中心論題：
- 檢測原理及探頭的設計
- 檢測電路設計
- 實(shí)驗結果
解決方案：
- 發(fā)射電路產(chǎn)生具有足夠功率的20kHz的正弦激勵信號
- 接收電路中模擬開(kāi)關(guān)的用來(lái)檢測接收信號的相位移
- 距離測量裝置由裝有霍爾傳感器的滑輪組及其相應的輔助電路組成
所謂檢查孔是指城市中被公路或人行道路面所覆蓋的各種地下管道中為方便管道維護所預留的出入口。由于年代久遠等原因，有關(guān)這些檢查孔位置的資料往往不是很全，而檢查孔本身又會(huì )被路面瀝青或其它物體所覆蓋，這就給城市管道的維護檢修帶來(lái)了極大的困難。為了在不需要大規模開(kāi)挖的情況下在幾千米的管道范圍內準確地找到所需要的檢查孔位置，一種以閉路電視設備為核心的檢查孔定位系統曾經(jīng)在一些國家得到了應用。但是這種系統不僅價(jià)格昂貴，而且操作復雜，工作時(shí)需要由人工在顯示器上根據圖像進(jìn)行實(shí)際的判斷。所以對于負責地下管道維護的市政單位來(lái)說(shuō)，急需一種既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟實(shí)用的檢查孔定位檢測系統。
利用電磁感應原理的測量技術(shù)在工業(yè)中的應用由來(lái)已久。渦流無(wú)損檢測技術(shù)可以用來(lái)對導電材料的材質(zhì)、厚度、位移等進(jìn)行在線(xiàn)檢測。石油工業(yè)中廣泛應用的感應測井技術(shù)可以對井下地層的物理性質(zhì)進(jìn)行分析，從而獲得地下的含油氣參數。根據同樣原理設計的檢查孔定位系統由地下和地面兩部分組成。地下部分由感應探頭及其相應的電路組成；地面部分由以霍爾傳感器為主的距離測量裝置及以便攜式計算機為主的數據采集處理裝置組成。地面部分和地下部分通過(guò)電纜聯(lián)接。工作時(shí)，探頭由掛在它前端的鋼纜拖拉以提供在地下管道中前進(jìn)的動(dòng)力。根據探頭位置所在的環(huán)境介質(zhì)的電導率及當時(shí)的距離信號，就可以得到相應的數據處理結果。由于在大多數情況下，地下管道周?chē)寥赖碾妼室话阍?.01s/m～0.1s/m之間，而在充滿(mǎn)空氣的檢查孔中，探頭周?chē)橘|(zhì)的電導率會(huì )下降到0.005s/m以下，所以這種方法可以很準確地為被覆蓋的檢查孔定位。
檢測原理及探頭的設計
感應探頭中設計有發(fā)射和接收線(xiàn)圈，如圖1所示。當發(fā)射線(xiàn)圈T通有恒定的交流電流時(shí)，由于電磁感應的作用，在接收線(xiàn)圈R中將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)射電流頻率相同、相位滯后π/2的感應電動(dòng)勢ex。同時(shí)發(fā)射線(xiàn)圈T上的交變電流周?chē)纬傻慕蛔冸姶艌?chǎng)會(huì )在探頭周?chē)橘|(zhì)中產(chǎn)生與線(xiàn)圈同軸的渦流電流。同樣，由交變渦流電流所形成的電磁場(chǎng)作用到接收線(xiàn)圈R上，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與探頭周?chē)橘|(zhì)的導電率有關(guān)的感應電動(dòng)勢eR。這個(gè)由二次交變電磁場(chǎng)作用所產(chǎn)生的電動(dòng)勢就是定位系統所需要的檢測信號。
由于直接耦合作用在接收線(xiàn)圈R上產(chǎn)生的磁通量可以表示為：
式中，nT和nR分別為發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的匝數；S0為線(xiàn)圈的橫截面積；I為發(fā)射線(xiàn)圈中的電流；μ為介質(zhì)磁導率； D1為T(mén)、R兩線(xiàn)圈之間的距離；MTR為兩線(xiàn)圈互感系數。所以由此而產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢為:
式中，ω為發(fā)射電流的頻率。由式（2）可以看出，ex是一個(gè)落后于發(fā)射電流π/2且與探頭周?chē)橘|(zhì)導電率無(wú)關(guān)的電勢信號。在系統的接收信號中，它表現為一個(gè)幅值較大的背景噪音。
在發(fā)射頻率不高、介質(zhì)導電率較小的條件下，可忽略電磁波傳播效應和渦流損耗，用幾何因子理論對接收線(xiàn)圈中的二次感應電動(dòng)勢進(jìn)行計算，將同軸于z的兩線(xiàn)圈周?chē)橘|(zhì)中的感應渦流分割成以探頭軸心為圓心、半徑為r、距線(xiàn)圈T和R距離分別為ρT和ρR的小單元環(huán)電流。將探頭周?chē)橘|(zhì)看作是均勻無(wú)限介質(zhì)，把所有的單元環(huán)感生的電動(dòng)勢疊加在一起得到：
這表明當發(fā)射電流恒定以后，k只與線(xiàn)圈的結構參數有關(guān)，故其被稱(chēng)為線(xiàn)圈系數。
當D1確定后，g只取決于單元環(huán)相對于線(xiàn)圈系的空間幾何位置，故其被稱(chēng)為單元環(huán)幾何因子。由式(3)可將電導率定義為:
當σ<1時(shí)，式(5)中的積分部分也小于1。實(shí)驗中取頻率為20kHz時(shí)，即使將D1減少到7～8cm，式(5)所表示的比值也只能在0.8%左右。
可以通過(guò)增加一個(gè)同軸且繞向相反的補償線(xiàn)圈B來(lái)抵消直耦信號的影響。為了達到這個(gè)目的，由式(2)可知，發(fā)射線(xiàn)圈和補償線(xiàn)圈的匝數及位置應該滿(mǎn)足:
通常情況下，地下管道中介質(zhì)的實(shí)際電導率非常小。為了提高檢測信號的信噪比，可以適當增加接收線(xiàn)圈的匝數，但過(guò)多的匝數會(huì )增加線(xiàn)圈的尺寸并降低檢測的靈敏度。同時(shí)適當增加線(xiàn)圈的截面積也是提高信號信噪比的一個(gè)辦法，但是也要受到幾何因子理論中“線(xiàn)圈的尺寸要大大小于它們之間的距離”這一假設的限制。
檢測電路設計
整個(gè)系統分為地上和地下兩部分，其基本組成結構如圖2所示。兩大部分之間通過(guò)電纜相連接。地下部分中包括裝有線(xiàn)圈的探頭以及分別屏蔽在兩個(gè)金屬盒中的發(fā)射電路和接收電路。地下部分的所有裝置全部固定安裝在一節經(jīng)過(guò)防水處理的直徑為8cm左右的聚氯乙稀管內。為了防止對探頭檢測過(guò)程的干擾，設計時(shí)應該充分考慮地下部分的電路及導線(xiàn)的固定和屏蔽問(wèn)題。
a.發(fā)射電路
發(fā)射電路的主要功能是產(chǎn)生具有足夠功率的20kHz的正弦激勵信號，同時(shí)要引出一路參考信號至接收電路，作為模擬開(kāi)關(guān)的觸發(fā)控制。由于輸出功率較大，發(fā)射電路中必須解決其散熱問(wèn)題。
b.接收電路
盡管經(jīng)過(guò)補償線(xiàn)圈的抵消作用，接收信號中仍包含有較大的直接耦合部分。由于該部分電勢在檢測結果中一般保持不變且具有π/2相滯后的特征，所以探頭周?chē)橘|(zhì)電導率的變化就會(huì )由實(shí)際接收信號中的相位移變化體現出來(lái)。
接收電路中模擬開(kāi)關(guān)的主要功能是用來(lái)檢測接收信號的相位移。來(lái)自發(fā)射電路的同頻率的參考信號作為模擬開(kāi)關(guān)的觸發(fā)控制，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)的接收信號部分后再經(jīng)過(guò)低通濾波器濾去交流分量，得到的電壓信號就是一個(gè)和輸入信號相角相關(guān)的量，實(shí)際上也是一個(gè)與介質(zhì)導電率σ相關(guān)的量。適當調節參考信號的相位，可以得到較高的檢測靈敏度。
c.地上部分
檢測信號通過(guò)信號電纜到達地面后，首先需要濾掉傳輸過(guò)程中所帶來(lái)的噪音。檢測信號輸入通道的增益和零點(diǎn)可以分別進(jìn)行連續調節，以便適應不同的地下管道及環(huán)境。
距離測量裝置由裝有霍爾傳感器的滑輪組及其相應的輔助電路組成。在一個(gè)塑料滑輪上裝有四個(gè)小磁鐵，測試電纜通過(guò)該滑輪放入井下。所以當滑輪旋轉時(shí)，可通過(guò)安裝在滑輪旁的霍爾傳感器的脈沖個(gè)數換算出電纜長(cháng)度值，作為距離信號送入計算機。
將一臺帶有PCMCIA A/D插卡的便攜計算機作為系統的主機。應用軟件中首先用中值濾波法將地下傳來(lái)的檢測信號進(jìn)行數字濾波，再將按時(shí)間采樣得到的檢測信號與距離信號相對應。結果可存為文件，同時(shí)也可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖形顯示。當采樣數據發(fā)生滿(mǎn)足事先設定要求的突變時(shí)，將會(huì )有相應的數據顯示在界面上。
實(shí)驗結果
a.實(shí)驗室實(shí)驗結果
實(shí)驗表明，系統分辨率隨線(xiàn)圈距離D1的增加而下降，綜合考慮系統的檢測靈敏度和信噪比等因素，實(shí)驗樣機的D1確定為0.5m。在室內環(huán)境下，樣機的相位分辨率為1°,幅值分辨率為0.5%。
由于直耦電動(dòng)勢的值正比于ω，而渦流產(chǎn)生的二次電動(dòng)勢正比于ω2，因此當ω減小時(shí)，即使是在周?chē)橘|(zhì)不變的情況下，檢測信號中的相位變化也會(huì )減小，因此會(huì )降低信號的信噪比。
用不同介質(zhì)對樣機進(jìn)行測試，實(shí)驗表明，當頻率低于5kHz時(shí)，信號輸出對空氣、干沙、濕沙等不同介質(zhì)響應的區別已經(jīng)很不明顯。實(shí)驗也表明在頻率降低時(shí)，可以通過(guò)增加發(fā)射電路輸出功率的方法來(lái)改善測量結果。所以在確保靈敏度、同時(shí)使系統適應大多數檢測環(huán)境的情況下，實(shí)驗樣機發(fā)射電路輸出信號的頻率取為20kHz，電流幅值取為1A。
b.現場(chǎng)實(shí)驗結果
現場(chǎng)實(shí)驗在某街道中的一段長(cháng)約150m、直徑約8英寸的水泥下水管道中進(jìn)行。管道在150m距離起始和結束處各有一處檢查孔A、C。已知在二者之間還有一處檢查孔B存在，但其準確位置已經(jīng)被街道覆蓋，無(wú)法確定。
在定位檢測前，先將一帶有掛鉤的高壓噴嘴由A孔打到C孔，同時(shí)也對管道進(jìn)行了一次沖洗操作。由掛鉤拖拽探頭沿管道前進(jìn)以進(jìn)行檢測。由于距離檢測的方式特殊，探頭前進(jìn)的速度不要求恒定。
現場(chǎng)實(shí)驗的結果如圖3所示。圖中曲線(xiàn)起始端和結束端的兩處低電平為兩已知檢查孔A和C。63m處的低電平則是需要被定位的檢查孔B的具體位置。另外，兩處的高電平表明該處有某種較高導電率的介質(zhì)存在。后來(lái)發(fā)現：在36m處有一段多年前因管道維修所更換的PVC管道，而52.5m處則是另一段因同樣原因所更換的鋼管。
因為前進(jìn)中的地下設備在鋼管接頭處受到了嚴重碰撞，由圖3可以看出此后的輸出信號略有漂移。這應該是由碰撞導致的內部器件相互位置的微小變化所引起的，但是并沒(méi)有對檢測結果造成實(shí)際影響。
現對全文總結如下：
a.利用電磁感應原理實(shí)現了對地下管道檢查孔的定位測量，系統使用方便快捷，設備簡(jiǎn)單經(jīng)濟，測試結果可靠，可以大大減輕市政維修的工作量。
b.定位測量只需要對介質(zhì)導電率的突變進(jìn)行記錄，不需要根據導電率的具體數值進(jìn)行分析，所以實(shí)際系統的結構組成十分簡(jiǎn)單。
c.采用同樣的手段可以對地下不同設備或者地上設施中工作人員難以進(jìn)入區域的介質(zhì)變化方便地進(jìn)行測量。
d.定位中的距離測量是根據隨探頭放入地下的電纜長(cháng)度來(lái)計算的。這樣就給走向不沿街道且非直線(xiàn)的地下管道的定位測量帶來(lái)一定困難。此時(shí)可以考慮在探頭中加入電子陀螺元件。
e.如果對系統實(shí)現數字化，可以使系統具有可變的發(fā)射頻率，從而大大提高系統對測試環(huán)境的適應能力，同時(shí)也能提高信號傳輸的抗干擾能力。
