JP2009019878A - 変形量センサ、変形量測定装置、変形量測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造物、例えば軌道のように屋外に設置された構造物の変形量を測定する変形量センサ、変形量測定装置、変形量測定方法に関する。

構造物の変形量を測る方法としては、変形量を測定したい方向の歪を歪ゲージで測定し、数値計算により求める方法などがあった（特許文献１）。特許文献１では、構造物をｎ区間に分割し、各区間の変位をｐ次のスプライン関数で表し、構造物の各種状態量と周辺地盤の変位を求めている。また、最近では、軌道の狂いを計測する方法として、鉄道用レールに沿って光ファイバを貼り付け、光ファイバの歪によって軌道狂いを計測する方法も提案されている（特許文献２）。さらに、例えば、歪ゲージ自体やその近傍に岩石などが接触することで生じる見かけの曲げ歪の発生を防ぐ方法として、地中に長体を埋める場合に、２重管長体を用いる方法も提案されている（非特許文献１）。

なお、軌道の狂いは通常、１０ｍの弦に対して１０ｍｍ程度の狂いが生じていないことを確認する必要がある。
特開２００４−３６１２８７号公報 特開２００３−１３９５０８号公報 川島正樹，他，"ＢＳ法計測に用いる長体複合センサに関する研究"，第４３回日本地すべり学会研究発表講演，2004年9月．

例えば、鉄道用レールに直接光ファイバを貼り付けた場合、直射日光が当たっている部分と当たっていない部分で、光ファイバに自体に歪の測定誤差が生じてしまうため、軌道の変形量を正確に測定できないこともある。図１に鉄道用レールに光ファイバを貼り付けた様子を示す。光ファイバ９５０、９６０は、レール９１０の左右の両端に貼り付けられている。図２は、このレール９１０に変位を与えたときの様子を示す図である。図３は、図２のような変位を与えた場合に、光ファイバに温度による歪測定誤差が加わったときの変位量を求めたシミュレーション結果である。図４は、このレール９１０に別の形状の変位を与えたときの様子を示す図である。図５は、図４のような変位を与えた場合に、光ファイバに温度による歪が加わったときの変位量を求めたシミュレーション結果である。誤差１０μｓ（マイクロ・ストレイン）は、光ファイバ９５０と光ファイバ９６０との温度差が1度の場合に相当し、誤差２０μｓは２度の場合、誤差４０μｓは４度の場合に相当する。誤差なしは、光ファイバ９５０と光ファイバ９６０との温度差がない場合である。温度差がない場合の変位量と、温度差がある場合の変位量が大幅に異なることが分かる。このように直射日光は、変形量の測定に大きく影響する。また、レールにセンサ（光ファイバや歪ゲージなど）を直接貼り付ける方法では、センサの設置に時間がかかる。さらに、センサの再利用もできない。

また、非特許文献１の２重管長体を用いた方法では、外管長体と内長体とは何箇所かで離散的に結合されていた。このような離散的な結合の場合、結合部付近で内長体に急峻な歪が加わりやすく、結合部に近い位置では大きな歪となってしまう。したがって、数ｍの距離分解能で変位量を測定するような、細かい変位量測定が正確にできないという問題があった。

本発明の目的は、直射日光の影響を受けないこと、設置時間を短縮すること、センサを再利用できること、変位量を正確に測定できる変形量測定技術を提供することである。

本発明の変形量センサは、外管長体、内長体、歪センサ、潤滑手段とから構成されている。外管長体は、管状の長体である。内長体は、外管長体の内部に備えられた長体である。歪センサは、内長体の表面に、内長体の軸方向の伸びを測定できるように取り付けられた伸び歪を測定するセンサである。潤滑手段は、曲げ変形を内長体に伝えると共に、外管長体の内面と内長体の表面との滑りをよくするための手段である。例えば、外管長体と内長体との間に粒状体を充填すればよい。さらに、歪センサとしては、光ファイバなどを用いればよい。

そして、歪センサに応じた測定器を備えれば、変形量測定装置を構成することができる。

本発明の変形量測定センサによれば、歪センサを貼り付けている内長体には直射日光が当たらないので、直射日光による局所的な歪の差が生じない。また、レールに歪センサを直接貼り付けないので、設置が容易であり、再利用も可能である。さらに、潤滑手段によって、曲げ変形を内長体に伝えると共に、内長体に局所的な急峻歪が加わることを防ぐことができる。したがって、変位量を正確に測定できる。

［第１実施形態］
図６は、本発明の変形量センサの断面図である。図７は、本発明の変形量センサの斜視図である。また、図８〜１０は、本発明の変形量センサを枕木またはＲＣ床版に固定した様子を示している。本発明の変形量センサ１００は、外管長体１１０、内長体１２０、光ファイバ１３１、１３２、ビーズ１５０とから構成されている。外管長体１１０は、管状の長体である。外管長体には直径１０ｃｍ程度の塩ビ管やステンレス管などを用いれば良い。内長体１２０は、外管長体の内部に備えられた長体であり、図６では管状の内長体を示しているが、棒状でもよい。また、材質は塩ビでも金属でもよい。光ファイバ１３１、１３２は、歪センサとして機能し、内長体の表面に、内長体の軸方向の伸びを測定できるように貼り付けられている。なお、離散的に、光ファイバ１３１、１３２に接続されたＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）センサを配置し、歪センサとしてもよい。また、光ファイバ１３１、１３２の代わりに、歪ゲージ１３１’、１３２’を一定間隔に貼付し、歪センサとしてもよい。

ビーズ１５０は、潤滑手段として機能し、曲げ変形を内長体１２０に正確に伝えると共に、外管長体１１０と内長体１２０との滑りをよくする。曲げ変形を内長体に正確に伝えるためには、外管長体１１０と内長体１２０との遊び（隙間）をなくせばよい。また、内長体１２０の局所に歪が蓄積し、局所的に大きな歪が生じることを防ぐためには、内長体１２０が外管長体１１０に対して表面の接線方向に自由に移動できればよい。例えば、土質分類上の砂程度の粒状体を充填する方法がある。粒状体は、硬質プラスチックと同等以上の弾性係数を有していることが好ましい。好適な例の１つとしては、直径０．３〜０．５ｍｍのガラス製のビーズがある。ガラス製のビーズの場合、光ファイバ１３１、１３２と同じ材質なので、光ファイバに傷を付けることを防ぐことが期待できる。また、外管長体の側面に、このようなビーズを充填できる程度の穴を設けておけば、ビーズ１５０を充填しやすい。図６では潤滑手段としてビーズを用いた場合を示しているが、外管長体１１０と内長体１２０との遊びをなくすと共に滑りをよくする機能を有すれば他の方法でもよい。

外管長体１１０は、固定部１４１、１４２、１４３によって、測定対象の構造物（被測定構造物）または被測定構造物が固定された構造物に３箇所以上で固定される。軌道の変形量を測定する場合には、測定区間のすべての枕木に固定してもよいし、間隔を空けて固定してもよい。図８〜１０ではレール９１０、枕木９２０、またはＲＣ床版９３０に固定する方法を示しているが、これらの方法でなくても、外管長体１１０を確実に固定できる方法であればよい。

変位量センサ１００と光ファイバの伸び歪を測定できる計測器とを組み合わせれば、変位量測定装置を構成できる。光ファイバの伸び歪を測定する方法としては、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectmetry）を用いる方法と、ＦＢＧセンサの伸び歪によって生じる波長シフトを光スペクトルアナライザで測定する方法などが広く知られている。

ＢＯＴＤＲを用いる方法では、ＢＯＴＤＲ（図示していない）を光ファイバ１３１、１３２に接続する。そして、１０ｎｓ（ナノ秒）のパルス幅で、光ファイバ１３１、１３２の伸び歪を測定すれば、距離分解能１ｍで変位量を測定できる。

ＦＢＧセンサを用いる方法では、内長体１２０にＦＢＧセンサを貼り付け、光ファイバ１３１、１３２と接続しておく。または光ファイバ１３１、１３２の一部にＦＢＧセンサを形成しておく。広帯域光源と受光部（図示していない）とを光ファイバ１３１、１３２に接続する。そして、光スペクトルアナライザ（図示していない）で、受光部で受光した光から、ＦＢＧセンサの伸び歪（ＦＢＧの伸びによる波長のシフト）を測定すれば、変位量を測定できる。

図１１に、変形量センサを用いた測定方法の手順を示す。内長体１２０に光ファイバなどの歪センサを貼り付ける(Ｓ１０)。この内長体１２０を外管長体１１０の内部に挿入する（Ｓ２０）。外管長体１１０と内長体１２０との間にビーズ１５０を充填する（Ｓ３０）。外管長体１１０を構造物に固定する（Ｓ４０）。測定器で歪を測定する（Ｓ５０）。数値計算により変形量を求める（Ｓ６０）。このような手順により、構造物の変形量を測定することができる。

本発明の変形量センサであれば、内長体１２０が直射日光を受けないので、局所的な温度の違いによる歪が生じない。したがって、屋外に設置された構造物の変形量を測定する際に、直射日光の影響を受けない測定が可能である。歪センサを内長体にあらかじめ貼り付けて置けばよいので、設置時間を短縮できる。また、固定部で外管長体を構造物に固定する方式なので、変形量センサを取り外し、別の場所で再度用いることもできる。また、潤滑手段によって、曲げ変形を内長体に伝えると共に、内長体に局所的な歪が加わることを防ぐことができる。さらに、光ファイバ自体またはＦＢＧを歪センサとすれば、電気的ノイズの影響を受けにくい変位量センサにできる。つまり、軌道のように近くに電力線がある場合でも、正確に変位量を測定できる。
［実験例］
図１２は、本発明の変形量センサに変位を与えたときの様子を示す図である。図１３は、図１２のような変位を与えた場合に、歪量から求めた変位量と実測した変位量とを比較する図である。図１４は、本発明の変形量センサに別の変位を与えたときの様子を示す図である。図１５は、図１４のような変位を与えた場合に、歪量から求めた変位量と実測した変位量とを比較する図である。これらの実験では、歪センサとして光ファイバと歪ゲージを用いた。歪センサとして光ファイバを用いた場合は、ＢＯＴＤＲを用いて光ファイバの伸び歪を測定した。測定ではパルス幅を１０ｎｓ（距離分解能１ｍ）とし、１０ｃｍ間隔で歪量を測定した。また、歪センサとして歪ゲージを用いた場合は、１ｍ間隔に歪ゲージを取り付けた。歪量から変位への変換方法には、特許文献１のＢ−スプライン関数を用いる方法を使用した。なお、変位量の実測も１ｍ間隔で行った。

図１３、図１５から、歪センサとして光ファイバを用いる場合も歪ゲージを用いる場合も、変形量を測定できることが分かる。また、歪センサとしてＦＢＧセンサを用いた場合には、歪ゲージと同等の計測結果が得られることが確認されている。したがって、ＦＢＧセンサでも同様に変形量を測定できると考えられる。

鉄道用レールに光ファイバを貼り付けた様子を示す図。 レール９１０に変位を与えたときの様子を示す図。 図２のような変位を与えた場合に、温度による歪が加わったときの変位量を求めたシミュレーション結果を示す図。 レール９１０に別の形状の変位を与えたときの様子を示す図 図４のような変位を与えた場合に、温度による歪が加わったときの変位量を求めたシミュレーション結果を示す図。 本発明の変形量センサの断面図。 本発明の変形量センサの斜視図。 本発明の変形量センサをレールと枕木に固定した様子を示す図。 本発明の変形量センサを枕木に固定した様子を示す図。 本発明の変形量センサをＲＣ床版に固定した様子を示す図。 変形量センサを用いた測定方法の手順を示す図。 本発明の変形量センサに変位を与えたときの様子を示す図。 図１２のような変位を与えた場合に、歪量から求めた変位量と実測した変位量とを比較する図。 本発明の変形量センサに別の変位を与えたときの様子を示す図。 図１４のような変位を与えた場合に、歪量から求めた変位量と実測した変位量とを比較する図。

符号の説明

１００ 変形量センサ
１１０ 外管長体
１２０ 内長体
１３１ 光ファイバ
１３１’ 歪ゲージ
１４１〜１４３ 固定部
１５０ ビーズ

Claims (8)

1. 測定対象の構造物（以下、「被測定構造物」という。）の変形量を測定する変形量センサであって、
   管状の長体である外管長体と、
   前記外管長体の内部に備えられた長体である内長体と、
   前記内長体の表面に、前記内長体の軸方向の伸びを測定できるように取り付けられた歪センサと、
   前記外管長体と前記内長体との間に、曲げ変形を内長体に伝えると共に、外管長体の内側面と内長体の側面との滑りをよくするための潤滑手段と、
   を備える変形量センサ。
2. 請求項１記載の変形量センサであって、
   前記被測定構造物が軌道であり、
   当該軌道、枕木またはＲＣ床版と前記外管長体とを、３箇所以上で固定する３個以上の固定部も備える
   ことを特徴とする変形量センサ。
3. 請求項１または２記載の変形量センサであって、
   前記潤滑手段として、前記外管長体と前記内長体との間に粒状体を充填している
   ことを特徴とする変形量センサ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の変形量センサであって、
   前記歪センサが光ファイバであって、
   当該光ファイバが前記内長体の軸方向に貼り付けられている
   ことを特徴とする変形量センサ。
5. 請求項４記載の変形量センサであって、
   前記粒状体がガラス製である
   ことを特徴とする変形量センサ。
6. 請求項４または５記載の変形量センサと、
   前記光ファイバに接続され、光ファイバの伸び歪を測定する測定器を
   備える変形量測定装置。
7. 測定対象の構造物（以下、「被測定構造物」という。）の変形量を測定する変形量測定方法であって、
   長体である内長体の表面に、当該内長体の軸方向に光ファイバを貼り付け、
   管状の長体である外管長体の内部に前記内長体を備えさせ、
   前記外管長体と前記内長体との間に潤滑手段を備えさせ、
   前記被測定構造物または前記被測定構造物が固定された構造物と前記外管長体とを、３箇所以上で固定し、
   前記光ファイバの伸び歪を測定する
   変形量測定方法。
8. 請求項７記載の変形量測定方法であって、
   前記潤滑手段として、前記外管長体と前記内長体との間に粒状体を充填する
   ことを特徴とする変形量測定方法。

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