(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部材と、発光部材に対向して設けた受光部材と、前記発光部材と前記受光部材間に、光透過性の樹脂を挿入し、前記樹脂部を被測定物に固定することで、被測定物が受けたひずみにより蓄積された前記樹脂部の光透過量の変化に基づいて、前記被測定物のひずみ量を測定することを特徴とするひずみセンサ
【請求項２】
２本の光ファイバの端面同士を対向して設け、前記端面間に光透過性樹脂を挿入して構成し、被測定対象物が受けたひずみにより蓄積されたクレイズあるいはひびに基づく、前記光透過性樹脂の光透過量の変化を用いて被測定対象物が受けたひずみを測定することを特徴とするひずみセンサ。
【請求項３】
１本の光ファイバの端面を覆うように円筒をかぶせ、前記円筒のファイバが挿入されていない他の端面に光を反射する部材を設け、前記円筒内部に光を通す樹脂が封入され、受けたひずみに基づいて前記樹脂に生じる光透過量の変化を用いて被測定対象物がうけたひずみを測定することを特徴とするひずみセンサ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のひずみセンサにおいて、前記樹脂が透明または半透明な熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂でできていることを特徴とするひずみセンサ。
【請求項５】
プラスチックでできた光ファイバの一部の径を、他の部分の径よりも小さく形成し、前記光ファイバの径の小さい部分を被測定物に固定することで、前記小さい部分が受けたひずみにより蓄積される前記小さい部分の光透過量の変化に基づいて、前記被測定物のひずみを測定することを特徴とするひずみセンサ。
【請求項６】
複数本の光ファイバと、それぞれの光ファイバの端部間にファイバ端面同士を覆うように内部に光を通す樹脂が封止された円筒で連結し、円筒の設けられていないファイバの端部の片方は発光端子に接続され、他方が受光素子に接続され、前記樹脂が受けたひずみにより蓄積される前記小さい部分の光透過量の変化に基づいてひずみを測定することを特徴とするひずみセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を用いた歪みセンサに係り、特に構造部の応力を測定するのに好適な歪みセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来光を用いて、ひずみを検知する方法として、特開平１０−１１１１１１号公報に記載のものがある。これには、光ファイバを少なくとも１ターン以上巻円周方向の一部もしくは全周を軸方向全域にわたって接着したソレノイドと、前記ソレノイドの内周に接触して互いに平行に配置することによって、前記ソレノイドを楕円状とし、かつ、それぞれの一端を測定対象部に限定した２本のフォーマとからなる構成が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、構造物を形成する各種部材が、使用中に設計荷重を上回る過大変形を受けたか否かを知るには、上記の従来技術では、常時ひずみ信号を記録し続けるか、何らかの警報装置を常時働かせ、しきい値を超えるようなひずみを監視しつづけなければならない。ひずみ測定用の増幅器などは価格も高く、測定したい個所毎に機器を準備する必要があり、構造物が大きくなるとひずみの常時監視は困難となる。また、構造物の破壊は過大なひずみを複数回受けることで起こる場合が多いことから、ひずみの大きさと回数が重要な監視項目である。
【０００４】
本発明の目的は、被測定物が受けた過大なひずみ量、およびその回数が蓄積される簡便なひずみセンサを提供し、非使用時に外部からこのセンサに検出装置を接続することで過大なひずみを受けた回数が判定できるセンサの提供することにある。
【０００５】
【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、発光部材と、受光部材とを対向させ、これらの間に、光を通す樹脂を挿入し、前記樹脂部を被測定物に固定することで被測定物のひずみを検出する。
【０００６】
又は、発光素子又は、受光素子に代えて光ファイバの端面同士を対向させ、それらの間に光を通す樹脂を挿入した構成とした。
【０００７】
１本の光ファイバの端面を覆うように光透過性樹脂を封入した、円筒部材かぶせ、ファイバが挿入されていない円筒の他の端面に光を反射する部材設けた構成とした。
【０００８】
なお、前記樹脂が透明または半透明な熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂でできていること。
【０００９】
又は、プラスチックでできた光ファイバの一部の径を他の部分の径よりも小さく形成し、前記径の小さい部分を、被測定物に固定する構成とした。
【００１０】
複数本の光ファイバと、それぞれの光ファイバの端部間にファイバ端面同士を覆うように内部に光を通す樹脂が封入された円筒で連結し、円筒の設けられていないファイバの端部の片方は発光素子に接続され、他方が受光素子に接続されている構成とした。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図を用いて説明する。図１はひずみセンサの正面図を示す。
【００１２】
発光素子１には給電用のリード線２が接続され、リード線２は電源３に接続されている。受光素子４は光を受けることで電圧を発生し、リード線２を介して電圧測定機５に接続される。発光素子１と受光素子２は互いに対向し、両者の間には透明な樹脂６が固定されている。樹脂６は透明または半透明なものが望ましく、エポキシ樹脂、ＡＢＳ樹脂などが考えられる。
【００１３】
この樹脂６部はひずみを測定したい部材７（被測定部材）に接着剤８などで固定される。被測定物７が変形すると樹脂６部もこれにあわせて変形する。変形量がある一定値を超えると、樹脂６部には樹脂特有のクレイズと呼ばれる縞模様が発生し、変形が繰り返されるとこれは樹脂６部内に微細なひびを生じる。このひびにより樹脂６内を透過する光は乱反射するため、発光素子１から受光素子４に到達する光量は変化する。
【００１４】
このひびの起点となるクレイズを発生させるのに必要なひずみ量は、樹脂の種類によって異なる。このひずみのしきい値を超えない範囲で、樹脂６部が複数回変形を受けても樹脂内にはひびは生じない。
【００１５】
本実施例によれば、被測定物のひずみ量の大きさに応じて透過光量が変化し、しかも一度受けた過大ひずみの履歴は樹脂６内のひびの形で蓄積される。このため、常時被測定物のひずみを監視しなくとも、点検時に発光素子１に通電し、受光素子４に発生する電圧の変化で、受けたひずみの大きさおよび回数が判定できる。しかも、しきい値を超えないひずみの履歴は残らず、異常なひずみのみ履歴が残る。
【００１６】
この動作を図２に示す。（ａ）は被測定物のひずみの時間変化を示す。（ｂ）はこの時の受光素子で受ける光量の時間変化を示す。
【００１７】
樹脂にクレイズを生じさせないような小さいひずみが繰り返されている間Ａ−Ｂの光量は初期状態のままである。Ｃにおいて一旦過大なひずみを受けると図２（ｂ）に示すように光量は減少する。その後、小さいひずみが繰り返されている間Ｄ−Ｅはその光量を維持する。再びＦにおいて過大なひずみを受けると、図２（ｂ）のように光量はさらに減少する。この、光量の減少量と過大ひずみの繰り返し数との関係を調べておくことで、点検時の光量変化から、構造部材が受けた過大ひずみの履歴を知ることができる。
【００１８】
本発明の他の実施例を図を用いて説明する。図３はひずみセンサの断面図である。
【００１９】
図において、２本の光ファイバ９は端面同士が一定の距離をもって対向するように円筒１０に挿入されている。ファイバ９の端面は共に研磨されている。また、円筒１０内には樹脂６が封入されている。円筒１０は、接着剤８などを用いて被測定物７に固定されて使用する。ファイバ９はレーザ光源１１および光パワーメータ１２に接続される。ファイバ９はシングルモード、多モード型いずれでも良く、材質も石英ガラス、プラスチックとする。樹脂は透明または半透明なものが望ましく、エポキシ樹脂、ＡＢＳ樹脂などが考えられる。円筒１０の材料は被測定物の部材７と同じ材料か、樹脂６に近い変形をする材料が好ましい。
【００２０】
被測定物７が変形すると、円筒１０及び樹脂６部もこれにあわせて変形する。変形量がある一定値を超えると、樹脂６部には樹脂特有のクレイズが発生し、変形が繰り返されるとこれは樹脂部６内に微細なひびに成長する。このひびにより樹脂６内を透過する光は乱反射するためレーザ光源１１から光パワーメータ１２に到達する光量は変化する。樹脂６の種類およびファイバ９同士の間隔を適当に選ぶことで、このひびの起点となるクレイズを発生させるのに必要なひずみしきい値を調節する。このひずみのしきい値を超えない範囲で樹脂部６が複数回変形を受けても樹脂内にはひびは生じない。
【００２１】
本実施例によれば、被測定物７のひずみ量の大きさに応じて透過光量が変化し、しかも一度受けた過大ひずみの履歴は樹脂６内のひびの形で蓄積されるため、常時被測定物のひずみを監視しなくとも、点検時にレーザ光源１１を働かせ、光パワーメータ１２で受光する光量の変化で、受けたひずみの大きさおよび回数が判定できる。しかも、しきい値を超えないひずみの履歴は残らず、異常なひずみのみ履歴が残る。また、光ファイバを使用することでセンサとしての配線が容易となり、電磁ノイズにも強いセンサとなる。
【００２２】
本発明の他の実施例を図を用いて説明する。図４はひずみセンサの断面図である。
【００２３】
光ファイバ９の一端側の端面は研磨され、円筒１０に挿入されている。円筒１０内には樹脂６が封入され、円筒の端面１３は光ファイバ端面１４と互いに平行になるように研磨されている。そして、円筒端面１１には光を反射する材料、例えば金が被覆されている。円筒内面に金が蒸着されていても良い。ファイバ９の他端部は光方向性結合器、フォトカプラ１５に接続される。フォトカプラ１５には、レーザ光源１１に接続されたファイバ９および光パワーメータ１２に接続されたファイバ９が接続される。樹脂６は先の実施例と同じく、エポキシ樹脂、ＡＢＳ樹脂などが考えられる。円筒１０は接着剤８などを介して被測定物７に固定される。レーザ光源１１からの光はフォトカプラ１４を通過し、樹脂６内を通過した後、円筒端面１３で反射して再びフォトカプラ１５に入る。フォトカプラ１５に入った光は、光パワーメータ１２に到達する。
【００２４】
クレイズの発生等は図３の実施例と同じであるのでここでの説明は省略する。このひびにより樹脂６内を透過する光は乱反射し、円筒端面１３での反射光量が変化する。樹脂６の種類およびファイバ９と反射面との間隔を適当に選ぶことで、このひびの起点となるクレイズを発生させるのに必要なひずみしきい値を調節する。その他の検出方法は先の実施例と同じである。本実施例では、光ファイバ先端にひずみ検知部があるため、１本のファイバを測定個所に固定するだけでひずみ履歴を監視できる。
【００２５】
本発明の他の実施例を図５を用いて説明する。図５は光ファイバセンサの正面図である。
【００２６】
レーザ光源１１に接続された光ファイバ９は複数箇所で切断されている。そして、切断部毎に円筒１０をかぶせ、内部に樹脂６が封入してある。ファイバ９の最終端は光パワーメータ１２に接続される。円筒１０は被測定物７のひずみを監視したい複数箇所に接着剤８などを用いて固定される。いずれかの測定個所のひずみがしきい値を超えるとその部分のみ樹脂６にひびが入ることで透過光量が変化する。本実施例によれば、光パワーメータ１２の出力を定期的に監視することで複数箇所の過大ひずみの履歴を同時に知ることができる。
【００２７】
本発明の他の実施例を図６を用いて説明する。
【００２８】
図においてレーザ光源１１から発せられた光はフォトカプラ１５を通過した後、複数の円筒１０群を通過する。そして各円筒内部のファイバ端面１６で反射した光はフォトカプラ１５に戻り、光パワーメータ１２に入射する。本実施例によっても複数箇所の同時計測が可能となる。また、各円筒群からの反射光の旅程を測るか、波数をカウントすることでセンサの位置も特定できる。
【００２９】
本発明の他の実施例を図７を用いて説明する。
【００３０】
光ファイバ９は、一部分径が他の部分よりも小さい個所１７を有している。また、光ファイバの材質はプラスチック材とする。被測定物７には固定具１８を介して接着剤８などで固定される。被測定物７がひずむと径の小さい光ファイバ１７は他の径が大きいファイバ部よりも大きくひずむ。そのため、プラスチックファイバ自身にひびが入り、透過光量が変化する。本実施例によれば、光ファイバ自身がひずみセンサとしての機能を持つため、製作コストが削減できる。
【００３１】
本発明の他の実施例を図８を用いて説明する。図８は発電機の斜視図である。
【００３２】
回転子１８には界磁巻線が施され励磁されて回転する。電力を取り出す固定子コイル１９は樹脂製のロッドなどによりステータフレーム２０内に固定される。固定子コイル１９端部にはひずみセンサ２１が固定されている。回転中の変動磁場により固定子コイルは振動する。万が一、コイルを固定しているロッドなどが損傷し、コイルの振動が過度になるとコイルが破断する危険が生じる。ひずみセンサ２１により全コイルの端部固定部のひずみ履歴を監視し、ファイバ透過光が変化してきたことにより、コイル振動が過大になってきていることが分かる。また、光ファイバを用いているため、運転中の点検時においても電磁ノイズの影響を受けない。
【００３３】
本発明の他の実施例を図を用いて説明する。図９はひずみセンサの断面図である。図４の実施例では円筒端面に反射部があったが、これは他の光ファイバ２２を挿入し、その端面に反射物が塗布されている例である。
【００３４】
本実施例によれば、被測定物７のひずみ量の大きさに応じて透過光量が変化し、しかも一度受けた過大ひずみの履歴は樹脂６内のひびの形で蓄積される。このため、常時被測定物のひずみを監視しなくとも、点検時にレーザ光源１１を働かせ、光パワーメータ１２で受光する光量の変化で、受けたひずみの大きさおよび回数が判定できる。しかも、しきい値を超えないひずみの履歴は残らず、異常なひずみのみ履歴が残る。また、円筒端部よりも平滑な反射面が得られやすい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、被測定物が受けた過大ひずみの履歴がセンサ内に樹脂のひびの形で蓄積されるため、常時被測定物のひずみを監視しなくとも、点検時にレーザ光源を働かせ、光パワーメータで受光する光量の変化で、受けたひずみの大きさおよび回数が判定できる。しかも、しきい値を超えないひずみの履歴は残らず、異常なひずみのみ履歴が残る。また、光ファイバを使用することでセンサとしての配線が容易となり、電磁ノイズにも強いセンサとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のひずみセンサの正面図である。
【図２】ひずみと光量の時間変化図である。
【図３】他の実施例のひずみセンサの断面図である。
【図４】他の実施例のひずみセンサの断面図である。
【図５】他の実施例のひずみセンサの正面図である。
【図６】他の実施例のひずみセンサの正面図である。
【図７】他の実施例のひずみセンサの正面図である。
【図８】本発明のひずみセンサを適用した発電機の斜視図である。
【図９】他の実施例のひずみセンサの断面図である。
【符号の説明】
１…発光素子、４…受光素子、６…樹脂、９…光ファイバ、１０…円筒、１５…フォトカプラ、１７…径の小さい光ファイバ。
【図１】
0003551852.tif 000002
【図２】
0003551852.tif 000003
【図３】
0003551852.tif 000004
【図４】
0003551852.tif 000005
【図５】
0003551852.tif 000006
【図６】
0003551852.tif 000007
【図７】
0003551852.tif 000008
【図８】
0003551852.tif 000009
【図９】
0003551852.tif 000010