JP3924298B2

JP3924298B2 - 光ファイバセンサ、及び、光散乱歪み計測方法

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Publication number: JP3924298B2
Application number: JP2004378316A
Authority: JP
Inventors: 博徳紀; 剛俊山浦; 裕昌伊藤; 洋秋山; 謙一小島; 修村田; 史郎棚村
Original assignee: Railway Technical Research Institute; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Railway Technical Research Institute; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2020-12-05
Also published as: JP2005134404A

Description

本発明は、光ファイバセンサ、及び、それを用いた歪み計測方法に関し、特に、土木構造物の変形を計測・監視するための光ファイバセンサ、及び、それを用いた歪み計測方法に関する。

トンネルのような土木構造物は、その歪みの計測により構造の安定性が知られる必要がある。そのような計測の技術として、光ファイバの歪みを計測する光学的歪み計測センサが知られていいる。光学的歪み計測センサとして、ＢＯＴＤＲ（ＢｒｉｌｌｏｕｉｎＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）とＦＢＧ（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ）の２つのタイプが高精度計測装置として知られている。歪みによる物質のブラウン運動のダイナミックな散乱光スペクトルの変動、又は、格子通過光の光干渉が利用される。僅かな光学物性の変化を検出するためには、ノイズの発生が極力に回避されることが求められる。

土構造物の変形を計測するセンサとして、特許文献１に示されているように、光ファイバとその周囲の弾性を有する管が一体とされ、その先端部で折り返されているものが知られている。光ファイバは、その先端部で光ファイバが折り返されて用いられる。その折返し部にて、光ファイバの曲げ半径が小さいと、光ファイバが折れ易くなる。更に、光ファイバの曲げ半径が小さいと、光ファイバ内の反射条件が他と異なる部位が生じ、伝送光の減衰率が大きくなることがある。

一方、光ファイバの曲げ半径を大きくすると、その光ファイバを収容する管の太さが大きく回避なり、その光ファイバセンサを地中に埋設する際の打ち込み作業が困難となったり、打ち込みによって地面が変形するなどの影響がある。

特開平１０−１７６９６５号

本発明の課題は、公知の高精度検出の利益をそのままに踏襲し、折返し部の歪みによるノイズの発生を回避し、且つ、折返し部の大きさに影響されずに土中埋込みが容易である光ファイバセンサを提供することにある。

本発明の光ファイバセンサは、光ファイバ（１１）が筐体に収容されている。光ファイバ（１１）は、曲げられて折返しを形成する折返し部分（１１ｔ）と、折返し部分（１１ｔ）の両端にそれぞれに接続する２本として形成される２本線部分として形成されている。筐体は、折返し部分を収容する第１筐体部分（１２）と、２本線部分を収容し第１筐体部分（１２）に結合する第２筐体部分（１３）として形成されている。第１筐体部分（１２）は、第２筐体部分（１２）に結合する側と反対の側で先細りに形状化されている。その先細り形状の最適性形状は、円錐体である。

折返し部分（１１ｔ）を収容する第２筐体（１３）は打ち込まれやすい形状に形成されているので、第２筐体の大きさを大きく（打ち込み方向に直交する断面上で断面積が大きいこと）設計することができ、その結果として、折返し部分（１１ｔ）の曲げによる歪みが生じない。その曲げ歪みの発生が回避されるので、曲げ歪みによる散乱・透過・干渉光の周波数スペクトルのズレノイズの発生を回避することができ、土木構造体の歪みの計測を高精度化することができる。特に、散乱光がブリルアン散乱光である場合に、その高精度化効果が顕著に高い。

２本線部分は設定長さの間隔で第２筐体部分に対して固定される。設定長さは２本線部分を通る計測光のパルス幅より長い。このような計測条件を設定することにより、高精度化が飛躍的に向上する。

２本はともに第２筐体部分に対して固定されるが、折返し部分は第１筐体部分に対して固定されない。このような実施の形態は、顕著に合理的である。

第２筐体部分（１２）がガイドパイプ（３４）を備え、２本線部分がガイドパイプ（３４）に通され、２本線部分がガイドパイプ（３４）に固定されることは、実用的に顕著ピークに有利である。

本発明による光散乱歪み計測方法は、既述の光ファイバセンサを用いてブリルアン散乱光のスペクトルシフトにより歪みを受ける光ファイバ部分の歪みを計測する方法である。第１筐体部分と第２筐体部分を土木構造体に埋め込むこと、ブリルアン散乱光が計測対象点の近傍であることを確認すること、その確認することの後に、ブリルアンス散乱光のスペクトル幅が適正に最小値であることを確認すること、スペクトル幅が最小値であることを確認することの後に、ブリルアン散乱光のスペクトルのシフトを計算することの複数のステップによる計測は、ノイズが存在しない環境下で、計測の高精度化が実用的に実現される。固定間隔の長さの条件を与えることにより、更に高精度性能が向上する。

本発明による光ファイバセンサ、及び、光散乱歪み計測方法は、ノイズ発生の回避を前提条件とする際に、土中埋め込み作業が容易化される。

本発明による光ファイバセンサの実施の最良の形態は、図に対応して記述される。光ファイバセンサ１０は、図１に示されるように、ＦＢＧ型センサとして示されている。光ファイバセンサ１０は、全体的に又は部分的に盛土に埋め込まれて用いられる。光ファイバセンサ１０は、その盛土に生じた変形（歪み）を計測する。光ファイバセンサ１０は、光ファイバ１１と、管１２と、先端キャップ部１３とで構成されている。光ファイバ１１の一端部１１ａは、光ファイバ１１内に光を入射し、その反射光を受光する受光装置（図示せず）に接続されている。光ファイバ１１の他端部１１ｂは、管１２の内面上部をその基端側１２ａから先端部１２ｂに向けて挿通され、その先端部１２ｂから管１２の外部に出た箇所で折り返された後に、管１２の内面下部をその基端側１２ａに向けて挿通される。これにより、管１２の上位置または下位置での盛土に生じた変形を計測することができる。

なお、管１２には、管１２の側方左位置または右位置での盛土に生じた変形を計測するために、光ファイバ１１の他にもう１本の光ファイバ（図示せず）が設けられている。その光ファイバの一端部は、既述の受光装置に接続され、その他端部は管１２の内面左部をその基端部１２ａから先端部１２ｂに向けて挿通され、その先端部１２ｂから管１２の外部に出た箇所で折り返された後に、管１２の内面右部をその基端部１２ａに向けて挿通される。このような２本の光ファイバにより、管１２の周囲の上下左右の四方向で盛土に生じた変形を計測することができる。

光ファイバ１１は、管１２の内面に対し、その光ファイバ１１の長手方向の所定間隔おきに固定点１９にて固定されている。その固定手段には、エポキシ樹脂系の接着剤が用いられる。ＦＢＧ型である光ファイバセンサ１０の光ファイバ１１のコア（図示せず）には、その長手方向の所定間隔おきに屈折率の異なる複数の光学系フィルタ（図示せず）が設けられることが好ましい。複数の光学系フィルタは、入射光のうち特定の波長の光のみを反射する。盛土の変形によって管１２が変形し、管１２の変形に追従して光ファイバ１１が伸縮すると、そのフィルターの格子の間隔が変化し、その変化に伴い反射する光の波長が変化する。これにより、盛土の変形を計測することができる。

光ファイバ１１は、光ファイバ本体に被覆がされた構成をしている。その光ファイバ本体の直径は１２５μｍであり、その被覆を含めた光ファイバ１１の直径は２００μｍ〜２ｍｍである。

管１２は、対象物の変形に追従するような物質（金属、樹脂など）、例えば塩化ビニル製である。管１２の材質は、土圧に潰されない程度の硬さを有するとともに、測定対象物（例えば盛土）の変形に対して追従して変形自在であるものが選択される。測定対象物の伸び方向の変形を計測するものとしては、管１２は、対象物の変形に追従するような形状（蛇腹構造など）の物質（金属、樹脂等）であり、例えば金属製の蛇腹管であることができる。

光ファイバセンサ１０の先端部には、光ファイバ１１のうち管１２の先端部１２ｂから出ている部分を覆う先端キャップ部１３が設けられている。先端キャップ部１３は、基板部１４と、その基板部１４に設けられたカバー本体部１５および周回壁部１６を有している。

基板部１４は、円形平板状に形成されている。基板部１４の中央部には、管１２の内径以上の直径を有する孔が形成されており、その孔を通じて光ファイバ１１が管１２の先端部１２ｂから外部に出ている。基板部１４には、周回壁部１６が立設されている。周回壁部とは、その周方向が閉じた（連続した）円筒状に形成された壁部を意味する。周回壁部１６の内周部１６ａは、管１２の外径部１２ｃに対し、その全周に亘って接着剤（図示せず）によって接続される。

光ファイバ１１のうち、管１２の先端部１２ｂから出ている部分の曲げ半径ｒは、３０ｍｍ以上とされている。カバー本体部１５は、その曲げ半径ｒを有する光ファイバ１１の折返し部分１１ｔを、折返し部分１１ｔと非接触の状態で収容可能な大きさに形成されている。カバー本体部１５は、概ね鏃状に形成され、第１部分１５ａと、第２部分１５ｂと、第３部分１５ｃとを有している。第１部分１５ａは、底部が開放された円錐状に形成されている。第３部分１５ｃは、基板部１４の最外周部に立設され、漸次その直径が小さくなるように形成された周回壁部である。第２部分１５ｂは、第１部分１５ａと第３部分１５ｃとを接続するように第１部分１５ａおよび第３部分１５ｃと連続的に形成され、第１部分１５ａのうちの最大径の部分から第３部分１５ｃのうちの最小径の部分まで漸次その直径が大きくなるように形成された周回壁部である。

実施の本形態によれば、カバー本体部１５が用いられるため、光ファイバ１１の折返し部分１１ｔは、光ファイバ１１の伝送光の特性および光ファイバ１１の強度特性に関して問題がないとされる曲げ半径（実施の本形態では、３０ｍｍ以上に設定）ｒで曲げられることができる。さらに、カバー本体部１５は、概ね鏃状に形成されるため、光ファイバセンサ１０が地中等に杭のように打ち込まれる場合に、打ち込まれ易い。一方、光ファイバセンサ１０のうち折返し部分１１ｔ以外は、光ファイバ１１を収容する管１２を十分に細く構成することができるため、打ち込まれ易い上に、打ち込みによる地面の隆起等の影響を最小限に抑えることができる。

図２は、本発明による光ファイバセンサの実施の他の形態を示している。本形態の光ファイバセンサ２０は、ここではＢＯＴＤＲ型である。光ファイバセンサ２０は、例えば、図２に示されるように、トンネルの坑内Ｋの周面ＳＲの周方向に沿って埋め込まれ、そのトンネルに生じた変形（歪み）を計測する。

光ファイバセンサ２０は、図３に示されるように、光ファイバ２１と、管２２と、先端キャップ部２３とを備えている。光ファイバ２１の一端部２１ａは、光ファイバ２１内に光を入射し、その反射光を受光する受光装置（図示せず）に接続されている。光ファイバ２１の他端部２１ｂは、管２２の内部をその基端側２２ａから先端部２２ｂに向けて挿通され、その先端部２２ｂから管２２の外部に出た箇所で折り返された後に、管２２の内部をその基端側２２ａに向けて挿通される。２本の光ファイバ２１が用いられる点は、既述の形態に同じである。光ファイバ２１は、管２２の内面に対し、その光ファイバ２１の長手方向においてＧＬ（ゲージレングス）以上に設定された固定間隔ＤＳおきに固定点２９にて固定されている。その固定手段には、エポキシ樹脂系の接着剤が用いられる。この場合、光ファイバ２１は、それぞれの固定点２９と固定点２９の間の区間に、均一の歪みが発生している状態（例えば０．１％の張力がかかった状態）で固定される。

光ファイバ２１は、光ファイバ本体に被覆がされた構成をしている。その光ファイバ本体の直径は１２５μｍであり、その被覆を含めた光ファイバ２１の直径は２００μｍ〜２ｍｍである。管２２は、塩化ビニル製である。管２２の材質に関しては管１２と同様に考えることができる。光ファイバセンサ２０の先端部に光ファイバ２１のうち管２２の先端部２２ａから出ている部分を覆う先端キャップ部２３が設けられることは、既述の形態に同じである。

実施の本形態では、光ファイバ２１が管２２に対して固定される間隔ＤＳが既述のＧＬ以上であることが本質的に重要である。光パルスは、その一端部２１ａから光ファイバ２１に入射する。入射される光パルスは、光ファイバ２１内を伝搬していくとともに、その光ファイバ２１内で散乱する。その後方散乱光を一端部２１ａを介して受光装置が受光する。受光装置は、その受光した後方散乱光の受光タイミング（時間）と光強度の関係から、光ファイバ２１の長手方向の特性（変形の有無）を計測する。入射してから受光されるまでの受光時間が長くなるに連れて、換言すれば、一端部２１ａからの光ファイバ２１の長手方向の距離が大きくなるに連れて、受光される光の強度が一定の比で小さくなっていれば、光ファイバ２１の長手方向の特性は均一で、光パルスが光ファイバ２１の長手方向の距離に応じて減衰しながら伝搬していることが分かる。

ＢＯＴＤＲ装置では、後方散乱光のうちのブリルアン散乱光に着目する。受光したブリルアン散乱光がもつ光強度のうちの中心と思われる値を抽出し、その中心値の周波数（中心周波数）を検出する。光ファイバ２１の長手方向のうちそのブリルアン散乱光が散乱した地点（測定区間）に歪みが生じていれば、その中心周波数の変化として表れる。これにより、トンネルの坑内の変形を計測することができる。

図４に示されるように、ＢＯＴＤＲ装置６１から入射される光パルスのパルス幅（パルスの持続時間）は、１０ｎｓｅｃである。その光パルスが光ファイバ２１に入射されて伝搬していく場合、その光パルスは、光ファイバ２１内では１ｍの長さに相当する。実施の本形態では、この１ｍが既述のＧＬである（図５参照）。受光するブリルアン散乱光には、この１ｍ内で生じた散乱光の全てが含まれる。この１ｍが歪み検出の際の測定区間となる。

ここで、光ファイバ２１がこの１ｍよりも小さい、例えば２０ｃｍ間隔で管２２に対して固定されているケースを考える。さらにここでは、その両端部が固定された２０ｃｍの光ファイバ２１の部分に、歪みが生じており、例えば隣りあうその３箇所の歪みのレベルは互いに異なっているとする（図６参照）。この場合、その２０ｃｍの部分を含む１ｍの測定区間に対応するブリルアン散乱光に関しては、図７に示されるように、その中心周波数が互いに異なる３つのスペクトルが含まれることになる。この状態において、３つのスペクトルが含まれる全体の中から単一の中心周波数を求めることは非常に困難である。後方散乱光には通常ノイズが含まれるから、なおさら困難である。このことから、測定区間（ＧＬ区間）に対して局所的に発生した（１ｍに対して２０ｃｍ、即ちＧＬに対して小さい領域での）変形は計測が不可能な場合があった。なお、１ｍの測定区間に対しては、少なくともおよそ５０％以上の範囲で均一なレベルの歪みでなければ計測不可能とされている。

これに対し、本実施形態では上記の通り、光ファイバ２１がＧＬ以上に設定された固定間隔ＤＳおきに管２２に対して固定されている。ここでは、固定間隔ＤＳは１ｍとする。上記ケースと同様に、光ファイバ２１のある部分に、長さ２ｍｍの歪みが３箇所ずつ生じており、その３箇所の歪みのレベルは互いに異なっているとする。１ｍ（固定間隔ＤＳ）の区間の両端部のみが固定されている場合、その両端部間の１ｍの区間では、光ファイバ２１は自由に（規制を受けることなく）伸縮可能である。したがって、その両端部が固定された１ｍの光ファイバ２１の部分においては、その１ｍ内に生じた歪み（ここでは３箇所の互いにレベルの異なる歪み）は、その１ｍの区間で平均化される。その結果、その１ｍの区間には、その区間の概ね全域または大部分に亘って一定のレベルの単一の歪みが生じることになる。これにより、その１ｍの測定区間からは単一の中心周波数を有するブリルアン散乱光が得られることになり、測定区間（ＧＬ区間）に対して局所的な変形であっても安定的に計測することができる。

図８は、本発明による光ファイバセンサの実施の更に他の形態を示している。光ファイバセンサ３０は、ＢＯＴＤＲ型である。光ファイバセンサ３０は、図８に示されるように、例えば、トンネルの坑内Ｋを正面視したとき、その坑内の周面ＳＲから地中に向けて放射状に埋め込まれ、そのトンネルに生じた変形（歪み）を計測する。

光ファイバセンサ３０は、図９に示されるように、光ファイバ３１と、管３２と、先端キャップ部３３と、ガイドパイプ３４とを備えている。ガイドパイプ３４は、管３２の長手方向の長さと概ね同じ長さを有している。ガイドパイプ３４の外径は管３２の内径よりも小さく、ガイドパイプ３４の内径は光ファイバ３１の外径よりも大きい。２本のガイドパイプ３４が、側面視して管３２の内面の上部および下部のそれぞれに固定されている。各ガイドパイプ３４は、そのガイドパイプ３４の長手方向の概ね全領域が、管３２の内面に対して接着剤７１（図１２、図１３参照）で固定されている。

光ファイバ３１は、光ファイバ本体に被覆がされた構成をしている。その光ファイバ本体の直径は１２５μｍであり、その被覆を含めた光ファイバ３１の直径は２００μｍ〜２ｍｍである。管３２は、塩化ビニル製である。管３２の材質に関しては管１２と同様に考えることができる。ガイドパイプ３４は、金属または樹脂製の管である。ガイドパイプ３４は、管３２の変形に追従して変形自在な材質が選択される。さらに、ガイドパイプ３４が変形したときに、その変形したガイドパイプ３４に沿って（その変形通りに）そのガイドパイプ３４内の光ファイバ３１が変形するように、光ファイバ３１の外径よりもガイドパイプ３４の内径が大き過ぎないことが必要である。さらに、ガイドパイプ３４の内面は、光ファイバ３１の伸縮の妨げとならない程度に摩擦係数が小さい（滑り易い）ことが必要である。

光ファイバ３１の一端部３１ａは、光ファイバ３１内に光を入射し、その散乱光を受光する装置（図示せず）に接続されている。光ファイバ３１の他端部３１ｂは、第１のガイドパイプ３４の内部をその基端側３４ａから先端部３４ｂに向けて挿通され、その先端部３４ｂから管３２（または第１のガイドパイプ３４）の外部に出た箇所で折り返された後に、第２のガイドパイプ３４の内部をその基端側３４ａに向けて挿通される。２本の光ファイバ３１が用いられる点は、既述の形態に同じである。

光ファイバ３１は、各ガイドパイプ３４の内面に対し、その光ファイバ３１の長手方向においてＧＬ以上に設定された固定間隔ＤＳおきに固定点３９にて固定されている。その固定手段には、エポキシ樹脂系の接着剤７２（図１３参照）が用いられる。

図１２と図１３に示されるように、固定点３９以外の箇所では、ガイドパイプ３４は、管３２の内面に対して接着剤７１で固定されており、光ファイバ３１はガイドパイプ３４に対しては固定されていない。図１３に示されるように、固定点３９の箇所では、ガイドパイプ３４が管３２の内面に対して接着剤７１で固定されているとともに光ファイバ３１がガイドパイプ３４に対して接着剤７２で固定されている。

光ファイバセンサ３０の先端部には、光ファイバ３１のうち管３２（またはガイドパイプ３４）の先端部３２ｂ（３４ｂ）から出ている部分を覆う先端キャップ部３３が設けられている。先端キャップ部３３の構成は、既述の形態の先端キャップ部１３の構成と同一である。

本形態では、光ファイバ３１がＧＬ以上の固定間隔ＤＳで固定点３９にて固定される場合、その光ファイバ３１は、直接的に管３２に固定されるのではなく、ガイドパイプ３４に固定されていることが重要である。図１０に示されるように、光ファイバ３１が直接的に管３２に固定される場合、その隣接する固定点３９同士の間の間隔が大きいと、例えば管３２が上向きに凸に曲げ変形したときであっても、光ファイバ３１がその管３２の上向きに凸の変形通りには変形せずに、符号Ｍに示されるように、管３２の内面３２ｓから離間する向き（内側）にせり出すことがある。この場合、管３２の伸び変形量に対応して光ファイバ３１が本来変形しなければならない伸び変形量よりも、実際の光ファイバ３１の伸び変形量が小さくなることや、管３２が伸び変形したのとは逆に、光ファイバ３１には縮み変形が生じることがある。その結果、測定対象物の歪みを正確に計測することができない。

図１１に示されるように、本実施形態では、上記問題点を解決するために、管３２の変形に応じて自らが変形するとともに、その管３２の変形に応じて光ファイバ３１が変形するようにその光ファイバ３１を案内・規制するためのガイドパイプ３４を採用している。光ファイバ３１をガイドパイプ３４に対し、ＧＬ以上の固定間隔ＤＳで固定した理由は、既述の第２番目の形態に同じである。

図１４は、本発明による光ファイバセンサの実施の更に他の形態を示している。本形態では、ＢＯＴＤＲのように光ファイバの測定値が連続的に得られる計測方式における信号処理が用いられている。光ファイバ４１は、所定の固定間隔ＤＳで管（図示せず）に固定されている。定点固定では、隣り合う固定点間で歪み（のレベル）が異なる場合がある。その場合、光パルスである計測光がそれらの隣り合う固定点間に跨った状態で、その後方散乱光（ブリルアン散乱光）を検出すると、図１５に示されるように、２つのレベルの異なる歪みに応じた２つのスペクトルが重なり、その結果として、測定対象の光の中心周波数を求めることが困難となる。さらに、計測光がそれらの隣り合う固定点間にどのように跨るかによって測定値が異なる。

単一の固定間隔ＤＳの間に計測光が入っていないことから、上記の問題が起きる。図１５に示されるように、２つのスペクトルが重なっている場合、そのスペクトルの半値幅Ｄが広くなる。本実施形態では、このスペクトルの幅Ｄに着目して、図１８に示される以下の方法により信号処理を行い、上記問題を解決する。

ステップＳ１に示されるように、評価点の近傍か否かが判定される。すなわち、例えば図８に示されるように、長い光ファイバが１台のＢＯＴＤＲ装置に接続され測定値（後方散乱光）が連続的に得られるときに、そのうちの予め設定された評価点（歪み計測対象点）の後方散乱光のみを計測対象とするために、その受光タイミングに基づいて評価点に相当する測定値のみを抽出する。

ステップＳ１の結果、その受光タイミングに基づいて、評価点の近傍ではないと判断された場合（ステップＳ１−Ｎ）には、再度ステップＳ１を繰り返して、評価点近傍の測定光についてのみ、ステップＳ２以降のステップを行う。ステップＳ１の結果、評価点近傍であると判定された場合（ステップＳ１−Ｙ）には、その測定光のスペクトルの半値幅Ｄを計算する（ステップＳ２）。その計算結果が最小であるか否かが判断される（ステップＳ３）。このステップＳ３では、予め設定された値よりも小さいと判断されれば最小であると判断されることもできるし、あるいはステップＳ１およびステップＳ２を複数の測定光に対して実行して、その複数の内の中で最小であるものが最小であると判断されることができる。

ステップＳ３の結果、最小ではないと判断された場合（ステップＳ３−Ｎ）には、測定光を抽出する測定位置をずらした後に（ステップＳ４）、再度ステップＳ１に戻る。ステップＳ３の結果、最小であると判断された場合（Ｓ３−Ｙ）には、その中心周波数のシフト量を算出する（ステップＳ５）。ステップＳ３の結果、その測定光のスペクトルの半値幅Ｄが最小である場合には、図１６および１７に示すように、スペクトルが均一で固定間隔ＤＳの間に計測光が入っていることになる。

図１６に示されるように、信号光の測定間隔を（光ファイバ４１の固定間隔ＤＳ−測定光の長さＧＬ）以下にして、測定した後方散乱光のスペクトル半値幅Ｄを求め、最も半値幅Ｄが狭くなるサンプル点のスペクトルから中心周波数を求め、歪み値に換算する。

以上説明したように、実施の本形態では、ＢＯＴＤＲやＦＢＧなどのように光ファイバ上でシリアルにセンサが接続可能でかつ軸方向の歪みを計測可能で、有限のＧＬをもつセンサにおいて、以下の４つの点が上記実施形態のポイントの一部とされる。

第１の点：
打込み式の杭（管）に光ファイバを貼り付けて杭の変形を計測するセンサで、杭の先端の折返し部分を鏃の形状の部分に収納して杭の直径を小さくし、打ち込みやすくした点である。従来は、伝送光の特性、および光ファイバの強度特性により曲げ半径が３０ｍｍ以上必要であり、杭自体の形状が大きくなっていた。その結果、打ち込みが困難であったり、打ち込みにより地面の隆起などの影響があった。
第２の点：
杭の内部での固定間隔をＧＬまたはそれ以上にした点である。従来は、全面的に固定していたため、局所的な変形を検出することができなかった。
第３の点：
光ファイバをガイドパイプの中に挿入し、所定の間隔で固定された光ファイバが測定対象物の変形に追従しながら軸方向の伸びが発生するようにした点である。
第４の点：
ＢＯＴＤＲのように光ファイバの連続的な測定値が得られる計測方式において信号光の測定間隔を光ファイバの（固定間隔−ＧＬ）以下にして定点固定された区間の測定値を評価する際に、信号光の特性が最も均一な位置で評価するようにした点である。従来は、ＢＯＴＤＲのように測定値が連続的に得られる方法の場合、定点固定では、隣り合う固定点間で歪みが異なる場合があり、測定値がばらつく可能性がある。これは、測定装置の歪み値の求め方に問題があり、測定光が１つの固定区間に収まった時の光によって発生する信号光を得ることが困難であり、測定する光の中心周波数を求める際に隣り合う固定区間で発生する信号光が混ざって測定されるためである。

図１は、本発明の第１実施形態の光ファイバセンサを示す側面図である。図２は、本発明の第２実施形態において光ファイバセンサが用いられている状態を示す正面図である。図３は、本発明の第２実施形態の光ファイバセンサを示す側面図である。図４は、本発明の第２実施形態の光ファイバセンサにＢＯＴＤＲ装置から光パルスが入射される状態を説明するための側面図である。図５は、本発明の第２実施形態の光ファイバセンサにおいて、入射される光パルスとＧＬとの関係を示す図である。図６は、従来一般の光ファイバセンサにおいて、単一の測定区間にレベルが互いに異なる複数の歪みが生じているケースを説明するための図である。図７は、従来一般の光ファイバセンサにおいて、周波数が異なる３つのスペクトルを示す図である。図８は、本発明の第３実施形態の光ファイバセンサが用いられている状態を示す正面図である。図９は、本発明の第３実施形態の光ファイバセンサを示す側面図である。図１０は、従来一般の光ファイバセンサにおいて、管の変形に光ファイバの変形が追従しない状態を示す正面図である。図１１は、本発明の第３実施形態の光ファイバセンサにおいて、図１０の問題が解消された状態を示す正面図である。図１２は、図９のＸ１−Ｘ１線断面図である。図１３は、図９のＸ２−Ｘ２線断面図である。図１４は、従来一般の光ファイバセンサに関し、計測光が隣接する固定点間に跨った状態を示す側面図である。図１５は、図１４のケースにおいて２つのスペクトルが重なっている状態を示す図である。図１６は、本発明の第４実施形態に関し、計測光が単一の固定点間に入っていいる状態を示す側面図である。図１７は、図１５のケースにおいて単一のスペクトルのみがある状態を示す図である。図１８は、本発明の第４実施形態の動作の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１１…光ファイバ
１１ｔ…折返し部分
１２…第１筐体部分
１３…第２筐体部分
３４…ガイドパイプ

Claims

光ファイバと、
前記光ファイバを収容する筐体とを具え、
前記光ファイバは、
曲げられて折返しを形成する折返し部分と、
前記折返し部分の両端にそれぞれに接続する２本として形成される２本線部分とを備え、
前記筐体は、
前記折返し部分を収容する第１筐体部分と、
前記２本線部分を収容し前記第１筐体部分に結合する第２筐体部分とを備え、
前記第１筐体部分は、前記第２筐体部分に結合する側と反対の側で先細りに形状化され、
前記第１筐体部分は円錐面を有し、前記第１筐体部分は土木構造体に打ち込まれる
光ファイバセンサ。
前記第２筐体部分は前記第１筐体部分とともに前記土木構造体に打ち込まれる
請求項１の光ファイバセンサ。
光ファイバと、
前記光ファイバを収容する筐体とを具え、
前記光ファイバは、
曲げられて折返しを形成する折返し部分と、
前記折返し部分の両端にそれぞれに接続する２本として形成される２本線部分とを備え、
前記筐体は、
前記折返し部分を収容する第１筐体部分と、
前記２本線部分を収容し前記第１筐体部分に結合する第２筐体部分とを備え、
前記第１筐体部分は、前記第２筐体部分に結合する側と反対の側で先細りに形状化され、
前記２本線部分は設定長さの間隔で前記第２筐体部分に対して固定され、前記設定長さは２本線部分を通る計測光のパルス幅より長く、
前記２本はともに前記第２筐体部分に対して固定されるが、前記折返し部分は前記第１筐体部分に対して固定されない
光ファイバセンサ。
前記第２筐体部分はガイドパイプを備え、前記２本線部分は前記ガイドパイプに通され、前記２本線部分は前記ガイドパイプに固定される
請求項１〜３から選択される１請求項の光ファイバセンサ。
請求項１の光ファイバセンサを用いてブリルアン散乱光のスペクトルシフトにより歪みを受ける光ファイバ部分の歪みを計測する光散乱歪み計測方法であり、
複数の下記ステップ：
前記第１筐体部分と前記第２筐体部分を土木構造体に埋め込むこと、
前記ブリルアン散乱光の中から前記光ファイバの計測対象点の近傍で発生した測定光を取り出し、前記測定光のスペクトル幅が適正に最小値であることを確認すること、
前記スペクトル幅が前記最小値であることを確認することの後に、前記測定光のスペクトルのシフトを計算すること
を具える光散乱歪み計測方法。
請求項３の光ファイバセンサを用いてブリルアン散乱光のスペクトルシフトにより歪みを受ける光ファイバ部分の歪みを計測する光散乱歪み計測方法であり、
複数の下記ステップ：
前記第１筐体部分と前記第２筐体部分を土木構造体に埋め込むこと、
前記ブリルアン散乱光の中から前記光ファイバの計測対象点の近傍で発生した測定光を取り出し、前記測定光のスペクトル幅が適正に最小値であることを確認すること、
前記スペクトル幅が前記最小値であることを確認することの後に、前記測定光のスペクトルのシフトを計算すること
を具える光散乱歪み計測方法。