(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造部材に光ファイバセンサを固定し、この光ファイバセンサを用いて構造部材において応力が集中している部位を検出する方法であって、
前記光ファイバセンサの一端に接続された光ファイバひずみ測定装置から光パルスを入力し、
この入力された光パルスに対して光ファイバセンサで生じる散乱光の光学的特性の変化であるブリルアン後方散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅変化を前記光ファイバひずみ測定装置で検出し、
スペクトルの波形が左右非対称となるスペクトル幅変化が生じた部位を構造部材に生じている応力集中部位として検出することにより距離分解能以下の応力部位の有無を検出することを特徴とする光ファイバセンサによる構造部材応力集中部位検出方法。
【請求項２】
前記光パルスを光ファイバセンサの一端に入力してから、前記散乱光が光ファイバセンサの一端に戻ってくるまでの時間を測定し、この測定した光ファイバセンサにおける散乱光の戻り時間に基づいて構造部材の応力集中発生位置を検出することを特徴とする請求項１記載の光ファイバセンサによる構造部材応力集中部位検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造部材に光ファイバセンサを固定し、この光ファイバセンサを用いて構造部材において応力が集中している部位を検出する光ファイバセンサによる構造部材応力集中部位検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機や船舶、土木・建築などの構造物を構成する構造部材には、設計時に適正な強度、すなわちその構造物が耐えうる応力が、想定される外力や使用される環境などを考慮して設定される。設計者は、使用中の構造物に生じる構造部材内の応力が、設定された応力以下となるように構造部材の材料や寸法などを決定する。ところが、不適切な設計、製造不良、使用中に発生した欠陥・損傷などによって、構造部材に悪影響を及ぼす可能性のある応力集中部位が存在することがある。
【０００３】
この応力集中によって、想定された範囲内にある外力であっても構造物の破壊に至ることがあるので、こうした応力集中部位を検出する技術は構造物の安全性を高める上で必要不可欠な技術である。
【０００４】
構造部材の応力集中部位を検出する従来の方法には光弾性法がある。また、ひずみセンサを用いた方法もある。
【０００５】
光弾性法によって構造部材の応力集中部位を測定する場合、面的なひずみの状態を把握することができ、そのひずみの状態から応力集中部位を検出することができるが、計測装置が大掛かりになる上、実際に使用されている構造物の部材に適用することは非常な困難を要し、更に構造物の形状や材料によっては測定することが不可能である。
【０００６】
また、ひずみセンサを利用して応力集中部位を検出する場合、代表的なものとして、局所的なひずみを測定するひずみゲージや「光ファイバ内に格子を形成する方法」（特開昭６２−５０００５２号公報）により作成される光ファイバセンサを用いる「分散的、離散的に解析する光ファイバひずみ計」（特開昭６１−５０２９８０号公報）がある。
【０００７】
ひずみゲージによりひずみの大きさを測定し、そのひずみの値から応力集中を検出する場合、１つのひずみゲージでは局所的なひずみしか計測できないため、多数の測定点が必要となり、配線コードが増えて測定系が大掛かりになってしまう。更に、電磁ノイズに影響されやすく、防爆性が必要なタンカーなどへの適用は難しい。
【０００８】
また、「分散的、離散的に解析する光ファイバひずみ計」（特開昭６１−５０２９８０号公報）を用いてひずみの大きさを測定し、そのひずみの値から応力集中を検出する場合、上記ひずみゲージのように配線コードは増えないが、センサ部が限定された範囲でしかひずみを測定できないため、予め予測できない場所で発生する応力集中部位を検出することは困難となる。
【０００９】
更に、ひずみセンサとしてブリルアン後方散乱光を利用した「後方散乱光の測定方法およびその装置」（特開平５−２３１９２３号公報）も提案されている。これは、図７に示すように、光ファイバセンサ１の片端に光ひずみ測定装置２を接続し、この装置からパルス光９を入力したときに、光ファイバセンサ１の各位置で生じるブリルアン散乱光の周波数スペクトル６の変化、すなわち周波数スペクトルのピーク位置の移動から光ファイバセンサ１に生じたひずみの大きさを検出し、またブリルアン散乱光が戻ってくるのに要する時間に基づき光ファイバセンサ１に生じたひずみの発生位置１３を連続的に測定するものである。また、距離分解能は、パルス光９の幅によって決まる。例えば、１０ナノ秒のパルス光９では、１ｍの距離分解能に相当する。これにより測定された連続的なひずみの分布を利用して応力集中部位を検出することができるが、距離分解能パルス光９の幅により制限されるため、空間分解能以下の大きさで応力が変動するような応力集中部位を検出することが困難である。
【００１０】
上記「後方散乱光の測定方法およびその装置」（特開平５−２３１９２３号公報）によって、測定されたひずみ分布では、距離分解能の制限から応力集中部位を検出できない例を図面により説明を行う。例えば、図２に示されているような応力集中がない場合と、応力集中がある場合のひずみ分布をそれぞれひずみ分布４１とひずみ分布４２として特開平５−２３１９２３号公報に記載されている「後方散乱光の測定方法およびその装置」を用いて距離に対応させて測定したとする。図２の横軸は距離で、縦軸はひずみである。このとき、測定されるひずみ分布は図６のようになる。図６では、横軸が距離で、縦軸がひずみである。図６からわかるように、応力集中がない場合に測定されたひずみ分布４１ａは図２に示されているひずみ分布４１と良く一致するが、応力集中がある場合に測定されたひずみ分布４２ａは、図２に示されているひずみ分布４２の測定領域５におけるひずみ分布を正確に測定することができず、応力集中の発生を検出することができない。なお、図６の測定領域５は図２に示されている測定領域５に対応している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の応力集中部位の検出方法のうち、ひずみセンサを用いる方法、すなわち、ひずみゲージや特開昭６１−５０２９８０号公報に開示されているように「分散的、離散的に解析する光ファイバひずみ計」を用いて、ひずみを計測し、その値から応力集中部位を検出する場合は、センサ部分が限定されるため、発生位置が不明の応力集中部位を検出するには人的な労力が必要であるという困難がある。
【００１２】
また、特開平５−２３１９２３号公報に記載されているように、「後方散乱光の測定方法およびその装置」を用いて距離に対応した連続的なひずみを測定し、そのひずみの分布から応力集中部位を検出する場合、距離分解能が低いために、上述したように狭い範囲で発生する応力集中部位の検出は困難であるという問題がある。
【００１３】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、構造部材に発生する応力集中部位を高い距離分解能をもってより狭い範囲で適確に検出し得る光ファイバセンサによる構造部材応力集中部位検出方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明は、構造部材に光ファイバセンサを固定し、この光ファイバセンサを用いて構造部材において応力が集中している部位を検出する方法であって、前記光ファイバセンサの一端に接続された光ファイバひずみ測定装置から光パルスを入力し、この入力された光パルスに対して光ファイバセンサで生じる散乱光の光学的特性の変化であるブリルアン後方散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅変化を前記光ファイバひずみ測定装置で検出し、スペクトルの波形が左右非対称となるスペクトル幅変化が生じた部位を構造部材に生じている応力集中部位として検出することにより距離分解能以下の応力部位の有無を検出することを要旨とする。
【００１５】
請求項１記載の本発明にあっては、構造部材に光ファイバセンサを固定し、光ファイバセンサの一端に接続された光ファイバひずみ測定装置から光パルスを入力し、この入力された光パルスに対して光ファイバセンサで生じる散乱光の光学的特性の変化であるブリルアン後方散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅変化を前記光ファイバひずみ測定装置で検出し、スペクトルの波形が左右非対称となるスペクトル幅変化が生じた部位を構造部材に生じている応力集中部位として検出することにより距離分解能以下の応力部位の有無を検出するため、従来の方法に比較して、距離分解能を向上させることができ、より狭い範囲で発生する応力集中部位を検出することができる。
【００１６】
また、請求項２記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記光パルスを光ファイバセンサの一端に入力してから、前記散乱光が光ファイバセンサの一端に戻ってくるまでの時間を測定し、この測定した光ファイバセンサにおける散乱光の戻り時間に基づいて構造部材の応力集中発生位置を検出することを要旨とする。
【００１７】
請求項２記載の本発明にあっては、散乱光が光ファイバセンサの一端に戻ってくるまでの戻り時間に基づいて構造部材の応力集中発生位置を検出するため、従来の方法に比較して、構造部材の応力集中の発生位置をより正確に検出することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る光ファイバセンサによる構造部材応力集中部位検出方法を実施する装置構成を示す斜視図である。
【００１９】
本実施形態の光ファイバセンサによる応力集中部位検出方法では、図１に示すように、構造部材３に対して光ファイバセンサ１を樹脂などで固定し、該光ファイバセンサ１の一端に光ファイバひずみ測定装置２を接続する。なお、本発明で使用される光ファイバひずみ測定装置２は特開平５−２３１９２３号公報の「後方散乱光の測定方法およびその装置」に開示されている光ファイバひずみ測定装置を用いるものである。
【００２０】
次に、図１のように設定した光ファイバセンサ１と部材３の位置関係を予め求めておき、部材３に生じた応力集中とそれを検出する光ファイバセンサ１の位置を対応させる。具体的には、光ファイバセンサ１の内、部材３に固定されている部分の始点１１および終点１２の間の光ファイバセンサ１が、部材３のどの位置に存在するかを求めておき、光ファイバセンサ１で測定された応力集中の位置の対応付けを行う。
【００２１】
本実施形態の応力集中部位検出方法では、光ファイバひずみ測定装置２から光ファイバセンサ１に光パルスを入力し、この入力された光パルスに対して光ファイバセンサ１で生じる散乱光の光学的特性の変化、すなわちブリルアン後方散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅変化から部材３の応力集中部位を検出するとともに、散乱光が戻ってくるまでに要する時間を測定し、この散乱光の戻り時間から応力集中の発生した位置を検出するものである。
【００２２】
具体的には、図１に示すように、部材３に固定された光ファイバセンサ１の始点１１および終点１２の間にある領域１３において、応力集中が存在していない場合と、応力集中が存在し、それに伴いひずみが局所的に変化する場合では、ブリルアン後方散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅が変化する。すなわち、光ファイバひずみ測定装置２から光ファイバセンサ１に光パルスを入力し、この入力した光パルスに対して光ファイバセンサ１で生じるブリルアン散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅を測定した場合、領域１３で応力集中がある場合とない場合でスペクトル幅が変化する。また、散乱光が戻ってくる時間を光ファイバひずみ測定装置２で測定すれば、測定された散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅が光ファイバセンサ１のどの位置で得られたものかを判定することができ、応力集中が領域１３で生じていることがわかる。
【００２３】
図３は、図１に示す実施形態において領域１３の応力集中の検出を行った実験結果を示すグラフである。横軸は周波数で、縦軸は受光パワーを表している。図３には、２つのブリルアン散乱光の周波数スペクトルとそのスペクトル幅が示されている。１つは、領域１３に応力集中がない場合に測定された周波数スペクトル６１とそのスペクトル幅７１、もう一方は、領域１３に応力集中がある場合に測定された周波数スペクトル６２とそのスペクトル幅７２である。それぞれの周波数スペクトルおよびスペクトル幅は、領域１３の中間点で測定されたものであることが散乱光の戻り時間から求められている。図３のスペクトル幅７１およびスペクトル幅７２は、それぞれ受光パワーの最大値８１および最大値８２の半値、すなわち図３の周波数スペクトルは対数表示されているので、最大値８１または最大値８２から３ｄＢ差し引いた値でのスペクトル幅を示している。これを半値幅と言うこともある。
【００２４】
図３のスペクトル幅７１とスペクトル幅７２を比較すると、応力集中の有無でスペクトル幅の値が変化することがわかり、これにより応力集中の発生とその位置を検出することが可能となる。なお、この実験では、図２に示すように、部材３に固定された光ファイバセンサ１の始点１１と終点１２の長さ４ｍで測定を行い、その中央部の領域１３の長さ０．３ｍにおいて一様なひずみ分布４１で応力集中がない場合と、ひずみが変化するひずみ分布４２で応力集中がある場合に関して、ブリルアン散乱光の周波数スペクトルとそのスペクトル幅を比較した。図２の横軸は、光ファイバセンサ１の始点１１から終点１２に対応する部材３の位置であり、同図中にある測定領域５が領域１３に対応する。
【００２５】
図４も、図１に示す実施形態において、光ファイバセンサ１の始点１１と終点１２の間に図２のひずみ分布４１あるいはひずみ分布４２のようなひずみが生じている場合に、領域１３の応力集中の検出を行った実験結果を示すグラフである。図４では、横軸が距離で、縦軸がブリルアン散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅である。図４は、周波数スペクトルのスペクトル幅を距離に対応させて連続的に示したスペクトル幅分布であり、横軸は光ファイバセンサ１の始点１１から終点１２に対応する部材３の位置である。同図中にある測定領域５が領域１３に対応する。図４から、応力集中がある場合、測定領域５付近で測定されたスペクトル幅が、測定領域５以外で測定されたスペクトル幅に比べて値が大きくなっていることから、領域１３で応力集中が存在していることがわかる。
【００２６】
また、応力集中によってブリルアン後方散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅が変化することは、理論的に予測することができる。ブリルアン後方散乱光はローレンツ型関数によって表せる周波数スペクトルを持ち、その形状は、
【数１】
0003795779.tif 000002
と表せる。ここで、ｇB0 はブリルアンゲイン係数、ｖBはブリルアン周波数シ フト、ΔｖBはブリルアンゲイン線幅と呼ばれるもので、スペクトル幅に対応するものである。またΔｖはパルス光の周波数シフトである。ブリルアン周波数シフトは光ファイバセンサに生じるひずみによって変化し、
ｖB＝ｖB0＋Ｍε(ｚ)            …（２）
と表せる。ここでｖB0 はひずみがゼロの時のブリルアン周波数シフト、Ｍはひずみ係数、ε(ｚ)は光ファイバセンサの長手方向の位置ｚに対応するひずみである。特開平５−２３１９２３号公報に記載されている「後方散乱光の測定方法およびその装置」で測定される実際の周波数スペクトルは、距離分解能がＬの時、
【数２】
0003795779.tif 000003
と表すことができる。光ファイバセンサ１の始点１１から終点１２に図２のひずみ分布４２が生じた場合、周波数スペクトルのスペクトル幅分布の測定値と上記の式から予測した理論値は図５のようになる。測定領域５を含むすべての位置で、測定値と理論値は良く一致するといえる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、構造部材に光ファイバセンサを固定し、光ファイバセンサの一端から光パルスを入力し、この入力された光パルスに対して光ファイバセンサで生じる散乱光の光学的特性の変化であるブリルアン後方散乱光の周波数スペクトルのスペクトル幅変化から構造部材に生じている応力集中部位を検出するので、従来の方法に比較して、距離分解能を向上させることができ、より狭い範囲で発生する応力集中部位を検出することができる。
【００２８】
また、本発明によれば、散乱光が光ファイバセンサの一端に戻ってくるまでの戻り時間に基づいて構造部材の応力集中発生位置を検出するので、従来の方法に比較して、構造部材の応力集中の発生位置をより正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光ファイバセンサによる構造部材応力集中部位検出方法を実施する装置構成を示す斜視図である。
【図２】応力集中がある場合とない場合の実際のひずみ分布を示す図である。
【図３】図１に示す実施形態の装置構成により図２のひずみ分布において測定された周波数スペクトルとスペクトル幅を示す図である。
【図４】図１に示す実施形態の装置構成により図２のひずみ分布において測定されたスペクトル幅分布を示す図である。
【図５】図１に示す実施形態の装置構成により図２のひずみ分布において測定されたスペクトル幅分布と理論により予測されたスペクトル幅分布を示す図である。
【図６】従来技術の「後方散乱光の測定方法およびその装置」（特開平５−２３１９２３号公報）により図２のひずみ分布において測定されたひずみ分布を示す図である。
【図７】従来技術の「後方散乱光の測定方法およびその装置」（特開平５−２３１９２３号公報）におけるひずみの計測原理を示す模式図である。
【符号の説明】
１  光ファイバセンサ
２  光ファイバセンサひずみ測定装置
３  構造部材
【図１】
0003795779.tif 000004
【図２】
0003795779.tif 000005
【図３】
0003795779.tif 000006
【図４】
0003795779.tif 000007
【図５】
0003795779.tif 000008
【図６】
0003795779.tif 000009
【図７】
0003795779.tif 000010