分布型光ファイバ圧力センサシステム
【課題】光ファイバに加わる側圧を的確に計測でき、長い区間を検知対象とすることができる分布型光ファイバ圧力センサシステムを提供する。
【解決手段】システムＳは、光ファイバ１０、光ファイバ１０の圧力センサ部１１に被嵌される楕円管２０、光ファイバ１０の一端１０１側から検査光を入射する光源装置３０、光サーキュレータ４０、及び前記検査光の反射光を計測するヘテロダイン受信機５０を含む。光ファイバ１０の外周面と楕円管２０の内周面とは、短軸方向において接触（若しくは近接）している。一方、楕円管２０の長軸方向の内径は、光ファイバ１０の外径よりも充分大きい長さを有している。短軸方向において楕円管２０が外部から圧力を受けた場合、その圧力は光ファイバ１０に実質的に伝達され、該光ファイバ１０に側圧が加えられる。
【解決手段】システムＳは、光ファイバ１０、光ファイバ１０の圧力センサ部１１に被嵌される楕円管２０、光ファイバ１０の一端１０１側から検査光を入射する光源装置３０、光サーキュレータ４０、及び前記検査光の反射光を計測するヘテロダイン受信機５０を含む。光ファイバ１０の外周面と楕円管２０の内周面とは、短軸方向において接触（若しくは近接）している。一方、楕円管２０の長軸方向の内径は、光ファイバ１０の外径よりも充分大きい長さを有している。短軸方向において楕円管２０が外部から圧力を受けた場合、その圧力は光ファイバ１０に実質的に伝達され、該光ファイバ１０に側圧が加えられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センシング要素として光ファイバを用い、光ファイバの長さ方向に沿って圧力を分布的に計測するセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
傾斜地や軟質地盤等の自然地形や、法面、トンネルや橋梁の構造物、或いは油井中の圧力等の状態監視に、センシング要素として光ファイバを用いたセンサシステムが用いられることがある。このシステムでは、監視対象とする構造物等の状態変化に伴う側圧が光ファイバに加わるように、前記構造物に対して光ファイバが敷設される。一般に、光ファイバに側圧が加わると、光の伝送特性（反射光の特性）が変化する。この特性変化を検出することで、構造物の状態変化を知見することができる。
【０００３】
光ファイバによる圧力（ひずみ）検知方式としては、例えばＢ−ＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）方式とＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）方式を例示することができる。Ｂ−ＯＴＤＲ方式は、ブリルアン散乱現象を利用したもので、光ファイバに歪みが加わるとブリルアン周波数シフトが発生することに基づき、光ファイバの長さ方向の任意の箇所に側圧が付加されたことが検知される。ＦＢＧ方式は、その長さ方向に、屈折率を周期的に変化させて形成されたブラッグ反射部を複数有する光ファイバが用いられる。前記ブラッグ反射部に歪みが加わると、ブラッグ反射波長がシフトすることに基づき、光ファイバのブラッグ反射部形成部に側圧が付加されたことが検知される。
【０００４】
このＦＢＧ方式において、非特許文献１では、光ファイバのブラッグ反射部形成部に側圧が加わると、反射光の１つの波長ピークが２つの波長ピークを持つように分断されることが報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「CRACK DETECTION FOR FORM CORE SANDWICH STRUCTURES USING FBG SENSORES EMBEDDED IN A CRACK ARRESTER」、Nobuo Takeda他、MARERIALS FORUM VOLUME 33-2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ブリルアン散乱現象に由来するブリルアン周波数シフトは、歪みだけでなく温度変化にも感応するため、側圧だけを分離して計測できないという問題がある。一方、ＦＢＧ方式では、一本の光ファイバに形成できるブラッグ反射部の数には限界があるため、長尺の分布型圧力センサを形成出来ない問題がある。また、ブラッグ反射部を有する光ファイバは基本的に通信用途には用いることが出来ず、敷設した光ファイバを圧力検知用途にしか用いることができない。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、光ファイバに加わる側圧を的確に計測でき、長い区間を検知対象とすることができる分布型光ファイバ圧力センサシステム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】
本発明に係る分布型光ファイバ圧力センサシステムは、その長手方向の一部が分布型の圧力センサ部として使用される光ファイバと、前記光ファイバの圧力センサ部に被嵌される受圧管と、前記光ファイバの一端側から検査光を入射する光源と、前記光ファイバ内におけるレイリー散乱現象に基づき発生する前記検査光の反射光を、前記光ファイバの一端側において検出する計測手段と、を備え、前記受圧管は、前記光ファイバの断面視の第１方向において、当該受圧管が外部から受けた圧力を前記光ファイバに実質的に伝達して該光ファイバに側圧を与える一方で、前記光ファイバの断面視の前記第１方向と直交する第２方向において、当該受圧管が外部から受けた圧力を前記光ファイバに実質的に伝達しない構造を有し、前記計測手段は、前記光ファイバに与えられる側圧に起因する前記反射光のスペクトラムの変動に基づき、圧力の発生を検出する、ことを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
この構成によれば、光ファイバの圧力センサ部として用いられる部分が受圧管で覆われているので、光ファイバを外傷から保護しつつ、受圧管に対して前記第１方向に加えられる圧力を、該受圧管を介して光ファイバに側圧として加えることができる。その一方で、受圧管に対して前記第２方向に生じる圧力は、光ファイバには伝達されない。従って、受圧管の圧力検知対象に対する敷設状態を参照することで、圧力の発生及びその発生方向を知見することができる。また、受圧管の抗力、或いは前記第１方向における受圧管と光ファイバとの間の圧力伝達状態を調整すること等によって、圧力の検出感度を調整することもできる。
【００１０】
上記構成において、前記受圧管が、断面形状において短軸と長軸とを備える楕円管からなり、該楕円管は、前記第１方向に前記短軸が、前記第２方向に前記長軸がそれぞれ位置するように、前記光ファイバの圧力センサ部に被嵌されていることが望ましい（請求項２）。
【００１１】
この構成によれば、前記第１方向において光ファイバに側圧を与える一方で、前記第２方向においては光ファイバに側圧を実質的に与えない構成を、簡単に実現することができる。
【００１２】
また、前記計測手段は、特定の波長に１つのピーク波長を有する前記反射光が、２つのピーク波長を有する反射光に変化するか否かに基づき、前記圧力の発生を検知することができる（請求項３）。
【００１３】
この構成によれば、前記反射光の１つのピーク波形を監視することで、圧力の絶対値及び分布を検知することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、固体中の側圧及びその方向、若しくは液体及び気体中の圧力の絶対値及び分布を的確に知見することができ、しかも長い区間を圧力検知対象とすることができる分布型光ファイバ圧力センサシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る分布型光ファイバ圧力センサシステムの構成図である。
【図２】圧力センサ部の構成を示す断面斜視図である。
【図３】楕円管の短軸方向に圧力が加わっている状態を示すである。
【図４】楕円管の長軸方向に圧力が加わっている状態を示すである。
【図５】レイリー散乱現象により発生する反射光を説明するための模式図である。
【図６】光ファイバに側圧が加わることにより発生するレイリー周波数シフトの一例を示すグラフである。
【図７】レイリー散乱現象により発生する反射光のピーク波長の分離を示す模式的なグラフである。
【図８】複屈折効果を説明するための模式図である。
【図９】光ファイバの圧力センサ部の敷設状態の一例を示す模式図である。
【図１０】光ファイバの圧力センサ部の敷設状態の一例を示す模式図である。
【図１１】圧力センサ部の他の実施形態を示す断面図である。
【図１２】圧力センサ部の他の実施形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る分布型光ファイバ圧力センサシステムＳの構成図である。システムＳは、光ファイバ１０、光ファイバ１０の一部に被嵌される楕円管（受圧管）２０、光ファイバ１０の一端１０１側から検査光を入射する光源装置３０、光サーキュレータ４０、及び前記検査光の反射光を計測するヘテロダイン受信機５０（計測手段）を含む。
【００１７】
光ファイバ１０は、長尺のシングルモード型光ファイバであり、その長手方向の一部が分布型の圧力センサ部１１として利用される。本実施形態では、圧力センサ部１１において光ファイバ１０に圧力が加わり得るものとされ、受圧時における光伝送特性（光反射特性）の変化に基づき圧力を検知する。この圧力センサ部１１は、検知対象に応じて所定長に設定されるが、概ね数十メートル〜数十キロメートルの長さとされる。光ファイバ１０の一端側１０１からは、検査光としてのパルス光が入射される。また、同じく一端側１０１において、光ファイバ１０内におけるレイリー散乱現象に基づき発生する、前記検査光の反射光が検出される。一方、光ファイバ１０の他端側１０２は開放端とされている。
【００１８】
光ファイバ１０の圧力センサ部１１には、楕円管（受圧管）２０が被嵌されている。図２は、楕円管２０が被嵌された圧力センサ部１１の構成を示す断面斜視図である。楕円管２０は、薄肉で耐腐食性の金属管（例えばステンレス管）からなり、断面形状において短軸２１と長軸２２とを備えている。
【００１９】
楕円管２０の短軸２１方向（ｘ方向）の内径は、光ファイバ１０の外径とほぼ同じ寸法とされている。すなわち、光ファイバ１０はコア１２及びクラッド１３からなる心線上にジャケット層１４が被覆された構造を備えるが、短軸２１方向の内径はジャケット層１４の外径と略同一とされている。これにより、光ファイバ１０の外周面と楕円管２０の内周面とは、短軸２１方向において接触（若しくは近接）している。一方、楕円管２０の長軸２２方向（ｙ方向）の内径は、光ファイバ１０の外径よりも充分大きい長さを有している。このため、楕円管２０の長軸２２方向において、光ファイバ１０の外周面と楕円管２０の内周面との間には隙間２３が存在している。
【００２０】
この結果、図３に示すように、ｙ方向（第１方向）において楕円管２０が外部から圧力を受けた場合、その圧力は光ファイバ１０に実質的に伝達され、該光ファイバ１０に側圧が加えられることとなる。ここで、楕円管２０に加わる圧力をＰ、楕円管２０の抗力をＰ１、光ファイバ１０に対する側圧をＰ２とするとき、簡略的にＰ＝Ｐ１＋Ｐ２という関係が成立するので、楕円管２０の抗力を調整することで圧力センサ部１１の感度、つまり側圧Ｐ２を調整することができる。
【００２１】
これに対し、図４に示すように、ｘ方向（第２方向）において、楕円管２０が外部から圧力を受けた場合は、空間２３が存在することから、当該圧力は光ファイバ１０に実質的に伝達しない。従って、圧力センサ部１１の長手方向（ｚ方向）のいずれかの箇所において、ｙ方向から楕円管２０に圧力が作用したときに、光ファイバ１０に側圧が作用することになる。
【００２２】
圧力センサ部１１（楕円管２０）は、検査対象箇所又は検査対象物に埋設又は固定され、検査対象箇所において発生する歪み等に起因する圧力が楕円管２０に加わるように敷設される。後記で詳述するが、光ファイバ１０に側圧が加わるｙ方向の設置方向を適宜選択することで、圧力の発生方向を知見することができる。ここで検査対象箇所又は検査対象物としては、配管、油井管、橋、トンネル、法面、ダム、建物等の構造物、或いは地盤等を例示することができる。
【００２３】
図１に戻って、光源装置３０は、光ファイバ１０に検査光として入射するパルス光を発生する。光源装置３０は、レーザーダイオード等の発光素子、該発光素子の温度補償機構、発光素子が発する連続光からコヒーレントなパルス光を生成する光パルス生成部等を含む。光源装置３０が発生するパルス光は、光サーキュレータ４０を介して光ファイバ１０の一端側１０１に入射される。
【００２４】
光サーキュレータ４０は、入射光と射出光とがその端子番号に循環関係を有する非可逆性の光部品である。すなわち、第１端子に入射した光は、第２端子から射出される一方で第３端子からは射出されず、第２端子に入射した光は、第３端子から射出される一方で第１端子からは射出されず、第３端子に入射した光は、第１端子から射出される一方で第２端子からは射出されない。光サーキュレータ４０の第１端子には光源装置３０が、第２端子には光ファイバ１０の一端側１０１が、第３端子にはヘテロダイン受信機５０が夫々接続されている。従って、光源装置３０が発生するパルス光は光ファイバ１０の一端側１０１に入射される一方で、一端側１０１からの戻り光（前記パルス光の反射光）は、光源装置３０には向かわず、ヘテロダイン受信機５０に入射される。
【００２５】
ヘテロダイン受信機５０は、光ファイバ１０内におけるレイリー散乱現象に基づき発生する前記パルス光の反射光をヘテロダイン方式で検出し、該反射光のスペクトラムを観測する。そして、光ファイバ１０の圧力センサ部１１に与えられる側圧に起因する前記スペクトラムの変動（拡散）に基づき、検査対象箇所（圧力センサ部１１の敷設箇所）における圧力の発生を検出する。
【００２６】
なお、上記光源装置３０、光サーキュレータ４０及びヘテロダイン受信機５０の機能を具備する装置として、Ｃ−ＯＴＤＲ（Coherent-Optical Time Domain Reflectometer）を用いることができる。Ｃ−ＯＴＤＲは、検査光としてのパルス光を光ファイバに送出し、前記光ファイバからの戻り光を光ヘテロダイン検波して前記光ファイバの伝送損失特性を計測する装置であって、光スペクトラムアナライザの信号光の光強度を測定する機能を備える。従って、前記反射光のピーク波長の変動等が観測可能であるため、本実施形態に好適である。
【００２７】
次に、図５、図６に基づいて、レイリー散乱現象により発生する反射光、並びに、光ファイバ１０に側圧が加わることにより発生するレイリー周波数シフトについて説明する。レイリー散乱は、光ファイバ１０を構成するガラス材の密度のゆらぎに起因するもので、現状における光ファイバ伝送損失のほとんどは、レイリー散乱に起因するものである。前記密度のゆらぎ部分（以下、単に「ゆらぎ部分」という）は、光ファイバの製造過程において不可避的に生じるもので、当該ゆらぎ部分の屈折率が他の部分と相違することから、光ファイバ１０内を伝搬する光を散乱させる。そして、その散乱光の一部は、後方散乱光として光の入射端に戻る。
【００２８】
前記ゆらぎ部分に起因する屈折率の変化が、光ファイバ１０のコア内に多数存在する。本発明者らの研究によれば、ゆらぎ部分は、その存在周期は不規則であるけれども、光ファイバ１０の長手方向に屈折率変調を提供していると捉えることができる。従って、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）のようにシャープな反射フィルタ機能は生じないが、ゆらぎ部分によってＦＢＧと同様に、ある程度の反射フィルタ機能は生じている。図５は、このような「ゆらぎ部分」に基づく反射光の発生状態を模式的に示している。
【００２９】
ＦＢＧにおけるブラッグ反射波長λＢｒａｇｇは、光ファイバのＦＢＧが形成された回折格子部分の屈折率をｎ、格子の周期をΛとすると、次式で表すことができる。
λＢｒａｇｇ＝２×ｎ×Λ
そして、回折格子部分に温度変化（ΔＴ）及び／又は歪み（Δε）が与えられたときの、ブラッグ反射波長λＢｒａｇｇのシフト（Δλ）は、次式で表すことができる。
Δλ／λＢｒａｇｇ＝６．４５×１０−６℃×ΔＴ＋０．７８×Δε
光ファイバの回折格子部分が形成されていない部分においても、前記ゆらぎ部分の存在によって、上述のＦＢＧと同じ原理で、側圧が加えられたとき反射波長のシフトが生じる。ここでは、このシフトをレイリー周波数シフトと呼ぶものとする。
【００３０】
図６は、光ファイバ１０において計測されたレイリー周波数シフトの一例を示す図である。図６（Ａ）は、歪みがある場合と歪みがない場合とのレイリースペクトルを示し、図６（Ｂ）は、歪みがある場合と歪みがない場合との相関関係係数を示している。図６（Ａ）において、歪みがある場合のレイリースペクトルが図中の実線であり、歪みがない場合のレイリースペクトルが図中の破線である。この両者の相関関係係数を計算すると、図６（Ｂ）に示すようになり、両者の相関関係係数のピークのオフセット量Δｖｒがレイリー周波数シフト量となる。なお、Δｖｒは、オフセットがゼロに点から２つのピークｖｒ１、ｖｒ２の中間までのオフセット量で表している。
【００３１】
このΔｖｒだけ、歪みがある場合のレイリースペクトル（実線）を移動させて示したものが、図６（Ｃ）である。図６（Ｃ）から明らかな通り、歪みがある場合のレイリースペクトル（実線）と歪みがない場合のレイリースペクトル（破線）とが大略的には一致している。従って、光ファイバ１０に回折格子部分を意図的に形成せずとも、レイリー周波数シフトの如き反射波長シフトが生じることがわかる。
【００３２】
圧力センサ部１１において光ファイバ１０に側圧が加わったか否かは、前記ゆらぎ部分の存在により発生する反射光の一つに注目し、反射光の１つの波長ピークが２つの波長ピークを持つように分離されたか否かを観測することで知見することができる。図６（Ｂ）においても、２つのピークｖｒ１、ｖｒ２が観察されている。
【００３３】
図７は、反射光のピーク波長の分離を示す模式的なグラフである。非特許文献１でも報告されている通り、ＦＢＧ或いは本実施形態の揺らぎ部分のような屈折率変調部分に側圧が加わると、反射光の１つの波長ピークが２つの波長ピークを持つように分断される。すなわち、図７（ａ）に示すように、光ファイバ１０に側圧が加わっていない状態においてパルス光を入射させたとき、波長ピークλ０の反射光Ｗ１が一つ存在するものとする。このような光ファイバ１０に側圧が加わると、図７（ｂ）に示すように、反射光Ｗ１が、複屈折効果（birefringence effect）によって波長ピークλ１の反射光Ｗ２と波長ピークλ２の反射光Ｗ３とに分離される。
【００３４】
この波長ピークλ１、λ２の関係は、イニシャルの波長ピークλ０に関連して、次式で表すことができる。
λ２−λ１＝（ｎ0２λ０／２）×（Ｐ１２−Ｐ１１）×｜ε１−ε２｜
但し、ｎ０は光ファイバ１０のコアの側圧が加わらない状態のイニシャル屈折率、Ｐ１２及びＰ１１は光弾性定数、ε１及びε２は光軸と直交する方向における最大及び最小の主歪み（側圧）である。上式は、波長ピークλ０と波長ピークλ１、λ２との間の開きが大きいほど、光ファイバに加わる側圧が大きいことを示している。
【００３５】
図８は、複屈折効果を説明するための模式図である。図８（Ａ）は、光ファイバ心線の断面を示しており、ｙ方向に側圧が加わっている状態を示している。光ファイバに側圧が加わると、光弾性効果によりｘ軸方向、ｙ軸方向の屈折率が変化する。これにより、一つのコア内においてｘ軸方向の偏光とｙ軸方向の偏光とで異なる屈折率を示すようになり、複屈折が生じる。ｘ軸の屈折率をｎｘ、ｙ軸の屈折率をｎｙ、光弾性定数をＰ（３．３６×１０−５ｍｍ２／ｋｇ）、ｘ軸方向の応力をσｘ、ｙ軸方向の応力をσｙとすると、複屈折率Ｂは、次式で表すことができる。
Ｂ＝ｎｘ−ｎｙ＝Ｐ（σｘ−σｙ）
図８（Ｂ）は、光ファイバを一対の平板で挟み、これら平板から光ファイバのコア方向に外力ｆを与えた状態を示す模試図である。この場合の複屈折率Ｂは、光ファイバのヤング率をＥ、光ファイバの半径をｒとすると、
Ｂ＝４Ｃ・（ｆ／π・Ｅ）・（１／ｒ）
と表すことができる。一方、図８（Ｃ）は、光ファイバを平板とＶ溝板とで挟み、平板側から光ファイバのコア方向に外力ｆを与えた状態を示す模試図である。この場合の複屈折率Ｂは、Ｖ溝の内角をθとすると、
Ｂ＝２Ｃ・（１−Ｃｏｓθ・Ｓｉｎθ）（ｆ／π・Ｅ）・（１／ｒ）
と表すことができる。従って、本実施形態のように楕円管２０を用いることで、光ファイバに加わる側圧により生じるモード複屈折を大きくすることができる。
【００３６】
ヘテロダイン受信機５０は、上記の現象に基づき、光ファイバ１０の一端側１０１からの戻り光を分析し、該戻り光に含まれる特定波長の反射光が、２つのピーク波長を有する反射光に変化するか否かに基づき、圧力の発生を検知する。
【００３７】
続いて、楕円管２０（圧力センサ部１１）の敷設態様について説明する。例えば図２に示すように、楕円管２０の短軸２１の方向を上下方向、長軸２２の方向を水平方向に固定して、構造物や地盤中に埋設することは、一つの代表的な敷設態様である。この第１の敷設態様によれば、構造物又は地盤中において上下方向の歪み（圧力）が発生したか否かを検知することができる。これに代えて、楕円管２０の短軸２１の方向を水平方向に固定して埋設すれば、構造物又は地盤中において水平方向の歪みが発生したか否かを検知することができる。
【００３８】
一方、楕円管２０の短軸２１及び長軸２２の存在方向を長手方向において変化させれば、多方向の歪みの発生を検知可能とすることができる。図８は、楕円管２０の第２の敷設態様を示す模式図である。ここでは、楕円管２０の長手方向（図中のｚ方向）に沿って、検知区間Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６・・・を設定し、楕円管２０を検知区間毎に９０°ずつ捩り、短軸２１及び長軸２２の存在方向を変化させている。すなわち、検知区間Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５においては短軸２１が上下方向（図中のｙ方向）に存在し、一方検知区間Ｄ２、Ｄ４、Ｄ６においては長軸２２が上下方向に存在するよう、楕円管２０が敷設されている例を示している。
【００３９】
この第２の敷設態様によれば、検知区間Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５においては、構造物又は地盤中において上下方向の歪みが発生したか否かを検知することができる。また、検知区間Ｄ２、Ｄ４、Ｄ６においては、短軸２１が水平方向に存在することになるので、水平方向の歪みが発生したか否かを検知することができる。従って、検知区間Ｄ１〜Ｄ６のピッチを適宜設定することにより、上下方向及び水平方向の双方の歪みを検知することができる。また、検知区間Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５と検知区間Ｄ２、Ｄ４、Ｄ６とにおいて各々検知された圧力値を用いて、圧力のベクトルを求めることも可能である。
【００４０】
図８は、楕円管２０の第３の敷設態様を示す模式図である。ここでは、楕円管２０の長手方向（図中のｚ方向）に沿って、検知区間Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４、Ｄ１５、Ｄ１６、Ｄ１７・・・を設定し、楕円管２０を検知区間毎に４５°ずつ捩り、短軸２１及び長軸２２の存在方向を変化させている。すなわち、検知区間Ｄ１１においては短軸２１を上下方向に存在させ（０°）、検知区間Ｄ１２においては短軸２１が水平方向に向かう方向に楕円管２０を４５°捻り、検知区間Ｄ１３においては短軸２１が水平方向に存在（９０°）している。そして、検知区間Ｄ１４では短軸２１が上下方向に向かう方向に楕円管２０を−４５°捻り、検知区間Ｄ１５においては短軸２１を上下方向に存在（０°）させている。検知区間Ｄ１６以降の同様である。
【００４１】
この第３の敷設態様によれば、検知区間Ｄ１１、Ｄ１５においては、構造物又は地盤中において上下方向の歪みが発生したか否かを検知することができる。また、検知区間Ｄ１３、Ｄ１７においては、短軸２１が水平方向に存在することになるので、水平方向の歪みが発生したか否かを検知することができる。さらに、検知区間Ｄ１２、Ｄ１４、Ｄ１６においては、短軸２１が水平方向と上下方向との中間位置に存在しているので、斜め方向の歪みが発生したか否かを検知することができる。従って、一層きめ細かく、圧力の発生並びにその発生方向を検知することができる。
【００４２】
続いて、楕円管２０の内部への光ファイバ１０の収容態様について説明する。図２に示したように、楕円管２０の短軸２１方向に内接するように光ファイバ１０を収容する第１の収容態様は、望ましい態様の一つである。第１の収容態様では、例えば楕円管２０の肉厚を調整したり、或いは楕円管２０の材質を選択したりすることで楕円管２０の抗力を調整し、光ファイバ１０の側圧の感度を調整することができる。
【００４３】
ここで、光ファイバ１０に楕円管２０が被嵌された状態を形成する一つの手法として、長尺ステンレステープに光ファイバ１０を沿わせて送り出しつつ、ステンレステープを徐々に円筒状にフォーミングし、ステンレステープ端縁の合わせ目を溶接する手法を例示することができる。このような、光ファイバ１０が内包されたステンレスチューブを、必要に応じて縮径ダイスを経由させた後、楕円ダイスに通過させることで、図２に示すような、光ファイバ１０を内包する楕円管２０を製造することができる。
【００４４】
図１０は、楕円管２０内への光ファイバ１０の第２の収容態様を示す断面図である。第１の収容態様では、側圧の感度調整を楕円管２０自身に依存する例を挙げた。第２の収容態様では、楕円管２０の短軸方向の内壁と光ファイバ１０の外周部との間に、感度調整のためにスペーサ６１を介在させる例を示している。この第２の収容態様によれば、スペーサ６１の材質、厚さ及び光ファイバ１０乃至はスペーサ６１との接触面積を適宜選定することで、光ファイバ１０に実際に加わる側圧を調整することができる。
【００４５】
スペーサ６１の介在は、上記以外の他のメリットをもたらす。例えば、スペーサ６１が光ファイバ１０に対するバッファ層の役目を果たし、弱い側圧の印加による光ファイバ１０の破損が抑止される。また、光ファイバ１０の外径は非常に小さく、光ファイバ１０が内接するような楕円管２０のフォーミングは容易ではないが、スペーサ６１の介在は、小さすぎる内径をもつ楕円管２０の形成という困難性を除去し得る。さらには、スペーサ６１で光ファイバ１０が実質的に保持されている状態を形成することで、楕円管２０内において光ファイバ１０を安定的に存在させることも可能となる。
【００４６】
図１１は、楕円管２０内への光ファイバ１０の第３の収容態様を示す断面図である。第３の収容態様では、楕円管２０の長軸方向の内壁と光ファイバ１０の外周部との間、つまり図２に示す空間２３に充填物６２を介在させた例を示している。充填物６２は、スポンジ、多孔質ゴム或いはヤーンのような弾性体であり、長軸方向に圧力が加わったとしても、その圧力を実質的に光ファイバ１０へ伝達させない部材である。
【００４７】
楕円管２０の長手方向において、光ファイバ１０の側圧感度を一定とするには、光ファイバ１０は楕円管２０内で定位置に存在していることが望ましい。すなわち、光ファイバ１０は、楕円管２０との熱膨張率差を考慮してある程度はオフセットさせることが必要であるが、例えば長手方向のある箇所では光ファイバ１０が楕円管２０の長軸方向の一端側に寄り、他の箇所では中央に位置していると、楕円管２０から受ける側圧は無視できない程度に相違する。このような問題は、充填物６２の介在によって解消することができる。すなわち、充填物６２の存在によって光ファイバ１０は、常に楕円管２０の長軸方向の中央付近に位置されるようになる。従って、側圧感度を長手方向で一定とすることが可能となる。
【００４８】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明がこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、受圧管として楕円管２０を例示したが、これは一例である。光ファイバ１０のｙ方向（第１方向；図２〜図４参照）においては光ファイバ１０に側圧を与える一方で、ｘ方向（第２方向）においては光ファイバ１０に側圧を与えない構造であれば、受圧管は断面楕円形には限定されない。例えば、ｘ方向に長辺を有する断面矩形の管状体を受圧管として用いることもできる。
【００４９】
また、上記実施形態では、光ファイバ１０を単に圧力測定用に用いる例を示したが、該光ファイバ１０を通信用回線として兼用しても良い。この場合、光ファイバ１０の一端１０１側と他端１０２側とに各々、光通信機器を接続すれば良い。
【符号の説明】
【００５０】
Ｓ 分布型光ファイバ圧力センサシステム
１０ 光ファイバ
１１ 圧力センサ部
２０ 楕円管（受圧管）
２１ 短軸
２２ 長軸
３０ 光源装置
４０ 光サーキュレータ
５０ ヘテロダイン受信機（計測手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センシング要素として光ファイバを用い、光ファイバの長さ方向に沿って圧力を分布的に計測するセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
傾斜地や軟質地盤等の自然地形や、法面、トンネルや橋梁の構造物、或いは油井中の圧力等の状態監視に、センシング要素として光ファイバを用いたセンサシステムが用いられることがある。このシステムでは、監視対象とする構造物等の状態変化に伴う側圧が光ファイバに加わるように、前記構造物に対して光ファイバが敷設される。一般に、光ファイバに側圧が加わると、光の伝送特性（反射光の特性）が変化する。この特性変化を検出することで、構造物の状態変化を知見することができる。
【０００３】
光ファイバによる圧力（ひずみ）検知方式としては、例えばＢ−ＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）方式とＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）方式を例示することができる。Ｂ−ＯＴＤＲ方式は、ブリルアン散乱現象を利用したもので、光ファイバに歪みが加わるとブリルアン周波数シフトが発生することに基づき、光ファイバの長さ方向の任意の箇所に側圧が付加されたことが検知される。ＦＢＧ方式は、その長さ方向に、屈折率を周期的に変化させて形成されたブラッグ反射部を複数有する光ファイバが用いられる。前記ブラッグ反射部に歪みが加わると、ブラッグ反射波長がシフトすることに基づき、光ファイバのブラッグ反射部形成部に側圧が付加されたことが検知される。
【０００４】
このＦＢＧ方式において、非特許文献１では、光ファイバのブラッグ反射部形成部に側圧が加わると、反射光の１つの波長ピークが２つの波長ピークを持つように分断されることが報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「CRACK DETECTION FOR FORM CORE SANDWICH STRUCTURES USING FBG SENSORES EMBEDDED IN A CRACK ARRESTER」、Nobuo Takeda他、MARERIALS FORUM VOLUME 33-2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ブリルアン散乱現象に由来するブリルアン周波数シフトは、歪みだけでなく温度変化にも感応するため、側圧だけを分離して計測できないという問題がある。一方、ＦＢＧ方式では、一本の光ファイバに形成できるブラッグ反射部の数には限界があるため、長尺の分布型圧力センサを形成出来ない問題がある。また、ブラッグ反射部を有する光ファイバは基本的に通信用途には用いることが出来ず、敷設した光ファイバを圧力検知用途にしか用いることができない。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、光ファイバに加わる側圧を的確に計測でき、長い区間を検知対象とすることができる分布型光ファイバ圧力センサシステム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】
本発明に係る分布型光ファイバ圧力センサシステムは、その長手方向の一部が分布型の圧力センサ部として使用される光ファイバと、前記光ファイバの圧力センサ部に被嵌される受圧管と、前記光ファイバの一端側から検査光を入射する光源と、前記光ファイバ内におけるレイリー散乱現象に基づき発生する前記検査光の反射光を、前記光ファイバの一端側において検出する計測手段と、を備え、前記受圧管は、前記光ファイバの断面視の第１方向において、当該受圧管が外部から受けた圧力を前記光ファイバに実質的に伝達して該光ファイバに側圧を与える一方で、前記光ファイバの断面視の前記第１方向と直交する第２方向において、当該受圧管が外部から受けた圧力を前記光ファイバに実質的に伝達しない構造を有し、前記計測手段は、前記光ファイバに与えられる側圧に起因する前記反射光のスペクトラムの変動に基づき、圧力の発生を検出する、ことを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
この構成によれば、光ファイバの圧力センサ部として用いられる部分が受圧管で覆われているので、光ファイバを外傷から保護しつつ、受圧管に対して前記第１方向に加えられる圧力を、該受圧管を介して光ファイバに側圧として加えることができる。その一方で、受圧管に対して前記第２方向に生じる圧力は、光ファイバには伝達されない。従って、受圧管の圧力検知対象に対する敷設状態を参照することで、圧力の発生及びその発生方向を知見することができる。また、受圧管の抗力、或いは前記第１方向における受圧管と光ファイバとの間の圧力伝達状態を調整すること等によって、圧力の検出感度を調整することもできる。
【００１０】
上記構成において、前記受圧管が、断面形状において短軸と長軸とを備える楕円管からなり、該楕円管は、前記第１方向に前記短軸が、前記第２方向に前記長軸がそれぞれ位置するように、前記光ファイバの圧力センサ部に被嵌されていることが望ましい（請求項２）。
【００１１】
この構成によれば、前記第１方向において光ファイバに側圧を与える一方で、前記第２方向においては光ファイバに側圧を実質的に与えない構成を、簡単に実現することができる。
【００１２】
また、前記計測手段は、特定の波長に１つのピーク波長を有する前記反射光が、２つのピーク波長を有する反射光に変化するか否かに基づき、前記圧力の発生を検知することができる（請求項３）。
【００１３】
この構成によれば、前記反射光の１つのピーク波形を監視することで、圧力の絶対値及び分布を検知することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、固体中の側圧及びその方向、若しくは液体及び気体中の圧力の絶対値及び分布を的確に知見することができ、しかも長い区間を圧力検知対象とすることができる分布型光ファイバ圧力センサシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る分布型光ファイバ圧力センサシステムの構成図である。
【図２】圧力センサ部の構成を示す断面斜視図である。
【図３】楕円管の短軸方向に圧力が加わっている状態を示すである。
【図４】楕円管の長軸方向に圧力が加わっている状態を示すである。
【図５】レイリー散乱現象により発生する反射光を説明するための模式図である。
【図６】光ファイバに側圧が加わることにより発生するレイリー周波数シフトの一例を示すグラフである。
【図７】レイリー散乱現象により発生する反射光のピーク波長の分離を示す模式的なグラフである。
【図８】複屈折効果を説明するための模式図である。
【図９】光ファイバの圧力センサ部の敷設状態の一例を示す模式図である。
【図１０】光ファイバの圧力センサ部の敷設状態の一例を示す模式図である。
【図１１】圧力センサ部の他の実施形態を示す断面図である。
【図１２】圧力センサ部の他の実施形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る分布型光ファイバ圧力センサシステムＳの構成図である。システムＳは、光ファイバ１０、光ファイバ１０の一部に被嵌される楕円管（受圧管）２０、光ファイバ１０の一端１０１側から検査光を入射する光源装置３０、光サーキュレータ４０、及び前記検査光の反射光を計測するヘテロダイン受信機５０（計測手段）を含む。
【００１７】
光ファイバ１０は、長尺のシングルモード型光ファイバであり、その長手方向の一部が分布型の圧力センサ部１１として利用される。本実施形態では、圧力センサ部１１において光ファイバ１０に圧力が加わり得るものとされ、受圧時における光伝送特性（光反射特性）の変化に基づき圧力を検知する。この圧力センサ部１１は、検知対象に応じて所定長に設定されるが、概ね数十メートル〜数十キロメートルの長さとされる。光ファイバ１０の一端側１０１からは、検査光としてのパルス光が入射される。また、同じく一端側１０１において、光ファイバ１０内におけるレイリー散乱現象に基づき発生する、前記検査光の反射光が検出される。一方、光ファイバ１０の他端側１０２は開放端とされている。
【００１８】
光ファイバ１０の圧力センサ部１１には、楕円管（受圧管）２０が被嵌されている。図２は、楕円管２０が被嵌された圧力センサ部１１の構成を示す断面斜視図である。楕円管２０は、薄肉で耐腐食性の金属管（例えばステンレス管）からなり、断面形状において短軸２１と長軸２２とを備えている。
【００１９】
楕円管２０の短軸２１方向（ｘ方向）の内径は、光ファイバ１０の外径とほぼ同じ寸法とされている。すなわち、光ファイバ１０はコア１２及びクラッド１３からなる心線上にジャケット層１４が被覆された構造を備えるが、短軸２１方向の内径はジャケット層１４の外径と略同一とされている。これにより、光ファイバ１０の外周面と楕円管２０の内周面とは、短軸２１方向において接触（若しくは近接）している。一方、楕円管２０の長軸２２方向（ｙ方向）の内径は、光ファイバ１０の外径よりも充分大きい長さを有している。このため、楕円管２０の長軸２２方向において、光ファイバ１０の外周面と楕円管２０の内周面との間には隙間２３が存在している。
【００２０】
この結果、図３に示すように、ｙ方向（第１方向）において楕円管２０が外部から圧力を受けた場合、その圧力は光ファイバ１０に実質的に伝達され、該光ファイバ１０に側圧が加えられることとなる。ここで、楕円管２０に加わる圧力をＰ、楕円管２０の抗力をＰ１、光ファイバ１０に対する側圧をＰ２とするとき、簡略的にＰ＝Ｐ１＋Ｐ２という関係が成立するので、楕円管２０の抗力を調整することで圧力センサ部１１の感度、つまり側圧Ｐ２を調整することができる。
【００２１】
これに対し、図４に示すように、ｘ方向（第２方向）において、楕円管２０が外部から圧力を受けた場合は、空間２３が存在することから、当該圧力は光ファイバ１０に実質的に伝達しない。従って、圧力センサ部１１の長手方向（ｚ方向）のいずれかの箇所において、ｙ方向から楕円管２０に圧力が作用したときに、光ファイバ１０に側圧が作用することになる。
【００２２】
圧力センサ部１１（楕円管２０）は、検査対象箇所又は検査対象物に埋設又は固定され、検査対象箇所において発生する歪み等に起因する圧力が楕円管２０に加わるように敷設される。後記で詳述するが、光ファイバ１０に側圧が加わるｙ方向の設置方向を適宜選択することで、圧力の発生方向を知見することができる。ここで検査対象箇所又は検査対象物としては、配管、油井管、橋、トンネル、法面、ダム、建物等の構造物、或いは地盤等を例示することができる。
【００２３】
図１に戻って、光源装置３０は、光ファイバ１０に検査光として入射するパルス光を発生する。光源装置３０は、レーザーダイオード等の発光素子、該発光素子の温度補償機構、発光素子が発する連続光からコヒーレントなパルス光を生成する光パルス生成部等を含む。光源装置３０が発生するパルス光は、光サーキュレータ４０を介して光ファイバ１０の一端側１０１に入射される。
【００２４】
光サーキュレータ４０は、入射光と射出光とがその端子番号に循環関係を有する非可逆性の光部品である。すなわち、第１端子に入射した光は、第２端子から射出される一方で第３端子からは射出されず、第２端子に入射した光は、第３端子から射出される一方で第１端子からは射出されず、第３端子に入射した光は、第１端子から射出される一方で第２端子からは射出されない。光サーキュレータ４０の第１端子には光源装置３０が、第２端子には光ファイバ１０の一端側１０１が、第３端子にはヘテロダイン受信機５０が夫々接続されている。従って、光源装置３０が発生するパルス光は光ファイバ１０の一端側１０１に入射される一方で、一端側１０１からの戻り光（前記パルス光の反射光）は、光源装置３０には向かわず、ヘテロダイン受信機５０に入射される。
【００２５】
ヘテロダイン受信機５０は、光ファイバ１０内におけるレイリー散乱現象に基づき発生する前記パルス光の反射光をヘテロダイン方式で検出し、該反射光のスペクトラムを観測する。そして、光ファイバ１０の圧力センサ部１１に与えられる側圧に起因する前記スペクトラムの変動（拡散）に基づき、検査対象箇所（圧力センサ部１１の敷設箇所）における圧力の発生を検出する。
【００２６】
なお、上記光源装置３０、光サーキュレータ４０及びヘテロダイン受信機５０の機能を具備する装置として、Ｃ−ＯＴＤＲ（Coherent-Optical Time Domain Reflectometer）を用いることができる。Ｃ−ＯＴＤＲは、検査光としてのパルス光を光ファイバに送出し、前記光ファイバからの戻り光を光ヘテロダイン検波して前記光ファイバの伝送損失特性を計測する装置であって、光スペクトラムアナライザの信号光の光強度を測定する機能を備える。従って、前記反射光のピーク波長の変動等が観測可能であるため、本実施形態に好適である。
【００２７】
次に、図５、図６に基づいて、レイリー散乱現象により発生する反射光、並びに、光ファイバ１０に側圧が加わることにより発生するレイリー周波数シフトについて説明する。レイリー散乱は、光ファイバ１０を構成するガラス材の密度のゆらぎに起因するもので、現状における光ファイバ伝送損失のほとんどは、レイリー散乱に起因するものである。前記密度のゆらぎ部分（以下、単に「ゆらぎ部分」という）は、光ファイバの製造過程において不可避的に生じるもので、当該ゆらぎ部分の屈折率が他の部分と相違することから、光ファイバ１０内を伝搬する光を散乱させる。そして、その散乱光の一部は、後方散乱光として光の入射端に戻る。
【００２８】
前記ゆらぎ部分に起因する屈折率の変化が、光ファイバ１０のコア内に多数存在する。本発明者らの研究によれば、ゆらぎ部分は、その存在周期は不規則であるけれども、光ファイバ１０の長手方向に屈折率変調を提供していると捉えることができる。従って、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）のようにシャープな反射フィルタ機能は生じないが、ゆらぎ部分によってＦＢＧと同様に、ある程度の反射フィルタ機能は生じている。図５は、このような「ゆらぎ部分」に基づく反射光の発生状態を模式的に示している。
【００２９】
ＦＢＧにおけるブラッグ反射波長λＢｒａｇｇは、光ファイバのＦＢＧが形成された回折格子部分の屈折率をｎ、格子の周期をΛとすると、次式で表すことができる。
λＢｒａｇｇ＝２×ｎ×Λ
そして、回折格子部分に温度変化（ΔＴ）及び／又は歪み（Δε）が与えられたときの、ブラッグ反射波長λＢｒａｇｇのシフト（Δλ）は、次式で表すことができる。
Δλ／λＢｒａｇｇ＝６．４５×１０−６℃×ΔＴ＋０．７８×Δε
光ファイバの回折格子部分が形成されていない部分においても、前記ゆらぎ部分の存在によって、上述のＦＢＧと同じ原理で、側圧が加えられたとき反射波長のシフトが生じる。ここでは、このシフトをレイリー周波数シフトと呼ぶものとする。
【００３０】
図６は、光ファイバ１０において計測されたレイリー周波数シフトの一例を示す図である。図６（Ａ）は、歪みがある場合と歪みがない場合とのレイリースペクトルを示し、図６（Ｂ）は、歪みがある場合と歪みがない場合との相関関係係数を示している。図６（Ａ）において、歪みがある場合のレイリースペクトルが図中の実線であり、歪みがない場合のレイリースペクトルが図中の破線である。この両者の相関関係係数を計算すると、図６（Ｂ）に示すようになり、両者の相関関係係数のピークのオフセット量Δｖｒがレイリー周波数シフト量となる。なお、Δｖｒは、オフセットがゼロに点から２つのピークｖｒ１、ｖｒ２の中間までのオフセット量で表している。
【００３１】
このΔｖｒだけ、歪みがある場合のレイリースペクトル（実線）を移動させて示したものが、図６（Ｃ）である。図６（Ｃ）から明らかな通り、歪みがある場合のレイリースペクトル（実線）と歪みがない場合のレイリースペクトル（破線）とが大略的には一致している。従って、光ファイバ１０に回折格子部分を意図的に形成せずとも、レイリー周波数シフトの如き反射波長シフトが生じることがわかる。
【００３２】
圧力センサ部１１において光ファイバ１０に側圧が加わったか否かは、前記ゆらぎ部分の存在により発生する反射光の一つに注目し、反射光の１つの波長ピークが２つの波長ピークを持つように分離されたか否かを観測することで知見することができる。図６（Ｂ）においても、２つのピークｖｒ１、ｖｒ２が観察されている。
【００３３】
図７は、反射光のピーク波長の分離を示す模式的なグラフである。非特許文献１でも報告されている通り、ＦＢＧ或いは本実施形態の揺らぎ部分のような屈折率変調部分に側圧が加わると、反射光の１つの波長ピークが２つの波長ピークを持つように分断される。すなわち、図７（ａ）に示すように、光ファイバ１０に側圧が加わっていない状態においてパルス光を入射させたとき、波長ピークλ０の反射光Ｗ１が一つ存在するものとする。このような光ファイバ１０に側圧が加わると、図７（ｂ）に示すように、反射光Ｗ１が、複屈折効果（birefringence effect）によって波長ピークλ１の反射光Ｗ２と波長ピークλ２の反射光Ｗ３とに分離される。
【００３４】
この波長ピークλ１、λ２の関係は、イニシャルの波長ピークλ０に関連して、次式で表すことができる。
λ２−λ１＝（ｎ0２λ０／２）×（Ｐ１２−Ｐ１１）×｜ε１−ε２｜
但し、ｎ０は光ファイバ１０のコアの側圧が加わらない状態のイニシャル屈折率、Ｐ１２及びＰ１１は光弾性定数、ε１及びε２は光軸と直交する方向における最大及び最小の主歪み（側圧）である。上式は、波長ピークλ０と波長ピークλ１、λ２との間の開きが大きいほど、光ファイバに加わる側圧が大きいことを示している。
【００３５】
図８は、複屈折効果を説明するための模式図である。図８（Ａ）は、光ファイバ心線の断面を示しており、ｙ方向に側圧が加わっている状態を示している。光ファイバに側圧が加わると、光弾性効果によりｘ軸方向、ｙ軸方向の屈折率が変化する。これにより、一つのコア内においてｘ軸方向の偏光とｙ軸方向の偏光とで異なる屈折率を示すようになり、複屈折が生じる。ｘ軸の屈折率をｎｘ、ｙ軸の屈折率をｎｙ、光弾性定数をＰ（３．３６×１０−５ｍｍ２／ｋｇ）、ｘ軸方向の応力をσｘ、ｙ軸方向の応力をσｙとすると、複屈折率Ｂは、次式で表すことができる。
Ｂ＝ｎｘ−ｎｙ＝Ｐ（σｘ−σｙ）
図８（Ｂ）は、光ファイバを一対の平板で挟み、これら平板から光ファイバのコア方向に外力ｆを与えた状態を示す模試図である。この場合の複屈折率Ｂは、光ファイバのヤング率をＥ、光ファイバの半径をｒとすると、
Ｂ＝４Ｃ・（ｆ／π・Ｅ）・（１／ｒ）
と表すことができる。一方、図８（Ｃ）は、光ファイバを平板とＶ溝板とで挟み、平板側から光ファイバのコア方向に外力ｆを与えた状態を示す模試図である。この場合の複屈折率Ｂは、Ｖ溝の内角をθとすると、
Ｂ＝２Ｃ・（１−Ｃｏｓθ・Ｓｉｎθ）（ｆ／π・Ｅ）・（１／ｒ）
と表すことができる。従って、本実施形態のように楕円管２０を用いることで、光ファイバに加わる側圧により生じるモード複屈折を大きくすることができる。
【００３６】
ヘテロダイン受信機５０は、上記の現象に基づき、光ファイバ１０の一端側１０１からの戻り光を分析し、該戻り光に含まれる特定波長の反射光が、２つのピーク波長を有する反射光に変化するか否かに基づき、圧力の発生を検知する。
【００３７】
続いて、楕円管２０（圧力センサ部１１）の敷設態様について説明する。例えば図２に示すように、楕円管２０の短軸２１の方向を上下方向、長軸２２の方向を水平方向に固定して、構造物や地盤中に埋設することは、一つの代表的な敷設態様である。この第１の敷設態様によれば、構造物又は地盤中において上下方向の歪み（圧力）が発生したか否かを検知することができる。これに代えて、楕円管２０の短軸２１の方向を水平方向に固定して埋設すれば、構造物又は地盤中において水平方向の歪みが発生したか否かを検知することができる。
【００３８】
一方、楕円管２０の短軸２１及び長軸２２の存在方向を長手方向において変化させれば、多方向の歪みの発生を検知可能とすることができる。図８は、楕円管２０の第２の敷設態様を示す模式図である。ここでは、楕円管２０の長手方向（図中のｚ方向）に沿って、検知区間Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６・・・を設定し、楕円管２０を検知区間毎に９０°ずつ捩り、短軸２１及び長軸２２の存在方向を変化させている。すなわち、検知区間Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５においては短軸２１が上下方向（図中のｙ方向）に存在し、一方検知区間Ｄ２、Ｄ４、Ｄ６においては長軸２２が上下方向に存在するよう、楕円管２０が敷設されている例を示している。
【００３９】
この第２の敷設態様によれば、検知区間Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５においては、構造物又は地盤中において上下方向の歪みが発生したか否かを検知することができる。また、検知区間Ｄ２、Ｄ４、Ｄ６においては、短軸２１が水平方向に存在することになるので、水平方向の歪みが発生したか否かを検知することができる。従って、検知区間Ｄ１〜Ｄ６のピッチを適宜設定することにより、上下方向及び水平方向の双方の歪みを検知することができる。また、検知区間Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５と検知区間Ｄ２、Ｄ４、Ｄ６とにおいて各々検知された圧力値を用いて、圧力のベクトルを求めることも可能である。
【００４０】
図８は、楕円管２０の第３の敷設態様を示す模式図である。ここでは、楕円管２０の長手方向（図中のｚ方向）に沿って、検知区間Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４、Ｄ１５、Ｄ１６、Ｄ１７・・・を設定し、楕円管２０を検知区間毎に４５°ずつ捩り、短軸２１及び長軸２２の存在方向を変化させている。すなわち、検知区間Ｄ１１においては短軸２１を上下方向に存在させ（０°）、検知区間Ｄ１２においては短軸２１が水平方向に向かう方向に楕円管２０を４５°捻り、検知区間Ｄ１３においては短軸２１が水平方向に存在（９０°）している。そして、検知区間Ｄ１４では短軸２１が上下方向に向かう方向に楕円管２０を−４５°捻り、検知区間Ｄ１５においては短軸２１を上下方向に存在（０°）させている。検知区間Ｄ１６以降の同様である。
【００４１】
この第３の敷設態様によれば、検知区間Ｄ１１、Ｄ１５においては、構造物又は地盤中において上下方向の歪みが発生したか否かを検知することができる。また、検知区間Ｄ１３、Ｄ１７においては、短軸２１が水平方向に存在することになるので、水平方向の歪みが発生したか否かを検知することができる。さらに、検知区間Ｄ１２、Ｄ１４、Ｄ１６においては、短軸２１が水平方向と上下方向との中間位置に存在しているので、斜め方向の歪みが発生したか否かを検知することができる。従って、一層きめ細かく、圧力の発生並びにその発生方向を検知することができる。
【００４２】
続いて、楕円管２０の内部への光ファイバ１０の収容態様について説明する。図２に示したように、楕円管２０の短軸２１方向に内接するように光ファイバ１０を収容する第１の収容態様は、望ましい態様の一つである。第１の収容態様では、例えば楕円管２０の肉厚を調整したり、或いは楕円管２０の材質を選択したりすることで楕円管２０の抗力を調整し、光ファイバ１０の側圧の感度を調整することができる。
【００４３】
ここで、光ファイバ１０に楕円管２０が被嵌された状態を形成する一つの手法として、長尺ステンレステープに光ファイバ１０を沿わせて送り出しつつ、ステンレステープを徐々に円筒状にフォーミングし、ステンレステープ端縁の合わせ目を溶接する手法を例示することができる。このような、光ファイバ１０が内包されたステンレスチューブを、必要に応じて縮径ダイスを経由させた後、楕円ダイスに通過させることで、図２に示すような、光ファイバ１０を内包する楕円管２０を製造することができる。
【００４４】
図１０は、楕円管２０内への光ファイバ１０の第２の収容態様を示す断面図である。第１の収容態様では、側圧の感度調整を楕円管２０自身に依存する例を挙げた。第２の収容態様では、楕円管２０の短軸方向の内壁と光ファイバ１０の外周部との間に、感度調整のためにスペーサ６１を介在させる例を示している。この第２の収容態様によれば、スペーサ６１の材質、厚さ及び光ファイバ１０乃至はスペーサ６１との接触面積を適宜選定することで、光ファイバ１０に実際に加わる側圧を調整することができる。
【００４５】
スペーサ６１の介在は、上記以外の他のメリットをもたらす。例えば、スペーサ６１が光ファイバ１０に対するバッファ層の役目を果たし、弱い側圧の印加による光ファイバ１０の破損が抑止される。また、光ファイバ１０の外径は非常に小さく、光ファイバ１０が内接するような楕円管２０のフォーミングは容易ではないが、スペーサ６１の介在は、小さすぎる内径をもつ楕円管２０の形成という困難性を除去し得る。さらには、スペーサ６１で光ファイバ１０が実質的に保持されている状態を形成することで、楕円管２０内において光ファイバ１０を安定的に存在させることも可能となる。
【００４６】
図１１は、楕円管２０内への光ファイバ１０の第３の収容態様を示す断面図である。第３の収容態様では、楕円管２０の長軸方向の内壁と光ファイバ１０の外周部との間、つまり図２に示す空間２３に充填物６２を介在させた例を示している。充填物６２は、スポンジ、多孔質ゴム或いはヤーンのような弾性体であり、長軸方向に圧力が加わったとしても、その圧力を実質的に光ファイバ１０へ伝達させない部材である。
【００４７】
楕円管２０の長手方向において、光ファイバ１０の側圧感度を一定とするには、光ファイバ１０は楕円管２０内で定位置に存在していることが望ましい。すなわち、光ファイバ１０は、楕円管２０との熱膨張率差を考慮してある程度はオフセットさせることが必要であるが、例えば長手方向のある箇所では光ファイバ１０が楕円管２０の長軸方向の一端側に寄り、他の箇所では中央に位置していると、楕円管２０から受ける側圧は無視できない程度に相違する。このような問題は、充填物６２の介在によって解消することができる。すなわち、充填物６２の存在によって光ファイバ１０は、常に楕円管２０の長軸方向の中央付近に位置されるようになる。従って、側圧感度を長手方向で一定とすることが可能となる。
【００４８】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明がこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、受圧管として楕円管２０を例示したが、これは一例である。光ファイバ１０のｙ方向（第１方向；図２〜図４参照）においては光ファイバ１０に側圧を与える一方で、ｘ方向（第２方向）においては光ファイバ１０に側圧を与えない構造であれば、受圧管は断面楕円形には限定されない。例えば、ｘ方向に長辺を有する断面矩形の管状体を受圧管として用いることもできる。
【００４９】
また、上記実施形態では、光ファイバ１０を単に圧力測定用に用いる例を示したが、該光ファイバ１０を通信用回線として兼用しても良い。この場合、光ファイバ１０の一端１０１側と他端１０２側とに各々、光通信機器を接続すれば良い。
【符号の説明】
【００５０】
Ｓ 分布型光ファイバ圧力センサシステム
１０ 光ファイバ
１１ 圧力センサ部
２０ 楕円管（受圧管）
２１ 短軸
２２ 長軸
３０ 光源装置
４０ 光サーキュレータ
５０ ヘテロダイン受信機（計測手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その長手方向の一部が分布型の圧力センサ部として使用される光ファイバと、
前記光ファイバの圧力センサ部に被嵌される受圧管と、
前記光ファイバの一端側から検査光を入射する光源と、
前記光ファイバ内におけるレイリー散乱現象に基づき発生する前記検査光の反射光を、前記光ファイバの一端側において検出する計測手段と、を備え、
前記受圧管は、
前記光ファイバの断面視の第１方向において、当該受圧管が外部から受けた圧力を前記光ファイバに実質的に伝達して該光ファイバに側圧を与える一方で、
前記光ファイバの断面視の前記第１方向と直交する第２方向において、当該受圧管が外部から受けた圧力を前記光ファイバに実質的に伝達しない構造を有し、
前記計測手段は、前記光ファイバに与えられる側圧に起因する前記反射光のスペクトラムの変動に基づき、圧力の発生を検出する、
ことを特徴とする分布型光ファイバ圧力センサシステム。
【請求項２】
前記受圧管が、断面形状において短軸と長軸とを備える楕円管からなり、
該楕円管は、前記第１方向に前記短軸が、前記第２方向に前記長軸がそれぞれ位置するように、前記光ファイバの圧力センサ部に被嵌されていることを特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバ圧力センサシステム。
【請求項３】
前記計測手段は、特定の波長に１つのピーク波長を有する前記反射光が、２つのピーク波長を有する反射光に変化するか否かに基づき、前記圧力の発生を検知することを特徴とする請求項１又は２に記載の分布型光ファイバ圧力センサシステム。
【請求項１】
その長手方向の一部が分布型の圧力センサ部として使用される光ファイバと、
前記光ファイバの圧力センサ部に被嵌される受圧管と、
前記光ファイバの一端側から検査光を入射する光源と、
前記光ファイバ内におけるレイリー散乱現象に基づき発生する前記検査光の反射光を、前記光ファイバの一端側において検出する計測手段と、を備え、
前記受圧管は、
前記光ファイバの断面視の第１方向において、当該受圧管が外部から受けた圧力を前記光ファイバに実質的に伝達して該光ファイバに側圧を与える一方で、
前記光ファイバの断面視の前記第１方向と直交する第２方向において、当該受圧管が外部から受けた圧力を前記光ファイバに実質的に伝達しない構造を有し、
前記計測手段は、前記光ファイバに与えられる側圧に起因する前記反射光のスペクトラムの変動に基づき、圧力の発生を検出する、
ことを特徴とする分布型光ファイバ圧力センサシステム。
【請求項２】
前記受圧管が、断面形状において短軸と長軸とを備える楕円管からなり、
該楕円管は、前記第１方向に前記短軸が、前記第２方向に前記長軸がそれぞれ位置するように、前記光ファイバの圧力センサ部に被嵌されていることを特徴とする請求項１に記載の分布型光ファイバ圧力センサシステム。
【請求項３】
前記計測手段は、特定の波長に１つのピーク波長を有する前記反射光が、２つのピーク波長を有する反射光に変化するか否かに基づき、前記圧力の発生を検知することを特徴とする請求項１又は２に記載の分布型光ファイバ圧力センサシステム。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１７６５２（Ｐ２０１１−１７６５２Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６３２４８（Ｐ２００９−１６３２４８）
【出願日】平成２１年７月１０日（２００９．７．１０）
【出願人】（３０３０２１６０９）ニューブレクス株式会社 (23)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１０日（２００９．７．１０）
【出願人】（３０３０２１６０９）ニューブレクス株式会社 (23)
【Ｆターム（参考）】
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