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基本信息

項目名稱:
制作便攜發光式電纜測斷筆
小類:
機械與控制
簡介:
為了能快速方便的測出電纜斷芯位置,同時具有抗干擾強,功耗小、使用壽命長、經濟、低功耗、集成度高、性能穩定等特點,本作品利用CMOS型的脈沖分配器CD4017B(型號)為核心,在配上發光二極管、電阻、電容、開關等外圍電路,設計出小巧方便的電纜測斷筆。
詳細介紹:
通入交流電的電纜或導線相當于一根天線振子不斷的在向周圍發射電磁波,電磁場的強度會和通入交流電的電流強度及頻率的大小成正比,一根完整的通有交流電電纜周圍的電磁場基本是均勻分布的,如果出現斷點,那么電纜中將不再有電流通過,但是由于接通的是交流電,接在電源的那一段電纜會因為其中有交替變化的感應電流會向周圍輻射電磁場,而斷點的另一端沒有感應電流或感應電流非常小以至于無法向周圍輻射能量。 如果根據斷點電纜周圍電磁場的突變特性來設計測斷器會很方便快捷,綜合分析,應選取對微弱電場敏感,對微弱電場敏感就要檢測電路具有很高輸入阻抗, MOS型的場效應管有這個特性。 大學期間做數字電路實驗用到集成電CD4017B,通過實驗和查找資料,發現該芯片電路內部采用互補場效應管構成,輸入阻抗很大,脈沖輸入端有很小的電流時輸入端將感應到很大的電壓。正好符合檢測電路斷點的設計要求,于是開始利CD4017B作為核心器件設計便攜發光式電纜測斷筆。 集成電路CD4017B為十進制脈沖分配器,能直接驅動發光二極管,使用它就可以直接作為探頭后級和發光驅動級電路,無需在為發光二極管特別制作驅動閃爍發光電路,數字集成電路CD4017B的內部由計數器及譯碼器兩部分組成,由譯碼輸出實現對脈沖信號的分配,整個輸出時序就是Q0、Q1、Q2、…、Q9依次出現與時鐘同步的高電平,寬度等于時鐘周期。CD4017B有3個輸(MR、CP0和~E),MR為清零端,當在MR端上加高電平或正脈沖時其輸出Q0為高電平,其余輸出端(Q1~Q9)均為低電平。CP0是時鐘輸入端,有連續脈沖輸入時,其對應的輸出端依次變為高電平狀態。 上面是制作便攜式發光測斷筆的基本原理,在此基礎上加以完善,選用數字集成電路CD4017B,利用其內部的計數器作為探頭的后級(由互補場效應管構成),脈沖分配器作為驅動發光二極管閃爍發光的驅動級,即實現了把微弱電場信號放大同時將其轉換為數字信號,又實現了用脈沖信號直接驅動發光二極管閃爍的功能,由于數字集成電路CD4017B共有十個脈沖輸出端,本作品中電路并沒有全部用到,只用到了其中的一個,其他的全部懸空,在脈沖輸出端Q0接到發光二極管陽極上,陰極通過一個220歐姆的限流電阻接地,其中在脈沖輸出端Q0上的發光二極管即作為工作指示燈也作為測量顯示燈,在脈沖輸入端CP0接有5毫米長的金屬探針,此探針與脈沖輸入端CP0直接焊接,在集成電路的外部纏繞上8到10匝的帶有絕緣皮的導線同時接電源的負極,用來吸收空間無用的電磁場,只有在電纜表皮附近的較強電場能被探針采集到,這樣就解決了當有多根電纜時的電磁場的互相干擾,集成電路的Vss(電源正極)和VDD(電源負極)并聯一只10uF的電解電容器和0.01uF的陶瓷電容器,一個電源開關,一個測量開關(單刀雙擲)。 在測量前要確任一下當前環境下能否進行測斷工作,再遠離測量電纜的地方將測斷筆電源開關打開,提示燈常亮說明工作正常,再按下測量開關,如果提示燈熄滅或閃爍則說明當前環境電磁干擾較強,簡易不進行測斷工作,如果提示燈常亮則可以進行測斷工作。 在測量時有兩種方法定位電纜斷點的位置:一是,從接有市電那端開始測量,將探頭貼在電纜結緣皮的表面,也可有較小的空隙,這時測斷筆提示燈閃爍,緩慢的向另一端移動,直到提示燈變為常亮時的位置為斷電,再在狀態突變的那段反復測試幾遍即可準確的定位斷點位置。二是,從另一端開始測量,斷點狀態轉變為由常亮到閃爍。

作品圖片

  • 制作便攜發光式電纜測斷筆
  • 制作便攜發光式電纜測斷筆

作品專業信息

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

發明的目的: 方便攜帶,能測出電纜斷芯位置,功耗小,使用壽命長,便于集成到其他電工工具中。 基本思路: 通入交流電的電纜或導線相當于一根天線振子不斷的再向周圍發射電磁波,電磁波的強度會和通入交流電的電流強度及頻率的大小成正比,一根完整的通有交流電電纜周圍的電磁場基本是均勻分布的,如果出現斷點,那么電纜中將不再有電流通過,但是由于通入的是交流電,接在電源的那一段電纜會因為其中有交替變化的感應電流會向周圍輻射電磁場,而斷點的另一端沒有感應電流或感應電流非常小以至于無法向周圍輻射能量, 利用電纜斷芯處的電場突變能快速定位斷芯位置。 新點、技術關鍵點:由于考慮到便于集成、低功耗、工作電壓寬等特點,且可以直接推動發光二級管發光考慮用COMS型集成電路,它內部采用互補場效應管構成,能有效的抑制溫度的影響。集成電路CD4017B為十進制脈沖分配器,能直接驅動發光二極管,使用它就可以直接作為探頭后級和發光驅動級,無需在為發光二極管特別制作驅動閃爍發光電路核心選用數字集成電路CD4017B,利用其內部的計數器作為探頭的后級(由互補場效應管構成),脈沖分配器作為驅動發光二極管閃爍發光的驅動級,即實現了從微弱電場信號轉換為數字信號,又實現了用數字信號直接驅動發光二極管閃爍的功能,該作品在測量時,測量信號的采集集中在電纜的表皮附近,排除了外界無用電場的干擾,故該測斷筆能在斷根電纜存在時找到電纜斷芯位置。

科學性、先進性

現有的電纜測斷儀大體分為兩類:一類利用低壓脈沖反射原理精確定位;另一類是利用電纜周圍的電磁場變化來測量,利用這種原理做出來的側斷筆結構較簡單,也很實用。 利用低壓脈沖反射原理來定位電纜斷芯位置的儀器雖然是很精確而且功能較多但是不適合家庭的使用,原因是家庭用的電纜一般都不是很長,利用其測量就像大馬拉小車,而且也不是很經濟;現在市場上已經有利用電纜周圍的電磁場的強弱來定位的測試電筆,它的核心部分是兩個晶體管,前級用場效應管,后級用晶體三級管及報警電路。 由于上述電路用的是晶體管,所以容易受到外界電場和溫度的影響,且當有多根電纜在一起時測量的誤差是非常大的,甚至由于很多電纜向空間輻射電磁場緣故無法正常工作。 該作品是利用電纜周圍的電磁場變化原理制做成的,并且具有體積小、功耗低、抗干擾強、電路簡單等特點,該作品突出的優勢是,在有多根電纜存在時或待測量電纜周圍干擾較強時也能比較容易的測出斷芯的位置,信號采集只集中在與測斷筆接觸的位置上。

獲獎情況及鑒定結果

在2008年我校物理與電子信息學院文化科技月中獲得發明類一等獎。 2008年我校第六屆挑戰杯大學生課外科技作品大賽特一等獎。

作品所處階段

中試階段。

技術轉讓方式

有償轉讓。

作品可展示的形式

圖片、實物、現場演示。

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

在測量時有兩種方法定位電纜斷點的位置:一是,從接有電源那端開始測量,將探頭貼在電纜結緣皮的表面,也可有一定的空隙,這時測斷筆的發光二極管從一支常亮狀態轉變為兩支交替的發光,緩慢的向另一端移動,直到發光二極管變為一只常亮或同時熄滅,在狀態突變的那段反復測試幾遍即可準確的定位斷點位置;二是,從另一端開始測量,轉變狀態是由一支常亮到兩支交替發光。 利用電纜周圍的電磁場的強弱來定位,同時考慮到便于集成、低功耗、工作電壓寬等特點,且可以直接推動發光二級管發光考慮用COMS型集成CD4017。 使用該集成電路就可以直接作為探頭后級和發光驅動級,無需在為發光二極管特別制作驅動閃爍發光電路,電路簡單、成本低。 該作品方便攜帶,能測出電纜及導線斷芯位置,功耗小,使用壽命長,便于集成到其他電工工具中,并且適用于家庭和小型維修店使用,該儀器在經過實踐檢測后進一步完善推廣,必將給電路的故障檢測帶來極大便利。

同類課題研究水平概述

現有的電纜測斷儀大體分為兩類:一類利用低壓脈沖反射原理,電路分為兩部分,低壓脈沖發生電路和脈沖接收電路,此類儀器適用于室外遠距離電纜的測試,這種式儀器可用于大多數類型的通訊電纜的故障精確定位,例如:雙絞線、同軸電纜、配電電纜和鎧裝電纜。 另一類是與本發明最相近的實現技術,利用電纜周圍的電磁場的強弱來定位,其中用這種技術來測量的儀器在1991年10月17日申請專利,在1992年06月10日授權(申請號/專利號: 91226968)。這種電纜斷芯測試儀,由一個感應電極A、一個由四個三極管BG-[1]~BG串接而成的復合管放大器,一個由整流二極管D-[1]和濾波電容C-[1]、C-所組成的整流濾波電路,一個由二個三極管BG-[5]和BG-[6]連接成的壓控振蕩器,及其由R-[5]、R-[4]、C-[4]所組成的正反鎖回路和一個發光二極管D-[2]所串接而成。由3伏直流電源供電。這種測試儀用非接觸方式測定電纜斷芯部位及高、低壓電場是否帶電,能確保操作人員安全;測試結果簡。還有一種利用手表液晶顯示器測量電纜斷點的《液晶感應式電纜測斷儀的研制成果報告》已經在百度網站發表,不過還沒有給出電路。
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