振動(dòng)加速度檢測中傳感器連接狀態(tài)的自動(dòng)識別

摘要：在振動(dòng)加速度檢測中，如果系統不能對傳感器連接狀態(tài)加以自動(dòng)區分，將正常連接狀態(tài)下的數據和異常連接狀態(tài)下的數據全部存入數據庫，則必然會(huì )給數據庫增加不必要的負擔，造成數據污染；另外，為了傳感器檢修的便利，也有必要自動(dòng)識別傳感器的連接狀態(tài)。對振動(dòng)加速度檢測中傳感器四種連接狀態(tài)的自動(dòng)識別方法進(jìn)行了研究：定義了表征不同傳感器連接狀態(tài)的加速度信號數字特征，結合基于LDA的特征降維和最近鄰分類(lèi)器來(lái)實(shí)現自動(dòng)識別。實(shí)驗顯示，提出的振動(dòng)加速度傳感器四種連接狀態(tài)的自動(dòng)識別方法是有效的。
關(guān)鍵詞：振動(dòng)加速度檢測；傳感器連接狀態(tài)；自動(dòng)識別；特征提??；近鄰法

0 引言
在公路橋梁等大型結構健康監測、機器狀態(tài)監測等工作中，經(jīng)常需要檢測振動(dòng)加速度信號。一個(gè)典型的振動(dòng)加速度在線(xiàn)監測系統包括：加速度傳感器、振動(dòng)加速度采集卡、工控機、數據庫服務(wù)器等，如圖1所示。監測系統在傳感器正常安裝和連接后，有時(shí)可能會(huì )由于施工等原因造成傳感器松脫、傳感器導線(xiàn)中斷等異常連接狀態(tài)；監測系統在調試階段，傳感器往往尚未連接至導線(xiàn)或采集板卡，也會(huì )表現為一種異常連接狀態(tài)。如果監測系統不對傳感器連接狀態(tài)加以區分，將正常連接下的數據和異常連接下的數據全部存入數據庫，則必然會(huì )給數據庫增加不必要的負擔，造成數據污染。另外，為了方便傳感器的檢修，也有必要自動(dòng)識別傳感器的連接狀態(tài)。
本文考慮振動(dòng)加速度傳感器以下四種連接狀態(tài)的區分：正常安裝連接狀態(tài)；傳感器安裝松脫狀態(tài)；遠端(圖1中A點(diǎn))處傳感器未連接上導線(xiàn)；近端(圖1中B點(diǎn))處導線(xiàn)未連接上采集卡。

的特征值分解，確定K-L變換的本征向量U’和本征值Λ’，取d個(gè)最大本征值對應的本征向量為W，即W=[u1，u2，…，ud]，后文取d=3。
(5)求特征變換降維后的最終樣本Y1。令Y1=W’Y則得到降維后的樣本。
2．2 分類(lèi)識別
基于降維后的學(xué)習樣本，可以設計分類(lèi)器，以對傳感器四種連接狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)識別。本文采用簡(jiǎn)單有效而被廣泛采用的近鄰法(Nearest Neighbor Classification)來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。即將降維后的學(xué)習樣本作為標準樣本，將每次新獲得的8維原始樣本通過(guò)預先確定的降維矩陣B和W降維為待檢樣本；然后，在標準樣本中找出與待檢樣本距離最近的樣本，將其類(lèi)別確定為待檢樣本的類(lèi)別。

3 實(shí)驗與結果
實(shí)驗是用一ICP加速度傳感器檢測工控機開(kāi)機時(shí)上表面的振動(dòng)，采集卡采用的是NI公司的4474卡，見(jiàn)圖1。實(shí)驗中模擬的加速度傳感器的四種連接狀態(tài)的具體形式是：
(1)傳感器吸在工控機上表面并與4474正常連接；
(2)傳感器松放在工控機上表面并與4474正常連接；
(3)傳感器端與導線(xiàn)的接頭斷開(kāi)；
(4)4474端與導線(xiàn)的接頭斷開(kāi)。每種狀態(tài)下共采集50組數據，采樣率均為10 kHz，采樣長(cháng)度為100 000個(gè)點(diǎn)。

用四種狀態(tài)下的前30組數據進(jìn)行學(xué)習。按第1節的方法計算這些數據的原始特征，形成8維的原始特征向量。按第2節的方法分別求出白化變換矩陣B、本征向量U’和本征值Λ’；從式(6)中的最后三個(gè)特征值很大可知，降維后的維數應取d=3。降維后的最終學(xué)習樣本集Y1(3×120矩陣)見(jiàn)圖3。由圖3可知，四類(lèi)連接狀態(tài)的學(xué)習樣本在降維之后能完全分開(kāi)。

用四種狀態(tài)下的后20組數據進(jìn)行分類(lèi)測試。首先計算每組數據的8個(gè)原始特征，基于學(xué)習階段確定的降維矩陣對每個(gè)樣本進(jìn)行降維，這里降為3維；然后，與標準樣本——學(xué)習樣本進(jìn)行一一比對。結果顯示，方法對四種狀態(tài)下的每個(gè)測試樣本都能正確分類(lèi)識別，測試正確率為100％。

4 結論
本文定義了表征振動(dòng)加速度傳感器連接狀態(tài)的8個(gè)特征，并結合基于可分性判據的特征降維和近鄰法分類(lèi)，形成了識別振動(dòng)加速度傳感器四種連接狀態(tài)(正常連接、松脫、遠端導線(xiàn)斷開(kāi)、近端導線(xiàn)斷開(kāi))的一種方法或者說(shuō)途徑。實(shí)驗顯示所提方法切實(shí)有效。相信該方法在結構健康監測、機器狀態(tài)監測等中大有可為，通過(guò)自動(dòng)識別振動(dòng)加速度傳感器的連接狀態(tài)，可避免系統調試及使用過(guò)程中出現的異常連接數據進(jìn)入數據庫，造成數據污染、增加數據庫負擔；同時(shí)，該方法也可為傳感器的檢修提供參考。