振動加速度檢測中傳感器連接狀態的自動識別

0 引言
在公路橋梁等大型結構健康監測、機器狀態監測等工作中，經常需要檢測振動加速度信號。一個典型的振動加速度在線監測系統包括：加速度傳感器、振動加速度采集卡、工控機、數據庫服務器等，如圖1所示。監測系統在傳感器正常安裝和連接后，有時可能會由于施工等原因造成傳感器松脫、傳感器導線中斷等異常連接狀態；監測系統在調試階段，傳感器往往尚未連接至導線或采集板卡，也會表現為一種異常連接狀態。如果監測系統不對傳感器連接狀態加以區分，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，也有必要自動識別傳感器的連接狀態。
本文考慮振動加速度傳感器以下四種連接狀態的區分：正常安裝連接狀態；傳感器安裝松脫狀態；遠端(圖1中A點)處傳感器未連接上導線；近端(圖1中B點)處導線未連接上采集卡。

文獻對傳感器自身是否存在故障的兩類分類問題進行討論。文獻對位移傳感器的線圈斷裂、短路等完全失效性故障和松動、線圈老化等部分失效性故障兩種情況的識別問題進行討論。文獻對振動傳感器的偏置、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別問題進行討論。文獻對傳感器漂移、沖擊、干擾、短路、斷線等具體故障進行分類識別。目前，國內外尚未發現對上面提到的振動加速度傳感器四種連接狀態進行自動識別問題進行討論的文獻。

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。本文通過觀察采集的大量振動加速度傳感器四種連接狀態下的信號的頻譜，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，傳感器遠端斷開情況，由于線路較長，50Hz工頻干擾最大，見圖2(c)；對采集卡處斷開情況，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)，相對而言，松脫狀態下的高頻稍弱一點。綜合考慮，定義了如下8個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頻段總能量中的占比，50 Hz能量在三個頻段能量中的占比，大于55Hz頻段能量在三個頻段能量中的占比。
(3)特征7：熵指標。將信號頻域譜線i的幅值Ai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。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指標。