TDM方式FBGを高密度配置した3本のFBGセンサをガイド管内に正確に固定
FBG高精度2次元変位計
軌道や橋梁,トンネルの軸直角方向の変位分布を誤差1mm未満で計測


概要
 時間分割多重化方式(TDM)のFBG(Fiber Bragg Grating)光ファイバセンサを用いて,構造物の軸直角方向の変位分布を高精度に計測する2次元変位計です.この変位計により,軌道の沈下・移動やトンネルのはらみ出し・沈下,橋梁のたわみを,上下・水平方向の2次元で1.0mm未満の誤差で監視・モニタリングすることができ,既存の折れ角を利用した計測器と比較して,振動に強くメンテナンスが容易になります.また,対象点の座標を直接計測するトータルステーションやGPSなどの方法では計測が困難な,地中の構造物や障害物の近接箇所でも適用が可能です.ガラス繊維強化プラスチック(FRP)で被覆したFBG光ファイバセンサの高耐久性とリアルタイム性を活かすことができます.

特長
  • 高精度で変位分布計測が可能(図1)
  •  高密度にFBGを配置できる時間分割多重化方式(TDM)を採用したことと,3本のFBGセンサをガイド管内部に正確に配置できるようにしたことで,ガイド管軸直角方向の2次元変位分布の高精度な計測を実現しました.
     この2次元変位計を使って精度検証試験を実施し,軸方向10mの長さのどの位置でも,軸直角方向の変位を1.0mm未満の誤差で計測できることを確認しました.
  • 最大50mの高精度変位分布計測が可能(図1)
  • 配線数は大幅に減少しメンテナンスが容易
  •  2次元変位計では,TDM方式を用いて同一ファイバに多数のFBGを配置できるため,1つの2次元変位計で最大50mの長距離で高精度の変位分布計測が可能で,かつ配線数は大幅に減少しメンテナンスが容易になります.
  • 高耐久性により長期間の計測が可能
  •  2次元変位計に使用するFBGセンサ(図2)は,通常の外径0.15〜0.25mmのガラス製センサをFRPで被覆しているため,衝撃に強く,また外部からの水分などの侵入によるセンサの劣化もほとんど発生しません.
  • 振動に強い構造
  •  2次元変位計は,既存の折れ角を利用した計測器の各節点にある,ヒンジやバネなどの機械的な回転・固定機構を持たないため,振動に強く,損傷の可能性はほとんどありません.

    図1 2次元変位計を用いた計測システム


    図2 2次元変位計に使用するFRPで被覆したFBGセンサ

    高精度変位分布計測の実現と精度検証試験の確認

    (1)高精度変位分布計測実現のための実施事項
     高密度にFBGセンサを配置できるFRPで被覆したTDM方式のFBGセンサを使用しています.スペーサーを用いて3本のFBGセンサをガイド管内部に正確に平行配置しました.また,ガイド管変形時にFBGセンサが移動しないように無収縮モルタルで空隙を充填し固定しました.

    (2)精度検証試験の概要と結果
     図3のように,長さ10mの2次元変位計の両端を固定し,中央部に所定の変位が生じるよう3台のジャッキで側面から変位を与え,計測結果を接触式変位計による実測値と比較しました.2次元変位計全体の精度を確認するため,接触式変位計は2次元変位計に沿って1m間隔で配置しました.両端をピンでとめ回転端とした場合(ケース1)と,金具で挟みこみ固定端とした場合(ケース2)の2通りの変形を与えた結果,FBG間隔(ひずみ間隔)を2m以下とした場合,誤差の最大値はともに1.0mm未満(図4にはケース1を示す)となり,高精度で変位分布が得られることを確認しました.

    図3 試験概要平面図

    図4 変位分布の誤差(ケース1)

    主な適用範囲
    • 軌道の沈下・移動モニタリング
    • トンネルのはらみ出し・沈下モニタリング
    • 橋梁のたわみモニタリング
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    Keyword 光ファイバ TDM 変位計 防災 監視 モニタリング 
    2012年2月2日ニュースリリース
    関連技術 FBG光ファイバセンシングシステム(T-FOpSS)
            FBG-BOTDRハイブリッド方式による大型構造物ひずみ計測システム
            新WEBモニタリングシステム
    関連論文 1) 田村琢之,上明戸昇, 小林敏之:FBGセンサを用いた変位分布計測用センサユニットの開発,
             土木学会第66回年次学術講演会,CS9-003,pp.5-6, 2011.9