(57)【要約】【課題】被測定物の物性を特定する。【解決手段】測定装置１は、物体に向けて送信された所定の電磁波が物体において反射して生じる電磁波である反射波を受信する位置の物体との距離と、反射波の位相と、物体の物性と、が関連付けられた基準情報を取得する取得部１９と、被測定物２に向けて電磁波を送信する送信アンテナ１１と、被測定物２からの反射波を受信する受信アンテナ１２と、被測定物２の材質に対応する物体に対応し、かつ被測定物２と受信アンテナ１２との間の距離に対応する基準情報を参照することにより、受信アンテナ１２が受信した反射波の位相に基づいて被測定物２の物性を特定する特定部２０と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体に向けて送信された所定の電磁波が前記物体において反射して生じる電磁波である反射波を受信する位置の前記物体との距離と、前記反射波の位相と、前記物体の物性と、が関連付けられた基準情報を取得する取得部と、
被測定物に向けて電磁波を送信する送信部と、
前記被測定物からの前記反射波を受信する受信部と、
前記被測定物の材質に対応する前記物体に対応し、かつ前記被測定物と前記受信部との間の距離に対応する前記基準情報を参照することにより、前記受信部が受信した前記反射波の位相に基づいて前記被測定物の物性を特定する特定部と、
を有する測定装置。
【請求項２】
前記特定部は、前記被測定物の誘電率に影響する物性を特定する、
請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記被測定物の材質がコンクリートであり、
前記特定部は、前記被測定物に含まれる炭酸カルシウムの量を特定する、
請求項２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記被測定物と前記受信部との間の距離を変化させる距離変化部をさらに有する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項５】
前記受信部は、それぞれ前記送信部が前記電磁波を送信する方向における位置が異なる複数のアンテナを有し、
前記特定部は、前記複数のアンテナから選択されたアンテナが受信した反射波の位相に基づいて前記被測定物の物性を特定する、
請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項６】
前記受信部は、
前記反射波を受信するアンテナと、
前記アンテナで受信した前記反射波を前記特定部に伝送する、それぞれ長さが異なる複数の伝送路と、
を有し、
前記特定部は、前記複数の伝送路から選択された伝送路を介して取得した前記反射波の位相に基づいて前記被測定物の物性を特定する、
請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記被測定物の材質を指定する操作を受け付ける操作受付部をさらに有し、
前記取得部は、前記物体の複数の材質に対応する複数の前記基準情報を取得し、
前記特定部は、前記複数の基準情報のうち、前記操作受付部が受け付けた操作が示す材質に対応する前記基準情報に基づいて、前記被測定物の物性を特定する、
請求項１から６のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項８】
複数の異なる周波数の発振信号を発生する発振部をさらに有し、
前記送信部は、前記操作受付部が受け付けた操作が示す材質に基づいて選択した周波数の前記発振信号に基づく前記電磁波を送信する、
請求項７に記載の測定装置。
【請求項９】
物体に向けて送信された所定の電磁波が前記物体において反射して生じる電磁波である反射波を受信する位置の前記物体との距離と、前記反射波の位相と、前記物体の物性と、が関連付けられた基準情報を取得するステップと、
送信アンテナから被測定物に向けて電磁波を送信するステップと、
受信アンテナで前記被測定物からの前記反射波を受信するステップと、
前記被測定物の材質に対応する前記物体に対応し、かつ前記被測定物と前記受信アンテナとの間の距離に対応する前記基準情報を参照することにより、前記受信アンテナが受信した前記反射波の位相に基づいて前記被測定物の物性を特定するステップと、
を有する測定方法。
【請求項１０】
前記被測定物として、少なくとも一つの面が金属板により構成され、前記金属板により構成された面と反対側の面が電磁波を通過させる素材で構成されている容器に収容された気体を準備するステップと、
前記電磁波を送信するステップにおいて、前記反対側の面から前記気体に電磁波を送信する、
請求項９に記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の物性を測定するための測定装置及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波を用いて物体の形状を測定する方法が知られている。特許文献１には、被測定物から反射する電磁波の位相に基づいて、物体に形成された亀裂等の欠陥を検出する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１６１４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の技術を用いることで、被測定物の形状に変化が生じる劣化を検出することはできる。しかしながら、従来の技術を用いた場合、被測定物の形状に変化が生じない物性の変化を検出することはできなかった。
【０００５】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、被測定物の物性を特定することができる測定装置及び測定方法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】
【０００６】
本発明の第１の態様の測定装置は、物体に向けて送信された所定の電磁波が前記物体において反射して生じる電磁波である反射波を受信する位置の前記物体との距離と、前記反射波の位相と、前記物体の物性と、が関連付けられた基準情報を取得する取得部と、被測定物に向けて電磁波を送信する送信部と、前記被測定物からの前記反射波を受信する受信部と、前記被測定物の材質に対応する前記物体に対応し、かつ前記被測定物と前記受信部との間の距離に対応する前記基準情報を参照することにより、前記受信部が受信した前記反射波の位相に基づいて前記被測定物の物性を特定する特定部と、を有する。
【０００７】
前記特定部は、前記被測定物の誘電率に影響する物性を特定してもよい。前記被測定物の材質がコンクリートであり、前記特定部は、前記被測定物に含まれる炭酸カルシウムの量を特定してもよい。前記被測定物と前記受信部との間の距離を変化させる距離変化部をさらに有してもよい。
【０００８】
前記受信部は、それぞれ前記送信部が前記電磁波を送信する方向における位置が異なる複数のアンテナを有し、前記特定部は、前記複数のアンテナから選択されたアンテナが受信した反射波の位相に基づいて前記被測定物の物性を特定してもよい。
【０００９】
前記受信部は、前記反射波を受信するアンテナと、前記アンテナで受信した前記反射波を前記特定部に伝送する、それぞれ長さが異なる複数の伝送路と、を有し、前記特定部は、前記複数の伝送路から選択された伝送路を介して取得した前記反射波の位相に基づいて前記被測定物の物性を特定してもよい。
【００１０】
測定装置は、前記被測定物の材質を指定する操作を受け付ける操作受付部をさらに有し、前記取得部は、前記物体の複数の材質に対応する複数の前記基準情報を取得し、前記特定部は、前記複数の基準情報のうち、前記操作受付部が受け付けた操作が示す材質に対応する前記基準情報に基づいて、前記被測定物の物性を特定してもよい。
【００１１】
測定装置は、複数の異なる周波数の発振信号を発生する発振部をさらに有し、前記送信部は、前記操作受付部が受け付けた操作が示す材質に基づいて選択した周波数の前記発振信号に基づく前記電磁波を送信してもよい。
【００１２】
本発明の第２の態様の測定方法は、物体に向けて送信された所定の電磁波が前記物体において反射して生じる電磁波である反射波を受信する位置の前記物体との距離と、前記反射波の位相と、前記物体の物性と、が関連付けられた基準情報を取得するステップと、送信アンテナから被測定物に向けて電磁波を送信するステップと、受信アンテナで前記被測定物からの前記反射波を受信するステップと、前記被測定物の材質に対応する前記物体に対応し、かつ前記被測定物と前記受信アンテナとの間の距離に対応する前記基準情報を参照することにより、前記受信アンテナが受信した前記反射波の位相に基づいて前記被測定物の物性を特定するステップと、を有する。
【００１３】
前記被測定物として、少なくとも一つの面が金属板により構成され、前記金属板により構成された面と反対側の面が電磁波を通過させる素材で構成されている容器に収容された気体を準備するステップと、前記電磁波を送信するステップにおいて、前記反対側の面から前記気体に電磁波を送信してもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、被測定物の物性を特定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】測定装置の概要を説明するための図である。
【図２】測定装置の内部構成を示す図である。
【図３】基準情報の一例としての、所定の距離において測定された、物体に含まれる炭酸カルシウムの濃度と反射波に位相との関係を示す図である。
【図４】被測定物が液体である場合の物性の測定方法について説明するための図である。
【図５】窓材の影響について説明するための図である。
【図６】基準情報の一例としての、所定の距離において測定された、塩化ナトリウム水溶液の濃度と反射波の位相との関係を示す図である。
【図７】基準情報の一例としての、所定の距離において測定された、エタノール水溶液におけるエタノールの体積比と反射波の位相との関係を示す図である。
【図８】被測定物が気体である場合の物性の測定方法について説明するための図である。
【図９】基準情報の一例としての、気体の種類と反射波の位相との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［測定装置１の概要］
図１は、測定装置１の概要を説明するための図である。測定装置１は、物性を特定する対象となる被測定物２に向けて電磁波を出射し、被測定物２において反射された電磁波の位相を解析することにより被測定物２の物性を特定するための装置である。十分な空間分解能を確保するために、測定装置１が被測定物２に向けて出射する電磁波の周波数はマイクロ波の周波数からテラヘルツ波の周波数までであることが望ましい。
【００１７】
被測定物２は、固体、液体又は気体である。被測定物２は、例えばコンクリート、樹脂、金属、又は水溶液である。
【００１８】
測定装置１は、電磁波を被測定物２に向けて出射する送信アンテナ１１と、被測定物２において反射された電磁波を受信する受信アンテナ１２とを有する。送信アンテナ１１及び受信アンテナ１２の感度が高い方向は同一であり、被測定物２の面と直交する方向である。また、送信アンテナ１１と被測定物２の表面との距離は、例えば、受信アンテナ１２と被測定物２の表面との距離と同一であるが、送信アンテナ１１と被測定物２の表面との距離と、受信アンテナ１２と被測定物２の表面との距離とが同一でなくてもよい。
【００１９】
測定装置１は、予め測定された物性と位相との関係を示す情報（以下、基準情報という場合がある）を参照することにより、受信アンテナ１２が受信した電磁波の位相に基づいて被測定物２の物性を特定する。発明者は、物体で反射した電磁波の位相が、物体の誘電率と相関関係がある物性によって変化し、受信アンテナ１２が受信した電磁波の位相に基づいて被測定物２の物性を特定できることを見出した。図１（ｂ）に示すように、被測定物２が金属である場合、送信アンテナ１１から出射された電磁波の節が被測定物２の表面に位置するが、被測定物２の物性が変化することにより、被測定物２の表面における電磁波の位相が異なるため、被測定物２の物性によって、受信アンテナ１２が受信する電磁波の位相が変化する。
【００２０】
図１（ｃ）に示すように、同一の物性の被測定物２において反射されたとしても、送信アンテナ１１及び受信アンテナ１２と被測定物２の表面との距離が異なると、受信アンテナ１２が受信する電磁波の位相は異なる値になる。そこで、測定装置１は、受信アンテナ１２と被測定物２との間の距離を変化させる距離変化部（不図示）を有してもよい。測定装置１は、ユーザの指示に基づいて予め物性と位相との関係が測定された際の受信アンテナ１２と物体との距離と、受信アンテナ１２と被測定物２との間の距離とが一致するように測定装置１の位置を設定することで、測定精度を向上させることができる。
【００２１】
測定装置１は、受信アンテナ１２と被測定物２の表面との距離をユーザから入力された被測定物２までの距離と一致させるように受信アンテナ１２を前後方向（すなわち、受信アンテナ１２と被測定物２とを結ぶ方向）に移動させることができるアクチュエータを有してもよい。測定装置１は、例えば送信アンテナ１１から電磁波の出射を開始した時刻と、受信アンテナ１２が被測定物２で反射された電磁波の受信を開始した時刻との時間差に基づいて、送信アンテナ１１及び受信アンテナ１２と被測定物２の表面との距離を測定し、測定した結果に基づいてアクチュエータを制御することにより受信アンテナ１２を移動させる。
【００２２】
［測定装置１の構成］
図２は、測定装置１の内部構成を示す図である。測定装置１は、送信アンテナ１１及び受信アンテナ１２の他に、発振器１３と、カプラー１４と、移相器１５と、分波器１６と、ミキサ１７と、ミキサ１８と、取得部１９と、特定部２０とを有する。送信アンテナ１１は送信部として機能し、受信アンテナ１２、分波器１６、ミキサ１７及びミキサ１８は受信部として機能する。
【００２３】
発振器１３は、送信アンテナ１１が出射する電磁波を発生するための発振信号を生成する発振器である。発振器１３は、例えばミリ波の周波数帯の発振信号を生成する。発振器１３は、生成した発振信号をカプラー１４に入力する。
【００２４】
カプラー１４は、発振器１３から入力された発振信号を送信アンテナ１１及び移相器１５に分配する。送信アンテナ１１に入力された発振信号は、送信アンテナ１１から電磁波として出射される。移相器１５に入力された発振信号は、受信アンテナ１２が受信した電磁波をＩ信号とＱ信号とに分離する際に用いられる。
【００２５】
移相器１５は、受信アンテナ１２が受信した電磁波の位相を変化させていない同相信号と、受信アンテナ１２が受信した電磁波の位相を９０度変化させた移相信号と、を生成する。移相器１５は、同相信号をミキサ１７に入力し、移相信号をミキサ１８に入力する。
【００２６】
分波器１６は、受信アンテナ１２が受信した電磁波をミキサ１７とミキサ１８とに分けて入力する。
ミキサ１７は、分波器１６から受信した電磁波と同相信号とをミキシングしてＩ信号を生成する。ミキサ１８は、分波器１６から受信した電磁波と移相信号とをミキシングしてＱ信号を生成する。
【００２７】
取得部１９は、予め作成された基準情報を取得する。取得部１９は、例えば不図示のメモリに記憶された基準情報、又は外部装置に記憶された基準情報を取得する。取得部１９は、複数の距離に対応する基準情報のうち、被測定物２の表面と受信アンテナ１２との距離に対応する基準情報を取得する。基準情報は、物体に向けて送信された所定の電磁波が物体において反射して生じる電磁波である反射波を受信する位置の物体との距離と、反射波の位相と、物体の物性と、が関連付けられた情報である。基準情報においては、反射波の位相と共に、反射波の振幅が関連付けられていてもよい。
【００２８】
図３は、基準情報の一例としての、所定の距離において測定された、物体に含まれる炭酸カルシウムの濃度と反射波に位相との関係を示す図である。図３における黒丸は実測した結果を示している。図３においては、実測した４つの結果が含まれているが、より多くの実測結果が含まれていてもよい。また、図３における黒丸の間は直線で接続されているが、ラグランジュ補間法等の補間方法により黒丸の間を曲線で補間してもよい。
【００２９】
特定部２０は、被測定物２と受信アンテナ１２との間の距離に対応する基準情報を参照することにより、受信アンテナ１２が受信した反射波の位相に基づいて被測定物２の物性を特定する。具体的には、特定部２０は、被測定物２と受信アンテナ１２との間の距離に対応する基準情報を取得部１９から取得し、取得した基準情報において反射波の位相に関連付けられている物性を、被測定物２の物性として特定する。特定部は、反射波の位相及び振幅に基づいて被測定物２の物性を特定してもよい。
【００３０】
特定部２０は、例えば、被測定物２の誘電率に影響する物性を特定する。被測定物２の材質がコンクリートである場合、特定部２０は、被測定物２に含まれる炭酸カルシウムの量を特定する。
【００３１】
物体に含まれる炭酸カルシウムの量は、コンクリートの劣化との相関関係が高い。コンクリートにおいては、大気中の二酸化炭素とコンクリート内のカルシウム成分とが化学反応を起こすことにより炭酸カルシウムの生成が進行する。炭酸カルシウムの生成が進行すると、内部の鉄筋の腐食を誘発するために構造物の強度が低下する原因となる。上記のように、特定部２０が被測定物２に含まれる炭酸カルシウムの量を特定することで、建造物に用いられているコンクリートの劣化状態を簡便に確認することが可能になる。したがって、測定装置１を用いた測定は、プラントの監視やインフラ保全のための監視に好適である。
【００３２】
［液体の物性の測定方法］
図４は、被測定物が液体である場合の物性の測定方法について説明するための図である。図４に示す例においては、容器３に液体の被測定物４が収容され、送信アンテナ１１及び受信アンテナ１２の側に、被測定物４を覆う窓材５が設けられている。
【００３３】
図５は、窓材５の影響について説明するための図である。図５の横軸は窓材５の厚みを示しており、縦軸は相対反射率を示している。相対反射率は、電磁波が液体の表面で反射する際の反射率に対する、窓材５が設けられている状態での反射率の比である。窓材５の厚みが大きくなるにつれて相対反射率が小さくなるが、窓材５の厚みが２ｍｍ以下においては、相対反射率が０．９以上である。
【００３４】
図６は、基準情報の一例としての、所定の距離において測定された、塩化ナトリウム水溶液の濃度と反射波の位相との関係を示す図である。図６に示すように、塩化ナトリウム水溶液の濃度によって反射波の位相が変化するので、特定部２０は、図６に示す関係を参照することで、窓材５を介して被測定物４で反射した電磁波の位相に基づいて塩化ナトリウム水溶液の濃度を特定することができる。特定部２０は、材質や厚みが異なる複数の窓材５に対応する複数の基準情報から、電磁波を照射する対象となる被測定物４を覆う窓材５の厚みに対応する基準情報を選択し、選択した基準情報を参照することにより、塩化ナトリウム水溶液の濃度を特定してもよい。
【００３５】
図７は、基準情報の一例としての、所定の距離において測定された、エタノール水溶液におけるエタノールの体積比と反射波の位相との関係を示す図である。図７に示すように、エタノールの体積比によって反射波の位相が変化するので、特定部２０は、図７に示す関係を参照することで、窓材５を介して被測定物４で反射した電磁波の位相に基づいてエタノール水溶液の濃度を特定することができる。
【００３６】
［気体の物性の測定方法］
図８は、被測定物が気体である場合の物性の測定方法について説明するための図である。図８に示す例においては、容器３に気体の被測定物６が収容され、送信アンテナ１１及び受信アンテナ１２の側に、被測定物４を覆う窓材５が設けられている。気体の被測定物６の物性を測定する場合、十分な大きさの反射波を得られるようにするために、被測定物６と容器３との間に金属板７が設けられている。
【００３７】
気体の物性を測定する場合、被測定物として、少なくとも一つの面が金属板７により構成され、金属板７により構成された面と反対側の面が電磁波を通過させる窓材５で構成されている容器３に収容された気体を準備する。そして、金属板７により構成された面と反対側の面から気体に電磁波を送信し、特定部２０が反射波の位相を測定する。
【００３８】
図９は、基準情報の一例としての、気体の種類と反射波の位相との関係を示す図である。図９に示すように、気体の種類によって反射波の位相が変化するので、特定部２０は、図９に示す関係を参照することで、窓材５及び被測定物６を介して金属板７で反射した電磁波の位相に基づいて気体の種類を特定することができる。
【００３９】
なお、気体の物性を測定する際、窓材５を使用せず、気体が収容された室内に測定装置１を設置して、測定装置１が、気体内に設置された金属板に電磁波を出射し、金属板からの反射波の位相を特定することにより気体の物性を測定してもよい。
【００４０】
［変形例１］
受信部は、それぞれ送信アンテナ１１が電磁波を送信する方向における位置が異なる複数の受信アンテナ１２を有してもよい。そして、特定部２０は、複数の受信アンテナ１２から選択された受信アンテナ１２が受信した反射波の位相に基づいて被測定物の物性を特定してもよい。特定部２０は、例えば、基準情報が取得された際の受信アンテナ１２と物体との距離に対応する受信アンテナ１２が受信した反射波の位相に基づいて被測定物の物性を特定する。このようにすることで、測定装置１が受信アンテナ１２を移動させる機構を有していない場合であっても、ユーザが測定装置１の位置を調整することなく物性の測定を行うことができる。
【００４１】
［変形例２］
受信部は、受信アンテナ１２で受信した反射波を特定部２０に伝送する、それぞれ長さが異なる複数の伝送路を有してもよい。そして、特定部２０は、複数の伝送路から選択された伝送路を介して取得した反射波の位相に基づいて被測定物の物性を特定してもよい。
【００４２】
［変形例３］
測定装置１は、被測定物の材質を指定する操作を受け付ける操作受付部（不図示）をさらに有してもよい。この場合、取得部１９は、物体の複数の材質に対応する複数の基準情報を取得し、特定部２０は、操作受付部が受け付けた操作が示す材質に対応する基準情報に基づいて、被測定物の物性を特定してもよい。
【００４３】
また、発振器１３は、複数の異なる周波数の発振信号を発生し、受信アンテナ１２は、操作受付部が受け付けた操作が示す材質に基づいて選択した周波数の発振信号に基づく電磁波を送信してもよい。この場合、特定部２０は、選択された周波数の発振信号を用いて測定することにより得られた基準情報を参照することにより、被測定物の物性を特定する。このようにすることで、測定装置１は被測定物の材質に適した周波数の電磁波を用いて測定することができるので、測定精度が向上する。
【００４４】
［測定装置１による効果］
以上説明したように、本実施形態の測定装置１によれば、被測定物の材質に対応する物体に対応し、かつ被測定物と受信部との間の距離に対応する基準情報を参照することにより、受信部が受信した反射波の位相に基づいて被測定物の物性を特定する。このようにすることで、測定装置１は、被測定物の形状が変化しない場合であっても、被測定物の物性を測定することができる。測定装置１は、電磁波を送受信し、受信した電磁波の位相を測定するという構成により実現できるので、コンパクトな筐体に収容することができ、低コストで安定度が高い物性の測定が可能になる。
【００４５】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。
【符号の説明】
【００４６】
１  測定装置
２  被測定物
３  容器
４  被測定物
５  窓材
６  被測定物
７  金属板
１１  送信アンテナ
１２  受信アンテナ
１３  発振器
１４  カプラー
１５  移相器
１６  分波器
１７  ミキサ
１８  ミキサ
１９  取得部
２０  特定部
【図１】
2019152581.tif 000003
【図２】
2019152581.tif 000004
【図３】
2019152581.tif 000005
【図４】
2019152581.tif 000006
【図５】
2019152581.tif 000007
【図６】
2019152581.tif 000008
【図７】
2019152581.tif 000009
【図８】
2019152581.tif 000010
【図９】
2019152581.tif 000011