近间距金属管线自动探测仪发射机设计_李长星
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图 1 夹钳法示意图
图 2 设计的磁环
3 技术路线
3． 1 总体设计方案 系统为现场实时检测系统，为了满足不同地质
和环境条件下近间距管线探测的需要，实现地下金 属 管 线 探 测 仪 发 射 机 的 频 率 和 功 率 可 调，采 用 STC12C5410AD 单 片 机 作 为 DDS 信 号 发 生 器、 TDA2030A 功率放大、电源电压检测、12864 液晶显 示、配谐电容与发射线圈匹配的控制芯片。地下金 属管线探测仪发射机的系统结构图如图 3 所示。
要的频率信号。
图 5 幅度调节模块
3． 2． 3 功率放大模块 考虑到 超 微 晶 磁 环 所 发 射 的 最 大 功 率 可 达
50W，采用 TDA2030A 做成的 BTL 形式功放，如图 6 所示。TDA2030A 具有体积小、输出功率大、失真小 等特点，并具有内部保护电路。BTL 式功放实际上 是由两个运放完成一路信号放大，使输出电平高出 用一个集 成 电 路 的 1． 5 倍，即 原 输 出 最 大 功 率 为 20W，现输出功率约为 50W［7］。
3． 2． 4 发射模块 通过按键选择所要发射的频率信号，单片机得
到响应选通相对应的谐振电容，从而达到串联谐振 状态，此时谐振回路的阻抗达到最大，实现大功率发 射。为了很好的谐振从而达到最佳的发射频率，谐 振电容的选取必须要精确，通过公式 f = 1 可
2π 槡LC 以算出谐振电容的容值。
如图 7 所示，其中 MC1413 是由七个硅 NPN 达 林顿管组成的反相驱动器，当其一个输入端为高电 平时，对应的输出端是低电平，连接的继电器线圈通 电，相应线圈中就有电流通过，衔铁就会在电磁力的 吸引下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而使衔铁 的动触点与静触点接触，这样发射线圈和谐振电容
关键词： 近间距； 金属管线； 发射机； 磁环 DOI 编码： 10． 3969 / j． issn． 1002 － 2279． 2015． 02． 025 中图分类号： TP334 文献标识码： A 文章编号： 1002 － 2279（ 2015） 02 － 0088 － 04
Design on Transmitter of Metal Pipeline Automatic Detector in Close Space
No． 2 Apr． ，2015
微处理机
MICＲOPＲOCESSOＲS
第2 期 2015 年 4 月
近间距金属管线自动探测仪发射机设计
李长星，陈玲玲
（ 西安石油大学电子工程学院，西安 710065）
摘 要： 在管线探测技术中，近间距金属管线探测是一个需要重点解决的难题。通过对项目的 实地考察，设计了一种基于电磁法原理的近间距金属管线探测仪发射机。该发射机采用夹钳法，以 STC89C52ＲC 单片机为控制芯片，将集成芯片技术和配谐电容技术相结合，实现了发射机的智能控 制。取 4 种可选发射频率，发射功率在 0 ～ 50W 之间可调，能实时显示发射信号的频率和功率。实 验分析表明，该发射机的指标满足实际工程不同条件下金属管线探测的需要。
该发射机主要包括 DDS 信号产生、信号调理模
块、功放、功率发射、显示和按键等功能模块。通过
对单片机 STC12C5410AD 编程使 DDS 芯片产生四
种频率的正弦波信号，通过按键选择所要发射的频
率信号，从函数发生器出来的信号通过信号调理模
块，把正弦波整形成占空比可调的矩形脉冲，从而能 实现发射 功 率 的 连 续 可 调［5］。 显 示 部 分 由 单 片 机
作者简介： 李长星（ 1966 － ） ，男，河南人，硕士研究生，主研方向： 仪器仪表，石油测控仪器。 收稿日期： 2014 － 09 － 13
2期
李长星等： 近间距金属管线自动探测仪发射机设计
·89·
2 基本原理与方法
2． 1 基本原理
金属管线探测仪是基于频率域电磁技术研制而
成的，其原理是不同频率的传播深度不同，能较好的
wＲ + w2
L2
）
感应电流在金属管状导体周围产生二次磁场
H2 ，在空间某点二次磁场为：
H2
=
－ MI1 G（
Ｒ2
w2 L + w2 L2
+j
Ｒ2
wＲ + w2
L2
）
在该式中，G 为与管线深度、大小有关的几何因
子。由于在离发射机较远的地方一次磁场比二次磁
场小的多，可以忽略。根据二次磁场的公式分析可
知： 管线上方磁场有一个最大值，即水平分量，垂直
Key words： Close spacing； Metal pipe； The transmitter； The circular
1引言
石油工业的发展使得金属管道监测至关重要， 石油管道分布密集而且复杂，确定近间距金属管线 具体位置成为一个亟待解决的问题。有的仪器在复 杂条件下对管线的探测精度不高。目前，近间距平 行石油管线的探测成为该行业管线探测的一个重点 研究对象。结合作业区的实际需要，研制了一种符 合作业区 需 求 的 金 属 管 线 勘 测 发 射 机［1］。 此 发 射 机提供 4 种可选发射频率，从而满足探测不同距离 和不同管径的要求。该发射机采用 DDS 技术产生
图 4 正弦波产生电路
3． 2． 2 信号调理模块 由于 DDS 产生的正弦波峰峰值为 600mV，要使
运放输出信号的峰峰值在 0 ～ 20V 可调，需要反馈 电阻选用可调电位器，从而达到该效果，放大倍数为 33． 33 倍。选 用 运 放 芯 片 NE5532，模 块 如 图 5 所 示。
图 6 功率放大模块
间距、方位等因素决定的发射线圈与地下导体间互
感系数。
将地下导电体看成由电阻 Ｒ 和电感 L 组成的
串联闭合回路，那么在该闭合回路中产生的感应电
流为： I2 = Ｒ +ejwL。
将感应电动势代入到 I2 中，可得：
I2
=
－ jwMI1 Ｒ + jwL
=
－ MI1 （
Ｒ2
w2 L + w2 L2
+ j Ｒ2
分量为 0。在管线两侧，水平分量随着距离的增大
而减小，垂直分量会出现两个最大值，这时管线的埋
深正好等于最大值点到管线上方的距离。通过这些 性质，就可以对金属管线进行定位和探测［3］。
2． 2 夹钳法
夹钳法是在被测金属管线上套上环形夹钳，通
过夹钳形成的环形磁场直接耦合到被测管线上，从 而产生较强的感应电流，用接收机接收被测管线的 信号［4］，如图 1 所示。对于作业区，被探测的管线有 露点。此外夹钳法信号强，定位，定深精度高，有明 显的优 点。考 虑 到 实 际 工 程，设 计 了 一 个 内 径 为 70mm，外径为 100mm 的超微晶磁环，如图 2 所示。 将其套在金属管线上进行准确探测。
Li Changxing，Chen Lingling
（ Xi＇an Petroleum University Institute of Electronic Engineering，Xi＇an 710065，China）
Abstract： The detection for the metal pipeline in close space is a big problem to be solved in the pipeline detection technology． Through the analysis of the project，a transmitter of the metal pipeline detector in close space，based on the principle of electromagnetic method，is designed． The transmitter， using the clamp method，uses STC12C5410AD MCU as a control chip，and integrates chip technology and harmonic capacitor technology to realize the intelligent control of the transmitter． Four kinds of optional transmitting frequency are chosen，the transmitted power adjusted between 0W to 50W，and the frequency of the signal and power can be displayed in real time． The experimental analysis result shows that the transmitter indicators meet the actual detection requirements of the engineering metal pipeline in the different conditions．
图 7 发射电路
4 系统软件设计
发射机软件部分主要有信号产生、电源检测、按 键扫描及显示模块等，采用 C 语言编写。主程序框 图和信号产生模块如图 8 和图 9 所示。下面就主要 的信号发生模块进行分析。
口数据输入、串口时钟输入和控制信号输入，单片机
通过对这三个串口进行写操作，产生所需要的频率
信号。输出正弦波频率为：
fout
=
MΒιβλιοθήκη Baidu
× fMCLK 228
其中 fMCLK 为 外 部 时 钟 信 号 的 频 率，取 fMCLK = 106 Hz，M 为频率控制字［6］，根据四种频率信号分别
计算出对应的频率控制字，通过软件编程输出所需
2期
就形成串联回路。
李长星等： 近间距金属管线自动探测仪发射机设计
·91·
AD9833。要开始一个串行数据传输，FSYNC 必须置 低，数据通过 16 个 SCLK 下降沿被移位进移位寄存 器，在第 16 个下降沿后 FSYNC 才能高。对于频率 产生模块，在程序中通过 AD9833 的公式算出频率 字，由于频率寄存器为 28 位，在送数据时分两次送， 第一次送频率控制字数据的低 14 位，第二次送频率 控制字数据的高 14 位。当按下一个按键时，该按键 对应的频率送到 AD9833 的模块代码中，从而得到 该频率的波形，并显示在液晶屏上。
解决复杂地区的管线探测、排除干扰源等一些问题，
即“趋肤效应”。
电磁感应法的实质是将地下导电体看成由无限
多的环状闭合导电回路或线圈一起所组成的，是探
测地下金属管线的主要方法。电磁法探测地下金属
管线时，发射线圈供以交变电流，在其周围建立交变
磁场，即所谓的一次场。管线在交变磁场的激励下，
形成交变电流，并在管线周围再次形成交变磁场，此
控制 12864 液晶屏实时显示发射信号的频率、功率
以及电源电量。
3． 2． 1 信号产生模块
在金属管线探测中，我们选用了 5kHz、10kHz、
20kHz、38kHz 四个频率点，因此选用低功耗、可编程
的波形发生器 AD9833 产生不同频率的信号，其原
理如图 4 所示。SDATA、SCLK 和 FSYNC 分别为串
图 3 发射机系统框图
STC12C5410 作为系统控制芯片自带 A / D 转换
·90·
微处理机
2015 年
口，在该设计中可做电源电压检测。通过分压电路
将电源电压分压，再经过相应的滤波和保护电路送
到单片机的 A / D 转换口，将电压的模拟值转换成数
字值，通过液晶屏上的电池图标显示电源的电量。
3． 2 关键硬件电路的实现
正弦波，经过 DDS 专用功放模块对信号进行功率放 大，从而实现远距离的金属管线探测。该功放模块 采用 TDA2030A 芯片，使仪器的发射功率可以达到 50W 且可调。对于显示模块，采用 12864 液晶屏， 能实时显示发射信号的频率和功率。对于电源模 块，选用常见的 12V 充电蓄电池和 220V 交流电作 为电源，从而满足不同条件下的使用。对于充电电 池，该发射机具有电源电压检测功能，通过 AD 转换 使电源的电量显示在液晶屏上，当电源电压低于一 定值时，提示充电。
场称为二次场，通过测试二次场的变化来探测金属 管线［2］。
将 I1 = I0 ejwt 交变电流加入发射线圈中，在周围 产生足够强的一次交变磁场 Hi = H0 ejwt。则感应电 动势在地下金属管线中形成，即：
e
=
dφ dt
=
－ M dt1 dt
=
－ jMwI1
式子中，M 是由发射线圈及地下管线的形状及
图 2 设计的磁环
3 技术路线
3． 1 总体设计方案 系统为现场实时检测系统，为了满足不同地质
和环境条件下近间距管线探测的需要，实现地下金 属 管 线 探 测 仪 发 射 机 的 频 率 和 功 率 可 调，采 用 STC12C5410AD 单 片 机 作 为 DDS 信 号 发 生 器、 TDA2030A 功率放大、电源电压检测、12864 液晶显 示、配谐电容与发射线圈匹配的控制芯片。地下金 属管线探测仪发射机的系统结构图如图 3 所示。
要的频率信号。
图 5 幅度调节模块
3． 2． 3 功率放大模块 考虑到 超 微 晶 磁 环 所 发 射 的 最 大 功 率 可 达
50W，采用 TDA2030A 做成的 BTL 形式功放，如图 6 所示。TDA2030A 具有体积小、输出功率大、失真小 等特点，并具有内部保护电路。BTL 式功放实际上 是由两个运放完成一路信号放大，使输出电平高出 用一个集 成 电 路 的 1． 5 倍，即 原 输 出 最 大 功 率 为 20W，现输出功率约为 50W［7］。
3． 2． 4 发射模块 通过按键选择所要发射的频率信号，单片机得
到响应选通相对应的谐振电容，从而达到串联谐振 状态，此时谐振回路的阻抗达到最大，实现大功率发 射。为了很好的谐振从而达到最佳的发射频率，谐 振电容的选取必须要精确，通过公式 f = 1 可
2π 槡LC 以算出谐振电容的容值。
如图 7 所示，其中 MC1413 是由七个硅 NPN 达 林顿管组成的反相驱动器，当其一个输入端为高电 平时，对应的输出端是低电平，连接的继电器线圈通 电，相应线圈中就有电流通过，衔铁就会在电磁力的 吸引下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而使衔铁 的动触点与静触点接触，这样发射线圈和谐振电容
关键词： 近间距； 金属管线； 发射机； 磁环 DOI 编码： 10． 3969 / j． issn． 1002 － 2279． 2015． 02． 025 中图分类号： TP334 文献标识码： A 文章编号： 1002 － 2279（ 2015） 02 － 0088 － 04
Design on Transmitter of Metal Pipeline Automatic Detector in Close Space
No． 2 Apr． ，2015
微处理机
MICＲOPＲOCESSOＲS
第2 期 2015 年 4 月
近间距金属管线自动探测仪发射机设计
李长星，陈玲玲
（ 西安石油大学电子工程学院，西安 710065）
摘 要： 在管线探测技术中，近间距金属管线探测是一个需要重点解决的难题。通过对项目的 实地考察，设计了一种基于电磁法原理的近间距金属管线探测仪发射机。该发射机采用夹钳法，以 STC89C52ＲC 单片机为控制芯片，将集成芯片技术和配谐电容技术相结合，实现了发射机的智能控 制。取 4 种可选发射频率，发射功率在 0 ～ 50W 之间可调，能实时显示发射信号的频率和功率。实 验分析表明，该发射机的指标满足实际工程不同条件下金属管线探测的需要。
该发射机主要包括 DDS 信号产生、信号调理模
块、功放、功率发射、显示和按键等功能模块。通过
对单片机 STC12C5410AD 编程使 DDS 芯片产生四
种频率的正弦波信号，通过按键选择所要发射的频
率信号，从函数发生器出来的信号通过信号调理模
块，把正弦波整形成占空比可调的矩形脉冲，从而能 实现发射 功 率 的 连 续 可 调［5］。 显 示 部 分 由 单 片 机
作者简介： 李长星（ 1966 － ） ，男，河南人，硕士研究生，主研方向： 仪器仪表，石油测控仪器。 收稿日期： 2014 － 09 － 13
2期
李长星等： 近间距金属管线自动探测仪发射机设计
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2 基本原理与方法
2． 1 基本原理
金属管线探测仪是基于频率域电磁技术研制而
成的，其原理是不同频率的传播深度不同，能较好的
wＲ + w2
L2
）
感应电流在金属管状导体周围产生二次磁场
H2 ，在空间某点二次磁场为：
H2
=
－ MI1 G（
Ｒ2
w2 L + w2 L2
+j
Ｒ2
wＲ + w2
L2
）
在该式中，G 为与管线深度、大小有关的几何因
子。由于在离发射机较远的地方一次磁场比二次磁
场小的多，可以忽略。根据二次磁场的公式分析可
知： 管线上方磁场有一个最大值，即水平分量，垂直
Key words： Close spacing； Metal pipe； The transmitter； The circular
1引言
石油工业的发展使得金属管道监测至关重要， 石油管道分布密集而且复杂，确定近间距金属管线 具体位置成为一个亟待解决的问题。有的仪器在复 杂条件下对管线的探测精度不高。目前，近间距平 行石油管线的探测成为该行业管线探测的一个重点 研究对象。结合作业区的实际需要，研制了一种符 合作业区 需 求 的 金 属 管 线 勘 测 发 射 机［1］。 此 发 射 机提供 4 种可选发射频率，从而满足探测不同距离 和不同管径的要求。该发射机采用 DDS 技术产生
图 4 正弦波产生电路
3． 2． 2 信号调理模块 由于 DDS 产生的正弦波峰峰值为 600mV，要使
运放输出信号的峰峰值在 0 ～ 20V 可调，需要反馈 电阻选用可调电位器，从而达到该效果，放大倍数为 33． 33 倍。选 用 运 放 芯 片 NE5532，模 块 如 图 5 所 示。
图 6 功率放大模块
间距、方位等因素决定的发射线圈与地下导体间互
感系数。
将地下导电体看成由电阻 Ｒ 和电感 L 组成的
串联闭合回路，那么在该闭合回路中产生的感应电
流为： I2 = Ｒ +ejwL。
将感应电动势代入到 I2 中，可得：
I2
=
－ jwMI1 Ｒ + jwL
=
－ MI1 （
Ｒ2
w2 L + w2 L2
+ j Ｒ2
分量为 0。在管线两侧，水平分量随着距离的增大
而减小，垂直分量会出现两个最大值，这时管线的埋
深正好等于最大值点到管线上方的距离。通过这些 性质，就可以对金属管线进行定位和探测［3］。
2． 2 夹钳法
夹钳法是在被测金属管线上套上环形夹钳，通
过夹钳形成的环形磁场直接耦合到被测管线上，从 而产生较强的感应电流，用接收机接收被测管线的 信号［4］，如图 1 所示。对于作业区，被探测的管线有 露点。此外夹钳法信号强，定位，定深精度高，有明 显的优 点。考 虑 到 实 际 工 程，设 计 了 一 个 内 径 为 70mm，外径为 100mm 的超微晶磁环，如图 2 所示。 将其套在金属管线上进行准确探测。
Li Changxing，Chen Lingling
（ Xi＇an Petroleum University Institute of Electronic Engineering，Xi＇an 710065，China）
Abstract： The detection for the metal pipeline in close space is a big problem to be solved in the pipeline detection technology． Through the analysis of the project，a transmitter of the metal pipeline detector in close space，based on the principle of electromagnetic method，is designed． The transmitter， using the clamp method，uses STC12C5410AD MCU as a control chip，and integrates chip technology and harmonic capacitor technology to realize the intelligent control of the transmitter． Four kinds of optional transmitting frequency are chosen，the transmitted power adjusted between 0W to 50W，and the frequency of the signal and power can be displayed in real time． The experimental analysis result shows that the transmitter indicators meet the actual detection requirements of the engineering metal pipeline in the different conditions．
图 7 发射电路
4 系统软件设计
发射机软件部分主要有信号产生、电源检测、按 键扫描及显示模块等，采用 C 语言编写。主程序框 图和信号产生模块如图 8 和图 9 所示。下面就主要 的信号发生模块进行分析。
口数据输入、串口时钟输入和控制信号输入，单片机
通过对这三个串口进行写操作，产生所需要的频率
信号。输出正弦波频率为：
fout
=
MΒιβλιοθήκη Baidu
× fMCLK 228
其中 fMCLK 为 外 部 时 钟 信 号 的 频 率，取 fMCLK = 106 Hz，M 为频率控制字［6］，根据四种频率信号分别
计算出对应的频率控制字，通过软件编程输出所需
2期
就形成串联回路。
李长星等： 近间距金属管线自动探测仪发射机设计
·91·
AD9833。要开始一个串行数据传输，FSYNC 必须置 低，数据通过 16 个 SCLK 下降沿被移位进移位寄存 器，在第 16 个下降沿后 FSYNC 才能高。对于频率 产生模块，在程序中通过 AD9833 的公式算出频率 字，由于频率寄存器为 28 位，在送数据时分两次送， 第一次送频率控制字数据的低 14 位，第二次送频率 控制字数据的高 14 位。当按下一个按键时，该按键 对应的频率送到 AD9833 的模块代码中，从而得到 该频率的波形，并显示在液晶屏上。
解决复杂地区的管线探测、排除干扰源等一些问题，
即“趋肤效应”。
电磁感应法的实质是将地下导电体看成由无限
多的环状闭合导电回路或线圈一起所组成的，是探
测地下金属管线的主要方法。电磁法探测地下金属
管线时，发射线圈供以交变电流，在其周围建立交变
磁场，即所谓的一次场。管线在交变磁场的激励下，
形成交变电流，并在管线周围再次形成交变磁场，此
控制 12864 液晶屏实时显示发射信号的频率、功率
以及电源电量。
3． 2． 1 信号产生模块
在金属管线探测中，我们选用了 5kHz、10kHz、
20kHz、38kHz 四个频率点，因此选用低功耗、可编程
的波形发生器 AD9833 产生不同频率的信号，其原
理如图 4 所示。SDATA、SCLK 和 FSYNC 分别为串
图 3 发射机系统框图
STC12C5410 作为系统控制芯片自带 A / D 转换
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微处理机
2015 年
口，在该设计中可做电源电压检测。通过分压电路
将电源电压分压，再经过相应的滤波和保护电路送
到单片机的 A / D 转换口，将电压的模拟值转换成数
字值，通过液晶屏上的电池图标显示电源的电量。
3． 2 关键硬件电路的实现
正弦波，经过 DDS 专用功放模块对信号进行功率放 大，从而实现远距离的金属管线探测。该功放模块 采用 TDA2030A 芯片，使仪器的发射功率可以达到 50W 且可调。对于显示模块，采用 12864 液晶屏， 能实时显示发射信号的频率和功率。对于电源模 块，选用常见的 12V 充电蓄电池和 220V 交流电作 为电源，从而满足不同条件下的使用。对于充电电 池，该发射机具有电源电压检测功能，通过 AD 转换 使电源的电量显示在液晶屏上，当电源电压低于一 定值时，提示充电。
场称为二次场，通过测试二次场的变化来探测金属 管线［2］。
将 I1 = I0 ejwt 交变电流加入发射线圈中，在周围 产生足够强的一次交变磁场 Hi = H0 ejwt。则感应电 动势在地下金属管线中形成，即：
e
=
dφ dt
=
－ M dt1 dt
=
－ jMwI1
式子中，M 是由发射线圈及地下管线的形状及