JP2016108934A - 環境モニタリングシステムおよび振動検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】降雨により河川の水位が急上昇し、河床が洗掘され橋梁基礎が露出して橋梁基礎が沈下して、倒壊したりする恐れがある。従って、予め対策措置を取る為に、河床の洗掘深さをモニタリングする技術を提供する。【解決手段】河床１２０上方のモニタリング地点に配置され、伝送線１０４を出し引きするように構成される伸線装置１００と、前記モニタリング地点と河床１２０の砂岩層１２２の内部との間に配置され、伝送線１０４を収容して、砂岩層１２２の内部から伸線装置１００まで伝送線１０４を引く固定パイプ１０２と、検知された振動エネルギーを電気信号に変換して伝送線１０４を通じて伝送するように構成される複数の振動検知装置ＳＤ１＿１〜ＳＤ１＿ｎ，ＳＤ２＿１〜ＳＤ２＿ｍと、伸線装置１００および伝送線１０４に結合され、前記電気信号を伝送線１０４から受信し、モニタリングを実行する分析装置１０６を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、環境モニタリングシステムおよび振動検知装置に関し、より詳細には、外部電力を必要としない振動検知装置を利用して、容易かつ正確に河床の洗掘深さをモニタリングすることのできる環境モニタリングシステムおよび振動検知装置に関する。

最近はいつでも、短時間で大量の雨が降ることがある。それにより、河川の水位が急上昇し、河川の流れが速くなり、結果として河床が洗掘され低下し、橋梁基礎が著しく露出する。橋梁基礎下の構造が不安定で、橋梁基礎の耐えうる力よりも活性力の方が大きいと、橋梁基礎が沈下したり、傾いたり、横にずれたり、更には倒壊したりするおそれがある。更に悪いことに、交通の途絶や大事故につながるおそれがある。

したがって、予め関連措置を取るためにどのように河床の洗掘深さをモニタリングするかは、当該技術分野における重要かつ難しい課題である。

台湾特許出願公開第２０１４２１０３１号公報 台湾特許出願公開第２０１０３３５８９号公報 特開２００１−３０３８８１号公報 特開平１１−２７５４０４号公報

したがって、本発明の主な目的は、橋梁基礎の洗掘といった災害を防ぐために、外部電力を必要としない振動検知装置を利用して、河床の洗掘深さを容易かつ正確にモニタリングすることのできる環境モニタリングシステムを提供することである。

本発明は、河床、湖底または海底の環境変化ステータスをモニタリングするように構成される環境モニタリングシステムを開示する。本環境モニタリングシステムは、河床、湖底または海底の上方のモニタリング地点に配置され、伝送線を出し引きするように構成される伸線装置と、モニタリング地点と河床、湖底または海底の構造層の内部との間に配置され、伝送線を収容して、構造層の内部から伸線装置まで伝送線を引くように構成される固定パイプと、伝送線内の複数のワイヤに電気的に接続され、検知された振動エネルギーを相当するように複数の電気信号に変換し、該複数の電気信号を伝送線を通じて伝送するように構成される、複数の振動検知装置と、伸線装置および伝送線に結合され、伸線装置からの伝送線の送出長さを取得し、複数の電気信号を伝送線から受信し、送出長さおよび複数の電気信号に従って環境変化ステータスを決定して、モニタリングを実行するように構成される分析装置と、を備える。

本発明は更に振動検知装置を開示する。本振動検知装置は、第１の基板、第１の金属コイル、第２の金属コイルおよび第１の金属連結穴を有する第１のコイル板であって、第１の金属コイルと第２の金属コイルは第１の基板の上面と下面に配置され、第１の基板の第１の金属連結穴を貫通することにより、互いに直列に接続される、第１のコイル板と、第１のコイル板と実質的に平行に配置され、第２の基板、第３の金属コイル、第４の金属コイルおよび第２の金属連結穴を有する第２のコイル板であって、第３の金属コイルと第４の金属コイルは第２の基板の上面と下面に配置され、第２の基板の第２の金属連結穴を貫通することにより、互いに直列に接続される、第２のコイル板と、第１のコイル板と第２のコイル板との間に配置される第１の滑りレールおよび第２の滑りレールと、第１の滑りレールおよび第２の滑りレールの一端に固定される第１の磁性固定要素と、第１の滑りレールおよび第２の滑りレールの別の末端に固定される第２の磁性固定要素と、第１の滑りレールおよび第２の滑りレールに挟まれ、第１の磁性固定要素と第２の磁性固定要素との間に配置され、第１の磁性固定要素と第２の磁性固定要素と共にそれぞれ第１の磁力反発と第２の磁力反発を発生させる可動磁性要素と、を備える。

各図および図面に示される以下の好ましい実施形態の詳細な説明を読めば、当該技術分野の当業者には本発明のこれらの目的および他の目的が明らかになるであろう。

本発明の実施形態に係る環境モニタリングシステムの概略図である。 図１に示される固定パイプの外部の概略図である。 図１に示される砂岩層内の固定パイプと、複数の振動検知装置と、伝送線との概略図である。 図１に示される、砂岩層が洗掘され低くなった場合の砂岩層内の固定パイプと、複数の振動検知装置と、伝送線との概略図である。 図１に示される砂岩層１２２内にない固定パイプと、複数の振動検知装置と、伝送線との概略図である。 本発明の実施形態に係る振動検知装置のコンポーネントの側面図である。 図４に示される振動検知装置の動作状況の概略図である。 図４に示される振動検知装置の動作状況の概略図である。

図１を参照されたい。図１は、本発明の実施形態に係る環境モニタリングシステム１０の概略図である。環境モニタリングシステム１０は、構造層の洗掘深さ、水位、水流速等の、河床、湖底または海底の環境変化ステータスをモニタリングするように構成される。構造層は、砂岩層、堆積層、心土層、リソスフィア層等であってよく、本願では限定されない。簡潔にするために、河床１２０の洗掘深さをモニタリングする例を以下に示す。河床１２０の構造層は主に砂岩層である。図１に示されるように、橋梁基礎１３０は河床１２０の砂岩層に位置する。橋梁基礎１３０周辺の砂岩層１２２が急速な水流によって洗掘されると、砂岩層１２２は浸食され低下する。低下の深さを河床１２０の洗掘深さとみなすことができる。更に、洗掘箇所は橋梁基礎１３０周辺であるので、低下の深さを河床１２０の局所的洗掘深さとも称する。そのような状況において、環境モニタリングシステム１０は河床１２０の洗掘深さのモニタリングに利用されてよく、結果として、予め措置を取って橋梁基礎１３０の著しい沈下や倒壊を避けることができる。

具体的には、環境モニタリングシステム１０は、伸線装置１００、固定パイプ１０２、伝送線１０４、分析装置１０６および振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mを備える。固定パイプ１０２は、河床１２０の上方のモニタリング地点１１４から橋梁基礎１３０の縁に沿って砂岩層１２２にまで固定および配置され、伝送線１０４および振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mの収容に利用される。更に、固定パイプ１０２がモニタリング地点１１４から河床の下の砂岩層１２２まで延在させて続けて砂岩層１２２をモニタリングできるように、例えば外力により固定パイプ１０２を砂岩層１２２の中に貫通させたり、まず砂岩層１２２を掘ってから固定パイプ１０２を中に埋め込んだりすることによって、固定パイプ１０２は砂岩層１２２の中に埋め込まれる。伸線装置１００は、モニタリング地点１１４に配置され、伝送線１０４を格納する。伸線装置１００は、伸線機１１０および伸線エンコーダ１１２を備える。伸線機１１０は、格納された伝送線１０４を、モニタリング地点１１４から固定パイプ１０２を通じて砂岩層１２２の内部まで送出するのに利用される。伸線機１１０によって出し引きされる伝送線104の長さは、伸線機１１０に接続された伸線エンコーダ１１２によって測定される。

更に、振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mの体積は小さく（例えば２００立方ミリメートル）、よって、図１において振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mは点で表される。振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mは、伝送線１０４上の異なる位置に配置され、伝送線１０４と共に固定パイプ１０２に収容される。更に、伝送線１０４および振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mは固定パイプ１０２に固定されていないが固定パイプ１０２に収容されるので、伝送線１０４および振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mは、固定パイプ１０２内で滑動することができる。特に、振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mは外部電力を必要とせず、自身が振動するか否かを検知することができる。振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mは伝送線１０４に接して配置される。更に、振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mはそれぞれ、伝送線１０４に収容されるワイヤL1_1〜L1_n，L2_1〜L2_mに電気的に接続される（詳細は後に順序立てて述べるが、図２Ｂ、図２Ｃ、図３を参照されたい）。このようにして、振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mは検知された振動エネルギーを電流により電気信号に変換してよく、生成された電気信号は伝送線１０４内の対応するワイヤL1_1〜L1_n，L2_1〜L2_mによって伝送されてよい。更に、振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mのうち振動検知装置SD1_1〜SD1_nは砂岩層１２２の内部に配置され、振動検知装置SD2_1〜SD2_mはモニタリング地点１１４と砂岩層１２２との間（すなわち砂岩層１２２の外）に配置される。

分析装置１０６は、河床１２０の上方のモニタリング地点１１４に位置し、伸線装置１００および伝送線１０４に接続される。分析装置１０６は、従来のコンピューター、タブレットコンピューターまたはスマートフォンであってよく、有線接続または無線接続により伸線装置１００および伝送線１０４に接続されてよい。特に、分析装置１０６は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）によって実施されてもよいし、記憶装置に格納されたプログラムコードによって命令されるプロセッサによって実施されてもよく、本願では限定されない。記憶装置は、リード・オンリー・メモリ（ＲＯＭ）、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、フロッピー（登録商標）ディスク、光学データ記憶装置等であってよく、本願では限定されない。分析装置１０６は、振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mに対応する電気信号を伝送線１０４内のワイヤL1_1〜L1_n，L2_1〜L2_mから受信し、伸線装置１００により伸線装置１００の伸線エンコーダ１１２から送出された伝送線１０４の送出長さを取得し、振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mに対応する電気信号と伝送線１０４の送出長さとに従って分析を実行して、砂岩層１２２の洗掘深さを決定しモニタリングを実行する。

詳細には図２Ａ〜２Ｃを参照されたい。図２Ａは、図１に示される固定パイプ１０２の外部の概略図である。図２Ｂは、図１に示される砂岩層１２２内の固定パイプ１０２と、振動検知装置SD1_1〜SD1_nと、伝送線１０４との概略図である。図２Ｃは、図１に示される、砂岩層１２２が洗掘され低くなった場合の砂岩層１２２内の固定パイプ１０２と、振動検知装置SD1_1〜SD1_nと、伝送線１０４との概略図である。図２Ａに示されるように、固定パイプ１０２は、孔２００を有する中空の鋼管である。固定パイプ１０２は、鉄やアルミニウム等の他の材料から成る他の中空管であってよく、本願では限定されない。固定パイプ１０２の管径は、伝送線１０４の線径および振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mそれぞれの体積よりも大きい。固定パイプ１０２は、伝送線１０４および振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mを収容可能である。更に、孔２００の形状は円形、四角形、ひし形、矩形等とすることができ、本願では限定されない。また、孔２００の数は実際の要件に従って変更されてよい。孔２００は、砂岩層１２２外の振動検知装置SD2_1〜SD2_mが固定パイプ１０２を流れる水を検知し、砂岩層１２２内の振動検知装置SD1_1〜SD1_nおよび伝送線１０４が固定パイプ１０２を流れる砂岩によって被覆されることによって固定されるように、水流または砂岩を固定パイプ１０２に通すのに利用される。

図２Ｂに示されるように、砂岩層１２２内部の固定パイプ１０２において、砂岩（すなわち図２Ｂの斜線部分）が固定パイプ１０２を通り、振動検知装置SD1_1〜SD1_nが水流によって振動しないように、伝送線１０４および振動検知装置SD1_1〜SD1_nを被覆する。更に、振動検知装置SD1_1〜SD1_nは、伝送線１０４上の異なる位置に均等に配置される。配置される位置は固定ではなく、実際の要件に従って変更されてよい。更に、振動検知装置SD1_1〜SD1_nは、振動検知装置SD1_1〜SD1_nによって生成された電気信号をワイヤL1_1〜L1_nに伝送するために、伝送線１０４内の対応するワイヤL1_1〜L1_nに電気的に接続される。

更に、砂岩層１２２が洗掘され低下した場合、図２Ｂに示されるように、固定パイプ１０２を通り伝送線１０４および振動検知装置SD1_1〜SD1_nを被覆する砂岩が洗掘深さＨまで洗掘され低下する可能性があり、結果として、振動検知装置SD1_1，SD1_2は砂岩によって固定されなくなる。その一方で、伝送線１０４の重力と、伝送線１０４に作用する水流によってもたらされる推力とに従って、伝送線１０４は送出長さＬだけ送出されるが、これはおおよそ河床１２０上方の伸線装置１００からの洗掘深さＨである。

そのような状況において、河床１２０上方の分析装置１０６は、振動検知装置SD1_1〜SD1_nが振動したか否かについての情報を取得するために、振動検知装置SD1_1〜SD1_nによって生成された電気信号を伝送線１０４のワイヤL1_1〜L1_nを通じて受信し、分析を実行し、対応する検知結果RES1_1〜RES1_nを生成する。例えば、分析装置１０６は、振動検知装置SD1_1によって生成された電気信号の電圧が所定値よりも大きい場合に振動検知装置SD1_1が振動したと判定してよく、そして対応する検知結果RES1_1を生成して、振動検知装置SD1_1が振動したことを示す。図２Ｃでは、振動検知装置SD1_1，SD1_2が砂岩によって被覆されておらず水流によって振動するので、分析装置１０６によって生成される検知結果RES1_1，RES1_2は振動検知装置SD1_1，SD1_2が振動したことを示し、分析装置１０６は、砂岩層１２２が洗掘され低下したという情報を取得する。更に、分析装置１０６が伸線装置１００の伸線エンコーダ１１２から伝送線１０４の送出長さＬを取得した後、分析装置１０６が砂岩層１２２の洗掘についての情報を取得する状況下において、分析装置１０６は、河床１２０の洗掘深さＨが送出長さＬであると正確に決定してよい。

別の観点では、伝送線１０４に配置される振動検知装置SD1_1，SD1_2の間隔に従って、分析装置１０６は伝送線１０４に配置される振動検知装置SD1_1，SD1_2の分布全長を計算し、振動検知装置SD1_1，SD1_2の分布全長と送出長さＬとを比較して、分布全長が送出長さＬとマッチするかまたは送出長さＬに近いか否かを確認してもよい。分析装置１０６が比較を行って振動検知装置SD1_1，SD1_2の分布全長が送出長さＬとマッチすることが分かった場合、分析装置１０６は更に、河床１２０の洗掘深さＨがほぼ送出長さＬであると判定してよい。

換言すると、環境モニタリングシステム１０は、外部電力に依存せずに振動エネルギーを電気信号に変換する機能をもつ振動検知装置SD1_1〜SD1_nを利用し、振動検知装置SD1_1〜SD1_nを伝送線１０４上に配置し、砂岩層１２２が洗掘される前に振動検知装置SD1_1〜SD1_nが砂岩層１２２に被覆されるようにする。砂岩層１２２が洗掘され低下すると、環境モニタリングシステム１０は、振動検知装置SD1_1〜SD1_nによって生成された電気信号を伝送線１０４から受信することができ、砂岩層１２２が洗掘されたという情報を取得することができる。更に、環境モニタリングシステム１０は、伝送線１０４の送出長さに従って河床１２０の洗掘深さを判定する。それにより、環境モニタリングシステム１０は、正確にモニタリングを実行するために、伝送線１０４を通じて振動検知装置SD1_1〜SD1_nに電力を提供することなく、河床１２０の洗掘深さの情報を容易に取得する。

更に、環境モニタリングシステム１０は更に、砂岩層１２２外の振動検知装置SD2_1〜SD2_mを利用することにより、河床１２０の水位および水流速をモニタリングしてよい。具体的には図３を参照されたい。図３は、図１に示される、砂岩層１２２外の固定パイプ１０２と、振動検知装置SD2_1〜SD2_mと、伝送線１０４との概略図である。図３に示されるように、伝送線１０４および振動検知装置SD2_1〜SD2_mは固定パイプ１０２に収容され、橋梁基礎１３０の縁に沿って配置される。固定パイプ１０２において、水流（すなわち図３の斜線部分）は固定パイプ１０２を通り、振動検知装置SD2_1〜SD2_mのうち振動検知装置SD2_x〜SD2_mを流れることができる。そのような状況において、振動検知装置SD2_x〜SD2_mが水流によって振動し、残りの振動検知装置SD2_1〜SD2_x-1が気流によって振動する。

したがって、河床１２０上方の分析装置１０６は、振動検知装置SD2_1〜SD2_mによって生成された電気信号を伝送線１０４のワイヤL2_1〜L2_mを通じて受信し、分析を実行して、振動検知装置SD2_1〜SD2_mの振動度の情報を取得する。例えば、分析装置１０６は、振動検知装置SD2_1〜SD2_mによって生成された電気信号の電圧に従って、振動検知装置SD2_1〜SD2_mの振動度を生成してよい。或いは、分析装置１０６は、まず振動検知装置SD2_1〜SD2_mによって生成された電気信号のエネルギーを計算し、それに従って振動検知装置SD2_1〜SD2_mの振動度を生成してよく、これは実際の要件に従って変更されてよい。更に、水流によってもたらされる振動エネルギーは気流によってもたらされる振動エネルギーよりも大きいので、分析装置１０６は、振動検知装置SD2_1〜SD2_mの振動度に従って、水流によって振動した振動検知装置SD2_x〜SD2_mを判定する。

更に、振動検知装置SD2_1〜SD2_mはまず伝送線１０４に配置されてから、橋梁基礎１３０の縁に沿って砂岩層１２２に接続する固定パイプ１０２の中に設置されるので、水平基準点に関する振動検知装置SD2_1〜SD2_mの水平レベルは予め測定し計算することによって取得されてよく、また、分析装置１０６に保存されてよい。したがって、分析装置１０６は、振動検知装置SD2_1〜SD2_mの水平レベルの情報に従って振動検知装置SD2_x〜SD2_mの水平レベルの中の最高レベルを決定し、振動検知装置SD2_xの水平レベルである河床１２０の水位を取得してよい。更に、水流速と振動検知装置の振動度との関係が速度決定情報として測定および記録されてよく、分析装置１０６に保存されてよいので、分析装置１０６は、振動検知装置SD2_x〜SD2_mの水平レベルでの水流速を決定するために、保存された決定情報に従って、振動検知装置SD2_x〜SD2_mに対応する振動度に対応する水流速を取得してよい。

特に、振動検知装置SD2_1〜SD2_mは固定パイプ１０２内で固定されないので、砂岩層１２２が洗掘され低下すると、振動検知装置SD2_1〜SD2_mの水平レベルは予め記録された水平レベルよりも低くなる可能性があり、また、伝送線１０４は河床１２０上方のモニタリング地点１１４から洗掘深さの長さだけ送出される可能性がある。そのような状況において、分析装置１０６によって取得された水位と、上記で決定された河床の洗掘深さとに従って、より正確な水位が計算される。或いは、別の実施形態では、水位および河床１２０の水流速のみをモニタリングするために、振動検知装置SD2_1〜SD2_mが伝送線１０４と共に固定パイプ１０２内で固定されてよい。その結果、振動検知装置SD2_1〜SD2_mが固定パイプ１０２内で固定され、より低い位置の砂岩による影響を受けなくなるので、分析装置１０６は、振動検知装置SD2_1〜SD2_mの水平レベルに従って、水位と対応する水流速とを直接的に取得してよい。

換言すると、環境モニタリングシステム１０は河床１２０の洗掘深さを決定してよく、更に環境モニタリングシステム１０は、外部電力に頼ることなく振動エネルギーを電気信号に変換する特性をもつ振動検知装置SD2_1〜SD2_mを利用し、伝送線１０４上の振動検知装置SD2_1〜SD2_mによって検知された振動度に従って、河床１２０の水位および対応する水流速の情報を容易に取得して、正確にモニタリングを実行する。

したがって、環境モニタリングシステム１０は、河床１２０の洗掘深さ、水位および水流速の情報を得るために、振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mによって生成された電気信号に従って環境変化ステータスを判定してよい。振動検知装置SD1_1〜SD1_n，SD2_1〜SD2_mの実現に関して、当該技術分野の当業者はそれに従って変更および代替を行ってよく、限定されない。具体的には図４を参照されたい。図４は、本発明の実施形態に係る振動検知装置４０のコンポーネントの側面図である。図４に示されるように、振動検知装置４０は、第１の滑りレール４００、第２の滑りレール４０１、第１のコイル板４０２、第２のコイル板４０４、第１の磁性固定要素４０６、第２の磁性固定要素４０８および可動磁性要素４１０を備える。振動検知装置４０は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて実施されてよく、その体積は非常に小さい（例えば１３２立方ミリメートル）。振動検知装置４０は外部電力を受け取る必要がなく、検知された振動エネルギーを電気信号に変換することができる。電気信号は、第１のコイル板４０２および第２のコイル板４０４によって出力されるか、或いは、第１のコイル板４０２および第２のコイル板４０４を共に組み合わせることによって出力される。

詳細には、第１のコイル板４０２および第２のコイル板４０４はｚ軸方向に互いに平行に配置され、長い棒状の第１の滑りレール４００および第２の滑りレール４０１は、第１のコイル板４０２と第２のコイル板４０４との間にｘ軸方向に配置される。簡潔にするために、第２の滑りレール４０１を遠近法で示す。第１の磁性固定要素４０６、第２の磁性固定要素４０８および可動磁性要素４１０が第１の滑りレール４００と第２の滑りレール４０１とに挟まれるように、第２の滑りレール４０１の構造は第１の滑りレール４００に対応する。第１のコイル板４０２は金属コイル４２０，４２４、基板４２２および金属連結穴４２５を備え、第２のコイル板４０４は金属コイル４２６，４３０、基板４２８および金属連結穴４３１を備える。金属コイル４２０，４２４，４２６，４３０は金属材料から成り、らせん状（或いは閉平面として取り囲む他の形状）のものとして円形の金属コイルを形成する。金属コイル４２０，４２４，４２６，４３０はそれぞれ基板４２２，４２８の上面および下面に配置され、金属連結穴４２５，４３１を貫通することにより、それぞれ互いに直列に接続される。第１のコイル板４０２を例に取ると、金属連結穴４２５は基板４２２を貫通し、基板４２２の上面に配置される金属コイル４２０を基板４２２の下面に配置される金属コイル４２４と直列に接続する。同様に、金属連結穴４３１は基板４２８を貫通し、基板４２８の上面に配置される金属コイル４３０を基板４２８の下面に配置される金属コイル４２６と直列に接続する。金属コイル４２０，４２４，４２６，４３０の巻数は２４巻きまたは４８巻きであってよく、本願では限定されず、実際の収容可能な体積に従って変更されてよい。更に、基板４２２に配置される金属コイル４２０または４２４は更に、基板４２８に配置される金属コイル４２６または４３０に直列に接続されてよく、３次元積層コイル構造が形成されるので、金属コイル４２０，４２４，４２６，４３０は、体積が制限された中で巻数を増やしたり、コイルを貫通させて直列に接続させたり、２つのコイルを直列に接続したりすることにより、生成される電気信号の電圧を効果的に増大させることができる。

別の観点では、第１の磁性固定要素４０６、第２の磁性固定要素４０８および可動磁性要素４１０は、任意にネオジム−鉄−ホウ素（ＮｄＦｅＢ）材料等の永久磁石要素で形成されるが、本願では限定されない。第１の磁性固定要素４０６および第２の磁性固定要素４０８は、第１の滑りレール４００および第２の滑りレール４０１のｘ軸方向の２つの末端にそれぞれ固定される。可動磁性要素４１０の高さは、第１のコイル板４０２の金属コイル４２４と第２のコイル板４０４の金属コイル４３０との距離に実質的に等しいので、可動磁性要素４１０は、第１のコイル板４０２の金属コイル４２４と第２のコイル板４０４の金属コイル４３０との間に挟まれ、ｘ軸方向に滑動する。更に、図示の都合上、図４では第１の磁性固定要素４０６、第２の磁性固定要素４０８および可動磁性要素４１０の磁極性がポールサイン（pole signs）として直接示される。第１の磁性固定要素４０６および第２の磁性固定要素４０８は、ｘ軸の正の方向にＳ磁極をもち、ｘ軸の負の方向にＮ磁極をもつ。可動磁性要素４１０は、ｘ軸の正の方向にＮ磁極をもち、ｘ軸の負の方向にＳ磁極をもつ。

そのような状況において、第１の磁性固定要素４０６と第２の磁性固定要素４０８は、それぞれ可動磁性要素４１０と第１の磁力反発Ｆ１と第２の磁力反発Ｆ２を発生させる。可動磁性要素４１０が外力によってｘ軸方向に動くと、可動磁性要素４１０の第１の磁性固定要素４０６および第２の磁性固定要素４０８との距離が変化する。２つの磁性要素間の距離が小さいほど、大きな磁力反発が発生する。よって、第１の磁力反発Ｆ１および第２の磁力反発Ｆ２は距離の変化に対応して変化し、結果として、可動磁性要素４１０は第１の磁性固定要素４０６と第２の磁性固定要素４０８との間で力を受け振動する。更に、ファラデーの法則に従って、導電性の閉ループにおいてループの磁束が継時的に変化する場合、ループは誘導電流および誘導電圧を生む。その結果、可動磁性要素４１０は金属コイル４２０（および４２４）と金属コイル４２６（および４３０）との間で振動するので、可動磁性要素４１０は、金属コイル４２０，４２４，４２６，４３０の閉ループにおいて、電流および電圧と共に電気信号を誘導する。

換言すると、可動磁性要素４１０がｘ軸方向の振動によって移動する場合、振動検知装置４０は、第１の磁性固定要素４０６、第２の磁性固定要素４０８および可動磁性要素４１０によって形成される仮想のカンチレバー構造（該構造は、物理的に構築され接続される構造物の代わりに磁力反発力によって構成されるので、「仮想」と呼ぶ）を利用して、可動磁性要素４１０を軸方向に往復運動させ、ｘ軸方向に検知される振動エネルギーに従って、金属コイル４２０，４２４，４２６，４３０により電気信号を誘導する。したがって、振動検知装置４０は物理的な接続構造の剛性の制限を避けることができ、検知される振動の周波数範囲を拡大することができる。例えば、振動検知装置４０は、周波数１Ｈｚ〜１０００Ｈｚの振動を検知してよく、結果として、より一般的な需要に応えられるように、生成される電気信号は振動の周波数およびエネルギーにより正確に応答することができる。

更に、図５Ａおよび図５Ｂを参照されたい。図５Ａおよび図５Ｂは、図４に示される振動検知装置の動作状況の概略図である。第一に、図５Ａに示されるように、振動検知装置４０が振動すると、可動磁性要素４１０はｘ軸方向に外力を受け、磁気平衡から逸脱し、第１の磁性固定要素４０６に向かって移動する。可動磁性要素４１０と第１の磁性固定要素４０６との距離が徐々に縮まり、第１の磁力反発Ｆ１が徐々に強化される。徐々に強化される第１の磁力反発Ｆ１により、第１の磁性固定要素４０６に向かって移動している可動磁性要素４１０は最終的に停止し、第２の磁性固定要素４０８に向かって押される。それから、図５Ｂに示されるように、可動磁性要素４１０は第１の磁力反発Ｆ１によって押されて、磁気平衡を進んで第２の磁性固定要素４０８に向かうので、可動磁性要素４１０と第２の磁性固定要素４０８との距離が徐々に縮まり、第２の磁力反発Ｆ２が徐々に強化される。徐々に強化される第２の磁力反発Ｆ２により、第２の磁性固定要素４０８に向かっている移動している可動磁性要素４１０は停止し、再び第１の磁性固定要素４０６に向かって押される。最終的に、可動磁性要素４１０は、滑りレール４００に沿ってｘ軸方向に往復運動し、閉の金属コイル４２０，４２４，４２６，４３０により、連続して電気信号を誘導する。振動検知装置４０が振動しなくなると、往復運動する可動磁性要素４１０の距離は外部摩擦によって徐々に縮まり、可動磁性要素４１０は平衡状態で停止する（図４に示されるように）。

このように、振動検知装置４０は、金属コイル４２０，４２４，４２６，４３０と、第１の磁性固定要素４０６、第２の磁性固定要素４０８および可動磁性要素４１０によって形成される仮想のカンチバレー構造とを利用して、外部環境の振動エネルギーを電気信号に変換する。電気信号の電圧は振動エネルギーに比例するので、振動検知装置４０は外部電力を受け取る必要がなく振動エネルギーの量を感知することができる。更に、可動磁性要素４１０はｘ軸方向に沿って移動するように拘束されるので、振動検知装置４０は、特定の方向（すなわちｘ軸方向）の振動を検知することができる。更に、振動検知装置４０は、同じタイプの振動検知装置と柔軟に組み合わせて、異なる方向（例えばｙ軸方向またはｚ軸方向）の振動を検知してよく、そうすることにより、振動検知装置４０が特定の方向の振動を正確に検知することに加えて複数の方向の振動を検知するという拡張性を有することができる。

要するに、本発明の環境モニタリングシステム１０は、河床下の砂岩層に被覆された振動検知装置を外部電力なしで利用することにより、河床下の砂岩層が洗掘されたか否かの情報を容易に取得し、河床の洗掘深さを正確に決定する。更に、本発明の環境モニタリングシステム１０はまた、振動検知装置を利用することにより河床の水位および水流速を決定して、河床の水流によって生じる振動を検知する。当該技術分野の当業者であれば、適宜変更および変更を行うことができる。例えば、現在の実施形態では、砂岩層１２２が洗掘されて低下した場合、環境モニタリングシステム１０は、伝送線１０４の重力と伝送線１０４に作用する水流によってもたらされる推力とに従って、伸線装置１００からの伝送線１０４の送出長さＬを取得する。別の実施形態では、環境モニタリングシステム１０は更に、側鉛や鉄球等の重い物体を配置してよい。砂岩層１２２が洗掘され低下すると、砂岩によって被覆されない側鉛または鉄球により伝送線が送出され、結果として、送出長さＬを取得することができる。送出長さＬを洗掘深さＨに更に近づける方法は、実際の要件に従って変更されてよく、本願では限定されない。更に、上記の実施形態では河床１２０を例にとって、環境モニタリングシステム１０により、河床１２０の洗掘深さ、水位、水流速等の環境変化ステータスをどのようにモニタリングするのかを説明した。しかしながら、環境モニタリングシステム１０は、河床のモニタリングを目的とする利用に限定されない。環境モニタリングシステム１０は、湖底または海底の洗掘状態のモニタリングに利用されてもよく、また、沖合の風力タービン、石油採掘装置等の設備と協働して、該設備が正常に稼働するようにしてもよい。

更に、振動検知装置４０は、河床の洗掘深さ、水位、水流速をモニタリングするために環境モニタリングシステム１０に適用される。更に、振動検知装置４０は、任意の特定の方向の振動を検知し対応する工程を実行するように、振動検知を必要とする他の装置（例えばタブレットコンピューターやスマートフォン）に適用されてもよい。更に、現在の実施形態では、第１の磁力反発Ｆ１および第２の磁力反発Ｆ２を生成するために、振動検知装置４０の第１の磁性固定要素４０６および第２の磁性固定要素４０８は、ｘ軸の正の方向にＳ磁極をもち、ｘ軸の負の方向にＮ磁極をもつ。また、可動磁性要素４１０は、ｘ軸の正の方向にＮ磁極をもち、ｘ軸の負の方向にＳ磁極をもつ。一方、他の実施形態では、振動検知装置４０の第１の磁性固定要素４０６および第２の磁性固定要素４０８は、ｘ軸の正の方向にＮ磁極をもち、ｘ軸の負の方向にＳ磁極をもつ。また、可動磁性要素４１０は、ｘ軸の正の方向にＳ磁極をもち、ｘ軸の負の方向にＮ磁極をもつ。これにより、第１の磁性固定要素４０６と第２の磁性固定要素４０８は、それぞれ可動磁性要素４１０と共に第１の磁力反発Ｆ１と第２の磁力反発Ｆ２を生成することができるが、本願では限定されない。

要するに、河床が急速に洗掘され低下すると、橋梁基礎が著しく露出し、橋梁基礎が沈下したり、傾いたり、横にずれたり、更には倒壊したりするおそれがある。本発明は、外部電力を要さない振動検知装置を利用して、容易かつ正確に河床の洗掘深さをモニタリングすることができ、橋梁基礎が洗掘されるといった災害を防ぐことができる。

当該技術分野の当業者であれば、本発明の教示を留めながら本装置および本方法に多くの変更および代替を行えることが、容易に分かるであろう。したがって、上記の開示は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されると解釈されるものである。

Claims (20)

1. 河床、湖底または海底の環境変化ステータスをモニタリングするように構成される環境モニタリングシステムであって、
   前記河床、前記湖底または前記海底の上方のモニタリング地点に配置され、伝送線を出し引きするように構成される伸線装置と、
   前記モニタリング地点と前記河床、前記湖底または前記海底の構造層の内部との間に配置され、前記伝送線を収容して、前記構造層の前記内部から前記伸線装置まで前記伝送線を引くように構成される、固定パイプと、
   前記伝送線内の複数のワイヤに電気的に接続され、検知された振動エネルギーを相当するように複数の電気信号に変換し、前記複数の電気信号を前記伝送線を通じて伝送するように構成される、複数の振動検知装置と、
   前記伸線装置および前記伝送線に結合され、前記伸線装置からの前記伝送線の送出長さを取得し、前記複数の電気信号を前記伝送線から受信し、前記送出長さおよび前記複数の電気信号に従って前記環境変化ステータスを決定して、モニタリングを実行するように構成される分析装置と、
   を備える環境モニタリングシステム。
2. 前記伸線装置は、
   伝送線を出し引きするように構成される伸線機と、
   前記伸線機に接続され、前記伸線機によって出し引きされた前記伝送線の長さを計測するように構成される伸線エンコーダと、
   を有する、請求項１に記載の環境モニタリングシステム。
3. 前記固定パイプは、孔を有するパイプであり、前記複数の振動検知装置および前記伝送線は、共に前記固定パイプ内に固定される、
   請求項１に記載の環境モニタリングシステム。
4. 前記複数の振動検知装置は複数の第１の振動検知装置および複数の第２の振動検知装置を有し、前記複数の第１の振動検知装置は、前記構造層の前記内部の前記伝送線の一部の異なる位置に均等に配置され、前記構造層によって被覆されることにより前記伝送線と共に固定され、前記複数の第２の振動検知装置は、前記構造層外の前記伝送線の一部の異なる位置に配置され、前記構造層が洗掘され低下すると、前記複数の第１の振動検知装置のうち、洗掘が原因で前記構造層によって被覆されていない第１の振動検知装置に振動があり、前記伝送線が前記伸線装置から重力によって出される、
   請求項１に記載の環境モニタリングシステム。
5. 前記分析装置は、複数の検知結果に従って、前記複数の第１の振動検知装置のうち振動のある前記第１の振動検知装置を決定し、前記伝送線に配置された前記複数の第１の振動検知装置のうち振動のある前記第１の振動検知装置の分布全長を計算して、前記分布全長が前記送出長さとマッチする場合に、前記送出長さを前記環境変化ステータスの洗掘深さとして決定する、
   請求項４に記載の環境モニタリングシステム。
6. 前記分析装置は、前記複数の電気信号に対して分析を実行し、前記複数の第２の振動検知装置の振動度を取得し、前記複数の第２の振動検知装置の前記振動度に従って、前記環境変化ステータスの水位および水流速を決定する、
   請求項４に記載の環境モニタリングシステム。
7. 前記分析装置は、前記複数の第２の振動検知装置の前記振動度に従って、前記複数の第２の振動検知装置のうち、水流によって生じた振動がある第２の振動検知装置を決定し、前記複数の第２の振動検知装置のうち前記水流によって生じた振動がある前記第２の振動検知装置の水平レベルから最高レベルを取得して、前記最高レベルを前記環境変化ステータスの前記水位として決定する、
   請求項６に記載の環境モニタリングシステム。
8. 前記分析装置は、前記複数の第２の振動検知装置のうち、水流によって生じた振動がある第２の振動検知装置の前記振動度を、水流速と振動度との関係を記録する速度決定情報と比較して、前記環境変化ステータスの前記水流速を取得する、
   請求項６に記載の環境モニタリングシステム。
9. 第１の基板、第１の金属コイル、第２の金属コイルおよび第１の金属連結穴を有する第１のコイル板であって、前記第１の金属コイルと前記第２の金属コイルは前記第１の基板の上面と下面に配置され、前記第１の基板の前記第１の金属連結穴を貫通することにより、互いに直列に接続される、第１のコイル板と、
   前記第１のコイル板と実質的に平行に配置され、第２の基板、第３の金属コイル、第４の金属コイルおよび第２の金属連結穴を有する第２のコイル板であって、前記第３の金属コイルと前記第４の金属コイルは前記第２の基板の上面と下面に配置され、前記第２の基板の前記第２の金属連結穴を貫通することにより、互いに直列に接続される、第２のコイル板と、
   前記第１のコイル板と前記第２のコイル板との間に配置される第１の滑りレールおよび第２の滑りレールと、
   前記第１の滑りレールおよび前記第２の滑りレールの一端に固定される第１の磁性固定要素と、
   前記第１の滑りレールおよび前記第２の滑りレールの別の末端に固定される第２の磁性固定要素と、
   前記第１の滑りレールおよび前記第２の滑りレールに挟まれ、前記第１の磁性固定要素と前記第２の磁性固定要素との間に配置され、前記第１の磁性固定要素と前記第２の磁性固定要素と共にそれぞれ第１の磁力反発と第２の磁力反発を発生させる可動磁性要素と、
   を備える振動検知装置。
10. 前記可動磁性要素が外力によって移動すると、前記第１の磁力反発および前記第２の磁力反発は、前記可動磁性要素の前記第１の磁性固定要素および前記第２の磁性固定要素に関する距離の変化によって変化し、前記可動磁性要素は、変化する前記第１の磁力反発と変化する前記第２の磁力反発とから力を受け、前記第１の磁性固定要素と前記第２の磁性固定要素との間で振動し、前記第１の金属コイル、前記第２の金属コイル、前記第３の金属コイルおよび前記第４の金属コイルと共に電磁誘導を生じ、電気信号を生成する、
    請求項９に記載の振動検知装置。
11. 前記振動検知装置は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術によって実施され、前記第１の磁性固定要素、前記第２の磁性固定要素および前記可動磁性要素は、任意にネオジム−鉄−ホウ素（ＮｄＦｅＢ）材料等の永久磁石要素で形成される、
    請求項９に記載の振動検知装置。
12. 前記第１の金属コイル、前記第２の金属コイル、前記第３の金属コイルおよび前記第４の金属コイルは、それぞれ閉平面として取り囲み、それぞれ前記第１の基板および前記第２の基板の両面に配置される、
    請求項９に記載の振動検知装置。
13. 生成される電気信号の電圧が増大するように、前記第１のコイル板に配置された上面のコイルおよび下面のコイルは、前記第２のコイル板に配置された上面のコイルおよび下面のコイルと直列に接続され、３次元積層コイル構造が形成される、
    請求項１２に記載の振動検知装置。
14. 前記可動磁性要素は前記第１のコイル板および前記第２のコイル板に接し、前記可動磁性要素は、前記第１の磁性固定要素および前記第２の磁性固定要素の接続方向に沿って前記第１の滑りレールと前記第２の滑りレールとの間を振動するように、前記第１の滑りレールと前記第２の滑りレールとの間に挟まれる、
    請求項９に記載の振動検知装置。
15. 前記可動磁性要素の高さは、前記第１のコイル板と前記第２のコイル板との距離に実質的に等しい、
    請求項１４に記載の振動検知装置。
16. 前記可動磁性要素が外力により前記第１の磁性固定要素に向かって移動するとき、前記可動磁性要素の前記第１の磁性固定要素に関する距離が縮まるにつれて、前記第１の磁力反発は強化され、前記可動磁性要素を前記第２の磁性固定要素に向かって押し、一方、前記可動磁性要素の前記第２の磁性固定要素に関する距離が縮まるにつれて、前記第２の磁力反発は強化され、前記可動磁性要素を前記第１の磁性固定要素に向かって押し、結果として、前記可動磁性要素が前記第１の磁性固定要素と前記第２の磁性固定要素との間で振動する、
    請求項９に記載の振動検知装置。
17. 第１の磁極を有する前記第１の磁性固定要素の末端は、前記第１の磁極を有する前記可動磁性要素の末端に隣接して、前記第１の磁力反発を発生させ、第２の磁極を有する前記第２の磁性固定要素の末端は、前記第２の磁極を有する前記可動磁性要素の末端に隣接して、前記第２の磁力反発を発生させる、
    請求項９に記載の振動検知装置。
18. 前記可動磁性要素が前記第１の磁性固定要素と前記第２の磁性固定要素との間で振動するとき、前記第１の金属コイルおよび前記第２の金属コイルによって形成される閉電流ループの前記可動磁性要素に関する磁束が変化し、結果として、前記第１の金属コイルおよび前記第２の金属コイルが電流を誘導し、電気信号が生成される、
    請求項９に記載の振動検知装置。
19. 前記可動磁性要素が前記第１の磁性固定要素と前記第２の磁性固定要素との間で振動するとき、前記第３の金属コイルおよび前記第４の金属コイルによって形成される閉電流ループの前記可動磁性要素に関する磁束が変化し、結果として、前記第３の金属コイルおよび前記第４の金属コイルが電流を誘導し、電気信号が生成される、
    請求項９に記載の振動検知装置。
20. 河床、湖底または海底の環境変化ステータスをモニタリングするように構成される環境モニタリングシステムであって、
    前記河床、前記湖底または前記海底の上方のモニタリング地点に配置され、伝送線を出し引きするように構成される伸線装置と、
    前記モニタリング地点と前記河床、前記湖底または前記海底の構造層の内部との間に配置され、前記伝送線を収容して、前記構造層の前記内部から前記伸線装置まで前記伝送線を引くように構成される、固定パイプと、
    請求項９に記載の複数の振動検知装置であって、前記伝送線内の複数のワイヤに電気的に接続され、検知された振動エネルギーを相当するように複数の電気信号に変換し、前記複数の電気信号を前記伝送線を通じて伝送するように構成される、複数の振動検知装置と、
    前記伸線装置および前記伝送線に結合され、前記伝送線の前記伸線装置による送出長さを取得し、前記複数の電気信号を前記伝送線から受信し、前記送出長さおよび前記複数の電気信号に従って前記環境変化ステータスを決定して、モニタリングを実行するように構成される分析装置と、
    を備える環境モニタリングシステム。

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