一种电力线位置信息测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种电力线位置信息测量装置及方法，包括传感器阵列、接收机单元、主控计算单元、通讯接口单元、激励调制信号产生单元；激励调制信号产生单元为传感器阵列产生频率为fex的正弦激励调制信号，传感器阵列由正弦激励调制信号与外界激励磁场叠加后获取信号，接收机单元对传感器阵列输出的信号进行调理和采样后，将采样数据送入主控计算单元完成电磁场反演计算的工作，并最终送入通讯接口单元将电力线位置信息送出。本发明通过电磁场模型反演可以得到较精确的电力线三维位置信息，具有精度高，安装维护方便的优势；能够更好的避免大型机械设备对电力线形成外力破坏，减少跳闸、人员伤亡和设备损坏事故，从而保证电力线的供电可靠性。
【专利说明】一种电力线位置信息测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于测量【技术领域】，涉及一种位置测量装置及方法，尤其涉及由工程施工 机械获取周围电力线具体位置的测量装置及方法，更具体地是用于获取电力线与吊车等大 型施工机械之间距离信息的装置以及避免施工机械与电力线之间小于安全距离的报警装 置。
【背景技术】
[0002] 在电力、通信、油田、矿山工程中经常使用到大型工程施工机械，例如高空作业车、 车载埋杆综合作业车、起重机械（轮式、履带，随车吊等）、吊塔、吊车、泵车等。这些大型施 工设备在高压电力线等输电线路周围施工作业时，非常容易由于设备臂展较长（高）而误 碰触电力线，从而危及施工人员的生命安全和施工机械的财产安全，同时由于这种事故往 往会触发的输电线路跳闸保护，会严重影响输电线路的安全稳定运行。因此，在使用施工机 械时，实时获取电力线路的位置信息，并提醒操作人员使施工机械与电力线路之间保持最 小安全距离，是确保工程施工安全和电力线路安全、可靠运行的重要方法。
[0003] 目前在工程施工中所采用的电力线位置报警器都是通过测量电场强度来获取电 力线与探头的大致距离信息，但是这种传统的测量方法存在很多不足。首先，对于同一根电 力线，由于受到负载等诸多影响，其中的电压有效值和电流强度并非恒定值，而是无规律的 变化，这导致当前的报警装置难以获取电力线的准确位置信息。其次，正是由于第一种不 足，当施工机械面对不同的电力线时，例如从220V电力线转换到1000V电力线的环境，施工 人员必须切换测量挡位，但是施工人员未必能够准确知道电力线传输的额定电压和电流大 小，从而导致操作复杂并且极易出错。再次，由于受到传统测量方法限制，传统电力线位置 报警器仅能获取探头到电力线的垂直距离，并不能给出电力线的三维坐标信息。最后，正是 由于以上的不足，导致传统的位置报警装置的灵敏度较低，只能分段的给出电力线的大致 位置信息，例如10米、15米等。综上所述，传统的电力线位置报警装置具有精度较低、灵敏 度较低、操作复杂、准确度差等不足。
[0004] 因此，本发明首先在克服传统测量方法和传统电力线位置报警装置的不足，实现 了具有精度高，自适应电力线特性、操作方便、安装维护简便的优点。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种具有自适应精确获取电力线位置信息的测量装置及 方法，该测量方法和装置通过建立电力线周围三维电磁场模型，利用传感器阵列获取多点 的电磁场强度信息，根据反演算法来获取电力线的三维位置信息，避免电压变化带来的影 响，并实现了自适应电力线电流强度的变化，从而获取精确的位置信息，使得该测量方法和 装置具有通用性好，灵敏度高、能够自适应电力线特性、操作方便、安装维护简便的优点，提 高了施工过程中的可靠性。
[0006] 本发明的装置所采用的技术方案是：一种电力线位置信息测量装置，其特征在于： 包括传感器阵列、接收机单元、主控计算单元、通讯接口单元、激励调制信号产生单元；所 述的激励调制信号产生单元为所述的传感器阵列产生频率为的正弦激励调制信号，所 述的传感器阵列由所述的正弦激励调制信号与外界激励磁场叠加后获取信号，所述的接收 机单元对所述的传感器阵列输出的信号进行调理和采样后，将采样数据送入所述的主控计 算单元完成电磁场反演计算的工作，并最终送入所述的通讯接口单元将电力线位置信息送 出。
[0007] 作为优选，所述的传感器阵列由第一三轴磁通门传感器、第二三轴磁通门传感器、 第三三轴磁通门传感器和第四三轴磁通门传感器组成；所述的第一三轴磁通门传感器、第 二三轴磁通门传感器、第三三轴磁通门传感器和第四三轴磁通门传感器安装在施工设备的 机械臂上，其中所述的第一三轴磁通门传感器被安装在所述的机械臂的顶端。
[0008] 作为优选，所述的第一三轴磁通门传感器、第二三轴磁通门传感器、第三三轴磁通 门传感器和第四三轴磁通门传感器依次以直线方式安装，所述的第一三轴磁通门传感器与 第二三轴磁通门传感器之间的直线距离A L1，第二三轴磁通门传感器与第三三轴磁通门传 感器之间的直线距离A L2，第三三轴磁通门传感器与第四三轴磁通门传感器之间的直线距 离 A L3,且 ALpALpAL3t5
[0009] 作为优选，所述的接收机单元包括第一多路模拟开关、前置放大电路、带通滤波电 路、ADC电路、第一隔离驱动电路；所述的主控计算单元通过所述的第一隔离驱动电路将控 制信号输出到所述的第一多路模拟开关，实现对不同传感器信号进行切换的工作，然后利 用所述的前置放大电路对所述的传感器阵列的输出信号进行调理工作，并采用中心频率为 2倍f； x的带通滤波电路取出传感器阵列输出信号的2次谐波分量，再经过所述的ADC电路 实现数字信号采样工作，所获得的采样信号通过所述的第一隔离驱动电路输出到所述的主 控计算单元。
[0010] 作为优选,所述的fex设为IOkHz,带通滤波电路的通带宽度为2kHz,其信噪比为 60dB，所述的第一多路模拟开关采用ADI公司的ADG1604多路模拟开关。
[0011] 作为优选，所述的主控计算单元是测量装置的控制核心，并完成数字相敏检波、 FFT算法、基于最小二乘的反演计算工作，所述的主控计算单元包括作为控制核心的FPGA 电路和实现电磁场反演计算的DSP电路；所述的DSP电路将命令数据发送到FPGA电路，由 FPGA电路进行解码，FPGA电路根据控制指令对所述的接收机单元和激励调制信号产生单 元的控制时序做出调整；所述的DSP电路和FPGA电路之间采用数据总线和地址总线的方式 进行数据交互。
[0012] 作为优选，所述的FPGA电路中的FPGA芯片内建数字相敏检波器以及频率为2fex、 幅值为IV的标准正弦信号表，通过与采样数据进行相关运算来实现数字相敏检波。
[0013] 作为优选，所述的通讯接口单元用于发送计算结果，以及将来自操作者的控制命 令传送给所述的主控计算单元，从而实现操作者对电力线位置信息测量装置的控制；所述 的通讯接口单元包括CAN总线电路、WIFI电路和FLASH存储器；所述的主控计算单元中设 置的DSP电路按照操作者设定的方式，通过CAN总线电路或者WIFI电路发送数据；所述的 FLASH存储器保存当前通讯的设置参数，操作者能依据实际施工机械的车载装置参数，通过 CAN总线电路对FLASH存储器的数据进行修改，改变通讯参数；其中，所述的FLASH存储器 保存当前通讯的设置参数，其参数包括CAN总线的波特率、设备标识ID、发送方标识ID、设 备本机IP地址、接收方IP地址。
[0014] 作为优选，所述的激励调制信号产生单元用于在所述的主控计算单元的控制下， 为所述的第一H轴磁通口传感器、第二H轴磁通口传感器、第HH轴磁通口传感器和第 四H轴磁通口传感器产生合适的激励调制信号，从而使得所述的传感器阵列能够感应电力 线的电磁场；所述的激励调制信号产生单元包括第二隔离驱动电路、DDS电路、低通滤波 器、功率放大电路、阻抗匹配电路和第二多路模拟开关；所述的主控计算单元通过所述的第 二隔离驱动电路将控制信号输出到所述的第二多路模拟开关，去除数字电路对模拟电路的 影响；所述的激励调制信号产生单元利用所述的DDS电路产生频率为f。，的正弦波信号，并 经过所述的低通滤波电路和功率放大电路输出功率为P。,、频率为f。,的激励调制信号，接着 利用所述的阻抗匹配电路实现所述的传感器阵列中的H轴磁通口传感器与激励电路的阻 抗禪合，并在控制信号的控制下通过所述的第二多路模拟开关将正弦激励调制信号分别输 出到第一H轴磁通口传感器、第二H轴磁通口传感器、第HH轴磁通口传感器、第四H轴磁 通口传感器。
[0015] 本发明的方法所采用的技术方案是：一种电力线位置信息测量方法，其特征在于： 传感器阵列包括至少四个H轴磁通口传感器，其中第一H轴磁通口传感器安装在施工设备 机械臂的顶端，第一H轴磁通口传感器与第二H轴磁通口传感器之间的直线距离为ALi， 第二H轴磁通口传感器与第HH轴磁通口传感器之间的直线距离为AL2,第HH轴磁通口 传感器与第四H轴磁通口传感器之间的直线距离为ALs，ALi、AL2和ALs均为已知，且 ALi>AL2〉ALs，第一立轴磁通口传感器、第二立轴磁通口传感器、第；；轴磁通口传感器 和第四H轴磁通口传感器之间的间距按照电磁场梯度衰减的原则进行摆放；
[0016] 第一H轴磁通口传感器、第二H轴磁通口传感器、第HH轴磁通口传感器和第 四H轴磁通口传感器输出的电压强度均可表述为：
[0017]
【权利要求】
1. 一种电力线位置信息测量装置，其特征在于：包括传感器阵列（101)、接收机单元 (102)、主控计算单元（103)、通讯接口单元（104)、激励调制信号产生单元（105);所述的 激励调制信号产生单元（105)为所述的传感器阵列（101)产生频率为的正弦激励调制 信号，所述的传感器阵列（101)由所述的正弦激励调制信号与外界激励磁场叠加后获取信 号，所述的接收机单元（102)对所述的传感器阵列（101)输出的信号进行调理和采样后，将 采样数据送入所述的主控计算单元（103)完成电磁场反演计算的工作，并最终送入所述的 通讯接口单元（104)将电力线位置信息送出。
2. 根据权利要求1所述的电力线位置信息测量装置，其特征在于：所述的传感器阵列 (101) 由第一三轴磁通门传感器（3)、第二三轴磁通门传感器（2)、第三三轴磁通门传感器 (1)和第四三轴磁通门传感器（19)组成；所述的第一三轴磁通门传感器（3)、第二三轴磁通 门传感器（2)、第三三轴磁通门传感器（1)和第四三轴磁通门传感器（19)安装在施工设备 的机械臂（107)上，其中所述的第一三轴磁通门传感器（3)被安装在所述的机械臂（107) 的顶端。
3. 根据权利要求2所述的电力线位置信息测量装置，其特征在于：所述的第一三轴磁 通门传感器（3)、第二三轴磁通门传感器（2)、第三三轴磁通门传感器（1)和第四三轴磁通 门传感器（19)依次以直线方式安装，所述的第一三轴磁通门传感器（3)与第二三轴磁通门 传感器（2)之间的直线距离AL 1，第二三轴磁通门传感器（2)与第三三轴磁通门传感器（1) 之间的直线距离AL2，第三三轴磁通门传感器（1)与第四三轴磁通门传感器（19)之间的直 AL3, AL3O
4. 根据权利要求1所述的电力线位置信息测量装置，其特征在于：所述的接收机单元 (102) 包括第一多路模拟开关（4)、前置放大电路（5)、带通滤波电路（6)、ADC电路（7)、第 一隔离驱动电路（8);所述的主控计算单元（103)通过所述的第一隔离驱动电路（8)将控 制信号输出到所述的第一多路模拟开关（4)，实现对不同传感器信号进行切换的工作，然后 利用所述的前置放大电路（5)对所述的传感器阵列（101)的输出信号进行调理工作，并采 用中心频率为2倍匕的带通滤波电路（6)取出传感器阵列输出信号的2次谐波分量，再经 过所述的ADC电路（7)实现数字信号采样工作，所获得的采样信号通过所述的第一隔离驱 动电路（8)输出到所述的主控计算单元（103)。
5. 根据权利要求4所述的电力线位置信息测量装置，其特征在于：所述的设为 10kHz，带通滤波电路（6)的通带宽度为2kHz，其信噪比为60dB，所述的第一多路模拟开关 (4)采用ADI公司的ADG1604多路模拟开关。
6. 根据权利要求1所述的电力线位置信息测量装置，其特征在于：所述的主控计算单 元（103)是测量装置的控制核心，并完成数字相敏检波、FFT算法、基于最小二乘的反演计 算工作，所述的主控计算单元（103)包括作为控制核心的FPGA电路（9)和实现电磁场反演 计算的DSP电路（10);所述的DSP电路（10)将命令数据发送到FPGA电路（9)，由FPGA电 路（9)进行解码，FPGA电路（9)根据控制指令对所述的接收机单元（102)和激励调制信号 产生单元（105)的控制时序做出调整；所述的DSP电路（10)和FPGA电路（9)之间采用数 据总线和地址总线的方式进行数据交互。
7. 根据权利要求6所述的电力线位置信息测量装置，其特征在于：所述的FPGA电路 (9)中的FPGA芯片内建数字相敏检波器以及频率为2fex、幅值为IV的标准正弦信号表，通 过与采样数据进行相关运算来实现数字相敏检波。
8. 根据权利要求1所述的电力线位置信息测量装置，其特征在于：所述的通讯接口单 元（104)用于发送计算结果，以及将来自操作者的控制命令传送给所述的主控计算单元 (103)，从而实现操作者对电力线位置信息测量装置的控制；所述的通讯接口单元（104)包 括CAN总线电路（11)、WIFI电路（12)和FLASH存储器；所述的主控计算单元（103)中设 置的DSP电路（10)按照操作者设定的方式，通过CAN总线电路（11)或者WIFI电路（12) 发送数据；所述的FLASH存储器保存当前通讯的设置参数，操作者能依据实际施工机械的 车载装置参数，通过CAN总线电路（11)对FLASH存储器的数据进行修改，改变通讯参数；其 中所述的FLASH存储器保存当前通讯的设置参数，其参数包括CAN总线的波特率、设备标识 ID、发送方标识ID、设备本机IP地址、接收方IP地址。
9. 根据权利要求1所述的电力线位置信息测量装置，其特征在于：所述的激励调制信 号产生单元（105)用于在所述的主控计算单元（103)的控制下，为所述的第一三轴磁通门 传感器（3)、第二三轴磁通门传感器（2)、第三三轴磁通门传感器（1)和第四三轴磁通门传 感器（19)产生合适的激励调制信号，从而使得所述的传感器阵列（101)能够感应电力线的 电磁场；所述的激励调制信号产生单元（105)包括第二隔离驱动电路（13)、DDS电路（14)、 低通滤波器（15)、功率放大电路（16)、阻抗匹配电路（17)和第二多路模拟开关（18);所 述的主控计算单元（103)通过所述的第二隔离驱动电路（13)将控制信号输出到所述的 第二多路模拟开关（18)，去除数字电路对模拟电路的影响；所述的激励调制信号产生单元 (105)利用所述的DDS电路（14)产生频率为f ex的正弦波信号，并经过所述的低通滤波电 路（15)和功率放大电路（16)输出功率为Prai、频率为的激励调制信号，接着利用所述的 阻抗匹配电路（17)实现所述的传感器阵列（101)中的三轴磁通门传感器与激励电路的阻 抗耦合，并在控制信号的控制下通过所述的第二多路模拟开关（18)将正弦激励调制信号 分别输出到第一三轴磁通门传感器（3)、第二三轴磁通门传感器（2)、第三三轴磁通门传感 器（1)、第四三轴磁通门传感器（19)。
10. -种电力线位置信息测量方法，其特征在于：传感器阵列包括至少四个三轴磁通 门传感器，其中第一三轴磁通门传感器（3)安装在施工设备机械臂的顶端，第一三轴磁通 门传感器（3)与第二三轴磁通门传感器（2)之间的直线距离为Λ L1，第二三轴磁通门传感 器（2)与第三三轴磁通门传感器⑴之间的直线距离为AL2，第三三轴磁通门传感器（1) 与第四三轴磁通门传感器（19)之间的直线距离为AL 3, ALp AL2和AL3均为已知，且 Λ L1ML2) Λ L3，所述的第一三轴磁通门传感器（3)、第二三轴磁通门传感器（2)、第三三轴 磁通门传感器（1)和第四三轴磁通门传感器（19)之间的间距按照电磁场梯度衰减的原则 进行摆放； 所述的第一三轴磁通门传感器（3)、第二三轴磁通门传感器（2)、第三三轴磁通门传感 器（1)和第四三轴磁通门传感器（19)输出的电压强度均可表述为：
其中，W2和S是磁通门线圈匝数和铁心横截面积，互为外部激励场强，i为谐波次数， μ 2i表示偶次谐波的磁导率，t为时间，η为谐波级数； 所述的主控计算单元（104)中设置的DSP电路（10)通过获取的所述的第一三轴磁通 门传感器（3)、第二三轴磁通门传感器（2)、第三三轴磁通门传感器（1)和第四三轴磁通门 传感器（19)输出的电压强度计算外部激励场强互，然后再按照电磁场正演模型采用最小 二乘反演的方法计算施工设备机械臂（107)与电力线（106)的距离1。
【文档编号】G01V3/08GK104375190SQ201410696213
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】黄臻, 周凯波, 胡淑均, 程晶晶, 周龙 申请人:武汉轻工大学