多功能墻內管線探測儀設計

陳夢婉，喬振宇，黃 安，桑 寧，劉 行

（合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，合肥 230009）

0 引言

現今中國城鄉房屋線路及管道設計都以“隱線”為主，墻體內水管、通電線路被埋藏于墻體內，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（實際上這種情況時有發生）。因此，設計一種能夠顯示墻體內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，國內存在多種多樣的墻體探測儀，但大都存在精度不夠、價格偏高、不能顯示線路走線、體積較大不易攜帶等問題；而國外引進的墻體探測儀雖然比較精確，但價格昂貴不適合在中國民眾中流通。這種狀況嚴重制約著國內房屋裝修領域的發展步伐并影響居民生活的舒適度[1]。基于此，本文設計開發一種便攜式墻內埋藏管線探

測儀，在不損壞墻體的情況下，采用無損檢測技術，以TDA0161和TTP223芯片為主體，外接線圈和覆銅板，設計和優化一種多傳感器陣列，實現對墻體內的水管、通電線路的有無進行判斷，和線路分布及走向進行判斷和顯示，為繪制線路走向提供依據。

1 導線檢測

1.1 電渦流傳感器原理

電渦流傳感器的電感線圈部分經高頻信號激勵后會在軸向產生一個高頻交變磁場H1，如果在此磁場H1范圍內沒有金屬導體接近，則磁場的能量會被釋放；當有金屬導體接近時，交變磁場H1將在空間產生一個與之垂直的電渦流場，此電渦流場也會在金屬表層感應出一個與H1方向相反的交變磁場H2。由于磁場H2的作用，渦流會消耗一部分能量，從而使產生磁場的線圈阻抗發生變化[2]，處理電路感應到這種變化后，由此識別出墻體內有金屬物體，進而控制后續電路。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 導線探測電路Fig.2 Wire detection circuit

1.2 導線檢測電路

基于TDA0161芯片設計的電路，通過檢測高頻渦流損耗的變化來探測墻體內是否埋藏金屬導線，圖2為探測金屬電線的電路圖。TDA0161前級有一個LC振蕩電路，當有金屬接近時，感應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并聯在感應線圈的損耗電阻Rp。在芯片2腳和4腳接入一個可調電阻，當等效損耗電阻高于該可調電阻時（無金屬接近），輸出電流小于1mA，對應輸出電壓為低電平，而當有金屬靠近TDA0161的傳感線圈時，等效損耗電阻低于可調電阻，芯片輸出電流大于8mA，對應電壓輸出高電平，可點亮D2[4]。該電路輸出信號是供電電流的變化，這個電流與電源電壓無關。改變L1、C1、C2、和R1的值可以適當調節探測距離。

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

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

如圖3所示，當墻壁內沒有充滿液體的PVC水管或者金屬管道時，PCB板上的焊盤與墻壁形成的感應電容值是一個固定不變的值CB，即總感應電容為CS=CB。當墻壁內有充滿液體的PVC水管或者金屬管道時，液體或金屬管道會與該焊盤形成一個耦合電容CF，該耦合電容CF會疊加到焊盤與地面形成的感應電容CB上，從而改變感應電容值，即總感應電容CS=CB+CS。當焊盤脫離被測墻體時，耦合電容消失，即總感應電容CS=CB[5]。當檢測電路檢測到的感應電容值達到設定的閾值CT時，將執行相應的指令，如點亮或關閉LED燈。

2.2 水管檢測電路圖

如圖4所示，本電路設計將TTP223芯片④、⑥腳懸空，說明當輸入引腳③輸入電容值增大時，輸出引腳①將輸出高電平，即當覆銅焊盤與被測墻體緊密接觸時，如果墻壁內有充滿液體的PVC水管或者金屬管道，輸出引腳①將輸出高電平[6]，處理電路感應到這種變化后由此識別出墻體有充滿液體的PVC水管或者金屬管道，進而控制后續電路，點亮LED燈。

3 系統硬件設計

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

導線檢測電路和水管檢測電路的輸出量可以作為LED啟動電源的開關量。所以本設計將采用多傳感器陣列（4×4）進行墻體內管道軌跡的顯示。如圖5所示，當多傳感器陣列進行探測墻體時，每單個傳感器獨立工作，LED燈將表示本傳感器所在位置的墻體內是否有導線或水管，當出現數個LED燈點亮時，將可以顯示墻體內管道的軌跡。

4 實驗數據分析與結果

導線檢測電路調試過程最關鍵在于對電位器阻值RV1的調節。將電位器阻值調至最大，當沒有金屬靠近TDA0161芯片的外接感應線圈時，此時顯示的led燈亮，緩慢調節阻值，使顯示的led燈由亮恰好熄滅，電位器取這個臨界值，這個時候探測的厚度最大，據實驗發現探測厚度為7mm。

為探測該導線探測電路所能探測電線的粗細，找來常用的一些導線。具體如下：0.2mm2的實驗板跳線、USB手機充電線以及1.5mm2、2.5mm2、4mm2、6mm2的家用家裝銅導線，分別放在傳感線圈7mm左右處。經實際實驗發現，除0.2mm2實驗板跳線不能識別外，其余的銅導線均能比較靈敏地感知。而家用低功率導線為2.5mm2，大功率導線如空調導線要求為4mm2以上，故該檢測電路可以適用于家庭墻體通電導線的檢測。

5 結語

本文設計開發一種基于TDA0161和TTP223芯片為主體的便攜式墻體內管線探測儀，從TDA0161和TTP223芯片的檢測原理出發，系統設計和優化了這種多傳感器陣列，并從實驗上驗證在不損壞墻體的情況下，系統可以對墻體內的水管、通電線路的有無進行判斷，并對線路分布及走向進行判斷和顯示。該系統除了對墻體內管線探測外，還可以應用于金屬探測等其他領域。