工業(yè)應(yīng)用中傳感器數(shù)字I/O模塊的選擇

    數(shù)字傳感器以及由數(shù)字信號驅(qū)動的激勵器的應(yīng)用非常廣泛，幾乎所有現(xiàn)實中的變量(如溫度、流量、壓力、速度等等)測量中都可以找到數(shù)字傳感器的應(yīng)用。 

    其數(shù)字輸出有多種格式，本文首先根據(jù)輸出信號和電路接口的類型對數(shù)字傳感器分類，然后指出在選擇與傳感器接口的數(shù)字I/O模塊時應(yīng)注意哪些問題。 

　　數(shù)字傳感器與模擬傳感器不同，模擬傳感器的輸出值是一個在整個輸出范圍內(nèi)連續(xù)變化的值，而數(shù)字傳感器的輸出值只有兩種，非 “0”即“1”。輕觸開關(guān)(touch switch)就是數(shù)字傳感器的一個最簡單的例子，在未被按下時，輕觸開關(guān)通常是一個阻抗無窮大的開路電路，而按下之后，就變成一個阻抗為零的短路電路。 

　　在將數(shù)字傳感器與數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備對接時，必須考慮一些可能影響接口性能的關(guān)鍵因素。下文中，我們將介紹這些關(guān)鍵因素，并為你提供一種簡易方法，以指導(dǎo)你正確選擇適合你應(yīng)用的數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備。 

　　數(shù)字傳感器的分類 

　　由于技術(shù)進(jìn)步，市場上出現(xiàn)了各種各樣復(fù)雜的數(shù)字傳感器，而且如今的傳感器已經(jīng)能夠產(chǎn)生一長串的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，使用這些傳感器時，輸出脈沖序列的頻率特性，甚至是脈沖形狀都能表征傳感器的測量結(jié)果，從而使   
得連續(xù)測量變?yōu)榭赡堋?nbsp;

　　圖1按照傳感器輸出的驅(qū)動信號的信號特征對傳感器進(jìn)行分類(有5種），其中，45%的數(shù)字傳感器是以數(shù)字線的開關(guān)狀態(tài)表征輸出，35 %以輸出信號的頻率表征輸出，12 %則是以輸出信號的占空比來表征輸出，另有6%以時間間隔表征，2%以脈沖數(shù)表征。 




　　在選擇捕獲傳感器數(shù)據(jù)所需的工業(yè)數(shù)字模塊時，能夠表達(dá)傳感器測量結(jié)果的信號特征是第一個需要考慮的選擇參數(shù)。在決定你所選擇的數(shù)字I/O模塊中是否需要計數(shù)器時，這一參數(shù)十分重要。 

　　吸入和泵出這兩個術(shù)語定義了負(fù)載中直流電流的流向控制。吸入型器件為電流提供一條到地的通路，不負(fù)責(zé)為設(shè)備供電。凡名字中包 含NPN、集電極開路和IEC負(fù)邏輯這些術(shù)語的器件都屬于吸入型器件。泵出型器件提供電源或一個正電壓，將電流灌入負(fù)載。凡名字中包含PNP、發(fā)射極開 路、常低和IEC正邏輯等術(shù)語的器件都屬于泵出型器件。 

　　吸入和泵出的概念與用來完成操作的元件無關(guān)(不論元件是晶體管、機(jī)械繼電器還是其它)。這一概念對任何DC電路均適用，但用于實現(xiàn)這一電路的元件可以有多種選擇。 

　　2線傳感器或3線傳感器 

　　對于定義傳感器開態(tài)和關(guān)態(tài)時電流和電壓的關(guān)系而言，十分重要。一個傳感器可按以下方式被歸為2線傳感器或3線傳感器。 

　　2線傳感器 

　　這種傳感器與數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備串聯(lián)，當(dāng)傳感器未被激活時，它只吸收一個最小操作電流，這一電流值等于傳感器的關(guān)態(tài)泄漏電流，有些 傳感器廠商也稱之為殘余電流。當(dāng)傳感器沒有連接數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備，而直接連接到其它負(fù)載上時，就不存在殘余電流問題，例如在工業(yè)環(huán)境中，這些2線傳感器就常常 直接連接到電機(jī)，以及類似電機(jī)的低阻設(shè)備。 

　　但如果傳感器所需的殘余電流高于數(shù)字I/O模塊能夠提供的電流，那么問題就出現(xiàn)了。這時數(shù)字I/O模塊可能會因為傳感器吸收的電流高于它準(zhǔn)備提供的電流而錯誤地將關(guān)態(tài)檢測為開態(tài)。工業(yè)應(yīng)用中的大多數(shù)2線傳感器的關(guān)態(tài)泄漏電流或殘余電流都不高于1.7毫安。 

　　與關(guān)態(tài)類似，傳感器要維持開態(tài)也需要一個最小電流，這就是最小保持電流(minimum holding current)，其值通常在3毫安到20毫安之間。如果數(shù)字I/O模塊不能吸收或提供該電流，那么傳感器將無法正常工作。 

　　3線傳感器并不直接通過數(shù)字輸出線獲取能量，而是從一個激勵終端獲取能量，某些廠商也將這種傳感器叫做線路驅(qū)動傳感器。這類傳感器從數(shù)字I/O模塊處吸收的電流叫做負(fù)荷電流，通常為20毫安左右。但注意，該電流是由激勵終端提供的。 

　　數(shù)字傳感器驅(qū)動電路 

　　按照實現(xiàn)傳感器輸出的電子元件分類。用于驅(qū)動數(shù)字傳感器輸出的電子元件通常有三種：機(jī)械繼電器、晶體管和雙向FET器件。 

　　機(jī)械繼電器是一種電磁器件，閉合觸點時能夠接通電路，斷開觸點時能夠切斷電路。這種器件能夠承受高壓下的電流負(fù)載。機(jī)械繼電 器相對于固態(tài)繼電器而言屬于低速器件，因此通常用于以線路狀態(tài)表征輸出結(jié)果的傳感器中。這種器件常出現(xiàn)的問題是觸點老化和阻抗增大，其觸點的壽命取決于電 流負(fù)荷和工作頻率。在與計數(shù)器或者數(shù)字I/O模塊連接時，機(jī)械繼電器有時會由于觸點反彈而輸出不確定的結(jié)果。 

　　晶體管是一種用于控制DC電流的固態(tài)器件，有兩種類型：NPN型和PNP型，通常在低直流電源的傳感器中用作輸出開關(guān)。圖2給出了一個NPN(電流吸收) 型集電極開路晶體管。 




　　雙向FET器件是以一種叫做雙向FET輸出的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，如圖3所示。該結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)點，但最重要的是它能夠直接與TTL和 CMOS電路接口，而且它具有關(guān)態(tài)泄漏電流低和響應(yīng)速度快的特性。FET的意思是場效應(yīng)晶體管，它是一種最適合于用作數(shù)字傳感器輸出的器件，因為其工作特 性接近理想模型。  

    數(shù)字傳感器I/O模塊的選擇 

　　在選擇數(shù)字I/O模塊時，我們必須回答以下三個問題： 

　　1． 傳感器輸出的數(shù)字信號的什么特征能夠表征傳感器的測量結(jié)果？從列表1你就能選擇一組數(shù)字I/O模塊。 

　　2． 傳感器的輸出是吸入型輸出還是泵出型輸出？表1同樣也提供了一組根據(jù)吸入和泵出能力分類的NI數(shù)字I/O板，如果你所采用的傳感器是吸入型輸出，那么你就需要選擇一塊泵出型輸入的I/O板，反之亦然。 

　　3． 用來實現(xiàn)傳感器輸出的是什么元件？這時我們可能就需要考慮傳感器的關(guān)態(tài)泄漏電流和開態(tài)最小保持電流。比較表2中傳感器的規(guī)格和數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備的規(guī)格，你就能選出最適合你傳感器的數(shù)字I/O設(shè)備。 


　　在選擇過程中，除了考慮電壓之外，以下兩個條件也必須受到重視(有時我們會將其忽略)： 

　　1. 傳感器的關(guān)態(tài)泄漏電流≤I/O板的低態(tài)最大輸入電流； 

　　2. 傳感器的最小保持電流≤I/O板的高態(tài)最大輸入電流。 

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