基本信息
- 项目名称：
- 制作便携发光式电缆测断笔
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 为了能快速方便的测出电缆断芯位置，同时具有抗干扰强，功耗小、使用寿命长、经济、低功耗、集成度高、性能稳定等特点，本作品利用CMOS型的脉冲分配器CD4017B（型号）为核心，在配上发光二极管、电阻、电容、开关等外围电路，设计出小巧方便的电缆测断笔。
- 详细介绍：
- 通入交流电的电缆或导线相当于一根天线振子不断的在向周围发射电磁波，电磁场的强度会和通入交流电的电流强度及频率的大小成正比，一根完整的通有交流电电缆周围的电磁场基本是均匀分布的，如果出现断点，那么电缆中将不再有电流通过，但是由于接通的是交流电，接在电源的那一段电缆会因为其中有交替变化的感应电流会向周围辐射电磁场，而断点的另一端没有感应电流或感应电流非常小以至于无法向周围辐射能量。 如果根据断点电缆周围电磁场的突变特性来设计测断器会很方便快捷，综合分析，应选取对微弱电场敏感，对微弱电场敏感就要检测电路具有很高输入阻抗， MOS型的场效应管有这个特性。 大学期间做数字电路实验用到集成电CD4017B，通过实验和查找资料，发现该芯片电路内部采用互补场效应管构成，输入阻抗很大，脉冲输入端有很小的电流时输入端将感应到很大的电压。正好符合检测电路断点的设计要求，于是开始利CD4017B作为核心器件设计便携发光式电缆测断笔。 集成电路CD4017B为十进制脉冲分配器，能直接驱动发光二极管，使用它就可以直接作为探头后级和发光驱动级电路，无需在为发光二极管特别制作驱动闪烁发光电路，数字集成电路CD4017B的内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是Q0、Q1、Q2、…、Q9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。CD4017B有3个输（MR、CP0和~E），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出Q0为高电平，其余输出端（Q1～Q9）均为低电平。CP0是时钟输入端,有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态。 上面是制作便携式发光测断笔的基本原理，在此基础上加以完善，选用数字集成电路CD4017B，利用其内部的计数器作为探头的后级（由互补场效应管构成），脉冲分配器作为驱动发光二极管闪烁发光的驱动级，即实现了把微弱电场信号放大同时将其转换为数字信号，又实现了用脉冲信号直接驱动发光二极管闪烁的功能，由于数字集成电路CD4017B共有十个脉冲输出端，本作品中电路并没有全部用到，只用到了其中的一个，其他的全部悬空，在脉冲输出端Q0接到发光二极管阳极上，阴极通过一个220欧姆的限流电阻接地，其中在脉冲输出端Q0上的发光二极管即作为工作指示灯也作为测量显示灯，在脉冲输入端CP0接有5毫米长的金属探针，此探针与脉冲输入端CP0直接焊接，在集成电路的外部缠绕上8到10匝的带有绝缘皮的导线同时接电源的负极，用来吸收空间无用的电磁场，只有在电缆表皮附近的较强电场能被探针采集到，这样就解决了当有多根电缆时的电磁场的互相干扰，集成电路的Vss（电源正极）和VDD(电源负极)并联一只10uF的电解电容器和0.01uF的陶瓷电容器，一个电源开关，一个测量开关(单刀双掷)。 在测量前要确任一下当前环境下能否进行测断工作，再远离测量电缆的地方将测断笔电源开关打开，提示灯常亮说明工作正常，再按下测量开关，如果提示灯熄灭或闪烁则说明当前环境电磁干扰较强，简易不进行测断工作，如果提示灯常亮则可以进行测断工作。 在测量时有两种方法定位电缆断点的位置：一是，从接有市电那端开始测量，将探头贴在电缆结缘皮的表面，也可有较小的空隙，这时测断笔提示灯闪烁，缓慢的向另一端移动，直到提示灯变为常亮时的位置为断电，再在状态突变的那段反复测试几遍即可准确的定位断点位置。二是，从另一端开始测量，断点状态转变为由常亮到闪烁。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明的目的： 方便携带，能测出电缆断芯位置，功耗小，使用寿命长，便于集成到其他电工工具中。 基本思路： 通入交流电的电缆或导线相当于一根天线振子不断的再向周围发射电磁波，电磁波的强度会和通入交流电的电流强度及频率的大小成正比，一根完整的通有交流电电缆周围的电磁场基本是均匀分布的，如果出现断点，那么电缆中将不再有电流通过，但是由于通入的是交流电，接在电源的那一段电缆会因为其中有交替变化的感应电流会向周围辐射电磁场，而断点的另一端没有感应电流或感应电流非常小以至于无法向周围辐射能量， 利用电缆断芯处的电场突变能快速定位断芯位置。 新点、技术关键点：由于考虑到便于集成、低功耗、工作电压宽等特点，且可以直接推动发光二级管发光考虑用COMS型集成电路，它内部采用互补场效应管构成，能有效的抑制温度的影响。集成电路CD4017B为十进制脉冲分配器，能直接驱动发光二极管，使用它就可以直接作为探头后级和发光驱动级，无需在为发光二极管特别制作驱动闪烁发光电路核心选用数字集成电路CD4017B，利用其内部的计数器作为探头的后级（由互补场效应管构成），脉冲分配器作为驱动发光二极管闪烁发光的驱动级，即实现了从微弱电场信号转换为数字信号，又实现了用数字信号直接驱动发光二极管闪烁的功能，该作品在测量时，测量信号的采集集中在电缆的表皮附近，排除了外界无用电场的干扰，故该测断笔能在断根电缆存在时找到电缆断芯位置。
科学性、先进性
- 现有的电缆测断仪大体分为两类：一类利用低压脉冲反射原理精确定位；另一类是利用电缆周围的电磁场变化来测量，利用这种原理做出来的侧断笔结构较简单，也很实用。 利用低压脉冲反射原理来定位电缆断芯位置的仪器虽然是很精确而且功能较多但是不适合家庭的使用，原因是家庭用的电缆一般都不是很长，利用其测量就像大马拉小车，而且也不是很经济；现在市场上已经有利用电缆周围的电磁场的强弱来定位的测试电笔，它的核心部分是两个晶体管，前级用场效应管，后级用晶体三级管及报警电路。 由于上述电路用的是晶体管，所以容易受到外界电场和温度的影响，且当有多根电缆在一起时测量的误差是非常大的，甚至由于很多电缆向空间辐射电磁场缘故无法正常工作。 该作品是利用电缆周围的电磁场变化原理制做成的，并且具有体积小、功耗低、抗干扰强、电路简单等特点，该作品突出的优势是，在有多根电缆存在时或待测量电缆周围干扰较强时也能比较容易的测出断芯的位置，信号采集只集中在与测断笔接触的位置上。
获奖情况及鉴定结果
- 在2008年我校物理与电子信息学院文化科技月中获得发明类一等奖。 2008年我校第六届挑战杯大学生课外科技作品大赛特一等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段。
技术转让方式
- 有偿转让。
作品可展示的形式
- 图片、实物、现场演示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 在测量时有两种方法定位电缆断点的位置：一是，从接有电源那端开始测量，将探头贴在电缆结缘皮的表面，也可有一定的空隙，这时测断笔的发光二极管从一支常亮状态转变为两支交替的发光，缓慢的向另一端移动，直到发光二极管变为一只常亮或同时熄灭，在状态突变的那段反复测试几遍即可准确的定位断点位置；二是，从另一端开始测量，转变状态是由一支常亮到两支交替发光。 利用电缆周围的电磁场的强弱来定位，同时考虑到便于集成、低功耗、工作电压宽等特点，且可以直接推动发光二级管发光考虑用COMS型集成CD4017。 使用该集成电路就可以直接作为探头后级和发光驱动级，无需在为发光二极管特别制作驱动闪烁发光电路，电路简单、成本低。 该作品方便携带，能测出电缆及导线断芯位置，功耗小，使用寿命长，便于集成到其他电工工具中，并且适用于家庭和小型维修店使用，该仪器在经过实践检测后进一步完善推广，必将给电路的故障检测带来极大便利。
同类课题研究水平概述
- 现有的电缆测断仪大体分为两类：一类利用低压脉冲反射原理，电路分为两部分，低压脉冲发生电路和脉冲接收电路，此类仪器适用于室外远距离电缆的测试，这种式仪器可用于大多数类型的通讯电缆的故障精确定位，例如：双绞线、同轴电缆、配电电缆和铠装电缆。 另一类是与本发明最相近的实现技术，利用电缆周围的电磁场的强弱来定位，其中用这种技术来测量的仪器在1991年10月17日申请专利，在1992年06月10日授权（申请号/专利号： 91226968）。这种电缆断芯测试仪，由一个感应电极Ａ、一个由四个三极管ＢＧ－［１］～ＢＧ串接而成的复合管放大器，一个由整流二极管Ｄ－［１］和滤波电容Ｃ－［１］、Ｃ－所组成的整流滤波电路，一个由二个三极管ＢＧ－［５］和ＢＧ－［６］连接成的压控振荡器，及其由Ｒ－［５］、Ｒ－［４］、Ｃ－［４］所组成的正反锁回路和一个发光二极管Ｄ－［２］所串接而成。由３伏直流电源供电。这种测试仪用非接触方式测定电缆断芯部位及高、低压电场是否带电，能确保操作人员安全；测试结果简。还有一种利用手表液晶显示器测量电缆断点的《液晶感应式电缆测断仪的研制成果报告》已经在百度网站发表，不过还没有给出电路。
