CN106841929B - 一种基于tdr的抗干扰电缆故障测试系统及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电缆故障测试技术领域，尤其涉及一种基于TDR的抗干扰电缆故障测试系统，其特征在于，包括用于控制系统工作主控制模块；用于发出单脉冲信号给被测电缆的脉冲发生模块；用于测量脉冲时间间隔的脉冲时间间隔测量模块；用于提供比较基准电压的D/A转换器以及用于过滤回波的比较器；本发明还涉及测试方法，包括1)给所述比较器提供比较基准电压；2)发送单脉冲信号给被测电缆；3)判断是否筛选出了第一反射波，如果没有则调整比较基准电压，再重复前述步骤，直至筛选出第一反射波；5)测量发射波与第一反射波时间间隔，测量结束。本发明的有益效果能有效过滤测量干扰信号，准确确定第一反射脉冲，进而快捷确定线缆故障部位。

Description

一种基于TDR的抗干扰电缆故障测试系统及测试方法
技术领域
本发明涉及电缆故障测试技术领域，尤其涉及一种基于TDR的抗干扰电缆故障测试系统，还涉及利用该系统的测试方法。
背景技术
采用时域反射法(TDR)通过低压高速脉冲反射，并测量发射脉冲与故障点反射脉冲的时间差来标定故障点位置，反射脉冲随着线路的长度、材质不同，反射脉冲的衰减程度也不同且衰减幅度较大，这就要求对反射脉冲进行信号放大处理。通常采用的方法是通过高速A/D采集波形来实现故障点判断，这种方法不仅成本高、电路实现复杂，而且测量准确率较低，其第一原因是一条线缆在布线过程中可能经过插接件、铰接点、焊接点等多个阻抗变换点，当给该线缆输入单脉冲信号时，除过在故障点(如断路或短路处)形成明显的反射脉冲外(为了与回波区别也称第一反射波)，还会在线缆的阻抗变换点形成回波，虽然其幅值要比第一反射波小，但在测量反射时间时还是形成了较大干扰；第二原因是，第一反射波又会产生多次反射形成多个回波，其回波幅值是逐渐衰减的，但也是一种干扰波。上述两种情况形成的干扰波基本特点是幅值会比第一反射波小，但利用脉冲时间间隔测量电路难于明确哪个脉冲是真正能代表故障点距离的第一反射波，这就使测量结果有不确定性。
尤其在一些布线复杂的弱电领域，比如飞机、舰艇内的控制线缆，其线缆本身长度有限，输入脉冲、第一反射波、各种回波有时交织一起，导致实质上难于利用时域反射法有效确定故障点。
另外，为了不对弱电系统造成破坏，并能分辨长度很短的线缆故障点，通常采用低电压窄脉冲作为输入波，因为脉冲宽度窄，其反射波波形复杂、幅值多变、很不规则，这也给测量时间带来困难，因此也需要使其变为比较规整的脉冲。
当然，测量环境中也可能存在其它外界干扰，这些干扰信号通常从脉冲形式、脉冲宽度等和检测线缆故障用的低电压窄脉冲有很明显区别，并且是偶发的，因此是容易判断和过滤的，而上述的回波干扰信号则从根本上制约了时域反射法在线缆故障测量中的应用。由于无法过滤多次回波的干扰，因此目前基于TDR对电缆故障测试系统还基本需要通过示波器类显示设备显示波形，然后通过人工移动标线来测得时间，这种操作难于实现自动化判定，而且效率低下。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种能够自动过滤干扰回波、并准确测定故障点的基于TDR的抗干扰电缆故障测试系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于TDR的抗干扰电缆故障测试系统，其特征在于，包括主控制模块、脉冲发生模块、脉冲时间间隔测量模块、D/A转换器及比较器；
所述脉冲发生模块与所述主控制模块及被测电缆电连接；所述比较器包括基准端、信号输入端及比较输出端，所述D/A转换器的数字端及模拟端分别与所述主控制模块及比较器的基准端电连接，所述脉冲时间间隔测量模块分别与所述主控制模块及比较器的比较输出端电连接；所述比较器的信号输入端与所述被测电缆电连接；
所述主控制模块用于控制系统工作、储存测量数据及预设数字量基准参数；
所述脉冲发生模块用于发出单脉冲信号给被测电缆；
所述脉冲时间间隔测量模块用于对经过所述比较器的输出脉冲时间间隔进行计量并传输到主控制模块；
所述D/A转换器用于将所述主控制模块给出的数字量基准参数转换为模拟量，给所述比较器提供比较基准电压；
所述比较器将所述信号输入端信号与所述比较基准电压进行比较，以过滤干扰信号。
本发明的基本工作原理是:采用主控制模块不断提供步进的数字量基准参数，经过给D/A转换器转换为模拟量作为比较器的比较基准电压，从而使高于该比较基准电压的输入脉冲信号通过比较器，而低于该比较基准电压不能形成比较器的输出脉冲，并通过对每次比较基准电压递减以在所述比较器输出端获得两个脉冲，即发射波和第一反射波脉冲，在检出故障点第一反射波脉冲的同时，过滤了多次回波，从而利用脉冲时间间隔测量模块计量脉冲传输时间，进而换算为故障点距离。
本发明的有益效果是：采用本发明，能有效快捷的过滤去出第一反射波之外的多次回波，从而不用人工在显示屏上判断就能自动识别故障点，另外，由于比较器仅通过与比较基准电压相应位置的波形，因此对发射波和第一发射波也进行了有效整形，使得测量位置更准确，基于上述优点，本发明可以做成比现有基于TDR的电缆故障测试系统更小巧的便携式测试装置，因为现有的系统必须通过示波器人工筛选不便于小型化。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，还包括阻抗匹配模块，所述阻抗匹配模块分别与所述被测电缆、脉冲发生模块的输出端及比较器的信号输入端电连接；
所述阻抗匹配模块用于匹配脉冲发生模块、比较器及被测电缆之间的连接阻抗。
采用上述进一步方案的有益效果是，利用阻抗匹配模块，可以使脉冲发生模块、比较器及被测电缆之间连接阻抗匹配，减小信号大幅衰减，提高测试灵敏度。
本发明还公开了一种基于TDR的抗干扰电缆故障测试系统的测试方法：其特征在于，包括如上所述的抗干扰电缆故障测试系统，测试步骤如下：
1)根据被测电缆及测试要求，选定比较基准电压A及增量ΔA，启动测试；并设定比较器的即时比较基准电压为B，令B＝A：
2)由主控制模块输出一个与比较基准电压相对应的数字量基准参数给所述D/A转换器，经过所述D/A转换器转换给所述比较器提供比较基准电压B；
3)脉冲发生模块产生一个单脉冲信号给被测电缆及比较器；
4)通过主控制模块判断比较器输出的脉冲个数N，如果N等于或小于1,则通过主控制模块降低比较基准电压一个增量ΔA，即给所述比较器提供比较基准电压为B＝B-ΔA，再转如步骤2)；否则转入步骤5)；
5)再判断比较器输出的脉冲个数N是否等于2，如果不是，则通过主控制模块降低比较基准电压一个增量ΔA，即给所述比较器提供比较基准电压为B＝B-ΔA；再转如步骤2)；如果等于2，则执行步骤6)：
6)通过脉冲时间间隔测量模块测量仅有的两个脉冲之间的时间，进而得到脉冲发射点到故障点的距离。
7)测量结束。
本发明测试方法的有益效果是：合理选择比较基准电压A及增量ΔA，可以快捷的筛选出期望的发射脉冲和第一反射脉冲值，以便于准确确定第一反射波与发射波时间间隔，进而确定故障距离，滤除回波快捷准确。在过滤过程中。利用比较器整形有用脉冲，则可以在识读时选择准确的测量点，从而提高测量精度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述比较基准电压A小于发射脉冲峰值，增量ΔA为2-5毫伏。
采用上述进一步方案的有益效果是，根据测量线缆和实际工况的要求，选取合理增量ΔA，以保证在每次比较基准电压递减后所选取的脉冲数不会多余两个。
进一步，所示步骤1)前还采用常规干扰过滤步骤。
采用上述进一步方案的有益效果是，采用常规的前置过滤，可以保证本发明步骤的准确实施。
进一步，所述D/A转换器为8-12位。
关于D/A转换器可以选择8-12位，这个取决于所选定的比较基准电压A及增量ΔA，如发射脉冲的理论峰值为5伏，实际输出可检测峰值为3伏，如果采用增量ΔA为3毫伏，则理论上3伏可以分成1000个电压级差，则选用10位D/A转换器即可。
采用上述进一步方案的有益效果是，可以根据实际测量对象和进度要求设置D/A转换器。进而既能保证每次比较基准电压递减后最多圈入一个脉冲，不导致判断混乱，又能选择合理增量ΔA以减少运算次数。
附图说明
图1为本发明的抗干扰电缆故障测试系统一种结构示意图；
图2为本发明的抗干扰电缆故障测试系统另一种结构示意图；
图3(a)为图1中比较器输入端的电压Ui原理示意图；
图3(b)为图1中比较器输出端的电压Uo原理示意图；
图4为一种基于TDR的抗干扰电缆故障测试方法的流程框图。
在图1到图4中，1、主控制模块；2、脉冲发生模块；3、脉冲时间间隔测量模块；4、D/A转换器；5、比较器；6、被测电缆；7、阻抗匹配模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种基于TDR的抗干扰电缆故障测试系统，包括主控制模块1、脉冲发生模块2、脉冲时间间隔测量模块3、D/A转换器4及比较器5；这里主控制模块可采用单片机等组成。
所述脉冲发生模块2与所述主控制模块1及被测电缆6电连接；所述比较器5包括基准端、信号输入端及比较输出端，所述D/A转换器4的数字端及模拟端分别与所述主控制模块1及比较器5的基准端电连接，所述脉冲时间间隔测量模块3分别与所述主控制模块1及比较器5的比较输出端电连接；所述比较器5的信号输入端与所述被测电缆6电连接；
所述主控制模块1用于控制系统工作、储存测量数据及预设数字量基准参数；
所述脉冲发生模块2用于发出单脉冲信号给被测电缆；
所述脉冲时间间隔测量模块3用于对经过所述比较器的输出脉冲时间间隔进行计量并传输到主控制模块；
所述D/A转换器4用于将所述主控制模块给出的数字量基准参数转换为模拟量，给所述比较器提供比较基准电压；
所述比较器5将所述信号输入端信号与所述比较基准电压进行比较，以过滤干扰信号。
如图2所示为本发明的抗干扰电缆故障测试系统另一种结构示意图，其与图1的区别在于还包括阻抗匹配模块7，所述阻抗匹配模块7分别与所述被测电缆6、脉冲发生模块2的输出端及比较器5的信号输入端电连接；
所述阻抗匹配模块7用于匹配脉冲发生模块、比较器及被测电缆之间的连接阻抗。
其余不再赘述。
如图3和图4所示，本发明还公开了一种基于TDR的抗干扰电缆故障测试系统的测试方法，这里以断路故障为例：包括如上所述的抗干扰电缆故障测试系统，测试步骤如下：
1)根据被测电缆及测试要求，选定比较基准电压A及增量ΔA，启动测试；并设定比较器的即时比较基准电压为B，令B＝A：
2)由主控制模块输出一个与比较基准电压相对应的数字量基准参数给所述D/A转换器，经过所述D/A转换器转换给所述比较器提供比较基准电压B；
3)脉冲发生模块产生一个单脉冲信号给被测电缆及比较器；
4)通过主控制模块判断比较器输出的脉冲个数N，如果N等于或小于1,则通过主控制模块降低比较基准电压一个增量ΔA，即给所述比较器提供比较基准电压为B＝B-ΔA，再转如步骤2)；否则转入步骤5)；
5)再判断比较器输出的脉冲个数N是否等于2，如果不是，则通过主控制模块降低比较基准电压一个增量ΔA，即给所述比较器提供比较基准电压为B＝B-ΔA；再转如步骤2)；如果等于2，则执行步骤6)：
本步有个前提，就是根据实际回波总是幅值越来越小，而且相邻幅值的级差是大于增量ΔA的，这样不会出现最终选择3个脉冲的现象。
6)通过脉冲时间间隔测量模块测量仅有的两个脉冲之间的时间，进而得到脉冲发射点到故障点的距离。
7)测量结束。
图3(a)为图1中比较器输入端的电压Ui原理示意图，可见幅值最高的为发射脉冲，次高的为第一反射波，而多次回波则幅值递减，但有可能在被侧线缆连接点处出现回波，这种回波在时间上会超前第一反射波。图中T为时间轴。
图3(b)为图1中比较器输出端的电压Uo原理示意图。采用上述方法多次过滤后最终会得到发射波和第一反射波，而且由于比较器的整形作用，其脉冲更窄更趋于矩形波。图中T为时间轴。
在实际处理过程中，当比较比较基准电压设置太高，就不能快速取得第一反射脉冲，当设置太低时，就会在一个循环中出现多个脉冲信号而导致无法实现测量；因此在实际应用中为了适应不同的测试对象和环境，这就要求比较基准电压是可变的，比较基准电压A一般选取小于发射脉冲可能的峰值，这样可以快速测算；而增量ΔA的选取以不会导致一次变更比较基准电压后多圈入两个脉冲为宜。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于TDR的抗干扰电缆故障测试方法，其特征在于，包括基于TDR的抗干扰电缆故障测试系统，所述基于TDR的抗干扰电缆故障测试系统包括主控制模块、脉冲发生模块、脉冲时间间隔测量模块、D/A转换器及比较器；
所述脉冲发生模块与所述主控制模块及被测电缆电连接；所述比较器包括基准端、信号输入端及比较输出端，所述D/A转换器的数字端及模拟端分别与所述主控制模块及比较器的基准端电连接，所述脉冲时间间隔测量模块分别与所述主控制模块及比较器的比较输出端电连接；所述比较器的信号输入端与所述被测电缆电连接；
所述主控制模块用于控制系统工作、储存测量数据及预设数字量基准参数；
所述脉冲发生模块用于发出单脉冲信号给被测电缆；
所述脉冲时间间隔测量模块用于对经过所述比较器的输出脉冲时间间隔进行计量并传输到主控制模块；
所述D/A转换器用于将所述主控制模块给出的数字量基准参数转换为模拟量，给所述比较器提供比较基准电压；
所述比较器将所述信号输入端信号与所述比较基准电压进行比较，以过滤干扰信号；
测试步骤如下：
1)根据被测电缆及测试要求，选定比较基准电压A及增量ΔA，启动测试；并设定比较器的即时比较基准电压为B，令B＝A：
2)由主控制模块输出一个与比较基准电压相对应的数字量基准参数给所述D/A转换器，经过所述D/A转换器转换给所述比较器提供比较基准电压B；
3)脉冲发生模块产生一个单脉冲信号给被测电缆及比较器；
4)通过主控制模块判断比较器输出的脉冲个数N，如果N等于或小于1,则通过主控制模块降低比较基准电压一个增量ΔA，即给所述比较器提供比较基准电压为B＝B-ΔA，再转如步骤2)；否则转入步骤5)；
5)再判断比较器输出的脉冲个数N是否等于2，如果不是，则通过主控制模块降低比较基准电压一个增量ΔA，即给所述比较器提供比较基准电压为B＝B-ΔA；再转如步骤2)；如果等于2，则执行步骤6)：
6)通过脉冲时间间隔测量模块测量过滤后的两个脉冲之间的时间，进而得到脉冲发射点到故障点的距离；
7)测量结束。
2.根据权利要求1所述的基于TDR的抗干扰电缆故障测试方法，其特征在于，所述比较基准电压A小于发射脉冲峰值，增量ΔA为2-5毫伏。
3.根据权利要求1所述的基于TDR的抗干扰电缆故障测试方法，其特征在于，所述步骤1)前还采用常规干扰过滤步骤。
4.根据权利要求1所述的基于TDR的抗干扰电缆故障测试方法，其特征在于，所述D/A转换器为8-12位。
5.根据权利要求1所述的基于TDR的抗干扰电缆故障测试方法，其特征在于，所述基于TDR的抗干扰电缆故障测试系统还包括阻抗匹配模块，所述阻抗匹配模块分别与所述被测电缆、脉冲发生模块的输出端及比较器的信号输入端电连接；所述阻抗匹配模块用于匹配脉冲发生模块、比较器及被测电缆之间的连接阻抗。
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