(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆光ファイバを測定対象に設け、前記被覆光ファイバの歪分布を計測することで前記測定対象に生じた歪を検出する歪測定装置であり、
前記被覆光ファイバを熱処理して前記被覆光ファイバの温度、歪特性を安定化する熱処理手段と、
この熱処理手段により熱処理された前記被覆光ファイバの歪分布を温度補正演算を行ない計測する歪計測手段と、
を具備したことを特徴とする歪測定装置。
【請求項２】
被覆光ファイバを熱処理によりその温度、歪特性を安定化させた後、前記被覆光ファイバを測定対象に設け、
前記被覆光ファイバの歪分布を温度補正演算を行ない計測することで前記測定対象に生じた歪を検出することを特徴とする歪測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土木建築物及び火力・原子力プラント等の構造物に対して光ファイバを用いて歪測定を行なう歪測定装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダムやボイラ等の建築物の健全性を評価するために、これら建築物の歪を計測する技術として、光ファイバ歪分布計測器を用いる方法がある。この方法では、光ファイバを建築物に敷設（以下、貼り付けと称す）し、建築物が変形したとき、すなわち歪んだときに光ファイバが歪むようにし、光ファイバ全長に亘る歪分布を計測する。
【０００３】
この種の歪分布計測器では、被計測物である光ファイバの片端からパルス光を入射し、該光ファイバ内で生じるブリルアン散乱光の後方散乱光をコヒーレント検波方法により高感度に検出する。このとき、ブリルアン散乱光が、光波と光ファイバ中の音波との相互作用により誘起され、その光周波数が下方及び上方にシフトすることを利用し、ブリルアン散乱光の周波数シフト分布から光ファイバの歪分布を計測する。
【０００４】
図４は、従来の光ファイバを用いた船殻部材の歪測定装置の構成を示す図である。図４において、船殻部材１上には、並列した歪計測用光ファイバ２と温度計測用光ファイバ３が接着剤等で貼り付けられており、船殻部材１の変形すなわち歪にしたがって、歪計測用光ファイバ２が伸縮する。このため、歪分布計測器４を用いて光ファイバ２全長に亘る歪分布を計測できる。
【０００５】
この計測原理では、光ファイバ２の伸縮に関係してブリルアン散乱光の周波数がシフトすることを歪分布計測器４を用いて測定し、歪換算している。しかし、ブリルアン散乱光の周波数シフトは温度によっても変化することが知られている。このため、温度計測用光ファイバ３及び温度分布計測器５を用いて、
船殻部材１の温度に応じて変化したブリルアン散乱光の周波数シフトを算出している。
【０００６】
船殻部材１が太陽光７で加熱されると局部的には７０℃程度にもなり、かつ日陰になる部分もある関係上、船殻部材１の箇所によって温度差が生じる。歪分布計測器４が入射レーザ波長１．５５μｍでブリルアン散乱光を測定する場合、歪及び温度に対するブリルアン周波数シフト量は、歪が約４９７ＭＨｚ／％、温度が１ＭＨｚ／℃となる関係があることが知られている。
【０００７】
したがって、信号処理器６において、歪分布計測器４で得られた歪から温度分布計測器５で得られた船殻部材１各部の温度の差に対する歪の変化を除去し、歪値を求めている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図５は、単芯光ファイバの構成を示す斜視断面図である。歪計測用光ファイバは、被覆の無いものを使用することが望ましいが、光ファイバ素線の外径が約０．１２５ｍｍと非常に細く、敷設工事時に切断しやすく取扱いが困難であり、かつ紫外線や水などに対して耐環境性が弱いという問題がある。このため、一般的には図５に示すように、光ファイバ芯線１０の外周に紫外線硬化樹脂１１、軟質プラスチック１２、及びポリアミド樹脂１３をコーティングした外径０．９ｍｍの単芯光ファイバ１４が使用される（以下、この単芯光ファイバをナイロン被覆光ファイバと称す）。しかしながら、このナイロン被覆光ファイバ１４は、取扱いの容易性、耐環境性能は向上するが、温度変化によりファイバ芯線１０と外被覆に歪が発生するという問題がある。
【０００９】
図６は、ナイロン被覆光ファイバの温度、歪特性の試験結果を示す図である。図６では、Ｘ軸にナイロン被覆光ファイバの温度、Ｙ軸に歪検知出力が示されている。図６では、直線で示される理論値１５と実験値である歪値１６とが大幅に異なっており、理論値に基づいた温度補正を行なっても、すなわち歪分布計測器４で得られた歪から、温度分布計測器５で得られた船殻部材１各部の温度の差に対する前記理論値の変化を除去する歪計測を行なっても、計測精度が低くなるということが分かる。
【００１０】
本発明の目的は、測定対象にて温度変化がある場合でも、光ファイバの歪を高精度に計測し、測定対象の歪測定を行なえる歪測定装置及び方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の歪測定装置及び方法は以下の如く構成されている。
（１）本発明の歪測定装置は、被覆光ファイバを測定対象に設け、前記被覆光ファイバの歪分布を計測することで前記測定対象に生じた歪を検出する歪測定装置であり、前記被覆光ファイバを熱処理して前記被覆光ファイバの温度、歪特性を安定化する熱処理手段と、この熱処理手段により熱処理された前記被覆光ファイバの歪分布を温度補正演算を行ない計測する歪計測手段と、から構成されている。
（２）本発明の歪測定方法は、被覆光ファイバを熱処理によりその温度、歪特性を安定化させた後、前記被覆光ファイバを測定対象に設け、前記被覆光ファイバの歪分布を温度補正演算を行ない計測することで前記測定対象に生じた歪を検出する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る歪測定装置の構成を示す図である。図１において、図４と同一な部分には同一符号を付してある。図１において、船殻部材１の上面、側面及び内壁面には、歪計測及び温度計測に用いられる光ファイバ８が接着剤等で貼り付けられている。
【００１３】
光ファイバ８はナイロン被覆光ファイバであり、スイッチ部９の駆動部９１に接続されている。この駆動部９１はナイロン被覆光ファイバからなり、図示しないスイッチ制御部により固定部９２または９３に接続されるよう切り替え制御され、光ファイバ８からの光を固定部９２または９３へ伝送する。また、固定部９２，９３は、それぞれ光ファイバ２１，３１を介して歪分布計測器４と温度分布計測器５に接続されている。歪分布計測器４と温度分布計測器５は、信号線を介して信号処理器６に接続されている。
【００１４】
図２の（ａ）は、当該歪測定装置における光ファイバ８の熱処理のための構成を示す図である。図２の（ａ）において、図示しない温度制御部により温度制御することが可能な恒温炉１７内には、光ファイバドラム１８が備えられている。光ファイバドラム１８には、任意長の光ファイバ８が巻かれている。光ファイバ８は、予め恒温炉１７内で熱処理され熱変化を与えられ、その温度、歪特性が安定した後に図１の船殻部材１に貼り付けられる。すなわち、恒温炉１７から引き出された光ファイバ８が、図１に示すように船殻部材１上に貼り付けられスイッチ部９１に接続される。
【００１５】
また、図４に示した歪計測用光ファイバ２と温度計測用光ファイバ３を予め恒温炉１７内で熱処理し熱変化を与え、その温度、歪特性が安定した後に図４に示すように船殻部材１に貼り付け、それぞれ歪分布計測器４と温度分布計測器５に接続するようにしてもよい。
【００１６】
図２の（ｂ）は、前述した光ファイバ熱処理の時間、温度特性を示す図であり、恒温炉１７内の温度変化状況を示している。図２の（ｂ）では、２５℃から１０℃間隔で７５℃まで温度が上昇しており、この間、約１時間の温度上昇の後約１時間の温度整定がなされ、この温度上昇と温度整定を繰り返している。また、７５℃から２５℃までの温度下降は約３時間である。このように恒温炉１７内では、光ファイバ８（または、歪計測用光ファイバ２と温度計測用光ファイバ３）が、２５℃の状態から７５℃まで徐々に加熱された後、７５℃の状態に一定時間置かれてから、再び２５℃に減熱される。
【００１７】
このように、光ファイバ８（または、歪計測用光ファイバ２と温度計測用光ファイバ３）は、２５℃から７５℃までの温度環境に一定時間置かれたため、測定時に船殻部材１にて２５℃から７５℃の範囲で温度変化が起こった場合でも高精度な計測に耐え得る状態になる。
【００１８】
図３は、前述したように恒温炉１７内の光ファイバ８（または、歪計測用光ファイバ２と温度計測用光ファイバ３）に温度変化を与えた後の温度、歪特性の試験結果例を示す図である。図３では、Ｘ軸に光ファイバの温度、Ｙ軸に歪検知出力が示されている。図３において１５は理論値、１７は実験値を示しており、上述した図６の如き光ファイバに熱処理を行なわない場合と比較して、実験値が理論値に近くなっている。
【００１９】
本実施の形態では、光ファイバ８を光ファイバドラム１８に巻き付けて、恒温炉１７内に備えて熱処理を行ない、その温度、歪特性が安定した後に用いている。図１では、まず上記スイッチ制御部によりスイッチ部９の駆動部９１を固定部９２に接続させ、船殻部材１上の光ファイバ８全長に亘る歪分布を歪分布計測器４にて計測する。次に、上記スイッチ制御部によりスイッチ部９の駆動部９１を固定部９３に切り替え、船殻部材１各部の温度を温度分布計測器５にて計測する。そして信号処理器６において、歪分布計測器４で得られた船殻部材１各部の歪から、温度分布計測器５で得られた船殻部材１各部の温度の差に対する歪の変化、すなわち図３に示す理論値である歪値の変化を除去する温度補正演算を行ない、真の歪値を求めている。また、図４に示した歪計測用光ファイバ２と温度計測用光ファイバ３を予め恒温炉１７内で熱処理し熱変化を与えて用いた場合の動作は、図１を基に上述したものと同一である。
【００２０】
なお、熱変化状況は光ファイバの種類により異なることが予想されるため、用いられる光ファイバに応じて上記温度制御部により最適な熱変化パターンを決定した後、恒温炉１７の温度を制御する。これにより、ナイロン被覆光ファイバを用いた場合でも、予め熱処理により温度変化を与えファイバ芯線や外被覆の歪を解消した後、測定対象である船殻部材１に貼り付けるので、測定対象にて温度変化がある場合でも、温度変化に起因しない光ファイバの歪分布を高精度に計測し、測定対象の歪測定を行なうことができる。
【００２１】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適時変形して実施できる。
【００２２】
（実施の形態のまとめ）
実施の形態に示された構成及び作用効果をまとめると次の通りである。
【００２３】
実施の形態に示された歪測定装置は、光ファイバ８を測定対象（１）に設け、前記光ファイバ８の歪分布を計測することで前記測定対象（１）に生じた歪を検出する歪測定装置であり、前記光ファイバ８を熱処理する熱処理手段（１７）と、この熱処理手段（１７）により熱処理された前記光ファイバ８の歪分布を温度補正演算を行ない計測する歪計測手段（６）と、から構成されている。
【００２４】
また実施の形態に示された歪測定方法は、光ファイバ８を熱処理した後、前記光ファイバ８を測定対象（１）に設け、前記光ファイバ８の歪分布を温度補正演算を行ない計測することで前記測定対象（１）に生じた歪を検出する。
【００２５】
したがって上記歪測定装置及び方法によれば、予め熱処理された光ファイバ８の歪分布を温度補正演算を行ない計測し、測定対象（１）に生じた歪を検出するので、前記測定対象（１）にて温度変化がある場合でも、温度変化に起因しない前記光ファイバ８の歪分布を高精度に計測し、前記測定対象（１）の歪測定を行なうことができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の歪測定装置及び方法によれば、予め熱処理された被覆光ファイバの歪分布を温度補正演算を行ない計測し、測定対象に生じた歪を検出するので、前記測定対象にて温度変化がある場合でも、温度変化に起因しない前記被覆光ファイバの歪を高精度に計測し、前記測定対象の歪測定を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る歪測定装置の構成を示す図。
【図２】本発明の実施の形態に係る図であり、（ａ）は歪測定装置による光ファイバの熱処理のための構成を示す図、（ｂ）は光ファイバ熱処理の時間、温度特性を示す図。
【図３】本発明の実施の形態に係る恒温炉内の光ファイバに温度変化を与えた後の温度、歪特性の試験結果例を示す図。
【図４】本発明の実施の形態及び従来例に係る光ファイバを用いた船殻部材の歪測定装置の構成を示す図。
【図５】従来例に係る単芯光ファイバの構成を示す斜視断面図。
【図６】従来例に係るナイロン被覆光ファイバの温度、歪特性の試験結果を示す図。
【符号の説明】
１…船殻部材
２…歪計測用光ファイバ（ナイロン被覆光ファイバ）
３…温度計測用光ファイバ
４…歪分布計測器
５…温度分布計測器
６…信号処理器
７…太陽光
８…光ファイバ
９…スイッチ部
１０…光ファイバ芯線
１１…紫外線硬化樹脂
１２…軟質プラスチック
１３…ポリアミド樹脂
１４…単芯光ファイバ（ナイロン被覆光ファイバ）
１５…理論値
１６…歪値
１７…恒温炉
１８…光ファイバドラム
１９…温度変化状況
【図１】
0003969872.tif 000002
【図２】
0003969872.tif 000003
【図３】
0003969872.tif 000004
【図４】
0003969872.tif 000005
【図５】
0003969872.tif 000006
【図６】
0003969872.tif 000007