中心議題:
- 介紹數(shù)字傳感器的分類
- 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
解決方案:
- 在將數(shù)字傳感器與數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備對接時,須考慮可能影響接口性能的關(guān)鍵因素
- 3線傳感器從一個激勵終端獲取能量
- 數(shù)字傳感器I/O模塊的選擇需要注意3個問題
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(shí)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?/p>
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(shí)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?yàn)閭鞲衅魑盏碾娏鞲哂谒鼫?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。
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(shí)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(diǎn)時能夠接通電路,斷開觸點(diǎn)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(diǎn)老化和阻抗增大,其觸點(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)的,如圖3所示。該結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)點(diǎn),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?yàn)槠涔ぷ魈?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(shí)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。