為您的數位輸出感測器選擇正確的工業級數位 I/O 模組
概觀
內容
- 數位輸出感測器介紹
- 數位輸出感測器的分類方式：
- 訊號驅動感測器輸出的特性
- 汲極 vs.源極輸出
- 2 線式與 3 線式感測器
- 用以建置感測器輸出的電子元件
- 為您的數位輸出感測器選擇正確的工業級數位 I/O 模組
- 數位輸出感測器範例
數位輸出感測器介紹
類比輸出感測器可在其範圍內連續產生不同的輸出值；相較而言，數位輸出感測器僅能在輸出中產生 2 種數值：「On」或「Off」。最簡單的數位感測器範例是觸控式開關。典型的觸控式開關在未按下時為開路且電阻無限大，按下時則為短路且電阻為零。
不論要於何時介接數位輸出感測器，均必須考慮到感測器與資料擷取裝置的相容性。此份文件將說明這些關鍵要點，並提供相關方式以輕鬆選擇合適的資料擷取裝置。
數位輸出感測器的分類方式：
數位輸出感測器可根據下列參數進行分類:
訊號驅動感測器輸出的特性
技術的發展帶來了多種複雜的數位輸出感測器。截至目前為止，感測器可於「On」與「Off」狀態之間進行多項傳輸作業；而透過此種感測器的頻率特性甚或脈波列的型態，更可影響感測器的量測特性，以進行連續性的量測作業。
圖 1 即根據訊號特性影響輸出的情形，而進行數位輸出感測器的分類。在此圖中可看到，數位輸出感測器有 45% 是以數位通道的 On-off 狀態為架構；35% 是以訊號頻率為基礎；而有 12% 是根據輸出頻率的作業週期 2。
圖 1 -- 數位輸出感測器 -- 依特性所進行的量測作業2
選擇工業級數位 I/O 模組時,首要考慮重點即為感測器的量測訊號特性。尤其在考慮數位 I/O 模組是否需要計數器時，更顯重要。
瀏覽工業級靜態 DIO 裝置
瀏覽計數器/計時器裝置
汲極 vs.源極輸出
汲極 (Sinking) 與源極 (Sourcing) 為負載中的直流電控制方式。
- 汲極裝置:可提供電流接地路徑,但不負責供電給裝置。代表汲極裝置的詞彙則包含 NPN、開集極 (Open Collector)、Normally High 與 IEC 負邏輯 (Negative Logic)。
- 源極裝置：源極裝置提供電源或正電位。源極裝置可將電流「推擠」通過負載。代表源極裝置的詞彙則包含 PNP、開射極 (Open Emitter)、Normally Low 與 IEC 正邏輯 (Positive Logic)。
源極與汲極的概念不受執行作業的元件 (如電晶體、機械繼電器等) 影響。雖然建置電路的元件多有不同，但此概念卻可套用至任何的 DC 電路。
圖 2 - 汲極 (Sinking) 輸出感測器。
圖 3 - 源極 (Sourcing) 輸出感測器。
2 線式與 3 線式感測器
若要定義感測器「On」與「Off」狀態的電壓/電流關係,則此種分類格外重要。分為 2 線式與 3 線式感測器是基於：
- 2 線式感測器：這些裝置會以串聯方式連接至用來取得資料的裝置。
當感測器為停用狀態時,其內亦將有極小的作業電流形成關閉狀態洩漏電流 (Off-state leakage current),即為感測器製造商所稱的漏電 (Residual current)。此電流是讓感測器維持電子作業狀態所必須。若感測器直接連至其他負載而非資料摘取裝置,則電漏現象將不會構成任何問題;以工業級環境為例,2 線式感測器往往連接至具備低阻抗的馬達與相似裝置。
但反過來說，若感測器的漏電值高於數位 I/O 模組所能承受的數值，則漏電現象將造成其他問題。如此一來，由於導引電流高於數位 I/O 模組所能承受的強度，因此模組將無法正確偵測「On」的狀態。目前業界大多數的 2 線式感測器，均具備 1.7 mA 以下的關閉狀態洩漏電流或漏電。
而「Off」狀態下，亦有維持感測器「On」狀態的最小電流，即稱為最小保持電流 (Minimum holding current)。此電流一般均為 3 mA ~ 20 mA。若數位 I/O 模組並無法進行吸入或供應此電流，則感測器將無法正確作業。
- 3 線式感測器：3 線式感測器由激發端子供電，而非直接透過數位輸出線路，因此部分製造商亦稱其為線路供電感測器。
圖 5 - 3 線式感測器
這些裝置從數位 I/O 模組所導出的作業電流,即稱為負載電流 (Burden current),一般約為 20 mA。請注意，此電流是由激發端點所提供。
用以建置感測器輸出的電子元件
一般用於驅動訊號輸出感測器的輸出,共有 3 款電子元件:
- 機械式繼電器
- 電晶體
- 雙向 FET 裝置
機械式繼電器：機械式繼電器屬於電子機械裝置,可關閉接點以完成 1 組電路;或開啟接點以中斷 1 組電路。亦可處理高電壓的電流負載。
與固態繼電器相較，機械式繼電器為速度較慢的裝置，因此一般均搭配使用訊號驅動輸出特性的感測器。機械式繼電器亦為接點磨耗 (Contact wear) 與電阻的重要元件。接點的使用壽命，端看負載電流與作業頻率而定。當繼電器連接計數器與數位 I/O 模組時，則可能因為接點跳動 (Contact bounce) 而導致結果不一。
電晶體: 為控制 DC 電流的固態裝置。一般均可於低 DC 供電的感測器 (如輸出切換器) 中發現電晶體。電晶體並具備 2 款形式：NPN 與 PNP。
圖 6 即為 NPN (電流吸入) 開集極電晶體
圖 6 - 感測器 NPN 輸出。
雙向 FET 裝置：市面上許多光感測器的輸出採用稱為雙向 FET 輸出的架構,如圖 7 所示。此架構具有許多優勢,但最重要的一點是能直接介接 TTL 與 CMOS Circuits,此外也具備:
- 達到極低的關閉狀態洩漏電流 (Low off-state leakage current)；
- 極短的響應時間；
FET 即為場效電晶體 (Field Effect Transistor)，且由於其近乎理想的作業特性，應可成為數位輸出感測器的最普遍輸出。
圖 7 - 採用雙向 FET 裝置輸出的感測器
為您的數位輸出感測器選擇正確的工業級數位 I/O 模組
在選擇數位 I/O 模組時，應先了解下列 3 個問題：
- 數位訊號傳達感測器量測結果的特性為何？此問題將於本篇技術文件的「訊號決定感測器輸出的特性」章節討論。
亦可參閱 Table-A 找出數位 I/O 模組的分類，以符合應用所需。
- 感測器輸出屬於汲極或源極輸出？
同樣的，Table-A 亦針對 NI 介面卡的源極與汲極功能進行分類；因此，若感測器具有汲極輸出，則應選擇具備源極輸入的介面卡。反之亦然。
- 構成裝置輸出的元件為何？
此問題必須考慮關閉狀態洩漏電流 (Off-state leakage current)與開啟狀態 (On-state) 的最小保持 (Holding) 電流。
Table-B 將比較感測器與資料擷取卡的規格，讓使用者可選擇最適合感測器使用的介面卡。除了電壓準位之外，亦應了解常遭忽略 2 項重要條件：
1.感測器的關閉狀態洩漏電流 (感測器) 介面卡低狀態 (Low state) 時的最大輸入電流
2.感測器的最小保持電流 (感測器) 介面卡高狀態 (機板) 的最大輸入電流
| NI Board | On-Off (State) | Timed-Based Sensors (Frequency, Duty-Cycle, etc.) | 數位 I/O 模組輸出類型 | Type of Isolation | # Channels |
| NI 6601 | — | √ | 汲極 | — | 4 CTR |
| NI 6602/6608 | — | √ | 汲極 | — | 8 CTR |
| NI 6624 | — | √ | 汲極 | Ch-Ch | 8 CTR |
| NI 6501 | √ | √* | Sinking/Sourcing | — | 24 DIO 1 CTR |
| NI 6509 | √ | — | Sinking/Sourcing | — | 96 DIO |
| NI 6514 | √ | — | 源極 | 組間 | 32 DI 32 DO |
| NI 6515 | √ | — | 汲極 | 組間 | 32 DI 32 DO |
| NI 6518 | √ | — | 源極 | 組間 | 16 DI 16 DO |
| NI 6519 | √ | — | 汲極 | 組間 | 16 DI 16 DO |
| NI 6520/6521 | √ | — | Sinking/Sourcing | Ch-Ch | 8 DI 8 DO |
| NI 6525 | √ | √* | Sinking/Sourcing | Ch-Ch | 8 DI 8 DO 1 CTR |
| NI 6528 | √ | — | Sinking/Sourcing | Ch-Ch | 24 DI 24 DO |
Table - A
| NI Board | 電壓輸入 | 電流輸入 | Maximum Switching Capacity | ||||
| Input Logic Low Voltage (VIL) | Input Logic High Voltage (HIL) | Max Input Current (low) | Max Input Current (high) | ||||
| 最小 | 最大 | 最小 | 最大 | ||||
| NI 6601 | -0.3 VDC | 0.8 VDC | 2 VDC | Supply +0.3 VDC | -10 μA | 200 μA | 4 mA |
| NI 6602/6608 | -0.3 VDC | 0.8 VDC | 2 VDC | Supply +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/line | 12.5 mA/line | 350 mA |
| NI 6515 | 0 VDC | ±4 VDC | ±11 VDC | ±30 VDC | 4.5 mA/line | 12.5 mA/line | 500 mA |
| NI 6518 | 0 VDC | ±4 VDC | ±11 VDC | ±30 VDC | 4.5 mA/line | 12.5 mA/line | 350 mA |
| NI 6519 | 0 VDC | ±4 VDC | ±11 VDC | ±30 VDC | 4.5 mA/line | 12.5 mA/line | 500 mA |
| NI 6520/6521 | 0 VDC | ±4 VDC | ±11 VDC | ±30 VDC | 4.5 mA/channel | 12.5 mA/channel | 2 A |
| NI 6525 | -60 VDC | 1 VDC | 3.2 VDC | 60 VDC | 3.0 mA/channel | 3.0 mA/channel | 500 mA |
| NI 6528 | -60 VDC | 1 VDC | 3.2 VDC | 60 VDC | 1.5 mA | 2 mA | 150 mA |
Table - B
數位輸出感測器範例
量測類型：流量測
製造商:寶石感測器
數位輸出類型:頻率
量測類型：加速 (ADXL202、±2 g 雙軸加速規)
製造商:類比裝置
數位輸出類型:Duty-Cycle (可相容於 TTL、CMOS)
量測類型：位置切換器 (機械繼電器)
製造商:Schmersal
數位輸出類型:ON-OFF 輸出。
其他數位輸出感測器製造商包含
·歐米茄
· Omron
· 編碼器產品股份有限公司
· US.感測器
· Sensotec
· Watlow
· PCB 壓電整合
·草莓儀器
· 量測專業
· Celesco
· Endevco
· 巨集感測器
· Transducer Techniques Inc.
1 此篇技術文件所提「數位 I/O 模組」，均為連接數位輸出感測器的資料擷取卡。
2 Kirianaki, Yurish, Shpak, Deynega.Data Acquisition and Signal Processing for Smart Sensors, 2002 [ISBN 0-470-84317-9]。