【文章內(nèi)容簡介】 如果地下有多條電纜存在時，沒有選擇性，距離信號發(fā)生器較近的位置無法使用，也不適合測過長的電纜。二、電纜路徑的確定 通過各種耦合方式，在電纜周圍產(chǎn)生交變的電磁場上方地面上的電磁場分布可以確定電纜路徑。通過測量電纜利用接收線圈在地面上接收磁場信號，在線圈中產(chǎn)生出感生電動勢，信號放大后，通過耳機(jī)、指針或其他方式進(jìn)行監(jiān)視。隨著接收線圈的移動，信號的大小發(fā)生變化，由此，可判斷出電纜路徑。信號的強(qiáng)弱通過聯(lián)接在接收機(jī)上的耳機(jī)以及信號強(qiáng)度指示表頭的顯示來確定，根據(jù)探測時磁場信號曲線的不同，探測方法分為最大法與最小法兩種，最大法又稱音峰法，通過尋找信號最強(qiáng)的特征點確定電纜路徑，最小法又稱音谷法，是通過尋找電磁場信號最弱的特征點確定電纜路徑的。各種電流注入方式最終都會在電纜周圍產(chǎn)生一個交變的磁場，以相地接線方法為例，當(dāng)電纜深度遠(yuǎn)大于電纜直徑時，電纜周圍的磁力線分布可以近似地看作是以電纜截面幾何中心為圓心，垂直于電纜走向的一組同心圓，當(dāng)接收機(jī)線圈與磁力線以不同的角度放置是，在垂直于電纜走向的方向上左右移動，接收到的電磁場信號分布不同，最大法和最小法的測試原理如圖216所示。圖216相地連接時確定電纜路徑的方法 圖216(a)所示為最大法電纜路徑探測，使接收機(jī)的接收線圈平行于地面并與電纜走向垂直，慢慢移動接收線圈，在線圈位于電纜正上方且垂直于電纜時，穿過線圈的磁力線最多，接收到的信號最強(qiáng)，繼續(xù)移動線圈時，信號又逐漸減弱，信號最強(qiáng)點所指示的位置即為電纜所經(jīng)過的路徑。 圖216(b)所示為最小法電纜路徑探測，使接收機(jī)的接收線圈垂直于地面或平行于電纜走向，慢慢移動接收線圈，接收到的信號強(qiáng)度為一馬鞍形分布，在線圈位于電纜正上方時，磁力線與線圈平面平行，沒有磁力線穿過線圈，線圈內(nèi)無感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，接收到的信號很微弱。然后將線圈先后向兩側(cè)移動，就有一部分磁力線穿過線圈，產(chǎn)生感生電動勢，信號強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)移動到某一距離時，信號最強(qiáng)，再往遠(yuǎn)處移動，信號又逐漸變?nèi)?。馬鞍形曲線谷點所對應(yīng)的測試位置即電纜所經(jīng)過的路徑。 相相連接時電纜路徑探測的原理與相地連接時是類似的。由于電纜導(dǎo)體的扭絞，地面上磁場的分布沿電纜的路徑是變化的，最大法與最小法的應(yīng)用有所區(qū)別。當(dāng)兩個通電導(dǎo)體所在的平面與地面垂直時，電纜上方磁場的分布規(guī)律與相地連接時是一致的，前面介紹的最大法與最小法是適用的。兩個導(dǎo)體所在的平面與地面平行時，其地面上磁場分布規(guī)律如圖2—17(a)所示，由于磁力線在電纜的正上方進(jìn)入地面，造成信號強(qiáng)弱分布曲線與相地連接時情況恰恰相反。在線圈與地面垂直放置時，在電纜正上方穿過線圈的磁力線最多，信號最強(qiáng)，在線圈與地面平行放置時，在電纜正上方穿過線圈的磁力線最少，信號最弱，如圖217(b)所示。(三)電纜深度探測 在電纜故障檢測過程中有時需要知道電纜的深度，利用音頻信號發(fā)生器和接收機(jī)配合，可以很方便地確定電纜埋設(shè)深度。如圖218所示，將電纜按相地連接法連接，用最小法測得電纜正上方位置A點，然后將線圈傾斜，使之與地面成45‘角(垂直于電纜的走向)并沿與電纜垂直的方向向左或向右移動，找到信號最弱點B和B’，在這兩個位置上，線圈的軸線與磁力線垂直，穿過線圈的磁力線最少，接收到的信號強(qiáng)度最小。一般情況下AB之間的距離上／＼AB39。之間的距離如和電纜埋設(shè)深度／2大小應(yīng)該相等，在實際測量過程中我們發(fā)現(xiàn)用／i／／上批作為測量結(jié)果更接近于實際情況。本章主要是對電纜路徑檢測的原理作了一個大概的介紹，描述了音頻法測路徑的基本的過程，并且對其它的方法也做了介紹，為下一步改進(jìn)提供了原理上的依據(jù)第三章 電纜路徑檢測儀的改進(jìn)方法 　電磁法探測的原理地下敷設(shè)的電纜與周圍的土壤介質(zhì)在導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、密度或其他理化性質(zhì)上存在差異,故能被探測、識別和區(qū)分。目前電纜探測方法大致有電磁法、直流電法、地震波法、放射性跟蹤法和地質(zhì)雷達(dá)等, 其中電磁法因探測準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)、適用范圍廣、操作簡便、成本低、效率高而最常用。電磁法利用電磁感應(yīng)原理。專用發(fā)射機(jī)將一定頻率的信號電流I 施加(直連或感應(yīng)) 于待測電纜,使其周圍空間產(chǎn)生電磁場 ,其磁場強(qiáng)度H= KI / R ,式中K 為場強(qiáng)系數(shù), R 為電纜周圍任意一點P 距電流中心的距離, Hx 、Hz 分別為H 的水平、垂直分量。用接收機(jī)在地面上測量H及其分布便可確定被測電纜的位置和埋深,實現(xiàn)其定位?！‰娎|路徑儀的定位方法(1) 從發(fā)射機(jī)的連接方式角度可分為3 種方法:①直連法　發(fā)射機(jī)一端接地,另一端接到不帶電的被測電纜上,從而將發(fā)出的信號直接加到被測電纜上。此法的信號強(qiáng)、定位和測深準(zhǔn)確度高,易分辨相鄰電纜(見圖2) 。②夾鉗耦合法　將電纜路徑儀配備的夾鉗夾套在電纜上,通過夾鉗的感應(yīng)線圈把信號直接加到電纜上。此法的信號強(qiáng)、定位和測深準(zhǔn)確度高,尤其是運(yùn)行中的電纜不需停電便可測試(見圖3) 。③磁感應(yīng)法　發(fā)射機(jī)放在電纜上方,發(fā)射線圈產(chǎn)生的電磁場在電纜中感應(yīng)出電流,從而在電纜周圍產(chǎn)生二次電磁場,它被接收機(jī)接收到后即可定位電纜。此法的發(fā)射、接收均不需接地,操作靈活方便,效率高,效果好,可用來搜索電纜,但在電纜緊鄰或密集的場合應(yīng)慎用(見圖4) 。上述3 種方法可有效地定位已知電纜,但若要定位未知電纜如施工前勘察工地,就需用另一種方法—盲查。盲查需由一人手提發(fā)射機(jī),另一人操作接收機(jī),兩者相距約12 m 一起平行橫向走過被測地區(qū),經(jīng)過地下電纜時接收機(jī)指示電纜存在,操作者就在搜索路線上標(biāo)出各電纜的位置。橫向搜索完成后方向改變90176。,再縱向搜索同一地區(qū)(見圖5) 。兩個方向搜索結(jié)束后回到出發(fā)點,再用磁感應(yīng)法(見圖4) 跟蹤各標(biāo)出的電纜。(2) 從接收機(jī)的定位方式角度可分為兩種方法: ①極大值法　用水平線圈測量二次電磁場的水平分量Hx ,因電纜正上方Hx 最大,故出現(xiàn)最大值的水平線圈正下方投影位置上即為電纜。此法的磁場幅度大且寬,易發(fā)現(xiàn)電纜(見圖6) 。②極小值法　用豎直線圈測量二次電磁場的垂直分量Hz ,因電纜正上方Hz 為0 ,故出現(xiàn)極小值的豎直線圈正下方投影位置上即為電纜。此法的定位準(zhǔn)確度高且受附近電纜影響較大(見圖7) 。故可先用極大值法找到電纜大致位置,再用極小值法精確定位?！‰娎|路徑儀的測深方法常用的測深方法有兩種: ①直讀法　利用上下兩個線圈測量電磁場的梯度從而確定電纜埋深。在接收機(jī)中設(shè)置測深按鈕,用指針表頭或數(shù)字顯示器直接讀出電纜的埋深。此法較簡單、方便、快捷,但在電磁場信號弱時誤差較大(見圖8) 。②45176。測深法　先精確定位電纜位置,再將探測線圈與地面成45176。角并沿電纜方向橫向移動,找到“極小值”點,此點與定位點間的距離l1 或l2 即等于電纜的埋深d。此法測深較準(zhǔn)確,且可減小由磁場變形引起的誤差(見圖9) 。有時操作者想定位公用地溝中的某一導(dǎo)體,而發(fā)射機(jī)的信號可能感應(yīng)到更淺或?qū)щ娦院玫膶?dǎo)體,用深度按鈕測量可能測得不合理的深度。這時用45176。法測量就可進(jìn)一步確定多個導(dǎo)體及其深度,即先找到第1 根導(dǎo)體的深度,再繼續(xù)離開導(dǎo)體,標(biāo)出各導(dǎo)體的深度,然后向另一側(cè)移動(見圖10) 。電纜路徑檢測以主要應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，把電纜產(chǎn)生的磁信號檢測到，然后轉(zhuǎn)換成電信號，然后對電信號進(jìn)行處理計算等電路處理得到想要的檢測結(jié)果。本方案采用六個傳感器，這六個傳感器共同工作，經(jīng)過電路處理的到，方位，電流大小，深度，偏向等信息。線圈的分布結(jié)構(gòu)如下圖：1號線圈的作用：一方面是在峰值模式的時候檢測信號強(qiáng)度，另一方面與8號線圈配合檢測電流電纜中的電流強(qiáng)度和電纜的埋藏深度。2號線圈與3號線圈的作用：一方面判斷電纜埋藏的左右位置，另一方面是與8號線圈配合工作判斷羅盤偏向。4號線圈與5號線圈的作用：與8號線圈配合工作判斷羅盤方向。6號線圈與7號線圈的作用：這兩個線圈可以取其中任何一個，都是在谷值的模式下檢測信號的強(qiáng)度。8號線圈作用：一方面與1號線圈配合測深度與電流大小，另一方面參與羅盤工作。系統(tǒng)原理圖如下：線圈將電纜中磁信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后經(jīng)過信號預(yù)處理電路將有用的信號提取出來并放大到合適A/D轉(zhuǎn)換信號電壓。經(jīng)過預(yù)處理電路處理后的信號，然后在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換由單片機(jī)控制，各線圈經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號在FPGA中進(jìn)行計算，計算的結(jié)果送回單片機(jī)，GPS模塊，顯示模塊以及外圍接口也由單片機(jī)控制完成。在信號的預(yù)處理電路中，線圈的電信號首先進(jìn)行初級放大，然后經(jīng)過50Hz的陷波電路將最主要的干擾濾除掉，然后在經(jīng)過多級放大，將信號放大到適合檢測的范圍，然后在經(jīng)過一次濾波將信號中其它頻率的干擾濾除掉。在測50Hz頻率時通過單片機(jī)控制多路開關(guān)選擇50Hz帶通濾波電路使其通過。通過單片機(jī)控制自動增益控制電路去實現(xiàn)多經(jīng)放大電路的增益控制。下面是設(shè)計基本的顯示界面：1號線圈與8號線圈配合檢測深度和電流強(qiáng)度的理論公式推導(dǎo)如下：電纜中信號電流為：則：當(dāng)處于電纜正上方時，8號線圈中產(chǎn)生的電動勢為：其中，S為線圈的截面積，ω為電纜中信號的頻率則：假設(shè)電纜在測試者的左邊，手持測試儀旋轉(zhuǎn)一周，8判斷方向的原理圖如下：小黑點代表儀器的正前方。同理，電纜在測試者右邊時的情況也應(yīng)如此。當(dāng)6號或者7號線圈檢測的電壓值為零是表示在電纜的正上方，羅盤顯示如下：本章主要介紹了電纜路徑檢測儀的改進(jìn)方法，首先介紹了電磁探測的原理和方法，接著以此為基礎(chǔ)提出了改進(jìn)的反感和方法，并且提出了羅盤的設(shè)計方案。第四章 電纜路徑檢測儀改進(jìn)的硬件設(shè)計 信號預(yù)處理電路在信號的預(yù)處理電路中，線圈的電信號首先進(jìn)行初級放大，然后經(jīng)過50Hz的陷波電路將最主要的干擾濾除掉，然后在經(jīng)過多級放大，將信號放大到適合檢測的范圍，然后在經(jīng)過一次濾波將信號中其它頻率的干擾濾除掉。在測50Hz頻率時通過單片機(jī)控制多路開關(guān)選擇50Hz帶通濾波電路使其通過。通過單片機(jī)控制自動增益控制電路去實現(xiàn)多經(jīng)放大電路的增益控制。其具體的電路圖如下圖所示： A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路主要使用的是12位并行輸出AD轉(zhuǎn)換器AD7492。AD7492是AD公司推出的12位高速、低功耗、逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器?！?，其數(shù)據(jù)通過率高達(dá)1MSPS。它內(nèi)含一個低噪聲、寬頻帶的跟蹤/保持放大器，可以處理高達(dá)10MHz的寬頻信號。 AD7492很容易與微處理器或DSP接口。輸入信號從CONVST的下降沿開始被采樣，轉(zhuǎn)換也從此點啟動。忙信號線在轉(zhuǎn)換起始時為高電平，810ns后跳變?yōu)榈碗娖揭员硎巨D(zhuǎn)換結(jié)束。沒有與此過程相關(guān)的管線延時。轉(zhuǎn)換結(jié)果是借助標(biāo)準(zhǔn)CS和RD信號從一個高速并行接口存取的。 AD7492采用先進(jìn)的技術(shù)來獲得高數(shù)據(jù)通過率下的低功耗。在5V電壓下，速度為1MSPS時，；它還可對可變電壓/數(shù)據(jù)通過率進(jìn)行管理。 AD7492具有全部休眠和部分休眠兩種模式，采用休眠模式可以在低數(shù)據(jù)通過率時實現(xiàn)低功力量。在5V電壓時，若速度為100kSPS，則平均電流為230μA。AD7492的模擬輸入范圍為0～REF IN。另外，同時，該參考也對外部有效。器件的轉(zhuǎn)換速度由內(nèi)部時鐘決定。AD7492的主要特性如下： ●～； ●高數(shù)據(jù)通過率：數(shù)據(jù)通過率為1MSPS； ●功耗低：在5V電壓下，數(shù)據(jù)通過率為1MSPS時，； ●輸入頻帶寬；100kHz輸入時，信噪比為70dB； ●具有片內(nèi)+； ●具有片內(nèi)時鐘振蕩器； ●具有可變電壓/數(shù)據(jù)通過率管理功能，轉(zhuǎn)換時間由內(nèi)部時鐘決定。有部分和全部兩種休眠模式，采用休眠模式可在低數(shù)據(jù)通過率時使效能比達(dá)到最大； ●帶有高速并行接口； ●具有柔性數(shù)字接口。通過設(shè)定VDRIVE引腳可控制I/O引腳上的電壓； ●休眠模式的電流一般為50nA； ●無管線延時。是一個標(biāo)準(zhǔn)的逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，可在采樣瞬間精確控制，采樣瞬間