CN113904308B - 一种用于压电传感器短路的防护电路及感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于压电传感器短路的防护电路及感知方法，当传感器发生短路，在信号输入端接入正弦电压信号时，第一电阻两端的电压升高，第二三极管和光耦导通，第一电阻两端的电压被钳位在预设范围内，光耦的第三端为低电平，第二发光二极管不亮；当传感器发生短路，在信号输入端接入正弦负压信号时，第八电阻两端的电压升高，第三三极管和第二发光二极管导通，第八电阻两端的电压被钳位在预设范围内，第二发光二极管亮，光耦第三端为高电平；本发明在压电传感器发生短路后，迅速的对系统实施双向限流保护，无需控制器参与，避免系统过热等情况发生，并同时给系统和用户发出短路警告；传感器恢复正常后，电路自动恢复正常工作状态。

Description

一种用于压电传感器短路的防护电路及感知方法

技术领域

本发明涉及压电传感器短路检测技术领域，特别涉及一种用于压电传感器短路的防护电路及感知方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

压电传感器，又称压电换能器，是利用某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应来将电能与声能进行相互转换的器件。

压电传感器在超声导波结构损伤检测等场景应用时，使用宽频高压功率放大器输出正弦信号(如±60V，100KHz)作为传感器的驱动，驱动信号峰值功率达10W以上。使用两根长线连接驱动传感器的放大器与压电传感器，随着工作时间的增加，因线缆磨损、结构积水等因素可能会导致压电传感器两电极之间发生短路。若不针对传感器的短路问题进行驱动电路的保护设计，轻则影响系统正常使用，严重的话会导致整机工作电流过大、进而引发系统发热等问题，甚至可能造成火灾等危险事故发生。

现有的压电传感器的驱动电路中，针对传感器短路问题，常用的方法是在驱动回路上串联电阻，通过检测信号激励时电阻上的电流，计算传感器的阻抗，进而判断传感器是否处于短路等异常状态。该方法没有限流措施，激励传感器时不可避免的会在回路中产生大电流，增加了系统故障概率；需要控制器参与状态判断，故障报警速度相对较慢；每次激励传感器前，都需要检测传感器阻抗，降低了结构损伤的检测效率。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种用于压电传感器短路的防护电路及感知方法，在压电传感器发生短路后，电路能够迅速对系统实施双向限流保护，同时给系统和用户发出短路警告信号；在传感器恢复正常后，电路会自动恢复正常工作状态，并取消短路警告信号；本发明实现了对压电传感器短路的自动快速防护，避免了因压电传感元件短路而导致的系统过热、仪器损坏等情况发生，极大的提高了系统安全性与可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种用于压电传感器短路的防护电路，信号输入端通过第五电阻与信号输出端连接，信号输出端用于与压电传感器连接，信号输入端分别与第四电阻的第一端、第一三极管的集电极连接，第一三极管的发射极分别与第一电阻的第一端和第二电阻的第一端连接，第二电阻的第二端与第二三极管的基极连接；

第四电阻的第二端分别与第一三极管的基极和第二三极管的集电极连接，第四电阻的第二端与第二三极管的集电极之间连接有第一二极管，第二三极管的发射极与光耦的第一端连接，第一电阻的第二端分别与光耦的第二端、信号输出端、第六电阻的第一端和第四三极管的集电极连接；

信号输入端依次与第二发光二极管的负极端、第八电阻的第一端连接，第二发光二极管的正极端与第三三极管的发射极连接，第八电阻的第二端通过第七电阻与第三三极管的基极连接，第八电阻的第二端与第四三极管的发射极连接，第三三极管的集电极通过第三二极管分别与第六电阻的第二端和第四三极管的基极连接。

进一步的，信号输入端与第一电容的第一端连接，第一电容的第二端用于与正弦信号源连接。

进一步的，光耦的第三端通过第三电阻与第一电源连接，光耦的第四端接地。

进一步的，第四电阻的第二端与第一二极管的正极端连接，第一二极管的负极端与第二三极管的集电极连接，第三三极管的集电极与第三二极管的负极端连接，第三二极管的正极端分别与第六电阻的第二端和第四三极管的基极连接。

进一步的，第一二极管和第三二极管的反向耐压值均大于输入正弦信号源的峰值。

本发明第二方面提供了一种用于压电传感器短路的感知方法，利用上述的防护电路，包括以下过程：

当压电传感器没有短路，在信号输入端接入正弦正压信号时，第五电阻一直有电流经过；随着输入信号幅值逐渐增加，第一三极管导通，第一电阻和第二电阻两端的电压之和小于第二三极管的基极与发射极之间的导通电压与第一光耦的导通电压之和，第二三极管和第一光耦不导通，第一光耦的第三端为高电平；第三二极管、第三三极管和第四三极管不导通，第三二极管的存在保证了第二发光二极管两端不会有大的反向压差，第二发光二极管不亮。

本发明第三方面提供了一种用于压电传感器短路的感知方法，利用上述的防护电路，包括以下过程：

当压电传感器没有短路，在信号输入端接入正弦负压信号时，第五电阻一直有电流经过；随着输入信号幅值绝对值的逐渐增加，第四三极管导通，第八电阻和第七电阻两端的电压之和小于第三三极管的基极与发射极之间的导通电压与第二发光二极管的导通电压之和，第三三极管和第二发光二极管不导通，第二发光二极管不亮；第一二极管、第一三极管、第二三极管和第一光耦均不导通，第一二极管的存在保证了第一光耦的第一和第二端不会有大的反向压差，第一光耦的第三端为高电平。

本发明第四方面提供了一种用于压电传感器短路的感知方法，利用上述的防护电路，包括以下过程：

当传感器发生短路，在信号输入端接入正弦电压信号时，随着输入信号幅值的增加，第一电阻两端的电压不断升高，当第一电阻和第二电阻两端的电压之和大于第二三极管的基极与发射极之间的导通电压与第一光耦的导通电压之和时，第二三极管和第一光耦导通，第一电阻两端的电压不会随着输入信号幅值的增加而增加，而是被钳位在一个相对稳定的范围内，因此，对外输出的电流不会因传感器的短路而无限制增加，会被限定在一个相对稳定的值，电路起到限流保护作用。此时，第一光耦导通，其第三端为低电平；第二发光二极管、第三二极管、第三三极管、第四三极管均不导通，第二发光二极管不亮。

本发明第五方面提供了一种用于压电传感器短路的感知方法，利用上述的防护电路，包括以下过程：

当传感器发生短路，在信号输入端接入正弦负压信号时，随着输入信号幅值绝对值的增加，第八电阻两端的电压不断升高，当第八电阻和第七电阻两端的电压之和大于第三三极管的基极和发射极之间的导通电压与第二发光二极管的导通电压之和时，第三三极管和第二发光二极管导通，第八电阻两端的电压不会随着输入信号幅值绝对值的增加而增加，而是被钳位在一个相对稳定的范围内，因此，对外输出的电流不会因传感器的短路而无限制增加，会被限定在一个相对稳定的值，电路起到限流保护作用。此时，第二发光二极管亮；第一二极管、第一三极管、第二三极管和第一光耦都不导通，第一光耦的第三端为高电平。

本发明第六方面提供了一种用于压电传感器短路的感知方法，利用上述的防护电路，包括以下过程：

当传感器发生短路后又恢复正常，电路各元件自动恢复成传感器正常时的工作状态，第二发光二极管不亮，第一光耦的第三端为高电平。

本发明第七方面提供了一种压电传感器，包括上述的短路防护电路；或者利用上述的短路感知方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的电路及方法，设计了双向的限流防护，在压电传感器发生短路后，利用三极管基极和发射极之间的钳位电压，对输出电流进行迅速的输出限制，避免了产生大电流、系统过热等情况，极大的提高了系统的安全性。

2、本发明所述的电路及方法，在传感器短路的情况下，输入信号分别为正压和负压时，分别采用输出报警信号和点亮指示灯两种警告方式，实现了对系统和用户更好的告警指示，极大的提高了用户体验。

3、本发明所述的电路及方法，使用模拟电路自动实现对传感器短路的保护，在限流输出的同时输出告警信息，传感器短路恢复后，电路自动恢复正常工作，以上过程无需控制器参与，保护动作极快。

4、本发明所述的电路及方法，激励传感器时，无需测试其阻抗，也无需检测其是否存在短路现象，即使在传感器短路时用激励信号驱动传感器，也不会对传感器和系统产生危害，可有效提高传感器的激励速度。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的防护电路原理图。

图2为本发明实施例2提供的传感器正常、输入正向电压情况下的电流流向图。

图3为本发明实施例2提供的传感器正常、输入负向电压情况下的电流流向图。

图4为本发明实施例2提供的传感器短路、输入正向电压情况下的电流流向图。

图5为本发明实施例2提供的传感器短路、输入负向电压情况下的电流流向图。

图6为本发明实施例2提供的传感器正常工作情况下的输入电压、输出电压、报警输出电压和输入电流波形。

图7为本发明实施例2提供的传感器短路情况下的输入电压、报警输出电压和输入电流波形。

图8为本发明实施例2提供的不使用传感器防护的电路图。

图9为本发明实施例2提供的不使用传感器防护时，传感器短路的输入电压和输入电流值。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例1提供了一种用于压电传感器短路的防护电路，电信号输入端Vin通过第五电阻R5与信号输出端V_OUT连接，信号输出端V_OUT用于与发射压电传感元件连接，信号输入端分别与第四电阻R4的第一端、第一三极管Q1的集电极连接，第一三极管Q1的发射极分别与第一电阻R1的第一端和第二电阻R2的第一端连接，第二电阻R2的第二端与第二三极管Q2的基极连接；

第四电阻R4的第二端分别与第一三极管Q1的基极和第二三极管Q2的集电极连接，第四电阻R4的第二端与第二三极管Q2的集电极之间连接有第一二极管D1，第二三极管Q2的发射极与第一光耦U1的第一端连接，第一电阻R1的第二端分别与光耦U1的第二端、信号采集端、第六电阻R6的第一端和第四三极管Q4的集电极连接；

信号输入端依次与第二发光二极管D2的负极端、第八电阻R8的第一端连接，第二发光二极管D2的正极端与第三三极管Q3的发射极连接，第八电阻R8的第二端通过第七电阻R7与第三三极管Q3的基极连接，第八电阻R8的第二端与第四三极管Q4的发射极连接，第三三极管Q3的集电极通过第三二极管D3分别与第六电阻R6的第二端和第四三极管Q4的基极连接。

信号输入端与第一电容C1的第一端连接，第一电容C1的第二端用于与正弦信号源P1连接，正弦信号源P1接地。

光耦U1的第三端通过第三电阻R3与第一电源VCC连接，光耦U1的第四端接地。

第四电阻R4的第二端与第一二极管D1的正极端连接，第一二极管D1的负极端与第二三极管D2的集电极连接，第三三极管Q3的集电极与第三二极管D3的负极端连接，第三二极管D3的正极端分别与第六电阻R6的第二端和第四三极管Q4的基极连接。

因为指示灯D2和光耦U1不能承受高的反向耐压值，因此原理图中加入了可承受高反向耐压值的二极管D1和D3，可以保证在任何时刻，D2和U1都不会承受高的反向电压。

电阻R5的作用是消除Q1和Q4导通电压带来的死区。如果没有R5，在输入信号的幅值小于±0.7V时，输出会维持在0V。加入R5可以消除该死区。

当压电传感元件发生短路且发射驱动信号时，指示灯D2会被点亮，光耦U1的第三端电平会被拉低，同时作为报警信号，且电路对外输出电流最大值受R1和R8限制，保证了仪器不会被损坏。当压电传感元件恢复正常后，电路自动恢复正常工作状态，报警信号自动消除。

实施例2：

本发明实施例2提供了一种用于压电传感器短路的感知方法，包括以下过程：

当传感器没有短路，输入为正压信号时，电路中电流流向如图2所示。电阻R1两端的电压不足以使三极管Q2和光耦U1导通，因此Alarm_out信号为高电平。同时，报警指示灯D2没有电流流过，不亮。

当传感器没有短路时，输入为负压信号时，电路中电流流向如图3所示。电阻R8两端的电压不足以使三极管Q3和发光二极管D2导通，因此报警指示灯D2不亮。同时，光耦U1不导通，Alarm_out信号为高电平。

当传感器发生短路，且输入正压信号时，电路中的电流流向如图4所示。短路发生时，R1两端的电压会迅速升高，从而导致三极管Q2和光耦U1导通，导通后，R1两端的电压会被自动钳位在一个相对稳定的值，该值由三极管Q2和光耦U1的导通电压之和决定，也就意味着正向电流最大值被限制在一个相对固定值，该值由钳位电压和R1的阻值决定，可以通过调节R1的阻值来修改。传感器短路且输入正压信号时，光耦U1导通，Alarm_out信号被拉低，可以提供给系统报警信号，报警LED不亮。

当传感器发生短路，且输入负压信号时，电路中的电流流向如图5所示。短路发生时，R8两端的电压会迅速升高，从而导致三极管Q3和发光二极管D2导通，导通后，R8两端的电压会被自动钳位在一个相对稳定的值，该值由三极管Q3和发光二极管D2的导通电压之和决定，也就意味着反向电流最大值被限制在一个相对固定值，该值由钳位电压和R8的阻值决定，可以通过调节R8的阻值来修改。传感器短路且输入负压信号时，报警指示灯D2被点亮，起到警示用户的作用，光耦U1不导通，Alarm_out信号为高电平。

因为指示灯D2和光耦U1不能承受高的反向耐压值，因此原理图中加入了可承受高反向耐压值的二极管D1和D3，可以保证在任何时刻，D2和U1都不会承受高的反向电压。

电阻R5的作用是消除三极管Q1和Q4导通电压带来的死区。如果没有R5，在输入信号的幅值小于±0.7V(三极管基极与发射极的导通电压)时，输出会维持在0V，加入R5可以消除该死区，减小该电路对输入波形的影响，保证输出信号与输入信号的一致性。

使用电路仿真软件来对本电路的效果进行验证。仿真原理图为图1，Vcc为5V，输入电压为幅值±80V正弦波，电阻R1和R8为2Ω，电阻R5为1KΩ，压电传感器为容性负载，使用1nF电容进行仿真实验。图6是正常工作情况下，输入电压、输入电流、输出电压、报警输出电压的仿真结果：

可以看到，输出Vout的电压与输入电压Vin波形保持高度一致，没有发送畸变。且报警输出Alarm_out一直为高电平输出。系统消耗的电流Ip1的峰峰值为±0.3A。

当发生短路时，即将传感器的两个引脚接到一起，因此Vout的电压一直为0V，仿真结果如图7所示：

可以看到，发生短路后，报警输出Alarm_out一直输出低电平，系统所消耗的电流Ip1被限制在±2A之内，实现了对传感器短路的有效及时防护。电流的限制值由前面提到的电阻R1和R8的阻值决定，可根据需要灵活调整。

如果不使用该防护电路，直接通过一个限流2R电阻将输入和输出连接在一起，如图8所示，短路时的波形如图9所示：可以看到，如果没有防护措施，短路发生后，电流会跟随输入电压的增加而增加，幅值接近±40A，如此大的电流很容易引起系统过热，导致元件及设备损坏等问题发生。由上述仿真结果可以看出，加入该防护电路，可以有效地避免传感器短路产生的大电流，提高系统的可靠性。

短路发生后，电路会给系统两个提示，一个是信号Alarm_out，一个是指示LED。除了这两种警报形式，也可以直接将报警信号连接至信号输入电路的控制端或系统的主控电路，当短路发生时，利用报警信号的变化，直接关闭信号输入，起到防护效果。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种用于压电传感器短路的防护电路，其特征在于：

信号输入端通过第五电阻与信号输出端连接，信号输出端用于与压电传感器连接，信号输入端分别与第四电阻的第一端、第一三极管的集电极连接，第一三极管的发射极分别与第一电阻的第一端和第二电阻的第一端连接，第二电阻的第二端与第二三极管的基极连接；

第四电阻的第二端分别与第一三极管的基极和第二三极管的集电极连接，第四电阻的第二端与第二三极管的集电极之间连接有第一二极管，第二三极管的发射极与光耦的第一端连接，第一电阻的第二端分别与光耦的第二端、信号输出端、第六电阻的第一端和第四三极管的集电极连接；

第一二极管和第三二极管的反向耐压值均大于输入正弦信号源的峰值；

或者，

光耦的第三端与输入信号电路的控制端或系统的主控电路连接，当短路发生时，利用报警信号的变化直接关闭信号输入；

信号输入端依次与第二发光二极管的负极端、第八电阻的第一端连接，第二发光二极管的正极端与第三三极管的发射极连接，第八电阻的第二端通过第七电阻与第三三极管的基极连接，第八电阻的第二端与第四三极管的发射极连接，第三三极管的集电极通过第三二极管分别与第六电阻的第二端和第四三极管的基极连接。

2.如权利要求1所述的用于压电传感器短路的防护电路，其特征在于：

信号输入端与第一电容的第一端连接，第一电容的第二端用于与正弦信号源连接。

3.如权利要求1所述的用于压电传感器短路的防护电路，其特征在于：

光耦的第三端通过第三电阻与第一电源连接，光耦的第四端接地。

4.如权利要求1所述的用于压电传感器短路的防护电路，其特征在于：

第四电阻的第二端与第一二极管的正极端连接，第一二极管的负极端与第二三极管的集电极连接，第三三极管的集电极与第三二极管的负极端连接，第三二极管的正极端分别与第六电阻的第二端和第四三极管的基极连接。

5.一种用于压电传感器短路的感知方法，其特征在于：利用权利要求1-4任一项所述的防护电路，包括以下过程：

当压电传感器没有短路，在信号输入端接入正弦正压信号时，第五电阻一直有电流经过；

随着输入信号幅值逐渐增加，第一三极管导通，第一电阻和第二电阻两端的电压之和小于第二三极管的基极与发射极之间的导通电压与第一光耦的导通电压之和，第二三极管和第一光耦不导通，第一光耦的第三端为高电平；

第三二极管、第三三极管和第四三极管不导通，第三二极管的存在保证了第二发光二极管两端不会有大的反向压差，第二发光二极管不亮。

6.一种用于压电传感器短路的感知方法，其特征在于：利用权利要求1-4任一项所述的防护电路，包括以下过程：

当压电传感器没有短路，在信号输入端接入正弦负压信号时，第五电阻一直有电流经过；

随着输入信号幅值绝对值的逐渐增加，第四三极管导通，第八电阻和第七电阻两端的电压之和小于第三三极管的基极与发射极之间的导通电压与第二发光二极管的导通电压之和，第三三极管和第二发光二极管不导通，第二发光二极管不亮；

第一二极管、第一三极管、第二三极管和第一光耦均不导通，第一二极管的存在保证了第一光耦的第一和第二端不会有大的反向压差，第一光耦的第三端为高电平。

7.一种用于压电传感器短路的感知方法，其特征在于：利用权利要求1-4任一项所述的防护电路，包括以下过程：

当传感器发生短路，在信号输入端接入正弦电压信号时，随着输入信号幅值的增加，第一电阻两端的电压不断升高；

当第一电阻和第二电阻两端的电压之和大于第二三极管的基极与发射极之间的导通电压与第一光耦的导通电压之和时，第二三极管和第一光耦导通；

第一电阻两端的电压不会随着输入信号幅值的增加而增加，而是被钳位在一个稳定的范围内，对外输出的电流不会因传感器的短路而无限制增加，会被限定在一个稳定的值，电路起到限流保护作用；

此时，第一光耦导通，其第三端为低电平；第二发光二极管、第三二极管、第三三极管、第四三极管均不导通，第二发光二极管不亮。

8.一种用于压电传感器短路的感知方法，其特征在于：利用权利要求1-4任一项所述的防护电路，包括以下过程：

当传感器发生短路，在信号输入端接入正弦负压信号时，随着输入信号幅值绝对值的增加，第八电阻两端的电压不断升高；

当第八电阻和第七电阻两端的电压之和大于第三三极管的基极和发射极之间的导通电压与第二发光二极管的导通电压之和时，第三三极管和第二发光二极管导通，第八电阻两端的电压不会随着输入信号幅值绝对值的增加而增加，而是被钳位在一个稳定的范围内；

对外输出的电流不会因传感器的短路而无限制增加，会被限定在一个稳定的值，电路起到限流保护作用；

第二发光二极管亮；第一二极管、第一三极管、第二三极管和第一光耦都不导通，第一光耦的第三端为高电平。

9.一种压电传感器，其特征在于：包括权利要求1-4任一项所述的用于压电传感器短路的防护电路；或者利用权利要求5-8任一项所述的用于压电传感器短路的感知方法。

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