CN117686178A - 一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置及方法 - Google Patents

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CN117686178A CN202311545353.5A CN202311545353A CN117686178A CN 117686178 A CN117686178 A CN 117686178A CN 202311545353 A CN202311545353 A CN 202311545353A CN 117686178 A CN117686178 A CN 117686178A
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徐越
金锋
刘泽旭
杨智明
魏德宝
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Abstract

本发明是一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置及方法。本发明涉及风洞应变天平的应变传感器故障诊断技术领域，本发明针对于全桥应变传感器的故障检测问题，基于标准电阻R0和切换开关使电桥进入不平衡状态，实现应变传感器故障检测的基本方法。基于ADC，MCU、激励单元和无线传输模块等实现了测量装置，将其安装在天平内，由ADC实现应变传感器输出信号的实时采集、MCU完成实时计算和实时故障诊断，并通过WIFI模块将诊断结果实时传输，从而完成应变天平的应变传感器的故障诊断。

Description

一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置及方法
技术领域
本发明涉及风洞应变天平的应变传感器故障诊断技术领域，是一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置及方法。
背景技术
应变天平是风洞天平的一种，由天平元件(弹性元件)、应变计和测量电路(测量电桥)组成。进行风洞测力试验时，应变天平可以在体轴系中同时测量作用在模型上的空气动力载荷，即三个力(法向力、轴向力与横向力)与三个力矩(俯仰力矩、偏航力矩与俯仰力矩)。风洞试验时，应变天平承受作用在模型上的空气动力载荷，并且把它传递到支撑系统上。天平元件在载荷作用下产生变形，其应变与外力大小成正比。粘贴在天平弹性元件表面的应变计也同时产生变形，使其电阻值产生变化。这个电阻增量与应变天平所承受的空气动力载荷值成正比。电阻变化通过惠斯通电桥的放大后表现为电压的改变，将电压信号A/D转换后，输入到计算机上进行处理，即可得到模型上力与力矩。
应变天平使用过程，应变传感器的性能好坏决定了应变天平功能的优劣，因此在应变天平的寿命周期内需要明确掌握应变传感器的性能，而通过测量应变传感器的标称参数，进而做出传感器是否发生故障，是判断应变传感器性能优劣的一种方法，因而应变传感器故障诊断技术是一个待研究的问题。
在风洞试验中，应变天平是一种普遍用来获得被试产品气动特性的重要方法，应变天平性能的好坏取决于安装在应变天平内应变传感器性能的优劣，因而确切掌握应变传感器的性能对于应变天平的应用起到至关重要的作用。本技术发明中，首先从应变传感器测量原理出发，发明了一种故障诊断方法，并利用ADC，MCU、激励单元和无线传输模块等组成测量装置，安装在天平内实现应变传感器输出信号的测量及故障诊断。
发明内容
本发明为了并利用ADC，MCU、激励单元和无线传输模块等组成测量装置，安装在天平内实现应变传感器输出信号的测量及故障诊断，提出一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置及方法。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供了一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置及方法，本发明提供了以下技术方案：
一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置，所述装置包括开关单元、采集单元、MCU、激励单元和WIFI模块；通过开关单元实现标准电阻R0分时接入测量电路，以及不同信号分时切入采集单元；通过采集单元实现模数转换；通过MCU实现对采集单元和WIFI模块的控制，以及完成数据处理，并将处理结果通过WIFI模块上传到计算机；通过激励单元具有长线补偿功能，实现对应变传感器的精确供电。
优选地，开关单元包括K1～K5，K1～K5选用模拟开关TMUX6219。
优选地，采集单元选用芯片ADS125H02实现，MCU选用STM32F103，WIFI模块选用ALK8266WIFI组件。
一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断方法，所述方法一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置，所述方法包括以下步骤：
步骤1：通过MCU控制K1、K2均断开，MCU控制闭合K3_1和K5，确定电阻值R1和R2；
步骤2：MCU控制K1闭合、K2断开；MCU控制闭合K3_1和K5，确定电阻值R4；
步骤3：MCU控制K1断开、K2闭合；MCU控制闭合K3_2和K5，确定电阻值R3；
步骤4：MCU将确定的R1～R4存入非易失存储器，并与先前存储的支臂电阻的值作比较，确定是否在允许的误差范围内，进而得出故障诊断结果，并将结果通过WIFI模块上传到计算机。
优选地，所述步骤1具体为：
控制ADC测量FK+与Sense-间的电压值，记为VA0；MCU控制断开K3_1，闭合K3_2和K5，控制ADC测量FK-与Sense-间的电压值，记为VC0；
记得出：
MCU此时控制断开K3_2和K5。
优选地，所述步骤2具体为：
控制ADC测量FK+与Sense-间的电压值，记为VA1；MCU控制断开K3_1，闭合K4_1和K5，控制ADC测量V+与Sense-间的电压，记为VB1；则
MCU将式(2)代入式(3)，计算得到：
MCU此时控制断开K4_1和K5。
优选地，所述步骤3具体为：
控制ADC测量FK-与Sense-间的电压值，记为VC2；MCU控制断开K3_2，闭合K4_1和K5，控制ADC测量V+与Sense-间的电压，记为VB2；
MCU此时可求出：
MCU此时控制断开K4_1和K5。
优选地，通过开关单元实现可控切换的测量通道，从而满足利用一个采集单元实现多路信号的测量，完成故障诊断所需数据的采集。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断方法。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断方法。
本发明具有以下有益效果：
本发明与现有技术相比：
本发明解决了风洞应变天平的应变传感器的在线、实时、自动故障诊断的技术性难题。
本发明实现了基于ADC和MCU等单元的应变传感器数据的实时采集、实时解算、实时诊断的故障诊断装置。
本发明提供的风洞应变天平的应变传感器故障诊断方法及测量装置，实现了应变传感器故障诊断的自动化，克服了人为因素对故障诊断的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为故障检测原理图；
图2为应变传感器故障诊断装置原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1-图2所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：本发明涉及一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置及方法。
本发明提供一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置，其特征是：所述装置包括开关单元、采集单元(ADC)、MCU、激励单元和WIFI模块；通过开关单元实现标准电阻R0分时接入测量电路，以及不同信号分时切入采集单元；通过采集单元实现模数转换；通过MCU实现对采集单元和WIFI模块的控制，以及完成数据处理，并将处理结果通过WIFI模块上传到计算机；通过激励单元具有长线补偿功能，实现对应变传感器的精确供电。
本发明提供一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断方法，一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断方法，所述方法基于一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置，所述方法包括以下步骤：
步骤1：通过MCU控制K1、K2均断开，MCU控制闭合K3_1和K5，确定电阻值R1和R2；
所述步骤1具体为：
控制ADC测量FK+与Sense-间的电压值，记为VA0；MCU控制断开K3_1，闭合K3_2和K5，控制ADC测量FK-与Sense-间的电压值，记为VC0；
记得出：
MCU此时控制断开K3_2和K5。
步骤2：MCU控制K1闭合、K2断开；MCU控制闭合K3_1和K5，确定电阻值R4；
所述步骤2具体为：
控制ADC测量FK+与Sense-间的电压值，记为VA1；MCU控制断开K3_1，闭合K4_1和K5，控制ADC测量V+与Sense-间的电压，记为VB1；则
MCU将式(2)代入式(3)，计算得到：
MCU此时控制断开K4_1和K5。
步骤3：MCU控制K1断开、K2闭合；MCU控制闭合K3_2和K5，确定电阻值R3；
所述步骤3具体为：
控制ADC测量FK-与Sense-间的电压值，记为VC2；MCU控制断开K3_2，闭合K4_1和K5，控制ADC测量V+与Sense-间的电压，记为VB2；
MCU此时可求出：
MCU此时控制断开K4_1和K5。
步骤4：MCU将确定的R1～R4存入非易失存储器，并与先前存储的支臂电阻的值作比较，确定是否在允许的误差范围内，进而得出故障诊断结果，并将结果通过WIFI模块上传到计算机。
具体实施例二：
本申请实施例二与实施例一的区别仅在于：
本发明提供应变传感器故障检测方法
本发明是针对于全桥应变传感器的故障检测，故障检测原理如图1所示，V+和V-为电桥的供电电压，Sense+和Sense-为激励反馈电压，R0为低温漂标准电阻，K1、K2是开关，FK+和FK-是电桥的差分反馈信号。由于激励有长线补偿功能，所以在电桥两端的电压是标称的V0。记
VA＝VFK+-VSense-
VB＝V+-VSense-
VC＝VFK--VSense-
该电路的工作原理(以R2和R4支臂为例)：当开关K1、K2均未闭合，测量FK+与Sense-间的电压值，记为VA0，测量FK-与Sense-间的电压值，记为VC0；记则
当K1闭合，K2断开时，使全桥失去平衡，测量FK+与Sense-间的电压值，记为VA1，同时测量V+与Sense-间的电压，记为VB1，则
将式(1)代入式(3)得
同理，当K1断合，K2闭合时，使全桥失去平衡，测量FK-与Sense-间的电压值，记为VC2，同时测量V+与Sense-间的电压，记为VB2可以求出
将求得的R1～R4与支臂的电阻的先前存储值作比较，确定是否在允许的误差范围内，进而可以进行故障诊断。
本发明提供一种应变传感器故障诊断装置，应变传感器故障诊断装置原理框图如图2所示，主要包括开关单元、采集单元(ADC)、MCU单元以及WIFI模块单元。其中，开关单元实现标准电阻R0(低温漂标准电阻)分时接入测量电路，以及不同信号分时切入采集单元；ADC单元实现模数转换；MCU实现对ADC和WIFI的控制，以及完成数据处理，并将处理结果通过WIFI上传到计算机；WIFI模块实现计算机与MCU间的TCP/IP协议的无线通信；激励单元具有长线补偿功能，实现对应变传感器的精确供电，确保传感获得的电压为V0。K1～K5选用模拟开关TMUX6219实现，ADC选用芯片ADS125H02实现，MCU选用STM32F103实现，WIFI模块选用ALK8266WIFI组件实现。
测量装置的故障诊断具体实现步骤如下：
(1)MCU控制K1、K2均断开。MCU控制闭合K3_1和K5，控制ADC测量FK+与Sense-间的电压值，记为VA0；MCU控制断开K3_1，闭合K3_2和K5，控制ADC测量FK-与Sense-间的电压值，记为VC0；记根据式(1)和式(2)得出：
MCU控制断开K3_2和K5；
(2)MCU控制K1闭合、K2断开。MCU控制闭合K3_1和K5，控制ADC测量FK+与Sense-间的电压值，记为VA1；MCU控制断开K3_1，闭合K4_1和K5，控制ADC测量V+与Sense-间的电压，记为VB1，则
MCU将式(4)代入式(6)，计算得
MCU控制断开K4_1和K5；
(3)MCU控制K1断开、K2闭合。MCU控制闭合K3_2和K5，控制ADC测量FK-与Sense-间的电压值，记为VC2；MCU控制断开K3_2，闭合K4_1和K5，控制ADC测量V+与Sense-间的电压，记为VB2，MCU同样可以求出
MCU控制断开K4_1和K5；
(4)MCU将求得的R1～R4存入非易失存储器，并与先前存储的支臂电阻的值作比较，确定是否在允许的误差范围内，进而得出故障诊断结果，并将结果通过WIFI模块上传到计算机。
本发明基于标准电阻R0和切换开关使电桥进入不平衡状态，从而实现应变传感器故障检测的基本方法。
采用开关实现可程控切换的测量通道(开关单元)，从而满足利用一个ADC实现多路信号的测量，完成故障诊断所需数据的采集。
利用测量装置实现故障诊断的具体实现步骤，分为4步，每步实现对应的功能。
具体实施例三：
本申请实施例三与实施例二的区别仅在于：
本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断方法。
具体实施例四：
本申请实施例四与实施例三的区别仅在于：
本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
以上所述仅是一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置及方法的优选实施方式，一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置及方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置，其特征是：所述装置包括开关单元、采集单元、MCU、激励单元和WIFI模块；通过开关单元实现标准电阻R0分时接入测量电路，以及不同信号分时切入采集单元；通过采集单元实现模数转换；通过MCU实现对采集单元和WIFI模块的控制，以及完成数据处理，并将处理结果通过WIFI模块上传到计算机；通过激励单元具有长线补偿功能，实现对应变传感器的精确供电。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：开关单元包括K1～K5，K1～K5选用模拟开关TMUX6219。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征是：采集单元选用芯片ADS125H02实现，MCU选用STM32F103，WIFI模块选用ALK8266WIFI组件。
4.一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断方法，所述方法基于如权利要求1所述的一种风洞应变天平的应变传感器故障诊断装置，其特征是：所述方法包括以下步骤：
步骤1：通过MCU控制K1、K2均断开，MCU控制闭合K3_1和K5，确定电阻值R1和R2；
步骤2：MCU控制K1闭合、K2断开；MCU控制闭合K3_1和K5，确定电阻值R4；
步骤3：MCU控制K1断开、K2闭合；MCU控制闭合K3_2和K5，确定电阻值R3；
步骤4：MCU将确定的R1～R4存入非易失存储器，并与先前存储的支臂电阻的值作比较，确定是否在允许的误差范围内，进而得出故障诊断结果，并将结果通过WIFI模块上传到计算机。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是：所述步骤1具体为：
控制ADC测量FK+与Sense-间的电压值，记为VA0；MCU控制断开K3_1，闭合K3_2和K5，控制ADC测量FK-与Sense-间的电压值，记为VC0；
记得出：
MCU此时控制断开K3_2和K5。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述步骤2具体为：
控制ADC测量FK+与Sense-间的电压值，记为VA1；MCU控制断开K3_1，闭合K4_1和K5，控制ADC测量V+与Sense-间的电压，记为VB1；则
MCU将式(2)代入式(3)，计算得到：
MCU此时控制断开K4_1和K5。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征是：所述步骤3具体为：
控制ADC测量FK-与Sense-间的电压值，记为VC2；MCU控制断开K3_2，闭合K4_1和K5，控制ADC测量V+与Sense-间的电压，记为VB2；
MCU此时可求出：
MCU此时控制断开K4_1和K5。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是：通过开关单元实现可控切换的测量通道，从而满足利用一个采集单元实现多路信号的测量，完成故障诊断所需数据的采集。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求4-8任意一项所述的方法。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征是：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求4-8任意一项所述的方法。
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