CN115164970A - 一种位移传感器故障信号在线检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种位移传感器故障信号在线检测电路及方法，通过设置采样电路、调理电路、参考电平生成电路和微处理器，可实时自动检测LVDT故障情况，并上报微处理器，具有检测快速、可靠性高、实用性强的特点。

Description

一种位移传感器故障信号在线检测电路及方法

技术领域

本发明涉及工业控制技术领域，特别涉及一种位移传感器故障信号在线检测电路及方法。

背景技术

LVDT是一种常见类型的线位移传感器。由于LVDT式位移传感器精度高、动态特性好、工作可靠、使用方便，可广泛应用于航天航空、机械、化工以及科研院校等国民经济各行业，用来测量伸长、振动等。

目前对LVDT的故障判断有一些方式，包括检测线圈的激励电压、次级线圈的电压、频率以及线圈通道电路的相位、幅值等。虽然可以较详细反应出位移传感器的短路、断路、通道电路等具体故障状况，但由于检测参数较多，自然电路结构相对复杂，成本上升，可靠性相对较低。而在许多具体使用现场，并不关心LVDT或通道电路的具体故障，只需判断其故障后实时进行提示通知系统即可。所以简单快速的进行故障检测提示，使现场系统做出快速响应有相当的实际意义。

发明内容

提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种位移传感器故障信号在线检测电路及方法，鉴于现在故障检测系统的复杂度高、可靠性较低等缺陷，可实时自动检测LVDT故障情况，并上报微处理器，具有结构简单、实时检测、可靠性高的特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

根据本发明的第一技术方案，提供一种位移传感器故障信号在线检测电路，包括：采样电路、调理电路、参考电平生成电路、比较器电路、接口电平转换电路和微处理器；其中，位移传感器的次级线圈的三条引线第三引线、第四引线和第五引线作为电路的输入；所述第四引线与地连接；所述第三引线与第五引线与采样电路连接；所述采样电路的输出端连接所述调理电路的输入端；所述调理电路的输出端连接所述比较器电路的第一输入端；所述参考电平生成电路的输出端连接所述比较器电路的第二输入端；所述比较器电路的输出端连接所述接口电平转换电路的输入端；所述接口电平转换电路的输出端连接所述微处理器的输入端。

进一步地，所述采样电路包括第一电阻、第二电阻，所述第一电阻、第二电阻的第二引脚均与地连接；第一电阻的第三引脚与第三电阻的第一引脚连接；第二电阻的第三引脚与第四电阻的第一引脚连接。

进一步地，所述调理电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、放大器A、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管；所述第三电阻、第四电阻均与放大器A的反相输入引脚连接，并同时连接所述第五电阻的一端与所述第一二极管的正极；放大器A的同相输入引脚连接地；所述放大器A的引脚4连接电源-12V，并同时连接第二电容的一端；所述放大器A的引脚8连接电源+12V，并同时连接第一电容的一端；所述第一电容与第二电容的另一端都与地连接；所述放大器A的输出引脚1连接第一二极管的负极与第二二极管的正极；所述第二二极管的负极与第五电阻相连，并同时连接第三电容的一端与比较器电路中放大器B的反相输入引脚，所述第三电容的另一端与地连接。

进一步地，所述参考电平生成电路包括第六电阻、第七电阻、数字电位计；所述第六电阻、第七电阻的一端都与+5V电源相连；所述第六电阻的另一端与数字电位计的引脚4相连，所述第七电阻的另一端与数字电位计的引脚3相连；所述数字电位计的引脚1、引脚6均与+5V电源相连，所述数字电位计的引脚2与地连接，所述数字电位计的引脚5与比较器电路中第八电阻的一端连接。

进一步地，所述比较器电路包括放大器B与第八电阻；所述放大器B与所述调理电路中的放大器A都为同一个放大器中的两个并列放大单元；所述第八电阻跨接在放大器B的输入与输出侧；所述放大器B的同相输入引脚5连接所述第八电阻的一端，并同时连接所述数字电位计的引脚5；所述放大器B的反相输入引脚6连接所述调理电路的第五电阻的一端；所述放大器B的输出引脚7连接第八电阻的另一端。

进一步地，所述接口电平转换电路包括第一场效应管和第九电阻；所述第一场效应管的引脚1连接放大器B的输出引脚7，所述第一场效应管的引脚2连接地，所述第一场效应管的引脚3连接第九电阻，并同时与微处理器连接；所述第九电阻的另一引脚连接至电源+3V3。

根据本发明的第二技术方案，提供一种位移传感器故障信号在线检测方法，基于如上所述的位移传感器故障信号在线检测电路，位移传感器在正常工作时，位移传感器的次级线圈引线两个信号和应始终保持恒定水平，该信号经采样、整流和平滑处理，以生成一个直流值；选取正常工作时对应直流值的0.85倍作为参考电平；故障判断方式如下：当实际工作过程中直流值高于参考电平时，判断位移传感器回路正常，否则判断位移传感器回路故障，输出提示信号到微处理器。

本发明至少具有以下技术效果：

根据本发明公开的一种位移传感器故障信号在线检测电路及方法，通过设置采样电路、调理电路、参考电平生成电路和微处理器，可实时自动检测LVDT故障情况，并上报微处理器，具有检测快速、可靠性高、实用性强的特点。

附图说明

在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所发明的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。

图1为本发明的实施例的原理框图；

图2为本发明的实施例的LVDT引线图；

图3为本发明的实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明进行更详细、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明位移传感器故障信号检测电路包括采样电路1、调理电路2、参考电平生成电路3、比较器电路4、接口电平转换电路5和微处理器6。采样电路1输出信号到调理电路2；调理电路2输出信号到比较器电路4；参考电平生成电路3输出信号到比较器电路4；比较器电路4输出信号到接口电平转换电路5；接口电平转换电路5输出信号到微处理器6。

图2为位移传感器(LVDT)引线图，其中Line1、Line2、Line3、Line4、Line5分别表示位移传感器的第一引线、第二引线、第三引线、第四引线和第五引线。初级线圈的第一引线、第二引线接到激励电路，次级线圈的三条引线第三引线、第四引线和第五引线作为位移传感器故障信号检测电路的输入。第四引线与图3中地ANGD连接；第三引线与第五引线与采样电路1连接，其中第三引线连接采样电阻R1的第一引脚，标记为Input_1,第五引线连接采样电阻R2的第一引脚，标记为Input_2。

在具体实施时，位移传感器次级线圈的两个信号由采样电路1进行采样，采样后的两个信号馈送至调理电路2进行整流和平滑处理，得到一个直流值。其中位移传感器次级线圈的两个信号和在传感器正常工作时应当时始终保持恒定水平。因此，在位移传感器行程范围内，所述直流值保持恒定。参考电平生成电路3用于生成一个参考电平，该参考电平根据调试时测量的直流值进行设定，为防止干扰等各因素带来的误判断，选取正常工作时上述直流值的0.85倍作为参考电平。根据直流值与参考电平的比较以判断故障的方式。例如，经过调理电路2整流和平滑处理所得到的的直流值以及参考生成电路3生成的参考电平馈送至比较器电路4，所述比较器电路4对直流值和参考电平进行比较，若实际工作过程中直流值高于参考电平时，判断LVDT传感器回路正常，否则判断LVDT传感器回路故障，输出提示信号到微处理器6。其中比较器电路4输出的提示信号经过接口电平转换电路5进行电平转换以与所述微处理器6相匹配，进而使得微处理器6能够正常接收到提示信号。本实施例可以实时自动检测位移传感器故障情况，具有检测快速、可靠性强和实用性强的特点。

下面本发明实施例将具体介绍采样电路1、调理电路2、参考电平生成电路3、比较器电路4以及接口电平转换电路5的电路结构及工作原理。

参见图3，位移传感器故障信号检测电路中的采样电路1包括第一电阻R1、第二电阻R2。第一电阻R1、第二电阻R2的引脚2均与地AGND连接。第一电阻R1的引脚3与调理电路2中第三电阻R3的一端连接；第二电阻R1的引脚3与调理电路2中第四电阻R4的一端连接。

本实例中选取的采样电阻第一电阻R1、第二电阻R2均为1：1分压的形式，即：两路输入信号分别经第一电阻R1、第二电阻R2的两个阻值相同的内部串联电阻分压后，从引脚3输出幅值减半的信号，然后输入至调理电路2。

位移传感器故障信号检测电路中的调理电路2分别与采样电路1、比较器电路4连接；调理电路2包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、放大器U1A、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2。第三电阻R3、第四电阻R4的另一端均与放大器U1A的反相输入引脚2连接，同时连接第五电阻R5的一端与第一二极管D1的正极。放大器U1A的同相输入引脚3连接AGND。放大器U1A的引脚4连接电源-12V，同时连接第二电容C2的一端；放大器U1A的引脚8连接电源+12V，同时连接第一电容C1的一端。第一电容C1与第二电容C2的另一端都与ANGD连接。放大器U1A的输出引脚1连接第一二极管D1的负极与第二二极管D2的正极。第二二极管D2的负极与第五电阻R5的另一端相连，同时连接第三电容C3的一端与比较器电路4中放大器U1B的反相输入引脚6。第三电容C3的另一端与AGND连接。

输入调理电路2的两路信号分别经第三电阻R3、第四电阻R4后同时输入放大器U1A的反相输入引脚2进行叠加。放大器U1A、第一电容C1、第二电容C2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一二极管D1、第二二极管D2共同完成半波整流功能。叠加信号为正时，第一二极管D1导通、第二二极管D2截止。放大器U1A输出负值，即二极管D1的压降，电路总输出为0。叠加信号为负时，第一二极管D1截止、第二二极管D2导通。整体形成一个反相放大器，增益由第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5共同决定。结果是输出信号将叠加信号的负信号反相放大，输出正信号。该信号经第三电容C3滤波后，输出恒定的直流电平。

位移传感器故障信号检测电路中的参考电平生成电路3包括第六电阻R6、第七电阻R7、数字电位计U2，与比较器电路4连接。第六电阻R6、第七电阻R7的一端都与+5V电源相连。第六电阻R6的另一端与数字电位计U2的引脚4相连，第七电阻R7的另一端与数字电位计U2的引脚3相连。数字电位计U2的引脚1、引脚6均与+5V电源相连，引脚2与AGND连接，引脚5与比较器电路4中第八电阻R8的一端连接。数字电位计U2的引脚3、引脚4同时分别与微处理器的两个控制引脚连接。

实例中数字电位计U2选取32步的数字电位计MAX5468EUT，电平输出范围从0到5V。数字电位器U2的两个控制引脚，引脚3与引脚4组成一个两线制的串行接口，由微处理器6输出控制信号来设定具体的输出电平值。该电平值由电位器U2的输出引脚5输出。

位移传感器故障信号检测电路中的比较器电路4由放大器U1B与第八电阻R8组成；放大器U1B与调理电路2中的放大器U1A都为放大器U1的两个并列放大单元；第八电阻R8跨接在放大器U1B的输入与输出侧。放大器U1B的同相输入引脚5连接第八电阻R8的一端，同时连接数字电位计U2的引脚5；反相输入引脚6连接调理电路2的第五电阻R5的一端；输出引脚7连接第八电阻R8的另一端，同时连接接口电平转换电路5中第一场效应管Q1的引脚1。

第八电阻R8跨接在放大器U1B的同相输入引脚5与输出引脚7两端，形成正反馈电路，实现迟滞比较器功能。放大器U1B反相输入引脚6电平高于同相输入引脚5电平时，运放U1B输出引脚7产生低电平；放大器U1B反相输入引脚6电平低于同相输入引脚5电平时，运放U1B输出引脚7输出高电平。

位移传感器故障信号检测电路中的接口电平转换电路5包括第一场效应管Q1与第九电阻R9，分别与比较器电路4及微处理器6连接。第一场效应管Q1的引脚1连接放大器U1B的输出引脚7，引脚2连接AGND，引脚3连接第九电阻R9，同时与微处理器6连接。第九电阻R9的另一引脚连接至电源+3V3。

实例中第一场效应管Q1选取N沟道增强型场效应管。第九电阻R9连接至第一场效应管Q1漏极与电源+3V3之间。当比较器电路4输出高电平时，第一场效应管Q1栅极电压高于源极电压，Q1导通，接口电平转换电路4输出为低电平；当比较器电路4输出为低电平时，第一场效应管Q1截止，接口电平转换电路4输出高电平。

根据位移传感器工作原理可知，正常工作时两个次级线圈感应电动势之和保持恒定。LVDT发生故障时，将使和值降低，如果和值与正常工作时的差值超过门限值即判断为故障。

参见图3，次级线圈信号Input_1与Input_2经过采样电路与信号调理电路后，生成一个直流值。该直流值输入比较器电路中运放U1B的反相输入引脚6，在整个LVDT行程范围内，这个直流值保持恒定。为防止信号干扰等因素引发的误判断，设置正常工作时上述直流值的0.85倍作为参考电平。

上述参考电平由32步的数字电位器U2设定，实施例中选取器件MAX5468EUT作为该数字电位器，电平输出范围从0到5V。由微处理器6输出信号到数字电位器U2来设定具体的电平值。

在进行LVDT实际调试时，将数字电位器U2设定为较高电平，如4.8V。这样在LVDT行程中，必然故障。逐渐降低该设定电平，保证在整个LVDT行程范围内，无故障信号输出。找到该电平后，取该值的0.85倍，然后设置到数字电位器中作为参考电平。

位移传感器的故障判断步骤如下：

在工作现场，LVDT整个行程中工作正常时，运放U1B反相输入引脚6高于同相输入引脚5电平，所以运放U1B输出引脚7保持低电平，场效应管Q1相应输出高电平。

当LVDT任意时刻故障时，运放U1B反相输入引脚6低于同相输入引脚5电平，所以运放U1B输出引脚7变为高电平，场效应管Q1输出变为低电平，输入到微处理器6实现故障检测。

综上所述，与现有技术相比，本发明公开提供了一种位移传感器故障信号检测电路及方法，通过设置采样电路、调理电路、参考电平生成电路和微处理器，可实时自动检测LVDT故障情况，并上报微处理器，具有检测快速、可靠性高、实用性强的特点。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对该实施例的修改对本领域的专业技术人员是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理相一致的最大范围。

Claims (7)

1.一种位移传感器故障信号在线检测电路，其特征在于，包括：采样电路、调理电路、参考电平生成电路、比较器电路、接口电平转换电路和微处理器；其中，位移传感器的次级线圈的三条引线第三引线、第四引线和第五引线作为电路的输入；

所述第四引线与地连接；所述第三引线与第五引线与采样电路连接；

所述采样电路的输出端连接所述调理电路的输入端；

所述调理电路的输出端连接所述比较器电路的第一输入端；

所述参考电平生成电路的输出端连接所述比较器电路的第二输入端；

所述比较器电路的输出端连接所述接口电平转换电路的输入端；

所述接口电平转换电路的输出端连接所述微处理器的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种位移传感器故障信号在线检测电路，其特征在于：所述采样电路包括第一电阻、第二电阻，所述第一电阻、第二电阻的第二引脚均与地连接；第一电阻的第三引脚与第三电阻的第一引脚连接；第二电阻的第三引脚与第四电阻的第一引脚连接。

3.根据权利要求1所述的一种位移传感器故障信号在线检测电路，其特征在于：所述调理电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、放大器A、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管；所述第三电阻、第四电阻均与放大器A的反相输入引脚连接，并同时连接所述第五电阻的一端与所述第一二极管的正极；放大器A的同相输入引脚连接地；所述放大器A的引脚4连接电源-12V，并同时连接第二电容的一端；所述放大器A的引脚8连接电源+12V，并同时连接第一电容的一端；所述第一电容与第二电容的另一端都与地连接；所述放大器A的输出引脚1连接第一二极管的负极与第二二极管的正极；所述第二二极管的负极与第五电阻相连，并同时连接第三电容的一端与比较器电路中放大器B的反相输入引脚，所述第三电容的另一端与地连接。

4.根据权利要求3所述的一种位移传感器故障信号在线检测电路，其特征在于：所述参考电平生成电路包括第六电阻、第七电阻、数字电位计；所述第六电阻、第七电阻的一端都与+5V电源相连；所述第六电阻的另一端与数字电位计的引脚4相连，所述第七电阻的另一端与数字电位计的引脚3相连；所述数字电位计的引脚1、引脚6均与+5V电源相连，所述数字电位计的引脚2与地连接，所述数字电位计的引脚5与比较器电路中第八电阻的一端连接。

5.根据权利要求4所述的一种位移传感器故障信号在线检测电路，其特征在于：所述比较器电路包括放大器B与第八电阻；所述放大器B与所述调理电路中的放大器A都为同一个放大器中的两个并列放大单元；所述第八电阻跨接在放大器B的输入与输出侧；所述放大器B的同相输入引脚5连接所述第八电阻的一端，并同时连接所述数字电位计的引脚5；所述放大器B的反相输入引脚6连接所述调理电路的第五电阻的一端；所述放大器B的输出引脚7连接第八电阻的另一端。

6.根据权利要求5所述的一种位移传感器故障信号在线检测电路，其特征在于：所述接口电平转换电路包括第一场效应管和第九电阻；所述第一场效应管的引脚1连接放大器B的输出引脚7，所述第一场效应管的引脚2连接地，所述第一场效应管的引脚3连接第九电阻，并同时与微处理器连接；所述第九电阻的另一引脚连接至电源+3V3。

7.一种位移传感器故障信号在线检测方法，其特征在于：基于权利要求1至6中任一项所述的位移传感器故障信号在线检测电路，位移传感器在正常工作时，位移传感器的次级线圈引线两个信号和应始终保持恒定水平，该信号经采样、整流和平滑处理，以生成一个直流值；选取正常工作时对应直流值的0.85倍作为参考电平；

故障判断方式如下：

当实际工作过程中直流值高于参考电平时，判断位移传感器回路正常，否则判断位移传感器回路故障，输出提示信号到微处理器。

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