(57)【要約】【課題】媒質中の水分量を測定する測定装置において、水分量の測定精度を向上させる。【解決手段】送信機は、各々にケーブルが埋め込まれた一対のプローブの一方へケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する。受信機は、一対のプローブの一方で入射波が反射した反射波と一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とをケーブルを介して受信する。処理部は、ケーブルを前記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を求めて往復遅延時間と媒質およびケーブルを電磁波および電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々にケーブルが埋め込まれた一対のプローブの一方へ前記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信機と、
前記一対のプローブの前記一方で前記入射波が反射した反射波と前記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを前記ケーブルを介して受信する受信機と、
前記ケーブルを前記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を求めて前記往復遅延時間と前記媒質および前記ケーブルを電磁波および前記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて前記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理部と
を具備する測定装置。
【請求項２】
前記一対のプローブを前記媒質から隔離する外殻をさらに具備する
請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
前記外殻は、電磁波透過材料で形成されている
請求項２記載の測定装置。
【請求項４】
前記一対のプローブの間隔を一定に保持するスペーサをさらに具備する
請求項３記載の測定装置。
【請求項５】
前記スペーサは、電磁波透過材料で形成されている
請求項４記載の測定装置。
【請求項６】
前記スペーサの外縁であって、前記一対のプローブの間に延在する該外縁のうち、前記一対のプローブのそれぞれのアンテナ部に近い方の該外縁は、円弧状になっている
請求項５記載の測定装置。
【請求項７】
前記一対のプローブのそれぞれの前記アンテナ部から前記スペーサの下端までの距離は、前記アンテナ部の間の距離であるアンテナ間距離よりも大きく、
好ましくは前記アンテナ間距離の２倍よりも大きく、
より好ましくは、前記アンテナ間距離の３倍よりも大きく、
前記プローブの長さよりも小さい
請求項６記載の測定装置。
【請求項８】
前記入射波を送信させる制御と前記入射波および前記反射波のそれぞれの複素振幅の比を反射係数として求める処理と前記入射波および前記透過波のそれぞれの複素振幅の比を透過係数として求める処理とを行う制御部をさらに具備し、
前記処理部は、前記反射係数および前記透過係数に基づいて前記往復遅延時間および前記伝搬伝送時間を求める
請求項１記載の測定装置。
【請求項９】
前記制御部と前記処理部とは所定の半導体チップに設けられる
請求項８記載の測定装置。
【請求項１０】
前記制御部は、所定の半導体チップに設けられ
前記処理部は前記半導体チップと異なる半導体チップに設けられる
請求項８記載の測定装置。
【請求項１１】
前記反射係数および前記透過係数を前記処理部に無線送信する通信部をさらに具備する
請求項８記載の測定装置。
【請求項１２】
前記ケーブルを伝送する電気信号を前記入射波と前記反射波に分離する方向性結合器をさらに具備する
請求項８記載の測定装置。
【請求項１３】
前記受信機は、
前記入射波を受信する入射波受信機と、
前記反射波を受信する反射波受信機と、
前記透過波を受信する透過波受信機とを含む
請求項１２記載の測定装置。
【請求項１４】
前記入射波は、互いに方向の異なる第１および第２の入射波を含み、
前記反射波は、前記第１の入射波に対応する第１の反射波と前記第２の入射波に対応する第２の反射波とを含み、
前記透過波は、前記第１の入射波に対応する第２の透過波と前記第２の入射波に対応する第１の透過波とを含み、
前記方向性結合器は、前記電気信号を前記第１の入射波と前記第１の反射波とに分離する第１の方向性結合器と、前記電気信号を前記第２の入射波と前記第２の反射波とに分離する第２の方向性結合器とを含み、
前記送信機は、前記第１の入射波を送信する第１の送信機と前記第２の入射波を送信する第２の送信機とを含み、
前記受信機は、前記第１の反射波と前記第１の透過波とを順に受信する第１の受信機と、前記第２の反射波と前記第２の透過波とを順に受信する第２の受信機とを含む
請求項１２記載の測定装置。
【請求項１５】
前記往復遅延時間は、前記一対のプローブの一方に対応する第１の往復遅延時間と前記一対のプローブの他方に対応する第２の往復遅延時間とを含み、
前記処理部は、前記第１の入射波と前記第１の反射波とから前記第１の往復遅延時間を求め、前記第２の入射波と前記第２の反射波とから前記第２の往復遅延時間を求める
請求項１２記載の測定装置。
【請求項１６】
前記処理部は、前記媒質を前記電磁波が伝搬する時間である伝搬遅延時間を前記往復遅延時間および前記伝搬伝送時間から求めて前記伝搬遅延時間に応じた水分量を測定する
請求項１記載の測定装置。
【請求項１７】
前記処理部は、前記伝搬遅延時間と前記水分量との関係を示す所定の係数を保持しておき、前記求めた伝搬遅延時間と前記係数とから前記水分量を測定する
請求項１６記載の測定装置。
【請求項１８】
各々にケーブルが接続された一対のプローブの一方へ前記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信機と、
前記一対のプローブの前記一方で前記入射波が反射した反射波と前記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを前記ケーブルを介して受信する受信機と、
前記入射波を送信させる制御と前記入射波および前記反射波のそれぞれの複素振幅の比を反射係数として求める処理を行う制御部と、
前記ケーブルを前記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を前記反射係数から求めて前記往復遅延時間と前記媒質および前記ケーブルを電磁波および前記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて前記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理部と
を具備する測定システム。
【請求項１９】
各々にケーブルが埋め込まれた一対のプローブの一方へ前記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信手順と、
前記一対のプローブの前記一方で前記入射波が反射した反射波と前記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを前記ケーブルを介して受信する受信手順と、
前記ケーブルを前記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を求めて前記往復遅延時間と前記媒質および前記ケーブルを電磁波および前記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて前記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理手順と
を具備する測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、測定装置、測定システム、および、測定方法に関する。詳しくは、一対のプローブが設けられた測定装置、測定システム、および、測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、土壌などの媒質中の水分量を測定する装置や機器が、農業や環境調査などの分野において広く利用されている。例えば、一対のプローブの間の媒質を電磁波が伝搬する伝搬遅延時間から水分量を測定するセンサ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このセンサ装置は、一対のプローブと送信機および受信機とをケーブルで接続し、送信機から受信機へ電気信号を送信し、その送信から受信までの遅延時間を求めている。そして、センサ装置は、ケーブルを電気信号が伝送する伝送時間を固定値の誤差として予め保持しておき、求めた遅延時間から、その誤差を減算することにより、電磁波が媒質を伝搬する伝搬遅延時間を求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１８／２２１０５１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のセンサ装置では、電磁波の伝搬遅延時間を求める際に誤差を減算することにより、水分量の測定精度の向上を図っている。しかしながら、ケーブルの長さが熱膨張により変わることがあり、その長さの変化に起因して誤差も変動する。このため、誤差を固定値とした上述のセンサ装置では、ケーブルが熱膨張した際に、水分量の測定精度が低下するおそれがある。
【０００５】
本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、媒質中の水分量を測定する測定装置において、水分量の測定精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第１の側面は、各々にケーブルが埋め込まれた一対のプローブの一方へ上記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信機と、上記一対のプローブの上記一方で上記入射波が反射した反射波と上記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを上記ケーブルを介して受信する受信機と、上記ケーブルを上記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を求めて上記往復遅延時間と上記媒質および上記ケーブルを電磁波および上記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて上記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理部とを具備する測定装置、および、その測定方法である。これにより、往復遅延時間および伝搬伝送時間から水分量が測定されるという作用をもたらす。
【０００７】
また、この第１の側面において、上記一対のプローブを上記媒質から隔離する外殻をさらに具備してもよい。これにより、水分量に関わらず、往復遅延時間が一定になるという作用をもたらす。
【０００８】
また、この第１の側面において、上記外殻は、電磁波透過材料で形成されていてもよい。これにより、外殻を電磁波が透過するという作用をもたらす。
【０００９】
また、この第１の側面において、上記一対のプローブの間隔を一定に保持するスペーサをさらに具備することもできる。これにより、プローブの間の間隔が規定されるという作用をもたらす。
【００１０】
また、この第１の側面において、上記スペーサは、電磁波透過材料で形成されていてもよい。これにより、スペーサを電磁波が透過するという作用をもたらす。
【００１１】
また、この第１の側面において、上記スペーサの外縁であって、上記一対のプローブの間に延在する該外縁のうち、上記一対のプローブのそれぞれのアンテナ部に近い方の該外縁は、円弧状になっていてもよい。これにより、ノイズが低減するという作用をもたらす。
【００１２】
また、この第１の側面において、上記一対のプローブのそれぞれの上記アンテナ部から上記スペーサの下端までの距離は、上記アンテナ部の間の距離であるアンテナ間距離よりも大きく、好ましくは上記アンテナ間距離の２倍よりも大きく、より好ましくは、上記アンテナ間距離の３倍よりも大きく、上記プローブの長さよりも小さくてもよい。これにより、ノイズが低減するという作用をもたらす。
【００１３】
また、この第１の側面において、上記入射波を送信させる制御と上記入射波および上記反射波のそれぞれの複素振幅の比を反射係数として求める処理と上記入射波および上記透過波のそれぞれの複素振幅の比を透過係数として求める処理とを行う制御部をさらに具備し、上記処理部は、上記反射係数および上記透過係数に基づいて上記往復遅延時間および上記伝搬伝送時間を求めてもよい。これにより、反射係数および透過係数から得られた往復遅延時間および伝搬伝送時間に基づいて水分量が測定されるという作用をもたらす。
【００１４】
また、この第１の側面において、上記制御部と上記処理部とは所定の半導体チップに設けられてもよい。これにより、測定装置のチップ数が削減されるという作用をもたらす。
【００１５】
また、この第１の側面において、上記制御部は、所定の半導体チップに設けられ、上記処理部は上記半導体チップと異なる半導体チップに設けられてもよい。これにより、複数の半導体チップを設けた測定装置において水分量が測定されるという作用をもたらす。
【００１６】
また、この第１の側面において、上記反射係数および上記透過係数を上記処理部に無線送信する通信部をさらに具備してもよい。これにより、処理部を遠隔地に配置しても水分量が測定されるという作用をもたらす。
【００１７】
また、この第１の側面において、上記ケーブルを伝送する電気信号を上記入射波と上記反射波に分離する方向性結合器をさらに具備してもよい。これにより、分離した入射波および反射波のそれぞれが受信されるという作用をもたらす。
【００１８】
また、この第１の側面において、上記受信機は、上記入射波を受信する入射波受信機と、上記反射波を受信する反射波受信機と、上記透過波を受信する透過波受信機とを含むものであってもよい。これにより、入射波、反射波および透過波のそれぞれが受信されるという作用をもたらす。
【００１９】
また、この第１の側面において、上記入射波は、互いに方向の異なる第１および第２の入射波を含み、上記反射波は、上記第１の入射波に対応する第１の反射波と上記第２の入射波に対応する第２の反射波とを含み、上記透過波は、上記第１の入射波に対応する第２の透過波と上記第２の入射波に対応する第１の透過波とを含み、上記方向性結合器は、上記電気信号を上記第１の入射波と上記第１の反射波とに分離する第１の方向性結合器と、上記電気信号を上記第２の入射波と上記第２の反射波とに分離する第２の方向性結合器とを含み、上記送信機は、上記第１の入射波を送信する第１の送信機と上記第２の入射波を送信する第２の送信機とを含み、上記受信機は、上記第１の反射波と上記第１の透過波とを順に受信する第１の受信機と、上記第２の反射波と上記第２の透過波とを順に受信する第２の受信機とを含むものであってもよい。これにより、互いに方向の異なる第１および第２の入射波と、それらに対応する反射波および透過波とが受信されるという作用をもたらす。
【００２０】
また、この第１の側面において、上記往復遅延時間は、上記一対のプローブの一方に対応する第１の往復遅延時間と上記一対のプローブの他方に対応する第２の往復遅延時間とを含み、上記処理部は、上記第１の入射波と上記第１の反射波とから上記第１の往復遅延時間を求め、上記第２の入射波と上記第２の反射波とから上記第２の往復遅延時間を求めてもよい。これにより、一対のプローブのそれぞれに対応する往復遅延時間が得られるという作用をもたらす。
【００２１】
また、この第１の側面において、上記処理部は、上記媒質を上記電磁波が伝搬する時間である伝搬遅延時間を上記往復遅延時間および上記伝搬伝送時間から求めて上記伝搬遅延時間に応じた水分量を測定してもよい。これにより、伝搬遅延時間に応じた水分量が測定されるという作用をもたらす。
【００２２】
また、この第１の側面において、上記処理部は、上記伝搬遅延時間と上記水分量との関係を示す所定の係数を保持しておき、上記求めた伝搬遅延時間と上記係数とから上記水分量を測定してもよい。これにより、伝搬遅延時間と係数とから水分量が測定されるという作用をもたらす。
【００２３】
また、本技術の第２の側面は、各々にケーブルが接続された一対のプローブの一方へ上記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信機と、上記一対のプローブの上記一方で上記入射波が反射した反射波と上記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを上記ケーブルを介して受信する受信機と、上記入射波を送信させる制御と上記入射波および上記反射波のそれぞれの複素振幅の比を反射係数として求める処理を行う制御部と、上記ケーブルを上記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を上記反射係数から求めて上記往復遅延時間と上記媒質および上記ケーブルを電磁波および上記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて上記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理部とを具備する測定システムである。これにより、反射係数から得られた往復遅延時間と伝搬伝送時間とに基づいて水分量が測定されるという作用をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本技術の第１の実施の形態における測定装置の一構成例を示すブロック図である。
【図２】本技術の第１の実施の形態におけるセンサヘッドの外観図の一例である。
【図３】本技術の第１の実施の形態におけるアンテナ部および等価回路の一例を示す図である。
【図４】本技術の第１の実施の形態における反射係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。
【図５】比較例における反射係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。
【図６】本技術の第１の実施の形態における測定ユニットの一構成例を示すブロック図である。
【図７】本技術の第１の実施の形態における方向性結合器の一構成例を示す図である。
【図８】本技術の第１の実施の形態における送信機および受信機の一構成例を示す回路図である。
【図９】本技術の第１の実施の形態における制御部の一構成例を示すブロック図である。
【図１０】本技術の第１の実施の形態における信号処理ユニットの一構成例を示すブロック図である。
【図１１】本技術の第１の実施の形態における電磁波および電気信号の伝搬経路および伝送経路を説明するための図である。
【図１２】本技術の第１の実施の形態における反射係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。
【図１３】本技術の第１の実施の形態における透過係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。
【図１４】本技術の第１の実施の形態における往復遅延時間および伝搬伝送時間と水分量との関係の一例を示すグラフである。
【図１５】本技術の第１の実施の形態における伝搬遅延時間と水分量との関係の一例を示すグラフである。
【図１６】本技術の第１の実施の形態におけるケーブルをさらに延長した測定装置の一構成例を示すブロック図である。
【図１７】本技術の第１の実施の形態における測定装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１８】本技術の第２の実施の形態における測定装置の一構成例を示すブロック図である。
【図１９】本技術の第２の実施の形態における測定ユニットの一構成例を示すブロック図である。
【図２０】本技術の第３の実施の形態における測定システムの一構成例を示すブロック図である。
【図２１】本技術の第４の実施の形態における測定ユニットの一構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
１．第１の実施の形態（往復遅延時間および伝搬伝送時間を求める例）
２．第２の実施の形態（１つの半導体チップにより往復遅延時間および伝搬伝送時間を求める例）
３．第３の実施の形態（無線通信を行い、往復遅延時間および伝搬伝送時間を求める例）
４．第４の実施の形態（送信方向を変えて往復遅延時間および伝搬伝送時間を求める例）
【００２６】
＜１．第１の実施の形態＞
［測定装置の構成例］
図１は、本技術の第１の実施の形態における測定装置１００の一構成例を示すブロック図である。この測定装置１００は、媒質Ｍに含まれる水分量を測定するものであり、センサ装置１１０と、信号処理ユニット４００とを有する。媒質Ｍとしては、例えば、農作物を育成するための土壌が想定される。
【００２７】
センサ装置１１０は、水分量の測定に必要なデータを測定データとして取得するものである。測定データの内容については後述する。このセンサ装置１１０は、測定データを信号線４０９を介して信号処理ユニット４００へ送信する。信号処理ユニット４００は、測定データを用いて水分量を測定するものである。
【００２８】
また、センサ装置１１０は、センサヘッド２００と測定ユニット３００とを有する。センサヘッド２００は、プローブ２０１および２０２からなる部品である。これらのプローブ２０１および２０２は、ケーブル３０８および３０９を介して測定ユニット３００に接続される。ケーブル３０８および３０９として、例えば、同軸ケーブルが用いられる。これらのケーブル３０８および３０９は、それぞれの先端をプローブ２０１および２０２の内部に埋め込むことにより、プローブ２０１および２０２に接続されている。測定ユニット３００は、プローブ２０１および２０２の一方に電磁波ＥＷを送信させ、その電磁波ＥＷを他方に受信させて測定データを生成するものである。
【００２９】
また、測定ユニット３００と、信号処理ユニット４００とは互いに異なる半導体チップに実装される。なお、後述するように、測定ユニット３００と信号処理ユニット４００とのそれぞれの回路を同一の半導体チップに実装することもできる。
【００３０】
さらに、測定ユニット３００は、配線層を備えた電子回路基板とこの電子回路基板上に実装された半導体チップを含んで構成されてもよい。測定ユニット３００は、上記電子回路基板と上記半導体チップと、これらを収容した筐体とを含んで構成されてもよい。そして、上記ケーブル３０８および３０９は、上記電子回路基板に備わる上記配線層を介して、上記半導体チップと接続されてよい。
【００３１】
電子回路基板と半導体チップを含んで構成された測定ユニット３００、あるいはこれを収容した筐体、の大きさは、（１）その延在する方向（電子回路基板の基板平面方向）の大きさが、例えば、１辺の長さが１乃至２０センチメートル（ｃｍ）、これと直交する他辺の長さが１乃至４０センチメートル（ｃｍ）、の略長方形に収まる大きさであってよく、（２）その厚さは、例えば、２乃至２０ミリメートル（ｍｍ）であってよい。
【００３２】
測定ユニット３００を配置する方向は、少なくとも2通りのいずれかを取り得る。すなわち、（１）測定ユニット３００の延在する方向が、プローブ２０１および２０２の延在する方向と平行となるように、測定ユニット３００を配置してよい。あるいは、（２）測定ユニット３００の延在する方向が、プローブ２０１および２０２の延在する方向と直交するように、測定ユニット３００を配置してもよい。
【００３３】
なお、信号処理ユニット４００をセンサ装置１１０と異なる筐体内に配置した場合、センサ装置１１０と、信号処理ユニット４００とを有するシステムを測定システムとして扱うこともできる。
【００３４】
［センサヘッドの構成例］
図２は、本技術の第１の実施の形態におけるセンサヘッド２００の外観図の一例である。センサヘッド２００は、プローブ２０１および２０２を有する。プローブ２０１および２０２のそれぞれの長さは、例えば、７５乃至１５０ミリメートル（ｍｍ）である。プローブ２０１および２０２のそれぞれの太さ（直径、あるいは、プローブ断面の幅）は、例えば、３乃至３０ミリメートル（ｍｍ）である。これらのプローブ２０１および２０２は、土壌等の媒質の中に配置され、プローブ２０１および２０２の間で所定周波数の電磁波を送受信することが可能なアンテナ部２１０をそれぞれ有する。
【００３５】
プローブ２０１および２０２は、それぞれのアンテナ部２１０の間の距離が所定値Ｄとなるように媒質中に埋め込まれる。例えば、これらのプローブは、媒質中に概ね垂直な姿勢で埋め込まれる。なお、アンテナ部２１０の間の距離がＤとなるのであれば、それらの姿勢は、垂直な姿勢に限定されない。
【００３６】
アンテナ部２１０は、プローブ２０１および２０２の先端部（言い換えれば、終端部）又はその近傍に設けられ、電磁波を送受信するものである。なお、アンテナ部２１０は、プローブ２０１および２０２の先端部に設けられているが、この構成に限定されない。例えば、プローブ２０１および２０２の中央位置などに設けることもできる。
【００３７】
また、アンテナ部２１０は、プローブ２０１および２０２を共振させない程度の大きさで形成された微小アンテナで構成される。これにより、プローブ２０１および２０２の共振による測定精度の低下を抑制することができる。
【００３８】
また、プローブ２０１および２０２のそれぞれの内部には、前述したように図１におけるケーブル３０８および３０９（同軸ケーブル）の先端が埋め込まれている。この同軸ケーブルの一部が開口され、アンテナ部２１０として用いられる。同軸ケーブルのうちアンテナ部２１０以外の部分の外周は、電磁波吸収材２４０により被覆されている。電磁波吸収材２４０により、開口部以外の領域からの電磁波の漏洩を抑制することができる。
【００３９】
電磁波吸収材２４０として、主にＮｉ−Ｚｎ系のフェライトが用いられるが、これに限られず、電磁波ＥＷの周波数等に応じて、センダストやパーマロイ等の他の高透磁率材料が用いられてもよい。また、電磁波吸収材２４０は、必要に応じて省略されてもよいし、プローブ２０１および２０２の一方にのみ設けられてもよい。
【００４０】
アンテナ部２１０の間の距離Ｄの大きさは特に限定されない。距離Ｄが大きすぎると、媒質Ｍを伝搬する電磁波ＥＷの減衰が大きくなり、十分な受信強度が得られなくなるおそれがある。一方、距離Ｄが小さすぎると、技術的に観測が難しくなるおそれがある。これらを考慮して、距離Ｄは適切な値に設定される。例えば、距離Ｄは、２５乃至７５ミリメートル（ｍｍ）である。
【００４１】
そして、プローブ２０１および２０２の間には、アンテナ部２１０の間の距離を規定するためにスペーサ２６０が配置される。また、プローブ２０１および２０２のそれぞれの外周は、厚さが１乃至３ミリメートル（ｍｍ）の外殻２２５により被覆され、媒質から隔離されている。スペーサ２６０および外殻２２５は、電磁波透過性の材料により形成される。電磁波透過性の材料としては、例えば、高分子系材料、ガラスや、ＰＴＥＦ（PolyTEtraFluoroethylene）などの無機系材料が挙げられる。高分子系材料として、ＰＣ（PolyCarbonate）、ＰＥＳ（PolyEtherSulfone）、ＰＥＥＫ（PolyEtherEtherKetone）、ＰＳＳ（PolyStyrene Sulfonic acid)などが用いられる。その他、高分子材料として、ＰＭＭＡ（PolyMethylMethAcrylate）、ＰＥＴ（PolyEthylene Terephthalate）なども用いられる。
【００４２】
スペーサ２６０の厚さは、電子回路基板と半導体チップを含んで構成された測定ユニット３００の大きさや厚さより小さくてよい。例えば、測定ユニット３００の延在する方向が、プローブ２０１および２０２の延在する方向と平行となるように、測定ユニット３００が配置されている場合、スペーサ２６０の厚さは、測定ユニット３００の厚さよりも小さくてよく、好ましくは、１／２よりも小さくてよく、より好ましくは、１／３よりも小さくてよい。あるいは、測定ユニット３００の延在する方向が、プローブ２０１および２０２の延在する方向と直交するように、測定ユニット３００が配置されている場合、スペーサ２６０の厚さは、測定ユニット３００が延在する一方向の長さよりも小さくてよく、好ましくは、１／２よりも小さくてよく、より好ましくは、１／３よりも小さくてよい。また、スペーサ２６０の厚さは、プローブ２０１および２０２の少なくともいずれか一方の太さ（直径、あるいは、プローブ断面の幅）よりも小さくてよく、好ましくは、１／２よりも小さくてよく、より好ましくは、１／３よりも小さくてよい。そして、スペーサ２６０の厚さは、例えば、１乃至３ミリメートル（ｍｍ）であってよい。
【００４３】
スペーサ２６０の厚さを、測定ユニット３００の厚さよりも小さくする、あるいは、測定ユニット３００が延在する一方向の長さよりも小さくする、もしくは、プローブ２０１および２０２の少なくともいずれか一方の太さ（直径、あるいは、プローブ断面の幅）よりも小さくする、という構成は、アンテナ間の電磁波の伝搬遅延時間を計測する水分センサならではの効果を発揮する。仮に、スペーサ２６０を電磁波透過材料で形成しても、その材料によっては、送信アンテナから放射された電磁波がスペーサで反射されて受信アンテナで受信され、ノイズとなる可能性がある。スペーサ２６０の厚さを、上記の構成とすることによって、この構成を備えない形態と比較して、スペーサ２６０で反射される上記のノイズを低減することができる。この、スペーサの厚さを小さくすることによってノイズを低減する効果は、アンテナ間の電磁波の伝搬遅延時間を計測する以外の水分センサでは発生せず、アンテナ間の電磁波の伝搬遅延時間を計測する水分センサであるからこそ発生する効果である。
【００４４】
なお、一対のプローブ（２０１および２０２）のアンテナ部（２１０および２２０）からスペーサ２６０の下端までの距離ｄは、アンテナ間の距離Ｄよりも大きいことが好ましい。特に、その距離ｄは、アンテナ間の距離Ｄの２倍よりも大きいことが好ましい。さらに、距離ｄは、アンテナ間の距離Ｄの３倍よりも大きく、プローブ２０１および２０２のそれぞれの長さよりも小さいことがより好ましい。仮に、プローブ２０１および２０２の間のスペーサ２６０を電磁波透過材料で形成しても、その材料によっては、送信アンテナから放射されたマイクロ波がスペーサで反射されて、受信アンテナで受信され、ノイズとなる可能性がある。上述のように、スペーサ２６０をアンテナから遠ざけることによって、このノイズを低減することができる。この「スペーサ２６０をアンテナから遠ざけることによってノイズを低減する効果」は、アンテナ間の伝搬遅延計測方式以外の水分センサでは発生せず、本技術のように、アンテナ間の伝搬遅延計測方式の水分センサであるからこそ発生するものである。
【００４５】
また、スペーサ２６０の外縁であって、一対のプローブ（２０１および２０２）の間に延在する該外縁のうち、アンテナ部（２１０および２２０）に近い方の該外縁は、同図に例示するように円弧状になっている。該外縁が、直線であるよりも円弧状になっている方が、信アンテナから放射されたマイクロ波がスペーサ２６０で反射されて受信アンテナで受信されるノイズをより低減できる。この「スペーサ２６０を円弧状にすることによってノイズを低減する効果」は、アンテナ間の伝搬遅延計測方式以外の水分センサでは発生せず、アンテナ間の伝搬遅延計測方式の水分センサであるからこそ発生するものである。
【００４６】
［アンテナ部の構成例］
図３は、本技術の第１の実施の形態におけるアンテナ部２１０および等価回路の一例を示す図である。同図におけるａは、アンテナ部２１０の拡大図である。同図におけるｂは、アンテナ部２１０の等価回路の一例である。
【００４７】
プローブ２０１内に埋め込まれたケーブル３０８（同軸ケーブル等）は、芯線部２１１とシールド部２１２を有する。当該ケーブルの太さおよび長さは特に限定されず、任意の太さおよび長さとすることができる。同図におけるａに例示するように、芯線部２１１は銅線で構成され、シールド部２１２は銅パイプで構成されるが、シールド部２１２は銅線のメッシュ体で構成されてもよい。
【００４８】
ケーブル３０８（同軸ケーブル等）の先端付近の一部が開口され、電極部２１３が取り付けられる。これにより、プローブ２０１および２０２のそれぞれのアンテナ部２１０は、長さが４乃至１０ミリメートル（ミリメートル）程度の微小ダイポールアンテナとして機能する。開口部は、矩形、円形、楕円形、長円形等の開口形状を有する。開口部の長軸は、使用する電磁波の波長に応じて適宜設定可能である。
【００４９】
また、同図におけるｂに例示するように、アンテナ部２１０の等価回路は、抵抗５１１と、フリンジング容量５１２および５１３とが並列に接続された回路により表される。フリンジング容量５１２の容量値は、同軸ケーブルの内側に広がる物質の誘電率εｃに応じた値である。フリンジング容量５１３の容量値は、電極５１３の周囲に広がる物質の誘電率ε＊に応じた値である。
【００５０】
プローブ２０１および２０２のいずれかに電気信号が送信されると、その信号の一部が終端で反射して、同軸ケーブル内を電気信号が往復する。この電気信号のうち、入力された信号内の波を「入射波」とし、その入射波が反射したものを「反射波」とする。
【００５１】
ここで、外殻２２５を設けない比較例を想定する。この比較例において、電気信号が同軸ケーブル内を往復するのに要する往復遅延時間は、温度と媒質の誘電率ε＊とに起因して変動する。
【００５２】
温度が高くなるほど、同軸ケーブルが熱膨張により長くなるため、遅延時間が長くなる。また、媒質の誘電率ε＊が変化すると、その値に応じてフリンジング容量５１２が変化し、反射係数のインパルス応答のピーク時間が変化する。ここで、反射係数は、入射波および反射波のそれぞれの複素振幅の比である。
【００５３】
図４は、本技術の第１の実施の形態における反射係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、反射係数のインパルス応答を示し、横軸は、時間を示す。実線の曲線は、媒質が空気である場合のインパルス応答の波形を示し、一点鎖線の曲線は、媒質が水である場合のインパルス応答の波形を示す。
【００５４】
一方、図５は、外殻２２５を設けない比較例における反射係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、反射係数のインパルス応答を示し、横軸は、時間を示す。実線の曲線は、媒質が空気である場合のインパルス応答の波形を示し、一点鎖線の曲線は、媒質が水である場合のインパルス応答の波形を示す。
【００５５】
図５に例示するように、外殻２２５を設けない場合には、媒質が変わると、その誘電率ε＊が変動し、フリンジング容量５１２が変わる。このため、インパルス応答のピーク値が変動する。この変動に起因して、往復遅延時間の算出において誤差が生じる。
【００５６】
これに対して、外殻２２５を設けてアンテナ部２１０を媒質から隔離した場合、フリンジング容量５１２が一定となるため、図４に例示したように、インパルス応答のピーク値が変動しない。これにより、往復遅延時間を高い精度で算出することができる。
【００５７】
図６は、本技術の第１の実施の形態における測定ユニット３００の一構成例を示すブロック図である。この測定ユニット３００は、方向性結合器３１０、送信機３２０、入射波受信機３３０、反射波受信機３４０、透過波受信機３５０、通信部３６０および制御部３７０を備える。測定ユニット３００として、例えば、ベクトルネットワークアナライザが用いられる。
【００５８】
方向性結合器３１０は、ケーブル３０８を伝送する電気信号を入射波と反射波とに分離するものである。入射波は、送信機３２０により送信された電気信号の波であり、反射波は、プローブ２０１の終端で入射波が反射したものである。この方向性結合器３１０は、入射波を入射波受信機３３０に供給し、反射波を反射波受信機３４０に供給する。
【００５９】
送信機３２０は、所定周波数の電気信号を送信信号として方向性結合器３１０およびケーブル３０８を介して、プローブ２０１に送信するものである。送信信号内の入射波として、例えば、ＣＷ（Continuous Wave）波が用いられる。この送信機３２０は、例えば、１乃至９ギガヘルツ（ＧＨｚ）の周波数帯域内において、５０メガヘルツ（ＭＨｚ）のステップで周波数を順に切り替えて送信信号を送信する。
【００６０】
入射波受信機３３０は、方向性結合器３１０からの入射波を受信するものである。反射波受信機３４０は、方向性結合器３１０からの反射波を受信するものである。透過波受信機３５０は、プローブ２０２からの透過波を受信するものである。ここで、透過波は、プローブ２０１および２０２の間の媒質を透過した電磁波をプローブ２０２が電気信号に変換したものである。
【００６１】
入射波受信機３３０、反射波受信機３４０および透過波受信機３５０は、受信した入射波、反射波および透過波に対して、直交検波とＡＤ（Analog to Digital）変換とを行って受信データとして制御部３７０に供給する。
【００６２】
なお、入射波受信機３３０、反射波受信機３４０および透過波受信機３５０は、特許請求の範囲に記載の受信機の一例である。
【００６３】
制御部３７０は、送信機３２０を制御して、入射波を含む送信信号を送信させる制御と、反射係数および透過係数を求める処理とを行うものである。ここで、反射係数は、前述したように入射波および反射波のそれぞれの複素振幅の比である。透過係数は、入射波および透過波のそれぞれの複素振幅の比である。制御部３７０は、求めた反射係数および透過係数を通信部３６０に供給する。
【００６４】
通信部３６０は、反射係数および透過係数を示すデータを測定データとして信号線４０９を介して信号処理ユニット４００に送信するものである。
【００６５】
なお、正確な反射係数と透過係数を測定するために、測定前において、方向性結合器３１０、送信機３２０および受信機（入射波受信機３３０等）のそれぞれの周波数特性の校正（キャリブレーション）が実行されている。
【００６６】
［方向性結合器の構成例］
図７は、本技術の第１の実施の形態における方向性結合器３１０の一構成例を示す図である。この方向性結合器３１０は、伝送線路３１１、３１２および３１３と、終端抵抗３１４および３１５とを備える。この方向性結合器３１０は、例えば、小型化に好適なブリッジカップラーにより実装することができる。
【００６７】
伝送線路３１１の一端は、送信機３２０に接続され、他端は、ケーブル３０８を介してプローブ２０１に接続される。伝送線路３１２は、伝送線路３１１より短く、伝送線路３１１と電磁界結合する線路である。この伝送線路３１２の一端には終端抵抗３１４が接続され、他端は、反射波受信機３４０に接続される。伝送線路３１３は、伝送線路３１１より短く、伝送線路３１１と電磁界結合する線路である。この伝送線路３１３の一端には終端抵抗３１５が接続され、他端は、入射波受信機３３０に接続される。
【００６８】
上述の構成により、方向性結合器３１０は、電気信号を入射波および反射波に分離し、入射波受信機３３０および反射波受信機３４０に供給する。
【００６９】
［送信機および受信機の構成例］
図８は、本技術の第１の実施の形態における送信機３２０および受信機の一構成例を示す回路図である。同図におけるａは、送信機３２０の一構成例を示す回路図であり、同図におけるｂは、入射波受信機３３０の一構成例を示す回路図である。同図におけるｃは、反射波受信機３４０の一構成例を示す回路図であり、同図におけるｄは、透過波受信機３５０の一構成例を示す回路図である。
【００７０】
同図におけるａに例示するように、送信機３２０は、送信信号発振器３２２およびドライバ３２１を備える。
【００７１】
送信信号発振器３２２は、制御部３７０の制御に従って電気信号を送信信号として生成するものである。ドライバ３２１は、送信信号を方向性結合器３１０に出力するものである。この送信信号Ｓ（ｔ）は、例えば、次の式により表される。
Ｓ（ｔ）＝｜Ａ｜ｃｏｓ（２πｆｔ＋θ）
上式において、ｔは、時刻を表し、単位は、例えば、ナノ秒（ｎｓ）である。｜Ａ｜は、送信信号の振幅を示す。ｃｏｓ（）は、余弦関数を示す。ｆは、周波数を示し、単位は例えば、ヘルツ（Ｈｚ）である。θは、位相を表し、単位は、例えば、ラジアン（ｒａｄ）である。
【００７２】
同図におけるｂに例示するように、入射波受信機３３０は、ミキサ３３１、バンドパスフィルタ３３２およびアナログデジタル変換器３３３を備える。
【００７３】
ミキサ３３１は、位相が９０度異なる２つのローカル信号と送信信号とを混合することにより、直交検波を行うものである。この直交検波により、同相成分ＩＩおよび直交成分ＱＩからなる複素振幅が得られる。これらの同相成分ＩＩおよび直交成分ＱＩは、例えば、次の式により表される。ミキサ３３１は、複素振幅をバンドパスフィルタ３３２を介してアナログデジタル変換器３３３に供給する。
ＩＩ＝｜Ａ｜ｃｏｓ（θ）
ＱＩ＝｜Ａ｜ｓｉｎ（θ）
上式において、ｓｉｎ（）は、正弦関数を示す。
【００７４】
バンドパスフィルタ３３２は、所定の周波数帯域の成分を通過させるものである。アナログデジタル変換器３３３は、ＡＤ変換を行うものである。このアナログデジタル変換器３３３は、ＡＤ変換により複素振幅を示すデータを生成し、受信データとして制御部３７０に供給する。
【００７５】
同図におけるｃに例示するように、反射波受信機３４０は、ミキサ３４１、バンドパスフィルタ３４２およびアナログデジタル変換器３４３を備える。ミキサ３４１、バンドパスフィルタ３４２およびアナログデジタル変換器３４３の構成は、ミキサ３３１、バンドパスフィルタ３３２およびアナログデジタル変換器３３３と同様である。反射波受信機３４０は、反射波を直交検波して同相成分ＩＲおよび直交成分ＱＲからなる複素振幅を取得し、その複素振幅を示す受信データを制御部３７０に供給する。
【００７６】
同図におけるｄに例示するように、透過波受信機３５０は、レシーバ３５１、ローカル信号発振器３５２、ミキサ３５３、バンドパスフィルタ３５４およびアナログデジタル変換器３５５を備える。ミキサ３５３、バンドパスフィルタ３５４およびアナログデジタル変換器３５５の構成は、ミキサ３３１、バンドパスフィルタ３３２およびアナログデジタル変換器３３３と同様である。
【００７７】
レシーバ３５１は、ケーブル３０９を介して、透過波を含む電気信号を受信し、ミキサ３５３に出力するものである。ローカル信号発振器３５２は、位相が９０度異なる２つのローカル信号を生成するものである。
【００７８】
透過波受信機３５０は、透過波を直交検波して同相成分ＩＴおよび直交成分ＱＴからなる複素振幅を取得し、その複素振幅を示すデータを受信データとして制御部３７０に供給する。
【００７９】
なお、送信機３２０および受信機（入射波受信機３３０等）のそれぞれの回路は、入射波等を送受信することができるものであれば、同図に例示した回路に限定されない。
【００８０】
［制御部の構成例］
図９は、本技術の第１の実施の形態における制御部３７０の一構成例を示すブロック図である。この制御部３７０は、送信制御部３７１、反射係数算出部３７２および透過係数算出部３７３を備える。
【００８１】
送信制御部３７１は、送信機３２０を制御して、送信信号を送信させるものである。
【００８２】
反射係数算出部３７２は、周波数毎に反射係数Γを算出するものである。この反射係数算出部３７２は、入射波受信機３３０および反射波受信機３４０から、入射波および反射波のそれぞれの複素振幅を受信し、次の式により、それらの比を反射係数Γとして算出する。
Γ＝（ＩＲ＋ｊＱＲ）／（ＩＩ＋ｊＱＩ）                ・・・式１
上式において、ｊは、虚数単位である。
【００８３】
反射係数算出部３７２は、Ｎ（Ｎは、整数）個の周波数ｆ１乃至ｆＮのそれぞれについて式１により反射係数を算出する。これらのＮ個の反射係数をΓ１乃至ΓＮとする。反射係数算出部３７２は、それらの反射係数を通信部３６０に供給する。
【００８４】
透過係数算出部３７３は、周波数毎に透過係数Ｔを算出するものである。この透過係数算出部３７３は、入射波受信機３３０および透過波受信機３５０から、入射波および透過波のそれぞれの複素振幅を受信し、次の式により、それらの比を透過係数Ｔとして算出する。
Ｔ＝（ＩＴ＋ｊＱＴ）／（ＩＩ＋ｊＱＩ）              ・・・式２
【００８５】
透過係数算出部３７３は、Ｎ個の周波数ｆ１乃至ｆＮのそれぞれについて式２により透過係数を算出する。これらのＮ個の反射係数をＴ１乃至ＴＮとする。透過係数算出部３７３は、それらの透過係数を通信部３６０を介して信号処理ユニット４００へ供給する。
【００８６】
［信号処理ユニットの構成例］
図１０は、本技術の第１の実施の形態における信号処理ユニット４００の一構成例を示すブロック図である。この信号処理ユニット４００は、通信部４１０、往復遅延時間算出部４２０、伝搬伝送時間算出部４３０、水分量測定部４４０および係数保持部４５０を備える。
【００８７】
通信部４１０は、測定ユニット３００からの測定データを受信するものである。この通信部４１０は、測定データ内の反射係数Γ１乃至ΓＮを往復遅延時間算出部４２０に供給し、測定データ内の透過係数Ｔ１乃至ＴＮを伝搬伝送時間算出部４３０に供給する。
【００８８】
往復遅延時間算出部４２０は、反射係数に基づいて、電気信号がケーブル３０８を往復する時間を往復遅延時間として算出するものである。この往復遅延時間算出部４２０は、反射係数Γ１乃至ΓＮを逆フーリエ変換することにより、インパルス応答ｈΓ（ｔ）を求める。そして、往復遅延時間算出部４２０は、インパルス応答ｈΓ（ｔ）のピーク値のタイミングと、ＣＷ波の送信タイミングとの時間差を往復遅延時間τ１１として求め、水分量測定部４４０に供給する。
【００８９】
伝搬伝送時間算出部４３０は、透過係数に基づいて、電磁波および電気信号が媒質とケーブル３０８および３０９とを伝搬および伝送する時間を伝搬伝送時間として算出するものである。この伝搬伝送時間算出部４３０は、透過係数Ｔ１乃至ＴＮを逆フーリエ変換することにより、インパルス応答ｈＴ（ｔ）を求める。そして、伝搬伝送時間算出部４３０は、インパルス応答ｈＴ（ｔ）のピーク値のタイミングと、ＣＷ波の送信タイミングとの時間差を伝搬伝送時間τ２１として求め、水分量測定部４４０に供給する。
【００９０】
水分量測定部４４０は、往復遅延時間τ１１および伝搬伝送時間τ２１に基づいて水分量を測定するものである。この水分量測定部４４０は、まず、往復遅延時間τ１１および伝搬伝送時間τ２１から伝搬遅延時間τｄを算出する。ここで、伝搬遅延時間は、プローブ２０１および２０２の間の媒質を電磁波が伝搬する時間である。伝搬遅延時間τｄは、次の式により算出される。
τｄ＝τ２１−τ１１                                  ・・・式３
上式において、往復遅延時間τ１１、伝搬伝送時間τ２１および伝搬遅延時間τｄのそれぞれの単位は、例えば、ナノ秒（ｎｓ）である。
【００９１】
そして、水分量測定部４４０は、水分量と伝搬遅延時間τｄとの間の関係を示す係数ａおよびｂを係数保持部４５０から読み出し、式３で算出した伝搬遅延時間τｄを次の式に代入して、水分量ｘを測定する。そして、水分量測定部４４０は、測定した水分量を、必要に応じた外部の装置や機器へ出力する。
τｄ＝ａ・ｘ＋ｂ                                    ・・・式４
上式において、水分量ｘの単位は、例えば、体積パーセント（％）である。
【００９２】
係数保持部４５０は、係数ａおよびｂを保持するものである。係数保持部４５０として、不揮発性のメモリなどが用いられる。
【００９３】
図１１は、本技術の第１の実施の形態における電磁波および電気信号の伝搬経路および伝送経路を説明するための図である。
【００９４】
前述したように、プローブ２０１に先端が埋め込まれたケーブル３０８を介して、送信機３２０は、入射波を含む電気信号を送信信号としてプローブ２０１に送信する。
【００９５】
プローブ２０１の終端で入射波が反射し、その反射波を反射波受信機３４０が受信する。これにより、入射波および反射波を含む電気信号がケーブル３０８内を往復する。同図における太い実線の矢印は、ケーブル３０８を電気信号が往復した経路を示す。この経路を電気信号が往復する時間が、往復遅延時間τ１１に該当する。
【００９６】
また、入射波を含む電気信号はプローブ２０１により、電磁波ＥＷに変換され、プローブ２０１および２０２の間の媒質を透過（言い換えれば、伝搬）する。プローブ２０２は、その電磁波ＥＷを電気信号に変換する。透過波受信機３５０は、ケーブル３０９を介して、その電気信号内の透過波を受信する。すなわち、入射波を含む電気信号がケーブル３０８を伝送し、電磁波ＥＷに変換されて媒質を伝搬し、透過波を含む電気信号に変換されてケーブル３０９を伝送する。同図における太い点線の矢印は、電磁波と電気信号（入射波および透過波）とが、媒質とケーブル３０８および３０９とを伝搬および伝送した経路を示す。この経路を電磁波および電気信号が伝搬および伝送する時間が、伝搬伝送時間τ２１に該当する。
【００９７】
測定ユニット３００内の制御部３７０は、式１および式２により反射係数Γおよび透過係数Ｔを求める。そして、信号処理ユニット４００は、反射係数Γおよび透過係数Ｔから往復遅延時間τ１１および伝搬伝送時間τ２１を求める。
【００９８】
ここで、入射波の送信から、透過波の受信までの経路は、媒質と、ケーブル３０８および３０９とを含む。このため、媒質を電磁波が伝搬する伝搬遅延時間τｄは、伝搬伝送時間τ２１と、ケーブル３０８および３０９を電気信号が伝送する遅延時間との差分により求められる。ここで、ケーブル３０８および３０９のそれぞれの長さが同一と仮定すると、ケーブル３０８を伝送する遅延時間と、ケーブル３０９を伝送する遅延時間とは同一になる。この場合、ケーブル３０８および３０９を電気信号が伝送する遅延時間の合計は、ケーブル３０８を往復する往復遅延時間τ１１に等しくなる。したがって式３が成立し、信号処理ユニット４００は、式３により、伝搬遅延時間τｄを算出することができる。
【００９９】
そして、信号処理ユニット４００は、求めた往復遅延時間τ１１および伝搬伝送時間τ２１から伝搬遅延時間を算出し、伝搬遅延時間と係数ａおよびｂとから、媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う。なお、信号処理ユニット４００は、特許請求の範囲に記載の処理部の一例である。
【０１００】
図１２は、本技術の第１の実施の形態における反射係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、反射係数のインパルス応答であり、横軸は、時間である。
【０１０１】
水分量の異なる４種類の豊浦標準砂を媒質として用意し、測定装置１００が反射係数のインパルス応答を求めたものとする。それぞれの水分量は、０．０、１０．１、１９．７、および３２．９体積パーセント（％）とする。
【０１０２】
同図に例示するように、水分量が変化しても、反射係数のピーク値は変化しない。すなわち、往復遅延時間は一定である。これは、前述したように、プローブ２０１および２０２が外殻２２５により隔離されているためである。
【０１０３】
図１３は、本技術の第１の実施の形態における透過係数のインパルス応答の波形の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、透過係数のインパルス応答であり、横軸は、時間である。同図において、測定対象の媒質は、図１２と同様の４種類の豊浦標準砂である。
【０１０４】
同図に例示するように、水分量が多くなるほど、透過係数のピーク値のタイミングが遅くなる。これにより、水分量が多くなるほど、伝搬伝送遅延時間が長くなる。
【０１０５】
図１４は、本技術の第１の実施の形態における往復遅延時間および伝搬伝送時間と水分量との関係の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、往復遅延時間または伝搬伝送時間を示し、横軸は水分量を示す。
【０１０６】
図１４における点線は、図１２から得られた往復遅延時間と水分量との関係を示す。図１４における実線は、図１３から得られた伝搬伝送時間と水分量との関係を示す。図１４に例示するように、水分量に関わらず、往復遅延時間は一定である。一方、水分量が多くなるほど、伝搬伝送遅延時間は長くなる。
【０１０７】
図１５は、本技術の第１の実施の形態における伝搬遅延時間と水分量との関係の一例を示すグラフである。同図における縦軸は、伝搬遅延時間を示し、横軸は、水分量を示す。同図の直線は、図１４の水分量毎に、伝搬伝送時間および往復遅延時間の差分を求めることにより得られる。
【０１０８】
図１５に例示するように、伝搬遅延時間は、水分量が多くなるほど、長くなり、両者は比例関係にある。したがって式４が成立する。式４における係数ａは、同図における直線の傾きであり、係数ｂは、切片である。
【０１０９】
図１６は、本技術の第１の実施の形態におけるケーブル３０８および３０９をさらに延長した測定装置の一構成例を示すブロック図である。ケーブル３０８および３０９を長くすることにより、測定ユニット３００および信号処理ユニット４００を、プローブ２０１および２０２よりも遠方に配置することができる。
【０１１０】
ただし、ケーブル３０８および３０９を長くするほど、温度変化に伴う往復遅延時間の変動が大きくなる。したがって、仮に、測定装置１００が往復遅延時間を固定値として水分量を測定すると、真値と固定値との間の誤差が拡大し、水分量の測定精度が低下するおそれがある。
【０１１１】
しかし、測定装置１００は、反射波を受信して、反射係数から往復遅延時間を算出している。したがって、測定装置１００は、温度変化により往復遅延時間が変動しても、その変動時の値を得ることができる。このため、往復遅延時間を固定値とする場合よりも水分量の測定精度を向上させることができる。
【０１１２】
［測定装置の動作例］
図１７は、本技術の第１の実施の形態における測定装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。同図における動作は、例えば、水分量を測定するための所定のアプリケーションが実行されたときに開始される。
【０１１３】
一対のプローブ２０１および２０２は、電磁波を送受信する（ステップＳ９０１）。測定ユニット３００は、入射波および反射波から反射係数を算出し（ステップＳ９０２）、入射波および透過波から透過係数を算出する（ステップＳ９０３）。
【０１１４】
次いで、信号処理ユニット４００は、反射係数から往復遅延時間を算出し（ステップＳ９０４）、透過係数から伝搬伝送時間を算出する（ステップＳ９０５）。信号処理ユニット４００は、往復遅延時間および伝搬伝送時間から伝搬遅延時間を算出し（ステップＳ９０６）、その伝搬遅延時間と係数ａおよびｂとから水分量を算出する（ステップＳ９０７）。ステップＳ９０７の後に、測定装置１００は、測定のための動作を終了する。
【０１１５】
このように、本技術の第１の実施の形態によれば、測定装置１００は、電気信号がケーブル３０８を往復する往復遅延時間を求め、その往復遅延時間から水分量を測定するため、往復遅延時間が変動した場合であっても高精度で水分量を測定することができる。
【０１１６】
＜２．第２の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、測定ユニット３００と信号処理ユニット４００とを互いに異なる半導体チップに実装していた。しかし、この構成では、半導体チップ間の通信のためのインターフェースを設ける必要があり、その分、測定装置１００の回路規模が増大するおそれがある。この第２の実施の形態の測定装置１００は、測定ユニット３００および信号処理ユニット４００のそれぞれの機能を単体の半導体チップで実現する点において第１の実施の形態と異なる。
【０１１７】
図１８は、本技術の第２の実施の形態における測定装置１００の一構成例を示すブロック図である。この第２の実施の形態の測定装置１００は、測定ユニット３００および信号処理ユニット４００の代わりに、測定ユニット３０１を備える点において第１の実施の形態と異なる。
【０１１８】
測定ユニット３０１は、第１の実施の形態の測定ユニット３００の機能に加えて、信号処理ユニット４００の機能を有する。
【０１１９】
図１９は、本技術の第２の実施の形態における測定ユニット３０１の一構成例を示すブロック図である。この第２の実施の形態の測定ユニット３０１は、通信部３６０の代わりに信号処理部３８０を備える点において第１の実施の形態と異なる。信号処理部３８０の構成は、第１の実施の形態の信号処理ユニット４００と同様である。また、同図において、制御部３７０の機能は、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processing）回路により実現される。
【０１２０】
また、測定ユニット３０１は、単体の半導体チップに実装されるものとする。これにより、測定ユニット３００および信号処理ユニット４００の機能を単体の半導体チップで実現することができる。したがって、半導体チップの間で通信を行うためのインターフェース（通信部３６０など）を不要とし、測定装置１００の回路規模を削減することができる。
【０１２１】
このように、本技術の第２の実施の形態によれば、測定ユニット３００および信号処理ユニット４００の機能を単体の半導体チップに実装したため、それらを異なる半導体チップに実装する場合と比較して、測定装置１００の回路規模を削減することができる。
【０１２２】
＜３．第３の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、測定ユニット３００と信号処理ユニット４００とを信号線４０９により有線接続していたが、この構成では、信号処理ユニット４００を測定個所から離れた遠隔地に配置することが困難となる。この第３の実施の形態の測定ユニット３００は、測定データを無線送信する点において第１の実施の形態と異なる。
【０１２３】
図２０は、本技術の第３の実施の形態における測定システムの一構成例を示すブロック図である。この第３の実施の形態の測定システムは、センサ装置１１０と、信号処理ユニット４００とを備える。
【０１２４】
第３の実施の形態のセンサ装置１１０は、測定ユニット３００の代わりに測定ユニット３０２を備える。測定ユニット３０２の通信部３６０は、アンテナ３９０を介して測定データを信号処理ユニット４００に無線送信する点において第１の実施の形態と異なる。
【０１２５】
信号処理ユニット４００は、基地局のネットワークやインターネットに接続され、それらを介して無線送信された測定データを有線または無線で受信する。
【０１２６】
同図に例示したように、測定ユニット３０２と信号処理ユニット４００とが無線で接続されるため、測定個所から離れた遠隔地に信号処理ユニット４００を配置することができる。
【０１２７】
このように、本技術の第３の実施の形態によれば、測定ユニット３０２が、測定データを信号処理ユニット４００へ無線送信するため、信号処理ユニット４００を遠隔地に配置することができる。
【０１２８】
＜４．第４の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、ケーブル３０８および３０９のそれぞれを電気信号が伝送する遅延時間が同一であると仮定して、その前提の下で水分量を測定していた。しかし、ケーブル３０８および３０９のそれぞれの長さが異なる場合には、それらの遅延時間が異なる値になり、前提が崩れて測定誤差が生じるおそれがある。この第４の実施の形態の測定装置１００は、ケーブル３０８の往復遅延時間とケーブル３０９の往復遅延時間とを両方とも求めて、水分量を測定する点において第１の実施の形態と異なる。
【０１２９】
図２１は、本技術の第４の実施の形態における測定ユニット３００の一構成例を示すブロック図である。この第４の実施の形態の測定ユニット３００は、方向性結合器３１０および３９１と、送信機３２０および３９３と、入射波受信機３３０および３９４と、透過波・反射波受信機３９２および３９５と、通信部３６０と、制御部３７０とを備える。
【０１３０】
送信機３２０は、ケーブル３０８を介して入射波Ｉ１を送信するものである。送信機３９３は、ケーブル３０９を介して入射波Ｉ２を送信するものである。制御部３７０は、送信機３２０および３９３を制御して、入射波Ｉ１およびＩ２を順に送信させる。
【０１３１】
入射波受信機３３０は、入射波Ｉ１が送信された際に入射波Ｉ１を受信するものである。入射波受信機３９４は、入射波Ｉ２が送信された際に入射波Ｉ２を受信するものである。
【０１３２】
方向性結合器３１０は、ケーブル３０８の電気信号を入射波と反射波とに分離するものである。この方向性結合器３１０は、入射波Ｉ１が送信された際に、ケーブル３０８の電気信号を、入射波Ｉ１と、その入射波Ｉ１に対応する反射波Ｒ１とに分離する。一方、入射波Ｉ２が送信された際に方向性結合器３１０は、その入射波Ｉ２に対応する透過波Ｔｒ１を出力する。
【０１３３】
方向性結合器３９１は、ケーブル３０９の電気信号を、入射波と反射波とに分離するものである。この方向性結合器３９１は、入射波Ｉ２が送信された際に、ケーブル３０８の電気信号を、入射波Ｉ２と、その入射波Ｉ２に対応する反射波Ｒ２とに分離する。一方、入射波Ｉ１が送信された際に方向性結合器３９１は、その入射波Ｉ１に対応する透過波Ｔｒ２を出力する。
【０１３４】
透過波・反射波受信機３９２は、透過波および反射波を順に受信するものである。この透過波・反射波受信機３９２は、入射波Ｉ１が送信された際に、方向性結合器３１０からの反射波Ｒ１を受信し、入射波Ｉ２が送信された際に、方向性結合器３１０からの透過波Ｔｒ１を受信する。
【０１３５】
透過波・反射波受信機３９５は、透過波および反射波を順に受信するものである。この透過波・反射波受信機３９５は、入射波Ｉ１が送信された際に、方向性結合器３９１からの透過波Ｔｒ２を受信し、入射波Ｉ２が送信された際に、方向性結合器３９１からの反射波Ｒ２を受信する。
【０１３６】
なお、入射波Ｉ１およびＩ２は、特許請求の範囲に記載の第１および第２の入射波の一例であり、反射波Ｒ１およびＲ２は、特許請求の範囲に記載の第１および第２の反射波の一例である。透過波Ｔｒ１およびＴｒ２は、特許請求の範囲に記載の第１および第２の透過波の一例である。また、方向性結合器３１０および３９１は、特許請求の範囲に記載の第１および第２の方向性結合器の一例であり、送信機３２０および３９３は、第１および第２の送信機の一例である。透過波・反射波受信機３９２および３９５は、特許請求の範囲に記載の第１および第２の受信機の一例である。
【０１３７】
制御部３７０は、第１の実施の形態と同様の方法で入射波Ｉ１および反射波Ｒ１のそれぞれの複素振幅から、反射係数Γ１１を算出し、入射波Ｉ１および透過波Ｔｒ２のそれぞれの複素振幅から、透過係数Ｔ２１を算出する。また、制御部３７０は、第１の実施の形態と同様の方法で入射波Ｉ２および反射波Ｒ２のそれぞれの複素振幅から、反射係数Γ２２を算出し、入射波Ｉ２および透過波Ｔｒ１のそれぞれの複素振幅から、透過係数Ｔ１２を算出する。
【０１３８】
後段の信号処理ユニット４００は、第１の実施の形態と同様の方法で反射係数Γ１１および透過係数Ｔ１２から往復遅延時間τ１１および伝搬伝送時間τ１２を算出する。また、信号処理ユニット４００は、第１の実施の形態と同様の方法で反射係数Γ２２および透過係数Ｔ１２から往復遅延時間τ２２および伝搬伝送時間τ２１を算出する。
【０１３９】
そして、信号処理ユニット４００は、次の式により、伝搬遅延時間τｄを算出する。
τｄ＝（τ２１＋τ１２−τ１１−τ２２）／２              ・・・式５
【０１４０】
次いで信号処理ユニット４００は、式５により算出した伝搬遅延時間τｄを式４に代入して水分量を測定する。なお、往復遅延時間τ１１およびτ２２は、特許請求の範囲に記載の第１および第２の往復遅延時間の一例である。
【０１４１】
ケーブル３０８および３０９の長さが異なる場合は、それぞれのケーブルを電気信号が伝送する遅延時間が互いに異なることがある。しかし、この場合であっても式５により、往復遅延時間τ１１に加えて往復遅延時間τ２２も用いて演算を行うことにより、ケーブル３０８および３０９のそれぞれの長さの差に起因する測定誤差を低減することができる。
【０１４２】
なお、第４の実施の形態に、第２の実施の形態や第３の実施の形態を適用することができる。
【０１４３】
このように、本技術の第４の実施の形態によれば、ケーブル３０８に対応する往復遅延時間τ１１と、ケーブル３０９に対応する往復遅延時間τ２２とを用いて水分量を測定するため、それらのケーブルの長さの差に起因する測定誤差を低減することができる。
【０１４４】
なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。
【０１４５】
また、上述の実施の形態において説明した処理手順は、これら一連の手順を有する方法として捉えてもよく、また、これら一連の手順をコンピュータに実行させるためのプログラム乃至そのプログラムを記憶する記録媒体として捉えてもよい。この記録媒体として、例えば、ＣＤ（Compact Disc）、ＭＤ（MiniDisc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、メモリカード、ブルーレイディスク（Blu-ray（登録商標）Disc）等を用いることができる。
【０１４６】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。
【０１４７】
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）各々にケーブルが埋め込まれた一対のプローブの一方へ前記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信機と、
前記一対のプローブの前記一方で前記入射波が反射した反射波と前記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを前記ケーブルを介して受信する受信機と、
前記ケーブルを前記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を求めて前記往復遅延時間と前記媒質および前記ケーブルを電磁波および前記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて前記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理部と
を具備する測定装置。
（２）前記一対のプローブを前記媒質から隔離する外殻をさらに具備する
前記（１）記載の測定装置。
（３）前記外殻は、電磁波透過材料で形成されている
前記（２）記載の測定装置。
（４）前記一対のプローブの間隔を一定に保持するスペーサをさらに具備する
前記（３）記載の測定装置。
（５）前記スペーサは、電磁波透過材料で形成されている
前記（４）記載の測定装置。
（６）前記スペーサの外縁であって、前記一対のプローブの間に延在する該外縁のうち、前記一対のプローブのそれぞれのアンテナ部に近い方の該外縁は、円弧状になっている
前記（５）記載の測定装置。
（７）前記一対のプローブのそれぞれの前記アンテナ部から前記スペーサの下端までの距離は、前記アンテナ部の間の距離であるアンテナ間距離よりも大きく、
好ましくは前記アンテナ間距離の２倍よりも大きく、
より好ましくは、前記アンテナ間距離の３倍よりも大きく、
前記プローブの長さよりも小さい
前記（６）記載の測定装置。
（８）前記入射波を送信させる制御と前記入射波および前記反射波のそれぞれの複素振幅の比を反射係数として求める処理と前記入射波および前記透過波のそれぞれの複素振幅の比を透過係数として求める処理とを行う制御部をさらに具備し、
前記処理部は、前記反射係数および前記透過係数に基づいて前記往復遅延時間および前記伝搬伝送時間を求める
前記（１）から（７）のいずれかに記載の測定装置。
（９）前記制御部と前記処理部とは所定の半導体チップに設けられる
前記（１）から（８）のいずれかに記載の測定装置。
（１０）前記制御部は、所定の半導体チップに設けられ
前記処理部は前記半導体チップと異なる半導体チップに設けられる
前記（８）記載の測定装置。
（１１）前記反射係数および前記透過係数を前記処理部に無線送信する通信部をさらに具備する
前記（８）記載の測定装置。
（１２）前記ケーブルを伝送する電気信号を前記入射波と前記反射波に分離する方向性結合器をさらに具備する
前記（８）から（１１）のいずれかに記載の測定装置。
（１３）前記受信機は、
前記入射波を受信する入射波受信機と、
前記反射波を受信する反射波受信機と、
前記透過波を受信する透過波受信機と
を含む前記（１２）記載の測定装置。
（１４）前記入射波は、互いに方向の異なる第１および第２の入射波を含み、
前記反射波は、前記第１の入射波に対応する第１の反射波と前記第２の入射波に対応する第２の反射波とを含み、
前記透過波は、前記第１の入射波に対応する第２の透過波と前記第２の入射波に対応する第１の透過波とを含み、
前記方向性結合器は、前記電気信号を前記第１の入射波と前記第１の反射波とに分離する第１の方向性結合器と、前記電気信号を前記第２の入射波と前記第２の反射波とに分離する第２の方向性結合器とを含み、
前記送信機は、前記第１の入射波を送信する第１の送信機と前記第２の入射波を送信する第２の送信機とを含み、
前記受信機は、前記第１の反射波と前記第１の透過波とを順に受信する第１の受信機と、前記第２の反射波と前記第２の透過波とを順に受信する第２の受信機とを含む
前記（１２）記載の測定装置。
（１５）前記往復遅延時間は、前記一対のプローブの一方に対応する第１の往復遅延時間と前記一対のプローブの他方に対応する第２の往復遅延時間とを含み、
前記処理部は、前記第１の入射波と前記第１の反射波とから前記第１の往復遅延時間を求め、前記第２の入射波と前記第２の反射波とから前記第２の往復遅延時間を求める
前記（１４）記載の測定装置。
（１６）前記処理部は、前記媒質を前記電磁波が伝搬する時間である伝搬遅延時間を前記往復遅延時間および前記伝搬伝送時間から求めて前記伝搬遅延時間に応じた水分量を測定する
前記（１）から（１５）のいずれかに記載の測定装置。
（１７）前記処理部は、前記伝搬遅延時間と前記水分量との関係を示す所定の係数を保持しておき、前記求めた伝搬遅延時間と前記係数とから前記水分量を測定する
前記（１６）記載の測定装置。
（１８）各々にケーブルが接続された一対のプローブの一方へ前記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信機と、
前記一対のプローブの前記一方で前記入射波が反射した反射波と前記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを前記ケーブルを介して受信する受信機と、
前記入射波を送信させる制御と前記入射波および前記反射波のそれぞれの複素振幅の比を反射係数として求める処理を行う制御部と、
前記ケーブルを前記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を前記反射係数から求めて前記往復遅延時間と前記媒質および前記ケーブルを電磁波および前記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて前記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理部と
を具備する測定システム。
（１９）各々にケーブルが埋め込まれた一対のプローブの一方へ前記ケーブルを介して入射波を含む電気信号を送信する送信手順と、
前記一対のプローブの前記一方で前記入射波が反射した反射波と前記一対のプローブの間の媒質を透過した透過波とを前記ケーブルを介して受信する受信手順と、
前記ケーブルを前記電気信号が往復する時間である往復遅延時間を求めて前記往復遅延時間と前記媒質および前記ケーブルを電磁波および前記電気信号が伝搬および伝送する時間である伝搬伝送時間とに基づいて前記媒質に含まれる水分量を測定する処理を行う処理手順と
を具備する測定方法。
【符号の説明】
【０１４８】
１００  測定装置
１１０  センサ装置
２００  センサヘッド
２０１、２０２  プローブ
２１０  アンテナ部
２１１  芯線部
２１２  シールド部
２１３  電極部
２２５  外殻
２４０  電磁波吸収材
２６０  スペーサ
３００、３０１、３０２  測定ユニット
３０８、３０９  ケーブル
３１０、３９１  方向性結合器
３１１、３１２、３１３  伝送線路
３１４、３１５  終端抵抗
３２０、３９３  送信機
３２１  ドライバ
３２２  送信信号発振器
３３０、３９４  入射波受信機
３３１、３４１、３５３  ミキサ
３３２、３４２、３５４  バンドパスフィルタ
３３３、３４３、３５５  アナログデジタル変換器
３４０  反射波受信機
３５０  透過波受信機
３５１  レシーバ
３５２  ローカル信号発振器
３６０、４１０  通信部
３７０  制御部
３７１  送信制御部
３７２  反射係数算出部
３７３  透過係数算出部
３８０  信号処理部
３９０  アンテナ
３９２、３９５  透過波・反射波受信機
４００  信号処理ユニット
４２０  往復遅延時間算出部
４３０  伝搬伝送時間算出部
４４０  水分量測定部
４５０  係数保持部
【図１】
2020187120.tif 000003
【図２】
2020187120.tif 000004
【図３】
2020187120.tif 000005
【図４】
2020187120.tif 000006
【図５】
2020187120.tif 000007
【図６】
2020187120.tif 000008
【図７】
2020187120.tif 000009
【図８】
2020187120.tif 000010
【図９】
2020187120.tif 000011
【図１０】
2020187120.tif 000012
【図１１】
2020187120.tif 000013
【図１２】
2020187120.tif 000014
【図１３】
2020187120.tif 000015
【図１４】
2020187120.tif 000016
【図１５】
2020187120.tif 000017
【図１６】
2020187120.tif 000018
【図１７】
2020187120.tif 000019
【図１８】
2020187120.tif 000020
【図１９】
2020187120.tif 000021
【図２０】
2020187120.tif 000022
【図２１】
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