傳感器的故障診斷技術(shù)研究【摘要】：現(xiàn)如今，在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，傳感器的重要性日益凸顯，被廣泛運(yùn)用于多個(gè)領(lǐng)域，比如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天等，其好壞會(huì)直接影響到設(shè)備的運(yùn)行現(xiàn)狀，甚至還涉及安全問題，尤其是用來提供控制信號的傳感器，關(guān)乎系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。然而，實(shí)際情況不理想，因傳感器的工作環(huán)境較為惡劣，分布范圍廣，數(shù)據(jù)量大，致使該部位常常出現(xiàn)故障。調(diào)查顯示，大約82%的控制系統(tǒng)無效，根源在于傳感器與執(zhí)行器，如果僅修復(fù)傳感器，收效甚微。因而，需要合理應(yīng)用傳感器故障診斷技術(shù)。【關(guān)鍵詞】：傳感器；故障診斷技術(shù)；研究傳感器故障檢測和診斷技術(shù)作為一門綜合學(xué)科，主要是為滿足工程需求，該門學(xué)科的探究牽涉多個(gè)領(lǐng)域，比如故障診斷方法、故障診斷理論等。當(dāng)前，故障診斷技術(shù)已引起國內(nèi)外關(guān)注，一度成為自動(dòng)控制的一個(gè)分支，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，值得利用和推廣。全文對傳感器故障診斷技術(shù)展開研究，并詳細(xì)論述了故障診斷方法。1.傳感器故障和故障診斷概述故障是指系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)異常情況，或多數(shù)元器件無法正常發(fā)揮功能致使系統(tǒng)陷入癱瘓的事件。故障檢測是為第一時(shí)間找出系統(tǒng)中的故障，及時(shí)發(fā)出警報(bào)。一般來說，在檢測出系統(tǒng)出現(xiàn)故障的前提下，應(yīng)立即判斷故障類型、估測故障大小、分離故障部件。在容錯(cuò)控制系統(tǒng)中，能運(yùn)用硬件余度、解析余度等技術(shù)，確保系統(tǒng)可以順利運(yùn)行[1]。關(guān)于傳感器故障診斷的定義包含兩種含義，分別為：第一種指手提式診斷器，當(dāng)維修人員檢修設(shè)備時(shí)，主要檢查系統(tǒng)故障；第二種指應(yīng)用計(jì)算機(jī)將系統(tǒng)進(jìn)行解析冗余，并對工況進(jìn)行分析，找出引發(fā)故障的根源，最后獲得結(jié)論。2.傳感器故障種類通常情況下，傳感器故障包含：全部失效故障、固定偏差故障、精度下降等類型（如圖1所示）。圖1所示失效故障主要指傳感器測量驟然失控，測量值仍舊為一個(gè)固定常數(shù)；偏差故障指傳感器測量值和實(shí)際值存在偏差，在圖1中，無故障和有故障之間的測量為平行；漂移故障指傳感器測量值和實(shí)際值間的差值，伴隨時(shí)間的推移不斷發(fā)生改變；精度下降指傳感器測量功能減弱，精確度降低。當(dāng)精度等級下降時(shí)，測量平均值不變，測量方差發(fā)生改變。其中，偏差故障與漂移故障均不易找出故障，一旦出現(xiàn)故障，必然會(huì)引發(fā)諸多問題，導(dǎo)致控制系統(tǒng)無法運(yùn)行。傳感器故障大多依照如下方式展開分類。2.1依照傳感器故障程度劃分按照傳感器故障程度大小劃分為軟件、硬件故障。硬件故障指外部結(jié)構(gòu)被破壞的故障，幅值大，變化快速；該故障又被稱為全部故障，其測量值不變，持續(xù)為一個(gè)特定常數(shù)，比如零或最大讀數(shù)。另外，該故障的測量值大多為水平直線。軟件故障指特性變異，幅值小，變化較慢，包含數(shù)據(jù)偏差、精度下降等。該故障同樣不易被找到，破壞性強(qiáng)。2.2依照故障表現(xiàn)分類按照故障表現(xiàn)劃分為間歇性、永久性故障。前者指故障忽好忽壞，后者指故障一旦失效以后，無法被恢復(fù)。2.3按照故障出現(xiàn)進(jìn)展劃分依照故障出現(xiàn)進(jìn)展劃分為緩變故障、突變故障。前者指信號變化速率較小，后者相反。2.4依照故障成因劃分按照故障成因劃分為沖擊、偏差、漂移等故障。故障種類和成因如表1所示。表1幾種常見傳感器故障與成因故障種類故障成因偏差故障電流、電壓偏置沖擊故障電源干擾或電火花放電開路故障信號線被阻斷漂移故障溫漂短路故障線路短路非線性死區(qū)故障包括非線性步驟周期性干擾電源影響站在建模角度，被劃分成乘性故障、加性故障。關(guān)于偏置故障，一般在原信號的基礎(chǔ)上加隨機(jī)小信號；關(guān)于沖擊干擾，同樣在原信號上加脈沖信號；短路故障的信號和零接近；開路故障的信號和輸出值接近；漂移故障的信號和原信號偏移。3.傳感器故障診斷方法3.1基于解析數(shù)學(xué)模型的方法依照殘差出現(xiàn)方式，被劃分以下幾種方法，分別為：參數(shù)估計(jì)法、等價(jià)空間法等。關(guān)于模型故障診斷方法，起源早，運(yùn)用范圍廣泛，具備結(jié)構(gòu)單一、容易分析、即時(shí)診斷等優(yōu)點(diǎn)。但計(jì)算量大、易于出現(xiàn)建模誤差、可靠性低。當(dāng)前，大多將上述診斷方法運(yùn)用于線性系統(tǒng)，為日后探究故障診斷技術(shù)提供支撐。表2詳細(xì)論述了故障診斷方法的優(yōu)勢與不足。表2故障診斷方法的優(yōu)勢和不足診斷方法優(yōu)勢不足狀態(tài)估計(jì)法實(shí)用性強(qiáng)；無需對輸入信號提出要求容易誤報(bào)、靈活度低；不易檢測出故障參數(shù)估計(jì)法可以及時(shí)檢測被控制對象的故障；精確定位受損元件的位置；較強(qiáng)的分離性。收斂性低，致使故障診斷時(shí)間延長；存在激勵(lì)信號，實(shí)用性低。等價(jià)空間法較強(qiáng)的魯棒性；可以分離任何傳感器故障；檢測一同出現(xiàn)的故障；計(jì)算量小、方法合理、科學(xué)；可以即時(shí)獲取故障信息。精度低，容易出現(xiàn)誤差。3.2不依賴于數(shù)學(xué)模型的方法最近幾年來，控制系統(tǒng)日益復(fù)雜，因無法創(chuàng)建精確的數(shù)學(xué)模型，加之建模存在誤差，容易出現(xiàn)漏報(bào)情況，基于此，不依賴于數(shù)學(xué)模型的診斷方法引起關(guān)注。該種方法無需提供精確模型，較強(qiáng)的適應(yīng)性；不足之處在于結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度加大?；谏鲜鲈\斷方法可劃分以下幾種方法，比如離散事件方法、知識故障診斷方法等。3.2.1基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法該種方法又被劃分為兩種類型，分別為統(tǒng)計(jì)方法、信號處理方法?；谛盘柼幚淼姆椒ò厔輽z驗(yàn)、絕對值檢驗(yàn)。采取Lattice濾波器檢測方法、小波分析方法等。3.2.2基于知識方法該種診斷方法被劃分成兩種類型，比如基于狀態(tài)的診斷方法、基于定性模型的診斷方法。3.2.3基于離散事件方法該種診斷方法作為一種現(xiàn)代化診斷方法，引起廣泛關(guān)注。其主要以離散事件模型為核心，不僅可以反映系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況，還能反映系統(tǒng)出現(xiàn)故障的現(xiàn)狀。表3部分故障診斷方法的優(yōu)勢與不足診斷方法優(yōu)勢不足多源信息集合可以獲取精確信息；診斷真實(shí)、可靠；能分離多個(gè)故障傳感器。即時(shí)性低。小波轉(zhuǎn)換法檢測精確；抗干擾；靈活度高；計(jì)算量??；即時(shí)性強(qiáng)。容易延誤時(shí)間?；谥R方法精確、簡單、迅速；容易調(diào)整；易于模塊化。適應(yīng)性弱、即時(shí)性低。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法運(yùn)行速率快；在線檢測故障；適應(yīng)性強(qiáng)；抗干擾。算法復(fù)雜；計(jì)算量大；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不易創(chuàng)建?；陔x散事件方法靈活、診斷率高；抗噪。延誤檢測時(shí)間。4.結(jié)語綜上所述，從診斷學(xué)視覺來看，無論哪一種診斷信息均模糊、不明確。隨意一類診斷對象，不能用單一、片面的信息來反映其現(xiàn)狀。各種診斷方法均具備自身特征，適宜多種故障類型。對于繁瑣、復(fù)雜的系統(tǒng)而言