（测试计量技术及仪器专业论文）智能型地埋电缆路径检测技术研究和系统设计.pdf

摘要 智能型地埋电缆路径检测系统是一种检测地下电缆信息的重要电子设备 广 泛应用于电力 通信等领域 本文以地下电缆路径检测系统为研究对象 提出了 以电磁法为基础 利用多个线圈进行电缆路径检测的总体设计方案 将信号处理 数据采集 结果显示等集成于一个系统而开发的 系统以a v r 单片机和f p g a 作 为逻辑控制和数据处理的核心 设计了由信号采集模块 m c u 模块 f p g a 模块 键盘及显示模块等部分组成的硬件系统 完成了信号的高速采集 检测结果的实 时显示 本文完整的介绍了系统的设计过程 首先对电磁法的理论依据和地下电缆的 等效模型进行了简单说明 并根据实际要求对系统进行分析和规划 对各模块进 行仿真验证 确定硬件的总体设计方案 然后详细介绍系统的硬件电路设计 p c b 板的绘制 以及各模块的程序设计思想 最后简述了调试过程中遇到的问题和解 决方法 关键字 路径检测系统电磁法f p g aa v r 单片机 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tb u r i e dc a b l et r a c ed e t e c t i o ns y s t e mi sa k i n do fi m p o r t a n te l e c t r o n i c d e v i c e s w h i c hi su s e df o rd e t e c t i n gt h ei n f o r m a t i o no fu n d e r g r o u n dc a b l e a n dw i d e l y u s e di ne l e c t r i c i t y c o m m u n i c a t i o na n do t h e rf i l e d t h i sp a p e rt a k e st h eb u r i e dc a b l e t r a c ed e t e c t i o ns y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t p r o p o s e dam u l t i c h a n n e lm e t h o df o rc a b l e t r a c ed e t e c t i o n w h i c hi sb a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i cm e t h o da n di n t e g r a t e ds i g n a l p r o c e s s i n g d a t aa c q u i s i t i o n r e s u l td i s p l a y si nas y s t e m n es y s t e mt a k e st h ea v r m c ua n df p g aa st h el o g i cc o n t r o la n dd a t ap r o c e s s i n gc o r e h a sd e s i g n e dt h e h a r d w a r es y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fs i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e m c um o d u l e f p g a m o d u l e k e y b o a r da n dd i s p l a ym o d u l e s n l es y s t e m h a sa l r e a d yc o m p l e t e dt h e k g h s p e e ds i g n a la c q u i s i t i o na n d t h er e s u l t so fd e t e c t i o ni nr e a l t i m ed i s p l a y 1 f 1 1 i s p a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g np r o c e s so ft h es y s t e mc o m p l e t e l y f i r s t i t i n t r o d u c e st h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cm e t h o da n dt h ee q u i v a l e n tm o d e l o ft h eb u r i e dc a b l e a n a l y s e sa n dp l a n st h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ea c t u a ld e m a n da n d s i m u l a t e se a c hm o d u l e t h e nf i x e saw h o l es c h e m eo ft h eh a r d w a r e s e c o n d l y t h e h a r d w a r ec i r c u i td e s i g n p c bb o a r dd r a w i n g a n dt h ep r o g r a m m i n gi d e a lo fe a c h m o d u l ei si n t r o d u c e di nd e t a i l f i n a l l y t h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nd e b u g g i n ga n di t s s o l u t i o i l sa r ed e s c r i b e db r i e f l y k e y w o r d s t r a c ed e t e c t i o ns y s t e me l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d f p g aa v rm c u 西安电子科技大学 学位论文独创性 或创新性 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德 本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特 i x j j n 以标 注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切的法律责任 本人签名 盔 星 堑一 日期丝生 2 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学 学校有权保 留送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学校可以公布论文的全部或部分内 容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 同时本人保证 毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学 本人签名 主i 量 垂日期塑 导师签名 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 我国城乡电网目前大量采用电力电缆输配电线路 但随着社会发展 电网改 造 电缆搬迁和故障电缆修复 原有的地貌和地下电缆都有了很大变化 原有的 图纸已不能正确反映电缆的敷设路径和埋深 尤其是近几年城市基础建设的加快 使外力破坏电缆的问题日益突出 极大地威胁电网安全 同时给地下电缆的管理 和维护带来了很大的麻烦 主要表现在以下几点 一方面由于电缆网络大多直接 与人们的生活相关 施工中经常遇到由于不清楚地下电缆走向和深度的具体信息 而出现将电缆挖断的情况 这样就给生产和生活造成了巨大损失和不便 另一方 面 当前许多城市都在进行新城市规划 旧城市的改建 迫切需要了解地下电缆 网络的分布 如何快速 准确 经济的找到地下电缆埋藏的位置 成为施工和维 修的关键一步 若能够使用恰当的仪器对电缆路径进行检测 既可以省去大量的 人力 物力 又可以减少因施工不当而造成的损失 l 因此保证电缆的正常运行 明确电缆的位置和深度信息成为一项很重要的工作 越来越受到各部门的重视 对于地下电缆 如果位置信息不够明确 寻找起来十分困难 不仅浪费大量 的人力 物力和查找时间 而且会造成难以估量的损失 因此寻求一种快捷 准 确的电缆路径检测系统 缩短检测时间 已成为国内外科技人员的共同目标 本 论文就是围绕该问题 研究了地下电缆路径检测技术 并设计开发了地下电缆路 径检测系统 该系统具有的功能包括 峰值模式下 判断电缆和操作者的相对位 置 并且指示操作者所要移动的方向 谷值模式下 具有罗盘显示功能 可以判 断操作者与电缆的偏转方向 提示操作者及时的改正自己的方向 直到找到电缆 的埋藏位置 电缆的深度和电流显示功能 可以实时的显示出被测电缆埋藏的深 度和电流大小 地下电缆路径检测系统的研制 使人们可以更加快速 方便 准 确的检测出地下电缆埋藏的位置 深度以及电流大小等重要信息 可以节约施工 成本 加快施工进度 保证施工安全 为城市规划部门提供清晰的地下电缆的分 布情况 1 2 国内外研究概况和发展趋势 从7 0 年代至今 电缆路径检测技术取得了长足的发展和进步 各种检测方法 和检测仪器应运而生 电缆路径检测技术不断完善和提高 并且在实践中得到了 2智能型地埋电缆路径检测技术研究和系统设计 广泛的应用 电缆路径检测技术是随着电缆的应用而产生的 其理论和实践也是紧密结合 相互发展的 电缆路径检测的方法有很多种 但基本上都基于电磁法对地下电缆 路径进行探测 电磁法的基本原理就是通过发射机向待测电缆中注入特定频率的 交流信号 在电缆的周围产生交变的磁场 通过接收机中探测线圈所产生的感应 电动势的大小来判断电缆路径 国外对地下电缆探测的研究起步较早 在这方面的研究已经有很多年的历史 在美国 德国 俄罗斯 英国 法国等发达国家甚至已经有了几十年的历史 目 前 国外从事地下管线探测研究的公司有上万家 基本上都是通过电磁法对地下 管线进行探测 所设计的探测仪器主要有英国雷迪公司生产的r d 4 0 0 p l 观察刖g x 参数 r d 4 0 0 p x l 和r d 4 3 2 p d l 观察m a r x 参数 美国3 m 公司生产的2 2 5 0 m 2 2 7 3 m 系列 英国雷迪公司作为设计和生产地下管线探测仪器的世界领先者 其 产品美观 平衡 节能 具有较好的人机交互界面 并且探测频率较高 国外电 缆路径检测系统的精度比较高 功能较为齐全 抗干扰能力强 但是价格较高 使用起来也比较麻烦 国内在地下电缆探测方面的研究起步较晚 但发展速度比较快 目前已经有 很多家公司专门从事地下电缆探测方面的研究 在技术上有了很大的突破 形成 了一套较好的地下电缆检测方法 对地下电缆路径的检测有了较高的能力 国内 地下电缆路径检测系统也主要采用电磁感应的方法 通过一个或两个探测线圈对 电缆周围的磁信号进行探测 通过接收信号的幅值以及耳机中声音的强弱来判断 电缆的位置 这种方法可以对地下电缆进行比较简单 快捷 有效的检测 但是 当电磁信号较弱时 探测误差比较大 而且检测频率单一 功能不够齐全 抗干 扰能力较差t 2 1 从长远来看 要更好的检测地下电缆路径信息 必须在探测方法上下功夫 使探测线圈具有更高的灵敏度和更好的抗干扰性 从而才能设计出方便快捷 精 度更高的探测系统 本文以此为研究目标 并采用了多个线圈组合的探测方法 利用多个线圈的相互作用来判断电缆的路径 1 3 本文的主要工作和内容安排 地下电缆路径检测对城市的建设和发展有着重要的意义和作用 论文主要设 计和研究电缆路径检测系统中的接收机 以地下电缆为研究对象 深入分析了电 缆路径检测技术 利用电磁感应原理 通过多个探测线圈的相互作用来判断地下 电缆路径 详细论述了电缆路径检测系统的工作原理以及各功能模块的组成和实 现 第一章绪论 3 1 3 1 主要工作 随着半导体技术 集成技术和计算机技术的发展 电子系统的设计方法和设 计手段发生了很大的变化 特别是进入2 0 世纪9 0 年代以后 e d a 电子设计自 动化 技术的发展和普及给电子系统的设计带来了革命性的变化 并渗透到了电 子系统设计的各个领域 本文所设计的地下电缆路径检测系统是以电磁法为基础 将信号处理 数据 采集 数据处理 结果显示等集成于一个系统而开发的 采用了单片机和f p g a 等处理芯片 将采集到的信号经过滤波放大采样之后送入f p g a f p g a 对数据进 行处理 并将处理的结果送入单片机 通过单片机将检测的结果进行实时显示 这样即可实现地下电缆路径的检测 本文首先对地下电缆路径检测技术的工作原理进行了简单说明 分析了地下 载流电缆的等效模型 以及电缆周围的磁场分布特征 然后根据实际要求 提出 了多个线圈组合的电缆路径探测方法 紧接着设计了信号采集电路以及各控制模 块电路 并对其进行仿真验证 最后完成整体电路的设计 绘制各部分p c b 电路 板 对其进行组合调试 已经完成了电源模块 信号采集模块 f p g a 和单片机外 围电路等部分的设计和调试 1 3 2 内容安排 第一章 阐述了地下电缆路径检测技术所面临的现状和国内外发展趋势 提 出了地下电缆路径检测系统的研究意义 明确了本论文的主要研究工作 第二章 介绍了地下电缆的种类和常用的检测方法 对电磁法的理论依据和 探测原理进行了详细说明 提出了地下电缆的等效模型 第三章 详细介绍了地下电缆路径检测系统的总体结构和探测原理 对检测 系统的基本功能进行了简单说明 第四章 主要对地下电缆路径检测系统的硬件电路进行了详细说明 包括主 要功能模块的设计和仿真 第五章 在硬件电路的基础上 详细介绍了地下电缆路径检测系统的程序设 计 并说明了各个程序模块的联系和仿真结果 第六章 介绍了系统的实际调试过程和结果 对系统调试过程中遇到的问题 和解决方法作了简单说明 最后对论文的工作进行总结 说明了系统所完成的功能 指出了系统中还存 在的不足之处 并对后续工作和地下电缆路径检测的发展方向进行了展望 4 智能型地埋电缆路径检测技术研究和系统设计 1 4 本章小结 本章首先介绍了课题的研究背景和意义 然后介绍了地下电缆路径检测技术 在国内外的发展现状和未来的发展趋势 并对相关产品的发展概况进行了简单说 明 最后对本论文的主要工作和内容安排作了详细介绍 第二章电缆路径检测技术简介 5 第二章电缆路径检测技术简介 随着现代技术的不断发展 对地下电缆路径的探测形成了很多种探测方法 针对不同的地理环境以及不同类别的电缆 采用不同的探测技术 目前 电缆路 径探测方法有音频感应法 脉冲磁场法 电磁法等 其中电磁法由于具有探测精 度高 操作简便 抗干扰能力强 适用范围广 成本低 效率高等特点而成为电 缆检测工作中最常用的方法 本文就是采用电磁法探测电缆路径 故本章主要对 电磁法的理论依据 等效模型 探测原理进行了详细说明 2 1 电缆的种类和结构 电缆可以按具体的用途 采用的绝缘材料 传输的电能形式以及不同的结构 特征和运行环境进行以下分类 1 电缆分类 按绝缘材料 油漆绝缘 粘性浸渍纸绝缘型 分统包型和相屏壁型 不滴油浸渍纸绝缘型 分统包型和相屏壁型 有油压 油浸渍纸绝缘型 分自容式充油电缆和钢管充 油电缆 有油压 粘性浸渍纸绝缘型 分自容式充气电缆和钢管充气电缆 塑料绝缘 聚氯乙烯绝缘型 聚乙烯绝缘性 交联聚乙烯绝缘型 橡胶绝缘 天然橡胶绝缘型 乙丙橡胶绝缘型 2 电缆的材料和结构 电缆的基本结构包括线芯 绝缘层和保护层三个部分 线芯是传送电能的导 体 它必须有良好的导电性能 以减少电能在传输过程中的损失 绝缘层用来将 不同线芯以及接地部分彼此绝缘隔离 它必须绝缘性能良好 并且有一定的耐热 性能 保护层用以保护绝缘层免受外界作用 使电缆在运输 贮存 敷设和运行 过程中 绝缘层不受外力的损失和防止水分浸入 它应具有一定的机械强度 3 1 2 2 地下电缆常用的检测方法 根据地下电缆本身的物理性质以及埋设处周围介质的物理性质在某些方面的 差异 利用现代探测仪器对这些差异进行探测 通过这些差异可以确定地下电缆 的路径 由此产生了许多地下电缆探测的方法 其中主要包括音频感应法 脉冲 磁场法 电磁法等探测方法 接下来对这些探测方法进行简单介绍 1 音频感应法 6 智能型地埋电缆路径检测技术研究和系统设计 用l k h z 的音频信号发生器向待测电缆中加入音频电流 在地面上用探测线圈 接收信号 将其送入接收机进行放大 并且利用耳机听测信号的变化 在电缆正 上方时耳机中声音最大 由此来判断电缆的路径 音频感应法比较简单 但检测 的精度不高 2 脉冲磁场法 脉冲磁场法是利用高压试验设备对电缆施加高压冲击脉冲 在电缆周围产生 脉冲磁场 利用接收线圈分别在电缆路径两边测量变化的磁场 根据脉冲磁场相 反的初始极性来识别所寻找的电缆 脉冲磁场法在探测电缆路径方面具有探测速 度快 判断精度高 误差小等优点 但成本高 价格昂贵 3 电磁法 电磁法是利用信号发生器向电缆中注入一定频率的交流信号 在电缆周围产 生交变的磁场 利用探测线圈接收信号 通过接收信号的幅值大小来判断电缆的 路径 在电缆正上方时 接收信号的幅值最大 这种方法具有探测精度高 操作 方便 效率高等优点 4 自然电场法 观测地下电缆与周围介质之间因氧化还原作用而形成的自然电场 仅使用于 被腐蚀的金属电缆 工作中不必向地下供电 比较经济 可用常规电法仪器 但 对防腐性能较好的电缆无效 测量电极须接地 受工业电流和大地游散电流的干 扰较强 5 电流方向法 对于多电缆的系统 由于多条电缆平行 利用其它电缆上共阻信号的电流方 向与待测电缆中所施加信号的电流方向相反的特点 即对于其它电缆上的感应信 号电流方向与待测电缆中所施加信号的电流反向相差9 0 1 8 0 的特点 对电缆路 径进行判断 这种方法的最大优点是能够消除邻线干扰 在所有的地下电缆探测方法中 脉冲磁场法和电磁法因其准确 效率高而具 有较大的实用价值 其中 脉冲磁场法因价格过于昂贵 并且对操作人员的水平 要求较高 使其应用受到了极大的限制 电磁法由于探测精度高 操作简便 抗 干扰能力强 适用范围广 成本低 效率高等特点而成为电缆探测工作中最常用 的方法 本文就是利用电磁法对地下电缆进行探测 下面将对电磁法的理论依据 探测原理作详细说明 2 3 电磁法的理论依据 电磁法的主要理论依据是电磁感应原理 以地下电缆与周围介质的导电性及 导磁性差异为主要理论基础 根据电磁感应原理和电磁场空间分布规律 从而达 第二章电缆路径检测技术简介7 到寻找地下电缆的目的 由于地下电缆可以等效为无限长载流直导线 所以主要 对无限长载流直导线的磁场分布以及电磁感应定律作了详细介绍 2 3 1 无限长载流直导线的磁场分布 图2 1 载流直导线周围p 点的磁场 根据毕一萨定律可知 在载流直导线上任取一电流元i d l 它在场点p 处产生 的磁场强度d b 的大小为 db oldlsin8 2 1 4 刀 招的方向垂直于纸面向里 用 凶 表示 则导线上各电流元在p 点产生的拈方 向都相同 因此 磁场强度b 大小积分形式为 b 泗 f p o l 4 d 伊l s 2 i n o 2 2 又有 a c o s o g c o s 万一0 a c o s o d g c s c 2 甜p 故 b 型4 m e s i n 御p 型4 m c s 岛 c o s b 2 3 岛 积分限 幺 吼 分别为载流直导线两端的电流元与其到p 点位矢量口间的夹角 如图2 1 所示 若载流直导线可视为无限长 则式 2 3 中的积分限为幺 o 岛 万 则这 时 b a o i 2 4 2 刀 由此看出 无限长载流直导线周围单个点磁感应强度的大小与单个点到载流 直导线垂直距离 的一次方成反比 若以无限长载流直导线上的点为圆心 作垂直 8 智能型地埋电缆路径检测技术研究和系统设计 于无限长载流直导线的同心圆系 则无限长载流直导线在各点产生磁感应强度b 的方向将沿通过该点圆的切线方向 其指向与电流方向满足右手螺旋法则圆 4 2 3 2 电磁感应定律 静态电场和磁场的场源分别是静止的电荷和恒定电流 等速运动的电荷 它 们是相互独立的 二者之间并无联系 然而 随时间变化的电场和磁场是相互联 系的 1 8 3 1 年英国科学家法拉第 m f a r a d a y 最早发现了时变电场和磁场之间的 联系 即时变磁场产生时变电场 如果在磁场中有导线构成的闭合回路z 当穿过 由回路 所限定的曲面s 的磁通发生变化时 回路中就要产生感应电动势 从而引 起感应电流 法拉第定律给出了感应电动势与磁通时变率之间的正比关系 感应 电动势的实际方向可由楞次 h e l e n z 定律说明 感应电动势在导电回路中引 起的感应电流的方向是使它所产生的磁场阻止回路中磁通的变化 法拉第定律和 楞次定律的结合就是法拉第电磁感应定律 其数学表达式为 一警 一知l i c l b 占 一二 一 i d ld t 毒 2 5 式中 g 为感应电动势 为穿过曲面s 和回路 铰链的磁通 磁通矽的正方向与 感应电动势g 的正方向成右手螺旋关系 如图2 2 所示 此外 式 2 5 中的矽是 所谓全磁通 亦称磁链 当回路线圈不止一匝时 例如一个 匝线圈 可以把它 看成是由 个一匝线圈串联而成的 其感应电动势为 一警i d t 酬k l 2 0 占 一二 一 l 咖ll夕 出 一j 如果定义非保守感应场 沿闭合路径 的积分为 中的感应电动势 那么式 2 5 可改写为 似拈一警 2 7 如果空间同时还存在由静止电荷产生的保守电场e 则总电场e 为两者之和 即e 丘 但是 弘 仁刃 仁d d l 4 e 抽a d l 所以式 2 7 也可改 写为 彻 一型 一df 膦 一 塑d s 2 8 j d td tj s占c o t 由于式 2 8 中没有包含回路本身的特性 所以可将式 2 8 中的 看成是 任意闭合路径 而不一定是导电回路 它是用场量表示的法拉第电磁感应定律的 积分形式 适用于所有情况 引起与闭合回路铰链的磁通发生变化的原因可以是 磁感应强度b 随时间的变化 也可以是闭合回路 自身的运动 大小 形式 位置 第二章电缆路径检测技术简介9 的变化 式 2 8 表明变化的磁场将激发电场 时变电场是一有旋场 随时间变 化的磁场是该时变电场的源 通常称该电场为感应电场或有旋磁场 5 1 图2 2 电磁感应定律 使闭合路径 的积分绕行正方向与其所包围面积的法线正方向满足右手螺旋 法则 则e 的方向与刮o t 的方向之间满足左手螺旋法则 2 4 电磁法的探测原理 对于较长的地下电缆 可以等效为无限长载流直导线模型 通过分析无限长 载流直导线的磁场分布以及磁场特征 从而深刻理解电磁法的探测原理 2 4 1 地下电缆的等效模型 对于地f 电缆来说 由于电缆的半径相对埋藏深度很小 i 司时一般情况下电 缆的长度远大于其直径 因此地埋电缆可以等效为无限长载流直导线模型进行分 析 通过前面的分析 当电缆周围的介质 如土 均为非磁介质 电磁频率不太 高时 地下单根载流导线在地面上某p 点处所产生的磁场强度为 h p g 二刀 i 2 9 式 2 9 中 h p 的单位为安培 米 a m 风为真空中介质的磁导率 4 r x l 0 7h m i 为导线中的电流强度 为导线到p 点的距离 如图2 3 所示 通过推导计算得到p 点处水平磁场强度以和垂直磁场强度h 分别为 以 筹 南 协 l o智能型地埋电缆路径检测技术研究和系统设计 以 万p o i 南 2 1 1 在实际探测中电缆的长度要比电缆的埋藏深度大很多 所以可以将目标电缆 视为无限长 在无限长载流直导线所产生的磁场中 容易看出 磁场线是中心在 导线轴上而与导线垂直的同心圆 磁场强度的方向是同心圆的切线方向嘲 7 1 7 卢 蕊 一 云 li tl l ii 一 图2 3 地下电缆磁场分布情况 通过地下电缆的等效模型 p 点的水平磁场强度日 和垂直磁场强度t 具有一 定的参数特性 其主要的参数特性如下 1 水平磁场强度以参数曲线及特性 t 1 j 黔 l 腮惑i 荔r 越 日 臣笔茔罗 一n 零叁匿皇皇量 图2 4 不同深度 相同电流的h 曲线图 从图2 4 中可以看出 单个线圈磁场强度的水平分量h 当工 0 时 也一 筹 2 1 2 从式中可以看出 电缆正上方的磁场强度最大 具有极大值 通过测定极大值点 第二章电缆路径检测技术简介 可以确定电缆的位置 当埋藏深度增大时 h 工最大值急剧下降 埋藏深度大于4 m 时 h 曲线 趋于平缓 电流不变时 h x 极大值与电缆埋藏的深度成反比 深度越大日 的值越小 2 垂直磁场强度日 参数曲线及特性 图2 5 不同深度 相同电流的日 曲线图 从图2 5 中可以看出 对于单个线圈磁场强度的垂直分量日 当x 0 时 具有极小值日 o 因此可以通过测定磁场强度垂直分量的极小值来确定电缆的位置 在x h l 处 即x 蝴位置上时 1 h 日 去只一 2 1 3 么 埋藏深度小于2 5 m 时 曲线以较大的斜率过原点 电缆的两侧上有日 极 大值 埋藏深度大于2 5 m 时 日 趋于平缓 3 水平磁场强度日 归一化曲线特性 图2 6 归一化的不同深度也 以一的曲线图 智能型地埋电缆路径检测技术研究和系统设计 图2 6 为以各自的最大值归一化曲线特性 可以看出 埋藏深度越小 曲线越陡 埋藏深度越大 曲线越平缓 穿越 0 8 m a x 两个点之间的距离等于埋藏深度h 穿越半极值 0 5 点 间的距离等于2 倍埋藏深度h 不管埋藏深度多大 此式均成立 7 1 2 4 2 电磁法的探测原理 电磁法是利用电磁感应原理 以地下电缆与周围介质的导电性和导磁性差异 为主要物理基础 根据电磁感应原理和电磁场的空间分布规律 从而达到寻找地 下电缆的目的 目前 地下电缆路径探测的方法大致有音频感应法 脉冲磁场法 电磁法 自然电场法等 其中电磁法因为探测准确度高 抗干扰能力强 成本低 操作方便而得到了最广泛的应用 地下电缆路径检测系统一般由发射机和接收机两部分组成 通过发射机向待 测电缆中注入一定频率的交流信号 该电流在待测电缆中流动并在其周围空间产 生一个电磁场 其磁场强度为h k i r 其中k 为场强系数 尺为电缆周围任意 一点p 距电流中心的距离 一日 分别为日的水平 垂直分量 通过接收机在 地面上接收电缆所产生的磁场信号 在线圈中产生感应电动势 利用感应电动势 的大小和分布确定电缆的位置和埋藏深度 对磁场强度日的探测可以分为最大值 法和最小值法 其中最大值法就是用水平探测线圈探测日 的过程 探测到日 的 最大值时 就是电缆埋藏的位置 最小值法是用和地面垂直的探测线圈探测日 的 过程 探测到h 的最小值时 就是电缆的埋藏位置瞵j 2 5 本章小结 本章首先介绍了电缆的种类和结构 然后详细分析了地下电缆路径的主要检 测方法 最后对本文中所使用的电磁法的理论依据 等效模型 探测原理进行了 详细说明 为地下电缆路径检测系统的研制打下了良好的基础 第三章电缆路径检测系统的总体结构和探测原理 1 3 第三章电缆路径检测系统的总体结构和探测原理 通过上一章对各种电缆路径检测方法的研究和比较 考虑到测试的难易程度 和成本问题 本文选用电磁法对电缆路径进行检测 本章将对基于电磁法而设计 的电缆路径检测系统的总体结构和探测原理进行详细说明 3 1 地下电缆路径检测系统的总体结构 地下电缆路径检测系统由发射机和接收机两部分组成 通过发射机向待测电 缆中加入一定频率的交流信号 然后通过接收机在地面上接收电缆所产生的电磁 场信号 在线圈中产生感应电动势 利用感应电动势的大小和分布确定电缆的位 置和埋藏深度 本文主要负责接收机的设计和研究 所以对发射机的结构只作简 单说明 主要对接收机的结构和功能作了详细介绍 发射机主要为地下电缆路径检测系统提供信号源 它可以提供5 0 0 h z l k h z 8 k h z 1 5 k h z 3 0 k h z 和1 2 0 k h z 等多个频率 输出均为正弦波 根据不同的应用 场合和实际情况 可以选择不同的注入频率和注入方式 图3 1 接收机中探测线圈的组成结构 地下电缆路径检测系统的接收机主要用来检测待测电缆所产生的磁场信号 根据接收到的磁场信号分布情况 对接收到的信号进行处理和运算 进而判断出 电缆的位置 电流大小和埋藏深度等信息 并且对电缆的位置进行实时的显示和 记录 接收机采用7 个探测线圈接收待测电缆所产生的磁场信号 这7 个探测线 1 4智能型地埋电缆路径检测技术研究和系统设计 圈的组成结构如图3 1 所示 地下电缆路径检测系统的具体硬件电路设计和实现将 在下一章中进行详细说明 在这7 个线圈当中 1 2 3 6 7 线圈位于同一个垂直的平面当中 线圈2 3 4 5 位于同一个水平面当中 在接收机中这7 个线圈的作用如下 1 号线圈的作用 一方面是在峰值模式下检测信号强度 另一方面与6 号线圈 配合工作 检测电缆中的电流强度和电缆的埋藏深度 2 号线圈与3 号线圈的作用 一方面在峰值模式下判断电缆埋藏的左右位置 另一方面是在谷值模式下与4 5 6 号线圈配合工作判断罗盘方向 4 号线圈与5 号线圈的作用 在谷值模式下与2 3 6 号线圈配合工作判断罗 盘方向 6 号线圈作用 一方面与1 号线圈配合工作 检测电缆中的电流强度和电缆的 埋藏深度 另一方面是在谷值模式下判断罗盘方向 7 号线圈的作用 在谷值模式下检测信号的强度 3 2 电缆路径检测系统的探测原理 通过各种不同的耦合方式 发射机向待测电缆中注入交变电流 在待测电缆 周围产生具有一定规律的电磁场 通过电缆上方电磁场的分布可确定电缆的路径 3 2 1 信号的耦合方式 根据电缆的阻抗特性以及电磁场信号测量的方便性 电缆路径识别所采用的 交变电流信号频率一般为音频信号 频率范围从几十h z 到几百k h z 交流信号注 入电缆的方法主要有两类 一类是电流耦合 另一类是电感耦合 根据不同的应 用场合 每一类耦合方式又可分为若干种接线方法 1 电流耦合 电流耦合方式又称为直连方式 即发射机一端接地 另一端接到不带电的被 测电缆上 从而将发出的信号直接加到被测电缆上 此方法的信号强 定位和测 深准确度高 易分辨相邻电缆 这种信号注入方法又可具有两种接线方式 图3 2 是电流耦合的两种接线方式 方式一的接线中 信号发生器输出的一端接电缆的一根芯线 这根芯线的另 一端接地 信号发生器的另一端直接接地 这种接线方式中信号电流从芯线注入 而从大地返回 方式二的接线中 信号发生器输出的一端接电缆的一根芯线 这根芯线的另 一端接电缆外皮 信号发生器的另一端接电缆外皮 这种接线方式中电流从芯线 第三章电缆路径检测系统的总体结构和探测原理 1 5 注入而从大地返回 电缆上方的电磁场是芯线与外皮所产生磁场的差分结果 因 此 总的电磁场强度较弱 多芯电缆中使用这种接线方式的话 应该选用最外面 的一根芯线 a 方式一 2 电容耦合 b 方式二 图3 2 电流耦合方式接接 图3 3 电容耦合连接及电缆上方磁场强度分布 与电流耦合类似 在电容耦合法中信号发生器输出直接接到电缆上 其接线 及电缆上方电磁场强度分布如图3 3 所示 这种接线方式中 信号可从两根芯线之 间注入 也可在一根芯线与外皮之间注入 在实际测量中最好接在一根芯线与外 皮之间 以保证磁场的强度 在信号发生器的两个输出之间没有导线连接 而是 依靠芯线跟外皮之间的容抗注入电流 电缆上方的磁场强度与电缆内部的电流成 正比 沿电缆长度方向逐渐减小 在电缆的另一端 电缆上方的电磁场强度几乎 无法测量 因此使用这种接线方式时 只能测量电缆全长的4 5 左右 注入电缆电 流大小与电容量和频率有关 增加信号发生器频率可以增加注入电缆的电流 也 可以将多根芯线并联使用 以增加电容量 从而增加注入电缆的电流 1 6智能型地埋电缆路径检测技术研究和系统设计 3 电感耦合 电感耦合是间接耦合方法 可用在不能应用直接耦合方法的场合 例如不能 直接接触电缆或者电缆正在运行等 如图3 4 所示 电感耦合可以有两种不同的接 线方式 a 方式一 b 方式二 图3 4 电感耦合方式接线 方式一的接法将发射机输出端的输出线绕在待测电缆的外皮周围 耦合圈数 为5 7 圈 通过耦合线圈向电缆发射信号 电缆可视为电感 产生感生电动势和 感生电流 通过电缆向周围发射电磁波 间接式连接方式 可以在不停电的情况 下进行路径检测 对某些不允许停电的电缆需要测试路径时 可以用此连接方式 此法的信号强 定位和测深准确度高 缺点是电磁波在向前传播的过程中损失大 造成测量距离不够远 一般在一公里以内 方式二的接法通过一个变压器铁芯将电磁场信号耦合到电缆中去 变压器铁 芯必须放置在被测电缆的正上方 这种测试方法不需要对地下电缆进行开挖 使 用方便 发射机放在电缆上方 发射线圈产生的电磁场在电缆中感应出电流 从 而在电缆周围产生二次电磁场 它被接收机接收到后即可定位电缆 此法发射 第三章电缆路径检测系统的总体结构和探测原理 1 7 接收均不需要接地 操作灵活方便 效率高 效果好 但如果地下有多条电缆存 在时 没有选择性 距离发射机较近的位置无法使用 也不适合测过长的电缆p 9 3 2 2 电缆路径的确定 通过发射机的各种耦合方式 在待测电缆周围产生交变的电磁场 利用接收 线圈在地面上接收磁场信号 在线圈中产生感应电动势 利用感应电动势的大小 对电缆路径进行判断 本论文中采用7 个探测线圈 设这7 个探测线圈中所产生 的感应电动势分别为蜀 g 本论文中对电缆路径的判断有两种工作模式 一种是 峰值模式 另一种是谷值模式 1 峰值模式 在峰值模式下 主要是1 2 3 号线圈工作 通过1 号线圈检测信号强度 驱动后置扬声器 通过2 3 号线圈判断电缆埋藏的左右位置 同时提示操作者移 动的方向 图3 5 峰值模式原理示意图 峰值模式下1 号线圈平行于地面并与电缆走向垂直 慢慢移动接收线圈 当 线圈位于电缆正上方且垂直于电缆时 穿过线圈的磁力线最多 接收到的信号最 强 产生的感应电动势蜀最大 继续移动线圈时 毛又减少 所以 当q 最大时 电缆的位置处在1 号线圈的正下方 1 号线圈中探测到的感应电动势岛的大小 通 过后置扬声器表现出来 即处在电缆正上方时扬声器发出的声音最大 向电缆两 侧移动时声音将随移动的距离的增加而变小 峰值模式的工作原理如图3 5 所示 3 通过2 3 号线圈可以判定操作者与电缆的相对左右位置 2 3 号线圈平行于 地面并与电缆垂直 距离电缆较近的线圈产生的感应电动势要比距离较远的线圈 产生的感应电动势大 当操作者位于电缆右侧时 2 号线圈距离电缆要比3 号线圈 距离电缆近 因此占 则可以判定电缆在操作者的左侧 操作者应该向左移动 1 8 智能型地埋电缆路径检测技术研究和系统设计 如图3 6 中 a 图所示 同理当乞 8 3 氏 毛 因此通过s 和岛 s 和岛 氏和毛之间的相互比较可以判定电缆在操作 者的正左边 操作者应该向左移动 同理当占 毛 9 4 氏 毛 时 则电缆在 操作者的左上方 操作者应该向左上方移动 谷值模式下罗盘显示功能如图3 8 所 示 其中小黑点代表的是仪器的正前方 箭头指的方向为电缆所在的位置 1 0 1 图3 9 电缆正上方时罗盘显示示意图 当7 号线圈检测到的感应电动势岛 o 时 表示操作者在电缆的正上方 这时 罗盘上只显示一条横线 如图3 9 所示 操作者不需要移动方向 此点就是电缆所 在的位置 智能型地埋电缆路径检测技术研究和系统设计 3 2 3 电缆深度和电流的确定 地下电缆深度和电流大小的确定是地下电缆路径检测系统的一个重要功能 电缆深度的确定一般有两种办法 一种是4 5 测深法 另一种是直读法 4 5 测深 法先确定电缆位置 在将探测线圈与地面成4 5 角并沿电缆方向横向移动 找到极 小值点 此时与定位点间的距离即等于电缆的埋深 直读法是利用上下两个线圈 测量电磁场的梯度从而确定电缆埋深 在接收机中设置测深按钮 通过计算 可 以在显示器上直接读出电缆的埋深 此法简单 方便 快捷 本论文中采用直读 法通过探测线圈1 和6 来确定埋藏电缆的深度和电流 其示意图如图3 1 0 所示 l i 囝 1 氏 丽 z o i o s o c o s c o t 其中 s 为线圈的截面积 国为电缆中信号的频率 当1 号线圈与地面接触时 h 为电缆埋藏的深度 那么 d h 二 一 氏h 则 3 3 d 为两线圈之间的距离 得到 3 4 丑 丑 第三章电缆路径检测系统的总体结构和探涮原理 鱼 i s 6 l 生 g o s t o c o s o m t 3 5 3 6 此时的h 和 o 就是所要测量的电缆深度和电流强度 当测深按钮按下时 通过 计算便可得到电缆的深度和强度 其显示的界面如图3i i 所示 2 1 32 4 特殊值模式 圈31 1 深度和电流大小显示界面示意匣 对于某些地下电缆 由于埋藏的深度比较深 电缆的长度比较长 而发射机 的输出功率有限 从而导致电缆周围的磁场强度变的比较微弱 很难被检测系统 检测到 在这种情况下必须对接收到的信号作进一步放大处理 使其能够满足探 测要求 本文设计了一种特殊值模式 在这种模式下对接收到的信号作进一步放 大 通过提高接收机增益 检测微弱信号 从而扩大了仪器的检测范围 但是仪 器的抗干扰性能减弱 3 3 本章小结 本章主要介绍了地下电缆路径检测系统的总体结构和探测原理 首先对接收 机中探测线圈的组成结构进行了简单介绍 提出了7 个线圈组合的探测方法 然 后详细阐述了地下电缆路径检测系统的探测原理 包括信号的注入方式 峰值模 式和各值模式 电缆埋藏深度的确定等 最后对特殊值模式进行了简单说明 第四章电缆路径检测系统的硬件电路设计 第四章电缆路径检测系统的硬件电路设计 本章主要对地下电缆路径检测系统的具体硬件电路设计与实现进行了详细说 明 主要利用单片机 f p g a 来实现路径检测的功能 4 1 检测系统硬件总体方案 地下电缆路径检测系统主要利用单片机和f p g a 设计实现 系统的硬件电路 主要由四部分组成 即系统的电源电路 信号采集通道电路 f p g a 信号处理电路 单片机控制电路 电源模块的设计是系统设计的第一步 为其余各部分的稳定工 作提供可靠保证 系统有4 路信号采集通道 在峰值模式和谷值模式进行组合共 用 通过探测线圈产生感应电动势 在线圈中产生感应电压 将这个电压信号进 行放大滤波处理之后送入a d 转换芯片 将模拟电压信号转换为数字信号 f p g a 对所采集到的数字信号进行处理 并将处理的结果传输给单片机 单片机对这些 处理的结果进行分析 将最终的结果和数据进行存储 并通过显示器展示给用户 检测系统总体硬件设计框图如图4 1 所示 其中m c u 选用的是a v r 系列芯片 a t m e g a 6 4 f p g a 选用的是a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列芯片e p 2 c 5 t 1 4 4 c 8 图4 1 检测系统硬件总体设计框图 4 2 电源模块电路设计 电源模块是为系统的各部分提供可靠的工作电压 是系统设计的第一步 本 系统中采用8 节1 5 v 的电池供电 通过直流稳压芯片将1 2 v 电压转换为系统各部 分所需要的电压 为了保证系统各部分足够的工作电流 分别对单片机和液晶部 智能型地埋电缆路径检测技术研究和系统设计 分 f p g a 部分 g p s a d 转换以及前端模拟电路进行单独供电 通过l m 3 1 7 相互并联分别产生单片机和液晶部分所需要的 5 v 电压 f p g a 部分所需要的 3 3 v 电压和 1 2 v 内核电压 a d 转换芯片所需要的 5 v 电压 o p s 所需要的 3 3 v 电压 通过d c d c 模块产生前端模拟电路所需要的 5 v 电压 l m 3 1 7 是美国国家半导体公司的产品 是集调整管 基准电压 采样和保护 电路于一体而构成三端可调正输出集成稳压器 l m 3 1 7 的输出电压范围是1 2 v 至 3 7 v 负载电流最大为1 5 a 它的使用非常简单 仅需要两个外接电阻即可设置 输出电压 l m 3 1 7 在稳压精度 纹波抑制比 输出电压温度特性等方面都比较好 并且具有过流 过热保护功能 l m 3 1 7 由三个端子构成 分别为输入端 输出端 和调整端 它没有接地端 是一种悬浮式电路结构 基准电压为1 2 5 v 图4 2l m 3 1 7 基本电路设置 l m 3 1 7 是三端浮动稳压器 其基本电路设置如图4 2 所示 工作时 l m 3 1 7 建立并保持输出与调节端之间1 2 5 v 的标准参考电压 这一参考电压由r 1 转换成编程电流 p 脚 该恒定电流经r 2 接地 输出电压由下式可以计算出 p 1 争 k r 2 2 4 1 瓜l 乙是调整端的电流 其典型值为5 0 u a 所以在大多数情况下可以忽略不计 这样输出电压 就由电阻r l 和r 2 的值决定 通过选择不同的电阻值 即可得 到所需要的不同电压 1 3 系统中利用l m 3 1 7 设计实现单片机和液晶部分所需要的 5 v 电压 g p s 所需 要的 3 3 v 电压 a d 转换芯片所需要的 5 v 电压 各部分电路基本相同 只是选 取不同的r 1 和r 2 从而得到不同的输出电压 具体电路如图4 3 所示 图中的三 极管主要起开关作用 通过开关p o w e r s p 控制三极管的导通和关断 从而控制 输出电压的关断 当其为0 时 三极管截至 l m 3 1 7 输出 5 v 正常工作 当其 为1 时 三极管导通 l m 3 1 7 输出为1 2 5 v 输出关断 输入输出端的两个电容 主要是滤除噪声 提高纹波抑制 保证输出电压稳定 第四章电缆路径检测系统的硬件电路设计2 5 i z 玎 鼍r 图4 3l m 3 1 7 电路设计原理图 f p g a 部分的电压主要包括f p g a 的 3 3 v 工作电压和 1 2 v 的内核电压 利 用二级电源转换电路 将l m 3 1 7 所产生的 5 v 电压和 3 3 v 电压通过s p x l l l 7 3 3 芯片和s p x 3 9 1 9 1 2 芯片产生f p g a 所需要的 3 3 v 工作电压和 1 2 v 的内核电压 具体电路如图4 4 所示 77 图4 4f p g a 部分电源电路 前端模拟电路所需要的 5 v 电压是通过电源模块h z d 0 5 b 产生 该模块为单 路输入双路输出 采用 1