多功能墙体探测仪的设计方法

第 34卷 第 10期2013年 10月仪 器 仪 表 学 报Chinese Journa1 of Scientifc InstrumentVo1．34 No．10Oet．2013多功能墙体探测仪的设计方法冰徐逢秋，许贤泽，乐 意，李忠兵(武汉大学电子信息学院 武汉 430072)摘 要：针对墙体巾水管、电线、金属物体的探测问题，设计了3种无源传感器，并设计了相关数据处理方法以确定被测物体的巾心位置。~fJI]t PCB覆铜 ，制作了用于探测水管的电容极板以及用丁探测电线的金属天线。建立了水管检测模型，得到输?信号随被测物体位置的变化规律。基丁差分探头模型，提H{了一种利用 PCB线圈作为敏感单元的金属探测方法，通过数值计算，保证了差分线圈的平衡。晟后，针对上述传感单元，设计了被测物体的中心检测算法。测试数据表明，各传感单元均具有较大的探测深度，中心检测误差均存合理范同之内。

关键词 ：墙体探测仪 ；电容极板；金属极板 ；差分探头；中心检测中图分类号：TH761．2 文献标识码：A 国家标准学科分类代码：460．40Design method of multifunctional wal detectorXu Fengqiu，Xu Xianze，Le Yi，Li Zhongbingf Schooi of Electronic h,formation，Wuhan{bliversity Wuhn，j 430072，China)Abstract：Aiming at the issue of detecting the water pipes，electric wires a1)d metalic ol~jeets in wal，this paper de-signs three kinds of passive sensors，and also designs the corresponding data processing method used to detect the(：enter position of the detected objects．With the claded copper of PCB．the capacitance plate for detecting water pipean(】the metallic antenna for detecting electric wire are produced．What’S more，the water pipe detecting model isbuih．and the relationship between the output signal and the position of the detected object is obtained．Based on thediferentia1 probe model，a metalic object detection method using PCB coil as the sensor unit is proposed．The bal—ance 0f the differential cotl is guaranteed with the numerical computation of the receiving coil parameters．The centersearching algorithm of the detected objeet is designed with these kinds of sensor units．The measurement data showthat the designed sensor units have large detecting depth，and the error of center searching is acceptable.

Keywords：wall detector；capacitance plate；metallic plate；differential probe；center detecting1 引 言墙休探测仪作为一种新型的房屋建筑装潢辅助T具，可以探测水管、电线和钢筋，这能有效防止因对墙体结构的不确定，给施 带来不便。

墙体探测仪设计难点在于传感器。目前在T业控制领域，具有专门针对金属、电线等物体的产品，但其强调的性能指标和墙体探测仪是不同的。例如，在_T业控制中，为了检测金属部件的缺陷，常常采用涡流传感器，这种涡流传感器具有很好的分辨率和线性度?。但是，墙体探测仪的设计 ，注重的却是金属探测的探测范围和中心定位精度。因此，需要设计不同种类的传感器应用于该类仪器中。

收稿日期：2013-05 Received Date：2013-05基金项目：国家 973计~(201 1CB707904)、武汉市科技局应用基础研究计划(2Ol3O1O5叭01叭21)资助项目2192 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷本文采用导电极板完成水管和电线探测，差分线圈完成金属探测，分析各传感 元的没计原理，利用印刷电路板制作传感 元。采用印刷电路板的没计方法会使仪器具备设计成本低 、牛产过程简单且复现性高的特点。

本文论述的 ·个侧罩点在于如何通过计算，优化传感器的没itJ 寸。

电容极板可以实现水管和电线的探测。相比于墙休的介电常数，水的介电常数很大，利用一对开式电容极板，测量墙休介电常数变化。通过大面积覆铜，可实现电容极板的没计。极板的尺寸和排列方式需进行沦证。很多电线检测方法采用接收线 圈探测电线产牛交变磁场 J。然而本没 ‘为 厂简化没计步骤，采用一组覆铜板作为金属天线。交变的磁场产生涡流，此时导体不再是一 个等势休，通过测量导体上某点电势可以确定其附近是否存在电线。

金属检测方法主要是通过电磁传感器实现 。金属置于变化磁场l11时，将产牛附加磁场抵抗原始磁场的变化，这利，变化iJ‘以通过感应线圈获取 。差分感应线圈抵消 厂接收线圈t 勺静态分量，对环境的变化十分敏感。

差分线罔的拓扑结构比较成熟，一般采用一对大小相同、绕向相反的线圈串联 而成，两线圈对称的分布在激励线圈两侧 ，然而，接收线圈不在同一平面不利于印刷电路板的实现。 ·些没计IIl也将 2个面积相等的半网形或者网形线圈置于同一平面制作差分线圈 ，然而这种设汁方法对没汁而积有较大的浪费。本文提?的拓扑结构将 ·组同心网环串联 成，能够有效地节省线圈没计面积，并提高探测范同。另外，通过输?信号的相位差值，可以判断被测物体是否属于铁质金属 。

r}1心检测也是木设计rI1的一个重要功能。通过对各类传感器输?信号的分析亓丁矢lJ，传感单元越接近被测物体iIi心，传感器输?信号会?现峰值。因此，可以通过这一 特性进行被测物体的I11心检测。

2 墙体探测仪传感器设计方法2．1 电容极板设计1)水管探测本文电容极板探测示意图如图 l所示，图中给 了极板长、宽尺寸代号。3块电容极板分布于 yZ平面，巾问的极板 1为电容器的一极，极板 2和极板 3连在一起，构成电容器的另外一极。采用此传感器探测前方的圆柱形水管 ，水管半径为r。分析电容极板电容值的计算方法，以及水管处于不同位置下电容值的变化情况。

极板2 极板If ．_ ●‘—一 _●—≥ |l wo
I D ／一
— s 卜 ／图 1 电容极板探测示意图Fig．1 The schematic diagram of capacitanceplate detection根据电容值的计算公式：C =Q／U (1)现假设电容极板的电势差为 ，极板 2和极板 3接地。此时极板会带上确定的电荷，并产生电场。为计算电容极板上所带电荷量，需解算空间电场模型。空问电场和电势在真空中满足下列方稗：O2V
+ + ：0 (2)aly a： + i+ (3)y z(E 一E )× =q I／s (4)式(2)『f1的区域不包括电容极板，式(4)南高斯公式推导而来?q ．为电容极板上的电荷总量。探测模型具有的边界条件见式(5)。其中，regionl代表极板 1，region2代表极板 2和 3。

V 『l1= ，V lI1『l2：0 (5)利用松弛迭代解算模型。表 1给m了松弛迭代的相关计算参数，包括电容极板尺寸、水管尺寸以及格点大小和迭代次数。在网柱表面，法向电场强度满足：E s ：E (6)以图1所示水管上 点为例，设网柱半径AO 与 方向的夹角为 ，该点与电势计算公式为：V( ，Y)= [ V。+ + + ] (7)式中： 。=√(cos 0· '△l ) +(sin ·I，t ) ，= = = (COS · +△． ) +(sin 0· △) ，(sin 。 _△_y) +(COS 0‘ ”△) ，(sin 0· ) +(cos 0· A) 。

2l94 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷罔 5 用于分析单匝激励线圈对单匝接收线圈影响的坐标系Fig．5 The coordinate system used to analyze the inducedsignal in single—turn receiving coil generatedfrom one single—turn emitting coil假设某一接收线圈半径为 r，则磁场在该线圈上产生的感应电动势可以用式(9)表示。 为通过接收线圈所围成面积的磁通。

．
= 一 = 一 曰嘲 s (9)接下来分析发射线圈在 —Y平面上产生的磁通密度。

南于激励线圈关于z轴中心对称，因此，在 —Y平面上任意一 个以原点为网心的网上，磁通密度的大小是相等的。以接收线圈上一点 D(r，0，0)为例，根据比尔萨法尔定理，磁密的表达式可以写成如下形式，为了简化分析，此处采用柱坐标的表示方法。

曰 = d (10)式中：，为激励线圈上的电流幅值，u 是真空磁导率，两个数值为常量。d是电流源 A到 D点的向量， 是柱坐标巾极角的单位向量。为了进行又乘运算，将这两个向量转化至平面直角坐标系中。向量d和向量 可以表示为如下形式 ：d=(r—Rcos 0)；一Rsin 0j一 (1 1)=一sin +cOS 0j f 12)南于接收线圈平面方向为Z轴方向，现仅考虑 — 平面上磁通密度在 z轴方向上的分量。该分量表达式为式(13)。由此可以给 磁通的表达式，磁通 的大小 由式(14)给m，其符号和接收线圈的绕向有关。将其代入式(9)，可以获得在 —Y平面上，半径为r的接收线圈感应电动势为式(15)。感应电动势的表达式中，只有电流和时间是相关的，另外磁导率是常量，因此，把和线圈设计参数有关的量构造一个新的函数 P。( )，该函数表达式为式(16)，其反映了感应电压和激励电流的关系。

搿 d(13)J0 I l[1T(r+dr) 一订r ]=2丌J0 l曰 dr(14)J=2dOdr (15)尸。(r )=J_： — = ；i； d dr(16)通过积分计算 P。( )是很困难的，实际应用叶I，可以通过离散求和的方法得到积分结果。将 d 和dr分别替换成 △ 和 △r。计算时，△ 和 △r应该足够小以保证计算的精度。这里，取 AO=~r／500，ar=0．O1 mI1。南于P。(r )表示单一激励线圈的感应电压，冈此，将所有激励线圈对单匝接 收线 圈的效果 之和表示成 P(r，)，表达式 见式(17)。感应电压为式(18)，其巾的 和 Uo足常数项
，dt Z因此，输 信号正比于 P(r)。图6指m了P(r)／10 在不同半径 r 下的取值。本激励绕组结构见图6插图，冈巾的计算公式可以计算每一个激励线圈的半径R 和高度h 。

图中曲线还标 了某些半径值下，计算得到的P(r)。

P(r ) ∑P。(r )=m
兰
= I辜[荤 △ 1△r一 尸(r ) dl Uo30一 05一 (17)(18)10 I 2U 25 3【} 35 4 45 5(J 55半径， mm图 6 系数P(r)／10 与半径的关系曲线，内置插图为激励线圈的几何尺寸和各圈高度和半径计算公式Fig．6 Relationship curve of the coefficient P(r)／lO versusthe radius in —Y plane，the inset diagram shows the geometry ofthe enfiting coil and the calculation formulas for radius and height组成差分接收线圈的 3部分在图4(a)中已有表示。

其圈数分别对应 Ⅳ。、，v2和 。令各部分线圈半径成等差数列。等差数列的公差为 3部分的间隙。各个部分的圈数、起始半径及公差如表 2所示。代入数值计算得感应电压为式(19)。将输m电压的计算结果和南一个半径为35．5 mm的接收线圈上的感应电压进行对比。本差分第 l0期 徐逢秋 等：多功能墙体探测仪的设计方法 2195线圈的输ffI电压相比于单一线圈小 4个数量级，有理由认为没计达到 r平衡状态。

表2 接收线圈各部分尺寸参数Table 2 The dimension parameters of diferentparts of the receiving coil注：各圈半径的计算方法： =r0+(／l一1)a 。

= u0
· [粪P(r )+ ．P(r )一 ，P(r )]=一
5． uo dl<< =9 86．3等 (19)3 探测仪硬件与软件设计方法3．1 硬件电路设计方法信号处理框图如图7所示。将电容极板接入单稳态触发电路巾，产牛一路 占空比随电容大小变化的脉冲信号，其均值与直流参考电平作差分放大，输『叶{电压结果可以反映电容变化的大小。极板电容值变化越大，输 信号的变化越大。输fII信号为直流电平，通过 A／D采样获得数据。金属天线接人一个高阻抗放大电路，通过 A／D采样获得信号峰值 差分线圈获得的信号经过放大和滤波电路进行处理 ，通过偏置电路后，采用 A／D转换获得电压信号进行分析。相关文献表明，相位测量比幅度测量具有更大的探测范围。

星 ， 1
， ▲ 辍 1一 控 _传感硬件电路 I? ”I 圈 单元差分线阈1- l放笑‰H滤蓑‰I I相位测量 善 输出信 I
图7 传感单元硬件处理电路Fig．7 Hardware processing circuit of the sensor unit3．2 测量软件设计方法对探测原理分析可知，被测物体距离仪器探头越近，传感单元输}l信号变化越大。为了进行被测物体中心指示，需判断仪器运动过程中输m的信号峰值。通过对信号分析获得的输出数据，包括相位差和幅度，均为对仪器位置 的连续可导函数，可用函数．厂( )表示，峰值判断方法为：)
、
三，0
、 (20) (+ )l厂( 一)<0因此，对于获得的采样数据 s(n)，可通过下列方法进行峰值判断：一 ( )一 (n一1)< f21、[S(n+1)一S(n)]·[S(n一1)一s(n一2)]<0用于比较的采样数据s(n)有下列信号处理通路获得。

南于传感器输 {¨信号的非线性和滞后性，设计控制程序时，需引入相应的自适应环节和微分环节 。 。另外，考虑到仪器贴近被测物体移动过程巾，路径的不规则与不确定导致输j1I信号具有不确定的变化规律，冈此在信号通路巾引入积分环节消除不确定扰动的影响。针对探测器不同的运动速度，为了保证较好的测量效果，必须采用合适的积分和微分参数。当探测器移动速度较快，必须抑制微分环节的作用以保证响应的高频特性。当探测器移动速度缓慢，为了减小测量噪声对被测物体进行中心判断的影响，应当增加积分环节对系统引入的惯性作用。调节参数利用测量数据变化率的导数，并通过相关自适应调节算法获取?】。

图8 数据处理原理框图Fig．8 Data processing principle diagram输入信号 a(n)为系统通过 A／D采样获得的输j{l，可以是金属探测中的相位差信息 P(n)或者是水管探测的幅度信息 A(n)。d为参考量，与输入信号 a(n)的二次导数比较获得误差信号输人 白适应调节器，获得 自适应调节参数 k． (n)和k．(n)。积分环节和微分环节获得的输叠加后获得最终的测量数据 s(n)。

针对电线的中心检测，输人数据采用的是中间电容极板 P2输 信号幅度。P1和 P3的输f1I可以增加另外一 个辅助条件：左右两侧的电容极板输m信号要十分接近。如式(22)所示，s ，是一个设定的极小门限。该设计使电线的定位效果有极大的改善。

l s (n)一s l(／7,)l<8 (22)4 墙体探测仪的测试依照本文的设计方法，江苏某电子公司设计了一批原理样机。样机的功能主要是完成水管、电线和金属物2l96 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷体的探测和定位。测试墙体为普通砖墙 ，各层墙体厚度为10 mil，测量时通过堆叠的方式模拟不同厚度的墙体。

测试示意图如图9所示。水管采用直径为32 ram的PVC管，里面填充满水；电线通入 220 V交流电并带 30 w 负载；金属探测采用直径为 60 Illm，厚度为 2 mm的铝板。

仪器上的通孔用来标记中心位置，测试时需手持仪器在墙面上反复来回移动，探测到被测物体，以及寻找到中心位置时，仪器会进行不同的提示。当中心位置被检测到时，需停止移动仪器并标记出中心位置。进行水管和电线测量时，仪器有2个运动方向，如图 9所示 ，方向1和方向2夹角为3O。。最后的测量结果为标记点距离被测物轴线在墙面上投影的垂直距离。进行金属探测时，仪器移动方向是任意的，最后的测量结果为标记点距离金属板中心点在墙面上投影的距离。测量结果如表3所示。

表3 实验测试结果Table 3 The experiment test result图9 测试原理图Fig．9 Test schematic diagram金属板中心投影由表3中测量效果可知，仪器对水管探测功能探测范围可以达到 120 mm，在 50 mm的探测范围内，定位精度优于 10 mm，超过50 mm，定位误差超过 10 mm，但是仍然可以指示出水管 的存在。电线探测范围可以超过120 mm且定位精度优于 1 mm。中心定位精度主要与被测物体的尺寸有关，由于电线直径远小于水管，因此具有较好的探测效果。金属探测效果较为理想。探测极限为120 mm，中心定位误差在 1 mm左右。不同的探测器效果具有一定差异，主要由PCB电容极板和探测线圈的设计误差造成。进行水管探测时，随着仪器距离被测水管越远，仪器移动过程中，极板电容变化变得十分微弱。探测仪虽然不能较好地反映被测水管的中心位置，但是可以探测出墙壁内部存在被测水管并进行报警。

5 结 论本文介绍了3种传感器的设计方法和中心定位算法设计。实验结果证明，对 3种被测物体的探测深度，均大于 120 mm。电线和金属探测的中心定位精度良好。水管探测中，当被测水管大于 50 mm，由于电容变化情况不是十分明显，中心定位精度受到了较大影响，将超过10 mm，但是仍然可以检测出水管的存在。用户对于墙体探测仪的要求主要在于仪器能否探测出被测物体的存在，因此 ，本仪器的设计效果，能够满足用户的需求。

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作者简介University of Technology in 2002．He is a professor and Ph．D．SU—pervisor in Wuhan University．His research direction is precisioninstrument and machinery，and precision measurement and con-tro1.

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