技術紹介

光ファイバによる動的変位計測システム（SOFO Dynamic）
三上 隆男 *TakaoMikami

近年、橋梁のヘルスモニタリングが重要な課題となっており、ひずみゲージに比べて種々の長所を有する光ファイバセンサの適用が期待されている。橋梁は車両通過にともなって常時振動しているため、動的な計測ができるシステムを適用する必要がある。そこで、2005 年度に動的計測専用の SOFO Dynamic を導入した。センサは 2000 年度に導入した静的計測専用の SOFO V と共通であり、計測の目的に応じて SOFO V または SOFO Dynamic を適用する。本報では、SOFO Dynamicのシステム構成、特徴、適用例、適用分野などについて紹介する。

キーワード：ヘルスモニタリング，光ファイバセンサ，動的変形，変位センサ，WIM，過積載車の Surveillance d’ Ouvrages par Fibres Optiques の１．はじめに

略称で、日本語では「光ファイバによる構造物の光ファイバをセンサとして用いる契機は、1970モニタリング」と言う意味である。

年代における光通信用の光ファイバ技術の著しい

近年、橋梁のヘルスモニタリングが重要な課題と進展にある。光エレクトロニクスの発展と通信分なっており、光ファイバセンサの適用が期待されて野での光ファイバに対する爆発的なニーズから光いるが、橋梁は車両通過にともなって常時振動してファイバケーブルのコストが下がり、また、様々おり、静的計測専用の SOFO V を適用することがでな周辺機器が開発されて光ファイバをセンサに用きない。そこで、2005 年度に動的計測専用の SOFOいることが現実的になってきた。光ファイバセン

Dynamic を導入した。本報では SOFO Dynamic のシ

サは従来のひずみゲージに比べて種々の長所を有ステム構成、特徴、適用例等について紹介する。

し、とくに土木構造物の長期健全性モニタリング２．システム構成（ヘルスモニタリング）に適している。このよう

図１にシステム構成図を示す。センサは SOFOな背景の下、ＩＩＣは 2000 年度に静的計測専用の「光ファイバによる変位計測システム： SOFO V」

V と共通である。

を Smartec 社（スイス）から導入し、各種構造物

アナログ出力は表示および保存用のデータ収録装置に適用している。なお、SOFO とは、フランス語に取り込む。デジタル信号は USB を介してパソコン

＊

計測事業部

計測エンジニアリング部

部長

―54―

に直接取り込み、保存および解析することもできる。

右されない。SOFO Dynamic はこの 2 本の光ファ

図２に本体部の写真を示す。

イバの長さの差（= 測定対象物の 2 点間の動的変位）を測定するものである。レーザー光源から発射された光（波長： 1550 nm）がセンサに送られ、カップラーにより分割された後、2 本の光ファイバに送られる。その光はセンサ端部に設けられた鏡で反射され、カップラーで再び集光され、本体に戻ってくる。（マイケルソン干渉計）
光信号は検波干渉計で位相変調される。光信号を検出した後、本体はセンサにより導入された位

図１ SOFO Dynamic の構成

相変調を探知し、変位に変換する。本方式はヘテロダイン低コヒーレンス干渉計と呼ばれる。
４．特徴SOFO Dynamic の特徴は以下のとおりである。
（1）ヘルスモニタリングに適している（センサ寿命が半永久的）。
（2）センサが長く（最大： 20 m）、構造物全体の動きを把握できる。
（3）センサ（図３のタイプ）をコンクリートに埋図２ SOFO Dynamic

め込むことができる。
（4）センサは電磁波の影響を受けない。
３．測定原理（5）光信号を使用しているので、火災や爆発の心SOFO 標準センサは図３に示すように、2 本の光配がない。

ファイバで構成されている。測定用ファイバには（6）高感度（表１参照）、高信頼性である。

あらかじめプリテンションが与えられており、測５．システム仕様

定対象物に固定された 2 点間の変位に応じて伸縮

表１にシステム仕様を示す。ひずみゲージよりする。もう一方の参考ファイバ（螺旋状）はフリーになっており、その長さは固定点間の変位に左一桁高い分解能を有している。

図３ SOFO Dynamic―55―

IIC REVIEW/2006/4. No.35

表１ SOFO Dynamic のシステム仕様

光ファイバが複合材料の中に埋め込まれている。
６．適用例

幅も厚さも非常に小さく、曲げ易いので、曲面SOFO Dynamic を鋼構造物の疲労試験に適用し（配管等）の計測に理想的なセンサである。

た。図４に示すように、鋼構造物に SOFO 標準セ

表２及び表３にそれぞれ SOFO 標準センサとンサ（L ： 500 mm）と SMARTape Compact センサ

SMARTape Compact センサの仕様を示す。また、（L ： 300 mm）が取り付けられている。

これらの他に測定環境（材質，温度分布，高圧力

図５に疲労試験時の後者の振動波形（0.8 Hz）等 ） に 応 じ て SMARTape Standard セ ン サ 、を示す。

SMARTape Flexi センサ、SMARTprofile センサ等

なお、SMARTape Compact センサはテープ状で、図４が用意されている。

鋼構造物の疲労試験

図５ 振動波形（SMARTape Compact）

表２ SOFO 標準センサの仕様―56―

表３ SMARTape Compact センサの仕様

図６に SOFO による高層ビルの鋼製柱の変形計

図７に構造物の損傷検知試験に適用した例を示測の様子を示す。高層ビル（完成時 33 F）建築中す。1 階建てのフレーム構造模型を振動台に載せの柱表面に SOFO 標準センサ（長さ： 1 m）を設試験を実施した。図８に示すように、1 本の柱に 2置し、柱に作用する荷重の変化を建築中から長期個の SMAR Tape センサを取り付け、柱に 7 段階で的にモニタリングしている。現在は SOFO V によ切欠をいれて損傷を模擬した。

る静的なモニタリングであるが、ビル完成後はSOFO Dynamic により振動特性の変化もモニタリングする予定である。

図７

図６

SOFO による高層ビル柱の変形モニタリング

図８―57―

フレーム構造の損傷検知試験

SMARTape センサの設置

IIC REVIEW/2006/4. No.35

図 10
図９

橋梁ヘルスモニタリング

振動応答の周波数解析結果と呼ばれ、橋梁各部のひずみを動的に計測することに図９に試験結果を示す。損傷が大きくなるにしより、走行中の車両の重量を計測するシステムである。

たがって、固有振動数が低下する様子が明確に捉従来のWIM はセンサとして多数のひずみゲージを用えられている。従来の加速度センサよりも高感度いているが、ゲージ長の長いSOFO センサを用いればで検知ができることが確認された。

設置の簡略化、システムの長寿命化が期待できる。

７．SOFO Dynamic の適用分野

８．おわりに日本国内では本格的な適用事例は未だないが、SOFO Dynamic の導入により光ファイバ計測の適以下のような適用が考えられる。

用分野が広がった。センサは共通であり、静的計測（1）交通、風、地震等の動的荷重を受ける構造物が必要な場合には SOFO V で、動的計測が必要な場（ビル，橋梁等）の動的変形計測

合にはSOFO Dynamicで対応できるようになった。

（2）構造物の共振拡大係数（Quality Factor）の評価

センサ長が長い、高精度、長寿命、校正不要等（3）モーダル解析によるシステム同定（任意及びの特徴を生かして、適用範囲を広げて行きたい。

強制振動）
参考文献

（4）振動モード形状及びモーダル曲率計測。
（5）構造物のモーダルパラメータ、剛性、減衰係（1）三上， SOFO システム ，IIC REVIEW/2000/10.

数の変化による損傷検知。

No.24，p29 〜 p33（6）橋梁の動的応答計測による動的重量計測（2）Daniele Inaudi et al, “Long-gauge fiber-optic sensors:（例：過積載車の検知）。

A new approach to dynamic system identification”,

以上を勘案して、SOFO Dynamic による橋梁ヘ

Third European Conference on Structural Control,

ルスモニタリング試験を長さ 30m 程度の橋梁で3ECSC, 12-15 July 2004, Vienna, Austria

2006 年から開始する予定である。（図 10 参照）
橋桁に SOFO センサを設置し、動的曲率及び振計測事業部
計測エンジニアリング部
部 長

動応答を長期的にモニタリングする。これにより、橋桁の劣化（異常）を検知する。また、これらの三上 隆男

センサにより走行車両の重量を計測する。

TEL. 045-759-2160
FAX. 045-759-2161

車両重量計測システムはWIM（Weighing In Motion）―

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