CN109916446B - 户内监测户外真实材质不同深度的电子探测系统测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了户内监测户外真实材质不同深度的电子探测系统测试平台，利用水平箱体和各种地下探测材质，实现了将易受环境影响且存在安全塌方隐患的户外地下深挖多种尺度的探测系统测试环境改为户内进行的地下电子探测系统测试平台。本发明的箱体均采用耐潮湿的竹板，探测的材质为实际的沥青、回填土、表层土、深层图、潮湿的沙石土等材质构成，系统可分为工作模式和低功耗模式。工作模式下系统电流大小为10mA，低功耗模式下电流<1mA，系统可采用电池供电。在系统和环境数据正确的前提下，探测仪和标识器对不同的材质和深度按要求进行探测，用相关仪器进行显示。

Description

户内监测户外真实材质不同深度的电子探测系统测试平台

技术领域

本发明涉及地下定位监测领域，特别是涉及地下不同深度非常微弱的电子探测系统。

背景技术

近些年来，随着我国经济的快速增长，地下管道增长迅速，布局交织复杂，管道的定位和探测日益困难，地下管道管理中暴露出的问题日益严重，尤其是管道定位问题，受到社会各界的广泛关注。其中燃气管道是城市地下管道中分布最广和数量最多的管道之一，其CO也是爆炸燃烧过程中生成的重要燃气之一，一氧化碳进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，进而排挤血红蛋白与氧气的结合，从而出现缺氧。并且能解决目前北京燃气集团在用的地下燃气管道电子信息标识器(信息球)最大埋深不超过1.5m,一般埋深在1m左右，不能满足实际管道埋深的需要；解决国外进口的信息球，成本费用较高和需求量大的问题；解决由于外界信号干扰、施工等原因，进口信息球的实际应用效果不佳；解决采用进口的信息球，存在信息泄露，安全风险隐患等问题。因此，对地下燃气管道的地下定位电子探测系统的测试显得非常重要。

传统的地下管道电子探测系统的实际测试方案基本均采用户外土壤深挖60cm、150cm几种不多的不同深度，不能满足探测深度不断提高的多种深度要求。并且户外探测系统的测量存在诸多不便：一是在户外活动中会遇到各种天气，尤其当遇到下雨下雪刮大风天气时，会影响探测系统测试的正常进行；二是户外测试需要深挖不同深度的土壤，这些深坑在户外自然环境中受到风吹雨打，会不同程度破坏测试环境；三是在户外测试探测系统研发的活动中，往往需要电源、多种测试仪、各种导线等，需要运输多种设备，搭建测试平台非常复杂；四是在测试过程中当遇到方案修改时，临时更换设备不便。五是户外地下垂直深度探测，材质具有塌方的风险，具有威胁测试人员安全的潜在风险；六是户外电池供电时间短。

针对以上户外探测系统的测试环境的缺点，本发明发明了户内监测户外真实材质不同深度的电子探测系统测试平台。由于在户内进行具有以下几方面优势：一是在户内测试不受风吹雨打日晒的影响，测试环境优良；二是随时在户内可以进行测试，不受时间限制；三是测试探测系统户内进行，探测深度固定，方便探测系统测试，测试深度不受环境和时间变化；四是探测系统测试中方便各种测试仪、导线等的链接和搭建；五是根据需要方便更换设备；六是由于箱体是水平放置，即将户外的垂直挖深改为户内的水平长度，只要实验室有足够长，探测深度可以扩展到3米、4米、5米等，拓展了户外探测多种深度的不便；七是实现土壤不同深度的测试方案简单、容易实现，成本低廉、灵活方便等特点。

因此，本发明采用户内探测系统测试平台，进行户内测试设计，能够将不同材质的探测埋深方便在户内实现，并且能满足不同湿度的要求，本设计适用于地下不同埋深电子探测系统的测试等。

为此，本发明完成了一种户内监测户外真实材质不同深度的电子探测系统测试平台。

发明内容

为克服传统户外地下探测系统测试难度大、测试不便和电池供电时间短的问题，本发明完成了一种户内监测户外真实材质不同深度的电子探测系统测试平台。该平台提供多种埋深的测量，不受环境影响，材质更换方便，湿度可调，可操作性强，精度高。

本发明可以通过以下技术方案来实现：户内监测户外真实材质不同深度的电子探测系统测试平台，该系统平台包括户内监测户外真实材质不同深度电子测试单元、材质更换单元、湿度调配单元、标识器测试单元、探测仪测试单元、温湿度监测单元、系统控制测试单元、电源管理单元、报警单元、其它电路接口单元。

户内探测户外真实材质不同深度测试单元，采用完全一致的户外地下材质和厚度，保证测试深度和测试的材质完全一致，测试非常方便。

材质更换单元能够方便更换并且保持与户外完全一致的地下材质，方便调配土壤要求的基础参数；

标识器和探测仪测试单元方便对具体电路进行调整优化测试，也方便整机测试；

电源管理电路提供系统测试平台各模块所需要的电压；

温湿度和电压监测单元将感知温湿度传感器的信号经过控制器处理，经过ADC模拟输入滤波电路与单片机的ADC模拟输入管脚相连，单片机能够以一定的时间间隔采集温湿度和电压数据，计算平均值并储存；

报警电路为当空气中电磁辐射浓度超过设定值时做出警示标志。

与现有技术相比本发明可以获得以下有益效果。

本发明与目前各类地下探测系统测试平台相比，户内进行，方便各种仪器仪表连接；满足多种深度测量要求；不受户外风吹日晒环境的影响；不存在塌方的危险；本发明还具有操作性强，调配材质方便，价格低廉的特点。

在户内测试不受风吹雨打日晒的影响，测试环境优良；随时在户内可以进行测试，不受时间限制；测试探测系统户内进行，探测深度固定，方便探测系统测试，测试深度不受环境变化；探测系统测试中方便各种测试仪、导线等的链接和搭建；根据需要方便更换设备；由于箱体是水平放置，即将户外的垂直挖深改为户内的水平长度，探测深度可以达到0.6米、1.5米、1.8米、3米、4米、5米等多种深度，拓展了户外探测多种深度的不便；实现土壤不同深度的测试方案简单、容易实现，成本低廉、灵活方便等特点且可以长期稳定工作。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明材质结构框图；

图3为本发明的电源管理原理框图；

图4为本发明系统探测仪测试模式框图；

图5为本发明的标识器的测试模式框图；

图6为本发明的单片机及其相关外围电路原理框图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

一种户内监测户外真实材质不同深度的电子探测系统测试平台，其特征在于：

该测试平台集于一个竹板构成的箱体上，箱体上设有不同深度土壤标识器的测试接口。该测试平台分为箱体内不同地表及地下材质和测试仪器智能设备两大部分，两部分分开布局和走线，都有各自的铺地，避免相互干扰。

该测试平台包含以下各部分：箱体内各种地表和地深处的材质依据典型的地表及地下材质部分、探测仪测试部分、电源管理部分、标识器测试数据采集处理部分、仪器仪表等部分以及其他接口部分。系统控制部分由STM32微控制器及其外围电路组成，负责协调整个系统工作；电源管理部分为系统各个部分提供各种稳定工作电压；数据采集处理部分采集环境信息；信号发生器和示波器等仪器仪表部分，主要实现为探测仪提供不同频率不同幅度的信号，实现测试不同频率不同幅度标识器的响应信号；其他接口部分包括电源接口，串口等对外接口组成。

实现整个系统测试平台功能的单元模块为：户内探测户外材质不同深度测试真实环境单元、材质更换单元、湿度调配单元、标识器测试单元、探测仪测试单元、温湿度监测单元、系统控制测试单元、电源管理单元、报警单元、其它电路接口单元。以模拟探测户外材质不同深度单元为核心，集信号发生、数据采集、环境感知和存储为一体，同时还协调散热报警单元工作。

户内探测户外材质不同深度测试真实环境单元，方便探测地下的不同深度。将户外的垂直挖深改为户内的水平长度，探测深度可以达到0.6米、1.5米、1.8米、3米、4米、5米等多种深度，拓展了户外探测多种埋深的不便。实现土壤不同深度的测试方案简单、可操作性强，成本低廉、灵活方便等，且可以长期稳定工作，不受户外天气环境的影响，方便调试和系统维护，降低了户外地下垂直深度探测材质塌方的风险。

材质更换单元中，系统工作于户内探测户外材质不同深度的真实环境。箱体水平放置，内部由户外实际的沥青层、回填土层、表层土、深层图、潮湿的沙土层和砂石层构成，其构成完全与实际户外的路面及以下材质和厚度相同。当需要测试的土壤表层材质变化，方便更换。例如是混凝土时，沥青层可以方便地换为混凝土层。

测试地下不同深度单元，系统方便测量不同材质不同深度的地下位置。测试时将探测仪放在箱体沥青层或混凝土或表层土的一侧，在需要测试的不同典型深度处备有带木质滑轨的竹板夹层，在需要测量的深度方便放入标识器，实现不同深度的测量。

湿度调配单元方便按不同湿度要求进行调配。对于不同湿度的土壤要求，对土壤按含水量要求注入相应的水量，在箱体内可以方便与土壤充分混合。在不同湿度的土壤环境，可以方便按要求测试探测信号强度、探测深度和定位。

标识器测试单元，方便将标识器电路不同的探测点引出土壤外，并有足够的空间接各种仪器，实时观测标识器电路各元器件的信号强度及变化特点。还能够方便更换标识器的电路元件，以改变标识器的谐振频率，观测不同频率的信号响应特点。

探测仪测试单元，方便将探测仪电路不同的探测点引出，并有足够的空间接各种仪器，实时观测探测仪电路各元器件的信号强度及变化特点。还可以方便更换探测仪的电路元件，以改变探测仪的谐振频率，观测不同频率的信号响应特点。

温湿度监测单元，实时采集环境的温湿度信息，为探测仪和标识器不同探测深度提供环境依据。

系统控制测试单元方便谐调信号发生器、数据采集、示波器、矢量网络分析仪、不同深度探测仪、标识器测试单元、湿度调配单元、电源管理单元、报警单元等多个单元的谐调工作。

电源管理单元、报警单元、其它电路接口单元实现电源电压的实时采集，为地下探测系统提供电源保证；报警单元，在温度、湿度、电压等出现异常时发出报警信号，保证系统安全工作。其它接口电路保证了各个单元之间的电信号联系畅通。

图1为本发明的结构框图，本发明所用的箱体为耐湿加强型箱体，采用竹板外加强化木板构成。竹板可以耐潮湿土壤，强化木板起强化和加固作用。竹板底层四边外侧采用强化木板加固，保证箱体能水平承受测试各种材质的承重要求。箱体的尺寸为350*60*60cm³、450*60*60cm³、550*60*60cm³。各箱体有灵活接口，方便分式箱体与其他箱体的调试和系统维护。

图2为本发明的材质结构框图。箱体水平放置，内部由户外实际的沥青层、回填土层、表层土、深层图、潮湿的沙土层和砂石层构成，其构成完全与实际户外的路面及以下材质和厚度相同。当需要测试较深的地下探测时，箱体中间高于测试深度的挡板由两边的木质滑道轻松取出，以免影响测试精度。当需要测试的土壤表层材质变化，可以方便更换。例如是混凝土时，沥青层可以方便地换为混凝土层。

图3为电源管理电路原理框图。电路板外接3.3V和5V电源，3.3V提供单片机，属数字电路部分；5V经过滤波后为信号发生电路提供电源；5V电压还经过降压芯片降至2.5V，为环境感知传感器和电压监测电路参考电压引脚以及工作电极提供参考电压。电路板上模拟与数字部分分开布局和走线。

图4为本发明系统探测仪测试模式框图。探测仪由天线模块和驱动模块电路、读写器控制模块电路和手机控制器模块构成。探测仪测试平台为各个模块的信号提供监测接口和监测仪器，方便实时查看各模块的信号。并做好屏蔽和防静电、抗干扰的影响。环境感知信号经过ADC模拟输入滤波电路，将传感器输出信号放大后传递给单片机；可以实时监测探测仪工作的环境的温度湿度和电压情况，以及电磁辐射情况。

图5为本发明的系统标识器测试模式框图，标识器由天线模块和芯片阻抗匹配电路构成，另外还配置有标识器控制单元。标识器测试平台控制单元为各个模块的信号提供监测接口和监测仪器，方便实时查看各模块的信号。并做好屏蔽和防静电、抗干扰的影响。环境感知土壤或地下材质的信号经过ADC模拟输入滤波电路，将传感器输出信号放大后传递给单片机；可以实时监测标识器在地下材质中工作的环境的温度湿度和电压情况，以及电磁辐射情况。

其中单片机外围电路包括电源滤波电路，ADC模拟输入管脚滤波电路，晶振电路和复位电路。电源滤波电路由0.1uF电容组成；ADC模拟输入滤波电路由两个大小分别为0.1uF和10nF的电容组成。

图6为本发明的单片机及其相关外围电路原理框图；报警模块包含电源报警电路和环境温湿度、电磁辐射浓度上限报警电路。分别为颜色不同的低功耗LED灯，平常不工作，报警时点亮LED灯。

单片机系统工作在正常工作模式和低功耗工作模式下，低功耗工作模式下系统又有几种不同的工作方式。系统上电复位以后，各个电路均正常工作，单片机首先采集电源电压信号，判断电源是否能维持系统正常工作，如果不能，则单片机控制其他电路关断电源，只维持电源报警电路工作，此为低功耗工作模式1；在确定电源电压正常后，系统会采集环境感知数据(温度湿度电磁辐射强度等)，完成对环境的分析处理存储后，如果温湿度或电磁辐射强度正常，系统进入正常监测探测系统。如果温度正常，则单片机直接进入休眠模式，定期启动环境感知，此为低功耗工作模式2。

Claims (3)

1.一种户内监测户外真实材质不同深度的电子探测系统测试平台，其特征在于：

该测试平台集于一个竹板构成的箱体上，箱体上设有不同深度土壤标识器的测试接口；该测试平台分为箱体内不同地表及地下材质和测试仪器智能设备两大部分，两大部分分开布局和走线，都有各自的铺地，避免相互干扰；

该测试平台包含以下各部分：系统控制部分、箱体内不同地表及地下材质部分、探测仪测试部分、电源管理部分、标识器测试数据采集处理部分、环境信息数据采集处理部分、信号发生器和示波器仪器仪表部分以及其他接口部分；系统控制部分由STM32微控制器及其外围电路组成，负责协调整个系统工作；电源管理部分为系统各个部分提供各种稳定工作电压；环境信息数据采集处理部分采集环境信息；信号发生器和示波器仪器仪表部分，实现为探测仪提供不同频率不同幅度的信号，实现测试不同频率不同幅度标识器的响应信号；其他接口部分包括电源接口，串口对外接口；

实现整个系统测试平台功能的单元模块为：户内监测户外真实材质不同深度测试真实环境单元、材质更换单元、湿度调配单元、标识器测试单元、探测仪测试单元、温湿度监测单元、系统控制单元、电源管理单元、报警单元和电路接口单元；以模拟户内监测户外真实材质不同深度测试真实环境单元为核心，集信号发生、数据采集、环境感知和存储为一体，同时还协调报警单元工作；其中，系统控制部分包括系统控制单元，探测仪测试部分包括探测仪测试单元，电源管理部分包括电源管理单元；环境信息数据采集处理部分包括温湿度监测单元；系统控制单元方便协调信号发生器、数据采集、示波器、探测仪、标识器测试单元、湿度调配单元、电源管理单元和报警单元的协调工作；电路接口单元保证各个单元之间的电信号联系畅通；

户内监测户外真实材质不同深度测试真实环境单元，方便探测地下的不同深度；将户外的垂直挖深改为户内的水平长度，探测深度达到0.6米、1.5米、1.8米、3米、4米、5米多种深度；

材质更换单元中，系统工作于户内监测户外真实材质不同深度的真实环境；箱体水平放置，内部由户外实际的沥青层、回填土层、表层土、深层土、潮湿的沙土层和砂石层构成，其构成完全与实际户外的路面及以下材质和厚度相同；当需要测试的土壤表层材质变化，方便更换；当是混凝土时，沥青层方便地换为混凝土层；

户内监测户外真实材质不同深度测试真实环境单元，系统方便测量不同材质不同深度的地下位置；测试时将探测仪放在箱体沥青层或混凝土或表层土的一侧，在需要测试的不同典型深度处备有带木质滑轨的竹板夹层，在需要测量的深度方便放入标识器，实现不同深度的测量；

湿度调配单元方便按不同湿度要求进行调配；对于不同湿度的土壤要求，对土壤按含水量要求注入相应的水量，在箱体内方便与土壤充分混合；在不同湿度的土壤环境，按要求测试探测信号强度、探测深度和定位；

标识器测试单元，方便将标识器电路不同的探测点引出土壤外，并有足够的空间接各种仪器，实时观测标识器电路各元器件的信号强度及变化特点；还能够方便更换标识器的电路元件，以改变标识器的谐振频率，观测不同频率的信号响应特点；

探测仪测试单元，方便将探测仪电路不同的探测点引出，并有足够的空间接各种仪器，实时观测探测仪电路各元器件的信号强度及变化特点；更换探测仪的电路元件，改变探测仪的谐振频率，观测不同频率的信号响应特点。

2.根据权利要求1所述的户内监测户外真实材质不同深度的电子探测系统测试平台，其特征在于：温湿度监测单元，实时采集环境的温湿度信息，为探测仪和标识器不同探测深度提供环境依据。

3.根据权利要求1所述的户内监测户外真实材质不同深度的电子探测系统测试平台，其特征在于：电源管理单元实现电源电压的实时采集，为地下探测系统提供电源保证；报警单元，在温度、湿度、电压出现异常时发出报警信号，保证系统安全工作。

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