CN112858977A - 一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路以及侦测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电气电路故障侦测技术领域，尤其为一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路以及侦测方法，所述侦测电路包括霍尔电流传感器芯片、AD芯片、增益放大电路、滤波电路、测控电路、模拟信号匹配电路、故障模型电路模块、报警电路和显示电路模块，所述霍尔电流传感器芯片、AD芯片、增益放大电路、滤波电路和测控电路依次电性连接，所述霍尔电流传感器芯片采集到的直流电流信号经AD芯片进行模数转换。本发明克服了现有技术中采用电流互感器进行电气电路检测存在的测量频率有限、信号失真、检测误差大等缺陷和不足，故障侦测稳定性及可靠性高，适用于时频域信号分析检测，同时满足频域信号快速侦测需求，灵活性更高。

Description

一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路以及侦测方法

技术领域

本发明涉及电气电路故障侦测技术领域，具体为一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路以及侦测方法。

背景技术

众所周知，许多工程系统，例如航空发动机、车辆动力学、化学工艺、制造系统、电力网络、电气设备、风力发电转换系统以及工业电子设备是安全关键系统。工业系统对潜在过程异常和部件故障的安全和可靠性的要求不断提升。因此，尽早的检测和识别出任何类型的故障和潜在异常并采取容错操作以降低性能下降避免危险情况的出现十分重要。

现有的故障侦测方法包括基于模型的故障侦测方法和基于信号的故障侦测方法两大类，其中，基于信号的方法使用测量信号，而不是输入输出模型进行故障诊断。过程故障体现在测量的信号中，信号的特征需要被提取，故障诊断决策基于健康系统的信号特征分析和特征的先验知识。基于信号的故障诊断方法在实时监测和诊断方面有很广泛的应用，如异步电机、电源转换器以及系统中的机械部件。对提取的特征信号可以是时域(如均值、趋势、标准偏差、相位、坡度、峰值、均方差等)的也可以是频域(频谱)的。因此，基于信号的故障诊断方法可以被分为基于时域信号的故障诊断方法和基于频域信号的故障诊断方法。

在利用霍尔电流传感器芯片进行测量电气电路直流电流时，现有的霍尔电流传感器芯片故障侦测电路通常采用小波分析法进行故障信号特征信息提取。小波分析具有时频域局部化的特征，能通过时频窗口的灵活变化突出故障信号的突变成分，能有效的提取故障信号特征信息。这些方法虽然对噪声中的小波分析算法进行了一些改进，但不能将基于模型的故障侦测方法和基于信号的故障侦测方法有效结合，以克服现有技术中采用电流互感器进行电气电路检测存在的测量频率有限、信号失真、检测误差大等缺陷和不足，以及同时适用于时、频域信号分析，满足频域信号快速侦测需求等，灵活性较差。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路以及侦测方法，解决了现有的霍尔电流传感器芯片故障侦测电路在进行电气直流电流故障侦测时，不能将基于模型的故障侦测方法和基于信号的故障侦测方法有效结合，以克服现有技术中采用电流互感器进行电气电路检测存在的测量频率有限、信号失真、检测误差大等缺陷和不足，以及同时适用于时、频域信号分析，满足频域信号快速侦测需求等，灵活性较差的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路，包括霍尔电流传感器芯片、AD芯片、增益放大电路、滤波电路、测控电路、模拟信号匹配电路、故障模型电路模块、报警电路和显示电路模块，所述霍尔电流传感器芯片、AD芯片、增益放大电路、滤波电路和测控电路依次电性连接，所述霍尔电流传感器芯片采集到的直流电流信号经AD芯片进行模数转换，转换成的数字信号依次经增益放大电路和滤波电路进行增益放大以及滤波处理后由测控电路进行测试处理，所述霍尔电流传感器芯片通过模拟信号匹配电路与测控电路电性连接，所述故障模型电路模块与测控电路电性连接，所述模拟信号匹配电路用于针对故障模型电路模块提供与模拟信号相匹配的时域特征信号，并通过测控电路进行测试，所述报警电路和显示电路模块分别与测控电路电性连接，所述报警电路用于当由测控电路测试到电流检测存在故障时输出告警信号，所述显示电路模块用于显示测控电路测试结果以及故障分析数据。

作为本发明的一种优选技术方案，所述AD芯片采用AD7810模数转换芯片。

作为本发明的一种优选技术方案，所述增益放大电路采用AD620放大芯片。

作为本发明的一种优选技术方案，所述滤波电路为由两只电容C1、C2与电感L组成π型滤波器。

本发明还提供了一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路的侦测方法，包括以下步骤：

步骤S1、建立若干故障模型组成故障模型电路模块，针对故障模型提供与故障模型相匹配的测试向量，针对测试向量提供与测试向量相匹配的时域特征信号；

步骤S2、通过模拟信号匹配电路提取平稳型模拟信号中相匹配的时域特征信号；

步骤S3、通过测控电路将经S2步骤提供的时域特征信号与故障模型中的时域特征信号进行匹配，匹配成功即被测电气电路存在故障，当检测到被测电路器件存在故障时通过报警电路输出告警信号，匹配失败则被测电气电路无故障；

步骤S4、当待测模拟信号为非平稳模拟信号时，将模拟信号通过AD芯片进行模数转换后，依次通过增益放大电路和滤波电路进行增益放大以及滤波处理，基于小波变换法通过测控电路进行测试处理。

作为本发明的一种优选技术方案，所述S1步骤中，对提取的特征信号为模拟信号的均值、趋势、标准偏差、相位、坡度、峰值或均方差。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路以及侦测方法，具备以下有益效果：

该霍尔电流传感器芯片故障侦测电路以及侦测方法，克服了现有技术中采用电流互感器进行电气电路检测存在的测量频率有限、信号失真、检测误差大等缺陷和不足，故障侦测稳定性及可靠性高，适用于时频域信号分析检测，同时满足频域信号快速侦测需求，灵活性更高。

附图说明

图1为本发明一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路的电路连接原理框图。

图中：1、霍尔电流传感器芯片；2、AD芯片；3、增益放大电路；4、滤波电路；5、测控电路；6、模拟信号匹配电路；7、故障模型电路模块；8、报警电路；9、显示电路模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1，本发明提供以下技术方案：一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路，包括霍尔电流传感器芯片1、AD芯片2、增益放大电路3、滤波电路4、测控电路5、模拟信号匹配电路6、故障模型电路模块7、报警电路8和显示电路模块9，霍尔电流传感器芯片1、AD芯片2、增益放大电路3、滤波电路4和测控电路5依次电性连接，霍尔电流传感器芯片1采集到的直流电流信号经AD芯片2进行模数转换，转换成的数字信号依次经增益放大电路3和滤波电路4进行增益放大以及滤波处理后由测控电路5进行测试处理，霍尔电流传感器芯片1通过模拟信号匹配电路6与测控电路5电性连接，故障模型电路模块7与测控电路5电性连接，模拟信号匹配电路6用于针对故障模型电路模块7提供与模拟信号相匹配的时域特征信号，并通过测控电路5进行测试，报警电路8和显示电路模块9分别与测控电路5电性连接，报警电路8用于当由测控电路5测试到电流检测存在故障时输出告警信号，显示电路模块9用于显示测控电路5测试结果以及故障分析数据。

具体的，AD芯片2采用AD7810模数转换芯片。

本实施例中，AD7810是美国模拟器件公司(Analog Devices)生产的一种低功耗10位高速串行A/D转换器；该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并带有内部时钟；它的外围接线极其简单，AD7810的转换时间为2us，采用标准SPI同步串行接口输出和单一电源(2.7V～5.5V)供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为1KSPS时的功耗仅为27uW，因此特别适合于便携式仪表及各种电池供电的应用场合使用。

具体的，增益放大电路3采用AD620放大芯片。

本实施例中，AD620是一种低噪声、低功耗和高共模抑制比(CMRR)的仪表放大器的产品，特别适合做小信号的前置放大级，经AD620放大后的小信号失真度很小，加一级AD620组成的前置放大，同样可以把系统误差控制在系统设计要求的范围内。

具体的，滤波电路4为由两只电容C1、C2与电感L组成π型滤波器。

本发明还提供了一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路的侦测方法，包括以下步骤：

步骤S1、建立若干故障模型组成故障模型电路模块7，针对故障模型提供与故障模型相匹配的测试向量，针对测试向量提供与测试向量相匹配的时域特征信号；

步骤S2、通过模拟信号匹配电路6提取平稳型模拟信号中相匹配的时域特征信号；

步骤S3、通过测控电路5将经S2步骤提供的时域特征信号与故障模型中的时域特征信号进行匹配，匹配成功即被测电气电路存在故障，当检测到被测电路器件存在故障时通过报警电路8输出告警信号，匹配失败则被测电气电路无故障；

步骤S4、当待测模拟信号为非平稳模拟信号时，将模拟信号通过AD芯片2进行模数转换后，依次通过增益放大电路3和滤波电路4进行增益放大以及滤波处理，基于小波变换法通过测控电路5进行测试处理。

具体的，S1步骤中，对提取的特征信号为模拟信号的均值、趋势、标准偏差、相位、坡度、峰值或均方差。

本实施例中，对提取的特征信号可以为均值、趋势、标准偏差、相位、坡度、峰值或均方差，以上均为时域信号，测控电路5基于时域信号进行故障诊断的方法，能够实现对电气电路信号的实时监测。

本发明的工作原理及使用流程：工作时，第一时间判断待测电气电路信号为平稳信号或不平稳信号，当待测电气电路信号为平稳信号时，首先建立若干故障模型组成故障模型电路模块7，针对故障模型提供与故障模型相匹配的测试向量，针对测试向量提供与测试向量相匹配的时域特征信号；再通过模拟信号匹配电路6提取平稳型模拟信号中相匹配的时域特征信号；继而通过测控电路5将经S2步骤提供的时域特征信号与故障模型中的时域特征信号进行匹配，匹配成功即被测电气电路存在故障，当检测到被测电路器件存在故障时通过报警电路8输出告警信号，匹配失败则被测电气电路无故障；当待测电气电路信号为不平稳信号时，将模拟信号通过AD芯片2进行模数转换后，依次通过增益放大电路3和滤波电路4进行增益放大以及滤波处理，基于小波变换法通过测控电路5进行测试处理；本发明提供的霍尔电流传感器芯片1故障侦测电路克服了现有技术中采用电流互感器进行电气电路检测存在的测量频率有限、信号失真、检测误差大等缺陷和不足，故障侦测稳定性及可靠性高，适用于时频域信号分析检测，同时满足频域信号快速侦测需求，灵活性更高。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路，包括霍尔电流传感器芯片(1)、AD芯片(2)、增益放大电路(3)、滤波电路(4)、测控电路(5)、模拟信号匹配电路(6)、故障模型电路模块(7)、报警电路(8)和显示电路模块(9)，其特征在于：所述霍尔电流传感器芯片(1)、AD芯片(2)、增益放大电路(3)、滤波电路(4)和测控电路(5)依次电性连接，所述霍尔电流传感器芯片(1)采集到的直流电流信号经AD芯片(2)进行模数转换，转换成的数字信号依次经增益放大电路(3)和滤波电路(4)进行增益放大以及滤波处理后由测控电路(5)进行测试处理，所述霍尔电流传感器芯片(1)通过模拟信号匹配电路(6)与测控电路(5)电性连接，所述故障模型电路模块(7)与测控电路(5)电性连接，所述模拟信号匹配电路(6)用于针对故障模型电路模块(7)提供与模拟信号相匹配的时域特征信号，并通过测控电路(5)进行测试，所述报警电路(8)和显示电路模块(9)分别与测控电路(5)电性连接，所述报警电路(8)用于当由测控电路(5)测试到电流检测存在故障时输出告警信号，所述显示电路模块(9)用于显示测控电路(5)测试结果以及故障分析数据。

2.根据权利要求1所述的一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路，其特征在于：所述AD芯片(2)采用AD7810模数转换芯片。

3.根据权利要求1所述的一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路，其特征在于：所述增益放大电路(3)采用AD620放大芯片。

4.根据权利要求1所述的一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路，其特征在于：所述滤波电路(4)为由两只电容C1、C2与电感L组成π型滤波器。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路的侦测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1、建立若干故障模型组成故障模型电路模块(7)，针对故障模型提供与故障模型相匹配的测试向量，针对测试向量提供与测试向量相匹配的时域特征信号；

步骤S2、通过模拟信号匹配电路(6)提取平稳型模拟信号中相匹配的时域特征信号；

步骤S3、通过测控电路(5)将经S2步骤提供的时域特征信号与故障模型中的时域特征信号进行匹配，匹配成功即被测电气电路存在故障，当检测到被测电路器件存在故障时通过报警电路(8)输出告警信号，匹配失败则被测电气电路无故障；

步骤S4、当待测模拟信号为非平稳模拟信号时，将模拟信号通过AD芯片(2)进行模数转换后，依次通过增益放大电路(3)和滤波电路(4)进行增益放大以及滤波处理，基于小波变换法通过测控电路(5)进行测试处理。

6.根据权利要求5所述的一种霍尔电流传感器芯片故障侦测电路的侦测方法，其特征在于：所述S1步骤中，对提取的特征信号为模拟信号的均值、趋势、标准偏差、相位、坡度、峰值或均方差。

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