电缆路径检测仪的原理及改进设计

《电缆路径检测仪的原理及改进设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电缆路径检测仪的原理及改进设计（71页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作第一章 绪论11.1引言11.2发展过程11.2.1 传统技术的应用11.2.2现代新技术的应用41.2.3在我国电缆路径检测仪三个阶段51.3今后发展方向111.4 本章小节13第二章 电缆路径检测的原理152.1音频信号发生器152.2音频信号接收172.3电缆路径识别的原理192.3.1带电电缆磁场分析192.3.2电缆路径探测的原理222.4本章小节27第三章 电缆路径检测仪的改进方法293.1 电磁法探测的原理293.2电缆路径仪的定位方法293.3电缆路径仪的测深方法303.4 电缆路径检测仪的改进方案313.5本章小节37第四

2、章 电缆路径检测仪改进的硬件设计394.1 信号预处理电路394.2 A/D转换电路414.3显示电路454.4扩展键盘电路484.5GPS系统的设计554.6本章小结58第五章 软件及仿真595.1 电路仿真软件EWB特点及功能简介595.2系统主要部分电路的仿真605.3本章小结61第六章 结论63谢辞65参考文献67第一章 绪论1.1引言电力电缆路径检测技术及仪器的发展经历了一个相当长的过程。由于我国基础工业及电缆制造水平的滞后，使得电缆故障率普遍较高，反而促进了电缆路径测试技术在我国得到了较大的发展和突破。电力电缆路径的检测是一个世界性的课题。上个世纪三十年代，国外刊登了一篇论文电缆中

3、击穿点故障之探测，首先提出了用高压冲击来使故障点放电，用冲击电流表粗测电缆路径的论点，这一观点为以后电缆检测技术的发展和手段的丰富奠定了基础。 电缆路径检测设备是伴随着先进电子技术的出现而诞生的。电缆路径检测技术的发展经历了一个漫长的过程。上个世纪七十年代以前，主要是采用电桥法和低压脉冲法（又称时域反射法）。电桥法及低压脉冲测距法在测量电缆的接地故障和开路故障方面，可以说是相当完善了。然而对于高阻故障（泄露高阻和闪络高阻）的寻测，采用上述方法则是无能为力的，尽管后来出现了用高压电桥（输出高压10kV）测高阻故障，但大多还需“烧穿”，故障可测率很低。在国外，六十年代末期英国首先研制出了世界上第一

4、台电缆故障闪测仪。我国在七十年代初期由西安电子科技大学（原西北电讯工程学院）和西安供电局联合研制出了我国第一台贮存示波管式电缆故障检测仪DGC711，后来又相继推出了改进型仪器。12发展过程1.2.1 传统技术的应用所谓传统技术是指用电桥法来解决电缆故障的方法，我国第一代电缆路径测试方面的专家们均熟悉并熟练掌握了此项技术，现在使用此方法的人已不多见。无论是电阻电桥法，还是电容电桥法，甚至后来的高压电桥法，缺点是要求电缆必须有一个好相，若三相均坏则无法组成“桥”根本不能进行测试。1、电阻电桥法：上个世纪七十年代以前，世界各工业发达国家都广泛采用此种方法，被称为“经典”方法。几十年来几乎没有什么质

5、的变化，对于短路故障及低阻故障的测试甚为方便。图1.1电阻电桥法测试连线图图1.2 等效电路电阻电桥法顾名思义，即利用电桥平衡原理，以电缆某一好相为臂组成电桥并使其达到平衡，测量出故障点两侧段电缆的直流电阻值，同时将电缆视为“均匀的传输线”，那么电阻的比值与电缆长度的比值成正比，以此推导出故障点距测试端的距离（在此略去计算公式的推导，只给出结论）即： 其中：R1、R2为已知电阻，通过上式可以看出，只要知道电缆的准确长度L全长，就能精确算出故障点的距离。2、电容电桥法： 当电缆是开(断)路故障时，若再采用测量电阻电桥法将无法测出故障点的距离，因为直流电桥测量臂未能构成直流通道。在此只能采用交流电

6、源，根据电桥平衡原理测量出电缆好相及故障相的交流阻抗值。由于电缆被视为“均匀的传输线”，其上分布电容与电缆长度成正比，以此推算出故障点的距离（在此略去计算公式推导，只给出结论）即：其中：R1、R2为已知电阻，图1.3电容电桥法测试连线图图1.4等效电路依据上式，已知电缆全长就可算出故障点距离。由于此类故障实际中出现机会较少，所以不常使用。3、高压电桥法：电阻电桥法和电容电桥法解决的电缆故障类型很单一，局限性很大。通常电缆出故障往往都是综合性的，而且大多数故障都是泄漏高阻(已形成固定泄漏通道的一类故障)或闪络高阻(未形成固定泄漏通道的一类故障)。为了解决实际面临的难题，人们想到了通过提高直流电桥

7、输出电压(通常可达10kV)，使故障点击穿，形成瞬间短路，测量出故障点两侧段电缆的直流电阻值，推算出故障点距离，即：其中：R1、R2为已知电阻高压电桥法测电缆故障连线图与低压电阻电桥法相同。此种方法的优点是再也不用“烧穿”法先降低故障相绝缘电阻，使其变成低阻才能测试，即大家常形容的“边烧穿边粗测”。1.2.2现代新技术的应用 通过前面的分析，我们了解到电桥法实质上只能解决电缆部分故障的测试。而电缆的故障千奇百怪，三相全坏的情况常有发生。为了解决诸多难题，同时也为了方便各种故障的测试，因此，通过西安电子科技大学(原西北电讯工程学院)和西安供电局科研人员的合作攻关，我国才有了真正意义上的电缆故障检

8、测仪。 仪器的基本原理应用了微波传输(雷达测距)理论，即脉冲法。无论低压脉冲法还是高压脉冲法均是依据微波在“均匀长线（电缆）”传输中，因其某处(故障点)特性阻抗发生变化对电波的影响来微观地分析电波相位、极性及幅度等物理量的变化，来测得电波传输到故障点的时间再计算出故障点的距离。即： 其中：v 电波在不同介质电缆中的传输速度。t 电波从始端到故障点再返回始端的时间。1.2.3在我国电缆路径检测仪三个阶段1、 脉冲回波返射法之电子管、晶体管阶段。 我国第一台电缆路径检测仪DGC711可以等同于一台示波器，因为其电路与一般脉冲示波器相似，所不同的是采用了贮能示波管。利用其可有限保持瞬时暂态信号波形的

9、特性(通常可保持十几秒钟)来观察故障点放电时所采集的电压波形，用照像机拍照记录再分析冲洗出的照片上的波形，以此计算出故障点的距离。为了分析方便，仪器在同屏显示中设计了光标尺(电刻度波)。所以，直到今天还有专家采用存贮示波器测电缆故障皆缘。图1.5 DGC711电缆故障测试仪面板显示部分示意图线路输入图1.6 DGC711闪测仪基本原理框图基于当时的技术及元器件水平，DGC711全部由分立元件组装而成，因此，各项功能均采用手动切换。做高压脉冲测试时（闪络）取样方式也和国外一样，采用电阻分压法。主要技术指标：测试距离：10km测试盲区：30m仪器电源：220V 50Hz图1.7 DGC711电缆仪

10、高压脉冲法(冲闪法)测试连线图图7中R1分压电阻常用水电阻(约51K)，才能满足大功耗宽电压范围的要求。小电感L(或R)是用于取出故障点闪络波形，故称为冲L(R)法。(电力电缆故障粗测方法将另文论述，在此不再赘述)。上世纪70年代第一代电缆路径检测仪的研发成功填补了我国当时在此领域的一项空白，发挥了相当大的作用。但测试精度差、误差大、笨重、不易操作、贮存示波管易老化等是此阶段仪器的重要缺陷。随着电子新技术的出现，人们对仪器提出了更高的要求，创新势在必行。2、 单片机技术用于电缆路径检测阶段 上世纪90年代初期，国内电缆路径检测仪在电路设计中大多采用了CPU处理器、高速的A/D转换器、单片机编程

11、控制等新技术，初步实现了半自动化。与第一代电缆故障测试仪相比，此阶段电缆故障检测仪在信号处理技术上是图1.8 电缆仪基本原理框图是一个大的飞跃。它充分利用微处理器庞大的数据处理功能及丰富的软件，彻底改变了原来用贮存示波管观察瞬态模拟波形，用人工估读故障波形距离的传统方法，做到了一次采样获得的瞬态波形可以永远显示、保存，并且用光游标自动跟踪故障特征波形，自动换算故障点距离，自动数字显示，自动打印等。还可以根据不同种类的电缆电波传输速度自动修正测试距离。可以说基本上实现了电缆故障测试半自动化、半智能化，提高了仪器的可靠性、稳定性。读数误差减小，测试精度明显提高。图1.9 电缆故障测试仪面板示意图主

12、机性能虽得到了大幅度改善和提高，但又一个遗留的难题并未解决-高压分压取样方式。继续延用水电阻分压，意味着在高压脉冲的测试中若主机接地不良(或遗忘)、误操作、水电阻爆裂均会损坏仪器，严重时造成人身伤害。图1.10 高压脉冲法(冲闪法)测试连线图众所周知，在电缆故障粗测过程中测试电压的高低，取决于故障电缆绝缘损伤的程度，有时可能会升至34万伏才能使故障点击穿，获得波形。结果往往是仪器不能承受高压而损坏，甚至造成人身安全威胁，这就是为什么反复强调“四地一线”的安全重要性。目前生产这一类仪器的厂家很多，原理上没有大的改进，只是在原有技术的基础上增加了计算机接口，直流供电等功能。取样方式上也增加了用电流

13、法采集信号(如图10)。也有尝试搞数字式电缆故障检测仪的，即不再显示测试波形而直接数显距离。设计思路是可取的，但受测试对象(电缆)容性阻抗特性的影响，数显结果重复性差，无法确认，实践证明是不成功的。电桥法测试的安全性很高，所以有些制造厂家又回到了老路上，运用单片机技术及电子技术改造电桥，使其智能化。此类仪器采样频率在2025MHz，测试距离1520Km，测试盲区大多在1530米左右。3、 计算机技术之笔记本电脑阶段1硬、软件技术的改进 新世纪伊始，随着计算机技术的进一步发展，电脑走进了千家万户。人们不再满足于仪器的“简单”使用，于是就出现了信号采集和显示、分析等功能的分解。即通过前置器采样信号

14、并处理后送入笔记本电脑，在电脑上显示波形，采用专用软件完成对波形的分析、存取、阅读、比较等，给出最终的结果。这一时期的产品在采样频率上明显有了提高，最高达40MHz，大大提高了仪器的响应速度和分辩率,仪器的操作已趋鼠标化。 测试距离最大到40km，测试盲区15米左右。同时仪器采用了高集成化及SMT(表面贴装)技术，更加小巧，便携、可靠，实现“一包一箱”结构。图1.11 笔记本电脑型电缆仪组成框图图1.12 智能电缆仪原理框图软件方面由刚开始采用汇编语言过渡到高级语言编程，工作平台由DOS升级为Win 98，全中文视窗界面，软件功能强大而丰富，使人机对话进一步友好。2采样方式的改变图1.13 智

15、能电缆故障检测仪测试连线图如图13所示，由于采样频率的提高(40MHz)和信号采集技术的创新，新的取样方式感应式应运而生，实现了测试与高压完全隔离，人身的绝对安全。困扰了多年的因误操作及地线不良（或遗忘）而烧坏仪器的现象从此不复存在，这创新称得上信号采集方式的一次“革命”。2测试波形的改变二代电缆路径检测仪由于采用高压分压，电感取波形(冲L法)方式，（如图10所示）在故障点击穿时，实质上是一个LC的振荡电路，所以故障点放电的电压波形往往是叠加在余弦大振荡波上，并且很容易被淹没。改用新一代检测仪及感应法取样后波形基本处于同一水平基线(波形形成原理将另文论述)，而且会反映出多个周期，分析时可选取更

16、为理想的一个周期波形，使人为的读数误差减至最小。同时增加了同屏双波形显示，即测试区域放大波形及全貌波形同时记录、显示，加之现有的各种比较波形功能，使用起来将更加容易、快捷。第一、 波形比较见图14 图15冲闪法测试波形展开波形图1.14 第一、二代仪器高压脉冲法测试波形图1.15 FCL系列智能型电缆故障检测仪高压脉冲法波形3精测设备-定点仪技术的改进由于电缆故障点在被击穿后产生电磁波和声波，因此传统方法是接收两者信号并处理放大，通常电磁波强度用指针式电压表指示，声波则通过耳机输出，两者均为最大(强)时即为故障点，这种接收技术被称为“声磁同步”法。定点仪新技术中对电磁波进行了更细的分解。由于电

17、磁波在空气中的传输速度比声波快，通过计时电路记录两者到达的时间再经逻辑运算给出故障点距离。1.3今后发展方向1、虚拟仪器概念的建立。上世纪90年代未期，随着计算机技术、网络技术、微电子技术、大规模集成电路技术的迅猛发展和笔记本电脑的广泛应用，出现了数字化仪器和智能仪器，国外提出了“虚拟仪器”的设计思路。大家知道，传统仪器一般是一台独立的装置。从外观上看，它一般由操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几个部分组成。操作面板上一般有一些开关、按钮、旋钮等检测结果的输出方式有数字显示、指针式表头指示、图形显示及打印输出等。从功能方面分析，传统仪器可分为信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与

18、输出这几个部分。传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般是固定的，用户无法随意改变其结构和功能。 传统仪器大都是一个封闭的系统与其它设备的连接受到限制。另外，传统仪器还是没有摆脱独立使用和手动操作的模式，在较为复杂的应用场合或测试参数较多的情况下，使用起来就不太方便。这三方面的原因，使传统仪器很难适应信息时代对仪器的需求。那么如何解决这个问题呢？可以设想，在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部功能，所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器

19、以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。2、计算机技术之虚拟仪器、网络时代。图1.16虚拟仪器之全智能电缆仪组成图基于以上设计思路，全智能电缆故障检测仪主要技术及功能特点有：1） 虚拟仪器界面，所有操作均鼠标配合快捷迅速完成，人机界面友好，领导电力检测仪器主要潮流。2） 可远程技术服务，升级软件。3） 全套仪器采用SMT（表面贴装）技术及元器件、高集成化，一包（笔记本电脑）、一箱（高级铝合金箱）式结构，在国际、国内市场体积最小、便携性最好。4） 真正的一机多功能。所配高档笔记本电脑，也可用于多种智能检测仪器的自动控制，完成办公自动化、学习、娱

20、乐等各种电脑所能完成的工作，大大提高了设备的利用率。5） 进入虚拟的仪器界面，无需任何操作，自动联机，支持热插拔（USB接口），单键采样，四波形显示（测试区域放大波形、全貌波形、全长脉冲或任一测试波形，接头位置任意输入）简单、直观。6） 自动电源管理，电源具有过流、过压、过充、过放等完善的保护功能，对锂电池的使用安全、高效。7） 先进的自动同屏四波形比较功能，测试波形与压缩波形比较，测试波形与接头位置比较，测试波形与全长波形比较等，加之内存的实测波形图册，大大提高了复杂波形的分析正确率。8） 电脑硬盘容量大，提供各种网络接口，可存储、打印、上网。轻松满足各种需求如下图9）“蓝牙”技术应用“蓝牙

21、”（Bluetooth）是一种用来创建智能无线电通讯的新技术，使用这种技术可以取代连接各种各人计算设备的大部分的电缆。作为蓝牙技术最基础的应用，蓝牙技术将展示一个无线连接的世界。“蓝牙”技术若移植到虚拟仪器之全智能电缆故障检测仪上，则可实现无限上网、电子邮件发送、远程在线控制等，真正作到与用户无限相联，通过网络解决现场遇到的难题。1.4 本章小节本章主要对电缆路径检测仪的发展过程和历史进行一个初步的介绍，让我们从直观上认识了电缆路径检测仪的发展过程，使我们对其有了一个出不得了解和认识。第二章 电缆路径检测的原理电缆路径检测是电缆故障检测过程中一个非常重要的环节。一方面，电缆故障距离测定之后，要

22、根据电缆的路径和走向来判断电缆故障点的大概位置，电力电缆大多是直埋式或埋设在电缆沟中，电缆敷设之后，其上方往往是道路或耕地或者是围墙等临时性建筑，在现场应用过程中，我们发现大多数电缆敷设资料不全，因此在电缆故障检测中要用专门的仪器测量电缆路径：另一方面，故障点精确测定技术一般都需要首先精确测定电缆路径，把故障点从二维平面坐标限定在一条曲线上，然后再精确定点；其次，某些情况下，电缆敷设深度不同，需要用电缆路径识别技术确定电缆深度，从而把故障点限定在三维空间的一条曲线上。从电缆的一端注入音频信号，检测该电缆上方地面上的磁场可以确定电缆路径，利用这种原理制作的音频信号发生器和音频信号接收机可进行电缆

23、路径识别177-8U。21音频信号发生器 音频信号发生器为电缆路径探测提供信号源，26kHz正弦波，最大输出功率25W，可连续工作，或以2秒的周期断续工作，输出阻抗分为16()、256Q、1kQ、10k()与30k()共5档，工作电流连续可调。图2-1(a)和2-1(b)分别是该音频信号发生器的内部结构图和外观。音频信号发生器原理图如图2-2所示。 1电源: 音频信号发生器共需要6个直流电压，分别是为正弦波发生器供电的5V，为功放供电的25V，为断续工作振荡器供电的+15V电源和为风扇供电的+12V电源。为了减小电源对信号的干扰，采用线性电源供电。2波形发生: IC2为一标准正弦波信号发生器，

24、产生频率为26KHz、幅值为5V的标准正弦波。改变R6的值可以调节正弦波的频率。3断续工作方式:音频信号发生器有连续和断续两种工作方式，实际使用中大多采用断续工作方式。ICi是一个振荡器，产生一个占空比5帆，频率0。5Hz的方波信号，工作方式的选择通过开关K2完成，K2安装在仪器面板上，当K2置于1位时，Q1断开，正弦波发生器产生的正弦波信号通过隔直电容C7将信号传送给放大电路，仪器工作于连续状态，当K2置于2位时，Ql被定时闭合和断开，当Q1闭合时，正弦波不会通过C7传送到下一级，仪器没有信号输出，当Q1断开时，正弦波信号通过C?传送给下一级，仪器有正弦波输出，从而实现仪器的断续工作。4工作

25、电流调节: 通过电位器RWl实现输出工作电流的连续调节。 5功率放大及输出: tC4是一个功率放大器，该功率放大器最大输出功率25W，最大输出电流4A，可驱动8Q和16Q负载，功率放大器输出通过变压器输出，变压器输出共有5级，用多路转换开关在不同的输出之间切换，可实现负载阻抗匹配。由于功率放大器损耗较大，因此需增加一个散热器。 图2.1音频信号发生器的外观及内部结构图2.2音频信号发生器原理图2.2音频信号接收 路径探测过程中的信号接收任务由音频信号接收机来完成。音频信号接收机与电磁探头配合，可以接收由音频信号发生器通过电缆传过来的电磁感应信号，也可以接收直流高压对故障点击穿时产生的电磁信号，

26、与声音探头配合，可以接收直流高压对故障点击穿时产生的声音信号，磁场判断法的接收机。 信号接收机磁探头的原理与结构示意图如图23所示。信号接收机的的外观如图24所示。图2.3磁探头原理与结构示意图音频信号接收机的原理如图2-5所示，探头接收到的音频信号(cH”共经过两级滤波和三级放大，最终分为两路信号，一路作为电流显示(uA)，另一路作为耳机输出(CH2)，具体电路不做具体分析。图2.4信号接收机的外观图2.5信号接收机原理图23电缆路径识别的原理 尽管音频信号发生器和信号接收机原理很简单，但要很好地使用音频信号发生器和信号接收机探测电缆路径，必须对电缆周围的电磁场分布有充分的了解。231带电电

27、缆磁场分析 电缆路径的是通过检测电缆上方地面上的磁场进行的，为了更准确的阐述电缆路径识别的原理，我们首先简单分析一下带电电缆的磁场，这里所讲的带电，并非专指电缆工作中的带电，而包括以各种方式给待测电缆注入电流。一、相地连接时电缆的磁场 相地连接如图2-6所示，指将信号源接到待测电缆的一相导体与电缆的金属护套外皮之间，经电缆末端的短路环或故障点形成回路。相地连接的等效电路如图2-7所示，相地连接时主要存在着两个电流回路，一个是导体与外皮形成的回路，另一个是外皮与大地构成的回路，两个回路之间有互感M产生的磁耦合以及互阻抗造成的电耦合。电源施加在导体与皮之间的回路里，产生电流i；由于有电磁耦合，在外

28、皮与地之间的回路产生电流i，这样导体、外皮与大地中的电流分别是J、i-i及j，。电流j，的大小与信号的频率、电缆的材料及周围介质等因素有关，它是随着频率的增加而减少的；对一般的电力电缆来说，在数千赫兹的频率范围内，电流j钓为的10左右。电缆周围的磁场是由和产生的磁场迭加而成的，但由于电缆的导体被包在具有良好屏蔽作用的金属外皮中，因此，地面上能测到的电磁场主要是有广产生的。图2.6 相地连接接线图大地中返回电流的分布比较复杂，我们用等效载流导体的方法对之进行分析，理论分析表明，在研究磁场的分布时，可用在电缆下距离为A的一载流导体来近似等效大地返回电流，如图2-8所示，1的大小取决于信号的频率、电

29、缆的埋设深度及周围大地化学成分及湿度等因素。大地和地面上的空气导磁率均接近真空中的导磁率，电缆周围的磁场可以近似看成电流为的距离为A的上下平行的载流导体产生的合成磁场，其磁力线如图2-9所示，如果电缆是与地面平行敷设的，在电缆的正上方磁力线与地面平行而与电缆走向垂直，在电缆的正上方磁场强度达到最大值。图2.7大地电流磁场分布二、相相连接时电缆的磁场 相相连接是指将信号源接到待测电缆的两相导体之间，两个相导体与电缆末端的短路环或故障点形成回路，如图2-10所示。为了保证电缆三相阻抗参数的平衡，减少对外的电磁影响，电缆的三相导体实际上是沿电缆敷设方向扭绞前进的，两个导体之间的相对位置是沿电缆变化的

30、，因此造成了地面上的磁场也是沿电缆变化的，具体取决于导体所在平面与地面的相对位置。在两个通电导体所在的平面处于与地面垂直的位置上时，地面上的磁场分布与图2-9所示相地连接时的磁场类似，不过由于两个导体之间的距离很小，值非常小，而且由于外皮的屏蔽，在电流相同的情况下，相相连接时地面上磁场强度要比相地连接时小得多。当两个导体所在的平面与地面平行时，地面上的磁场分布如图2-11所示，两个导体产生的磁场在电缆的正上方迭加使磁场强度达到最大值，而在稍偏离电缆正上方的位置上两个导体产生的磁场相抵消使磁场强度急剧下降。磁力线在电缆的正上方进入地面。当两个导体所在平面与地面成一定夹角时的磁场分布如图2-12所

31、示。图2.8平行导体相连接时的磁场分布图2.9成夹角时的磁场分布232电缆路径探测的原理 通过各种耦合方式，向被测电缆中注入交变电流，在被测电缆周围产生具有一定分布规律的电磁场，通过电缆上方电磁场的分布可确定电缆路径。 一、信号耦合方式 根据电缆的阻抗特性以及电磁场信号测量的方便性，电缆路径识别所采用的交变电流信号频率一般为音频信号，频率范围从几十Hz到十几EHz不等。音频信号的产生方法在下一节中叙述，本接讨论音频信号的注入方式。 音频信号注入电缆的方法主要有两类，一类是电流耦合，另一类是电感耦合，根据不同的应用场合，每一类耦合方式又可分为若干种接线方法。(一)电流耦合 将音频信号发生器直接接

32、入被测电缆的耦合方式。电流耦合有两种接线方式。图213是电流耦合的两种接线方式。 方式一的接线中，音频信号发生器输出的一端接电缆的一根芯线，这根芯线的另一端接地，音频输出的另一端直接接地。这种接线方式中电流从芯线注入而从大地返回。 第二种接线方式中，音频信号发生器输出的一端接电缆的一根芯线，这根芯线的另一端接电缆外皮，音频输出的另一端接电缆外皮。这种接线方式中电流从芯线注入而从大地返回，电缆上方的电磁场是芯线与外皮所产生磁挚的差分结果，因此，总的电磁场强度较弱。多芯电缆中使用这种接线方式的话，应该选用最外面的一根芯线。图2.10电流耦合方式接线(二)电容耦合 与电流耦合类似，在电容耦合法中音频

33、信号发生器的输出直接接到电缆上，其接线及电缆上方电磁场强度分布如图214所示。这种接线方式中，音频信号可从两根芯线之间注入，也可在一根芯线与外皮之间注入，在实际测量中最好接在一根芯线与外皮之间，以保证磁场的强度。在音频信号发生器的两个输出之间没有导体连接，而是依靠芯线跟外皮之间的容抗注入电流，电缆上方的磁场强度与电缆内部的电流成正比，沿电缆长度方向逐渐减小，在电缆的另一端，电缆上方的电磁场强度几乎无法测量，因此使用这种接线方式时，只能测量电缆全长的45左右。注入电缆的电流大小与电容量和频率有关，增加音频信号发生器的频率可以增加注入电缆的电流，也可以将多根芯线并联使用，以增加电容量，从而增加注入

34、电缆的电流。图2.11电容耦合的接线图(三)电感耦合 电感耦合是间接耦合方法，可用于不能应用直接耦合的场合，例如刁；能直接接触的电缆或者运行电缆等等。如图215所示，电感耦合可以有两种不同的接线方式。 方式一的接法将音频信号发生器的输出线绕在待测电缆的铅皮周围，耦合圈数为57圈。通过耦合线圈向电缆发射信号，电缆可视作一电感，产生感生电动势和感生电流，通过电缆向周围发射电磁波。间接式连接方式，可以在不停电的情况下进行路径测试，在某些不允许停电的电缆需要测试路径时，可以用此连接方式。这种方式的缺点是电磁波在向前传播的过程中损耗大造成测寻距离不远，一般在一公里以内。 方式二的接法通过一个变压器铁芯将

35、电磁场信号耦合到电缆中去，变压器铁芯必须放置在被测电缆的正上方，这种测试方法不需要对地下电缆进行开挖，使用方便，但如果地下有多条电缆存在时，没有选择性，距离信号发生器较近的位置无法使用，也不适合测过长的电缆。图2.12电感耦合方式接地二、电缆路径的确定 通过各种耦合方式，在电缆周围产生交变的电磁场上方地面上的电磁场分布可以确定电缆路径。通过测量电缆利用接收线圈在地面上接收磁场信号，在线圈中产生出感生电动势，信号放大后，通过耳机、指针或其他方式进行监视。随着接收线圈的移动，信号的大小发生变化，由此，可判断出电缆路径。信号的强弱通过联接在接收机上的耳机以及信号强度指示表头的显示来确定，根据探测时磁

36、场信号曲线的不同，探测方法分为最大法与最小法两种，最大法又称音峰法，通过寻找信号最强的特征点确定电缆路径，最小法又称音谷法，是通过寻找电磁场信号最弱的特征点确定电缆路径的。各种电流注入方式最终都会在电缆周围产生一个交变的磁场，以相地接线方法为例，当电缆深度远大于电缆直径时，电缆周围的磁力线分布可以近似地看作是以电缆截面几何中心为圆心，垂直于电缆走向的一组同心圆，当接收机线圈与磁力线以不同的角度放置是，在垂直于电缆走向的方向上左右移动，接收到的电磁场信号分布不同，最大法和最小法的测试原理如图2-16所示。图2.13接地时确定电缆路径的方法图2-16相地连接时确定电缆路径的方法 图2-16(a)所

37、示为最大法电缆路径探测，使接收机的接收线圈平行于地面并与电缆走向垂直，慢慢移动接收线圈，在线圈位于电缆正上方且垂直于电缆时，穿过线圈的磁力线最多，接收到的信号最强，继续移动线圈时，信号又逐渐减弱，信号最强点所指示的位置即为电缆所经过的路径。 图2-16(b)所示为最小法电缆路径探测，使接收机的接收线圈垂直于地面或平行于电缆走向，慢慢移动接收线圈，接收到的信号强度为一马鞍形分布，在线圈位于电缆正上方时，磁力线与线圈平面平行，没有磁力线穿过线圈，线圈内无感应电动势产生，接收到的信号很微弱。然后将线圈先后向两侧移动，就有一部分磁力线穿过线圈，产生感生电动势，信号强度逐渐增加，当移动到某一距离时，信号

38、最强，再往远处移动，信号又逐渐变弱。马鞍形曲线谷点所对应的测试位置即电缆所经过的路径。 相相连接时电缆路径探测的原理与相地连接时是类似的。由于电缆导体的扭绞，地面上磁场的分布沿电缆的路径是变化的，最大法与最小法的应用有所区别。当两个通电导体所在的平面与地面垂直时，电缆上方磁场的分布规律与相地连接时是一致的，前面介绍的最大法与最小法是适用的。两个导体所在的平面与地面平行时，其地面上磁场分布规律如图217(a)所示，由于磁力线在电缆的正上方进入地面，造成信号强弱分布曲线与相地连接时情况恰恰相反。在线圈与地面垂直放置时，在电缆正上方穿过线圈的磁力线最多，信号最强，在线圈与地面平行放置时，在电缆正上方

39、穿过线圈的磁力线最少，信号最弱，如图2-17(b)所示。图2.14两导体平行时的电缆路径确定(三)电缆深度探测 在电缆故障检测过程中有时需要知道电缆的深度，利用音频信号发生器和接收机配合，可以很方便地确定电缆埋设深度。如图2-18所示，将电缆按相地连接法连接，用最小法测得电缆正上方位置A点，然后将线圈倾斜，使之与地面成45角(垂直于电缆的走向)并沿与电缆垂直的方向向左或向右移动，找到信号最弱点B和B，在这两个位置上，线圈的轴线与磁力线垂直，穿过线圈的磁力线最少，接收到的信号强度最小。一般情况下AB之间的距离上AB之间的距离如和电缆埋设深度2大小应该相等，在实际测量过程中我们发现用i上批作为测量

40、结果更接近于实际情况。图2.15电缆埋设深度的检测2.4本章小节本章主要是对电缆路径检测的原理作了一个大概的介绍，描述了音频法测路径的基本的过程，并且对其它的方法也做了介绍，为下一步改进提供了原理上的依据第三章 电缆路径检测仪的改进方法3.1 电磁法探测的原理地下敷设的电缆与周围的土壤介质在导电性、导磁性、密度或其他理化性质上存在差异,故能被探测、识别和区分。目前电缆探测方法大致有电磁法、直流电法、地震波法、放射性跟踪法和地质雷达等, 其中电磁法因探测准确度高、抗干扰能力强、适用范围广、操作简便、成本低、效率高而最常用。电磁法利用电磁感应原理。专用发射机将一定频率的信号电流I 施加(直连或感应

41、) 于待测电缆,使其周围空间产生电磁场 ,其磁场强度H= KI / R ,式中K 为场强系数, R 为电缆周围任意一点P 距电流中心的距离, Hx 、Hz 分别为H 的水平、垂直分量。用接收机在地面上测量H及其分布便可确定被测电缆的位置和埋深,实现其定位。图3.1电磁法探测的原理图3.2电缆路径仪的定位方法(1) 从发射机的连接方式角度可分为3 种方法:直连法发射机一端接地,另一端接到不带电的被测电缆上,从而将发出的信号直接加到被测电缆上。此法的信号强、定位和测深准确度高,易分辨相邻电缆(见图2) 。夹钳耦合法将电缆路径仪配备的夹钳夹套在电缆上,通过夹钳的感应线圈把信号直接加到电缆上。此法的信

42、号强、定位和测深准确度高,尤其是运行中的电缆不需停电便可测试(见图3) 。磁感应法发射机放在电缆上方,发射线圈产生的电磁场在电缆中感应出电流,从而在电缆周围产生二次电磁场,它被接收机接收到后即可定位电缆。此法的发射、接收均不需接地,操作灵活方便,效率高,效果好,可用来搜索电缆,但在电缆紧邻或密集的场合应慎用(见图4) 。上述3 种方法可有效地定位已知电缆,但若要定位未知电缆如施工前勘察工地,就需用另一种方法盲查。盲查需由一人手提发射机,另一人操作接收机,两者相距约12 m 一起平行横向走过被测地区,经过地下电缆时接收机指示电缆存在,操作者就在搜索路线上标出各电缆的位置。横向搜索完成后方向改变9

43、0,再纵向搜索同一地区(见图5) 。两个方向搜索结束后回到出发点,再用磁感应法(见图4) 跟踪各标出的电缆。(2) 从接收机的定位方式角度可分为两种方法: 极大值法用水平线圈测量二次电磁场的水平分量Hx ,因电缆正上方Hx 最大,故出现最大值的水平线圈正下方投影位置上即为电缆。此法的磁场幅度大且宽,易发现电缆(见图6) 。极小值法用竖直线圈测量二次电磁场的垂直分量Hz ,因电缆正上方Hz 为0 ,故出现极小值的竖直线圈正下方投影位置上即为电缆。此法的定位准确度高且受附近电缆影响较大(见图7) 。故可先用极大值法找到电缆大致位置,再用极小值法精确定位。3.3电缆路径仪的测深方法常用的测深方法有两

44、种: 直读法利用上下两个线圈测量电磁场的梯度从而确定电缆埋深。在接收机中设置测深按钮,用指针表头或数字显示器直接读出电缆的埋深。此法较简单、方便、快捷,但在电磁场信号弱时误差较大(见图8) 。45测深法先精确定位电缆位置,再将探测线圈与地面成45角并沿电缆方向横向移动,找到“极小值”点,此点与定位点间的距离l1 或l2 即等于电缆的埋深d。此法测深较准确,且可减小由磁场变形引起的误差(见图9) 。有时操作者想定位公用地沟中的某一导体,而发射机的信号可能感应到更浅或导电性好的导体,用深度按钮测量可能测得不合理的深度。这时用45法测量就可进一步确定多个导体及其深度,即先找到第1 根导体的深度,再继

45、续离开导体,标出各导体的深度,然后向另一侧移动(见图10) 。图3.2电缆路径的探测方法3.4电缆路径检测仪的改进方案电缆路径检测以主要应用电磁感应原理，把电缆产生的磁信号检测到，然后转换成电信号，然后对电信号进行处理计算等电路处理得到想要的检测结果。本方案采用六个传感器，这六个传感器共同工作，经过电路处理的到，方位，电流大小，深度，偏向等信息。线圈的分布结构如下图：3.3线圈分布结构示意图1号线圈的作用：一方面是在峰值模式的时候检测信号强度，另一方面与8号线圈配合检测电流电缆中的电流强度和电缆的埋藏深度。2号线圈与3号线圈的作用：一方面判断电缆埋藏的左右位置，另一方面是与4、5、8号线圈配合

46、工作判断罗盘偏向。4号线圈与5号线圈的作用：与2、3、8号线圈配合工作判断罗盘方向。6号线圈与7号线圈的作用：这两个线圈可以取其中任何一个，都是在谷值的模式下检测信号的强度。8号线圈作用：一方面与1号线圈配合测深度与电流大小，另一方面参与罗盘工作。系统原理图如下：图3.4系统的原理框图线圈将电缆中磁信号转换成电压信号，然后经过信号预处理电路将有用的信号提取出来并放大到合适A/D转换信号电压。经过预处理电路处理后的信号，然后在进行A/D转换，A/D转换由单片机控制，各线圈经过A/D转换后的数字信号在FPGA中进行计算，计算的结果送回单片机，GPS模块，显示模块以及外围接口也由单片机控制完成。图3

47、.5信号预处理电路原理框图在信号的预处理电路中，线圈的电信号首先进行初级放大，然后经过50Hz的陷波电路将最主要的干扰滤除掉，然后在经过多级放大，将信号放大到适合检测的范围，然后在经过一次滤波将信号中其它频率的干扰滤除掉。在测50Hz频率时通过单片机控制多路开关选择50Hz带通滤波电路使其通过。通过单片机控制自动增益控制电路去实现多经放大电路的增益控制。下面是设计基本的显示界面：图3.6峰值模式显示界面图3.7谷值模式显示界面图3.8深度电流显示界面图3.9GPS显示界面图3.10深度检测的原理图1号线圈与8号线圈配合检测深度和电流强度的理论公式推导如下：电缆中信号电流为：则：当处于电缆正上方

48、时，1、8号线圈中产生的电动势为：其中，S为线圈的截面积，为电缆中信号的频率则：假设电缆在测试者的左边，手持测试仪旋转一周，2、3、4、5、8判断方向的原理图如下：小黑点代表仪器的正前方。图3.11罗盘的设计同理，电缆在测试者右边时的情况也应如此。当6号或者7号线圈检测的电压值为零是表示在电缆的正上方，罗盘显示如下：图3.12罗盘的设计23.5本章小节本章主要介绍了电缆路径检测仪的改进方法，首先介绍了电磁探测的原理和方法，接着以此为基础提出了改进的反感和方法，并且提出了罗盘的设计方案。第四章 电缆路径检测仪改进的硬件设计4.1 信号预处理电路图4.1信号预处理电路原理框图在信号的预处理电路中，

49、线圈的电信号首先进行初级放大，然后经过50Hz的陷波电路将最主要的干扰滤除掉，然后在经过多级放大，将信号放大到适合检测的范围，然后在经过一次滤波将信号中其它频率的干扰滤除掉。在测50Hz频率时通过单片机控制多路开关选择50Hz带通滤波电路使其通过。通过单片机控制自动增益控制电路去实现多经放大电路的增益控制。其具体的电路图如下图所示：图4.2信号预处理电路的电路设计图4.2 A/D转换电路A/D转换电路主要使用的是12位并行输出AD转换器AD7492。AD7492是AD公司推出的12位高速、低功耗、逐次逼近式AD转换器。它可在2.7V5.25V的电压下工作，其数据通过率高达1MSPS。它内含一个

50、低噪声、宽频带的跟踪/保持放大器，可以处理高达10MHz的宽频信号。 AD7492很容易与微处理器或DSP接口。输入信号从CONVST的下降沿开始被采样，转换也从此点启动。忙信号线在转换起始时为高电平，810ns后跳变为低电平以表示转换结束。没有与此过程相关的管线延时。转换结果是借助标准CS和RD信号从一个高速并行接口存取的。 AD7492采用先进的技术来获得高数据通过率下的低功耗。在5V电压下，速度为1MSPS时，平均电流仅为1.72mA；它还可对可变电压/数据通过率进行管理。在5V供电电压和500kSPS数据通过率下的消耗电流为1.24mA。 AD7492具有全部休眠和部分休眠两种模式，采

51、用休眠模式可以在低数据通过率时实现低功力量。在5V电压时，若速度为100kSPS，则平均电流为230A。AD7492的模拟输入范围为0REF IN。另外，该器件内部还可提供2.5V参考电压，同时，该参考也对外部有效。器件的转换速度由内部时钟决定。AD7492的主要特性如下： 额定电压VDD为2.7V5.25V； 高数据通过率：数据通过率为1MSPS； 功耗低：在5V电压下，数据通过率为1MSPS时，功耗一般为8.6mW； 输入频带宽；100kHz输入时，信噪比为70dB； 具有片内+2.5V参考电压； 具有片内时钟振荡器； 具有可变电压/数据通过率管理功能，转换时间由内部时钟决定。有部分和全部

52、两种休眠模式，采用休眠模式可在低数据通过率时使效能比达到最大； 带有高速并行接口； 具有柔性数字接口。通过设定VDRIVE引脚可控制I/O引脚上的电压； 休眠模式的电流一般为50nA； 无管线延时。是一个标准的逐次逼近式AD转换器，可在采样瞬间精确控制，采样瞬间借助于CONVST的输入和间隔停止转换来控制； 外围元器件较少，可优化电路板空间； 采用24引脚SOIC或TSSOP封装形式。 2 引脚功能 图1所示为AD7492的功能框图。图2为其引脚排列。各引脚的功能如下： CS：片选引脚。在CS和RD下降沿之后，系统把转换结果放在数据总线上。由于CS和RD连接在输入端的同一个与门上，因此信号是可

53、以互换的。 RD：读信号输入端。通常连接到逻辑输入端，以读取转换结果。若数据总线总是处于工作状态，则在忙信号线变为低电平之前将新的转换结果送出去，在这种情况下CS和RD可通过硬件方式连至低电平。 CONVST：启动转换输入信号端。跟踪/保持输入放大器在CONVST的下降沿处从跟踪状态转换为保持状态，同时启动转换过程。转换建立时间可短至15ns。如果CONVST在转换持续期间处于低电平，且在转换结束时仍保持低电平，器件将自动进入休眠状态。休眠状态的类型由PS/FS引脚决定。若器件处于休眠状态，CONVST的下一个上升沿将唤醒它。唤醒时间一般为1s。 PS/FS：休眠模式选择端。器件进入休眠状态时

54、，此引脚决定休眠的类型。在部分休眠模式下，内部参考电路和振荡电路不断电，耗电大约200V。在全部休眠模式下，所有模拟电路均断电，此时器件的功耗可以忽略不计。 BUSY：忙信号输出端。此引脚的逻辑输出表明器件所处的状态。在CONVST下降沿之后，忙信号变为高电平并在转换期间保持高电平。一旦转换结束，转换结果存入输出寄存器，忙线复位为低电平。在忙信号下降沿之前，跟踪/保持放大器转为跟踪状态，忙信号变为低电平以开始跟踪。在忙信号变低时，若CONVST输入仍为低电平，则器件在忙信号上降沿自动进行入休眠状态。 REF OUR：2.5V1%参考电压输出。 AVDD：模拟电源端。 DVDD：数字电源端，2.

55、75.25V。用于给AD7492器件内除输出驱动电路和输入电路外的所有数字电路提供电源。 AGND：模拟地。 DGND：数字地。 AGND和DGND理论上应处于同一电位，即使在有瞬变电流时，其差值最大也不可超过0.3V。 VIN：模拟输入端。单端模拟输入路线。输入范围为0VREF IN。此引脚为直流高阻抗。 VDRIVE：输出驱动电路和数字输入电路的供电电源为2.7V5.25V。此电源电压决定数据输出引脚的高电平电压和数字输入的阈值电压。当数字输入和输出引脚阈值电压为3V时，VDRIVE允许AVDD和DVDD在5V电压下工作（使ADC的动态性能最优）。 DB0DB11：数字线011位。器件的并

56、联数字输出。这是由CS和RD控制的三态输出。它们的输出高电平电压是由VDRIVE引脚决定的。 3 应用接口电路 图3为AD7492的一个典型连接图。一旦CONVST变为低电平，忙信号就变为高电平，在转换结束时，忙信号的下降沿用于激发一个中断服务。由CS和RD线控制并读取12字节。内部2.5V参考电压使AD7492成为02.5V的模拟输入、单极性AD转换器。REF OUT引脚需并联一个不小于100nF的电容器，以使基准电压保持稳定。因为第一闪转换可能会有误差，建议剔除第一次转换结果。这样也可以保证各部分处于正确的转换状态。上电时，不能变动，否则CONVST的上升沿可能会叫不醒器件。 图3中，将V

57、DRIVE引脚与DVDD相连是为了确定逻辑输出的电平值为0或DVDD。加在VDRIVE的电压可确定输入和输出逻辑信号的电压值。如果DVDD连接5V电压而VDRIVE连接3V电压，则对应逻辑0和1的电压为0V和3V。这些特性使得AD7492能以3V的阈值电压使A/D在5V下运行。 具体的电路图如图所示：图4.3 A/D转换电路的电路设计图4.3显示电路LCD 近年来越来越多地应用在单片机控制的仪器仪表中。仪表显示时良好的人机界面始终是人们的追求。近日用单片机控制成功地在EDM240128 图形LCD 上显示出图片。 1液晶模块的特点：EDM240128 图形LCD 是大连神迅信息股份有限公司生产

58、的240*128 点阵式LCD。 内置8K 的数据存储器，液晶显示控制芯片为东芝公司生产的T6963C。它的总线可以直接适配MCS51 总线。允许单片机随时访问显示缓冲区，甚至可以进行位操作，直接控制某一点。同时这款液晶还有读/写地址自动加/减1 的功能，为大量数据的传送编程提供了方便。 2、硬件实现： 采用89S52 单片机,其内部有8K的FLASH ROM，将需要显示的图片数据和程序直接存储在里面，使得此电路功能实现十分简单。 图1 是89S52 与LCD 显示器模块的并口方式下的接口电路。图4.4 89S52 与LCD 显示器模块的并口方式下的接口电路。P1.0 接LCD 的复位，VEE

59、用来调节显示屏灰度，手册中给出电压范围是 8V -23V，在使用中发现超过 -15V显示颜色已经过深而看不清了。实际测试得到合适电压范围为-13.8V-14.8V，调节该点电压可改变显示屏字符图形颜色的深浅。由于该点电流极小，用一个普通的电位器调节即可。 3、图片数据的提取 图片转化成字节类型的数据可采用专用的程序，文中采用PICtoCODE【图片数据生成器】V1.0，设计为 hy_zhangwang，此软件可从互联网上免费下载。 PICtoCODE 可以将黑白单色图片（支持BMP、JPEG、JPG、GIF 等格式）转换为A51、C51、HEX 等格式的数据文件。数据生成的顺序为从上至下，从左

60、到右，左上角象素对应第1 个字节，右下脚对应最后一个字节。软件要求图片宽度必须为8 的整数倍，如果待处理的图片宽度不是8 的整数倍，需要先用图形编辑软件（如windows 系统自带的画图程序）作预处理。 如果图片不是黑白单色图片，可以用“彩色黑白.”功能将图片转换为黑白图片，然后再导出数据或代码。 4、软件设计 EDM240128 的控制指令可带两个参数、一个参数或者无参数。每条指令都是先送入参数，再送入指令代码。如果所送参数多于规定个数，最后送入的有效。每次操作前必须检测其状态字。由于状态位作用不同，因此执行不同的指令应检测不同的状态位。显示器上的240*128 点，每8 个点为一个字节的数

61、据，都 一 一对应显示缓冲区的数据。一点对应一个bit ，bit=1 该点显示黑点，bit=0则该点消失。 LCD 有一条display ON/OFF 指令，display ON 时显示缓冲区的数据对应显示画面，display OFF时则画面消失，但缓冲区的数据仍然存在，并没有丢失。有关命令请详细查阅T6963C使用手册。软件采用C51 编写，大大提高了开发效率 单片机程序： #define ming 0x4000 /指令口地址 #define shuju 0x0000 /数据口地址 #include void delay(unsigned int i) /延时 /*-*/ void writ

62、ed(char a) / 写数据子程序 /*-*/ void writec(char a) /写指令子程序 /*-*/ void busy（） /判断标志位是否忙 */-*/ main() unsigned char ji=0； code char seg3840=/*-*/；/要显示的图片数据 P1_0=0; delay(100); P1_0=1; busy(); writed(0x00); busy(); writec(0x24); busy(); writec(0xb0); /设置自动写，地址加一 busy(); for(ji=0;ji3840;ji+) writed(segji); busy(); writec(0xb3); / 自动写结束