温变环境下测试信号传输的稳定性分析

论文摘要

信号的多变、随机及模糊特性是制约信号特征的识别与分析准确性的一个重要方面。目前,针对信号特征的分析多集中于后续的信号处理方法的研究,而类似车辆发动机的测试信号传输过程中受到的多种干扰因素,尤其是不确定的环境温度,对其特征产生的重要影响仍缺乏系统且深入的探讨。因而,深入地研究变化的环境温度对测试信号造成的多变性为获取测试系统准确的结构原始特征具有重要的理论意义和工程价值。在本文中,针对测试系统中受干扰因素影响的问题,对环境温度不断变化最终将由外到内的影响信号特征这一重要内容进行了深入的研究,研究的主要内容归纳如下:（1）推导并建立了信号传输载体-传输导线的热扩散方程,对导线整体进行了热电耦合受热分析。针对车辆测试系统中出现的热传递形式,以同轴电缆为主要研究对象,根据结构和材料的不同,分别建立了热传递方程。分析了自然对流、完全热传导及有限空间强制对流情况下的导线受热情况,并依据传递的电信号特征,建立了热电耦合模型。采用有限元方法模拟计算了各层的热传递特性,结果表明这种细化的热传递形式,有助于提高分析结果的准确性。研究发现导线在完全热传导和有限空间强制对流换热环境中,温度升高迅速,即在短时间内改变了导线的参数特性,进而对信号传输产生很大的影响。（2）提出了一种有效提取导线传输参数特性的方法,并对其温变和频变特性进行了分析。以Maxwell’s方程为基础,将环境温度对导线的影响转变为对其特性参数的影响,推导出了具有温度参变量的亥姆霍茨（Helmholtz）方程,由此也确定了信号传输中电磁场随温度而变化的特性。结合测试信号传输电路和信号完整性传递的特点,进而给出了一种计算传输参数的分析方法。该方法避免了以往数值方法复杂积分的缺点,减少了计算工作量,得到了经典能量法的验证。导线的RLCG参数在温度的影响下,发生了各自不同的变化,最为突出的是电阻R的变化。而考虑信号频率时,频率越高,参数的变化量愈明显。该方法适用于提取多导线耦合时的自参数和互参数。研究表明信号频率对互参数产生了重要的影响。多导线的互参数也加剧了导线间信号的串扰,参数的温变及频变特性,成为信号传输响应改变的重要参数依据。（3）基于信号传输理论,以有限差分、基尔霍夫定律和FDTD方法为基础,建立了信号传输的渐变温模型并分析了信号响应变化规律。就导线的温度与时空的关联特点,分别给出了两种渐变温模型,即温度和时间为离散变量的渐变温模型Ⅰ;以时间和空间为离散变量的渐变温模型Ⅱ。研究表明:信号响应与导线温度直接相关联,随着导线温度的升高,传输参数不断变化,信号输出响应幅值逐渐衰减。在中低频范围内,信号频率较低时,信号衰减量越大。多导线结构传递信号时存在串扰现象,输出信号难以复现初始信号特征。（4）提出了信号响应在温度和频率影响下的灵敏度评价分析方法,建立了相应的多参变量灵敏度方程。以直接法为基础,分别以温度、温度及频率、RLCG参数为参变量,进行二次变换得到参变量的列向量,推导出了相应的灵敏度计算表达式。研究表明,信号输出响应变化量的绝对值随温度的升高及频率的降低而增加,信号响应呈衰减趋势。研究还表明,电阻R的变化是造成信号响应改变的主要影响因素。（5）设计并加工了试验构件,建立了实现变温环境测试的试验平台,并完成了相应的试验。试验结果表明,信号的自功率谱峰值与时域平均幅值均随温度的升高而逐渐降低,变温的测试环境已改变了信号的原始特征。该试验分析也成功地验证了仿真模型结果的有效性。综上所述,在本文中,较系统地研究了测试信号传输过程中,以环境温度为主要干扰因素对信号响应产生的影响,对于提高测试信号精度等方面得到了一系列理论分析结果和实验结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 信号传输电缆的受热分析的应用及研究
• 1.2.2 传输参数特征提取方法的研究现状
• 1.2.3 测试信号传输模型的研究情况
• 1.2.4 信号传输响应的灵敏度分析
• 1.3 主要工作及论文的结构安排
• 第二章 基于有限元法的信号传输电缆受热分析
• 2.1 引言
• 2.2 信号电缆的热传输情况分析
• 2.2.1 热量传递的形式
• 2.2.2 导线与环境的热传输分析
• 2.3 信号传输电缆的热模型
• 2.3.1 热模型的建立
• 2.3.2 边界条件的设定
• 2.3.3 对流换热系数h 的确定
• 2.4 信号传输电缆的有限元分析
• 2.4.1 热电耦合有限元分析
• 2.4.2 电缆热物理特性及有限元模型的确定
• 2.4.3 常温下的电缆温升情况
• 2.4.4 变温下电缆温升情况
• 2.5 本章小结
• 第三章 温变环境下的测试信号传输参数的提取及特征分析
• 3.1 引言
• 3.2 信号传输电磁场理论
• 3.2.1 麦克斯韦方程组
• 3.2.2 有损介质中电磁波的传播
• 3.2.3 有耗电报员方程的推导
• 3.3 传输电参数特征提取方法
• 3.3.1 电阻和电感的计算-传输电路法的提出
• 3.3.2 电容的计算-能量法
• 3.3.3 电导的计算
• 3.4 电参数的温度变化特性分析
• 3.4.1 电阻温变特性分析
• 3.4.2 电感温变特性分析
• 3.4.3 电容温变特性分析
• 3.4.4 电导温变特性分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 温变环境的信号传输模型的建立及应用
• 4.1 引言
• 4.2 测试信号传输方程
• 4.3 渐变温传输模型Ⅰ-导线温度与位置有关
• 4.3.1 模型的建立
• 4.3.2 温度-时间离散方程的求解
• 4.3.3 渐变温模型Ⅰ的仿真与分析
• 4.4 渐变温传输模型Ⅱ-导线温度与时间有关
• 4.4.1 模型的建立
• 4.4.2 信号传输的有限差分时空离散求解
• 4.4.3 仿真与分析
• 4.5 频率对信号传输响应的影响
• 4.6 多导线多输出信号响应分析
• 4.6.1 串扰
• 4.6.2 多导线传递信号的响应
• 4.7 本章小结
• 第五章 温变环境下信号响应的灵敏度分析
• 5.1 引言
• 5.2 灵敏度分析模型
• 5.3 参变量为温度的灵敏度评价
• 5.3.1 温度参变量的灵敏度方程
• 5.3.2 参量的灵敏度分析
• 5.4 多温度和多频率相互耦合的灵敏度设计
• 5.4.1 多参量的灵敏度方程
• 5.4.2 频率和温度影响下的灵敏度分析
• 5.5 参变量为传输电参数的灵敏度分析
• 5.5.1 RLCG 参变量的灵敏度方程
• 5.5.2 各参数对信号响应的影响
• 5.6 灵敏度分析软件平台的设计
• 5.7 本章小结
• 第六章 变温环境的测试信号传输试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 导线受热的试验方案设计
• 6.3 整体测试试验的设计
• 6.3.1 不同恒定温度多频率试验
• 6.3.2 瞬态温度试验测试
• 6.4 试验数据分析
• 6.4.1 稳态离散温度测试的数据分析
• 6.4.2 瞬态变温测试的数据分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结与创新点
• 7.1.1 总结
• 7.1.2 创新点
• 7.2 有待进一步解决的问题
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文