CN87103456A - 一种穿障测量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工程上实用的新颖的隔障测量的方法和装置。该测量方法的利用一个设在待测点的发射器在周围介质空间激发一种能够无畸变地穿过非铁磁障碍并具有特征的磁场，然后采用一种探测器来探测这些磁特征，从而确定出被测点的位置或通过该点的直线和平面。该穿障测量方法的最大特点在于快速、简单、实用方便，因而大大提高了隔障测量的工作效率，可广泛地用于坑道对接、塌方呼救、地下地形测量、等高线测量、打竖井等工程测量上。

Description

本发明涉及了一种测量的方法和装置，特别是一种能够穿过非铁磁物质障碍直接进行测量的方法和装置。

工程上经常遇到隔障测量问题，例如地下地形测量，坑道对接，竖井定位，塌方呼救，等高线测绘等等。现用的导线测量法，用水平仪经纬仪将待测点坐标由待测点绕过障碍经一系列中间固定点传递到基准点，工作量大，速度慢，效率低，往往近在咫尺而测量途径迁回千里，给工程测量带来很大不便。

本发明提出了一种能够透过障碍直接进行测量的方法和装置，使得穿障测量快速、简便、准确。

本发明是根据在非铁磁介质的准自由空间内，障碍物的存在及其分布对超低频和低频磁场分布不产生显著的，对工程言不能忽略的影响这一特点，利用磁场分布具有简单、有用并且是可探测的磁特征，从而建立起来的一种穿障测量方法。所谓准自由空间是这样的空间，在此空间内，物质作最不利分布，而磁场畸变不超过工程容许值。理论证明，当一根直磁力线因折射而致横向位移容许值设为1厘米，则准自由空间半径可达4千米。一般防空洞探测只需十几米，坑道探测为几米到几十米，深井为几百米，且工程上大多数障碍为非铁磁物质。因此，该穿障测量方法应用范围不受理论的限制，技术上大有发展的余地，可广泛用于工程测量。

本发明所给的穿障测量法如下：1、将一磁场源放在待测点，在其周围产生具有磁特征（磁穿障线、磁穿障面）的磁场，且磁场源按所需的指向放置，使磁特征和地理特征（穿过待测点的竖直线或水平线，穿过待测点的水平面或某个竖直面……）重合，从而使地理特征具有可探测的磁特征;2、在基准区或作业区用探测线圈探测磁特征，从而确定待测地理特征，例如待凿竖井的竖直中心线，待掘坑道的水平中心线，某一高度的水平面等等。

本发明所用磁场源为通电流的磁芯螺管线圈（频率十几赫至一二千赫），简称发射线圈。理论分析和实践证明，螺管电流的磁场有如下特征（用圆柱座标系，原点在螺管中点，Z轴和螺管轴重合）：

1、磁轴（Z轴、螺管轴）上，径向分量B_ρ＝0，且磁轴为对称轴;

2、磁子午面（穿过磁轴的无数个平面）上，分量B_φ＝0，无法向分量;

3、磁赤道面（穿过磁轴中点而与磁轴垂直的平面）上，B_ρ＝0，无切向分量。且磁赤道面为奇对称面（场分布对称而方向相反）;

4、磁锥面 $\mathrm{Z\; =\; \pm }\frac{\rho }{\sqrt{2}}$

或2Z²-ρ²＝0上，B_Z＝0。这些磁特征线和面能无畸变地穿过障碍，故名穿磁障线和磁穿障面。

本发明用悬吊结构利用重力使发射线圈的磁轴（通过线圈中心而与线圈平面垂直的轴）在竖直方向或在水平面内，从而使磁特征和待定的地理特征重合。以

表示发射磁轴方向矢量，重力置位可使 ＝ _V或

＝

_H（v表示竖直，H表示水平，T表示发射）。

_H只说明磁轴在水平面内，至于水平面内方向，还要由人根据需要借助仪器或周围参考物来调整。

重力置位后磁场的磁特征面或磁特征线都是磁场竖直分量B_V或水平分量B_H的零场面或零场线，因此用B_V、B_H描述场特征更为合理和方便。对于 _TV，有B_H＝0的竖直磁轴，B_H＝0的水平赤道面和无数通过竖直磁轴的竖直子午面。n_TH则给出：B_V＝0的水平磁轴，B_V＝0的竖直赤道面，B_V＝0的水平子午面以及这两个正交平面的水平交线。水平交线和水平磁轴互相垂直。

本发明用探测线圈探测磁特征面和特征线。因为磁特征面或磁特征线是分量B_V或B_H的零场面或零场线，故要求探测线圈只探测B_V或B_H。为此，线圈用平面线圈，并用悬吊结构使探测轴方向

_R（探测线圈平面的法向矢量）在竖直方向（

_R＝

_RV）或在水平面内（

_R＝

_RH）。前者探测B_V后者探测B_H。

磁穿障面的探测：

只对B_V响应的

_RV线圈用来探测竖直赤道面（水平移动探测线圈，中心落在竖直赤道面上时，信号为零）、水平子午面（上下移动线圈，中心落在水平子午面上时，信号为零）和 _TV的锥面。

_RH线圈用来探测竖直子午面（水平旋转线圈，线圈面和竖直子午面重合，信号为零）和水平赤道面（水平转动线圈到有信号，再上下移动线圈，中心落在水平赤道面上时，信号为零）。

磁穿障线的探测：

常用的工程上便于测量的穿障线有两类，用

_TV提供的竖直穿障线（竖直磁轴）和由

_TH提供的水平穿障线（水平交线）。

竖直穿障线的探测：竖直磁轴是任意两竖直子午面的交线。所以在任意两点P₁、P₂用

_RH线圈测出过P₁、P₂的子午面，两子午面的交线就是待测的竖直穿障线。

水平穿障线的探测：分三步：1、上下移动

_RV线圈，根据零信号找到水平子午面上一点P₁，从而找到水平子午面;2、在水平子午面之上或之下，水平移动

_RV线圈，根据零信号找到竖直赤道面上的一点P₂，从P₂作竖直线和水平子午面相交于P ，P₃即为水平交线上的一点;3、在P₃点，将线圈由

_RV改为

_RH，重新出现信号，旋转线圈到信号再次为零，这时线圈轴和水平交线重合，探测完毕。

至此，本发明提供了产生各种磁穿障线和磁穿障面以及探测各种磁穿障线和磁穿障面的方法。

本发明由于利用磁场穿过障碍直接进行测量，因而使得隔障测量变为直接、迅速、方便。穿障测量不受气象条件的限制，不受光照的影响，还可用于水下探测。

四公里的准自由空间限制对实际需要不发生影响，磁穿障测量方法的应用范围决定于技术发展。实验指出，简单的便携穿障测量装置的有效距离为20～30米，目前的技术水平可达100    200米。

本发明提供的穿障测量装置包括一台发射器和一台探测器。

发射器由发射电路和发射线圈组成，向所在介质空间发射频率为几十到几千赫的磁穿障线和磁穿障面。发射电路为一振荡电路，发射线圈为磁芯螺管线圈。

探测器由探测线圈、处理电路和指示器组成。探测线圈在磁场中耦合磁通，感生电信号。处理电路将微弱电信号放大和作某些变换。指示器为耳机或指针式电表，将处理后电信号变为声音或指针偏转，指示信号的大小。

探测线圈是探测磁特征的关键器件。本发明用的是平面线圈。线圈必须平、薄、圆、大，以保证测量精度和提高灵敏度。线圈的形式有两种，单平面线圈和组合线圈。单平面线圈可以探测竖直穿障面和水平穿障面，也可以测量竖直穿障线和水平穿障线，是一种通用线圈。通用线圈探测穿障线时，程序稍烦一些。本发明设计一种几个平面线圈组合的组合线圈，专用于穿障线的探测。

本发明方法的具体使用由以下实施例给出：

图1给出根据本发明提出的穿障测量方法进行地下点定位的示意图：

A图为确定地下待测点在地面的位置的示意图;

B图为确定地下点深度的示意图。

下面结合图1对该穿障测量方法做具体说明：

图中A为地下待测点，现要在地面探测其位置，先将发射器放在该点，并调整发射线圈①的磁轴在竖直方向（ _T＝

_TV），发出的磁轴线即为竖直穿障线。该线向上穿过地层，出地点为O，所有穿过AO的竖直平面都是磁子午面。要测定出地点O，可以分别在地面G上任意两点P₁、P₂，用探测线圈②（

_R＝

_RH）找出P₁、P₂的磁子午面，确定过P₁、P₂的磁子午线，两线的交点就是O点。

找到O点后再测定深度OA，

_TV发射的磁场有一个B_V＝0的锥面2Z²-ρ²＝0。锥面和地面G相截成一圆C，圆C上各点B_V＝0，并且凡B_V＝0的点都在圆C上。据此可探测深度OA。图1B用探测线圈②（

_R＝ _RV）探测B_V，从O点沿任一矢径向外移动探测线圈②，找到信号为零的点P₃，P₃为圆C上一点。量出距离OP₃，由锥面方程即可求出深度; $\mathrm{OA\; =}\frac{1}{\sqrt{2}}\mathrm{O\; P}$

。

本发明装置的结构和电路由以下实施例给出：

图2、图3给出了根据本发明提出的穿障测量装置发射器的结构示意图和电路图;

图4、图5给出了根据本发明提出的穿障测量装置探测器的示意图和电路图。

发射器机盒⑨为高25宽25厚5厘米的塑料盒，图2将前盖取去，看到振荡电路板⑦和圆盘线圈架⑤。发射线圈①是用φ0.5mm漆包线绕在φ10MXO磁棒共240圈的螺管线圈，固定在圆盘的直径上，振荡电容③固定在线圈的两侧。圆盘有两个小孔O_V和O_H，机盒⑨上有一挂钩(11)。用O_V孔悬吊圆盘时，磁轴在竖直方向，即

_T＝

_TV，用O_H孔套挂钩(11)悬吊圆盘时则磁轴在水平方向，即

_R＝ _RH。机盒⑨的底部为电池盒(13)，内装1号电池八节。

图3发射电路为一振荡电路，由三极管3DK12，3DD102，LC电路和自偏置电路RC组成，振荡频率为400～800赫。

探测器由机盒(14)和探测线圈②组成。机盒面板上装一指针微安计(16)，内部有电源和探测电路。线圈②是用φ0.08mm漆包线绕在φ100mm的圆盘骨架④的周边下线槽⑥中的共绕300圈的扁平线圈。圆盘④上有一中心螺孔O_V和靠边的孔O_H。⑧为手柄，柄下端有一挂钩(12)。用挂钩穿过边孔O_H悬吊圆板时，探测轴在水平方向，即

_R＝

_RH（图4B）。如将手柄⑧的底端紧旋入圆板的中心螺孔O_V，整个装置通过手柄⑧上端的孔⑩吊在手指上，则探测轴在竖直方向，即 _R＝

_RV（图4C）。圆盘④可用有机玻璃、尼龙或工程塑料制成。

图5信号处理电路由输入前置放大器，有源滤波器、小信号检波器和平衡噪音差模输出电路组成。输入级的L为探测线圈，LC对探测频率谐振，运算放大器IC₁用低噪运放OP07。有源滤波器由选频纲络R_2-1-R_2-3，C_2-1-C_2-2及运放OP07组成，选通频率仍为探测频率。小信号检波器用运放324，单电源工作，自动削去负向信号。阻容滤波器R_3-2C_3-2滤去检波后的交流部分，在C_3-2上得到比例于有用信号和所有前级产生的无用缩合噪音的直流电压，简称检波电压。平衡噪音差模输出电路用自稳零运算放大器7650，同相端接检波电压，反相端送入平衡电压。调整电位器W_4-1使平衡电压等于或接近于检波电压中的噪音电压（有用信号为零时的检波电压），噪音的影响可以全部或大部被抵销，输出为纯的或接近纯的探测信号。用这种方法可以探测到远小于噪音的有用信号。

Claims (6)

1、一种工程上用的测量方法，特别是一种隔着非铁磁物障碍进行测量的方法，其特征在于由待测点向其所在的介质空间发射一种能够穿过障碍物的低频磁场，这种磁场可形成一定的具有某些磁特征的磁穿障线和磁穿障面，在分析和利用这些磁特征的基础上，探测和寻找出这些磁穿障线和磁穿障面，便能实现穿过障碍直接进行测量和定位。

2、如权利要求1所述的测量方法，其特征在于可利用和可探测的磁穿障线和磁穿障面为竖直方向的磁轴线或水平方向的水平交线，法向矢量在竖直方向或在水平面内的磁子午面或磁赤道面。

3、实施权利要求1所述的测量方法所用的测量装置，其特征在于该测量装置包括一个发射器和一个探测器，发射器由发射线圈和发射电路组成。探测器由探测线圈，信号处理电路和指示器组成。

4、如权利要求3所述的测量装置，其特征在于所说的发射线圈为一用漆包线绕在磁棒上的螺管线圈，所说的发射电路为一振荡电路。

5、如权利要求3所述的测量装置，其特征在于所说的探测线圈为一用漆包线绕在一圆盘骨架上的单平面线圈，所说的信号处理电路由输入放大电路，有源滤波电路、小信号检波电路及平衡噪音差模输出电路组成;所说的指示器可为一指示电表亦可为一耳机或蜂鸣器。

6、如权利要求5所述的探测线圈，其特征在于所说的探测线圈可以为组合探测线圈，圆盘形线圈骨架可以用有机玻璃、尼龙或工程塑料制成。

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