应变式多维力传感器故障诊断技术研究

应变式多维力传感器故障诊断技术研究

1多维力传感器故障诊断变形多功能传感器能够沿笛卡尔坐标系分解并输出空间向量力，这在科学试验和工业自动化中得到广泛应用。例如，在风洞试验中，测量了飞机模型各方向力的波动适应性平衡。应用中,多维力传感器通过接插件和线缆连接到信号采集系统,组成多维力测量系统。然而,在实际工作环境中,特别是科学试验中,多维力测量系统往往会发生故障,导致测量结果异常。多维力测量系统的故障既可能出现在多维力传感器上,亦可能出现在接插件、线缆或信号采集系统上。其中,多维力传感器是相对比较薄弱的环节。由于其电桥引线细、绝缘层薄,所以在装配和工作中往往出现测量电路引线短路、断路、虚短、虚断等故障情况。另外,应变梁的频繁弯曲变形以及宽范围温度变化引起的热胀冷缩变形都有可能引起应变片脱胶使其无法正常测量,甚至由于脱胶后散热不佳导致应变片烧断形成断路故障。这就使得故障排查工作往往从多维力传感器开始。但是,多维力传感器测量通道多,测量电路的故障可能出现在任何通道上,且其结构复杂、紧凑、体积较小,测量电路的布线也就比较复杂难辨。这就使得多维力传感器的故障定位与判断工作费时费力,且往往需要拆卸工作装置进行。如若故障并非出现在多维力传感器上,那么通过拆卸传感器来排查其故障亦将严重影响工作效率。因此,有必要研究多维力传感器的故障诊断方法,以用于工装上多维力传感器故障的快速诊断和传感器维护过程中的快速故障定位。然而,现有关于应变式力传感器故障诊断的方法多为由人工借助相应的测试设备(如万用表、兆欧表等)来检测桥路阻抗实现故障诊断本文主要研究应变式多维力传感器的故障诊断方法并设计自动故障诊断系统,实现对应变式多维力传感器测量电路故障的在线自动诊断。2基于恒流激励和矩阵扫描的适应性多功能传感器故障诊断方法2.1道测量电路故障诊断应变式多维力传感器测量电路故障主要有引线的短路、断路、虚短、虚断以及应变片脱胶这几种。短路故障:该故障类型主要有引线与传感器基体(结构钢体)之间短路和两两引线之间短路这两类情况,分别表现为传感器输出引线L断路故障:由于多维力传感器各通道测量电路之间在无短路的情况下相互独立,其1个通道的断路故障不影响其他通道,则对每个通道测量电路可单独分析其断路故障。每个通道测量电路的断路故障可能发生在电桥的任一根输出引线或任一个桥臂上。因此,应变式多维力传感器各通道的4根输出引线和4个桥臂的断路故障情况共有2虚短与虚断:与前述短路、断路故障种类相同,只是在工作过程中表现为不稳定的短路、断路状态。该种故障状态往往不易通过人工检出,需在接近实际工况的状态下检测,以免漏诊。应变片脱胶:应变片脱胶首先会导致测量输出信号不正常。而若因应变片脱胶导致应变片中的电阻丝烧断,则其故障情况如同前面的断路故障情况,可在断路故障诊断中一并诊出。综上所述,应变式多维力传感器故障类型和位置非常多,采用人工借助测量仪器进行故障诊断的方法将会非常耗时耗力,并且往往难以诊断。2.2故障诊断诊断由前述分析可知,应变式多维力传感器测量电路的故障状态主要为短路、断路这两种状态。测量电路的短路、断路故障会导致其输出引线间的电阻值发生变化,从而可以直接通过检测引线间电阻值大小来进行故障诊断。阻值测量可采用恒压激励和恒流激励的方法。由于故障状态中存在短路情况,所以本研究采用恒流激励法。另外,多维力传感器1个测量通道的断路故障情况就有256种,而其只有4根输出引线,这就要求设计相应的恒流扫测方案,以使恒定的激励电流能以多种不同的组合方式接入到传感器各通道的4根输出引线,从而进行故障扫测诊断。为此,本文提出基于恒流激励与矩阵扫测的应变式多维力传感器故障诊断方法,其诊断原理如图2所示。图中,I1短路故障诊断基于上述故障诊断原理,应变式多维力传感器测量电路的短路故障诊断比较简单。直接通过控制扫描开关,将恒流源正、负端分别接至传感器各引线和传感器的基体上以根据引线与基体之间的阻值R短路故障扫测过程中,R2恒流源正端与负端的连接由于测量电路中不同位置断路所引起的输出引线之间的负载阻值不尽相同,且两输出引线之间的负载阻值相同时亦可能对应多种不同的断路故障情况,所以断路故障诊断相对于短路故障诊断要复杂得多。下面从传感器单个通道测量电路的角度出发来研究其断路故障诊断方法。如图2所示,恒流源的正端与负端均可通过扫描开关连接到测量电路的任一根输出引线上。但在实际测试中,只有在恒流源正端和负端分别连接到不同的输出引线上时才能为激励电流I断路故障诊断时,按表1依次切换恒流源与测量电路输出引线的连接状态,通过扫测恒流源的负载电阻R单个通道测量电路的断路故障情况有256种,可能出现断路故障的位置如图3中的①~⑧所示(注:⑤~⑧示意的是桥臂断路情况,不代表具体断路点),即4根输出引线L断路故障查询表可通过MATLAB计算获得,即给定不同的断路故障情况,按表1所示矩阵扫测顺序计算R采用上述方法即可计算得到传感器单通道测量电路的117种断路故障情况下按表1所示恒流矩阵扫测方法得到的负载阻值R另外,MATLAB计算结果表明,117种断路故障情况所对应的由表3可知,40个独立的3虚短和虚断诊断方法针对该类故障,可基于前述的“短路”、“断路”故障诊断方法,采用多次循环扫测,然后根据故障出现的次数来判定“虚短”和“虚断”。如若在故障扫测结果中,“短路”或“断路”故障出现的次数大于0但小于总扫测次数,则判定为“虚短”或“虚断”故障。4可作为定常故障的一种思路如应变片脱胶导致其中的电阻丝被烧断,则可直接通过前述断路故障诊断方法诊断出来。而若应变片脱胶但未烧断,则传感器在正常空载和加载情况下,其输出与正常值存在偏差。据此,可在前述“短路”、“断路”、“虚短”、“虚断”故障排查之后,再由技术人员根据经验进行加载排查,亦可基于数据特征分析来判断该类故障情况,但一般仍需技术人员来进行具体地故障定位。需要说明的是,实际应用中多维力传感器测量电路若出现短路、断路故障并存的复杂情况,则可先采用前述诊断方法对故障状况进行部分定位并由技术人员进行修复,然后再进一步诊断、进一步修复,实现自动诊断与人工排查相结合的方法来消除故障,提高故障修复效率。3小型多能源多功能传感器的自适应诊断系统的设计3.1故障诊断系统基于前述故障诊断方法以及应用中的便携和在线诊断需求,本文设计低功耗电池供电式应变多维力传感器故障诊断系统。系统采用9V仪表电池供电,以低功耗单片机MSP430F5529(以下简称F5529)作为信号处理与控制核心,采用线性电源TL317搭建恒流源提供故障扫测电流(I电源管理模块用于向系统各模块提供所需工作电源,包括数字3.3V、模拟5V以及恒流扫测电流I3.2故障分析与显示系统软件设计的核心为故障诊断程序,其流程为:故障诊断准备→短路故障扫测→断路故障扫测→故障分析与显示。“故障诊断准备”主要为根据设定的传感器应变片阻值R来设定信号调理电路中的放大增益、开启恒流源,并对故障扫描分析过程中所用到的程序变量和状态标志等进行初始化。“故障分析与显示”即为根据前述扫测结果分析短路/虚短、断路/虚断故障情况,并将分析结果送到液晶上显示。针对短路故障,若8次扫测结果无短路标记则判定无短路,若均有短路标记则判定为短路,否则为虚短。针对断路故障,对于每个通道扫测得到的4故障诊断系统测试结果为验证所研制的低功耗电池供电式应变多维力传感器故障诊断系统的功能,本文分别采用单通道应变式力传感器和由4个电阻(270Ω)搭建的惠斯顿电桥模拟的传感器测量电路来对系统进行功能测试,如图6所示。力传感器分别选用了悬臂梁式和S型力传感器,其桥路应变片阻值均为350Ω,电源引线上串有10Ω的补偿电阻。为验证系统的故障诊断功能,人为将悬臂梁式力传感器的电源负线(L实验中,先采用模拟测量电路,通过改变不同的故障状态,依次对所研制的故障诊断系统各通道(A~H)进行功能测试,虚短、虚断故障状态通过间歇性短接节点跳针来实现;然后,将悬臂梁式力传感器和S型力传感器分别接到故障诊断系统的A通道和B通道进行测试。测试结果表明,所研制的低功耗电池供电式应变多维力传感器故障诊断系统各通道均能准确地诊断出传感器的各种故障状态。限于篇幅,表4中给出了部分测试结果。其中,“诊断结果显示1”和“结果分析1”分别表示系统第1次故障诊断所显示的结果及其故障分析,“诊断结果显示2”和“结果分析2”分别表示在排除第1次故障诊断所显示的可能性故障后系统第2次故障诊断结果及其故障分析。对照表4中的“故障设置”与“结果分析”可知,所研制的故障诊断系统各通道在各组实验中经过一次或两次诊断均能正确诊断出测量电路的故障状态,诊断结果与故障设置情况相符。另外,测试结果表明,F5529单片机工作在16MHz主频时,系统对8通道传感器的故障诊断耗时仅需约13s。上述实验结果表明,所研制的电池供电式应变多维力传感器故障诊断系统在传感器的测量电路故障诊断过程中,若故障情况较为简单则通过一次诊断即可确定故障类型和位置,若故障情况较为复杂则可通过系统自动诊断与人工排查相结合的方法经多次诊断排除故障,从而能够有效提高应变式多维力传感器在试验过程中的故障排查效率。5实验结果分析本文针对应变式多维力传感器测量电路的故障诊断问题,提出了基于恒流激励与矩阵扫测的故障诊断方法以实现对传感器测量电路的短路、断路、虚短、虚断等故障状态的判断与定位。据此,基于便携和在线诊断的需求,以MSP430F5529单片机为核心研制了低功耗电池供电式应变多维力传感器故障诊断系统,能实现对最多8个通道的应变式多维力传感器进行故障诊断,且可诊断的传感器应变片阻值范围为100~1200Ω。实验测试结果表明,所研制的故障诊断系统能正确地诊断出应变式多维力传感器测量电路的故障类型和位置,且8通道故障诊断耗时仅需13s左右,从而能够大幅缩短应变式多维力传感器的故障排查时间。与现有研究相比,本文实现了面向应变式多维力传感器测量电路故障的自动诊断,可直接用于工装上多维力传感器故障的快速诊断和传感器维护过程中的快速故障定位。需要说明的是,本文研究直接适用于最常用的采用全桥电路的电阻应变式多维力传感器的故障诊断,对于采用半桥电路的电阻应变式多维力传感器