劉 洋，歐 文，王衛(wèi)東

(1. 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)

稱重設(shè)備傳感器零漂檢測(cè)方法研究*

劉 洋1，2，歐 文1，2，王衛(wèi)東2

(1. 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)

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。

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

0 引言

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(kāi)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。

圖1 稱重設(shè)備簡(jiǎn)介

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：

(1)

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。

圖2 稱重傳感器零漂故障

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：

(2)

(3)

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?；盀V波的原理如圖3所示。

圖3 滑窗濾波的原理

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)]

(5)

(6)

得到方差

(7)

式中,

(8)

(9)

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

(10)

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)。

圖4 稱重傳感器零點(diǎn)采樣值

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(kāi)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。

圖5 采樣數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差

圖6 零漂故障識(shí)別

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)。

[1] BLISS D, STICKEL C. BENTZ J W.Load cell diagnostics and failure prediction weighing apparatus and process: United State, 728638[P]. 2003.

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[7] 朱子健.基于先進(jìn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的智能稱重傳感器研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2004.

及其應(yīng)用。

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)。

王衛(wèi)東(1982-)，男，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：智能傳感器及其網(wǎng)絡(luò)。

Maxim推出nanoPower boost，助力可穿戴和消費(fèi)類IoT設(shè)計(jì)

近日，Maxim推出MAX17222 nanoPower boost (升壓調(diào)節(jié)器)，具有業(yè)內(nèi)最高效率和300 nA最低靜態(tài)電流，幫助可穿戴及消費(fèi)類IoT設(shè)計(jì)以最小面積獲取最長(zhǎng)電池壽命。MAX17222是一款輸入電壓范圍0.4 V～5.5 V，輸出電壓范圍1.8 V～5 V，輸入限流為500 mA的升壓調(diào)節(jié)器，相比同類產(chǎn)品可減少多達(dá)50%的方案面積，同時(shí)提供95%的峰值效率，使發(fā)熱降到最低。MAX17222可理想用于各類可穿戴設(shè)備，據(jù)IDC預(yù)測(cè)將在2020年實(shí)現(xiàn)18.4%的年增長(zhǎng)率(CAGR)。

主要優(yōu)勢(shì)：

?最長(zhǎng)電池壽命：待機(jī)模式和關(guān)斷模式下，顯著降低電池消耗；0.4 V輸入(0.88 V啟動(dòng)電壓)兼容低壓電池和超級(jí)電容工作

?行業(yè)最小方案：相比同類產(chǎn)品，高度集成的boost可節(jié)省多達(dá)50%空間

?行業(yè)最高效率：95%的峰值效率，在主動(dòng)工作模式下最大程度減小散熱

(Maxim Integrated 供稿)

Study on zero drift fault detection of the sensor in weighing equipment

Liu Yang1,2, Ou Wen1,2, Wang Weidong2

(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 load cells in weighing equipment have the self-diagnosis function when they are digitized. However, at present, the method of zero drift fault diagnosis for load cells is lack. So, this paper presents a method for detecting load cell’s zero drift, which based on sliding window and standard deviation of the zero-crossing points sample series. Firstly, the null point outputs of load cell are sampled, thenncontinuous values are extracted by using sliding window, and the standard deviation of these numbers is calculated. Lastly, using the ratio of this standard deviation and normal standard deviation as the basis for diagnosis. When the ratio value is greater than the set threshold, the cell has fault, otherwise it is normal. Test results show that this way can effectively diagnose zero drift of the load cells.

sliding window； standard deviation； zero drift； fault detection;weighing equipment

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- 7720.2017.07.026

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.

2016-11-09)

劉洋(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：智能傳感器