光ファイバドップラセンサを利用した低周波振動計の開発㈱レーザック○斉藤

義弘㈱レーザック㈱レーザック藤井宏和㈱レーザック

川崎地質㈱

中田

文雄

川崎地質㈱

正会員

布谷勝彦

田仲正弘

鈴木敬一

１．はじめに火山性地震の観測やダムなどの重要構造物の安全性監視において，低周波振動の計測が行われている．現状
では電気式の振動計が採用され，実績や信頼性においても十分であるといえる．しかし，耐用年数という面では，信号線の劣化などを起因とする故障を考慮して定期的に交換する必要があり，維持費の増大に繋がっている．特に火山性地震などの測定では，雷が信号線を介してセンサ部を破損させ，センサの交換を余儀なくされている．一方，光ファイバドップラセンサ（以下 FOD センサと呼ぶ）は，本質的防爆性を有し長距離伝送も可能なセンサで，広帯域にわたる感度特性を持ち，同一のセンサで幅広い周波数帯域の振動を捉えることができる．この FOD センサを利用した低周波振動計を用いれば，雷などによる損傷の可能性が少なくなり，センサ自体の耐用年数の長期化が可能となり，費用対効果の向上が期待できる．そこで，FOD センサを利用した低周波振動計を試作して感度試験を行い，その適用性について検討を行った．その結果 FOD センサの有用性が得られたので報告する．

円盤状 FOD

２．FOD センサの測定原理
センサ部
（固着部）

光ファイバの断面構造は，コア部とクラッド部の2層で構成されており，光波はその境界で全反射を繰り返しながら伝播する．測定に際しては，図-1に示すように光ファイ

f0 +fdバ線の一部を被計測物に固着することで，その部位をセンf0サにすることができる．被計測物が振動するとセンサ部も

図-1

その振動に併せて伸縮し，このとき固着部の一端から周波伸縮光ファイバのセンサ部模式

センサ部

計測部
分光

数 f 0 の光波を入力した場合，伸縮するセンサ部を通過す

計測光
FODセンサる光波はファイバ内で生じるドップラ効果によって周波数変調 f d を生じ，伸縮部を過ぎた光波の周波数は f 0 + f d

光源

f 0+f M
波形比例関係にある．

1 dL
λ dt

参照光AOM（音響光学機器）

f 0+f dとなる． f d は式(1)に示されるように，変位速度 dL / dt と

fd = −f0

合波

f M+fdフォトダイオード

電圧出力
FV

図-2 FOD センサ計測システム図
錘(1)

丸ばね（材質アルミ）

錘FODセンサ

周波数変調 f d は図-2 に示す計測システム中の周波数/電圧変換器（FV）で電圧値に変換され出力される．

50mm

芯棒

20mm

３．低周波振動計の構造
図-3 に FOD 低周波振動計の構造図を示す．同図に示し
正面図

たように，錘をぶら下げたアルミ製の円筒形の筒の両側面

側面図

図-3 FOD 振動計の構造に FOD センサを貼り付けた単純な構造である．円筒形を採用した理由は微小な振動でも感度良く変形すると判断したからである．測定は振動と連動して生じる錘の上下運動によって筒に強制的に変形を与え，その変形の速度を FOD センサで捉えている．錘は軸ずれが生じないように軸連れ防止の心棒を入れている．したがって，この振動計は上下方向（錘の振動方向）の成分を測定
キーワード

光ファイバ，低周波，AE，モニタリング

連絡先〒113-0033

東京都文京区本郷 3-40-9（株）レーザック℡03-3816-3864

することになる．この筒の形状寸法ならびに錘の重さは周波 【加速度計】測定周波数 数 Hz～10kHz
3数応答解析を行い，測定周波数帯が 100Hz～1kHz の範囲にな1mVるようにしている．図-4 に加振器を用いて加速計の出力が±220-1-2ｍV を基準とした周波数 200Hz の振動を与え，FOD 振動計，

-305101520253035404550303540455028Hz 共振】 msec

ジオホーンそして加速度計の 3 種で測定した波形例を示す． 【ジオホーン3同図は，上から加速度計，ジオホーン，FOD 振動計の順に示準の電圧に換算している．FOD 振動計は他のセンサと同様に1mVしている．出力値は比較できるようにそれぞれの値は 0dB 基

20-1-2-30510152025msec

200Hz で受振しており，感度的には 100 倍程度良好な結果と 【FDO 振動計】
300なっている．加速度計とその他のセンサと波形の位相が 4 分

100mVの 1 ずれているのは，加速度波形と速度波形の相違である．

2000-100-200４．FDO 振動計の特性
図-5 に測定システムを示す．システムはファンクションジ-3000510152025msec

3035404550

図-4 各種センサの振動波形（200Hz）ェネレータを用いて加振器の振動周波数を変化させ加振器の上面には FOD 振動計，ジオホーン，加速度計の 3 種のセンサ

光干渉計を固定している．各センサの出力波形はデジタルオシロで同期させて収録した．測定は，ジオホーンの出力値を 3ｍV に保光地震計

つように，10Hz から 1kHz の範囲で周波数を変化させながら加速度計

加速度計アンプオシロスコープ加振させ，その時の FOD 振動計の振動波形を収録した．サン

地震計（ジオフォン）

プリングは 10μs，波形記録長は 50ms とした．

ファンクションジェネレータ

FOD 振動計の共振点は円筒の厚さに影響することは，周波加振器

図-5 計測システム

数応答解析結果から推定されていたため，円筒は直径 50mm，厚さは 1.5ｍｍと 1ｍｍの 2 種を用いた．また，FOD センサ自振動速度一定 周波数特性
10000

体は測定長（ファイバ長）が長くなると感度が高くなるとい①FOD地震計 T=1.5㎜(素線長7100mm)②FOD地震計 T=1.5㎜(素線長3550mm)③FOD地震計 T=1.0㎜(素線長7100mm)

う特性を有していることから，感度比較するために厚さが 1.5ｍｍのセンサについて，ファイバ長が 7.1ｍのものと 3.55ｍの長が長い 7.1ｍのみとした．これらの結果を図-6 に示す．同図

振幅（mV）

2 種用意した．厚さ 1ｍｍの FOD 振動計についてはファイバ

1000

100をみると，厚さ 1.5ｍｍの振動計は 200Hz に共振点を持ち，300Hz からほぼフラットな特性を持つセンサであることがわ
10かる．また，ファイバ長の相違による感度は，ファイバ長 7.1ｍの方が 200ｍV 程度，3.55ｍは 100ｍV 程度と 2 倍程高いこ

0200

400

600

800

1000

周波数（Hz)

図-6 FOD センサの特性とがわかる．厚さ 1ｍの振動計の共振点は 100Hz と低くなり，200Hz からほぼフラットな特性を持つセンサでとなっている．周波数帯がフラットな範囲でみると，すべての振動計で感度は 100ｍV 以上あり，与えた振動（ジオホーン 3mV）に比べ 30 倍以上の感度を有している．
５．まとめと今後の展望
防爆性や長距離伝送に優れた光ファイバを用いた FOD 振動計を製作して，その特性を調べた．その結果，円筒形を用いたことで感度の高いセンサとなっており，共振点も円筒形の厚さが 1.5ｍｍで 200Hz,厚さ 1ｍｍ
では 100Hz になり，厚さで共振点が調整可能となることがわかった．また，共振点については，円筒形の材質（剛性）や錘の重さでも調整可能となることから，今後はこれらのパラメータと感度ならびに共振点の関係を明確にしていきたいと考えている．
参考文献：田仲正弘・菊山清児・町島祐一・石田毅: 光ファイバドップラセンサの岩盤工学分野への適用性に関する基礎的検討, VOL63 №1,2007