光ファイバを利用した地表動態調査

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　制作：（株）興和

　光ファイバのイメージ　

１．概要

　光ファイバは普通は通信に使われますが、光ファイバ自体をセンサとして利用するすることも可能で、
　光ファイバの次の特性を生かすと、屋外計測の有効な手法となります。
　光ファイバセンサの特徴は次の通りです。

· センサ部に電気を使用しないため、雷の被害を受けにくい。

· 光ファイバは数10kmの伝送能力を持つので、長距離、広域の計測が可能。

· 1本のファイバで複数地点の計測が可能。

　地すべり計測においても、従来の点の計測から、線や面、あるいは３次元の計測も可能になります。

　　　　　　　　光ファイバセンサによる線・面の計測イメージ

２．光ファイバセンサの原理

（１）測定方法

　光ファイバセンサには多くの計測方法がありますが、土木関係では、従来のひずみゲージの置換えが主になります。光ファイバに外力が加わると、ファイバにひずみや変形が生じ、光の通りかたが変化します。この、光の通り方を測定する方法は大きく分けて４つあります。

主な光ファイバセンサの測定対象
検出対象	計測	方式	センサ・測定器名称
光の透過量の変化	ファイバの曲げによる透過量の変化	マイクロベンディング	MDM OSMOS
光の反射量の変化	ファイバの曲げによる後方散乱反射量の変化	レイリー散乱	OTDR
光の反射波長・周波数の変化	ファイバの特定区間の反射光の波長変化	ファイバグレーティング	FBG
光の反射波長・周波数の変化	ファイバ全区間の反射周波数変化	ブリルアン散乱	BOTDR

（２）位置の特定

　光ファイバセンサは、光ファイバの長距離伝送の特徴を生かし、長い区間や遠隔計測を行うこともできます。
　変状位置の特定は

· 　光ファイバの測定する区間だけ、センサとして機能するファイバを挿入する　→　FBGなど

· 　光が反射して戻るまでの時間から距離計算する　→　ＯＴＤＲ，　Ｂ－ＯＴＤＲなど

　光ファイバセンサを使う場合は、対象物によって、これらの計測範囲（点か線か）を考慮する必要があります、

３．代表的なセンサ

　地すべり地に、適用可能な光ファイバセンサの代表的例として、B-OTDR方式とFBG方式を紹介します。

地すべり地における光ファイバセンサの計測イメージ

（１）FBG方式

FBG方式は、光ファイバによる「ひずみゲージ」です。従来の電気式のひずみゲージを利用していた部分に適用できます。電気式に比べて、雷に強い、ことや、１本のファイバに複数の、FBGセンサを直列に接続可能などの特徴があります。
精度はひずみ量で±0.0004％で、ポイントごとの細かい計測が可能です。
具体的な用途としては以下のものがあります。

· 　アンカーの荷重・伸び計測

· 　伸縮計

· 　水位計（水圧式）　　

　　アンカに取り付けたFBGひずみセンサ　　　アンカの引っ張り試験

（２）B-OTDR方式

B-ODTR（ビﾞｰ・オー・ティーディーアール）は、光ファイバのひずみを測定する、測定器の名称です。
センサ用のファイバは、通信用として一般的なSM型ファイバを利用し、10ｋｍ程度の区間のファイバのひずみを、距離分解能１～5ｍで測定できます。
ひずみ測定精度は,室内レベルでは±0.003％程度有りますが、屋外の地盤に設置した場合の、総合的な測定精度は、±0.01～0.1％くらいです。ひずみの最大測定値は、ファイバが切断する３～４％です。
具体的な用途としては以下のようなものがあり、測定範囲が広い場合に有利です。

· 斜面の動態監視

· 堤防監視

· 地すべり観測

· 水位計（多連式）　など