TWI500909B - 物質界面感測方法 - Google Patents

Description

物質界面感測方法

本發明係關於一種物質界面感測方法及感測裝置，特別是關於一種偵測二層以上物質間之界面位置或界面位置之變化的感測方法及裝置。

物質界面之感測是目前防災產業經常忽略的監控或偵測方式，其主要原因是到目前並沒有簡易、穩定、而又有效的技術來據以實施。

每年因颱風或地震等原因而造成橋樑斷裂倒塌，以及人員傷亡、財產損失的案件不計其數。根據中華民國公路總局統計資料，目前台灣橋樑數共10491座，其中不乏有年久失修而危險性甚高的橋樑。因此實在有必要在每座橋樑上裝置橋樑安全監控系統，以預防因天災造成橋樑倒塌而導致的人員傷亡及重大財產損失。

然而，要在國內所有橋樑達到安全監控系統100%的裝置率，其實有很多的挑戰，例如：安全監控系統的穩定性是否足夠，及其製造成本是否能夠達到廣泛應用的低廉價位等。

上述之橋樑安全監控系統所監控的範圍，大致上包含橋墩沖刷監控、橋墩傾斜監控、橋樑位移監控等。其中以橋墩沖刷監控最具挑戰性，因為橋墩沖刷監控器之感測裝置需要直接安置於河床，然而在某些惡劣水域，例如在水流湍急的水域或是有漂流木、石頭或泥砂混濁的河域中，傳統橋墩沖刷感測器容易受到外在環境的干擾甚至是遭受異物撞擊而毀損，所以在惡劣環境的水域中長期並持續進行橋墩沖刷監控，是一件重要但卻又是充滿挑戰的任務。因此，希望能有一種感測裝置，不但製作成本低、容易大量佈置，並可以於惡劣的環境中長期監控，便成為橋梁安全的一個重要課題，亦是物質界面感測裝置及感測方法一個重要的研發及應用方向。

本發明為一種物質界面感測方法及一種物質界面感測裝置。物質界面感測方法除了可以即時偵測物質間之界面位置，並能對界面位置之變化進行處理及監控。物質界面感測裝置係藉由射頻發射單元及射頻接收單元，發射、接收及分析射頻信號，以感測物質間界面位置或界面位置之變化。

本發明係提供一種物質界面感測方法，其包括下列步驟：固設感測模組，其係將二個以上之感測模組以垂直方向固定設置於上下相鄰接的至少二物質之中，且每一物質中最少固定設置一感測模組，又每一感測模組包括一射頻發射單元及一射頻接收單元，射頻發射單元與射頻接收單元係設置於同一物質之不同位置且水平相對應；發射及接收射頻信號，其係由每一射頻發 射單元發射射頻信號，並由每一相對應之射頻接收單元接收射頻信號；以及分析射頻信號，其係由每一射頻接收單元分析射頻信號之振幅或相位並感測或監控相鄰二物質間之一界面位置或界面位置之變化。

本發明又提供一種物質界面感測方法，其包括下列步驟：固設射頻發射單元及射頻接收單元，其係將一射頻發射單元及複數個射頻接收單元以垂直方向分別固定設置於上下相鄰接的至少二物質之中，且每一物質中最少固定設置一射頻接收單元；發射及接收射頻信號，其係由射頻發射單元發射射頻信號，並由該些射頻接收單元接收射頻信號；以及分析射頻信號，其係由該些射頻接收單元分析射頻信號之振幅或相位並感測或監控相鄰二物質間之一界面位置或界面位置之變化。

本發明又提供一種物質界面感測裝置，其包括至少二感測模組，分別固定設置於相鄰接的至少二物質之中，且每一物質中最少設置一感測模組，其中每一感測模組具有一射頻發射單元及一射頻接收單元，射頻發射單元與射頻接收單元係設置於同一物質之不同位置且水平相對應，射頻接收單元係接收射頻發射單元所發射之一射頻信號、分析射頻信號並感測或監控相鄰二物質間之一界面位置或界面位置之變化。

本發明再提供一種物質界面感測裝置，其包括一射頻發射單元以及複數個射頻接收單元，分別設置於相鄰接的至少二物質之中，且每一物質之中固設至少一射頻接收單元，該些射頻接收單元係接收射頻發射單元所發射之射頻信號、分析射頻信號並感測或監控相鄰二物質間之一界面位置或界面位置之變化。

本發明又再提供一種物質界面感測裝置，其包括複數個射頻發射單元以及一射頻接收單元，分別設置於相鄰接的至少二物質之中，且每一物質之中固設至少一射頻發射單元，射頻發射單元係發射一射頻信號，射頻接收單元係接收、分析射頻信號並感測或監控相鄰二物質間之一界面位置或界面位置之變化。

本發明係又再提供一種物質界面感測裝置，其包括至少二感測模組，分別固定設置於相鄰接的至少二物質之中，其中每一感測模組具有一射頻發射單元及一射頻接收單元，射頻接收單元係接收射頻發射單元所發射並由一物體反射之射頻信號，且分析射頻信號並感測或監控物體之狀態。

藉由本發明之實施，至少可以達到下列進步功效：一、製造及裝設皆快速簡便又成本低廉；二、即時偵測物質間界面位置的變化；及三、應用於即時災害偵測及監控，避免人員或金錢的災害損失。

為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。

100‧‧‧物質界面感測裝置

10‧‧‧感測模組

11‧‧‧射頻發射單元

111‧‧‧第一天線

112‧‧‧控制單元

113‧‧‧第一載具

12‧‧‧射頻接收單元

121‧‧‧第二天線

122‧‧‧分析單元

123‧‧‧第二載具

21、22、23‧‧‧物質

2X‧‧‧物質

30‧‧‧射頻信號

40‧‧‧界面位置

50‧‧‧監控模組

60‧‧‧塊體

第1圖係為本發明實施例之一種物質界面感測方法步驟流程圖；第2圖係為本發明實施例之另一種物質界面感測方法步驟流程圖；第3圖係為本發明實施例之一種物質界面感測裝置示意圖； 第4圖係為本發明實施例之一種感測模組示意圖；第5圖係為本發明實施例之一種感測模組及監控模組示意圖；第6圖係為本發明實施例之另一種感測模組及監控模組示意圖；第7圖係為本發明實施例之一種於不同物質中射頻信號之振幅大小示意圖；第8圖係為本發明實施例之又一種感測模組及監控模組示意圖；及第9圖係為本發明實施例之再一種感測模組及監控模組示意圖；

如第1圖所示，為實施例之一種物質界面感測方法S100，其包括下列步驟：固設感測模組(步驟S10)、發射及接收射頻信號(步驟S20)及分析射頻信號(步驟S30)。

如第1圖及第3圖所示，固設感測模組(步驟S10)，其係將二個以上之感測模組10以垂直方向固定設置於上下相鄰接的至少二物質2X之中(2X為21、22、...；X=正整數)，且每一物質2X中最少固定設置一感測模組10，又每一感測模組10包括一射頻發射單元11及一射頻接收單元12，射頻發射單元11與射頻接收單元12係設置於同一物質2X之不同位置且水平相對應。

同樣如第1圖及第3圖所示，發射及接收射頻信號(步驟S20)，其係由每一射頻發射單元11發射射頻信號30，並由每一相對應之射頻接收單元12接收射頻信號30。

再如第1圖及第3圖所示，分析射頻信號(步驟S30)，其係由每一射頻接收單元12分析射頻信號30之振幅或相 位並感測或監控相鄰物質2X間之界面位置40或界面位置40之變化。

如第1圖、第3圖及第4圖所示，物質界面感測方法S100中，射頻發射單元11具有一第一天線111、一控制單元112及一第一載具113，射頻接收單元12具有一第二天線121、一分析單元122及一第二載具123。

射頻發射單元11係可以具有一第一天線111、一控制單元112及一第一載具113，第一天線111及控制單元112係可以密封設置於第一載具113之內，使第一天線111及控制單元112可以避免受到物質2X的破壞或影響，其中控制單元112係可控制第一天線111發射出射頻信號30，而且第一載具113係可受射頻信號30穿透。

射頻接收單元12係接收射頻發射單元11所發射之射頻信號30，並且可以分析射頻信號30以感測或監控相鄰物質2X間之界面位置40或界面位置40之變化。

射頻接收單元12係可以具有一第二天線121、一分析單元122及一第二載具123，第二天線121及分析單元122係可以密封設置於第二載具123之內，使第二天線121及分析單元122可以避免受到物質2X的破壞或影響，且分析單元122係可控制第二天線121接收第一天線111發射出之射頻信號30並分析射頻信號30及進行信號處理，以感測或監控相鄰物質2X間之界面位置40或界面位置40之變化，其中第二載具123係可以受射頻信號30穿透。

又其中射頻信號30可以為固定頻率或二種以上頻 率之射頻信號30，且射頻信號30可以為一連續波或一脈波，其中連續波又可以為無調變連續波、間歇式連續波、相位調變連續波、頻率調變連續波或振幅調變連續波。脈波又可以為週期性脈波、相位調變脈波或頻率調變脈波。

如第2圖所示，為實施例之另一種物質界面感測方法S200，其包括有下列步驟：固設射頻發射單元及射頻接收單元(步驟S10’)、發射及接收射頻信號(步驟S20)及分析射頻信號(步驟S30)。

如第2圖及第6圖所示，固設射頻發射單元及射頻接收單元(步驟S10’)，其係將一射頻發射單元11及複數個射頻接收單元12以垂直方向分別固定設置於上下相鄰接的至少二物質2X之中，且每一物質2X中最少固定設置一射頻接收單元12。

如第1圖及第2圖所示，物質界面感測方法S200之發射及接收射頻信號(步驟S20)及分析射頻信號(步驟S30)，係與物質界面感測方法S100中之步驟相同，於此不加贅述。

如第2圖所示之物質界面感測方法S200，藉由單一個射頻發射單元11發射射頻信號30與複數個射頻接收單元12接收射頻信號30，亦可以達到感測或監控相鄰物質2X間之界面位置40或界面位置40之變化的目的。

如第3圖所示，實施例之一種物質界面感測裝置100，包括有至少二感測模組10，分別固定設置於相鄰接的至少二物質2X之中(2X為21、22、...；X=正整數)。

如第3圖至第5圖所示，每一物質2X之中最少設置一感測模組10，而且每一感測模組10皆具有一射頻發射單元11 及一射頻接收單元12，其中射頻發射單元11與射頻接收單元12係設置於同一物質2X之不同位置且水平相對應。它們的關聯性及特性皆如前述，於此不重複說明。

如第3圖至第5圖所示之射頻信號30可以為固定頻率或二種以上頻率之射頻信號30，且射頻信號30可以為一連續波或一脈波，其中連續波又可以為無調變連續波、間歇式連續波、相位調變連續波、頻率調變連續波或振幅調變連續波。脈波又可以為週期性脈波、相位調變脈波或頻率調變脈波。

如第4圖及第5圖所示，每一物質2X中設置之感測模組10，可以因使用者的需求，任意改變感測模組10的數目及每一感測模組10之射頻發射單元11與射頻接收單元12的距離。由於感測模組10之射頻發射單元11及射頻接收單元12分別密封設置於第一載具113及第二載具123內，所以不容易受到環境干擾且不易損毀。

如第3圖至第5圖所示實施例之物質界面感測裝置100，其中射頻接收單元12接收的射頻信號30之強度隨著物質2X的導電率增加而減少，而且射頻信號30隨著距離而衰減的係數也會隨著物質2X的不同而有所改變，再加上不同物質2X對射頻信號30產生不同的相位偏移之特性，射頻信號30通過不同物質2X時，射頻信號30的相位及振幅會隨著物質2X的不同而改變，利用這樣的原理，分析單元122即可分析在感測模組10附近環境的物質2X，並可以判斷物質2X間之界面位置40或物質2X本身是否產生改變。

此外，一般物質2X對射頻信號30的吸收量會隨著 射頻信號30頻率而不同，為避免採用單一頻率之射頻信號30來感測環境物質2X可能發生誤判的情形，可以採用多頻段的射頻信號30來感測物質2X，便可以大大提高對物質2X或其變化之感測的準確率。

如第5圖至第9圖所示，射頻信號30通過不同物質2X，如圖式中的空氣21、水22、或河床23的土石等之時，將會產生不同的射頻信號30之衰減及延遲，衰減即為振幅之變化而延遲即為相位之變化。

如第7圖右半部之圖式所示，即為於不同物質2X(空氣21、水22、或河床23)之中，射頻發射單元11發射相同大小的射頻信號30，射頻接收單元12所接收到的射頻信號30振幅大小不同。

此時再經由分析單元122分析射頻信號30的振幅及相位，即可得知在感測模組10附近的物質2X是否相同，進而判斷物質2X間是否有界面位置40存在，或物質2X本身已經產生改變。將感測模組10垂直或水平固定設置於待測環境中(例如：河水、土壤等)，感測模組10發射、接收射頻信號30並加以分析後，即可得知待測環境中物質2X的分佈狀況。

如第6圖所示，物質界面感測裝置100亦可以包括僅有一射頻發射單元11以及複數個射頻接收單元12。此時射頻發射單元11固設於一物質2X之中，而該些射頻接收單元12則分別固設於不同物質2X之中，且每一物質2X之中係固設有至少一射頻接收單元12，該些射頻接收單元12係接收射頻發射單元11所發射之射頻信號30、分析射頻信號30並感測或監控相鄰物質2X 間之界面位置40或界面位置40之變化。

如第5圖至第9圖所示，物質2X界面感測裝置100可以進一步具有一監控模組50與射頻發射單元11或射頻接收單元12訊號相連接。監控模組50可以為一電腦模組，不但可以對射頻發射單元11或射頻接收單元12進行在地或遠端監控，更可持續將分析之資料傳送至物質界面感測裝置100之外。

如第8圖所示，物質界面感測裝置100亦可以包括複數個射頻發射單元11以及僅有一射頻接收單元12。此時射頻發射單元11固設於一個以上之物質2X之中，而射頻接收單元12則固設且延伸於不同物質2X之中，且每一物質2X之中係固設有至少一射頻發射單元11，該些射頻發射單元11係發射射頻信號30而由射頻接收單元12接收、分析射頻信號30並感測或監控相鄰物質2X間之界面位置40或界面位置40之變化。

如第9圖所示，物質界面感測裝置100亦可以將射頻發射單元11及射頻接收單元12固設於同一側，而使射頻發射單元11所發射之射頻信號30經由塊體60反射後，再由射頻接收單元12接收、分析射頻信號30並感測或監控相鄰物質2X間之界面位置40或界面位置40之變化。

如第9圖所示之塊體60在應用實施例上，可以是堤防、橋墩或是人工置入而可以反射射頻信號30之電波反射體。

惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。

100‧‧‧物質界面感測裝置

10‧‧‧感測模組

11‧‧‧射頻發射單元

12‧‧‧射頻接收單元

21、22‧‧‧物質

30‧‧‧射頻信號

40‧‧‧界面

Claims (5)

1. 一種物質界面感測方法，其包括下列步驟：固設感測模組，其係將二個以上之該感測模組以垂直方向固定設置於上下相鄰接的至少二物質之中，且每一該物質中最少固定設置一該感測模組，又每一該感測模組包括一射頻發射單元及一射頻接收單元，該射頻發射單元與該射頻接收單元係設置於同一該物質之不同位置且水平相對應；發射及接收射頻信號，其係由每一該射頻發射單元發射該射頻信號，並由每一相對應之該射頻接收單元接收該射頻信號；以及分析射頻信號，其係由每一該射頻接收單元分析該射頻信號之振幅或相位並感測或監控相鄰二該物質間之一界面位置或該界面位置之變化，其中該射頻發射單元及該射頻接收單元係固設於同一側，且射頻發射單元所發射之一射頻信號係經由一塊體反射後，再由該射頻接收單元接收、分析該射頻信號並感測或監控相鄰之該物質間之一界面位置或該界面位置之變化。
2. 一種物質界面感測方法，其包括下列步驟：固設射頻發射單元及射頻接收單元，其係將一該射頻發射單元及複數個該射頻接收單元以垂直方向分別固定設置於上下相鄰接的至少二物質之中，且每一該物質中最少固定設置一該射頻接收單元；發射及接收射頻信號，其係由該射頻發射單元發射該射頻信號，並由該些射頻接收單元接收該射頻信號；以及 分析射頻信號，其係由該些射頻接收單元分析該射頻信號之振幅或相位並感測或監控相鄰二該物質間之一界面位置或該界面位置之變化，其中該射頻發射單元及該射頻接收單元係固設於同一側，且射頻發射單元所發射之一射頻信號係經由一塊體反射後，再由該射頻接收單元接收、分析該射頻信號並感測或監控相鄰之該物質間之一界面位置或該界面位置之變化。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之物質界面感測方法，其中該射頻發射單元具有一第一天線、一控制單元及一第一載具，該第一天線及該控制單元係密封設置於該第一載具之內，且該控制單元係控制該第一天線發射該射頻信號，其中該第一載具係受該射頻信號穿透。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之物質界面感測方法，其中該射頻接收單元具有一第二天線、一分析單元及一第二載具，該第二天線及該分析單元係密封設置於該第二載具之內，且該分析單元係控制該第二天線接收該射頻信號並分析該射頻信號及進行信號處理，其中該第二載具係受該射頻信號穿透。
5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之物質界面感測方法，其中該射頻信號為一連續波或一脈波，且該射頻信號為固定頻率或混和二種以上頻率之射頻信號。