振動(dòng)加速度檢測中傳感器連接狀態(tài)的自動(dòng)識別

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。

文獻對傳感器自身是否存在故障的兩類(lèi)分類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行討論。文獻對位移傳感器的線(xiàn)圈斷裂、短路等完全失效性故障和松動(dòng)、線(xiàn)圈老化等部分失效性故障兩種情況的識別問(wèn)題進(jìn)行討論。文獻對振動(dòng)傳感器的偏置、沖擊、短路、開(kāi)路等硬故障和漂移、50 Hz周期干擾等軟故障兩種情況的識別問(wèn)題進(jìn)行討論。文獻對傳感器漂移、沖擊、干擾、短路、斷線(xiàn)等具體故障進(jìn)行分類(lèi)識別。目前，國內外尚未發(fā)現對上面提到的振動(dòng)加速度傳感器四種連接狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)識別問(wèn)題進(jìn)行討論的文獻。

1 加速度信號特征參數的定義
文獻利用小波包分解提取各頻段的能量作為特征。本文通過(guò)觀(guān)察采集的大量振動(dòng)加速度傳感器四種連接狀態(tài)下的信號的頻譜，提出了自己的一組參數作為識別的原始特征集。

圖2為四種傳感器連接狀態(tài)下采集的加速度信號頻譜的示例。從圖中可看出，傳感器遠端斷開(kāi)情況，由于線(xiàn)路較長(cháng)，50Hz工頻干擾最大，見(jiàn)圖2(c)；對采集卡處斷開(kāi)情況，沒(méi)有太突出的50 Hz工頻干擾，各種干擾和噪聲成分最為豐富和復雜，見(jiàn)圖2(d)；傳感器正常連接和傳感器松脫情況下的頻譜最相似，見(jiàn)圖2(a)和圖2(b)，相對而言，松脫狀態(tài)下的高頻稍弱一點(diǎn)。綜合考慮，定義了如下8個(gè)特征參數作為原始特征：
(1)特征1、特征2、特征3分別為：0～45 Hz頻段能量，50 Hz能量，大于55 Hz頻段能量。
(2)特征4、特征5、特征6分別為：0～45 Hz頻段能量在以上三個(gè)頻段總能量中的占比，50 Hz能量在三個(gè)頻段能量中的占比，大于55Hz頻段能量在三個(gè)頻段能量中的占比。
(3)特征7：熵指標。將信號頻域譜線(xiàn)i的幅值Ai除以頻域所有譜線(xiàn)的幅值之和得到該譜線(xiàn)的廣義“概率”值pi，定義頻譜熵指標。此熵指標反映了頻域信號能量的集中和分散程度，頻譜能量分布越分散，則熵越大；圖1(d)昕示情況下的熵指標應最大。
(4)特征8：重心頻率。在信號頻域定義譜重心頻率。此指標為整體上反映信號頻率高低的一個(gè)指標。