CN111624518A - 传感器及其断路检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器及其断路检测电路，检测电路包括：开关单元，其第一端与传感器的电源端相连，第二端与传感器的信号端相连；第一电阻，其一端与传感器的电源端相连，另一端与开关单元的控制端相连；第二电阻，其一端与传感器的信号端相连，另一端与传感器的接地端相连；控制单元，其电源端与传感器的电源端相连，接地端与传感器的接地端相连，控制信号输出端与开关单元的控制端相连，用于在传感器正常工作时控制开关单元处于断开状态，并在传感器发生断路故障时停止工作。由此，通过开关单元将传感器的电源端与信号端相连，并在第一电阻和第二电阻的配合下，不仅能够有效检测出传感器是否发生断路故障，且不会要求传感器具有较强的输出能力。

Description

传感器及其断路检测电路

技术领域

本发明涉及传感器失效检测技术领域，特别是涉及一种传感器及其断路检测电路。

背景技术

通常，三线制传感器包括电源端VCC、信号端OUT和接地端GND。并且，在采用该类传感器进行检测时，一般将电源端VCC与主控制器的电源端相连，将接地端GND与主控制器的接地端相连，以及将信号端OUT与主控制器的信号检测端相连，主控制器通过采样信号检测端的信号以获得相应信息。

在实际应用中，如果传感器与主控制器的连线断开，则需要主控制器能够识别出断路情况。传统的做法是：使主控制器采样到的信号超出传感器的正常工作电压范围即可，例如，传感器的正常工作电压范围为0.5V-4.7V，如果发生断路，则希望主控制器测量得到0.4V以下的信号，或者4.8V(保留余量)以上的信号。但是，在对主控制器进行设计时，往往会接入不同规格的上拉电阻或下拉电阻，如果上拉电阻或下拉电阻选择不合适(例如，下拉电阻的阻值为10kΩ)，则会出现断路后信号检测端的信号仍处于正常工作电压范围内，从而无法判断出传感器是否已经失效。

为了解决上述问题，相关技术中采用图1所示电路结构，即在传感器的电源端VCC与信号端OUT之间连接一阻值极小的上拉电阻，如400Ω，这样当传感器的接地端GND断路时，能够将传感器的信号端OUT上拉至4.8V以上，从而能够判定出传感器处于失效状态。但是该方式需要传感器具有极强的输出能力，一般传感器内部的调理芯片均无法达到如此输出能力，导致无法正常工作。

发明内容

基于此，有必要针对通过在传感器的电源端与信号端之间连接阻值极小的上拉电阻来检测传感器是否失效存在的需要传感器具有极强的输出能力的问题，提供一种传感器及其断路检测电路。

一种传感器的断路检测电路，包括：

开关单元，开关单元的第一端与传感器的电源端相连，开关单元的第二端与传感器的信号端相连；

第一电阻，第一电阻的一端与传感器的电源端相连，第一电阻的另一端与开关单元的控制端相连；

第二电阻，第二电阻的一端与传感器的信号端相连，第二电阻的另一端与传感器的接地端相连；

控制单元，控制单元的电源端与传感器的电源端相连，控制单元的接地端与传感器的接地端相连，控制单元的控制信号输出端与开关单元的控制端相连，控制单元用于在传感器正常工作时控制开关单元处于断开状态，并在传感器发生断路故障时停止工作。

在其中一个实施例中，开关单元为压控型开关管。

在其中一个实施例中，控制单元为传感器内部的信号调理单元。

在其中一个实施例中，断路故障包括传感器的电源端断路和/或传感器的接地端断路。

在其中一个实施例中，传感器的信号端还与主控制器的信号检测端相连，主控制器用于采集信号检测端的电平信号，并根据电平信号判断传感器是否发生断路故障。

在其中一个实施例中，主控制器根据电平信号判断传感器是否发生断路故障，包括：

判断电平信号是否处于传感器的正常输出信号范围；

如果电平信号低于传感器的正常输出信号范围的最小值，则判定传感器的电源端断路；

如果电平信号高于传感器的正常输出信号范围的最大值，则判定传感器的接地端断路。

在其中一个实施例中，主控制器包括负载电阻，负载电阻为上拉电阻或者下拉电阻。

在其中一个实施例中，根据负载电阻的阻值和传感器断路后的等效电阻调整第二电阻的阻值。

在其中一个实施例中，第二电阻为可调电阻。

一种传感器，其包括上述的断路检测电路。

上述传感器及其断路检测电路，包括开关单元、第一电阻、第二电阻和控制单元，开关单元的第一端与传感器的电源端相连，开关单元的第二端与传感器的信号端相连；第一电阻的一端与传感器的电源端相连，第一电阻的另一端与开关单元的控制端相连；第二电阻的一端与传感器的信号端相连，第二电阻的另一端与传感器的接地端相连；控制单元的电源端与传感器的电源端相连，控制单元的接地端与传感器的接地端相连，控制单元的控制信号输出端与开关单元的控制端相连，控制单元用于在传感器正常工作时控制开关单元处于断开状态，并在传感器发生断路故障时停止工作。由此，通过开关单元将传感器的电源端与信号端相连，并在传感器正常工作时处于断开状态，以使传感器的信号能够正常输出，并在传感器发生断路故障时处于导通状态，以将传感器的信号拉抬至一个异常值，根据该异常值即可发现传感器是否发出断路故障，整个电路结构简单、可靠，且不会要求传感器具有较强的输出能力。

附图说明

图1为相关技术中传感器的断路检测电路的电路图；

图2为一个实施例中传感器的断路检测电路的电路图；

图3为一个实施例中传感器的内部结构示意图；

图4a为一个实施例中具有上拉电阻的主控制器进行断路检测的示意图；

图4b为一个实施例中具有下拉电阻的主控制器进行断路检测的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

图2为一个实施例中传感器的断路检测电路的电路图，参考图2所示，传感器的断路检测电路可包括开关单元10、第一电阻R1、第二电阻R2和控制单元20。其中，开关单元10的第一端与传感器的电源端VCC相连，开关单元10的第二端与传感器的信号端OUT相连；第一电阻R1的一端与传感器的电源端VCC相连，第一电阻R1的另一端与开关单元10的控制端相连；第二电阻R2的一端与传感器的信号端OUT相连，第二电阻R2的另一端与传感器的接地端GND相连；控制单元20的电源端与传感器的电源端VCC相连，控制单元20的接地端与传感器的接地端GND相连，控制单元20的控制信号输出端与开关单元10的控制端相连，控制单元20用于在传感器正常工作时控制开关单元10处于断开状态，并在传感器发生断路故障时停止工作。

具体地，开关单元10主要用于将传感器的电源端VCC与信号端OUT相连，并在传感器正常工作时，处于断开状态，以使传感器的电源端VCC与信号端OUT断开，进而使得传感器的信号端OUT能够正常输出信号至后端采集设备(如主控制器等)，即不会影响传感器的正常工作；而在传感器发生异常如断路故障时，处于导通状态，以使传感器的电源端VCC与信号端OUT接通，从而达到预定的断路检测功能，如将传感器的信号端OUT的信号拉抬至一个异常值，使得后端采集设备根据该异常值即可判断出传感器是否发生断路故障。控制单元20主要用于在传感器正常工作时，输出控制信号至开关单元10，以使开关单元10处于断开状态，而在传感器发生断路故障时，停止工作。第一电阻R1作为上拉电阻，主要用于将开关单元10的控制端的不确定信号固定在高电平，第二电阻R2作为下拉电阻，主要用于传感器的信号端OUT的不确定信号固定在低电平，以配合开关单元10实现对传感器断路故障的有效检测。

具体来说，参考图2所示，当传感器正常工作时，控制单元20工作并输出控制信号至开关单元10，以使开关单元10处于断开状态，此时传感器的信号端OUT输出正常信号，后端采集设备通过采样该信号即可获得所需信息；当传感器发生断路故障，如电源端VCC断路时，由于控制单元20的电源端与传感器的电源端VCC相连，当传感器的电源端VCC断路时，传感器以及控制单元20均不会工作，此时传感器具有一个对地等效电阻，该对地等效电阻与第二电阻R2并联后，将获得一个更低的对地电阻，此时传感器的信号端OUT具有一个很低的电平信号(低于传感器输出的正常信号)，后端采集设备根据该电平信号即可判断出传感器发生断路故障；当传感器发生断路故障，如接地端GND断路时，由于控制单元20的接地端与传感器的接地端GND相连，当传感器的接地端GND断路时，传感器以及控制单元20均不会工作，此时在第一电阻R1的作用下，开关单元10的控制端的不确定信号将被拉抬至高电平，开关单元10处于导通状态，此时传感器的信号端OUT具有一个很高的电平信号(高于传感器输出的正常信号)，后端采集设备根据该电平信号即可判断出传感器发生断路故障。由此，通过上述器件的相互配合，不仅不会影响传感器的正常信号输出，而且能够准确地检测出传感器是否发生断路故障，且电路简单、可靠性高。

本实施例中，通过开关单元将传感器的电源端与信号端相连，并在传感器正常工作时处于断开状态，以使传感器的信号能够正常输出，并在传感器发生断路故障时处于导通状态，以将传感器的信号拉抬至一个异常值，根据该异常值即可发现传感器是否发出断路故障，整个电路结构简单、可靠，且不会要求传感器具有较强的输出能力，对传感器内部调理芯片的输出能力降低了要求，增加了产品的适用性。

在本申请中，开关单元10可由单个电子开关器件构成，也可以由多个电子开关器件以及相应外围电路构成，具体这里不做限制，只要能够在传感器正常工作时，保证传感器的电源端VCC与信号端OUT断开，以及在传感器的接地端GND断路时，使得传感器的电源端VCC与信号端OUT接通即可。在一个实施例中，参考图3所示，开关单元10可为压控型开关管，如JFET(Junction Field Effect Transistor，结型场效应晶体管)。当开关单元10为JFET时，其栅极与控制单元20的控制信号输出端相连，源极与传感器的电源端VCC相连，漏极与传感器的信号端OUT相连，通过该JFET即可实现上述功能，且电路结构简单。

在本申请中，控制单元20可由微处理器构成，也可以由电子器件组合而成，具体这里不做限制，只要能够在传感器正常工作时，控制开关单元10处于断开状态，以及在传感器发生断路故障时停止工作即可。另外，本申请的断路检测电路可独立于传感器设置，也可以集成于传感器内部设置，当断路检测电路集成于传感器内部设置时，参考图3所示，控制单元20可为传感器内部的信号调理单元(如调理电路、调理芯片等)，该信号调理单元的一个控制端与开关单元10的控制端相连，用于在传感器正常工作时控制其处于断开状态，并在传感器断路故障时停止工作，这样不仅能够减少元器件使用，而且能够提高检测电路的可靠性，同时也不会像图1所示检测电路需要传感器具有较强的输出能力，对信号调理单元的输出能力降低了要求，增强了产品的适用性。

在一个实施例中，参考图4a或图4b所示，传感器的信号端OUT还与主控制器的信号检测端相连，主控制器用于采集信号检测端的电平信号，并根据电平信号判断传感器是否发生断路故障。进一步地，主控制器根据电平信号判断传感器是否发生断路故障可包括：判断电平信号是否处于传感器的正常输出信号范围；如果电平信号低于传感器的正常输出信号范围的最小值或者最小值加上余量，则判定传感器的电源端VCC断路；如果电平信号高于传感器的正常输出信号范围的最大值或者最大值加上余量，则判定传感器的接地端GND断路。

需要说明的是，传感器的正常输出信号范围也即传感器的正常工作电压范围，如0.5V-4.7V，相应的，传感器的正常输出信号范围的最小值为0.5V，传感器的正常输出信号范围的最大值为4.7V，考虑到波动问题，可在最小值和最大值的基础上增加一余量，如0.1V，以避免因波动而误判。

具体来说，通常在对主控制器进行设计时，会接入不同规格的负载电阻，如上拉电阻或者下拉电阻。参考图4a所示，当负载电阻为上拉电阻R3时，当传感器正常工作时，信号调理单元输出低电平信号至JFET，以使JFEI处于断开状态，此时传感器的信号端OUT输出正常信号至主控制器的信号检测端，主控制器通过采集信号检测端的信号即可获得所需信息；当传感器的电源端VCC断路时，传感器将不工作，且其具有对地等效电阻，第二电阻R2和该对地等效电阻并联后，得到一个更低的对地电阻，此时主控制器的信号检测端将检测到低于0.5V的电平信号，根据该电平信号即可判断出传感器发生电源端VCC断路；当传感器的接地端GND断路时，传感器不工作，JFET处于不受控状态，但在第一电阻R1的作用下，JFET的栅极和源极被上拉到相同的电压，此时Vgs大于0V，JFET处于导通状态且导通电阻较小，能够轻易地将传感器的信号端OUT的电平信号拉升至4.8V以上，主控制器根据该电平信号即可判断出传感器发生接地端GND断路。

由此，在主控制器的负载电阻为上拉电阻时，在第一电阻、第二电阻以及开关单元的相互配合下，能够保证在传感器发生断路故障时，使得主控制器采样获得的电平信号在正常输出信号范围之外，从而有效判断出传感器发生断路故障。而如果没有该检测电路，那么在传感器的电源端断路时，主控制器采样获得的电平信号有可能仍停留在正常输出信号范围之内，导致不能正确判断。

参考图4b所示，当负载电阻为下拉电阻R4时，当传感器正常工作时，信号调理单元输出低电平信号至JFET，以使JFEI处于断开状态，此时传感器的信号端OUT输出正常信号至主控制器的信号检测端，主控制器通过采集信号检测端的信号即可获得所需信息；当传感器的电源端VCC断路时，传感器将不工作，主控制器的信号检测端将检测到0V的电平信号，根据该电平信号即可判断出传感器发生电源端VCC断路；当传感器的接地端GND断路时，传感器不工作，JFET处于不受控状态，但在第一电阻R1的作用下，JFET的栅极和源极被上拉到相同的电压，此时Vgs大于0V，JFET充分导通且具有极小的导通电阻，使得无论传感器内部的上拉电阻如何，都能够将传感器的信号端OUT的电平信号拉升至4.8V以上，主控制器根据该电平信号即可判断出传感器发生接地端GND断路。

由此，在主控制器的负载电阻为下拉电阻时，在第一电阻、第二电阻以及开关单元的相互配合下，能够保证在传感器发生断路故障时，使得主控制器采样获得的电平信号在正常输出信号范围之外，从而有效判断出传感器发生断路故障，该方式特别适用于下拉电阻较小的情况。而如果没有该检测电路，那么在传感器的接地端断路时，由于传感器内部往往具有上拉电阻，如果该上拉电阻大于一定值(如500Ω或者更大值)，那么电路分压就会造成主控制器的信号检测端获得正常电压，从而导致断路检测失效。

本实施例中，在第一电阻、第二电阻以及开关单元的相互配合下，主控制器通过判断传感器的信号端的电平信号是否在正常输出信号范围之外，即可判断出传感器是否发生断路故障，且判断方式简单、可靠。

在一个实施例中，根据负载电阻的阻值调整开关单元10的参数和第二电阻R2的阻值，以使检测电路能够同时适配多种不同负载电阻的主控制器采样电路，实现同一产品适配多种采样接口，方便使用。例如，通过调整第二电阻R2的阻值以及JFET的参数，以同时适配多种不同上拉电阻R3或者下拉电阻R4的主控制器采样电路。更为具体的，JFET的参数通常变化很小，所以选用较为常用的JFET即可，而第二电阻R2的阻值可根据负载电阻的阻值以及断路后传感器的等效电阻的阻值灵活调整，以适应电平需求。在一个实施例中，第二电阻R2为可调电阻，以便于测试调节。另外，第一电阻R1主要用于实现上拉功能，所以选择较为常用阻值即可，例如选择100kΩ。

综上所述，本申请的传感器的断路检测电路，不仅能够实现传感器断路故障的有效检测，而且能够有效避免要求传感器具有较强的输出能力，对传感器内部调理电路的输出能力降低了要求，同时可适用于后端采集设备如主控制器的信号检测端的各种配置方案，使得一种电路结构能够适配多种型号的后端采集设备，减少了产品的型号及成本，极大地增强了产品的适用性。

本申请还提供了一种传感器，其包括上述的断路检测电路。

具体来说，参考图3所示，该传感器可包括开关单元10、第一电阻R1、第二电阻R2和控制单元20。其中，开关单元10的第一端与传感器的电源端VCC相连，开关单元10的第二端与传感器的信号端OUT相连；第一电阻R1的一端与传感器的电源端VCC相连，第一电阻R1的另一端与开关单元10的控制端相连；第二电阻R2的一端与传感器的信号端OUT相连，第二电阻R2的另一端与传感器的接地端GND相连；控制单元20的电源端与传感器的电源端VCC相连，控制单元20的接地端与传感器的接地端GND相连，控制单元20的控制信号输出端与开关单元10的控制端相连，控制单元20用于在传感器正常工作时控制开关单元10处于断开状态，并在传感器发生断路故障时停止工作。

在一个实施例中，开关单元10可为压控型开关管，如JFET，控制单元20可为信号调理单元(如，调理电路或调理芯片等)。

需要说明的是，关于本申请的传感器的描述，请参考本申请关于传感器的断路检测电路的描述，这里就不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种传感器的断路检测电路，其特征在于，包括：

开关单元，所述开关单元的第一端与传感器的电源端相连，所述开关单元的第二端与所述传感器的信号端相连；

第一电阻，所述第一电阻的一端与所述传感器的电源端相连，所述第一电阻的另一端与所述开关单元的控制端相连；

第二电阻，所述第二电阻的一端与所述传感器的信号端相连，所述第二电阻的另一端与所述传感器的接地端相连；

控制单元，所述控制单元的电源端与所述传感器的电源端相连，所述控制单元的接地端与所述传感器的接地端相连，所述控制单元的控制信号输出端与所述开关单元的控制端相连，所述控制单元用于在所述传感器正常工作时控制所述开关单元处于断开状态，并在所述传感器发生断路故障时停止工作。

2.根据权利要求1所述的传感器的断路检测电路，其特征在于，所述开关单元为压控型开关管。

3.根据权利要求1所述的传感器的断路检测电路，其特征在于，所述控制单元为所述传感器内部的信号调理单元。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器的断路检测电路，其特征在于，所述断路故障包括所述传感器的电源端断路和/或所述传感器的接地端断路。

5.根据权利要求4所述的传感器的断路检测电路，其特征在于，所述传感器的信号端还与主控制器的信号检测端相连，所述主控制器用于采集所述信号检测端的电平信号，并根据所述电平信号判断所述传感器是否发生断路故障。

6.根据权利要求5所述的传感器的断路检测电路，其特征在于，所述主控制器根据所述电平信号判断所述传感器是否发生断路故障，包括：

判断所述电平信号是否处于所述传感器的正常输出信号范围；

如果所述电平信号低于所述传感器的正常输出信号范围的最小值，则判定所述传感器的电源端断路；

如果所述电平信号高于所述传感器的正常输出信号范围的最大值，则判定所述传感器的接地端断路。

7.根据权利要求5所述的传感器的断路检测电路，其特征在于，所述主控制器包括负载电阻，所述负载电阻为上拉电阻或者下拉电阻。

8.根据权利要求7所述的传感器的断路检测电路，其特征在于，根据所述负载电阻的阻值和所述传感器断路后的等效电阻调整所述第二电阻的阻值。

9.根据权利要求8所述的传感器的断路检测电路，其特征在于，所述第二电阻为可调电阻。

10.一种传感器，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的断路检测电路。

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