CN104880143B - 一种桥式电阻应变传感器多模态故障检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种桥式电阻应变传感器多模态故障检测装置，在断线开路故障或引线短路故障及其组合故障模式下，桥式电阻应变传感器输出线通过偏置电路进行预偏置，再由射频干扰抑制电路滤除高频信号后进入仪表放大电路，仪表放大电路放大桥式电阻应变传感器输出的差分信号，放大后的差分信号在电平比较电路中与故障判别参考电压设置电路设置的参考电压进行比较，从而判断桥式电阻应变传感器的各种故障模式，最终通过线与电路实现逻辑综合，输出一位逻辑信号，判别桥式电阻应变传感器是否出现故障。本发明所需元器件数量少，易于购买，成本低廉，能够实现仪表放大器的功能多样化并可有效减小PCB面积和成本。

Description

一种桥式电阻应变传感器多模态故障检测装置

技术领域

本发明涉及一种桥式电阻应变传感器故障检测装置。

背景技术

桥式电阻应变传感器是一种利用金属弹性体作为弹性元件，通过将其粘贴在弹性体敏感部位组成惠斯通电桥，并在外加电源的激励下将形变转换为电信号的测量装置。桥式电阻应变传感器具有动静态特性优异、分辨率高、误差小、测量范围大、能在各种严酷环境中工作、尺寸小、重量轻、价格低廉、品种多样等优点，便于选择和大量使用，在力、压力、称重、位移、加速度、扭矩等多个测试测量领域应用广泛。

桥式电阻应变传感器构成的惠斯通电桥一般有四根引线，两根电源信号和两根传感器输出差分信号，开路故障及其组合模式和短路故障及其组合模式是常见的桥式电阻应变传感器故障模态。因此，能够同时检测多种故障模态在工农业生产，尤其是航空航天等对可靠性要求高的应用领域具有迫切的技术需求，然而目前公知技术不能对该类传感器的多种模态故障同时进行有效检测。专利CN201210176421“一种飞机电刹车压力传感器冗余装置和控制方法”提出采用判别传感器输出值是否超出故障门限的方法，但仅仅能对某些传感器断线开路故障进行检测，对多种复杂组合模式的开路故障和短路故障不能有效判别。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种桥式电阻应变传感器多模态故障检测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括桥式电阻应变传感器、偏置电路、射频干扰抑制电路、仪表放大电路、故障判别参考电压设置电路、电平比较电路和线与电路。

在断线开路故障或引线短路故障及其组合故障模式下，所述的桥式电阻应变传感器输出线通过偏置电路进行预偏置，再由射频干扰抑制电路滤除高频信号后进入仪表放大电路，仪表放大电路放大桥式电阻应变传感器输出的差分信号，放大后的差分信号在电平比较电路中与故障判别参考电压设置电路设置的参考电压进行比较，从而判断桥式电阻应变传感器的各种故障模式，最终通过线与电路实现逻辑综合，输出一位逻辑信号，判别桥式电阻应变传感器是否出现故障。

所述偏置电路的偏置电压为桥式电阻应变传感器供电电压。

所述射频干扰抑制电路采用低通R-C滤波器。

所述的桥式电阻应变传感器包括力传感器、压力传感器、称重传感器、位移传感器、加速度传感器和扭矩传感器。

本发明的有益效果是：

1)可检测桥式电阻应变传感器断线开路故障及其组合模式；

2)可检测桥式电阻应变传感器引线短路故障及其组合模式(电源和地线短路故障除外，此故障会导致电源保护或烧毁)；

3)所需元器件数量少，且所有元器件均为常用器件，易于购买，成本低廉；

4)可将该电路集成入仪表放大器内，实现仪表放大器的功能多样化并可有效减小PCB面积和成本。

附图说明

图1为桥式应变传感器全故障模式故障检测方法原理图。

图中，1—桥式电阻应变传感器，2—偏置电路，3—射频干扰抑制电路，4—仪表放大电路，5—故障判别参考电压设置电路，6—电平比较电路，7—线与电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

如图1所示，***包括桥式电阻应变传感器1、偏置电路2、射频干扰抑制电路3、仪表放大电路4、故障判别参考电压设置电路5、电平比较电路6，线与电路7。本发明的基本原理即是：当传感器断线开路故障及其组合故障模式或传感器引线短路故障及其组合故障模式下，偏置电路2起到提供电压偏置的作用，此时传感器输出线靠近偏置电路2的位置将超出故障判别参考电压设置电路5所设置的参考电压的范围，通过电平比较电路6和线与电路7，可以将故障检测出来并综合成一路逻辑信号输出。

偏置电路2用于为***提供预偏置，偏置电压为桥式电阻应变传感器1供电电压，通过计算选取较大的偏置电阻，以保证对测量精度的影响较小。射频干扰抑制电路3用于滤除放大器输入端的高频信号，一般采用低通R-C滤波器。仪表放大电路4为整个桥式电阻应变传感器1信号调理电路的核心，用于放大桥式电阻应变传感器1输出的差分信号，因此要求仪表放大电路4具有较高的共模抑制比，为保证仪表放大电路4中仪表放大器较好的电源特性，需要对仪表放大器电源进行良好滤波。故障判别参考电压设置电路5用于设置相应的参考电压，为后级电平比较电路6提供参考电平。电平比较电路6用于对桥式电阻应变传感器1的各种故障模式进行判别，通过线与电路7实现逻辑综合，最后仅仅输出一位逻辑信号，供后级电路判别桥式电阻应变传感器1是否出现故障。

本实施实例中，上述的桥式电阻应变传感器1可能为力传感器、压力传感器、称重传感器、位移传感器、加速度传感器、扭矩传感器等各种传感器，但其核心传感组件为桥式电阻应变片。

本实施实例中，上述的偏置电路2包括电阻R2和R6，其中R2为上拉偏置电阻，R6为下拉偏置电阻，根据桥式电阻应变传感器1的桥臂阻值、***精度要求计算选取R2和R6阻值，本实施实例选取R2和R6阻值均为3MΩ。

本实施实例中，上述的射频干扰抑制电路3包括电阻R3、R5(R3＝R5，)和电容C3、C4、C5，用于构成低通滤波器(其中C3＝C5，C4≥10×C3)，滤除高频差模和共模噪声。其中差模滤波器截止频率为：

共模滤波器截止频率为：

本实施实例中，仪表放大电路4包括仪表放大器AD620、C1、C2、C6、C7和R4。C1、C2、C6、C7为电源滤波电路，R4为仪表放大器AD620增益设置电阻。也可采用其他的仪表放大器，如AD623、AD625、INA321、AD8230等。

上述的故障判别参考电压设置电路5所设参考电压根据桥式电阻应变传感器1最大输出电压范围进行设置，一般留有一定裕量，并进行良好滤波处理，保证参考电压的稳定性。本实施实例中，采用电阻分压的形式，主要包括R8、R9、R10、R11、C9和C10，设置两路参考电压分别为4V和6V。也可采用参考电压芯片的形式实现。

本实施实例中，电平比较电路6采用集成比较器LM239J实现，也可采用其他形式的比较器。

本实施实例中，线与电路7实际是由集成比较器LM239J配合实现，由于LM239J为开漏输出形式，因此只需将LM239J四路输出短接并通过电阻R7上拉到LM239J电源即可。

Claims (4)

1.一种桥式电阻应变传感器多模态故障检测装置，包括桥式电阻应变传感器、偏置电路、射频干扰抑制电路、仪表放大电路、故障判别参考电压设置电路、电平比较电路和线与电路，其特征在于：在引线开路故障及其组合模式、短路故障及其组合模式下，所述的桥式电阻应变传感器输出线通过偏置电路进行预偏置，此时传感器输出线靠近偏置电路的位置将超出故障判别参考电压设置电路所设置的参考电压的范围，通过电平比较电路可判断桥式电阻应变传感器的各种故障模式，最终通过线与电路实现逻辑综合，输出一位逻辑信号，判别桥式电阻应变传感器是否出现故障。

2.根据权利要求1所述的桥式电阻应变传感器多模态故障检测装置，其特征在于：所述偏置电路的偏置电压为桥式电阻应变传感器供电电压。

3.根据权利要求1所述的桥式电阻应变传感器多模态故障检测装置，其特征在于：所述射频干扰抑制电路采用低通R-C滤波器。

4.根据权利要求1所述的桥式电阻应变传感器多模态故障检测装置，其特征在于：所述的桥式电阻应变传感器包括力传感器或位移传感器或加速度传感器或扭矩传感器。