专利名称：在金属管线探测中直观指示管线位置的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于物体的探测领域，尤其涉及一种用于金属管线或电缆路径勘探或探测的方法和装置。
背景技术：
由于各种原因，往往需要对已敷设的金属管线或电缆(电缆的金属护套层及导电芯线亦相当于金属管线)的具体敷设路径进行探测或查找。
由于敷设时的施工图纸与实际敷设路径往往有一定的差异；或者，因时间久远、人员变动等因素，导致当时的施工图纸已难以找到，此时就需要通过进行金属管线实际敷设路径的探测来解决问题。
公开日为1996年3月27日，公开号为CN1119280A的中国发明专利申请中公开了一种“智能化地下金属管线探测仪及数据处理程序”，其在现有地下管线探测仪的接收机上增加了数据处理器和数据采样板，数据处理器主要包括采样保持电路、模数转换电路、计算机、步进电机驱动电路、步进电机、采样车和显示器，采用了计算机程序来处理探测数据。但其需要专门的轨道、由步进电机控制的采样车和专门的计算机，存在着整个装置体积大、移动不便、计算方法繁杂、不能实时显示检测结果、难以满足大面积范围内快速移动和探测的需要等等不足。
现在实际采用的管线探测技术，一般是通过信号发生器向金属管线发送某一种频率的音频电流信号，金属管线则向外辐射同频磁场，由接收机的传感线圈感应磁场信号，放大后经耳机或表头输出，通过判断信号幅值的大小来判断管线的位置，根据传感线圈放置方向的不同，有音峰法和音谷法之区别。使用音峰法时，线圈垂直于管线，平行于地面，管线正上方时信号最强，两侧减弱；使用音谷法时，线圈垂直于管线，也垂直于地面，管线正上方时信号最弱，两侧一定位置信号最强。这两种方法均不能直观地表示出管线的位置，而必须靠操作者通过分析信号幅值的变化规律来判断管线的位置。其探测效率低、工作强度高(尤其在管线复杂地区和嘈杂环境中)、而且对操作者的实际操作经验有较高要求。
公告日为2000年2月2日，公告号为CN2362135Y的中国专利中公开了一种“埋式线缆探测器”，它由信号发生器和信号接收器两部分组成，用接收器的双探头线圈同时接收由信号发生器施加在线缆上的低频交流电流。这个信号电流形成的电磁场在两个探头线圈产生的大小不同感应电势，再将其转换为表头指示，从中零点表头的偏转方向来指示电缆的方位。这种方法在一定程度上解决了前述方法和装置的不足，但其没有采用任何数字化处理手段，仅仅利用信号幅值作为判据，在多条管线并行敷设的复杂区域，以及干扰较大的场合，往往会出现表头指针的左右偏转不稳定，无法作出明确的指示。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在金属管线探测中直观指示管线位置的方法及其装置，它可以直接地、实时地由指示器明确指示出被测管线处于检测追踪者的左侧还是右侧，并且利用数字信号处理的优势，提高抗干扰能力，提高了检测结果指示的可靠性和直观性，从而提高了管线探测的效率，减小了探测工作强度，降低了对管线探测装置使用者的经验要求。
本发明的技术方案是提供一种在金属管线探测中直观指示管线位置的方法，包括待测金属管线、与金属管线连接的信号发射装置和可移动式信号接收装置，其特征是(1)由信号发射装置向待测金属管线中注入一定幅值的交变电流；(2)通过信号接收装置之两个成一定角度排列的传感线圈，感应发射机加在待测金属管线上的交变电流产生的磁场信号；(3)信号接收装置将两个线圈感应到的信号分别进行放大和滤波，再分别进行A/D转换，变成数字信号；(4)将经过A/D转换后的数据送入微处理器电路进行傅里叶分析，分别解算出两个磁场信号的水平和垂直分量的幅值和相位；(5)根据两分量是同相还是反相来判断出待测金属管线处于传感线圈的左侧还是右侧；(6)由指示器进行明确的管线位置指示。
其中，所述两个传感线圈的轴线，成20～160°的夹角；两个传感线圈的轴线夹角，优选为90°。
其所述的两个传感线圈与待测金属管线所在之敷设平面的角度，优选为其中一个线圈平行于此平面，并且两个传感线圈的轴线，与管线路径垂直。
本发明还提供了一种按照上述方法在金属管线探测中直观指示管线位置的装置，包括与金属管线连接的信号发射装置和可移动式信号接收装置，其特征是所述的信号发射装置为音频信号发射机；所述的可移动式信号接收装置包括两个成一定角度排列的传感线圈、第一放大单元、第二放大单元、鉴相单元和指示器，其中，两个传感线圈分别感应发射机加在管线上的交流电流产生的磁场辐射，两个线圈感应到的信号分别经过放大单元的处理后，送入鉴相单元进行信号数字化处理，得到两个磁场信号的水平和垂直分量的幅值和相位，再根据两分量是同相还是反相来判断管线处于传感线圈的左侧还是右侧，并由指示器进行明确的管线位置指示。
其中，所述两个传感线圈的轴线，成20～160°的夹角，优选为90°。
其所述的第一放大单元和第二放大单元，至少包括线圈谐振回路、可调增益放大环节以及模拟滤波器；其中，谐振电容和传感线圈并联，组成并联谐振电路；由运算放大器、串接在运算放大器输入端的电阻以及并接在运算放大器输入端和输出端之间的可调电位器构成可调增益放大环节；由二阶有源带通滤波器电路构成模拟滤波器。
其所述的鉴相单元包括A/D转换单元和中央处理单元，其A/D转换单元为常规的多路输入A/D转换器电路；其中央处理单元为常规的微处理器电路。
其所述的指示器是带有相应外围附属电路的LCD液晶显示器、LED发光二极管、扬声器或耳机。
与现有技术比较，本发明的优点是1.同时对磁场信号的水平分量和垂直分量的相位之同异进行比较，可以直接地、实时地由指示器明确指示出被测管线处于检测追踪者的左侧还是右侧，提高了检测结果指示的可靠性和直观性，从而提高了管线探测的效率，减小了探测工作强度，降低了对管线探测装置使用者的经验要求；2.利用数字信号处理的优势，提高了整个检测装置的抗干扰能力，特别适合于多条管线并行敷设的复杂区域，以及各种电磁干扰较大的场合；3.整个装置体积较小，便于携带，操作方便，检测结果指示的直观性强，购置及检测成本低廉，测试工作劳动强度低，测试人员略加培训即可正确操作，降低了对管线探测装置使用者的经验要求，易于为用户所接受，便于推广和普及。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1是本发明的检测方法及步骤流程图；图2是在金属管线探测中使用本方法确定示管线位置时检测装置的连接示意图；图3是本发明的优选方式及其信号相位示意图；图4是可移动式信号接收装置的原理方框图；图5是可移动式信号接收装置实施例的原理方框图；图6是可移动式信号接收装置第一、第二放大单元的实施例线路图；图7是可移动式信号接收装置另一实施例的原理方框图。
图中1为待测金属管线，2为信号发射装置，3为信号接收装置，4-1、4-2为传感线圈，5为待测金属管线所在之敷设平面。
具体实施例方式
图1中，本发明所提供的在金属管线探测中直观指示管线位置的方法，包括待测金属管线、与金属管线连接的信号发射装置和可移动式信号接收装置，其具体方法是由信号发射装置向待测金属管线中注入一定幅值的交变电流；通过信号接收装置之两个成一定角度排列的传感线圈，感应发射机加在待测金属管线上的交变电流产生的磁场辐射信号；信号接收装置将两个线圈感应到的信号分别进行放大和滤波，再分别进行A/D转换，变成数字信号；将经过A/D转换后的数据送入微处理器电路进行傅里叶分析，分别解算出两个磁场信号的水平和垂直分量的幅值和相位；根据两分量是同相还是反相来判断出待测金属管线处于传感线圈的左侧还是右侧；由指示器进行明确的管线位置指示。
其中，所述两个传感线圈的轴线，成20～160°的夹角；优选的两个传感线圈之轴线夹角为90°。
其所述的两个传感线圈与待测金属管线所在之敷设平面的角度，优选为其中一个线圈平行于此平面，并且两个传感线圈的轴线，与管线路径垂直。
图2中，信号发射装置2的一个输出端和待测管线1相联，另一个输出端接大地；向管线上注入一定幅值的音频电流；当信号接收装置3的感应线圈4-1和4-2位于管线左侧时，其指示器显示向右，当其感应线圈位于管线右侧时，其指示器显示向左。
其中信号发射装置为市售的常规音频信号发射机产品，其并不要求发送单一频率的信号，只要求其含有某一频率分量即可(以便于信号接收装置的感应线圈谐振接收)，所以其既可以发送单频正弦波信号，也可发送单频方波信号，还可以发送多种频率组合的正弦或方波信号。
图3中，与敷设平面5(通常为地面)平行的传感线圈4-2可以直接感应并得到管线1辐射出的磁场的水平分量，与线圈4-2垂直的另一个传感线圈4-1，可以直接接收到管线辐射出的磁场的垂直分量。
当上述双传感线圈位于管线的左侧时(相当于图中左上部所示之情况)，磁场的水平分量与垂直分量信号同相位(参见图中左侧所示之波形)；当双线圈位于管线的右侧时(相当于图中右上部所示之情况)，上述两信号的相位相反(参见图中右侧所示之波形)。
采用优选方式(即两个传感线圈之轴线夹角为90°，其中一个传感线圈平行于与待测金属管线所在之敷设平面，并且两个传感线圈的轴线，与管线路径垂直)时，中央处理单元的运算处理量最小。
当然，也可选择其它的传感线圈与管线所在敷设平面的角度，以及其他的传感线圈轴线夹角，当双线圈的轴线不垂直时，根据其夹角的数值，通过对检测值进行三角函数的计算，解算出磁场的水平分量和垂直分量，但其解算的过程较复杂，程序的编制工作量大，程序运行的时间长，所需要的硬件资源多，所以一般使用双线圈轴线相互垂直的排列方式为宜。
图4中，可移动式信号接收装置至少包括两个成一定角度排列的传感线圈、第一放大单元、第二放大单元、鉴相单元和指示器。
其两个传感线圈之间的角度关系以及与管线所在敷设平面的位置关系，见图3所述相关内容。
其第一放大单元和第二放大单元，至少包括线圈谐振回路、可调增益放大环节以及模拟滤波器。
其指示器是带有相应外围附属电路的LCD液晶显示器、LED发光二极管、扬声器或耳机，其他类型的指示器件，只要能进行明确的提示均可。
其两个传感线圈分别感应发射机加在管线上的交流电流产生的磁场辐射，两个线圈感应到的信号分别经过放大单元的处理后，送入鉴相单元进行信号数字化处理，得到两个磁场信号的水平和垂直分量的幅值和相位，再根据两分量是同相还是反相来判断管线处于传感线圈的左侧还是右侧，并由指示器进行明确的管线位置指示。
图5中，鉴相单元由A/D转换单元和中央处理单元构成，其余同图4。
其A/D转换单元为常规的多路输入A/D转换器电路，可以采用市售的多路输入的常规A/D转换器件，其量化精度在8位即可，采样频率一般在发射机加在管线上的交流电流频率的8倍以上为佳。
当采用带有A/D转换器的单片机组成中央处理单元时，亦可以使用单片机内部的A/D转换器构成A/D转换单元，以简化电路结构，减少元器件数量。
两个线圈感应到的信号经过放大后，接入A/D转换器的两个信号输入引脚，由中央处理单元对A/D转换器进行控制，对经第一放大单元和第二放大单元送来的信号进行分别采样和转换，即在第一个转换周期选取第一放大单元送来的信号采样转换，在下一个转换周期选取第二放大单元送来的信号采样转换，再在下一个转换周期选取第一放大单元送来的信号采样转换，以此规律循环工作，对第一放大单元和第二放大单元送来的信号进行若干个周期的采样。
中央处理单元为常规的微处理器电路，其对A/D转换单元转换得到的数据进行傅里叶分析，解算出磁场信号的水平和垂直分量的幅值以及相位，再根据相位的异同，控制指示器进行直观的向左或向右指示。
由于上述各图中各功能电路的具体实现以及采用傅里叶分析计算周期性数字信号幅值和相位的方法均为现有的公知常规技术，在此不再叙述，具体可参阅相关的教材或技术书籍(如《模拟电子技术基础》，王济浩编著，山东科学技术出版社，2002年3月第1版)。
图6中，前述的第一放大单元和第二放大单元，至少包括线圈谐振回路、可调增益放大环节以及模拟滤波器。
电容C101和传感线圈并联，组成并联谐振电路，谐振频率为发射机加在管线上的交流电流频率；运算放大器U101A、电阻R101以及电位器VR101组成可调增益放大环节；U101B、R102、R103、R104、C102和C103组成二阶有源带通滤波器，其中心频率和谐振频率相同。
本发明之信号接收装置中所采用的集成电路，运算放大器可以选用LM324或与之功能相同或相近的集成电路，A/D转换器型号可以选用TLC0832或与之功能相同或相近的集成电路，带A/D转换功能的单片机的型号可以选用C8051F020或与之功能相同或相近的集成电路，其他元件无特殊要求。
图7中，鉴相单元亦可采用模拟鉴相单元的电路形式实现其相应的功能，两个线圈感应到的信号经第一和第二放大单元分别进行谐振、放大和滤波后，由模拟鉴相单元鉴别两信号的相位差，若同相，则输出一种逻辑电平(1或0)，若反相，则输出另一种逻辑电平(0或1)，指示器则根据逻辑电平的不同，输出不同的提示信息，进行明确的左右方向指示。
模拟鉴相电路亦为现有的公知常规技术，其具体的线路构成在此不再叙述。
由于本发明同时对磁场信号的水平分量和垂直分量的相位之同异进行比较，可以直接地、实时地由指示器明确指示出被测管线处于检测追踪者的左侧还是右侧，提高了检测结果指示的可靠性和直观性，从而提高了管线探测的效率，减小了探测工作强度，降低了对管线探测装置使用者的经验要求；此外，本发明利用数字信号处理的优势，提高了整个检测装置的抗干扰能力，特别适合于多条管线并行敷设的复杂区域，以及各种电磁干扰较大的场合，整个装置体积较小，便于携带，操作方便，检测结果指示的直观性强，购置及检测成本低廉，测试工作劳动强度低，测试人员略加培训即可正确操作，降低了对管线探测装置使用者的经验要求，易于为用户所接受，便于推广和普及。
本发明可广泛用于地下管网的普查、金属管线或电力电缆的路径跟踪等探测领域。
权利要求
1.一种在金属管线探测中直观指示管线位置的方法，包括待测金属管线、与金属管线连接的信号发射装置和可移动式信号接收装置，其特征是(1)由信号发射装置向待测金属管线中注入一定幅值的交变电流；(2)通过信号接收装置之两个成一定角度排列的传感线圈，感应发射机加在待测金属管线上的交变电流产生的磁场信号；(3)信号接收装置将两个线圈感应到的信号分别进行放大和滤波，再分别进行A/D转换，变成数字信号；(4)将经过A/D转换后的数据送入微处理器电路进行傅里叶分析，分别解算出两个磁场信号的水平和垂直分量的幅值和相位；(5)根据两分量是同相还是反相来判断出待测金属管线处于传感线圈的左侧还是右侧；(6)由指示器进行明确的管线位置指示。
2.按照权利要求1所述的在金属管线探测中直观指示管线位置的方法，其特征是所述两个传感线圈的轴线，成20～160°的夹角。
3.按照权利要求1或2所述的在金属管线探测中直观指示管线位置的方法，其特征是所述两个传感线圈的轴线夹角，优选为90°。
4.按照权利要求1所述的在金属管线探测中直观指示管线位置的方法，其特征是所述的两个传感线圈与待测金属管线所在之敷设平面的角度，优选为其中一个线圈平行于此平面，并且两个传感线圈的轴线，与管线路径垂直。
5.一种按照权利要求1所述方法在金属管线探测中直观指示管线位置的装置，包括与金属管线连接的信号发射装置和可移动式信号接收装置，其特征是所述的信号发射装置为音频信号发射机；所述的可移动式信号接收装置包括两个成一定角度排列的传感线圈、第一放大单元、第二放大单元、鉴相单元和指示器，其中，两个传感线圈分别感应发射机加在管线上的交流电流产生的磁场辐射，两个线圈感应到的信号分别经过放大单元的处理后，送入鉴相单元进行信号数字化处理，得到两个磁场信号的水平和垂直分量的幅值和相位，再根据两分量是同相还是反相来判断管线处于传感线圈的左侧还是右侧，并由指示器进行明确的管线位置指示。
6.按照权利要求5所述的在金属管线探测中直观指示管线位置的装置，其特征是所述两个传感线圈的轴线，成20～160°的夹角。
7.按照权利要求5或6所述的在金属管线探测中直观指示管线位置的装置，其特征所述两个传感线圈的轴线夹角，优选为90°。
8.按照权利要求5所述的在金属管线探测中直观指示管线位置的装置，其特征是所述的第一放大单元和第二放大单元，至少包括线圈谐振回路、可调增益放大环节以及模拟滤波器；其中，谐振电容和传感线圈并联，组成并联谐振电路；由运算放大器、串接在运算放大器输入端的电阻以及并接在运算放大器输入端和输出端之间的可调电位器构成可调增益放大环节；由二阶有源带通滤波器电路构成模拟滤波器。
9.按照权利要求5所述的在金属管线探测中直观指示管线位置的装置，其特征是所述的鉴相单元包括A/D转换单元和中央处理单元，其A/D转换单元为常规的多路输入A/D转换器电路；其中央处理单元为常规的微处理器电路。
10.按照权利要求5所述的在金属管线探测中直观指示管线位置的装置，其特征是所述的指示器是带有相应外围附属电路的LCD液晶显示器、LED发光二极管、扬声器或耳机。
全文摘要
一种在金属管线探测中直观指示管线位置的方法及其装置，属探测领域。其由信号发射装置向管线中注入交变电流，通过信号接收装置之两个传感线圈感应管线上交变电流产生的磁场信号，将两个线圈感应到的信号进行放大、滤波、A/D转换和傅里叶分析，分别解算出两个磁场信号水平和垂直分量的幅值和相位，根据两分量相位的同异来判断待测金属管线的位置，由指示器进行明确的指示。本发明采用相位比较的方法，利用数字信号处理优势，提高了管线探测的工作效率和检测装置的抗干扰能力，减小了探测工作强度，特别适合于多条管线并行敷设的复杂区域，以及各种电磁干扰较大的场合，可广泛用于地下管网的普查、金属管线或电力电缆的路径跟踪等探测领域。
文档编号G01V3/02GK1700040SQ20051001254
公开日2005年11月23日 申请日期2005年5月25日 优先权日2005年5月25日
发明者陈宗军, 李桂义 申请人:淄博威特电气有限公司