図１３は、本発明の応力−ひずみ検出システムの第三実施形態に係る応力発光材料の適用例を示している。
この第三実施形態は、第二実施形態と比べて応力発光材料４の上下面上の層のみ異なるため、その他の構成についての説明は省略する。

図に示すように、構造物３の上には応力発光材料４が層状に形設されている。
この応力発光材料層の上下面には応力発光材料４より屈折率の低い材料からなる低屈折率層４Ｃ，４Ｄが形設されている。
応力発光材料層の上面側の低屈折率層４Ｃと下面側の低屈折率層４Ｄとは、同一材料を用いても良いし、異種材料を用いても良い。
応力発光材料４及び低屈折率層４Ｃ，４Ｄには、光ファイバーと同様の材質を適用することができ、例えば、応力発光材料４の層にアクリル樹脂を、低屈折率層４Ｃ，４Ｄにフッソ系樹脂を適用することができる。

応力発光材料４が低屈折率層４Ｃ，４Ｄより屈折率が高いため、光ファイバーでいう応力発光材料４の層がコア層となり、低屈折率層４Ｃ，４Ｄがクラッド層となる。
そして、応力発光材料中で放射された光は、低屈折率層４Ｃ，４Ｄで反射させられながらノード５に導かれる。

応力発光材料４の層に外部から光が侵入しないように、保護層６には透明でない材料を適用するのが好ましい。
勿論、低屈折率層４Ｃと保護層６との間に、不透明な層を形成すれば問題はない。

この第三実施形態では、第二実施形態と同様の効果を奏する。
例えば、低屈折率層４Ｃ，４Ｄで反射させながら放射光をノード５に導くので、全反射角以上の角度で低屈折率層４Ｃ，４Ｄに入射する光は確実にノード５に導かれ、第二実施形態と同様に、広域に渡り形設された応力発光材料層の全面が、受光データ算出の対象となる。
そして、この第三実施形態では、透明樹脂等の低屈折率層４Ｃ，４Ｄを用いるので、第二実施形態のように金属製の反射層４Ａ，４Ｂを形設しなくて良く、システム構築作業が容易になる上、構造物３の変形に対しても追随し易い。

以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能であることはいうまでもない。
例えば、上述した実施形態では、ノード５から受信手段１に直接的に受光データを送信した例について説明したが、ノード５に送受信機能を備えることにより、ノード５間を連携して受光データを所定のノードまで転送し、そこから受信手段１に向けて受光データを送信するようにしても良い。

具体的には、図１４に示すように、行列状に整列配置されたノード５を列方向に郡分けし、構造物３から離隔した場所にある受信手段１に受光データを送信する第一ノード郡Ｎ１と、該第一ノード郡Ｎ１に受光データを転送する第二ノード郡Ｎ２と、第（Ｋ−１）ノード郡Ｎ（Ｋ−１）（Ｋ＝３，４，・・・，ｎ−１，ｎ；ｎは自然数）に受光データを転送する第Ｋノード郡ＮＫを形成する。
そして、隣接するノード郡に受光データを一斉に転送すると、各ノード間に送受信されていき、最も右側の列の受光データは、受信手段１に向けて送信される。

この転送作業を順次繰り返すと、全てのノード５の受光データが受信手段１に向けて送信される。
このような構成にすれば、ノード５の発信電波強度が不十分でも、確実に遠方に受光データを送信することが可能である。
また、第一ノード郡Ｎ１から受信装置までの距離が長ければ、第一ノード郡Ｎ１のノード５のみ発信する電波強度を大きくすると良い。

また、上述した実施形態では、構造物３の上にノード５を設けた例について説明したが、応力発光した光を受光できるなら構造物３の近傍に設けても良い。
構造物内部に挿入しても良い。

また、上述した実施形態とは異なり、例えば、応力発光材料からの光を伝達する構造として、応力発光材料から放射された放射光を受光手段へ伝達する光導波路である光ファイバーの先端に一体的に形成された応力発光材料（球状、直方体状、円柱状又は円錐状の立体形状をしている）とする構造を採用しても良い。

また、応力−ひずみ検出システムとして、異常・劣化安全管理のために利用するシステム、例えば、構造物の複数箇所にノードを分散的に設け、ノードによって検出された構造物に発生した応力−ひずみをデータ解析センターへ伝達し、構造物の複数箇所の応力−ひずみ情報から構造物の疲労及び損傷の状態を全般的に診断するシステムを採用しても良い。

図１は、本発明の応力−ひずみ検出システムの適用例を示す説明図である。 図２は、検出された応力−ひずみデータの共有システムの一例を示す説明図である。 図３は、本発明の応力−ひずみ検出システムの第一実施形態に係る応力発光材料の適用例を示す説明図である。 図４は、ノードの機械的構造の一例を示す説明図である。 図５は、本発明の応力−ひずみ検出システムの第一実施形態に係るブロック図である。 図６は、ノード内に設けられた電気回路の信号の処理の流れを説明するためのブロック図である。 図７は、受信手段における信号の処理の流れを説明するためのブロック図である。 図８は、本発明の応力−ひずみ検出システムの第一実施形態に係る処理の流れを示す説明図である。 図９は、所定間隔を置いて整列配置された複数のノードの駆動状態を示す説明図である。 図１０は、応力発光材料中に局所的に応力発光が起こった時の応力発光による光を周囲のノードで受光している状態を模式的に示す説明図である。 図１１は、本発明の応力−ひずみ検出システムの第二実施形態に係る応力発光材料の適用例を示す説明図である。 図１２は、応力発光材料中に局所的に応力発光が起こった時の光の伝送状態を示す説明図である。 図１３は、本発明の応力−ひずみ検出システムの第三実施形態に係る応力発光材料の適用例を示す説明図である。 図１４は、ノード間を連携して受光データを所定のノードまで転送する例を示す説明図である。

符号の説明

１ 受信手段
２，２Ａ 演算表示手段
３ 構造物
４ 応力発光材料
４Ａ，４Ｂ 反射層
４Ｃ，４Ｄ 低屈折率層
５ ノード
６ 保護層
７ 筐体
８ 受光手段
９ 電気回路基板
１０ 記憶手段
１１ 信号処理手段
１２ 送信手段
１３ アンプ
１４ Ａ／Ｄ変換器
１５ 信号処理回路
１６ 圧縮／伸長回路
１７ タイミングジェネレータ
１８ ＲＯＭ、ＲＡＭ
１９ 検出手段制御部
２０ 送信手段制御部
２１ 変調部
２２ 送信部
２３ アンテナ
２４ 復調部
２５ 受信部
２６ アンテナ
２７ 受信部
２８ 復調部
２９ 受信手段制御部
３０，３１ Ｉ／Ｆコネクタ
３２ 記録媒体
３３ コンピュータ
３４ 表示部
３５ 入力手段
３６ 変調部
３７ 送信部
３８ 受光素子

Claims (10)

1. 構造物に発生した応力−ひずみを検出する応力−ひずみ検出システムであって、
   前記構造物に層状に形設された応力発光材料が適用され、
   前記応力発光材料の上下面には反射層が形設され、
   前記構造物上又は前記構造物の近傍に、前記構造物に応力−ひずみが発生した時に前記応力発光材料から放射された放射光を受光し光電変換する受光手段と、該受光手段からの電気信号を処理する信号処理手段と、前記電気信号を電波に変換して発信する送信手段と、を有するノードが設けられ、
   前記応力発光材料から放射された放射光を前記反射層で反射させながら前記受光手段に導くことを特徴とする応力−ひずみ検出システム。
2. 構造物に発生した応力−ひずみを検出する応力−ひずみ検出システムであって、
   前記構造物に層状に形設された応力発光材料が適用され、
   前記応力発光材料の上下面には、前記応力発光材料より屈折率の低い材料からなる低屈折率層が形設され、
   前記構造物上又は前記構造物の近傍に、前記構造物に応力−ひずみが発生した時に前記応力発光材料から放射された放射光を受光し光電変換する受光手段と、該受光手段からの電気信号を処理する信号処理手段と、前記電気信号を電波に変換して発信する送信手段と、を有するノードが設けられ、
   前記応力発光材料中で放射された放射光を前記受光手段に導くことを特徴とする応力−ひずみ検出システム。
3. 前記送信手段から発信された電波を受信する受信手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の応力−ひずみ検出システム。
4. 前記応力発光材料の上面に形設された前記反射層より上層に保護層が形設されたことを特徴とする請求項１記載の応力−ひずみ検出システム。
5. 前記応力発光材料の上面に形設された前記低屈折率層より上層に保護層が形設されたことを特徴とする請求項２記載の応力−ひずみ検出システム。
6. 前記ノードが複数箇所に設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の応力−ひずみ検出システム。
7. 前記ノードに記憶手段が設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の応力−ひずみ検出システム。
8. 前記ノードを外部からの電波により駆動状態と非駆動状態とに切り換えるためのＯＮ／ＯＦＦ手段が、前記ノードに設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の応力−ひずみ検出システム。
9. 前記ノードは複数箇所に設けられ、
   該複数箇所に設けられたノードには識別コードが付与され、
   外部からの制御信号を前記識別コードにより取捨選択して前記ＯＮ／ＯＦＦ手段を駆動状態と非駆動状態とに切り換えることを特徴とする請求項８記載の応力−ひずみ検出システム。
10. 前記ノードが前記構造物の複数箇所に分散的に設けられ、
    前記ノードによって検出された前記構造物に発生した応力−ひずみをデータ解析センターへ伝達し、前記構造物の複数箇所の応力−ひずみ情報から前記構造物の疲労及び損傷の状態を全般的に診断することを特徴とする請求項１又は２に記載の応力−ひずみ検出システムを使った構造物の応力異常・劣化を診断する安全管理用システム。

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