金屬導體擾動檢測裝置和方法
【專利摘要】檢測金屬導體(34)中的擾動的方法，包括如下步驟：提供電感傳感電路(12)，所述電感傳感電路與具有可監控電感的金屬導體(34)機械連接且電連接；基于外加到金屬導體(34)上的電磁場和內部產生的電路振蕩來調諧電感傳感電路(12)；以及當來自經調諧的電感傳感電路(12)的經調諧的輸出信號由于金屬導體(34)的至少部分的添加或移除引起的金屬導體(34)的電感變化而變得失諧時，輸出報警信號。還提供了用于這種方法的金屬導體擾動檢測裝置(10)，所述裝置(10)包括振幅和/或頻率可調諧的電感傳感電路(12)以及基于電感傳感電路(12)的輸出來輸出報警信號的報警電路(16)。
【專利說明】金屬導體擾動檢測裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及金屬導體擾動檢測裝置，并且涉及檢測金屬導體中或金屬導體附近的擾動的方法。
【背景技術】
[0002]由于它們快速增長的價值，在諸如遠程通信站點和運輸站點的金屬基礎結構中諸如銅或鋁的金屬導體的竄改和/或移除的事件近年來不斷上升，因此變成世界范圍的問題。
[0003]另外，能夠監測由于腐蝕或意外加害導致的金屬導體的自然降解將是有益的。
[0004]在對抗這種金屬導體的廣布盜竊的努力中，已經提議了多種解決方案。這些解決方案通常能夠劃分成三類:防止竊賊或未經許可的人接近或進入站點；檢測在站點的竊賊或未經許可的人；以及捕捉在事件之后接收到非法移除的材料的竊賊或‘操作者’。
[0005]防止通常包括安全圍欄，包括電子圍欄，但是經證實在防止所確定的竊賊進入方面無效。
[0006]檢測主要利用用于檢測在站點的竊賊的所確定的‘傳統’安全技術。所使用的技術是主監控CCTV、移動和聲音傳感器。監控站點CCTV能夠提供在站點有竊賊的通知，但是不確認何物被移除。此外，該技術對于大多數站點成本仍過高。諸如移動和聲音傳感器的裝置有在這種站點環境下發出錯誤警報的傾向，例如由于動物經過站點，這增加了操作成本和不便性。
[0007]第三種方法是確保在事件之后捕捉到竊賊或操作者。在該領域最成熟的方法和技術是:SmartWater RTM,其提供了對失竊材料的不可見追蹤并且經證實對于失竊材料的再出售尋址方面非常有效；在護套/外殼上印刷所有者標識，這是威懾，但是作為慣常做法能夠被燒掉；以及‘Land Mines’，其收容可見和/或不可見的顏料并且當竊賊處于未經許可區域中時由于被擾動而引爆。該后述布置是近期發展的，其也將有助于對竊賊進行標識。
【發明內容】
[0008]本發明落入檢測的類別，從而目的在于一當初便防止或限制金屬導體的移除和/或損害，并且因此提高安全性且減少操作停機時間。
[0009]根據本發明的第一方案，提供一種檢測金屬導體中的擾動的方法，所述方法包括如下步驟:提供電感傳感電路，所述電感傳感電路與具有可監控電感的金屬導體機械連接且電連接；基于外加到所述金屬導體上的電磁場以及內部產生的電路振蕩來調諧電感傳感電路；以及當來自經調諧的電感傳感電路的經調諧的輸出信號由于金屬導體的至少部分的添加或移除引起的金屬導體的電感的變化而變得失諧時，輸出報警信號。
[0010]在權利要求2至15 (包含權利要求2和15)中闡述了本發明的第一方案的優選的和/或任選的特征。
[0011]根據本發明的第二方案，提供一種用于檢測金屬導體中的擾動的方法的金屬導體擾動檢測裝置，所述裝置包括:振幅和/或頻率可調諧的電感傳感電路，其與所述金屬導體機械連接且電連接；以及報警電路，其基于由于金屬導體的至少部分的添加或移除引起的電感傳感電路的輸出而輸出報警信號。
[0012]在權利要求17至27 (包含權利要求17和27)中闡述了本發明的第二方案的優選的和/或任選的特征。
[0013]根據本發明的第三方案，提供一種用于檢測金屬導體中的擾動的金屬導體擾動檢測裝置，所述裝置包括:電感傳感電路，其包括變壓器，所述變壓器具有第一和第二初級繞組以及次級繞組；以及可調諧振蕩器，其與所述變壓器的第一初級繞組電連通，所述第二初級繞組能夠與金屬基礎結構機械連通且電連通，并且所述次級繞組能夠基于金屬基礎結構的第一狀態而輸出經調諧的輸出信號，并且基于由于所述金屬導體的至少部分的添加或移除而引起的金屬基礎結構的第二狀態而輸出失諧的輸出信號。
[0014]根據本發明的第四方案，提供一種與金屬基礎結構機械連通且電連通的金屬導體擾動檢測裝置，所述裝置包括:電感傳感電路，所述電感傳感電路包括變壓器，所述變壓器具有第一和第二初級繞組以及次級繞組；以及可調諧振蕩器，其與所述變壓器的第一初級繞組電連通，所述第二初級繞組與所述金屬基礎結構機械連通且電連通，并且次級繞組基于金屬基礎結構的未竄改狀態而輸出經調諧的輸出信號以及基于金屬基礎結構的竄改狀態而輸出失諧的輸出信號。
[0015]根據本發明的第五方案，提供一種檢測金屬導體中的擾動的方法，所述方法包括如下步驟:提供電感傳感電路，所述電感傳感電路與具有可監控電感的金屬導體電連接；基于外加在金屬導體上的電磁場和內部產生的電路振蕩來調諧電感傳感電路；以及當來自經調諧的電感傳感電路的經調諧的輸出信號由于金屬導體的至少部分的添加或移除引起的金屬導體的電感的變化而變得失諧時，輸出報警信號。
[0016]根據本發明的第六方案，提供一種檢測金屬導體中的擾動的方法，所述方法包括如下步驟:提供電感傳感電路，所述電感傳感電路與具有可監控電感的金屬導體電連通且機械連通；通過利用對金屬導體外加電磁場的振蕩器來調諧電感傳感電路；以及當來自經調諧的電感傳感電路的經調諧的輸出信號由于所述金屬導體的至少部分的添加或移除引起的金屬導體的電感的變化而變得失諧時，輸出報警信號。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]現在將參照附圖通過實施例的方式更具體地描述本發明，在附圖中:
[0018]圖1a示出了依照本發明的第二方案且顯示有為清晰而標識出的電路模塊的金屬導體擾動檢測裝置的第一實施方案的電路圖；
[0019]圖1b示出了圖1a的電路圖，為清晰而參照了電路組件；
[0020]圖2是示出了通過圖1a和圖1b的金屬導體擾動檢測裝置所監控的金屬導體的電表征的電路圖；
[0021]圖3示出了依照本發明的第一方案的金屬導體擾動檢測裝置與金屬基礎結構之間的連接的第一實施例的電路框圖，金屬基礎結構包括至少一個金屬導體；
[0022]圖4示出了依照本發明的第一方案的金屬導體擾動檢測裝置與金屬基礎結構之間的連接的第二簡化實施例的電路框圖，金屬基礎結構包括至少一個金屬導體；
[0023]圖5示出了還是依照本發明的第一方案的金屬導體擾動檢測裝置與包括至少一個金屬導體的金屬基礎結構之間的連接的第三實施例的電路框圖，其中在裝置與導體之間僅需要單個連接；
[0024]圖6示出了依照本發明的第二方案的金屬導體擾動檢測裝置的第二實施方案；
[0025]圖7示出了依照本發明的第二方案的金屬導體擾動檢測裝置的第三實施方案；以及
[0026]圖8示出了依照本發明的第二至第五方案的金屬導體擾動檢測裝置的第四實施方案。
【具體實施方式】
[0027]首先參考本發明的圖1a和圖lb，示出了金屬導體擾動檢測裝置10的第一實施方案，其包括電感傳感電路12、與電感傳感電路12的輸出連接的濾波器電路14以及基于濾波器電路14的輸出而輸出報警信號的報警電路16。裝置10優選地進一步包括驅動器電路18，其用于驅動電感傳感電路12、濾波器電路14和/或報警電路16，以及另外地或可選地包括電壓調節電路20。
[0028]讀出線22經由位于傳感電路12左側的瞬間按鈕測試開關SW進入傳感電路12。
[0029]實現從測試開關SW到形成傳感電路12的調諧電路24的部分的可調諧電容器Cl的連接。對于本實施方案，可調諧電容器Cl具有9微微法拉和180微微法拉之間的值范圍，并且被用來調節或將裝置10與形成待監控的金屬基礎結構26的部分的金屬導體耦合。
[0030]如果認為電路的正確工作期望或需要額外的穩定性，則在可調諧電容器Cl的輸入與裝置10的B-之間的2ΜΩ的電阻器R可用來切斷外加到地的信號的一部分，從而限制傳感電路將具有的初始增益并且防止其變得飽和。
[0031]可調諧電容器Cl與晶體管Ql的基極連接，在該實例中晶體管Ql是NPN小信號晶體管，并且其形成了傳感電路12的放大/振蕩電路28的第一級。
[0032]近似200ΚΩ的偏壓電阻器R2從晶體管Ql的集電極結連接到基極結以提供晶體管Ql的所需偏壓。
[0033]從B+到晶體管Ql的集電極的5ΚΩ電阻器R3提供了晶體管Ql處的電壓調節。
[0034]還期望的是，根據應用，如果用于第一所述晶體管Ql的基極的過飽和風險會變成問題的應用，則從晶體管Ql的基極連接到地采用近似100ΚΩ的分流電阻器R4以進一步穩定裝置10。
[0035]在使用時，既定頻率和振幅的進入信號與包括晶體管Ql的放大/振蕩電路28所產生的本地振蕩相混合。然后，信號經由近似1.5毫微法拉的固定陶瓷電容器C2饋送到第二晶體管Q2的基極結，其中組合信號仍舊進一步以與晶體管Ql相同的方式和配置來放大。
[0036]采用提供從集電極到基極的偏壓的50K Ω電阻器R5，并且在晶體管Q2上優選地使用在B+與集電極結之間的2.1K Ω電阻器R6。
[0037]在該點處的輸入信號已由放大/振蕩電路28充分放大且直接饋送到用作輸出增益控制的100ΚΩ的低漂移數字電位器(pot)Pl。100KΩ的pot Pl經由極高值的電阻器R7與B-連接，在本實例中電阻器R7具有15ΜΩ的值，但是電阻值可小至2ΜΩ并且仍得到良好的結果。
[0038]然后，將100K Ω的pot Pl的接帚(wiper)饋送到稱為LED I的第一 LED的陽極，以提供裝置10的操作狀況的一種形式的可視指示。LED I的陰極連接與濾波器電路14的可調諧的帶通濾波器30連接，帶通濾波器30與所述LED I的輸出和B-并聯。
[0039]在該實例中與放大/振蕩電路28的輸出連通的濾波器電路14包括100 μ H的線圈32，其與5.3ΚΩ的電阻器R8串聯至B-。0.3毫微法拉的可變電容器C2與線圈32和電阻器R8并聯。因此，如果對于具體應用需要改變帶通濾波器30的特性，則能夠通過改變相對于線圈電感的電容來調諧濾波器電路14的帶通濾波器30。
[0040]另一陰極還連接到形成裝置10的驅動器電路18的部分的驅動器晶體管Q3的基極結。驅動器電路18用于調節輸出到報警電路16的光隔離器01的工作狀況。
[0041]在正常工作狀態下，驅動器晶體管Q3理想地處于全導通狀態和全關斷狀態之間的中途的半導通狀態，從而提供零位狀態。要實現期望的調整，稱為LED 2的第二 LED提供作為用于調諧目的的可視指示器。
[0042]通過經由電壓調節電路20進行調諧電路24的可調諧電容器Cl、濾波器電路14的100Κ Ω增益pot Pl以及B+的調整，能夠實現裝置10的正確調諧，并且能夠使裝置10處于敏感狀態。
[0043]優選地，通過與B+電壓源和裝置10的放大/振蕩電路28串聯的IKQpot Ρ2能夠調整饋送裝置10的正電壓B+。實際上，該pot Ρ2通常被調整到某理想的或最優值并且在此后需要現場的極少調整或者不需要現場調整，其中將裝置10調整至調諧狀態的主要手段是通過對調諧電路24的可變電容器Cl和濾波器電路14的100Κ Ω的輸出增益pot Pl進行調整。
[0044]為了防止對LED 2造成損害，提供了與LED 2的陽極串聯的800Ω的電阻器R9來限制可能有損害性的電流。在這點上，光隔離器01被偏壓到導通狀態，其中偏壓穿過附加晶體管Q4來驅動設置于報警電路16中的光繼電器0R1、0R2。
[0045]參考圖2,將對形成金屬基礎結構26的部分的金屬導體34的電表征以及傳感電路12的調諧電路24如何與其連接進行說明，金屬導體34的電表征諸如遠程通信天線柱或站點、例如變電站的公共事業服務站點、和/或例如鐵路發信站點的運輸站點。
[0046]在該實例中，金屬導體34接地，諸如在接地網中所見的。被監控的金屬導體34例如由銅制成且通常具有一定長度，如果導體34位于地面略上方或在地面內，則其具有特定的天然電感以及天然電容。因為金屬導體34由于與空氣和/或土壤相接觸而形成了氧化層，所以氧化物層形成了微小電容。
[0047]金屬導體34還具有天然電阻，取決于所述導體34的長度。如果具有較大的長度，則電阻能夠極低或者可超過I Ω或更多。然后，可以得出，由于電感、電容和電阻(下文稱為‘LC&R’ )的存在，該結構將會由于LC&R的存在而趨向于形成經調諧電路。
[0048]存在于地內的是過量的雜散電流，既有天然的也有人工的，以及能夠進入低射頻或RF頻譜的低頻和高頻交流的存在。由于其與地連通，在金屬基礎結構26中感應出這些電流和電壓。公知的是，這些電壓和電流能夠通過電壓擊或示波器從金屬導體34中讀出，并且能夠讀取頻率和振幅。這些電流和電壓構成了在以某種方式擾動基礎結構26的金屬導體34的情況下能夠監控變化的手段的部分。
[0049]裝置10的完整電路還產生能夠在地基礎結構26上測量到的振蕩，并且在本發明中與已經存在于待監控的金屬導體34之中或之上的信號相結合以便檢測所發生的任何變化。
[0050]在金屬導體34受到擾動的情況下，諸如移除或損害其一部分，通過裝置10接收到外加頻率的電壓和振幅的變化，使得產生報警條件。還應理解的是，外加頻率的電壓和振幅的變化，或者換言之所監控的金屬導體34的導電特性的變化，還能夠由于金屬導體34的天然腐蝕和/或來自于金屬導體34緊鄰處的主體的天然腐蝕而引起。在該情況下，也發生報警條件。
[0051]圖3示出了布置為監控被監控基礎結構26的接地的金屬導體34的金屬導體擾動檢測裝置10的第一實施例。裝置10的調諧電路24的輸入經由電讀出線、導線或電纜22與接地網的一部分機械連接，在該實施例中圖示為與用作站點的單個主接地點的電力服務入口箱40的接地端子38連接。
[0052]從電源42 (在該實例中例如為電池廠)向裝置10以及可能的現場的其他電子設備供電，另一電線44通常用來將電源42接地。這可以是如圖3所示的正接地，或者如圖4所示的負接地。
[0053]在本發明的一些應用中，與電池廠或其他電源42以及與裝置10的第二連接還用作用于監控被監控基礎結構26的所述或另一金屬導體34內的變化的第二讀出路徑。
[0054]匯電桿或天線柱接地匯流排46形成了被監控基礎結構26的部分并且與一個或多個金屬導體34電連通。各種結構處于接地電位并且與天線柱匯流排46互連且接地。通常地，這些結構經由既埋置在地內又在地上的合理大的直徑的銅電纜連接或接合在一起以及與接地匯流排46連接。在一些應用中，遠離服務入口網40的另一接地網與天線柱接地匯流排46和服務入口接地38兩者連接或接合，從而形成接地環路。通常，在這樣的網絡中，在基礎結構26內將存在一個或多個接地環路50，如圖3的附圖所指示的。當基礎結構26的任何部分被竄改或移除時，基礎結構26內的外加信號的振幅和/或電感通常發生相應的變化，如之前所述，該變化觸發裝置10中的報警條件。
[0055]參考圖4，示出了金屬導體擾動檢測裝置10與具有一個或多個金屬導體34的被監控基礎結構26的連接的第二實施例。圖4的布置是圖3的簡化版，其中省去了如之前所描述的另一接地網。調諧電路24的輸入經由電讀出電纜、電線或導線22與配電板或其他服務入口單元40機械連接。電源42優選地接地到匯流桿或天線柱接地匯流排46,如之前所述。因此，操作方式與上文的第一實施例非常相似。
[0056]圖5示出了金屬導體擾動檢測裝置10與具有一個或多個金屬導體34的被監控基礎結構26的連接的第三實施例。在該實施例中的互連與之前的兩個實施例中的不同。在該情況下，電池廠或電源42可以相對于金屬基礎結構26獨立或‘浮動’。因此，僅需要經由調諧電路24到待監控基礎結構26的單個連接。當裝置10因此已經被正確地調整時，其能夠僅通過到裝置10的單個連接來檢測所述基礎結構26內的變化。
[0057]現在參考圖6，現在將對金屬導體擾動檢測裝置10的第二實施方案進行說明。相似的標記指代與第一實施方案中的相似或相同的部件，因此，將省去對它們的進一步詳細的說明。為易于參照省去了來自光隔離器01的驅動器電路18的一部分和報警電路16，因為這些與圖1a和圖1b中的那些匹配或基本匹配。裝置10包括傳感電路12、濾波器電路
14、電壓調節電路20、驅動器電路18和報警電路16，如之前所述。傳感電路12包括調諧電路24和改進的放大/振蕩電路28。主要區別存在于改進的傳感電路12。
[0058]在該實施方案中，傳感電路12已經改造而包括在調諧電路24的輸入處的感應拾取線圈52。拾取線圈52經由毫微法拉或微微法拉數量級的小值的第二電容器C3連接在可調諧電容器Cl的輸入與B-之間。該無線連接器容許裝置10用在與待監控基礎結構26的直接機械連接被視為危險或者非期望的環境中，例如為AC或DC供電的，或者是另一信號類型的。當遭遇這種局限性時，發現在圖6所示的構造中采用拾取線圈52得到了極好的結果O
[0059]在一定程度上包含電屏蔽也是有益的，從而防止或限制裝置10的電路由于寄生RF干擾而變得飽和。
[0060]現在參考圖7，將對金屬導體擾動檢測裝置10的第三實施方案進行說明。同樣地，相似的標記指代與第一和第二實施方案中相似的或相同的部件，因此將省去對它們的進一步詳細的說明，如同圖6—樣，為清晰起見省去了來自光隔離器01的驅動器電路18的一部分和報警電路16，因為這些與圖1a和圖1b中的那些匹配或基本匹配。
[0061]第二實施方案的裝置10包括傳感電路12、濾波器電路14、電壓調節電路20、驅動器電路18和報警電路16，如之前所述。傳感電路12包括調諧電路24以及另一改進的放大/振蕩電路28。主要區別還是在于另一改進的傳感電路12。
[0062]另一改進的傳感電路12包括在調諧電路24的輸入處的感應拾取線圈52以及反饋線圈54。來自濾波器電路14的輸出信號的一部分取路徑返回到調諧電路24的輸入并且使得以與再生反饋電路相似的方式感應地作用于拾取線圈52上。因此，使得傳感電路12對于外部RF信號非常敏感。
[0063]應當理解的是，可以使用上述實施例和實施方案的組合。
[0064]在使用時，金屬導體擾動檢測裝置10的優選的實施方案提供了從外部金屬基礎結構26到調諧電路24的單一連接，并且調諧電路24使用可變電容器Cl來輔助調諧。
[0065]待監控的基礎結構26的金屬導體34擁有RC&L的品質并且因此可被處理為調諧或可調諧電路。
[0066]雖然在這些情況下金屬導體34可以某種方式接地，如上所述的，其依然受周圍RF和存在于大氣中和大地內的其他形式的電磁場影響。
[0067]通過從濾波器電路14的輸出級經由B+軌線或跡線返回到輸入級的反饋，在裝置10內內部地產生電振蕩。
[0068]通過經由例如相應的電位計以及借助例如可變電容器的調諧電路24來調整濾波器電路14和電壓調節電路20，能夠將振蕩頻率調節至產生諧振條件的點。裝置10首先被供給能量并且被調整至其中裝置10接近于理想諧振條件的狀態。隨著調諧電路24的可變電容器Cl變化，來自外部電路的振幅增力卩。在某點處，該振幅將開始影響傳感電路12的自然振蕩。這是由于通過經由可變RC&L基礎結構26到達晶體管Ql的外加信號的振幅增加使得晶體管Ql的基極的飽和度而引起的。在某點處，該飽和將影響傳感電路12的自然頻率，由此，改變傳感電路12的頻率使得傳感變得非常敏感并且可被視為處于接近理想諧振條件。如果來自外部基礎結構26的過大量的振幅饋送到晶體管Ql的基極，則基極變得過度飽和并且將傳感電路12置于全飽和，其中所測量的外部基礎結構26內的變化不再能檢測到。因此，重要的是，能夠由電壓調節電路20有益地設定的B+的理想設定以及放大/振蕩電路28與外部基礎結構26之間的耦合量維持在最優值以確保總是維持理想的靈敏度。
[0069]可調諧帶通濾波器30與放大/振蕩電路28的輸出連通，并且設定成允許僅某帶寬的頻率通過，而衰減非期望頻率。
[0070]當裝置10連接到待監控的金屬基礎結構26時，裝置10必須按如下方式進行調諧:從外源外加于金屬基礎結構26上的電磁場和通過裝置10的電路產生的內部產生的振蕩兩者在裝置10內結合以產生易于通過帶通濾波器30的輸出頻率。
[0071 ] 對于本發明的電路的正確工作，頻率和振幅兩者都重要。
[0072]主要通過調整裝置10的輸入處的調諧電路24的可變電容器Cl來控制振幅。可變電容器Cl調節從金屬基礎結構26到達放大/振蕩電路28的信號量。
[0073]當裝置10已被調諧至期望的工作狀態時，即，驅動器電路18的晶體管Q3的輸出驅動器被偏壓至導通或半導通狀態而使得不產生報警條件，裝置10被視為處于“待命模式”。
[0074]如果金屬基礎結構26的部分以在基礎結構26內發生電感變化的方式受損、移除或受干擾，則該變化影響基礎結構26的諧振條件，還影響存在于基礎結構26內的檢測電磁場的振幅。
[0075]這些變化將不利地影響放大/振蕩電路28的振幅和內部產生的頻率，從而改變饋送到濾波器電路14的帶通濾波器30中的輸出信號。
[0076]這些變化或者會增大振幅和頻率，或者會減小振幅和頻率，這取決于外部變化的性質。因此，這樣改變了從帶通濾波器30穿過到達驅動器晶體管Q3的信號的電平。
[0077]根據變化的性質，帶通濾波器30可以使更多或更少的信號通過。驅動器電路18將進入高狀態或低狀態，取決于發生的變化的性質。如果驅動器電路18變高，例如由于振幅的急劇增加，允許更多的信號通過帶通濾波器30，如LED 2的強度的突然增加所看到的。影響了驅動器電路18的零位設定狀態，并且一個光繼電器0R1、0R2將通過進入開路狀態來響應。如果驅動器電路18由于外加信號的振幅的急劇減小而變低,則來自放大/振蕩電路28的輸出頻率未落入帶通濾波器30的頻譜內，并且到達晶體管Q3的基極的偏壓信號的限制致使晶體管Q3關斷或大概如此，因此致使零位狀態被中斷。另一個光繼電器0R1、0R2將通過進入開路狀態而響應，并且因此產生了第二報警條件。在各情況下，通過激活報警條件，報警電路16被激勵而輸出報警信號。優選地，報警電路包括用于將報警信號輸出到裝置外位置的發射器。
[0078]應當理解的是，光繼電器0R1、0R2可配置為根據應用在報警條件下產生閉合狀態。
[0079]在該電路連接的且具有待監控的一個或多個金屬導體34的典型的接地基礎結構26中，通常存在數個“接地環路”。接地環路被定義為與單個點連通的并聯接地結構，金屬導體34將結構互連以形成所有結構都能夠聯合在一起的單個接地點。從電氣角度看，具有互連導體34的結構趨向于形成形成了基礎結構26的總電感的并聯電感。當通過基礎結構26形成的整體電感網絡的任何部分被移除時，電感變化。這些變化能夠將其自身顯現為外加RF、電磁場或與接地網絡相互作用的外加RF和電磁場的諧振頻率或振幅的變化，從而致使網絡改變其RC&L特性。RC&L特性的變化引起裝置10的諧振條件的交感響應或變化，從而改變裝置10正在工作中的頻率。通過將裝置10細致調諧到接近諧振條件，易于經由帶通濾波器30來識別主要是之前調諧的信號的失諧的該交感響應或變化。
[0080]根據接地基礎結構26的哪個部分已被移除或改變，由之前設定的諧振條件引起的調諧信號由于傳遞較高諧振狀態(視為全導通狀態)的網絡而變得失諧，或者諧振條件由于傳遞較低諧振狀態(視為關斷狀態)的網絡而變得失諧。在任一情況下，濾波器電路14識別該失諧，并且能夠經由報警電路16產生報警，從而警告其他人，在監控的基礎結構
26已經發生了這些變化。
[0081]利用第二和第三實施方案的拾取線圈52作為電感拾取件允許裝置10無線地、感應地連接到接地基礎結構26，從而對于其中任何金屬導體34的擾動進行監控。
[0082]在該布置中，感應拾取線圈52基本上形成了放大/振蕩電路28的部分，調諧電路24介于其間。由放大/振蕩電路28產生的振蕩在拾取線圈52內流動。當拾取線圈52如在圖6所示的第二實施方案中并入時，使得拾取線圈52對外部無源電感、電容體和諸如RF和/或電磁的雜散環境場非常敏感。
[0083]在無源電感緊靠近拾取線圈52的情況下，無源電感受到放大/振蕩電路28和拾取線圈52所產生的場的影響，其中兩個電感趨于形成調諧電路。如果無源電感應受干擾，諸如由于移動，則無源電感的一部分被移除或其他方式受到干擾，則兩個電感的感應關系的變化將在放大/振蕩電路28內產生頻率和振幅的偏移，從而使裝置10落入更大或更小的諧振狀態，從而如之前所述那樣產生報警條件。
[0084]裝置10優選地容納在金屬封殼內并且可根據需要方便地通過架子安裝。
[0085]當需要并入感應拾取線圈52時，裝置10能夠與待監控的結構或外部電路并排放置。在該應用中，電路能夠容納在非金屬封殼或組合式非金屬或金屬封殼中以容許在裝置10與監控的基礎結構26之間易于產生感應耦合。
[0086]還可能的是，根據需要，裝置10的殼體可以為防風雨封殼，和/或可以與埋置導體34或金屬結構并排埋置。在該后者情況下，如果埋置的導體34受干擾，諸如由于突然移除，則所有這三者的電感、頻率、振幅或組合的變化將足以產生報警條件。
[0087]在改進的布置中，如果被監控的基礎結構26被供給電流或者傳送RF信號，則如上所述，當電磁場與存在于拾取線圈52內的振蕩感應耦合時，兩者將相互作用。如果發生顯著的變化，諸如信號被中斷或者電路以某種方式斷路，則裝置10的諧振條件將改變，從而以與如前所述的相同方式產生報警條件。
[0088]關于第三實施方案所提到的且與拾取線圈52有緊密感應關系的反饋線圈54的使用也是有益的，從而增加拾取線圈52內的靈敏度。這使能檢測到在被監控網絡內發生的甚至更微秒的變化。當裝置10已被正確調諧時，由于反饋線圈54提供的附加感應反饋路徑，使其進入極敏感諧振狀態。當用于監控外部金屬基礎結構26時，被監控基礎結構26的RC&L狀態的甚至微小的變化將引起電路內的足以產生已經提及的期望的報警條件的變化，并且這樣的變化可能是由于任何干擾引起的，包括諸如未經許可的人的具有電容的外來體的引入而與基礎結構26緊密接近。因此，裝置10能夠用作接近度檢測器。
[0089]如果拾取線圈52使用鐵芯或鐵氧體芯，則裝置10能夠敏感以檢測距拾取線圈52幾英尺距離內的磁場或金屬物體的移動。在該布置中，拾取線圈52可用作檢測由鐵或鋼構成的金屬結構的移動的手段，因為這些金屬趨向于擁有某種程度的自然磁性。
[0090]雖然調諧電路被描述為使用可變電容器，但是能夠使用任何其他適合的電容調節裝置。另外地，或可選地，使用可變電感器是可行的。在該情況下，兩個感應耦合的并聯線圈可以是可變電感器或形成可變電感器的部分。通過使線圈相對于彼此進行物理移動，能夠改變電感。任選地，如果可變電感器使用鐵氧體芯，則能夠對芯進行調整以改變電感。
[0091]可以使用放大/振蕩電路28的輸出的帶通濾波的其他方法，諸如采樣比較器電路。當已經對與晶體管Ql的基極連通的B+和串聯的可變電容器才I進行了適當調整時，容許一定帶寬的頻率通過帶通濾波器30以驅動用來控制包括裝置10的報警電路16的輸出的第三晶體管Q3。假設這樣是能夠實現的，則能夠使用任何適合的濾波器電路。
[0092]此外，可以按任何適當的方式來構造帶通濾波器。通過舉例的方式，電阻器R8可以是可變的，諸如為電位計的形式，線圈32可以是可變鐵芯扼流器，和/或可變電容器C2可以是固定電容器。這些元件中的至少一個應當是可變的以使能進行調諧。然而，例如在安裝之前調諧帶通濾波器，然后固定組件以使得不可能或不需要進一步調諧，也是可能的。
[0093]現在參考圖8，將對金屬導體擾動檢測裝置10的第四實施方案進行說明。與之前的實施方案中使用的相同的標記指代相似或相同的部件，因此將生理對它們的詳細說明。
[0094]為清晰起見，圖8的電路圖是簡化后的。
[0095]裝置10包括傳感電路12、濾波器電路14、電壓調節電路(未示出)、驅動器電路18和報警電路16，如之前所述。
[0096]傳感電路12和濾波器電路14可以組合。該實施方案的濾波器電路14至少包括電容器64，從而有效呈現寬通帶濾波器。附加的濾波器電路系統可用來提供更優選的窄通帶濾波器。
[0097]在實施方案中的主要區別在于改進的傳感電路12。
[0098]在該實施方案中，傳感電路12已經被改造而包括串聯纏繞鐵磁諧振式變壓器60，具有位于金屬基礎結構一側的第一和第二初級繞組PWl和PW2以及位于報警電路一側的次級繞組SW。
[0099]振蕩信號，在該特定案例中優選地為34kHz，通過振蕩電源或振蕩器62提供給第一初級繞組PWl。這可與包括次級繞組SW和電容器64的LC電路或儲能電路交感。雖然可能是交感，在當前的實施方案中，操作可能以半諧振頻率或圍繞半諧振頻率而發生。其他頻率也是可能的。振蕩信號不處于變壓器的特定諧振頻率。已表明，振蕩信號在20kHz至50kHz的范圍內工作得很好，并且主要取決于所使用的特定的變壓器60。
[0100]雖然是優選的，可不需要電容器64，但是這趨向于減弱靈敏度。
[0101]初級繞組PWl中的振蕩信號誘發次級繞組SW處的電壓。該電壓與初級繞組PWl處的輸入信號和經由讀出線22與第二初級繞組PW2機械地、電地附接的金屬基礎結構26的感應影響成比例。振蕩器經由第一和第二初級繞組PWl和PW2將電磁場外加于金屬基礎結構之上。
[0102]與第二初級繞組PW2機械地、電地附接的金屬基礎結構26的電感的任何后續的增大或減小引起次級繞組SW的輸出電壓和電流的可測量變化。通過減小或增大從振蕩器62饋送到第一初級繞組PWl的信號的振幅和/或頻率，能夠對該輸出進行微調。因此，振蕩器62有效地形成了兩部分式調諧電路24的第一部分24a。
[0103]在變型例中，通過添加與網絡讀出線22、金屬基礎結構26和/或第二初級繞組PW2串聯或并聯的可變電感器，能夠對輸出進行進一步微調。
[0104]對饋送到第一初級繞組PWl的信號的振幅進行調整，以使次級繞組SW經由連接的輸出放大器的輸出產生恰足以通過驅動器電路18的驅動器晶體管66不激勵高報警電路65a而是經由驅動器電路18的驅動器晶體管68和光繼電器70激勵低報警電路65b的電壓和電流。在該實例中，低報警電路65b保持為穩態。
[0105]通過位于驅動器晶體管66的發射極上的可變電阻器72來調整高報警狀態與低報警狀態的設定之間的電壓差。可變電阻器72和電阻器74形成了兩部分式調諧電路24的第二部分24b。這使傳遞到次級繞組SW的信號電壓的變化非常小，允許觸發高或低報警事件。
[0106]雖然可變電阻器72有益低位于驅動器晶體管66的發射極上，其可以位于驅動器晶體管66的基極上，在該情況下附加的、優選為固定的電阻器將位于發射極上。可變電阻器72或另一可變電阻器還可位于驅動器晶體管68的發射極上。可變電阻器72能夠與電阻器74互換。該可互換性允許報警部分16對于光繼電器芯片或其他適合的繼電器裝置70和76的組件公差的差異進行調整。
[0107]如果高報警和低報警處于被激勵狀態，則能夠通過改變其電阻來調整可變電阻器72直到將高報警去激勵。報警電路16保持為穩定的確定狀態，高報警處于去激勵狀態，低報警處于激勵狀態。如果為高報警使用N/C裝置而為低報警使用N/0裝置，則一旦高與低之間的觸發值已經適當地調整，報警條件本身能夠用作經由振蕩器62的振幅微調傳感器電路12的指示符。
[0108]一旦處于穩態，則由于金屬網絡連接部件的任一或全部的部件的斷接引起的與第二初級繞組PW2附接的金屬基礎結構26的電感的任何增加將引起次級繞組SW處的電壓的可覺察升高。這樣經由其光繼電器70激勵高報警電路65a并且使得啟動報警。
[0109]類似地，例如由于諸如當試圖在目標材料移除之前消除報警時等添加附加的金屬基礎結構而引起的與第二初級繞組PW2附接的被監控網絡26的電感的任何減小將使得次級繞組SW處的電壓出現可檢測下降。這樣經由其光繼電器76將低報警電路65b去激勵，使得報警再次啟動。
[0110]通過移除或竄改遠程讀出線22而繞過報警的任何企圖將導致電感的可檢測增力口，這樣將高報警置于導通狀態。
[0111]能夠‘鎖定’振蕩器62的信號頻率是有益的，因為這樣允許在已經設定可變電阻器72時通過調整振蕩器62的振幅對整個電路進行‘一鈕’設置和控制。但是，作為替代，可以鎖定振蕩器62所輸出的信號的振幅，其中控制頻率以調諧電感傳感電路12。可替代低，通過振蕩器62輸出的振蕩信號的振幅和頻率是能夠控制的以調諧電感傳感電路12。
[0112]在上述情況下，優選的是在安裝過程中僅需要單個變量可控，因此，在檢測裝置10制造過程中，可變電阻器72以及振蕩信號的頻率和振幅之一被設定。可以使用任何適合的驅動器66和68。這些驅動器可以是固態的或機械式的。可以考慮在芯片上設置多個光繼電器或固態繼電器。在金屬基礎結構的盜竊過程開始的瞬間現場檢測金屬基礎結構的盜竊的能力使能迅速底座以確保現場安全，使其恢復正常服務并且可能捕捉竊賊。裝置的報警電路激發能夠為工程調度和/或安全人員所使用的報警器。另外，可能的是，裝置可用于觸發備選機構或系統，諸如可聽的、可視的和/或可觸的報警器或‘顏料彈’。
[0113]由于檢測過程的本質，繞過非常困難。
[0114]本發明的電路與現有技術的巨大差別在于以下事實:其測量金屬基礎結構內的電感并且當其中部分受擾動時(諸如由于移除或竄改)感測在結構內發生的電感的變化。
[0115]因此，可能的是提供一種金屬導體擾動檢測裝置，其設計成檢測在接地或非接地的金屬導體內發生的電感變化。裝置的傳感電路與報警電路連接，由此，對任何擾動的遠程或裝置外通知進行轉播。本發明旨在用于采用諸如銅電纜和接地導體的大的金屬導體主體的應用中，例如用在例如遠程通信、發電&配電、軌道運輸以及廣泛使用大量銅或其它有價值金屬的其它市場。還可能的是，利用該裝置來監控由于意外狀況引發的腐蝕或損壞而引起的金屬導體的自然降解或擾動，以及提供指示這種狀況已發生的警報。
[0116]上文描述的實施方案僅通過實施例的方式給出，其它各種不偏離如隨附權利要求書限定的本發明的范圍的變型例對于本領域技術人員而言將是明顯的。
【權利要求】
1.檢測金屬導體(34)中的擾動的方法，所述方法包括如下步驟:提供電感傳感電路(12)，所述電感傳感電路(12)與具有可監控電感的金屬導體(34)機械連接且電連接；基于外加于所述金屬導體(34)的電磁場和內部產生的電路振蕩來調諧所述電感傳感電路(12);以及當來自經調諧的電感傳感電路(12)的經調諧的輸出信號由于所述金屬導體(34)的至少部分的添加或移除而引起的所述金屬導體(34)的電感的變化而變得失諧時，輸出報警信號。
2.如權利要求1所述的方法，其中經調諧的電感傳感電路(12)的經調諧的輸出信號輸出到濾波器電路(14)，所述濾波器電路(14)基于經調諧的信號的頻率進行濾波。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述濾波器電路(14)包括帶通濾波器(30)。
4.如任一前述權利要求所述的方法，其中機械連接提供了單一電連通路徑。
5.如任一前述權利要求所述的方法，其中機械連接提供了兩條電連通路徑，從而形成閉環。
6.如權利要求1至5中任一項所述的方法，其中所述電感傳感電路(12)包括變壓器(60)，所述變壓器￠0)具有在所述金屬導體(34)側的第一初級線圈和第二初級線圈，以及在報警電路(16)側的次級線圈。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述第一初級線圈與振蕩器(62)連接。
8.如權利要求7所述的方法，其中將所述振蕩器(62)輸出的信號的頻率鎖定，并且能夠基于所述振蕩器￠2)輸出的信號的振幅來調諧所述電感傳感電路(12)。
9.如權利要求7所述的方法，其中能夠基于所述振蕩器(62)輸出的信號的振幅和頻率來調諧所述電感傳感電路(12)。
10.如權利要求7所述的方法，其中將所述振蕩器(62)輸出的信號的振幅鎖定，并且能夠基于所述振蕩器￠2)輸出的信號的頻率來調諧所述電感傳感電路(12)。
11.如權利要求1至10中任一項所述的方法，其中將所述報警信號輸出到遠離所述電感傳感電路(12)的裝設處的報警裝置。
12.如權利要求1至11中任一項所述的方法，其中所述金屬導體(34)為金屬基礎結構(26)或者為其部分。
13.如權利要求1至12中任一項所述的方法，其中所述金屬導體(34)為包括移動電話天線柱、分站和公共服務事業中的至少一者的地面金屬基礎結構(26)或者為其部分。
14.如權利要求1至12中任一項所述的方法，其中所述金屬導體(34)為形成列車發信電力電纜以及列車牽引電力和/或回流電纜的至少部分的金屬傳導電纜或其部分。
15.如權利要求1至12中任一項所述的方法，其中所述金屬導體(34)為包括電接地建筑物結構、橋和金屬街道用具中的至少一者的金屬結構或其部分。
16.金屬導體擾動檢測裝置(10)，用于如前述權利要求中任一項所述的檢測金屬導體(34)中的擾動的方法，所述裝置(10)包括:振幅和/或頻率可調諧的電感傳感電路(12)，其與所述金屬導體(34)機械連接且電連接；以及報警電路(16)，其基于由于所述金屬導體(34)的至少部分的添加或移除引起的所述電感傳感電路(12)的輸出而輸出報警信號。
17.如權利要求16所述的金屬導體擾動檢測裝置(10)，還包括與所述電感傳感電路(12)的輸出連接的濾波器電路(14)。
18.如權利要求16或權利要求17所述的金屬導體擾動檢測裝置(10)，其中所述電感傳感電路(12)包括變壓器(60)，所述變壓器￠0)具有第一和第二初級繞組以及次級繞組。
19.如權利要求18所述的金屬導體擾動檢測裝置(10)，其中所述電感傳感電路(12)還包括與所述變壓器￠0)的第一初級繞組電連通的振蕩器(62)。
20.如權利要求18或權利要求19所述的金屬導體擾動檢測裝置(10)，其中所述變壓器(60)的所述第二初級繞組與待監控的金屬導體(34)電連通。
21.如權利要求18至20中任一項所述的金屬導體擾動檢測裝置(10)，其中所述變壓器(60)的所述次級繞組與所述報警電路￠0)連通。
22.如權利要求18至21中任一項所述的金屬導體擾動檢測裝置(10)，還包括用于調諧所述電感傳感電路(12)的調諧電路(24)，所述調諧電路(24)提供對所述金屬導體(34)外加電磁場的內部電路振蕩。
23.如權利要求22所述的金屬導體擾動檢測裝置(10)，其中所述調諧電路(24)是具有振幅調諧器和電阻調諧器的兩部分式調諧電路。
24.如權利要求23所述的金屬導體擾動檢測裝置(10)，其中所述振幅調諧器在所述變壓器￠0)的所述第一初級繞組的上游，并且所述電阻調諧器在所述變壓器￠0)的所述次級繞組的下游。
25.如權利要求16至24中任一項所述的金屬導體擾動檢測裝置(10)，其中所述報警電路(16)包括用于將所述報警信號輸出到裝置外位置的發射器。
26.如權利要求25所述的金屬導體擾動檢測裝置(10)，其中所述發射器是無線發射器。
27.如權利要求16至26中任一項所述的金屬導體擾動檢測裝置(10)，還包括驅動器電路(18)，用于驅動所述電感傳感電路(12)和/或所述報警電路(16)。
28.金屬導體擾動檢測裝置(10)，用于檢測金屬導體(34)中的擾動，所述裝置(10)包括:電感傳感電路(12)，其包括變壓器(60)，所述變壓器￠0)具有第一和第二初級繞組以及次級繞組；以及可調諧振蕩器(62)，其與所述變壓器￠0)的所述第一初級繞組電連通，所述第二初級繞組能夠與金屬基礎結構(26)機械連通且電連通，并且所述次級繞組能夠基于所述金屬基礎結構(26)的第一狀態而輸出經調諧的輸出信號；以及基于由于所述金屬導體(34)的至少部分的添加或移除而引起的所述金屬基礎結構(26)的第二狀態而輸出失諧的輸出信號。
29.金屬導體擾動檢測裝置(10)，其與金屬基礎結構(26)機械連通且電連通，所述裝置(10)包括:電感傳感電路(12)，其包括變壓器(60)，所述變壓器具有第一和第二初級繞組以及次級繞組；以及可調諧振蕩器(62)，其與所述變壓器￠0)的所述第一初級繞組電連通，所述第二初級繞組與所述金屬基礎結構(26)機械連通且電連通，并且所述次級繞組基于所述金屬基礎結構(26)的未竄改狀態而輸出經調諧的輸出信號以及基于所述金屬基礎結構(26)的竄改狀態而輸出失諧的輸出信號。
30.檢測金屬導體(34)中的擾動的方法，所述方法包括如下步驟:提供電感傳感電路(12)，所述電感傳感電路(12)與具有可監控電感的金屬導體(34)電連接；基于外加到所述金屬導體(34)上的電磁場和內部產生的電路振蕩來調諧所述電感傳感電路(12);以及當來自經調諧的電感傳感電路(12)的經調諧的輸出信號由于所述金屬導體(34)的至少部分的添加或移除而引起的所述金屬導體(34)的電感的變化而變得失諧時，輸出報警信號。
31.檢測金屬導體(34)中的擾動的方法，所述方法包括如下步驟:提供電感傳感電路(12)，所述電感傳感電路(12)與具有可監控電感的金屬導體(34)電連通且機械連通；通過利用對所述金屬導體(34)外加電磁場的振蕩器￠2)來調諧所述電感傳感電路(12);以及當來自經調諧的電感傳感電路(12)的經調諧的輸出信號由于所述金屬導體(34)的至少部分的添加或移除而引起的所述金屬導體(34)的電感的變化而變得失諧時，輸出報警信號。
【文檔編號】G08B13/14GK104137161SQ201380008331
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年1月25日 優先權日:2012年2月8日
【發明者】西蒙·詹姆斯·賈維斯, 保羅·芒福德, 羅杰·麥錢特 申請人:可撒特有限公司