一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及传输线阻抗频谱的测量与分析技术领域，具体涉及一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置和方法，所述装置至少包括信号发生单元、信号采集单元、分析控制单元和数据存储单元，信号发生单元用于向被测电缆的一端发射入射信号以及用于发射参考信号，所述入射信号和所述参考信号具有相同的幅值和相位；所述信号采集单元用于同步的采集所述入射信号和反射信号，所述反射信号为由所述入射信号经过被测电缆后反射的信号，本发明专利技术通过扫频方法测量并计算扫频段内被测电缆阻抗的频谱，并在频域内对谱函数进行变换，在变换后的新域中实现对缺陷的定位并评估其严重程度，本发明专利技术与现有的电缆故障定位技术相比，抗噪性强、适用性广、可实现定量评估。

【技术实现步骤摘要】
一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置和方法
本专利技术涉及传输线阻抗频谱的测量与分析
，具体涉及一种通过频谱测量、频域变换和分析从而实现电缆局部缺陷评估的装置和方法。
技术介绍
传输线是输送电磁能的线状结构，位于信号源和负载之间，电缆是一种典型的传输线。传输线理论是一套比较成熟的理论，较多地应用于通信工程、电子电路等专业领域。传输线的特性取决于它的长度和所承载电信号的波长之间的差异，当传输线长度远小于信号波长时，传输线几乎不会影响电气回路的行为，此时从信号源侧看，线路阻抗Zin与负载的阻抗是相等的；但是当传输线长度大于电信号波长时，传输线将对电气回路的行为产生影响，此时从信号源侧看，除了一些特殊情况，线路阻抗与负载阻抗是不同的。电缆作为传输线，沿长度方向上的电压矢量V和电流矢量I服从以下微分方程：其中ω为信号的径向频率，R为导体电阻，L为电感，C为电容，G为绝缘电导率，后四个电气参数均为电缆在单位长度下的数值。使用这四个电气参数可以完整刻画电缆通入高频信号时的行为特征。在传输线理论中，通常使用两个复变函数描述传输线的行为，第一个是传递方程：通常简写成以下形式：γ＝α+jβ(0-04)其中实部α称为衰减常数，虚部β称为传递常数，β与信号的相速度ν、径向频率ω和波长λ的关系如下：第二个是特性阻抗：将(0-03)～(0-06)式代入微分方程组(0-01)和(0-02)，可得从电缆一端沿长度方向d相关的阻抗表达式为：其中Γd为广义反射系数，展开式如下：Γd＝ΓL·e-2γd(0-08)其中ΓL为负载反射系数，展开式如下：其中ZL为的电缆终端负载的阻抗。从方程式(0-07)～(0-09)可以看出当负载与特性阻抗相匹配时，在任意长度任意频率下，都有ΓL＝Γd＝0，Zd＝Z0＝ZL。传输线阻抗可由式(0-07)来描述，它是一个复变量，幅值和相位随信号频率变化的曲线如附图1所示。现有基于传输线理论试图定位电缆局部缺陷的方法，使用固定频率的入射信号，通过测量方程(0-01)中的电压矢量V随时间的变化来确定入射信号与反射信号之间的时延。然而在现场条件下，信号在电缆中的衰减以及环境噪声(特别是对于长度超过1000米的电缆)限制了这种方法的灵敏度，难以探测到电缆局部缺陷的初期状态，更无法反映出局部缺陷的发展趋势。基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估方法在国内缺少相关工作，尚缺乏专用的研究装置和技术。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置，采用模块化结构设计，用于完成电缆阻抗频谱的测量、计算和分析，从而定位被测电缆中的局部缺陷并评估其严重程度。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置，所述装置至少包括：信号发生单元，其用于产生指定频率的正弦波信号，其中一路作为向被测电缆一端发射的入射信号，另一路作为参考信号，所述入射信号和所述参考信号具有相同的幅值和相位；信号采集单元，其具有用于采集所述参考信号的第一采集通道和用于同步采集反射信号的第二采集通道，其中，所述反射信号为由所述入射信号经过所述被测电缆后反射的信号；分析控制单元，其与所述信号发生单元以及所述信号采集单元分别通信相连，包括对所述入射信号和所述参考信号的信号频率以及持续时间进行控制的控制模块，以及对所述信号采集单元采集到的所述反射信号与所述参考信号进行处理的数据分析模块；分析控制单元，其与所述信号发生单元以及所述信号采集单元分别通信相连，包括对所述入射信号和所述参考信号的发射时间以及信号频率进行控制的控制模块，以及对所述信号采集单元采集到的所述反射信号与所述参考信号进行处理的数据分析模块；数据存储单元，其与所述分析控制单元通信连接以存储所述分析控制单元获取到的信号数据及分析处理的结果数据。进一步的，所述装置还包括与所述数据存储单元通信连接用于发送和接收数据的通讯单元。进一步的，所述装置还包括分别与所述分析控制单元、所述数据存储单元和所述通讯单元分别通信连接的人机交互单元，所述人机交互单元具有人机交互接口和显示界面，用于接收输入的信息并由所述显示界面显示信息。进一步的，所述入射信号和所述参考信号为不高于100MHz的扫频正弦波信号，所述信号采集单元为双通道数字示波器。本专利技术还提供一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的方法，包括如下步骤：(1)采用所述信号发生单元产生所述入射信号和所述参考信号，所述入射信号从所述被测电缆的一端射入，采用所述信号采集单元的所述第一采集通道采集所述入射信号经过所述被测电缆后的反射信号，同步的，采用所述信号采集单元的所述第二采集通道采集所述参考信号；(2)根据所述反射信号和所述参考信号计算扫频段内所述被测电缆的阻抗；(3)定义一个新的域变换，将步骤(2)计算得到的阻抗的频谱函数变换为沿所述被测电缆长度方向的功率谱函数；(4)将步骤(3)中所述功率谱函数大于0dB的点视为沿所述被测电缆长度方向上因存在电气性能不连续而产生了回波，所述电气性能不连续的位置即为所述被测电缆的局部缺陷位置。进一步的，所述步骤(2)中，所述被测电缆的阻抗计算方法如下：其中，ZDUT是所述被测电缆的阻抗，Z1是用于采集所述反射信号的所述第一采集通道的阻抗，V1为所述第一采集通道处测得的电压矢量值，V0为所述第二采集通道处测得的电压矢量值。进一步的，所述步骤(3)中，将计算得到的频谱函数变换为功率谱函数的方法如下：f→t′(1-02)其中，νr＝ν/ν0；f是所述入射信号的频率，f为独立变量；d为被测电缆的长度；ν是所述入射信号在所述被测电缆中传播的相速度；νr是所述入射信号在所述被测电缆中的相对相速度；ν0是光在真空中的传播速度。进一步的，所述步骤(4)中缺陷位置的定位方法如下：计算在t′域中函数的频率f′，f′是t′域中相位函数的基波频率，也是所述入射信号从所述被测电缆的入射点传播至所述被测电缆的终端后再返回所述入射点的时间；当距离所述入射点距离为x处存在局部缺陷时，该处产生回波，使阻抗相位的功率谱中产生一个新的频率分量，这个频率为：在t′域中通过识别所述阻抗相位功率谱中的f′和f″，计算由于电气参数不连续而产生回波的位置：上述计算得到的x即为所述被测电缆的缺陷位置距离所述入射点的距离。进一步的，当所述被测电缆沿其长度方向有多个局部缺陷时，每个缺陷位置都对应了功率谱中的一个频率分量，通过频率分量fn计算与其对应的缺陷位置xn：上述计算得到的xn即为频率分量fn对应的缺陷与所述入射点之间的距离。进一步的，所述评估方法还包括如下步骤：(5)找出功率谱图中缺陷部位在所述被测电缆终端的另一侧产生的镜像峰，其中，所述镜像峰所在的位置到所述被测电缆终端的距离与缺陷部位到所述被测电缆终端的距离相等，将缺陷部位的峰顶与所述镜像峰峰顶用一条直线相连作为回波信号沿所述被测电缆长度方向上衰减的趋势线，该趋势线与以所述被测电缆终端位置为横坐标的纵向辅助线之间有一个交点，使用所述交点与所述终端峰峰值之间的距离用于评估所述电缆局部缺陷的严重程度。采用以上技术方案后，本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1、无损检测。本专利技术可使用电压低至5V的入射信号进行检测，不会损坏被测电缆及终端负载。2、抗噪性强。本专利技术使用的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置，其特征在于，所述装置至少包括：信号发生单元，其用于产生指定频率的正弦波信号，其中一路作为向被测电缆一端发射的入射信号，另一路作为参考信号，所述入射信号和所述参考信号具有相同的幅值和相位；信号采集单元，其具有用于采集所述参考信号的第一采集通道和用于同步采集反射信号的第二采集通道，其中，所述反射信号为由所述入射信号经过所述被测电缆后反射的信号；分析控制单元，其与所述信号发生单元以及所述信号采集单元分别通信相连，包括对所述入射信号和所述参考信号的信号频率以及持续时间进行控制的控制模块，以及对所述信号采集单元采集到的所述反射信号与所述参考信号进行处理的数据分析模块；数据存储单元，其与所述分析控制单元通信连接以存储所述分析控制单元获取到的信号数据及分析处理的结果数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置，其特征在于，所述装置至少包括：信号发生单元，其用于产生指定频率的正弦波信号，其中一路作为向被测电缆一端发射的入射信号，另一路作为参考信号，所述入射信号和所述参考信号具有相同的幅值和相位；信号采集单元，其具有用于采集所述参考信号的第一采集通道和用于同步采集反射信号的第二采集通道，其中，所述反射信号为由所述入射信号经过所述被测电缆后反射的信号；分析控制单元，其与所述信号发生单元以及所述信号采集单元分别通信相连，包括对所述入射信号和所述参考信号的信号频率以及持续时间进行控制的控制模块，以及对所述信号采集单元采集到的所述反射信号与所述参考信号进行处理的数据分析模块；数据存储单元，其与所述分析控制单元通信连接以存储所述分析控制单元获取到的信号数据及分析处理的结果数据。2.根据权利要求1所述的一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置，其特征在于：所述装置还包括与所述数据存储单元通信连接用于发送和接收数据的通讯单元。3.根据权利要求2所述的一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置，其特征在于：所述装置还包括分别与所述分析控制单元、所述数据存储单元和所述通讯单元分别通信连接的人机交互单元，所述人机交互单元具有人机交互接口和显示界面，用于接收输入的信息并由所述显示界面显示信息。4.根据权利要求1所述的一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置，其特征在于：所述入射信号和所述参考信号为不高于100MHz的扫频正弦波信号，所述信号采集单元为双通道数字示波器。5.一种采用如权利要求1至4任一项所述的装置进行电缆局部缺陷评估的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采用所述信号发生单元产生所述入射信号和所述参考信号，所述入射信号从所述被测电缆的一端射入，采用所述信号采集单元的所述第一采集通道采集所述入射信号经过所述被测电缆后的反射信号，同步的，采用所述信号采集单元的所述第二采集通道采集所述参考信号；(2)根据所述反射信号和所述参考信号计算扫频段内所述被测电缆的阻抗；(3)定义一个新的域变换，将步骤(2)计算得到的阻抗的频谱函数变换为沿所述被测电缆长度方向的功率谱函数；(4)将步骤(3)中所述功率谱函数大于0dB的点视为沿所述被测电缆长度方向上因存在电气性能不连续而产生了回波，所述电气性能不连续的位置即为所述被测电缆的局部缺陷位置。6.根据权利要求5所述的电缆局部缺陷评估的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述被测电缆阻抗的计算方法如下：其中，ZDUT是所述被测电缆的阻抗，Z1是用于采集所述反射信号的所述第一采集通道的阻抗，V1为所述第一采集通道处...

【专利技术属性】
技术研发人员：惠兆宇，刘韬，魏巍，池志远，王春晖，安英辉，李晓蔚，张涛，刘士立，
申请(专利权)人：广东核电合营有限公司，苏州热工研究院有限公司，大亚湾核电运营管理有限责任公司，中国广核集团有限公司，中国广核电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44