傳感器的故障分類及其診斷方法

　　傳感器故障主要包括：完全失效故障、固定偏差故障、漂移偏差故障和精度下降四類。

　　如圖1所示。

　　圖1 傳感器的故障類型

　　其中，失效故障是指傳感器測(cè)量的突然失靈，測(cè)量值一直為某一常數(shù);偏差故障主要是指?jìng)鞲衅鞯臏y(cè)量值與真實(shí)值相差某一恒定常數(shù)的一類故障，從圖中可見(jiàn)，有故障的測(cè)量與無(wú)故障的測(cè)量是平行的;

　　漂移故障是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量值與真實(shí)值的差值隨時(shí)問(wèn)的增加而發(fā)生化的一類故障;

　　精度下降是指?jìng)鞲衅鞯臏y(cè)量能力變差，精度變低。精度等級(jí)降低時(shí)，測(cè)量的平均值并沒(méi)有發(fā)生變化，而是測(cè)量的方差發(fā)生變化。

　　固定偏差故障和漂移故障都是不容易發(fā)現(xiàn)的故障，在故障發(fā)生的過(guò)程中會(huì)引起一系列的無(wú)法預(yù)計(jì)的問(wèn)題，使控制系統(tǒng)長(zhǎng)期不能正常發(fā)揮作用。

　　傳感器的故障分類方式

　　1、按傳感器故障程度分類

　　按傳感器故障程度的大小可分為硬故障和軟故障。

　　硬故障泛指結(jié)構(gòu)損壞導(dǎo)致的故障，一般幅值較大，變化突然;軟故障泛指特性的變異，幅值較小，變化緩慢。

　　硬故障也稱完全故障，完全故障時(shí)測(cè)量值不隨實(shí)際變化而變化，始終保持某一讀數(shù)。通常這一恒定值一般是零或者最大讀數(shù)。故障測(cè)量值大致是一條水平直線。

　　軟故障包括數(shù)據(jù)偏差、漂移、精度等級(jí)下降等。軟故障相對(duì)較小，難于被發(fā)現(xiàn)，因此，從某種意義上來(lái)講，軟故障危害比硬故障危害更大，其危害逐漸引起了人們的重視。

　　2、按故障存在的表現(xiàn)分類

　　按故障存在的表現(xiàn)可分為間歇性故障和永久性故障。

　　間歇性故障時(shí)好時(shí)壞;永久性故障失效后，不能再恢復(fù)正常。

　　3、根據(jù)故障發(fā)生、發(fā)展的進(jìn)程分類

　　根據(jù)故障發(fā)生、發(fā)展的進(jìn)程可分為突變故障和緩變故障。

　　突變故障信號(hào)變化速率大;緩變故障信號(hào)變化速率小。

　　4、按故障的原因分類

　　按故障原因可分為偏差故障，沖擊故障，開(kāi)路故障，漂移故障，短路故障，周期性干擾，非線性死區(qū)故障。

　　偏差故障的故障原因?yàn)椋浩秒娏骰蚱秒妷旱?

　　沖擊故障的故障原因是：電源和地線中的隨機(jī)干擾，浪涌、電火花放電，D/A變換器中的毛刺等;

　　開(kāi)路故障的故障原因：信號(hào)線斷、芯片管腳沒(méi)連上等;

　　漂移故障的故障原因：溫等;

　　短路故障的故障原因：污染引起的橋路腐蝕、線路短接等;

　　周期性干擾的故障原因：電源50 Hz干擾等;

　　非線性死區(qū)故障的故障原因：放大器飽和、含有非線性環(huán)節(jié)等。

　　另外，從建模、仿真的角度出發(fā)，可分為乘性故障和加性故障。對(duì)于偏置故障，在原信號(hào)上加上一個(gè)恒定或隨機(jī)的小信號(hào);對(duì)于沖擊干擾，可在原信號(hào)上疊加一個(gè)脈沖信號(hào);對(duì)于短路故障，信號(hào)接近于零;開(kāi)路故障，信號(hào)接近傳感器輸出最大值;漂移故障，信號(hào)以某一速率偏移原信號(hào);周期性干擾故障，原信號(hào)上疊加某一頻率的信號(hào)。

　　傳感器故障的診斷方法

　　從不同角度出發(fā)，故障診斷方法的分類不完全相同?，F(xiàn)簡(jiǎn)單地將故障診斷方法分為：基于解析數(shù)學(xué)模型的方法和不依賴于數(shù)學(xué)模型的方法。

　　1、基于解析數(shù)學(xué)模型的方法

　　根據(jù)殘差產(chǎn)生的形式不同，基于解析數(shù)學(xué)模型的方法可以進(jìn)一步分為：參數(shù)估計(jì)法、狀態(tài)估計(jì)法和等價(jià)空間法。

　　基于模型的故障診斷方法，是一種最早發(fā)展起來(lái)的診斷方法，同時(shí)也是一種研究、應(yīng)用最廣泛的診斷方法。

　　優(yōu)點(diǎn)是模型機(jī)理清楚，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，易分析，可實(shí)時(shí)診斷。在故障診斷領(lǐng)域具有重要的地位，在今后的發(fā)展中依然會(huì)是傳感器故障診斷方法的主要研究方向。

　　缺點(diǎn)是計(jì)算量大，系統(tǒng)復(fù)雜;存在建模誤差，模型的適應(yīng)性差;可靠性差，容易出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)等現(xiàn)象;外部擾動(dòng)的魯棒性，系統(tǒng)的噪聲和干擾不敏感。

　　目前，這種診斷方法的研究成果仍然主要集中于線性系統(tǒng)，對(duì)深入研究非線性系統(tǒng)的通用故障診斷技術(shù)具有重要的意義，同時(shí)，魯棒性問(wèn)題也具有很高的研究?jī)r(jià)值。表l介紹了模型法中一些故障診斷方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

　　表1模型法中一些故障診斷方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的比較

　　2、不依賴于數(shù)學(xué)模型的故障診斷方法

　　當(dāng)前，控制系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，由于實(shí)際中很難建立控制系統(tǒng)的精確解析數(shù)學(xué)模型，當(dāng)存在建模誤差時(shí)，基于模型的故障診斷方法將出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)等現(xiàn)象，因此不依賴于模型的故障診斷方法受到了人們的高度重視。

　　不依賴數(shù)學(xué)模型的方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)象的準(zhǔn)確模型，并且適應(yīng)性強(qiáng)。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于實(shí)現(xiàn)。

　　這種不依賴于系統(tǒng)模型的故障診斷方法可分為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法的故障診斷方法、基于知識(shí)的故障診斷方法和基于離散事件的方法等。

　　2.1 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法

　　基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法有兩大類：信號(hào)處理方法和統(tǒng)計(jì)方法。

　　常用的一些基于信號(hào)處理的故障診斷方法有：絕對(duì)值檢驗(yàn)和趨勢(shì)檢驗(yàn)，利用Kullb ack信息準(zhǔn)則的故障檢測(cè)，基于自適應(yīng)滑動(dòng)Lattice濾波器的故障檢測(cè)方法，基于信號(hào)模態(tài)估計(jì)的故障檢測(cè)方法相關(guān)分析法、小波分析方法和信息融合方法等。

　　2.2 基于知識(shí)的方法

　　基于知識(shí)的故障診斷方法協(xié)可分為基于癥狀的故障診斷方法和基于定性模型的故障診斷方法兩種。

　　2.3 基于離散事件的方法

　　基于離散事件的故障診斷方法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型故障診斷方法。其基本思想是：離散事件模型的狀態(tài)既反映正常狀態(tài)，又反映系統(tǒng)的故障狀態(tài)。

　　表2給出了一些故障診斷方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

　　隨著理論研究的進(jìn)展和技術(shù)水平的不斷提高，傳感器故障診斷的研究會(huì)更趨于實(shí)用化，一些在實(shí)際中遇到的問(wèn)題會(huì)逐步得到解決。