(57)【要約】  表面下の媒体の非貫入型の物理解析およびその結果の表示のための包括的システムを記載する。システムは剪断波の速度を検出し、それらを解析し、結果を表示する。該システムは三つのユニット、すなわち検知アセンブリ、エネルギインパルス発生器、およびユーザ−演算インタフェースを含む。
2005513487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面下の媒体の特性決定を達成するためのプロファイリングシステムであって、前記プロファイリングシステムは、通信インタフェースを介してメッセージを交換する多数のシステム要素を含み、前記システム要素が、
ａ．前記メッセージを他のシステム要素と交換するための発生器通信手段を含み、エネルギパルスを前記表面に伝達するためのエネルギインパルス発生器と、
ｂ．センサを含む検知アセンブリであって、前記センサの各々が、前記エネルギパルスから生じる前記表面の加速度を検出し、かつ前記加速度を表わす信号を発生するための加速度メータを含み、前記センサの各々がまた、前記通信インタフェースを介して、前記加速度を表わす信号を送信し、かつ他のシステム要素と前記メッセージを交換するためのインタフェース通信手段をも含んで成る検知アセンブリと、
ｃ．前記通信インタフェースを介して前記加速度を表わす信号を受信し、かつ他のシステム要素と前記メッセージを交換するためのインタフェース通信手段、および前記加速度を表わす前記受信信号を処理して、前記表面下の前記媒体の前記特性決定を生成するためのインタフェースプロセッサを含む、ユーザ−演算インタフェースと、
を備えて成るプロファイリングシステム。
【請求項２】
前記システム要素の各々がメッセージを生成するためのプロセッサを含み、それぞれのシステム要素の通信手段が、前記メッセージを前記センサの各々および前記インパルス発生器から直接前記ユーザ−演算インタフェースへ中継することができ、その逆も然りである、請求項１に記載のプロファイリングシステム。
【請求項３】
前記システム要素の各々がメッセージを生成するためのプロセッサを含み、それぞれのシステム要素の通信手段が前記メッセージを他のシステム要素のどれにでも中継することができる、請求項１に記載のプロファイリングシステム。
【請求項４】
それぞれのシステム要素の通信手段が、前記プロファイリングシステムの外部の通信装置と通信することができる、請求項３に記載のプロファイリングシステム。
【請求項５】
それぞれのシステム要素の通信手段が、アンテナ、光学トランスデューサ、および通信ケーブルに接続するためのコネクタのうちの少なくとも一つを含む、請求項４に記載のプロファイリングシステム。
【請求項６】
前記ユーザ−演算インタフェースが、命令およびデータの少なくとも一つを含むメッセージを精製するためのインタフェースプロセッサを含む、請求項５に記載のプロファイリングシステム。
【請求項７】
前記センサの各々がセンサプロセッサを含み、前記インパルス発生器が発生器プロセッサを含み、前記センサプロセッサおよび発生器プロセッサが前記ユーザ−演算インタフェースからの前記メッセージを処理する、請求項６に記載のプロファイリングシステム。
【請求項８】
前記システム要素の各々が、命令およびデータの少なくとも一つを格納するために、そのそれぞれのプロセッサに接続されたメモリ手段を含む、請求項７に記載のプロファイリングシステム。
【請求項９】
前記データが一意のシステム要素識別子を含む、請求項８に記載のプロファイリングシステム。
【請求項１０】
前記システム要素の各々が電源装置を含む、請求項９に記載のプロファイリングシステム。
【請求項１１】
前記システム要素の各々が、そのそれぞれのプロセッサに接続された位置決め回路をさらに含む、請求項１０に記載のプロファイリングシステム。
【請求項１２】
前記位置決め回路がジャイロスコープおよびグローバル測位システムの少なくとも一つを含む、請求項１１に記載のプロファイリングシステム。
【請求項１３】
前記ユーザ−演算インタフェースが、前記表面下の前記媒体の前記特性決定を表示するためのディスプレイをさらに含む、請求項１に記載のプロファイリングシステム。
【請求項１４】
前記ユーザ−演算インタフェースが、ユーザから命令を受け取るためのユーザ入力手段をさらに含む、請求項１３に記載のプロファイリングシステム。
【請求項１５】
前記入力手段がキーボード、マウス、タッチスクリーン、および音声認識装置の少なくとも一つを含む、請求項１４に記載のプロファイリングシステム。
【請求項１６】
表面の加速度を検出するためのセンサであって、前記センサが通信印刷ステンシルを介してコンピューティング手段とメッセージを交換し、前記センサが、
ａ．前記加速度を表わす信号を出力するための加速度メータと、
ｂ．送信回路を備え、前記加速度を表わす前記信号を受け取り、それを前記コンピューティング手段に送信するために変調するインタフェースユニットと、
を備えて成るセンサ。
【請求項１７】
前記加速度メータが半導体基板を含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１８】
前記半導体基板が歪みゲージ、コンデンサ、および圧電装置の少なくとも一つを含む、請求項２に記載のセンサ。
【請求項１９】
前記インタフェースユニットが、前記電気信号を増幅するための増幅ユニットをさらに含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項２０】
前記加速度を表わす前記信号がアナログ電気信号を含み、前記インタフェースユニットが、前記アナログ電気信号をデジタル信号に変換するためのＡ−Ｄ変換器をさらに含む、請求項４に記載のセンサ。
【請求項２１】
前記インタフェースユニットが、前記増幅ユニットの増幅レベルおよび前記Ａ−Ｄ変換器のダイナミックレンジの少なくとも一つを制御するための制御回路をさらに含む、請求項５に記載のセンサ。
【請求項２２】
前記インタフェースユニットが、前記アナログ電気信号をフィルタリングするための周波数フィルタリング手段をさらに含む、請求項５に記載のセンサ。
【請求項２３】
前記基板および前記インタフェースユニットに電力を供給するための電源装置をさらに含む、請求項４に記載のセンサ。
【請求項２４】
前記基板および前記インタフェースユニットへの電力が前記センサの外部から供給される、請求項４に記載のセンサ。
【請求項２５】
前記半導体基板が、前記半導体基板に直接エッチングされた歪みゲージ、その上に堆積することによって構築された歪みゲージ、およびその上に接着された歪みゲージの少なくとも一つを含む、請求項２に記載のセンサ。
【請求項２６】
前記半導体基板が、ホイートストンブリッジを形成する二つの歪み計アセンブリおよび二つの整合抵抗器を含み、前記二つの歪みゲージアセンブリが前記ホイートストンブリッジの二つの対向する分岐上に位置し、前記二つの整合抵抗器が前記ホイートストンブリッジの他方の二つの対向する分岐上に位置する、前記請求項２に記載のセンサ。
【請求項２７】
前記二つの歪みゲージアセンブリの各々が、並列に接続された二つの歪みゲージを含む、請求項１１に記載のセンサ。
【請求項２８】
前記基板が、前記二つの整合抵抗器の一つと並列に配置された校正抵抗器を含む、請求項１２に記載のセンサ。
【請求項２９】
前記送信回路が、前記変調信号およびメッセージの少なくとも一つを前記通信インタフェースを介して中継する、アンテナおよび光学トランスデューサの少なくとも一つを含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３０】
前記加速度メータおよび前記インタフェースユニットにそれを制御しかつ管理するために接続されたプロセッサをさらに含む、請求項１４に記載のセンサ。
【請求項３１】
前記加速度を表わす前記信号のサンプリングおよび前記プロセッサの動作のための命令の少なくとも一つを格納するために、前記プロセッサに接続されたメモリ手段をさらに含む、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項３２】
前記プロセッサ手段に接続された位置決め回路をさらに含む、請求項１６に記載のセンサ。
【請求項３３】
前記位置決め回路がジャイロスコープおよびグローバル測位システムの少なくとも一つを含む、請求項１７に記載のセンサ。
【請求項３４】
請求項１６に記載の少なくとも二つのセンサを含む検知アセンブリ。
【請求項３５】
前記少なくとも二つのセンサが相互に連絡している、請求項１９に記載の検知アセンブリ。
【請求項３６】
前記メモリ手段が前記少なくとも二つのセンサの各々の一意の識別子を格納する、請求項２０に記載の検知アセンブリ。
【請求項３７】
表面の加速度を検出するためのセンサであって、前記センサは通信インタフェースを介してコンピューティング手段とメッセージを交換し、前記センサが、
ａ．前記加速度を表わす信号を出力するための加速度メータを含む基板と、
ｂ．前記加速度に応答して移動する、前記基板に取り付けられた質量と、
ｃ．送信回路を含むインタフェースユニットであって、前記変位を表わす前記信号を受け取り、かつそれを前記コンピューティング手段に転送するために変調するインタフェースユニットと、
を備えたセンサ。
【請求項３８】
前記加速度メータが半導体基板を含む、請求項２２に記載のセンサ。
【請求項３９】
前記半導体基板が開口を備え、その中に前記質量が支持されて成る、請求項２３に記載のセンサ。
【請求項４０】
ａ．前記半導体基板を支持するハウジングと、
ｂ．前記ハウジングと前記質量との間に取り付けられた制動手段と、
をさらに備えた、請求項２２に記載のセンサ。
【請求項４１】
前記制動手段が疲労に耐える材料を含む、請求項２５に記載のセンサ。
【請求項４２】
前記疲労に耐える材料がネオプレンおよびシリコーンの少なくとも一つを含む、請求項２６に記載のセンサ。
【請求項４３】
前記制動手段と前記ハウジングとの間に衝撃吸収要素をさらに含む、請求項２７に記載のセンサ。
【請求項４４】
前記ハウジングが、前記センサと前記表面との間に物理的界面を提供する底板を含む、請求項２５に記載のセンサ。
【請求項４５】
前記ハウジングが前記底板上に取り付けられたケーシングをさらに含む、請求項２９に記載のセンサ。
【請求項４６】
前記ハウジングが、前記ケーシングに密封状態に取り付けられた上蓋をさらに含む、請求項３１に記載のセンサ。
【請求項４７】
前記底板が、前記センサを前記表面に取り付けるための取付手段を含む、請求項２９に記載のセンサ。
【請求項４８】
前記取付手段がねじ具、接着剤、錘、磁性体装置、爆薬駆動型固定手段の少なくとも一つを含む、請求項３２に記載のセンサ。
【請求項４９】
前記ハウジングが、前記センサを電磁干渉から実質的に遮蔽するための導電性表面を含む、請求項３３に記載のセンサ。
【請求項５０】
前記送信回路が、前記変調信号およびメッセージの少なくとも一つを前記通信インタフェースを介して中継する、アンテナおよびＩＲディフューザの少なくとも一つを含む、請求項３４に記載のセンサ。
【請求項５１】
前記加速度メータおよび前記インタフェースユニットにそれを制御しかつ管理するために接続されたプロセッサをさらに含む、請求項３３に記載のセンサ。
【請求項５２】
前記電気信号のサンプリングおよび前記プロセッサの動作のための命令の少なくとも一つを格納するために、前記プロセッサに接続されたメモリ手段をさらに含む、請求項３６に記載のセンサ。
【請求項５３】
前記プロセッサ手段に接続された位置決め回路をさらに含む、請求項３７に記載のセンサ。
【請求項５４】
前記位置決め回路がジャイロスコープおよびグローバル測位システムの少なくとも一つを含む、請求項３８に記載のセンサ。
【請求項５５】
請求項２２に記載の少なくとも二つのセンサを含む検知アセンブリ。
【請求項５６】
前記少なくとも二つのセンサが相互に連絡している、請求項４０に記載の検知アセンブリ。
【請求項５７】
前記メモリ手段が前記少なくとも二つのセンサの各々の一意の識別子を格納する、請求項４１に記載の検知アセンブリ。
【請求項５８】
表面の変位を検出するためのセンサであって、前記センサはコンピューティング手段と連絡しており、前記変位を表わす電気信号を捕捉するための半導体歪みゲージが集積された半導体基板と、前記電気信号を像複するための増幅ユニットと、増幅レベルを制御するための制御回路とを備えたセンサ。
【請求項５９】
前記電気信号がアナログ電気信号であり、前記アナログ電気信号をデジタル信号に変換するためのＡ−Ｄ変換器が前記半導体基板にさらに集積され、前記制御回路が前記Ａ−Ｄ変換器のダイナミックレンジを制御する、請求項４３に記載のセンサ。
【請求項６０】
エネルギパルスを表面に伝達するためのエネルギインパルス発生器であって、前記発生器は通信インタフェースを介してコンピューティング手段とメッセージを交換し、前記発生器が、
ａ．ハウジングと、
ｂ．前記ハウジング内の少なくとも静止位置とラッチ位置と衝撃位置の間に可動に取り付けられた衝撃アセンブリであって、それによって前記衝撃位置で前記衝撃アセンブリが前記エネルギパルスを前記表面に伝達するように構成された衝撃アセンブリと、
ｃ．前記衝撃アセンブリに取り付けられたエネルギ蓄積手段であって、それによって前記ラッチ位置で前記エネルギ蓄積手段が指定された量のエネルギを前記衝撃アセンブリに放出して、前記指定された量のエネルギの放出後に、前記衝撃アセンブリが前記ラッチ位置から前記衝撃位置に移動し、次いで前記静止位置に戻るように構成されたエネルギ蓄積手段と、
を含み、
前記コンピューティング手段が前記衝撃アセンブリへの前記指定された量のエネルギの放出を制御する、エネルギインパルス発生器。
【請求項６１】
前記ハウジング内に取り付けられ、前記指定された量のエネルギを前記エネルギ蓄積手段に提供する電源装置をさらに含む、請求項１に記載の発生器。
【請求項６２】
前記コンピューティング手段が前記電源装置を制御し、それによって前記指定された量のエネルギを制御する、請求項２に記載の発生器。
【請求項６３】
前記電源装置がモータアセンブリを含む、請求項３に記載の発生器。
【請求項６４】
前記モータアセンブリが空気モータ、油圧モータ、電気モータ、および機械的モータの少なくとも一つを含む、請求項４に記載の発生器。
【請求項６５】
前記コンピューティング手段の制御下で前記衝撃アセンブリを解放可能にラッチするために、前記ハウジング内に取り付けられた解放機構をさらに含む、請求項１に記載の発生器。
【請求項６６】
前記解放機構が、前記衝撃アセンブリと接触しかつラッチ位置とアンラッチ位置との間で可動なラッチをさらに含む、請求項６に記載の発生器。
【請求項６７】
前記解放機構が、前記ラッチの移動を制御するために前記ラッチに取り付けられたソレノイドをさらに含む、請求項７に記載の発生器。
【請求項６８】
前記ラッチが、前記エネルギ蓄積手段に蓄積されたエネルギを監視するために、歪み測定装置および加速度メータの少なくとも一つをさらに含む、請求項７に記載の発生器。
【請求項６９】
前記エネルギ蓄積手段がバイアス手段を含む、請求項１に記載の発生器。
【請求項７０】
前記バイアス手段がばねを含む、請求項１０に記載の発生器。
【請求項７１】
前記衝撃アセンブリが主軸部材上に取り付けられた衝撃ヘッドを含み、前記ばねが前記衝撃ヘッドと前記ハウジングとの間に取り付けられた、請求項１１に記載の発生器。
【請求項７２】
前記発生器を前記表面に取り付けるために前記ハウジングに取り付けられた前記取付手段をさらに含む、請求項１に記載の発生器。
【請求項７３】
前記取付手段がねじ具、接着剤、錘、磁性体装置、および爆薬駆動型固定手段の少なくとも一つを含む、請求項１４に記載の発生器。
【請求項７４】
前記衝撃アセンブリが主軸部材上に取り付けられた衝撃ヘッドを含む、請求項１に記載の発生器。
【請求項７５】
前記ハウジング内に装着された発生器通信手段であって、前記通信インタフェースを介して前記コンピューティング手段とメッセージを交換するための通信手段をさらに含む、請求項１に記載の発生器。
【請求項７６】
前記通信手段がアンテナおよび光学トランスデューサの少なくとも一つを含む、請求項１６に記載の発生器。
【請求項７７】
前記ハウジングが、前記通信手段を電磁干渉から実質的に遮蔽するための導電性表面を含む、請求項１７に記載の発生器。
【請求項７８】
前記エネルギ蓄積手段によって放出されたエネルギの実際の量を監視するために、前記ハウジング内に取り付けられた制御回路をさらに含む、請求項１に記載の発生器。
【請求項７９】
前記コンピューティング手段の制御下で前記衝撃アセンブリを解放可能にラッチするために、前記ハウジング内に取り付けられた解放機構をさらに含む、請求項３に記載の発生器。
【請求項８０】
前記電源装置および前記解放機構の少なくとも一つに、それらを制御しかつ管理するために接続されたプロセッサをさらに含む、請求項２０に記載の発生器。
【請求項８１】
前記解放機構が、前記エネルギ蓄積手段に蓄積されたエネルギを監視するための歪み測定装置をさらに含む、請求項２１に記載の発生器。
【請求項８２】
前記エネルギ蓄積手段に蓄積されたエネルギのサンプリングおよび前記プロセッサの動作のための命令の少なくとも一つを格納するために、前記プロセッサに接続されたメモリ手段をさらに含む、請求項２２に記載の発生器。
【請求項８３】
前記メモリが前記発生器の一意の識別子を格納する、請求項２５に記載の発生器。
【請求項８４】
前記エネルギ蓄積手段に蓄積されたエネルギのサンプリングおよび前記プロセッサの動作のための命令の少なくとも一つを格納するために、前記プロセッサに接続されたメモリ手段をさらに含む、請求項２１に記載の発生器。
【請求項８５】
前記メモリが前記発生器の一意の識別子を格納する、請求項２５に記載の発生器。
【請求項８６】
前記発生器が他の装置と連絡している、請求項２６に記載の発生器。
【請求項８７】
前記プロセッサ手段に接続された位置決め回路をさらに含む、請求項２１に記載の発生器。
【請求項８８】
前記位置決め回路がジャイロスコープおよびグローバル測位システムの少なくとも一つを含む、請求項２１に記載の発生器。
【発明の詳細な説明】
【関連出願への言及】
【０００１】
本願は、米国特許法第１１９条に基づき２００１年１２月２０日に出願されたカナダ特許出願第2,366,030号による優先権の利益を主張し、その開示内容は、あたかもその全文が記載されているものとして本明細書に組み込まれるものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、表面下に位置する媒体の非貫入検査の分野に関する。さらに詳しくは、本発明は、表面下の媒体の機械的特性決定を可能にする知的プロファイリングシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
例えば地球物理学的探査の分野で、非貫入技術は、これらの技術が非破壊的であるため、ボーリングを含む従来の現場検査技術の補足または代替として、探求され、開発されてきた。ボーリングが実行不可能な幾つかの場合、例えば粒状土では、そのような非貫入技術が、地下を探査する唯一の方法である。また、それらは一般的に費用効率がより高い。
【０００４】
非貫入技術はまた、様々な他の分野で表面下に位置する媒体を探査するために、例えば道路、橋、建物の鉄筋継手、コンクリート壁等の摩耗状態を評価するため、あるいは鉱業または軍用分野で地表下ポケットを検出するためにも、使用される。
【０００５】
興味深いことに、表面波および特にレイリー波は、非貫入検査の分野で非常に有用である。技術的に周知の方法の一つに、例えば、貫入無く地下の剪断速度プロファイルを決定するために表面波を利用する、表面波のスペクトル解析（「ＳＡＳＷ」）がある。この方法は一対のセンサ、少なくとも一つのインパルス源、および信号処理システムを含む。
【０００６】
表面波を使用するそのような技術は、例えば上記ＳＡＳＷの場合、二つのセンサ間の距離を変えることにより、かつ異なるインパルス源を使用することにより、広範囲の土壌の厚さの探査が可能であるが、その動作は一般的に、調査対象の地表下媒体に関する有用な情報を得るために、当該分野に熟達した高度熟練作業員による処置を必要とする。
【０００７】
したがって、当該分野における努力にもかかわらず、センサ、インパルス発生器、およびユーザ−演算インタフェースを備え、非熟練者による表示および使用のためにデータを収集し、解析し、処理することができる、表面下の媒体のプロファイリングを可能にするシステムが依然として求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、改善されたプロファイリングシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の一つでは、本発明は、表面下の媒体の特性決定を達成するためのプロファイリングシステムを含む。該プロファイリングシステムは、通信インタフェースを介してメッセージを交換する多数のシステム要素を含む。システム要素はエネルギインパルス発生器、検知アセンブリ、およびユーザ−演算インタフェースを含む。エネルギパルスを表面に伝達するための発生器は、メッセージを他のシステム要素と交換するための発生器通信手段を含む。検知アセンブリはセンサを含む。センサの各々は、エネルギパルスから生じる表面の加速度を検出し、加速度を表わす信号を発生するための加速度メータを含む。センサの各々はまた、通信インタフェースを介して加速度を表わす信号を送信し、他のシステム要素とメッセージを交換するためのインタフェース通信手段を含む。ユーザ−演算インタフェースは、通信インタフェースを介して加速度を表わす信号を受信し、他のシステム要素とメッセージを交換するためのインタフェース通信手段を含む。ユーザ−演算インタフェースはまた、加速度を表わす受信信号を処理して、表面下の媒体の特性決定を生成するためのインタフェースプロセッサをも含む。
【００１０】
別の実施形態では、本発明は、表面における加速度を検出するためのセンサに関する。該センサは、通信インタフェースを介してコンピューティング手段とメッセージを交換する。センサは、加速度を表わす信号を出力するための加速度メータ、および送信回路を備えたインタフェースユニットを含む。インタフェースユニットは加速度を表わす信号を受信し、それをコンピューティング手段に送信するために変調する。
【００１１】
別の実施形態では、本発明は、表面における加速度を検出するためのセンサに関する。センサは、通信インタフェースを介してコンピューティング手段とメッセージを交換する。センサは、加速度を表わす信号を出力するための加速度メータを備えた基板を含む。センサはさらに、基板に取り付けられた質量を含む。質量は加速に応答して移動する。センサはまた、ここ記載するインタフェースユニットをも含む。
【００１２】
本発明は、その実施形態の一つにおいて、エネルギパルスを表面に伝達するためのエネルギインパルス発生器に関する。該発生器は、通信インタフェースを介してコンピューティング手段とメッセージを交換する。発生器はハウジングを含む。発生器はさらに、ハウジング内で少なくとも静止位置とラッチ位置と衝撃位置との間に可動に取り付けられた衝撃アセンブリをさらに含む。衝撃位置で、衝撃アセンブリはエネルギパルスを表面に伝達する。発生器はまた、衝撃アセンブリに取り付けられたエネルギ蓄積手段をも含む。ラッチ位置で、エネルギ蓄積手段は、指定量のエネルギの放出後、衝撃アセンブリがラッチ位置から衝撃位置に移動し、次いで静止位置に戻るように、指定された量のエネルギを衝撃アセンブリに放出することができる。該コンピューティング手段は、衝撃アセンブリへの指定量のエネルギの放出を制御する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
一般に、本発明のシステムは、表面下に位置する媒体の機械的性質の非貫入型物理解析、およびその結果の表示を可能にする。
【００１４】
表面による直接探査とは分離されるそのような媒体は、地下、コンクリート壁の厚さ、鉄筋継手の厚さ、および類似物とすることができる。例証を目的として、地球物理学的検査を扱う実施形態を使用して、本発明を説明する。したがって、以下では、調査される媒体はその表面を介した地下の地表下領域である。
【００１５】
より正確には、本発明のシステムは、インパルスの発生器によって発生される励振によって検査対象の地表下領域に誘発される、剪断波の速度を検出するセンサを利用する。
【００１６】
添付図面の図１に基づき、本発明の実施形態に係るシステムを説明する。
【００１７】
基本的には、システム１０は三つのユニットまたはシステム要素、すなわち検知アセンブリ１２、エネルギインパルス発生器１４（以下、ＥＩＧと呼ぶ）、およびユーザ−演算インタフェース１６（以下、ＵＣＩと呼ぶ）を含む。
【００１８】
図１から分かるように、検知アセンブリ１２は、表面２０の様々な位置に配置された変位センサ１８を含む。検知アセンブリ１２は、種々な位置に連続して配置される複数のセンサ１８を含む。本発明に係るシステム１０の特定の実施形態では、検知アセンブリ１２は四つのセンサ１８を含むが、センサの個数は他にも設定可能である。センサ１８の役割は、エネルギインパルス発生器１４によって表面２０に発生する衝撃のバーストに応答する変位を検出することである。
【００１９】
検知アセンブリ１２の変位センサ１８の各々およびエネルギインパルス発生器１４は、通信インタフェース２１によってユーザ−演算インタフェース１６に接続される。センサ１８をユーザ−演算インタフェース１６に相互接続するために、多くの様々な技術を使用することができる。例えば、通信インタフェース２１は符号２２で図１に示す光ファイバケーブル、同軸ケーブル、多心ケーブル、オプティカルリンク、ＲＦリンクを含むことができる。代替的に、通信インタフェース２１として多重化手段を採用してもよい。通信インタフェース２１は、命令および／またはデータを含むメッセージをシステム要素間で中継するために使用される。
【００２０】
図２ないし４に示すように、センサ１８はハウジング内で保護される。ハウジングは、上蓋２５によって閉じられるプレート２７およびケーシング２４を含む。表面２０は硬すぎないので、変位センサ１８は、プレート２７に装着されたねじ具によって表面２０に取り付けられ、その上にケーシング２４を挿入して、プレート２７の縁２８によって固定することができる（図２ａ参照）。代替的に、表面２０が硬すぎる場合、接着剤２９によって、または単に表面２０上に置くだけで、プレート２７をそれに固定することができる（図２ｂ参照）。
【００２１】
ケーシング２４は、通信インタフェース２１の接続線２２（図１参照）によってユーザ−演算インタフェース１６に接続するための通信コネクタ３０を備えている（図３参照）。
【００２２】
上蓋２５は、ケーシング２４に取り付けられた衝撃吸収要素３２’および減衰要素３４’に対して対称的に配置された衝撃吸収要素３２および減衰要素３４をも支持し、かつ、任意ではあるが通信アンテナ３６またはオプティカル拡散器（図示せず）をも支持することに注意されたい。
【００２３】
半導体基板４２は、図４の断面図に示すように、ケーシング２４内で保護される。質量３８は、歪みゲージ４４ならびに抵抗器４６および４８（図５に示す）を支持する半導体基板４２の開口４０内に支持される。質量３８は加速に応答して移動する。当業者に明らかなように、表面２０の下の地表下領域に発生する剪断波によって誘発される質量３８の移動は、半導体基板４２に歪みを生じる。
【００２４】
半導体基板４２およびそれが支持する要素（質量３８、歪みゲージ４４、抵抗器４６等）を広義に加速度メータまたは加速度メータアセンブリまたはユニットと呼ぶことができる。加速度メータは広義に、その応答がそれと接触している物質（例えばこの場合は表面）の加速に線形的に比例する装置と定義することができる。加速度メータまたはセンサ１８は表面と直接接触する必要は無い。他の中間要素または媒体を介した接触も可能である。
【００２５】
図６に示すように、変位センサ１８と同等の回路は、四つの歪みゲージ４４および二つの抵抗器４６を含み、ホイートストンブリッジを形成する。ブリッジの一方の対角点はＤＣ電圧源５０に接続され、ブリッジのもう一方の対角点は歪み検出回路の出力として働き、増幅装置５２に接続される。後述するように、歪みゲージ４４は、半導体基板４２の機械的変形を電気信号（または他の種類の情報支持信号）に変換するためのトランスデューサとして使用される。抵抗器４８は、後述するように、校正目的に使用される。
【００２６】
歪みゲージ４４は、質量３８によって変位センサ１８に伝達される検査対象の地表下領域の動きを記録するために使用される。それらは、マッチ抵抗器４６によって温度補償される。図５のセンシング回路の高い対称性は、広範囲の温度にわたるホイートストンブリッジの平衡化を可能にすることによって、温度補償にも寄与する。
【００２７】
歪みゲージ４４は、基板４２上に堆積した材料を直接エッチングすることによって、半導体基板４２の上面に固着することができる。当業界で公知の技術による半導体基板４２の直接エッチングは、温度の不一致の最小化、したがって応力集中の最小化と共に、歪みゲージ４４の完全な配置を保証し、こうして非常に高感度の変位センサ１８の製造が可能になる。
【００２８】
変位センサ１８は、さらに図４に示したインタフェースボード５３（本書ではインターフェースユニットとも呼ぶ）を含み、このボードは通信コネクタ３０および／またはアンテナ３６に接続された必要な通信回路を支持する。通信回路の一つは、表面加速度を表わす信号（例えばホイートストンブリッジから得られた）を変調する機能を果たす。変調は、通信インタフェース２１を介して送信するように準備するための信号の任意の変換を含む。図６に示すように、変位センサ１８はさらにＡ−Ｄ変換器４７、送信回路４９（センサ通信手段とも呼ばれる）、および制御回路５７を含んでいてもよい。制御回路５７は、事前設定された値への校正中に、増幅装置５２の増幅レベルおよびそのオフセットを調整するために、電力管理に使用される。ホイートストンブリッジからの信号を変化させるために、周波数フィルタリング手段（図示せず）ならびに補償および線形化手段（図示せず）を基板４２に追加してもよい。本発明の実施形態では、基板４２はメモリ手段およびプロセッサ（いずれも図２〜６に図示せず）をも含む。制御装置５７は、Ａ−Ｄ変換器４７のダイナミックレンジを設定することもできる。
【００２９】
言うまでもなく、回路の種類は、部分的に変位センサ１８とユーザ−演算インタフェース１６との間の通信インタフェース２１の通信２２の種類に依存する。
【００３０】
変位センサ１８には、外部から、或いは半導体基板４２の下に配置されたバッテリのような一体化電源５４によって（図４参照）内部から、電力を供給する。そのようなバッテリは、ケーシング内のどこでも便利な場所に、またはケーシング２４の外部の特別ケーシング内に配置することができる。本発明の別の実施形態では、センサ１８には高周波信号によって外部から電力を供給してもよい。
【００３１】
図２ａおよび２ｂに関連して上述したとおり、各変位センサ１８は単に表面２０に載置するか、あるいは接着剤２９によって底に固定するか（図２ｂ）、あるいはねじ具２６によって固定することができる（図２ａ）。
【００３２】
上蓋２５に取り付けられた減衰要素３４、およびケーシング２４に取り付けられた対応する減衰要素３４’は、弾性またはゲル状材料から作成することができる。広範囲の温度にわたるエネルギの一定吸収を確実にすることによって、かつそれらが例えばネオプレンまたはシリコーンのような疲労に対する耐性を有する材料から作成されることを前提として、それらは減衰率を最適化し、信号の品質を最大限に改善する。
【００３３】
実際、振幅および位相歪みに関して評価した変位センサ１８の性能は、主として装置の拡大率および減衰率に依存する。
【００３４】
衝撃吸収パッド３２および３２’は、例えば取扱い中に変位センサ１８を過度の衝撃から保護するのに効果的である。
【００３５】
変位センサ１８を密封し、かつ有害な環境から保護するために、蓋２５とケーシング２４との間に、熱可塑性、弾性、シール材、またはゴム継手５５が設けられる（図4参照）。
【００３６】
本発明の変位センサ１８は、一体化された歪みゲージ４４、増幅手段５２、および制御回路５７を有する半導体基板を含み、ノイズ対信号比およびしたがってＵＩＣ１６への送信中の信号の汚染を低減することができる。必要に応じて、変位センサ１８がＡ−Ｄインバータ４７を含む場合には、送信時のノイズ対信号比をさらに低減する。
【００３７】
さらに、半導体歪みゲージ４４の使用により、従来の箔歪みゲージを使用することによって得られるより優れた利得を達成することが可能であることを、当業者なら認識するであろう。
【００３８】
また、質量３８を使用することにより、歪みゲージアセンブリの感応性、すなわち測定能力を高めるのに貢献する。
【００３９】
当業界で一般的に知られているように、本開示に係る変位センサ１８は、次のように動作する。加速度の無い状態で電力が回路に供給されると、基板４２は歪まず、歪みゲージ４４の抵抗はその当初のレベルに維持されるので、回路の出力信号は零である。加速が発生すると、質量３８に外力が加わり、それによって基板４２の変形を引き起こし、結果的に、基板４２が曲り、歪みゲージ４４が変形するので、抵抗要素の電気抵抗値の変化が生じる。この変形は歪みゲージ４４の公称抵抗を変化させ、ホイートストーンブリッジの平衡状態を破らせ、回路の電圧出力を発生させる。この出力電圧を解析すれば、検査対象の地表下領域の特性決定を得ることは、当業者なら理解できるであろう。
【００４０】
添付の図７を参照して、エネルギインパルス発生器１４について説明する。
【００４１】
エネルギインパルス発生器１４は、エネルギを蓄積し、かつラッチ６６を介して衝撃ヘッドアセンブリ６４を引き寄せるように、モータアセンブリ６２によって圧縮状態にセットされたばね６０を含む。衝撃ヘッドアセンブリ６４は、ラッチ６６を引っ張るソレノイド６８を起動することによって解放され、それによって衝撃ヘッドアセンブリ６４がアンロックされ、ばね６０の伸展が可能になる。
【００４２】
ばね６０の動力源は、本実施形態ではモータアセンブリ６２として例示されているが、空圧式、油圧式、電気式、または機械式供給源とすることができることは明らかであろう。
【００４３】
ばね６０は、衝撃ヘッドアセンブリ６４の慣性に対抗するものであり、衝撃時に衝撃を与え、また、衝撃ヘッドアセンブリ６４が衝撃後に跳ね返るのを防止するための手段としても使用される。
【００４４】
例えばラッチ６６に配置された歪みゲージ回路６３（より広義に歪み測定装置とも呼ばれる）、または衝撃ヘッドアセンブリ６４に配置された加速度メータ６７は、ＵＣＩ１６によってＥＩＧ１４の制御回路に送信されたエネルギコマンドと比較することによって、ばね６０に蓄積されたエネルギを監視するために使用される。
【００４５】
緩衝器７２は、エネルギインパルス発生器１４が解析対象の要素に対する衝撃ヘッドアセンブリ６４の衝撃によるエネルギのバーストを伝達する間に発生する衝撃を吸収するために設けられる。
【００４６】
制御回路（図示せず）は、エネルギ発生量およびＥＩＧ１４の全体的動作を監視することを可能にする。ＥＩＧ１４はまた、ＥＩＧ１４を動作させかつ管理するプロセッサおよびメモリ手段のような他の回路（図示せず）をも含むことができる。メモリ手段は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去可能なプログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）等のような様々な型のメモリを含む。ＲＡＭは計算中にデータ格納のため、およびタイムスタンプ記録（プロセッサ８４またはセンサユニットから、伝達または中継される）のために使用される。ＲＯＭは初期化コード、始動シーケンス等を含む。ＥＥＰＲＯＭは演算アルゴリズム、テーブル、センサ識別等を含むことができる。ＥＥＰＲＯＭデータは通信インタフェース２１を介して受け取ることができる。
【００４７】
電源パック６５はバッテリを保持するために設けられるが、ＥＩＧ１４の全体重量を増加させる。電源パック６５は再充電可能なバッテリを含むことができる。バッテリは接触または無接触方式（例えばＲＦを介して）で再充電することができる。直接ケーブル給電による電力供給も選択肢として可能である。
【００４８】
ＥＩＧ１４は、ねじ具２６、または変位センサ１８に使用されるのと基本的に同様であって後述する取付け手段を使用して、表面２０に固定される。取付け手段の他の例としては、錘、磁性体、接着剤、「ラムセット」または爆薬駆動型固定手段等があり、これらの取付け手段をセンサ１８のために用いてもよい。
【００４９】
衝撃発生の上記プロセスを起動させるためのエネルギは、ユーザ−演算インタフェース１６（ＵＣＩ）からケーブル、光信号、または高周波信号を介してＥＩＧ１４に伝達されるコマンドを受けてから放出される。このコマンドは、機構のローディングおよびアンローディング、並びにＥＩＧ１４によるエネルギパルスの送出をトリガする。
【００５０】
図１に例示したユーザ−演算インタフェース（ＵＣＩ）１６は、多数のサブシステム、すなわちキーボード、電源および機能キー、ディスプレイスクリーンおよび／またはタッチスクリーンおよび／または音声認識装置を含むユーザインタフェースシステムと、プリンタ（図示せず）など他の出力装置への接続を可能にする機器インタフェース、ＥＩＧとのインタフェースシステムと、検知アセンブリ１２の変位センサ１８からデータを収集するための信号収集システムと、計算を実行し様々なインタフェースを一緒に管理する処理システムと、他のコンピュータへの接続を可能にするコンピュータインタフェースシステムとを含む。
【００５１】
言うまでもなく、ＵＣＩ１６は、例えばエネルギインパルス発生器１４および変位センサ１８を制御し、かつ検知アセンブリ１２の変位センサ１８からデータを収集して格納することができるプログラムまたはアルゴリズムを格納する。さらに、このプログラムは、収集したデータを解析して、表面下の媒体の幾つかの特性または特徴を算出し、それを表示することができる。
【００５２】
様々なアセンブリの各々は、自立的に動作するか、あるいは中央装置によって電力を供給される。
【００５３】
最も興味深いことは、ＵＣＩ１６に格納されたプログラムおよびソフトウェアを前提として、本発明のシステムは様々な応用分野で使用できることである。
【００５４】
例えば、土質検査の分野では、鉱業で本発明のシステムを使用して、地下のポケットまたは断層を検知することができる。さらなる例として、軍事的分野で、効果的な爆破位置決定または地下壕の発見を目的として、地形の地質学的構造を調査するために、本発明のシステムを使用することができる。本発明のシステムは、いわゆるＪＴＩＤＳ（「統合戦術情報分配システム」）のようなシステムにデータを供給するために使用することができる。
【００５５】
加えて、当業者なら、ＧＰＳまたはジャイロスコープシステムを追加して、検知アセンブリ１２の各変位センサ１８およびＥＩＧ１４を位置決めする可能性も予想できるであろう。一つの可能な用途は、地下空洞の識別およびその空間座標の決定に関連する。グローバル測位システム（ＧＰＳ）の使用により、地下に隠された隠れ家、施設等に使用することのできる場所をマップするアルゴリズムを、ＵＣＩ１６に導入することができる。特に軍事用途では、空洞または地下に隠された領域の損害を最大にするために、ペイロードの戦略的分配をそれに従って計画することができるように、アルゴリズムは構造上の欠陥を検出することもできる。
【００５６】
適切なアルゴリズムがＵＣＩ１６に含まれることを前提として、本発明のシステム１０を使用することのできる可能な用途の別の分野は、長距離または大きい深さにわたって伝播する低周波剪断波の特性を利用する通信分野である。そのような特定のユーザ−演算インタフェース１６は、単方向または双方向通信を実行し、地表面の変位を検知し、識別し、位置を突き止めることができる。この種の用途では、システム１０は地中に様々な周波数のエネルギを誘発し、結果的に地上波を発生させる電子機械装置を送信機として使用する。高周波は短距離しか伝わらないが、低周波剪断波は地中深くに、かつ長距離にわたって伝播するので、通信信号は周波数および相対振幅を変調したエネルギ信号から成り、当該信号によって予め定められた通信プロトコルを開始し、送信し、終了させる。複雑な地球物理環境によって生じる様々な反射のため、送信信号はその途中で時間および周波数ドメインでスクランブルされる。受信端で使用される検知アセンブリ１２はＵＣＩ１６と共に、この信号のスクランブルを解いて、周波数ドメインおよび経時的なその変動を再構成する。その高周波成分は、信号源を確実に突き止めるための手段として使用される。
【００５７】
加えて、変位センサ１８の分配配置により、軍隊、移動車両、または地上の衝撃によって発生する放射体または信号源の位置の三角測量を可能にする。入力信号を再構成して、ＵＣＩ１６はパターン認識データベースを処理してシグネチャを照合し、信号発生源を識別することができる。
【００５８】
図８は、本発明の別の実施形態に係るセンサ８０を示されている。センサ８０は加速度メータ８８を含み、それからの応答は、センサ８０が接触している表面２０の加速度に関係する。加速度メータ８８は歪みゲージ、コンデンサ、または圧電素子を含むことができる。加速度メータ８８は従来型の加速度メータとすることができるが、超小型電子機械装置（ＭＥＭＳ）またはナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）のような他の技術も利用することができる。
【００５９】
加速度メータ８８によって生成される加速度を表わす信号（電気または他の同等のメッセージ搬送型の信号）は、増幅器９０に送られる。例示された実施形態では、増幅器９０は自動利得増幅器である。増幅器９０は、センサ８０のダイナミックレンジを増大するように働く。増幅器９０の利得はプロセッサ８４に伝送され、それは次にＲＦ通信回路１０２によって送られた信号を処理する。
【００６０】
増幅器９０の後、信号は低域フィルタ９２に送られる。低域フィルタ９２は周波数ドメインのスペクトルエイリアシング(spectral aliasing)および時間ドメインの歪みを除去する。サンプルアンドホールド装置９４は次いで信号を受け取り、それをサンプリングし、かつＡ−Ｄ変換器９６がアナログ信号をデジタル信号に変換するのに充分な時間それを保持する。
【００６１】
第二の組の加速度メータ（図示せず）、増幅器（図示せず）、および低域フィルタ（図示せず）を上記第一の組と並列に追加し、サンプルアンドホールド装置９４に信号を供給してもよいことは当業者なら理解するであろう。上記センサ８０はサンプル加速度メータとして働く。加速度メータ８８の軸に対し直角の軸の加速度を拾うように第二の加速度メータを配置すると、センサ８０は傾斜メータになる。本発明のさらに別の実施形態では、センサ８０は、上記第一および第二の組と並列に、第三の組の加速度メータ（図示せず）、増幅器（図示せず）、および低域フィルタ（図示せず）を追加し、サンプルアンドホールド装置９４に信号を供給するようにしてもよい。加速度メータ８８および第二の加速度メータの両方の軸に対し直角の軸の加速度を拾うように第三の加速度メータを配置すると、センサ８０はジャイロスコープになる。
【００６２】
加速度メータ８８によって出力される加速度を表わす信号を時間積分すれば、速度を算出することができることは当業者なら理解するであろう。また、速度を時間積分することによって距離を算出することもできる。これらの計算はプロセッサ８４で行なうことができる。
【００６３】
図８に示した実施形態に戻って、Ａ−Ｄ変換器９６からの信号は、望ましくない周波数を除去する低域フィルタ９８に送られる。低域フィルタ９８は、Ａ−Ｄ変換器９６内に組み込むこともできる。（振幅または位相の）歪みを除去するために、信号は次いで補償および線形化装置１００で補償され、線形化される。補償および線形化装置１００は、周波数成分に関して一様な性能を保証するために信号を線形化し、線形化装置１００はまた信号の周波数スペクトルを広げる。
【００６４】
信号は最終的に通信回路１０２に送られる。通信回路１０２は、命令および／またはデータを含むメッセージを、通信インタフェース２１を介してＵＣＩ１６または検知アセンブリ１２と同様の検知アセンブリ１２内の他のセンサ８０（図示せず）に対して送受信する。典型的な命令としては、リセット、初期化、ダウンロード、新しいアルゴリズム、線形化、補償および識別パラメータ（送信またはダウンロード）、校正、送信モード（例えば直接、ネットワーク）、サンプリングの開始、エネルギ節約等がある。ネットワークモード時に、通信プロトコルが、データをセンサからセンサへ転送し、最終的にＵＣＩ１６に転送するのに最適な経路を確立する。センサ８０はしたがってデータリレーとして働くことができる。通信回路１０２は電磁干渉から保護することができる。本発明の実施形態では、各センサ８０はそれ自体のインターネットプロトコル（ＩＰ）アドレスを持ち、それに従ってアドレス指定される。
【００６５】
センサ８０はまた、当該センサ８０を作動させ、かつその管理を実行するプロセッサ８４をも含む。センサ８０はメモリ手段８６を含む。メモリ手段８６は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去可能なプログラマぶるＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）等のような様々な種類のメモリを含む。ＲＡＭは、計算中にデータ格納のため、およびタイムスタンプ記録（プロセッサ８４または別のセンサ８０から、伝達または中継される）のために使用される。ＲＯＭは初期化コード、始動シーケンス等を含む。ＥＥＰＲＯＭは演算アルゴリズム、テーブル、センサ識別等を含むことができる。ＥＥＰＲＯＭデータは通信インタフェース２１を介して受け取ることができる。
【００６６】
センサ８０への電力は電源８２によって提供される。電源８２は再充電可能なバッテリを含むことができる。バッテリは接触または無接触（例えばＲＦを介して）方式で再充電することができる。直接ケーブル給電による電力供給も選択肢として可能である。
【００６７】
任意ではあるが、センサ８０は、電子ジャイロスコープまたはグローバル測位システム（ＧＰＳ）受信機のような位置決め回路（図示せず）を含むこともできる。
【００６８】
本発明の実施形態では、ハウジング１０４は三つの部分を含む。ハウジング１０４は、その全てのコンポーネントを外部要素から保護するために密封される。第一部分１０６はバッテリおよび電源調整回路を保持する。第二部分１０８は、要素８４ないし１００のみならず位置決め回路（図示せず）をも保持する。第三部分１１０は通信回路１０２を保持する。部分１１０の表面は導電性であり、それによって通信回路１０２を電磁干渉（ＥＭＩ）から保護する電磁障壁を提供する。
【００６９】
本発明を以上にその好適な実施形態に関して説明したが、本発明は、特許請求の範囲に規定する発明の精神および性質から逸脱することなく、変形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態に係るプロファイリングシステムの略図である。
【図２】図１のプロファイリングシステムに使用される変位センサの斜視図である。
【図３】図２の変位センサの平面図である。
【図４】図３の線４−４に沿って切った断面図である。
【図５】図２の変位センサの基板の平面図である。
【図６】図５の変位センサと等価回路図である。
【図７】図１のプロファイリングシステムに使用されるエネルギ衝撃発生器の略断面図である。
【図８】本発明の別の実施形態に係るセンサのブロック図である。
【図１】
2005513487.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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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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2005513487.tif 000012
2005513487.tif 000013
2005513487.tif 000014
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