技术领域
[0001] 本
发明属于测量技术领域，涉及一种位置测量装置及方法，尤其涉及由工程施工机械获取周围电力线具体位置的测量装置及方法，更具体地是用于获取电力线与吊车等大型施工机械之间距离信息的装置以及避免施工机械与电力线之间小于安全距离的报警装置。
背景技术
[0002] 在电力、通信、油田、矿山工程中经常使用到大型工程施工机械，例如高空作业车、车载埋杆综合作业车、
起重机械(轮式、
履带，随车吊等)、吊塔、吊车、
泵车等。这些大型施工设备在高压电力线等输电线路周围施工作业时，非常容易由于设备臂展较长(高)而误碰触电力线，从而危及施工人员的生命安全和施工机械的财产安全，同时由于这种事故往往会触发的输电
线路跳闸保护，会严重影响输电线路的安全稳定运行。因此，在使用施工机械时，实时获取电力线路的位置信息，并提醒操作人员使施工机械与电力线路之间保持最小安全距离，是确保工程施工安全和电力线路安全、可靠运行的重要方法。
[0003] 目前在工程施工中所采用的电力线位置报警器都是通过测量
电场强度来获取电力线与
探头的大致距离信息，但是这种传统的测量方法存在很多不足。首先，对于同一根电力线，由于受到负载等诸多影响，其中的
电压有效值和
电流强度并非恒定值，而是无规律的变化，这导致当前的报警装置难以获取电力线的准确位置信息。其次，正是由于第一种不足，当施工机械面对不同的电力线时，例如从220V电力线转换到1000V电力线的环境，施工人员必须切换测量挡位，但是施工人员未必能够准确知道电力线传输的额定电压和电流大小，从而导致操作复杂并且极易出错。再次，由于受到传统测量方法限制，传统电力线位置报警器仅能获取探头到电力线的垂直距离，并不能给出电力线的三维坐标信息。最后，正是由于以上的不足，导致传统的位置报警装置的灵敏度较低，只能分段的给出电力线的大致位置信息，例如10米、15米等。综上所述，传统的电力线位置报警装置具有
精度较低、灵敏度较低、操作复杂、准确度差等不足。
[0004] 因此，本发明首先在克服传统测量方法和传统电力线位置报警装置的不足，实现了具有精度高，自适应电力线特性、操作方便、安装维护简便的优点。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种具有自适应精确获取电力线位置信息的测量装置及方法，该测量方法和装置通过建立电力线周围三维电
磁场模型，利用
传感器阵列获取多点的
电磁场强度信息，根据反演
算法来获取电力线的三维位置信息，避免电压变化带来的影响，并实现了自适应电力线电流强度的变化，从而获取精确的位置信息，使得该测量方法和装置具有通用性好，灵敏度高、能够自适应电力线特性、操作方便、安装维护简便的优点，提高了施工过程中的可靠性。
[0006] 本发明的装置所采用的技术方案是：一种电力线位置信息测量装置，其特征在于：包括传感器阵列、接收机单元、主控计算单元、通讯
接口单元、激励调制
信号产生单元；所述的激励调制信号产生单元为所述的传感器阵列产生
频率为fex的正弦激励调制信号，所述的传感器阵列由所述的正弦激励调制信号与外界激励磁场
叠加后获取信号，所述的接收机单元对所述的传感器阵列输出的信号进行调理和
采样后，将采样数据送入所述的主控计算单元完成电磁场反演计算的工作，并最终送入所述的通讯接口单元将电力线位置信息送出。
[0007] 作为优选，所述的传感器阵列由第一三轴磁通
门传感器、第二三轴磁通门传感器、第三三轴磁通门传感器和第四三轴磁通门传感器组成；所述的第一三轴磁通门传感器、第二三轴磁通门传感器、第三三轴磁通门传感器和第四三轴磁通门传感器安装在施工设备的
机械臂上，其中所述的第一三轴磁通门传感器被安装在所述的机械臂的顶端。
[0008] 作为优选，所述的第一三轴磁通门传感器、第二三轴磁通门传感器、第三三轴磁通门传感器和第四三轴磁通门传感器依次以直线方式安装，所述的第一三轴磁通门传感器与第二三轴磁通门传感器之间的直线距离ΔL1，第二三轴磁通门传感器与第三三轴磁通门传感器之间的直线距离ΔL2，第三三轴磁通门传感器与第四三轴磁通门传感器之间的直线距离ΔL3，且ΔL1>ΔL2>ΔL3。
[0009] 作为优选，所述的接收机单元包括第一多路模拟
开关、前置放大
电路、
带通滤波电路、ADC电路、第一隔离驱动电路；所述的主控计算单元通过所述的第一隔离驱动电路将
控制信号输出到所述的第一多路模拟开关，实现对不同传感器信号进行切换的工作，然后利用所述的前置放大电路对所述的传感器阵列的
输出信号进行调理工作，并采用中心频率为2倍fex的带通滤波电路取出传感器阵列输出信号的2次谐波分量，再经过所述的ADC电路实现
数字信号采样工作，所获得的采样信号通过所述的第一隔离驱动电路输出到所述的主控计算单元。
[0010] 作为优选，所述的fex设为10kHz，带通滤波电路的
通带宽度为2kHz，其
信噪比为60dB，所述的第一多路模拟开关采用ADI公司的ADG1604多路模拟开关。
[0011] 作为优选，所述的主控计算单元是测量装置的控制核心，并完成数字相敏检波、FFT算法、基于最小二乘的反演计算工作，所述的主控计算单元包括作为控制核心的FPGA电路和实现电磁场反演计算的DSP电路；所述的DSP电路将命令数据发送到FPGA电路，由FPGA电路进行解码，FPGA电路根据控制指令对所述的接收机单元和激励调制信号产生单元的控制时序做出调整；所述的DSP电路和FPGA电路之间采用
数据总线和
地址总线的方式进行数据交互。
[0012] 作为优选，所述的FPGA电路中的FPGA芯片内建数字相敏
检波器以及频率为2fex、幅值为1V的标准正弦信号表，通过与采样数据进行相关运算来实现数字相敏检波。
[0013] 作为优选，所述的通讯接口单元用于发送计算结果，以及将来自操作者的控制命令传送给所述的主控计算单元，从而实现操作者对电力线位置信息测量装置的控制；所述的通讯接口单元包括CAN总线电路、WIFI电路和FLASH
存储器；所述的主控计算单元中设置的DSP电路按照操作者设定的方式，通过CAN总线电路或者WIFI电路发送数据；所述的FLASH存储器保存当前通讯的设置参数，操作者能依据实际施工机械的车载装置参数，通过CAN总线电路对FLASH存储器的数据进行
修改，改变通讯参数；其中，所述的FLASH存储器保存当前通讯的设置参数，其参数包括CAN总线的波特率、设备标识ID、发送方标识ID、设备本机IP地址、接收方IP地址。
[0014] 作为优选，所述的激励调制信号产生单元用于在所述的主控计算单元的控制下，为所述的第一三轴磁通门传感器、第二三轴磁通门传感器、第三三轴磁通门传感器和第四三轴磁通门传感器产生合适的激励调制信号，从而使得所述的传感器阵列能够感应电力线的电磁场；所述的激励调制信号产生单元包括第二隔离驱动电路、DDS电路、低通
滤波器、功率放大电路、阻抗匹配电路和第二多路模拟开关；所述的主控计算单元通过所述的第二隔离驱动电路将控制信号输出到所述的第二多路模拟开关，去除数字电路对模拟电路的影响；所述的激励调制信号产生单元利用所述的DDS电路产生频率为fex的
正弦波信号，并经过所述的低通滤波电路和功率放大电路输出功率为Pex、频率为fex的激励调制信号，接着利用所述的阻抗匹配电路实现所述的传感器阵列中的三轴磁通门传感器与激励电路的阻抗耦合，并在控制信号的控制下通过所述的第二多路模拟开关将正弦激励调制信号分别输出到第一三轴磁通门传感器、第二三轴磁通门传感器、第三三轴磁通门传感器、第四三轴磁通门传感器。
[0015] 本发明的方法所采用的技术方案是：一种电力线位置信息测量方法，其特征在于：传感器阵列包括至少四个三轴磁通门传感器，其中第一三轴磁通门传感器安装在施工设备机械臂的顶端，第一三轴磁通门传感器与第二三轴磁通门传感器之间的直线距离为ΔL1，第二三轴磁通门传感器与第三三轴磁通门传感器之间的直线距离为ΔL2，第三三轴磁通门传感器与第四三轴磁通门传感器之间的直线距离为ΔL3，ΔL1、ΔL2和ΔL3均为已知，且ΔL1>ΔL2>ΔL3，第一三轴磁通门传感器、第二三轴磁通门传感器、第三三轴磁通门传感器和第四三轴磁通门传感器之间的间距按照电
磁场梯度衰减的原则进行摆放；
[0016] 第一三轴磁通门传感器、第二三轴磁通门传感器、第三三轴磁通门传感器和第四三轴磁通门传感器输出的电压强度均可表述为：
[0017]
[0018] 其中，W2和S是磁通门线圈
匝数和
铁心横截面积， 为外部激励场强，i为谐波次数，μ2i表示
偶次谐波的磁导率，t为时间，n为谐波级数可以为无穷大。
[0019] 主控计算单元中设置的DSP电路通过获取的第一三轴磁通门传感器、第二三轴磁通门传感器、第三三轴磁通门传感器和第四三轴磁通门传感器输出的电压强度计算外部激励场强 然后再按照电磁场正演模型采用最小二乘反演的方法计算施工设备机械臂与电力线的距离l。
[0020] 本发明取得了以下技术效果：
[0021] (1)实现了对电力线通电状况的自适应检测，即在面对电力线电流强度不稳定的状况下，可利用电磁场特性忽略电压幅值变化，，从而获取较精确的距离参数；
[0022] (2)采用多个同构传感器来获取相同参数做比较，能够有效提高测量的可靠性；
[0023] (3)利用传感器获取XYZ三轴方向的矢量数据，能够更为有效的确定电力线与施工机械设备之间的方位关系；
[0024] (4)由于本发明能够克服电力线通电状况不确定的因素，因此实际获取的测量信息的精度要远高于
现有技术；
[0025] (5)本发明利用了最小二乘的反演方法的另一优势在于：能够有效的减小由于传感器的不一致性所导致的测量误差，从而提高测量装置制造和安装的冗余性和可靠性。
[0026] (6)由于使用了数字相敏检波技术，提高了装置中
电子线路的抗干扰性，并降低了采用模拟相敏检波电路的成本。
附图说明
[0028] 图2：为本发明实施例的传感器安装示意图。
[0029] 图中：101－传感器阵列、102－接收机单元、103－主控计算单元、104－通讯接口单元、105－激励调制信号产生单元、106－电力线、107－机械臂、1－第三三轴磁通门传感器、2－第二三轴磁通门传感器、3－第一三轴磁通门传感器、4－第一多路模拟开关、5－前置放大电路、6－带通滤波电路、7－ADC电路、8－第一隔离驱动电路、9－FPGA电路、10－DSP电路、11－CAN总线电路、12－WIFI电路、13－第二隔离驱动电路、14－DDS电路、15－
低通滤波器、16－功率放大电路、17－阻抗匹配电路、18－第二多路模拟开关、
19－第四三轴磁通门传感器。
具体实施方式
[0030] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031] 请见图1、图2，本发明所采用的技术方案是：一种电力线位置信息测量装置，包括传感器阵列101、接收机单元102、主控计算单元103、通讯接口单元104、激励调制信号产生单元105；激励调制信号产生单元105为传感器阵列101产生频率为fex的正弦激励调制信号，传感器阵列101由正弦激励调制信号与外界激励磁场叠加后获取信号，接收机单元102对传感器阵列101输出的信号进行调理和采样后，将采样数据送入主控计算单元103完成电磁场反演计算的工作，并最终送入通讯接口单元104将电力线位置信息送出。
[0032] 其中，传感器阵列101由第一三轴磁通门传感器3、第二三轴磁通门传感器2、第三三轴磁通门传感器1、第四三轴磁通门传感器19组成。传感器阵列单元101中的四个磁通门传感器按照图2所示被安装在施工设备的机械臂107上，并且四个磁通门传感器依次以直线方式安装，其中第一三轴磁通门传感器3被安装在施工设备的机械臂107的顶端。第一三轴磁通门传感器3与第二三轴磁通门传感器2之间的直线距离ΔL1，第二三轴磁通门传感器2与第三三轴磁通门传感器1之间的直线距离ΔL2，以及第三三轴磁通门传感器1与第四三轴磁通门传感器19之间的直线距离ΔL3均为已知。四个传感器之间的间距设置为不同，且ΔL1>ΔL2>ΔL3。当电力线106
接近传感器阵列单元101后，四个磁通门传感器将因为距离不同而感应到不同的电磁场强度。
[0033] 由此，可采用的如下测量原理获得四个磁通门传感器所处的直线与电力线之间的空间关系：利用四个三轴磁通门传感器所感应到的电磁场和数字
信号处理算法(数字化相敏检波、FFT等)获取电力线产生的三维电磁场场强矢量，然后根据电力线电磁场模型以及四个三轴磁通门传感器的空间位置关系，将来自传感器阵列的三维矢量矩阵和相互位置采用基于最小二乘的方法对电磁场逆问题进行反演拟合，从而获取电力线位置信息。
[0034] 具体来说，根据电磁场理论，当传感器阵列(101)被置于电磁场环境下，每个传感器均可以感应到外界电磁场强度。传感器阵列(101)中的任一三轴磁通门传感器位于电力线电磁场中某点时，所感测到的电磁场强度H受电力线中电压V(t)和电流强度I(t)影响，t为时间，并且当测试点与电力线的距离l发生变化时，电磁场强度H也随之发生变化。另外，电磁场强度同电场强度不同，仅受电流强度影响，而与电压无关。鉴于以上理论，可以将电磁场强度的方程式概括为：
[0035]
[0036] 这种方式的另一个优势是，可以忽略所面对电力线的电压范围，而仅仅关注电流大小。由于电磁场强度 是一个三维矢量，因此使用三轴磁通门传感器可以分别获得所处位置电磁场的X轴分量Hx、Y轴分量Hy、Z轴分量Hz。但是另一方面，磁通门传感器还会感应到外界静磁场强度 例如大
地磁场。因此电磁场强度方程可以表示为：
[0037]
[0038] 其中 为电力线引起的电磁场强度。因此任一个三轴磁通门传感器所感测到的电磁场强度在X、Y、Z三个轴上的分量可以表示为公式：
[0039]
[0040] 其中HLx、HLy、HLz分别为 在X、Y、Z三个轴上的分量，HSx、HSy、HSz分别为 在X、Y、Z三个轴上的分量。根据公式(3)，显然即使电压V(t)和距离l恒定，但是由于电流强度I(t)可能随时间呈现无规律的改变，依旧会导致不同时刻的电磁场强度发生变化。
[0041] 为了简单说明起见，在本发明中将四个三轴磁通门传感器成一条直线上安置在机械臂107上，并假定第一三轴磁通门传感器3和第二三轴磁通门传感器2之间的距离为ΔL1，第二三轴磁通门传感器2和第三三轴磁通门传感器1之间的距离为ΔL2，第三三轴磁通门传感器1和第四三轴磁通门传感器19之间的距离为ΔL3。四个磁通门传感器均受到来自电力线106的电磁场激励。假设四个磁通门传感器所处直线与电力线共面并垂直，那么四个磁通门传感器位置的电磁场强度有以下关系
[0042]
[0043] 由于ΔL1、ΔL2、ΔL3为已知量， 分别为四个三轴磁通门传感器的测量值，那么根据电磁场理论，在某一时刻三个磁通门传感器所面对的电流I(t)相等，又由于 相等，故而可以通过公式(4)建立三轴磁通门传感器测量值与电力线距离l的关系。从数值计算
角度来说，可以利用最小二乘方法按照电磁场强度梯度分布关系计算三轴磁通门传感器测量值与电力线距离l的对应关系。
[0044] 虽然公式(4)给出了理想状态下的基本测量原理，但是在施工时，机械臂107与地面必然存在夹角θ，从而使得第二三轴磁通门传感器2到电力线的最短距离并非l+ΔL1，而是l+ΔL1×sinθ。另一方面，机械臂107与电力线在地面的投影之间的夹角α很有可能不是90度。也就是说，第二三轴磁通门传感器2到电力线的最短距离还应当在l+ΔL1×sinθ
基础上在进行处理，即(l+ΔL1×sinθ)×sinα。同理，第三三轴磁通门传感器1亦然。因此公式4应该转换为
[0045]
[0046] 公式(5)中变量θ是可以利用现有的倾斜角度传感器来获取数值的，因此公式(5)仅仅含有3个变量，I(t)、l、α。那么我们可以利用最小二乘方法对这个超定方程进行求解。当然，我们也可以了利用第5个磁通门传感器取代倾斜角度传感器，然后利用最小二乘方法对超定方程进行反演求解。公式(6)描述了利用四个磁通门传感器进行距离信息获取的完整方程描述：
[0047]
[0048] 在确定了测量方法后，则需要设计和制作相应的测量仪器。为了测量 ，激励调制信号产生单元105在主控计算单元103的控制下，为磁通门传感器产生合适的激励调制信号，从而使得传感器阵列101能够感应电力线的电磁场。激励调制信号产生单元105包括第二隔离驱动电路13、DDS电路14、低通滤波器15、功率放大电路16、阻抗匹配电路17、第二多路模拟开关18；主控计算单元103通过第二隔离驱动电路13将控制信号输出到第二多路模拟开关18，去除数字电路对模拟电路的影响；激励调制信号产生单元105利用DDS电路14产生频率为fex的正弦波信号，并经过低通滤波电路15和功率放大电路16输出功率为Pex、频率为fex的激励调制信号。该激励调制信号利用阻抗匹配电路17实现传感器阵列101中的三轴磁通门传感器与激励电路的阻抗耦合，并在控制信号的控制下通过第二多路模拟开关18将正弦激励调制信号分别输出到第一三轴磁通门传感器3、第二三轴磁通门传感器2、第三三轴磁通门传感器1、第四三轴磁通门传感器19。低通滤波器15采用7阶椭圆低通滤波器。
[0049] 根据磁通门的测量原理，三轴磁通门传感器的
激励信号、外界场强、输出的信号等之间的关系可由下式表示
[0050]
[0051] 其中e(t)为磁通门输出的电压强度；W2和S是磁通门线圈匝数和铁心横截面积，均为磁通门的特定系数；μ2i表示偶次谐波的磁导率，亦为磁通门传感器的特定系数。显然
输出电压e(t)由多个以fex为基频的偶次谐波组成，并且均与外界磁场强度 成正比关系。另外，鉴于2次谐波的强度远大于其他偶次谐波，所以在满足测量精度的要求下为了减少计算量，本发明的测量方法仅对该2次谐波进行分析。
[0052] 本发明中的接收机单元102用于完成对传感器输出信号的调理和采样工作，负责对传感器阵列101的输出信息进行采样并传送至主控计算单元103。接收机单元102包括第一多路模拟开关4、前置放大电路5、带通滤波电路6、ADC电路7、第一隔离驱动电路8。如图1所示，主控计算单元103通过第一隔离驱动电路8将控制信号输出到接收机单元102的第一多路模拟开关4，实现对不同传感器信号进行切换的工作。接收机单元102然后利用前置放大电路5对传感器输出信号进行调理工作，并采用中心频率为2倍fex的
带通滤波器6取出传感器阵列输出信号的2次谐波分量，再经过ADC电路7实现数字信号采样工作，所获得的采样信号通过隔离驱动电路8输出到主控计算单元103。
[0053] 为保证信号调理电路的滤波效果，故激励调制信号的频率fex设为10kHz，滤波器通带宽度为2kHz，其信噪比为60dB。优选地，本发明中的多路模拟开关采用ADI公司的ADG1604来实现。
[0054] 主控计算单元103是系统的控制核心，并完成数字相敏检波、FFT算法、基于最小二乘的反演计算等工作，主控计算单元103包括作为控制核心的FPGA电路9和实现电磁场反演计算的DSP电路10；其中，DSP电路10将命令数据发送到FPGA电路9，由FPGA电路9进行解码，FPGA电路9根据控制指令对接收机单元103和激励调制信号产生单元105的控制时序做出调整。DSP电路10和FPGA电路9之间采用数据总线和地址总线的方式进行数据交互。如图1所示，FPGA电路9控制DDS电路14使得正弦激励调制信号的频率、
相位和幅度可调，FPGA电路9根据控制时序，并将控制信号经过第二隔离驱动电路13输出到第二多路模拟开关18，完成选择某个传感器的激励调制；主控FPGA电路9通过第一隔离驱动电路8实现对接收机单元102的控制和读取采样信息，其中包括：向第一多路模拟开关4提供通道选择信号，向ADC电路7提供片选信号、转换控制信号、采样时钟、SPI接口的三总线信号等等。FPGA芯片中内建了一个数字相敏检波器。由于已知信号频率为激励调制频率的两倍，即2fex，因此数字相敏检波中带有一个频率为2fex、幅值为1V的标准正弦信号表，将该表中的数据与采样数据进行相关运算则可以实现数字相敏检波方法。通过内置的低通滤波电路则可以获取采样电压信号。当FPGA电路9从ADC电路7中获取到采样信息后被保存在FPGA内建的FIFO中，并利用内部建立的相敏检波电路获取2fex的信号，供DSP电路10读取。当FPGA完成采样和相敏检波处理后，则向DSP电路10触发一次外部中断。然后DSP电路10通过地址总线和数据总线读取FPGA中的中断状态寄存器信息，以及FIFO信息。DSP电路10将读取的电压信息按照公式(7)的方式计算外部激励场强 ，然后再按照公式(4)描述的电磁场正演模型采用最小二乘反演的方法求解测试点与电力线的距离l。
[0055] 通讯接口单元104用于发送计算结果，以及将来自操作者的控制命令传送给主控计算单元103，从而实现操作者对本报警装置的控制，通讯接口单元104包括CAN总线电路11、WIFI电路12和FLASH存储器；具体地，主控计算单元103中的DSP电路10按照使用者设定的方式，通过CAN总线电路11或者WIFI电路12发送数据。通讯接口单元104中的FLASH存储器保存了当前通讯的设置参数，例如CAN总线的波特率、设备标识ID、发送方标识ID、设备本机IP地址、接收方IP地址等内容。操作者可以依据实际施工机械的车载装置参数，通过CAN总线对FLASH存储器的数据进行修改，从而可改变通讯参数。
[0056] 由于实际工程施工过程中都需要保证施工机械的机械臂尽可能远离电力线，并且与电力之间保持最小的安全距离，因此通过将传感器阵列101中的至少一个三轴磁通门传感器安装在机械臂远端，通过其测量值获得机械臂端部与电力线之间的距离l，从而判断出机械臂远端与电力线的距离是否在最小安全距离之外，保证施工安全。根据需要可以在传感器阵列101中采用三个以上的三轴磁通门传感器，除了在机械臂远端设置至少一个三轴磁通门传感器以外，在机械臂的每个关节处也同时设置至少一个三轴磁通门传感器，从而可以保证具有一个或多个关节的机械臂的施工安全。还可以在机械臂上间隔设置多个三轴磁通门传感器来满足靠近电力线近距离施工的需求。
[0057] 尽管本
说明书较多地使用了传感器阵列101、接收机单元102、主控计算单元103、通讯接口单元104、激励调制信号产生单元105、电力线106、机械臂107、第三三轴磁通门传感器1、第二三轴磁通门传感器2、第一三轴磁通门传感器3、第一多路模拟开关4、前置放大电路5、带通滤波电路6、ADC电路7、第一隔离驱动电路8、FPGA电路9、DSP电路10、CAN总线电路11、WIFI电路12、第二隔离驱动电路13、DDS电路14、低通滤波器15、功率放大电路16、阻抗匹配电路17、第二多路模拟开关18、第四三轴磁通门传感器19等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
[0058] 应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
[0059] 应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明
专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明
权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或
变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的
请求保护范围应以所附权利要求为准。
