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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�？�、脉冲产生�？�、积分�？椤⑾允灸？�、电源模 块组成；所述的控制模块，产生检测信号，接收积分�？槭涑龅牟裳�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�？椋�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�？椴�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�？椋�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�？椋幌允灸？椋�包括数码管显示器，将控制�？榇�理得到的检测结果显示在数码管显 不器上；电源�？椋�为上述模块提供工作电源。所述的控制�？椴捎媚诓考�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�？� 向脉冲产生�？槭淙肼龀逍藕牛�称检测信号。所述的脉冲产生�？橛纱�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�？椋�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�？檎�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�？�。入射信号经过所述的脉冲产生�？檎�形后，触发所述积分�？橹械腄触发器，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�？橹械腄触发器，D触发器输出低电平，停止 对积分电路的充电。此时，积分�？橹械牟裳�电路对积分电路输出电压采样，将采样结果送 到控制�？橹校�控制�？楦�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�？榈腖ED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�？樘峁┪榷üぷ鞯缪�。所述的脉冲产生�？樾藕耪�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�？楹突�分�？榭墒� 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�。�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�？榈牡缏吠迹煌�3是本发明积分�？榈牡缏吠迹煌�4是本发明电源模块的电路图；图5是本发明显示�？榈牡缏吠迹煌�6是本发明控制�？榈缏饭钩稍�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�？�、脉冲产 生�？椤⒒�分�？楹拖允灸？槲甯霾糠肿槌桑�其中电源�？槲�其它四个�？榈ピ�提供稳定 的工作电源。图2为本发明脉冲产生�？榈牡缏吠迹�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�？榈牡缏吠迹珼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�？椋�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�？榈牡缏饭钩稍�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�？橹械男藕耪�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�？檎�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�？槭涑龅牟裳�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�？椴�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�？椋�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�？檎�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�？椋幌允灸？椋�包括数码管显示器，将控制�？榇�理得到的检测结果显示在数码管显示器上；电源�？椋�为上述�？樘峁┕ぷ鞯缭�。
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�？榘� 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�？�、脉冲产生�？�、积分�？楹拖允灸？槲甯霾糠肿槌桑�其中控制�？榫�脉冲产生�？橄虻缋律戏⒊鋈肷湫藕牛�入射信号对积分�？橹械腄触发器触发，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�？橹械牟裳�电路对积分电路输出电压采样，并将采样信号传送给控制�？�。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