CN112924751A - 一种基于频谱分析的测量线路可靠性检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于频谱分析的测量线路可靠性检测方法。该方法通过对经过待检测线路的波形信号产生的频谱图，和不经过待检测线路的波形信号产生的频谱图进行数据处理和分析，确认待检测线路是否存在缺陷。该方法相比原有电路性能检测由摇表(测量电缆绝缘电阻)和电容测试仪(测量分布电容)的繁琐测量方式，简化检测过程及环节，提高检测效率。
Description
技术领域
本发明属于检测、测量技术领域，具体涉及一种基于频谱分析的测量线路可靠性检测方法。
背景技术
测量线路一般是由线缆和接插件(如插头、插座)组成，其使用性能和可靠性对于测量结果来说，起到了十分重要的作用。
但对于测量线路来说，其使用性能和可靠性主要受到以下几个方面的影响：
一是测量线路经过多次插拔以后，其接插件的插针和孔的间隙变大，容易造成接触不良和插针脱落。
二是由于长时间的使用，很多情况下测量线路工作环境恶劣，如强振动、强腐蚀、强氧化，甚至受潮湿情况影响，均会造成系统绝缘降低；
三是由于线路及接插件使用多年，存在线路老化及可靠性下降等因素；
四是由于在焊接传感器或插头时形成虚焊，给测量埋下安全隐患。
对于以上问题现有的测量线路可靠性检测的方法有如下几种：
一是对整个测量线路使用兆欧表进行绝缘检查或测量其电阻值，看是满足规程或标准要求；
二是定期打开接插件进行目视检查，看其接触面是否存在老化或损坏问题；
但是，现有方法存在工作量大，效率低，并且很难准确判断出测量线路是否存在安全隐患。
发明内容
为了解决现有技术仅仅是通过绝缘检查、电阻测量、以及目测方法进行测量线路可靠性检查时，存在工作量大、效率低，很难彻底检测出测量线缆安全隐患的问题，本发明提供了一种基于频谱分析的测量线路可靠性检测方法。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种基于频谱分析的测量线路可靠性检测方法，其实现步骤具体是：
步骤1：将N条待检测线路的输出端分别接入多通道高速信号分析仪的N个通道的输入端，将其中一条待检测线路的输入端接入波形信号发生器，同时再将波形信号发生器接入多通道高速信号分析仪的第N+1个通道的输入端，多通道高速信号分析仪的N+1个通道的输出端均接入计算机；
步骤2：波形信号发生器产生不同频率的波形信号P0；
步骤3：多通道高速信号分析仪同时获得经由待检测线路后的信号P1，以及直接由波形信号发生器产生不同频率的波形信号P0；
步骤4：多通道高速信号分析仪将波形信号P1和P0上传至计算机后，分别生成两张频谱图I1和I0；
步骤5：利用计算机对两张频谱图I1和I0进行数据处理和分析，从而确定该条待检测线路是否存在缺陷；
步骤6：将另一条待检测线路的输入端接入波形信号发生器，切换多通道高速信号分析仪的工作通道，之后重复步骤2-5，从而实现N条待检测线路的检测。
进一步地，上述步骤5的具体实现过程为：
将两个频率图进行合成，生成总信号，其表达式为：
I(t)＝I0(t)-I1(t)
假设两个信号为互不相关的信号，则对上式两边进行傅里叶变换得：
I(f)＝I0(f)-I1(f)
式中I(f)为I(t)的傅里叶变换后的结果，I0(f)为I0(t)的傅里叶变换后的结果，I1(f)为I1(t)的傅里叶变换后的结果；
再对上式两边求平方得：
|I(f)|2＝|I0(f)-I1(f)|2
然后将上式展开得到：
[I0(f)-I1(f)]×[I0(f)-I1(f)]＝|I0(f)|2+|I1(f)|2-I0(f)×I|1(f)-I'0(f)×I1(f)
由上述分析得到：
由此得到上式的数学期望为：
E[|I(f)|2]＝E[|I0(f)|2]-E[|I1(f)|2]
把上式两边同除以时间长度T得到：
由功率谱密度函数的定义得到：
即上式得到如下关系式：
IP(f)＝I0P(f)-I1P(f)
式中，IP(f)为I(f)的功率谱密度函数，I0P(f)为I0(f)的功率谱密度函数，I1P(f)为I1(f)的功率谱密度函数；
若IP(f)满足数据波动在5‰以内，则认为待检测线路无缺陷；否则认为待检测线路存在缺陷。
通过求出两个不同信号的功率频谱值，就可以求出两个信号不同频段的差异值，正常情况下，两个信号应该一样，故其频谱值之差应该趋近于零，但当所检测的电缆电容分布或绝缘性能发生变化时，就会导致两者的频谱数据产生差异，进而导致两个频谱值之差不为零，在数据曲线上显示为在某些频率段或频率点上存在由幅值。通过定期对频谱差值的定期监测，还可以了解待检测线路性能的变化过程，以便在使用前对该线路进行更换或性能评估。
进一步地，上述波形信号发生器的频率范围为0.5MHZ-1MHz。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过对待检测线路的功率频谱值变化进行检测，实现了对该线路是否存在缺陷进行了评估，以便更换接插件或电缆，减小电缆性能对使用结果的影响。
2、本发明通过定期对在用线路性能进行定性的检测，了解电缆性能变化趋势以及外部环境及使用条件对电缆性能的影响，便于电缆性能由定性到定量的评估。
3、本发明便于实现待检测线路的大批量自动化检测，以提高检测效率，节约试验成本，实现测量线路的数字化管理。
4、本发明相比原有线路性能检测由摇表(测量电缆绝缘电阻)和电容测试仪(测量分布电容)的繁琐测量方式，简化检测过程及环节，提高检测效率。
附图说明
图1为本发明的实现原理图。
图2为测量线路的等效原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的方法做出进一步的说明。
为了提高测量线路的整体可靠性，并结合数字化测量的需要，提出了一种基于频谱分析的测量线路可靠性检测方法：
其基本工作原理是：
通过可程控的波形信号发生器产生特定典型信号(0.5MHZ-1MHz)的波形加到测量线路输入端，而后由数采系统对信号进行采集，同时再将波形信号发生器产生特定典型信号(0.5MHZ-1MHz)的波形直接通过多通道高速信号分析仪采集，并将以上两个路径采集到的信号上传至计算机生成两张频谱图，最后对两个频谱图进行处理和分析比较，找出两个信号的频谱图中的图形共同特征和不同，进而判断该通道测量线路是否连接可靠。实现该检测方法的原理图如图1所示。
实现该方案的理论原理主要有两个：一是理论上待检测线路上的接插件和电缆都可等效为电阻与电容所组成的数学模型，实际的接插件多数为圆形电缆插头，其接头上两插针间的差膜电容量公式为：
上式中ε为两针脚间介质材料介电常数；S为两针脚间距离(mm)；d为针脚直径(mm)；D为圆形接头直径大小(mm)。
电缆在待检测线路上可以等效为一个低通滤波器，其等效原理图如图2所示，该滤波器的上限介质频率为：
fc＝1/πRC
由此可以看出，对待检测线路可靠性的检查与线路电容、电阻有很大关系，整个线路电容和电阻的变化将会影响线路频率成分的变化；从数据分析的经验来看，一个可靠安全的连接，在频谱图上会反映出固定的频率变化特征，出现不可靠连接的频谱一个明显特征在于频谱图中的突频变化杂乱，突频成分增多。
基于以上原理的介绍，现对该方法的具体实现过程进行详细的描述：
步骤1：将N条待检测线路的输出端分别接入多通道高速信号分析仪的N个通道的输入端，将其中一条待检测线路的输入端接入波形信号发生器，同时再将波形信号发生器接入多通道高速信号分析仪的第N+1个通道的输入端，多通道高速信号分析仪的N+1个通道的输出端均接入计算机；
步骤2：波形信号发生器产生不同频率的波形信号P0；
步骤3：多通道高速信号分析仪同时获得经由待检测线路后的信号P1，以及直接由波形信号发生器产生不同频率的波形信号P0；
步骤4：多通道高速信号分析仪将波形信号P1和P0上传至计算机后，分别生成两张频谱图I1和I0；
步骤5：利用计算机对两张频谱图I1和I0进行数据处理和分析，从而确定该条待检测线路是否存在缺陷；
该步骤中对两张频谱图I1和I0进行数据处理和分析的具体过程是：
将两个频率图进行合成，生成总信号，其表达式为：
I(t)＝I0(t)-I1(t)
假设两个信号为互不相关的信号，则对上式两边进行傅里叶变换得：
I(f)＝I0(f)-I1(f)
式中I(f)为I(t)的傅里叶变换后的结果，I0(f)为I0(t)的傅里叶变换后的结果，I1(f)为I1(t)的傅里叶变换后的结果；
再对上式两边求平方得：
|I(f)|2＝|I0(f)-I1(f)|2
然后将上式展开得到：
[I0(f)-I1(f)]×[I0(f)-I1(f)]＝|I0(f)|2+|I1(f)|2-I0(f)×I'1(f)-I'0(f)×I1(f)
由上述分析得到：
由此得到上式的数学期望为：
E[|I(f)|2]＝E[|I0(f)|2]-E[|I1(f)|2]
把上式两边同除以时间长度T得到：
由功率谱密度函数的定义得到：
即上式得到如下关系式：
IP(f)＝I0P(f)-I1P(f)
式中，IP(f)为I(f)的功率谱密度函数，I0P(f)为I0(f)的功率谱密度函数，I1P(f)为I1(f)的功率谱密度函数；
若IP(f)满足数据波动在5‰以内，则认为待检测线路无缺陷；否则认为待检测线路存在缺陷。
上述数据处理过程中，通过傅里叶变换的目的在于把一个时域信号变换成频域信号，以更加直观的形式显示出该时域信号中所包含的频率信号组成成分。通过功率谱变换的目的是从获得的时域信号中进一步分析出信号功率在各个频率点上分布情况,以确定出哪个频率点附近信号功率能量存在异常。
步骤6：将另一条待检测线路的输入端接入波形信号发生器，切换多通道高速信号分析仪的工作通道，之后重复步骤2-5，从而实现N条待检测线路的检测。实际过程中计算机会生成一张结论报告，该结论报告给出的结果为获得的对比频谱图(功率谱图)中信号存在异常的频率点或幅值点，从而为使用者提供一个明确的数量指标，以便使用者判断该检测线路是否能满足试验要求。
由此可见，通过以上方法不仅能定量的选择出哪些测量线路更可靠，还使得该种检测方法比测量线路绝缘和电阻方法更加简单、合理。同时，该种方法仅仅通过一个可程控波形信号发生器在一台电脑上就自动实现了电路可靠性检查，实现方法简单、效率高。
Claims (3)
1.一种基于频谱分析的测量线路可靠性检测方法，其特征在于，包括以下实现步骤：
步骤1：将N条待检测线路的输出端分别接入多通道高速信号分析仪的N个通道的输入端，将其中一条待检测线路的输入端接入波形信号发生器，同时再将波形信号发生器接入多通道高速信号分析仪的第N+1个通道的输入端，多通道高速信号分析仪的N+1个通道的输出端均接入计算机；
步骤2：波形信号发生器产生不同频率的波形信号P0；
步骤3：多通道高速信号分析仪同时获得经由待检测线路后的信号P1，以及直接由波形信号发生器产生不同频率的波形信号P0；
步骤4：多通道高速信号分析仪将波形信号P1和P0上传至计算机后，分别生成两张频谱图I1和I0；
步骤5：利用计算机对两张频谱图I1和I0进行数据处理和分析，从而确定该条待检测线路是否存在缺陷；
步骤6：将另一条待检测线路的输入端接入波形信号发生器，切换多通道高速信号分析仪的工作通道，之后重复步骤2-5，从而实现N条待检测线路的检测。
2.根据权利要求1所述的基于频谱分析的测量线路可靠性检测方法，其特征在于：所述步骤5的具体实现过程为：
将两个频率图进行合成，生成总信号，其表达式为：
I(t)＝I0(t)-I1(t)
假设两个信号为互不相关的信号，则对上式两边进行傅里叶变换得：
I(f)＝I0(f)-I1(f)
式中I(f)为I(t)的傅里叶变换后的结果，I0(f)为I0(t)的傅里叶变换后的结果，I1(f)为I1(t)的傅里叶变换后的结果；
再对上式两边求平方得：
|I(f)|2＝|I0(f)-I1(f)|2
然后将上式展开得到：
[I0(f)-I1(f)]×[I0(f)-I1(f)]＝|I0(f)|2+|I1(f)|2-I0(f)×I'1(f)-I'0(f)×I1(f)
由上述分析得到：
由此得到上式的数学期望为：
E[|I(f)|2]＝E[|I0(f)|2]-E[|I1(f)|2]
把上式两边同除以时间长度T得到：
由功率谱密度函数的定义得到：
即上式得到如下关系式：
IP(f)＝I0P(f)-I1P(f)
式中，IP(f)为I(f)的功率谱密度函数，I0P(f)为I0(f)的功率谱密度函数，I1P(f)为I1(f)的功率谱密度函数；
若IP(f)满足数据波动在5‰以内，则认为待检测线路无缺陷；否则认为待检测线路存在缺陷。
3.根据权利要求1所述的基于频谱分析的测量线路可靠性检测方法，其特征在于：所述步骤5的具体实现过程为：波形信号发生器的频率范围为0.5MHZ-1MHz。
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