| 【発明の名称】 |
レイリー散乱を利用した変位計測装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】村上 正人
|
| 【要約】 |
【課題】光ファイバーのレイリー散乱を利用して土木構造物の変位を連続的に、安全に、しかも微小変位を増幅して確実に計測する装置を提供すること。
【解決手段】光ファイバ１１に入力した光パルスの後方散乱光の変化により土木構造物１２の変位を検知する装置において、変位検出個所に設けた変位増幅手段２１の変位増幅ロッド２３に光ファイバ１１を連結固定する。土木構造物１２に亀裂２９が発生し、ｘだけ変位移動したものとすると、変位増幅手段２１のファイバー支持点２７における変位移動距離は、増幅されて検出される。光ファイバ１１が変位増幅ロッド２３により引っ張られると、鋭角に曲げられ、後方への散乱光量は、激減する。これを光学時間領域反射測定器１３によって計測する。このときの受光時間と光ファイバ１１内での光速から亀裂２９の発生地点の距離が求められる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 光ファイバ１１を土木構造物１２に張り巡らし、この光ファイバ１１の一端に入力した光パルスの後方散乱光の変化により前記土木構造物１２の変位を検知するようにした装置において、前記土木構造物１２の変位検出個所に変位増幅手段２１を設け、この変位増幅手段２１の変位増幅ロッド２３に前記光ファイバ１１を連結固定してなることを特徴とするレイリー散乱を利用した変位計測装置。
【請求項２】 変位増幅手段２１は、変位伝達部材２２と変位増幅ロッド２３とが連結点２４にて回動自在に連結され、変位伝達部材２２の固定点２５は、亀裂２９を挾んだ土木構造物１２の一方の壁面に固定的に取り付けられ、また、変位増幅ロッド２３の固定点２６は、亀裂２９を挾んだ固定点２５とは反対側の土木構造物１２の壁面に固定的に取り付けられ、前記固定点２６は、連結点２４からできるだけ近い位置に設定され、前記変位増幅ロッド２３の先端部には、光ファイバ１１を支持するファイバー支持点２７が設けられていることを特徴とする請求項１記載のレイリー散乱を利用した変位計測装置。
【請求項３】 変位増幅手段２１は、変位伝達部材２２と変位増幅ロッド２３とが連結点２４にて回動自在に連結され、変位伝達部材２２の固定点２５は、亀裂２９を挾んだ土木構造物１２の一方の壁面に固定的に取り付けられ、また、変位増幅ロッド２３の固定点２６は、亀裂２９を挾んだ固定点２５とは反対側の土木構造物１２の壁面に固定的に取り付けられ、前記固定点２６は、連結点２４からできるだけ近い位置に設定され、前記変位増幅ロッド２３の先端部には、光ファイバ１１を支持するファイバー支持点２７が設けられ、このファイバー支持点２７の両側には、それぞれ屈曲発生装置３０が設けられ、さらにそれぞれの外側の位置で光ファイバ１１が土木構造物１２に固定されていることを特徴とする請求項１記載のレイリー散乱を利用した変位計測装置。
【請求項４】 変位増幅手段２１は、変位伝達部材２２と変位増幅ロッド２３とが連結点２４にて回動自在に連結され、変位伝達部材２２の固定点２５は、亀裂２９を挾んだ土木構造物１２の一方の壁面に固定的に取り付けられ、また、変位増幅ロッド２３の固定点２６は、亀裂２９を挾んだ固定点２５とは反対側の土木構造物１２の壁面に固定的に取り付けられ、前記固定点２６は、連結点２４からできるだけ近い位置に設定され、前記変位増幅ロッド２３の先端部には、光ファイバ１１を支持するファイバー支持点２７が設けられ、このファイバー支持点２７の両側には、それぞれ屈曲発生装置３０が設けられ、さらにそれぞれの外側の位置で光ファイバ１１が土木構造物１２に固定され、前記屈曲発生装置３０は、光ファイバ１１の途中を可及的に小さな曲げ損となるような曲率を持って収納固定するとともに、この固定位置に先鋭端部４６を有する案内突部４２を設けてなることを特徴とする請求項１記載のレイリー散乱を利用した変位計測装置。
【請求項５】 屈曲発生装置３０は、耐腐食性の器体３５と蓋板３６からなり、前記器体３５内に、第１凹部３９と第２凹部４０を互いに連通して形成し、この連通部分との間に案内通路４３を持って両端部分を先鋭端部４６とした案内突部４２を設け、前記第１凹部３９の左右両側部から外部まで途中にくびれ部３８を有する差し込み孔３７を連通形成し、前記第２凹部４０内に、案内突部４２との間に光ファイバセンサ３２の直径と略同じ間隔をもって保持体４４を設けてなることを特徴とする請求項４記載のレイリー散乱を利用した変位計測装置。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバーの後方散乱光（以下、レイリー散乱という）を用いて土木構造物などの変位を計測するためのレイリー散乱を利用した変位計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、トンネル、橋梁、その他の土木構造物の変形（歪）を検査するには、人間が暗いトンネルなどを徒歩で巡回し目視点検によりクラックなどの変位をさがしたり、変位が生じている個所にテストモルタルを塗布し、このテストモルタルの状態により変位を確認していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来のように、人間が徒歩で巡回し目視点検する方法では、長距離の点検作業に多くの時間を要し、連続的に常時観測できないという問題があった。また、すでに亀裂などが発生しているトンネルなどでは、落盤や土砂崩れなどがいつ発生するかわからないので、その進行状態を観測するのに危険が大きすぎるという問題があった。また、土木構造物や岩盤などでは、亀裂の進行がｍｍ単位かそれ以下の場合、目視による進行状態の判断がきわめて困難であるだけでなく、経時的な変化を把握するのが困難であるという問題があった。
【０００４】本発明は、光ファイバーのレイリー散乱を利用することによって、トンネルなどの長大な土木構造物の変位を連続的に、安全に、しかも微小変位を増幅して確実に計測する装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、光ファイバ１１を土木構造物１２に張り巡らし、この光ファイバ１１の一端に入力した光パルスの後方散乱光の変化により前記土木構造物１２の変位を検知するようにした装置において、前記土木構造物１２の変位検出個所に変位増幅手段２１を設け、この変位増幅手段２１の変位増幅ロッド２３に前記光ファイバ１１を連結固定してなり、変位増幅手段２１は、変位伝達部材２２と変位増幅ロッド２３とが連結点２４にて回動自在に連結され、変位伝達部材２２の固定点２５は、亀裂２９を挾んだ土木構造物１２の一方の壁面に固定的に取り付けられ、また、変位増幅ロッド２３の固定点２６は、亀裂２９を挾んだ固定点２５とは反対側の土木構造物１２の壁面に固定的に取り付けられ、前記固定点２６は、連結点２４からできるだけ近い位置に設定され、前記変位増幅ロッド２３の先端部には、光ファイバ１１を支持するファイバー支持点２７が設けられていることを特徴とするレイリー散乱を利用した変位計測装置である。
【０００６】以上のような構成において、土木構造物１２に亀裂２９が発生し、ｘだけ変位移動したものとすると、ファイバー支持点２７における変位移動距離は、増幅されて検出される。
【０００７】光ファイバ１１が変位増幅ロッド２３により引っ張られると、先鋭端部４６の位置で鋭角に曲げられる。この光ファイバ１１の鋭角な曲げにより、後方への散乱光量は、激減する。これを光学時間領域反射測定器１３によって計測する。このときの受光時間と光ファイバ１１内での光速から亀裂２９の発生地点の距離が求められる。
【０００８】
【発明の実施の形態】光ファイバ１１内の散乱現象には、レイリー散乱、ブリルアン散乱、ラマン散乱があり、これらの散乱光のスペクトラムは、図７に示される。レイリー散乱は、入射光と同じ周波数をもつ成分の媒質内の密度揺らぎにより生じる。ブリルアン散乱は、入射光とわずかに周波数の異なる成分と、媒質内の音波との相互作用により生じる。ラマン散乱は、入射光とわずかに周波数の異なる成分と、媒質内の分子振動などの相互作用により生じる。
【０００９】本発明は、以上のような光ファイバ１１内の散乱現象のうち、レイリー散乱を利用して土木構造物などの変位を計測する装置に関するものであり、図１に基づき本発明の原理を説明する。１１は、光ファイバで、この光ファイバ１１は、トンネルなどの長大な土木構造物１２の被測定個所に取り付けられる。前記光ファイバ１１の基端部１４は、光学時間領域反射測定器１３に結合される。
【００１０】このような構成において、光学時間領域反射測定器１３から光ファイバ１１へ光パルス１７を送りこむと、この光パルス１７は、光ファイバ１１の内部を伝播する。ここで、土木構造物１２の壁面などの被測定部位に変位が生じ、これに伴い光ファイバ１１に屈曲部１６が生じたものとする。すると、この屈曲部１６の部位にて光パルス１７の一部がレイリー散乱光１８となり、光パルス１７の一部が基端部１４側に戻され、残りは、進行光パルス１９となって末端部１５側へ伝播する。
【００１１】屈曲部１６の部位では、直線部分よりも大きな光損失が生じるので、光損失曲線２０の傾斜がこの部位で大きくなる。また、光ファイバ１１の末端部１５部位にても大きな光損失が生じる。この光損失曲線２０は、光学時間領域反射測定器１３の表示部で、縦軸を光損失、横軸を光ファイバ１１の敷設距離として表示される。
【００１２】光ファイバ１１の敷設距離は、土木構造物１２の長さ、土木構造物１２から光学時間領域反射測定器１３の設置場所までの距離などにより決定されるが、１０ｋｍ程度まで可能である。
【００１３】光ファイバ１１におけるレイリー散乱光１８を捕らえるためには、光ファイバ１１の変位により直径が７ｍｍ程度まで屈曲させることが必要である。ところが、土木構造物１２の変位は、微小であり、光ファイバ１１の屈曲から直接レイリー散乱光１８を捕らえることは困難である。
【００１４】そこで、本発明では、土木構造物１２の変位を増幅して検出することにより、１ｍｍかそれ以下の変位をも検出できるようにしてある。これを可能にした変位増幅手段２１を図２〜図５により土木構造物１２がトンネルの場合を例として説明する。光ファイバ１１は、図２に示すように、土木構造物１２内に数１０ｃｍから１ｍ間隔程度に固定して張り巡らせるが、前記変位増幅手段２１は、土木構造物１２内の亀裂２９の発生個所など、変位を測定しようとする個所に取り付けられる。この変位増幅手段２１は、変位を増幅して検出する部分と、その変位により光ファイバ１１をより確実に屈曲させる部分とからなる。
【００１５】前記変位増幅手段２１は、図３に示すように、変位伝達部材２２と変位増幅ロッド２３とが連結点２４にて回動自在に連結され、前記変位伝達部材２２の固定点２５は、亀裂２９を挾んだ土木構造物１２の一方の壁面に固定的に取り付けられ、また、変位増幅ロッド２３の固定点２６は、亀裂２９を挾んだ固定点２５とは反対側の土木構造物１２の壁面に固定的に取り付けられる。前記固定点２６は、連結点２４からできるだけ近い位置に設定される。また、変位増幅ロッド２３の先端部には、光ファイバ１１を固定的に支持するファイバー支持点２７が設けられている。前記ファイバー支持点２７の両側には、それぞれ屈曲発生装置３０が設けられ、さらにそれぞれの外側の位置で光ファイバ１１がファイバ固定具２８により土木構造物１２に固定されている。
【００１６】前記屈曲発生装置３０を図４および図５に基づき説明する。前記屈曲発生装置３０は、一辺の長さが５〜１０ｃｍ程度で、厚さが１ｃｍ程度の耐腐食性の器体３５と、この器体３５に被せる蓋板３６からなる。前記器体３５には、第１凹部３９と第２凹部４０が光ファイバ１１の直径の数倍の深さで、かつ互いに連通して形成され、この連通部分の第１凹部３９側には、案内突部４２が設けられている。この案内突部４２の外周と第１凹部３９の内周の間隙部分は、光ファイバ１１の直径と略同一の案内通路４３となっており、また、案内突部４２の両端部分は、先鋭端部４６となっている。
【００１７】前記第１凹部３９の左右両側部から差し込み孔３７が外部まで連通形成され、この差し込み孔３７は、途中が光ファイバ１１の直径と略同一のくびれ部３８となり、また、このくびれ部３８の両端開口部分は、ラッパ状に広がって第１凹部３９に連通するとともに、外部に連通している。前記案内突部４２の外周と対峙し、かつ、光ファイバ１１の直径と略同じ間隔をもって、保持体４４がワッシャ４９とねじ４５によって取付けられる。
【００１８】前記第２凹部４０の略中央には、光ファイバ１１を数回巻き付けできる間隔を持って巻き付け部４１が設けられ、この巻き付け部４１と、前記蓋板３６とを貫通する取付け孔４８が穿設されている。４７は、器体３５と蓋板３６の取付け用の組み立て孔である。
【００１９】この状態で、光ファイバ１１を、器体３５の一方の差し込み孔３７からくびれ部３８、第１凹部３９へ嵌め込み、さらに、案内通路４３を経て第２凹部４０の内部で巻き付け部４１に１、２回巻きつけ、再び他方の案内通路４３を経て第１凹部３９に嵌め込み、他方の差し込み孔３７からくびれ部３８を経て取り出される。
【００２０】前記光ファイバ１１を屈曲発生装置３０にセットするには、光ファイバ１１は、第１凹部３９と第２凹部４０の内部で可及的に小さな曲げ損となるように、充分大きな曲率半径を持って嵌め込まれる。つぎに、光ファイバ１１が案内通路４３、４３で交差する部分に保持体４４をあてがい、ワッシャ４９とねじ４５によって締め付けることにより、光ファイバ１１を固定する。
【００２１】同様にして全ての屈曲発生装置３０の器体３５に光ファイバ１１を嵌め込み固定する。このとき、光ファイバ１１に、引っ張り力がかからないようにして、ファイバー固定具２８で固定する。
【００２２】つぎに土木構造物１２に亀裂２９が発生したときの作用を説明する。図３において、光ファイバ１１に亀裂２９が発生したものとする。変位伝達部材２２が固定点２５で固定され、変位増幅ロッド２３が固定点２６で固定されているので、亀裂２９が図示矢印方向にｘだけ変位移動したものとすると、固定点２６も同様にｘだけ変位移動する。ところが、連結点２４は、変位伝達部材２２に連結されているので、変位しない。
【００２３】ここで、連結点２４から固定点２６までの距離をａ、連結点２４からファイバー支持点２７まで間距離をｂとすると、ファイバー支持点２７における変位移動距離ｙは、ｙ＝ｘ・ｂ／ａとなる。ｂ＞ａとすると、ｂ／ａ倍（少なくとも１０倍程度）だけ増幅されたこととなる。
【００２４】光ファイバ１１が変位増幅ロッド２３により引っ張られると、光ファイバ１１は、図３および図４の鎖線に示されるように、案内突部４２の先鋭端部４６の位置で鋭角に曲げられるか、場合によっては、この先鋭端部４６の位置で光ファイバ１１が切断する。
【００２５】この光ファイバ１１の鋭角な曲げまたは切断により、光ファイバ１１の曲げ損が急増し、後方への散乱光量は、激減する。これを光学時間領域反射測定器１３内のＯＴＤＲ（光ファイバリフレクトメータ）によって計測する。この光学時間領域反射測定器１３で検出された光量は、微弱であるから、何回も平均化処理を行ない、図１のような波形となる。このときの受光時間と光ファイバ１１内での光速から災害発生地点の距離が求められる。
【００２６】光学時間領域反射測定器１３は、このようにして土木構造物１２に亀裂２９などの変位を検出すると、内部の発信回路などを介して管理者などに知らせる。
【００２７】図３に示した前記実施例では、変位増幅ロッド２３の固定点２６の位置を、連結点２４とファイバー支持点２７との間に設けたので、増幅後の変位ｙが変位ｘの方向と同一方向になり、図中左側の屈曲発生装置３０が屈曲作用点となるが、固定点２６の位置を連結点２４を挾んで反対方向としてもよく、この場合には、増幅後の変位ｙは、変位ｘと反対方向になり、図中右側の屈曲発生装置３０が屈曲作用点となる。
【００２８】前記屈曲発生装置３０は、図４および図５に示すような構造に限られるものではなく、図６に示すような簡単な構造でもよく、要するに、光ファイバ１１が引っ張られたとき、大直径Ｌ１から小直径Ｌ２に変化することにより、光ファイバ１１の曲げ損が急増し、後方への散乱光量が激減するものであればよい。
【００２９】また、前記変位増幅手段２１は、図３に示すような変位伝達部材２２と変位増幅ロッド２３とを主体として構成したものに限られるものではなく、歯車、その他の機構により変位を増幅して検出できるものであってもよい。
【００３０】
【発明の効果】従来のような人間が徒歩で巡回し目視点検する方法に比較し、長距離の点検作業が短時間で、連続的に常時観測できる。また、光ファイバ１１と変位増幅手段２１の設置のとき以外、亀裂２９の発生しているトンネル１２などに直接人間が入る必要がないので、落盤や土砂崩れなどが発生しても安全である。
【００３１】土木構造物１２や岩盤などにおける亀裂２９の進行がｍｍ単位かそれ以下の微小であっても、変位増幅手段２１により進行状態の判断がきわめて正確で、経時的な変化を把握することが容易である。屈曲発生装置３０は、光ファイバ１１の途中を可及的に小さな曲げ損となるような曲率を持って収納固定するとともに、この固定位置に、先鋭端部４６を有する案内突部４２を設けた構成としたので、機械的に可動する部品がなく、長期間設置したたままであっても確実に動作する。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】３０００００１８８
【氏名又は名称】株式会社 日本工営横浜事業所
|
| 【出願日】 |
平成１２年１月１４日（２０００．１．１４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７６２５５
【弁理士】
【氏名又は名称】古澤 俊明 （外１名）
|
| 【公開番号】 |
特開２００１−１９４１０９（Ｐ２００１−１９４１０９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年７月１９日（２００１．７．１９） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−６７４２（Ｐ２０００−６７４２） |
|