CN110764027B - 基于频谱特征变化的电连接器发生间歇故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

基于频谱特征变化的电连接器发生间歇故障诊断方法，通过对电连接器的每路连线加载N次可重复的脉冲作用下，获取足够多的采样数据，而后对采样数据进行频谱特征分析，统计分析N次数据的能量频谱特征，计算其差异程度，超出阈值范围，判定易于发生间歇故障，最后通过综合电连接器所有连线测试结果，得到该电连接器发生间歇故障概率；在实际工作过程中，发生间歇故障的可能性越高，与其他方法相比，这种方法简单可靠，并估计出发生间歇故障的概率。

Description

基于频谱特征变化的电连接器发生间歇故障诊断方法

技术领域

本发明涉及故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于频谱特征变化的电连接器发生间歇故障诊断方法。

背景技术

复杂装备***中普遍存在间歇故障问题，进而带来严重的费用负担和安全风险。间歇故障是一种可反复出现，未经处理可自行消失的非永久故障，具有随机性、间歇性和反复性。在电子设备尤其是大规模集成电路中，由于制造工艺不佳和不规范使用等导致的元器件虚焊、芯片管脚和连线松动等均会导致电路间歇故障的发生。间歇故障发生频率是永久故障的10～30倍，是造成***失效的主要原因。其中电连接器间歇故障是间歇故障的主要来源，其存在难复现、难测试、难诊断。统计表明，各种***失效的70％是由元器件的失效引起，而这其中又有40％是电连接器的失效引起。如汽车中30～60％的电子故障由电连接器退化引起，在对某舰船的现场故障数据统计分析发现，连接型故障占所有故障的26.89％，而这还未包含整体封装零件中的连接型故障。可以肯定的是，连接型故障占所有故障的比重高于30％。

目前，提取故障特征的方法有很多，如快速傅里叶变换、小波变换、小波包变换、倒谱和Wigner分布等，但间歇故障由于其存在随机性和间断性，难以对其故障特征进行提取。美国Universal Synaptic研制的间歇故障检测和隔离***(Intermittent FaultDetection and Isolation System，IFDIS)，能够检测传输线路的缺陷和故障，但非间歇故障，其产品IDF-2000连接设备线路后发出信号并检测回波信号，通过检测待测单元电阻的瞬时变化来判断是否故障；Zanardelli、Zaidi等针对交流永磁电机间歇电阻增加和相线圈短路两种间歇故障，分别利用短时傅里叶变换、非抽样离散小波变换、Wigner-Ville分布、Choi-Williams分布从原始采集信号提取故障特征，采用线性分类器和k-mean分类器，实现对故障模式的判别；Banerjee提出聚类DFD(Distribution fault diagnosis)策略，用以诊断传感器节点的间歇故障；Alamuti针对中等电压输电***中馈线的电弧间歇故障，基于线路固有参数，推导出故障特征，通过在单端测量电压和电流，对间歇故障予以识别定位，但该方法依赖建模的精度；Cui Tao针对电力传输***接地瞬时故障和间歇故障，采用希尔伯特变换辨识瞬时功率方向，并基于该信号特征提出了故障诊断的算法，综上，目前并无合适方法判断电连接器发生间歇故障概率和程度。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于频谱特征变化的电连接器发生间歇故障诊断方法，以解决上述背景技术中的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

基于频谱特征变化的电连接器发生间歇故障诊断方法，具体步骤如下：

1)选择电连接器的一路待测试连线，根据其连接线长短设定脉冲宽度值τ、作用时间T及判定两频谱不一致能量比阈值λ_max；

2)通过单片机产生幅值为5V、宽度为τ的脉冲信号，经信号处理电路放大后输出至电连接器的待测试连线，电连接器另一端连接实际设备，并将实际设备置于模拟工作环境中；

3)脉冲信号通过电连接器端口将产生反射信号，若连接的实际设备也产生有负载效应，最后形成实际的返回信号，经信号处理电路处理，返回至单片机控制的ADC口进行模拟信号采样，ADC口所采集的数据包括该待测试连线线路存在的正常状态、间歇故障状态和永久故障状态信息；

4)单片机对步骤3)中ADC口所采集的数据进行FFT变换，形成频谱特征并保存起来，构成1组频谱特征数据；

5)保持脉冲宽度和作用时间不变情况下，将步骤1)选定的同一路待测试连线重复步骤2)～步骤4)N次，以得到N组频谱特征数据；

6)单片机比较步骤5)中所得N组频谱特征数据中任意第i、j两组的能量频谱差异程度λ_ij，若能量频谱差异程度λ_ij小于能量比阈值λ_max，判断其属于同一种***工作状态；在N组频谱特征数据中，能量频谱分布一致的数据组数目最多的判定为正常工作状态或永久故障工作状态，数目少(也可能为0)判定为存在间歇故障状态；

7)计算步骤6)中间歇故障状态的所占比例数，作为间歇故障发生概率，从而得到该电连接器待测试连线上发生间歇故障的概率；

8)再选择电连接器上其他未测试的连线，重复步骤1)～步骤7)，当该电连接器所有插针或插孔的连线都测试过后，统计分析出结果，得到该电连接器发生间歇故障概率。

在本发明中，步骤1)中，脉冲宽度值τ设置10纳秒～10微秒。

在本发明中，步骤2)中，脉冲信号作用时间T不超过5秒。

在本发明中，步骤6)中，所述能量频谱差异程度λ_ij的计算公式为：

式(1)中，a、b为所关注频段范围，E_c是所关注频段内的能量，E_ci表示第i组所关注频段的能量，A_ki表示第i组第k个频率分量的幅值，当λ_ij大于0.2时，判定其差异非常明显。

在本发明中，步骤6)中，能量比阈值λ_max取0.2。

有益效果：

1)本发明无需研究电连接器复杂的动态特性，通过单端测试以判定电连接器每根连线存在间歇故障的概率，简单实用可靠；只需要针对电连接器每路连接线加载N次可重复的脉冲作用信号，获取足够多的采样数据进行频谱特征分析，统计分析其频谱特征的一致性，当不一致时，判定发生间歇故障，综合电连接器所有连线的测试结果判断该电连接器发生间歇故障的概率；

2)本发明通过能量频谱差异程度公式，结合傅里叶变换获得采样信号的频谱特征，进而比较各频段的能量频谱特征的一致性，若超出所设噪声能量比的阈值，则认为其发生间歇故障，出现越多这种状态，在实际工作过程中，发生间歇故障的可能性越高，与其他方法相比，这种方法简单可靠，并估计出发生间歇故障的概率。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例中的电连接器连接示意图。

图2为本发明的较佳实施例中的发生间歇故障诊断流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1～2的基于频谱特征变化的电连接器发生间歇故障诊断方法，具体步骤如下：

1)选择电连接器的一路待测试连线，根据其连接线长短设定脉冲宽度值τ(设置10纳秒～10微秒)、作用时间T(脉冲宽度的10000倍)及判定两频谱不一致能量比阈值λ_max；

2)通过单片机(或FPGA)产生幅值为5V、宽度为τ的脉冲信号，经信号处理电路放大后输出至电连接器的待测试连线，电连接器另一端连接实际设备，并将实际设备置于模拟工作环境中(如振动、温度条件)，脉冲信号作用时间T不超过5秒；

3)脉冲信号通过电连接器端口将产生反射信号，若连接的实际设备也产生有负载效应，最后形成实际的返回信号，经信号处理电路处理，返回至单片机(或FPGA)控制的ADC口进行模拟信号采样，ADC口所采集的数据包括该待测试连线线路存在的正常状态、间歇故障状态和永久故障状态信息，由于脉冲信号宽度τ有限，作用时间T短，可认为其只处于一种状态；

4)单片机(或FPGA)对步骤3)中采集的数据进行FFT变换，形成频谱特征并保存起来，构成1组频谱特征数据；

5)保持脉冲宽度和作用时间不变情况下，将步骤1)选定的同一路待测试连线对步骤2)～步骤4)重复N次，以得到N组频谱特征数据，注意所模拟的振动、温度等工作环境条件，应该反映在这N次测试中；

6)单片机(或FPGA)比较步骤5)中所得N组频谱特征数据中任意第i、j两组的能量频谱差异程度λ_ij，若能量频谱差异程度λ_ij小于能量比阈值λ_max，判断其属于同一种***工作状态；在N组频谱特征数据中，能量频谱分布一致的数据组数目最多的应该属于正常工作状态或永久故障工作状态，数目少(也可能为0)的判定为存在间歇故障状态；

所述能量频谱差异程度λ_ij的计算公式为：

式(1)中，a、b为所关注频段范围，E_c是所关注频段内的能量，E_ci表示第i组所关注频段的能量，A_ki表示第i组第k个频率分量的幅值，当λ_ij大于0.2时，判定其差异非常明显，λ_max一般取0.2；

因间歇故障发生时，不一定是全频段频谱能量都发生显著不一致，仅仅是某个频段具有显著变化，在实际比较中，是将整个频段平分为M段(一般不小于20)，求得每一频段的λ_ij，最后选择M个频段中最大值λ_ijM作为其第i，j两组数据能量频谱差异程度；

7)计算步骤6)中间歇故障状态的所占比例数，作为间歇故障发生概率，从而得到该电连接器待测试连线上发生间歇故障的概率；

8)再选择电连接器上其他未测试的连线，重复步骤1)～步骤7)，当该电连接器所有插针或插孔的连线都测试过后，统计分析出结果，得到该电连接器发生间歇故障的情况。

Claims (5)

1.基于频谱特征变化的电连接器发生间歇故障诊断方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)选择电连接器的一路待测试连线，根据其连接线长短设定脉冲宽度值τ、作用时间T及判定两频谱不一致能量比阈值λ_max；

2)通过单片机产生幅值为5V、宽度为τ的脉冲信号，经信号处理电路放大后输出至电连接器的待测试连线，电连接器另一端连接实际设备，并将实际设备置于模拟工作环境中；

3)脉冲信号通过电连接器端口将产生反射信号，若连接的实际设备也产生有负载效应，最后形成实际的返回信号，经信号处理电路处理，返回至单片机控制的ADC口进行模拟信号采样，ADC口所采集的数据包括该待测试连线线路存在的正常状态、间歇故障状态和永久故障状态信息；

4)单片机对步骤3)中ADC口所采集的数据进行FFT变换，形成频谱特征并保存起来，构成1组频谱特征数据；

5)保持脉冲宽度和作用时间不变情况下，将步骤1)选定的同一路待测试连线重复步骤2)～步骤4)N次，以得到N组频谱特征数据；

6)单片机比较步骤5)中所得N组频谱特征数据中任意第i、j两组的能量频谱差异程度λ_ij，若能量频谱差异程度λ_ij小于能量比阈值λ_max，判断其属于同一种***工作状态；在N组频谱特征数据中，能量频谱分布一致的数据组数目最多判定为正常工作状态或永久故障工作状态，数目少判定为存在间歇故障状态；

7)计算步骤6)中间歇故障状态的所占比例数，作为间歇故障发生概率，从而得到该电连接器待测试连线上发生间歇故障的概率；

8)再选择电连接器上其他未测试的连线，重复步骤1)～步骤7)，当该电连接器所有插针或插孔的连线都测试过后，统计分析出结果，得到该电连接器发生间歇故障概率。

2.根据权利要求1所述的基于频谱特征变化的电连接器发生间歇故障诊断方法，其特征在于，步骤1)中，脉冲宽度值τ设置10纳秒～10微秒。

3.根据权利要求1所述的基于频谱特征变化的电连接器发生间歇故障诊断方法，其特征在于，步骤2)中，脉冲信号作用时间T不超过5秒。

4.根据权利要求1所述的基于频谱特征变化的电连接器发生间歇故障诊断方法，其特征在于，步骤6)中，所述能量频谱差异程度λ_ij的计算公式为：

式(1)中，a、b为所关注频段范围，E_c是所关注频段内的能量，E_ci表示第i组所关注频段的能量，A_ki表示第i组第k个频率分量的幅值，当λ_ij大于0.2时，判定其差异非常明显。

5.根据权利要求1所述的基于频谱特征变化的电连接器发生间歇故障诊断方法，其特征在于，步骤6)中，能量比阈值λ_max取0.2。

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