線纜測試儀開關(guān)矩陣檢測方法研究

何洪波，葉峻江，李春龍

（廣東省計量科學研究院東莞計量院，廣東 東莞 523330）

線纜測試儀開關(guān)矩陣檢測方法研究

何洪波，葉峻江，李春龍

（廣東省計量科學研究院東莞計量院，廣東 東莞 523330）

為滿足對線纜測試儀的開關(guān)矩陣及所有測試接點進行檢查的要求，研究采用印刷電路板模擬線纜及線束對線纜測試儀開關(guān)矩陣及所有測試接點進行檢測的方法。針對線纜測試儀的測試功能特點，分別研究短路、導通、絕緣及電容測試板原理、元器件選型和制作方法，通過大量試驗證明這些方法的檢測速度快速有效，可以滿足開關(guān)矩陣檢查的要求。

校準；測試板；開關(guān)矩陣；線纜測試儀

0　引　言

線纜（線束）測試儀是自動測試各種電子線材及其連接器低頻電氣參數(shù)的智能儀器，廣泛應(yīng)用于線纜、線束及排線等生產(chǎn)企業(yè)［1］。它能根據(jù)客戶提供的產(chǎn)品樣板，自動檢查出不符合產(chǎn)品樣板要求的線材，并能準確判斷故障原因及故障點位置，并能對線纜進行交直流耐電壓、泄漏電流、導通阻抗、絕緣阻抗和線間電容等功能的測試。

線纜測試儀主要由絕緣電阻測量、線纜直流電阻測量、線間電容測量、開關(guān)矩陣和測試接口等單元組成［2］。它通過開關(guān)矩陣切換測試功能和測試接點［3］，使每個測試接點都具有相同的測試功能。通用的線纜測試儀有上百個測試接點，但國內(nèi)計量機構(gòu)的常規(guī)方法［4-5］僅校準幾個測試接點的基本誤差，對其他測試接點完全忽略，給校準結(jié)果帶來一定的風險。為了規(guī)避校準風險，有必要在校準前對線纜測試儀的開關(guān)矩陣和測試接口的功能進行檢查。

1　原　理

線纜（線束）是通信設(shè)備、計算機產(chǎn)品和儀器儀表等產(chǎn)品之間進行數(shù)據(jù)通信的重要組成部分，它由多條封裝在一起的平行線芯組成。常用線纜直流及低頻等效電路如圖1所示（以兩根線芯為例），其中，W1、W2為兩條平行導線，R1、R2分別為W1和W2的導通電阻，R3為W1和W2之間的絕緣電阻，C1為W1和W2的線間電容。

按照UL 758——2006［6］標準的要求，對線纜進行電氣性能測試，必須依次使用開爾文電橋、兆歐表、耐電壓測試儀、電容表和蜂鳴器電鈴等設(shè)備，對圖1中的R1、R2、R3和C1進行測試。當線纜中的線芯數(shù)量增多時，采用傳統(tǒng)的測試方法將導致測試速度降低，測試人工成本升高。使用線纜測試儀，可以通過內(nèi)部開關(guān)矩陣自動切換相應(yīng)的測試功能及測試接點，滿足對線纜進行快速測試的要求。線纜測試儀開關(guān)矩陣是由繼電器或者模擬開關(guān)組合而成，圖2為開關(guān)矩陣的等效結(jié)構(gòu)（以4×4為例）。

圖1　線纜直流及低頻等效電路圖

圖2　開關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計一種測試板，用于檢查線纜測試儀開關(guān)矩陣和所有測試接口的功能。這種測試板實際上是一塊PCB（印制電路板），其接口是與被校線纜測試儀測試接口相對應(yīng)的適配器。在PCB上用銅箔線路和電子元件連接適配器上的測試接點，分別模擬正常線纜和故障線纜。為了全面檢查開關(guān)矩陣及測試接點的功能，應(yīng)包括短路、導通、絕緣和電容4種類型的測試板。多數(shù)線纜測試儀測試接口有DIN41612接口和IDC牛角接口兩種標準，每個測試接口內(nèi)部有幾個到數(shù)十個測試接點。本文以64個測試接點的DIN41612接口為例，介紹測試板的研制方法。為測量線纜的電氣特性，線纜的兩端必須連接到不同的測試接點，形成電氣通路，一個64接點的測試接口最多可以同時測量一條32條線芯的線纜。

2　制作方法

2.1短路測試板

按照線纜測試儀的操作程序，在測試線纜前，先讀取樣本線纜電氣特性，通過開關(guān)矩陣將測試功能連接到相應(yīng)測試接點。線纜測試儀最低可以測量0.1 Ω導通電阻，但儀器內(nèi)部的PCB線路電阻、開關(guān)電阻和測試接點的接觸電阻之和已經(jīng)超過0.1Ω。同時，不同測試接點材料和制作工藝不一致，使其殘余電阻不完全相同，因此在測量導通電阻之前必須先進行阻抗歸零。

短路測試板的作用就是在PCB上模擬樣本線纜以及歸零線纜測試儀導通電阻。它通過短路測試接點引腳，消除線纜測試儀零位電阻，提高導通電阻測量的準確度。線路測試儀連接短路測試板后的等效電路圖如圖3所示，其中P1及P2是線路測試儀內(nèi)部導通電阻測量端，R1和R2是內(nèi)部PCB線路電阻，R3和R4是繼電器的開關(guān)電阻，R5和R6是測試接點與短路測試板適配接點的接觸電阻，R7為短路測試板的銅箔電阻，R8為0Ω導通電阻。清除零位電阻的過程就是線纜測試儀自動測試P1至P2的總電阻，在儀器內(nèi)部添加該電阻的負偏置。

圖3　短路及導通測試板等效電路

由于導通測試板銅箔線路電阻的限制，在制作短路測試板時應(yīng)使R7與導通測試板殘余電阻相等，保證歸零后，線纜測試儀能夠準確測量導通測試板上的實物電阻。

2.2導通測試板

導通測試板用于模擬有一定導通電阻的線纜，檢查線纜測試儀開關(guān)矩陣及所有測試接點導通電阻功能。其等效電路如圖3所示，其中R8為導通測試板的實物電阻，R8的阻值可依據(jù)以下3個條件選?。?/p>

1）測量下限。因為短路測試板與導通測試板的接口特性不完全一致，歸零后不能完全消除導通測試板殘余電阻對測量結(jié)果的影響。使用數(shù)字毫歐表測量，導通測試板上銅箔線路電阻為40～50mΩ［7］，兩線實物電阻兩端引線電阻為2～10mΩ。在極端情況下，歸零測試板與導通測試板對應(yīng)測試點失配電阻可達20 mΩ。R8電阻值的選擇應(yīng)使失配電阻不超過其最大允差的0.5%，因此R8的下限不宜低于5Ω。

2）測量上限。實物線纜的導通電阻一般不大于10Ω，R8應(yīng)盡量接近實物線纜的導通電阻，因此R8的上限不宜超過10Ω。

3）具體阻值。當被測電阻值大于預置導通報警電阻值時，線纜測試儀顯示導通超限并發(fā)出報警信號，因此R8應(yīng)取線纜測試儀導通電阻最大允差的下限，確保合格的測試接點都能通過測試，報警的測試接點即為超出最大允差的測試接點。

在本設(shè)計中選用32只0.5級的9 Ω金屬膜電阻，模擬一束具有32條線芯，每條線芯導通電阻為9Ω的線纜，用于檢查導通報警電阻設(shè)置為10Ω，最大允差為±10%的線纜測試儀的開關(guān)矩陣和所有測試接點導通性能。

2.3絕緣測試板

絕緣測試板用于模擬絕緣性能不佳的線纜，檢查線纜測試儀開關(guān)矩陣及所有測試接點絕緣電阻功能。如圖4所示，W1和W2是兩條分別連接在線纜測試儀P1及P2和P3及P4測試接點的短路導線，R9為絕緣測試板上的實物電阻，模擬W1與W2之間的絕緣電阻。

圖4　絕緣及電容測試板等效電路

R9的阻值可依據(jù)以下3個條件選?。?/p>

1）測量下限。線纜測試儀的絕緣報警電阻一般大于1MΩ，R9的選擇應(yīng)滿足絕緣電阻功能檢查的要求，因此R9的下限不宜低于1MΩ。

2）測量上限。體積小的高值電阻準確度比較低，受環(huán)境影響及電壓變差大，因此R9不宜選擇20MΩ以上的電阻。

3）具體阻值。當被測電阻值小于預置絕緣報警電阻值時，線纜測試儀顯示絕緣超限并發(fā)出報警信號。所以R9應(yīng)選取線纜測試儀絕緣電阻最大允差的上限，確保合格的測試接點都能通過測試，報警的測試接點即為超出最大允差的測試接點。

線纜測試儀絕緣電阻的測試電壓范圍是5 V～ 1.5kV，必須要考慮實物電阻的電壓變差影響。依據(jù)JJG 1072——2011《直流高壓高值電阻器檢定規(guī)程》［8］，使用TY9801B型數(shù)字高阻檢定儀對某款額定功率為1/4W的1級12 MΩ金屬膜電阻作電壓變差試驗，其在1.5kV電壓以下均滿足電壓變差小于其準確度等級1/2的要求，符合JJG 1072——2011對直流高壓高阻電阻器的準確度要求。

在本設(shè)計中選用16只1級12MΩ金屬膜電阻，模擬一束具有32條線芯，相鄰線芯絕緣電阻為12MΩ的線纜，用于檢查絕緣報警電阻設(shè)置為10MΩ，最大允差為±20%的線纜測試儀開關(guān)矩陣和所有測試接點的絕緣性能。

2.4電容測試板

電容測試板用于模擬線纜的線間電容，檢查線纜測試儀開關(guān)矩陣及測試接點電容測試功能。由圖4（絕緣及電容測試板等效電路）所示，C2為電容測試板的實物電容。線纜測試儀的電容測試頻率范圍是100Hz～10kHz，同時電容測試板的面積有限，因此C2應(yīng)選擇無極性、穩(wěn)定性好、準確度高、損耗值低和體積小的電容器。聚苯乙烯電容器電性能優(yōu)良，具有極低的介質(zhì)損耗，低介質(zhì)吸收，良好的長期穩(wěn)定性，非常高的絕緣電阻和小的負溫度系數(shù)，電參數(shù)隨溫度和頻率變化很?。?］。它可用于很寬的頻帶和對電容量要求極高的電路，而且體積小，易于安裝在PCB上。線纜測試儀可以直接顯示電容指示值，因此電容量的選擇無需考慮儀器的最大允差。在本設(shè)計中選用16只0.5級1nF聚苯乙烯電容，模擬一束具有32條線芯，相鄰線芯線間電容為1nF的線纜，用于檢查線纜測試儀的開關(guān)矩陣和測試接點線間電容測量性能。

依據(jù)JJG 183——1992《標準電容器檢定規(guī)程》［10］，使用Agilent公司的4284A精密LCR電橋在15個月內(nèi)不定期考核17只0.5級1 nF聚苯乙烯電容的穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性如表1所示。

表1　聚苯乙烯電容穩(wěn)定性（部分）

由表可見，該型號電容的年穩(wěn)定性均未超過其等級，滿足最大允差為±5%的線纜測試儀開關(guān)矩陣及所有測試接點的電容測試功能的檢查要求。

3　試驗結(jié)果

開關(guān)矩陣測試板最終實現(xiàn)指標，如表2所示。

表2　開關(guān)矩陣測試板最終實現(xiàn)指標

選取CT8681型智能線纜測試儀進行結(jié)果驗證。CT8681有A、B兩個64測試接點的DIN41612-C型測量接口，分別使用短路、導通、絕緣及電容測試板對A測量接口的開關(guān)矩陣及所有測試接點進行檢查。

3.1導通測試板驗證結(jié)果

將被校線纜測試儀導通報警電阻設(shè)置為5 Ω（模擬全部測量不通過的情況），在歸零前和使用短路測試板歸零后，用導通測試板分別測量一組數(shù)據(jù)，部分結(jié)果見表3。

表3　導通測試板測量結(jié)果（部分）

將被校線纜測試儀導通報警電阻設(shè)置為10 Ω（模擬全部測量通過的情況），線纜測試儀顯示導通電阻測量全部通過。

3.2絕緣測試板測試結(jié)果

將被校線纜測試儀絕緣報警電阻設(shè)置為20MΩ（模擬全部測量不通過的情況），選擇500 V測試電壓，部分測量結(jié)果見表4。

表4　絕緣測試板測量結(jié)果（部分）

將被校線纜測試儀絕緣報警電阻設(shè)置為10MΩ（模擬全部測量通過的情況），線纜測試儀顯示絕緣電阻測量全部通過。

3.3電容測試板測試結(jié)果

將被校線纜測試儀電容報警值設(shè)置為10nF，報警誤差設(shè)置為10%（模擬全部測試不通過的情況），部分測量結(jié)果見表5。

表5　電容測試板測量結(jié)果（部分）

將被校線纜測試儀電容報警值設(shè)置為1nF，報警誤差設(shè)置為10%（模擬全部測試通過的情況），線纜測試儀顯示電容測試通過。

4　結(jié)束語

線纜測試儀歸零前，導通電阻測量數(shù)據(jù)超出線纜測試儀的最大允許誤差。使用短路測試板對線纜測試儀歸零后，導通電阻測量數(shù)據(jù)達到技術(shù)要求。導通、絕緣和電容測試板對線纜測試儀的測量數(shù)據(jù)一致性都很好。

因此，使用印刷電路板模擬線纜對線纜測試儀開關(guān)矩陣和所有測試接點進行檢查，提高了校準線纜測試儀的工作效率，滿足校準前對線纜測試儀進行功能檢查的要求。

［1］楊奮為.新型線束導通檢測儀的應(yīng)用［J］.機電元件，2002，22（1）：51-53.

［2］線纜測試儀：JJF 1457—2014［S］.北京：中國質(zhì)檢出版社，2014.

［3］龔紹文，劉寶賦.線束自動檢查儀的設(shè)計［J］.儀器儀表學報，2005，26（8）：154-157.

［4］何韻.線材測試儀（導通機）的校準方法介紹［J］.計量與測試技術(shù)，2007，34（8）：7-10.

［5］丁伏林，陳海燕.線材測試儀的校準方法［C］//江蘇省計量測試學會2005年論文集，2005：29-31.

［6］Appliance Wiring Material：UL 758-2006［S］.Underwriters Laboratories Inc，2006.

［7］印制電路用覆銅層壓板試驗方法：GB/T 4722—1992［S］.北京：中國標準出版社，1992.

［8］直流高壓高值電阻器檢定規(guī)程：JJG 1072—2011［S］.北京：中國質(zhì)檢出版社，2011.

［9］陳永真，李錦.電容器手冊［M］.北京：科學出版社，2008：54.

［10］標準電容器檢定規(guī)程：JJG 183—1992［S］.北京：中國計量出版社，1992.

（編輯：李妮）

Research on cable tester switch matrix detection method

HE Hongbo，YE Junjiang，LI Chunlong
（Dongguan Institute of Guangdong Institute of Metrology，Dongguan 523330，China）

In order to satisfy the inspection requirements on the switch matrixes and all the test points of cable testers，printed circuit boards were adopted to simulate cables and wires to detect the cable tester switch matrixes and all the test points.The short circuit，conduction，insulation and capacitance test board principle，component selection and production method were studied respectively according to the testing functions and features of the cable tester.A large number of tests have demonstrated that these methods are rapid and efficient in defection，and can meet the inspection requirements of switch matrixes.

calibration；test board；switch matrix；cable tester

A

1674-5124（2016）07-0031-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.006

2015-08-27；

2015-10-12

東莞市高等院?？萍加媱濏椖浚?011108102009）

何洪波（1976-），男，廣東東莞市人，高級工程師，主要從事電學、無線電及時間頻率計量技術(shù)的研究。