电缆转移阻抗时域测试系统及测试方法

摘要

本发明提供了一种电缆转移阻抗时域测试系统，包括下列组成部分：用于产生激励信号的高压脉冲信号发生器；用于接收注入信号和响应信号的示波器；用于衰减激励信号的衰减器；用于同时观察注入信号和响应信号的同轴结构电流探头；用于固定被测电缆的同轴夹具；阻抗匹配网络。本发明具有如下技术效果：1)不仅适用于时域测试方法也可通过数据处理获得频域转移阻抗曲线；2)可同时观测注入脉冲和响应脉冲波形，可直接获得电缆的脉冲波屏蔽效能；3)获得的模型可应用于电缆对电磁脉冲耦合情况的分析中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电缆转移阻抗的测试系统及测试方法，具体地说，涉及一种电缆转移阻抗时域测试系统及测试方法。

背景技术

电缆的屏蔽质量是衡量电缆性能的重要因素，而电缆的表面转移阻抗是一个可以相对客观地反映电缆的屏蔽质量的重要参数，因此，对多种电缆的表面转移阻抗进行测试研究，就可以确定这些电缆屏蔽质量的性能优劣，从而为电缆的选用带来方便。

目前现有的电缆转移阻抗的基本都是在频域下进行测量的，其中有的采用点频测量法、有的直接利用网络分析仪进行的S参数分析转移阻抗。它具有以下不足之处：在评估屏蔽电缆的电磁脉冲防护能力时，一方面测试结果不够直观，另一方面测试数据也不便于时域分析应用。

目前也出现了转移阻抗的时域测量方法。周启明等人曾设计了一种时域测量装置。通过该方法能够得到电缆转移阻抗的传递函数，但是该方法所用的设备复杂，并且使用了光纤传输系统。此外，测试结果与成熟的频域测试方法的一致性还有待考察。另外随着工程中各种综合电缆的广泛应用，电缆的屏蔽层和芯线都越发复杂，现有的表面转移阻抗测量装置和测试方法所能达到的测量范围受到了挑战，设计一种具有更广泛的测试范围、更实用的测试方法成为必然的发展趋势。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种新的电缆转移阻抗时域测试系统及测试方法。

本发明的电缆转移阻抗时域测试系统，包括下列组成部分：

用于产生激励信号的高压脉冲信号发生器；

用于接收注入信号和响应信号的示波器，带有用于接收注入信号的通道和接收响应信号的通道；

用于衰减激励信号的衰减器；

用于同时观察注入信号和响应信号的同轴结构电流探头，带有与高压脉冲信号发生器相连的输入端口、与示波器相连的监测端口和与阻抗电路相连的输出端口；

用于固定被测电缆的同轴夹具；

阻抗匹配网络。

优选地，

所说的高压脉冲信号发生器选自能够产生前沿小于3ns的双指数脉冲信号和方波信号的高压脉冲信号发生器；

所说的同轴结构电流探头选自罗氏线圈；

所说的同轴夹具上套有屏蔽管套，两端带有BNC接头。

本发明的电缆转移阻抗的时域测试方法，包括下列步骤：

1)高压脉冲发生：通过高压脉冲信号发生器产生幅度和周期可控的高压脉冲激励信号；

2)读取激励信号：将步骤1)中产生的高压脉冲激励信号通过同轴结构电流探头的监测端口输出至示波器，接收并读取测试系统获得的注入脉冲；

3)激励被测电缆：将步骤1)中产生的高压脉冲激励信号，通过同轴结构电流探头的输出端口输出至由被测电缆的屏蔽层和芯线组成的内电路，对内电路施加方波信号进行激励；

4)确定阻抗匹配网络：根据被测电缆及同轴夹具构成的装置的特性阻抗以及示波器的阻抗计算并确定阻抗匹配网络中电阻的阻值；

5)接收响应信号：将由被测电缆的屏蔽层和同轴夹具组成的外电路连接至示波器，接收并读取测试系统获得的响应脉冲；

6)获得被测电缆的转移阻抗：根据步骤2)和步骤5)所得的注入脉冲和响应脉冲，通过运算获得被测电缆的转移阻抗；

运算方式如下：

根据测量到的注入系统的电压U₁(t)及内电路的特性阻抗R₁，得到内电路中的电流为：

$I_1\left(t\right)=\frac{U_1\left(t\right)}{R_1}---\left(3\right)$

分别将采集到的U₂(t)和I₁(t)做快速傅里叶变换，得到电流和电压的频域值和由式(4)求得电缆的转移阻抗的频谱；

$Z_t\left(\mathrm{j\omega }\right)=\frac{{\hat{U}}_2\left(\mathrm{j\omega }\right)}{L{\hat{I}}_1\left(\mathrm{j\omega }\right)}---\left(4\right)$

7)建立转移阻抗计算模型：根据步骤2)和步骤5)所得的注入脉冲I₁(t)和响应脉冲U₂(t)，采用参数估计的方法获得转移阻抗的系统传递函数模型。

$H\left(z\right)=\frac{b_0+b_1{z}^{-1}+···+b_n{z}^{-M}}{1+a_1{z}^{-1}+···+a_N{z}^{-N}}$

本发明电缆转移阻抗时域测试系统的工作原理是：由电缆的屏蔽层和芯线组成内电路，被测电缆的屏蔽层和同轴夹具组成外电路，进而通过测量内外电路的电流和电压的方法获得被测电缆的转移阻抗。

本发明的数据处理方法是：根据注入测试系统的脉冲信号和系统的响应脉冲，运用参数估计方法建立转移阻抗的系统传递函数模型，再将注入脉冲经过以电缆表面转移阻抗为传递函数的系统，得到一个新的输出信号，对比原始响应脉冲与注入脉冲通过所建立的系统得到的新的输出信号是否一致，从而验证对转移阻抗项所建系统的正确性。

本发明的测试系统及测试方法具有如下技术效果：

1)本发明不仅适用于时域测试方法也可通过数据处理获得频域转移阻抗曲线；

2)本发明的转移阻抗时域测试系统，可同时观测注入脉冲和响应脉冲波形，可直接获得电缆的脉冲波屏蔽效能；

3)通过本发明的时域测试测试方法和数据处理方法获得的模型可应用于电缆对电磁脉冲耦合情况的分析中。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来对本发明作进一步地详细说明。

图1是电缆转移阻抗时域测试系统连接示意图；

图2是时域测试系统中的同轴结构电流探头内部结构示意图；

图3(a)是特性阻抗Z小于50Ω的时域测试系统中的阻抗匹配网络连接示意图：

图3(b)是特性阻抗Z大于50Ω的时域测试系统中的阻抗匹配网络连接示意图：

图4(a)是时域测试系统的注入脉冲；

图4(b)是时域测试系统的响应脉冲；

图5是时域、频域测得的转移阻抗及建模所得结果的对比。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2所示，本发明的电缆转移阻抗时域测试系统，包括下列组成部分：1)用于产生激励信号的高压脉冲信号发生器，所用的高压脉冲信号发生器能够产生前沿小于3ns的双指数脉冲信号和方波信号；2)用于接收注入信号和响应信号的示波器，带有用于接收注入信号的通道1和接收响应信号的通道2；3)用于衰减激励信号的衰减器；4)用于同时观察注入信号和响应信号的同轴结构电流探头，带有与高压脉冲信号发生器相连的输入端口、与示波器相连的监测端口和与阻抗电路相连的输出端口；5)用于固定被测电缆的同轴夹具；同轴夹具是一个圆柱形铜质屏蔽管套。该夹具与装在其中的被测电缆同轴，并且两端均采用BNC接头与外界设备相连接。6)阻抗匹配网络。

同轴结构电流探头是一种特殊结构的罗氏线圈(Rogowski线圈，罗科夫斯基线圈)，该电流探头所使用的罗氏线圈骨架为锰锌铁氧体，骨架外型尺寸为：外径10mm，内径6mm，高度5mm，绕线线径0.5mm，共绕10圈；负载电阻为50Ω。

本发明的电缆转移阻抗时域测试系统中所用的阻抗匹配网络用于抑制信号反射。测试中所采用的仪器端口电阻都是50Ω，如果测试系统内电路的特性阻抗与仪器端口不匹配，并且反射系数大于0.2时则需要添加此匹配电路。

实施例2

以型号为SYV 50-3的电缆为例，采用本发明的测试系统测量其转移阻抗，按以下步骤进行：

1)高压脉冲发生：通过高压脉冲信号发生器产生幅度和周期可控的高压脉冲信号；

2)读取激励信号：将步骤1)中产生的高压脉冲激励信号通过同轴结构电流探头的监测端口输出至示波器，接收并读取测试系统获得的注入脉冲；波形如图4(a)所示，此处需根据高压脉冲信号的幅度及示波器的耐压选取合适的衰减器衰减激励信号；

3)激励被测电缆：将步骤1)中产生的高压脉冲激励信号，通过同轴结构电流探头的输出端口输出至由被测电缆的屏蔽层和芯线组成的内电路，对内电路施加方波信号进行激励；

4)确定阻抗匹配网络：根据被测电缆及同轴夹具构成的装置的特性阻抗以及所用示波器的阻抗(一般为50Ω)计算并确定阻抗匹配网络中电阻的阻值。

具体计算方法为：添加匹配电路时，若特性阻抗Z小于50Ω，则匹配电路的连接方式如图3(a)所示，其中R_s、R_p分别为：

$R_s=50\sqrt{1-\frac{Z}{50}},$$R_p=\frac{Z}{\sqrt{1-\frac{Z}{50}}}---\left(1\right)$

若特性阻抗Z大于50Ω，则匹配电路的连接方式如图3(b)所示，其中R_s、R_p分别为：

$R_s=Z\sqrt{1-\frac{50}{Z}},$$R_p=\frac{50}{\sqrt{1-\frac{50}{Z}}}---\left(2\right)$

5)接收响应信号：将由被测电缆的屏蔽层和同轴夹具组成的外电路连接至示波器，接收并读取测试系统获得的响应脉冲，如图4(b)所示；

6)获得被测电缆的转移阻抗：根据如图4(a)、(b)所示的步骤2)和步骤5)所得的注入脉冲和响应脉冲，通过运算获得被测电缆的转移阻抗；

运算方式如下：

根据测量到的注入系统的电压U₁(t)及内电路的特性阻抗R₁，得到内电路中的电流为：

$I_1\left(t\right)=\frac{U_1\left(t\right)}{R_1}---\left(3\right)$

由于转移阻抗的定义是在频域内给出的，为了从时域结果换算，需要对测量数据进行傅里叶分析。分别将采集到的U₂(t)和I₁(t)做快速傅里叶变换，得到电流和电压的频域值和进而可由式(4)求得电缆的转移阻抗的频谱。

$Z_t\left(\mathrm{j\omega }\right)=\frac{{\hat{U}}_2\left(\mathrm{j\omega }\right)}{L{\hat{I}}_1\left(\mathrm{j\omega }\right)}---\left(4\right)$

7)转移阻抗计算模型的建立：根据步骤2)和步骤5)所得的注入脉冲I₁(t)和响应脉冲U₂(t)，采用参数估计的方法获得转移阻抗的系统传递函数模型：

$H\left(z\right)=\frac{b_0+b_1{z}^{-1}+···+b_n{z}^{-M}}{1+a_1{z}^{-1}+···+a_N{z}^{-N}}$

8)效果验证

将步骤2)产生的输入信号经过以电缆表面转移阻抗为传递函数的系统H(z)，得到一个新的输出信号对比原始响应脉冲U₂(t)与注入脉冲通过所建立的系统得到的新的输出信号是否一致，从而验证对转移阻抗项所建系统的正确性。

图5为采用本发明的电缆转移阻抗时域测试系统及测试方法测得的电缆转移阻抗和传统的频域方法测得的电缆转移阻抗以及建模所得结果的对比。该图中，实线a表示时域方法测试的结果，即由本发明所提供的方法测量的结果；实线b表示频域测试的结果，即由基于网络分析仪方法测得的结果；虚线表示建模所得结果。其中，横坐标表示频率，纵坐标表示转移阻抗。

由图上可以看出：两种测量方法以及建模得到的转移阻抗的幅频特性达到了相似的效果，得到的转移阻抗幅频特性吻合得较好，即本系统和方法可替代现有的频域测试方法，并具有一定的优越性。此外，建模结果不仅能够用利用较少的参数(M+N+1个参数)很好地反映出转移阻抗的变化规律，而且去除了测试中带来的噪声干扰，能够更准确、更直观地表示出电缆转移阻抗的幅频特性。