一種照明線路探測儀的設計和實現

唐建東

（深圳職業(yè)技術學院 電子與通信工程學院，廣東 深圳 518055）

一種照明線路探測儀的設計和實現

唐建東

（深圳職業(yè)技術學院 電子與通信工程學院，廣東 深圳 518055）

分析了照明線路通電后形成的空間交變電磁場，計算了電磁感應線圈產生的感應電動勢大小，設計了適合檢測照明電路的電感線圈結構和線圈數.探測儀應用電路包括選頻電路、微弱信號放大電路、幅度檢測電路和比較發(fā)聲電路.測試結果表明：探測儀能準確探測出墻面內的照明線路.

電磁感應；照明線路探測儀；運算放大器；選頻網絡

室內照明線路基本采用嵌在建筑墻面內的暗線代替明線，電氣工程師在維護和新安裝線路時，需要使用照明線路探測儀來確定照明線路.這種儀器大多是國外制造，采用雷達技術進行探測，價格昂貴，不適合家庭裝修施工[1].本文設計一款墻面內照明線路探測儀器，能快速準確探測照明線路的具體位置和布線情況，給施工和維護帶來方便.

1 照明線路檢測原理

根據麥克斯韋電磁場理論，照明線路通電時會在線路周圍產生50Hz的交變電磁場.通過檢測電磁場，就能探測到線路.本文采用電磁感應線圈來感應磁場，根據法拉第電磁感應定理[2]，有：

式中，E為感應電壓；f（t）為感應線圈磁通量；I(t)為照明線中的電流；r為感應線圈到導線的距離.

由公式（1）可知，線圈中感應電動勢的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導線的距離.其中常量k0為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關的一個量，具體的感應電動勢常量須根據實際測定來確定；x是感應線圈距離導線的水平距離；h是感應線圈距離導線的垂直高度.線圈水平位置x=0時(中心位置)感應電動勢最大[2].

2 照明線路探測儀結構

照明線路探測儀組成如圖1所示，由電磁場感應傳感器、50Hz選頻電路、微弱信號放大電路、信號幅度檢測電路和蜂鳴器電路組成.電磁場感應傳感器把照明線路產生的交變電磁場信號變?yōu)槲⑷蹼娦盘枺涍^50Hz選頻電路通帶濾波后傳輸給微弱信號放大電路進行放大，放大后的信號由信號幅度檢測電路將交流信號變?yōu)橛行е惦娖叫盘?，電平信號通過比較器控制蜂鳴器電路發(fā)聲來指示墻面內有無照明線路[3].

照明線路探測儀外形結構如圖2所示.測試儀由工程塑料制成，前端安裝電磁線圈制成的傳感探頭，探測時將探頭放在待測墻面上移動，當遇到有通電的照明線路時，蜂鳴器發(fā)出聲音，后端是裝有電路板的手柄，探測時手握著手柄.

圖1 照明探測儀組成

圖2 照明線路探測儀外形

3 照明線路探測儀電路設計

3.1 感應磁場線圈設計

通過理論分析和多次實驗發(fā)現，硅鋼片對于50Hz交變磁場表現出最高的導磁率.測試儀探討采用環(huán)狀硅鋼片磁環(huán)，在下方留出5 mm的缺口，形成開放的磁芯，通電線路形成的磁場通過缺口進入磁芯，產生感應電動勢.磁環(huán)上感應繞組為250圈，電感量約300 mH.結構如圖3所示.

3.2 信號選頻電路

感應磁場線圈得到的感應電動勢是微弱的電信號，空間干擾磁場也會在線圈中形成各種頻率的電噪聲，在信號的前級必須設計一個選頻網絡電路，分辨出由照明線路產生的磁場.在探測儀中設計一個LC 并聯電路組成的選頻電路，選頻電路的中心頻率為50Hz，諧振電容的容量為：33.7×10-6F.

圖3 照明線路感應磁環(huán)

3.3 信號放大電路

信號放大電路如圖4所示，L1、C1和R1構成LCR選頻網絡，中心頻率為50Hz.通過C2耦合到信號放大電路.信號放大電路采用兩級集成運算放大器組成的選頻放大電路.第一級放大器從運算放大器的2腳輸入1腳輸出，組成反方向放大，R4和C3是選頻反饋回路，最終放大器構成有源低通濾波器，R3調節(jié)低頻放大倍數.第一級放大輸出通過C4耦合到第二級放大器，第二級6腳輸入7腳輸出組成方向放大器.R7和C5構成選頻反饋回路，R5調節(jié)信號輸出幅度[4].通過兩級選頻放大后，最后產生幅度為2Vpp的信號給幅度檢測電路處理.

3.4 幅度檢測電路

信號放大電路輸出的信號是50Hz的交流電壓信號，直接進行積分濾波處理產生很大的電路惰性，檢測速度變慢.為了提高速度將交流信號變?yōu)橛行е颠M行處理，在本設計中采用美國AD公司的交直流專用轉換芯片AD637來實現.電路結構圖如圖5所示.

AD637是AD公司RMS-DC產品中精度最高、帶寬最寬的交直流轉換電路，對于1VRMS的信號，它的3dB帶寬為8MHz，并且可以對輸入信號的電平以dB形式指示.

輸入信號從13腳輸入，R3為100K提高的輸入阻抗.第4腳的電位器用于電路調零，當輸入短路后調節(jié)R1，使輸出有效值為0V.有效值從第9腳輸出，通過R4反饋到第6腳調節(jié)輸出有效值比例系數.使用AD637后，檢測信號轉換為直流電壓[5].

幅度檢測電路產生的直流信號輸出給蜂鳴器電路，當檢測到有信號時蜂鳴器發(fā)聲，從而得到照明線路的布線情況.

圖4 信號放大電路

圖5 交流有效值轉換電路

4 電路調試與測試結果

將感應探頭放在通有工頻電流的60W白熾燈導線周圍，調節(jié)圖4中的可調電阻R1和R4，用示波器觀察電容C6的輸出V1，得到其輸出最大輸出幅度.

在已知布線分布的墻壁上，分別點亮60W和15W白熾燈，手持測試儀探頭在墻面上掃描，測到有通電照明線路時蜂鳴器發(fā)出長音，試驗測試結果見表1.

由表1可知，在距離線路中心1cm范圍內60W線路成功率為100%，15W線路成功率為95%，因為60W線路功率強，準確性高.當偏離中心線大于2cm時，兩者都會有差錯，主要原因一是探頭靈敏度很高，易受到環(huán)境磁場干擾，二是掃描的速度太快，出現了偶然性的錯誤，導致系統(tǒng)串測.

表1 60W和15W白熾燈線路測試結果

測試證明，該探測裝置方案可行，電路設計合理，能夠達到了測試要求，有較好的實用價值.

[1] 李剛，刑佳，郝麗玲，等.非接觸式高精度AC電流檢測系統(tǒng)及其實驗和誤差分析[J].電子產品世界，2012（1）：43-46.

[2] 李剛，刑佳.一種非接觸式高精度AC電流檢測系統(tǒng)的設計[J].現代科學儀器，2010（1）：43-46.

[3] 汪嵐.基于STC12C5A602的照明線路探測儀設計[J].延邊大學學報（自然科學版），2014，40（3）：257-260.

[4] 楊花雨，申俊星.簡易照明線路故障檢測系統(tǒng)設計[J].商丘職業(yè)技術學院學報，2014，13（5）：54-58.

[5] High Precision, Wide-Band RMS-to-DC Converter User’smanual[R].REV.E. Analog Devices: 2003.

Design and Implementation of A Lighting Circuit Detector

TANG Jiandong

（School of Electronic and Communication Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

The paper analyzes the space alternating electromagnetic field form by the power of the lighting circuit. The induced electromotive force generated by the electromagnetic induction coil is calculated. The structure and the number of coils are designed to measure the inductance of the circuit. Application of detector circuit includes frequency selective circuit, signal amplification circuit, amplitude detection circuit and a sound circuit comparison. Test results show that the detector can accurately detect the inner wall lighting circuit.

electromagnetic induction; lighting circuit detector; operational amplifier; frequency selective circuit

TP216

A

1672-0318（2016）01-0024-03

10.13899/j.cnki.szptxb.2016.01.005

2015-09-11

唐建東（1970-），男，四川遂寧人，副教授，主要研究方向為數字信號采集與分析、測控系統(tǒng)集成等.