劉洋1，2，歐文1，2，王衛(wèi)東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）

       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)差的零漂故障檢測方法。首先對稱重傳感器的零點(diǎn)輸出信號采樣，然后利用滑窗取出其中的n個連續(xù)值，求出這n個值的標(biāo)準(zhǔn)差，最后用此標(biāo)準(zhǔn)差與正常輸出標(biāo)準(zhǔn)差的比值作為檢測依據(jù)。當(dāng)比值大于設(shè)定閾值時，傳感器存在故障，否則不存在故障。測試表明該方法能有效檢測傳感器的零漂故障。

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

　　中圖分類號：TP206+.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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，稱臺下各個模擬傳感器并聯(lián)接入模擬接線盒，模擬接線盒對各個傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行疊加得到與被測車輛成比例的模擬電壓。采用模擬稱重傳感器具有接線簡單、價格相對比較便宜等優(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，整個稱重系統(tǒng)都將會產(chǎn)生非常大的誤差，并且很難判斷故障產(chǎn)生的位置［1］。目前對稱重傳感器故障的檢測主要是通過加載砝碼對輸出電壓進(jìn)行人工檢測來判斷是否發(fā)生故障，這種檢測方法效率低并且受檢測人員檢測水平的限制。

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，精細(xì)化管理越來越受到重視，傳統(tǒng)稱重設(shè)備的弊端也越來越明顯，對傳統(tǒng)稱重設(shè)備數(shù)字化改造的需求也越來越大。與此同時，對稱重傳感器的故障檢測也越來越受到重視，文獻(xiàn)［2］根據(jù)空載和加標(biāo)準(zhǔn)砝碼時傳感器的輸出信息，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上，但檢測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)生零漂故障時卻無法檢測。文獻(xiàn)［5］把小波變換和深度信念網(wǎng)絡(luò)引入到動態(tài)汽車衡故障診斷方面，但只能在稱重?cái)?shù)據(jù)采樣過程中某一時刻或者某幾個時刻采集到的數(shù)據(jù)有問題的情況下才能檢測出來。為此，本文提出了一種稱重傳感器零漂故障的檢測方法，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)差的不同來檢測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)定檢測閾值就可以準(zhǔn)確檢測出稱重傳感器的零漂故障。

1數(shù)字稱重設(shè)備工作簡介

　　稱重設(shè)備組成如圖1所示，當(dāng)車輛通過稱重設(shè)備時，稱重臺下面的各個稱重傳感器能根據(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，軸識別器可以識別出通過稱重設(shè)備的車輛類型，車輛分離器和車輛檢測器可以檢測出是否有車輛通過及車輛通過的時間，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

　　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、安裝及使用過程中會殘存一部分應(yīng)力等原因，稱重傳感器在沒有外力作用時也會有一個隨著時間推移而變化的輸出，即此時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規(guī)律的變化，如果這部分漂移信號疊加到實(shí)際的稱重信號中就會對稱重精度產(chǎn)生重大影響。

　　如果稱重傳感器i在t0時刻發(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)生零漂時輸出信號的大小。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，其零點(diǎn)輸出信號將產(chǎn)生無規(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)備上沒有車輛通過）時對稱重傳感器的輸出信號進(jìn)行采樣，當(dāng)稱重傳感器存在零漂時采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差會比稱重傳感器不存在零漂時采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差大，通過這個原理就可以對稱重傳感器進(jìn)行故障檢測。

　　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:

　　稱重傳感器使用過程中需要實(shí)時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個零點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)，為此，本文采用滑窗濾波來實(shí)現(xiàn)對最新n個零點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的存儲、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，窗口中的第一個采樣數(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個采樣數(shù)據(jù)到第n個采樣數(shù)據(jù)（圖中的xi(3)到xi(n+1)）依次向前移動一個存儲單元，最后將下一次采樣數(shù)據(jù)（xi(n+2)）放入窗口中最后一個存儲單元，完成一次滑窗移動。通過對移動后的窗口中的數(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，為了保存更多的采樣數(shù)據(jù)需要增加系統(tǒng)內(nèi)存。考慮到稱重傳感器數(shù)量較多（4~20個），且它們的零漂故障檢測是在嵌入式設(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內(nèi)存的消耗，這樣就需要對式（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為采樣個數(shù)），即：

　　Rx(τ,n)=E［xi(j)xi(j+τ)］（4）

　　當(dāng)τ=0時,

　　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)－1三個參數(shù)，有效地減少了內(nèi)存的消耗。

　　2.3零漂故障識別

　　當(dāng)稱重傳感器不存在零漂故障時，傳感器的n個零點(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，傳感器的n個零點(diǎn)采樣序列標(biāo)準(zhǔn)差為σdri(n)，設(shè)定閾值為εran，當(dāng)滿足

　　時則可以認(rèn)為稱重傳感器發(fā)生了零漂故障。

　　通過改變閾值εran可以改變故障檢測的靈敏度和誤警率。當(dāng)閾值εran較大時，誤警率會比較低，但檢測靈敏度會下降；當(dāng)閾值εran較小時，檢測靈敏度會較高，但誤警率也會較高。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　為了檢驗(yàn)該零漂故障檢測方法的可行性，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)測信號，稱重傳感器零點(diǎn)采樣值如圖4所示（其中橫坐標(biāo)為時間，每隔1 min采樣一次，當(dāng)有車通過時停止采樣;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10個采樣數(shù)據(jù)，從第10個數(shù)據(jù)開始計(jì)算它前面10個數(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)測試數(shù)據(jù)中隨機(jī)取20個正常輸出的數(shù)據(jù)，根據(jù)這20個數(shù)據(jù)計(jì)算出10個序列的標(biāo)準(zhǔn)差，使用這10個標(biāo)準(zhǔn)差的平均值作為稱重傳感器不存在零漂時的標(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）來判斷是否發(fā)生零點(diǎn)故障。

　　圖6是故障模式識別圖，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，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

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

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