工业应用中传感器数字IO模块的选择
数字传感器以及由数字信号驱动的激励器的应用非常广泛,几乎所有现实中的变量(如温度、流量、压力、速度等等)测量中都可以找到数字传感器的应用,其数字输出有多种格式,本文首先根据输出信号和电路接口的类型对数字传感器分类,然后指出在选择与传感器接口的数字I/O模块时应注意哪些问题。
数字传感器与模拟传感器不同,模拟传感器的输出值是一个在整个输出范围内连续变化的值,而数字传感器的输出值只有两种,非“0”即“1”。轻触开关(touch switch)就是数字传感器的一个最简单的例子,在未被按下时,轻触开关通常是一个阻抗无穷大的开路电路,而按下之后,就变成一个阻抗为零的短路电路。
在将数字传感器与数据捕获设备对接时,必须考虑一些可能影响接口性能的关键因素。下文中,我们将介绍这些关键因素,并为你提供一种简易方法,以指导你正确选择适合你应用的数据捕获设备。由于技术进步,市场上出现了各种各样复杂的数字传感器,而且如今的传感器已经能够产生一长串的开关状态转换,使用这些传感器时,输出脉冲序列的频率特性,甚至是脉冲形状都能表征传感器的测量结果,从而使得连续测量变为可能。 图1按照传感器输出的驱动信号的信号特征对传感器进行分类(有5种),其中,45%的数字传感器是以数字线的开关状态表征输出,35 %以输出信号的频率表征输出,12 %则是以输出信号的占空比来表征输出,另有6%以时间间隔表征,2%以脉冲数表征。 在选择捕获传感器数据所需的工业数字模块时,能够表达传感器测量结果的信号特征是第一个需要考虑的选择参数。在决定你所选择的数字I/O模块中是否需要计数器时,这一参数十分重要。
按照实现传感器输出的电子元件分类。用于驱动数字传感器输出的电子元件通常有三种:机械继电器、晶体管和双向FET器件。 机械继电器是一种电磁器件,闭合触点时能够接通电路,断开触点时能够切断电路。这种器件能够承受高压下的电流负载。机械继电器相对于固态继电器而言属于低速器件,因此通常用于以线路状态表征输出结果的传感器中。这种器件常出现的问题是触点老化和阻抗增大,其触点的寿命取决于电流负荷和工作频率。在与计数器或者数字I/O模块连接时,机械继电器有时会由于触点反弹而输出不确定的结果。 晶体管是一种用于控制DC电流的固态器件,有两种类型:NPN型和PNP型,通常在低直流电源的传感器中用作输出开关。图2给出了一个NPN(电流吸收) 型集电极开路晶体管。 双向FET器件是以一种叫做双向FET输出的结构实现的,如图3所示。该结构有许多优点,但最重要的是它能够直接与TTL和CMOS电路接口,而且它具有关态泄漏电流低和响应速度快的特性。FET的意思是场效应晶体管,它是一种最适合于用作数字传感器输出的器件,因为其工作特性接近理想模型。
在选择数字I/O模块时,我们必须回答以下三个问题:
1.传感器输出的数字信号的什么特征能够表征传感器的测量结果?从列表1你就能选择一组数字I/O模块。
2.传感器的输出是吸入型输出还是泵出型输出?表1同样也提供了一组根据吸入和泵出能力分类的NI数字I/O板,如果你所采用的传感器是吸入型输出,那么你就需要选择一块泵出型输入的I/O板,反之亦然。
3.用来实现传感器输出的是什么元件?这时我们可能就需要考虑传感器的关态泄漏电流和开态最小保持电流。比较表2中传感器的规格和数据捕获设备的规格,你就能选出最适合你传感器的数字I/O设备。
在选择过程中,除了考虑电压之外,以下两个条件也必须受到重视(有时我们会将其忽略):
1.传感器的关态泄漏电流≤I/O板的低态最大输入电流;
2.传感器的最小保持电流≤I/O板的高态最大输入电流。
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