唐建東

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

一種照明線路探測(cè)儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

唐建東

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程學(xué)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(chǎng)，計(jì)算了電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小，設(shè)計(jì)了適合檢測(cè)照明電路的電感線圈結(jié)構(gòu)和線圈數(shù).探測(cè)儀應(yīng)用電路包括選頻電路、微弱信號(hào)放大電路、幅度檢測(cè)電路和比較發(fā)聲電路.測(cè)試結(jié)果表明：探測(cè)儀能準(zhǔn)確探測(cè)出墻面內(nèi)的照明線路.

電磁感應(yīng)；照明線路探測(cè)儀；運(yùn)算放大器；選頻網(wǎng)絡(luò)

室內(nèi)照明線路基本采用嵌在建筑墻面內(nèi)的暗線代替明線，電氣工程師在維護(hù)和新安裝線路時(shí)，需要使用照明線路探測(cè)儀來(lái)確定照明線路.這種儀器大多是國(guó)外制造，采用雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行探測(cè)，價(jià)格昂貴，不適合家庭裝修施工[1].本文設(shè)計(jì)一款墻面內(nèi)照明線路探測(cè)儀器，能快速準(zhǔn)確探測(cè)照明線路的具體位置和布線情況，給施工和維護(hù)帶來(lái)方便.

1 照明線路檢測(cè)原理

根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，照明線路通電時(shí)會(huì)在線路周?chē)a(chǎn)生50Hz的交變電磁場(chǎng).通過(guò)檢測(cè)電磁場(chǎng)，就能探測(cè)到線路.本文采用電磁感應(yīng)線圈來(lái)感應(yīng)磁場(chǎng)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定理[2]，有：

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

由公式（1）可知，線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導(dǎo)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(guān)的一個(gè)量，具體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)常量須根據(jù)實(shí)際測(cè)定來(lái)確定；x是感應(yīng)線圈距離導(dǎo)線的水平距離；h是感應(yīng)線圈距離導(dǎo)線的垂直高度.線圈水平位置x=0時(shí)(中心位置)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大[2].

2 照明線路探測(cè)儀結(jié)構(gòu)

照明線路探測(cè)儀組成如圖1所示，由電磁場(chǎng)感應(yīng)傳感器、50Hz選頻電路、微弱信號(hào)放大電路、信號(hào)幅度檢測(cè)電路和蜂鳴器電路組成.電磁場(chǎng)感應(yīng)傳感器把照明線路產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)信號(hào)變?yōu)槲⑷蹼娦盘?hào)，經(jīng)過(guò)50Hz選頻電路通帶濾波后傳輸給微弱信號(hào)放大電路進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)由信號(hào)幅度檢測(cè)電路將交流信號(hào)變?yōu)橛行е惦娖叫盘?hào)，電平信號(hào)通過(guò)比較器控制蜂鳴器電路發(fā)聲來(lái)指示墻面內(nèi)有無(wú)照明線路[3].

照明線路探測(cè)儀外形結(jié)構(gòu)如圖2所示.測(cè)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(cè)時(shí)將探頭放在待測(cè)墻面上移動(dòng)，當(dāng)遇到有通電的照明線路時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲音，后端是裝有電路板的手柄，探測(cè)時(shí)手握著手柄.

圖1 照明探測(cè)儀組成

圖2 照明線路探測(cè)儀外形

3 照明線路探測(cè)儀電路設(shè)計(jì)

3.1 感應(yīng)磁場(chǎng)線圈設(shè)計(jì)

通過(guò)理論分析和多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硅鋼片對(duì)于50Hz交變磁場(chǎng)表現(xiàn)出最高的導(dǎo)磁率.測(cè)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(kāi)放的磁芯，通電線路形成的磁場(chǎng)通過(guò)缺口進(jìn)入磁芯，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).磁環(huán)上感應(yīng)繞組為250圈，電感量約300 mH.結(jié)構(gòu)如圖3所示.

3.2 信號(hào)選頻電路

感應(yīng)磁場(chǎng)線圈得到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是微弱的電信號(hào)，空間干擾磁場(chǎng)也會(huì)在線圈中形成各種頻率的電噪聲，在信號(hào)的前級(jí)必須設(shè)計(jì)一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)電路，分辨出由照明線路產(chǎn)生的磁場(chǎng).在探測(cè)儀中設(shè)計(jì)一個(gè)LC 并聯(lián)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(yīng)磁環(huán)

3.3 信號(hào)放大電路

信號(hào)放大電路如圖4所示，L1、C1和R1構(gòu)成LCR選頻網(wǎng)絡(luò)，中心頻率為50Hz.通過(guò)C2耦合到信號(hào)放大電路.信號(hào)放大電路采用兩級(jí)集成運(yùn)算放大器組成的選頻放大電路.第一級(jí)放大器從運(yùn)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(gòu)成有源低通濾波器，R3調(diào)節(jié)低頻放大倍數(shù).第一級(jí)放大輸出通過(guò)C4耦合到第二級(jí)放大器，第二級(jí)6腳輸入7腳輸出組成方向放大器.R7和C5構(gòu)成選頻反饋回路，R5調(diào)節(jié)信號(hào)輸出幅度[4].通過(guò)兩級(jí)選頻放大后，最后產(chǎn)生幅度為2Vpp的信號(hào)給幅度檢測(cè)電路處理.

3.4 幅度檢測(cè)電路

信號(hào)放大電路輸出的信號(hào)是50Hz的交流電壓信號(hào)，直接進(jìn)行積分濾波處理產(chǎn)生很大的電路惰性，檢測(cè)速度變慢.為了提高速度將交流信號(hào)變?yōu)橛行е颠M(jìn)行處理，在本設(shè)計(jì)中采用美國(guó)AD公司的交直流專(zhuān)用轉(zhuǎn)換芯片AD637來(lái)實(shí)現(xiàn).電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示.

AD637是AD公司RMS-DC產(chǎn)品中精度最高、帶寬最寬的交直流轉(zhuǎn)換電路，對(duì)于1VRMS的信號(hào)，它的3dB帶寬為8MHz，并且可以對(duì)輸入信號(hào)的電平以dB形式指示.

輸入信號(hào)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(diào)零，當(dāng)輸入短路后調(diào)節(jié)R1，使輸出有效值為0V.有效值從第9腳輸出，通過(guò)R4反饋到第6腳調(diào)節(jié)輸出有效值比例系數(shù).使用AD637后，檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓[5].

幅度檢測(cè)電路產(chǎn)生的直流信號(hào)輸出給蜂鳴器電路，當(dāng)檢測(cè)到有信號(hào)時(shí)蜂鳴器發(fā)聲，從而得到照明線路的布線情況.

圖4 信號(hào)放大電路

圖5 交流有效值轉(zhuǎn)換電路

4 電路調(diào)試與測(cè)試結(jié)果

將感應(yīng)探頭放在通有工頻電流的60W白熾燈導(dǎo)線周?chē)?，調(diào)節(jié)圖4中的可調(diào)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(diǎn)亮60W和15W白熾燈，手持測(cè)試儀探頭在墻面上掃描，測(cè)到有通電照明線路時(shí)蜂鳴器發(fā)出長(zhǎng)音，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.

由表1可知，在距離線路中心1cm范圍內(nèi)60W線路成功率為100%，15W線路成功率為95%，因?yàn)?0W線路功率強(qiáng)，準(zhǔn)確性高.當(dāng)偏離中心線大于2cm時(shí)，兩者都會(huì)有差錯(cuò)，主要原因一是探頭靈敏度很高，易受到環(huán)境磁場(chǎng)干擾，二是掃描的速度太快，出現(xiàn)了偶然性的錯(cuò)誤，導(dǎo)致系統(tǒng)串測(cè).

表1 60W和15W白熾燈線路測(cè)試結(jié)果

測(cè)試證明，該探測(cè)裝置方案可行，電路設(shè)計(jì)合理，能夠達(dá)到了測(cè)試要求，有較好的實(shí)用價(jià)值.

[1] 李剛，刑佳，郝麗玲，等.非接觸式高精度AC電流檢測(cè)系統(tǒng)及其實(shí)驗(yàn)和誤差分析[J].電子產(chǎn)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2010（1）：43-46.

[3] 汪嵐.基于STC12C5A602的照明線路探測(cè)儀設(shè)計(jì)[J].延邊大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，40（3）：257-260.

[4] 楊花雨，申俊星.簡(jiǎn)易照明線路故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，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?yàn)閿?shù)字信號(hào)采集與分析、測(cè)控系統(tǒng)集成等.