航空電纜故障的可視化智能檢測儀設計研究

李海亮, 蔡景, 康婷瑋

(南京航空航天大學 民航學院, 江蘇 南京 211106)

作為EWIS(electrical wiring interconnection system)的重要組成部分，航空電纜主要用于傳輸電力和信號[1]，其性能直接影響飛機的運行安全。在飛機運行過程中，如果航空電纜出現故障，很可能會導致電器系統癱瘓，嚴重威脅飛機安全[2-3]。

近年來，由EWIS引起的飛機故障和事故頻發，使得其安全性能受到廣泛關注，各航空管理局先后增加了相應的規章條款[4]。例如，美國聯邦航空局(FAA)針對FAR-25通過的25-123號修正案、中國民用航空局(CAAC)發布的CCAR-25-R4和CCAR-26。為了保證航空電纜的性能完整，必須對其故障進行嚴格的檢測和排除，但是基于數量龐大，故障隱蔽性高[5]，檢測點有限等原因，航空電纜的故障檢測難度較大。機務人員在進行航空電纜故障排除時，需要拆卸大量機載設備和飛機結構，造成大量人力、物力和財力的浪費[6]。

在電纜故障的無損檢測方面，時域反射技術(TDR)[7]已經相當成熟。TDR技術可根據反射脈沖判斷故障類型和位置[8]，只需連接電纜的一端即可完成檢測，操作十分方便[9]。但是基于TDR技術的電纜故障檢測設備主要針對的是電力電纜和通信電纜，極少是針對航空電纜的[10]。

目前國外已有一些高智能化、高精度的電纜檢測設備[11]。如英國雷迪公司的9000DSL多功能線纜測試儀和韓國優儀FINEST公司的F901電纜測試儀，但是兩者都無法顯示檢測波形，價格也較為昂貴，不適于在機場大規模推廣使用。

國內的電纜檢測設備普遍存在精度低，體積大的問題[12]。如華天電力生產的HT-TC電纜故障測試儀，采樣分辨率只有1 m，又如石旭東基于時頻反射技術設計的飛機導線故障診斷設備，需要將采集卡采集的數據發送到計算機進行處理，大大增加了設備的體積[13]。

針對上述問題，基于TDR技術設計了一種航空電纜故障的可視化智能檢測儀。該檢測儀以樹莓派和FPGA為主要硬件結構，配合高速ADC采樣模塊和觸摸電容屏，能夠實現航空電纜故障的高精度檢測和檢測結果的直觀顯示。

1 檢測儀的航空電纜故障檢測原理

1.1 航空電纜故障類型

按照不同的電壓等級，電纜通常被劃分為低壓電纜和中高壓電纜。低壓電纜故障主要為斷路故障和短路故障，中高壓電纜故障主要有高阻泄露故障和閃絡性故障。EWIS系統屬于低壓系統，所以航空電纜的主要故障類型為斷路和短路[14]。

1.2 基于TDR技術的電纜故障檢測原理

根據電磁波理論，低壓脈沖在電纜中傳輸時，若傳輸介質出現突變(如斷路和短路故障點) ，脈沖信號將在突變處發生反射，反射系數ρ可以表示為

(1)

式中：ZL為負載或故障點對低壓脈沖產生的阻抗；Z0為電纜線路的特征阻抗,由(1)式可看出:

1) 如果ZL=Z0,則反射系數ρ=0,表示電纜無故障,發射脈沖被完全吸收,不會產生反射脈沖。

2) 如果ZL→∞,則反射系數ρ=1,表示電纜中發生了斷路故障,發射脈沖產生全反射,且反射脈沖與發射脈沖的極性相同,如圖1所示。

3) 如果ZL→0,則反射系數ρ=-1,表示電纜中發生短路故障,發射脈沖產生全反射,但反射脈沖與發射脈沖的極性相反,如圖2所示。

圖1 電纜斷路時,入射波 圖2 電纜短路時,入射波 與反射波示意圖 與反射波示意圖

由上述3條結論可以判斷電纜的故障類型,而電纜的故障位置是通過發射脈沖和反射脈沖之間的時間間隔Δt判定的,則故障點與測試點的距離L的計算公式如(2)式所示

(2)

式中,v為低壓脈沖在電纜中的傳輸速度。

2 檢測儀系統設計及硬件實現

檢測儀主要由樹莓派、FPGA、ADC采樣模塊以及觸摸電容顯示屏構成,其整體架構如圖3所示,樣機如圖4所示。

圖3 檢測儀整體架構

圖4 檢測儀樣機實物圖

檢測儀選用的是3B+型樹莓派,主要用于控制系統動作,數據處理以及作為用戶交互的前端。

檢測儀選用黑金開發平臺 AX301型號的FPGA,該FPGA使用ALTERA 公司的 Cyclone IV 系列芯片,內置PLL和FIFO,時鐘源為50 MHz。FPGA主要用于發射低壓脈沖,提供ADC采樣時鐘以及暫存ADC采樣數據。

在檢測儀中,ADC采樣模塊的核心芯片選用ADI公司的AD9226芯片,此芯片為12位分辨率,最高采樣頻率為65 MHz。

檢測儀的顯示屏選用7英寸觸摸電容屏,分辨率為1 024×600,通過HDMI接口與樹莓派連接,用于實現用戶交互和顯示檢測結果和采樣波形。

3 系統軟件設計

3.1 低壓脈沖設計

檢測儀的低壓脈沖信號是由FPGA發射的。FPGA不僅能夠將數字量轉化為模擬量,發射脈沖的特性相當好,而且在控制脈寬方面能夠按照其時鐘周期步進調整,發揮了FPGA屬于高速數字邏輯系統的優勢。

在基于TDR技術進行電纜故障檢測時,如果故障點距離測試端較近,反射脈沖可能會與發射脈沖重疊,那么該距離內的故障則無法進行檢測,從而產生檢測盲區。在檢測儀中,為減小故障檢測盲區,使用FPGA內置的PLL(鎖相環)對時鐘進行倍頻,然后按照倍頻后的時鐘周期步進調整發射脈沖脈寬。低壓脈沖在電纜中的傳輸速度在100～200 m/μs之間,檢測儀將50 MHz時鐘源倍頻到100 MHz,則檢測盲區從4 m減小到了2 m以內。

FPGA發射低壓脈沖的幅值固定,當進行遠距離檢測時,低壓脈沖的損耗較大,故需要較寬的脈沖實現遠距離檢測,但是較寬的脈沖又會導致檢測盲區的增加。航空電纜的長度基本在100 m以內,為解決上述問題,將航空電纜的長度分成3個范圍,分別發射不同寬度的脈沖,如表1所示。在實際檢測時,根據被測電纜的長度或故障點與檢測點的距離選擇發射脈沖的脈寬。

表1 不同長度航空電纜對應的脈寬

3.2 ADC采樣設計

反射脈沖為模擬量,需要使用高頻率的ADC采樣模塊將其轉化為數字量,才可被檢測儀接收。對于同一種被測電纜,低壓脈沖的傳輸速度是一定的,那么故障檢測儀的精度在很大程度上是由ADC采樣頻率決定的。

受ADC采樣模塊最大采樣頻率(65 MHz)的限制,無法直接通過對50 MHz時鐘源倍頻來提高采樣頻率。由TDR技術的原理可知,如果低壓脈沖和被測電纜均未改變,那么反射脈沖也是不變的。因此可以通過PLL對50 MHz時鐘源進行相位偏移,使用多重采樣法對反射脈沖進行多輪采樣,最后根據采樣順序對數據進行排列,從而達到提高采樣頻率的目的。

圖5為檢測儀基于PLL的相位偏移時鐘示意圖,其中inclk0為FPGA內置50 MHz有源時鐘,c2,c3,c4分別為通過PLL偏移90°,180°,270°得到的時鐘。在進行航空電纜故障檢測時,第一次發射的低壓脈沖的反射脈沖以inclk0為時鐘進行ADC采樣,第二、三、四次發射的低壓脈沖的反射脈沖分別以c2,c3,c4為時鐘進行ADC采樣,檢測儀的ADC采樣頻率等效提高到了200 MHz。

圖5 基于PLL的相位偏移時鐘示意圖

航空電纜故障點與檢測端的距離不同,反射脈沖與發射脈沖的時間間隔不同。為提高采樣效率,減少采樣時間的浪費,針對不同長度的航空電纜,設計的每輪ADC采樣組數也不同,如表2所示。

表2 不同長度航空電纜對應的每輪ADC采樣組數

在每輪采樣中,ADC頻率為50 MHz,而樹莓派接收數據的最大頻率為5 000 Hz,故ADC模塊的采樣數據無法直接發送到樹莓派,需要先發送到FPGA模塊,由FPGA內置的FIFO暫時存儲,再由樹莓派進行讀取,其中FIFO是一種先入先出的數據緩沖器。

4 故障分析算法設計

樹莓派接收到采樣數據之后，要根據采樣時間對采樣數據進行排序,并繪制脈沖電壓-采樣時間曲線,即采樣波形圖。采樣波形中會存在干擾波,其產生原因有2個:①在飛機上,一條航空電纜通常不是直接從一種設備連接到其他設備,而是要經過焊接點、插接件、鉸接點等,它們通常會對發射脈沖產生阻抗,被稱為阻抗變換點,這些阻抗變換點也會對發射脈沖產生反射回波,但是其幅值比故障點形成的反射脈沖小；②反射脈沖在回到測試端后不會被完全吸收,而是會產生反射,從而形成多個回波,但是由于電纜的耗損作用,其幅值是逐漸變小的。

利用干擾波的上述特點,基于樹莓派支持的python語言設計的故障檢測算法如下:

1) 找出峰值最大的2個脈沖,位置靠前且峰值相對較大的為發射脈沖,位置靠后且峰值相對較小的為反射脈沖。

2) 測量發射脈沖和反射脈沖之間的時間間隔,通過故障點計算公式計算得到故障點的位置。

3) 比較發射脈沖和反射脈沖的極性,判斷故障類型:如果發射脈沖和第一反射波極性相同,則故障點為斷路故障,否則故障點為短路故障。

5 檢測儀的應用

故障檢測儀的操作程序如圖6所示。

圖6 檢測儀操作程序圖

具體操作描述如下:

1) 確定低壓脈沖在被測電纜中的傳輸速度:若已知低壓脈沖在被測電纜中的傳輸速度,直接輸入即可;若低壓脈沖在被測電纜中的傳輸速度未知,則需要向一段長度已知的被測電纜中發射低壓脈沖后,測量反射脈沖和發射脈沖的時間間隔Δt0,通過(3)式確定低壓脈沖的傳輸速度v0,并輸入到檢測儀。

(3)

式中,L0為已知被測電纜的長度。

2) 將被測電纜連接在故障檢測儀的鱷魚夾上。

3) 選擇發射脈沖的脈寬和每輪ADC采樣的組數:可以根據預估的故障點與檢測端的距離或者整條被測電纜的長度進行選擇。

4) 開始測試。

5) 查看檢測結果:用戶可以根據需要查看被測電纜的故障類型、故障位置和采樣波形,以及決定是否對檢測結果進行保存。

在故障檢測的過程中,只需將被測航空電纜的一端連接至檢測儀的接口,然后進行簡單的參數設置之后,檢測儀即可自動完成故障檢測,實現了故障檢測的智能化,并在顯示屏上將采樣波形及檢測結果顯示出來,實現了故障檢測的可視化。

為了驗證檢測儀的實際應用能力,分別準備了10條航空專用同軸電纜和雙絞線,人工設置了斷路故障或短路故障,并使用檢測儀對其進行故障檢測,其中低壓脈沖在同軸電纜和雙絞線上的傳播速度分別為170 m/μs和140 m/μs。

針對同軸電纜斷路故障和短路故障的檢測結果分別如表3和表4所示。

表3 同軸電纜斷路故障檢測結果

表4 同軸電纜短路故障檢測結果

其中針對同軸電纜30 m處的斷路故障和短路故障的采樣波形分別如圖7和圖8所示。

圖7 斷路故障檢測波形圖

圖8 短路故障檢測波形圖

針對雙絞線斷路故障和短路故障的檢測結果分別如表5和表6所示。

表5 雙絞線斷路故障檢測結果

表6 雙絞線短路故障檢測結果

通過到某航空公司進行調研，發現航空電纜的故障定位精度達到1 m以內便能夠滿足實際維修需求。由上述檢測結果可以看出，針對100 m以內同軸電纜和雙絞線的斷路故障和短路故障，檢測誤差均在1 m以內，說明檢測儀能夠滿足實際維修中航空電纜故障檢測精度要求。

6 結 論

1) 檢測儀使用PLL對時鐘源進行倍頻，發射脈沖的步進脈寬從20 ns降低到10 ns，故障檢測盲區降低到2 m以內。

2) 檢測儀基于PLL產生的偏移時鐘，結合多重ADC采樣法，使得反射信號的采樣頻率從50 MHz等效增長到200 MHz。

3) 在與被測航空電纜連接，并進行簡單的參數設置之后，檢測儀即可自動完成故障檢測，并在顯示屏上將采樣波形及檢測結果顯示出來，實現了智能化和可視化。

4) 針對100 m以內同軸電纜和雙絞線的斷路故障和短路故障，檢測誤差控制在1 m以內，能夠滿足實際維修中航空電纜故障檢測精度要求。