光ファイバの防災への提案 その１ では、光ファイバセンサの利点について説明しました。今回は、光ファイバセンサの実用例を紹介します。

光ファイバセンサの実用例

光水位計

光ファイバセンサは、地球温暖化等の影響による局地的な豪雨の多発や猛烈な台風の接近という背景から、河川や下水道の増水を監視する水位計測、多量の雨水の流入による道路（アンダーパス）の冠水・浸水検知に利用されています。写真 1 は、下水道革新的技術実証研究（B-DASH プロジェクト）「ICT を活用した浸水対策施設運用支援システム実用化に関する技術実証事業」にて、下水道内に設置した小型光水位計です。

センサ仕様（抜粋）

項目	仕様
外形寸法	約W100×H30×L170mm
防水耐圧	IPx8（水深10m（0.1MPa）相当）
筐体材質	ポリプロピレン樹脂

この小型光水位計は、FBG（Fiber Bragg Grating）という技術を用いています。ファイバのコアの部分にブラッグ回折格子を形成したもので、特定の波長の光のみを反射します。反射フィルタとして利用できるほか、波長制御素子、センサ素子等に応用することができます。

FBG によって反射される光の波長は回折格子のパターンによって決定されます。この FBG に温度や外力が加わると光ファイバが膨張や伸縮し、それに伴い回折格子の間隔も変わり、反射する波長も変化する。この特性を活かして歪や温度変化をセンシングすることができます。光水位計は FBG をダイアフラムに貼り付け、水圧によって FBG を伸縮させその水圧による波長シフト量を遠隔地から測定し、水位に換算しています（図 1）。

光雨量計

光雨量計の計測方式は従来の電気式雨量計と同じ転倒升方式（図 2）ですが、転倒升のカウントは光ファイバ近接センサを用いて行います。転倒升に連動した磁石が光ファイバ近接センサを通過するときに反射光を発生させます。反射光は、遠方（光ファイバ雨量計から最大 30km）に設置した光ファイバ雨量計用センサモニタにて反射光を検出し電気接点を出力します（図 3）。

この光雨量計に用いている光ファイバ近接センサは、ステンレスのケーシング内には光ファイバ、ファラデー素子、光ファイバを反射するためのミラーが入っています（図 4）。

通常の状態では光ファイバに挿入された光は、ファラデー素子に遮られてしまっていますが、図 5 のように光ファイバ近接センサの先端に磁石が近づくことで、ファラデー素子が磁界の影響を受け光ファイバの挿入光を透過させます。透過した挿入光は、ミラーに反射し戻ります。

図 4 光ファイバ近接センサの構成

図 5 光ファイバ近接センサへ磁石を近づけた場合の状態

光ファイバ雨量計の特徴

光ファイバ雨量計の特長として、リアルタイムで雨量を計測できる降雨強度観測システムとしての構築が可能です。近年の気候変動からゲリラ豪雨が頻繁に発生しています。このゲリラ豪雨は瞬間的に激しい雨量を伴います。短時間で変化する降雨量を瞬間的な降雨強度としてリアルタイムに計測、把握することで、迅速な冠水／洪水対応が期待できます。

時間雨量が同じでも、瞬間的な雨の強さは異なります。ゲリラ豪雨などの短期的な集中豪雨監視には、雨の強さ、つまり、降雨強度のリアルタイム計測が効果的であり、光ファイバ雨量計の適用により実現します。

光ファイバセンサの設置例

図 7、図 8 は光ファイバセンサの設置例になります。

図 7 都市／市街地域道路系への設置

図 8 河川流域増水の監視

まとめ

参考文献

1. 光ファイバセンシング振興協会：「光ファイバセンサ入門」
2. 小川雅英，「屋外に電源・電子部品を用いない防災用光ファイバセンサ:月刊OPTRONICS,2014.7 vol33,No.391
3. 小川雅英,「わかりやすい光ファイバセンサ（N o.2）」:（一社）日本下水道光ファイバ-技術協会,広報専門委員会
4. 小川雅英,「光ファイバセンサ（ガラスで作る広域防災・構造物の神経網）,建設電気技術Vo l.177,2012.3