专利名称：一种电缆故障点距离测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子测量领域，设计一种电缆断路故障点测距装置。
背景技术：
目前，传递电力的各种电缆无处不在，但因为施工等原因造成的各种电缆断路故 障也层出不穷，给生产、生活带来严重的影响。电缆可以认为是一种传输线，为了准确测量电缆线上发生故障的位置，目前常用 的方法是采用行波测量法，将测试信号全部采样，根据传输线分布参数理论分析信号，对电 缆故障点进行测距。采用这种方法存在以下缺点1、成本高；2、故障点距离测量装置体积 较大，对供电和周边环境要求高，给测量工作带来诸多限制；3、设备结构复杂，维护困难； 4、操作复杂。因此，设计一种低成本且能够快速、方便检测出电缆故障点距离的装置显得十 分必要。

发明内容
本发明利用行波在传输线上的传播性质，将发射点和故障点之间的距离转化为电 压信号，通过对电压信号的测量和分析，实现对故障点距离的测量。一种电缆故障检测装置，由控制模块、脉冲产生模块、积分模块、显示模块、电源模 块组成；所述的控制模块，产生检测信号，接收积分模块输出的采样信号，对采样信号进行 处理和计算，得到发生故障位置至入射端的距离；所述的脉冲产生模块，包括信号整形电路和信号跟随电路，信号整形电路接收控 制模块产生的检测信号并进行整形，信号跟随电路提高入射信号的带负载能力和进行电缆 阻抗匹配；所述的积分模块，包含D触发器、积分电路和采样电路，D触发器接收脉冲产生模 块整形后的入射信号，同时接收反射信号，入射信号触发D触发器开始对积分电路进行充 电，反射信号触发D触发器停止对积分电路的充电，采样电路对停止充电后的积分电路输 出电压采样，采样后的信号送至控制模块；显示模块，包括数码管显示器，将控制模块处理得到的检测结果显示在数码管显 不器上；电源模块，为上述模块提供工作电源。所述的控制模块采用内部集成模/数转换功能的微控制器芯片，在微控制器芯片 内部将接收到的采样信号由模拟信号转换为数字信号，再进行相关处理。所述的控制模块 向脉冲产生模块输入脉冲信号，称检测信号。所述的脉冲产生模块由串联的信号整形电路和信号跟随电路组成，信号整形电路 由四个非门61、62、63、64、二极管01、多路开关31、多路电阻乂虹1和电容C1组成，二个非 门G1、G2串联后接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极再与二个串联的非门G3、G4连接，多路开关S1与多路电阻Varl串联，再并接在二极管D1两端，电容C1 一端连接二极管D1阳 极，另一端接地；信号整形电路对检测信号进行整形，改变检测信号脉宽以适应不同长度的 电缆，如微控制器芯片采用12M晶振时能给出脉冲的最小脉宽是1/12US，这个脉宽在测量 短距离的电缆时太长，因此必须通过整形减小脉宽，同时信号整形电路可以减小入射信号 上升沿、下降沿时间。信号跟随电路由运算放大器Opl、多路开关S2和多路电阻Var2串联组成，能提高 入射信号带负载能力并进行电缆阻抗匹配。积分模块，包含D触发器、积分电路和采样电路，D触发器清零端接微控制芯片的 一个管脚PA1，D触发器的输入端D与反相输出端0相连，D触发器的同相输出端Q与多路 开关S3、多路电阻Var3串联；积分电路由多路开关S3、多路电阻Var3、运算放大器0p2和电容C2组成，其中多 路开关S3和多路电阻Var3串联后接运算放大器0p2的反相输入端，运算放大器0p2的同 相输入端接地，电容C2连接在运算放大器0p2的反相输入端与输出端之间。所述的D触发器与积分电路之间设有二极管D2，减少对积分电路停止充电后积分 电路的漏电量，提高积分电路输出电压的准确性。采样电路包括采样保持芯片和采样电容C3组成，采样保持芯片的输入端与积分 电路连接，采样保持芯片的输出端、清零端与微控制器芯片连接。D触发器接收脉冲产生模块整形后的入射信号，同时接收反射信号，入射信号触发 D触发器开始对积分电路进行充电，反射信号触发D触发器停止对积分电路的充电，采样电 路对停止充电后的积分电路输出电压采样，采样后的信号送至控制模块。入射信号经过所述的脉冲产生模块整形后，触发所述积分模块中的D触发器，D触 发器输出高电平对积分电路充电。入射信号遇到电缆上的故障点被反射，产生一个沿原路 返回的反射信号，反射信号第二次触发积分模块中的D触发器，D触发器输出低电平，停止 对积分电路的充电。此时，积分模块中的采样电路对积分电路输出电压采样，将采样结果送 到控制模块中，控制模块根据采样得到的积分电路输出电压值，可计算出电缆故障点距离， 并将结果显示在显示模块的LED显示器上。所述的电源模块为一节12V铅酸蓄电池，并采用一个隔离型DC-DC电源芯片将铅 酸蓄电池的输出电压转换为稳定的士5V直流电压，为电路的其他模块提供稳定工作电压。所述的脉冲产生模块信号整形电路可在很大范围内连续的调节检测信号的脉冲 宽度；所述积分电路可在很大范围内连续的调节积分速率；所述脉冲模块和积分模块可适 用于多种特征阻抗和多种长度范围的电缆，并实现分辨率与测距范围的优化。本发明通过1、多路开关S1，调节检测信号脉宽，以适应不同长度的电缆；2、多路 开关S2，调节匹配阻抗，与电缆的特征阻抗相同，以使反射信号不在入射端发生第二次反 射；3、多路开关S3，调节积分速率，以适应不同的电缆长度范围。“三个调节”共同作用使本 发明可以测量不同特征阻抗、不同长度范围的电缆，且实现分辨率和测距范围的优化。本发明使用的均为基本电子元件和通用芯片，成本大大降低；电路结构简单，易于 调试和操作；设备体积小，方便携带；供电仅需一节12V铅酸蓄电池。


图1是本发明的电路框图；图2是本发明脉冲产生模块的电路图；图3是本发明积分模块的电路图；图4是本发明电源模块的电路图；图5是本发明显示模块的电路图；图6是本发明控制模块电路构成原理图；图7是入射脉冲整形前后波形图(Pspice仿真波形)。
具体实施例方式如图1所示，本发明一种电缆故障点距离测量装置由电源模块、控制模块、脉冲产 生模块、积分模块和显示模块五个部分组成，其中电源模块为其它四个模块单元提供稳定 的工作电源。图2为本发明脉冲产生模块的电路图，四个非门G1、G2、G3、G4、多路开关S1、多路 电阻Varl、二极管D1和电容C1组成了信号整形电路，运算放大器Opl、多路开关S2和多 路电阻Var2串联组成了信号跟随电路，信号跟随电路可增加带载能力，还可使输入阻抗匹 配。其中，非门G1的输入端接微控制器芯片的一个管脚PA0，非门G1的输出端接非门G2的 输入端，非门G2的输出端和非门G3的输入端分别接二极管D1的阴极和阳极，多路开关S1 与多路电阻Varl串联，再并联在二极管D1两端，电容C1 一端接地，另一端接二极管D1的 阳极，非门G3的输出端接非门G4的输入端，非门G4的输出端接运算放大器Opl的同相输 入端，运算放大器Opl的反相输入端与其输出端连接，运算放大器Opl输出端接多路开关S2 的一端、多路开关S2的另一端接多路电阻Var2的一端，多路电阻Var2的另一端(Impulse) 接电缆输入端。图3为本发明积分模块的电路图，D触发器的反相输出端^接输入端D，时钟信号端 (Sample)接电缆输入端，同相输出端Q接二极管D2的阳极，清零端接微控制器的PA1端，置位端 接地。这样连接下的D触发器使得每次时钟信号(Sample)到来时D触发器输出电平均翻转。多路开关S3、多路电阻Var3、运算放大器0p2和电容C2组成积分电路，其中多路 开关S3和多路电阻Var3串联后接运算放大器0p2的反向输入端，运算放大器0p2的同相 输入端接地，电容C2连接在运算放大器0p2的反相输入端与输出端之间。运算放大器0p2 的输出端连接采样保持芯片的输入端，采样保持芯片可采用National Semiconductor公司的LF398N采样保持芯片；其 作用是防止积分电路电容漏电引起的微控制器PA3端输入电压不稳定。采样保持芯片的输 出端接微控制器的模/数转换输入端，采样保持芯片清零端接微控制器的PA2端。C3是采 样电容，采样保持芯片给采样电容充电，采样电容的电压数值上等于采样保持芯片的输出 电压，即通过采样电容来保持采样得到的积分电压稳定。在积分电路前设置二极管D2可以减少对积分电路停止充电后积分电路的漏电， 提高积分电路输出电压的准确性。图4为本发明的电源模块，包括一节12V铅酸蓄电池，并采用M0RNSUN公司的 A1205S-2W隔离型DC-DC直流稳压芯片，该直流稳压芯片，输入12V，输出是两路独立的5V电压，一路正极与一路负极连接构成“公共地”，另外两个正、负极就是士5V。图5为本发明的显示模块的电路图，显示电路采用了四位八段共阳极数码管显示 器。采用动态显示的方法，某一时刻只有一位数码管被选通。其中，三极管S1、S2、S3、S4的 发射极接电源Vcc，三极管S1、S2、S3、S4的集电极分别接数码管4位的“位选线”，电阻Rsl、 Rs2、Rs3、Rs4 一端分别连接三极管SI、S2、S3、S4的基极，另一端连接到第一总线Busl，第 一总线Busl接微控制器PA4 PA7端口，第一总线控制数码管的位选通，实现动态显示。电 阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8 一端接数码管的“段选线”，一端接第二总线Bus2。第二总 线Bus2接微控制器PB0 PB7端口，第二总线控制数码管的段选通，实现十进制数字的显
7J\ o图6为控制模块的电路构成原理图，电路包括微控制器芯片、晶振、上电复位电路 等，微控制器芯片可采用Atmel公司Atmegal 6微控制器。图7为本发明入射脉冲整形前后波形，下波形为微控制器PA0波形，上波形为整形 后Impulse端波形。本发明对电缆上故障点距离测量的过程为首先，微控制器产生一个脉冲信号，该 脉冲信号由PA0送入脉冲产生模块。脉冲产生模块中的信号整形电路对该脉冲信号进行整 形，减小脉冲宽度以适应测距的要求。经脉冲产生模块整形之后的信号通过如图1所示的 Impulse端加在电缆上，作为电缆的入射信号。同时，该入射信号通Sample端送入积分模 土夬，触发D触发器，D触发器的同相输出端Q输出高电平，经二极管D2后对积分电路充电， 使得积分电路输出电压线性负增长，即运算放大器0p2输出端电压线性负增长，计算公式
权利要求
一种电缆故障点距离测量装置，包括所述的控制模块，产生检测信号，接收积分模块输出的采样信号，对采样信号进行处理和计算，得到发生故障位置至入射端的距离；所述的脉冲产生模块，包括信号整形电路和信号跟随电路，信号整形电路接收控制模块产生的检测信号并进行整形，信号跟随电路提高入射信号的带负载能力和进行电缆阻抗匹配；所述的积分模块，包含D触发器、积分电路和采样电路，D触发器接收脉冲产生模块整形后的入射信号，同时接收反射信号，入射信号触发D触发器开始对积分电路进行充电，反射信号触发D触发器停止对积分电路的充电，采样电路对停止充电后的积分电路输出电压采样，采样后的信号送至控制模块；显示模块，包括数码管显示器，将控制模块处理得到的检测结果显示在数码管显示器上；电源模块，为上述模块提供工作电源。
2.根据权利要求1所述的电缆故障点距离测量装置，其特征在于，所述的脉冲产生模 块由串联的信号整形电路和信号跟随电路组成，信号整形电路由四个非门G1、G2、G3、G4、二 极管D1、多路开关S1、多路电阻Varl和电容C1组成，二个非门Gl、G2串联后接二极管D1 的阴极，二极管D1的阳极再与二个串联的非门G3、G4连接，多路开关SI与多路电阻Varl 串联，再并联在二极管D1两端，电容C1 一端连接二极管D1阳极，另一端接地；信号跟随电 路由运算放大器Opl和多路开关S2、多路电阻Var2串联组成。
3.根据权利要求1所述的电缆故障点距离测量装置，其特征在于，所述的积分模块包 含D触发器、积分电路和采样电路，所述的D触发器清零端接微控制芯片的一个管脚PA1，D 触发器的输入端D与反相输出端0相连，D触发器的同相输出端Q与积分电路的多路开关 S3、多路电阻Var3串联；所述的积分电路由多路开关S3、多路电阻Var3、运算放大器0p2和电容C2组成，其中 多路开关S3与多路电阻Var3串联后接运算放大器0p2的反向输入端，运算放大器0p2的 同相输入端接地，电容C2连接在运算放大器0p2的反相输入端与输出端之间；所述的采样电路包括采样保持芯片和采样电容C3组成。
4.根据权利要求1所述的电缆故障点距离测量装置，其特征在于，所述的D触发器与积 分电路之间设有二极管D2。
全文摘要
本方法公开了一种电缆故障测距装置，由电源模块、控制模块、脉冲产生模块、积分模块和显示模块五个部分组成，其中控制模块经脉冲产生模块向电缆上发出入射信号，入射信号对积分模块中的D触发器触发，产生高电平对积分电路充电。入射信号经故障点反射后产生沿原路返回的反射信号，反射信号对D触发器触发，产生低电平对积分电路停止充电。由积分模块中的采样电路对积分电路输出电压采样，并将采样信号传送给控制模块。控制模块根据采样信号计算出电缆上发生故障的距离，完成故障测距的过程。本发明装置电路结构简单，易于调试和操作，方便携带，制造成本低，适用范围广。
文档编号G01R31/11GK101949995SQ20101027041
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者刘楠, 刘正阳, 吴建德, 陈思哲, 雷舒雁 申请人:浙江大学