工業(yè)應用中傳感器數字I/O模塊的選擇

　　數字傳感器以及由數字信號驅動(dòng)的激勵器的應用非常廣泛，幾乎所有現實(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字傳感器的應用，其數字輸出有多種格式，本文首先根據輸出信號和電路接口的類(lèi)型對數字傳感器分類(lèi)，然后指出在選擇與傳感器接口的數字I/O模塊時(shí)應注意哪些問(wèn)題。

　　數字傳感器與模擬傳感器不同，模擬傳感器的輸出值是一個(gè)在整個(gè)輸出范圍內連續變化的值，而數字傳感器的輸出值只有兩種，非“0”即“1”.輕觸開(kāi)關(guān)(touchswitch)就是數字傳感器的一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，在未被按下時(shí)，輕觸開(kāi)關(guān)通常是一個(gè)阻抗無(wú)窮大的開(kāi)路電路，而按下之后，就變成一個(gè)阻抗為零的短路電路。

　　數字傳感器的分類(lèi)

　　由于技術(shù)進(jìn)步，市場(chǎng)上出現了各種各樣復雜的數字傳感器，而且如今的傳感器已經(jīng)能夠產(chǎn)生一長(cháng)串的開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉換，使用這些傳感器時(shí)，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果，從而使得連續測量變?yōu)榭赡堋?/p>

　　圖1按照傳感器輸出的驅動(dòng)信號的信號特征對傳感器進(jìn)行分類(lèi)(有5種)，其中，45%的數字傳感器是以數字線(xiàn)的開(kāi)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(lái)表征輸出，另有6%以時(shí)間間隔表征，2%以脈沖數表征。

　　在選擇捕獲傳感器數據所需的工業(yè)數字模塊時(shí)，能夠表達傳感器測量結果的信號特征是第一個(gè)需要考慮的選擇參數。在決定你所選擇的數字I/O模塊中是否需要計數器時(shí)，這一參數十分重要。

　　吸入和泵出這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)定義了負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，不負責為設備供電。凡名字中包含NPN、集電極開(kāi)路和IEC負邏輯這些術(shù)語(yǔ)的器件都屬于吸入型器件。泵出型器件提供電源或一個(gè)正電壓，將電流灌入負載。凡名字中包含PNP、發(fā)射極開(kāi)路、常低和IEC正邏輯等術(shù)語(yǔ)的器件都屬于泵出型器件。

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

　　2線(xiàn)傳感器或3線(xiàn)傳感器

　　對于定義傳感器開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)時(shí)電流和電壓的關(guān)系而言，十分重要。一個(gè)傳感器可按以下方式被歸為2線(xiàn)傳感器或3線(xiàn)傳感器。

　　2線(xiàn)傳感器

　　這種傳感器與數據捕獲設備串聯(lián)，當傳感器未被激活時(shí)，它只吸收一個(gè)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(chǎng)商也稱(chēng)之為殘余電流。當傳感器沒(méi)有連接數據捕獲設備，而直接連接到其它負載上時(shí)，就不存在殘余電流問(wèn)題，例如在工業(yè)環(huán)境中，這些2線(xiàn)傳感器就常常直接連接到電機，以及類(lèi)似電機的低阻設備。

　　但如果傳感器所需的殘余電流高于數字I/O模塊能夠提供的電流，那么問(wèn)題就出現了。這時(shí)數字I/O模塊可能會(huì )因為傳感器吸收的電流高于它準備提供的電流而錯誤地將關(guān)態(tài)檢測為開(kāi)態(tài)。工業(yè)應用中的大多數2線(xiàn)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(lèi)似，傳感器要維持開(kāi)態(tài)也需要一個(gè)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。如果數字I/O模塊不能吸收或提供該電流，那么傳感器將無(wú)法正常工作。

　　3線(xiàn)傳感器并不直接通過(guò)數字輸出線(xiàn)獲取能量，而是從一個(gè)激勵終端獲取能量，某些廠(chǎng)商也將這種傳感器叫做線(xiàn)路驅動(dòng)傳感器。這類(lèi)傳感器從數字I/O模塊處吸收的電流叫做負荷電流，通常為20毫安左右。但注意，該電流是由激勵終端提供的。

　　數字傳感器驅動(dòng)電路

　　按照實(shí)現傳感器輸出的電子元件分類(lèi)。用于驅動(dòng)數字傳感器輸出的電子元件通常有三種：機械繼電器、晶體管和雙向FET器件。

　　機械繼電器是一種電磁器件，閉合觸點(diǎn)時(shí)能夠接通電路，斷開(kāi)觸點(diǎn)時(shí)能夠切斷電路。這種器件能夠承受高壓下的電流負載。機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(xiàn)路狀態(tài)表征輸出結果的傳感器中。這種器件常出現的問(wèn)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荷和工作頻率。在與計數器或者數字I/O模塊連接時(shí)，機械繼電器有時(shí)會(huì )由于觸點(diǎn)反彈而輸出不確定的結果。

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

　　雙向FET器件是以一種叫做雙向FET輸出的結構實(shí)現的，如圖3所示。該結構有許多優(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)泄漏電流低和響應速度快的特性。FET的意思是場(chǎng)效應晶體管，它是一種最適合于用作數字傳感器輸出的器件，因為其工作特性接近理想模型。

　　數字傳感器I/O模塊的選擇

　　在選擇數字I/O模塊時(shí)，我們必須回答以下三個(gè)問(wèn)題：

　　1. 傳感器輸出的數字信號的什么特征能夠表征傳感器的測量結果?從列表1你就能選擇一組數字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吸入和泵出能力分類(lèi)的NI數字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(lái)實(shí)現傳感器輸出的是什么元件?這時(shí)我們可能就需要考慮傳感器的關(guān)態(tài)泄漏電流和開(kāi)態(tài)最小保持電流。比較表2中傳感器的規格和數據捕獲設備的規格，你就能選出最適合你傳感器的數字I/O設備。

　　在選擇過(guò)程中，除了考慮電壓之外，以下兩個(gè)條件也必須受到重視(有時(shí)我們會(huì )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