地下金属管线探测论文

论文题目：地下金属管线探测
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摘要
近年来，各地城市建设迅猛发展，但在建设过程中，尤其是在旧城改造过程中，因地下管线位置不明，经常出现打断、挖断地下管线的现象，给国家财产造成损失，给人民生活带来不便。

为了给城建管理部门提供准确地地下管线分布资料，减少城市地下管线受损带来的经济损失，就迫切需要地下管线探测技术的应用。

这正是本设计要解决的问题，同时也希望能解决国内外探测仪器的性价矛盾。

通过分析国内外地下管线探测的发展与现状，对比设计一种适应我国现状的探测方法，希望在建设损失的同时节省成本，简化、优化操作，确定管线的走向及深度。

关键词:地下金属管线；探测；走向；深度。

ABSTRAC
In recent years, the rapid development of city construction, but in the process of construction, especially in the process of transformation of the old city, the underground pipeline location unknown, often interrupted underground pipeline phenomenon, this causing losses to the state property, bring much inconvenience to people. In order to urban management departments to provide accurate data of underground pipeline distribution, reduce the city underground pipeline damage caused economic losses, it needs the detection technology for underground pipeline. This is the design to solve the problem, also hope to be able to solve the contradiction between the domestic and foreign price detecting instrument.
Through the analysis of the domestic and foreign development and present situation of underground pipeline detection, an adaptation of the present situation of our country's detection method comparison of design, in the hope that the construction of losses and save cost, simplify, optimize operation, to determine the direction and depth of pipeline.
Keywords: underground metal pipeline; detection; trend; depth.
摘要 (2)
第一章绪论 (5)
1. 1研究背景及意义 (5)
1. 2地下金属管线探测的发展现状 (5)
1. 3国内外地下金属管线探测器对比 (6)
第二章地下金属管线探测现有的方法 (7)
2.1、地下管线探测的技术前提 (7)
2. 2探测方法 (7)
2.3地下管线探测的工作原则 (8)
第三章方案选择与设备选型 (10)
3.1方案选择 (10)
3.2设备选型 (10)
3.2.1性能介绍 (10)
3.3.2开发方法 (11)
第四章方案设计 (12)
4.1定位与定深 (12)
4.1.1定位 (12)
4.1.2定深的基本方法 (12)
4.1.3定位定深应注意的问题 (13)
4.2发射机设计 (13)
4.2.1技术方案 (14)
4.2.2方案说明 (17)
4.3接收机设计 (18)
4.3.1 整体方案设计 (18)
4.3.2 功能模块设计 (19)
4.3.3 软件设计 (20)
4.4管线探测实现 (21)
结论 (22)
致谢 (23)
参考文献 (24)
附录 (25)
第一章绪论
1. 1研究背景及意义
地下管线是城市基础设施的重要组成部分，它担负着传输信息、输出能量及排放废液等工作，其分布状况是城市规划的重要基础信息。

随着现代化进程的发展，地下管线己由单一、简单的形式，发展到包括给排水、电力、电信、燃气、热力、工业等多类别布局复杂的管线网，加强地下空间规划管理己显得越来越重要。

但由于历史及现实的原因，我国许多城市地下管线分布不清，其混乱状况给施工建设带来了瓶颈效应，造成生命财产的损失和不良的政治影响。

因此，全面系统地勘察和测绘地下管网的分布，建立城市和厂矿企业地下管网数据库，对城市的政策运营及改造扩建都有十分重要的意义。

1. 2地下金属管线探测的发展现状
地下管线探测技术在我国已经发展了整整十五年了。

到目前为止，地下管线探测的核心技术仍然以电磁法探测为主。

这主要是由于两个方面的原因：一方面是我国早期地下管线除排水外绝大多数是金属材质的；另一方面是由于电磁法探测原理最好地适应了当时技术发展条件，较其它种种方法率先实现了应用仪器的轻便化、探测结果的灵敏化和精确化、以及设备生产的经济化，从而使得效率高、经济性好的探测服务行业得以生存和发展。

进入二十一世纪以来，新材料技术迅猛发展，在供水管道发面，除了传统的预应力钢筋混凝土管、石棉水泥管以外，玻璃钢管以及如PVC管、PE管、PP-R管等高分子聚合物管材纷纷大行其道，目前大有势不可挡的势头。

在地下管线探测中，地下非金属管线探测这一软肋越来越成为制约整个行业发展的瓶颈。

发展地下非金属管道探测技术、并使其探测仪器灵敏精确、轻便高效和价格合理化，已经成为迫待解决的技术问题以及整个行业的发展方向。

由于地质雷达法不仅可以准确确定地下非金属管道的平面位置，而且可以测定埋深，甚至还可以确定其规格大小，具有精度高、功能全的优势，今后只要提高其在数据采集、存储、分析和显示速度方面、仪器轻便化方面、以及降低制造成本方面等三个重要环节取得突破，地质雷达法将是解决地下非金属管道探测问题的最佳选择。

此外，由于声波法只需要开发出一种可以简单方便地固定在管道附属设施上的声源发生器，就可以通过地面拾音实现管道的平面位置探测，因此也是一种十分有吸引力的选择。

由于声源发生器单调变化的指示音可以和持续的漏水噪音区分开来，它还可以在要求精确的漏水听音中发挥重要作用。

其它如红外辐射检测法在查找热力管道泄漏方面具有特殊优势，因而具有一定的发展潜力。

此外，另外一个可以大大提高劳动生产力的技术进步应该是在与探测同步的全球卫星定位方面，粗略的估算可以节约外业劳动力或劳动时间在百分之三十以上。

1. 3国内外地下金属管线探测器对比
从国内外地下金属管线探测仪器的发展来看:国外仪器起步早、水平高，种类较多，己有较成熟的产品，适用于不同的测量领域。

知名品牌有英国RAD工0 DETECT工ON公司的雷迪系列(RS400/600/4000)、美国CHARLES MACH工NE公司的Subsite系列(Subsite300/950/970),Metrotech系列(Metrotech810/850)、德国竖威系列等。

比较而言，国内仪器起步较晚，种类较少，市面上的产品主要有西安华傲公司的GXY-2000型地下金属管线探测仪、BK-6A型地下金属管线探测仪、DGC-3A型地下金属管线探测仪等。

另外机械电子工业部第50研究所、北京邮电学校实验工厂和吉林大学(原长春地质学院)等教学科研单位也研制了一些探测仪器。

但这些仪器或者发射频率单一，或者发射功率较小，或者接收模式固定，适用条件苛刻，使用不够灵活。

总之，国内地下金属管线探测类仪器的整体性能仍不高，虽有部分仪器的某些指标可以达到世界先进水平，但行业的整体发展仍远落后于国外同行。

然而国外仪器巨大的购置金额和维护代价也给使用单位带来了沉重的经济负担。

在这种背景下，我们开始研制具有自主知识产权、工作频率和功率可选、接收线圈具有多种组合方式的新型地下金属管线探测仪，以期解决此类仪器的性价矛盾，缓解国外仪器大量占领国内市场的不良现状。

第二章地下金属管线探测现有的方法
2.1、地下管线探测的技术前提
地下管线可以被探测到是由于它与其周围土壤介质之间存在有明显的物性差异。

一切地下管线与其周围介质之间最明显的物性差异就是其空间上的线性延续特征。

地下管线在空间上的线性延续特征是几乎所有探测方法能够区分地下管线和其它介质的最基本的物性前提。

也就是说，我们只有在追踪信号具有明确的线性延续特征时，才能说它有可能是一个地下管线信号。

不同的探测方法可以依据不同的物性差异方面对这个线性特征加以检测。

比如：地下金属管道的电导率、磁导率、介电常数等与大地土壤之间存在着较大的差异，于是我们可以应用电磁法针对其线性特征进行探测；地下管线的波阻抗与其周围大地土壤之间存在着较大的差异，而且管线顶部一般具有弧形的空间形态，于是我们可以应用电磁波的折射和反射原理来对其进行探测。

我们还可以利用地下非金属管道的中空结构，应用电磁示踪法对其进行探测等等。

物性差异是探测可以实现的前提，但是要获得明显的探测成果还取决于差异的强度与技术手段之间的适应程度、以及人们对成果期望值的水平。

地下管线按其物理性质大致可分为三类:
1、由铸铁、钢材质组成的金属管道(上水、煤气、热力、工业管道等)
2、由铜、铝材质组成的电缆(动力、通讯、有线电视电缆等)。

3、由水泥、陶瓷和塑料材质组成的非金属管道(下水、工业管道、上水等)。

2. 2探测方法
在工程实际中发展起来的物探方法主要有:电法探测、磁法探测、地震波法探测等。

其中尤以电法探测中的电磁法适用范围最广，发展也最成熟。

目前国内外地下金属管线探测仪绝大部分是基于电磁法工作。

其他较为常用的和较为有发展前景的探测方法包括电磁波（地质雷达）法、磁梯度法、钎探法、综合分析法、声波法、红外辐射法等等。

1、电磁法是探查地下管线的主要方法，是以地下管线与周围介质的导电性及导磁性差异为主要物性基础，根据电磁感应原理观测和研究电磁场空间与时间分布规律，从而达到寻找地下金属管线或解决其它地质问题的目的。

电磁法是探查地下管线的主要方法，是以地下管线与周围介质的导电性及导磁性差异为主要物性基础，根据电磁感应原理观测和研究电磁场空间与时间分布规律，从而达到寻找地下金属管线或解决其它地质问题的目的。

电磁法可分为频率域电磁法和时间域电磁法，前者是利用多种频率的谐变电磁场，后者是利用不同形式的周期性脉冲电磁场，由于这两种方法产生异常的原理均遵循电磁感应规律，故基础理论和工作方法基本相同。

在目前地下管线探测中主要以频率域电磁法为主，以下主要介绍频率域电磁法。

工作原理：各种金属管道或电缆与其周围的介质在导电率、导磁率、介电常数有较明显的差异，这为用电磁法探测地下管线提供了有利的地球物理前提。

由
电磁学知识可知无限长载流导体在其周围空间存在磁场，而且这磁场在一定空间范围内可被探测到，因此如果能使地下管线带上电流，并且把它理想化为一无限长载流导线，便可以间接地测定地下管线的空间状态。

在探查工作中通过发射装置对金属管道或电缆施加一次交变场源，对其激发而产生感应电流，在周围产生二次磁场，通过接收装置在地面测定二次磁场及其空间分布，然后根据这种磁场的分布特征来判断地下管线所在位置(水平、垂直)。

工作原理示意图
2、电磁波（地质雷达）法：将宽频带高频短脉冲电磁波通过发射天线向地下发射，由于地下不同的介质往往具有不同的物理特性（介电性、导电性、导磁性等等差异），其对电磁波具有不同的波阻抗，进入地下的电磁波在穿过地下各地层或某一目标体时，由于界面两侧的波阻抗不同，电磁波在介质的界面上会发生反射和折射，反射回地面的电磁波脉冲，其传播路径、电磁场强度与波形将随着所通过介质的电性质及几何形态而变化，因此，从接收到的雷达反射回波走时、幅度及波形资料可以推断地下介质的结构。

用地质雷达探测地下管线应用的是电磁波的反射和折射原理，适用于地下金属和非金属管道及电缆的探测。

它不仅可以探测位置和埋深，甚至可以探测地下管线的规格。

我个人认为由于可以广泛适用于地下金属和非金属管道的探测，地质雷达法是目前最需要通过技术提升以适应未来广泛的地下非金属管线探测的技术方法。

3、磁梯度法：通过测量单位距离内地磁场强度的变化，可以发现近地表的金属物体。

主要用于探测被掩埋的金属井盖，缺点是易磁性体干扰。

4、钎探法：沿管道可能的走向上垂直布设钎探点，在各个钎探点上先用冲击钻钻透坚硬路面，再将钢钎逐渐打下，直到超过管道可能的深度再换下一点重新开始，一直到打到管道为止。

钎探需要避开地下电缆和其它地下重要设施，具有一定的危险性和破坏性，要求具有钎探经验的技术人员现场指挥操作。

当其它方法均不奏效时，钎探法往往是最后的选项。

它也被事实证明是一种非常有效的探测方法，对解决难点帮助巨大。

2.3地下管线探测的工作原则
工作原则是由技术特点所决定的。

进行地下管线探测，应该遵循以下四项基本原则：
1、从已知到未知，从未知到已知；
2、从简单到复杂；
3、优先选择简单、快速、有效的方法；
4、通过方法试验及信息综合来解决探测疑难点。

从已知到未知，从未知到已知：由于探测信号为我们提供的是地下管线位置的间接证据，它需要和直接证据发生明确的因果关系才能够作为判断的依据来使用，这就需要我们从已知出发、根据已知和未知的关系对未知做出判断。

而当我们得到一个探测信号的时候，也需要追索到已知来判断它所代表的具体情况。

从简单到复杂：从复杂开始的探测往往交织着技术本身固有的局限性和模糊性以及探测信号的复杂性，常常会使探测变得了无头绪。

而从简单开始的探测则降低了模糊性和复杂性的干扰，使推理判断变得简单易行，同时也提高了判断的准确性。

随着探测由简单向复杂的深入，复杂的问题也就迎刃而解了。

优先选择简单、快速、有效的方法：这是由技术的经济性特点所决定的。

因为不具备经济性的工作是无法长久持续下去的。

通过方法试验及信息综合来解决探测疑难点：这是由技术的局限性和模糊性特点所决定的。

由于地下管线探测方法往往都或多或少带有局限性，探测的过程又带有一定的模糊性，而探测疑难点往往或者具有信息复杂的特点、或者具有信息缺失的特点，多种情况的交织往往使得我们无法直接准确判断应该采用那种方法最为有效。

在这种情况下，进行各种各样的现场方法试验和信息综合就成了我们无奈之下的理想选择。

实际工作经验证明，通过现场方法试验和信息综合方法解决疑难点的原则是行之有效的。

第三章方案选择与设备选型
3.1方案选择
对比各种方案，本设计决定选用电磁法来进行探测设计，因为此法发展较为成熟，有很多实例可以借鉴。

另外电磁法中使用的设备较为容易获取且价格便宜，可以降低成本。

3.2设备选型
SPCE061A 是继μ’nSP™（Micro controller and Signal Processor）系列产品SPCE500A等之后凌阳点击此处添加图片说明科技推出的又一款16位结构的微控制器。

与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。

较高的处理速度使μ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。

因此，与SPCE500A相比，以μ’nSP™为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。

3.2.1性能介绍
16位µ’nSP™微处理器；
工作电压(CPU) VDD为2.4~3.6V (I/O) VDDH为2.4~5.5V
CPU时钟：0.32MHz~49.152MHz ；
内置2K字SRAM；
内置32K FLASH；
可编程音频处理；
晶体振荡器;
系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2µA@3.6V；
2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；
2个10位DAC(数-模转换)输出通道；
32位通用可编程输入/输出端口；
14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；
具备触键唤醒的功能；
使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；
锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
32768Hz实时时钟；
7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；
声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；
具备串行设备接口；
具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；
内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口；
具有保密能力；具有Watch Dog功能。

3.3.2开发方法
SPCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的。

它既是一个编程器（即程序烧写器），又是一个实时在线调试器。

用它可以替代在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具——硬件在线实时仿真器和程序烧写器。

它利用了SPCE061A片内置的在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口和凌阳公司的在线串行编程技术。

PROBE工作于凌阳IDE集成开发环境软件包下，其5芯的仿真头直接连接到目标电路板上SPCE061A相应管脚，直接在目标电路板上的CPU---SPCE061A调试、运行用户编制的程序。

PROBE的另一头是标准25针打印机接口，直接连接到计算机打印口与上位机通讯，在计算机IDE集成开发环境软件包下，完成在线调试功能。

第四章方案设计
4.1定位与定深
4.1.1定位
（1）峰值法（极大值法）
在垂直管线走向的方向上，用垂直线圈接收二次场水平分量，该分量极大值点出对应的管线的平面投影位置。

（2）谷值法（极小值法）
在垂直管线走向的方向上，用水平线圈接收二次场水平分量，该分量极小值点出对应的管线的平面投影位置。

图2. 17 峰值法示意图图2. 18谷值法示意图
4.1.2定深的基本方法
1、三种定深方法
(1)极大值法
用水平线圈接收二次场的垂直分量，使用极小值法定位后，保持接收线圈状态不变，沿垂直管线方向移动，寻找极大值点位置，该极小值
点和极大值点之间的距离即为地下金属管线的中心埋深。

见图2. 18 0
(2)半极值(50% )法
用垂直线圈接收二次场的水平分量，在管线正上方得到极大值。

然后沿垂直管线方向向两侧移动，读数减小到50%极大值的两点间距离为
管线埋深的2倍。

(3)梯度法
利用上下两垂直线圈分别接收二次场的水平分量，并在线圈中产生
感应电动势，经数据采样和处理，求得管线埋深。

见图2. 19。

设上下两垂直线圈相距为D ，在地下管线正上方，即x=0处测定两
者的感应电动势2ε、1ε，利用深度计算公式可直读埋深:D h ⨯-=2
12εεε
图2. 19梯度法示意图
4.1.3定位定深应注意的问题
1、在管线复杂地段应采用多种激发方式施加信号对比验证。

定位时，可采用极大值法定位，用零值法加以验证。

2、定位时应观察测点两侧信号是否对称，只有信号对称时，才能定位准确，必要时应做剖面测量。

3、定位时应注意仪器的转向差，当转向差较大时，应调整信号的施加点，消除转向差影响，减少定位误差。

4、定深应于精确定位之后进行，管线各变化方向均应测定埋深，测深点的位置应选择在距特征点至少1m 外的直线段上，不可在特征点处定深(直线点除外)。

5、应尽可能在没有干扰或干扰较小的地段进行测深。

如无法避开干扰，须采用消除干扰的有效方法。

6、在复杂地段或存在明显干扰时，应采用特征点法测深，而不宜采用直读法测深：管线埋深较大、传导信号不好时，应采用特征点法测深。

7、采用特征点法测深，应观察测点两侧信号是否对称，正常情况下测点两侧信号应基本对称，当存在旁侧干扰时，出现不对称现象，此时应分析原因，用影响小的半边异常定深，并采用其他方法验证。

4.2发射机设计
本设计为一种发射信号的频率可变，发射功率八级可调且最大发射功率大于
10W的地下金属管线探测仪发射机。

4.2.1技术方案
稳压电路2的3脚与单片机4的电源端相连，单片机4产生的电压信号经IOB9与功率放大电路5的信号输入端相连，且单片机4的IOA0-3与频率选择电路6的开关的一端相连，频率选择电路6的开关的另一端与稳压电路2的3脚相连，IOA8-9与功率控制开关相连，单片机4的控制信号经IOA12-15与频率选择电路6中驱动电路中三极管的基极相连，配谐电容与线圈串联谐振电路的一端接功率放大电路5中H桥组件的10脚，另一端与频率选择电路6中继电器的常开端而H桥组件的9脚与单片机4的一个中断输入口相连，单片机4的IOA5脚与采样电压的输入脚相连，单片机的IOB0-7接显示和报警电路3中的液晶显示模块的数据端口D0-D7，IOB13、14、15分别接液晶显示模块的控制端口RS、RW、E。

频率选择电路6是由三极管驱动电路和继电器及续流电路组成的，驱动信号由前面板开关控制单片机给出，开关与单片机的IOA0-3口连接，来控制单片机产生的频率及选通相应的继电器。

单片机编程产生不同频率且占空比可调的矩形波作为输入信号，接到功率放大电路的信号输入端，经功率放大电路进行功率放大后，通过继电器选通相应的配谐电容，使该频率的信号在LC串联谐振的情况下以最大效率发射。

有益效果是：多种可选的发射频率，可满足探测不同埋设环境下管道的需求。

具有过热和过流保护功能使仪器系统更加稳定可靠。

具有电源电压监测功能，当电源电压低于一定值时提示充电。

效率高，结构简单，成本低，安全稳定，可实时显示发射信号的频率和发射功率的新型地下金属管线探测仪发射机。

图1仪器的电路框图
图2功率及频率选择电路图
图3功率放大电路图
图4稳压电路图
图5开关与单片机接口电路图
4.2.2方案说明
本设计采用+12V电压输出的蓄电池1供电，功率放大电路中的LMD18200的6脚与蓄电池的正极相连，4脚与7脚与蓄电池的负极相连，蓄电池的正、负极分别连到7805的1、2脚，经7805稳压模块组成的稳压电路2后，由3脚输出一个+5V电压，与单片机4和显示及报警电路3的电源端相连。

单片机4通过编程产生不同频率且占空比可调的矩形波作为输入信号，使输入信号占空比在1/16到8/16间递增或递减，发射功率八级可调，该信号通过单片机4的IOB9脚连到功率放大电路5中功率芯片LMD18200得3脚。

同时单片机4的IOA12-15脚与频率选择电路6的驱动电路中三极管的基极相连，电容和电感串联电路的一端与功率放大电路5中功率芯片LMD18200的10脚相连，另一端与频率选择电路6中继电器的常开端相连。

前面板的开关1、2的一端分别与单片机的IOA8和IOA9脚相连，开关3、4、5、6的一端分别与单片机4的IOA0-3脚相连，它们的另一端与稳压电路2中7805稳压模块的3脚相连。

频率选择电路6中，继电器的一个控制端接+12V，另一个与三极管的集电极相连，续流电路就由一个续流二极管组成，其负极与继电器的连接+12V的控制端相连，正极与继电器的另一个控制端连接，三极管的基极和地之间接一个电阻。

仪器工作时，蓄电池1经7805稳压模块输出一个+5V电压输出，用以给单片机4和显示报警电路3供电。

单片机4经编程产生4种频率且占空比可从1/16到8/16步进可调的矩形波，该信号连接到功率放大电路5中H桥组件LMD18200的3脚，且经前面板的开关1、2控制该矩形波的占空比，从而控制地下金属管线探测仪发射机的发射的功率。

单片机4的IOA12-15与频率选择电路6中三极管8050的基极端，三极管8050以共射极方式连接组成频率选择电路6中继电器的驱动电路，继电器的常闭端与配谐电容与线圈串联电路中配谐电容的一端相连。

开关3、4、5、6与单片机4的IOA3-IOA0相连。

工作时，按下开关3、4、5、6的任意一个，则。