автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Диагностика качества электрических контактов и проводников методом нелинейной видеоимпульсной рефлектометрии

На правах рукописи

Артищев Сергей Александрович

ДИАГНОСТИКА КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ И ПРОВОДНИКОВ МЕТОДОМ НЕЛИНЕЙНОЙ ВИДЕОИМПУЛЬСНОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ

Специальность 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 8 0КТ 2015

005564037

Томск —2015

005564037

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (ТУСУР).

Научный руководитель: Семенов Эдуард Валерьевич

доктор технических наук, доцент, ТУСУР, г. Томск.

Официальные оппоненты: Беляев Борис Афанасьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией электродинамики и СВЧ электроники Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН, г. Красноярск.

Ким Владимир Сергеевич, кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий инновационной научно-образовательной лабораторией кабельной техники Энергетического института ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.

Ведущая организация: ФГАОУ ВО «Сибирский физико-технический

институт им. академика В.Д.Кузнецова Национального исследовательского Томского государственного университета», г. Томск.

Защита состоится «08» декабря 2015 года в 11 часов 00 минут на заседают диссертационного совета Д212.268.01 на базе ФГБОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» по адресу: г. Томск, пр-т Ленина, 40, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться на сайте http://www.tusur.nl/in/science/education/dissertations и в библиотеке ФГБОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» по адресу: г. Томск, ул. Красноармейская, 146.

Автореферат разослан « Щ » 0Ич~£ХорА2015 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д212.268.01 доктор физико-математических наук

А.Е. Мандель

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 эксплуатащш 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, H.H. 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 ухудшешш 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. Брайанга, Э.В. Семенова и др.

Существующие варианты реализащш 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-

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 частый 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

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

Методы и методики исследований. В работе используется метод видеоимпульсной рефлектометрни, называемый также метод отраженных импульсов иди локационный метод, базирующийся на распространении импульсных сигналов в двух- и многопроводных системах (линиях и кабелях) связи. Сущность метода видеоимпульсной рефлектометрни 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 рефлекгометрии 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. Таим образом, происходит обнаружение неоднородностей, имеющих нелинейные характеристики.

Научная новизна

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

2. 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.

3. 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

1. 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.

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

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

3. Использование двухканального приемника для регистрации разными каналами тестовых анналов 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 результатам! 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 обработан 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 № И88ГУ2/2013 от20.12.2013 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 конференщш молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Красноярск, 2013 г.; Международной конференции компании National Instruments «NIDays» - 2013 г., 2014 г.; Международной научно-практической конференщш «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, ихложенные 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-

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 страницы, включая 50 рисунков, 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, приведены сведения о научной новизне и практической значимости, а также определены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен анализ состояния проблемы диагностики ЭК и проводников. Рассмотрены свойства электрических контактов и нелинейные эффекты, наблюдаемые в них при прохождении электрического тока. Выявлено, что для осуществления контроля качества и диагностики ЭК представляет интерес наблюдение за изменением их сопротивления под действием постоянного электрического тока.

Для выявления причин образования дефектов во время эксплуатации, ведущих к повреждению ЭК, а также для разработки способов их обнаружения необходимо провести моделирование ЭК. В связи с этим рассмотрены существующие модели ЭК и способы моделирования процессов в них.

Переходное сопротивление ЭК, обусловленное явлением стягивания линий тока в области фактического контакта, можно найти по известной формуле (Р. Хольм) для круглой контактной поверхности:

О)

2 ап

где р — удельное сопротивление материала контакта; а - радиус контактной точки; п - число контактных точек.

Некачественные ЭК обладают переходным сопротивлением, превышающим значение сопротивления качественного ЭК. Следовательно, при прохождении одного и того же тока, некачественный ЭК нагревается больше, а значит большим будет и изменение сопротивления:

2

Лн =

Рн=Р

(2)

где ак - температурный коэффициент электрического сопротивления материала контакта; Тх и Тп - температура контакта в холодном и нагретом состояниях соответственно; Ях и Ли - сопротивление контакта в холодном и нагретом состояниях соответственно.

Существующие методы контроля качества ЭК, рассмотренные в аналитическом обзоре, обладают рядом недостатков и не все из них получили широкое распространение, поэтому зачастую контроль ограничивают визуальным осмотром, что не обеспечивает высокой надежности при эксплуатации. Повышение эффективности контроля достигается применением методов, основанных на прямом или косвенном (рассчитывается по измеренному падению напряжен™, току, температуре и т.д.) измерении сопротивления. Однако при этом требуется наличие

прямого доступа к измеряемому контакту, а также сведения о допустимом значении измеряемых параметров, которые лежат в широком диапазоне значений в зависимости от типов контакт-деталей.

Известно, что среди повреждений, встречающихся в кабельных линиях передачи, проще всего обнаруживаются явные повреждения - разрывы и короткие замыкания. Такие повреждения обнаруживаются любым дистанционным (зондирующим) методом. Однако более сложные дефекты требуют дополнительных операций для их обнаружения. Чаще всего их доводят до явного повреждения с использованием так называемого дожита дефектов сильноточным воздействием, что увеличивает затраты на обслуживание и ремонт линий передач. По итогам обзора методов контроля и диагностики ЭК наиболее перспективным среди дистанционных методов выделен метод нелинейной рефлектометрии. Данный метод обладает возможностью определения расстояния до дефекта, как и все из существующих дистанционных методов. Кроме того, с помощью данного метода можно оценивать характеристику нелинейности преобразования сигналов дефектами, которая обусловлена нелинейностью их сопротивления.

Обнаружение некачественных ЭК методом нелинейной рефлектометрии предложено П. Г. Брайантом в патенте США №7230970. Автор предлагает использовать несколько тестовых воздействий, причем последовательно изменяя один или несколько параметров (амплитуда, постоянное смещение, полярность и т.д.) последующего тестового воздействия. Предполагается, что параметры, характеризующие ЭК, меняются тогда, когда в линии задается смещение постоянным током. Изменяющееся смещение изменяет сопротивление ЭК нелинейным образом, в то время как сопротивление линейных неоднородностей не изменяется смещением. Записанные рефлектограммы последовательно сравниваются. Полученная при этом разность откликов является характеристикой нелинейности преобразования сигналов объектом:

с(0 = «,(/) - и2(/), (3)

где //](/) и м2(/)- отклики объекта на первый и второй тестовые сигналы.

Соответствующие сигналы, имеющие неодинаковые или не пропорциональные амплитуды идентифицируются как отклики от нелинейных неоднородностей, т.е. объект нелинейный, если:

6(0*0. (4)

Недостатком такого подхода 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 из тестовых сигналов приведет к тому, что будут зарегистрированы неодинаковые или не пропорциональные отклики от линейной неоднородности.

Рассмотрим случай измерения характеристики нелинейности качественного ЭК, рассчитанной с помощью выражения (3). Предполагается, что сопротивление такого ЭК не изменяется, следовательно, он является линейным объектом, который имеет импульсную характеристику /¡(0- Для линейного объекта должно

выполняться условие, когда характеристика нелинейности тождественно равна нулю е(0 = 0.

Воздействуем на качественный ЭК дважды: тестовым видеоимпульсным сигналом и тестовым видеоимпульсным сигналом [х(1) + Дх(/)] с постоянным смещением и с некоторым отклонением формы, где Дх(/) - допустимая нестабильность формы тестового видеоимпульсного сигнала. В этом случае сигналы-отклики ЭК имеют следующий вид:

«1(0 = МО **('); мо=ко* мо(5)

где КО - импульсная характеристика объекта, и(7) - отклик объекта на тестовый сигнал х(1), а знак равенства понимается как тождество. Найдем разность е(0 сигналов-откликов ЭК по формуле (3): е(/) = Л(/)* [*(/)+ Лг(/)]-Л(г)*4/) -После преобразований получим выражение:

е(г)=А(/)*Дг(/). (6)

Разность сигналов-откликов имеет значение отличное от нуля, что соответствует отклику от нелинейного объекта. Следовательно, отклонение формы тестового видеоимпульсного сигнала при повторном воздействии влияет на результат вычисления разности е(г) сигналов-откликов и может привести к появлению погрешности при измерении.

Следует отметить, что данный метод представляет собой частный случай использования метода, предложенного Э.В. Семеновым, который заключается в том, что характеристика нелинейности преобразования сигналов определяется следующим образом:

где . - символ свертки, Г - обратное преобразование Фурье, Х,(со) и Х2(а) -спектры первого и второго тестовых сигналов, причем второй сигнал является линейным преобразованием первого.

Для вычисления характеристики нелинейности по формуле (7) необходимо регистрировать тестовые сигналы. Использование данной формулы позволяет компенсировать возможные нелинейные искажения тестовых сигналов генератором. Данный метод также может использоваться для обнаружения некачественных электрических контактов. Однако в описании обоих методов отсутствуют сведения, указывающие на то, каким образом по измеренной характеристике нелинейности преобразования тестовых сигналов электрическим контактом определить качество его технического состояния.

Во втором разделе предложен способ, позволяющий устранить влияние нестабильности амплитуды тестовых сигналов при измерении электрических контактов и проводников методом нелинейной видеоимпульсной рефлектометрии.

Для устранения погрешности и повышения эффективности измерений характеристик ЭК предложено модифицировать известный метод нелинейной рефлектометрии во временной области, предложенный П.Г. Брайантом. Во время проведения измерений необходимо регистрировать тестовый видеоимпульсный

в(г) = «,(/)-/=-

►«2(0. (7)

сигнал х(1) и тестовый видеоимпульсный сигнал с постоянным смещением и с допустимой нестабильностью формы [х(/) + Дг(/)] при повторном воздействии и вычислять характеристику нелинейности е*(/) по формуле:

>[*(/)+Лг(г)]"

'".(О, (8)

где К - прямое преобразование Фурье.

При этом нестабильность параметров тестового сигнала не оказывает влияния на результат вычисления характеристики нелинейности. Для обоснования этого утверждения найдем характеристику нелинейности &(г) качественного ЭК (линейного объекта) по формуле (8):

После преобразований получим выражение:

8*(^)=А(/)»[ДГ(/)+Дг(^)]-Л(/)*[.Г(/)+ДГ(/)] = 0. (9)

В данном случае характеристика нелинейности тождественно равна нулю £*(/) = 0 при измерении качественного ЭК, несмотря на имеющееся отклонение формы тестового сигнала при повторном воздействии тестовым видеоимпульсным сигналом. Следовательно, использование формулы (8) для определения характеристики нелинейности является предпочтительным.

Таким образом, наличие нестабильности амплитуды тестовых сигналов, влияющей на появление погрешности измерения характеристики нелинейности преобразования тестовых сигналов объектами, устраняется, если зарегистрировать реально воздействующие на объект тестовые сигналы и использовать их при определении характеристики нелинейности. При этом следует учитывать, что амплитуда сигналов-откликов на порядки меньше амплитуды тестовых сигналов. Поэтому регистрация всех сигналов одним каналом может привести к снижению отношения сигнал/шум, что в свою очередь осложняет анализ откликов.

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 такого способа 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. Для решения данной проблемы и увеличения чувствительности рефлектометра предложено использование двух каналов АЦП, один из которых будет регистрировать тестовые сигналы, а другой сигналы-отклики. При этом каждый канал настраивается на соответствующий диапазон напряжений, исходя из максимальной амплитуды регистрируемого сигнала. Выражение (10), связывает коэффшш-

ент ослабления входного канала регистрирующего устройства с приростом отношения сигнал/шум.

СЛГД) 1Г

(10)

ХУД, к2

а:,

где 5Л7? и К - отношение сигнал/шум и коэффициент ослабления при различных диапазонах соответственно.

В третьем разделе проведено моделирование ЭК, с учетом его зависимости сопротивления от тока. На основе полученной модели предложена методика экстракции параметров ЭК по измеренной характеристике нелинейности. Полученные параметры указывают на техническое состояние ЭК. Также проведены расчеты, связанные с возможностью обнаружения некачественного ЭК в кабельной линии передачи.

В общем случае вычисление характеристики нелинейности преобразования тестового сигнала ЭК е(/) сводится к формуле:

е(0 = «н(')-«х(0. (">

где «х(0 и нн(0 - отклики (падения напряжения) на тестовый сигнал х(1) холодного и нагретого объекта соответственно. Учитывая, что и(<) = /(/)/?, можно найти изменение сопротивления контакта ДЛк:

ф)=Дн,к(г)-Лх/к(()=Мк!к (г) (12)

Подставив формулы (1) и (2) в выражение (12), после преобразований получим выражение (13), из которого можно видеть, что характеристика нелинейности ЭК обусловлена изменением его сопротивления, связанным с протекающим через него током:

Ф) =

Р"Д ¡2

2 (апЦ 48(а«р. J 2{ап)х

к('). (13)

где (ап)х и (ап)н - контактная поверхность до и после нагревания соответственно.

Следует отметить, что модель ЭК вида (13) применима лишь до определенного значения разогревающего тока. Этот ток не должен достигать значения, при котором выражение 1-/2рад/[48(аи)дЛ,] в (13) обращается в ноль (этому соответствует ситуация, когда увеличение переходного сопротивления ЭК под действием разогревающего тока приводит увеличению выделяющегося на ЭК количества теплоты, а, следовательно, к дальнейшему увеличению переходного сопротивления и т.д.). Таким образом, модель (13) применима при выполнении условия:

/ <^48(ан)^ х/рал .

Нелинейная модель ЭК (13) позволяет рассматривать диагностику его качества как задачу определения параметров ЭК по результатам его исследования методом нелинейной рефлектометрин. Вначале для известного 4(0 и измеренной е(/) нужно определить изменение переходного сопротивления ЭК ЛЯК (выражение в квадратных скобках в (13)). Для этого составим систему линейных уравнений, записанных для конкретных моментов времени:

Решение данной системы уравнений позволяет определит?, изменение сопротив-

ления контакта в следующем виде:

Далее задача сводится к определению (ап)х и (оп)н из соотношения:

(14)

2(я")„

1-

Р«*

48(ш;£>. ) 2(ст)х '

Для этого отметим два возможных случая. Если ДЛК > 0, то это значит, что ап почти не увеличивается (не изменяется) при нагреве контакта. Т.е. допустимо считать, что (ап)н = (ап)х = ап. Таким образом,

ДRv =-

2ап

Рал

48 (anfl

Р 2 ап

(15)

Из этого уравнения контактная поверхность (ют), являющаяся показателем качества контакта, определяется однозначно.

Если ЛЛК < 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

21а»)н

, _i-Wa. . (16)

2(я»)х ' k 2(л;;)н [ (яи)х J

При наличии априорных сведений о (ап)н из предыдущей формулы определяется относительное изменение контактной поверхности под действием тестового сигнала. Это изменение также является показателем качества контакта.

Рассмотрим случай, когда некачественный ЭК расположен в тракте кабельной линии передачи, и опишем такой ЭК как объект цепи, подключённый к кабелю. Отклик контакта рассчитаем с помощью выражения (17) с использованием обратного преобразования Фурье от произведения спектра тестового воздействия Xj(J), квадрата частотной характеристики коэффициента передачи кабеля K(j)~ и частотной зависимости коэффициента отражения сигнала Г(/) от неоднородности:

(17)

На рисунке 1 представлены результаты расчета отклика контакта сопротивлением 10 мОм, полученные с помощью выражения (17) (сплошная кривая), а также средствами САПР AWR Designer Environment (пунктирная кривая).

........J 1

"ш«(0> мВ

2.5 2 1.5

0.5

oa м L, м

О

3 - Р4-И-01

\ 1

4 -NIPXI-5124(1 канал)

- N1 PXI-5124 (2 канала)

у

50

Рисунок 1 - Расчетный сигнал-отклик от контакта сопротивлением Лк = 10 мОм, последовательно размещенного в отрезке кабеля НХ}-58.Л/и длиной 30 м

100 150 L, м Рисунок 2 - Зависимость амплитуды отклика контакта R от длины кабеля RG-58. Л, = 50 мОм (кривая 1) и Rx = 10 мОм (кривая 2)

Из рисунка 1 видно, что для обнаружения некачественных ЭК необходимо регистрировать отклики малой амплитуды (доли милливольт). Также следует учитывать, что с увеличением длины кабеля амплитуда отклика уменьшается за счет затухания. Выделить отклик ЭК на фоне естественных шумов в рефлектограмме можно, если амплитуда отклика превышает уровень шума в К раз. Исходя из этого, примем, что пороговое значение обнаружения отклика определяется условием:

ик{Ьтах)=Ки0, (18)

где и0 - уровень шума АЦП; К - коэффициент, определяющий во сколько раз амплитуда отклика должна быть больше уровня шума, для обеспечения возможности выделения отклика на фоне шумов.

Для анализа достаточности динамического диапазона АЦП воспользуемся разработанными моделями контакта и кабельной линии. На рисунке 2 представлены расчетные характеристики, отражающие изменение максимума амплитуды отклика с увеличением расстояния, на котором расположен последовательно подключенный контакт. Согласно расчетам использование АЦП с уровнем шумя не более 0,2 мВ позволяет регистрировать наличие откликов от контактов сопротивлением от 10 мОм, расположенных в кабеле длиной до 50 м.

В четвертом разделе приводятся результаты экспериментальных исследований. Выделено два типа измерений по обнаружению некачественного ЭК. В первом случае тестированию подвергается образец ЭК, который подключается непосредственно к измерительной установке. При этом ЭК измеряется как двухполюсник и характеристика нелинейности преобразования сигналов определяется как разность падений напряжения на ЭК в холодном и нагретом состояниях. Во втором случае тестирование используемого образца предполагает размещение его в кабеле. В данном случае кабель подключается к измерительной установке и измерения проводятся с помощью отраженных импульсов. Также приведены результаты измерений с применением предложенного подхода по компенсации нестабильности амплитуды тестовых сигналов. Следует отметить, что такой подход применим в обоих вышеупомянутых режимах измерений.

Ниже приведены результаты экспериментального исследования качественного (рисунок 3) и некачественного (рисунок 4) электрических контактов. На графиках представлены характеристики нелинейное™ преобразования сигналов контактами, вычисленные по формуле (11) (кривая У) и формуле (8) (кривая 2). мОм

20

-20 -

2 4 6

Рисунок 3 - Характеристика

I, МКС

4 6 мке

Характеристика

Рисунок 4 -

нелинейности качественного ЭК нелинейности некачественного ЭК

По экспериментальным данным характеристики нелинейности с помощью формулы (14) было рассчитано изменение сопротивления ЭК АЛК. Результаты расчетов представлены в таблице 1. Далее для случая температурной зависимости сопротивления контактов из уравнения (15) определена контактная поверхность ст. На основании полученной оценки ап по формуле (16) определено относительное изменение контактной поверхности для случая прилипания контактов.

Таблица 1 — Параметры модели электрического контакта

Параметр контакта Некачественный контакт Качественный контакт

Эффект температурной зависимости сопротивления Эффект прилипания

|ДДК|, мОм 53 200 0,38

ап, нм 32 - 150

- 73 -

Изменение сопротивления ЭК при исследовании методом нелинейной рефлектометрии представлено в таблице 2. Проявлением нелинейных свойств качественного ЭК можно пренебречь, поэтому его характеристику нелинейности (кривая 2, рисунок 3) можно считать собственной нелинейностью всей измерительной установки в целом. Сравнивая результаты на рисунке 2, можно говорить об улучшении чувствительности метода. Иными словами, предложенный способ устранения нестабильности амплитуды тестовых сигналов позволяет измерять меньший уровень изменения сопротивления. Экспериментально определена нижняя граница диапазона измерения нелинейности преобразования сигналов объектами. В текущей конфигурации измерительных средств метод позволяет фиксировать изменение сопротивления от 10 мОм. В дальнейшем представляет интерес снижение пороговой величины для обеспечения

возможности диагностики печатных узлов, определения дефектов проводников СВЧ-трактов и т.д.

Таблица 2 - Результаты измерений

Параметр Собственная нелинейность Нелинейность объекта

|ДЛК| без учета тестовых сигналов, мОм И 21

|ДЙК*| с учетом тестовых сигналов, мОм 5 23

Далее рассматривается случай измерения характеристики нелинейности преобразования тестового сигнала ЭК, размещенным в кабельной линии передачи. На рисунке 5 представлены результаты моделирования и экспериментального исследования кабельной линии, содержащей дефект в виде образца некачественного ЭК.

м L, м

Рисунок 5 - Линейная (слева) и нелинейная (справа) рефлектограммы линии с некачественным контактом. Пунктирная кривая - модель, сплошная кривая - эксперимент Из рисунка 5 видно, что некачественный контакт обнаруживается в кабеле RG-58A/U на расстоянии 18 м, так как наличие отклика на нелинейной рефлекто-грамме связано с изменением сопротивления контакта под действием тестового сигнала. На линейной рефлеюгограмме также виден отклик, однако по нему нельзя оценить качество контакта. Поэтому для обнаружения некачественных электрических контактов предпочтительно измерение нелинейной рефлектограммы.

Экспериментальные результаты получены с помощью экспериментальной установки, разработанной с использованием блочно-модульного измерительного оборудования National Instruments. Для управления измерительными приборами и обработки результатов измерения разработано программное обеспечение в среде Lab VIEW. Установка выполняет функции нелинейного рефлектометра с возможностью добавления постоянного смещения к тестовому воздействию. В этом смысле аналоги разработанного устройства на настоящий момент на рынке не представлены.

В заключении сведены основные выводы по работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе рассмотрена возможность определения качества электрических контактов по измерению величины изменения контактного сопротивления в холодном и нагретом состояниях. При этом изменение контактного сопротивления вычисляется по характеристике нелинейности преобразования видеоимпульсного сигнала электрическим контактом.

Нестабильность амплитуды тестовых сигналов, влияющая на появление погрешности измерения характеристики нелинейности преобразования тестовых сигналов объектами устраняется, если зарегистрировать реально воздействующие на объект тестовые сигналы и использовать их при определении характеристики нелинейности.

Предложена 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.

Применение модифицированного метода нелинейной рефлектометрии с устранением влияния нестабильности амплитуды тестовых сигналов позволяет обнаруживать малые дефекты проводников и контактов. С учетом конфигурации измерительных средств, использованных при разработке экспериментальной установки, имеется возможность фиксировать изменение сопротивления от 10 мОм. Данное значение определяется исходя из возможностей используемой измерительной техники.

Вышесказанное позволяет утверждать, что в работе решена задача обеспечения диагностики качества электрических контактов и проводников методом нелинейной видеоимпульсной рефлектометрии, что вносит существенный вклад в развитие сферы производства и эксплуатации кабельных линий передачи информации.

Основные публикации по теме диссертапии

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Анализ искажений цифровых сигналов, вызванных частотной зависимостью первичных параметров симметричных кабелей марки КВСФМ-75 информационных магистралей космических аппаратов / А.Г. Лощилов, Э.В. Семенов, Н.Д. Малютин, С.Б. Сунцов, Т.Х. Бибиков, С.А. Артшцев // Известия вузов. Физика. - 2011. -№ 10/2.-С. 115-121.

2. Автоматизированная система контроля параметров информационных магистралей и их компонентов для систем управления космических аппаратов / А.Г. Лошилов, A.A. Бомбизов, С.П. Караульных и др. // Известия вузов. Физика. -2012.-№9/3.-С. 72-78.

3. Артишев С.А. Диагностика качества электрических контактов методом нелинейной видеоимпульсной рефлектометрии с учетом термоэлектрических эффектов / С.А. Артшцев, Э.В. Семенов // Известия вузов. Физика. - 2013. -№9.-С. 60-65.

4. Артшцев С.А. Нелинейная модель электрического контакта для термонелинейного рефлектометра / С.А. Артищев, Э.В. Семенов // Известия вузов. Физика. - 2013. - №8/3. - С. 72-74.

Публикации в других изданиях

5. Пат. 2560034 РФ, МПК 2013 G01R 31/11. Способ обнаружения некачественного электрического контакта / С.А. Артищев, Э.В. Семенов; патентообладатель Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. - № 2014108784/28, заявл. 06.03.2014; опубл 20.08.2015; Бюл. - № 23.

6. Семенов Э.В. Диагностика качества электрических контактов методом нелинейной рефлектометрии с учетом термоэффектов / Э.В. Семенов, С.А. Артищев, A.A. Городилов, С.Б. Сунцов /7 СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо'2012) : материалы 22-й Междунар. конф. Севастополь, Украина, 10-14 сентября 2012 г. - Севастополь: Вебер, 2012. -Т. 1 - С. 915-916.

7. Артищев С.А Способ обнаружения малых дефектов электрических контактов методом термонелинейной рефлектометрии с применением компенсации нестационарности генератора тестовых сигналов / С.А. Артищев, Э.В. Семенов // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо'2013) : материалы 23-й Междунар. конф. Севастополь, Украина, 7-14 сентября 2013 г. - Севастополь: Вебер, 2013. -Т.1. - С. 1018-1019.

8. Артищев С.А. Анализ влияния параметров отжига на электрическое сопротивление элементов печатной электроники / С.А. Артищев, А.Е. Здрок, А.Г. Лощилов, Н.Д. Малютин // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо'2014) : материалы 24-й Междунар. конф. Севастополь, Украина, 7-13 сентября 2014 г. - Севастополь: Вебер, 2014,- Т.1. - С. 690-691.

9. Артшцев С.А. Оценка расстояния обнаружения последовательных низкоомных повреждений в линии передачи с помощью термо-нелинейной рефлектометрии / С.А. Артищев, А.Г. Лощилов, Э.В. Семенов, Н.Д. Малютин // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо'2015) : материалы 25-й Междунар. конф. Севастополь, Украина, 6-12 сентября 2015 г. - Севастополь: Вебер, 2015.- Т.2.-С. 855-856.

10. Артищев С .А. Построение модели контакта металл-окисел-металл / С.А. Артищев, Э.В. Семенов // Научная сессия ТУСУР-2010 : материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 4-7 мая 2010 г. - Томск: В-Спеетр, 20'l0. - 4.1. - С. 226-229.

11. Артищев С.А. Моделирование и экспериментальное исследование нелинейного контакта металл-окисел-металл / С.А. Артищев, Э.В. Семенов // Научная сессия ТУСУР-2010 : материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 4-7 мая 2010 г. -Томск: В-Спектр, 2010. - 4.1. - С. 229-231.

12. Артищев С.А. Специализированный нелинейный рефлектометр / С.А. Артищев, Э.В. Семенов // Научная сессия ТУСУР-2011 : материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 4-6 мая 2011 г. - Томск: В-Спектр, 2011. - 4.1. - С. 168-170.

13. Артищев С.А. Тепловое моделирование кабельной линии передачи / С.А. Артищев, Э.В. Семенов // Научная сессия ТУСУР-2012 : материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 16-18 мая 2012 г. - Томск: В-Спектр, 2012. - 4.1. - С. 156-158.

14. Артищев С.А. Обнаружение нелинейных неоднородностей в тракте мультиплексного канала обмена спутниковых аппаратов / С.А. Артищев, Т.Х. Бибиков. Э.В. Семенов. А.Г. Лощилов // Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем : материалы конф. молодых специалистов «Информационные спутниковые системы» им. ак. М.Ф. Решетнева»», посвященной 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина, Железногорск, 2011 г. - С.74-76.

15. Артищев С.А. Экспериментальная установка для исследования электрических контактов с учетом термоэлектрических эффектов / С.А. Артищев, Э.В. Семенов // Научная сессия ТУСУР-2013 : материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 15-17 мая 2013 г. - Томск: В-Спектр, 2013. - 4.1. - С. 191-194.

16. Артищев С.А. Влияние нестабильности амплитуды выходного сигнала генератора тестовых импульсов при проведении измерений методом нелинейной рефлекгометрии / С.А. Артищев. Э.В. Семенов // Научная сессия ТУСУР-2013 : материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 15-17 мая 2013 г. - Томск: В-Спектр 2013 -4.1.-С. 194-196.

17. Артищев С.А. Определение параметров электрических контактов по измеренной характеристике нелинейности для оценки их качества / С.А. Артищев. Э.В. Семенов // Современные проблемы радиоэлектроники : материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции. Красноярск, 6-7 мая 2013 г -С. 389-393.

18. Артищев С.А. Измерительный стенд для контроля электрических параметров функциональных слоев изделий органической электроники / С.А. Артищев, A.A. Бомбизов, А.Е. Здрок А.Г. Лощилов // Электронные средства и системы управления-2014 : материалы докладов X Международной научно-практической конференции, Томск 12-14 ноября 2014 г. - Томск: В-Спектр. 2014 - 4 2 - С 205208.

Тираж 100. Заказ 731. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 533180.