一种基于瞬变电磁的管道半径探测方法及探测装置与流程

1.本发明属于地下管线探测技术领域，具体涉及一种基于瞬变电磁的管道半径探测方法及探测装置。


背景技术：

2.现代城市日常运行中，地下管线发挥着重要的作用。在生活用水运输，废水排放，天然气运输，电力运输，光纤信息通道等场合中，地下管线都有无可替代的作用。然而，随着城市建设的不断推进，地下管线网络越来越复杂，加上资料保存不妥当，各建设部门缺乏整体规划和协调一致性，使得城市地下存在很多未探明管线。这些管线会给城市施工造成很大的安全隐患。如何探明信息缺失管线相关信息成为城市发展建设的重要一环。
3.已有很多技术可以对管线进行探测。相关技术中，常采用地下管线与埋地介质之间的物理参数差异进行探测。如高精度地磁探测法，探地雷达法等。高精度地磁探测法无需激励源，利用地下铁磁性管道对地磁场的畸变作用对管道位置埋深进行探测，然而，容易受到各种因素干扰，难以对半径进行描述；探地雷达法接收地下管线反射回的回波信号来对地下管线进行成像，但是容易受到地下水，地下非金属干扰物的影响，对半径描述不准确，因此，需要提出一种方法，对管道埋深和半径做出简单快速的估计。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于瞬变电磁的管道半径探测方法及探测装置，以解决现有技术无法对地下管道的管道深埋及半径进行准确表述的问题。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
6.第一方面，本发明提供一种基于瞬变电磁的管道半径探测方法，包括：
7.s1：将探测装置放置在标定环境中，采集二次感应磁场；
8.s2：探测装置放置在管道正上方；探测装置通入脉冲电流，记录管道在激励消失后的二次磁场最大值，得到二次磁场最大值bm，更换不同半径r的管道，记录二次磁场最大值，得到标定环境下的标准r-bm曲线；
9.s3：将探测装置放置在待测管道附近，进行探测，在水平方向上的测线上寻找磁场响应信号最大值位置，并记录磁场响应信号最大值；
10.s4：将探测装置固定在磁场响应信号最大点位置，记录此时二次磁场最大值m1；将探测装置中磁场测量模块沿竖直方向的测线上移距离l，记录此时移动后的二次磁场最大值m2；
11.s5：解算地下管线埋深d；
12.s6：将埋深d情形下的m1转化为标准埋深下磁场数据，得到相同半径下二次磁场最大值与埋深关系以及拟合曲线，获得标准埋深下二次磁场最大值m0；
13.s7：将m0与标定环境下的标准r-bm曲线对比，得到埋地管道的半径估计值。
14.进一步的，所述探测装置包括激励线圈与位于线圈中心的磁场测量模块；所述将探测装置放置在标定环境中后，激励线圈产生脉冲电流，磁场测量模块采集二次感应磁场。
15.进一步的，所述步骤2中的管道几何中心距离探测装置所在水平面距离为标准埋深1m。
16.进一步的，所述步骤2中通入脉冲电流，记录管道在激励消失后的二次磁场最大值具体为：激励线圈通入脉冲电流，磁场测量模块记录管道在激励消失后的磁场响应信号。
17.进一步的，所述磁场响应信号最大值位置为二次感应磁场幅值最大的测点所在位置。
18.进一步的，所述地下管线埋深d的计算方式为：
19.d：地下管线埋深，单位为m；
20.m1：移动前二次磁场最大值，单位为μt；
21.m2：移动后二次磁场最大值，单位为μt；
22.l：移动距离。
23.进一步的，所述标准埋深下二次磁场最大值m0与埋深的四次方成反比：
24.m0＝m1·
d425.m0：标准埋深下二次磁场最大值，单位为μt。
26.第二方面，本发明提供一种基于瞬变电磁的探测装置，包括：
27.脉冲电流发生器、激励线圈、二次感应磁场接收模块、信号处理模块、信号传输模块和上位机模块；脉冲电流发生器与激励线圈相连；脉冲电流发生器用于给激励线圈提供脉冲电流，二次感应磁场接收模块用于采集二次感应磁场，并输出信号至信号处理模块，信号处理模块与信号传输模块相连，信号传输模块与上位机模块相连；
28.所述基于瞬变电磁的探测装置进行探测时，包括以下步骤：
29.s1：将探测装置放置在标定环境中，采集二次感应磁场；
30.s2：探测装置放置在管道正上方；脉冲电流发生器向激励线圈通入脉冲电流，记录管道在激励消失后的二次磁场最大值，得到二次磁场最大值bm，更换不同半径r的管道，记录二次磁场最大值，得到标定环境下的标准r-bm曲线；
31.s3：将探测装置放置在待测管道附近，进行探测，在水平方向上的测线上寻找磁场响应信号最大值位置，并记录磁场响应信号最大值；
32.s4：将探测装置固定在磁场响应信号最大点位置，记录此时二次磁场最大值m1；将探测装置中磁场测量模块沿竖直方向的测线上移距离l，记录此时移动后的二次磁场最大值m2；
33.s5：解算地下管线埋深d；
34.s6：将埋深d情形下的m1转化为标准埋深下磁场数据，得到相同半径下二次磁场最大值与埋深关系以及拟合曲线，获得标准埋深下二次磁场最大值m0；
35.s7：将m0与标定环境下的标准r-bm曲线对比，得到埋地管道的半径估计值。
36.进一步的，所述激励线圈为水平放置的多匝矩形线圈。
37.进一步的，所述二次感应磁场接收模块包括磁场测量模块和adc模块，磁场测量模块与adc模块相连；adc模块与信号处理模块相连。
38.本发明至少具有以下有益效果：
39.本发明利用脉冲电流发生器产生瞬变电流建立一次磁场，并在地下管线中建立二次感应磁场，通过测量空间中不同高度处二次磁场最大值，得到管道埋深；通过将磁场数据换算为标准埋深情形下的磁场数据，对照标准的半径磁场曲线得到管道半径的估计值。能够在非开挖情形下测量地下管道的半径，有助于提高对地下管线的检测能力，能够对地下管道的管道深埋及半径进行准确表述。
附图说明
40.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
41.图1为本发明流程示意图；
42.图2为探测装置的结构示意图；
43.图3为本发明激励线圈和磁场传感器摆放示意图；
44.图4为相同半径下二次磁场最大值与埋深关系以及拟合曲线；
45.图5为转换为标准埋深情形后的二次磁场最大值与管道半径的关系以及拟合曲线。
46.附图标记：1、管道；2、激励线圈；3、移动前磁场传感器；4、移动后磁场传感器。
具体实施方式
47.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
48.以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
49.实施例1
50.如图1所示，一种基于瞬变电磁的管道半径探测方法，包括：
51.s1：将探测装置放置在标定环境中，激励线圈2产生脉冲电流，磁场测量模块采集二次感应磁场；标定环境在一定空间范围内只存在已知半径为r的管道1与探测装置，探测装置包括矩形激励线圈2与位于线圈中心的磁场测量模块，激励线圈2为20匝铜线圈，线圈矩形边长1m，磁场测量模块的磁场测量精度为纳特量级；
52.根据瞬变电磁法原理，标定环境不应该含有除管道外的其他金属物体，标定环境包含的场域范围可以认为是管道和探测装置中心连线中点为圆心，半径10m的球体，非金属物质不影响探测。
53.s2：如图3所示，探测装置放置在管道1正上方，使得圆柱形管道1几何中心距离探测装置所在水平面距离为标准埋深1m，激励线圈2通入脉冲电流，磁场测量模块记录管道1在激励消失后的磁场响应信号，得到响应信号最大值bm，更换不同半径r的管道，同样记录响应信号最大值，得到标定环境下的标准r-bm曲线。
54.脉冲电流使用脉冲电流发生器产生，脉冲电流幅值10～30a，脉冲电流宽度40～
50us，下降时间20～30a/μs。
55.s3：将探测装置放置在待测管道1附近，激励线圈2和磁场传感器沿水平方向上的测线等距移动，在每个测点进行探测，在水平方向上的测线上寻找磁场响应信号最大值位置，并记录最大值；
56.标定环境管道材质与待测管道材质应保持一致，管道长度大于等于10m。实际条件难以满足标定条件时，标准r-bm曲线可以由有限元仿真实验获得。
57.测线上包含若干测点，测点之间距离小于等于10cm，响应信号最大值位置为二次感应磁场幅值最大的测点所在位置。
58.s4：将探测装置固定在磁场响应信号最大点位置，记录此时二次磁场最大值m1；将探测装置中磁场测量模块沿竖直方向的测线上移距离l，记录移动后的二次磁场最大值m2；
59.向上移动l为激励线圈2保持原来的位置而磁场传感器垂直向上移动，上移高度较大时可以保证埋深公式计算精度，但是也应保证磁场传感器可以采集到二次磁场的指数下降型磁场强度波形。
60.s5：通过以下等式解算地下管线埋深d：
[0061][0062]
d：地下管线埋深，单位为m；
[0063]
m1：移动前磁场传感器3测得的二次磁场最大值，单位为μt；
[0064]
m2：移动后磁场传感器4测得的二次磁场最大值，单位为μt；
[0065]
l：移动距离。
[0066]
s6：将埋深d情形下的m1转化为标准埋深下磁场数据，得到如图4所示的相同半径下二次磁场最大值与埋深关系以及拟合曲线，获得标准埋深下二次磁场最大值m0，结果描述为同半径下磁场最大值与埋深的四次方成反比：
[0067]
m0＝m1·
d4[0068]
m0：标准埋深下二次磁场最大值，单位为μt；
[0069]
s7：将m0与标定环境下的标准r-bm曲线对比，如图5所示，得到埋地管道的半径估计值。
[0070]
根据图4所示的相同半径下二次磁场最大值与埋深关系以及拟合曲线可知，二次磁场最大值与埋深成四次方反比的关系，在三种埋深下都有很好的拟合关系，可以根据不同高度的两个测量点解算出管道埋深。
[0071]
如图5所示，将不同埋深管道转换为标准埋深后，半径与二次磁场最大值具有一致的关系，可以根据标准埋深下的曲线得到管道半径的估计值。
[0072]
在一实施例中，实测管道半径15cm，埋深1m，而使用探测装置估计的管道半径15.8cm，埋深1.12m，可以看出，本发明可以简单且较为准确的得到管道的半径与埋深信息，基于瞬变电磁激励下的管道半径探测方法，利用脉冲电流发生器产生瞬变电流建立一次磁场，并在地下管线中建立二次感应磁场，通过测量空间中不同高度处二次磁场最大值，得到管道埋深；通过将磁场数据换算为标准埋深情形下的磁场数据，对照标准的半径磁场曲线得到管道半径的估计值，有较好的效果。
[0073]
实施例2
[0074]
如图2所示，一种基于瞬变电磁的探测装置，包括：
[0075]
脉冲电流发生器、激励线圈2、二次感应磁场接收模块、信号处理模块、信号传输模块和上位机模块；脉冲电流发生器与激励线圈2相连；脉冲电流发生器用于给激励线圈2提供脉冲电流，二次感应磁场接收模块用于采集二次感应磁场，并输出信号至信号处理模块，信号处理模块与信号传输模块相连，信号传输模块与上位机模块相连。
[0076]
基于瞬变电磁的探测装置进行探测时，包括以下步骤：
[0077]
s1：将探测装置放置在标定环境中，采集二次感应磁场；
[0078]
s2：探测装置放置在管道1正上方；脉冲电流发生器向激励线圈2通入脉冲电流，记录管道1在激励消失后的二次磁场最大值，得到二次磁场最大值bm，更换不同半径r的管道，记录二次磁场最大值，得到标定环境下的标准r-bm曲线；
[0079]
s3：将探测装置放置在待测管道附近，进行探测，在水平方向上的测线上寻找磁场响应信号最大值位置，并记录磁场响应信号最大值；
[0080]
s4：将探测装置固定在磁场响应信号最大点位置，记录此时二次磁场最大值m1；将探测装置中磁场测量模块沿竖直方向的测线上移距离l，记录此时移动后的二次磁场最大值m2；
[0081]
s5：解算地下管线埋深d；
[0082]
s6：将埋深d情形下的m1转化为标准埋深下磁场数据，得到相同半径下二次磁场最大值与埋深关系以及拟合曲线，获得标准埋深下二次磁场最大值m0；
[0083]
s7：将m0与标定环境下的标准r-bm曲线对比，得到埋地管道的半径估计值。
[0084]
脉冲电流发生器能提供满足幅值、电流宽度、下降时间要求的脉冲电流；
[0085]
激励线圈为瞬变磁场激励线圈，激励线圈为水平放置的多匝矩形线圈，建用于立空间瞬变磁场；
[0086]
二次感应磁场接收模块，二次感应磁场接收模块包括磁场测量模块和adc模块，磁场测量模块与adc模块相连；adc模块与信号处理模块相连；二次感应磁场接收模块的核心部分是一个磁场测量模块，其输出电流与其单轴磁场强度有关；磁场测量模块可以是单轴磁场测量模块，也可以是三轴磁场测量模块，其中后者具有更高的探测精度。如果为单轴磁场测量模块，则应该测量竖直方向磁场分量；如果是三轴磁场测量模块，则应该求取合成磁场幅值。
[0087]
adc模块至少为24位adc模块。
[0088]
信号处理模块，信号处理模块以stm32f407单片机为依托，将adc模块转换得到的数字信号采集进入单片机中，进行必要的线性转换和移动均值滤波，得到感应磁场数值序列。
[0089]
信号传输模块，信号传输模块为一块usb-串口转换芯片，负责单片机和上位机的数据传输。将单片机的串口信号转换为usb信号，传输速度为4m。
[0090]
上位机模块，上位机使用labview搭建，获取单片机数据，绘制并存储探测过程中的多条磁场曲线，寻找所需磁场最大值，并根据公式解算出管道埋深，并进一步根据埋深解算出管道半径。
[0091]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所
有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
[0092]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。