基于信號處理的傳感器故障檢測技術分析

呂 欣

江蘇師范大學科文學院 江蘇 徐州221100

在自動化控制技術不斷發展的過程中,有關自動化工程的數量也在逐漸增多,而進行狀態控制以及參數數據測量等也逐漸由傳感器來實現,因此傳感器在其中發揮的作用非常關鍵。傳感器的組成部件的精密性都較高,而且工作的環境條件比較嚴格,在這樣的情況下不可避免的會出現傳感器故障。如果傳感器發生故障,會影響自動化系統設備的正常運行,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生失靈情況,測量出的數值呈現一個常數狀態。偏差故障主要是指傳感器測量的數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值和實際值之間的差額會隨著時間變化而發生變化。精度下降主要是指傳感器測量的精確度變差。出現傳感器故障可能是瞬時性、間歇性或者是漸變性的,表現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境影響,性能可能會逐漸減弱,測量的數據在精準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據值。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主要分為永久性故障和間歇性故障。按照故障發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

對傳感器故障進行檢測時,如果傳感器監測系統的輸入輸出信號能夠得到,但是對其進行解析數學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 經典信號處理技術 傳感器測量中如果數值不再隨著時間變化而變化,就表明傳感器可能出現了故障。傳感器測量對象的參數存在隨機波動情況,隨著時間變化,測量數值上會存在大小變化。將這種變化通過振動信號轉變成頻率范圍變化,故障的發生通常會對應頻率分量的變化。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,頻率之間出現不對應,甚至出現部分頻帶信號消失,就證明傳感器出現故障。對于部分大型的機械來講,運行狀態在不斷變化的情況下,部件的運行速度也在不斷發生變化,振動信號反映系統對部件變化的實際響應,在不同的運行狀態下,振動信號的幅值能夠反映各頻率分量的振幅變化情況,在傳感器工作狀態下,監測數值會隨著工況的變化而產生變化,如果幅值變化情況出現異常,傳感器就存在故障問題。對大型的機械進行監測時,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聯,通過關聯因素對其傳感器故障進行判斷。

2.2 小波變換檢測技術 基于信號處理的小波變換檢測技術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。通過連續小波變換能夠區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的檢測出來。傳感器如果是在對壓力、溫度等參數進行測量時,如果傳感器發生故障,會相應的產生突變信號,而被測對象的數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,能夠通過頻譜圖進行反映。現階段在應用小波變換檢測技術時通常會結合神經網絡技術進行使用。傳感器信號能夠通過小波變換分解,得到相應頻段上的信號分量,這些分量信號和傳感器故障之間存在非線性關系,通過神經網絡技術能夠趨近非線性關系,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節圖。

小波變換主要是針對系統的輸入輸出信號,通過變換得到信號的奇異點,將突變引起的極值點去除,剩余極值點就對應具體的故障。小波變換檢測技術的使用不需要通過數學模型,具有較高的靈敏度,計算量較小,能夠實現在線故障檢測。

2.3 信息融合檢測技術 對于含有多個傳感器的控制系統進行故障診斷時主要應用信息融合檢測技術。傳感器在出現故障問題時,通過這一故障檢測技術,能夠實現傳感器觀測信息的自動分析,進行相應的信息處理。這一檢測技術主要是多源信息融合的一個過程,根據傳感器測量的數值反饋的故障特征以及系統故障源之間的關系來判斷傳感器故障位置,利用信息數學處理方法,基于冗余率計算的故障檢測,通過傳感器各冗余率的計算,對傳感器故障實現精準定位。下圖2是多傳感器信息融合技術過程圖。

圖1 傳感器原始故障信號的多層分解細節圖

圖2 多傳感器信息融合技術過程圖

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

結束語

總而言之,在如今的社會環境下,傳感器在多個領域中都得到了良好的應用,對于相關系統設備的監測起到重要的作用。由于傳感器部件的精密性和工作環境的復雜性,對于傳感器故障問題需要充分重視,根據比較常見的傳感器故障類型以及故障特征,在不便建立數學模型進行檢測時,可以使用基于信號處理的傳感器故障檢測技術實現對故障的精準判斷檢測。