CN117146881A - 输出传感器的状况的传感器组件 - Google Patents

Abstract

一种传感器组件，包括产生传感器信号的传感器、接收从传感器输出的传感器信号的输出单元和状况单元、以及连接到传感器和状况单元的测试线。输出单元输出代表由传感器检测的状态的信号输出。状况单元输出代表传感器状况的状况输出。测试线是双向的，并且输出状况输出。

Description

输出传感器的状况的传感器组件

技术领域

本发明涉及一种传感器组件，更具体地，涉及一种输出传感器组件的传感器的状况的传感器组件。

背景技术

传感器组件的传感器通常具有输出线或引脚和输入线或引脚。代表由传感器感测的变量的信号在输出线上输出。输入线用于向传感器输入自测信号，以确定传感器是否正常工作；响应于接收到自测信号，传感器输出预定信号，该预定信号可以被评估以确定传感器是否处于故障状况。

虽然自测可以指示传感器的故障，但是传感器的状况仅在接收到自测信号时按需输出。否则，传感器的状况是未知的，并且在自测信号启动故障确定之前，传感器可能输出不可靠的信号。此外，在自测中对从传感器输出的预定信号的评估仅指示传感器是否在工作或者传感器是否已经达到故障状况。当传感器接近故障时，由自测信号引起的传感器输出不能提供任何中间指示。

发明内容

一种传感器组件，包括产生传感器信号的传感器、输出单元和接收从传感器输出的传感器信号的状况单元、以及连接到传感器和状况单元的测试线。输出单元输出代表由传感器检测的状态的信号输出。状况单元输出代表传感器的状况的状况输出。测试线是双向的，并输出状况输出。

附图说明

现在将参考附图通过示例描述本发明，在附图中：

图1是根据一个实施例的传感器组件的示意框图；

图2是传感器组件的输出单元的示意框图；

图3是传感器组件的状况单元的示意框图；

图4A是具有第一阈值和第二阈值的传感器组件的传感器的主信号和基线信号的曲线图；

图4B是图4A的曲线图的放大部分B；

图5是使用传感器组件输出传感器状况的方法的流程图；和

图6是根据另一个实施例的传感器组件的示意框图。

具体实施方式

下文将参照附图详细描述本公开的示例性实施例，其中相似的附图标记表示相似的元件。然而，本公开可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开向本领域技术人员传达本公开的概念。此外，在以下详细描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对所公开的实施例的透彻理解。然而，很明显的是，一个或多个实施例也可以在没有这些具体细节的情况下实施。

图1示出了根据一个实施例的传感器组件10。传感器组件10包括传感器100、连接到传感器100的输出单元200、连接到传感器100的状况单元300、经由开关600连接到状况单元300的测试线400以及连接到输出单元200的信号线500。

如图1所示，传感器100包括感测元件110和信号调节器120。感测元件110感测被测变量的状态，并且信号调节器120基于驱动信号与感测元件110相互作用，以产生并输出代表由感测元件110感测的状态的传感器信号130。

在一个实施例中，信号调节器120是产生超声波的压电晶体，感测元件110是接收超声波并基于由感测元件110感测到的状态将超声波转换成电信号的压电晶体。在另一个实施例中，感测元件110和信号调节器120可以是单个压电收发器，例如以脉冲回波模式运行。在进一步的实施例中，信号调节器120可以是提供激励信号的任何类型的元件，并且感测元件110可以是对来自信号调节器120的激励信号提供响应信号的任何类型的元件，该响应信号代表由感测元件110感测到的状态。在各种实施例中，如果信号调节器120从感测元件110接收被测变量的状态，并且输出传感器信号130作为可测量的电信号，例如电压信号，则信号调节器120可以进一步包括用于电压调节、滤波、放大和/或缓冲的部件。在一个实施例中，下面详细描述的开关600可以是信号调节器120的一部分。

在一个实施例中，例如在医学应用中，感测元件110检测湿气的存在，例如检测填充管的液体是否具有存在于液体中的气泡(干燥状态或者湿润状态)。在其他实施例中，感测元件110可以检测加速度、力、振动、压力或对于各种应用的其他被测变量。

在传感器组件10的正常运行状态N下，传感器100向输出单元200和状况单元300中的每一个输出传感器信号130。将首先更详细地描述正常运行状态N，随后描述传感器组件10的自测状态S。

如图1所示，在正常运行状态N下，输出单元200接收从传感器100输出的传感器信号130，并输出代表传感器信号130和由传感器信号130检测的状态的信号输出270。

如图2所示，输出单元200包括第一输出分压器210、第二输出分压器220和连接到第一输出分压器210和第二输出分压器220的第一输出比较器230。第一输出分压器210和第二输出分压器220各自接收传感器信号130。第一输出分压器210输出直接代表传感器信号130并随传感器信号130变化的主信号132。在所示实施例中，第二输出分压器220过滤或延迟传感器信号130，以产生基线信号134，该基线信号134具有比传感器信号130和主信号132更长时间常数或更低频率的动态响应或变化。

主信号132和基线信号134在图4A和4B中示出，其示出了主信号132比基线信号134更动态地响应由传感器100检测的状态。在各种实施例中，传感器100可以是任何类型的传感器100，其具有指示总体传感器行为、性能或效率的基线信号134和更动态地指示由感测元件110检测的被测状态的主信号132。

图2所示的第一输出比较器230比较主信号132和基线信号134，并输出代表主信号132是大于还是小于基线信号134的第一输出比较232。在一个实施例中，第一输出比较232是电压信号。第一输出比较232在图4A和4B所示的主信号132和基线信号134的示例性曲线图中变化，因为随着时间的推移，主信号132变化为大于或小于基线信号134。

如图2所示，输出单元200包括电压参考240和连接到电压参考240的第二输出比较器250。电压参考240可以是输出具有预设值的参考电压242的任何类型的电子部件。第二输出比较器250接收传感器信号130和参考电压242，并将传感器信号130和参考电压242进行比较。第二输出比较器250输出代表传感器信号130是大于还是小于参考电压242的第二输出比较252。

如图2所示，输出单元200包括输出电平检测电路260，其从第一输出比较器230接收第一输出比较232，并从第二输出比较器250接收第二输出比较252。输出电平检测电路260基于第一输出比较232和第二输出比较252输出信号输出270。如果第一输出比较232指示基线信号134大于主信号132，则输出电平检测电路260输出处于第一状态的信号输出270。相反，如果第一输出比较232指示主信号132大于基线信号134，则输出电平检测电路260输出处于第二状态的信号输出270。图4B示出了主信号132和基线信号134之间随时间推移的示例性关系，其决定了信号输出270的状态。

馈送到输出电平检测电路260的第二输出比较252防止第一输出比较器230的问题影响信号输出270。如果第一输出比较器230振荡或故障，由于第二输出比较252，输出电平检测电路260将始终指示信号输出270的第一状态和第二状态之一。

在一个实施例中，信号输出270在第一状态下是0V信号，例如在感测管中液体的应用中指示湿润状态，并且在第二状态下是5V信号，例如指示管中液体的干燥状态或气泡。在其他实施例中，信号输出270的用于指示第一状态和第二状态的电压可以相反，或者可以具有不同的值。

如图1所示，在正常运行状态N下，状况单元300接收从传感器100输出的传感器信号130，并输出代表传感器100状况的状况输出380。

如图3所示，状况单元300包括第一状况分压器310和第二状况分压器320，每个都接收传感器信号130。第一状况分压器310和第二状况分压器320各自过滤或延迟传感器信号130，以输出上述基线信号134。

如图3所示，状况单元300包括连接到第一状况分压器310和第一阈值分压器350的第一状况比较器330，以及连接到第二状况分压器320和第二阈值分压器360的第二状况比较器340。第一阈值分压器350向第一状况比较器330输出作为预设电压值的第一阈值352，第二阈值分压器360向第二状况比较器340输出作为不同于第一阈值352的预设电压的第二阈值362。第一阈值分压器350和第二阈值分压器360中的每一个可以从传感器组件10内部或外部的任何源接收电压以输出第一阈值352和第二阈值362。在一个实施例中，例如如图4A所示，第一阈值352可以约为0.3V，第二阈值362可以约为1.3V。在其他实施例中，第一阈值352和第二阈值362可以具有其他值，只要这些值彼此不同并且第二阈值362大于第一阈值352。

图3所示的第一状况比较器330比较基线信号134和第一阈值352，并输出代表基线信号134是大于还是小于第一阈值352的第一状况比较332。第二状况比较器340同样地比较基线信号134和第二阈值362，并输出代表基线信号134是大于还是小于第二阈值362的第二状况比较342。在一个实施例中，第一状况比较332和第二状况比较342各自都是电压信号。

如图3所示，状况单元300包含状况电平检测电路370，其从第一状况比较器330接收第一状况比较332，并从第二状况比较器340接收第二状况比较342。状况电平检测电路370基于第一状况比较332和第二状况比较342输出状况输出380。状况输出380代表传感器100的三种状况之一：如果第一状况比较332和第二状况比较342指示基线信号134大于第一阈值352和第二阈值362，则状况输出380处于第一状况；如果基线信号134被指示为大于第一阈值352且小于第二阈值362，则状况输出380处于第二状况；如果基线信号134被指示为小于第一阈值352和第二阈值362两者，则状况输出380处于第三状况。在图4A中示出了基线信号134和阈值352、362之间随时间推移的示例性关系，其决定了状况输出380的状况。

在所示实施例中，基线信号134与一个较低的第一阈值352和一个较高的第二阈值362进行比较。在另一个实施例中，如果基线信号134也可能增加超过期望的量，则基线信号134可以与一对第一阈值352和一对第二阈值362进行比较；在该实施例中，在第二阈值362之间的基线信号134指示第一状况，在第二阈值362之一和第一阈值352之一之间的基线信号134指示第二状况，并且在任一第一阈值352之外的基线信号134指示第三状况。

在一个实施例中，状况输出380在第一状况下是0V信号，例如指示传感器100的正常状况，在第二状况下是1.25V信号，例如指示传感器100的临界状况，并且在第三状况下是2.5V信号，例如指示传感器100的故障状况。在另一个实施例中，状况输出380在第二状况和第三状况下都可以是2.5V信号。在其他实施例中，用于指示三个状况的状况输出380的电压可以反转或者可以具有不同的值。

图1所示的测试线400和信号线500是连接到传感器100的两条线，信号沿着这两条线传输。测试线400和信号线500可以各自是晶体管-晶体管逻辑(TTL)线。测试线400和信号线500在这里被称为“线”，但是在另一个实施例中，可以是连接到传感器100的两个引脚，信号沿着这两个引脚传输。在所示的实施例中，测试线400和信号线500是仅有的两条线或引脚，信号可以沿着它们与传感器100交换。

如图1所示，测试线400通过状况单元300连接到传感器100，并且还连接到开关600。测试线400是双向的。在正常运行状态N下，测试线400从状况单元300接收状况输出380，并输出状况输出380。自测输入410也可以输入到测试线400，其可以触发开关600以将传感器组件10从正常运行状态N改变到自测状态S，如下面更详细描述的。

如图1所示，信号线500连接到传感器100和输出单元200。信号线500是单向的，即不能接收输入，并且输出从输出单元200接收的信号输出270。

图1所示的开关600可以是任何类型的电路开关，当超过阈值电压时，该电路开关可以进行切换。在一个实施例中，开关600是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关。开关600的阈值电压大于状况输出380的所有状况的电压，并且小于自测输入410的电压。在一个实施例中，阈值电压在2.5V和5V之间。

现在将主要参照图5更详细地描述使用传感器组件10输出传感器100的状态的方法700。

传感器组件10开始于正常运行状态N。在图5所示的正常运行状态N的第一步骤702中，传感器100将传感器信号130输出到如上所述的输出单元200和状况单元300，如图1所示。在正常运行状态N下，传感器100连续地向输出单元200和状况单元300输出或传输传感器信号130

在图5的步骤704中，如上面关于图2所述，输出单元200将代表传感器信号130和由传感器信号130检测的状态的信号输出270输出到信号线500。类似地，在步骤706中，如上面关于图3所述，状况单元300将代表传感器100的状况的状况输出380输出到测试线400。状况输出380具有足够低的电压，使得开关600在步骤706中不被触发。在正常运行状态N下，输出单元200连续地将信号输出270输出到信号线500，并且状况单元300连续地将状况输出380输出到测试线400。

在图5的步骤708中，评估信号输出270。信号输出270代表传感器100在传感器信号130中检测到的状态；信号输出270的第一状态或第二状态的重要性将取决于应用。例如，在示例性液体气泡检测应用中，信号输出270的第二状态可以指示管中液体的干燥状态或气泡，这可以引起警报或其他动作，而信号输出270的第一状态可以指示管中液体的正常湿润状态。在传感器组件10的其他应用中，信号输出270的第一状态和第二状态可以引起不同的测量。

在图5的步骤710中，评估状况输出380。状况输出380的第一状况指示传感器100的正常状况，其中传感器100正常运行。状况输出380的第二状况指示传感器100的临界状况；在临界状况下，传感器100可以继续运行，并提供有用的信号输出270，但是临界状况指示传感器100接近故障。状况输出380的第三状况指示传感器100的故障状况，其中信号输出270不可靠。

只要在图5所示的步骤712中自测输入410没有输入到测试线400，传感器组件10就保持在正常运行状态N，并且连续输出信号输出270和状况输出380两者。当自测输入410被输入到测试线400时，传感器组件10切换到自测状态S。

在图5所示的步骤714中，自测输入410沿着测试线400传输到开关600。自测输入410大于开关600的激活阈值，并激活开关600。如图5中的步骤716所示，当开关600被激活时，从开关600到信号调节器120的驱动禁用信号610禁用信号调节器120的驱动信号，这导致传感器100输出图1所示的自测输出140，而不是传感器信号130。由驱动禁用信号610决定的自测输出140是预定值。在自测状态S下，开关600旁路状况单元300；在自测状态S下，在测试线400处不输出状况输出380。

自测输出140由输出单元200处理，并在自测状态S中作为信号输出270输出到信号线500。在图5所示的自测状态S的步骤718中，将代表自测输出140的信号输出270与自测输入410进行比较。自测输出140旨在产生匹配自测输入410的信号输出270。如果在自测状态S中信号输出270与自测输入410不匹配，则可以确定传感器100的故障状况。

在图5所示的步骤720中，只要自测输入410被输入到测试线400，传感器组件10就保持在自测状态S，并且继续评估对于传感器100的故障状况的信号输出270。如果自测输入410到测试线400的输入已经结束，则开关600切换回来，并且传感器组件10进入正常运行状态N，如图5所示。

传感器组件10保持在正常运行状态N或自测状态S，直到传感器组件10被去激活，例如根据传感器100的在正常运行状态N的步骤710中或在自测状态S的步骤718中的故障状况确定而被去激活。

在图1-5所示的传感器组件10中，输出单元200、状况单元300和开关600实现了上述功能，而不需要微处理器，这降低了传感器组件10的成本。在图6所示的传感器组件的另一个实施例10’中，控制器800可以执行上述输出单元200、状况单元300和开关600的功能。与上面关于图1-5示出和描述的实施例相比，相同的附图标记表示相同的元件，并且将主要详细描述图6所示实施例与控制器800的不同之处。

如图6所示，控制器800具有处理器810和连接到处理器810的存储器820。存储器820是将多个算法作为模块存储在其上的非暂时性计算机可读介质，当由处理器810执行时，这些算法执行本文描述的模块的功能。存储器820存储输出模块822、状况模块824和开关模块826。当由处理器810执行时，输出模块822执行上述输出单元200的所有功能，当由处理器810执行时，状况模块824执行上述状况单元300的所有功能，并且当由处理器810执行时，开关模块826执行上述开关600的所有功能。因此，控制器800允许传感器组件10’执行与上述传感器组件10相同的功能，在正常运行状态N下连续在信号线500上输出信号输出270和在测试线400上输出状况输出380，并且在自测状态S下输出代表传感器100的自测输出140的信号输出270，同时需要更少的部件。

根据上述实施例的传感器组件10、10’允许更可靠地确定传感器100的状况，而无需向传感器组件10、10’添加任何通信线。传感器组件10、10’连续输出状况输出380，同时信号输出270也在信号线500上输出，并在按需自测输入410之前提供传感器100的状态。传感器组件10、10’还能够在故障状况之前在状况输出380中指示临界状况，从而在传感器100仍然输出有效信号输出270时提供即将发生故障的警告。传感器组件10、10’还允许通过双向测试线400启动自测状态S。

Claims (15)

1.一种传感器组件(10)，包括：

传感器(100)，产生传感器信号(130)；

输出单元(200)，接收从所述传感器(100)输出的传感器信号(130)，并且输出代表由所述传感器(100)检测的状态的信号输出(270)；

状况单元(300)，接收从所述传感器(100)输出的传感器信号(130)，并且输出代表所述传感器(100)的状况的状况输出(380)；和

测试线(400)，连接到所述传感器(100)和所述状况单元(300)，所述测试线(400)是双向的并且输出所述状况输出(380)。

2.根据权利要求1所述的传感器组件(10)，还包括连接到所述传感器(100)和所述输出单元(200)的信号线(500)，所述信号线(500)是单向的并且输出所述信号输出(270)。

3.根据权利要求2所述的传感器组件(10)，其中，在正常运行状态(N)下，所述输出单元(200)连续地将所述信号输出(270)输出到所述信号线(500)，并且所述状况单元(300)连续地将所述状况输出(380)输出到所述测试线(400)。

4.根据权利要求1所述的传感器组件(10)，其中，所述状况输出(380)代表所述传感器(100)的正常状况、临界状况和故障状况之一。

5.根据权利要求4所述的传感器组件(10)，其中，所述临界状况指示所述传感器(100)接近故障。

6.根据权利要求4所述的传感器组件(10)，其中，所述状况单元(300)将所述传感器信号(130)与多个阈值(352、362)进行比较，以确定所述传感器(100)的状况是正常状况、临界状况还是故障状况，所述传感器信号(130)具有主信号(132)和基线信号(134)，所述基线信号是通过在分压器(310、320)中过滤或延迟所述传感器信号(130)而产生的，所述状况单元(300)将所述传感器信号(130)的基线信号(134)与所述阈值(352、362)进行比较，以确定所述传感器(100)的状况。

7.根据权利要求1所述的传感器组件(10)，其中，所述信号输出(270)代表由所述传感器(100)检测的一对状态之一，所述传感器信号(130)具有主信号(132)和基线信号(134)，所述基线信号是通过在分压器(220)中过滤或延迟所述主信号(132)而产生的，所述输出单元(200)比较所述传感器信号(130)的主信号(132)和基线信号(134)以确定由所述传感器(100)检测的状态。

8.根据权利要求3所述的传感器组件(10)，还包括连接在所述传感器(100)和所述测试线(400)之间的开关(600)，所述开关(600)接收沿着所述测试线(400)的自测输入(410)，以在所述传感器组件(10)的所述正常运行状态(N)和自测状态(S)之间切换。

9.根据权利要求8所述的传感器组件(10)，其中，在所述正常运行状态(N)下，在不触发所述开关(600)的情况下，所述状况输出(380)被传输到所述测试线(400)。

10.根据权利要求9所述的传感器组件(10)，其中，所述状况单元(300)在所述正常运行状态(N)下在所述测试线(400)上输出所述状况输出(380)，并且所述开关(600)在所述自测状态(S)下旁路所述状况单元(300)，所述传感器(100)在所述自测状态(S)下输出自测输出(140)，所述自测输出(140)由从所述开关(600)发送到所述传感器(100)的信号调节器(120)的驱动禁用信号(610)决定。

11.根据权利要求1所述的传感器组件(10)，其中，所述输出单元(200)和所述状况单元(300)各自具有多个分压器(210、220、310、320)、比较器(230、330、340)和从所述传感器信号(130)产生所述信号输出(270)和所述状况输出(380)的电平检测电路(260、370)。

12.根据权利要求1所述的传感器组件(10)，其中，所述输出单元(200)和所述状况单元(300)由控制器(800)执行。

13.一种用于输出传感器(100)的状况的方法(700)，包括：

提供传感器组件(10)，所述传感器组件包括传感器(100)、连接到所述传感器(100)的输出单元(200)、连接到所述传感器(100)的状况单元(300)以及连接到所述传感器(100)和所述状况单元(300)的测试线(400)，所述测试线(400)是双向的；

将所述传感器(100)的传感器信号(130)传输到所述输出单元(200)和所述状况单元(300)；

用所述输出单元(200)输出代表由所述传感器(100)检测的状态的信号输出(270)；和

用所述状况单元(300)将代表所述传感器(100)的状况的状况输出(380)输出到所述测试线(400)。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，在正常运行状态(N)下，所述输出单元(200)将所述信号输出(270)连续输出到连接到所述传感器(100)和所述输出单元(200)的信号线(500)，并且所述状况单元(300)将所述状况输出(380)连续输出到所述测试线(400)，所述状况输出(380)代表所述传感器(100)的正常状况、临界状况和故障状况之一。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括基于沿着所述测试线(400)接收的自测输入(410)在所述正常运行状态(N)和自测状态(S)之间切换所述传感器组件(10)，并且在所述自测状态(S)中，所述传感器(100)输出自测输出(140)并旁路所述状况单元(300)。