電子儀器儀表設(shè)備的質(zhì)量及常見故障分析

中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 王怡靜

空間電子儀器是針對于地球外層空間運(yùn)行的電子信息系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外對電子儀器的研究越來越多，特別是空間電子儀器，投入了大量的人力和財力。對于空間電子儀器而言，工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展讓電子儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得越來越精細(xì)，集成度也越來越高。加上工作環(huán)境處于高輻射、高電磁干擾以及高溫的狀態(tài)，相對于地面電子儀器而言更容易發(fā)生電路故障。一旦發(fā)生故障，輕則影響設(shè)備正常運(yùn)行，重則造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對空間電子儀器的電路故障診斷研究勢在必行。

一、功能故障檢測方法

（一）基于模塊電路幅頻特性的故障

對控件電子儀器的模擬電路進(jìn)行了功能模塊設(shè)計，明確了各個模塊之間的信號轉(zhuǎn)換方式和特征，因此在進(jìn)行故障診斷過程中，可以通過對比字典信息的方式進(jìn)行故障診斷。

（1）數(shù)字基帶的發(fā)射濾波器的信號輸入主要是通過DA進(jìn)行，轉(zhuǎn)換后的信號表示為：S1=Asin(w1t+φ1)，頻率不變，幅度發(fā)生變化。

（2）在發(fā)射通道模塊的信號輸入主要通過數(shù)字基帶模塊進(jìn)行信號傳入，表示為：S2=Bsin(w1t+φ2)，輸出信號是通過發(fā)射通道轉(zhuǎn)換為射頻信號。

（3）接收通道模塊通過雙工器發(fā)射的射頻信號，表示為：S3=Dsin (w4(t-τ4)+φ4)+n(t)，其中n(t)表示接收信號的噪聲；τ4表示信號延時。

（4）數(shù)字基帶接收濾波器的信號輸入主要通過接收通道獲取，表示為：S5=Esin(w5t+φ5)。頻率不變，幅度會變。

在檢測電路故障過程中，首先判斷電路發(fā)生故障的原因是否是功能故障。通過檢測模塊進(jìn)行功能故障檢測，輸出信號，獲取測試節(jié)點(diǎn)，通過輸出信號的頻率判斷電路是否發(fā)生功能故障。

（二）基于模塊電路輸出波形距離的故障

先檢測出故障電路，然后在進(jìn)行故障診斷，確定故障元件。對于電子空間儀器中的模塊，可以根據(jù)輸出波形確定不同電路元件故障的差異化。在實(shí)際的電路應(yīng)用中，電路的激勵是不變的，在測試之前，通過激勵的方式構(gòu)建信號特征的方式不適用于空間電子儀器的故障診斷。如果采用輸出信號的波形確定故障元件定位，有一定效果。基于模塊電路，在正常狀態(tài)下，輸出信號波形將作為第二故障字典，引入距離函數(shù)計算故障模塊電路，從而確定故障位置。

測量信號模型：

公式（1）：

表示測量信號，屬于時間函數(shù)，g()表示函數(shù)的形式；t表示函數(shù)的自變量；v表示因變量；w(t)表示噪聲。

本研究是對功能模塊電路的故障診斷問題進(jìn)行討論，并進(jìn)行問題解決。時間集根據(jù)采樣信號獲得離散集，即：

公式（2）：

TN={t1,t2,…,tn}距離函數(shù)是用來定義測量信號的參數(shù)值，對于任意測量信號，都會存在偏差，即：公式（3）：

在功能模塊的電路故障元件中，ρ(v0,v)是用來計算電路故障的，也用來計算與電路測前仿真的狀態(tài)相似度。功能模塊電路的故障定位問題轉(zhuǎn)化為距離計算問題，根據(jù)測前仿真的模塊電路，設(shè)定輸出信號字典，并對字典中存儲的輸出信號采樣進(jìn)行測試，測后通過對輸出信號的采樣，計算兩個測量信號之間的距離。即：

公式（4）：

根據(jù)公式（4）得到最小距離ρ(Si,X)，從而判斷電路的故障狀態(tài)，獲取故障元件位置。

二、軟故障診斷方法

（一）基于故障字典的模擬電路故障診斷

1.功能模塊電路的故障快速檢測法

對模擬電路進(jìn)行故障診斷的最終目的就是判斷電路是否能夠正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各自功能，如果發(fā)生故障后能夠及時處理電路故障，可以最大化的保證電路的正常工作?；诖耍瑢臻g電子儀器模擬電路進(jìn)行功能模塊劃分后，建立基于故障字典的模擬電路快速故障檢測。該方法檢測的核心是在檢測之前，先對不同模塊的電路建立功能故障字典，檢測電路的功能特性后確定模塊電路是否會發(fā)生故障。故障診斷過程中，通過測量的方式得到功能模塊電路的功能特性，并查找對應(yīng)的故障字典，就能夠快速地判斷出電路功能模塊是否存在故障。

2.故障類型診斷

（1）斜率故障

對于電阻、電導(dǎo)、電感等線性無容差模擬電路，當(dāng)發(fā)生故障后，不管參數(shù)偏離多少，任取兩節(jié)點(diǎn)，測量電壓的斜率。根據(jù)電路理論得到：公式（5）：

在線性模擬電路中，當(dāng)單個元件的參數(shù)發(fā)生變化時，電路中的節(jié)點(diǎn)電壓值不便，則斜率即可作為故障字典中的故障特征

（2）折線故障

雖然在非線性元件中，不同的狀態(tài)所體現(xiàn)的電特性不同，但是工作狀態(tài)的數(shù)量不會發(fā)生較大變化。在不同的狀態(tài)下，利用線性元件進(jìn)行代替，不會影響其電特性。對于非線性電路，如果電路中的非線性元件處于單一的工作狀態(tài)，則電路中的每一個非線性元件都會與對應(yīng)的線性元件交替，從而保證電路的整體性能保持不變。針對此，對非線性電路故障元件的折線故障模型有了新的研究方向。

假設(shè)在一個直線非線性電路中包含了多個非線性元件，用n表示，則每一個非線性元件就會有多個線性工作區(qū)間。當(dāng)電路發(fā)生軟故障后，故障元件的參數(shù)發(fā)生變化。在元件鄰域中，故障元件始終處于工作區(qū)間，并且電路中的其他非線性元件工作狀態(tài)保持不變。在小的鄰域范圍內(nèi)，電路中所有的非線性元件都會有對應(yīng)的線性元件進(jìn)行替代，且不會改變電路的特性。這時電路是線性的，可以采用任意兩個節(jié)點(diǎn)電壓隨著參數(shù)的變化滿足線性故障元件的斜率故障模型。當(dāng)電路中某一個元件參數(shù)發(fā)生變化，在元件的不同參數(shù)范圍內(nèi)，將電路使用不同的線性電路進(jìn)行替代，從而滿足不同的斜率故障。將元件中所有的斜率故障連接起來后，得到折線故障類型

3.分級故障診斷

利用字典法，對模擬電路進(jìn)行故障診斷，該方法的優(yōu)勢就是可以節(jié)約成本，在進(jìn)行故障診斷時，根據(jù)檢測結(jié)果，查找電路分級故障，完成對電路的分級故障診斷。如果只檢測電路故障，只需建立一級故障字典中的輸出電壓值即可判斷電路是否正常運(yùn)行。在確定電路發(fā)生故障之前，要先確定電路故障元件的位置，建立二級字典?？紤]到元件容差的問題，對于線性電路，可以通過公式（6）進(jìn)行斜率計算。對于非線性電路，計算出點(diǎn)到各折線的距離，算出最小距離即可找到對應(yīng)的元件。采用二級故障字典診斷出故障元件后，還需要找到故障元件的所在區(qū)間，采用三級字典便可實(shí)現(xiàn)元件參數(shù)區(qū)間的查找。

公式（6）：

（二）基于改進(jìn)型松散小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷

1.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用BP學(xué)習(xí)算法，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種重要類型，可以對各種復(fù)雜的映射關(guān)系進(jìn)行表達(dá)。多層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以解決非線性映射問題，結(jié)構(gòu)簡單，在模擬電路的故障診斷中應(yīng)用較多。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作過程中輸入信號，是采用輸入到輸出的方向進(jìn)行正向傳播，誤差信號則相反，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理函數(shù)逼近以及數(shù)據(jù)壓縮問題時具有較好效果。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬電路的軟故障診斷，可以降低排障人員的工作壓力，完成軟故障數(shù)據(jù)特征提取、軟故障診斷的功能。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對軟故障進(jìn)行診斷，識別電路的故障元件，通過測量得到的電路故障原始輸出信號，按照特定的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)特征的提取，然后再導(dǎo)入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，即可自動識別發(fā)生故障的元件位置。

2.故障診斷

利用改進(jìn)型松散小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電路軟故障診斷，需要進(jìn)行測前軟故障特征提取以及測后的故障診斷兩個階段。

測前軟故障主要是對空間電子儀器中的待測電路進(jìn)行分析，確定可測節(jié)點(diǎn)，再利用仿真工具進(jìn)行仿真測試，獲取電路的軟故障采樣信號，根據(jù)故障特征確定網(wǎng)絡(luò)輸入層和神經(jīng)元個數(shù)，再通過實(shí)驗(yàn)試湊方法設(shè)定隱層神經(jīng)元個數(shù)。最后進(jìn)行測后故障診斷，利用仿真得到目標(biāo)電路的原始數(shù)據(jù)，按照與測前軟故障一樣的方法獲取原始故障特征，從而確定故障元件位置。

三、結(jié)束語

在“大數(shù)字、小模擬”的發(fā)展趨勢下，模擬電路的故障診斷極為重要。電子儀器中的模擬電路一旦發(fā)生故障，將會造成巨大的損失?？臻g電子儀器相對于地面電子儀器而言，故障發(fā)生后所造成的損失更大，因此以空間電子儀器為研究對象，介紹了電子儀器模擬電路發(fā)生故障的類型以及方法，為后續(xù)研究工作奠定基礎(chǔ)。