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本文针对电力机房竖井环境复杂，直接测量难度大的问题，对距离测量的相关技术进行了深入学习和研究，并最终基于超声波测距技术设计开发了机房竖井专用测距仪。
【关键词】超声波 竖井 测距
电力通信机房在设计和建设阶段，出于设备特点和运行风险的考虑，往往会将通信设备按功能分类，部署在不同楼层的机房中。图1为电力通信机房的典型配置模式，各类设备安装在不同楼层的机柜中，同层设备通过线缆汇聚至机房角落的竖井开口处，再穿过竖井彼此连接，实现楼内设备的传输和通信功能。
1 问题的提出
在通信机房施工作业时，设备间通信线缆多为光缆，不宜断纤和熔接，避免传输损耗过大。所以必须对线缆的总长度、走线路径及敷设工艺进行合理规划，一次性布放到位。而线缆的总长由地面部分和竖井部分组成，地面部分可直接分段测量，但竖井部分由于条件限制，如楼层间隔远、竖井环境复杂等，为直接测量带来较大的难度。如何准确测量竖井的深度，对线缆的整体布放起着决定性作用，也具有重要的工程实际意义。
本文针对上述问题，对距离测量的相关技术进行了深入学习和研究，并最终基于超声波测距技术设计开发了机房竖井专用测距仪。
2 仪器设计思路及开发过程
2.1 设计思路及系统简介
超声波是一种频率较高的声波，它具有幅/相频特性稳定、能量衰减较慢和反射特性良好的特点。利用它较长的传输距离和较强的抗干扰能力，本文选取波频为40KHZ的超声波作为测距仪的基础波，并针对电力竖井的温湿度特性，设计了专用的测温电路和温度补偿模块，提高测量的精度。
2.2 超声波收发电路设计
传统的超声波测距设备工作原理如下：超声波经固体表面或液体反射折回，由另一传感器接收，只需测量超声波从发出到接收到的時间t，即可根据以下公式计算出发射点与反射点的距离s（m/s）：
s=c×t/2
式中：c为超声波在理想环境中的传播速度（m/s）。
针对声波测距中影响权重最大的温度，本文提出相应的解决方案，即加装温度测量和补偿模块，实时读取测量时的环境温度值，采用超声波在空气中传播的近似公式，计算出相对准确的距离值，如下所示。
超声波在空气中的传播速度c（℃）大约为：
c=c0+0.607×T
式中：T为电力竖井中环境温度（℃），c0为零度时超波的速度（m/s）。
2.3 测温电路设计
本文中实现测温功能的核心元器件是现行主流的数字化温度传感器，型号为DS18B20，其测量精度高达±1.5%，量程范围为-54℃至+124℃，支持单一总线式读写和精确数字化输出。
2.4 主板电路设计
作为仪器工作的“大脑”，单片机及其复位电路支持程序代码的编译、读写和核心运算的执行，并集中控制超声波收发模块的启停、温度测量及补偿电路的数据采集和液晶显示模块的显示状态。
3 功能测试及误差分析
测距准备工作：需将测距仪用水平井口架固定在竖井口A处，并使用超声波收发装置竖直向下，即图1中上部的椭圆物体，在另一竖井口B处水平放置一声波遮挡板。此时接通电源，方可从液晶屏幕中读取竖井的实时温度值和井深的测量值。
经过多次实地测试，该仪器在0.30m至34m的测量范围内，能够保持精度在±1.50%内，符合线路施工作业的精度要求。下图选取了两组有代表性的测试结果，测试时间分别为早上8：00和中午14：00，测量对象为机房现已布好的空余纤芯，其中实际距离的值由光时域反射仪OTDR测得光纤的总长减去地面敷设长度计算所得。
经分析，测量误差的产生主要来自以下几方面：元器件纯手工焊接，不规则的焊点会造成局部波纹泄露；测距公式和运算均采用近似算法；温度测量值本身含有误差；声波反射板难以做到绝对水平放置等因素。
为进一步提高该仪器的测量精度，需针对上述因素进行改进，如采用灵敏度更高的测温元件、设计声波挡板专用的水平井口架、提高焊接工艺等。现阶段，该仪器的测量误差已在机房布线施工允许的范围内，具有一定的工程实际意义和推广价值。
参考文献
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[4]温兴贤，杜子冰.数据处理与误差分析浅析[J].测控技术导论，2012.
作者单位
国网山西省电力公司信息通信分公司 山西省太原市 030000