文摘

提出了一个统一的描述非接触式检测的一种新方法,识别和诊断的电气连接和描述了一种使用模态调查这些任务的想法和原则。仿真和实验结果通过扁平电缆脉冲信号传播的模态分解一个脉冲信号,它取决于探测线的状态。结果表明,提出的任务可以通过模态调查解决。本文还认为在频域模态分析的扭曲并给出其实际应用的公式。这个公式时可以有用的最小脉冲持续时间长于时滞差分模式。总之,我们的思想进一步发展模式探索。

1。介绍

提供错误和电子和电气系统的性能稳定是很重要的控制功能。在这种情况下,检测、识别和诊断电气连接成为紧迫的1),特别是航空和航天等领域2]。无处不在的技术之一是反射计。这种技术增加其功能和应用程序的开发(3- - - - - -5]。不幸的是,反射计响应本身并不总是自给自足的识别和定位缺陷的电气连接,这是一个逆问题的一个解决方案的原因也可能提高反射计的适用性(6,7]。然而,布线网络发展加强探测设备的要求,需要创建的设备基于其他原则。阻抗光谱学可以适用于线故障诊断(8,9]。特别是,非接触式方法的发展是很重要的(10]。

新设备已经提出了非接触式(以下简称,术语“非接触式”意味着不需要电连接测试设备)检测、识别、和诊断的基础上,采用模态的扭曲的脉冲信号波形(11]。然而,设备需要仔细调查的实际实现的模态现象多线的结构。大量的理论研究已经使用软件进行准静态和电磁仿真显示模态现象申请检测的能力,识别和诊断多线的结构和创建设备基于这些现象(12]。此外,有一些实验来确认一个脉冲可以分解成多个脉冲振幅较低,因为不同的模态延迟结构(13),方法应用模态现象对保护的影响,以关键设备UWB-pulses传播被描述(14]。扁平电缆上的实验结果证明了非接触式线诊断的可能性,使用模态探测即使没有电连接导线(15]。结果展示了开发新设备检测的可能性,识别和诊断电气连接。然而,可能的实现需要分析信号不仅在时间而且在频率域。第一步在频域模态变形分析的非接触式诊断电气连接已经被描述的16]。不幸的是,广义的演讲获得模态和一些新结果探索仍然缺席。同时,它可以有助于揭示未来工作的有前途的方法。

本文的广义模态现象的描述可能的应用非接触式检测,识别,并给出诊断电气连接的第一次。

本文的组织结构如下:部分2介绍了模态的理论背景调查。部分3描述了本文使用的模拟方法。部分4描述了使用模态调查检测和识别电气连接。诊断的机会了5,在频域模态失真的分析提出了部分6。本文的结论部分7。

2。模态调查背景

众所周知,在传播的脉冲信号导体传输线(导体 在非齐次电介质填充引用),脉冲信号可能受到模态分解成扭曲了由于不同模态的延迟脉冲振幅较小。完整的脉冲信号分解的长度如果总持续时间将会发生什么令人兴奋的脉冲小于最小模模态的差异之间的延迟,即条件下(17] 在哪里是单位长度的延迟th的结构模式。事实上,根据模态理论(18),一个脉冲激励的导体传输线脉冲的被认为是组合模式,传播与自己的单位长度的延迟(以及其他特征)。每个延迟乘以会给相应的脉冲到达行结束的时候。小值的时候,邻近的脉冲可以重叠。然而,如果最小的值比刺激脉冲的总持续时间的重叠脉冲模式将减少,直到行结束的脉冲完全分解。这种现象可用于检测,识别和诊断电气连接。本文概括的这些机会称为模态探测。如果对导体有不同的电和磁耦合的探测,探测的信息导体可以获得模态波形的失真的探测线。

框图的装置,实现了模态探测原理图所示1。设备操作如下:沿着探测的探测脉冲发生器传播路线。这个脉冲进行模态对导体的存在所造成的扭曲。传输信号的探测线输出和反射信号的探测线输入到接收机输入然后处理单元。所有单位根据设备的功能控制单元的信号。信息探测结构从波形中提取的远近结束调查。

3所示。仿真的方法

摘要脉冲传播的模拟是由电磁和准静态方法。第一个是用于验证了有限的集成技术的基础。第二个是用作基于快速和精确模型的主要方法实现可用TALGAT软件(19]。仿真详细描述如下。TALGAT软件是基于矩量法和允许我们进行二维准静态分析。软件中实现的算法允许计算矩量矩阵的所有元素通过充分分析公式,避免了耗时的和近似数值积分。它可以用于有效电容矩阵的计算各种复杂的二维结构。(完成算法是常用的细节20.这里省略了因为尴尬。)我们模拟一个短脉冲沿着多芯线传输线传播为基础的结构考虑。它假定传输线的分析是一致的与一个任意截面的长度。横截面,在一般情况下,信号导体和参考,是由以下 矩阵的行单位长度参数:电感()、静电感应系数(),电阻()和电导()。在文献[21)基于修改的节点导纳矩阵的方法提出了制定网络方程包括多芯线输电线路、终端和互连网络。基于这种方法,允许我们使用算法来计算电压不仅在网络任何节点,而且在任何时候在任何多芯线输电线路的导线。(这里描述的算法细节和各种应用程序并不是为了简洁但可以在(22- - - - - -24]。)这是在我们的研究中,所使用的方法和电压在时域采用快速傅里叶逆变换获得。

4所示。探测和识别

通过检测我们的意思能力检测被动(探测)导体,而通过识别我们意味着探测的能力确定导体和边界条件。由模态检测和识别电气连接的可能性探索了准静态建模的梯形脉冲信号扭曲微带结构(图1.5米的长度2)。作为激励源,我们选择了一个梯形和EMF 2 V信号的持续时间上升,下降,平顶0.1 ns。边界条件的线路选择从pseudomatching条件积极行和开路。单位长度参数的矩阵如表所示1。更详细的模拟结构的设置和参数给出了(17]。

为 的远端(有效导体)探测线()有两个脉冲,而不是一个(图2(一个))。第二个脉冲是由探测被动导体的存在(,因此,偶数和奇数的激励模式),由其与探测线和电磁耦合的输入脉冲的总持续时间小于总延迟模式之间的区别。模式的差异延迟是由于结构的非均匀介质填充。为 在调查的远端行()有三个脉冲,而不是一个(图2 (b))。三个脉冲的出现是由两个被动导体的存在,所以三种模式是兴奋的结构和它们之间的时滞差分比脉冲持续时间。

确认使用模态现象来检测电气连接的可能性,我们已经进行了一个实验与实验电路板结构。截面和摄影实验PCB图所示3展示在表和它的参数2。电阻的值的线的长度0.33米在实验50Ω(- - - - - -在原理图上的人物2(一个))。

实验的设置是基于频闪示波器S9-11(50Ω内部阻抗,17.8 GHz带宽)组成一个信号分析仪,一个指标,一台发电机,频闪,脉冲形成器(图4)。20分贝衰减器是连接到频闪的输入来保护它。电缆是连接到脉冲形成器,衰减器通过SMA连接器。

每个实验是按照以下顺序进行的。首先,超宽频脉冲的脉冲形成器传播到一个输入连接器,然后直接(没有测试设备)输出连接器,,最后,衰减器,频闪仪输入测量信号波形。后来,PCB或被测电缆(DUT)之间的连接输入和输出连接器和由此产生的信号波形进行了测量。本实验装置适用于所有与S9-11测量。

之间的电压脉冲应用积极的跟踪和实验PCB的参考平面。脉冲形成器输出的信号参数表列出50Ω负荷3。示波器S9-11的摄影测量的输入和输出电压波形如图5(一个)。(输入脉冲测量20分贝衰减器,而其他脉冲测量没有它。)测量和模拟的对比分析(通过电磁方法基于适应方法)电压波形(图5 (b))显示良好的巧合。

因此,这些结果表明,根据脉冲的数量在有效导体的尽头,我们可以确定的存在和数量被动导体,就是解决问题的检测和识别电气连接。

让我们考虑模态探测的可能性为扁平电缆(图6)。典型的扁平电缆的参数表4- - - - - -6。数据显示,电缆与空气间隙模式单位长度的延迟的差异超过0.3 ns / m和电缆没有空气间隙0.5 ns / m。因此,模态探索适用于这样的电缆。

确认使用模态现象来检测电气连接的可能性,我们进行了一项实验:使用S9-11示波器。脉冲信号的参数测量的远近端探测一双PUGNP 3×1.5电缆电线(图6(一)),一个代表了活跃的线,R参考线P被动。因此,我们认为被动线探测的可能性(不接触),基于活动之间的信号和参考线的探索。

电压脉冲应用之间的活动和参考线(结构的原理图在研究相似,如图2(一个),但线的长度()是通过脉冲形成器(15米)的输出电阻 Ω,的最大信号幅度10 V)。示波器的输入电阻 Ω,而和改变:开路、短路和100Ω。脉冲形成器输出的信号参数表列出50Ω负荷7,波形如图7(一)。(输入脉冲测量20分贝衰减器,而其他脉冲测量没有它。)

波形的远端探测线如图所示7。脉冲振幅在不同边界条件下的探测线展示在表8。在所有这些情况下,有两个脉冲,而不是一个探测线的远端。第二个脉冲是由探测被动导体的存在(,因此,偶数和奇数的激励模式),由其与探测线电磁耦合,通过输入脉冲的总持续时间这一事实(≈0.6 ns)小于总差异模式延迟(0.32 ns / m×15 m = 4.8 ns),如下表6。示波器模式与波形的远端探测线(图7 (b))在被动与开路线显示了检测导体的能力没有任何接触。确定边界条件的被动导体,脉冲形状应该取决于边界条件。有两个脉冲的远端行所有示波器模式但其振幅取决于边界条件(表8)。

这个依赖的理论背景是基于模态理论和包含在下面。在输电线路产生的电压和电流叠加考虑表示为两个解耦的输电线路的电压或电流,有内在的特性阻抗和单位长度延迟,定义为偶数和奇数模式。首先,令人兴奋的信号表示为励磁的偶数和奇数的叠加模式。然后,每个线条很兴奋的内在激励。由此产生的输出电压取决于传输系数在一行的开始和结束。这些系数是由边界条件和特性阻抗的模式。在脉冲激励的情况下,产生的输出电压包含两个(偶数和奇数模式)脉冲的振幅。一般来说,振幅的值是不同的,因为它们是由不同的传输系数的模式。边界条件的变化改变偶数和奇数的结果输出电压脉冲。分析传输系数和脉冲振幅的表达式可以很容易地推导出类似于(25]。然而,这种方法不考虑损失和色散,这可能会严重影响脉冲的振幅。因此,数值全波或上述准静态分析更为相关。

验证实验的结果,我们完成了准静态模拟。仿真结果如图所示8。为了清楚起见,实验和仿真结果的比较开路情况如图9。如我们所见,定性比脉冲振幅之间的实验和仿真是相似的,但振幅和下降时间的值更大的实验。这些差异是由于不同的实际和模拟参数(输入信号、电介质、导体和边界条件),以及测量和模拟错误。非因果波形仿真结果的解释忽视对频率的依赖关系在仿真过程中tgΔ。这种效应被认为是[详细26]。然而,更详细的模拟和解释这些结果超出了本文的范围。

因此,实验的结果和模拟电缆PUGNP 3×1.5类型的确认检测和识别的可能性边界条件在一根导线的两端通过模态的探测没有电气连接的导体。值得注意的是,没有一个现有的和利用方式(脉冲反射计、基于感应方法)有这样的可能性。

5。诊断

通过诊断我们意味着能力确定被动(探测)导体断裂。与模态调查诊断一个被动的导体,脉冲信号的模态变形的形式应该取决于被动的状况导体。这是说明了仿真的脉冲传播的扁平电缆PUGNP 类型(图6 (b))。我们模拟的两种情况,有或没有休息在一个被动的线。休息的情况在被动线模拟用电缆(图的两个部分10), GΩ。结构的总长度是2米,和被动断线感动的点的距离0.5,1,1.5米的近端被动线。(探测脉冲参数EMF振幅2 V;每个上升、下降和平顶时间值是100 ps)。仿真结果如图所示11。

仿真结果表明,在没有休息的一个被动的线(图(11日)),两个脉冲,而不是一个来探测线的远端,和他们发生上述的原因。与被动断线,脉冲的探测线增加(数据11 (b)- - - - - -11 (d))。当断点位于距离0.5米的近端结构,脉冲的数量的远端探测线双打。这是由于这样的事实,在被动断线点脉冲分解成两个脉冲因为模态的不同延迟1号线比探测脉冲持续时间。当断点位于1米的距离的近端结构,有三个脉冲探测线的尽头;脉冲重叠,所以中间脉冲幅度上升。因此,信息获得的波形的远端探测线允许我们决定休息的被动的线。反射的近端探测线也是有益的,因为他们允许我们来定位。

此外,我们获得的实验结果证实了诊断使用模态探测。研究被动断线的可能性诊断,我们进行实验在两个结构如图2(一个)和10。考虑电缆的电气参数(PUGNP )展示在表6。实验条件充分描述的部分4。

源信号和信号的波形图的远端结构没有被动的探测线断线(图2(一个)),当 Ω,如图12。最快的时间延迟测量模式(考虑到7.5%的最大允许误差水平刻度20 ns / div S9-11示波器) ns,对应的单位长度延迟(表6)乘以结构长度(4.74 ns / m×15 m = 71.1 ns)。第二个脉冲的出现是由于被动(探测)线的存在,以及这样一个事实,即初始脉冲的总持续时间(≈0.6 ns)小于延迟模式的差异(0.32 ns / m×15 m = 4.8 ns),如下表6。波形在不同边界条件下的远端探测线两端的被动线在这里省略了但被认为是更详细地12]。

在远端波形探测线的被动断线的情况如图(13日)。可以看到,当被动的线坏了,四个脉冲来的远端探测线而不是两个脉冲,在没有休息。部分重叠的脉冲将分散。的存在引起的反射信号的被动导体也观察到(环绕在一个白色的框架)。传播和反射信号之间的时滞差分近似 ns(水平刻度20 ns / div)和对应的单位长度延迟(从表6)乘以两倍的长度1号线(4.74 ns / m×2×5 m = 47.4 ns)。因此,改变脉冲的数量的远端探测线实验证实了非接触式的可能性诊断线结构的模态探测,而反射信号可能有助于找到断线。

当没有电探测线之间的连接和被动线(即。两端,开路条件的被动线)的实际利益。波形的远端探测线对于这种情况如图13 (b)。如100Ω,四个脉冲探测的远端观察到。因此,提出了波形显示断线的可能性诊断通过模态的探测在没有电的情况下连接。值得注意的是边界条件的变化的被动线导致脉冲的振幅的变化。这种情况下的仿真结果( )如图14。这些结果与实验一致,更清楚地表明,在远端有4次脉冲。传播和反射信号之间的时间延迟(ns 116−69 ns = 47 ns)也与实验(47.4 ns)一致。

6。在频域模态分析的扭曲

模态分解只会发生条件下(1)。然而,当分解脉冲重叠,很难检测分解事实只在分析时域模态扭曲。解决这个问题的方法之一是附加在频域分析(16]。

第一个最低频率的频谱信号的远端一个匹配的多芯的有效导体传输线获得以下表达式: 在哪里是一个结构的长度,是一个单位长度的延迟th模式的结构,是电线的数量(不含)的引用。为 (2)的形式 在哪里和是单位长度延迟偶数和奇数模式。然后从(3我们获得

现在,使用(4),我们可以确定断线点的距离。它可以由实验结果证实了在时间域上面详细描述。信号的波形和频谱结构的探测线的远端(总长度15米)没有被动断线如图15休息,从近端(5米)在图16。从图(15日)可以找到模式之间的差异延迟通过两者之间的时滞差分脉冲峰值(20 ns / div。×0.26 div = 5.2 ns)。单位长度的延迟差异将0.35 ns / m。

让我们参考数据在频域。采取的第一个频率最小值(83 MHz)衡量标记(图15 (b))的光谱,我们获得(4) 计算(17.2米)之间的差异和实际(15米)长度值的±7%。同样,与休息(图结构16 (b))得到(4) 计算(11.25米)之间的差异和实际(10米)长度值±6%。结构有断线,(4)给区段长度最长的。真正的和计算值之间的差异是由测量误差造成的。

实验和仿真结果的一致性是观察不仅在时间还在频域。仿真结果在远端信号频谱的情况下有或没有断线图所示17。有轻微区别第一共振频率与实验相比(数字15和16)。这些频率的值和百分比的差异表9。这些差异的原因是相似的部分中描述的4。

一个类似的实验进行实验电路板。然而,标量网络分析仪的测量进行了R2M-40(50Ω内部阻抗,40 GHz很大的带宽)。实验设置如图18。我们测量参数。测量和模拟的频率依赖关系如图19。采取的第一个频率最低(545 MHz)衡量R2M-40(图19),我们获得(4) 计算(0.41米)之间的差异和实际(0.33米)长度值的±11%。

因此,实验和模拟结果允许我们测试公式相关的最长片段的长度结构模态的不同延迟和第一个最低的频率信号的频谱结构的远端。它可以用来诊断电气连接。因此,结果表明应用模态频率分析调查的可能性。

7所示。结论

在这篇文章中,我们描述的原则,采用模态现象探测、识别和诊断电气连接。建议的方法是基于一个复杂的分析信号模态变形和有两个主要优点:首先,电连接探测线是没有必要的,其次,其他方法固有的信息量是要求到探测线的连接(例如,脉冲反射计)。

仿真和实验的结果证实了利用模态探测的可能性。第一步在频域模态研究的扭曲得出一个公式,允许我们找到的长度最长的部分结构和断线的存在结构,即使条件(1)不满足,没有完整的模态分解。然而,它需要进行更深入的研究应用模态现象探测,识别、通过模态探测和诊断电气连接。

应该指出的是,本文并没有完整地介绍了模态探测的可能性。特别是,该方法的进一步发展需要一个详细的研究为结构模态失真 。此外,研究集中元素的影响以及被动的导体在模态变形也是潜力。模型和原型的模拟、设计和实现基于模态探测的各种选项的设备是必要的,它的好处。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

所有作者都与电视和控制控制系统和无线电电子学的托木斯克州立大学,托木斯克,俄罗斯。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究受到了俄罗斯联邦教育部和科学(项目8.9562.2017/8.9)。