CN107861027A - 一种飞机电缆故障定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种飞机电缆故障定位装置，包括数据处理单元、触发控制单元、UWB窄脉冲产生单元、信号调理单元、延时单元、数据采集单元和CAN接口单元；所述UWB窄脉冲产生单元利用微波晶体管工作在雪崩区的雪崩式开关特性，结合MARX电路的基本工作原理，产生ns级上升沿的窄脉冲发射信号并发送给待测电缆。本发明利用低压脉冲反射法为待测电缆注入窄带脉冲，采用等效采样对脉冲回波信号进行采集，通过DSP对采集数据进行处理，实现对待测电缆故障点的快速准确定位，以减少维修工作中的错误拆装次数，避免因错误拆装导致电缆寿命的减少，且不受环境噪声干扰。
Description
技术领域
本发明涉及航空工程故障诊断无损检测领域，特别涉及一种飞机电缆故障定位装置。
背景技术
飞机电缆故障定位是机务维修的一项重要内容。飞机电缆类型复杂，有各种射频线、数据线、低压动力线等，且电缆长度较短，犹如“血管”一样遍布飞机的各个部位，常按类别被成捆地放置在飞机的夹壁中，人工判断故障点很不方便。目前，机务维修所用的专门检测设备主要采用进口的时域反射测量仪，这种设备局限性强，主要对射频同轴电缆有效，价格昂贵，国内只有少数几家大型维修基地拥有这种测量仪器，其余的维修部门则大多靠人工定位。
相对于其他领域，飞机电缆的故障定位有其自身的特点：(1)故障类型一般都短路或断路；(2)故障定位过程中不能够对电缆造成损坏；(3)电缆长度较短，定位精度要求高。目前，常用的电缆故障定位的方法主要有：电桥法，直流高压闪络法，冲击高压闪络法，声测法，声磁同步法等。电桥法不能直接检测高阻故障，测高阻故障时易损坏待测电缆；基于闪络的一类方法一般用于高阻故障检测，不适于短路故障定位；声测法和声磁同步法都易受环境噪声干扰。
发明内容
(一)解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明提供了一种飞机电缆故障定位装置，采用低压脉冲发射法，对待测电缆的故障点进行快速准确定位，以减少维修工作中的错误拆装次数，避免因错误拆装导致电缆寿命的减少，且不受环境噪声干扰。
(二)技术方案
一种飞机电缆故障定位装置，包括数据处理单元、触发控制单元、UWB窄脉冲产生单元、信号调理单元、延时单元、数据采集单元和CAN接口单元；所述UWB窄脉冲产生单元利用微波晶体管工作在雪崩区的雪崩式开关特性，结合MARX电路的基本工作原理，产生ns级上升沿的窄脉冲发射信号并发送给待测电缆；所述待测电缆的故障点对所述窄脉冲发射信号发生反射，所述信号调理电路接收发射的回波信号并进行限幅放大和量程切换，输出差分信号送入所述数据采集单元；所述触发控制单元产生所述UWB窄脉冲产生单元工作的触发信号，同时所述触发控制单元产生所述数据采集单元每个脉冲重复间隔的启动信号，并对所述脉冲重复间隔进行计数；所述触发控制单元输出延时控制量给所述延时单元，所述延时单元根据所述延时控制量，对下一个所述脉冲重复间隔进行相应的延时；所述数据采集单元对经所述信号调理单元处理后的回波接收信号进行等效采样，采集结果送入所述数据处理单元；所述数据处理单元对采集的数据进行处理，计算所述待测电缆的故障点位置；所述数据处理单元通过所述CAN接口单元与上位机进行通讯连接，接收所述上位机的测试指令，并将计算结果传送给所述上位机；
所述UWB窄脉冲产生单元包括第一～第四晶体管、第一～第八变阻器、第一～第八电容和第一～第十三电阻，其中所述第一～第四晶体管为NPN型三极管；所述第一～第四晶体管的基极与所述触发控制单元所产生的所述触发信号相连接；
所述信号调理单元包括第一～第三运算放大器、第一和第二场效应管、第一～第三开关、第十四～第二十六电阻、第九和第十电容，其中所述第一和第二运算放大器选用电流反馈型放大器AD8000，所述第三运算放大器选用差分放大器AD4937，所述第一场效应管为N沟结型场效应管，所述第二场效应管为P沟结型场效应管；所述第一和第二场效应管对所述回波接收信号进行限幅，所述第一运算放大器构成射随电路，所述第二运算放大器和所述第一～第三开关构成可调增益的量程切换放大电路，所述第三运算放大器构成单端差分电路，输出适应所述数据采集单元的差分信号。
进一步的，所述数据采集单元选用A/D转换器AD9215-105。
进一步的，所述延时单元选用延迟芯片MC100EP196。
进一步的，所述数据处理单元选用数字信号处理器TMS320F2812。
进一步的，所述CAN接口单元选用CAN隔离收发器CTM8251AT。
(三)有益效果
本发明提供了一种飞机电缆故障定位装置，利用低压脉冲反射法为待测电缆注入窄带脉冲，采用等效采样对脉冲回波信号进行采集，通过DSP对采集数据进行处理，实现对待测电缆故障点的快速准确定位，以减少维修工作中的错误拆装次数，避免因错误拆装导致电缆寿命的减少，且不受环境噪声干扰，其结构简单，检测精度高，响应速度快，抗干扰能力强，稳定性和可靠性好，具有良好的可扩展性。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种飞机电缆故障定位装置的系统结构框图。
图2为本发明所涉及的一种飞机电缆故障定位装置的UWB窄脉冲产生单元电路原理图。
图3为本发明所涉及的一种飞机电缆故障定位装置的信号调理单元电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。
如图1所示，一种飞机电缆故障定位装置，包括数据处理单元、触发控制单元、UWB窄脉冲产生单元、信号调理单元、延时单元、数据采集单元和CAN接口单元；UWB窄脉冲产生单元利用微波晶体管工作在雪崩区的雪崩式开关特性，结合MARX电路的基本工作原理，产生ns级上升沿的窄脉冲发射信号并发送给待测电缆；待测电缆的故障点对窄脉冲发射信号发生反射，信号调理电路接收发射的回波信号并进行限幅放大和量程切换，输出差分信号送入数据采集单元；触发控制单元产生UWB窄脉冲产生单元工作的触发信号，同时触发控制单元产生数据采集单元每个脉冲重复间隔的启动信号，并对脉冲重复间隔进行计数；触发控制单元输出延时控制量给延时单元，延时单元根据延时控制量，对下一个脉冲重复间隔进行相应的延时；数据采集单元对经信号调理单元处理后的回波接收信号进行等效采样，采集结果送入数据处理单元；数据处理单元对采集的数据进行处理，计算待测电缆的故障点位置；数据处理单元通过CAN接口单元与上位机进行通讯连接，接收上位机的测试指令，并将计算结果传送给上位机。
向待测电缆发送一个脉冲电压信号，当待测电缆有故障时，由于故障点阻抗和电缆的特性阻抗不匹配而产生脉冲反射，从发射脉冲开始计时，直至接收到故障点反射脉冲的时间为Δt，Δt是脉冲在测试点和故障点之间往返一次的时间。设故障距离为s，脉冲在待测电缆中的传播速度为v，则s＝v×Δt/2。通过识别反射脉冲的起始位置、形状及幅度，定位故障点的距离，故障点的位置在反射脉冲的起始点。
利用上述低压脉冲反射法，发送脉冲应为具有ns级上升沿的窄脉冲。如图2所示，UWB窄脉冲产生单元包括晶体管Q1～Q4、变阻器Rw1～Rw8、电容C1～C8和电阻R1～R13，其中晶体管Q1～Q4为NPN型三极管。UWB窄脉冲产生单元利用微波晶体管工作在雪崩区的雪崩式开关特性，结合MARX电路的基本工作原理。为了消除电路中存在的雪崩依次延时，对电路中晶体管Q1～Q4的基极加入了同步触发信号，使晶体管Q1～Q4同时产生雪崩击穿，加快了负载R13上获得的脉冲的上升过程，获得了非常陡直的UWB窄脉冲。脉冲宽度约为500ps，上升时间约为600ps，下降时间约为1600ps，幅度约为24V。
UWB窄脉冲发射信号经待测电缆的故障点反射后，脉冲回波信号由信号调理单元进行接收。信号调理单元主要实现量程切换，以及使得回波接收信号满足数据采集单元的要求。如图3所示，信号调理单元包括运算放大器U1～U3、场效应管T1和T2、开关K1～K3、电阻R14～R26、电容C9和C10，其中运算放大器U1和U2选用电流反馈型放大器AD8000，运算放大器U3选用差分放大器AD4937，场效应管T2为N沟结型场效应管，场效应管T2为P沟结型场效应管。由于待测电缆断路或短路的位置不同，ns级的回波脉冲信号幅值变化范围较大，可能会达到20V以上。为了避免对待测电缆的故障定位设备产生损害，电路中首先通过场效应管T1和T2对输入的回波脉冲信号进行限幅。同时，为了提高设备的输入阻抗，运算放大器U1构成射随电路。A/D转换器的最大输入范围是2Vp-p，并且为了能够让回波信号在A/D最佳转换区进行采集，运算放大器U2和开关K1～K3构成可调增益的量程切换放大电路，使得对于回波幅值较小的信号能够得到有效识别。若采集信号幅值过小，受噪声影响，采集结果误差将会较大，因此需要首先对信号幅值进行判断，若采集的信号幅值全部小于1V，则进行量程切换，直到信号幅值满足要求。为了适应A/D转换器差分信号输入的要求，运算放大器U3构成单端转差分电路。
数据采集单元选用A/D转换器AD9215-105，采样频率为100MHz，每周期采样2us(200个点)，周期间隔1ms共采集100次。
延时单元选用延迟芯片MC100EP196，最高工频频率为1.2GHz，单片的固定延迟为2.4ns，可调最大延迟为10ns，并以10ps延迟为步进。
由于回波脉冲宽度为ns级，根据奈奎斯特采样定理，要想还原回波信号波形，采样率要2GHz以上，实际操作起来比较困难。考虑到待测电缆中回波信号具有可重复性，所以在数据采集单元中使用等效采样原理。采样脉冲的频率为100MHz，在被采用脉冲的第一个脉冲重复间隔内，采样脉冲采样200个点。在第二个脉冲重复间隔内，采样脉冲相对第一次脉冲重复间隔内的采用脉冲时间上延迟一个固定值100ps。在第三个脉冲重复间隔内，采样脉冲又相对第二个脉冲重复间隔内的采样脉冲时间上延迟同一个固定值100ps，即相对第一个采样脉冲延迟200ps。依次类推，直至一个完整的脉冲周期被采样完，最后依次将采样点按照采样时间顺序排列起来组成一个完整的波形。等效采样率为1/100ps＝10GHz，一个完整脉冲波形内总共采样点数10ns/100ps×2us/10ns＝20000个。由此可见，实时采样率为10MHz的采样脉冲经过等效变换后可以等效为10GHz的实时采样率，可测160m～230m的距离，足以满足飞机电缆长度的要求。
当收到数据处理单元的启动触发信号时，触发控制单元将产生频率为100MHz，且持续2us的采样信号，此信号通过延迟单元进行延迟后，数据采集单元对输入信号进行采集，从而完成一个脉冲重复间隔的采集。每次脉冲重复间隔采集结束后，触发控制单元将产生递增的100ps控制信号给延时单元，以准备下一个脉冲重复间隔的采集。延时单元根据触发控制单元输出的延时控制量，将对下个脉冲重复间隔内的采样时钟进行响应的延时。由于存在固定延时，将会对待测电缆故障定位的准确度产生影响，因此需要使用标准电缆对硬件延时进行校准，以提高故障定位的准确度。
触发控制单元用于产生每个脉冲重复间隔的启动信号及对脉冲重复间隔进行计数。当接收到数据处理单元的启动测试信号后，以1ms为单位进行计时，在每个整ms时刻，同时触发UWB窄脉冲产生单元和数据采集单元工作，直到累计100次操作，从而完成一次完整的等效采样过程的控制。
数据处理单元进行数据处理，计算待测电缆的故障点位置，并通过CAN总线与上位机进行交互。数据处理单元选用数字信号处理器TMS320F2812，该DSP包含128K×16bit的Flash存储器，18K×16bit的SRAM，具有150MHz时钟频率，16bit×16bit和32bit×32bit的乘和累加操作，代码效率高，并且具有增强型eCAN控制器模块等，可直接实现与CAN总线的数据通讯。CAN接口单元的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差动电平，CAN接口单元选用CAN隔离收发器CTM8251AT。CTM8251AT还具有对CAN控制器与CAN总线之间的隔离作用，隔离电源可达DC2500V。
在接收到上位机启动测试命令后，数据采集单元进行一次完整的等效采样，数据处理单元对采样数据按照时间进行排序，并进行幅值判断，若满足要求则进行数据拟合，进而找出回波脉冲信号的上升沿或下降沿(断路点或短路点)，并计算出待测电缆的故障点位置，将结果传送到上位机。
本发明提供了一种飞机电缆故障定位装置，利用低压脉冲反射法为待测电缆注入窄带脉冲，采用等效采样对脉冲回波信号进行采集，通过DSP对采集数据进行处理，实现对待测电缆故障点的快速准确定位，以减少维修工作中的错误拆装次数，避免因错误拆装导致电缆寿命的减少，且不受环境噪声干扰，其结构简单，检测精度高，响应速度快，抗干扰能力强，稳定性和可靠性好，具有良好的可扩展性。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (5)
1.一种飞机电缆故障定位装置，其特征在于：包括数据处理单元、触发控制单元、UWB窄脉冲产生单元、信号调理单元、延时单元、数据采集单元和CAN接口单元；所述UWB窄脉冲产生单元利用微波晶体管工作在雪崩区的雪崩式开关特性，结合MARX电路的基本工作原理，产生ns级上升沿的窄脉冲发射信号并发送给待测电缆；所述待测电缆的故障点对所述窄脉冲发射信号发生反射，所述信号调理电路接收发射的回波信号并进行限幅放大和量程切换，输出差分信号送入所述数据采集单元；所述触发控制单元产生所述UWB窄脉冲产生单元工作的触发信号，同时所述触发控制单元产生所述数据采集单元每个脉冲重复间隔的启动信号，并对所述脉冲重复间隔进行计数；所述触发控制单元输出延时控制量给所述延时单元，所述延时单元根据所述延时控制量，对下一个所述脉冲重复间隔进行相应的延时；所述数据采集单元对经所述信号调理单元处理后的回波接收信号进行等效采样，采集结果送入所述数据处理单元；所述数据处理单元对采集的数据进行处理，计算所述待测电缆的故障点位置；所述数据处理单元通过所述CAN接口单元与上位机进行通讯连接，接收所述上位机的测试指令，并将计算结果传送给所述上位机；
所述UWB窄脉冲产生单元包括第一～第四晶体管、第一～第八变阻器、第一～第八电容和第一～第十三电阻，其中所述第一～第四晶体管为NPN型三极管；所述第一～第四晶体管的基极与所述触发控制单元所产生的所述触发信号相连接；
所述信号调理单元包括第一～第三运算放大器、第一和第二场效应管、第一～第三开关、第十四～第二十六电阻、第九和第十电容，其中所述第一和第二运算放大器选用电流反馈型放大器AD8000，所述第三运算放大器选用差分放大器AD4937，所述第一场效应管为N沟结型场效应管，所述第二场效应管为P沟结型场效应管；所述第一和第二场效应管对所述回波接收信号进行限幅，所述第一运算放大器构成射随电路，所述第二运算放大器和所述第一～第三开关构成可调增益的量程切换放大电路，所述第三运算放大器构成单端差分电路，输出适应所述数据采集单元的差分信号。
2.根据权利要求1所述的一种飞机电缆故障定位装置，其特征在于：所述数据采集单元选用A/D转换器AD9215-105。
3.根据权利要求1所述的一种飞机电缆故障定位装置，其特征在于：所述延时单元选用延迟芯片MC100EP196。
4.根据权利要求1所述的一种飞机电缆故障定位装置，其特征在于：所述数据处理单元选用数字信号处理器TMS320F2812。
5.根据权利要求1所述的一种飞机电缆故障定位装置，其特征在于：所述CAN接口单元选用CAN隔离收发器CTM8251AT。
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2017
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