一種基於TDR的抗幹擾電纜故障測試系統及測試方法與流程
2023-06-12 05:13:21 2
本發明涉及電纜故障測試技術領域，尤其涉及一種基於TDR的抗幹擾電纜故障測試系統，還涉及利用該系統的測試方法。
背景技術：
採用時域反射法(TDR)通過低壓高速脈衝反射，並測量發射脈衝與故障點反射脈衝的時間差來標定故障點位置，反射脈衝隨著線路的長度、材質不同，反射脈衝的衰減程度也不同且衰減幅度較大，這就要求對反射脈衝進行信號放大處理。通常採用的方法是通過高速A/D採集波形來實現故障點判斷，這種方法不僅成本高、電路實現複雜，而且測量準確率較低，其第一原因是一條線纜在布線過程中可能經過插接件、鉸接點、焊接點等多個阻抗變換點，當給該線纜輸入單脈衝信號時，除過在故障點(如斷路或短路處)形成明顯的反射脈衝外(為了與回波區別也稱第一反射波)，還會在線纜的阻抗變換點形成回波，雖然其幅值要比第一反射波小，但在測量反射時間時還是形成了較大幹擾；第二原因是，第一反射波又會產生多次反射形成多個回波，其回波幅值是逐漸衰減的，但也是一種幹擾波。上述兩種情況形成的幹擾波基本特點是幅值會比第一反射波小，但利用脈衝時間間隔測量電路難於明確哪個脈衝是真正能代表故障點距離的第一反射波，這就使測量結果有不確定性。
尤其在一些布線複雜的弱電領域，比如飛機、艦艇內的控制線纜，其線纜本身長度有限，輸入脈衝、第一反射波、各種回波有時交織一起，導致實質上難於利用時域反射法有效確定故障點。
另外，為了不對弱電系統造成破壞，並能分辨長度很短的線纜故障點，通常採用低電壓窄脈衝作為輸入波，因為脈衝寬度窄，其反射波波形複雜、幅值多變、很不規則，這也給測量時間帶來困難，因此也需要使其變為比較規整的脈衝。
當然，測量環境中也可能存在其它外界幹擾，這些幹擾信號通常從脈衝形式、脈衝寬度等和檢測線纜故障用的低電壓窄脈衝有很明顯區別，並且是偶發的，因此是容易判斷和過濾的，而上述的回波幹擾信號則從根本上制約了時域反射法在線纜故障測量中的應用。由於無法過濾多次回波的幹擾，因此目前基於TDR對電纜故障測試系統還基本需要通過示波器類顯示設備顯示波形，然後通過人工移動標線來測得時間，這種操作難於實現自動化判定，而且效率低下。
技術實現要素：
本發明針對上述現有技術的不足，提供一種能夠自動過濾幹擾回波、並準確測定故障點的基於TDR的抗幹擾電纜故障測試系統。
本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種基於TDR的抗幹擾電纜故障測試系統，其特徵在於，包括主控制模塊、脈衝發生模塊、脈衝時間間隔測量模塊、D/A轉換器及比較器；
所述脈衝發生模塊與所述主控制模塊及被測電纜電連接；所述比較器包括基準端、信號輸入端及比較輸出端，所述D/A轉換器的數字端及模擬端分別與所述主控制模塊及比較器的基準端電連接，所述脈衝時間間隔測量模塊分別與所述主控制模塊及比較器的比較輸出端電連接；所述比較器的信號輸入端與所述被測電纜電連接；
所述主控制模塊用於控制系統工作、儲存測量數據及預設數字量基準參數；
所述脈衝發生模塊用於發出單脈衝信號給被測電纜；
所述脈衝時間間隔測量模塊用於對經過所述比較器的輸出脈衝時間間隔進行計量並傳輸到主控制模塊；
所述D/A轉換器用於將所述主控制模塊給出的數字量基準參數轉換為模擬量，給所述比較器提供比較基準電壓；
所述比較器將所述信號輸入端信號與所述比較基準電壓進行比較，以過濾幹擾信號。
本發明的基本工作原理是:採用主控制模塊不斷提供步進的數字量基準參數，經過給D/A轉換器轉換為模擬量作為比較器的比較基準電壓，從而使高於該比較基準電壓的輸入脈衝信號通過比較器，而低於該比較基準電壓不能形成比較器的輸出脈衝，並通過對每次比較基準電壓遞減以在所述比較器輸出端獲得兩個脈衝，即發射波和第一反射波脈衝，在檢出故障點第一反射波脈衝的同時，過濾了多次回波，從而利用脈衝時間間隔測量模塊計量脈衝傳輸時間，進而換算為故障點距離。
本發明的有益效果是：採用本發明，能有效快捷的過濾去出第一反射波之外的多次回波，從而不用人工在顯示屏上判斷就能自動識別故障點，另外，由於比較器僅通過與比較基準電壓相應位置的波形，因此對發射波和第一發射波也進行了有效整形，使得測量位置更準確，基於上述優點，本發明可以做成比現有基於TDR的電纜故障測試系統更小巧的可攜式測試裝置，因為現有的系統必須通過示波器人工篩選不便於小型化。
在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。
進一步，還包括阻抗匹配模塊，所述阻抗匹配模塊分別與所述被測電纜、脈衝發生模塊的輸出端及比較器的信號輸入端電連接；
所述阻抗匹配模塊用於匹配脈衝發生模塊、比較器及被測電纜之間的連接阻抗。
採用上述進一步方案的有益效果是，利用阻抗匹配模塊，可以使脈衝發生模塊、比較器及被測電纜之間連接阻抗匹配，減小信號大幅衰減，提高測試靈敏度。
本發明還公開了一種基於TDR的抗幹擾電纜故障測試系統的測試方法：其特徵在於，包括如上所述的抗幹擾電纜故障測試系統，測試步驟如下：
1)根據被測電纜及測試要求，選定比較基準電壓A及增量ΔA，啟動測試；並設定比較器的即時比較基準電壓為B，令B＝A：
2)由主控制模塊輸出一個與比較基準電壓相對應的數字量基準參數給所述D/A轉換器，經過所述D/A轉換器轉換給所述比較器提供比較基準電壓B；
3)脈衝發生模塊產生一個單脈衝信號給被測電纜及比較器；
4)通過主控制模塊判斷比較器輸出的脈衝個數N，如果N等於或小於1,則通過主控制模塊降低比較基準電壓一個增量ΔA，即給所述比較器提供比較基準電壓為B＝B-ΔA，再轉如步驟2)；否則轉入步驟5)；
5)再判斷比較器輸出的脈衝個數N是否等於2，如果不是，則通過主控制模塊降低比較基準電壓一個增量ΔA，即給所述比較器提供比較基準電壓為B＝B-ΔA；再轉如步驟2)；如果等於2，則執行步驟6)：
6)通過脈衝時間間隔測量模塊測量僅有的兩個脈衝之間的時間，進而得到脈衝發射點到故障點的距離。
7)測量結束。
本發明測試方法的有益效果是：合理選擇比較基準電壓A及增量ΔA，可以快捷的篩選出期望的發射脈衝和第一反射脈衝值，以便於準確確定第一反射波與發射波時間間隔，進而確定故障距離，濾除回波快捷準確。在過濾過程中。利用比較器整形有用脈衝，則可以在識讀時選擇準確的測量點，從而提高測量精度。
在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。
進一步，所述比較基準電壓A小於發射脈衝峰值，增量ΔA為2-5毫伏。
採用上述進一步方案的有益效果是，根據測量線纜和實際工況的要求，選取合理增量ΔA，以保證在每次比較基準電壓遞減後所選取的脈衝數不會多餘兩個。
進一步，所示步驟1)前還採用常規幹擾過濾步驟。
採用上述進一步方案的有益效果是，採用常規的前置過濾，可以保證本發明步驟的準確實施。
進一步，所述D/A轉換器為8-12位。
關於D/A轉換器可以選擇8-12位，這個取決於所選定的比較基準電壓A及增量ΔA，如發射脈衝的理論峰值為5伏，實際輸出可檢測峰值為3伏，如果採用增量ΔA為3毫伏，則理論上3伏可以分成1000個電壓級差，則選用10位D/A轉換器即可。
採用上述進一步方案的有益效果是，可以根據實際測量對象和進度要求設置D/A轉換器。進而既能保證每次比較基準電壓遞減後最多圈入一個脈衝，不導致判斷混亂，又能選擇合理增量ΔA以減少運算次數。
附圖說明
圖1為本發明的抗幹擾電纜故障測試系統一種結構示意圖；
圖2為本發明的抗幹擾電纜故障測試系統另一種結構示意圖；
圖3(a)為圖1中比較器輸入端的電壓Ui原理示意圖；
圖3(b)為圖1中比較器輸出端的電壓Uo原理示意圖；
圖4為一種基於TDR的抗幹擾電纜故障測試方法的流程框圖。
在圖1到圖4中，1、主控制模塊；2、脈衝發生模塊；3、脈衝時間間隔測量模塊；4、D/A轉換器；5、比較器；6、被測電纜；7、阻抗匹配模塊。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本發明，並非用於限定本發明的範圍。
如圖1所示，一種基於TDR的抗幹擾電纜故障測試系統，包括主控制模塊1、脈衝發生模塊2、脈衝時間間隔測量模塊3、D/A轉換器4及比較器5；這裡主控制模塊可採用單片機等組成。
所述脈衝發生模塊2與所述主控制模塊1及被測電纜6電連接；所述比較器5包括基準端、信號輸入端及比較輸出端，所述D/A轉換器4的數字端及模擬端分別與所述主控制模塊1及比較器5的基準端電連接，所述脈衝時間間隔測量模塊3分別與所述主控制模塊1及比較器5的比較輸出端電連接；所述比較器5的信號輸入端與所述被測電纜6電連接；
所述主控制模塊1用於控制系統工作、儲存測量數據及預設數字量基準參數；
所述脈衝發生模塊2用於發出單脈衝信號給被測電纜；
所述脈衝時間間隔測量模塊3用於對經過所述比較器的輸出脈衝時間間隔進行計量並傳輸到主控制模塊；
所述D/A轉換器4用於將所述主控制模塊給出的數字量基準參數轉換為模擬量，給所述比較器提供比較基準電壓；
所述比較器5將所述信號輸入端信號與所述比較基準電壓進行比較，以過濾幹擾信號。
如圖2所示為本發明的抗幹擾電纜故障測試系統另一種結構示意圖，其與圖1的區別在於還包括阻抗匹配模塊7，所述阻抗匹配模塊7分別與所述被測電纜6、脈衝發生模塊2的輸出端及比較器5的信號輸入端電連接；
所述阻抗匹配模塊7用於匹配脈衝發生模塊、比較器及被測電纜之間的連接阻抗。
其餘不再贅述。
如圖3和圖4所示，本發明還公開了一種基於TDR的抗幹擾電纜故障測試系統的測試方法，這裡以斷路故障為例：包括如上所述的抗幹擾電纜故障測試系統，測試步驟如下：
1)根據被測電纜及測試要求，選定比較基準電壓A及增量ΔA，啟動測試；並設定比較器的即時比較基準電壓為B，令B＝A：
2)由主控制模塊輸出一個與比較基準電壓相對應的數字量基準參數給所述D/A轉換器，經過所述D/A轉換器轉換給所述比較器提供比較基準電壓B；
3)脈衝發生模塊產生一個單脈衝信號給被測電纜及比較器；
4)通過主控制模塊判斷比較器輸出的脈衝個數N，如果N等於或小於1,則通過主控制模塊降低比較基準電壓一個增量ΔA，即給所述比較器提供比較基準電壓為B＝B-ΔA，再轉如步驟2)；否則轉入步驟5)；
5)再判斷比較器輸出的脈衝個數N是否等於2，如果不是，則通過主控制模塊降低比較基準電壓一個增量ΔA，即給所述比較器提供比較基準電壓為B＝B-ΔA；再轉如步驟2)；如果等於2，則執行步驟6)：
本步有個前提，就是根據實際回波總是幅值越來越小，而且相鄰幅值的級差是大於增量ΔA的，這樣不會出現最終選擇3個脈衝的現象。
6)通過脈衝時間間隔測量模塊測量僅有的兩個脈衝之間的時間，進而得到脈衝發射點到故障點的距離。
7)測量結束。
圖3(a)為圖1中比較器輸入端的電壓Ui原理示意圖，可見幅值最高的為發射脈衝，次高的為第一反射波，而多次回波則幅值遞減，但有可能在被側線纜連接點處出現回波，這種回波在時間上會超前第一反射波。圖中T為時間軸。
圖3(b)為圖1中比較器輸出端的電壓Uo原理示意圖。採用上述方法多次過濾後最終會得到發射波和第一反射波，而且由於比較器的整形作用，其脈衝更窄更趨於矩形波。圖中T為時間軸。
在實際處理過程中，當比較比較基準電壓設置太高，就不能快速取得第一反射脈衝，當設置太低時，就會在一個循環中出現多個脈衝信號而導致無法實現測量；因此在實際應用中為了適應不同的測試對象和環境，這就要求比較基準電壓是可變的，比較基準電壓A一般選取小於發射脈衝可能的峰值，這樣可以快速測算；而增量ΔA的選取以不會導致一次變更比較基準電壓後多圈入兩個脈衝為宜。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。