非侵入式墙埋电线检测仪设计

冯涛

国网杭州供电公司 浙江省杭州市 310009

摘 要：电线作为电力输送的重要工具，针对在装修过程中能准确获取墙内电线走向，以防止外力破坏导致意外事故的发生，本文设计了一种非侵入式的墙埋电线检测仪。仪器采用非侵入式检测技术，利用HMC1022磁阻传感器实现对墙体内通电导线的检测，无需伤害墙面，也无需与电线安装在一起。该检测仪器整体结构小巧简单，灵敏度高，误差范围小，能够实现精准定位。通过实验结果该仪器能够准确获取电线的位置、走向、以及深度，是一种实用的非侵入式墙埋电线检测仪。

关键词：墙埋电线检测；非侵入式；HMC1022磁阻传感器；

Design of a non-intrusive wall buried

wire detector

FENG Tao

State Grid Hangzhou Power Supply Company, Hangzhou 310009,Zhejiang, China

Abstract: Wire is an important tool of power transmission,in order to help people in the refurbishment of the wall to get the direction of the wire to prevent accidents, a non-intrusive wall buried wire detector is designed. Using the non-invasive detection technology, the detection of the electrical conductors in the wall is realized by using the HMC1022 magnetoresistance sensor, without damage to the wall, nor with the wire installation together.The overall structure of the instrument is small and simple,also,the instrument has high sensitivity, small error range, and can achieve accurate positioning. Experiments show that the instrument can exactly obtain the position, direction and depth of the wire, which is a practical non-invasive wall-embedded wire tester.

Key words: detection of wall buried wire; non-intrusive; HMC1022 magnetoresistance sensor

引 言

墙埋电线是目前装修中主要的施工措施，但使用墙埋电线后若房屋需要安装家电设备或进行维护及重新装饰，部分安装工作施工人员会对墙上进行钻孔，届时就需要了解墙体内电线的走向。但往往施工人员面临着一个实际困难——在没有墙内布线图纸的情况下，盲目钻孔很容易损坏墙内电线，造成电线损坏，甚至会发生人员触电，造成安全事故。为了解决这一难题，需要借助墙埋电线检测仪来确定墙内电线的准确位置及走向。

目前墙埋电线检测的仪器有通过霍尔电流传感器检测通电导线周围产生的磁场，再实现电线定位^[1-2]，如美国磁通的MAGNAFLUX手持式数字式霍尔效应磁强计。也有利用金属探测仪检测电缆线^[3]，如福州的ST250探测仪。也有信号型电缆检测仪，利用外加信号再用接收机接收信号^[4]，如深圳的MS6818电缆探测仪。

以上几种检测仪器存在的缺点是成本昂贵、体积较大、对于家庭普通用户来说操作困难，本文设计了一种基于HMC1022磁阻芯片的非侵入式墙埋电线检测仪，成本低廉、操作简单、轻便实用，并通过实验验证了该仪器能够精准定位墙内通电导线的位置及走向。

1.设备方案设计

1.1 系统概述

本系统以HMC1022磁阻传感器为核心，包含偏置电流电路、复位置位偏置电流带电路、信号放大电路、检波电路、单片机电路。系统将传感器采集到的微弱的电信号经过放大处理，再将X轴与Y轴叠加，再经AD转换传入单片机，通过分析处理可获得墙内电线位置及走向。具体硬件框图如图1所示。

图 1 系统框图

1.2 核心部件—传感器电路设计

由毕奥萨伐尔定律

^[5]可知，一根无限长直导线在空间某一点处产生的磁感应强度为：

(1)

B：磁感应强度； ：真空磁导率；I：导线电流；r：导线到传感器的距离。

因此可以通过检测电线产生的磁场来寻找通电电线^[6]。HMC1022传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的。材料的电阻率与电流流向和磁化矢量 之间的夹角 具体关系为^[7-11]：

(2)

如图2所示，该传感器由四个薄膜磁电阻组成惠斯通电桥。在其线性范围内，电桥的输出电压与被测磁场强度成正比。

图 2 惠斯通电桥结构

设磁场 与 夹角为 ,则 与 夹角为^[9]，并在电桥上下施加一个电压 ，则输出电压为

(3)

传感器在制作过程中可能会产生电桥偏移，并且在测量时会受到周围存在其它磁场尤其是地磁场的干扰^[10]。如图3所示，利用偏置电流带产生一个偏置磁场来抵消环境磁场。当传感器处于强磁环境中，传感器内部的磁畴会呈杂乱无序状态，这将使得传感器的测量灵敏度降低、可重复性变差。如图3所示，利用置位复位另一电流带，利用脉冲电流的磁场对传感器的磁区域重新对准。^[10]

图 3 HMC1022偏置电流与置位复位电路

如图4所示，传感器输出X轴Y轴两路信号，但是信号幅值较低，先用仪用放大器分别对两路信号进行放大^[12]，同时利用一阶无源RC滤波器滤除信号中的高频干扰信号，输出端加入电容来隔绝由于地磁场产生的直流信号。最后如图5所示，用加法器将两轴信号叠加，再使用二极管进行倍压检波，并接入单片机，得到输出信号。

图 4 X轴Y轴信号放大与滤波

图 5 加法电路与检波电路

1.3 软件设计

1.3.1程序流程

主程序采用C语言编程，在完成系统初始化后，单片机就会每50ms发出一个宽度为2µs的脉冲，并开始读取AD值，经过滤波处理后将电压显示在液晶屏幕上。当电压值达到最大时，发出声光报警，并将电压最大值转化为对应的深度显示出来。具体流程如图6所示。

图 6程序流程图

1.3.2递推平均算法

为了减小外部噪声对AD采样带来的影响，使读到的电压值更加精确，并考虑到滤波算法的运行效率，本系统采用递推平均算法对采集到的AD值进行滤波。

连续取 个采样值取平均得到的值作为长度为 的队列里的一个数据，根据先进先出原则，将每次采样得到的平均值放入队尾，并剔除队首的数据，滤波器每次输出的数据总是队列里 个数据的算术平均值，这样就起到了抑制周期性干扰的作用，提高了数据的平滑度。

假设在 个周期中，每个周期采 个样点的值分别为

, ,

, ,

, (4)

则长度为 的队列 中的元素为每个周期n个样点的平均值，即

， (5)

设第 个周期中n个样点的平均值为 ，队列Y中的元素经递推变为 ， 队列Y的算术平均值为

(6)

则滤波器输出值即为 ，由于某一时刻之前的数据也在输出中占有一定权重，所以可以抑制周期性干扰的影响，提高数据的平滑度。

图7是在功率为650W、距离导线2mm所测得的数据，横坐标为时间，纵坐标为传感器将磁场强度转换为电信号输出后，再经信号处理电路处理后测得的电压值，经过递推平均处理之后得到的图形如图8所示，可以看出处理后的数据有效地抑制了周期性的干扰并提高了平滑度。

图 7 滤波前的电压波形

图 8 滤波后的电压波形

2.实验结果及分析

实验测量仪器实物图如图9所示，实验时，以滑动变阻器作为负载接入电源，并在交流电线处接入功率计,通过调节电源的输出功率，来调节交流电线上的电流，模拟不同功率的用电器。

图 9 测量设备实物图

表 1 设备使用说明

经对实验所测得数据进行处理之后如图10所示，在市电电压基本恒定的情况下,横坐标为电线输出功率，纵坐标为传感器将磁场强度转换为电信号后经过处理测得的输出信号，可以看出在距离相同的情况下，功率越大即电线电流越大，输出信号越大；在功率相同的情况下即电线电流恒定的情况下，距离越远，输出信号越小。

图 10 不同距离下的输出信号与功率的关系

通过把电线放在不同厚度的装修所用的石膏板下面，模拟检测墙内的电线，测得不同功率下输出信号与挡板厚度之间的关系如图11所示，通过对比可以看出在有挡板的情况下，信号会有一定幅度的衰减，通过不同的电压值，即可知道导线对应的深度。

图 11 不同功率下输出信号与挡板厚度的关系Fig.11 Relationship between output signal and baffle thickness under different power

3.结束语

本系统提出的非侵入式墙埋电线检测仪可以有效地检测到墙体内的电线位置及走向，利用HMC1022磁阻传感器的复位置位电路以及偏置电流带，有效地降低了温度零漂效应和外界强磁场的干扰，并通过递推平均滤波算法使得读取到的电压值更加精确，减小了外部噪声的影响。本系统测量精度高、成本低、操作简便，未来将进一步提高抗干扰能力以及信号放大倍数，从而提高检测仪的有效测量深度。

参考文献

[1] 陈庆. 基于霍尔效应和空芯线圈的电流检测新技术[D]. 华中科技大学, 2008.

[2] S. Entler, I. Duran, P. Sladek, et al. Signal conditioning and processing for metallic Hall sensors, 2017.

[3] 吴先球. 基于闭合式圆形线圈系统金属探测仪传感器的研究[D]. 安徽大学, 2016.

[4] 葛轶洲, 张小蓟, 王大龙, 等. 基于DFT算法的地埋金属管线探测仪研究[J]. 电子测量与仪器学报, 2013, 27(10): 986-991.

[5] 马海武, 王丽黎, 赵仙红. 电磁场理论[M]. 北京: 清华大学出版社, 2016.

[6] Slawomir, Tumansk. Handbook of Magnetic Measurements [M]. Taylor & Francis Inc, 2011.

[7] 陈雁. 各向异性磁电阻传感器的研究[D]. 中国科学院电子学研究所, 2006.

[8] 林继鹏, 王君, 凌振宝, 等. HMC1001型磁阻式传感器及应用[J]. 传感器技术, 2002, 21(3): 51-52.

[9] 彭英. HMC1022磁阻传感器在磁记忆检测中的应用[J]. 石油仪器, 2008, 22(1): 49-51.

[10] 董雨. 基于HMC1022的双轴磁阻传感器的研究和应用[D], 吉林大学, 2009.

[11] 王丽颖, 支炜, 孙红霞, 等. 基于HMC1022磁阻传感器的数字电子罗盘的设计与实现[J]. 电子测量技术, 2009, 31(01):108-111.

[12] 杨启尧, 程森, 徐柳娟, 等. 简易照明线路探测仪的设计与实现[J]. 工业控制计算机, 2014, 27(11): 148-149+151.

[13] 张政霖, 袁明新, 凌和强, 等. 磁导航中的磁检测传感器设计及实现[J]. 仪表技术与传感器, 2017(11): 6-9+59.

[14] 宋兴军. 磁阻传感器在电力电子技术中的应用[J]. 科技创新导报, 2019, 16(01): 72+74.

[15] 胡必尧, 邓甲昊, 侯卓, 等. 基于隧道磁电阻传感器的磁探测技术[J]. 探测与控制学报, 2018, 40(4): 16-22.

[16] 刘晓娜, 马铁华, 范锦彪. 基于磁阻传感器的微型姿态测试电路[J]. 微计算机信息, 2008(22): 169-170.

[17] 张文娟, 张飞鸽. 基于霍尔传感器的电流检测系统设计[J]. 内江科技, 2019, 40(3): 56-57.

[18] 刘经伟. 民用建筑配电线路的安全设计[J]. 中国新技术新产品, 2019(01): 147-148.

[19] 刘军. 漏电保护专用集成电路测试系统的设计与实现[D]. 四川: 电子科技大学, 2013.

[20] 王华豫, 郭新伦. 基于HMC1022的电子罗盘设计[J]. 中国新通信, 2019, 21(12): 52.

[21] 裴绍福. 电缆故障探测技术研究[J]. 电气技术与经济, 2019(4): 27-30.

[22] 宋杰.单片机在电子技术中的应用研究[J]. 山东工业技术, 2018(22): 230.

[23] 刘华兴. 基于霍尔效应的电磁流量传感器设计[D]. 黑龙江: 黑龙江大学, 2014.

[24] 尤向阳, 葛笑寒, 吴萍. 基于零序电流波形相似度的接地故障定位方法[J]. 电力系统保护与控制, 2019, 47(14): 125-130.

[25] 肖江, Fran?ois AUGER, 荆朝霞, 等. 基于贝叶斯信息准则的非侵入式负荷事件检测算法[J]. 电力系统保护与控制, 2018,46(22): 8-14.

[26] 刘恒勇, 史帅彬, 徐旭辉, 等. 一种关联RNN模型的非侵入式负荷辨识方法[J]. 电力系统保护与控制, 2019, 47(13): 162-170.