應(yīng)變式多維力傳感器故障診斷技術(shù)研究

應(yīng)變式多維力傳感器故障診斷技術(shù)研究

1多維力傳感器故障診斷變形多功能傳感器能夠沿笛卡爾坐標(biāo)系分解并輸出空間向量力，這在科學(xué)試驗(yàn)和工業(yè)自動(dòng)化中得到廣泛應(yīng)用。例如，在風(fēng)洞試驗(yàn)中，測(cè)量了飛機(jī)模型各方向力的波動(dòng)適應(yīng)性平衡。應(yīng)用中,多維力傳感器通過(guò)接插件和線纜連接到信號(hào)采集系統(tǒng),組成多維力測(cè)量系統(tǒng)。然而,在實(shí)際工作環(huán)境中,特別是科學(xué)試驗(yàn)中,多維力測(cè)量系統(tǒng)往往會(huì)發(fā)生故障,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果異常。多維力測(cè)量系統(tǒng)的故障既可能出現(xiàn)在多維力傳感器上,亦可能出現(xiàn)在接插件、線纜或信號(hào)采集系統(tǒng)上。其中,多維力傳感器是相對(duì)比較薄弱的環(huán)節(jié)。由于其電橋引線細(xì)、絕緣層薄,所以在裝配和工作中往往出現(xiàn)測(cè)量電路引線短路、斷路、虛短、虛斷等故障情況。另外,應(yīng)變梁的頻繁彎曲變形以及寬范圍溫度變化引起的熱脹冷縮變形都有可能引起應(yīng)變片脫膠使其無(wú)法正常測(cè)量,甚至由于脫膠后散熱不佳導(dǎo)致應(yīng)變片燒斷形成斷路故障。這就使得故障排查工作往往從多維力傳感器開始。但是,多維力傳感器測(cè)量通道多,測(cè)量電路的故障可能出現(xiàn)在任何通道上,且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、緊湊、體積較小,測(cè)量電路的布線也就比較復(fù)雜難辨。這就使得多維力傳感器的故障定位與判斷工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且往往需要拆卸工作裝置進(jìn)行。如若故障并非出現(xiàn)在多維力傳感器上,那么通過(guò)拆卸傳感器來(lái)排查其故障亦將嚴(yán)重影響工作效率。因此,有必要研究多維力傳感器的故障診斷方法,以用于工裝上多維力傳感器故障的快速診斷和傳感器維護(hù)過(guò)程中的快速故障定位。然而,現(xiàn)有關(guān)于應(yīng)變式力傳感器故障診斷的方法多為由人工借助相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備(如萬(wàn)用表、兆歐表等)來(lái)檢測(cè)橋路阻抗實(shí)現(xiàn)故障診斷本文主要研究應(yīng)變式多維力傳感器的故障診斷方法并設(shè)計(jì)自動(dòng)故障診斷系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變式多維力傳感器測(cè)量電路故障的在線自動(dòng)診斷。2基于恒流激勵(lì)和矩陣掃描的適應(yīng)性多功能傳感器故障診斷方法2.1道測(cè)量電路故障診斷應(yīng)變式多維力傳感器測(cè)量電路故障主要有引線的短路、斷路、虛短、虛斷以及應(yīng)變片脫膠這幾種。短路故障:該故障類型主要有引線與傳感器基體(結(jié)構(gòu)鋼體)之間短路和兩兩引線之間短路這兩類情況,分別表現(xiàn)為傳感器輸出引線L斷路故障:由于多維力傳感器各通道測(cè)量電路之間在無(wú)短路的情況下相互獨(dú)立,其1個(gè)通道的斷路故障不影響其他通道,則對(duì)每個(gè)通道測(cè)量電路可單獨(dú)分析其斷路故障。每個(gè)通道測(cè)量電路的斷路故障可能發(fā)生在電橋的任一根輸出引線或任一個(gè)橋臂上。因此,應(yīng)變式多維力傳感器各通道的4根輸出引線和4個(gè)橋臂的斷路故障情況共有2虛短與虛斷:與前述短路、斷路故障種類相同,只是在工作過(guò)程中表現(xiàn)為不穩(wěn)定的短路、斷路狀態(tài)。該種故障狀態(tài)往往不易通過(guò)人工檢出,需在接近實(shí)際工況的狀態(tài)下檢測(cè),以免漏診。應(yīng)變片脫膠:應(yīng)變片脫膠首先會(huì)導(dǎo)致測(cè)量輸出信號(hào)不正常。而若因應(yīng)變片脫膠導(dǎo)致應(yīng)變片中的電阻絲燒斷,則其故障情況如同前面的斷路故障情況,可在斷路故障診斷中一并診出。綜上所述,應(yīng)變式多維力傳感器故障類型和位置非常多,采用人工借助測(cè)量?jī)x器進(jìn)行故障診斷的方法將會(huì)非常耗時(shí)耗力,并且往往難以診斷。2.2故障診斷診斷由前述分析可知,應(yīng)變式多維力傳感器測(cè)量電路的故障狀態(tài)主要為短路、斷路這兩種狀態(tài)。測(cè)量電路的短路、斷路故障會(huì)導(dǎo)致其輸出引線間的電阻值發(fā)生變化,從而可以直接通過(guò)檢測(cè)引線間電阻值大小來(lái)進(jìn)行故障診斷。阻值測(cè)量可采用恒壓激勵(lì)和恒流激勵(lì)的方法。由于故障狀態(tài)中存在短路情況,所以本研究采用恒流激勵(lì)法。另外,多維力傳感器1個(gè)測(cè)量通道的斷路故障情況就有256種,而其只有4根輸出引線,這就要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的恒流掃測(cè)方案,以使恒定的激勵(lì)電流能以多種不同的組合方式接入到傳感器各通道的4根輸出引線,從而進(jìn)行故障掃測(cè)診斷。為此,本文提出基于恒流激勵(lì)與矩陣掃測(cè)的應(yīng)變式多維力傳感器故障診斷方法,其診斷原理如圖2所示。圖中,I1短路故障診斷基于上述故障診斷原理,應(yīng)變式多維力傳感器測(cè)量電路的短路故障診斷比較簡(jiǎn)單。直接通過(guò)控制掃描開關(guān),將恒流源正、負(fù)端分別接至傳感器各引線和傳感器的基體上以根據(jù)引線與基體之間的阻值R短路故障掃測(cè)過(guò)程中,R2恒流源正端與負(fù)端的連接由于測(cè)量電路中不同位置斷路所引起的輸出引線之間的負(fù)載阻值不盡相同,且兩輸出引線之間的負(fù)載阻值相同時(shí)亦可能對(duì)應(yīng)多種不同的斷路故障情況,所以斷路故障診斷相對(duì)于短路故障診斷要復(fù)雜得多。下面從傳感器單個(gè)通道測(cè)量電路的角度出發(fā)來(lái)研究其斷路故障診斷方法。如圖2所示,恒流源的正端與負(fù)端均可通過(guò)掃描開關(guān)連接到測(cè)量電路的任一根輸出引線上。但在實(shí)際測(cè)試中,只有在恒流源正端和負(fù)端分別連接到不同的輸出引線上時(shí)才能為激勵(lì)電流I斷路故障診斷時(shí),按表1依次切換恒流源與測(cè)量電路輸出引線的連接狀態(tài),通過(guò)掃測(cè)恒流源的負(fù)載電阻R單個(gè)通道測(cè)量電路的斷路故障情況有256種,可能出現(xiàn)斷路故障的位置如圖3中的①~⑧所示(注:⑤~⑧示意的是橋臂斷路情況,不代表具體斷路點(diǎn)),即4根輸出引線L斷路故障查詢表可通過(guò)MATLAB計(jì)算獲得,即給定不同的斷路故障情況,按表1所示矩陣掃測(cè)順序計(jì)算R采用上述方法即可計(jì)算得到傳感器單通道測(cè)量電路的117種斷路故障情況下按表1所示恒流矩陣掃測(cè)方法得到的負(fù)載阻值R另外,MATLAB計(jì)算結(jié)果表明,117種斷路故障情況所對(duì)應(yīng)的由表3可知,40個(gè)獨(dú)立的3虛短和虛斷診斷方法針對(duì)該類故障,可基于前述的“短路”、“斷路”故障診斷方法,采用多次循環(huán)掃測(cè),然后根據(jù)故障出現(xiàn)的次數(shù)來(lái)判定“虛短”和“虛斷”。如若在故障掃測(cè)結(jié)果中,“短路”或“斷路”故障出現(xiàn)的次數(shù)大于0但小于總掃測(cè)次數(shù),則判定為“虛短”或“虛斷”故障。4可作為定常故障的一種思路如應(yīng)變片脫膠導(dǎo)致其中的電阻絲被燒斷,則可直接通過(guò)前述斷路故障診斷方法診斷出來(lái)。而若應(yīng)變片脫膠但未燒斷,則傳感器在正?？蛰d和加載情況下,其輸出與正常值存在偏差。據(jù)此,可在前述“短路”、“斷路”、“虛短”、“虛斷”故障排查之后,再由技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加載排查,亦可基于數(shù)據(jù)特征分析來(lái)判斷該類故障情況,但一般仍需技術(shù)人員來(lái)進(jìn)行具體地故障定位。需要說(shuō)明的是,實(shí)際應(yīng)用中多維力傳感器測(cè)量電路若出現(xiàn)短路、斷路故障并存的復(fù)雜情況,則可先采用前述診斷方法對(duì)故障狀況進(jìn)行部分定位并由技術(shù)人員進(jìn)行修復(fù),然后再進(jìn)一步診斷、進(jìn)一步修復(fù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診斷與人工排查相結(jié)合的方法來(lái)消除故障,提高故障修復(fù)效率。3小型多能源多功能傳感器的自適應(yīng)診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1故障診斷系統(tǒng)基于前述故障診斷方法以及應(yīng)用中的便攜和在線診斷需求,本文設(shè)計(jì)低功耗電池供電式應(yīng)變多維力傳感器故障診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)采用9V儀表電池供電,以低功耗單片機(jī)MSP430F5529(以下簡(jiǎn)稱F5529)作為信號(hào)處理與控制核心,采用線性電源TL317搭建恒流源提供故障掃測(cè)電流(I電源管理模塊用于向系統(tǒng)各模塊提供所需工作電源,包括數(shù)字3.3V、模擬5V以及恒流掃測(cè)電流I3.2故障分析與顯示系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心為故障診斷程序,其流程為:故障診斷準(zhǔn)備→短路故障掃測(cè)→斷路故障掃測(cè)→故障分析與顯示?！肮收显\斷準(zhǔn)備”主要為根據(jù)設(shè)定的傳感器應(yīng)變片阻值R來(lái)設(shè)定信號(hào)調(diào)理電路中的放大增益、開啟恒流源,并對(duì)故障掃描分析過(guò)程中所用到的程序變量和狀態(tài)標(biāo)志等進(jìn)行初始化。“故障分析與顯示”即為根據(jù)前述掃測(cè)結(jié)果分析短路/虛短、斷路/虛斷故障情況,并將分析結(jié)果送到液晶上顯示。針對(duì)短路故障,若8次掃測(cè)結(jié)果無(wú)短路標(biāo)記則判定無(wú)短路,若均有短路標(biāo)記則判定為短路,否則為虛短。針對(duì)斷路故障,對(duì)于每個(gè)通道掃測(cè)得到的4故障診斷系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果為驗(yàn)證所研制的低功耗電池供電式應(yīng)變多維力傳感器故障診斷系統(tǒng)的功能,本文分別采用單通道應(yīng)變式力傳感器和由4個(gè)電阻(270Ω)搭建的惠斯頓電橋模擬的傳感器測(cè)量電路來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試,如圖6所示。力傳感器分別選用了懸臂梁式和S型力傳感器,其橋路應(yīng)變片阻值均為350Ω,電源引線上串有10Ω的補(bǔ)償電阻。為驗(yàn)證系統(tǒng)的故障診斷功能,人為將懸臂梁式力傳感器的電源負(fù)線(L實(shí)驗(yàn)中,先采用模擬測(cè)量電路,通過(guò)改變不同的故障狀態(tài),依次對(duì)所研制的故障診斷系統(tǒng)各通道(A~H)進(jìn)行功能測(cè)試,虛短、虛斷故障狀態(tài)通過(guò)間歇性短接節(jié)點(diǎn)跳針來(lái)實(shí)現(xiàn);然后,將懸臂梁式力傳感器和S型力傳感器分別接到故障診斷系統(tǒng)的A通道和B通道進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,所研制的低功耗電池供電式應(yīng)變多維力傳感器故障診斷系統(tǒng)各通道均能準(zhǔn)確地診斷出傳感器的各種故障狀態(tài)。限于篇幅,表4中給出了部分測(cè)試結(jié)果。其中,“診斷結(jié)果顯示1”和“結(jié)果分析1”分別表示系統(tǒng)第1次故障診斷所顯示的結(jié)果及其故障分析,“診斷結(jié)果顯示2”和“結(jié)果分析2”分別表示在排除第1次故障診斷所顯示的可能性故障后系統(tǒng)第2次故障診斷結(jié)果及其故障分析。對(duì)照表4中的“故障設(shè)置”與“結(jié)果分析”可知,所研制的故障診斷系統(tǒng)各通道在各組實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過(guò)一次或兩次診斷均能正確診斷出測(cè)量電路的故障狀態(tài),診斷結(jié)果與故障設(shè)置情況相符。另外,測(cè)試結(jié)果表明,F5529單片機(jī)工作在16MHz主頻時(shí),系統(tǒng)對(duì)8通道傳感器的故障診斷耗時(shí)僅需約13s。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所研制的電池供電式應(yīng)變多維力傳感器故障診斷系統(tǒng)在傳感器的測(cè)量電路故障診斷過(guò)程中,若故障情況較為簡(jiǎn)單則通過(guò)一次診斷即可確定故障類型和位置,若故障情況較為復(fù)雜則可通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)診斷與人工排查相結(jié)合的方法經(jīng)多次診斷排除故障,從而能夠有效提高應(yīng)變式多維力傳感器在試驗(yàn)過(guò)程中的故障排查效率。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析本文針對(duì)應(yīng)變式多維力傳感器測(cè)量電路的故障診斷問(wèn)題,提出了基于恒流激勵(lì)與矩陣掃測(cè)的故障診斷方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器測(cè)量電路的短路、斷路、虛短、虛斷等故障狀態(tài)的判斷與定位。據(jù)此,基于便攜和在線診斷的需求,以MSP430F5529單片機(jī)為核心研制了低功耗電池供電式應(yīng)變多維力傳感器故障診斷系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)對(duì)最多8個(gè)通道的應(yīng)變式多維力傳感器進(jìn)行故障診斷,且可診斷的傳感器應(yīng)變片阻值范圍為100~1200Ω。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,所研制的故障診斷系統(tǒng)能正確地診斷出應(yīng)變式多維力傳感器測(cè)量電路的故障類型和位置,且8通道故障診斷耗時(shí)僅需13s左右,從而能夠大幅縮短應(yīng)變式多維力傳感器的故障排查時(shí)間。與現(xiàn)有研究相比,本文實(shí)現(xiàn)了面向應(yīng)變式多維力傳感器測(cè)量電路故障的自動(dòng)診斷,可直接用于工裝上多維力傳感器故障的快速診斷和傳感器維護(hù)過(guò)程中的快速故障定位。需要說(shuō)明的是,本文研究直接適用于最常用的采用全橋電路的電阻應(yīng)變式多維力傳感器的故障診斷,對(duì)于采用半橋電路的電阻應(yīng)變式多維力傳感器