多功能墙内管线探测仪设计

陈梦婉，乔振宇，黄 安，桑 宁，刘 行

（合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，合肥 230009）

0 引言

现今中国城乡房屋线路及管道设计都以“隐线”为主，墙体内水管、通电线路被埋藏于墙体内，不易判断其走向，如果原始线路分布信息丢失或者线路分布改变，盲目施工很可能打破水管或电线，很容易带来麻烦甚至危险（实际上这种情况时有发生）。因此，设计一种能够显示墙体内水管及电线位置及走向的仪器来辅助装修施工很有必要。目前，国内存在多种多样的墙体探测仪，但大都存在精度不够、价格偏高、不能显示线路走线、体积较大不易携带等问题；而国外引进的墙体探测仪虽然比较精确，但价格昂贵不适合在中国民众中流通。这种状况严重制约着国内房屋装修领域的发展步伐并影响居民生活的舒适度[1]。基于此，本文设计开发一种便携式墙内埋藏管线探

测仪，在不损坏墙体的情况下，采用无损检测技术，以TDA0161和TTP223芯片为主体，外接线圈和覆铜板，设计和优化一种多传感器阵列，实现对墙体内的水管、通电线路的有无进行判断，和线路分布及走向进行判断和显示，为绘制线路走向提供依据。

1 导线检测

1.1 电涡流传感器原理

电涡流传感器的电感线圈部分经高频信号激励后会在轴向产生一个高频交变磁场H1，如果在此磁场H1范围内没有金属导体接近，则磁场的能量会被释放；当有金属导体接近时，交变磁场H1将在空间产生一个与之垂直的电涡流场，此电涡流场也会在金属表层感应出一个与H1方向相反的交变磁场H2。由于磁场H2的作用，涡流会消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化[2]，处理电路感应到这种变化后，由此识别出墙体内有金属物体，进而控制后续电路。电涡流传感器基本原理图如图1所示。

图1 电涡流传感器基本原理图Fig.1 Basic diagram of eddy current sensor

图2 导线探测电路Fig.2 Wire detection circuit

1.2 导线检测电路

基于TDA0161芯片设计的电路，通过检测高频涡流损耗的变化来探测墙体内是否埋藏金属导线，图2为探测金属电线的电路图。TDA0161前级有一个LC振荡电路，当有金属接近时，感应线圈的交变电场在金属表面形成涡流[3]，其对外损耗可以等效为一个并联在感应线圈的损耗电阻Rp。在芯片2脚和4脚接入一个可调电阻，当等效损耗电阻高于该可调电阻时（无金属接近），输出电流小于1mA，对应输出电压为低电平，而当有金属靠近TDA0161的传感线圈时，等效损耗电阻低于可调电阻，芯片输出电流大于8mA，对应电压输出高电平，可点亮D2[4]。该电路输出信号是供电电流的变化，这个电流与电源电压无关。改变L1、C1、C2、和R1的值可以适当调节探测距离。

图3 等效电容变化情况Fig.3 Variation of equivalent capacitance

2 水管检测

2.1 水管检测的原理

本设计探测墙体内埋藏水管是利用以TTP223作为核心元件设计的一款高性价比的电路。TTP223属于电容式触摸开关集成电路，电路设计将芯片输入引脚连接在PCB板上一个面积稍大的覆铜焊盘，与四周结构组成感应电容，当TTP223芯片输入引脚的输入电容值增大时（覆铜焊板需要与被探测墙体紧密接触），对应的输出引脚将改变高低平信号。由于液体、金属的介电常数要远大于墙壁的介电常数[4]，所以有液体、金属时电容值明显要大于没有液体、金属时的电容值，这也说明本设计适用于充满液体的PVC水管和金属水管探测。

如图3所示，当墙壁内没有充满液体的PVC水管或者金属管道时，PCB板上的焊盘与墙壁形成的感应电容值是一个固定不变的值CB，即总感应电容为CS=CB。当墙壁内有充满液体的PVC水管或者金属管道时，液体或金属管道会与该焊盘形成一个耦合电容CF，该耦合电容CF会叠加到焊盘与地面形成的感应电容CB上，从而改变感应电容值，即总感应电容CS=CB+CS。当焊盘脱离被测墙体时，耦合电容消失，即总感应电容CS=CB[5]。当检测电路检测到的感应电容值达到设定的阈值CT时，将执行相应的指令，如点亮或关闭LED灯。

2.2 水管检测电路图

如图4所示，本电路设计将TTP223芯片④、⑥脚悬空，说明当输入引脚③输入电容值增大时，输出引脚①将输出高电平，即当覆铜焊盘与被测墙体紧密接触时，如果墙壁内有充满液体的PVC水管或者金属管道，输出引脚①将输出高电平[6]，处理电路感应到这种变化后由此识别出墙体有充满液体的PVC水管或者金属管道，进而控制后续电路，点亮LED灯。

3 系统硬件设计

图4 水管检测电路图Fig.4 Pipe inspection circuit diagram

图5 墙体探测仪探测示意图Fig.5 Diagram of wall detector detection

导线检测电路和水管检测电路的输出量可以作为LED启动电源的开关量。所以本设计将采用多传感器阵列（4×4）进行墙体内管道轨迹的显示。如图5所示，当多传感器阵列进行探测墙体时，每单个传感器独立工作，LED灯将表示本传感器所在位置的墙体内是否有导线或水管，当出现数个LED灯点亮时，将可以显示墙体内管道的轨迹。

4 实验数据分析与结果

导线检测电路调试过程最关键在于对电位器阻值RV1的调节。将电位器阻值调至最大，当没有金属靠近TDA0161芯片的外接感应线圈时，此时显示的led灯亮，缓慢调节阻值，使显示的led灯由亮恰好熄灭，电位器取这个临界值，这个时候探测的厚度最大，据实验发现探测厚度为7mm。

为探测该导线探测电路所能探测电线的粗细，找来常用的一些导线。具体如下：0.2mm2的实验板跳线、USB手机充电线以及1.5mm2、2.5mm2、4mm2、6mm2的家用家装铜导线，分别放在传感线圈7mm左右处。经实际实验发现，除0.2mm2实验板跳线不能识别外，其余的铜导线均能比较灵敏地感知。而家用低功率导线为2.5mm2，大功率导线如空调导线要求为4mm2以上，故该检测电路可以适用于家庭墙体通电导线的检测。

5 结语

本文设计开发一种基于TDA0161和TTP223芯片为主体的便携式墙体内管线探测仪，从TDA0161和TTP223芯片的检测原理出发，系统设计和优化了这种多传感器阵列，并从实验上验证在不损坏墙体的情况下，系统可以对墙体内的水管、通电线路的有无进行判断，并对线路分布及走向进行判断和显示。该系统除了对墙体内管线探测外，还可以应用于金属探测等其他领域。