CN103983295B - 基于信号和环境激励的传感器故障诊断系统和诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于信号和环境激励的传感器故障诊断系统，包括电信号激励模块、信号和环境激励控制模块、信号分析及故障诊断模块、故障显示模块、综合环境试验箱；电信号激励模块产生电阻、电流、电压信号，并将这些信号输入给对应的被测传感器变送单元；传感器变送单元放置在综合环境试验箱中；综合环境试验箱能提供温度、湿度、振动、腐蚀气体等四种环境；信号分析及故障诊断模块接收被测传感器变送单元发出的电压信号，同时计算出被测传感器变送单元理想电压信号；最后将实际电压信号与理想电压信号进行比较并判断传感器变送单元是否发生故障。本发明能够激发传感器缺陷，实现传感器早期故障诊断，具有测试方法便捷测试成本低等优点。

Description

基于信号和环境激励的传感器故障诊断系统和诊断方法

技术领域

本发明涉及传感器故障诊断领域，尤其是一种基于信号和环境激励的传感器故障诊断系统。

背景技术

传感器在智能环保、智能交通、智能医疗、智能供应链中得到广泛应用。传感器的质量也显得越发重要，一旦传感器测量发生故障，无法正确获得被测对象的信号，上层决策系统就会做出错误的判断，导致控制系统发生失效。传感器的质量水平的提高、其关键是在设计和制造阶段有先进的试验手段，通过快捷、低成本、科学的试验来发现传感器存在的设计和制造缺陷。这样就能够大大提高传感器在使用过程中的测试精度和使用寿命。

目前传感器故障诊断方法主要关注的是传感器在使用过程中实时诊断传感器的故障类型，如中国专利《一种传感器故障诊断方法及诊断装置》（申请号：201210176322.2）。通过大量实时数据和历史数据的分析，利用数据挖掘方法提前预知传感器故障，如中国专利《基于数据挖掘的传感器故障诊断方法》（专利号：201110297820.8）。传感器在试验阶段发现故障的试验技术手段目前非常缺乏。传感探头厂家仅仅涉及传感感知单元，传感器系统设计厂家应用传感感知单元开发信号变送模块（即传感器变送单元），整合成为传感器数字输出装置。如果开发一套能够用于传感器出厂前产品质量试验的故障诊断装置将大幅度提高传感器质量技术水平。

为了提高传感器在设计、制造阶段的故障诊断水平，通过质量检测环节激发早期缺陷，分析传感器存在的设计和制造问题，发明一种基于信号和环境激励的传感器故障诊断方法和系统是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于信号和环境激励的传感器故障诊断系统，能够有效且快捷地测试传感器变送单元是否存在故障，能够在传感器设计、制造环节及早发现缺陷，有利于提前发现问题并改进相应的设计。

本发明还提出了使用上述故障诊断系统的基于信号和环境激励的传感器故障诊断方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于信号和环境激励的传感器故障诊断系统，包括电信号激励模块、信号和环境激励控制模块、信号分析及故障诊断模块、故障显示模块、综合环境试验箱；

所述电信号激励模块产生作用于传感器变送单元的电信号，并将这些电信号输入给相应的传感器变送单元；

一个或多个传感器变送单元置于所述综合环境试验箱中；

所述综合环境试验箱用于提供一种或多种测试环境，作用于传感器变送单元；

所述信号和环境激励控制模块分别与电信号激励模块、综合环境试验箱、信号分析及故障诊断模块相连，作为核心控制器向电信号激励模块发出被测传感器变送单元试验电信号的图谱，同时将上述电信号图谱发送给信号分析及故障诊断模块；信号和环境激励控制模块还向综合环境试验箱发出试验指令，包括各测试环境所对应的试验曲线；

信号分析及故障诊断模块分别与传感器变送单元和故障显示模块连接，接收被测传感器变送单元发出的实际电压信号，同时根据信号和环境激励控制模块发来的电信号图谱计算出被测传感器变送单元理想电压信号；最后将实际接收到的电压信号与理想电压信号进行比较并判断传感器变送单元是否发生故障，并将分析判断结果输送至故障显示单元；

所述故障显示单元用于显示传感器变送单元的识别结果、故障时刻、故障数据。

进一步地，电信号激励模块产生的电信号包括电阻信号、电流信号、电压信号，电阻信号的范围为0.002～20MΩ，电流信号为0～20mA，电压信号为-1999～+1500mV。

进一步地，综合环境试验箱能够提供温度、湿度、振动、腐蚀气体四种测试环境，相应地，信号和环境激励控制模块向综合环境试验箱发出的试验指令包括温度、湿度、振动、腐蚀气体的试验曲线。

进一步地，综合环境试验箱提供的温度范围为-80～150℃，湿度范围为0～95%RH，振动频率为5～2500Hz，腐蚀气体为Cl₂、SO₂、H₂S或NO₂中一种或多种。

进一步地，所述信号分析及故障诊断模块包括：

第一接口，与被测传感器变送单元连接，接收被测传感器变送单元在电信号激励模块输出的电信号激励下产生的实际电压信号，并传递给比较单元；

第二接口，与信号和环境激励控制模块连接，接收信号和环境激励控制模块发出的被测传感器变送单元试验电信号的图谱，并传递给计算转换单元；

计算转换单元，根据上述电信号图谱以及被测传感器变送单元模型计算出被测传感器变送单元的理想电压信号，并传递给比较单元；

被测传感器模型库，库中建立有各型号传感器对应变送单元的模型和参数；

比较单元，将被测传感器变送单元产生的实际电压信号与计算而得的理想电压信号进行比较，当信号差异超过设定阈值时，判定为传感器变送单元故障；并记录发生故障时刻、故障数据。

本发明的优点在于：

1）由于采用电信号激励方法，被测传感器变送单元无需放置在实际的测试条件下，通过电信号来连续模拟被测物理或化学参数，节省了测试成本，降低了测试难度。

2）由于采用环境激励方法，被测传感器变送单元能够在恶劣的模拟使用环境下工作，激发出传感器变送单元的设计和制造缺陷，提前发现存在缺陷的电气元件和设计电路。

3）传感器变送单元在输入激励和模拟环境下工作，并将输出信号进行在线监测，能够实时监控传感器变送单元发生故障的时刻、故障类型、识别出发生故障的具体传感器，一旦发现故障，就可以停止试验，减少了不必要的试验时间，降低了试验成本。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图。

图2为本发明的信号分析及故障诊断模块组成示意图。

图3为本发明的诊断方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

一个完整的传感器通常包括传感感知单元和传感器变送单元。传感器变送单元用于实现传感器模拟量的信号调理以及模拟量到数字量的转换(A/D转换)。为了实现上述功能，传感器变送单元必然采用相应的电路设计和电子器件，有时候电路的原始设计潜在缺陷或者电子器件的稳定性会导致传感器变送单元的性能下降甚至失效。及早的发现这些潜在问题能够在传感器设计、制造阶段尽可能的避免质量缺陷。

本发明所提出的基于信号和环境激励的传感器故障诊断系统，如图1、图２所示：包括电信号激励模块、信号和环境激励控制模块、信号分析及故障诊断模块、故障显示模块、综合环境试验箱。

所述电信号激励模块产生作用于传感器变送单元的电信号，并将这些电信号输入给相应的传感器变送单元。电信号激励模块产生的电信号包括电阻信号、电流信号、电压信号，电阻信号的范围为0.002～20MΩ，电流信号为0～20mA，电压信号为-1999～+1500mV。

一个或多个传感器变送单元置于所述综合环境试验箱中。

所述综合环境试验箱能够提供温度、湿度、振动、腐蚀气体四种测试环境，综合环境试验箱提供的温度范围为-80～150℃，湿度范围为0～95%RH，振动频率为5～2500Hz,最大加速度为正弦峰值900m/s²，腐蚀气体为Cl₂、SO₂、H₂S或NO₂中一种或多种。相应地，信号和环境激励控制模块向综合环境试验箱发出的试验指令包括温度、湿度、振动、腐蚀气体的试验曲线。

所述信号和环境激励控制模块分别与电信号激励模块、综合环境试验箱、信号分析及故障诊断模块相连，作为核心控制器向电信号激励模块发出被测传感器变送单元试验电信号的图谱，同时将上述电信号图谱发送给信号分析及故障诊断模块；信号和环境激励控制模块还向综合环境试验箱发出试验指令，包括各测试环境所对应的试验曲线。

信号分析及故障诊断模块分别与传感器变送单元和故障显示模块连接，接收被测传感器变送单元发出的实际电压信号，同时根据信号和环境激励控制模块发来的电信号图谱计算出被测传感器变送单元理想电压信号；最后将实际接收到的电压信号与理想电压信号进行比较并判断传感器变送单元是否发生故障，并将分析判断结果输送至故障显示单元。

所述故障显示单元用于显示传感器变送单元的识别结果、故障时刻、故障数据。

信号分析及故障诊断模块的具体结构如图2所示，包括：

与被测传感器变送单元连接的第一接口，用于接收被测传感器变送单元在电信号激励模块输出的电信号激励下产生的实际电压信号，并传递给比较单元；

与信号和环境激励控制模块连接的第二接口，用于接收信号和环境激励控制模块发出的被测传感器变送单元试验电信号的图谱，并传递给计算转换单元；

计算转换单元，根据上述电信号图谱以及被测传感器变送单元模型计算出被测传感器变送单元的理想电压信号，并传递给比较单元；

被测传感器模型库，库中建立有各型号传感器对应变送单元的模型和参数；

比较单元，将被测传感器变送单元产生的实际电压信号与计算而得的理想电压信号进行比较，当信号差异超过设定阈值时，判定为传感器变送单元故障；并记录发生故障时刻、故障数据。

实施例一。

本实施例以电导率传感器为例，该传感器包括电导率探头和电导率传感器变送单元；电导率传感器变送单元的输入信号为电阻信号。

通过信号和环境激励控制模块向电信号激励模块发送被测电导率传感器变送单元的试验电阻信号图谱；

电信号激励模块中可以建立精密可调电阻阵列，能够在信号和环境激励控制模块的控制下，模拟电导率传感器感知单元（本例中即电导率探头）的各档量程，输出对应的电阻信号。

通过信号和环境激励控制模块向综合环境试验箱发出试验指令，控制综合环境试验箱产生所需的测试环境，综合环境试验箱提供温湿度循环、加速振动、腐蚀气体腐蚀等试验环境加速电导率传感器变送单元老化，激发设计和制造缺陷。

电导率传感器变送单元产生并输出实际电压信号；

信号分析及故障诊断模块根据信号和环境激励控制模块发来的电阻信号图谱计算出被测电导率传感器变送单元理想电压信号；最后将实际接收到的电压信号与理想电压信号进行比较并判断电导率传感器变送单元是否发生故障，通过实时比较得出被测电导率传感器变送单元状态，判断被测电导率传感器变送单元发生故障的时刻、故障数据。最后将分析判断结果输送至故障显示单元。

实施例二。

本实施例以测量自来水浊度的浊度传感器为例，该传感器包括浊度探头和浊度传感器变送单元；该浊度传感器的量程范围为0～40NTU，精度±2%(FS)。干净的自来水的浊度一般在5NTU以下。浊度探头输出电流信号，输出范围为4～20mA。浊度传感器变送单元接收浊度探头输出的电流信号，将之进行信号放大和调理，输出信号为电压信号1～2.5V。通过信号和环境激励控制模块向电信号激励模块发送被测浊度传感器变送单元试验电流信号的图谱；

电信号激励模块中可以建立mA级电流信号信号发生器，该发生器可以由微控制器、D/A转换芯片，以及电流环电路等组成，能够在信号和环境激励控制模块的控制下，模拟浊度传感器感知单元的各档量程，输出对应的电流信号。电流信号信号发生器的一个实际实现例子，可以参见2013年1月《电子测试》期刊上《电潜泵测试仪的电流信号发生器设计》一文。

通过信号和环境激励控制模块向综合环境试验箱发出试验指令，控制综合环境试验箱产生所需的测试环境，综合环境试验箱提供温湿度循环、加速振动、腐蚀气体等试验环境加速浊度传感器变送单元老化，激发传感器设计和制造缺陷。

浊度传感器变送单元接收电信号激励模块发送的微弱电流信号，经过变送后输出实际电压信号，范围为1～2.5V。

信号分析及故障诊断模块根据信号和环境激励控制模块发来的电流信号图谱计算出被测浊度传感器变送单元理想电压信号；最后将实际接收到的电压信号与理想电压信号进行比较并判断浊度传感器变送单元是否发生故障，通过实时比较得出被测浊度传感器变送单元状态，判断被测浊度传感器变送单元发生故障的时刻、故障数据。最后将分析判断结果输送至故障显示单元。

基于上述传感器故障诊断系统，本发明提出的基于信号和环境激励的传感器故障诊断方法，包括下述步骤：

S10.通过信号和环境激励控制模块分别向电信号激励模块和信号分析及故障诊断模块发送被测传感器变送单元试验电信号的图谱；

S20.通过电信号激励模块产生作用于传感器变送单元的电信号，并将这些电信号输入给相应的传感器变送单元；

S30.通过信号和环境激励控制模块向综合环境试验箱发出试验指令，控制综合环境试验箱的测试环境，作用在置于综合环境试验箱内的被测传感器变送单元；

S40.被测传感器变送单元在电信号激励模块输出的电信号激励下产生实际电压信号；被测传感器变送单元同时承受测试环境的作用；

S50.通过信号分析及故障诊断模块，根据信号和环境激励控制模块发来的电信号图谱计算出被测传感器变送单元理想电压信号；最后将实际接收到的电压信号与理想电压信号进行比较并判断传感器变送单元是否发生故障，并将分析判断结果输送至故障显示单元。

其中，步骤S50具体包括：

通过第一接口接收被测传感器变送单元在电信号激励模块输出的电信号激励下产生的实际电压信号，并传递给比较单元；

通过第二接口接收信号和环境激励控制模块发出的被测传感器变送单元试验电信号的图谱，并传递给计算转换单元；

通过计算转换单元，根据上述电信号图谱以及被测传感器变送单元模型计算出被测传感器变送单元的理想电压信号，并传递给比较单元；

通过建立被测传感器模型库建立各型号传感器对应变送单元的模型和参数；

通过比较单元将被测传感器变送单元产生的实际电压信号与计算而得的理想电压信号进行比较，当信号差异超过设定阈值时，判定为传感器变送单元故障；并记录发生故障时刻、故障数据。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于信号和环境激励的传感器故障诊断系统，其特征在于：包括电信号激励模块、信号和环境激励控制模块、信号分析及故障诊断模块、故障显示模块、综合环境试验箱；

所述电信号激励模块产生作用于传感器变送单元的电信号，并将这些电信号输入给相应的传感器变送单元；

一个或多个传感器变送单元置于所述综合环境试验箱中；

所述综合环境试验箱用于提供一种或多种测试环境，作用于传感器变送单元；

所述信号和环境激励控制模块分别与电信号激励模块、综合环境试验箱、信号分析及故障诊断模块相连，作为核心控制器向电信号激励模块发出被测传感器变送单元试验电信号的图谱，同时将上述电信号图谱发送给信号分析及故障诊断模块；信号和环境激励控制模块还向综合环境试验箱发出试验指令，包括各测试环境所对应的试验曲线；

信号分析及故障诊断模块分别与传感器变送单元和故障显示模块连接，接收被测传感器变送单元发出的实际电压信号，同时根据信号和环境激励控制模块发来的电信号图谱计算出被测传感器变送单元理想电压信号；最后将实际接收到的电压信号与理想电压信号进行比较并判断传感器变送单元是否发生故障，并将分析判断结果输送至故障显示单元；

所述故障显示单元用于显示传感器变送单元的识别结果、故障时刻、故障数据；

电信号激励模块产生的电信号包括电阻信号、电流信号、电压信号，电阻信号的范围为0.002~20MΩ，电流信号为0~20mA，电压信号为-1999~+1500mV。

2.如权利要求1所述的基于信号和环境激励的传感器故障诊断系统，其特征在于：

综合环境试验箱能够提供温度、湿度、振动、腐蚀气体四种测试环境，相应地，信号和环境激励控制模块向综合环境试验箱发出的试验指令包括温度、湿度、振动、腐蚀气体的试验曲线。

3.如权利要求2所述的基于信号和环境激励的传感器故障诊断系统，其特征在于：

综合环境试验箱提供的温度范围为-80~150℃，湿度范围为0~95%RH，振动频率为5~2500Hz，腐蚀气体为Cl₂、SO₂、H₂S或NO₂中一种或多种。

4.如权利要求1所述的基于信号和环境激励的传感器故障诊断系统，其特征在于，所述信号分析及故障诊断模块包括：

第一接口，与被测传感器变送单元连接，接收被测传感器变送单元在电信号激励模块输出的电信号激励下产生的实际电压信号，并传递给比较单元；

第二接口，与信号和环境激励控制模块连接，接收信号和环境激励控制模块发出的被测传感器变送单元试验电信号的图谱，并传递给计算转换单元；

计算转换单元，根据上述电信号图谱以及被测传感器变送单元模型计算出被测传感器变送单元的理想电压信号，并传递给比较单元；

被测传感器模型库，库中建立有各型号传感器对应变送单元的模型和参数；

比较单元，将被测传感器变送单元产生的实际电压信号与计算而得的理想电压信号进行比较，当信号差异超过设定阈值时，判定为传感器变送单元故障；并记录发生故障时刻、故障数据。

5.一种基于信号和环境激励的传感器故障诊断方法，其特征在于，包括下述步骤：

S10.通过信号和环境激励控制模块分别向电信号激励模块和信号分析及故障诊断模块发送被测传感器变送单元试验电信号的图谱；

S20.通过电信号激励模块产生作用于传感器变送单元的电信号，并将这些电信号输入给相应的传感器变送单元；

S30.通过信号和环境激励控制模块向综合环境试验箱发出试验指令，控制综合环境试验箱产生所需的测试环境，作用于置于综合环境试验箱内的被测传感器变送单元；

S40.被测传感器变送单元在电信号激励模块输出的电信号激励下产生实际电压信号；被测传感器变送单元同时承受测试环境的作用；

S50.通过信号分析及故障诊断模块，根据信号和环境激励控制模块发来的电信号图谱计算出被测传感器变送单元理想电压信号；最后将实际接收到的电压信号与理想电压信号进行比较并判断传感器变送单元是否发生故障，并将分析判断结果输送至故障显示单元。

6.如权利要求5所述的基于信号和环境激励的传感器故障诊断方法，其特征在于：

电信号激励模块产生的电信号包括电阻信号、电流信号、电压信号，电阻信号的范围为0.002~20MΩ，电流信号为0~20mA，电压信号为-1999~+1500mV。

7.如权利要求5所述的基于信号和环境激励的传感器故障诊断方法，其特征在于：

综合环境试验箱提供温度、湿度、振动、腐蚀气体四种测试环境。

8.如权利要求7所述的基于信号和环境激励的传感器故障诊断方法，其特征在于：

综合环境试验箱提供的温度范围为-80~150℃，湿度范围为0~95%RH，振动频率为5~2500Hz，腐蚀气体为Cl₂、SO₂、H₂S或NO₂中一种或多种。

9.如权利要求5所述的基于信号和环境激励的传感器故障诊断方法，其特征在于，步骤S50具体包括：

通过第一接口接收被测传感器变送单元在电信号激励模块输出的电信号激励下产生的实际电压信号，并传递给比较单元；

通过第二接口接收信号和环境激励控制模块发出的被测传感器变送单元试验电信号的图谱，并传递给计算转换单元；

通过计算转换单元，根据上述电信号图谱以及被测传感器变送单元模型计算出被测传感器变送单元的理想电压信号，并传递给比较单元；

通过建立被测传感器模型库建立各型号传感器对应变送单元的模型和参数；

通过比较单元将被测传感器变送单元产生的实际电压信号与计算而得的理想电压信号进行比较，当信号差异超过设定阈值时，判定为传感器变送单元故障；并记录发生故障时刻、故障数据。