一种电缆长度测量装置

1.本发明属于电缆长度测量领域，更具体地，涉及一种电缆长度测量装置。


背景技术：

2.对成捆成盘电缆进行长度测量时，由于电缆体积庞大，重量大，利用机械式方法将其展开后进行长度测量费时费力，因而使用电气方法，在不展开的情况下测量长度具有明显的优势。准确地测量电缆的长度，对于检验电缆的质量和减少施工问题方面具有重要的意义。另一方面，在购买电缆时，能够准确地知道电缆的长度，可有效防止电缆实际长度小于商家标称长度情况的发生。
3.目前，市面上主要的电气式电缆长度测量装置绝大多数体积都较大，重量达数公斤，使用不便。价格也在几千到数十万不等，成本较为高昂。且使用时需要使用外部220v电源供电，对现场条件要求较高。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种电缆长度测量装置，其目的在于提出一种便携式电缆长度测量装置。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电缆长度测量装置，包括：控制电路，方波激励电路，信号采集电路，人机交互界面，以及测量夹；
6.所述测量夹用于将待测电缆的一端与所述方波激励电路和所述信号采集电路连接；所述控制电路采用fpga芯片，用于根据来自所述人机交互界面的测量指令，向所述方波激励电路发送脉冲发生指令，所述方波激励电路用于产生窄方波脉冲并通过所述测量夹施加至所述待测电缆的一端，所述信号采集电路用于探测所述待测电缆的一端的窄方波脉冲并将其转换为数字信号发送给所述控制电路；
7.所述控制电路还用于计算由所述信号采集电路采集到的两次窄方波脉冲的时间差，并结合待测电缆内部的电磁传播速度计算得到待测电缆长度；其中，所述控制电路在计算所述时间差时，采用外部晶振，fpga内部采用锁相环倍频，以确定每次采集到窄方波脉冲信号的时间。
8.进一步，所述人机交互界面设有电缆信息选项，根据用户的选择，所述人机交互界面还用于向所述控制电路输入电缆信息，所述控制电路还用于根据所述电缆信息进行波速校正，调整用于待测电缆长度计算的波速。
9.进一步，采用内置电池供电。
10.进一步，所述控制电路在计算所述时间差时，采用50mhz外部晶振，fpga内部采用锁相环倍频，将50mhz时钟信号提升到250mhz或50mhz以上，以确定每次采集到窄方波脉冲信号的时间。
11.进一步，所述方波激励电路采用mosfet驱动器基于所述脉冲发生指令产生所述窄方波脉冲。
12.进一步，所述信号采集电路包括高速比较器、电阻和esd二极管；所述电阻通过测量夹与所述待测电缆的一端连接；当所述电阻两端的电压高于所述esd二极管的钳位电压时，所述esd二极管和所述电阻对采集到的脉冲进行钳位，钳位后的脉冲进入所述高速比较器以与参考电平进行比较，如果高于参考电位，所述高速比较器输出钳位电压，反之则输出0v，所述比较器向fpga芯片输出信号以用于判断脉冲上升沿。
13.进一步，所述待测电缆的另一端保持开路。
14.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
15.(1)本发明小巧轻便，成本低廉，便于携带，可做到只有手机大小。使用者只需要将本装置连接到同轴电缆的首端，选择电缆的电压等级和型号，通过内部算法计算即可自动得到波速参数，然后按下开始测量按键，即可测量到同轴电缆的长度，不需要将电缆展开，也不需要携带沉重的设备，在内置电池电量不足的情况下还可直接使用与手机相连的数据线进行供电。使用时不需要外部220v电源供电，对现场条件要求低。采用的锂电池可反复充电，免去了更换电池的麻烦。显示直观，操作方便，大大提升了工作效率。成本低廉，价格远低于市面上的测量设备。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的一种电缆长度测量装置硬件结构图；
17.图2为本发明实施例提供的测量方法流程图；
18.图3为本发明实施例提供的人机交互界面的示意图；
19.图4为本发明实施例提供的使用如图1所示的装置进行电缆长度测量的流程图；
20.图5为本发明实施例提供的控制电路检测电位的变化图；
21.图6为本发明实施例提供的信号采集电路的结构图。
22.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
23.1为控制电路，11为5v锂电池，12为人机交互界面，13为方波激励电路，14为信号采集电路，15为测量夹，2为信号发生模块，21为锁相环，22为参数设置模块，23为计算与显示模块，24为信号采集模块，4为oled显示屏，41为向上按键，42为向下按键，43为返回按键，44为确认按键，45为开始测量按键，46为程序重置按键，51为选择电压等级的界面，52为选择电缆型号的界面，53为参数设置完成准备测量的界面，54为显示测量结果的界面。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
25.一种电缆长度测量装置，包括：控制电路，方波激励电路，信号采集电路，人机交互界面，以及测量夹。测量夹用于将待测电缆的一端与方波激励电路和信号采集电路连接；控制电路采用fpga芯片，用于根据来自机交互界面的测量指令，向方波激励电路发送脉冲发生指令，方波激励电路用于产生窄方波脉冲并通过测量夹施加至待测电缆的一端，信号采集电路用于探测待测电缆的一端的窄方波脉冲并将其转换为数字信号发送给控制电路；控
制电路还用于计算由信号采集电路采集到的两次窄方波脉冲的时间差，并结合待测电缆内部的电磁传播速度计算得到待测电缆长度。
26.具体的，硬件部分包括控制电路、方波激励电路、信号采集电路、测量夹、人机交互界面，软件部分为若干个基于verilog语言的fpga程序模块,包括逻辑控制、人机交互控制等。测量夹分别与方波激励电路、信号采集电路相连，可采用sma接口，可直接与sma接口的电缆相连接；也可使用其他探头。
27.测量原理为通过行波法测量电缆长度：在同轴电缆的首端向末端发射一个行波脉冲，在末端发生反射，传播回首端，脉冲从首端出发和经末端反射返回首端时都会引起首端电位的变化，通过测量首端两次电位改变的时间差δt，结合电磁波在待测电缆中的波速v，可计算得到电缆长度l：
28.l＝v
·
δt/2
29.控制电路输出引脚分别与方波激励电路和人机交互界面相连，输入引脚分别信号采集电路和人机交互界面相连，测量夹分别与方波激励电路的输出端和信号采集电路的输入端相连。
30.控制电路采用fpga芯片，主要用于产生信号、测量时长并进行计算，控制整个装置运行。
31.方波激励电路包括直流升压电路和mosfet驱动器，通过将fpga产生的lvttl信号控制mosfet驱动器，让方波激励电路输出边缘陡峭且幅值高的窄方波脉冲，施加给电缆，检测精度高且可测量的电缆长度范围大。
32.例如，直流升压电路将3.3v的直流电压提升成更高的直流电压(以30v为例)，30v直流电压作为mosfet驱动器的供电，mosfet驱动器在得到30v直流电压供电后，当输入一个3.3v的窄脉冲信号时，会将其放大为一个30v的窄方波脉冲。其中，直流升压电路是升压芯片以及在输入端口的并联电容和输出端口的并联电容和电阻，例如为3.3v的直流电压放大，作为驱动器的供电。并联电容主要用于稳定输入和输出的直流电压，防止出现电压尖峰损坏元件，输出端口并联的电阻避免升压芯片空载输出受到损坏。
33.信号采集电路用于采集同轴电缆首端的电位，将电磁脉冲经过时引起的电缆电压变化进行模数转换，配合fpga程序软件滤波除去毛刺，处理得到数字信号输入到fpga芯片的输入引脚。
34.人机交互界面由显示屏和按键构成。优选的，所述人机交互界面设有电缆信息选项，根据用户的选择，所述人机交互界面还用于向所述控制电路输入电缆信息，所述控制电路还用于根据所述电缆信息进行波速校正，调整用于待测电缆长度计算的波速。也就是，开机后，可选的同轴电缆的电压等级与型号显示在显示屏上，通过按键选择，选择后软件自动校正波速，然后通过按下按键开始测量，测量结果直接显示在显示屏上。另外，还可以通过按键发出程序重置指令。
35.人机交互界面的显示屏采用oled显示屏，通过oled显示屏接收来自fpga芯片的数据，在oled显示屏上显示当前设定的参数以及测量到的电缆长度。
36.优选的，采用内置电池供电。整个装置可使用内置的5v锂电池供电，不需要额外使用220v电源供电，锂电池可反复充电，降低更换电池的频率，且体积小巧，有利于提高装置的便携程度。
37.例如，如图1所示，使用时通过测量夹15将装置与同轴电缆的首端相连，同轴电缆的末端保持开路。整个装置依靠5v锂电池11供电。如图1和图3所示，本装置上有人机交互界面12，人机交互界面12通过按键和oled显示屏4进行人机交互。按键共六个，分别实现向上选择、向下选择、返回、确认、开始测量和程序重置的功能，其中程序重置功能除用于重新开始测量外，还可用于在程序出现未知错误时，发出程序重置的指令以使程序恢复默认状态。
38.如图3和图4所示，开机后首先进入选择待测电缆的电压等级的界面51，当前选择的电压等级由oled显示屏4中的箭头指示。需要改变当前选择的电压等级时，可通过向上按键41和向下按键42移动箭头，改变选择的电压等级。选择完成后按下确认按键44，确定电压等级并进入电缆型号选择的界面52。
39.如图3和图4所示，进入电缆型号选择的界面52后，可通过与选择电压等级相似的步骤选择电缆型号。如果需要撤销之前电缆电压等级的选择，可以按返回按键43，返回到选择待测电缆的电压等级的界面51，重新选择电压等级。
40.如图2和图4所示，当电压等级和电缆型号选择完毕之后，参数设置模块22通过内置的波速校正算法计算待测电缆对应的波速v，然后波速v输出给计算与显示模块23，并且进入参数设置完成，准备测量的界面53。如果需要撤销电缆型号的选择，同样可以按返回按键43，返回到选择电缆型号的界面52，重新选择电缆型号。
41.如图1、图2、图3和图4所示，进入参数设置完成，准备测量的界面53后，按下开始测量按键45，fpga程序中的信号发生模块2通过改变内部寄存器数值并将其赋值给外部引脚，产生输出电平翻转，输出3.3v的lvttl信号，该电平被送入方波激励电路13。
42.如图1和图2所示，3.3v的lvttl信号驱动方波激励电路13，方波激励电路13产生压幅值较高且边缘陡峭的方波脉冲，通过测量夹15施加在同轴电缆的首端。
43.如图1所示，该方波脉冲施加在同轴电缆的首端后，同轴电缆中将产生传播速度为v的电磁波，从首端传播至末端，在末端由于电缆开路，全部反射，传播回首端。该电磁波出发以及返回时，都会引起首端电位的变化。
44.如图1和图2所示，首端电位的变化通过测量夹15被信号采集电路14采集，信号采集电路14通过模数转换技术将采集到的模拟电压信号转换为数字电压信号，将3.3v的数字信号输出给控制电路1。
45.如图1和图2所示，信号采集电路14输出的数字信号输入到fpga芯片中后，由信号采集模块24处理。信号采集模块24内置了滤波算法，可以将因扰动等因素产生的干扰信号滤去。信号采集模块24的时钟信号来源于锁相环21输出的250mhz时钟信号。信号采集模块24通过记录采集到信号采集电路14输出的数字信号的时刻，得到电磁波从出发到返回所用的时间δt，并将该值输出给计算与显示模块23。
46.如图1、图2、图3和图4所示，计算与显示模块23通过计算v
·
δt/2，得到同轴电缆长度l，并进行相关的数据处理，通过对应的通讯协议控制人机交互界面12中的oled显示屏4，进入显示测量结果的界面54。进入显示测量结果的界面54后，如果需要重新测量，可以按下程序重置按键46，回到择待测电缆的电压等级的界面51，即可重新开始测量。
47.本发明在只需知道电缆型号的条件下，实现高精度地测量电力电缆的长度，并且大幅度减小了装置体积，减轻了装置重量，大幅降低了成本，外形小巧使用方便，同时还不需要外部电源，可在较为简陋的环境下使用，为电源工程电力电缆改造、电源系统电力电缆
维护提供重要的基础数据，有利于降低施工难度、节省建设成本以及提高维护质量。
48.优选的，fpga芯片使用50mhz晶振时钟信号，软件部分为若干并行的模块，如图2所示，分别为：方波发生模块、参数设置模块、锁相环模块、脉冲检测模块、计算与显示模块，用于实现行波法测量电缆长度的逻辑。其中，锁相环将50mhz时钟信号提升到250mhz或更高，降低基础周期时间长度，提高检测精度。
49.也就是，控制电路在计算所述时间差时，采用50mhz外部晶振，fpga内部采用锁相环倍频，将50mhz时钟信号提升到250mhz或50mhz以上，以确定每次采集到窄方波脉冲信号的时间。
50.需要说明的是，测量中误差来自于δt，而δt＝t
2-t1，t1是第一次检测到上升沿(即初始脉冲)的时刻，而t2是第二次检测到上升沿(即反射波)的时刻。对于t1和t2的确定，遵循以下的原则：
51.如图5所示，下标i＝1，2；t为检测周期，是检测频率f的倒数。
52.当时刻(t
i-t)fpga芯片检测到的电位为低，时刻ti检测到的电位为高时，认为检测到上升沿，且认为上升沿到达的时刻为ti，而实际上升沿到达的时刻t
ai
介于(t
i-t)和ti之间，故上升沿到达时刻的测量误差为(t
i-t
ai
)。
53.由于(t
i-t
ai
)的值不超过t，通过提高检测频率f，t会减小，因而时间测量误差会减小，从而减小长度测量误差。
54.优选的，方波激励电路采用dc-dc升压芯片与高速mosfet驱动器，fpga产生的3.3v信号控制高速mosfet驱动器，低延迟地产生一个电压幅值较高且边缘陡峭的方波脉冲。
55.优选的，如图6所示，信号采集电路包括高速比较器、电阻和esd二极管；电阻通过测量夹与待测电缆的一端连接；当电阻两端的电压高于esd二极管的钳位电压时，esd二极管和电阻对采集到的脉冲进行钳位，钳位后的脉冲进入高速比较器以与参考电平进行比较，如果高于参考电位，高速比较器输出钳位电压，反之则输出0v，比较器向fpga芯片输出信号以用于判断脉冲上升沿。
56.信号采集电路通过测量夹测量在电缆的首端，当电磁脉冲发出或返回时，都会引起电缆首端电位的改变。信号采集电路具有滤波与模数转换的功能，将去除毛刺后的模拟电压信号转换为数字信号，输出到fpga芯片进行后续处理。
57.综上，本发明公开了一种基于波过程的便携式电缆长度测量仪，由核心控制电路、方波激励电路、信号采集电路、人机交互界面以及测量夹具组成，供电完全依靠内置5v锂电池，无需使用外部220v电源，同时预留type-c充电/供电接口为锂电池充电。整个设备仅手机大小，小巧轻便，便于携带；软件中含有开发的波速校正算法，可以根据测量电缆的不同进行波速校正，从而提高测量精度。使用时只需将测量夹具接在电力电缆的一端，从人机交互界面上选择电缆的电压等级与电缆类型，按下测量键即可进行测量，测量结果直接显示在显示屏上。携带方便，操作简单，显示直观，精度高，极大提高了工作效率。装置小巧轻便，便于携带，为使用者提供了便利，可广泛的运用到电力电缆的生产、维护和检修工作中。
58.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。