电缆断点检测
作者：
学院：仪器科学与电气工程
引言
“ 电缆断裂位置探测器”主要运用两根电缆间产生耦合电容的原理来实现对电缆断裂
处的探测，能快速方便地发现电缆的断裂处，及时准确地对电缆实施维修。电路是由TL07ICP探测器构成，探测器引线的一端（a端）产生音信号，用探头夹子接于待测缆线的一端。探测器的另一根引线(b端)作为耦合电容的一个极板沿着待测电缆移动，用来接收从音频信号端发出的音频信号。当缆线无断裂时，（b端）可接收到从（a端）耦合过来的信号，耳机接收声音连续稳定。当（b端）移动到缆线断裂处时，无耦合电容（b端）接收到音频信号发生明显衰减，耳机端响声明显减弱。此处就是缆线断裂位置。
随着电子时代的到来，大量的电子通信产品使用都要用到电缆，电缆在当中的作用越来越显著，如在交通技术中，在船舶和海上设备中，在海底铺设海缆，在矿山中，在配电网中等等都用到电缆。电缆的性能状态良好与否直接关系到通信线路等方面的通断，探测器能方便电缆故障点的确定，及时进行维修，节约了人力和时间提高通信线路的通信效率。而电缆断裂是故障中较严重常见的一种，由于电缆一般外表都由一层很厚的绝缘材料包裹，如果直接对缆线进行检测，就面积破坏绝缘材料，损失惨重。而本设计能间接地探测电缆断裂的位置。电缆断裂处探测器在实际应用中发挥很重要的作用，其开发的前景也很好，可以通过测试不同的参数来判断电缆的断裂与否，电缆测试的方法，很早以来就对电缆断裂位置测定开发了很多方法，如Murray电桥探测法，Wurmbach电流方向探测法Graf点探测法,绝缘检测，精测法，电缆探测车，福禄克公司的620电缆测试仪是业界唯一一台能够在任意地方测试连通性的仪器，在电缆的另一端既不需要远端单元，还有很多用于电缆探测仪探测地层中电缆的断裂情况，其应用可算是相当广泛，其开发空间极其宽阔。
一 方案设计
1． 方案选择
备选方案 （ a ）: 万用表检测电缆故障
检测原理: 将有开路或者短路的故障电缆两头卸下，电缆内外导体都分开，若电缆有短路故障，表针一定会指到零位；当电缆开路时，应将电缆的另一头短接起来，再用万用表检查，若表针仍不摆动，证明该电缆有断开之处。 优点:检测设备简单。
缺点：a .大幅度破坏缆线绝缘层,因为在每次直接检测前必须毁坏缆线绝缘层。
b .大量耗费资金:大面积损坏缆线,补修缆线耗费资金.
备选方案（ b）：测寻低阻故障的反射法
检测原理：反射法，也叫脉冲回波法。它利用评价波阻抗发生
变化的点，例如故障点上产生的高频脉冲的原理，进行故障测寻。这种方法适用于初测低阻故障和段线故障。
故障点距离可由下式求出：
在断线故障
时或在电缆终端时产生正振幅，在接地或短路故障时产生负振幅。比较可看出故障点的位置
方案的优点：（1）能够很直观得判断电缆发生故障的位置和故障的类别（2）测量简便准确，操作很简单
方案的缺点：（1）测量仪器比较昂贵，需要产生脉冲波。
（2）脉冲波易受障碍物的影响，若前方有障碍物脉冲波易被反射，使测量发生
误差或错误
（3）利用脉冲波的反射法不适宜远距离的探测
2．方案确定: 电容耦合法检测电缆断裂故障
实验要求:间接检测电缆断裂位置.
实验现象：电缆无断裂时，耳机中会发出吱吱均匀间细的响声；如发现缆线断裂处时，耳机接收响声明显减弱。
工作条件:所测环境周围信号不易过强。
优点:a.操作方便:可连续，间接检测缆线连接情况,检测缆线长度不受.
b.节省时间,节省资金:可直接对缆线进行检测,测前不会对原有缆线带来任何毁坏. c.准确可靠:近用一次就可检测出缆线断裂位置. d.可同时检测各种粗细导线的断裂处，
e.发射信号频率可调，使在不同环境中最大限度地减小工频干扰
3． 方案论证
工作原理: (1) 音频振荡器
音频振荡器由ICI及其外围元器件组成，它是个处于标 准不稳态模式的低功率555计时器，产生0HZ典型频 率的矩形波，其中为了与输出信号串联起限流作用，用R3 作保护电阻它与输出信号串联起限流作用. (2) 缓冲器与高通滤波器
IC2为探测器的同相缓冲器，利用输入偏压电阻R6把 它的输入阻抗调到10M欧姆。信号从缓冲级馈入高通滤波 器。滤波器的截止频率大约为765Hz,所以测试信号没有产 生显著的衰减,它对50Hz的频率产生巨大的衰减.
(3) 输出放大器
输出放大器主要由IC3-2及其外围的有关元件共同构成。采用 同相放大电路,由R12与R13电阻分压将该电路的电压增益调到刚 好50以下.为了监听注入信号的大小以判断故障的位置，C9用于将 IC3-2的7脚输出的信号耦合到耳机插座XSP,用以监听注入信号的 大小,以判断故障的位置. 各项技术指标:
(1) 音频振荡器: 产生0HZ典型频率的方波.
(2) 缓冲器与高通滤波器:滤除50HZ交流信号干扰. (3) 放大器: 放大音频信号。
二 总体设计
1.电缆断裂处探测器检测原理方框图：
音频高阻抗高通放大输出 屏蔽探头被测2．各单元作用
(1) 音频振荡器:为电路提供一个高频信号。
(2) 缓冲器与高通滤波器:对50HZ交流哼声的影响产生80dB巨大衰减,从而提高检测器的灵敏度,供晶体耳机判断结果.
(3) 输出放大器: 放大高频滤波器输出的微弱信号,以便将信号耦合到耳机插座,判断故障位置.
3．各单元间的匹配关系
首先，由音频振荡器IC1输出0HZ频率的矩形波信号,该信号耦合到缓冲器IC2的输入端，并经串联保护电阻R3限流作为缓冲器IC2的输入信号；缓冲器IC2的输出信号馈入由IC2-1组成的四级高通滤波器，对其进行滤波，此时由滤波器输出端输出的信号中已无交流哼声的干扰，此时滤波器的输出端只有频率高于高通滤波器下限截止频率1KHZ的高频信号。此信号作为放大器IC3-2的输入信号被放大50倍以下，再由IC3-2的输出端经电容C9耦合到耳机插座XSP，以便检测电缆断裂故障的位置。
三 各单元电路设计
电缆断裂处探测电路由三个单元电路所组成，包括音频振荡器，高阻抗缓冲器和高
通滤波器，放大器。为实现用所听到的音频信号的有无来确定电缆断裂位置。
1． 音频振荡器
设计原理：音频振荡器由ICI及其外围元器件组成，它是个处于标准不稳态模式的低功率555计时器，产生0HZ频率的矩形波，其中为了与输出信号串联起限流作用，加入R3作保护电阻。IC2作为探测器的同相缓冲器，利用输入偏压电阻R6把它的输入阻抗调到10M欧姆。
信号从
缓冲级馈入高通滤波器。
由AN555的原理可知，接通电源后，电容C2被充电，Vc（2脚电压）上升，当Vc上升到2/3Vcc（电源电压）时，触发器被复位，同时电容C放电,BJT T导通，此时3脚输出为0则7脚内部接地。电容C2通过R2和T放电，使Vc下降，当Vc下降到1/3Vcc时触发器又被置位，3脚输出电压电平翻转为高电平即为1。电容器C放电所需时间为T1 ；当电容C2放电结束时，T截止，Vcc将通过R1，R2向电容器C2充电，Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc当3脚输出为1，则7脚内部断开，电容C2充电，充电时间为 T2，则音频振荡器产生852.2KHZ频率的矩形波，其周期为T，频率f其中为了与输出信号串联起限流作用，用R3作保护电阻。 计算公式:
T1 = R2×C×In2 = 220k×3300pF×㏑2 = 0.0050322 s
T2 =（R1+R2）×C×㏑2 = (51k +220k) ×3300pF×㏑2 = 0.0061988 s T = T1+T2=0.0050322+0.0061988 = 0.0112310s F = 1/T = 1.443/(R1+2×R2) = 8.7588 HZ
音频震荡器备选方案：COMS斯密特触发器作为方波发生器。
图中方框为CMOS斯密特触发器 （a）备选方案的缺点：其特殊处是其充放电不是同一个电阻，占空比可调。
（b）不被采取的原因：本设计采用的音频振荡器由555器件构成，其价格低廉功能齐全。
2．缓冲器与高通滤波器
(1)缓冲器原理：由于在振荡器的工作频率下，从待测电缆到探测器之间的阻抗时很高的，因此在电路的输入端采用高阻抗的缓冲级产生10M欧姆的输入阻抗，电路中R6为输入偏压电阻使输入阻抗调到10M欧姆.
缓冲器电路图
高通滤波器电路图
(2)滤波器原理：一般对于单级RC滤波器来说，从通带到阻带的过渡是缓慢的若要求快速过渡，可将多级RC滤波器组合在一起，最后构成较理想的RC高通滤波器，这样从通带到阻带的过渡加快了但每增加一级其电压衰减就增加6dB。由于电路的高灵敏度使探测器易受50HZ交流哼声影响，则采用高通滤波器来减弱低于1KHZ信号，在50HZ产生80dB的衰减提高检测器的灵敏度，其截止频率为f=1/6.28RC计算结果大约为1KHZ（3）高通滤波器备选方案：二阶巴特沃斯高通滤波器
其下限截止频率：
f = 1/（2×3.14×R×C）
（a）优点：二阶巴特沃斯高通滤波器在通带内有最大的平坦区，阻带到通带迅速上升，有较好的选择性。
(b) 缺点：二阶巴特沃斯高通滤波器的项频特性是非线性的，通带内有一定的波动。
3． 输出放大器
（1）输出放大器原理：输出放大器主要由IC3-2及其外围的有关元件共同构成。采用同相放
大器。为了使该放大器的电压增益可以正好调到50左右采用R12和R13分压，R12取值100K，R13取值2K。其中电容C9起到滤波作用。为了监听注入信号的大小以判断故障的位置，利用C9将IC3-2的（7）脚输出的信号耦合到耳机插座XSP。 由电路参数可计算出放大倍数：
A =（R12+R13）/R13 = （100 + 2）/251 = 51
（2）放大器备选方案：高频放大器LA4100接成OTL电路
(a)缺点：集成器件管脚多，彼此容易受相互影响。
(b)优点：对输入信号进行有选择的放大，同时起到滤波的作用 ，对输入信号再一次过滤，提取并放大有效输入信号。
(c)不被采取的原因：本设计主要放大输入信号中0Hz的音频信号，由于输入信号已经通过
高通滤波器，公频信号已经滤除，所以放大器输出信号主要就是音频信号，公频信号
对信号的检测可忽略不计。如果采用LA4100高频放大器，只起到再次滤除公频信号和放大高频信号的作用，而对此设计结果意义可忽略。并且集成器件且价格昂贵，若用在本设计中其他没有被有效利用，浪费资源。
四 各单元电路测试
单元（1）音频振荡器的测试
对应指标：输出频率 f = 0Hz 占空比为 Q = 3：3.4 实测数据：输出频率 f = 852.2Hz 占空比为 Q = 3：3.4
实测曲线：
单元（2）缓冲器与高通滤波器
对应指标： 输出频率 f = 0Hz 占空比为 Q = 3：3.4
实测数据： 输出频率 f = 852.2Hz 占空比为 Q = 3：3.4 实测曲线：
单元（3）输出放大器
对应指标：放大倍数 A =（R12+R13）/R13=51 实测数据：放大倍数 A = 50 实测曲线：
五 整体测试
（1）实测数据：在耳机输出端检测到减弱的输入音频信号，但频率和占空比都没有发生变
化。
（2）所用仪器，设备名称及型号：示波器 万用表 耳机 缆线
（3）技术指标：缆线断裂度：8cm 实 测: 能检测到断
裂度1cm
六 结论
1 对问题要求的实现情况：
完成了实验要求，但干扰信号过大，耳机始终有扰人的嗡嗡声，影响心情，但不影响判断结果。
2．不足之处：抗杂波干扰能力小.
解决方案:安装金属外盒,对探测电路进行屏蔽,以减小交流哼声和其他杂波干扰;XSK1与XSK2两个插座尽量远离安装,其电路引线避免交叉重叠,整个布局尽量使面板元件到印制电路板的导线最短;检测电缆时,除了要测试的导线外,电缆中的其余所有导线 应该接地.
2． 设计，调试中出现的问题：
在焊接电路时，发现所测结果也预期的不同，经过逐点检查发现焊点不牢即虚焊，各模块间有条线焊错位置，将线更正后出现的现象达到预期的部分。
其次，调试中器件之间的干扰较严重，消除相关的干扰比较困难，致使无法完全正确地显示较理想的结果，加之电缆之间耦合不明显，不能产生里理想电容值的耦合电容，若用小电容来代替电缆耦合产生的电容，选择电容值很小的电容将其接入电路后，产生预期现象，当接入电容即相当于电缆没有断裂，耳机中有翁鳴声，当没有接入时即电缆断裂则无声音。 再次，对电缆的原理不太了解，知识无法衔接，所查资料与该设计相关度不大。
七 附录
整体电路图
参考文献
（1） 何希才 伊兵 杜熠编著 《新型实用电子电路400例》 北京：电子工业出版社 1998.8 （2） 李哲英 余文龙 朱红 郭微 编著 《实用电子电路设计》 北京：电子工业出版社 1997.1
（3） [德]海因豪尔德，斯杜伯；门汉文，崔国璋，王海译编著 《电力电缆及电线》 北京：中国电力出版社，2001
（4） 李永乐 董欣编著 《Pspice电路设计与实现 》 北京:国防工业出版社 2005.1 （5） 孙余凯 项绮明 编著 《实用电子电路》 北京：电子工业出版社 2007.2
