CN104457540A

CN104457540A - 高压电线磁场测距装置、方法及系统

Info

Publication number: CN104457540A
Application number: CN201410624612.8A
Authority: CN
Inventors: 隋首钢; 李艳萍; 刘存根; 高焕兵; 鲁守银; 石震; 尚兆功; 王升军
Original assignee: Shandong Jianzhu University
Current assignee: Shandong Jianzhu University
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2015-03-25

Abstract

本发明公开了一种高压电线磁场测距装置、方法及系统，涉及距离测量技术领域，所述高压电线磁场测距装置包括三轴磁场检测模块、信号放大模块、内含AD转换单元的主控模块和无线通信模块，其中，所述三轴磁场检测模块的输出端与所述信号放大模块的输入端相连，所述信号放大模块的输出端与所述主控模块的输入端相连，所述主控模块的通信端与所述无线通信模块相连。与现有技术相比，本发明测量简便，并且克服了存在测量死角和近距离测量不准确的缺点，有力地推动了高压电线测距技术的发展。

Description

高压电线磁场测距装置、方法及系统

技术领域

本发明涉及距离测量技术领域，特别是指一种高压电线磁场测距装置、方法及系统。

背景技术

随着我国经济的持续高速发展，高压大容量输电线路越建越多，且越来越多的有关高压电线领域，需要测量目标地点与目标高压电线的距离。一方面，高压电线本身具有高电压、高电流等特点，高压电线周围带有高辐射的磁场，在许多实际近距离的高压输电线路作业中，需要准确的测距；另一方面，在多数有关高压电线的技术领域中，需要的是高压电线距离的动态测距；因此，就需要一种安全的、动态的、实时的测距装置。

利用超声波测距原理实现高压电线的测距：通过发射具有特定频率的超声波对被测目标进行探测，特定频率的超声波遇到被测目标时，会以一定的角度反射回来；根据发射超声波和接收反射回的超声波所用的时间差，乘以超声波在传播介质中的速度，再通过进一步的处理，最终换算出距离；另外测距也可以采用激光测距方法。在实际测量中，利用超声波测距，存在45度夹角，存在死角，且在30cm以内的短距离内测量时，准确度不高，而激光测量属于点的测量，需要精确定位到被测量点，但是在实际中，精确定位到被测点较为困难，导致测量较为不便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种不存在测量死角，测量准确度高，易于定位，测量较为简便的高压电线磁场测距装置、方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种高压电线磁场测距装置，包括三轴磁场检测模块、信号放大模块、内含AD转换单元的主控模块和无线通信模块，其中：

所述三轴磁场检测模块的输出端与所述信号放大模块的输入端相连，所述信号放大模块的输出端与所述主控模块的输入端相连，所述主控模块的通信端与所述无线通信模块相连。

进一步的，所述主控模块包括MSP430F149单片机、第一晶振、第二晶振、第一接地电容、第二接地电容和第三接地电容，其中：

所述第一晶振的两端分别与所述MSP430F149单片机的XIN和XOUT/TCLK引脚连接；

所述第二晶振的两端分别与所述MSP430F149单片机的X2IN和X2OUT引脚连接，且分别经所述第一接地电容和第二接地电容后接地；

所述MSP430F149单片机的DVcc和AVcc引脚接3.3v电源且经所述第三接地电容后接地，所述MSP430F149单片机的DVss和AVss引脚直接接地。

进一步的，所述磁场检测模块是磁场传感器HMC1053模块，所述磁场检测模块采用+5V供电，所述磁场检测模块的A_GND、B_GND和C_GND引脚均接地，ABC_S/R-引脚接地，ABC_OFF+、AB_OFF-、C_OFF-引脚接所述MSP430F149单片机的P1.2/TA1、P1.3/TA2、P1.4/SMCLK引脚，AB_S/R+、C_S/R+引脚接所述MSP430F149单片机的P1.5/TA0引脚。

进一步的，所述信号放大模块包括第一、第二和第三差分放大电路，其中：

每个差分放大电路均包括放大器，所述放大器的反向输入端和输出端之间均并联有反馈电容和反馈电阻，所述放大器的正向输入端均通过上拉电阻接至1.25V电源；

所述第一差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻连接至所述磁场检测模块的A_OUT-、A_OUT+引脚，输出端连接至所述MSP430F149单片机的P6.3/A3引脚；

所述第二差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻连接至所述磁场检测模块的B_OUT-、B_OUT+引脚，输出端连接至所述MSP430F149单片机的P6.4/A4引脚；

所述第三差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻连接至所述磁场检测模块的C_OUT-、C_OUT+引脚，输出端连接至所述MSP430F149单片机的P6.5/A5引脚。

进一步的，每个差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端与所述MSP430F149单片机之间的限流电阻的阻值均相等；每个差分放大电路的反馈电阻与上拉电阻的阻值均相等。

进一步的，所述无线通信模块是Zigbee模块，所述Zigbee模块采用CC2530芯片。

进一步的，所述的高压电线磁场测距装置在直流磁场中进行测距的方法，包括：

步骤(1)：对直流磁场进行采样测量，采样点数为500-700；

步骤(2)：去掉最开始的10个采样数据和最后的10个采样数据；

步骤(3)：将剩下的采样数据按大小排序，去掉最大的10个采样数据和最小的10个采样数据；

步骤(4)：最后对所有剩下的采样数据取平均即测量值。

进一步的，所述的高压电线磁场测距装置在交流磁场中进行测距的方法，其特征在于，包括：

步骤(1)：对交流磁场进行采样测量，采样点数500-700；

步骤(2)：将第N次至第N+4次测量的5个采样数据取平均，作为滤波后的第N次测量数据，N指零至采样点数之间的任意整数；

步骤(3)：去掉最开始的10个采样数据和最后的10个采样数据；

步骤(4)：对剩余的采样数据按大小排序，用10个最大采样数据的平均值减去10个最小采样数据的平均值，其结果即为测量磁场数据的峰峰值。

进一步的，所述采样点数为600。

另一方面，提供一种测距系统，包括上述的高压电线磁场测距装置、与所述高压电线磁场测距装置无线连接的中继模块、以及与所述中继模块有线/无线连接的上位机，其中，所述高压电线磁场测距装置将测量数据通过所述中继模块传输至所述上位机。

本发明具有以下有益效果：

上述方案中，首先，三轴磁场检测模块对三个方向上的磁场进行测量，并转化为三路电压信号；三路电压信号经过信号放大模块放大后，被传输至主控模块；主控模块把放大后的电压信号转化成数字信号，并在主控模块内部对数字信号进行处理，利用三路数字信号，换算出被测目标与测量点的距离，然后把距离信号发送至无线传输模块向外传送。高压电线周围的磁场距离导线越近强度越大，因此可以根据磁场强度测算出测量点与导线之间的距离，由于磁场强度与方向无关，所以可以在任意方便操作的地点测量，且无测量死角；另外距离越近，信号越强，测量会越精确，克服了在30cm距离内，超声波测量不准确的缺点；由于磁场测量不是通过反射进行的，所以不需要考虑定位，操作上更简便易行；本发明测量简便，并且克服了存在测量死角和近距离测量不准确的缺点，有力地推动了高压线测距技术的发展。

附图说明

图1为本发明的高压电线磁场测距装置的结构示意图；

图2为本发明的高压电线磁场测距装置的磁场检测模块与信号放大模块的电路组成结构示意图；

图3为本发明的高压电线磁场测距装置的主控模块的结构示意图；

图4为本发明的高压电线磁场测距装置对交流磁场进行测量时，滤波前波形图；

图5为本发明的高压电线磁场测距装置对交流磁场进行测量时，滤波后波形图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种高压电线磁场测距装置，包括三轴磁场检测模块1、信号放大模块2、内含AD转换单元的主控模块3和无线通信模块4。如图1所示，三轴磁场检测模块1的输出端与信号放大模块2的输入端相连，信号放大模块2的输出端与主控模块3的输入端相连，主控模块3的通信端与无线通信模块4相连。

工作时，首先，三轴磁场检测模块1对三个方向上的磁场进行测量，并转化为三路电压信号；三路电压信号经过信号放大模块2放大后，被传输至主控模块3；主控模块3把放大后的电压信号转化成数字信号，并利用主控模块3内部的AD转换单元对数字信号进行处理，利用三路数字信号，换算出被测目标与测量点的距离，然后把距离信号发送至无线传输模块向外传送。

与现有技术相比，由于磁场强度与方向无关，所以可以在任意方便操作的地点测量，且无测量死角；另外距离越近，信号越强，测量会越精确，克服了在30cm距离内，超声波测量不准确的缺点；由于磁场测量不是通过反射进行的，所以不需要考虑定位被测目标物体，操作上更简便易行。

具体的，本发明可以采用如下电路结构形式：

如图2所示，主控模块3包括MSP430F149单片机、第一和第二晶振、以及第一、第二和第三接地电容，其中：

第一晶振的两端分别与MSP430F149单片机的XIN和XOUT/TCLK引脚连接；

第二晶振的两端分别与MSP430F149单片机的X2IN和X2OUT引脚连接，且同时分别经第一接地电容C9和第二接地C10电容接地；

MSP430F149单片机的Dvcc和第Avcc引脚接3.3v电源且经第三接地电容C5后接地，MSP430F149单片机的DVss和AVss引脚直接接地。

工作时，端口P6.0/A0以及P6.2/A3～P6.5/A5端口设置为AD采样，P6.3/A3～P6.5/A5端口分别用于测量A，B，C三轴的磁场数据，端口P6.0/A0用于接收磁场测距数据，端口P6.2/A2用于检测电池电量。端口P1.2/TA1～P1.4/SMCLK分别接HMC1053模块的ABC_OFF+、AB_OFF-、C_OFF-,且AB_OFF-、C_OFF-与P1.3/TA2、P1.4/SMCLK之间有限流电阻。端口P1.5/TA0用于启动HMC1053的测量功能，在每次测量时，先对HMC1053模块复位，并且保持低电平4ms，之后再启动HMC1053，进行磁场测量。

在测量磁场时，如图3所示，三轴磁场检测模块1优选是磁场传感器HMC1053模块，三轴磁场检测模块1采用+5V供电，三轴磁场检测模块1的A_GND、B_GND和C_GND引脚均接地，ABC_S/R-引脚接地，ABC_OFF+、AB_OFF-、C_OFF-引脚接MSP430F149单片机的P1.2/TA1、P1.3/TA2、P1.4/SMCLK引脚，AB_S/R+、C_S/R+引脚接MSP430F149单片机的P1.5/TA0引脚。

事实上，HMC1053模块内部配置了三个磁阻传感器，将磁场转化为不同的输出电压，该模块的测量范围是-6～+6gauss，分辨率为120μgauss。三轴的磁场测量结果分别由A_OUT+与A_OUT-，B_OUT+与B_OUT-，C_OUT+与C_OUT-差分输出。

接着，三轴磁场检测模块1差分输出的电压信号传输给信号放大模块2，信号放大模块2包括第一、第二和第三差分放大电路，其中：

每个差分放大电路均包括放大器U5A、U5B、U5C，放大器U5A、U5B、U5C的反向输入端和输出端之间均并联有反馈电容C11、C12、C14和反馈电阻R8、R14、R22，放大器的正向输入端均通过上拉电阻R11、R21、R25接1.25V电源；

第一差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻R12、R15连接至所述磁场检测模块的A_OUT-、A_OUT+引脚，输出端连接至所述MSP430F149单片机的P6.3/A3引脚；

第二差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻R17、R19连接至所述磁场检测模块的B_OUT-、B_OUT+引脚，输出端连接至所述MSP430F149单片机的P6.4/A4引脚；

第三差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻R23、R24连接至所述磁场检测模块1的C_OUT-、C_OUT+引脚，输出端连接至所述MSP430F149单片机的P6.5/A5引脚。

在主控模块3对放大后的电压信号数据转换时，由于MSP430的AD采集的高电平为2.5V，为了保证信号的不失真，运放的基准电压为1.25V，即信号放大电路的基准电压为1.25V。

且在该电路中，每个差分放大电路的放大器U5A、U5B、U5C的正向输入端和反向输入端与MSP430F149单片机之间的限流电阻R12、R15、R17、R19、R23、R24均相等，反馈电阻R8、R14、R22与上拉电阻R11、R21、R25均相等。

本发明中，无线通信模块优选是Zigbee模块，Zigbee模块所采用的芯片可以是CC2530，可实现一对多，多对多的快速及时通信。

实际工作时，存在两种磁场测量方式，即在直流磁场中的测距方式和在交流磁场中的测距方式，其中：

方式一：高压电线磁场测距装置在直流磁场中测距的方式

在AD检测直流磁场过程中，由于外界因素的干扰会引起一定的测量误差，为了减小测量误差，我们采用多次测量去掉若干最大值及最小值并取平均的方法；

具体可以包括以下步骤：

步骤(1)：对直流磁场进行采样测量，采样点数为500-700；多次采样可以最大限度的减少误差，保证了测量结果的客观性；

步骤(2)：去掉最开始的10个采样数据和最后的10个采样数据；这是因为最开始是上电阶段和最终掉电阶段，电压不稳导致数据测量不准确；

步骤(3)：将剩下的采样数据按大小排序，去掉最大的10个采样数据和最小的10个采样数据；进一步排除了偶然误差的影响；

步骤(4)：最后对所有剩下的采样数据取平均即测量值，这样做的好处是进一步中和掉误差，使测量结果更接近于实际情况。

方式二：高压电线磁场测距装置在交流磁场中测距的方式

在AD检测交流磁场过程中，也会由于外界环境的扰动产生一定的误差，为了减小测量误差，我们采用多次采样，分段求平均值，并且去掉开头和最后的10个数据，将剩下的数据进行排序的方法，进一步处理后得到结果的方法；

具体可以包括以下步骤：

步骤(1)：对交流磁场进行采样测量，采样点数500-700；同上，多次采样可以最大限度的减少偶然性误差，保证了测量结果的准确与客观；采样后形成波形图如图4所示；

步骤(2)：将第N次至第N+4次测量的5个采样数据取平均，作为滤波后的第N次测量数据，N指零至采样点数之间的任意整数；分段求平均可以使排除了某些测量值的偶然性误差过大，使各个点的值更接近于实际情况，经过此方法处理后的波形图如图5所示；

步骤(3)：去掉最开始的10个采样数据和最后的10个采样数据；同上，排除因为上电或掉电引起电压不稳，从而导致数据测量不准确；

步骤(4)：对剩余的采样数据按大小排序，用10个最大采样数据的平均值减去10个最小采样数据的平均值，其结果即为测量磁场数据的峰峰值；在实际的测量中，10个最大值和10个最小值既能保证进一步中和偶然误差，又能保证最接近于波峰和波谷，这样处理使数据更加符合实际。

用这种方法检测交流磁场时，信号为50Hz时，单周期采样次数为150次，输入信号的单周期可采样次数范围为15次～300次，对应的频率范围为25Hz～500Hz。

实际中，高压电线磁场测距装置在交流磁场或直流磁场中测量时，采样点数优选为600。

另一方面，提供一种测距系统，包括上述的高压电线磁场测距装置、与高压电线磁场测距装置无线连接的中继模块、以及与中继模块有线/无线连接的上位机，其中，高压电线磁场测距装置将测量数据通过中继模块传输至上位机。

由于高压电线磁场测距装置的结构与上相同，此处不再赘述。

本发明的有益效果如下：

与现有技术相比，高压电线周围的磁场距离导线越近强度越大，因此可以根据磁场强度测算出测量点与导线之间的距离，由于磁场强度与方向无关，所以可以在任意方便操作的地点测量，且无测量死角；另外距离越近，信号越强，测量会越精确，克服了在30cm距离内，超声波测量不准确的缺点；由于磁场测量不是通过反射进行的，所以不需要考虑定位，操作上更简便易行。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高压电线磁场测距装置，其特征在于，包括三轴磁场检测模块、信号放大模块、内含AD转换单元的主控模块和无线通信模块，其中：

2.根据权利要求1所述的高压电线磁场测距装置，其特征在于，所述主控模块包括MSP430F149单片机、第一晶振、第二晶振、第一接地电容、第二接地电容和第三接地电容，其中：

3.根据权利要求2所述的高压电线磁场测距装置，其特征在于，所述磁场检测模块是磁场传感器HMC1053模块，所述磁场检测模块采用+5V供电，所述磁场检测模块的A_GND、B_GND和C_GND引脚均接地，ABC_S/R-引脚接地，ABC_OFF+、AB_OFF-、C_OFF-引脚接所述MSP430F149单片机的P1.2/TA1、P1.3/TA2、P1.4/SMCLK引脚，AB_S/R+、C_S/R+引脚接所述MSP430F149单片机的P1.5/TA0引脚。

4.根据权利要求3所述的高压电线磁场测距装置，其特征在于，所述信号放大模块包括第一、第二和第三差分放大电路，其中：

5.根据权利要求4所述的高压电线磁场测距装置，其特征在于，每个差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端与所述MSP430F149单片机之间的限流电阻的阻值均相等；每个差分放大电路的反馈电阻与上拉电阻的阻值均相等。

6.根据权利要求5所述的高压电线磁场测距装置，其特征在于，所述无线通信模块是Zigbee模块，所述Zigbee模块采用CC2530芯片。

7.根据权利要求1所述的高压电线磁场测距装置在直流磁场中进行测距的方法，其特征在于，包括：

步骤(1)：对直流磁场进行采样测量，采样点数为500-700；

步骤(2)：去掉最开始的10个采样数据和最后的10个采样数据；

步骤(4)：最后对所有剩下的采样数据取平均即测量值。

8.根据权利要求1所述的高压电线磁场测距装置在交流磁场中进行测距的方法，其特征在于，包括：

步骤(1)：对交流磁场进行采样测量，采样点数500-700；

步骤(3)：去掉最开始的10个采样数据和最后的10个采样数据；

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述采样点数为600。

10.一种测距系统，其特征在于，包括权利要求1至6中任一权利要求所述的高压电线磁场测距装置、与所述高压电线磁场测距装置无线连接的中继模块、以及与所述中继模块有线/无线连接的上位机，其中，所述高压电线磁场测距装置将测量数据通过所述中继模块传输至所述上位机。