CN102027339B - 用于传感器及放大器的原位测试的全功能测试 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于换能器原位试验的方法和装置，所述换能器包括感应元件以及相关的调节前置放大器。本发明能借助于换能器电路更高的集成度来评价整个换能器的特征。可以从远程中央位置执行测试而不需要附加的电线，并且同时换能器处于工作环境中。测试通过在换能器输出信号的电线上将测试信号与测试序列控制信号叠加，因此提供灵活性又不失简便性。基于来自远程测试发生器的发送信号，测试发送信号通过换能器中的附加电路解释并且被路由到调节前置放大器的输入端，并且由测试信号产生的信号能在远程分析系统中进行分析以完成被测换能器的质量测试。

Description

用于传感器及放大器的原位测试的全功能测试

技术领域

本发明涉及用于传感器及相关放大器的原位测试的装置和方法，特别涉及用于反应传感器及所述传感器的放大器的测试的装置和方法，还涉及传感器和构成换能器的放大器。

背景技术

传感器及换能器广泛用在需要测量、收集或分析物理特性的用于数据采集的系统中。特性的测量和收集能被用于立即使用或用于统计目的和分析，并且还能进一步用于监测或评价目的。

为了能够利用感应到的信号，可以对信号本身应用某种调节。因此传感器应理解为感应元件，且换能器通常指的是感应元件和用于以可用方式对感应到的信号进行调节和传递的装置，如前置放大器电路，并且在本文中这就是术语换能器的含义。

在这种领域中的传感器能基于若干不同的元件以及原理，例如压电的，压阻的，电容的或者磁电阻的。

在仪表化及其它领域的使用中通常最为重要的是，包含有传感器、换能器以及相关装备的系统能进行现场测试，以便对于可信赖信息的收集高度可靠。为实现该目的已进行了若干尝试。

WO 95/06259及US 5753793中公开了一种系统，其中压电换能器从发电机中退出并且分析产生的换能器的振铃。这种直接的方法能工作于可将感应设备置于振荡状态的系统中，但是换能器系统的特征不完整且应用中所需的控制系统需要进行单独安装。

WO 86/04137中公开了一种包括共同建立的主要及辅助换能器的系统。辅助压电换能器能被引入的电信号供给能量并因此产生要由主要压电换能器拾取的机械激励。差分信号就是测量得到的信号，并且在没有信号或是故障信号的情形中，所述换能器易受到外界影响。这种系统将需要相当多的专用硬件和常规电路两倍的电缆。

US 6698269公开了一种用于换能器测试的系统，借助于连接到用于测试的传感器-放大器接点的内置测试信号发生器以及借助于将放大器断开以分析换能器。该系统基于借助发生器产生合适的电信号而将传感器元件退出的想法。原位的前置放大器没有进行测试，并且系统的实施以及控制都是仍待解决的问题。

US 5400297公开了一种方法和系统，其用于将测试信号通过相对小的电容器注入用于声学设备及传感器的前置放大器入口的节点。该系统需要除了带有普通信号电缆之外还带有极高质量电缆的单独接点，其尽管也适用于电荷类型传感器，但主要设计用于电容电压式传感器。

发明内容

基于这样的背景，本发明的目的是提供一种装置及方法，其用于测试及描述完整的传感器系统，换能器系统和放大器系统的特征，该装置和方法解决了现有技术中的问题和争论点，且同时提供了迄今未见的传感器以及不带有现有技术中相关额外附件、电缆及装备的相关电路的详细特征。本发明提供了用于从中央控制单元远程测试换能器阵列的装置及方法。由于换能器本身的集成度更高，本发明在使用中更简单且通用。本发明的原理大体上依赖于换能器中感应元件的阻抗测试，其借助于用于感应元件调节的放大器电路。通过将适合的测试信号引入传感器-调节前置放大器中，可以分析传感器以及调节前置放大器的电特性，其中传感器或作为反馈电路的一部分或者以增益依赖的方式进行连接。所述引入通过从外部控制源及外部测试发生器产生的电流来调制在换能器输出终端上的电流而发生。外部控制源在换能器输出终端上的电流调制可以被拾取并在嵌入在换能器中的模式控制电路中解码。通过外部测试信号在换能器输出终端上的电流调制在能够作为前置放大器中的电压测量电流的电路中反映，在该电路中可得到源于测试发送信号的残余电流。模式控件控制开关，所述开关判断测试信号是否路由至前置放大器的输入端，以用于完整的换能器及相关电路的测试。可应用的传感器的示例可以是但并不限于电容的，磁阻的，感应的及压电的传感器和处于电荷或电压输入模式的双线或者三线或多线型的前置放大器。下面将详细描述示意形式的结构及一些代表性实施例。

附图说明

图1是双线电荷耦合装置的示意图，包括传感器、前置放大器、电缆阻抗、电流源以及到分析器输入端的接线。

图2是三线电压耦合装置的示意图，包括传感器、前置放大器、电缆阻抗、恒压源、电流源以及到分析器输入端的接线。

图3以示意形式示出了本发明披露的换能器实施方式的家族图，不过其他的实施方式也可以适用。项目1和2对应于两个详细描述的实施例。

图4是本发明的功能图，其中示出了本发明的基本元件及其相互连接。

具体实施方式

图1展示了图3中项目1的示意图，其中表示出能够描述本发明的该实施例所需的一个示例换能器以及附加电路。传感器PE1是压电型，由其电荷灵敏度Q及Zpe1表征。换能器工作在本领域技术人员都知道的电荷模式。传感器PE1耦合到带有反馈电容C1的运算放大器U1的反相输入端。偏压VREF1通过R3反馈到放大器U1的非反相输入端。这样就构成了基本的电荷耦合换能器。本领域众所周知，放大器的电源可以是从电流发生电路产生的恒定电流Is。通过这种方式，来自传感器PE1的信号由放大器U1放大，且作为叠加了从电流馈电Is产生的电压的电压呈现在输出端。本实施例的特征在于双线电荷恒流线路驱动型换能器，其带有作为感应元件的压电加速度计，在图3的结构图中作为项目1也示出了。传递函数是：

$\frac{\mathrm{Vin}\left(\mathrm{\ω}\right)}{Q}=\frac{1}{C1(1+\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·R1\·C1})\·(1+j\·\mathrm{\ω}\·\mathrm{Rc}\·\mathrm{Cc})}$

Q是C/Unit中的电荷灵敏度

Rc是电缆串联电阻

Cc是电缆电容

在INPUT1处的Vin电压与换能器经过电缆阻抗后的输出相等。

ω＝2·π·频率

电流流入U1上的OUT，给U1提供电源，且残余电流流过电流测量电路R，在终端CM上作为成比例的电压得到。当电流信号Ig由发生器提供且与电源电流Is叠加时，所述电流测量电路R在终端CM上作为叠加的电压得到它。当开关2将耦合电容C2与地GND连接，换能器工作在普通模式。当开关2位于交替的测试模式位置，从叠加的Is与Ig得到的电压通过耦合电容C2连接到放大器U1的非反相输入端。由于耦合电容C2将过滤掉直流分量，只有交流电信号才可到达放大器U1上的非反相输入端。该模式的传递函数是：

$\frac{\mathrm{Vin}\left(\mathrm{\ω}\right)}{\mathrm{Ig}}=[1+\frac{1}{\mathrm{Zp}\·j\·\mathrm{\ω}\·C1(1+\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·R1\·C1})}]\·\frac{R}{(1+\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·R3\·C2})\·{(1+j\·\mathrm{\ω}\·\mathrm{Rc}\·\mathrm{Cc})}^2}$

其中压电传感器的阻抗是Zp＝Zpe1||R2。可以看出上述传递函数取决于Zp。在换能器是压电加速度计的情形中，其特征是具有共振频率。为了借助于这种类型的换能器获得足够的测量精确度，需要将加速度计安装在平面和清洁的表面上，且螺铨连接的紧固力矩必须合适。当紧固力矩减少时，共振频率降低直到没有连接存在并且共振频率此时成为自由共振频率。当共振频率与校准图表的指示很接近时，意味着加速度计充分地安装好了。由于Zpe1取决于共振频率，而共振频率能通过以上表明的测试信号的引入而测出。通过该方法能够测量加速度计阻抗(电容，共振以及耦合参数)，总增益，低频截止以及电缆阻抗。探测基于分析换能器响应的1-通道分析器，或者是2-通道分析器，其中计算测试信号及换能器响应之间的传递函数。使用2-通道分析的优点是具有较好的信噪比、相位信息以及对振动信号的抑制。

图2以及图3的项目2示出了另一个实施例。图2示出为了描述本发明的该实施例所需的一个示例换能器以及附加电路。传感器MIC是电容式传声器，由其电压灵敏度Vm以及阻抗Zm表征。换能器工作在本领域技术人员都知道的电压模式。在该实施例中，传声器耦合到单位增益模式中并由反馈阻抗Z11表征的运算放大器U22的非反相输入端。偏压VREF7经由R12反馈到放大器U22的非反相输入端。该实施例中前置放大器的电源反馈到U22上的电源供给脚pw。这样就构成了在三线换能器电路中工作的基本电压耦合单位增益换能器。放大器U22用作电流线路驱动放大器，其中来自传感器MIC的信号由放大器U22放大，并且以电流的形式呈现在输出端。传递函数是：

$\frac{\mathrm{Vin}\left(\mathrm{\ω}\right)}{\mathrm{Vm}}=\frac{1}{(1+\frac{\mathrm{Zm}}{R12})\·(1+j\·\mathrm{\ω}\·\mathrm{Rc}\·\mathrm{Cc})}$

Vm是V/Unit中的压力灵敏度

Vin是INPUT7上的电压

Rc是电缆串联电阻

Cc是电缆电容

Zm是传声器阻抗

ω＝2·π·频率

图2中还示出了连接在U22上的CM与地线之间的R4，和经由开关2能连接到U22上的输出终端OUT或是U22上的终端CM的Cg1。由于放大器U22工作在电流线路驱动模式，电流Ig1能在输出终端与信号电流叠加。放大器上的终端CM构成经由电流测量电路R4得到与输出终端电流成比例的电压的输出端。在该实施例，示出的电容器Cg1构成在作为输入电容补尝的传声器结构中的物理电容，其被称作保护电容器。当开关2将电容器Cg1连接到U22上的OUT时，换能器工作在普通模式。当开关2在交替的测试模式位置时，从叠加的Is以及Ig中得到的电压经由保护电容器Cg1连接到放大器U22的非反相输入端，过滤掉直流分量且仅将交流电流信号传递到U22的非反相输入端。这种模式的传递函数是：

$\frac{\mathrm{Vin}\left(\mathrm{\ω}\right)}{\mathrm{Ig}}=\frac{R\·\mathrm{Zm}1}{(\mathrm{Zm}1+\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·\mathrm{Cg}})\·{(1+j\·\mathrm{\ω}\·\mathrm{Rc}\·\mathrm{Cc})}^2}$

其中Zm1＝Zm||Z12

可以看出上述传递函数取决于Zm。通过该方法能够测量传声器阻抗(电容以及共振)，总增益，低频截止以及电缆阻抗。探测可基于分析换能器响应的1-通道分析器，或者是2-通道分析器，其中计算测试信号及换能器响应之间的传递函数。使用2-通道分析的优点是具有较好的信噪比、相位信息以及对声学信号的抑制。

由于本发明依赖于转换开关2在普通操作与测试模式之间的改变，且其声称不需要附加的电线就可实现，本发明——除了根据描述的调节放大器以及转换电路之外——还包括模式控制系统，用于对要叠加在输出线路上的控制信号进行解码。图1及图2a中示出了电流发生器Ic。该电流发生器Ic由测试发生器电路控制且取决于来自Ic的电流改变的定时，前置放大器GNDSC中的解码电路将传递信号给开关2以在普通运行与测试模式之间改变。

图4是本发明功能元件及其相互连接的概要示意图。传感器1与调节前置放大器2连接。放大器2与线路驱动3连接，并且与远程测量装备前端/分析器8电缆连接。电流发生器7可连接到线路驱动3的输出端，其中电流测量电路5监测线路驱动3输出端中的电流。来自电流发生器7的引入电流由在电线连接到测试信号开关4的测试信号以及电线连接到模式控制6的测试控制信号中得到，模式控制6接着控制测试信号开关4向调节前置放大器2引入所得到的信号。

Claims (9)

1.一种用于换能器测试的方法，所述换能器包括传感器以及相关的调节前置放大器，所述方法借助于将测试信号引入所述前置放大器的输入端，其特征在于，控制信号在所述前置放大器的局部电路中进行解码且使得所述测试信号能够路由到所述前置放大器的所述输入端，并且所述测试信号和所述控制信号在相同的换能器终端叠加并构成测试信令，因此可从远程位置详细分析所述换能器的电特性。

2.如权利要求1所述的用于换能器测试的方法，其特征在于，所述测试信令经由所述换能器的输出终端引入且叠加在所述换能器的输出终端上。

3.如权利要求1或2所述的用于换能器测试的方法，其特征在于，所述测试信令从中央发生器远程地引入。

4.如权利要求1或2所述的用于换能器测试的方法，其特征在于，基于解码后的控制信号对所述测试信令进行解码且将所述测试信号路由到所述前置放大器的输入端。

5.如权利要求4所述的用于换能器测试的方法，其特征在于，所述测试信号路由到所述前置放大器的非反相输入端。

6.一种用于换能器测试的装置，包括传感器以及相匹配的调节前置放大器，其特征在于，所述装置还包括：线路驱动、电流测量电路、测试信号开关以及模式控制，

其中，传感器连接到调节前置放大器，调节前置放大器连接到线路驱动并且与远程测量装备前端/分析器电缆连接，电流发生器连接到线路驱动的输出端，电流测量电路监测线路驱动输出端中的电流，来自电流发生器的引入电流由在电线连接到测试信号开关的测试信号以及电线连接到模式控制的测试控制信号中得到，模式控制接着控制测试信号开关向调节前置放大器引入所得到的信号。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述前置放大器的电源是恒流源且所述前置放大器的输出信号与所述恒流源叠加。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述前置放大器的电源是恒压源且所述前置放大器的输出信号与所述恒压源分开连线。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述测试信号及所述测试控制信号与所述前置放大器的输出信号叠加。

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