一种电池供电式应变多维力传感器故障诊断系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器故障检测领域，为一种电池供电式应变多维力传感器故障诊断 系统，特别是一种以MSP430单片机为核心，采用恒流激励与矩阵扫测的方法实现对应变式 多维力传感器各通道测量电路的短路、断路、虚短、虚断故障进行在线自动检测的电池供电 式故障诊断系统。
【背景技术】
[0002] 应变式多维力传感器能将空间矢量力/力矩沿笛卡尔坐标系分解并输出，在科学 试验与工业自动化中被广泛应用，如风洞试验中测量飞行器模型各个方向力/力矩的风洞 应变天平、汽车综合性能试验中的车轮力传感器以及工业机器人力控作业中的腕力传感器 等等。应变式多维力传感器包含多个测量通道，每个测量通道一般由敏感元(应变梁)和测 量电路组成，每个通道的测量电路一般又由应变片搭建的惠斯顿电桥构成。测量电路的好 坏直接影响传感器的测量性能。
[0003] 应用中，多维力传感器通过接插件和线缆连接到信号采集系统，组成多维力测量 系统。然而，在实际工作环境中，特别是科学试验中，多维力测量系统往往会发生故障，导致 测量结果异常。多维力测量系统的故障既可能出现在多维力传感器上，亦可能出现在接插 件、线缆或信号采集系统上。其中，多维力传感器是最薄弱的环节，容易出现测量电路故障， 如短路、断路、虚短、虚断等。多维力传感器测量通道多，故障有可能出现在任何通道测量电 路的任何桥臂或引线上。另外，多维力传感器结构复杂、紧凑，体积较小，测量电路的布线也 就比较复杂难辨。这就使得完全通过人工的方式对多维力传感器进行故障诊断显得费时费 力、效率低下。而目前，关于多维力传感器测量电路的故障诊断主要依赖人工进行，且传感 器需从工作装置上卸载下来进行离线检测，尚无能够对其进行在线自动诊断的系统。如若 故障并非出现在多维力传感器上，复杂工作装置的拆装过程则会严重影响工作效率。
[0004] 现有文献"称重传感器的工作原理及故障检测"（王传文，化学分析计量，2002，第 11卷，第4期）、"应变式称重传感器故障检测方法及步骤"（杨青锋，衡器，2007，第1期增）、 "应变式称重传感器原理及故障检测"（刘平凡、罗俊，衡器，2010,第11期）、"电阻应变式称 重传感器原理及故障分析检测"（刘丹、高彬、郑一畅，广西轻工业，2010,第8期）中关于应变 式传感器桥路故障的检测均为通过人工借助相应的测试设备(如万用表、兆欧表等)来检测 桥路阻抗实现故障诊断。这种方法对于多维力传感器而言就很费时费力、效率低下。现有文 献"基于多层前向神经网络的应力传感器故障诊断"（张伟、郑恩让，传感器技术，2001，第4 期）中虽提及采用神经网络的办法对应力传感器进行故障诊断，但未给出具体的要诊断的 故障状况，且诊断对象不是具有多个通道的应变式多维力传感器。现有文献"Design and Implementation of a Self-Validating Pressure Sensor"（Zhigang Feng,Qi Wang,and KatsunoriShida，IEEESensorsJournal，2009，第9卷，第3期)针对应变式压力传感器米 用小波包分解法和支持向量机多级分类法对其测量数据进行一致性检验，以诊断传感器故 障，但所提方法主要用于识别传感器数据的偏置、漂移、尖峰、震荡和阻断等故障现象，而并 非诊断具体的测量电路故障类型和位置。
[0005] 为此，本发明提供一种电池供电式应变多维力传感器故障诊断系统，实现对应变 式多维力传感器测量电路的短路、断路、虚短、虚断故障进行在线自动检测。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决应变式多维力传感器测量电路故障的自动检测问题，提供一种基于 恒流激励与矩阵扫测的、能够对传感器各通道测量电路的短路、断路、虚短、虚断故障进行 在线自动检测的电池供电式故障诊断系统。
[0007] 本发明所采用的技术方案是:采用恒定电流激励(恒流激励)与矩阵扫描测量(矩 阵扫测）的方式来检测传感器各通道测量电路输出引线之间以及输出引线与传感器基体 (结构钢体)之间的电阻值以诊断传感器各通道测量电路的短路、断路、虚短、虚断的故障情 况，基于便携和在线自动诊断的需求研制相应的电池供电式故障诊断系统。具体地:系统以 MSP430单片机作为信号处理与控制核心;采用数模转换器(DAC)与压流转换(V/I)电路搭建 恒流激励电路以根据传感器应变片阻值R的大小产生合适的激励电流采用8片矩阵开关 芯片搭建矩阵开关扫描电路用于故障诊断过程中切换应变式多维力传感器的通道，以为激 励电流U是供不同的扫描回路，实现对最多8通道的传感器进行故障扫描;在故障扫描过程 中，由信号调理电路对恒流激励电路输出端的电压信号(激励电压)U e进行信号调理并送给 MSP430单片机的片上模数转换器(ADC)进行采样;MSP430单片机根据采集到的激励电压Ue 及由其计算得到的负载阻值来诊断传感器故障情况，并将诊断结果送到液晶屏上显示。故 障诊断过程中，先对短路故障情况进行循环扫测，再对断路故障情况进行循环扫测，根据多 次循环扫测结果中短路、断路故障状态出现的次数来辨别短路与虚短、断路与虚断故障情 况。短路故障扫测中，先控制矩阵开关扫描电路将恒流激励电路的激励电流的输出端逐 一接至传感器各通道测量电路的输出引线上，并将传感器的基体与恒流激励电路的激励电 流I e的返回端接通，据此根据采集到的Ue的大小判断传感器各通道输出引线是否与传感器 的基体短路;然后，控制矩阵开关扫描电路将恒流激励电路的激励电流的输出端与返回 端分别接至传感器各通道测量电路的两两引线，据此根据采集到的U e的大小判断传感器各 通道测量电路的两两引线之间是否短路;对Ue采用阈值比较法来判定短路故障，若Ue接近0， 则判定相应的扫描回路存在短路故障，否则正常。断路故障扫测中，对传感器每个通道进行 独立诊断，采用25种不同的矩阵开关扫描状态对其进行扫描，根据采集到的U e和激励电流Ie 计算其归一化负载阻值，从而得到25种扫描状态下的归一化负载阻值组合，然后通过查表 法来确定断路故障情况。其中，断路故障查询表通过仿真计算获得，针对每个测量电路的4 根输出引线和4个桥臂的共计256种断路故障组合的情况计算其在25种扫描状态下顺序扫 测时获得的归一化负载阻值的组合，然后依据归一化负载阻值组合的唯一性将断路故障情 况归纳为40类，从而建立40类断路故障与25种扫描状态下的归一化负载阻值组合的对照 表，即为断路故障查询表。对于短路和断路故障的循环扫测结果，若故障出现的次数大于〇 而小于循环扫测次数则判定为虚短或虚断，若等于循环扫测次数则判定为短路或断路。系 统硬件包括电源管理模块、恒流激励模块、矩阵开关扫描模块、信号调理模块、信号处理与 控制模块、逻辑控制模块和人机接口模块，采用9V电池供电。系统软件主要包括初始化模 块、AD采样模块、扫描控制模块、故障诊断模块、LCD显示模块、按键处理模块和主程序模块。
[0008] 本发明的工作过程为:先由人机接口模块设入应变式多维力传感器的通道数n、应 变片的阻值R和循环扫测的次数M，MSP430单片机自动据此计算并控制恒流激励模块输出合 适的激励电流I e;然后，MSP430单片机再根据短路、断路故障扫测方案控制矩阵开关扫描模 块切换恒流激励模块的激励电流的输出端和返回端与传感器各通道测量电路输出引线 以及传感器基体之间的连接状态，以对各通道测量电路进行故障扫描；由信号调理模块对 故障扫描过程中恒流激励模块输出端的电压（激励电压）仏进行放大、滤波，并将其送入 MSP430单片机的片上模数转换器(ADC)进行采样;根据采集到的激励电压Ue，MSP430单片机 分别采用K阈值比较法和归一化负载阻值查表法来判定单次扫测情况下的短路和断路故 障情况，并记录扫测结果;MSP430单片机控制系统对传感器各通道的短路和断路故障情况 分别进行Μ次循环扫测并记录扫测结果;Μ次循环扫测完成之后，MSP430单片机再根据循环 扫测结果中传感器同一位置出现故障的次数来判定短路和虚短、断路和虚断故障情况，并 将故障诊断结果传送给人机接口模块的液晶屏进行显示。
[0009] 本发明的积极效果是:能够实现对应变式多维力传感器测量电路故障进行在线自 动诊断。其特征在于:系统以MSP430单片机为核心，采用恒流激励与矩阵扫测的方法实现对 最多8个通道的应变式多维力传感器测量电路的短路、断路、虚短、虚断故障的自动检测，且 采用电池供电，功耗低、便于携带。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明系统的电路框图；
[0011] 图2是本发明的电源管理模块的电路框图；
[0012] 图3是本发明的恒流激励模块的电路框图；
[0013] 图4是本发明的矩阵开关扫描模块的电路框图；
[0014]图5是应变式多维力传感器测量电路示意图；
[0015]图6是本发明的逻辑控制模块的电路框图；
[0016] 图7是本发明的软件功能模块框图；
[0017] 图8是本发明的故障诊断模块程序流程图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和附表对本发明做进一步说明。
[0019] 本发明的设计思想是:应变式多维力传感器测量电路各桥臂、引线的短路、断路故 障均会导致其输出引线间或输出引线与传感器基体(结构钢体)之间电阻值的变化，因此， 可直接向传感器测量电路各输出引线通入恒定电流，通过检测恒流输出的电压信号来计算 其负载阻值的大小以诊断短路、断路故障。针对不同应变片阻值的传感器，本发明采用数模