一种电流传输信号的灵敏度调节和继续电流传输方法

摘要

一种电流传输信号的灵敏度调节和继续电流传输方法，在采用广义共振、共振解调技术对旋转机械设备进行故障诊断的系统中,采用电压电流转换器A，将传感器信号电压VC转换为恒流电流IC，恒流电流IC远程传输到检测仪器，采用电流电压转换器B，将恒流电流IC转换为相当于恢复传感器信号电压VC值的检测仪器输入电压VY。本发明能解决电力设备上的强大的地电流等干扰对检测设备的不利影响，并识别检测设备自身出现的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种运动机械设备故障在线检测诊断技术中的检测信号传输技 术，特别是一种基于电流传输信号的灵敏度调节和继续电流传输方法。用于在 采用广义共振、共振解调技术对旋转机械设备进行故障诊断的系统中，检测点 传感器等远离检测仪器时的传感器信号抗干扰传输。

背景技术

目前，国内的电力机车、地铁、高铁绝大多数都采用交流电力供电、经过 交-直-交逆变器系统驱动交流电机作为动力。所采用的逆变器在交流变直流、 直流变交流的变换过程中，在将逆变的交流电压传输到交流电机的过程中，均 在作为电源地线的车体各部件之间产生很大的地电压干扰，在采用广义共振、 共振解调技术对旋转机械设备进行故障诊断的系统中，传感器所安装的部件与 仪器的安装部件之间的地电压干扰，将在检测信号传输线中产生电流干扰和地 电压干扰，均对设备的模拟信号传输产生极为不利的影响，如果模拟信号使用 电压传输方案，如中国专利申请201320679842.5公开的一种铁路机车走行部故 障在线监测诊断系统，该系统的模拟信号从传感器到前置处理器采用电压传输 方案，在实际应用过程中便受到很大的干扰信号，而这些干扰信号严重影响了 故障诊断的准确性。

目前常见的传感器等检测信号传输方案，通常在结构上具有传感器壳体K、 传感器地CGND、传感器参考电位点G、仪器地AGND、仪器电位基准点J。在传 感器地CGND与仪器地AGND间存在地线阻抗R，在传感器壳体K与传感器地CGND 间存在分布电容C0。由于传感器壳体所在部件与仪器所在部件之间存在壳体干 扰电压UK，因分布电容C0的耦合作用使干扰电压UK对CGND产生干扰电流 UK/XC0，式中，XC0为电容C0的容抗；仪器对传感器的供电，使地线存在供电 电流，这两者在地线阻抗R上的压降会成为干扰电压VCGND。由于传感器信号电 压VC直接以经典的电压传输方式远程传输到检测仪器接收端Y，干扰电压VCGND 必然与传感器的信号电压VC叠加，产生对检测仪器YI的输入电压VY的干扰。 如图1所示。

为解决传统的电压传输方案的上述问题，提出一种电流传输信号的灵敏度 调节和继续电流传输方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种电流传输信号的灵敏度调节和继 续电流传输方法，以解决采用广义共振、共振解调技术对旋转机械设备进行故 障诊断的系统中,电力机车、风力发电机等电力设备上的强大的地电流干扰、雷 电干扰和电磁干扰对检测设备的不利影响，并识别检测设备自身出现的问题。

一种电流传输信号的灵敏度调节和继续电流传输方法，其特征是：在采用 广义共振、共振解调技术对旋转机械设备进行故障的诊断系统中,将传感器信号 电压VC，无干扰地传输到与传感器之间存在连接地线阻抗R的检测仪器，采用 电压电流转换器A，其电压电流转换系数V_I＝1/RX，将传感器信号电压VC转换 为恒流电流IC，IC＝VC*V_I＝VC/RX，式中，VC为传感器的信号电压，1/RX为电 压电流转换系数V_I；所转换的恒流电流IC远程传输到检测仪器，采用电流电 压转换器B，其电流电压转换系数I_V＝RJ，将远程传输的恒流电流IC转换为相 当于恢复传感器信号电压VC值的检测仪器输入电压VY： VY＝IC*I_V＝IC*RJ＝VC/RX*RJ＝VC，式中，IC为恒流电流，RJ为接收电阻，VC为 传感器的信号电压；

当传感器信号电压VC及电压电流转换器A带有参考电位点G及其参考电压 VG时，电压电流转换器A输出的恒流电流IC为传感器信号电压VC与电位参考 点G的参考电压VG分压到1/X后转换值之和：IC＝VC/RX+VG/RX/X；在电流电压 转换器B带有电位基准点J及其基准电压VJ时，接收的恒流电流IC，转换为相 对于检测仪器地AGND的无干扰的检测仪器输入电压VY， VY＝IC*RJ+VJ＝(VC/RX+VG/RX/X)*RJ+VJ，即仪器输入电压由信号输入电压VYJ 和直流输入电压VYZ两部分叠加而成，即VY＝VYJ+VYZ，其中，VYJ＝(VC/RX)*RJ， VYZ＝(VG/RX/X)*RJ+VJ。

一种电流传输信号的灵敏度调节和继续电流传输方法，为了识别传感器是否 接入检测仪器，其特征在于设计为：没有插入传感器时，检测仪器端电流电压 转换器B输出的输入电压VY等于电位基准点J的基准电压VJ；而插入传感器时， 检测仪器端电流电压转换器B输出的输入电压VY之直流输入电压VYZ等于电位 参考点G及其参考电压VG，或与VG仅有固定的差。证明和设计如下。

一种电流传输信号的灵敏度调节和继续电流传输方法，为了检测传感器的 电位参考点G及其参考电压VG可能因自身故障而发生的变化，其特征在于设计 方法为：

电压电流转换器A将电位参考点G及其参考电压VG进行1/X倍分压得到 VX＝VG/X，即对电位参考点G及其参考电压VG的采样系数为X时，有

VX＝VG/X————(1)

VX与传感器信号电压VC叠加并转换为恒流电流IC，电压电流转换系数V_I 取决于限流电阻RX，即V_I＝1/RX，IC＝(VG/X+VC)*V_I＝(VG/X+VC)/RX；而电流 电压转换器B的电流电压转换系数I_V取决于接收电阻RJ的大小：

RJ＝N*RX————(2)

即电流电压转换系数为I_V＝RJ＝N*RX，其中，N为传输系数，定义为：N＝RJ/RX， RJ的一端接收IC，另一端接到电位基准点J，于是有检测仪器输入电压VY：

VY＝VJ+RJ*IC＝VJ+RJ*(VG/X+VC)/RX＝VJ+N*RX(VG/X+VC)/RX，

VY＝VJ+N*(VG/X+VC)————(3)

即：检测仪器输入电压VY中，含有N倍于传感器信号电压VC的信号输入 电压VYJ：

VYJ＝N*VC————(4)

和直流输入电压VYZ：

VYZ＝VJ+N*VG/X————(5)；

由于传感器通常采用检测仪器的电源，为保证信号尽量大的动态范围，传 感器的电位参考点G及其参考电压VG和传感器接入仪器时，检测仪器的直流输 入电压VYZ可取为接近于检测仪器的供电电压之半，故检测仪器基准电压VJ和 参考电压VG的采样系数X的联合设计准则(方法)可以是：

为了直观地用检测得到的VYZ表达VG，令检测仪器的直流输入电压VYZ等 于传感器电位参考点G及其参考电压VG，即令：

VYZ＝VJ+N*VG/X＝VG，

则有VJ的设计方法是：

VJ＝VG-N*VG/X＝VG*(X-N)/X————(6)

由于(在使用单电源的电路中)VJ不能小于零，故限制为N≤X；

当传感器端的参考G及其参考电压VG因故变化为VG’时，由式(5)、(6) 便有检测仪器的直流输入电压VYZ’：

VYZ’＝VJ+N*VG’/X————(7)

则检测传感器的参考G及其参考电压VG’的方法(通式)是：

VG’＝(VYZ’-VJ)*X/N————(8)。

一种电流传输信号的灵敏度调节和继续电流传输方法，其特征是，所述电 压电流转换器的设计方法为：建立恒等式R1/R2＝(R31∥R32)/R4＝K，式中，∥为 并联运算符号，则有对于VG的采样系数X为：

X＝1/(1-(K+1)*R32∥R4/(R31+R32∥R4))/K————(9)。

一种电流传输信号的灵敏度调节和继续电流传输方法，其特征是，所述电 流电压转换器B的设计方法为：

接收电路采用反相电路时，因电路进行了反相，因此检测仪器的直流输入电 压VYZ’：

VYZ’＝VJ-N*VG’/X————(10)

接收电路不采用反向电路时，检测仪器的直流输入电压VYZ’：

VYZ’＝VJ+N*VG’/X————(7)。

一种电流传输信号的灵敏度调节和继续电流传输方法，为了克服外部干扰 辐射体对所述电流传输的传输线之间的分布电容向电流传输线辐射干扰，其特 征是，对电压电流转换器A与电流电压转换器B之间的电流传输线使用屏蔽线， 该屏蔽线的芯线作为传输电流信号的传输线，而该屏蔽线的屏蔽层在电压电流 转换器A一端开路，另一端在电流电压转换器B一端接仪器地线AGND。

利用本发明，使得存在于仪器地线AGND与传感器地线CGND之间的地线阻 抗R不出现于公式(1)～公式(8)中，无论传感器的工作电流还是外部干扰UK通 过传感器壳体对传感器地线等的分布电容C0引入的干扰电流流过地线阻抗R的 干扰均不出现在检测仪器的输入电压中，有利于抗拒外界对传感器壳体和传感 器地线引起的干扰；还有利于判断传感器可能未接入仪器、传感器参考电压因 电路故障而发生变化等检测设备的自身故障，即实现检测设备的传感器、传感 器与仪器连接状况等自身故障的诊断。

附图说明

图1是现有技术的电压传输结构图；

图2是电流传输结构图；

图3是电流传输方案图；

图4是图3电流传输方案仿真效果验证图；

图5是电流传输同相输出的实例图；

图6是图5电流传输同相输出的仿真效果验证图；

图7是电流传输反相输出的实例图；

图8是图7电流传输反相输出的仿真效果验证图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

参照图3，一种电流传输信号的灵敏度调节和继续电流传输方法，其特征是： 采用电压电流转换器A，其电压电流转换系数V_I＝1/RX，将传感器信号电压VC 转换为恒流电流IC，IC＝VC*V_I＝VC/RX，式中，VC为传感器的信号电压，1/RX 为电压电流转换系数；所转换的恒流电流IC远程传输到检测仪器；采用电流电 压转换器B，其电流电压转换系数I_V＝RJ，将远程传输来的恒流电流IC转换为 相当于恢复传感器信号电压VC值的检测仪器输入电压VY， VY＝IC*I_V＝IC*RJ＝VC/RX*RJ，式中，IC为恒流电流，RJ为接收电阻，VC为传感 器的信号电压；

当传感器信号电压VC及电压电流转换器A带有电位参考点G及其参考电压 VG时，电压电流转换器A输出的恒流电流IC为传感器信号电压VC与电位参考 点G的参考电压VG分压到1/X后转换值之和：IC＝VC/RX+VG/RX/X，式中，X为 采样系数；在电流电压转换器B带有电位基准点J及其基准电压VJ时，接收的 恒流电流IC，转换为相对于检测仪器地AGND的无干扰的检测仪器输入电压VY， VY＝IC*RJ+VJ，即仪器输入电压由信号输入电压VYJ和直流输入电压VYZ两部分 叠加而成，即VY＝VYJ+VYZ，其中，VYJ＝(VC/RX)*RJ，VYZ＝(VG/RX/X)*RJ+VJ,如 图3所示。

一种电流传输信号的灵敏度调节和继续电流传输方法，为了识别传感器是 否接入检测仪器，其特征在于设计为：由于VY＝IC*RJ+VJ，没有插入传感器时， 因为IC＝0，检测仪器端电流电压转换器B输出的输入电压VY等于电位基准点 J的基准电压VJ，而插入传感器时，检测仪器端电流电压转换器B输出的输入 电压VY之直流输入电压VYZ被设计参数保证而等于电位参考点G及其参考电 压VG。

一种电流传输信号的灵敏度调节和继续电流传输方法，为了检测传感器的 电位参考点G及其参考电压VG，其特征在于设计方法为：

电压电流转换器A将电位参考点G及其电压VG进行1/X倍分压得到VX，即 对电位参考点G及其参考电压VG的采样系数为X，

VX＝VG/X————(1)

VX与传感器信号电压VC叠加并转换为恒流电流IC，电压电流转换系数V_I 取决于限流电阻RX，即定义为V_I＝1/RX，IC＝(VG/X+VC)*V_I＝(VG/X+VC)/RX； 而电流电压转换器B的电流电压转换系数I_V取决于接收电阻RJ的大小，

RJ＝N*RX————(2)

即I_V＝RJ＝N*RX，其中，N为传输系数，定义为N＝RJ/RX，RJ的一端接收IC， 另一端接到电位基准点J，于是有检测仪器输入电压VY：

VY＝VJ+RJ*IC＝VJ+RJ*(VG/X+VC)/RX＝VJ+N*RX(VG/X+VC)/RX，

VY＝VJ+N*(VG/X+VC)————(3)

即：检测仪器输入电压VY中，含有N倍于传感器信号电压VC的信号输入 电压VYJ：

VYJ＝N*VC————(4)

和直流输入电压VYZ：

VYZ＝VJ+N*VG/X————(5)；

由于传感器通常采用检测仪器的电源，为保证信号尽量大的动态范围，传 感器的电位参考点G及其参考电压VG和传感器接入仪器时的直流输入电压VYZ 可取为接近于检测仪器的供电电压之半，故检测仪器基准电压VJ和参考电压的 采样系数X的联合设计方法(准则)可以是：

令检测仪器的直流输入电压VYZ等于传感器电位参考点G及其参考电压VG， 即是：

VYZ＝VJ+N*VG/X＝VG，

则有VJ的设计方法是：

VJ＝VG-N*VG/X＝VG*(X-N)/X————(6)

由于VJ不能小于零，故限制为N≤X；

当传感器端的参考G及其参考电压VG因故变化为VG’时，便有检测仪器的 直流输入电压VYZ’：

VYZ’＝VJ+N*VG’/X————(7)

则检测传感器的参考G及其参考电压VG’的方法是：

VG’＝(VYZ’-VJ)*X/N————(8)。

如图3所示，设传感器电位参考点G及其参考电压VG＝5V，参考电压的采样 系数X＝(R1+R2)/R1＝(300k+1.2M)/300k＝5，传输系数N＝1，电压电流转换系数 V_I＝1/1000，即RX＝1kΩ；按照式(2)，有RJ＝N*RX＝1kΩ，

则参数设计计算是：

按照式(1)，有VX＝VG/X＝5/5＝1V，

按照式(6)，有VJ＝VG*(X-1)/X＝5*(5-1)/5＝4V；

按照式(7)理论计算为：VYZ’＝VJ+N*VG’/X＝4+1*5/5＝5V；

如图4所示，仿真检测为：VYZ’＝VY＝5V，符合理论设计。

如图4所示，当壳体干扰脉冲电压VK＝200VPP、壳体对CGND的耦合电容 C0＝100p、地线阻抗R＝1kΩ、信号电压VC＝2VPP时，虽然地线干扰尖峰脉冲电压 VCGND＝150VP，并且VCGND的直流工作电电压达3.5V，但检测仪器输入电压 VY＝2VPP，并等于传感器信号电压VC＝2VPP；直流分量即VY的平均值VYZ＝5V， 与电位参考点G及其参考电压VG＝5V相等；实现了对传感器信号VC和电位参考 点G及其参考电压VG的正确传输而不受壳体干扰电压VK和传感器工作电流在 地线阻抗R的压降之干扰影响。这是由于本设计的仪器输入电压公式(3) VY＝VJ+RJ*IC＝VJ+RJ*(VG/X+VC)/RX＝VJ+N*RX(VG/X+VC)/RX＝VJ+N*(VG/X+VC)不 含上述干扰电压的因素。

实施例2

设计一个使用单一电源的传感器信号VC及参考电压VG经过电压电流转换 器A，转换为电流IC，远传到也使用单一电源的检测仪器的电流电压转换器B， 通过接收电阻RJ和基准电压VJ到仪器地线AGND，在接收电阻RJ接收IC的一 端对AGND产生仪器输入电压VY，其直流电压分量VYZ＝VG，其信号电压分量 VYJ＝VC，并且在传感器地线CGND与仪器地线AGND之间存在地线阻抗R时，仪 器输入电压VY不含电源电流及外部干扰电流流过R时产生的干扰电压。

为实现上述目的的具体电路如图5所示，

设计要求为：

传感器电位参考点G及其参考电压VG＝5V等于仪器直流输入电压VYZ＝5V； 电压电流转换系数为V_I＝1/3000，即V_I＝1mA/3V；仪器输入信号电压VYJ等于 传感器信号电压VC。

根据定义：V_I＝1/RX，于是有RX＝1/V_I＝3kΩ；

由于恒流输出电流IC＝VC/RX；

根据式(4)，VYJ＝N*VC，即仪器信号输入电压VYJ等于传感器信号VC的要 求，有VYJ＝IC*N*RJ＝1*VC＝IC*RX，得到：

仪器输入电阻RJ＝RX/N＝3kΩ；

根据定义:N＝RJ/RX，得到：

传输系数N＝1；

如图5所示的具体实施电路，其电压电流转换器的设计方法为，将电阻匹 配成恒等式：R1/R2＝(R31∥R32)/R4＝K。令R3＝R31∥R32，

当R2>>RX时，

V_I＝(V2-V3)/RX＝(VC+VG/X)/RX

V+＝(VC+VG-V3)*R2/(R1+R2)+V3

V-＝V2*R3/(R3+R4)+VG*R31/(R31+R32∥R4)

基于运放高增益，有V+＝V-，即：

(VC+VG-V3)*R2/(R1+R2)+V3＝V2*R3/(R3+R4)+VG*R31/(R31+R32∥R4)

通解：

(VC+VG-V3)*R2/(R1+R2)+V3＝V2*R3/(R3+R4)+VG*R32∥R4/(R31+R32∥R4)

VC*R2/(R1+R2)+V3[1-R2/(R1+R2)]＝V2*R3/(R3+R4)+VG*R32∥ R4/(R31+R32∥R4)

VC*R2/(R1+R2)+VG*(R2/(R1+R2)-R32∥R4/(R31+R32∥

R4))＝V2*R3/(R3+R4)-V3[1-R2/(R1+R2)]

VC/(K+1)+VG*(1/(K+1)-R32∥R4/(R31+R32∥R4))＝(V2-V3)*K/(1+K)

(VC+VG*(1-(K+1)*R32∥R4/(R31+R32∥R4)))/RX＝(V2-V3)* K/RX＝V_I＝(VC+VG/X)/RX

因此有VG的采样系数X：

X＝1/(1-(K+1)*R32∥R4/(R31+R32∥R4))/K————(9)

针对图5所示的具体实施电路，由于K＝R1/R2＝1。按照式(9)，

有X＝1/(1-(K+1)*R32∥R4/(R31+R32∥R4))/K

＝1/(1-(1+1)*300kΩ∥150kΩ/(300kΩ+300kΩ∥150kΩ))/1＝2

则参数设计计算是：

按照式(1)，有VX＝VG/X＝5/2＝2.5V，

按照式(6)，有VJ＝VG*(X-1)/X＝5*(2-1)/2＝2.5V；

按照式(7)理论计算为：VYZ’＝VJ+N*VG’/X＝2.5+1*5/2＝5V；

图6是针对上述(图5)设计的仿真结果，证明：当参考电压VG＝5V、输 入信号VC＝1VP时，仪器输入电压VY所含的直流输入电压VYZ’＝5V、信号输 入电压VYJ＝1VP。符合设计要求。

实施例3

设计一个使用单一电源的传感器信号VC及参考电压VG经过电压电流转换 器A，转换为电流IC，远传到使用正负两种电源的检测仪器的电流电压转换器B， 通过接收电阻RJ和基准电压VJ到仪器地线AGND，在接收电阻RJ接收IC的一 端对AGND产生仪器输入电压VY，其直流电压分量VYZ＝0，其信号电压分量 VYJ＝VC，并且在传感器地线CGND与仪器地线AGND之间存在地线阻抗R时，仪 器输入电压VY不含电源电流击外部干扰电流流过R时产生的干扰电压。

为实现上述目的的具体电路如图7所示，

设计要求为：

传感器电位参考点G及其参考电压VG＝5V，仪器直流输入电压VYZ＝0V；电 压电流转换系数为V_I＝1/3000，即V_I＝1mA/3V；仪器输入信号电压VYJ等于传 感器信号电压VC。

根据定义：V_I＝1/RX，于是有RX＝1/V_I＝3kΩ；

由于恒流输出电流IC＝VC/RX；

根据式(4)，VYJ＝N*VC，即仪器信号输入电压VYJ等于传感器信号VC的要 求，有VYJ＝IC*N*RJ＝1*VC＝IC*RX，得到：

仪器输入电阻RJ＝RX/N＝3kΩ；

根据定义:N＝RJ/RX，得到：

传输系数N＝1；

如图7所示的具体实施电路，其电压电流转换器的设计方法为，将电阻匹 配成恒等式：R1/R2＝(R31∥R32)/R4＝K。

针对图7所示的具体实施电路，由于K＝R1/R2＝1。按照式(9)，

有X＝1/(1-(K+1)*R32∥R4/(R31+R32∥R4))/K

＝1/(1-(1+1)*200kΩ∥120kΩ/(300kΩ+200kΩ∥120kΩ))/1＝5/3。

则参数设计计算是：

按照式(1)，有VX＝VG/X＝5/5/3＝3V，

按照式(6)，有VJ+N*VG/X＝0；

因为仪器具有正负两种电源，仪器输入电压的最佳工作点即直流输入电压 VYZ的最佳值是接近于地线AGND的电压，故仪器端对接收信号的输出方式进行 了反相处理：

VJ＝N*VG/X＝3V；

图8所示是针对上述设计的仿真结果，证明：当参考电压VG＝5V、输入信号 VC＝1VP时，仪器输入VY所含的直流输入电压VYZ’＝0V、信号输入电压VYJ＝1VP。 符合设计要求。

实施例4

一种电流传输信号的灵敏度调节和继续电流传输方法，为了克服外部干扰 辐射体对所述电流传输的传输线之间的分布电容向电流传输线辐射干扰，其特 征是，对电压电流转换器A与电流电压转换器B之间的电流传输线使用屏蔽线， 该屏蔽线的芯线作为传输电流信号的传输线，而该屏蔽线的屏蔽层在电压电流 转换器A一端开路，另一端在电流电压转换器B一端接仪器地线AGND。