基于电磁法的地下金属管线探测系统分析

章向静

芜湖市勘察测绘设计研究院有限责任公司 安徽 芜湖 241000

引言

通过对发射机与接收机系统结构的优化，合理设计天线线路、工频滤波、一、二级程控放大及数据采集等方面的功能模块，从而构建完善的地下金属探测系统，进而为地下管线营造一个稳定、安全的工作环境。

1 管线探测仪系统结构设计

1.1 发射机结构设计

探测仪系统发射机结构主要包括两部分，即全桥逆变系统电路结构中的DC/AC及谐振变换器LLC装置中的DC/DC变换结构。其中DC/DC变换结构主要是将电路系统的蓄电池装置原始电压，替换为相对稳定的特定幅值直流电压，并将全面传输至DC/AC后级区域，作为该区域的主用直流电压。同时将DC/AC区域线路与管线相连，并向其持续输送特定幅值和指定频率交流电信号。控制系统会通过内部DSP芯片来操控逆变全桥与谐振变换装置（LLC）网络。使谐振变换装置通过PEM控制方式将原本48V电压持续提升至120V。此时，控制芯片全面采集谐振变换装置在系统运行时的全部电压输入数据，并将数据信息与设计标准电压值对比分析来计算电压差值，最后通过闭环控制方式消除电压差值，进而使整体LLC系统始终保持长期稳定的电压输出。而全桥逆变系统则主要以控制滞环电流大小的方式来控制输出电流，其可在特定输出负载的情况下将指定功率电流信号输出，再运用现代DSP数字芯片便可实现对主电路系统实施的全新控制。

1.2 接收机结构设计

由于外部磁场区域中普遍会叠加一定的工频干扰，故而必须首先滤除区域内一切50Hz工频干扰信号。当遭遇强度较大的干扰信号时，可采用硬件系统汇总噪声抑制功能模块对实施轻度抑制和消除，进而为后级电路放大构建运行空间。本次案例接收机系统主要采用一、二两个不同级别的放大电路，可将程控一级电路放大时所需的电路信号应降低至微伏级，故而必须采用高精度专业放大装置来初步放大天线线圈在系统运行中的感应信号，在一级电路信号放大完成后，可由程控二级电路进行信号放大处理，进而使信号达到系统可识别的信号强度等级。最后运用A/D转换芯片装置系统中信号采集功能模块，全面采集二级电路放大输出信号，并将采集到的相关信息数据全部传输于信息处理功能模块当中，并利用模块功能对信号实施幅值提取和降噪处理，并基于信号幅值数据处理结果来判断地下管线的详细位置信息[1]。

2 天线及后级信号处理电路设计

2.1 天线电路系统模块设计

天线电路系统功能模块主要基于电磁感应基本定律，将管线附近全部磁信号通过线圈装置转换为系统可识别的电信号，并在接收机装置上的天线线圈在处于系统电路磁场中央时，交流电源V1作为一个可等效代表线路电流在经过特殊磁场后所形成的电压。而线圈装置通过内部绕线结构作用赋予了充分的电阻效应及电感效应。故而，此时可将等效分为R1电阻与L1电感。此外，采样电阻R2通过串联线路与线圈形成连接，使得R1、V1、R2及V2整体形成闭合串联回路。除此之外，将R2电阻在线路运行时形成的电压信号，再由一级电压跟随装置输送至后级线路后，采样电阻值将远远小于电压跟随装置本身的输入电阻值，故而针对采样电阻与线圈共同构成的回路会因跟随器装置本身的开路特性，而不会对采样电压造成任何影响。再将后级信号信息处理功能模块与跟随器信号信息接收功能模块进行全线隔离处理，进而系统在采集信号时不会受到后级电路的任何影响。经过相关人员进行一系列分析研究后最终决定，将运用铜丝缠绕硅钢片来制作本次案例系统天线线圈装置，将硅钢片材料相对磁导率设定为7000，并采用2.25cm2横截面积和1.5cm边长的方形线圈制作，同时将绕线圈数设定为375圈，材料带电感应值设定为6.2mH，将电感等效设定为0.94Ω串联电阻值，并采用0.01%精度的精密运算MAX44248ASA+T型运算放大器，结合1Ω阻值的采样电阻来设计整体天线电路功能模块[2]。

2.2 工频滤波系统模块设计

在整体探测系统运行空间中，电信号（50Hz工频）在整体电力线路上属于强电，其可能形成的磁场远远超过其他小频率信号。后级放大装置内部输入信号会使线路系统中存在大量50Hz工频强交流电，而使信号信息达到满量程状态，进而无法放大内部可用信号。故而，必须采取科学方法对50Hz工频电流形成的噪声实施降噪处理，进而为后级电路放大创造足够的运行空间。为有效去除工频干扰信号，可运用集成陷波F42N50功能模块实施，如图1所示。

图1 F42N50电路系统结构图

X_IN代表天线功能模块全部输入信号，50Hz噪声在通过F42N50系统功能模块进行降噪后，可通过C6电容装置全面滤除其直流成分[3]。

2.3 程控一级放大模块设计

在信号放大方面必须通过程控电路放大功能来实施，进而帮助信号A/D转换功能模块实施全面数据信息采集。在一级电路放大功能模块当中，可选择高精度专业仪表放大装置来放大部分微弱幅值的信号。本次案例系统则主要基于AD620仪表装置及系统仪表电路放大功能模块，通过运用数字电位器（X9318型）来控制信号实际放大倍数。X9813作为一种数控电位装置，其内部结构主要由程控移动开关装置、计数器（7位）及99个不同电阻单元构成，通过运用计数器装置内各种数据值布设移动开关装置安装位置，从而改变X9813整体的运行输出电阻值，进而完成一级电路放大过程。

2.4 程控二级放大模块设计

程控二级放大功能模块主要由1个OPA690型和2个AD603型放大装置构成，前两级主要为运算放大装置（AD603）结构中的U1、U2组成，并将2号放大装置U2结构中第3个输入引脚与其中1号放大装置（AD603）U1结构中的第7个输出引脚，运用低通滤波一级RC电路实施连接处理，进而消除U1输出信号系统中所产生的各种高频噪声。针对其中不同控制模式的选择，可将全部放大芯片AD603带宽模式全部设定Wie90MHz。将AD603结构中的1引脚作为整体引脚放大倍数控制，并在本次案例系统中的程控二级电路放大功能模块中，将两个控制引脚（AD603）全部布设于同一个芯片引脚内，进而增强两者之间的协同增益放大效果。将AD603单极增益放大区间值设定为-10dB至30dB之间，且在两种引脚同时运行放大功能时将增益值从-10dB至30dB之间转变为-20dB至60dB范围内。

为使50Ω阻抗值得到应有的匹配，使得两个AD603在中间级联模式下所产生的放大电路运行增益值降低了6dB。为补偿此期间所丧失的增益值，可在2号AD603结构模块输出端增设一条放大电路，进行形成三级级联模式放大电路结构。而在R9电阻与R10电阻共同作用下使得OPA690结构丧失的6dB增益值得到补偿，从而使得程控二级放大电路实际放大倍数始终处于-20dB至60dB范围内。除此之外，两级调偏系统电路主要由RW1滑动变阻器与RW2滑动变阻器构成，并分别连接1号AD603和2号AD603系统结构输入端。RW1滑动变阻器主要通过两个5.1kΩ阻值的电阻装置连接相应的电源装置，进而实现±15.6mV和±6.25mV的范围调偏。通过分别调节两个滑动变阻器结构中间划片装置位置，促使AD603系统芯片全部输入信号转变为无直流偏移数据信号。

2.5 数据采集系统模块设计

信号经过放大功能模块进行放大处理后会转变为模拟信号，而系统内部数据信息处理功能模块却只能处理数字信号，故而必须通过运用相应的数据转换装置来实施转换信号数据，而数据采集功能模块可在对采集数据实施模数转换后，将其传输至后级信息数据处理功能模块，最后转换成系统可识别的数字信号。本次案例系统结构中共包括两线圈天线，也就是所谓的双通道数据采集。在实际运行时，地下金属管道探测工作中最多可运用到同一时刻的双通道数据。故而，为满足数据采集工作的多线性，本次案例系统数据信息采集功能模块主要运用AD7606芯片制作。因AD7606芯片在日常工作运行时可达200kHz采样率，而信号最高频率在发射机装置预设中仅为25kHz，通常为128kHz采样频率，故而采用该芯片完全能够满足系统对采样率基本需求。除此之外，该芯片装置拥有并行和串行两种不同的数据传输功能，尤其并行数据传输模式下其整体数据采样率可达128kHz。其详细工作流程依次为：系统开启、放大倍数设置、计算DA输出电压值、控制DA幅值输出、改变放大倍数、系统关闭。

在并行数据传输模式下，芯片装置将可通过CONVSTA、B两个不同引脚，开启各种数据信号接收端口的数据转换与模数转换，而BUSY引脚则主要负责显示芯片实际工作状态。当后级功能模块所识别的BUSY引脚运行状态为高电平时，则表示芯片正在通过内部系统功能实施全部数据格式转换。而当后级功能模块所识别的BUSY引脚运行状态为低电平时，则表示芯片系统内部模拟信号已被完全转化为系统可识别的数字信号，此时便可将处理后的信号全部传输，进而获取准确的信号数据。在数据采集功能系统模块结构中，CS则属于系统结构片选引脚，其可结合RD/SCLK引脚功能来联合控制DB[15:0]数据并行传输线上的整体传输模式。当CS引脚在运行时变为低电平状态时，后级电路便会选中相应的AD7606芯片，再通过降低RD/SCLK结构中的逻辑电平的方式，即可从DB[15:0]数据传输线中获取相应的采集信号，而高电平状态下的FRSTDATA引脚则会为首次通道数据何时传输给予信息提示，并通过读取该结构模块电平值来确认内部程序执行情况，进而完成AD7606首次读取通道数据传输全过程。并行模式下的系统程序流程依次为：系统开启、进入定时器、向CONVSTA/B引脚输出低电平脉冲、等待BUST引脚由高电平转变为低电平状态、数据全面采集并保持、系统关闭。通过运用定时器装置来控制系统信号采样率，并在装置中输入相应的函数信息，向CONVSTA、B两个不同引脚实施低电平状态下的脉冲输出，进而实施整体数据转换过程，最后对BUSY引脚在系统运行过程中电平值进行反复检测，当稳定电平值形成低电平运行状态后，即可从相应的数据信息传输引脚中实施全面数据采集。

3 结束语

综上所述，通过合理设计发射机与接收机系统结构，制定不同的功能模块设计方案，综合设计各个电路系统元件参数，对绘制各个系统功能模块控制流程图及各种控制方法，进而保障整体地下金属管线测试系统安全、稳定运行。