CN117192443B - 一种用于匝间测试仪的测试方法及测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子测量检测技术领域，具体涉及一种用于匝间测试仪的测试方法及测试系统，通过将连接有被测件的匝间测试电路转换为RLC二阶谐振电路；根据RLC二阶谐振电路获取被测件的实际参数；根据实际参数和标准参数进行比较判断被测件是否合格；实现了从波形数据中提取波形参数再进行比较的方法，兼具精确度与稳定性，同时提取的参数具有明确的数学与物理意义。

Description

一种用于匝间测试仪的测试方法及测试系统

技术领域

本发明属于电子测量检测技术领域，具体涉及一种用于匝间测试仪的测试方法及测试系统。

背景技术

匝间测试检测设备中绕组之间的绝缘情况，用以确保电气设备的正常运行和安全性。传统匝间测试通常会利用电容的储能特性与RLC谐振电路在被测件上产生一个阻尼震荡的波形，继而通过良品与被测件所产生的波形图像差异区分良品与不良品。

传统方案通常基于波形形状判定被测件是否合格，主要通过面积法与面积差法联合判断。面积法的原理是使用波形数据求出振荡波形与横轴所围成图形的面积，而该面积的差异能够反映出波形的差异。面积差法的原理类似，面积差指的是标准波形与测试波形错开部分的面积，面积差的值越大越能反映出被测波形与标准波形的差异，从而得到标准件与被测件的差异。

然而，在实际使用场景之中，面积法的测试精度并不高而面积差法容易受到电路本身系统误差从而误判，无法准确的判断被测件是否合格。

因此，基于上述技术问题需要设计一种新的用于匝间测试仪的测试方法及测试系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于匝间测试仪的测试方法及测试系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于匝间测试仪的测试方法，包括：

将连接有被测件的匝间测试电路转换为RLC二阶谐振电路；

根据RLC二阶谐振电路获取被测件的实际参数；

根据实际参数和标准参数进行比较判断被测件是否合格。

进一步，所述将连接有被测件的匝间测试电路转换为RLC二阶谐振电路包括：

将被测件转换为等效电感与等效电阻的串联，获取二阶微分方程：

；

式中，L为等效串联电感；R为等效串联电阻；C为谐振电容；Q(t)为随时间变化的电荷量。

进一步，所述根据RLC二阶谐振电路获取被测件的实际参数包括：

根据电容计算公式C=Q/V代入二阶微分方程获取两个参数的微分方程：

；

在时无实数解，即产生阻尼震荡，此时：

；

其中，α为第一待定系数；β为第二待定系数；为任意常数；/>为任意常数。

进一步，根据辅助角公式进行转化获取匝间测试中函数，即需要拟合的函数：

；

式中，λ为阻尼系数；ω为角频率；A为振幅。

进一步，在产生阻尼振荡时，获取与/>的关系：

；

；

采用最优化方法构建目标函数S：

；

式中，N为波形采样点的数量，为拟合波形数据点；/>为实际波形数据点；/>为残差的平方。

进一步，求解目标函数的最小值为凸问题求解，整个目标函数S在空间内有且仅有一个全局最优点。

进一步，根据梯度下降法与高斯牛顿法解决凸优化问题，其中迭代步长为：

；

式中，J为雅克比矩阵；τ为迭代动态调整的系数，用于调整牛顿法与梯度下降法的比重；I为单位矩阵；为实际波形总体；/>为拟合波形总体；/>为(λ, ω)组成的参数向量；j为向量的维度；m为迭代的次数。

进一步，参数向量的计算方法为：

；

经过若干次迭代之后获取最终的，即求解得到/>，此时的/>即为拟合的参数，被测件的实际参数，表示了波形的衰减系数与角频率；

根据获取/>：

；

。

进一步，所述根据实际参数和标准参数进行比较判断被测件是否合格：

将获取的被测件的波形的衰减系数和角频率，与标准件的标准衰减系数和标准角频率进行比较，当两者之间的误差在预设误差范围内时判断被测件合格，否则判断被测件不合格。

另一方面，本发明还提供一种采用上述用于匝间测试仪的测试方法的测试系统，包括：

等效模块，将连接有被测件的匝间测试电路转换为RLC二阶谐振电路；

参数获取模块，根据RLC二阶谐振电路获取被测件的实际参数；

判断模块，根据实际参数和标准参数进行比较判断被测件是否合格。

本发明的有益效果是，本发明通过将连接有被测件的匝间测试电路转换为RLC二阶谐振电路；根据RLC二阶谐振电路获取被测件的实际参数；根据实际参数和标准参数进行比较判断被测件是否合格；实现了从波形数据中提取波形参数再进行比较的方法，兼具精确度与稳定性，同时提取的参数具有明确的数学与物理意义。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种用于匝间测试仪的测试方法的流程图；

图2是本发明的RLC测试电路示意图；

图3是本发明的一个拟合函数的波形示意图；

图4是本发明的目标函数示意图；

图5是本发明的原始波形数据示意图；

图6是本发明的提取并处理后的振荡波形示意图；

图7是本发明的对真实数据的拟合波形示意图；

图8是本发明的对面积法的灵敏度分析示意图；

图9是本发明的不同参数变化引起的面积差示意图；

图10是本发明的面积差法的灵敏度分析示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，如图1至图10所示，本实施例1提供了一种用于匝间测试仪的测试方法，包括：将连接有被测件的匝间测试电路转换为RLC二阶谐振电路；根据RLC二阶谐振电路获取被测件的实际参数；根据实际参数和标准参数进行比较判断被测件是否合格；实现了从波形数据中提取波形参数再进行比较的方法，兼具精确度与稳定性，同时提取的参数具有明确的数学与物理意义。

在本实施例中，所述将连接有被测件的匝间测试电路转换为RLC二阶谐振电路包括：首先对于一个匝间测试的电路，可以把被测件（Device Under Test，

DUT）看做是等效电感与等效电阻的串联，通过电路分析知识，获取二阶微分方程：

；

式中，L为等效串联电感；R为等效串联电阻；C为谐振电容；Q(t)为随时间变化的电荷量；将连接有被测件的匝间测试电路转换为等效的RLC二阶谐振电路，便于后续简便的获取被测件的实际参数，即被测件的实际衰减系数与角频率，可以精确的对被测件进行检测和判断，精确的判断被测件是否合格。

在本实施例中，所述根据RLC二阶谐振电路获取被测件的实际参数包括：根据电容计算公式C=Q/V代入二阶微分方程获取两个参数的微分方程：

；

根据高等数学和物理知识可知，在时特征方程无实数解，物理意义即产生阻尼震荡，此时通解形式为：

；

其中，α为第一待定系数；β为第二待定系数；为任意常数；/>为任意常数；通过对RLC电路模型的二阶微分方程进一步处理，解出微分方程的一般通解形式，有利于后续步骤对衰减系数与震荡角频率（角频率）的获取，以便于精确的对被测件进行检测和判断。

在本实施例中，利用辅助角公式进行转化得到了匝间测试中，常见的函数形式：

；

式中，λ为阻尼系数；ω为角频率；A为振幅；即为需要拟合的函数，通常符合这样函数关系的波形如图3所示；

在产生阻尼振荡时，可以推导出与/>的关系：

；

；

在这个拟合问题上，采用最优化方法构建误差函数S：

；

式中，N为波形采样点的数量；为拟合波形数据点；/>为实际波形数据点；/>为残差的平方；求解目标函数的最小值为凸优化问题求解，整个误差函数S在/>空间内有且仅有一个全局最优点，如图4所示；根据梯度下降法与高斯牛顿法解决凸优化问题，其中迭代步长为：

；

式中，J为雅克比矩阵；τ为迭代动态调整的系数，用于调整牛顿法与梯度下降法的比重；I为单位矩阵；为实际波形总体；/>为拟合波形总体；/>为(λ, ω)组成的参数向量，j为向量的维度，这里为2，m为迭代的次数；基于凸优化，拟合出振荡波形的衰减系数与角频率，继而通过比较参数来区分良品与不良品，并且通过物理知识与进一步的处理，波形的衰减系数与角频率也可以准换成具有明确物理意义的回路等效L、R、C的值。

在本实施例中，参数向量的计算方法为：

；

经过若干次迭代之后获取最终的，即求解得到/>，此时的/>即为拟合的参数，也就是被测件的实际参数，表示了波形的衰减系数与角频率；通过对RLC电路模型的二阶微分方程进一步处理，解出微分方程的一般通解形式，利用凸优化方法与通解去拟合匝间测试中的阻尼震荡波形函数，从而能够快速提取出波形的衰减系数与震荡角频率的值，便于通过衰减系数与震荡角频率的值对被测件进行检测和判断；

根据获取/>：

；

。

R、L、C为物理量，是实际等效电路的物理意义，而角频率和衰减系数局限于图像的数学意义，测量仪器一般显示被测件的物理量，但传统的匝间测试方法思路是基于图像特性的，在本实施例中数学量与物理量之间折中，但稍微偏向于反映图像特征的物理量，同时也不希望丢掉物理意义，所以特地提到了衰减系数与角频率和LC、RC的转换关系。

在本实施例中，所述根据实际参数和标准参数进行比较判断被测件是否合格：将获取的被测件的波形的衰减系数和角频率，与标准件的标准衰减系数和标准角频率进行比较，当两者之间的误差在预设误差范围内时判断被测件合格，否则判断被测件不合格；将被测件实际获取的衰减系数的值和标准件的衰减系数的值（即良品、合格的标准件的标准衰减系数的值）进行比较，两者差值在误差范围内，则判断该被测件的衰减系数合格，将被测件实际获取的角频率的值和标准件的角频率的值（即良品、合格的标准件的标准角频率的值）进行比较，两者差值在误差范围内，则判断该被测件的角频率合格，当一个被测件的衰减系数和角频率均合格时判断该被测件合格，否则判断该被测件不合格。

在本实施例中，用于匝间测试仪的测试方法可以集成在单片机中，效率极高（得益于使用凸优化法处理拟合问题，与其他方案如智能搜索算法：PSO、模拟退火等、机器学习等相比兼具轻量性与复杂度的优势，由于确定了拟合函数的函数形式，所以拟合函数的梯度信息可以通过偏微分计算得到，而利用梯度的信息进行最优化的求解，具有很高的迭代效率，相比于智能搜索的随机尝试，是有目的的求解；同时也不需要大量的数据集进行训练，与机器学习比），算法时间复杂度极低以至于部署在单片机上响应也十分迅速，大约在1ms以内。技术方法极高的效率，使得拟合波形这项任务能部署于单片机，继而集成到匝间测试仪器中，带来了更精准、更高效地区分良品与不良品的方案。在验证实验中，相较于理想波形，使用本实施例中的用于匝间测试仪的测试方法得到的误差总和小于1e-15，同时耗时也在1ms之内。在实际实验中，对于同一个实际波形，使用本实施例中的用于匝间测试仪的测试方法得到的参数的准确度稳定于9位半。由于仪器电气结构的系统误差，对于同一个被测件得到的参数波动数量级在千分之一。而通常判别良品与不良品的波动界限通常大于百分之五。

具体的，首先在匝间测试仪中，由AD采集波形传到单片机中，扣除中线得到了粗略的原始波形数据（实际波形数据），如图5所示；可以观察到原始的波形数据并不光滑，而且包含两段不同工作电路的振荡波形，所以我们需要提取出RLC振荡的波形，并且对波形进行归一化的处理，得到了如图6所示的波形；对于处理后的波形，使用凸优化法进行波形的拟合，经过17次迭代之后得到了收敛的结果，得出了波形的(λ,ω)参数，拟合的波形如图7中虚线所示；经过观察，拟合波形与原始波形数据十分贴合，在毛刺多的地方也有较好的表现。多次实验得到的曲线的参数具有一致性，避免了PSO算法随机性导致的误差。提取(λ,ω)之后可以转化为(LC,RC)。通过电桥测试仪，在振荡频率下测试也能得到一组(LC,RC)，经过比较发现通过波形还原的与实际测试结果十分接近。重要的是，这种方案是对波形数学与物理意义的直接还原，相比于传统的面积法与面积差法，避免了系统误差带来的干扰误判，同时兼具高精度的特性。传统的面积法由于采样数据的离散性，通过数值计算的方法得到面积然后进行比较不可避免会有一定的误差，采样的个数并不能够很准确的计算出波形真实的面积，所以面积法无法达到一个高精度的判定。通过对面积法模型的参数灵敏度分析，可以得出面积法对于波形的衰减与相位差异较为敏感，对于波形的频率并不敏感，如图8所示，观察横轴，可以看到三个参数分别在5%的范围内扰动时，对面积法得到的面积也产生了偏差，可以看到由于衰减参数变化所产生的扰动最大，然后是因为相位参数变化产生的扰动，而对于角频率，面积几乎没有扰动，因此可以得到结论，面积法对于波形的衰减系数与相位的差异变化较为灵敏，但面积法无法直观反映出波形频率的差异。面积差法则是为了弥补上述面积法对于频率差异不灵敏而提出的方法。直观的来看，在三个参数发生变化的情况下，波形差的面积（面积差）在衰减参数上不明显，在角频率与相位的差异上较为明显，如图9所示；从示意图能够定性的得到面积差法一定是对于角频率与相位高灵敏的判定方法。同样的，图10展示了关于面积差法灵敏度的定量分析，观察横轴可以看到三个参数分别在5%的范围内扰动时，对面积差法得到的面积也产生了偏差，可以看出角频率与相位的变化差异对面积差法的面积产生了巨大的扰动，因此面积差法对于角频率与相位具有非常高的灵敏度，但对于衰减系数灵敏度相比之下并不高。

通过对两种方法的灵敏度分析可以知道，面积法主要判定波形的衰减参数，而面积差法则是弥补对前者对于频率的不敏感。两个方法一起组成了传统方案，对波形的两个关键参数进行覆盖。但这个方案的问题在分析之后也变得十分明显，在比较标准波形与测试波形的时候两个波形的相位差异是很难消除的（一部分由于数据是离散的，一部分因为衰减波形的相位并不准确对应于波形的极值点）。传统方案的两个方案中，都不可避免收到相位差异带来的影响。这也是面积差法经常发生误判的根本原因。传统方案的本质其实是通过波形数据得到一个面积量，然后把这个面积量作为比较标准，从而想间接反映真正决定波形形状的参数的差异。本实施例中用于匝间测试仪的测试方法在提取波形参数的基础上，能够对波形参数直接进行比较，从根本上就杜绝了比较两个波形时候相位带来的误差影响。总的来说，用于匝间测试仪的测试方法首先基于原始的波形数据进行拟合，从而提取出真正决定波形形状的两个重要参数：衰减参数与角频率参数，通过被测件参数与标准件的参数的直接比较，进行良品与不良品的判定，这样兼具了高精度与高稳定性，同时避免了传统方案的误判。

实施例2，在实施例1的基础上，本实施例2还提供一种采用实施例1中用于匝间测试仪的测试方法的测试系统，包括：等效模块，将连接有被测件的匝间测试电路转换为RLC二阶谐振电路；参数获取模块，根据RLC二阶谐振电路获取被测件的实际参数；判断模块，根据实际参数和标准参数进行比较判断被测件是否合格；各模块的具体功能和工作方法在实施例1中已经详细描述，不再赘述。

综上所述，本发明通过将连接有被测件的匝间测试电路转换为RLC二阶谐振电路；根据RLC二阶谐振电路获取被测件的实际参数；根据实际参数和标准参数进行比较判断被测件是否合格；实现了从波形数据中提取波形参数再进行比较的方法，兼具精确度与稳定性，同时提取的参数具有明确的数学与物理意义。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种用于匝间测试仪的测试方法，其特征在于，包括：

将连接有被测件的匝间测试电路转换为RLC二阶谐振电路；

根据RLC二阶谐振电路获取被测件的实际参数；

根据实际参数和标准参数进行比较判断被测件是否合格；

所述将连接有被测件的匝间测试电路转换为RLC二阶谐振电路包括：

将被测件转换为等效电感与等效电阻的串联，获取二阶微分方程：

；

式中，L为等效串联电感；R为等效串联电阻；C为谐振电容；Q(t)为随时间变化的电荷量；

所述根据RLC二阶谐振电路获取被测件的实际参数包括：

根据电容计算公式C=Q/V代入二阶微分方程获取两个参数的微分方程：

；

在时无实数解，即产生阻尼震荡，此时：

；

其中，α为第一待定系数；β为第二待定系数；C₁为任意常数；C₂为任意常数；

根据辅助角公式进行转化获取匝间测试中函数，即需要拟合的函数：

;

式中，λ为衰减系数；ω为角频率；A为振幅；

在产生阻尼振荡时，获取（λ，ω）与（LC,RC）的关系：

;

;

采用最优化方法构建误差函数S：

;

式中，N为波形采样点的数量；为拟合波形数据点；/>为实际波形数据点；/>为残差的平方；

求解目标函数即误差函数S的最小值为凸优化问题求解，整个误差函数S在（λ，ω）空间内有且仅有一个全局最优点。

2.如权利要求1所述的用于匝间测试仪的测试方法，其特征在于：

根据梯度下降法与高斯牛顿法解决凸优化问题，其中迭代步长为：

;

式中，J为雅克比矩阵；τ为迭代动态调整的系数，用于调整牛顿法与梯度下降法的比重；I为单位矩阵；为实际波形总体；/>为拟合波形总体；/>为(λ, ω)组成的参数向量，j为向量的维度，m为迭代的次数。

3.如权利要求2所述的用于匝间测试仪的测试方法，其特征在于：

参数向量的计算方法为：

;

经过若干次迭代之后获取最终的，即求解得到/>，此时的/>即为拟合的参数，表示了波形的衰减系数与角频率；

根据(λ, ω)获取：

;

。

4.如权利要求3所述的用于匝间测试仪的测试方法，其特征在于：

所述根据实际参数和标准参数进行比较判断被测件是否合格：

将获取的被测件的波形的衰减系数和角频率，与标准件的标准衰减系数和标准角频率进行比较，当两者之间的误差均在预设误差范围内时判断被测件合格，否则判断被测件不合格。

5.一种采用如权利要求1所述用于匝间测试仪的测试方法的测试系统，其特征在于，包括：

等效模块，将连接有被测件的匝间测试电路转换为RLC二阶谐振电路；

参数获取模块，根据RLC二阶谐振电路获取被测件的实际参数；

判断模块，根据实际参数和标准参数进行比较判断被测件是否合格。