振動(dòng)加速度檢測中傳感器連接狀態(tài)的自動(dòng)識(shí)別

0 引言
在公路橋梁等大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測等工作中，經(jīng)常需要檢測振動(dòng)加速度信號(hào)。一個(gè)典型的振動(dòng)加速度在線監(jiān)測系統(tǒng)包括：加速度傳感器、振動(dòng)加速度采集卡、工控機(jī)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等，如圖1所示。監(jiān)測系統(tǒng)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(dǎo)線中斷等異常連接狀態(tài)；監(jiān)測系統(tǒng)在調(diào)試階段，傳感器往往尚未連接至導(dǎo)線或采集板卡，也會(huì)表現(xiàn)為一種異常連接狀態(tài)。如果監(jiān)測系統(tǒng)不對(duì)傳感器連接狀態(tài)加以區(qū)分，將正常連接下的數(shù)據(jù)和異常連接下的數(shù)據(jù)全部存入數(shù)據(jù)庫，則必然會(huì)給數(shù)據(jù)庫增加不必要的負(fù)擔(dān)，造成數(shù)據(jù)污染。另外，為了方便傳感器的檢修，也有必要自動(dòng)識(shí)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(qū)分：正常安裝連接狀態(tài)；傳感器安裝松脫狀態(tài)；遠(yuǎn)端(圖1中A點(diǎn))處傳感器未連接上導(dǎo)線；近端(圖1中B點(diǎn))處導(dǎo)線未連接上采集卡。

文獻(xiàn)對(duì)傳感器自身是否存在故障的兩類分類問題進(jìn)行討論。文獻(xiàn)對(duì)位移傳感器的線圈斷裂、短路等完全失效性故障和松動(dòng)、線圈老化等部分失效性故障兩種情況的識(shí)別問題進(jìn)行討論。文獻(xiàn)對(duì)振動(dòng)傳感器的偏置、沖擊、短路、開路等硬故障和漂移、50 Hz周期干擾等軟故障兩種情況的識(shí)別問題進(jìn)行討論。文獻(xiàn)對(duì)傳感器漂移、沖擊、干擾、短路、斷線等具體故障進(jìn)行分類識(shí)別。目前，國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)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(shí)別問題進(jìn)行討論的文獻(xiàn)。

1 加速度信號(hào)特征參數(shù)的定義
文獻(xiàn)利用小波包分解提取各頻段的能量作為特征。本文通過觀察采集的大量振動(dòng)加速度傳感器四種連接狀態(tài)下的信號(hào)的頻譜，提出了自己的一組參數(shù)作為識(shí)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(hào)頻譜的示例。從圖中可看出，傳感器遠(yuǎn)端斷開情況，由于線路較長，50Hz工頻干擾最大，見圖2(c)；對(duì)采集卡處斷開情況，沒有太突出的50 Hz工頻干擾，各種干擾和噪聲成分最為豐富和復(fù)雜，見圖2(d)；傳感器正常連接和傳感器松脫情況下的頻譜最相似，見圖2(a)和圖2(b)，相對(duì)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(shù)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(biāo)。將信號(hào)頻域譜線i的幅值A(chǔ)i除以頻域所有譜線的幅值之和得到該譜線的廣義“概率”值pi，定義頻譜熵指標(biāo)。此熵指標(biāo)反映了頻域信號(hào)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(biāo)應(yīng)最大。
(4)特征8：重心頻率。在信號(hào)頻域定義譜重心頻率。此指標(biāo)為整體上反映信號(hào)頻率高低的一個(gè)指標(biāo)。