基于硬件自冗余的地磅称重设备传感器故障检测方法

　　传统的称重设备采用的是模拟称重传感器,不具有故障自检测功能。有研究人员研究了针对地磅称重设备传感器故障检测的方法,但都是从地磅称重传感器的输出进行检测,忽略了产生故障的原因，导致了检测过程复杂、运算量大。为此文章提出了,利用称重传感器自身具有的硬件冗余现象对称重传感器的故障进行检测。实验表明，当称重传感器由于自身质量问题而发生故障时,此方法可以有效检测出称重传感器发生了故障。

　　0.引言

　　称重传感器是称重设备的核心部件，其工作是否正常直接影响称重结果的准确性。由于称重设备被大量使用在室外,称重传感器长期受到风吹日晒等各种恶劣天气的影响，加上由于车辆带来的振动，很容易造成称重传感器发生故障。

　　目前的称重传感器不存在故障自诊断功能,对其进行故障检测主要是通过人工添加砝码测量输出电压2或使用万用表测量输出电阻。这两种方法都存在效率低、检测成本高等缺点。为此,研究人员开始研究针对称重设备中传感器的故障诊断方法。文献分别把径向基神经网络、专家系统、小波和深度信念网络引入到称重设备传感器的故障检测方面，这些方法都是从称重传感器的输出来对其进行故障检测。这种基于传感器输出的检测方法忽略了传感器发生故障的原因，检测过程复杂、运算量大，不适合称重控制仪(嵌入式设备)的使用。

　　为此，本文提出了基于地磅称重设备传感器自身硬件冗余的故障检测方法。本文以常见的应变式称重传感器为例，对称重传感器的测量电路进行改造，引出两路模拟电压输出，根据两路模拟电压关系来判断称重传感器是否存在故障。实验表明，该方法可以准确检测出由于自身质量引起的称重传感器故障(比如应变片脱落等)。

　　1.称重传感器简介

　　称重传感器是把受到的压力按一定的比例转变成电压、电流等电信号的传感器，根据转换方式的不同可以分为电阻应变式、电容式、液压式等8种&],其中Z常用的是电阻应变式的称重传感器。电阻应变式称重传感器有很多优点，比如价格便宜、体积相对较小、使用周期长等[8]。本文以电阻应变式称重传感器为例简单介绍称重传感器的工作原理。

　　电阻应变式称重传感器测量电路采用惠斯登全桥等臂电路把应变片的电阻变化转换成电压变化，其电路如图1所示。在使用过程中，对称的两个应变片粘贴在同一部位(比如R1、R4粘贴在外壳上表面，R2、R3粘贴在下表面)，相邻的应变片粘贴在对称位置(比如R!粘贴在外上表面粘贴在外下表面)。

　　从式(3)可以看出输出电压只与电阻变化率有关。由于惠斯登全桥电路满足R1=R2=R3=R4,各臂参数一致,所以各种外界干扰的影响容易抵消。有效YZ了温度变化和侧向应力对称重传感器读数的影响。

　　2.基于硬件自冗余的称重设备传感器故障检测

　　传统电阻应变式称重传感器采用的惠斯登全桥等臂电路只有一路输出，这样做具有接线简单等优点，但忽略了各个应变片之间的联系，当只有一个应变片发生故障(如粘贴脱落、应变片疲劳等)时，整个称重传感器的输出就会产生较大误差，且仅通过输出电压无法判断称重传感器是否发生故障。基于上述原因，本文提出了基于称重传感器自身硬件冗余的故障检测方法，检测原理图如图2所示。区别于传统称重传感器测量电路，本文提出的故障检测方法需要至少引出两路称重传感器的输出。不失一般性，本文引出U。和Uo1两路输出(U。、Uo1见图2)。

　　3.实验结果分析

　　为了验证本文提出的基于称重传感器自身硬件冗余的故障检测方法是否可行，本文对称重传感器进行改造，在称重传感器中引出两路模拟电压输出，然后分别对这两路模拟电压信号进行AD采样。

　　为了数据处理及显示过程的方便，本文直接取两路模拟电压U。和h经AD转换后生成的内码值D。和D01进行检测。图3(a)显示了在某次称重过程中正常称重传感器的内码值D。和Du的大小，图3(b)显示了在此次称重过程中正常称重传感器内码值D。和0。1一阶微分AD。和AD。的关系。可以很明显看出当称重传感器正常时AD。是AD。的两倍左右。

　　再来验证一下当其中一个应变片发生故障的情况下两路内码值D。和Du的关系。不失一般性，本文选取的是应变片R1发生了粘贴脱落的情景。当称重传感器R1发生脱落时,取某次称重过程中故障传感器两路模拟电压输出，分别对两路模拟电压AD采样得到两路内码值AD。和AD。。两路内码值关系如图4所示。其中图4(a)为故障传感器同一时刻AD。、ADu的大小，图4(b)为故障传感器内码值AD。、ΔDu阶微分AAD。、ΔAD。〗的关系。从图中可以看出当称重传感器存在故障时,称重传感器ΔAD。已经不再是ΔAD。的2倍了。

　　4.结论

　　本文研究了基于硬件自冗余的称重设备传感器故障检测方法。首先对称重设备传感器的测量电路进行改造,引出两路模拟电压的输出，然后对这两路模拟电压分别进行滤波、AD转换得到两路内码值，通过这两路内码值的关系来判断称重传感器是否发生了故障。实验表明，当称重传感器发生应变片脱落等故障时,本文研究的方法可以准确检测出来。

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