一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，在信号发送线圈和信号接收线圈之间设置波导中继线圈作为中继节点；信号发送线圈、波导中继线圈以及信号接收线圈埋设于地下，且缠绕于地下管道上形成磁性波导传输通道；用磁感应无线通信代替了传统的电磁波无线通信，在地下环境中用于管网安全监测，提高了信息传播可靠性；采用磁感应波导中继的方法降低了信息传播路径损耗，延长了通信距离，实现300m距离的稳定通信；中继设备由闭合谐振线圈构成，不需要供电和信号处理，可以降低通信系统能耗；通信收发线圈共用一个磁感应波导传输信道，可实现半双工通信，便于信息的双向传输。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于地下无线通信
，涉及一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置。
技术介绍
管道运输关系国民经济发展和公共安全，具有运量大、不受气候和地面其他因素限制、可连续作业以及成本低等优点。近些年，随着各种管道部署增多、管龄增长，由于环境腐蚀、人为破坏等原因，管网设施老化、变形、破损等问题日益严重，威胁到国家公共安全及人民财产安全。因此，地下管网的日常维护、安全监测显得非常重要。随着工业信息化的不断发展，国家对管道安全监测技术的要求也不断提高，对适用于地下管网安全监测的无线通信网络提出了日益迫切的需求。近年来，为了满足地下管网安全监测的要求，提出采用无线传感网络对地下管网施行无人实时监测。无线传感网络具有成本低、低功耗、无需现场维护等优点。但是传统的无线传感网络多采用电磁波无线通信技术，在管网所处地下环境中，电磁波通信路径损耗高、信道不稳定、通信距离短，无法建立有效的通信网络。由于电磁波无线通信技术在地下环境中传输存在上述问题，人们开始研究磁感应无线通信技术。磁感应(Magnetic Induction)通信通过磁场耦合传输信号，不同传输媒介的磁导率基本一致，因此磁感应通信在地下环境中信道稳定，不存在多路径损耗。通过波导中继的方法延长了磁感应无线通信距离，使之适用于地下管网安全监测。
技术实现思路
针对地下管网安全监测通信目前存在的问题，本技术提供一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，其结构简单、信道稳定、功耗低，能够适应地下复杂多变的环境，实现地下管网安全状态实时可靠的监测。本技术解决技术问题所采用的技术方案是：一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，在地下管网所处环境中通过收发线圈之间磁感应耦合的方式实现信息的传递，包括信号发射端和接收端；所述发射端包括按信号传输顺序依次连接的差分相位调制器、功率放大器以及信号发送线圈；所述接收端包括按信号传输顺序依次连接的信号接收线圈、接收滤波器、自动增益控制放大器及差分相位解调器；在信号发送线圈和信号接收线圈之间设置波导中继线圈作为中继节点；所述信号发送线圈、波导中继线圈以及信号接收线圈埋设于地下，且缠绕于地下管道上形成磁性波导传输通道；该装置还包括信息采集传感器，所述传感器与信号收、发线圈连接，用于获取地下管网的信息。所述信号发送线圈和信号接收线圈为结构相同的通信线圈，每个通信线圈既能够发送数据又能够接收数据；所述通信线圈沿管道的长度至少设置一组，相邻两个通信线圈之间设置均匀分布的中继线圈构成一个通信单元，共用一个磁感应波导传输通道，实现半双工通信。位于磁性波导传输通道两端的通信线圈分别与设置在管道内的内部传感器连接，构成数据节点，用于获取管道内部信息；位于磁性波导传输通道中间的通信线圈与设置在管道外的外部传感器连接，构成传感器节点，用于获取管道外部信息。通信线圈由导体线圈和谐振电容构成，直接缠绕在管道外部，导体线圈半径r根据管道半径r′调整，即r≈r′，线圈匝数为5-10匝，谐振电容值C由线圈实测电感值L和信号频率f共同决定，其计算公式为波导中继线圈由导体线圈和谐振电容构成，中继线圈是一个无源闭合的回路，均匀的分布在收、发线圈之间，中继线圈相邻间隔可变。所述中继线圈相邻间隔5m，当管道为金属管时，中继线圈间隔加大。该装置通过收发线圈之间磁感应耦合的方式完成信息的传递，数字信号经过差分相位调制以正弦波的形式加载到发送线圈上，设发送线圈信号为正弦电流I＝I0e-jωt，其中，I0是信号幅值，ω是信号角频率，ω＝2πf，f是系统工作频率，该正弦电流激发第一中继节点产生相同相位特征的正弦电流I1，第一中继节点再激发第二中继线圈产生正弦电流I2，如此下去，这些中继线圈在地下环境里形成磁感应波导，引导磁信号不断向下传递，直到接收线圈激发产生正弦电流In，经过差分相位解调还原出原始信号。一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信方法，将通信收、发线圈与传感器相连，传感器负责采集与管道相关的信息，作为传输信号主要来源，为了降低能耗，采取主从请求应答的通信模式，数据节点为主通信节点，传感器节点为从通信节点，包括以下步骤：步骤一，数据节点通过磁感应波导传输通道向传感器节点发送数据请求命令；步骤二，传感器节点收到请求命令后由休眠模式开启数据检测模式，传感器检测结果为数字信号，通过差分相位调制转换为磁感应传输通道可传输的正弦波信号，经过功率放大器加载到信号发送线圈上，发送给数据节点；步骤三，数据节点通过信号接收线圈收到信号后经接收滤波器滤除干扰信号，经过自增益控制放大后差分相位解调还原出原始数字信号，数据节点将采集信号打包整理后通过地表无线通信设备发送到管网运行监测中心。有益效果：本技术用磁感应无线通信代替了传统的电磁波无线通信，在地下环境中用于管网安全监测，提高了信息传播可靠性；采用磁感应波导中继的方法降低了信息传播路径损耗，延长了通信距离，实现300m距离的稳定通信；本技术涉及的通信装置结构简单，安装方便，可以节约管道安全监测的硬件成本；中继设备由闭合谐振线圈构成，不需要供电和信号处理，可以降低通信系统能耗；通信收发线圈共用一个磁感应波导传输信道，可实现半双工通信，便于信息的双向传输。附图说明图1为一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置总体结构示意图；图2a为发送线圈和接收线圈的信号传输原理示意图；图2b为加入波导中继线圈的通信线圈传输原理示意图；图3为一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信方法示意图。1.差分相位调制器，2.功率放大器，3.信号发送线圈，4.信号接收线圈，5.接收滤波器、6.自动增益控制放大器，7.差分相位解调器，8.中继线圈，9.管道，10.内部传感器，11.外部传感器，12.数据节点，13.传感器节点，14.无线通信设备。具体实施方式下面结合附图对本技术的具体实施方法作进一步的说明：如图1所示，用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，包括发射端：差分相位调制器1、功率放大器2以及信号发送线圈3；接收端：信号接收线圈4、接收滤波器5、自动增益控制放大器6及差分相位解调器7。在收、发线圈之间引入了波导中继线圈8作为中继节点。所述信号发送线圈3、波导中继线圈8以及信号接收线圈4埋设于地下，且缠绕于地下管道9上形成磁性波导传输通道。如图2a所示，所述信号发送线圈3和信号接收线圈4为结构相同的通信线圈，每个通信线圈既能够发送数据又能够接收数据；所述通信线圈沿管道的长度至少设置一组，相邻两个通信线圈之间设置均匀分布的中继线圈8构成一个通信单元，共用一个磁感应波导传输通道，实现半双工通信。通信线圈由导体线圈和谐振电容构成，直接缠绕在管道外部，导体线圈半径r根据管道半径r′调整，即r≈r′，线圈匝数为5-10匝，谐振电容值C由线圈实测电感值L和信号频率f共同决定，其计算公式为如图2b所示，波导中继线圈8由导体线圈和谐振电容构成，中继线圈8是一个无源闭合的回路，均匀的分布在收、发线圈之间，中继线圈8相邻间隔可变。通过增加收、发线圈之间的中继线圈8可以改善通信性能，延长通信距离，但是考虑成本及布置难度，不可能无限的增加中继数量，一般中继距离取5m，通信距离可以达到300m。由于金属管道本身具有磁信号传导作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，其特征在于，在地下管网所处环境中通过收发线圈之间磁感应耦合的方式实现信息的传递，包括信号发射端和接收端；所述发射端包括按信号传输顺序依次连接的差分相位调制器、功率放大器以及信号发送线圈；所述接收端包括按信号传输顺序依次连接的信号接收线圈、接收滤波器、自动增益控制放大器及差分相位解调器；在信号发送线圈和信号接收线圈之间设置波导中继线圈作为中继节点；所述信号发送线圈、波导中继线圈以及信号接收线圈埋设于地下，且缠绕于地下管道上形成磁性波导传输通道；该装置还包括信息采集传感器，所述传感器与信号收、发线圈连接，用于获取地下管网的信息。

【技术特征摘要】
1.一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，其特征在于，在地下管网所处环境中通过收发线圈之间磁感应耦合的方式实现信息的传递，包括信号发射端和接收端；所述发射端包括按信号传输顺序依次连接的差分相位调制器、功率放大器以及信号发送线圈；所述接收端包括按信号传输顺序依次连接的信号接收线圈、接收滤波器、自动增益控制放大器及差分相位解调器；在信号发送线圈和信号接收线圈之间设置波导中继线圈作为中继节点；所述信号发送线圈、波导中继线圈以及信号接收线圈埋设于地下，且缠绕于地下管道上形成磁性波导传输通道；该装置还包括信息采集传感器，所述传感器与信号收、发线圈连接，用于获取地下管网的信息。2.根据权利要求1所述的一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，其特征在于，所述信号发送线圈和信号接收线圈为结构相同的通信线圈，每个通信线圈既能够发送数据又能够接收数据；所述通信线圈沿管道的长度至少设置一组，相邻两个通信线圈之间设置均匀分布的中继线圈构成一个通信单元，共用一个磁感应波导传输通道，实现半双工通信。3.根据权利要求2所述的一种用于地下管网安全监测的磁感应波导通信装置，其特征在于，位于磁性波导传输通道两端的通信线圈分别与设置在管道内的内部传感器连接，构成数据节点，用于获取管道内部信息；位于磁性波导传输通道中间的通信线圈与设置在管道外的外部传感器连接，构成传感器节点，用于获取管...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙彦景，徐胜，李松，谭泽富，施文娟，王晓琳，周公博，徐永刚，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32