CN215769058U - 不可见埋体管线无损探测者 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了不可见埋体管线无损探测者，包括电源系统、图像显示系统、主机系统、信号发射系统、信号接收系统，所述电源系统连接主机系统，主机系统连接图像显示系统、信号发射系统，信号发射系统连接信号接收系统，信号接收系统连接主机系统，与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本方案在隐患检测方面检测精度高、探测效率高、智能化程度高且价格相对较低，优化了国内隐患检测方面的不足，可以有效减少存在的安全隐患。

Description

不可见埋体管线无损探测者

技术领域

本实用新型涉及信息探测领域，具体是不可见埋体管线无损探测者。

背景技术

国内对电磁波探测技术的应用，尤其是地下目标探测方面的应用，还比较落后，这主要是由于受到了数据处理和可视化等关键技术的制约，主要表现在，1：电磁波探测的根本目标是为了对地下目标或场景进行检测和识别，而操作人员常常直接使用一维或二维回波来完成检测或识别工作，这种工作方式既不方便直观，又对操作人员的专业技能和先验知识提出了较高层次的要求；2：使用一维或二维回波进行数据解译本身就具有很大的难度和不确定性，造成对地下目标检测、识别的效率和准确性不高，难以满足人们对地下信息的需求。受技术所限，目前国内外采用较多的地下管线探测路径探测方法有音频感应法、脉冲磁场法、电磁法。然而现有的路径探测方法功能单一，探测距离短，现场抗干扰能力差，需要在被试地下目标中注入一定信号，信号衰减快，容易造成误判，此外，脉冲磁场法使用的是高压，存在安全隐患。

目前埋体管线探测器在电力接地网缺陷定位、城市地下管线探测、墙体内部隐蔽管线探测和铁路地基、桥梁桥墩等重要基础设施的隐患检测方面存在检测精度不足、探测效率低、智能化程度低且价格相对较高等问题，需要改进。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供不可见埋体管线无损探测者，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

不可见埋体管线无损探测者，包括电源系统、图像显示系统、主机系统、信号发射系统、信号接收系统，所述电源系统连接主机系统，主机系统连接图像显示系统、信号发射系统，信号发射系统连接信号接收系统，信号接收系统连接主机系统。

作为本实用新型再进一步的方案：所述电源系统由电源模块所构成，图像显示系统由显示模块所构成，主机系统由控制模块、主控模块所构成，信号发射系统由信号产生模块、信号调理模块、功率放大模块、发射模块所构成，信号接收系统由接收模块、前置放大模块、程控模块、选频滤波电路模块、整流电路模块所构成。

电源模块双向连接控制模块，控制模块连接信号产生模块、信号调理模块、功率放大模块、发射模块、显示模块，控制模块双向连接键盘，信号产生模块连接信号调理模块，信号调理模块连接功率放大模块，功率放大模块连接发射模块，电源模块连接主控模块，主控模块连接显示模块、接收模块、程控放大模块，键盘连接主控模块，接收模块连接前置放大电路模块，前置放大电路模块连接程控放大模块，程控放大模块连接选频滤波电路模块，选频滤波电路模块连接整流电路模块，整流电路模块连接主控模块。

作为本实用新型再进一步的方案：信号产生模块选用可编程波形发生器AD9833。

作为本实用新型再进一步的方案：程控放大模块选用可变增益放大器AD605。

作为本实用新型再进一步的方案：发射模块采用矩形发射天线。

作为本实用新型再进一步的方案：显示模块选用HS12864-15C型液晶屏。

作为本实用新型再进一步的方案：前置放大电路模块选用双核放大器AD8032。

作为本实用新型再进一步的方案：选频滤波电路模块选用开关电容滤波器MAX262。

作为本实用新型再进一步的方案：主控模块选用采用SiliconLabs公司的C8051F020芯片。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本方案在隐患检测方面检测精度高、探测效率高、智能化程度高且价格相对较低，优化了国内隐患检测方面的不足，可以有效减少存在的安全隐患。

附图说明

图1为不可见埋体管线无损探测者的工作原理图。

图2为数据处理基本流程图。

图3为技术原理图。

图4为研究路线图。

图5为发射系统框架图。

图6为信号产生模块电路图。

图7为信号调理模块电路图。

图8为功率放大模块电路图。

图9为电源模块电路图。

图10为接收系统框架图。

图11为接收模块电路图

图12为程控放大模块电路图。

图13为选频滤波模块电路图。

图14为整流模块电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：请参阅图1，不可见埋体管线无损探测者，用于提高电源的电源系统，用于显示图形的图像显示系统，用于处理相关问题的主机系统，用于发射信号的信号发射系统，用于接收信号的信号接收模块，所述电源系统连接主机系统，主机系统连接图像显示系统、信号发射系统，信号发射系统连接信号接收系统，信号接收系统连接主机系统。

请参阅图2，本方案的基本流程，通过反射回来的信号得知原始数据，经过初步处理，滤除相关的无效数据，将整理后的数据与建模、图像分析技术进行整合，得到数据判读，进行图像显示。

请参阅图3，本方案的技术原理，设备的发射天线所发射的电磁波透地入射，碰到埋在地下的目标后反射，由接收天线接受电磁波的反射回波信号，通过分析电磁波的反射回波信号，对地下目标进行成像，并识别地下目标的特征。当地下目标被腐蚀后，由于外层存在缺陷，所以其物理结构最显著的变化特征就是核的体积变小，而更小的核在透地电磁波成像时会产生不同的电磁回波及相应的振幅分布。可根据回波信号振幅分布的差异对地下缺陷进行诊断及定位。

请参阅图4，本方案的技术路线，通过研究电磁波的超分辨成像理论和电磁波信号的收发技术研究获得原始回波信号，再根据电磁波回波信号的采集与处理技术实现高信噪比的信号及高分辨率图像，并对地下目标缺陷进行诊断定位。

具体电路如图5-14所示，所述电源系统由电源模块所构成，图像显示系统由显示模块所构成，主机系统由控制模块、主控模块所构成，信号发射系统由信号产生模块、信号调理模块、功率放大模块、发射模块所构成，信号接收系统由接收模块、前置放大模块、程控模块、选频滤波电路模块、整流电路模块所构成。

电源模块双向连接控制模块，控制模块连接信号产生模块、信号调理模块、功率放大模块、发射模块、显示模块，控制模块双向连接键盘，信号产生模块连接信号调理模块，信号调理模块连接功率放大模块，功率放大模块连接发射模块，电源模块连接主控模块，主控模块连接显示模块、接收模块、程控放大模块，键盘连接主控模块，接收模块连接前置放大电路模块，前置放大电路模块连接程控放大模块，程控放大模块连接选频滤波电路模块，选频滤波电路模块连接整流电路模块，整流电路模块连接主控模块。

信号产生模块：在地下金属管线探测中,小于1kHz的信号有利于远距离追踪和大直径管线的探测,但容易受到外界干扰,且不易感应到小口径管线上。而大于80kHz的信号容易感应耦合到管线上,但探测距离小,不利于远距离追踪。综合考虑,在地下金属管线探测仪中,选用了50Hz、10kHz、32kHz、120kHz四个频率点，所以选用低功耗、可编程波形发生器AD9833产生不同频率的信号。C48和C49为去耦电容,为了达到最佳的去耦效果，耦电容应尽量靠近AD9833,通过1MHz的有源晶振给其提供时钟信号。SCLK、SDATA和FSYNC分别为串口时钟输入、串口数据输入、控制信号输入,单片机通过对这三个串口进行写操作,产生系统所需的信号。AD9833是一块完全集成的芯片,可编程波形发生器,可产生正弦波、三角波、方波。它仅需要一个外部参考时钟、一个低精度电阻器和一些解耦电容器就能产生高12.5MHz的正弦波。除了产生这种射频信号，还能广泛适用于各种简单和复杂的调制方案。其内部的电路主要由一个数控振荡器(NCO)、频率和相位调制器、SINROM、一个数模转换器和一个调节器构成。NCO包括两个频率选择器、一个位的相位累加器。累加器把相位值刻度多位数字,通过相位累加器里的频率寄存器FREQ0或者FREQ1来选择，受FSELECT控制。过相位累加器在时钟FMCLK的控制下以步长M作累加，相位寄存器的输出与相位控制字相加后输入到正弦查询表地址中。正弦查询表包含1周期正弦波的数字幅度信息,每个地址对应正弦波中0-2π范围内的1个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字信号S(n),经D/A转化器变成模拟量信号S(t),就可得到合成的信号波形。

信号调理模块：由函数发生器产生的信号幅度较小,为了获得更多的能量，对信号进行处理,这也为后面的功率放大电路做好铺垫。从函数发生器出来的信号通过电压比较器,比较器可能会在输入穿越阈值区时，噪声以全部开环增益被放大,这样会产生多个输出变化,产生抖动,比较器的门限电压,可通过电位器RW8进行调节。比较器选用低噪声、高精度的运算放大器OPA37双电源工作,电解电容C53、C56和陶瓷电容C54、C55为OPA37滤除电源带来的噪声,避免电源噪声给后级带来的影响，C51为隔离前后两级的直流信号。为了消除抖动,把输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲,系统选用六反向施密特触发器SN7414。该触发器由+5V电源供电，响应速度快,电平转化延时只有22ns，为系统设计带来很大的便利。矩形脉冲信号经过第一个反相施密特触发器,波形更加规则,为了得到幅值相等,相位相反的信号,实现发射功率可调,通过单片机控制和或门相结合,对信号进行近一步的处理。使用由四个或门组成SN74LS32，将信号分成两路,经过后续处理,最终得到系统要求的信号。

功率放大模块：为了能够探测更远的金属管线,这便要求发射机要有较大输出功率,采用变压器祸合式功放电路,利用变压器的阻抗变换功能,可实现功放电路和负载间的匹配。系统要求的信号经过处理将信号分成两个幅值相等、极性相反的信号,分别加到N沟道的MOS管的栅极,实现两管轮流导通。当PULSE_OUT_A为正时，PULSE_OUT_B为负值，导致T1管导通、T2管截止，电流处于正半周的半个正弦波；当PULSE_OUT_A为负值，PULSE_OUT_B为正值时，导致T1管截止、T2管导通，电流处于负半周的半分正弦波。变压器次级的作用是隔断处在正、负半周的电流中的平均分量,并利用初级绕组的中心轴头将电流的中的基波分量在负载中叠加,输出正弦波。N沟道的MOS管T1和T2选用IRFZ44，D7和D8选用IN4148，10V电源经过倒L型滤波，为漏极提供偏压。变压器采用一个初级绕组,四个次级绕组。当变压器初级绕组加上交流电后,在次级绕组周围产生交变的磁场,初级绕组通电后产生的磁力线绝大部分由铁芯构成回路,次级绕组绕在铁芯上,这样它的线圈切割磁力线而产生该应电动势,结果就在次级四绕组两端分别输出四组不同的电压。四个绕组分别连接四个继电器的两端,通过单片机IO口对继电器的控制来选通切换档位。

控制模块：发射机采用宏晶科技的STC12C5410AD单片机为控制核心。P1.0、P2.7和P3.7通过单片为833写频率字,使其产生发射信号，P2.6连接到MC1413的一个输入端,控制发射机三种工作模式的切换。P1.0～P1.4口分别连接MC1413的1-4管脚，MC1413是高耐压、大电流达林顿阵列反相驱动器,由7个硅NPN达林顿管组成。当MC1413的一个输入端为高电平时,它对应的输出端是低电平,它连接的继电器线圈就得电,相应线圈就有电流通过,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点吸合,这样发射线圈和谐振电容串联在一起形成串联回路。P1.6为电源电压监测端口。电源电压检测,通过分压电路将电源电压分压,在经过相应的滤波和保护电路送到单片机的AD转换口P1.6口，电压的模拟值转换成数字值,通过液晶屏上的电池图标显示电源的电量。测量输出功率时,通过对电源输出的电流和电压进行分时采样,二者相乘就得到输出功率。P1.7口为发射信号的电压检测端口。为了能够分时测量输出电流和输出电压,通过控制信号对CD4066的选通和关闭,对电压和电流分别采样,送到P1.7口。CD4066是四双向模拟开关,每个开关有一个控制信号,控制信号由单片机STC12C5410AD的P2.2和P2.3的管脚承担。RST为复位单片机复位电路引脚,P3.0和P3.1为单片机的接收和发送端口,通过下载器连接电脑USB端口,下载程序和在线调试,通过这两个端口连接液晶屏。

发射模块：发射模块采用矩形发射天线,发射信号时,通过按键选择所要发射的信号,此时单片机得到响应选通相应的谐振电容,使发射线圈和谐振电容形成并联谐振状态,使谐振回路的阻抗达到最大,实现大功率发射。通过LCR测试仪测的发射线圈的电感值,由公式谐振：

可以算出谐振电容的容值,在对谐振电容选取时,对其要求及其精度,否则就不能很好的谐振,达不到最佳的发射效率。

显示模块：发射机显示模块,选用HS12864-15C型液晶屏作为汉字图形点阵液晶显示模块,可显示汉字及图形。该液晶屏带液晶控制器，内置8192中文汉字(16*16点阵)和128个字符(8*16点阵)及(64*256)点阵显示RAM。HS1286M液晶屏具有独立的控制指令,由基本指令集和扩充指令集两种不同的控制指令集构成。液晶屏的控制指令集由控制位元“RE”进行选择,当位元“RE”变更后,后面的指令都将维持在最后的状态,除非再次变更“RE”位元,否则在使用相同指令集时,不需每次都重新设置。

电源模块：为了满足系统探测金属管线的设计要求,输出大功率的信号,使用八节可充电电池提供能量。发射机测试系统中共用到了两种电源：+5V和-5V。两节可充电电池以串联形式稳定输出的电压范围为6～11.5V之间，因此在设计中选用MC34063A对系统电源进行处理。系统中用到的+5V电源由电源芯片MC34063A对电池电压进行降压处理后得到。管脚5通过外接分压电阻R1、R2监视输出电压，当管脚5的电压值低于内部基准电压1.25V时,比较器输出为跳变电压,开启RS触发器的S脚控制门，RS触发器在内部振荡器的驱动下,驱动管T2导通，使输入电压U1、向输出滤波器电容C0充电以提高U0，达到自动控制U0稳定输出。当管脚5的电压值大于内部基准电压，RS触发器的S端被封锁,Q输出为低平,T2、T1截止。系统中用到的-5V电源由电源芯片MC34063A对电池电压进行反向处理后得到。当芯片内部开关管Q1导通时,电源经取样电阻Rsc芯片的1脚和2脚及电感L接地，由C0向负载提供能量。当Q1断开时,由于流经电感的电流不能突变,因此,续流二极管IN5819导通,此时L经该二极管向负载和C0供电，输出电压为负。这样,只要芯片的工作频率相对负载的时间常数足够高,负载上便可获得连续的直流电压。

接收模块：由于二次场信号极其微弱,所以接收天线的设计至关重要。另外,为使接收天线能够配合不同的定位、定深方法,将接收天线设计为三个独立线圈组成的“工”字形线圈组,通过单片机C8051F020来控制开关CD4052在不同的线圈组合间进行切换,选择不同的工作模式。采用双线圈的高磁导率的磁芯作为接收天线,使接收机的灵敏度有了很大的提高,为了使接收天线能够接收四种不同频率的信号,单片机控制CMOS低电压SPST开关ADG711，形成LC选频电路，提取有用信号,抑制无用信号。其中L1、C4、C5、C6组成倒L型型滤波电路,消除电源带来的噪声。其原理图如4.1图中所示。

前置放大电路模块：在金属管线探测中,由于二次场信号较弱这要求在系统中引入一个前置放大电路对接收天线的微弱信号进行放大。选用低功耗高速、宽频带的双核放大器AD8032，采用单电源供电+3.3V,R1、R3、R2、R5的阻值分别为100K、10K、1K、20K初级放大倍数为200，这为后面的信号调理做好了铺垫。

程控放大模块：为了针对不同的环境进行测量,提高接收机的灵敏度,选用AD公司生产的低噪声、双通道、可变增益放大器AD605，对接收到的信号进行再次放大。它的每一个独立通道输出的增益范围是48dB，可完全满足用户的各种应用。AD605的输出有两种增益范围：-14dB～+34dB和0dB～48dB，这两种范围可以通过设置接在FBK和OUT两脚之间的独立电阻来选择,短接FBK和OUT可得到功率范围的下限FBK悬空可得到功率范围的上限,单片集成块AD605的两个通道可以通过级联以输出96dB的精确功率。输入参考电压VREF为2.5V，AD605的增益刻度与控制电压成线性关系,当控制电压在0.4～2.4V范围内时,增益刻度以20dB/V标度；当控制电压0.20V～1.20V时,增益刻度以40dB/V标度。此法连接的下AD605的增益的公式为：

G(dB)＝(20(dB/V))*(VGN(V))-19dB

选频滤波电路模块：由于接收到的信号中难免夹杂一些噪声,为了滤除这些噪声信号,在后级中用开关电容滤波器MAX262来实现多频点带通滤波,有效抑制了其余频率的干扰信号。MAX262是CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器,由微处理器精确控制滤波器函数。它们均可以构成各种带通、低通、高通、陷波和全通配置,且不需外部原件。每个器件含有两个二阶滤波器,在程序控制下设置中心频率f、品质因数Q和滤波器工作方式。输入时钟频率与6位f编程输入代码一起决定滤波器的中心频率或截止频率,不影响其它滤波参数。滤波器Q值也为独立编程、每个滤波器的独立时钟输入端可以连接晶体、RC网络或外部时钟产生器。在探测仪的接收机中,为了实现不同频率点的切换,单片机C8051F020通过改变开关电容滤波器MAX262的控制字和工作方式来实现。为了给滤波器输入时钟,将系12MHZ时钟通过74F161分频得到所要的时钟信号,单片机的P3.2和P3.3通过控制数据选择器74F153来选择滤波器输入时钟。C8051F020的P7口的P7.0-P7.5分别连接MAX262的两位数据线和四位地址线。写输入端连接到P1.7。经开关电容滤波器输出的信号难免受外界信号的干扰，为了进一步消除干扰和噪声，采用混频技术和晶振滤波器进行处理。其原理图如4.1中所示。SA612是双平衡混频器和振荡器，1管脚为经过带通滤波器输出的射频信号，6管脚为本振信号输入端，本振信号由单片机控制函数发生器AD9833产生，后端经过多级晶振滤波放大，最终连接整流电路。

整流电路模块：由于单片机对交流信号的采集，不便于数据处理，所以要将交流信号转换成直流信号，通过ADC转化在液晶屏上显示有用信号的大小。选用AD8032高精度的双运放，其中R64,R69分别为1K和20K,D4和DS选用IN4148二极管，其原理图如4.1中所示。

主控模块：采用SiliconLabs公司的C8051F020芯片作为整个系统的微控制器(Mcu)，C8051F020是高集成度的模数棍合型MCU，具有64个数字工//0引脚，是真正能偏移量可调的12位数字模拟转换器(DAC)，1个温度传感器和2个电压比较器。C8051F020芯片内部还包含的8通道模拟多路开关、可编程放大器(PGA)，其部自带上电复位电路、看门狗电路及振荡频率为16MHz的时钟振荡器，64KB的FLASH,4352B的SRAM,5个定时计数器。C8051F020芯片的内核为高速8051内核，支持在线编程功能，其中70％的指令都可在1～2个时钟周期内完成，对于芯片的外设，使用者可以对其完全的控制，对于不用的任何一个可以关闭，这样可以节省功耗。

本实用新型的工作原理是：使用键盘来使得控制模块控制信号产生模块发射信号，经过信号调理模块获的更多的能量，在经过功率放大模块保证信号强度，发射信号模块发射电磁波，所发射的电磁波透地入射，碰到埋在地下的目标后反射，天线接收电磁波的反射回波信号，进过前置放大电路模块，再经过程控放大模块放大该信号，经过选频滤波电路模块和整流电路模块将该信号发送给主控模块，主控模块经过处理在显示模块上显示出具体的信息。

实施例2，在实施例1的基础上，C8051F020单片机所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.不可见埋体管线无损探测者，包括电源系统、图像显示系统、主机系统、信号发射系统、信号接收系统，其特征在于，所述电源系统连接主机系统，主机系统连接图像显示系统、信号发射系统，信号发射系统连接信号接收系统，信号接收系统连接主机系统，所述电源系统由电源模块所构成，图像显示系统由显示模块所构成，主机系统由控制模块、主控模块所构成，信号发射系统由信号产生模块、信号调理模块、功率放大模块、发射模块所构成，信号接收系统由接收模块、前置放大模块、程控模块、选频滤波电路模块、整流电路模块所构成；

电源模块双向连接控制模块，控制模块连接信号产生模块、信号调理模块、功率放大模块、发射模块、显示模块，控制模块双向连接键盘，信号产生模块连接信号调理模块，信号调理模块连接功率放大模块，功率放大模块连接发射模块，电源模块连接主控模块，主控模块连接显示模块、接收模块、程控放大模块，键盘连接主控模块，接收模块连接前置放大电路模块，前置放大电路模块连接程控放大模块，程控放大模块连接选频滤波电路模块，选频滤波电路模块连接整流电路模块，整流电路模块连接主控模块。

2.根据权利要求1所述的不可见埋体管线无损探测者，其特征在于，信号产生模块选用可编程波形发生器AD9833。

3.根据权利要求1所述的不可见埋体管线无损探测者，其特征在于，程控放大模块选用可变增益放大器AD605。

4.根据权利要求1所述的不可见埋体管线无损探测者，其特征在于，发射模块采用矩形发射天线。

5.根据权利要求1所述的不可见埋体管线无损探测者，其特征在于，显示模块选用HS12864-15C型液晶屏。

6.根据权利要求1所述的不可见埋体管线无损探测者，其特征在于，前置放大电路模块选用双核放大器AD8032。

7.根据权利要求3所述的不可见埋体管线无损探测者，其特征在于，选频滤波电路模块选用开关电容滤波器MAX262。

8.根据权利要求5所述的不可见埋体管线无损探测者，其特征在于，主控模块选用采用SiliconLabs公司的C8051F020芯片。

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