(57)【要約】【課題】  本発明は、相補的センサデバイスおよびインタロゲータを利用する無線質問システムおよび方法を提供する。【解決手段】  センサは、構造物の健全性を示すパラメータを計測する。センサからのセンサ読み取りは、モニタリングされるパラメータのレベル、または１つ以上の特定の物理的または化学的なイベントが起こったかを示す。無線技術を用いて、インタロゲータは、その同一性および現在のセンサ読み取りまたは状態を決定するためにセンサデバイスをプローブする。しばしばセンサデバイスは、構造物中に埋め込まれ、無線信号の送信は構造物の一部を通して起こる。アクティベートされるとき、デバイスは、デバイスを特定し、計測されているパラメータまたは特定のセンサ状態についての情報を含む無線信号で応答する。デバイスの識別は、それが多くの同様のデバイスから区別されることを可能にする。よって本発明は、無線質問ユニットによってプロービングされえるデバイス群のアレイのコンテキストにおいて特に有用である。ある実施形態において、デバイスは受動的であり、電力を質問信号から引き出す。
2005523494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサデバイスであって、
金属を含む構造物の健全性を示すパラメータを検出するセンサ、
前記センサと電気的に通じ、無線質問信号によってトリガされるとき、前記パラメータを示す無線信号を前記構造物の一部を通して送信するトランスポンダ、および
前記トランスポンダと電気的に通じ、前記デバイスをユニークに識別する識別ソース
を備えるデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスは電源を含まないデバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のデバイスであって、前記センサは、前記構造物中に含まれる金属要素の抵抗、前記構造物中に見つかるイオンの濃度、前記構造物中のｐＨ、前記構造物中に含まれる金属要素の伝導度、および代理物の腐食のうちの一つを検出するデバイス。
【請求項４】
請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスは前記構造物に埋め込まれるデバイス。
【請求項５】
請求項１に記載のデバイスであって、前記構造物はコンクリートを含み、前記デバイスは前記コンクリート中に埋め込まれるデバイス。
【請求項６】
請求項１、４または５に記載のデバイスであって、前記センサは、前記構造物の前記健全性に攻撃的である化学物質のレベルを検出するデバイス。
【請求項７】
請求項１、４、５または６に記載のデバイスであって、前記センサは、前記金属の腐食を促進するイオンのレベルを検出するデバイス。
【請求項８】
請求項１、４、５、６または７に記載のデバイスであって、前記センサは、レファレンス電極およびイオン選択電極間の電位差を計測する電気化学セルを備えるデバイス。
【請求項９】
請求項８に記載のデバイスであって、前記デバイスの外から前記イオン選択電極へイオンの透過を許す透過性セメント状材料隔膜をさらに含むデバイス。
【請求項１０】
請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスの温度にしたがってセンサ読み取りを変更する温度補償回路をさらに備えるデバイス。
【請求項１１】
請求項１に記載のデバイスであって、前記識別ソースは、前記センサデバイスについてのユニークな番号を記憶するマイクロチップを備えるデバイス。
【請求項１２】
請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスは、前記トランスポンダに供給される信号を整流するマイクロチップを備えるデバイス。
【請求項１３】
請求項１に記載のデバイスであって、前記センサは、電気化学セルを備えるデバイス。
【請求項１４】
請求項１に記載のデバイスであって、センサは、湿度、温度および圧力のうちの一つを検出するデバイス。
【請求項１５】
請求項１に記載のデバイスであって、前記センサによって検出されたイベントを記録することを可能にするメモリ要素をさらに備えるデバイス。
【請求項１６】
請求項１５に記載のデバイスであって、前記イベントは、前記パラメータについてのスレッショルドであるデバイス。
【請求項１７】
請求項１に記載のデバイスであって、受信された入射信号の強度を増す増幅器、前記センサによって与えられる情報で前記入射信号を変更する変調器、および前記入射信号を受信および送信する１つのアンテナまたはアンテナ群をさらに備えるデバイス。
【請求項１８】
コンクリートおよび金属を含む構造物の健全性をモニタリングする方法であって、
前記コンクリート中にセンサデバイスを埋め込むことであって、前記センサデバイスは、金属を含む構造物の健全性を示すパラメータを検出するセンサ、前記デバイスを他の同様のデバイスから区別できる識別ソース、およびトランスポンダを備える、埋め込むこと、
前記センサを用いて前記パラメータのレベルを検出すること、
前記コンクリートの一部を通して送信する無線信号を作るインタロゲータで前記デバイスをプロービングすること、および
前記コンクリートの一部を通して前記デバイスからの無線信号を戻すこと
を含み、
前記戻り無線信号は前記パラメータステータスを示す方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、前記構造は、橋梁または橋梁の一部である方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の方法であって、前記無線信号は、前記デバイスについての識別も示す方法。
【請求項２１】
請求項１８に記載の方法であって、前記インタロゲータは、前記デバイスをプロービングするときに移動車両によって運ばれる方法。
【請求項２２】
請求項１８に記載の方法であって、前記デバイスをプロービングすることは、前記デバイスに電源を供給することを含む方法。
【請求項２３】
請求項１８に記載の方法であって、前記デバイスを前記インタロゲータでプロービングすることは、無線プローブ信号を前記デバイスに送信し、前記デバイスから無線デバイス信号を受信することを含む方法。
【請求項２４】
請求項１８に記載の方法であって、前記デバイスは、前記コンクリートが硬化を終える前に埋め込まれる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１９９９年２月２６日に出願されたDavid G. Wattersらによる「Wireless Event Recording Devices With Identification Codes」と題された米国特許出願（米国特許出願第０９／２５８，０７３号）の部分継続出願であり、ここで参照によって援用される。
【０００２】
本発明は一般にセンサ技術に関する。より具体的に本発明は、無線通信技術を用いて大きな構造をモニタするのに用いられるセンシングデバイスおよびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの大きな構造物は、時間と共に劣化する傾向にある。例えば、航空機または金属補強されたコンクリート構造物のような金属要素を含む大きな構造物は、しばしば金属腐食を受ける。構造物の能動的モニタリングおよびメンテナンスは、劣化を緩和しえる。従来のセンシング技術は、大きな構造物の健全さをモニタリングするのに適切なモニタリングソリューションを提供しない。金属補強されたコンクリート構造物については、金属はしばしば構造物の中に埋め込まれ、外部との通信に配線を用いるセンサを用いてはアクセスできない。ある応用例において構造物は、大きすぎて健全性の観察および情報収集のためには何百または何千というセンサが必要とされる。例えば、コンクリートを含む構造物についてコンクリートの強度および耐用期間のパフォーマンスは、硬化条件に大きく依存する。建築要員は、硬化プロセス中のコンクリート内の離散点の温度を理想的にはモニタしたい。これは従来の技術によれば不可能である。
【０００４】
他の例として、経時変化する橋床の検査は、効果的な高速道路メンテナンスプログラムの重要な要素である。頻繁な交通量および天候に曝される舗装およびコンクリートは、時間と共に劣化する。合衆国には多数の橋梁（約６００，０００）があり、カリフォルニア州だけでも１２，０００を超える橋梁がある。それぞれの橋梁は定期的に検査される。ほとんどの橋梁は、引張棒鋼（tensile bars）および金属格子（metal grids）のような金属要素を含む。橋梁を取り巻く環境からの塩化物はその表面においてコンクリート内部へと拡散し、表面からコンクリートの内部へと拡散する。塩素イオンは、例えば、寒冷地における氷結防止塩または沿岸部の海水飛沫からの塩水、または付近の（塩分を含む）土壌の盛り土からの飛散物から生じえる。時間と共に、コンクリート内の塩化物の量は増加し、実質的に金属要素を侵し、腐食させる。与えられた金属について、腐食が始まる塩化物濃度レベルが典型的には存在する。例えば鉄筋は、既知の臨界値の塩素イオンの存在で腐食する。結果として生じる腐食は、鉄筋容積の膨張、およびコンクリートの亀裂につながる。塩化物浸入によって引き起こされる金属の腐食をモニタリングすることは、定期的な高速道路メンテナンス検査の大きな目的の一つである。ふつう鉄筋および格子は、特定の深さにおいてコンクリート内部に埋め込まれているため、コンクリートのさまざまな深さにおける塩化物レベルは、塩化物イオン浸入を追跡し、コンクリート内の塩化物の存在が関心の対象となるレベルに近づいているときを検出するためにモニタリングされえる。
【０００５】
現在の検査技術は、目視観測およびコアサンプルの人力採取を含む。高速道路の技術者はしばしばコアサンプルを採取し、塩化物の浸食度を決定するために研究室での分析のためにそれらを提出する。このプロセスは典型的には、コンクリートから円筒形のプラグ（cylindrical plug）を取り出すことを伴う。高速道路の技術者はそれからこのプラグを研究室に送り、結果を待つ。研究室での分析は、試料をレイヤにスライスし、個々のスライスを粉砕し、レイヤを溶液に溶かし、その後、塩化物濃度を決定するために複数の滴定プロセスを行う。この分析を実行するのに加えて、個々の試料は、ラベルが付され、特定の橋梁と研究室での測定を相関付けるために追跡される必要がある。
【０００６】
非常に時間がかかり、費用もかさみ、混乱を招きやすいだけでなく、この方法はまた、検出および防止しようと意図する同じ問題を悪化させる。すなわち、高速道路技術者は、プラグで穴を再充填する。プラグ材料および大きさのミスマッチが必然的に生じるとすれば、塩化物イオンはコンクリートの奥深くに達するための今度はより簡単なルートを持つことになる。これらの人力による技術は、また道路渋滞をひどくしえる。さらに典型的には、臨界的な塩化物濃度に達するには長い年月がかかるので、これらの非効率な人力試験が何度も必要となりえる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述を鑑み、橋床のような大きな構造物の健全性をモニタリングする改良された構造物および技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、相補的センサデバイスおよびインタロゲータを利用する無線質問システムおよび方法を可能にすることによって構造的健全性モニタリングを改善する。センサデバイスは、構造物の健全性を示すパラメータを計測するセンサを備える。センサからのセンサ読み取りは、モニタリングされるパラメータのレベル、または１つ以上の特定の物理的または化学的なイベントが起こったかを示す。例えば、デバイスは、構造物中の化学物質種のレベルを計測する電気化学センサを含みえ、イベントは、化学物質種の特定の濃度レベルの達成でありえる。無線技術を用いて、インタロゲータは、その同一性および現在のセンサ読み取りまたは状態を決定するためにセンサデバイスをプローブ（probe）する。しばしばセンサデバイスは、構造物中に埋め込まれ、無線信号の送信は構造物の一部を通して起こる。アクティベートされるとき、デバイスは、デバイスを特定し、計測されているパラメータまたは特定のセンサ状態についての情報を含む無線信号で応答する。デバイスの識別は、それが多くの同様のデバイスから区別されることを可能にする。よって本発明は、無線質問ユニットによってプロービングされえるデバイス群のアレイのコンテキストにおいて特に有用である。ある実施形態において、デバイスは受動的であり、電力を質問信号から引き出す。
【０００９】
ある局面において、本発明は、道路、橋梁または橋床のようにその一部の健全性をモニタリングするのに適用できる。センサを含むデバイスは、コンクリート中に埋め込まれ、局所的な塩化物濃度を計測する。適切なインタロゲータによってポリングされるとき、デバイスは、塩化物濃度に対応する信号を出力する。例えば、インタロゲータは、ＲＦ信号を用いてデバイスをポリングしえる。質問信号に素速く応答する回路を用いて、本発明は、埋め込まれたセンサとのリアルタイム通信を可能にする。それぞれのデバイスは、例えばマイクロチップ中に記憶された番号またはコードでユニークに識別されえる。近接してある多数のデバイスの質問は、衝突防止アルゴリズムおよびＲＦＩＤ技術を利用しえる。道路または橋梁中のセンサアレイのためにデータベースが構築されえる。データベースは、単一の橋梁についての時間経過にわたるポリング結果を追跡するのに用いられえ、多くの橋梁の健全性ステータスの簡単な比較を可能にする。何百または何千に橋梁に質問を適用することによって、メンテナンス技術者が多数の橋梁についてメンテナンススケジュールの優先順位を付けることを助ける自動化され簡略化されたツールが提供される。ある実施形態において、デバイスは受動であり、ＲＦ照射から電力を導き出し、それによって電池の電源の必要および電池メンテナンスをなくし、その結果、埋め込まれたセンサデバイスは橋梁または橋床が長持ちするくらい長くもつ。
【００１０】
埋め込まれたセンサとのリアルタイム通信は、インタロゲータがトラックまたは移動する車両上に配置されることを可能にし、橋床の複数の位置に埋め込まれた多数の同様のデバイスがそれぞれのデバイス上をトラックが走行するときに実行されることを可能にする。道路メンテナンスプログラムについては、このような車両による質問は、従来の人手による技術と比べて、簡略化された迅速化されたポリングを提供する。
【００１１】
ある実施形態において、携帯ＲＦインタロゲータは、構造物の局所領域を照射し、その領域に埋め込まれたセンサに電源を供給し、センサからセンサデータを得る。データは、センサによってさまざまな形態で与えられえる。例えばセンサは、構造物中の攻撃的化学物質または種の濃度レベルのようなある種のパラメータが対象となるレベルに達したときを示す過大制限またはスレッショルドデータを提供しえる。本発明のセンサデバイスによって計測されるいくつかのパラメータは、濃度レベル、ｐＨ、伝導度、エポキシ水分浸透、代理物の腐食、および分極抵抗を例えば含む。センサフィードバックを、構造物中の既知のセンサデバイス位置およびセンサデータ履歴と結びつけることによって、パラメータ変化は、時間とともに追跡されえる。このようにして構造物全体に適用される情報収集は、構造物全体の健全性の進行のプロファイル、例えば橋床内での化学物質の浸透のプロファイルを可能にする。
【００１２】
センサデバイスを小さく簡単にするために、受動でありえる。すなわち、それは内蔵の動作用の連続的電源（電池のような）を持つ必要がない。これはデバイスの寿命をも延ばす。よってセンサおよびトランスポンダのようなデバイス中に含まれる要素は受動でありえる。ある記載された例では、無線周波数質問信号がトランスポンダ電力を供給する。
【００１３】
ある局面において、本発明は、金属を含む構造物の健全性を示すパラメータを検出するセンサを備えるデバイスに関する。前記デバイスは、前記センサと電気的に通じ、無線質問信号によってトリガされるとき、前記パラメータを示す無線信号を前記構造物の一部を通して送信するトランスポンダも備える。前記デバイスは、さらに前記トランスポンダと電気的に通じ、前記デバイスをユニークに識別する識別ソースをも備える。
【００１４】
他の局面において、本発明は、コンクリートを含まれる構造物中に配置されたデバイスに関する。デバイスは、パラメータを検出するコンクリート中に埋め込まれたセンサを備える。デバイスはまた、センサと電気的に通じた、パラメータステータスを示す無線信号をコンクリートの一部を通して送信するトランスポンダを備える。デバイスはさらに、ユニークにデバイスを識別する、トランスポンダに電気的に通じる識別ソースを備える。
【００１５】
さらに他の局面において、本発明は、レファレンス電極およびイオン選択電極間の電位差を計測する電気化学セルを備えるデバイスに関する。デバイスはまた、デバイスを識別する識別ソースを備える。デバイスはさらに、電気化学セルと電気的に通じ、識別ソースと電気的に通じ、電位差および識別ソースからの情報を示す無線信号を送信するトランスポンダを備える。
【００１６】
さらに他の局面において、本発明は、コンクリートおよび構造を備える橋梁の健全性をモニタリングするデバイスに関する。デバイスは、少なくとも部分的にコンクリートに曝露され、コンクリート中に存在する塩化物を検出するセンサを備える。デバイスはまた、センサと電気的に通じ、無線質問信号によってトリガされるときに、塩化物のレベルを示す無線信号をコンクリートを通して送信するトランスポンダを備える。デバイスはさらに、トランスポンダと電気的に通じ、ユニークにデバイスを識別する識別ソースを備える。デバイスは受動である。
【００１７】
他の局面において、本発明は、コンクリートおよび構造を備える橋梁の健全性を報告するシステムに関連する。システムは、デバイスのアレイを備え、これらそれぞれは橋梁に埋め込まれる。それぞれのデバイスは、橋梁の健全性を示すパラメータを検出するセンサ、センサと電気的に通じ、無線質問信号によってトリガされるときに、パラメータステータスを示す無線信号をコンクリートを通して送信するトランスポンダ、およびトランスポンダと電気的に通じ、ユニークにデバイスを識別する識別ソースを有する。システムはまた、外部からアレイ中のデバイスをプロービングすることによってパラメータステータスを決定するインタロゲータを備える。インタロゲータは、（ｉ）無線質問信号をトランスポンダに与えること、および（ｉｉ）デバイスから無線応答を受信することによってパラメータステータスを読み出すように設計または構成される。
【００１８】
他の局面において、本発明は、コンクリートおよび金属を含む構造物の健全性をモニタリングする方法に関する。前記方法は、前記コンクリート中にセンサデバイスを埋め込むことを含む。前記センサデバイスは、金属を含む構造物の健全性を示すパラメータを検出するセンサ、前記デバイスを他の同様のデバイスから区別できる識別ソース、およびトランスポンダを備える。前記方法は、前記センサを用いて前記パラメータのレベルを検出することを含む。前記方法はさらに前記コンクリートの一部を通して送信する無線信号を作るインタロゲータで前記デバイスをプロービングすることを含む。前記方法さらに、前記コンクリートの一部を通して前記デバイスからの無線信号を戻すことを含む。前記戻り無線信号は前記パラメータステータスを示す。ある実施形態において、構造物は橋梁または橋梁の一部である。
【００１９】
本発明は、幅広い範囲の応用例を見いだす。それぞれの記録デバイスと共に識別コードを使用することによって、個別にモニタリングされなければならない多数の空間的に離れた点を有する大きな構造物をモニタリングすることが可能である。
【００２０】
本発明のこれらおよび他の特徴および優位性は、いくつかの本発明の記載および関連する図面を参照して説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、添付図面に図示されるそのいくつかの好ましい実施形態を参照して詳細に記載される。以下の記載において、多くの具体的な詳細は、本発明の完全な理解を促すために記載される。しかし当業者には、本発明はこれらの特定の詳細の一部または全てがなくても実施されえることが明らかだろう。あるいは、よく知られたステップおよび／または構成は、本発明の趣旨を不必要にぼかさないために詳細には記載されていない。
【００２２】
１．構造物の健全性モニタリング
【００２３】
本発明は、大きな構造物またはその一部の健全性をモニタリングするのに適する。図１Ａは構造物部１０を示し、これはビル、橋梁、道路などの一部として含まれえ、コンクリート１１および金属１２を備える。センシングデバイス５０のアレイは、構造物部１０内に埋め込まれ、構造物部１０の健全性を示すパラメータを検出する。センサデバイス５０は、物理的または化学的なパラメータ、イベント、または状態を検出しレポートし、複数の関心ある点がモニタリングされる。それぞれのこのような点は、本発明の別個のセンシングデバイスに関連付けられる。デバイス群５０は全体でセンサアレイを形成する。好ましくはこのようなアレイのそれぞれのセンサデバイスは、他の同様なデバイスからそのデバイスを一義的に特定し、調べられたときに適切な区別可能な読み取りをデバイスが提供することを可能にするユニークな識別子を有する。
【００２４】
本発明の無線モニタリング技術は、さまざまな構造物の健全性モニタリングに適切である。この語がここで使われるように、構造物は一般に建築された任意のものを指す。本発明のさまざまな実施形態によってモニタリングされる例示的な構造物には、道路、橋梁、ビル、鉄道軌道、航空機、パイプライン、トンネル、宇宙船、貯蔵タンク、原子力発電所、およびテーマパークの乗り物が含まれる。ビルは、駐車用ガレージ、オフィスビル、防潮壁などを含む。鉄道軌道は、例えば、金属および木材の設計、または金属およびコンクリートの設計を含みえる。ここで定義される構造物はまた、個々の壁面およびレイヤのような要素構造部分および構造物の要素、橋床のような道路および橋梁要素などを含む。構造物は、コンクリート、木材、セメントまたはモルタル、アスファルトまたはアスファルトコンクリート、構造用ハニカム、糊、液体（静止または流れている）、プラスチック、土壌、または航空機または列車のような複雑な構造物のアクセス不能なコンパートメントなど、任意の適切な材料を含みえる。本発明のセンサデバイスは、これら非金属材料の任意のものの中にさまざまに配置され、取り付けられ、または埋め込まれえる。ここでこの語が使われるように、コンクリートは、礫岩砂利、砕石、またはモルタルまたはセメントマトリクス中のスラグを含む任意の材料を指すように意図される。道路に使われるコンクリートの２つの従来からある形態は、ポートランドセメントコンクリートおよびアスファルトコンクリートである。デバイスはまた、誘電体、損失有りの誘電体、またはさらには金属コーティングされた材料（金属コーティングの厚さが、質問の波長におけるその材料の表皮厚さよりずっと小さい限り）さまざまな非金属材料の中に埋め込まれえる。上述の応用例に加えて、本発明のセンサデバイスは、大きな構造物の迅速または遠隔の検査が有用である任意の応用例に一般に応用可能である。
【００２５】
一般に、本発明のセンサデバイスは、物理的な「パラメータ」を検出する。ふつう、このパラメータは、その温度、密度、ひずみ、変形、加速度、圧力、質量、不透明度、濃度、化学的な状態、硬度、伝導度、抵抗、磁化、誘電率、大きさなどのような対象物の物理的または化学的な特性である。このパラメータは、構造物、またはその一部の健全性を典型的には示す。例えば、構造物のさまざまな部分における応力またはひずみは、構造的健全性を示すのに用いられえる。あるいは、パラメータまたは物理的特性は、構造物またはその中に含まれる要素を侵す化学物質の存在のような、構造的な劣化または前兆のなんらかの形態と関連しえる。そのパラメータがモニタリングされる対象物は、構造物内に含まれえる（例えば、橋床に含まれる金属要素の抵抗および腐食を検出する）か、または構造物に付加されえる（例えば、橋床に含まれる金属要素を物理的または化学的に模擬するセンサデバイス内に含まれる代理金属（surrogate metal）の抵抗および腐食を検出する）。例えば橋梁または橋梁部で用いられる金属の健全性をモニタリングするために、パラメータは化学的濃度、ｐＨ、伝導度、腐食レベル、および分極抵抗に対応しえる。この場合、モニタリングされるアイテムは、橋梁またはモニタリング目的で橋梁に付加された代理アイテム（surrogate item）中の金属要素に対応しえる。
【００２６】
構造物の健全性は、構造物の機能に関する任意の条件または物理的なパラメータを一般に指す。これは、別個に構築される部分、個々の材料、補強梁、構造的完全性に寄与するケーブルおよび棒鋼、接着剤、封止物、ジョイント、ファスナなどのような構造物中に含まれる部分および要素の健全性を含む。多くの場合、構造物の破損モード（failure  modes）は、本発明のセンサによってセンシングされるパラメータに結びつけられる。天候および頻繁な交通量に曝される舗装およびコンクリートは、時間と共に劣化する。舗装の破損モードは、例えば、過大応力、過大ひずみ、温度に起因する湾曲および撓み、および金属棒鋼および金属グレードのような道路および橋梁内の金属要素への腐食性侵蝕を含む。センサデバイスは、これら条件のそれぞれを検出するためにコンクリート中に埋め込まれえる。最後の場合、本発明は、金属要素の腐食の原因となる攻撃種（aggressive species）のレベルを検出しえる。
【００２７】
場合によっては、センサデバイスは、パラメータに関連付けられる「イベント」を検出する。物理的または化学的なイベントは、物理的特性の特定値への到達に対応する。道路検査応用例については、イベントは、コンクリート中に埋め込まれた金属を攻撃する化学物質についてコンクリート内で特定のスレッショルド濃度レベルに到達することに対応しえる。あるいは物理的なイベントは、硬化中のコンクリート内で、特定のスレッショルド温度または湿度レベルに到達することに対応しえる。他の物理的イベントは、センシングされているアイテム中の相変化のような状態変化でありえる。相変化の例は、気体、液体、および固体状態間の変化、形態学上の変化（例えば結晶状態）、磁化などを含む。
【００２８】
ある実施形態において、本発明のセンシングデバイスは、質問ＲＦ照射によって電力供給される圧電センサデバイスを用いてコンクリート中の過大応力スレッショルドを計測するのに用いられえる。これらの圧力に敏感なデバイスは、手動でアスファルトコンクリートの路床境界に、路床の基盤に、またはだぼレトロフィットプログラム（dowel retrofit program）（図２Ｃ参照）の一部として負荷変換だぼ（load transfer dowels）に挿入されえる。その後、都合のよいときに、無線インタロゲータは、コンクリートおよび舗装内の領域を照射し、埋め込まれた無線センサデバイスに電力を供給し、張力および圧縮応力データを得る。コンクリート中に埋め込まれたセンシングデバイスのアレイについて、それぞれのデバイスは、それ自身の識別コードおよびセンシングされている所望のパラメータを返しえる。例えば、それぞれのデバイスは、コンクリート中の応力が、ある制限を超えた条件（コンクリート中で４００ｐｓｉの張力応力のような）を超えたかどうかを示す信号を返しえる。もしそうなら、コンクリートに対してさらなる実証試験が実行されえる。
【００２９】
本発明はまた、複数のパラメータおよびイベントを検出するのに適する。複数のパラメータおよびイベントは、複数のパラメータ、同じパラメータについての複数のスレッショルド、またはそれらの組み合わせに関連付けられえる。例えば、物理的または化学的なイベントは、図１Ａのコンクリート１１中の塩化物の異なるスレッショルド濃度レベルでありえる。
【００３０】
検出されるべきパラメータまたはイベントは、非常に速い、または瞬間のイベント、または展開するのに非常に時間がかかるイベントでありえる。この後者の場合の例は、コンクリート中で特定の化学物質の濃度レベルに達することであり、数年かかりえる。イベント記録デバイスによる時間積分された曝露は、長期モニタリングに適しえる。このようにして、数値の連続性に沿った新しい定常状態条件の検出が検出および報告されえる。
【００３１】
本発明の無線センシングデバイスは、コンクリートを含む構造物の健全性をモニタリングするためにコンクリート内に埋め込むのに非常に適する。ある実施形態において、デバイスは、温度、圧力、または湿度のようなパラメータをコンクリートの硬化のあいだモニタリングする。コンクリートの強度および耐用期間のパフォーマンスは、硬化条件に大きく依存する。これは、高パフォーマンスコンクリートについて特に当てはまる。硬化条件の知識によって、建築要員は、使用年数コストを推定し、メンテナンスアクションを計画し、新しい建築に対して品質管理を行うことができる。具体的な実施形態において、コンクリート中に埋め込まれたセンサデバイス５０は、硬化中に周期的な間隔で局所的温度計測値を得る。本発明のインタロゲータによってポリングされるとき、デバイスは、検出するよう構成される温度データを伴って（または伴わずに）応答する。湿度を検出するよう配置されたセンサは、コンクリートを硬化させる水和プロセスをモニタリングしえる。本発明の低コストの無線温度センサは、新しい建築物中に広く分散され、硬化の完全性を充分に評価することを可能にする。場合によっては、これらデバイスは、ＤＣ電力を供給する小さな電池を含みえ、注入後、２８日間のあいだ、周期的にＲＦインタロゲータによってポリングされえる。計測されたデータの結果、建築要員は、構造物中の硬化の完全性を検証しえ、より注意深い検査またはリワークが必要となりえる空間的に分散された領域を特定しえる。
【００３２】
前述のように、与えられた金属について腐食が始まる臨界塩化物濃度が典型的には存在する。対応して、本発明のセンサデバイス５０は、臨界塩化物濃度にまで蓄積していく塩化物を追跡するのに有用な、塩化物濃度スレッショルドレベルおよび／または１つ以上の中間濃度スレッショルドレベルを検出するために、コンクリートおよび金属を含む構造物（例えば鉄筋コンクリート）中に埋め込まれえる。よって、構造物１０中の塩化物複数のセンサデバイス５０は、構造物１０中での塩化物浸透の量およびプロファイルを決定するために、構造物１０内に埋め込まれえる。
【００３３】
他の応用例は、例えば、伝導度のスレッショルド変化（例えば関心のある材料の腐食は回路接続を断絶する）を検出することによって腐食検出（例えば橋梁および航空機内で）を、ＥＭＦの変化を検出することによって水分吸収検出（例えば吸湿材料によって）を、不透明度の変化を検出することによってイオン検出を（塩化物検出のためにＡｇＣｌのような不溶性の種の析出によって）モニタリングする。これら応用例の多くについて、検出されるパラメータは、曝露のレベルを伴うことに注意されたい。デバイスは曝露がどの程度起こったかを報告する。伝導度、不透明性、吸収率などの値は、曝露のレベルに相関し、センサデバイスはこのレベルを報告できる。
【００３４】
２．道路および橋梁の健全性モニタリングシステム
【００３５】
特に、本発明は、道路および橋梁の周期的健全性モニタリングに適する。経時変化する舗装およびコンクリートの検査は、多くの高速道路メンテナンスプログラムの重要な要素である。本発明は、橋床およびコンクリートベースの構造物の健全性をモニタリングすることについて主に記載されるが、本発明は、これら構造物および材料に限定されず、この実施形態の拡張で提供される例に限定されるよう意図されない。
【００３６】
図１Ｂは、本発明のある実施形態によるセンシングデバイス５０のアレイを含む道路２０の断面を示す。道路２０は、アスファルトコンクリート２４の下に配置されたポートランドセメントコンクリート２２を含むデュアルレイヤ建造物を含む。デバイス５０は、コンクリート２２およびコンクリート２４内のさまざまな位置に埋め込まれる。例えば、デバイス５０ａおよび５０ｂは、ホイールパス２６にアラインして、これらの垂直領域における道路２０の劣化をモニタリングするよう水平に配置される。デバイス５０ｃは、道路２０の水平の中間部に、表面２７に近くに配置される。デバイス５０ａ〜５０ｅは、道路２０のさまざまな深さに配置される。デバイス５０ａおよび５０ｂは、ポートランドセメントコンクリート２２およびアスファルトコンクリート２４の間の境界の上側および下側表面にそれぞれ埋め込まれる。デバイス５０ｃおよび５０ｄは、ポートランドセメントコンクリート２２内の深くに埋め込まれる。
【００３７】
図２Ａ〜２Ｂは、本発明の実施形態による道路構造物の健全性をモニタリングする無線検査システムを示す。図２Ａは、本発明のある実施形態による橋床３５の断面をモニタリングするセンサシステム３０の例示的表現である。鉄筋３６は、橋床３５に含まれるコンクリート３４内に配置される。橋床３５の表面３８からの塩化物の浸入は、鉄筋３６の金属腐食に寄与しえる。
【００３８】
センサデバイス５０は、橋床３０内に埋め込まれる。示されるように、デバイス５０は、裏込めされたコア３７を用いて橋床３０内に埋め込まれる。具体的な実施形態において、それぞれのデバイスは、表面３８の下に１インチの増分で動作深度を有する。より具体的には、デバイス５０ａは、橋床３５の表面の下の１インチの動作深度を有し、デバイス５０ｂは、橋床３５の表面の下の２インチの動作深度を有し、デバイス５０ｃは、橋床３５の表面の下の３インチの動作深度を有するなどとなる。動作深度は、デバイス５０は方向依存であり、センシングを担う特定の部分を持ちえ、周囲の構造物とインタフェースするという事実を指す。ある実施形態において、デバイス５０は、センサ検出をデバイス５０の特定の部分に限定するポートを含む。これにより、そのポートの正確な位置付けおよび方向づけによって決定される正確な空間位置の検出が可能となる。例えば、図４Ａに示されるセンサデバイス５０は、特定の位置においてセンサ内に塩化物イオンが拡散して入り込むことを可能にする塩化物ポートを含む。図２Ａについて、それぞれのセンサデバイス５０は、その塩化物ポートが下向きになるよう配置され、よって、それぞれのセンサデバイスの動作深度はセンサデバイスの底部において測られる。
【００３９】
システム３０は、人によって持ち運びされるハンドヘルドまたは携帯インタロゲータ３２に基づく。無線技術を用いて、インタロゲータ３２は、センシングデバイス５０ａ〜５０ｄと通信する。インタロゲータ３２は、デバイス５０のそれぞれおよびインタロゲータ３２の現在位置の間のコンクリート３４の部分に浸透するプロービング信号を作る。インタロゲータ３２からのプロービング信号に応答して、それぞれのデバイス５０は、センサ読み取りを作る。デバイス内の回路は、センサ計測値を、デバイス内のトランスポンダによって出力される信号に変換しえる。それからトランスポンダは、デバイスのＩＤおよびセンサ読み取りを含む応答信号をインタロゲータ３２に返す。インタロゲータ３２はよって、埋め込まれたデバイス５０を人がポリングして、センサデバイス５０を掘り出すことなく、便利な形で塩化物浸入データを得ることができるようにする。
【００４０】
デバイス５０は、局所的条件を検出および報告するために、橋床３０内の戦略的な位置に埋め込まれえる。このことは、埋め込まれたデバイスと通信するためのインタロゲータ信号は、構造物材料を通して浸透することを意味する。例えば、インタロゲータは、コンクリートを通して伝送するＲＦ信号を発生および受信するよう設計されえる。モニタリングがコンクリートの硬化中に実行されるとき、ＲＦ信号はまた、硬化条件を安定化させるのに用いられる保護プラスチックおよび合板の覆いを通して浸透する。
【００４１】
何千のデバイス５０が単一の構造物中に埋め込まれえる。例えば、何千ものデバイス５０が、大きな橋床についての関心のある、さまざまな位置に埋め込まれえる。デバイスは、既存の構造物または新しい構造物に埋め込まれえる。図２Ａについて、それぞれのデバイス５０は、既存の橋梁の評価のために、裏込めされた非コンクリートコア内に挿入される。新しい橋梁については、デバイス５０は、初期のコンクリート注入の一部としてコンクリート内に埋め込まれえる。
【００４２】
図２Ｂは、本発明の他の実施形態によるセンサシステム７０を示す。示されるように、多くのセンサ５０およびだぼ７４は、道路７１内に埋め込まれる。道路７１は、ポートランドセメントコンクリート７９の上に配置されたアスファルトコンクリート７８を含む２層の複合体である。
【００４３】
インタロゲータ７５は、高速道路メンテナンス車、トラック、または他の適切な移動車両のような車両７２によって運ばれる。インタロゲータ７５は、道路７１内に埋め込まれたセンサ５０との無線通信を可能にする車両７２の中央部の下に配置されたアンテナを含む。インタロゲータ７５からＲＦ波によって送信される無線周波数電力は、それぞれのセンサデバイス５０内の無線トランスポンダに電力を供給するよう用いられる。無線周波数電力はまた、プロセッサまたはマイクロチップに含まれるデバイス中の論理回路と共に、センサおよびセンサ読み取りのために電力を供給するよう用いられえる。それぞれのデバイス５０はそれから、車両７２が通過するにつれて、個別に電力が提供され、質問されえる。それからそれぞれのデバイス中の論理回路は、センサデバイスにその識別子コードおよびセンサ読み取りをインタロゲータ７５に返すように命令する。
【００４４】
典型的には、インタロゲータ７５および車両７２を用いた質問は、適切な速度でトラックを道路７１上で走行させることを含む。車両７２の上部の速度は、特定のデバイス５０に信号を送り、それからの信号を受け取るための処理遅延に依存しえる。これら遅延は、プロービング信号が特定のデバイス５０に到達するための遅延、デバイス５０が応答を生成するための遅延、応答信号がインタロゲータ７５に到達するための遅延、および任意の他の処理または無線通信遅延を含みえる。車両７２の速度にかかわらず、システム７０を用いたデバイス５０の検査は、簡便で（車両中に座った高速道路の要員にとって）、侵襲性がより少ない（交通にとって）道路健全性検査の方法である。
【００４５】
他の実施形態において、車両７２は、車両の前部における送信アンテナ、および後部に配置された受信アンテナを備える２アンテナシステムを含む。２アンテナシステムは、道路７１内の無線デバイスが、前部送信アンテナからのプロービング信号を受け取り、応答を生成し、後部受信アンテナに応答信号を送信することを可能にする。この２アンテナシステムは、デバイス５０との通信の遅延は、前部および後部アンテナ間の距離によって補償されるので、車両７２の速度を速くすることが可能になる。
【００４６】
有利なことに、システム７０は、橋床検査のような道路検査の時間および費用を削減する。場合によっては、本発明のセンサデバイス５０は、数１０ミリ秒の範囲でインタロゲータに応答する。埋め込まれたセンサデバイス５０の応答時間にかかわらず、デバイスをトラックまたは他の移動車両でプロービングできる能力は、塩化物浸透についての橋床検査の時間および費用を大きく削減する。
【００４７】
３．動作原理
【００４８】
図３Ａは、本発明のある実施形態による簡略化されたセンサデバイスシステム１００を示す。インタロゲータ１０２は、無線通信を用いてセンサデバイス１０４ａおよび１０４ｂをプロービングし、この機能を実行できる任意の回路を含みえる。この場合、インタロゲータ１０２は、コンピュータ１０６、トランシーバ１０７、およびインタロゲータアンテナ１０８を含む。ある実施形態において、インタロゲータ１０２および個々のイベント記録デバイス１０４間の結合は、無線周波数（ＲＦ）放射による。
【００４９】
センサデバイス１０４ａは、整流器１０９、変調器１１０、識別子（ＩＤ）を含むメモリ１１２ａ、論理回路１１４、センサ１１６、およびアンテナ１１７（変調器１１０と共に無線トランスポンダとして働く）を含む。
【００５０】
センサ１１６は、デバイス１０４ａが配置または埋め込まれた構造物の健全性を示すパラメータを検出する。センサ１１６は、意図された物理的または化学的なパラメータまたはイベントを検出できる任意のセンサを広く指す。多くのセンサは、以下にさらに詳細に記載される。センサ１１６は、現在のパラメータ状態に対応する情報を出力する。センサ１１６は好ましくは、必ずしもそうでなくてもよいが、連続的な電力を必要としない受動センサである。場合によっては、センサ１１６は、センシングされる量によって電力を与えられると見ることもできる。例えば、イオン濃度勾配は、電気化学セル中の２つの電極間の電位差を計測するために電力を提供しえる。あるいはセンサ１１６は、図６Ｄについて記載されるように、異質な化学物質の存在で腐食するワイヤでありえる。
【００５１】
インタロゲータ１０２によって質問されるとき、センサデバイス１０４は、メモリ１１２に格納されたそのＩＤ、およびセンサ１１６によって提供される情報またはイベントを記録する記録メカニズムからの情報と共に応答する。センサ１１６からの情報は、モニタリングされるパラメータのレベルまたは状態を示す。この情報は、デバイスの識別コードと共に読み出される。ＩＤコードは、ａ）デバイスのグループ中のそれぞれのデバイス１０４を識別し、ｂ）それぞれのデバイス１０４のセンサ読み取りに対応するデータエントリを自動的にロギングするメカニズムを提供する。
【００５２】
論理回路１１４は、インタロゲータ１０２による質問信号に応答する命令を提供し、センサデバイス１０４ａから返されるべき信号を作る回路および他の機能を含む。これは例えば、センサ１１６の出力を処理または変化させることを含みえる。論理回路１１４は、商業的に入手可能なマイクロプロセッサ、ロジックデバイス、マイクロチップなどに含まれえる。
【００５３】
ある実施形態において、インタロゲータは、イベント記録を行うデバイスへ電力を提供し、例えばそれはＲＦ波によって送信される。センサデバイス１０４ａの整流器１０９は、信号を整流し、それによってデバイス１０４ａの要素を動作させるＤＣ電圧を提供する。ある実施形態において、論理回路１１４および整流器１０９は、同じマイクロプロセッサ内に含まれる。
【００５４】
本発明のセンサデバイスは典型的には、無線通信のための無線トランスポンダのある種の形態をとる。一般にトランスポンダは、無線信号を送受信するよう機能する。場合によっては、起動されるとき、またはインタロゲータからの信号によってプロービングされるときに自動的に信号を送信する。ふつう、トランスポンダは、受信された入力信号（インタロゲータ１０２または他の駆動デバイスからの）の強度を増す増幅器、トランスポンダに提供された情報で信号を変調する変調器、および受信および送信のための単一のアンテナまたは複数のアンテナ群を含む。変調器は、トランスポンダのうち、送信される信号に情報を刻み込む部分である。「トランシーバ」は、トランスポンダのうちで、通常、互いに独立している、信号を送信および受信する働きをする要素でありえる。
【００５５】
図３Ａの例において、整流器１０９、変調器１１０およびアンテナ１１７は、全体としてトランスポンダとして機能することに注意されたい。整流器１０９および変調器１１０は、インタロゲータ１０２とアンテナ１１７を通して通信し、この機能を実行できる回路を含む。この設計は、無線搬送波として適切な周波数（例えばマイクロ波またはＲＦ）の電磁波放射を採用するシステムに特定のものである。他のトランスポンダ設計が他の無線搬送波および信号については適切である。例えば、トランスポンダは、音響、光学、ＩＲ、または誘導的または容量的に結合される電磁波源と共に用いられるよう設計されえる。インタロゲータ（または他のプロービングデバイス）は、例えば、電力を供給するために一つの周波数を有し、質問のために第２周波数を有するような複数のバンドまたは複数の周波数源を採用しえることに注意されたい。
【００５６】
トランスポンダは、無線プローブ信号をインタロゲータから受信し、その信号は、デバイスの識別子およびセンサ読み取りをインタロゲータに対して送信することを許すだけの充分な電力を含みえる。トランスポンダは、プロービングのあいだ、識別子およびセンサ読み取りにアクセスできるような形で識別メモリおよびセンサに結合される。
【００５７】
図３Ａのシステム１００は、適切な周波数の電磁波放射を介して無線通信が起こると想定する。よってアンテナが用いられる。しかし一般にはインタロゲータおよび記録デバイスは、任意の適切なプローブ信号または搬送波（ＲＦまたは他の電磁波放射だけではなく）を可能にするよう設計されえる。搬送波は、デバイスが相応の距離から広い範囲にわたってプロービングされることを可能にしなければならない。これは、構造物の部分を通して信号が浸透することを含みえる。場合によっては、センシングデバイスからインタロゲータへのデータの送信のために電力を供給することを可能にしなければならない。搬送波は、適時に所望の情報を転送するために充分なだけの帯域幅を提供しなければならない。したがって変調された搬送波はまた、近接するセンサデバイスによって提供される信号から区別されるように、周波数または時刻の同期、または符号化の点で充分にユニークでありえる。一般に搬送波は、インタロゲータおよびセンサデバイス間の媒体（真空、気体、液体、固体など）を通して距離を隔てて機能する波または場または他の無形の作動体でありえる。適切な搬送波の例は、ＲＦ放射、マイクロ波放射、可視、紫外、および赤外放射、音響波、電界、磁界などを含む。もしシステムがＲＦ放射を採用するなら、周波数は好ましくは１００ｋＨｚおよび５８００ＭＨｚの間の範囲であり、数ワットの電力で提供される。特定の実施形態において、インタロゲータは、利用可能なＲＦＩＤデバイスに使用されるのと同じまたはその付近の許可された周波数において動作しえ、例えばある場合では１２５ｋＨｚであり、他の場合には１３ＭＨｚである。マイクロ波放射は他の好ましい搬送波を提供する。一般にこれはＲＦ放射と同じ機能を提供するが、より大きな読み取り範囲おいてである。典型的には、９４５ＭＨｚ、５．８ＧＨｚおよび２．４５ＧＨｚにおけるＩＳＭバンドのような任意の許可または規制されたバンドが用いられえる。
【００５８】
ある実施形態において、センサデバイス１０４ａは、センサ１１６によって検出された１つ以上のイベントを記録することを許すメモリ要素を含む。それからその後、イベント情報は、無線応答を介してインタロゲータ１０２に提供される。本発明のある実施形態において、センサおよびイベントを記録できるメモリ要素は、マイクロチップの外部または内部に組み込まれ、符号化されたベースバンド信号を直接に変化させるように働きえる。有利なことに、これは状態変化が、インタロゲータによって容易に読み取れるユニークな符号として表現されること（微妙な変化ではなく）を許す。
【００５９】
簡単な形態では、物理的または化学的なイベントは、「１」を「０」に変化させること、またはその逆によって記録される。イベントが起こったときに記録された情報（単一のビット、複数のビット群、または他の情報にかかわらず）は、２つのやりかたで用いられえる。第１に、リーダが、センサデータが後に続くＩＤデータを得るように、ＲＦＩＤコードにアペンドすることによって「直接に」用いられえる。第２に、２つのコードのうちの一つを選択することによってそれは「間接に」用いられえる。すなわち、特定の記録デバイス＃１３７は、もしデバイスがノーマルであるならコード＃１３７ａで応答でき、もしデバイスが考慮されているイベントを感知するなら＃１３７ｂで応答できる。通信理論の観点からは、これら２つのコードは、直交またはほぼ直交であり、リーダは、非常に高い確率でノーマルデバイスおよび変化されたデバイスの間で区別ができる。
【００６０】
他の実施形態において、シリコンベースのマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）が採用されえる。このようなＭＥＭＳは、センサおよびアクチュエータシステムとしてさまざまな産業でますます使用されつつある。ＭＥＭＳは、圧力センサ、加速度計、歪みゲージ、静電アクチュエータ、マイクロスイッチ、トーショナルミラーなどとして機能しえるマイクロチップ上に集積された小さなデバイスである。これら機能は、容量、温度依存半導体機能、静電力、ホール効果、磁気歪み、圧電効果、ピエゾ抵抗効果など、さまざまなＭＥＭＳ構造および特性から生じる。例えば、圧力センサは、スイッチと共にＭＥＭデバイスにおいて実現されえる。過大リミット条件において、膜の撓みは、回路を閉じ、よってエネルギーを放出またはイベントを記録するために用いられえる。例示的なＭＥＭＳ温度センサは、赤外検出器および熱電対を含む。
【００６１】
メモリ要素は、いったんイベントが起きてメモリ要素が変更されると、イベントが復帰してもメモリ要素をイベント前に用いられた状態に戻すことができない、１つ以上のイベントについて「単方向」でありえる。例えば、もしイベントが、モニタリングされている金属アイテムの抵抗スレッショルドを超え、その抵抗スレッショルドを超える結果、メモリ要素が第１状態から第２状態に変わるなら、抵抗スレッショルド未満に抵抗が落ちても、メモリ要素は第１状態に戻らない。多くの場合、センサおよびセンシングされるパラメータは、メモリ要素をそのイベント以前に用いられる状態へと戻すことが不可能である。
【００６２】
単一の構造またはメカニズムが、センサデバイス１０４中の２つ以上の要素として機能しえることに注意されたい。例えば、共振電気回路は、変調器１１０およびアンテナ１１７として機能しえる。さらに、単一の回路は、上述のメモリと、トランスポンダの一部または全てとの両方として機能しえる。例えば、あるセンサデバイスは、インタロゲータに応答するのに後方散乱変調を使用する。この後方散乱変調を実現する一つの方法は、共振回路の負荷インピーダンスを変化させることである。この機能（インピーダンスを変化させる）を実行する回路は、変調器および１つ以上のイベントを記録することを許すメモリ要素として記述されえる。
【００６３】
システム１００の動作のある実施形態において、トランシーバ１０７は、センサデバイス１０４を短いＲＦパルスで照射する。センサデバイス１０４ａについて、アンテナ１１７は、ＲＦ信号を受け取り、整流器１０９を用いてＤＣ電力を得るために信号を整流する。整流された電力は、センサ１１６に電力を供給するのに用いられ、センサは、現在のパラメータ状態または状態の計測値を作る。論理回路１１４はまた、整流器１０９の電力を受け取り、センサデバイスＩＤ１１２ａのためにメモリを読み、センサ１１６データを読み、またはイベントを記憶するために用いられるメモリ要素内のデータを読み出し、ディジタル信号を変調器１１０に提供する。変調器１１０は、インタロゲータ１０２からの質問信号に応答して、アンテナ１１７を後方散乱で変調する。インタロゲータ１０２のアンテナ１０８およびＲＦトランシーバ１０７は、センサデバイス１０４ａからの応答信号を得る。応答信号は、センサデバイス１０４ａからのＩＤおよびセンサデータを含み、ＩＤおよびセンサデータをコンピュータ１０６に報告する。コンピュータ１０６は、センサ１０４についての情報をデータベースと関連付け、データベース内でアップデートする。場合によっては、コンピュータ１０６内のソフトウェアは、登録された橋梁健全性を参照し、必要ならさらなる検査の必要性を信号で伝える。
【００６４】
本発明のセンサデバイスは、典型的には識別子（ＩＤ）を含む。一般に、センサデバイスの無線プローブは、ＩＤによって与えられる値または他の指示値を返さなければならない。この値は、好ましくは応答を提供する特定のデバイスをユニークに識別する。これにより、システム上でデバイス群のアレイ中で遭遇する多くの他のデバイスから区別されえる。ある実施形態において、識別子タグが採用される。識別子タグは、インタロゲータを用いて遠隔で読み取れる識別コードを含む小さいデバイスである。センサ群のアレイの場合、考え方は、コンクリート構造物中の徐々に深くなる深度における化学物質濃度のさまざまなレベルのような、関心のある１つ以上のパラメータを１つ以上の位置においてセンシングし、それからデバイスの識別コードと共にセンサデータを読み出すことである。
【００６５】
デバイス１０４のＩＤコードおよびディジタル応答はまた、それぞれのセンサデバイスの状態に対応するデータエントリを自動的にロギングする手段を提供する。これは、構造物における対応する位置をロギングすることも含みえる。場合によっては、構造物中のそれぞれのデバイス１０４の位置および深度は、通信された信号の振幅および位相変化から推定されえる。これらの量は、深度、材料の誘電率および透磁率、含水率、およびもしあるなら鉄筋への近接度によって変化する。よって本発明は、図１および２に示されるコンクリート中のデバイスの深度および位置のような、構造物中のデバイス１０４の深度および位置を決定するアルゴリズムを含みえる。
【００６６】
識別情報のさまざまなタイプがこの技術では知られ、本発明と共に用いられえる。識別情報の例は、ＩＤコードを記憶するマイクロチップ（例えばＥＰＲＯＭ）、磁気センサデバイス、複数の共振回路を提供する電気回路などを含む。場合によっては、識別情報は、ユニークな番号を含まず、他の同様なデバイスからあるデバイスを区別する他の情報を含む。例として、デバイスの既知の位置は、それを他のデバイスから区別するために用いられえる。
【００６７】
無線ＩＤタグは、商業的によく知られ、ＲＦＩＤタグについて幅広い選択を提供する多くのメーカが存在する。これらタグは、受動である（典型的には１２５ｋＨｚ付近で動作する）か、または能動である（しばしば２．４５ＧＨｚ付近で動作する）かのいずれかである。大手メーカは、テキサス州、ダラスのテキサスインスツルメンツ、アイダホ州、ボイジーのマイクロンコミュニケーションズ、カリフォルニア州、サンノゼのモトローラを含む。商業的に利用可能なＲＦ技術は、ここで記載される多くの設計で用いられるのに適する。
【００６８】
センサデバイス１０４が実現される応用例は、大きく変わりえ、環境的に禁止される条件を含みえるので、デバイス１０４の具体的な特徴は、特定の応用例によって支配されえる。例えば、道路健全性モニタリングシステムにおいては、センサデバイス１０４ａの全ての要素は、道路が曝される温度に耐えることが期待される。合衆国のさまざまな地域において、橋梁温度は摂氏−２０度から摂氏４０度までで変化する。
【００６９】
図３Ｂは、本発明の具体的な実施形態による図３Ａに概略が示されるシステムの電気的等価回路１２０を示す。インタロゲータ１３２およびセンサデバイス１３４間の誘導性結合は、この回路においては相互インダクタンス１３６によって表現される。
【００７０】
インタロゲータ１３２は、アンテナ１３８のための特定の周波数における電流を供給する発振器または同様の回路からのリード線１３３および１３５を含む。具体的な実施形態において、アンテナ１３８は１２５ｋＨｚで動作する。リード線１３３および１３７は、リーダデータ検出回路がアンテナ１３８によって受信された任意の応答を計測することを可能にする。リーダ回路１３２のインダクタンス１３６は、キャパシタ１４１と直列に共振して、リーダアンテナ１３８を通る電流が最大化する。この技術は、センサデバイス１３４のアンテナ１４０において発生した磁界を最大化する。
【００７１】
対照的に、センサデバイス回路１３４のインダクタンスは、キャパシタ１４３と並列共振して、アンテナ１４０の両端の電圧を最大化する。この技術は、電力発生マイクロチップ１４２に対して整流されるピークＲＦ電圧を最大化する。マイクロチップ１４２によって作られた電圧は、出力電源スイッチ１４４、センサ、またはデバイス１３４の他の要素に与えられる。
【００７２】
ある実施形態において、アンテナコイル１３８および１４０の設計は、センサデバイス１３４中のインタロゲータ１３２間の相互インダクタンスを最大にしたいという要求にしたがって決められる。２つのコイルの相互インダクタンスは以下のように近似されえる。
【００７３】
Ｍ21＝［μeffμ0πＲ22Ｒ21Ｎ1Ｎ2］／［２（Ｄ2＋Ｒ21）3/2］
【００７４】
しかしこの相互インダクタンスは、タグコイルコアの実効透磁率μeffμ0およびコイル間の距離Ｄに依存し、注記すべきは、固有コイルパラメータはその半径Ｒ1およびそのターン数Ｎ1である。よってある実施形態において、コイル１４０の直径およびターン数は、デバイス１３４のスペースの制限を超えない程度に、またはコイル１４０が動作周波数で自己共振しない程度になるべく大きくされる。加えて、デバイス１３４の自己インダクタンスは、共振キャパシタ１４３が小さすぎないように、あまり大きくされるべきではない。具体的な実施形態において、共振キャパシタ１３４は少なくとも１０ｐＦである。
【００７５】
しばしば識別子は、トランスポンダに密接に関係する。例えば図３Ｃは、本発明の他の実施形態による典型的な商用低周波数「米粒大」ＲＦＩＤセンサデバイス２０２を示す。センサデバイス２０２は、コイルアンテナを含むフェライトロッドインダクタ２０４、共振キャパシタ２０６、およびシリコンマイクロチップ２０８を含みえる。ある実施形態において、コイルアンテナは、空芯コアおよびフェライトロッドを用いて構築される。ＲＦエネルギーは、誘導的にＲＦＩＤコイルに結合される。充分な電圧が利用できるとき、マイクロチップ２０８は、充分な整流されたＤＣ電圧を作ってマイクロチップに電力を供給することができる。電力が与えられるとき、マイクロチップ２０８は、そのＩＤおよび変調することによって共振コイルのインピーダンスを返す。適切な変調スキームは、ＡＳＫ、ＰＳＫ、およびＦＳＫを例えば含む。従来、要素は、ボンディングワイヤまたは堅い金属レールを用いて共に接続される。全体のＲＦＩＤは、センサ２１４およびメモリ要素２１２と共に、セメント２１０、または他の適切な環境保護材料中に収められえる。この具体的なデバイスは、米粒の大きさ程度であるが、他の形状も商業的に入手可能である。
【００７６】
本発明のセンサデバイスは、パラメータの量的指示で、またはセンサの特定の状態で応答しえる。例えば、構造物中の金属要素の腐食と並行して進む代理細ワイヤ（surrogate thin wire）の腐食を計測するためにヒューズが用いられえる。もしワイヤが腐食し断線するなら、ワイヤ破損イベントがヒューズの状態変化によって検出される。それから破損イベントは、金属中の重大な腐食について信号を発するのに用いられえる。図３Ｄおよび３Ｅは、本発明の２つの実施形態によるセンサデバイスから受信されたＩＤデータからセンサ状態を決定する２つのコンセプトを示す。
【００７７】
図３Ｄのセンサデバイス１８０は、周波数シフトに基づいてモニタリングされるパラメータに関する情報を通信する。システム１８０は、マイクロチップ１８２、共振キャパシタ１８３および１８４、ヒューズ１８５、およびアンテナ１８６を備える。共振キャパシタ１８３および１８４は並列に配置され、互いに充分に離れた共振周波数を確立するのに用いられえる。もしヒューズ１８５が閉じるなら、センサデバイスは、その最大応答を１つの周波数において実現する。もしヒューズ１８５が開くなら、その最大応答は、異なる周波数である。これはセンサ状態システム１８０が、計測されるパラメータについての特定のスレッショルドが満たされたかどうかに関するバイナリフィードバックを提供することを可能にする。具体的な実施形態において、マイクロチップ１８２は、アリゾナ州、ChandlerのMicrochip Technologyによって供給されるようなMCRF200マイクロチップである。
【００７８】
図３Ｅのセンサデバイス１９０は、ビットストリーム反転に基づいてモニタリングされるパラメータに関する情報を通信する。システム１９０は、マイクロチップ１９２、キャパシタ１９４、ヒューズ１９５、およびアンテナ１９６を全て並列に備える。システム１９０は、ヒューズ１９５が開かれるとき、マイクロチップ１９２のＩＤコードの反転にしたがって特定のスレッショルドが満たされたどうかに関するバイナリフィードバックを提供する。この場合、センサをプロービングするインタロゲータは、マイクロチップ１９２から作られる２つのコード間の差を区別する。またシステム１９０は、もしヒューズ／スイッチが比較器からの出力のような適切な電圧レベル変化によって置き換えられるなら、動作する。具体的な実施形態において、マイクロチップ１９２は、アリゾナ州、ChandlerのMicrochip Technologyによって供給されるようなMCRF202マイクロチップである。
【００７９】
ある実施形態において、本発明のセンサデバイスは、小石サイズの筐体に封入され、コンクリート構造物中に埋め込まれたＲＦＩＤ技術およびセンサを備える。図３Ｆは、本発明の他の実施形態によるデバイス５０の簡略化された断面図を示す。デバイス５０は、内部５３を規定する封止物５２を含む。内部５３には、センサ５４、電子回路５６、フェライトコイル５８、およびコイル巻き線５９がある。具体的な実施形態において、図３Ｆのデバイス５０は、円筒形であり、約１／２インチから約２インチの範囲の直径、および約１／２インチから約２インチの範囲の高さを有する。他の具体的な実施形態において、デバイス５０は、約３インチ未満の最大寸法によって特徴付けられる。
【００８０】
封止物５２は、デバイス５０の内部要素を周囲の構造物および環境から封止する。封止５２はまた、周囲の構造物への密接なインタフェースを可能にする入り口ポート５１を備える。ある実施形態において、ポート５１は、塩化物イオンが透過しやすく、センサ５４によって受け取られるように塩化物がポート５１を通って拡散することを可能にする。ポート５１は、モニタリングされるパラメータおよび具体的な応用例に対応する材料から構成される。特定のコンクリート中に存在する塩化物イオンの検出については、ポート５１は、コンクリートまたは任意の他の透過できるセメント状材料のような、塩化物イオンの拡散を可能にする任意の材料を備えうる。
【００８１】
以下により詳細に記載されるように、センサ５４は、デバイス５０が埋め込まれた構造物の健全性に関連付けられるパラメータのようなパラメータを検出する。センサ５４は、関心のあるパラメータに対応する簡単なバイナリスレッショルドレベルを検出しえ、またはモニタリングされるパラメータ、例えば、センシング要素において受け取られた塩化物イオンの濃度に依存する電位を発生しえる。
【００８２】
電子回路５６は、１つ以上の以下の構成を含みえる。すなわち、ａ）センサ５４によって発生された応答を、デバイス５０からの送信のための適切な応答信号に変換する処理論理および電子回路、ｂ）インタロゲータからの入力プロービング信号を整流してデバイス５０の１つ以上の要素に電力供給する受信電子回路、ｃ）センサ５４によって与えられた計測値を適応させる、および／または必要なら任意の環境条件に合わせて補正する計測補正電子回路、およびｄ）デバイス５０が同様のデバイス５０のアレイからユニークに識別されることを可能にする識別電子回路である。また電子回路５６は、デバイス中の処理論理およびセンサ間にインタフェース電子回路を含みえる。インタフェース電子回路は、センシング要素に依存する。例えば図４Ｄの回路図について示されるように、塩化物センサ３６２およびマイクロチップ３６４間のインタフェース電子回路は、オペアンプ３６８およびアナログディジタル変換器３７０を含む。
【００８３】
ある実施形態において、デバイス５０は、センサを受動商用無線周波数識別（ＲＦＩＤ）マイクロチップと集積することによって実現されえる。このようなマイクロチップはまた、「タグ」としてもふつう呼ばれ、これは在庫管理において広く使用されているからである。商業的に入手可能なＲＦＩＤ技術は、それからデバイス５０のアレイおよびそれぞれのデバイス５０と通信するよう設計されたインタロゲータと共に集積されえる。ある実施形態において、デバイス５０は、アリゾナ州、ChandlerのMicrochip Technologyによって供給されるようなMCRF200またはMCRF202のようなＲＦＩＤマイクロチップを備える。
【００８４】
ある実施形態において、デバイス５０は、長期検査の応用例のために設計され、デバイス５０の１つ以上の要素は、動作のための連続的な電源を必要としない。この場合、エネルギーは、無線周波数またはマイクロ波周波数照射のような無線照射を用いてセンサデバイスに供給されえる。本発明のセンサデバイスのいくつかは、インタロゲータによって供給される約５マイクロワットから約５０マイクロワットの電力を必要とし、数百ナノジュールのオーダーのエネルギーを消費しえる。本発明の他のセンサデバイスは、インタロゲータによって供給される約１０マイクロワットから約２５マイクロワットの電力を必要とする。例えば図４Ｃについて記載されるような塩化物センサの照射は、数十マイクロジュールのオーダーの利用可能なエネルギーを生じえる。
【００８５】
ある実施形態において、本発明のセンサデバイスは、受動である。ここでこの語が用いられるように、受動とは、デバイス、またはその任意の要素が、デバイスに含まれる局所的な連続電力源、例えば電池に依存しないことを意味する。上述のように、無線質問へ応答するための電力は、無線質問を用いて一時的に獲得しえる。ＲＦ照射からその電力を引き出す受動センサデバイスは、電池電源および電池のメンテナンスの必要をなくす。ある実施形態において、本発明の埋め込みセンサデバイス中に含まれる受動センサは、ＲＦ照射によってトリガされるまでセンサ読み取りを作らない。
【００８６】
本発明のデバイスが専用または内部電源なしで動作できる機能は、埋め込まれたセンサデバイスが、場合によっては構造物の耐用年数に至るまで長くなった期間、データをセンシングおよび報告することを可能にする。例えば本発明の受動センサデバイスは、道路構造物中への塩化物の浸透の検査のような長期検査の応用例によく合っている。橋梁設計の耐用年数の目標は約７５〜１００年である。本発明のセンサデバイスは、電池または寿命に制限がある電源を用いないので、橋梁および長くなった寿命の構造物のモニタリングが実際に可能である。
【００８７】
あるいは、本発明のデバイスを用いたコンクリートモニタリングは、湿度、ｐＨ、塩化物、および他の関心のある環境および構造パラメータの長期的および受動的モニタリングを実行する受動センサを含みえる。また受動センシングは、ここで記載されるデバイスがデータをリアルタイムの、またはトランスポンダスレッショルドイベントまたは過去に記憶された曝露中のデータについて応答することを可能にする。本発明の全てのデバイスが受動でなければならないとは考えられておらず、電池のような内部電源を含んでいるものがあってもよい。
【００８８】
ある実施形態において、本発明のセンサデバイスは、センサに結合された何らかの形態の記録メカニズムを含む。メモリデバイスは、イベントが起こった指示をセンサが与えるとき、物理的または化学的なイベントを記録しえる。「記録」はふつうそのメカニズムが変化したことを意味する。例えば図３Ｅについて説明されたように、記録メカニズムは、デバイスの共振周波数を変化させる。図３Ｅのデバイスについては、メモリ位置のディジタル値が変わる。センサデバイスは、状態変化が自発的に復帰しないよう設計されえる。よって、物理的または化学的なイベントが状態１から状態２への変化をトリガするとき、記録メカニズムは、その物理的または化学的なイベントが止み、状態１に戻っても、状態２のままを維持する。あるいは、センサデバイスは、パラメータが状態１に変化するのに伴って状態変化も復帰するよう設計されえる。
【００８９】
またセンサデバイスは、状態変化が可逆であるように設計されえる。これは特に、可逆な、道路および橋床からの塩化物イオンの実質的抽出をモニタリングするのに有用である。電気化学抽出のような、橋床から塩化物を抜くための治療の方法が利用可能である。よって、ここで記載されたセンサデバイスは、塩化物センサが限度を超えた状態から初期状態に回復され、治療処置が効果的であったことを示すことを可能にする。
【００９０】
用いられる、記録メカニズムは、選ばれた質問手段によって検出できるように、センサデバイスの動作において充分な変化を生じるべきである。共振回路の場合、イベントを記録する周波数シフトは、計測可能でなければならない。一般に、記録共振回路は、共振の幅（クオリティファクタＱ）よりも大きい量で周波数を変化させる必要がある。記録メカニズムの例は、電気回路、電気機械回路、機械ラッチングメカニズム、ＥＰＲＯＭのようなプログラム可能な集積回路、可溶リンク、磁気回路、音響回路、光学／ＩＲ回路などを含む。
【００９１】
ある実施形態において、メモリ要素は複数の記録メカニズムを含み、全てが異なる物理的または化学的パラメータレベルまたはイベントを格納し記録することができる。異なる物理的レベルまたはイベントは、さまざまな化学濃度のような全て同じパラメータに関連しえる。化学濃度検出システムは、３つの別個の記録要素および／またはセンサを含みえ、それぞれ橋床内への塩化物浸透のモニタリングに関する別個のスレッショルド化学濃度を記録するよう構成される。
【００９２】
いくつかの識別子タグ／質問システムは、一度に一つポリングされる（シリアルに）ように設計され、他のインタロゲータは同時に複数のタグをポリングできる。実際には、一度に１つより多いセンサデバイス５０がインタロゲータの質問フィールドに存在しえる。重複する応答信号の衝突を回避するために、異なるが近接するセンサデバイス間で区別する技術が実現されえる。通信技術は典型的には、タグがプローブに応答する時刻を制御する衝突防止および調停プロシージャを利用する。異なるＲＦＩＤメーカは、異なる衝突防止アルゴリズムを採用する。一つのアプローチは、それぞれのセンサデバイスにランダムな時間スロットで送信させ、インタロゲータに異なる時間スロットを検索させ、同じタグの複数の読み取りを拒否させる。
【００９３】
４．例示的センサ設計
【００９４】
本発明のある実施形態において用いられえる特定のセンサは、化学的または生化学的種を検出または計測するセンサ、温度センサ、イオンの存在またはレベルを計測する電気化学セル、圧力センサ、フローセンサ、応力／歪みセンサ、加速度計、誘電体センサ、伝導率センサ、衝撃センサ、振動センサ、位置センサ、温度曝露、光学曝露、Ｘ線曝露、マイクロ波曝露、汚染物質、粒子サイズ、アライメントなどを検出するセンサを含む。
【００９５】
センサのほとんどのタイプは、機能的な要件に合う限り、本発明と共に用いられえる。センサは、それらが検出するパラメータ、およびそれらが採用する変換メカニズムに基づいて分類されえる。非常に多くのセンサタイプが知られ、異なる応用例について用いられる。センシングされるべきもの、およびセンシングメカニズムの多くの例は、「Microsensors: Principles and Applications」John Wiley, 1994でJulian W. Gardnerによって記述される（その全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される）。リストに挙げられた項目中には、（１）温度センサ：温度、熱、熱フロー、エントロピー、熱容量；放射センサ：ガンマ線、Ｘ線、ＵＶ、可視、ＩＲ、マイクロ波、無線波；機械センサ：変位、速度、加速度、力、トルク、圧力、質量、流量、音響波長、振幅；磁気センサ：磁界、磁束、磁気モーメント、磁化、透磁率；化学センサ：湿度、ｐＨレベルおよびイオン、気体、蒸気および匂いの濃度、毒性および可燃性材料、汚染物質；電気センサ：電荷、電流、電圧、抵抗、コンダクタンス、キャパシタンス、インダクタンス、誘電率、分極、周波数などがある。
【００９６】
変換メカニズムは、ふつう、検出されたパラメータまたは記憶されたイベントを電気信号に変換するのに用いられる。適切な変換例は、電気化学、電気伝導度（抵抗またはコンダクタンスの変化）、電位差、容量、電流、熱量、光学、共鳴、蛍光、圧電、光電、磁気光学、表面音響波、磁気抵抗、超伝導、および他の効果を含む。
【００９７】
従来は、ほとんどのセンサはスタンドアローンの、センシングされる量の計測を連続的に行う直接、電力供給されるデバイスである。これらデバイスはしばしばそれら自身の電池または中央電源への配線を必要とする。本発明の多くの応用例においては、このような従来の能動センサは適切ではなく、なぜなら電源要件は動作寿命を制限し、または配線された電源が不可能な構造物のアクセス不能な位置において埋め込まれるからである。多くの応用例は、年当たり数回の読み取りの範囲の、非常に疎らな頻度の間隔でのパラメータ検出を必要とする。よって本発明のセンサの多くは受動であり、センシングされるパラメータ、またはセンサが実現される環境からエネルギーを受ける。
【００９８】
図４Ａは、本発明のある実施形態による塩化物イオンセンサデバイス１４０の簡略化された断面図を示す。デバイス１４０は、コンクリート１４５によって埋め込まれ、囲まれる。図４Ａに示されるように、デバイス１４０は、塩化物イオンセンサ１４２、スレッショルド検出器１４４、アンテナ１４６、温度センサ１４８、封止物１４９およびマイクロチップ１４７を備える。封止物１４９は、デバイス１４０の外部からデバイス１４０の要素を封止し、ポート１４３を含む。ポート１４３は、塩化物イオンがデバイス１４０の外部１４５およびセンサ１４２の間を通ることを可能にする。
【００９９】
塩化物イオンセンサ１４２は、塩化物イオンの存在を検出する。ある実施形態において、塩化物イオンセンサ１４２は、塩化物イオン濃度のような塩化物イオンレベルを、電圧のような電気出力に変換する。示されるように、塩化物イオンセンサ１４２は、ポート１４３を通る塩化物イオンのレベルを検出する。
【０１００】
スレッショルド検出器１４４は、センサ１４２からの出力の１つ以上の特定のレベルを、応用例のための所定のスレッショルドと比較する。もしセンサ１４２が電圧を出力するなら、スレッショルド検出器１４４は、センサ１４２からの電圧を所定の電圧と比較する比較器でありえる。所定のスレッショルド電圧は、関心のある１つ以上の特定の塩化物イオン濃度レベルに対応する。典型的には、スレッショルド検出器１４４によって検出された特定のレベル群は、デバイス１４０の実現例に応じて決定される。比較器のために、比較器への所定の電圧を用いてスレッショルドレベルは容易に確立され、変更されえる。またスレッショルド検出器１４４は、スレッショルドに達したときに何らかの形で変化するラッチのようなメモリ要素を含みえる。
【０１０１】
マイクロチップ１４７は、アンテナ１４６によって受信される質問信号に応答し、命令、回路、およびこの目的のための他の機能を含む。マイクロチップ１４７は、論理デバイス、マイクロプロセッサ、および／または１つ以上の従来のプロセッサを備えうる。チップ１４７はまた、質問信号に応答してセンサデバイス１４０から送信されるべき信号を準備する。これは例えば、塩化物イオンセンサ１４２またはスレッショルド検出器１４４によって与えられる読み取り値または応答を変調することを含みえる。チップ１４７は、入力プローブを整流してデバイス１４０の１つ以上の要素に電力供給する整流機能、およびデバイス１４０が同様のデバイスのアレイからユニークに識別されることを可能にする識別も含みえる。加えてマイクロチップ１４７はまた、集められた電力がデバイス１４０内のさまざまな要素に分配されることを可能にするＤＣ電源出力も含みえる。
【０１０２】
センサデバイス１４０は、センサ１４２によって提供される計測値を適応し、および／または必要なら、センサパフォーマンスに影響を与えうる任意の環境変化について補正する計測補正電子回路も含む。例えば、温度センサ１４８は、デバイス１４０の温度を検出し、これはふつうデバイス１４０を取り囲むコンクリートと同じである。温度センサ１４８に結合される計測補正電子回路は、温度センサ１４８の出力を、センサ１４２、スレッショルド検出器１４４、またはマイクロチップ１４７によって与えられた信号の適切な変更物に変換する。温度センサ１４８は受動であり、コンクリート１４５から熱エネルギーを受け取る。
【０１０３】
図４Ｂは、図４Ａの塩化物イオンセンサデバイス１４０の対応する例示的回路図１５０を示す。示されるようにセンサデバイス１４０は、塩化物濃度が所定のスレッショルドに達したかを決定するのに用いられるオペアンプおよび比較器を含むマイクロパワー回路を含む。
【０１０４】
回路図１５０の右上側から始めれば、アンテナ１４６はＲＦエネルギーを、デバイス１４０をプロービングするインタロゲータから受け取る。最初、アンテナ１４６は、ＤＣ整流器１５１にスイッチ１６１を介して接続される。ＤＣ整流器１５１は、エネルギーを回路図１５０中の電子回路に供給する。キャパシタ１５３は、アンテナ１４６によって集められ、ＤＣ整流器１５１によって供給された電気エネルギーを蓄え、エネルギーをＶDCにおいて供給する出力を有する。タイミング回路１５５は、アンテナ１４６における信号の受信に基づいて回路図１５０内の要素を協調させる。
【０１０５】
示されるように、レファレンス電極１５６およびテスト電極１５７がセンサ１４２に含まれ、中に入り込むイオンの量を定量化する。電極１５６および１５７は、イオンの量に対応する電圧を出力する。オペアンプ１５８は、電極１５６および１５７によって作られた電圧差を、比較器１５９による比較に適するレベルへ変換する。信号調節器１６０は、図４Ａの温度センサ１４８によって検出されたコンクリート１４５の温度に基づいて出力を変化させえる。
【０１０６】
スレッショルド電圧１６２は、対象のスレッショルド塩化物イオン濃度に対応する電圧を作る。比較器１５９は、オペアンプ１５８の出力をスレッショルド電圧１６２と比較する。比較器１５９からの論理ＬＯ出力は、センサ１４２によって受け取られた塩化物濃度がスレッショルドより低く、許容可能な範囲内であることを示す。この場合、ＲＦＩＤ１５４は、適切な時間間隔でオンにされ、センサが安定化することを可能にする。比較器１５９からの論理ＨＩは、塩化物濃度が所定のスレッショルドより高いことを示す。この場合、ＲＦＩＤ１６４がスイッチ１６３によって選択され、異なるＩＤコードをデバイス１４０からインタロゲータへ応答する。このようにして、検出された塩化物の量に基づいて２つの別個の識別番号がデバイス１４０から作られる。あるいは、比較器１５９は、単一のＲＦＩＤの応答を変えることによって、回路１５０を簡略化するように用いられえる。
【０１０７】
一般に、本発明の無線デバイスではさまざまなセンサが用いられえる。特定のアプリケーションのために選ばれたセンサは、考慮されている物理的または化学的なパラメータまたはイベントを検出することができなければならない。よって、センサは、パラメータまたは１つ以上の物理的または化学的なイベントに関連付けられたパラメータ群の変化を検出しなければならない。さらにセンサは、質問対象の物理的または化学的なイベントをカバーするダイナミックレンジを持たなければならない。またセンサは、それが曝露される動作条件に耐えることができ、信頼性、正確性、大きさ、重量、安全性、および他の要素およびアプリケーションとの互換性を含む良好な設計慣行の中に収まらなければならない。ある実施形態において、コンクリート中の化学種のレベルを検出するために電気化学セルが採用される。
【０１０８】
図４Ｃは、本発明のある実施形態による電気化学セルセンサデバイス３００を示す。電気化学セルセンサデバイス３００は、コンクリート３０３または他のセメント状材料を含む構造物３０１内に埋め込まれる。電気化学セルセンサデバイス３００は、コンクリート３０３内の塩化物イオンの濃度レベルを計測し、その計測値を表す無線信号を送信する。
【０１０９】
電気化学セル３０２は、塩化物イオンのような、電極３０４および３０６において受け取られるイオンの濃度に依存して電位を発生する電気化学センサである。電気化学セル３０２は２つの電極からなり、すなわちイオン選択電極３０６およびレファレンス電極３０４である。電極３０４および３０６の出力量は、２つの電極間の電位差である。
【０１１０】
イオン選択電極３０６は、その能動要素において受け取られたイオンの量と共に電極３０４および３０６間の電位差が変化することを可能にする。ある実施形態において、イオン選択電極３０６は、塩化物イオンの存在に反応するＡｇ／ＡｇＣｌ電極である。示されるように、イオン選択電極３０６は、銀（Ａｇ）ワイヤ３１２、イオン選択能動センシング要素３１４、およびセンサデバイス３００の１つ以上の電気要素と電気的に通信するリード線３１５を含む。銀ワイヤ３１２は、一端において能動センシング要素３１４に結合され、他端においてリード線３１５に結合される。銀ワイヤ３１２は、センシング要素３１４およびリード線３１５の間で電気通信を可能にする。能動センシング要素３１４は、銀塩化物を含み、電解質３１６中に配置され、これは塩化物イオンの移動のための媒体をなす。具体的な実施形態において、ＡｇＣｌは、能動センシング要素３１４上に溶融する。電解質３１６は、イオン選択電極３０６およびレファレンス電極３０４間の電気的接続を維持する。電解質３１６は、外側シェル３２１内に含まれ封止され、水酸化カルシウムの飽和溶液、または任意の他の適切な電荷運搬水溶液または溶液を含む。透過性セメント状材料３１８は、センサデバイス３００の外部ポートへとつながり、塩化物イオンがコンクリート３０３および電解質３１６間で通じることを可能にする。
【０１１１】
Ａｇ／ＡｇＣｌは、適切な塩化物センシング電極である。Ｈｇ／ＨｇＣｌも用いられえるが、水銀と関連するので、ある種の応用例には向かない。硫化物（Ｓ=）は、Ａｇ／Ａｇ2Ｓ電極を用いて検出されえ、ｐＨは、ニッケル／酸化ニッケルまたはイリジウム／酸化イリジウムを用いて検出されえ、硫酸は、Ｈｇ／Ｈｇ2ＳＯ4を用いて検出されえるなどとなる。一般に電極は、検出されるべきイオン（この場合塩化物イオン）に対して敏感で、計測を混乱させえるイオンには鈍感なように選ばれる。これらの選択は、電気化学計測の技術の当業者にはよく知られる。例えば、http://www.topac.com/ISE.htmlは、特定のイオンを検出するために設計されたさまざまな商業的に入手可能な電極を挙げる。これら電極は、ここで記載された多くのデバイスとは大きさおよび形状が合わないが、センサデバイスは、適当な電極材料を用いてこれら特性の任意のものを検出するように構築されえる。
【０１１２】
健全なコンクリートは、約１２〜１３のオーダーの高いｐＨを有する。コンクリートがその耐用年数と共に古くなると、ｐＨは、炭酸化のような環境的効果のために減少する。本発明のセンサデバイスは、コンクリートおよび他の構造物中のｐＨ変化に対して実質的に鈍感である。ある実施形態において、電解質３１６は、電解質３１６のために実質的に一定のｐＨを維持するために過剰な水酸化カルシウムを含む。
【０１１３】
レファレンス電極３０４は、電極３０４および３０６間の電位差に対してコンテキストを提供する。ある実施形態において、レファレンス電極３０４は、銅電極である。示されるように、レファレンス電極３０４は、銅（Ｃｕ）ワイヤ３２０、電解質３２２、透過性セメント状材料３２４、およびセンサデバイス３００の１つ以上の電気要素３０５と電気的に通信するリード線３１７を含む。銅ワイヤ３２０は、一端においてリード線３１７と結合される。電解質３２２は、容器シェル３２３内に含まれ封止され、透過性セメント状材料３２４を通して提供されるイオンの格納および移動のための媒体を提供する。電解質３２２は、硫酸銅（ＣｕＳＯ4）および水酸化カルシウム、または任意の他の適切な電荷運搬水溶液または溶液で飽和される。ある実施形態において、電解質３１６は、電解質３２２のために実質的に一定のｐＨを維持するために過剰な水酸化カルシウムを含む。
【０１１４】
動作時、塩化物イオン（Ｃｌ-）は、周囲のコンクリート３０３から入り口膜３１８に浸透する。塩化物イオンは電解質３１６内に凝縮する。Ａｇ／ＡｇＣｌイオン選択電極３０６は、ネルンストの式によれば塩化物イオンに対して可逆であるので、その電位は塩化物イオンの活動に依存する。この電極の電位は、レファレンス電極に対して計測される。３０４および３０６の間の電圧は、塩化物濃度の対数に比例する。電極３０４および３０６間の電圧は変化し、電子回路３０５中に含まれる抵抗を介して計測されえる。
【０１１５】
電気化学セルセンサデバイス３００は、塩化物イオンを計測することについて記載されてきたが、イオン選択電極３０６は、任意のハロゲン化物の存在および濃度を検出するために構成または設計されえ、塩化物イオンの選択性に限定されない。加えて、イオン選択電極３０６は、任意のイオン、特に金属の腐食を促進するものに対してそれが選択的であるように設計されえ、ハロゲン化物イオンの選択性に限定されない。
【０１１６】
図４Ｃの電気化学セル３００のような本発明の塩化物イオンセンサは、広い範囲の塩化物イオン濃度を検出するよう構成されえる。ある実施形態において、センサ３０２は、約８から約１４の範囲のｐＨを持つ環境で、約１０-3から１０-5（セメントの重量パーセンテージ）の範囲のスレッショルド塩化物濃度を検出する。具体的な実施形態において、センサ３０２は、約９から約１３の範囲のｐＨを持つ環境で、約１０-4（セメントの重量パーセンテージ）の範囲のスレッショルド塩化物濃度を検出する。他の実施形態において要員は、アプリケーションによって決定されるように、約３０ミリモルより大きい塩化物イオン濃度のスレッショルドを設定しえる。
【０１１７】
具体的な実施形態において、本発明の塩化物イオンセンサは、約１０ミリモルから約１００ミリモルの範囲の塩化物イオンを検出するよう構成されえる。センサによっては、コンクリート中の金属の腐食開始スレッショルドに対応するスレッショルドを検出するものもある。そのようなスレッショルドの一つは、フライアッシュコンクリート中の鉄筋についての３０ミリモル塩化物イオンである。コンクリート中の金属についての他の具体的な腐食開始スレッショルドは、約２４ミリモル（約０．８５７ｋｇ／ｍ3）に対応する。コンクリート中の金属についてのさらに他の具体的な腐食開始スレッショルドは、混和材コンクリートについての約３３ミリモルに対応する。いくつかの健全性モニタリング応用例について、塩化物イオン浸透の許容されたスレッショルド値は、セメントの重量パーセンテージで約０．０１４％塩化物イオンである。明らかに、本発明のセンサは、塩化物イオンレベルの幅広い範囲を検出するよう設計されえる。当業者には、塩化物イオンレベルは、金属材料混合物、コンクリートタイプなどのような幅広いファクタによって変化するであろうことが理解されよう。本発明の塩化物センサのための設計パラメータに影響する他のファクタは、構造物中に見られることが予期される典型的な塩化物濃度、構造物中の塩化物拡散の速度、電源利用性のようなセンサデバイス特性、および周囲の温度および圧力のような他のシステム制約を含む。
【０１１８】
よって、センサデバイス３００内の電気化学セルは、レファレンス電極３０４およびイオン選択電極３０６間の電位差を計測する。レファレンス電極３０４およびイオン選択電極３０６からのリード線３１５および３１７は、電極３０５と電気的に通じる。電極３０５は、メモリ３１０およびトランスポンダ３０８を含む。メモリ３１０は、デバイスをユニークに識別する識別ソースとして機能し、トランスポンダ３０８と電気的に通じる。ここで「ユニーク」とは、構造物３０１中に埋め込まれた他の同様のセンサデバイス３００に対してである。ある実施形態において、メモリ３１０はまた、電気化学セル３０２がコンクリート３０３内に塩化物イオンのスレッショルド電位レベルを検出したときを示す、センサデバイス３００のための第２のユニークな番号を記憶する。メモリは、スタンドアローンディジタルメモリソースでありえ、またはトランスポンダ３０８へ供給される信号を整流するマイクロチップ内に含まれえる。これら目的のための一つの適切なマイクロチップは、アリゾナ州、ChandlerのMicrochip Technologyによって供給されるようなMCRF202マイクロチップである。無線質問信号によってトリガされるとき、トランスポンダは、電極３０６および３０４間の電位差を示し、センサデバイス３００についてのユニークな番号のようなメモリからの情報を含む無線信号を送信する。デバイス３００は埋め込まれているので、信号はふつうコンクリート３０３の部分を通して送られる。
【０１１９】
電気化学セルセンサデバイス３００は受動である。これは、センサデバイス３００の全ての要素は、デバイス３００内に格納された専用の電源を必要としないこと示唆する。例えば電気化学セルは、濃度勾配に依存して、センシングエネルギーを供給する。受動トランスポンダの動作および入射質問信号からのエネルギー獲得は上に記載された。
【０１２０】
図４Ｄは、本発明のある実施形態による図４Ｃの電気化学セルセンサデバイス３００のための代表的な電圧スレッショルド検出回路３６０を示す。回路３６０は、電極３６３および３６５、マイクロチップ３６４、アンテナ３６６、オペアンプ３６８、シリアルアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）３７０、および温度補償回路３７２を備える。電極３６３および３６５を除く回路３６０の全ての要素は、封止３７４によって示されるように、センサデバイス３００の内部空間内に封止される。電極３６３および３６５は、上述の容器空間３２３および３２１のようなそれぞれのそれら自身の容器空間内に封止されえる。
【０１２１】
アンテナ３６６は、回路３６０をプロービングするインタロゲータからＲＦエネルギーを受け取る。マイクロチップ３６４は、このＲＦエネルギーを整流し、回路３６０内の電子回路に電源供給する。キャパシタ３６５は、アンテナ３６６によって集められた電気エネルギーを蓄える。マイクロチップ３６４は、電気エネルギーを供給する出力３６９を有する。具体的な実施形態において、マイクロチップ３６４は、５ボルトで５マイクロアンペアの電気エネルギーを作る。
【０１２２】
電極３６３および３６５は、対象となるイオンの量を定量化する。オペアンプ３６８は、電極３６３および３６５によって作られた電位差を比較のために適切なレベルへシリアルＡＤＣ３７０によって変換する。シリアルＡＤＣ３７０は、オペアンプ３６８によって供給されるアナログ信号をディジタル信号へ変換する。
【０１２３】
加えて、シリアルＡＤＣ３７０は、環境的バラツキのために補正を行うために電極３６３および３６５からの出力を変える計測値補正電子回路を含む。センサデバイスに含まれる補正電子回路によって補償されえる例示的な環境によるバラツキは、温度、ｐＨおよび湿度を含む。コンクリートおよび道路内に埋め込まれた本発明のデバイスは、約摂氏−１０度から約摂氏５０度までの温度に耐えることを期待される。これら温度は、センサパフォーマンスを妥協させてはいけない。温度補償回路３７２はそれから、周囲の構造物中の温度差を受け入れるように含まれる。温度補償回路３７２は、デバイス３００を取り囲むコンクリートの温度を検出し、その検出された温度に対応する信号を出力する温度センサを含む。温度補償回路は、デバイス３００の温度にしたがって電極３６３および３６５によって供給される読み取りを変える。典型的には、デバイス３００の温度は、デバイス３００が配置される周囲の材料の温度に対応する。
【０１２４】
ＡＤＣ３７０は、オペアンプ３６８の出力をスレッショルド電圧、および温度補償回路３７２からの出力中のファクタと比較する比較機能を含む。スイッチ３６７は、ＡＤＣ３７０の出力に結合され、スレッショルドに達したときマイクロチップ３６４に知らせる。ある具体的な実施形態において、マイクロチップ３６４は、アリゾナ州、ChandlerのMicrochip Technologyによって供給されるようなMCRF202マイクロチップである。このチップは、ＩＤコードビットストリームを反転させることによって、スレッショルドレベルが超えられたときを示すことができ、回路３６０内の電子回路に電源供給することができる。
【０１２５】
図４Ｅは、本発明のある実施形態による垂直円筒センサデバイス４００の垂直断面図を示す。センサデバイス４００は、筐体４０２、トランスポンダ、それぞれ別個のリザーバ４０７および４０９に格納された２つの電気化学電極４０６および４０８、および論理デバイスを含む基板４１０を備える。
【０１２６】
筐体４０２は、センサデバイス４００の内部要素のための物理的な保護を提供する。これは、周囲の構造物中の湿度から要素を封止することを含む。筐体４０２は、デバイス４００を鉄筋、緊張材、または構造物中の他の金属要素に結合または装着することを可能にする接続点４０４を含む。具体的な実施形態において、筐体４０２は、モールドされたプラスチックから形成される。またコンクリートを含むカプセル化も、デバイス４００の外観をふつうのコンクリート砂利と似せるために、筐体４０２の周りに処理されえる。
【０１２７】
センサデバイス４００は、センサデバイス４００のさまざまな要素を分離および格納する構造部材を含む。ライニング４０５は、デバイス４００中に含まれるリザーバのために防水封止および液体格納に寄与し、円筒ライニング部４０５ａおよび４０５ｂを備える。円筒形にライニングされた部分４０５ａは、リザーバ４０９のための液体封止および液体格納に寄与する。リザーバ４０９の中に配置されるのは、円筒ライニング部分４０５ｂであり、これはリザーバ４０７のための液体封止および液体格納に寄与する。円筒ライニング部４０５ａおよび４０５ｂは、共にライニング４０５の底部４０５ｃに取り付けられる。ライニング４０５は、例えばラバー、テフロンから作られえる。
【０１２８】
センサデバイス４００内のトランスポンダは、フェライト４１２、スペーサ４１３、およびワイヤ４１４を備える。フェライト４１２は円筒であり、円筒ラバーライニング部４０５ｂを取り囲む。ある実施形態において、フェライト４１２は、セラミック／金属の混合物のような高透磁率を持つ低損失導体を備える。フェライト４１２は、電磁エネルギーがインタロゲータおよびセンサデバイスの間に集中することを助ける。示されるように、２つの円筒フェライトがデバイス４００中で用いられる。スペーサ４１３は円筒であり、フェライト４１２を囲む。スペーサ４１３は、ワイヤ４１４についてのコイルのキャパシタンスを減らし、それによってより高い周波数で共振させる。ワイヤ４１４は、スペーサ４１３およびフェライト４１２の周りに巻かれ、磁界を検出するアンテナとして機能する。センサデバイス４００中のトランスポンダは、デバイス４００および関連付けられたインタロゲータの間のコンクリートを通して通信（受信および送信）できるだけ充分に強い。例えば、少なくとも１２インチの読み出し範囲がデバイス４００では可能である。ある実施形態において、ワイヤ４１４は、約１／２インチから約４インチの外径を有し、約１００および５００ターンの間である。具体的な実施形態において、ワイヤ４１４は、４２ゲージ銅からなり、外径約１・１／４インチ、約３００ターンを有し、一方、フェライト４１２は、ニューヨーク州、WallkillのFair-Rite Products, Corp.によって提供されるような１・１／４インチの外径のフェライト円筒である。
【０１２９】
デバイス４００は、デバイスによって受け取られた塩化物イオンの濃度に依存する電気電位を発生する電気化学センサを含む。電極４０６および４０８は、イオン選択電極４０６およびレファレンス電極４０８を備える。
【０１３０】
レファレンス電極４０８は、電極４０６および４０８間の電圧差に対してコンテキストを提供する。示されるように、レファレンス電極４０８は、硫酸銅で飽和された電解質４２４中に配置された銅リード線４２１を備える。電解質４２４は、電荷を運ぶために任意の適切な溶液を備えればよく、硫酸銅溶液に限定されない。電解質４２４は、リザーバ４０７内に格納され、セメント状隔膜またはプラグ４２５を通して供給されるイオンの移動のための媒体を提供する。リザーバ４０７の容量は、ラバーライニング部４０５ｂおよびセメント状隔膜４２５の下部表面によって規定される。セメント状隔膜４２５は、銀イオンに対して透過性を持ち、電解質４２７および電解質４２４の間で銀イオンのやりとりを可能にする。
【０１３１】
イオン選択電極４０６は、電極４０６および４０８間の電圧差が、その能動要素において受け取られる塩化物イオンの量によって変動することを可能にする。イオン選択電極４０６は、電極が塩化物イオンに可逆であるので、塩化物イオンの存在に応答する塩化銀（ＡｇＣｌ）リード線４２１を備える。電解質４２７中に配置されるリード線４２１は、水中の水酸化カルシウムを備える。電解質４２７は、電荷を運ぶのに適切な任意の適切な溶液を備えうるのであって、水中の水酸化カルシウムに限定されない。電解質４２７は、リザーバ４０９内に格納され、セメント状隔膜４２５を通して供給される塩化物イオンの移動のための媒体、およびリード線４２１から放出される銀イオンの移動のための媒体を提供する。１つ以上の化学物質が、イオン伝導度を高めるために電解質４２７に加えられえる。例えば、リザーバ４０９中のペーストとして加えられる硫酸銅は、イオン伝導度を高めるのに適しえる。リザーバ４０７の容量は、ラバーライニング部４０５ｂおよびセメント状隔膜またはプラグ４２９の下部表面によって規定される。セメント状隔膜４２９は、塩化物イオンに対して透過性であり、外部環境のコンクリートおよび電解質４２７の間で塩化物イオンのやりとりを可能にする。
【０１３２】
示されるように隔膜４２９は、環境境界隔膜４３１によってブロックされ、これはデバイス４００についての化学物質および分子の入り口および出口を制御する。隔膜４３１は、選択性イオン入り口を作り、デバイス４００からの水分ロスを防ぐ。デバイス４００はしばしば橋床中に実現され、ここは橋梁が濡れているときは塩化物イオンがより速く移動する。橋梁はその後乾き、塩化物イオンを得るので、センサ計測は好ましくは濡れている状態のあいだに実行される。デバイスはそれから、橋梁が濡れていてイオン移動が最も大きいときに、塩化物浸透性に基づいてデータを提供するのであって、質問のときに橋梁が乾いているときではない。具体的な実施形態において、隔膜４３１は、セメント状材料（例えばタイルグラウト）を備える。
【０１３３】
電極４０６および４０８は、ラバーライニング４０５を透過し、例えばハンダ接続を介して、基板４１０と電気的に通じている。ラバーライニング部４０５ｃは、その中を通るそれぞれの電極４０６および４０８の通路を封止する。基板４１０は、デバイス４００の要素間の電気的通信を可能にする。ある実施形態において、抵抗が電極４０６および４０８の間に配置され、この抵抗が電極間を流れる電流として計測可能な電圧を発生する。この場合、抵抗は、基板４１０上にも配置される。論理デバイスまたはマイクロチップも基板４１０上に配置されえ、電極４０６および４０８および抵抗と電気的に通じる。論理デバイスの機能は上述のようであり、ここでは簡潔さのために記載されない。
【０１３４】
動作時、塩化物イオン（Ｃｌ-）は、周囲の環境から入り口隔膜４３１およびセメント状隔膜４２９を透過する。塩化物イオンは電解質４２７中で凝縮する。電解質４２７中で塩化物イオンの濃度が増すと、銀イオンがＡｇＣｌリード線４２７から水酸化カルシウム溶液へと沈殿する。銀イオンは濃度が蓄積し、透過性隔膜４２５を通って移動しリザーバ４０７へ達する。リード線４２７上に銀イオンが少なくなると、電極４０６および４０８間の電圧は変化し、基板４１０上に配置された抵抗を介して計測されえる。
【０１３５】
ある実施形態において、電極４０６および４０８は、前処理され（エージングされ）、それによりセンサの動作寿命のあいだ、センサ出力に影響する電気化学ドリフトまたは一時的な非一貫性が実質的に防がれる。これは例えば、電極４０６のパフォーマンスにおけるドリフトが緩和されるまで、電極４０６を飽和水酸化カルシウム溶液（コンクリートポア溶液は典型的には飽和したＣａ（ＯＨ）2であり、これは効果的に初期の橋床条件を再現する）に曝露することによって実行されえる。イオン曝露の約１時間から約数百時間が場合によっては適切である。具体的な実施形態において、電極４０６および４０８は、塩化物イオンに約１日から約１４日の期間、曝露される。
【０１３６】
道路または橋床の応用例について、デバイス４００の体積は、高強度コンクリートの骨材に関する大きさの制限から導かれる。骨材サイズは、ａ）規則要件、ｂ）スラブの厚さー骨材の大きさは一般にスラブの厚さの約２５％より大きくてはいけない、およびｃ）金属要素の間隔を含む多くのファクタから決定される。場合によっては、骨材の大きさは、コンクリートの所望の圧縮強度によって決定される。より高い強度のコンクリートは、より小さい直径の骨材を必要とする。具体的な実施形態において、デバイス４００は、一般に許容された標準である３／４インチ（２０ｍｍ）直径を有する。２０ｍｍ直径の球体骨材は、４．２ｃｍ3の体積を有する。コンクリートが注入されるときにコンクリート中に埋め込まれる本発明のセンサについては、デバイスは、コンクリートミックス中に浮かないようにする特定の重力を持ちえる。場合によっては、本発明のセンサデバイスの周りのカプセル化は、周囲のコンクリートミックスまたはセメントマトリクスと適合性を持つ。この点においてファクタは、形状、粗さ、衝撃に対する硬度、および圧縮強度を含む。
【０１３７】
５．代替センサ
【０１３８】
本発明は主にここまで塩化物イオン濃度検出について記載されてきたが、本発明のセンサデバイスは、構造物の健全性に関する広い範囲の他のパラメータを検出しえる。図５は、本発明のさまざまな実施形態による構造物の健全性モニタリングに有用なセンサパラメータの構成を示す。示されるように、本発明のセンサデバイス６０２は、パラメータのリアルタイム検出のような、スレッショルドまたはイベント検出６０４、およびパラメータ検出６０６によって特徴付けられえる。
【０１３９】
センサ６０２に計測されえる幅広いパラメータ、スレッショルド、およびイベントが存在する。示されるように、スレッショルドセンサ６０４およびパラメータセンサ６０６は、濃度センサ６０８、ｐＨセンサ６１０、伝導度センサ６１２、エポキシ水分浸透センサ６１４、代理腐食センサ６１６、および分極抵抗センサ６１８を含む。濃度センサ６０８の一つの例は、塩化物イオンセンサであり、これは上で詳細に記載されてきた。例えば、単一の塩化物センサは、高濃度レベル６２２、中濃度レベル６２４、および低濃度レベル６２６の３つのスレッショルドレベルを含みえる。
【０１４０】
図５に記載されるセンサのそれぞれは、上述のデバイスのうちの一つと同様の構成を用いえる。例えば、図６Ａ〜６Ｄは、図４Ｄに示されるセンサデバイス実施形態によるそれぞれ異なるパラメータを検出するさまざまなセンサデバイスを示す。それぞれの場合について、センサを除けばデバイスは、基本要素においては実質的に同様のままであり、一方、センサは置き換えられたり、いくつかの場合には、いくつかの処理要素が加えられたり、変更を加えられたりしている。
【０１４１】
図６Ａは、本発明のある実施形態による伝導度を検出するセンサデバイスのための代表的回路６４０を示す。回路６４０は、伝導度センサ、マイクロチップ３６４、アンテナ３６６、マイクロパワーオペアンプ６４４、比較器６４６、および温度補償回路３７２を備える。伝導度センサは、４つのプローブ６５０、６５１、６５２、および６５４を備える。プローブ６５０、６５１、６５２、および６５４を除く回路６４０の全ての要素は、ライン３７４によって示される内部空洞内に封止される。チップ３６４、アンテナ３６６、キャパシタ３６５、封止３７４、スイッチ３６７、および温度補償回路３７２は、図４Ｄを参照して記載したものと同様である。
【０１４２】
プローブ６５０および６５１は、伝導度が計測される材料と電気的に通じ、その材料の伝導度に基づいてマイクロパワーオペアンプ６４４に電圧差を供給する。マイクロパワーオペアンプ６４４は、プローブ６５０および６５１によって作られた電位差を、比較器６４６による比較に適するレベルへ変換する。プローブ６５２はレファレンスとしてグラウンドされる。プローブ６５３は、電流制限抵抗６４８と電気的に接続され、これは比較器６４６のための電圧レファレンスとして機能する。比較器６４６は、オペアンプ６４４の出力を、スレッショルド電圧、および温度補償回路３７２からの出力中のファクタと比較する。ある実施形態において、比較器６４６は、電流制限抵抗６４８から１．８ボルトのレファレンス電圧を受け取るナノワット比較器である。プローブ６５０、６５１、６５２、および６５４は、ステンレス鋼、銅、コンクリート環境中で腐食しない任意の金属、または他の適切な伝導性要素で作られえる。図６Ａに示される伝導度センサを備えるセンサデバイスは、腐食と共にその伝導度が変化する、構造物中に配置された金属要素の伝導度を計測するのに特に有用である。
【０１４３】
図６Ｂは、本発明の他の実施形態によるｐＨを検出するセンサデバイスのための代表的回路６６０を示す。回路６６０は、ｐＨセンサ、マイクロチップ３６４、アンテナ３６６、マイクロパワーオペアンプ６４４、比較器６４６、および温度補償回路３７２を備える。このｐＨセンサは、２つの電極６６２および６６４を備える。電極６６２および６６４は、ｐＨが計測される材料とイオン的に通じ、その材料のｐＨに基づいてマイクロパワーオペアンプ６４４に電圧差を供給する。電極６６２は、レファレンス電極であり、例えばＣｕ／ＣｕＳＯ4を備える。電極６６２は、イオン選択電極であり、ｐＨ変化に応答する例えばＮｉ／ＮｉＯを能動要素として備える。図６Ｂに示されるセンサデバイスは、そのｐＨ変化が時間と共に変化する構造物中のコンクリートのｐＨを計測するのに特に有用である。
【０１４４】
図６Ｃは、本発明のある実施形態によるエポキシ水分浸透を検出するセンサデバイスのための代表的回路６８０を示す。回路６８０は、エポキシサンプル６８２の伝導度を計測することを除いては、図６Ａについて記載したのと同様の伝導度センサデバイスである。橋梁中のいくつかの金属要素は、金属の周囲に配置されたエポキシによって保護される。この場合、代表的回路６８０に対応するセンサデバイスは、エポキシの劣化を検出するために含まれる。
【０１４５】
図６Ｄは、本発明の他の実施形態による複数の腐食イベントを検出するセンサデバイスのための代表的回路６９０を示す。システム６９０は、チップ６９２および６９３、キャパシタ６９４、ワイヤ６９４および６９５、およびアンテナ６９６を備える。ワイヤ６９４および６９５を除いて全ての要素は、封止６９１によって示されるように外部環境から封止される。
【０１４６】
ワイヤ６９４および６９５はそれぞれ、その腐食がモニタリングされる金属の代理として機能する。それぞれのワイヤ６９４および６９５は、対象の腐食レベルを示す直径を有する。例えば、ワイヤ６９４は直径Ｄ1を有し、ワイヤ６９５はＤ1より大きい直径Ｄ2を有する。ワイヤ６９４および６９５は、その腐食がモニタリングされる金属と好ましくは同じ材料であり、モニタリングされる金属に対応して腐食する。しかし腐食の曝露のあるレベルにおいて、それぞれのワイヤ６９４および６９５は、伝導度を失う点まで腐食し、つまりそれが通信するマイクロチップについて開放となる。対象のレベルは、例えば、モニタリングされる金属の完全な腐食よりも下の腐食レベル、または実質的に完全腐食に等しいレベルに対応しえる。
【０１４７】
回路６９０に対応するデバイスは、ワイヤ６９４および６９５によって検出された腐食イベントのいずれかが起きたときを決定するために、プロービング信号に応答してＩＤを送信する。より具体的には、回路６９０は、それぞれのワイヤが通信するマイクロチップのビットストリーム反転に基づいて代理ワイヤ６９４および６９５のいずれかの腐食を通信する。ワイヤ６９４は、マイクロチップ６９２と電気的に通じ、ワイヤ６９５は、マイクロチップ６９３と電気的に通じる。チップ６９２および６９３は、そのそれぞれのワイヤ６９４および６９５が開放であるときに、それぞれのチップ６９２および６９３のＩＤコードの反転に基づいて、ワイヤ６９４または６９５が腐食したかに関するバイナリフィードバックを提供する。この場合、センサデバイスをプロービングするインタロゲータは、それぞれのマイクロチップから作られたコード間で区別する。それぞれのマイクロチップ６９２および６９３からの同時の応答を避けるために、適切な衝突防止アルゴリズムが用いられえる。具体的な実施形態において、マイクロチップ６９２および６９３は、アリゾナ州、ChandlerのMicrochip Technologyによって供給されるようなMCRF202マイクロチップである。
【０１４８】
６．インタロゲータ
【０１４９】
インタロゲータは、本発明のセンサデバイスをプローブするために用いられる。インタロゲータは、センサデバイスがその識別およびセンサ読み取り（例えばパラメータステータス）で応答するようトリガする無線プローブ信号を提供する。ある実施形態において、インタロゲータによって提供される信号はまた、センサデバイスが応答するのに必要なエネルギーを提供する。インタロゲータは、応答を検出し、その応答をコンピュータシステムまたは分析を行う個人に提示しえる。（１）センサデバイスに電源供給すること、および（２）センサデバイスと通信することの機能を行うデバイスは、物理的に別個でありえることに注意されたい。例えばそれらは異なる信号群を使用しえる。ある実施形態において、デバイスは複数の応答を作り、インタロゲータは複数の信号を受信する。第１応答は、インタロゲータによって無視され、第２応答が応答として用いられる。センサデバイス内の要素が応答するのに時間が必要でありえる（例えばキャパシタ）ので、信号中の不確実性のために第１応答は無視されえる。
【０１５０】
上述のように、無線質問プローブは、ＲＦ信号、マイクロ波、電界または磁界などのような多くの異なる形態を取りえる。センサデバイスのトランスポンダは、インタロゲータによって提供される信号のタイプに応答するよう設計される。インタロゲータおよびセンサのトランスポンダが同じタイプの信号を送る（例えば共にＲＦ信号を送る）ように設計するのがしばしば便利であるが、これは本発明の必要条件ではない。例えば、インタロゲータは低周波数磁界をプローブとして提供しえ、トランスポンダは、マイクロ波信号を介してセンサ情報を伝達しえる。
【０１５１】
インタロゲータは、プロービング信号（および電力）をセンサデバイスに提供する。好ましくはインタロゲータは、インタロゲータおよびセンサデバイス間の構造物材料を突き抜けるのに充分な放射電力、所望の読み取りレートでデバイスに電力供給をするのに充分な放射電力、妥当な時間内にデバイスを質問するのに充分な帯域幅、デバイス応答を正確に得るのに充分な感度、近くのデバイス群間で区別をするのに充分な特殊性（応用例に基づいて所望なら）、センサデバイス履歴のデータベースの記録およびアップデートをするのに適切なコンピュータへのインタフェース、適切な大きさ／重量／電力の制約、適切な読み出し範囲、および安全性を含む。インタロゲータは、連続波、パルスｃｉｒ波（pulsed cir wave）、チャープ波形、スペクトラム拡散波形、インパルス、またはコード化された波形の形態をとる電磁（ＤＣ、波または場）または音響信号を送信することによって、デバイスに電源を供給するのに充分な放射電力を達成しえる。具体的な実施形態は、センシングされるイベントをモニタリングするための変更が加えられたBiomark（Destron）によって供給されるもののような商業用製品を採用する。ある実施形態において、従来の技術が用いられてインタロゲータが作られる。
【０１５２】
図７は、本発明のある実施形態によるインタロゲータ５００に対応する例示的リーダのブロック図を示す。インタロゲータ５００は、それがポリングしている１つ以上のセンサデバイスの共振周波数を受信することができる受信アンテナ５０２を含む。またインタロゲータ５００は、それがポリングしている１つ以上のデバイスに適切な信号を送ることができる送信アンテナ５０３を含む。送信アンテナ５０３および受信アンテナ５０２は、もし適切な分離回路が用いられるなら一緒にされえる。センサデバイスに問いかけるのに用いられる送信周波数は、示されるようにホモダイン受信機中の局部発振器として用いられえる。図３Ａの記載中で言及されたように、受動センサデバイスは、マイクロチップ３４２にＤＣ電力を供給するために、インタロゲータから来る入射ＲＦ信号を整流しえる。
【０１５３】
いったんマイクロチップがアクティブにされると、それは入射搬送波を適切なＩＤコードで変調し、変調された後方散乱信号を提供する。応答信号は、入射信号のそれと異なる周波数でありえる。インタロゲータに結合されえる遠隔受信機検出器５０４は、この変調された後方散乱信号を検出し、記録器を用いてＩＤ情報を記録する。インタロゲータ５００は、例えばＲＦＩＤセンサデバイス５０と共に用いられえ、この場合、センサデバイスは、センサデバイス５０のさまざまなメモリ状態について異なる周波数の応答を提供することができる。この場合、インタロゲータ５００は、複数の共振周波数（例えば１０３ｋＨｚおよび１５６ｋＨｚ）において受信できる。加えて、インタロゲータ５００は、コントローラ５１０およびコンピュータインタフェース５１２に結合された検出器５０４と共に、１つ以上のローパスフィルタ５０８を含む。
【０１５４】
動作周波数または周波数群の選択は大きく変わりえる。センサデバイスの大きなアレイについては、通常の、またはわずかに変更された商業的に入手可能な装備が費用削減に役立ち得る。これらデバイスは、１２５ｋＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、９００ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚおよび５．８ＧＨｚのような指定された周波数帯で動作する。場合によっては、１２５ｋＨｚにおけるＲＦＩＤ技術が、その現在の成熟さから用いられる。あるいは、データレートおよび質問速度を増すために、質問周波数を増やすことが望ましいかもしれない。周波数を選択するのに用いられる他の判断基準は、コンクリートおよび他の損失のある、導電性または非導電性媒体のような構造物材料を通した透過、改善された読み取り範囲、および重量削減を含む。
【０１５５】
本発明の他の実施形態において、インタロゲータ５００は、複数のセンサデバイスを同時に質問するように構成される。このようにして、多数のセンサデバイスの質問が迅速に行われえる。例えば、衝突防止ＲＦＩＤ、または複数のセンサデバイスを読むためのインタロゲータの能力を改善するアルゴリズムも本発明と共に用いるのに適切である。例として、受動センサが時間遅延を伴って質問に応答する、時間領域複数アクセス（ＴＤＭＡ）システムが用いられえる。
【０１５６】
ハンドヘルドインタロゲータも用いられえ（図２Ａ）、複数のデバイスを同時にポリングしえる。他の実施形態において、インタロゲータは非静止であり、図２Ｂについて記載したような車両によって搬送される。道路検査については、インタロゲータを車両に運ばせることは、高速道路要員が車両を離れることなく質問が行え、質問が動く車両のスピードで行われることから、検査をさらに簡略化し、検査時間も短縮する。
【０１５７】
検査を速くしたり、または改善するために複数のインタロゲータを用いることもできる。例えば、これらは複数の車両によって運ばれえ、または複数のインタロゲータは単一の車両上に配置されえる。応用例に用いられるインタロゲータにかかわりなく、インタロゲータは、デバイスのアレイをプロービングするのに適切な読み取り範囲を持たなければならない。例として、ハンドヘルドインタロゲータは、１インチから１２インチの読み取り範囲を持ちえる。さらに高い読み取り範囲はまた、同時に１より多いデバイスがプロービングされることを可能にする。一般に言って、増やされた読み取り範囲は、増されたインタロゲータ電力、インタロゲータ送信アンテナの大きくされたサイズ、センサデバイスアンテナの大きくされたサイズ、低電力センサデバイス設計（５Ｖロジックの代わりに３Ｖロジックを利用する要素を用いるような）、受信アンテナの大きくされたサイズ、および受信機能を改善し、インタロゲータにおける信号の漏れを最小限にするためのシールドおよび干渉緩和策の使用によって獲得されえる。場合によっては、データを応答するためのある種の変調および符号化スキームが、ノイズの多い環境ではよりよく実行し、これら技術は当業者に一般によく知られる。
【０１５８】
用いられるインタロゲータにかかわらず、質問プロセスは、アプリケーションに特定の要件に合わせられえ、またはアプリケーションに特有の障害を克服するために合わせられえる。そのような障害は、狭帯域および広帯域干渉を含む。強いリーダ送信の存在の下で、センサデバイスからの弱信号受信を克服するためには、インタロゲータは、短いパルスを送信し、送信機がオフのときにセンサデバイスがエコーバックするのを聞くようにしえる。あるいは、インタロゲータは、連続波送信放射から受信機を分離するための一連の分離策を実現しえる。物理的分離、パターンヌル（pattern nulls）への配置、および直交偏波が例えば分離を達成しえる。トランシーバ・レシーバ分離は、高ダイナミックレンジ増幅器およびミキサ要素および信号減算を用いることによっても達成しえる。
【０１５９】
本発明によるセンシングおよび質問に伴う一般のプロシージャは、図８のプロセスフロー８００として図示される。図８のプロセスフロー８００は、コンクリートおよび金属を備える橋梁の健全性をモニタリングするのに特に有用である。
【０１６０】
プロセスフロー８００は、１つ以上のセンサデバイスを構造物中に埋め込むことによって始まる（８０２）。センサデバイスは、構造物の健全性を示すパラメータを検出するセンサ、そのデバイスを他の同様のデバイスから区別できる識別ソース、およびトランスポンダを備える。ある実施形態において、本発明のセンサデバイスは、裏込めされたコア中にデバイスを埋め込むことによって（図２Ｂ参照）、完成した道路および橋梁内で採用される。この場合、埋め込まれるセンサは、さまざまな深度におけるコアホールの側壁に挿入され、これら深度における塩化物浸透の推定を可能にする。コアは、センサが既存の構造物を通した塩化物浸透を計測できるように、低間隙率コンクリート（例えばポリエステルコンクリートを含む）で再埋め立てされえる。センサデバイスはまた、塩化物イオン浸透および他の化学物質種の浸入および攻撃の内部モニタリングを提供するために新しいコンクリート内にも埋め込まれえる。新しい構造物中に設置された直後に、センサデバイスは、全てネガティブに応答すべきで、すなわち塩化物濃度がそれぞれのデバイスについて確立されたスレッショルド制限よりも下である。
【０１６１】
その後、デバイスに含まれるセンサは、パラメータステータスを検出（８０４）し、インタロゲータによってプロービングされる（８０６）。これは任意の順序で起こりえる。例えばセンサは、センサ読み取りを、インタロゲータからの無線プローブに応答して行いえる。あるいはセンサは、センシングされるパラメータに基づいて周期的に適応しえ（例えば徐々に起こる化学的変化）、質問信号は、後の時刻においてデバイスをプローブする。質問信号は、センサデバイスの位置によって決まる構造物の部分を突き抜けえる。
【０１６２】
プローブに応答して、デバイスは無線信号を返す（８０８）。同様に、戻り信号も構造物の部分を通して送信しえる。戻り無線信号は、パラメータステータスを示す。戻り信号はまた、デバイスの識別も含む。ある実施形態において、センサデバイスに入射する電力は、センサデバイスを動作するのに用いられるＤＣ電力を供給するために整流される。次にセンサデバイスアンテナ（コイル）からの後方散乱信号は、センサデバイスメモリ中のＩＤコードおよびセンサ状態にしたがってＲＦＩＤによって変調される。トランシーバは、受信された後方散乱を復調し、ＩＤおよびセンサ読み取りを関連付けられたコンピュータに報告する。所望であればコンピュータはそれから、モニタリングされているセンサデバイスのためのデータベースをアップデートし、さらなる検査および／またはメンテナンスのために、特定の構造物の位置にフラグを立ててもよい。
【０１６３】
ある実施形態において、ハンドヘルドインタロゲータは、局所的な領域を照射し、その領域にある埋め込まれたセンサに電源供給を行い、センサからデータを得る。橋梁検査に有用な他の実施形態において、インタロゲータは、トラックまたは他の任意の移動車両によって運ばれ、センサ上を運転される。
【０１６４】
もしシステムにセンサデバイスのアレイが提供されるなら、イベントまたはスレッショルドは、少なくとも１つのセンサデバイスにおいて近接しえ、これは物理的または化学的なイベントを検出し、一方、アレイ中の他のセンサデバイスはそのイベントを検出しない。場合によっては、センサデバイスが対象の条件に曝露された後、それは記録メカニズムを用いて受動的にイベントを記録する。例えばワイヤ６９２および６９３は、それぞれの非可逆な腐食および開放回路劣化によって受動的に腐食レベルを記録しえる。
【０１６５】
インタロゲータは、センサ情報および他の関連する情報を記録しえる。もし報告するデバイスが関連付けられたデバイスのグループ中のうちの一つであるなら、インタロゲータシステムは、グループ内の報告しているデバイスの空間的または時間的位置を特定する情報を取り出しえる。取り出された情報はデータベース中に提供されえ、そこではデバイス位置は、デバイス識別（ＩＤタグ情報）に結びつけられる。そのようなデータベースは、図９のシステム内で示される。
【０１６６】
センシング（８０４）、プロービング（８０６）およびデータ返し（８０８）は、応用例に求められるように繰り返されえる。例えば橋梁は２年ごとに検査される。通常検査はまた、橋梁内の塩化物浸透が追跡されることを可能にする。図２Ｂに戻って、後の時刻においては、上部デバイス５０ａが過剰な塩化物濃度を示し、残りのデバイス５０ｂ〜５０ｄが許容塩化物濃度レベルを示すことがありえる。それぞれのデバイス５０の既知の位置と共にこの計測の日付は、この道路または橋床についての拡散定数の第１推定を提供する。この情報を既知のセンサ深度および過去の履歴と相関付ければ、塩化物浸透の進行が追跡しえる。検査が何年にもわたって続くとき、道路要員は、道路内へとより深くなるデバイス５０ｂ〜５０ｄが制限を超える条件を示すにつれ、塩化物浸透の連続する進行を追跡しえる。そしてもし塩化物濃度がセンサデバイス５０ｄについて制限条件を超えるなら、より決定的または追加のアクションがそれから高速道路要員によってスケジューリングされえる。
【０１６７】
この情報収集を橋梁全体、および他の何百という橋梁に適用することによって、メンテナンス技術者が多数の橋梁についてメンテナンススケジュールの優先順位をつけることを可能にする。加えて、過去の計測からの拡散レート予測に基づいて、地域内の何百または何千という橋梁の橋梁処置は、定量的なデータに基づいて計画が立てられ、優先順位が付けられえる。さらに塩化物イオン濃度計測を時間経過と共に提供する埋め込まれたセンサはまた、詳細なモニタリング、地域比較、および研究のために用いられえる。
【０１６８】
本発明のセンサデバイスはまた、可逆な道路および橋床からの塩化物の実効的抽出をモニタリングしえる。塩化物の電気化学抽出のような、橋床からの塩化物の抽出のための処置策が利用可能である。
【０１６９】
図８に示される質問プロセスは、大きな構造物の定例検査の後に選択された領域の細かい試験を要求する応用例について適切である。質問プロセスは、デバイスの集積（例えば橋梁のような大きな構造物上に多くのデバイスを持つアレイ）を伴う。まず、構造物は、全てのデバイスが存在して実際に機能していることを確かめるために素速くプロービングされる。次に、インタロゲータは、任意のデバイスが対象となるイベントに曝されたかを決定する。このプロシージャは、集められた中の特定のデバイスを識別することなく実行されえる。質問信号が選択され、重要なイベントの特徴となる周波数を識別し、全体の構造物（または少なくとも大部分）を全て一度にプロービングする。インタロゲータは、「悪い」応答が検出されたかを決定する。もしそのような悪い応答が検出されるなら、デバイスの位置を決定するために、より詳細な検査が必要となりえる。もしそうでないなら、プロセスは完了である。もしプロシージャが、少なくとも１つのデバイスが対象の条件に曝されたことを発見するなら、コアサンプルの従来の分析による人間による検査のようなより詳細な検査が実行されえる。
【０１７０】
図８に示される質問プロセスは、また、データベース、メモリまたは他の情報記憶メカニズムとの相互参照を含みえる。データベースは、そのＩＤに基づいて、デバイスの物理的な位置またはセンシング履歴を含むデバイスについての情報を記憶するのに有用でありえる。データベースは、センサデバイスのアレイがプロービングされるとき特に適切である。
【０１７１】
ある実施形態において応答するデバイスの位置を決定するために、インタロゲータ（または関連するシステム）は、デバイスＩＤおよび対応する空間的位置のリストを含むデータベースに問い合わせを行う。データベースはそれから、クエリー中で識別されたデバイスの位置と共に応答する。この実施形態は、システムがデバイスのアレイを含み、インタロゲータが、アレイ内のどの特定のデバイスがそのステータスを報告しているかを決定するときに特に有用である。
【０１７２】
費用効果のある高速道路メンテナンスプログラムは、モニタリングされているそれぞれの道路および橋梁の状態に基づいて優先順位を確立しえる。しかし状態に基づくメンテナンスは、道路および橋梁表面および地下の劣化をモニタリングするために、ルーチンの道路検査を必要とする。それぞれの道路および橋梁に多くのデバイスが実現されるとき、それぞれのデバイスの識別および状態は、データベースに記憶され、または記録されえる。データベースは、それぞれのデバイスについての履歴がメンテナンスされることを可能にする。道路検査の場合、データベースはまた、多数の橋梁についての橋梁の健全性の簡単な追跡を提供する。
【０１７３】
道路および橋梁の健全性モニタリングの応用例において、それぞれの個別のセンサデバイスは、ユニークな位置または道路または橋梁中の既知の位置に属するとして特定されえる。何百または何千という個別のデバイスが使用されるこの応用例において、ＩＤタグは、１６または１８ビット信号を含みえ、ここでいくつかのビットはセンサ情報およびデータのために予約され、残りのビットは個別デバイスの識別のために予約される。
【０１７４】
コンピュータで実現されるユーザインタフェースは、センサデバイスのアレイのユーザによる分析を改善するために用いられえる。例として、検査者が道路分析をするのを手伝うためにグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）が用いられえる。道路ＧＵＩは、検査されていないデバイス、特定の濃度スレッショルドを読み出す検査されたデバイス、およびイベントを記録しなかった検査されたデバイスについての異なる色を含みえる。加えて、ＧＵＩは、ユーザが、アレイ中の特定のデバイスを指し、そのデバイスについての情報を得ることを可能にする。この情報は、デバイスのＩＤ、構造物中の位置、およびデータベース中に記憶されたそのデバイスについての履歴を含みえる。リーダコイルとの集積に適切な任意のＧＵＩシステムが用いられえる。ある実施形態において、ＧＵＩは、ユーザが検査中のアイテムおよびアイテムのコンピュータディスプレイの両方を見ることができるようにするため、携帯コンピューティングデバイス（Palm Pilotなどのような（カリフォルニア州サンタクララの3Com Corporation）上で実現される。
【０１７５】
１０．結論
【０１７６】
本発明の遠隔センサデバイスの多用性、小型および無線非破壊の特性は、多くの興味深い応用例においてセンサアプリケーションを可能にする。トランスポンダおよびセンサを一緒に結合させることは、低減された重量およびサイズを可能にする。さらに本発明のセンサデバイスの識別手段は、潜在的に何千ものセンサが実現され、それぞれのセンサが個別にモニタリングされえるようなシステムのモニタリングを可能にする。本発明は、いくつかの好ましい実施形態について記載されてきたが、本発明の範囲に入る変更、組み合わせ、および等価物が存在し、これらは簡潔さのために省略された。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきだと意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１７７】
【図１Ａ】コンクリートおよび構造を含む構造物部分および本発明のセンシングデバイスのアレイを示す図である。
【図１Ｂ】本発明のある実施形態によるセンシングデバイスのアレイを含む道路の断面図である。
【図２Ａ】本発明のある実施形態による橋床断面をモニタリングするセンサシステムの例示的図である。
【図２Ｂ】本発明の他の実施形態による移動車両によって運ばれるインタロゲータを備えるセンサシステムの図である。
【図３Ａ】本発明のある実施形態による簡略化されたセンサデバイスシステムの図である。
【図３Ｂ】本発明の具体的な実施形態による図３Ａに示されるシステムの電気的等価回路の図である。
【図３Ｃ】本発明の他の実施形態による商用低周波数ＲＦＩＤセンサデバイスの典型的な要素を示す図である。
【図３Ｄ】本発明のある実施形態による周波数シフトに基づいてモニタリングされるパラメータに関する情報を通信するセンサデバイスの図である。
【図３Ｅ】本発明のある実施形態によるビットストリーム反転に基づいてモニタリングされるパラメータに関する情報を通信するセンサデバイスの図である。
【図３Ｆ】本発明の他の実施形態によるセンサデバイスの簡略化された断面図である。
【図４Ａ】本発明のある実施形態による塩化物イオンセンサデバイスの簡略化された断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの塩化物イオンセンサデバイスに対応する例示的回路図である。
【図４Ｃ】本発明のある実施形態による電気化学セルセンサの図である。
【図４Ｄ】本発明のある実施形態による図４Ｃの電気化学セルセンサのための代表的な電位差スレッショルド計測回路の図である。
【図４Ｅ】本発明のある実施形態によるセンサデバイスのための詳細な構成の図である。
【図５】本発明のさまざまな実施形態による構造物の健全性をモニタリングするのに有用なセンサパラメータの構成の図である。
【図６Ａ】本発明のある実施形態による伝導度を検出するセンサデバイスの代表的回路の図である。
【図６Ｂ】本発明の他の実施形態によるｐＨを検出するセンサデバイスの代表的回路の図である。
【図６Ｃ】本発明のある実施形態によるエポキシ水分浸透を検出するセンサデバイスの代表的回路の図である。
【図６Ｄ】本発明の他の実施形態による複数の腐食イベントを検出するセンサデバイスの代表的回路の図である。
【図７】本発明のある実施形態によるインタロゲータに対応する例示的リーダのブロック図である。
【図８】本発明のセンサデバイスおよびインタロゲータを用いる典型的なプロシージャを示すプロセスフロー図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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