關(guān)于傳感器的故障診斷技術(shù)分析

洪德烈

摘 要：傳感器作為一種重要信息采集設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。一旦傳感器出現(xiàn)運(yùn)行故障，則無法獲取相關(guān)參數(shù)信息，進(jìn)而對(duì)其他設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成較大的影響。因此，應(yīng)高度重視傳感器故障問題，采取科學(xué)、有效的診斷技術(shù)，提高傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。分析了傳感器常見的故障類型，闡述了傳感器的故障診斷技術(shù)，以供參考。

關(guān)鍵詞：傳感器；故障診斷技術(shù)；信息采集設(shè)備；測量精度

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.138

傳感器的應(yīng)用會(huì)受到多種因素的影響，進(jìn)而引發(fā)各種故障，導(dǎo)致其功能失效、性能變差、誤報(bào)警等，直接影響了后續(xù)的故障診斷和設(shè)備監(jiān)測控制。因此，傳感器故障的診斷分析和研究是非常重要的課題之一。結(jié)合傳感器的常見故障類型，應(yīng)有針對(duì)性地進(jìn)行診斷和處理，做好日常的管理維護(hù)，從而節(jié)省人力、物力、財(cái)力，降低傳感器故障的發(fā)生率。

1 傳感器常見的故障類型

傳感器常見的故障主要包括精度下降、漂移偏差、固定偏差和失效。當(dāng)傳感器出現(xiàn)精度下降故障時(shí)，其測量精度會(huì)越來越低，測量性能會(huì)越來越差，直接影響了傳感器的正常使用；漂移故障主要是指隨著時(shí)間的推移，實(shí)際值與傳感器的測量值的差值越來越大；固定偏差故障是指實(shí)際值與傳感器的測量值的差值為恒定常數(shù)，這種故障主要是因傳感器加工制作精度不高而造成的；失效故障是指傳感器在運(yùn)行過程中突然失效，無法正常使用，導(dǎo)致測量值始終為一個(gè)常數(shù)。在傳感器的實(shí)際應(yīng)用中，漂移故障和固定偏差故障不易被發(fā)現(xiàn)，且在發(fā)生這些故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些不確定的連鎖問題。按照故障程度和故障原因，傳感器故障還可分為以下2類。

1.1 依故障程度

根據(jù)傳感器故障程度的不同，可分為傳感器軟故障和傳感器硬故障。傳感器軟故障主要是指傳感器各方面性能的改變，主要包括精度等級(jí)下降、數(shù)據(jù)漂移、數(shù)據(jù)偏差等。這種變化比較緩慢，很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，且幅值相對(duì)較小。傳感器硬故障主要是指傳感器內(nèi)部零器件損壞，導(dǎo)致傳感器無法正常使用，這種變化非常突然，且幅值相對(duì)較大。此外，傳感器硬故障不會(huì)隨著實(shí)際情況的變化而變化，測量值將恒定為最大讀數(shù)或零。

1.2 依故障原因

根據(jù)傳感器故障原因的不同，可分為非線性死區(qū)故障、周期性干擾、短路故障、漂移故障、開路故障、沖擊故障、偏差故障等。非線性死區(qū)故障主要是指傳感器在運(yùn)行過程中進(jìn)入了非線性區(qū)，放大器處于飽和區(qū)域等；周期性干擾主要是指傳感器受到了50 Hz電源的干擾；短路故障主要是指線路短接、橋路結(jié)構(gòu)受到腐蝕侵害等；開路故障主要是指芯片管腳未完全連接、信號(hào)線斷裂等；當(dāng)D/A變換器出現(xiàn)毛刺、電火花放電、浪涌、地線和電源線隨機(jī)干擾時(shí)，會(huì)引發(fā)傳感器沖擊故障；受到偏置電壓或偏置電流的影響，傳感器易發(fā)生偏差故障。

2 傳感器的故障診斷技術(shù)

2.1 參數(shù)估計(jì)故障診斷技術(shù)

由于傳感器由多個(gè)零器件組成，且每個(gè)零器件都具有獨(dú)特的物理參數(shù)，因此，可利用微分方程和狀態(tài)空間來描述傳感器的物理系統(tǒng)。這種差分方程或微分方程中的系數(shù)稱為模型參數(shù)，物理參數(shù)主要描述傳感器零部件的局部行為，模型參數(shù)用于描述整個(gè)傳感器的控制行為。因此，二者具有一定的函數(shù)關(guān)系。定義物理參數(shù)P和模型參數(shù)θ的關(guān)系方程為：

θ=f（P）. （1）

運(yùn)用式（1）可對(duì)傳感器進(jìn)行機(jī)理分析。通過實(shí)際辨識(shí)計(jì)算傳感器的 模型參數(shù)，并根據(jù) 和式（1）可計(jì)算得出傳感器元器件實(shí)際的物理參數(shù) ；對(duì)比P與 后，可確定傳感器是否存在故障，如果存在故障，則還可確定故障的位置和程度。傳感器發(fā)生運(yùn)行故障的主要原因是其內(nèi)部某個(gè)零部件已損壞。當(dāng)傳感器性能變差或損壞時(shí)，其物理參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，模型參數(shù)也會(huì)隨之變化。模型參數(shù)中包含傳感器的所有故障信息，根據(jù)式（1）可分析物理參數(shù)的變化，并確定傳感器故障的程度。

2.2 小波變換故障診斷技術(shù)

小波變換是一種重要的信號(hào)處理方法，其基于對(duì)尺度和時(shí)間的分析，采用連續(xù)小波變換的方式檢測傳感器信號(hào)的變異情況。隨著尺度的不斷增大，小波變換模的極大值會(huì)不斷減小。可利用連續(xù)的小波變換對(duì)噪聲和信號(hào)突變進(jìn)行區(qū)分，且運(yùn)用離散小波能準(zhǔn)確檢測出傳感器信號(hào)頻率的變化。目前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與小波變換相結(jié)合的故障診斷技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，運(yùn)用小波變換可將傳感器信號(hào)分解為多個(gè)小波，從而獲得各個(gè)頻段上的信號(hào)分量；科學(xué)處理每一種信號(hào)分量，結(jié)合傳感器不同頻段信號(hào)的特點(diǎn)分析分量信號(hào)。傳感器故障與這些分量信號(hào)存在非線性關(guān)系，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能逐漸逼近這種非線性關(guān)系，從而診斷傳感器故障的特征。小波變換診斷技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中不需要構(gòu)建傳感器數(shù)學(xué)模型，具有較強(qiáng)的抑制噪聲干擾的能力，且靈敏度較高、故障診斷效率較高。

2.3 信息融合故障診斷技術(shù)

信息融合故障診斷技術(shù)主要應(yīng)用于包含多個(gè)傳感器的控制系統(tǒng)。當(dāng)傳感器發(fā)生運(yùn)行故障時(shí)，采用信息融合故障診斷技術(shù)可自動(dòng)分析傳感器的觀測信息，完成估算和決策任務(wù)，并做好信息處理。該技術(shù)主要根據(jù)傳感器檢測量得到的故障特征與系統(tǒng)故障源的關(guān)系分析控制系統(tǒng)傳感器的故障位置，并能利用多種診斷技術(shù)對(duì)傳感器檢測量進(jìn)行科學(xué)診斷，運(yùn)用模糊推理方法得到傳感器故障的診斷決策。信息融合故障診斷技術(shù)的優(yōu)勢在于能在短時(shí)間內(nèi)以最小代價(jià)得到傳感器故障的精確特征，工作人員可利用計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，并結(jié)合模糊理論、遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)，構(gòu)建傳感器信息融合和虛擬測試平臺(tái)，從而構(gòu)建敏性度較高的傳感器故障測試系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

近年來，傳感器的應(yīng)用范圍越來越廣泛，其故障問題引起了人們的高度重視。應(yīng)結(jié)合傳感器的常見故障類型，積極運(yùn)用現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)，并采用多種先進(jìn)的故障診斷技術(shù)及時(shí)消除傳感器故障，確保傳感器的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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