为数字输出传感器选择合适的工业数字I/O模块
概述
内容
- 数字输出传感器简介
- 数字输出传感器的分类依据：
- 驱动传感器输出的信号的特性
- 漏极 vs.源极输出
- 2线和3线传感器
- 用于实现传感器输出的电子组件
- 为数字输出传感器选择合适的工业数字I/O模块
- 数字输出传感器范例
数字输出传感器简介
数字输出传感器在其输出中仅产生两个值（开或关），而模拟输出传感器在整个范围内产生连续变化的输出值。最简单的数字传感器是触摸开关。典型的触摸开关是未按下时电阻无限的开路，按下时电阻为零的短路。
在连接数字输出传感器时，必须考虑一些关键因素，这些因素将决定传感器与数据采集设备的兼容性。在本文档中，我们将介绍这些关键因素，并提供为应用选择合适数据采集设备的简单方法。
数字输出传感器的分类依据：
根据下列参数可对数字输出传感器进行分类：
驱动传感器输出的信号的特性
技术发展为市场带来了各种复杂的数字输出传感器。现在，您可以找到在On和Off状态之间产生转换序列的传感器，这些类型的传感器的频率特性甚至脉冲序列的形状都可以传递传感器的测量结果，从而实现连续测量。
图1显示了基于驱动其输出的信号特性的数字输出传感器的分类。如图所示，45%的数字输出传感器基于数字线的开/关状态，35%的传感器基于信号频率，12%基于输出频率2的占空比。
图1－数字输出传感器－特性传输测量2
在选择工业数字I/O模块时，首先要考虑的参数是用于传送传感器测量值的信号特性。这对于决定数字I/O模块是否需要有计数器很重要。
漏极 vs.源极输出
灌电流和拉电流这两个术语用于定义对负载中直流电流的控制。
- 漏极设备：为电流提供接地通路，不负责为设备供电。描述灌电流设备的术语包括NPN、集电极开路、常高和IEC负逻辑。
- 源级设备：拉电流设备提供电能或正电势。拉电流设备“推动”电流流过负载。描述拉电流设备的术语包括PNP、发射极开路、常低和IEC正逻辑。
拉电流和灌电流的概念独立于执行操作的元件（如晶体管、机械继电器等）。此概念适用于任何直流电路，但实现电路的元件可能会不同。
图2 - 漏极输出传感器。
图3 - 源极输出传感器。
2线和3线传感器
第三种类型对于定义传感器On状态和Off状态的电流和电压之间的关系非常重要。传感器可分为2线或3线设备，如下所示：
- 2线传感器：它们与采集数据的设备串联。
传感器未激活时，必须汲取最小工作电流，通常称为关态泄漏电流，在某些情况下，传感器制造商也称为残余电流。为了保证传感器电子器件正常工作，该电流是必要的。如传感器直接连接至数据采集设备以外的其他负载，残余电流不成问题。例如，在工业环境中，这些2线传感器直接连接至阻抗较低的电机和类似设备并不罕见。
如传感器所需的剩余电流高于数字I/O模块可维持的电流，系统将考虑剩余电流。在这种情况下，数字I/O模块可能会错误地检测到On状态，因为汲取的电流高于预期值。业界大多数2线传感器的截止状态泄漏电流或残余电流不超过1.7 mA。
与Off状态类似，传感器维持On状态所需的最小电流称为最小保持电流。通常，电流范围为3 mA至20 mA。如果数字I/O模块无法漏极或源极该电流，传感器将无法正常运行。
- 3线传感器：3线传感器的电源来自激励接线端，而不是直接通过数字输出线。某些制造商也称为线供电传感器。
图5 – 3线传感器
这些设备从数字I/O模块获取的工作电流称为负载电流，通常在20 mA附近。请注意，该电流由激励接线端提供。
用于实现传感器输出的电子组件
通常有三个电子组件驱动信号输出传感器的输出：
- Mechanical Relay;
- 晶体管;
- 双边FET设备：
机械继电器：机械继电器是闭合触点以完成电路或断开触点以中断电路的机电设备。该设备可在高电压下处理电流负载。
由于与固态继电器相比，它们是相对较慢的设备，因此它们通常用于线的状态是信号驱动输出特性的传感器。这些设备会受到接触磨损并产生电阻。其接触寿命取决于负载电流和运行频率。它们有时会由于连接到计数器和数字I/O模块时的接触弹跳而产生不稳定的结果。
晶体管：是用于控制直流电流的固态设备。在低直流电源的传感器中，晶体管通常用作输出开关。有两种类型的晶体管－NPN和PNP。
图6显示了集电极开路晶体管NPN
图6 – 传感器NPN输出
双边FET设备：市场上许多光电传感器的输出以双边FET输出架构实现，如图7所示。该架构有许多优点，但最重要的优点是可直接与TTL和CMOS Circuits交互，此外，它们还显示：
- 低截止状态泄漏电流；
- 响应时间快;
FET是场效应晶体管的代表，由于其接近理想模型的工作特性，将成为数字输出传感器最受欢迎的输出。
图7 - 双边FET设备输出的传感器
为数字输出传感器选择合适的工业数字I/O模块
为了选择数字I/O模块，应回答以下三个问题：
- 传递传感器测量值的数字信号有什么特性？在本文档的“驱动传感器输出的信号的特性”章节中已对此进行了讨论。
基于该答案，请参考表A，查看适用于您的应用的数字I/O模块组。
- 传感器输出是漏极输出还是源极输出？
表A同样提供了基于漏极和源极功能的NI板卡分类，因此如果传感器具有漏极输出，则需要选择具有源极输入的板卡，反之亦然。
- 实现设备输出的组件是什么？
此时可能需要考虑截止状态漏电流以及On状态的最小保持电流。
将传感器的产品规范与表B中数据采集设备的产品规范进行比较，为传感器选择最合适的设备。除电压电平外，还需注意以下两个有时被忽略的重要条件：
1.Off状态泄漏电流（传感器）<低状态时的最大输入电流（板卡）
2.最小保持电流（传感器）<高状态时的最大输入电流（板卡）
| NI板卡 | On-Off（状态） | 基于时间的传感器（频率、占空比等） | 数字I/O模块输出类型 | 隔离类型 | # 通道 |
| NI 6601 | — | √ | 漏极 | — | 4 CTR |
| NI 6602/6608 | — | √ | 漏极 | — | 8 CTR |
| NI 6624 | — | √ | 漏极 | 通道间 | 8 CTR |
| NI 6501 | √ | √* | 漏极/源极 | — | 24 DIO 1 CTR |
| NI 6509 | √ | — | 漏极/源极 | — | 96 DIO |
| NI 6514 | √ | — | 采购 | 组 | 32 DI 32 DO |
| NI 6515 | √ | — | 漏极 | 组 | 32 DI 32 DO |
| NI 6518 | √ | — | 采购 | 组 | 16 DI 16 DO |
| NI 6519 | √ | — | 漏极 | 组 | 16 DI 16 DO |
| NI 6520/6521 | √ | — | 漏极/源极 | 通道间 | 8 DI 8 DO |
| NI 6525 | √ | √* | 漏极/源极 | 通道间 | 8 DI 8 DO 1 CTR |
| NI 6528 | √ | — | 漏极/源极 | 通道间 | 24 DI 24 DO |
表 - A
| NI板卡 | 电压输入 | 电流输入 | 最大开关容量 | ||||
| 输入逻辑低电压(VIL) | 输入逻辑高电压(HIL) | 最大输入电流（低） | 最大输入电流（高） | ||||
| 最小 | 最大 | 最小 | 最大 | ||||
| NI 6601 | -0.3 VDC | 0.8 VDC | 2 VDC | 电源+0.3 VDC | -10 µA | 200 µA | 4 mA |
| NI 6602/6608 | -0.3 VDC | 0.8 VDC | 2 VDC | 电源+0.3 VDC | -10 µA | 200 µA | 4 mA |
| NI 6624 | — | 0.8 VDC | 3.2 VDC | 48 VDC | 0.1 mA | 10 mA | 200 mA |
| NI 6501 | -0.3 VDC | 0.8 VDC | 2 VDC | 5.8 VDC | — | — | ±8 mA |
| NI 6509 | 0 VDC | 0.8 VDC | 2 VDC | VCC | -91.0 µA | 91.0 µA | ±24 mA |
| NI 6514 | 0 VDC | ±4 VDC | ±11 VDC | ±30 VDC | 4.5 mA/线 | 12.5 mA/线 | 350 mA |
| NI 6515 | 0 VDC | ±4 VDC | ±11 VDC | ±30 VDC | 4.5 mA/线 | 12.5 mA/线 | 500 mA |
| NI 6518 | 0 VDC | ±4 VDC | ±11 VDC | ±30 VDC | 4.5 mA/线 | 12.5 mA/线 | 350 mA |
| NI 6519 | 0 VDC | ±4 VDC | ±11 VDC | ±30 VDC | 4.5 mA/线 | 12.5 mA/线 | 500 mA |
| NI 6520/6521 | 0 VDC | ±4 VDC | ±11 VDC | ±30 VDC | 4.5 mA/通道 | 12.5 mA/通道 | 2 A |
| NI 6525 | -60 VDC | 1 VDC | 3.2 VDC | 60 VDC | 3.0 mA/通道 | 3.0 mA/通道 | 500 mA |
| NI 6528 | -60 VDC | 1 VDC | 3.2 VDC | 60 VDC | 1.5 mA | 2 mA | 150 mA |
表 - B
数字输出传感器范例
测量类型：流量测量
制造商：宝石传感器
数字输出类型：频率
测量类型：加速度（ADXL202，±2 g双轴加速计）
制造商：Analog Devices
数字输出类型：占空比（TTL、CMOS兼容）
测量类型：位置开关（机械继电器）
制造商：施梅萨尔
数字输出类型：ON-OFF输出。
其他数字输出传感器制造商包括
· Omega
· Omron
· 编码器产品有限公司
· 美国传感器
· Sensotec
· 瓦特洛
· PCB压电
· 除草仪器
· 测量专业
· 塞莱斯科
· Endevco
· 宏传感器
· 传感器技术公司
1 在本文档中，“数字I/O模块”用于描述连接至数字输出传感器的数据采集设备。
2 Kirianaki, Yurish, Shpak, Deynega。智能传感器数据采集和信号处理,2002年[ISBN 0-470-84317-9]。