只有兩種狀態的變量稱為開關信號,開關信號可分為有源開關信號和無源開關信號,開關信號來自各種不同傳感器,昌暉儀表在本文對開關信號的來源和標準做簡單介紹。
實現自動控制的先決條件是要有信息來源,所以各種各樣的傳感器是必不可少的,而且傳感器應該可靠、精確而又價廉,否則難以推廣使用。能連續反映參數變化的傳感器要做到可靠、精確而價廉比較困難、但是單純提供開關信號的傳感器往往比較簡單,所以目前這類傳感器品種很多,為普及開關控制提供了有利條件。以下略舉若干實例,說明其應用。
◆行程開關
要想控制機械運動的行程,也就是控制物體的位移,可以用“行程開關”取得通斷信號,其原理和按鈕相似,靠物體接觸時的壓力引起電路通斷。這種器件已在機床上廣為應用。另有一種叫做“微動開關”的也是這類器件,比較靈敏但結構強度稍差。非接觸式行程開關也叫接近開關,有光電式、高頻電感式和超聲式等。光電式中以紅外光較好,它不受環境光的干擾。
◆溫度開關
最簡單而直觀的溫度開關是帶電接點的水銀溫度計,利用水銀柱受熱膨脹后與電極接觸發出導通信號,電極的高度可以在溫度計的玻璃管外用磁鐵調整。由雙金屬元件帶動電接點的溫度開關就更普遍了、它是利用固體膨脹帶動電接點而工作的。常用在電熨斗、烘箱等家用電器上,特點是簡單價廉但不十分精確。在冰箱里常用壓力式溫度開關,是靠液體或氣體膨脹產生的力使開關動作的。不靠膨脹變形和力的溫度開關多半用熱電偶或熱電阻原理工作,往往在溫度指示儀表或記錄儀表里附帶這種功能。
◆壓力開關
無人管理的壓氣機常用壓力開關自動控制啟動和停機,以維持儲氣道里的壓力,這在自行車電打氣裝置上用得十分普遍,大多數壓力開關是利用波紋管、彈管管、膜盒等彈性元件在壓力作用下產生變形,帶動電接點發出通斷信號的。也有靠壓力引起微小變形后再經過電阻、電容等中間變量最后得到開關信號的。
◆液位開關
最簡單的液位開關是靠導電液體與固定在某一高度的電極接觸,發出開關信號。對于非導電液體,可用浮子帶動微動開關,或用磁性浮子與舌管管配合、產生開關信號或者用裝在容器壁上適當高度的壓力開關,借助壓力與液位高度成正比的關系產生開關信號。此外,用電容、彈性變形、光導纖維、超聲、γ射線、雷達等技術也都能構成液位開關。
◆料位開關
固體粉末或顆粒的料位和液位不同,因為粉粒物料的流動性比液體差得多,不可能應用浮力法。甚至用壓力開關的辦法也受到限制,因為斜面以下的壓力井不是和深度成正比的。但是,電容、超聲、γ射線、雷達等技術仍然可以用在料位上,還有一些專門測料位的傳感器,例如機械運動阻力法、振動阻尼法都能發出開關信號。
◆氣敏開關
利用煙募對射線的吸收可以構成煙霧報警器,與此類似,利用對某種有害氣體敏感的特殊元件和電子線路配合,能構成氣敏開關,是現代高層建筑防火及預防煤氣中毒的重要手段,用氣敏開關與消防監控系統結合起來,是建設現代化城市必不可少的措施。
◆磁敏開關
舌簧管附近有磁場時,其內部簧片將改變通斷狀態,以舌簧管本身就是一個磁敏開關。如果利用磁敏二極管或磁敏三極管,直至用霍爾元件,還能構成無觸點的磁敏開關。用這種原理也可以制作非接觸式行程開關。
◆光敏開關
光敏開關不一定是指對普通可見光有敏感作用的器件,可以是激光或紅外光。由光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等和適當的電路配合,就能構成光敏開關。無人管理的路燈、航標燈,常用這種開關控制。
◆定時開關
家用洗衣機和電風扇的定時開關,早已人所共知,它可以考鐘表發條帶動,也可以靠微型電機驅動,或是靠電容充放電原理工作。最精確的是用石英晶體振蕩器和脈沖計數器構成的定時裝置,它已應用在電子鬧鐘和錄像機的定時通斷上。工業生產中的熱處理、發酵等有固定程序和有規定時間的工藝,都必須用定時開關才能實現自動控制。
以上僅僅列舉了幾種最常見的開關量傳感器,就已經涉及多種多樣的非電參數,還有不少工業自動化儀表里面附帶有報警輸出接點,計算機更能按照程序在滿足某些條件時發出開關信號。總之,開關信號的來源可以多種多樣,但是不外乎兩大類,一類是無源通斷信號,傳感器里沒有電源,或雖有電源卻因隔離或其他原因和輸出電路無關,兩個輸出端子只有導電和不導電兩種狀態,但是這兩種狀態必須在外電路有電源的情況下、才能體現出來。所以無源開關信號的接收端必須有電源,至于電源是直流還是交流對工作沒有影響、電壓的高低和電流的大小應在傳感器所規定的范圍內,以免損壞。
另一類是有源信號,凡是靠半導體器件輸出開關信號的屬于這一種,信號的形式多數是直流電流或直流電壓,目前用交流傳送開關信號的不多、那些以頻率高低的形式輸出信號的傳感器多半是連續量傳感器。輸出有源開關信號的傳感器不要求信號接收端有電源,但要求接收端的電阻連同傳輸線的電阻在允許的范圍之內,否則不能正常工作。
為了便于控制設備的配套,對有源開關信號規定了國際標準,即采用直流電流時以小于4mA為一種狀態,大于20mA為另一種狀態。采用直流電壓時以低于1V為一種狀態,高于5V為另一種狀態,這和TTL邏輯電路的低電平和高電平標準值一樣。
有必要說明的是,以上兩種標準都不包括零值在內,這是為了避免和斷電的情況混淆,使信息的傳遞更為確切。