JP4130010B2

JP4130010B2 - 埋設物探査方法および空洞検知用非接触高周波電流センサ

Info

Publication number: JP4130010B2
Application number: JP19441498A
Authority: JP
Inventors: 憲明木村; 恭二土井; 康成森; 孝佳弓井
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 1998-07-09
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2018-07-09
Also published as: JP2000028743A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中の導電率を測定したり、地中の空洞などを探知するためのセンサに係り、特に非接触で知立の導電率を測定したり、地中の空洞などを探査できる埋設物探査方法および導電率測定用センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地中に配管を埋設するなどの道路工事を行なった場合、通行に支障を生じないように埋め戻して舗装している。この際、埋め戻しが完全に行なわれて地中に空洞を生じていないかなどを確認するようにしている。そして、従来は、非破壊で道路の舗装下の空洞を探査する場合、地中に電磁波を放射し、その反射波を受信して空洞の有無を検知する地中レーダが使用されてきた。この地中レーダによる探査の特徴は、土と誘電率が異なる地中の物体の位置と大きさに関する正確な情報が得られることである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、地中に放射した電磁波は、空洞ばかりでなく金属などからも反射されるため、電磁波を反射した物体が空洞であるのか、その他の物体であるかを判断する必要がある。そして、空洞と他の物体との識別は、反射波の位相を調べることによって行なわれる。ところが、この位相はデリケートであって、地中における電磁波の減衰や、物体の形状、大きさ等によっても変化する。さらに、電磁波は、周波数が高くなると物体の表面のみで反射されるところから、物体の体積的な情報に欠ける問題がある。このため、例えば、舗装の直下に空洞があったしてもこれを識別することが困難である。
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、地中の空洞と他の物体とを容易に識別できるようにすることを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る埋設物探査方法は、測定対象に近接して配置した複数のアンテナ間に高周波電圧を印加して測定対象中に電流を流し、前記各アンテナ間の電圧降下量を検出して測定対象の導電率を測定して埋設物の有無を判別する構成となっている。高周波電圧を印加されたアンテナにより生ずる電界は、測定対象の面と直交した方向に指向させるようにすることが望ましい。
【０００５】
そして、上記の探査方法を実施するための本発明に係る導電率測定用センサは、探査対象に近接して配置した複数の送信アンテナと、これらの複数の送信アンテナ間に高周波電圧を印加する信号発生器と、前記複数の送信アンテナ間に配置され、隣接する送信アンテナ間の電圧降下量を検出する受信アンテナとを有する構成となっている。送信アンテナは、位相が相互に１８０度異なる前記高周波電圧が印加される複数の電極を有する２重極、４重極、８重極などの多重極に形成し、複数の電極を探査対象の面と直交した方向に一列の配置し、探査対象の面と直交した方向の指向性を有する電界を発生するように構成することができる。
【０００６】
【作用】
上記のように構成した本発明は、空洞と他の物（例えば、金属）との電気伝導度の相違を利用する。すなわち、地表に近接して配置した２つの送信アンテナ間に高周波電圧を印加すると、土は若干電気伝導性が有るために地中に高周波電流が流れる。そして、両送信アンテナ間に空洞が存在しない場合、地中を電流が流れることにより、両送信アンテナ間に一定の電圧降下を生ずる。しかし、地中に空洞が有ると、その部分は絶縁されるために電圧降下が小さくなる。また、地中に電気伝導度の大きな金属などの良導体が存在すると、電流がそこを集中的に流れるために送信アンテナ間の電圧降下が大きくなる。従って、送信アンテナ間の電圧降下を検出することにより、両アンテナ間に空洞が存在するか、または金属などの良導体が存在するかを判別することができる。そして、送信アンテナから生ずる電界を探査対象の面と直交した方向に指向性を持たせると、地中のより深いところにも電界を及ぼすことができ、空洞などの埋設物の検知能力を高めることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る埋設物探査方法および導電率測定用センサの好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る導電率測定用センサのブロック図である。図１において、センサ１０は、アンテナ部１２と高周波信号発生器１４とを有している。アンテナ部１２は、探査対象（測定対象）である地面に近接して配置する一対の送信アンテナ１６、１８と、一対の送信アンテナ１６、１８間に挿入配置される一対の受信アンテナ２０、２２から構成してある。そして、各送信アンテナ１６、１８は、詳細を後述するように、相互に位相を１８０度ずらされた高周波電圧が印加される複数の電極（この実施の形態においては４つの電極）を備えた多重極に形成してある。
【０００８】
高周波信号発生器１４は、１０〜１００ＭＨｚの間の適切な周波数、具体的には波長が探査領域（探査の深さ）の代表寸法に比べて十分長くなるような周波数の高周波信号を出力する。そして、高周波信号発生器１４の出力側には、方向性結合器３２が接続してある。この方向性結合器３２は、高周波信号発生器１４の出力した高周波信号を分割し、一部を送信信号としてパワースプリッタ３４に出力し、一部を受信信号を検出するための参照信号としてミキサ３６に与える。
【０００９】
パワースプリッタ３４は、入力した信号を２つに分割するとともに、分割した一方の信号の位相を方向性結合器３２から入力した信号の位相と０度位相の信号とし、他方の信号の位相を入力信号の位相に対して１８０度ずらした１８０度位相信号にする。そして、パワースプリッタ３４は、０度位相信号を送信アンテナ１６側のパワースプリッタ３８に入力し、１８０度位相信号信号を送信アンテナ１８側のパワースプリッタ４０に入力する。また、パワースプリッタ３８、４０は、パワースプリッタ３４と同様に信号の分割して入力信号と同相の信号と位相を１８０度ずらせた信号とを出力し、これらの信号をパワースプリッタ４２、４４、４６、４８に送出する。そして、これらのパワースプリッタ４２〜４８も同様に入力信号と同相の信号と位相を１８０度ずらせた信号とを出力し、これらの信号を送信アンテナ１６、１８を構成している電極に与える。
【００１０】
一方、受信アンテナ２０、２２は、パワーコンバイナ５０に接続してある。このパワーコンバイナ５０は、受信アンテナ２０が受信した０度位相信号と、受信アンテナ２２が受信した１８０度位相信号とを１つの信号に合成し、増幅器５２を介してミキサ３６に入力する。そして、ミキサ３６は、増幅器５２の出力信号に方向正結合器３４からの参照信号を加えた得た受信信号を、中間周波（ＩＦ）増幅器・フィルタ５４を介して制御装置５６に入力するようになっている。この制御装置５６には、ロータリエンコーダ５８が接続してあって、センサ１０を移動させるのに伴ってロータリエンコーダ５８から信号が入力するようになっている。そして、制御装置５６は、ロータリエンコーダ５８の出力信号を計数してセンサ１０の所定移動距離毎（例えば、１ｃｍ毎）に高周波信号発生器１４にトリガ信号を与えて送信信号を出力させる。さらに、制御装置５６には、信号処理器・表示器６０が接続してあり、ＩＦ増幅器・フィルタ５４が出力した検波信号（ＩＦ信号）と、ロータリエンコーダ５８の出力に基づく距離上方とを信号処理器・フィルタ５６に送出し、送信アンテナ１６、１８間の電圧降下の状態を表示できるようになっている。
【００１１】
アンテナ部１２は、図２に示したように、絶縁板６２の上端部に電場を反射するための金属板６４が取り付けてあって、絶縁板６２と金属板６４とを直交させて固着し、一体化してある。また、絶縁板６２には、絶縁体からなる４枚の取付け板６６、６８、７０、７２が絶縁板６２と金属板６４とに直交させて固定してある。そして、各取付け板６６、６８、７０、７２は、取付け間隔ｐ（この実施形態の場合、４０ｃｍ）をもって配置してあって、両端の取付け板６６、７２に送信アンテナ１６、１８が取り付けてある。また、取付け板６６と取付け板７２との間に配置した取付け板６８、７０には、受信アンテナ２０、２２が取り付けてある。なお、取付け板６６〜７２の配置間隔、すなわち各アンテナの間隔は、等間隔である必要はない。
【００１２】
送信アンテナ１６、１８は、金属棒からなる４つの電極が金属板６４と直交する上下方向に一列に、かつ等間隔で金属板６４と平行に配置してある。アンテナを構成する金属棒は、アンテナの大きさによって長さＬと太さ（直径）Ｄとを設定することができる。ただし、太さは、１０ｃｍ以下にすることが望ましく、丸棒でなく角棒状であってもよい。そして、この実施の形態においては、長さが１ｍ、直径が３ｃｍのものを使用している。また、絶縁板６２の幅Ｂ、すなわち金属板６４の下面から絶縁板６２の下端までの距離Ｂは、実施の形態の場合２０ｃｍにしてある。
【００１３】
一方の送信アンテナ１６は、位相０度の信号（高周波電圧）が与えられる電極７４、７６を上端と下端とに配置してあり、これらの電極７４、７６の間に配置した電極７８、８０に位相１８０度の信号が与えられる。また、他方の送信アンテナ１８は、上端と下端との電極８２、８４に１８０度位相信号が与えられ、中間に配置した電極８６、８８に０度位相信号が与えられるようになっている。そして、取付け板６８に取り付けた受信アンテナ２０は、例えば送信アンテナ１６に与えられた０度位相信号による送信アンテナ１６、１８間の電圧降下を検出し、取付け板７０に取り付けた受信アンテナ２２は、送信アンテナ１６に与えられた１８０度位相信号についての送信アンテナ１６、１８間の電圧降下を検出する。
【００１４】
上記のごとく構成した実施形態の作用は、次のとおりである。
まず、センサ１０を例えば車両の下部に取り付け、アンテナ部１２が地面から数ｃｍ〜１０ｃｍ程度離れるように、また地面と平行となるようにセットする。そして、車両を例えば時速４０ｋｍ以下の速度で探査範囲を走行させる。これにより、ロータリエンコーダ５８が地面を転動し、所定の回転角度毎にパルス信号を制御装置５６に出力する。そして、制御装置５６は、ロータリエンコーダ５８の出力パルスを計数し、車両の所定走行距離（例えば、２ｃｍ）毎に高周波信号発生器１４にトリガ信号を与える。高周波信号発生器１４は、制御装置５６からのトリガ信号に同期して１０〜１００ＭＨｚの固定された埋設物（空洞）の探査に適切な周波数の高周波送信信号を発生し、方向性結合器３２に与える。
【００１５】
ここに、高周波信号発生器１４の出力する埋設物の探査に適切な周波数の高周波信号とは、波長がセンサ１０による測定領域（地表からの深さ）の代表寸法に比べて十分長い周波数の信号である。これは、次の理由による。
高周波信号発生器１４の出力した高周波信号は、地中を電波として伝わっていく。しかし、センサ１２からあまり離れていない領域（例えば、センサ１２から測定領域の代表寸法の数倍以内の距離のところ）では、波長が測定領域の代表寸法より十分に長い場合、静的な電場があるのと等価と見なせる。そして、この静的な電場が仮定できないような条件において測定すると、送信アンテナ１６、１８間の距離やアンテナから埋設物までの距離などに応じて高周波信号の位相が変化し、送信アンテナ１６、１８間の電位の降下を簡単に判断できなくなる。すなわち、測定の情報不足の状態となる。
【００１６】
方向性結合器３２は、高周波信号発生器１４の出力した信号を分割し、一部を送信信号としてパワースプリッタ３４に入力し、一部を受信用の参照信号としてミキサ３６に入力する。パワースプリッタ３４は、入力信号を２つに分割し、一方を入力した信号と同位相の０度位相信号としてパワースプリッタ３８、４２、４４を介して一方の送信アンテナ１６に与え、他方を入力信号と位相を１８０度ずらせた１８０度位相信号としてパワースプリッタ４０、４６、４８を介して他方の送信アンテナ１８に与える。
【００１７】
送信アンテナ１６は、例えば上下端の電極７４、７６に０度位相の信号が与えられ、中間の電極７８、８０に１８０度位相の信号が与えられる。すなわち、図３に示したように、例えば電極７４、７６に（＋）の電圧が印加された場合、電極７８、８０には（−）の電圧が印加される。また、送信アンテナ１８は、送信アンテナ１６と逆に、上下端の電極８２、８４に１８０度位相信号が与えられ、中間の電極８６、８８に０度位相の信号が与えられる。そして、４つの電極を有する送信アンテナ１６、１８は、金属板６４の反射効果によって８重極と同様の電場を発生し、探査対象の面である地面９０と直交した方向の指向性を有する電場が探査対象である地中９２に形成される。
【００１８】
送信アンテナ１６に与えられた信号（電圧）と送信アンテナ１８に与えられた信号とは、位相が１８０度異なっているため、両者間に電位差を生じ、矢印９４のように電流が流れる。そして、実質的に８重極である各送信アンテナ１６、１８によって生じた電場は、４つの電極が地面９０と直交した方向に一列に配置されているため、地面９０と直交した方向の指向性を有して地中９２により深く入り、電流９４がより深いところでも流れる。なお、図３中に示した符号９６、９８は、送信アンテナ１６、１８によって生じた電場の等電位面を示す。
【００１９】
送信アンテナ１６、１８間に配置された受信アンテナ２０、２２は、電位の変化に応じた受信信号をパワーコンバイナ５０に入力する。パワーコンバイナ５０は、受信アンテナ２０、２２からの信号を合成し、増幅器５２を介してミキサ３６に出力する。そして、ミキサ３６は、増幅器５２の出力信号に方向性結合器３２からの参照信号を加えてＩＦ信号を合成し、ＩＦ信号増幅器・フィルタ５４を介して制御装置５６に入力する。また、制御装置５６は、フィルタを透過したＩＦ信号をロータリエンコーダ５８の出力信号に基づいて求めた位置（走行距離）情報とともに信号処理器・表示器６０に送出する。信号処理器は、入力したＩＦ信号から送信アンテナ１６、１８間の電圧降下の状態を求め、それを位置の情報とともに表示器に表示する。これにより、地中９２に空洞が存在しているか否かを容易に判別することができる。
【００２０】
すなわち、送信アンテナ１６、１８間に土と電気伝導度の異なる空洞や金属などが存在しない場合には、アンテナ１６、１８間の電圧降下が一定であるが、空洞などの土より電気伝導度の小さい絶縁物が存在すると、検出される電圧降下が小さくなり、土より電気伝導度の大きな金属などが存在すると、電圧降下が大きくなるため、地中９２に存在する空洞を金属や粘度、水などの他の物と容易に識別することができる。しかも、実施の形態においては、送信アンテナ１６、１８を多重極としたことにより、地中９２のより深くまで探査可能な電界を形成することができ、地中９２の深いところに存在する空洞も検知することができる。また、実施の形態においては、アンテナ部１２が送信アンテナ１６、１８の上部に金属板６４を有しているため、金属板６４の反射によって電界の指向性を高めることができるとともに、金属板６４の上方に電界が生ぜず、センサ１０を車両などに搭載しても電界による影響を受けることがない。
【００２１】
なお、実施の形態に係るセンサ１０を地中レーダと併用し、地中レーダによって埋設物の位置と大きさを特定し、実施の形態に係るセンサ１０を用いて埋設物の種類を識別することにより、より有効に空洞などの探査することができる。また、前記実施の形態においては、探査対象が地中９２である場合について説明したが、探査対象は電流が流れるものであればコンクリートやセラミックなどであってもよい。
【００２２】
【実施例】
実験用土槽１００内の土１０２中の深さ５ｃｍの位置に試料として、塩水１０４、粘土１０６、空気１０６を封入した直径１０ｃｍ、高さ６ｃｍの円筒状プラスチック容器と、直径１５ｃｍの銅板１１０を埋めた。そして、図２に示したと同様のアンテナ部１２を作成し、アンテナ部１２を約１０ｃｍ／ｓｅｃの速度で図４の矢印１１２の方向に移動させ、土槽１００に埋設した上記試料の探査試験を行なった。ただし、電極の寸法は、長さＬが１６ｃｍ、直径が１．５ｃｍであって、送信アンテナ１６、１８の上下方向の寸法Ｂが４ｃｍである。また、アンテナ間のピッチｐが７ｃｍである。また、探査に使用した周波数は２５０ＭＨｚであり、高周波信号発生器１４の出力は１ｍＷである。
【００２３】
図５は、探査結果を示したもので、横軸がアンテナ部１２の移動距離（単位はｃｍ）を示し、縦軸がセンサ１０の出力（単位はμＵｎｉｔ）である。そして、図５においては、土１０２を基準、すなわち受信アンテナ２０、２２を土１０２に接触させた状態でアンテナ部１２を移動させている。図５から明らかなように、埋設物の電気伝導度が大きいほど絶対値の大きな負の値を示し、大きな電圧降下が生じていることがわかる。そして、絶縁物である空気（空洞）の場合には、絶対値の大きな正の値を示す。
【００２４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、探査対象に近接して配置した複数の送信アンテナ間に高周波電圧を印加して探査対象中に電流を流し、送信アンテナ間の電圧降下の状態を検出することにより、探査対象と異なる電気伝導度を有する埋設物の存在を容易に検知することができる。そして、アンテナから生ずる電界を探査対象の面と垂直方向に指向性を持たせると、地中のより深いところにも電界を及ぼすことができ、空洞の検知能力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る導電率測定用センサのブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るアンテナ部の詳細説明図である。
【図３】実施の形態に係るアンテナ部によって発生する電界の説明図である。
【図４】実施例に用いた土槽の説明図である。
【図５】図４に示した土槽を実施例に係るアンテナ部によって探査した結果を示す図である。
【符号の説明】
１０センサ
１２アンテナ部
１４信号発生器（高周波信号発生器）
１６、１８送信アンテナ
２０、２２受信アンテナ
３２方向性結合器
３６ミキサ
５６制御装置
６０信号処理器・表示器

Claims

測定対象に近接して配置した複数のアンテナ間に高周波電圧を印加して測定対象中に電流を流し、前記各アンテナ間の電圧降下量を検出して測定対象の導電率を測定して埋設物の有無を判別することを特徴とする埋設物探査方法。
前記アンテナは、前記測定対象の面と直交した方向に指向した電界を発生することを特徴とする請求項１に記載の埋設物探査方法。
探査対象に近接して配置した複数の送信アンテナと、これらの複数の送信アンテナ間に高周波電圧を印加する信号発生器と、前記複数の送信アンテナ間に配置され、隣接する送信アンテナ間の電圧降下量を検出する受信アンテナとを有することを特徴とする導電率測定用センサ。
前記送信アンテナは位相が相互に１８０度異なる前記高周波電圧が印加される複数の電極を有する多重極に形成され、前記複数の電極は探査対象の面と直交した方向に一列に配置してあることを特徴とする請求項３に記載の導電率測定用センサ。