Диагностика качества электрических контактов и проводников методом нелинейной видеоимпульсной рефлектометрии Артищев Сергей Александрович

Содержание к диссертации

Введение

1 Анализ вопроса диагностики качества электрических контактов 13

1.1 Электрические контакты. Электрические эффекты и свойства 14

1.1.1 Контактное сопротивление 14

1.1.2 Зависимость контактного сопротивления от механического сжатия 15

1.1.3 Зависимость контактного сопротивления от протекающего тока 17

1.1.4 Критерии качества электрических контактов 18

1.2 Моделирование электрических контактов 21

1.2.1 Описание нелинейных свойств контакта при механическом воздействии 22

1.2.2 Описание нелинейных свойств контакта при электрическом воздействии 24

1.3 Методы и средства обнаружения некачественных электрических контактов 27

1.3.1 Методы на основе визуального контроля, в том числе по полученным изображениям контактов 28

1.3.2 Методы, основанные на прямом и косвенном измерении сопротивления контактов 33

1.3.3 Методы, основанные на измерении характеристики нелинейности сопротивления контактов 39

1.4 Постановка задач исследования 45

2 Модификация метода видеоимпульсной нелинейной рефлектометрии для диагностики качества электрических контактов и проводников 47

2.1 Анализ возможности применения термоэлектрических эффектов для диагностики качества электрических контактов и проводников 47

2.2 Способ устранения влияния нестабильности амплитуды тестовых сигналов на результат измерения 51

2.3 Способ повышения отношения сигнал/шум при регистрации сигналов с использованием двух каналов с разными коэффициентами ослабления 53

2.4 Выводы 55

3 Моделирование электрических контактов и проводников с учетом их нелинейных свойств 56 3.1 Моделирование контактов с малой поверхностью стягивания 56

3.2 Моделирование кабельной линии передачи, содержащей дефект в виде контакта с малой поверхностью стягивания 61

3.3 Использование разработанных моделей для анализа достаточности метрологических характеристик существующих инструментальных средств 68

3.4 Обобщение результатов моделирования и определение требований к системе диагностики на их основе 74

4 Экспериментальные исследования по обнаружению дефектов электрических контактов и проводников на основе метода нелинейной видеоимпульсной рефлектометрии и его модификации 76

4.1 Разработка экспериментальной установки для измерения характеристики нелинейности элементов линий передачи при термоэлектрическом воздействии 76

4.1.1 Формирование тестового видеоимпульсного воздействия 77

4.1.2 Разработка аппаратной части экспериментальной установки 77

4.1.3 Разработка программного обеспечения экспериментальной установки

4.2 Измерение характеристики нелинейности контакта с малой поверхностью стягивания 86

4.3 Исследование влияния нестабильности амплитуды тестовых сигналов на результат измерения характеристики нелинейности их преобразования электрическими контактами 88

4.4 Экстракция параметров электрического контакта по термонелинейной рефлектограмме 93

4.5 Экспериментальные исследования по обнаружению некачественных контактов в линии передачи 95

4.6 Обсуждение и анализ экспериментальных результатов 99

Заключение 101

Список литературы

• Зависимость контактного сопротивления от протекающего тока
• Способ устранения влияния нестабильности амплитуды тестовых сигналов на результат измерения
• Использование разработанных моделей для анализа достаточности метрологических характеристик существующих инструментальных средств
• Разработка программного обеспечения экспериментальной установки

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Электрические контакты (ЭК) обеспечивают взаимодействие компонентов электрических цепей. Сегодня, в условиях увеличения скорости передачи данных и увеличения верхней границы диапазона рабочих частот, повышается значимость технического состояния электрических контактов, особенно в системах связи и передачи информации. Снижение качества ЭК в процессе эксплуатации способствует появлению интермодуляционных помех, а также вызывает отказы радиоэлектронной аппаратуры.

Применяемые на данный момент методы контроля и оценки целостности контактных соединений предполагают визуальный контроль состояния контакта, в том числе с получением дополнительных изображений (визуальный осмотр, рентгеноскопия, фото-акустическая микроскопия и т.д.), измерение электрического сопротивления и других физических параметров контактного соединения, косвенно связанных с сопротивлением, таких как падение напряжения, температура, и т.д. Такой подход предполагает определенные требования к изготовлению ЭК (фиксированное малое контактное сопротивление и его стабильность к воздействующим факторам) и к средствам их контроля (высокая чувствительность для измерения малых величин, сохранение работоспособности контакта после контроля и т.д.). Также зачастую для измерения параметров требуется прямой доступ к самому контакту, а это не всегда осуществимо. В таких случаях применимы зондирующие (рефлектометрические) методы измерения, позволяющие по отражению тестового сигнала от неоднородностей линии передачи определять профиль распределения волнового сопротивления линии. Однако, монтаж контактного соединения так или иначе связан с нарушением однородности структуры линии передачи, т.е. электрический контакт расположен в месте перепада волнового сопротивления. Поэтому измерение классической рефлектограммы не дает однозначного ответа о качестве контакта.

Работы по изучению ЭК, проведенные такими авторами как Р. Хольм, В.Б. Штейншлейгер, Л.И. Сафонов, Н.Н. Грачев, О.Б. Брон, H.H. Дзекцер, Н.Б. Демкин и др., свидетельствуют о нелинейном характере изменения сопротивления контакта. Это в значительной степени проявляется при ухудшении технического состояния ЭК, когда его сопротивление возрастает. В связи с этим представляет интерес изучение возможности контроля качества ЭК по измерению нелинейности их сопротивления. Существуют рефлектометрические методы, позволяющие регистрировать не только изменение волнового сопротивления, но и измерять характеристику нелинейности преобразования тестового сигнала объектами. Среди таких методов измерения перспективу для диагностики линий передачи представляет метод нелинейной видеоимпульсной рефлектометрии. Данный метод предложен в работах В.Б. Авдеева, П.Г. Брайанта, Э.В. Семенова и др.

Существующие варианты реализации нелинейной рефлектометрии отличаются видами тестовых воздействий и способами обработки отраженных сигналов. Так в работе В.Б. Авдеева и его коллег предложено использовать пару тестовых сигналов, один из которых является инвертированным. Такой способ применим для обнаружения нелинейных объектов с несимметричной ВАХ, например, полу-

4 проводниковых приборов и менее эффективен для обнаружения контактирующих деталей из одинакового материала.

Способ обнаружения ЭК, предложенный П.Г. Брайантом, предполагает использование серии тестовых воздействий, отличающихся одним из параметров, в т.ч. возможно добавление постоянного смещения. Известно, что под действием постоянного электрического тока контакты нагреваются и их сопротивление изменяется. Таким образом, данным способом возможно обнаружение большого вида контактных соединений, способных нагреваться.

Следует отметить, что оба способа представляют собой частный случай (с точки зрения реализации тестовых воздействий) способа, предложенного Э.В. Семеновым, согласно которому следует выбирать тестовые сигналы разной формы и/или амплитуды с тем, чтобы они различным образом подвергались изменению при нелинейном преобразовании.

Таким образом, перечисленные способы реализации нелинейной рефлекто-метрии предполагают нахождение разности откликов контакта на различные тестовые сигналы. Полученная характеристика обусловлена изменением контактного сопротивления. При этом абсолютное значение контактного сопротивления, по которому принято оценивать качество контакта, остается неизвестным. Из этого следует, что основным недостатком нелинейной видеоимпульсной рефлектомет-рии является отсутствие сведений, указывающих на то, каким образом по результату измерения характеристики нелинейности преобразования тестовых сигналов электрическим контактом определить качество его технического состояния.

Целью работы является исследование возможности обнаружения электрических контактов и проводников с нелинейным сопротивлением и разработка способа определения диагностических параметров их качества в условиях отсутствия сведений об абсолютном значении сопротивления.

Основные задачи исследования. С учетом поставленной цели сформулированы основные задачи исследования.

1. Изучение состояния вопроса в области диагностики электрических контактов и проводников и определение способов их моделирования с учетом нелинейных свойств.

2. Модификация метода нелинейной видеоимпульсной рефлектометрии для устранения погрешности измерений, связанной с нестабильностью амплитуды тестовых импульсов.

3. Определение геометрических параметров электрического контакта при неизвестном контактном сопротивлении.

4. Разработка способа повышения отношения сигнал/шум при измерении нелинейной рефлектограммы.

5. Экспериментальные исследования по обнаружению некачественных электрических контактов и проводников в кабельной линии передачи.

Объект исследования - некачественные электрические контакты и проводники в электрических цепях, представляющих собой как кабельные линии, так и печатные узлы.

Предмет исследования - измерение характеристики нелинейности преобразования сигналов объектами исследования и экстракция на ее основе

5 собственных параметров электрических контактов и проводников, указывающих на их качество.

Методы и методики исследований. В работе используется метод видеоимпульсной рефлектометрии, называемый также метод отраженных импульсов или локационный метод, базирующийся на распространении импульсных сигналов в двух- и многопроводных системах (линиях и кабелях) связи. Сущность метода видеоимпульсной рефлектометрии заключается в подаче в кабель (двухпроводную линию) импульса напряжения и приеме импульсов, отраженных от неоднородностей, влекущих изменение волнового сопротивления. По временной задержке отраженного импульса относительно зондирующего определяется расстояние до неоднородностей.

Метод нелинейной видеоимпульсной рефлектометрии отличается использованием в качестве тестового воздействия пары видеоимпульсов, отличающихся одним или несколькими параметрами. Применительно к диагностике ЭК предполагается использование пары видеоимпульсов, один из которых имеет постоянное смещение. Постоянный электрический ток способствует нагреванию ЭК. После зондирования принимаются отклики от неоднородностей на оба тестовых импульса. Далее рассчитывается разность откликов, которая получила название характеристики нелинейности преобразования сигналов контактом. Таким образом, происходит обнаружение неоднородностей, имеющих нелинейные характеристики.

Научная новизна

6. Предложен способ измерения характеристики нелинейности преобразования сигнала электрическим контактом, который устраняет влияние нестабильности амплитуды тестового сигнала при первом и втором воздействии, если таковая имеется.

7. Получена формула для расчета характеристики нелинейности преобразования сигнала электрическим контактом, которая учитывает нелинейное изменение площади контактной поверхности и нагрев материала контакта при воздействии на него тестовым током.

8. Установлено, что собственные параметры электрического контакта вычисляются с помощью измеренной характеристики нелинейности преобразования сигнала электрическим контактом. По значению собственных параметров оценивается качество технического состояния электрического контакта.

Положения, выносимые на защиту

9. Нестабильность амплитуды тестовых сигналов не влияет на результат вычисления характеристики нелинейности преобразования тестовых сигналов электрическими контактами и проводниками, если зарегистрировать реально воздействующие на объект тестовые сигналы и использовать их при определении характеристики нелинейности преобразования сигнала электрическими контактами и проводниками.

10. Собственные параметры электрических контактов, указывающие на качество их технического состояния, определяются по результату нелинейного преобразования ими тестовых сигналов. В зависимости от вида

6 зарегистрированной характеристики нелинейности такими параметрами являются площадь поверхности стягивания либо её изменение.

3. Использование двухканального приемника для регистрации разными каналами тестовых сигналов и отраженных сигналов при измерении методом нелинейной видеоимпульсной рефлектометрии снижает уровень собственных шумов экспериментальной установки по отношению к результату измерения одноканальным приемником. Достигнутый уровень собственных шумов экспериментальной установки позволяет обнаруживать неоднородности, сопротивление которых под действием тестового сигнала изменяется на 10 мОм и более.

Теоретическая и практическая значимость работы. Установленная в работе возможность и полученные формулы для определения площади контактной поверхности только по результату изменения переходного сопротивления (без учета абсолютного значения переходного сопротивления) позволят развивать теоретические основы диагностики качества электрических контактов и линий передачи таким образом, чтобы игнорировать сопротивление подводящих линий.

Результаты работы могут быть применимы при разработке систем контроля и диагностики линий передачи, предназначенных для работы в тяжелых эксплуатационных условиях, а также в случае необходимости обеспечения высокого качества и надежности. Проведённые исследования показали возможность повышения эффективности проведения плановых измерений линий передачи и обнаружения участков линии, подверженных выходу из строя.

Достоверность результатов и выводов. Достоверность основных результатов работы подтверждается публикациями в рецензируемых журналах, а так же прохождением экспертизы по существу поданной заявки на патент. Достоверность экспериментальных результатов подтверждается их совпадением с результатами теоретических расчетов.

Внедрение результатов. Результаты исследований имеют следующее внедрение:

– обоснование возможности обнаружения латентных дефектов электрических контактов и проводников использовано при выполнении опытно-конструкторской работы по созданию автоматизированной системы контроля информационных магистралей и их компонентов для систем управления и электропитания космических аппаратов (договор № 13.G25.31.0017 от 07.09.2010 г. между ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» (г. Железногорск) и Минобрнауки России). Работа проводилась в порядке реализации постановления Правительства РФ № 218;

– предложенная методика экстракции параметров, а также синтезированные режимы тестовых воздействий и алгоритмы обработки откликов внедрены в диагностическом оборудовании, выпускаемом ООО «НПФ «Сибтроника». Результаты получены при выполнении НИР по договору № СТ 01/12Б от 01.08.2012 г.;

– разработанный нелинейный рефлектометр и соответствующее программное обеспечение для диагностики качества электрических контактов и проводников используется в предложениях к продаже компанией National Instruments;

– разработанные измерительные установки используются в учебном процессе подготовки магистрантов и аспирантов при выполнении диссертационных работ на кафедре радиоэлектроники и защиты информации Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Кроме того, результаты диссертационной работы применены в следующих научно-исследовательских и опытно-констукторских работах:

– «Изучение нелинейного рассеяния объектами сверхширокополосных сигналов и исследование возможности создания на этой основе нелинейных рефлектометров и сенсоров», в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», гос. контракт № П453 от 31.07.2009 г.;

– «Разработка дефектоскопа для диагностики качества электрических контактов», проект поддержан фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «УМНИК», договор № 1188ГУ2/2013 от 20.12.2013 г.;

– «Исследование нелинейных свойств тонкопленочных проводников, изготовленных методом струйной печати с применением нанодисперсных электропроводящих чернил», проект № 14-08-3149014 мол_а поддержан Российским фондом фундаментальных исследований в рамках конкурса «Мой первый грант».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись на следующих конференциях: Международной конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», г. Севастополь, Украина, 2012 – 2015 гг.; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики», г. Томск, 2013 г.; Всероссийской научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» «Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем», посвященной 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина, г. Железногорск, 2011 г; Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2010 – 2015 гг.; Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Красноярск, 2013 г.; Международной конференции компании National Instruments «NIDays» – 2013 г., 2014 г.; Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2014 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в т.ч. 4 статьи в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК; 13 работ, опубликованных в материалах всероссийских и международных конференций. Кроме того, результаты работы отражены в 9 отчетах о НИР и ОКР, а также получен патент на изобретение.

Личный вклад. Результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором или при его непосредственном участии в составе коллектива СКБ «Смена», ТУСУР. Автор использовал методики проведения измерений, предложенные научным руководителем Э.В. Семеновым, при этом автор проводил математиче-

8 ские расчеты, разрабатывал экспериментальные установки и образцы, проводил натурные эксперименты, выполнял обработку экспериментальных данных.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 133 наименования, и приложения. Объем текста работы с приложением составляет 123 стр., включая 50 рис., 7 табл.

Зависимость контактного сопротивления от протекающего тока

Метод нелинейной рефлектометрии обладает большими перспективами и широкими возможностями применения. Одной из возможностей повышения качества диагностики с его помощью является увеличение количества видов обнаруживаемых дефектов. В связи с этим целью настоящей диссертационной работы является расширение возможностей диагностики линий передач путем обнаружения в них некачественных электрических контактов. Для достижения этой цели необходимо решить ряд задач исследования, сформулированных на основе результатов литературного обзора (подраздел 1.4).

Под электрическим контактом понимается соединение двух проводников, позволяющее проводить ток между ними. Известно, что любая поверхность имеет определенную шероховатость, поэтому даже после обработки контактных поверхностей, электрический ток проходит только в отдельных точках – выступах шероховатостей, в которых эти поверхности касаются [97, 98].

В идеальных замкнутых контактах вся геометрическая поверхность является проводником электрического тока. В реальных замкнутых контактах ток проводят отдельные области проводимости, поэтому электрическая проводимость реальной поверхности в разы меньше электрической проводимости идеальной поверхности.

Поскольку электрический ток проходит лишь через отдельные области проводимости, линии электрического тока не могут распределяться равномерно по всей геометрической поверхности контактов, при этом они стягиваются к местам расположения областей проводимости и искривляются. Такое стягивание и уплотнение линий тока ведет к увеличению электрического сопротивления прохождению тока в области проводимости. Это добавочное сопротивление принято называть сопротивлением стягивания. Если поверхность, проводящая ток, состоит из многих областей проводимости, то результирующее сопротивление стягивания определяется как величина, обратная сумме проводимостей отдельных областей. Во многих случаях определение сопротивления стягивания представляет собой сложную задачу, так как необходимо учитывать формы отдельных областей проводимости, находить их размеры, расстояния между ними и одновременно учитывать неравномерность их расположения на контактной поверхности. К тому же сопротивление каждой области проводимости меняется с изменением температуры поверхности контактов и со временем.

Если же на поверхности появляются пленки (окислы), рабочая поверхность уменьшается и еще более усиливается эффект стягивания линий тока. Создается дополнительное сопротивление, вызываемое пленками, расположенными на поверхностях обоих контактов. Следовательно, контактное сопротивление RК – это добавочное сопротивление поверхности контактов, появляющееся за счет сужения участков, проводящих ток, и появления на них различных пленок.

Некоторые воздействия могут приводить к значительному изменению контактного сопротивления. Так, например, под воздействием окружающей среды металлические контакты подвергаются коррозии, что приводит к увеличению сопротивления. Под воздействием повышенной температуры материал контактов может размягчаться (плавиться), что приводит к увеличению областей проводимости, и, как следствие, снижению сопротивления. Далее подробнее рассмотрено влияние на контактное сопротивление механического и электрического воздействий.

Размеры контактной поверхности, а следовательно, и электрическая проводимость прямо пропорциональны величине механического усилия сжатия, приложенного к контактам. Характер изменения проводимости при малых, средних и больших контактных усилиях различается, но во всех случаях сдавливание контактов ведет сначала к упругой, а затем – к пластической деформации [12].

Для металлических контактов из разных материалов возрастание электрической проводимости при увеличении контактного усилия происходит по 16 разному - возможно резкое увеличение проводимости, замедление или прекращение увеличения. В общем случае зависимость проводимости от сжатия имеет следующий характер: сначала разомкнутое состояние контактов, затем небольшое нажатие на них, вызывающее только упругие деформации и появление электрической проводимости за счет туннельного эффекта, и, наконец, значительные нажатия, приводящие к пластическим деформациям, сопровождающимся разрушением оксидных пленок и образованием большого числа областей проводимости. При дальнейшем увеличении сдавливающих усилий плавно или скачкообразно возрастает число областей проводимости.

Характер деформации поверхностей контактов, количество и скорость образования областей проводимости в каждом конкретном случае зависят от геометрической формы контактов, выбранных для их изготовления материалов, степени полировки поверхностей. Тщательная полировка поверхностей приводит (при прочих равных условиях) к возникновению преимущественно упругих деформаций.

Контакты из некоторых металлов (например, из золота) способны при определенных условиях прилипать друг к другу. При этом, если ослабить контактное усилие, то проводимость может и не уменьшиться. Это объясняется совпадением структур кристаллических решеток обоих контактов, а также тепловыми эффектами, происходящими внутри материала контактов. Возможно прилипание контактов как не нагреваемых электрическим током, так и нагреваемых.

Рассмотрим случай прилипания контактов, не нагреваемых током. Обычно процесс прилипания сопровождается усиленной взаимной диффузией атомов, в результате чего возрастают ковалентные и металлические связи между атомами и между кристаллическими решетками материалов обоих контактов. В одних случаях при прилипании преобладают силы, вызванные высокой температурой, в других большие силы межатомного сцепления. Роль температур в процессе прилипания заключается в этом случае лишь в побочной функции размягчителя материала. Пластичные металлы могут прилипать друг к другу и без повышения температуры. Особенно легко прилипают друг к другу контакты, изготовленные из очень ковкого, пластичного металла – золота. Таким образом, электрические контакты, находящиеся в эксплуатации под механическим воздействием, способны изменять свои параметры с течением времени. Это, в свою очередь, может привести к появлению дефектов в контакте, а значит, к нарушению целостности электрической цепи.

Способ устранения влияния нестабильности амплитуды тестовых сигналов на результат измерения

Рассмотрим случай измерения характеристики нелинейности качественного электрического контакта, рассчитанной с помощью выражения (2.5). Предполагается, что сопротивление такого контакта не изменяется (или незначительно изменяется в пределах допустимых значений), следовательно, он является линейным объектом, который имеет импульсную характеристику h(t). Для линейного объекта должно выполняться условие (2.8), когда характеристика нелинейности тождественно равна нулю:

Воздействуем на качественный электрический контакт дважды: тестовым видеоимпульсным сигналом х(t) и тестовым видеоимпульсным сигналом [x(t) + x(t)] с постоянным смещением и с некоторой нестабильностью формы, где x(t) – допустимая нестабильность формы тестового видеоимпульсного сигнала. В этом случае сигналы-отклики контакта имеют следующий вид: u1(t) = h(t) x(t); (2.9) u2(t) = h(t) [x(t) + x(t)]. Найдем разность (t) сигналов-откликов электрического контакта по формуле (2.5): (t) = h(t) [x(t) + Dx(t)]- h(t) x(t) ; (t) = h(t) x(t) + h(t) Dx(t) - h(t) x(t) ; (t) = h(t) Dx(t). (2.10) Разность сигналов-откликов имеет значение отличное от нуля (t) = h(t) Dx(t), что не удовлетворяет условию (2.8). Следовательно, отклонение формы тестового видеоимпульсного сигнала при повторном воздействии влияет на результат вычисления разности (t) сигналов-откликов. Таким образом, при использовании формулы (2.5) для определения характеристики нелинейности наблюдается появление систематической погрешности.

Для устранения этой погрешности и повышения эффективности измерений характеристик электрического контакта предлагается модифицировать известный метод нелинейной рефлектометрии во временной области следующим образом. Во время проведения измерений необходимо регистрировать тестовый видеоимпульсный сигнал х(t) и тестовый видеоимпульсный сигнал с постоянным смещением и с допустимой нестабильностью формы 1X0 + x(i)] при повторном воздействии и вычислять характеристику нелинейности (t) по формуле:

В данном случае характеристика нелинейности тождественно равна нулю (t) 0 при измерении качественного контакта, несмотря на имеющееся отклонение формы тестового сигнала при повторном воздействии тестовым видеоимпульсным сигналом. Следовательно, использование формулы (2.11) для определения характеристики нелинейности является более предпочтительным.

Использование выражения (2.11) для расчета характеристики нелинейности преобразования сигнала электрическим контактом основано на результатах работ Э.В. Семенова [76-79], посвященных исследованию нелинейности преобразования сверхширокополосных сигналов. В данных работах выражение (2.11) позволяло использовать тестовые импульсы любой формы, в т.ч. допускалось наличие нелинейных искажений. В настоящей работе показано, что выражение (2.11) применимо также и для компенсации нестабильности амплитуды тестового сигнала, которая влияет на результат вычисления разности сигналов-откликов.

2.3 Способ повышения отношения сигнал/шум при регистрации сигналов с использованием двух каналов с разными коэффициентами ослабления

Для вычисления характеристики нелинейности преобразования сигнала электрическим контактом согласно подразделу 2.1 необходимо регистрировать тестовые сигналы и сигналы-отклики. В приборе Р4-И-01 измерение рефлектограммы осуществляется одним каналом АЦП. Это накладывает высокие требования к динамическому диапазону АЦП, так как амплитуда сигналов-откликов намного меньше амплитуды тестовых сигналов (до 80 дБ). В связи с этим представляет интерес повышение отношения сигнал/шум SNR для увеличения порога чувствительности рефлектометров. Данная задача решалась коллективом, возглавляемым научным руководителем настоящей работы Э.В. Семеновым. Так в работе [85] был рассмотрен способ оцифровки рефлектограмм в два этапа: сначала регистрировались тестовые сигналы, потом сигналы-отклики. Экспериментально было показано, что такой подход увеличивает чувствительность АЦП и позволяет регистрировать сигналы-отклики от неоднородностей с малой амплитудой. В связи с этим представляется возможным использование данного подхода применительно к измерению сигналов-откликов от электрических контактов.

Как правило, предельное рабочее напряжение микросхем АЦП меньше амплитуды тестовых сигналов, используемых в рефлектометрии. Поэтому на входе канала АЦП используют управляемые аттенюаторы. Изменение коэффициента ослабления обеспечивает требуемый уровень напряжения на входе. После оцифровки сигнал восстанавливается путем умножения на коэффициент, обратный коэффициенту ослабления. Недостатком такой оцифровки является то, что АЦП вносит собственные шумы, которые после восстановления сигнала также усиливаются. При регистрации сигналов-откликов от ЭК с малым сопротивлением уровень собственных шумов входного тракта приемника сопоставим с амплитудой регистрируемых откликов. Это происходит из-за использования коэффициента ослабления, выбранного по диапазону напряжения тестового сигнала. Решение данной проблемы представляется в использовании двух каналов АЦП, один из которых будет регистрировать тестовые сигналы, а другой сигналы-отклики. При этом каждый канал будет настроен на соответствующий диапазон напряжений, исходя из максимальной амплитуды регистрируемого сигнала. Авторами работы [85] было получено выражение (2.13), связывающее коэффициент ослабления входного канала регистрирующего устройства с приростом отношения сигнал/шум. SNR1 K2 = , (2.13) SNR2 K1 где SNR и К – отношение сигнал/шум и коэффициент ослабления при различных диапазонах соответственно. Для использования рассмотренного подхода автор настоящей работы реализовал алгоритм оцифровки тестовых и отраженных сигналов в экспериментальной установке, описанной в 4 разделе. При этом использованы два канала приемника, в отличие от реализации установки, описанной в работе [85]. Это позволило одновременно регистрировать реально воздействующий тестовый сигнал и соответствующий ему отраженный сигнал, что устраняет возможность появления ошибки, связанной с нестабильностью параметров тестовых сигналов.

Использование разработанных моделей для анализа достаточности метрологических характеристик существующих инструментальных средств

Ранее было показано влияние электрического тока на контактное сопротивление. Применение импульсного сигнала в сочетании с постоянным током для нагрева контакта позволяет регистрировать изменение контактного сопротивления. При этом изменяются параметры, связанные непосредственно с контактной точкой, т.е. существует связь изменения контактного сопротивления с изменением физических и/или геометрических параметров самого контакта [18]. Очевидно, что данными параметрами определяются свойства электрического контакта, а, следовательно, они могут использоваться для определения качества контакта. В данной главе рассматривается возможность извлечения таких параметров контакта по измерению его характеристики нелинейности преобразования тестового видеоимпульсного сигнала. Для этого в подразделе 3.1 разработана математическая модель электрического контакта. Также в данном разделе анализируется возможность технической реализации предлагаемого подхода для обнаружения некачественных ЭК непосредственно в линии передачи. В подразделе 3.2 проведено моделирование кабельной линии передачи, содержащей ЭК. Полученные результаты моделирования использованы в подразделе 3.3 для анализа возможности применимости существующих измерительных средств с целью обнаружения некачественных ЭК в линии передачи. В подразделе 3.4 сформулированы рекомендации и технические требования для разработки устройства для обнаружения дефектов линии передачи.

Нагревание контакта при заданном токе происходит до определенной температуры, когда наступает тепловое равновесие [13-15]. Согласно [23] перегрев контактной точки определяется следующим образом: I 2 R где (ал)Х и (ал)Н - параметр, характеризующий контактную поверхность до и после нагревания соответственно.

Следует отметить, что модель вида (3.5) или (3.6) применима лишь до определенного значения разогревающего тока. Этот ток не должен достигать значения, при котором выражение 1-І pR/\48(ап)яХ\ в (3.6) обращается в ноль (этому соответствует ситуация, когда увеличение переходного сопротивления контакта под действием разогревающего тока приводит к увеличению выделяющегося на контакте количества теплоты, а, следовательно, к дальнейшему увеличению переходного сопротивления и т.д.). Таким образом, (3.5) и (3.6) применимы при выполнении условия: д/48(ал)н А,/р . Нелинейная модель электрического контакта (3.6) позволяет рассматривать диагностику его качества как задачу определения параметров контакта по результатам его исследования методом нелинейной рефлектометрии. Вначале для известного i(0 и измеренной (і) нужно определить изменение переходного сопротивления контакта і?К (выражение в квадратных скобках в (3.6)). Для этого согласно формуле (2.6) составим систему линейных уравнений, записанных для конкретных моментов времени:

Из этого уравнения параметр контактной поверхности (an), являющийся показателем качества контакта, определяется однозначно.

Если RК 0, то это означает, что тепловое воздействие на контакт привело к увеличению контактной поверхности. Эксперименты показывают, что в таком случае изменение контактной поверхности является главным фактором, влияющим на переходное сопротивление контакта; температурная зависимость сопротивления контакта имеет меньшее значение. Поэтому достаточно считать, что

При наличии априорных сведений о (an)я из предыдущей формулы определяется относительное изменение параметра контактной поверхности под действием тестового сигнала. Это изменение также является показателем качества контакта [128].

Расчетная зависимость характеристики нелинейности как функции тока нагревания представлена (Рисунок 3.1) для случая проявления эффекта температурной зависимости металла без изменения площади контактной поверхности, т.е. (an)Н = (an)Х.

Следует отметить, что функция (ґ) согласно формуле (3.5) или (3.6) имеет разрыв второго рода, когда знаменатель равен нулю. Анализ изменения сопротивления в зависимости от тока нагрева показывает необходимость введения граничных условий существования разработанной модели электрического контакта. При нагревании сопротивление монотонно возрастает до тех пор, пока выполняется условие:

На практике сопротивление контакта при увеличении тока нагрева возрастает лишь до момента, пока на контакте не установится определенное падение напряжения. В этот момент температура контакта достигает значения, когда материал контакта размягчается, а затем плавится. Это соответствует случаю прилипания контактов, когда сопротивление резко уменьшается. В связи с этим при определении ограничений существования модели следует учитывать температуру перегрева материала контакта: ШН J8A,pH(rП-rx), (3.11) где ТП - температура плавления (перегрева). Таким образом, выражение (3.11) определяет диапазон тока нагревания, при котором возможно использование данной модели. В качестве примера также рассмотрена модель медного контакта. При достижении температуры плавления ГП = 1085 С на контактной точке согласно (3.11) образуется падение напряжения IRu = 0,24 В. Из графика на Рисунке 3.2 определяется соответствующий ток нагрева I. Область существования модели показана сплошной линией.

Разработка программного обеспечения экспериментальной установки

При схемотехнической реализации описанных тестовых сигналов необходимо учитывать, что импульс тока может вывести из строя генератор. Поэтому на выходе генератора требуется поставить некоторое защитное устройство, которое будет препятствовать прохождению сигнала в выходной каскад генератора. Таким устройством является втулка питания по постоянному току. Эквивалентная схема измерительного тракта представлена на Рисунке 4.2. Эквивалентная схема установки для измерения характеристик нелинейности линий передач. RГ - выходное сопротивление генератора, RОИ-LОИ -элементы эквивалентной схемы замещения объекта исследования, RД-LД - элементы эквивалентной схемы замещения дросселя втулки питания, C1 – эквивалентная емкость конденсаторов обвязки (элементы ФВЧ) Входным сигналом в этой схеме нужно рассматривать сигнал с генератора на холостой ход. Для нахождения преобразования сигнала нужно найти передаточную функцию данной схемы:

Однако коэффициент передачи схемы изменится при нагреве образца исследования. Поэтому при проведении расчетов учитывается нагрев и рассчитывается коэффициент передачи для холодного и разогретого состояний. Таким образом, зная входной сигнал и передаточную функцию, с помощью преобразования Фурье можно определить сигнал на образце. Анализ сигнала-отклика в цепи с дефектом в виде некачественного ЭК опубликован в работах [121, 125].

В качестве основной измерительной системы была выбрана измерительная платформа от компании NI в формате PXI [5]. В состав измерительного комплекса входит следующее оборудование: платформа NI PXI-1042Q; контроллер NI PXI-8196; генератор сигналов произвольной формы NI PXI-5422; высокоскоростной осциллограф NI PXI-5124. На Рисунке 4.3 представлена фотография собранного измерительного комплекса с подключенным объектом исследования. В качестве объекта исследования в данном случае рассматривается образец некачественного контакта, представляющего собой контактное соединение кабеля с разъемом BNC, причем кабель касается разъема, но не прижимается к нему.

Так как основу дефектоскопа составляют модульные приборы PXI компании NI, то было принято использовать среду программирования LabVIEW. Среда графической разработки NI LabVIEW является ядром платформы National Instruments. LabVIEW содержит многофункциональные инструменты для проведения любых типов измерений и разработки любых приложений. Графический подход к программированию помогает создавать сложные ресурсоёмкие приложения за гораздо меньший срок. Объединяя функционал LabVIEW с возможностью гибкой аппаратной конфигурации модульных приборов, можно за короткий срок разработать сложные системы измерений и управления. LabVIEW позволяет работать со всем оборудованием в единой среде. Подключение устройств обеспечивается с помощью драйверов LabVIEW, которые образуют промежуточный слой между оборудованием и средой разработки. Таким образом, в единой среде можно работать с различными типами интерфейсов, датчиков и приборов.

Процесс работы дефектоскопа можно разделить на отдельные этапы, которые будут представлять собой отдельные блоки программы для реализации метода термонелинейной рефлектометрии. Для определения функций и количества таких блоков алгоритм измерения представлен в виде блок-схемы (Рисунок 4.4).

Проанализировав алгоритм, можно выделить следующие основные блоки: блок настроек для формирования тестового сигнала с заданными параметрами; блок регистрации тестовых и отраженных сигналов; блок обработки и вычисления скользящего среднего по результатам зарегистрированных сигналов; блок вычисления характеристики нелинейности, которая может быть разбита на несколько отдельных задач (стробирование, вычисление характеристики нелинейности, определение диагностических параметров контакта).Для проведения измерения необходимо в определенной последовательности задействовать генератор, осциллограф и источник тока. При этом блоки управления каждым прибором задействованы в едином цикле – теле программы. В LabVIEW это реализовано с помощью цикла while, работа которого прекращается по нажатию кнопки «Выход». До запуска этого цикла происходит инициализация приборов, установка первичных параметров для формирования синхронизации приборов. После завершения цикла происходит закрытие сессии для каждого прибора и закрытие программы.

Принцип работы генератора и алгоритм функционирования заключаются в следующем. Вначале инициализируются параметры настройки генератора, такие как имя устройства, номер канала для генерации сигналов, частота дискретизации сигнала и режим синхронизации. Для генерации сигнала входной массив данных, описывающих сигнал, должен иметь амплитуду в интервале от -1 до 1, поэтому для получения сигнала нужной амплитуды на выходе требуется установить коэффициент усиления. С помощью функции инструментальных драйверов и параметров настроек выполняются следующие действия. Сначала для исключения ошибок проверяется, закрыта ли прошлая сессия работы с прибором. После проводится инициализация устройства, установка выходных параметров генератора и конфигурация режима синхронизации. Далее в зависимости от проводимого теста с помощью функции формирования массива сигнала определяется массив данных, описывающий сигнал требуемой формы. Данный массив служит шаблоном для генерации сигнала. Устанавливается частота дискретизации, включается выходной канал генератора и производится запуск процесса генерации сигнала. При возникновении ошибки на одном из этапов обработчик ошибок выполняет процедуру завершения сессии и заново повторяет запуск устройства. На основании разработанного алгоритма, была реализована подпрограмма управления генератором в среде LabVIEW, представленная на Рисунке 4.5.

Программный модуль (сверху) и интерфейс окна (снизу) настроек тестового сигнала Для минимизации объема кода, использовалась компоновка блоков настроек тестового сигнала, которые были объединены в модуль Settings. Реализация модуля представлена на Рисунке 4.6. Входные и выходные параметры модуля передаются из основной программы выполнения. Выполнение кода происходит при наличии всех входных данных блока.

Алгоритм оцифровки сигналов включает в себя следующие шаги: инициализация устройства; установка вертикального диапазона измерений; настройка характеристик канала осциллографа; настройка временного интервала оцифровки; запуск синхронизации; сбор данных; нахождение длины выборки сигнала; запись сигнала; вывод полученных данных на график. На основании представленного алгоритма был разработан блок в среде LabVIEW. На Рисунке 4.7 представлен фрагмент кода для работы с осциллографом.