JP5958098B2 - 誘電率測定装置及び誘電率測定方法 - Google Patents
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Description
土壌や雪のような測定対象物質100の誘電率は、その測定対象物質100の中に置かれた一対の電極101及び電極102の間の静電容量から求めることができる。静電容量と測定対象物質100の誘電率との関係は、最も単純な場合、対向する一対の平行平板電極についての次式(1)で表すことができる。
式(1)において、Cは静電容量、εは測定対象物質100の誘電率、Sは電極101及び電極102の面積、dは電極101と電極102の間の距離である。
図2及び図3は誘電率測定装置の一例を示す図である。
誘電率測定装置10は、上記のような4つの電極アレイ、即ち、第1電極11a群、第2電極11b群、第3電極12a群及び第4電極12b群を、測定モード切り換え部15を用いて組み合わせ、静電容量について2種類の測定を行う。1つ目は、第1検知部11の第1電極11a群と第2電極11b群の間の静電容量測定、及び第2検知部12の第3電極12a群と第4電極12b群の間の静電容量測定を含む測定(第1測定)である。2つ目は、第1検知部11と第2検知部12の間の静電容量測定を含む測定(第2測定)である。
第1測定では、第1電極11a群と第2電極11b群の間の静電容量と、第3電極12a群と第4電極12b群の間の静電容量とを測定し、それら2つの静電容量の和を第1信号として測定する。
第2測定では、第1検知部11と第2検知部12の間の静電容量を、第2信号として測定する。
尚、第1検知部11の第1電極11aと第2電極11bの間、第2検知部12の第3電極12aと第4電極12bの間には一定距離D1のスペースがあるが、このスペースは、第1検知部11と第2検知部12の間の距離D2よりも小さくなるように設定しておく。例えば、距離D1を距離D2の20%〜30%の範囲に設定する。このようにすることで、第1検知部11及び第2検知部12はそれぞれ、1つの大きな電極のように振る舞い、それらの間の静電容量(第2信号)を測定することが可能になる。
このように測定モード切り換え部15のスイッチ15a及びスイッチ15bを切り換え、第1電極11a群及び第2電極11b群を印加電極、第3電極12a群及び第4電極12b群を検出電極とし、第2信号を測定する測定モードを、第2測定モードという。
図4は第1測定時の電界の様子を模式的に示す図である。
図4には、誘電率(比誘電率)の測定対象物質20内に、第1検知部11及び第2検知部12が配置されている状況を図示している。第1検知部11は、その本体11c内部に、第1電極11a群及び第2電極11b群を含み、第1電極11aと第2電極11bとは、互いに離間して交互に配置されている。第2検知部12は、その本体12c内部に、第3電極12a群及び第4電極12b群を含み、第3電極12aと第4電極12bとは、互いに離間して交互に配置されている。
第2測定では、第1検知部11の第1電極11a群及び第2電極11b群が印加電極となり、第2検知部12の第3電極12a群及び第4電極12b群が検出電極となる。そのため、第1検知部11から第2検知部12に向かう電界33が生じる。第2測定では、2枚の電極間の静電容量を測定するのと同様にして、第1検知部11と第2検知部12の間の静電容量が測定される。
まず、隙間41及び隙間42のない状態を考えると、第1測定も第2測定も、媒体(測定対象物質20)の比誘電率にほぼ比例して第1信号及び第2信号が増加する。そのため、第1信号と第2信号とは、図6の線50(点線)に示すような関係となる。図6の線50上、太矢印51の方向ほど比誘電率が小さくなり、太矢印52の方向ほど比誘電率が大きくなる。
上記図2及び図3に示すような構成を有する誘電率測定装置10を用いた誘電率測定では、まず、測定対象物質20に第1検知部11及び第2検知部12が配置される(ステップS1)。
誘電率測定装置10は、測定モード切り換え部15のスイッチ15a及びスイッチ15bをそれぞれ接点q及び接点rに接続する(ステップS11)。これにより、誘電率測定装置10は、第1測定が行える状態(第1測定モード)となる。誘電率測定装置10は、印加電圧信号源13によって第1電極11a群及び第3電極12a群に交流電圧信号を印加し(ステップS12)、第2電極11b群及び第4電極12b群に流れる電流値を電流検出回路14によって検出する(ステップS13)。誘電率測定装置10は、検出された電流値を用い、演算部17によって、第1信号としての静電容量を算出する(ステップS14)。
続いて、上記のような誘電率測定の実施例について説明する。
ここでは、誘電率測定装置10の第1検知部11及び第2検知部12のモデルとして、図9に示すようなモデル80を用いる。モデル80では、第1検知部11と第2検知部12の間の距離D2を50mmとしている。また、モデル80では、第1電極11a、第2電極11b、第3電極12a、第4電極12bの各電極の幅D3を3mmとし、各電極間の距離(スペース)D1を12mmとしている。尚、モデル80は、第1検知部11及び第2検知部12の構造対称性、有限要素解析の簡単化等の観点から、第1検知部11及び第2検知部12の中央Cから片側の部分について設定している。
図11では、比誘電率k1と比誘電率k2について、分布データの線60aを示すデータ及び線60bを示すデータが準備されており、測定された第1信号Xm及び第2信号Ymが、2つの線60aと線60bの間にあった場合を想定する。また、隙間がない場合の比誘電率k1と比誘電率k2の時の信号から、分布データ上で隙間がない場合の線50(点線)の傾きをaとする。
上記の誘電率測定装置10では、例えば、その演算部17により、測定された第1信号Xm及び第2信号Ym、及びメモリ18に格納された分布データが用いられて、このような補間処理が実行され、測定対象物質の比誘電率kが求められる。
図12は比誘電率を求める方法の別例の説明図である。
測定対象物質の比誘電率kは、この式(3)の値を用い、k=cY’+dから求めることができる。このように、分布データを表現するための定数a、b、c、d、αの値が準備されていれば、測定された第1信号X及び第2信号Yから、比誘電率を算出することができる。
図10には、比誘電率一定の線60として、比誘電率k=1.5、k=2、k=2.5にそれぞれ対応する線60a、線60b、線60cが図示されている。それぞれの線60a、線60b、線60cを直線で近似すると、k=1.5の場合は傾き0.32、k=2の場合は傾き0.38、k=2.5の場合は傾き0.44となる。また、隙間のない場合の線50は、傾きa=1.4である。比誘電率一定の線60の傾きは、比誘電率kによって変化するが、ここでは1つの傾きの値α=0.38で代表させる。この傾きの代表値は、比誘電率k=2の場合に最も合っている値であり、比誘電率k=1.5、k=2.5の場合にはずれる。そこで、一例として比誘電率k=1.5の場合に着目し、傾きαとして代表値0.38を用いた時に、上記のような近似直線を利用する方法が有効か否かを調べる。
図13には、比誘電率k=1.5の場合の第1信号Xmと第2信号Ymの解析結果を用い、上記のような近似直線を利用する方法で、傾きαを0.38として、比誘電率kを求めた結果をグラフ91で示している。図13には、比較のため、第2信号Ymから、k=cYm+dで求めた結果をグラフ92で示している。このグラフ92は、隙間の影響が分からずに、隙間がない場合と同じ式で(隙間の影響を補正しないで)比誘電率kを計算したものに相当する。
図14に示す検知部200は、電極201を円筒202に配置し、円筒202の周りに存在する測定対象物質の誘電率(比誘電率)を測定するものである。第1検知部211と第2検知部212は、円筒202の上部と下部に分かれて配置され、それぞれが円筒202の周りにライン状の電極201が複数並設された構造になっている。第1検知部211の電極201は、互いに離間して交互に配置された複数の第1電極211aと第2電極211bを含んでいる。第2検知部212の電極201は、互いに離間して交互に配置された複数の第3電極212aと第4電極212bを含んでいる。第1電極211a群、第2電極211b群、第3電極212a群、第4電極212b群の誘電率測定装置10内での電気的接続は、上記の第1電極11a群、第2電極11b群、第3電極12a群、第4電極12b群の場合と同様とすることができる。
誘電率測定装置10に用いられるコンピュータ500は、プロセッサ501によって装置全体が制御される。プロセッサ501には、バス509を介してRAM(Random Access Memory)502と複数の周辺機器が接続されている。プロセッサ501は、マルチプロセッサであってもよい。プロセッサ501は、例えばCPU(Central Processing Unit)、MPU(Micro Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、又はPLD(Programmable Logic Device)である。また、プロセッサ501は、CPU、MPU、DSP、ASIC、PLDのうち、2種以上を組み合わせたものであってもよい。
コンピュータ500は、例えば、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されたプログラムを実行することにより、誘電率測定装置10の処理機能を実現する。コンピュータ500に実行させる処理内容を記述したプログラムは、様々な記録媒体に記録しておくことができる。例えば、コンピュータ500に実行させるプログラムをHDD503に格納しておくことができる。プロセッサ501は、HDD503内のプログラムの少なくとも一部をRAM502にロードし、プログラムを実行する。また、コンピュータ500に実行させるプログラムを、光ディスク514、メモリ装置515、メモリカード517等の可搬型記録媒体に記録しておくこともできる。可搬型記録媒体に格納されたプログラムは、例えばプロセッサ501からの制御により、HDD503にインストールされた後、実行可能となる。また、プロセッサ501が可搬型記録媒体から直接プログラムを読み出して実行することもできる。
(付記1) 第1電極及び第2電極を含む第1検知部と、
第3電極及び第4電極を含む第2検知部と、
前記第1電極と前記第2電極の間の第1静電容量と、前記第3電極と前記第4電極の間の第2静電容量との和を測定する第1測定モードと、前記第1検知部と前記第2検知部の間の第3静電容量を測定する第2測定モードとを切り換える切り換え部と
を含むことを特徴とする誘電率測定装置。
前記第2測定モードは、前記第1電極及び前記第2電極に電圧を印加して前記第3電極及び前記第4電極から検出される第2電流値に基づき、前記第3静電容量を測定する測定モードである
ことを特徴とする付記1に記載の誘電率測定装置。
検出された前記第1電流値に基づいて前記第1静電容量と前記第2静電容量との和を演算し、検出された前記第2電流値に基づいて前記第3静電容量を演算する演算部と
を含むことを特徴とする付記2に記載の誘電率測定装置。
前記演算部は、前記情報を用いて、前記測定対象物質の誘電率を演算する
ことを特徴とする付記4に記載の誘電率測定装置。
前記演算部は、測定される前記第1静電容量と前記第2静電容量との和及び前記第3静電容量を、前記第1データ及び前記第2データと比較し、前記測定対象物質の誘電率を演算する
ことを特徴とする付記5に記載の誘電率測定装置。
前記第1検知部及び前記第2検知部と前記測定対象物質との間に隙間がない時の前記第1信号と前記第2信号との関係を示す第1の一次関数と、
前記第2信号と前記測定対象物質の誘電率との関係を示す第2の一次関数と、
前記測定対象物質の誘電率が一定で前記隙間の厚みが変化した時の前記第2信号の変化率と前記第1信号の変化率との比と
を含み、
前記演算部は、
測定される前記第1静電容量と前記第2静電容量との和及び前記第3静電容量と、前記比とを用いて、第3の一次関数を取得する工程と、
前記第3の一次関数と前記第1の一次関数との交点の前記第2信号の値を取得する工程と、
前記値と前記第2の一次関数とを用いて前記測定対象物質の誘電率を演算する工程と
を含むことを特徴とする付記5に記載の誘電率測定装置。
ことを特徴とする付記1乃至7のいずれかに記載の誘電率測定装置。
第3電極及び第4電極を含む第2検知部と、
前記第1電極と前記第2電極の間の第1静電容量と、前記第3電極と前記第4電極の間の第2静電容量との和を測定する第1測定モードと、前記第1検知部と前記第2検知部の間の第3静電容量を測定する第2測定モードとを切り換える切り換え部と
を含む誘電率測定装置を用いた誘電率測定方法であって、
前記第1検知部及び前記第2検知部を、測定対象物質を挟んで配置する工程と、
前記切り換え部によって前記第1測定モードにし、前記第1静電容量と前記第2静電容量との和を測定する工程と、
前記切り換え部によって前記第2測定モードにし、前記第3静電容量を測定する工程と
を含むことを特徴とする誘電率測定方法。
ことを特徴とする付記9に記載の誘電率測定方法。
第3電極及び第4電極を含む第2検知部と、
前記第1電極と前記第2電極の間の第1静電容量と、前記第3電極と前記第4電極の間の第2静電容量との和を測定する第1測定モードと、前記第1検知部と前記第2検知部の間の第3静電容量を測定する第2測定モードとを切り換える切り換え部と
を含む誘電率測定装置を用いて誘電率を測定する誘電率測定プログラムであって、
コンピュータに、
前記切り換え部によって前記第1測定モードにし、測定対象物質を挟んで配置された前記第1検知部と前記第2検知部の、前記第1電極と前記第2電極の間の前記第1静電容量と、前記第3電極と前記第4電極の間の前記第2静電容量との和を測定し、
前記切り換え部によって前記第2測定モードにし、前記測定対象物質を挟んで配置された前記第1検知部と前記第2検知部の間の前記第3静電容量を測定する
処理を実行させることを特徴とする誘電率測定プログラム。
11,211 第1検知部
11a,211a 第1電極
11b,211b 第2電極
11c,12c 本体
12,212 第2検知部
12a,212a 第3電極
12b,212b 第4電極
13 印加電圧信号源
14 電流検出回路
15 測定モード切り換え部
15a,15b スイッチ
16 制御部
17 演算部
18 メモリ
20,100 測定対象物質
31,32,33 電界
41,42 隙間
70 分布データ
80 モデル
101,102,201 電極
103 検出ユニット
200 検知部
202 円筒
500 コンピュータ
501 プロセッサ
502 RAM
503 HDD
504 グラフィック処理装置
505 入力インタフェース
506 光学ドライブ装置
507 機器接続インタフェース
508 ネットワークインタフェース
509 バス
510 ネットワーク
511 モニタ
512 キーボード
513 マウス
514 光ディスク
515 メモリ装置
516 メモリリーダライタ
517 メモリカード
Claims (8)
- 第1電極及び第2電極を含む第1検知部と、
第3電極及び第4電極を含む第2検知部と、
前記第1電極と前記第2電極の間の第1静電容量と、前記第3電極と前記第4電極の間の第2静電容量との和を測定する第1測定モードと、前記第1検知部と前記第2検知部の間の第3静電容量を測定する第2測定モードとを切り換える切り換え部と、
前記第1静電容量と前記第2静電容量との和に対応する第1信号、及び前記第3静電容量に対応する第2信号に関する情報が格納された格納部と、
前記第1静電容量と前記第2静電容量との和、前記第3静電容量及び前記情報を用いて、前記第1検知部と前記第2検知部の間に設けられる測定対象物質の誘電率を演算する演算部と
を含み、
前記情報は、前記第1検知部及び前記第2検知部と前記測定対象物質との間に隙間がない時の前記第1信号と前記第2信号との関係を示す第1データと、前記第1検知部及び前記第2検知部と前記測定対象物質との間に隙間がある時の前記第1信号と前記第2信号との関係を示す第2データとを含み、
前記演算部は、測定される前記第1静電容量と前記第2静電容量との和及び前記第3静電容量を、前記第1データ及び前記第2データと比較し、前記測定対象物質の誘電率を演算することを特徴とする誘電率測定装置。 - 第1電極及び第2電極を含む第1検知部と、
第3電極及び第4電極を含む第2検知部と、
前記第1電極と前記第2電極の間の第1静電容量と、前記第3電極と前記第4電極の間の第2静電容量との和を測定する第1測定モードと、前記第1検知部と前記第2検知部の間の第3静電容量を測定する第2測定モードとを切り換える切り換え部と、
前記第1静電容量と前記第2静電容量との和に対応する第1信号、及び前記第3静電容量に対応する第2信号に関する情報が格納された格納部と、
前記第1静電容量と前記第2静電容量との和、前記第3静電容量及び前記情報を用いて、前記第1検知部と前記第2検知部の間に設けられる測定対象物質の誘電率を演算する演算部と
を含み、
前記情報は、
前記第1検知部及び前記第2検知部と前記測定対象物質との間に隙間がない時の前記第1信号と前記第2信号との関係を示す第1の一次関数と、
前記第2信号と前記測定対象物質の誘電率との関係を示す第2の一次関数と、
前記測定対象物質の誘電率が一定で前記隙間の厚みが変化した時の前記第2信号の変化率と前記第1信号の変化率との比と
を含み、
前記演算部は、
測定される前記第1静電容量と前記第2静電容量との和及び前記第3静電容量と、前記比とを用いて、第3の一次関数を取得し、
前記第3の一次関数と前記第1の一次関数との交点の前記第2信号の値を取得し、
前記値と前記第2の一次関数とを用いて前記測定対象物質の誘電率を演算することを特徴とする誘電率測定装置。 - 前記第1測定モードは、前記第1電極及び前記第3電極に電圧を印加して前記第2電極及び前記第4電極から検出される第1電流値に基づき、前記第1静電容量と前記第2静電容量との和を測定する測定モードであり、
前記第2測定モードは、前記第1電極及び前記第2電極に電圧を印加して前記第3電極及び前記第4電極から検出される第2電流値に基づき、前記第3静電容量を測定する測定モードである
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の誘電率測定装置。 - 前記第1電流値及び前記第2電流値を検出する検出部を含み、
前記演算部は、前記検出部によって検出された前記第1電流値に基づいて前記第1静電容量と前記第2静電容量との和を演算し、前記検出部によって検出された前記第2電流値に基づいて前記第3静電容量を演算する
ことを特徴とする請求項3に記載の誘電率測定装置。 - 前記第1検知部は、交互に並んだ複数の前記第1電極及び複数の前記第2電極を含み、
前記第2検知部は、交互に並んだ複数の前記第3電極及び複数の前記第4電極を含む
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の誘電率測定装置。 - 第1電極及び第2電極を含む第1検知部と、
第3電極及び第4電極を含む第2検知部と、
前記第1電極と前記第2電極の間の第1静電容量と、前記第3電極と前記第4電極の間の第2静電容量との和を測定する第1測定モードと、前記第1検知部と前記第2検知部の間の第3静電容量を測定する第2測定モードとを切り換える切り換え部と、
前記第1静電容量と前記第2静電容量との和に対応する第1信号、及び前記第3静電容量に対応する第2信号に関する情報が格納された格納部と、
前記第1静電容量と前記第2静電容量との和、前記第3静電容量及び前記情報を用いて、前記第1検知部と前記第2検知部の間に設けられる測定対象物質の誘電率を演算する演算部と
を含み、
前記情報は、前記第1検知部及び前記第2検知部と前記測定対象物質との間に隙間がない時の前記第1信号と前記第2信号との関係を示す第1データと、前記第1検知部及び前記第2検知部と前記測定対象物質との間に隙間がある時の前記第1信号と前記第2信号との関係を示す第2データとを含む誘電率測定装置を用いた誘電率測定方法であって、
前記第1検知部及び前記第2検知部を、前記第1検知部と前記第2検知部の間に前記測定対象物質が設けられるように配置する工程と、
前記切り換え部によって前記第1測定モードにし、前記第1静電容量と前記第2静電容量との和を測定する工程と、
前記切り換え部によって前記第2測定モードにし、前記第3静電容量を測定する工程と、
前記演算部により、測定される前記第1静電容量と前記第2静電容量との和及び前記第3静電容量を、前記第1データ及び前記第2データと比較し、前記測定対象物質の誘電率を演算する工程と
を含むことを特徴とする誘電率測定方法。 - 第1電極及び第2電極を含む第1検知部と、
第3電極及び第4電極を含む第2検知部と、
前記第1電極と前記第2電極の間の第1静電容量と、前記第3電極と前記第4電極の間の第2静電容量との和を測定する第1測定モードと、前記第1検知部と前記第2検知部の間の第3静電容量を測定する第2測定モードとを切り換える切り換え部と、
前記第1静電容量と前記第2静電容量との和に対応する第1信号、及び前記第3静電容量に対応する第2信号に関する情報が格納された格納部と、
前記第1静電容量と前記第2静電容量との和、前記第3静電容量及び前記情報を用いて、前記第1検知部と前記第2検知部の間に設けられる測定対象物質の誘電率を演算する演算部と
を含み、
前記情報は、
前記第1検知部及び前記第2検知部と前記測定対象物質との間に隙間がない時の前記第1信号と前記第2信号との関係を示す第1の一次関数と、
前記第2信号と前記測定対象物質の誘電率との関係を示す第2の一次関数と、
前記測定対象物質の誘電率が一定で前記隙間の厚みが変化した時の前記第2信号の変化率と前記第1信号の変化率との比とを含む誘電率測定装置を用いた誘電率測定方法であって、
前記第1検知部及び前記第2検知部を、前記第1検知部と前記第2検知部の間に前記測定対象物質が設けられるように配置する工程と、
前記切り換え部によって前記第1測定モードにし、前記第1静電容量と前記第2静電容量との和を測定する工程と、
前記切り換え部によって前記第2測定モードにし、前記第3静電容量を測定する工程と、
前記演算部により、測定される前記第1静電容量と前記第2静電容量との和及び前記第3静電容量と、前記比とを用いて、第3の一次関数を取得する工程と、
前記演算部により、前記第3の一次関数と前記第1の一次関数との交点の前記第2信号の値を取得する工程と、
前記演算部により、前記値と前記第2の一次関数とを用いて前記測定対象物質の誘電率を演算する工程と
を含むことを特徴とする誘電率測定方法。 - 前記第1検知部は、交互に並んだ複数の前記第1電極及び複数の前記第2電極を含み、
前記第2検知部は、交互に並んだ複数の前記第3電極及び複数の前記第4電極を含む
ことを特徴とする請求項6又は7に記載の誘電率測定方法。
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