СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕКАЧЕСТВЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТАКТА

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к способам контроля качества электрических контактов. Способ может быть использован для проведения диагностики и оценки качества электрических контактов в электрических цепях.

Известен способ контроля качества электрических контактов, заключающийся в измерении сопротивления электрического контакта на постоянном токе [1] с применением различных измерительных схем, таких как мостовая, четырехпроводная и т.д. Данный способ эффективен при измерении отдельно взятых контактов, так как участок цепи, содержащий контакт, должен иметь сопротивление, превышающее сопротивление участка цепи такой же длины и не содержащего контактного соединения не более чем на 20% [2]. Повышение сопротивления контактного соединения говорит об ухудшении качества контакта. Поэтому отношение сопротивления r_к участка, включающего контакт, к сопротивлению r такого же целого участка является показателем качества К_r=r_к/r, получившим название коэффициента дефектности контакта по сопротивлению. Недостатком такого подхода является отсутствие возможности обнаружения некачественных электрических контактов, если они расположены непосредственно в электрической цепи, так как увеличение сопротивления контакта даже на 20% крайне незначительно влияет на изменение всей электрической цепи в целом. К тому же не представляется возможным определить местоположение некачественного контакта.

Известен способ исследования нелинейности преобразования сигналов объектом [3], позволяющий оценивать качество электрических контактов, заключающийся в том, что на объект воздействуют тестовым сигналом x₁(t) и принимают от объекта сигнал-отклик на тестовый сигнал, после окончания сигнала-отклика на объект воздействуют дополнительным тестовым сигналом x₂(t), осуществляют задержку сигнала-отклика на тестовый сигнал в линии задержки, время запаздывания сигнала в которой выбирают равным интервалу времени между началом тестового сигнала и началом дополнительного тестового сигнала, затем выходной сигнал линии u₁(t) задержки пропускают через первый линейный фильтр, а сигнал-отклик объекта u₂(t) на дополнительный тестовый сигнал пропускают через второй линейный фильтр и регистрируют разность сигналов на выходе первого и второго линейных фильтров. Под характеристикой нелинейности ε(t) в этом случае понимают разность выходных сигналов первого и второго линейных фильтров. Предполагается, что вольт-амперная характеристика некачественного контакта в большей степени является нелинейной, чем качественного контакта, поэтому возможно измерение характеристики нелинейности электрических контактов данным способом. Кроме того, по задержке сигналов-откликов определяется расстояние от точки подключения до исследуемого электрического контакта. Недостатком этого способа является отсутствие указаний на то, каким образом по отклику от нелинейной неоднородности можно было бы оценить качество электрического контакта.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу обнаружения некачественных контактов является способ обнаружения нелинейных неоднородностей в линии передачи с использованием нелинейной рефлектометрии во временной области [4], заключающийся в воздействии на линию передачи тестовым видеоимпульсным сигналом x(t), прием от объекта сигнала-отклика u₁(t) на тестовый видеоимпульсный сигнал, повторное воздействие тестовым видеоимпульсным сигналом с постоянным смещением, прием от линии передачи сигнала-отклика u₂(t) на повторное воздействие тестовым видеоимпульсным сигналом. Особенность способа заключается в изменении параметров импульсов, таких как амплитуда и постоянное смещение. Способ предполагает, что параметры, характеризующие линию, меняются тогда, когда в линии задается смещение постоянным током. Так изменяющееся смещение изменяет сопротивление нелинейных неоднородностей нелинейным образом, в то время как сопротивление линейных неоднородностей изменяется пропорционально изменению уровня постоянного смещения. Записанные сигналы-отклики последовательно сравниваются. Соответствующие сигналы, имеющие одинаковые амплитуды или пропорциональные амплитуды, идентифицируются как отклики от линейных неоднородностей, в то время как неодинаковые или не пропорциональные идентифицируются как отклики от нелинейных неоднородностей. Результатом измерения является разность сигналов-откликов - характеристика нелинейности. Недостатком способа-прототипа является то, что не учитывается возможность отклонения параметров тестового сигнала от задаваемых, например, между двумя последующими измерениями, на генератор может повлиять внешний возмущающий фактор (температура окружающей среды, давление, влажность, вибрации, электромагнитные помехи и т.д.), который приведет к изменению его рабочего состояния. В этом случае нестабильность формы тестового сигнала в виде отклонения от заданного значения по крайней мере одного параметра приведет к тому, что будут зарегистрированы неодинаковые или не пропорциональные отклики от линейной неоднородности. Возникающая при этом ошибка является существенной, так как сигнал-отклик может быть идентифицирован как для некачественного контакта.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - уменьшение влияния нестабильности параметров тестового сигнала на результат вычисления характеристики нелинейности электрического контакта.

Это достигается тем, что в известном способе обнаружения некачественных электрических контактов с использованием нелинейной рефлектометрии во временной области регистрируют тестовый видеоимпульсный сигнал x(t) и тестовый видеоимпульсный сигнал с постоянным смещением и с допустимой нестабильностью формы [x(t)+Δx(t)] при повторном воздействии, где Δx(t) - допустимая нестабильность формы тестового видеоимпульсного сигнала, и вычисляют характеристику нелинейности ε^∗(t) по формуле

где ∗ - символ свертки, F - прямое преобразование Фурье, F^-1 - обратное преобразование Фурье. При этом нестабильность параметров тестового сигнала не оказывает влияния на результат вычисления характеристики нелинейности. Ниже приводится обоснование этого утверждения.

В известном способе-прототипе характеристика нелинейности определяется как разность сигналов-откликов ε(t) по формуле (2)

Рассмотрим случай измерения характеристики нелинейности качественного электрического контакта. Предполагается, что сопротивление такого контакта не изменяется, следовательно, он является линейным объектом, который имеет импульсную характеристику h(f). Для линейного объекта должно выполняться условие (3), когда характеристика нелинейности тождественно равна нулю:

Воздействуем на качественный электрический контакт дважды: тестовым видеоимпульсным сигналом x(t) и тестовым видеоимпульсным сигналом [x(t)+Δx(t)] с постоянным смещением и с допустимой нестабильностью формы. Сигналы-отклики контакта имеют следующий вид:

Найдем разность ε(t) сигналов-откликов электрического контакта по формуле (2):

Разность сигналов-откликов имеет значение, отличное от нуля ε(t)=-h(t)∗Δx(t), что не удовлетворяет условию (3). Следовательно, отклонение формы тестового видеоимпульсного сигнала при повторном воздействии влияет на результат вычисления разности ε(t) сигналов-откликов. Таким образом, при использовании формулы (2) для определения характеристики нелинейности наблюдается появление систематической ошибки.

Найдем характеристику нелинейности ε^∗(t) электрического контакта по формуле (1):

В данном случае характеристика нелинейности тождественно равна нулю ε^∗(t)=0 при измерении качественного контакта, несмотря на имеющееся отклонение формы тестового сигнала при повторном воздействии тестовым видеоимпульсным сигналом. Следовательно, использование формулы (2) для определения характеристики нелинейности является более предпочтительным.

На фиг.1 приведена схема электрическая принципиальная печатного узла для подключения генератора, осциллографа, источника тока к диагностируемому электрическому контакту. На фиг.2 представлены тестовый видеоимпульсный сигнал x(t) (пунктирная линия) и повторный тестовый видеоимпульсный сигнал [x(t)+Δx(t)] с изменившейся формой (сплошная линия). На фиг.3 приведены для некачественного электрического контакта разность ε(t) сигналов-откликов (пунктирная линия), и характеристика нелинейности ε^∗(t) (сплошная линия). На фиг.4 приведены для качественного электрического контакта разность ε(t) сигналов-откликов (пунктирная линия), и характеристика нелинейности ε^∗(t) (сплошная линия).

Ниже приведен пример осуществления изобретения.

Для реализации предлагаемого способа обнаружения некачественного электрического контакта использованы генератор сигналов Tektronix AFG 3021, осциллограф LeCroy WaveSurfer 454, источник тока GW Instek PSP-405, печатный узел для подключения перечисленных устройств к диагностируемому электрическому контакту.

Схема электрическая принципиальная печатного узла представлена на фиг.1. На вход цепи с генератора сигналов подается тестовый видеоимпульсный сигнал. Резистор R1 позволяет регистрировать первым каналом осциллографа тестовый видеоимпульсный сигнал, который поступает на электрический контакт X. На электрическом контакте вторым каналом осциллографа регистрируется сигнал-отклик. Необходимое постоянное смещение добавляется к тестовому видеоимпульсному сигналу при повторном воздействии с источника тока. Конденсаторы C3-C4 предназначены для фильтрации высокочастотных помех. Постоянный ток поступает на электрический контакт через катушку индуктивности L1, которая обладает высоким импедансом для тестового видеоимпульсного сигнала и препятствует его прохождению к источнику тока. Каскад конденсаторов C1-C2 наоборот обладает низким импедансом для тестового видеоимпульсного сигнала, что способствует его прохождению, но при этом каскад обладает большим сопротивлением постоянному току и препятствует прохождению его к генератору сигналов.

В качестве примера рассмотрим два кабельных разъема BNC, один из которых имеет заведомо некачественное (контактирующие поверхности касаются, но не прижимаются друг к другу) соединение с кабелем, а другой имеет качественный (паяный) электрический контакт с кабелем.

Как известно, любое электронное оборудование необходимо прогреть определенное время для выхода его в рабочий режим. Для наглядности примем данное условие как фактор, который вносит отклонение формы сигнала. В качестве тестового сигнала подаем видеоимпульс треугольной формы с длительностью фронтов 500 нс с генератора сигналов (внутреннее сопротивление 50 Ом, ЭДС 10 В) на электрический контакт. Сразу же после включения генератора регистрируем тестовый видеоимпульсный сигнал (фиг.2, пунктирная линия) и сигнал-отклик электрического контакта. Затем выдерживаем 30 мин для прогрева генератора сигналов. После этого добавляем постоянное смещение к тестовому видеоимпульсному сигналу, чтобы через электрический контакт проходил постоянный электрический ток. Для этого с источника тока подаем ток величиной 200 мА в течение 60 с. Величина тока может быть различной и зависит от типа электрического контакта. Повторно подаем тестовый видеоимпульсный сигнал на электрический контакт. Регистрируем тестовый видеоимпульсный сигнал при повторном воздействии (фиг.2, сплошная линия) и сигнал-отклик электрического контакта.

Проведем описанным выше способом измерения для некачественного электрического контакта. Полученные результаты приведены на фиг.3, где разность сигналов-откликов ε(t), вычисленная согласно способу-прототипу по формуле (2), - пунктирная линия, а характеристика нелинейности ε^∗(t), вычисленная согласно предлагаемому способу по формуле (1), - сплошная линия. Видно, что оба способа позволяют получить схожие результаты при измерении некачественного электрического контакта. Чтобы считать контакт некачественным, нужно сравнить полученный результат со значением, измеренным для заведомо качественного электрического контакта.

Аналогично проведем измерения для качественного электрического контакта. Вычислим разность сигналов-откликов ε(t) (фиг.4, пунктирная линия) согласно способу-прототипу по формуле (2) и характеристику нелинейности ε^∗(t) (фиг.4, сплошная линия) согласно предлагаемому способу по формуле (1). Видно, что амплитуда характеристики нелинейности ε^∗(t), полученной предлагаемым способом, практически вдвое меньше, чем в способе-прототипе. Если сопоставить полученные результаты с графиками на фиг.3, то можно видеть, что амплитуда характеристики нелинейности некачественного контакта значительно превышает амплитуду качественного контакта. Это дает возможность однозначно найти некачественный контакт. В случае сравнения разностей сигналов-откликов по способу-прототипу видно, что амплитуды полученных сигналов для качественного и некачественного контактов сопоставимы, что осложняет поиск некачественного контакта.

В рассмотренном случае устраняется ошибка измерения характеристики нелинейности, появление которой связано с нестабильностью формы тестового сигнала. Однако на практике на результат измерения характеристики нелинейности также влияют и иные факторы, например нелинейность осциллографа или элементов, входящих в печатный узел. Поэтому допускается значение характеристики нелинейности ε^∗(t), отличное от нуля для качественного контакта. При этом электрический контакт считают некачественным, если значение амплитуды его характеристики нелинейности отличается от значения амплитуды характеристики нелинейности, измеренной для заведомо качественного контакта.

Источники информации

1. Соединения контактные электрические. Приемка и методы испытаний [Текст]: ГОСТ 17441-84. - Введ. 1986-01-01.

2. Камнев В.Н. Пусконаладочные работы при монтаже электроустановок. - Учеб. пособие для средних проф.-техн. училищ. - М.: Высш. школа, 1977 г. - 352 с.

3. Способ исследования нелинейности преобразования сигналов объектом [Текст]: пат. 2263929 Рос. Федерация: МПК⁷ G01S 13/00 / Семенов Э.В.; заявитель и патентообладатель Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. - №2004110640/09; заявл. 07.04.04; опубл. 10.11.05, Бюл. №31 (III ч.).

4. Apparatus and method for locating nonlinear impairments in a communication channel by use of nonlinear time domain reflectomery [Текст]: патент US 7230970 B1 МПК⁷ H04B 1/69, H04M 1/24. / Bryant P.H., патентообладатель Chaos Telecom Inc (США), - №10/612,175, заявл. 02.07.2003, опубл. 12.06.2007.