CN109239437A - 一种含自检冗余功能的电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含自检冗余功能的电流传感器，包括传感器组、信号处理单元和报警单元，信号处理单元分别与传感器组和报警单元控制连接，传感器组通电时，向信号处理单元输出一个严格与输入信号成线性比例的小电流信号，信号处理单元对从传感器组输入的信号进行处理，信号处理单元分析传感器组输入的信号是否异常，当为异常结果时，信号处理单元给报警单元发送信号，报警单元执行对应动作。本传感器使用双路电流传感器工作，正常工作时，每路承担一半的输出，功耗低，产品的可靠性增加；当双路电流传感器有一路发生故障时，另一路能够继续保证设备的正常运转；且一旦有一路传感器发生故障，通过单片机发出警报，及时更换传感器。

Description

一种含自检冗余功能的电流传感器

技术领域

本发明涉及一种含自检冗余功能的电流传感器，属于智能检测领域。

背景技术

目前市场上所使用的电流传感器在使用过程中一旦受损，将会导致设备故障，给客户带来巨大的麻烦，甚至可能对社会造成严重的危害后果，尤其是在不允许传感器损坏的设备中如地铁、高铁等，以及在无人值守的地狱运行的设备中如山区中使用的军用、民用设备等，传感器一旦损坏，后患无穷。所以急需对传统的电流传感器进行重新设计并加上报警功能，使得损坏的产品得到及时的更换。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种含自检冗余功能的电流传感器。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种含自检冗余功能的电流传感器，其特征在于：包括传感器组、信号处理单元和报警单元，所述信号处理单元分别与传感器组和报警单元控制连接，传感器组通电时，向信号处理单元输出一个严格与输入信号成线性比例的小电流信号，信号处理单元对从传感器组输入的信号进行处理，信号处理单元分析传感器组输入的信号是否异常，当为异常结果时，信号处理单元给报警单元发送信号，报警单元执行对应动作。

作为优选，所述传感器组包括第一电流传感器电路和第二电流传感器电路，所述第一电流传感器电路和第二电流传感器电路均选用霍尔闭环电流传感器，所述第一电流传感器电路和第二电流传感器电路的结构相同，且分别独立工作；

所述第一电流传感器电路包括电平V3输出支路和电平V5输出支路，电平V3输出支路的电平为电平V3，电平V5输出支路的电平为电平V5，所述第二电流传感器电路包括电平V4输出支路和电平V6输出支路，电平V4输出支路的电平为电平V4，电平V6输出支路的电平为电平V6；

所述信号处理单元包括第一比较器、第二比较器和单片机，

所述电平V3输出支路和电平V4输出支路分别与第一比较器的输入端口连接，提供第一比较器的输入信号，所述第一比较器的输出端口连接电平V7输出支路，所述第一比较器比较V3输出支路的电平和V4输出支路的电平并向单片机传输电平V7输出支路传输的信号；

所述电平V5输出支路和V6输出支路分别与第二比较器的输入端口连接，提供第二比较器的输入信号，所述第二比较器的输出端口连接电平V8输出支路，所述第二比较器比较电平V5输出支路的电平和电平V6输出支路的电平并向单片机传输电平V8输出支路传输的信号；

所述单片机分析处理所述电平V7输出支路和V8输出支路的信号并进行比较分析是否异常，根据分析结果决定是否给报警单元发送控制信号，当为异常结果时，信号处理单元给报警单元发送信号，报警单元执行报警动作。

作为优选，所述单片机还与3.3V供电源连接，所述3.3V供电源用于给单片机提供电源。

作为优选，所述报警单元包括无线WIFI芯片和天线，通过无线WIFI芯片以及天线向主控室传输报警信号，以便及时得到支援。

作为优选，其采用一种特定的电路，包括传感器电路、比较器电路、单片机和报警电路，所述传感器电路依次连接比较器电路、单片机电路和报警电路；所述传感器电路包括第一传感器电路和第二传感器电路，所述第一传感器电路和第二传感器电路的结构与原理均相同；所述比较器电路包括第一比较器电路和第二比较器电路，所述第一比较器电路与第二比较器电路的结构与原理均相同；所述第一传感器电路包括电平V3输出支路和电平V5输出支路，电平V3输出支路的电平为电平V3，电平V5输出支路的电平为电平V5，所述第二电流传感器电路包括电平V4输出支路和电平V6输出支路，电平V4输出支路的电平为电平V4，电平V6输出支路的电平为电平V6；第一传感器电路将电平V3输出支路和电平V5输出支路分别与第一比较器电路和第二比较器电路连接,第二传感器电路将电平V4输出支路和电平V6输出支路分别与第一比较器电路和第二比较器电路连接，所述第一比较器电路比较电平V3和电平V4的值并连接电平V7输出支路，V7输出支路的电平为电平V7，所述第二比较器电路比较电平V5和电平V6的值并连接电平V8输出支路，电平V8输出支路的电平为电平V8；所述第一比较器电路和第二比较器电路与单片机的不同输入端口连接，单片机比较电平V7和电平V8的值并分析是否异常，当为异常结果时，单片机给报警电路传输控制信号，报警电路执行报警动作；所述第一传感器电路与第二传感器电路均包括传感器感应电路、功率放大电路、次级线圈、感应器比较电路和偏移调节电路，所述传感器感应电路依次与功率放大电路和次级线圈连接，在传感器感应电路与次级线圈之间还连接电容器和电阻组成深度负反馈电路，所述传感器感应电路选用霍尔元件进行电磁感应；所述次级线圈同时连接感应器比较电路和偏移调节电路；所述第一传感器电路的次级线圈与连接感应器比较电路和偏移调节电路连接端的电平为电平V1，所述第二传感器电路的次级线圈与连接感应器比较电路和偏移调节电路连接端的电平为电平V2，所述第一传感器电路的感应器比较电路的输出端的电平为电平V3，所述偏移调节电路的输出端的电平为电平V5，所述第二传感器电路的感应器比较电路的输出端的电平为电平V4，所述偏移调节电路的输出端的电平为电平V6；所述第一传感器电路包括传感器感应电路、功率放大电路、次级线圈L1、感应器比较电路和偏移调节电路，所述传感器感应电路包括电源滤波电容器C1、霍尔元件H1、霍尔分压电阻R1、霍尔分压电阻R4、调节零点电阻R2、调节零点电阻R3和调节零点电阻R9，所述调节零点电阻R3和调节零点电阻R9用于调节零点；所述功率放大电路包括运算放大器IC1、输入电阻R7、输入电阻R8、深度负反馈电容C3、深度负反馈电阻R15、极性保护元件D1、极性保护元件D2、功率放大器件Q1、功率放大器件Q2、电阻R16、电阻R17和输出信号取样电阻R26，极性保护元件D1和极性保护元件D2用于防止电路交越失真；所述电阻R16和电阻R17是基级维持电流的电阻； 所述感应器比较电路和包括运算放大器IC3、偏置电阻R22、输入电阻R21和反馈电阻R35；所述偏移调节电路包括运算放大器IC4、可调节偏置电阻R24、可调节偏置电阻R25、可调节偏置电阻R27，输入电阻R23和反馈电阻R36，所述可调节偏置电阻R24、可调节偏置电阻R25和可调节偏置电阻R27用于调节运算放大器的零点输出值，第二电流传感器电路的原理和结构均与第一电流传感器电路相同；电平V3与电平V1值的值相同，电平V5比V1高0.2dB，第二路电流传感器电路电流的输出值及偏置调节与第一电流传感器电路的相同，电平V6与电平V2的数值相同；电平V4比电平V2低0.2dB； 所述第一比较器电路包括第一比较器IC8、输入电阻R40、输入电阻R41、高阻值反馈电阻 R39、钳位二极稳压管ZW1和钳位二极稳压管ZW2，所述第一比较器IC8比较电平V3和电平V4；所述第二比较器电路包括第一比较器IC7、输入电阻R43、输入电阻R44、高阻值反馈电阻 R42、钳位二极稳压管ZW3和钳位二极稳压管ZW5，所述第二比较器IC7比较电平V5和电平V6，其中电平V4低于电平V3，电平 V7为高电平输出，电平V6低于电平V5，电平V8为高电平输出；所述电平V7输出支路和电平V8输出支路的电平V7和电平V8均为高电平时，单片机分析比较结果正常，不向报警电路传输控制信号，所述电平V7输出支路和电平V8输出支路的电平V7和电平V8为上述的其他情况时，单片机分析比较结果异常，向报警电路传输控制信号，报警电路执行报警动作。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本传感器使用双路电流传感器工作，正常工作时，每路承担一半的输出，功耗低，产品的可靠性增加；当双路电流传感器有一路发生故障时，另一路能够继续保证设备的正常运转；且一旦有一路传感器发生故障，通过单片机发出警报，及时更换传感器。

附图说明

图1为本发明的功能示意图；

图2为本发明的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种含自检冗余功能的电流传感器，包括传感器组、信号处理单元和报警单元，

信号处理单元分别与传感器组和报警单元控制连接，传感器组通电时，向信号处理单元输出一个严格与输入信号成线性比例的小电流信号，信号处理单元对从传感器组输入的信号进行处理，信号处理单元分析传感器组输入的信号是否异常，当为异常结果时，信号处理单元给报警单元发送信号，报警单元执行对应动作。

其中，传感器组包括第一电流传感器电路和第二电流传感器电路，第一电流传感器电路和第二电流传感器电路均选用霍尔闭环电流传感器，第一电流传感器电路和第二电流传感器电路的结构相同，且分别独立工作；第一电流传感器电路包括V3输出支路和V5输出支路，V3输出支路的电平为V3，V5输出支路的电平为V5，第二电流传感器电路包括V4输出支路和V6输出支路，V4输出支路的电平为V4，V6输出支路的电平为V6；信号处理单元包括第一比较器、第二比较器和单片机，V3输出支路和V4输出支路分别与第一比较器的输入端口连接，提供第一比较器的输入信号，第一比较器的输出端口连接V7输出支路，第一比较器比较V3输出支路的电平和V4输出支路的电平并向单片机传输V7输出支路传输的信号；V5输出支路和V6输出支路分别与第二比较器的输入端口连接，提供第二比较器的输入信号，第二比较器的输出端口连接V8输出支路，第二比较器比较V5输出支路的电平和V6输出支路的电平并向单片机传输V8输出支路传输的信号；单片机分析处理V7输出支路和V8输出支路的信号并进行比较分析是否异常，根据分析结果决定是否给报警单元发送控制信号，当为异常结果时，信号处理单元给报警单元发送信号，报警单元执行报警动作。此外单片机还与3.3V供电源连接，3.3V供电源用于给单片机提供电源。报警单元包括无线WIFI芯片和天线，通过无线WIFI芯片以及天线向主控室传输报警信号，以便及时得到支援。

如图2的电路结构图，各个电子元件的分析如下：

第一电流传感器电路中：C1为电源滤波电容器，H1为霍尔元件，R1和R4是霍尔分压电阻，R2、R3和R9是调节零点电阻，用于调节零点，第一电流传感器电路中的比较电压部分：IC1是运算放大器；R7、R8是输入电阻；C3、R15是深度负反馈；第一电流传感器电路中的功率放大部分：D1、D2是极性保护，防止交越失真的发生；Q1、Q2是功率放大器件；R16、R17是基级维持电流的电阻，L1为次级线圈，R26为输出信号取样电阻。

第二电流传感器电路的原理和结构均与第一电流传感器电路相同。

对于第一电流传感器电路的输出值及偏置调节功能模块中，包括比较器电路和偏移调节电路，其中比较器电路中，IC3是运算放大器，R22是偏置电阻，R21是输入电阻，R35是反馈电阻；偏移调节电路中，IC4是运算放大器，R24、R25、R27是可调节的偏置电阻，调节运算放大器的零点输出值，R23是输入电阻，R36是反馈电阻，其中V3与V1值数值相同；V5的电压比V1高0.2。第二路电流传感器电路电流的输出值及偏置调节与第一电流传感器电路的相同其中V6与V2值数值相同；V4的电压比V2低0.2V。

信号处理单元部分的电路中包括比较器电路和单片机，其中比较器电路中，分为第一比较器电路和第二比较器电路，对于第一比较器电路，IC8是比较V3和V4的第一比较器，R40、R41是输入电阻，R39是高阻值反馈电阻，ZW1、ZW2是钳位二极稳压管；对于第二比较器电路，IC7是比较V5和V6的第二比较器，R43、R44是输入电阻，R42是高阻值反馈电阻，ZW3、ZW4是钳位二极稳压管。其中V4小于V3电压值，V7为高电平输出，V6小于V5电压值，V8为高电平输出。

对于电路图中的逻辑分析：如图2所示，V1=V2，V3=V1，V6=V2，V5=V1+0.2dB，V4=V2-0.2dB，因此：V3=V4+0.2dB，V5=V6+0.2dB，V7是高电平，V8是高电平。当满足V7是高电平，V8是高电平时，传感器是正常的，单片机不会控制报警单元报警，但是当为其他情况时，则证明传感器处于异常状态，单片机控制报警单元报警后及时更换传感器。

本装置中采用的霍尔闭环电流传感器也称补偿式传感器，即主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈，电流所产生的磁场进行补偿， 从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。磁平衡式电流传感器的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上， 所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场 ，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场， 使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起指示零磁通的作用 ，此时可以通过Is来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。 一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程。

本发明解决了两方面的问题：一是传感器一旦损坏进行补救且不影响设备的正常运行；二是当传感器损坏时，通知到相关人员，得到及时更换。

本装置采用双路检测原理，使用霍尔效应闭环工作原理，即传感器的输出信号与输入信号成严格对应关系。在正常工作状态下，两路都处于工作状态，输出信号有两路传感器共同分担，参数设计一致的状态下，每个传感器的输出信号是总输出信号的一半。一旦其中一路发生损坏，另一路将承担全部输出信号，产生的磁场与输入信号产生的磁场进行平衡，因而，不影响传感器的正常采集电流，因此也不影响设备的正常运行。

本发明将两路检测电路的输出信号进行比较，正常状态下，两路输出信号是一致的，一旦有一路损坏，两路输出信号将出现不一致，通过比较器输出后，将信号送入单片机，并通过无线发射的方式进行报警，以便得到及时的更换，防止出现不必要的损失。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种含自检冗余功能的电流传感器，其特征在于：包括传感器组、信号处理单元和报警单元，

所述信号处理单元分别与传感器组和报警单元控制连接，传感器组通电时，向信号处理单元输出一个严格与输入信号成线性比例的小电流信号，信号处理单元对从传感器组输入的信号进行处理，信号处理单元分析传感器组输入的信号是否异常，当为异常结果时，信号处理单元给报警单元发送信号，报警单元执行对应动作。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：所述传感器组包括第一电流传感器电路和第二电流传感器电路，所述第一电流传感器电路和第二电流传感器电路均选用霍尔闭环电流传感器，所述第一电流传感器电路和第二电流传感器电路的结构相同，且分别独立工作；

所述第一电流传感器电路包括电平V3输出支路和电平V5输出支路，电平V3输出支路的电平为电平V3，电平V5输出支路的电平为电平V5，所述第二电流传感器电路包括电平V4输出支路和电平V6输出支路，电平V4输出支路的电平为电平V4，电平V6输出支路的电平为电平V6；

所述信号处理单元包括第一比较器、第二比较器和单片机，

所述电平V3输出支路和电平V4输出支路分别与第一比较器的输入端口连接，提供第一比较器的输入信号，所述第一比较器的输出端口连接电平V7输出支路，所述第一比较器比较V3输出支路的电平和V4输出支路的电平并向单片机传输电平V7输出支路传输的信号；

所述电平V5输出支路和V6输出支路分别与第二比较器的输入端口连接，提供第二比较器的输入信号，所述第二比较器的输出端口连接电平V8输出支路，所述第二比较器比较电平V5输出支路的电平和电平V6输出支路的电平并向单片机传输电平V8输出支路传输的信号；

所述单片机分析处理所述电平V7输出支路和V8输出支路的信号并进行比较分析是否异常，根据分析结果决定是否给报警单元发送控制信号，当为异常结果时，信号处理单元给报警单元发送信号，报警单元执行报警动作。

3.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：所述单片机还与3.3V供电源连接，所述3.3V供电源用于给单片机提供电源。

4.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：所述报警单元包括无线WIFI芯片和天线，通过无线WIFI芯片以及天线向主控室传输报警信号，以便及时得到支援。

5.根据权利要求1所述的电流传感器，其采用一种特定的电路，其特征在于：包括传感器电路、比较器电路、单片机和报警电路，所述传感器电路依次连接比较器电路、单片机电路和报警电路；

所述传感器电路包括第一传感器电路和第二传感器电路，所述第一传感器电路和第二传感器电路的结构与原理均相同；

所述比较器电路包括第一比较器电路和第二比较器电路，所述第一比较器电路与第二比较器电路的结构与原理均相同；

所述第一传感器电路包括电平V3输出支路和电平V5输出支路，电平V3输出支路的电平为电平V3，电平V5输出支路的电平为电平V5，所述第二电流传感器电路包括电平V4输出支路和电平V6输出支路，电平V4输出支路的电平为电平V4，电平V6输出支路的电平为电平V6；第一传感器电路将电平V3输出支路和电平V5输出支路分别与第一比较器电路和第二比较器电路连接,第二传感器电路将电平V4输出支路和电平V6输出支路分别与第一比较器电路和第二比较器电路连接，所述第一比较器电路比较电平V3和电平V4的值并连接电平V7输出支路，V7输出支路的电平为电平V7，所述第二比较器电路比较电平V5和电平V6的值并连接电平V8输出支路，电平V8输出支路的电平为电平V8；

所述第一比较器电路和第二比较器电路与单片机的不同输入端口连接，单片机比较电平V7和电平V8的值并分析是否异常，当为异常结果时，单片机给报警电路传输控制信号，报警电路执行报警动作；所述第一传感器电路与第二传感器电路均包括传感器感应电路、功率放大电路、次级线圈、感应器比较电路和偏移调节电路，所述传感器感应电路依次与功率放大电路和次级线圈连接，在传感器感应电路与次级线圈之间还连接电容器和电阻组成深度负反馈电路，

所述传感器感应电路选用霍尔元件进行电磁感应；所述次级线圈同时连接感应器比较电路和偏移调节电路；

所述第一传感器电路的次级线圈与连接感应器比较电路和偏移调节电路连接端的电平为电平V1，所述第二传感器电路的次级线圈与连接感应器比较电路和偏移调节电路连接端的电平为电平V2，

所述第一传感器电路的感应器比较电路的输出端的电平为电平V3，所述偏移调节电路的输出端的电平为电平V5，所述第二传感器电路的感应器比较电路的输出端的电平为电平V4，所述偏移调节电路的输出端的电平为电平V6；

所述第一传感器电路包括传感器感应电路、功率放大电路、次级线圈L1、感应器比较电路和偏移调节电路，所述传感器感应电路包括电源滤波电容器C1、霍尔元件H1、霍尔分压电阻R1、霍尔分压电阻R4、调节零点电阻R2、调节零点电阻R3和调节零点电阻R9，所述调节零点电阻R3和调节零点电阻R9用于调节零点；

所述功率放大电路包括运算放大器IC1是；输入电阻R7、输入电阻R8是；深度负反馈电容C3、深度负反馈电阻R15、极性保护元件D1、极性保护元件D2、功率放大器件Q1、功率放大器件Q2、电阻R16、电阻R17和输出信号取样电阻，R26极性保护元件D1和极性保护元件D2用于防止电路交越失真；电阻R16、电阻R17是基级维持电流的电阻；

所述感应器比较电路和包括运算放大器IC3、偏置电阻R22、输入电阻R21和反馈电阻R35；所述偏移调节电路包括运算放大器IC4、可调节偏置电阻R24、可调节偏置电阻R25、可调节偏置电阻R27，输入电阻R23和反馈电阻R36，所述可调节偏置电阻R24、可调节偏置电阻R25和可调节偏置电阻R27用于调节运算放大器的零点输出值，第二电流传感器电路的原理和结构均与第一电流传感器电路相同；

电平V3与电平V1值数值相同；电平V5比V1高0.2dB，第二路电流传感器电路电流的输出值及偏置调节与第一电流传感器电路的相同，电平V6与电平V2的数值相同；电平V4比电平V2低0.2dB；

所述第一比较器电路包括第一比较器IC8、输入电阻R40、输入电阻R41、高阻值反馈电阻 R39、钳位二极稳压管ZW1和钳位二极稳压管ZW2，所述第一比较器IC8比较电平V3和电平V4；所述第二比较器电路包括第一比较器IC7、输入电阻R43、输入电阻R44、高阻值反馈电阻R42、钳位二极稳压管ZW3和钳位二极稳压管ZW5，所述第二比较器IC7比较电平V5和电平V6，其中电平V4低于电平V3，电平 V7为高电平输出，电平V6低于电平V5，电平V8为高电平输出；

所述电平V7输出支路和电平V8输出支路的电平V7和电平V8均为高电平时，单片机分析比较结果正常，不向报警电路传输控制信号，所述电平V7输出支路和电平V8输出支路的电平V7和电平V8为上述的其他情况时，单片机分析比较结果异常，向报警电路传输控制信号，报警电路执行报警动作。