基于硬件自冗余的稱重設(shè)備傳感器故障檢測方法*

盧 贏，歐 文，劉 洋，盧圣文

(1.中國科學(xué)院大學(xué) 微電子學(xué)院，北京 100029； 2.中國科學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心 智能傳感器工程中心，江蘇 無錫 214135)

基于硬件自冗余的稱重設(shè)備傳感器故障檢測方法*

盧 贏1,2，歐 文1,2，劉 洋1，2，盧圣文1，2

(1.中國科學(xué)院大學(xué) 微電子學(xué)院，北京 100029； 2.中國科學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心 智能傳感器工程中心，江蘇 無錫 214135)

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稱重設(shè)備傳感器故障檢測的方法，但都是從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。

稱重傳感器；故障檢測；硬件自冗余

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[1]。

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[3]。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)[4-6]分別把徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(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一定的比例轉(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[7]，其中最常用的是電阻應(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)變片粘貼在同一部位(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R1粘貼在外殼上表面，R2粘貼在外殼下表面)。

圖1 稱重傳感器測量電路圖

惠斯登全橋電路輸出電壓為：

(1)

初始條件下全橋電路4個(gè)電阻(R1、R2、R3、R4)阻值相等(都等于R)，此時(shí)的輸出電壓為：

(2)

當(dāng)稱重傳感器受到壓力時(shí)，相同部位的應(yīng)變片形變量大小相等方向相同，對稱部位的應(yīng)變片大小相等方向相反。所以相同部位的應(yīng)變片阻值變化大小、方向都相同，對稱位置的應(yīng)變片阻值變化大小相同方向相反。不失一般性，本文假設(shè)R1、R3減小ΔR，R2、R4增加ΔR，此時(shí)輸出電壓：

(3)

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)一致，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[9]。

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一路輸出，這樣做具有接線簡單等優(yōu)點(diǎn)，但忽略了各個(gè)應(yīng)變片之間的聯(lián)系，當(dāng)只有一個(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。不失一般性，本文引出Uo和Uo1兩路輸出(Uo、Uo1見圖2)。

圖2 基于稱重傳感器自身硬件冗余的故障檢測原理圖

根據(jù)式(3)，空載情況下，R1=R2=R3=R4，稱重傳感器的輸出為：

(4)

稱重傳感器部分應(yīng)變片電阻變化引起的輸出電壓為：

(5)

由于稱重傳感器受力部分是彈性體，彈性體的結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生突變，所以可以算出Uo和Uo1的一階微分：

(6)

(7)

結(jié)合式(6)和式(7)可以得出：

(8)

即，稱重傳感器工作正常時(shí)，傳感器輸出電壓的一階微分ΔUo是部分輸出電壓一階微分ΔUo1的兩倍。

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(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Uo和Uo1經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后生成的內(nèi)碼值Do和Do1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Do和Do1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Do和Do1一階微分ΔDo和ΔDo1的關(guān)系。可以很明顯看出當(dāng)稱重傳感器正常時(shí)ΔDo是ΔDo1的兩倍左右。

再來驗(yàn)證一下當(dāng)其中一個(gè)應(yīng)變片發(fā)生故障的情況下兩路內(nèi)碼值Do和Do1的關(guān)系。不失一般性，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)Do和ADo1。兩路內(nèi)碼值關(guān)系如圖4所示。其中圖4(a)為故障傳感器同一時(shí)刻ADo、ADo1的大小，圖4(b)為故障傳感器內(nèi)碼值A(chǔ)Do、ADo1一階微分ΔADo、ΔADo1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ΔADo已經(jīng)不再是ΔADo1的2倍了。

圖3 某次稱重過程中正常稱重傳感器兩路模擬電壓內(nèi)碼值的關(guān)系圖

圖4 某次稱重過程中故障傳感器兩路模擬電壓內(nèi)碼值的關(guān)系圖

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。首先對稱重設(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。

[1] 殷元利. 淺析電子汽車衡的檢定與維護(hù)[J]. 計(jì)量與測試技術(shù)，2014，41(3)：58-63.

[2] 魏煥琴. 電子汽車衡的正確使用與故障檢修方法[J]. 科技視界，2015(6)：64.

[3] 劉平凡，羅俊. 應(yīng)變式稱重傳感器原理及故障檢測[J]. 衡器，2010，39(11)：27-29.

[4] 林海軍，滕召勝，遲海,等. 基于信息融合的汽車衡稱重傳感器故障診斷[J]. 控制理論與應(yīng)用，2010，27(1)：25-31.

[5] 楊靜，李麗宏. 基于專家系統(tǒng)的汽車衡故障傳感器判別[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(11)：34-40.

[6] 王春香，李麗宏，張帝. 基于小波變換和DBN的汽車衡傳感器故障診斷[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2016，35(4)：22-24.

[7] Cheng Lu, Zhang Hongjian, Li Qing. Design of a capacitive flexible weighing sensor for vehicle WIM system[J]. Sensors, 2007, 7(8)：1530-1544.

[8] 胡向東,劉京誠,余成波,等.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[9] 郭愛琴，郭午陽，朱利民,等. 多傳感器電子秤非線性補(bǔ)償電路的研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(1):39-41.

Fault detection method for weighing equipment sensor based on hardware redundancy

Lu Ying1,2, Ou Wen1,2, Liu Yang1,2, Lu Shengwen1,2

(1. School of Microelectronics, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 2. Intelligent Sensors Engineering Center, Chinese Academy of Sciences R&D Center for Internet of Things, Wuxi 214135, China)

The traditional weighing equipment uses analog weighing sensor, the sensor does not have the function of fault self-detection. Some researchers have studied the method of fault detection for weighing equipment, however, all of them are detected fault from the output of the weighing sensor, ignoring the cause of the failure, so those methods have complex detection process and huge amount of computation. So, this paper presents a method of fault detection based on hardware redundancy, detecting weighing sensor’s fault based on the weighing sensor itself has hardware redundancy. Experimental results show that this method can effectively detect the fault of the weighing sensor when the fault due to their own quality problems.

weighing sensor; fault detection; hardware redundancy

江蘇省科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目(BE2014003)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20161149)

TP206+.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.024

盧贏，歐文，劉洋，等.基于硬件自冗余的稱重設(shè)備傳感器故障檢測方法[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(15)：84-86.

2017-03-02)

盧贏(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：智能傳感器及其網(wǎng)絡(luò)。

歐文(1966-)，男，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：半導(dǎo)體器件物理、超大規(guī)模集成電路技術(shù)。

劉洋(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：智能傳感器及其應(yīng)用。