用于故障检测的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种通过测量电磁发射来检测设备中的故障的方法和系统。

背景技术

电子和机械设备中的故障可能由许多不同的原因引起，所述原因如部件的缺陷或磨损。机械机器被设计成用于在公差值内和在特定条件下操作。使用不正确的设置操作机械或电子设备可能导致系统崩溃。此外，与在正确设置下工作的机器相比，不能最佳工作的系统消耗更多的资源，产生更少或甚至错误的输出，或者经历更多的磨损。

传统上，试验是通过用功能性试验来验证设备而进行的。在这种试验中，通过访问特定的内置试验点或设备连接器来测量来自设备的各种电信号。为定义预期测量结果要求对设备功能有透彻理解。此外，还需要用于访问试验点和连接器的方法以及专门仪器。试验点访问通常由定做的钉床（bed of nails）制成，其专用于一种特定设备。开发钉床和设备特定的仪器配置是缓慢和昂贵的。

还存在非接触式试验方法，在其中由设备发出的各种现象被测量。这种现象可以包括例如，电子发射或声音。

存在一些已知的方法使用来自设备的电磁发射来作为用于检测故障的基础。若干的方法利用外部信号源，所述外部信号源被用于将发射信号注入到待试验的设备。还存在将来自设备的自然发射用作测量基础的一些方法。

US专利号5，006，788公开了一种用于检测设备中的故障的非接触式方法和装置。所述方法描述了激活待试验的设备，并使用传感器探针测量设备内的变化的磁场，其中磁场感应对应的电流。电磁发射是用传感器网络测量的。扫描系统被用于寻址每个传感器，并将测量到的发射转发到调谐到特定频率的接收器中。然后，接收器将接收到的信号传递到信号处理器以进行频域转换。然后将结果与来自已知良好设备的测量结果进行比较，以检测故障，以防检测到的放射中存在差。

所呈现的本发明要求使用仅在单个频率上记录发射的调谐接收器。由于故障单元在与工作频率不同的频率上可能具有发射，因此需要进行多次测量，以验证不存在额外的发射。

US专利号5，406，209还公开了一种通过非接触式试验来检测设备中的故障的方法和装置。所述方法包括将至少一个电磁发射感测探针设置靠近于待试验的设备，测量来自该设备的电磁发射，创建所测量的发射的时域表示，并将来自待测试的设备的所测量的发射与从已知良好设备记录的发射进行比较。时域信息包含可以利用的相位信息，但是使用相位差在计算上是昂贵的。相位也可能由于操作环境（如温度或湿度上）的变化而变化。

国际专利申请号WO 2005/081000公开了另一种用于试验电子设备的非接触式方法。至少一个感测探针被用于测量来自设备的电磁发射。测量被变换到频域，但也被变换到可听频率范围内的第二频域。然后，人类操作员被用来收听来自在试验中的设备的可听范围信号，并将它们与从已知良好设备测量的信号进行比较。

在此解决方案中采用的使用人类操作员检测故障的方法有其缺点。当操作员变化时，很难保持故障准则的一致性，并且人类例如在累的时候易于出错。在故障检测中使用可听信号也易受到如背景噪声的环境问题的影响。

欧洲专利申请号0，527，321公开了一种用于检测包含接触式和非接触式部件两者的电子设备中的故障的方法。使用其正常输入和输出连接器对设备进行电试验，以供发现与预期结果的差异。来自设备的电磁发射被测量，并与从已知良好设备测量的信息进行比较。像上面列出的其他发明一样，使用天线矩阵进行电发射测量。由于在此解决方案中保留了电测量，因此需要对设备行为以及对所定义输入的预期输出开发出良好的理解。此外，需要情况特定（case specific）的仪器组，以便能够训练在试验中的设备并观察其行为。

本发明的目的是一种避免现有技术缺点的解决方案。

发明内容

利用本发明的方法，通过测量来自待监测的在试验中的设备的电磁发射来检测故障。设备被置于诸如其正常操作状态的其操作状态的一个或多个状态下。通过获得时域中的结果，在设备的每个操作状态下从设备中测量电磁发射信号。通过数字化和将时域中的结果信号转换成频域，将测量的信号处理成针对待监测的设备的结果。将待监测的设备的结果与无故障设备的结果进行比较。如果比较结果之间存在足够大的差，则检测出待监测的设备中的故障。

本发明的系统包括一个或多个感应传感器和一个或多个放大器，所述一个或多个感应传感器用于在一个或多个操作状态下对来自设备的电磁发射执行测量。系统中的数字处理单元包括用于将测量信号转换成数字形式的模数转换器、用于将数字信号转换成频率分量的分析器、用于将来自所述设备的频率分量与以对应方式从无故障设备获得的频率分量进行比较的比较器、以及用于存储在前述步骤中处理的测量信号的测量结果的存储器。

本发明的优选实施例具有从属权利要求的特征。

因此，通过将数字化波形曲线分成多个频率分量以获得频谱，测量的电磁发射信号通过例如快速傅立叶变换（FFT）转换到频域。

来自设备的电磁发射信号通过使用一个或多个感应传感器来测量，对于待测量的不同操作状态，感应传感器中的每个被放置在设备处和靠近设备的不同位置。测量优选在传感器的每个位置的设备的每个操作状态下执行。

如果通过使用单个感应传感器从设备的不同操作状态测量电磁发射信号，则它利用例如一个或多个电动机在x-y方向上移动。

本发明提供了在生产环境中试验电子印刷电路板和其他设备或单元的新方法。

本发明是基于测量和分析来自待测量的设备的电磁发射。正常设备操作被用于创建发射。没有外部发射源被用于注入到设备。设备被置于各种操作状态，例如，空载和满载状态，并测量来自这些状态的发射。然后用快速傅里叶变换将测量结果转换到频域，并与已知良好工作设备的测量结果进行比较。如果结果之间的差大于预定义的极限，则检测到故障。

本发明中呈现的方法是有利的，因为它不需要对设备功能性有任何深入了解。测量不同操作状态下的发射信号就足够了。与要求情况特定的仪器组的功能试验相反，相同的仪器可被用于测量所有设备。也不需要定做的钉床。

在下文中，通过参考附图由一些示例实施例来描述本发明。本发明不限于这些实施例的细节。

附图说明

图1是本发明的系统的框图。

图2是在试验中的设备上实现的传感器放置的侧视图。

图3是在试验中的设备上实现的传感器放置的俯视图。

图4示出了本发明中测量结果比较的方式。

图5是说明如何执行本发明中的测量的流程图。

图6是说明如何检测在试验中的设备的故障的流程图。

具体实施方式

图1是本发明的装置的框图。

系统包括一个或多个感应传感器1，其用于测量和记录来自在一个或多个操作状态下的以及从一个或多个位置中的设备（未示出）的电磁发射。由于从传感器接收的测量信号具有低幅度，所以它们用一个或多个放大器2来放大。

放大的传感器信号在数字处理单元6中被记录和处理。由数字处理单元6接收的信号在时域中是以模拟波形曲线的形式。因此，模数（A/D）转换器3将记录的信号转换成数字形式。

在进一步的信号处理中执行计算，以便分析测量的发射。

信号可以通过一对被称为变换的数学算子在时域和频域之间转换。一个示例是傅立叶变换，其将信号的时间函数转换成不同频率的正弦波的总和，不同频率的正弦波中的每个代表频率分量。

在本发明的实施例中，分析器4通过使用快速傅立叶变换（FFT）将从A/D转换器3中获得的数字信号转换成频率分量来对它们进行划分。

实际上，这一过程将难以在数学上描述的时域中的波形转换成一系列更易于管理的正弦函数，当这些函数相加在一起后可以精确地再现原始波形。绘制每个正弦项的幅度与其频率的函数会创建功率谱，它是原始波形在频域中的响应。本质上，傅里叶变换获得一信号并将该信号分解成不同幅度和频率的正弦波。

频率分量的“谱”是信号的频域表示，并且其被称为谱图或频谱。这样的频谱因此被形成为所测试信号的频率的谱的视觉表示，因为它们随时间或某一其他变量而变化。所测量的发射信号的频谱示出了每个频率分量的幅度和相位相对于频率的分布。所形成的频谱提供了信号的能量如何分配到不同频率的信息。

待监测的设备中的一些故障会影响谱的形状。例如，谱峰值是可以从所测量信号中提取的特征。不同的功能在不同的场景中是有用的。

数字信号到频域的转换是用数字处理单元6中的微处理器进行的，其结果是具有不同频率分量的频谱。转换是用微处理器中的分析器4中的软件程序来执行的，其然后将由不同频率分量组成的频谱存储在连接到微处理器的存储器7中。

当从无故障设备中获得的一个或多个频谱已经存储在存储器中时，它们可以通过比较器5中的软件程序与在试验中的设备的频谱进行比较，所述比较器5也被包括在微处理器中，并且其连接到存储器7。

比较器5被用于将从在试验中的设备8中获得的频率分量与先前记录的和以对应方式从无故障设备中获得的频率分量进行比较。

如果在非故障信号和来自在试验中的设备的信号之间存在足够的预定差，则比较器5指示在试验中的设备中的故障。

然后，从分析器4和比较器5中获得的结果被存储在存储器7中。

A/D转换器3、包括分析器4和比较器的微处理器以及此外存储器7是数字处理单元6的组件。

图2是在待监测的设备8上的传感器放置的侧视图。

如结合图1所呈现的，系统包括用于测量信号的一个或多个感应传感器1，所述信号用一个或多个放大器2来放大。

在仅使用一个传感器1的情况下，传感器位置可以在XY平面内移动，以供在若干位置上执行测量。Z方向，即传感器高度优选调整为尽可能靠近设备8的部件（见图2和3）。

传感器1、放大器2和在试验中的设备8被容纳在射频（RF）屏蔽外壳9中，以保持外部干扰尽可能低。

图3是设备上可能的传感器放置的俯视图。因此在图3中，传感器2是从上方看到的。

图4示出了本发明中测量结果比较的方式。

在用于故障检测的本发明中，来自非故障设备和待监测的在试验中的设备的发射信号借助于频谱在频域中进行比较，所述频谱将每个频率分量（图4的x轴）的幅度值（图4的y轴）呈现为条形图。

因此，频谱是幅度作为其频率的函数，并且是原始波形在频域中的响应。信号因此被分解成不同幅度和频率的正弦波。待监测的设备中的一些故障会影响谱的形状。

当从无故障设备中获得的一个或多个频谱已经被存储在存储器中时，它们可以通过软件程序与在试验中的设备的频谱进行比较，以检测故障。

在开始检测之前，针对频谱的幅度值被预定义为极限值，以作为对故障的指示。此极限值定义了非故障设备在给定频率下的幅度值与在试验中的设备在给定频率下的幅度值之间的最大可允许差的极限。

当极限值在每个频率上相同时，该方法比当极限值是随频率而定的更简单。然而，也可能为每个频率或为某些频率定义独立的极限值。此外，可能为不同操作状态和位置定义独立的极限值。

极限值比较在图4中以示例方式示出，其中在每个频率下的左条（白色）呈现的是已知良好设备在该频率下的幅度值，而在每个频率下右侧上的条（黑色）呈现的是在试验中在该频率下的幅度值。

让我们假设的是，双箭头的长度示出了极限值，所述极限值是非故障设备在给定频率下的幅度值与在试验中的设备在给定频率下的幅度值之间的最大允许差。

然后可以在图表的第四频率值分量处检测到故障，因为差是超过的。所有其他极限都在图4中的公差内。

例如，在第八个条上双箭头下方和上方的线指示如果超过该值，则将被视为指示为故障。如果针对某个频率的幅度值超出极限值（更低或更高），则检测出故障。

图5是示出本发明中测量本身是如何执行的流程图。

对已知无故障设备和对在试验中的设备两者执行以下流程。

在步骤1中，来自设备的电磁发射信号以模拟形式在一时间段内被测量和记录。这是利用图1的感应传感器1通过将设备放置在设备上方的给定位置来执行的。对于所测量的电磁发射信号，在设备的给定操作状态下获得了时域中的模拟信号波形曲线。记录实际上发生在工作存储器中。在步骤1中接收的来自设备的许多位置的信号（其可以构成设备的若干操作状态中的信号）用放大器2来放大。

在步骤2中，波形曲线用图1的数字处理单元6的模数转换器（A/D）3来数字化。

在步骤3中，来自步骤2的每个数字化信号在分析器4中被变换到频域，以供获得频谱。变换优选地用快速傅立叶变换（FFT）来执行，其中时域中的数字化波形曲线被分成多个频率分量，以用于获得频谱（频域中的谱），所述频谱示出了所测量的发射信号如何分布在不同的频率分量上。

在步骤4中，结果频谱被存储在数字处理单元6的临时或其他存储器中。在每个操作状态下，可以存在表示来自设备的许多位置的测量的许多频谱。

只要在步骤5中声明对于给定的位置仍然存在待测量的操作状态，就对所有其他操作状态重复1-4的步骤，而当在步骤5中声明对于所有待测量的位置测量了所有操作状态时，方法继续到步骤6。

步骤1-4的重复步骤是通过具有图1的若干感应传感器1（通过将图1的所述若干感应传感器1靠近设备放置在设备上的不同位置上）来执行的。备选地，仅使用一个传感器，所述传感器在设备上移动，以用于在不同位置中在不同操作状态下执行测量。自然，混合的实施例是可能的，因为可以通过在不同位置上移动传感器来测量一部分的操作状态，而其他位置可以通过具有固定的传感器来测量。

如上所述，对已知无故障设备和在试验中的设备两者都执行步骤1-4。

步骤6结束测量。

图6是通过分析来自在试验中的设备的发射信号来检测设备的故障的本发明的流程图。

图5的测量流程优选地首先在图6的步骤1中针对已知无故障设备执行，由此来自至少一个无故障设备的电磁发射信号首先被记录以表示参考发射测量，并被存储在本发明的装置的存储器中。

然后对在试验中的设备执行相同的流程，由此来自在试验中的设备（或通常来自在试验中的单元）的电磁发射信号被记录并存储在本发明的装置的存储器中，如图6的步骤2所示的。

如以上结合图4所解释的，定义了预定义的频率极限以供指示故障。此极限被用于步骤3中的比较，以确定在试验中的设备是否为故障设备。

如果在步骤4中声明极限值没有被超过，则没有检测到故障，并且在试验中的设备被确定为工作设备，并且作为工作设备的结果在步骤6中被存储。

如果在步骤4中声明实际上极限值被超过，即，如果从非故障设备测量的发射信号导出的频率分量的幅度值和从待监测的在试验中的设备测量的发射信号导出的频率分量的幅度值之间的差超过为该频率分量定义的预定极限值，则在步骤5中检测到故障（即，幅度值高于或低于可允许值），以作为步骤3中比较的结果，并且在试验中的设备被确定为故障设备，并且作为故障设备的结果在步骤6中被存储。

对于所有频率分量可以存在一共同的极限，或者对于每个频率分量、操作状态和/或位置，它们可以不同。因此，存在对在试验中的设备与无故障设备的每个频谱对执行若干比较。通过比较从已知无故障设备与在试验中的设备测量的存储的频率分量来执行比较，并且比较结果在步骤6中被存储在存储器7中。