CN106896414A - 一种被动式阵列磁感应天线装置 - Google Patents

一种被动式阵列磁感应天线装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种被动式阵列磁感应天线装置，包括基板，基板上设置有驱动电路、稳压电路、谐振采样电路和多个磁感应子单元，所述多个电磁感应子单元阵列均匀设置，则驱动电路包括行总驱动电路、M路行驱动电路、N路列驱动电路和M*N个与门电路，磁感应子单元与与门电路一一对应。本发明采用每对线圈由两个正交分布的10mH电感串联组成矩阵阵列，线圈通过两个线端焊接固定在基板上，底板既是线圈的固定板，又将每个线圈的接线会聚连接到插座上，从而能够安装在无人机的前方，通过被动式阵列电感线圈实时感知输电线是否存在，进一步的感知飞行器相对输电线的距离信息和位置角度信息，为后续信号处理电路提供判别依据。

Description

一种被动式阵列磁感应天线装置
技术领域
本发明涉及电力***输配电行业飞行器巡线自动检测技术领域，尤其涉及一种被动式阵列磁感应天线装置。
背景技术
目前，电力公司对输电线路的维护、检测和抢修等作业，基本上依然按照区段划分任务，依靠人工现场对线路巡情况进行检查。线路缺陷发现的及时和准确性，取决于巡线员业务能力、责任心和班组管理人员的监察巡视的落实，不能杜绝因巡视不到位引发的各种事故的发生。同时，有些输电线路架设在深林、湿地、高山地区，人员到达缓慢、困难、效率低，不可能做到定期巡视维护，冰雪、地震、洪涝灾害等恶劣自然条件下巡检难度更大。
目前取代人工巡线的主要方法是采用无人机巡检作业，包括遥控巡检飞行和自主避障跟踪巡检飞行两种作业方式，两种作业方式都需要飞行器与输电线路保持合理的距离和相对位置，方便的线路跟踪、避障技术等，而且最重要的即为如何设置磁感应天线搭载无人机对输电电路进行探测。现有的技术无法满足此要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种被动式阵列磁感应天线装置，能够实现对磁场强度大小及分布的探测，灵敏度高，精度高；
进一步的，可满足无人飞行器在线路巡检过程中对线路进行识别、位置测量、避障、跟踪的需求。
本发明采用下述技术方案：
一种被动式阵列磁感应天线装置，包括基板，基板上设置有驱动电路、稳压电路、谐振采样电路和多个磁感应子单元，所述多个电磁感应子单元阵列均匀设置，记为M*N列矩阵，则驱动电路包括行总驱动电路、M路行驱动电路、N路列驱动电路和M*N个与门电路，磁感应子单元与与门电路一一对应；所述的行总驱动电路、M路行驱动电路和N路驱动电路均为NPN三极管，每一行所在的电磁感应子单元对应一个行NPN三极管进行驱动，每一列所在的电磁感应子单元对应一个列NPN三极管进行驱动，行总驱动电路为一个行总驱动NPN三极管；
所述的电磁感应子单元包括有一对电感线圈、第一低导通电阻开关管和第二低导通电阻开关管，所述的一对电感线圈由两个正交分布的电感串联组成，所述一对电感线圈的一端连接第二低导通电阻开关管的集电极，第一低导通电阻开关管发射极同时连接第二低导通电阻开关管的发射极；
所述任意一个在同一行电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极均与所在行对应行NPN三极管的集电极相连接；其中M-1个行NPN三极管的发射极均与行总驱动NPN三极管的集电极相连接，剩余一个行NPN三极管的发射极与行总驱动NPN三极管的发射极相连接，行总驱动NPN三极管的发射极接地连接，所述M个行NPN三极管和行总驱动NPN三极管的基极均为驱动电路输入端；
所述任意一个在同一列电磁感应子单元中第一低导通电阻开关管的发射极均与所在列对应列NPN三极管的发射极相连接，同时由下到上，下方电磁感应子单元中一对电感线圈的另一端与与其相邻的上方电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极相连，同一列最上方的电磁感应子单元中一对电感线圈的另一端与所在列对应列NPN三极管的发射极相连接；
所述任意一个行NPN三极管的基极同时与所在行中任意一个电磁感应子单元中第一低导通电阻开关管的基极和所在行中任意一个与门电路的第一输入端相连接；所述任意一个列NPN三极管的基极分别与所在列中任意一个与门电路的第二输入端相连接，任意一个与门电路的输出端与与其对应的电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的基极相连接；
所述N个列NPN三极管的集电极相互连接后分别与稳压电路的输出端和采样电路的输入端相连接。
所述的谐振采样电路包括多个电容和低阻开关，其中第一电容一端与稳压电源输出端相连，另一端接地，其余电容一端也与稳压电源输出端相连，其余电容的另一端通过低阻开关接地。
所述的低阻开关，采用双路低导通电阻模拟开关器件MAX4608。
所述的谐振采样电路中电容为独石电容。
所述的电感线圈采用螺旋管电感线圈。
还包括有插座，所述插座设置在基板的一侧，且谐振采样电路的各个接线均与插座相连接。
本发明采用100对电感线圈(每对线圈由两个正交分布的10mH电感串联组成)，组成10×10矩阵阵列，线圈通过两个线端焊接固定在底板(即基板)上，底板既是线圈的固定板，又将每个线圈的接线会聚连接到插座上，从而能够安装在无人机的前方，通过被动式阵列电感线圈实时感知输电线是否存在，进一步的感知飞行器相对输电线的距离信息和位置角度信息，为后续信号处理电路提供判别依据。本发明搭载无人机能够自动识别输电线路空间位置，进而为飞行器提供导航、跟踪、控制信号的空中跟踪传感装置，以实现飞行器的避障、自动跟踪巡线飞行功能，具有非常广阔的市场前景。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明所述单个电磁感应子单元的局部接线示意图；
图3为本发明所述谐振采样电路及等效电路示意图。
具体实施方式
如图1、2和图3所示，一种被动式阵列磁感应天线装置，包括基板，基板上设置有驱动电路、稳压电路、谐振采样电路和多个磁感应子单元，所述多个电磁感应子单元阵列均匀设置，记为M*N列矩阵，则驱动电路包括行总驱动电路、M路行驱动电路、N路列驱动电路和M*N个与门电路，磁感应子单元与与门电路一一对应；所述的行总驱动电路、M路行驱动电路和N路驱动电路均为NPN三极管，每一行所在的电磁感应子单元对应一个行NPN三极管进行驱动，每一列所在的电磁感应子单元对应一个列NPN三极管进行驱动，行总驱动电路为一个行总驱动NPN三极管；
所述的电磁感应子单元包括有一对电感线圈、第一低导通电阻开关管和第二低导通电阻开关管，所述的一对电感线圈由两个正交分布的电感串联组成，所述一对电感线圈的一端连接第二低导通电阻开关管的集电极，第一低导通电阻开关管发射极同时连接第二低导通电阻开关管的发射极；所述的电感线圈采用螺旋管电感线圈。
所述任意一个在同一行电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极均与所在行对应行NPN三极管的集电极相连接；其中M-1个行NPN三极管的发射极均与行总驱动NPN三极管的集电极相连接，剩余一个行NPN三极管的发射极与行总驱动NPN三极管的发射极相连接，行总驱动NPN三极管的发射极接地连接，所述M个行NPN三极管和行总驱动NPN三极管的基极均为驱动电路输入端；
所述任意一个在同一列电磁感应子单元中第一低导通电阻开关管的发射极均与所在列对应列NPN三极管的发射极相连接，同时由下到上，下方电磁感应子单元中一对电感线圈的另一端与与其相邻的上方电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极相连，同一列最上方的电磁感应子单元中一对电感线圈的另一端与所在列对应列NPN三极管的发射极相连接；
所述任意一个行NPN三极管的基极同时与所在行中任意一个电磁感应子单元中第一低导通电阻开关管的基极和所在行中任意一个与门电路的第一输入端相连接；所述任意一个列NPN三极管的基极分别与所在列中任意一个与门电路的第二输入端相连接，任意一个与门电路的输出端与与其对应的电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的基极相连接；
所述N个列NPN三极管的集电极相互连接后分别与稳压电路的输出端和采样电路的输入端相连接；所述的谐振采样电路包括多个电容和低阻开关，其中第一一端与稳压电源输出端相连，另一端接地，其余电容一端也与稳压电源输出端相连，其余电容的另一端通过低阻开关接地。所述的谐振采样电路中电容为独石电容。谐振采样电路是由可控连接的多个并联电容组成，不同的扫描采集工作模式，谐振采样等效电容对应的容值不同，以匹配不同的谐振等效电感。如图3所示，本发明实施例中，谐振采样电路包括多个电容和低阻开关，其中电容C3一端与稳压电源输出端相连，另一端接地，C4和C5电容一端也与稳压电源输出端相连，另一端通过低阻开关接地。谐振采样电路获取的数据组经由阵列扫描与采集控制器，按照设计的算法进行幅值判别处理与存储，由此可将50HZ交流信号每单周期的幅值采样时间缩短至小于5ms。某单元(或某列，或某行)选通、采样、幅值判别处理与存储后，依次进行下一单元(下一列，下一行)的重复操作，直至完成全部单元的操作，此为一个完整的扫描采样周期。传感阵列组件在阵列扫描与采集控制器的控制下，按照上述过程循环往复的持续工作。进一步等效后的电路，其中等效电容C取决于谐振电容选择控D12和D13，D12和D13的不同组合与阵列扫描工作模式相对应，如下表1所示。
表1
所述的低阻开关，采用双路低导通电阻模拟开关器件MAX4608；C3，C4，
C5电容器采用独石电容。
对于50HZ的工频信号，由谐振频率的计算公式可知
其中f0＝50HZ，则有
应用例中选L＝100MH，带入上式可计算出
C＝101.32pF
取C＝100pF，根据不同的扫描工作模式，对应上表和电路图，即可计算出C3，C4和C5。
传感阵列装置作为输电线周围磁场信息探测、检测环节，由扫描采集控制环节控制，实现磁场分布状态与强度信息的采集，再由后续数据信号处理环节解算出被探测目标(高压输电线路)的位置、距离等信息。
包括有插座，所述插座设置在基板的一侧，且谐振采样电路的各个接线均与插座相连接。所述的插座为24线，其中连接列驱动电路10根线、行驱动电路11根线、1路地线、1路电源线、1路信号输出线。
本发明中通过阵列扫描与采控制器可设定、转换多种扫描和采样工作模式，以适应不同应用要求。高精度稳压电路为天线装置提供高稳定度的直流电源，阵列扫描与采集控制器控制列驱动电路和行驱动电路，可以按照设定顺序依次选通n×m矩阵诸单元、或逐列、或逐行、或全部单元，被选通的电磁感应线圈和谐振采样等效电容组成谐振信号采集器，采集到的电磁感应信号经滤波调理电路处理后，由高速模数转换器对其进行高速采样。
以下将对本发明的优先实施例进行详细的描述；应当理解，优先实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
所述10×10矩阵型电磁场传感阵列有100个磁感应单元按照10行、10列分布，
本发明的磁感应单元，每个磁感应单元由2个电感线圈和2个低导通电阻开关管组成，两个电感量L1＝L2＝50mH、外形9×12mm的线圈分别安装在电路板的正反面，成正交分布。列驱动和行驱动有效时(高电平)，对应单元的电感被选通(L1和L2)，与谐振电容C组成并联谐振采样电路，在低导通电阻开关管的控制下扫描和采样工作模式不同，对应C的取值不同，工作于逐列扫描采集模式C＝C3、逐点扫描采集模式C是C3和C4的并联、逐行扫描采集模式C是C3和C4及C5三者并联，谐振采样电路对磁感应信号进行采集。与此同时，Q3处于截止状态，当列驱动有效而行驱动无效时，Q3处于导通状态而将本单元的电感短路，此时处于同列其它行(非本行)单元的采样时段。其中第i行、第j列的单元电路如图2所示。需要说明的是，为了便于描述单元电路的特点与工作原理，对本单元周边的电路做了简化或等效处理。概括的描述，本发明中单元电路与外部的连接信号有六类九处：
A点，接列控制信号Lj，高电平有效，QLj导通，选通该列；反之QLj截止。
B、C点，C接下一列对应的列驱动管，B接列上一列对应的列驱动管直到谐振采样电路，各列是并联关系。BC通道也称为列选择通道。
D点，接行控制信号Hi，高电平有效，QHi导通，选通该行，通过行控制管QH10接地(逐点扫描和逐行扫描工作模式时，H10为低电平，行控制管QH10导通)，或通过QH9接地(逐列扫描和面扫描工作模式时，H10为高电平，QH10截止；而此时H10为高电平，QH9导通，各列的串联信号经QH9接地)。
E点，接行控制管QH10(除最后行外)后到地。逐点扫描和逐行扫描工作模式时，QH10导通；逐列扫描和面扫描工作模式时，QH10截止。
F点，接下一行对应的与门。
G点，接下一行对应的电感。
K点，为0～9个信号，逐行信号数量递减，每个信号连接本列后面各单元的短接管Q’ij。
S点，接前一列的行选择通道，由行驱动管QHi控制该通道与地线的“通”与“断”。
L，单元电感，由两个电感L1和L2串联组成，取L1＝L2，采用9X12-50MH电感(定制)。
选通单元的简化等效电路就是一个等效电感L。
本发明能够实现的扫描工作模式描述如下：
(1)逐点扫描模式
某行驱动信号有效，某列驱动信号有效，行控制信号有效，则选通某单元。依次选通各单元，如
(2)逐行扫描模式
某行驱动信号有效，全列驱动信号有效，行控制信号有效，则选通某行。依次选通各行，如
(3)逐列扫描模式
某列驱动信号有效，全行驱动信号有效，行控制信号无效，则选通某列。依次选通各列，如
(4)面扫描模式
全列驱动信号有效，全行驱动信号有效，行控制信号无效，则选通整个整个面，如
本发明能够通过被动式阵列电感线圈实时感知输电线是否存在，通过结合多个扫描模式，进一步的感知飞行器相对输电线的距离信息和位置角度信息，为后续信号处理电路提供判别依据。本发明搭载无人机能够自动识别输电线路空间位置，进而为飞行器提供导航、跟踪、控制信号的空中跟踪传感装置，以实现飞行器的避障、自动跟踪巡线飞行功能，具有非常广阔的市场前景。

Claims (6)

1.一种被动式阵列磁感应天线装置，其特征在于：包括基板，基板上设置有驱动电路、稳压电路、谐振采样电路和多个磁感应子单元，所述多个电磁感应子单元阵列均匀设置，记为M*N列矩阵，则驱动电路包括行总驱动电路、M路行驱动电路、N路列驱动电路和M*N个与门电路，磁感应子单元与与门电路一一对应；所述的行总驱动电路、M路行驱动电路和N路驱动电路均为NPN三极管，每一行所在的电磁感应子单元对应一个行NPN三极管进行驱动，每一列所在的电磁感应子单元对应一个列NPN三极管进行驱动，行总驱动电路为一个行总驱动NPN三极管；
所述的电磁感应子单元包括有一对电感线圈、第一低导通电阻开关管和第二低导通电阻开关管，所述的一对电感线圈由两个正交分布的电感串联组成，所述一对电感线圈的一端连接第二低导通电阻开关管的集电极，第一低导通电阻开关管发射极同时连接第二低导通电阻开关管的发射极；
所述任意一个在同一行电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极均与所在行对应行NPN三极管的集电极相连接；其中M-1个行NPN三极管的发射极均与行总驱动NPN三极管的集电极相连接，剩余一个行NPN三极管的发射极与行总驱动NPN三极管的发射极相连接，行总驱动NPN三极管的发射极接地连接，所述M个行NPN三极管和行总驱动NPN三极管的基极均为驱动电路输入端；
所述任意一个在同一列电磁感应子单元中第一低导通电阻开关管的发射极均与所在列对应列NPN三极管的发射极相连接，同时由下到上，下方电磁感应子单元中一对电感线圈的另一端与与其相邻的上方电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极相连，同一列最上方的电磁感应子单元中一对电感线圈的另一端与所在列对应列NPN三极管的发射极相连接；
所述任意一个行NPN三极管的基极同时与所在行中任意一个电磁感应子单元中第一低导通电阻开关管的基极和所在行中任意一个与门电路的第一输入端相连接；所述任意一个列NPN三极管的基极分别与所在列中任意一个与门电路的第二输入端相连接，任意一个与门电路的输出端与与其对应的电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的基极相连接；
所述N个列NPN三极管的集电极相互连接后分别与稳压电路的输出端和采样电路的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的被动式阵列磁感应天线装置，其特征在于：所述的谐振采样电路包括多个电容和低阻开关，其中第一电容一端与稳压电源输出端相连，另一端接地，其余电容一端也与稳压电源输出端相连，其余电容的另一端通过低阻开关接地。
3.根据权利要求2所述的被动式阵列磁感应天线装置，其特征在于：所述的低阻开关，采用双路低导通电阻模拟开关器件MAX4608。
4.根据权利要求3所述的被动式阵列磁感应天线装置，其特征在于：所述的谐振采样电路中电容为独石电容。
5.根据权利要求4所述的被动式阵列磁感应天线装置，其特征在于：所述的电感线圈采用螺旋管电感线圈。
6.根据权利要求5所述的被动式阵列磁感应天线装置，其特征在于：还包括有插座，所述插座设置在基板的一侧，且谐振采样电路的各个接线均与插座相连接。
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陈建明 等: ""应用无线传感网络的分布式电力***接地状态监测"", 《高电压技术》 *

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CN107491093A (zh) * 2017-07-13 2017-12-19 华北水利水电大学 一种大功率供电路径跟踪识别装置及方法
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