本发明涉及材料检测领域，特别是涉及一种面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器。
背景技术：
在市政建设过程中，很多地方埋地管线由于时间久远，缺乏维护，导致锈蚀严重。虽然埋地管线位置有所记录，但由于开挖成本较高，因而锈蚀很难被低成本发现。而一般的检测装置，则难以区分正常管道与锈蚀管道。
技术实现要素：
基于此，有必要针对传统的埋地管道监测装置难以区分正常管道与锈蚀管道的问题，提供一种面向买地锈蚀管道探测器。
一种面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器，包括：
频率选择单元，用于调节探测信号频率；
发射线圈，与所述频率选择单元电连接，用于向被测管道发射所述探测信号；
两个接收线圈，与所述发射线圈平行间隔设置，并对称设置于所述发射线圈的两侧，用于接收由所述被测管道发出的反射信号；
模数转换单元，与所述两个接收线圈电连接，用于将所述反射信号由模拟信号转换为数字信号；
控制单元，与所述模数转换单元电连接。
在其中一个实施例中，所述发射线圈和所述接收线圈间隔设置于同一平面。
在其中一个实施例中，所述接收线圈为圆形，所述接收线圈的直径小于等于被测管道的直径。
在其中一个实施例中，所述频率选择单元还包括：
运算放大器；
放大电路，包括：
电阻r4，两端分别与所述运算放大器的反向输入端和输出端相连接；
电阻r1，一端接地，另一端与所述运算放大器的反向输入端电连接；
频率选择电路，包括：
可变电容c1和可变电阻r2，所述可变电容c1的一端和所述可变电阻r2的一端接地，所述可变电容c1的另一端和所述可变电阻r2的另一端与所述运算放大器的正输入端连接；
可变电容c2和可变电阻r3，串联于所述运算放大器的反向输入端和所述运算放大器的输出端之间。
在其中一个实施例中，所述频率选择单元还包括用于控制反馈电压幅值的稳压管dz，所述稳压管dz连接于所述运算放大器的反向输入端和所述运算放大器的输出端之间。
在其中一个实施例中，还包括连接于所述频率选择单元和所述发射线圈之间的发射端放大电路，所述发射端放大电路包括：
第一升压变压器，包括一个第一原线圈，以及串联的第一副线圈和第二副线圈，所述第一原线圈与所述频率选择单元连接；
第二升压变压器，包括串联的第二原线圈、第三原线圈，以及一个第三副线圈；
第一三极管，所述第一副线圈的一端与所述第一三极管的基极连接，所述第一副线圈的另一端接地，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的集电极与所述第二原线圈的一端连接，所述第二原线圈的另一端与电源v1的正极连接；
第二三极管，所述第二副线圈的一端与所述第二三极管的基极连接，所述第二副线圈的另一端接地，所述第二三极管的发射极接地，所述第二三极管的集电极与所述第三原线圈的一端连接，所述第三原线圈的另一端与电源v1的正极连接。
在其中一个实施例中，还包括人机交互模块，所述人机交互模块包括：
显示单元，输入单元，分别与所述控制单元电连接。
在其中一个实施例中，还包括：
供电单元，与所述控制单元和所述模数转换单元电连接。
在其中一个实施例中，所述供电单元和所述控制单元、所述模数转换单元、所述频率选择单元之间连接有稳压电路，所述稳压电路包括串联于所述供电单元两端的电阻r19、稳压管d1，所述稳压管d1与所述控制单元并联。
在其中一个实施例中，还包括接收端放大电路，所述接收端放大电路连接于所述接收线圈和所述模数转换单元之间。
本发明提供的面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器包括频率选择单元、发射线圈、两个接收线圈、模数转换单元、模数转换单元、控制单元。所述频率选择单元用于调节探测信号频率。所述发射线圈与所述频率选择单元电连接，用于发射所述探测信号。所述接收线圈与所述发射线圈平行间隔设置，并对称设置于所述发射线圈的两侧，用于接收由被测管道通过所述探测信号照射而发出的反射信号。所述模数转换单元与所述接收线圈电连接，用于将所述反射信号由模拟信号转换为数字信号。所述控制单元与所述模数转换单元连接，可以处理并显示反射信号。所述面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器通过两个接收线圈接收的信号强度判断述被测管道是否锈蚀，具有准确高效的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器工作原理示意图；
图2为本发明实施例提供的面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器系统图；
图3为本发明实施例提供的频率选择单元电路图；
图4为本发明实施例提供的发射端放大电路图；
图5为本发明实施例提供的稳压电路图；
图6为本发明实施例数字信号处理器示意图；
图7为本发明实施例复位电路图；
图8为本发明实施例晶振电路示意图；
图9为本发明实施例外部ram示意图。
主要元件符号说明
面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器10、频率选择单元100、运算放大器110、放大电路120、频率选择电路130、发射线圈200、控制单元300、模数转换单元400、接收线圈500、被测管道510、连接架520、发射端放大电路600、人机交互模块700、显示单元710、输入单元720、供电单元800、稳压电路810、第一升压变压器650、第一原线圈610、第一副线圈611、第二副线圈612、第二升压变压器660、第二原线圈620、第三原线圈630、第三副线圈631、第一三极管670、第二三极管680。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施例进行描述。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。
埋地管道的金属外壳多为铁制，而经过长时间的掩埋，铁与周围环境发生电化学或化学反应，改变了原有的化学、机械、物理等特性，这种现象称为铁的锈蚀。工业介质和自然环境都可能会对铁造成锈蚀。铁锈蚀时，铁原子变为离子状态，显著降低了塑性、强度、韧性等力学性质。除了历程不同，不同条件下的铁锈蚀的形态也分为多种情况：
1、均匀锈蚀
均匀锈蚀时，管道各个表面锈蚀速率接近，表现为整体变薄。均匀锈蚀也被成为全面锈蚀。
2、点锈蚀
很多水域管道的外壳密度并不均匀，这导致其容易在局部形成较为严重的锈蚀，形成锈蚀小孔。这些小孔往往孔径小，但深度较深，且容易在易钝化的表面产生。
3、缝隙锈蚀
在水域管道外壳的机械连接处，或者弹体与弹尾的焊接处，容易产生缝隙锈蚀。造成缝隙锈蚀的缝隙尺寸一般为0.025～0.1毫米，过小的缝隙会组织其他物质进入发生物理化学反应；过大的缝隙则会使缝隙内物质前移变容易，不会形成浓差电池。
4、晶间锈蚀
晶间锈蚀是铁晶界组分在锈蚀介质的溶解速率远高于晶粒本体的溶解速率，从而沿着金属晶粒间的分界面向内部扩展产生局部锈蚀。晶间锈蚀主要原因是晶界区域晶粒的组织结构不同，因而电化学性质存在差异。晶间锈蚀造成金属材料的塑性、强度和韧性显著降低。
5、丝状锈蚀
一般水域管道表面会涂上非金属涂层。而当涂层中含有氯化物时，其吸收空气中的水分，并渗透过涂层形成液滴。涂层下的液滴边缘与中心含氧量并不均匀，导致铁制品边缘容易发生吸氧腐蚀，产生大量氢氧根离子，从而降低液滴的表面张力，有助于液滴运动，形成丝状锈蚀。
金属物质做切割磁感线运动时，根据楞次定律，金属内部产生涡流电流，并且其导致的二次磁场与原有发射线圈产生的磁场方向相反，进而改变了接收线圈的电流大小及相位，从而影响接收线圈的等效阻抗。等效阻抗可进一步分解为等效电阻和等效电感。在金属通过发射磁场区域时，接收线圈的等效电阻增大，而等效电感的变化与金属磁性相关。当金属导体为非磁性物质时，等效电感减小。当金属导体为磁性物质时，等效电感增大。同时，不同磁力系数的物质，其相位也不相同。研究表明，随着水下深度变深，相位并不发生明显变化。而相位同时也与物体的大小和方位无关。因此，通过等效阻抗幅值可以描述物质深度和大小。通过探测计算等效阻抗相位可以判断物质的种类。
金属探测器的发射线圈电流频率影响着探测性能。频率较低时，发射的电磁波更具有穿透性，能够达到更深的深度，但容易造成小型目标的漏检。频率较高时，可以检测小型目标，但损失了探测范围。同时每一种金属又对应特定的频率，即在该频率下更容易探测到对应的金属。探测物体的铁磁性强度是影响最佳探测频率的主要因素。一般来讲，铁对应的频率较低，而铁锈等亚铁磁性物质对应的频率较高。
目前金属探测器主要分为两种类别：全金属探测器和铁金属探测器。全金属探测器往往面向的是贵金属，这些一般为非铁磁性物质，因此其对应的发射频率较高，一般为80～800khz。而铁金属探测器主要探测对象为铁，其具有强铁磁性，因此发射频率较低，一般为3～30khz。本发明提供的面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器，主要探测对象为氧化铁、四氧化三铁等铁磁性物质，但其磁性要弱于金属铁。因此，本发明面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器的发射频率范围大致在20～80khz。
请参见图1-2，本发明实施例提供一种面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器10。所述面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器10包括频率选择单元100、发射线圈200、两个接收线圈500、模数转换单元400、控制单元300。所述频率选择单元100用于调节探测信号的频率。所述发射线圈200与所述频率选择单元100连接，用于发射向被测管道510所述探测信号。所述两个接收线圈500与所述发射线圈200平行间隔设置，并对称设置于所述发射线圈200的两侧。所述两个接收线圈500用于接收由被测管道510发出的反射信号。所述模数转换单元400与所述两个接收线圈500连接，用于将模拟信号转换为数字信号。所述控制单元300与所述模数转换单元400连接，可以处理并显示反射信号。所述频率选择单元100通过改变所述发射线圈200的电流频率改变所述探测信号的频率。
所述发射线圈200和所述接收线圈500可以为金属材料。所述发射线圈200和所述接收线圈500的形状不限，可以为矩形、圆形等，只要便于发射或接收信号即可。在其中一个实施例中，所述发射线圈200和所述接收线圈500为圆形。所述发射线圈200和所述接收线圈500可以由铜制成。使用所述面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器时，可以先确定埋地管道的埋地位置。依据所述埋地位置将所述发射线圈200设置于埋地管道水平面的正上方。使得所述两个接收线圈500的圆心的连线垂直于被测管道510的轴线。此时由被测管道510的轴线和所述发射线圈200的圆心确定的平面为一对称平面。此时所述两个接收线圈500关于所述对称平面对称。此时在同一水平面上，沿着所述被测管道510的轴线移动所述面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器10。如果管道有锈蚀，锈蚀的位置一般不会关于所述对称平面对称。而被测管道510的锈蚀部分发出的反射信号与未锈蚀部分发出的反射信号强度必然不同。因此根据所述两个接收线圈500接收到的信号强度判断所述被测管道510是否有锈蚀。或者所述两个接收线圈500接收的反射信号强度明显异常，也可以判断所述被测管道510是否有锈蚀。
在其中一个实施例中，在连接所述发射线圈200和所述接收线圈500的导线的表面可以包裹绝缘油纸。加强对所述发射线圈200和所述接收线圈500的保护。所述控制单元300用于对接收到的所述数字信号进行处理以便于观测所述两个接收线圈500接收的信号强度是否一致，或者两个所述两个接收线圈500接收的信号强度是否明确大于正常强度。以判断所述被测管道510是否锈蚀。所述控制单元300可以控制所述面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器的工作状态。所述面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器设置了两个与所述发射线圈200平行间隔设置两个接收线圈500，并通过两个接收线圈500接收信号的强度判断述被测管道510是否锈蚀，具有准确高效的优点。
在其中一个实施例中，所述发射线圈200和所述接收线圈500间隔设置于同一平面。所述发射线圈200和所述接收线圈500间隔设置于同一平面。可以减少所述面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器的体积，同时可以减少所述发射线圈200和所述接收线圈500的相互干扰。
在其中一个实施例中，所述接收线圈500为圆形。所述接收线圈500的直径小于等于被测管道的直径。所述发射线圈200和所述接收线圈500之间可以通过连接架510连接固定。探测时，所述发射线圈200和所述接收线圈500平行于水平面设置。所述发射线圈200圆心和所述接收线圈500的圆心在水平面的投影落入被测管道510在水平面的投影。上述设置方式可以使得所述接收线圈500能够接收比较微弱的信号，并可以减少所述发射线圈200发射信号的衰减，提高了探测的精度。
请参见图3，其中一个实施例中，所述频率选择单元100还包括运算放大器110、放大电路120、频率选择电路130。所述放大电路120包括电阻r4。所述电阻r4的两端分别与所述运算放大器110的反向输入端和输出端相连接。所述放大电路120还包括可变电阻r1。所述可变电阻r1的一端接地，另一端与所述运算放大器110的反向输入端连接。所述频率选择电路130包括可变电容c1、可变电阻r2、可变电容c2、可变电阻r3。所述可变电容c1的一端和所述可变电阻r2的一端接地。所述可变电容c1的另一端和所述可变电阻r2的另一端连接与所述运算放大器110的正输入端连接。所述可变电容c2、所述可变电阻r3串联于所述运算放大器110的反向输入端和所述运算放大器110的输出端之间。所述频率选择电路130用于改变探测信号的频率。所述频率选择电路130和所述放大电路120配合采用正反馈反馈的机制进行放大。其中，反馈系数f为所述运算放大器110的正输入端的电压和所述运算放大器110的输出端的电压的比值。因此，反馈系数
在其中一个实施例中，所述频率选择单元100还包括用于控制反馈电压幅值的稳压管dz。所述稳压管dz连接于所述运算放大器110的反向输入端和所述运算放大器110的输出端之间。由于所述放大电路120采用正反馈的机制进行放大，因而需要对输出电压加以限制，所述稳压管dz可以对输出电压加以限制。
请参见图4，在其中一个实施例中，所述面向埋地日遗化武的专用金属探测器10还包括连接于所述频率选择单元100和所述发射电路200之间的发射端放大电路600。所述发射端放大电路600包括第一升压变压器650、第二升压变压器660、第一三极管670、第二三极管680。所述第一升压变压器650，包括一个第一原线圈610，以及串联的第一副线圈611和第二副线圈612，所述第一原线圈610与所述频率选择单元100连接。所述第二升压变压器660，包括串联的第二原线圈620、第三原线圈630，以及一个第三副线圈631。所述第一副线圈611的一端与所述第一三极管670的基极连接，所述第一副线圈611的另一端接地，所述第一三极管670的发射极接地，所述第一三极管670的集电极与所述第二原线圈620的一端连接，所述第二原线圈620的另一端与电源v1的正极连接。所述第二副线圈612的一端与所述第二三极管680的基极连接，所述第二副线圈612的另一端接地，所述第二三极管680的发射极接地，所述第二三极管680的集电极与所述第三原线圈630的一端连接，所述第三原线圈630的另一端与电源v1的正极连接。所述发射端放大电路可以为推挽式放大电路。在其中一个实施例中，从所述频率选择单元100向所述第一升压变压器650输入的信号使得所述第一升压变压器650电压的电压记性为上正下负时，所述第一三极管670导通，所述第二三极管680截止。当下负上正时，所述第一三极管670截止，所述第二三极管680导通。
所述第一升压变压器650可以用于提高所述频率选择单元100输出的电压。所述第二升压变压器660用于增大负载的原边等效电阻，以提高用电效率，减小由于发射线圈电阻较小造成的功率损失。
在其中一个实施例中，所述面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器还包括人机交互模块700。所述人机交互模块700包括显示单元710，输入单元720。所述显示单元710和所述输入单元720分别与所述控制单元300连接。所述显示单元710用于显示测量结果。所述显示单元710可以包括液晶显示屏。所述显示测量结果可以包括金属类型和所在方位。当前的发射频率、接收线圈500的频率和相位等信息也可以通过所述显示单元710显示。所述液晶显示屏的型号可以为lcd12864。lcd12864可以显示中文字元，使用方便，价格低廉。为使用其显示汉字的功能，我们采用点阵式lcd。lcd12864与同类型的图形点阵显示模组相比，电路结构和软体程式设计都要更为简洁，lcd12864具体的参数如下：
1、电源电压3.3v。
2、显示解析度为128×64。
3、内置汉字字形档，提供8192个16×16点阵汉字。
4、内置128个16×8点阵字元。
5、2mhz时钟频率。
6、显示方式：stn、半透、正显。
7、驱动方式：1/33duty，1/6bias。
8、视角方向：6点。
9、通讯方式：串列、并口可选。
10、内置dc-dc转换电路，无需外加负压。
11、无需片选信号，简化软体设计。
12、工作温度：0℃～55℃，存储温度：-20℃～60℃。
lcd12864引脚分布如下：
1、vss：地。
2、vcc：电源，连接+3.3v
3、v0：对比度调整负端
4、rs：控制信号，rs＝0时表示资料线上为指令资料，rs＝1时表示资料线上为显示资料。
5、r/w：读写控制信号。高电平时表示资料线可读，低电平时表示资料线被写。
6、e：使能信号。配合r/w进行资料读写。
7～14：三态数据线
15、psb：并行或序列介面选择。低电平时为串列，高电平时为并行。
16、nc：空脚
17、/reset：复位端。低电平有效。
18、vout：对比度调整正端。
19、led_a，背光源正端，连接+3.3v。
20、led_k，背光源负端。接地。
所述输入单元720可以为键盘。所述键盘可以用于实现资料和控制命令的输入。所述键盘的原理是通过按键来控制多个开关，这些开关单独作用或组合作用于特定的功能。在其中一个实施例中，所述输入单元720为独立连接式键盘。所述独立连接式的键盘的每一个按键都会作为一个独立的输入而传入数据线。所述键盘主要监测按键，并根据按键类型对工作模式进行调整。键盘功能主要包括探测频率切换和频率连续切换。探测频率切换可以在三个大的频率范围之间切换。频率连续切换可以在小范围内改变频率值。
在其中一个实施例中，所述面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器还包括供电单元800。所述供电单元800与所述控制单元300和所述模数转换单元400连接。
在其中一个实施例中，所述供电单元800包括直流电源v1、所述直流电源v1可以为中航锂电的ca100fi电池，该电池的供电电压为3.2v，可以满足所述控制单元300的供电要求。其中所述直流电源v1可以直接为所述频率选择单元，所述显示单元710和所述输入单元720供直流电。在其中一个实施例中，可以通过as1345d芯片对所述中航锂电电池进行升压稳压至12v，再给频率选择单元100中的运算放大器供电。在其中一个实施例中，可以通过as1345d芯片对所述中航锂电电池进行升压稳压至5.25v，再通过as1335芯片降压至5v给模数转换单元400供电，或者降压为3.3v给控制单元300供电。
请参见图5，在其中一个实施例中，所述供电单元800和所述控制单元300、所述模数转换单元400、所述频率选择单元100之间连接有稳压电路810。所述稳压电路810包括串联于电源v1两端的电阻r19、稳压管d1。所述稳压管d1与所述控制单元300并联。所述稳压电路810用于保障输入所述控制单元300和所述模数转换单元400的交流电的稳定性。
请参见图6-8，在其中一个实施例中，所述控制单元300可以包括数字信号处理器，以及复位电路950。所述复位电路950的vcc接口接电源。所述reset接口接所述数字信号处理器。所述控制单元300还可以包括晶振电路960。所述晶振电路960用于来设置计数器的间隔。所述晶振电路960包括依次串联的电容c11、电容c12和晶振器x1。其中所述电容c11、所述电容c12的中间接地。
请参见图9，在其中一个实施例中，所述控制单元300还包括外部ram。所述ram可以为cy7c1019。所述ram可以与所述数字信号处理器连接。
在其中一个实施例中，所述模数转换单元可以为ad7858晶片。ad7858晶片具有8个输入通道，采样频率可达200khz。所述数字信号处理器通过spi串口配置dc2289。所述dc2289位数为24位，采样率为1mhz，大于80khz的10倍，可以完好描述接收信号的波形。所述ad7858内部具有1个控制寄存器，1个adc资料输出寄存器、1个状态寄存器、1个测试寄存器和10个校准寄存器。为了避免fft后发生的频谱混叠现象，ad转换的采样频率必须高于最高频率的两倍。
在其中一个实施例中，输入信号经过所述模数转换单元400转换后，可以得到数字化的接收信号。由于环境往往较为复杂，导致接收信号不再是单一频率的正弦波，而往往是多种频率混合而成的信号。因此需要将信号转化到频域进行频率分析，找到频率中的主要部分。在收到模数转换单元转换后的时域离散信号后，使用fft将信号转化到频域。由于之前的模数转换单元转换使用了足够高的采样频率，因此这里fft不会发生混叠现象。
设发射频率为f，快速傅里叶变换处理长度为l，采样频率为f，则发射频率对应的离散傅里叶变换点位置n满足如下关系式：
nf＝lf
分别对发射信号和接收信号进行fft分析，得到它们主频的数字信息，并求出对应相位改变情况。
最后根据频率和相位的资讯可以得到物质的类型、大小和方向。
在其中一个实施例中，所述的面向埋地锈蚀管道的专用金属探测器10还包括接收端放大电路，所述接收端放大电路连接于所述接收线圈500和所述模数转换单元400之间。
或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。