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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,不具有故障自檢測功能。有研究人員研究了針對地磅稱重設(shè)備傳感器故障檢測 的方法,但都是從地磅稱重傳感器的輸出進(jìn)行檢測,忽略了產(chǎn)生故障的原因，導(dǎo)致了檢測過程復(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)備傳感器故障檢測方法,利用稱重傳感器自身具有的硬件冗余現(xiàn)象對稱重傳感器的故障進(jìn)行檢測。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，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,對其進(jìn)行 故障檢測主要是通過人工添加砝碼測量輸出電壓2或使 用萬用表測量輸出電阻。這兩種方法都存在效率低、檢 測成本高等缺點(diǎn)。為此,研究人員開始研究針對稱重設(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 感器的故障檢測方面，這些方法都是從稱重傳感器的輸出 來對其進(jìn)行故障檢測。這種基于傳感器輸出的檢測方法 忽略了傳感器發(fā)生故障的原因，檢測過程復(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 的故障檢測方法。本文以常見的應(yīng)變式稱重傳感器為例， 對稱重傳感器的測量電路進(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
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?；谏鲜鲈颍疚奶岢隽嘶诜Q重傳 感器自身硬件冗余的故障檢測方法，檢測原理圖如圖2所 示。區(qū)別于傳統(tǒng)稱重傳感器測量電路，本文提出的故障檢 測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 的故障檢測方法是否可行，本文對稱重傳感器進(jìn)行改造， 在稱重傳感器中引出兩路模擬電壓輸出，然后分別對這兩 路模擬電壓信號進(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。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?？梢院苊黠@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?！降年P(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 檢測方法。 先對稱重設(shè)備傳感器的測量電路進(jìn)行改造, 引出兩路模擬電壓的輸出，然后對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)確檢測出來。