专利名称：压电传感器系统的诊断装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及压电传感器系统的诊断装置，更确切的说是，包括反馈电路的压电传感器系统的诊断装置。
背景技术：
压电传感器被广泛地应用于各个领域，其中一个应用就是在涡街流量计中。压电传感器、连线或其信号处理电路的故障可能导致测量的不准确性，甚至导致涡街流量计不能正常工作。为了确保压电传感器、连线或其信号处理电路的正常状态，需要周期性地对这些器件进行测试。通常来说，这些器件的测试需要在实验室或者采用其他标准的设备。这就要求拆卸涡街量计，临时打断整个生产流程。特别地，在一些远程的应用中，测试的流程将会是相当的耗时和困难。虽然类似的压电传感器的诊断方法已经提出(U.S. Pat.Nos. 6，531，884)，但该方法受一些关键参数的约束(例如，要求信号源有低输出电阻和连 线有极低漏电阻)，仅在其他电路及器件工作正常的时候才能检测出压电传感器的故障。因此，该方法在压电传感器、连线或其信号处理电路不正常的情况下，不能识别具体的故障源。
实用新型内容针对上述技术问题，本实用新型提供一种压电传感器系统的诊断装置，该压电传感器系统包括待检测电子部件，产生具有特定频率或幅值的激励信号的激励信号源和微处理器；处理器包括向激励信号源提供给定激励信号的激励信号给定模块和比较给定激励信号和待检测电子部件反馈的激励信号的激励信号比较模块；其中延激励信号的流向，微处理器的激励信号给定模块、激励信号源、待检测的电子部件和微处理器的激励信号比较模块依次连接。通过采用上述配置，在线对压电传感器系统的信号处理电路进行测试，不需要周期性的拆卸涡街流量计，把它转移至实验室进行检测。这将大大节省时间和成本。
图I示出根据本实用新型的一个实施例的压电传感器系统的诊断装置；图2示出根据本实用新型的另一个实施例的压电传感器系统的诊断装置；图3示出根据本实用新型的另一个实施例的压电传感器系统的诊断装置；和图4示出根据本实用新型的另一个实施例的压电传感器系统的诊断装置。
具体实施方式
一般来说，压电传感器的故障有开路，短路、退化。在实用新型中，所有与压电传感器及其信号处理电路相关的故障源被考虑成同一个故障源，即电路故障。由于某些时候线缆可能被一些机械动作损伤，例如线缆的机械振动和弯曲，从而导致线缆断裂或短路。所以开路和短路被认为是线缆的两种故障状态。在实际操作上来说，很难区分时传感器短路还是线缆或信号处理电路短路，同理也很难区分时传感器开路还是线缆或信号处理电路开路。线缆、传感器和信号处理电路的状态被认为单一器件的状态。图I示出根据本实用新型的一个实施例的压电传感器系统的诊断装置。如图I所示，压电传感器系统的诊断装置包括产生具有特定频率或幅值的激励信号的激励信号源10、信号处理电路19和微处理器20 ;微处理器20包括向激励信号源10提供给定激励信号的激励信号给定模块和比较给定激励信号和待检测电子部件反馈的激励信号的激励信号比较模块；压电传感器的信号处理电路19为待检测的电子部件，其包括电荷放大器22、可调增益运算放大器23、低通滤波器24、数模转换器25和隔离电路26 ;延激励信号的流向，微处理器20的激励信号给定模块、激励信号源10、信号处理电路 19和微处理器20的激励信号比较模块依次连接。其中电荷放大器22的同相端通过平衡电阻21接地，也可以通过电阻与电容并联接地，或者直接接地。具体电路取决于具体电路设计，目的是让同相和反相两个输入端看出去的阻抗相等，使得两个输入端的偏置电流在它们上面产生的压降也相等，起到相互抵消的作用。电荷放大器即可采用同相放大，也可采用反相放大，即上图的同相端和反相端可以互换。具体电路取决于具体电路设计。对同相放大电路而言，优点在于有足够大的输入阻抗，对于输出阻抗很大的电路比较适用；缺点在于放大电路没有“虚地”，抗干扰能力相对较差。对反向放大电路而言，优点是同相端接地，反相端“虚地”，抗干扰能力强；缺点是输入阻抗很小，不适用于前级电路输出阻抗很大的场合。激励信号源10所提供的给定激励信号可以是任意波形的交流信号(例如，方波，正弦波)，比如激励信号源10所提供的给定激励信号的幅值或频率为压电传感器的工作信号的两倍以上或频率。)因此，在处理给定激励信号时可以忽略压电传感器的工作信号，进而根据给定激励信号及其反馈判断信号处理电路的状态。根据微处理器20的激励信号给定模块的指令，激励信号源10输出给定激励信号。给定激励信号通过信号处理电路19 (待检测的电子部件)反馈到微处理器20的激励信号比较模块；通过比较反馈信号和给定激励信号的属性，微处理器20可以得到电路的状态。如果响应信号和激励信号的属性不同，则微处理器20报告信号处理电路故障；否则电路工作在正常状态。比如，如果信号处理电路开路，则反馈信号中没有给定激励信号的幅值或频率分量，微处理器20的激励信号比较模块比较给定激励信号和不含给定激励信号的幅值或频率分量的反馈信号，得到信号处理电路开路的故障。通过采用上述配置，在线对压电传感器系统的信号处理电路进行测试，不需要周期性的拆卸涡街流量计，把它转移至实验室进行检测。这将大大节省时间和成本。优选的，在激励信号源10和信号处理电路19之间加入隔直电容CtlIl,用于过滤低频的压电传感器的工作信号。图2示出根据本实用新型的另一个实施例的压电传感器系统的诊断装置。如图2所示，压电传感器系统的诊断装置包括产生具有特定频率或幅值的激励信号的激励信号源10、压电传感器13、信号处理电路19和微处理器20，其中压电传感器13为待检测的电子部件。微处理器20包括向激励信号源10提供给定激励信号的激励信号给定模块和比较给定激励信号和待检测电子部件反馈的激励信号的激励信号比较模块；信号处理电路19包括电荷放大器22、可调增益运算放大器23、低通滤波器24、数模转换器25和隔离电路26 ；延激励信号的流向，微处理器20的激励信号给定模块、激励信号源10、压电传感器13、信号处理电路19和微处理器20的激励信号比较模块依次连接。压电传感器13与模拟地8耦合。用于连接压电传感器13的线缆14可等效为漏电阻艮15和线缆电容CJ6并联。激励信号源10所提供的给定激励信号可以是任意波形的交流信号(例如，方波，正弦波)，但是其幅值或频率显著区别于压电传感器的工作信号，比如激励信号源10所提供的给定激励信号的幅值或频率为压电传感器的工作信号的幅值或频率的两倍以上。因此，在处理给定激励信号时可以忽略压电传感器的工作信号，进而根据给定激励信号及其反馈判断信号处理电路的状态。其中电荷放大器22的同相端通过平衡电阻21接地，也可以通过电阻与电容并联接地，或者直接接地。具体电路取决于具体电路设计，目的是让同相和反相两个输入端看出去的阻抗相等，使得两个输入端的偏置电流在它们上面产生的压降也相等，起到相互抵消的作用。电荷放大器22即可采用同相放大，也可采用反相放大，即上图的同相端和反相端 可以互换。具体电路取决于具体电路设计。对同相放大电路而言，优点在于有足够大的输入阻抗，对于输出阻抗很大的电路比较适用；缺点在于放大电路没有“虚地”，抗干扰能力相对较差。对反向放大电路而言，优点是同相端接地，反相端“虚地”，抗干扰能力强；缺点是输入阻抗很小，不适用于前级电路输出阻抗很大的场合。根据微处理器20的激励信号给定模块的指令，激励信号源10输出给定激励信号。给定激励信号通过压电传感器13(待检测的电子部件)和信号处理电路19反馈到微处理器20的激励信号比较模块；通过比较反馈信号和给定激励信号的属性，微处理器20可以得到电路的状态。具体来说，从压电传感器13得到的响应信号被输入到信号处理电路19的输入口 30。微处理器20能配置激励信号源产生激励信号并将激励信号加载到压电传感器13上，再接收和检测从信号处理电路19得到的数据，最后提供压电传感器13，线缆14，信号处理电路19的诊断状态输出。在压电传感器开路，短路和正常状态下，反馈信号的强度不同。短路时，几乎无反馈信号输入到电荷放大器，几乎为零；开路时，反馈信号幅值最强；正常时，反馈信号幅值介于短路和开路之间。在微处理器20中执行的诊断方法可以是简单的阈值比较，或者更复杂的信号处理算法(例如，有限冲击响应滤波，离散傅里叶变换)。通过采用上述配置，在线对压电传感器系统的压电传感器进行测试，不需要周期性的拆卸涡街流量计，把它转移至实验室进行检测。这将大大节省时间和成本。优选的，在激励信号源10和信号处理电路19之间加入隔直电容CtlIl,用于过滤低频的压电传感器的工作信号。图3示出根据本实用新型的另一个实施例的压电传感器系统的诊断装置。如图3所示，压电传感器系统的诊断装置包括产生具有特定频率或幅值的激励信号的激励信号源10、压电传感器13、信号处理电路19和微处理器20，其中压电传感器13为待检测的电子部件。微处理器20包括向激励信号源10提供给定激励信号的激励信号给定模块和比较给定激励信号和待检测电子部件反馈的激励信号的激励信号比较模块；信号处理电路19包括电荷放大器22、可调增益运算放大器23、低通滤波器24、数模转换器25和隔离电路26 ；延激励信号的流向，微处理器20的激励信号给定模块、激励信号源10、压电传感器13、信号处理电路19和微处理器20的激励信号比较模块依次连接。压电传感器13与模拟地8通过电阻27耦合。用于连接压电传感器13的线缆14可等效为漏电阻艮15和线缆电容(；16并联。其中电荷放大器22的同相端通过平衡电阻21接地，也可以通过电阻与电容并联接地，或者直接接地。具体电路取决于具体电路设计，目的是让同相和反相两个输入端看出去的阻抗相等，使得两个输入端的偏置电流在它们上面产生的压降也相等，起到相互抵消的作用。电荷放大器22即可采用同相放大，也可采用反相放大，即上图的同相端和反相端可以互换。具体电路取决于具体电路设计。对同相放大电路而言，优点在于有足够大的输入阻抗，对于输出阻抗很大的电路比较适用；缺点在于放大电路没有“虚地”，抗干扰能力相对较差。对反向放大电路而言，优点是同相端接地，反相端“虚地”，抗干扰能力强；缺点是输入阻抗很小，不适用于前级电路输出阻抗很大的场合。激励信号源10所提供的给定激励信号可以是任意波形的交流信号(例如，方波，正弦波)，但是其幅值或频率显著区别于压电传感器的工作信号，比如激励信号源10所提供的给定激励信号的幅值或频率为压电传感器的工作信号的幅值或频率的两倍以上。因此，在处理给定激励信号时可以忽略压电传感器的工作信号，进而根据给定激励信号及其 反馈判断信号处理电路的状态。根据微处理器20的激励信号给定模块的指令，激励信号源10输出给定激励信号。给定激励信号通过压电传感器13(待检测的电子部件)和信号处理电路19反馈到微处理器20的激励信号比较模块；通过比较反馈信号和给定激励信号的属性，微处理器20可以得到电路的状态。具体来说，从压电传感器13得到的响应信号被输入到信号处理电路19的输入口 30。微处理器20能配置激励信号源产生激励信号并将激励信号加载到压电传感器13上，再接收和检测从信号处理电路19得到的数据，最后提供压电传感器13，线缆14，信号处理电路19的诊断状态输出。在压电传感器13开路，短路和正常状态下，反馈信号的强度不同。短路与正常状态，反馈信号幅值不同，取决于具体的电路设计。通常短路时，幅值此时较大；开路时，无反馈信号输入到电荷放大器22。在微处理器20中执行的诊断方法可以是简单的阈值比较，或者更复杂的信号处理算法(例如，有限冲击响应滤波，离散傅里叶变换)。通过采用上述配置，在线对压电传感器系统的压电传感器进行测试，不需要周期性的拆卸涡街流量计，把它转移至实验室进行检测。这将大大节省时间和成本。优选的，在激励信号源10和信号处理电路19之间加入隔直电容CtlIl,用于过滤低频的压电传感器的工作信号。图4示出根据本实用新型的另一个实施例的压电传感器系统的诊断装置。如图4所示的实施例的压电传感器系统包括压电传感器13、信号处理电路19、微处理器20、激励信号源10以及其他一些电阻和电容组成。激励信号源10(即一个信号发生元件)有三个可独立控制的输出，分别于三个测试电容Ctlll，Ct212和Ct313 —对一相连。激励信号源10必须可受微处理器20的激励信号给定模块的控制，从而提供特定的频率信号到每个输出口。激励信号源10产生的信号可以是任意波形的交流信号(例如，方波，正弦波)。测试电容Ctl串联I禹合在激励信号源10的第一个输出口和信号处理电路19输入口 30之间。测试电容Ct2串联耦合在激励信号源10的第二个输出口和信号处理电路19输入口 31之间。测试电容Ct3串联耦合在激励信号源10的第三个输出口和信号处理电路19输入口 32之间。压电传感器13通过一个开关17与模拟地8耦合。开关17可被打开或闭合取决于不同的诊断模式。开关17的详细运用将会在下一个段落讨论。用于连接压电传感器13的线缆14可等效为一个漏电阻艮15和一个线缆电容CJ6并联。从压电传感器13得到的响应信号被输入到信号处理电路19的输入口 30。信号处理电路19可包含，但不限于，运算放大器，滤波器，模数转换器和隔离器件。微处理器20能配置激励信号源产生激励信号并将激励信号加载到压电传感器13上，再接收和检测从信号处理电路19得到的数据，最后提供压电传感器13，线缆14，信号处理电路19的诊断状态输出。在微处理器20的激励信号比较模块中执行的诊断方法可以是简单的阈值比较，或者更复杂的信号处理算法(例如，有限冲击响应滤波，离散傅里叶变换)。图4所示的实施例的压电传感器系统的诊断装置能够综合诊断所有与压电传感器及其信号处理电路相关的故障源。在实际操作上来说，可区分传感器短路还是线缆短路还是信号处理电路短路，以及区分时传感器开路还是线缆开路还是信号处理电路开路。图4所示的实施例的压电传感器系统的诊断装置具有三种不同的模式。当其处于 模式A时，压电传感器系统的诊断装置闭合开关17。激励信号源10配置成从它的第二个输出口 2输出激励信号。响应信号从输入口 31输入。通过比较响应信号和激励信号的属性(例如幅值或频率)，微处理器20的激励信号比较模块可以得到电路的状态。如果响应信号和激励信号的属性不同，诊断装置报告信号处理电路19故障，然后终止诊断过程。否则信号处理电路19工作在正常状态，诊断装置切换到模式B。如果信号处理电路19工作在正常状态，诊断装置切换到模式B。闭合开关17，同时微处理器20的激励信号给定模块指令激励信号源10输出激励信号到激励信号源10的第一个输出口 I。由于响应信号的幅值与压电电容和测试电容相关，而正常状态下压电电容和测试电容的容值基本恒定，所以响应信号的幅值只与激励信号的幅值相关，与激励信号的频率无关。通常如果压电传感器老化将导致压电电容的容值变化。所以如果压压电传感器老化，相应地，从压电传感器13得到的响应信号的幅值也会随着变化。压电传感器老化的程度可以通过响应信号的幅值判断。如果压电传感器13或者线缆14处在短路状态，诊断装置将从输入口 30得不到任何响应信号。微处理器20的激励信号比较模块比较响应信号和激励信号的属性，并判断压电传感器和线缆的状态。如果响应信号的幅值低于预定的正常阈值，诊断装置将报告传感器老化故障。如果诊断装置没有得到响应信号，则诊断装置将报告传感器或线缆短路故障。如果诊断装置判定传感器状态正常，则诊断装置切换至模式C。切断开关17，同时微处理器20的激励信号给定模块指令激励信号源10输出激励信号到激励信号源10的第三个输出口 3。如果没有响应信号输入到输入口 30，诊断装置将报告传感器或线缆开路故障。包含诊断装置的涡街流量计前端板30。在正常状态下，压电传感器13产生的压电信号被输入到电荷放大器22的反相端，接着通过可调增益运放23，低通滤波器24，模数转换器25，隔离电路26，最后在微处理器20中处理。在诊断状态下，前端板30建立了一个自我诊断的环路。微处理器20的激励信号给定模块指令激励信号源10产生激励信号。激励信号被加载到电荷运算放大器22的输入端和压电传感器13上。接着从压电传感器反馈过来的响应信号通过信号处理电路19进入微处理器20的激励信号比较模块。最后微处理器20的激励信号比较模块接收从信号处理电路19得到的响应信号并进行处理。涡街流量计的前端板30含有为压电传感器及其相关连线和信号处理电路的诊断装置。测试电容Ctl串联I禹合在激励信号源10的第一个输出口和电荷放大器22的反相输入端之间。测试电容Ct2串联耦合在激励信号源10的第二个输出口和电荷放大器22的同相输入端之间。在实施诊断时，压电传感器13的响应信号必须抑制的的足够小，以免电荷放大器达到饱和状态。该响应信号的幅值可以通过改变激励信号的幅值和测试电容的容值来调整。电荷运算放大器22的同相输入端通过电阻21与模拟地8相接。信号处理电路19由电荷放大器22，可编程增益放大器23，低通滤波器24，模数转换器25和隔离电路26组成。微处理器20可以与其他器件或设备的通信。一旦诊断完成，微处理器20闭合开关17使前端板30工作在正常运行状态。此时，微处理器20得到压电传感器及其相关连线和电路的状态。特别地，压电传感器的老化程度也已经判别出来。这就可以用来判断是否需要替换或补偿压电传感器13。在实际应用过程中，诊断操作设置微处理器30按照预定的条件(例如，内部计数器或外部命令)周期性的执行。
虽然已参照本实用新型的某些优选实施例示出并描述了本实用新型，但本领域技术人员应当明白，在不背离由所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上对其做出各种变化。
权利要求1.一种压电传感器系统的诊断装置，该压电传感器系统包括待检测电子部件，其特征在于该诊断装置包括 产生具有特定频率或幅值的激励信号的激励信号源； 微处理器，包括 向激励信号源提供给定激励信号的激励信号给定模块； 比较给定激励信号和待检测电子部件反馈的激励信号的激励信号比较模块； 其中 延激励信号的流向，微处理器的激励信号给定模块、激励信号源、待检测的电子部件和微处理器的激励信号比较模块依次连接。
2.如权利要求I所述的诊断装置，其中 待检测的电子部件包括信号处理电路。
3.如权利要求I所述的诊断装置，还包括 延激励信号的流向，位于待检测的电子部件和微处理器之间的信号处理电路； 其中 待检测的电子部件包括压电传感器。
4.如权利要求2所述的诊断装置，其中 信号处理电路包括 延激励信号的流向依次连接的电荷放大器、可调增益运算放大器、低通滤波器、模数转换器和隔离电路； 激励信号源的第一输出端与电荷放大器的第一输入端连接； 电荷放大器的第二输入端通过压电传感器接地。
5.如权利要求4所述的诊断装置，还包括 延激励信号的流向，位于激励信号源的第一输出端与电荷放大器之间的隔直电容； 压电传感器临近激励信号源的第一输出端的一端和地之间设有开关或电阻。
6.如权利要求3所述的诊断装置，其中 信号处理电路包括 延激励信号的流向依次连接的电荷放大器、可调增益运算放大器、低通滤波器、模数转换器和隔离电路； 电荷放大器的第一输入端通过电阻接地； 延激励信号的流向，激励信号源的第二输出端、压电传感器和地依次连接； 压电传感器远离接地的一端与电荷放大器的第二输入端连接。
7.如权利要求6所述的诊断装置，还包括 延激励信号的流向，位于激励信号源的第二输出端与电荷放大器的第二输入端之间的隔直电容； 压电传感器和地之间设有开关或电阻。
8.如权利要求3所述的诊断装置，其中 信号处理电路包括 延激励信号的流向依次连接的电荷放大器、可调增益运算放大器、低通滤波器、模数转换器和隔离电路；电荷放大器的第一输入端通过电阻接地； 延激励信号的流向，激励信号源的第三输出端、压电传感器和电荷放大器的第二输入端依次连接。
9.如权利要求8所述的诊断装置，还包括 延激励信号的流向，位于激励信号源的第三输出端与压电传感器之间的隔直电容。
10.如权利要求4所述的诊断装置，其中 待检测的电子部件还包括压电传感器； 电荷放大器的第一输入端通过电阻接地； 延激励信号的流向，激励信号源的第二输出端、压电传感器和地依次连接。
11.如权利要求4所述的诊断装置，其中 待检测的电子部件还包括压电传感器； 电荷放大器的第一输入端通过电阻接地； 延激励信号的流向，激励信号源的第三输出端、压电传感器和电荷放大器的第二输入端依次连接； 用在压电传感器和地之间设有开关替代压电传感器接地。
12.如权利要求6所述的诊断装置，其中 电荷放大器的第一输入端通过电阻接地； 延激励信号的流向，激励信号源的第三输出端、压电传感器和电荷放大器的第二输入端依次连接； 用在压电传感器和地之间设有开关替代压电传感器接地。
13.如权利要求12所述的诊断装置，其中 激励信号源的第一输出端与电荷放大器的第一输入端连接。
专利摘要本实用新型提供压电传感器系统的诊断装置，包括待检测电子部件，产生具有特定频率或幅值的激励信号的激励信号源和微处理器；处理器包括向激励信号源提供给定激励信号的激励信号给定模块和比较给定激励信号和待检测电子部件反馈的激励信号的激励信号比较模块；延激励信号的流向，微处理器的激励信号给定模块、激励信号源、待检测的电子部件和微处理器的激励信号比较模块依次连接。通过采用上述配置，在线对压电传感器系统的信号处理电路进行测试，不需要周期性的拆卸涡街流量计，把它转移至实验室进行检测。这将大大节省时间和成本。
文档编号G01F25/00GK202442724SQ20112047422
公开日2012年9月19日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者黄茂祥, 黄闯 申请人:Abb技术有限公司