一种电缆在线检测技术

符建名

【摘 要】针对通信、控制等日益复杂的电子系统，提出了一种电缆在线检测技术方案。阐述了复杂电子系统中，电缆在线检测的技术方案、在线检测原理、方法与电路组成。为复杂电子系统的测试、维修，提出了一种全新的电缆在线检测方法。

【关键词】在线检测；电缆；电子系统

An Online Cable Detection Technique

FU Jianming

[Abstract]

In view of the increasingly complicated electronic systems such as communication and control， an online cable detection technique is proposed. The technical scheme， online detection principle， method and circuit composition of online cable detection in complex electronic system are expounded. The proposed technique provides a novel online cable detection way to test and maintain complex electronic system.

[Key words]online detection； cable； electronic system

1 引言

通信、控制等設备密集的电子系统中，设备间电缆的连接直接影响系统的工作性能。因此，在电子系统测试和维修中，如何采用简易的方法快速地判断电缆的故障具有重要意义。

判断电缆故障的通用方法是采用万用表的两根表笔分别接触电缆的两端进行测试，可直接判断电缆的故障。在线测试是指电缆的一端连接电子设备，测试器在电缆的另一端通过测试判断电缆的故障。目前可用于电缆在线测试的技术原理是电磁波反射原理。在实际应用中，由于制造成本和测试精度的限制，采用电磁波反射原理的设备一般只应用于长线传输的电缆故障检测。在一般的电子系统测试和维修中，电缆的开路或短路故障，通常采用万用表测试。采用万用表测试的方法有两个缺点：

（1）必须用万用表的两根表笔接触电缆两端。连接设备的电缆较长或其中一端不易拆卸或难以触及时，不能使用万用表测试。

（2）对于多芯线电缆的测试只能手动分别一根一根地测试，不能多芯线同时测试。

电磁波反射技术利用传播中的电磁波在介质发生变化时产生反射的原理，通过接收到反射信号的时间计算电缆端点到电缆断开处的距离来推断电缆开路故障。采用电磁波反射技术的缺点是：

（1）不能测试短路故障。

（2）制造成本高。

2 在线检测技术方案

2.1 需要解决的技术问题

在线检测技术所要解决的问题：

（1）连接设备的电缆较长或其中一端不易拆卸或难以触及时，在电缆的另一端通过在线测试即可判断电缆的故障及类型（开路或短路）。

（2）通过在线测试可判断多芯线电缆的故障，并同时显示故障电缆芯线号和故障类型（开路或短路）。

（3）用较简单和较容易实现的方案解决在线测试问题，降低制造成本。

2.2 电路组成与工作原理

（1）半导体器件P-N结的电容效应

纯净半导体材料有较高的电阻率，但构成器件的P-N结存在扩散电容和势垒电容。

扩散电容：P-N结扩散区内少数载流子电荷随外加电压的变化，可看成P-N结扩散区的电容效应。当电压增大，扩散区电荷量增加，相当于电容充电；当电压减小，扩散区电荷量减少，相当于电容放电。P-N结扩散电容为：

CD=gτp/2 （1）

其中，g为电导，τp为少数载流子空穴的寿命。

势垒电容：P-N结空间电荷区也有电容效应，当P-N结正向电压增加时，P-N结的势垒高度下降，电场强度减小，空间电荷区宽度也减小。有P区的空穴和N区的电子流入空间电荷区，就相当于空间电荷区充电。当P-N结正向电压降低时，P-N结的势垒高度增加，电场强度加强，空间电荷区宽度也增大。有P区的空穴和N区的电子流出空间电荷区，就相当于空间电荷区放电。这种电容效应称为势垒电容。P-N结势垒电容为：

CT=εε0A/xm （2）

其中，xm为空间电荷区宽度，A为P-N结截面积。

（2）被测故障网络特征阻抗

精确计算被测故障网络的特征阻抗比较困难。电缆在线检测技术利用半导体器件的P-N结存在结电容，根据电子设备的两两引线之间对交流信号呈现的交流阻抗进行评估。

P-N结结电容因半导体材料、结面积和制造工艺等不同而不同。一般高频器件结电容较小，低频器件结电容较大，通常可在器件手册查到。例如，9018高频小功率三极管，截止频率达到1.1 GHz，结电容1.3 p。以结电容1.3 p进行计算，工作频率为100 kHz交流信号呈现的交流阻抗为：

Z==

=1.2×106

即截止频率达到1.1 GHz的器件对频率为100 kHz交流信号呈现的交流阻抗约为1.2 MΩ。因此，对频率低于1 GHz的电路，交流阻抗按小于1.2 MΩ计算，对于更高频率的电路则选择更高的工作信号频率。

（3）在线检测技术工作原理与电路组成

被测电缆的两根芯线A1B1和A2B2如图1所示，其中C1为电缆A1B1中间任意的一点，C2为电缆A2B2中间任意的一点。本文中在线检测状态指电缆的一端（A1、A2）连接检测仪器，另一端（B1、B2）按工作状态连接设备。Z为被测电缆所连接设备两端的交流等效阻抗。

图1 被测电缆与设备连接示意图

由于半导体器件的PN结存在结电容，因此由电阻、电容、电感等电子元件和半导体器件组成的电子设备两两引线之间对交流信号呈现的交流阻抗等于，其中C为等效电容，f为信号频率。如图1和图2所示，Z为被测电缆所连接设备的交流等效阻抗。

电缆在线检测技术利用电子设备的两两引线之间对交流信号呈现的交流阻抗的原理，在设备两两引线之间发送一个交流信号，在两个引线之间串接一个测试基准电阻。利用信号在测试基准电阻的分压，通过比较器后产生一个高低电平。连线接通时输出高电平，驱动蜂鸣器产生提示音；当连线断开时输出低电平无提示音。电缆在线检测技术通过上述原理来判断电缆的通断。

在线检测技术原理框图如图2所示，图2中的R2即为图5的开关K打在R2位置时B、G两点间电路的交流等效电阻，R2'即为图5中的开关K打在R2'位置时B、G两点间电路的交流等效电阻（相对于不同芯线之间所连接设备的等效电阻而言，R2和R2'的阻值相对固定，以下简称基准电阻R2和基准电阻R2'）。在测试开路故障时，基准电阻R2的选择应足够大（本实列为1.8 MΩ），信号发生器频率的选择使交流等效阻抗Z=（C为等效电容）小于基准电阻R2，则分压后输出电压大于VA/2（VA为信号发生器输出的信号幅值）。比较器门限值取VA/2，比较器输出高电平，指示灯亮，有提示音输出。当电缆开路时Z无限大，分压后输出电压为0，比较器输出低电平，指示灯不亮，无提示音输出，由此即判断为开路故障。

在测试短路故障时基准电阻R2'的选择应足够小（本实列为20 Ω）。因此，只有等效阻抗小于20 Ω时（视为短路）分压后输出电压大于VA/2（VA为信号发生器输出的信号幅值），比较器输出高电平，指示灯亮，有提示音输出。否则当等效阻抗大于20 Ω时（视为不短路），分压后输出电压小于VA/2，比较器输出低电平，指示灯不亮，无提示音输出。由此即可判断短路故障。

在线检测技术方案的原理图由信号发生器电路、基准与分压整流电路、比较器电路、多路转接电路、显示电路、微处理器及控制电路组成。在线检测电路组成框图如图3所示：

为便于计算，信号发生器可采用正弦信号发生器电路产生正弦信号。但实际应用中采用了如图4所示的3个与非门组成的多谐震荡器来产生交流信号。其中，R1和C1的选择使振荡频率在25 kHz到100 kHz之间。信号发生器产生的信号为方波，方波含有基波、二次谐波、三次谐波等许多频率成分的波。根据傅里叶变换，组成方波的各次谐波中，三次谐波以后振荡幅度快速衰减。因此，在本电路的实际应用中可根据方波的振荡频率近似计算等效阻抗。

基准与分压整流电路和比较器电路如图5所示。

基准与分压整流电路由R2、R3、V1、C2组成。其中，R2、R2'对基准电阻的影响最大，选择高精度金属电阻，精度为1%，R2阻值为1.8 M，R2'阻值为20 Ω；R3、V1、C2组成整流采样电路，V1采用整流二极管1N4148，R3、C2根据信号频率选择。

比较器由V2、R4、R5组成。V2采用单电源运算放大器LM358，R4、R5根据信号幅度选择。

3 多芯电缆的在线检测

3.1 主要功能和技术指标

多芯电缆的在线检测（以64芯电缆为例），主要功能和技术指标如下：

（1）在线检测功能：电缆单端接入（另一端接设备）即可测试电缆的通断；

（2）显示功能：显示故障电缆芯线编号；

（3）电缆芯线小于或等于64芯。

3.2 多路转接控制

多路转接电路部分由4个16通道模拟开关和控制逻辑电路组成，其中模拟开关电路采用MAXIN的16通道模拟开关电路MAX4968。多路转接电路组成框图如图6所示。

微处理器及控制电路由51系列单片机及其外围电路组成，编程语言采用C51语言。

显示器采用LCD显示，提示音电路由蜂鸣器及驱动电路组成。

4 关键技术及实现途径

（1）交流阻抗分压采样检测技术

在线检测技术利用电子设备的两两引线之间对交流信号呈现交流阻抗的原理，采用交流阻抗分压采样检测技术实现电缆开路故障、短路故障的在线检测。如图4所示电缆连接正常时，交流等效阻抗Z=，C为等效电容，适当选取信号频率使交流等效阻抗与基准电阻R2相当，则分压后输出电压约为VCC/2，比较器输出高电平，指示灯亮，有提示音输出。当电缆开路时Z无限大，分压后输出电压为0，比较器输出低电平，指示灯不亮，无提示音输出。由此即可判断为开路故障。

（2）多路组合选择输入检测技术

本在线检测技术通过多路组合选择输入检测技术实现多芯线电缆的多芯线同时检测和短路故障检测。实现途径如下：

1）多芯线同时检测：如图5所示，通过多路模拟开关使多根芯线分别接入，分别检测，再由微处理器控制，同时显示检测结果。

2）短路检测：通过多路模拟开关使多根芯线两两分别接入，分别检测，再由微处理器控制进行组合逻辑判断两两芯线之间的短路故障。

5 比对测试结果

用交换机的三种接口对应的三根7芯、10芯、19芯电缆做了比对测试。测试结果如表1所示。7芯、10芯、19芯在线测试结果与实际故障情况相符，符合率100%。7芯、10芯、19芯三种电缆，每根电缆在线测试平均测试时间小于1分钟。检测时间与拆卸电缆后检测时间相比，缩短数十倍，甚至更多。

在线检测技术带来的有益效果是：

（1）在线检测技术在电缆的一端通过在线即可检测电缆的故障，减少设备测试或维修中拆卸设备的工作量。

（2）在线检测技术通过在线测试可判断多芯线电缆的故障，并同时显示故障电缆芯线号和故障类型，从而提高了电缆检测的效率。

（3）在线检测技术用较简单和较容易实现的方案解决在线测试的问题，降低了制造成本。

6 结束语

电缆在线检测技术为复杂电子系统的测试、维修，提出了一种全新的电缆在线检测方法。在车载、机载、船载等设备高度密集的电子系统中，特别是在处理应急事件的场合下测试或维修电子系统，需要快速检测电缆故障时，电缆在线检测意义重大。

参考文献：

[1] 董荔真，倪福卿，罗伟雄. 非线性电子线路分析基础[M]. 北京： 高等教育出版社， 1983.

[2] 浙江大学半导体器件教研室. 晶体管原理[M]. 北京： 国防工业出版社， 1980.

[3] 王渭滨. 万用表的工作原理[J]. 中国邮政， 1978（2）.

[4] 刘勇. HP34401A万用表设计原理[J]. 仪表技术， 1994（5）： 25-29.

[5] 眭肖钰，李依凡，金斌翔，等. 电力电缆故障检测技术与设备[J]. 电力设备， 2008（6）： 77-79.

[6] 李建輝. 电力电缆故障检测方法与应用[J]. 河北电力技术， 2009（3）： 36-38.

[7] 魏书宁，龚仁喜，刘珺. 电力电缆故障检测的方法与分析[J]. 计算技术与自动化， 2005（3）： 124-126.

[8] 国家测绘总局测绘研究所情报室. 国外电磁波测距仪发展概况[J]. 测绘通报， 1975（1）： 36-41.

[9] 宋建辉，袁峰，丁振良，等. 电磁波反射测长系统的设计[J]. 仪表技术与传感器， 2009（2）： 87-88.

[10] 朱云华，艾芊，陆锋. 电力电缆故障测距综述[J]. 电力系统保护与控制， 2006，34（14）： 81-88.

[11] 袁宇正，沈国健，潘正凤，等. 电磁波测距仪讲座（一）[J]. 测绘通报， 1977（2）.