CN110517930A - 一种双向加速度过载继电器及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双向加速度过载继电器及其运行方法，包括加速度电路、偏移调理电路、滤波电路、双向判别电路、单稳态输出电路和功率输出电路。当加速度信号经过偏移调理电路后，对其正负方向的加速度信号幅度进行调整，以适用于单电源供电电路，从而避免了必须采用正、负双电源供电的局限。调整后的信号经过常规的低通滤波电路后，采用双向判别电路对其进行判断，以实现无论是正向或是负向加速度达到动作阈值后，都能触发单稳态输出电路的功能，确保过载信号的有效输出，从而提高了加速度过载继电器的可靠性。

Description

一种双向加速度过载继电器及其运行方法

技术领域

本发明涉及继电器技术领域，具体涉及一种双向加速度过载继电器及其运行方法。

背景技术

加速度过载继电器是指触点状态受其敏感到的加速度控制，当加速度达到某一值时，触点动作(闭合或断开)的一种继电器。目前已知的加速度过载继电器均采用的是敏感轴向(如X，Y，Z)中单一方向的加速度，如+X方向，-Y方向等，只有在规定的方向上，加速度达到动作阈值，继电器触点才会动作。然而，在实际的碰撞过程中，产生的加速度信号，近似于幅值衰减的正负双向脉冲，只对其一个方向进行判断，可能会错过反方向最大峰值脉冲，导致加速度过载继电器对加速度信号不响应。

发明内容

本发明所要解决的是现有仅敏感单向加速度过载继电器可靠性不高的问题，提供一种双向加速度过载继电器及其运行方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双向加速度过载继电器，包括加速度电路滤波电路、双向判别电路、单稳态输出电路和功率输出电路。加速度电路的输出端连接滤波电路的输入端；滤波电路的输出端连接双向判别电路的输入端，双向判别电路的输出端连接单稳态输出电路的输入端，单稳态输出电路输出端连接功率输出电路。

上述方案中，双向判别电路包括电阻R8-R15，二极管RD2、RD3，以及运算放大器K3、K4；电阻R8和R13的一端相连后，形成双向判别电路的输入端；电阻R8的另一端连接运算放大器K3的同相输入端，电阻R13的另一端连接运算放大器K4的同相输入端；电阻R12连接在运算放大器K3的同相输入端与电源负极之间；电阻R14连接在电源正极与运算放大器K3的反相输入端之间；电阻R15连接在运算放大器K3的反相输入端与电源负极之间；电阻R9连接在运算放大器K4的同相输入端与电源负极之间；电阻R10连接在电源正极与运算放大器K4的反相输入端之间；电阻R11连接在运算放大器K4的反相输入端与电源负极之间；运算放大器K3的输出端连接二极管RD2的阳极，运算放大器K4的输出端连接二极管RD3的阳极，二极管RD2和RD3的阴极形成双向判别电路的输出端。

上述方案中，单稳态输出电路包括电阻R16-R19，电容C3，以及运算放大器K5；电阻R17的一端形成单稳态输出电路的输入端；电阻R17的另一端连接运算放大器K5的同相输入端；电容C3与电阻R19并联后，连接在运算放大器K5的同相输入端与电源负极之间；电阻R16连接在电源正极与运算放大器K5的反相输入端之间；电阻R18连接在运算放大器K5的反相输入端与电源负极之间；运算放大器K5的输出端形成单稳态输出电路的输出端。

上述方案中，滤波电路为二阶低通滤波电路。

上述方案中，滤波电路包括电阻R6、R7，电容C1、C2，以及运算放大器K2；电阻R7的一端形成滤波电路的输入端，电阻R7的另一端经由电阻R6连接运算放大器K2的同相输入端；电容C2的一端连接在电阻R6与电阻R7之间，电容C2的另一端连接在运算放大器K2的反相输入端；电容C1连接在运算放大器K2的同相输入端与电源负极之间；运算放大器K2的反相输入端与其输出端连接；运算放大器K2的输出端形成滤波电路的输出端。

作为改进，所述双向加速度过载继电器，还进一步包括偏移调理电路，该偏移调理电路的输入端连接加速度电路的输出端连接，偏移调理电路的输出端连接滤波电路的输入端。

上述方案中，偏移调理电路包括电阻R1-R5，以及运算放大器K1；电阻R2的一端形成偏移调理电路的输入端，电阻R2的另一端连接至运算放大器K1的同相输入端；电源正极通过电阻R3连接至运算放大器K1的同相输入端；电阻R4连接在运算放大器K1的同相输入端与电源负极之间；电阻R1连接在运算放大器K1的反相输入端与电源负极之间；电阻R5连接在运算放大器K1的反相输入端与输出端之间；运算放大器K1的输出端形成偏移调理电路的输出端。

上述方案中，加速度电路为加速度传感器或加速度敏感电路。

一种双向加速度过载继电器的运行方法，其具体包括如下步骤：

偏移调理电路对加速度电路采集到的加速度信号的幅度进行偏离调理，将负向加速度信号的幅值调节为正值，并使得同相等效输入电阻与反相等效输入电阻相等，以避免偏置电源产生附加的差模输入电压；

滤波电路对经过偏移调理电路的加速度信号进行滤波，使小于或等于加速度过载继电器的工作频率的信号通过，对大于工作频率的信号进行衰减滤除；

双向判别电路对经过滤波电路的加速度信号进行判别，当正向加速度信号的幅值大于正向过载阈值或负向加速度信号的幅值小于负向过载阈值时，向单稳态输出电路输出加速度过载信号；

单稳态输出电路对双向判别电路输出的信号进行单稳态控制，当双向判别电路无输出时，单稳态输出电路处于稳定的状态到功率输出电路，当双向判别电路有输出时，单稳态输出电路进行暂稳态输出到功率输出电路。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、通过双向加速度过载继电器电路，对碰撞产生的加速度信号的正、负向幅值同时进行判断，无论是正向或是负向加速度达到动作阈值后，经过双向判别电路后，都能触发单稳态输出电路的功能，确保过载信号的有效输出，从而提高了加速度过载继电器的可靠性；

2、在双向加速度过载继电器电路中引入了偏移调理电路，对输入的正负方向加速度信号幅度进行调整，使其采用单电源即可实现加速度信号正负双向的判断功能，从而有效避免了采用正负双电源供电电路所导致额元器件成本增加和难以小型化集成应用的不足。

附图说明

图1为一种双向加速度过载继电器的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。

一种双向加速度过载继电器，如图1所示，包括加速度电路，偏移调理电路，滤波电路，双向判别电路，单稳态输出电路，以及功率输出电路。其中加速度电路为加速度传感器或加速度敏感电路，加速度传感器或加速度敏感电路产生的加速度信号，通过偏移调理电路的输入端进入到偏移调理电路，偏移调理电路的输出端连接到滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接到双向判别电路的输入端，双向判别电路的输出端连接到单稳态输出电路的输入端，单稳态输出电路输出端连接到功率输出电路。当加速度信号经过偏移调理电路后，对其正负方向的加速度信号幅度进行调整，以适用于单电源供电电路，从而避免了必须采用正、负双电源供电的局限。调整后的信号经过常规的低通滤波电路后，采用双向判别电路对其进行判断，以实现无论是正向或是负向加速度达到动作阈值后，都能触发单稳态输出电路的功能，确保过载信号的有效输出，从而提高了加速度过载继电器的可靠性。

所述偏移调理电路包括电阻R1、R2、R3、R4、R5以及运算放大器K1。加速度信号通过电阻R2连接至运算放大器K1的同相输入端；供电电源通过电阻R3连接至运算放大器K1的同相输入端；电阻R4连接在运算放大器K1的同相输入端与电源负之间；电阻R1连接在运算放大器K1的反相输入端与电源负之间；电阻R5连接在运算放大器K1的反相输入端与输出端之间；经过偏移调理电路调整后的加速度信号，输入到电阻R7。

所述滤波电路包括电阻R6、R7，电容C1、C2，以及运算放大器K2。经过偏移调理电路调整后的加速度信号通过电阻R7进入到滤波电路；电阻R6连接在电阻R7与运算放大器K2的同相输入端之间；电容C2一端连接在电阻R6与R7之间，一端连接在运算放大器K2的反相输入端；电容C1连接在运算放大器K2的同相输入端与电源负之间；运算放大器K2的反相输入端与其输出端连接。特别说明的是，所述滤波电路仅为典型的二阶低通滤波电路，但电路不局限于此，可以根据实际需求，设计三阶、四阶或更高阶的低通滤波电路。

所述双向判别电路包括电阻R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15，二极管RD2、RD3，以及运算放大器K3、K4。经过滤波电路后的加速度信号通过电阻R8、R13分别连接到运算放大器K3、K4的同相输入端；电阻R12连接在运算放大器K3的同相输入端与电源负之间；电阻R14连接在电源正与运算放大器K3的反相输入端之间，电阻R15连接在运算放大器K3的反相输入端与电源负之间；电阻R9连接在运算放大器K4的同相输入端与电源负之间；电阻R10连接在电源正与运算放大器K4的反相输入端之间，电阻R11连接在运算放大器K4的反相输入端与电源负之间；运算放大器K3、K4的输出端分别通过二极管RD2、RD3汇流连接后输出。

所述单稳态输出电路包括电阻R16、R17、R18、R19，电容C3，以及运算放大器K5。经过双向判别电路的信号通过电阻R17连接到运算放大器K5的同相输入端；电容C3、电阻R19并联连接在运算放大器K5的同相输入端与电源负之间；电阻R16连接在电源正与运算放大器K5的反相输入端之间，电阻R18连接在运算放大器K5的反相输入端与电源负之间；运算放大器K5的输出端作为单稳态输出电路的输出端。

上述双向加速度过载继电器的运行方法如下：

在偏移调理电路中，根据运放放大器的输入端特性，可以求出偏移调理电路的方程式：

式中，R_p＝R₂//R₃//R₄，表示同相输入端的等效输入电阻；R_n＝R₁//R₅，表示反相输入端的等效输入电阻；U_i表示加速度信号输入幅值；Vcc表示供电电源幅值；U_O1表示加速度信号经过偏移调理电路后的输出幅值。

通过对R1、R2、R3、R4、R5参数调整，可以对加速度信号的幅值进行偏离调理，将负向加速度信号的幅值调节为正值。在偏移调理电路中，通过适当调整电阻R1、R2、R3、R4、R5的参数，在确保加速度信号调理输出后的幅值满足为正值要求外，还同时使得同相等效输入电阻R_p与反相等效输入电阻R_n相等，从而避免偏置电源产生附加的差模输入电压，减少差模干扰信号。

滤波电路对经过偏移调理电路的加速度信号进行滤波，使小于或等于加速度过载继电器的工作频率的信号通过，对大于工作频率的信号进行衰减滤除。滤波电路的基准频率f₀可以通过式(2)来计算，可以通过调整电阻R6、R7的阻值以及电容C1、C2的容值来设置低通滤波电路的截止频率f_H，其求解计算公式为式(3)。

式中，

双向判别电路对经过滤波电路的加速度信号进行判别，当正向加速度信号的幅值大于正向过载阈值U_H，即运算放大器K3的同相输入端电压幅值大于反向输入端电压幅值，运算放大器K3通过二极管RD2向单稳态输出电路输出加速度过载信号；或者负向加速度信号的幅值小于负向过载阈值U_L，即运算放大器K3的反向输入端电压幅值小于同相输入端电压幅值，运算放大器K4通过二极管RD3向单稳态输出电路输出加速度过载信号。通过调节电阻R8、R9、R10、R11的阻值，可以对负向过载阈值U_L进行设定；调节电阻R12、R13、R14、R15的阻值，可以对正向过载阈值U_H进行设定。

单稳态输出电路对双向判别电路输出的信号进行单稳态控制，当双向判别电路无输出时，即加速度过载继电器未达到过载输出状态，单稳态输出电路处于稳定的状态，此时运算放大器K5的输出保持上电初始状态。当双向判别电路有输出时，由电阻R17、电容C3对双向判别电路的输出进行能量判别，经过能量判别后，确定双向判别电路的输出为有效时，则进行暂稳态输出，该暂稳态输出的持续时间可由电容C3及电阻R19调整。完成暂稳态输出后，运算放大器K5的输出又恢复上电初始状态。利用单稳态电路的上述工作特性，可以提高过载信号抗干扰能力，防止过载继电器产生错误过载信号。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种双向加速度过载继电器，包括加速度电路和功率输出电路；其特征是，还进一步包括滤波电路、双向判别电路和单稳态输出电路；

加速度电路的输出端连接滤波电路的输入端；滤波电路的输出端连接双向判别电路的输入端，双向判别电路的输出端连接单稳态输出电路的输入端，单稳态输出电路输出端连接功率输出电路。

2.根据权利要求1所述的一种双向加速度过载继电器，其特征是，双向判别电路包括电阻R8-R15，二极管RD2、RD3，以及运算放大器K3、K4；

电阻R8和R13的一端相连后，形成双向判别电路的输入端；电阻R8的另一端连接运算放大器K3的同相输入端，电阻R13的另一端连接运算放大器K4的同相输入端；

电阻R12连接在运算放大器K3的同相输入端与电源负极之间；电阻R14连接在电源正极与运算放大器K3的反相输入端之间；电阻R15连接在运算放大器K3的反相输入端与电源负极之间；

电阻R9连接在运算放大器K4的同相输入端与电源负极之间；电阻R10连接在电源正极与运算放大器K4的反相输入端之间；电阻R11连接在运算放大器K4的反相输入端与电源负极之间；

运算放大器K3的输出端连接二极管RD2的阳极，运算放大器K4的输出端连接二极管RD3的阳极，二极管RD2和RD3的阴极形成双向判别电路的输出端。

3.根据权利要求1所述的一种双向加速度过载继电器，其特征是，单稳态输出电路包括电阻R16-R19，电容C3，以及运算放大器K5；

电阻R17的一端形成单稳态输出电路的输入端；电阻R17的另一端连接运算放大器K5的同相输入端；电容C3与电阻R19并联后，连接在运算放大器K5的同相输入端与电源负极之间；电阻R16连接在电源正极与运算放大器K5的反相输入端之间；电阻R18连接在运算放大器K5的反相输入端与电源负极之间；运算放大器K5的输出端形成单稳态输出电路的输出端。

4.根据权利要求1所述的一种双向加速度过载继电器，其特征是，滤波电路为二阶低通滤波电路。

5.根据权利要求1或4所述的一种双向加速度过载继电器，其特征是，滤波电路包括电阻R6、R7，电容C1、C2，以及运算放大器K2；

电阻R7的一端形成滤波电路的输入端，电阻R7的另一端经由电阻R6连接运算放大器K2的同相输入端；电容C2的一端连接在电阻R6与电阻R7之间，电容C2的另一端连接在运算放大器K2的反相输入端；电容C1连接在运算放大器K2的同相输入端与电源负极之间；运算放大器K2的反相输入端与其输出端连接；运算放大器K2的输出端形成滤波电路的输出端。

6.根据权利要求1所述的一种双向加速度过载继电器，其特征是，还进一步包括偏移调理电路，该偏移调理电路的输入端连接加速度电路的输出端连接，偏移调理电路的输出端连接滤波电路的输入端。

7.根据权利要求6所述的一种双向加速度过载继电器，其特征是，偏移调理电路包括电阻R1-R5，以及运算放大器K1；

电阻R2的一端形成偏移调理电路的输入端，电阻R2的另一端连接至运算放大器K1的同相输入端；电源正极通过电阻R3连接至运算放大器K1的同相输入端；电阻R4连接在运算放大器K1的同相输入端与电源负极之间；电阻R1连接在运算放大器K1的反相输入端与电源负极之间；电阻R5连接在运算放大器K1的反相输入端与输出端之间；运算放大器K1的输出端形成偏移调理电路的输出端。

8.根据权利要求1所述的一种双向加速度过载继电器，其特征是，加速度电路为加速度传感器或加速度敏感电路。

9.一种双向加速度过载继电器的运行方法，其特征是，具体包括如下步骤：

偏移调理电路对加速度电路采集到的加速度信号的幅度进行偏离调理，将负向加速度信号的幅值调节为正值，并使得同相等效输入电阻与反相等效输入电阻相等，以避免偏置电源产生附加的差模输入电压；

滤波电路对经过偏移调理电路的加速度信号进行滤波，使小于或等于加速度过载继电器的工作频率的信号通过，对大于工作频率的信号进行衰减滤除；

双向判别电路对经过滤波电路的加速度信号进行判别，当正向加速度信号的幅值大于正向过载阈值或负向加速度信号的幅值小于负向过载阈值时，向单稳态输出电路输出加速度过载信号；

单稳态输出电路对双向判别电路输出的信号进行单稳态控制，当双向判别电路无输出时，单稳态输出电路处于稳定的状态到功率输出电路，当双向判别电路有输出时，单稳态输出电路进行暂稳态输出到功率输出电路。