JP2002243841A - 超音波測定装置 - Google Patents
超音波測定装置Info
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- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
面までの距離の測定を可能とする。 【解決手段】 送受波器24を穴内に降しながら超音波
パルスを周期的に送波し、その各パルスごとの反射受波
信号をSTC(近距離程利得を小とする)部34を通
じ、その検波出力をサンプリングして2値化受波信号列
を作り(35)、その2値化受波信号列を記録器36に
記録すると共にその1の数を計数し、その計数値Mと、
設定した目標記録線幅Eとの差を算出し(46)、この
差(M−E)の絶対値が小さくなるように、STC補正
値を生成し(47)、その補正値によりSTC部34の
STCの制御特性を補正する。
Description
泥水が溜った穴内に上下方向において移動させながら、
超音波パルスを穴の壁面に向けて放射し、その反射波を
受波して、穴の壁面までの距離を記録する超音波測定装
置に関する。
を作るには、地中に竪穴を掘削して鉄筋を入れ、生コン
を流し込み、ビルディングのコンクリートの基礎杭を作
っている。この竪穴の直径は1m〜2m、深さは30m
〜50mが一般的な大きさであり、ビルディング1棟に
つき数十本の基礎杭を作る。竪穴を掘削する際、垂直に
掘削する必要があり、斜めに掘削すると、ビルディング
が出来上がり、ビルディングの重量が基礎杭に加わる
と、基礎杭がその荷重に耐えられない可能性がある。従
って、竪穴が掘削されつつあるとき、その竪穴が垂直に
掘削されているかどうか監視する必要がある。さらに地
下水の浸みだしによる竪穴の崩壊を防ぐため、竪穴には
地下水位より高い位置まで水を入れて掘削する。
水には粘土(実際には粘土ではなくベントナイトと言う
鉱物の微粉末)を混ぜてあり、この粘土が竪穴の壁面に
不透水層を作り、壁面を保護している。竪穴の壁面が垂
直かどうかは竪穴の中心付近から重錘を降ろしていき、
この重錘と壁面との間隔を測定することで、確認してい
る。重錘と壁面との間隔の測定には超音波パルスの往復
時間を測定して距離を求めているが、竪穴中の粘土を混
ぜた水(=泥水と称する)では超音波の減衰が大きく、
測定はかなり困難である。しかも竪穴の上部から下部ま
で、超音波の減衰は一様ではない、これは掘削中、泥水
に土や砂が混入し、この混入率が上部と下部では異なる
のが主な原因と見られる。
重錘が上下するにつれ変化する受波信号強度を一定にす
るため、測定者が感度調整つまみを適正値に調節する必
要がある。測定者の負担軽減のためには、従来の考え方
では感度調整を自動的に制御するいわゆるAGC(オー
トマチックゲインコントロール)やALC(オートマチ
ックレベルコントロール)と呼ばれる制御機能を組み込
むことが考えられる。しかし、実際には、単位距離当り
の超音波の減衰量が泥水の状態によって変動するので、
受波信号強度は上下方向における測定位置および壁面ま
での距離によって大きく変わることになり、壁面からの
反射波信号の強度を距離にかかわらず、増幅度の増減で
ほぼ一定に補正することは困難となる。
装置に、近距離程利得を下げる感度時間制御部、いわゆ
るSTC(Sensitivity Time Control)部が設けられ、
そのSTC部により振幅が制御された受波パルスにより
記録されるべき記録幅が求められ、その求めた記録され
るべき記録幅と目標記録幅との差が求められ、その差が
小さくなるように、STC部の制御特性が補正手段によ
り補正される。一般に超音波の往復に於ける減衰量は、 減衰量=拡散減衰量+吸収減衰量+反射損失量 である。泥水中で生じる減衰量は吸収減衰量が非常に大
きく拡散減衰量は補正量として無視できる程度となる。
は測定深度(距離)が大きく、拡散減衰量が大きいこと
と、海水での吸収減衰量が非常に少ないことで吸収減衰
量はほぼ無視でき、拡散減衰量のみを補正の対象にして
いる。ちなみに海水の吸収減衰係数は250dB/f2
×10-17 cm(fは周波数)で、100kHzの吸収
減衰係数は0.0025dB/mに過ぎない。しかし泥
水では、吸収減衰係数は濃度によって違うが、だいたい
20dB/m前後であるから海水のそれとは大きく異な
る。
度の受信信号が得られる増幅度と距離Rとの関係は図5
に示すように清水(例えば前記掘削堅穴における泥水の
上澄みのようなもの)中では曲線11であり、拡散減衰
量の補正のみでよく、距離Rが大になるに従って増幅度
を徐々に上げればよい。清水にベントナイトを混ぜてゆ
くと、泥水の減衰係数が大きくなってゆき、これに応じ
て、泥水による減衰量を補正するために1m程度の近距
離でも距離Rが大きくなるに従って増幅度を大とする割
合が曲線12,13,14に示すように大きくなる。つ
まり泥水の減衰係数(泥水濃度)に応じてSTCの制御
特性、即ち図5における横軸に対する傾斜を制御する必
要がある。
照して説明する。図1Aに示すように例えば掘削されつ
つある竪穴21に、昇降機22からロープ23に吊り下
げられた送受波器24が降ろされる。送受波器24は竪
穴21のほぼ中心線上に位置され、通常は2個の送受波
器24が竪穴21の中心線に対し互いに反対方向におい
て、超音波パルスを竪穴21の壁面に向けて放射するよ
うに、あるいは4個の送受波器24が竪穴21の中心線
に対し、90度の角度間隔方向において、竪穴21の壁
面に向けて放射するように取付けられる。またその超音
波パルスの放射方向は一般にはほぼ水平方向である。こ
れら2個又は4個の送受波器24は1つのブロックに一
体化されている。
を駆動放射させるためのパルス信号の伝送、また放射さ
れた超音波パルスの反射波を送受波器24にて受波した
信号を伝送するための信号線がケーブル23に設けられ
ている。図2に示すように、送信器31から、超音波周
波数の電気的パルス信号が周期的に信号線32を通じて
送受波器24へ供給され、送受波器24より超音波パル
スが放射される。その反射波が送受波器24で受波され
て電気信号に変換され、電気信号とされた反射信号(受
波パルス信号)は信号線32を通じて受信器33に供給
される。図に示していないが送信器31と受信器33に
送信パルス信号と、反射信号を分離する手段が設けられ
ている。
るSTC部34が設けられ、受波パルス信号はSTC部
34に通され、超音波パルスを送波後、図5に示したよ
う時間経過(反射点までの距離Rの増大)と共に増大す
る利得で増幅される。その後、検波され、2値化回路3
5でサンプリングされ各サンプル値が2値化される。送
波パルスごとに反射信号は例えば4000回サンプリン
グされ、この4000回のサンプリングの間に、竪穴の
壁面からの強い反射信号がサンプリングされるようにサ
ンプリング周波数が選定される。
供給される。記録器36では入力された2値化反射信号
列は一旦メモリ(図示せず)に、超音波パルスの送波直
後から順次格納された後、そのメモリから読み出されて
記録紙37(図1A参照)に記録される。例えば超音波
パルスは図3Aに示すように放射され、その反射信号が
図3Bに示すように得られ、これが図3Cに示すように
2値化された反射信号列となる。この2値化反射信号列
における“1”が連続する部分は、壁面による反射パル
スの部分である。2個の送受波器24が背中合せに取り
付けられている場合、竪穴21の掘削した状態を、記録
から直感的に読み取れるように、つまり竪穴21の垂直
断面が直ちにわかるように記録することが望ましい。こ
の点からこの記録は例えば図1Bに示すように記録紙3
7の幅方向を2分する中心線38に対し、その両側に、
この中心線38から離れるに従って、送受波器24から
反射点までの距離が大となるようにされる。図1B中に
おける中心線38の両側における幅をもつ記録線39
a,39bは例えば互いに反対向きとされた2個の送受
波器24の放射超音波パルスの壁面からの受波パルス信
号を示し、この記録線39aと39bとの内側間隔が竪
穴21の直径に相当する。また記録線39a,39bの
中心線38に対する平行度が、竪穴21の垂直度にな
る。
37上に矢印41で示すように、図において記録紙37
の左端より右端に走査記録をする場合は、中心線38の
左側部分の記録は、対応するメモリに記憶した2値化反
射信号列を、その記憶順とは逆の順に読み出して行い、
中心線38の右側部分の記録は、対応するメモリに記憶
した2値化反射信号列を、その記憶順に読み出して行
う。記録線39a,39bの各線幅は、2値化反射信号
列における壁面反射パルスによる“1”の数と対応して
いる。前述したように超音波パルスを放射している位置
における泥水の濃度が異なり、その濃度に応じて吸収減
衰係数が可成り異なるため、反射信号の強度が小さ過ぎ
ると、記録線39a,39bが生じない、あるいは細過
ぎ、逆に反射信号の強度が大き過ぎると、記録線39
a,39bが太過ぎるものとなるのみならず、送受波器
24と壁面間の超音波パルスの通路における微小物体に
よる反射が2値化反射信号列に生じ、記録線39a,3
9b間に多数の微小斑点が生じ見苦しくなる。適切な線
幅は4000個サンプルに対し、1の数が数百個程度
と、最大記録幅の10%程度と想定される。代表的と思
われる泥水において、この程度の記録幅が得られるよう
に、STC部34の特性が初期設定されてある。
り吸収減衰係数が可成り異なるため、この超音波測定装
置により、壁穴21の状況を測定する際に測定者はまず
試験的に超音波パルスを放射し、記録紙37上に記録線
39a,39bの線幅を記録し、この線幅を見て、見易
い線幅になるように濃度設定器45の濃度(記録線幅)
調整つまみ(図示せず)を調整する。つまり濃度調整つ
まみは例えば基準位置の一方側に濃い(太い)、他方側
に淡い(細い)の表示が付けられてあり、調整つまみを
目的方向に移動(又は回動)する。この調整つまみの調
整位置に応じて、STC部34に対する前記初期設定と
対応した記録幅に対し、増加又は減少されて目標記録幅
として、偏差算出部46へ供給される。
ルスにより記録されるべき記録幅を求め、この記録され
るべき記録幅と前記目標記録幅との差を求め、この差が
小さくなるようにSTC部34の制御特性を補正する。
このためこの実施形態では2値化回路35よりの各超音
波パルス放射ごとの2値化反射信号列がデータ積算部4
4に供給され、その2値化反射信号列、つまり0と1の
系列中の1の数が計数される。2値化反射信号列は壁面
反射パルスに相当する部分は1が幾つか連続したものと
なり、よって、この計数値は記録線39a,39bの各
線幅と対応する。
標記録幅Eと、データ積算部44で計数された数Mとの
差が偏差算出部46で算出され、この差M−EがSTC
補正値生成部47に入力され、STC補正値生成部47
は前記差M−Eの絶対値が小さくなるようにSTC部3
4のSTC特性、つまり図5における傾斜特性が修正さ
れる。従って、前記試験的記録の線幅が例えば細過ぎ、
濃くなる(太くなる)ように調整した場合は計数値Mよ
りも目標記録幅Eが大きくされ、STC部34における
STC特性が例えば図5中の曲線13から曲線14にな
るように補正される。
ように、超音波パルスの送波ごとにコンデンサ51と並
列のスイッチ52をオンにしてコンデンサ51の電荷を
放電させた後、スイッチ52をオフとして、定電流源5
3からコンデンサ51に定電流を供給し、そのコンデン
サ51の両端間電圧により、可変利得増幅器の利得を制
御して、時間の経過と共に利得(増幅度)が大になるよ
うにする。STC補正値生成部47の出力補正値をD/
A変換器48によりアナログの補正信号とし、この補正
信号により、定電流源53から出力する定電流値を決め
る基準電圧値を修正し、例えば定電流値を大きくして、
STC部34におるSTC特性の傾斜が大きくなるよう
にする。
源53の基準電圧をSTC値とすると、STC値を STC値=前回STC値−(M−E)×F と補正する。この補正値(M−E)×FにおけるFは
(M−E)をSTC値と対応する値に変換する係数であ
る。この補正値(M−E)×Fに応じて例えば前記定電
流源53の基準電圧が補正される。前回STC値の初期
値、つまり前記調整つまみが基準位置に設定されている
時に、偏差算出部46の出力がゼロの場合における値は
妥当と思われる値(デフォルト値)を用いる。補正値
(M−E)×Fの絶対値が所定値以上(異常データ)の
場合は、STC値の急激な変化を避けるため補正処理を
行わない、あるいは、その補正値の補正方向と対応した
予め決めた一定値の補正をするようにすることが好まし
い。
るように調整した後、実際の測定を開始する。この実際
の測定中も、送受波器24が降下するに従って、泥水濃
度が濃くなると、減衰係数が大きくなる、この濃度変化
に対する減衰係数の変化が大きいため、前述したように
通常の自動利得調整(AGC)機能では、反射信号の強
度を一定に保てない。しかし、図2の構成においては、
反射信号の強度が減少し、壁面反射パルス幅が小さくな
ると、データ積算部44の係数値Mが目標記録幅Eより
小さくなり、この差がゼロになるようにSTC補正値生
成部47から補正信号が生成され、前述した場合と同様
にSTC部34のSTC値が補正され、STC特性の傾
斜が大きくされ反射信号強度が所定になる。このように
して実際の測定において測定量が記録されている記録線
幅を見ながら送受波器24の感度調整を逐次調整するよ
うな煩わしいことをすることなく、ほぼ所定線幅の記録
線39a,39bが、壁穴21の底まで得られる。な
お、濃度設定器45の調整つまみに対する設定表示は前
述したように例えば基準位置と濃い、淡いであり、指示
位置の基準位置からの方向と距離に応じた値の目標線幅
Eに変換されて偏差算出部46へ供給される。データ積
算部44、偏差算出部46、STC補正値生成部47は
例えばマイクロコンピュータにより機能させることがで
きる。
増幅度の位置、図5中の距離R=0における増幅度As
の値を変更しSTC特性を縦軸に沿って平行移動させれ
ばよい。また一般には送受波器24を降ろしながら測定
を行うが、例えば互いに背中合せの2個の送受波器24
を降ろしながら測定し、掘削中の底に到達したら、送受
波器24の送受波方向を水平面内で90度回転させて送
受波器24を引き上げながら測定するようにしてもよ
い。このようにすれば穴21の直径と傾きを測定するこ
とができる。また基礎杭のための竪穴の垂直度の測定に
限らず、他の竪穴の測定にも適用できる。
水が溜った穴内に超音波送受波器を上下方向に移動させ
ながら測定を行い、その途中で泥水の濃度が変動しても
壁面までの距離を正しく測定することができる。
す図、Bは記録状態の例を示す図である。
図。
受波信号の例を示す図。
図。
Claims (1)
- 【請求項1】 超音波送受波器を泥水が溜った穴内に上
下方向において移動させながら、超音波パルスを穴の壁
面に向けて放射し、その反射波を受波して受波信号の振
幅を感度時間制御部で制御し、その制御された受波信号
を用いて上記穴の壁面までの距離を記録する超音波測定
装置において、 受波超音波パルスにより記録されるべき記録幅を求める
手段と、 その記録されるべき記録幅と目標記録幅との差を求める
手段と、 その差が小さくなるように上記感度時間制御部の制御特
性を補正する手段と、を具備することを特徴とする超音
波測定装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001040009A JP3668690B2 (ja) | 2001-02-16 | 2001-02-16 | 超音波測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001040009A JP3668690B2 (ja) | 2001-02-16 | 2001-02-16 | 超音波測定装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002243841A true JP2002243841A (ja) | 2002-08-28 |
JP3668690B2 JP3668690B2 (ja) | 2005-07-06 |
Family
ID=18902695
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001040009A Expired - Lifetime JP3668690B2 (ja) | 2001-02-16 | 2001-02-16 | 超音波測定装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3668690B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006162328A (ja) * | 2004-12-03 | 2006-06-22 | Mitsubishi Electric Corp | 超音波距離計および超音波傾斜計 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5642158A (en) * | 1979-09-14 | 1981-04-20 | Toshiba Corp | Receiving device for ultrasonic wave |
JPS61135278U (ja) * | 1985-02-12 | 1986-08-23 | ||
JPH04134292A (ja) * | 1990-09-27 | 1992-05-08 | Hitachi Zosen Corp | シールド工法における地中前方探査の埋設物位置決定方法 |
-
2001
- 2001-02-16 JP JP2001040009A patent/JP3668690B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5642158A (en) * | 1979-09-14 | 1981-04-20 | Toshiba Corp | Receiving device for ultrasonic wave |
JPS61135278U (ja) * | 1985-02-12 | 1986-08-23 | ||
JPH04134292A (ja) * | 1990-09-27 | 1992-05-08 | Hitachi Zosen Corp | シールド工法における地中前方探査の埋設物位置決定方法 |
Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
JP2006162328A (ja) * | 2004-12-03 | 2006-06-22 | Mitsubishi Electric Corp | 超音波距離計および超音波傾斜計 |
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Publication number | Publication date |
---|---|
JP3668690B2 (ja) | 2005-07-06 |
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