一种精准管线探测仪的接收机的制作方法

本发明涉及电磁探测技术领域，尤其涉及一种精准管线探测仪的接收机。

背景技术

地下、水下管线担负着水资源、石油(原料到成品)与燃气等能源的运输，电力与各种信息的传输，以及雨、污水的排出等重要任务。因为地下管线与人们能否正常地生活和生产息息相关，所以人们把地下管线看作城市或企业赖以生存与发展的“生命线”。

由于敷设的年代不同、条块的分割、管理的不完善、受地下空间的制约等诸多因素的影响，使得地下管线“密如蛛网”。为了管理维护、规划设计、施工建设的需要，我国从1993年起开始采用仪器探测为主的城市地下管线普查工作，取得了良好的社会效益与经济效益，同时还存在一些亟待解决的问题，值得进行深入的研究。

为了节约集约利用宝贵的地下空间资源，服务于“智慧城市”的建设，为了遏制时有发生的损坏地下管线的事故的发生，对地下管线精准探测的理论与方法技术进行研究、对新一代精准地下/水下管线探测仪器的研制，是时代的召唤和要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种能够探测地下和/或水下的目标管线产生的产生磁场以精确获知目标管线的走向、平面分布和埋深的精准管线探测仪的接收机。

本发明的实施例提供一种精准管线探测仪的接收机，用于探测地下和/或水下的管线的走向、平面分布和埋深，包括接收机主体，所述接收机主体包括顺次连接的探头、低噪声前置放大器、十进衰减器、输入级放大器、频谱搬移电路、输出级放大器和线性检波器，所述线性检波器的输出端与具有模数转换器的单片机连接，所述频谱搬移电路包括与所述输入级放大器连接的开关式相敏检波器、相互串联后与所述开关式相敏检波器和所述输出级放大器连接的二窄带通滤波器，及与所述开关式相敏检波器连接的用于产生本机振荡信号的锁相环；所述探头内设有信号接收电路，所述信号接收电路具有相同的多个电感线圈，多个所述电感线圈相互串联，且每一所述电感线圈中均具有采用导磁材料制成的磁芯。

进一步地，所述接收机主体还包括外置探头接口，所述探头包括设于所述接收机主体的内置探头和与所述外置探头接口连接的用于伸入探测孔进行探测的外置孔内探头。

进一步地，所述探头的接收频率为1225hz、3675hz或11025hz。

进一步地，所述锁相环包括顺次连接的石英晶体振荡电路、分频电路、锁相环集成电路、前十分频电路和后十分屏频电路；还包括一锁相环反馈支路，所述锁相环反馈支路的输入端连接在所述锁相环集成电路的输出端，而其输出端连接在所述锁相环集成电路的输入端，所述输出级放大器与所述前十分频电路的输出端连接或者与所述后十分屏频电路的输出端连接，所述单片机与所述锁相环反馈支路连接用于调控所述锁相环反馈支路的分频数。

进一步地，所述前十分频电路的输出端输出的是频率为10-99990hz、步进频率为10hz、占空比d＝50％的方波信号，所述后十分频电路的输出端输出的是频率为1-9999hz、步进频率为1hz、占空比d＝50％的方波信号。

进一步地，所述锁相环反馈支路属于分频电路，分频数为1-9999倍。

进一步地，还包括一上位机，所述上位机的存储单元与所述单片机的所述模数转换器连接，以存储从所述模数转换器输出的数字信号，所述上位机包括用于进行电磁场反演计算的数值拟合反演模块。

进一步地，所述上位机还包括显示器，所述显示器与所述存储模块连接以读书并显示所述存储模块中的相应数据，所述数值拟合反演模块的反演计算包括绘制实测曲线图、拟合反演的理论曲线图、每一管线所对应的理论曲线图和每一管线的平面位置与埋深的剖面图，所述数值拟合反演模块的反演计算还包括计算拟合反演的均方根相对误差和每一管线上所载有的电流。

进一步地，所述输入级放大器的交流放大倍数kac＝n，n为大于零的自然数；所述输出级放大器的交流放大倍数kac＝(0.1～1)*n。

进一步地，所述磁芯由铁基纳米晶或钴基纳米晶材料制成。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的精准管线探测仪的接收机，(1)所述输入级放大器输向所述开关式相敏检波器的信号为频率为f1的待检测信号，所述锁相环输向所述开关式相敏检波器的信号为频率为f2的本机振荡信号，所述二窄带通滤波器的输出信号频率为f0，当f1±f2＝f0时则发生频谱搬移，将f1搬移至f0，同时保持待检测信号的相位与幅度特性不变。由于f0为固定频率，所以只需通过所述单片机调控所述锁相环使其输出频率f2发生改变，就可以对不同的待检测信号的频率f1之外的干扰信号进行良好的压制，达到进一步压缩带宽、提纯有用信号、改善信号噪声比s/n的目的，进一步提高接收机的接收灵敏度；同时可以获得更加精准的观测数据，使接收机具有良好的电磁兼容性。(2)相同的多个所述电感线圈相互串联，且每一所述电感线圈中均具有采用高导磁材料制成的磁芯，能够增加电感线圈匝数、增大电感量，同时减小分布电容，将所述信号接收电路中的lc串联谐振电路的品质因素增加30-40倍，使接收灵敏度也提高了30-40倍。从而使接收机具有灵敏度高、抗干扰能力强、体积小和重量轻等优点。

附图说明

图1是本发明精准管线探测仪的接收机的框图；

图2是本发明精准管线探测仪的接收机中的锁相环的框图；

图3是本发明精准管线探测仪的接收机对地下/水下管线的探测图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

本发明采用的原理主要基于频率域电磁(fdem)法探测地下/水下管线300的理论与方法技术，因为大多数重要的地下/水下管线300是采用导电性能优良的金属材料制成的，通信光缆内也有用于加强结构的钢丝，重要的非金属管线在敷设时预埋了金属检测带，使得这一类地下管线/水下300与周围介质相比，具有悬殊非常大的导电性能差异，该差异可以达到10⁵-10¹⁰数量级，所以这类地下/水下管线300具有集中电流的能力。对于有出入口的非金属管线，可以采用磁偶极子进行“示踪法”探测。

fdem法探测地下/水下管线300的基本原理，是利用载有交变电流的地下/水下管线300周围的磁场的空间分布规律，用带有交变磁场矢量传感器的接收机，对该磁场进行探测，进而推断出地下/水下管线300的走向、平面位置及其埋深。

本发明的实施例提供了一种精准管线探测仪的接收机，用于探测地下和/或水下的管线300的走向、平面分布和埋深，包括接收机主体。

请参考图1，所述接收机主体包括顺次连接的探头11、12、低噪声前置放大器2、十进衰减器3、输入级放大器4、频谱搬移电路5、输出级放大器6和线性检波器7，所述线性检波器7的输出端与具有模数转换器的单片机8连接，所述频谱搬移电路5包括与所述输入级放大器4连接的开关式相敏检波器51、相互串联后与所述开关式相敏检波器51和所述输出级放大器6连接的二窄带通滤波器52、53，及与所述开关式相敏检波器51连接的用于产生本机振荡信号的锁相环54。

所述探头11、12内设有信号接收电路，所述信号接收电路具有相同的多个电感线圈，多个所述电感线圈相互串联，且每一所述电感线圈中均具有采用高导磁材料制成的磁芯，所述磁芯由铁基纳米晶或钴基纳米晶材料制成。相同的多个所述电感线圈相互串联，且每一所述电感线圈中均具有采用高导磁材料制成的磁芯，目的是增加电感线圈匝数、增大电感量，同时减小分布电容，将所述信号接收电路中的lc串联谐振电路的品质因素增加30-40倍，使接收灵敏度也提高了30-40倍。从而使所述信号接收电路具有灵敏度高、抗干扰能力强、体积小和重量轻等优点。所述磁芯由铁基纳米晶或钴基纳米晶材料制成。

所述探头11、12的接收频率为1225hz、3675hz或11025hz。这些频率可以避开世界各国工业电网频率(50hz/60hz)及其高次谐波干扰，为提纯有用信号奠定基础；这些接收频率使接收机的频率覆盖系数k＝9，从而可以利用不同性质的地下和/或水下管线300具有不同的电性分布参数这一特点，例如当发送机输出1225h方波信号时，于是可以利用地下/水下管线300上对方波信号的1、3、9次谐波的不同的频率响应，为区分不同性质的相邻管线做出贡献。

所述接收机主体还包括外置探头接口，所述探头11、12包括设于所述接收机主体的内置探11和与所述外置探头接口连接的用于伸入探测孔进行探测的外置孔内探头12。当不需要进行孔内探测时，启用所述内置探头11即可，当需要进行孔内探测时，启用所述外置孔内探头12即可，使接收机能够适应多种探测需求，使使用更方便。

所述低噪声前置放大器2内部噪声比低噪声运算放大器更低，且具有频带宽、输入阻抗高(rin≥10mω)、输出阻抗低(r0≤5ω)、与前后电路之间能进行良好的噪声阻抗匹配等特点。所述低噪声前置放大器2的放大倍数kac′＝n*10倍，n为大于0的自然数；在所述低噪声前置放大器2之前，加装限幅保护电路，该限幅保护电路具有幅度大、对输入阻抗rin影响小的特点。

所述十进衰减器3为三节1/10固定衰减器，组成×1、×10、×100三档。

所述输入级放大器4的交流放大倍数kac＝n，n为大于零的自然数；所述输出级放大器6的交流放大倍数kac＝(0.1～1)*n。

请参考图2，所述锁相环54包括顺次连接的石英晶体振荡电路541、分频电路542、锁相环集成电路543、前十分频电路545和后十分屏频电路546；还包括一锁相环反馈支路544，所述锁相环反馈支路544的输入端连接在所述锁相环集成电路543的输出端，而其输出端连接在所述锁相环集成电路543的输入端，所述输出级放大器6与所述前十分频电路545的输出端u02连接或者与所述后十分频电路546的输出端u01连接，所述单片机8与所述锁相环反馈支路544连接用于调控所述锁相环反馈支路544的分频数。

所述锁相环反馈支路544也属于分频电路，分频数为1-9999倍。所述分频电路542将所述石英晶体振荡电路541产生的信号分频后输出的信号的频率为参考频率fref，所述锁相环集成电路543和所述锁相环反馈支路544构成了锁相倍频环电路。为了得到高精度的振荡频率，采用石英晶体振荡电路541。利用所述锁相倍频环电路，使所述锁相倍频环电路的输出信号频率是所述参考频率fref的1-9999倍，该倍数即为所述锁相环反馈支路544的分频数，所述锁相环反馈支路544的分频数通过所述单片机8输入调控。

所述前十分频电路545的输出端输出的是频率为10-99990hz、步进频率为10hz、占空比d＝50％的方波信号，所述后十分频电路546的输出端输出的是频率为1-9999hz、步进频率为1hz、占空比d＝50％的方波信号。

所述输入级放大器4输向所述开关式相敏检波器51的信号为频率为f1的待检测信号，所述锁相环54输向所述开关式相敏检波器51的信号为频率为f2的本机振荡信号，所述二窄带通滤波器52、53的输出信号频率为f0，当f1±f2＝f0时则发生频谱搬移，将f1搬移至f0，同时保持待检测信号的相位与幅度特性不变。由于f0为固定频率，所以只需通过所述单片机8调控所述锁相环54使其输出频率f2发生改变，就可以对不同的待检测信号的频率f1之外的干扰信号进行良好的压制，达到进一步压缩带宽、提纯有用信号、改善信号噪声比s/n的目的，进一步提高接收机的接收灵敏度；同时可以获得更加精准的观测数据，使接收机具有良好的电磁兼容性。

上述电路均为线性电路，输出电压信号与待测的交变磁场信号之间具有良好的线性关系。

还包括一上位机9，所述上位机9的存储单元与所述单片机8的所述模数转换器连接，以存储从所述模数转换器输出的数字信号，所述上位机9包括用于进行电磁场反演计算的数值拟合反演模块。所述上位机9还包括显示器，所述显示器与所述存储模块连接以读取并显示所述存储模块中的相应数据，所述数值拟合反演模块的反演计算包括绘制实测曲线图、拟合反演的理论曲线图、每一管线所对应的理论曲线图和每一管线的平面位置与埋深的剖面图，所述数值拟合反演模块的反演计算还包括计算拟合反演的均方根相对误差和每一管线上所载有的电流。

所述上位机9内的所述数值拟合反演模块，其有益效果是：(1)其处理数据的推断解释精度高、分辨率高，能使定位、定深的相对误差达到埋深h的2％左右，可以最大限度地区分复杂相邻管线，最大限度地防止误判、错判；(2)在探测现场，可以快速地绘制出a.实测曲线图，b.拟合反演的理论曲线图，c.每一根地下管线所对应的理论曲线图，d.每一根地下管线的平面位置与埋深的剖面图，组成一幅彩色的综合剖面图；快速地计算出：a.拟合反演的均方根相对误差，b.计算出每一根地下管线上所载有的电流等数据；(3)最大限度地减少人为因素的干扰，有利于在室内对外业探测成果的检查。

请参考图3，使用本发明所述的精准管线探测仪的接收机进行探测的探测方法：

具体步骤是：(一)在地面和/或水面100x方向(水平方向)用接收机的所述内置探头11探测交变磁场的水平分量hx，以缩小目标管线的位置范围；(二)在水平方偏移距离d(d＝(5％～10％)*h，h为目标管线300埋深)的位置处，垂直向下钻孔，为了得到完整的hz异常，钻的孔200深度为目标管线300埋深h的1.5倍；(三)在孔200内的z方向(竖直方向)用所述外置孔内探头12探测交变磁场的垂直分量hz。其有益效果是：①钻孔过程中不会损坏目标管线300，②因为在第二次探测中，所述外置孔内探头12离开目标管线300更近，又可以避开某些干扰物的干扰，从而使信号噪声比s/n高，所以定位、定深的相对误差可以达到埋深h的1％以内，绝对误差达到厘米数量级，③主要适用于对地面和/或水面100探测成果质量的检验，具有效率高、成本低、对环境与交通的影响小等优点，是对现有探测规范的有益补充，④更适用于对深埋的地下管线300的精准探测，满足工程建设对探测精度的要求，为节约集约利用地下空间资源做出贡献。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。