一种基于感应原理的城市地下管道检查孔定位系统

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摘要：介绍一种用于城市各种地下管道中被覆盖的检查孔定位的检测系统。系统的传感器由探头及发射和接收电路组成。根据电磁感应原理设计了实用的探头线圈。发射电路产生发射线圈所需的激励，接收电路处理来自接收线圈的检测信号。由地面上的数据采集系统根据检测信号以及距离检测结果得到被覆盖检查孔的准确定位信息。经过实际管道中的现场实验，得到了令人满意的测试结果。

    关键词：电磁感应 检查孔 检测 数据采集

所谓检查孔是指城市中被公路或人行道路面所覆盖的各种地下管道中为方便管道维护所预留的出入口。由于年代久远等原因，有关这些检查孔位置的资料往往不是很全，而检查孔本身又会被路面沥青或其它物体所覆盖，这就给城市管道的维护检修带来了极大的困难。为了在不需要大规模开挖的情况下在几千米的管道范围内准确地找到所需要的检查孔位置，一种以闭路电视设备为核心的检查孔定位系统曾经在一些国家得到了应用。但是这种系统不仅价格昂贵，而且操作复杂，工作时需要由人工在显示器上根据图像进行实际的判断。所以对于负责地下管道维护的市政单位来说，急需一种既简单又经济实用的检查孔定位检测系统。

利用电磁感应原理的测量技术在工业中的应用由来已久。涡流无损检测技术可以用来对导电材料的材质、厚度、位移等进行在线检测。石油工业中广泛应用的感应测井技术可以对井下地层的物理性质进行分析，从而获得地下的含油气参数[1～2]。根据同样原理设计的检查孔定位系统由地下和地面两部分组成。地下部分由感应探头及其相应的电路组成；地面部分由以霍尔传感器为主的距离测量装置及以便携式计算机为主的数据采集处理装置组成。地面部分和地下部分通过电缆联接。工作时，探头由挂在它前端的钢缆拖拉以提供在地下管道中前进的动力。根据探头位置所在的环境介质的电导率及当时的距离信号，就可以得到相应的数据处理结果。由于在大多数情况下，地下管道周围土壤的电导率一般在0.01s/m～0.1s/m之间[3]，而在充满空气的检查孔中，探头周围介质的电导率会下降到0.005s/m以下，所以这种方法可以很准确地为被覆盖的检查孔定位。
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1 检测原理及探头的设计

感应探头中设计有发射和接收线圈，如图1所示。当发射线圈T通有恒定的交流电流时，由于电磁感应的作用，在接收线圈R中将会产生一个与发射电流频率相同、相位滞后π/2的感应电动势ex。同时发射线圈T上的交变电流周围形成的交变电磁场会在探头周围介质中产生与线圈同轴的涡流电流。同样，由交变涡流电流所形成的电磁场作用到接收线圈R上，就会产生一个与探头周围介质的导电率有关的感应电动势eR。这个由二次交变电磁场作用所产生的电动势就是定位系统所需要的检测信号。

由于直接耦合作用在接收线圈R上产生的磁通量可以表示为：

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式中，nT和nR分别为发射线圈和接收线圈的匝数；So为线圈的横截面积；I为发射线圈中的电流；μ为介质磁导率；D1为T、R两线圈之间的距离；MTR为两线圈互感系数。所以由此而产生的感应电动势为：

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式中，ω为发射电流的频率。由式(2)可以看出，ex是一个落后于发射电流π/2且与探头周围介质导电率无关的电势信号。在系统的接收信号中，它表现为一个幅值较大的背景噪音。

在发射频率不高、介质导电率较小的条件下，可忽略电磁波传播效应和涡流损耗，用几何因子理论对接收线圈中的二次感应电动势进行计算[4]，将同轴于z的两线圈周围介质中的感应涡流分割成以探头轴心为圆心、半径为r、距线圈T和R距离分别为PT和PR的小单元环电流。将探头周围介质看作是均匀无限介质，把所有的单元环感生的电动势叠加在一起得到：

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式中，σ为线圈周围介质的导电率。

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这表明当发射电流恒定以后，k只与线圈的结构参数有关，故其被称为线圈系数。

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当D1确定后，g只取决于单元环相对于线圈系的空间几何位置，故其被称为单元环几何因子。由式(3)可将电导率定义为：

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ex不含有用信号且远远大于eR。比较（2）、（3）两式有：

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当σ<l时，式(5)中的积分部分也小于1。实验中取频率为20kHz时，即使将D1减少到7～8cm，式(5)所表示的比值也只能在0.8%左右。

可以通过增加一个同轴且绕向相反的补偿线圈B来抵消直耦信号的影响。为了达到这个目的，由式(2)可知，发射线圈和补偿线圈的匝数及位置应该满足：

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通常情况下，地下管道中介质的实际电导率非常小。为了提高检测信号的信噪比，可以适当增加接收线圈的匝数，但过多的匝数会增加线圈的尺寸并降低检测的灵敏度。同时适当增加线圈的截面积也是提高信号信噪比的一个办法，但是也要受到几何因子理论中“线圈的尺寸要大大小于它们之间的距离”这一假设的限制。

2 检测电路设计

整个系统分为地上和地下两部分，其基本组成结构如图2所示。两大部分之间通过电缆相连接。地下部分中包括装有线圈的探头以及分别屏蔽在两个金属盒中的发射电路和接收电路。地下部分的所有装置全部固定安装在一节经过防水处理的直径为8cm左右的聚氯乙稀管内。为了防止对探头检测过程的干扰，设计时应该充分考虑地下部分的电路及导线的固定和屏蔽

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