ワイヤケーブル、並びに張力測定システム及び張力測定方法
【課題】 構造物に使用されるワイヤケーブルの正確な張力を遠隔地に居ながらにして所望の時に測定する。
【解決手段】 複数の素線を縒り合わせたワイヤケーブルに関し、その軸方向の歪を検出する歪検出手段を、当該ワイヤケーブルに組み込む。この歪検出手段として、光ファイバケーブル２により形成された光ファイバーセンサ３を使用する。この際、前記ワイヤケーブルの伸縮に伴って変形するよう前記ワイヤケーブルに組み込み、光ファイバーセンサ３の変形により、入射された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉を検知する。
【解決手段】 複数の素線を縒り合わせたワイヤケーブルに関し、その軸方向の歪を検出する歪検出手段を、当該ワイヤケーブルに組み込む。この歪検出手段として、光ファイバケーブル２により形成された光ファイバーセンサ３を使用する。この際、前記ワイヤケーブルの伸縮に伴って変形するよう前記ワイヤケーブルに組み込み、光ファイバーセンサ３の変形により、入射された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉を検知する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物を支持するワイヤケーブル、特に橋梁のワイヤケーブル並びに、このケーブルを使用した張力測定システム及び張力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤケーブルである部材を支持する構造物に関し、このワイヤケーブルの張力を測定する手法として、従来から様々な手法が試みられてきた。例えば、ワイヤケーブルに歪ゲージを貼り付け、歪ゲージの出力に基づいてワイヤケーブルの張力を求める手法は、その代用的なものである。最近では、振動法と呼ばれる手法で張力の測定を行うことが主流である。
【０００３】
この振動法とは、例えば、特許文献１に示されているように、ワイヤケーブルに所定の振動を作用させ、弦の振動に関する微分方程式を利用して、ワイヤケーブルの固有振動数から張力を求める方法である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２５５２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、測定の対象が橋梁のワイヤケーブルである場合、交通事情の関係上、張力を測定するチャンスが限られてしまう。このため、歪ゲージを使用する手法では、橋梁の架設時を除けば、橋梁の一斉点検時等、ごく僅かチャンスしかない。
【０００６】
また、振動法は、上述のように、ケーブルの固有振動数から間接的に張力を求める手法であるため、振動法で求めた張力と実際の張力と間にどうしても誤差が出てしまう。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、正確な張力を所望の時に得られるワイヤケーブル、並びに張力測定システム及び張力測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、上記の課題を解決するために、次の解決手段を採用した。
【０００９】
第１に採用したのは、複数の素線を相互に縒り合わせて形成されたワイヤケーブルであって、このワイヤケーブルの軸方向の歪を検出する歪検出手段が、当該ワイヤケーブルに組み込まれ、前記歪検出手段が光ファイバーからなる光ファイバーセンサであり、この光ファイバーセンサが、前記ワイヤケーブルの伸縮に伴って変形するよう前記ワイヤケーブルに組み込まれ、前記光ファイバーセンサの変形により、入射された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉を検知するワイヤケーブルである。
【００１０】
かかるワイヤケーブルに関し、本発明では、前記素線の中の１本に、その軸方向に沿って形成された挿入孔を形成し、前記光ファイバーセンサを前記挿入孔に挿入させて、その軸方向が前記素線の伸縮と共に伸縮されるように構成した。
【００１１】
第２に採用したのは、構造物を構成する部材を一定の姿勢に支持し、複数の素線を相互に縒り合わせて形成されたワイヤケーブルの張力を測定する張力測定システムであって、前記ワイヤケーブルに組み込まれ、前記ワイヤケーブルの歪を検出する歪検出手段と、前記歪検出手段の検出に基づいて前記ワイヤケーブルに作用する張力を算出する張力演算手段と、前記歪検出手段の検出を前記歪検出手段から前記張力演算手段まで送信する信号通信手段とを備え、前記信号通信手段が、光ファイバーケーブルであり、前記歪検出手段が、光ファイバケーブルの一部を利用して形成された光ファイバーセンサであり、この光ファイバーセンサが、前記ワイヤケーブルの伸縮に伴って変形するよう前記ワイヤケーブルに組み込まれ、前記光ファイバーセンサの変形によって、この光ファイバーセンサに入射された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉を検知して、前記張力演算手段では、前記光ファイバーセンサの検知内容に基づいて、前記ワイヤケーブルの張力を算出する張力測定システムである。
【００１２】
そして、第３に、構造物を構成する部材を一定の姿勢に支持し、複数の素線を相互に縒り合わせて形成されたワイヤケーブルの張力を測定するにあたり、光ファイバケーブルの一部を利用して形成された光ファイバーセンサを前記ワイヤケーブルに組み込み、前記ワイヤケーブルの伸縮に伴って、前記光ファイバーセンサを変形せしめ、この変形に伴って発生する、前記光ファイバーセンサに入射された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉を検知し、検知された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉に基づいて、張力演算手段により前記ワイヤケーブルの張力を算出する張力測定方法を採用した。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ワイヤケーブルの張力を測定する場合に、ワイヤケーブルに生ずる歪から直接張力を測定できる。このため、測定結果と、実際にワイヤケーブルに発生している張力との間に誤差が生じることを極力抑えることが可能となり、正確な値を測定できる。
【００１４】
また、歪測定手段として光ファイバーセンサを使用するため、既に通信網として設けられている光ファイバーケーブルを通信手段として利用することができる。これにより、測定の対象となる構造物とは遠隔地にある、例えば、測定機器を設けたベース地やオフィスビルからでも測定することが可能となる。
【００１５】
特に、測定の対象が橋梁の支柱と床版とを接続するワイヤケーブルである場合、交通の関係上、現場での測定が制限されてしまう。しかし、本発明によれば、遠隔地から測定することができるため、交通に左右されず、いつでも所望の時にワイヤケーブルの張力を測定できる。
【００１６】
さらには、光ファイバー通信網を利用することで、複数の構造物について、一箇所で集中管理を行うこともできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態にかかる斜張橋用ケーブルとして使用されるワイヤケーブル１３の張力測定システムの概略を示している。この張力測定システムは、ワイヤケーブル１３に組み込まれる光ファイバーセンサ３と、測定に必要な種々の制御並びに演算処理などを行うコンピュータ７等の設けられたオフィスビル２０と、光ファイバーセンサ３の組み込まれた橋梁１０と、オフィスビル２０とを連絡する通信網としての光ファイバーケーブル２とを備えている。
【００１９】
図２に示すように、橋梁１０は、床版１２の延びる方向に関して、一定の間隔毎に、支柱１１を備えており、各支柱１１毎に、床版１２と支柱１１とは、複数のワイヤケーブル１３で接続されている。これらワイヤケーブル１３は、支柱１１を軸にして床版１２の延びる方向について対称となるように、支柱１１と床版１２とを斜めに結んでいる。本張力測定システムは、このワイヤケーブル１３の張力を測定の対象とするものである。
【００２０】
図３は、支柱１１とワイヤケーブル１３の連結部分の一つを拡大して示した図である。
【００２１】
支柱１１の上部には、高さ方向に並べられるようにして複数の保持ブラケット１４が固定されており、各ワイヤケーブル１３の先端は、相互に対向されるようにして支柱１１に保持される。この保持ブラケット１４は、支柱１１に固定される固定面１５と、固定面１５の前後両側から相互に斜め上方に延びて末広がり状に形成された保持面１６とから構成されている。保持面１６には、通し孔がそれぞれ形成されており、傾斜橋用ケーブルの先端がこの通り孔に通されて、当該保持ブラケット１４に保持される。
【００２２】
更に、支柱１１の前面及び後面には斜め下方に向けて突出する筒状のケーブルガイド１７が設けられている。ケーブルガイド１７の中心には、このケーブルガイド１７を軸方向に貫通する貫通孔が形成されており、この貫通孔に斜めに延びるワイヤケーブル１３が通される。このケーブルガイド１７は、床版１２から支柱１１に向けて延びているワイヤケーブル１３を保持ブラケット１４に向けて案内している。
【００２３】
一方、ワイヤケーブル１３の先端には、エンドソケット１８が設けられている。このエンドソケット１８は、フランジのように、ワイヤケーブル１３の半径方向外側に向けて張り出しており、保持ブラケット１４の通り孔に通されたワイヤケーブル１３が保持ブラケット１４から抜け出すことを防止するストッパとして機能する。
【００２４】
このようにして設けられたワイヤケーブル１３には、図４に示すように、先端部分に光ファイバーケーブル２の先端が組み込まれている。この光ファイバーケーブル２の先端部分は、光ファイバーセンサ３として形成されている。
【００２５】
図５及び図６は、光ファイバーセンサ３の組み込まれたワイヤケーブル１３の先端部分を模型的に拡大して示したものの一例である。
【００２６】
ワイヤケーブル１３は、鋼線からなる複数の素線２３を相互に縒り合わせて一本のケーブルとして構成されたものである。そして、この斜張橋ケーブルを構成する素線２３のうち、中央に位置してねじりのない素線２３には、その端部から軸方向に延びる挿入孔２５が形成されている。この挿入孔２５には、光ファイバーセンサ３が挿入される。挿入された光ファイバーセンサ３は、後に説明する回析格子４を間に挟んだ軸方向の両側が挿入孔２５に固着され、素線２３の軸方向の伸縮に伴って、これと一体的に伸縮するよう構成されている。
【００２７】
なお、光ファイバーセンサ３は、図７及び図８に示すようにしてワイヤケーブル１３の先端に組み込んでも良い。この実施の形態では、光ファイバーセンサ３はワイヤケーブル１３を構成する素線２３と素線２３の間に挿入されて、素線２３に挟持されるようにしてワイヤケーブル１３の先端に組み込まれている。この場合にも、光ファイバーセンサ３は、回析格子４を間に挟んだ軸方向の両側が素線２３に固着され、素線２３の軸方向の伸縮に伴い、これと一体的に伸縮するように構成されている。
【００２８】
ここで、この張力測定システムで使用される光ファイバーセンサ３の原理について説明する。
【００２９】
一般に、光ファイバーセンサ３には、（１）波長の変化を利用するＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）、（２）ブリルアン散乱光の周波数利用するＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｅｒ）、（３）光の干渉という性質を利用するＳＯＦＯ（Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅｄ’Ｏｕｖｒａｇｅｓ ｐａｒ Ｆｉｂｒｅｓ Ｏｐｔｉｑｕｅｓ）、（４）伝送される光の、光ファイバーケーブル２の曲げ損失を利用するＯＳＭＯＳ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｔａｎｄ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）など、様々な性質を使用したものがある。
【００３０】
この張力測定システムに使用する光ファイバーセンサ３としては、ＦＢＧ式光ファイバーセンサを用いることが最適であるが、これらのいずれのものを使用してもよい。
【００３１】
図９は、ＦＢＧ式光ファイバーセンサ３の概要を模型的に示した図である。この光ファイバーセンサ３には、光を反射させる回析格子４が形成されている。この回析格子４は、光ファイバーセンサ３の軸方向に微小な間隔ｄを空けて配された一対の格子４０により構成されていている。
【００３２】
この回析格子４を備えた光ファイバーセンサ３が軸方向に関してεだけ歪むと、これに伴い格子間隔ｄも変化するよう構成されている。
【００３３】
かかる回析格子４は、光ファイバーケーブル２に入射された入射光の内、特定の周波数を有する入射光だけを反射させる一方で、それ以外の周波数の光をそのまま通過させる特性を備えている。
【００３４】
ここで、回析格子４により反射される特定の周波数を有する入射光の波長λを次の式１で表す。なお、式１において、ｎはコア部の平均屈折率、ｄは格子間隔である。
【００３５】
λ＝２ｎｄ・・・・（式１）
【００３６】
そして、光ファイバーセンサ３が軸方向にεだけひずんで、格子間隔ｄが変化すると、当該回析格子４により反射される入射光の波長は、入射光に対して反射光の波長は式２に表すように変化する。
【００３７】
Δλ＝λ（１−Ｐ）ε・・・・（式２）
なお、Ｐはポアソン比を表す。
【００３８】
この光ファイバーセンサ３では、波長の変化を測定することで、光ファイバーセンサ３の取り付けられた対象物の歪、張力を測定することを可能ならしめている。なお、波長は、光ファイバーセンサ３の歪に対して直線性を示す。波長の変化量は入射光の波長にもよるが、約１．２×１０-12ｍ／μＳｔｒａｉｎ程度である。
【００３９】
かかるＦＢＧが当該システムには最も適している。しかし、上述のように、ＢＯＴＤＲ、ＳＯＦＯ、ＯＳＭＯＳを使用することができる。以下、これらの手法について、その原理を簡単に説明する。
【００４０】
ＢＯＴＤＲとは、ブリルアン散乱光が光ファイバーの歪変化に対して直線的に周波数変化を発生させるという「歪依存性」を利用するものである。
【００４１】
図１０に歪依存性をイメージしたものを、図１１に直線性をイメージしたものをそれぞれ図示する。図１０に示すように、光ファイバーに張力が加わり、歪が発生すると、ブリルアン散乱光のスペクトル分布により周波数のピークがシフトする。また、例えば、波長λ＝１．５５μｍの入射光の歪依存性による周波数シフトの直線性を図示すると、図１１のようになる。
【００４２】
このように、ブリルアン散乱光の周波数と歪との関係は、直線性を有しているため、ブリルアン散乱光の周波数のシフト量を計測することで歪測定に適用できる。
【００４３】
このＢＯＴＤＲは、分布型センサとして使用することができる。即ち、光ファイバーにパルス波を入射し、戻ってきた後方散乱光としてのブリルアン散乱光の戻り時間、強さ
を計測する。なお、この時間から戻ってきた散乱光データの計測位置までの距離Ｌは、次の式３で得られる。
【００４４】
Ｌ＝ＣＴ／２ｎ・・・・（式３）
Ｃ：光の速度
Ｔ：検出するまでの時間
ｎ：光ファイバーの屈折率
【００４５】
そして、入射光の周波数を漸次変化させながら、同様の計測を実施することで、ブリルアン散乱光の周波数シフトのスペクトル分布が距離別に求められる。図１２は、そのイメージを図示したものである。
【００４６】
例えば、ある位置の歪値を知りたいとき、その位置までの各距離の部分の周波数分布から歪を求める。この図１２に示す例では、Ｚ１の位置から図を右斜め上に横切ったときのスペクトル分からシフト量を求めて、歪に変換する。かかる作業を各距離ごとに行い、連続した歪分布を求める。
【００４７】
図中ε１、ε２の各歪値がΔＬの長さごとに求められる。このΔＬの長さは、ｃを係数、入射するパルス幅をωとすると次の式４で表すことができる。
【００４８】
ΔＬ＝ｃω／２ｎ・・・・（式４）
【００４９】
この分解能はΔＬは、入射されたパルス光のパルス幅の両サイドから散乱光がある角度を持って伝搬する。そして、２つの散乱光が一直線上に重なり合ったときには、２つの散乱光は分離されない。よって、これら２つ（パルス幅の両サイド）を距離に換算した長さ分の中で歪値は計測される。
【００５０】
次に、ＳＯＦＯの原理について説明する。
【００５１】
図１３及び図１４は、ＳＯＦＯ式の光ファイバーセンサを使用した場合の原理を模型的に示したものである。
【００５２】
このＳＯＦＯ式の光ファイバーセンサ５０は、図１３に示すように、２本の光ファイバー５３，５４が使用される。一方は測定用光ファイバー５３で、他方は参照用光ファイバー５４である。これら２本の光ファイバー５３，５４は、この光ファイバーセンサ５０と接続されているカプラ５６で分岐され、この光ファイバーセンサ５０の軸方向に所定間隔を空けて配された一対の固定部５２により平行をなすようにして固定されている。そして、これら２本の光ファイバー５３，５４の先端には鏡５５が接続されている。固定部５２間は、可動部５１である。測定用光ファイバー５３は、プレテンションが付与されている一方で、参照用光ファイバー５４は、螺旋状に巻かれて配されている。
【００５３】
このＳＯＦＯ式の光ファイバーセンサ５０では、可動部５１に変位が生じると、測定用光ファイバー５３の長さが変化する。ただし、参照用光ファイバー５４の長さは不変である。
【００５４】
図１４は、このＳＯＦＯ式の光ファイバーセンサ５０とリーディングユニット６０とを光ファイバーケーブル７１及び中継ボックス７０で接続してＳＯＦＯシステムを完成させた１例を示している。
【００５５】
このＳＯＦＯシステムによれば、まず光源としてのＬＥＤ６４から白色光が、コネクタ６８、光ファイバーケーブル７１、中継ボックス７０を介して各光ファイバーセンサ５０へ送られる。各光ファイバーセンサ５０へ送られた光は、それぞれの光ファイバーセンサ５０のカプラ５６により、測定用光ファイバー５３と参照用光ファイバー５４とに分岐される。そして、先端に設けられた鏡５５に反射されて、再びカプラ５６に集光され、リーディングユニットに戻される。
【００５６】
この際、測定用光ファイバー５３と参照用光ファイバー５４との長さが異なる（元の長さの差＋可動部の変位量）ので、戻された光には干渉が生じる。そこで、リーディングユニット６０の内部に配されたカプラ６２により、リーディングユニット６０に内蔵された固定部６５と可動部６６に分光する。そして、固定部６５と可動部６６にそれぞれ設けられた鏡６７で反射させてピーク干渉位置を見出す。ただし、光ファイバーセンサ５０内部の２本の光ファイバー５３，５４の長さの違い等に関する補正をこのとき行う。
【００５７】
以上のようにして、光ファイバーセンサ５０の可動部５１において発生した変位量を、光の干渉としてとらえ、これを測定する手法が、ＳＯＦＯシステムである。なお、具体的なデータ解析を行うために、パソコン６１がＰＤ６３を介してカプラ６２と接続されている。また、モデム６９を使用して通信手段と接続させることで、遠隔地でのデータ分析を行うこともできる。
【００５８】
最後に、ＯＳＭＯＳの原理について説明する。
【００５９】
このＯＳＭＯＳは、光の曲げ損失（マイクロベンディング）という考え方を適用したセンサである。
【００６０】
光の屈折について、屈折率の大きなコアＩＩから小さなグラッドＩに光が入射する態様を考えると、図１５に示す３態様が考えられる。
【００６１】
Ａの態様は、光Ａ１がθＡの角度で入射し、屈折角θＡ２で屈折する屈折光Ａ２と、角度θＡで反射する反射光Ａ３に分かれる場合である。
【００６２】
Ｂの態様は、光の入射角がθＢというある角度になり、屈折角θＢ２が９０度となり、光は境界面に沿って進む場合である。なお、このときの入射角θＢを臨界角という。
【００６３】
そして、Ｃの態様は、入射角θＣが臨界角以上の場合である。この場合には、光は屈折することなく、全反射を起こし、すべて反射光Ｃ２となる。
【００６４】
光ファイバーではＣの態様のように、全反射しながら光が伝搬する。光の曲げ損失は、入射角が臨界角以下になった時に発生する。図１６は、この概念を示すものである。光ファイバーに光が入射されると、光は全反射しながらコアの内部を伝搬する。そして、光がこの図１６に示すように曲げ部分に到達すると、入射角が小さくなる部分が発生し、コアの外に放射する光が生じる。この損失量は、光の曲率半径Ｒに依存する。
【００６５】
ＯＳＭＯＳは、この損失を測定することで、歪を測定するものである。
【００６６】
本発明では、これらのいずれの方式をも使用することできるが、以下では、再び図１〜図９を参照しながらＦＢＧ式光ファイバーセンサ３を使用した場合を例に説明する。
【００６７】
光ファイバーセンサ３は、上述のように、光ファイバーケーブル２の先端部が加工されたものである。当該光ファイバーセンサ３を備えた光ファイバーケーブル２は、一般の通信網として設けられ、橋梁１０と、オフィスビル２０とを連絡している。
【００６８】
オフィスビル２０には、光学部６と、この光学部６と接続されたコンピュータ７とが設けられている。光学部６は、光ファイバーケーブル２を介して光ファイバーセンサ３へ所定の波長を有する光を入射させる光源、光ファイバーセンサ３から反射された光を受光する受光部、受光部で受光された光を所定の電気信号に変換するインターフェイス等の機能を有し、当該光学部６で張力の測定を行っている。
【００６９】
この光学部６と接続されたコンピュータ７は、光学部６に対して測定開始・終了等の指令を発信するコントローラとして機能すると共に、光学部６で得られた測定データを所望の形に加工したり、測定データを記録媒体に記録する等、データ処理部としても機能する。
【００７０】
この光学部６では、光ファイバーケーブル２を介して光ファイバーセンサ３から送信された反射光の信号に基づき、光ファイバーセンサ３で検知した波長の変化に基づき、ワイヤケーブル１３の歪を算出する。そして、算出された歪に基づき、応力、張力を算出している。
【００７１】
なお、光学部６が、一定の時間毎にトリガを発生せしめ、トリガが立つ毎に測定を繰り返すようにシステム設計をしておけば、対象となるワイヤケーブル１３の張力が時間の経過と共にどのように変化するのかを自動的に測定することができる。
【００７２】
以上の構成を備えた、張力測定システムによれば、次の手順によりワイヤケーブル１３の張力は測定される。
【００７３】
まず、光学部６から光ファイバーケーブル２に光を入射させる。入射光は、この光ファイバーケーブル２を伝達して、橋梁１０まで到達する。光ファイバーケーブル２の先端は、上述のように、光ファイバーセンサ３として加工されており、橋梁１０のワイヤケーブル１３の先端に組み込まれているので、最終的はワイヤケーブル１３の先端に入射光は到達する。そして、この光ファイバーセンサ３に到達した入射光のうち、特定の周波数の入射光は、この回析格子４により反射される。
【００７４】
ここで、ワイヤケーブル１３は、予め一定の張力がかけられた状態で、支柱１１と床版１２とを接続しているので、ワイヤケーブル１３は延び方向に歪が発生している。そして、光ファイバーセンサ３は、このワイヤケーブル１３の歪と一体に歪むように、素線２３に固着されているので、光ファイバーセンサ３も同様に延びる方向に歪んでいる。このため、回析格子４を構成する格子４０の間隔ｄは、光ファイバーセンサ３が無負荷の状態よりも広げられている。
【００７５】
かかる回析格子４により入射光が反射されると、格子間隔の変化に伴って、入射光の波長λもΔλだけ変化する。
【００７６】
波長の変化した反射光は、再び、通信網としての光ファイバーケーブル２を通って、オフィスビル２０に設けられた光学部６により受光される。光学部６は、受光した反射光の波長と入射光の波長とから波長の変化Δλを測定し、これに基づき歪を算出する。そして、算出された歪から、応力、張力が算出される。
【００７７】
算出された張力は、光学部６に接続されたコンピュータ７により、グラフ化されたり、所定のフォーマットのデータシートに記録されるなど、所望の形式に加工される。また、算出されたデータを記録媒体に記録させて、データの保管等も行う。この際、光学部６とコンピュータ７の役割分担としては、光学部６では、単に波長の変化Δλのみを測定し、その後の処理をコンピュータ７で行うようにしても構わない。なお、データ処理及びの保管は、橋梁１０に設けられた複数のワイヤケーブル１３毎に行えば、どのワイヤケーブル１３に異常が発生したのかを即時に特定でき、迅速な対応を採ることができる。さらには、橋梁１０に設けられたすべての支柱１１に対して測定を行えば、橋梁１０全体を常に監視の基に置くことができる。
【００７８】
以上、一箇所に架設された、橋梁１０にのみ当該張力測定システムを適用した場合について説明したが、通信網としての光ファイバーケーブル２が延びている地域に架設された橋梁１０であれば、一箇所のオフィスビル２０で複数の橋梁１０のワイヤケーブル１３の測定を同時に行うことができる。
【００７９】
以上、光ファイバーセンサをワイヤケーブルの素線の内部に組み込む等、ワイヤケーブルの外縁より内側の位置に光ファイバーケーブルを埋め込むようにして設けたものについて説明したが、光ファイバーケーブルをワイヤケーブルの表面部分に張り付けて設けてもよい。
【００８０】
図１７は、ワイヤケーブル１３のエンドソケット１８に、ワイヤケーブル１３の軸方向に挿入孔１８ａを設け、この挿入孔１８ａから光ファイバーケーブル２を挿入させている。そして、光ファイバーケーブル２の先端に設けられている光ファイバーセンサ３をワイヤケーブル１３の外表面と、被覆部１３ａとの間に配置させ、光ファイバーセンサ３をワイヤケーブル１３の外表面に位置する１本の素線２３に接着剤で接着させている。そして、外部から被覆材４５で光ファイバーセンサー３を覆う。
【００８１】
このように、ワイヤケーブル１３の外表面に光ファイバーセンサ３を接着させても、光ファイバーセンサ３はワイヤケーブル１３の歪を検知する。
【００８２】
図１８及び図１９は、ワイヤケーブル１３の外表面に光ファイバーセンサ３を接着させる他の実施形態を示している。
【００８３】
この実施形態では、ワイヤケーブル１３のエンドソケット１８の近傍にて、被覆部１３ａの一部に切り込み部４９を形成している。この切り込み部４９は、被覆部１３ａの内部に配されたワイヤケーブル１３の外表面を部分的に露出させている。光ファイバーセンサ３は、この切り込み部４９においてワイヤケーブル１３の外表面に位置する素線２３に接着される。接着された光ファイバーセンサ３は、外側から被覆材４５で覆われる。なお、切り込み部４９は、予め被覆部１３ａに形成しておいてもよいが、現場にて被覆部１３ａを部分的に切り取って形成してもよい。
【００８４】
この実施形態で使用される光ファイバーセンサ３は、所定の長さに短く切断された光ファイバーケーブル２の先端に接続されている。光ファイバーケーブル２の後端には接続用のコネクタ４６が設けられており、通信用の光ファイバーケーブル（不図示）と、当該コネクタ４６を介して接続されるよう構成されている。
【００８５】
なお、ワイヤケーブル１３の外表面に光ファイバーセンサ３を接着させる手法では、ワイヤケーブル１３の端部付近に光ファイバーセンサ３を設ける形態には限定されず、ワイヤケーブル１３の軸方向におけるいずれの位置にでも設けることができる。
【００８６】
この場合、次のようにして光ファイバーセンサ３を設けるとよい。
【００８７】
図２０に示す実施形態では、クランプ８０を用いている。このクランプ８０は、円環状に形成されて、ワイヤケーブルの外周面を被覆する被覆部８１と、この被覆部８１を半径方向に伸縮せしめる締め込み部８２とから構成されている。被覆部８１は、半径方向の一部に、所定の隙間を有する軸方向に延びるスリットが形成されている。締め付け部８２は、このスリットの幅と同寸の間隔に配された２枚の板材がワイヤケーブル１３の半径方向外側に張り出すようにして形成されている。そして、締め付け部８２を構成している各板材には、３つの締め付けボルト８３がワイヤケーブル１３の軸方向に並べられて取り付けられている。
【００８８】
このクランプ８０は、締め付けボルト８３を締め付けることで、被覆部８１に形成されたスリットの幅が狭められ、これにより、ワイヤケーブル１３の外周面を締め付けるように構成されている。
【００８９】
光ファイバーセンサ３はワイヤケーブル１３の外表面に位置する素線に接着され、その外側がクランプ８０で覆われる。光ファイバーセンサ３は、外側からクランプ８０により締め付けられてワイヤケーブル１３の外周面に強固に密着される。これにより剥離が防止され、確実にワイヤケーブル１３の歪を検知する。
【００９０】
なお、ワイヤケーブル１３の外表面に光ファイバーセンサ３を密着させる手段としては、図２１に示すようにテーピング８５を用いてもよい。
【００９１】
この実施の形態においても、光ファイバーセンサ３をワイヤケーブル１３の外表面に位置する素線に接着させている。この接着された光ファイバーセンサ３は、外側から、細長い長方形に形成された板圧の薄い鉄板４８で被覆されている。そして、テーピング８５がワイヤケーブル１３の外周面に巻き付けられ、光ファイバーセンサ３は、鉄板４７ごとテーピング８５により、ワイヤケーブル１３の外周面に密着される。テーピング８５は、光ファイバーセンサ３が完全に隠蔽されるように、ワイヤケーブル１３の軸方向について鉄板４８の長さよりも長い範囲について巻き付けられる。なお、テーピング８５は、一般に使用されているビニールテープ、ガムテープなどを用いればよい。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の一実施形態にかかる張力測定システムの概略図。
【図２】張力測定の対象となるワイヤケーブルを備えた橋梁の一例を示す橋梁の側面図。
【図３】橋梁の支柱に保持されたワイヤケーブルの端部を示す部分拡大図。
【図４】ワイヤケーブルの端部を示す図。
【図５】ワイヤケーブルの素線に組み込まれた光ファイバーセンサの態様の一例を模型的に示すワイヤケーブルの横断面図。
【図６】図５に示す光ファイバーセンサの組み込み状態を素線の側方から見た縦断面図。
【図７】図５とは別の態様で光ファイバーセンサを組み込んだ状態を模型的に示すワイヤケーブルの横断面図。
【図８】図７に示す光ファイバーセンサの組み込み状態を素線の側方から見た縦断面図。
【図９】ＦＢＧ式光ファイバーセンサの原理を示す説明図。
【図１０】ＢＯＴＤＲ式ファイバーセンサにおいて、周波数のピークのシフトのイメージを示す説明図。
【図１１】歪と周波数変化量の直線性を示すグラフ。
【図１２】ＢＯＴＤＲ式ファイバーセンサにおけるスペクトル分布と距離分布のイメージを示す説明図。
【図１３】ＳＯＦＯ式光ファイバーセンサの構造を簡略化して示す図。
【図１４】ＳＯＦＯシステムの一例を示すブロック図。
【図１５】光の屈折の態様を示す説明図。
【図１６】光ファイバーの曲げ損失の概念を示す説明図
【図１７】光ファイバーセンサをワイヤケーブルの外表面に接着させた場合の１実施形態にかかるエンドソケットの近傍の斜視図。
【図１８】図１７とは、別の態様で光ファイバーセンサを配置させた実施形態にかかるエンドソケットの近傍の斜視図。
【図１９】切り込み部の拡大断面図。
【図２０】クランプで光ファイバーセンサをワイヤケーブルの外表面に密着させた態様を示す図。
【図２１】テーピングで光ファイバーセンサをワイヤケーブルの外表面に密着させた態様を示す図。
【符号の説明】
【００９３】
２・・・・・・光ファイバーケーブル
３，５０・・・光ファイバーセンサ
４・・・・・・回析格子
４０・・・・・格子
６・・・・・・光学部
７・・・・・・コンピュータ
１０・・・・・橋梁
１３・・・・・ワイヤケーブル
２３・・・・・素線
２５・・・・・挿入孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物を支持するワイヤケーブル、特に橋梁のワイヤケーブル並びに、このケーブルを使用した張力測定システム及び張力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤケーブルである部材を支持する構造物に関し、このワイヤケーブルの張力を測定する手法として、従来から様々な手法が試みられてきた。例えば、ワイヤケーブルに歪ゲージを貼り付け、歪ゲージの出力に基づいてワイヤケーブルの張力を求める手法は、その代用的なものである。最近では、振動法と呼ばれる手法で張力の測定を行うことが主流である。
【０００３】
この振動法とは、例えば、特許文献１に示されているように、ワイヤケーブルに所定の振動を作用させ、弦の振動に関する微分方程式を利用して、ワイヤケーブルの固有振動数から張力を求める方法である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２５５２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、測定の対象が橋梁のワイヤケーブルである場合、交通事情の関係上、張力を測定するチャンスが限られてしまう。このため、歪ゲージを使用する手法では、橋梁の架設時を除けば、橋梁の一斉点検時等、ごく僅かチャンスしかない。
【０００６】
また、振動法は、上述のように、ケーブルの固有振動数から間接的に張力を求める手法であるため、振動法で求めた張力と実際の張力と間にどうしても誤差が出てしまう。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、正確な張力を所望の時に得られるワイヤケーブル、並びに張力測定システム及び張力測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、上記の課題を解決するために、次の解決手段を採用した。
【０００９】
第１に採用したのは、複数の素線を相互に縒り合わせて形成されたワイヤケーブルであって、このワイヤケーブルの軸方向の歪を検出する歪検出手段が、当該ワイヤケーブルに組み込まれ、前記歪検出手段が光ファイバーからなる光ファイバーセンサであり、この光ファイバーセンサが、前記ワイヤケーブルの伸縮に伴って変形するよう前記ワイヤケーブルに組み込まれ、前記光ファイバーセンサの変形により、入射された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉を検知するワイヤケーブルである。
【００１０】
かかるワイヤケーブルに関し、本発明では、前記素線の中の１本に、その軸方向に沿って形成された挿入孔を形成し、前記光ファイバーセンサを前記挿入孔に挿入させて、その軸方向が前記素線の伸縮と共に伸縮されるように構成した。
【００１１】
第２に採用したのは、構造物を構成する部材を一定の姿勢に支持し、複数の素線を相互に縒り合わせて形成されたワイヤケーブルの張力を測定する張力測定システムであって、前記ワイヤケーブルに組み込まれ、前記ワイヤケーブルの歪を検出する歪検出手段と、前記歪検出手段の検出に基づいて前記ワイヤケーブルに作用する張力を算出する張力演算手段と、前記歪検出手段の検出を前記歪検出手段から前記張力演算手段まで送信する信号通信手段とを備え、前記信号通信手段が、光ファイバーケーブルであり、前記歪検出手段が、光ファイバケーブルの一部を利用して形成された光ファイバーセンサであり、この光ファイバーセンサが、前記ワイヤケーブルの伸縮に伴って変形するよう前記ワイヤケーブルに組み込まれ、前記光ファイバーセンサの変形によって、この光ファイバーセンサに入射された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉を検知して、前記張力演算手段では、前記光ファイバーセンサの検知内容に基づいて、前記ワイヤケーブルの張力を算出する張力測定システムである。
【００１２】
そして、第３に、構造物を構成する部材を一定の姿勢に支持し、複数の素線を相互に縒り合わせて形成されたワイヤケーブルの張力を測定するにあたり、光ファイバケーブルの一部を利用して形成された光ファイバーセンサを前記ワイヤケーブルに組み込み、前記ワイヤケーブルの伸縮に伴って、前記光ファイバーセンサを変形せしめ、この変形に伴って発生する、前記光ファイバーセンサに入射された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉を検知し、検知された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉に基づいて、張力演算手段により前記ワイヤケーブルの張力を算出する張力測定方法を採用した。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ワイヤケーブルの張力を測定する場合に、ワイヤケーブルに生ずる歪から直接張力を測定できる。このため、測定結果と、実際にワイヤケーブルに発生している張力との間に誤差が生じることを極力抑えることが可能となり、正確な値を測定できる。
【００１４】
また、歪測定手段として光ファイバーセンサを使用するため、既に通信網として設けられている光ファイバーケーブルを通信手段として利用することができる。これにより、測定の対象となる構造物とは遠隔地にある、例えば、測定機器を設けたベース地やオフィスビルからでも測定することが可能となる。
【００１５】
特に、測定の対象が橋梁の支柱と床版とを接続するワイヤケーブルである場合、交通の関係上、現場での測定が制限されてしまう。しかし、本発明によれば、遠隔地から測定することができるため、交通に左右されず、いつでも所望の時にワイヤケーブルの張力を測定できる。
【００１６】
さらには、光ファイバー通信網を利用することで、複数の構造物について、一箇所で集中管理を行うこともできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態にかかる斜張橋用ケーブルとして使用されるワイヤケーブル１３の張力測定システムの概略を示している。この張力測定システムは、ワイヤケーブル１３に組み込まれる光ファイバーセンサ３と、測定に必要な種々の制御並びに演算処理などを行うコンピュータ７等の設けられたオフィスビル２０と、光ファイバーセンサ３の組み込まれた橋梁１０と、オフィスビル２０とを連絡する通信網としての光ファイバーケーブル２とを備えている。
【００１９】
図２に示すように、橋梁１０は、床版１２の延びる方向に関して、一定の間隔毎に、支柱１１を備えており、各支柱１１毎に、床版１２と支柱１１とは、複数のワイヤケーブル１３で接続されている。これらワイヤケーブル１３は、支柱１１を軸にして床版１２の延びる方向について対称となるように、支柱１１と床版１２とを斜めに結んでいる。本張力測定システムは、このワイヤケーブル１３の張力を測定の対象とするものである。
【００２０】
図３は、支柱１１とワイヤケーブル１３の連結部分の一つを拡大して示した図である。
【００２１】
支柱１１の上部には、高さ方向に並べられるようにして複数の保持ブラケット１４が固定されており、各ワイヤケーブル１３の先端は、相互に対向されるようにして支柱１１に保持される。この保持ブラケット１４は、支柱１１に固定される固定面１５と、固定面１５の前後両側から相互に斜め上方に延びて末広がり状に形成された保持面１６とから構成されている。保持面１６には、通し孔がそれぞれ形成されており、傾斜橋用ケーブルの先端がこの通り孔に通されて、当該保持ブラケット１４に保持される。
【００２２】
更に、支柱１１の前面及び後面には斜め下方に向けて突出する筒状のケーブルガイド１７が設けられている。ケーブルガイド１７の中心には、このケーブルガイド１７を軸方向に貫通する貫通孔が形成されており、この貫通孔に斜めに延びるワイヤケーブル１３が通される。このケーブルガイド１７は、床版１２から支柱１１に向けて延びているワイヤケーブル１３を保持ブラケット１４に向けて案内している。
【００２３】
一方、ワイヤケーブル１３の先端には、エンドソケット１８が設けられている。このエンドソケット１８は、フランジのように、ワイヤケーブル１３の半径方向外側に向けて張り出しており、保持ブラケット１４の通り孔に通されたワイヤケーブル１３が保持ブラケット１４から抜け出すことを防止するストッパとして機能する。
【００２４】
このようにして設けられたワイヤケーブル１３には、図４に示すように、先端部分に光ファイバーケーブル２の先端が組み込まれている。この光ファイバーケーブル２の先端部分は、光ファイバーセンサ３として形成されている。
【００２５】
図５及び図６は、光ファイバーセンサ３の組み込まれたワイヤケーブル１３の先端部分を模型的に拡大して示したものの一例である。
【００２６】
ワイヤケーブル１３は、鋼線からなる複数の素線２３を相互に縒り合わせて一本のケーブルとして構成されたものである。そして、この斜張橋ケーブルを構成する素線２３のうち、中央に位置してねじりのない素線２３には、その端部から軸方向に延びる挿入孔２５が形成されている。この挿入孔２５には、光ファイバーセンサ３が挿入される。挿入された光ファイバーセンサ３は、後に説明する回析格子４を間に挟んだ軸方向の両側が挿入孔２５に固着され、素線２３の軸方向の伸縮に伴って、これと一体的に伸縮するよう構成されている。
【００２７】
なお、光ファイバーセンサ３は、図７及び図８に示すようにしてワイヤケーブル１３の先端に組み込んでも良い。この実施の形態では、光ファイバーセンサ３はワイヤケーブル１３を構成する素線２３と素線２３の間に挿入されて、素線２３に挟持されるようにしてワイヤケーブル１３の先端に組み込まれている。この場合にも、光ファイバーセンサ３は、回析格子４を間に挟んだ軸方向の両側が素線２３に固着され、素線２３の軸方向の伸縮に伴い、これと一体的に伸縮するように構成されている。
【００２８】
ここで、この張力測定システムで使用される光ファイバーセンサ３の原理について説明する。
【００２９】
一般に、光ファイバーセンサ３には、（１）波長の変化を利用するＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）、（２）ブリルアン散乱光の周波数利用するＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｅｒ）、（３）光の干渉という性質を利用するＳＯＦＯ（Ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅｄ’Ｏｕｖｒａｇｅｓ ｐａｒ Ｆｉｂｒｅｓ Ｏｐｔｉｑｕｅｓ）、（４）伝送される光の、光ファイバーケーブル２の曲げ損失を利用するＯＳＭＯＳ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｔａｎｄ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）など、様々な性質を使用したものがある。
【００３０】
この張力測定システムに使用する光ファイバーセンサ３としては、ＦＢＧ式光ファイバーセンサを用いることが最適であるが、これらのいずれのものを使用してもよい。
【００３１】
図９は、ＦＢＧ式光ファイバーセンサ３の概要を模型的に示した図である。この光ファイバーセンサ３には、光を反射させる回析格子４が形成されている。この回析格子４は、光ファイバーセンサ３の軸方向に微小な間隔ｄを空けて配された一対の格子４０により構成されていている。
【００３２】
この回析格子４を備えた光ファイバーセンサ３が軸方向に関してεだけ歪むと、これに伴い格子間隔ｄも変化するよう構成されている。
【００３３】
かかる回析格子４は、光ファイバーケーブル２に入射された入射光の内、特定の周波数を有する入射光だけを反射させる一方で、それ以外の周波数の光をそのまま通過させる特性を備えている。
【００３４】
ここで、回析格子４により反射される特定の周波数を有する入射光の波長λを次の式１で表す。なお、式１において、ｎはコア部の平均屈折率、ｄは格子間隔である。
【００３５】
λ＝２ｎｄ・・・・（式１）
【００３６】
そして、光ファイバーセンサ３が軸方向にεだけひずんで、格子間隔ｄが変化すると、当該回析格子４により反射される入射光の波長は、入射光に対して反射光の波長は式２に表すように変化する。
【００３７】
Δλ＝λ（１−Ｐ）ε・・・・（式２）
なお、Ｐはポアソン比を表す。
【００３８】
この光ファイバーセンサ３では、波長の変化を測定することで、光ファイバーセンサ３の取り付けられた対象物の歪、張力を測定することを可能ならしめている。なお、波長は、光ファイバーセンサ３の歪に対して直線性を示す。波長の変化量は入射光の波長にもよるが、約１．２×１０-12ｍ／μＳｔｒａｉｎ程度である。
【００３９】
かかるＦＢＧが当該システムには最も適している。しかし、上述のように、ＢＯＴＤＲ、ＳＯＦＯ、ＯＳＭＯＳを使用することができる。以下、これらの手法について、その原理を簡単に説明する。
【００４０】
ＢＯＴＤＲとは、ブリルアン散乱光が光ファイバーの歪変化に対して直線的に周波数変化を発生させるという「歪依存性」を利用するものである。
【００４１】
図１０に歪依存性をイメージしたものを、図１１に直線性をイメージしたものをそれぞれ図示する。図１０に示すように、光ファイバーに張力が加わり、歪が発生すると、ブリルアン散乱光のスペクトル分布により周波数のピークがシフトする。また、例えば、波長λ＝１．５５μｍの入射光の歪依存性による周波数シフトの直線性を図示すると、図１１のようになる。
【００４２】
このように、ブリルアン散乱光の周波数と歪との関係は、直線性を有しているため、ブリルアン散乱光の周波数のシフト量を計測することで歪測定に適用できる。
【００４３】
このＢＯＴＤＲは、分布型センサとして使用することができる。即ち、光ファイバーにパルス波を入射し、戻ってきた後方散乱光としてのブリルアン散乱光の戻り時間、強さ
を計測する。なお、この時間から戻ってきた散乱光データの計測位置までの距離Ｌは、次の式３で得られる。
【００４４】
Ｌ＝ＣＴ／２ｎ・・・・（式３）
Ｃ：光の速度
Ｔ：検出するまでの時間
ｎ：光ファイバーの屈折率
【００４５】
そして、入射光の周波数を漸次変化させながら、同様の計測を実施することで、ブリルアン散乱光の周波数シフトのスペクトル分布が距離別に求められる。図１２は、そのイメージを図示したものである。
【００４６】
例えば、ある位置の歪値を知りたいとき、その位置までの各距離の部分の周波数分布から歪を求める。この図１２に示す例では、Ｚ１の位置から図を右斜め上に横切ったときのスペクトル分からシフト量を求めて、歪に変換する。かかる作業を各距離ごとに行い、連続した歪分布を求める。
【００４７】
図中ε１、ε２の各歪値がΔＬの長さごとに求められる。このΔＬの長さは、ｃを係数、入射するパルス幅をωとすると次の式４で表すことができる。
【００４８】
ΔＬ＝ｃω／２ｎ・・・・（式４）
【００４９】
この分解能はΔＬは、入射されたパルス光のパルス幅の両サイドから散乱光がある角度を持って伝搬する。そして、２つの散乱光が一直線上に重なり合ったときには、２つの散乱光は分離されない。よって、これら２つ（パルス幅の両サイド）を距離に換算した長さ分の中で歪値は計測される。
【００５０】
次に、ＳＯＦＯの原理について説明する。
【００５１】
図１３及び図１４は、ＳＯＦＯ式の光ファイバーセンサを使用した場合の原理を模型的に示したものである。
【００５２】
このＳＯＦＯ式の光ファイバーセンサ５０は、図１３に示すように、２本の光ファイバー５３，５４が使用される。一方は測定用光ファイバー５３で、他方は参照用光ファイバー５４である。これら２本の光ファイバー５３，５４は、この光ファイバーセンサ５０と接続されているカプラ５６で分岐され、この光ファイバーセンサ５０の軸方向に所定間隔を空けて配された一対の固定部５２により平行をなすようにして固定されている。そして、これら２本の光ファイバー５３，５４の先端には鏡５５が接続されている。固定部５２間は、可動部５１である。測定用光ファイバー５３は、プレテンションが付与されている一方で、参照用光ファイバー５４は、螺旋状に巻かれて配されている。
【００５３】
このＳＯＦＯ式の光ファイバーセンサ５０では、可動部５１に変位が生じると、測定用光ファイバー５３の長さが変化する。ただし、参照用光ファイバー５４の長さは不変である。
【００５４】
図１４は、このＳＯＦＯ式の光ファイバーセンサ５０とリーディングユニット６０とを光ファイバーケーブル７１及び中継ボックス７０で接続してＳＯＦＯシステムを完成させた１例を示している。
【００５５】
このＳＯＦＯシステムによれば、まず光源としてのＬＥＤ６４から白色光が、コネクタ６８、光ファイバーケーブル７１、中継ボックス７０を介して各光ファイバーセンサ５０へ送られる。各光ファイバーセンサ５０へ送られた光は、それぞれの光ファイバーセンサ５０のカプラ５６により、測定用光ファイバー５３と参照用光ファイバー５４とに分岐される。そして、先端に設けられた鏡５５に反射されて、再びカプラ５６に集光され、リーディングユニットに戻される。
【００５６】
この際、測定用光ファイバー５３と参照用光ファイバー５４との長さが異なる（元の長さの差＋可動部の変位量）ので、戻された光には干渉が生じる。そこで、リーディングユニット６０の内部に配されたカプラ６２により、リーディングユニット６０に内蔵された固定部６５と可動部６６に分光する。そして、固定部６５と可動部６６にそれぞれ設けられた鏡６７で反射させてピーク干渉位置を見出す。ただし、光ファイバーセンサ５０内部の２本の光ファイバー５３，５４の長さの違い等に関する補正をこのとき行う。
【００５７】
以上のようにして、光ファイバーセンサ５０の可動部５１において発生した変位量を、光の干渉としてとらえ、これを測定する手法が、ＳＯＦＯシステムである。なお、具体的なデータ解析を行うために、パソコン６１がＰＤ６３を介してカプラ６２と接続されている。また、モデム６９を使用して通信手段と接続させることで、遠隔地でのデータ分析を行うこともできる。
【００５８】
最後に、ＯＳＭＯＳの原理について説明する。
【００５９】
このＯＳＭＯＳは、光の曲げ損失（マイクロベンディング）という考え方を適用したセンサである。
【００６０】
光の屈折について、屈折率の大きなコアＩＩから小さなグラッドＩに光が入射する態様を考えると、図１５に示す３態様が考えられる。
【００６１】
Ａの態様は、光Ａ１がθＡの角度で入射し、屈折角θＡ２で屈折する屈折光Ａ２と、角度θＡで反射する反射光Ａ３に分かれる場合である。
【００６２】
Ｂの態様は、光の入射角がθＢというある角度になり、屈折角θＢ２が９０度となり、光は境界面に沿って進む場合である。なお、このときの入射角θＢを臨界角という。
【００６３】
そして、Ｃの態様は、入射角θＣが臨界角以上の場合である。この場合には、光は屈折することなく、全反射を起こし、すべて反射光Ｃ２となる。
【００６４】
光ファイバーではＣの態様のように、全反射しながら光が伝搬する。光の曲げ損失は、入射角が臨界角以下になった時に発生する。図１６は、この概念を示すものである。光ファイバーに光が入射されると、光は全反射しながらコアの内部を伝搬する。そして、光がこの図１６に示すように曲げ部分に到達すると、入射角が小さくなる部分が発生し、コアの外に放射する光が生じる。この損失量は、光の曲率半径Ｒに依存する。
【００６５】
ＯＳＭＯＳは、この損失を測定することで、歪を測定するものである。
【００６６】
本発明では、これらのいずれの方式をも使用することできるが、以下では、再び図１〜図９を参照しながらＦＢＧ式光ファイバーセンサ３を使用した場合を例に説明する。
【００６７】
光ファイバーセンサ３は、上述のように、光ファイバーケーブル２の先端部が加工されたものである。当該光ファイバーセンサ３を備えた光ファイバーケーブル２は、一般の通信網として設けられ、橋梁１０と、オフィスビル２０とを連絡している。
【００６８】
オフィスビル２０には、光学部６と、この光学部６と接続されたコンピュータ７とが設けられている。光学部６は、光ファイバーケーブル２を介して光ファイバーセンサ３へ所定の波長を有する光を入射させる光源、光ファイバーセンサ３から反射された光を受光する受光部、受光部で受光された光を所定の電気信号に変換するインターフェイス等の機能を有し、当該光学部６で張力の測定を行っている。
【００６９】
この光学部６と接続されたコンピュータ７は、光学部６に対して測定開始・終了等の指令を発信するコントローラとして機能すると共に、光学部６で得られた測定データを所望の形に加工したり、測定データを記録媒体に記録する等、データ処理部としても機能する。
【００７０】
この光学部６では、光ファイバーケーブル２を介して光ファイバーセンサ３から送信された反射光の信号に基づき、光ファイバーセンサ３で検知した波長の変化に基づき、ワイヤケーブル１３の歪を算出する。そして、算出された歪に基づき、応力、張力を算出している。
【００７１】
なお、光学部６が、一定の時間毎にトリガを発生せしめ、トリガが立つ毎に測定を繰り返すようにシステム設計をしておけば、対象となるワイヤケーブル１３の張力が時間の経過と共にどのように変化するのかを自動的に測定することができる。
【００７２】
以上の構成を備えた、張力測定システムによれば、次の手順によりワイヤケーブル１３の張力は測定される。
【００７３】
まず、光学部６から光ファイバーケーブル２に光を入射させる。入射光は、この光ファイバーケーブル２を伝達して、橋梁１０まで到達する。光ファイバーケーブル２の先端は、上述のように、光ファイバーセンサ３として加工されており、橋梁１０のワイヤケーブル１３の先端に組み込まれているので、最終的はワイヤケーブル１３の先端に入射光は到達する。そして、この光ファイバーセンサ３に到達した入射光のうち、特定の周波数の入射光は、この回析格子４により反射される。
【００７４】
ここで、ワイヤケーブル１３は、予め一定の張力がかけられた状態で、支柱１１と床版１２とを接続しているので、ワイヤケーブル１３は延び方向に歪が発生している。そして、光ファイバーセンサ３は、このワイヤケーブル１３の歪と一体に歪むように、素線２３に固着されているので、光ファイバーセンサ３も同様に延びる方向に歪んでいる。このため、回析格子４を構成する格子４０の間隔ｄは、光ファイバーセンサ３が無負荷の状態よりも広げられている。
【００７５】
かかる回析格子４により入射光が反射されると、格子間隔の変化に伴って、入射光の波長λもΔλだけ変化する。
【００７６】
波長の変化した反射光は、再び、通信網としての光ファイバーケーブル２を通って、オフィスビル２０に設けられた光学部６により受光される。光学部６は、受光した反射光の波長と入射光の波長とから波長の変化Δλを測定し、これに基づき歪を算出する。そして、算出された歪から、応力、張力が算出される。
【００７７】
算出された張力は、光学部６に接続されたコンピュータ７により、グラフ化されたり、所定のフォーマットのデータシートに記録されるなど、所望の形式に加工される。また、算出されたデータを記録媒体に記録させて、データの保管等も行う。この際、光学部６とコンピュータ７の役割分担としては、光学部６では、単に波長の変化Δλのみを測定し、その後の処理をコンピュータ７で行うようにしても構わない。なお、データ処理及びの保管は、橋梁１０に設けられた複数のワイヤケーブル１３毎に行えば、どのワイヤケーブル１３に異常が発生したのかを即時に特定でき、迅速な対応を採ることができる。さらには、橋梁１０に設けられたすべての支柱１１に対して測定を行えば、橋梁１０全体を常に監視の基に置くことができる。
【００７８】
以上、一箇所に架設された、橋梁１０にのみ当該張力測定システムを適用した場合について説明したが、通信網としての光ファイバーケーブル２が延びている地域に架設された橋梁１０であれば、一箇所のオフィスビル２０で複数の橋梁１０のワイヤケーブル１３の測定を同時に行うことができる。
【００７９】
以上、光ファイバーセンサをワイヤケーブルの素線の内部に組み込む等、ワイヤケーブルの外縁より内側の位置に光ファイバーケーブルを埋め込むようにして設けたものについて説明したが、光ファイバーケーブルをワイヤケーブルの表面部分に張り付けて設けてもよい。
【００８０】
図１７は、ワイヤケーブル１３のエンドソケット１８に、ワイヤケーブル１３の軸方向に挿入孔１８ａを設け、この挿入孔１８ａから光ファイバーケーブル２を挿入させている。そして、光ファイバーケーブル２の先端に設けられている光ファイバーセンサ３をワイヤケーブル１３の外表面と、被覆部１３ａとの間に配置させ、光ファイバーセンサ３をワイヤケーブル１３の外表面に位置する１本の素線２３に接着剤で接着させている。そして、外部から被覆材４５で光ファイバーセンサー３を覆う。
【００８１】
このように、ワイヤケーブル１３の外表面に光ファイバーセンサ３を接着させても、光ファイバーセンサ３はワイヤケーブル１３の歪を検知する。
【００８２】
図１８及び図１９は、ワイヤケーブル１３の外表面に光ファイバーセンサ３を接着させる他の実施形態を示している。
【００８３】
この実施形態では、ワイヤケーブル１３のエンドソケット１８の近傍にて、被覆部１３ａの一部に切り込み部４９を形成している。この切り込み部４９は、被覆部１３ａの内部に配されたワイヤケーブル１３の外表面を部分的に露出させている。光ファイバーセンサ３は、この切り込み部４９においてワイヤケーブル１３の外表面に位置する素線２３に接着される。接着された光ファイバーセンサ３は、外側から被覆材４５で覆われる。なお、切り込み部４９は、予め被覆部１３ａに形成しておいてもよいが、現場にて被覆部１３ａを部分的に切り取って形成してもよい。
【００８４】
この実施形態で使用される光ファイバーセンサ３は、所定の長さに短く切断された光ファイバーケーブル２の先端に接続されている。光ファイバーケーブル２の後端には接続用のコネクタ４６が設けられており、通信用の光ファイバーケーブル（不図示）と、当該コネクタ４６を介して接続されるよう構成されている。
【００８５】
なお、ワイヤケーブル１３の外表面に光ファイバーセンサ３を接着させる手法では、ワイヤケーブル１３の端部付近に光ファイバーセンサ３を設ける形態には限定されず、ワイヤケーブル１３の軸方向におけるいずれの位置にでも設けることができる。
【００８６】
この場合、次のようにして光ファイバーセンサ３を設けるとよい。
【００８７】
図２０に示す実施形態では、クランプ８０を用いている。このクランプ８０は、円環状に形成されて、ワイヤケーブルの外周面を被覆する被覆部８１と、この被覆部８１を半径方向に伸縮せしめる締め込み部８２とから構成されている。被覆部８１は、半径方向の一部に、所定の隙間を有する軸方向に延びるスリットが形成されている。締め付け部８２は、このスリットの幅と同寸の間隔に配された２枚の板材がワイヤケーブル１３の半径方向外側に張り出すようにして形成されている。そして、締め付け部８２を構成している各板材には、３つの締め付けボルト８３がワイヤケーブル１３の軸方向に並べられて取り付けられている。
【００８８】
このクランプ８０は、締め付けボルト８３を締め付けることで、被覆部８１に形成されたスリットの幅が狭められ、これにより、ワイヤケーブル１３の外周面を締め付けるように構成されている。
【００８９】
光ファイバーセンサ３はワイヤケーブル１３の外表面に位置する素線に接着され、その外側がクランプ８０で覆われる。光ファイバーセンサ３は、外側からクランプ８０により締め付けられてワイヤケーブル１３の外周面に強固に密着される。これにより剥離が防止され、確実にワイヤケーブル１３の歪を検知する。
【００９０】
なお、ワイヤケーブル１３の外表面に光ファイバーセンサ３を密着させる手段としては、図２１に示すようにテーピング８５を用いてもよい。
【００９１】
この実施の形態においても、光ファイバーセンサ３をワイヤケーブル１３の外表面に位置する素線に接着させている。この接着された光ファイバーセンサ３は、外側から、細長い長方形に形成された板圧の薄い鉄板４８で被覆されている。そして、テーピング８５がワイヤケーブル１３の外周面に巻き付けられ、光ファイバーセンサ３は、鉄板４７ごとテーピング８５により、ワイヤケーブル１３の外周面に密着される。テーピング８５は、光ファイバーセンサ３が完全に隠蔽されるように、ワイヤケーブル１３の軸方向について鉄板４８の長さよりも長い範囲について巻き付けられる。なお、テーピング８５は、一般に使用されているビニールテープ、ガムテープなどを用いればよい。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の一実施形態にかかる張力測定システムの概略図。
【図２】張力測定の対象となるワイヤケーブルを備えた橋梁の一例を示す橋梁の側面図。
【図３】橋梁の支柱に保持されたワイヤケーブルの端部を示す部分拡大図。
【図４】ワイヤケーブルの端部を示す図。
【図５】ワイヤケーブルの素線に組み込まれた光ファイバーセンサの態様の一例を模型的に示すワイヤケーブルの横断面図。
【図６】図５に示す光ファイバーセンサの組み込み状態を素線の側方から見た縦断面図。
【図７】図５とは別の態様で光ファイバーセンサを組み込んだ状態を模型的に示すワイヤケーブルの横断面図。
【図８】図７に示す光ファイバーセンサの組み込み状態を素線の側方から見た縦断面図。
【図９】ＦＢＧ式光ファイバーセンサの原理を示す説明図。
【図１０】ＢＯＴＤＲ式ファイバーセンサにおいて、周波数のピークのシフトのイメージを示す説明図。
【図１１】歪と周波数変化量の直線性を示すグラフ。
【図１２】ＢＯＴＤＲ式ファイバーセンサにおけるスペクトル分布と距離分布のイメージを示す説明図。
【図１３】ＳＯＦＯ式光ファイバーセンサの構造を簡略化して示す図。
【図１４】ＳＯＦＯシステムの一例を示すブロック図。
【図１５】光の屈折の態様を示す説明図。
【図１６】光ファイバーの曲げ損失の概念を示す説明図
【図１７】光ファイバーセンサをワイヤケーブルの外表面に接着させた場合の１実施形態にかかるエンドソケットの近傍の斜視図。
【図１８】図１７とは、別の態様で光ファイバーセンサを配置させた実施形態にかかるエンドソケットの近傍の斜視図。
【図１９】切り込み部の拡大断面図。
【図２０】クランプで光ファイバーセンサをワイヤケーブルの外表面に密着させた態様を示す図。
【図２１】テーピングで光ファイバーセンサをワイヤケーブルの外表面に密着させた態様を示す図。
【符号の説明】
【００９３】
２・・・・・・光ファイバーケーブル
３，５０・・・光ファイバーセンサ
４・・・・・・回析格子
４０・・・・・格子
６・・・・・・光学部
７・・・・・・コンピュータ
１０・・・・・橋梁
１３・・・・・ワイヤケーブル
２３・・・・・素線
２５・・・・・挿入孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素線を相互に縒り合わせて形成されたワイヤケーブルであって、
このワイヤケーブルの軸方向の歪を検出する歪検出手段が、当該ワイヤケーブルに組み込まれ、
前記歪検出手段が光ファイバーからなる光ファイバーセンサであり、
この光ファイバーセンサが、前記ワイヤケーブルの伸縮に伴って変形するよう前記ワイヤケーブルに組み込まれ、前記光ファイバーセンサの変形により、入射された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉を検知することを特徴とするワイヤケーブル。
【請求項２】
前記素線の中の１本には、その軸方向に沿って形成された挿入孔が形成され、前記光ファイバーセンサが前記挿入孔に挿入されて、その軸方向が前記素線の伸縮と共に伸縮することを特徴とする請求項１に記載のワイヤケーブル。
【請求項３】
構造物を構成する部材を一定の姿勢に支持し、複数の素線を相互に縒り合わせて形成されたワイヤケーブルの張力を測定する張力測定システムであって、
前記ワイヤケーブルに組み込まれ、前記ワイヤケーブルの歪を検出する歪検出手段と、
前記歪検出手段の検出に基づいて前記ワイヤケーブルに作用する張力を算出する張力演算手段と、
前記歪検出手段の検出を前記歪検出手段から前記張力演算手段まで送信する信号通信手段と、を備え、
前記信号通信手段が、光ファイバーケーブルであり、
前記歪検出手段が、光ファイバケーブルの一部を利用して形成された光ファイバーセンサであり、
この光ファイバーセンサが、前記ワイヤケーブルの伸縮に伴って変形するよう前記ワイヤケーブルに組み込まれ、前記光ファイバーセンサの変形によって、この光ファイバーセンサに入射された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉を検知して、
前記張力演算手段では、前記光ファイバーセンサの検知内容に基づいて、前記ワイヤケーブルの張力を算出することを特徴とする張力測定システム。
【請求項４】
構造物を構成する部材を一定の姿勢に支持し、複数の素線を相互に縒り合わせて形成されたワイヤケーブルの張力を測定するにあたり、
光ファイバケーブルの一部を利用して形成された光ファイバーセンサを前記ワイヤケーブルに組み込み、
前記ワイヤケーブルの伸縮に伴って、前記光ファイバーセンサを変形せしめ、この変形に伴って発生する、前記光ファイバーセンサに入射された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉を検知し、
検知された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉に基づいて、張力演算手段により前記ワイヤケーブルの張力を算出することを特徴とする張力測定方法。
【請求項１】
複数の素線を相互に縒り合わせて形成されたワイヤケーブルであって、
このワイヤケーブルの軸方向の歪を検出する歪検出手段が、当該ワイヤケーブルに組み込まれ、
前記歪検出手段が光ファイバーからなる光ファイバーセンサであり、
この光ファイバーセンサが、前記ワイヤケーブルの伸縮に伴って変形するよう前記ワイヤケーブルに組み込まれ、前記光ファイバーセンサの変形により、入射された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉を検知することを特徴とするワイヤケーブル。
【請求項２】
前記素線の中の１本には、その軸方向に沿って形成された挿入孔が形成され、前記光ファイバーセンサが前記挿入孔に挿入されて、その軸方向が前記素線の伸縮と共に伸縮することを特徴とする請求項１に記載のワイヤケーブル。
【請求項３】
構造物を構成する部材を一定の姿勢に支持し、複数の素線を相互に縒り合わせて形成されたワイヤケーブルの張力を測定する張力測定システムであって、
前記ワイヤケーブルに組み込まれ、前記ワイヤケーブルの歪を検出する歪検出手段と、
前記歪検出手段の検出に基づいて前記ワイヤケーブルに作用する張力を算出する張力演算手段と、
前記歪検出手段の検出を前記歪検出手段から前記張力演算手段まで送信する信号通信手段と、を備え、
前記信号通信手段が、光ファイバーケーブルであり、
前記歪検出手段が、光ファイバケーブルの一部を利用して形成された光ファイバーセンサであり、
この光ファイバーセンサが、前記ワイヤケーブルの伸縮に伴って変形するよう前記ワイヤケーブルに組み込まれ、前記光ファイバーセンサの変形によって、この光ファイバーセンサに入射された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉を検知して、
前記張力演算手段では、前記光ファイバーセンサの検知内容に基づいて、前記ワイヤケーブルの張力を算出することを特徴とする張力測定システム。
【請求項４】
構造物を構成する部材を一定の姿勢に支持し、複数の素線を相互に縒り合わせて形成されたワイヤケーブルの張力を測定するにあたり、
光ファイバケーブルの一部を利用して形成された光ファイバーセンサを前記ワイヤケーブルに組み込み、
前記ワイヤケーブルの伸縮に伴って、前記光ファイバーセンサを変形せしめ、この変形に伴って発生する、前記光ファイバーセンサに入射された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉を検知し、
検知された光の周波数の変化、もしくは光の反射、屈折又は干渉に基づいて、張力演算手段により前記ワイヤケーブルの張力を算出することを特徴とする張力測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２００６−２５０６４７（Ｐ２００６−２５０６４７Ａ）
【公開日】平成１８年９月２１日（２００６．９．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−６６１２８（Ｐ２００５−６６１２８）
【出願日】平成１７年３月９日（２００５．３．９）
【出願人】（０００２３１１３２）ＪＦＥ工建株式会社 (54)
【出願人】（５９６１００７２０）テクニカルリンク株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月２１日（２００６．９．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月９日（２００５．３．９）
【出願人】（０００２３１１３２）ＪＦＥ工建株式会社 (54)
【出願人】（５９６１００７２０）テクニカルリンク株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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