SQUID磁束計によるインピーダンス計測システムの災害時土壌特性評価に関する研究

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K01268
• Research Institution: Kushiro National College of Technology
• Principal Investigator: 松本 和健 釧路工業高等専門学校, 電子工学科, 教授 (30342439)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 坂口 直志 釧路工業高等専門学校, 電子工学科, 教授 (80225789)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 土砂災害 / 土壌インピーダンス / 四探針法 / SQUID磁束計 / 磁気シールド

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，土砂災害の発生予防評価手法の提案と検討を行っている。評価手法は土壌表面から数mの範囲を四探針法により，10mから数百mの範囲をSQUID磁束計によるRMS法によって土壌インピーダンスの測定をする。本研究の主たる目的は，土壌の複素インピーダンスを測定することにより，土壌の粒形と含水率を評価できることを提案することと，土砂災害の評価に有益な情報を提供できるかについて検証することを目的としている。
平成27年度の研究実績は，外部に公開するまでに至らなかったが，以下の成果を得ている。
四探針法による土壌のインピーダンス計測では，土砂災害と土壌粒形の関係を明確にする評価手法として提案する。そのために複素インピーダンス測定について検討を行った。土壌粒形の異なる珪藻土を準備し，モデル実験を行った。土壌粒形をパラメータとして実験条件を変えて複素インピーダンスの測定を行った。測定結果より，粒形が小さいほうがより低周波数でインピーダンスの位相変化が生じることが分かった。
SQUID磁束計によるRMS法に関連して，複素インピーダンスの計測周波数帯である10MHzの遮断周波数を目標として，検出コイルの形状，磁束密度感度，雑音特性などの観点から設計を行った。SQUID磁束計の駆動回路の広帯域化に関しては，積分回路のデバイス選定段階である。
屋外での計測のために，磁気シールドの提案を行っている。シールドシステム各要素の設計段階である。インピーダンスの測定周波数帯より，低周波側で有効な方法と高周波側で有効な方法の二種類について検討している。低周波数側は，磁気的なアクティブシールド法を検討し，磁気補正コイルの最適設計を行っている。現時点では磁気補正コイルのマルチコイルの構成による，小型化と寸法に対するロバスト性の評価段階である。高周波側のシールドは金属箔の電磁波シールドに用い，材料の選定実験を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

四探針法による土壌のインピーダンス計測では，モデル実験を計画し土壌粒形の異なる珪藻土を準備したうえで，実験条件を変えて複素インピーダンスの測定を行った。測定結果より，粒形が小さいほうがより低周波数でインピーダンスの位相変化が生じることが分かった。今後，含水率との関係を明確にする必要があるが，研究進行状況は計画通りに進展していると言える。
SQUID磁束計によるRMS法に関連して，今年度はSQUIDセンサーの仕様検討と必要な仕様を満たすセンサーの購入のための業者との見積もりなどのやり取りを行った。数年前に撤退した国内メーカーと同等品で概算していたために，必要な仕様を満たすセンサーの見積もりを米国及び欧州のメーカーと調整したが，研究予算に見合わず年度内の購入を見送った。そこで今年度は，SQUIDセンサに用いる検出コイルの設計を行った。現在のところ，複素インピーダンスの計測周波数帯である10MHzの遮断周波数を目標として，検出コイルの形状，磁束密度感度，雑音特性などの観点から設計を行った。しかし，SQUIDセンサーの準備ができなかったため，広帯域なSQUID駆動回路の課題に関しては進捗状況に遅れが生じている。
今回製作予定の試作機を屋外で使用するためにはシステム全体が小型で可搬性に優れたものであることが要求される。このために，磁気的アクティブシールドの寸法を小さくすることが要求され，最外部に構成される磁気補償コイルを小さくする必要がある。そこで本研究では磁気補償コイルをマルチコイルの構成にして，より小型でシールド性能に優れたコイル構成を目指している。但し，試作機を作成した際の寸法誤差がシールド性能に与える影響が大きいことが磁界設計段階で判明したために，よりロバスト性に優れた最適構成方法の検討の必要が生じた。そのために，やや遅れた進捗状況となっている。

Strategy for Future Research Activity

四探針法による土壌のインピーダンス計測では，次年度から，土壌の粒径と水分含有量など他のパラメータとの相関関係なども含めて，実験データの評価について検討を進める。また，複素インピーダンスの解析については，電気回路による等価回路を適用して，粒形と含水率を分けて評価することを検討している。このモデルを用いて，土壌の複素インピーダンスの位相特性と災害時に有用な評価パラメータとの関係を明確にする。
SQUIDによるRMSに関連して，SQUIDセンサーの購入価格が，研究予算に見合ったものにする必要がある。そのために，本研究の計画では二個必要となるSQUIDセンサーを一個で実現するための方策を検討する。SQUIDセンサーが二個必要な理由は，RMS法によるインピーダンス測定のために土壌での表皮効果による電磁波の水平磁界成分の勾配計測（磁界の空間微分計測）が必要なためである。そこで本研究の試作機段階としては，リアルタイムでの計測は不可能となるが，システムの移動による空間的微分方法の工夫，時間的分離による空間微分の工夫などを検討する。
シールド方法については，磁気補償コイルのロバスト性も含めた最適設計が完了次第，シールドシステムの試作機の作成及びその評価に取り掛かる予定である。
システム全体を構成する回路の作成では，RMS法によるインピーダンス測定で必要となる特定周波数信号の抽出に関係する検波回路が，今のところ未着手である。今後，回路設計に着手していくことになる。

Causes of Carryover

SQUID磁束計によるRMS法に関連して，今年度はSQUIDセンサーの仕様検討と必要な仕様を満たすセンサーの購入のための業者との見積もりなどのやり取りを行った。申請した予算は数年前に撤退した国内メーカーと同等品で概算しており，この国内メーカーの在庫確認を行ったが不調に終わった。また，同様の仕様を満たす国内メーカーは他になかったために，SQUIDセンサーの見積もりを米国及び欧州のメーカーに確認したが，研究予算に見合わず年度内の購入を見送ることになった。従って今年度は，SQUIDセンサに用いる検出コイルの設計にとどまっている。SQUIDセンサーの準備ができなかったため，課題の進捗状況に遅れが生じるとともに次年度の予算使用額が生じることになった。

Expenditure Plan for Carryover Budget

SQUIDによるRMS法に関連して，SQUIDセンサーの購入価格を，研究予算に見合ったものにする必要がある。そのために次年度は研究計画の一部を変更し，本研究の計画では二個購入予定だったSQUIDセンサーを一個で実現するための計測システムの構築を検討する。
具体的にSQUIDセンサーが二個必要な理由は，RMS法によるインピーダンス測定のために土壌での表皮効果による電磁波の水平磁界成分の勾配計測（磁界の空間微分）が必要なためである。これに対し次年度以降の研究計画では，試作機段階の計測システムととらえて，リアルタイムでの計測はできないが，計測システムの移動による空間的微分方法の様な工夫か又は，時間的分離による空間微分の工夫などを検討する予定である。