专利名称：：基于甚低频功率电磁脉冲的管道内外通讯装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及通信领域，具体涉及金属管道内外的通讯技术。技术背景随着我国石油化工与市政建设等部门所铺设管线的急剧增长，对新铺设管道的质量检测、旧管线存在的缺陷检修、管内污垢堵塞清理以及未知地下管线的分布测绘等方面有巨大需求。管内移动载体就是专门用于管道工程中的探测、清管与作业的装置，它可以携带各种仪器在管内运行，完成管道探伤、管道补漏等作业以及清管等工程任务。以往管道工程中对故障点的排险维修工作，由于目标位置定位精度较低，往往采取盲目的大面积挖掘方法，不仅施工复杂，对未损管线带来人为破坏，而且造成较大的资源浪费。管道工程的复杂多样性促使管内移动载体向着运动自主(无缆)、内外通讯(信息传达)、位置可测(示踪定位)的方向发展，以提高其在工程中的实用性。要想实现管内移动载体的诸多功能，关键在于选用可靠的管道内外通讯装置。封闭的金属管道环境，对高频电磁波信号具有较强的屏蔽作用，目前广泛应用的射频、微波等无线通讯技术均无法应用于管道工程。采用射线源(x射线、钴-60等)的方式虽然可以实现管壁检测及小范围的管道内外信号传达，但是无法实现多项通讯协议，并且其较强的放射性对生物与周围环境带来较大危害(尤其在海底管道中)。而传统的有缆通讯方式，无法实现在线远距离的管道作业要求。现有的应用于矿山及水下通讯的长波传输技术，虽然可以实现在水、泥沙、土层等介质中的信号传播，但是对于金属管道环境条件下内外通讯问题尚无法满足工程需要。
发明内容本发明主要针对金属管内移动载体运行与作业信息不可探测的难题，解决金属层对电磁信号带来的屏蔽问题，而提出了一种基于甚低频功率电磁脉冲的管道内外通讯装置。本发明包括甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器3、磁感应接收天线组4、信号处理与传输装置5和计算机6;甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器3的发射端发射出甚低频功率电磁脉冲信号，磁感应接收天线组4接收甚低频功率电磁脉冲信号转换并为电压信号，传输给信号处理与传输装置5中，信号处理与传输装置5将电压信号进行滤波放大，提取出与发射器频率相同的信号分量，并传输到计算机6进行数据分析，解析通讯指令。利用甚低频功率电磁脉冲较强的穿透特性，研制了一套高效可靠的管道内外通讯系统，为了验证发明的管道内外通讯装置的实用性，进行了大量的实验工作。1)甚低频功率电磁脉冲信号对金属管壁的穿透性在长120m、管壁厚12mm、内径为297mm的金属管道环境中进行实验，测得电磁信号沿管线水平方向传播距离超过10m，垂直管道轴线方向信号的传播距离大于4m。如图4和图5为实际检测到的23HZ、0.7s间隔的电磁信号及信号幅值沿管线的分布状态。2)管道内外通讯协议的传达管内移动载体2采用皮碗液压驱动的蛇形机器人机构，装备了超声检测装置以及本发明的通讯系统。当超声检测到管道缺陷时，通过甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器3发送命令，产生如图6所示的通讯指令信号(发现焊缝缺陷和发现管道泄漏)。本发明实现了金属管道环境下管道内外的可靠通讯问题，对于不同壁厚、内径及铺设长度的管线都具有较好的适用性。基于目前管道工程非开挖检测排险的迫切需求，以及地下/海底金属管道环境中通讯技术存在的种种弊端，本发明提出了基于甚低频功率电磁脉冲(Extremelowfrequency-powerelectromagneticpulse:ELF-PEP)的管道内外通讯技术。甚低频功率电磁脉冲的频率范围为3-30kHz，在金属、泥沙土层及海水环境中传播时，其电磁信号衰减因子较小。对比高频电磁波信号，其在损耗介质中的传播距离大幅度提高。在对甚低频功率电磁脉冲信号的传播机理进行分析以及大量现场实验的基础上，得出了以下结论1)在泥沙、土层、空气等导电率低的介质中，甚低频功率电磁脉冲信号能量衰减较少，传播距离受频率影响很少，衰减因子/表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，C7—电导率，A—磁导率，S—介电常数。2)在金属管道、海水及潮湿土壤等导电率较高环境中，甚低频功率电磁脉冲信号能量衰减较大，发射频率越低，信号传播距离越远，可以有效解决金属管壁对电磁波通讯的屏蔽效应。衰减因子々表示为-=>/>7(2)其中，a—电导率，p—磁导率，/一发射频率。本发明专门应用于管道工程中地面/海面上对管内移动载体进行监测，此技术也可广泛应用于水下舰艇通讯、矿山搜救及管道工程的非破坏性排险救援等领域。图1是本发明的结构示意图；图2是甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器3的电路图；图3是甚低频功率电磁脉冲信号波形图；图4是23HZ、0.7s间隔的甚低频功率电磁脉冲信号波形图；图5是23HZ、0.7s间隔的甚低频功率电磁脉冲信号幅值沿管线的分布图；图6是通讯命令信号波形图。具体实施方式具体实施方式一结合图1说明本实施方式，本实施方式由甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器3、磁感应接收天线组4、信号处理与传输装置5和计算机6组成；甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器3的发射端发射出甚低频功率电磁脉冲信号，磁感应接收天线组4接收甚低频功率电磁脉冲信号转换并为电压信号，传输给信号处理与传输装置5中，信号处理与传输装置5将电压信号进行滤波放大，提取出与发射器频率相同的信号分量，并传输到计算机6进行数据分析，解析通讯指令。所述的甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器3安装在金属管道1内的移动载体2上，甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器3的通信端连接移动载体2的中央控制器。具体实施方式二结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器3由单片机3-l、D/A转换3-2、功率放大器3-3、发射线圈3-4、磁芯3-5、备用电池3-6、第一电压转换模块3-7、第二电压转换模块3-8、微控制器3-9、电池充电器3-10、开关&、开关管&、继电器&、稳压管A、第一二极管D2、第二二极管D3、第一电阻Rh第二电阻R2、24V电源线Z卜CAN通讯线丄2、地线丄3组成；24V电源线丄i连接第一电压转换模块3-7的输入端和开关&的一端，第一电压转换模块3-7的输出端连接第一二极管D2的阳极，第一二极管D2的阴极连接第二电压转换模块3-8的输入端、第一电阻R,的一端、第二二极管D3的阴极、单片机3-1的第一输入端、D/A转换3-2的第一输入端和功率放大器3-3的第一输入端；第二电压转换模块3-8的输出端连接微控制器3-9的第一输入端；微控制器3-9的第二输入端连接第一电阻R！的另一端、第二电阻R2的一端和稳压管A的阴极；第二电阻R2的另一端和稳压管A的阳极接地；微控制器3-9的第三输入端连接CAN通讯线Z2;微控制器3-9的第一输出端连接开关管&的基极，开关管S2的发射极接地，开关管&的集电极连接发射线圈3-4的输出端、单片机3-l的第一输出端、D/A转换3-2的第一输出端和功率放大器3-3的第一输出端；微控制器3-9的第二输出端连接单片机3-1的第二输入端，单片机3-1的第二输出端连接D/A转换3-2的第二输入端，D/A转换3-2的第二输出端连接功率放大器3-3的第二输入端，功率放大器3-3的第二输出端连接发射线圈3-4的输入端，发射线圈3-4缠绕在磁芯3-5上；继电器&线圈的一端连接在地线Z3上，继电器&线圈的另一端通过开关&连接在24V电源线&上，地线丄3连接备用电池3-6的一端和电池充电器3-10的一个输出端，备用电池3-6的另一端连接电池充电器3-10的另一个输出端和继电器&的一个触电，继电器&的另一个触电连接第二二极管D3的阳极。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。.微控制器3-9的型号为ZLG-ARM7-2119;单片机3-1的型号为ATMEL89C4051;D/A转换3-2的型号为TLC5615;幵关管S2的型号为ULN2803A;继电器S3的型号为OMRONG66-2114P。微控制器3-9具有电压检测、供电控制、CAN通讯三项功能。通过第一电压转换模块3-7把外部24V供电转换为15V，再次经过第二电压转换模块3-8把电压转换为5V，供微控制器3-9正常工作。备用电池3-6正常状态为14-l《6V，通过第一二极管D2和第二二极管D3使得外部供电正常时备用电池3-6不工作。经过第一电阻Rl和第二电阻R2分压后产生3.3V的电平输入到微控制器3-9，从而实现对外部供电的电压检测，若微控制器3-9的第二输入变为低电平说明外部掉电，通过第一二极管D2和第二二极管D3进行电源自动切换。当电池电量不足时，将开关S1闭合，则继电器S3断开电池供电，将充电器接入220V交流电给电池充电。微控制器3-9经CAN通讯线L2与管内移动载体2中央控制器进行通讯，获知整个管内移动载体2的运行与作业信息，通过改变开关管S2的通断，可以控制发射器的工作状态。通过输出控制信号到单片机3-l，改变所发射电磁信号的幅值与频率调制方式，实现向管外传达不同通讯指令的需求。本发明的管内发射器采用17Hz、23Hz、29Hz三种发射频率，信号带宽士1HZ，抑制电气设备及周围输电线路带来的工频干扰。信号幅值采用如图3所示的调制方式，节省电能消耗并提高瞬态发射功率。单片机输出信号通过D/A转换3-2及功率放大器3-3后传输到发射线圈3-4，产生电磁脉冲。管外磁感应接收天线组4分别连接到信号处理与传输装置5，信号处理与传输装置5传输到计算机。通过计算机软件系统解析管道内外通讯指令，通讯协议的制定如表1所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>进入信号区域注l代表有信号，0代表无信号；信号时间间隔为两个信号包络起始点之间的时间(如图3至图6所示)具体实施方式三结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同点在于发射线圈3-4为采用分布式双匝缠绕，减少线圈间耦合电容带来的不良影响，并且发射线圈3-4加入合金丝作为磁芯来增强电磁信号的发射强度。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。具体实施方式四结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于磁感应接收天线组4为三个磁感应接收天线，磁感应接收天线组4的三个输出端分别连接在信号处理与传输装置5的三个输入端，其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。具体实施方式五结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同点在于信号处理与传输装置5由三个滤波器和数据采集卡组成；磁感应接收天线组4的三个输出端分别连接到三个滤波器中各自中心频率的高增益、高品质因数的带通滤波器上，三个滤波器的输出信号通过数据采集卡的三个通道分别传输到计算机中。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。具体实施方式六结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于增加了管外移动装置7，磁感应接收天线组4、信号处理与传输装置5和计算机6安装在管外移动装置7上，管外移动装置7沿移动载体2的运动方向行驶进行收发信号。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。权利要求1、基于甚低频功率电磁脉冲的管道内外通讯装置，其特征在于它包括甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器(3)、磁感应接收天线组(4)、信号处理与传输装置(5)和计算机(6)；甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器(3)的发射端发射出甚低频功率电磁脉冲信号，磁感应接收天线组(4)接收甚低频功率电磁脉冲信号转换并为电压信号，传输给信号处理与传输装置(5)中，信号处理与传输装置(5)将电压信号进行滤波放大，提取出与发射器频率相同的信号分量，并传输到计算机(6)进行数据分析，解析通讯指令。2、根据权利要求1所述的基于甚低频功率电磁脉冲的管道内外通讯装置，其特征在于甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器(3)由单片机(3-l)、D/A转换(3-2)、功率放大器(3-3)、发射线圈(3-4)、磁芯(3-5)、备用电池(3-6)、第一电压转换模块(3-7)、第二电压转换模块(3-8)、微控制器(3-9)、电池充电器(3-10)、开关&、开关管&、继电器&、稳压管Z^、第一二极管D2、第二二极管/)3、第一电阻R,、第二电阻R2、24V电源线&、CAN通讯线丄2、地线￡3组成；24V电源线连接第一电压转换模块(3-7)的输入端和开关&的一端，第一电压转换模块(3-7)的输出端连接第一二极管Z)2的阳极，第一二极管D2的阴极连接第二电压转换模块(3-8)的输入端、第一电阻Ri的一端、第二二极管A的阴极、单片机(3-l)的第一输入端、D/A转换(3-2)的第一输入端和功率放大器(3-3)的第一输入端；第二电压转换模块(3-8)的输出端连接微控制器(3-9)的第一输入端；微控制器(3-9)的第二输入端连接第一电阻&的另一端、第二电阻R2的一端和稳压管A的阴极；第二电阻R2的另一端和稳压管A的阳极接地；微控制器(3-9)的第三输入端连接CAN通讯线丄2;微控制器(3-9)的第一输出端连接开关管&的基极，开关管&的发射极接地，开关管&的集电极连接发射线圈(3-4)的输出端、单片机(3-1)的第一输出端、D/A转换(3-2)的第一输出端和功率放大器(3-3)的第一输出端；微控制器(3-9)的第二输出端连接单片机(3-1)的第二输入端，单片机(3-l)的第二输出端连接D/A转换(3-2)的第二输入端，D/A转换(3-2)的第二输出端连接功率放大器(3-3)的第二输入端，功率放大器(3_3)的第二输出端连接发射线圈(3-4)的输入端，发射线圈(3-4)缠绕在磁芯(3-5)上；继电器&线圈的一端连接在地线￡3上，继电器&线圈的另一端通过开关&连接在24V电源线&上，地线丄3连接备用电池(3-6)的一端和电池充电器(3-10)的一个输出端，备用电池(3-6)的另一端连接电池充电器(3-10)的另一个输出端和继电器&的一个触电，继电器&的另一个触电连接第二二极管D3的阳极。3、根据权利要求2所述的基于甚低频功率电磁脉冲的管道内外通讯装置，其特征在于发射线圈(3-4)为采用分布式双匝缠绕。4、根据权利要求2所述的基于甚低频功率电磁脉冲的管道内外通讯装置，其特征在于发射线圈(3-4)加入合金丝。5、根据权利要求1所述的基于甚低频功率电磁脉冲的管道内外通讯装置，其特征在于磁感应接收天线组(4)为三个磁感应接收天线，磁感应接收天线组(4)的三个输出端分别连接在信号处理与传输装置(5)的三个输入端。6、根据权利要求5所述的基于甚低频功率电磁脉冲的管道内外通讯装置，其特征在于信号处理与传输装置(5)由三个滤波器和数据采集卡组成；磁感应接收天线组(4)的三个输出端分别连接到三个滤波器中各自中心频率的高增益、高品质因数的带通滤波器上，三个滤波器的输出信号通过数据采集卡的三个通道分别传输到计算机中。7、根据权利要求1所述的基于甚低频功率电磁脉冲的管道内外通讯装置，其特征在于增加了管外移动装置(7)，磁感应接收天线组(4)、信号处理与传输装置(5)和计算机(6)安装在管外移动装置(7;)上。全文摘要基于甚低频功率电磁脉冲的管道内外通讯装置，它涉及通信领域，它解决了金属层对电磁信号带来的屏蔽问题。本发明的甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器(3)的发射端发射出甚低频功率电磁脉冲信号，磁感应接收天线组(4)接收甚低频功率电磁脉冲信号转换并为电压信号，传输给信号处理与传输装置(5)中，信号处理与传输装置(5)将电压信号进行滤波放大，提取出与发射器频率相同的信号分量，并传输到计算机(6)进行数据分析，解析通讯指令。本发明实现了金属管道环境下内外的可靠通讯，在金属、泥沙土层及海水环境中传播时，其电磁信号衰减因子较小。对比高频电磁波信号，其在损耗介质中的传播距离大幅度提高。文档编号G05B19/418GK101231782SQ20081006402公开日2008年7月30日申请日期2008年2月22日优先权日2008年2月22日发明者唐德威,张晓华,邓宗全,陈宏钧,齐海铭申请人:哈尔滨工业大学