CN110703336B - 一种基于弱磁探测技术的电缆定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弱磁探测技术的电缆定位方法，包括：将磁通门传感器水平在待测区域上方水平沿折线移动；确定探测器出发点；确定电缆的具体位置与分布；磁场数据的处理过程；总磁场分量被分解为三个分磁场；得到三个磁场分量随着时间的变化波形；根据波形的波谷与波峰判断电缆的位置；采样频率的选择。本方法具有抗干扰能力较强，能够进行高辨识度的定位。灵敏度高，操作简单的优点。该方法可运用于交流电缆与直流电缆。

Description

一种基于弱磁探测技术的电缆定位方法

技术领域

本发明属于地下电缆以及海底电缆的定位方法，特别是涉及电缆弱磁场矢量的探测技术的电缆定位方法。

背景技术

随着国民经济的飞速发展，城市地下电网日趋复杂，有些地下电缆的位置无法得到确定。另外，海底电缆容易被海底生物以及淤泥掩盖，所以难以直接用肉眼发现。目前，常见的电缆定位手段有反射波法、音频法和稳态场法。

反射波法的缺点在于：(1)无法准确判断金属物体类型，容易受到其他金属物体从而造成误判；(2)由于高频电磁波在海水中衰减较大，所以该方法无法应用到海底电缆的探测当中。

音频法的原理是利用装置探听电缆发出的声音，主要适用于破损故障电缆的定位，应用场合有限，而且容易受到外界噪音的影响。

传统稳态场法的探测装置大多数只能探测得到磁场的大小，而无法分析磁场矢量的方向，这大大减少了可以得到的信息，也导致探测结果容易被其他磁场，比如地磁场所干扰。

因此提供一种能够利用弱磁探测器定位地下电缆与海底电缆的方法，成为目前本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

针对传统电缆定位方法存在的辨识能力较低、受外界场合影响较大的问题，发明的目的在于提供一种具有更高准确度的、并且能够应用于定位地下电缆与海底电缆的利用弱磁探测器定位地下电缆与海底电缆的方法，该方法具有较好抗干扰能力，能够进行高辨识度的定位。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于弱磁探测技术的电缆定位方法，包括以下步骤：

1)将磁通门传感器连接到数据采集卡，并连接至计算机上，将磁通门传感器在待测区域上方沿之字形折线水平移动；

2)将磁通门传感器从待测区域中任一点A点出发做匀速折线运动，当计算机获取在空间直角坐标系X-Y-Z上的磁场分量B_x、B_y和B_z三个曲线波形中一个磁场分量出现波谷，同时另一个磁场分量出现波谷与尖锐的波峰，而另一磁场分量的波谷与波峰近似中心对称，则磁通门传感器下方区域为电缆经过处，标记该点为O₁；

3)保持磁通门传感器朝向不变，继续沿着原线段运动，每当定位一个O_i点后继续沿线段运动，5s后开始改变移动方向开始沿下一个线段运动，相邻阶段的移动路线之间形成一定夹角；重复上述过程，标记点O₁，O₂，O₃，…，O_n，依次将这些点相连，确定出电缆的位置、走向以及分布。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，所述之字形折线的夹角为10～30°。

进一步，所述磁通门传感器做匀速折线运动时，每隔固定的时间间隔采样一次磁通门传感器的电信号，进入计算机磁通门传感器的采样频率f在5Hz到50Hz。

进一步，磁通门传感器移动速度为3-6cm/s。

进一步，所述电缆包括地下电缆与海底电缆。

本发明的有益效果体现在：

1.由于采用了磁场的三个分量Bx、By和Bz的综合波形异常作为探测与判断的依据，所以相比于以磁场总量幅值变化作为判断依据的传统方法，判断的准确率更高，抗干扰能力更强，不容易被金属管道干扰造成误判。

2.由于采用了之字形围绕电缆反复扫描的移动路径，相比于许多传统方法只能定位电缆的某一处位置，本发明可以探测到电缆具体走向以及分布。

3.由于采用了电缆自身产生的磁场作为探测与判断的依据，所以在探测时，不需要改变电缆的运行状态，降低了对于电缆正常运行的影响。同时装置结构简单，操作方便。

4.根据实验的结果，本发明找到了采样频率与电缆自身频率之间的关系，为采样频率的选择提供了参考依据，使得本发明能够应用到交流电缆中，拓展了发明的使用范围。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为测量系统示意图；

图2为典型单芯电缆结构与测量中传感器的移动示意图；

图3测量系统构成的装置示意图；

图4是定位系统测量得到的典型电缆磁场波形；

图5是采样频率为10Hz时典型电缆磁场波形，电缆电流为50Hz交流电；

图6是采样频率为20Hz时典型电缆磁场波形，电缆电流为50Hz交流电。

图中：1：磁通门传感器；2：连接杆，内含数据线与电源线；3：握柄；4：处理单元，内含电源、数据采集卡、计算机。

图7是探测方法步骤图；

图8是磁通门传感器在待测区域上方水平沿折线移动示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参见图1，本发明基于弱磁探测技术的电缆定位装置，包括磁通门传感器1、数据线、电源线、测量系统电源、数据采集卡和计算机；磁通门传感器1通过电源线连接测量系统电源，通过数据线连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机。

其中磁通门传感器用于采集磁场信息，磁通门传感器探测到磁场信息后，将磁场强度等比例地转换为电压幅值，电信号通过数据线传送至数据采集卡。

数据采集卡的作用是将连续的模拟电压信号转换为离散的数字电压信号，在这样是为了便于数据处理软件进行分析。对于恒定磁场，采样频率大于或等于1Hz即可。对于交变磁场，采样频率要与磁场自身频率相配合，即采样频率要能够被磁场频率整除。当采样频率被磁场频率整除时，采样的结果才是稳定的。

计算机数据处理软件的作用是分析从数据采集卡得到的电压数据，对磁场的特征进行分析，进而确定探测区域是否有电缆的存在。

系统电源为整个系统供电，电源可以采用大容量电池，这样整个定位系统就为便携式的装置。

其它装置：如果探测区域存在电缆，则可以通过数字显示屏、提示灯或声音报警器提醒工作人员。

参见图2，本发明基于弱磁探测技术的电缆定位方法，包括探测操作方法以及数据处理两个部分：

1.探测操作方法：

将磁通门传感器在待测区域上方沿之字形线性水平移动。在进行本发明的实验过程中发现，磁通门传感器的结果对于方向的变化很敏感，较小的转动就有可能导致各分磁场B_x、B_y与B_z发生变化，从而导致错误的判断。由于为了探测到电缆产生的弱磁场，磁通门传感器的灵敏度较高。地磁场也能够被磁通门传感器感知到。当磁通门传感器发生转动时，地磁场相对于磁通门传感器的坐标轴就会发生转动，相当于磁通门传感器感知到的磁场矢量方向产生了变化，由于磁场都是矢量，方向的变化也会导致矢量的变化，从而导致地磁场在磁通门传感器三个坐标轴上的分量B_x、B_y与B_z就会发生变化，这些变化很容易和电缆磁场在空间中的波动混淆。也就是说，当磁通门传感器发生转动时，即使外界磁场不变，探测得到的结果与电缆造成的外界磁场的变化也是近似的。所以需要尽量保持传感器不发生转动。本发明判断电缆存在的依据是空间中磁场的波动，也就是ΔB的情况。磁场B的具体大小不会对判断产生影响，即使外界空间存在多种磁场，但只要除了电缆产生的磁场以外的磁场没有变化，就不会造成误判。理论上来讲，地面上地磁场的方向与强弱也是随着位置的变化而变化的，但在具体实验过程中发现，地磁场自身的自然变化对于本发明的干扰可以忽略，地磁场可以认为是恒定不变的。本发明在使用时，要求尽量减少磁通门传感器的转动，这里减少的转动一方面指传感器的自转，这就需要保持磁通门传感器尽量水平，另一方面，需要减少的转动也包括传感器围绕外界的某一个轴的转动，这就需要传感器沿线段运动。当然由于当确定电缆位置时，需要确定多个点才能找出一整段电缆的位置以及走向，磁通门传感器不可能只沿直线运动，需要反复扫描，所以磁通门传感器应该沿着折线运动。综合以上的分析以及实验研究，本发明在使用时的移动路径确定为在待测区域上方水平沿之字形线性移动。

磁通门传感器在待测区域上方水平沿之字形线性移动，具体探测步骤如下：

1)确定探测器出发点。如图7所示，将磁通门传感器在整个长方形待测区域上方沿线段移动。移动的线段路径要足够长，尽量穿过整个待测区域。这一步是粗测，目的是粗略确定电缆的某一个位置，作为之字形线性移动的出发点。判断可能存在电缆的依据是B_T ²＝B_x ²+B_y ²+B_z ²这个指标，当B_T ²出现对称的极大值的时候，说明探测器下方区域中可能存在电流，也就是存在电缆，则该点就作为后续之字形移动的起点A。

2)确定电缆的具体位置与分布，过程如图8所示，具体流程如下：

a)磁通门传感器匀速沿步骤1)中确定的点A发出的射线运动，直到经过某点时B_x、B_y和B_z的数据出现了形状如图4所示的波形，当计算机获取在空间直角坐标系X-Y-Z上的磁场分量B_x、B_y和B_z三个曲线波形中即三个波形中的一个波形出现波谷，同时另一个磁场分量出现波谷与尖锐的波峰，而同一磁场分量上的波谷与波峰近似中心对称，则磁通门传感器下方区域为电缆经过处，则在该点处标记为O₁，该点正下方就是电缆经过的地方。磁通门传感器继续沿着原射线运动一段距离后停止，终点标记为点B；

b)在B点，保持磁通门传感器自身的朝向不变，而是改变磁通门传感器的运动方向，即使得磁通门传感器沿着由B点出发的折线运动，每当定位一个O_i点后继续沿线段运动，5s后开始改变移动方向开始沿下一个线段运动，折线与线段AB之间存在一定的夹角，夹角越小，后面的探测越准确，但是工作量也就越大。当磁通门传感器沿着射线运动时，经过某点时Bx、By和Bz的数据出现了如同流程2-1)中的变化，则该点标记为O₂，找出O₂后，磁通门传感器继续运动一小段距离后停止，停止点标为C；

c)重复上述过程，每一步的终止点都是下一步的开始点，标出点O₁，O₂，O₃，…，O_n等一系列点，将这些点依次在地面上相连，则确定了电缆的位置、走向以及分布。

图4为当磁通门传感器垂直扫过一段弯曲电缆上方时三个磁场分量的波形图。可以看到波形特征：

(1)磁场在X轴上的分量B_x有一个波谷，波谷中心出现的位置就是电缆的位置。

(2)磁场在Y轴上的分量B_y几乎不变。

(3)磁场在Z轴上的分量B_z有两个波谷(谷1与谷2)，一个峰值(峰1)，谷2与峰1的对称中心所在的位置位于电缆上方。

2.数据处理：

磁通门传感器将磁场信号转换为电信号输出，这个转换是线性成比例的，即：设某点i处磁场大小为B_i，当磁通门传感器经过点i时输出电压为U_i，则U_i＝λB_i，λ是转换的比例系数。当磁场信号被转换为电信号后，就便于分析存储了。由于磁通门传感器输出的电压信号在时间上是连续的，而计算机以及单片机等数据处理工具只能处理在时间上离散的数据，所以就产生了一个新问题，如何将数据在时间上离散化，但是又有足够多的磁场信息被保留。另外，由于电缆中流过的电流分为直流电与交流电，所以电缆产生的磁场也分为静态的与交变的。对于静态的磁场，本发明采用的是等时间间隔采样，即每隔固定的时间间隔取一次电信号进入计算机等数据处理工具，在反复实验中发现，采样的时间间隔T没有限制，但是当磁通门传感器移动的速度不变的前提下，时间间隔T越小，采集的信息量越大。如果移动的速度过于大，而采样频率f过于小，则有些快速的磁场变化就有可能被漏掉。根据多次试验的估计，在3-6cm/s的移动速度下，探测器的采样频率f在5Hz以上，最后数据的效果都是比较好的，能够探测到磁场的波动。对于交变的磁场，本发明采用的也是等时间间隔采样，但是在实验中发现，可以选取的采样时间间隔T与采样频率f是有限的，只能取几个有限的值。交变的磁场是有周期性的强弱变化的，空间中某一固定点处的磁场本身就是随时间变化的，与此不同的是，用来判断电缆是否存在的磁场是随空间变化的。交变磁场是否发生变化不能简单地作为判断电缆是否存在的依据。在大多数采样频率f下的探测，得到的数据变化太复杂，重要的信息被淹没，无法区分由于电流随时间周期性变化造成的磁场正常变化与由于电缆存在而造成的磁场在空间中的分布变化。经过反复试验，最终发现当采样频率f与磁场自身频率f_m相配合，采样频率能够被磁场频率整除时，即f_m/f＝μ，其中μ为整数，采样的结果才是稳定的。由于交变磁场随着时间周期性变化，所以不同周期内采样相角

相同的时刻，磁场是完全相同的。当采样频率与磁场频率之比为μ的时候，每μ周期，采一次样，这样的话，即使磁场是周期性变化的，但只要采样相角

不变，则同一地点的磁场值不变。采样得到的各时刻的磁场值画在坐标系中，点与点之间通过线段相连就得到了磁场的变化趋势。本发明通过选择特定的采样频率排除了磁场正常随时间变化对于判断的干扰，这使得本发明的使用范围得到了拓展，既可以用在直流电缆也可以用在交流电缆。图5和图6分别为探测系统采样频率为10Hz和20Hz下的磁场各分量波形，被测的电缆电流频率为50Hz，即磁场频率为50Hz。可以看出，当采样频率可以被磁场频率整除时，探测得到的结果才是稳定并且可以被分析的。所以在设定探测系统的采样频率(主要决定于数据采集卡的采样频率)时，要结合被测量电缆中的电流频率，而这个电流频率一般为固定值，并且从电缆的管理部门可以获得。

本发明装置的外观如图3所示，在使用时，装置的操作方法是手握住握柄3，在待探测区域上方水平沿折线移动传感器。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于弱磁探测技术的电缆定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将磁通门传感器连接到数据采集卡，并连接至计算机上，将磁通门传感器在待测区域上方沿之字形折线水平移动；

2）将磁通门传感器从待测区域中任一点A点出发做匀速折线运动，当计算机获取在空间直角坐标系X-Y-Z上的磁场分量B_x、B_y和B_z三个曲线波形中一个磁场分量出现波谷，同时另一个磁场分量出现波谷与尖锐的波峰，且所述另一个磁场分量的波谷与波峰近似中心对称，则磁通门传感器下方区域为电缆经过处，标记电缆经过处为O₁；

3）保持磁通门传感器朝向不变，继续沿着原线段运动，每当定位一个O_i点后继续沿线段运动，5s后开始改变移动方向开始沿下一个线段运动，相邻阶段的移动路线之间形成一定夹角；重复上述过程，标记点O₁，O₂，O₃，…，O_n，依次将这些点相连，确定出电缆的位置、走向以及分布。

2.根据权利要求1所述的基于弱磁探测技术的电缆定位方法，其特征在于，所述之字形折线的夹角为10~30°。

3.根据权利要求1所述的基于弱磁探测技术的电缆定位方法，其特征在于，所述磁通门传感器做匀速折线运动时，每隔固定的时间间隔采样一次磁通门传感器的电信号，进入计算机磁通门传感器的采样频率f在5Hz~50Hz。

4.根据权利要求1所述的基于弱磁探测技术的电缆定位方法，其特征在于，磁通门传感器移动速度为3-6cm/s。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于弱磁探测技术的电缆定位方法，其特征在于，所述电缆包括地下电缆与海底电缆。

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