CN106568471A - 一种机器状态监控系统的传感器电源与信号调节接口 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器监控系统的单一的通用传感器接口，其能够选择性地提供范围从0V至‑30V，0V到+30V，或者+/‑15V的传感器电源电压，以及范围从‑30V至+30V的传感器信号输入，从而配合机器监控装置中常用的各种类型的传感器。该接口的部分实施例还提供了带缓冲的、不变的传感器信号输出。

Description

一种机器状态监控系统的传感器电源与信号调节接口

技术领域

本发明涉及机器状态监控领域,尤其涉及在机器监控系统中，用于配合多传感器类型的通用传感器接口。

背景技术

目前用于机器保护和故障预警的在线机器监控系统，可以获取品类繁多的电子监控装置，其中各装置通常被定制为配合用于特定监控设备的特定传感器类型。各类传感器族包括涡流传感器、地震传感器、被动磁力传感器、压电传感器、霍尔效应传感器以及低频传感器。许多制造商提供了种类繁多的传感器，其中每种传感器族用于保护和预测测量。每个制造商的传感器，涉及感器电源、传感器信号电源范围及装置方面，通常都具有其自身的特性。例如参考下表1

表1

通常情况下，机器监控系统为了配合多种传感器类型对于传感器电源电压和信号电压范围的要求，需要配备多种传感器电源及调节电路。如果单一的传感器接口能够处理所有的传感器类型和测量，将为销售和项目管理提供便利。对于设备制造商和他们的顾客而言，不仅生产和采购将更具成本效益，同时也将大幅降低库存中设备与零件的数量。

因此，需要一种能够连接机器监控领域所需的各种不同传感器族的通用传感器接口。

发明内容

通过单一的通用传感器接口满足了上述及其他需求，该接口能够提供包括0V至-30V,0V至+30V,或+/-15V的可选的传感器电源电范围和+/-30V的传感器信号输入范围，以配合各种类型的传感器。一些优选的实施例同样提供了一种缓冲的、不变的传感器信号输出。

本发明的多种实施例针对机器状态监控系统的传感器电源与信号调节接口。所述接口的优选的实施例包括传感器接口连接器、传感器信号输入电路和传感器电源电路。所述传感器接口连接器可操作地(operable to)连接多种类型的传感器，所述多种类型的传感器可安装附于机器上以监控该机器的多项参数。所述传感器接口连接器包括，用于接收连接的传感器生成的模拟传感器信号的传感器信号端，以及用于向连接的传感器提供电源的正、负电源端。所述传感器信号输入电路在传感器输入电压范围内通过传感器接口连接器接收模拟传感器信号，该传感器输入电压范围配合多种传感器类型产生的模拟传感器信号。所述传感器电源电路包括传感器电源和多个软件控制开关。所述传感器电源产生正电源电压、负电源电压和中性电源电压。第一软件可控开关选择性地将所述传感器电源的中性电源电压接地。第二软件可控开关选择性地将所述传感器电源的正电源端接地。第三软件可控开关选择性地将所述传感器电源的负电源端接地。

根据第一、第二和第三软件可控开关的状态，所述传感器电源电路向所述传感器接口连接器的正、负电源端提供至少3种电源电压选项。所述电源电压选项包括：

当所述第一软件可控开关为开，所述第二软件可控开关为关，以及所述第三软件可控开关为开时，电源电压在负电源端，其强度是负电源电压的两倍；所述正电源端接地；

当所述第一软件可控开关为开，所述第二软件可控开关为开，以及所述第三软件可控开关为关时，电源电压在正电源端，其强度是正电源电压的两倍；所述负电源端接地；

当所述第一软件可控开关为关，所述第二软件可控开关为开，以及所述第三软件可控开关为开时，所述负电源电压在负电源端，所述正电源电压在正电源端。

在优选的实施例中，所述传感器接口连接器可操作地连接多种类型的传感器，包括地震传感器、压电加速度计、集成电路压电式(ICP)振动传感器、压电动态压力传感器、电动式振动传感器、涡流传感器、低频传感器、交流振动传感器、直流位移传感器、被动式电磁传感器、霍尔效应转速传感器、轴角编码器传感器和TTL脉冲传感器。

在一些实施例中，负电源电压为-15V，该负电源电压的两倍为-30V，正电源电压为+15V，该正电源电压的两倍为+30V。

一些实施例包括可调恒流源和第四软件可控开关，该第四软件可控开关电耦合于所述传感器接口连接器的正电源端。当所述第四软件可控开关处于第一位置时，所述第四软件可控开关使可调恒流源与所述传感器接口连接器的所述正电源连接；当所述第四软件可控开关处于第二位置时，所述第四软件可控开关使可调恒流源与所述传感器接口连接器的所述正电源端断开连接。在优选的实施例中，所述可调恒流源提供范围从0mA至8mA的恒定传感器电源电流。

一些实施例中包括可调恒流源和第五软件可控开关，该第五软件可控开关电耦合于所述传感器接口连接器的所述负电源端。当所述第五软件可控开关处于第一位置时，所述第五软件可控开关用于连接可调电压源与所述所述传感器接口连接器的所述负电源端，当所述第五软件可控开关处于第一位置时，所述第五软件可控开关用于断开可调电压源与所述传感器接口连接器的所述负电源端。在优选的实施例中，所述可调恒流源提供范围从-22V至-30V的恒定传感器电源电流。

一些实施例包括第六软件可控开关，该第六软件可控开关电耦合于所述传感器接口连接器的所述传感器信号端和所述正、负电源端。所述第六软件可控开关具有第一和第二位置。在第一位置上，所述传感器信号端电耦合于所述正电源端，所述传感器返回端(returnterminal)电耦合于所述负电源端。在第二位置上，所述传感器信号端电气断开所述正电源端，所述传感器返回端电气断开所述负电源端。在此实施例中，当第六软件可控开关处于第一位置时，所述传感器接口配合二线制传感器，当第六软件可控开关处于第二位置时，所述传感器接口配合四线制传感器。

在一些实施例中，所述传感器信号输入电路包括，在传感器信号输入高达+/-30V的范围内，用于配合模拟传感器信号的10:1差分放大器。

在一些实施例中，所述接口具有缓冲传感器信号输出电路，该缓冲传感器信号输出电路包括电耦合于运算放大器的缓冲传感器信号输出连接器。所述运算放大器被与来自所述传感器电源电路并提供给所述传感器接口的正、负电源相同的电压驱动，从而所述缓冲传感器信号输出连接器上的缓冲传感器信号被自动设置成与所连接的传感器相匹配的传感器信号范围。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述：

图1表示在机器监控系统中，通常用于测量多种不同机器参数的多种不同传感器类型；

图2表示根据本发明的优选的实施例，能够配合多种不同传感器类型的通用传感器接口。

具体实施方式

图1表示在机器监控系统中，可能用到的监测机器参数的多种类型的传感器的一些例子。这些示例性的传感器包括地震/被动磁力传感器、涡流传感器、压电传感器、霍尔效应传感器和低频传感器。所述地震/被动磁力传感器和压电传感器为二线制设备的例子，该设备只具有信号和返回连接，并具有连接在所述信号和返回的可选的内部电流供电。其他传感器为四线制设备，该设备具有两个电源连接(电源+和电源-)以及信号和返回连接。图1还表示了那些传感器产生输出信号的常见范围，以及四线制设备的电源要求。

图2表示通用传感器接口10的的优选的实施例，该接口能够配合图1中示例性的传感器和除此以外的传感器的各种输出信号范围和供电需要。在所述优选的实施例中，传感器电源电路25包括+/-15V电压电源26。根据连接于所述传感器接口连接器12的传感器类型，所述传感器电源电路25的参考地(GND)能够利用开关18、20、22、24和30，切换至所述电源26的正极、中性极或负极，该开关通过开关控制网络32，根据来自数字信号处理器(DSP)或控制器36的控制信号被控制。此处描述的所述开关，例如开关18、20、22、24、30和44可以使用继电器触点、电子开关、固态继电器或此类开关设备的等同物实现。

例如，固定-30V电源电压，通过以下开关位置组合实现：

- 开关30为开

- 开关22为关(GND)

- 开关24为开。

固定+30V电源电压，通过以下开关位置组合实现：

- 开关30为开

- 开关22为开

- 开关24为关(GND)。

固定+/-15V电源电压，通过以下开关位置组合实现：

- 开关30为关(GND)

- 开关22为开

- 开关24为开。

尽管本优选的实施例选取了+/-15V的电压电源26，在替换的实施例中也可以采用其他电压范围的电压电源，例如+/-14V。因此，应该认识到本发明并不受特定电源电压范围的限制。

需要恒定电流电源的传感器通常运行于正电源电压。因此，一优选的实施例在该电源电路的正分支(positive branch)中提供了恒流源(U/I)16。所述电流源16选择性地使用开关20，所述开关通过所述开关控制网络32被所述数字信号处理器/控制器36控制。如果为了使传感器在所述负电压电源范围运行而需要其他电压水平，可以利用开关18选择位于所述电路的负分支(negative branch)的可调电压源(U/U)14，所述开关18同样通过所述开关控制网络32，被数字信号处理器/控制器36控制。

在一优选实施例中，在正、负电源分支提供限流电路28a-28b，以防止例如电源端短路造成的负载电流过大。所述限流电路28a-28b的电压降可以忽略。

为配合机器检测装置中通常采用的各种传感器的传感器信号范围，接口10的优选的实施例提供了传感器信号输入电路42，其在优选的实施例为被配置成具有宽电压范围的差分放大器的运算放大器(OPAMP)，例如10:1电压比。利用10:1的电压增益比，能够调节-30V到+30V的传感器信号范围。在可替代实施例中，利用OPAMP42能够提供除10:1以外的电压比，从而配合其他的输入范围，例如+/-25V。因此，还应该认识到，本发明并不受特定的传感器信号范围的限制。

优选的实施例中，包括模数转换器(ADC)40，例如24-bitΔ-Σ模数转换器，该转换器提供直流信号(静态测量)和交流信号(动态，速度测量)的数据采集；在模数转换器(ADC)40前的一个单独的抗混叠滤波器38。优选地，所述数字信号处理器/控制器36执行数字处理和过滤所述传感器信号，例如被监控机器的静止、动态或速度测量。

双极开关44提供选择二线制传感器或四线制传感器，从而避免了对额外线路的需求。当所述开关44处于开的位置时，选择四线制传感器，当所述开关44处于关的位置时，选择二线制传感器。较为理想地，所述开关通过所述开关控制网络32，被所述数字信号处理器/控制器36控制。

如图2所示，在优选的实施例中，包括缓冲传感器信号输出电路46，其包括运算放大器48，该运算放大器48被供给所述电压电源26相同的电源电压(U+和U-)。因此，连接器50的所述缓冲传感器信号输出被自动配置为适合传感器信号电压范围。所述缓冲传感器信号输出可以被监控，例如利用示波器，或者为了预测目的被提供给机器分析系统。

提供前文对本发明的各个实施例的说明是为了例证和说明。其用意不是要详尽无遗或限制其发明的确切形式披露。可以按照上文启示进行明显的修改或置换。选取并介绍所述实施例的目的在于提供本发明原理及其实践装置的最佳例证，籍此使本领域的技术人员能够应用本发明，并且了解为了满足预期特定用途的要求，针对本发明可以制定不同的实施方案和做出不同的修改。本发明的保护范围，遵循公平、平等、合法的原则，根据附属的权利要求确定。在不偏离权利要求所限定的本发明的范围的情况下，能作出各种修改和变型。

Claims (15)

1.一种机器状态监控系统的传感器电源与信号调节接口，该传感器电源与信号调节接口包括：

传感器接口连接器，其可操作地连接多种类型的传感器，所述多种类型的传感器能够连接附在机器上以监控该机器的多种参数，所述传感器接口连接器包含：传感器信号端，其用于接收连接的传感器生成的模拟传感器信号；以及正电源端和负电源端，其用于向连接的传感器提供电源；

传感器信号输入电路，其电耦合于所述传感器接口连接器的所述传感器信号端，传感器信号输入电路通过传感器接口连接器在传感器信号输入电压范围内可操作地接收模拟传感器信号，所述传感器信号输入电压范围调节由所述多种类型的传感器产生的模拟传感器信号；以及

传感器电源电路，其电耦合于所述传感器接口连接器的正、负电源端，所述传感器电源电路用于通过所述传感器接口连接器向连接的传感器提供电源，所述传感器电源电路包括传感器电源，其可操作地产生正电源电压、负电源电压和中性电源电压；第一软件可控开关，其用于选择性地将所述传感器电源的中性电源电压接地；第二软件可控开关，其用于选择性地将所述传感器接口连接器的正电源端接地；以及第三软件可控开关，其用于选择性地将所述传感器接口连接器的负电源端接地；

其中，所述传感器电源电路根据第一软件可控开关、第二软件可控开关、第三软件可控开关的状态可操作地向所述传感器接口连接器的所述正、负电源端提供至少3个电源电压选项，所述至少3个电源电压选项包括：当所述第一软件可控开关为开，所述第二软件可控开关为关，以及所述第三软件可控开关为开时，电源电压被提供给所述传感器接口的负电源端，其中所述电源电压是负电源电压的两倍，并且所述传感器接口连接器的正电源端接地；当所述第一软件可控开关为开，所述第二软件可控开关为开，以及所述第三软件可控开关为关时，电源电压被提供给所述传感器接口的正电源端，其中所述电源电压是正电源电压的两倍，并且所述传感器接口连接器的负电源端接地，以及当所述第一软件可控开关为关，所述第二软件可控开关为开，以及所述第三软件可控开关为开时，所述负电源电压被提供给所述传感器接口连接器的所述负电源端，所述正电源电压被提供给所述传感器接口连接器的所述正电源端。

2.根据权利要求1所述的传感器电源与信号调节接口，其中所述传感器接口连接器可操作地连接多种类型的传感器，所述多种类型的传感器选自由地震传感器，压电加速计，集成电路压电式(ICP)振动传感器、压电式动态压力传感器、电动式振动传感器、涡流传感器、低频传感器、交流振动传感器、直流位移传感器、被动式电磁传感器，霍尔效应转速传感器，轴角编码器传感器、TTL脉冲传感器组成的组。

3.根据权利要求1所述的传感器电源与信号调节接口，其中所述负电源电压为-15V，所述负电源电压的两倍为-30V，所述正电源电压为+15V，所述正电源电压的两倍为+30V。

4.根据权利要求1所述的传感器电源与信号调节接口，其中所述传感器电源电路还包括：

可调恒流源；以及

第四软件可控开关，其电耦合于所述传感器接口连接器的所述正电源端，所述第四软件可控开关用于，当所述第四软件可控开关处于第一位置时，连接可调恒流源与所述传感器接口连接器的所述正电源端，当所述第四软件可控开关处于第二位置时，断开可调恒流源与所述传感器接口连接器的所述正电源端。

5.根据权利要求4所述的传感器电源与信号调节接口，其中所述可调恒流源提供范围为0mA到8mA之间的恒定传感器电源电流。

6.根据权利要求1所述的传感器电源与信号调节接口，其中所述传感器电源电路还包括：

可调电压源；以及

第五软件可控开关，其电耦合于所述传感器接口连接器的所述负电源端，所述第五软件可控开关用于，当所述第五软件可控开关处于第一位置时，连接可调电压源与所述传感器接口连接器的所述负电源端，当所述第五软件可控开关处于第二位置时，断开可调电压源与所述传感器接口连接器的所述负电源端。

7.根据权利要求6所述的传感器电源与信号调节接口，其中所述可调电压源提供范围为-22V到-30V之间的传感器电源电压。

8.根据权利要求1所述的传感器电源与信号调节接口，还包括：

所述传感器接口连接器的所述传感器信号端包括信号端和返回端；以及

第六软件可控开关，其电耦合于所述传感器接口连接器的所述传感器信号端和所述正、负电源端，所述第六软件可控开关具有：第一位置，在该第一位置，所述信号端电耦合于所述正电源端，且所述传感器返回端电耦合所述负电源端；以及第二位置，在该第二位置，所述传感器信号端电气断开所述正电源端，所述传感器返回端电气断开所述负电源端；

其中当所述第六软件可控开关处于第一位置时，所述传感器电源与信号调节接口配合二线制传感器；当所述第六软件可控开关处于第二位置时，所述传感器电源与信号调节接口配合四线制传感器。

9.根据权利要求1所述的传感器电源与信号调节接口，其中所述传感器信号输入电路包括10:1差分放大器，所述10:1差分放大器用于在传感器信号输入为+/-30V的范围内调节模拟传感器信号。

10.根据权利要求1所述的传感器电源与信号调节接口，还包括用于将来自所述传感器信号输入电路的模拟传感器信号转换为数字测量信号的模数转换电路。

11.根据权利要求1所述的传感器电源与信号调节接口，还包括缓冲传感器信号输出电路，其包含了电耦合于运算放大器的缓冲传感器信号输出连接器，所述运算放大器在此被与来自所述传感器电源电路并提供给正、负电源电压相同的电压驱动，从而所述缓冲传感器信号输出连接器上的缓冲传感器信号被自动设置成与所连接的传感器相匹配的传感器信号范围。

12.一种机器状态监控系统的传感器电源与信号调节接口，该传感器电源与信号调节接口包括：

传感器接口连接器，其可操作地连接多种类型的传感器，所述多种类型的传感器能够连接附在机器上以检测该机器的多种参数，所述传感器接口连接器包含：信号端和返回端，其用于接收连接的传感器发出的模拟传感器信号；正电源端和负电源端，其用于向连接的传感器提供电源；

第六软件可控开关，其电耦合于所述传感器接口连接器的所述信号端和返回端以及所述正、负电源端，所述第六软件可控开关具有：第一位置，在该第一位置，所述信号端电耦合所述正电源端，且所述返回端电耦合所述负电源端；以及第二位置，在该第二位置，所述信号端电气断开所述正电源端，且所述返回端电气断开所述负电源端；其中，当所述第六软件可控开关处于第一位置时，所述传感器电源与信号调节接口配合二线制传感器；当所述第六软件可控开关处于第二位置时，所述传感器电源与信号调节接口配合四线制传感器；

传感器信号输入电路，其电耦合于所述传感器接口连接器的所述传感器信号端，所述传感器信号输入电路包括10:1差分放大器，该10:1差分放大器用于在传感器信号输入高达+/-30V的范围内通过所述传感器接口连接器接收所述模拟传感器信号，从而调节多种类型的传感器产生的模拟传感器信号；以及

传感器电源电路，其电耦合于所述传感器接口连接器的正、负电源端，所述传感器电源电路用于通过所述传感器接口连接器向连接的传感器提供电源，所述传感器电源电路包括传感器电源，其能够产生+15V电源电压、-15V电源电压和0V电源电压；第一软件可控开关，其用于选择性地将所述电感器电源的所述0V电源电压接地；第二软件可控开关，其用于选择性地将所述电感器电源的所述正电源电压接地；以及第三软件可控开关，其用于选择性地将所述电感器电源的所述负电源电压接地；

其中，所述传感器电源电路根据第一软件可控开关、第二软件可控开关、第三软件可控开关的状态能够向传感器接口连接器的正、负电源端提供至少3个电源电压选项，所述至少3个电源电压选项包括：当所述第一软件可控开关为开，所述第二软件可控开关为关，以及所述第三软件可控开关为开时，-30V的电源电压被提供给所述传感器接口连接器的所述负电源端，且所述传感器接口连接器的所述正电源端接地；当所述第一软件可控开关为开，所述第二软件可控开关为开，以及所述第三软件可控开关为关时，+30V的电源电压被提供给所述传感器接口连接器的所述正电源端，且所述传感器接口连接器的所述负电源端接地；以及当所述第一软件可控开关为关，所述第二软件可控开关为开，以及所述第三软件可控开关为开时，-15V的电源电压被提供给所述传感器接口连接器的所述负电源端，且+15V的电源电压被提供给所述传感器接口连接器的所述正电源端；以及

缓冲传感器信号输出电路，其包括电耦合于运算放大器的缓冲传感器信号输出连接器，所述运算放大器在此被与来自所述传感器电源电路并提供给所述传感器接口的正、负电源相同的电压驱动，从而所述缓冲传感器信号输出连接器上的缓冲传感器信号被自动设置成与所连接的传感器相匹配的传感器信号范围。

13.根据权利要求12所述的传感器电源与信号调节接口，其中所述传感器电源电路还包括：

可调恒流源；以及

第四软件可控开关，其电耦合于所述传感器接口连接器的所述正电源端，所述第四软件可控开关用于，当所述第四软件可控开关处于第一位置时，连接可调恒流源与所述传感器接口连接器的所述正电源端，当所述第四软件可控开关处于第二位置时，断开可调恒流源与所述传感器接口连接器的所述正电源端。

14.根据权利要求13所述的传感器电源与信号调节接口，其中所述可调恒流源提供范围为0mA到8mA之间的恒定传感器电源电流。

15.根据权利要求12所述的传感器电源与信号调节接口，其中所述传感器电源电路还包括：

可调电压源；以及

第五软件可控开关，其电耦合于所述传感器接口连接器的所述负电源端，所述第五软件可控开关用于，当所述第五软件可控开关处于第一位置时，连接可调电压源与所述传感器接口连接器的所述负电源端，当所述第五软件可控开关处于第二位置时，断开可调电压源与所述传感器接口连接器的所述负电源端。