關于傳感器的故障診斷技術分析

洪德烈

摘 要：傳感器作為一種重要信息采集設備，被廣泛地應用于多個領域。一旦傳感器出現(xiàn)運行故障，則無法獲取相關參數(shù)信息，進而對其他設備的安全、穩(wěn)定運行造成較大的影響。因此，應高度重視傳感器故障問題，采取科學、有效的診斷技術，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，以供參考。

關鍵詞：傳感器；故障診斷技術；信息采集設備；測量精度

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.138

傳感器的應用會受到多種因素的影響，進而引發(fā)各種故障，導致其功能失效、性能變差、誤報警等，直接影響了后續(xù)的故障診斷和設備監(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。結合傳感器的常見故障類型，應有針對性地進行診斷和處理，做好日常的管理維護，從而節(jié)省人力、物力、財力，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。當傳感器出現(xiàn)精度下降故障時，其測量精度會越來越低，測量性能會越來越差，直接影響了傳感器的正常使用；漂移故障主要是指隨著時間的推移，實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行過程中突然失效，無法正常使用，導致測量值始終為一個常數(shù)。在傳感器的實際應用中，漂移故障和固定偏差故障不易被發(fā)現(xiàn)，且在發(fā)生這些故障時會產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，主要包括精度等級下降、數(shù)據漂移、數(shù)據偏差等。這種變化比較緩慢，很難被及時發(fā)現(xiàn)，且幅值相對較小。傳感器硬故障主要是指傳感器內部零器件損壞，導致傳感器無法正常使用，這種變化非常突然，且幅值相對較大。此外，傳感器硬故障不會隨著實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行過程中進入了非線性區(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、橋路結構受到腐蝕侵害等；開路故障主要是指芯片管腳未完全連接、信號線斷裂等；當D/A變換器出現(xiàn)毛刺、電火花放電、浪涌、地線和電源線隨機干擾時，會引發(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

2.1 參數(shù)估計故障診斷技術

由于傳感器由多個零器件組成，且每個零器件都具有獨特的物理參數(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)用于描述整個傳感器的控制行為。因此，二者具有一定的函數(shù)關系。定義物理參數(shù)P和模型參數(shù)θ的關系方程為：

θ=f（P）. （1）

運用式（1）可對傳感器進行機理分析。通過實際辨識計算傳感器的 模型參數(shù)，并根據 和式（1）可計算得出傳感器元器件實際的物理參數(shù) ；對比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)生運行故障的主要原因是其內部某個零部件已損壞。當傳感器性能變差或損壞時，其物理參數(shù)會發(fā)生變化，模型參數(shù)也會隨之變化。模型參數(shù)中包含傳感器的所有故障信息，根據式（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

小波變換是一種重要的信號處理方法，其基于對尺度和時間的分析，采用連續(xù)小波變換的方式檢測傳感器信號的變異情況。隨著尺度的不斷增大，小波變換模的極大值會不斷減小?？衫眠B續(xù)的小波變換對噪聲和信號突變進行區(qū)分，且運用離散小波能準確檢測出傳感器信號頻率的變化。目前，神經網絡與小波變換相結合的故障診斷技術應用非常廣泛，運用小波變換可將傳感器信號分解為多個小波，從而獲得各個頻段上的信號分量；科學處理每一種信號分量，結合傳感器不同頻段信號的特點分析分量信號。傳感器故障與這些分量信號存在非線性關系，而神經網絡能逐漸逼近這種非線性關系，從而診斷傳感器故障的特征。小波變換診斷技術在實際應用中不需要構建傳感器數(shù)學模型，具有較強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

信息融合故障診斷技術主要應用于包含多個傳感器的控制系統(tǒng)。當傳感器發(fā)生運行故障時，采用信息融合故障診斷技術可自動分析傳感器的觀測信息，完成估算和決策任務，并做好信息處理。該技術主要根據傳感器檢測量得到的故障特征與系統(tǒng)故障源的關系分析控制系統(tǒng)傳感器的故障位置，并能利用多種診斷技術對傳感器檢測量進行科學診斷，運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的優(yōu)勢在于能在短時間內以最小代價得到傳感器故障的精確特征，工作人員可利用計算機軟件系統(tǒng)，并結合模糊理論、遺傳算法和人工神經網絡等多種技術，構建傳感器信息融合和虛擬測試平臺，從而構建敏性度較高的傳感器故障測試系統(tǒng)。

3 結束語

近年來，傳感器的應用范圍越來越廣泛，其故障問題引起了人們的高度重視。應結合傳感器的常見故障類型，積極運用現(xiàn)代化的科學技術，并采用多種先進的故障診斷技術及時消除傳感器故障，確保傳感器的安全、穩(wěn)定運行。

參考文獻

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