CN105527530A - 一种位移传感器断线的检测电路、方法及其信号重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种位移传感器断线的检测电路、方法及其信号重构方法。本发明包含两部分内容：第一，位移传感器断线的检测，包括初级线圈、次级线圈线圈接线断线的检测；第二，信号的重构方法，根据检测到的次级线圈的不同断线状态，实现传感器信号的重构或对故障的隔离。本发明所涉及的传感器断线检测及信号重构方法能够实现位移传感器正常信号、初级线圈与次级线圈的断线检测，并在次级线圈高端或低端断线的情况下实现传感器信号的重构，从而能够提高位移传感器信号的可用性、减缓系统的故障降级从而提高对应系统的安全等级。

Description

一种位移传感器断线的检测电路、方法及其信号重构方法

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种位移传感器断线的检测电路、方法及其信号重构方法

背景技术

位移传感器，包括线位移传感器LVDT与角位移传感器RVDT具有以下优点：采用非接触结构，具有无触点、无噪声、高灵敏度、高重复性、高可靠性、无限分辨率、理论无限寿命、高频响应性好。由于其环境适用性强，在工业控制乃至航空电控领域，位移传感器的应用范围及功能越来越广泛，诸如发动机进油活门位置、舵面位移、控制杆指令、电磁阀开度等。

电传飞行控制系统对驾驶舱指令以及舵面反馈位移的采集均采用了位移传感器，即：角位移传感器(RVDT)和线位移传感器(LVDT)。RVDT传感器原理和变压器相似。如图1所示，在变压器初级线圈两端施加激励信号后，在匝数相等的次级线圈两部分将会感应产生相同频率的交变信号，将次级线圈A+和次级线圈B+与信号输出端相连，次级线圈A-和次级线圈B-可以同时接地，也可以与另一输出端相接。当传感器中的铁芯转动时，次级线圈两部分之间的耦合发生变化，从而使次级线圈两部分的输出电压按正弦、余弦变化。当铁芯的零端点转动至中央时，两个次级线圈所产生的感应电动势大小相等。铁芯的零端点转动离中央位置越远，感应电动势之差越大，输出与铁芯零端点的转动角度成比例，从而实现位移或者角度检测。LVDT传感器原理与RVDT原理基本相同，如图2所示。

位移传感器(LVDT、RVDT)两次级线圈随着铁芯位置的改变产生相同频率的交变信号，当次级线圈A的信号幅值增大时，幅边B的幅值将减小，两个输出端的电压差为传感器的工作电压，正常工作时两个输出端的电压和(V1+V2)始终是常值而与传感器可动磁心的位置无关。线路断开或激磁减少使(V1+V2)和值减少，如果和值电压与基准电压之差超过门限便认为是故障(故障覆盖率可达98％～99％)，LVDT传感器信号采集及在线监控见图3所示。

位移传感器信号处理通常是配合专用测量芯片AD598或AD698进行，这种方法由于转换电路的局限，不具备监控功能；另一种常用的方法是通过将两次级线圈的信号解调后采用和值监控的方案，这种方法可以检测到传感器的故障，但不能实现故障的定位，更不能实现传感器信号的重构。

发明内容

本发明的目的是：提供一种简单、可靠且实用的检测位移传感器断线检测及信号重构方法，达到在不影响信号使用的同时，可以实时有效检测位移传感器正常信号、断线状态，以及实现特定断线方式的传感器测量信号的重构。

本发明的技术方案是：为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现：

一种位移传感器断线的检测的电路，其特征在于，位移传感器初级线圈与激励信号源串接采样电阻后相连，串接电阻可在初级线圈与激励电源的正端，也可在初级线圈与激励负端，采样电阻阻值一般可选取100欧左右的电阻，采样电阻两端通过一控制开关短路，采样电阻两端电压经解调滤波后送断线检测及信号重构处理程序，在需要时可通过断开采样开关对采样电阻两端的电压进行测试，位移传感器两端电压通过内部电路解调滤波后送断线检测及信号重构处理程序，位移传感器次级线圈高端与中抽电压经解调滤波后送断线检测及信号重构处理程序，位移传感器次级线圈低端与中抽电压经解调滤波后送断线检测及信号重构处理程序。

一种位移传感器断线的检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对位移传感器次级两线圈解调后的电压和值进行监控，当其电压值位于额定和值C的0.85～1.15倍之间时：

a)如果次级线圈高端与中抽输出电压V1大于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2大于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L时，则判断为：无断线发生，检测结束；

b)如果次级线圈高端与中抽输出电压V1小于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H，则判断为：次级线圈高端断路，检测结束；

c)若不满足b)条件时，且次级线圈低端端与中抽输出电压V2小于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L，则判断为：次级线圈低端断路，检测结束。

2)对位移传感器次级两线圈解调后的电压和值进行监控，当其电压值不位于额定和值C的0.85～1.15倍之间时：

a)如果次级线圈高端与中抽输出电压V1小于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2大于等于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L时，则判断为：次级线圈高端短路，检测结束；

b)如果次级线圈高端与中抽输出电压V1大于等于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2小于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L时，则判断为：次级线圈低端短路，检测结束；

c)如果次级线圈高端与中抽输出电压V1大于等于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2大于等于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L时，则判断为：无断线发生，检测结束；

d)如果次级线圈高端与中抽输出电压V1小于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2小于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L时，断开采样电阻间控制开关，进行如下判断：

d1)当采样电阻间的检测电压Vsamp小于设定的Vset的10％时,判初级线圈断路，检测结束，Vset根据采样电阻阻值与初级线圈阻值的比例关系以及激励电源电压给定；

d2)当采样电阻间的检测电压Vsamp大于设定的Vset的90％时,判次级线圈断路，检测结束；

d3)其它情况，即采样电阻间的检测电压Vsamp位于Vset的10％到90％之间，此时应为激励电源故障，无断线发生。

一种位移传感器信号的重构方法，其特征在于：

1)如果未检测到位移传感器断线故障或激励电源故障，则位移传感器输出信号Vout为次级线圈高端与中抽输出电压V1与低端与中抽输出电压V2之差与额定和值C与理论和值Cth商的积，即Vout＝(V1-V2)*C/Cth，乘以C/Cth的作用是消除在激励电源电压不稳对测量的影响；

2)如果检测到位移传感器次级线圈高端断路故障，则重构位移传感器输出信号Vout为位移传感器理论和值Cth减去2倍的次级线圈低端与中抽输出电压V2与额定和值C与理论和值Cth商的积，即Vout＝(Cth-2*V2)*C/Cth，此处是根据了位移传感器两次级线圈和值恒定的原理；；

3)如果检测到位移传感器次级线圈低端断路故障，则重构位移传感器输出信号Vout为2倍的次级线圈高端与中抽输出电压V1减去位移传感器理论和值Cth与额定和值C与理论和值Cth商的积，即Vout＝(2*V1-Cth)*C/Cth，此处是根据了位移传感器两次级线圈和值恒定的原理；

4)当激励电源误差位大于等于10％时，判激励电源故障，或当初级线圈断路或次级线圈断路故障时，则重构系统所使用的传感器测量信号Vout为故障安全值Vsaf，即Vout＝Vsaf，这是当无法重构提取实际测量信号时，实现故障安全；

5)若激励电源误差小于1％，位移传感器理论和值Cth等于额定和值C，即Cth＝C，当激励电源误差位于1％～10％之间，位移传感器理论和值Cth为额定和值C与激励电源电压Ve商与额定激励电压VEXE的积，即Cth＝C/Ve*VEXE，这是根据变压器等比影响原理，消除激励电源电压不稳定时对测量信号的影响。

本发明的优点是：1)利用位移传感器的工作原理，不需要叠加测试信号，实现对位移传感器信号的断线检测与信号采集的同步；2)利用位移传感器的次级线圈和值恒定的特性，实现了位移传感器在次级线圈高端或低端断路时对位移传感器测量信号的重构；3)利用位移传感器变压器式的原理，实现了在激励电源不稳定时对信号的重构，从而提高了测量信号的精度。

附图说明

图1为RVDT传感器原理图；

图2为LVDT传感器原理图；

图3为LVDT在线监控原理图；

图4为位移传感器次级线圈输出电压关系图；

图5为位移传感器连接电路原理示意图；

图6为位移传感器断线检测流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明所用的断线检测方法为特征检测方法，所使用的信号重构方法为信息冗余方法，其目的是：实现对位移传感器的健康状态的实时监控，当传感器发生次级高低端一次断线时实现传感器信号重构，激励电压波动时，提高测量精度，发生其它故障时输出故障安全值。

参见附图5，一种位移传感器断线的检测的电路，位移传感器初级线圈与激励信号源串接采样电阻后相连，采样电阻通过一控制开关短路，采样电阻两端电压经解调滤波后送断线检测及信号重构处理模块，位移传感器两端电压通过内部电路解调滤波后送断线检测及信号重构处理模块，位移传感器次级线圈高端与中抽电压经解调滤波后送断线检测及信号重构处理模块，位移传感器次级线圈低端与中抽电压经解调滤波后送断线检测及信号重构处理模块。

参见附图6，一种位移传感器断线的检测的方法，包括以下步骤：

1)对位移传感器次级两线圈解调后的电压和值进行监控，当其电压值位于额定和值C的0.85～1.15倍之间：

a)次级线圈高端与中抽输出电压V1大于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2大于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L时，无断线发生；

b)次级线圈高端与中抽输出电压V1小于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H，判次级线圈高端断路；

c)若不满足b)条件时，次级线圈低端端与中抽输出电压V2小于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L，判次级线圈低端断路。

2)对位移传感器次级两线圈解调后的电压和值进行监控，当其电压值不位于额定和值C的0.85～1.15倍之间时：

a)次级线圈高端与中抽输出电压V1小于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2大于等于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L时，判次级线圈高端短路；

b)次级线圈高端与中抽输出电压V1大于等于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2小于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L时，判次级线圈低端短路；

c)次级线圈高端与中抽输出电压V1大于等于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2大于等于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L时，无断线发生；

d)如果次级线圈高端与中抽输出电压V1小于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2小于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L时，断开采样电阻间控制开关，进行如下判断：

d1)当采样电阻间的检测电压Vsamp小于设定的Vset的10％时,判初级线圈断路，检测结束，Vset根据采样电阻阻值与初级线圈阻值的比例关系以及激励电源电压给定；

d2)当采样电阻间的检测电压Vsamp大于设定的Vset的90％时,判次级线圈断路，检测结束；

d3)其它情况，即采样电阻间的检测电压Vsamp位于Vset的10％到90％之间，此时应为激励电源故障，无断线发生。

一种位移传感器信号的重构方法，包括以下步骤：

1)如果未检测到位移传感器断线故障或激励电源故障，则位移传感器输出信号Vout为次级线圈高端与中抽输出电压V1与低端与中抽输出电压V2之差与额定和值C与理论和值Cth商的积，即Vout＝(V1-V2)*C/Cth，乘以C/Cth的作用是消除在激励电源电压不稳对测量的影响；

2)如果检测到位移传感器次级线圈高端断路故障，则重构位移传感器输出信号Vout为位移传感器理论和值Cth减去2倍的次级线圈低端与中抽输出电压V2与额定和值C与理论和值Cth商的积，即Vout＝(Cth-2*V2)*C/Cth，此处是根据了位移传感器两次级线圈和值恒定的原理；

3)如果检测到位移传感器次级线圈低端断路故障，则重构位移传感器输出信号Vout为2倍的次级线圈高端与中抽输出电压V1减去位移传感器理论和值Cth与额定和值C与理论和值Cth商的积，即Vout＝(2*V1-Cth)*C/Cth，此处是根据了位移传感器两次级线圈和值恒定的原理；

4)当激励电源误差位大于等于10％时，判激励电源故障，或当初级线圈断路或次级线圈断路故障时，则重构系统所使用的传感器测量信号Vout为故障安全值Vsaf，即Vout＝Vsaf，这是当无法重构提取实际测量信号时，实现故障安全；

5)若激励电源误差小于1％，位移传感器理论和值Cth等于额定和值C，即Cth＝C，当激励电源误差位于1％～10％之间，位移传感器理论和值Cth为额定和值C与激励电源电压Ve商与额定激励电压VEXE的积，即Cth＝C/Ve*VEXE，这是根据变压器等比影响原理，消除激励电源电压不稳定时对测量信号的影响。

本发明的工作原理是：通过监控激磁电源电压，实现激磁电压波动与故障的检测，当激磁电源故障时，系统输出设定好的位移传感器故障安全值，当激磁电源波动时，根据变压器的波动比例关系原理对输出信号进行补偿；通过监控次级两线圈的电压和值及两线圈电压范围判断传感器断线状态，当位移传感器次级两线圈均处于可能的电压范围内时，无断线发生，若次级线圈高端与中抽输出电压V1小于其最小输出电压MIN_H而低端与中抽输出电压V2大于等于其最小输出电压MIN_L时，次级线圈高端短路，若次级线圈高端与中抽输出电压V1大于等于其最小输出电压MIN_H而低端与中抽输出电压V2小于其最小输出电压MIN_L时，次级线圈低端短路；在次级线圈低端或高端短路时，根据和值恒定的冗余信息，通过剩余的次级线圈电压，构造出故障的次级线圈电压，从而解算出位移信息。

Claims (3)

1.一种位移传感器断线的检测电路，其特征在于，位移传感器初级线圈与激励信号源串接采样电阻后相连，采样电阻通过一控制开关短路，采样电阻两端电压经解调滤波后送断线检测及信号重构处理模块，位移传感器两端电压通过内部电路解调滤波后送断线检测及信号重构处理模块，位移传感器次级线圈高端与中抽电压经解调滤波后送断线检测及信号重构处理模块，位移传感器次级线圈低端与中抽电压经解调滤波后送断线检测及信号重构处理模块。

2.一种位移传感器断线的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对位移传感器次级两线圈解调后的电压和值进行监控，当其电压值位于额定和值C的0.85～1.15倍之间时：

a)如果次级线圈高端与中抽输出电压V1大于最小次级线圈高端与中抽输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2大于最小输出电压MIN_L时，则判断为：无断线发生，检测结束；

b)如果次级线圈高端与中抽输出电压V1小于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H，则判断为：次级线圈高端断路，检测结束；

c)若不满足b)条件时，且次级线圈低端端与中抽输出电压V2小于最小输出电压MIN_L，则判断为：次级线圈低端断路，检测结束。

2)对位移传感器次级两线圈解调后的电压和值进行监控，当其电压值不位于额定和值C的0.85～1.15倍之间时：

a)如果次级线圈高端与中抽输出电压V1小于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2大于等于最小输出电压MIN_L时，则判断为：次级线圈高端短路，检测结束；

b)如果次级线圈高端与中抽输出电压V1大于等于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2小于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L时，则判断为：次级线圈低端短路，检测结束；

c)如果次级线圈高端与中抽输出电压V1大于等于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2大于等于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L时，则判断为：无断线发生，检测结束；

d)如果次级线圈高端与中抽输出电压V1小于次级线圈高端与中抽最小输出电压MIN_H、低端与中抽输出电压V2小于次级线圈低端与中抽最小输出电压MIN_L时，断开采样电阻间控制开关，进行如下判断：

d1)当采样电阻间的检测电压Vsamp小于设定的Vset的10％时,判初级线圈断路，检测结束，Vset根据采样电阻阻值与初级线圈阻值的比例关系以及激励电源电压给定；

d2)当采样电阻间的检测电压Vsamp大于设定的Vset的90％时,判次级线圈断路，检测结束；

d3)其它情况，即采样电阻间的检测电压Vsamp位于Vset的10％到90％之间，此时应为激励电源故障，无断线发生。

3.一种位移传感器信号的重构方法，其特征在于：

1)如果未检测到位移传感器断线故障或激励电源故障，则位移传感器输出信号Vout为次级线圈高端与中抽输出电压V1与低端与中抽输出电压V2之差与额定和值C与理论和值Cth商的积，即Vout＝(V1-V2)*C/Cth；

2)如果检测到位移传感器次级线圈高端断路故障，则重构位移传感器输出信号Vout为位移传感器理论和值Cth减去2倍的次级线圈低端与中抽输出电压V2与额定和值C与理论和值Cth商的积，即Vout＝(Cth-2*V2)*C/Cth；

3)如果检测到位移传感器次级线圈低端断路故障，则重构位移传感器输出信号Vout为2倍的次级线圈高端与中抽输出电压V1减去位移传感器理论和值Cth与额定和值C与理论和值Cth商的积，即Vout＝(2*V1-Cth)*C/Cth；

4)当激励电源误差位大于等于10％时，判激励电源故障，或当初级线圈断路或次级线圈断路故障时，则重构系统所使用的传感器测量信号Vout为故障安全值Vsaf，即Vout＝Vsaf；

5)若激励电源误差小于1％，位移传感器理论和值Cth等于额定和值C，即Cth＝C，当激励电源误差位于1％～10％之间，位移传感器理论和值Cth为额定和值C与激励电源电压Ve商与额定激励电压VEXE的积，即Cth＝C/Ve*VEXE。