CN1573358A

CN1573358A - 利用磁性标记探测埋藏物位置的磁性标记探测器

Info

Publication number: CN1573358A
Application number: CN 200310103354
Authority: CN
Inventors: 金平; 明鲁勋
Original assignee: LIWOO TEC Inc
Current assignee: LIWOO TEC Inc
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2023-10-29
Also published as: CN1267751C

Abstract

本发明公开了一种磁性标记探测器，它可通过测量由附着在埋藏物上的永磁铁制成的磁性标记所产生的磁场来探测埋藏物的位置。该磁性标记探测器包括：两个相互同轴排列的磁通门传感器，用于检测磁性标记产生的磁场；数字梯度计，其包括数字电路，数字电路用来产生与从两个磁通门传感器输入的两个信号之间的频率差相对应的频率，由此通过将从两个磁通门传感器输出的两个波形混合而输出8位并行数字数据；D/A转换器，其用于接收8位的数字数据，以产生对应于8位数字数据的模拟信号；压控振荡器，用于将D/A转换器输出的模拟信号转换成具有可听到的频率水平的声音信号；以及声音放大器，用于放大压控振荡器输出的声音信号，以使声音通过扬声器输出至外部。

Description

利用磁性标记探测埋藏物位置的磁性标记探测器

发明领域

本发明涉及一种磁性标记探测器，该探测器通过对由永磁铁制成并附着在埋藏物上的磁性标记所产生的磁场进行探测来精确地探测埋藏物的位置。

背景技术

随着城市的快速发展，城市中安装了大量的供水系统、城市供气管道和通信线路以用于提供如电、水、通信供应设备等的基础设施。为了城市的美观和保护这些设施的目的，一般将这些供水系统、城市供气管道和通信线路埋在地下。然而，不仅与埋藏物的位置有关的信息不充分，而且工人也不能直观地探测出埋藏物的位置和状态。所以对埋藏物的维护与维修是很困难的。另外，在将一个新的物体埋到地下或建造一个新建筑物时，需要精确地探测出埋藏物的位置，从而导致时间和成本的花费。如果没有精确的探测埋藏物的位置就进行建造工作，在建造期间，埋藏物有可能受到损伤或破坏，从而导致工人受伤。

为探测埋藏物的位置，需将包括电磁波、超声波或超超声波(superultrasonic wave)等的媒介发射到地面上，以检测从埋藏物反射回的媒介的波的变化。然而，由于上述方法是通过分析媒介的频率来探测埋藏物位置的，因此，需要使用昂贵的分析仪器采用复杂的算法(如傅立叶变换、错误校正和变量分析测试)来探测埋藏物的位置。

另一种传统的方法是将磁线圈安装在埋藏物的上部，并利用安装于地面的探针通过引导磁力来探测线圈所产生的电流的磁场。然而，如果在挖掘和埋藏时，磁线圈不能精确地安装在埋藏物的上部，则不能很容易地探测到埋藏物的位置。在极端的情况下，磁线圈会丢失。

发明内容

因此，本发明就是针对解决现有技术中存在的上述问题而提出的。本发明的一个目的是提供一种磁性标记探测器，该磁性标记探测器能够通过测量由附着在埋藏物上的永磁铁制成的磁性标记所产生的磁场来探测埋藏物的位置。

本发明的另一个目标是提供一种用于探测埋藏物的探测器，该探测器探测由磁性标记产生的磁场，将磁场转换为包括数值和图形的数字数据，并用各种可视数据显示探测结果。

本发明还有一个目的是提供一种简单有效的磁性标记探测器，该探测器能够稳定、精确地将探测结果转换为数字数据和包括声音信号的模拟信号。

为实现上述目标，本发明提供了一种磁性标记探测器，该探测器通过测量附着在埋藏物上的磁性标记所产生的磁场来探测埋藏物的位置。所述磁性标记探测器包括：两个相互同轴排列的磁通门传感器(flux gatesensor)，用来检测磁性标记产生的磁场；数字梯度计(gradiometer)，其包括数字电路，所述数字电路用来产生与从所述两个磁通门传感器输入的两个信号之间的频率差相对应的频率，由此通过将从两个磁通门传感器输出的两个波形混合而输出8位的并行数字数据；D/A转换器(数字/模拟转换器)，其用于接收所述8位的数字数据，以产生与所述8位的数字数据相对应的模拟信号；压控振荡器，其用于将从所述D/A转换器输出的模拟信号转换成具有可听到的频率水平的声音信号；以及声音放大器，其用于对从所述压控振荡器输出的声音信号进行放大，以使声音通过扬声器输出至外部。

附图说明

通过以下结合附图做出的详细说明，本发明的上述和其它目的、特征及优点将变得更加清楚，在以下的附图中：

图1示出了用于探测附着在埋藏物上的磁性标记的方法；

图2的方框图示出了根据本发明一个实施例所述的磁性标记探测器的结构；

图3示出了根据本发明一个实施例所述的磁通门传感器的结构；

图4的方框图示出了用于将两个波形以数字方式混合的数字混合器的结构；

图5的电路图示出根据本发明一个实施例所述的数字梯度计的结构；

图6的电路图示出根据本发明一个实施例所述的压控振荡器的结构；

图7示出了由本发明一个实施例所述的压控振荡器所产生的波形；

图8是根据本发明一个实施例所述的磁性标记探测器的电路图；

图9示出了根据本发明一个实施例所述的磁通门传感器的排列情况；

图10的放大视图示出了根据本发明一个实施例所述的磁通门传感器的输出。

具体实施方式

下面将结合附图描述本发明的优选实施例。在下面的描述和附图中，相同的参考标记用于指示相同或类似的组件部件，因此省略对相同或类似部件的重复描述。

图1示出了用于探测附着在埋藏物上的磁性标记11的方法。

磁性标记11由具有预定磁力的永磁铁制成，并涂有防水和防潮的镍或氨基甲酸乙酯(urethane)涂层。在为了将包括水管、城市供气管、电气和通信线路的物体18铺设到地下而施工时，将磁性标记11附着在埋藏物18上。

磁性标记探测器10具有支撑杆15，该支撑杆15的内部形成有两个用来测量磁场的磁通门传感器12。每个磁通门传感器12都含有向量传感器，用于测量与每个感应轴相对应的平均磁场值。另外，磁通门传感器12以这样的方式排列，即，它们磁场的磁极彼此相反。这样，当合并磁通门传感器12测量的信号时，能去除共同探测到的成分(如地磁场)，同时保持差值的磁性成分。靠近磁性标记11的磁通门传感器所测量的磁场值显著地大于远离磁性标记的磁通门传感器所测量的磁场值。因此，两个磁通门传感器的磁场值的差值代表了磁性标记11的磁场强度。根据两个磁通门传感器之间的磁场值的差值，所测磁场的强度通过容纳在磁性标记探测器10内的扬声器13或LCD(液晶显示器)播放器14被显示出来。

图2的方框图示出了根据本发明一个实施例所述的磁性标记探测器的结构。

参照图2，两个磁通门传感器12与支撑杆15(参照图1)同轴排列。每个磁通门传感器12检测磁性标记11所产生的磁场，并将测得的磁场输入到数字梯度计20中。

数字梯度计20以数字形式将从两个磁通门传感器12输入的磁波形混合起来。也就是说，数字梯度计20产生与两个磁通门传感器12输入的信号的频率差相对应的频率信号，并以8位并行数字数据的形式输出混合频率。

从数字梯度计20输出的数字数据通过输入接口21被传送到微处理器22中，从而使数字数据被转换成数值或图形。微处理器22接收与磁场强度相对应的数字信号，并计算磁性标记11所产生的磁场的强度。计算出的磁场的强度值通过用于驱动LCD播放器24的输出接口23而以数字或图形的形式显示在LCD播放器24上。

另外，微处理器22与GPS(全球定位系统)信号接收部分32和外部系统连接部分33相连。GPS信号接收部分32通过GPS接收磁性标记探测器10的本地位置。接收到的磁性标记探测器10的位置信息由微处理器22处理并记录在微处理器22中。该外部系统连接部分33通过有线或无线的方式与外部GIS相连，并寻找与位于待测地区中的埋藏物有关的信息。在参照梯度计20输出的数字数据对磁性标记11进行检测时，微处理器22从GPS信号接收部分接收磁性标记11的位置信息，并从GIS接收与埋藏物有关的信息。另外，通过对与埋藏物及埋藏物的本地位置有关的信息进行检查，微处理器22通过输出接口23在LCD播放器24上以数字或图形的形式输出埋藏物的信息。

另外，微处理器22能够从GPS信号接收部分32接收与埋藏物的位置有关的信息而不管磁性标记11，从而以数字或图形的形式在LCD播放器24上输出这些信息。

从数字梯度计20输出的数字数据被输入到D/A转换器(数字/模拟转换器)25中，用以输出与数字数据的强度相对应的模拟信号(如声音信号)。D/A转换器25根据输入到其中的8位数字数据的大小，在0-2.5V的范围内输出模拟声音信号。灵敏度调节器26被用来通过调节D/A转换器25的门限电压以控制信号的灵敏度。

经转换的模拟声音信号受到压控振荡器27的处理，从而输出具有可听到的频率水平的声音信号。输出的声音信号通过声音放大器28得到放大并通过扬声器30被再现出来。也就是说，扬声器30用于再现信号差值，压控振荡器27产生与信号差值相应的振荡频率以驱动扬声器30，声音放大器28用于接收压控振荡器27的输出以驱动扬声器30。音量调节器29与声音放大器28相连以调节扬声器30的音量。

另外，如图2所示，+5V的电压通过一个恒压电源提供给磁通门传感器12和数字梯度计20。D/A转换器25、压控振荡器27以及声音放大器28由其它的恒压电源驱动。通过由两个恒压电源供电，就能够防止传感器由于恒压电源的变化而发生故障。

图3示出了根据本发明一个实施例所述的磁通门传感器12的结构。

如图3所示，磁通门传感器12包括磁芯330，其通过驱动线圈320被周期性地饱和；以及感应线圈310，其用于测量驱动线圈320内的磁场。驱动线圈320缠绕在磁芯330上。感应线圈310横向地缠绕在驱动线圈320上。

一般而言，感应线圈310不能检测驱动线圈320产生的磁场。然而，如果被施加附加磁场，则感应线圈310将能够检测由于驱动线圈320的磁滞现象而产生的净磁场。因而，相对于外部磁场的灵敏度与感应线圈310的方向有关。

磁通门传感器的测量范围约为±50μT(±0.5G)，并具有大约10nt(0.1mG)的分辨本领。因此，磁通门传感器12能够灵敏地检测到非常小的磁场变化。但是，由于磁性标记传感器10使用彼此相反排列的两个磁通门传感器12来检测磁场的差值，所以传感器的线性度并不重要。磁通门传感器12输出5V的方波。方波的频率随磁通门传感器12所在区域的磁场强度而变化。方波频率的变化范围通常为50到120kHz(周期T＝8.5us到25us)。

图4的方框图示出了用于以数字方式混合两个波形的数字混合器的结构。

如上所述，为获得所测磁场间的差值，磁性标记探测器10将从两个磁通门传感器12输出的输出频率混合起来，以产生告知磁性标记11存在的信号。图4是可实现上述功能的数字混合器的电路。

图5的电路图示出了根据本发明一个实施例所述的数字梯度计20的结构。

在从两个磁通门传感器12输出的信号被输入到数字梯度计20中时，数字梯度计20完成数字混合的工作。梯度计20的输出具有8位并行数据的结构，其随被混合的频率而变化。另外，梯度计20能够产生带有符号位的数据。该符号位代表了被两个磁通门传感器12检测的磁场间的强度差。也就是说，如果梯度计20的输出为0，则两个磁通门传感器12可能检测到了相同强度的磁场。另外，如果梯度计20的输出为255(最大值)，则表明两个磁场间的强度差值很大。当使用包含符号位的9位输出时，可以获得从-255到+255的输出范围。

如图5所示，管脚1是一个输入端，它根据信号的电平(高或低)而提供了两个不同的灵敏度。由管脚1控制的两个不同的灵敏度用于提供磁场的大的变化范围。管脚2是一个输出端，它提供了极化的信号，从而可用代码来表示信号。这样就能有效地测量9位的输出。管脚17和管脚18用来输入从磁通门传感器输出的信号。也就是说，管脚17和管脚18直接接收5V的输出波形。管脚15和管脚16用于晶体振荡电路，并在测量磁通门传感器12的周期变化时提供稳定的参考值。其余的管脚范围D0到D7为数字输出位，其用作计算机、微处理器22、数字显示器24或D/A转换器30的输入。

尽管数字梯度计20随晶体振荡器的频率而变化，当在开关打开时它将进行10到20秒的自动校准，由此检测磁场的最大值和最小值。此时，数字梯度计20与南北向对齐，其端部与地磁场的倾角相对应地倾斜。另外，数字梯度计20在进行校准时(约10秒)被旋转180度，以设置传感器的灵敏度和零偏移，并修正由于传感器间的差异而引起的误差。

图8是根据本发明一个实施例所述的磁性标记探测器10的电路图。

下面将结合图6到图8对作为磁性标记探测器10的重要部分的压控振荡器27的结构进行说明。

图6的电路示出了压控振荡器27的结构。图7则示出了由本发明一个实施例所述的压控振荡器27产生的波形。

尽管压控振荡器27可以采用由集成电路构成的普通压控振荡器，但普通压控振荡器不适合于1mA的低功率水平。所以本发明的压控振荡器27包括如图6所示的简单有效的电压双重比较器电路。

如图6和图8所示，第一晶体管620被插入到输出放大器中以通过压控振荡器27的反馈电阻(1.6K)形成反馈。第一晶体管620完成电压/电流的转换以驱动积分电容630。积分电容630产生电压，该电压逐渐减少，并被第二比较器611检测。当节点A的电压降低至小于负输入端B的参考电压时，第一比较器610的输出C被降低，以使第二晶体管621导通。第二晶体管621为积分电容630产生短路，以在节点A处的正输入电压为2Vcc。这一过程反复进行。第二比较器611将节点A产生的波形与中间参考电平D相比较，从而产生方波E。

图7示出了如上所述的各种波形。

当两个磁通门传感器12平衡时，压控振荡器27的最小的输出电压为0，它与压控振荡器27不工作时的输出电压值相等。但是，不可能完全平衡两个磁通门振荡器12。压控振荡器27以预定的频率连续工作。这样，人们就能够持续听到带有低频的低音声。因为人们能够灵敏地对频率的微小变化做出反应，所以此举是有好处的。也就是说，由于压控振荡器27被低频驱动，因而人们能够检测到微小的变化。压控振荡器27的频率范围优选地为5到10Hz，这个范围处于可听到的频率范围(20Hz以下)之内。但是，由于扬声器的波形是如图7所示的方波，因此有可能听到脉冲中的高频成分。上述压控振荡器27的频率按下述内容取决于积分电流和电容的值：

f＝I/ΔV×C，其中，ΔV为斜坡电压(ramp voltage)内的变化量，I为V_DAC/R_DAC。可以从V_DAC的电平移动(level shift)中获得第一比较器610的参考值，这样，ΔV基本上等于(V_CC-V_DAC-0.7)。当忽略图8中的电阻R6时，频率如下：

f＝V_DAC/(4.3-V_DAC)×R_DAC×C

当V_DAC为零时，最小频率也为0。当压控振荡器27的输出处于0到1LSB(0.0000001b，or 2.5V/256)的范围内时，约5Hz的低频可以获得如下：

5＝0.76mV/4.29×1.6K×C

也就是说，电容器C为0.28μF。当C5＝0.47μF时，真实的LSB频率为3Hz。另外，当V_DAC为2.5V，最大频率如下：

F＝2.5/1.8×1.6K×C0.47μF

因此，根据待测磁场的强度，压控振荡器27的输出的范围处在DC(直流)至2KHz之间。

图9示出了根据本发明一个实施例所述的磁通门传感器的排列情况。

当使磁性标记探测器的性能达到最佳化时，主要的问题是如何机械地排列两个磁通门传感器12，以使一个传感器与另一个传感器的轴精确地匹配。如图9所示，首先固定一个磁通门传感器，然后利用具有非磁性特征的固定螺钉910来固定另一个磁通门传感器。在测量传感器的结构时，可通过调节螺钉910以使两个磁通门传感器12的轴相互准直，以获得恒定的测量值。

如图10所示，在将磁通门传感器12连接到磁性标记探测器10的电路部分之前，磁通门传感器12的输出经过L-C滤波器950的过滤。这样，就能从磁通门传感器12生成的方波中获取没有噪声的信号。

如上所述，根据本发明，附着在包括水管、城市供气管道、电气和通信线路的埋藏物上的磁性标记能被磁性标记探测器检测，从而能够有效而精确地获得埋藏物的位置。因此，维护和维修埋藏物的工作可以很容易地进行，并且对下方建筑物的监督也可以以简单的方式进行。另外，在地下安装新物体或建造新建筑(如大厦)时，能够防止先前埋设的物体遭到损伤或破坏，从而工人能够在不出现事故的情况下进行建造工作。

根据本发明，由磁性标记产生的磁场的强度以工人能够听到的声音信号的形式输出，这样工人就能够很容易地进行探测工作。具体而言，即使两个磁通门传感器被平衡，也会连续出现低频的低音声，这样，工人就能够灵敏地对微小的频率变化做出反应。

另外，根据本发明，两个磁通门传感器检测到的磁场被数字电路混合以输出预定的数字数据。这些数字数据通过微处理器的处理，从而使工人能够查看数字或图形形式的检测结果。因此，工人能够很容易地识别出检测结果。另外，这种数字数据可被用作分析磁场特征的参考数据。例如，可以通过检测并比较取决于磁性标记位置和磁场强度的预定测量值，从而精确地探测磁性标记的位置和状态。另外，本发明的磁性标记探测器能很容易的利用GPS和GIS同埋藏物管理系统联合工作。也就是说，当磁性标记探测器与埋藏物管理系统联合使用时，通过利用容纳在磁性标记探测器中的GPS信号接收设备，就可以精确地报告并储存埋藏物的位置，并且通过利用GIS对检测到的埋藏物的位置与埋藏物的信息，进行预先比较，就可以获得与埋藏物有关的信息。结果显示在PC(个人电脑)或PDA(个人数字助理)的屏幕上，由此可以直观地探测出埋藏物的位置。

另外，根据本发明，由于电路是利用常规芯片形成的并且两个磁通门传感器的排列可以利用固定螺钉容易地进行调整，这样就提供了一种结构简单、使用方便、能够精确有效地探测出埋藏物的磁性标记探测器。

尽管以上为说明的目的对本发明的优选实施例进行了描述，本领域的技术人员应该意识到，各种修改、添加和替换都是可能的，但它们都不会脱离权利要求书所公开的本发明的精神和范围。

Claims

1.一种磁性标记探测器，用于通过测量附着在埋藏物上的磁性标记所产生的磁场来探测埋藏物的位置，所述磁性标记探测器包括：

两个相互同轴排列的磁通门传感器，用于检测磁性标记产生的磁场；

数字梯度计，其包括数字电路，所述数字电路用来产生与从所述两个磁通门传感器输入的两个信号之间的频率差相对应的频率，由此通过将从两个磁通门传感器输出的两个波形混合而输出8位的并行数字数据；

D/A转换器，其用于接收所述8位的数字数据，以产生与所述8位的数字数据相对应的模拟信号；

压控振荡器，其用于将从所述D/A转换器输出的模拟信号转换成具有可听到的频率水平的声音信号；以及

声音放大器，其用于对从所述压控振荡器输出的声音信号进行放大，以使声音通过扬声器输出至外部。

2.根据权利要求1所述的磁性标记探测器，其特征在于，所述两个磁通门传感器包括：圆形的磁芯，缠绕在所述磁芯上的驱动线圈以及横向地缠绕在所述驱动线圈上的感应线圈，在被施加外部磁场时，所述感应线圈测量由于环形线圈的磁滞现象而产生的净磁场，所述磁通门传感器的测量范围约为±50μT(±0.5G)，其分辨本领约为10nt(0.1mG)，所述磁通门传感器12的输出包括5V的方波，所述方波的频率处于50至120kHz(周期T＝8.5us到25us)的范围内。

3.根据权利要求1所述的磁性标记探测器，其特征在于，所述数字梯度计在开关打开时进行10到20秒的自动校准，由此检测磁场的最大值和最小值，在校准时，所述数字梯度计被旋转180度，以设置传感器的灵敏度和零偏移，并修正由于传感器之间的差异而引起的误差。

4.根据权利要求1所述的磁性标记探测器，其特征在于，所述D/A转换器输出范围在0-2.5V内的模拟信号。

5.根据权利要求1所述的磁性标记探测器，其特征在于，所述压控振荡器由电压双重比较器组成，其含有第一和第二比较器、第一和第二晶体管以及积分电容，所述第一晶体管被插入到输出放大器中以通过所述压控振荡器的反馈电阻形成反馈，并完成电压/电流的转换以驱动所述积分电容，所述积分电容产生电压，所述电压逐渐降低并被所述第二比较器检测，当被节点的降低的电压低于负输入端的参考电压时，所述第一比较器的输出被降低，以使所述第二晶体管导通，所述第二晶体管为所述积分电容形成短路，以在节点产生2Vcc的正输入电压，这一过程反复进行，并且所述第二比较器对所述节点产生的波形与中间参考电平进行比较，由此产生方波。

6.根据权利要求1所述的磁性标记探测器，其特征在于，为了使两个磁通门传感器相互同轴排列，首先固定两个磁通门传感器中的第一磁通门传感器，然后利用具有非磁性特征的螺钉来固定两个磁通门传感器中的第二磁通门传感器。

7.根据权利要求1所述的磁性标记探测器，其特征在于，在所述磁通门传感器的输出部分上装有L-C滤波器，以在将所述磁通门传感器的输出输入到所述数字梯度计之前对所述输出进行过滤。

8.根据权利要求1所述的磁性标记探测器，其特征在于进一步包括：

LCD播放器，其用于显示磁性标记的测量结果；

GPS信号接收部分，其用于接收所述磁性标记的地点位置；

外部系统连接部分，其以有线/无线的形式连接外部GIS；

微处理器，其用于接收所述数字梯度计产生的数字信号，并接收和存储从所述GPS信号接收部分传来的埋藏物的位置信息，所述微处理器从GIS接收与处于待测区域内的埋藏物有关的信息，并计算数字数据以输出数字和图形的结果数据，所述微处理器对GPS信号接收部分检测到的埋藏物位置信息与GIS检测到的和埋藏物有关的信息进行比较，以在LCD显示器上显示埋藏物的位置。

9.根据权利要求1所述的磁性标记探测器，其特征在于，第一电源被提供用于为磁通门传感器和数字梯度计供电，第二电源被提供用于为D/A转换器、压控振荡器和声音放大器供电。