管线仪接收机线圈结构及信号处理方法、管线仪接收机与流程

本发明属于电力电缆技术领域，尤其涉及一种管线仪接收机线圈结构及信号处理方法、管线仪接收机。

背景技术：

近年来，随着国内电网飞速发展，为减少架空线路占用太多空间资源，地埋电缆得到了广泛应用。考虑到电网改造、电缆搬迁可能会使原有的图纸资料不能正确反映地下电缆的敷设路径，对于地下电缆，如果位置信息不够明确，寻找起来十分困难，不仅浪费大量的人力、物力和时间，而且会造成难以估量的损失。国内在地埋电缆路径检测的研究起步较晚，但发展速度较快，目前已有很多科研单位、高等院校和相关企业专门从事地埋电缆路径检测的研究，在检测方法和仪器研发等技术上都取得了很大的突破，从整体上提高了我国在地埋电缆路径检测方面的能力。目前国内对地埋电缆的检测主要是基于电磁法的检测原理，通过多组线圈的组合对地埋电缆周围的磁场进行探测，通过判断磁场信号的强弱来确定电缆的位置。这种方法对线圈的结构设计尤为重要。传统的接收机通常采用一组或两组线圈对地埋电缆进行探测，这种方法可以进行简单、有效的测量，但是检测精度不高、抗干扰性差、功能单一，整体检测效率较低。其中题目为《智能电缆路径检测仪的研究和设计》的论文文献中提出的一种智能电缆路径检测仪，该电缆路径检测仪的线圈结构由8组探测线圈组成，具体结构为：上方为一组水平线圈和一组垂直线圈，中间为一组垂直线圈和四组前后左右四个不同方向的水平线圈，最下方为一组水平线圈；中间的左右水平线圈用于检测电缆的左右位置，上下水平线圈用于测量地埋电缆的深度和电流大小，四组前后左右方向的水平线圈，通过比较线圈感应电压的大小实现罗盘功能，因为只是通过比较电动势大小来判断接收机相对电缆的偏转方向，所以该罗盘功能只能实现前后左右四个方向和各方向的45度角指示，并不能实现任意角度的指示，该罗盘功能不是很完善。中国专利号为201320110499.2的专利文献公开了一种高精度地下电缆探测仪，该探测仪的接收天线模块包括两组水平线圈和一组垂直线圈，两组水平线圈位于支架的最上方和最下方，中间为垂直线圈，具体结构为“工”字型线圈结构；中间的垂直线圈和下方的水平线圈用于检测地埋电缆的左右位置，上下两组水平线圈用于测量埋深和电流大小；该专利的线圈结构设计虽然比较简单，但不能实现罗盘指示功能，检测功能不全，且没有采取抑制外界干扰的措施，整体效率不高。

综上所述，现有技术存在的问题是：不能实现罗盘指示功能，检测功能不全，且没有采取抑制外界干扰的措施，整体效率不高。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种管线仪接收机线圈结构及信号处理方法、管线仪接收机。

本发明是这样实现的，一种管线仪接收机线圈结构的信号处理方法，所述管线仪接收机线圈结构的信号处理方法包括：

模拟信号的调理，用于调整和处理线圈中产生的感应电压信号；

模数信号的转换，用于将信号调理电路输出的模拟信号转换为数字信号；

数字信号处理，用于还原接收频率信号的能量谱，并计算电缆的位置信息。

该信号处理方法进一步包括：接收机通过程序切换和选择不同的线圈组合采集地埋电缆的磁场信号，磁场信号通过线圈电路板卡进行偏置调整、滤波和放大后传输至接收机核心板卡，再次通过信号调理电路进行差分放大、低通滤波、反向放大处理后送至a/d转换器，a/d转换器将转换的数字信号送至dsp进行数字信号处理，基于新型线圈结构的特点及其理论公式的推导和计算方法，最终得出地埋电缆的位置，并通过液晶屏进行实时显示。

所述基于新型线圈结构的特点及其理论公式的推导和计算方法包括：电缆左右位置的判断、电缆埋深和电流大小的计算、接收机与电缆的夹角计算；

电缆左右位置的判断，是通过第一水平线圈和垂直线圈的组合实现的；当电缆中通有电流i时，第一水平线圈和垂直线圈接收到的磁场强度分别为：

其中，μ0为真空中介质的磁导率，μ0＝4π×10^-7h/m，h为第一水平线圈和垂直线圈到电缆的垂直距离，x为第一水平线圈和垂直线圈到电缆的水平距离；

电缆埋深和电流大小的计算是通过第一水平线圈和第二水平线圈的组合实现的；当接收机位于地埋电缆的正上方时，第一水平线圈和第二水平线圈中产生的感应电动势分别为：

其中，i为电缆中的电流强度，h为第一水平线圈到电缆的垂直距离，d为第一水平线圈和第二水平线圈之间的垂直距离，s1和s3分别为第一水平线圈和第二水平线圈的截面积，s1和s3大小相等，ω为电缆中电流信号的角频率；当第一水平线圈与地面接触时，h为电缆的埋藏深度；电缆的埋深h和电流大小i为：

接收机与电缆夹角的计算，是通过第二水平线圈和第三水平线圈的组合实现的；当电缆中通有电流i时，第二水平线圈和第三水平线圈中产生的感应电动势分别为：

其中，n3和n4分别为第二水平线圈和第三水平线圈的匝数，s3和s4分别为第二水平线圈和第三水平线圈的截面积，h为第二水平线圈和第三水平线圈到电缆的垂直距离，x为第二水平线圈和第三水平线圈到电缆的水平距离，θ3和θ4分别为第二水平线圈和第三水平线圈与电缆之间的夹角；

由于第二水平线圈和第三水平线圈的安装位置垂直，则θ3和θ4的关系为：

θ3+θ4＝90°；

那么，由上式得到：

第二水平线圈的匝数n3和第三水平线圈4的匝数n4相等，第二水平线圈的截面积s3和第三水平线圈的截面积s4相等，则接收机与电缆的夹角θ3为：

本发明的另一目的在于提供一种管线仪接收机线圈结构，所述管线仪接收机线圈结构包括：

第一水平线圈，用于检测地埋电缆在水平方向上的磁场信号，与第二水平线圈的组合用于测量地埋电缆的埋深和电流大小；

垂直线圈，用于检测地埋电缆在垂直方向上的磁场信号，与第一水平线圈的组合用于检测地埋电缆的左右位置；

第三水平线圈，安装位置与第二水平线圈垂直，与第二水平线圈的组合用于测量接收机与地埋电缆之间的夹角，以实现罗盘功能；

支架，用于将四组线圈安装和固定于特定的位置。

进一步，所述第一水平线圈和垂直线圈位于支架底部，第二水平线圈和第三水平线圈位于支架顶部；第一水平线圈和垂直线圈的组合用于检测地埋电缆的左右位置；第一水平线圈和第二水平线圈的组合用于测量地埋电缆的深度和电流大小；第二水平线圈第三水平线圈的组合用于实现罗盘指示功能；支架用于将四组接收线圈固定和安装于特定的位置；线圈电路板卡用于将线圈采集的磁场信号进行偏置调整、滤波、放大初步的处理，接收机核心板卡用于实现不同线圈组合的切换、线圈信号的调理、a/d信号转换、数字信号处理、人机交互功能。

进一步，所述线圈电路板卡包括：

线圈焊接孔，用于焊接接收机线圈；

偏置调整电路，用于提供偏置电压；

钳位保护电路，用于限制输入信号的电压，起保护电路的作用；

滤波放大电路，用于滤除带外信号的干扰和放大输入信号；

连接座，用于连接接收机核心板卡。

进一步，所述接收机的核心控制板卡包括：

sdram模块、flash模块、晶振电路、复位电路、电源模块、jtag配置模块、a/d转换电路、信号调理电路、多路通道选择电路、音频功放模块、液晶显示模块、按键模块均与dsp模块电连接；接收机通过程序控制多路通道选择开关，选择不同线圈所对应的信号调理电路，信号调理电路将各组线圈采集的磁场信号进行调整和处理后输出至音频功放电路和a/d转换器，音频功放电路将模拟电信号进行转化为声音信号，通过喇叭声音的大小来判断接收磁场信号的强弱；a/d转换器将转换后的数字信号传送至dsp进行数字信号处理，通过改进的fir数字滤波算法和基于线圈结构的理论公式推导，计算出地埋电缆的位置信息，通过液晶屏进行实时显示，最终确定电缆的位置。

sdram模块，用于暂时存放cpu中的运算数据，以及与flash交换的数据；

flash模块，用于存储接收机的系统程序；

晶振电路，用于给cpu及其他电路模块提供基本的时钟信号；

复位电路，用于确保接收机核心板卡电路安全可靠地工作；

电源模块，用于为整个接收机系统供电；

jtag配置电路，用于接收机核心板卡的仿真调试；

a/d转换电路，用于将线圈采集的模拟电压信号转换为数字信号，便于dsp进行数字信号处理；

信号调理电路，用于进一步调整和处理线圈采集的磁场信号；

多路通道选择电路，用于选择不同的线圈组合；

音频功放模块，用于辅助提示接收机检测到的磁场信号强度；

液晶显示模块，用于显示人机交互界面的电缆路径指示、接收信号强度、接收频率、罗盘指示、电池电量、菜单信息；

按键模块，用于操作人机交互界面。

进一步，所述信号调理电路包括：

差分比较电路，用于将线圈两端的输入信号进行差分放大输出；

二阶低通滤波电路，用于滤除通频带之外的高频干扰信号；

反向比例运算电路，用于提供稳定的反向输出信号，提高带负载能力。

本发明的另一目的在于提供一种所述管线仪接收机的线圈结构；

该线圈结构由四组线圈组成，第一水平线圈与垂直线圈安装于支架底部，第二水平线圈与第三水平线圈安装于支架顶部，通过600mm×6mm×120mm的圆柱筒封装于接收机内，接收机的整体造型轻巧，便于携带；四组接收线圈的不同组合可以实现磁场信号强度的检测、电缆左右位置的判断、电缆深度和电流的大小的测量、罗盘指示功能；该接收机采用的线圈数量少、结构紧凑合理、检测功能齐全，只需较少的信号处理电路，易于实现；并结合信号差分技术和数字化传输，有效抑制了共模干扰，提高了系统的抗干扰能力，信号放大后失真小，在弱磁场环境下也有较好的检测效果；该接收机的核心板卡采用32位的dsp处理器，增强了接收机系统的处理速度和运算能力，提高了接收机的检测速度，反应时间约为100ms左右；并搭载了24位的ad转换器，具有更高的转换精度和采样率，提高了接收机的测量精度，实际的测量误差约为2cm-5cm左右，有效地提升了地埋电缆路径检测的效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的管线仪接收机线圈结构示意图；

图2是本发明实施例提供的接收机核心板卡总体设计示意图；

图3是本发明实施例提供的判断电缆左右位置的方法示意图；

图4是本发明实施例提供的计算电缆埋深和电流大小的方法示意图；

图5是本发明实施例提供的计算接收机与电缆之间夹角的方法示意图；

图6是本发明实施例提供的接收机核心板卡硬件功能构成示意图；

图中：1、第一水平线圈；2、垂直线圈；3、第二水平线圈；4、第三水平线圈；5、支架；6、线圈电路板卡；7、接收机核心板卡。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明具有较高的检测精度和速度，在弱磁场环境下也有较好的检测效果，有效地提升了地埋电缆路径检测的效率。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的管线仪接收机的线圈结构包括：

第一水平线圈1、垂直线圈2、第二水平线圈3、第三水平线圈4、支架5、线圈电路板卡6、接收机核心板卡7。

第一水平线圈1，用于检测地埋电缆在水平方向上的磁场信号，与第二水平线圈3的组合用于测量地埋电缆的埋深和电流大小。

垂直线圈2，用于检测地埋电缆在垂直方向上的磁场信号，与第一水平线圈1的组合用于检测地埋电缆的左右位置。

第三水平线圈4，安装位置与第二水平线圈3垂直，与第二水平线圈3的组合用于测量接收机与地埋电缆之间的夹角，以实现罗盘功能。

支架5，用于将四组线圈安装和固定于特定的位置。

第一水平线圈1和垂直线圈2位于支架底部，第二水平线圈3和第三水平线圈4位于支架顶部；第一水平线圈1和垂直线圈2的组合用于检测地埋电缆的左右位置；第一水平线圈1和第二水平线圈3的组合用于测量地埋电缆的深度和电流大小；第二水平线圈3第三水平线圈4的组合用于实现罗盘指示功能；支架5用于将四组接收线圈固定和安装于特定的位置；线圈电路板卡6用于将线圈采集的磁场信号进行偏置调整、滤波、放大等初步的处理，接收机核心板卡7用于实现不同线圈组合的切换、线圈信号的调理、a/d信号转换、数字信号处理、人机交互功能等。

在本发明的优选实施例中：线圈结构的四组线圈由接收机线圈支架分别固定于特定的位置，管线仪接收机通过程序切换和选择不同的线圈组合检测地埋电缆的磁场信号，如图2所示，线圈采集的磁场信号首先通过线圈电路板进行偏置调整、滤波、放大等初步处理后传输至接收机核心板卡，再通过信号调理电路进行差分放大、低通滤波、反向放大等处理后传送至a/d转换器，a/d转换器将转换的数字信号送至dsp进行数字信号处理，基于新型线圈结构的特点及其理论公式的推导和计算，最终得出地埋电缆的位置，并通过液晶屏进行实时显示。

在本发明的优选实施例中：新型线圈结构的特点及其理论公式的推导和计算方法包括：电缆左右位置的判断、电缆埋深和电流大小的计算、接收机与电缆的夹角计算；

电缆左右位置的判断，是通过第一水平线圈1和垂直线圈2的组合实现的，如图3所示；当电缆中通有电流i时，第一水平线圈1和垂直线圈2接收到的磁场强度分别为：

其中，μ0为真空中介质的磁导率(μ0＝4π×10^-7h/m)，h为第一水平线圈1和垂直线圈2到电缆的垂直距离，x为第一水平线圈1和垂直线圈2到电缆的水平距离；

当垂直线圈2位于电缆左侧时，h2的方向为竖直向上；当垂直线圈2位于电缆右侧时，h2的方向为竖直向下；而h1的方向始终为水平向右，通过判断h1×h2的正负号，即可确定接收机位于电缆的左侧还是右侧；

电缆埋深和电流大小的计算，是通过第一水平线圈1和第二水平线圈3的组合实现的，如图4所示；当接收机位于地埋电缆的正上方时，第一水平线圈1和第二水平线圈3中产生的感应电动势分别为：

其中，i为电缆中的电流强度，h为第一水平线圈1到电缆的垂直距离，d为第一水平线圈1和第二水平线圈3之间的垂直距离，s1和s3分别为第一水平线圈1和第二线圈3的截面积，s1和s3大小相等，ω为电缆中电流信号的角频率；当第一水平线圈1与地面接触时，h为电缆的埋藏深度；电缆的埋深h和电流大小i为：

接收机与电缆夹角的计算，是通过第二水平线圈3和第三水平线圈4的组合实现的，如图5所示；当电缆中通有电流i时，第二水平线圈3和第三水平线圈4中产生的感应电动势分别为：

其中，n3和n4分别为第二线圈3和第三线圈4的匝数，s3和s4分别第二水平线圈3和第三水平线圈4的截面积，h为第二水平线圈3和第三水平线圈4到电缆的垂直距离，x为第二水平线圈3和第三水平线圈4到电缆的水平距离，θ3和θ4分别为第二水平线圈3和第三水平线圈4与电缆之间的夹角；

由于第二水平线圈3与第三水平线圈4的安装位置垂直，则θ3和θ4的关系为：

θ3+θ4＝90°(5)

那么，由上面的式子得到：

本发明中第二水平线圈3的匝数n3和第三水平线圈4的匝数n4相等，第二水平线圈3的截面积s3和第三水平线圈4的截面积s4相等，则接收机与电缆的夹角θ3为：

如图6所示，本发明的接收机核心板卡7的硬件设计包括：dsp模块、sdram模块、flash模块、晶振电路、复位电路、电源模块、jtag配置模块、a/d转换电路、信号调理电路、多路通道选择电路、音频功放模块、液晶显示模块、按键模块。

sdram模块、flash模块、晶振电路、复位电路、电源模块、jtag配置模块、a/d转换电路、信号调理电路、多路通道选择电路、音频功放模块、液晶显示模块、按键模块均与dsp模块电连接。

sdram模块，用于暂时存放cpu中的运算数据，以及与flash交换的数据。

flash模块，用于存储接收机的系统程序。

晶振电路，用于给cpu及其他电路模块提供基本的时钟信号。

复位电路，用于确保接收机核心板卡电路安全可靠地工作。

电源模块，用于为整个接收机系统供电。

jtag配置电路，用于接收机核心板卡的仿真调试。

a/d转换电路，用于将线圈采集的模拟电压信号转换为数字信号，便于dsp进行数字信号处理。

信号调理电路，用于进一步调整和处理线圈采集的磁场信号。

多路通道选择电路，用于选择不同的线圈组合。

音频功放模块，用于辅助提示接收机检测到的磁场信号强度。

液晶显示模块，用于显示人机交互界面的电缆路径指示、接收信号强度、接收频率、罗盘指示、电池电量、菜单等信息。

按键模块，用于操作人机交互界面。

本发明的接收机核心板卡硬件平台，cpu使用的是美国adi公司的双blackfin内核的adsp芯片，每个内核包含2个乘/加累加器(mac)，2个40位的算术逻辑单元(alu)，4个视频alu和1个40位移位器，可以执行复杂的控制与信号处理任务，同时保持极高的数据吞吐率。以上硬件条件有助于快速实现相关算法、提高系统的运行速度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。