基于螺旋平行傳輸線的時域反射監(jiān)測技術(shù)研究張楊鍇李青曹

1、基于螺旋平行傳輸線的時域反射監(jiān)測技術(shù)研究 張楊鍇 李青基金項目：1、國家自然科學(xué)基金項目(60772008)“地質(zhì)結(jié)構(gòu)變形的分布測量傳感器及技術(shù)”；2、國家自然科學(xué)基金面上項目（41376111）“海底沉積物和陸架邊坡位移原位長期觀測的傳感方法研究”；3、國家科技支撐計劃子課題（2012BAK10B05-3）“巖土體變形分布式光電復(fù)合傳感與測量技術(shù)研究”。作者簡介：張楊鍇（1991-），男，浙江省諸暨市人，碩士研究生，主要從事檢測技術(shù)方向研究。李青（*通訊作者）（1955-），男，浙江省杭州市人，教授，主要從事檢測技術(shù)方向研究。 曹波 賈生堯 童仁園（中國計量學(xué)院 機電工程學(xué)院，浙江 杭州 3

2、10018）摘要：針對山體滑坡、泥石流等巖土災(zāi)害，通過基于螺旋平行傳輸線的TDR(Time-Domain Reflectometry)技術(shù)，設(shè)計出的窄脈沖發(fā)生電路，返回波信號調(diào)理電路和高速采樣模塊，運用等效采樣法，實現(xiàn)了信號的采集，完成了時域反射監(jiān)測儀器系統(tǒng)，并對反射波形進行了實時對比研究; 將螺旋平行傳輸線埋入山體，當(dāng)山體內(nèi)部發(fā)生形變，引起螺旋平行傳輸線相應(yīng)拉伸，拉伸點的特性阻抗隨之變化，運用TDR技術(shù)對螺旋平行傳輸線進行測量分析，可得螺旋平行傳輸線變形數(shù)據(jù)，相應(yīng)的反映了山體表面的變形；反射波形的實時對比研究表明，將時域反射技術(shù)應(yīng)用于螺旋平行傳輸線形變監(jiān)測行之有效且效果明顯.關(guān)鍵詞：山體；螺

3、旋平行傳輸線；時域反射；特性阻抗；等效采樣Time-Domain Reflectometry monitoring technology research based on spiral parallel transmission lineZhang Yangkai Li Qing Cao Bo Jia Shengyao Tong Renyuan(China Jiliang University, Institute of mechanical and electrical engineering, Hangzhou 310018 ,China)Abstract：Aiming at the m

4、easurement of landslides, mudslides and other geotechnical hazards, narrow pulse circuity, return signal conditioning circuitry and high-speed sampling module , which can achieve the signal acquisition and complete a TDR monitoring instrument system by using equivalent sampling method and then under

5、take comparative study of the real-time reflection waveform，were designed by means of the TDR technology which based on spiral parallel transmission line . Spiral parallel transmission line is buried in the mountain. When the deformation occurs in the mountain, the parallel transmission line is corr

6、espondingly stretched, and the characteristic impedance of the tensile point is changed. Then using TDR technology to measure and analyze the parallel transmission line, the deformation data of the parallel transmission line which can correspondingly reflect the deformation of the surface of the mou

7、ntain can be got. The comparative study of the real-time reflection waveform testified that using the TDR technology to monitor spiral parallel transmission lines deformation is effective and obvious.Key words：mountain;spiral parallel transmission line; TDR ;characteristic impedance; equivalent samp

8、ling0 引言山體滑坡、邊坡崩塌等巖土類災(zāi)害長期以來威脅著人民的生命財產(chǎn)安全，廣大科研工作者針對山體滑坡預(yù)警，山體表面變形量測量做了許多工作，也依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)提出了許多種解決方案，其中大致有三種常見的方案，第一，GPS測量技術(shù)，這項技術(shù)可通過測量滑坡點上各坐標(biāo)的位移變化測得山體變形，但在山體上布點是有限的，若山體變形位置遠(yuǎn)離測量點，無法造成測量點位移，便無法測得山體變形情況；第二，基于分布式光纖測量，這種測量方法雖能實現(xiàn)分布式測量，但光纖往往應(yīng)用在橋梁大壩建筑這種微變形測量方面，變形量非常有限，對于能引起山體滑坡的這種變形量較大的山體變形，光纖將拉斷【1】；第三，拉伸傳感器點對點測量，此種測量

9、方法的缺陷與第一項測量技術(shù)相似，點對點的測量無法涵蓋整個山體表面，從而無法進行全面的測量，且測量精度有限。因此本文提出一種基于螺旋平行傳輸線的時域反射監(jiān)測技術(shù)，運用螺旋平行傳輸線作為傳感器，分布于山體各位置，并結(jié)合時域反射技術(shù)，使之能對山體地表位移實行有效的精確的監(jiān)測?；诼菪叫袀鬏斁€的TDR技術(shù)簡介本文使用螺旋平行傳輸線式的變形線分布測量傳感器（以下簡稱螺旋線）作為傳感器，螺旋線的結(jié)構(gòu)是在圓截面彈性絕緣體線的圓柱面上密繞單根漆包線線圈的漆包線內(nèi)層線圈， 再在漆包線內(nèi)層線圈外再裹一層中間彈性絕緣體層， 在中間彈性絕緣體層上再繞上與內(nèi)層線圈相同繞向、 相同線間距的單根的漆包線外層線圈， 在漆包

10、線外層線圈上再裹一層外彈性絕緣體層， 內(nèi)外層漆包線線圈形成了螺線的傳感器【2】。如圖1所示。圖1 螺旋平行傳輸線理想狀態(tài)下的螺旋線是一種均勻傳輸線，根據(jù)電磁學(xué)的傳輸線理論，在傳輸線的一端發(fā)送一個電脈沖，它就會沿著該傳輸線線路傳輸，若線路正常且終端匹配的負(fù)載阻抗與線路的特性阻抗相同，則發(fā)送的電脈沖被負(fù)載吸收無反射回波；反之若傳輸線路有故障，則由于故障點阻抗發(fā)生變化，不再與傳輸線路的特性阻抗一致，便會產(chǎn)生反射回波【3】。均勻傳輸線的反射系數(shù)X滿足： X=（ZX-ZC）/(ZX+ZC) （1）式中ZX是均勻傳輸線任何一截面處的阻抗、ZC為傳輸線的特性阻抗。當(dāng)均勻傳輸線終端接入負(fù)載時X滿足：X =（Z

11、1-ZC）/(Z1+ZC)e-2X （2）Z1是均勻傳輸線終端的負(fù)載阻抗、是傳播常數(shù)、X是均勻傳輸線任何一截面處到終端的距離。當(dāng) Z1ZC（即 ZXZC )時X=0；可見，若令以均勻平行傳輸線制作的螺旋線的終端的負(fù)載阻抗Z1等于ZC時，當(dāng)螺旋線的X處的特性阻抗ZC發(fā)生變化，即ZXZC、X0， 則有反射現(xiàn)象發(fā)生。螺旋平行傳輸線某一位置的特性阻抗Z2是由該位置的分布電感L2和分布電容C2確定的，它們的關(guān)系如下： （3）當(dāng)受測得螺旋平行傳輸線收到拉伸或扭曲時發(fā)生局部變形，變形部位的分布電感、分布電容的參數(shù)發(fā)生變化，因而可以通過分布電感與分布電容變化表明螺旋線變形程度。TDR技術(shù)采用的基本原理是“脈沖

12、反射”法，因此基于螺旋平行傳輸線的TDR技術(shù)能對螺旋線的變形監(jiān)測起到理想的效果。2 時域反射監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成TDR監(jiān)測系統(tǒng)包括窄脈沖發(fā)生電路，反射波信號調(diào)理電路，數(shù)據(jù)采集模塊，485通信模塊與上位機，如圖2所示。圖2 TDR監(jiān)測系統(tǒng)2.1 窄脈沖信號發(fā)生電路隨著電信號在介質(zhì)中不斷傳播，必然會產(chǎn)生能量的損耗，能量損耗大大限制了監(jiān)測的距離，加大了裝置的信號分辨難度，因此需增加電脈沖的幅值。脈沖的時間寬度也對監(jiān)測系統(tǒng)也有影響，若脈沖時間寬度為t，則在t時間內(nèi)返回的反射脈沖與發(fā)射脈沖重疊導(dǎo)致無法區(qū)分，從而不能測出故障點的距離，出現(xiàn)測量盲區(qū)。假設(shè)電信號在銅導(dǎo)體內(nèi)的波速V=200m/us，發(fā)射t =10ns

13、時間寬度的脈沖，所對應(yīng)的銅導(dǎo)體距離為：S=Vt /2=1m即在1m范圍內(nèi)的故障點反射脈沖不能被識別，此時盲區(qū)就為1m。儀器發(fā)送脈沖越寬，盲區(qū)越大。減小脈沖寬度便能減小盲區(qū)提高精確程度，但脈沖越窄，它所包含的頻率成分越高，線路損耗越大，反射脈沖幅值越小，畸變越嚴(yán)重【4】。因而脈沖的幅值與時間寬度要根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)而設(shè)定。由于螺旋線的漆包線密繞結(jié)構(gòu)（內(nèi)部漆包線長度與外部線長比例約為50:1），從而避免了脈沖幅值與脈沖時間寬度之間的矛盾，即脈沖時間寬度越窄幅值越難提高。因而采取時間寬度稍寬幅值較大的窄脈沖。利用隧道二極管的跳變性質(zhì)與斬波放大電路結(jié)合可以得到ns甚至ps級的窄脈沖。通過調(diào)節(jié)輸入的方波周

14、期，可以調(diào)節(jié)窄脈沖的寬度。如圖3所示：先通過FPGA的一個I/O口輸出一個固定頻率的方波，然后進入隧道二極管激發(fā)電路，激發(fā)隧道二極管產(chǎn)生階躍跳變，階躍波進行斬波放大后成為一個窄脈沖，一個周期清零一次，下個周期重復(fù)發(fā)出窄脈沖，通過調(diào)節(jié)FPGA方波的頻率調(diào)節(jié)窄脈沖的頻率。 圖3 窄脈沖發(fā)生電路框圖運用這種方法能產(chǎn)生脈寬10ns以內(nèi)幅值15V以上的窄脈沖2.2 回波調(diào)理電路 由于窄脈沖的發(fā)出端和信號接收端為同一端口，發(fā)射窄脈沖也需與傳感器進行阻抗匹配，且由于發(fā)射的窄脈沖經(jīng)過被測傳感器產(chǎn)生的回波信號微弱、噪聲較多、阻抗不匹配等原因不能由A/D直接進行采樣，必須經(jīng)過相應(yīng)的處理，所以在窄脈沖發(fā)出端與螺旋線

15、之間必須有阻抗匹配與耦合電路，在耦合電路與A/D之間還必須有信號放大電路，過濾低頻信號，放大所需的高頻信號，使所需信號能被A/D順利接收。2.2.1 變壓器耦合電路如圖4為變壓器耦合電路，發(fā)生的窄脈沖由右側(cè)的“IN”入口輸入，“OUT1”與“OUT2”分別連接螺旋線的內(nèi)層與外層漆包線，“OUT3”與后面的高頻放大電路相連。窄脈沖信號發(fā)出后，通過T1的L1側(cè)線圈作用于L2、L3，在L2、L3上產(chǎn)生大小相同極性相反的電脈沖，L2線圈上的電脈沖進入內(nèi)部阻抗平衡電路，L3線圈上的電脈沖通過“OUT2”輸入被測螺旋線的外層漆包線，由于L3的作用，此時L5線圈會產(chǎn)生一個與L3線圈大小相近方向相反的電脈沖，

16、并通過“OUT1”輸入被測螺旋線的內(nèi)層漆包線，而電感通直流阻交流隔開L3、L5兩端，保證脈沖輸出。調(diào)節(jié)L2與L4間的內(nèi)部平衡電路使其阻抗與被測螺旋線阻抗相近,則在發(fā)射脈沖的作用下,通過L2、L3影響，在L4、L5上產(chǎn)生一個大小相近,極性相反的電流信號,T2的L6側(cè)線圈收到的信號極弱,達到了壓縮發(fā)射脈沖的目的，從而使發(fā)射脈沖對數(shù)據(jù)接收的影響降至最小。而當(dāng)螺旋線上反射脈沖到來時（反射脈沖同樣由“OUT1”與“OUT2”接收）,在L3與L5上產(chǎn)生大小相等,方向相反的電脈沖,回路電壓代數(shù)和為0，L2與L4間的內(nèi)部平衡電路不起作用,反射脈沖電壓通過T2的L5線圈以全部信號變換到L6上,通過“OUT3”輸

17、出至信號放大電路。該方法將發(fā)射信號抵消掉,而保留了反射信號。圖4 變壓器耦合電路2.2.2 高頻信號放大電路 如圖5所示，經(jīng)過變壓器耦合電路接收的反射信號，通過“OUT3”輸入至圖5左側(cè)“IN”中，變化的電壓信號通過Q1三極管發(fā)射級等幅度輸出，射極輸出可以提高整個放大電路的輸入阻抗，通過調(diào)節(jié)相關(guān)電阻，使其與耦合電路阻抗匹配。Q1輸出的電壓信號作用于Q2三極管的發(fā)射級，由于共基極放大電路的輸入阻抗小，通頻帶寬，信號頻率失真小，穩(wěn)定性好，因此選取Q2組成的共基極放大電路在此做高頻放大器。信號經(jīng)由Q2放大輸出至Q3，Q3對信號進行幅值調(diào)整，使信號達到A/D接收幅值范圍。信號經(jīng)Q3調(diào)整后通過圖5右端“

18、OUT4”接入A/D，從而完成了信號的調(diào)理。通過調(diào)節(jié)圖5中各電阻與電容可調(diào)節(jié)增益信號的頻段，放大所需高頻信號，過濾低頻信號及其他噪聲。圖5 信號放大電路2.3 數(shù)據(jù)采集模塊2.3.1 等效時間采樣原理 由于螺旋線故障點位置相對于螺旋線自身是固定的，且螺旋線本身固定在地表土壤下，脈沖信號周期性的發(fā)出，則周期性的產(chǎn)生反射波信號，這就為等效時間采樣技術(shù)的運用提供了空間，即周期性的接收反射波信號，重構(gòu)回波信號波形。等效時間采樣的基本原理是利用取樣技術(shù),把周期性或準(zhǔn)周期性的高頻、快速信號變換為低頻的慢速信號。在電路上只對取樣前的電路具有高頻的要求,大大降低采樣變換后的信號處理、顯示電路對速度的要求,簡化

19、了整個系統(tǒng)的設(shè)計難度【5】。由于螺旋線的內(nèi)外層密繞漆包線結(jié)構(gòu)，對采樣率要求并非過高，擬采用100MHZ采樣率，100MHZ采樣率的分辨率為1m，而螺旋線線長與內(nèi)部漆包線長度之比約為1:50，則螺旋線的分辨率為2cm，通過加大脈沖幅度等手段可以將螺旋線的分辨率提高至5mm1cm，這對于地質(zhì)災(zāi)害較大變形的預(yù)測已經(jīng)足夠，因此該TDR裝置采用相對較為簡易的順序等效采樣法。順序等效采樣的原理如圖6所示，其中f(t)為被測信號的N個周期,S(t)為采樣時鐘信號（上升沿觸發(fā)）,fS(t)為采樣脈沖作用下采集信號組成的低頻信號。被測信號f(t)為周期為T,采樣信號周期為T+T,t=0時刻采樣開始,采樣脈沖采集

20、數(shù)據(jù)fS(S0)，T+T時刻采集數(shù)據(jù)fS(S1),2(T+T)時刻采集數(shù)據(jù)fS(S2)，以此類推直到第N個（T+T）時刻采集數(shù)據(jù)fS(Sn)，此時采集數(shù)據(jù)與t=0時刻采集數(shù)據(jù)完全相同即fS(S0)= fS(Sn)，只是在時間上被延遲了N個T,通過把采集的信號重組,即可得到在時間軸上被放大的相似波形。步長t越小,實時采樣的頻率越高,等效采樣的fS(t)頻率越低。從時間上看,f(t)被放大了N(T+t)/T倍。圖6 等效采樣原理2.3.2 等效采樣系統(tǒng)等效采樣系統(tǒng)由高速ADC、閃存RAM、FPGA 、STM32等構(gòu)成。如圖7所示，反射波信號經(jīng)過調(diào)理后由信號放大電路中的“OUT4”輸入ADC進行數(shù)模

21、轉(zhuǎn)化，高速ADC采樣時鐘由FPGA給出，并控制高速ADC存儲至RAM中，RAM中的數(shù)據(jù)由STM32讀取，最后通過485芯片與上位機通訊，將數(shù)據(jù)傳輸至上位機，上位機通過數(shù)據(jù)作圖達到觀測效果。FPGA根據(jù)同一時鐘，同時發(fā)出窄脈沖，同時采集，從而達到等效采樣目的。 圖7 等效采樣系統(tǒng)因此，便完成了等效采樣，實現(xiàn)了ADC遠(yuǎn)超過自身采樣頻率的信號采樣。反射波形對比研究由于TDR裝置采用的是8位ADC，等效采樣率為100MHZ, 螺旋線線長與內(nèi)部漆包線長度之比約為1:50，因此數(shù)據(jù)格式：橫坐標(biāo)為內(nèi)部漆包線每隔1m一個數(shù)據(jù)，對應(yīng)螺旋線2cm一個數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)為0255，對應(yīng)每個點的拉伸量。如圖8所示，選取長度

22、約為1m的螺旋線，使用兩塊寬約4cm的木頭夾具分別距離脈沖發(fā)射口64cm和72cm將螺旋線夾緊，兩夾具內(nèi)側(cè)間距4cm，中間帶螺紋孔的四個卡鐵分別卡住木頭夾具的內(nèi)部四角，螺紋棒旋過卡鐵中的螺紋孔，中間游標(biāo)卡尺固定于木頭夾具的卡槽中，用于測量拉伸量。圖8 螺旋線拉伸裝置裝置如圖8安裝好后，使用此TDR裝置調(diào)整脈沖測量一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)運用Excel繪圖產(chǎn)生波形，如圖9（左），然后通過旋轉(zhuǎn)兩邊螺紋棒，使卡鐵推動兩邊木頭夾具均勻遠(yuǎn)離至相距5CM，則兩木頭夾具間螺旋線被拉伸1CM，再運用此TDR裝置相同脈沖測量，數(shù)據(jù)用Excel繪圖產(chǎn)生波形，如圖9（右），兩圖數(shù)據(jù)相減并標(biāo)定橫縱坐標(biāo)與螺旋線關(guān)系得到圖9（下）波形，可以清楚的看出，在距端口約70cm處有明顯的差值，且達到最大，通過觀察圖形的尖峰，便可精確判斷螺旋線拉伸形變位置，通過數(shù)據(jù)標(biāo)定可以得知該形變位置的拉伸量。圖9中10cm-35cm處是由于發(fā)射脈沖過大引起反射脈沖超出最大接收范圍而造成的數(shù)據(jù)溢出，致使產(chǎn)生一定量的測量盲區(qū)（此段螺旋線無論如何拉伸數(shù)據(jù)相減后都為0，無法進行拉伸觀測），而減小脈沖幅度雖能減小測量盲區(qū)但會造成拉伸變化量不明顯的負(fù)面效果，綜合考慮，以一定量的盲區(qū)換取測量的靈敏度，因為盲區(qū)基本出現(xiàn)于輸入輸出端口附近，可以通過多根螺旋線的