CN108195926A - 面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器。包括激励模块、探头、锁相放大模块、信号采集模块和温度采集模块。所述探头包括探头输入端和探头输出端。所述激励模块用于输出激励信号和参考信号。所述探头用于感测被测磁场。所述探头输入端用于输入激励信号。所述探头输出端用于输出感应信号。所述锁相放大模块与激励模块连接，用于输入感应信号和参考信号，并输出用于计算被测磁场的直流信号。所述信号采集模块与激励模块连接，用于处理直流信号得到被测磁场强度。所述温度采集模块与信号采集模块连接，用于采集探头所在环境的温度数据。所述信号采集模块依据温度数据校正通过直流信号得到的被测磁场强度。

Description

面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器

技术领域

本发明涉及探测领域，特别是涉及一种面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器。

背景技术

水域管网是城市基础设施的重要组成部分，是燃气、排水、给水等的运输工具。由于受到外界环境的影响，水域管网容易被锈蚀，为了保证水域管网的正常工作和安全运行，对水域管网的锈蚀情况进行定期检查至关重要。锈蚀的水域管网的主要成分为铁氧化物，包括三氧化二铁和四氧化三铁等。由于传统的面向水域的锈蚀管道探测器在水中使用时，使用环境温度与陆地温度的差异，常常会使得测量结果有误差，因而降低了测量的精确度。

发明内容

基于此，有必要针对传统的面向水域的锈蚀管道探测器由于使用环境的温度与陆地温度的差异造成的测量误差问题，提供一种具有温度校正作用的面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器。

一种面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器，包括：

激励模块，用于输出激励信号和参考信号；

探头，用于感测被测磁场，包括：

探头输入端，用于输入所述激励信号，

探头输出端，用于输出感应信号；

锁相放大模块，与所述激励模块连接，用于输入所述感应信号和所述参考信号，并输出用于计算被测磁场的直流信号；

信号采集模块，与所述激励模块连接；

温度采集模块，与所述信号采集模块连接，用于采集所述探头所在环境的温度数据，所述信号采集模块依据所述温度数据校正通过所述直流信号得到的被测磁场强度。

在其中一个实施例中，所述信号采集模块包括：

模数转换单元，用于将所述直流信号转换为数字信号；

信号处理单元，连接于所述模数转换单元和所述温度采集模块之间，用于通过所述直流信号得到的被测磁场强度，并依据所述温度数据校正所述被测磁场强度。

在其中一个实施例中，所述信号采集模块还包括数字滤波单元，所述数字滤波单元连接于所述信号处理单元和所述模数转换单元之间，用于过滤所述数字信号。

在其中一个实施例中，所述激励模块包括：

波形发生电路，用于输出所述激励信号和所述参考信号；

功率放大电路，连接于所述波形发生电路和所述探头输入端之间，用于放大所述激励信号；

所述锁相放大模块分别与所述波形发生电路和所述探头输出端连接，并输出用于计算被测磁场的直流信号。

在其中一个实施例中，还包括低通滤波电路，所述低通滤波电路连接于所述锁相放大模块和所述信号采集模块之间。

在其中一个实施例中，所述锁相放大模块包括依次连接的前置放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路，以及与所述相敏检波电路连接的移相电路，所述移相电路用于输入所述参考信号。

在其中一个实施例中，还包括依次连接于所述波形发生电路和所述移相电路之间的比较器和倍频器。

在其中一个实施例中，所述锁相放大模块还包括与所述前置放大电路连接的输出端调零电路。

在其中一个实施例中，所述波形发生电路和所述功率放大电路之间连接有隔离变压器，所述隔离变压器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈与所述波形发生电路的输出端连接，所述次级线圈与所述功率放大电路的输入端连接。

在其中一个实施例中，所述功率放大电路包括依次连接的电压跟随器、前置放大器和功率放大器，所述次级线圈与所述电压跟随器连接。

本发明提供的面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器包括与所述信号采集模块连接的温度采集模块。所述温度采集模块用于采集所述被测探头所在环境的温度数据。所述信号采集模块依据所述温度数据校正通过所述直流信号得到的被测磁场强度，从而避免了温差对测量结果的影响，提高测量被测磁场的精确度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器模块图；

图2为本发明实施例提供的探头结构示意图；

图3为本发明实施例提供的波形发生电路图；

图4为本发明实施例提供的功率放大电路图；

图5为本发明实施例提供的低通滤波电路图；

图6为本发明实施例提供的前置放大电路和输出端调零电路图；

图7为本发明实施例提供的带通滤波电路图；

图8为本发明实施例提供的相敏检波电路电路图；

图9为本发明实施例提供的移相电路图。

主要元件符号说明

面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器10、探头100、探头输入端110、探头输出端120、磁芯130、激励线圈131、感应线圈132、激励模块200、波形发生电路210、波形发生器211、第一输出端212、第二输出端213、功率放大电路220、电压跟随器221、前置放大器222、功率放大器223、隔离变压器250、初级线圈251、次级线圈252、锁相放大模块300、移相电路310、前置放大电路320、带通滤波电路330、输出端调零电路340、相敏检波电路350、信号采集模块400、模数转换单元410、信号处理单元420、数字滤波单元430、低通滤波电路510、比较器520、倍频器530、倾角采集单元540、前置放大电路320、带通滤波电路330、相敏检波电路350、温度采集模块600。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施例进行描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，本发明实施例提供一种面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器10。所述面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器10包括激励模块200、探头100、锁相放大模块300、信号采集模块400、温度采集模块600。所述探头100包括探头输入端110、探头输出端120。所述激励模块200用于输出激励信号和参考信号。所述探头100用于感测被测磁场。所述探头输入端110用于输入所述激励信号。所述探头输出端120用于输出感应信号。所述锁相放大模块300与所述激励模块200连接，用于输入所述感应信号和所述参考信号，并输出用于计算被测磁场的直流信号。所述信号采集模块400与所述激励模块200连接，用于处理所述直流信号得到被测磁场强度。所述温度采集模块600与所述信号采集模块400连接，用于采集所述探头100所在环境的温度数据。所述信号采集模块400依据所述温度数据校正通过所述直流信号得到的被测磁场强度。

所述激励模块200输出的激励信号可以激励所述探头100产生感应信号。所述感应信号可以为感应电压。所述感应信号中包含与被测磁场分量成正比的二次谐波电压分量。所述激励模块200输出的激励信号和参考信号输入所述锁相放大模块300后对比处理输出所述直流信号。所述直流信号携带有与被测磁场相关的物理量。通过所述信号采集模块400对所述直流信号进行采样、分析、处理可以得出被测磁场的强度。所述信号采集模块400中可以储存有用于校正直流信号的温度系数。

在其中一个实施例中，可以将所述面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器10设置在27℃的温控箱中对标准磁场H_o对应的直流信号e₀进行检测，并通过所述直流信号e₀与被测磁场H_o的关系得到标准磁场的测量值H_o。为获得所述温度系数，将所述面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器10设置在零下40℃到零上50℃的环境下测量。在其中一个实施例中，可以控制所述温控箱内的温度按5℃递增或递减获得多个测量温度T，并通过所述多个测量温度分别获得多个对应的直流信号e。在由测量温度T作为横坐标、直流信号e作为纵坐标的坐标系中，可以将所述多个测量温度T和所述多个对应的直流信号e曲线拟合得到测量温度T和直流信号e的关系曲线。通过所述关系曲线的斜率可以得到所述温度系数。在其中一个实施例中，可以通过获得温度系数。其中△e₁为对应两个不同温度下测量的直流信号e的差值。其中△T₁为所述两个不同温度的差值。为保证测量精度，根据所述温度系数对所述直流信号e进行校正。在其中一个实施例中，以27℃作为标准温度，温度修正方式为e＝e₀+ε·ΔT。其中，e₀为27℃时所述面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器10输出的直流信号，ΔT为实测环境温度相对27℃的变化温度值，ε为所述温度系数。因此，可以通过所述温度系数校正测得的直流信号，并通过矫正后的直流信号与被测磁场的关系得到被测磁场的强度值。

本发明提供的面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器10包括与所述信号采集模块400连接的温度采集模块600。所述温度采集模块600用于采集所述被测探头所在环境的温度数据。所述信号采集模块400依据所述温度数据校正通过所述直流信号得到的被测磁场强度，从而避免了温差对测量结果的影响，提高测量被测磁场的精确度。

在其中一个实施例中，所述信号采集模块400包括依次连接的模数转换单元410和信号处理单元420。所述信号处理单元420连接于所述模数转换单元410和所述温度采集模块600之间。所述信号处理单元420用于通过所述直流信号得到的被测磁场强度并依据所述温度数据校正所述被测磁场强度。

在其中一个实施例中，所述信号采集模块400可以包括温度传感器DS18B20。所述温度传感器DS18B20可以实时采集系统工作的环境温度。

在其中一个实施例中，所述信号采集模块还包括数字滤波单元430，所述数字滤波单元430连接于所述信号处理单元420和所述模数转换单元410之间，用于过滤所述数字信号。对于经过模数转换单元410转换的后的所述数字信号进行数字滤波可以提高系统的信噪比，可以并进一步保证所测数据的稳定性。在其中一个实施例中，所述数字滤波单元430可以为一数字带通滤波器。若所述直流信号的频率为f，所述模数转换单元410的采样频率为fs，所述数字带通滤波器的中心频率为2π(f/fs)。

请参见图2，所述探头100可以为差分结构。差分结构可抑制感应电压中与被测磁场强度无关的基波分量。所述探头100可以包括两个间隔设置的磁芯130。每个所述磁芯130包括相对的两端。两个所述磁芯130同向的一端可以通过同一根激励线圈131连接。所述激励线圈131可以作为所述探头输入端110。两个所述磁芯130的同向的另一端也可以通过一根感应线圈132缠绕连接。所述感应线圈132作为所述探头输出端120。所述磁芯130可以为钴基非晶态软磁合金材料。所述钴基非晶态软磁合金材料具有高磁导率、低矫顽力以及低磁场饱和强度的优点。所述激励模块200可以通过所述激励线圈131输入所述激励信号。所述激励信号可以为交变磁场信号。

两个所述磁芯130内部的磁场强度等于被测磁场强度与交变磁场信号之和。当被测磁场强度强度不为零时，将导致两磁芯130进入饱和区的时间不同，进而使得磁感应强度不对称。所述感应线圈132中会感应出与被测磁场有关的感应电压。由于磁导率的调制作用，所述感应电压的二次谐波成分与被测磁场的强度成正比。因此，通过检测所述二次谐波信号即可获得被测磁场相关信息。所述锁相放大模块300通过对所述探头输出端120输出的所述感应电压处理得到所述直流信号，而所述直流信号与所述二次谐波信号相关。所述信号采集模块400通过对所述直流信号处理得到被测磁场的强度。通过所述被测磁场的强度能够识别产生磁场的具体物质，从而能够判断管道是否锈蚀。具有精度高的优点。

在其中一个实施例中，所述激励模块200包括波形发生电路210、功率放大电路220。所述波形发生电路210用于输出所述激励信号和所述参考信号。所述功率放大电路220连接于所述波形发生电路210和所述探头输入端110之间。用于放大所述激励信号。所述锁相放大模块300分别与所述波形发生电路210和所述探头输出端120连接，并输出用于计算被测磁场的直流信号。

请参见图3，在其中一个实施例中，所述波形发生电路210包括波形发生器211。所述波形发生器211用于产生所述激励信号。所述激励信号经过所述功率放大电路220放大后输入所述探头输入端110。所述波形发生器211的型号可以为MAX038型的高精度函数发生器。所述MAX038型高精度函数发生器可以产生正弦波、方波及三角波，具有输出频率范围宽、温度漂移低、线性度高等优点。所述波形发生电路210还可以包括串联于接地线和所述函数发生器第8引脚之间的电位器RP2、电阻R4。所述波形发生电路210还可以包括串联于接地线和所述波形发生器211第10引脚之间的的电位器RP1、电阻R3。所述函数发生器的第7引脚、第6引脚接地。调整第7引脚的电位器Rp1可调整输出波形频率。所述函数发生器的第5引脚和接地线之间连接有电容C5。所述函数发生器利用第7引脚输入恒定的输入电流对5脚所接电容C5充电和放电，进而形成振荡，产生三角波或者方波。所述电容C5可以影响输出频率。所述函数发生器的第3引脚和第4引脚可以分别同电阻R2和电阻R1与接地线连接。所述第3引脚和第4引脚还可以分别与波形选择开关K连接。通过改变所述波形选择开关K的状态，可以在第19引脚输出不同形状的波形。在其中一个实施例中，所述第19引脚包括第一输出端212和第二输出端213。所述第一输出端212输出所述激励信号。所述激励信号为正弦波。所述第二输出端213输出所述参考信号。

请参见图4在其中一个实施例中，所述波形发生电路和所述功率放大电路之间连接有隔离变压器250。所述隔离变压器250包括初级线圈251和次级线圈252。所述初级线圈251与所述波形发生电路210的输出端连接，所述次级线圈252与所述功率放大电路220的输入端连接。所述隔离变压器250用于电气隔离。

所述功率放大电路220包括依次连接的电压跟随器221、前置放大器222和功率放大器223，所述次级线圈252与所述电压跟随器221连接。所述次级线圈252的两端分别连接于所述压跟随器。所述前置放大器222用于放大电压。所述电压跟随器221的反向输入端与所述电压跟随器221的输出端连接。所述电压跟随器221的输出端通过耦合电容C14、电阻R21接地。所述电压跟随器221的输出端还通过耦合电容C14与所述前置放大器222的同向输入端连接。所述前置放大器222的反向输入端通过电阻R22接地。所述前置放大器222的同向输入端和所述前置放大器222的输出端通过电阻R23连接。所述前置放大器222的输出端通过耦合电容C15与所述功率放大器223的同向输入端连接。所述耦合电容C15通过电阻R24接地。所述功率放大器223的反向输入端通过电阻R25、电容C16接地。所述功率放大器223的反向输入端还通过电阻R26与所述功率放大器223的输出端连接。所述功率放大器223的输出端通过依次连接的电阻R27、电容C16接地。所述电阻R27、电容C16用于抑制高频噪声。所述功率放大器223的输出端通过电容C17输出功率放大后的信号。所述电容C17具有滤波隔直的功能。所述功率放大器223可以为LM1875芯片。

请参见图5，在其中一个实施例中，所述面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器10还包括低通滤波电路510。所述低通滤波电路510连接于所述锁相放大模块300和所述信息采集模块400之间。所述低通滤波电路用于过滤高频干扰。所述低通滤波电路可以包括运算放大器A10。所述锁相放大模块通过电阻R19与所述运算放大器A10连接。所述运算放大器A10的反向输入端通过电阻R18接地。所述运算放大器A10的反向输入端通过电阻R20与所述运算放大器A10的输出端连接。所述电阻R19还通过电容C12接地。所述运算放大器A10的正向输入端还通过电容C13接地。

在其中一个实施例中，所述锁相放大模块包括依次连接的前置放大电路320、带通滤波电路330、相敏检波电路350，以及与相敏检波电路350连接的移相电路310。所述移相电路310用于输入所述参考信号。所述前置放大电路320用于放大二次谐波信号。所述带通滤波电路330的中心频率为二次谐波信号的频率，以选出感应电压的二次谐波信号，并送给所述相敏检波电路350。所述相敏检波电路350用于通过所述二次谐波信号和所述参考信号输出所述直流信号。所述移相电路310用于保证所述参考信号的相位与所述感应电压的二次谐波信号相位一致。

请参见图6，所述前置放大电路320可以包括具有低噪声、低失调功能的仪器放大器A2。所述仪器放大器A2包括芯片INA101M。所述芯片INA101M内可以包括两个接成同相结构的运算放大器和一个接成差动结构的运算放大器，该结构有利于进一步抑制探头100输出的噪声信号。所述仪器放大器A2可以连接有电阻RG。所述仪器放大器A2的电压放大倍数等于(1+40K/RG)。调整所述电阻RG可调整所述前置放大电路320的放大倍数。所述前置放大电路320可以与所述探头输出端120连接。

在其中一个实施例中，所述锁相放大模块300还包括与所述前置放大电路320连接的输出端调零电路340。所述输出端调零电路340与所述前置放大电路320的调零接口连接。所述输出端调零电路340用于使所述前置放大电路320归零，以提高输出信号的精确度。所述输出端调零电路340还包括运算放大器A3。所述运算放大器A3的反向输入端连接于所述前置放大电路320的调零接口，并与所述运算放大器A3的输出端连接。所述运算放大器A3的同向输入端通过电阻R8接地，并通过电阻R9、RP3连接于电源。

请参见图7，所述带通滤波电路330包括运算放大器A4、运算放大器A5。所述运算放大器A4的输出端通过电阻R13与所述运算放大器A5的反向输入端连接。所述运算放大器A4的输出端通过电容C8、电阻R11接地。所述前置放大电路320通过所述电阻R10、电容C9接入所述运算放大器A4的反向输入端。所述运算放大器A4的输出端和反向输入端通过电阻R12连接。所述运算放大器A5的正向输入端通过电阻R15接地。电阻C14和电容C10并联于所述运算放大器A5的输出端和反向输入端之间。所述带通滤波电路330的中心频率由C8、C9、R11、R12参数大小决定，大小等于滤波电路中通过R15引入了大环路正反馈，有利于提高信号品质。

请参见图8，在其中一个实施例中，所述相敏检波电路350包括控制芯片ad630。以及与所述控制芯片连接的运算放大器A6、运算放大器A7、运算放大器A8。所述运算放大器A6的输出端与所述控制芯片ad630的第一引脚连接。所述运算放大器A6用于输入所述感应电压的二次谐波信号。所述运算放大器A7用于输入所述参考信号。所述相敏检波电路350还包括运算放大器A8。所述运算放大器A8的正向输入端与所述控制芯片ad630的第13引脚连接。所述运算放大器A8的输出端用于输出所述直流信号。

请参见图9，在其中一个实施例中，所述移相电路310包括运算放大器A9。电阻R7连接于所述运算放大器A9的反向输入端和正向输出端之间。电阻R16连接于所述运算放大器A9的反向输入端。电容C20连接于所述运算放大器A9的正向输入端。所述电容C20用于输入所述参考信号。所述运算放大器A9的正向输入端还通过可变电容RP4接地。

在其中一个实施例中，所述面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器10还包括依次连接于所述波形发生电路210和所述移相电路310之间的比较器520和倍频器530。所述比较器520用于将激励信号由正弦波变为方形波。所述倍频器530可以将所述方形波的频率加倍得到所述参考信号。

在其中一个实施例中，所述面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器10还包括倾角采集单元540。所述倾角采集单元540与所述探头100连接，用于采集所述探头100的轴线与水平面的夹角数据。所述面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器10探测的是被测磁场在所述探头100轴向的分量。所述探头100工作时应垂直于水平面。通过所述倾角采集单元540可以剔除因所述探头100的姿态偏差而产生的无效数据对探测结果的影响，以增加探测精度。在其中一个实施例中，所述探倾角采集单元540为数字化感测器。所述数字化感测器内部包含了一个硅敏感微电容感测器、EEPROM存储器、信号放大器、A/D转换器和SPI串行通信接口，具有高解析度、低噪音等优点。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器，其特征在于，包括：

激励模块(200)，用于输出激励信号和参考信号；

探头(100)，用于感测被测磁场，包括：

探头输入端(110)，用于输入所述激励信号；

探头输出端(120)，用于输出感应信号；

锁相放大模块(300)，与所述激励模块(200)连接，用于输入所述感应信号和所述参考信号，并输出用于计算被测磁场的直流信号；

信号采集模块(400)，与所述激励模块(200)连接；

温度采集模块(600)，与所述信号采集模块(400)连接，用于采集所述探头(100)所在环境的温度数据，所述信号采集模块(400)依据所述温度数据校正通过所述直流信号得到的被测磁场强度。

2.如权利要求1所述的面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器，其特征在于，所述信号采集模块(400)包括：

模数转换单元(410)，用于将所述直流信号转换为数字信号；

信号处理单元(420)，连接于所述模数转换单元(410)和所述温度采集模块(600)之间，用于通过所述直流信号得到的被测磁场强度，并依据所述温度数据校正所述被测磁场强度。

3.如权利要求2所述的面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器，其特征在于，所述信号采集模块还包括数字滤波单元(430)，所述数字滤波单元(430)连接于所述信号处理单元(420)和所述模数转换单元(410)之间，用于过滤所述数字信号。

4.如权利要求1所述的面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器，其特征在于，所述激励模块(200)包括：

波形发生电路(210)，用于输出所述激励信号和所述参考信号；

功率放大电路(220)，连接于所述波形发生电路(210)和所述探头输入端(110)之间，用于放大所述激励信号；

所述锁相放大模块(300)分别与所述波形发生电路(210)和所述探头输出端(120)连接，并输出用于计算被测磁场的直流信号。

5.如权利要求1所述的面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器，其特征在于，还包括低通滤波电路(510)，所述低通滤波电路(510)连接于所述锁相放大模块(300)和所述信号采集模块(400)之间。

6.如权利要求4所述的面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器，其特征在于，所述锁相放大模块(300)包括：

依次连接的前置放大电路(320)、带通滤波电路(330)和相敏检波电路(350)；以及

与所述相敏检波电路(350)连接的移相电路(310)，所述移相电路(310)用于输入所述参考信号。

7.如权利要求6所述的面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器，其特征在于，还包括依次连接于所述波形发生电路(210)和所述移相电路(310)之间的比较器(520)和倍频器(530)。

8.如权利要求6所述的面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器，其特征在于，所述锁相放大模块(300)还包括与所述前置放大电路(320)连接的输出端调零电路(340)。

9.如权利要求4所述的面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器，其特征在于，所述波形发生电路(210)和所述功率放大电路(220)之间连接有隔离变压器(250)，所述隔离变压器(250)包括初级线圈(251)和次级线圈(252)，所述初级线圈(251)与所述波形发生电路(210)的输出端连接，所述次级线圈(252)与所述功率放大电路(220)的输入端连接。

10.如权利要求9所述的面向水域锈蚀管道的专用磁通门探测器，其特征在于，所述功率放大电路(220)包括依次连接的电压跟随器(221)、前置放大器(222)和功率放大器(223)，所述次级线圈(252)与所述电压跟随器(221)连接。