CN113740663B - 一种基于阻抗特征的飞机装机电缆故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞机故障诊断技术领域，特别是涉及一种基于阻抗特征的飞机装机电缆故障定位方法，对飞机电缆进行电缆基本电气参数测量，建立该型电缆典型故障阻抗特征库和电缆典型工艺元件特征库；通过故障电缆参数与相同条件下标准电缆参数进行差分比对，提取故障特征波形，形成故障判据库D；通过测量被测电缆阻抗波形，与故障判据库D及典型工艺元件特征对比，得出故障类型，并依据反射时间计算出电缆故障或异常点位置。通过方法，能有效解决电缆故障定位困难和排故工作效率低的问题。

Description

一种基于阻抗特征的飞机装机电缆故障定位方法

技术领域

本发明涉及飞机故障诊断技术领域，特别是涉及一种基于阻抗特征的飞机装机电缆故障定位方法。

背景技术

飞机电网作为机载设备功率传输和信号传输的介质，承担了机上所有电信号的传输及分配任务，对飞机的意义非常重大，被誉为“飞机的神经系统”，其安全性、可靠性直接关系到飞机的安全性及可靠性。基于目前各领域科学技术的飞速发展，我国各型飞机不断升级，各机载系统的智能化程度不断提高，导致机载光电网络日益复杂，网路拓扑更加多样、节点数量巨大，电网单点失效的风险也随之加剧。

由于电网复杂的程度增加，导致电网中的大量电缆在飞机生产、安装过程中难度增加，并且装机后电缆周边环境复杂，电缆本身会产生大量弯曲、扭转，对于电缆电气性能的影响尚不十分明确；并且经常在各种复杂环境下工作，容易出现电缆短路、断路、绝缘破损等故障，导致部分电气通道失效，严重的可能导致设备损坏或等级事故。

现有机载电缆在进行排故或维护维修时，由于故障点定位困难，难以满足快速准确的要求。造成此类故障点难以定位的原因主要是在机载电缆安装完成后，其内部出现失效的电线往往不可见或不可达，被周围结构或产品完全遮挡；或者即使能暴露，机务人员也难以顺利的使用手或工具进行排查。此种情况下导致排除此类故障要大量的拆装机载成品及附件，甚至需要将装机电缆拆下飞机，工作量大，耗时长。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于阻抗特征的飞机装机电缆故障定位方法，能有效解决电缆故障定位困难和排故工作效率低的问题。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种基于阻抗特征的飞机装机电缆故障定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.对不同型号的故障样本电缆进行电缆基本参数测量，所述电缆基本参数包括电缆特性阻抗Z_cable(tp)，建立对应的电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p,tp)和电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q,tp)；所述p表示电缆电性故障类型，q表示电缆典型工艺元件类型，tp表示电缆型号；

b.将电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p,tp)与相同试验条件下对应型号的电缆正常特性阻抗进行差分运算，结果取绝对值，提取故障特征波形，作为故障判据库D＝{|D_TFault(p,tp)-Z_cable(tp),…|}；

c.确定被测故障电缆的型号，测试被测故障电缆阻抗特性Z_test(x,tp)；

d.判断被测故障电缆阻抗特性Z_test(x,tp)是否包含于电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p,tp)或电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q,tp)；若Z_Test(x_i,tp)∈D_TFault(p,tp)，则进入步骤e；若Z_Test(x_i,tp)∈D_TComponent(q,tp)，则将被测波形与电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q,tp)判据进行相似度计算，若相似度满足要求，则被测电缆故障为q型故障，然后进入步骤g，其中，x_i表示被测电缆的第i处故障或异常点；

e.测试与被测故障电缆属于同一扭绞/屏蔽对的正常电缆的阻抗波形Z_n(x_i,tp)，通过差分计算，获得故障波形特征：|Z_Test(x_i,tp)-Z_n(x_i,tp)|；

f.将故障波形特征与故障判据库D判据进行相似度计算，若相似度满足要求，则被测电缆故障为p型故障，然后进入步骤g；

g.计算被测故障电缆的故障点位置：

L＝K(tp)*△t，

其中，L表示电缆检测端与故障点之间的距离，△t为测得的电缆中检测端与故障点之间的电脉冲信号传播时间，K(tp)表示故障电缆特性比例系数。

所述步骤g中的K(tp)是通过以下方法得到：

g₁.对于同种型号电缆，测试N种长度规格，得到N-1个电缆特征比例系数K(tp)：

其中，电缆长分别记为L_base1(tp)、…、L_basen(tp)，测得电脉冲信号在样本电缆中的传播时间分别为△t_base1(tp)、…、△t_basen(tp)；

g₂.该型号电缆特征比例系数为：

K(tp)＝φ(Z_cable(tp))＝∑K_n(tp)/N-1，n＝1，2，…，N

所述电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p,tp)的建立方法具体为：制作飞机电缆典型故障样本电缆，对故障样本电缆进行电缆基本参数测量，对于同种类型故障，多次测量并记录电缆典型故障的阻抗波形特征，建立该型电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p,tp)。

所述电缆典型故障包括短路、断路、绝缘破损和屏蔽破损。

所述电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q,tp)的建立方法具体为：制作包含典型工艺元件的样本电缆，并对样本电缆进行电缆基本参数测量，对于包含同种类型工艺元件的样本电缆，多次测量并记录典型工艺元件的阻抗波形特征，建立该型电缆典型工艺元件阻抗特征库D_TComponent(q,tp)。

所述电缆典型工艺元件包括焊锡环、死接头和电连接器接触偶。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

1、通过本方法，可实现飞机电缆故障的快速判别及故障点定位，不仅能够识别电缆典型的短路、断路故障，并且建立电缆相应的工艺元件阻抗特征库，通过对比方法，排除电缆制造过程中死接头、焊锡环、电连接器接触偶等工艺元件对于排故的干扰。基于阻抗特性的飞机电缆故障定位方法可实现电缆的单端测试，原理简单，不会对机上电缆造成二次伤害，对于电路资料要求低，能够提高排故效率，大大缩短排故时间，减少无用工作。

2、本方法中，通过电缆典型故障阻抗特征库与相同试验条件下对应型号的电缆正常特性阻抗进行差分运算，并且结果绝对值，提取故障特征波形，新建一个故障判据库D，用于后面的故障识别，单一的电缆阻抗特征包含了环境的影响(比如温度、弯曲程度等)。通过差分运算，可以消除由于环境影响造成的电缆阻抗变化的影响，使得故障判据只与电缆参数、故障类型相关。利用该故障判据库进行最后的故障准确判别，更加准确。

3、由于飞机上环境复杂，且电缆安装于机上后，存在各种弯曲扭转现象，将对电缆本身阻抗参数造成影响，仅仅从单根电缆阻抗波形本身不能准确判断故障。本方法中，测试与被测故障电缆属于同一扭绞/屏蔽对的正常电缆的阻抗波形，减少了环境影响，通过差分计算，能滤除环境因素干扰，提高判断的准确性。

4、本方法中，通过多次测量，最终得到电缆特征比例系数，精度更加准确。

5、在建立电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p,tp)和电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q,tp)时，都是首先制作了标准的故障样本电缆，在通过多次测量后得到的，便于提高精度。

6、电缆典型故障包括短路、断路、绝缘破损、屏蔽破损。前两种属于电缆的永久性故障，后两种属于损伤范畴。但原因均为电缆物理组成层面受到了破坏，发生了电缆材料物理层面的缺失，导致电缆功能失效。而电缆在加工成为装机电缆时，需要进行多种类型工艺处理；最常见的工艺为通过焊锡环进行电缆屏蔽层引出、通过死接头进行线规转换。从物理层面，这些工艺元件是后期通过焊接/压接等工艺附加于电缆上的。工艺元件的引入，电缆局部阻抗特征必然发生变化，且与电缆故障时不同。由于电缆工艺加工本身造成局部阻抗变化属于正常现象，不属于故障。

因此分别建立电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p,tp)和电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q,tp)，更加细化了电缆阻抗特征分类，一方面，便于现场工人排故时进行有效区分，避免由于正常工艺元件所引起阻抗变化的干扰；另一方面，为后续电缆电气性能参数知识库的建立提供详细的数据基础。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明中故障定位的流程示意图；

图2为本发明中电缆典型故障阻抗特征库和电缆典型工艺元件特征库的建立流程示意图。

具体实施方式

实施例1

作为本发明基础实施方式，本发明包括一种基于阻抗特征的飞机装机电缆故障定位方法，包括以下步骤：

a.对不同型号的故障样本电缆进行电缆基本参数测量，所述电缆基本参数包括电缆特性阻抗Z_cable(tp)和电缆特征比例系数K(tp)。将故障分为电缆典型故障和电缆典型工艺元件故障，根据故障类型，建立对应的电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p,tp)和电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q,tp)；所述p表示电缆电性故障类型，q表示电缆典型工艺元件类型，tp表示电缆型号。

b.将电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p,tp)与相同试验条件下对应型号的电缆正常特性阻抗进行差分运算，结果取绝对值，提取故障特征波形，作为故障判据库D＝{|D_TFault(p,tp)-Z_cable(tp),…|}。

c.确定被测故障电缆的型号，测试被测故障电缆阻抗特性Z_test(x,tp)。

d.判断被测故障电缆阻抗特性Z_test(x,tp)是否包含于电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p,tp)或电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q,tp)。若Z_Test(x_i,tp)∈D_TFault(p,tp)，则进入步骤e。若Z_Test(x_i,tp)∈D_TComponent(q,tp)，则将被测波形与电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q,tp)判据进行相似度计算，若相似度满足要求，则被测电缆故障为q型故障，然后进入步骤g，其中，x_i表示被测电缆的第i处故障或异常点。

e.测试与被测故障电缆属于同一扭绞/屏蔽对的正常电缆的阻抗波形Z_n(x_i,tp)，通过差分计算，获得故障波形特征：|Z_Test(x_i,tp)-Z_n(x_i,tp)|。

f.将故障波形特征与故障判据库D判据进行相似度计算，若相似度满足要求，则被测电缆故障为p型故障，然后进入步骤g。

g.计算被测故障电缆的故障点位置：

L＝K(tp)*△t，

其中，L表示电缆检测端与故障点之间的距离，△t为测得的电缆中检测端与故障点之间的电脉冲信号传播时间，K(tp)表示故障电缆特性比例系数。

实施例2

作为本发明最佳实施方式，本发明包括一种基于阻抗特征的飞机装机电缆故障定位方法，包括以下步骤：

a.参照说明书附图2，模块给被测电缆注入电压脉冲信号，采样单元采集并保存电压波入射和反射波数据，理想情况下，电磁波在同种电线中的传播速度相同。选取已知型号tp及长度L_base的电缆作为基准，由以下公式得到比例系数K(tp)：对于同种型号电缆，多次测量以提高精度。测试N种长度规格，得到N-1个电缆特征比例系数K(tp)：

其中，电缆长分别记为L_base1(tp)、…、L_basen(tp)，测得电脉冲信号在样本电缆中的传播时间分别为△t_base1(tp)、…、△t_basen(tp)。那么该型号电缆特征比例系数为：

K(tp)＝φ(Z_cable(tp))＝∑K_n(tp)/N-1，n＝1，2，…，N

其中，φ与电缆类型相关。

确定长度确定、型号tp已知的正常完好状态下的电缆作为样本，使用专用设备以及专用转接工装，进行电缆基本参数测量,包括电缆特性阻抗Z_cable(tp)，电缆特征比例系数K(tp)；其中电缆特性阻抗可由设备直接获得，而电缆特征比例系数将通过计算获得。

对故障样本电缆进行电缆基本参数测量，测量过程与基本参数测量相似，对于同种类型故障，多次测量以提高精度，并记录典型电缆故障的阻抗波形特征，建立该型电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p,tp)，所述电缆典型故障包括短路、断路、绝缘破损和屏蔽破损，参数p表示电缆故障类型。

对不同型号的故障样本电缆进行电缆基本参数测量，所述电缆基本参数包括电缆特性阻抗Z_cable(tp)，建立对应的电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p,tp)和电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q,tp)；所述p表示电缆电性故障类型，q表示电缆典型工艺元件类型，tp表示电缆型号。

制作包含典型工艺元件的样本电缆，并对样本电缆进行电缆基本参数测量，测量过程与基本参数测量相似，对于包含同种类型工艺元件的样本电缆，多次测量以提高准确度，并记录典型工艺元件的阻抗波形特征，建立该型电缆典型工艺元件阻抗特征库D_TComponent(q,tp)，所述电缆典型工艺元件包括焊锡环、死接头和电连接器接触偶，参数q表示电缆典型工艺元件类型。

b.将电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p,tp)与相同试验条件下对应型号的电缆正常特性阻抗进行差分运算，结果取绝对值，提取故障特征波形，作为故障判据库D＝{|D_TFault(p,tp)-Z_cable(tp),…|}。

c.参照说明书附图1，发现故障电缆后，首先通过相应工艺文件确定其电缆型号，然后使用专用设备以及专用转接工接，测试被测故障电缆阻抗特性Z_test(x,tp)。

d.判断被测故障电缆阻抗特性Z_test(x,tp)是否包含于电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p,tp)或电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q,tp)。若Z_Test(x_i,tp)∈D_TFault(p,tp)，则被测电缆故障属于电缆典型故障，则进入步骤e，进一步利用故障判据库进行相似度计算。若Z_Test(x_i,tp)∈D_TComponent(q,tp)，则将被测波形与电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q,tp)判据进行相似度计算，相似度结果sI、A为相似度指标；若sI>A，相似度满足要求，则被测电缆未发生故障，为q型典型电缆工艺元件加工造成的阻抗异常；然后进入步骤g，其中，x_i表示被测电缆的第i处故障或异常点。

e.一般情况下，由于飞机上环境复杂，且电缆安装于机上后，存在各种弯曲扭转现象，将对电缆本身阻抗参数造成影响，因此仅仅从单根电缆阻抗波形本身不能准确判断：因此为了减少环境影响，测试与被测故障电缆属于同一扭绞/屏蔽对的正常电缆的阻抗波形Z_n(x_i,tp)，通过差分计算，获得故障波形特征：|Z_Test(x_i,tp)-Z_n(x_i,tp)|。

f.将故障波形特征与故障判据库D判据进行相似度计算，相似度结果sI、A为相似度指标；若sI>A，相似度满足要求，则被测电缆故障为p型故障，然后进入步骤g；否则，被测电缆故障不属于故障库中典型故障，需要技术人员支持。

g.计算被测故障电缆的故障点位置：

L＝K(tp)*△t，

其中，L表示电缆检测端与故障点之间的距离，△t为测得的电缆中检测端与故障点之间的电脉冲信号传播时间，K(tp)表示故障电缆特性比例系数。

综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于阻抗特征的飞机装机电缆故障定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.对不同型号的故障样本电缆进行电缆基本参数测量，所述电缆基本参数包括电缆特性阻抗Z_cable(tp)，建立对应的电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p，tp)和电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q，tp)；所述p表示电缆电性故障类型，q表示电缆典型工艺元件类型，tp表示电缆型号；

b.将电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p，tp)与相同试验条件下对应型号的电缆正常特性阻抗进行差分运算，结果取绝对值，提取故障特征波形，作为故障判据库D＝{|D_TFault(p，tp)-Z_cable(tp)，…|}；

c.确定被测故障电缆的型号，测试被测故障电缆阻抗特性Z_test(x，tp)；

d.判断被测故障电缆阻抗特性Z_test(x，tp)是否包含于电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p，tp)或电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q，tp)；若Z_Test(x_i，tp)∈D_TFault(p，tp)，则进入步骤e；若Z_Test(x_i，tp)∈D_TComponent(q，tp)，则将被测波形与电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q，tp)判据进行相似度计算，若相似度满足要求，则被测电缆故障为q型故障，然后进入步骤g，其中，x_i表示被测电缆的第i处故障或异常点；

e.测试与被测故障电缆属于同一扭绞/屏蔽对的正常电缆的阻抗波形Z_n(x_i，tp)，通过差分计算，获得故障波形特征：|Z_Test(x_i，tp)-Z_n(x_i，tp)|；

f.将故障波形特征与故障判据库D判据进行相似度计算，若相似度满足要求，则被测电缆故障为p型故障，然后进入步骤g；

g.计算被测故障电缆的故障点位置：

L＝K(tp)*△t，

其中，L表示电缆检测端与故障点之间的距离，△t为测得的电缆中检测端与故障点之间的电脉冲信号传播时间，K(tp)表示故障电缆特性比例系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于阻抗特征的飞机装机电缆故障定位方法，其特征在于：所述步骤g中的K(tp)是通过以下方法得到：

g₁.对于同种型号电缆，测试N种长度规格，得到N-1个电缆特征比例系数K(tp)：

其中，电缆长分别记为L_base1(tp)、…、L_basen(tp)，测得电脉冲信号在样本电缆中的传播时间分别为Δt_base1(tp)、…、Δt_basen(tp)；

g₂.该型号电缆特征比例系数为：

K(tp)＝φ(Z_cable(tp))＝∑K_n(tp)/N-1，n＝1，2，…，N。

3.根据权利要求1所述的一种基于阻抗特征的飞机装机电缆故障定位方法，其特征在于：所述电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p，tp)的建立方法具体为：制作飞机电缆典型故障样本电缆，对故障样本电缆进行电缆基本参数测量，对于同种类型故障，多次测量并记录电缆典型故障的阻抗波形特征，建立该型电缆典型故障阻抗特征库D_TFault(p，tp)。

4.根据权利要求3所述的一种基于阻抗特征的飞机装机电缆故障定位方法，其特征在于：所述电缆典型故障包括短路、断路、绝缘破损和屏蔽破损。

5.根据权利要求1所述的一种基于阻抗特征的飞机装机电缆故障定位方法，其特征在于：所述电缆典型工艺元件特征库D_TComponent(q，tp)的建立方法具体为：制作包含典型工艺元件的样本电缆，并对样本电缆进行电缆基本参数测量，对于包含同种类型工艺元件的样本电缆，多次测量并记录典型工艺元件的阻抗波形特征，建立该型电缆典型工艺元件阻抗特征库D_TComponent(q，tp)。

6.根据权利要求5所述的一种基于阻抗特征的飞机装机电缆故障定位方法，其特征在于：所述电缆典型工艺元件包括焊锡环、死接头和电连接器接触偶。

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