CN104266672B - 直流两线式接近传感器故障检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流两线式接近传感器故障检测电路，其通过检测两线式接近开关传感器的工作电流，判断传感器的工作状态和开短路故障，并输出相应的信号，从而有效解决了检测设备无法判断传感器故障，以及直流两线式接近传感器输出存在漏电流，信号残电压导致电平不稳，检测设备无法识别的问题。本电路可放在传感器和控制设备（如PLC）之间，将故障输出信号输出到PLC或警报系统等设备，对传感器故障做出报警或紧急停车等动作，从而可有效避免因传感器故障导致的生产事故。与现有技术相比，经过本发明电路处理后的传感器信号，无残电压及漏电流，兼容性更好。

Description

直流两线式接近传感器故障检测电路

技术领域

本发明涉及接近传感器，具体涉及的是一种直流两线式接近传感器故障检测电路。

背景技术

接近传感器是代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器。其检测的主要对象是金属物体，当被检测物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动直流电器或给计算机（PLC）装置提供控制指令。其具有动作可靠、性能稳定、频率响应快、应用寿命长、抗干扰能力强等优点，被广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。

目前接近传感器按工作原理可分为电感式、电容式、霍尔式等；根据所使用的电源区别又可分为交流型和直流型；按工作分为三线式和两线式，三线式的供电和输出信号是分开的，两线式供电与信号共用。对于直流两线式接近传感器而言，其输出为开关信号，当传感器或线路发生开路、短路时，控制端无法判断是正常的信号还是传感器故障；而且由于两线式接近传感器供电与信号共用，由于传感器供电需要一定的维持电流，会产生残电压，会出现电平不稳定，部分设备（如PLC）无法识别有效电平，导致误动作的问题。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种直流两线式接近传感器故障检测电路，以解决驱动设备无法判断传感器故障，以及直流两线式接近传感器输出存在漏电流，信号残电压导致电平不稳，检测设备无法识别的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种直流两线式接近传感器故障检测电路，包括：

两线式接近传感器S1、开路检测电路、短路检测电路、工作电平检测电路和信号输出电路，所述两线式接近传感器S1的输出端A点为信号输出及电源输入共用端，且+24V电源电流Is经过串联二极管D1、检流电阻R1后输出到A点；

所述开路检测电路包括有电压比较器U1A，所述电压比较器U1A的负输入端B点连接于并联的二极管D1和R3与串联的检流电阻R1之间；正输入端C点连接于串联的肖特基二极管D3和分压电阻R6之间；所述电压比较器U1A通过比较负输入端B点和正输入端C点的电压，在C点电压高于B点时，输出为高阻态，由电阻R7和发光二极管LED1上拉为高电平，此时两线式接近传感器S1为正常连接；在C点电压低于B点时，输出低电平，此时两线式接近传感器S1故障信号经过G点输出到后级设备，并通过电阻R7驱动发光二极管LED1指示为故障状态；

所述短路检测电路包括有电压比较器U1B，所述电压比较器U1B的负输入端D点连接于串联的分压电阻R4、R6之间；正输入端E点通过电阻R2连接到两线式接近传感器S1的输出端A点；所述电压比较器U1B通过比较负输入端D点和正输入端E点的电压，在E点电压高于D点时，U1B输出为高阻态，由电阻R7和LED1上拉为高电平，此时两线式接近传感器S1为正常连接；在D点电压高于E点时，U1B输出为低电平，此时两线式接近传感器S1故障信号经过G点输出到后级设备，并通过电阻R7驱动发光二极管LED1指示为故障状态；

所述工作电平检测电路包括电压比较器U1C，所述电压比较器U1C的负输入端与电压比较器U1B正输入端共用E点，其通过电阻R2连接到两线式接近传感器S1的输出端A点；正输入端F点与电阻R9及稳压二极管D2连接；所述电压比较器U1C比较负输入端与正输入端F点的电压，在正输入端F点高于负输入端时，电压比较器U1C输出高阻态，此时两线式接近传感器S1检测到被检测物体；在正输入端F点电压低于负输入端时，电压比较器U1C输出低电平，此时两线式接近传感器S1未检测到被检物体；

所述信号输出电路包括三极管Q1，当两线式接近传感器S1未检测到被检物体，工作电平检测电压比较器U1C第14脚输出低电平时，三极管Q1截止，传感器状态输出H点通过上拉电阻R8上拉为高电平；当两线式接近传感器S1检测到被检物体，工作电平检测比较器U1C输出高阻态时，电流通过电阻R10流过三极管Q1的基极，Q1集电极与发射极导通，传感器状态输出H点输出低电平。

进一步地，当两线式接近传感器S1正常连接使用时，B点的电压等于24V减去二极管D1的管压降0.7V，C点电压等于24V 减去肖特基二极管D3的管压降0.3V，B点电压低于C点电压，此时U1A的第1脚输出为高阻态，由电阻R7和发光二极管LED1上拉为高电平。

进一步地，当两线式接近传感器S1开路时，A点对地悬空，B点的电压由电阻R3上拉等于24V，高于C点电压24V 减去肖特基二极管D3的管压降0.3V，U1A的第1脚输出低电平，通过G点输出到后级设备，并通过电阻R7驱动发光二极管LED1指示为故障状态。

进一步地，当两线式接近传感器S1正常连接使用时，E点的电压等于24V减传感器电流Is乘R1再减二极管D1的管压降0.7V，D点电压等于（24V-0.3V）*R4/（R4+R6），E点电压高于D点电压，U1B第2脚输出为高阻态，由电阻R7和LED1上拉为高电平。

进一步地，当两线式接近传感器S1短路时，A点对地短路，E点的电压等于0V，低于D点的电压（24V-0.3V）*R4/（R4+R6），此时U1B输出第2脚低电平，通过G点输出到后级设备，并通过电阻R7驱动发光二极管LED1指示为故障状态。

进一步地，当两线式接近传感器S1未检测到被检物体时， 电压比较器U1C的负输入端电压等于24V减传感器电流Is乘R1再减二极管D1的管压降0.7V，U1C的正输入端F点电压等于稳压二极管D2的稳压电压，负输入端电压高于正输入端F点电压，U1C第14脚输出为低电平。

进一步地，当两线式接近传感器S1检测到被检测物体靠近传感器时，电压比较器U1C的负输入端电压等于A点传感器残电压5V，低于正输入端F点电压，U1C第14脚输出高阻态，通过R10上拉为高电平。

进一步地，所述三极管Q1为PNP型或NPN型三极管。

进一步地，所述电压比较器U1A、U1B、U1C均为芯片LM339。

本发明通过检测两线式接近开关传感器的工作电流，判断传感器的工作状态和开短路故障，并输出相应的信号，从而有效解决了驱动设备无法判断传感器故障，以及直流两线式接近传感器输出存在漏电流，信号残电压导致电平不稳，检测设备无法识别的问题。本电路可放在传感器和控制设备（如PLC）之间，将故障输出信号输出到PLC或警报系统等设备，对传感器故障做出报警或紧急停车等动作，从而可有效避免因传感器故障导致的生产事故。与现有技术相比，经过本发明电路处理后的传感器信号，无残电压及漏电流，兼容性更好。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明的电路原理图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1所示，图1为本发明的电路原理框图。本发明所述的直流两线式接近传感器故障检测电路，主要包括有两线式接近传感器、开路检测电路、短路检测电路、工作电平检测电路和信号输出电路。

其中两线式接近传感器分别与开路检测电路、短路检测电路连接，所述开路检测电路、短路检测电路用于检测两线式接近传感器电源的电流，当两线式接近传感器的线束被剪断或传感器内部断路损坏时，开路检测电路检测到传感器无工作电流或电流变小超过正常电流范围时，输出故障信号，以实现传感器故障输出。

当两线式接近传感器信号线对地短路或传感器内部短路时，短路检测电路检测到传感器电流变大超过正常电流一定值时，输出故障信号，以实现传感器故障输出。

两线式接近传感器还通过工作电平检测电路与信号输出电路连接，工作电平检测电路主要用于检测和区分传感器正常输出的电平信号；而信号输出电路主要用于驱动放大、电平转换以及去除传感器残电压，将两线式接近传感器输出的电平转换成后级设备可以识别的电平，以实现传感器状态输出。

如图2所示，图2为本发明的电路原理图。其中两线式接近传感器S1为两线式金属接近传感器，S1的脚（A点）为输出端，同时为传感器的电源输入端，S1的2脚为电源地输入端，传感器电源由24V经过串联二极管D1，检流电阻R1后到A点。

肖特基二极管D3与电阻R4、R6串联连接，分别产生用于检测开路和短路的参考电压点C点和D点，电阻R9和稳压二极管D2串联组成工作电平检测参考电压F点；G点和H点接入PLC信号输入端或其他设备。

开路检测电路包括电压比较器U1A，对应芯片采用LM339，比较电压比较器U1A的B点和C点电压，B点为负输入端，C点为正输入端，C点电压高于B点时，U1A输出为高阻态；B点电压高于C点时，U1A输出为低电平。

当两线式接近传感器S1正常连接使用时，B点的电压等于24V减去二极管D1的管压降0.7V，C点电压等于24V减去肖特基二极管D3的管压降0.3V，B点电压低于C点电压，U1A第1脚输出为高阻态，由电阻R7和LED1上拉为高电平；当传感器开路时，A点对地悬空，B点的电压由电阻R3上拉等于24V，高于C点电压24V减去肖特基二极管D3的管压降0.3V,U1A第1脚输出低电平，G点输出低电平，并通过R7驱动发光二极管LED1指示为故障状态。

短路检测电路包括电压比较器U1B，其对应芯片采用LM339，比较D点和E点的电压，D点为负输入端，E点为正输入端，E点电压高于D点时U1B输出为高阻态，D点电压高于E点时U1B输出为低电平。

当两线式接近传感器S1正常连接使用时，E点的电压等于24V减传感器电流Is乘R1再减二极管D1的管压降0.7V，D点电压等于（24V-0.3V）*R4/（R4+R6），E点电压高于D点电压，U1B第2脚输出为高阻态，由电阻R7和LED1上拉为高电平；当传感器短路，A点对地短路，E点的的电压等于0V，低于D点电压（24V-0.3V）*R4/（R4+R6）,U1B输出第2脚低电平，G点输出低电平，并通过R7驱动发光二极管LED1指示为故障状态。

工作电平检测电路包括电压比较器U1C ，其对应采用芯片LM339，所述电压比较器U1C的负输入端与电压比较器U1B正输入端共用E点，U1C的正输入端F点，通过比较E点和F点的电压，F点电压高于E点时，U1C输出为高阻态，E点电压高于F点时U1C输出为低电平。

当两线式接近传感器S1未检测到被检物体时，传感器开关输出开路，由于两线式传感器需要通过输出端获取工作电流，传感器输出并非真正开路，而是有1mA左右的工作电流，即Is=1mA，E点的电压等于24V减传感器电流Is乘R1再减二极管D1的管压降0.7V，约为22.3V，F点电压等于稳压二极管D2的稳压电压6.8V，E点电压高于F点电压，U1C第14脚输出为低电平；当传感器检测到被检测物体靠近传感器，传感器开关输出闭合，由于两线式传感器需要通过输出端获取工作电流，传感器输出并非真正闭合，而是存在5V左右的残留电压，由于R2连接的是比较器的输入端，内阻无穷大，电阻R2上无电流流过，E点电压等于A点电压5V，低于F点电压，U1C第14脚输出高阻态，通过R10上拉为高电平。

信号输出电路由一颗NPN型三极管Q1组成反向驱动电路，当传感器未检测到被检物体，工作电平检测比较器U1C第14脚输出低电平时，三极管Q1截止，H点通过上拉R8电阻上拉为高电平，当传感器未检测到被检物体，工作电平检测比较器U1C输出高阻态，电流通过电阻R10流过三极管Q1的基极，Q1集电极与发射极导通，H点输出低电平；输出三极管也可根据输出驱动设备不同需要，将Q1换成PNP型输出。

本发明通过检测两线式接近开关传感器的工作电流，判断传感器的工作状态和开短路故障，并输出相应的信号，从而有效解决了驱动设备无法判断传感器故障，以及直流两线式接近传感器输出存在漏电流，信号残电压导致电平不稳，检测设备无法识别的问题。与现有技术相比，经过本发明电路处理后的传感器信号，无残电压及漏电流，兼容性更好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直流两线式接近传感器故障检测电路，其特征在于，包括：

两线式接近传感器S1、开路检测电路、短路检测电路、工作电平检测电路和信号输出电路，所述两线式接近传感器S1的输出端A点为信号输出及电源输入共用端，且+24V电源电流Is经过串联二极管D1、检流电阻R1后输出到A点；

所述开路检测电路包括有电压比较器U1A，所述电压比较器U1A的负输入端B点连接于并联的二极管D1和R3与串联的检流电阻R1之间；正输入端C点连接于串联的肖特基二极管D3和分压电阻R6之间；所述电压比较器U1A通过比较负输入端B点和正输入端C点的电压，在C点电压高于B点时，输出为高阻态，由电阻R7和发光二极管LED1上拉为高电平，此时两线式接近传感器S1正常连接使用；在C点电压低于B点时，输出低电平，此时两线式接近传感器S1故障信号经过G点输出到后级设备，并通过电阻R7驱动发光二极管LED1指示为故障状态；

所述短路检测电路包括有电压比较器U1B，所述电压比较器U1B的负输入端D点连接于串联的分压电阻R4、R6之间；正输入端E点通过电阻R2连接到两线式接近传感器S1的输出端A点；所述电压比较器U1B通过比较负输入端D点和正输入端E点的电压，在E点电压高于D点时，电压比较器U1B输出为高阻态，由电阻R7和LED1上拉为高电平，此时两线式接近传感器S1为正常连接；在D点电压高于E点时，电压比较器U1B输出为低电平，此时两线式接近传感器S1故障信号经过G点输出到后级设备，并通过电阻R7驱动发光二极管LED1指示为故障状态；

所述工作电平检测电路包括电压比较器U1C，所述电压比较器U1C的负输入端与电压比较器U1B正输入端共用E点，其通过电阻R2连接到两线式接近传感器S1的输出端A点；正输入端F点与电阻R9及稳压二极管D2连接；所 述电压比较器U1C比较负输入端与正输入端F点的电压，在正输入端F点高于负输入端时，电压比较器U1C输出高阻态，此时两线式接近传感器S1检测到被检测物体；在正输入端F点电压低于负输入端时，电压比较器U1C输出低电平，此时两线式接近传感器S1未检测到被检物体；

所述信号输出电路包括三极管Q1，当两线式接近传感器S1未检测到被检物体，电压比较器U1C第14脚输出低电平时，三极管Q1截止，传感器状态输出H点通过上拉电阻R8上拉为高电平；当两线式接近传感器S1检测到被检物体，电压比较器U1C输出高阻态时，电流通过电阻R10流过三极管Q1的基极，Q1集电极与发射极导通，传感器状态输出H点输出低电平。

2.如权利要求1所述的直流两线式接近传感器故障检测电路，其特征在于，

当两线式接近传感器S1正常连接使用时，B点的电压等于24V减去二极管D1的管压降0.7V，C点电压等于24V减去肖特基二极管的管压降0.3V，B点电压低于C点电压，此时电压比较器U1A的第1脚输出为高阻态，由电阻R7和发光二极管LED1上拉为高电平。

3.如权利要求1所述的直流两线式接近传感器故障检测电路，其特征在于，

当两线式接近传感器S1开路时，A点对地悬空，B点的电压等于24V，高于C点电压等于24V减去肖特基二极管的管压降0.3V，电压比较器U1A的第1脚输出低电平，通过G点输出到后级设备，并通过电阻R7驱动发光二极管LED1指示为故障状态。

4.如权利要求1所述的直流两线式接近传感器故障检测电路，其特征在于，

当两线式接近传感器S1正常连接使用时，E点的电压等于24V减传感器电流Is乘R1再减二极管D1的管压降0.7V，D点电压等于(24V-0.3V)*R4/(R4+R6)，E点电压高于D点电压，电压比较器U1B第2脚输出为高阻态，由电阻R7和LED1上拉为高电平。

5.如权利要求1所述的直流两线式接近传感器故障检测电路，其特征在于，

当两线式接近传感器S1短路时，A点对地短路，E点的电压等于0V，低 于D点的电压(24V-0.3V)*R4/(R4+R6)，此时电压比较器U1B第2脚输出低电平，通过G点输出到后级设备，并通过电阻R7驱动发光二极管LED1指示为故障状态。

6.如权利要求1所述的直流两线式接近传感器故障检测电路，其特征在于，

当两线式接近传感器S1未检测到被检物体时，电压比较器U1C的负输入端电压等于24V减传感器电流Is乘R1再减二极管D1的管压降0.7V，电压比较器U1C的正输入端F点电压等于稳压二极管D2的稳压电压，负输入端电压高于正输入端F点电压，电压比较器U1C第14脚输出为低电平。

7.如权利要求1所述的直流两线式接近传感器故障检测电路，其特征在于，

当两线式接近传感器S1检测到被检测物体靠近传感器时，电压比较器U1C的负输入端电压等于A点传感器残电压5V，低于正输入端F点电压，电压比较器U1C第14脚输出高阻态，通过R10上拉为高电平。

8.如权利要求1所述的直流两线式接近传感器故障检测电路，其特征在于，所述三极管Q1为PNP型或NPN型三极管。

9.如权利要求1所述的直流两线式接近传感器故障检测电路，其特征在于，所述电压比较器U1A、U1B、U1C均为芯片LM339。