專利名稱：電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域測試系統(tǒng)及測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電纜轉(zhuǎn)移阻抗的測試系統(tǒng)及測試方法，具體地說，涉及一種電纜 轉(zhuǎn)移阻抗時域測試系統(tǒng)及測試方法。
背景技術(shù)：
電纜的屏蔽質(zhì)量是衡量電纜性能的重要因素，而電纜的表面轉(zhuǎn)移阻抗是一個可以 相對客觀地反映電纜的屏蔽質(zhì)量的重要參數(shù)，因此，對多種電纜的表面轉(zhuǎn)移阻抗進(jìn)行測試 研究，就可以確定這些電纜屏蔽質(zhì)量的性能優(yōu)劣，從而為電纜的選用帶來方便。目前現(xiàn)有的電纜轉(zhuǎn)移阻抗的基本都是在頻域下進(jìn)行測量的，其中有的采用點頻測 量法、有的直接利用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行的S參數(shù)分析轉(zhuǎn)移阻抗。它具有以下不足之處在評估 屏蔽電纜的電磁脈沖防護(hù)能力時，一方面測試結(jié)果不夠直觀，另一方面測試數(shù)據(jù)也不便于 時域分析應(yīng)用。目前也出現(xiàn)了轉(zhuǎn)移阻抗的時域測量方法。周啟明等人曾設(shè)計了一種時域測量裝 置。通過該方法能夠得到電纜轉(zhuǎn)移阻抗的傳遞函數(shù)，但是該方法所用的設(shè)備復(fù)雜，并且使用 了光纖傳輸系統(tǒng)。此外，測試結(jié)果與成熟的頻域測試方法的一致性還有待考察。另外隨著 工程中各種綜合電纜的廣泛應(yīng)用，電纜的屏蔽層和芯線都越發(fā)復(fù)雜，現(xiàn)有的表面轉(zhuǎn)移阻抗 測量裝置和測試方法所能達(dá)到的測量范圍受到了挑戰(zhàn)，設(shè)計一種具有更廣泛的測試范圍、 更實用的測試方法成為必然的發(fā)展趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種新的電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域測試 系統(tǒng)及測試方法。本發(fā)明的電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域測試系統(tǒng)，包括下列組成部分用于產(chǎn)生激勵信號的高壓脈沖信號發(fā)生器；用于接收注入信號和響應(yīng)信號的示波器，帶有用于接收注入信號的通道和接收響 應(yīng)信號的通道；用于衰減激勵信號的衰減器；用于同時觀察注入信號和響應(yīng)信號的同軸結(jié)構(gòu)電流探頭，帶有與高壓脈沖信號發(fā) 生器相連的輸入端口、與示波器相連的監(jiān)測端口和與阻抗電路相連的輸出端口 ；用于固定被測電纜的同軸夾具；阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)選地，所說的高壓脈沖信號發(fā)生器選自能夠產(chǎn)生前沿小于3ns的雙指數(shù)脈沖信號和方 波信號的高壓脈沖信號發(fā)生器；所說的同軸結(jié)構(gòu)電流探頭選自羅氏線圈；所說的同軸夾具上套有屏蔽管套，兩端帶有BNC接頭。
本發(fā)明的電纜轉(zhuǎn)移阻抗的時域測試方法，包括下列步驟1)高壓脈沖發(fā)生通過高壓脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生幅度和周期可控的高壓脈沖激勵信號；2)讀取激勵信號將步驟1)中產(chǎn)生的高壓脈沖激勵信號通過同軸結(jié)構(gòu)電流探頭 的監(jiān)測端口輸出至示波器，接收并讀取測試系統(tǒng)獲得的注入脈沖；3)激勵被測電纜將步驟1)中產(chǎn)生的高壓脈沖激勵信號，通過同軸結(jié)構(gòu)電流探頭 的輸出端口輸出至由被測電纜的屏蔽層和芯線組成的內(nèi)電路，對內(nèi)電路施加方波信號進(jìn)行 激勵；4)確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)根據(jù)被測電纜及同軸夾具構(gòu)成的裝置的特性阻抗以及示 波器的阻抗計算并確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中電阻的阻值；5)接收響應(yīng)信號將由被測電纜的屏蔽層和同軸夾具組成的外電路連接至示波 器，接收并讀取測試系統(tǒng)獲得的響應(yīng)脈沖；6)獲得被測電纜的轉(zhuǎn)移阻抗根據(jù)步驟2)和步驟5)所得的注入脈沖和響應(yīng)脈 沖，通過運(yùn)算獲得被測電纜的轉(zhuǎn)移阻抗；運(yùn)算方式如下根據(jù)測量到的注入系統(tǒng)的電SU1 (t)及內(nèi)電路的特性阻抗R1，得到內(nèi)電路中的電 流為
(3)分別將采集到的隊⑴和IJt)做快速傅里葉變換，得到電流和電壓的頻域值 《(/ )和/,(/ )，由式(4)求得電纜的轉(zhuǎn)移阻抗的頻譜； 7)建立轉(zhuǎn)移阻抗計算模型根據(jù)步驟2)和步驟5)所得的注入脈沖I1 (t)和響應(yīng) 脈沖U2 (t)，采用參數(shù)估計的方法獲得轉(zhuǎn)移阻抗的系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型。 本發(fā)明電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域測試系統(tǒng)的工作原理是由電纜的屏蔽層和芯線組成內(nèi) 電路，被測電纜的屏蔽層和同軸夾具組成外電路，進(jìn)而通過測量內(nèi)外電路的電流和電壓的 方法獲得被測電纜的轉(zhuǎn)移阻抗。本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理方法是根據(jù)注入測試系統(tǒng)的脈沖信號和系統(tǒng)的響應(yīng)脈沖，運(yùn) 用參數(shù)估計方法建立轉(zhuǎn)移阻抗的系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型，再將注入脈沖經(jīng)過以電纜表面轉(zhuǎn)移阻 抗為傳遞函數(shù)的系統(tǒng)，得到一個新的輸出信號，對比原始響應(yīng)脈沖與注入脈沖通過所建立 的系統(tǒng)得到的新的輸出信號是否一致，從而驗證對轉(zhuǎn)移阻抗項所建系統(tǒng)的正確性。本發(fā)明的測試系統(tǒng)及測試方法具有如下技術(shù)效果1)本發(fā)明不僅適用于時域測試方法也可通過數(shù)據(jù)處理獲得頻域轉(zhuǎn)移阻抗曲線；2)本發(fā)明的轉(zhuǎn)移阻抗時域測試系統(tǒng)，可同時觀測注入脈沖和響應(yīng)脈沖波形，可直 接獲得電纜的脈沖波屏蔽效能；3)通過本發(fā)明的時域測試測試方法和數(shù)據(jù)處理方法獲得的模型可應(yīng)用于電纜對電磁脈沖耦合情況的分析中。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
來對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。圖1是電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域測試系統(tǒng)連接示意圖；圖2是時域測試系統(tǒng)中的同軸結(jié)構(gòu)電流探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(a)是特性阻抗Z小于50Ω的時域測試系統(tǒng)中的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接示意圖圖3(b)是特性阻抗Z大于50Ω的時域測試系統(tǒng)中的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接示意圖圖4 (a)是時域測試系統(tǒng)的注入脈沖；圖4(b)是時域測試系統(tǒng)的響應(yīng)脈沖；圖5是時域、頻域測得的轉(zhuǎn)移阻抗及建模所得結(jié)果的對比。
具體實施例方式實施例1如圖1、圖2所示，本發(fā)明的電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域測試系統(tǒng)，包括下列組成部分1) 用于產(chǎn)生激勵信號的高壓脈沖信號發(fā)生器，所用的高壓脈沖信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生前沿小于 3ns的雙指數(shù)脈沖信號和方波信號；2)用于接收注入信號和響應(yīng)信號的示波器，帶有用于 接收注入信號的通道1和接收響應(yīng)信號的通道2 ；3)用于衰減激勵信號的衰減器；4)用于 同時觀察注入信號和響應(yīng)信號的同軸結(jié)構(gòu)電流探頭，帶有與高壓脈沖信號發(fā)生器相連的輸 入端口、與示波器相連的監(jiān)測端口和與阻抗電路相連的輸出端口 ；5)用于固定被測電纜的 同軸夾具；同軸夾具是一個圓柱形銅質(zhì)屏蔽管套。該夾具與裝在其中的被測電纜同軸，并且 兩端均采用BNC接頭與外界設(shè)備相連接。6)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。同軸結(jié)構(gòu)電流探頭是一種特殊結(jié)構(gòu)的羅氏線圈(Rogowski線圈，羅科夫斯基線 圈)，該電流探頭所使用的羅氏線圈骨架為錳鋅鐵氧體，骨架外型尺寸為外徑10mm，內(nèi)徑 6mm，高度5mm，繞線線徑0. 5mm，共繞10圈；負(fù)載電阻為50 Ω。本發(fā)明的電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域測試系統(tǒng)中所用的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)用于抑制信號反射。 測試中所采用的儀器端口電阻都是50 Ω，如果測試系統(tǒng)內(nèi)電路的特性阻抗與儀器端口不匹 配，并且反射系數(shù)大于0. 2時則需要添加此匹配電路。實施例2以型號為SYV 50-3的電纜為例，采用本發(fā)明的測試系統(tǒng)測量其轉(zhuǎn)移阻抗，按以下 步驟進(jìn)行1)高壓脈沖發(fā)生通過高壓脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生幅度和周期可控的高壓脈沖信 號；2)讀取激勵信號將步驟1)中產(chǎn)生的高壓脈沖激勵信號通過同軸結(jié)構(gòu)電流探頭 的監(jiān)測端口輸出至示波器，接收并讀取測試系統(tǒng)獲得的注入脈沖；波形如圖4(a)所示，此 處需根據(jù)高壓脈沖信號的幅度及示波器的耐壓選取合適的衰減器衰減激勵信號；3)激勵被測電纜將步驟1)中產(chǎn)生的高壓脈沖激勵信號，通過同軸結(jié)構(gòu)電流探頭 的輸出端口輸出至由被測電纜的屏蔽層和芯線組成的內(nèi)電路，對內(nèi)電路施加方波信號進(jìn)行 激勵；
4)確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)根據(jù)被測電纜及同軸夾具構(gòu)成的裝置的特性阻抗以及所 用示波器的阻抗(一般為50 Ω )計算并確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中電阻的阻值。具體計算方法為添加匹配電路時，若特性阻抗Z小于50 Ω，則匹配電路的連接方 式如圖3(a)所示，其中RS、RP分別為 若特性阻抗Z大于50 Ω，則匹配電路的連接方式如圖3 (b)所示，其中Rs、Rp分別 為 5)接收響應(yīng)信號將由被測電纜的屏蔽層和同軸夾具組成的外電路連接至示波 器，接收并讀取測試系統(tǒng)獲得的響應(yīng)脈沖，如圖4(b)所示；6)獲得被測電纜的轉(zhuǎn)移阻抗根據(jù)如圖4(a)、(b)所示的步驟2)和步驟5)所得 的注入脈沖和響應(yīng)脈沖，通過運(yùn)算獲得被測電纜的轉(zhuǎn)移阻抗；運(yùn)算方式如下根據(jù)測量到的注入系統(tǒng)的電SU1 (t)及內(nèi)電路的特性阻抗R1，得到內(nèi)電路中的電 流為 由于轉(zhuǎn)移阻抗的定義是在頻域內(nèi)給出的，為了從時域結(jié)果換算，需要對測量數(shù)據(jù) 進(jìn)行傅里葉分析。分別將采集到的隊(0和I1U)做快速傅里葉變換，得到電流和電壓的頻 域值和/,(>)，進(jìn)而可由式⑷求得電纜的轉(zhuǎn)移阻抗的頻譜。( 7)轉(zhuǎn)移阻抗計算模型的建立根據(jù)步驟2)和步驟5)所得的注入脈沖I1 (t)和響 應(yīng)脈沖U2 (t)，采用參數(shù)估計的方法獲得轉(zhuǎn)移阻抗的系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型 8)效果驗證將步驟2)產(chǎn)生的輸入信號經(jīng)過以電纜表面轉(zhuǎn)移阻抗為傳遞函數(shù)的系統(tǒng)H(Z)，得 到一個新的輸出信號《(O，對比原始響應(yīng)脈沖U2(t)與注入脈沖通過所建立的系統(tǒng)得到的 新的輸出信號仏(/)是否一致，從而驗證對轉(zhuǎn)移阻抗項所建系統(tǒng)的正確性。圖5為采用本發(fā)明的電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域測試系統(tǒng)及測試方法測得的電纜轉(zhuǎn)移阻 抗和傳統(tǒng)的頻域方法測得的電纜轉(zhuǎn)移阻抗以及建模所得結(jié)果的對比。該圖中，實線a表示 時域方法測試的結(jié)果，即由本發(fā)明所提供的方法測量的結(jié)果；實線b表示頻域測試的結(jié)果， 即由基于網(wǎng)絡(luò)分析儀方法測得的結(jié)果；虛線表示建模所得結(jié)果。其中，橫坐標(biāo)表示頻率，縱 坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)移阻抗。
由圖上可以看出兩種測量方法以及建模得到的轉(zhuǎn)移阻抗的幅頻特性達(dá)到了相似 的效果，得到的轉(zhuǎn)移阻抗幅頻特性吻合得較好，即本系統(tǒng)和方法可替代現(xiàn)有的頻域測試方 法，并具有一定的優(yōu)越性。此外，建模結(jié)果不僅能夠用利用較少的參數(shù)(M+N+1個參數(shù))很 好地反映出轉(zhuǎn)移阻抗的變化規(guī)律，而且去除了測試中帶來的噪聲干擾，能夠更準(zhǔn)確、更直觀 地表示出電纜轉(zhuǎn)移阻抗的幅頻特性。
權(quán)利要求
電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域測試系統(tǒng)，其特征在于，包括下列組成部分用于產(chǎn)生激勵信號的高壓脈沖信號發(fā)生器；用于接收注入信號和響應(yīng)信號的示波器，帶有用于接收注入信號的通道和接收響應(yīng)信號的通道；用于衰減激勵信號的衰減器；用于同時觀察注入信號和響應(yīng)信號的同軸結(jié)構(gòu)電流探頭，帶有與高壓脈沖信號發(fā)生器相連的輸入端口、與示波器相連的監(jiān)測端口和與阻抗電路相連的輸出端口；用于固定被測電纜的同軸夾具；阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域測試系統(tǒng)，其特征在于，所說的高壓脈沖 信號發(fā)生器選自能夠產(chǎn)生前沿小于3ns的雙指數(shù)脈沖信號和方波信號的高壓脈沖信號發(fā) 生器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域測試系統(tǒng)，其特征在于，所說的同軸結(jié)構(gòu) 電流探頭選自羅氏線圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域測試系統(tǒng)，其特征在于，所說的同軸夾具 上套有屏蔽管套，兩端帶有BNC接頭。
5.電纜轉(zhuǎn)移阻抗的時域測試方法，其特征在于，包括下列步驟1)高壓脈沖發(fā)生通過高壓脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生幅度和周期可控的高壓脈沖激勵信號；2)讀取激勵信號將步驟1)中產(chǎn)生的高壓脈沖激勵信號通過同軸結(jié)構(gòu)電流探頭的監(jiān) 測端口輸出至示波器，接收并讀取測試系統(tǒng)獲得的注入脈沖；3)激勵被測電纜將步驟1)中產(chǎn)生的高壓脈沖激勵信號，通過同軸結(jié)構(gòu)電流探頭的 輸出端口輸出至由被測電纜的屏蔽層和芯線組成的內(nèi)電路，對內(nèi)電路施加方波信號進(jìn)行激 勵；4)確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)根據(jù)被測電纜及同軸夾具構(gòu)成的裝置的特性阻抗以及示波器 的阻抗計算并確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中電阻的阻值；5)接收響應(yīng)信號將由被測電纜的屏蔽層和同軸夾具組成的外電路連接至示波器，接 收并讀取測試系統(tǒng)獲得的響應(yīng)脈沖；6)獲得被測電纜的轉(zhuǎn)移阻抗根據(jù)步驟2)和步驟5)所得的注入脈沖和響應(yīng)脈沖，通 過運(yùn)算獲得被測電纜的轉(zhuǎn)移阻抗；運(yùn)算方式如下根據(jù)測量到的注入系統(tǒng)的電SU1⑴及內(nèi)電路的特性阻抗R1，得到內(nèi)電路中的電流為 φ⑶分別將采集到的隊⑴和I1U)做快速傅里葉變換，得到電流和電壓的頻域值和 /,( ，由式⑷求得電纜的轉(zhuǎn)移阻抗的頻譜；—纖⑷7)建立轉(zhuǎn)移阻抗計算模型根據(jù)步驟2)和步驟5)所得的注入脈沖IJt)和響應(yīng)脈沖 U2 (t)，采用參數(shù)估計的方法獲得轉(zhuǎn)移阻抗的系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電纜轉(zhuǎn)移阻抗時域測試系統(tǒng)，包括下列組成部分用于產(chǎn)生激勵信號的高壓脈沖信號發(fā)生器；用于接收注入信號和響應(yīng)信號的示波器；用于衰減激勵信號的衰減器；用于同時觀察注入信號和響應(yīng)信號的同軸結(jié)構(gòu)電流探頭；用于固定被測電纜的同軸夾具；阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明具有如下技術(shù)效果1)不僅適用于時域測試方法也可通過數(shù)據(jù)處理獲得頻域轉(zhuǎn)移阻抗曲線；2)可同時觀測注入脈沖和響應(yīng)脈沖波形，可直接獲得電纜的脈沖波屏蔽效能；3)獲得的模型可應(yīng)用于電纜對電磁脈沖耦合情況的分析中。
文檔編號G01R27/16GK101871975SQ201010204030
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者周璧華, 周穎慧, 張琦, 李炎新, 石立華, 蘇麗媛, 陸峰, 陳彬, 高成 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)