CN101501532A - 适用于识别和跟踪埋设在地下或嵌入市政工程中的埋设管或其他物体的探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及适用于识别和跟踪埋设在地下或嵌在市政工程中的埋设管或管道或其他物体，所述系统包括：编码装置，固定或结合到物体(1)中，采用一系列有限厚度的编码部件(3)的形式，每一个所述编码部件(3)形成预定尺寸的表面，这些编码部件彼此隔开，并且其布置使得可能限定编码；和探测装置，包括至少一个发射线圈(5)，至少一个接收线圈(6)，和用于处理来自所述各线圈(5，6)的信号的装置，其特征在于，至少一些编码部件(3)由磁性材料形成，所述探测装置设计用于使所述编码部件(3)的操作点在其操作循环中饱和或改变，所述编码部件(3)于是发出由具有主频率的波和具有多个主频率的频率的称为谐波的波一起构成的富频率信号，所述探测装置构造用于收集并且处理来自这些部件(3)的信号，并且重现所述物体(1)的编码。

Description

适用于识别和跟踪埋设在地下或嵌入市政工程中的埋设管或其他物体的探测系统
技术领域
本发明涉及适用于识别和跟踪埋设在地下或嵌入市政工程中的埋设管和管道或其他物体的探测系统。
背景技术
市政工程例如为公路或桥梁。
获得埋设的管、管道或管路的存在、布局和性质的信息的难度与以下事实相关：大多数情况，从外部什么也看不到，并且现有图纸通常证明不准确、不完整或甚至有时不正确。
为了节约时间和降低成本，当后面的工程进行时，能够探测这样的管、管道和管路的存在，并且能够将其精确定位而无需挖开地面或破坏建筑工程很重要。一般来说，使用的方法必须由具有适当资格的现场人员简单实施。而且，用于实施这些探测方法的装备必须结实并且可靠，并且其成本必须保持低于挖开管道或用于证明其存在的其警示架所需的投资。
几种方法用于探测埋设管或管道。第一种方法为在地下雷达的辅助下“显现”不论是金属还是其他材料的埋设管或管道。但是，所实施的系统的成本和复杂性意味着这些系统不适用于所提出的实际问题。
通过电磁装置探测是最广泛使用的方法。该电磁探测可通过传统的金属探测器、基于信号探测的电磁探测器和与标志相关的探测器进行。
传统的金属探测器不加选择地探测嵌入地下的所有金属物品，而不区分待探测物品和无关物品。
如果管或管道以包括导电部件的识别装置覆盖，所述导电部件为例如其间以指定间距布置并且安装在绝缘介质上的板条或导线，则探测器可探测这样的部件，但是编码的读取可受埋设在地下的无关部件或受附近存在的包括编码部件的一些物体的影响。
另一个技术方案为使用基于信号探测的电磁探测器。该技术方案需要将电信号引入管道或引入埋设的电缆或引入相关的金属部件，并且沿着管道系统的布局。这样的技术方案具有以下缺陷，即需要部分进入管道或相关金属部件来通过以等距离安装在管路上用作进入点的装置而引入电信号。
在一些情况下，可使用基于现有信号探测的有源信号探测器(a passivesignal detector)。这是配电网和电话网的电缆的情况，其中通常存在电流或信号。地面还藏匿有很多返回电流，其倾向于聚集在金属管和管道中。但是，未加载电缆的探测是不可能的，因为只有流动的电流产生磁场。
但是，由于在配电网的情况下存在变化的或零负载的可能性，由于广泛使用以“向前”和“返回”磁场倾向于相互抵消的方式绞在一起的成对的缆线，因此该探测是无规则的。
现有探测器与半主动或谐振标志相关。所述标志包括覆盖有由绝缘材料制成的保护壳体的并且调谐到某个频率的有源线圈(passive coil)。所述探测器包括电磁发生器，其产生一系列频率的脉冲，并且激励所述线圈。这样的系统的缺陷在于这样的事实：为了跟踪管道，标志需要以彼此足够接近的等间距埋设，以不使管道丢失，这导致安装的高成本。而且，没有给出方向指示。最后，虽然可能探测管或管道，但是识别管或管道则更复杂。
文件FR 2 819 055描述了设计用于识别并且跟踪埋设在地下或嵌入市政工程中的埋设管或管道或其他物体的探测系统，包括：
编码装置，固定或结合到物体中，或放置在距离物体预定距离处，采用有限厚度的一系列编码部件的形式，每一个编码部件形成具有预定尺度的表面，这些部件彼此隔开；
探测装置，包括至少一个发射线圈和至少一个接收线圈；
位移测量装置；和
用于处理来自所述接收线圈的信号的装置。
反之，具有足够能量的电磁波的发射允许获得由导电材料制成的每一个编码部件发出主频率波。信号的具体处理还允许最小化地下无关部件的影响。
但是，这样的系统的安装不能使地下无关导电部件的影响完全克服。
而且，虽然这样的系统已经证明在有些应用中有效，但是，由于响应信号几乎不包括信息，因此探测的可靠性保持有限，所述响应信号实际上由主频率信号波构成。
最后，特别由于其尺寸，这样的系统在警示装置中的结合可能证明是复杂的。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种探测系统来解决这些缺陷，所述探测系统设计用于识别并且跟踪埋设在地下或嵌入市政工程中的埋设管和管道或其他物体，所述系统易于使用，并且成本低，甚至在地下存在无关部件的情况下仍允许探测、识别和可靠跟踪。
出于该目的，本发明的主题是探测系统，设计用于识别和跟踪埋设在地下或嵌在市政工程中的埋设管或管道，包括：
编码装置，固定或结合到物体中，或放置在距离所述物体预定距离处，采用一系列有限厚度的编码部件的形式，每一个所述编码部件形成具有预定尺寸的表面，这些编码部件彼此隔开；
探测装置，包括至少一个发射线圈，至少一个接收线圈；和
用于处理来自所述各线圈的信号的装置，
其特征在于，至少一些编码部件由磁性材料形成，所述探测装置构造用于使所述编码部件的操作点在其操作循环中饱和或改变，所述编码部件于是发出含有由主频率波和多种主频率值的称为谐波的波一起构成的很多频率的信号，所述探测装置构造用于获得并且处理来自这些部件的信号，并且重现所述物体的编码。
形成编码的编码部件磁性能的使用允许获得多种信息，并且因而编码的读取变得可靠。
确实，签于导电编码部件的传统使用仅允许在响应中获得主频率波，本系统基于由主频率波和对应于谐波的多频率波一起构成的信号。
术语“多”不应以其限制意义来理解。因而，多频率波可以是例如其频率接近主频率两倍但是不精确等于该值的波。
这样的系统还能克服通常导电的埋设在地下或存在于待识别物体附近的无关部件的影响。
另外，对应于主波的谐波的识别允许由无关导电部件发出的信号和编码部件发出的信号的识别和区分。
有利地，编码部件具有低于200,000的最大磁导率(permeability)，小于2特斯拉的饱和磁感应强度，和小于2A/m的矫顽磁场，这些测量在直流下进行。
该类型编码部件可通过低能电磁波饱和。
假设所述探测装置设计用于运输到测量区域，则使用低激励能量来获得可靠响应的可能性提高探测系统的便携性。
而且，存在于地下的与导电部件相比较数量较小的磁性无关部件很难饱和。
因而，如果发射低能波，则仅编码部件将以可识别波的形式发出响应。
根据第一实施例，所述编码部件由非晶体类型的铁酸盐合金制成，所述非晶体合金为通过在高速旋转的轮上快速冷却制造的具有(Fe74.5Si13.5B9Nb3Cux)类型成分的合金，或FeZrBCu类型合金，或具有相似性能的任何类型的合金。
根据第二实施例，所述编码部件由镍-铁或钴-镍-铁类型合金制成，由铁基或钴基无定形磁合金制成。
这样的材料具有良好的磁性能，并且易于饱和。
根据第三实施例，可使用例如钢等铁-硅类型合金，但是要较高能量来使其饱和。
优选地，为了形成可沿管或管道展开的编码系统，编码部件覆盖有例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚乙烯(PE)或聚胺薄膜，以对其随时间进行保护，并且防护腐蚀和机械磨损和划破。
根据本发明的一个特征，所述编码部件包括几层不同的磁性材料。
这样的布置允许增加由每一个编码部件可获得的信息，以使编码密度增加。
根据一个可替代特征，所述编码部件包括至少一层磁性材料和至少一层导电材料。
该特征允许利用编码部件的磁性能，同时还将其与利用涡流的探测结合。
有利地，设计用于配备所述管或管道纵向主体的所述编码部件类型以细长标签的形式出现，所述编码部件关于彼此沿所述主体的轴间隔开，并且沿该轴定向或关于该轴形成角度。
编码部件沿所述主体的这样的布置允许形成便于由使用者跟踪所述主体的可识别编码。
根据一个特征，所述编码部件以各种形式和/或各种尺寸出现。
所述部件的形状和尺寸允许获得的信息的密实化，因而提供更大数量的编码可能性。
根据一种可能性，编码部件包括至少一层具有铁酸盐和/或非晶体合金粉末基的油漆。
在任何情况下，通过参照以非限制性示例显示出该系统几个实施例的示意性附图的下面的描述可更好地理解本发明。
附图说明
图1是在埋设位置中，并且在探测阶段过程中配备有编码部件的管道节段的视图；
图2是显示出根据第一变体实施例布置的发射和接收线圈的立体视图；
图3和4是分别对应于图2的第二和第三实施例的视图；
图5到12是显示出根据本发明各实施例的配备有编码部件的管或管道的一部分的视图。
具体设施方式
图1描述了设置在地下2的管或管道1。由多个结合在两条聚合物带之间的磁编码部件3，3’和3”构成的带布置在该管道1上方的预定距离处。如图中所示，该带埋设在地下。
探测、识别和跟踪系统包括可由使用者在表面上方移动的支架4，所述系统包括至少一个发射或励磁线圈5，至少一个接收线圈6，用于处理来自所述接收线圈6的信号的装置，和至少一个用于确定组件的位置、运动方向和速度的系统。
优选地，使用编码轮来确定探测系统的空间位置。
发射线圈5优选为平直线圈，其使编码部件3不管其方向如何更易于饱和。还优选地，发射线圈5平行于编码部件3，3’和3”来增加信号强度。
根据图2中所示的第一实施例，每一个接收线圈6平行于相应的发射线圈5布置，并且布置在发射线圈5的阴影区域中，换句话说，基本上布置在发射线圈5的中心。
根据图3中所示的第二实施例，接收线圈6垂直于发射线圈5并且垂直于管道1的轴布置。
也可以具有与每一个发射线圈5相关的几个接收线圈6。
根据图4中所示的第三实施例，所述系统包括至少一个平行于编码部件3布置的发射线圈5，换句话说，布置在XOY平面中，并且与至少两个例如布置在发射线圈每一侧的接收线圈6和6’相关，接收线圈6布置在平行于XOZ平面的平面中，并且线圈6’布置在平行于YOZ平面的平面中。
接收线圈5和一个或多个接收线圈6的组合于是形成基于感应平衡原理的电磁探测器。
本发明目的是利用编码部件3，3’和3”的磁性能。
出于该目的，指定频率和能量的电磁波沿管道1的方向发送到地下2，以到达编码部件3。
地下包括多个通常由很难饱和的导电材料和/或磁性材料构成的无关部件17。
根据所使用材料的固有性能和所述部件的深度来改变被称为主频率并且被表示为f0的频率和发射波的能量。该频率和该能量用于以使每一个编码部件处于接近饱和状态的方式激励每一个磁编码部件3，3’和3”。
应记得，磁部件的饱和状态是其中磁部件经受强度高达使磁感应强度不能通过增加该磁场强度来适当升高的外部磁场的状态。该状态因而对应于所述部件的最大磁化强度的状态。
经受这样的饱和的编码部件于是一起发出主频率f0的波和具有多个与谐波对应的频率2f0，3f0，...，nf0的多个波。
该信号基本上通过一个或多个接收线圈获得，然后发射到处理装置。
换句话说，发射线圈产生足够强的能使标签式编码部件3，3’和3”饱和的激励磁场，具有频率f0等于例如10kHz的交流电流流经所述发射线圈。这些标签的技术特征在后文描述。
该饱和导致发出信号的变形和以标签3，3’和3”的操作点为特征的谐波的形成。
接收线圈6和6’可选地放置在已知为“阴影区”的区域中，并且调谐到期望频率，探测由于存在标签3和3’而造成的由发射线圈5产生的磁场中的变化。应注意到，阴影区定义为这样一个区域，在该区域中，在不存在目标的情况下，换句话说，在不存在编码部件或标签3或3’的情况下，由发射线圈在接收线圈中产生的频率f0的磁场的总磁通量非常低，甚至为零。使用的频率通常为第二(2f0)和第三(3f0)谐波。
另外，除了利用标签材料的非线性磁特性，根据本发明的系统还能够利用这样的事实：薄和长的标签沿标签的纵向具有容易磁化的方向。
线圈6和6’的方向取决于待检测的标签3和3’。每一种类型的标签，换句话说，标签的每一个方向与至少一个接收线圈6或6’相关，其中，接收线圈6或6’的平面与标签3或3’的方向正交。这允许检测到对应于每一个“标签式线圈”对的最大磁通量。
每一种类型的线圈因而单独读取一种类型的标签。但是，另一种类型的标签也发射信号到每一个接收线圈中。通过选择设置平行于一种类型标签的对称轴的接收线圈平面的法线，当探测系统在标签3或3’上对准时，该干扰信号最小化。接收线圈于是主要发现与其正交的标签。
各线圈的结构和位置还具有以下优点。由发射线圈产生的磁场为通过传统平直线圈产生的传统磁场。因而，与以标签形式的编码部件在零磁场的区域中，换句话说，靠近或在发射线圈内的区域中经过无关。这简单地满足使编码部件由交变磁场激励，以使其饱和。
第一谐波频率，例如2f0也可与一种类型的标签相关，并且另一谐波频率，例如3f0或nf0与另一种类型的标签相关。
于是可区分标签，并且通过接收线圈获得相和振幅信息，用于每一种标签3和3’的所述信息将能够分别处理。
编码的信号特征通过同步探测由发射线圈发射的信号和由接收线圈接收的信号之间的比较获得，同步探测中，信号的接收与发射同时实现。
应注意到，可同样使用任何其他已知的比较方法。
磁编码部件的存在改变所接收信号，这允许探测所述部件的存在和性质。
由处于主频率的波和对应于谐波的波构成的信号的发出允许在信号处理之后提高编码密度，换句话说提高信息量。因而显著提高相应的编码读取和因而探测的可靠性。
在各种单独的信号并存或存在干扰磁部件的情况下，编码的信号特征受到影响。但是，由于因为使用单独规则系统的源并且如果需要因为使用与每一个发射线圈相关的几个接收线圈而造成的冗余信息，可能重现代表编码的真正信号。
于是通过智能网络的各种形状识别和分类算法，或通过模糊逻辑算法和其他传统算法满足识别代表编码特征的信号。
通过执行分析每一种前述方法的响应的决策辅助处理获得最终响应。
文章“BELLOIR F.，HUEZ R.，BILLAT A.，；2000；A smart flat-coileddy-current sensor for metal-tag recognition；Measurement Science & Technology；vol.11，n°4，pp.367-374”中详细描述了由接收线圈产生的信号的该类型处理。
根据本发明的该系统因而能够探测到埋设到2m深度的管或管道。
现在将详细描述纵向主体1上的编码部件3和3’的构成和设置。
这些编码部件3由优选具有低于200,000的磁导率、小于2特斯拉的饱和磁感应强度和小于1A/m的矫顽磁场的软磁材料形成。
根据第一种可能性，部件3由镍-铁或钴-铁类型合金制成，由铁基或钴基无定形磁合金制成，由铁-硅类型合金制成，或由钢制成。
其高磁导率特别引人注意的镍-铁类型合金为透磁合金或高导磁合金(mu-metal)。
根据另一种可能性，编码部件3具有布置在两片聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚胺或其他类型聚合物之间的纳米晶体金属带。
在该情况下，材料的磁导率约200,000，饱和磁感应强度高，基本上约1.2T，并且矫顽磁场低，小于2A/m。另外，由纳米晶体金属制成的这样的编码部件3可与低于1MHz并且例如为10kHz数量级的低发射频率一起使用。
这些编码部件因而以标签形式形成，其优选沿其长度方向磁化，这是容易磁化方向。如在后文描述的，这些标签可平行于电磁探测器的位移、正交于该位移或关于该位移成指定角度放置。
也可使用由溶剂、聚合物粘接剂构成的磁性油漆和磁性粉末。在这种情况下，粉末可以是铁酸盐粉末或非晶体合金粉末。这两种类型的粉末具有能够与高频信号一起工作的优点，但是不能埋设在较大深度处。
编码部件3和3’也可以不同磁性材料层的形式制造，或甚至包括导电材料层。
图5到12示出了可想象到的关于编码部件的设置、形状和选择的一些实施例。
因而，根据图5中示出的实施例，编码部件3和3’以标签的形式出现，编码部件关于彼此沿主体1的轴间隔开，一些部件3沿该轴定向，另一些部件3’垂直于该轴定向，而另一些部件3”关于由主体1限定的轴以其他角度定向。
可选地，编码部件3仅沿管1的轴定向(图6)或仅关于管1的轴垂直定向(图7)。
根据图8中所示的另一个实施例，一些编码部件具有不同的形状，例如圆形7或多边形8。
如图9中所示，编码部件可由几种不同的磁性材料形成。
这样的装置的优点在于这样的事实：通过发射具有不同强度的信号，具有相同磁性能的每一组编码部件能够选择地被驱动到饱和。
以这种方式，在这样的编码中包含信息的可能性提高。
采用例如三组编码部件9，10，11的编码，每一组由不同的材料以这样的方式形成：每一组分别具有不同的饱和磁感应强度B1，B2和B3，B1>B2>B3。
在该情况下，根据磁场的强度，首先两组9，10可饱和，而第三组11不饱和。
响应将于是仅由首先两组9，10的谐波构成。
如图10中所示，另一个变体为提供由相同的磁性材料形成的编码部件3构成的编码，一些编码部件由导电材料12的带覆盖。这些带12例如由铜制成，并且具有20微米的厚度。这些带12进一步与磁性材料电绝缘。
图11显示了由编码部件3构成并且间隔10米的编码14。这些编码由磁性材料形成的中间带或导线15连接。
这些带或导线15允许跟踪管或管道到与相应的编码一样远。
根据图12中显示的另一个变体，如果需要，特别易于识别的永磁体16可布置在编码的开始处用于识别埋设管或管道1的起点和/或方向。
不言而喻，本发明不仅限于上文通过示例描述的该系统的实施例，而是相反，包括所有的变体。因而，具体地，该装置也可用于探测和定位例如支管位置的值得注意的点。

Claims (12)

1.一种探测系统，设计用于识别和跟踪埋设在地下或嵌在市政工程中的埋设管或管道或其他物体，包括：
编码装置，固定或结合到物体(1)中，或放置在距离所述物体(1)预定距离处，采用一系列有限厚度的编码部件(3)的形式，每一个所述编码部件(3)形成具有预定尺寸的表面，这些编码部件彼此隔开，并且其布置允许限定编码，
探测装置，包括至少一个发射线圈(5)，至少一个接收线圈(6)，和
用于处理来自所述各线圈(5，6)的信号的装置，
其特征在于，至少一些编码部件(3)由磁性材料形成，所述探测装置构造用于使所述编码部件(3)的操作点在其操作循环中饱和或改变，所述编码部件(3)于是发出含有由主频率波和多种主频率值的称为谐波的波一起构成的很多频率的信号，所述探测装置构造用于获得并且处理来自这些部件(3)的信号，并且重现所述物体(1)的编码。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述编码部件(3)具有低于200,000的磁导率，小于2特斯拉的磁饱和感应强度和小于1A/m的矫顽磁场。
3.根据权利要求1和2中任一所述的系统，其特征在于，所述编码部件(3)由非晶体类型的铁磁合金制成。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述合金具有通过在高速旋转的轮上快速冷却制造的(Fe74.5Si13.5B9Nb3Cux)类型成分或FeZrBCu类型合金。
5.根据权利要求1和2中任一所述的系统，其特征在于，所述编码部件(3)由镍-铁或钴-铁类型合金制成，由铁基或钴基无定形磁合金制成，由铁-硅类型合金制成，或由钢制成。
6.根据权利要求1到5中任一所述的系统，其特征在于，所述编码部件(3)覆盖有例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚乙烯(PE)或聚胺薄膜。
7.根据权利要求1到6中任一所述的系统，其特征在于，所述编码部件(3)包括几层不同的磁性材料。
8.根据权利要求1到6中任一所述的系统，其特征在于，所述编码部件(3)包括至少一层磁性材料和至少一层导电材料。
9.根据权利要求1到8中任一所述的系统，其特征在于，设计用于配备所述管或管道类型的纵向主体(1)的所述编码部件(3)以细长标签的形式出现，所述编码部件(3)关于彼此沿所述主体(1)的轴间隔开，并且沿该轴定向或关于该轴形成角度。
10.根据权利要求1到9中任一所述的系统，其特征在于，所述编码部件(3)以各种形式和/或各种尺寸出现。
11.根据权利要求10中所述的系统，其特征在于，所述编码部件(3)包括至少一种磁性带或导线(15)。
12.根据权利要求1到11中任一所述的系统，其特征在于，所述编码部件(3)包括至少一层具有铁酸盐和/或非晶体合金粉末基的油漆。
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