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基于硬件自冗余的地磅稱重設備傳感器故障檢測方法
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地磅稱重設備傳感器故障檢測 的方法,但都是從地磅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 硬件自冗余的地磅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。
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。
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。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。文獻分別把徑向基神經 網絡、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，本文提出了基于地磅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&],其中常用的是 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 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R!粘貼在外売 上表面粘貼在外売下表面)。
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 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。
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，當只有個應變片發生故障 (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。基于上述原因，本文提出了基于稱重傳 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。不失般 性，本文引出U。和Uo1兩路輸出(U。、Uo1見圖2)。
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U。和h經AD轉換后生成的內碼值D。和D01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D。和Du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D。和0。1 階微分AD。和 AD。的關系。可以很明顯看出當稱重傳感器正常時AD。 是AD。的兩倍左右。
再來驗證下當其中個應變片發生故障的情況下 兩路內碼值D。和Du的關系。不失般性，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AD。和 AD。。兩路內碼值關系如圖4所示。其中圖4 (a)為故障 傳感器同時刻AD。、ADu的大小，圖4 (b)為故障傳感器 內碼值AD。、ΔDu —階微分AAD。、ΔAD。〗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ΔAD。已 經不再是ΔAD。的2倍了。
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。 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。