CN113945983B - 基于电容层析成像的埋地管道检测装置及识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于电容层析成像的埋地管道检测装置及识别方法，其中装置包括集成式运动平台和上位机，集成式运动平台内部放置有系统电源、信号发生器、射频放大器、数据采集模块、缓冲和多路复用板，集成式运动平台下底面安装有电容器极板阵列，集成式运动平台外壳上部放置有上位机，上位机内部含有成像和类型识别程序，集成式运动平台侧面具有出线孔，用于上位机与内部电子器件相连，集成式运动平台底部安装连接有万向轮，侧面安装有手推把手。本发明能够对金属和非金属埋地管道的位置、尺寸、类型进行检测，实现了无损非接触测量，对地下管线无破坏，可用于在挖掘前的勘探步骤，提高了挖掘作业的准确性和可靠性。

Description

基于电容层析成像的埋地管道检测装置及识别方法

技术领域

本发明涉及埋地管道探测技术领域，尤其涉及基于电容层析成像的埋地管道检测装置及识别方法。

背景技术

埋地管道是人们日常生活中必不可少的基础设施，主要用来输送自来水、天然气、液化石油以及生活污水等其它物质，是保证人们正常生活的重要保障。地下城市管网系统的密集程度是衡量一个城市发展快慢的重要指标之一。

与其他运输方式相比，管道运输具有成本低、运量大、连续性强等特点，在现代运输业当中具有不可替代的作用。过去埋地管道大多使用金属材质制成，而现在由于非金属材质具有污染小、价格低廉、耐磨损等优势，由非金属材质制成的埋地管道的应用也日益增加。随着地下城市管网系统的日趋成熟，不可避免的出现了一些问题。目前，由于早期的管理方式不当等原因，使得地下管网施工图纸等常规档案资料的丢失不可避免，且有些企业私自铺设的埋地管道设置都没有任何的工作记录。以上问题都使得现有的埋地管道位置分布不清晰。近年来，由于管道的具体位置不明确，在管道日常维护、城市扩建和翻新工程中对埋地管道造成破坏的现象时有发生，引发停水停电、管道断裂、天然气泄漏、燃气爆炸以及人员伤亡等诸多危害。不仅给城市的发展和人民的生活造成了重大影响，也给在役管道的日常维护和测试带来了很大困难。因此，为避免此类事故的发生，实现对埋地管道的准确探测就变得尤为重要。

随着科学技术的进步，发展起来的埋地管道探测方法有地质雷达探测法、电磁一示踪线法和声学探测法等其他方法，但是这些技术都不可避免的存在局限性。前两种方法主要适用于对导电导磁性能较好的金属管道进行检测。地质雷达探测法仅在管道埋深较浅，管径较大时精度高，且受土壤湿度的影响较大；电磁一示踪线法需要借助管道安装时铺设的示踪线，但示踪线后期易发生断裂而无法进行电性连接，且容易受到附近电缆的干扰；声学探测法是一项新型探测技术，能够在一定程度上克服前两种技术的缺陷，但须在探测前知晓埋管的大致位置，也无法在探测过程中对金属和非金属管道进行区分。

为克服以上技术的缺点，本发明提出一种基于电容层析层像技术的埋地管道检测装置及识别方法，该方法使用多传感器元件阵列进行测量，不受潮湿土壤的阻碍，对金属和非金属管道的存在都很敏感。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供基于电容层析成像的埋地管道检测装置及识别方法，本发明能够对埋地管道的位置、尺寸和类型进行检测。

本发明采用如下技术方案：

基于电容层析成像的埋地管道检测装置，包括集成式运动平台和上位机，集成式运动平台内部安装有系统电源、信号驱动模块、缓冲和多路复用板、数据采集模块，其中信号驱动模块由信号发生器和射频放大器构成，集成式运动平台下底面安装有电容器极板阵列，上位机放置在运动平台外壳上部，其内部含有LABVI EW软件编写的数据采集程序、GP IB驱动程序、成像程序和类型识别程序。

系统电源和信号驱动模块、数据采集模块、缓冲和多路复用板电连接，为其提供所需电源，信号驱动模块驱动电容器极板阵列进行检测；

电容器极板阵列由16个传感器元件组成，其中16个元件中的每一个都被返回路径包围、且都有一个电容对其进行驱动；

缓冲和多路复用板用于实现16个模拟输入通道的放大和扫描，每个通道通过电缆与电容器极板阵列上的传感器元件相连；包括4个运算放大器，每4个模拟输入通道包围一个运算放大器，用来对信号进行放大，2个模拟输出通道与信号采集模块相连，用于将传感器元件的检测信号通过信号采集模块传递给上位机。

上位机通过运动平台侧面的出线孔分别与信号发生器和数据采集模块相连，用于调节信号发生器输出信号的频率，并对数据采集模块采集的信号进行处理，根据处理结果对电容器极板阵列下方的检测区域进行成像，进而由图像得到埋地管道的位置和尺寸信息，以及将接收信号的峰值与设定值进行比较，识别出管道类型。

进一步的，电容器极板阵列采用印刷电路板技术制造的电极平面阵列形式。

进一步的，为了提高施加到电容器极板阵列的驱动信号幅值，将信号驱动模块的输出信号送入中心抽头初级变压器，再将变压器的输出信号通过可变电容器送入每个传感器元件，变压器次级中心抽头建立了信号地，变压器次级与电容器极板阵列的返回路径相连。

进一步的，缓冲和多路复用板将实施4:1多路复用，通过4位地址总线将16个传感器元件映射到缓冲和多路复用板的2个模拟输出通道，该模拟输出通道用于将4位地址总线确定的特定传感器的检测信号传递给数据采集模块。

进一步的，为减少检测过程中对传感器阵列产生的电场的干扰，集成式运动平台的外壳及内部横梁均由木材制成。

基于电容层析成像的埋地管道的识别方法，包括如下步骤：

步骤1.系统电源为集成式运动平台内部电子组件提供所需电源，上位机进行自动清零；

步骤2.推动集成式运动平台沿着从左到右、再从下到上，从右向左，再从上到下的路径前进，与此同时，上位机通过GP I B接口驱动信号发生器依次输出三个离散频率信号；

步骤3.信号驱动模块将步骤2中产生的特定频率信号通过中心抽头初级变压器送入电容器极板阵列，驱动传感器阵列对地面下方的物理空间进行检测，再将传感器信号送入缓冲和多路复用板进行放大，对放大后的信号按顺序进行扫描，最终通过数据采集模块送入上位机；

步骤4.上位机对三个离散频率信号驱动的传感器阵列检测信号进行处理，得到土壤中物体的二维图像，并在上位机上显示被测管道的位置、类型和尺寸等信息。

进一步的，还包括上位机运行成像程序和类型识别程序等模块进行数据处理，其步骤如下：

步骤1：通过GPI B驱动使信号发生器按顺序输出低频、中频和高频三个离散频率中的特定频率信号；

步骤2.通过数据采集模块，在连接到缓冲和多路复用板上的4位寻址总线上输出地址，在唯一地址被发送后，按顺序扫描每个传感器元件获取检测信号；

步骤3.重复步骤1和步骤2，在三个离散频率下各扫描一次以确定埋管深度；

步骤4.将检测信号的最大值与设定值进行比较，确定管道类型，该设定值由前期实验获得；

步骤5.电容器极板阵列对每个特定频率的响应与特定的颜色建立映射关系，根据三次检测结果合并三种不同颜色进行成像，合并后的16个结果颜色被映射到16个前面板显示控件中，最后给出被测管道的位置、尺寸和类型信息。

进一步的，步骤5利用电压阈值来确定与特定频率相关联的颜色成分何时会对各个显示控件上的颜色累积做出贡献。

进一步的，上位机成像程序模块实现自动缩放功能，该功能受限设置给定频率响应的最大值，该最大值对应所能检测到的管道最大埋深以及与之相关联的颜色映射最深，然后缩放该值的颜色映射函数来实现，即将传感器元件的响应被映射到与给定频率相关联颜色的恰当的颜色强度。

进一步的，上位机程序还包括自动清零模块，即在三个离散频率下对地面进行一次检测后，随后进一步的检测不受上次检测结果的影响。

本发明的有益效果：

1.本发明采用电容层析成像技术对检测区域进行成像，相比探地雷达技术，不需要专门的技术人员来对图像进行解释，成像结果更加直观、易于判识。

2.本发明提出的方法不受土壤条件的限制，能检测各种材质的管道。

3.与其他技术相比，本发明提出一种紧凑且价格低廉的电容器极板阵列对嵌入土壤中的物体进行成像，这能够大大减少埋地管道的探测成本。

4.本发明在三个离散频率下对地面进行三次扫描，每个离散频率对应的检测深度不同，因此一次检测可以探测位于不同深度的多条管道(不超过3条)，并得到它们的位置，尺寸和类型信息。

5.本发明为无损非接触测量，不与示踪线连接，不对地下管线造成破坏。

附图说明

图1为本发明的集成式运动平台整体结构示意图；

图2为本发明的集成式运动平台内部俯视图；

图3为本发明的电容器极板阵列示意图；

图4为本发明的电容器极板阵列驱动配置示意图；

图5为本发明的缓冲和多路复用板模型示意图；

图6为本发明的上位机执行程序流程图；

图7(a)为本发明的上位机检测结果显示界面图Ⅰ；

图7(b)为本发明的上位机检测结果显示界面图Ⅱ。

图中，1-集成式运动平台、2-上位机、3-出线孔、4-万向轮、5-手推把手、6-系统电源、7-信号发生器、8-射频放大器、9-数据采集模块、10-缓冲和多路复用板、11-电容器极板阵列、12-传感器元件、13-内部横梁。

110-模拟输入通道、111-运算放大器、112-多路复用芯片、113-模拟输出通道、114-4位地址总线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先对检测原理进行简单介绍。

本发明提出了一种基于电容层析成像的埋地管道识别方法，该方法采用电容器极板阵列对土壤中的物体进行检测，由于土壤的阻抗对位于土壤中的埋地管道的介电特性及电导率很敏感，因此，可以在多个频率下测量相邻电极之间的复阻抗形成图像，进而由图像得到管道的位置和尺寸信息，该方法对金属和非金属管道都很敏感，且由于管道材质的不同，导致土壤中的介电特性产生差异的原理，将检测信号与设定值进行比较，就可判断出被测管道的类型。

如图1所示，基于电容层析成像的埋地管道检测装置，包括集成式运动平台1和上位机2，上位机2通过集成式运动平台1一侧的出线孔3与其内部的部分电子器件相连接，集成式运动平台1底部安装有万向轮4，用于整个装置的转向。面向上位机2正面的集成运动平台侧面安装有手推把手5，手推把手5方便操作人员在移动集成式运动平台1进行检测的同时，观察上位机的检测结果，平台下底面由电容器极板阵列11构成。

如图2所示，集成式运动平台1的内部木质横梁13上固定安装有系统电源6、信号发生器7、射频放大器8、数据采集模块9和缓冲和多路复用板10，其中，系统电源6为装置进行供电，信号发生器7和射频放大器8组成信号驱动模块，其输出部分与中心抽头初级变压器相连，变压器的输出部分通过可变电容与传感器元件12相连，用于驱动电容器极板阵列11进行测量，缓冲和多路复用板10与电容器极板阵列11相连，用于实现检测信号的放大和扫描，缓冲和多路复用板10且与数据采集模块9连接，数据采集模块9用来对信号进行采集和传送地址。

如图3所示，电容器极板阵列11采用印刷电路板技术制造的电极平面阵列形式，由16个传感器元件12组成，传感器元件12采用4×4矩阵的方式排列，每个传感器元件12都被返回路径包围。

上位机2通过出线孔3与信号发生器7、数据采集模块9均相连，使用LABVIEW软件编写了上位机程序，一方面通过GPIB驱动调节信号发生器7的信号频率，另一方面对采集的信号进行处理，根据处理结果对被检测区域成像，并计算出被测管道的位置、尺寸和判断出管道类型。

图4为电容器极板阵列11的驱动配置，用来提高施加到电容器极板阵列11的驱动信号幅值，由图可知，信号驱动模块的输出信号送入中心抽头初级变压器，再将变压器的输出信号通过可变电容送入每个传感器元件12驱动其进行工作，变压器次级的中心抽头建立了信号地，目的是为可变电容提供相位相反幅值相等的两路信号，电容器极板阵列11的返回路径连接到变压器次级。

如图5所示，缓冲和多路复用板10实施4:1多路复用，该功能是通过2个ADG612多路复用器芯片112实现的，具有16个模拟输入通道，4位地址总线驱动16个模拟输入通道110的扫描，用来将16个传感器元件12的检测信号依次映射到缓冲和多路复用板10的2个模拟输出通道113上，2个模拟输出通道113用来提取电容器极板阵列11相邻电极之间的复阻抗，并与数据采集模块9连接，最终将信号传递给上位机2；除此之外，每4个模拟输入通道110包围一个运算放大器111，用来对信号进行放大，放大增益为10。

图6为上位机执行程序流程图，主要完成GPIB驱动、扫描、成像和类型识别等功能，检测结果显示在LABVIEW软件的图形用户界面中，具体包括：

通过GPIB驱动使信号发生器7依次输出低频、中频和高频三个离散频率中的某一特定频率信号；

上位机2通过数据采集模块9在连接到缓冲和多路复用板10上的4位地址总线上输出地址，在唯一地址被发送后，通过缓冲和多路复用板10的2个模拟输出通道顺序扫描16个传感器元件12，获取检测信号；

重复以上两个内容，在每个离散频率下各扫描一次以确定管道埋深；

在三个离散频率下各扫描一次后，将检测信号的最大值与设定值进行比较，确定管道类型，该设定值根据前期实验获得；

电容器极板阵列11对每个特定频率的响应与特定的颜色建立映射关系，低频为红色、中频为黄色、高频为绿色，根据三次检测结果合并三种不同颜色进行成像，将16个结果颜色映射到16个前面板显示控件上，该过程通过电压阈值来确定与特定频率相关联的颜色成分何时会被累加，最后显示被测管道的位置、尺寸和类型等信息。

其中，上位机成像模块执行自动缩放功能，该功能通过设置给定频率响应的最大值，然后缩放该值的颜色映射来实现，即传感器元件12的相对振幅响应被映射到与给定频率相关联颜色的恰当的颜色强度。

由图6可知，上位机程序还包括自动清零模块，即在三个离散频率下对地面进行一次检测后，随后进一步的检测不受上次检测结果的影响。

基于电容层析成像的埋地管道识别方法，包括以下内容：

当处于工作环境时，系统电源6为整个装置进行供电，在上位机界面上点击开始检测按钮，首先执行自动清零操作；

再推动集成式运动平台1移动，移动路径为从左到右，再从上到下，再从右到左，在从上到下，每间隔一定距离检测一次，检测时，上位机2通过GPIB接口驱动信号发生器7依次输出低频、中频和高频这三个离散频率信号；

信号发生器7和射频放大器8组成的信号驱动模块将产生的特定频率信号送入电容器极板阵列11，驱动传感器元件12对下方的土壤进行检测，再将检测信号送入缓冲和多路复用板10进行放大，接着上位机2通过数据采集模块9按顺序发送4位寻址地址，对放大后的信号进行扫描，并最终通过数据采集模块9送入上位机2中；

上位机2对在三个离散频率下的检测信号进行处理，得到土壤中物体的二维图像，并在用户界面中显示检测结果；

图7(a)-图7(b)为使用该方法进行检测的上位机2显示界面，由图可知，离散频率分别为200Hz、500Hz、1000Hz，每个离散频率对应的检测深度不同，低频信号能够检测到的管道埋深最大，高频最小；因此，一次检测最多可检测位于不同深度的三条管道，当某一特定频率对应的检测深度范围内不存在管道时，管道直径和管道埋深显示0，管道类型为无；显示控件的编号与传感器元件12一一对应，电容器极板阵列11上的传感器元件12参数、大小都相同，且分布均匀，这意味着每一个传感器元件12所能检测到的土壤范围大小相同，该范围代表能够识别出的管道最小直径，因此，可以根据成像结果对管道直径进行估计。

图7(a)为土壤中只有一条管道的检测结果，图像显示了在显示控件5、6、7、8下存在一条水平方向上的非金属管道，管道直径为0.2m，埋深为1m；图7(b)为两条位于不同深度的管道检测结果，由图像可知，在显示控件9、10、11、12下存在一条直径为0.2m，管道埋深为1m的水平方向上的非金属管道，在显示控件3、6、9下存在一条直径为0.2m，管道埋深为0.5m的金属管道，方向从左下角延伸到了右上角，由于在显示控件9下面存在两条管道，因此显示控件9进行了颜色合并。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.基于电容层析成像的埋地管道检测装置，包括集成式运动平台和上位机，其特征在于，集成式运动平台内部放置有系统电源、信号发生器、射频放大器、数据采集模块、缓冲和多路复用板，集成式运动平台下底面安装有电容器极板阵列，集成式运动平台外壳上部放置有上位机，上位机内部含有成像和类型识别程序，集成式运动平台侧面具有出线孔，用于上位机与内部电子器件相连，集成式运动平台底部安装连接有万向轮，侧面安装有手推把手；

信号发生器与射频放大器组成信号驱动模块，驱动模块与电容器极板阵列相连接，用于驱动电容器极板阵列；

系统电源分别与信号驱动模块、数据采集模块、缓冲和多路复用板电连接，分别为其供电；

电容器极板阵列由若干个传感器元件构成；

缓冲和多路复用板，用于实现16个模拟输入通道的多路复用、缓冲、放大，包括有4个运算放大器，每4个模拟输入通道包围一个运算放大器，用来对信号进行放大，2个模拟输出通道用来提取电容器极板阵列相邻电极之间的复阻抗，并与数据采集模块连接，每个模拟输入通道与电容器极板阵列上的传感器元件相连；

上位机通过出线孔分别与信号发生器、数据采集模块连接，用于调节信号发生器输出信号的频率，并对数据采集模块采集的信号进行数据处理，根据处理结果对电容器极板阵列下方的检测范围内的管道进行成像，由图像得到埋地管道的位置和尺寸，以及将接收信号的峰值与设定值进行比较，进而识别出管道类型。

2.根据权利要求1所述的基于电容层析成像的埋地管道检测装置，其特征在于，电容器极板阵列采用印刷电路板技术制造的电极平面阵列的形式布置，电容器极板阵列由16个传感器元件组成，其中16个元件中的每一个都被返回路径包围，每个元件都由一个电容驱动。

3.根据权利要求1所述的基于电容层析成像的埋地管道检测装置，其特征在于，信号驱动模块的输出信号与中心抽头初级变压器相连，变压器次级通过可变电容与传感器元件相连，实现变压器输出信号通过可变电容送入每个传感器元件，变压器次级的中心抽头建立了信号地，电容器极板阵列的返回路径连接到变压器次级。

4.根据权利要求1所述的基于电容层析成像的埋地管道检测装置，其特征在于，所述缓冲和多路复用板将实施4:1多路复用，通过4位地址总线将16个传感器元件映射到缓冲和多路复用板的2个模拟输出通道，4位地址总线驱动16个模拟输入通道的扫描。

5.根据权利要求4所述的基于电容层析成像的埋地管道检测装置，其特征在于，所述缓冲和多路复用板有2个模拟输出通道，用于将4位地址总线选定的传感器元件的检测信号传递给数据采集模块，并最终传递给上位机。

6.根据权利要求1所述的基于电容层析成像的埋地管道检测装置，其特征在于，集成运动平台外壳及内部横梁均由木材制成，用于减少电场的潜在干扰。

7.基于电容层析成像的埋地管道的识别方法，其特征在于，应用权利要求1中的基于电容层析成像的埋地管道检测装置完成，包括如下步骤：

步骤1.系统电源为集成式运动平台内部电子组件提供所需电源，上位机进行自动清零；

步骤2.推动集成式运动平台沿着从左到右、再从下到上，再从右向左，再从上到下的路径前进，与此同时，上位机通过GPIB接口驱动信号发生器依次输出三个离散频率信号；

步骤3.信号驱动模块将步骤2中产生的特定频率信号通过中心抽头初级变压器送入电容器极板阵列，驱动传感器阵列对地面下方的物理空间进行检测，再将传感器信号送入缓冲和多路复用板进行放大，对放大后的信号按顺序进行扫描，最终通过数据采集模块送入上位机；

步骤4.上位机对三个离散频率信号驱动的传感器阵列检测信号进行处理，得到土壤中物体的二维图像，并在上位机上显示被测管道的位置、类型、尺寸的信息。

8.根据权利要求7所述的基于电容层析成像的埋地管道的识别方法，其特征在于，还包括上位机运行成像程序和类型识别程序进行数据处理，其步骤如下：

S1.通过GPIB驱动使信号发生器按顺序输出低频、中频、高频三个离散频率中的特定频率信号；

S2.通过数据采集模块，在4位寻址总线上输出地址，在唯一地址被发送到缓冲和多路复用板之后，从每个传感器元件获取检测信号；

S3.重复步骤1和步骤2，在三个离散频率下各扫描一次以确定埋管深度；

S4.将检测信号的最大值与设定值进行比较，确定管道类型，该设定值由前期实验获得；

S5.电容器极板阵列对每个特定频率的响应与特定的颜色建立映射关系，根据三次检测结果合并三种不同颜色进行成像，合并后的16个结果颜色被映射到16个前面板显示控件中，最后给出被测管道的位置、尺寸和类型信息。

9.根据权利要求8所述的基于电容层析成像的埋地管道的识别方法，其特征在于，S5中利用电压阈值来确定与特定频率相关联的颜色成分何时会对各个显示控件上的颜色累积做出贡献；上位机成像程序能实现自动缩放功能，该功能受限设置给定频率响应的最大值，该最大值对应在给定频率下所能检测到的管道最大埋深，和与给定频率相关联的颜色映射最深，然后将传感器元件响应与该值进行比较，通过比较缩放该值的颜色映射函数来实现自动缩放功能，即传感器元件的响应被映射到与给定频率对应颜色恰当的颜色强度。