CN103994782B - 测量电路 - Google Patents

测量电路 Download PDF

Info

Publication number
CN103994782B
CN103994782B CN201410050614.0A CN201410050614A CN103994782B CN 103994782 B CN103994782 B CN 103994782B CN 201410050614 A CN201410050614 A CN 201410050614A CN 103994782 B CN103994782 B CN 103994782B
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
circuit
transmission line
sensing element
measuring circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410050614.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103994782A (zh
Inventor
B·布罗伊莱特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mei Jite Inc Co
Original Assignee
Mei Jite Inc Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mei Jite Inc Co filed Critical Mei Jite Inc Co
Publication of CN103994782A publication Critical patent/CN103994782A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103994782B publication Critical patent/CN103994782B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/04—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of vibrations which are transverse to direction of propagation
    • G01H1/08—Amplitude
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L27/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring fluid pressure
    • G01L27/002—Calibrating, i.e. establishing true relation between transducer output value and value to be measured, zeroing, linearising or span error determination
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B3/00—Line transmission systems
    • H04B3/02—Details
    • H04B3/46—Monitoring; Testing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/282—Testing of electronic circuits specially adapted for particular applications not provided for elsewhere
    • G01R31/2829—Testing of circuits in sensor or actuator systems

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及测量电路，包括：评价电路（13、63）；感测电路（39、40），包括被配置用于生成来自测量对象（7）的测量信号的感测元件（6、55）以及用于将测量信号传输到评价电路（13、63）的传输线路（26、69）；以及测试信号注入电路（21），包括信号注入器（12）以及将信号注入器（12）的信号输出与感测电路（39、40）连接注入线路（20），用于将测试信号馈入感测电路（39、40）使得测试信号可经由传输线路（26、69）传输至评价电路（13、63）。为了提供具有改进的监测和/或测试可操作性的测量电路，本发明建议注入线路（20）和传输线路（26、69）经由感测元件（6、55）串行互连，使得所述测试信号能够被馈送通过感测元件（6、55）。

Description

测量电路
技术领域
本发明涉及测量电路，包括
-评价电路；
-感测电路，包括被配置用于生成来自测量对象的测量信号的感测元件以及用于将测量信号传输到评价电路的传输线路；以及
-测试信号注入电路，包括信号注入器以及将信号注入器的信号输出与感测电路连接的注入线路，用于将测试信号馈入感测电路使得测试信号可经由传输线路传输到评价电路。
这样的测量电路能够被用来例如检测振动。特别地，测量对象能够由旋转机械构成，例如，飞机的引擎或陆基涡轮机（例如，燃气或蒸汽轮机），或者任何其它振动结构。
背景技术
这种类型的测量电路可从美国专利No.US6,498,501B2中了解。该电路的感测元件由压电换能器提供。感测电路还包括与压电换能器并行连接的两个注入电容器。两个注入电容器都连接至注入线路，使得辅助测试信号能够借助于信号注入电容器从信号注入器的输出注入感测电路内。测试信号然后经由各自的传输线路从注入点传输到评价电路。这使测量电路不仅能够在所监测的振动机械的操作期间，而且能够在振动机械被闲置时评价测量电路的质量。以此方式，能够实现对测量电路的永久监测。
这种测量电路的缺点是其内部的内置测试设备（BITE）仅限于对传输线路的正常运行和与外部构件的正确连接的监测，因为只有那些被用来将测试信号传递给评价电路。但是感测元件自身无法被测试，因为辅助测试信号由信号注入电容器在感测元件的终端周围传递。但是，感测元件的质量是对于测量电路的可靠性是至关重要的。
另一个缺点是需要提供信号注入电容器。一般地，这样的所期望的高可靠性的附加构件导致增加的生产成本。另一方面，附加构件固有地具有一定的失效概率，并且因此将促成在测量电路中的可能错误来源。
发明内容
本发明的目的是弥补上述缺点中的至少一个并且给最初所解决的测量电路提供改进的BITE功能。特别地，将通过根据本发明的新提议的电路设计使存在于电流测量电路中的可能错误来源变为更加可识别的或者被减少或被消除。
这些目的中的至少一个通过根据权利要求1的测量电路来实现。从属的权利要求限定了优选的实施例。
由此，本发明建议注入线路和传输线路经由感测元件串行互连使得测试信号能够通过感测元件馈入。以此方式，除了对传输线路和测量电路的连通性的监测和/或测试之外，测量电路的功能还能够扩展到对感测元件的功能的监测和/或测试。因而，能够使与感测元件相关的可能错误来源变为可识别的。
而且，通过经由感测元件直接馈入测试信号，能够省略提供附加的注入电容器。因而，能够消除与注入电容器的功能相关的可能错误来源。除此以外，还能够减少整体测量电路的复杂性，导致更可靠的和更经济的电路设计。
优选地，注入线路和传输线路彼此分离，除了它们经由感测元件的串行连接。因而，测试信号能够优选地只通过感测元件馈入传输线路。优选地，在传输线路与信号注入器之间的唯一物理连接因而经由感测元件来提供。这能够有助于与感测元件相关的质量因子的明确的可验证性。
优选地，测试信号注入电路的下列配置中的至少一个可应用于经由注入线路来提供合适的测试信号：
信号注入器优选地与地线连接。注入线路优选地与地线连接，特别地经由信号注入器。这能够被用来与沿着注入线路固有地存在的电容并行地传输测试信号。测试信号优选地对应于在接地的注入线路与信号发射器之间的电位差。优选地，在感测元件上的用于测试信号的馈入极因而经由注入线路和信号注入器连接至地线。以此方式，能够实现在感测电路中的测试信号的有利注入和到评价电路的相应传输。
进一步为此目的，信号注入器还被优选地配置以将测试信号提供给低的输出阻抗。特别地，信号注入器的信号输出优选地具有至多10Ω的欧姆阻抗值，更优选地为至多0.5Ω。结果，优选地获得与在接地的注入线路与低欧姆阻抗的信号发射器之间的电位差对应的测试信号。这样的低欧姆阻抗的测试信号优选地被生成，以便将其值与感测元件的阻抗值匹配。特别地，感测元件的阻抗在感测元件失效和/或质量损失的情况下可以是很低的。
根据优选的配置，信号注入器包括用于所生成的信号的信号发射器和变压器。变压器的初级绕组优选地连接至信号放大器。变压器的次级绕组优选地连接至注入线路。特别地，次级绕组优选地与地线连接。
变压器优选地被应用于将信号注入器的信号输出的阻抗值与期望值匹配，特别地与以上所述的阻抗值匹配。优选地，与注入线路连接的变压器的次级绕组的电感匹配期望的阻抗值。根据另一种优选的配置，信号注入器由展现出所期望的阻抗值的信号发射器构成。
优选地，信号注入器适用于借助于经由注入线路传输的测试信号而在感测元件的馈入极处生成电荷。优选地，由信号注入器提供的测试信号包括供替代的电压。更优选地，测试信号包括在与能够由感测元件生成的或者可设想到由其生成的测量信号的频带对应的预定的频率范围之外的频率。作为选择或除此之外，测试信号可以包括直流（DC）信号。
优选地，注入线路以及一个或多个传输线路延伸通过共同的包裹物，特别是电缆。在共同的包裹物内的注入线路以及一个或多个传输线路两者的集成或部分集成能够有助于更经济的电路设计。包裹物优选地构成了用于注入线路以及一个或多个传输线路的共同的电磁屏蔽物。屏蔽物能够应用于消弱或消除外部扰动。
但是，结果是，在屏蔽物与由注入线路和每个传输线路构成的每个导体之间的有效电容会固有地存在。在信号注入器与评价电路之间可见的所产生的电容会因此影响待在评价电路中评价的传输信号。优选地，屏蔽物与地线连接。以此方式，能够有效地避免所不希望的该产生的电容参与待由评价电路评价的传输信号的传递函数中。
此外，在注入线路的导体与每个传输线路之间还会固有地存在有效电容。因此，这些电容每个都会影响待在评价电路中评价的注入信号和/或传输信号。优选地，注入线路和/或至少一个传输线路单独地延伸通过独立的包裹物，特别是各自的电磁屏蔽物，以消弱或消除外部扰动。优选地，独立的屏蔽物与地线连接。以此方式，能够有效地消除测试信号直接注入在注入线路的导体与各自的传输线路之间的有效电容之内。因而，能够避免所不希望的有效电容参与被传输到评价电路的信号的传递函数中。
优选地，为注入线路提供独立的屏蔽物，并且为至少一个传输线路或者为多个传输线路共同提供独立的屏蔽物。更优选的是，为注入线路和每个传输线路提供独立的电磁屏蔽物。每个独立的屏蔽物优选地与地线连接。
关于上述共同的和/或独立的屏蔽物，不同的屏蔽物概念是可想得到的：根据第一优选配置，仅为注入线路和/或一个或多个传输线路提供独立的屏蔽物。根据第二优选配置，仅应用注入线路和每个传输线路延伸通过其中的共同屏蔽物。根据第三及更优选的配置，既为注入线路和至少一个传输线路提供共同的屏蔽物，也为在共同的电磁屏蔽物内的注入线路和至少一个传输线路分别提供独立的屏蔽物。以此方式，测量电路能够适应于其测量和测试功能的期望可靠性。
特别地，可以应用不同的屏蔽物概念，取决于待用于注入线路和/或一个或多个传输线路的电缆的长度。电缆越长，可优选地应用的各自电磁屏蔽物的数量就越大。除了提高的对电场的抗干扰度外，还能够因而提高对感测元件的电容变化的测试灵敏度。
优选地，感测元件以及注入线路和/或传输线路的至少一部分由传感器外壳包封。以此方式，能够提供可安装于测量对象附近或者于到测量对象的期望距离内的传感器。优选地，评价电路和/或信号注入器被布置于外壳之外以允许传感器的紧凑设计。
优选地，输出通道被设置于注入线路和/或传输线路穿过其中的传感器外壳的壁之内。更优选地，输出通道被提供作为在传感器外壳内的输出端子，并且各自的连接导线被设置于外壳内以将感测元件与每个输出端子连接。注入线路和/或每个传输线路的外部部分能够被优选地插入来自外壳之外的各自输出端子之内。
优选地，感测元件与传感器外壳的壁电绝缘。因而，感测元件被优选地设置于外壳之内，为电浮置的。而且，注入线路和/或传输线路优选地与传感器外壳的壁绝缘。结果是，会固有地存在在外壳与感测元件之间的和/或在外壳与注入线路和/或传输线路之间的有效电容。传感器，特别是传感器外壳，优选地与地线连接。因而，能够避免所不希望的有效电容参与待由评价电路评价的传输信号的传递函数中。
优选地，感测元件是压电感测元件。特别地，感测元件优选地包括压电板的叠层。由这样的压电部件制成的测量元件具有可在测量电路的各种预期的应用领域中得以良好验证和测试的优点，特别是在用于振动式和/或旋转式发动机（例如，航空发动机和/或燃气轮机）的监测系统的领域中。应当理解，特别是对于某些应用，别的感测元件同样是可想得到的，例如，电感式、电容式、电阻式或电光式感测元件。优选地，感测元件是换能器，特别是压电换能器。
优选地，感测元件包括用于注入测试信号的至少一个馈入极以及用于传递测量信号和/或测试信号的至少一个输出极。优选地，这些极被设置为相反的极性。注入线路优选地连接至至少一个馈入极，而传输线路优选地连接至输出极，或者多个传输线路优选地连接至各自的输出极。优选地，为至少一个馈入极和至少一个传输极提供相反的极性。优选地，至少两个极被设置于感测元件的相反两端。
优选地，评价电路包括至少一个信号放大器，特别是电荷放大器。信号放大器优选地连接至传输线路，并且因而被配置用于传递代表经由传输线路传输的信号的信号。根据优选的配置，信号放大器是优选地设置有反馈电容器的运算放大器。优选地，评价电路和信号注入器被包封于共同的电子单元内。
优选地，测量电路被配置使得测试信号可经由至少一个传输线路单独地或者除了各自的测量信号之外也传输至评价电路。因而，一方面能够优选地在测量操作期间执行对测量电路的测试和/或监测，另一方面也能够独立于测量操作而执行。
用于测试测量电路的优选方法包括在评价电路的输出处，特别是在信号放大器的输出处对经由传输线路传输的测试信号的测试。优选地，评价逻辑被设置于用以执行对测试信号的评价的评价电路中。优选地，感测元件的或者信号注入器和/或注入线路和/或传输线路的失效或质量损失通过所评价的测试信号相对于期望值的降低来识别。
除此以外，还优选地使在测量电路中的各种短路可通过对所传输的测试信号的评价来检测。这些短路（shortcut）可以特别地产生于导体之间，于屏蔽物与导体之间，于感测元件两侧或者于感测器之内的绝缘两侧。而且，优选地使与地线的连接的断连变为可测量的。这样的断连可以包括传感器的、特别是传感器外壳的接地，屏蔽物的接地，或者信号注入器的接地。
在第一优选配置中，上述测量电路被实现为特别地用于测试应用的非对称测量电路。在第二优选配置中，测量电路被实现为具有下文将进一步描述的附加的冗余特征的对称测量电路。这样的对称测量电路被优选地应用于监测应用中，于具有特定的安全完整性等级（SIL）要求的应用中，于其中测量电路被安装于难以访问的位置或者于远程位置的应用中。
在该第二优选配置中，感测元件被配置用于生成来自测量对象的附加测量信号，并且感测电路包括与用于将附加测量信号传输到评价电路的感测元件连接的附加传输线路。这提供了测量电路的冗余功能。除了测量电路的较高可靠性之外，这同样能够有助于对在测量电路中的质量损失或失效的较高的可检测性。
优选地，注入线路和附加的传输线路经由感测元件串行互连，使得测试信号可经由传输线路和/或附加的传输线路传输到评价电路。以此方式，注入线路与传输线路以及与附加的传输线路的串行连接优选地经由感测元件来建立。因而，测试信号经由传输线路的以及经由附加的传输线路的传输能够冗余地在评价电路中进行检查。这进一步有助于对在测量电路中的质量损失或失效的较高的可检测性。
在测量电路的正常操作期间，经由传输线路传输的测试信号以及经由附加的传输线路传输的测试信号优选地被提供以基本上相同的振幅。根据优选的配置，经由传输线路传输的测试信号以及经由附加的传输线路传输的测试信号同样被提供以相同的相位。
优选地，注入线路和附加的传输线路彼此分离，除了它们经由感测元件的串行连接之外。因而，测试信号能够优选地仅通过感测元件馈入附加的传输线路内。优选地，在附加的传输线路与信号注入器之间的唯一物理连接因而经由感测元件来提供。这能够有助于对与感测元件相关的质量因子的明确的可验证性。而且，传输线路和附加的传输线路优选地同样是彼此独立，从而允许各自的信号彼此独立地从感测元件传输到评价电路。以此方式，能够使在测量电路中的各种失效或质量损失来源变为更加可识别的。
优选地，由同一信号注入器生成的测试信号能够通过感测元件馈入传输线路和附加的传输线路。更优选地，注入感测元件内的测试信号同样经由同一注入线路来提供。以此方式，能够使在馈入传输线路的测试信号与馈入附加的传输线路的测试信号之间的所不希望的差异的风险最小化。
为此目的，在注入线路的末端处的两个馈入极被优选地设置于感测元件上，使得测试信号能够在两个相反的方向上被馈送通过感测元件。优选地，在每个馈入极与连接至传输线路的各自的输出极之间的电容是基本上相等的。在优选的配置中，这两个馈入极由位于感测元件之内的共同的馈送电极提供。共同的馈送电极优选地被设置于感测元件的中间。
为了允许生成测量信号和附加的测量信号，感测元件优选地被分成两个感测单元，特别是由共同的馈送电极。这两个感测单元优选地适合于在相同的测量条件下从测量对象中生成基本上对应的测量信号。优选地，相应的测量信号被提供作为具有基本上相同的振幅的测量信号和附加的测量信号。根据优选的配置，测量信号和附加的测量信号被提供以相反的相位。
在压电感测元件的情形中，每个感测单元优选地包括相同数量的压电板。优选地，每个感测单元具有基本上相等的电容。
优选地，两个独立的输出极被设置于感测元件上，用于传输线路和附加的传输线路。各自的输出极优选地被设置于感测元件的每个感测单元上。优选地，输出极被设置于感测元件的相反两端上。以此方式，感测元件优选地按对称方式连接至传输线路和附加的传输线路。
优选地，评价电路包括配置用于传递代表经由第一传输线路传输的信号的信号的第一信号放大器，以及配置用于传递代表经由附加的传输线路传输的信号的信号的第二信号放大器。根据优选的配置，每个信号放大器都是优选地被提供以各自的反馈电容器的运算放大器。
优选地，评价电路包括配置用于传递代表经由传输线路和附加的传输线路传输的信号之和的信号的求和放大器和/或配置用于传递代表经由传输线路和附加的传输线路传输的信号的差的信号的差分放大器。这能够用于测量电路的有利测试方法，这将在下文描述。
根据优选的配置，求和放大器和/或差分放大器连接至用于传输线路的信号放大器以及用于附加传输线路的信号放大器两者，以便继续进行各自信号的处理以及传递相应的输出信号。而且，各自的输出放大器优选地连接至用于传输线路的信号放大器以及用于附加传输线路的信号放大器，以传递代表经由传输线路和附加的传输线路传递的信号的各自输出信号。优选地，评价逻辑被设置于评价电路中，用于进行对输出信号的评价，特别是在下文将描述的方法中。
用于测试对称测量电路的优选方法包括在评价电路的各自输出处对经由传输线路和附加传输线路传递的信号的评价。评价优选地包括所传输的信号彼此间的和/或与期望值的比较。作为选择或除此之外，经由传输线路和附加的传输线路传递的信号之差和/或之和在评价电路的各自输出处进行评价。评价优选地包括差分信号及求和信号彼此间的比较和/或与期望值的比较。
根据优选的配置，失效或质量损失在求和信号不与预期传输的测试信号的2倍值对应时被检测到。失效或质量损失优选地在差分信号不与预期传输的测量信号的2倍值对应时同样被检测到。失效或质量损失优选地在所传输信号的输出信号独立地不与预期传输的测量信号和预期传输的测试信号的重叠对应时同样被检测到。
优选地，对测量电路的测试能够优选地在测量操作期间进行。在这种情况下，所传输的信号优选地包括各自的测量信号和测试信号的重叠。对测量电路的测试同样能够优选地在没有进行测量操作时进行。在这种情况下，所传输的信号优选地仅包括各自的测试信号。
根据测试方法的优选配置，在没有测量操作的情况下获得的输出信号被用作用于在测量操作期间对输出信号的评价的比较值。特别地，在没有测量操作的情况下获得的传输信号的求和信号能够被用作用于在测量操作期间获得的传输信号的求和信号的参考值。
上述测量电路的可能应用领域包括振动传感器、加速度计、压力传感器、声发射传感器或类似的感测器件。在振动传感器的情形中，测量对象优选地包括旋转机械或者在操作上与感测元件连接的任何其它振动结构。在加速度计的情形中，测量对象优选地包括与感测元件机械耦合的震动质量块（seismic mass）。在压力传感器的情形中，测量对象优选地包括例如能够经由隔膜在操作上与感测元件连接的气体和/或液体。在声发射传感器的情形中，测量对象优选地包括能够通过感测元件来检测的声波的发射源。
附图说明
本发明将在下文参照附图借助于优选的实施例来更详细地解释，所述附图进一步示出了本发明的性质和优点。附图、说明书和权利要求书包括单独在本领域技术人员同样可以想得到的组合中的以及可用于更多适当的组合中的众多特征。在附图中：
图1是根据第一实施例的测量电路的示意图；
图2是根据第二实施例的测量电路的示意图；以及
图3是根据第三实施例的测量电路的示意图。
具体实施方式
图1所示的测量电路1包括传感器2和电子单元3。传感器2和电子单元3通过连接电缆4来连接。传感器2包括感测元件6布置于其内的外壳5。感测元件6在操作上连接至测量对象7，并且被配置用于由测量对象7生成测量信号。
感测元件6包括布置于第一电极9与第二电极10之间的压电板8的叠层。在感测元件6中的压电板8的极化方向同样示出于图1中。第一电极构成了测试信号能够借以注入感测元件6内的馈入极9。第二电极构成了所注入的测试信号和/或测量信号能够经由其而传递的输出极10。馈入极9和输出极10具有相反的极性。感测元件6的内部电容的值随后被表示为C6。馈入极9和输出极10与外壳5的壁电绝缘，使得感测元件6按照电浮置的方式布置于外壳5之内。外壳5与地线11连接。
电子单元3包括布置于共同的外壳14之内的信号注入器12和评价电路13。信号注入器12包括信号发射器15和变压器16。变压器16包括初级绕组17和次级绕组18。初级绕组17与信号发射器15连接。次级绕组18与地线19连接。次级绕组18具有很小的电感。因而，变压器16适合于将由信号发射器15生成的信号转换成阻抗很低的信号。
变压器16的次级绕组18同样连接至注入线路20。注入线路20的另一端与馈入极9连接。因此，感测元件6连接至信号注入器12，并且还经由信号注入器12连接至地线19。因而，由信号发射器15生成的测试信号能够由变压器16转换成欧姆阻抗很低的测试信号并且经由注入线路20传输到馈入极9。以此方式，测试信号注入电路21包括信号注入器12，并且注入线路20被设置。由信号发射器15提供的测试信号是交流电（AC）。结果，馈入极9和输出极10的极性不断地反转。但是，压电板8的极化方向不改变。
评价电路13包括电荷放大器22和评价逻辑38。电荷放大器22包括具有反馈电容器24以及到地线25的连接的运算放大器23。为了清晰起见，次要的构件和相关的滤波器没有示出。评价逻辑38连接至电荷放大器22的输出。
电荷放大器22的输入通过传输线路26连接至感测元件6的输出极10。以此方式，提供了包括感测元件6和传输线路26的感测电路39。注入线路20和传输线路26经由感测元件6串行互连。因而，由信号注入器12注入感测元件6内的测试信号能够被馈送通过感测元件6，并且经由传输线路26从输出极10传输到评价电路13。而且，在感测元件6中生成的测量信号能够经由传输线路26从输出极10传输到评价电路13。
传输线路26和注入线路20经由在外壳5的壁之内的各自的输出端子27、28穿过传感器外壳5。传输线路26和注入线路20在外壳5之外的外部部分被插入输出端子27、28之内。在外壳5之内，输出端子27、28每个都通过各自的内部布线29、30连接至感测元件6的馈入极9和输出极10之一。内部布线29、30从而构成传输线路26的内部部分和注入线路20的内部部分。内部布线29、30与传感器外壳5电绝缘，并且在各自的电容31、32之间生效（effectuate）。这些电容的值随后被表示为C31、C32。
在传感器2与电子单元3之间，传输线路26和注入线路20由连接电缆4包封。电缆4包括共同用于传输线路26和注入线路20的外部的电磁屏蔽物33。传输线路26和注入线路20从而延伸通过在传感器2与电子单元3之间的距离的实质部分之上的共同屏蔽物33。
在其一端，共同屏蔽物33与地线34连接。传输线路26和注入线路20与共同屏蔽物33电绝缘，并且在各自的电容35、36之间生效。这些电容的值随后被表示为C35、C36。而且，各自的电容37在电缆4之内的传输线路26和注入线路20的导体之间生效。该电容的值随后被表示为C37。
因而，测量电路1允许通过经由注入线路20将可替代的测试电压Ut施加于感测元件6的一端来注入测试信号。测试电压Ut由与地线19连接的阻抗很低的信号注入器12生成。因此，电荷Qt通过感测元件6的内部电容C6且与注入线路20和传输线路26的导体的电容37并行地传输并被注入电荷放大器22的输入。电荷Qt由Qt=Ut*(C6+C37)给出。
测试信号的频率和振幅能够在宽松的限制下自由地选择，优选地在由传感器2测得的信号的有用频带之外的频率处。在正常运行状态下，测试信号将出现于电荷放大器22处，具有以上所述的大小Qt。如果在传感器输出处的或者在传感器6之内的连接失效，则在电荷放大器处的测试信号降低至Qt=Ut*C37。如果连接在评价单元13处失效，则所产生的测试信号Qt将为0。
电容31、32、35和36连同感测元件6的内部电容C6以及在注入线路20和传输线路26的导体之间的电容37一起形成电容器网络。在变压器16的次级绕组18与电荷放大器22的输入之间可见的有效电容将会确定Qt的大小。屏蔽物33的接地线34和外壳5的接地线11防止电容31、32、35和36参与在评价电路13中评价的传递函数。
而且，不仅能够检测到开路触点的上述主要故障，而且能够检测到下列可能的短路：在导体20、26之间，在导体20、26之一与屏蔽物33之间，在传感器2内的感测元件6两侧或者在其内的绝缘31、32两侧。除此以外，电缆4的接地线34的或者传感器2的接地线11的断连能够通过所提出的测量电路来检测。
屏蔽物33的添加允许在测试信号出现于电荷放大器22处时修改某些电容器组对测试信号的影响。为了提高对电场的抗扰度以及还有对感测元件6的内部电容C6的变化的测量的灵敏度，不同的屏蔽物概念都是可能的。一个或多个传输线路26能够能够在具有或没有外部的共同屏蔽物33的情况下单独地进行屏蔽。
图2示出了测量电路41，在该测量电路41中应用了此类不同的屏蔽物概念，以便提高对感测元件的电容变化的测试灵敏度。与图1所示的测量电路1相应的元件以相同的参考符号来表示。
测量电路41包括在传感器2与电子单元3之间的连接电缆44。连接电缆44包括传输线路26和注入线路20延伸通过其中的共同屏蔽物33。在共同屏蔽物33之内，布置有只有传输线路26延伸通过其中的独立的电磁屏蔽物45。而且，另一个独立的电磁屏蔽物46被布置于只有注入线路20延伸通过其中的共同屏蔽物33之内。每个独立的屏蔽物45、46被提供以到地线47、48的各自连接。
独立的电磁屏蔽物45和46的应用允许消除在传输线路26和注入线路20的导体之间的电容37的影响。通过去除图1所示的导体电容C37的影响，屏蔽物45、46的添加允许确定感测元件6的电容值C6的变化，即使是在使用长的电缆时，特别是电容值C6的很小变化。而且，它允许消除通过图1所示的电缆电容37进行的测试信号的直接注入。在图2所示的测量电路41中，在电荷放大器处的Qt因而由Qt=Ut*C6给出。
应用于图1和图2所示的非对称的测量电路的本发明良好地适用于测试应用。但是，在某些应用中，冗余特征可能是特别想要的。这种类型的应用包括监测应用、具有特定的安全完整性等级（SIL）要求的应用、其中测量电路被安装于难以访问的位置以及远程的位置的应用。
添加冗余特征能够来实现通过将本发明应用于附加传输线路与具有专用的测试输入的感测元件连接的电学对称的测量电路，如图3所示。
图3示出了包括传感器52和电子单元53的的测量电路51。传感器52和电子单元53由连接电缆54连接。与图1和图2所示的测量电路1和41对应的的元件以相同的参考符号来表示。
感测元件55按照电浮置的方式布置于传感器52的外壳5之内。感测元件55包括两个感测单元56和57。每个感测单元56、57在操作上连接至测量对象7。以此方式，第一测量信号能够由感测单元56、57之一生成，而附加的第二测量信号能够由感测单元56、57中的另一个生成。每个感测单元56、57都包括各自的馈入极58、59和各自的输出极60、61。感测单元56和57的内部电容的值随后被分别表示为C56和C57。感测单元56和57被设置为它们的内部电容C56和C57具有基本上相等的值，即，C56～=C57。
图3所示意性表示的感测元件55包括压电板62的叠层。在叠层62的中间，设置有构成馈入极58和59两者的馈送电极。在叠层62的底部和顶部，布置有构成输出极60、61的各自的输出电极。
电子单元53包括包封于共同的外壳14内的信号注入器12和评价电路63。评价电路63包括第一电荷放大器22和第二电荷放大器64。评价电路63还包括都与第一电荷放大器22和第二电荷放大器64的输出连接的差分放大器65和求和放大器66。差分放大器65被配置用于传递代表在第一电荷放大器22和第二电荷放大器64的输出处的信号的差的信号。求和放大器66被配置用于传递代表在第一电荷放大器22和第二电荷放大器64的输出处的信号之和的信号。
评价电路63还包括与电荷放大器22的输出连接的第一输出放大器67以及与电荷放大器64的输出连接的第二输出放大器68。输出放大器67、输出放大器68、差分放大器65和求和放大器66的输出都连接至评价逻辑38。
馈入极58、59两者都经由注入线路20连接至信号注入器12。第一感测单元56的输出极60经由传输线路26连接至第一电荷放大器22的输入。第二感测单元57的输出极61经由除第一传输线路26之外同样设置的第二传输线路69连接至第二电荷放大器64的输入。以此方式，提供了包括感测元件55、第一传输线路26和附加的第二传输线路69的感测电路40。
第二传输线路69经由在外壳5的壁之内的输出端子71穿过传感器外壳5。输出端子71被布置为紧挨着传输线路26和注入线路20的输出端子27、28。第二传输线路69的外部部分被插入输出端子71之内。在外壳5之内，输出端子71通过各自的内部布线75连接至第二感测单元57的输出极61。内部布线75从而构成第二传输线路69的内部部分。与内部布线29、30对应，内部布线75同样与传感器外壳5电绝缘，并且在各自的电容72之间生效。电容72的值随后被表示为C72。
在传感器52与电子单元53之间，第二传输线路69、传输线路26和注入线路20由连接电缆54包封。电缆54包括共同用于第二传输线路69、第一传输线路26和注入线路20的外部的电磁屏蔽物33。第二传输线路69、第一传输线路26和注入线路20从而延伸通过在传感器52与电子单元53之间的距离的实质部分之上的共同屏蔽物33。
在共同的屏蔽物33之内，布置有只有第二传输线路69延伸通过其中的独立的电磁屏蔽物73。独立的电磁屏蔽物73被布置为紧挨着注入线路20的独立的电磁屏蔽物46以及紧挨着传输线路26的独立的电磁屏蔽物45。独立的屏蔽物73同样被提供以到地线74的各自的连接。
在共同的屏蔽物33之内的每个独立的电磁屏蔽物45、46和73的应用允许消除在第一传输线路26、第二传输线路69及注入线路20的导体之间的电容的影响。通过将测试信号Ut注入图3所示的测量电路51内，从而在第一电荷放大器22的输入处产生由QtA=Ut*C56给出的电荷QtA。相应地，在第二电荷放大器64的输入处产生由QtB=Ut*C57给出的电荷QtB。由于这两个电容值C56和C57被选择为相等的，因而相等的电荷Qt=QtA=QtB在正常的测量条件下被传输给第一电荷放大器22和第二电荷放大器64。
因而，在图3所示的对称测量电路51中，测试信号能够由位于感测元件55的中间的且与由独立的屏蔽物46包围的注入线路20连接的共同的馈送电极58、59注入穿过感测元件55。馈送电极58、59与地线19连接。屏蔽物46同样连接至地线48。
共同的馈送电极58、59将图1和图2所示的感测元件6分离成具有两个感测单元56和57的感测元件55，每个感测单元56和57都包括各自的压电元件。感测元件55对称地连接至第一传输线路26的一端以及第二传输线路69的一端，该第一传输线路26和第二传输线路96同样被单独屏蔽。
在相对端，第一传输线路26的导体连接至包括具有反馈电容器24的运算放大器23的电荷放大器22。类似地，第二传输线路69的导体连接至电荷放大器64，该电荷放大器64同样包括具有反馈电容器24的相应的运算放大器23。电荷放大器22、64两者的反馈电容器24具有相同的电容值Cf。电荷放大器22和64的输出都连接至差分放大器65和求和放大器66。
这两个感测单元56、57包括压电部件62——部件62例如为多个压电盘的叠层。这两个感测单元56、57位于共同的馈送电极58、59的两侧，并且具有相等的电容C56和C57，以便允许共同模式的拒绝。
测量电路51优选地被用作压电振动传感器或压电加速度计。它同样能够被应用为例如压力传感器、声发射传感器或任何其它压电传感器。
在压电加速度计的情形中，例如，感测单元56和57对于测量对象7的给定加速度传递各自的电荷QA和QB。QA和QB具有相同的大小，但极性相反（QA=-QB）。QA和QB分别被传输并被注入电荷放大器22和64的输入。电荷放大器22和64的输出分别为电压UA和UB。UA和UB由下列式子给出：
UA＝-QA/Cf且UB＝-QE/Cf
在每个等式中的负号是由于每个电荷放大器的传递函数。在QA=-QB的情况下，则有：
UA＝-QA/Cf＝-(-QB)Ct＝QB/Cf＝-UB
UA和UB具有相同的振幅，但相位相反（UA=-UB）。
为了执行传感器和传输线路的健康检查，交流电（AC）的测试信号Ut（该测试信号能够是直流电（DC）信号）通过共同的电极58、59注入穿过感测元件55。因此，压电元件62分别传递电荷QtA和QtB。QtA和QtB具有相同的大小和相同的极性（QtA=QtB）。QtA和QtB由下列式子给出：
QtA=Ut*C56，且QtB=Ut*C57
QtA和QtB分别被传输并被注入电荷放大器22和64的输入。因此，电荷放大器22和64的输出分别为电压UtA和UtB。UtA和UtB由下列式子给出：
UtA＝-QtA/Cf且UtB＝-QtE/Cf
在每个等式中的负号是由于每个电荷放大器的传递函数。在QtA=QtB的情况下，则有：
UtA＝-QA/Cf＝-(-QB)Cf＝UtB
UtA和UtB具有相同的振幅和相同的相位（UtA=UtB）。
现在考虑测量信号和测试信号两者的重叠，则有：在正常条件下，差分放大器65的输出由下式给出：
Uout65=UA+UtA–（UB+UtB）=UA–UB+UtA–UtB
在UA=-UB且UtA=UtB的情况下，则有：
Uout65=2UA=-2UB （I）
类似地，在正常条件下，求和放大器66的输出由下式给出：
Uout66=UA+UtA+（UB+UtB）=UA+UB+UtA+UtB
在UA=-UB且UtA=UtB的情况下，则有：
Uout66=2UtA=2UtB （II）
除了差分放大器65和求和放大器66之外，这两个附加的输出放大器67和68同样被提供用于传递分别与电荷放大器22和64的输出对应的信号。放大器67和68的输出由下列式子给出：
Uout67=UA+UtA （III）
Uout68=UB+UtB （IV）
根据等式（I）至（IV）的信号然后在评价逻辑38中进行评价。对这些信号的评价允许：
a）检测并定位在感测元件、连接或传输线路中的故障，并且
b）选择保持工作的路径（A或B），因此提供电路冗余。
上述测量电路1、41、51代表对在US6,498,501B2中公开的测量电路的进一步发展，该US6,498,501B2以引用方式并入本文，并且能够包括其中所公开的任何其它构件和/或配置和/或应用。
根据前面的描述，本领域技术人员应当清楚不脱离本发明的保护范围的对更具本发明的测量电路的众多修改，本发明的保护范围由权利要求书单独限定。

Claims (17)

1.一种测量电路，包括：
-评价电路(13、63)；
-感测电路(39，40)，包括被配置用于生成来自测量对象(7)的测量信号的感测元件(6、55)以及用于将所述测量信号传输到所述评价电路(13、63)的传输线路(26、69)；以及
-测试信号注入电路(21)，包括信号注入器(12)以及将所述信号注入器(12)的信号输出与所述感测电路(39、40)连接的注入线路(20)，用于将测试信号馈入所述感测电路(39、40)使得所述测试信号可经由所述传输线路(26、69)传输至所述评价电路(13、63)；
其特征在于所述注入线路(20)和所述传输线路(26、69)经由所述感测元件(6、55)串行互连使得所述测试信号能够被馈送通过所述感测元件(6、55)，所述感测元件(6、55)包括用于注入所述测试信号的至少一个馈入极(9、58、59)和用于输送所述测量信号和所述测试信号中的至少一个的至少一个输出极(10、60、61)，其中所述馈入极(9、58、59)和所述输出极(10、60、61)具有相反的极性，并且所述注入线路(20)连接到所述馈入极(9、58、69)，且所述传输线路(26、69)连接到所述输出极(10、60、61)，使得经由所述感测元件(6、55)提供串行连接，并且其中所述注入线路(20)和所述传输线路(26、69)除了经由所述感测元件(6、55)的它们的串行连接之外是彼此分离的。
2.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于所述信号注入器(12)与地线(19)连接。
3.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于所述信号注入器(12)的所述信号输出具有至多10Ω的欧姆阻抗值。
4.根据权利要求3所述的测量电路，其特征在于所述信号注入器(12)的所述信号输出具有至多0.5Ω的欧姆阻抗值。
5.根据权利要求3至4中的任一项所述的测量电路，其特征在于所述信号注入器(12)包括用于将所述信号注入器(12)的所述信号输出的所述阻抗值与期望值匹配的变压器(16)。
6.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于所述注入线路(20)和所述传输线路(26、69)延伸通过共同的电磁屏蔽物(33)。
7.根据权利要求6所述的测量电路，其特征在于用于所述注入线路(20)和/或所述传输线路(26、69)的独立的电磁屏蔽物(45、46、73)被提供在所述共同的电磁屏蔽物(33)之内。
8.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于所述感测元件(6、55)被配置用于生成来自所述测量对象(7)的附加的测量信号，并且所述感测电路(39、40)包括与所述感测元件(6、55)连接的用于将所述附加的测量信号传输到所述评价电路(13、63)的附加的传输线路(26、69)。
9.根据权利要求8所述的测量电路，其特征在于所述注入线路(20)和所述附加的传输线路(26、69)经由所述感测元件(6、55)串行互连，使得所述测试信号可经由所述附加的传输线路(26、69)传输至所述评价电路(13、63)。
10.根据权利要求9所述的测量电路，其特征在于在所述注入线路(20)的端部，两个馈入极(9、58、59)被设置于所述感测元件(6、55)上，使得所述测试信号能够沿两个相反的方向被馈送通过所述感测元件(6、55)。
11.根据权利要求10所述的测量电路，其特征在于所述两个馈入极(9、58、59)由位于所述感测元件(6、55)内的共同电极提供。
12.根据权利要求10所述的测量电路，其特征在于在所述馈入极(9、58、59)处，所述感测元件(6、55)被分成具有基本上相等的电容的两个感测单元(56、57)。
13.根据权利要求8所述的测量电路，其特征在于对于所述传输线路(26、69)和所述附加的传输线路(26、69)，独立的输出极(10、60、61)被设置于所述感测元件(6、55)上。
14.根据权利要求13所述的测量电路，其特征在于所述输出极(10、60、61)被设置于所述感测元件(6、55)的相反端上。
15.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于所述感测元件(6、55)是压电感测元件。
16.根据权利要求8所述的测量电路，其特征在于所述评价电路(13、63)包括第一信号放大器(22、64、67、68)和第二信号放大器(22、64、67、68)，所述第一信号放大器(22、64、67、68)被配置用于传递的信号代表经由所述传输线路(26、69)传输的信号，并且所述第二信号放大器(22、64、67、68)被配置用于传递的信号代表经由所述附加的传输线路(26、69)传输的信号。
17.根据权利要求8至14和权利要求16中的任一项所述的测量电路，其特征在于所述评价电路(13、63)包括被配置用于传递代表经由所述传输线路(26、69)和所述附加的传输线路(26、69)传递的信号之和的信号的求和放大器(66)和/或被配置用于传递代表经由所述传输线路(26、69)和所述附加的传输线路(26、69)传输的信号之差的信号的差分放大器(65)。
CN201410050614.0A 2013-02-14 2014-02-14 测量电路 Active CN103994782B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP13155244.0A EP2767808B9 (en) 2013-02-14 2013-02-14 Measuring circuit
EP13155244.0 2013-02-14

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103994782A CN103994782A (zh) 2014-08-20
CN103994782B true CN103994782B (zh) 2018-03-30

Family

ID=47710014

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410050614.0A Active CN103994782B (zh) 2013-02-14 2014-02-14 测量电路

Country Status (7)

Country Link
US (1) US9500668B2 (zh)
EP (1) EP2767808B9 (zh)
JP (1) JP6603011B2 (zh)
CN (1) CN103994782B (zh)
BR (1) BR102014003397B1 (zh)
CA (1) CA2839742C (zh)
ES (1) ES2877101T3 (zh)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015130563A1 (en) 2014-02-28 2015-09-03 United Technologies Corporation Protected wireless network
EP3203202B1 (en) 2016-02-08 2021-05-26 Meggitt SA Measuring circuit
JP6842279B2 (ja) * 2016-11-17 2021-03-17 株式会社バルカー 振動センサーおよび振動検出システム
US11162988B2 (en) * 2017-12-04 2021-11-02 Aerojet Rocketdyne, Inc. Load impedance tester and measurement method
EP3824300A1 (de) * 2018-07-19 2021-05-26 Kistler Holding AG Messschaltung zur erfassung und verarbeitung von signalen sowie messeinrichtung zur verwendung besagter messschaltung
EP3667332A1 (en) * 2018-12-11 2020-06-17 NXP USA, Inc. Redundant sensor system with self-test of electromechanical structures
JP7246257B2 (ja) * 2019-05-31 2023-03-27 株式会社ディスコ 研磨装置
EP3974639A4 (en) * 2019-08-02 2022-08-24 Mitsubishi Heavy Industries Engine & Turbocharger, Ltd. ENGINE AND POWER GENERATION SYSTEM
CN110376397B (zh) * 2019-08-15 2021-04-16 杭州电子科技大学 单相异步交流测速发电机高精度快速测速电路
DE102019132356A1 (de) * 2019-11-28 2021-06-02 Tdk Electronics Ag Zweikanaliger Detektor
KR20220115707A (ko) * 2021-02-09 2022-08-18 삼성디스플레이 주식회사 전자 장치 및 전자 장치 검사 방법

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3992665A (en) * 1973-09-10 1976-11-16 Preikschat F K Electrical impedance measuring apparatus
JPS5211977A (en) * 1975-07-18 1977-01-29 Yokogawa Hokushin Electric Corp Mechanical impedance measuring equipment
CH658908A5 (en) * 1983-09-06 1986-12-15 Vibro Meter Ag Measurement circuit and its use
JPH04372866A (ja) * 1991-06-21 1992-12-25 Mitsubishi Petrochem Co Ltd 自己診断回路付き加速度センサ
JPH0526894A (ja) * 1991-07-19 1993-02-02 Mitsubishi Petrochem Co Ltd 自己診断回路付き加速度センサ
JPH0526890A (ja) * 1991-07-19 1993-02-02 Mitsubishi Petrochem Co Ltd 自己診断回路付き加速度センサ
JPH05325658A (ja) * 1992-05-26 1993-12-10 Showa Electric Wire & Cable Co Ltd 電磁遮蔽ケーブル
JP3250085B2 (ja) * 1993-02-08 2002-01-28 株式会社トーキン 加速度センサ
JPH085654A (ja) * 1994-06-23 1996-01-12 Murata Mfg Co Ltd 加速度センサ
US6498501B2 (en) 1998-09-15 2002-12-24 Vibro-Meter, S.A. Measuring circuit
US7042228B2 (en) * 2001-04-27 2006-05-09 Oceana Sensor Technologies, Inc. Transducer in-situ testing apparatus and method
JP4066916B2 (ja) * 2003-09-08 2008-03-26 株式会社村田製作所 力学量センサ
JP2010203939A (ja) * 2009-03-04 2010-09-16 Epson Toyocom Corp 故障検出回路付き振動型センサー回路
GB2480830B (en) * 2010-06-01 2017-03-22 Cable Sense Ltd Signal processing apparatuses and methods

Also Published As

Publication number Publication date
CA2839742A1 (en) 2014-08-14
ES2877101T3 (es) 2021-11-16
EP2767808B9 (en) 2021-09-01
JP2014157154A (ja) 2014-08-28
EP2767808A1 (en) 2014-08-20
US20140225634A1 (en) 2014-08-14
CN103994782A (zh) 2014-08-20
CA2839742C (en) 2021-03-09
JP6603011B2 (ja) 2019-11-06
BR102014003397A2 (pt) 2015-10-20
BR102014003397B1 (pt) 2021-05-25
US9500668B2 (en) 2016-11-22
EP2767808B1 (en) 2021-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103994782B (zh) 测量电路
CN103674400B (zh) 力传感器及其可靠性测试方法
CN107044882A (zh) 测量电路
CN110088634A (zh) 用于测量电缆阻抗、耦合器布置及其使用的方法
CN107091964A (zh) 接地检测装置
CN103291429A (zh) 用于诊断排气传感器的电接触的方法
CN109752634A (zh) 一种电缆接头谐振式互感局放检测装置及检测方法
RU2402019C1 (ru) Пьезоэлектрический акселерометр
US6498501B2 (en) Measuring circuit
CN107636979A (zh) 功率/数据电耦合器
CA2255975C (en) Measuring circuit
US11959946B2 (en) Absence of voltage detection device for medium voltage application
JPH04359126A (ja) 磁歪式トルクセンサの検査装置
JP2019071203A (ja) 通信用ハーネス及び中継コネクタ

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant