基于硬件自冗余的称重设备传感器故障检测方法*

卢 赢，欧 文，刘 洋，卢圣文

(1.中国科学院大学 微电子学院，北京 100029； 2.中国科学院物联网研究发展中心 智能传感器工程中心，江苏 无锡 214135)

基于硬件自冗余的称重设备传感器故障检测方法*

卢 赢1,2，欧 文1,2，刘 洋1，2，卢圣文1，2

(1.中国科学院大学 微电子学院，北京 100029； 2.中国科学院物联网研究发展中心 智能传感器工程中心，江苏 无锡 214135)

传统的称重设备采用的是模拟称重传感器，不具有故障自检测功能。有研究人员研究了针对称重设备传感器故障检测的方法，但都是从称重传感器的输出进行检测，忽略了产生故障的原因，导致了检测过程复杂、运算量大。为此文章提出了基于硬件自冗余的称重设备传感器故障检测方法，利用称重传感器自身具有的硬件冗余现象对称重传感器的故障进行检测。实验表明，当称重传感器由于自身质量问题而发生故障时，此方法可以有效检测出称重传感器发生了故障。

称重传感器；故障检测；硬件自冗余

0 引言

称重传感器是称重设备的核心部件，其工作是否正常直接影响称重结果的准确性。由于称重设备被大量使用在室外，称重传感器长期受到风吹日晒等各种恶劣天气的影响，加上由于车辆带来的振动，很容易造成称重传感器发生故障[1]。

目前的称重传感器不存在故障自诊断功能，对其进行故障检测主要是通过人工添加砝码测量输出电压[2]或使用万用表测量输出电阻[3]。这两种方法都存在效率低、检测成本高等缺点。为此，研究人员开始研究针对称重设备中传感器的故障诊断方法。文献[4-6]分别把径向基神经网络、专家系统、小波和深度信念网络引入到称重设备传感器的故障检测方面，这些方法都是从称重传感器的输出来对其进行故障检测。这种基于传感器输出的检测方法忽略了传感器发生故障的原因，检测过程复杂、运算量大，不适合称重控制仪(嵌入式设备)的使用。

为此，本文提出了基于称重设备传感器自身硬件冗余的故障检测方法。本文以常见的应变式称重传感器为例，对称重传感器的测量电路进行改造，引出两路模拟电压输出，根据两路模拟电压关系来判断称重传感器是否存在故障。实验表明，该方法可以准确检测出由于自身质量引起的称重传感器故障(比如应变片脱落等)。

1 称重传感器简介

称重传感器是把受到的压力按一定的比例转变成电压、电流等电信号的传感器，根据转换方式的不同可以分为电阻应变式、电容式、液压式等8种[7]，其中最常用的是电阻应变式的称重传感器。电阻应变式称重传感器有很多优点，比如价格便宜、体积相对较小、使用周期长等[8]。本文以电阻应变式称重传感器为例简单介绍称重传感器的工作原理。

电阻应变式称重传感器测量电路采用惠斯登全桥等臂电路把应变片的电阻变化转换成电压变化，其电路如图1所示。在使用过程中，对称的两个应变片粘贴在同一部位(比如R1、R4粘贴在外壳上表面，R2、R3粘贴在下表面)，相邻的应变片粘贴在对称位置(比如R1粘贴在外壳上表面，R2粘贴在外壳下表面)。

图1 称重传感器测量电路图

惠斯登全桥电路输出电压为：

(1)

初始条件下全桥电路4个电阻(R1、R2、R3、R4)阻值相等(都等于R)，此时的输出电压为：

(2)

当称重传感器受到压力时，相同部位的应变片形变量大小相等方向相同，对称部位的应变片大小相等方向相反。所以相同部位的应变片阻值变化大小、方向都相同，对称位置的应变片阻值变化大小相同方向相反。不失一般性，本文假设R1、R3减小ΔR，R2、R4增加ΔR，此时输出电压：

(3)

从式(3)可以看出输出电压只与电阻变化率有关。由于惠斯登全桥电路满足R1=R2=R3=R4，各臂参数一致，所以各种外界干扰的影响容易抵消。有效抑制了温度变化和侧向应力对称重传感器读数的影响[9]。

2 基于硬件自冗余的称重设备传感器故障检测

传统电阻应变式称重传感器采用的惠斯登全桥等臂电路只有一路输出，这样做具有接线简单等优点，但忽略了各个应变片之间的联系，当只有一个应变片发生故障(如粘贴脱落、应变片疲劳等)时，整个称重传感器的输出就会产生较大误差，且仅通过输出电压无法判断称重传感器是否发生故障。基于上述原因，本文提出了基于称重传感器自身硬件冗余的故障检测方法，检测原理图如图2所示。区别于传统称重传感器测量电路，本文提出的故障检测方法需要至少引出两路称重传感器的输出。不失一般性，本文引出Uo和Uo1两路输出(Uo、Uo1见图2)。

图2 基于称重传感器自身硬件冗余的故障检测原理图

根据式(3)，空载情况下，R1=R2=R3=R4，称重传感器的输出为：

(4)

称重传感器部分应变片电阻变化引起的输出电压为：

(5)

由于称重传感器受力部分是弹性体，弹性体的结构不会发生突变，所以可以算出Uo和Uo1的一阶微分：

(6)

(7)

结合式(6)和式(7)可以得出：

(8)

即，称重传感器工作正常时，传感器输出电压的一阶微分ΔUo是部分输出电压一阶微分ΔUo1的两倍。

3 实验结果分析

为了验证本文提出的基于称重传感器自身硬件冗余的故障检测方法是否可行，本文对称重传感器进行改造，在称重传感器中引出两路模拟电压输出，然后分别对这两路模拟电压信号进行AD采样。

为了数据处理及显示过程的方便，本文直接取两路模拟电压Uo和Uo1经AD转换后生成的内码值Do和Do1进行检测。图3(a)显示了在某次称重过程中正常称重传感器的内码值Do和Do1的大小，图3(b)显示了在此次称重过程中正常称重传感器内码值Do和Do1一阶微分ΔDo和ΔDo1的关系。可以很明显看出当称重传感器正常时ΔDo是ΔDo1的两倍左右。

再来验证一下当其中一个应变片发生故障的情况下两路内码值Do和Do1的关系。不失一般性，本文选取的是应变片R1发生了粘贴脱落的情景。当称重传感器R1发生脱落时，取某次称重过程中故障传感器两路模拟电压输出，分别对两路模拟电压AD采样得到两路内码值ADo和ADo1。两路内码值关系如图4所示。其中图4(a)为故障传感器同一时刻ADo、ADo1的大小，图4(b)为故障传感器内码值ADo、ADo1一阶微分ΔADo、ΔADo1的关系。从图中可以看出当称重传感器存在故障时，称重传感器ΔADo已经不再是ΔADo1的2倍了。

图3 某次称重过程中正常称重传感器两路模拟电压内码值的关系图

图4 某次称重过程中故障传感器两路模拟电压内码值的关系图

4 结论

本文研究了基于硬件自冗余的称重设备传感器故障检测方法。首先对称重设备传感器的测量电路进行改造，引出两路模拟电压的输出，然后对这两路模拟电压分别进行滤波、AD转换得到两路内码值，通过这两路内码值的关系来判断称重传感器是否发生了故障。实验表明，当称重传感器发生应变片脱落等故障时，本文研究的方法可以准确检测出来。

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[3] 刘平凡，罗俊. 应变式称重传感器原理及故障检测[J]. 衡器，2010，39(11)：27-29.

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[6] 王春香，李丽宏，张帝. 基于小波变换和DBN的汽车衡传感器故障诊断[J]. 传感器与微系统，2016，35(4)：22-24.

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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

江苏省科技支撑重点项目(BE2014003)；江苏省自然科学基金(BK20161149)

TP206+.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.024

卢赢，欧文，刘洋，等.基于硬件自冗余的称重设备传感器故障检测方法[J].微型机与应用，2017,36(15)：84-86.

2017-03-02)

卢赢(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向：智能传感器及其网络。

欧文(1966-)，男，研究员，硕士生导师，主要研究方向：半导体器件物理、超大规模集成电路技术。

刘洋(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向：智能传感器及其应用。