便攜式墻壁隱蔽管線探測儀的設計與實現

周俊++王旌++王舒文++張珂

摘要：本文針對建筑物墻體內部的隱蔽管線，設計開發了一種基于STM32單片機和LDC1000的便攜式墻壁隱蔽管線探測儀。該方法結構簡單，系統成本低且定位準確高，可對墻壁內部隱蔽管線（如金屬水管、導線管）進行探測，并通過實驗模擬驗證了其探測的可行性。

關鍵詞：STM32單片機；LDC1000；墻壁隱蔽管線探測

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0162-02

隨著現代城市化的建設和發展，城市規模的擴大和現代化步伐的加快，工程施工作為最重要的一個環節，人們為了追求外型的美觀，絕大部分人在新房建造或裝修過程中選擇了布置暗線隱蔽起來。工程在隱蔽后，如果發生質量問題，重新返工費時費力，為了避免資源浪費和不必要的損失，定期要對隱蔽工程進行檢修。在二次裝修中，由于隱蔽工程存在問題，造成了施工人員不知道從哪里下手的尷尬，這往往成為重大的安全隱患，情況嚴重時會構成生命威脅。由于隱蔽工程標識不清導致的觸電事故很多，諸如各種墻壁內線被電錘打斷，在地板安裝中，氣釘槍打穿了線管等例子更是很常見。所以迫切需要應用現代管線檢測技術，研制一種有效的便攜式管線探測工具，使相關人員更加快速、實時、方便的檢測到墻壁內管線的位置、深度等重要信息，從而節約施工成本，加快施工進度，保證施工安全，在不快挖的條件下，準確測出墻內管線的位置，能準確的對破損點進行定位，減小不必要的損失[1]。

縱觀國內外關于墻壁內管線探測儀的發展，目前市面上還很少能夠買到既價格低廉，又便攜可靠的探測儀來快速準確地識別。基于此，本文設計開發了一種便攜式墻壁隱蔽管線探測儀，以STM32F103單片機作為核心控制器，LDC1000外接PCB線圈作為測量傳感器的探頭，來實現墻內管線的檢測。

1 LDC1000檢測原理

LDC1000檢測原理如圖1所示。圖1中Ls是PCB線圈電感值，Rs是PCB線圈的寄生電阻。L（d）是互感值，R（d）是互感的寄生電阻，d表示待測管線與PCB線圈的距離。在PCB線圈中加上一個交變電流，線圈周圍就會產生交變電磁場，這時如果有待測管線（如金屬管或導線管）進入這個電磁場則會在其物體表面產生渦流（感應電流），渦流電流跟線圈電流方向相反，渦流產生的感應電磁場跟線圈的電磁場方向相反，渦流是待測管線距離的函數。

如果交變電流只加在PCB線圈電感上，則在產生交變磁場的同時消耗大量的能量。這時將一個電容C并聯，由于LC的并聯諧振作用能量損耗大大減少，只會損耗在Rs和R（d）上，通過檢測到R（d）的損耗就可以間接的檢測到距離d的大小[2]。

LDC1000并不是直接檢測串聯的電阻，而是檢測等效并聯電阻。等效并聯模型如圖2所示。根據計算推導，可以得到等效并聯電阻的計算公式：

Rp（d）=（1/（[Rs+R（d）]）*（[Ls+L（d）]）/C （1）

2 系統硬件設計與實驗裝置圖

STM32F103單片機與LDC1000的硬件連接如圖3所示。采用了四線制SPI連接方式，STM32F103通過SPI連接（SDI、SDO、SCLK、CSB）實現對LDC的控制以及數據讀取，LDC1000的INA和INB管腳連接PCB線圈。具體實驗裝置如下圖4所示。

3 系統軟件設計

Rp是對應的線圈電渦流等效阻抗，RpMAX和 RpMIN寄存器相當于Rp的采樣范圍。實驗中，為了讓Rp 的實際值落在測量范圍內，我們將待測管線放在離PCB線圈最近的位置，此時渦流損壞最大，得到Rp 的最大值，將待測管線放在離線圈最遠的有效距離，此時渦流最小，得到Rp 的最小值。 軟件設計上，RPMIN和RPMAX寄存器的值可由按鍵進行調節，并由OLED顯示。由于管線探測器較容易受到外界的干擾，我們對其LDC1000收集的數據實行了滑動平均濾波[3]。具體系統程序框圖如5所示。

4 實驗數據分析與結果

基于以上實驗裝置，為了模擬系統對于不同管線（如金屬水管、導線管）探測的可行性，實驗中選取了一段家用照明電線2.5m2和一塊金屬片分別放置于固定臺中央，分別測得Rp與距離d對應實驗數據值。其中，所使用的PCB線圈直徑14mm，線圈數23圈，線寬4mil，線距4mil；金屬片46mm*46mm*0.1mm。具體實驗數據表1-2和曲線圖6-7所示。

從圖6和圖7中可以看出，對于不同Rp值，對應不同距離d，通過測量Rp的大小，根據公式（1）可以換算出距離d的大小，但是隨著距離d的進一步增加，Rp值趨于不變，此時對應距離d為系統可探測的最大距離[4]。實驗中，我們還選擇不同大小PCB線圈進行探測，發現大線圈測量距離遠，但是受到周圍干擾比較大，小線圈測量距離近，但是所受到的干擾較小。在實際測量中，可以根據測量所處環境以及精度要求選擇不同規格大小的線圈進行測量。

5 結語

本文設計開發了一種基于STM32單片機和LDC1000的便攜式墻壁隱蔽管線探測儀，從LDC1000檢測原理出發，分別從系統硬件和軟件兩方面詳細介紹整個設計與實現過程，并從實驗上模擬驗證了系統對于不同管線（如金屬水管、導線管）探測的可行性。該系統除了對墻壁內部隱蔽管線進行探測外，還可以應用于汽車、計算機電子、通信等其他領域。

參考文獻

[1]吳煒.電感傳感器金屬探測定位系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2015（5）：54-56.

[2]李偉鋒.基于電磁感應法的地下金屬管線無損檢測技術的研究[D].哈爾濱理工大學，2011.

[3]Texas Instruments Incorporated. LDC1000-Q1.ZHCSCS2B[S].Texas Instruments Incorporated，2014.

[4]周靈彬.金屬物體探測定位器設計[J].工業儀表與自動化裝置，2016（1）：111-114.