JPS63109306A - 光導波体で構成部材の変形を監視する方法並びに該方法を実施する光導波体及びその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、少なくとも構成部材の長さの一部分に該構成
部材と固定結合されており、かつ光導波体の透過性及び
光導波体を貫通して送られる光パルスの走行時間及び／
又は減衰を常時及び／又は間欠的に検査する測定装置に
接続された光導波体を用いて構成部材の変形を監視する
方法に関する。

従来の技術 機械又は建築物内の構成部材の破壊もしくはその他の故
障を早期に警告するために、機械類及び乗り物、特に飛
行機の部品、更に又建築構造物の部材を光導波体を用い
て監視することは公知である。この場合使用される光導
波体は、繊維複合体、例えばＧＦＫから成る保護ジャケ
ット内に埋設された、高い屈折率を有する石英ガラスか
ら成る１本以上の極めて細い光ファイバから成る。光導
波体の長手方向での伸びは、光ファイバを貫通して送ら
れる光パルスのための減衰効果を惹起する光ファイバの
横方向の収縮をもたらす。この減衰効果は光ファイバの
伸びに関する１つの尺度である。光ファイバの弾性限界
を越えると、光ファイバの裂断を生じ、該光ファイバは
光パルスを伝送しないだけでなく、反射する。光導波体
のもはや存在しない透過能力及び測定装置によって測定
された光伝送時間から、破断箇所から測定装置もしくは
光導波体の端部までの距離を測定することができる引張
負荷を受ける構成部けを監視する場合に、光導波体を監
視すべき構成部材の外側に接着するか又は光導波体を構
成部材中に埋設することは公知である（ドイツ連邦共和
国特許出願公開第２９３７８２４号明細書）。その際に
は、光導波体の開始部及び端部を光透過検出装置と接続
し、該検出装置で光導波体を透過する光ビームの透過性
及び光導波体内での光ビームの減衰を監視する。

これらの公知方法及び公知光導波体を用いると、引張応
力だけが発生するような構成部材のみを確実に監視する
ことができるにすぎない。

それに対して、横断面に亙って分布した、種々異なった
応力状態を有する構成部材の監視は不可能である。この
ような構成部材は、例えば引張及び圧縮及び／又は曲げ
負荷を受けかつ構成部材の全長に亙って横断面に種々の
応力状態が発生する、建築物の部材である。即ち、公知
の光導波体は、光ファイバの光伝送性は又長手方向の圧
縮力の作用を受けると、即ち光ファイバが圧縮作用を受
けると変化するという特性を有する。その際、光導波体
がその全長で、引張応力及び圧縮応力を有する範囲が変
化する構成部材と結合されていれば、構成部材に固定さ
れた光導波体も又局所的に伸びかつ局所的に圧縮される
、この場合伸びによっても又圧縮によっても光ファイバ
に、ファイバ内にもはや一定の応力に対応させることの
できない減衰を惹起する力が及ぼされる。

公知の監視法及び光導波体は、時間に依存する変形、例
えば収縮又は荷重の下でのクリープに曝されるような構
成部材においても正確な監視を行うことはできない。荷
重を受けた状態で又は簡単にその体積の減少により時間
の経過と共に短縮するような構成部材でも、該構成部材
と固定結合された光導波体には、誤り測定をもたらす圧
縮作用が及ぼされる。

発明が解決しようとする問題点 従って、本発明の課題は、変化する又は増大する応力又
は時間に依存する変形に曝される構成部材を光導波体で
監視する方法を提供することであった。更に、本発明の
もう１つの課題は、このような目的のために使用可能な
光導波体を提供することであった。

問題点を解決するための手段 前記課題は、特許請求の範囲に記載の手段及び特徴７こ
よって解決された。

発明の作用及び効果 光導波体にそれを構成部材と結合する前にプレストレス
を与えることによって、監視すべき構成部材の伸びだけ
でなく、又圧縮も測定可能にすることができる、それと
いうのもこれらの現象は、光ファイバの定義可能な減衰
変化を惹起する光ファイバのプレストレスの減少として
のみ現出するからである。この場合には、このプレスト
レスの減少が何によって惹起されたかということは問題
ではない。従って、本発明による光導波体は、例えば建
築物の連続けたにおいて生じるような、構成部材の全長
に亙って圧縮帯域と引張帯域とが交互する構成部材を監
視することかできるだけでなく、時間に依存する変形に
晒されるような構成部材、例えば収縮だけでなく、その
ブレ・ストレスの下で又クリープするプレストレストコ
ンクリート部材を監視するために使用することができる
。更に、プレストレスを与えた光導波体は、機械部品、
例えば引張及び又圧縮負荷を受ける複動ピストン又は連
接棒を監視するためにも適当である。

光導波体は構成部材に沿って直線的に又は湾曲させて案
内し、その場で機械的にプレストレスを与えかつその後
その全長で構成部材と固定結合することができる。この
場合には、光導波体を構成部材の外側に接着しかつ構成
部材の材料中に直接的に埋設するか、又は構成部材の外
側に取り付けられた又は構成部材の内部に敷設されたシ
ース内を案内することが可能である。

シース内に敷設した後に、これらのシースに、構成部材
との複合体が形成されるように、光導波体をシースとそ
の全長に亙って固定結合する材料を注入することができ
る。

引張応力並びに又圧縮応力に曝される構成部材中で、長
手方向で直線的に貫通する光導波体で伸びだけを検出す
るためには、光導波体を測定装置に接続する前に、光導
波体を引張帯域の範囲内だけで監視°すべき構成部材と
固定結合し、但し光導波体をその他の帯域では構成部材
に対して長手方向で可動に案内するのが有利である。こ
のような配置のためには、光導波体をシース内に敷設す
るのが好ましい、この際にはシースには光導波体にプレ
ストレスを与えた後に構成部材の引張範囲内にのみ注入
する。この際には、該光導波体は引張範囲内の伸びだけ
を検出し、一方圧縮範囲内の圧縮は光導波体に作用せず
に保持される、該圧縮は測定の感度を低下させる。

測定精度は、本発明によれば、光導波体を引張応力過程
に追従させて構成部材上に又はその内部に配置すること
により高めることができる。その際には、光導波体を例
えば連続けたの場合には、支柱の上の連続けたの上方部
分及び支柱の間の領域では連続けたの下方部分に敷設し
かつプレストレスト部材と同様にプレストレスを与えた
連続けた内に配置する。この場合には、光導波体をＰＣ
Ｍ線と一緒にプレストレスト部材のシース内に敷設する
ことも可能である。

しかし、光導波体は又別に構成部材の内部に引張応力過
程に追従してシース内に組み込むか又は構成部材の外面
、例えばはりの、機械基底又は乗り物部品の側壁に接着
することができる。

光導波体は一般に少なくとも１本の光ファイバと該光フ
ァイバを包囲するスリーブとから成り、該スリーブは繊
維複合素材又は有利にはプラスチック、例えばポリアミ
ド又はポリウレタンから製造されていてもよい。光導波
体の組み込み及び取り扱いは、光導波体を製造する際に
既にそのスリーブに対してプレストレスを与えかつこの
ような状態で構成部材に取り付けるか又はその内部に埋
設することにより、明らかに簡易化される。その際には
、光導波体は内部応力状態を有する、しかもプレストレ
スが与えられた光ファイバはそのスリーブに対して支持
される。その際には、光導波体はもはやその場でプレス
トレスを与える必要がなく、その前以て製作した状態で
簡単に監視すべき構成部材に固定しかつその全長で構成
部材と結合することができる。このような、プレストレ
スト光導波体は特に有利に、そのプレストレスに基づき
まず圧縮負荷を受けかっこの圧縮プレストレスの下で収
縮及びクリークする、プレストレスト構成部材の監視の
ために使用することができる。

その光ファイバがプレストレスをもってその保護ジャケ
ットに結合された光導波体は、簡単に、スリーブを製造
する際に光ファイバが繰り出されるリールに常に制動を
かけることにより製造することができる。この手段によ
り、光フアイバ内に、光ファイバの伸びが建築物による
光導波体の予測される圧縮を受けてもゼロより小さくは
ならない程度の大きさの引張応力を発生させかつ維持す
ることができる。製造の際には、この前以て規定された
引張応力を、スリーブの繊維ストランドとのもはや剥離
不能な結合が形成されかつ光ファイバの引張応力がその
全長でエンベロープに移行せしめられるまで保持する。

実施例 次に、図示の実施例により本発明の別の特徴及び利点を
詳細に説明する。

第１図及び第２図には、プレストレストコンクリートス
ラブＩＯが示されており、該スラブのＰＣ鋼線１１に、
コンクリート１２を型枠に打ちかつ硬化させる前に、プ
レストレス床内でプレストレスを与える。ＰＣ鋼線１１
の間には、光導波体１３が配置されており、該光導波体
はＰＣ鋼線１１に対して平行に延びかつ該光導波体にＰ
Ｃ鋼線と同様にコンクリート１２を打つ前にプレストレ
ス床で機械的に、その応力が、プレストレストコンクリ
ートスラブがその組む込み後に曝されるあらゆる負荷を
受けても、引張応力の範囲内に保持される程度のプレス
トレスを与える。

コンクリート１２の打ち及び硬化後に、ＰＣ鋼線１１及
び光導波体１３をそれらのプレストレス床の固定部から
外し、引き続きプレストレストコンクリートスラブＩＯ
をその型枠から取り出す。その際、ＰＣ鋼線１１はそれ
らの内部に生じた引張応力を付着摩擦結合によってコン
クリート１２に伝達する、従って該コンクリートはＰＣ
鋼線１１の長手方向で圧縮プレストレスを受ける。ＰＣ
Ｉ線１線色１様に、コンクリートの硬化後に該コンクリ
ートとその全長で静摩擦によって結合された光導波体も
又コンクリートに支持される。

光導波体１３はスラブ１０の底面にＰＣ鋼線１１の間に
案内されており、かつそれらの端部Ｉ４は測定装置Ｉ５
に接続されており、該測定装置は光パルスを光導波体１
３を透過して伝送しかつ該パルスを再び受信する。

その自重及び使用荷重を受けて、プレストレストコンク
リートスラブ１０は曲げ負荷を受ける、それによりその
下側には引張応力がその上側には圧縮応力が発生する。

この外部の応力状態に、プレストレストコンクリートス
ラブが組み込まれかつ使用荷重を受ける前に、プレスト
レストＰＣ１ｊｌ線からコンクリート横断面内に生ぜし
められかつプレストレストコ”ンクリートスラブ内で既
に有効である内部の圧縮応力が重ね合わされる。プレス
トレスの作用を受けて、コンクリートはクリーンを開始
する、即ちコンクリートは圧縮プレストレスの下で圧縮
されかつプレストレストコンクリートスラブは長手方向
で短縮される。この場合、コンクリート内に埋設された
かつコンクリートと全長に亙って固定結合された光導波
体も又同じ程度短縮される。

しかしながら、光導波体はそれがコンクリートによって
包囲される前にプレストレスを与えられかつ前引張力を
受けているので、光導波体の短縮は該光導波体を包囲す
るコンクリートのクリーンに基づき光導波体の伸びの減
少がもたらされるにすぎない、この際伸びのゼロ点を下
回ることはない。従って、光導波体はプレストレストコ
ンクリートスラブのクリーク変形によって圧縮されず、
該光導波体は引張応力範囲内に保持される。その際、プ
レストレストコンクリートスラブ１０を建築物内に組み
込にかつ使用荷重がかかった後に、該光導波体は、プレ
ストレスコンクリートスラブ１０が曲げ負荷を受けかつ
その下側に引張応力を生じしめる使用荷重によって惹起
される、構成部材の変形を監視することができ、その際
該変形は光導波体の伸びとして現出し、該伸びは光導波
体内での光の減衰を変化せしめ、該変化を光学的測定装
置１５によ−って検出しかつ評価することができる。

第３図及び第４図では、監視すべき構成部材は、レンズ
形トラスとして構成されかつその下側に光導波体１８が
取り付けられ、該光導波体の両端１９及び２０は光学的
測定測定１５に接続された、鉄筋コンクリート又はプレ
ストレスコンクリートから成るＴ形ばり１６である。こ
の場合の図示の実施例では、光導波体１８にそれをＴ形
ばりに敷設した後に機械的にプレストレスを与え、その
後その全長ではり１６と接着した。

第５図及び第６図には、横断面が直角な鉄筋コンクリー
トばり２１が示されており、該はりは２つの領域Ｆ１及
びＦ２に亙って連続ばりとして延びかつ３つの支点Ｓい
Ｓ、及びＳ３で支持されている。はり２１の上側と下側
に光導波体２４及び２５が敷設され、該光導波体はそれ
らの左側端部２４ａ及び２５ａで相互に接続されかつそ
れらの左側端部２４ｂ及び２６ｂで光学的測定及び監視
装置１５と接続されている。

光導波体２４及び２５はシース２６及び２７内に存在し
、該シースの一方のシース２６ははりの上方縁部２２上
にかつ他方のシース２７は下方縁部上に直線的にかつは
りの長手方向軸線に対して平行に案内されておりかつ建
築物コンクリート内に埋設されている。金属又はプラス
チック又は薄壁金属管から成っていてもよいシースは、
はり２１のコンクリート打ち前に構成部材の型枠内に敷
設しかつコンクリートを打つ。

光導波体はコンクリート打ち前又はその後にシース内に
引き込むことができる。コンクリートの硬化後に、光導
波体に機械的にプレストレスを与えかつそれぞれ引張応
力範囲Ｚｌ　、ｚ２及びＺ３内で光導波体及びシースに
固着し、硬化する材料を圧入することによりシースと結
合させろ。長手方向のプレストレスをもってシースと固
定結合された光導波体２４及び２５の部分は図面には、
−点鎖線で示されており、かつこれらの光導波体ははり
２１の下方縁部では領域Ｆｌ及びＦ２の範囲内にありか
つはり２１の上方縁部では中央部の支点Ｓ、の上に存在
する。

引張応力領域Ｚｌ　、Ｚ２及びＺ３の外部では、光導波
体２４及び２５はそれらのシース２６及び２７内で長手
方向で可動である、このことは第５図には点線で示され
ている。長手方向で可動な光導波体は、建築物内で引張
応力が生じない帯域内を延びている。しかし更に言及す
れば、本発明に基づき光導波体のプレストレス及び延伸
の大きさが、その引張負荷も又構成部材の圧縮帯域に保
持される程度であれば、光導波体２４及び２５をそれら
の全長でプレストレスを与えた後にシースと固定結合す
ることもできる第７図及び第８図には、本発明は連続ば
りの実施例で示されており、この場合には光導波体は引
張応力過程に追従して構成部材内に配置されている。

第５図及び第６図に示した実施例と同様に、光導波体３
０はシース３１内に存在し、該シースははり３２の長手
方向で波状に案内されている、従ってこれらは常にその
都度のはり横断面の引張応力帯域内に存在する。従って
、シース３１は光導波体３０と共に領域Ｆｌ及びＦ２内
ではＴ形ばりの下方縁部の近くをかつ支点Ｓ２に上では
上方縁部３４の近くを延びており、−方それらの構成部
材３２から外に出た端部３０ａ及び３０ｂは光学的測定
及び監視装置１５に接続されている。前記実施例と同様
に、この場合も又シース３１を第７図から明らかな位置
でコンクリート構成部材の型枠内に敷設しかつコンクリ
ートを打つ。次いで、引き込んだ光導波体をプレストレ
スをかけて設置しかつその全長で、光導波体及びシース
に固着する材料をシース内に圧入することによりシース
と結合さ仕、そうして光導波体と構成部材との間の結合
を行う。

更に言及すれば、第３図〜第７図に示した構成部材１６
．２１及び３２は、これらがコンクリートから成りかつ
好ましい応力を達成すべき場合には、長手方向のプレス
トレスをかけて設置することができる。特にこの場合に
は、これらの構成部材はクリーク変形を受け、該クリー
ク変形はコンクリート内に埋設された又は接着された光
導波体にも作用する、従って使用荷重状態で申し分無い
監視を保証すべき場合には、光導波体にもプレストレス
を与えることが必要となる。

第９図には、機械構造体及び乗り物構造体でしばしば使
用されるような、両端部枢着アイ３６が設けられた鋼か
ら成るリンク棒３５が示されてる。該リンク棒３５は長
手方向で引張及び圧縮負荷を受けることができる。これ
らの負荷を監視するために、棒の直径方向で向かい合っ
た側に該棒の長手方向で光導波体３７が接着されており
、該光導波体はその一方端部３７ａで相互に接続されか
つその他方端部３７ｂで光学的測定及び監視装置１５と
接続されている。この場合使用される光導波体３７は構
成部材３５に対してではなく、それ自体内にプレストレ
スがかけられている、即ち該光導波体は固有応力状態を
有する。この種の光導波体３７は第１０図に示されてる
。

この光導波体３７は石英ガラス又は別の先導波性材料か
ら成る光ファイバ４０から成り、該光ファイバは繊維複
合材料から成るスリーブ４１内に埋め込まれている。光
ファイバと繊維複合材料との間の良好な付着結合を達成
するために、光ファイバ４０の外周になお粗面を有する
中間層４２又は巻き線を施すこともできる、これらは自
体公知であるように、付加的に光導波体が長手方向に延
伸される際のその応答感度を高める。しかしながら、本
発明による光導波体は公知の実施形とは異なり、光導波
体４０がそれを包囲するスリーブ４１に対してプレスト
レスがかけられておりかつ軸線方向の引張応力下にその
全長でスリーブ４１と結合されているという特殊性を有
する。従って、光導波体内に内部応力状態が存在する。

第１Ｏ図に示したかつ第９図のリンク棒で使用される形
式の光導波体は、光ファイバとそのスリーブとを組合わ
せる際に、光ファイバとそのスリーブを制動することに
より引張応力を発生させ、かつ該引張応力を、スリーブ
が硬化しかつ光ファイバとそれを包囲するスリーブとの
間のもはや剥離不可能な結合が行われるまで保持するこ
とにより、簡単に製造することができる。リールの制動
作用は、光ファイバのそのスリーブに対するプレストレ
スを変化させかつその都度の要求に適合させることがで
きるように、可変であるのが有利である。

こうして製造された、自体内にプレストレスを有する光
導波体は、任意の長さで貯蔵物から切り取りかつ更に前
処理することなしに、緊張せずにその都度監視すべき構
成部材に任意の、特にまた湾曲した線案内形式で固定、
例えば接着するか又はその材料内に埋設することができ
る。光導波体は１本の光ファイバの代わりに、同じスリ
ーブ内に組み込まれた数本の光ファイバを有し、これら
の光ファイバに、同じ光導波体を種々の荷重領域のため
に使用することができるようにするために、異なったプ
レストレスを与えることもできる、この際には一方又は
他方のもしくは両者の光ファイバを光学的測定及び監視
装置に接続することができる。

本発明は、図示しかつ説明してきた実施例に限定される
ものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、多数
の変更及び補充が可能である。例えば多数の構成部材の
光導波体を相互に接続しかつ一緒に光学的測寓及び評価
装置に接続することも可能である。更に、構成部材に対
して並びに又自体内にプレストレスを有する光導波体を
、増大する又は変化する変形及び負荷に曝される飛行機
、機械類、建築物の多数の構成部材を監視するために使
用することができる

【図面の簡単な説明】

第１図は支持コンクリート内に埋設された、プレストレ
スが与えられた光導波体を有する、無荷重で載設された
鉄筋コンクリートスラブの縦断面図、第２図は第１図の
■−■線に沿った部分的断面図、第３図は下側に接着さ
れた、プレストレスが与えられた光導波体を有する、無
荷重で載設されたＴ形ばりの、Ｔ形ばりとして構成され
た縁部はりの側面図、第４図は第３図のＩＶ−ＩＶ線に
沿った断面図、第５図ははりの内部に敷設された光導波
体を有する、２つの領域に亙って延びる矩形連続ばりの
側面図、第６図は第５図のＶｌ−Ｖｌ線に沿った断面図
、第７図はシース内に敷設された、プレストレスが与え
られた光導波体を有するプレストレストコンクリートか
ら成る、２つの領域に亙って連続するＴ形はりの縦断面
、第８図は第７図の■−■線に沿った断面図、第９図は
互いに向かい合った側で外周で接着された２つの光導波
体を有する、機械又は飛行機構造体で使用可能な鋼から
成るリンク棒の側面図、及び第１０図は本発明によるプ
レストレスを与えた光導波体の、一部分断面した拡大斜
視図である。 １０．１６，２１，３２．３５・・・構成部材、１３．
１８，２４，２５，３０．３７・・・光導波体、２６，
２７．３１・・・シース、Ｚｌ　、　Ｚ″２゜Ｚ３・・
・引張応力領域、４ｏ・・・光ファイバ、４１・・・シ
ース

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも構成部材の長さの一部分に該構成部材と
   固定結合されており、かつ光導波体の透過性及び光導波
   体を貫通して送られる光パルスの走行時間及び／又は減
   衰を常時及び／又は間欠的に検査する測定装置に接続さ
   れた光導波体を用いて構成部材の変形を監視する方法に
   おいて、光導波体（１３、１８、２４、２５、３０、３
   ７）に対して、それを構成部材（１０、１６、２１、３
   ２、３５）と固定結合する前に、少なくとも応力が構成
   部材で予測される総ての変形の際に引張り範囲内に維持
   される程度にプレストレスを与えることを特徴とする、
   光導波体で構成部材を監視する方法。 ２、光導波体（２４、２５、３０）を、構成部材（２１
   、３２又は１６）の内部又は外部に配置されかつ該構成
   部材と固定結合されたシース（２６、２７、３１）内に
   敷設し、かつ光導波体（２４、２５、３０）にシース（
   ２６、２７、３１）内で機械的にプレストレスを与えか
   つシース（２６、２７、３１）を少なくともその全長の
   一部分にある上記シース及び光導波体（２４、２５、３
   ０）に付着する材料と一緒に圧縮することによりシース
   （２６、２７、３１）と固定結合する、特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ３、光導波体（３０）を引張応力過程に追従して構成形
   部材（３２）の上に又はその内部に配置する、特許請求
   の範囲第１項又は第２項記載の方法。 ４、光導波体（１３、２４、２５、３７）を、応力が作
   用する構成部材（１０、２１、３５）の主軸線に対して
   平行に該構成部材の外面又はその内部に配置する、特許
   請求の範囲第１項又は第２項記載の方法。 ５、光導波体（２４、２５）を構成部材（２１）の引張
   応力の領域（Ｚ＿１、Ｚ＿２、Ｚ＿３）内でのみ該光導
   波体を包囲するシース（２６、２７）と固定結合しかつ
   その他の領域内で長手方向で可動にシース（２６、２７
   ）内を案内する、特許請求の範囲第１項から第４項まで
   のいずれか１項に記載の方法。 ６、光導波体（１３、１８）に対してそれらの敷設位置
   でプレストレスを与えかつそれらの全長で構成部材と接
   着又はその材料内への埋設により結合させる、特許請求
   の範囲第１項から第５項までのいずれか１項に記載の方
   法７、少なくとも構成部材の長さの一部分に該構成部材
   と固定結合されており、かつ光導波体の透過性及び光導
   波体を貫通して送られる光パルスの走行時間及び／又は
   減衰を常時及び／又は間欠的に検査する測定装置に接続
   された光導波体を用いて構成部材の変形を監視する方法
   を実施するための光導波体であって、少なくとも１つの
   光ファイバを有し、該光ファイバがスリーブで包囲され
   ている形式のものにおいて、光ファイバ（４０）にそれ
   を包囲するスリーブ（４１）に対してプレストレスがか
   けられておりかつ軸線方向の引張応力を受けてその全長
   でスリーブ（４１）と結合されていることを特徴とする
   光導波体。 ８、光ファイバをリールから繰り出しかつスリーブ内に
   埋設し、該シースと光ファイバをその全長で結合させる
   ことにより、光ファイバ（４０）にそれを包囲するスリ
   ーブ（４１）に対してプレストレスがかけられておりか
   つ軸線方向の引張応力を受けてその全長でスリーブ（４
   １）と結合されている光導波体を製造する方法において
   、リールに規定の制動をかけることにより、該リールか
   ら繰り出される光ファイバに所定の大きさの引張応力を
   発生させかつ該引張応力を、スリーブが硬化しかつ光フ
   ァイバと剥離不能になるまで維持することを特徴とする
   、光導波体の製法。