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实验题目：墙体电线探测器的设计与制作

课程简要信息

课程名称：模拟电子技术

课程学时：90学时（理论50+实验40）

项目学时：10学时（课内8学时、课外2学时）

适用专业：应用电子技术专业

学生年级：一年级第二学期

《模拟电子技术》课程实验项目

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

（1）实验内容

设计及制作电线探测器，能探测出墙体内是否存在通电导线，并通过LED灯指示。

（2）基本实验任务

参考教师提供的方案，学生自主设计、制作、调试电路，实现墙体内电线检测功能。参考方案如下图所示。

（3）拓展实验任务

1）优化电路，提升检测灵敏度，实现更厚墙体、更小电流电线探测；

2）探索应用不同元器件、不同电路、不同方法实现电线检测功能；

实验过程及要求（限300字）

课前（1学时）：

教师发布实验任务；学生分组讨论可行性方案，查阅资料，了解通电导线产生磁场现象，学习利用电磁感觉检测电流的方法，掌握微弱信号提取方法，抗干扰设计等内容；

课中（8学时）：

（1）电路设计。学生根据基本参考方案，半自主设计功能电路原理图。

（2）电路安装。学生根据电路原理图，利用万能电路板自行组装、焊接电路。

（3）电路测试。学生调试电路，验证电路功能和指标，记录电路关键节点电压或波形。

（4）现场演示及交流汇报。学生将自制实验作品现场演示，分享电路设计、制作、调试及排故心得，探讨提升技术指标可行方法。

课后（1学时）：

撰写实验报告。要求学生总结该项目设计思路，分析工作原理，测量并记录电路关键点电压和波形，总结收获。

实验环境条件

（1）硬件资源：万用表、示波器、信号发生器、直流稳压电源和常用电子元器件等。

**（2）软件资源：**Proteus电路仿真软件和立创EDA电路设计及制作软件等。

教学目标与目的（限150字）

本实验是一个贴近现实生活和工程实际问题的典型案例，通过此次实验，使学生掌握电磁信号检测、差模信号放大、RC低通滤波、电压比较、LED驱动等方法，引导学生根据现场环境需要进行电路设计、元器件选型、电路布局，并通过现场测试倒逼学生熟练掌握电路调试技能等目的。

教学设计与实施进程

本项目是一个接近现实生活，同时兼具知识性、趣味性和挑战性的实践应用项目，教学设计从“聚焦痛点问题—讨论解决方案—引入关键点知识—设计及制作电路—解决问题”五环节开展。

（1）聚焦痛点问题——“盲目施工”，墙体钻孔打洞可能导致电线损坏

在装修或者居家生活中，有时需要在墙上钻洞，用于装挂钩或架子。但现在的商品房，为了整洁美观，电线多是埋入墙内，电线走线“不可视”。为此，大家都会担心一个问题，钻墙钻到了电线怎么办？轻则跳闸，重则引发人员触电。

接下来就是我们要探讨的问题，有没有专业的办法，可以探测出墙体内是否存在导线，这样就能够让工人可以放心大胆施工。

（2）讨论解决方案——对比选择合理解决办法

1）凭经验，规范电线的走势一般都是横平竖直的，但是碰到不规范的怎么办？

2）金属探测，一般情况下可以使用金属探测仪，找出墙体内导线走向，但是，当墙体内或楼板有钢筋的时候，可能导致该方法失效。

3）非接触式电笔，经实测，普通几十元的非接触式电笔，可以隔空测量裸露在空气中导线，而对于埋入墙体内导线实际检测效果并不太理想。

4）[电磁感应，利用通电导线产生磁场原理，通过感应线圈检测磁场，产生感应电流，经过放大、滤波等一系列信号处理，可能是一种检测墙体内导线的有效方法。]{.underline}

（3）引入关键点知识——电磁信号检测方法

通过示波器观测电感线圈传感器两端信号，如下图所示，左图中信号强度约为峰峰值9毫伏，波形相位相同，明显为共模信号，因此，需要通过差分放大器，才能有效提取待检测的电磁信号，电磁信号检测方法如右图所示。

（4）设计及制作电路——验证设计方案，实现墙体内通电导线检测功能

根据参考电路框图，学生半自主设计完善电路功能，组装焊接实物电路板。

1）差分放大电路设计（单电源）如下图所示。

2）滤波电路设计如下图所示。

3）学生组装焊接电路现场如下图所示。

（5）解决问题——学生完成作品，达到预定目标

经过前期一系列努力工作，学生终于完成电路作品，达到预定目标，成功探测墙内导线所在位置。下图为学生检测5mm厚亚克利板下通电电线现场照片。

在项目完成验收后，组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，分享不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

实验原理及方案

本实验项目是个半自主设计的实验项目，教师提供设计方案参考、设计电路参考和关键节点电压波形参考，鼓励学生以教师方案为基础，探索应用不同元器件、不同电路去实现项目功能，并持续优化调计，挑战更厚墙体、更小电流电线探测。

（1）设计参考方案

本参考解决方案分为电磁信号检测、差模信号放大、RC低通滤波、电压比较器及LED指示灯电路5个部分，参考方案如下图所示。

（2）设计参考电路

墙体电线探测器电路原理图如下图所示。

（3）关键节点电压波形参考

1）电磁感应线圈输出波形

通过示波器双通道同时观测电感线圈两端信号，如下图所示。其信号强度约为峰峰值9毫伏，波形相位相同，明显为较强的共模信号，因此，需要通过差分放大器，才能有效提取待检测的电磁信号。

2）差分放大器输出波形

通过示波器观察差分放大器输出波形，如下图所示。

左图为未检测到通电导线，或者远离通电导线情况下，放大器输出波形；右图为检测到通电导线时放大器输出波形。虽然共模信号在输入放大器之前约有9毫伏的峰峰值，但是经过差分放大器之后，共模信号得到有效抑制，待测的差模信号得到了有效放大，输出信号幅度约为400多毫伏，但是波形比较杂乱，明显叠加有高频干扰信号，因此，需要经过滤波器进一步处理。

3）低通滤波器输出波形

由于差分放大器输出波形中明显叠加高频干扰，因此，需要将差分放大器的输出信号，经过RC低通滤波器处理，输出波形如下图所示，该信号峰峰值约为160毫伏，波形明显变得干净，而且稳定，以便于进行下一步处理。