基于時(shí)域特征的角位移傳感器信號(hào)線間串?dāng)_方法研究*

盧曉玲

(安徽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽 合肥 230601)

角位移傳感器應(yīng)用到越來越多的領(lǐng)域中，通過該傳感器快速且穩(wěn)定地傳遞信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)工作內(nèi)容。但隨著連接硬件設(shè)備數(shù)量的增加、工作強(qiáng)度各有差異，角位移傳感器信號(hào)線間，開始出現(xiàn)大規(guī)模且頻繁的串?dāng)_問題，因此需要研究可用于分析信號(hào)線間串?dāng)_問題的方法[1－2]。

文獻(xiàn)[3]提出了一種互連結(jié)構(gòu)差分串?dāng)_建模分析方法，通過分析互連結(jié)構(gòu)差分傳輸線耦合關(guān)系，分析串?dāng)_問題。文獻(xiàn)[4]針對(duì)硬件設(shè)備的故障情況，結(jié)合線纜間距和線纜類型仿真分析串?dāng)_問題。文獻(xiàn)[5]構(gòu)建了一個(gè)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型，通過搜索性能更優(yōu)的BAS算法獲取連接權(quán)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)串?dāng)_問題的精準(zhǔn)預(yù)測。本文在這些方法的基礎(chǔ)上，添加時(shí)域特征這一概念。時(shí)域特征就是在一定的前提條件下，根據(jù)輸出量的時(shí)域表達(dá)構(gòu)建所需的數(shù)據(jù)集合。研究基于時(shí)域特征的串?dāng)_方法，為角位移傳感器信號(hào)線的順暢傳輸，提供更加可靠的技術(shù)。

1 基于時(shí)域特征的角位移傳感器信號(hào)線間串?dāng)_方法

1.1 串?dāng)_基本原理

在角位移傳感器信號(hào)控制系統(tǒng)中，角位移傳感器與其他連接線之間生成的信號(hào)，通過電磁耦合干擾相鄰信號(hào)線電壓[6－7]，圖1為串?dāng)_示意圖。

圖1 串?dāng)_示意圖

根據(jù)圖1顯示的串?dāng)_可知，在A2信號(hào)線中，電流通過時(shí)，A2信號(hào)線會(huì)在A3信號(hào)線上產(chǎn)生干擾電流，所以把A2信號(hào)線稱為攻擊線，A3信號(hào)線稱為受害線。已知A2信號(hào)線產(chǎn)生的干擾電流使A3信號(hào)線產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)生變化，因此可知角位移傳感器信號(hào)線間串?dāng)_，會(huì)使信號(hào)的完整性受到影響[8]。根據(jù)串?dāng)_基本原理，研究基于時(shí)域特征的角位移傳感器信號(hào)線間串?dāng)_方法。

1.2 提取角位移傳感器參數(shù)特性

角位移傳感器在輸送過程中，電介特性、導(dǎo)體截面和導(dǎo)體何距離等參數(shù)相同，因此可通過傳輸線類型、材質(zhì)、規(guī)格以及導(dǎo)體周圍介質(zhì)，獲取角位移傳感器的均勻傳輸線分布參數(shù)。從電氣特性角度出發(fā)，假設(shè)角位移傳感器的分布電容參數(shù)為C1、電感參數(shù)為L1；分布電阻參數(shù)為R1，分布電導(dǎo)參數(shù)為G1。將傳感線路與分布參數(shù)概念相結(jié)合，劃分為若干個(gè)微小的線元段，將傳感器看成是由無數(shù)個(gè)線元段級(jí)聯(lián)而成，以此將單個(gè)線元段看作總參數(shù)電路[9]。將基爾霍夫定律應(yīng)用到電路回路和結(jié)點(diǎn)上，根據(jù)傳輸線方程得到傳感器均勻傳輸線的等效電路[10]。已知傳輸線方程是對(duì)傳輸線電壓、電流變化規(guī)律的研究，通過均勻傳輸線等效電路推導(dǎo)獲得，傳輸線等效電路圖如圖2所示。

圖2 傳輸線等效電路示意圖

結(jié)合圖2設(shè)置得到的均勻傳輸線等效電路，建立傳感器的傳輸線方程并求解，在某一節(jié)點(diǎn)處的電壓為Va，t、電流為Ia，t，其中a表示指向負(fù)載的節(jié)點(diǎn)，t表示時(shí)間參數(shù)。則a＋da節(jié)點(diǎn)處的電壓可默認(rèn)為Va＋da，t、電流可默認(rèn)為Ia＋da，t。則根據(jù)上述假設(shè)，得到如下所示的計(jì)算方程:

為了保證參數(shù)電路可以真實(shí)反映角位移傳感器狀態(tài)，要求da的最高頻率為最小尺寸。通常情況下，分布電阻參數(shù)和電導(dǎo)參數(shù)相等且均為0[11]。根據(jù)上述公式得到的計(jì)算結(jié)果可知，角位移傳感器是電導(dǎo)率經(jīng)過被無限大后的理想導(dǎo)體，其優(yōu)勢是被放大后周圍介質(zhì)的導(dǎo)電率幾乎為零，因此研究信號(hào)線串?dāng)_問題，為計(jì)算信號(hào)頻率差異值奠定基礎(chǔ)。

1.3 計(jì)算信號(hào)頻率差異值

通過上述計(jì)算公式提取角位移傳感器參數(shù)特性，計(jì)算傳感器激勵(lì)信號(hào)頻率差異值，為構(gòu)建信號(hào)線間串?dāng)_模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)相敏檢波原理，對(duì)信號(hào)線間串?dāng)_的傳感器i的輸出信號(hào)yi(t)進(jìn)行檢波處理，得到檢波輸出公式:

式中:cos(λt)表示傳感器的激勵(lì)信號(hào)；ki表示浮動(dòng)值[12]。根據(jù)上述計(jì)算公式可以看出，在對(duì)傳感器信號(hào)低頻部分進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合低通濾波器對(duì)高頻部分進(jìn)行濾除處理，同時(shí)計(jì)算高頻交流部分，從而能夠得到傳感器的位移信號(hào)zi(t)。根據(jù)上述計(jì)算公式可知，除特殊信號(hào)xi(t)之外，信號(hào)中含有的其他信號(hào)是無法濾除的，因此假設(shè)交流激勵(lì)信號(hào)頻率不同，則通過下列計(jì)算公式獲得信號(hào)線間的串?dāng)_計(jì)算公式:

式中:cij∈cnn，當(dāng)存在i≠j的條件時(shí)，表示信號(hào)線間串?dāng)_信號(hào)的干擾值；當(dāng)存在i＝j(luò)的條件時(shí)，表示角位移傳感器信號(hào)的放大系數(shù)[13]，得到檢波后輸出的差值，利用低通濾波器對(duì)交流段的高頻值進(jìn)行濾除處理，得到了角位移傳感器全新的位移信號(hào)xi(t)，從而一定程度上濾除了串?dāng)_引起的干擾信號(hào)。因此根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，要求角位移傳感器激勵(lì)信號(hào)頻率pa，b滿足下列條件:

式中:a代表角位移傳感器分組序號(hào)；b代表在分組后角位移傳感器的排列序號(hào)；Δp1代表組內(nèi)相鄰角位移傳感器的激勵(lì)信號(hào)頻率之差；Δp2代表相鄰分組之間角位移傳感器的激勵(lì)信號(hào)頻率之差[14]。假設(shè)傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)的通道為32位，則將其分為4個(gè)小組，根據(jù)式(4)生產(chǎn)傳感器信號(hào)抗干擾頻率表，如表1所示。

表1 傳感器信號(hào)抗干擾頻率表 單位:kHz

根據(jù)上述假設(shè)，將本文提出的方法應(yīng)用到通道數(shù)量不同的角位移傳感器中，通過計(jì)算信號(hào)頻率差異值，為構(gòu)建串?dāng)_模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.4 基于時(shí)域特征構(gòu)建信號(hào)線間串?dāng)_模型

結(jié)合上述計(jì)算得到傳感器的信號(hào)時(shí)域特征，以此構(gòu)建基于時(shí)域特征的串?dāng)_模型，如圖3所示。

圖3 基于時(shí)域特征的串?dāng)_模型

在圖3中，U1、U2分別表示近端端口和遠(yuǎn)端端口的電壓響應(yīng)值；V1、V2分別表示近端端口和遠(yuǎn)端端口的電流響應(yīng)值；V3、V4分別表示近端和終端電流；U3表示電壓激勵(lì)源；B1、B2表示近端、終端負(fù)載阻抗。該模型可通過下列方程組進(jìn)行描述:

式中:A、B、C、F分別表示單位長度分布參數(shù)矩陣。根據(jù)圖2構(gòu)建的模型，令上述兩組計(jì)算結(jié)果為0，則采用FDTD中心差分格式離散處理，得到端電壓和電流響應(yīng)值的迭代結(jié)果[15]。又考慮到時(shí)域特征串?dāng)_模型的近端和遠(yuǎn)端響應(yīng)條件:

得到基于時(shí)域特征的串?dāng)_模型的近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_電壓響應(yīng)結(jié)果，計(jì)算公式為:

式中:H表示位矩陣。構(gòu)建的基于時(shí)域特征的串?dāng)_模型，通過上述過程分析串?dāng)_情況，至此實(shí)現(xiàn)基于時(shí)域特征的角位移傳感器信號(hào)線間串?dāng)_方法。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

角位移傳感器和其他電子電氣設(shè)備之間，通過多種不同的信號(hào)線建立連接，當(dāng)角位移傳感器與其他設(shè)備處于工作狀態(tài)時(shí)，信號(hào)線間極易出現(xiàn)串?dāng)_問題。為了驗(yàn)證此次本文提出的方法的實(shí)際應(yīng)用效果，引入傳統(tǒng)方法作為對(duì)照組，分別利用不同的方法測試角位移傳感器與單線、絞線以及屏蔽線間的串?dāng)_，為抗干擾工作提供可靠數(shù)據(jù)。

2.1 與單線間的串?dāng)_

單線作為角位移傳感器連接其他設(shè)備最常見的連接線，與角位移傳感器之間易出現(xiàn)串?dāng)_問題。將角位移傳感器與單線連接，設(shè)置線間距、端接電阻、激勵(lì)信號(hào)源等參數(shù)。采用長度為1.2 m的單線作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)裝置的一端設(shè)置激勵(lì)波形，以測試另一端的串?dāng)_電壓的波形。已知激勵(lì)波形的上升沿與下降沿為5 ns，脈沖信號(hào)幅度為20 V，脈寬約為150 ns，圖4是線間距為20 mm、距地高度為60 mm、電阻為50Ω時(shí)，兩種方法的遠(yuǎn)近端串?dāng)_測試結(jié)果。

圖4 遠(yuǎn)近端串?dāng)_仿真結(jié)果

對(duì)比圖4中的實(shí)驗(yàn)組方法、對(duì)照組方法獲得的兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差異，發(fā)現(xiàn)兩組信號(hào)波形的走勢高度吻合，每一測試階段的電壓峰值之間也基本吻合，證明兩種串?dāng)_方法在面對(duì)單線連接的信號(hào)線時(shí)，可以準(zhǔn)確獲得串?dāng)_結(jié)果。

2.2 與絞線間的串?dāng)_

絞線由單導(dǎo)線制作而成，具有良好的抗電磁干擾能力，因此將角位移傳感器與該信號(hào)線相連，設(shè)置三組不同的端接電阻值，分別取50Ω～60Ω、70Ω～80Ω以及90Ω～100Ω端接電阻值，因?yàn)楫?dāng)同類型的電阻值越來越大時(shí)，其特征也越來越明顯，因此需要不同電阻值的基本特征，根據(jù)基本特征數(shù)據(jù)，判斷角位移傳感器與絞線間的串?dāng)_是否具有關(guān)聯(lián)性，在該過程中，將串?dāng)_波形作為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的一個(gè)特定分析因素。為串?dāng)_結(jié)果定義一個(gè)窗口，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，因此選定三組電阻值進(jìn)行操作。同時(shí)分別利用兩組方法獲取角位移傳感器與絞線間的串?dāng)_結(jié)果，具體如圖5所示。

圖5 不同端接電阻值下的串?dāng)_波形

根據(jù)圖5可知，當(dāng)端接電阻值為50Ω～60Ω時(shí)，兩組方法得到的串?dāng)_波形高度近似，且電壓波動(dòng)上下幅度比較大，當(dāng)端接電阻值為70Ω～80Ω時(shí)，電壓波動(dòng)上下幅度相對(duì)較平緩，說明此時(shí)兩種方法構(gòu)建的模型，充分發(fā)揮了自身的識(shí)別與感知功能。當(dāng)端接電阻值增加到90Ω～100Ω時(shí)，根據(jù)兩組方法獲得的串?dāng)_波形可知，不同負(fù)載情況下的串?dāng)_峰值經(jīng)過劇烈振蕩后趨于穩(wěn)定，因此實(shí)驗(yàn)組曲線在120ns之前劇烈波動(dòng)，當(dāng)測試時(shí)間超過150ns時(shí)，曲線逐漸趨于平穩(wěn)。而傳統(tǒng)方法作為對(duì)照組，其曲線在整個(gè)測試過程中均劇烈震蕩，說明傳統(tǒng)方法受端接電阻值影響，得到的串?dāng)_結(jié)果與實(shí)際不符。

2.3 與屏蔽線間的串?dāng)_

將角位移傳感器與屏蔽線之間建立連接，建立二者之間的串?dāng)_測試組，設(shè)置線間距為50 mm、距地高度為50 mm，設(shè)置端電阻上的串?dāng)_信號(hào)時(shí)域波形，在1 MHz～100 MHz之間。保證其他測試條件不變，圖6為兩組方法的近遠(yuǎn)端串?dāng)_波形對(duì)比測試結(jié)果。

圖6 遠(yuǎn)近端串?dāng)_波形對(duì)比測試結(jié)果

已知實(shí)驗(yàn)在一個(gè)完整的測試對(duì)象中進(jìn)行，因此得到的遠(yuǎn)端與近端測試結(jié)果，應(yīng)該具有一定的對(duì)稱性。觀察圖6所示的測試結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)組在300 ns測試過程中，每一測試階段都得到了一組高度對(duì)稱的測試結(jié)果。而觀察對(duì)照組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，面對(duì)同樣的實(shí)驗(yàn)測試條件，對(duì)照組前150 ns測試階段內(nèi)的串?dāng)_波形，均不存在對(duì)稱性，超過150 ns后的曲線的對(duì)稱性較弱。綜合上述分析結(jié)果可知，面對(duì)角位移傳感器與屏蔽線之間的串?dāng)_問題，所以本文提出的方法能夠得到更加真實(shí)的測試結(jié)果。

3 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)串?dāng)_方法存在的問題，提出全新的角位移傳感器信號(hào)線間串?dāng)_方法，通過時(shí)域特征提取手段加強(qiáng)對(duì)串?dāng)_模型的設(shè)計(jì)。利用本文提出的的基于時(shí)域特征的角位移傳感器信號(hào)線間串?dāng)_方法，可以準(zhǔn)確獲得串?dāng)_結(jié)果，對(duì)獲取有用信息的干擾有一定的幫助。研究表明不同負(fù)載情況下的串?dāng)_峰值經(jīng)過劇烈振蕩后趨于穩(wěn)定，遠(yuǎn)端與近端測試結(jié)果具有一定的對(duì)稱性。