(57)【要約】【課題】簡単な構成の圧電センサと判別手段を用いて、掃流砂の粒径を判別する方法および装置を提供する。【解決手段】圧電センサ１として、金属製の円板１１の裏面に円環状の圧電素子１２が取り付けられ、円板１１の表面に掃流砂が衝突したときに圧電素子１２から電気信号を出力するセンサを用いる。最初に、圧電センサ１の出力信号から円板１１の２つの共振モードに対応した周波数成分を取り出し、当該取り出された２つの周波数成分の振幅比ａ／ｂを算出する。次に、算出された振幅比ａ／ｂを、予め求めておいた掃流砂の粒径と振幅比との関係を示すテーブルと照合して、掃流砂の粒径を判別する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の円板の裏面に円環状の圧電素子が取り付けられた圧電センサの前記円板の表面に掃流砂が衝突したときに前記圧電素子から出力される電気信号を検出する第１のステップと、
当該圧電センサの出力信号から前記円板の２つの共振モードのそれぞれに対応した周波数成分を取り出す第２のステップと、
当該取り出された２つの周波数成分の振幅比を算出する第３のステップと、
当該算出された振幅比を、予め求めておいた掃流砂の粒径と振幅比との関係を示すテーブルと照合して、前記掃流砂の粒径を判別する第４のステップと、を含むことを特徴とする掃流砂の粒径判別方法。
【請求項２】
前記２つの共振モードはB00モードとB10モードである、請求項１に記載の掃流砂の粒径判別方法。
【請求項３】
金属製の円板の裏面に円環状の圧電素子が取り付けられ、前記円板の表面に掃流砂が衝突したときに前記圧電素子から電気信号を出力する圧電センサと、
当該圧電センサの出力信号から前記円板の２つの共振モードのそれぞれに対応した２つの周波数成分を取り出すフィルタ手段と、
当該フィルタ手段によって取り出された２つの周波数成分の振幅比を算出する振幅比算出手段と、
当該振幅比算出手段で算出された振幅比を、予め求めておいた振幅比と粒径との関係を示すテーブルと照合して、前記掃流砂の粒径を判別する判別手段と、
当該判別手段によって判別した粒径比を表示する表示手段と、を備えたことを特徴とする掃流砂の粒径判別装置。
【請求項４】
前記フィルタ手段、振幅比算出手段および判別手段のそれぞれの機能は、パーソナルコンピュータにおいてＣＰＵでプログラムを実行することにより実現される、請求項３に記載の掃流砂の粒径判別装置。
【請求項５】
前記圧電センサから出力されたアナログの信号をデジタル信号に変換した後、前記パーソナルコンピュータに入力するＡ／Ｄ変換器を備えた、請求項４に記載の掃流砂の粒径判別装置。
【請求項６】
前記振幅比算出手段は、前記フィルタ手段で取り出された２つの周波数成分の
ピーク値を検出するピーク検出回路と、当該ピーク検出回路で検出された２つのピーク値の比を算出する除算回路とで構成された、請求項３に記載の掃流砂の粒径判別装置。
【請求項７】
前記圧電センサの円板の裏側には金属製の円筒が接着され、かつ当該円筒の端は密閉されている、請求項３ないし６のいずれかに記載の掃流砂の粒径判別装置。
【請求項８】
金属製の円板の裏面に円環状の圧電素子が取り付けられ、前記円板の表面に掃流砂が衝突したときに前記圧電素子から電気信号を出力する圧電センサ、当該圧電センサの出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、および当該Ａ／Ｄ変換器から出力されたデジタル信号を無線信号に変換して送信する通信モジュールで構成されたセンサユニットと、
前記圧電センサの出力信号から前記円板の２つの共振モードのそれぞれに対応した２つの周波数成分を取り出すフィルタ手段、当該フィルタ手段によって取り出された２つの周波数成分の振幅比を求め、当該振幅比を予め求めておいた振幅比と粒径との関係を示すテーブルと照合して、前記掃流砂の粒径を判別する判別手段、および当該判別手段で判別された掃流砂の粒径から、前記センサユニットが設置された河川における掃流砂の粒径分布を計測する計測手段で構成された粒径分布計測装置と、
前記通信モジュールから送信された無線信号を前記粒径分布計測装置に送信する無線の通信網と、を備えたことを特徴とする掃流砂の粒径分布計測システム。
【請求項９】
金属製の円板の裏面に円環状の圧電素子が取り付けられ、前記円板の表面に掃流砂が衝突したときに前記圧電素子から電気信号を出力する圧電センサ、当該圧電センサの出力信号から前記円板の２つの共振モードのそれぞれに対応した２つの周波数成分を取り出すフィルタ手段、当該フィルタ手段によって取り出された２つの周波数成分の振幅比を算出する振幅比算出手段、当該振幅比算出手段で算出された振幅比をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、および当該Ａ／Ｄ変換器から出力されたデジタル信号を無線信号に変換して送信する通信モジュールで構成されたセンサユニットと、
前記振幅比算出手段で算出された振幅比を、予め求めておいた振幅比と粒径との関係を示すテーブルと照合して、前記掃流砂の粒径を判別する判別手段、および当該判別手段で判別された掃流砂の粒径から、前記センサユニットが設置された河川における掃流砂の粒径分布を計測する計測手段で構成された粒径分布計測装置と、
前記通信モジュールから送信された無線信号を前記粒径分布計測装置に送信する無線の通信網と、を備えたことを特徴とする掃流砂の粒径分布計測システム。
【請求項１０】
前記通信網は、携帯電話の基地局、電話回線、ゲートウェイおよびインターネットで構成されている、請求項８または９に記載の掃流砂の粒径分布計測システム。
【請求項１１】
前記センサユニットのうち少なくとも圧電センサは、河川に架けられた橋の橋脚の根元に取り付けられ、かつ前記圧電センサの円板が河川の流れに対して対向する状態で設置される、請求項８または９に記載の掃流砂の粒径分布計測システム。
【請求項１２】
前記円板の直径が異なり、これに伴って判別可能な掃流砂の粒径が異なる複数の圧電センサを用意し、当該圧電センサを備えた複数のセンサユニットを用いて掃流砂の粒径分布を計測する、請求項８ないし１１のいずれかに記載の掃流砂の粒径分布計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電センサを用いて河川を流れる掃流砂の粒径を判別する方法および装置に関し、更に、該当する河川における掃流砂の粒径分布をリアルタイムで計測するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
河川の構造物周辺における局所洗掘は、構造物の基礎を晒し、流れをその近傍に集中させるため、構造物の機能や安全性を低下させ被災を引き起こす要因となる。
【０００３】
河川構造物の維持管理において、構造物周辺での洪水流による河床形状の変化を調べ、局所洗掘の発達機構を把握することは，洪水時に構造物が被災する危険性を軽減し、また被災危険性の少ない構造物を検討する際の重要な基礎資料となる。
【０００４】
そのためには，構造物周りの河床近くを転動しながら移動する掃流砂の粒径集団について検討し，洗掘機構の把握に繋げることが必要である。
【０００５】
掃流砂の粒径を判別する方法として、河川流域内に、加速度計を一体的に取り付けた衝突弾性波測定対象体を設置し、掃流砂が測定対象体に衝突した際に発生する弾性波を計測する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2007-303847号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の方法では、掃流砂が衝突弾性波測定対象体に衝突した際の接触時間に基づいて掃流砂の粒径を判別しているが、衝突弾性波を安定して計測することが難しく、また接触時間の検出と解析に手間がかかることから、実用化されるには到っていない。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、簡単な構成の圧電センサと判別手段を用いて、掃流砂の粒径を判別する方法および装置を提供することを目的とする。更に本発明は、河川に設置された圧電センサで検出した信号を、無線通信網を介して収集して、掃流砂の粒径分布をリアルタイムで計測するシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するために、本発明に係る掃流砂の粒径判別方法は、
金属製の円板の裏面に円環状の圧電素子が取り付けられた圧電センサの前記円板の表面に掃流砂が衝突したときに前記圧電素子から出力される電気信号を検出する第１のステップと、
当該圧電センサの出力信号から前記円板の２つの共振モードのそれぞれに対応した周波数成分を取り出す第２のステップと、
当該取り出された２つの周波数成分の振幅比を算出する第３のステップと、
当該算出された振幅比を、予め求めておいた掃流砂の粒径と振幅比との関係を示すテーブルと照合して、前記掃流砂の粒径を判別する第４のステップと、を含むことを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記２つの共振モードはB00モードとB10モードであることが好ましい。
【００１１】
また本発明に係る掃流砂の粒径判別装置は、
金属製の円板の裏面に円環状の圧電素子が取り付けられ、前記円板の表面に掃流砂が衝突したときに前記圧電素子から電気信号を出力する圧電センサと、
当該圧電センサの出力信号から前記円板の２つの共振モードのそれぞれに対応した２つの周波数成分を取り出すフィルタ手段と、
当該フィルタ手段によって取り出された２つの周波数成分の振幅比を算出する振幅比算出手段と、
当該振幅比算出手段で算出された振幅比を、予め求めておいた振幅比と粒径との関係を示すテーブルと照合して、前記掃流砂の粒径を判別する判別手段と、
当該判別手段によって判別した粒径比を表示する表示手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記フィルタ手段および判別手段のそれぞれの機能は、パーソナルコンピュータにおいてＣＰＵでプログラムを実行することにより実現されることが好ましい。
【００１３】
また前記圧電センサから出力されたアナログの信号をデジタル信号に変換した後、前記パーソナルコンピュータに入力するＡ／Ｄ変換器を備えることが好ましい。
【００１４】
また前記振幅比算出手段は、前記フィルタ手段で取り出された２つの周波数成分のピーク値を検出するピーク検出回路と、当該ピーク検出回路で検出された２つのピーク値の比を算出する除算回路とで構成されることが好ましい。
【００１５】
更に、前記圧電センサの円板の裏側には金属製の円筒が接着され、かつ当該円筒の端は密閉されていることが好ましい。
【００１６】
また本発明に係る掃流砂の粒径分布計測システムは、
金属製の円板の裏面に円環状の圧電素子が取り付けられ、前記円板の表面に掃流砂が衝突したときに前記圧電素子から電気信号を出力する圧電センサ、当該圧電センサの出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、および当該Ａ／Ｄ変換器から出力されたデジタル信号を無線信号に変換して送信する通信モジュールで構成されたセンサユニットと、
前記圧電センサの出力信号から前記円板の２つの共振モードのそれぞれに対応した２つの周波数成分を取り出すフィルタ手段、当該フィルタ手段によって取り出された２つの周波数成分の振幅比を求め、当該振幅比を予め求めておいた振幅比と粒径との関係を示すテーブルと照合して、前記掃流砂の粒径を判別する判別手段、および当該判別手段で判別された掃流砂の粒径から、前記センサユニットが設置された河川における掃流砂の粒径分布を計測する計測手段で構成された粒径分布計測装置と、
前記通信モジュールから送信された無線信号を前記粒径分布計測装置に送信する無線の通信網と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
もしくは本発明に係る掃流砂の粒径分布計測システムは、
金属製の円板の裏面に円環状の圧電素子が取り付けられ、前記円板の表面に掃流砂が衝突したときに前記圧電素子から電気信号を出力する圧電センサ、当該圧電センサの出力信号から前記円板の２つの共振モードのそれぞれに対応した２つの周波数成分を取り出すフィルタ手段、当該フィルタ手段によって取り出された２つの周波数成分の振幅比を算出する振幅比算出手段、当該振幅比算出手段で算出された振幅比をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、および当該Ａ／Ｄ変換器から出力されたデジタル信号を無線信号に変換して送信する通信モジュールで構成されたセンサユニットと、
前記振幅比算出手段で算出された振幅比を、予め求めておいた振幅比と粒径との関係を示すテーブルと照合して、前記掃流砂の粒径を判別する判別手段、および当該判別手段で判別された掃流砂の粒径から、前記センサユニットが設置された河川における掃流砂の粒径分布を計測する計測手段で構成された粒径分布計測装置と、
前記通信モジュールから送信された無線信号を前記粒径分布計測装置に送信する無線の通信網と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
ここで、前記通信網は、携帯電話の基地局、電話回線、ゲートウェイおよびインターネットで構成されていることが好ましい。
【００１９】
また前記センサユニットのうち少なくとも圧電センサは、河川に架けられた橋の橋脚の根元に取り付けられ、かつ前記圧電センサの円板が河川の流れに対して対向する状態で設置されることが好ましい。
【００２０】
更に、本発明に係る掃流砂の粒径分布計測システムは、前記円板の直径が異なり、これに伴って判別可能な掃流砂の粒径が異なる複数の圧電センサを用意し、当該圧電センサを備えた複数のセンサユニットを用いて掃流砂の粒径分布を計測することが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る粒径判別方法によれば、簡単な構成の圧電センサと判別手段を用いて掃流砂の粒径を判別できるため、掃流砂の粒径判別装置を低価格で実現できる。
【００２２】
また本発明に係る粒径分布計測システムを用いれば、該当する河川における掃流砂の粒径分布を、無線の通信網を利用してリアルタイムで計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１における実験に用いた圧電センサの構成を示す断面図である。
【図２】アルミナ球を圧電センサに衝突させた際に発生する電圧波形を示すグラフである。
【図３】図２の電圧波形をフーリエ解析した結果得られた周波数特性を表すグラフである。
【図４】連続正弦波電圧を圧電素子に印加したときに円板に生じる振動分布を、レーザドップラ振動計を用いて測定した図である。
【図５】圧電センサにアルミナ球を衝突させたときの実験結果を示すグラフ（その１）である。
【図６】圧電センサにアルミナ球を衝突させたときの実験結果を示すグラフ（その２）である。
【図７】圧電センサにアルミナ球を衝突させたときの実験結果を示すグラフ（その３）である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る掃流砂の粒径判別装置の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る掃流砂の粒径判別装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】異なる粒径のアルミナ球を圧電センサに衝突させた際に発生する電圧波形を示すグラフである。
【図１１】図１０の電圧波形について短時間周波数分析を行った結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る掃流砂の粒径分布計測システムの構成を示すブロック図である。
【図１３】図１２に示した粒径分布計測システムにおけるセンサユニットの取り付け形態を説明する図である。
【図１４】本発明の実施の形態４に係る掃流砂の粒径分布計測システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態に係る掃流砂の粒径判別方法および装置、ならびに掃流砂の粒径分布計測システムについて、図面を参照して説明する。実施の形態１および２では掃流砂の粒径判別装置について説明し、実施の形態３および４では掃流砂の粒径分布測定システムについて説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
最初に、掃流砂の粒径判別方法の原理について説明する。
【００２６】
＜粒径判別方法の原理＞
発明者等は、金属円板の裏面に円環型の圧電素子を接着した圧電センサを用いて、掃流砂が金属板に衝突したときに生じる電圧波形の分析を行った。その結果、金属円板の異なる共振モードに対応した２つの周波数においてピーク値を示し、かつピーク値の比率が粒径によって変わることを見出した。
【００２７】
本発明は、この現象を利用して、圧電センサに衝突する掃流砂の粒径を判別するものである。以下、粒径判別方法について具体的に説明する。
【００２８】
最初に、アルミナ球を圧電センサに衝突させたときの実験結果について説明する。以下の実験では、取り扱いの容易さを考慮し、掃流砂の代わりに粒径の異なるアルミナ球を用いた。
【００２９】
図１に、実験に用いた圧電センサの断面形状を示す。圧電センサ１は、金属製の円板１１の裏面に円環型の圧電素子１２を接着したもので、円板１１の裏面には金属製の円筒１３が接着され、更に、円筒１３の反対面は、円板１１と同サイズの金属製円板１４で密閉されている。
【００３０】
本実施の形態では、円板１１、１４として、直径50mm、厚さ2mmのアルミニウム製円板を用い、円筒１３として、外径50mm、内径30mm、厚さ20mmのアルミニウム製円筒を用いた。また圧電素子として、内半径5mm、外半径10mm、厚さ2mmの富士セラミックス製の素子（製品番号Ｃ-２１３）を用いた。
【００３１】
図示しないが、円環型圧電素子１２の上下面には電極が形成されており、それらに接続されたコードが、円筒１３に形成された小穴を通して外部に導き出されている。小穴は水の浸入を防ぐため、防水性の接着材で密閉されている。
【００３２】
アルミナ球２として、粒径が3mm、5mmおよび8mmの３種類の球を用意した。図１に示すように、圧電センサ１の表面からの高さｈを100mm、200mmおよび300mmと変化させ、空気中で鉛直方向に自由落下させ、アルミナ球２が円板１１に衝突したときに、圧電素子１２の電極間に発生する電圧の波形をオシロスコープで観察した。
【００３３】
なお、アルミナ球２の円板１１への衝突は１回とし、すなわち一度衝突した後、球を直ぐに回収し、同一の実験条件での測定を５回繰り返した。
【００３４】
図２に、粒径が3mm、5mmおよび8mmのアルミナ球を20mmの高さから落下させ、圧電センサ１に衝突させたときの電圧波形を示す。図の横軸は、アルミナ球２が円板１１に衝突してからの経過時間、縦軸は、電圧の相対強度を示す。衝突する球の粒径が大きい程発生する電圧の振幅値は大きくなるが、図では波形を比較するため、それぞれの最大値で規格化している。
【００３５】
図３は、図２に示した電圧波形をフーリエ解析した結果得られた周波数特性を表している。図中、横軸は周波数、縦軸は相対強度を示す。図２と同様に、縦軸の値は、それぞれの最大値で規格化している。粒径の異なるいずれの出力電圧においても、16.3kHzと66.7kHzの２つの周波数においてピークが観測された。
【００３６】
これら２つの周波数について検討するため、各周波数の連続正弦波電圧を圧電素子１２に印加し、円板１１の表面の定常状態での面外振動分布を、レーザドップラ振動計を用いて測定した。図４にその結果を示す。図４（ａ）は16.3kHzの共振モード、図４（ｂ）は66.7kHzの共振モードを示す。
【００３７】
図４に示すように、いずれの共振モードも外周部が振動の節であるたわみ共振モードである。16.3kHzの共振モードは、径方向への節線は存在せず、節円が１つであるB00モード、66.7kHzの共振モードは、節円が２つのB10モードである。
【００３８】
上述したように、アルミナ球２が圧電センサ１に衝突すると、円板１１には２つの共振モードが励振されることが分かった。更に、図３に示すように、粒径によって、共振モードに対応した２つの周波数成分の振幅比が異なることが分かった。
【００３９】
この２つの共振モードのそれぞれに対応した周波数成分に着目し、高さおよび粒径毎の振幅比、すなわち、図３における16.3kHzの振幅値a÷66.7kHzの振幅値b（=a/b）を算出した結果を図５に示す。図中、エラーバーは５回の計測の標準偏差を表している。
【００４０】
図５より、アルミナ球の粒径が小さい程、高次のＢ10モード成分（66.7kHz）の振幅値が大きく、振幅比a/bによって粒径を一意的に判別できることが分かった。また高さhを変化させた場合（すなわち衝突時の速度が異なる場合）、振幅比a/bは多少変化するものの、粒径に依存することに変わりないことも分かった。
【００４１】
次に、アルミナ球２の高さを h = 200 mm とし，センサ中心から径方向に5 mm ずつ衝突位置を移動させ，アルミナ球２が圧電センサ１に衝突する際に生じる電圧波形を観測した。観測は５回ずつ行った。そして図５と同様、粒径毎の観測波形の振幅比a/bを算出した。その結果を図６に示す。
【００４２】
なお、粒径 3 mmと5 mmのアルミナ球２が圧電センサ１の中心からそれぞれ10 mmおよび15 mm以上の位置に衝突した場合、出力波形が観測できなかった。これは、衝突時のアルミナ球２の運動エネルギーが小さく、衝突位置が円板の中心、すなわち振動の腹の位置から離れることにより、各共振モードが効率的に励振されなかったためと考えられる。
【００４３】
図６において，圧電センサの円板１１の各位置での衝突によって検出された電圧信号は、図５と同傾向の振幅比が観測されたことから，２つの周波数成分の振幅比は、アルミナ球の衝突位置によらず粒径に強く依存することが分かった。
【００４４】
次に、アルミナ球２の高さh = 200 mmとし、圧電センサ１の中心部における球の衝突角度θを変え、アルミナ球２が圧電センサ１に衝突した際に生じる電圧波形を観測した。
【００４５】
具体的には、圧電センサの円板１１に垂直入射した場合をθ = 0°とし、θ= 30°、45°および60°と変化させ、出力波形から２つの周波数成分の振幅比を算出した。その結果を図７に示す。図７の結果より、振幅比は図５と同様の傾向を示し、衝突角度にもほとんど依存しないことが分かった。
【００４６】
上述した実験結果より、圧電センサ１に粒径の異なるアルミナ球が衝突した場合、異なる共振モードに対応した２つの周波数においてピーク値（a,b）を示し、かつピーク値の振幅比（a/b）が粒径によって変わることが分かった。本発明では、この原理を利用して掃流砂の粒径を判別している。
【００４７】
＜掃流砂の粒径判別装置の構成＞
図８に、上述した原理に基づく掃流砂の粒径判別装置の基本的な構成を示す。掃流砂の粒径判別装置（以降、単に「粒径判別装置」という）１０は、圧電センサ１、増幅器３、Ａ／Ｄ変換器４およびパーソナルコンピュータ（以降「ＰＣ」という）５で構成されている。図中、実線の矢印は信号またはデータの流れを示す。
【００４８】
圧電センサ１は河川の川床の近傍に設置されており、川床を転動する掃流砂が、圧電センサ１の円板１１に衝突することによって圧電素子１２に発生した信号は、増幅器３で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換された後、ＰＣ５に入力される。
【００４９】
ＰＣ５は、制御部５１、フィルタ部５２、振幅比算出部５３、判別部５４、記憶部５５、入力部５６および表示部５７で構成されている。図示しないが、ＰＣ５は、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）を備えており、制御部５１、フィルタ部５２、振幅比算出部５３および判別部５４の機能は、ＲＯＭに格納されたプログラムをマイクロプロセッサで実行することにより実現される。
【００５０】
制御部５１は、破線で示すようにフィルタ部５２、振幅比算出部５３、判別部５４、記憶部５５、入力部５６および表示部５７の動作を制御する。
【００５１】
フィルタ部５２は、中心周波数の異なる２つのバンドパスフィルタ（以降、「ＢＰＦ」という）を実現するデジタルフィルタである。ＢＰＦ１およびＢＰＦ２は、デジタル信号に変換された圧電センサ１の出力信号から、中心周波数が16.3kHzと66.7kHzの2つの周波数成分を取り出す。
【００５２】
振幅比算出部５３は、フィルタ部５２で取り出された２つの周波数成分の振幅値a,bから振幅比a/bを算出する。判別部５４は、算出された振幅比を記憶部５５から読み出したデータと照合して、振幅比a/bに対応した掃流砂の粒径を判別する。
【００５３】
記憶部５５はＨＤＤ（Hard Disk Drive）により実現され、粒径判別の際に必要となるデータが格納され、また判別部５４で判別した結果が記憶される。
【００５４】
入力部５６はキーボードやマウス等で構成され、判別に必要なデータを入力するのに用いられる。表示部５７は液晶ディスプレイ等で構成され、判別部５４で判別した結果等が表示される。
【００５５】
なお、上述した粒径判別装置１０の構成のうちフィルタ部５２は、特許請求の範囲に記載のフィルタ手段に相当し、振幅比算出部５３は特許請求の範囲に記載の振幅比算出手段に相当し、判別部５４は特許請求の範囲に記載の判別手段に相当する。
【００５６】
次に、粒径判別装置１０の動作を説明する。上述した実験では、掃流砂の代わりにアルミナ球を圧電センサに衝突させて信号を得ていたが、実際の掃流砂は必ずしも球形ではなく、材質の異なるものも混在している。
【００５７】
そこで、代表的な材質の掃流砂について、平均粒径および形状の異なるものを採集し、それらを圧電センサ１に衝突させ、２つの周波数成分（16.3kHzと66.7kHz）の振幅値a,bを計測すると共に、振幅比a/bを算出する。その作業を繰り返して、振幅比a/bと掃流砂の粒径との関係を特定する。
【００５８】
そして、上述の作業によって特定された振幅比a/bと掃流砂の粒径との関係を示すテーブルを作成し、そのデータを、ＵＢＳメモリ等を用いて入力部５６からＰＣ５に取り込み、記憶部５５に格納する。
【００５９】
なお、掃流砂の衝突データの収集においては、河川でのデータ収集により近い状態を実現するため、水路の途中に圧電センサ１を沈め、掃流砂を流しながら行うことが好ましい。
【００６０】
上述の作業が終了した後、圧電センサ１を河川に沈め、川底を転動する掃流砂が円板１１に衝突する位置に圧電センサ１を設置し、掃流砂の衝突により発生する信号を検出する。
【００６１】
掃流砂の衝突により圧電センサ１で発生した信号は、増幅器３で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換された後、ＰＣ５に入力される。ＰＣ５においては、フィルタ部５２のＢＰＦ１およびＢＰＦ２において、上述した２つの周波数の振幅値a,bが抽出され、振幅比算出部５３において振幅比a/bが算出される。
【００６２】
判別部５４は、記憶部５５から振幅比a/bと粒径との関係を示したテーブルを読み出し、振幅比算出部５３で算出された振幅比a/bに対応した粒径を判別する。判別された粒径の値は表示部５７に表示される。ＰＣ５は、圧電センサ１に掃流砂が衝突する都度、上述の演算を繰り返し、表示部５７に判別された粒径の値を次々に表示する。
【００６３】
上述したように、本実施の形態に係る粒径判別装置１０を用いれば、簡単な構造の圧電センサ１と、一般に使用されるＰＣ５を用いて、掃流砂の粒径をリアルタイムで判別することができる。
【００６４】
なお、本実施の形態では、円環状の圧電素子を採用した関係で、円板の共振モードのうちB00モードとB10モードに対応した周波数成分の振幅比を求めたが、異なる形状や構造の圧電素子を用いた場合には、これらのモードとは異なる共振モードについて振幅比を求めるようにしてもよい。
【００６５】
（実施の形態２）
実施の形態１では、圧電センサ１の出力信号から２つの周波数数成を取り出すフィルタ手段と、取り出された２つの周波数成分の振幅比を算出する手段を、ＰＣ５においてソフトウェアにより実現した。これらフィルタ手段および振幅比算出手段をアナログ回路で構成することにより、粒径判別装置をより安価に実現できる。
【００６６】
図９に、フィルタ手段と振幅比算出手段をアナログ回路で構成した場合のブロック図を示す。フィルタ手段６は２つのＢＰＦ６１、６２で構成され、振幅比算出手段７は、ピーク検出回路７１、７２および除算回路７３で構成されている。
【００６７】
増幅器３で増幅された圧電センサ１の出力信号は、２つのＢＰＦ６１および６２に入力され、２つの共振モードのそれぞれに対応した周波数成分が抽出される。ＢＰＦ６１および６２で抽出された信号は振幅比算出手段７に入力され、ピーク検出回路７１および７２においてピーク値が検出された後、除算回路７３において除算され、２つの周波数成分の振幅比が算出される。
【００６８】
除算回路７３の出力信号はＡ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換された後、粒径判別手段８に入力される。粒径判別手段８は、ＩＣ（Integrated Circuit）８１と表示デバイス８２で構成され、ＩＣ８１のメモリには、前述したテーブルが格納されており、このテーブルを参照して振幅比に対応した粒径を特定する。特定された粒径データは、液晶ディスプレイ等で構成された表示デバイス８２に表示される。
【００６９】
本実施の形態では、フィルタ手段６および振幅比算出手段７を市販の安価なアナログ回路で構成し、同様に、粒径判別手段８を市販の安価なＩＣとディスプレイを用いて構成しているため、粒径判別装置１０を極めて安価に実現できる。
【００７０】
（実施の形態３）
実施の形態１および２では、掃流砂の粒径を判別する装置について説明したが、局所洗掘の実態を調査する上でより重要な点は、河川を流れる掃流砂の粒径分布をリアルタイムで計測することである。
【００７１】
本実施の形態では、圧電センサを河川に架けられた橋の橋脚の根元に設置し、更に、それらの圧電センサで検出した信号を、無線通信網を利用してＰＣまで送信することにより、上記目的を実現している。
【００７２】
＜粒径分布計測の原理＞
以下、まず、掃流砂の粒径分布を計測する原理について、図１０および図１１を参照して説明する。
【００７３】
河川での実環境を想定し，異なる粒径を混合させたアルミナ球（個数比 3 mm : 5 mm : 8 mm = 10 : 5 : 1）を、高さｈ＝ 200 mm から連続的に自由落下させ、圧電センサとの衝突時に生じた電圧波形を確認した。複数個の球が連続的に衝突した際に生じた代表的な電圧波形を図１０に示す。
【００７４】
図１０より、様々な粒径の球が13 msの間に計4個衝突したことが確認できる。図１０の電圧波形について、短時間周波数解析（STFT）を行った結果を図１１に示す。図中、ｘ軸は衝突からの経過時間、ｙ軸は検出信号に含まれる周波数、ｚ軸は周波数成分の相対強度を示す。
【００７５】
各衝突において，これまでの実験結果と同様に異なる振幅比の信号が発生することが分かる。図１１と前述の図３の振幅比との比較により、アルミナ球２が、0 ms から粒径 5 mm，3 mm，8 mm，5 mm の順に圧電センサに衝突したと考えられる。この実験結果より、掃流砂が連続して圧電センサに衝突する場合においても、掃流砂の粒径判別が可能であることが分かる。
【００７６】
従って、河川に設置された圧電センサにおいて、一定時間内に判別した掃流砂の粒径を、大きさ毎に分類すれば、その河川における掃流砂の粒径分布を計測することができる。
【００７７】
＜掃流砂の粒径分布計測システムの構成＞
図１２に、上述した原理に基づいて、掃流砂の粒径分布をリアルタイムで計測するシステムの基本的な構成を示す。
【００７８】
掃流砂の粒径分布計測システム（以降。単に「粒径分布計測システム」という）２０は、河川の橋脚の根元に設置された複数のセンサユニット９、携帯電話の通信網Ｎおよび粒径分布計測装置として機能するＰＣ５ａで構成されている。図中、図８に示した粒径判別装置１０の構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００７９】
センサユニット９は、圧電センサ１、増幅器３、Ａ／Ｄ変換器４および通信モジュール９１で構成されている。通信モジュール９１は、携帯電話の回線を含む無線の通信網Ｎを介してＰＣ５ａと通信を行うための装置であり、一般のスマートフォンと同様に、ＰＣ５ａとの間で双方向のデータ通信を行うことができる。
【００８０】
通信網Ｎは、図示しないが、携帯電話の基地局、電話回線、ゲートウェイおよびインターネットで構成されており、ＰＣ５ａの指示をセンサユニット９に伝え、またセンサユニット９から送信された圧電センサ１の出力信号データをＰＣ５ａに送信するために用いられる。
【００８１】
図１３を参照して、センサユニット７の設置形態について説明する。センサユニット９は、河川１００に架けられた橋１１０の橋脚１１１の根元に設置される。センサユニット９のうち圧電センサ１は、円板１１が河川の流れに対して、対向するように配置され、かつ掃流砂が衝突し易いように、川床より若干高い位置に設置される。
【００８２】
複数の橋脚１１１へのセンサユニット９の取り付け形態として、同一の判別性能を備えた圧電センサを複数用意し、それを含む複数のセンサユニット９を、複数の橋脚１１１のそれぞれに取り付ける方法がある。この場合、圧電センサから、掃流砂の衝突に伴って、より多くの出力信号を得ることができる。
【００８３】
他の取り付け形態として、円板の直径が異なり、これに伴って判別可能な掃流砂の粒径が異なる複数の圧電センサを用意し、それぞれの圧電センサを含むセンサユニットを同一、または別々の橋脚に取り付ける方法がある。このような取り付け形態を採用した場合、より広範囲の粒径の掃流砂を判別できる。
【００８４】
橋脚１１１へのセンサユニット９の取り付け方は、上述した形態に限定されず、例えば、橋脚が太い場合には、複数のセンサユニット９を１本の橋脚１１１の根元に取り付けるようにしてもよい。
【００８５】
またセンサユニット９については、圧電センサ１のみを水中に沈め、増幅器３、Ａ／Ｄ変換器４および通信モジュール９１を防水性の筐体内に収容し、それを橋脚１１１の欄干に取り付けるようにした方がよい。このような構成を採用した場合、センサユニット９の保守がし易くなる。
【００８６】
ＰＣ５ａは、前述した粒径判別装置１０のＰＣ５の構成に、粒径分布計測部５７の機能を追加したものである。粒径分布計測部５７は、判別部５４で判別した、一定時間内に圧電センサ１の円板１１に衝突した掃流砂の粒径から、当該河川における掃流砂の粒径分布を計測する。具体的には、一定期間内に圧電センサ１に衝突した掃流砂の総数に対して、判別部５４で判別した粒径毎の分布を求め、それを百分率で表す。
【００８７】
次に、粒径分布計測システム２０の動作を説明する。ユーザが該当する河川における粒径分布の計測データを取得したい場合、ＰＣ５ａを用いてセンサユニット７にアクセスし、圧電センサ１で取得した掃流砂の衝突信号を送信するよう指示する。
【００８８】
ＰＣ５ａの指示は、通信網（インターナット、ゲートウェイ、電話回線、基地局）Ｎを介して通信モジュール９１に送信される。ＰＣ５ａの指示を受信した通信モジュール９１は、デジタル信号に変換された圧電センサ１の出力信号を、通信網Ｎを介してＰＣ５ａに送信する。
【００８９】
圧電センサ１の出力信号を受信したＰＣ５ａは、フィルタ部５２の２つのＢＰＦを用いて２つの周波数の振幅値a,bを抽出する。振幅比算出部５３は抽出された２つの振幅値a,bの振幅比a/bを算出し、判別部５４は、その値を記憶部５５に格納されたテーブルのデータと比較して粒径を判別する。
【００９０】
粒径分布計測部５８は、前述したように、一定時間内に圧電センサ１に衝突した掃流砂の粒径を大きさ毎に数えて粒径分布を計測する。計測された粒径分布は、表示部５７の画面に円グラフ等により表示され、また記憶部５５に格納ざれる。
【００９１】
上述したように、本実施の形態に係る粒径分布計測システム２０を用いれば、該当する河川における掃流砂の粒径分布を、無線の通信網を利用して、リアルタイムで計測することができる。
【００９２】
なお、本実施の形態では、無線の通信網Ｎとして、携帯電話の回線とインターネットで構成された通信網を用いたが、無線ＬＡＮ（Local Area Network）が使用可能な地域では、通信モジュール６として、無線ＬＡＮ対応のモジュールを用いることもできる。
【００９３】
また本実施の形態では、センサユニット９を駆動する電源について、通常のバッテリ等を用いることを前提として説明したが、圧電センサ１は掃流砂の衝突により電気信号を発生する発電機としても機能する。このため、出力信号をＰＣ５ａに送信する時を除き、圧電センサ１で発生した電力をキャパシタや蓄電池に蓄え、その電力を利用して通信モジュール９１を駆動するようにしてもよい。
【００９４】
（実施の形態４）
実施の形態３では、実施の形態１と同様に、掃流砂の粒径を判別する手段を、ＰＣ５のフィルタ部５２、振幅比算出部５３および判別部５４によって実現した。本実施の形態では、実施の形態２と同様に、フィルタ手段および振幅比判別手段をアナログ回路で構成する場合について説明する。
【００９５】
図１４に、本実施の形態に係るセンサユニット９ａの構成を示す。センサユニット９ａは、実施の形態３のセンサユニット９のうち増幅器３とＡ／Ｄ変換器４の間に、実施の形態２で説明したフィルタ手段６と振幅比算出手段７を挿入したものである。
【００９６】
従って、Ａ／Ｄ変換器４の出力には、圧電センサ１から出力された２つの周波数成分の振幅比のデジタル信号が出力され、そのデジタル信号が通信モジュール９１によってＰＣ５ａに送信される。ＰＣ５ａの判別部５４は、実施の形態２の判別部５４と同様に、記憶部５５に格納されたテーブルに基づいて粒径の判別を行う。
【００９７】
本実施の形態に係る粒径分布計測システムを用いれば、２つの周波数成分の振幅比のデジタル信号がＰＣ５ａに送信され、ＰＣ５ａは粒径の判別処理に専念できるため、多数のセンサユニット９ａからデータが送信される粒形分布計測システムにおいて、ＰＣ５ａの演算処理の負担を軽減できる。結果として、演算能力が左程高くない市販のＰＣを用いてシステムを構築することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１  圧電センサ
２  アルミナ球
３  増幅器
４  Ａ／Ｄ変換器
５、５ａ  ＰＣ
６  フィルタ手段
７  振幅比算出手段
８  粒径判別手段
９、９ａ  センサユニット
１０  粒径判別装置
２０  粒径分布計測システム
５１  制御部
５２  フィルタ部
５３  振幅比算出部
５４  判別部
５５  記憶部
５６  入力部
５７  表示部
５８  粒径分布計測部
６１、６２  ＢＰＦ
７１、７２  ピーク検出回路
７３  除算回路
８１  ＩＣ
８２  表示デバイス
１００  河川
１１０  橋
１１１  橋脚
Ｎ  通信網
【図１】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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