(57)【要約】【課題】温度の変化によっても生ずるひずみ分の検出を除去できる簡易な手段を採用し、もって正確な水圧の計測が安価なコストで形成できる光ファイバセンサを使用した、例えば地下水の水圧や地下水の間隙水圧をも計測できる、いわゆるFBG光ファイバセンサ式水圧計測装置の提供を目的とする。【解決手段】中空部を有する筒状水圧計測装置本体部と、該本体部の下部開口に設けられた水圧検出部と、水圧値を揺動幅に変換する揺動幅変換部と、揺動幅により水圧が計測できる水圧計測部とを備え、水圧検出部、揺動変換部及び水圧計測部は、前記本体部内に配置されると共に、水圧計測部は、揺動変化によるひずみ及び温度変化によるひずみを一対のＦＢＧにより検出するひずみ検出部を有し、ひずみ検出部によって温度変化によるひずみ分が計測されて、揺動変化によるひずみ分のみ取り出すことが可能とされた、ことを特徴とする。  【選択図】              図１
2008209250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に密閉された中空部を有する筒状水圧計測装置本体部と、該筒状水圧計測装置本体部の下部開口に設けられた水圧検出部と、該水圧検出部で検出された水圧値を揺動幅に変換する揺動幅変換部と、揺動幅変換部で変換された揺動幅により水圧が計測できる水圧計測部と、
を備え、
前記水圧検出部、揺動変換部及び水圧計測部は、前記筒状水圧計測装置本体部内に配置されると共に、
水圧計測部は、揺動変化によるひずみ及び温度変化によるひずみを一対のＦＢＧにより検出するひずみ検出部を有し、
前記ひずみ検出部によって温度変化によるひずみ分が計測されて、揺動変化によるひずみ分のみ取り出すことが可能とされた、
ことを特徴とする光ファイバセンサ式水圧計測装置。
【請求項２】
前記水圧検出部は、前記筒状水圧計測装置本体部内の中空部下端部に設けられ、水圧の値を揺動幅に変換して検出するベローズ状またはダイアフラム状伸縮部材による水圧受圧部として形成された、
ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバセンサ式水圧計測装置。
【請求項３】
前記揺動変換部は、前記水圧受圧部の揺動と連動して揺動する揺動杆及び該揺動杆の揺動幅を水圧計測部により計測可能な計測幅に変換すべく前記揺動杆先端部に当接して設置されたカンチレバー型変換バネにより構成された、
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の光ファイバセンサ式水圧計測装置。
【請求項４】
前記揺動杆の先端部に当接するカンチレバー型変換バネは前記片持ち用保持部材の上方部位に設けられた規制ボルトによって揺動が規制された、
ことを特徴とする請求項３記載の光ファイバセンサ式水圧計測装置。
【請求項５】
前記揺動杆の先端部に当接するカンチレバー型変換バネは、計測すべき水圧の高低に応じて、材質あるいは形状を変更可能とした、
ことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の光ファイバセンサ式水圧計測装置。
【請求項６】
前記水圧計測部は、
前記中空部内の内側面に、中空部の上下方向に向かって片持ち用の保持部材が取り付けられ、該片持ち用保持部材の下側保持片を貫通して上下に揺動する揺動杆が揺動可能にして取り付けられてなり、
前記片持ち用保持部材の下側保持片側面には、導入された光ファイバを係止固定する第１係止固定部が形成されると共に、片持ち用保持部材の上方側には、光ファイバを係止固定する第２係止固定部持片が形成されてなり、  
該第１係止固定部と第２係止固定部間の光ファイバに係止固定する揺動係止固定部が前記揺動杆に固定されて設けられ、
第１係止固定部と前記揺動係止固定部間及び第２係止固定部１８と揺動係止固定部間には光ファイバの伸縮に伴い生ずるひずみを検出するＦＢＧが各々２個設けられて構成された、
ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６記載の光ファイバセンサ式水圧計測装置。
【請求項７】
前記第２固定部は、片持ち用保持部材の上側保持片上下方向に螺挿された調整ボルトに連結され、該調整ボルトの螺挿によって、前記第１係止固定部と第２係止固定部間に張設された光ファイバのテンションが調節可能とされた、
ことを特徴とする請求項７記載の光ファイバセンサ式水圧計測装置。
【請求項８】
前記揺動係止固定部は、揺動杆上下方向に螺挿された揺動杆調整ボルトにより前記揺動杆長手方向における揺動杆係止固定部の設置位置が調整可能とされた、
ことを特徴とする請求項７記載の光ファイバセンサ式水圧計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバセンサを適用した光ファイバセンサ水圧計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光ファイバセンサを使用した、例えば地下水の水圧を計測する、いわゆるFBG光ファイバセンサ式水圧計測装置は一般に知られている。
しかしながら、前記従来の光ファイバセンサを使用した、例えば地下水の水圧を計測する、いわゆるFBG光ファイバセンサ式水圧計測装置では、温度の変化によっても生ずるひずみ分を除去すべく簡単な構成による温度補正手段を採用する計測装置ではなかった。
すなわち、従来、この温度変化によるひずみ分の補正に当たっては、温度変化のみのひずみを検出する温度変化によるひずみ検出構成部材を別途設けたりして対応していたが、その分装置がコスト高になってしまったり、水圧計測装置自体が大型化してしまったりするとの課題があったのである（特開２００３−２８６９８号公報）。
【特許文献１】特開２００３−２８６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、近年、前記例えば地下水の水圧を計測する、いわゆるFBG光ファイバセンサ式水圧計測装置において温度の変化によっても生ずるひずみ分の検出を除去する簡易な手段を採用し、もって正確な水圧の計測が安価なコストで形成できる光ファイバセンサを使用した、例えば地下水の水圧を計測する、いわゆるFBG光ファイバセンサ式水圧計測装置の開発が要請されている。
【０００４】
かくして、本発明は前記従来の課題に対処すべく創案されたものであって、いわゆるFBG光ファイバセンサ式水圧計測装置において、温度の変化によっても生ずるひずみ分の検出を除去できる簡易な手段を採用し、もって正確な水圧の計測が安価なコストで形成できる光ファイバセンサを使用した、例えば地下水の水圧を計測する、また地下水の間隙水圧をも計測できる、いわゆるFBG光ファイバセンサ式水圧計測装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による光ファイバセンサ式水圧計測装置は、
内部に密閉された中空部を有する筒状水圧計測装置本体部と、該筒状水圧計測装置本体部の下部開口に設けられた水圧検出部と、該水圧検出部で検出された水圧値を揺動幅に変換する揺動幅変換部と、揺動幅変換部で変換された揺動幅により水圧が計測できる水圧計測部と、
を備え、
前記水圧検出部、揺動変換部及び水圧計測部は、前記筒状水圧計測装置本体部内に配置されると共に、
水圧計測部は、揺動変化によるひずみ及び温度変化によるひずみを一対のＦＢＧにより検出するひずみ検出部を有し、
前記ひずみ検出部によって温度変化によるひずみ分が計測されて、揺動変化によるひずみ分のみ取り出すことが可能とされた、
ことを特徴とし、
または、
前記水圧検出部は、前記筒状水圧計測装置本体部内の中空部下端部に設けられ、水圧の値を揺動幅に変換して検出するベローズ状またはダイアフラム状伸縮部材による水圧受圧部として形成された、
ことを特徴とし、
または、
前記揺動変換部は、ベローズ状またはダイアフラム状伸縮部材による水圧受圧部の揺動と連動して揺動する揺動杆及び該揺動杆の揺動幅を水圧計測部により計測可能な計測幅に変換すべく前記揺動杆先端部に当接して設置されたカンチレバー型変換バネにより構成された、
ことを特徴とし、
または、
前記揺動杆の先端部に当接するカンチレバー型変換バネは前記片持ち用保持部材の上方部位に設けられた規制ボルトによって揺動が規制された、
ことを特徴とし、
または、
前記揺動杆の先端部に当接するカンチレバー型変換バネは、計測すべき水圧の高低に応じて、材質あるいは形状を変更可能とした、
ことを特徴とし、
または、
前記水圧計測部は、
前記中空部内の内側面に、中空部の上下方向に向かって片持ち用の保持部材が取り付けられ、該片持ち用保持部材の下側保持片を貫通して上下に揺動する揺動杆が揺動可能にして取り付けられてなり、
前記片持ち用保持部材の下側保持片側面には、導入された光ファイバを係止固定する第１係止固定部が形成されると共に、片持ち用保持部材の上方側には、光ファイバを係止固定する第２係止固定部持片が形成されてなり、  
該第１係止固定部と第２係止固定部間の光ファイバに係止固定する揺動係止固定部が前記揺動杆に固定されて設けられ、
第１係止固定部と前記揺動係止固定部間及び第２係止固定部１８と揺動係止固定部間には光ファイバの伸縮に伴い生ずるひずみを検出するＦＢＧが各々２個設けられて構成された、
ことを特徴とし、
または、
前記第２固定部は、片持ち用保持部材の上側保持片上下方向に螺挿された調整ボルトに連結され、該調整ボルトの螺挿によって、前記第１係止固定部と第２係止固定部間に張設された光ファイバのテンションが調節可能とされた、
ことを特徴とし、
または、
前記揺動係止固定部は、揺動杆上下方向に螺挿された揺動杆調整ボルトにより前記揺動杆長手方向における揺動杆係止固定部の設置位置が調整可能とされた、
ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明による光ファイバセンサ式水圧計測装置によれば、温度の変化によっても生ずるひずみ分の検出を除去できる簡易な手段を採用でき、もって正確な水圧の計測が安価なコストで形成できる光ファイバセンサを使用した、例えば地下水の水圧を計測する、いわゆるFBG光ファイバセンサ式水圧計測装置を提供できるとの優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明を図に示す発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。
まず、図１から理解されるように、本発明による光ファイバセンサ式水圧計測装置１は、内部に中空部２を有する筒状水圧計測装置本体部３と、該筒状水圧計測装置本体部３の下部開口に設けられた水圧検出部４と、該水圧検出部４で検出された水圧値を揺動幅に変換する揺動幅変換部５と、該揺動幅変換部５で変換された揺動幅により水圧が計測できる水圧計測部６と、を有して構成されている。
【０００８】
そして、前記水圧検出部４、揺動変化部５及び水圧計測部６は、前記筒状水圧計測装置本体部３の中空部２内に密閉されて配置されるものとなる。
【０００９】
ここで、まず、水圧検出部４の具体的構成につき説明する。
図から理解されるように、水圧検出部４は、ベローズ状またはダイヤフロム状伸縮部材からなる水圧受圧部として形成されている。
すなわち、筒状水圧計測装置本体部３の下方側には、その外周側面に地下水などの水を導入する導入口７が複数設けられており、該導入口７から外部の水がフィルター材８を通過して装置本体部３内に導入される様構成されている。
【００１０】
ここで、符号９は上下方向に伸縮自在な例えば、柔軟部材である樹脂などで形成されたベローズ状をなす筒状伸縮部材であり、該伸縮部材９に前記導入された水の水圧が伝わるよう構成されている。
この伸縮部材９の下端は、閉塞されて、前記伸縮部材９の内部、すなわち中空部２の内部と中空部２の外部とに分けられている。
しかして、中空部２内の内側面には中空部２の上下方向に向かって片持ち用の保持部材１１が取り付けられており、該片持ち用保持部材１１の下側保持片１２を貫通して上下に揺動する揺動杆１３が揺動可能にして取り付けられている。
そして、前記揺動杆１３の先端部１４側には、片持ち用保持部材１１の上方部位に設けられ、前記揺動杆先端部に当接してカンチレバー型変換バネ１５が設置されている。該カンチレバー型変換バネの材質については何ら限定されないが、金属製、例を挙げればステンレス製で形成してもかまわない。また、樹脂製で形成してもかまわない。
【００１１】
なお、その形状、特に厚さであるが、厚さを変えたカンチレバー型変換バネ１５に容易に交換することもできる。なお、材質の違うものにも容易に交換可能であることは言うまでもない。
しかして、該カンチレバー型変換バネ１５は、前記揺動杆の揺動幅を後述する水圧計測部６により計測可能な計測幅に変換すべく前記揺動杆１３先端部に当接して上下方向に曲がるよう構成されている。
【００１２】
ここで、カンチレバー型変換バネ１５は、計測すべき水圧の高低に応じて、その材質や形状を変更したものを使用する。
すなわち、計測すべき水圧が高いことが予測される箇所においては、水圧受圧部４を構成する伸縮部材９が高水圧により収縮し、前記揺動杆１３の揺動幅が大きくなる。そのため、カンチレバー型変換バネ１５をヤング率の高い材質のもにしたり、あるいは厚みをあつくしたりして形状を変更し、後述するＦＢＧ２０で計測可能な揺動幅にするのである。
【００１３】
なお、符号２４は規制ボルトを示し、該規制ボルト２４によって前記カンチレバー型変換バネ１５の必要以上の上方への曲げが規制される。
ここで、前記片持ち用保持部材１１の下側保持片１２の側面には外部より中空部２内へ導入された光ファイバ１６を係止固定する第１係止固定部１７が形成され、また片持ち用保持部材１１の上方側には、やはり光ファイバ１６を係止固定する第２係止固定部持片１８が形成されている。  
【００１４】
さらに、前記第１係止固定部１７と第２係止固定部１８との間には、この間の光ファイバ１６に係止固定する揺動係止固定部１９が前記揺動杆１３に固定されて設けられている。
そして、第１係止固定部１７と前記揺動係止固定部１９との間及び第２係止固定部１８と揺動係止固定部１９との間には光ファイバ１６の伸縮に伴い生ずるひずみを検出するＦＢＧ２０，２０が各々設けられている。
【００１５】
なお、第２係止固定部１９は、図から理解されるように、片持ち用保持部材１１の上側保持片２１上下方向に螺挿された調整ボルト２２に連結されており、当該調整ボルト２２の螺挿動作によって、第１係止固定部１７と第２係止固定部１９との間に張設された光ファイバ１６のテンション（張力）を調節することができる構成となっている。
【００１６】
図ではこの調整ボルト２２と前記規制ボルト２４とが一体に形成されているが、別体で形成してもかまわない。
また、揺動係止固定部１９についても揺動杆１３の上下方向に調整可能にすべく揺動杆調整ボルト３０によって揺動杆先端に取り付けられている。よって、揺動杆１３の長手方向において揺動係止固定部１９の位置を調整したいときには、該揺動調整ボルト３０で調整することになる。
【００１７】
なお、前述した規制ボルト２４は、後述するＦＢＧ２０によるひずみ検出ができる伸張以上の伸張があったとき、該規制ボルト２４によりカンチレバー型変換バネ１５が押さえつけられ、揺動杆１３の上揺動が規制できるようになっていることすでに述べたとおりである。
【００１８】
ここで、図５を参照して、光ファイバ１６の取り付け固定状態及び引き回し状態について説明する。
光ファイバ１６の長手方向に配置される複数のＦＢＧ２０については、それぞれ所定の間隔をあけて配置することは周知のことである。いわゆる時間分割多重化によるＦＢＧでは、あまり接近してＦＢＧ２０を複数配置すると、それぞれのＦＢＧ２０・・・でのひずみの検出ができなくなるからである。そこで図５例１，例２に示すように、２つのＦＢＧ２０，２０間に所定の間隔を保持すべく工夫を凝らした。すなわち、導入された光ファイバ１６を第１係止固定部１７、第２係止固定部１８、揺動係止固定部１９の３カ所に固定し、調整ボルト２２（図１参照）を操作して光ファイバ１６のテンションを調整した後、揺動係止固定部１９を揺動杆１３に揺動杆調整ボルト３０により固定するのである。
【００１９】
ここで、第２係止固定部１８と揺動係止固定部１９との間に光ファイバ１６が係止固定すると共に、図５の例１に示すように所定の長さを確保し、揺動係止固定部１９に係止固定する。そして、下側のＦＢＧ２０を有する光ファイバ１６を第１係止固定部１７に係止固定する構造としてもかまわない。
また、図５の例２に示すように、揺動係止固定部１９と第１係止固定部１７との間に光ファイバ１６が係止固定すると共に、所定の長さを確保し、第２係止固定部１８に係止固定する。
そして、上側のＦＢＧ２０を有する光ファイバ１６を揺動係止固定部１９に係止固定する構造としてもかまわないものである。
この様な構成を採用することにより、２つのＦＢＧ２０，２０間に所定の長い間隔をあけることができ、いわゆる時間分割多重化によるＦＢＧ２０によっても確実なひずみ検出をすることができる。
【００２０】
なお、図５の例３では、所定の長さを確保せず、光ファイバ１６を係止固定してあるが、この例の場合は、いわゆる波長で多重化するＷＤＭ方式を採用する場合であり、当該ＷＤＭ方式を採用する場合には、この例３のように配置しても充分に各ＦＢＧ２０，２０のひずみを区別して検出できる。
しかして、これらどちらのタイプを採用するかは、実際の設置箇所や設置状況を考慮して決定すればよい。  
【００２１】
筒状水圧計測装置本体３の上部には上部開口を閉塞する閉塞部材２５が取り付けられ、かつ該閉塞部材２５には外部から光ファイバ１６を筒状水圧計測装置本体部３内に導入する導入部２６及び筒状水圧計測装置本体部３内部から外部へ送出する送出部２７が設けられた光ファイバ取込部２８が取り付けられている。
さらに、この光ファイバ取込部２８の隣には筒状水圧計測装置本体部３の中空部２内に基準となる１気圧の気体、例えば外気を導入する基準気圧導入口２９が形成され、該基準気圧導入口２９から例えば１気圧の基準気圧が導入された後に密閉できる構成とされている。
【００２２】
以上において、本発明の使用状態につき説明する。
中空部２内に２つのＦＢＧ２０，２０が取り付けられた光ファイバ１６が導入され、かつ該中空部２内は１気圧の基準気圧とされて、当該光ファイバセンサ水圧計測装置１は構成され、各々水圧を検出すべき所定箇所に設置される。
そして、その設置箇所において水圧（最終的には水圧が検出できる）を検出すべく、ベローズ状の筒状伸縮部材９などによって形成された水圧受圧部、すなわち水圧検出部４により、揺動杆１３が上下方向に揺動する。
すなわち、筒状水圧計測装置本体部３の中空部２内は１気圧に保持されているため、設置箇所の水圧が１気圧より高い場合には、前記ベローズ状の水圧検出部４が押圧され、図２に示すように筒状伸縮部材９は収縮する。
すると、この伸縮部材９に下端部が固着されている揺動杆１３が上方に揺動する。この揺動杆１３の上方揺動に伴って揺動係止固定部１９も上方に揺動する。すると、第１係止固定部１７と揺動係止固定部１９の間の光ファイバ１６は引っ張られて、この引っ張りによりこの間に設置されたＦＢＧ２０がひずみを検出する。
【００２３】
また、揺動係止固定部１９と第２係止固定部１８との間の光ファイバ１６は緩み、そしてこの間に設置されたＦＢＧ２０がそのひずみを検出する。
ところで、前述したように、ＦＢＧ２０によって光ファイバ１６の伸張、収縮によるひずみが検出できるが、その原因によるひずみの検出のみならず、温度の変化によるひずみもあわせて検出される。
従って、正確な水圧の検出、換言すれば、最終的に検出すべき値である水圧の検出に際しては、前記温度の変化によるひずみ分を除去しなければならない。
【００２４】
従来、この温度変化によるひずみ分の補正に当たっては、温度変化のみのひずみを検出する温度変化によるひずみ検出構成部材を別途設けたりして対応していたが、その分装置がコスト高になってしまったり、水圧計測装置自体が大型化してしまったりするとの課題があったのである。
しかしながら、本発明ではそのような課題は解消された。すなわち、上記２つのＦＢＧ２０，２０で検出されたひずみの値につき、図４及び図２に基づいて説明すると、下側のＦＢＧ２０が引っ張られることによって生ずるひずみεｊが求められる。しかし、このひずみεｊには、水圧の変化によるひずみεｐと、温度の変化によるεｔを含んでいる。
【００２５】
次に、上側のＦＢＧ２０が緩むことによるひずみεｋが求められる。このεｋについては、水圧の変化によるひずみが下側のＦＢＧ２０とは逆に−εｐとして生ずる。そして、やはり温度の変化を表すひずみとしてεｔもあわせて生ずる。
よって、これらの式から温度変化のよりひずみを求めることができるのである（図４の式（３）参照）。
【００２６】
なお、図８は本発明を間隙水圧計測に適用した例を示したものである。
間隙水圧計測装置は大きく分けて山留壁や擁壁に用いる壁面用間隙水圧計測装置と、ボーリング孔内や地盤内に設置して用いる土中間隙水圧計測装置との2種類があると言われているが、いずれの場合にも本発明の計測装置を適用できる。
図８を参照して説明すると、砂礫層３１の下側に粘土層３２、その下に歴層３３を有する地層において前記歴層３３の水圧を計測したいときなど、本発明による光ファイバセンサ式水圧計測装置が使用できる。
【００２７】
この場合、図８に示すように、ボーリング孔３４内に本発明による間隙水圧計測装置を挿入し、パッカー３５によりボーリング孔３４内に固定し、使用するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明実施例の概略構成を説明する構成説明図（その１）である。
【図２】本発明実施例の概略構成を説明する構成説明図（その２）である。
【図３】本発明実施例の概略構成を説明する構成説明図（その３）である。
【図４】２つのＦＢＧから取得される「ひずみ」の説明式である。
【図５】本発明によって光ファイバが固定される具体例を示す説明図である。
【図６】本発明を地下水圧計測に適用した具体例を説明する概略説明図である。
【図７】本発明を河川水圧計測に適用した具体例を説明する概略説明図である。
【図８】本発明を間隙水圧計測に適用した具体例を説明する概略説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１      光ファイバセンサ式水圧計測装置
２      中空部
３      筒状水圧計測装置本体部
４      水圧検出部
５      揺動変換部
６      水圧計測部
７      導入口
８      フィルター材
９      伸縮部材
１１    保持部材
１２    下側保持片
１３    揺動杆
１４    揺動杆の先端部
１５    カンチレバー型変換バネ
１６    光ファイバ
１７    第１係止固定部
１８    第２係止固定部
１９    揺動係止固定部
２０    ＦＢＧ
２１    上側保持片
２２    調整ボルト
２４    規制ボルト
２５    閉塞部材      
２６    導入部
２７    送出部
２８    光ファイバ取込部
２９    基準気圧導入口
３０    揺動杆調整ボルト
３１    砂礫層
３２    粘土層
３３    礫層
３４    ボーリング孔
３５    パッカー
【図１】
2008209250.tif 000003
【図２】
2008209250.tif 000004
【図３】
2008209250.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008209250.tif 000007
【図６】
2008209250.tif 000008
【図７】
2008209250.tif 000009
【図８】
2008209250.tif 000010