呂 欣

江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院 江蘇 徐州221100

在自動化控制技術(shù)不斷發(fā)展的過程中,有關(guān)自動化工程的數(shù)量也在逐漸增多,而進行狀態(tài)控制以及參數(shù)數(shù)據(jù)測量等也逐漸由傳感器來實現(xiàn),因此傳感器在其中發(fā)揮的作用非常關(guān)鍵。傳感器的組成部件的精密性都較高,而且工作的環(huán)境條件比較嚴(yán)格,在這樣的情況下不可避免的會出現(xiàn)傳感器故障。如果傳感器發(fā)生故障,會影響自動化系統(tǒng)設(shè)備的正常運行,所以,需要對傳感器進行故障檢測。

1 傳感器故障類別

傳感器的故障主要包含完全失效故障、固定偏差故障、漂移偏差故障以及精度下降這幾類。失效故障主要是指傳感器的測量發(fā)生失靈情況,測量出的數(shù)值呈現(xiàn)一個常數(shù)狀態(tài)。偏差故障主要是指傳感器測量的數(shù)值以實際值之間存在一個恒定的差值。漂移故障主要是指傳感器測量數(shù)值和實際值之間的差額會隨著時間變化而發(fā)生變化。精度下降主要是指傳感器測量的精確度變差。出現(xiàn)傳感器故障可能是瞬時性、間歇性或者是漸變性的,表現(xiàn)出部分失效或者全部失效。傳感器如果完全失效,測量就失去作用。由于傳感器工作的環(huán)境影響,性能可能會逐漸減弱,測量的數(shù)據(jù)在精準(zhǔn)度方面就會存在較大的偏差,不能真實反映被測對象的具體數(shù)據(jù)值。如果按照傳感器故障的程度大小可以分為硬故障和軟故障。如果按照故障的表現(xiàn)主要分為永久性故障和間歇性故障。按照故障發(fā)展的進程主要分為緩變故障和突變故障。如果從故障原因的不同分類,主要分為短路故障、偏差故障、漂移故障以及沖擊故障等。

2 基于信號處理的傳感器故障檢測技術(shù)

對傳感器故障進行檢測時,如果傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的輸入輸出信號能夠得到,但是對其進行解析數(shù)學(xué)模型建立時存在困難,就可以使用基于信號處理的方法進行故障檢測。

2.1 經(jīng)典信號處理技術(shù) 傳感器測量中如果數(shù)值不再隨著時間變化而變化,就表明傳感器可能出現(xiàn)了故障。傳感器測量對象的參數(shù)存在隨機波動情況,隨著時間變化,測量數(shù)值上會存在大小變化。將這種變化通過振動信號轉(zhuǎn)變成頻率范圍變化,故障的發(fā)生通常會對應(yīng)頻率分量的變化。如果傳感器的輸出信號中,各頻率分量振幅隨時間變換而變化,頻率之間出現(xiàn)不對應(yīng),甚至出現(xiàn)部分頻帶信號消失,就證明傳感器出現(xiàn)故障。對于部分大型的機械來講,運行狀態(tài)在不斷變化的情況下,部件的運行速度也在不斷發(fā)生變化,振動信號反映系統(tǒng)對部件變化的實際響應(yīng),在不同的運行狀態(tài)下,振動信號的幅值能夠反映各頻率分量的振幅變化情況,在傳感器工作狀態(tài)下,監(jiān)測數(shù)值會隨著工況的變化而產(chǎn)生變化,如果幅值變化情況出現(xiàn)異常,傳感器就存在故障問題。對大型的機械進行監(jiān)測時,測量對象較多,而且這些測量對象之間會存在一定潛在的關(guān)聯(lián),通過關(guān)聯(lián)因素對其傳感器故障進行判斷。

2.2 小波變換檢測技術(shù) 基于信號處理的小波變換檢測技術(shù)是一種較為重要的傳感器故障診斷方法,主要是通過時間和尺度分析,利用連續(xù)小波變換的方式對傳感器信號的變化情況進行檢測。在尺度增大的情況下,小波變換的極大值會逐漸減小。通過連續(xù)小波變換能夠區(qū)分噪聲和信號的突變,而且離散小波可以將傳感器信號頻率的變化精準(zhǔn)的檢測出來。傳感器如果是在對壓力、溫度等參數(shù)進行測量時,如果傳感器發(fā)生故障,會相應(yīng)的產(chǎn)生突變信號,而被測對象的數(shù)值變化信號和傳感器故障時的信號存在不同的特性,利用小波變換的檢測技術(shù),能夠通過頻譜圖進行反映?，F(xiàn)階段在應(yīng)用小波變換檢測技術(shù)時通常會結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行使用。傳感器信號能夠通過小波變換分解,得到相應(yīng)頻段上的信號分量,這些分量信號和傳感器故障之間存在非線性關(guān)系,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠趨近非線性關(guān)系,進而對傳感器故障的特點進行判斷。下圖1是傳感器原始故障信號的多層分解細(xì)節(jié)圖。

小波變換主要是針對系統(tǒng)的輸入輸出信號,通過變換得到信號的奇異點,將突變引起的極值點去除,剩余極值點就對應(yīng)具體的故障。小波變換檢測技術(shù)的使用不需要通過數(shù)學(xué)模型,具有較高的靈敏度,計算量較小,能夠?qū)崿F(xiàn)在線故障檢測。

2.3 信息融合檢測技術(shù) 對于含有多個傳感器的控制系統(tǒng)進行故障診斷時主要應(yīng)用信息融合檢測技術(shù)。傳感器在出現(xiàn)故障問題時,通過這一故障檢測技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器觀測信息的自動分析,進行相應(yīng)的信息處理。這一檢測技術(shù)主要是多源信息融合的一個過程,根據(jù)傳感器測量的數(shù)值反饋的故障特征以及系統(tǒng)故障源之間的關(guān)系來判斷傳感器故障位置,利用信息數(shù)學(xué)處理方法,基于冗余率計算的故障檢測,通過傳感器各冗余率的計算,對傳感器故障實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。下圖2是多傳感器信息融合技術(shù)過程圖。

圖1 傳感器原始故障信號的多層分解細(xì)節(jié)圖

圖2 多傳感器信息融合技術(shù)過程圖

信息融合檢測技術(shù)的突出特點是能夠較快且準(zhǔn)確的得出傳感器故障特征,技術(shù)人員主要是通過建立傳感器信息融合和虛擬測試平臺,結(jié)合多種技術(shù),建立起具有較高靈敏度的故障測試系統(tǒng),實現(xiàn)對故障的檢測。

結(jié)束語

總而言之,在如今的社會環(huán)境下,傳感器在多個領(lǐng)域中都得到了良好的應(yīng)用,對于相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)測起到重要的作用。由于傳感器部件的精密性和工作環(huán)境的復(fù)雜性,對于傳感器故障問題需要充分重視,根據(jù)比較常見的傳感器故障類型以及故障特征,在不便建立數(shù)學(xué)模型進行檢測時,可以使用基于信號處理的傳感器故障檢測技術(shù)實現(xiàn)對故障的精準(zhǔn)判斷檢測。