(57)【要約】【課題】  測定対象物の変位による微小な応力印加時においても、ＦＢＧによって測定対象物の変位を検知できるＦＢＧ式ひずみセンサを提供する。【解決手段】  ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）１１３が形成された光ファイバ１１４を備えたＦＢＧ式ひずみセンサ１において、測定対象物に応じて変位する２枚の検知板２ａ，２ｂを離間して設け、これら各検知板２ａ，２ｂ間にＦＢＧ１１３が位置するように、それぞれの検知板２ａ，２ｂに光ファイバ１１４を固定したものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）が形成された光ファイバを備えたＦＢＧ式ひずみセンサにおいて、測定対象物に応じて変位する２枚の検知板を離間して設け、これら各検知板間に上記ＦＢＧが位置するように、それぞれの検知板に上記光ファイバを固定したことを特徴とするＦＢＧ式ひずみセンサ。
【請求項２】
上記各検知板間に該各検知板より薄いファイバ支持板を掛け渡し、そのファイバ支持板に上記光ファイバを固定した請求項１記載のＦＢＧ式ひずみセンサ。
【請求項３】
上記検知板に、その検知板が変位する際の支点を決める支点決め板を設けた請求項１または２記載のＦＢＧ式ひずみセンサ。
【請求項４】
センサ本体をシートで覆い、そのシートの両端を閉じて密封した請求項１〜３いずれかに記載のＦＢＧ式ひずみセンサ。
【請求項５】
請求項３または４に記載されたＦＢＧ式ひずみセンサを多点設置し、これら各ＦＢＧ式ひずみセンサは、上記支点決め板の長さが互いに異なることを特徴とするＦＢＧ式ひずみセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）が形成された光ファイバを備えたＦＢＧ式ひずみセンサ及びシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＦＢＧ式ひずみセンサは、ＦＢＧが形成された光ファイバを備え、測定対象物（例えば、建造物）に貼り付けられたり、測定対象物（例えば、土）中に埋設されて使用される。
【０００３】
このＦＢＧ式ひずみセンサは、光ファイバに光を入射した際、測定対象物の変位（ひずみ、あるいはズレ）に応じてＦＢＧにひずみが発生することから、入射光の反射波長の変化量（波長シフト）を測定することで、波長シフトを測定対象物の変位として検知するセンサである。
【０００４】
ＦＢＧは、光ファイバのコアの一部に、屈折率の高い部分と低い部分とが長手方向に一定間隔で交互に繰り返されるグレーティング（回折格子）を形成して（書き込んで）構成される。ＦＢＧの反射波長はＦＢＧのグレーティング間隔とコア屈折率によって決定される。したがって、ＦＢＧの波長シフトは、グレーティング間隔やコアの屈折率を変化させる物理量によって変化することになる。
【０００５】
このようなＦＢＧ式ひずみセンサとしては、図１１に示すようなＦＢＧ式ひずみセンサ１１１がある。ＦＢＧ式ひずみセンサ１１１は、測定対象物に応じて変位する検知板（ひずみ検知用板）１１２上に、ＦＢＧ１１３が形成された光ファイバ１１４を接着剤ａで貼り付けて固定したものである。
【０００６】
センサ１１１では、測定対象物が変位し、図１２に示すように検知板１１２に支点ｆ１２とする応力ｔ１２が加わると、検知板１１２に検知板１１２自身の伸びによる曲げひずみｓ１２が発生すると共に、この曲げひずみｓ１２によってＦＢＧ１１３に曲げひずみｓ１３が発生する。
【０００７】
したがって、センサ１１１は、検知板１１２設置箇所の応力によるひずみ発生を検知板１１２を介してＦＢＧ１１３へ伝達し、検知板１１２自身の伸びあるいは縮みを測定対象物の変位として検知する。検知板１１２にＦＢＧ１１３の下方が支点となる応力が加わると、ＦＢＧ１１３に最も曲げひずみが加わりやすい。
【０００８】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３５１９９５号公報
【特許文献２】特開２００２−２８６５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ＦＢＧ式ひずみセンサ１１１では、検知板１１２に応力ｔ１２が加わった場合、ＦＢＧ１１３に加わるひずみ量は、応力ｔ１２によって検知板１１２に加わる曲げひずみｓ１２分となり、ＦＢＧ１１３へは曲げひずみｓ１３として伝達される。
【００１１】
曲げひずみｓ１３の曲げひずみ量は、検知板１１２の応力ｔ１２による曲げひずみ量分だけとなり、応力ｔ１２が微小な場合、検知板１１２に加わる曲げひずみ量も小さく、ＦＢＧ１１３へ伝達する曲げひずみ量もそれに比例して小さくなるという問題がある。
【００１２】
現在、ＦＢＧ１１３において検知できるひずみ量は、その波長計測技術により決定され、一般的には数μｓｔｒａｉｎ程度である。そのため、それ以下の微小なひずみ量を検知することは困難である。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、測定対象物の変位による微小な応力印加時においても、ＦＢＧによって測定対象物の変位を検知できるＦＢＧ式ひずみセンサ及びシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）が形成された光ファイバを備えたＦＢＧ式ひずみセンサにおいて、測定対象物に応じて変位する２枚の検知板を離間して設け、これら各検知板間に上記ＦＢＧが位置するように、それぞれの検知板に上記光ファイバを固定したＦＢＧ式ひずみセンサである。
【００１５】
請求項２の発明は、上記各検知板間に該検知板より薄いファイバ支持板を掛け渡し、そのファイバ支持板に上記光ファイバを固定した請求項１記載のＦＢＧ式ひずみセンサである。
【００１６】
請求項３の発明は、上記検知板に、その検知板が変位する際の支点を決める支点決め板を設けた請求項１または２記載のＦＢＧ式ひずみセンサである。
【００１７】
請求項４の発明は、センサ本体をシートで覆い、そのシートの両端を閉じて密封した請求項１〜３いずれかに記載のＦＢＧ式ひずみセンサである。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項３または４に記載されたＦＢＧ式ひずみセンサを多点設置し、これら各ＦＢＧ式ひずみセンサは、上記支点決め板の長さが互いに異なるＦＢＧ式ひずみセンサシステムである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、測定対象物の変位による微小な応力によって発生する測定対象物の変位を高精度に検知できるという優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２１】
図１は、本発明の好適実施の形態を示すＦＢＧ式ひずみセンサの縦断面図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態に係るＦＢＧ式ひずみセンサ１は、測定対象物のひずみ、あるいはズレなどの変位に応じて変位する２枚の検知板（ひずみ検知用板）２ａ，２ｂを水平方向（光ファイバ１１４の長手方向）に離間して互いに平行に設け、これら各検知板２ａ，２ｂの表面（図１では上面）とその間に形成される空間部３とに、各検知板２ａ，２ｂよりも薄いファイバ支持板４を掛け渡し、そのファイバ支持板４の表面に、空間部３の上方にＦＢＧ１１３が位置するように光ファイバ１１４を接着剤ａで貼り付けて固定したものである。
【００２３】
各検知板２ａ，２ｂとしては、良好な剛体（硬くて曲がりにくい）であり、かつ腐食しにくい材質を有する部材を使用する。これは、各検知板２ａ，２ｂが軟らかいと、各検知板２ａ，２ｂに加わった応力がファイバ支持板４やＦＢＧ１１３に伝わりにくくなるからである。本実施の形態では、ファイバ支持板４より厚いステンレスからなる金属板を使用した。
【００２４】
ファイバ支持板４としては、周囲温度の変化に対して安定（線膨張係数が小さい）であり、かつ良好な弾性体（軟らかくて曲がりやすい）としての材質を有する部材を使用する。本実施の形態では、各検知板２ａ，２ｂより薄いステンレスからなる金属板を使用した。このファイバ支持板４により、空間部３の上方に位置するＦＢＧ１１３がたるまないように光ファイバ１１４を支持できる。
【００２５】
ＦＢＧ式ひずみセンサ１の組み立ては、例えば、ファイバ支持板４の表面に、ＦＢＧ１１３が接着剤ａで覆われるように光ファイバ１１４を貼り付けて固定し、各検知板２ａ，２ｂの表面と空間部３とに、空間部３の上方にＦＢＧ１１３が位置するように光ファイバ１１４を固定したファイバ支持板４を掛け渡した後、ファイバ支持板４と各検知板２ａ，２ｂとを多点溶接して形成される固定部５によって固定して行う。
【００２６】
本実施の形態では、ファイバ支持板４を使用した例で説明するが、ファイバ支持板４を使用しない場合には、例えば、それぞれの検知板２ａ，２ｂの表面に光ファイバ１１４を接着剤で多点貼り付けして固定する。
【００２７】
以上の構成であるＦＢＧ式ひずみセンサ１は、図示しない測定対象物（例えば、建造物）に光ファイバ１１４が表側となるように検知板２ａ，２ｂを接着剤などで貼り付けることで、測定対象物に固定されて使用される。また、図７で後述するように、測定対象物（例えば、土ｇ）中にＦＢＧ式ひずみセンサ１を埋設して使用してもよい。
【００２８】
このＦＢＧ式ひずみセンサ１は、例えば、図２に示すようなＦＢＧ式ひずみセンサシステム２１に組み込まれて使用される。
【００２９】
システム２１は、１本の光ファイバ１１４に複数個（図２では３個）のＦＢＧ式ひずみセンサ１を多点設置したセンサ部２２と、測定システム部２３とで主に構成される。
【００３０】
測定システム部２３は、光ファイバ１１４に光波長帯域の光を入射する広帯域光源２４と、各センサ１のＦＢＧからの反射光あるいは透過光の波長を測定する波長測定装置２５と、各センサ１のＦＢＧの反射波長の変化量（波長シフト）から各センサ１のＦＢＧに加わるひずみの大きさを求める演算処理装置２６とを備えている。
【００３１】
光ファイバ１１４と広帯域光源２４とは、分波器２７を介して光ファイバ２８で接続される。光ファイバ１１４と波長測定装置２５とは、分波器２７を介して光ファイバ２９で接続される。波長測定装置２５と演算処理装置２６とは、メタルケーブルなどの電気信号伝達部３０で接続される。
【００３２】
システム２１では、広帯域光源２４から出射された光は、光ファイバ２８、分波器２７、光ファイバ１１４の順で伝搬し、１個、あるいは複数個のセンサ１に入射される。入射光は、各センサ１のＦＢＧに加わるひずみの大きさに応じて反射され、その反射光が光ファイバ１１４、分波器２７、光ファイバ２９の順で伝搬し、波長測定装置２５に入射される。波長測定装置２５は、各センサ１の反射光の波長（ＦＢＧの反射波長）を測定し、測定した波長と予め測定しておいたひずみがないときの波長とを比較してＦＢＧの波長シフトを求め、求めた波長シフトを電気信号伝達部３０を介して演算処理装置２６に伝達する。演算処理装置２６は、波長シフトを演算してひずみに変換し、各センサ１のＦＢＧに加わるひずみの大きさを求める。
【００３３】
このシステム２１は、センサ部２２と、センサ部２２から離れた測定システム部２３とが伝送損失が低い光ファイバ１１４で接続されているので、センサ１を広範囲に複数個設置できる。
【００３４】
本実施の形態の作用を説明する。
【００３５】
測定対象物にひずみあるいはズレが発生し、測定対象物が変位したとする。このとき、図３に示すように、検知板２ｂの表面に、検知板２ａの空間部３に近い側の裏面を支点ｆ３とする下向きの応力ｔ３が加わると、その応力ｔ３によって矢印３１で示すように、検知板２ｂは右斜め下方に変位（移動）する。
【００３６】
応力ｔ３は、検知板２ａ，２ｂを離間して設けているので、検知板２ｂの変位により、ファイバ支持板４を介してＦＢＧ１１３に伝達され、ＦＢＧ１１３には、図１２のＦＢＧ式ひずみセンサ１１１で説明した曲げひずみｓ１３ではなく、引っ張りひずみｓ３が発生する。この引っ張りひずみｓ３は、応力ｔ３と図１２の応力ｔ１２が同じ場合、曲げひずみｓ１３よりも大きい。
【００３７】
また、図４に示すように、検知板２ｂの表面に、検知板２ｂの空間部３に近い側の裏面を支点ｆ４とする下向きの応力ｔ４が加わると、検知板２ａ，２ｂを離間して設けているので、応力ｔ４によって矢印４１で示すように、検知板２ｂは、空間部３側が高くなり、その反対側が低くなるように変位する。このとき、ＦＢＧ１１３には、引っ張りひずみｓ４が発生する。
【００３８】
さらに、図５に示すように、検知板２ｂの表面に、図４の応力ｔ４と同じ大きさであるが、検知板２ｂの空間部３から遠い側（応力印加部側）の裏面を支点ｆ５とする応力ｔ４が加わると、その応力ｔ４によって矢印５１で示すように、検知板２ｂは、空間部３側が図４よりも高くなり、その反対側が図４よりも低くなるように変位する。このとき、ＦＢＧ１１３には、図４の引っ張りひずみｓ４よりも大きな引っ張りひずみｓ５が発生する。
【００３９】
このように、本実施の形態に係るＦＢＧ式ひずみセンサ１は、検知板２ａ，２ｂを離間して設けているので、測定対象物の変位に応じて検知板２ａ，２ｂが変位（移動）しやすく、ＦＢＧ１１３には、曲げひずみよりも大きな引っ張りひずみが発生する。
【００４０】
したがって、ＦＢＧ式ひずみセンサ１は、測定対象物の変位による微小な応力が検知板２ａ，２ｂに印加されても、その微小な応力によってＦＢＧ１１３に発生するひずみが大きくなるので、既存のシステムを使用して測定対象物のひずみ、ズレなどの変位を高精度に検知できる。
【００４１】
また、図４および図５で説明したように、検知板２ａ，２ｂに加わる応力の支点を変化させれば、ＦＢＧ１１３に発生する曲げひずみ量を大きくしたり、小さくしたり調整できるので、測定対象物の変位の検知感度も、測定対象物の性質や測定対象者のニーズによって制御できる。
【００４２】
具体的には、図７に示すＦＢＧ式ひずみセンサ７１のように、検知板２ａおよび／または検知板２ｂの裏面に、検知板２ａおよび／または検知板２ｂが変位する際の支点を決める支点決め板７２を固定する。この支点決め板７２の長手方向（図７では左右方向の）の長さを適宜設定することで、検知板２ａ，２ｂに加わる応力の支点を変化でき、測定対象物の変位の検知感度も制御できる。
【００４３】
本実施の形態では、支点決め板７２の一端と検知板２ａの一端とが一致するように、支点決め板７２と検知板２ａとを溶接して固定し、かつ支点決め板７２の他端が検知板２ｂの裏面まで達する長さとした。この場合、検知板２ｂの表面に下向きの応力が加わると、支点決め板７２の他端の上端７２ｓを支点にして、検知板２ｂは空間部３側が高くなるように変位する。
【００４４】
このＦＢＧ式ひずみセンサ７１は、例えば、堤防や河川先掘箇所などの河川近傍、あるいは山などの土砂崩壊が予想される土ｇ中に埋設されて使用される。
【００４５】
支点決め板７２としては、例えば、土砂崩壊の応力によって変形しない良好な剛体（硬くて曲がりにくい）であり、かつ腐食しにくい材質を有する部材を使用する。本実施の形態では、検知板２ａ，２ｂと同じ程度の厚さのステンレスからなる金属板を使用した。
【００４６】
図８に示すように、土ｇにズレが発生し、土砂崩壊ｃが発生したとする。支点決め板８２が検知板２ｂの空間部３に近い側の裏面まで達する長さの場合、検知板２ｂは、支点決め板８２の他端の上端８２ｓを支点にして、空間部３側が高くなり、その反対側が低くなるように変位する。
【００４７】
このとき、ＦＢＧ１１３には、微小な土砂崩壊ｃによっても、曲げひずみよりも大きな引っ張りひずみが発生する。センサ７１は、支点決め板８２を除き、図４のセンサ１と同じ状態である。
【００４８】
また、図９に示すように、支点決め板７２が検知板２ｂの空間部３から遠い側（土砂崩壊側）の裏面まで達する長さの場合、図８と同じ程度の土砂崩壊ｃが発生すると、検知板２ｂは、支点決め板９２の他端の上端９２ｓを支点にして、空間部３側が図８よりも高くなり、その反対側が図８よりも低くなるように変位する。
【００４９】
このとき、ＦＢＧ１１３には、微小な土砂崩壊ｃによっても、図８の引っ張りひずみよりも大きな引っ張りひずみが発生する。センサ７１は、支点決め板９２を除き、図５のセンサ１と同じ状態である。
【００５０】
上記実施の形態で説明した図１のＦＢＧ式ひずみセンサ１の代わりに、図６に示すようなＦＢＧ式ひずみセンサ６１を使用してもよい。ＦＢＧ式ひずみセンサ６１は、ファイバ支持板４に固定した光ファイバ１１４やＦＢＧ１１３を含むセンサ本体６２を、Ａｌなどの金属からなるシート６３で覆い、そのシート６３の両端に熱収縮チューブ６４を嵌めた後、その熱収縮チューブ６４を加熱して収縮させ、シート６３の両端を閉じて水密となるようにセンサ本体６２を密封して構成される。
【００５１】
ここでいうセンサ本体６２は、少なくとも接着剤ａで覆われた光ファイバ１１４と、検知板２ａ，２ｂの一部分と、ファイバ支持板４とで構成される。また、図６では図示していないが、センサ本体に図７の支点決め板７２を含めてもよい。
【００５２】
ＦＢＧ式ひずみセンサ６１は、シート６３と熱収縮チューブ６４とによってセンサ本体６２に水分が浸入しないので、光ファイバ１１４やＦＢＧ１１３を固定した部分の湿度による劣化を防止できる。
【００５３】
また、図２のシステム２１の代わりに、図１０に示すようなＦＢＧ式ひずみセンサシステム１０１を使用してもよい。
【００５４】
システム１０１は、各光ファイバ１１４ａ，１１４ｂ…に複数個（図１０では３個）のＦＢＧ式ひずみセンサ１を多点設置したセンサ部１０２ａ，１０２ｂ…と、測定システム部１０３とで主に構成される。
【００５５】
センサ部１０２ａとセンサ部１０２ｂとは、分波器１０４を介して並列接続される。このような分波器１０４を用いることにより、一本の光ファイバ１１４ａで各センサ１が直列接続されたセンサ部１０２ａだけでなく、センサ部１０２ｂを含む広範囲に設置した各センサ１の測定が可能である。
【００５６】
測定システム部１０３は、測定する各光ファイバ１１４ａ，１１４ｃ…を切り替える光スイッチ１０５を備えた点以外は、図２の測定システム２３と同じ構成である。光スイッチ１０５は、分波器２７と分波器１０４間に設けられる。
【００５７】
このシステム１０１によれば、一式の測定システム部１０３を用いて測定対象物の変位を面的に監視できる。
【００５８】
また、システム１０１や図２のシステム２１において、センサ１の代わりに図７のセンサ７１を適宜多点設置し、各センサ７１の支点決め板７２の長さを互いに異なるようにしておけば、測定対象物の変位を常に高精度に検知できる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の好適実施の形態を示すＦＢＧ式ひずみセンサの縦断面図である。
【図２】本実施の形態に係るＦＢＧ式ひずみセンサシステムの一例を示すブロック図である。
【図３】図１に示したＦＢＧ式ひずみセンサの動作の一例を示す概略図である。
【図４】図１に示したＦＢＧ式ひずみセンサの動作の一例を示す概略図である。
【図５】図１に示したＦＢＧ式ひずみセンサの動作の一例を示す概略図である。
【図６】本実施の形態に係るＦＢＧ式ひずみセンサの一例を示す部分縦断面図である。
【図７】本実施の形態に係るＦＢＧ式ひずみセンサの使用例を示す縦断面図である。
【図８】本実施の形態に係るＦＢＧ式ひずみセンサの動作の一例を示す概略図である。
【図９】本実施の形態に係るＦＢＧ式ひずみセンサの動作の一例を示す概略図である。
【図１０】本実施の形態に係るＦＢＧ式ひずみセンサシステムの一例を示すブロック図である。
【図１１】背景技術のＦＢＧ式ひずみセンサの縦断面図である。
【図１２】背景技術のＦＢＧ式ひずみセンサの動作の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  ＦＢＧ式ひずみセンサ
２ａ，２ｂ  検知板
３  空間部
４  ファイバ支持板
１１３  ＦＢＧ
１１４  光ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005127744.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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