CN204423075U - 一种传感器及其输出信号监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种传感器及其输出信号监测系统，属于传感器技术领域。传感器包括信号处理单元、控制单元和通讯单元，输出信号监测系统包括外部控制器以及传感器，信号处理单元用于在传感器工作的过程中，获取当前被测量的信号，以及用于根据所述被测量的信号输出所述传感器的第一输出信号。本实用新型的传感器和系统通过改变传感器的增益或量程，然后根据增益或量程改变前后传感器针对同一被测量的输出信号的变化判断传感器的输出信号是否发生异常，从而判断传感器是否故障或量程是否合适，一旦传感器故障或量程不合适，外部控制器能够及时获知采取措施补救并通知用户进行维护，无需另外增设其他传感器进行相互甄别。

Description

一种传感器及其输出信号监测系统

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种传感器及其输出信号监测系统。

背景技术

  随着自动化需求的不断增长，需要使用传感器将一些非电量的物理、化学量转换成电量以便输入到电子控制系统内作为控制依据而对使用该传感器的系统加以监控。传感器输出的信号的准确性直接影响错误电子控制系统的指令的正确性。如果传感器发生故障将会发出错误的信号，从而导致电子控制系统发出错误的指令或行动。这些错误的指令或行动可能会导致使用这个传感器的装置、设备或系统功能的丧失或性能的降低，甚至会导致使用这个传感器的装置、设备或系统的破坏，更严重的情况可能出现短路、火灾等财产或生命的损失。因此，传感器信号的可靠性变得十分关键。因此在使用传感器的同时，要准确及时判断一个传感器是否正常工作是非常重要的。

在现代工业、农业、国防、科研和家庭应用中，大部分是采用多传感器法来相互甄别好坏。如用三个传感器同时测量同一个物理量，如果有三个的输出都一致，那么三个都可能是好的，如果其中有一个的输出特殊，那么这个特殊的传感器就可能工作不正常。这种方法的缺点是明显的：造价高、系统复杂、体积大、而且准确性低。另外一种方式是采用多变量逻辑分析来估计输出量的应该的大小范围进而判别哪个传感器的输出不符合逻辑。这个方法解决了多传感器方案中存在的问题，但是逻辑分析的可靠性较低。

因此，有必要提供一种能够准确的对传感器的输出信号监测的方法、系统及传感器。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种传感器及其输出信号监测方法、系统,以解决现有技术传感器监测系统造价高、不准确的缺陷。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本实用新型的一个方面，提供一种传感器的输出信号监测方法， 包括如下步骤：在传感器工作的过程中，获取当前被测量的信号；根据所述被测量的信号获取所述传感器的第一输出信号；改变所述传感器的增益或量程；根据所述被测量的信号获取所述传感器改变增益后的第二输出信号；根据所述第一输出信号及第二输出信号判断所述传感器的输出信号是否异常。

提供一种如上所述的方法，当改变所述传感器的增益时，所述根据所述第一输出信号及第二输出信号判断所述传感器的输出信号是否可用，包括：判断所述第一输出信号与所述第二输出信号的比值是否与所述增益改变前后的比值相同；若相同，则确定所述传感器的输出信号正常；否则，确定所述传感器的输出信号异常。

提供一种如上所述的方法，当改变所述传感器的量程时，所述根据所述第一输出信号及第二输出信号判断所述传感器的输出信号是否可用，包括：根据所述第一输出信号及第二输出信号计算信号跳变的幅度；判断所述信号跳变的幅度是否在预设的幅度范围内；若是，则确定所述传感器的输出信号正常；否则，确定所述传感器的输出信号异常。

提供一种如上所述的方法，所述方法还包括：在传感器工作的过程中，监测所述传感器的输出信号；根据所述输出信号调整所述传感器的量程以改变所述传感器的精度。

根据本实用新型的另一个方面，提供一种传感器，所述传感器包括：信号处理单元，用于在传感器工作的过程中，获取当前被测量的信号，以及用于根据所述被测量的信号获取所述传感器的第一输出信号；控制单元，用于控制所述信号处理单元改变所述传感器的增益或量程；所述信号处理单元，还用于根据所述被测量的信号获取所述传感器改变增益后的第二输出信号；所述控制单元，还用于根据所述第一输出信号及第二输出信号判断所述传感器的输出信号是否异常。

提供一种如上所述的传感器，所述控制单元，还用于在所述信号处理单元改变所述传感器的增益后，判断所述第一输出信号与所述第二输出信号的比值是否与所述增益改变前后的比值相同，并在所述比值相同时，确定所述传感器的输出信号正常，否则，确定所述传感器的输出信号异常。

提供一种如上所述的传感器，所述控制单元，还用于在所述信号处理单元改变所述传感器的量程之后，根据所述第一输出信号及第二输出信号计算信号跳变的幅度，以及用于判断所述信号跳变的幅度是否在预设的幅度范围内，并在所述信号跳变的幅度在预设的幅度范围内时，确定所述传感器的输出信号正常，或者在所述信号跳变的幅度未在预设的幅度范围内时，确定所述传感器的输出信号异常。

提供一种如上所述的传感器，所述控制单元，还用于在传感器工作的过程中，监测所述传感器的输出信号；根据所述输出信号调整所述传感器的量程以改变所述传感器的精度。

提供一种如上所述的传感器，所述传感器为角度传感器或旋转位移传感器，所述传感器还包括外壳体及旋转轴，所述信号处理单元、所述控制单元均设置在所述外壳体内；所述外壳体上设有限位块，所述旋转轴上设有旋转凸块，所述旋转凸块在所述旋转轴的转动中通过与所述限位块的配合限定所述传感器的测量角度范围。

根据本实用新型的另一个方面，提供一种传感器的输出信号监测系统，其特在于，所述系统包括外部控制器以及如上所述的传感器：所述外部控制器，用于在所述传感器工作的过程中向所述传感器发送改变增量或量程的指令；所述传感器，用于在工作的过程中将被测量转换成电信号，并将所述电信号作为输出信号发送给所述外部控制器，以及用于接收所述外部控制器发送的所述改变增量或量程的指令，并根据所述改变增量或量程的指令对所述输出信号进行监测。

本实用新型的传感器及其输出信号监测方法、系统，通过改变传感器的增益或量程，然后根据增益或量程改变前后传感器针对同一被测量的输出信号的变化判断传感器的输出信号是否发生异常，从而判断传感器是否故障或量程是否合适，一旦传感器故障或量程不合适，外部控制器能够及时获知采取措施补救并通知用户进行维护，无需另外增设其他传感器进行相互甄别，并且保证了信号的可靠性进而增加使用该传感器的系统的可靠性，保证了在故障状态下，系统能及时知道和采取准确应急预案措施。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种传感器的输出信号监测系统的模块结构示意图；

图2为改变增益的输出效果图；

图3为改变量程的输出效果图；

图4为控制增益和量程的电路原理示意图；

图5为图1所述实施例的一种非接触式的角度传感器的示意图；

图6为图1所述实施例从机械结构的设计上保证小于360度内可变量程的旋转位移传感器的示意图；

图7为图1所述实施例从机械结构的设计上保证大于360度内可变量程的旋转位移传感器的示意图；

图8为本实用新型实施例提供的一种传感器的输出信号监测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供了一种传感器的输出信号监测系统。请参阅图1，该系统包括外部控制器110及传感器120。

所述外部控制器110，用于在所述传感器120工作的过程中向所述传感器120发送改变增量或量程的指令；

所述传感器120，用于在工作的过程中将被测量转换成电信号，并将所述电信号作为输出信号发送给所述外部控制器110，以及用于接收所述外部控制器110发送的所述改变增量或量程的指令，并根据所述改变增量或量程的指令对所述输出信号进行监测。

需要说明的是，本实用新型所称的被测量是指传感器测量的非电量的物理量或化学量。

传感器120包括信号处理单元121、控制单元122和通讯单元123。

信号处理单元121，用于在传感器120工作的过程中，获取当前被测量的信号，以及用于根据所述被测量的信号输出所述传感器120的第一输出信号。

控制单元122，用于控制所述信号处理单元121改变所述传感器120的增益或量程。所述信号处理单元121，还用于根据所述被测量的信号输出所述传感器120改变增益后的第二输出信号；所述控制单元122，还用于根据所述第一输出信号及第二输出信号判断所述传感器120的输出信号是否异常。

进一步的，所述控制单元120，还用于在信号处理单元121改变所述传感器120的增益后，判断所述第一输出信号与所述第二输出信号的比值是否与所述增益改变前后的比值相同，并在所述比值相同时，确定所述传感器120的输出信号正常，否则，确定所述传感器的输出信号异常。

进一步的，所述控制单元120，还用于在信号处理单元121改变所述传感器120的量程之后，根据所述第一输出信号及第二输出信号计算信号跳变的幅度，以及用于判断所述信号跳变的幅度是否在预设的幅度范围内，并在所述信号跳变的幅度在预设的幅度范围内时，确定所述传感器的输出信号正常，或者在所述信号跳变的幅度未在预设的幅度范围内时，确定所述传感器的输出信号异常。

具体的，在不同的增益下，对于同样的被测量，传感器的输出信号发生改变。以测量位移为目标的传感器为例，如图2所示，纵轴为传感器的输出信号（电压V），横轴为传感器的被测量（位移L），从位移和角度的变化也可引申到速度甚至加速度等测量。对于相同的被测量l，比如在增益为A的情况下，传感器的第一输出信号v₁是1V，通过快速改变增益为2倍的A值，那么传感器的第二输出信号v₂就必须变成2V，否则该传感器就是坏了，该输出信号就不能使用。这样就达到了动态自动监测传感器的目的。

进一步的，通讯单元123，用于在所述控制单元122确定所述传感器的输出信号异常之后，向外部控制器110发送传感器故障消息；和/或用于将所述信号跳变的幅度发送给外部控制器110，以使所述外部控制器110根据所述信号跳变的幅度确定所述传感器的测量范围和/或调整所述传感器的量程。

具体的，仍以测量位移为目标的传感器为例，如图3所示，在不同的量程下，对于传感器输出同样的值，被测的物理量的实际大小就不同。如果位置l不变而单纯切换量程也可以得到输出信号的相应跳变。可以根据这个跳变的幅度变化确定是否正确而判断传感器是否有故障，另外输出信号的幅度的大小切换等于传感器120在向控制器110汇报自身的测量能力，即能合适测量的范围。例如，如果输出信号一直很小，就可以减小量程，提高测量精度。控制器110就可以决定是否继续改变外部物理量的范围以完成更复杂的工作，提供更合适的测量精度。这一点在许多工程中有很多用途。比如在位移或角度变化比较小时，可以通过通讯改变传感器的量程从而提高传感器的测量精度。当在位移或角度变化比较大时，又通过通讯改变传感器的量程从而提高传感器的范围，这时虽然测量精度有所降低，但误差比例几乎不变。

进一步的，控制单元120，还用于在传感器工作的过程中，监测所述传感器的输出信号，根据所述输出信号调整所述传感器的量程以改变所述传感器的精度。

进一步的，通讯单元123，还用于在所述信号处理单元121获取当前被测量的信号之前，接收所述外部控制器110发送的改变增量或量程的指令。

具体的，在实际应用中，传感器120的电路原理示意图可参阅图4。

信号处理单元120包括电磁感应芯片420、运算放大芯片450和多路选通芯片440。其中电磁感应芯片420，探测到与被测角度成比例关系的信号经过内部滤波、放大、稳幅等处理后送到运算放大芯片450的输入端。

通信单元124包括传感器的接口插头410。实际应用中，接口插头410与外部控制器110之间可采用双线通讯，一根线作专用控制线，一根为传感器的专用输出线。为了降低造价可将双线改为共享一根线，此时，通讯采用同路间歇性通讯方式，有时为传感器120接受信号，有时为传感器120输出信号，因此监测和测量可动态地进行。

控制单元120包括主控芯片440。主控芯片440可实时监测传感器120的输出信号的状况，确保输出信号在设定的量程和幅度范围，如果监测到输出信号异常则发出特定的指令系列告知外部控制器110传感器出现故障。同时主控芯片440还监测接口插头410是否接收到来自外部控制器110的改变量程或者改变增益指令，并根据接收到的指令，对电磁感应芯片420以及多路选通芯片440进行改变量程或者改变增益的控制操作。

在实际应用中，为了满足外部信号的要求，需要对信号滤波，为了保护传感器，也需要对外部高电压脉冲、短路等进行保护，因此传感器120还可设置对其进行滤波、保护、输出的电路。

进一步的，量程的改变还要在传感器机械机构设计上得到保障。对于旋转的位置传感器，只要不超过360度都可以容易实现。旋转位移或角度测量的传感器还包括外壳体及旋转轴，所述信号处理单元、所述控制单元均设置在所述外壳体内；所述外壳体上设有限位块，所述旋转轴上设有旋转凸块，所述旋转凸块在所述旋转轴的转动中通过与所述限位块的配合限定所述传感器的测量角度范围。

如图5所示为本实施例的一种非接触式的动态自诊断变量程非接触式角度传感器。它设有三种不同的输出接口，方便不同功能的接口与之匹配，防止错插。

图6为360度以下的旋转位移传感器的设计，图6中610为起始限位块，未设专用的终止限位块，其的量程可以设置为小于360度的任意角度。

对于超过360度旋转的可以与外界限位来确定起始点，一旦确定起始点，可以进行无穷旋转角度的测量。在360度内依赖输出值的幅度来确定，在大于360时，位置的确定依赖于输出幅度加信号跳变的次数来确定。图7为大于360度的旋转位移传感器的示意图，图7的旋转位移传感器未设置起始限位块，也未设置终止限位块，它可以设置为0到无穷角度的任意量程。设计中仍保留了旋转凸块710，目的是随时可以在模具制造中加上限位块而变成<360度的角度传感器。实际应用中在不考虑<360度的应用情况时，就不需要这个旋转凸块710。

实际应用中，任何线性的位移可以转化为旋转的位移来进行测量，反之亦然。

本实施例的传感器的输出信号监测系统，通过改变传感器的增益或量程，然后根据增益或量程改变前后传感器针对同一被测量的输出信号的变化判断传感器的输出信号是否发生异常，从而判断传感器是否故障或量程是否合适，一旦传感器故障或量程不合适，外部控制器能够及时获知采取措施补救并通知用户进行维护，无需另外增设其他传感器进行相互甄别，并且保证了信号的可靠性进而增加使用该传感器的系统的可靠性，保证了在故障状态下，系统能及时知道和采取准确应急预案措施。

在上述实施例的基础上，本实用新型还提供了一种传感器的信号监测方法，请参阅图8，方法流程包括：

S810、在传感器工作的过程中，获取当前被测量的信号；

S820、根据所述被测量的信号输出所述传感器的第一输出信号；

S830、改变所述传感器的增益或量程；

S840、根据所述被测量的信号输出所述传感器改变增益后的第二输出信号；

S850、根据所述第一输出信号及第二输出信号判断所述传感器的输出信号是否异常。

进一步的，当改变所述传感器的增益时，所述根据所述第一输出信号及第二输出信号判断所述传感器的输出信号是否可用，包括：

判断所述第一输出信号与所述第二输出信号是否相同；

若相同，则确定所述传感器的输出信号正常；

否则，确定所述传感器的输出信号异常。

进一步的，当改变所述传感器的量程时，所述根据所述第一输出信号及第二输出信号判断所述传感器的输出信号是否可用，包括：

根据所述第一输出信号及第二输出信号计算信号跳变的幅度；

判断所述信号跳变的幅度是否在预设的幅度范围内；

若是，则确定所述传感器的输出信号正常；

否则，确定所述传感器的输出信号异常。

进一步的，所述确定所述传感器的输出信号异常之后，所述方法还包括：

向外部控制器发送传感器故障消息；和/或

将所述信号跳变的幅度发送给外部控制器；

所述外部控制器根据所述信号跳变的幅度确定所述传感器的测量范围和/或调整所述传感器的量程。

进一步的，所述在传感器工作的过程中，获取当前被测量的信号之前，所述方法还包括：

在传感器工作的过程中，接收所述外部控制器发送的改变增量或量程的指令。

进一步的，方法还包括：

在传感器工作的过程中，监测所述传感器的输出信号；

根据所述输出信号调整所述传感器的量程以改变所述传感器的精度。

具体的，如果所述输出信号一直很小，比如低于某个阀值时，减小所述传感器的量程以提高所述传感器的精度，当所述输出信号持续高于；如果输出信号一直很大，比如高于某个阀值时，增加所述传感器的量程，以增加测量范围。

具体的，实际应用中，可以由外部控制器对传感器的输出信号进行监测，根据输出信号调整传感器的量程，以改变传感器的测量精度。

本实施例的传感器信号的输出信号监测方法，通过改变传感器的增益或量程，然后根据增益或量程改变前后传感器针对同一被测量的输出信号的变化判断传感器的输出信号是否发生异常，从而判断传感器是否故障或量程是否合适，一旦传感器故障或量程不合适，外部控制器能够及时获知采取措施补救并通知用户进行维护，无需另外增设其他传感器进行相互甄别，并且保证了保证信号的可靠性进而增加使用该传感器的系统的可靠性，保证了在故障状态下，系统能及时知道和采取准确应急预案措施。

以上参照附图说明了本实用新型的优选实施例，并非因此局限本实用新型的权利范围。本领域技术人员不脱离本实用新型的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本实用新型的权利范围之内。

Claims (3)

1.一种传感器，其特征在于，所述传感器包括：

信号处理单元，用于在传感器工作的过程中，获取当前被测量的信号，以及用于根据所述被测量的信号输出所述传感器的第一输出信号；

控制单元，用于控制所述信号处理单元改变所述传感器的增益或量程；

所述信号处理单元，还用于根据所述被测量的信号输出所述传感器改变增益后的第二输出信号；

所述控制单元，还用于根据所述第一输出信号及第二输出信号判断所述传感器的输出信号是否异常。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器为角度传感器或旋转位移传感器，所述传感器还包括外壳体及旋转轴，所述信号处理单元、所述控制单元均设置在所述外壳体内；

所述外壳体上设有限位块，所述旋转轴上设有旋转凸块，所述旋转凸块在所述旋转轴的转动中通过与所述限位块的配合限定所述传感器的测量角度范围。

3. 一种传感器的输出信号监测系统，其特在于，所述系统包括外部控制器以及如权利要求1或者2所述的传感器。