多功能墻內(nèi)管線探測儀設(shè)計(jì)

陳夢婉，喬振宇，黃 安，桑 寧，劉 行

（合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

現(xiàn)今中國城鄉(xiāng)房屋線路及管道設(shè)計(jì)都以“隱線”為主，墻體內(nèi)水管、通電線路被埋藏于墻體內(nèi)，不易判斷其走向，如果原始線路分布信息丟失或者線路分布改變，盲目施工很可能打破水管或電線，很容易帶來麻煩甚至危險(xiǎn)（實(shí)際上這種情況時(shí)有發(fā)生）。因此，設(shè)計(jì)一種能夠顯示墻體內(nèi)水管及電線位置及走向的儀器來輔助裝修施工很有必要。目前，國內(nèi)存在多種多樣的墻體探測儀，但大都存在精度不夠、價(jià)格偏高、不能顯示線路走線、體積較大不易攜帶等問題；而國外引進(jìn)的墻體探測儀雖然比較精確，但價(jià)格昂貴不適合在中國民眾中流通。這種狀況嚴(yán)重制約著國內(nèi)房屋裝修領(lǐng)域的發(fā)展步伐并影響居民生活的舒適度[1]?；诖?，本文設(shè)計(jì)開發(fā)一種便攜式墻內(nèi)埋藏管線探

測儀，在不損壞墻體的情況下，采用無損檢測技術(shù)，以TDA0161和TTP223芯片為主體，外接線圈和覆銅板，設(shè)計(jì)和優(yōu)化一種多傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)對墻體內(nèi)的水管、通電線路的有無進(jìn)行判斷，和線路分布及走向進(jìn)行判斷和顯示，為繪制線路走向提供依據(jù)。

1 導(dǎo)線檢測

1.1 電渦流傳感器原理

電渦流傳感器的電感線圈部分經(jīng)高頻信號(hào)激勵(lì)后會(huì)在軸向產(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場H1，如果在此磁場H1范圍內(nèi)沒有金屬導(dǎo)體接近，則磁場的能量會(huì)被釋放；當(dāng)有金屬導(dǎo)體接近時(shí)，交變磁場H1將在空間產(chǎn)生一個(gè)與之垂直的電渦流場，此電渦流場也會(huì)在金屬表層感應(yīng)出一個(gè)與H1方向相反的交變磁場H2。由于磁場H2的作用，渦流會(huì)消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化[2]，處理電路感應(yīng)到這種變化后，由此識(shí)別出墻體內(nèi)有金屬物體，進(jìn)而控制后續(xù)電路。電渦流傳感器基本原理圖如圖1所示。

圖1 電渦流傳感器基本原理圖Fig.1 Basic diagram of eddy current sensor

圖2 導(dǎo)線探測電路Fig.2 Wire detection circuit

1.2 導(dǎo)線檢測電路

基于TDA0161芯片設(shè)計(jì)的電路，通過檢測高頻渦流損耗的變化來探測墻體內(nèi)是否埋藏金屬導(dǎo)線，圖2為探測金屬電線的電路圖。TDA0161前級(jí)有一個(gè)LC振蕩電路，當(dāng)有金屬接近時(shí)，感應(yīng)線圈的交變電場在金屬表面形成渦流[3]，其對外損耗可以等效為一個(gè)并聯(lián)在感應(yīng)線圈的損耗電阻Rp。在芯片2腳和4腳接入一個(gè)可調(diào)電阻，當(dāng)?shù)刃p耗電阻高于該可調(diào)電阻時(shí)（無金屬接近），輸出電流小于1mA，對應(yīng)輸出電壓為低電平，而當(dāng)有金屬靠近TDA0161的傳感線圈時(shí)，等效損耗電阻低于可調(diào)電阻，芯片輸出電流大于8mA，對應(yīng)電壓輸出高電平，可點(diǎn)亮D2[4]。該電路輸出信號(hào)是供電電流的變化，這個(gè)電流與電源電壓無關(guān)。改變L1、C1、C2、和R1的值可以適當(dāng)調(diào)節(jié)探測距離。

圖3 等效電容變化情況Fig.3 Variation of equivalent capacitance

2 水管檢測

2.1 水管檢測的原理

本設(shè)計(jì)探測墻體內(nèi)埋藏水管是利用以TTP223作為核心元件設(shè)計(jì)的一款高性價(jià)比的電路。TTP223屬于電容式觸摸開關(guān)集成電路，電路設(shè)計(jì)將芯片輸入引腳連接在PCB板上一個(gè)面積稍大的覆銅焊盤，與四周結(jié)構(gòu)組成感應(yīng)電容，當(dāng)TTP223芯片輸入引腳的輸入電容值增大時(shí)（覆銅焊板需要與被探測墻體緊密接觸），對應(yīng)的輸出引腳將改變高低平信號(hào)。由于液體、金屬的介電常數(shù)要遠(yuǎn)大于墻壁的介電常數(shù)[4]，所以有液體、金屬時(shí)電容值明顯要大于沒有液體、金屬時(shí)的電容值，這也說明本設(shè)計(jì)適用于充滿液體的PVC水管和金屬水管探測。

如圖3所示，當(dāng)墻壁內(nèi)沒有充滿液體的PVC水管或者金屬管道時(shí)，PCB板上的焊盤與墻壁形成的感應(yīng)電容值是一個(gè)固定不變的值CB，即總感應(yīng)電容為CS=CB。當(dāng)墻壁內(nèi)有充滿液體的PVC水管或者金屬管道時(shí)，液體或金屬管道會(huì)與該焊盤形成一個(gè)耦合電容CF，該耦合電容CF會(huì)疊加到焊盤與地面形成的感應(yīng)電容CB上，從而改變感應(yīng)電容值，即總感應(yīng)電容CS=CB+CS。當(dāng)焊盤脫離被測墻體時(shí)，耦合電容消失，即總感應(yīng)電容CS=CB[5]。當(dāng)檢測電路檢測到的感應(yīng)電容值達(dá)到設(shè)定的閾值CT時(shí)，將執(zhí)行相應(yīng)的指令，如點(diǎn)亮或關(guān)閉LED燈。

2.2 水管檢測電路圖

如圖4所示，本電路設(shè)計(jì)將TTP223芯片④、⑥腳懸空，說明當(dāng)輸入引腳③輸入電容值增大時(shí)，輸出引腳①將輸出高電平，即當(dāng)覆銅焊盤與被測墻體緊密接觸時(shí)，如果墻壁內(nèi)有充滿液體的PVC水管或者金屬管道，輸出引腳①將輸出高電平[6]，處理電路感應(yīng)到這種變化后由此識(shí)別出墻體有充滿液體的PVC水管或者金屬管道，進(jìn)而控制后續(xù)電路，點(diǎn)亮LED燈。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖4 水管檢測電路圖Fig.4 Pipe inspection circuit diagram

圖5 墻體探測儀探測示意圖Fig.5 Diagram of wall detector detection

導(dǎo)線檢測電路和水管檢測電路的輸出量可以作為LED啟動(dòng)電源的開關(guān)量。所以本設(shè)計(jì)將采用多傳感器陣列（4×4）進(jìn)行墻體內(nèi)管道軌跡的顯示。如圖5所示，當(dāng)多傳感器陣列進(jìn)行探測墻體時(shí)，每單個(gè)傳感器獨(dú)立工作，LED燈將表示本傳感器所在位置的墻體內(nèi)是否有導(dǎo)線或水管，當(dāng)出現(xiàn)數(shù)個(gè)LED燈點(diǎn)亮?xí)r，將可以顯示墻體內(nèi)管道的軌跡。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

導(dǎo)線檢測電路調(diào)試過程最關(guān)鍵在于對電位器阻值RV1的調(diào)節(jié)。將電位器阻值調(diào)至最大，當(dāng)沒有金屬靠近TDA0161芯片的外接感應(yīng)線圈時(shí)，此時(shí)顯示的led燈亮，緩慢調(diào)節(jié)阻值，使顯示的led燈由亮恰好熄滅，電位器取這個(gè)臨界值，這個(gè)時(shí)候探測的厚度最大，據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)探測厚度為7mm。

為探測該導(dǎo)線探測電路所能探測電線的粗細(xì)，找來常用的一些導(dǎo)線。具體如下：0.2mm2的實(shí)驗(yàn)板跳線、USB手機(jī)充電線以及1.5mm2、2.5mm2、4mm2、6mm2的家用家裝銅導(dǎo)線，分別放在傳感線圈7mm左右處。經(jīng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除0.2mm2實(shí)驗(yàn)板跳線不能識(shí)別外，其余的銅導(dǎo)線均能比較靈敏地感知。而家用低功率導(dǎo)線為2.5mm2，大功率導(dǎo)線如空調(diào)導(dǎo)線要求為4mm2以上，故該檢測電路可以適用于家庭墻體通電導(dǎo)線的檢測。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)開發(fā)一種基于TDA0161和TTP223芯片為主體的便攜式墻體內(nèi)管線探測儀，從TDA0161和TTP223芯片的檢測原理出發(fā)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化了這種多傳感器陣列，并從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證在不損壞墻體的情況下，系統(tǒng)可以對墻體內(nèi)的水管、通電線路的有無進(jìn)行判斷，并對線路分布及走向進(jìn)行判斷和顯示。該系統(tǒng)除了對墻體內(nèi)管線探測外，還可以應(yīng)用于金屬探測等其他領(lǐng)域。