(57)【要約】【課題】  高価な分析装置を常時稼働させることにより、後方散乱光をリアルタイムに取得することなく、事後的に一度だけ計測を実行することにより、構造物中の変位を測定する。【解決手段】  構造物２１中に予めプラスチック光ファイバ１１を予め敷設し、この敷設したプラスチック光ファイバ１１の一端から信号光を入射させるとともに、プラスチック光ファイバ１１に生じた塑性変形に応じて後方散乱された信号光を検出し、さらに検出した信号光の光量の経時的な変化傾向に基づき、変位の位置並びにその変位量をＯＴＤＲ装置１２により測定する。【選択図】図１
2005345376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物中に生じた変位の位置並びにその変位量を測定する変位測定システムにおいて、
上記構造物中に予め敷設されたプラスチック光ファイバと、
上記プラスチック光ファイバの一端から信号光を入射させるとともに、上記プラスチック光ファイバに生じた塑性変形に応じて後方散乱された上記信号光を検出し、さらに上記検出した信号光の光量の経時的な変化傾向に基づき、上記変位の位置並びにその変位量を測定する変位測定装置とを備えること
を特徴とする変位測定システム。
【請求項２】
上記変位測定装置は、検出した上記信号光の光子数を計測することにより、上記変位の位置並びにその変位量を測定すること
を特徴とする請求項１の変位測定システム。
【請求項３】
上記変位測定装置は、検出した上記信号光の光量に基づいて、上記変位のモードを識別すること
を特徴とする請求項１の変位測定システム。
【請求項４】
構造物中に生じた変位の位置並びにその変位量を測定する変位測定方法において、
上記構造物中に予めプラスチック光ファイバを敷設する敷設工程と、
上記敷設工程において敷設した上記プラスチック光ファイバの一端から信号光を入射させるとともに、上記プラスチック光ファイバに生じた塑性変形に応じて後方散乱された上記信号光を検出し、さらに上記検出した信号光の光量の経時的な変化傾向に基づき、上記変位の位置並びにその変位量を測定する変位測定工程とを有すること
を特徴とする変位測定方法。
【請求項５】
上記変位測定工程では、検出した上記信号光の光子数を計測することにより、上記変位の位置並びにその変位量を測定すること
を特徴とする請求項４の変位測定方法。
【請求項６】
上記変位測定工程では、検出した上記信号光の光量に基づいて、上記変位のモードを識別すること
を特徴とする請求項４の変位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルやビルディング等の構造物において地震等により生じた変位を測定するための変位測定システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来では、地震等によりビルディングやトンネル等の構造物に生じた変位を検出する場合には、歪みゲージを用いてこれを電気的に検出する方法が一般的に用いられていた。しかしながら、かかる方法においては、埋め込むセンサの数だけ電線が必要となるためコストの削減を図ることができず、またこれら電気的センサに対して常時通電して測定値を記録し続けなければならないため、地震により停電が生じた場合には、かかる変位を検出することができないという問題点があった。
【０００３】
このため、光ファイバを構造物に埋め込むことにより歪み計測を行う技術が特に近年において提案されている（例えば、非特許文献１,２参照。）。この歪み計測技術では、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical-fiber Time Domain Reflectometry）を用いることにより、歪みセンシング用の光ファイバの一端から信号光を入射し、当該光ファイバ内で発生した後方散乱光を同一端で観測することにより、発生した歪みを測定する。
【０００４】
また、この歪み計測技術では、１本の光ファイバを構造物中に予め埋め込んでおくことにより、光ファイバに沿った全ての点につき加わった歪みを検出することが可能となる。
【０００５】
しかしながら、この光ファイバを用いた歪み計測技術では、地震が発生している場合においても後方散乱光をリアルタイムに取得しなければ、それに伴う歪みを同定することができないという問題点があった。
【０００６】
また、この歪み計測においては、通常、ガラス製の光ファイバを使用することになるため、５％程度の歪みで破断してしまう。このため、地震等により構造物中において大きな変位が生じた場合には、光ファイバ自体が破断してしまうことから、かかる変位に応じた後方散乱光を検出することができないという問題点もあった。
【０００７】
【非特許文献１】成瀬央、“ＢＯＴＤＲによるひずみ分布センシング”,OPTRONICS(2000),No.3,pp.144-148
【非特許文献２】岩城英郎“建設分野における光ファイバセンシングの現状と未来”、第３２回光波センシング技術研究会、LST32-11,pp.79-84,Dec.2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、高価な分析装置を常時稼働させることにより、後方散乱光をリアルタイムに取得することなく、事後的に一度だけ計測を実行することにより、構造物中の変位を測定することができる変位測定システム及び方法を提供することにあり、また構造物中に大きな変位が生じた場合においてもそれを精度よく測定することができる変位測定システム及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、上述した課題を解決するために、構造物中に予めプラスチック光ファイバを敷設し、この敷設したプラスチック光ファイバの一端から信号光を入射させるとともに、プラスチック光ファイバに生じた塑性変形に応じて後方散乱された信号光を検出し、さらに検出した信号光の光量の経時的な変化傾向に基づき、変位の位置並びにその変位量を測定する。
【００１０】
即ち、本発明に係る変位測定システムは、構造物中に生じた変位の位置並びにその変位量を測定する変位測定システムにおいて、構造物中に予め敷設されたプラスチック光ファイバと、プラスチック光ファイバの一端から信号光を入射させるとともに、プラスチック光ファイバに生じた塑性変形に応じて後方散乱された信号光を検出し、さらに検出した信号光の光量の経時的な変化傾向に基づき、変位の位置並びにその変位量を測定する変位測定装置とを備える。
【００１１】
また、本発明に係る変位測定方法は、構造物中に生じた変位の位置並びにその変位量を測定する変位測定方法において、構造物中に予めプラスチック光ファイバを敷設する敷設工程と、敷設工程において敷設したプラスチック光ファイバの一端から信号光を入射させるとともに、プラスチック光ファイバに生じた塑性変形に応じて後方散乱された信号光を検出し、さらに検出した信号光の光量の経時的な変化傾向に基づき、変位の位置並びにその変位量を測定する変位測定工程とを有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る変位測定システム及び方法は、構造物中に予めプラスチック光ファイバを予め敷設し、この敷設したプラスチック光ファイバの一端から信号光を入射させるとともに、プラスチック光ファイバに生じた塑性変形に応じて後方散乱された信号光を検出し、さらに検出した信号光の光量の経時的な変化傾向に基づき、変位の位置並びにその変位量を測定する。
【００１３】
これにより、本発明を適用した変位システム及び方法は、高価な分析装置を常時稼働させることにより、後方散乱光をリアルタイムに取得することなく、事後的に一度だけ計測を実行することにより、構造物中の変位を測定することができ、また構造物中において大きな変位が生じた場合においてもそれを精度よく測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、構造物において地震等により生じた変位を測定するための変位測定システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
この変位測定システム１は、例えば図１に示すように、ビルディング等の構造物２１中に予め敷設されたプラスチック光ファイバ１１と、このプラスチック光ファイバ１１の一端側に接続されたＯＴＤＲ（Optical-fiber Time Domain Reflectometry）装置１２とを備えている。
【００１６】
プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）１１は、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）を母材とし、１００％近い引っ張り歪みを加えても破断することなく光を伝送することができる。ＰＯＦ１１は、一般的にクラッド外径１ｍｍ、コア径が０．９８ｍｍで構成され、ポリエチレン等からなるジャケットで被覆される。ちなみに、このＰＯＦ１１は、ガラス製の光ファイバと比較して伝送損失が大きいため、１００ｍ程度の長さ毎に分割して敷設し、分割した各ＰＯＦ１１の端面にＯＴＤＲ装置１２を順次接続して測定を行うようにしてもよい。
【００１７】
ＯＴＤＲ装置１２は、ＰＯＦ１１の一端から信号光を入射させるとともに、ＰＯＦ１１に生じた塑性変形に応じて後方散乱された上記信号光を検出する。このＯＴＤＲ装置１２は、検出した信号光の光量の経時的な変化傾向に基づき、ＰＯＦ１１に生じた変位（歪みε）の位置並びにその変位量（歪み量）を測定する。
【００１８】
ちなみに、このＯＴＤＲ装置１２では、検出した上記信号光の光子数を計測することにより、上記変位の位置並びにその変位量を測定するようにしてもよい。かかる場合には、波長６５０ｎｍ、パルス幅５ｎｓ、出力約１０ｍＷの信号光をＯＴＤＲ装置１２から出射し、その後方散乱光を図示しないフォトカウンタで計測する。ＯＴＤＲ装置１２は、このパルス光としての信号光をＰＯＦ１１内へ何度も入射し、その都度フォトン時系列パルスを記録し、積算する。
【００１９】
図２は、ＰＯＦ内に入射した各信号光＃１〜＃ｎにつき取得したパルス列を時系列で示している。この図２(a)に示すようにＰＯＦ１１中において点Ｈにおいて変位が生じていた場合には、これに基づいてパルス列は密度変調される。これを信号光＃ｎに至るまで計測し、時間に対してパルス度数分布を記録すると、図２(b)に示すように、点Ｈにピークを持つヒストグラムを構成することができる。このヒストグラムの結果は、図２(c)に示すような通常のＯＴＤＲで検出した後方散乱光の応答と比較してもほぼ同様の傾向が示されていることが分かる。このような信号光の光子数を計測することが可能なＯＴＤＲ装置１２では、時間読み取り精度に対応する空間分解能を１０ｍｍ程度まで向上させることが可能となる。
【００２０】
次に、本発明を適用した変位測定システム１による変位測定方法につき、説明をする。
【００２１】
先ず、この変位測定システム１により変位を測定する対象としての構造物２１内に、ＰＯＦ１１を敷設する。ＰＯＦ１１の敷設箇所については、構造物２１の状況や建築方法に応じて変位の測定を望む任意の箇所とする。ちなみに、ＰＯＦ１１を敷設する際には、敷設箇所に応じてこれにつき弾性歪み又は塑性歪みが予め加わっている状態で配設してもよい。また、このＰＯＦ１１の敷設方法は、コンクリート等を使用することによりこれを構造物２１中へ埋め込む場合も含めて、いかなる方法に基づいてもよい。
【００２２】
次に、ＯＴＤＲ装置１２により、構造物２１中に敷設したＰＯＦ１１の変位測定を行う。この変位測定は、地震等が発生した後における構造物２１の損傷の度合いを判別し、或いは構造物２１における経年劣化を診断する時に実行するものであって、上述ＰＯＦ１１の敷設よりも事後的に行うのが一般的である。
【００２３】
図３は、変位が生じたＰＯＦ１１に入射した信号光を後方散乱させて検出した結果を示している。上記信号光の応答の経時的な変化を、ＰＯＦ１１におけるＯＴＤＲ装置１２からの距離Ｄに対応させると、図３に示すように、距離Ｄが３０ｍのところにピークが発生していることを確認することができる。このピークは、ＰＯＦ１１における距離Ｄが３０ｍの箇所において、信号光が後方散乱された結果生じたものである。
【００２４】
図４は、ＰＯＦ１１に加えた引っ張り歪みに対する信号光の応答の関係を示している。この図４に示すように、ＰＯＦ１１に対して負荷すべき引っ張り荷重を増加させていくにつれて、引っ張り歪みが増加し、これに応じて信号光の応答は徐々に大きくなる。ちなみに、このＰＯＦ１１に加えた引っ張り荷重によりＰＯＦ１１が弾性変形したに過ぎない場合には、かかる荷重を取り去ることにより歪みも消え、信号光の応答はこれに伴って低下する。しかしながら、このＰＯＦ１１に加えた引っ張り荷重により、ＰＯＦ１１が塑性変形した場合には、かかる荷重を取り去っても塑性歪みが残存する結果、図４中点線で示すように信号光の応答は元に戻ることはなくなる。
【００２５】
このＰＯＦ１１に生じる塑性歪みは、一旦塑性変形が生じた後においては、半永久的に残存する。このため、このＰＯＦ１１を構造物２１中に敷設することにより、例えば、図５(a)に示すように、時刻ｔ１において発生した地震により構造物２１に生じた塑性変形を、時刻ｔ２において事後的に検出することが可能となる。これに対して、ＰＯＦ１１の代替として、一般的なガラス製の光ファイバを構造物２１中に敷設した場合には、時刻ｔ１において発生した地震により光ファイバ自体が破断してしまう。このため、時刻ｔ２において、当該光ファイバに信号光を入射しても、図５(b)に示すように、かかる変位に応じた後方散乱光を検出することができない。
【００２６】
即ち本発明では、このＰＯＦ１１中に残存した塑性歪みにより、ＰＯＦ１１の光学的特性変化を残留させるとともにこれに対する信号光の応答も維持させるいわゆるメモリ効果が生じることに着目し、このＰＯＦ１１が敷設された構造物２１に生じた変位の位置並びに変位量を事後的に測定する。これにより、本発明を適用した変位測定システム１では、高価な分析装置を常時稼働させることにより後方散乱光をリアルタイムに取得することなく、事後的に一度だけ計測を実行することにより構造物２１中の変位を測定することが可能となる。
【００２７】
また、この変位測定システム１では、プラスチック（ＰＭＭＡ）を母材としているため、より大きな負荷がこれに加わっても塑性変形するだけであり、１００％近い歪みが生じてもガラス製の光ファイバの如く破断することもない。このため、本発明は、ＰＯＦ１１により大きな負荷が加わる場合にこれをＰＯＦ１１に与えられる塑性変形として記憶させることができる点において、特に大きな地震が発生した場合において有用となる。
【００２８】
なお、上述したメモリ効果は、電源の供給が必須となるセンサ等により発現させる場合が多いが、本発明を適用した変位測定システム１では、かかる効果を無電源で発現させることが可能となり、大きな地震等が発生した場合において停電等が生じた場合においても、これに影響を受けることなく変位測定を行うことが可能となる。特に停電等が生じた場合においては、分析装置を常時稼働させるのは困難を極めるが、上述の構成からなる本発明では、ＰＯＦ１１に生じた塑性変形を半永久的に残存させておくことが可能であるため、地震後において都市における送配電機能が十分に復旧した後において、これを事後的に測定することが可能となる。また、上記信号光の光子数を計測することにより、構造物２１中の変位測定の分解能をより向上させることも可能となる。
【００２９】
なお、本発明を適用した変位測定システム１では、さらに構造物２１中に生じた変位の量についても測定することができる。例えば１００ｍのＰＯＦ１１をＯＴＤＲ装置１２の光源から４０ｍ離れた箇所につき、丸棒に半周巻き付けた場合において、検出すべき信号光のプロファイルは、図６(a)に示すように丸棒の直径ｄに応じて互いに差異が生じる。ここで信号光のプロファイルにつき図６(b)に示すように、ピーク部分を反射量と損失量とに分離した場合において、丸棒の直径ｄが大きくなるにつれて、反射量、損失量は共に減少していくことになる。ＰＯＦ１１に加わる歪み量は、丸棒の直径ｄのサイズに依存するため、かかるＰＯＦ１１の加わる歪みに応じて信号光のピーク部分における反射量と損失量は変化することになる。
【００３０】
本発明を適用した変位測定システム１では、かかる信号光の光量の変化傾向を予め分析しておくことにより、構造物２１に敷設されたＰＯＦ１１の塑性変形を検出する際に、その信号光の光量のピーク部分における反射量と損失量を識別することで、当該塑性変形に基づく変位の位置と変位量とをより精度よく判別することが可能となる。
【００３１】
ちなみに、この検出する信号光は、上述した曲げ変形に加え、さらにＰＯＦ１１に加わった引っ張り変形、ねじり変形、さらにはＰＯＦ１１に加わる側圧や温度上昇等の各変位のモードに応じて、その反射量や損失量を始めとしたプロファイル傾向が異なってくる。図７は、ＰＯＦ１１に対して側圧を負荷した場合、ねじり変形を加えた場合、引っ張り変形を加えた場合において検出した信号光のプロファイルを示している。
【００３２】
例えば図７(a)に示すように、ＰＯＦ１１に対して側圧を荷重を１４３、３０１、３７２kgfと負荷した場合に、反射量は０に近づき、損失量のみが生じたプロファイルとなる。また、図７(b)に示すようにＰＯＦ１１に対してねじり角が０、９００、１４４０degとなるように変形を加えた場合には、ピーク部分の損失量が反射量よりも大きい形となる信号光のプロファイルを得ることができる。図７(c)に示すようにＰＯＦ１１に対して歪み量０,５０,７０％となるように引っ張り変形を加えた場合には、ピーク部分の反射量が損失量よりも大きい形となる信号光のプロファイルを得ることができる。
【００３３】
これら予め分析しておいたピーク部分における反射量と損失量を含むプロファイルを参照することにより、実際に測定すべきＰＯＦ１１からの後方散乱光を検出した場合に、その変位のモードをより詳細に識別することも可能となる。
【００３４】
例えば、曲げ変形と側圧負荷の何れかを判別する場合には、信号光の反射量が０であれば側圧が負荷されているものと判別することができる。また、曲げ変形とねじり変形の何れかを判別する場合には、ともにプロファイルが類似しているため、簡単に判別することはできないが、信号光の光量の距離Ｄに対する変化傾向が両者間で多少異なることから、これらの差異に基づいて判別を行うことは可能である。曲げ変形とねじり変形の何れかを判別する場合には、損失量が反射量よりも大きければ曲げ変形であると判別することができる。また側圧負荷とねじり変形の何れかを判別する場合には、信号光の反射量が０であれば側圧が負荷されているものと判別することができる。また、側圧負荷と引っ張り変形の何れかを判別する場合には、信号光の反射量が０であれば側圧が負荷されているものと判別することができる。また、ねじり変形と引っ張り変形の何れかを判別する場合には、損失量が反射量よりも大きければ引っ張り変形が加わっているものと判別することができる。
【００３５】
なお、上述した変位測定システム１の実施の形態として、ビルディング等の構造物にＰＯＦ１１を敷設する場合を例に挙げて説明をしたが、かかる場合に限定されるものではなく、家屋を始めとした小規模な建築物、ガス管、水道管等の変位測定や、道路、斜面、橋等のヘルスモニタリングに対して適用可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明を適用した変位測定システムの構成を示す図である。
【図２】ＰＯＦ内に入射した各信号光＃１〜＃ｎにつき取得したパルス列を時系列で示す図である。
【図３】変位が生じたＰＯＦに入射した信号光を後方散乱させてＯＴＤＲ装置により検出した結果を示す図である。
【図４】ＰＯＦに加えた引っ張り歪みに対する信号光の応答の関係を示す図である。
【図５】時刻ｔ１において発生した地震により構造物に生じた塑性変形を事後的に検出する場合につき説明するための図である。
【図６】丸棒に巻き付けたＰＯＦの反射プロファイルを示す図である。
【図７】各変形モードにおける信号光のプロファイルを示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  変位測定システム、１１  プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）、１２  ＯＴＤＲ装置、２１  構造物
【図１】
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【図２】
2005345376.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005345376.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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