CN102621582A

CN102621582A - 空间矢量法地下金属管线位置探测方法及装置

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Publication number: CN102621582A
Application number: CN201210084227XA
Authority: CN
Inventors: 陈宗军; 李桂义; 李义明; 张波; 楚龙天
Original assignee: ZIBO WEITE ELECTRIC CO Ltd
Current assignee: ZIBO WEITE ELECTRIC CO Ltd
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明提供一种空间矢量法地下金属管线位置探测方法，其特征在于采用以下步骤：1)地下金属管线辐射出磁场信号；2)由两个磁场传感器组感应金属管线辐射出的磁场信号；3)将两磁场传感器组感应到的磁场信号分别进行信号调理；4)将调理过的模拟信号进行模数转换；5)对数字信号经过反演和运算得到待测金属管线的敷设信息；6)计算结果由人机界面进行显示。实施上述方法的装置包括两个间隔一定距离且水平排列的磁场传感器组、信号调理单元、模数转换器、中央处理单元和人机界面，每个磁场传感器组的输出端分别经信号调理单元和模数转换器接中央处理单元，中央处理单元与人机界面连接。本发明可以实时指示金属管线位置、深度和走向，精度高。

Description

空间矢量法地下金属管线位置探测方法及装置

技术领域

本发明提供一种空间矢量法地下金属管线位置探测方法及装置，属于金属管线探测技术领域。

背景技术

金属管线或电缆(电缆的金属护层及导电芯线相当于金属管线)一般敷设于地下，当需要对其工程施工时，如对电缆的割接或故障修复、管道的开口及维护等，需要探测其敷设位置，当需要对一定区域进行地面开挖前，亦需要事先探测地面下的金属管线电缆，标定其位置和深度，以免在地面开挖中造成其损坏。针对上述问题，现有的技术方案有：

1)传统的金属管线探测技术，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金属管线的位置，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，线圈垂直于金属管线，平行于地面，金属管线正上方时信号最强，两侧减弱；使用音谷法时，线圈垂直于金属管线，也垂直于地面，金属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接表示出金属管线的位置，而必须靠操作者通过分析信号幅值的变化规律来判断金属管线的位置。探测效率低、工作强度高(尤其在金属管线复杂地区和嘈杂环境中)、而且对操作者的经验有较高要求。

2)公告日为2007年9月12日、公告号为CN100337127C的中国专利中公开了一种“在金属管线探测中直观指示金属管线位置的方法及其装置”，通过两个成一定角度排列的传感线圈，感应发射机加在金属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放大、滤波，再分别进行AD转换，AD转换后的数据进行傅里叶分析，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金属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指示。这种方法采用数字化处理，能直观指示金属管线的左右方向，在很大程度上解决了传统方法和装置的不足，但仍需要在探测过程中不断将接收传感器左右移动横切金属管线，才能根据左右方向指示找到金属管线的准确位置，不能直接指示金属管线的具体位置。

3)传统的金属管线测深方法，为60％法(或80％法)测深和45°法测深。

60％法深度测量：传感线圈水平放置，首先用音峰法找到信号幅值最强的点，记下幅值数，然后左右水平移动传感器，找到左右两侧信号幅值减弱到最大幅值60％的点，则两点之间的距离等于金属管线深度的2倍。

80％法深度测量：同60％法类似，区别在于需找到左右两侧信号幅值减弱到最大幅值80％的点，两点之间的距离等于金属管线深度。

45°法深度测量：在金属管线两侧，分别反方向调整传感线圈方向，使传感器轴线与地面成45°夹角，横切路径，在两侧分别找到信号幅值最弱的点，则两点之间的距离为金属管线埋设深度的2倍。

传统方法尤其是60％法(或80％法)的优点是比较精确，易于排除临近金属管线的干扰，但缺点是操作比较繁琐。

4)改进的测深方法：使用两个上下间隔一定距离排列的水平线圈，下线圈感应到的信号大于上线圈，根据两线圈感应到的信号差异和两者的距离，能够计算出金属管线和下线圈间的距离(即深度)。此方法的优点：操作简便，当探测线圈位于金属管线正上方时，即可以按键指令探测仪自动计算深度；缺点是：只有当探测线圈位于金属管线正上方时此公式才有效，从而不能实时测深；在深度较小时尚满足要求，随深度的增加误差急剧上升。若需提高精度，需大幅度提高测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、可以实时指示金属管线位置、深度和走向的空间矢量法地下金属管线位置探测方法及装置。其技术方案为：

一种空间矢量法地下金属管线位置探测方法，包括可移动式信号接收装置，其特征在于采用以下步骤：

1)地下金属管线因被主动施加交流信号而辐射同频率交流磁场，或者地下金属管线因自身承载交流电流而主动辐射，或者因感应外部交流磁场而造成二次辐射；

2)由信号接收装置中的两个间隔一定距离且水平排列的磁场传感器组，感应金属管线辐射出的磁场信号；

3)信号接收装置将两磁场传感器组感应到的磁场信号分别进行信号调理，包括放大、混频、滤波和信号切换环节；

4)将调理过的模拟信号进行模数转换，转变为数字信号；

5)将经过模数转换后的数字信号送入数字信号处理环节，经过反演和运算得到待测金属管线的敷设信息；

6)计算结果由人机界面进行显示。

所述的空间矢量法地下金属管线位置探测方法，两磁场传感器组的间隔为0.1-2m。

所述的空间矢量法地下金属管线位置探测方法，每个磁场传感器组内包含两个相互正交排列的磁场传感器，这两个磁场传感器的轴线分别与X、Y轴重合或平行，其中X轴为两个磁场传感器组的连线，X轴与地面水平、且与金属管线相交，Y轴垂直于地面。

所述的空间矢量法地下金属管线位置探测方法，若每个磁场传感器组内包含两个相互正交排列的磁场传感器，则步骤5)中数字信号处理环节的反演和运算过程为：首先反演出两磁场传感器组位置处的磁场矢量的X、Y轴分量，将两个磁场传感器组检测到的磁场矢量的X、Y分量分别记为m_A、n_A和m_B、n_B；将两组X、Y分量分别进行矢量合成，得到两磁场传感器组位置处磁场矢量的切线在X-Y平面上的投影；分别对两磁场矢量切线的投影做法线，两法线均与金属管线相交，其交叉点即为金属管线在X-Y平面上的位置，据此得到金属管线在地面的投影位置和其地面下的埋设深度，计算公式为：

\{\begin{matrix} x = - \frac{L}{2} \cdot \frac{m_{A} n_{B} + m_{B} n_{A}}{m_{A} n_{B} - m_{B} n_{A}} \\ y = L \cdot \frac{m_{A} m_{B}}{m_{A} n_{B} - m_{B} n_{A}} \end{matrix}

公式中：L为两个磁场传感器组的中心距离，x为金属管线在X轴上的投影点与两磁场传感器组连线的中点间的距离，y为金属管线距X轴的距离，此距离减去X轴距地面的距离即为金属管线在地下的埋设深度。

所述的空间矢量法地下金属管线位置探测方法，若每个磁场传感器组内包含三个相互正交排列的磁场传感器，则步骤5)中数字信号处理环节的反演和运算过程为：首先反演出两磁场传感器组位置处的磁场矢量的X、Y、Z轴分量，其中Z轴与X、Y轴均正交，将两个磁场传感器组检测到的磁场矢量的X、Y、Z分量分别记为m_A、n_A、p_A和m_B、n_B、p_B；将两组X、Y分量分别进行矢量合成，得到两磁场传感器组位置处磁场矢量的切线在X-Y平面上的投影；分别对两磁场矢量切线的投影做法线，两法线均与金属管线相交，其交叉点即为金属管线在X-Y平面上的位置，据此得到金属管线在地面的投影位置和其地面下的埋设深度，计算公式为：

\{\begin{matrix} x = - \frac{L}{2} \cdot \frac{m_{A} n_{B} + m_{B} n_{A}}{m_{A} n_{B} - m_{B} n_{A}} \\ y = L \cdot \frac{m_{A} m_{B}}{m_{A} n_{B} - m_{B} n_{A}} \end{matrix}

对Z分量和X分量的商进行反正切运算得到金属管线与Z轴的偏角，计算公式为：

θ = arctg (\frac{p_{A}}{m_{A}})

或

θ = arctg (\frac{p_{B}}{m_{B}}),

公式中：L为两个磁场传感器组的中心距，x为金属管线在X轴上的投影点与两磁场传感器组连线的中点间的距离，y为金属管线距X轴的距离，此距离减去X轴距地面的距离即为金属管线在地下的埋设深度，θ为金属管线(1)走向和Z轴即金属管线(1)探测时的行进方向间的偏角。由运算得到的位置、深度和偏角参数共同决定待测金属管线的完整敷设信息。

一种实现空间矢量法地下金属管线位置探测方法的装置，其特征在于：包括两间隔一定距离且水平排列的两个磁场传感器组、信号调理单元、模数转换器、中央处理单元和人机界面，每个磁场传感器组的输出端分别经信号调理单元和模数转换器接中央处理单元，中央处理单元再与人机界面连接。

所述的实现空间矢量法地下金属管线位置探测方法的装置，每个磁场传感器组内均包含二个或三个相互正交排列的磁场传感器，磁场传感器采用线圈、巨磁阻磁场传感器、光纤磁场传感器或纳米磁场传感器。

所述的实现空间矢量法地下金属管线位置探测方法的装置，所述的信号调理单元包含信号放大器、混频器、滤波器和信号切换器，其中磁场传感器的输出端经信号放大器分别接信号切换器和混频器，混频器的输出端接信号切换器，信号切换器的输出端接模数转换器。

所述的实现空间矢量法地下金属管线位置探测方法的装置，模数转换器采用多通道∑-Δ型A/D转换器。

本发明与现有技术相比，其优点是：

1、对金属管线深度的测量更为精确：若需要达到和已有方法相同的测深精度，对采集原始信号的精度要求降低，从而能够简化设计、降低工艺要求，简化调试过程，降低成本；或在不改变采集精度的情况下，达到比已有方法更高的测深精度。

2、在测深时无须要求装置必须位于管线正上方，从而能够实时测量和显示深度。

3、不需要在探测过程中不断将探测装置左右移动横切金属管线，即能实时测量和直观显示管线的位置。

附图说明

图1是本发明装置实施例的结构示意图。

图2是本发明的工作原理框图。

图3是本发明装置中磁场传感器组另一实施例的结构示意图。

图4是图1所示实施例在进行探测地下金属管线工作的三维示意图。

图5是图4所示实施例在进行探测地下金属管线工作的俯视图。

图6是图4所示实施例在进行探测地下金属管线工作的平视图。

图7是利用本发明进行一次实际测试，在人机界面上的显示结果。

图中：1、金属管线 2、磁场传感器 3、基座 4、连杆 5、LED指示器 6、壳体 7、撑杆 8、人机界面 9、中央处理单元 10、模数转换器 11、信号放大器 12、混频器 13、滤波器 14、信号切换器 15、时钟模块16、管线图像 17、地面 18、X、Y、Z坐标系 19、坐标系原点 20、探测金属管线时的行进方向 21、金属管线与Z轴的偏角 22、金属管线在X轴上的投影与坐标系原点之间的距离 23、金属管线距X轴的距离

具体实施方式

在图1～2所示的实施例中：两个磁场传感器组间隔1m且水平排列，每个磁场传感器组均包括一个基座3和两个设置在基座3上、且相互正交排列的磁场传感器2，每个磁场传感器2均由安装在基座3相对两侧的2个空心线圈串联而成，用于分别检测磁场的X轴、Y轴分量。两个磁场传感器组经设有LED指示器5的连杆4与壳体6固定连接，人机界面8经撑杆7安装在壳体6的上方；壳体6内安装有中央处理单元9、模数转换器10、信号放大器11、混频器12、滤波器13、信号切换器14和时钟模块15，其中模数转换器10采用多通道∑-Δ型A/D转换器，每个磁场传感器2的输出端均对应经信号放大器11分别接信号切换器14和混频器12，混频器12的输出端接信号切换器14，信号切换器14经模数转换器10接中央处理单元9的输入端。

在图3所示的实施例中：每个磁场传感器组均包括一个基座3和三个设置在基座3上、且相互正交排列的磁场传感器2，每个磁场传感器2均由安装于基座3相对两侧的2个空心线圈串联而成，用于分别检测磁场的X轴、Y轴和Z轴分量。

在图4-6所示的实施例中：坐标系原点19位于两个磁场传感器组的中点，X轴即为两磁场传感器组的连线、且平行于地面17，Y轴垂直于地面，Z轴与X、Y轴均正交；中央处理单元9根据计算金属管线1在X轴上的投影与坐标系原点之间的距离22，控制对应的LED指示器5点亮，其他LED指示器5均熄灭，表示金属管线1位于点亮的LED指示器5下方；计算得到的深度y，即两个磁场传感器组中心距金属管线1中心的垂直距离，减去两个磁场传感器组中心距地面17的垂直距离，即得到金属管线1的实际埋深。

其具体探测过程为：

1)地下金属管线1因被主动施加交流信号而辐射同频率交流磁场；

2)两个间隔1m且水平排列的磁场传感器组，每个磁场传感器2组内包含三个相互正交排列的磁场传感器2，由其感应金属管线1辐射出的磁场信号，将两个磁场传感器组检测到的磁场矢量的X、Y、Z分量分别记为m_A、n_A、p_A和m_B、n_B、p_B；

3)每个磁场传感器2的输出信号首先经过信号放大器11进行放大，其输出分成两路，一路送入信号切换器14，一路送入混频器12，混频器12将其与时钟模块15送入的本振时钟信号混频，混频后的信号送入滤波器13，将下变频信号提取出来送入信号切换器14；时钟模块15根据中央处理单元9的命令产生本振时钟信号。一般的，若信号频率较低，可选择仅经过预放大的信号，若信号频率较高，采样频率与信号频率不能相适应时，需要选择经过下变频的信号，一般的，采样频率优选为信号频率的16倍以上，根据采样定理，至少应为2倍以上。

4)信号切换器14根据中央处理单元9的命令进行切换，选择仅经过信号放大器11的信号，还是经混频器12和滤波器13处理过的下变频信号，信号切换器14的输出经模数转换器10转变为数字信号，送入中央处理单元9进行数字信号处理。

5)在数字信号处理环节，首先将两磁场传感器组位置处的磁场矢量的X、Y、Z轴分量分别进行矢量合成，得到两磁场传感器组位置处磁场矢量的切线在X-Y平面上的投影；然后分别对两磁场矢量切线的投影做法线，两法线均与金属管线1相交，其交叉点即为金属管线1在X-Y平面上的位置，据此得到金属管线1在地面的投影位置和其地面下的埋设深度，计算公式为：

\{\begin{matrix} x = - \frac{L}{2} \cdot \frac{m_{A} n_{B} + m_{B} n_{A}}{m_{A} n_{B} - m_{B} n_{A}} \\ y = L \cdot \frac{m_{A} m_{B}}{m_{A} n_{B} - m_{B} n_{A}} \end{matrix} - - - (1)

对Z分量和X分量的商进行反正切运算得到金属管线1与Z轴的偏角，计算公式为：

θ = arctg (\frac{p_{A}}{m_{A}}) - - - (2)

公式中：L为两个磁场传感器组的中心距离，x为金属管线1在X轴上的投影点与两磁场传感器组连线的中点间的距离，y为金属管线1距X轴的距离，此距离减去X轴距地面的距离即为金属管线1在地下的埋设深度，θ为金属管线(1)走向和Z轴即金属管线(1)探测时的行进方向间的偏角。由位置、深度和偏角参数共同决定金属管线1的完整敷设信息。

6)计算结果由人机界面8进行显示，其中的金属管线1位置信息可直接通过LED指示器5进行直观指示：哪个LED指示器5亮即表示金属管线1位于其下方。此种指示方法的优点为不需要在探测过程中不断将探测装置左右移动横切金属管线1，即能实时直观显示金属管线1的位置。

在图7所示的实施例中：测试条件为待测金属管线1为一条停运的电力电缆，实际埋深约为1.5m，使用交流信号发生器向其注入约60mA、频率为1kHz的正弦交流信号。人机界面8的显示中，管线图像16为本发明装置根据计算得到的金属管线1敷设信息的模拟；0.32m为管线图像16位置偏距，即公式(1)中的计算结果x；1.53m为管线图像16埋深，本次结果是将本发明装置放置于地面进行测量，在装置内部已经进行了校正处理，将公式(1)中的计算结果y减去了两个磁场传感器组中心距地面的距离，故1.53m即可认为是金属管线1的实际埋深；13°为管线图像16和Z轴(探测时的行进方向)间的偏角，即公式(2)中的θ角；1KHz为当前接收频率；62dB为当前信号强度；55mA为根据信号强度和埋深计算得到的金属管线1的承载电流。

事实上，金属管线1的实际位置是埋深1.53m，电流55mA。实验证明本发明相比传统的管线探测装置，直观方便，测试精确，有较大的进步。

显而易见，如果磁场传感器2之间不是正交，而是形成一个偏离90度的已知角度，也能在后续数字处理中反演和恢复数据，但不可避免的增加处理工作量，此种显而易见的修改和等同变换在权利要求书的保护范围内加以包括。

Claims

1.一种空间矢量法地下金属管线位置探测方法，包括可移动式信号接收装置，其特征在于采用以下步骤：

1)地下金属管线(1)因被主动施加交流信号而辐射同频率交流磁场，或者地下金属管线(1)因自身承载交流电流而主动辐射，或者因感应外部交流磁场而造成二次辐射；

2)由信号接收装置中的两个间隔一定距离且水平排列的磁场传感器组，感应金属管线(1)辐射出的磁场信号；

4)将调理过的模拟信号进行模数转换，转变为数字信号；

5)将经过模数转换后的数字信号送入数字信号处理环节，经过反演和运算得到待测金属管线(1)的敷设信息；

6)计算结果由人机界面(8)进行显示。

2.如权利要求1所述的空间矢量法地下金属管线位置探测方法，其特征在于：两磁场传感器组的间隔为0.1-2m。

3.如权利要求1所述的空间矢量法地下金属管线位置探测方法，其特征在于：每个磁场传感器组内包含两个相互正交排列的磁场传感器(2)，且两个磁场传感器(2)的轴线分别与X、Y轴重合或平行，其中X轴为两个磁场传感器组的连线，X轴与地面水平、且与金属管线(1)相交，Y轴垂直于地面。

4.如权利要求1或3所述的空间矢量法地下金属管线位置探测方法，其特征在于：步骤5)中数字信号处理环节的反演和运算过程为：首先反演出两磁场传感器组位置处的磁场矢量的X、Y轴分量，将两个磁场传感器组检测到的磁场矢量的X、Y分量分别记为m_A、n_A和m_B、n_B；将两组X、Y分量分别进行矢量合成，得到两磁场传感器组位置处磁场矢量的切线在X-Y平面上的投影；分别对两磁场矢量切线的投影做法线，两法线均与金属管线(1)相交，其交叉点即为金属管线(1)在X-Y平面上的位置，据此得到金属管线(1)在地面的投影位置和其地面下的埋设深度，计算公式为：

\{\begin{matrix} x = - \frac{L}{2} \cdot \frac{m_{A} n_{B} + m_{B} n_{A}}{m_{A} n_{B} - m_{B} n_{A}} \\ y = L \cdot \frac{m_{A} m_{B}}{m_{A} n_{B} - m_{B} n_{A}} \end{matrix}

公式中：L为两个磁场传感器组的中心距离，x为金属管线(1)在X轴上的投影点与两磁场传感器组连线的中点间的距离，y为金属管线(1)距X轴的距离，此距离减去X轴距地面的距离即为金属管线(1)在地下的埋设深度。

5.如权利要求1所述的空间矢量法地下金属管线位置探测方法，其特征在于：每个磁场传感器组内包含三个相互正交排列的磁场传感器(2)。

6.如权利要求1或5所述的空间矢量法地下金属管线位置探测方法，其特征在于：步骤5)中数字信号处理环节的反演和运算过程为：首先反演出两磁场传感器组位置处的磁场矢量的X、Y、Z轴分量，其中Z轴与X、Y轴均正交，将两个磁场传感器组检测到的磁场矢量的X、Y、Z分量分别记为m_A、n_A、p_A和m_B、n_B、p_B；将两组X、Y分量分别进行矢量合成，得到两磁场传感器组位置处磁场矢量的切线在X-Y平面上的投影；分别对两磁场矢量切线的投影做法线，两法线均与金属管线(1)相交，其交叉点即为金属管线(1)在X-Y平面上的位置，据此得到金属管线(1)在地面的投影位置和其地面下的埋设深度，计算公式为：

\{\begin{matrix} x = - \frac{L}{2} \cdot \frac{m_{A} n_{B} + m_{B} n_{A}}{m_{A} n_{B} - m_{B} n_{A}} \\ y = L \cdot \frac{m_{A} m_{B}}{m_{A} n_{B} - m_{B} n_{A}} \end{matrix}

对Z分量和X分量的商进行反正切运算得到金属管线(1)与Z轴的偏角，计算公式为：

θ = arctg (\frac{p_{A}}{m_{A}})

或

θ = arctg (\frac{p_{B}}{m_{B}}),

公式中：L为两个磁场传感器组的中心距，x为金属管线(1)在X轴上的投影点与两磁场传感器组连线的中点间的距离，y为金属管线(1)距X轴的距离，此距离减去X轴距地面的距离即为金属管线(1)在地下的埋设深度，θ为金属管线(1)走向和Z轴即金属管线(1)探测时的行进方向间的偏角。

7.一种实现如权利要求1所述的空间矢量法地下金属管线位置探测方法的装置，其特征在于：包括两间隔0.1-2m且水平排列的两个磁场传感器组、信号调理单元、模数转换器(10)、中央处理单元(9)和人机界面(8)，每个磁场传感器组的输出端分别经信号调理单元和模数转换器(10)接中央处理单元(9)，中央处理单元(9)再与人机界面(8)连接。

8.如权利要求7所述的实现空间矢量法地下金属管线位置探测方法的装置，其特征在于：每个磁场传感器组内均包含二个或三个相互正交排列的磁场传感器(2)，磁场传感器(2)采用线圈、巨磁阻磁场传感器、光纤磁场传感器或纳米磁场传感器。

9.如权利要求7所述的实现空间矢量法地下金属管线位置探测方法的装置，其特征在于：信号调理单元包含信号放大器(11)、混频器(12)、滤波器(13)和信号切换器(14)，其中磁场传感器(2)的输出端经信号放大器(11)分别接信号切换器(14)和混频器(12)，混频器(12)的输出端接信号切换器(14)，信号切换器(14)的输出端接模数转换器(10)。

10.如权利要求7所述的实现空间矢量法地下金属管线位置探测方法的装置，其特征在于：模数转换器(10)采用多通道∑-Δ型A/D转换器。