TWI629456B - 環境監測系統與震動感測裝置 - Google Patents

Abstract

一種環境監測系統，用來監測一河床、一湖床或一海床之一環境變化情形，該環境監測系統包含有一拉線裝置，設置在一監測點，用來收放一傳輸線；一固定管，固定佈設在該監測點與一結構層內間，用來容置該傳輸線；複數個震動感測裝置，分別設置在該傳輸線上，用來將所感測到之震動能量轉換為相對應之複數個電子訊號，並透過該傳輸線傳輸該複數個電子訊號；以及一分析裝置，耦接於該拉線裝置及該傳輸線，用來由該拉線裝置取得該傳輸線之一放線長度，並根據該放線長度及該複數個電子訊號，判斷出該環境變化情形，以進行監測。

Description

環境監測系統與震動感測裝置

本發明係關於一種環境監測系統，尤指一種可藉由不需額外提供電源之震動感測裝置來準確及簡易地監測河床沖刷深度之環境監測系統。

近年來，降雨時間短暫及降雨量強大之現象不斷出現，造成河川之水位上升及水流湍急，使得河床被強大河流沖刷而迅速地下降，進而造成橋基嚴重裸露。當橋基下部結構不穩定時，若外在的作用力大於橋基所能承受的力量，則橋基可能會下陷、傾斜、側移或甚至是倒塌，甚至可能造成交通中斷及人命的損失。

因此，如何簡易及準確地監測河床被沖刷之深度，以預先針對被淘空之橋基進行相關之補救防範措施，可謂當前災害防救領域中極為重要且困難的課題之一。

因此，本發明提供一種環境監測系統，其可藉由不需額外提供電源之震動感測裝置來簡易及準確地監測河床之沖刷深度，以預防橋基之沖刷災害。

本發明揭露一種環境監測系統，用來監測一河床、一湖床或一海床之一環境變化情形，該環境監測系統包含有一拉線裝置，設置在該河床、該湖床或該海床上方之一監測點，用來收放一傳輸線；一固定管，固定佈設在該監測點與該河床、該湖床或該海床下方的一結構層內之間，用來容置該傳輸線，以將該傳輸線由該拉線裝置連接至該結構層內；複數個震動感測裝置，電性連接至該傳輸線中所包含之複數個電線，用來將所感測到之震動能量轉換為相對應之複數個電子訊號，並透過該傳輸線傳輸該複數個電子訊號；以及一分析裝置，耦接於該拉線裝置及該傳輸線，用來由該拉線裝置取得該傳輸線之一放線長度且由該傳輸線接收該複數個電子訊號，並根據該放線長度及該複數個電子訊號，判斷出該環境變化情形，以進行監測。

本發明另揭露一種震動感測裝置，包含有一第一線圈板件，包含有一第一基板、一第一金屬線圈、一第二金屬線圈及一第一金屬連接孔，其中，該第一金屬線圈及該第二金屬線圈佈設於該第一基板之上、下兩側，並透過貫穿該第一基板之該第一金屬連接孔相串接；一第二線圈板件，大致與該第一線圈板件平行設置，包含有一第二基板、一第三金屬線圈、一第四金屬線圈及一第二金屬連接孔，其中，該第三金屬線圈及該第四金屬線圈佈設於該第二基板之上、下兩側，並透過貫穿該第二基板之該第二金屬連接孔相串接；一第一滑軌及一第二滑軌，設置於該第一線圈板件與該第二線圈板件之間；一第一磁性固定元件，固定在該第一滑軌及該第二滑軌之一端；一第二磁性固定元件，固定在該第一滑軌及該第二滑軌之另一端；以及一可移動磁性元件，夾置在該第一線圈板件與該第二線圈板件間之該第一滑軌與該第二滑軌之間，且位在該第一磁性固定元件及該第二磁性固定元件之間，分別與該第一磁性固定元件及該第二磁性固定元件產生一第一磁斥力及一第二磁斥力。

10‧‧‧環境監測系統

100‧‧‧拉線裝置

102‧‧‧固定管

104‧‧‧傳輸線

106‧‧‧分析裝置

110‧‧‧拉線機

112‧‧‧拉線編碼器

114‧‧‧監測點

120‧‧‧河床

122‧‧‧砂石層

130‧‧‧橋基

SD1_1~SD1_n‧‧‧震動感測裝置

SD2_1~SD2_m‧‧‧震動感測裝置

200‧‧‧空孔

L1_1~L1_n‧‧‧電線

L2_1~L2_m‧‧‧電線

H‧‧‧沖刷深度

40‧‧‧震動感測裝置

400‧‧‧第一滑軌

401‧‧‧第二滑軌

402‧‧‧第一線圈板件

404‧‧‧第二線圈板件

406‧‧‧第一磁性固定元件

408‧‧‧第二磁性固定元件

410‧‧‧可移動磁性元件

420‧‧‧金屬線圈

422‧‧‧基板

424‧‧‧金屬線圈

425‧‧‧金屬連接孔

426‧‧‧金屬線圈

428‧‧‧基板

430‧‧‧金屬線圈

431‧‧‧金屬連接孔

F1‧‧‧第一磁斥力

F2‧‧‧第二磁斥力

第1圖為本發明實施例一環境監測系統之示意圖。

第2A圖為第1圖中一固定管之外觀示意圖。

第2B圖為第1圖中位於砂石層內之一固定管、複數個震動感測裝置及一傳輸線的示意圖。

第2C圖為第1圖中當砂石層受沖刷下降時位於砂石層內之一固定管、複數個震動感測裝置及一傳輸線的示意圖。

第3圖為第1圖中非位於砂石層122內一固定管、複數個震動感測裝置及一傳輸線的示意圖。

第4圖為本發明實施例一震動感測裝置之元件側視圖。

第5A~5B圖為第4圖中震動感測裝置之運作情形的示意圖。

請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一環境監測系統10的示意圖。環境監測系統10用來監測一河床、一湖床或一海床之一環境變化情形，如結構層之沖刷深度、水位高度及水流速度等，而結構層可為砂石層、沉積層、底土層、岩石層等，且不限於此。為求簡潔，以下以監測一河床120之沖刷深度為例進行說明，且河床120之結構層以砂石層為主。如第1圖所示，一橋基130座落在河床120下的砂石層中，當橋基130附近之一砂石層122遭受到劇烈水流之沖刷時，砂石層122會被淘空而下降，下降之高度可視為河床120之沖刷深度；其中，由於沖刷所在之位置位於橋基130附近，故亦稱為河床120之局部沖刷深度。在此情形下，環境監測系統10可用來監測河床120之沖刷深度，適時地進行防範措施以避免橋基130嚴重下陷而崩塌。

具體而言，環境監測系統10包含有一拉線裝置100、一固定管102、 一傳輸線104、一分析裝置106、及震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m。固定管102由河床120上方之一監測點114沿著橋基130之邊緣固定佈設到砂石層122內，可用來容置傳輸線104及震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m。此外，固定管102係埋入於砂石層122內，如經由一外力鑿入砂石層122內或預先挖空砂石層122後再將固定管102置入等，使固定管102可由監測點114延伸至河床下砂石層122內，以便後續對砂石層122進行監測。拉線裝置100設置在監測點114而可收納傳輸線104，其包含有一拉線機110及一拉線編碼器112。拉線機110用來將收納之傳輸線104由監測點114經固定管102放線至砂石層122內，並透過連接於拉線機110之拉線編碼器112量測拉線機110收放傳輸線104之長度。

另外，由於震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m之體積極微小(如約200立方公釐)，故於第1圖中係以點狀來表示之。震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m分別設置在傳輸線104上之不同位置而與傳輸線104一同容置在固定管102內。其中，由於傳輸線104與震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m並未固定在固定管102上而是容置於固定管102內，因此傳輸線104與震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m可在固定管102內滑動。需注意的是，震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m不需額外提供電源便可感測本身是否有被震動，且震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m除設置在傳輸線104上外，震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m亦分別電性連接至傳輸線104中所包含之電線L1_1~L1_n、L2_1~L2_m(詳細架構請參考第2B、2C、3圖，於後詳述)。藉此，震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m可將感測到之震動能量轉換為具有電流之電子訊號後，透過傳輸線104中相對應之電線L1_1~L1_n、L2_1~L2_m來傳輸所產生之電子訊號。再者，震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m中震動感測裝置SD1_1~SD1_n位於砂石層 122內，而震動感測裝置SD2_1~SD2_m則位於監測點114與砂石層122之間(即非位於砂石層122內)。

分析裝置106位於河床120上之監測點114並耦接於拉線裝置100及傳輸線104，其可為傳統電腦、平板電腦或智慧型手機等透過有線或無線等連接方式與拉線裝置100及傳輸線104相耦接。需注意的是，分析裝置106亦可利用特殊應用積體電路(application-specific integrated circuit，ASIC)來實現，或者利用處理器並透過儲存裝置儲存程式碼指示處理器運作來實現等並不受限。其中，儲存裝置可為唯讀式記憶體(read-only memory，ROM)、隨機存取記憶體(random-access memory，RAM)、光碟唯讀記憶體(CD-ROMs)、磁帶(magnetic tapes)、軟碟(floppy disks)、光學資料儲存裝置(optical data storage devices)等等，並不限於此。分析裝置106透過傳輸線104中電線L1_1~L1_n、L2_1~L2_m接收對應於震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m之電子訊號，且分析裝置106再透過拉線裝置100之拉線編碼器112獲得傳輸線104被放長之放線長度，並根據對應於震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m之電子訊號及傳輸線104之放線長度來進行分析，以判斷出砂石層122之沖刷深度並進行監測。

詳細來說，請同時參考第2A~2C圖，第2A圖為第1圖中固定管102之外觀示意圖，第2B圖為第1圖中位於砂石層122內之固定管102、震動感測裝置SD1_1~SD1_n及傳輸線104的示意圖，而第2C圖為第1圖中當砂石層122受沖刷下降時位於砂石層122內之固定管102、震動感測裝置SD1_1~SD1_n及傳輸線104的示意圖。如第2A圖所示，固定管102為包含有空孔200之空心鋼管，或亦可為其他材質如鐵或鋁等之空心管，並不受限。固定管102之管徑大於傳輸線104之線徑與震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m個別體積之大小，可容置傳輸線104與震動感測裝 置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m。其中，空孔200之形狀並無限制可為圓形、方形、菱形或矩形等，且空孔200之個數亦可根據實際需求來加以增減。空孔200用來讓水流或砂石可穿通過固定管102，使非位於砂石層122內之震動感測裝置SD2_1~SD2_m可感測到穿通過固定管102之水流的流動，及使位於砂石層122內之震動感測裝置SD1_1~SD1_n與傳輸線104可被穿通過固定管102之砂石所包覆而固定住。

再者，如第2B圖所示，位於砂石層122中之固定管102內，砂石(即第2B圖中之斜線區域)穿通過固定管102而包覆住傳輸線104與震動感測裝置SD1_1~SD1_n，使震動感測裝置SD1_1~SD1_n不會受到水流流動而震動。其中，震動感測裝置SD1_1~SD1_n分別等距離地設置在傳輸線104上的不同位置，但其並非固定，亦可根據實際需求來變化設置之位置。此外，震動感測裝置SD1_1~SD1_n分別與傳輸線104中相對應之電線L1_1~L1_n相互電性連接，以透過電線L1_1~L1_n來傳輸震動感測裝置SD1_1~SD1_n內部所產生之電子訊號。

另外，當砂石層122受到沖刷而下降時，可如第2C圖所示，穿通過固定管102而包覆住傳輸線104與震動感測裝置SD1_1~SD1_n之砂石會被沖刷掉並下降一沖刷深度H，使得震動感測裝置SD1_1、SD1_2不再被砂石所固定。同時，根據傳輸線104所具有之重力及傳輸線104所受到水流之推力，傳輸線104會自河床120上方之拉線裝置100被放長近似於沖刷深度H之一放線長度L。

在此情形下，位於河床120上方之分析裝置106首先透過傳輸線104之電線L1_1~L1_n接收震動感測裝置SD1_1~SD1_n所產生之電子訊號並進行分析，產生相對應之感測結果RES1_1~RES1_n，以獲知震動感測裝 置SD1_1~SD1_n是否有震動。例如，分析裝置106可判斷當震動感測裝置SD1_1所產生之電子訊號的電壓大於一預定值時，產生相對應之感測結果RES1_1來顯示震動感測裝置SD1_1有震動。而在第2C圖中，由於震動感測裝置SD1_1~SD1_2未被砂石所包覆而受到水流震動，因此分析裝置106產生之感測結果RES1_1~RES_2會顯示震動感測裝置SD1_1~SD1_2有震動，分析裝置106便可獲知砂石層122有被沖刷而下降。再者，分析裝置106同時亦透過拉線裝置100之拉線編碼器112獲得傳輸線104被放長之放線長度L後，分析裝置106可由感測結果RES1_1~RES_2中獲知砂石層122已被沖刷之情形下，準確地判斷出河床120之沖刷深度H即為放線長度L。

另一方面，根據震動感測裝置SD1_1~SD1_2一開始設置在傳輸線104之間隔距離，分析裝置106也可計算出震動感測裝置SD1_1~SD1_2設置在傳輸線104之總分佈長度，並比對震動感測裝置SD1_1~SD1_2之總分佈長度是否與放線長度L相符合或相接近。當分析裝置106比對震動感測裝置SD1_1~SD1_2之總分佈長度與放線長度L相符合時，分析裝置106進一步地更可準確地判斷出河床120之沖刷深度H即為相接近之放線長度L。

也就是說，環境監測系統10透過震動感測裝置SD1_1~SD1_n所具有不需額外提供電源便可將震動能量轉換為電子訊號之特性，將震動感測裝置SD1_1~SD1_n設置在傳輸線104上後預先包覆於未被沖刷之砂石層122中，當砂石層122被沖刷而下降時，環境監測系統10便可透過傳輸線104接收震動感測裝置SD1_1~SD1_n所產生之電子訊號來獲知砂石層122已被沖刷並由傳輸線104被放長之長度，判斷出河床120之沖刷深度。藉此，環境監測系統10不需另透過傳輸線104額外提供電源至震動感測裝置SD1_1~SD1_n，而可簡易地獲知河床120之沖刷深度，以準確地進行監測。

此外，環境監測系統10另可透過非位於砂石層122之震動感測裝置SD2_1~SD2_m來監測河床120之水位高度及水流速度。具體而言，請參考第3圖，第3圖為第1圖中非位於砂石層122內固定管102、震動感測裝置SD2_1~SD2_m及傳輸線104的示意圖。如第3圖所示，傳輸線104與震動感測裝置SD2_1~SD2_m係容置於固定管102內並位於橋基130之邊緣。在固定管102內，水流(即第3圖中之斜線區域)可穿通過固定管102而流過震動感測裝置SD2_1~SD2_m中的震動感測裝置SD2_x~SD2_m。在此情形下，震動感測裝置SD2_x~SD2_m會受到水流之流動而震動，而其他部分之震動感測裝置SD2_1~SD2_x-1則會受到風之流動而震動。

藉此，位於河床120上方之分析裝置106首先可透過傳輸線104之電線L2_1~L2_m接收到震動感測裝置SD2_1~SD2_m所產生之電子訊號並進行分析，以獲得震動感測裝置SD2_1~SD2_m之震動大小程度。舉例來說，分析裝置106可根據震動感測裝置SD2_1~SD2_m所產生之電子訊號的電壓大小，來產生震動感測裝置SD2_1~SD2_m之震動大小程度，或者分析裝置106亦可先計算出震動感測裝置SD2_1~SD2_m所產生之電子訊號所具有之能量大小，以據以產生震動感測裝置SD2_1~SD2_m之震動大小程度等，當可視需求加以變化。接著，由於水流流動所產生之震動能量會大於風流動所產生之震動能量，因此分析裝置106根據震動感測裝置SD2_1~SD2_m之震動大小程度，可判斷出震動感測裝置SD2_x~SD2_m受到水流之震動。

另外，因震動感測裝置SD2_1~SD2_m係預先設置於傳輸線104後再放置於固定管102內而沿著橋基130之邊緣連接至砂石層122中，因此，震動感測裝置SD2_1~SD2_m相對於水平基準點之水平位置可預先透過相關之測量與換算而得知並儲存在分析裝置106中。如此一來，分析裝置106可根據預先儲存相關於震動感測裝置SD2_1~SD2_m之水平位置的資訊，判斷 出震動感測裝置SD2_x~SD2_m之水平位置中的最高位置，而獲得河床120之水位高度為震動感測裝置SD2_x之水平位置。再者，因水流速度與震動感測裝置之震動大小程度之關係亦可預先測量後並記載為一速度判斷資訊而儲存在分析裝置106中，所以分析裝置106可根據所儲存之速度判斷資訊，獲得對應於震動感測裝置SD2_x~SD2_m之震動大小程度的水流速度，而判斷出感測裝置SD2_x~SD2_m所在水平位置的水流速度。

需注意的是，由於震動感測裝置SD2_1~SD2_m並非固定在固定管102內，因此當砂石層122受到沖刷而下降時，震動感測裝置SD2_1~SD2_m所在之水平位置會比預先記載之水平位置為低，即傳輸線104會自河床120上方之監測點114被拉長沖刷深度之長度。在此情形下，分析裝置106所獲得之水位高度，需再透過前述所判斷出之河床之沖刷深度，來換算出較真實之水位高度，即將所獲得之水位高度再減去河床之沖刷深度。或者，於另一實施例中，震動感測裝置SD2_1~SD2_m亦可預先與傳輸線104一同固定在固定管102內，以單獨用來監測河床120之水位高度及水流速度。藉此，由於震動感測裝置SD2_1~SD2_m係固定在固定管102內而不受砂石層下降之影響，因此分析裝置106當可直接由震動感測裝置SD2_1~SD2_m所在之水平位置，獲得河床120之水位高度及相對應之水流速度。

也就是說，環境監測系統10除可判斷出河床120之沖刷深度外，環境監測系統10另亦可透過震動感測裝置SD2_1~SD2_m所具有不需額外提供電源且可轉換震動能量為電子訊號之特性，根據傳輸線104上震動感測裝置SD2_1~SD2_m所感測到之震動大小程度，簡易地獲知河床120之水位高度及相對應之水流速度，以準確地進行監測。

因此，環境監測系統10可透過震動感測裝置SD1_1~SD1_n、 SD2_1~SD2_m所產生之電子訊號來進行判斷，以獲得河床120之沖刷深度、水位高度及水流速度等資訊。關於震動感測裝置SD1_1~SD1_n、SD2_1~SD2_m之實現方式，本領域具通常知識者可據以變化而不受限。具體而言，請參考第4圖，第4圖為本發明實施例一震動感測裝置40之元件側視圖，如第4圖所示，震動感測裝置40包含有一第一滑軌400、一第二滑軌401、一第一線圈板件402、一第二線圈板件404、一第一磁性固定元件406、一第二磁性固定元件408及一可移動磁性元件410。震動感測裝置40可藉由一微機電(Micro electromechanical Systems，MEMS)技術實現，其體積極小如132立方公釐，且震動感測裝置40不需接收電源便可將所感測到之震動能量轉換為電子訊號，而由第一線圈板件402與第二線圈板件404輸出電子訊號，或是結合第一線圈板件402與第二線圈板件404共同輸出電子訊號。

詳細來說，第一線圈板件402與第二線圈板件404在Z軸之方向上為相互平行設置，並在第一線圈板件402與第二線圈板件404間之X軸方向上設置有長條型之第一滑軌400及第二滑軌401；其中，為求簡潔，第二滑軌401係以透視方式顯示，其結構與第一滑軌400相對應，使第一滑軌400及第二滑軌401可夾置第一磁性固定元件406、第二磁性固定元件408及可移動磁性元件410。第一線圈板件402包含有金屬線圈420、424、一基板422及一金屬連接孔425，第二線圈板件404包含有金屬線圈426、430、一基板428及一金屬連接孔431。金屬線圈420、424、426、430由金屬材料所組成，並形成螺旋狀(或其它能圍成封閉面之形狀)之圓形金屬線圈而分別佈設於基板422、428之兩側，並分別透過金屬連接孔425、431而相串接；例如，以第一線圈板件402為例，金屬連接孔425貫穿基板422，而將佈設在基板422上側之金屬線圈420與基板422下側之金屬線圈424相串接；同理，金屬連接孔431貫穿基板428，而將佈設在基板428上側之金屬線圈430與基板428下側之金屬線圈426相串接。金屬線圈420、424、426及430中線圈 之圈數可為24圈或48圈等並不受限，可根據實際可容納之體積大小來加以變化。進一步地，佈設於基板422之金屬線圈420或424更可與佈設於基板428之金屬線圈426或430相串接，成為三維堆疊之線圈結構，使金屬線圈420、424、426及430在有限之體積下，可透過增加線圈圈數、穿孔串接及兩線圈串接等之方法，來有效增加線圈上所產生電子訊號之輸出電壓。

另一方面，第一磁性固定元件406、第二磁性固定元件408及可移動磁性元件410可為具有釹鐵硼(NdFeB)材料之永久磁性元件或也可為具有其他材料之硬性或軟性之磁性元件等並不受限。第一磁性固定元件406與第二磁性固定元件408分別固定在第一滑軌400及第二滑軌401於X軸方向上之兩端，可移動磁性元件410之高度約略等於第一線圈板件402之金屬線圈424與第二線圈板件404之金屬線圈430間之距離，使可移動磁性元件410可夾置在第一線圈板件402與第二線圈板件404之金屬線圈424、430間，而在X軸之方向滑動。其中，在第4圖中，第一磁性固定元件406、第二磁性固定元件408及可移動磁性元件410之磁極極性直接以磁極符號標示於圖中，以方便說明。第一磁性固定元件406與第二磁性固定元件408於X軸之正方向具有磁S極，於X軸之負方向具有磁N極。可移動磁性元件410於X軸之正方向具有磁N極，於X軸之負方向具有磁S極。

在此情形下，第一磁性固定元件406及第二磁性固定元件408可分別與可移動磁性元件410產生第一磁斥力F1及第二磁斥力F2。當可移動磁性元件410在X軸之方向上受一外力而產生移動時，可移動磁性元件410與第一磁性固定元件406及第二磁性固定元件408間之距離會產生變動，由於兩磁性元件間之距離越小所產生之磁斥力會愈大，因此，第一磁斥力F1及第二磁斥力F2會相對應地產生變化，使可移動磁性元件410受力後在第一磁性固定元件406及第二磁性固定元件408間來回震盪移動。再者，根據法拉 第定律可知，在一封閉傳導迴路中，若迴路中的磁通量隨時間變化時，則迴路上會有感應電流及感應電壓產生。藉此，由於具有磁性之可移動磁性元件410在金屬線圈420(及424)與金屬線圈426(及430)間來回震盪移動，因此可移動磁性元件410會在封閉之金屬線圈420、424、426及430的迴路上感應出具有電流及電壓之電子訊號。

也就是說，當可移動磁性元件410在X軸之方向上受到震動而移動時，震動感測裝置40利用第一磁性固定元件406、第二磁性固定元件408及可移動磁性元件410所形成虛擬懸壁樑結構(因此結構係由磁斥力所構成而非實體連接之結構，故稱之為虛擬)，可使可移動磁性元件410在X軸之方向上來回移動，並將X軸之方向上所感測到之震動能量，在金屬線圈420、424、426及430上感應出電子訊號。如此一來，震動感測裝置40可避免實體連接結構之剛性限制，提高可感測到震動之頻率範圍，如可感測到1赫茲至1000赫茲間之震動頻率，使所產生之電子訊號可更準確地反應出震動之頻率與能量，以應用在更廣泛之需求上。

此外，請再參考第5A~5B圖，第5A~5B圖為第4圖中震動感測裝置40之運作情形的示意圖。首先，如第5A圖所示，當震動感測裝置40受震動時，可移動磁性元件410在X軸方向上會受一外力離開左右互斥之磁場平衡點而向第一磁性固定元件406移動，可移動磁性元件410與第一磁性固定元件406間之距離會逐漸縮小，而造成第一磁斥力F1逐漸增加。逐漸增加之第一磁斥力F1最後會讓可移動磁性元件410停止向第一磁性固定元件406移動，並推動可移動磁性元件410向第二磁性固定元件408移動。接著，如第5B圖所示，由於可移動磁性元件410被第一磁斥力F1推動經過左右互斥之磁場平衡點而向第二磁性固定元件408移動，因此可移動磁性元件410與第二磁性固定元件408間之距離會逐漸縮小，而造成第二磁斥力F2逐漸增 加。逐漸增加之第二磁斥力F2會讓可移動磁性元件410停止向第二磁性固定元件408移動，並推動可移動磁性元件410再向第一磁性固定元件406移動。最後，可移動磁性元件410會沿著滑軌400在X軸之方向上來回移動，且持續地與封閉之金屬線圈420、424、426及430感應出電子訊號。若震動感測裝置40不再受到震動時，可移動磁性元件410因外在之摩擦力會逐漸縮小來回移動之距離，並回到左右互斥之磁場平衡點而停止(即如第4圖所示)。

藉此，震動感測裝置40利用第一磁性固定元件406、第二磁性固定元件408及可移動磁性元件410所形成虛擬懸壁樑結構及金屬線圈420、424、426及430，可將外在環境之震動能量轉換為電壓強弱與震動能量大小成正比之電子訊號，使震動感測裝置40不需額外接收電源便可感測出震動之大小。此外，由於可移動磁性元件410受限在X軸之方向上移動，因此震動感測裝置40可感測特定方向之震動(即X軸之方向)。再者，震動感測裝置40也可彈性地再結合同樣之震動感測裝置，同時來感測更多方向之震動(如Y軸或Z軸之方向)，使震動感測裝置40除可準確地感應特定方向之震動外，更具有感應多方向之擴展性。

具體而言，本發明之環境監測系統10利用包覆在河床下砂石層中之震動感測裝置，不需額外提供電源便可簡易地獲知出河床下之砂石層是否受到沖刷，進而準確地判斷出河床之沖刷深度。此外，本發明之環境監測系統10亦可利用震動感測裝置來感測河床之水流流動所產生之震動，準確地判斷出河床之水位高度及水流速度。本領域具通常知識者當可據以進行修飾或變化。舉例來說，於本實施例中，當砂石層122受到沖刷而下降時，環境監測系統10根據傳輸線104所具有之重力及傳輸線104所受到水流之推力，獲得傳輸線104自拉線裝置100被放長之放線長度L。但於其他實施例中，環境監測系統10另可在砂石層122內之傳輸線104上設置鉛錘或鐵球等重物， 隨著砂石層122被沖刷而下降下，透過未被砂石包覆之鉛錘或鐵球來將傳輸線拉長，以獲得放線長度L，關於如何讓放線長度L可更近似於沖刷深度H之實施方式可根據實際需求來據以變化並不受限。此外，前述實施例係以河床120為例說明環境監測系統10如何監測沖刷深度、水位高度及水流速度等環境變化情形。然而，不限於此，環境監測系統10亦可用於監測如湖床、海床構造物之沖刷，並可進一步配合如離岸風力發電機、鑽油平台等設備，以確保相關設備可正常運行。

再者，震動感測裝置40除應用在上述之環境監測系統10中來監測河床120之沖刷深度、水位高度及水流速度外，震動感測裝置40更可應用在其它需感測震動之裝置上，如在平板電腦或智慧型手機中，以感測是否在特定方向有受到震動，進而執行相對應之應用等。此外，於本實施例中，震動感測裝置40之第一磁性固定元件406與第二磁性固定元件408於X軸之正方向具有磁S極，於X軸之負方向具有磁N極，且可移動磁性元件410於X軸之正方向具有磁N極，於X軸之負方向具有磁N極，以產生第一磁斥力F1及第二磁斥力F2。但在其他實施例中，震動感測裝置40之第一磁性固定元件406與第二磁性固定元件408於X軸之正方向具有磁N極，於X軸之負方向具有磁S極，且可移動磁性元件410於X軸之正方向具有磁S極，於X軸之負方向具有磁N極，同樣地可使第一磁性固定元件406及第二磁性固定元件408分別與可移動磁性元件410產生第一磁斥力F1及第二磁斥力F2，其並非受限。

綜上所述，由於當河床被沖刷而迅速下降時，會使橋基嚴重裸露而造成下部結構不穩定，而可能導致橋基下陷、傾斜、側移，甚至是倒塌。本發明藉由不需額外提供電源之震動感測裝置，可簡易及準確地監測河床之沖刷深度，進而預防橋基之沖刷災害。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (20)

1. 一種環境監測系統，用來監測一河床、一湖床或一海床之一環境變化情形，該環境監測系統包含有：一拉線裝置，設置在該河床、該湖床或該海床上方之一監測點，用來收放一傳輸線；一固定管，固定佈設在該監測點與該河床、該湖床或該海床下方的一結構層內之間，用來容置該傳輸線，以將該傳輸線由該拉線裝置連接至該結構層內；複數個震動感測裝置，電性連接至該傳輸線中所包含之複數個電線，用來將所感測到之震動能量轉換為相對應之複數個電子訊號，並透過該傳輸線傳輸該複數個電子訊號，其中該複數個震動感測裝置包含有複數個第一震動感測裝置及複數個第二震動感測裝置，該複數個第一震動感測裝置分別等距離地設置在位於該結構層內的該傳輸線上的不同位置並與該傳輸線一同受該結構層所包覆而固定，該複數個第二震動感測裝置分別設置在非位於該結構層內的該傳輸線上的不同位置，當該結構層被沖刷而下降時，該複數個第一震動感測裝置中因該結構層之沖刷而未被該結構層所包覆之第一震動感測裝置產生震動且該傳輸線根據重力自該拉線裝置放長；以及一分析裝置，耦接於該拉線裝置及該傳輸線，用來由該拉線裝置取得該傳輸線之一放線長度且由該傳輸線接收該複數個電子訊號，並根據該放線長度及該複數個電子訊號，判斷出該環境變化情形，以進行監測。
2. 如請求項1所述之環境監測系統，其中該拉線裝置包含有： 一拉線機，用來收放該傳輸線；以及一拉線編碼器，連接於該拉線機，用來量測該傳輸線經由該拉線機收放之長度。
3. 如請求項1所述之環境監測系統，其中該固定管為具有空孔之一鋼管，該複數個震動感測裝置中與該傳輸線一同固定在該固定管內。
4. 如請求項1所述之環境監測系統，其中該複數個震動感測裝置之每一震動感測裝置包含有：一第一磁性固定元件；一第二磁性固定元件；以及一可移動磁性元件，其中，當震動發生而使該可移動磁性元件相對該第一磁性固定元件與該第二磁性固定元件的線性距離改變時，所感測到之震動能量轉換為相對應之一電子訊號，並透過該傳輸線傳輸該電子訊號。
5. 如請求項4所述之環境監測系統，其中該分析裝置由該複數個感測結果中，判斷該複數個第一震動感測裝置中有震動之第一震動感測裝置，並計算出該複數個第一震動感測裝置中有震動之第一震動感測裝置設置在該傳輸線上的一總分佈長度，以於該總分佈長度與該放線長度相符合時，判斷該放線長度為該環境變化情形中之一沖刷深度。
6. 如請求項4所述之環境監測系統，其中該分析裝置對該複數個電子訊號進行分析，獲得該複數個第二震動感測裝置之震動大小程度，並根據該複數個第二震動感測裝置之震動大小程度，判斷出該環境變化情形中之一水位高度及一水流速度。
7. 如請求項6所述之環境監測系統，其中該分析裝置根據該複數個第二震動感測裝置之震動大小程度，判斷出該複數個第二震動感測裝置中為水流所震動之第二震動感測裝置，並由該複數個第二震動感測裝置中為水流所震動之第二震動感測裝置所在之水平位置中取得一最高位置，以判斷該最高位置為該環境變化情形中之該水位高度。
8. 如請求項6所述之環境監測系統，其中該分析裝置將所判斷出該複數個第二震動感測裝置中為水流所震動之第二震動感測裝置的震動大小程度與記載有水流速度與震動大小程度關係之一速度判斷資訊比對，以獲得該環境變化情形中之該水流速度。
9. 一種震動感測裝置，包含有：一第一線圈板件，包含有一第一基板、一第一金屬線圈、一第二金屬線圈及一第一金屬連接孔，其中，該第一金屬線圈及該第二金屬線圈佈設於該第一基板之上、下兩側，並透過貫穿該第一基板之該第一金屬連接孔相串接；一第二線圈板件，大致與該第一線圈板件平行設置，包含有一第二基板、一第三金屬線圈、一第四金屬線圈及一第二金屬連接孔，其中，該第三金屬線圈及該第四金屬線圈佈設於該第二基板之上、下兩側，並透過貫穿該第二基板之該第二金屬連接孔相串接；一第一滑軌及一第二滑軌，設置於該第一線圈板件與該第二線圈板件之間；一第一磁性固定元件，固定在該第一滑軌及該第二滑軌之一端；一第二磁性固定元件，固定在該第一滑軌及該第二滑軌之另一端；以及一可移動磁性元件，夾置在該第一滑軌與該第二滑軌間，且位在該第一 磁性固定元件及該第二磁性固定元件之間，分別與該第一磁性固定元件及該第二磁性固定元件產生一第一磁斥力及一第二磁斥力。
10. 如請求項9所述之震動感測裝置，其中當該可移動磁性元件受一外力移動時，該第一磁斥力及該第二磁斥力因該可移動磁性元件與該第一磁性固定元件及該第二磁性固定元件間之相對距離變動而產生變化，該可移動磁性元件受力於變化之該第一磁斥力及該第二磁斥力在該第一磁性固定元件及該第二磁性固定元件之間震盪移動，並與該第一金屬線圈、該第二金屬線圈、該第三金屬線圈及該第四金屬線圈相互電磁感應而產生電子訊號。
11. 如請求項9所述之震動感測裝置，其係藉由一微機電(Micro electromechanical Systems，MEMS)技術所實現，而該第一磁性固定元件、該第二磁性固定元件及該可移動磁性元件係選自釹鐵硼(NdFeB)材料或其它永久磁性元件。
12. 如請求項9所述之震動感測裝置，其中該第一金屬線圈、該第二金屬線圈、該第三金屬線圈及該第四金屬線圈之形狀分別圍成一封閉面，且分別佈設於該第一基板與該第二基板兩側之平面上。
13. 如請求項12所述之震動感測裝置，其中佈設於該第一線圈板件之該上下金屬線圈與佈設於該第二線圈板件之該上下金屬線圈係相串接而形成三維堆疊之線圈結構，以增加所產生之電子訊號的電壓大小。
14. 如請求項9所述之震動感測裝置，其中該可移動磁性元件接觸該第一線圈板件與該第二線圈板件，且夾置在該第一滑軌及該第二滑軌之間，以 在該第一滑軌及該第二滑軌間沿著該第一磁性固定元件與該第二磁性固定元件之連線方向震盪移動。
15. 如請求項14所述之震動感測裝置，其中該可移動磁性元件之一高度略等於該第一線圈板件與該第二線圈板件間之一距離。
16. 如請求項9所述之震動感測裝置，其中當該可移動磁性元件受該外力而向該第一磁性固定元件移動時，隨著該可移動磁性元件與該第一磁性固定元件之距離縮小，該第一磁斥力增加並推動該可移動磁性元件往該第二磁性固定元件移動，再隨著該可移動磁性元件與該第二磁性固定元件之距離縮小，該第二磁斥力增加並推動該可移動磁性元件往該第一磁性固定元件移動，以使該可移動磁性元件在該第一磁性固定元件及該第二磁性固定元件之間震盪運動。
17. 如請求項9所述之震動感測裝置，其中該第一磁性固定元件具有一第一磁極之一端鄰近於該可移動磁性元件具有該第一磁極之一端，以產生該第一磁斥力，以及該第二磁性固定元件具有一第二磁極之一端鄰近於該可移動磁性元件具有該第二磁極之一端，以產生該第二磁斥力。
18. 如請求項9所述之震動感測裝置，其中當該可移動磁性元件在該第一磁性固定元件及該第二磁性固定元件之間震盪移動時，該第一金屬線圈與該第二金屬線圈所形成之封閉電流迴路中相關於該可移動磁性元件之磁通量產生變化，使該第一金屬線圈與該第二金屬線圈感應出電流，而產生電子訊號。
19. 如請求項9所述之震動感測裝置，其中當該可移動磁性元件在該第三磁 性固定元件及該第四磁性固定元件之間震盪移動時，該第三金屬線圈與該第四金屬線圈所形成之封閉電流迴路中相關於該可移動磁性元件之磁通量產生變化，使該第三金屬線圈與該第四金屬線圈感應出電流，而產生電子訊號。
20. 一種環境監測系統，用來監測一河床、一湖床或一海床之一環境變化情形，該環境監測系統包含有：一拉線裝置，設置在該河床、該湖床或該海床上方之一監測點，用來收放一傳輸線；一固定管，固定佈設在該監測點與該河床、該湖床或該海床下方的一結構層內之間，用來容置該傳輸線，以將該傳輸線由該拉線裝置連接至該結構層內；複數個如申請專利範圍第9項所述之震動感測裝置，電性連接至該傳輸線中所包含之複數個電線，用來將所感測到之震動能量轉換為相對應之複數個電子訊號，並透過該傳輸線傳輸該複數個電子訊號；以及一分析裝置，耦接於該拉線裝置及該傳輸線，用來由該拉線裝置取得該傳輸線之一放線長度且由該傳輸線接收該複數個電子訊號，並根據該放線長度及該複數個電子訊號，判斷出該環境變化情形，以進行監測。