時間域電磁法應用於地下金屬之探測

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姓名

邱維宣(Wei-Hsuan Chiu) 查詢紙本館藏

畢業系所

地球物理研究所

論文名稱

時間域電磁法應用於地下金屬之探測
(Application of time domain electromagnetic method on metal detection)

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摘要(中)

摘要
本研究目的在探討如何應用時間域電磁法探測地下金屬，從尋求判別地下金屬的暫態電壓表徵、製作儀器以提高訊號/雜訊比與使用最佳的探測模式以提高施測效率等三方面著手，除探測地下金屬導體存在與否，並可測定其位置。
由於金屬的導電率約 107S/m 較背景地層導電率（約 100-10-3S/m）大，金屬的渦電流衰減較緩慢，因此在接收線圈上，晚期由金屬感應產生的暫態電壓值相對於由背景地層所感應產生者為大，這種暫態電壓晚期比背景值大且緩慢衰減的現象，可以作為判別地下金屬是否存在的暫態電壓表徵。以暫態電磁儀輸出的電流訊號控制的觸發式電流放大器可以增加一次磁場的強度，除可以增加探測深度外，最重要的是工程環境下可以增加訊號/雜訊比，提升探測的效果。電流方向切換器可藉切換發射線圈的電流方向檢核暫態電壓資料的正確性。除尋求地下金屬的暫態電壓表徵與製作儀器之外，本研究也規劃出可以適用於不同環境條件與工程需求的地下金屬探測模式與線圈配置，並整合成粗略探測及精確探測二種適用的模式。
粗略探測模式在屏東測區，探測出地下鋼板的位置與形狀，經開挖後已證實探測結果正確，並且可以測出鋼板樁的深度。精確探測模式在南投測區，測定出地下全套管基樁的位置與長度，經比對後也確定與原始設計圖相符，另外以線圈圍在橋柱上進行小線圈井測，可以量出連結於橋柱的地下基樁深度。

摘要(英)

ABSTRACT
The purpose of this research is to apply time-domain electromagnetic method (TEM) to detect the underground metals. We concentrated on the three topics: to recognize the characteristics of the transient voltage by metal, to create a powerful transmitter for enhancing the signal to noise ratio, and to design better detection modes for the efficiency of field work. With those tools in use, it is not only easily judging the existence of metal conductors but also detect their locations.
The fact that the electric conductivity of metal (about 107S/m) is much larger than that of the background stratum (100-10-3S/m), together with the slower decay of eddy electric current of metal, the transient voltage of the metal is more anomalous than that of the background stratum. This phenomenon is the key point used to judge if the metals exist or not. We created a powerful transmitter; it synchronized with the TEM consol and transmitting current as high as 40 A. Moreover, many transmitters can be used in parallel to produce as much current as needed. For example, three sets of transmitter parallel connected will produce current 120 A in the transmitter loop. Other than enhance the signal to noise ratio, it can increase the depth of detection. Thus, promotes the detection effects, especially under the noisy engineering environments. After the many case studies in various environmental conditions and engineering requirements, we also designed better detection modes for the efficiency in the fieldwork, that is the rough detection mode and the detail detection mode. One thing worth mentioning, experience tell us that by changing the transmitter current and checking the anomaly inverse is a worthy tip to reconfirm the signal.
Finally, two successful cases are shown. Case 1, in Pingtong survey area, the rough detection mode was used to explore the position and shape of the underground steel plate, the depth of the steel stake was analyzed and the validity of the exploration was proved. Case 2, in Nantou survey area, the detailed detection mode to determine the position and length of the underground sleeve stakes was undertaken; correlated with the original design was obtained. Furthermore, by surrounding the coils around the bridge pillars and doing TEM survey, the depth of the underground stakes connected with the bridge pillars could be obtained.

關鍵字(中)

★ 工址調查
★ 時間域電磁法
★ 金屬探測

關鍵字(英)

★ engineering site
★ metal detection
★ time domain electromagnetic method

論文目次

目錄
中文摘要i
英文摘要ii
誌謝iii
目錄iv
圖目錄vi
表目錄ix
一、緒論1
二、時間域電磁法7
2-1 概述7
2-2 基本原理9
2-3 法拉第感應定律與感應電流的時間常數12
2-4 準靜態磁場18
2-5 地下金屬在暫態電壓的表徵23
三、研究方法25
3-1 儀器設備介紹25
3-1-1 暫態電磁儀26
3-1-2 一維移動向量接收器26
3-1-3 三維井下向量接收器26
3-1-4 電流方向切換器27
3-1-5 外部發射機28
3-1-6 觸發式電流放大器29
3-1-7 觸發式電流放大器與外部發射機的比較30
3-2 本研究使用的探測模式與配置32
3-2-1 小發射線圈配合大接收線圈的模式33
3-2-2 大發射線圈配合小接收線圈的模式34
3-2-3 極座標測點配置35
3-2-4 大距離方格座標測點配置37
3-2-5 大線圈井測模式37
3-2-6 密接方格座標測點配置38
3-2-7 小線圈井測模式39
3-3 施測結果的呈現39
四、結果與討論56
4-1 小面積測區進行地下金屬精確探測程序實驗57
4-1-1 小發射線圈配合大接收線圈模式試驗60
4-1-2 密接方格座標測點配置試驗64
4-1-3 小線圈井測模式試驗65
4-1-4 時間域電磁法對連結於橋柱的基樁深度探測試驗67
4-2 大面積測區進行地下金屬粗略探測程序實驗88
4-2-1 極座標測點配置試驗89
4-2-2 大距離方格座標測點配置試驗91
4-2-3 大線圈井測模式試驗92
4-3 討論103
五、結論與建議108
參考文獻112
附錄 SIROTEM 3介紹與取樣時間表116
圖目錄
圖 1-1 高雜訊地區鋼板樁暫態電壓對深度關係圖6
圖 2-1 時間域電磁系統的電路示意圖11
圖 2-2 良導體與不良導體暫態電壓衰減曲線圖11
圖 2-3 感應電流形成過程與分佈示意圖15
圖 2-4 感應電流產生反向磁場展示實驗照片16
圖 2-5 磁場作用方向與無限長橢圓柱的時間常數關係圖17
圖 2-6 地下導體感應電流所產生的磁力線分佈圖21
圖 2-7 台北市信義路鋼板樁井測暫態電壓極性分佈圖22
圖 2-8 金屬衛工管極性暫態電壓值對深度關係圖24
圖 3-1 暫態電磁儀41
圖 3-2 一維移動向量接收器41
圖 3-3 三維井下向量接收器42
圖 3-4 包含鐵心的600匝線圈42
圖 3-5 三維井下向量接收器 X 方向入射反應區分佈圖43
圖 3-6 三維井下向量接收器 Y 方向入射反應區分佈圖44
圖 3-7 三維井下向量接收器 Z 方向入射反應區分佈圖45
圖 3-8 電流方向切換器46
圖 3-9 多線圈井測示意圖47
圖 3-10 外部發射機48
圖 3-11 觸發式電流放大器49
圖 3-12 小發射線圈配合大接收線圈模式示意圖50
圖 3-13 小發射線圈照片50
圖 3-14 大發射線圈配合小接收線圈模式示意圖51
圖 3-15 極座標測點配置示意圖52
圖 3-16 大距離方格座標測點配置示意圖53
圖 3-17 大線圈井測模式示意圖53
圖 3-18 密接方格座標測點配置示意圖54
圖 3-19 小線圈井測模式示意圖54
圖 3-20 各取樣時間內暫態電壓平面展開圖55
圖 4-1 南投測區衛星地圖69
圖 4-2 南投測區附近設施示意圖69
圖 4-3 南投測區鑽井相關位置圖70
圖 4-4 南投測區 B3-B2-A3 孔地質剖面圖70
圖 4-5 南投測區廢棄全套管基樁區地面照片71
圖 4-6 由 A-2井往全套管基樁區透視圖71
圖 4-7 基樁鑽孔工程施作照片72
圖 4-8 橋墩全套管基樁內之鋼筋籠照片72
圖 4-9 廢棄橋樑立面圖73
圖 4-10 廢棄全套管基樁平面設計圖73
圖 4-11 8m×8m 小發射線圈配合大接收線圈模式暫態電壓影像圖74
圖 4-12 4m×4m 小發射線圈配合大接收線圈模式暫態電壓影像圖75
圖 4-13 2m×2m 小發射線圈配合大接收線圈模式暫態電壓影像圖76
圖 4-14 1m×1m 小發射線圈配合大接收線圈模式暫態電壓影像圖77
圖 4-15 大發射線圈配合 1m×1m 小接收線圈模式暫態電壓影像78
圖 4-16 大發射線圈配合一維移動向量接收器模式暫態電壓影像79
圖 4-17 密接方格座標測點配置暫態電壓影像圖80
圖 4-18 小線圈井測模式施測示意圖81
圖 4-19 小線圈井測模式深度對取樣時間暫態電壓值圖82
圖 4-20 小線圈井測模式深度對取樣時間暫態電壓值與極性圖83
圖 4-21 小線圈井測模式深度對取樣時間側向暫態電壓值梯度圖84
圖 4-22 北上車道第二橋柱照片85
圖 4-23 北上車道第二橋柱立面設計圖85
圖 4-24 時間域電磁法基樁深度探測試驗示意圖86
圖 4-25 繞於橋柱上多匝小面積發射線圈86
圖 4-26 橋柱與基樁暫態電壓影像圖87
圖 4-27 屏東測區相關位置圖94
圖 4-28 屏東測區近照圖94
圖 4-29 屏東測區側視圖95
圖 4-30 屏東測區井測孔位與鋼板樁相關位置圖95
圖 4-31 極座標測點配置發射線圈設置過程96
圖 4-32 極座標測點配置示意圖97
圖 4-33 極座標測點配置暫態電壓平面圖98
圖 4-34 大距離方格座標測點配置探測區域示意圖99
圖 4-35 大距離方格座標測點配置暫態電壓平面圖100
圖 4-36 大線圈井測模式的發射線圈與井孔位置關係示意圖101
圖 4-37 大線圈井測模式深度對取樣時間暫態電壓值圖102
圖 5-1 台北市信義路鋼板樁探測現場照片110
圖 5-2 電流放大後所測得鋼板樁暫態電壓對深度曲線圖111
表目錄
表 2-1 幾種常見型態導體的時間常數一覽表14
表 3-1 觸發式電流放大器與外部發射機比較表30
表 3-2 地下金屬探測程序表32
表 3-3 各種探測模式與配置表33
表 4-1 南投包尾山穿越橋測試區進行的測試主要目的57
表 4-2 在南投包尾山穿越橋測試區內進行四種試驗59
表 4-3 屏東縣坎頂鄉測試區進行的測試主要目的88
表 4-4 在屏東縣坎頂鄉測試區進行三種試驗89

參考文獻

參考文獻
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指導教授

陳洲生(Chow-Son Chen)

審核日期

2008-7-17

推文