周俊++王旌++王舒文++張珂

摘要：本文針對建筑物墻體內(nèi)部的隱蔽管線，設計開發(fā)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(tǒng)成本低且定位準確高，可對墻壁內(nèi)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(xiàn)代城市化的建設和發(fā)展，城市規(guī)模的擴大和現(xiàn)代化步伐的加快，工程施工作為最重要的一個環(huán)節(jié)，人們?yōu)榱俗非笸庑偷拿烙^，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(fā)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(nèi)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(xiàn)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(nèi)管線的位置、深度等重要信息，從而節(jié)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(nèi)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(nèi)外關于墻壁內(nèi)管線探測儀的發(fā)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?；诖?，本文設計開發(fā)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(xiàn)墻內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)生渦流（感應電流），渦流電流跟線圈電流方向相反，渦流產(chǎn)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(shù)。

如果交變電流只加在PCB線圈電感上，則在產(chǎn)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(lián)，由于LC的并聯(lián)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(lián)的電阻，而是檢測等效并聯(lián)電阻。等效并聯(lián)模型如圖2所示。根據(jù)計算推導，可以得到等效并聯(lián)電阻的計算公式：

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

2 系統(tǒng)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(xiàn)對LDC的控制以及數(shù)據(jù)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(tǒng)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(nèi)，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(jié)，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(shù)據(jù)實行了滑動平均濾波[3]。具體系統(tǒng)程序框圖如5所示。

4 實驗數(shù)據(jù)分析與結果

基于以上實驗裝置，為了模擬系統(tǒng)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(shù)據(jù)值。其中，所使用的PCB線圈直徑14mm，線圈數(shù)23圈，線寬4mil，線距4mil；金屬片46mm*46mm*0.1mm。具體實驗數(shù)據(jù)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(jù)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(jù)測量所處環(huán)境以及精度要求選擇不同規(guī)格大小的線圈進行測量。

5 結語

本文設計開發(fā)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(fā)，分別從系統(tǒng)硬件和軟件兩方面詳細介紹整個設計與實現(xiàn)過程，并從實驗上模擬驗證了系統(tǒng)對于不同管線（如金屬水管、導線管）探測的可行性。該系統(tǒng)除了對墻壁內(nèi)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(tǒng)設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)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(yè)儀表與自動化裝置，2016（1）：111-114.