便携式墙壁隐蔽管线探测仪的设计与实现

周俊++王旌++王舒文++张珂

摘要：本文针对建筑物墙体内部的隐蔽管线，设计开发了一种基于STM32单片机和LDC1000的便携式墙壁隐蔽管线探测仪。该方法结构简单，系统成本低且定位准确高，可对墙壁内部隐蔽管线（如金属水管、导线管）进行探测，并通过实验模拟验证了其探测的可行性。

关键词：STM32单片机；LDC1000；墙壁隐蔽管线探测

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0162-02

随着现代城市化的建设和发展，城市规模的扩大和现代化步伐的加快，工程施工作为最重要的一个环节，人们为了追求外型的美观，绝大部分人在新房建造或装修过程中选择了布置暗线隐蔽起来。工程在隐蔽后，如果发生质量问题，重新返工费时费力，为了避免资源浪费和不必要的损失，定期要对隐蔽工程进行检修。在二次装修中，由于隐蔽工程存在问题，造成了施工人员不知道从哪里下手的尴尬，这往往成为重大的安全隐患，情况严重时会构成生命威胁。由于隐蔽工程标识不清导致的触电事故很多，诸如各种墙壁内线被电锤打断，在地板安装中，气钉枪打穿了线管等例子更是很常见。所以迫切需要应用现代管线检测技术，研制一种有效的便携式管线探测工具，使相关人员更加快速、实时、方便的检测到墙壁内管线的位置、深度等重要信息，从而节约施工成本，加快施工进度，保证施工安全，在不快挖的条件下，准确测出墙内管线的位置，能准确的对破损点进行定位，减小不必要的损失[1]。

纵观国内外关于墙壁内管线探测仪的发展，目前市面上还很少能够买到既价格低廉，又便携可靠的探测仪来快速准确地识别。基于此，本文设计开发了一种便携式墙壁隐蔽管线探测仪，以STM32F103单片机作为核心控制器，LDC1000外接PCB线圈作为测量传感器的探头，来实现墙内管线的检测。

1 LDC1000检测原理

LDC1000检测原理如图1所示。图1中Ls是PCB线圈电感值，Rs是PCB线圈的寄生电阻。L（d）是互感值，R（d）是互感的寄生電阻，d表示待测管线与PCB线圈的距离。在PCB线圈中加上一个交变电流，线圈周围就会产生交变电磁场，这时如果有待测管线（如金属管或导线管）进入这个电磁场则会在其物体表面产生涡流（感应电流），涡流电流跟线圈电流方向相反，涡流产生的感应电磁场跟线圈的电磁场方向相反，涡流是待测管线距离的函数。

如果交变电流只加在PCB线圈电感上，则在产生交变磁场的同时消耗大量的能量。这时将一个电容C并联，由于LC的并联谐振作用能量损耗大大减少，只会损耗在Rs和R（d）上，通过检测到R（d）的损耗就可以间接的检测到距离d的大小[2]。

LDC1000并不是直接检测串联的电阻，而是检测等效并联电阻。等效并联模型如图2所示。根据计算推导，可以得到等效并联电阻的计算公式：

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

2 系统硬件设计与实验装置图

STM32F103单片机与LDC1000的硬件连接如图3所示。采用了四线制SPI连接方式，STM32F103通过SPI连接（SDI、SDO、SCLK、CSB）实现对LDC的控制以及数据读取，LDC1000的INA和INB管脚连接PCB线圈。具体实验装置如下图4所示。

3 系统软件设计

Rp是对应的线圈电涡流等效阻抗，RpMAX和 RpMIN寄存器相当于Rp的采样范围。实验中，为了让Rp 的实际值落在测量范围内，我们将待测管线放在离PCB线圈最近的位置，此时涡流损坏最大，得到Rp 的最大值，将待测管线放在离线圈最远的有效距离，此时涡流最小，得到Rp 的最小值。 软件设计上，RPMIN和RPMAX寄存器的值可由按键进行调节，并由OLED显示。由于管线探测器较容易受到外界的干扰，我们对其LDC1000收集的数据实行了滑动平均滤波[3]。具体系统程序框图如5所示。

4 实验数据分析与结果

基于以上实验装置，为了模拟系统对于不同管线（如金属水管、导线管）探测的可行性，实验中选取了一段家用照明电线2.5m2和一块金属片分别放置于固定台中央，分别测得Rp与距离d对应实验数据值。其中，所使用的PCB线圈直径14mm，线圈数23圈，线宽4mil，线距4mil；金属片46mm*46mm*0.1mm。具体实验数据表1-2和曲线图6-7所示。

从图6和图7中可以看出，对于不同Rp值，对应不同距离d，通过测量Rp的大小，根据公式（1）可以换算出距离d的大小，但是随着距离d的进一步增加，Rp值趋于不变，此时对应距离d为系统可探测的最大距离[4]。实验中，我们还选择不同大小PCB线圈进行探测，发现大线圈测量距离远，但是受到周围干扰比较大，小线圈测量距离近，但是所受到的干扰较小。在实际测量中，可以根据测量所处环境以及精度要求选择不同规格大小的线圈进行测量。

5 结语

本文设计开发了一种基于STM32单片机和LDC1000的便携式墙壁隐蔽管线探测仪，从LDC1000检测原理出发，分别从系统硬件和软件两方面详细介绍整个设计与实现过程，并从实验上模拟验证了系统对于不同管线（如金属水管、导线管）探测的可行性。该系统除了对墙壁内部隐蔽管线进行探测外，还可以应用于汽车、计算机电子、通信等其他领域。

参考文献

[1]吴炜.电感传感器金属探测定位系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2015（5）：54-56.

[2]李伟锋.基于电磁感应法的地下金属管线无损检测技术的研究[D].哈尔滨理工大学，2011.

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

[4]周灵彬.金属物体探测定位器设计[J].工业仪表与自动化装置，2016（1）：111-114.