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基于硬件自冗余的地磅稱重設(shè)備傳感器故障檢測(cè)方法
傳統(tǒng)的稱重設(shè)備采用的是模擬稱重傳感器,不具有故障自檢測(cè)功能。有研究人員研究了針對(duì)地磅稱重設(shè)備傳感器故障檢測(cè) 的方法,但都是從地磅稱重傳感器的輸出進(jìn)行檢測(cè),忽略了產(chǎn)生故障的原因，導(dǎo)致了檢測(cè)過程復(fù)雜、運(yùn)算量大。為此文章提出了基于 硬件自冗余的地磅稱重設(shè)備傳感器故障檢測(cè)方法,利用稱重傳感器自身具有的硬件冗余現(xiàn)象對(duì)稱重傳感器的故障進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn) 表明，當(dāng)稱重傳感器由于自身質(zhì)量問題而發(fā)生故障時(shí),此方法可以有效檢測(cè)出稱重傳感器發(fā)生了故障。
0.引言
稱重傳感器是稱重設(shè)備的核心部件，其工作是否正常 直接影響稱重結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于稱重設(shè)備被大量使用 在室外,稱重傳感器長期受到風(fēng)吹日曬等各種惡劣天氣的 影響，加上由于車輛帶來的振動(dòng)，很容易造成稱重傳感器 發(fā)生故障。
目前的稱重傳感器不存在故障自診斷功能,對(duì)其進(jìn)行 故障檢測(cè)主要是通過人工添加砝碼測(cè)量輸出電壓2或使 用萬用表測(cè)量輸出電阻。這兩種方法都存在效率低、檢 測(cè)成本高等缺點(diǎn)。為此,研究人員開始研究針對(duì)稱重設(shè)備 中傳感器的故障診斷方法。文獻(xiàn)分別把徑向基神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)、家系統(tǒng)、小波和深度信念網(wǎng)絡(luò)引入到稱重設(shè)備傳 感器的故障檢測(cè)方面，這些方法都是從稱重傳感器的輸出 來對(duì)其進(jìn)行故障檢測(cè)。這種基于傳感器輸出的檢測(cè)方法 忽略了傳感器發(fā)生故障的原因，檢測(cè)過程復(fù)雜、運(yùn)算量大， 不適合稱重控制儀(嵌入式設(shè)備)的使用。
為此，本文提出了基于地磅稱重設(shè)備傳感器自身硬件冗余 的故障檢測(cè)方法。本文以常見的應(yīng)變式稱重傳感器為例， 對(duì)稱重傳感器的測(cè)量電路進(jìn)行改造，引出兩路模擬電壓輸 出，根據(jù)兩路模擬電壓關(guān)系來判斷稱重傳感器是否存在故 障。實(shí)驗(yàn)表明，該方法可以準(zhǔn)確檢測(cè)出由于自身質(zhì)量引起 的稱重傳感器故障(比如應(yīng)變片脫落等)。
1.稱重傳感器簡介
稱重傳感器是把受到的壓力按定的比例轉(zhuǎn)變成電 壓、電流等電信號(hào)的傳感器，根據(jù)轉(zhuǎn)換方式的不同可以分 為電阻應(yīng)變式、電容式、液壓式等8種&],其中常用的是 電阻應(yīng)變式的稱重傳感器。電阻應(yīng)變式稱重傳感器有很 多優(yōu)點(diǎn)，比如價(jià)格便宜、體積相對(duì)較小、使用周期長等[8]。 本文以電阻應(yīng)變式稱重傳感器為例簡單介紹稱重傳感器 的工作原理。
電阻應(yīng)變式稱重傳感器測(cè)量電路采用惠斯登全橋等 臂電路把應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，其電路如 圖1所示。在使用過程中，對(duì)稱的兩個(gè)應(yīng)變片粘貼在同 部位(比如R1、R4粘貼在外殼上表面，R2、R3粘貼在下表面)，相鄰的應(yīng)變片粘貼在對(duì)稱位置(比如R!粘貼在外売 上表面粘貼在外売下表面)。
從式(3)可以看出輸出電壓只與電阻變化率有關(guān)。 由于惠斯登全橋電路滿足R1 = R2 = R3 = R4,各臂參數(shù) 致,所以各種外界干擾的影響容易抵消。有效抑制了溫度 變化和側(cè)向應(yīng)力對(duì)稱重傳感器讀數(shù)的影響。
2.基于硬件自冗余的稱重設(shè)備傳感器故障檢測(cè)
傳統(tǒng)電阻應(yīng)變式稱重傳感器采用的惠斯登全橋等臂 電路只有路輸出，這樣做具有接線簡單等優(yōu)點(diǎn)，但忽略 了各個(gè)應(yīng)變片之間的，當(dāng)只有個(gè)應(yīng)變片發(fā)生故障 (如粘貼脫落、應(yīng)變片疲勞等)時(shí)，整個(gè)稱重傳感器的輸出 就會(huì)產(chǎn)生較大誤差，且僅通過輸出電壓無法判斷稱重傳感 器是否發(fā)生故障。基于上述原因，本文提出了基于稱重傳 感器自身硬件冗余的故障檢測(cè)方法，檢測(cè)原理圖如圖2所 示。區(qū)別于傳統(tǒng)稱重傳感器測(cè)量電路，本文提出的故障檢 測(cè)方法需要至少引出兩路稱重傳感器的輸出。不失般 性，本文引出U。和Uo1兩路輸出(U。、Uo1見圖2)。
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
為了驗(yàn)證本文提出的基于稱重傳感器自身硬件冗余 的故障檢測(cè)方法是否可行，本文對(duì)稱重傳感器進(jìn)行改造， 在稱重傳感器中引出兩路模擬電壓輸出，然后分別對(duì)這兩 路模擬電壓信號(hào)進(jìn)行AD采樣。
為了數(shù)據(jù)處理及顯示過程的方便，本文直接取兩路模 擬電壓U。和h經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后生成的內(nèi)碼值D。和D01進(jìn) 行檢測(cè)。圖3 (a)顯示了在某次稱重過程中正常稱重傳感 器的內(nèi)碼值D。和Du的大小，圖3 (b)顯示了在此次稱重 過程中正常稱重傳感器內(nèi)碼值D。和0。1 階微分AD。和 AD。的關(guān)系。可以很明顯看出當(dāng)稱重傳感器正常時(shí)AD。 是AD。的兩倍左右。
再來驗(yàn)證下當(dāng)其中個(gè)應(yīng)變片發(fā)生故障的情況下 兩路內(nèi)碼值D。和Du的關(guān)系。不失般性，本文選取的是 應(yīng)變片R1發(fā)生了粘貼脫落的情景。當(dāng)稱重傳感器R1發(fā) 生脫落時(shí),取某次稱重過程中故障傳感器兩路模擬電壓輸 出，分別對(duì)兩路模擬電壓AD采樣得到兩路內(nèi)碼值A(chǔ)D。和 AD。。兩路內(nèi)碼值關(guān)系如圖4所示。其中圖4 (a)為故障 傳感器同時(shí)刻AD。、ADu的大小，圖4 (b)為故障傳感器 內(nèi)碼值A(chǔ)D。、ΔDu —階微分AAD。、ΔAD。〗的關(guān)系。從圖中 可以看出當(dāng)稱重傳感器存在故障時(shí),稱重傳感器ΔAD。已 經(jīng)不再是ΔAD。的2倍了。
4.結(jié)論
本文研究了基于硬件自冗余的稱重設(shè)備傳感器故障 檢測(cè)方法。 先對(duì)稱重設(shè)備傳感器的測(cè)量電路進(jìn)行改造, 引出兩路模擬電壓的輸出，然后對(duì)這兩路模擬電壓分別進(jìn) 行濾波、AD轉(zhuǎn)換得到兩路內(nèi)碼值，通過這兩路內(nèi)碼值的 關(guān)系來判斷稱重傳感器是否發(fā)生了故障。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)稱 重傳感器發(fā)生應(yīng)變片脫落等故障時(shí),本文研究的方法可以 準(zhǔn)確檢測(cè)出來。