劉洋1，2，歐文1，2，王衛(wèi)東2

　?。?. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 微電子學(xué)院， 北京 100029; 2.中國(guó)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(wú)錫 214135）

       摘要：數(shù)字化改造后的稱重設(shè)備其稱重傳感器具有故障診斷的功能，但目前缺少針對(duì)稱重傳感器零漂故障診斷的方法。為此，文章提出了基于滑窗原理和零點(diǎn)采樣序列標(biāo)準(zhǔn)差的零漂故障檢測(cè)方法。首先對(duì)稱重傳感器的零點(diǎn)輸出信號(hào)采樣，然后利用滑窗取出其中的n個(gè)連續(xù)值，求出這n個(gè)值的標(biāo)準(zhǔn)差，最后用此標(biāo)準(zhǔn)差與正常輸出標(biāo)準(zhǔn)差的比值作為檢測(cè)依據(jù)。當(dāng)比值大于設(shè)定閾值時(shí)，傳感器存在故障，否則不存在故障。測(cè)試表明該方法能有效檢測(cè)傳感器的零漂故障。

　　關(guān)鍵詞：滑窗；標(biāo)準(zhǔn)差；零漂；故障檢測(cè)；稱重設(shè)備

　　中圖分類號(hào)：TP206+.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.026

　　引用格式：劉洋，歐文，王衛(wèi)東.稱重設(shè)備傳感器零漂檢測(cè)方法研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（7）：88-90，94.

0引言

　　*基金項(xiàng)目：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）傳統(tǒng)稱重設(shè)備采用的都是模擬稱重傳感器，稱臺(tái)下各個(gè)模擬傳感器并聯(lián)接入模擬接線盒，模擬接線盒對(duì)各個(gè)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行疊加得到與被測(cè)車輛成比例的模擬電壓。采用模擬稱重傳感器具有接線簡(jiǎn)單、價(jià)格相對(duì)比較便宜等優(yōu)點(diǎn)，但卻失去了故障診斷的功能，即當(dāng)其中任意一路稱重傳感器發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)稱重系統(tǒng)都將會(huì)產(chǎn)生非常大的誤差，并且很難判斷故障產(chǎn)生的位置［1］。目前對(duì)稱重傳感器故障的檢測(cè)主要是通過(guò)加載砝碼對(duì)輸出電壓進(jìn)行人工檢測(cè)來(lái)判斷是否發(fā)生故障，這種檢測(cè)方法效率低并且受檢測(cè)人員檢測(cè)水平的限制。

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，精細(xì)化管理越來(lái)越受到重視，傳統(tǒng)稱重設(shè)備的弊端也越來(lái)越明顯，對(duì)傳統(tǒng)稱重設(shè)備數(shù)字化改造的需求也越來(lái)越大。與此同時(shí)，對(duì)稱重傳感器的故障檢測(cè)也越來(lái)越受到重視，文獻(xiàn)［2］根據(jù)空載和加標(biāo)準(zhǔn)砝碼時(shí)傳感器的輸出信息，人工判斷稱重傳感器是否存在故障，這種方法自動(dòng)化程度低，需要人工干預(yù)。文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］分別把徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)引入到汽車衡稱重傳感器的故障檢測(cè)上，但檢測(cè)的故障僅限于傳感器的短路、開路、靈敏度及傳感器不歸零四類故障方面，當(dāng)傳感器發(fā)生零漂故障時(shí)卻無(wú)法檢測(cè)。文獻(xiàn)［5］把小波變換和深度信念網(wǎng)絡(luò)引入到動(dòng)態(tài)汽車衡故障診斷方面，但只能在稱重?cái)?shù)據(jù)采樣過(guò)程中某一時(shí)刻或者某幾個(gè)時(shí)刻采集到的數(shù)據(jù)有問(wèn)題的情況下才能檢測(cè)出來(lái)。為此，本文提出了一種稱重傳感器零漂故障的檢測(cè)方法，根據(jù)正常傳感器零點(diǎn)輸出序列的標(biāo)準(zhǔn)差和產(chǎn)生零漂故障的傳感器零點(diǎn)輸出序列的標(biāo)準(zhǔn)差的不同來(lái)檢測(cè)稱重傳感器是否存在零漂故障。實(shí)驗(yàn)表明，只要合理設(shè)定檢測(cè)閾值就可以準(zhǔn)確檢測(cè)出稱重傳感器的零漂故障。

1數(shù)字稱重設(shè)備工作簡(jiǎn)介

　　稱重設(shè)備組成如圖1所示，當(dāng)車輛通過(guò)稱重設(shè)備時(shí)，稱重臺(tái)下面的各個(gè)稱重傳感器能根據(jù)車輛重量得到稱重?cái)?shù)據(jù)，稱重?cái)?shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字接線盒到達(dá)稱重控制器，同時(shí)，軸識(shí)別器可以識(shí)別出通過(guò)稱重設(shè)備的車輛類型，車輛分離器和車輛檢測(cè)器可以檢測(cè)出是否有車輛通過(guò)及車輛通過(guò)的時(shí)間，這些信息也上傳到稱重控制器。稱重控制器根據(jù)接收到的信號(hào)計(jì)算出車輛重量和稱重傳感器是否存在零漂故障并上報(bào)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心。

2稱重傳感器零漂故障檢測(cè)

　　2.1稱重傳感器零點(diǎn)漂移故障

　　由于溫度變化以及稱重傳感器在制造、安裝及使用過(guò)程中會(huì)殘存一部分應(yīng)力等原因，稱重傳感器在沒(méi)有外力作用時(shí)也會(huì)有一個(gè)隨著時(shí)間推移而變化的輸出，即此時(shí)稱重傳感器存在零點(diǎn)漂移故障［67］。通常零漂表現(xiàn)為稱重傳感器輸出無(wú)規(guī)律的變化，如果這部分漂移信號(hào)疊加到實(shí)際的稱重信號(hào)中就會(huì)對(duì)稱重精度產(chǎn)生重大影響。

　　如果稱重傳感器i在t0時(shí)刻發(fā)生零漂故障，則稱重傳感器i的零點(diǎn)輸出為：

　　式（1）中xinor和xidri分別是稱重傳感器正常和產(chǎn)生零漂時(shí)輸出信號(hào)的大小。稱重傳感器零點(diǎn)輸出如圖2所示。

　　2.2故障特征提取

　　從圖2可以看出，稱重傳感器發(fā)生零點(diǎn)漂移時(shí)，其零點(diǎn)輸出信號(hào)將產(chǎn)生無(wú)規(guī)律且幅值較大的變化。當(dāng)稱重傳感器處于零點(diǎn)（即稱重設(shè)備上沒(méi)有車輛通過(guò)）時(shí)對(duì)稱重傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)稱重傳感器存在零漂時(shí)采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)比稱重傳感器不存在零漂時(shí)采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差大，通過(guò)這個(gè)原理就可以對(duì)稱重傳感器進(jìn)行故障檢測(cè)。

　　稱重傳感器i在零點(diǎn)的n次采樣數(shù)據(jù)為Xi( xi(1), xi(2), …, xi(n))，這n次采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差σi(n)為：

　　式中x－i(n)為傳感器i的n次采樣輸出的平均值，即:

　　稱重傳感器使用過(guò)程中需要實(shí)時(shí)地判斷傳感器是否存在零點(diǎn)漂移的故障，這就要求系統(tǒng)必須采集最新的n個(gè)零點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)，為此，本文采用滑窗濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)最新n個(gè)零點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算。滑窗濾波的原理如圖3所示。

　　如圖3所示，窗口中共有n個(gè)采樣數(shù)據(jù)，當(dāng)采集下一次數(shù)據(jù)（如第n+2次采樣數(shù)據(jù)xi(n+2)）時(shí)，窗口中的第一個(gè)采樣數(shù)據(jù)（第2次采樣數(shù)據(jù)xi(2)）首先移出窗口，窗口中第2個(gè)采樣數(shù)據(jù)到第n個(gè)采樣數(shù)據(jù)（圖中的xi(3)到xi(n+1)）依次向前移動(dòng)一個(gè)存儲(chǔ)單元，最后將下一次采樣數(shù)據(jù)（xi(n+2)）放入窗口中最后一個(gè)存儲(chǔ)單元，完成一次滑窗移動(dòng)。通過(guò)對(duì)移動(dòng)后的窗口中的數(shù)據(jù)計(jì)算得到一次標(biāo)準(zhǔn)差σi(n+1)，從而得到零點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差序列σi(r)(r=n,n+1,n+2,...)。

　　當(dāng)n比較大時(shí)，為了保存更多的采樣數(shù)據(jù)需要增加系統(tǒng)內(nèi)存?？紤]到稱重傳感器數(shù)量較多（4~20個(gè)），且它們的零漂故障檢測(cè)是在嵌入式設(shè)備上完成的，而嵌入式設(shè)備本身內(nèi)存資源就比較緊張，所以需要盡量減小對(duì)內(nèi)存的消耗，這樣就需要對(duì)式（2）、式（3）進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)Rx(τ;n)為稱重傳感器i零點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)序列的自相關(guān)函數(shù)（其中τ為采樣間隔，n為采樣個(gè)數(shù)），即：

　　Rx(τ,n)=E［xi(j)xi(j+τ)］（4）

　　當(dāng)τ=0時(shí),

　　Rx(0,n)=Rx(τ,n)|τ=0=E［xi(j)xi(j)］

　　=E［x2i(j)］（5）

　　根據(jù)均值x－i(n)與方差σ2i(n)的關(guān)系:

　　E［x2i(j)］=x－2i(n)+σ2i(n)（6）

　　得到方差

　　σ2i(n)=E［x2i(j)］－x－2i(n)=Rx(0,n)－x－2i(n)（7）

　　式中,

　　式（8）、（9）是Rx(0,n)和x－i(n)的遞推公式，從式中可以看出要想求出采樣序列的標(biāo)準(zhǔn)差σi(n),只需要求出序列的均值x－i(n)和當(dāng)τ=0時(shí)的自相關(guān)函數(shù)Rx(0,n)，而求均值和自相關(guān)函數(shù)只需要采樣次數(shù)n、自相關(guān)函數(shù)Rx(0,j－1)和均值x－i(j)－1三個(gè)參數(shù)，有效地減少了內(nèi)存的消耗。

　　2.3零漂故障識(shí)別

　　當(dāng)稱重傳感器不存在零漂故障時(shí)，傳感器的n個(gè)零點(diǎn)采樣序列的標(biāo)準(zhǔn)差為σnor(n)，當(dāng)稱重傳感器存在零漂故障時(shí)，傳感器的n個(gè)零點(diǎn)采樣序列標(biāo)準(zhǔn)差為σdri(n)，設(shè)定閾值為εran，當(dāng)滿足

　　時(shí)則可以認(rèn)為稱重傳感器發(fā)生了零漂故障。

　　通過(guò)改變閾值εran可以改變故障檢測(cè)的靈敏度和誤警率。當(dāng)閾值εran較大時(shí)，誤警率會(huì)比較低，但檢測(cè)靈敏度會(huì)下降；當(dāng)閾值εran較小時(shí)，檢測(cè)靈敏度會(huì)較高，但誤警率也會(huì)較高。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　為了檢驗(yàn)該零漂故障檢測(cè)方法的可行性，本實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取了某高速公路收費(fèi)站某一稱重系統(tǒng)2#稱重傳感器發(fā)生零漂后的實(shí)測(cè)信號(hào)，稱重傳感器零點(diǎn)采樣值如圖4所示（其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，每隔1 min采樣一次，當(dāng)有車通過(guò)時(shí)停止采樣;縱坐標(biāo)為稱重傳感器的輸出）。

　　設(shè)定滑窗大小為10，即滑窗內(nèi)可以存儲(chǔ)10個(gè)采樣數(shù)據(jù)，從第10個(gè)數(shù)據(jù)開始計(jì)算它前面10個(gè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

　　在稱重傳感器零點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)中隨機(jī)取20個(gè)正常輸出的數(shù)據(jù)，根據(jù)這20個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算出10個(gè)序列的標(biāo)準(zhǔn)差，使用這10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的平均值作為稱重傳感器不存在零漂時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差（根據(jù)本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)差為0.262 9），然后利用式（10）來(lái)判斷是否發(fā)生零點(diǎn)故障。

　　圖6是故障模式識(shí)別圖，其中εran是判別閾值（本實(shí)驗(yàn)εran取1），從圖中可以看出當(dāng)傳感器發(fā)生零漂故障時(shí)，式（10）計(jì)算出的比值明顯大于設(shè)定閾值，而當(dāng)稱重傳感器不存在零漂時(shí)根據(jù)式（10）計(jì)算出的比值非常接近0（即遠(yuǎn)小于εran）。

4結(jié)論

　　為了有效對(duì)稱重傳感器的零漂故障進(jìn)行檢測(cè)，本文研究了利用滑窗和標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)傳感器進(jìn)行零漂檢測(cè)的方法。首先對(duì)稱重傳感器的零點(diǎn)輸出進(jìn)行采樣，然后利用滑窗原理對(duì)采樣數(shù)據(jù)求序列標(biāo)準(zhǔn)差，最后通過(guò)比較傳感器有零漂時(shí)的輸出序列標(biāo)準(zhǔn)差和正常時(shí)序列標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)判斷稱重傳感器是否存在故障。測(cè)試表明當(dāng)稱重傳感器存在零漂故障時(shí)，該方法可以有效檢測(cè)出來(lái)。

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