JP5999421B2

JP5999421B2 - 光ファイバーを用いた水分センサ

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Publication number: JP5999421B2
Application number: JP2012177732A
Authority: JP
Inventors: 山本　陽一; 陽一山本; 貴紀國丸; 恵輔前川; 西垣　誠; 誠西垣; 小松　満; 満小松; 昭治瀬尾; 克戸井田; 宏孝田岸; 千良竹延
Original assignee: Kajima Corp; Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Kajima Corp; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: JP2014035312A

Description

本発明は、例えば土中の水分量などを検出・測定する光ファイバーを用いた水分センサに係り、特に受感部に水分量に応じて膨潤・収縮する膨潤材料（以下、膨潤材料と略記する）を用いた水分センサに関するものである。

放射性廃棄物の地層処分における安全評価や地下空洞の建設では、地下水流動場を把握することは非常に重要である。表層地盤の不飽和帯における土壌水分の観測を行うことで、直接的にその地点の地下水涵養量を求めることができる。また、廃棄体周辺の粘土（ベントナイト）で作られた緩衝材層への水分の侵入を検出・計測することも重要となる。

従来、土中の水分量などを検出・測定する方法として、ＡＤＲやＦＤＲなどの誘電率を利用した電気式センサが用いられていたが、下記のような問題点を有している。

（ａ）電気的ノイズに弱いので、例えば変電所、送電線あるいは特殊な工場の付近などでは、ノイズ対策が必要であり、場合によればモニタリングができないことがある。
（ｂ）微弱でも電流が流れるので、防爆が要求される場所や環境では使用できない。
（ｃ）長期間使用して伝送ケーブルの絶縁性が低下してくると、データの信頼性が問題となる。
（ｄ）伝送ケーブルが比較的太いので、多点計測の場合には膨大な伝送ケーブルの引き回しが必要となり、センサの配置などが煩雑で、場合によっては構造物本体に弱部を形成することになる。
（ｅ）落雷でセンサならびに測定システムにダメージを受けやすく、最悪の場合は全壊することもある。

これに対して光ファイバーを用いた測定システムでは前述した電気的手法の欠点を解消して、下記のような特長があり、次世代のモニタリングシステムとして有望視されている。

（ａ）電気的ノイズの影響が一切ない。
（ｂ）本質的に完全防爆であるから、使用環境に制限されることがない。
（ｃ）電気的な絶縁不良は発生しない。
（ｄ）光ファイバーは緩衝層を含めた外径が通常、０．２５ｍｍと電線に比べて細いので、ケーブルの引き回しが問題にはならない。
（ｅ）本質的に絶縁体なので落雷による影響はない。

従来、土壌水分などの観測において光ファイバーを用いた方法としては、例えば下記のような非特許文献３，４などを挙げることができる。
非特許文献３：Alessi,R.S.,L.Prunty :Soil-water Determination Using Fiber Optics,Soil Sci,Soc.Am,Vol.50,pp.860-863,1986.
この非特許文献３に記載の研究では、光ファイバーセンサにより、ガラスビーズと砂質土に対して含水量を測定している。具体的には、容器内に試料を詰め、空気圧を増加させて水分量を調整した上で、得られた電圧と圧力及び体積含水率のそれぞれの関係から、線形関係で相関できる結果を得ている。

非特許文献４：Texier,S.,S.Pamukcu,J.Toulouse:Advances in subsurface water content measurement with a distributed Brillouin scattering fiber-optic sensor,Proceedings of SPIE,Vol.5855, pp.555-558,2005.
この非特許文献４に記載の研究では、分布型ブルリアン散乱光ファイバーセンサを用いて低透水性物質の水分を吸収し、ポリマーが膨潤することによる光ファイバーの引っ張り歪，ポリマーが乾燥することによる光ファイバーの圧縮歪をブルリアン散乱シフトとして、そのシフト量を計測している。

またその他に土中の水分センサに関しては、例えば下記特許文献１，２ならびに非特許文献１，２などを挙げることができる。

特開２００５−３５１６６３号公報特開２００５−１２７７４４号公報

２００９年１０月１５〜１７日公益社団法人日本地下水学会秋季講演会講演要旨「１５．光ファイバー式圧力計を用いた土中水分量計測に関する研究」２０１０年１１月１１〜１３日公益社団法人日本地下水学会秋季講演会講演要旨「１５．光ファイバー土中水分計の開発に関わる水膨潤材料の検討」 Alessi,R.S.,L.Prunty :Soil-water Determination Using Fiber Optics,Soil Sci,Soc.Am,Vol.50,pp.860-863,1986. Texier, S.,S.Pamukcu,J.Toulouse:Advances in subsurface water content measurement with a distributed Brillouin scattering fiber-optic sensor,Proceedings of SPIE,Vol.5855, pp.555-558,2005.

前記特許文献１、２ならびに非特許文献１〜４には、後述する本発明に係る水分センサの具体的な構造などについては記載されていない。

また、前記非特許文献３の従来技術では、直径約１ｍｍの光ファイバーセンサでの水分量を測定する手法としての課題を有しており、過渡的に局所的な値を求める可能性があることが記載されている。
さらに、前記非特許文献４の従来技術では、計測可能な含水率が０〜３０％の範囲であり、飽和状態に近い含水率の計測は難しいことが記載されている。
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、正確に水分量の測定が可能で実用的な光ファイバーを用いた水分センサを提供することにある。

前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、
歪を感知する受感部を設けた光ファイバーと、
吸水あるいは乾燥の状態によって膨潤あるいは収縮する膨潤材料と、
その膨潤材料の膨潤・収縮に伴って発生する歪を前記受感部の光ファイバー光軸方向に作用させるための歪作用補助機構部を備え、
前記歪作用補助機構部は、前記膨潤材料の膨潤・収縮に追従して弾性変形する多孔質体と、その多孔質体の対向する２つの外面側にそれぞれ設けられて、前記光ファイバーの受感部の両端部側とそれぞれ連結された２つの歪受け部を備え、
前記光ファイバーは、一方の歪受け部から前記多孔質体の内部を通って他方の歪受け部にかけて配置され、
前記膨潤材料が前記多孔質体の細孔内に担持されていることを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、
前記多孔質体が、樹脂系焼結多孔質体でチューブ状に構成されていることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１および第２の手段において、
前記歪受け部が、前記多孔質体の外面に塗布された接着剤層で構成されていることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第１ないし第３の手段において、
前記受感部が、前記光ファイバーのコア部の光軸線上に屈折率の異なる回折格子を所定の間隔で並設した構成になっていることを特徴とするものである。

本発明の第５の手段は、
前記第４の手段の水分センサが１本の光ファイバーに対して任意の間隔をおいて複数個取り付けることができることを特徴とするものである。

本発明の第６の手段は前記第１ないし第５の手段において、
前記受感部が、前記光ファイバーのコア部の光軸線上に第１の半透過ミラーと第２の半透過ミラーを空隙を介して対向・配置して、前記第１の半透過ミラーで反射した第１の反射光と前記第２の半透過ミラーで反射した第２の反射光を、波長毎に分離して干渉させる構成になっていることを特徴とするものである。

本発明の第７の手段は前記第１ないし第６の手段において、
前記膨潤材料が、ウレタン系の膨潤性ゴム材料であることを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、正確に水分量の測定が可能で実用的な光ファイバーを用いた水分センサを提供することができる。

本発明の第１実施例に係る水分センサの断面図である。その第１実施例に係る水分センサの膨潤・収縮試験を行った結果を示す特性図である。本発明の第２実施例に係る水分センサの断面図である。その第２実施例に係る水分センサの膨潤・収縮試験を行った結果を示す特性図である。本発明の第３実施例に係る水分センサの断面図である。本発明の第４実施例に係る水分センサの外観図である。ＦＢＧ方式における光ファイバー式歪センサの原理説明図で、（ａ）は複数個のＦＢＧ歪センサ部を備えた光ファイバーの側面図、（ｂ）はＦＢＧ歪センサ部の内部の状態を示す拡大図である。ＦＢＧ歪センサ部に入射される入力光、ＦＢＧ歪センサ部の回折格子で反射される反射光、ＦＢＧ歪センサ部の回折格子を透過する透過光の波形図である。ＦＰＩ方式における光ファイバー式歪センサの原理説明図である。各膨潤材料の試料Ｎｏ．と材料名と材料形状をまとめた図表である。各膨潤材料の膨潤性、収縮性、耐久性、加工性ならびに水質依存性について検討した結果をまとめた図表である。各膨潤材料について膨潤・収縮特性試験を行った結果をまとめた図表である。試料Ｎｏ．９，１１，１３の膨潤材料について、繰り返し膨潤・収縮試験を行った結果をまとめた図表である。本発明の実施例に係るＦＢＧ方式の複数個の水分センサ部を土中に埋設して水分量を計測する多連装計測が可能な水分センサ群を示す概略構成図である。本発明の実施例に係るＦＢＧ方式あるいはＦＰＩ方式の複数個の水分センサ部を土中に埋設して水分量を計測する水分センサ群を示す概略構成図である。

（光ファイバー式歪センサの原理）
光ファイバー歪センサを用いた水分センサを検討する上で、計測システムの精度や大きさなどを考慮すると、ＦＢＧ方式またはＦＰＩ方式が例えばＯＴＤＲ方式、Ｂ−ＯＴＤＲ方式ならびにＲ−ＯＴＤＲ方式などの他の方式に比べて特に好適である。
前記ＦＢＧは、Fiber Bragg Gratingの略で、光ファイバーのコア部の一部に回折格子と呼ばれる屈折率の異なる部分を一定間隔で格子状に並べることにより、その間隔に比例した特定の波長の光だけが反射される。この部分をＦＢＧ歪センサ部として利用するものである。真空中の光の速度に対応した反射波長λ_０は、下記（１）式によって示される。
λ_０＝２ｎＤ・・・（１）
式中λ_０は反射波長、ｎは屈折率、Ｄは回折格子の間隔である。

また、波長、歪み、温度の関係は下記（２）式によって示される。
（∂λ／λ）＝Ａε＋ＢｄＴ・・・（２）
式中λは波長、Ａ、Ｂは係数、εは歪み量、Ｔは温度である。

このように反射波長λ_０は（１）式により回折格子の間隔Ｄが伸縮すると、それに応じて反射波長λ_０が変化する。従ってこの反射波長λ_０を計測すればＦＢＧ歪センサ部で受ける歪み量εが分かる。なお、屈折率ｎは温度Ｔによって変化する。

次に本発明の実施例を図面と共に説明する。
図７は、ＦＢＧ方式における光ファイバー式歪センサの原理説明図で、同図（ａ）は複数個のＦＢＧ歪センサ部を備えた光ファイバーの側面図、同図（ｂ）はＦＢＧ歪センサ部の内部の状態を示す拡大図である。図８はＦＢＧ歪センサ部に入射される入力光、ＦＢＧ歪センサ部の回折格子で反射される反射光、ＦＢＧ歪センサ部の回折格子を透過する透過光の波形図である。

図７（ａ）に示すように、１本の光ファイバー１の光軸方向に沿って任意の間隔をおいて複数個（例えば６〜７個）のＦＢＧ歪センサ部２を設けることができる。本実施例で用いる光ファイバー１は、緩衝層３ｂ（図７（ｂ）参照）を含めて外径が０．２５ｍｍである。

前記ＦＢＧ歪センサ部２の内部には図７（ｂ）に示すように、光ファイバー１のコア部３ａに屈折率の異なる回折格子４が光軸方向に一定間隔で並設されている。このＦＢＧ歪センサ部２は、光ファイバー１の先端部ならびに光ファイバー１の途中の任意の箇所を特殊加工することにより形成される。

前記ＦＢＧ歪センサ部２に入射される入力光５は図８（ａ）に示すような波長波形を有し、その入力光５の一部はＦＢＧ歪センサ部２の回折格子４で反射され、反射光６として戻る。この反射光６は、図８（ｂ）に示すような波長波形を有している。

ＦＢＧ歪センサ部２の回折格子４を透過した透過光７は図８（ｃ）に示すように、当該ＦＢＧ歪センサ部２に入射された入力光５からＦＢＧ歪センサ部２で反射した反射光６が部分的に抜け落ちた形の波長波形となり、次に波長の異なる隣のＦＢＧ歪センサ部２に入力光５としてそのまま入射される仕組みになっている。

このようなことからＦＢＧ方式の歪センサには、レーザー光のような単一波長ではなく、幅広い周波数帯域を有する広帯域光が用いられ、実用的には１本の光ファイバー１で６〜７点の多連装計測が可能であり、ＦＢＧ方式の大きな特長となっている。

光ファイバー１の各ＦＢＧ歪センサ部２に歪が生じると、その歪度合によって反射光の波長が変化する。従ってこのＦＢＧ歪センサ部２での反射光の波長を計測することにより、歪の大きさを検出することができる。

前記ＦＰＩは、Fabry-Perot Interferometerの略で、受動的変位センサで、図９はＦＰＩ方式における光ファイバー式歪センサの原理説明図である。
図９に示すように、光ファイバー１の光軸線上に、２枚の第１の半透過ミラー１２ａと第２の半透過ミラー１２ｂが空隙１３を介して対向・配置されている。第１の半透過ミラー１２ａは伝播用光ファイバー１ａの端面に支持され、第２の半透過ミラー１２ｂは反射用光ファイバー１ｂの端面に支持されている。このＦＰＩセンサ部は、光ファイバー１の先端部を特殊加工することによって形成される。

白色光を入力光５として入射し、そして第１の半透過ミラー１２ａで反射した第１の反射光６ａと、第２の半透過ミラー１２ｂで反射した第２の反射光６ｂを、波長毎に分離して干渉させる方式である。

前記空隙１３（０〜数十μｍ）が空洞長（Ｉ）となり、センサ内部では伝播用光ファイバー１ａと反射用光ファイバー１ｂが３〜１０ｍｍのゲージ長（Ｌｇ）で、保護管８あるいはメンプレム９に固定１０されている。この歪センサに加わる歪の大きさは、ゲージ長（Ｌｇ）に対する空洞長（Ｉ）の比率（Ｉ／Ｌｇ）として測定される。単純な干渉では出力は縞模様として現れるから、縞模様上の縞数を数えることで歪み量を計測することができる。

このＦＰＩ方式における光ファイバー式歪センサは、±０．１μｍの高精度測定が可能で、分解性能ならびに温度特性も優れており、動的な変化の計測ができる。

本発明に係る光ファイバーを用いた水分センサの測定原理は、前述の光ファイバーを用いたＦＢＧ方式またはＦＰＩ方式の歪センサを、土中水分量の変化に応じて伸縮させることで測定するものである。そのため水分センサのセンサ部を効果的に伸縮させるのに膨潤材料が用いられる。

（膨潤材料の選択）
一般に膨潤材料は、合成ゴム、スポンジ状ゴム、高吸水高吸湿繊維（不織布）、高分子ポリマーの４種類に分類される。図１０は各膨潤材料の試料Ｎｏ．と材料名（記号で簡略表示）と材料形状をまとめた図表、図１１は各膨潤材料の膨潤性、収縮性、耐久性、加工性ならびに水質依存性について検討した結果をまとめた図表である。

図１０に示すように試料Ｎｏ．１〜９の合成ゴムに関しては、材料形状が固形状（試料Ｎｏ．１，２）、ペースト状（試料Ｎｏ．３，４）、ウレタン原液からなる液状（試料Ｎｏ．５〜９）のものがある。また、図１１に示す高分子ポリマーは紙おむつなどに使用される材料であり、膨潤性は他の材料に比べて優れているが、収縮性に関しては前記試料Ｎｏ．５〜９の液状合成ゴムよりも劣り、膨潤特性は水質に強く依存するという欠点があり、水分センサ用としては不適格と判断した。そのため図１０には高分子ポリマーを掲載していない。

次に図１０に示す試料Ｎｏ．１〜１３について膨潤・収縮特性試験を行い、その結果を図１２にまとめて示した。この膨潤・収縮特性試験は、各材料からなる供試体を開放した（拘束しない）状態で蒸留水に浸漬して膨潤させ、その後に乾燥収縮させて、そのときの体積変化量を測定した。体積変化は、供試体に付けたマーカーを基準にその変化量をノギスで測定して、膨潤体積倍率を算出した。

この膨潤・収縮特性試験の結果、試料Ｎｏ．１（固形状合成ゴム），２（固形状合成ゴム），３（ペースト状合成ゴム），４（ペースト状合成ゴム），１０（スポンジ状ゴム），１２（スポンジ状ゴム）は、膨潤過程で４〜８日以上、収縮過程で３〜５日以上の長時間を要した。土中の水分量を計測するセンサとしては、反応時間が非常に重要な要素である。従って、これらの材料は水分センサの膨潤材料としては不適格と判断した。

試料Ｎｏ．５（液状合成ゴム），６（液状合成ゴム）は、膨潤体積倍率が１．０２〜１．０５倍と他の膨潤材料と比較して小さい。試料Ｎｏ．７（液状合成ゴム）は、材料が硬化しなかったため、膨潤材料から除外した。試料Ｎｏ．８（液状合成ゴム）は、膨潤および収縮時間は１日で、膨潤体積倍率も３．４倍と比較的大きい値であったが、収縮過程において初期よりも材料が収縮したため、膨潤材料から除外した。

試料Ｎｏ．９（液状合成ゴム），１３（不織布）は、膨潤過程で数秒〜１日で膨潤し、収縮過程では１日で収縮して反応時間は短時間であった。また試料Ｎｏ．１１（スポンジ状ゴム）は、１日で膨潤し、収縮過程においては２日を要したが、膨潤体積倍率においては２倍以上の高倍率であり、水分センサの受感部に歪を与える膨潤材料として好適であると判断した。これらの判定結果は、図１２の判定の欄に記載されている。

次に試料Ｎｏ．９，１１，１３の３種類の膨潤材料について、繰り返し膨潤・収縮試験を行い、その結果を図１３に示す。この試験方法は、膨潤・収縮過程における測定時間をそれぞれ１日と設定し、供試体を拘束しない状態で膨潤・収縮を５回繰り返して、体積変化量の経時変化を測定した。

この図から明らかなように、試料Ｎｏ．１１，１３は、形状の再現性が得られず、重量も減少する傾向を示した。この原因として、膨潤・収縮を繰り返すことにより、材料中の高吸水性樹脂が溶出していることが考えられる。これに対して試料Ｎｏ．９は形状の再現性があり、水分センサ受感部の膨潤材料として安定した材料であることを確認した。本実施例で使用する試料Ｎｏ．９はウレタン系の膨潤性ゴム材料で、例えば株式会社アデカ商品名Ａ−５０Ｎなどがある。この商品名Ａ−５０Ｎは、ウレタンプレポリマーと可塑剤とトルエンジイソシアネートを含んだウレタン系の液状ゴム材料である。

本発明の光ファイバーを用いた水分センサは、図７あるいは図９で説明した光ファイバー式歪センサの原理を応用した水分センサである。例えば土中の水分センサのように土圧や耐久性の面で様々な影響があることから、土中への設置を考慮した構造になっている。

（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例に係る水分センサの断面図である。本実施例では、図７で説明したＦＢＧ方式の光ファイバー式歪センサ（以下、ＦＢＧ歪センサと称す）２１を使用する。このＦＢＧ歪センサ２１を、チューブ状をした弾性を有するフィルター２２のほぼ中心線上に沿って通し、図１に示すようにＦＢＧ歪センサ２１のセンサ部２をチューブ状フィルター２２の軸方向のほぼ中間位置に配置する。

そしてＦＢＧ歪センサ２１とチューブ状フィルター２２の間に、ウレタン系の膨潤性ゴム材料からなる前記試料Ｎｏ．９の膨潤材料２３を充填する。

チューブ状フィルター２２の両端開口部とＦＢＧ歪センサ２１の間は、例えばエポキシ系樹脂などの接着剤を注入・乾燥して形成した接着剤層２４ａ，２４ｂで閉塞されて、ＦＢＧ歪センサ２１と接着剤層２４とチューブ状フィルター２２が一体に連結される。本実施例の場合、この接着剤層２４ａ，２４ｂが歪受け部として機能し、接着剤層２４ａの上面ならびに接着剤層２４ｂの下面が歪２６を受ける歪受け面３７となっている。

ＦＢＧ歪センサ２１の両端部がそれぞれの接着剤層２４ａ，２４ｂと一体に連結されることで、それぞれの接着剤層２４ａ，２４ｂを介して歪２６がＦＢＧ歪センサ２１の光軸方向に作用する構造になっている。なお、ＦＢＧ歪センサ２１の両端部は接着剤層２４から外側に取り出されている。

前記チューブ状フィルター２２として、土中での水分の浸透性を確保するためと、膨潤材料２３の膨潤・収縮に対応できるように、例えばポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの弾性を有する樹脂系の焼結多孔質体を用いている。チューブ状フィルター２２は前述のように樹脂系の多孔質体で構成されて比較的軟らかく、膨潤材料２３の膨潤・収縮に伴って変形しようとするが、チューブ状フィルター２２の形状上、円周方向には拘束力を持ちながら、それの軸線方向、すなわちＦＢＧ歪センサ２１に歪を与えるように延び、縮みする。

この水分センサを土中に埋設していると、土中の水分２５がチューブ状フィルター２２の周面から浸透して中に入り、それを膨潤材料２３が吸収して膨潤し、膨潤によって発生した歪２６が矢印で示すように両端の接着剤層２４を介してＦＢＧ歪センサ２１の光軸方向に作用する。

土中の水分量が多いと、膨潤材料２３は多量の水分を吸収して大きく膨潤し、その膨潤圧により歪み量が大きい。反対に土中の水分量が少ないと、膨潤材料２３の吸水に伴う膨潤圧は低く、歪み量は小さい。なお、土中の水分量と歪み量との関係は予め把握されており、歪み量を検出すると、土中の水分量が分かるようになっている。

図２は、外径８ｍｍ、内径４ｍｍ、厚さ２ｍｍ、長さ１２ｍｍのチューブ状フィルター２２を用いて製作した水分センサの膨潤・収縮試験を行った結果を示す特性図である。この試験は、恒温室内の温度を２３℃、湿度を５０％と一定にし、蒸留水を入れた容器内に水分センサを浸漬させ、膨潤圧力の経時変化を観測したものである。この膨潤・収縮試験の条件は、後述する第２実施例においても同様である。この膨潤・収縮試験の結果、膨潤時間は約２９時間、波長変化量は８．２ｎｍで、歪み量としては大きい値を得ることができた。
なお、センサ受感部における膨潤材料２３の体積（量）を調整することにより歪み量の大きさが調整でき、また、膨潤材料２３の厚さを薄くすることで膨潤・収縮時間を短縮できることが、他の実験で明らかになった。

本実施例ではチューブ状フィルター２２を使用したが、樹脂系の焼結多孔質体からなるコップ状フィルターを用いて、それの底部にセンサ端部挿通用の孔を形成し、コップ状フィルターの内部にＦＢＧ歪センサ２１を挿入して、センサ端部挿通用孔に挿入したＦＢＧ歪センサ２１の端部をコップ状フィルターの底部に接着固定し、その後コップ状フィルター内に膨潤材料２３を装填して、コップ状フィルターの上方開口部を接着剤層２４で閉塞することも可能である。

（第２実施例）
図３は、本発明の第２実施例に係る水分センサの断面図である。本実施例では、中心軸線上に貫通孔２８を形成した棒状の膨潤材担持体２７を用いる。この膨潤材担持体２７は前記実施例１のチューブ状フィルター２２と同様の弾性を有する樹脂系焼結多孔質体から構成されている。

この膨潤材担持体２７の貫通孔２８にＦＢＧ歪センサ２１を挿通し、ＦＢＧ歪センサ２１の両端部を膨潤材担持体２７の面から突出させた状態で、膨潤材担持体２７の上面と下面に前記実施例１と同様の接着剤を塗布し、乾燥して接着剤層２４ａ，２４ｂを形成する。この接着剤層２４ａ，２４ｂの形成により、貫通孔２８の開口端が閉塞されるとともに、ＦＢＧ歪センサ２１の両端部が接着剤層２４ａ，２４ｂに固定される。

本実施例の場合、この接着剤層２４ａ，２４ｂが歪受け部として機能し、接着剤層２４ａ，２４ｂの上，下面が歪受け面３７となっている。

しかる後、膨潤材担持体２７の細孔内に材料が液状の膨潤材料２３を浸透させて、膨潤材担持体２７の内部に膨潤材料２３を担持する。このようにして、ＦＢＧ歪センサ２１と膨潤材料２３と接着剤層２４と膨潤材担持体２７を一体化した水分センサが得られる。

この水分センサを土中に埋設していると、土中の水分２５が多孔質の膨潤材担持体２７の周面から浸透して中に入り、それを内部の膨潤材料２３が吸収して膨潤し、膨潤によって発生した歪２６が矢印で示すように、両端の接着剤層２４を介してＦＢＧ歪センサ２１の光軸方向に作用する。なお、膨潤材担持体２７は樹脂系の多孔質体で構成されて比較的軟らかく、膨潤材料２３の膨潤・収縮に伴って膨潤材担持体２７もそれに対応するようになっている。

図４は、外径５．２ｍｍ、長さ１０ｍｍの膨潤材担持体２７を用いて製作した水分センサの膨潤・収縮試験を行った結果を示す特性図である。その結果、膨潤時間は約１６時間、波長変化量は１．０ｎｍで、歪み量としては若干小さいが、膨潤材料の担持量を増やすことにより、歪み量を増大化することが可能である。

（第３実施例）
図５は、本発明の第３実施例に係る水分センサの断面図である。本実施例では、例えばステンレス鋼などからなるパイプ２９の中心線上にＦＢＧ歪センサ２１を挿通して、ＦＢＧ歪センサ２１の両端部をパイプ２９の両端部より突出した状態で、ＦＢＧ歪センサ２１とパイプ２９の間に例えばエポキシ系樹脂などの接着剤３０を注入して、ＦＢＧ歪センサ２１とパイプ２９を一体に連結する。パイプ２９の両端部にはネジ部３１が設けられている。

中心線上にネジ孔と貫通孔３２を連設した例えばステンレス鋼あるいは硬質合成樹脂などの剛性を有する成形体からなる円柱状の下側ブロック３３ａの前記ネジ孔から貫通孔３２にかけて、パイプ２９から突出しているＦＢＧ歪センサ２１の下端部を挿通し、パイプ２９の下端部に設けられているネジ部３１を下側ブロック３３ａのネジ孔に螺挿して、下側ブロック３３ａ上にパイプ２９を立設する。

次に線材を螺旋状に巻回して構成したコイル状体３４の下端部を前記下側ブロック３３ａの外周部に嵌着・固定することにより、パイプ２９がコイル状体３４内に収納される。図５に示すように、コイル状体３４はパイプ２９とほぼ同程度の長さを有している。そして、パイプ２９とコイル状体３４の間に、ウレタン系の膨潤性ゴム材料からなる前記試料Ｎｏ．９の膨潤材料２３が充填される。

最後に、前記下側ブロック３３ａと同じ形をしている上側ブロック３３ｂのネジ孔から貫通孔３２にかけて、パイプ２９から突出しているＦＢＧ歪センサ２１の上端部を挿通して上側ブロック３３ｂから取り出す。その下側ブロック３３ｂを回転してパイプ２９の上端部に螺着するとともに、下側ブロック３３ｂの外周部にコイル状体３４の上端部を嵌着・固定することにより、水分センサが得られる。

本実施例の場合、下側ブロック３３ａと上側ブロック３３ｂが歪受け部として機能し、下側ブロック３３ａの上面ならびに上側ブロック３３ｂの下面が歪受け面となる。

この水分センサを土中に埋設していると、土中の水分２５がコイル状体３４を構成している線材どうしの微小な隙間から浸透して中に入り、それを膨潤材料２３が吸収して膨潤し、膨潤によって発生した歪２６が矢印で示すように、両端のブロック３３ａ，３３ｂを介してＦＢＧ歪センサ２１の軸方向に作用する。なお、コイル状体３４は、円周方向の拘束力を持ちながら、土中の水分の侵入を許容し、しかも膨潤材料２３の膨潤・収縮に伴って軸線方向に伸び・縮みするという特長を有している。

本実施例では前記ブロック３３ａ，３３ｂを歪受け部としたが、ブロック３３ａ，３３ｂの代わりに第１実施例のように接着剤層を設けて、それを歪受け部とすることも可能である。

（第４実施例）
水分センサの土中の設置に関しては、対象土質と水分センサの受感部との間に隙間があるとその隙間が地下水の水みちとなり、土中の水分量を正確に把握することが困難になることが想定される。従って水分センサの土中への設置方法は、土中への貫入による設置が有効と考えられる。

図６に示すように水分センサ３５の先を略円錐型の尖端部３６とすることにより、水分センサ３５の埋め込み抵抗の低減が図れるとともに、埋め込み時の衝撃からセンサ部を保護するための強度を確保することができる。また、図示していないが、必要に応じて前記コーン部３６内に複数の補強リブなどを付設することも可能である。

前記実施例では、ＦＢＧ方式の光ファイバー歪センサを用いた場合について説明したが、本発明はＦＰＩ方式の光ファイバー歪センサを用いることも可能である。
図１４は、ＦＢＧ方式の複数個（本実施例では７個）の水分センサ部４１ａ〜４１ｇを土中４２の深さ方向に連続して埋設することにより、各深度での水分量を計測する多連装計測が可能な水分センサ群を示している。各水分センサ部４１ａ〜４１ｇからのデータは計測装置４３に入力されて土中４２の水分量が演算・計測され、得られた計測データは記録装置４４に記録されて、土中水分量の監視が行われる。

本実施例のように土中４２の深さ方向に任意の間隔をおいて水分センサ部４１ａ〜４１ｇを複数個埋設しておけば、降水４５の土中４２での浸透状況を直接的確に把握することができる。

図１５は、ＦＢＧ方式あるいはＦＰＩ方式の複数個の水分センサ部４５ａ〜４５cを土中４２に個別に埋設して、水分量を計測する水分センサ群を示している。この例の場合、各水分センサ部４５ａ〜４５cの深さを変えて土中４２に埋設しているが、同じ深さで埋設位置をそれぞれ変えることも可能である。この場合も各水分センサ部４５ａ〜４５cのデータは計測装置４３に入力され信号処理がなされ、得られた計測データは記録装置４４に記録されて、土中水分量の監視が行われる。

前記個々の水分センサ部４１，４５は、図１、図３、図５あるいは図６に示した構造、形状を有している。
また個々の水分センサ部４１，４５は、監視対象領域の土中に孔を形成して、その孔の中に水分センサを埋め込むことができる。また、廃棄体周辺に緩衝材層を設ける場合には、緩衝材層を形成する際に粘土（ベントナイト）と一緒に水分センサをそれぞれの位置に配置して、水分センサ付きの緩衝材層を構成することもできる。

前記実施例では土中の水分量を計測する場合について説明したが、本発明は例えば硬化後のコンクリートに孔を開けて、その孔に水分センサを埋めて、コンクリート中の水分量など他の対象物中の水分の検出・測定にも適用可能である。

前記各実施例で使用するチューブ状フィルタ２２、コップ状フィルタ（図示せず）、膨潤材担持体２７ならびにコイル状体３４などの水分浸透部材は、それの外周全面から水分の浸透が可能であるから、水分センサを設置する際の方向性は特に制限されないという特長がある。

１：光ファイバー、
１ａ：伝播用光ファイバー、
１ｂ：反射用光ファイバー、
２：ＦＢＧ歪センサ部、
３ａ：コア部、
４：回折格子、
５：入力光、
６：反射光、
７：透過光、
１２ａ：第１の半透過ミラー、
１２ｂ：第２の半透過ミラー、
２１：ＦＢＧ歪センサ、
２２：チューブ状フィルター、
２３：膨潤材料、
２４ａ，２４ｂ：接着剤層、
２５：水分、
２６：歪、
２７：膨潤材担持体、
３３ａ：下側ブロック、
３３ｂ：上側ブロック、
３４：コイル状体、
３５，４１ａ〜４１ｇ，４５ａ〜４５c：水分センサ部、
３６：尖端部、
３７：歪受け面、
４２：土中、
４３：計測装置、
４４：記録装置。

Claims

歪を感知する受感部を設けた光ファイバーと、
吸水あるいは乾燥の状態によって膨潤あるいは収縮する膨潤材料と、
その膨潤材料の膨潤・収縮に伴って発生する歪を前記受感部の光ファイバー光軸方向に作用させるための歪作用補助機構部を備え、
前記歪作用補助機構部は、前記膨潤材料の膨潤・収縮に追従して弾性変形する多孔質体と、その多孔質体の対向する２つの外面側にそれぞれ設けられて、前記光ファイバーの受感部の両端部側とそれぞれ連結された２つの歪受け部を備え、
前記光ファイバーは、一方の歪受け部から前記多孔質体の内部を通って他方の歪受け部にかけて配置され、
前記膨潤材料が前記多孔質体の細孔内に担持されていることを特徴とする光ファイバーを用いた水分センサ。
請求項１に記載の光ファイバーを用いた水分センサにおいて、
前記多孔質体が、樹脂系焼結多孔質体でチューブ状に構成されていることを特徴とする光ファイバーを用いた水分センサ。
請求項１および２のいずれか１項に記載の光ファイバーを用いた水分センサにおいて、
前記歪受け部が、前記多孔質体の外面に塗布された接着剤層で構成されていることを特徴とする光ファイバーを用いた水分センサ。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光ファイバーを用いた水分センサにおいて、
前記受感部が、前記光ファイバーのコア部の光軸線上に屈折率の異なる回折格子を所定の間隔で並設した構成になっていることを特徴とする光ファイバーを用いた水分センサ。
請求項４に記載の水分センサが１本の光ファイバーに対して任意の間隔をおいて複数個取り付けることができることを特徴とする光ファイバーを用いた水分センサ。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光ファイバーを用いた水分センサにおいて、
前記受感部が、前記光ファイバーのコア部の光軸線上に第１の半透過ミラーと第２の半透過ミラーを空隙を介して対向・配置して、前記第１の半透過ミラーで反射した第１の反射光と前記第２の半透過ミラーで反射した第２の反射光を、波長毎に分離して干渉させる構成になっていることを特徴とする光ファイバーを用いた水分センサ。
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光ファイバーを用いた水分センサにおいて、
前記膨潤材料が、ウレタン系の膨潤性ゴム材料であることを特徴とする光ファイバーを用いた水分センサ。