CN112098802B - 一种基于小波时频熵能量序列的焊点间歇故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于小波时频熵能量序列的焊点间歇故障诊断方法，该方法包括：步骤1，获取放置于信号采集平台上、在振动应力作用下的故障电路板中各个连接通路的间歇故障焊点电压信号、以及正常电路板中各个连接通路的正常焊点电压信号；步骤2，根据间歇故障焊点电压信号、正常焊点电压信号，采用小波变换分解的方法，构造间歇故障焊点电压信号的小波时频熵能量序列；步骤3，根据小波时频熵能量序列的幅值，判断故障电路板中发生间歇故障的焊点的类型。通过本申请中的技术方案，充分考虑了间歇故障信号的非平稳信号，通过将间歇故障信号进行小波变换，充分综合间歇故障信号时域和频域信息，快速、准确地实现焊点间歇故障的定位。

Description

一种基于小波时频熵能量序列的焊点间歇故障诊断方法

技术领域

本申请涉及故障诊断的技术领域，具体而言，涉及一种基于小波时频熵能量序列的焊点间歇故障诊断方法。

背景技术

间歇故障的一般模式为环境应力消失后，间歇故障随之逐渐或立即消失；继续施加环境应力的作用，又表现出故障。焊点间歇故障最鲜明特点在于发生时刻不确定、持续时间随机，其本质是产品潜在缺陷或在振动、温度等环境应力和工作载荷长期作用下达到一定损伤退化状态，服役中受到实时的强烈振动、热辐射等高应力产生的一种突变效应。

从间歇故障的起因看，间歇故障可分为设计型和耗损型。其中设计型指由较多系统组件交互作用引起的间歇故障，随机性较强，规律性较差，主要与具体设备不同的器件、材质、工艺、布局、结构、功能、使用等诸多因素相关，经常与特定的时间事件相关，只能采用改进设计和制造工艺来减少，但好在这类型故障在工程中出现比例不大；耗损型指由连接部位针脚松动或疲劳、热敏感元件、电线断裂或磨损、噪声元件、焊点破裂等导致的电路暂时断开型间歇故障，其在设备实际工程中所占比重大，约占间歇故障80％以上。焊点是电子设备的主要连接单元，主要承担元器件与电路板之间的电气与机械互连，从装备应用实践和故障的物理原因看，焊点间歇故障时导致装备出现间歇故障现象的主要原因之一，如何对其进行诊断成为需要迫切研究的问题。

而现有技术中，在电路板中检测出间歇故障后，其电气连接复杂，连接点密集，多个相连的连接环节容易构成模糊组，当前的故障诊断技术难以实现焊点间歇故障的精确定位。需要以电路板内测试通路为基本单元，深入研究焊点间歇故障诊断方法，实现精确定位。在焊点间歇故障诊断过程中主要包含两个核心问题，一是采用什么样的方法提取间歇故障动态特征，二是基于间歇故障特征，如何进行间歇故障诊断，将间歇故障定位到具体的焊点类型。

发明内容

本申请的目的在于：针对当前电子设备中间歇故障诊断技术的急需，聚焦焊点间歇故障故障定位困难问题，分析焊点间歇故障动态信号特征，提出一种新的基于小波时频熵能量序列焊点间歇故障诊断方法，突破焊点间歇故障难以定位的技术“瓶颈”，快速、准确地实现焊点间歇故障的定位。本发明能够应用于电子设备焊点间歇故障的离线诊断过程当中，适用于电子设备维修时焊点间歇故障的定位。

本申请第一方面的技术方案是：提供了一种基于小波时频熵能量序列的焊点间歇故障诊断方法，方法包括：步骤1，获取放置于信号采集平台上、在振动应力作用下的故障电路板中各个连接通路的间歇故障焊点电压信号、以及正常电路板中各个连接通路的正常焊点电压信号；步骤2，根据间歇故障焊点电压信号、正常焊点电压信号，采用小波变换分解的方法，构造间歇故障焊点电压信号的小波时频熵能量序列；步骤3，根据小波时频熵能量序列的幅值，判断故障电路板中发生间歇故障的焊点的类型。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤2中，具体包括：

步骤21，根据正常焊点电压信号，采用小波变换分解的方法，构造正常焊点电压信号小波系数能量；

步骤22，根据间歇故障焊点电压信号，采用小波变换分解的方法，构造间歇故障焊点电压信号小波系数能量

其中，间歇故障焊点电压信号小波系数能量

的构造公式为：

式中，

为小波变换系数矩阵，I为故障电路板的编号，I＝1,2,…,N， j＝1,2,…,m，m为小波变换分解的频率大小，k＝1,2,…,n，n为小波变换分解的时间长度；

步骤23，根据间歇故障焊点电压信号小波系数能量和正常焊点电压信号小波系数能量，构造间歇故障焊点电压信号的小波时频熵能量序列。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤23，具体包括：

构造间歇故障焊点电压信号的小波时频熵时域能量概率以及对应的小波时频熵时域能量序列元素，拼接小波时频熵时域能量序列元素，生成小波时频熵时域能量序列，小波时频熵时域能量序列元素的构造公式为：

式中，T_k为时间为k时的小波时频熵时域能量序列元素，P_k为时间为k 时的小波时频熵时域能量概率，P_k为频率为j、时间为k的间歇故障焊点电压信号小波系数能量与所有频率上正常焊点电压信号小波系数能量之和的比，j′＝1,2,…,m′，m′为正常焊点电压信号小波系数能量中的频率大小， k′＝1,2,…,n′，n′为正常焊点电压信号小波系数能量中的时间长度；

构造间歇故障焊点电压信号的小波时频熵频域能量概率以及对应的小波时频熵频域能量序列元素，拼接小波时频熵频域能量序列元素，生成小波时频熵频域能量序列，小波时频熵频域能量序列元素的构造公式为：

式中，F_j为频率为j时的小波时频熵频域能量序列元素，P_j为频率为j 时的小波时频熵频域能量概率，P_j为频率为j、时间为k的间歇故障焊点电压信号小波系数能量与所有时间上正常焊点电压信号小波系数能量之和的比；

拼接小波时频熵时域能量序列以及小波时频熵频域能量序列，生成小波时频熵能量序列。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤3，具体包括：将小波时频熵能量序列的幅值与历史数据进行比对，当幅值相对较大时，判定发生间歇故障的焊点的类型为第一类型；当幅值相对较小时，判定发生间歇故障的焊点的类型为第二类型。

上述任一项技术方案中，进一步地，信号采集平台包括：振动台、直流电源以及电压采集装置；振动台用于向待测电路板施加振动应力，其中，待测电路板包括故障电路板、正常电路板；直流电源用于向待测电路板中测试通路的一端注入电流激励信号，其中，待测电路板中包含焊点的连接通路被划分为多个测试通路；电压采集装置用于采集测试通路另一端的测试电压信号，其中，测试电压信号包括间歇故障焊点电压信号、正常焊点电压信号。

本申请第二方面的技术方案是：提供了一种焊点间歇故障诊断装置，该装置包括信号采集平台、存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的焊点间歇故障诊断方法。

本申请的有益效果是：

1、本申请考虑到间歇故障信号的非平稳特性，通过将间歇故障信号进行小波变换，充分综合间歇故障信号时域和频域信息，得到间歇故障信号时频域小波变换系数矩阵。

2、本申请，通过小波时频熵方法，提取间歇故障幅值和发生时长信息，得到间歇故障信号小波时频熵能量序列，并基于能量序列的幅值大小进行发生间歇故障焊点类型判断。

3、本申请提出的焊点间歇故障诊断方法能够将间歇故障定位到具体的焊点类型，可以为电路板内间歇故障的维修提供坚实的理论依据。

综上所述，本申请提供的一种基于小波时频熵能量序列的焊点间歇故障诊断方法考虑了间歇故障信号的非平稳信号，综合了间歇故障信号幅值和时长信息，通过小波时频上能量序列将间歇故障定位到具体的焊点类型。利用本申请提供的方法，可以实现电路板内焊点间歇故障的精准诊断，有助于改善目前工程维修中电路板内焊点间歇故障测试定位困难、难以维修的问题。

附图说明

本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请的一个实施例的基于小波时频熵能量序列的焊点间歇故障诊断方法的示意流程图；

图2是根据本申请的一个实施例的基于小波时频熵能量序列的焊点间歇故障诊断方法的详细流程图；

图3是根据本申请的一个实施例的构建小波时频熵能量序列的流程图；

图4是根据本申请的一个实施例的小波时频熵能量序列幅值的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种基于小波时频熵能量序列的焊点间歇故障诊断方法，该方法具体包括：

步骤1，获取放置于信号采集平台上、在振动应力作用下的故障电路板中各个连接通路的间歇故障焊点电压信号、以及正常电路板中各个连接通路的正常焊点电压信号；

本实施例中，在进行电路板的焊点电压信号采集之前，对电路板中焊点类型进行分类。基于元器件引脚长度，将电路当中焊点封装结构分为两大类，一类是贴片式封装焊点S_s，一类是直插式封装焊点S_d。根据诊断精度的需要可以根据引脚长度进一步细分为x小类，具体的分类方式本实施例不进行限定。

之后，搭建信号采集平台，实时采集间歇故障焊点电压信号。本实施例中的信号采集平台包括：振动台、直流电源以及电压采集装置；

振动台用于向待测电路板施加振动应力，其中，待测电路板包括故障电路板、正常电路板；

直流电源用于向待测电路板中测试通路的一端注入电流激励信号，其中，待测电路板中包含焊点的连接通路被划分为多个测试通路；

电压采集装置用于采集测试通路另一端的测试电压信号，其中，测试电压信号包括间歇故障焊点电压信号、正常焊点电压信号。

实时采集间歇故障焊点电压信号的具体过程是：

步骤121，将存在焊点间歇故障的电路板中包含焊点的连接通路进行划分，划分为N个测试通路，

其中，I为故障电路板的编号。

本申请中进行焊点间歇故障定位的前提是已经知道测试通路发生了间歇故障，以发生过间歇故障的测试通路

为例，说明间歇故障焊点电压信号的采集过程。

步骤122，将存在焊点间歇故障的电路板A_I放置在振动台上，使用振动应力将电路板中测试通路

中焊点间歇故障行为复现出来。

步骤123，选择直流电源作为激励源，给焊点间歇故障测试通路

注入 0.1A的电流激励信号。

步骤124，在测试通路

的另一端实时高速采集输出的间歇故障焊点电压信号

在上述搭建的、相同的信号采集平台，实时采集正常电路板的焊点电压信号。

步骤131，将正常电路板A₀中包含焊点的连接通路进行划分，划分为 N个测试通路，L＝[L₁,L₂,…,L_i,…,L_N]。其中测试通路L_i与间歇故障电路板上的测试通路

具有相同元器件和焊点，区别在于焊点的状态是否正常。以测试通路L_i为例，说明焊点正常焊点电压信号的采集过程。

步骤132，选择直流电源作为激励源，给测试通路L_i注入0.1A的电流激励信号。

步骤133，在测试通路L_i的另一端实时高速采集输出的正常焊点电压信号

步骤2，根据间歇故障焊点电压信号、正常焊点电压信号，采用信号处理方法中的小波变换分解的方法，构造间歇故障焊点电压信号的小波时频熵能量序列；

具体的，如图3所示，步骤2中具体包括：

步骤21，根据正常焊点电压信号，采用小波变换分解的方法，构造正常焊点电压信号小波系数能量

具体的，采用db3小波基，将实时采集得到的正常焊点电压信号

进行小波变换，得到正常焊点电压信号小波变换系数矩阵

(j′＝ 1,2,…,m′；k′＝1,2,…,n′)，m′为小波变换分解的频率大小，n′为小波变换分解的时间长度。

正常焊点电压信号小波系数能量表示为：

正常焊点电压信号小波系数能量

表示在频率为j′、时间为k′时的小波系数的能量。

步骤22，根据间歇故障焊点电压信号，采用小波变换分解的方法，构造间歇故障焊点电压信号小波系数能量

具体的，将实时采集得到的间歇故障信号

进行小波变换，得到间歇故障焊点电压信号小波变换系数矩阵

(j＝1,2,…,m；k＝1,2,…,n)， m为小波变换分解的频率大小，n为小波变换分解的时间长度，其中，m和 n的取值与m′和n′的取值相同。

间歇故障焊点电压信号小波系数能量表示为：

间歇故障焊点电压信号小波系数能量

表示在频率为j、时间为k 时的小波系数的能量。

步骤23，根据间歇故障焊点电压信号小波系数能量和正常焊点电压信号小波系数能量，构造间歇故障焊点电压信号的小波时频熵能量序列。

步骤231，构造小波时频熵时域能量序列，具体包括：

步骤2311，构造间歇故障焊点电压信号的小波时频熵时域能量概率，该概率的函数为：

概率P_k表示在时间序列为k时，频率为j、时间为k的间歇故障焊点电压信号小波系数能量与所有频率上正常焊点电压信号小波系数能量之和的比。j′＝1,2,…,m′，m′为正常焊点电压信号小波系数能量中的频率大小， k′＝1,2,…,n′，n′为正常焊点电压信号小波系数能量中的时间长度。

步骤2312，构造小波时频熵时域能量序列元素T_k。

式中，k＝1,2,…,n，元素T_k表示在时间为k时，频域上所有能量概率函数的熵和。P_k为时间为k时的小波时频熵时域能量概率，P_k为频率为j、时间为k的间歇故障焊点电压信号小波系数能量与所有频率上正常焊点电压信号小波系数能量之和的比。

步骤2313，通过元素拼接的方法，得到小波时频熵时域能量序列 T＝[T₁,T₂,…,T_k,…,T_n]。

步骤232，构造小波时频熵频域能量序列，具体包括：

步骤2321，构造间歇故障焊点电压信号的小波时频熵频域能量概率，该概率的函数为：

概率P_j表示在频率为j时，频率为j、时间为k的间歇故障焊点电压信号小波系数能量与所有时间上正常焊点电压信号小波系数能量之和的比。

步骤2322，构造小波时频熵频域能量序列中元素F_j。

式中，j＝1,2,…,m，元素F_j表示频率为j时，时域上所有能量概率函数的熵和。P_j为频率为j时的小波时频熵频域能量概率，P_j为频率为j、时间为k的间歇故障焊点电压信号小波系数能量与所有时间上正常焊点电压信号小波系数能量之和的比。

步骤2323，通过元素拼接的方法，得到小波时频熵频域能量序列 F＝[F₁,F₂,…,F_j,…,F_m]。

步骤233，拼接小波时频熵时域能量序列以及小波时频熵频域能量序列，生成小波时频熵能量序列Z＝[T,F]。

需要说明的是，考虑到焊点间歇故障信号数据量较大，在时间和频率域上，可以以一段时间(大小根据小波系数总时长进行设定，一般可以设定为总时长的1/10—1/100)和一段频率(大小根据小波系数需要分析的最高频率进行设定，一般可以设定为最高频率的1/10—1/100)作为一个模块，模块内的所有小波系数能量和代表在一个时间和频率序列上的小波系数能量，进行上述过程的运算，得到相应的小波时频熵能量序列Z。

步骤3，根据小波时频熵能量序列的幅值，判断故障电路板中发生间歇故障的焊点的类型。

具体的，如图4所示，本实施例中直插式封装焊点S_d的小波时频熵能量序列的曲线为401，贴片式封装焊点S_s的小波时频熵能量序列的曲线为 402。

将小波时频熵能量序列与基于历史数据得到的不同类型焊点间歇故障的小波时频熵能量序列的幅值进行匹配，当小波时频熵能量序列的幅值属于相对较大的幅值时，判定发生间歇故障的焊点的类型为第一类型，即引脚较长的S_d类型焊点发生间歇故障；

当小波时频熵能量序列的幅值属于相对较小的幅值时，判定发生间歇故障的焊点的类型为第二类型，即判定为引脚较短的S_s类型焊点发生间歇故障。

需要说明的是，小波时频熵能量序列的历史数据中可以包括多种不同类型的焊点间歇故障，本实施例中，对发生间歇故障的焊点的类型的判断并不限定。

以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种基于小波时频熵能量序列的焊点间歇故障诊断方法，该方法包括：步骤1，获取放置于信号采集平台上、在振动应力作用下的故障电路板中各个连接通路的间歇故障焊点电压信号、以及正常电路板中各个连接通路的正常焊点电压信号；步骤2，根据间歇故障焊点电压信号、正常焊点电压信号，采用小波变换分解的方法，构造间歇故障焊点电压信号的小波时频熵能量序列；步骤3，根据小波时频熵能量序列的幅值，判断故障电路板中发生间歇故障的焊点的类型。通过本申请中的技术方案，充分考虑了间歇故障信号的非平稳信号，通过将间歇故障信号进行小波变换，充分综合间歇故障信号时域和频域信息，快速、准确地实现焊点间歇故障的定位。

本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。

本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。

尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (4)

1.一种基于小波时频熵能量序列的焊点间歇故障诊断方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，获取放置于信号采集平台上、在振动应力作用下的故障电路板中各个连接通路的间歇故障焊点电压信号、以及正常电路板中各个连接通路的正常焊点电压信号；

步骤2，根据所述间歇故障焊点电压信号、所述正常焊点电压信号，采用小波变换分解的方法，构造所述故障焊点间歇电压信号的小波时频熵能量序列；其中，所述步骤2中，具体包括：

步骤21，根据所述正常焊点电压信号，采用所述小波变换分解的方法，构造正常焊点电压信号小波系数能量；

步骤22，根据所述间歇故障焊点电压信号，采用所述小波变换分解的方法，构造间歇故障焊点电压信号小波系数能量

其中，所述间歇故障焊点电压信号小波系数能量

的构造公式为：

式中，

为小波变换系数矩阵，I为所述故障电路板的编号，I＝1,2,…,N，j＝1,2,…,m，m为小波变换分解的频率大小，k＝1,2,…,n，n为小波变换分解的时间长度；

步骤23，根据所述间歇故障焊点电压信号小波系数能量和所述正常焊点电压信号小波系数能量，构造所述间歇故障焊点电压信号的所述小波时频熵能量序列，其中，所述步骤23，具体包括：

构造所述间歇故障焊点电压信号的小波时频熵时域能量概率以及对应的小波时频熵时域能量序列元素，拼接所述小波时频熵时域能量序列元素，生成小波时频熵时域能量序列，所述小波时频熵时域能量序列元素的构造公式为：

式中，T_k为时间为k时的小波时频熵时域能量序列元素，P_k为时间为k时的小波时频熵时域能量概率，P_k为频率为j、时间为k的间歇故障焊点电压信号小波系数能量与所有频率上正常焊点电压信号小波系数能量之和的比，j′＝1,2,…,m′，m′为正常焊点电压信号小波系数能量中的频率大小，k′＝1,2,…,n′，n′为正常焊点电压信号小波系数能量中的时间长度；

构造所述间歇故障焊点电压信号的小波时频熵频域能量概率以及对应的小波时频熵频域能量序列元素，拼接所述小波时频熵频域能量序列元素，生成小波时频熵频域能量序列，所述小波时频熵频域能量序列元素的构造公式为：

式中，F_j为频率为j时的小波时频熵频域能量序列元素，P_j为频率为j时的小波时频熵频域能量概率，P_j为频率为j、时间为k的间歇故障焊点电压信号小波系数能量与所有时间上正常焊点电压信号小波系数能量之和的比；

拼接所述小波时频熵时域能量序列以及所述小波时频熵频域能量序列，生成所述小波时频熵能量序列；

步骤3，根据所述小波时频熵能量序列的幅值，判断所述故障电路板中发生间歇故障的焊点的类型。

2.如权利要求1所述的基于小波时频熵能量序列的焊点间歇故障诊断方法，其特征在于，所述步骤3，具体包括：

将所述小波时频熵能量序列的幅值与历史数据进行比对，当所述幅值相对较大时，判定发生间歇故障的焊点的类型为第一类型；

当所述幅值相对较小时，判定发生间歇故障的焊点的类型为第二类型。

3.如权利要求1至2中任一项所述的基于小波时频熵能量序列的焊点间歇故障诊断方法，其特征在于，所述信号采集平台包括：振动台、直流电源以及电压采集装置；

所述振动台用于向待测电路板施加所述振动应力，其中，所述待测电路板包括所述故障电路板、所述正常电路板；

所述直流电源用于向所述待测电路板中测试通路的一端注入电流激励信号，其中，所述待测电路板中包含焊点的连接通路被划分为多个所述测试通路；

所述电压采集装置用于采集所述测试通路另一端的测试电压信号，其中，所述测试电压信号包括所述间歇故障焊点电压信号、所述正常焊点电压信号。

4.一种焊点间歇故障诊断装置，其特征在于，所述装置包括信号采集平台、存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-2任一所述的方法。

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