基于硬件自冗余的稱重設備傳感器故障檢測方法*

盧 贏，歐 文，劉 洋，盧圣文

(1.中國科學院大學 微電子學院，北京 100029； 2.中國科學院物聯網研究發展中心 智能傳感器工程中心，江蘇 無錫 214135)

基于硬件自冗余的稱重設備傳感器故障檢測方法*

盧 贏1,2，歐 文1,2，劉 洋1，2，盧圣文1，2

(1.中國科學院大學 微電子學院，北京 100029； 2.中國科學院物聯網研究發展中心 智能傳感器工程中心，江蘇 無錫 214135)

傳統的稱重設備采用的是模擬稱重傳感器，不具有故障自檢測功能。有研究人員研究了針對稱重設備傳感器故障檢測的方法，但都是從稱重傳感器的輸出進行檢測，忽略了產生故障的原因，導致了檢測過程復雜、運算量大。為此文章提出了基于硬件自冗余的稱重設備傳感器故障檢測方法，利用稱重傳感器自身具有的硬件冗余現象對稱重傳感器的故障進行檢測。實驗表明，當稱重傳感器由于自身質量問題而發生故障時，此方法可以有效檢測出稱重傳感器發生了故障。

稱重傳感器；故障檢測；硬件自冗余

0 引言

稱重傳感器是稱重設備的核心部件，其工作是否正常直接影響稱重結果的準確性。由于稱重設備被大量使用在室外，稱重傳感器長期受到風吹日曬等各種惡劣天氣的影響，加上由于車輛帶來的振動，很容易造成稱重傳感器發生故障[1]。

目前的稱重傳感器不存在故障自診斷功能，對其進行故障檢測主要是通過人工添加砝碼測量輸出電壓[2]或使用萬用表測量輸出電阻[3]。這兩種方法都存在效率低、檢測成本高等缺點。為此，研究人員開始研究針對稱重設備中傳感器的故障診斷方法。文獻[4-6]分別把徑向基神經網絡、專家系統、小波和深度信念網絡引入到稱重設備傳感器的故障檢測方面，這些方法都是從稱重傳感器的輸出來對其進行故障檢測。這種基于傳感器輸出的檢測方法忽略了傳感器發生故障的原因，檢測過程復雜、運算量大，不適合稱重控制儀(嵌入式設備)的使用。

為此，本文提出了基于稱重設備傳感器自身硬件冗余的故障檢測方法。本文以常見的應變式稱重傳感器為例，對稱重傳感器的測量電路進行改造，引出兩路模擬電壓輸出，根據兩路模擬電壓關系來判斷稱重傳感器是否存在故障。實驗表明，該方法可以準確檢測出由于自身質量引起的稱重傳感器故障(比如應變片脫落等)。

1 稱重傳感器簡介

稱重傳感器是把受到的壓力按一定的比例轉變成電壓、電流等電信號的傳感器，根據轉換方式的不同可以分為電阻應變式、電容式、液壓式等8種[7]，其中最常用的是電阻應變式的稱重傳感器。電阻應變式稱重傳感器有很多優點，比如價格便宜、體積相對較小、使用周期長等[8]。本文以電阻應變式稱重傳感器為例簡單介紹稱重傳感器的工作原理。

電阻應變式稱重傳感器測量電路采用惠斯登全橋等臂電路把應變片的電阻變化轉換成電壓變化，其電路如圖1所示。在使用過程中，對稱的兩個應變片粘貼在同一部位(比如R1、R4粘貼在外殼上表面，R2、R3粘貼在下表面)，相鄰的應變片粘貼在對稱位置(比如R1粘貼在外殼上表面，R2粘貼在外殼下表面)。

圖1 稱重傳感器測量電路圖

惠斯登全橋電路輸出電壓為：

(1)

初始條件下全橋電路4個電阻(R1、R2、R3、R4)阻值相等(都等于R)，此時的輸出電壓為：

(2)

當稱重傳感器受到壓力時，相同部位的應變片形變量大小相等方向相同，對稱部位的應變片大小相等方向相反。所以相同部位的應變片阻值變化大小、方向都相同，對稱位置的應變片阻值變化大小相同方向相反。不失一般性，本文假設R1、R3減小ΔR，R2、R4增加ΔR，此時輸出電壓：

(3)

從式(3)可以看出輸出電壓只與電阻變化率有關。由于惠斯登全橋電路滿足R1=R2=R3=R4，各臂參數一致，所以各種外界干擾的影響容易抵消。有效抑制了溫度變化和側向應力對稱重傳感器讀數的影響[9]。

2 基于硬件自冗余的稱重設備傳感器故障檢測

傳統電阻應變式稱重傳感器采用的惠斯登全橋等臂電路只有一路輸出，這樣做具有接線簡單等優點，但忽略了各個應變片之間的聯系，當只有一個應變片發生故障(如粘貼脫落、應變片疲勞等)時，整個稱重傳感器的輸出就會產生較大誤差，且僅通過輸出電壓無法判斷稱重傳感器是否發生故障?；谏鲜鲈颍疚奶岢隽嘶诜Q重傳感器自身硬件冗余的故障檢測方法，檢測原理圖如圖2所示。區別于傳統稱重傳感器測量電路，本文提出的故障檢測方法需要至少引出兩路稱重傳感器的輸出。不失一般性，本文引出Uo和Uo1兩路輸出(Uo、Uo1見圖2)。

圖2 基于稱重傳感器自身硬件冗余的故障檢測原理圖

根據式(3)，空載情況下，R1=R2=R3=R4，稱重傳感器的輸出為：

(4)

稱重傳感器部分應變片電阻變化引起的輸出電壓為：

(5)

由于稱重傳感器受力部分是彈性體，彈性體的結構不會發生突變，所以可以算出Uo和Uo1的一階微分：

(6)

(7)

結合式(6)和式(7)可以得出：

(8)

即，稱重傳感器工作正常時，傳感器輸出電壓的一階微分ΔUo是部分輸出電壓一階微分ΔUo1的兩倍。

3 實驗結果分析

為了驗證本文提出的基于稱重傳感器自身硬件冗余的故障檢測方法是否可行，本文對稱重傳感器進行改造，在稱重傳感器中引出兩路模擬電壓輸出，然后分別對這兩路模擬電壓信號進行AD采樣。

為了數據處理及顯示過程的方便，本文直接取兩路模擬電壓Uo和Uo1經AD轉換后生成的內碼值Do和Do1進行檢測。圖3(a)顯示了在某次稱重過程中正常稱重傳感器的內碼值Do和Do1的大小，圖3(b)顯示了在此次稱重過程中正常稱重傳感器內碼值Do和Do1一階微分ΔDo和ΔDo1的關系?？梢院苊黠@看出當稱重傳感器正常時ΔDo是ΔDo1的兩倍左右。

再來驗證一下當其中一個應變片發生故障的情況下兩路內碼值Do和Do1的關系。不失一般性，本文選取的是應變片R1發生了粘貼脫落的情景。當稱重傳感器R1發生脫落時，取某次稱重過程中故障傳感器兩路模擬電壓輸出，分別對兩路模擬電壓AD采樣得到兩路內碼值ADo和ADo1。兩路內碼值關系如圖4所示。其中圖4(a)為故障傳感器同一時刻ADo、ADo1的大小，圖4(b)為故障傳感器內碼值ADo、ADo1一階微分ΔADo、ΔADo1的關系。從圖中可以看出當稱重傳感器存在故障時，稱重傳感器ΔADo已經不再是ΔADo1的2倍了。

圖3 某次稱重過程中正常稱重傳感器兩路模擬電壓內碼值的關系圖

圖4 某次稱重過程中故障傳感器兩路模擬電壓內碼值的關系圖

4 結論

本文研究了基于硬件自冗余的稱重設備傳感器故障檢測方法。首先對稱重設備傳感器的測量電路進行改造，引出兩路模擬電壓的輸出，然后對這兩路模擬電壓分別進行濾波、AD轉換得到兩路內碼值，通過這兩路內碼值的關系來判斷稱重傳感器是否發生了故障。實驗表明，當稱重傳感器發生應變片脫落等故障時，本文研究的方法可以準確檢測出來。

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Fault detection method for weighing equipment sensor based on hardware redundancy

Lu Ying1,2, Ou Wen1,2, Liu Yang1,2, Lu Shengwen1,2

(1. School of Microelectronics, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 2. Intelligent Sensors Engineering Center, Chinese Academy of Sciences R&D Center for Internet of Things, Wuxi 214135, China)

The traditional weighing equipment uses analog weighing sensor, the sensor does not have the function of fault self-detection. Some researchers have studied the method of fault detection for weighing equipment, however, all of them are detected fault from the output of the weighing sensor, ignoring the cause of the failure, so those methods have complex detection process and huge amount of computation. So, this paper presents a method of fault detection based on hardware redundancy, detecting weighing sensor’s fault based on the weighing sensor itself has hardware redundancy. Experimental results show that this method can effectively detect the fault of the weighing sensor when the fault due to their own quality problems.

weighing sensor; fault detection; hardware redundancy

江蘇省科技支撐重點項目(BE2014003)；江蘇省自然科學基金(BK20161149)

TP206+.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.024

盧贏，歐文，劉洋，等.基于硬件自冗余的稱重設備傳感器故障檢測方法[J].微型機與應用，2017,36(15)：84-86.

2017-03-02)

盧贏(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：智能傳感器及其網絡。

歐文(1966-)，男，研究員，碩士生導師，主要研究方向：半導體器件物理、超大規模集成電路技術。

劉洋(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：智能傳感器及其應用。