JPH11223513A

JPH11223513A - 歪み測定装置

Info

Publication number: JPH11223513A
Application number: JP2628798A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Hida; 仁飛田; Satoshi Ashida; 吏史芦田; Masayuki Tanigawa; 雅之谷川; Teruhisa Ishihara; 照久石原; Yoshiko Ikuta; 芳子生田
Original assignee: Hitachi Zosen Corp; Hitachi Shipbuilding and Engineering Co Ltd
Current assignee: Kanadevia Corp
Priority date: 1998-02-09
Filing date: 1998-02-09
Publication date: 1999-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】狭い範囲の歪みを精度良く検出する。【解決手段】ゲージ本体２を、光ファイバにより、光パ
ルスの透過減衰量が極めて少ない湾曲半径の湾曲部１１
と、計測ゲージ長Ｌに形成された直線計測部１２とで、
直線計測部１２が互いに平行に配置される周回経路１３
を形成して、平面上でこの周回経路１３を位置ずれして
複数回巻回することにより、湾曲部１１と直線計測部１
２の合計長さがこの光ファイバによる平均歪みを計測可
能な直線固有ゲージ長以上となるように構成し、前記直
線計測部１２を歪み方向に沿うようにゲージ本体２を被
計測物の計測平面１に固定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバに加わ
る応力により生じる光パルスの後方散乱光（ブリルアン
散乱）を測定し、構造物等の歪みを検出するＢＯＴＤＡ
法による光ファイバを使用した歪み測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光ファイバに光パルスを入力し、
光ファイバの歪みにより生じる光パルスの後方散乱光を
測定して被計測物の歪みを検出する光ファイバを使用し
た歪み測定システムでは、特開昭６１−１０４２３５号
公報に、マイクロベント損失を有する光ファイバ心線を
実装して光ケーブル内の歪み分布を測定する歪み測定方
法が提案されている。また、特開平４−８６５１０号公
報に、構造物の鉄筋に光ファイバを巻き付けることによ
り、光ファイバを構造物に固定するとともに、曲げ部を
形成して散乱損失を発生させ、鉄筋間の構造物の歪み測
定するものが提案されている。このような歪み計測シス
テムでは、光パルスを光ファイバに入射した時の後方散
乱光の信号を時間分解するＯＴＤＲ（Optical Domain
Reflectometry）法が採用されるが、この測定システ
ムでは、光ファイバ中で発生する自然ブリルアン散乱光
パワーは非常に微弱で測定が困難である。このため、図
３に示すように、光ファイバの一端（または両端）から
パルス光（ポンプ光）と連続（ＣＷ）光（プローブ光）
を入射し、両信号間の誘導ブリルアン散乱相互作用を利
用するＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical-Fiber Time
Domain Analysis）法が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記構成によ
れば、後方散乱光による損失を検出できる光ファイバの
最短ゲージ長（距離分解能）は、歪み計測器の性能にも
よるが、たとえば２．０〜２．５ｍで、光ファイバの
２．０〜２．５ｍの長さの平均的な歪みしか測定でき
ず、構造物の歪みを測定する場合、ゲージ長が２．０〜
２．５ｍでは、それ以下の範囲での細やかな計測ができ
ず、場所を特定可能な精度のよい歪み測定ができないと
いう問題があった。

【０００４】本発明のうち請求項１記載の発明は、上記
問題点を解決して、より狭い範囲の歪みを精度良く検出
できる歪み測定方法および装置を提供することを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１記載の発明は、歪み計測器により被計測物に
固定した光ファイバに光パルスを入力し、光ファイバの
歪みにより生じる光パルスの後方散乱光を測定して被計
測物の歪みを検出する光ファイバを使用した歪み測定装
置であって、ゲージ本体を、光ファイバにより、光パル
スの透過減衰量が極めて少ない湾曲半径の湾曲部と、計
測ゲージ長に形成された直線計測部とで、直線計測部が
互いに平行に配置される周回経路を形成して、平面上で
この周回経路を位置ずれして複数回巻回することによ
り、湾曲部と直線計測部の合計長さがこの光ファイバに
よる平均歪みを計測可能な直線固有ゲージ長以上となる
ように構成し、前記直線計測部を歪み方向に沿うように
被計測物の計測平面に固定したものである。

【０００６】上記構成によれば、固有ゲージ長以上の長
さの光ファイバを、湾曲部と直線計測部からなる周回経
路上で複数回巻回してゲージ本体を形成したので、計測
平面に歪みが生じると直線計測部の光ファイバを伸縮
し、この歪みが後方散乱光となって計測することができ
るので、直線計測部の計測ゲージ長の狭い範囲起こる歪
みを正確に測定することができ、光ファイバによる歪み
の測定精度を向上することができる。

【０００７】また請求項２記載の発明は、上記構成に加
えて、直列に連続して形成された複数のゲージ本体を配
置し、その端部に光パルスを発光するとともに後方散乱
光を受光し光ファイバの歪みを測定する歪み計測器を接
続したものである。

【０００８】上記構成によれば、大型の構造物で複数の
測定個所がある場合、測定平面に取付けられるゲージ本
体を直列に接続することで、複数の測定個所を一度に測
定することができ、装置の簡略化が図れる。

【０００９】さらに請求項３記載の発明は、ゲージ本体
同士をコネクタを使用して接続する時に、ゲージ本体か
ら導出されてコネクタに至る中間光ファイバケーブル
に、コネクタによる光パルスの変動の影響がゲージ本体
による光パルスの変動に及ばない長さの予長部を形成し
たものである。

【００１０】上記構成によれば、コネクタによる散乱が
大きくなると、ゲージ本体の散乱に影響を及ぼして計測
値が不正確となりやすいが、中間ケーブルに予長部を設
けて中間ケーブルの長さを長く確保することで、コネク
タの散乱量が大きくても正確な計測が可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】ここで、本発明に係る歪み測定装
置の実施の形態を図１および図２に基づいて説明する。

【００１２】この歪み測定装置は、図２に示すように、
被計測物である大型構造物の複数箇所に設けられた計測
平面１の歪みを測定する歪み測定装置で、各計測平面１
にそれぞれ装着される光ファイバ製の複数のゲージ本体
２と、ゲージ本体２から導出される中間光ファイバケー
ブル（以下中間ケーブルという）３と、中間ケーブル３
を介して各ゲージ本体２を直列に接続するコネクタ４
と、中間ケーブル３のコネクタ４の近傍で、コネクタ４
の散乱光（ブリルアン散乱光に限らない）が大きい場合
にゲージ本体４の散乱光への影響を無くすために設けら
れる予長部である予長ループ３ａと、ゲージ本体２が直
列に接続された端部中間ケーブル３ｂに接続されるＢＯ
ＴＤＡ計測器（歪み計測器）５とで構成される。なお、
コネクタ４無しで複数のゲージ本体２を直列に連続して
形成し配置することもできる。

【００１３】ゲージ本体２は、図１に示すように、光フ
ァイバにより、光パルスの透過減衰量が極めて少ない湾
曲半径ｒ，ｒ′に設定された湾曲部１１と、計測ゲージ
長Ｌ以上に形成された直線計測部１２とで、直線計測部
１２が互いに平行に配置される略長円形の周回経路１３
を形成して、平面上で周回経路１３を位置ずれして複数
回螺旋状に巻回することにより、湾曲部１１と直線計測
部１２の光ファイバの合計長さがこの光ファイバによる
平均歪みを計測可能な固有ゲージ長以上となるように構
成される。

【００１４】ＢＯＴＤＡ計測器５の特性によりこの光フ
ァイバの固有ゲージ長はたとえば２．０〜２．５ｍであ
り、したがってゲージ本体２の光ファイバの合計長さは
２．５ｍ以上必要となる。また直線計測部１２の長さＬ
は、ここでは１００ｍｍ以上に設定され、周回経路１３
の全長をたとえば約３００ｍｍとすると巻回数は８〜１
０程度であるが、好ましくは光ファイバの全長が４．０
ｍ前後確保することで、より高精度な計測が可能とな
る。また湾曲部１１の湾曲半径ｒ（ｒ〈ｒ′）は、光伝
播経路の曲がりにより光パルスが透過ロスがなく減衰量
が計測に無視できるくらいに小さくなるような設定値に
構成され、ここではたとえば湾曲半径ｒ＝１５ｍｍ以上
が望ましい。

【００１５】このゲージ本体２は、被計測物の計測平面
１に、前記ゲージ本体２が直線計測部１２を歪み方向に
沿わせて固定されており、直線計測部１２の両端部が予
張力を持たせて接着固定された取付け板２１介して計測
平面１に固定され、直線計測部１２も計測平面１に全長
にわたって接着固定される。

【００１６】ここで計測される歪みには圧縮歪みと膨張
歪みがあり、予張力はこの圧縮歪みを良好に検出するた
めのもので、その上限は光ファイバの強度を越えない範
囲であり、その下限は起こり得る圧縮歪みをカバーでき
る範囲で、ここでは０．１％の予歪みが生じるように張
力をかけておけばよい。なお、この湾曲部３曲がりとに
よる散乱光は、ゲージの持つ固有散乱量として計測時に
考慮される。

【００１７】また、中間ケーブル３同士の接続部におい
て、コネクタ４の散乱光が大きい場合、ゲージ本体４の
散乱光の計測値に影響を及ぼして歪み検出値の精度が低
下するおそれがあるが、ここでは、予長ループ３ａによ
り光ファイバをたとえば１０ｍ程度ループ状に複数回巻
回して長さを確保することで、その影響が及ばないよう
に考慮されている。なお、中間ケーブル３に予長ループ
３ａを形成したが、ループ状に限るものではなく、歪み
が少なく長さが確保できるものであればよい。

【００１８】ＢＯＴＤＡ計測器５は、レーザ光源、受光
回路などからなる計測部と、コンピュータからなる演算
処理部とで構成される。上記構成において、ＢＯＴＤＡ
計測器５のレーザ光源から発光されたレーザパルスは、
端部中間ケーブル３ｂから直列に接続されたゲージ本体
２に順次送られ、ＢＯＴＤＡ計測器５の受光回路で散乱
光量が測定され、演算処理部により時間軸（距離）にお
ける光ファイバの歪み量が測定される。これにより、所
定の位置にあるゲージ本体２の取付け位置におけるゲー
ジ長Ｌの歪みが正確に計測される。また中間ケーブル３
の接続部のコネクタ４に大きい散乱が発生している場合
にコネクタ４の位置（距離）に大きい減衰が表れても、
予長ループ３ａにより光ファイバの長さが確保されてい
るので、ゲージ本体２の計測精度が低下することもな
い。

【００１９】上記構成によれば、従来の歪み測定装置で
は、固有ゲージ長が大きいため、狭い範囲の歪みを正確
に計測することができなかったが、本発明によれば、直
線固有ゲージ長に相当する全長以上の光ファイバを長円
形に複数回巻回してその直線計測部１２を計測平面１に
接着固定することにより、直線計測部１２の長さに相当
する計測ゲージ長Ｌの狭い範囲の歪みを高精度で検出す
ることができる。

【００２０】また、一本の光ファイバ（中間ケーブル
３）に沿って複数のゲージ本体２をコネクタ４を介して
直列に接続し、ゲージ本体２を複数の計測平面１に装着
することにより、広範囲な多点計測が可能となり、計測
準備、撤去の作業を大幅に軽減することができる。ま
た、コネクタ４の散乱光量が大きく、かつコネクタ４と
ゲージ本体２との距離が短い場合でも、予長ループ３ａ
を設けることにより、ゲージ本体２の計測値にコネクタ
４の影響を受けることがない。

【００２１】なお、上記実施の形態では、各コネクタ４
間に１個のゲージ本体２を介在させたが、コネクタ４間
に直列に連続して形成された複数のゲージ本体２を介在
させることもできる。

【００２２】

【発明の効果】以上に述べたごとく本発明の請求項１記
載の発明によれば、固有ゲージ長以上の長さの光ファイ
バを、湾曲部と直線計測部からなる周回経路上で複数回
巻回してゲージ本体を形成したので、計測平面に歪みが
生じると直線計測部の光ファイバを伸縮し、この歪みが
後方散乱光となって計測することができるので、直線計
測部の計測ゲージ長の狭い範囲起こる歪みを正確に測定
することができ、光ファイバによる歪みの測定精度を向
上することができる。

【００２３】また請求項２記載の発明によれば、大型の
構造物で複数の測定個所がある場合、測定平面に取付け
られるゲージ本体を直列に接続することで、複数の測定
個所を一度に測定することができ、装置の簡略化が図れ
る。

【００２４】さらに請求項３記載の発明によれば、コネ
クタによる散乱が大きくなると、ゲージ本体の散乱に影
響を及ぼして計測値が不正確となりやすいが、中間ケー
ブルに予長部を設けて中間ケーブルの長さを長く確保す
ることで、コネクタの散乱量が大きくても正確な計測が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る歪み測定装置の実施の形態を示す
ゲージ本体の正面図である。

【図２】同歪み測定装置を示す構成図である。

【図３】ＢＯＴＤＡ法による歪み測定方法を示す説明図
である。

【符号の説明】

１計測平面２ゲージ本体３中間光ファイバケーブル３ａ予長ループ４コネクタ５ＢＯＴＤＡ計測器１１湾曲部１２直線計測部１３周回経路２１取付け板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷川雅之大阪府大阪市住之江区南港北１丁目７番89 号日立造船株式会社内 (72)発明者石原照久大阪府大阪市住之江区南港北１丁目７番89 号日立造船株式会社内 (72)発明者生田芳子大阪府大阪市住之江区南港北１丁目７番89 号日立造船株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】歪み計測器により被計測物に固定した光
ファイバに光パルスを入力し、光ファイバの歪みにより
生じる光パルスの後方散乱光を測定して被計測物の歪み
を検出する光ファイバを使用した歪み測定装置であっ
て、ゲージ本体を、光ファイバにより、光パルスの透過減衰
量が極めて少ない湾曲半径の湾曲部と、計測ゲージ長に
形成された直線計測部とで、直線計測部が互いに平行に
配置される周回経路を形成して、平面上でこの周回経路
を位置ずれして複数回巻回することにより、湾曲部と直
線計測部の合計長さがこの光ファイバによる平均歪みを
計測可能な直線固有ゲージ長以上となるように構成し、前記直線計測部を歪み方向に沿うように被計測物の計測
平面に固定したことを特徴とする歪み測定装置。
【請求項２】直列に連続して形成された複数のゲージ
本体を配置し、その端部に光パルスを発光するとともに
後方散乱光を受光し光ファイバの歪みを測定する歪み計
測器を接続したことを特徴とする請求項１記載の歪み測
定装置。
【請求項３】ゲージ本体同士をコネクタを使用して接
続する時に、ゲージ本体から導出されてコネクタに至る
中間光ファイバケーブルに、コネクタによる光パルスの
変動の影響がゲージ本体による光パルスの変動に及ばな
い長さの予長部を形成したことを特徴とする請求項２記
載の歪み測定装置。