(57)【要約】【課題】正確な圧力値を測定できる分布型光ファイバ圧力センサケーブルの提供。【解決手段】可撓管からなる中コアと、前記中コアの外周に螺旋巻きされた圧力計測用光ファイバと、前記中コア肉厚内に埋設された軸方向歪補償用光ファイバと、前記中コア内に抗張力体とともに余長を持ってルースに収納された温度補償用光ファイバと、最外層として前記中コアを覆う可撓性の外被とを有することを特徴とする分布型光ファイバ圧力センサケーブル。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓管からなる中コアと、前記中コアの外周に螺旋巻きされた圧力計測用光ファイバと、前記中コア肉厚内に埋設された軸方向歪補償用光ファイバと、前記中コア内に抗張力体とともに余長を持ってルースに収納された温度補償用光ファイバと、最外層として前記中コアを覆う可撓性の外被とを有することを特徴とする分布型光ファイバ圧力センサケーブル。
【請求項２】
前記温度補償用光ファイバは、抗張力体の周りに撚り合わせて余長を確保して前記中コア内に収納されたことを特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバ圧力センサケーブル。
【請求項３】
前記中コアが発泡プラスチックからなる請求項１に記載の分布型光ファイバ圧力センサケーブル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いて連続的に水圧、油圧など圧力を検知可能な分布型光ファイバ圧力センサケーブルに関する。本発明の分布型光ファイバ圧力センサケーブルは、例えば、河川やダムの水位から生じる圧力、貯蔵された液体の圧力を計測してその量や有無を認識するために用いられる。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の圧力センサとしては、例えば、特許文献１〜６に開示された技術が提案されている。
【０００３】
特許文献１には、中空パイプ肉厚内部の、内層に２本のファイバを螺旋巻きして固定し、さらに外層に別の２本の光ファイバを螺旋巻きして固定することで、圧力・温度・歪を検知する光ファイバセンサが開示されている。
【０００４】
特許文献２には、圧力検知用光ファイバをマンドレル外周面に螺旋巻きしてセンシングコイルとし、一方、温度補償用の参照光ファイバを溝内にルースに収容することで、測定値を温度補正して正確な圧力を得る光ファイバセンサが開示されている。
【０００５】
特許文献３には、温度補償用光ファイバを内層中空パイプ内にルースに収容し、歪（伸び）検知用光ファイバを内層パイプと外層パイプの間に樹脂で固着することで、温度補正した正確な歪（伸び）を測定し得る光ファイバセンサが開示されている。
【０００６】
特許文献４には、ブリルアン散乱光の周波数シフトから歪（伸び）を検知するシステムで、温度補正することが開示されている。
【０００７】
特許文献５には、中空パイプ内に通信用光ファイバをルースに収納し、中空パイプ外周上に圧力検出用光ファイバを螺旋巻きした構造が開示されている。
【０００８】
特許文献６には、パイプの外周上あるいは肉厚内部に、パイプ長手方向に歪（伸び）検知用光ファイバを固着埋設し、一方、温度補償用光ファイバをチューブにルースに収容してパイプ長手方向に固着埋設した光ファイバセンサが開示されている。
【０００９】
前述した従来技術以外にも、圧力センサとしては、電気式、あるいは光ファイバの一部を加工して特定の位置の圧力を検知するタイプの多点型圧力センサが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／００７１１５８号明細書
【特許文献２】米国特許第５４７５２１６号明細書
【特許文献３】米国特許第５０９４５２７号明細書
【特許文献４】特開平１１−１７３９４３号公報
【特許文献５】特開平６−４３０５６号公報
【特許文献６】特開２００２−１５６２１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前述した従来技術には、次のような問題があった。
特許文献１に開示された光ファイバセンサは、すべての光ファイバが螺旋巻きされた構造であるため、径方向、軸方向、捻りの応力と温度の２つ以上の因子が同時に働いて変数が２つ以上になった場合、螺旋巻きされた光ファイバから得られる情報は１つ（対抗巻きの場合は２つ）であるため、どの因子が働いた圧力値であるかが不明であり、正確な圧力値を検知することができない。
【００１２】
特許文献２に開示された光ファイバセンサは、密巻きしたセンシング部分を長手方向に間欠的に設置したものであって、構造的にはポイント型センサを数珠繋ぎにした多点型圧力センサであり、従って、長手方向に沿った連続的なセンシングはできない。
【００１３】
特許文献３に開示された光ファイバセンサは、光ファイバに応力が働かないように挿入して温度補償ファイバとしているが、筐体に接着せずに挿入するだけでは、温度補償ファイバの機能を果たすことはできず、必ず余長が必要となる。
【００１４】
特許文献４に開示された光ファイバセンサは、歪の印加された光ファイバ（歪計測用ファイバ）と、印加されない光ファイバ（温度補償用ファイバ）の対比により温度補正を行う構成であるが、この歪計測用ファイバには、検知すべき圧力に起因した歪と、軸方向の歪、温度変化による歪とが加わること、および特許文献４に開示された光ファイバセンサ検知すべき圧力に起因した歪と軸方向の歪とを分離して測定できないことから、特許文献４に開示された光ファイバセンサでは、正確な圧力値を測定できない。
【００１５】
特許文献５に開示された光ファイバセンサは、特許文献１のセンサと同様に、光ファイバを螺旋巻きにしただけでは、径方向、軸方向、捻りの応力と温度の２つ以上の因子が同時に働いて変数が２つ以上になった場合、どの因子が働いた圧力値であるかが不明であり、正確な圧力値を検知することができない。
【００１６】
特許文献６に開示された光ファイバセンサは、温度補償用光ファイバをチューブにルースに収容してだけでは温度補償用として十分に機能させることが難しく、必ず余長が必要となる。
【００１７】
さらに、電気式、あるいは光ファイバの一部を加工した多点型圧力センサは、センサ部分と計測器との接続ケーブルから構成され、広範囲を測定するにはセンサ部分を数多く準備する必要があり、コストが高くなる。
また、予め設置した場所以外の水圧等を測定することは不可能であり、設置にあたり綿密な計画が必要である。
また、電気式のみならず、光ファイバ多点型センサにおいても、センサ部は強度、機能の面から金属部品が用いられているため、電気的なノイズの影響を受ける。
さらに、電気式センサは耐用年数が短く、５年を超える長期のモニタリングには適さない。
【００１８】
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、正確な圧力値を測定できる低コストな分布型光ファイバ圧力センサケーブルの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記目的を達成するため、本発明は、可撓管からなる中コアと、前記中コアの外周に螺旋巻きされた圧力計測用光ファイバと、前記中コア肉厚内に埋設された軸方向歪補償用光ファイバと、前記中コア内に抗張力体とともに余長を持ってルースに収納された温度補償用光ファイバと、最外層として前記中コアを覆う可撓性の外被とを有することを特徴とする分布型光ファイバ圧力センサケーブルを提供する。
【００２０】
本発明の分布型光ファイバ圧力センサケーブルにおいて、前記温度補償用光ファイバは、抗張力体の周りに撚り合わせて余長を確保して前記中コア内に収納されたことが好ましい。
【００２１】
本発明の分布型光ファイバ圧力センサケーブルにおいて、前記中コアが発泡プラスチックからなることが好ましい。
中コアは高感度センシングを実施するにあたり、低水圧でも径方向の収縮量が大きいことが必要条件である。中コア材が軟らかく、さらに発泡体とすることで等方からの水圧による圧縮に、収縮量を大きくすることが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の分布型光ファイバ圧力センサケーブルは、中コアの管内に温度補償用光ファイバをルースに収納し、中コア肉厚内に軸方向歪補償用光ファイバを埋設し、且つ中コアの外周に圧力計測用光ファイバを螺旋巻きにした構成なので、圧力計測用光ファイバによって測定された圧力（歪）を、軸方向歪補償用光ファイバにより測定されたセンサ軸方向の歪と温度補償用光ファイバにより測定された温度変化に起因した歪とによって補正することで、センサに加わる正確な圧力値を、センサ長手方向にわたって連続的に検知することができる。
また金属部品を全く使用しない構成なので、電気的ノイズ、落雷等の影響を受けない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の分布型光ファイバ圧力センサケーブルの実施形態を示し、（Ａ）は実施例１の横断面図、（Ｂ）は実施例１の要部斜視図、（Ｃ）は実施例２の横断面図、（Ｄ）は実施例２の要部斜視図である。
【図２】実施例１の分布型光ファイバ圧力センサケーブルの一部断面視した斜視図である。
【図３】本発明の分布型光ファイバ圧力センサケーブルの歪検知原理を説明するためのセンサの横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の分布型光ファイバ圧力センサケーブルの実施形態を説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）及び図２は、本発明の分布型光ファイバ圧力センサケーブルの実施例１を示す図であり、図１（Ａ）は実施例１の分布型光ファイバ圧力センサケーブル１の横断面図、図１（Ｂ）は要部斜視図、図２は一部断面視した斜視図である。これらの図中、符号１は分布型光ファイバ圧力センサケーブル、２は中コア、３は外被、４は圧力計測用光ファイバ、５は軸方向歪補償用光ファイバ、６は温度補償用光ファイバ、７は抗張力繊維（抗張力体）である。
【００２５】
本実施形態の分布型光ファイバ圧力センサケーブル１は、可撓管からなる中コア２と、この中コア２の外周に螺旋巻きされた圧力計測用光ファイバ４と、中コア２の肉厚内に埋設された軸方向歪補償用光ファイバ５と、中コア２内に抗張力繊維７とともに余長を持ってルースに収納された温度補償用光ファイバ６と、中コア２の外側を覆う可撓性の外被３とからなっている。
【００２６】
本実施形態の分布型光ファイバ圧力センサケーブル１は、光ファイバに生じた歪を検知する計測器との接続ケーブル自体が圧力センサの機能を有している。従って、電気式、あるいは多点型光ファイバ圧力センサと比べ、圧力測定システム全体を簡略化でき、低コストな圧力測定システムを構築できる。
【００２７】
圧力計測用光ファイバ４は、中コア２の外周に螺旋巻きされ、中コア２と一体化している。中コア２は、中空のパイプ形状（管状）をなしており、可撓性のあるプラスチック樹脂からなっている。また、外被３は、圧力計測用光ファイバ４を固定するための機能を有し、中コア２と同じか又は異なるプラスチック樹脂からなっている。
【００２８】
光ファイバは、環境温度の影響を受けるため、温度補償用光ファイバ６を中コア２内部に、抗張力繊維７とともに余長を持ってルースに収納している。この温度補償用光ファイバ６は、中コア２に固定されていないが、分布型光ファイバ圧力センサケーブル１が軸方向に張力が加わった場合にその影響を受けないように、アラミド繊維などの抗張力繊維７の周りにこの温度補償用光ファイバ６を撚り合わせることによって、余長を確保し、かつ振動、自重などにより光ファイバが移動しない構造とすることが好ましい。
【００２９】
中コア２の肉厚内に埋設配置した軸方向歪補償用光ファイバ５は、分布型光ファイバ圧力センサケーブル１に働く軸方向の歪を補償するためのものである。分布型光ファイバ圧力センサケーブル１を垂直方向に配置した際には、自重の影響などによってケーブルの軸方向に張力を受ける場合があり、圧力計測用光ファイバ４によって測定された圧力（歪）値を、この軸方向歪補償用光ファイバ５で測定した軸方向歪と温度補償光ファイバで測定された歪とで補正することで、正確な圧力（歪）値を検知することができる。
【００３０】
図１（Ｃ）、（Ｄ）は、本発明の分布型光ファイバ圧力センサケーブルの実施例２を示す図であり、図１（Ｃ）は実施例２の分布型光ファイバ圧力センサケーブル１の横断面図、図１（Ｄ）は要部斜視図である。
この実施例２の分布型光ファイバ圧力センサケーブル１は、温度補償用光ファイバ６が、中コア２内に配設された発泡プラスチック８の内部に余長をもってルースに埋設されており、それ以外の構成については前記実施例１の分布型光ファイバ圧力センサケーブル１と同様である。
【００３１】
この実施例２の分布型光ファイバ圧力センサケーブル１は、温度補償用光ファイバ６が中コア２内に配設された発泡プラスチック８の内部に余長をもってルースに埋設された構造としたことによって、実施例１と比較して、中コア２内に水が浸入しても長手方向に水の移動を抑制できる。
【００３２】
本実施形態の分布型光ファイバ圧力センサケーブル１は、圧力が加わると、軸方向および長手方向に圧縮応力を受ける。圧力計測用光ファイバ４は、中コア２と一体化しているため、中コア２と一緒に圧縮応力（歪）を受ける。その圧縮応力を歪計測器で検知する。なお、この歪計測器としては特に限定されず、従来技術、例えば特許文献１〜６中に記載されている歪測定手段を用いることができるが、ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）を用いた歪計測器が好ましい。
【００３３】
圧力計測用光ファイバ４で検知した歪は、温度変化に起因した歪、および軸方向の歪を含んでいる。その影響を排除するため、圧力計測用光ファイバ４で検知した歪量から、温度補償用光ファイバ６および軸方向歪補償用光ファイバ５から得られた歪量を差し引くことで、圧力による歪量を正確に得ることができる。
【００３４】
また、本実施形態の分布型光ファイバ圧力センサケーブル１は、ケーブル全体が圧力センサの機能を持っているため、ケーブルが敷設された場所すべての圧力を検知することが可能である。
【００３５】
次に、本実施形態の分布型光ファイバ圧力センサケーブル１による歪検知の原理を説明する。
図３は、分布型光ファイバ圧力センサケーブル１の歪検知の原理を説明する横断面図である。ここで、中コア内半径をａ、中コア外半径をｒ、センサ最外径をｂとする。
【００３６】
（１）平面ひずみ状態
三次元軸対象問題の平衡方程式を積分することにより、応力・歪分布が得られる。
【００３７】
応力は、下式（１）〜（３）で求められる。
【００３８】
【数１】
2010185729.tif 000003
【００３９】
【数２】
2010185729.tif 000004
【００４０】
【数３】
2010185729.tif 000005
【００４１】
歪は、下式（４）〜（６）で求められる。
【００４２】
【数４】
2010185729.tif 000006
【００４３】
【数５】
2010185729.tif 000007
【００４４】
【数６】
2010185729.tif 000008
【００４５】
光ファイバで計測される歪は、下式（７）〜（８）で求められる。
【００４６】
【数７】
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【００４７】
【数８】
2010185729.tif 000010
【００４８】
本発明の分布型光ファイバ圧力センサケーブルは、圧力の分布を測定する必要がある場所について、応用が可能である。例えば、あるエリアに均一に圧力がかかっているか、気体や液体の分布を測定することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の分布型光ファイバ圧力センサケーブルは、河川やダムの水位から生じる圧力、貯蔵された液体の圧力を計測してその量や有無を認識するために用いられる。
【符号の説明】
【００５０】
１…分布型光ファイバ圧力センサケーブル、２…中コア、３…外被、４…圧力計測用光ファイバ、５…軸方向歪補償用光ファイバ、６…温度補償用光ファイバ、７…抗張力繊維。
【図１】
2010185729.tif 000011
【図２】
2010185729.tif 000012
【図３】
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