CN220356405U - 一种iepe型传感器状态检查系统及电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及数据采集技术领域，涉及一种IEPE型传感器状态检查系统及电路，包括：微控制器MCU，用于输出设定的阈值电压数据；数模转换器，用于接收微控制器MCU输出的阈值电压数据，并将阈值电压数据转换成阈值电压模拟信号；增益放大器，用于对阈值电压模拟信号进行放大，以得到短路阈值电压或开路阈值电压；电压比较电路，用于对传感器输出的原始动态信号进行低通滤波，以得到传感器偏置电压，并将偏置电压与短路阈值电压或开路阈值电压进行比较，以得到判断结果，并将判断结果输入至微控制器MCU进行判断传感器工作状态及故障情况，并输送至上位机。本实用新型不但提高了检测系统的实时性和自动化程度，而且降低了人员成本。

Description

一种IEPE型传感器状态检查系统及电路

技术领域

本实用新型涉及数据采集技术领域，尤其是涉及在工业、船舶、航空航天、轨道交通以及多种现场采集应用中的技术，具体地说，涉及一种IEPE型传感器状态检查系统及电路。

背景技术

在工业、船舶、航空航天、轨道交通以及多种现场采集应用中，IEPE型传感器被广泛使用于采集设备设施的振动、加速度信息。为确保IEPE型传感器工作状态正常，使得采集到的振动数据真实有效，需要一种方法实时监测传感器的工作状态，以便于诊断和分析后续可能出现的异常状态。

目前检测IEPE型传感器工作状态，主要有两种技术方案：

1.采用离线型传感器检测，这需要检修人员携带至少具备IEPE传感器激励源、电池供电模块、传感器偏置电压(BOV)判断系统以及传感器状态显示模块等在内的IEPE型传感器状态检测装置。但在部分IEPE型传感器的工作场景下，会导致传感器工作状态异常的问题因素具备复现概率低、持续时间短、传感器工况恶劣以及人员难以深入等特征。同时，不同厂家出产的IEPE型传感器各方面特性也会有区别，为兼容不同厂家的传感器特性，又需要增加恒流源调节器和可调的偏置电压判断阈值等功能模块，增加了成本问题。因此，此类方案在实时性、应用的通用性和便捷性等方面具有较大劣势。

2.采用在线型传感器检测，通常情况下使用者采集IEPE型动态信号会采用交流耦合的方式进行采集，但对IEPE型接入或工作状态最佳的评判依据是其偏置电压，经过交流耦合的反馈信号会丢失其直流成分信息，无法直接用动态信号采集设备对IEPE型传感器状态进行判断，需要在原有的驱动及采集系统基础上额外增加一套采集系统以获得实时的传感器偏置电压。这种技术方案的弊端在于需要的元器件数量多、电路复杂度高、会占用宝贵的PCB空间资源，造成PCB布局布线难度增大、使其具备较差的可移植性，并带来了不必要的功耗问题和成本问题。

有鉴于此特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种IEPE型传感器状态检查系统及电路，提高了检测系统的实时性和自动化程度，同时降低了人员成本，帮助工程技术人员更准确定位传感器和采集系统问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案的基本构思是：

第一方面，一种IEPE型传感器状态检查系统，包括：

微控制器MCU，用于输出设定的阈值电压数据；

数模转换器，用于接收所述微控制器MCU输出的阈值电压数据，并将所述阈值电压数据转换成阈值电压模拟信号；

增益放大器，用于对所述阈值电压模拟信号进行放大，以得到短路阈值电压或开路阈值电压；

电压比较电路，用于对传感器输出的原始动态信号进行低通滤波，以得到传感器偏置电压，并将所述偏置电压与短路阈值电压或开路阈值电压进行比较，以得到判断结果，并将所述判断结果输入至微控制器MCU进行判断传感器工作状态及故障情况，并输送至上位机。

在上述任一方案中优选的实施例，所述电压比较电路，包括：

低通滤波器，用于对传感器受激励后，输入的偏置电压进行滤波，以得到偏置电压；

电压比较器，用于将所述偏置电压与短路阈值电压或开路阈值电压进行比较，以得到判断结果，并根据判断结果输出不同的电平值。

在上述任一方案中优选的实施例，所述微控制器MCU根据不同时刻上所述电压比较器输出端的电平值来判断传感器的状态，并通过上位机接口向上位机发送传感器的状态。

在上述任一方案中优选的实施例，所述增益放大器为运放及若干电阻电容构成的同相放大器，经放大后的阈值电压模拟信号为短路阈值电压或开路阈值电压。

在上述任一方案中优选的实施例，所述传感器工作状态根据偏置电压幅值的不同，情况可分为：

当偏置电压大于短路电压阈值并低于开路电压阈值时，传感器处于正常的工作状态；

当偏置电压低于短路电压阈值时，则传感器内部处于短路状态，或传感器线缆的绝缘层与信号线之间出现短路，或用于驱动传感器的恒流激励源出现欠压欠流；

当偏置电压高于开路阈值电压时，则传感器内部出现开路，或存在传感器信号通路断开，或用于驱动传感器的恒流激励源出现过压过流。

第二方面，一种IEPE型传感器状态检查电路，包括所述的IEPE型传感器状态检查系统。

采用上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。

本实用新型的传感器状态诊断结果可以实现实时输出，并可对接至上位机，提高了检测系统的实时性和自动化程度，同时降低了人员成本，帮助工程技术人员更准确定位传感器和采集系统问题。

本实用新型对在线型检测进行了简化，根据传感器特性，通过程控数模转换器输出短路或开路阈值电压，并实时检查偏置电压与短路或开路阈值电压的关系，在不影响实时性的基础上简化了电路设计，降低了应用成本，并具备较好的应用灵活性。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分，本领域技术人员应该理解的是，这些附图未必是按比例绘制的，在附图中：

图1是本实用新型IEPE型传感器状态检查系统电路示意图。

图2是本实用新型IEPE型传感器状态检查系统的开路或短路阈值电压与工作时序的关系示意图。

图3是本实用新型IEPE型传感器状态检查系统的微控制器MCU的工作流程示意图。

图中：1、传感器BNC接口；2、电压比较电路；3、低通滤波器；4、电压比较器；5、增益放大器；6、数模转换器；7、微控制器MCU；8、上位机接口。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本实用新型的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念，附图中的元素是示意性的，没有按比例绘制。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本申请下述实施例以IEPE型传感器状态检查系统为例进行详细说明本申请的方案，但是此实施例并不能限制本申请保护范围。

如图1至图3所示，本实用新型提供了一种IEPE型传感器状态检查系统，包括：

微控制器MCU7，用于输出设定的阈值电压数据；

数模转换器6，用于接收所述微控制器MCU7输出的阈值电压数据，并将所述阈值电压数据转换成阈值电压模拟信号；

增益放大器，用于对所述阈值电压模拟信号进行放大，以得到短路阈值电压或开路阈值电压，由于常见的数模转换器输出电压幅值较低，并不足以直接同传感器偏置电压相比较，需要在其后级串联一个增益放大器对电压进行放大，所述增益放大器为一运放及若干电阻电容构成的同相放大器，经放大后的电压被称为短路阈值电压或开路阈值电压，可用于输入电压比较器进行比较；

电压比较电路，用于对传感器输出的原始动态信号进行低通滤波，以得到传感器偏置电压，并将所述偏置电压与短路阈值电压或开路阈值电压进行比较，以得到判断结果，并将所述判断结果输入至微控制器MCU进行判断传感器工作状态及故障情况，并输送至上位机。

在本实用新型所述的IEPE型传感器状态检查系统中，通过所述微控制器MCU诊断的传感器状态的结果可以实现实时输出，并可对接至上位机，提高了检测系统的实时性和自动化程度，同时降低了人员成本，帮助工程技术人员更准确定位传感器和采集系统问题，并且本实用新型对在线型检测进行了简化，根据传感器特性，通过程控数模转换器输出短路或开路阈值电压，并实时检查偏置电压与短路或开路阈值电压的关系，在不影响实时性的基础上简化了电路设计，降低了应用成本，并具备较好的应用灵活性。

如图1至图3所示，所述电压比较电路，包括：

低通滤波器，用于对传感器受激励后，输入的偏置电压进行滤波，以得到偏置电压；

电压比较器，用于将所述偏置电压与短路阈值电压或开路阈值电压进行比较，以得到判断结果，并根据判断结果输出不同的电平值，其中，在本实用新型中，所述低通滤波器用于对传感器受激励后，对输入到所述电压比较器的传感器偏置电压(BOV)进行滤波，以避免瞬时的动态信号输入电压比较器造成逻辑误判。

如图1至图3所示，经过激励的传感器，其状态根据输入到所述电压比较器的传感器偏置电压(BOV)幅值的不同，情况可分为三类：

(1)当偏置电压大于预先设置的短路电压阈值并低于开路电压阈值时，传感器处于正常的工作状态；

(2)当偏置电压低于预先设置的短路电压阈值时，传感器内部可能处于短路状态，或传感器线缆的绝缘层与信号线之间可能出现了短路情况，或设备用于驱动传感器的恒流激励源出现了欠压欠流的情况；

(3)当偏置电压高于预先设置的开路阈值电压时，传感器内部可能出现了开路情况，或存在传感器信号通路断开的情况，或设备用于驱动传感器的恒流激励源出现了过压过流的情况(这可能导致传感器的损坏)。

因此根据以上异常情况可知，通过将传感器偏置电压与短路或开路阈值电压相比较，便可获取传感器的工作状态信息。

其中，当工作时，具体工作流程如下：

(1)微控制器MCU在时刻t0设定数模转换器电压为短路阈值电压，电压设定完成后，电压比较器将短路阈值电压同经过滤波的传感器偏置电压进行比较，并输出电平“0”或“1”；

(2)在时刻t1，微控制器MCU记录电压比较器输出电平；

(3)在时刻t2，微控制器MCU设定数模转换器电压为开路阈值电压，电压设定完成后电压比较器将开路阈值电压同经过滤波的传感器偏置电压进行比较，并输出电平“0”或“1”；

(4)在时刻t3记录电压比较器输出电压。

(5)在时刻t4完成判断流程，微控制器MCU将数模转换器输出电压复位为0V。

其中，根据实际情况，判断结果可分为三种：

(1)当微控制器首先在t1时刻记录到传感器偏置电压满足短路条件，并在t3时刻记录到传感器偏置电压不满足开路条件时，微控制器MCU将会输出判断结果为传感器短路；

(2)当微控制器首先在t1时刻记录到传感器偏置电压不满足短路条件，并在t3时刻记录到传感器偏置电压不满足开路条件时，微控制器MCU将会输出判断结果为传感器正常；

(3)当微控制器首先在t1时刻记录到传感器偏置电压不满足短路条件，并在t3时刻记录到传感器偏置电压满足开路条件时，微控制器MCU将会输出判断结果为传感器开路。

以上从t0时刻到完成状态判断，并由微控制MCU输出判断结果的闭环时间可控制到毫秒级，根据用户需求可控制回报率从0Hz到上百Hz不等。

因此，本实用新型可以实现实时检测IEPE型传感器偏置电压与短路或开路阈值电压的关系，整个传感器状态判断周期的闭环时间可控制到毫秒级，并且根据检测结果，程控地实时输出传感器状态诊断结果，其中，程控的数模转换器输出开路或短路阈值电压，用以灵活判断传感器工作状态及故障情况；程控的检测闭环周期以及数据输出格式，使IEPE型传感器状态检查系统具备很好的环境适应性，电路原理简单易懂，判断逻辑严谨，使得IEPE型传感器状态检查系统具备可靠性高、判断准确性高的优势，以上特点结合应用元件数量少、集成度高的特点，使IEPE型传感器状态检查系统可轻松嵌入IEPE型传感器激励、调理及采集系统，具备高通用性的优势。

例如，如图1所示，本实用新型采用的IEPE型传感器状态检查系统，包括多通道的传感器接口连接的IEPE型传感器、低通滤波器在内的电压比较电路，包括一组数模转换器、增益放大器、电压比较器和微控制器MCU。所述的IEPE型传感器处于受激励状态，激励源为4mA恒流源，常态下传感器的偏置电压为12V，所述的低通滤波器是一个阻带为0.5Hz，阶数n＝1的RC低通滤波器；所述的数模转换器为MAX5385，是一个8位精度的数模转换器，输出范围为0V～2.97V；所述的增益放大器为由运算放大器TLV172作为主要器件构成的7.04倍增益的同相放大器，该放大器放大了数模转换器的输出电压，令阈值电压设置范围为0V～20.79V，本例中根据传感器手册说明的特性，设定短路阈值电压为8VDC，开路阈值电压为14VDC；所述的电压比较器型号为XL2901，供电电压为3.3V；所说的微控制器MCU为STM32微控制器，内部运行阈值电压设置程序和传感器状态判断程序，每0.5s进行一次传感器状态检测，t0→t1→t2→t3→t4时序切换步长均为2.5ms。

当工作时，首先，在一个通道接入正常的传感器，实测其直流阻抗为3011Ω，根据欧姆定律可知此时传感器的偏置电压约为12.04VDC，经过低通滤波器后输入电压比较器正端。在t0时刻，微控制器MCU控制数模转换器输出短路阈值电压，经过7.04倍增益后，其电压值为8.00415V，输入电压比较器负端后，由于此时电压比较器正端电压大于负端电压，电压比较器输出3.3V，对应电平为“1”；在t1时刻，微控制器采样电压比较器输出电平“1”，并判断传感器偏置电压不满足短路条件；在t2时刻，微控制器MCU控制数模转换器输出开路阈值电压，经过7.04倍增益后，其电压值为14.0481V，输入电压比较器负端后，由于此时电压比较器正端电压小于负端电压，电压比较器输出0V，对应电平为“0”；在t3时刻，微控制器MCU采样电压比较器输出电平“0”，并判断传感器偏置电压不满足开路条件；在t4时刻，微控制器复位数模转换器电压0V，并向上位机输出状态码“3”，代表判断到传感器状态为正常。以上判断流程会消耗10ms时间，微控制器随后等待0.490s进入下一次判断流程。

然后，接入出现短路异常的传感器，实测到其直流阻抗为1752Ω，根据欧姆定律可知此时传感器的偏置电压约为7.008VDC，经过低通滤波器后输入电压比较器正端。在t0时刻，微控制器MCU控制数模转换器输出短路阈值电压，经过7.04倍增益后，其电压值为8.00415V，输入电压比较器负端后，由于此时电压比较器正端电压小于负端电压，电压比较器输出0V，对应电平为“0”；在t1时刻，微控制器采样电压比较器输出电平“0”，并判断传感器偏置电压满足短路条件；在t2时刻，微控制器MCU控制数模转换器输出开路阈值电压，经过7.04倍增益后，其电压值为14.0481V，输入电压比较器负端后，由于此时电压比较器正端电压小于负端电压，电压比较器输出0V，对应电平为“0”；在t3时刻，微控制器MCU采样电压比较器输出电平“0”，并判断传感器偏置电压不满足开路条件；在t4时刻，微控制器复位数模转换器电压0V，并向上位机输出状态码“2”，代表判断到传感器状态为短路。以上判断流程会消耗10ms时间，微控制器随后等待0.490s进入下一次判断流程。

最后，接入出现开路异常的传感器，实测到其直流阻抗为4061Ω，根据欧姆定律可知此时传感器的偏置电压约为16.244VDC，经过低通滤波器后输入电压比较器正端。在t0时刻，微控制器MCU控制数模转换器输出短路阈值电压，经过7.04倍增益后，其电压值为8.004V，输入电压比较器负端后，由于此时电压比较器正端电压大于负端电压，电压比较器输出3.3V，对应电平为“1”；在t1时刻，微控制器采样电压比较器输出电平“1”，并判断传感器偏置电压不满足短路条件；在t2时刻，微控制器MCU控制数模转换器输出开路阈值电压，经过7.04倍增益后，其电压值为14.0481V，输入电压比较器负端后，由于此时电压比较器正端电压小于负端电压，电压比较器输出3.3V，对应电平为“1”；在t3时刻，微控制器MCU采样电压比较器输出电平。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种IEPE型传感器状态检查系统，其特征在于，包括：

微控制器MCU，用于输出设定的阈值电压数据；

数模转换器，用于接收所述微控制器MCU输出的阈值电压数据，并将所述阈值电压数据转换成阈值电压模拟信号；

增益放大器，用于对所述阈值电压模拟信号进行放大，以得到短路阈值电压或开路阈值电压；

电压比较电路，用于对传感器输出的原始动态信号进行低通滤波，以得到传感器偏置电压，并将所述偏置电压与短路阈值电压或开路阈值电压进行比较，以得到判断结果，并将所述判断结果输入至微控制器MCU进行判断传感器工作状态及故障情况，并输送至上位机。

2.根据权利要求1所述的IEPE型传感器状态检查系统，其特征在于，所述电压比较电路，包括：

低通滤波器，用于对传感器受激励后，输入的偏置电压进行滤波，以得到偏置电压；

电压比较器，用于将所述偏置电压与短路阈值电压或开路阈值电压进行比较，以得到判断结果，并根据判断结果输出不同的电平值。

3.根据权利要求2所述的IEPE型传感器状态检查系统，其特征在于，所述微控制器MCU根据不同时刻上所述电压比较器输出端的电平值来判断传感器的状态，并通过上位机接口向上位机发送传感器的状态。

4.根据权利要求3所述的IEPE型传感器状态检查系统，其特征在于，所述增益放大器为运放及若干电阻电容构成的同相放大器，经放大后的阈值电压模拟信号为短路阈值电压或开路阈值电压。

5.根据权利要求4所述的IEPE型传感器状态检查系统，其特征在于，所述传感器工作状态根据偏置电压幅值的不同，情况分为：

当偏置电压大于短路电压阈值并低于开路电压阈值时，传感器处于正常的工作状态；

当偏置电压低于短路电压阈值时，则传感器内部处于短路状态，或传感器线缆的绝缘层与信号线之间出现短路，或用于驱动传感器的恒流激励源出现欠压欠流；

当偏置电压高于开路阈值电压时，则传感器内部出现开路，或存在传感器信号通路断开，或用于驱动传感器的恒流激励源出现过压过流。

6.一种IEPE型传感器状态检查电路，其特征在于，包括如权利要求1至5中任一项所述的IEPE型传感器状态检查系统。