基于信号处理的传感器故障检测技术分析

吕 欣

江苏师范大学科文学院 江苏 徐州221100

在自动化控制技术不断发展的过程中,有关自动化工程的数量也在逐渐增多,而进行状态控制以及参数数据测量等也逐渐由传感器来实现,因此传感器在其中发挥的作用非常关键。传感器的组成部件的精密性都较高,而且工作的环境条件比较严格,在这样的情况下不可避免的会出现传感器故障。如果传感器发生故障,会影响自动化系统设备的正常运行,所以,需要对传感器进行故障检测。

1 传感器故障类别

传感器的故障主要包含完全失效故障、固定偏差故障、漂移偏差故障以及精度下降这几类。失效故障主要是指传感器的测量发生失灵情况,测量出的数值呈现一个常数状态。偏差故障主要是指传感器测量的数值以实际值之间存在一个恒定的差值。漂移故障主要是指传感器测量数值和实际值之间的差额会随着时间变化而发生变化。精度下降主要是指传感器测量的精确度变差。出现传感器故障可能是瞬时性、间歇性或者是渐变性的,表现出部分失效或者全部失效。传感器如果完全失效,测量就失去作用。由于传感器工作的环境影响,性能可能会逐渐减弱,测量的数据在精准度方面就会存在较大的偏差,不能真实反映被测对象的具体数据值。如果按照传感器故障的程度大小可以分为硬故障和软故障。如果按照故障的表现主要分为永久性故障和间歇性故障。按照故障发展的进程主要分为缓变故障和突变故障。如果从故障原因的不同分类,主要分为短路故障、偏差故障、漂移故障以及冲击故障等。

2 基于信号处理的传感器故障检测技术

对传感器故障进行检测时,如果传感器监测系统的输入输出信号能够得到,但是对其进行解析数学模型建立时存在困难,就可以使用基于信号处理的方法进行故障检测。

2.1 经典信号处理技术 传感器测量中如果数值不再随着时间变化而变化,就表明传感器可能出现了故障。传感器测量对象的参数存在随机波动情况,随着时间变化,测量数值上会存在大小变化。将这种变化通过振动信号转变成频率范围变化,故障的发生通常会对应频率分量的变化。如果传感器的输出信号中,各频率分量振幅随时间变换而变化,频率之间出现不对应,甚至出现部分频带信号消失,就证明传感器出现故障。对于部分大型的机械来讲,运行状态在不断变化的情况下,部件的运行速度也在不断发生变化,振动信号反映系统对部件变化的实际响应,在不同的运行状态下,振动信号的幅值能够反映各频率分量的振幅变化情况,在传感器工作状态下,监测数值会随着工况的变化而产生变化,如果幅值变化情况出现异常,传感器就存在故障问题。对大型的机械进行监测时,测量对象较多,而且这些测量对象之间会存在一定潜在的关联,通过关联因素对其传感器故障进行判断。

2.2 小波变换检测技术 基于信号处理的小波变换检测技术是一种较为重要的传感器故障诊断方法,主要是通过时间和尺度分析,利用连续小波变换的方式对传感器信号的变化情况进行检测。在尺度增大的情况下,小波变换的极大值会逐渐减小。通过连续小波变换能够区分噪声和信号的突变,而且离散小波可以将传感器信号频率的变化精准的检测出来。传感器如果是在对压力、温度等参数进行测量时,如果传感器发生故障,会相应的产生突变信号,而被测对象的数值变化信号和传感器故障时的信号存在不同的特性,利用小波变换的检测技术,能够通过频谱图进行反映。现阶段在应用小波变换检测技术时通常会结合神经网络技术进行使用。传感器信号能够通过小波变换分解,得到相应频段上的信号分量,这些分量信号和传感器故障之间存在非线性关系,通过神经网络技术能够趋近非线性关系,进而对传感器故障的特点进行判断。下图1是传感器原始故障信号的多层分解细节图。

小波变换主要是针对系统的输入输出信号,通过变换得到信号的奇异点,将突变引起的极值点去除,剩余极值点就对应具体的故障。小波变换检测技术的使用不需要通过数学模型,具有较高的灵敏度,计算量较小,能够实现在线故障检测。

2.3 信息融合检测技术 对于含有多个传感器的控制系统进行故障诊断时主要应用信息融合检测技术。传感器在出现故障问题时,通过这一故障检测技术,能够实现传感器观测信息的自动分析,进行相应的信息处理。这一检测技术主要是多源信息融合的一个过程,根据传感器测量的数值反馈的故障特征以及系统故障源之间的关系来判断传感器故障位置,利用信息数学处理方法,基于冗余率计算的故障检测,通过传感器各冗余率的计算,对传感器故障实现精准定位。下图2是多传感器信息融合技术过程图。

图1 传感器原始故障信号的多层分解细节图

图2 多传感器信息融合技术过程图

信息融合检测技术的突出特点是能够较快且准确的得出传感器故障特征,技术人员主要是通过建立传感器信息融合和虚拟测试平台,结合多种技术,建立起具有较高灵敏度的故障测试系统,实现对故障的检测。

结束语

总而言之,在如今的社会环境下,传感器在多个领域中都得到了良好的应用,对于相关系统设备的监测起到重要的作用。由于传感器部件的精密性和工作环境的复杂性,对于传感器故障问题需要充分重视,根据比较常见的传感器故障类型以及故障特征,在不便建立数学模型进行检测时,可以使用基于信号处理的传感器故障检测技术实现对故障的精准判断检测。