專利名稱：一種電纜故障點距離測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電子測量領域，設計一種電纜斷路故障點測距裝置。
背景技術：
目前，傳遞電力的各種電纜無處不在，但因為施工等原因造成的各種電纜斷路故 障也層出不窮，給生產、生活帶來嚴重的影響。電纜可以認為是一種傳輸線，為了準確測量電纜線上發(fā)生故障的位置，目前常用 的方法是采用行波測量法，將測試信號全部采樣，根據(jù)傳輸線分布參數(shù)理論分析信號，對電 纜故障點進行測距。采用這種方法存在以下缺點1、成本高；2、故障點距離測量裝置體積 較大，對供電和周邊環(huán)境要求高，給測量工作帶來諸多限制；3、設備結構復雜，維護困難； 4、操作復雜。因此，設計一種低成本且能夠快速、方便檢測出電纜故障點距離的裝置顯得十 分必要。

發(fā)明內容
本發(fā)明利用行波在傳輸線上的傳播性質，將發(fā)射點和故障點之間的距離轉化為電 壓信號，通過對電壓信號的測量和分析，實現(xiàn)對故障點距離的測量。一種電纜故障檢測裝置，由控制模塊、脈沖產生模塊、積分模塊、顯示模塊、電源模 塊組成；所述的控制模塊，產生檢測信號，接收積分模塊輸出的采樣信號，對采樣信號進行 處理和計算，得到發(fā)生故障位置至入射端的距離；所述的脈沖產生模塊，包括信號整形電路和信號跟隨電路，信號整形電路接收控 制模塊產生的檢測信號并進行整形，信號跟隨電路提高入射信號的帶負載能力和進行電纜 阻抗匹配；所述的積分模塊，包含D觸發(fā)器、積分電路和采樣電路，D觸發(fā)器接收脈沖產生模 塊整形后的入射信號，同時接收反射信號，入射信號觸發(fā)D觸發(fā)器開始對積分電路進行充 電，反射信號觸發(fā)D觸發(fā)器停止對積分電路的充電，采樣電路對停止充電后的積分電路輸 出電壓采樣，采樣后的信號送至控制模塊；顯示模塊，包括數(shù)碼管顯示器，將控制模塊處理得到的檢測結果顯示在數(shù)碼管顯 不器上；電源模塊，為上述模塊提供工作電源。所述的控制模塊采用內部集成模/數(shù)轉換功能的微控制器芯片，在微控制器芯片 內部將接收到的采樣信號由模擬信號轉換為數(shù)字信號，再進行相關處理。所述的控制模塊 向脈沖產生模塊輸入脈沖信號，稱檢測信號。所述的脈沖產生模塊由串聯(lián)的信號整形電路和信號跟隨電路組成，信號整形電路 由四個非門61、62、63、64、二極管01、多路開關31、多路電阻乂虹1和電容C1組成，二個非 門G1、G2串聯(lián)后接二極管D1的陰極，二極管D1的陽極再與二個串聯(lián)的非門G3、G4連接，多路開關S1與多路電阻Varl串聯(lián)，再并接在二極管D1兩端，電容C1 一端連接二極管D1陽 極，另一端接地；信號整形電路對檢測信號進行整形，改變檢測信號脈寬以適應不同長度的 電纜，如微控制器芯片采用12M晶振時能給出脈沖的最小脈寬是1/12US，這個脈寬在測量 短距離的電纜時太長，因此必須通過整形減小脈寬，同時信號整形電路可以減小入射信號 上升沿、下降沿時間。信號跟隨電路由運算放大器Opl、多路開關S2和多路電阻Var2串聯(lián)組成，能提高 入射信號帶負載能力并進行電纜阻抗匹配。積分模塊，包含D觸發(fā)器、積分電路和采樣電路，D觸發(fā)器清零端接微控制芯片的 一個管腳PA1，D觸發(fā)器的輸入端D與反相輸出端0相連，D觸發(fā)器的同相輸出端Q與多路 開關S3、多路電阻Var3串聯(lián)；積分電路由多路開關S3、多路電阻Var3、運算放大器0p2和電容C2組成，其中多 路開關S3和多路電阻Var3串聯(lián)后接運算放大器0p2的反相輸入端，運算放大器0p2的同 相輸入端接地，電容C2連接在運算放大器0p2的反相輸入端與輸出端之間。所述的D觸發(fā)器與積分電路之間設有二極管D2，減少對積分電路停止充電后積分 電路的漏電量，提高積分電路輸出電壓的準確性。采樣電路包括采樣保持芯片和采樣電容C3組成，采樣保持芯片的輸入端與積分 電路連接，采樣保持芯片的輸出端、清零端與微控制器芯片連接。D觸發(fā)器接收脈沖產生模塊整形后的入射信號，同時接收反射信號，入射信號觸發(fā) D觸發(fā)器開始對積分電路進行充電，反射信號觸發(fā)D觸發(fā)器停止對積分電路的充電，采樣電 路對停止充電后的積分電路輸出電壓采樣，采樣后的信號送至控制模塊。入射信號經過所述的脈沖產生模塊整形后，觸發(fā)所述積分模塊中的D觸發(fā)器，D觸 發(fā)器輸出高電平對積分電路充電。入射信號遇到電纜上的故障點被反射，產生一個沿原路 返回的反射信號，反射信號第二次觸發(fā)積分模塊中的D觸發(fā)器，D觸發(fā)器輸出低電平，停止 對積分電路的充電。此時，積分模塊中的采樣電路對積分電路輸出電壓采樣，將采樣結果送 到控制模塊中，控制模塊根據(jù)采樣得到的積分電路輸出電壓值，可計算出電纜故障點距離， 并將結果顯示在顯示模塊的LED顯示器上。所述的電源模塊為一節(jié)12V鉛酸蓄電池，并采用一個隔離型DC-DC電源芯片將鉛 酸蓄電池的輸出電壓轉換為穩(wěn)定的士5V直流電壓，為電路的其他模塊提供穩(wěn)定工作電壓。所述的脈沖產生模塊信號整形電路可在很大范圍內連續(xù)的調節(jié)檢測信號的脈沖 寬度；所述積分電路可在很大范圍內連續(xù)的調節(jié)積分速率；所述脈沖模塊和積分模塊可適 用于多種特征阻抗和多種長度范圍的電纜，并實現(xiàn)分辨率與測距范圍的優(yōu)化。本發(fā)明通過1、多路開關S1，調節(jié)檢測信號脈寬，以適應不同長度的電纜；2、多路 開關S2，調節(jié)匹配阻抗，與電纜的特征阻抗相同，以使反射信號不在入射端發(fā)生第二次反 射；3、多路開關S3，調節(jié)積分速率，以適應不同的電纜長度范圍。“三個調節(jié)”共同作用使本 發(fā)明可以測量不同特征阻抗、不同長度范圍的電纜，且實現(xiàn)分辨率和測距范圍的優(yōu)化。本發(fā)明使用的均為基本電子元件和通用芯片，成本大大降低；電路結構簡單，易于 調試和操作；設備體積小，方便攜帶；供電僅需一節(jié)12V鉛酸蓄電池。


圖1是本發(fā)明的電路框圖；圖2是本發(fā)明脈沖產生模塊的電路圖；圖3是本發(fā)明積分模塊的電路圖；圖4是本發(fā)明電源模塊的電路圖；圖5是本發(fā)明顯示模塊的電路圖；圖6是本發(fā)明控制模塊電路構成原理圖；圖7是入射脈沖整形前后波形圖(Pspice仿真波形)。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明一種電纜故障點距離測量裝置由電源模塊、控制模塊、脈沖產 生模塊、積分模塊和顯示模塊五個部分組成，其中電源模塊為其它四個模塊單元提供穩(wěn)定 的工作電源。圖2為本發(fā)明脈沖產生模塊的電路圖，四個非門G1、G2、G3、G4、多路開關S1、多路 電阻Varl、二極管D1和電容C1組成了信號整形電路，運算放大器Opl、多路開關S2和多 路電阻Var2串聯(lián)組成了信號跟隨電路，信號跟隨電路可增加帶載能力，還可使輸入阻抗匹 配。其中，非門G1的輸入端接微控制器芯片的一個管腳PA0，非門G1的輸出端接非門G2的 輸入端，非門G2的輸出端和非門G3的輸入端分別接二極管D1的陰極和陽極，多路開關S1 與多路電阻Varl串聯(lián)，再并聯(lián)在二極管D1兩端，電容C1 一端接地，另一端接二極管D1的 陽極，非門G3的輸出端接非門G4的輸入端，非門G4的輸出端接運算放大器Opl的同相輸 入端，運算放大器Opl的反相輸入端與其輸出端連接，運算放大器Opl輸出端接多路開關S2 的一端、多路開關S2的另一端接多路電阻Var2的一端，多路電阻Var2的另一端(Impulse) 接電纜輸入端。圖3為本發(fā)明積分模塊的電路圖，D觸發(fā)器的反相輸出端^接輸入端D，時鐘信號端 (Sample)接電纜輸入端，同相輸出端Q接二極管D2的陽極，清零端接微控制器的PA1端，置位端 接地。這樣連接下的D觸發(fā)器使得每次時鐘信號(Sample)到來時D觸發(fā)器輸出電平均翻轉。多路開關S3、多路電阻Var3、運算放大器0p2和電容C2組成積分電路，其中多路 開關S3和多路電阻Var3串聯(lián)后接運算放大器0p2的反向輸入端，運算放大器0p2的同相 輸入端接地，電容C2連接在運算放大器0p2的反相輸入端與輸出端之間。運算放大器0p2 的輸出端連接采樣保持芯片的輸入端，采樣保持芯片可采用National Semiconductor公司的LF398N采樣保持芯片；其 作用是防止積分電路電容漏電引起的微控制器PA3端輸入電壓不穩(wěn)定。采樣保持芯片的輸 出端接微控制器的模/數(shù)轉換輸入端，采樣保持芯片清零端接微控制器的PA2端。C3是采 樣電容，采樣保持芯片給采樣電容充電，采樣電容的電壓數(shù)值上等于采樣保持芯片的輸出 電壓，即通過采樣電容來保持采樣得到的積分電壓穩(wěn)定。在積分電路前設置二極管D2可以減少對積分電路停止充電后積分電路的漏電， 提高積分電路輸出電壓的準確性。圖4為本發(fā)明的電源模塊，包括一節(jié)12V鉛酸蓄電池，并采用M0RNSUN公司的 A1205S-2W隔離型DC-DC直流穩(wěn)壓芯片，該直流穩(wěn)壓芯片，輸入12V，輸出是兩路獨立的5V電壓，一路正極與一路負極連接構成“公共地”，另外兩個正、負極就是士5V。圖5為本發(fā)明的顯示模塊的電路圖，顯示電路采用了四位八段共陽極數(shù)碼管顯示 器。采用動態(tài)顯示的方法，某一時刻只有一位數(shù)碼管被選通。其中，三極管S1、S2、S3、S4的 發(fā)射極接電源Vcc，三極管S1、S2、S3、S4的集電極分別接數(shù)碼管4位的“位選線”，電阻Rsl、 Rs2、Rs3、Rs4 一端分別連接三極管SI、S2、S3、S4的基極，另一端連接到第一總線Busl，第 一總線Busl接微控制器PA4 PA7端口，第一總線控制數(shù)碼管的位選通，實現(xiàn)動態(tài)顯示。電 阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8 一端接數(shù)碼管的“段選線”，一端接第二總線Bus2。第二總 線Bus2接微控制器PB0 PB7端口，第二總線控制數(shù)碼管的段選通，實現(xiàn)十進制數(shù)字的顯
7J\ o圖6為控制模塊的電路構成原理圖，電路包括微控制器芯片、晶振、上電復位電路 等，微控制器芯片可采用Atmel公司Atmegal 6微控制器。圖7為本發(fā)明入射脈沖整形前后波形，下波形為微控制器PA0波形，上波形為整形 后Impulse端波形。本發(fā)明對電纜上故障點距離測量的過程為首先，微控制器產生一個脈沖信號，該 脈沖信號由PA0送入脈沖產生模塊。脈沖產生模塊中的信號整形電路對該脈沖信號進行整 形，減小脈沖寬度以適應測距的要求。經脈沖產生模塊整形之后的信號通過如圖1所示的 Impulse端加在電纜上，作為電纜的入射信號。同時，該入射信號通Sample端送入積分模 土夬，觸發(fā)D觸發(fā)器，D觸發(fā)器的同相輸出端Q輸出高電平，經二極管D2后對積分電路充電， 使得積分電路輸出電壓線性負增長，即運算放大器0p2輸出端電壓線性負增長，計算公式
權利要求
一種電纜故障點距離測量裝置，包括所述的控制模塊，產生檢測信號，接收積分模塊輸出的采樣信號，對采樣信號進行處理和計算，得到發(fā)生故障位置至入射端的距離；所述的脈沖產生模塊，包括信號整形電路和信號跟隨電路，信號整形電路接收控制模塊產生的檢測信號并進行整形，信號跟隨電路提高入射信號的帶負載能力和進行電纜阻抗匹配；所述的積分模塊，包含D觸發(fā)器、積分電路和采樣電路，D觸發(fā)器接收脈沖產生模塊整形后的入射信號，同時接收反射信號，入射信號觸發(fā)D觸發(fā)器開始對積分電路進行充電，反射信號觸發(fā)D觸發(fā)器停止對積分電路的充電，采樣電路對停止充電后的積分電路輸出電壓采樣，采樣后的信號送至控制模塊；顯示模塊，包括數(shù)碼管顯示器，將控制模塊處理得到的檢測結果顯示在數(shù)碼管顯示器上；電源模塊，為上述模塊提供工作電源。
2.根據(jù)權利要求1所述的電纜故障點距離測量裝置，其特征在于，所述的脈沖產生模 塊由串聯(lián)的信號整形電路和信號跟隨電路組成，信號整形電路由四個非門G1、G2、G3、G4、二 極管D1、多路開關S1、多路電阻Varl和電容C1組成，二個非門Gl、G2串聯(lián)后接二極管D1 的陰極，二極管D1的陽極再與二個串聯(lián)的非門G3、G4連接，多路開關SI與多路電阻Varl 串聯(lián)，再并聯(lián)在二極管D1兩端，電容C1 一端連接二極管D1陽極，另一端接地；信號跟隨電 路由運算放大器Opl和多路開關S2、多路電阻Var2串聯(lián)組成。
3.根據(jù)權利要求1所述的電纜故障點距離測量裝置，其特征在于，所述的積分模塊包 含D觸發(fā)器、積分電路和采樣電路，所述的D觸發(fā)器清零端接微控制芯片的一個管腳PA1，D 觸發(fā)器的輸入端D與反相輸出端0相連，D觸發(fā)器的同相輸出端Q與積分電路的多路開關 S3、多路電阻Var3串聯(lián)；所述的積分電路由多路開關S3、多路電阻Var3、運算放大器0p2和電容C2組成，其中 多路開關S3與多路電阻Var3串聯(lián)后接運算放大器0p2的反向輸入端，運算放大器0p2的 同相輸入端接地，電容C2連接在運算放大器0p2的反相輸入端與輸出端之間；所述的采樣電路包括采樣保持芯片和采樣電容C3組成。
4.根據(jù)權利要求1所述的電纜故障點距離測量裝置，其特征在于，所述的D觸發(fā)器與積 分電路之間設有二極管D2。
全文摘要
本方法公開了一種電纜故障測距裝置，由電源模塊、控制模塊、脈沖產生模塊、積分模塊和顯示模塊五個部分組成，其中控制模塊經脈沖產生模塊向電纜上發(fā)出入射信號，入射信號對積分模塊中的D觸發(fā)器觸發(fā)，產生高電平對積分電路充電。入射信號經故障點反射后產生沿原路返回的反射信號，反射信號對D觸發(fā)器觸發(fā)，產生低電平對積分電路停止充電。由積分模塊中的采樣電路對積分電路輸出電壓采樣，并將采樣信號傳送給控制模塊?？刂颇K根據(jù)采樣信號計算出電纜上發(fā)生故障的距離，完成故障測距的過程。本發(fā)明裝置電路結構簡單，易于調試和操作，方便攜帶，制造成本低，適用范圍廣。
文檔編號G01R31/11GK101949995SQ20101027041
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月2日 優(yōu)先權日2010年9月2日
發(fā)明者劉楠, 劉正陽, 吳建德, 陳思哲, 雷舒雁 申請人:浙江大學