JPH11287626A

JPH11287626A - 光ファイバ式ひずみゲ―ジ及びひずみ測定システム

Info

Publication number: JPH11287626A
Application number: JP37219398A
Authority: JP
Inventors: Isamu Nemoto; 勇根本; Koji Okamoto; 興司岡本; Taro Uesugi; 太郎上杉; Eriko Fujishima; 絵里子藤島
Original assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Current assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 1999-10-19
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP3035533B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で安価に製造でき、しかも温度の影響を
受けにくく高精度なひずみ計測が可能な光ファイバ式ひ
ずみゲージ及び該光ファイバ式ひずみゲージを用いて多
点計測が可能なひずみ測定システムを提供すること。【解決手段】ゲージベース１０と、ゲージベース１０
の長手方向に沿って所定の間隔Ｇをおきつつ、ゲージベ
ース１０の長手方向に対して傾斜させて形成された第１
の溝１２及び第２の溝１４と、第１及び第２の溝１２及
び１４内に配置され、間隔Ｇ内に屈曲部１６Ａを有する
光ファイバ１６を有し、測定対象物にゲージベース１０
を固着して用いる。測定対象物に応力が作用し、ゲージ
ベース１０が引張り又は圧縮されると、間隔Ｇが引張り
の場合には増加し圧縮の場合には減少する。この間隔Ｇ
の増減により屈曲部１６Ａに曲げを発生し、光ファイバ
１６の透過光量等の変化をもたらす。この光量変化をＰ
Ｄ等にて検出することによりひずみ量を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバの曲げ
損失を利用した光ファイバ式ひずみゲージに関し、特
に、工業プロセス計測、リニアモータカー・送電線・発
電機等におけるひずみ測定等、強電磁界ノイズ環境下の
計測、落雷環境下の土木関連計測等に用いるのに好適な
光ファイバ式ひずみゲージに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、機械・構造物のひずみ測定に
は、電気抵抗式のひずみゲージが一般的に用いられてい
る。また、近年、光ファイバを利用した光ファイバ式ひ
ずみセンサも提案され、実用に供されている。

【０００３】即ち、知的材料／構造物に具備される機能
の一つであるセンサ機能には、長期間に亘るオンライン
計測が可能であることが求められる。無誘導性、防爆
性、耐腐食性等の特徴を持つ光ファイバは、その構成要
素として有望であり、光ファイバの種々の特性を利用し
てひずみを測定する光ファイバ式ひずみセンサとして実
用化されている。

【０００４】このような光ファイバを利用したひずみセ
ンサとして、例えば、いわゆるファブリペロー型の光フ
ァイバ式ひずみゲージ（第１の従来例）、日本機械学会
第３７期通常総会講演会講演論文集（・）Ｎｏ９６−１
掲載論文「屈曲型光ファイバひずみゲージ」江川幸一他
に記載されたもの（第２の従来例）、特開平９−１４９
２７号公報記載のもの（第３の従来例）、Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇｏｆ１９ｔｈＭｅｅｔｉｎｇｏｎＬ
ｉｇｈｔｗａｖｅＳｅｎｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ，Ｍａｙ１９９７発表論文「光ファイバセンサ
を用いたコンクリート構造物の歪み分布測定」倉嶋利雄
他に記載されたもの（第４の従来例）等、種々のひずみ
センサが提案されている。

【０００５】これらのうち、第２の従来例等、いわゆる
屈曲型の光ファイバを利用したひずみセンサでは、光フ
ァイバに小さな曲げを与えておき、曲げに力を加えるこ
とによる透過光の減衰からひずみを検出する。即ち、光
ファイバは曲げる曲率半径によって、透過光量の損失が
異なり、曲率半径が大きい場含には、損失が発生しな
い。また、ある損失が発生する曲率半径に対して、曲率
半径が減少すると損失が大きくなり、曲率半径が増加す
ると、損失が小さくなる。屈曲型の光ファイバを用いた
ひずみゲージは、かかる原理を利用して、ゲージに加わ
る力により曲率半径を変化させ、透過光の光量変化から
ひずみを検出するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来からの電気抵抗式
のひずみゲージでは、電磁界の影響下では使用に適さな
いという問題がある。また、多点計測の場合は必然的に
ケーブルが太くならざるを得ず、取り扱いが不便であ
り、更に、絶縁が低下する等の問題も避けられない。
一方、上述した光ファイバを用いたひずみセンサでは、
例えば、第１の従来例に係るものでは、ゲージ構成部品
の加工及び組立に高い精度が要求されるが、そのような
高精度のものを製作するには、コストが高くなってしま
う。また、いわゆるＯＴＤＲ（ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍ
ｅ−ＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ：光時
間領域反射測定法）を用いた多点計測には、利用できな
い。

【０００７】また、第２の従来例に係る屈曲型光ファイ
バ式ひずみゲージは、楕円状あるいは１／４円弧状の屈
曲形状の屈折率差の異なる光ファイバを組み合わせて使
用するものであるが、この形状出実際にゲージベース上
に精度良く成形することは大変困難であり、また、温度
補償については何等の考慮もなされていないので、実用
性の点で疑問がある。

【０００８】更に、第３の従来例に係る光ファイバ式ひ
ずみゲージは、ゲージの小型化が難しく局部的な応力や
ひずみを計測するには不適であり、またゲージ単体での
温度補償ができないという問題もある。

【０００９】更にまた、第４の従来例に係るものでは、
距離にして１ｍ程度の平均ひずみは光ファイバに沿って
計測できるが、局部的な応力やひずみを高感度に計測す
ることはできない。また、温度による影響は、電気抵抗
式のひずみゲージと比較して１０倍程度あるので、温度
の影響を無視できない。

【００１０】本発明の目的は、小型で安価に製造でき、
しかも温度の影響を受けにくく高精度なひずみ計測が可
能な光ファイバ式ひずみゲージ及び該光ファイバ式ひず
みゲージを用いて多点計測が可能なひずみ測定システム
を提供することにある。

【００１１】

【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、いわゆる屈曲型の光ファイバを利用し
たひずみセンサとして、新規且つ有用な光ファイバ式ひ
ずみゲージ及び該ひずみゲージを複数個用いて多点計測
が可能なひずみ測定システムを考案した。

【００１２】即ち、本発明の第１の様相による光ファイ
バ式ひずみゲージでは、ゲージベースの一方向に対して
傾斜させた２本の溝を所定の間隔をおいて形成し、該間
隔内に光ファイバを配置することにより、この光ファイ
バが前記間隔内に屈曲部を有するようにしている。これ
により、光ファイバの屈曲部を簡単に形成することがで
き、小型且つ安価な光ファイバ式ひずみゲージを製作す
ることが可能となる。

【００１３】即ち、請求項１記載の光ファイバ式ひずみ
ゲージでは、ゲージベースと、該ゲージベースの一方向
に沿って所定の間隔をおいて、前記ゲージベースの一方
向に対して傾斜させた第１及び第２の溝と、該第１及び
第２の溝に配置され該第１及び第２の溝の傾斜により前
記間隔内に屈曲部を有する少なくとも１本の光ファイバ
とを有することを特徴としている。

【００１４】また、請求項２記載の光ファイバ式ひずみ
ゲージにおいては、前記間隔は、前記ゲージベースの中
央部に設けられたＨ型のスリットにより構成されている
ことを特徴としている。更に、請求項３記載の光ファイ
バ式ひずみゲージにおいては、前記ゲージベースは、金
属により形成されていることを特徴としている。

【００１５】更にまた、請求項４記載の光ファイバ式ひ
ずみゲージにおいては、前記屈曲部は、前記ゲージベー
スの一方向に対して傾斜させた第１及び第２の溝に沿っ
て前記光ファイバを配置することにより、前記間隔内の
略中央に形成される第１の屈曲部と、該第１の屈曲部を
曲げの内側から押しながら前記第１及び第２の溝内に前
記光ファイバを固定することにより前記間隔の両端部に
それぞれ形成される第２及び第３の屈曲部とを含むこと
を特徴としている。これにより、ひずみの検出感度を向
上させることができる。

【００１６】尚、請求項５記載のひずみ測定システムで
は、以上の光ファイバ式ひずみゲージを複数個それぞれ
所定の間隔をおいて配置し、該複数個の光ファイバ式ひ
ずみゲージに挿通されて全体として１つの光伝送路を形
成する少なくとも１本の光ファイバを用い、前記複数個
の光ファイバ式ひずみゲージによりひずみの多点計測を
行うことを特徴としている。

【００１７】次に、本発明の第２の様相による光ファイ
バ式ひずみゲージでは、ゲージベースの一方向に沿って
相互に所定の間隔をおいて偏芯して形成した２本の溝内
に光ファイバを配置することにより、この光ファイバが
前記間隔内に屈曲部を有するようにしている。この第２
の様相によっても、光ファイバの屈曲部を簡単に形成す
ることができ、小型且つ安価な光ファイバ式ひずみゲー
ジを製作することが可能となる。

【００１８】即ち、請求項６記載の光ファイバ式ひずみ
ゲージでは、ゲージベースと、該ゲージベースの一方向
に沿って相互に所定の間隔をおいて偏芯して形成された
第１及び第２の溝と、該第１及び第２の溝に配置され該
第１及び第２の溝の偏芯により前記間隔内に屈曲部を有
する少なくとも１本の光ファイバとを有することを特徴
としている。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。本発明の第１の実
施の形態に係る光ファイバ式ひずみゲージは、図１〜３
に示すように、ゲージベース１０と、ゲージベース１０
の長手方向に沿って所定の間隔Ｇをおきつつ、該ゲージ
ベース１０の長手方向に対して傾斜させて形成した第１
の溝１２及び第２の溝１４と、第１及び第２の溝１２及
び１４内に配置され両溝の傾斜により間隔Ｇ内に屈曲部
を有する光ファイバ１６を有している。ゲージベース１
０は、図１に示すように、全体として矩形状を有してお
り、中央部には、Ｈ型のスリット２２が形成されてい
る。また、ゲージベース１０は、図２に示すように、厚
肉部２４と薄肉部２６とから成る。尚、本実施の形態で
は、ゲージベース１０の長手方向の寸法は、２０ｍｍ〜
３０ｍｍ、厚肉部２４の肉厚は０．５ｍｍ、薄肉部２６
の肉厚は０．２ｍｍに形成した。また、間隔Ｇが３ｍｍ
になるようにＨ型のスリット２２を形成した。

【００２０】厚肉部２４は、図１に示すように、上述し
たＨ型のスリット２２により第１の厚肉部２４Ａと第２
の厚肉部２４Ｂとに分けられ、Ｈ型のスリット２２の中
央のスリット部により所定の間隔Ｇだけ離間して形成さ
れている。第１の厚肉部２４Ａは、図２及び図３に示す
ように、その下面側に第１の光ファイバ用溝１２が形成
されている。第２の厚肉部２４Ｂは、図１及び図３に示
すように、その下面側に第２の光ファイバ用溝１４が形
成されている。第１の光ファイバ用溝１２と第２の光フ
ァイバ用溝１４とは、図３に示すように、ゲージベース
１０の長手方向に対して角度θだけ傾斜するように設け
られている。

【００２１】図１〜３に示すように、ゲージベース１０
の第１及び第２の溝１２及び１４内には、１本の光ファ
イバ１６が挿通されている。この光ファイバ１６は、第
１及び第２の溝１２及び１４内に挿通されることにより
間隔Ｇ内で曲げを与えられ、更に接着剤を充填すること
により第１及び第２の溝１２及び１４内に接着されてい
る。

【００２２】光ファイバ１６は、図３に示すように、ゲ
ージベース１０において第１の溝１２と第２の溝１４が
ゲージベース１０の長手方向に対して傾斜させて形成さ
れているため、間隔Ｇ内に屈曲部１６Ａを有している。
尚、光ファイバ１６を第１及び第２の溝１２及び１４内
に接着する際に、屈曲部１６Ａを、図３に矢印Ｙで示す
方向に押しながら、接着固定した。これにより、間隔Ｇ
内の光ファイバ１６のエッジ部分にも、それぞれ屈曲部
１６Ｂ、１６Ｃが形成されている。

【００２３】次に、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲ
ージの使用方法について説明する。本実施形態の光ファ
イバ式ひずみゲージは、測定対象物のひずみを、検出部
として設けた光ファイバ１６の屈曲部１６Ａに伝えて検
出する。即ち、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ
を用いるには、図１及び図２に示すように、測定対象物
３０にゲージベース１０を固定し、光ファイバ１６の一
端をＬＥＤ等の光源側（図示せず）に接続し、他端をＰ
Ｄ等の光検出側（図示せず）に接続して用いる。

【００２４】さて、測定対象物３０に応力が作用してひ
ずみが生じると、ゲージベース１０も同じように、引張
り又は圧縮される。この結果、上述した間隔Ｇが引張り
の場合には増加し圧縮の場合には減少する。この間隔Ｇ
が増減することにより光ファイバ１６の屈曲部１６Ａに
曲げが発生し、光の透過光量に変化をもたらす。即ち、
引張りの場合には屈曲部１６Ａの曲率半径が増加するた
め損失が小さくなる結果、透過光量が増加するのに対
し、圧縮の場合には屈曲部１６Ａの曲率半径が減少する
ため損失が大きくなる結果、透過光量が減少する。この
光量変化をＰＤ等を含む検出手段にて検出することによ
りひずみ量を計測することができる。このように、本実
施形態の光ファイバ式ひずみゲージによれば、引張りひ
ずみだけでなく圧縮ひずみの測定も可能であり、更に、
クラックの変位測定も可能である。

【００２５】尚、上述したように、光ファイバ１６を第
１及び第２の溝１２及び１４内に接着する際に、屈曲部
１６Ａを、図３に矢印Ｙで示す方向に押しながら、接着
固定することにより、間隔Ｇ内の光ファイバ１６のエッ
ジ部分にも、それぞれ屈曲部１６Ｂ、１６Ｃを形成し、
検出感度を向上させることが可能である。即ち、間隔Ｇ
内の光ファイバ１６のエッジ部分にも、それぞれマイク
ロベンド（屈曲部）１６Ｂ、１６Ｃが形成され、これら
のマイクロベンド（屈曲部）１６Ｂ、１６Ｃも、引張り
の場合に曲率半径が増加し、圧縮の場合には曲率半径が
減少する。特に、これらのマイクロベンド（屈曲部）１
６Ｂ、１６Ｃの曲率半径は、その形状からも、間隔Ｇの
増減に対して敏感に反応する。従って、屈曲部１６Ａと
相俟って、本ひずみゲージの検出感度を大きく向上させ
得る。この点に着目すれば、この光ファイバ式ひずみゲ
ージは、ゲージベース１０の第１の溝１２と第２の溝１
４をゲージベース１０の長手方向に対して傾斜させるこ
とで、光ファイバ１６の屈曲部１６Ａを形成した上に、
更に、この屈曲部１６Ａをゲージベース１０の幅方向に
押しながら、光ファイバ１６を第１の溝１２と第２の溝
１４内に接着固定することで、マイクロベンド（屈曲
部）１６Ｂ、１６Ｃも簡単に形成することができる。

【００２６】さて、本実施形態では、測定対象物３０は
鋼材とし、光ファイバ式ひずみゲージを、図１及び図２
に示すように、測定対象物３０にゲージベース１０を薄
肉部２６をスポット溶接することにより固定した。図１
及び図２に、スポット溶接の溶接点を参照符号３１にて
示す。これに対して、例えば、コンクリートの測定対象
物の場合なら、ゲージベース１０を測定対象物に接着剤
を用いて接着することにより固定しても良い。

【００２７】以上のように、上記実施形態では、ゲージ
ベース１０の第１の溝１２と第２の溝１４をゲージベー
ス１０の長手方向に対して傾斜させることで、光ファイ
バ１６の屈曲部１６Ａ（更には、屈曲部１６Ｂ、１６
Ｃ）を、検出部として形成した点にその特徴がある。
尚、間隔Ｇ内の光ファイバ１６の曲率半径を変え、測定
対象に応じて検出感度を変化させることもできる。例え
ば、測定対象がひずみの小さいコンクリートの場合に
は、曲率半径を小さくとり、ひずみの大きい鉄の場合に
は、曲率半径を大きくとれば良い。

【００２８】本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージに
ついて、その効果を確認するため以下のような実験を行
った。即ち、上述した第１の溝１２と第２の溝１４のゲ
ージベース１０の長手方向に対する傾斜角度θを６度
（６ｄｅｇ）とした本実施形態の光ファイバ式ひずみ
ゲージを片持ち梁の上面側と下面側にそれぞれ固定し、
片持ち梁に載荷する荷重を増加させていき、引張りひず
みの増加（上面側）又は減少（下面側）に対する透過光
出力の変化を調べた。尚、ひずみの増加又は減少は、片
持ち梁の上面側と下面側にそれぞれ本実施形態の光ファ
イバ式ひずみゲージの近傍に固定した電気抵抗式ひずみ
ゲージにより計測したものである。その結果を図４に示
す。

【００２９】図４から明らかなように、ひずみ（με）
の増加又は減少に応じて、透過光出力も直線的に変化し
ており、ひずみセンサとしての実用的効果も充分得られ
ることが分かった。

【００３０】次に、上記実施形態の変形例に係る光ファ
イバ式ひずみゲージについて、図５を参照して説明す
る。本変形例の光ファイバ式ひずみゲージも、図１〜３
に示したものと同様に、Ｈ型のスリット２２により、厚
肉部２４が第１の厚肉部２４Ａと第２の厚肉部２４Ｂと
に分けられ、Ｈ型のスリット２２の中央のスリット部に
より所定の間隔Ｇだけ離間して形成されている。そし
て、本変形例では、厚肉部２４の下面と薄肉部２６の下
面とが、図５に示すように、段差を有しており、この結
果、同図に示すように、本変形例の光ファイバ式ひずみ
ゲージが測定対象物３０に固着された状態において、厚
肉部２４の下面と測定対象物３０との間には、間隙が形
成されるようになっている。従って、本変形例では、図
５に示すように、間隔Ｇ内において、第１の厚肉部２４
Ａと第２の厚肉部２４Ｂそれぞれは自由端を構成してい
る。かかる構造を有する本変形例の光ファイバ式ひずみ
ゲージにおいては、例えば、温度の上昇により測定対象
物３０に固定されたゲージベース１０全体が伸長した場
合には、第１の厚肉部２４Ａと第２の厚肉部２４Ｂもそ
れに伴って伸長する分、間隔Ｇが増加して屈曲部１６Ａ
と１６Ｂの曲率半径は大きくなるが、第１の厚肉部２４
Ａと第２の厚肉部２４Ｂそれぞれの自由端側も間隔Ｇ内
で伸長する結果、その分だけ間隔Ｇを減少させる方向に
作用する。このため間隔Ｇの増加がその分だけ相殺され
るので、温度変化による影響を減少させ得る構造となっ
ている。

【００３１】ここで、上記変形例に係る光ファイバ式ひ
ずみゲージにおいて、かかる温度変化による影響を可及
的に小さくするための条件等につき、図５を参照しつ
つ、説明する。ここでは、説明を簡単にするために、測
定対象物３０のひずみが図５に示す接合部３２上のゲ−
ジべ−ス１０に１００％伝達し、ゲ−ジべ−ス１０のひ
ずみは光ファイバ１６に１００％伝達するものとして説
明する。

【００３２】各部の寸法を図５に示すものとすると、ひ
ずみεによるＧの変化は、以下の数１により表される。

【００３３】

【数１】（Ｌ＋Ｇ）ε ひずみεと温度変化ｄＴによるＧの変化は、以下の数２
により表される。

【００３４】

【数２】｛（Ｌ＋Ｇ）（１＋ε）（１＋α_s ｄＴ）−Ｌ
（１＋α_G ｄＴ）｝−Ｇ≒（Ｌ＋Ｇ）ε＋｛Ｌ（α_s −
α_G ）＋Ｇα_s ｝ｄＴ（α_s ：測定対象物の線膨張係数 α_G ：ゲ−ジべ−ス
の線膨張係数）尚、α_s は測定対象物の線膨張係数、α_G はゲ−ジべ−
スの線膨張係数を示す。Ｇの温度による変化分が感度
に影響するため、上記数２における右辺の第２項の温度
変化ｄＴの係数、即ち、以下の数３により表される項

【００３５】

【数３】Ｌ（α_s −α_G ）＋Ｇα_s を０に近づければ、温度影響を少なくできることにな
る。従って、以下の数４より、数５が求められる。

【００３６】

【数４】Ｌ（α_G −α_s ）＝Ｇα_s

【００３７】

【数５】Ｌ／Ｇ＝α_s ／（α_G −α_s ）（α_G ＞α_s の場合）具体的な計算例としては、α_G 、α_s がそれぞれ以下の
数６、数７により表される場合であれば、

【００３８】

【数６】α_G ＝１６×１０^-6

【００３９】

【数７】α_s ＝１１×１０^-6 Ｌ／Ｇ＝１１／５となり、従って、Ｇ＝１ｍｍとすれ
ば、Ｌ＝２．２ｍｍ、一方、Ｇ＝３ｍｍとすれば、Ｌ＝
６．６ｍｍとなる。かかる寸法に形成することにより、
温度影響が少ない光ファイバ式ひずみゲージを実現でき
る。

【００４０】実際の設計にあたっては、上記で前提とし
たひずみの伝達は１００％でないため、各部材間での伝
達効率を実測またはＦＥＭ（有限要素法）等で求め、そ
れらのひずみ伝達効率を考え合わせることにより最適形
状を求めれば良い。

【００４１】次に、本発明の第２の実施の形態に係るひ
ずみ測定システムについて説明する。本実施形態のひず
み測定システムは、上述した第１の実施形態と同様の光
ファイバ式ひずみゲージを複数個それぞれ所定の間隔を
おいて配置し、これら複数個の光ファイバ式ひずみゲー
ジに１本の光ファイバを挿通し、この光ファイバをＯＴ
ＤＲの測定装置に接続して複数個の光ファイバ式ひずみ
ゲージによりひずみの多点計測を行うものである。

【００４２】本実施形態のひずみ測定システムを考案す
る前提として、本発明者らは、上述した第１の実施形態
の光ファイバ式ひずみゲージの多点計測への応用の可能
性を探るため、以下のような実験を行った。即ち、上述
した第１の溝１２と第２の溝１４のゲージベース１０の
長手方向に対する傾斜角度θを６度（６ｄｅｇ）とし
た第１の実施形態の光ファイバ式ひずみゲージを、図６
に示すように、２つ設置し、それぞれ多点計測における
検出部１、２を構成せしめ、ＯＴＤＲ測定装置を用い
て、ひずみの増加又は減少に対する差分出力の変化を調
べた。尚、検出部１、２においては、それぞれ光ファイ
バ式ひずみゲージを片持ち梁の上面側と下面側にそれぞ
れ固定し、片持ち梁に載荷する荷重を増加させていくこ
とで、引張りひずみを増加（上面側）させ又は減少（下
面側）させた。また、ひずみの増加又は減少は、片持ち
梁の光ファイバ式ひずみゲージの近傍に固定した電気抵
抗式ひずみゲージにより計測したものである。その結果
を図７に示す。

【００４３】図７から明らかなように、ひずみ（με）
の増加又は減少に応じて、ＯＴＤＲ測定装置により得ら
れる差分出力も単調に変化しており、多点計測への応用
が充分可能であることが分かった。

【００４４】さて、本実施形態のひずみ測定システム
は、光ファイバ式ひずみゲージ４２ａ，４２ｂ，４２
ｃ，・・・，４２ｎをそれぞれ所定の間隔をおいて配置
し、これら複数個の光ファイバ式ひずみゲージに光ファ
イバ４０を挿通し、この光ファイバ４０を、図８に示す
ように、ＯＴＤＲの測定装置に接続して複数個の光ファ
イバ式ひずみゲージによりひずみの多点計測を行うもの
である。

【００４５】即ち、本実施形態のひずみ測定システムで
は、図８に示すように、パルス発振器５１により駆動さ
れたレーザダイオード（ＬＤ）５２は、光パルスを出力
し、光パルスは方向性結合器５３を経て光ファイバ４０
に入射する。光ファイバ４０内の各光ファイバ式ひずみ
ゲージ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，・・・，４２ｎで生じ
た後方レーリ散乱光、あるいはフレネル反射光は入射端
に戻ってくる。入射端に戻ってきた光は、方向性結合器
５３を通して受光素子（ＰＤ）５４に入射し、電気信号
に変換される。変換された電気信号は、増幅器５５によ
り所要のレベルまで増幅された後、解析処理部／表示部
５６により時間領域で解析され、解析結果が表示され
る。例えば、埋設配管等に１ｍごとに検出部として光フ
ァイバ式ひずみゲージ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，・・
・，４２ｎを固着し、かかるＯＴＤＲ測定装置に接続す
ることによりひずみ測定システムを構成すれば、損傷等
の存在する位置とひずみ量を同時に計測することが可能
である。

【００４６】次に、本発明の第３の実施の形態に係る光
ファイバ式ひずみゲージについて、図面を参照して説明
する。本実施形態におけるゲージベースの全体形状等
は、上述した第１の実施形態のものと同様であり、同様
の部分には同一の参照符号を付してある。

【００４７】本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ
は、図９〜１２に示すように、ゲージベース１０と、ゲ
ージベース１０の長手方向に沿って相互に所定の間隔Ｇ
をおきつつ偏芯して形成された第１の溝１２´及び第２
の溝１４´と、第１及び第２の溝１２´及び１４´内に
配置され両溝の偏芯により間隔Ｇ内に屈曲部を有する光
ファイバ１６を有している。

【００４８】ゲージベース１０は、図９に示すように、
全体として矩形状を有しており、中央部には、Ｈ型のス
リット２２が形成されている。また、ゲージベース１０
は、図１０及び図１１に示すように、厚肉部２４と薄肉
部２６とから成る。尚、本実施の形態においても、ゲー
ジベース１０の長手方向の寸法は、２０ｍｍ〜３０ｍ
ｍ、厚肉部２４の肉厚は０．５ｍｍ、薄肉部２６の肉厚
は０．２ｍｍに形成した。また、間隔Ｇが３ｍｍになる
ようにＨ型のスリット２２を形成した。

【００４９】厚肉部２４は、上述したＨ型のスリット２
２により第１の厚肉部２４Ａと第２の厚肉部２４Ｂとに
分けられ、Ｈ型のスリット２２の中央のスリット部によ
り所定の間隔Ｇだけ離間して形成されている。第１の厚
肉部２４Ａは、図１０及び図１１に示すように、その下
面側に第１の光ファイバ用溝１２´が形成されている。
第２の厚肉部２４Ｂは、図１及び図４に示すように、そ
の下面側に第２の光ファイバ用溝１４´が形成されてい
る。第１の光ファイバ用溝１２´と第２の光ファイバ用
溝１４´とは、図９及び図１２に示すように、距離Ｆだ
けオフセットするように設けられている。

【００５０】図９〜１２に示すように、ゲージベース１
０の第１及び第２の溝１２´及び１４´内には、１本の
光ファイバ１６が挿通されている。この光ファイバ１６
は、第１及び第２の溝１２´及び１４´内に挿通された
後、接着剤を充填することにより第１及び第２の溝１２
´及び１４´内に接着されている。光ファイバ１６は、
図１２に示すように、ゲージベース１０において第１の
溝１２´と第２の溝１４´が距離Ｆだけオフセットさ
れ、偏芯して形成されているため、間隔Ｇ内に２つの屈
曲部１６´Ａ及び１６´Ｂを有している。

【００５１】本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージの
使用方法も、上述した第１の実施形態のものと略同様で
あるが、測定対象物のひずみを、検出部として設けた光
ファイバ１６の屈曲部１６´Ａと１６´Ｂに伝えて検出
する。即ち、測定対象物３０に応力が作用してひずみが
生じると、ゲージベース１０も同じように引張り又は圧
縮され、間隔Ｇが増減することにより光ファイバ１６の
屈曲部１６´Ａと１６´Ｂそれぞれに曲げを発生し、光
の透過光量に変化をもたらす。この光量変化をＰＤ等を
含む検出手段にて検出することによりひずみ量を計測す
ることができる。

【００５２】本実施形態においても、測定対象物３０は
鋼材とし、光ファイバ式ひずみゲージを、図９及び図１
１に示すように、測定対象物３０にゲージベース１０を
薄肉部２６をスポット溶接することにより固定した。図
９及び図１１に、スポット溶接の溶接点を参照符号３１
にて示す。これに対して、例えば、コンクリートの測定
対象物の場合なら、ゲージベース１０を測定対象物に接
着剤を用いて接着することにより固定しても良い。

【００５３】以上のように、本実施形態では、検出部と
して設けた光ファイバ１６の屈曲部（１６´Ａと１６´
Ｂ）を、ゲージベース１０の第１の溝１２´と第２の溝
１４´を距離Ｆだけオフセットし偏芯させることにより
形成した点にその特徴がある。尚、第１の溝１２´と第
２の溝１４´の偏芯量を変えることにより、測定対象に
応じて検出感度を変化させることもできる。例えば、測
定対象がひずみの小さいコンクリートの場合には、オフ
セット量Ｆを大きくとり、ひずみの大きい鉄の場合に
は、オフセット量Ｆを小さくとれば良い。

【００５４】また、上記実施形態の光ファイバ式ひずみ
ゲージの使用方法として、上述した光ファイバ式ひずみ
ゲージを、測定対象物３０にスポット溶接又は接着後、
図９に破線で示すＡ部及びＢ部をペンシルグラインダー
等で除去してひずみゲージとしての感度を向上させるこ
とが考えられる。このような使用形態では、測定対象物
３０に生じたひずみが、Ａ部及びＢ部によって規制され
ることなく、間隔Ｇの増減として伝達されるので、測定
対象物３０に生じたひずみをより高感度に検出すること
ができる。例えば、上述した光ファイバ式ひずみゲージ
を極めて薄い鉄板に固着してひずみの測定を行う場合に
は、ひずみゲージにより薄い鉄板が補強されることとな
り、正確な測定が困難になる虞れもある。このような場
合に、本使用形態が有効と考えられる。

【００５５】以上に述べた第３の実施形態の光ファイバ
式ひずみゲージにおいても、図４に示したものと同様の
変形例の製作が可能であり、温度変化による影響を減少
させ得る構造が得られるのは、第１の実施形態の場合と
同様である。また、この第３の実施形態の光ファイバ式
ひずみゲージを複数個それぞれ所定の間隔をおいて配置
し、１本の光ファイバを挿通してＯＴＤＲ測定装置に接
続することにより、上述した第２の実施形態と同様のひ
ずみ測定システムを設計することができ、これにより、
ひずみの多点計測が可能となるのは勿論である。

【００５６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、ゲージベースの一方向に沿って所定の間隔を
おいた第１の溝と第２の溝を、該ゲージベースの一方向
に対して傾斜させて形成し、あるいは前記ゲージベース
の一方向に沿って相互に偏芯して形成し、該第１の溝と
第２の溝内に少なくとも１本の光ファイバを挿通するよ
うにしたので、前記所定の間隔内に光ファイバの屈曲部
を簡単に形成することができ、安価な光ファイバ式ひず
みゲージを製作することが可能となった。また、ゲージ
長の小さい小型の光ファイバ式ひずみゲージを製作し得
るので、局部的な応力及びひずみを測定し得る。

【００５７】更に、前記間隔内の光ファイバの曲率半径
を変えることにより、測定対象に応じて検出感度を変化
させることもできる。更にまた、ひずみの１点計測であ
れば、本発明の光ファイバ式ひずみゲージにＬＥＤとＰ
Ｄを組み合わせるだけで可能となるので、安価な計測が
可能である。

【００５８】また、請求項２記載の発明によれば、Ｈ型
のスリットにより所定の間隔を設け、該間隔内に光ファ
イバの屈曲部を形成したので、かかる構造によりゲージ
感度の温度依存性を低下させることが可能となった。更
に、請求項３記載の発明によれば、ゲージベースを金属
により形成しているので、測定対象物と用途に応じ、溶
接及び接着のいずれによっても取り付けることができ
る。

【００５９】また、請求項４記載の発明によれば、前記
屈曲部は、前記ゲージベースの一方向に対して傾斜させ
た第１及び第２の溝に沿って前記光ファイバを配置する
ことにより、前記間隔内の略中央に形成される第１の屈
曲部と、該第１の屈曲部を曲げの内側から押しながら前
記第１及び第２の溝内に前記光ファイバを固定すること
により前記間隔の両端部にそれぞれ形成される第２及び
第３の屈曲部とを含むので、ひずみの検出感度を大きく
向上させることができる。一方、請求項５記載の発明に
よれば、ＯＴＤＲを用いることで、１本の光ファイバで
ひずみの多点計測が可能である。即ち、損傷等の発生位
置とひずみ量を同時に計測し得る。

【００６０】以上により、橋梁・原子炉等の健全性監視
（ヘルスモニタリング）による損傷の感知用、埋設配管
の安全性モニタリング用（特にガス用配管等防爆性を要
求されるもの）、トンネル等の土木構造物の異常検出、
建築物の設備診断用等に優れたひずみゲージ及びひずみ
測定システムを提供することができる。

【００６１】即ち、無誘導性、防爆性、耐腐食性を備
え、航空機・船舶・橋梁・原子炉等の健全性監視（ヘル
スモニタリング）、及び電磁波の影響があり電気抵抗ひ
ずみゲージが利用できない環境下でのひずみ測定に用い
るのに好適なひずみゲージ及びひずみ測定システムを提
供し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ式
ひずみゲージの平面図である。

【図２】図１に示した光ファイバ式ひずみゲージのＸ−
Ｘ線に沿った断面図である。

【図３】図１に示したＡ部の詳細拡大図である。

【図４】本発明の第１の実施形態の光ファイバ式ひずみ
ゲージにおけるひずみの増加又は減少に応じた透過光出
力の変化を示すグラフである。

【図５】図１に示した光ファイバ式ひずみゲージにおけ
る温度補償の考え方を説明するための図である。

【図６】本発明の第１の実施形態の光ファイバ式ひずみ
ゲージを用いたＯＴＤＲ法による多点ひずみ計測試験の
概要を示す図である。

【図７】図６に示した多点ひずみ計測試験の結果を示す
グラフであり、ひずみの増加又は減少に応じたＯＴＤＲ
測定装置を介した差分出力の変化を示す。

【図８】本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバ式
ひずみ測定システムの構成を示す図である。

【図９】本発明の第３の実施の形態に係る光ファイバ式
ひずみゲージの平面図である。

【図１０】図９に示した光ファイバ式ひずみゲージのＸ
方向矢視図である。

【図１１】図９に示した光ファイバ式ひずみゲージのＹ
−Ｙ線に沿った断面図である。

【図１２】図９に示したＣ部の詳細拡大図である。

【符号の説明】

１０ゲージベース１２第１の（光ファイバ用）溝１２´ 第１の（光ファイバ用）溝１４第２の（光ファイバ用）溝１４´ 第２の（光ファイバ用）溝１６光ファイバ１６Ａ屈曲部１６´Ａ屈曲部１６Ｂ屈曲部１６´Ｂ屈曲部１６Ｃ屈曲部２２Ｈ型のスリット２４厚肉部２４Ａ第１の厚肉部２４Ｂ第２の厚肉部２６薄肉部Ｆオフセット（距離）Ｇ間隔３０測定対象物３２接合部４０光ファイバ４２ａ光ファイバ式ひずみゲージ４２ｂ光ファイバ式ひずみゲージ４２ｃ光ファイバ式ひずみゲージ４２ｎ光ファイバ式ひずみゲージ５１パルス発振器５２レーザダイオード（ＬＤ）５３方向性結合器５４受光素子（ＰＤ）５５増幅器５６解析処理部／表示部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤島絵里子東京都調布市調布ケ丘３丁目５番地１号株式会社共和電業内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ゲージベースと、該ゲージベースの一方
向に沿って所定の間隔をおいて、前記ゲージベースの一
方向に対して傾斜させた第１及び第２の溝と、該第１及
び第２の溝に配置され該第１及び第２の溝の傾斜により
前記間隔内に屈曲部を有する少なくとも１本の光ファイ
バとを有することを特徴とする光ファイバ式ひずみゲー
ジ。
【請求項２】請求項１記載の光ファイバ式ひずみゲー
ジにおいて、前記間隔は、前記ゲージベースの中央部に
設けられたＨ型のスリットにより構成されていることを
特徴とする光ファイバ式ひずみゲージ。
【請求項３】請求項１及び２記載の光ファイバ式ひず
みゲージにおいて、前記ゲージベースは、金属により形
成されていることを特徴とする光ファイバ式ひずみゲー
ジ。
【請求項４】請求項１〜３記載の光ファイバ式ひずみ
ゲージにおいて、前記屈曲部は、前記ゲージベースの一
方向に対して傾斜させた第１及び第２の溝に沿って前記
光ファイバを配置することにより、前記間隔内の略中央
に形成される第１の屈曲部と、該第１の屈曲部を曲げの
内側から押しながら前記第１及び第２の溝内に前記光フ
ァイバを固定することにより前記間隔の両端部にそれぞ
れ形成される第２及び第３の屈曲部とを含むことを特徴
とする光ファイバ式ひずみゲージ。
【請求項５】請求項１〜４記載の光ファイバ式ひずみ
ゲージを複数個それぞれ所定の間隔をおいて配置し、該
複数個の光ファイバ式ひずみゲージに挿通されて全体と
して１つの光伝送路を形成する少なくとも１本の光ファ
イバを用い、前記複数個の光ファイバ式ひずみゲージに
よりひずみの多点計測を行うことを特徴とするひずみ測
定システム。
【請求項６】ゲージベースと、該ゲージベースの一方
向に沿って相互に所定の間隔をおいて偏芯して形成され
た第１及び第２の溝と、該第１及び第２の溝に配置され
該第１及び第２の溝の偏芯により前記間隔内に屈曲部を
有する少なくとも１本の光ファイバとを有することを特
徴とする光ファイバ式ひずみゲージ。