CN109917180B - 基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器，包括电流互感器、调理电路、上升沿输出电路以及下降沿输出电路；电流互感器与调理电路连接，用于感应穿过电流互感器的被测信号线的信号变化，产生感应电流；调理电路分别与上升沿输出电路以及下降沿输出电路连接，对感应电流进行调理，得到脉冲信号；上升沿输出电路对脉冲信号的上升沿的跳变进行处理，输出上升沿电平信号；下降沿输出电路对脉冲信号的下降沿的跳变进行处理，输出下降沿电平信号。本发明使得能够检测到微弱电流变化的跳变边沿，而输出上升沿电平信号和下降沿电平信号；而且采用电流互感器的非接触式测量不影响被测系统运行，生产成本低。

Description

基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器。

背景技术

随着物联网技术的发展，大数据技术逐渐进入工业领域，给现代工业的发展注入了巨大的活力。然而工业现场有很多设备由于缺少对外接口，且设备改造成本高、难度大。导致很多旧的工业设备内部电路的工作状态数据不能被人们所了解，严重制约了工业设备现代化的进程。因此利用传感器对工业设备内部数字信号进行非接触测量具有重要的实际意义。

目前对数字开关量的非接触检测，通常采用直流电流测量的方式；利用霍尔磁环搭配霍尔传感器，直接测量线路中的电流值，根据线路中电流的有无判断数字信号的电平状态。这种方法基于线路中直流电流足够大，能产生足够强的磁场。而数字信号电流小，用霍尔器件来测量电流较小的数字信号，不但成本高，而且对于电流微弱的电压信号，很难检测出。

发明内容

本发明提供的基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器，其主要目的在于提供一种低成本，且能够检测微弱电流的非接触检测传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器，包括电流互感器、调理电路、上升沿输出电路以及下降沿输出电路；

所述电流互感器，与所述调理电路连接，用于感应穿过电流互感器的被测信号线的信号变化，产生感应电流；并将所述感应电流传输至所述调理电路；

所述调理电路，分别与所述上升沿输出电路以及下降沿输出电路连接，对所述感应电流进行调理，得到脉冲信号；并将所述脉冲信号分别传输至所述上升沿输出电路以及下降沿输出电路；

所述上升沿输出电路，对所述脉冲信号的上升沿的跳变进行处理，输出上升沿电平信号；

所述下降沿输出电路，对所述脉冲信号的下降沿的跳变进行处理，输出下降沿电平信号。

作为一种可实施方式，所述调理电路包括第一转换电路和第一放大电路；

所述第一转换电路，分别与所述电流互感器和第一放大电路连接，用于对感应电流进行转换，得到电压信号；并通过所述第一放大电路将所述电压信号进行放大，得到脉冲信号。

作为一种可实施方式，所述第一转换电路为可变电阻R1；

所述可变电阻R1，其第一定片引脚与所述电流互感器的首端连接，其第二定片引脚和动片引脚均与所述电流互感器的尾端连接。

作为一种可实施方式，所述第一放大电路包括运算放大器、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及电阻R5；

所述运算放大器，其2号引脚通过电阻R2与所述可变电阻R1的第一定片引脚连接，其2号引脚还通过电阻R4与其1号引脚连接，其3号引脚通过电阻R3与所述可变电阻R1的第二定片引脚和动片引脚连接，其3号引脚还通过电阻R5接地。

作为一种可实施方式，所述上升沿输出电路为第一比较电路；

所述第一比较电路包括比较器U1、电阻R6以及电阻R7；

所述第一比较器U1，其5号引脚与所述运算放大器的1号引脚连接，其6号引脚通过电阻R6与外部电源连接，其6号引脚还通过电阻R7接地，其7号引脚作为输出端输出上升沿电平信号。

作为一种可实施方式，所述下降沿输出电路为第二比较电路；

所述第二比较电路包括比较器U2、电阻R8、电阻R9以及电阻R16；

所述第二比较器U2，其6号引脚通过电阻R16与所述运算放大器的1号引脚连接，其5号引脚通过电阻R8与外部电源连接，其5号引脚还通过电阻R9接地，其7号引脚作为输出端输出下降沿电平信号。

作为一种可实施方式，所述调理电路还包括高通滤波电路；

所述高通滤波电路包括电容C1和电阻R10；

所述电容C1，其阳极与所述第一放大电路连接，其阴极分别与电阻R10的一端、上升沿输出电路的输入端以及下降沿输出电路的输入端连接；

所述电阻R10的另一端接地。

作为一种可实施方式，所述上升沿输出电路为同向比例放大电路；

所述同向比例放大电路包括比例放大器U3、电阻R11以及电阻R12；

所述比例放大器U3，其5号引脚与所述高通滤波电路连接，其6号引脚分别与电阻R11的一端和电阻R12的一端连接，其7号引脚与电阻R11的另一端连接；

所述电阻R12的另一端接地。

作为一种可实施方式，所述下降沿输出电路为反向比例放大电路；

所述反向比例放大电路包括比例放大器U4、电阻R13、电阻R14以及电阻R15；

所述比例放大器U4，其5号引脚通过电阻R13与所述高通滤波电路连接，其5号引脚还通过电阻R14与其7号引脚连接，其6号引脚通过电阻R15接地。

作为一种可实施方式，所述调理电路包括第二转换电路和第二放大电路；

所述第二放大电路，分别与所述电流互感器和第二转换电路连接，用于对感应电流进行放大，并通过所述第二转换电路对放大后的感应电流进行转换。

与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：

本发明提供的基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器；利用电流互感器感应穿过电流互感器的被测信号线的信号变化，产生感应电流；并将感应电流传输至调理电路对感应电流进行调理，得到脉冲信号；最后通过上升沿输出电路输出上升沿电平信号及通过下降沿输出电路输出下降沿电平信号；使得能够检测到微弱电流变化的跳变边沿，而输出上升沿电平信号和下降沿电平信号；而且采用电流互感器的非接触式测量不影响被测系统运行，生产成本低。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例一调理电路输出的脉冲信号示意图；

图3为本发明实施例二提供的基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器的结构示意图；

图4为本发明实施例二的上升沿输出电路输出的示意图；

图5为本发明实施例二的下降沿输出电路输出的示意图；

图6为本发明实施例三提供的基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器的结构示意图；

图7为本发明实施例三的上升沿输出电路输出的示意图；

图8为本发明实施例三的下降沿输出电路输出的示意图。

图中：10、电流互感器；20、调理电路；21、第一转换电路；22、第一放大电路；23、高通滤波电路；30、上升沿输出电路；40、下降沿输出电路。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

请参阅图1，本发明实施例一提供的基于电流互感器10的直流信号非接触检测传感器，包括电流互感器10、调理电路20、上升沿输出电路30以及下降沿输出电路40；

电流互感器10，与调理电路20连接，用于感应穿过电流互感器10的被测信号线的信号变化，产生感应电流；并将感应电流传输至调理电路20；

调理电路20，分别与上升沿输出电路30以及下降沿输出电路40连接，对感应电流进行调理，得到脉冲信号；并将脉冲信号分别传输至上升沿输出电路30以及下降沿输出电路40；

上升沿输出电路30，对脉冲信号的上升沿的跳变进行处理，输出上升沿电平信号；

下降沿输出电路40，对脉冲信号的下降沿的跳变进行处理，输出下降沿电平信号。

需要说明的是，电流互感器10包括闭合的铁芯和绕组，是依据电磁感应的原理；感应穿过电流互感器10的被测信号线的信号变化，产生感应电流。即当被测信号出现信号变化时，跳变的信号边沿会激发变化的电磁场，表现在穿过互感器线圈的磁通量发生变化，由法拉第电磁感应定律E＝n△Ф/△t。可以推算出在闭合的互感线圈内感应产生的电流。于本实施例中，电流互感器10的型号可以为NLH1。

调理电路20的调理包括不限于电流转换成电压、放大以及滤波等信号调理。使得脉冲信号能够表征微小信号电流变化的跳变边沿；从而可以使上升沿输出电路30输出的上升沿电平信号和下降沿输出电路40输出的下降沿电平信号，处于能够被识别的电压范围内。即输出的数字信号中的上升沿电平信号和下降沿电平信号能够被后续处理器识别。而输出的脉冲信号如图2所示，脉冲信号11和参考的方波信号12。而且不需要采用基于霍尔传感器的器件，从而降低生产成本。于其他实施例中，对调理电路20的转换电路和放大电路设置的先后顺序不进行限制。可以是转换电路分别与电流互感器10和放大电路连接；也可以是放大电路分别与电流互感器10和转换电路连接。

本发明提供的基于电流互感器10的直流信号非接触检测传感器；利用电流互感器10感应穿过电流互感器10的被测信号线的信号变化，产生感应电流；并将感应电流传输至调理电路20对感应电流进行调理，得到脉冲信号；最后通过上升沿输出电路30输出上升沿电平信号及通过下降沿输出电路40输出下降沿电平信号；使得能够检测到微弱电流变化的跳变边沿，而输出上升沿电平信号和下降沿电平信号；而且采用电流互感器10的非接触式测量不影响被测系统运行，生产成本低。

下面对各电路进行详细说明。

于本实施例中，调理电路20包括第一转换电路21和第一放大电路22；

第一转换电路21，分别与电流互感器10和第一放大电路22连接，用于对感应电流进行转换，得到电压信号；并通过第一放大电路22将电压信号进行放大，得到脉冲信号。先将感应电流转换为电压信号，再进行放大，使得能够检测微弱电流信号变化。

具体的，第一转换电路21可以为可变电阻R1；可变电阻R1，其第一定片引脚与电流互感器10的首端连接，其第二定片引脚和动片引脚均与电流互感器10的尾端连接。通过可变电阻R1将感应电流转换为电压信号。

具体的，第一放大电路22可以包括运算放大器、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及电阻R5；运算放大器，其2号引脚通过电阻R2与可变电阻R1的第一定片引脚连接，其2号引脚还通过电阻R4与其1号引脚连接，其3号引脚通过电阻R3与可变电阻R1的第二定片引脚和动片引脚连接，其3号引脚还通过电阻R5接地。通过第一放大电路22将电压信号进行信号放大。

于本实施例中，可以采用两种上升沿输出电路30和下降沿输出电路40来实现。

于实施例二中，可以采用比较电路实现如图3所示。比如，上升沿输出电路30为第一比较电路；第一比较电路包括比较器U1、电阻R6以及电阻R7；第一比较器U1，其5号引脚与运算放大器的1号引脚连接，其6号引脚通过电阻R6与外部电源连接，其6号引脚还通过电阻R7接地，其7号引脚作为输出端输出上升沿电平信号。第一比较电路的6号引脚作为特定的参考电压，第一比较电路的5号引脚输入脉冲信号与6号引脚特定的参考电压做比较，使得7号引脚输出标准的上升沿数字信号。被测信号上升沿传感器输出的上升沿电平信号13见(图4)。

而下降沿输出电路40为第二比较电路；第二比较电路包括比较器U2、电阻R8、电阻R9以及电阻R16；第二比较器U2，其6号引脚通过电阻R16与运算放大器的1号引脚连接，其5号引脚通过电阻R8与外部电源连接，其5号引脚还通过电阻R9接地，其7号引脚作为输出端输出下降沿电平信号。第二比较电路的5号引脚作为特定的参考电压，第二比较电路的6号引脚输入脉冲信号与5号引脚特定的参考电压做比较，使得7号引脚输出标准的下降沿数字信号。被测信号下降沿传感器输出的下降沿电平信号14见(图5)。本发明既能检测到上升沿，又能检测到下降沿，进而可以推测数字信号全部状态。

于实施例三中，与实施例二相比，区别在于，上升沿输出电路30和下降沿输出电路40可以采用比例放大器实现如图6所示。

需要说明的是，这种方案的调理电路20还包括高通滤波电路23；而高通滤波电路23包括电容C1和电阻R10；电容C1，其阳极与第一放大电路22连接，其阴极分别与电阻R10的一端、上升沿输出电路30的输入端以及下降沿输出电路40的输入端连接；电阻R10的另一端接地。利用高通滤波电路23对放大后的电压信号进行滤波，滤除直流信号，从而提高检测的准确度。

上升沿输出电路30可以为同向比例放大电路；同向比例放大电路包括比例放大器U3、电阻R11以及电阻R12；比例放大器U3，其5号引脚与高通滤波电路23连接，其6号引脚分别与电阻R11的一端和电阻R12的一端连接，其7号引脚与电阻R11的另一端连接；电阻R12的另一端接地。比例放大器U3的5号引脚输入经过滤波的脉冲信号，将输入的正向脉冲信号进行同向放大，7号引脚输出上升沿电平信号15见图7。

下降沿输出电路40为反向比例放大电路；反向比例放大电路包括比例放大器U4、电阻R13、电阻R14以及电阻R15；比例放大器U4，其5号引脚通过电阻R13与高通滤波电路23连接，其5号引脚还通过电阻R14与其7号引脚连接，其6号引脚通过电阻R15接地。比例放大器U4的5号引脚输入经过滤波的脉冲信号，将输入的反向脉冲信号进行反向放大，7号引脚输出下降沿电平信号16见图8。通过上升沿电平信号和下降沿电平信号，能够输出数字信号而检测被测信号线的微弱电流信号变化。从而既能检测到上升沿，又能检测到下降沿，进而可以推测数字信号全部状态。

于其他实施例中，调理电路20包括第二转换电路和第二放大电路；第二放大电路，分别与电流互感器10和第二转换电路连接，用于对感应电流进行放大，并通过第二转换电路对放大后的感应电流进行转换。即可以先进行电流放大再转换为电压信号，对此并不进行限制。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器，其特征在于，包括电流互感器、调理电路、上升沿输出电路以及下降沿输出电路；

所述电流互感器，与所述调理电路连接，用于感应穿过电流互感器的被测信号线的信号变化，产生感应电流；并将所述感应电流传输至所述调理电路；

所述调理电路，分别与所述上升沿输出电路以及下降沿输出电路连接，对所述感应电流进行调理，得到脉冲信号；并将所述脉冲信号分别传输至所述上升沿输出电路以及下降沿输出电路；

所述上升沿输出电路，对所述脉冲信号的上升沿的跳变进行处理，输出上升沿电平信号；

所述下降沿输出电路，对所述脉冲信号的下降沿的跳变进行处理，输出下降沿电平信号。

2.如权利要求1所述的基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器，其特征在于，所述调理电路包括第一转换电路和第一放大电路；

所述第一转换电路，分别与所述电流互感器和第一放大电路连接，用于对感应电流进行转换，得到电压信号；并通过所述第一放大电路将所述电压信号进行放大，得到脉冲信号。

3.如权利要求2所述的基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器，其特征在于，所述第一转换电路为可变电阻R1；

所述可变电阻R1，其第一定片引脚与所述电流互感器的首端连接，其第二定片引脚和动片引脚均与所述电流互感器的尾端连接。

4.如权利要求3所述的基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器，其特征在于，所述第一放大电路包括运算放大器、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及电阻R5；

所述运算放大器，其2号引脚通过电阻R2与所述可变电阻R1的第一定片引脚连接，其2号引脚还通过电阻R4与其1号引脚连接，其3号引脚通过电阻R3与所述可变电阻R1的第二定片引脚和动片引脚连接，其3号引脚还通过电阻R5接地。

5.如权利要求4所述的基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器，其特征在于，所述上升沿输出电路为第一比较电路；

所述第一比较电路包括比较器U1、电阻R6以及电阻R7；

所述第一比较器U1，其5号引脚与所述运算放大器的1号引脚连接，其6号引脚通过电阻R6与外部电源连接，其6号引脚还通过电阻R7接地，其7号引脚作为输出端输出上升沿电平信号。

6.如权利要求4所述的基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器，其特征在于，所述下降沿输出电路为第二比较电路；

所述第二比较电路包括比较器U2、电阻R8、电阻R9以及电阻R16；

所述第二比较器U2，其6号引脚通过电阻R16与所述运算放大器的1号引脚连接，其5号引脚通过电阻R8与外部电源连接，其5号引脚还通过电阻R9接地，其7号引脚作为输出端输出下降沿电平信号。

7.如权利要求2所述的基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器，其特征在于，所述调理电路还包括高通滤波电路；

所述高通滤波电路包括电容C1和电阻R10；

所述电容C1，其阳极与所述第一放大电路连接，其阴极分别与电阻R10的一端、上升沿输出电路的输入端以及下降沿输出电路的输入端连接；

所述电阻R10的另一端接地。

8.如权利要求7所述的基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器，其特征在于，所述上升沿输出电路为同向比例放大电路；

所述同向比例放大电路包括比例放大器U3、电阻R11以及电阻R12；

所述比例放大器U3，其5号引脚与所述高通滤波电路连接，其6号引脚分别与电阻R11的一端和电阻R12的一端连接，其7号引脚与电阻R11的另一端连接；

所述电阻R12的另一端接地。

9.如权利要求7所述的基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器，其特征在于，所述下降沿输出电路为反向比例放大电路；

所述反向比例放大电路包括比例放大器U4、电阻R13、电阻R14以及电阻R15；

所述比例放大器U4，其5号引脚通过电阻R13与所述高通滤波电路连接，其5号引脚还通过电阻R14与其7号引脚连接，其6号引脚通过电阻R15接地。

10.如权利要求1所述的基于电流互感器的直流信号非接触检测传感器，其特征在于，所述调理电路包括第二转换电路和第二放大电路；

所述第二放大电路，分别与所述电流互感器和第二转换电路连接，用于对感应电流进行放大，并通过所述第二转换电路对放大后的感应电流进行转换。

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