高压电线磁场测距装置、方法及系统.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201410624612.8

申请日:

2014.11.07

公开号:

CN104457540A

公开日:

2015.03.25

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法律详情:

实质审查的生效IPC(主分类):G01B7/02申请日:20141107|||公开

IPC分类号:

G01B7/02

主分类号:

G01B7/02

申请人:

山东建筑大学

发明人:

隋首钢; 李艳萍; 刘存根; 高焕兵; 鲁守银; 石震; 尚兆功; 王升军

地址:

250101山东省济南市临港南区凤鸣路

优先权:

专利代理机构:

北京恩赫律师事务所11469

代理人:

刘守宪

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内容摘要

本发明公开了一种高压电线磁场测距装置、方法及系统,涉及距离测量技术领域,所述高压电线磁场测距装置包括三轴磁场检测模块、信号放大模块、内含AD转换单元的主控模块和无线通信模块,其中,所述三轴磁场检测模块的输出端与所述信号放大模块的输入端相连,所述信号放大模块的输出端与所述主控模块的输入端相连,所述主控模块的通信端与所述无线通信模块相连。与现有技术相比,本发明测量简便,并且克服了存在测量死角和近距离测量不准确的缺点,有力地推动了高压电线测距技术的发展。

权利要求书

1.  一种高压电线磁场测距装置,其特征在于,包括三轴磁场检测模块、信号放大模块、内含AD转换单元的主控模块和无线通信模块,其中:
所述三轴磁场检测模块的输出端与所述信号放大模块的输入端相连,所述信号放大模块的输出端与所述主控模块的输入端相连,所述主控模块的通信端与所述无线通信模块相连。

2.
  根据权利要求1所述的高压电线磁场测距装置,其特征在于,所述主控模块包括MSP430F149单片机、第一晶振、第二晶振、第一接地电容、第二接地电容和第三接地电容,其中:
所述第一晶振的两端分别与所述MSP430F149单片机的XIN和XOUT/TCLK引脚连接;
所述第二晶振的两端分别与所述MSP430F149单片机的X2IN和X2OUT引脚连接,且分别经所述第一接地电容和第二接地电容后接地;
所述MSP430F149单片机的DVcc和AVcc引脚接3.3v电源且经所述第三接地电容后接地,所述MSP430F149单片机的DVss和AVss引脚直接接地。

3.
  根据权利要求2所述的高压电线磁场测距装置,其特征在于,所述磁场检测模块是磁场传感器HMC1053模块,所述磁场检测模块采用+5V供电,所述磁场检测模块的A_GND、B_GND和C_GND引脚均接地,ABC_S/R-引脚接地,ABC_OFF+、AB_OFF-、C_OFF-引脚接所述MSP430F149单片机的P1.2/TA1、P1.3/TA2、P1.4/SMCLK引脚,AB_S/R+、C_S/R+引脚接所述MSP430F149单片机的P1.5/TA0引脚。

4.
  根据权利要求3所述的高压电线磁场测距装置,其特征在于,所述信号放大模块包括第一、第二和第三差分放大电路,其中:
每个差分放大电路均包括放大器,所述放大器的反向输入端和输出端之间均并联有反馈电容和反馈电阻,所述放大器的正向输入端均通过上拉电阻接至1.25V电源;
所述第一差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻连接至所述磁场检测模块的A_OUT-、A_OUT+引脚,输出端连接至所述MSP430F149单片机的P6.3/A3引脚;
所述第二差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻连接至所述磁场检测模块的B_OUT-、B_OUT+引脚,输出端连接至所述MSP430F149单片机的P6.4/A4引脚;
所述第三差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻连接至所述磁场检测模块的C_OUT-、C_OUT+引脚,输出端连接至所述MSP430F149单片机的P6.5/A5引脚。

5.
  根据权利要求4所述的高压电线磁场测距装置,其特征在于,每个差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端与所述MSP430F149单片机之间的限流电阻的阻值均相等;每个差分放大电路的反馈电阻与上拉电阻的阻值均相等。

6.
  根据权利要求5所述的高压电线磁场测距装置,其特征在于,所述无线通信模块是Zigbee模块,所述Zigbee模块采用CC2530芯片。

7.
  根据权利要求1所述的高压电线磁场测距装置在直流磁场中进行测距的方法,其特征在于,包括:
步骤(1):对直流磁场进行采样测量,采样点数为500-700;
步骤(2):去掉最开始的10个采样数据和最后的10个采样数据;
步骤(3):将剩下的采样数据按大小排序,去掉最大的10个采样数据和最小的10个采样数据;
步骤(4):最后对所有剩下的采样数据取平均即测量值。

8.
  根据权利要求1所述的高压电线磁场测距装置在交流磁场中进行测距的方法,其特征在于,包括:
步骤(1):对交流磁场进行采样测量,采样点数500-700;
步骤(2):将第N次至第N+4次测量的5个采样数据取平均,作为滤波后的第N次测量数据,N指零至采样点数之间的任意整数;
步骤(3):去掉最开始的10个采样数据和最后的10个采样数据;
步骤(4):对剩余的采样数据按大小排序,用10个最大采样数据的平均值减去10个最小采样数据的平均值,其结果即为测量磁场数据的峰峰值。

9.
  根据权利要求7或8所述的方法,其特征在于,所述采样点数为600。

10.
  一种测距系统,其特征在于,包括权利要求1至6中任一权利要求所述的高压电线磁场测距装置、与所述高压电线磁场测距装置无线连接的中继模块、以及与所述中继模块有线/无线连接的上位机,其中,所述高压电线磁场测距装置将测量数据通过所述中继模块传输至所述上位机。

说明书

高压电线磁场测距装置、方法及系统
技术领域
本发明涉及距离测量技术领域,特别是指一种高压电线磁场测距装置、方法及系统。
背景技术
随着我国经济的持续高速发展,高压大容量输电线路越建越多,且越来越多的有关高压电线领域,需要测量目标地点与目标高压电线的距离。一方面,高压电线本身具有高电压、高电流等特点,高压电线周围带有高辐射的磁场,在许多实际近距离的高压输电线路作业中,需要准确的测距;另一方面,在多数有关高压电线的技术领域中,需要的是高压电线距离的动态测距;因此,就需要一种安全的、动态的、实时的测距装置。
利用超声波测距原理实现高压电线的测距:通过发射具有特定频率的超声波对被测目标进行探测,特定频率的超声波遇到被测目标时,会以一定的角度反射回来;根据发射超声波和接收反射回的超声波所用的时间差,乘以超声波在传播介质中的速度,再通过进一步的处理,最终换算出距离;另外测距也可以采用激光测距方法。在实际测量中,利用超声波测距,存在45度夹角,存在死角,且在30cm以内的短距离内测量时,准确度不高,而激光测量属于点的测量,需要精确定位到被测量点,但是在实际中,精确定位到被测点较为困难,导致测量较为不便。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种不存在测量死角,测量准确度高,易于定位,测量较为简便的高压电线磁场测距装置、方法及系统。
为解决上述技术问题,本发明提供技术方案如下:
一方面,提供一种高压电线磁场测距装置,包括三轴磁场检测模块、 信号放大模块、内含AD转换单元的主控模块和无线通信模块,其中:
所述三轴磁场检测模块的输出端与所述信号放大模块的输入端相连,所述信号放大模块的输出端与所述主控模块的输入端相连,所述主控模块的通信端与所述无线通信模块相连。
进一步的,所述主控模块包括MSP430F149单片机、第一晶振、第二晶振、第一接地电容、第二接地电容和第三接地电容,其中:
所述第一晶振的两端分别与所述MSP430F149单片机的XIN和XOUT/TCLK引脚连接;
所述第二晶振的两端分别与所述MSP430F149单片机的X2IN和X2OUT引脚连接,且分别经所述第一接地电容和第二接地电容后接地;
所述MSP430F149单片机的DVcc和AVcc引脚接3.3v电源且经所述第三接地电容后接地,所述MSP430F149单片机的DVss和AVss引脚直接接地。
进一步的,所述磁场检测模块是磁场传感器HMC1053模块,所述磁场检测模块采用+5V供电,所述磁场检测模块的A_GND、B_GND和C_GND引脚均接地,ABC_S/R-引脚接地,ABC_OFF+、AB_OFF-、C_OFF-引脚接所述MSP430F149单片机的P1.2/TA1、P1.3/TA2、P1.4/SMCLK引脚,AB_S/R+、C_S/R+引脚接所述MSP430F149单片机的P1.5/TA0引脚。
进一步的,所述信号放大模块包括第一、第二和第三差分放大电路,其中:
每个差分放大电路均包括放大器,所述放大器的反向输入端和输出端之间均并联有反馈电容和反馈电阻,所述放大器的正向输入端均通过上拉电阻接至1.25V电源;
所述第一差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻连接至所述磁场检测模块的A_OUT-、A_OUT+引脚,输出端连接至所述MSP430F149单片机的P6.3/A3引脚;
所述第二差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻连接至所述磁场检测模块的B_OUT-、B_OUT+引脚,输出端 连接至所述MSP430F149单片机的P6.4/A4引脚;
所述第三差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻连接至所述磁场检测模块的C_OUT-、C_OUT+引脚,输出端连接至所述MSP430F149单片机的P6.5/A5引脚。
进一步的,每个差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端与所述MSP430F149单片机之间的限流电阻的阻值均相等;每个差分放大电路的反馈电阻与上拉电阻的阻值均相等。
进一步的,所述无线通信模块是Zigbee模块,所述Zigbee模块采用CC2530芯片。
进一步的,所述的高压电线磁场测距装置在直流磁场中进行测距的方法,包括:
步骤(1):对直流磁场进行采样测量,采样点数为500-700;
步骤(2):去掉最开始的10个采样数据和最后的10个采样数据;
步骤(3):将剩下的采样数据按大小排序,去掉最大的10个采样数据和最小的10个采样数据;
步骤(4):最后对所有剩下的采样数据取平均即测量值。
进一步的,所述的高压电线磁场测距装置在交流磁场中进行测距的方法,其特征在于,包括:
步骤(1):对交流磁场进行采样测量,采样点数500-700;
步骤(2):将第N次至第N+4次测量的5个采样数据取平均,作为滤波后的第N次测量数据,N指零至采样点数之间的任意整数;
步骤(3):去掉最开始的10个采样数据和最后的10个采样数据;
步骤(4):对剩余的采样数据按大小排序,用10个最大采样数据的平均值减去10个最小采样数据的平均值,其结果即为测量磁场数据的峰峰值。
进一步的,所述采样点数为600。
另一方面,提供一种测距系统,包括上述的高压电线磁场测距装置、与所述高压电线磁场测距装置无线连接的中继模块、以及与所述中继模块 有线/无线连接的上位机,其中,所述高压电线磁场测距装置将测量数据通过所述中继模块传输至所述上位机。
本发明具有以下有益效果:
上述方案中,首先,三轴磁场检测模块对三个方向上的磁场进行测量,并转化为三路电压信号;三路电压信号经过信号放大模块放大后,被传输至主控模块;主控模块把放大后的电压信号转化成数字信号,并在主控模块内部对数字信号进行处理,利用三路数字信号,换算出被测目标与测量点的距离,然后把距离信号发送至无线传输模块向外传送。高压电线周围的磁场距离导线越近强度越大,因此可以根据磁场强度测算出测量点与导线之间的距离,由于磁场强度与方向无关,所以可以在任意方便操作的地点测量,且无测量死角;另外距离越近,信号越强,测量会越精确,克服了在30cm距离内,超声波测量不准确的缺点;由于磁场测量不是通过反射进行的,所以不需要考虑定位,操作上更简便易行;本发明测量简便,并且克服了存在测量死角和近距离测量不准确的缺点,有力地推动了高压线测距技术的发展。
附图说明
图1为本发明的高压电线磁场测距装置的结构示意图;
图2为本发明的高压电线磁场测距装置的磁场检测模块与信号放大模块的电路组成结构示意图;
图3为本发明的高压电线磁场测距装置的主控模块的结构示意图;
图4为本发明的高压电线磁场测距装置对交流磁场进行测量时,滤波前波形图;
图5为本发明的高压电线磁场测距装置对交流磁场进行测量时,滤波后波形图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结 合附图及具体实施例进行详细描述。
一方面,本发明提供一种高压电线磁场测距装置,包括三轴磁场检测模块1、信号放大模块2、内含AD转换单元的主控模块3和无线通信模块4。如图1所示,三轴磁场检测模块1的输出端与信号放大模块2的输入端相连,信号放大模块2的输出端与主控模块3的输入端相连,主控模块3的通信端与无线通信模块4相连。
工作时,首先,三轴磁场检测模块1对三个方向上的磁场进行测量,并转化为三路电压信号;三路电压信号经过信号放大模块2放大后,被传输至主控模块3;主控模块3把放大后的电压信号转化成数字信号,并利用主控模块3内部的AD转换单元对数字信号进行处理,利用三路数字信号,换算出被测目标与测量点的距离,然后把距离信号发送至无线传输模块向外传送。
与现有技术相比,由于磁场强度与方向无关,所以可以在任意方便操作的地点测量,且无测量死角;另外距离越近,信号越强,测量会越精确,克服了在30cm距离内,超声波测量不准确的缺点;由于磁场测量不是通过反射进行的,所以不需要考虑定位被测目标物体,操作上更简便易行。
具体的,本发明可以采用如下电路结构形式:
如图2所示,主控模块3包括MSP430F149单片机、第一和第二晶振、以及第一、第二和第三接地电容,其中:
第一晶振的两端分别与MSP430F149单片机的XIN和XOUT/TCLK引脚连接;
第二晶振的两端分别与MSP430F149单片机的X2IN和X2OUT引脚连接,且同时分别经第一接地电容C9和第二接地C10电容接地;
MSP430F149单片机的Dvcc和第Avcc引脚接3.3v电源且经第三接地电容C5后接地,MSP430F149单片机的DVss和AVss引脚直接接地。
工作时,端口P6.0/A0以及P6.2/A3~P6.5/A5端口设置为AD采样,P6.3/A3~P6.5/A5端口分别用于测量A,B,C三轴的磁场数据,端口P6.0/A0用于接收磁场测距数据,端口P6.2/A2用于检测电池电量。端口P1.2/TA1~ P1.4/SMCLK分别接HMC1053模块的ABC_OFF+、AB_OFF-、C_OFF-,且AB_OFF-、C_OFF-与P1.3/TA2、P1.4/SMCLK之间有限流电阻。端口P1.5/TA0用于启动HMC1053的测量功能,在每次测量时,先对HMC1053模块复位,并且保持低电平4ms,之后再启动HMC1053,进行磁场测量。
在测量磁场时,如图3所示,三轴磁场检测模块1优选是磁场传感器HMC1053模块,三轴磁场检测模块1采用+5V供电,三轴磁场检测模块1的A_GND、B_GND和C_GND引脚均接地,ABC_S/R-引脚接地,ABC_OFF+、AB_OFF-、C_OFF-引脚接MSP430F149单片机的P1.2/TA1、P1.3/TA2、P1.4/SMCLK引脚,AB_S/R+、C_S/R+引脚接MSP430F149单片机的P1.5/TA0引脚。
事实上,HMC1053模块内部配置了三个磁阻传感器,将磁场转化为不同的输出电压,该模块的测量范围是-6~+6gauss,分辨率为120μgauss。三轴的磁场测量结果分别由A_OUT+与A_OUT-,B_OUT+与B_OUT-,C_OUT+与C_OUT-差分输出。
接着,三轴磁场检测模块1差分输出的电压信号传输给信号放大模块2,信号放大模块2包括第一、第二和第三差分放大电路,其中:
每个差分放大电路均包括放大器U5A、U5B、U5C,放大器U5A、U5B、U5C的反向输入端和输出端之间均并联有反馈电容C11、C12、C14和反馈电阻R8、R14、R22,放大器的正向输入端均通过上拉电阻R11、R21、R25接1.25V电源;
第一差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻R12、R15连接至所述磁场检测模块的A_OUT-、A_OUT+引脚,输出端连接至所述MSP430F149单片机的P6.3/A3引脚;
第二差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻R17、R19连接至所述磁场检测模块的B_OUT-、B_OUT+引脚,输出端连接至所述MSP430F149单片机的P6.4/A4引脚;
第三差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻R23、R24连接至所述磁场检测模块1的C_OUT-、C_OUT+引脚, 输出端连接至所述MSP430F149单片机的P6.5/A5引脚。
在主控模块3对放大后的电压信号数据转换时,由于MSP430的AD采集的高电平为2.5V,为了保证信号的不失真,运放的基准电压为1.25V,即信号放大电路的基准电压为1.25V。
且在该电路中,每个差分放大电路的放大器U5A、U5B、U5C的正向输入端和反向输入端与MSP430F149单片机之间的限流电阻R12、R15、R17、R19、R23、R24均相等,反馈电阻R8、R14、R22与上拉电阻R11、R21、R25均相等。
本发明中,无线通信模块优选是Zigbee模块,Zigbee模块所采用的芯片可以是CC2530,可实现一对多,多对多的快速及时通信。
实际工作时,存在两种磁场测量方式,即在直流磁场中的测距方式和在交流磁场中的测距方式,其中:
方式一:高压电线磁场测距装置在直流磁场中测距的方式
在AD检测直流磁场过程中,由于外界因素的干扰会引起一定的测量误差,为了减小测量误差,我们采用多次测量去掉若干最大值及最小值并取平均的方法;
具体可以包括以下步骤:
步骤(1):对直流磁场进行采样测量,采样点数为500-700;多次采样可以最大限度的减少误差,保证了测量结果的客观性;
步骤(2):去掉最开始的10个采样数据和最后的10个采样数据;这是因为最开始是上电阶段和最终掉电阶段,电压不稳导致数据测量不准确;
步骤(3):将剩下的采样数据按大小排序,去掉最大的10个采样数据和最小的10个采样数据;进一步排除了偶然误差的影响;
步骤(4):最后对所有剩下的采样数据取平均即测量值,这样做的好处是进一步中和掉误差,使测量结果更接近于实际情况。
方式二:高压电线磁场测距装置在交流磁场中测距的方式
在AD检测交流磁场过程中,也会由于外界环境的扰动产生一定的误 差,为了减小测量误差,我们采用多次采样,分段求平均值,并且去掉开头和最后的10个数据,将剩下的数据进行排序的方法,进一步处理后得到结果的方法;
具体可以包括以下步骤:
步骤(1):对交流磁场进行采样测量,采样点数500-700;同上,多次采样可以最大限度的减少偶然性误差,保证了测量结果的准确与客观;采样后形成波形图如图4所示;
步骤(2):将第N次至第N+4次测量的5个采样数据取平均,作为滤波后的第N次测量数据,N指零至采样点数之间的任意整数;分段求平均可以使排除了某些测量值的偶然性误差过大,使各个点的值更接近于实际情况,经过此方法处理后的波形图如图5所示;
步骤(3):去掉最开始的10个采样数据和最后的10个采样数据;同上,排除因为上电或掉电引起电压不稳,从而导致数据测量不准确;
步骤(4):对剩余的采样数据按大小排序,用10个最大采样数据的平均值减去10个最小采样数据的平均值,其结果即为测量磁场数据的峰峰值;在实际的测量中,10个最大值和10个最小值既能保证进一步中和偶然误差,又能保证最接近于波峰和波谷,这样处理使数据更加符合实际。
用这种方法检测交流磁场时,信号为50Hz时,单周期采样次数为150次,输入信号的单周期可采样次数范围为15次~300次,对应的频率范围为25Hz~500Hz。
实际中,高压电线磁场测距装置在交流磁场或直流磁场中测量时,采样点数优选为600。
另一方面,提供一种测距系统,包括上述的高压电线磁场测距装置、与高压电线磁场测距装置无线连接的中继模块、以及与中继模块有线/无线连接的上位机,其中,高压电线磁场测距装置将测量数据通过中继模块传输至上位机。
由于高压电线磁场测距装置的结构与上相同,此处不再赘述。
本发明的有益效果如下:
与现有技术相比,高压电线周围的磁场距离导线越近强度越大,因此可以根据磁场强度测算出测量点与导线之间的距离,由于磁场强度与方向无关,所以可以在任意方便操作的地点测量,且无测量死角;另外距离越近,信号越强,测量会越精确,克服了在30cm距离内,超声波测量不准确的缺点;由于磁场测量不是通过反射进行的,所以不需要考虑定位,操作上更简便易行。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410624612.8 (22)申请日 2014.11.07 G01B 7/02(2006.01) (71)申请人 山东建筑大学 地址 250101 山东省济南市临港南区凤鸣路 (72)发明人 隋首钢 李艳萍 刘存根 高焕兵 鲁守银 石震 尚兆功 王升军 (74)专利代理机构 北京恩赫律师事务所 11469 代理人 刘守宪 (54) 发明名称 高压电线磁场测距装置、 方法及系统 (57) 摘要 本发明公开了一种高压电线磁场测距装置、 方法及系统, 涉及距离测量技术领域, 所述高压电 线磁场测距装置包括三轴磁场检测模块、 信号放 大模。

2、块、 内含 AD 转换单元的主控模块和无线通信 模块, 其中, 所述三轴磁场检测模块的输出端与所 述信号放大模块的输入端相连, 所述信号放大模 块的输出端与所述主控模块的输入端相连, 所述 主控模块的通信端与所述无线通信模块相连。与 现有技术相比, 本发明测量简便, 并且克服了存在 测量死角和近距离测量不准确的缺点, 有力地推 动了高压电线测距技术的发展。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104457540 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104457540 。

3、A 1/2 页 2 1. 一种高压电线磁场测距装置, 其特征在于, 包括三轴磁场检测模块、 信号放大模块、 内含 AD 转换单元的主控模块和无线通信模块, 其中 : 所述三轴磁场检测模块的输出端与所述信号放大模块的输入端相连, 所述信号放大模 块的输出端与所述主控模块的输入端相连, 所述主控模块的通信端与所述无线通信模块相 连。 2. 根据权利要求 1 所述的高压电线磁场测距装置, 其特征在于, 所述主控模块包括 MSP430F149 单片机、 第一晶振、 第二晶振、 第一接地电容、 第二接地电容和第三接地电容, 其 中 : 所述第一晶振的两端分别与所述 MSP430F149 单片机的 XIN。

4、 和 XOUT/TCLK 引脚连接 ; 所述第二晶振的两端分别与所述 MSP430F149 单片机的 X2IN 和 X2OUT 引脚连接, 且分 别经所述第一接地电容和第二接地电容后接地 ; 所述 MSP430F149 单片机的 DVcc 和 AVcc 引脚接 3.3v 电源且经所述第三接地电容后接 地, 所述 MSP430F149 单片机的 DVss 和 AVss 引脚直接接地。 3. 根据权利要求 2 所述的高压电线磁场测距装置, 其特征在于, 所述磁场检测模块是 磁场传感器 HMC1053 模块, 所述磁场检测模块采用 +5V 供电, 所述磁场检测模块的 A_GND、 B_GND 和 C。

5、_GND 引脚均接地, ABC_S/R- 引脚接地, ABC_OFF+、 AB_OFF-、 C_OFF- 引脚接所述 MSP430F149 单片机的 P1.2/TA1、 P1.3/TA2、 P1.4/SMCLK 引脚, AB_S/R+、 C_S/R+ 引脚接所述 MSP430F149 单片机的 P1.5/TA0 引脚。 4. 根据权利要求 3 所述的高压电线磁场测距装置, 其特征在于, 所述信号放大模块包 括第一、 第二和第三差分放大电路, 其中 : 每个差分放大电路均包括放大器, 所述放大器的反向输入端和输出端之间均并联有反 馈电容和反馈电阻, 所述放大器的正向输入端均通过上拉电阻接至 1.。

6、25V 电源 ; 所述第一差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻连接 至所述磁场检测模块的 A_OUT-、 A_OUT+ 引脚, 输出端连接至所述 MSP430F149 单片机的 P6.3/A3 引脚 ; 所述第二差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻连接 至所述磁场检测模块的 B_OUT-、 B_OUT+ 引脚, 输出端连接至所述 MSP430F149 单片机的 P6.4/A4 引脚 ; 所述第三差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻连接 至所述磁场检测模块的 C_OUT-、 C_OUT+ 引脚, 输出端连接至所述 MSP43。

7、0F149 单片机的 P6.5/A5 引脚。 5. 根据权利要求 4 所述的高压电线磁场测距装置, 其特征在于, 每个差分放大电路的 放大器的正向输入端和反向输入端与所述 MSP430F149 单片机之间的限流电阻的阻值均相 等 ; 每个差分放大电路的反馈电阻与上拉电阻的阻值均相等。 6. 根据权利要求 5 所述的高压电线磁场测距装置, 其特征在于, 所述无线通信模块是 Zigbee 模块, 所述 Zigbee 模块采用 CC2530 芯片。 7. 根据权利要求 1 所述的高压电线磁场测距装置在直流磁场中进行测距的方法, 其特 征在于, 包括 : 步骤 (1) : 对直流磁场进行采样测量, 采。

8、样点数为 500-700 ; 权 利 要 求 书 CN 104457540 A 2 2/2 页 3 步骤 (2) : 去掉最开始的 10 个采样数据和最后的 10 个采样数据 ; 步骤 (3) : 将剩下的采样数据按大小排序, 去掉最大的 10 个采样数据和最小的 10 个采 样数据 ; 步骤 (4) : 最后对所有剩下的采样数据取平均即测量值。 8. 根据权利要求 1 所述的高压电线磁场测距装置在交流磁场中进行测距的方法, 其特 征在于, 包括 : 步骤 (1) : 对交流磁场进行采样测量, 采样点数 500-700 ; 步骤 (2) : 将第 N 次至第 N+4 次测量的 5 个采样数据取。

9、平均, 作为滤波后的第 N 次测量 数据, N 指零至采样点数之间的任意整数 ; 步骤 (3) : 去掉最开始的 10 个采样数据和最后的 10 个采样数据 ; 步骤 (4) : 对剩余的采样数据按大小排序, 用 10 个最大采样数据的平均值减去 10 个最 小采样数据的平均值, 其结果即为测量磁场数据的峰峰值。 9. 根据权利要求 7 或 8 所述的方法, 其特征在于, 所述采样点数为 600。 10. 一种测距系统, 其特征在于, 包括权利要求 1 至 6 中任一权利要求所述的高压电线 磁场测距装置、 与所述高压电线磁场测距装置无线连接的中继模块、 以及与所述中继模块 有线 / 无线连接的。

10、上位机, 其中, 所述高压电线磁场测距装置将测量数据通过所述中继模 块传输至所述上位机。 权 利 要 求 书 CN 104457540 A 3 1/6 页 4 高压电线磁场测距装置、 方法及系统 技术领域 0001 本发明涉及距离测量技术领域, 特别是指一种高压电线磁场测距装置、 方法及系 统。 背景技术 0002 随着我国经济的持续高速发展, 高压大容量输电线路越建越多, 且越来越多的有 关高压电线领域, 需要测量目标地点与目标高压电线的距离。 一方面, 高压电线本身具有高 电压、 高电流等特点, 高压电线周围带有高辐射的磁场, 在许多实际近距离的高压输电线路 作业中, 需要准确的测距 ; 。

11、另一方面, 在多数有关高压电线的技术领域中, 需要的是高压电 线距离的动态测距 ; 因此, 就需要一种安全的、 动态的、 实时的测距装置。 0003 利用超声波测距原理实现高压电线的测距 : 通过发射具有特定频率的超声波对被 测目标进行探测, 特定频率的超声波遇到被测目标时, 会以一定的角度反射回来 ; 根据发射 超声波和接收反射回的超声波所用的时间差, 乘以超声波在传播介质中的速度, 再通过进 一步的处理, 最终换算出距离 ; 另外测距也可以采用激光测距方法。在实际测量中, 利用超 声波测距, 存在 45 度夹角, 存在死角, 且在 30cm 以内的短距离内测量时, 准确度不高, 而激 光测。

12、量属于点的测量, 需要精确定位到被测量点, 但是在实际中, 精确定位到被测点较为困 难, 导致测量较为不便。 发明内容 0004 本发明要解决的技术问题是提供一种不存在测量死角, 测量准确度高, 易于定位, 测量较为简便的高压电线磁场测距装置、 方法及系统。 0005 为解决上述技术问题, 本发明提供技术方案如下 : 0006 一方面, 提供一种高压电线磁场测距装置, 包括三轴磁场检测模块、 信号放大模 块、 内含 AD 转换单元的主控模块和无线通信模块, 其中 : 0007 所述三轴磁场检测模块的输出端与所述信号放大模块的输入端相连, 所述信号放 大模块的输出端与所述主控模块的输入端相连, 。

13、所述主控模块的通信端与所述无线通信模 块相连。 0008 进一步的, 所述主控模块包括 MSP430F149 单片机、 第一晶振、 第二晶振、 第一接地 电容、 第二接地电容和第三接地电容, 其中 : 0009 所述第一晶振的两端分别与所述 MSP430F149 单片机的 XIN 和 XOUT/TCLK 引脚连 接 ; 0010 所述第二晶振的两端分别与所述 MSP430F149 单片机的 X2IN 和 X2OUT 引脚连接, 且分别经所述第一接地电容和第二接地电容后接地 ; 0011 所述 MSP430F149 单片机的 DVcc 和 AVcc 引脚接 3.3v 电源且经所述第三接地电容 后。

14、接地, 所述 MSP430F149 单片机的 DVss 和 AVss 引脚直接接地。 0012 进一步的, 所述磁场检测模块是磁场传感器 HMC1053 模块, 所述磁场检测模块采 说 明 书 CN 104457540 A 4 2/6 页 5 用 +5V 供电, 所述磁场检测模块的 A_GND、 B_GND 和 C_GND 引脚均接地, ABC_S/R- 引脚接地, ABC_OFF+、 AB_OFF-、 C_OFF- 引脚接所述 MSP430F149 单片机的 P1.2/TA1、 P1.3/TA2、 P1.4/ SMCLK 引脚, AB_S/R+、 C_S/R+ 引脚接所述 MSP430F14。

15、9 单片机的 P1.5/TA0 引脚。 0013 进一步的, 所述信号放大模块包括第一、 第二和第三差分放大电路, 其中 : 0014 每个差分放大电路均包括放大器, 所述放大器的反向输入端和输出端之间均并联 有反馈电容和反馈电阻, 所述放大器的正向输入端均通过上拉电阻接至 1.25V 电源 ; 0015 所述第一差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻 连接至所述磁场检测模块的A_OUT-、 A_OUT+引脚, 输出端连接至所述MSP430F149单片机的 P6.3/A3 引脚 ; 0016 所述第二差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻 连接至所述。

16、磁场检测模块的B_OUT-、 B_OUT+引脚, 输出端连接至所述MSP430F149单片机的 P6.4/A4 引脚 ; 0017 所述第三差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻 连接至所述磁场检测模块的C_OUT-、 C_OUT+引脚, 输出端连接至所述MSP430F149单片机的 P6.5/A5 引脚。 0018 进一步的, 每个差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端与所述 MSP430F149 单片机之间的限流电阻的阻值均相等 ; 每个差分放大电路的反馈电阻与上拉 电阻的阻值均相等。 0019 进一步的, 所述无线通信模块是 Zigbee 模块, 所述 Zig。

17、bee 模块采用 CC2530 芯片。 0020 进一步的, 所述的高压电线磁场测距装置在直流磁场中进行测距的方法, 包括 : 0021 步骤 (1) : 对直流磁场进行采样测量, 采样点数为 500-700 ; 0022 步骤 (2) : 去掉最开始的 10 个采样数据和最后的 10 个采样数据 ; 0023 步骤 (3) : 将剩下的采样数据按大小排序, 去掉最大的 10 个采样数据和最小的 10 个采样数据 ; 0024 步骤 (4) : 最后对所有剩下的采样数据取平均即测量值。 0025 进一步的, 所述的高压电线磁场测距装置在交流磁场中进行测距的方法, 其特征 在于, 包括 : 00。

18、26 步骤 (1) : 对交流磁场进行采样测量, 采样点数 500-700 ; 0027 步骤 (2) : 将第 N 次至第 N+4 次测量的 5 个采样数据取平均, 作为滤波后的第 N 次 测量数据, N 指零至采样点数之间的任意整数 ; 0028 步骤 (3) : 去掉最开始的 10 个采样数据和最后的 10 个采样数据 ; 0029 步骤 (4) : 对剩余的采样数据按大小排序, 用 10 个最大采样数据的平均值减去 10 个最小采样数据的平均值, 其结果即为测量磁场数据的峰峰值。 0030 进一步的, 所述采样点数为 600。 0031 另一方面, 提供一种测距系统, 包括上述的高压电。

19、线磁场测距装置、 与所述高压电 线磁场测距装置无线连接的中继模块、 以及与所述中继模块有线 / 无线连接的上位机, 其 中, 所述高压电线磁场测距装置将测量数据通过所述中继模块传输至所述上位机。 0032 本发明具有以下有益效果 : 0033 上述方案中, 首先, 三轴磁场检测模块对三个方向上的磁场进行测量, 并转化为三 说 明 书 CN 104457540 A 5 3/6 页 6 路电压信号 ; 三路电压信号经过信号放大模块放大后, 被传输至主控模块 ; 主控模块把放 大后的电压信号转化成数字信号, 并在主控模块内部对数字信号进行处理, 利用三路数字 信号, 换算出被测目标与测量点的距离, 。

20、然后把距离信号发送至无线传输模块向外传送。 高 压电线周围的磁场距离导线越近强度越大, 因此可以根据磁场强度测算出测量点与导线之 间的距离, 由于磁场强度与方向无关, 所以可以在任意方便操作的地点测量, 且无测量死 角 ; 另外距离越近, 信号越强, 测量会越精确, 克服了在 30cm 距离内, 超声波测量不准确的 缺点 ; 由于磁场测量不是通过反射进行的, 所以不需要考虑定位, 操作上更简便易行 ; 本发 明测量简便, 并且克服了存在测量死角和近距离测量不准确的缺点, 有力地推动了高压线 测距技术的发展。 附图说明 0034 图 1 为本发明的高压电线磁场测距装置的结构示意图 ; 0035 。

21、图 2 为本发明的高压电线磁场测距装置的磁场检测模块与信号放大模块的电路 组成结构示意图 ; 0036 图 3 为本发明的高压电线磁场测距装置的主控模块的结构示意图 ; 0037 图 4 为本发明的高压电线磁场测距装置对交流磁场进行测量时, 滤波前波形图 ; 0038 图 5 为本发明的高压电线磁场测距装置对交流磁场进行测量时, 滤波后波形图。 具体实施方式 0039 为使本发明要解决的技术问题、 技术方案和优点更加清楚, 下面将结合附图及具 体实施例进行详细描述。 0040 一方面, 本发明提供一种高压电线磁场测距装置, 包括三轴磁场检测模块 1、 信号 放大模块 2、 内含 AD 转换单元。

22、的主控模块 3 和无线通信模块 4。如图 1 所示, 三轴磁场检测 模块 1 的输出端与信号放大模块 2 的输入端相连, 信号放大模块 2 的输出端与主控模块 3 的输入端相连, 主控模块 3 的通信端与无线通信模块 4 相连。 0041 工作时, 首先, 三轴磁场检测模块 1 对三个方向上的磁场进行测量, 并转化为三路 电压信号 ; 三路电压信号经过信号放大模块 2 放大后, 被传输至主控模块 3 ; 主控模块 3 把 放大后的电压信号转化成数字信号, 并利用主控模块3内部的AD转换单元对数字信号进行 处理, 利用三路数字信号, 换算出被测目标与测量点的距离, 然后把距离信号发送至无线传 输。

23、模块向外传送。 0042 与现有技术相比, 由于磁场强度与方向无关, 所以可以在任意方便操作的地点测 量, 且无测量死角 ; 另外距离越近, 信号越强, 测量会越精确, 克服了在 30cm 距离内, 超声波 测量不准确的缺点 ; 由于磁场测量不是通过反射进行的, 所以不需要考虑定位被测目标物 体, 操作上更简便易行。 0043 具体的, 本发明可以采用如下电路结构形式 : 0044 如图 2 所示, 主控模块 3 包括 MSP430F149 单片机、 第一和第二晶振、 以及第一、 第 二和第三接地电容, 其中 : 0045 第一晶振的两端分别与 MSP430F149 单片机的 XIN 和 XO。

24、UT/TCLK 引脚连接 ; 0046 第二晶振的两端分别与 MSP430F149 单片机的 X2IN 和 X2OUT 引脚连接, 且同时分 说 明 书 CN 104457540 A 6 4/6 页 7 别经第一接地电容 C9 和第二接地 C10 电容接地 ; 0047 MSP430F149单片机的Dvcc和第Avcc引脚接3.3v电源且经第三接地电容C5后接 地, MSP430F149 单片机的 DVss 和 AVss 引脚直接接地。 0048 工作时, 端口 P6.0/A0 以及 P6.2/A3 P6.5/A5 端口设置为 AD 采样, P6.3/A3 P6.5/A5 端口分别用于测量 A。

25、, B, C 三轴的磁场数据, 端口 P6.0/A0 用于接收磁场测距数据, 端口 P6.2/A2 用于检测电池电量。端口 P1.2/TA1 P1.4/SMCLK 分别接 HMC1053 模块的 ABC_OFF+、 AB_OFF-、 C_OFF-, 且 AB_OFF-、 C_OFF- 与 P1.3/TA2、 P1.4/SMCLK 之间有限流电 阻。端口 P1.5/TA0 用于启动 HMC1053 的测量功能, 在每次测量时, 先对 HMC1053 模块复位, 并且保持低电平 4ms, 之后再启动 HMC1053, 进行磁场测量。 0049 在测量磁场时, 如图 3 所示, 三轴磁场检测模块 1。

26、 优选是磁场传感器 HMC1053 模 块, 三轴磁场检测模块 1 采用 +5V 供电, 三轴磁场检测模块 1 的 A_GND、 B_GND 和 C_GND 引脚 均接地, ABC_S/R-引脚接地, ABC_OFF+、 AB_OFF-、 C_OFF-引脚接MSP430F149单片机的P1.2/ TA1、 P1.3/TA2、 P1.4/SMCLK 引脚, AB_S/R+、 C_S/R+ 引脚接 MSP430F149 单片机的 P1.5/TA0 引脚。 0050 事实上, HMC1053 模块内部配置了三个磁阻传感器, 将磁场转化为不同的输出电 压, 该模块的测量范围是 -6 +6gauss, 。

27、分辨率为 120gauss。三轴的磁场测量结果分别 由 A_OUT+ 与 A_OUT-, B_OUT+ 与 B_OUT-, C_OUT+ 与 C_OUT- 差分输出。 0051 接着, 三轴磁场检测模块 1 差分输出的电压信号传输给信号放大模块 2, 信号放大 模块 2 包括第一、 第二和第三差分放大电路, 其中 : 0052 每个差分放大电路均包括放大器 U5A、 U5B、 U5C, 放大器 U5A、 U5B、 U5C 的反向输入 端和输出端之间均并联有反馈电容 C11、 C12、 C14 和反馈电阻 R8、 R14、 R22, 放大器的正向输 入端均通过上拉电阻 R11、 R21、 R25。

28、 接 1.25V 电源 ; 0053 第一差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻 R12、 R15 连接至所述磁场检测模块的 A_OUT-、 A_OUT+ 引脚, 输出端连接至所述 MSP430F149 单片 机的 P6.3/A3 引脚 ; 0054 第二差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻 R17、 R19 连接至所述磁场检测模块的 B_OUT-、 B_OUT+ 引脚, 输出端连接至所述 MSP430F149 单片 机的 P6.4/A4 引脚 ; 0055 第三差分放大电路的放大器的正向输入端和反向输入端分别通过限流电阻 R23、 R24 连接至。

29、所述磁场检测模块 1 的 C_OUT-、 C_OUT+ 引脚, 输出端连接至所述 MSP430F149 单 片机的 P6.5/A5 引脚。 0056 在主控模块 3 对放大后的电压信号数据转换时, 由于 MSP430 的 AD 采集的高电平 为 2.5V, 为了保证信号的不失真, 运放的基准电压为 1.25V, 即信号放大电路的基准电压为 1.25V。 0057 且在该电路中, 每个差分放大电路的放大器 U5A、 U5B、 U5C 的正向输入端和反向输 入端与 MSP430F149 单片机之间的限流电阻 R12、 R15、 R17、 R19、 R23、 R24 均相等, 反馈电阻 R8、 R1。

30、4、 R22 与上拉电阻 R11、 R21、 R25 均相等。 0058 本发明中, 无线通信模块优选是 Zigbee 模块, Zigbee 模块所采用的芯片可以是 CC2530, 可实现一对多, 多对多的快速及时通信。 说 明 书 CN 104457540 A 7 5/6 页 8 0059 实际工作时, 存在两种磁场测量方式, 即在直流磁场中的测距方式和在交流磁场 中的测距方式, 其中 : 0060 方式一 : 高压电线磁场测距装置在直流磁场中测距的方式 0061 在 AD 检测直流磁场过程中, 由于外界因素的干扰会引起一定的测量误差, 为了减 小测量误差, 我们采用多次测量去掉若干最大值及。

31、最小值并取平均的方法 ; 0062 具体可以包括以下步骤 : 0063 步骤 (1) : 对直流磁场进行采样测量, 采样点数为 500-700 ; 多次采样可以最大限 度的减少误差, 保证了测量结果的客观性 ; 0064 步骤(2) : 去掉最开始的10个采样数据和最后的10个采样数据 ; 这是因为最开始 是上电阶段和最终掉电阶段, 电压不稳导致数据测量不准确 ; 0065 步骤 (3) : 将剩下的采样数据按大小排序, 去掉最大的 10 个采样数据和最小的 10 个采样数据 ; 进一步排除了偶然误差的影响 ; 0066 步骤 (4) : 最后对所有剩下的采样数据取平均即测量值, 这样做的好处。

32、是进一步 中和掉误差, 使测量结果更接近于实际情况。 0067 方式二 : 高压电线磁场测距装置在交流磁场中测距的方式 0068 在 AD 检测交流磁场过程中, 也会由于外界环境的扰动产生一定的误差, 为了减小 测量误差, 我们采用多次采样, 分段求平均值, 并且去掉开头和最后的 10 个数据, 将剩下的 数据进行排序的方法, 进一步处理后得到结果的方法 ; 0069 具体可以包括以下步骤 : 0070 步骤 (1) : 对交流磁场进行采样测量, 采样点数 500-700 ; 同上, 多次采样可以最大 限度的减少偶然性误差, 保证了测量结果的准确与客观 ; 采样后形成波形图如图 4 所示 ; 。

33、0071 步骤 (2) : 将第 N 次至第 N+4 次测量的 5 个采样数据取平均, 作为滤波后的第 N 次 测量数据, N 指零至采样点数之间的任意整数 ; 分段求平均可以使排除了某些测量值的偶 然性误差过大, 使各个点的值更接近于实际情况, 经过此方法处理后的波形图如图 5 所示 ; 0072 步骤 (3) : 去掉最开始的 10 个采样数据和最后的 10 个采样数据 ; 同上, 排除因为 上电或掉电引起电压不稳, 从而导致数据测量不准确 ; 0073 步骤 (4) : 对剩余的采样数据按大小排序, 用 10 个最大采样数据的平均值减去 10 个最小采样数据的平均值, 其结果即为测量磁场。

34、数据的峰峰值 ; 在实际的测量中, 10 个最 大值和 10 个最小值既能保证进一步中和偶然误差, 又能保证最接近于波峰和波谷, 这样处 理使数据更加符合实际。 0074 用这种方法检测交流磁场时, 信号为50Hz时, 单周期采样次数为150次, 输入信号 的单周期可采样次数范围为 15 次 300 次, 对应的频率范围为 25Hz 500Hz。 0075 实际中, 高压电线磁场测距装置在交流磁场或直流磁场中测量时, 采样点数优选 为 600。 0076 另一方面, 提供一种测距系统, 包括上述的高压电线磁场测距装置、 与高压电线磁 场测距装置无线连接的中继模块、 以及与中继模块有线 / 无线。

35、连接的上位机, 其中, 高压电 线磁场测距装置将测量数据通过中继模块传输至上位机。 0077 由于高压电线磁场测距装置的结构与上相同, 此处不再赘述。 0078 本发明的有益效果如下 : 说 明 书 CN 104457540 A 8 6/6 页 9 0079 与现有技术相比, 高压电线周围的磁场距离导线越近强度越大, 因此可以根据磁 场强度测算出测量点与导线之间的距离, 由于磁场强度与方向无关, 所以可以在任意方便 操作的地点测量, 且无测量死角 ; 另外距离越近, 信号越强, 测量会越精确, 克服了在 30cm 距离内, 超声波测量不准确的缺点 ; 由于磁场测量不是通过反射进行的, 所以不需要考虑定 位, 操作上更简便易行。 0080 以上所述是本发明的优选实施方式, 应当指出, 对于本技术领域的普通技术人员 来说, 在不脱离本发明所述原理的前提下, 还可以作出若干改进和润饰, 这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。 说 明 书 CN 104457540 A 9 1/3 页 10 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104457540 A 10 2/3 页 11 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104457540 A 11 3/3 页 12 图 5 说 明 书 附 图 CN 104457540 A 12 。

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