专利名称：非接触式开关电源故障诊断系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电子仪器技术领域，涉及一种故障诊断的系统，可用于对开关电源通过非接触方式进行故障诊断。
背景技术：
开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备等领域，而且开关电源一般是故障的高发部分，对开关电源快速方便的进行故障诊断具
有重要意义。目前开关电源的故障诊断有人工方法和自动诊断方法。人工方法是利用万用表或者示波器等直接测量开关电源相关节点的电压信号，通过分析节点电压波形，判断开关电源处于什么故障状态。这种方法操作繁琐，效率低；而且开关电源中含有高压部分，如果操作失误会对被测设备和测试人员产生伤害。自动诊断方法主要是利用测试针床，程控飞针等设备，通过测试探针与电路中相应节点接触获取节点电压信号，再对这些信息进行分析，进而判断出开关电源的故障状态。 按照传统的测试方法，当设计人员要对某个单元或部件进行测试时均需要制作专用的针床，由于板子和针床之间需要准确定位，需要各种测试夹具和连接装置，造成诊断系统复杂、操作繁琐。这种方法由于测试探针磨损，接触不良等问题而降低了诊断的可靠性。此外由于上述的人工方法和自动诊断方法都需要直接接触开关电源电路板，若开关电源已做灌封等绝缘保护处理，其测试节点与外界完全隔离，则无法接触测量。尤其是对某些特殊应用的电路，接触式诊断方法会对原电路带来较大干扰，甚至使故障诊断无法进行，这些都制约了上述方法的应用。

发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于漏磁的非接触式开关电源故障诊断系统，以简化操作程序，提高故障诊断的应用范围和故障诊断的可靠性。为实现上述目的，本发明的开关电源故障诊断系统，包括非接触式磁探头，用于感应被测开关电源磁性元件的磁场变化，耦合漏磁辐射信号，将耦合的漏磁信号输入给放大调理装置；放大调理装置，用于将来自非接触磁探头的耦合信号进行放大调理，以恢复加在磁性元件上的电压信号，并将恢复出的电压信号输入到数据采集器中；数据采集器，对放大调理后的电压信号进行数字采样，再将采样量化后的数字信号输入到数据处理单元；数据处理单元，对来自数据采集器的数字信号进行滤波、去直流、归一化及特征值提取，根据提取的特征值及诊断前建立的特征值表，诊断出开关电源是否故障及故障类型， 并进行显示；其特征在于
非接触式磁探头，包括高频磁芯、探测线圈和屏蔽层，该探测线圈缠绕在高频磁芯上；放大调理装置，包括互阻放大器和微分器组成，互阻放大器将来自非接触磁探头的耦合信号进行放大，恢复出流过磁性元件上的电流信号，将恢复出的电流信号输入到微分器中，以恢复出加在磁性元件的电压信号，再将恢复出的电压信号输入到数据采集器中；数据处理单元，包括数据预处理模块用于对对采样后的数据进行滤波、去直流和归一化处理，以消除环境噪声对漏磁信号的干扰和减小探头距离不确定对测试信号幅度造成的影响；特征提取模块用于提取开关电源板的漏磁信号特征；特征值表生成模块用于建立包含各种实验开关电源板的漏磁信号各特征分布区间的特征值表；故障诊断模块用于查找特征值表，确定被测开关电源板的故障类型；人机接口模块用于显示漏磁信号波形、特征值及故障种类、故障位置；所述的数据预处理模块输出到特征提取模块的输入端；所述的特征提取模块输出到特征值表生成模块或故障诊断模块的输入端；所述的故障诊断模块输出到人机接口模块的输入端。上述非接触式开关电源故障诊断系统，其中非接触式磁探头的两端分别与放大调理装置的两个输入端相连，放大调理装置的输出电压和开关电源磁性元件上的电压成正比。上述非接触式开关电源故障诊断系统，其中非接触磁探头置于开关电源的磁性元件附近，使得漏磁信号能穿过非接触磁探头。上述非接触式开关电源故障诊断系统，其中非接触式磁探头的输出端连接到互阻放大器的输入端，互阻放大器的输出端通过电容与微分器的反向输入端相连，微分器的输出端连接到数据采集器的输入端。上述非接触式开关电源故障诊断系统，其中数据预处理模块包括滤波预处理子模块用于对数据采集器采集的漏磁信号进行小波滤波，消除噪声信号对漏磁信号测量的干扰；去直流预处理子模块用于去除滤波后漏磁信号中的直流成分；归一化预处理子模块用于将去直流后的漏磁信号进行归一化处理，减小探头距离不确定对漏磁信号幅度造成的影响；所述的滤波预处理子模块输出到去直流预处理子模块的输入端；所述的去直流预处理子模块输出到归一化预处理子模块的输入端。上述非接触式开关电源故障诊断系统，其中特征提取模块包括峰峰值特征提取子模块用于提取滤波后开关电源板漏磁信号的峰峰值；谱熵特征提取子模块用于利用谱熵原理提取归一化处理后的漏磁信号的谱熵；时域熵特征提取子模块用于利用信息熵原理提取归一化处理后的漏磁信号的时域熵；均值特征提取子模块用于提取归一化处理后的漏磁信号的均值；
均方根特征提取子模块用于提取归一化处理后的漏磁信号的均方根；方差特征提取子模块用于提取归一化处理后的漏磁信号的方差。上述非接触式开关电源故障诊断系统，其中特征值表生成模块包括求均值及最大偏差子模块用于求多次测量后获得的各实验电源板各特征的均值及最大偏差；求特征值分布区间子模块用于由求得的均值及最大偏差，计算出各实验电源板各特征的分布区间，其中区间的上界为均值加上最大偏差，区间的下界为均值减去最大偏差，并将各实验电源板各特征的分布区间写入表中；所述的求均值及最大偏差子模块输出到求特征值分布区间子模块的输入端。本发明与现有技术相比，具有如下优点I)本发明由于利用非接触磁探头通过非接触方式获取被测开关电源磁性元件的漏磁信号，再将获取的漏磁信号通过放大调理装置进行放大调理，保证了整个测试过程，测试设备与被测电路板之间没有任何接触，只需将非接触磁探头靠近被测电路板的磁性元件即可进行故障诊断，省去了各种测试夹具和连接装置，对被测电路无干扰，对已灌封等绝缘保护处理的电路仍可以进行测量和故障诊断，因此该诊断系统具有结构简单，操作方便安全，无磨损，应用范围广的优点；2)本发明由于利用数据处理单元对获取的漏磁信号进行处理，消除了被测对象和测试系统距离不确定带来的影响，使得被测对象和测试系统间具有不需要准确定位的优点，进一步简化了测试的流程，提高了测试的可靠性和测试系统的应用范围。下面结合附图对本发明作进一步的说明


图I是本发明故障诊断系统的结构示意图；图2是本发明故障诊断系统中的非接触磁探头结构示意图；图3是本发明故障诊断系统中的放大调理装置结构示意图；图4是本发明故障诊断系统中的特征提取模块框图；图5是本发明故障诊断系统中的数据预处理模块框图；图6是本发明故障诊断系统中的特征值表生成模块框图。
具体实施例方式参照图1，本发明非接触式开关电源故障诊断系统，主要由非接触磁探头202，放大调理装置203，数据采集器204，数据处理单元205依次连接组成。其中，非接触式磁探头 202的两端分别与放大调理装置203的两个输入端相连，放大调理装置203的输出电压和开关电源磁性元件上的电压成正比。所述非接触磁探头202，用于感应被测开关电源磁性元件201的磁场变化，耦合开关电源磁性元件的漏磁信号，其结构如图2所示，其中，图2(a)为非接触磁探头的俯视图， 图2(b)为非接触磁探头的剖面图，它由高频磁芯101、探测线圈102和屏蔽层103组成，线圈102缠绕高频磁芯101上，并置于屏蔽层103内，以消除电场的干扰，屏蔽层103的接缝处留有一处缝隙，以割断涡流电流的环路，避免屏蔽层103的涡流效应对信号造成损失。
所述放大调理装置203，其结构如图3所示，它由一个互阻放大电路301和一个微分电路302组成，互阻放大器301将来自非接触磁探头202的耦合信号进行放大，恢复出流过磁性兀件201上的电流信号,将恢复出的电流信号输入到微分器302中，以恢复出加在磁性元件201上的电压信号，该电压信号和加在开关电源磁性元件上的电压成正比，再将恢复出的电压信号输入到数据采集器204中，其中互阻放大电路和微分电路的运算放大器均采用NE5532芯片，但不局限于此芯片。所述数据采集器204，用于对放大调理后的电压信号进行数字采样，它采用数据采集卡或示波器或具有数模转换功能的装置，其采样频率为2. 5M或至少为开关电源频率的 20倍，为了尽可能多的包含信息，采样序列长度为设为100000，但不局限于此采样序列长度，可以取的更长。所述数据处理单元205，用于对来自数据采集器204的数字信号进行滤波、去直流、归一化及特征值提取，根据提取的特征值及诊断前建立的特征值表，诊断出被测开关电源是否故障及故障类型，并进行显示；其包括数据预处理模块、特征提取模块、特征值表生成模块、故障诊断模块、人机接口模块，其中数据预处理模块，用于对采样后的数据进行滤波、去直流和归一化处理，以消除环境噪声对漏磁信号的干扰和减小探头和被测开关电源磁性元件距离不确定对测试信号幅度造成的影响，如图5所示，它由滤波预处理子模块、去直流预处理子模块、归一化预处理子模块组成；滤波预处理子模块对来自数据采集器采集的漏磁信号进行滤波，消除噪声信号对漏磁信号测量的干扰，其中此处采用小波滤波的方法，但不仅限于此方法；经滤波预处理后的漏磁信号输入到去直流预处理子模块中，以去除滤波后的漏磁信号中的直流成分， 同时经滤波预处理后的漏磁信号还输入到特征提取模块中的峰峰值特征提取子模块中，用于提取峰峰值特征；经去直流预处理后的漏磁信号输入到归一化预处理子模块中，对去直流后的漏磁信号进行归一化处理，消除了被测对象和测试系统距离不确定带来的影响。特征提取模块，用于提取开关电源板的漏磁信号的特征，如图4所示，它由峰峰值特征提取子模块、谱熵特征提取子模块、时域熵特征提取子模块、均值特征提取子模块、均方根特征提取子模块、方差特征提取子模块组成；峰峰值特征提取子模块，用于提取经滤波预处理后漏磁信号的峰峰值；谱熵特征提取子模块，用于利用谱熵原理提取归一化处理后的漏磁信号的谱熵；时域熵特征提取子模块，用于利用信息熵原理提取归一化处理后的漏磁信号的时域熵；均值特征提取子模块，用于提取归一化处理后的漏磁信号的均值；均方根特征子模块，用于提取归一化处理后的漏磁信号的均方根；方差特征子模块，用于提取归一化处理后的漏磁信号的方差。特征值表生成模块，用于建立包含各种实验开关电源板的漏磁信号各特征分布区间的特征值表，如图6所示，它由求均值及最大偏差子模块和求特征值分布区间子模块组成；求均值及最大偏差子模块，用于求多次测量后获得的各实验电源板各特征的均值及最大偏差；求特征值分布区间子模块，用于由求得的均值及最大偏差，计算出各实验电源板各特征的分布区间，其中区间的上界为均值加上最大偏差，区间的下界为均值减去最大偏差， 并将各实验电源板各特征的分布区间写入表中。故障诊断模块，用于查找特征值表，确定被测开关电源板的故障类型。人机接口模块，用于显示漏磁信号波形、特征值及故障类型、故障位置。
本发明的工作原理如下开关电源在工作的过程中，其磁性元件向外辐射漏磁信号，将非接触磁探头置于开关电源磁性元件附近l_5cm范围内，使得漏磁信号能穿过非接触磁探头，非接触磁探头获取的漏磁信号经过放大调理装置处理后，转换为幅度合适，便于处理的电压信号；来自放大调理装置的电压信号，经数据采集器数字采样后转换为数字序列；该数字序列输入到数据处理单元的数据预处理模块，先经过滤波预处理子模块滤除噪声，查找出滤波后漏磁信号数字序列中的极大值dmax和极小值dmin,计算出其峰峰值特征Vpp, Vpp = dmax-dmin,再将滤波后漏磁信号数字序列依次通过去直流预处理子模块和归一化预处理子模块得到漏磁信号归一化后的数字序列为D = W1, d2，…，dk，…，dN}，N为数字序列D的长度，N = 100000，
其中D中第k个数据dk按如下公式计算

其中dpk为采样滤波后的漏磁信号数字序列中的第k个数据点，d_为该信号的极大值，dfflin为该信号的极小值，归一化后所获得的漏磁信号序列D中第k个数据dk满足 0≤dk≤l，k = 1，2，…，N ;再将归一化后的数字序列D输入到特征提取模块，分别提取出时域熵特征、谱熵特征、均值特征、均方根特征、方差特征。其中时域熵特征提取，是将区间
分为n个小区间，n= 100，则各区间间隔大小为1/n，计算出每个小区间的数值分布范围，S卩第一个区间
，根据漏磁信号序列D中数据的大小，统计出每一小区间内包含的漏磁信号序列D中的数据个数％_，j = 1,2,…，n，根据和序列D的长度N，得到每一个小区间的数据个数占总数据个数的比例Pti
Jfl

将Ptj代入信息熵公式，得到漏磁信号的时域熵Ht 在计算时为使此公式始终有意义，规定Pu = 0时，Ht = -YjPy logA； =G。谱熵特征
提取，是将序列D进行傅里叶变换，得到变换后的序列F = (F1, F2,…，Fk,…，FJ，将序列 F中的元素Fk平方得到每个频率成分的能量|Fk|2，k= 1,2,…，N，将所有元素平方后求和得到漏磁信号的总能量，则每个元素的能量占总能量的比例Pfk为
将Pfk代入信息熵公式，得到漏磁信号的谱熵Hf

在计算时为使此公式始终有意义，规定Pfk = 0时，Hf =Pfk =0°
均值特征提取，是求数字序列的D的均值
权利要求
1.一种非接触式开关电源故障诊断系统，包括非接触式磁探头(202)，用于感应被测开关电源磁性元件(201)的磁场变化，耦合漏磁辐射信号，将耦合的漏磁信号输入给放大调理装置；放大调理装置(203)，用于将来自非接触磁探头的耦合信号进行放大调理，以恢复加在磁性元件上的电压信号，并将恢复出的电压信号输入到数据采集器(204)中；数据采集器(204)，用于对放大调理后的电压信号进行数字采样，再将采样量化后的数字信号输入到数据处理单元(205)；数据处理单元(205)，用于对来自数据采集器(204)的数字信号进行滤波、去直流、归一化及特征值提取，根据提取的特征值及诊断前建立的特征值表，诊断出被测开关电源是否故障及故障类型，并进行显示；其特征在于非接触式磁探头(202)，包括高频磁芯(101)、探测线圈(102)和屏蔽层(103)，该探测线圈(102)缠绕在高频磁芯(101)上；放大调理装置(203)，包括互阻放大器(301)和微分器(302)组成，互阻放大器(301) 将来自非接触磁探头(202)的耦合信号进行放大，恢复出流过磁性元件(201)上的电流信号，将恢复出的电流信号输入到微分器(302)中，以恢复出加在磁性兀件(201)上的电压信号波形，再将恢复出的电压信号输入到数据采集器(204)中；数据处理单元(205)，包括数据预处理模块用于对采样后的数据进行滤波、去直流和归一化处理，以消除环境噪声对漏磁信号的干扰和减小探头距离不确定对测试信号幅度造成的影响；特征提取模块用于提取开关电源板的漏磁信号特征；特征值表生成模块用于建立包含各种实验开关电源板的漏磁信号各特征分布区间的特征值表；故障诊断模块用于查找特征值表，确定被测开关电源板的故障类型；人机接口模块用于显示漏磁信号波形、特征值及故障种类、故障位置；所述的数据预处理模块输出到特征提取模块的输入端；所述的特征提取模块输出到特征值表生成模块或故障诊断模块的输入端；所述的故障诊断模块输出到人机接口模块的输入端。
2.根据权利要求I所述的非接触式开关电源故障诊断系统，其中非接触式磁探头 (202)的两端分别与放大调理装置(203)的两个输入端相连，放大调理装置(203)的输出电压和开关电源磁性元件上的电压成正比。
3.根据权利要求I所述的非接触式开关电源故障诊断系统，其中非接触磁探头(202) 置于开关电源的磁性元件(201)附近，使得漏磁信号能穿过非接触磁探头。
4.根据权利要求I所述的非接触式开关电源故障诊断系统，其中非接触式磁探头 (202)的输出端连接到互阻放大器(301)的输入端，互阻放大器(301)的输出端通过电容与微分器(302)的反向输入端相连，微分器(302)的输出端连接到数据采集器(204)的输入端。
5.根据权利要求I所述的非接触式开关电源故障诊断系统，其中数据预处理模块包括滤波预处理子模块用于对数据采集器采集的漏磁信号进行小波滤波，消除噪声信号对漏磁信号测量的干扰；去直流预处理子模块用于去除滤波后漏磁信号中的直流成分；归一化预处理子模块用于将去直流后的漏磁信号进行归一化处理，减小探头和被测开关电源磁性元件距离不确定对漏磁信号幅度造成的影响；所述的滤波预处理子模块输出到去直流预处理子模块的输入端；所述的去直流预处理子模块输出到归一化预处理子模块的输入端。
6.根据权利要求I所述的非接触式开关电源故障诊断系统，其中特征提取模块包括 峰峰值特征提取子模块用于提取滤波后开关电源板漏磁信号的峰峰值；谱熵特征提取子模块用于利用谱熵原理提取归一化处理后的漏磁信号的谱熵；时域熵特征提取子模块用于利用信息熵原理提取归一化处理后的漏磁信号的时域熵；均值特征提取子模块用于提取归一化处理后的漏磁信号的均值；均方根特征提取子模块用于提取归一化处理后的漏磁信号的均方根；方差特征提取子模块用于提取归一化处理后的漏磁信号的方差。
7.根据权利要求I所述的非接触式开关电源故障诊断系统,其中特征值表生成模块包括求均值及最大偏差子模块用于求多次测量后获得的各实验电源板各特征的均值及最大偏差；求特征值分布区间子模块用于由求得的均值及最大偏差，计算出各实验电源板各特征的分布区间，其中区间的上界为均值加上最大偏差，区间的下界为均值减去最大偏差，并将各实验电源板各特征的分布区间写入表中；所述的求均值及最大偏差子模块输出到求特征值分布区间子模块的输入端。
全文摘要
本发明公开了一种非接触式开关电源故障诊断系统，主要解决现有诊断系统复杂，需要接触被测电路板而引起的效率低下，无法对绝缘处理过的电路板进行诊断的问题。该系统由非接触磁探头(202)、放大调理装置(203)、数据采集器(204)和数据处理单元(205)组成，非接触磁探头(202)耦合开关电源磁性元件(201)的漏磁信号，该漏磁信号输入至放大调理装置(203)进行放大调理，然后通过数据采集器(204)进行数字采样，再通过数据处理单元(205)对采样后的信号进行处理，即可诊断出被测开关电源的故障类型。本发明无需接触被测电路板，就能实现对电路板的测量，具有操作简单，安全可靠且不影响被测电路工作的优点，可用于开关电源的系统测试和故障诊断。
文档编号G01R31/40GK102608545SQ20121005135
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年3月1日
发明者傅灵忠, 刘彦明, 方海燕, 李小平, 杨敏, 谢楷, 黎剑兵 申请人:西安电子科技大学