CN105305063B - 一种用于电力排管损伤检测的管道雷达天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电力排管损伤检测的管道雷达天线，该天线与信号处理器连接，包括：天线筒体：采用中空圆筒状结构，并且天线筒体的两端设有端口，每个端口处安装防水挡板；碟形天线：通过防水胶固定在天线筒体内部上方并且与信号处理器连接；信号放大器：通过防水胶固定在天线筒体内部并且分别与碟形天线和信号处理器连接。与现有技术相比，本发明具有适应管道测量、检测精度高、解决信号衰减、密封性好等优点。

Description

一种用于电力排管损伤检测的管道雷达天线

技术领域

本发明涉及探地雷达的设计领域，尤其是涉及一种用于电力排管损伤检测的管道雷达天线。

背景技术

随着城市的发展和用电量的需求越来越大，对埋设于城市地下的电力电缆要求也越来越高，为了对电力电缆进行保护，上海中心城区的绝大多数供电线路采用电力排管形式敷设，近几年来,城网改造大面积铺开,排管以不必重复开挖路面、造价相对低得到大家的认同而被广泛使用。直埋排管成本低、施工相对容易、工期短,在注重投人和产出的投资决策下,受到决策层的重视和设计人员的青睐。

从上世纪80年代初开始,在上海已开始采用电缆排管的敷设方式，现阶段对220kV以及大截面110kV电缆已逐渐考虑采用隧道的敷设方式，排管主要用于小截面110kV电缆以及35kV以下电压等级电缆,其位置主要布置在道路的慢车道或人行道上。根据对上海地区电缆排管敷设方式的了解，常见的断面形式为2×10、3×7等，电力电缆铺设于PVC管道中以达到被保护的目的。其电缆管道设计最多为三层,每层管道的数目根据电网规划与路径宽度由4～12孔不等,孔内径为150mm,孔间距约为230～240mm。管道放置在半圆形垫块上固定,再在管道外现场浇注钢筋混凝土保护层,排管顶覆土不小于0.15m。若为三层排管布置,则靠排管周边的管道用来放置电缆,中间的管道因为散热不佳,主要是用来放置光缆或作备用，电力排管是由PVC管与外包混凝土构成的矩阵型结构，常见的断面形式为2×10、3×7等，电力电缆铺设于PVC管道中以达到被保护的目的。但是由于结构的老化加之周边施工、水土流失等因素的影响，电力排管容易出现较大变形而造成结构损伤，危及内部电缆的安全。曾经就有过由于周边基坑开挖造成电力排管沉降达12cm，造成排管开裂、进而危及电缆安全、导致大规模停电事故。

电力排管结构一般高度和宽度为1—2m，长度为50m—140m。对于这类细长的混凝土结构由于周围土体脱空或者受到较大外力而使得电力产生较大的变形和裂缝。这种裂缝一般为毫米级，但是如任其发展，将可能使得裂缝扩大甚至造成内部电缆的损伤。因此电力排管的裂缝检测就显得十分的有必要了。

探地雷达作为快速、无损、高效的一种检测方式，近年来越来越多的应用于土木工程检测领域，它可以穿过电力排管PVC内衬检测到混凝土的深层信息。常规的商业雷达天线频率一般为100MHz—1GHz。多用于地质勘探或较大目标体的检测，其检测精度只能达到厘米级，对于电力排管内部的毫米级的细小裂缝，其一是天线形状、尺寸不适合电力排管这类小直径管道，不能很好地与管壁贴合、无法在洞内探测，其二是频率太低，无法满足电力排管裂缝检测的精度要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适应管道测量、检测精度高、解决信号衰减、密封性好的用于电力排管损伤检测的管道雷达天线。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于电力排管损伤检测的管道雷达天线，该天线与信号处理器连接，包括：

天线筒体：采用中空圆筒状结构，并且天线筒体的两端设有端口，每个端口处安装防水挡板；

碟形天线：通过防水胶固定在天线筒体内部上方并且与信号处理器连接；

信号放大器：通过防水胶固定在天线筒体内部并且分别与碟形天线和信号处理器连接。

所述的碟形天线包括结构相同的第一天线组件和第二天线组件，第一天线组件和第二天线组件均包括印刷电路板基质板以及依次连接的两个相对设置的碟形天线臂、巴伦、第一SMA接头、直角SMA转接头、同轴电缆接头和5mm同轴电缆，所述的碟形天线臂设置在印刷电路板基质板上，所述的第一天线组件上的5mm同轴电缆通过转接10mm同轴电缆与信号处理器连接，所述的第一天线组件上的5mm同轴电缆与信号放大器连接。

所述的信号放大器上设有放大器接电端口和第二SMA接头，所述的放大器接电端口通过放大器输电线与外部电源连接，所述的信号放大器的信号输出端通过10mm同轴电缆与信号处理器连接，输入端通过第二SMA接头与第二天线组件上的5mm同轴电缆连接。

所述的天线筒体下部的端口处的防水挡板上开设有电缆孔，所述的10mm同轴电缆与放大器输电线通过电缆孔伸出天线筒体，并且通过防水胶固定。

所述的信号放大器为LNA-3040型放大器。

所述的碟形天线的中心频率为3.5GHz。

所述的碟形天线臂为直角三角形。

所述的天线筒体上部设有拖动连接孔，用以天线筒体在电力排管中的拖动。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

因此有必要研制一种管道雷达天线，其具备以下特点：

一、适应管道测量，本发明的形状及大小能适应小直径管道检测，尤其是由PVC管和外包混凝土构成的复合型管道。

二、检测精度高：天线的工作带宽较大，有较好的S21性能，在高频2GHz-4GHz都保持在-20dB左右，且天线的中心频率为3.5GHz，高于一般的雷达天线，能够检测到管道的裂缝等结构损伤。

三、解决信号衰减：通过在天线内部加装信号放大器，可将雷达信号放大17.5dB，抵消信号在电缆中的衰减，在长距离(100m左右)的电力排管检测中，解决电磁波信号在电缆中衰减过大而导致检测不到信号的问题。

四、密封性好：通过筒体两端设置的防水挡板构成一级密封，配合防水胶形成二级密封，能适应电力排管管道中积水等复杂环境

附图说明

图1为单个蝶形天线的结构示意图。

图2为蝶形天线的主视结构图。

图3为信号放大器的主视结构图。

图4为本发明的结构示意图，其中图(4a)为主视图，图(4b)为右视图。

图5为本发明的S21性能曲线。

图中：1、碟形天线，11、印刷电路板基质板，12、碟形天线臂，13、巴伦，14、第一SMA接头，15、直角SMA转接头，16、同轴电缆接头，2、信号放大器，21、放大器接电端口，22、第二SMA接头，3、防水胶，4、天线筒体，5、端口，6、拖动连接孔，7、5mm同轴电缆，8、10mm同轴电缆，9、放大器输电线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，在印刷电路板基质板11上进行蚀刻，留下部分的金属铜和电路板基质，这样就构成了雷达天线的两个三角形辐射臂、微带馈线和巴伦焊接触点。然后将标准的SMA接头的两极分别按图中焊接点所示与微带馈线焊接。

如图2所示，在图1的印刷电路板的巴伦焊接触点上焊接Mini-Circuits公司生产的TCM4-452X+型巴伦。在将天线的第一SMA接头14与90度的直角SMA转接头15相连，然后通过5mm同轴电缆7连出。

如图3所示，将图2中连接出来的5mm同轴电缆7中的一根通过第二SMA接头22连接入LNA-3040型放大器的输入端，然后在输出端通过SMA接头连接10mm同轴电缆8连出，并且在信号放大器2的放大器接电端口21上连接放大器输电线9连出，连出的另一根5mm同轴电缆7则通过SMA转接头连接10mm同轴电缆8连出。

如图4所示，整个管道雷达天线结构由碟形天线1、信号放大器2和天线筒体4组成。碟形天线1用防水胶3包裹并固定在管壁一侧并使其尽量靠近管壁。此部分通过5mm同轴电缆7连接出来并伸入信号放大器2。同样，信号放大器2也用防水胶3包裹来并固定在碟形天线1同一侧。然后信号放大器2部分通过10mm低损耗同轴电缆和电线连出。碟形天线1和信号放大器2的防水胶3为软胶，起到防水和固定作用。天线筒体下部的端口开电缆孔处为硬胶，用于将连接到外面的同轴电缆和电线牢固的固定在管壁，同时起到防水的作用。天线筒体4主要由一截塑料圆筒和两端的封口5，并在塑料圆筒上部钻孔，用于管道雷达在管道中拖动的连接点，天线筒体4用于此管道雷达的第一重防水、构成管道雷达的外部框架和其他部件的着力点。

如图5所示，本发明的中心频率为3.5GHz左右，能够满足电力排管结构裂缝的检测精度，且天线的S21曲线在高频(2GHz-4GHz)都保持在-20dB左右，天线的工作带宽较大，信号放大器为一个RF BAY公司的LNA-3040型信号放大器，将接收天线与接入放大器的输入端，即可将雷达信号放大17.5dB，抵消信号在电缆中的衰减。

本天线的具体尺寸如下：

印刷电路板基质板11的尺寸为22mm*30mm，厚1.5mm；碟形天线臂12为直角三角形，其底边18mm，高9mm。两臂之间的距离1.75mm；与巴伦13的焊接点根据巴伦的焊角确定，两根微带馈线的宽度分别为1.1mm和2mm，第一SMA接头14、第二SMA接头22和直角SMA转接头15为标准接头。

天线筒体4为外径120mm，壁厚5mm，长500mm的塑料圆筒；防水挡板的厚为10mm，位于圆筒内50mm处；碟形天线1的防水胶3尺寸为80mm*100mm，厚50mm；信号放大器2的防水胶3尺寸100mm*110mm，厚60mm；电缆孔处的防水胶尺寸100mm*60mm，厚50mm，拖动连接孔的开孔直径5mm。

Claims (7)

1.一种用于电力排管损伤检测的管道雷达天线，该天线与信号处理器连接，其特征在于，包括：

天线筒体(4)：采用中空圆筒状结构，并且天线筒体(4)的两端设有端口(5)，每个端口(5)处安装防水挡板；

碟形天线(1)：通过防水胶(3)固定在天线筒体(4)内部上方并且与信号处理器连接，所述的碟形天线(1)包括结构相同的第一天线组件和第二天线组件，第一天线组件和第二天线组件均包括印刷电路板基质板(11)以及依次连接的两个相对设置的碟形天线臂(12)、巴伦(13)、第一SMA接头(14)、直角SMA转接头(15)、同轴电缆接头(16)和5mm同轴电缆(7)，所述的碟形天线臂(12)设置在印刷电路板基质板(11)上，所述的第一天线组件上的5mm同轴电缆(7)通过转接10mm同轴电缆(8)与信号处理器连接，所述的第一天线组件上的5mm同轴电缆(7)与信号放大器(2)连接；

信号放大器(2)：通过防水胶(3)固定在天线筒体(4)内部并且分别与碟形天线和信号处理器连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于电力排管损伤检测的管道雷达天线，其特征在于，所述的信号放大器(2)上设有放大器接电端口(21)和第二SMA接头(22)，所述的放大器接电端口(21)通过放大器输电线(9)与外部电源连接，所述的信号放大器(2)的信号输出端通过10mm同轴电缆(8)与信号处理器连接，输入端通过第二SMA接头(22)与第二天线组件上的5mm同轴电缆(7)连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于电力排管损伤检测的管道雷达天线，其特征在于，所述的天线筒体(4)下部的端口(5)处的防水挡板上开设有电缆孔，所述的10mm同轴电缆(8)与放大器输电线(9)通过电缆孔伸出天线筒体(4)，并且通过防水胶(3)固定。

4.根据权利要求2所述的一种用于电力排管损伤检测的管道雷达天线，其特征在于，所述的信号放大器(2)为LNA-3040型放大器。

5.根据权利要求1所述的一种用于电力排管损伤检测的管道雷达天线，其特征在于，所述的碟形天线的中心频率为3.5GHz。

6.根据权利要求1所述的一种用于电力排管损伤检测的管道雷达天线，其特征在于，所述的碟形天线臂(12)为直角三角形。

7.根据权利要求1所述的一种用于电力排管损伤检测的管道雷达天线，其特征在于，所述的天线筒体(4)上部设有拖动连接孔(6)，用以天线筒体(4)在电力排管中的拖动。