一种照明线路探测仪的设计和实现

唐建东

（深圳职业技术学院 电子与通信工程学院，广东 深圳 518055）

一种照明线路探测仪的设计和实现

唐建东

（深圳职业技术学院 电子与通信工程学院，广东 深圳 518055）

分析了照明线路通电后形成的空间交变电磁场，计算了电磁感应线圈产生的感应电动势大小，设计了适合检测照明电路的电感线圈结构和线圈数.探测仪应用电路包括选频电路、微弱信号放大电路、幅度检测电路和比较发声电路.测试结果表明：探测仪能准确探测出墙面内的照明线路.

电磁感应；照明线路探测仪；运算放大器；选频网络

室内照明线路基本采用嵌在建筑墙面内的暗线代替明线，电气工程师在维护和新安装线路时，需要使用照明线路探测仪来确定照明线路.这种仪器大多是国外制造，采用雷达技术进行探测，价格昂贵，不适合家庭装修施工[1].本文设计一款墙面内照明线路探测仪器，能快速准确探测照明线路的具体位置和布线情况，给施工和维护带来方便.

1 照明线路检测原理

根据麦克斯韦电磁场理论，照明线路通电时会在线路周围产生50Hz的交变电磁场.通过检测电磁场，就能探测到线路.本文采用电磁感应线圈来感应磁场，根据法拉第电磁感应定理[2]，有：

式中，E为感应电压；f（t）为感应线圈磁通量；I(t)为照明线中的电流；r为感应线圈到导线的距离.

由公式（1）可知，线圈中感应电动势的大小正比于电流的变化率，反比于线圈中心到导线的距离.其中常量k0为与线圈摆放方法、线圈面积和一些物理常量有关的一个量，具体的感应电动势常量须根据实际测定来确定；x是感应线圈距离导线的水平距离；h是感应线圈距离导线的垂直高度.线圈水平位置x=0时(中心位置)感应电动势最大[2].

2 照明线路探测仪结构

照明线路探测仪组成如图1所示，由电磁场感应传感器、50Hz选频电路、微弱信号放大电路、信号幅度检测电路和蜂鸣器电路组成.电磁场感应传感器把照明线路产生的交变电磁场信号变为微弱电信号，经过50Hz选频电路通带滤波后传输给微弱信号放大电路进行放大，放大后的信号由信号幅度检测电路将交流信号变为有效值电平信号，电平信号通过比较器控制蜂鸣器电路发声来指示墙面内有无照明线路[3].

照明线路探测仪外形结构如图2所示.测试仪由工程塑料制成，前端安装电磁线圈制成的传感探头，探测时将探头放在待测墙面上移动，当遇到有通电的照明线路时，蜂鸣器发出声音，后端是装有电路板的手柄，探测时手握着手柄.

图1 照明探测仪组成

图2 照明线路探测仪外形

3 照明线路探测仪电路设计

3.1 感应磁场线圈设计

通过理论分析和多次实验发现，硅钢片对于50Hz交变磁场表现出最高的导磁率.测试仪探讨采用环状硅钢片磁环，在下方留出5 mm的缺口，形成开放的磁芯，通电线路形成的磁场通过缺口进入磁芯，产生感应电动势.磁环上感应绕组为250圈，电感量约300 mH.结构如图3所示.

3.2 信号选频电路

感应磁场线圈得到的感应电动势是微弱的电信号，空间干扰磁场也会在线圈中形成各种频率的电噪声，在信号的前级必须设计一个选频网络电路，分辨出由照明线路产生的磁场.在探测仪中设计一个LC 并联电路组成的选频电路，选频电路的中心频率为50Hz，谐振电容的容量为：33.7×10-6F.

图3 照明线路感应磁环

3.3 信号放大电路

信号放大电路如图4所示，L1、C1和R1构成LCR选频网络，中心频率为50Hz.通过C2耦合到信号放大电路.信号放大电路采用两级集成运算放大器组成的选频放大电路.第一级放大器从运算放大器的2脚输入1脚输出，组成反方向放大，R4和C3是选频反馈回路，最终放大器构成有源低通滤波器，R3调节低频放大倍数.第一级放大输出通过C4耦合到第二级放大器，第二级6脚输入7脚输出组成方向放大器.R7和C5构成选频反馈回路，R5调节信号输出幅度[4].通过两级选频放大后，最后产生幅度为2Vpp的信号给幅度检测电路处理.

3.4 幅度检测电路

信号放大电路输出的信号是50Hz的交流电压信号，直接进行积分滤波处理产生很大的电路惰性，检测速度变慢.为了提高速度将交流信号变为有效值进行处理，在本设计中采用美国AD公司的交直流专用转换芯片AD637来实现.电路结构图如图5所示.

AD637是AD公司RMS-DC产品中精度最高、带宽最宽的交直流转换电路，对于1VRMS的信号，它的3dB带宽为8MHz，并且可以对输入信号的电平以dB形式指示.

输入信号从13脚输入，R3为100K提高的输入阻抗.第4脚的电位器用于电路调零，当输入短路后调节R1，使输出有效值为0V.有效值从第9脚输出，通过R4反馈到第6脚调节输出有效值比例系数.使用AD637后，检测信号转换为直流电压[5].

幅度检测电路产生的直流信号输出给蜂鸣器电路，当检测到有信号时蜂鸣器发声，从而得到照明线路的布线情况.

图4 信号放大电路

图5 交流有效值转换电路

4 电路调试与测试结果

将感应探头放在通有工频电流的60W白炽灯导线周围，调节图4中的可调电阻R1和R4，用示波器观察电容C6的输出V1，得到其输出最大输出幅度.

在已知布线分布的墙壁上，分别点亮60W和15W白炽灯，手持测试仪探头在墙面上扫描，测到有通电照明线路时蜂鸣器发出长音，试验测试结果见表1.

由表1可知，在距离线路中心1cm范围内60W线路成功率为100%，15W线路成功率为95%，因为60W线路功率强，准确性高.当偏离中心线大于2cm时，两者都会有差错，主要原因一是探头灵敏度很高，易受到环境磁场干扰，二是扫描的速度太快，出现了偶然性的错误，导致系统串测.

表1 60W和15W白炽灯线路测试结果

测试证明，该探测装置方案可行，电路设计合理，能够达到了测试要求，有较好的实用价值.

[1] 李刚，刑佳，郝丽玲，等.非接触式高精度AC电流检测系统及其实验和误差分析[J].电子产品世界，2012（1）：43-46.

[2] 李刚，刑佳.一种非接触式高精度AC电流检测系统的设计[J].现代科学仪器，2010（1）：43-46.

[3] 汪岚.基于STC12C5A602的照明线路探测仪设计[J].延边大学学报（自然科学版），2014，40（3）：257-260.

[4] 杨花雨，申俊星.简易照明线路故障检测系统设计[J].商丘职业技术学院学报，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

唐建东（1970-），男，四川遂宁人，副教授，主要研究方向为数字信号采集与分析、测控系统集成等.