CN103884265B - 一种位移传感器故障检测电路及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位移传感器故障检测电路及其控制系统。所述位移传感器故障检测电路包括电源电路以及短路、断路、供电失效三种故障检测电，故而包括电源Vcc1～Vcc2、电阻R1、电阻R3～R5、晶体管Q1～Q3。短路故障检测电路的输入端为位移传感器故障检测电路的信号输入端并经由R1、Vcc1接地，而输出端为位移传感器故障检测电路的信号输出端。Q1基极经由R3连接信号输入端，Q1发射极连接Vcc1正极，Q1集电极经由R4接地。Q2基极连接Q1集电极，Q2发射极连接Vcc1正极，Q2集电极连接信号输出端。Q3发射极连接Vcc1正极，Q3集电极连接信号输出端，Q3基极经由电阻R5连接Vcc2正极。

Description

一种位移传感器故障检测电路及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种检测电路及安装有所述检测电路的控制系统，尤其涉及一种位移传感器故障检测电路及其安装有所述位移传感器故障检测电路的控制系统。

背景技术

位移传感器是一种用于感知机械物体的位置移动(包括直线运动和转动)并转化为电信号输出的线性器件，在工业自动机械和车辆自动执行器上应用广泛，比如用在加速踏板上用于反映踏板位置变化，用在自动离合器执行器上用于反映离合器的接合和分离位置变化等。在这些自动控制中，位移是一个很重要的反馈量，直接影响到控制质量和系统安全。而位移传感器是一种电子器件，易受机械和电气等影响造成损坏，因此必须对位移传感器的信号故障进行检测，以便实施相应的保护策略，从而保证系统的安全运行。

位移传感器有模拟式和数字式两种，模拟式结构在成本和精度上具有优势，因此在自动控制中使用模拟式的居多。从内部结构来看，模拟式位移传感器又分为电位器式、电感式、电涡流式、霍尔式等结构，但由于输出信号均为电压信号，信号处理原理均相似。

此类传感器信号故障主要有3种：

1、信号发生断路；

2、信号发生短路，即对地短路或者对电源正极短路；

3、传感器供电失效，造成信号不准确。

目前在本领域和相似领域中实现故障检测的方法主要涉及上述第1和第2种故障，如中国发明专利公开了一种电平型信号断线故障的检测装置(专利申请号CN201010263887.5)，主要解决模拟信号断线故障的检测问题，但这种方法是在原模拟信号处理电路中额外增加了一套检测电路，同时需要多占用处理芯片的一个I/O资源，实施方式不够便利。另外，在该专利中未涉及对信号从断线开始到被检测到故障的这一过程的探讨，检测速度无法保证。实际上，如果检测速度过慢，系统将无法及时进入故障保护模式，在这期间继续使用错误的信号进行错误的控制，将有可能损坏系统元件并带来危险。

再如更常见的有利用冗余原理的检测方法，即使用具有双路信号输出的传感器，该双路信号具有一定函数关系，用于相互校验，当这两路信号的函数关系出现较大偏差时则认为有故障。这种方法虽然可以检测上述第1和第2种故障，但实际是利用了概率原理，即认为两路信号同时发生故障的概率很低，因此无法保证100％的准确率。同时对于上述的第3种故障，这种方法也无法有效检出，因为发生传感器供电失效故障时，两路信号的函数关系可能不会发生较大偏差，但两路信号都是错误的。另外这种方法由于增加了1倍的相应元件和电路，还有成本高的缺点。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提出一种具有对位移传感器信号的短路、断路和供电失效故障进行快速检测的位移传感器故障检测电路及其安装有所述位移传感器故障检测电路的控制系统。

本发明是这样实现的，一种位移传感器故障检测电路，其包括短路故障检测电路、断路故障检测电路、供电失效故障检测电路、电源电路；其中，

所述电源电路包括电源Vcc1、电源Vcc2、电阻R1，电源Vcc1的正极连接电阻R1的一端，电源Vcc1的负极接地；

所述短路故障检测电路为低通滤波器，所述低通滤波器的输入端为所述位移传感器故障检测电路的信号输入端并连接电阻R1的另一端，所述信号输入端连接位移传感器用于接收所述位移传感器信号，所述低通滤波器的输出端为所述位移传感器故障检测电路的信号输出端，所述信号输出端连接至与所述位移传感器配套使用的控制系统的数/模端口；

所述断路故障检测电路包括晶体管Q1、晶体管Q2、电阻R3、电阻R4，晶体管Q1的基极经由电阻R3连接所述信号输入端，晶体管Q1的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q1的集电极经由电阻R4接地，晶体管Q2的基极连接晶体管Q1的集电极，晶体管Q2的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q2的集电极连接所述信号输出端；

所述供电失效故障检测电路包括晶体管Q3、电阻R5，晶体管Q3的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q3的集电极连接所述信号输出端，晶体管Q3的基极经由电阻R5连接电源Vcc2的正极，电源Vcc2的负极接地。

作为上述方案的进一步改进，所述短路故障检测电路包括电阻R2、电容C1，电阻R2的一端为所述位移传感器故障检测电路的信号输入端并连接电阻R1的另一端，电阻R2的另一端为所述位移传感器故障检测电路的信号输出端并经由电容C1接地。优选地，电阻R2为限流电阻，电容C1为滤波电容。

作为上述方案的进一步改进，电阻R1为上拉电阻，电阻R4为下拉电阻。

作为上述方案的进一步改进，晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3均为PNP型三极管。

本发明还提供一种控制系统，其包括处理电路、位移传感器以及用于检测所述位移传感器是否存在故障的位移传感器故障检测电路，所述处理电路根据所述位移传感器故障检测电路的检测信号判断故障检测，所述位移传感器故障检测电路包括短路故障检测电路、断路故障检测电路、供电失效故障检测电路、电源电路；其中，

所述电源电路包括电源Vcc1、电源Vcc2、电阻R1，电源Vcc1的正极连接电阻R1的一端，电源Vcc1的负极接地；

所述短路故障检测电路为低通滤波器，所述低通滤波器的输入端为所述位移传感器故障检测电路的信号输入端并连接电阻R1的另一端，所述信号输入端连接所述位移传感器用于接收所述位移传感器信号，所述低通滤波器的输出端为所述位移传感器故障检测电路的信号输出端，所述信号输出端连接与所述处理电路的数/模端口；

所述断路故障检测电路包括晶体管Q1、晶体管Q2、电阻R3、电阻R4，晶体管Q1的基极经由电阻R3连接所述信号输入端，晶体管Q1的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q1的集电极经由电阻R4接地，晶体管Q2的基极连接晶体管Q1的集电极，晶体管Q2的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q2的集电极连接所述信号输出端；

所述供电失效故障检测电路包括晶体管Q3、电阻R5，晶体管Q3的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q3的集电极连接所述信号输出端，晶体管Q3的基极经由电阻R5连接电源Vcc2的正极，电源Vcc2的负极接地。

作为上述方案的进一步改进，所述短路故障检测电路包括电阻R2、电容C1，电阻R2的一端为所述位移传感器故障检测电路的信号输入端并连接电阻R1的另一端，电阻R2的另一端为所述位移传感器故障检测电路的信号输出端并经由电容C1接地。优选地，电阻R2为限流电阻，电容C1为滤波电容。

作为上述方案的进一步改进，电阻R1为上拉电阻，电阻R4为下拉电阻。

作为上述方案的进一步改进，所述处理电路为单片机或具有A/D转换功能的集成电路。

综上所述，本发明具备以下特点：

1、上拉电阻R1用于稳定输入端的状态，优选地，其电阻值可以通过匹配，使之远远大于位移传感器的内阻，从而不会显著影响输入端的信号；

2、限流电阻R2和滤波电容C1组成一个低通滤波器，可以过滤传感器信号受到的高频干扰；优选地，限流电阻R2和滤波电容C1的参数可以通过匹配，使得在信号发生短路时迅速改变所述信号输出端的状态，达到快速检测信号短路故障的目的；

3、晶体管Q1、晶体管Q2、电阻R3、电阻R4共同作用，用于在信号发生断路时迅速改变所述信号输出端的状态，达到快速检测信号断路故障的目的；

4、晶体管Q3、电阻R5共同作用，用于在位移传感器供电失效时(即电源Vcc1和电源Vcc2偏差较大时)迅速改变所述信号输出端的状态，达到快速检测传感器供电失效故障的目的。

与现有技术相比，本发明能够在原有模拟信号处理电路的基础上对信号的短路、断路和供电失效三种故障进行快速、有效的检测，且具有线路简单、易于实施的优点。

附图说明

图1为本发明较佳实施方式提供的位移传感器故障检测电路的电路示意图。

主要符号说明：位移传感器故障检测电路1、位移传感器2、处理电路3、短路故障检测电路4、断路故障检测电路5、供电失效故障检测电路6、电源电路7、信号输入端8、信号输出端9、电源Vcc1～Vcc2、电阻R1～R5、电容C1、晶体管Q1～Q3。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明较佳实施方式提供的位移传感器故障检测电路1应用于控制系统中用于快速检测位移传感器2输出信号，所述控制系统还包括处理电路3。处理电路3根据位移传感器故障检测电路1检测信号快速判断位移传感器2的短路故障、断路故障、供电失效故障三种故障。在本实施方式中，处理电路3采用单片机实现，在其他实施方式中，处理电路3也可为具有A/D转换功能的集成电路。

位移传感器故障检测电路1包括短路故障检测电路4、断路故障检测电路5、供电失效故障检测电路6、电源电路7。

电源电路7包括电源Vcc1、电源Vcc2、电阻R1。电源Vcc1的正极连接电阻R1的一端，电源Vcc1的负极接地。在本实施方式中，电阻R1为上拉电阻。上拉电阻R1用于稳定位移传感器故障检测电路1的信号输入端8(如下介绍)的状态，优选地，上拉电阻R1电阻值可以通过匹配，使之远远大于位移传感器2的内阻，从而不会显著影响信号输入端8的信号。

短路故障检测电路4为低通滤波器，所述低通滤波器的输入端为所述位移传感器故障检测电路1的信号输入端8并连接电阻R1的另一端，所述信号输入端8连接所述位移传感器2用于接收所述位移传感器信号，所述低通滤波器的输出端为所述位移传感器故障检测电路1的信号输出端9，所述信号输出端9连接与所述处理电路3的数/模端口，即单片机A/D端口供信号采集和系统控制用。

在本实施方式中，短路故障检测电路4包括电阻R2、电容C1。电阻R2的一端为所述位移传感器故障检测电路1的信号输入端8并连接电阻R1的另一端，电阻R2的另一端为所述位移传感器故障检测电路1的信号输出端9并经由电容C1接地。优选地，电阻R2为限流电阻，电容C1为滤波电容。

限流电阻R2和滤波电容C1组成一个低通滤波器，可以过滤位移传感器信号受到的高频干扰；优选地，限流电阻R2和滤波电容C1的参数可以通过匹配，使得在信号发生短路时迅速改变所述信号输出端9的状态，达到快速检测信号短路故障的目的。

断路故障检测电路5包括晶体管Q1、晶体管Q2、电阻R3、电阻R4。晶体管Q1的基极经由电阻R3连接所述信号输入端，晶体管Q1的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q1的集电极经由电阻R4接地，晶体管Q2的基极连接晶体管Q1的集电极，晶体管Q2的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q2的集电极连接所述信号输出端9。在本实施方式中，电阻R4为下拉电阻，晶体管Q1～Q3均为PNP型三极管。

晶体管Q1、晶体管Q2、电阻R3、电阻R4共同作用，用于在信号发生断路时迅速改变所述信号输出端9的状态，达到快速检测信号断路故障的目的。

供电失效故障检测电路6包括晶体管Q3、电阻R5。晶体管Q3的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q3的集电极连接所述信号输出端9，晶体管Q3的基极经由电阻R5连接电源Vcc2的正极，电源Vcc2的负极接地。

晶体管Q3、电阻R5共同作用，用于在位移传感器2供电失效时(即电源Vcc1和电源Vcc2偏差较大时)迅速改变所述信号输出端9的状态，达到快速检测传感器供电失效故障的目的。

本发明基于以下检测原理：使用位移传感器信号的部分量程作为所述控制系统的处理电路3(即单片机)的有效信号范围，针对5V供电、输出0～5V信号的模拟式位移传感器来说，采用0.6～4.4V作为有效量程范围，若信号超出此电压范围，如低于0.6V或高于4.4V，所述控制系统通过信号采集和A/D转换计算则可以判断出位移传感器信号发生故障。

请再次参阅图1，在其中的一个优选实施例中，电阻R1设定为100KΩ，电阻R3、电阻R2、电阻R4和电阻R5均设定为10KΩ，电容C1设定为47nF。

1、当未发生位移传感器2供电失效故障时，电源Vcc1和电源Vcc2的电平相等，此时晶体管Q3截止，因此晶体管Q3不会对信号输出端9的信号造成任何影响。

当信号输入端8的电平在0～4.4V之间时，晶体管Q1饱和导通，使晶体管Q2截止，因此晶体管Q2不会对信号输出端9的信号造成任何影响。

当信号输入端8的电平大于4.4V时，晶体管Q1截止，使晶体管Q2饱和导通，信号输出端9的电平为5V。

根据上述分析，在未发生任何信号故障的情况下，当信号输入端8的电平为0～4.4V之间时，信号输出端9的电平跟随信号输入端8的电平变化；当信号输入端8的电平高于4.4V时，信号输出端9的电平为5V，所述控制系统的单片机可以识别出输入信号已超出有效量程范围。

2、当发生信号对地故障时，信号输入端8的电平立刻从正常的初始电平U0变化为0，信号输出端9的电平从U0变化到0.6V(可以识别出故障的电平)的时间为t＝RCln(U0/0.6)，考虑最极端的情况，U0＝4.4V，另外R＝10K，C＝47nF，通过计算，时间t＝0.9ms。

3、当发生信号对5V短路故障时，信号输入端8的电平立刻从正常的初始电平U1变化为5V，信号输出端9的电平从U1变化到4.4V(可以识别出故障的电平)的时间为t＝RCln[(5-U1)/0.6]，考虑最极端的情况，U1＝0.6V，另外R＝10K，C＝47nF，通过计算，时间t＝0.9ms。

4、当发生信号断路故障时，由于上拉电阻R1的作用，信号输入端8的电平立刻变化为5V，晶体管Q1由于基极与发射极之间电压为0，迅速从饱和导通状态变为截止状态，在下拉电阻R4的作用下，晶体管Q2迅速从截止状态变为饱和导通状态，从而使信号输出端9的电平迅速变化为5V，使系统可以通过A/D转换而识别出输入信号已超出有效量程范围，即发生故障。根据普通晶体管的参数，以及常规A/D转换的时间，实现该故障检测的时间小于0.1ms。

5、当发生电源供电失效故障时，即电源Vcc1相比电源Vcc2偏低0.6V以上时，晶体管Q2从截止状态迅速变为饱和导通状态，从而使信号输出端9的电平迅速变化为5V，使系统可以通过A/D转换而识别出输入信号已超出有效量程范围，即发生故障。根据普通晶体管的参数，以及常规A/D转换的时间，实现该故障检测的时间小于0.1ms。

根据上述对本发明一个优选实施例的说明，对于上述位移传感器的几种信号故障，本发明所述的电路均可在1ms内迅速、有效地检出，所述的检测时间小于常规自动控制的控制周期，因此可以给自动控制的故障诊断和保护带有非常有益的效果。

本发明虽然是针对模拟式位移传感器信号提出的，但实际上对于其他类型传感器(如压力传感器、加速度传感器等)输出的电压信号均具有实现故障检测的相似效果。

另外，本说明书中包含上述专利文献等的各公开内容。在本发明的全部公开的框架内，并且根据本发明的基本技术思想，可以对实施方式进行变更和调整。本发明中包含了包括权利要求在内的全部公开内容以及根据技术思想、本领域和相似领域技术人员应当会想到的各种变形和修改。

Claims (10)

1.一种位移传感器故障检测电路，其包括断路故障检测电路、电源电路；其特征在于：该位移传感器故障检测电路还包括短路故障检测电路、供电失效故障检测电路；其中，

所述电源电路包括电源Vcc1、电源Vcc2、电阻R1，电源Vcc1的正极连接电阻R1的一端，电源Vcc1的负极接地；

所述短路故障检测电路为低通滤波器，所述低通滤波器的输入端为所述位移传感器故障检测电路的信号输入端并连接电阻R1的另一端，所述信号输入端连接位移传感器用于接收所述位移传感器信号，所述低通滤波器的输出端为所述位移传感器故障检测电路的信号输出端，所述信号输出端连接至与所述位移传感器配套使用的控制系统的数/模端口；

所述断路故障检测电路包括晶体管Q1、晶体管Q2、电阻R3、电阻R4，晶体管Q1的基极经由电阻R3连接所述信号输入端，晶体管Q1的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q1的集电极经由电阻R4接地，晶体管Q2的基极连接晶体管Q1的集电极，晶体管Q2的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q2的集电极连接所述信号输出端；

所述供电失效故障检测电路包括晶体管Q3、电阻R5，晶体管Q3的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q3的集电极连接所述信号输出端，晶体管Q3的基极经由电阻R5连接电源Vcc2的正极，电源Vcc2的负极接地。

2.如权利要求1所述的位移传感器故障检测电路，其特征在于：所述短路故障检测电路包括电阻R2、电容C1，电阻R2的一端为所述位移传感器故障检测电路的信号输入端并连接电阻R1的另一端，电阻R2的另一端为所述位移传感器故障检测电路的信号输出端并经由电容C1接地。

3.如权利要求1所述的位移传感器故障检测电路，其特征在于：电阻R1为上拉电阻，电阻R4为下拉电阻。

4.如权利要求2所述的位移传感器故障检测电路，其特征在于：电阻R2为限流电阻，电容C1为滤波电容。

5.如权利要求1所述的位移传感器故障检测电路，其特征在于：晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3均为PNP型三极管。

6.一种控制系统，其包括处理电路、位移传感器以及用于检测所述位移传感器是否存在故障的位移传感器故障检测电路，所述处理电路根据所述位移传感器故障检测电路的检测信号判断故障检测，其特征在于：所述位移传感器故障检测电路包括短路故障检测电路、断路故障检测电路、供电失效故障检测电路、电源电路；其中，

所述电源电路包括电源Vcc1、电源Vcc2、电阻R1，电源Vcc1的正极连接电阻R1的一端，电源Vcc1的负极接地；

所述短路故障检测电路为低通滤波器，所述低通滤波器的输入端为所述位移传感器故障检测电路的信号输入端并连接电阻R1的另一端，所述信号输入端连接所述位移传感器用于接收所述位移传感器信号，所述低通滤波器的输出端为所述位移传感器故障检测电路的信号输出端，所述信号输出端连接与所述处理电路的数/模端口；

所述断路故障检测电路包括晶体管Q1、晶体管Q2、电阻R3、电阻R4，晶体管Q1的基极经由电阻R3连接所述信号输入端，晶体管Q1的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q1的集电极经由电阻R4接地，晶体管Q2的基极连接晶体管Q1的集电极，晶体管Q2的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q2的集电极连接所述信号输出端；

所述供电失效故障检测电路包括晶体管Q3、电阻R5，晶体管Q3的发射极连接电源Vcc1的正极，晶体管Q3的集电极连接所述信号输出端，晶体管Q3的基极经由电阻R5连接电源Vcc2的正极，电源Vcc2的负极接地。

7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于：所述短路故障检测电路包括电阻R2、电容C1，电阻R2的一端为所述位移传感器故障检测电路的信号输入端并连接电阻R1的另一端，电阻R2的另一端为所述位移传感器故障检测电路的信号输出端并经由电容C1接地。

8.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于：电阻R1为上拉电阻，电阻R4为下拉电阻。

9.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于：电阻R2为限流电阻，电容C1为滤波电容。

10.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于：所述处理电路为单片机或具有A/D转换功能的集成电路。