JPH1090201A

JPH1090201A - 比誘電率測定用プローブの構造及び比誘電率測定方法

Info

Publication number: JPH1090201A
Application number: JP26233496A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Sakaki; 利博榊
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 1996-09-12
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 1998-04-10
Anticipated expiration: 2016-09-12
Also published as: JP3714741B2

Abstract

(57)【要約】【課題】プローブ近傍の測定感度をより均一にするこ
とができる比誘電率測定用プローブの構造及び比誘電率
測定方法を提供すること。【解決手段】時間領域反射率法によって被測定物質の
比誘電率を測定するための被測定物質に設置され、パル
ス電圧が印加される一対の電極を備えたプローブ１にお
いて、電極が一定間隔をあけて対向配置される２枚の導
電性板状部材２、３から成り、導電性板状部材２、３の
幅Ｂと間隔Ｓとの比Ｓ／Ｂを０．２から２の範囲内の値
とした。これにより、２枚の導電性板状部材の間におけ
るエネルギー密度分布が均一となり、測定感度を均一に
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、時間領域反射率
（ＴＤＲ）法によって物質の比誘電率を測定するのに好
適な比誘電率測定用プローブの構造及び比誘電率測定方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物質中を伝搬する電磁波の速度とその物
質の比誘電率との間には密接な関係があることが知られ
ており、この関係は各種の分野において利用されてい
る。例えば石油探査工学の分野においては、地盤中の電
磁波の速度から得られるそこでの比誘電率より地盤中の
石油の含有量を推定している。また、最近、地盤の比誘
電率あるいは電磁波速度より、土質の違いによる影響を
受けることなく、従来の中性子水分計以上の精度で土壌
水分を計測することができることが明らかにされてお
り、この分野での応用も有望である。

【０００３】ところで、電磁波の伝搬速度を計測するこ
とによって試料の比誘電率を求めるための従来の測定シ
ステムは、例えば、図１２（Ａ）に示されるように、プ
ローブ１００を構成する２本の棒状電極１０１、１０２
を平行にして試料１０３に差し込んだ状態で棒状電極１
０１、１０２間にパルス電圧を印加するように構成さ
れ、プローブ１００の棒状電極１０１、１０２のパルス
電圧印加端１０１Ａ、１０２Ａにパルス電圧が印加され
てから、このパルス電圧が棒状電極１０１、１０２の先
端１０１Ｂ、１０２Ｂで反射してそこまで戻ってくるま
でのパルスの往復時間ＴＷを計測することによって、試
料１０３の比誘電率を求めている。

【０００４】このパルスの往復時間ＴＷは、たとえば棒
状電極１０１、１０２にメモリ機能付のオシロスコープ
の如き電圧波形観測用の機器を接続し、そこでの電圧波
形のレベルの時間的変化を観察することにより求めるこ
とができる。

【０００５】図１２（Ｂ）には、上述の如くして測定し
た電圧波形の一例が示されている。ここでは、時間Ｔ１
においてパルス電圧印加端１０１Ａ、１０２Ａに印加さ
れたパルス電圧が棒状電極１０１、１０２の先端１０１
Ｂ、１０２Ｂで反射し、時間Ｔ２においてパルス電圧印
加端１０１Ａ、１０２Ａに戻ったことが判る。したがっ
て、パルスの往復時間ＴＷはＴ２ーＴ１との計測結果を
得、試料１０３中における電磁波の伝搬速度を計算する
ことができる。そして、このようにして得られた電磁波
の伝搬速度から、ｖ＝ｃ／ε^1/2（ここで、ｖは速度、
ｃは光速、εは比誘電率）の関係を用いて試料１０３の
比誘電率が求められる。

【０００６】上述した測定系において使用される従来の
プローブは、棒状電極を２本用いる構成のほか、図１３
に示される如き構成のプローブが用いられている。図１
３（Ａ）に示される同軸セル形のプローブは、周辺から
のノイズを遮断し、電気信号の損失が一番小さいという
点では理想的な形状である。しかし、この形状では試料
に設置するのが困難であるため、これを２本の金属製ロ
ッドで置き換えたものが図１２に示されたプローブ１０
０である。その後、これを前記のような理由で同軸セル
に近付けるため図１３の（Ｂ）、（Ｃ）に示されるよう
なロッド本数が３本以上のものも使用されている。この
ように、従来の比誘電率測定用プローブは金属製の棒状
電極を２〜３本用いた構成のものが主流であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１３
の（Ｂ）、（Ｃ）又は図１２に示したような棒状電極を
用いて構成されたプローブでは，棒状電極の表面のごく
近傍に測定感度が非常に高い部分が集中するという特性
のために、電極と被測定物質との間に隙間があるとその
影響を受けて正しい測定を行うことができず、信頼性の
高い測定を困難にするという問題点を有している。

【０００８】このことを、図１４〜図１９を参照して２
本の棒状電極を用いた構造のプローブの場合について具
体的に説明する。図１４は、平行に配置された２つの棒
状電極１０１、１０２の軸と直交する平面内におけるこ
れらの棒状電極１０１、１０２の周辺の電磁場の様子を
示す図であり、複数の等ポテンシャル線Ｐ、及びこれと
直交する一方の棒状電極１０１から他方の棒状電極１０
２へ向かう複数の電気力線Ｆの様子が示されている。こ
こで、図１４において等ポテンシャル線Ｐとそれに直交
する電気力線Ｆとによって囲まれる各領域を紙面と直角
方向に通過するエネルギーは、その領域の大小に拘らず
一定となる。この結果、例えば斜線を付した領域Ａ１に
おけるエネルギー密度は、同じく斜線を付した他の領域
Ａ２におけるエネルギー密度より大きいということにな
る。しかるに、棒状電極１０１、１０２の表面に近づく
に従ってエネルギー密度は急速に高くなり、測定感度も
また棒状電極１０１、１０２の表面に近づくに従って急
速に高くなるのである。

【０００９】図１５は、２つの棒状電極を用いて構成し
た従来の比誘電率測定用プローブの感度分布を実験によ
り調べた結果の一例を示すグラフである。ここで、２つ
の棒状電極は所定値だけ離されて平行に配置されてい
る。図１５から判るように、２つの棒状電極のごく近傍
において測定感度（エネルギー密度）の高い部分が集中
していることが判る。

【００１０】図１６〜図１８はプローブが棒状電極２
本、３本、４本の各場合における測定感度分布の数値解
析結果を示す図であり、図１９はプローブが同軸セルの
場合における測定感度分布の数値解析結果を示す図であ
る。図１６〜図１９において棒状電極には斜線が付され
ている。いずれの図においても、各形状のプローブの特
性を相対的に比較できるように、エネルギー密度はその
最大値で除して無次元化して表示してある。よって、表
示の最大値は１である。測定感度Ｖを示す等密度線は、
１．０、０．６、０．４、０．２、０．１、０．０１、
０．００１、０．０００１の順に引いてある。そして無
次元化された測定感度Ｖの値により以下のように７つの
領域に分けて示されている。１．０≧Ｖ＞０．６領域Ｒ１０．６≧Ｖ＞０．４領域Ｒ２０．４≧Ｖ＞０．２領域Ｒ３０．２≧Ｖ＞０．１領域Ｒ４０．１≧Ｖ＞０．０１領域Ｒ５０．０１≧Ｖ＞０．００１領域Ｒ６０．００１≧Ｖ＞０．０００１領域Ｒ７図１６〜図１９から、いずれの場合においても、測定感
度が０．２より大きい領域が棒状電極のごく近傍にのみ
形成され、極めて不均一な測定感度分布となっているこ
とが判る。

【００１１】このように、従来のプローブによると棒状
電極の周辺にのみ測定感度の高い領域が形成され、実際
にプローブを設置したときに棒状電極の表面近傍に乱さ
れた部分やプローブと被測定物質との間に隙間が発生し
た場合、その影響を受けやすく、正しい測定結果を得る
ことができないという問題があった。

【００１２】本発明の目的は、したがって、従来技術に
おける上述の問題点を解決することができるようにし
た、プローブ近傍の測定感度をより均一にすることがで
きる比誘電率測定用プローブの構造及び比誘電率測定方
法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の特徴は、時間領域反射率法によって被測定物
質の比誘電率を測定するため被測定物質に設置される一
対の電極を備えたプローブの構造であって、該一対の電
極が一定間隔をあけて対向配置される２枚の導電性板状
部材から成り、該導電性板状部材の幅Ｂと前記一定間隔
Ｓとの比Ｓ／Ｂが０．２から２の範囲内の値に設定され
ている点にある。電極として板状のものを２枚対にして
用い、且つＳ／Ｂの値を０．２〜２の範囲内の値に設定
すると、２枚の導電性板状部材の間におけるエネルギー
密度分布が均一となり、測定感度を均一にすることがで
きる。

【００１４】また、本発明の他の特徴によれば、被測定
物質に設置されたプローブにパルス電圧を印加して時間
領域反射率法によって該被測定物質の比誘電率を測定す
るための測定方法において、前記プローブの一対の電極
として２枚の導電性板状部材を用意し、該導電性板状部
材間の一定間隔Ｓが、前記導電性板状部材の幅をＢとし
たときＳ／Ｂの値が０．２〜２の範囲内の値となるよう
に、前記導電性板状部材を前記被測定物質に設置して前
記プローブを構成するようにした点にある。導電性板状
部材の厚みは、実際の使用に際して被測定物質内に打ち
込み等により設置可能な剛性を得ることができるような
適宜の値とすることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態の一例を詳細に説明する。

【００１６】図１には、時間領域反射率法によって物質
の比誘電率を測定するための、本発名によるプローブの
構造の実施の形態の一例が示されている。本発明による
プローブ１は、例えば銅の如き導電性に富む適宜の材料
から作られた導電性プレート２、３を一対の電極部材と
して有している。導電性プレート２は、厚さＴ、長さ
Ｌ、幅Ｂの長方形の板部材であり、もう一方の導電性プ
レート３も全く同様の寸法形状に作られている。これら
の導電性プレート２、３は、一定の間隔Ｓをあけて対向
しており、したがって導電性プレート２と導電性プレー
ト３とは平行状態になっている。

【００１７】符号４で示されるのは同軸ケーブルであ
り、同軸ケーブル４の外部導体４Ａが導電性プレート２
に電気的に接続され、同軸ケーブル４の内部導体４Ｂが
導電性プレート３に電気的に接続されている。同軸ケー
ブル４の他端は図示しないパルス電圧発生器の出力端子
に接続することにより、測定のために必要なパルス電圧
を同軸ケーブル４を介して導電性プレート２、３間に印
加することができる構成である。

【００１８】図１に示したプローブ１では、導電性プレ
ート２、３は、機械的に独立して分離された状態になっ
ているが、適宜の電気的絶縁材料を用いて導電性プレー
ト２と導電性プレート３とをその端部において機械的に
連結した一体構成としてもよいことは勿論である。

【００１９】図２には、図１に示したプローブ１のＡ−
Ａ線断面における電磁場の様子が示されている。図２に
おいて、一方の導電性プレート３から直角に出て他方の
導電性プレート２に直角に入るように示されているのが
電気力線Ｆであり、これらの電気力線Ｆと直交するする
ように示されているのが等ポテンシャル線Ｐである。図
２から判るように、電気力線Ｆと等ポテンシャル線Ｐと
で図示された各領域の面積は導電性プレート２、３間に
おいては略均一となっている。したがって、導電性プレ
ート２、３間にあってはエネルギー密度分布が略均一と
なり、測定感度も均一となる。

【００２０】電導性プレート２、３間におけるエネルギ
ー密度の分布の状態は一定間隔Ｓの値によって変化する
ことが予想される。しかるに、導電性プレート２、３の
幅Ｂとその一定間隔Ｓとの比Ｓ／Ｂを種々変化させて導
電性プレート２、３間の測定感度分布がどのように変化
するのかを数値解析によって求め、その結果を図３〜図
７に示した。図３〜図７においても、図１６〜図１９の
場合と同じく、測定感度Ｖの最大値を１として各部の測
定感度を正規化し、Ｖの値によって領域Ｒ１〜Ｒ７に分
けて測定感度分布の様子が示されている。

【００２１】図３〜図７から判るように、棒状電極を用
いたロッドタイプのプローブに比べて、板状電極を用い
たプレートタイプのプローブでは、ある範囲の感度
（０．４〜０．６）の部分でほとんどが占められること
がわかる。また、プレートの両端部のごく狭い範囲で感
度が高い部分がみられるが、全体のエネルギー量に比べ
るとその割合は非常に小さい。さらに、Ｓ／Ｂの値が
０．２〜２の範囲にある場合には導電性プレート２、３
間の感度は０．１以上の値であって略均一に保たれてい
るので、実際に使用した場合良好な測定を行うことがで
きる。なお、Ｓ／Ｂの値が０．２より小さくなると、導
電性プレート２、３間の感度分布はより一層均一化され
るが、実際の設置を考えた場合、導電性プレート２、３
間が狭すぎないＳ／Ｂ＝０．２程度までが適切であると
考えられる。図３〜図７から、導電性板状部材を用いた
プレートタイプのプローブにあっては、プレートに挟ま
れた部分以外の感度が低いという特徴を有していること
が判った。

【００２２】ここで、導電性プレート２、３の材質は銅
に限定されるものではなく、導電性に富む材料であれば
特に制限はない。なお、ＴＤＲ法の性格上、導電性プレ
ート２、３の各長さＬは原則的に等しくなければならな
いが、これらの厚さＴは実際の使用に際して設置できる
だけの剛性をもつ程度の厚さであればよく、これは特に
制限がない。

【００２３】図８は、本発明によるプレートタイプのプ
ローブと従来型のプローブとの性能を比較するために示
したエネルギー加積曲線である。図８のグラフは、エネ
ルギー密度が高い方からエネルギーを累積した結果を示
すもので、横軸に正規化したエネルギー密度をとり、縦
軸に正規化した累積エネルギー量をとって示してある。
すなわち、このグラフは、各エネルギー密度レベルが占
める面積と密度レベルとを掛け合わせてエネルギー量を
もとめ、密度レベルの値が大きいほうから累積した図で
あり、曲線の勾配が大きいほど、その密度レベルの部分
が占める面積が大きく密度（感度）のバラツキが小さい
ことを示す。全てのプローブにおいて、密度値０．０１
程度までで総エネルギーの約９０％を占め、それ以下で
は曲線の傾きは小さくなる。これは、密度値０．０１程
度以下の範囲は測定値にあまり影響しないことを示して
いる。

【００２４】図８では、本発明によるプローブはＳ／Ｂ
＝０．５の場合が示されており、従来型のプローブの例
として、２ロッド、３ロッド、４ロッド及び同軸セルの
場合の例が示されている。図８に示す各曲線の勾配の様
子から、本発明によるプレートタイプのプローブの感度
のバラツキが従来型のプローブのそれに比べて極めて小
さくなっていることが判る。

【００２５】なお、導電性プレート２、３を横切る方向
に水などの物質の移動がある場合においては、導電性プ
レート２、３に穴をあけたり、多数のロッドを並べるこ
とによりプレートを近似する構成としてもよい。

【００２６】次に、図９〜図１１を参照して、図１に示
した本発明によるプローブ１を用いて地盤の含水量を測
定するための方法の実施の形態の例について説明する。

【００２７】図９は、降雨時等における地山１１の斜面
１１Ａの含水状態を測定する場合の方法を説明するため
の図である。プローブ１は斜面１１Ａに適宜の間隔をあ
けて複数設けられる。図示の例ではプローブ１は３つ設
けられているが、プローブ１は必要な箇所に必要な数だ
け設置される。降雨時には、地山１１の斜面１１Ａにお
いては水分の高飽和度領域１１Ｂと低飽和度領域１１Ｃ
とが形成されるが、各プローブ１は、導電性プレート
２、３の各先端２Ｂ、３Ｂが低飽和度領域にまで達する
ような状態に設置されることにより、地表面からどれだ
けの範囲が高飽和度になっているかを把握することがで
きる。

【００２８】以上のようにしてプローブ１の設置が終了
したならば、ＴＤＲ法により斜面１１Ａにおける比誘電
率の測定を行うため、測定装置１０からパルス電圧を各
プローブ１へ順次印加する。プローブ１に印加されたパ
ルス電圧は、その導電性プレート２、３の各先端２Ｂ、
３Ｂにおいて反射して戻るので、そのパルス電圧の往復
時間ＴＷを測定装置１０において測定する。測定装置１
０における往復時間ＴＷの測定方法は図１２に基づいて
説明したのと同様である。

【００２９】一般に、土壌は土粒子、空気及び間隙水の
三相の混合体であり、体積含水率０％の土壌の比誘電率
は３〜７程度であるのに対し、間隙水のそれは８０と土
粒子や空気の値（約１）と比べてはるかに大きい。した
がって、三相の混合体としての土壌の比誘電率（見かけ
上の比誘電率）は含水量に極めて敏感に影響され、上述
の如くして測定された土壌の見かけ上の比誘電率から土
壌の含水量が求められる。測定により得られた比誘電率
から含水量を得るには、予め実験より求められた変換表
を用いることができる。このようにして、地山１１の斜
面１１Ａの含水状態を把握することにより、造成地など
の斜面の安定性の確保に役立てることができる。

【００３０】図１０は、根切り工事等における地下水面
位置の把握のために、図１に示すプローブを用いて溝２
１の底部２２の比誘電率を測定する場合の方法を説明す
るための図である。この場合には、底部２２にプローブ
１を打ち込んで測定装置１０を用いて比誘電率を測定す
る。地下水面２３に達しているプローブ１による測定値
が地下水面２３に達していないプローブ１による測定値
と大きく異なることから、地下水面の位置を把握するこ
とができ、地下水面をコントロールした情報化施工が可
能となる。

【００３１】図１１は、トンネル堀削時における周辺の
含水状態及び地下水挙動の把握のために、トンネル３１
の周壁３２及び床部３３の含水状態を本発明の方法を利
用して測定する方法を説明するための図である。ここで
は、図１に示したプローブ１が周壁３２及び床部３３に
設置され、これらのプローブ１は測定装置１０に接続さ
れている。測定装置１０からのパルス電圧が各プローブ
１に順次印加され、これらのプローブ１の各導電性プレ
ート２、３の先端２Ｂ、３Ｂで反射されるパルス電圧の
往復時間が測定装置１０において測定される。これによ
りプローブ１が設置されている各部の比誘電率が測定さ
れ、トンネル３１内の各部の含水状態を把握することが
できる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、導電性板状部材により
構成される２つの電極間の測定感度が均一となり、その
感度帯域がプローブによる感度帯域のほとんどを占め
る。この結果、プローブを設置する際に発生する可能性
のある被測定物質と電極との間の隙間の影響を減少さ
せ、測定範囲内を均一に測定することができる。

【００３３】さらに、測定範囲が板状の電極間に集中す
るため、従来のようにロッドを設置するための小孔径の
穴をあける必要がなく、被測定物質をブロック状に加工
して板状の電極で挟むことにより精度よい設置が可能で
ある。また、被測定物質が土のような場合には、従来通
り打ち込みにより容易に設置することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による比誘電率測定用プローブの実施の
形態の一例を示す斜視図。

【図２】図１に示したプローブのＡ−Ａ線断面における
電磁場の様子を示す図。

【図３】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝２とした
場合の数値解析による感度分布を示す図。

【図４】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝１とした
場合の数値解析による感度分布を示す図。

【図５】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝０．５と
した場合の数値解析による感度分布を示す図。

【図６】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝０．３３
とした場合の数値解析による感度分布を示す図。

【図７】図１に示すプローブにおいてＳ／Ｂ＝０．２と
した場合の数値解析による感度分布を示す図。

【図８】本発明によるプローブと従来のプローブとの性
能比較をするためのエネルギー加算曲線図。

【図９】降雨時の斜面の含水状態を本発明の方法を用い
て測定する場合の測定方法の説明のための図。

【図１０】根切り工事等における地下水面位置の把握を
本発明の方法を用いて行う場合の説明のための図。

【図１１】トンネル掘削時における周辺の含水状態の把
握を本発明の方法を用いて行う場合の説明のための図。

【図１２】ＴＤＲ法を用いた比誘電率測定のための従来
の測定システムを説明するための図。

【図１３】ＴＤＲ法による比誘電率測定のために用いら
れている従来のプローブを示す斜視図。

【図１４】図１２に示したプローブにおけるエネルギー
密度分布の状態を説明するための図。

【図１５】図１２に示したプローブにおける感度分布を
実験により調べた結果を示す図。

【図１６】２本の棒状電極を用いた従来のプローブの数
値解折による感度分布図。

【図１７】３本の棒状電極を用いた従来のプローブの数
値解折による感度分布図。

【図１８】４本の棒状電極を用いた従来のプローブの数
値解折による感度分布図。

【図１９】回転セル型の従来のプローブの数値解析によ
る感度分布図。

【符号の説明】

１プローブ２、３導電性プレートＢ幅Ｓ間隔ＴＷ往復時間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】時間領域反射率法によって被測定物質の
比誘電率を測定するため被測定物質に設置される一対の
電極を備えたプローブの構造であって、該一対の電極が
一定間隔をあけて対向配置される２枚の導電性板状部材
から成り、該導電性板状部材の幅Ｂと前記一定間隔Ｓと
の比Ｓ／Ｂが０．２から２の範囲内の値に設定されてい
ることを特徴とする比誘電率測定用プローブの構造。
【請求項２】被測定物質に設置されたプローブにパル
ス電圧を印加して時間領域反射率法によって該被測定物
質の比誘電率を測定するための測定方法において、前記
プローブの一対の電極として２枚の導電性板状部材を用
意し、該導電性板状部材間の一定間隔Ｓが、前記導電性
板状部材の幅をＢとしたときＳ／Ｂの値が０．２〜２の
範囲内の値となるように、前記導電性板状部材を前記被
測定物質に設置して前記プローブを構成するようにした
ことを特徴とする比誘電率測定方法。