FBG センサを用いた屋外環境下におけるひずみ・温度の遠隔モニタリング

1. はじめに

2. システムの検討

日本における橋梁の数は約 73 万橋である。このう

長期モニタリングを可能とするために、センサ

ち、建設後 50 年を経過した橋梁の割合は、2026 年にデバイス用のソフト面と計測器や PC などのハー（1）（2）は 44％まで増加し、老朽化が問題となっている。

ド面について検討した。

しかしながら地方自治体などでは、人手や予算本システムでは、センサ自体の環境劣化が少ななどの理由から、保全措置が望ましいとされる構い光ファイバ FBG（Fiber Bragg Grating）を利用し（3）

造物すべてには実施されていない 。そのため次た。の定期点検までの間、老朽化の進展を把握し、さFBG センサは、コア内部に屈折率の異なる層をらに同じ区分内でも優先順位をつけて、効率的に作りこみ、反射鏡のような役割をする複数の回折修繕措置を実施することが求められている。

格子からなるブラッグ格子を形成する。広帯域の目視点検のような従来の方法では、点検時に足光源から光がファイバに入射すると、ブラッグ波場の設置や検査員を要し、費用がかかり、点検回長と呼ばれる特定の波長の光だけが反射し、他の数も限定的となる。一方センサなどを設置し、常波長の光は透過する 。図 1 に FBG センサの構造にその状態をモニタリングすれば、優先的に保全図を示す。FBG 受感部に軸方向の外力や温度が加措置が必要となる構造物を選定できる。またそれわるとファイバは伸縮し、回折格子の間隔も変化により、山奥などの遠隔地や、計測のために足場するため、反射するブラッグ波長も変化する。図 2、が必要となる場所の点検回数を減らすことで、移および図 3 には、FBG センサに加えるひずみと温動時間やコストなどの削減が可能となる。

度を、それぞれ変化させた時のブラッグ波長の変（4）

本稿では、構造物の状態の変化を客観的かつ継化を示す。これらの線形性の特性を活かし、ブ続的に把握する測定技術として、ひずみや温度計ラッグ波長の変化から、ひずみや温度変化が計測測に着目し、モニタリングシステムを開発したのできる。なお、使用環境は屋外で、-10 ～ 80℃ので紹介する。

温度範囲での使用を想定している。

図1

FBG センサの構造図—81—

IIC REVIEW/2021/04. No.65

3. 開発した長期モニタリングシステム
本システムは図 4 のように、 制御装置（500 ×400 × 200mm）、 バ ッ テ リ ー ボ ッ ク ス（400 × 300 ×200mm）、および太陽光パネル（530 × 530 × 20mm）から構成されている。図 5 に制御装置内部を示じんす。粉塵や浸水を防ぐ構造（IP65）となっているた
図2

め、屋外での使用が可能であり、また、ボックスひずみに対するブラッグ波長変化

内はすべての部品が固定されているため、壁に掛けて使用することもできる。なお、太陽光パネルだけでなく、AC100V 電源での使用にも対応している。
無線通信については、計測データをリアルタイム で 受 信 す る た め、 通 信 機 器 に は SIM 内 蔵 型
Virtual Private Network ルーターを使用して、仮想プライベートネットワークを構築した。図 6 にFBG センサによる長期モニタリングシステムの

図3

温度に対するブラッグ波長変化構成を示す。これにより、遠隔地から FBG センサによる対象構造物のひずみをリアルタイムに計測

ハード面においては、計測器や PC などの駆動し、このシステムで遠隔地の構造物の計測したに必要な電源、および計測データの確認方法につデータは、インターネット経由で受信できる。こいて検討する必要がある。本システムでは、太陽れにより、遠隔地の構造物のデータ保存や PC 画光パネルとバッテリーにより機器類を駆動させ、面で状態監視が可能となる。

携帯電話網を用いた無線通信により、遠隔地からこのとき本システムの計測周期は 1 時間に 1 回計測データの確認を可能とした。

図4程度を想定している。また、計測時間になるとす開発した長期モニタリングシステム（左：正面、右：背面）
—82—

図5

図6制御装置内部

FBG センサによる長期モニタリングシステムの構成図

べての機器が駆動し、計測後は次回の計測時間まの発生ひずみを計測する。支承が正常に機能すれでシャットダウンできる省エネ装置を備えていば、移動や回転などの動作をするので、ひずみはる。なお、計測周期についても遠隔で変更するこ発生しない。しかし、可動部分に腐食や摩耗などとが可能である。

が発生すると、支承は拘束されるため、ひずみが発生する。このことから、支承の発生ひずみを継4. 適用先について続的にモニタリングすることにより、異常を検知

本システムの適用先の例として、橋梁の金属製することが可能である。

（5）のピン支承を紹介する 。支承は、上部構造の荷支承のひずみ計測による異常検知の有効性を確

重を下部構造（橋台や橋脚）に伝達する役割を担い認するため、コンクリート床版を持つ橋梁全体にながら、温度変化による主桁やコンクリート床版加え、支承部をモデル化し、図 8 のように有限要の伸縮の吸収をする部材である。図 7 に計測の一素解析を実施した 。この解析により、移動や回例を示す。支承の各部材にセンサを貼り、それら転を拘束された支承の機能低下状態から、コンク—

（6）

83

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図7

支承の計測例
いても、産学官と連携をして、社会インフラの保全に貢献を図る。
文責
研究開発センター

研究開発グループ福本 伸太郎

研究開発センター
図8

技師長

西土 隆幸

参考文献

支承の有限要素解析結果例（1） 道路メンテナンス年報：国土交通省、2017
リート床版、鋼桁が共に 20℃上昇したとき、支承（2） 国土交通省ホームページ：インフラメンテナの斜材中央部に大きな応力（100MPa）が発生する

ンス情報、各施設の点検結果（国土交通省管ことがわかった。このことから、支承の斜材に理 ）、http://www.mlit.go.jp/sogoseisaku/maintena

FBG センサを貼り、ひずみを計測することで、支nce/02research/02_03_01_01.html（3） 国土交通省ホームページ：インフラメンテナ

承の機能低下を検知できる。

ンス情報、点検の実施状況、https://www.mlit.

5. おわりにgo.jp/sogoseisaku/maintenance/02research/02_02.

本稿で紹介した FBG センサによる長期モニタ

html

リングシステムは、環境劣化の少ない光ファイバ（4） A. Othonos and K. Kalli：Fiber Bragg Gratings,

デバイスである FBG センサを使用し、電源不要でArtech House Publishers, 1999, pp.98-99

長期間遠隔モニタリングを継続できることが優位（5） 公益社団法人土木学会：鋼構造シリーズ 17 道な点である。本モニタリングシステムが今後多く

路 橋 支 承 部 の 改 善 と 維 持 管 理 技 術、2008、の構造物で適用されることを期待している。

pp.36-41

現在、センサ設置時に使用する接着剤の耐久（6） 西土隆幸、福本伸太郎、今川峻：橋梁支承の性、および作業性の向上を目指したセンサの開発

機能低下がコンクリート床版に与える影響、を他社と共同で実施している。得られたデータかIHI 技報、Vol.58、No.2、2018、pp.34-40

ら構造物の健全性評価にどうつなげていくかにつ—84—