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作者：Bill Giovino

关键词：USB-C 电缆，工业自动化

工业设施已变成一个越来越复杂的线缆网络，除了数字电子互连器件之外，还包括物联网 (IoT) 节点的互联。虽然数字网络已利用以太网、BACnet 等有线协议和 Wi-Fi、蓝牙等无线网络协议实现标准化，但单板计算机 (SBC) 或可编程逻辑控制器 (PLC) 等控制计算机与传感器或致动器等外设之间的数字互连器件却千差万别。

更让人困惑的是，互连器件使用各种各样的电缆、连接器和引脚分配，这些看上去非常相似，却又完全不兼容。

系统设计人员有责任减少这些不兼容性并确保互操作性，同时还要降低成本，加快系统组装并提高可靠性；即使在恶劣的工业环境条件下亦是如此。若要实现这一目标，一种方法是对 IP67 或 IP68 等级的 USB-C 电缆组件进行标准化。如此即可改进各种设备间的电缆组件兼容性，这就能让技术人员更轻松。

本文介绍工业应用中的数字互连器件问题，以及如何通过对 USB-C 电缆和连接器进行标准化以实现简单数字互连器件，来解决其中诸多问题。然后，本文介绍 PEI-Genesis、Amphenol LTW 和 Bulgin 的各种 USB-C 连接器和电缆组件及其独有特点，包括 IP67 合规性。最后讨论它们如何为计算机到传感器/致动器应用提供无处不在的可靠且稳健的连接。

工业自动化中的数字互连器件

工业设备是由控制计算机管理，后者可以是 SBC、PLC 或附近的笔记本电脑。控制计算机经常连接到工业设备所需的附近设备，这些设备可以泛称为传感器，包括开关、光学和环境传感器，另外还有电机、螺线管或灯等致动器。对于大多数重型工业设备，设备制造商的设计人员会选择用于电缆端的连接器类型，并选择所使用的电气协议。对于定制工业控制，工程师和技术人员会选择并安装计算机、致动器、传感器、连接器和电缆。一旦选定连接器类型和电气协议，这些之后就无法更改，因为重新适配过程会很漫长且昂贵。因此，当规划工业运营时，必须在设计流程的很早期就决定传感器和致动器使用的数字互连器件类型。与任何广泛使用互连数字系统的系统一样，运行规模越大，对设备（包括电缆）进行标准化可以节省的时间和金钱就越多。

在设置或重新配置设备时，技术人员必须有现成的适当电缆和兼容的连接器端接可用。乍一看，两种电气不兼容的电缆组件可能貌似相同，甚至可能有看上去能够配接的相似连接器，但实际上并非如此。这种非显而易见的兼容性问题会给技术人员造成挫折，并导致系统部署延迟。即使使用适当的电缆，也可能需要多次尝试才能将电缆上的不可逆键合连接器正确定位到设备上，以确保稳固连接。在低光环境或部署速度至关重要的情况下，对一种电缆组件进行标准化可以减少挫折感，同时确保机器之间的互操作性。这不仅节省时间，还能节省成本，因为可以批量购买电缆组件。

利用 USB-C 实现数字互连的优势

USB-C 电缆组件适用于工业设备之间的大多数应用，可解决无处不在的数字互连问题。USB-C 插头和插座是旋转对称的无键双面刀片式连接器，可确保首次插入即牢固连接，从而节省时间并减少挫折感，技术人员再也不需要几经摸索才能正确定位键控连接器。USB-C 电缆还有附加优势，可以为传感器或致动器提供电源。

工业设施可以对控制计算机与传感器和致动器之间的大多数数字互连器件采用的 USB-C 电缆和连接器进行标准化，简化电缆组件库存管理和连接器的互操作性。工业 IP67 USB-C 电缆和连接器是重型产品，可以经受恶劣的工业设施环境中常见的高温、溶剂和液体影响。USB-C 工业电缆还能最大限度减少电力和信号损失，并且对不当弯曲和扭曲力的耐受程度更高。

USB-C 连接器支持 USB 2.0 和 USB 3.1。USB-C 标准要求 USB 3.1 端口和电缆组件向后兼容 USB 2.0 480 Mb/s 的速度。这样 USB 2.0 端口可以使用与 USB 3.1 相同的电缆组件，从而防止兼容性问题。然而，USB 3.1 支持的速度要高得多。USB 3.1 第 1 代电缆组件支持高达 5 Gb/s 的速度，USB 第 2 代电缆组件支持高达 10 Gb/s 的速度。为了识别传输速度，USB 规格要求两端带有 USB-C 连接器的电缆组件在连接器外壳中嵌入电子标记芯片，以明确电缆组件的最大功率和数据传输速度。电子标记芯片中的数据在首次插入时由 USB 主机读取，告知 USB 主机该电缆的最大传输速度，以确保 USB 主机正确发送数据。只支持 USB 2.0 速度的 USB-C 电缆组件不需要电子标记芯片，因此如未发送芯片数据，USB 主机将以 480 Mb/s 的速度发送数据。

USB-C 标准允许的最大功率输送为 5 V DC 和 3 A，总功率为 15 W。这是常见 USB 电缆组件的标准。不过，USB 3.1 第 1 代及以后的规格允许以 20 V 和 5 A 提供 100 W 功率。为 USB 3.1 功率输送而设计的 USB-C 电缆组件必须包含可识别功率输送容量的电子标记芯片，否则 USB 主机将默认其为 15 W。这样可防止因功率过载而破坏电缆，从而提高安全性。

虽然这里关注的是数字互连器件的 USB-C 电缆组件标准化，但需要知道有三种电缆组件容量：

1. USB 2.0 模式：无电子标记，可提供 15 W 的功率和 480 Mb/s 的数据
2. USB 3.1 第 1 代：电子标记，提供 100 W 的功率和 5 Gb/s 的数据
3. USB 3.1 第 2 代：电子标记，提供 100 W 的功率和 10 Gb/s 的数据

如果较低容量的 USB-C 电缆与正确配置的较高容量 USB-C 主机和器件一起使用，USB 主机将把电源和数据限制到较低容量。这样可防止电缆上的功率过载，从而提高安全性，同时确保数据速率兼容以提高可靠性。工业设施可以只使用提供最大要求功率和数据传输的标准来实现进一步简化操作。除非工业自动化设施要进行高速数据操作，如传输实时视频流，否则对 USB 3.1 第 1 代电缆组件进行标准化就是保险的选择。通常，5 Gb/s USB 3.1 第 1 代规定电缆最长为 2 m，这足以让控制计算机连接到附近的传感器和致动器。如果需要可靠地发送 10 Gb/s 数据，USB 3.1 第 2 代规定电缆最长为 1 m。若通过更长的电缆发送 10 Gb/s 数据，由于信号反射或衰减，电缆上的数据可能会丢失。

USB-C 电缆组件

对于想要在恶劣环境下发送高速数据的设计人员，有许多坚固可靠的解决方案可供选择。例如，PEI-Genesis 提供 IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 第 2 代电缆组件（图 1）。该电缆长 1 米，额定工作温度为 -20°C 至 +85°C，适合大多数恶劣的工业环境。电缆护套由聚氯乙烯 (PVC) 树脂制成，具有良好的耐水性和抗紫外线 (UV) 能力。商用护套长期暴露于阳光下会出现裂纹或变色。

IPUSB-31WPCPC-1M 的一端由 PVC 树脂模制而成，具有标准 USB-C 插头连接器和不锈钢 USB-C 插头。这一端连接到 SBC 或 PLC 上的 USB 主机连接器。另一端有密封模压插头，附带尼龙锁紧螺母和橡胶衬垫。这为与传感器或致动器的连接提供牢固安全的 IP67 密封。

Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M 含有嵌入式电子标记芯片，用于向所连接设备表明其容量。电子标记芯片可在电缆组件的 -20°C 至 +85°C 的完整温度范围内工作。这样可确保即使在任一极端温度下打开设备，电缆也能被正确识别。

极端环境下的 USB-C 连接

针对极端恶劣的环境，Amphenol LTW 提供 1 m 长 USB-C 电缆组件 UC30FL-NCML-SC01（图 2）。整条电缆以聚丙烯塑料 (PP) 导管所包覆，以提供额外保护，防止受到冲击、切割力和转角处弯曲应变的影响。在极端振动情况下，导管也能为其中包裹的电缆提供保护。导管被粘在电缆两端，不能拆除。

电缆组件的一端带有常见 USB-C 主机连接器，可插入 USB 主机。另一端带有重型圆形连接器；该连接器具有增强的防拉特性，并有一个密封模制插头和用尼龙锁紧螺母固定的硅胶衬垫，以提供防水性和良好的气密性，能够耐受大多数化学品。该电缆和圆形连接器达到 IP67 等级，无论是否配接都能保护圆形 USB-C 插头不受环境影响，即使在未连接时也能提供保护。

UC30FL-NCML-SC01 防火性能达到 UL94V-0，即 PP 电缆可以承受 10 秒火焰。PP 电缆还耐油、汽油和大多数溶剂。每个插头都能在 -40°C 至 +85°C 范围内工作，尼龙锁紧螺母和 PP 导管可以承受更高的温度，从 -40°C 至 +115°C。因此，这种电缆组件特别适合于连接工业汽油发动机和发电机的传感器和致动器。

内嵌电子标记芯片标明电缆支持 5 Gb/s 数据传输，适合于需要不断监测发动机运行以最大限度提高效率的高速汽油发电机。

海洋应用中的 USB 传感器

在某些情况下，设备的控制计算机有 USB-A 接口，但需要连接到 USB-C 接口。这时需要电缆，如 Bulgin 的 PXP4040/C/A/2M00 USB-A 转 USB-C 电缆组件（图 3）。这种电缆一端有 USB-A 插头，另一端有圆形 USB-C 插头，工作温度在 -40°C 至 +80°C 之间。在 10 m 深水中浸泡两周后，USB-C 连接器和电缆依然能正常使用。它还耐盐水，适合于海洋设备，包括油轮和货轮上的工业机械。除 USB-A 连接器的等级为 IP66 外，电缆组件的等级为 IP68。

Bulgin 的 PXP4040/C/A/2M00 防燃等级达到 UL94V-0。电缆护套由 PVC 树脂制成，适合海上甲板应用。

USB-C 电缆外壳由聚碳酸酯-聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PC/PBT) 制成，这是一种通常用于汽车保险杠的高强度材料。PC/PBT 连接器外壳具有很高的耐化学性，并具有足够的柔韧性，可在低至 -40°C 低温环境下承受高冲击。即使受到大力冲击，连接器也不会破碎，只会轻微开裂。这就为 USB 安全传感器提供了防破坏能力，包括防冻结攻击，即连接器被快速冰冻，然后用锤子敲打。

USB-C 规格不允许将电子标记芯片嵌入一端为 USB-A 插头的电缆中。该电缆组件额定提供高达 5 A 的电流，并在 2 m 长度上支持高达 5 Gb/s 的数据速率，但一些 USB-C 外设可能发现没有电子标记芯片，因而默认采用 480 Mb/s 的传输速率。

结语

对工业环境中用于数字互连的 USB-C 电缆组件进行标准化，可简化电缆库存管理，并且由于插头和插座采用旋转对称设计，连接工作也能快速方便地进行。USB-C 电缆可以向主控计算机表明其功率和数据传输能力，以防数据丢失和危险的功率过载情况。在工业系统中正确选择和使用适当的 USB-C 电缆组件，还能提高可靠性，减少维护工作，并降低总体成本。

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作者：Alan Yang

关键词：示波器，测试测量

示波器是电子工程领域中不可或缺的工具。通过掌握示波器的使用技巧和方法，工程师可以更好地应对各种挑战，提升自己的工作能力和专业水平。我们经常在设计研发过程中使用到示波器。本文将介绍示波器的一些基本概念，以及如何使用示波器实现基本的测量。

1. 什么是示波器？

“示波器是一种电子测量装置，它可以显示电压随时间的函数图。 这使用户能够同时观察电压和时间的变化。许多示波器可以在其屏幕上显示多个电压信号，这使我们具有比较这些信号行为的能力。”

DigiKey示波器

上图，我们可以看到两个观察结果:

1. 波形的峰对峰电压可以沿着纵轴测量。它是五个主要分区，垂直增益设置为200mv /分区(见黄色箭头)，这 给出了1伏峰对峰的信号幅度。
2. 横轴为时间，范围设置为200µs/分频(见白色箭头)。 正弦波的一个周期跨越五个主要部分，所以周期是1毫秒，这意味着频率是1千赫。 (这个特殊的示波器有一个计数器，在右上角显示信号的频率。)

• 示波器常用的功能：

1. 测量电压、电压差和时间间隔。
2. 测量重复信号的频率。
3. 比较两个或多个随时间变化的信号，并查看它们之间的关系(例如，一个波形上的特定特征是在另一个波形上的特征之前还是之后出现)。
4. 捕捉瞬变，故障等特别的行为。
5. 测量波形的直流和交流部分。
6. 测量波形的各种特性，如峰对峰电压、均方根电压、周期、上升时间、下降时间等。
7. 检查信号上的噪声，以及修改电路或电缆如何改变信号噪音。
8. 通过直观地比较电路的输入和输出波形来寻找电路中的失真——或者使用示波器将它们相减并查看数学差异。

• 符号的解释

符号	含义
G	千兆
Hz	频率单位
k	千
m	毫
M	兆
n	纳
p	皮
s	秒
S /div	秒/格（division），示波器的时基设置(即扫描速度)
V/div	V/格（division），示波器垂直放大器的垂直增益
Vpp	峰对峰电压(V)
Vrms	RMS(均方根)电压(V)
Ω	欧姆
µ	微

1. 读取示波器基本信息

• 信号与波形

就示波器而言，“信号”一词是指可能随时间变化的电压。其中一个区别是信号是否具有周期性。周期性意味着信号在不同的间隔内重复地取相同的一组值。 正弦波是周期性波形的一个例子。 让我们来看看它的一些特征:

正弦波

非正弦波形

A – 方波

B – 脉冲波

C – 三角波

D – 斜波（也叫锯齿波）

E – 整流正弦波

F – 平方根波（振幅与波周期开始时间的平方根成正比）

• 屏幕格线

最原始的测量技术是使用屏幕上的格线和计算格数。

举例：

下图显示了五个周期的正弦波

正弦波轨迹在垂直方向上覆盖六格，乘以每格 50 毫伏 (mV) 的垂直比例系数（见通道 1 描述符方框），即可算出正弦波振幅为 300 mV（峰峰值）。同样，正弦波的周期覆盖了两个水平的栅格，时基描述符方框中的每格为 100 纳秒 (ns)，因而周期为 200 ns。

计算格数的方法似乎有些原始，但它是进行基本测量的非常快捷的方法。

更多内容，请参考：

• 在示波器上进行快速、精确、完整的波形测量

1. 示波器探头

探头分为很多类型，包括：高阻抗无源、低电容、单端有源、差分有源、高电压和电流探头。其中，无源探头很常见。

实际测量信号，有可能会很大，超出了示波器的输入阈值。这时就需要一个带有衰减器的探头，比如常见的10X探头，可以使输入信号衰减10倍。

还有一种1X/10X探头也很受欢迎，因为它们在探头体内包含一个开关，可以让您在1X位置，10X位置和输入线连接到地线的位置之间切换。 然而，1X/10X探头的一个缺点是：当您需要它处于10X位置时，您可能会意外地将它留在1X位置。 这可能导致定性和定量测量误差，因为衰减不是您所期望的，频率响应与10X位置的频率响应有很大不同。

示波器通常提供 50 Ω 或 1 MΩ 的输入端口。50 Ω 端口通常与匹配的同轴电缆配合使用，以连接到带 50 Ω 电流源的电路元件。

使用 1 MΩ 输入端接来连接电路时，源阻抗更高。这种连接可以通过多种方式实现，包括直接使用电缆或 X1 探头，或者使用高阻抗探头。

DigiKey示波器探头

• 探头连接

将探头上的开关设为1X，将探头连接到示波器上的通道1。要做到这一点，将探头连接器中的槽与CH 1 BNC上的键对齐，推动连接，并向右扭转以将探头锁定到位。将探头尖端和参考导线连接到probe COMP连接器上。

高阻抗探头的低频率补偿

高阻抗探头通过低频率补偿过程，与它们连接到的通道相匹配。对于这个过程，所有示波器都提供低频率方波，一般频率为 1 kHz，通常称为 CAL 输出。要利用这项功能，请首先将探头连接到所需的通道，然后将探头尖端连接到 CAL 输出端。触发示波器并在屏幕上查看选定通道轨迹。使用调节工具，在探头连接器盒中更改补偿调节，以获取方波轨迹上的方角，如中间的轨迹所示。

每当探头连接到不同通道时，就应该进行补偿，特别是在任何关键测量之前。很多高阻抗探头还提供高频补偿调节。通常不需要执行这种调节。探头手册提供了此测试的详细信息。

更多示波器探头内容：

• 了解、选择和使用无源示波器探头

1. 如何使用示波实现基础的测量

示波器显示电压与时间的关系，并测试所显示的波形。不同的测量技术，如刻度，游标和自动测量模式的使用。

我们使用B&K的2190E来举例：

自动测量模式

此模式将在自动测量时生效。仪器在自动测量参数时将显示光标。这些游标显示了这些测量的物理意义。

要进行自动游标测量，请遵循以下步骤:

1. 按光标键，进入“游标测量菜单”。

2. 按“游标模式”单选按钮选择“自动”。

3.按“MEASURE”键，进入“自动光标测量模式菜单”，选择要测量的参数。

当你进行自动测量时，示波器会为你完成所有的计算。测量使用内存中所有记录的点，这比使用光栅线或光标测量更准确，因为这些测量仅限于使用显示器上的点，而不是示波器记录的所有数据点。

按“MEASURE”键，自动测试。

有三种自动测量类型:电压测量，时间测量和延迟测量。总共有32个测量参数。

如果要测量电压参数，请按照以下步骤进行:

1.按“MEASURE”键，进入“自动测量”菜单。

2. 按下第一个单选键，进入“二次测量”菜单。

3.选择测量类型。如果按下“电压”单选按钮，屏幕上会显示“电压测量”菜单。

4.按“信号源”单选按钮，根据输入信号通道选择“CH1”、“CH2”。

5.按“类型”单选按钮，选择要测量的参数类型。测量参数下方会显示相应的图标和数值。

-测量Vpp参数

6.按“返回”单选键，返回“自动测量”菜单首页。选中的参数和对应的数值将显示在首页的顶部位置。

您也可以用同样的方式在相应位置显示其他参数及其值。屏幕可以同时显示5个参数。

如果想使用所有测量功能测量时间参数，请按照以下步骤操作:

1. 按“MEASURE”键，进入“自动测量菜单”。

2. 按顶部单选按钮，进入“自动测量菜单”第二页。

3. 按“All Measure”单选按钮进入“All Measure菜单”。

4. 按“信号源”单选按钮，选择输入信号通道。

5. 按“时间”单选按钮选择“开”。现在所有的时间参数值会同时显示在屏幕上，如下图所示。

测量所有时间参数

最后

掌握示波器的使用对于工程师来说具有重要的意义。通过示波器，工程师可以更加深入地了解电路的工作原理，提高故障排查的效率，优化电路性能。同时，示波器的自动测量功能能够大大节省工程师的时间和精力，使其更加专注于解决实际问题。因此，作为一名工程师，学会使用示波器是必备的技能之一。

更多与示波器使用相关的技术内容，请查看以下内容：

通过探针测量电源噪声 

什么是虚拟负载，它们是如何使用的？ 

相位噪声电源调制比(PSMR)测量 

抖动 浅谈 

示波器电流探头简介

8 位与 12 位示波器的基本原理以及现代 12 位示波器的使用方法

小编的话

作为电子工程师必备的工具，在电子产品的设计、制造和维修过程中，示波器可以帮助我们精确测量元器件和电子设备的性能参数，提高产品的质量和稳定性，从而提高产品的可靠性和市场竞争力。通过这篇文章，相信我们对示波器有了更加完整的认识。您在使用示波器方面有哪些经验和问题？欢迎留言，分享交流！

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关键词：发光开关，风扇组件

产品一：NKK发光开关

NKK Switches 提供丰富的发光开关产品选择。他们的发光开关产品具有多种驱动类型，包括按钮、拨动、摇杆、滑动、轻触，甚至可编程；光源有LED，氖灯，白炽灯，双色灯等。

NKK Switches 发光开关产品还提供从标准到极小型的多种尺寸，以及不同的外形高度。这些发光开关支持各种功率水平，提供多种安装选项，有多种颜色可供选择，并符合关键的行业标准、认证和等级。此外，客户可根据需求选择不同材质和形状的盖帽，实现和客户最终产品的完美匹配。

NKK 的发光开关套件提供各种开关样品，方便地封装在塑料盒中，并配有零件型号箱指南，便于访问，帮助您开始下一个设计。当您想突出显示您的产品时，请选择 NKK switches 发光开关。

产品二：Qualtek风扇安全罩、过滤网和衬套

Qualtek的风扇安全罩、过滤网和衬套产品系列尺寸为 25 ~ 254 mm²。包括了采用 UL 94-V0 材料的塑料风扇安全罩，其设计可在低噪声水平最大限度地提高气流。

所有线状风扇安全罩均在 Qualtek 的 ISO 9001 认证工厂内生产，以确保合规，并具有高品质的镍铬表面。

风扇滤网为 EMI 屏蔽板，用于在仅有一个大进气口的情况下避免过滤器进入风扇。

泡沫过滤介质和介质保持器支持快速简单的安装，并可去除灰尘和污染颗粒。

UL 和 cUL 合规的风扇电源线设计用于带应力消除的管状轴流风扇，以增加安全性。

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关键词: 线缆, 规格, 选料

问：以太网线缆的 CAT 等级是什么？

用于决定使用哪种以太网（网络）线缆的一些最重要的因素包括家庭网络的速度、屏蔽和线缆长度。以太网线缆可以根据线缆的性能方便地分成不同的组。这些组被称为 CAT 等级。在考虑升级家庭网络时，你需要确保你的 ISP 可以提供线缆能够处理的速度，但也要认识到，如果 ISP 只能提供 1Gbps，那么你家里就没有必要安装 CAT 7 线缆。

CAT5 以太网线缆

CAT5e 以太网线缆

CAT6以太网线缆

CAT6a 以太网线缆

CAT7 以太网线缆

更多线缆相关技术内容, 请参考下面帖子：

• 如何找到合适的交流线缆或计算机电源线缆
• 扁平柔性线缆（FFC、FPC）
• 线圈模块化线缆——拉伸长度——收缩长度
• 为带端子的交流风扇选择风扇线缆
• 带串联开关的2.1mm管状插孔线缆

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关键词:  电阻, 工作原理, 规格

问：薄膜电阻与厚膜电阻 – 精度与功率上的差异

薄膜电阻 与 厚膜电阻 的共同特征在于，通过在耐热基板的表面，涂覆一层薄膜状的电阻材料而形成的电阻元件。薄膜与厚膜最直观的差异就是这层“膜”（导电层）的厚度。厚膜电阻膜的厚度可以是薄膜电阻的上千倍。

但是单单理解到 “膜”（导电层）的厚度的差异，在我们在设计电路以及选择电阻时，依旧不知道该怎么下手。下面就从精度与功率方面来把薄膜电阻与厚膜电阻的差异给讲透。

概括来说：

薄膜，主要针对精度而设计

厚膜，主要针对功率而设计

薄膜电阻： 用真空法淀积导电层，称为溅镀。这在陶瓷基板上形成一个薄而均匀的层，只有几微米厚。然后，该层将经历光刻或激光蚀刻的过程。这决定了电阻值的精确度，容差极为精细，可低至 0.01%。这样的精度才使薄膜电阻如此有用。

厚膜电阻： 厚膜电阻的导电层以浆的形式印制在陶瓷基板上。其厚度可以是薄膜电阻导电层的上千倍。这样的厚度在处理高功率应用时具有性能优势，而且制造成本也明显低于薄膜电阻。然而，它在功率方面的优势却也使得其可预测性和精确性降低，容差可能高达 5%。

然后随着薄膜电阻的发展，现在薄膜电阻与厚膜电阻功率上的差距，越来越小。

举个例子

TE 的 RN73 系列 的 0805 型电阻，
根据数据手册，其额定功率为 0.1W；
RN73系列数据手册 

TE 的 RP73P 系列的 0805 型电阻，
根据数据手册，其额定功率可以达到 0.25W。
RP73P 系列数据手册 

这折射出薄膜电阻性能改进。新材料和制造工艺改进，让制造商能够在不牺牲精度的同时，提高薄膜电阻的能力。尽管厚膜电阻在大规模生产应用以及功率至关重要的应用中，始终占有一席之地。但正是薄膜技术的进步，使设计人员能够在更广泛的应用中获得更精确可靠的结果。

更多电阻相关技术内容, 请参考下面帖子：

• 薄膜电阻与厚膜电阻 – 电流噪声比较 
• 当5环电阻并非真的5环电阻时
• 有感电阻和无感(非电感)电阻的区别
• 可调电阻——额定功率与电阻值的比较
• 电阻基础概述

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作者：Art Pini

关键词：电机,  机器学习, 电路设计

在向智能制造转变的过程中，采用先进技术提高了产量、生产率、灵活性、效率和安全性，同时降低了成本。在这一过程中，智能运动控制是关键因素。为此，通常需要对老旧工厂进行更新改造，将定速电机及控制器更换为性能优越的运动控制设备。这些设备依靠先进的检测技术实现精确的运动和功率控制。为了获得最佳的工作流程和生产灵活性，设计人员还必须在生产设备和制造执行系统之间建立实时连接。

目前，有许多先进技术和系统级解决方案可用于向智能运动控制的迁移，但设计人员往往只能靠自己来拼凑系统。这种情况正在发生改变，现在已经有了全面的的成套解决方案，可协助设计人员开始运动控制设计。其中包括用于多轴控制电机速度和扭矩的隔离式电流检测和位置反馈元件，以及用于机器健康监测以减少计划外停机时间的传感器。此外，还包括高速网络接口，以便在机器与更高级别的控制和管理网络之间共享数据。

本文简要讨论了改进运动控制的重要性。然后介绍 Analog Devices 用于智能运动控制的解决方案，包括电源、检测和网络组件，并讨论如何使用这些解决方案。

为什么需要更智能化的电机控制

电机是工业运动控制的基础，占工业用电量的 70%。该工业用电量约占全球用电量的 50%。因此，人们在提高运动控制效率方面投入了大量精力，且智能电机控制带来了诸多好处。

早期的运动控制依赖基本的电网连接式电机，如今已发展成为复杂的多轴伺服电机机器人执行器。这种演化式发展跟踪了日益增长的复杂性，以满足实现智能制造要求的更高效率、性能、可靠性和自给自足的需求（图 1）。

电机控制类型包括：

• 恒速：最古老、最基本的运动控制装置，基于以固定速度运行的电网连接式三相 AC 电机。由开关设备提供开关控制和保护电路。通过机械方式减少所需的输出。
• 由变频器驱动的电机：通过增加整流器、DC 母线和三相逆变器级来产生可变频率、可变电压源，然后应用于电机以实现变速控制。这种由变频器驱动的电机可在适合负载和应用的最佳转速下运行，从而实现大幅降低能耗。
• 变速驱动器 (VSD)： VSD 用于需要更加精确地控制电机速度、位置和扭矩的应用，通过在基本的调压型变频驱动器中增加电流和位置测量传感器来实现更精确的控制。
• 伺服驱动系统：多个 VSD 可同步至多轴伺服驱动系统，以完成更复杂的运动，适用于需要极其精确位置反馈的计算机数控 (CNC) 机床等应用。CNC 加工通常使用五轴协调，也可使用多达十二轴的协调运动。

机器人：工业机器人、协作机器人和移动机器人

工业机器人将多轴运动控制、机械集成和先进的控制软件结合在一起，通常可以实现沿六轴进行三维定位。

协作机器人 (cobot) 的目的是与人类一起安全运行。通过增加安全检测以及功率和力量限制功能，协作机器人在工业机器人平台上制造，以实现功能安全的机器人工作伙伴。

同样，移动机器人也使用功能安全型机器控制，但这类机器人在机器人功能的基础上增加了定位检测、路线控制和防碰撞功能。

在运动控制系统发展的每一个阶段，其复杂性一直在增加，而且往往是大幅增加。推动智能运动系统发展的关键因素有四个：

• 降低能耗
• 快捷生产
• 数字化转型
• 减少停机时间，确保最大限度地提高资产利用率

采用高效率电机和低损耗 VSD，以及在运动控制应用中增加智能化，是通过智能制造实现显著能效的关键因素。

快捷生产取决于可快速重新配置的生产线。这种灵活性就能满足消费者对小批量多样化产品的波动需求，从而要求生产设备具有更强的适应性。工业机器人在执行复杂和重复性操作方面发挥着举足轻重的作用，从而提高了吞吐量和生产率。

数字化转型包含将运动控制和来自整个生产设施的大量传感器数据联网并实时共享这些数据的能力。通过这种连接，基于云的计算和人工智能 (AI) 算法可以优化生产工作流程，提高资产利用率。

资产利用率是各种新型商业模式的基础，它关注的是工厂资产的生产率，而不仅仅是初始安装成本。系统供应商对根据这些资产的正常运行时间或生产率来收取服务费的做法越来越感兴趣。这种方法利用预见性维护服务，依靠对每台机器资产的实时监控来提高生产率，最大限度地减少计划外停机时间。

智能运动控制的组件要求

设计人员必须认识到，为典型电机驱动信号链中的多个设计领域提供系统级解决方案，以满足智能运动应用要求（图 2）。

设计人员必须优先考虑的关键领域包括电力电子器件、运动控制、电流检测、位置检测、网络接口和机器健康监测。Analog Devices 针对每个领域都提供多种器件，以便设计人员升级旧设计或重新开始设计。

电力电子设备

在电机驱动系统中，电力电子设备有助于将直流转换为脉宽调制 (PWM) 电源输入。

电机驱动系统中的功率转换始于通常来自交流电源的高压 DC 电源。如图 2 所示，电力电子部分采用具有 MOSFET 的三相半桥拓扑结构。上方的 MOSFET 的栅极相对于地是浮动的，需要隔离式驱动器。Analog Devices 的 ADUM4122CRIZ 便是合适之选。这是一款隔离式栅极驱动器，可提供有效值 (RMS) 高达 5 kV 的隔离。通过将高速互补金属氧化物半导体 (CMOS) 和单片变压器技术相结合，该器件实现了高隔离能力。这款栅极驱动器具有可调压摆率控制功能，可最大限度地减少开关功率损耗和电磁干扰 (EMI)。如果使用氮化镓 (GaN) 或碳化硅 (SiC) 器件，则此项功能尤为重要，因为这些器件的开关速度更快。

下方的 MOSFET 的源元件以地为基准，可使用 Analog Devices 的 LTC7060IMSE#WTRPBF 器件（具有浮动地的 100 V 半桥驱动器）。

低压侧和高压侧驱动器的输出级都是浮动的，没有接地。这种独特的双浮动结构使栅极驱动器的输出更加稳健，对接地噪声的敏感度更低。此外，这些器件还集成了具有可编程死区时间的自适应击穿保护功能，以防止两个半桥开关器件同时开启。

运动控制器

运动控制器是运动控制系统的大脑。作为中央处理器，运动控制性器产生可驱动电力电子器件的 PWM 信号。这种信号基于中央控制中心的指令和诸如电流、位置和温度等电机的反馈信息。控制器会根据这些数据决定电机的速度、方向和扭矩。控制器通常位于远程位置，通过 FPGA 或专用处理器实现其功能，因此需要隔离式通信链路。

为此，可使用 Analog Devices 的 ADM3067ETRZ-EP 等串行数据链路。这是一款静电放电 (ESD) 保护型全双工、每秒 50 Mbps RS485 收发器。经过配置，该器件可提供从位置反馈传感器返回到运动控制器的高带宽串行通信。该串行线路具有高达 ±12 kV 的静电放电保护，工作温度范围为 -55°C 至 +125°C。

电流检测

来自电机的电流反馈信息是进行控制所需的主要反馈参数。由于电流反馈决定了运动控制系统的整体控制带宽和动态响应，因此反馈机制必须具有高精度和高带宽，以确保精确的运动控制。

常用的电流测量技术有两种：

• 分流式测量要求插入一个低值电阻或分流器，且与被测导体串联。然后测量分流器上的差压，通常借助高分辨率模数转换器 (ADC) 完成测量。分流式电流测量受到并联电阻器压降和功率耗散的限制，仅限于中低电流应用。
• 磁性电流检测技术采用非接触式各向异性磁阻 (AMR) 测量法，通过评估导体附近的磁场来测量电流。AMR 器件的电阻使用电阻电桥进行测量。该电阻值随磁场的变化而变化，因此电流也发生变化。

磁性电流测量避免了并联电阻器中的压降和随之产生的功率损耗，因此更适合大电流测量。测量也与待测导体之间采用了电气隔离。

需要测量隔离电流时，可使用 Analog Devices 的 ADUM7701-8BRIZ-RL 器件。这是一款高性能、16 位二阶 Σ-Δ ADC，可将来自检测电阻上的电流检测压降的模拟输入信号转换为高速、单比特数字隔离式数据流。

AD8410AWBRZ 高带宽电流检测放大器是另一种电流测量器件。这是一款增益为 20、带宽为 2.2 MHz 的差分放大器，具有低失调漂移（~1 微伏/摄氏度 (μV/°C)）。该器件的直流共模抑制比 (CMRR) 高达 123 dB，可以在共模输入电压高达 100 V 的情况下进行双向电流测量。

位置检测

以 AMR 磁性位置传感器为基础的旋转位置检测技术为光学编码器提供了性价比更高的替代方案。这类传感器还具有在工业环境中坚固耐用的优点，适合经常暴露在灰尘和振动环境中。电机轴角反馈可用于伺服系统中的直接控制位置，或用于确定转速。

Analog Devices 的 ADA4571BRZ-RL 是一款 AMR 传感器，在封装内集成了信号调节和 ADC 驱动电路（图 3）。

ADA4571BRZ-RL 是一款磁阻角度传感器，使用双温度补偿 AMR 传感器检测 180° (±90°) 范围内的轴角度，精度误差 <0.1°（在寿命/温度范围内 <0.5°）。该器件可产生正弦和余弦单端模拟输出，显示周围磁场的角位置。该器件可在磁场恶劣的环境中工作，并且不会因气隙过大而导致角度读数误差增大。

角度传感器的输出可连接 Analog Devices 的 AD7380BCPZ-RL7 双通道、16 位输入、逐次逼近寄存器 (SAR) ADC。该 ADC 同时对两个差分输入通道进行采样，采样率高达每秒 4 MSPS。内部超采样功能可提高性能。过采样是提高 ADC 精度的常用技术。通过对模拟输入的多个采样进行捕捉和平均，该功能可使用正常平均或滚动平均过采样模式来降低噪声。过采样还有助于在较慢的运行条件下实现更高的精度。

网络接口

智能制造依赖智能运动应用网络，这种网络可在工厂车间、机器与中央控制、管理网络之间共享数据。这种数据共享要求强大的连接能力。为此，设计人员可以使用 Analog Devices 的低功耗、低延迟以太网物理层 (PHY)，包括 ADIN1300CCPZ 以太网 PHY 收发器。ADIN1300CCPZ 的数据传输速率为 10 Mbits/s、100 Mbits/s 或 1000 Mbits/s，可在环境温度高达 105°C 的恶劣工业环境下工作。

交换机用于路由以太网连接。Analog Devices 提供了一款工业以太网第 2 层嵌入式双端口交换机 FIDO5200BBCZ。该交换机在 10 Mbits/s 和 100 Mbits/s 速度下符合 IEEE 802.3 标准，支持半双工和全双工模式，以支持 PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、Modbus TCP 和 Ethernet POWERLINK 工业以太网协议。

机器健康状况

进行机器健康状况监测时，利用传感器测量振动、冲击和温度等物理参数，以实时了解机器状况。通过在标准运动控制运行期间记录这些数据并进行长期分析，就能准确评估机器的机械的健康状况。这种数据驱动型方法可实现预见性维护计划，不仅能延长机器的运行寿命，还能显著减少计划外停机时间。

应用机器健康状况时，需要在电机上安装振动和冲击传感器。这方面的产品如 ADXL1001BCPZ-RL ±100 g 微机电系统 (MEMS) 加速计，这是一款低噪声传感器，其 -3 dB 带宽为 11 kHz。该器件是压电传感器的高带宽、低功耗替代品。对于需要沿三个轴进行测量的应用，ADXL371 是合适之选。

结束语

智能运动控制是实现智能工厂的关键，需要经过精心选择的电子元件才能有效实施。如图所示，这些组件中有许多是经过精心挑选的，可用于启动设计。这些元件包括用于驱动电机的电力电子设备、用于提供精确反馈数据以实现精确运动控制的电流和位置传感器、用于提供系统层面预见性以优化生产流程的工业网络连接，以及用于实现机器健康监测以减少意外停机时间并延长资产运行寿命的振动和冲击传感器。

小编的话

如文章所言，在向智能运动控制的迁移中，目前一个主要的挑战不是缺乏先进技术和系统方案，而是设计人员如何有效选择这些分散的资源来搭建起需要的系统。好消息是，这种情况已经发生改变，例如文中提到的ADI为智能运动控制系统各环节所提供的器件就可以为设计者提供一套完整的设计资源。您在进行智能电机控制系统的设计时遇到哪些主要的挑战？您是否有采用文中提及的ADI的这套器件来进行系统设计？您有哪些经验和心得？欢迎留言，分享交流！

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关键词：Wi-Fi 6，物联网

本期DigiKey Daily 向大家推荐一款产品——Nordic 的nRF7002 配套 IC

Nordic Semiconductor 的 nRF7002 Wi-Fi 6 配套 IC 是一款高度集成的 IC，旨在将 Wi-Fi 6 连接集成到各种应用中。该 IC 提供了一种低功耗且具有成本效益的解决方案，可将最新的 Wi-Fi 6 技术添加到产品中，使它们能够受益于最新 Wi-Fi 标准提供的更高速度、更广范围和更高可靠性。

nRF7002 具有 2.4 GHz 和 5 GHz 无线电，功耗低，可延长电池续航时间。该 IC 还包含有助于保护用户数据的高级安全功能。该 IC 旨在成为 Nordic nRF52840、nRF5340 和 nRF91 系列设备的理想 Wi-Fi 配套 IC。此外，该 IC 支持多种主机控制器，可用于 Linux 和 RTOS 操作系统。

总体而言，nRF7002 Wi-Fi 6 配套 IC 是一款功能强大的低成本解决方案，可将最新的 Wi-Fi 6 技术添加到产品中。它提供具有高级安全功能的快速可靠的连接，旨在轻松集成到广泛的应用中。

nRF7002 旨在与 nRF Connect SDK 结合使用，nRF Connect SDK 提供了一个全面统一的开发平台，其中包含一组工具和库，用于开发利用 nRF7002 功能的应用。借助 nRF7002 和 nRF Connect SDK，开发人员可以快速轻松地将 Wi-Fi 连接添加到他们的产品中，使他们能够连接到互联网并通过 Wi-Fi 网络与其他设备通信。nRF7002 支持 2.4 GHz 和 5 GHz Wi-Fi 频段，提供一系列连接网络的选项。它还具有低功耗特性，非常适合用于电池供电设备。nRF7002 是一款高度通用且功能强大的解决方案，可为各种应用添加 Wi-Fi 连接。

产品特性

• 2.4 GHz 和 5 GHz 双频
• 用于物联网的低功耗和安全 Wi-Fi
• 与 Bluetooth LE 的理想共存
• nRF Connect SDK 支持
• 目标唤醒时间 (TWT)
• WPA3 个人/企业
• SPI/QSPI
• Wi-Fi 6 基站 (STA)
• 符合 802.11a/b/g/n/ac/ax
• 一个空间流 (SS) 20 MHz 信道带宽
• 64 QAM (MCS7)，86 Mbps PHY 吞吐量
• OFDMA（下行链路和上行链路）
• BSS 着色
• 共存接口

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关键词: 接近传感器，响应频率

问：接近传感器的频率响应

当一个物体以一定的速度穿过接近传感器的感应区域时，接近传感器的响应频率决定了它是否能够正确地检测到该物体。

Omron 的1 E2B-S08KS02-WP-C1 2M

图像仅供参考，请参阅产品规格书。

接近传感器的响应频率表示能够使接近传感器正确响应的被测物体的最大运动速度或时间间隔。换句话说，响应频率参数较低（例如10-100 Hz）表示传感器能够正确感应移动速度较慢的对象。如果某个物体在不到百分之一秒的时间内通过100Hz接近传感器的感应区域，那么传感器就不能保证可以正确地感应到该物体。

响应频率较低的接近传感器通常用于电力设备和人体位置侦测。

另一方面，频率响应参数较高（例如高达5k至10kHz）表示该器件可以感知快速移动的物体或突然的瞬时反应，例如工业控制或在出现工业事故时进行即时关断。

更多射频相关技术内容, 请参考下面帖子：

• 模拟传感器和数字传感器——哪个更好？
• 压力传感器读数（压力传感器、压力变送器）
• 力量传感器
• 压力传感器可以清洗吗？
• 压力传感器的专业术语

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关键词: Δ-Σ ADC ，滤波器，混叠效应

问：Δ-Σ ADC 模数转换器抗混叠滤波器组件选择

低速 Δ-Σ ADC 通常需要一个简单的单极 RC 滤波器来减少混叠效应。对于差分信号，滤波器结构通常由两个滤波路径组成：一个差分滤波器（源自两个滤波器电阻 R_FILTER 和差分电容器 C_DIFF 的组合）；和一个共模滤波器（源自一个滤波器电阻 R_FILTER 和共模电容器 C_CM 的组合）。这如图 1 所示。

[注意：如果您有一个单端输入，其中 AINN 是接地参考，则滤波器将由 R_FILTER 和 C_CM 组成。但是，设计指南将与下面描述的 差分 滤波器的设计指南相同。]

为了确定图 1 中每个组件的值，将分析分为三个部分会有所帮助：

• 差分滤波器截止频率应该是多少？
• 我应该选择多大阻值的滤波电阻器？
• 我应该选择多大容值的差分和共模电容器？

对于每个问题，ADS124S08 （24 位、12 通道、4kSPS Δ-Σ ADC）将用作示例数据转换器，以帮助说明如何将这些设计原则付诸实践。

差分滤波器截止频率应该是多少？

抗混叠滤波器的目的是将频率内容保持在 ADC 调制器频率 (fMOD) 或附近，使其不再混叠回传通带，因为这些频率不会被数字滤波器本身拒绝。因此，请设置差分滤波器的 3dB 截止频率 fC-DIFF，使其比 fMOD 低 10 到 100 倍。这将分别导致 fMOD 周围出现 20dB 至 40dB 的频率抑制。所需的抑制量取决于系统的设计目标。如果您想了解有关抗混叠滤波器基础知识的更多信息，以及您应该关注调制器频率混叠的原因。
对于 ADS124S08，f_MOD 为 f_CLK/16，其中 f_CLK 是主时钟频率，如图 2 所示。给定标称内部振荡器频率 4.096MHz 后，f_MOD = 4.096MHz/16 = 256kHz。因此，对于这个特定的 ADC，可以选择 f_C-DIFF = 2.56kHz 或 f_C-DIFF = 25.6kHz，以分别获得 20dB 或 40dB 的抑制。此外，请确保 f_C-DIFF 也大于数字滤波器的 -3dB 频率 f_3dB，否则 RC 滤波器会影响数字滤波器特性。

我应该选择多大阻值的滤波电阻器？

在图 1 所示的系统中，滤波电阻器也用作电流限制器。因此，该电阻器的尺寸可限制最大引脚输入电流 (I_MAX)，如 ADC 的绝对最大额定值表所示。要确定此电阻上允许的压降，您需要在系统输入 (V_OV) 上看到预期过压条件以及 ADC 集成 ESD 保护二极管 (V_ESD) 的接通电压。然后，您可以使用以下公式来求解电阻器值 R_FILTER：

R_FILTER > (V_OV – V_ESD)/I_MAX

对于 ADS124S08，I_MAX 为 10mA。如图 3 所示，当输入电压超过模拟电源 300mV 时，ADS124S08 的 ESD 二极管会导通。

如果您假设 AVDD = 5V，并且预期的最大过压条件 V_OV 为 20V，那么您现在可以获得确定 R_FILTER 最小阻值所需的全部信息：

• V_OV = 20V
• V_ESD = AVDD + 0.3V = 5.3V
• I_MAX = 10mA
• R_FILTER > (V_OV – V_ESD)/I_MAX = (20V – 5.3V)/10mA = 1,470 Ω

请注意，在给定系统参数的情况下，这是电阻器可用于限制进入 ADC 引脚的电流的绝对最小值。妥善做法是在计算电阻器阻值时，允许过压条件和最大电流有一定的裕量。这可确保提供更强大的保护电路，以适应任何潜在的系统变化。例如、您可以假设 V_OV 的容差为 10%，I_MAX 的容差为 30%：

• V_OV = V_OV x 1.1 = 22V
• V_ESD = AVDD + 0.3V = 5.3V
• I_MAX = I_MAX x 0.7 = 7mA
• R_FILTER > (V_OV – V_ESD)/I_MAX = (22V – 5.3V)/7mA = 2,386Ω

计算适当的电阻值后，选择一个等于或大于该值的标准电阻器。

我应该选择多大容值的差分和共模电容器？

由于您已经确定了滤波器截止值和电阻器阻值，因此可以使用以下公式来确定差分滤波器 C_DIFF 的电容器容值：

C_DIFF = 1/[2 x π x f_C x (2 x R_FILTER)]

然后选择共模电容器 C_CM，使其比 C_DIFF 小 10 到 20 倍，这样：

C_CM = C_DIFF/10

给定之前确定的 R_FILTER 和 f_C-DIFF 值后，您可以按如下所示计算电容器值：

C_DIFF = 1/[2 x π f_C x (2 x R_FILTER)] = 1/[2 x π x 2,560Hz x (2 x 1,470Ω)] = 21nF

C_CM = C_DIFF /10 = 21nF/10 = 2.1nF

更多模数转换器相关技术内容, 请参考下面帖子：

• ADC架构： SAR ADC 与 Delta-Sigma（Σ-Δ）ADC 架构区别？
• 浅谈Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC数字滤波
• 浅谈模数转换器ADC频率混叠
• 浅谈Delta-Sigma (Σ-Δ) ADC抗混叠模拟前端设计
• 浅谈数模转换器（ADC） 量化噪声与信噪比

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作者：Jeff Shepard

关键词：工业照明，LED

当为各种作业（包括物流、机器操作、控制柜、工作站和生产线）设计安全、高效且具成本效益的工业环境时，照明是一个关键要素。在越来越多的情况下，LED 都能提供卓越的照明解决方案。相比传统荧光灯、金属卤化物、高压钠和其他照明技术，LED 灯具更加节能，降低了运营成本，而且使用寿命更长，减少了维护成本。工业灯具通常用于具有挑战性的环境中，除了支持职业安全和卫生之外，还可能需要具备侵入防护能力并达到指定的电能质量水平。若要平衡这些不同的要求，则会使灯具选择过程变得复杂。

本文将回顾相关的性能指标，包括亮度（流明）、功率（瓦特）、光效、照度（勒克斯）、区域流明分布、相关色温、显色指数、额定使用寿命以及工业灯具相关成本，并重点介绍 LED 的这些指标。接着，本文会详细介绍环境考虑因素，包括侵入防护要求、总谐波失真和电能质量需求，以及危险环境的照明。最后，本文将介绍 Banner Engineering 提供的具体解决方案；这些方案可用于电子标签拣货系统、叉车引导，以及工作站、机器照明和控制柜的一般照明（图 1）。

性能指标

指定照明度是为特定应用选择最佳灯具的基础。其中有许多指标需要考虑，从灯具的工作效率到其模仿标准白光的程度。首先是单支蜡烛或烛光 (Cd)。Cd 是一个基本 SI 单位，用来衡量特定光源（标准蜡烛）在特定方向上发出的可见光的发光强度。根据 Cd 的概念，在比较灯具时要考虑的重要指标包括：

• 流明 (lm) – 光通量，等于 1 Cd 的均匀点光源在单位实体角内发出的光，考虑所有方向的光输出。
• 瓦特 (W) – 电力消耗：对于直流电路，W = VDC x 安培数；对于交流电路，W = VRMS x 安培数。
• 光效 (lm/W) – 光源产生可见光的效率水平。
• 照度 (lm/m2) – 照射到表面的人眼感知光线强度。
• 区域流明分布 – 灯具在离散垂直平面的区域内发出的流明分布。用于确定灯具的间距要求。
• 相关色温 (CCT) – 黑体辐射源的温度，单位为开氏度 (K)，其色度与光源相等。白光的 CCT 范围为 2700 K 至 6500 K。
• 显色指数 (CRI) – 在参照理想光源或自然光源的情况下，光源忠实再现各种物体颜色的能力。CRI 范围为 0 至 100。白炽灯泡的 CRI 为 100，LED 的 CRI 从 80 至 90 以上。

随着照明技术的发展，指定最佳解决方案的过程也变得更加复杂。例如，LED 的光效大大高于荧光灯和高强度放电 (HID) 灯的光效。荧光灯和 HID 在各个方向发光，而 LED 有方向性。关键在于，这些指标对于 LED 之间、荧光灯之间及其他同类光源之间的比较最为有用。为了比较不同的照明技术，用户往往需要对样品进行并排评估，以确定哪种最好。

除了产生的光线质量外，用户还需要注意为灯具供电的镇流器或驱动器的总谐波失真 (THD) 和功率因数 (PF)。THD 可用于衡量电流进入电子功率转换器的失真程度。THD 越低，意味着建筑内配电网络的峰值电流越小，效率越高，并且对当地电力公司的需求减少。IEEE 519-2014 是理解谐波以及在电力系统中应用谐波限制的有益参考。通常要求 THD 为 20% 或更低。PF 是一个同样重要的指标。在同等输出功率下，低 PF 值的负载（镇流器或驱动器）比高 PF 值的负载消耗更多电流。PF 是一个介于 0 和 1 之间的无量纲数。镇流器和驱动器的 PF 值应至少为 0.9。

使用寿命和成本考虑

LED 的使用寿命通常大于 25,000 小时，但其光效和亮度会随着其老化而下降。LED 灯具的使用寿命是基于其下降到初始光输出的 70% 所需的小时数，称为 L70 参数。非 LED 照明技术在某个时间点会出现灾难性故障；其使用寿命定义为 50% 的设备预计会失效的工作小时数。非 LED 技术也会发生流明值随着老化而下降的现象。这种效应称为灯管流明降落 (LLD)；对于不同的照明技术，此效应也有所不同（表 1）。

要比较照明技术的成本，用户需要考虑初始人工和设备成本，再加上灯具使用期内的能源、维护人工和设备成本（图 2）。初始人工和设备成本可以通过提高能效和降低维护需求来克服，更持久和更高效的 LED 可以显著节省使用寿命期间的成本。

环境要求

工业设施中使用的灯具需要能够承受危险条件。《美国国家电气规范》定义了三种类型的危险场所：

• I 类 – 易燃气体或蒸气
• II 类 – 可燃性粉尘
• III 类 – 容易点燃的纤维或飞散物

美国联邦法规要求：“设备应以所批准的 40°C 工作环境温度为基础，标明类别、组别和工作温度或温度范围。”

侵入防护 (IP) 等级很重要，用两个数字表示。第一个数字指设备对固体异物（如灰尘）的耐受力，第二个数字指防水性。IP67 灯具具有防尘和防水功能，适用于诸多工业环境，并且可以承受短期浸水。IP68g 灯具提供额外的防护，防油水渗透的能力更强。

工业环境中经常出现振动和极端温度。一些照明技术所使用的细长灯丝、易碎元件和玻璃外壳可能特别容易受到振动的损害。LED 没有易碎元件，对振动和冲击的耐受能力要强得多。虽然 LED 在机械方面很坚固，但高环境温度往往会降低其光效和使用寿命。另一方面，与其他照明技术相比，LED 更适合冷藏仓库和其他温度低至 -40°C 的设施。

适用于电子标签拣货的灯具

电子标签拣货系统提供更高的效率、生产力和精度，可降低仓库拣选作业的成本。对于电子标签拣货设施，Banner 提供 EZ-LIGHT® K50L 系列，包括 K50LGRASXPQ（图 3）。根据具体型号，K50L 灯具提供一个 LED（绿光）、两个 LED（绿光和红光）或三个 LED（绿光、红光和黄光），并且都有抗振性。K50LGRASXPQ 提供绿光和红光 LED 照明，以及多种音调的声音警报。K50L 系列的特性包括：

• 易于安装，带有明亮的 LED 指示灯和声音警报
• 坚固耐用，完全密封。符合 DIN 40050-9 标准，达到 IP67 或 IP69K，具体等级取决于型号
• 这些自足式灯具不需要外部控制器
• 抗射频干扰 (RFI) 和电磁干扰 (EMI)
• IP67 型号的声音警报强度可调节，可以是连续或间断的
• 安装灵活，输入从 12 VDC 至 30 VDC，具有反极性保护

叉车引导灯具和传感器

叉车司机的视线可能会受到阻碍，在放置难以摆放的货物时需要多次下车。通过使用叉车引导灯具和传感器，可以提高物料搬运操作的效率。例如，Banner 的 WLS27PXRGBW285DSQ 灯具属于 WLS27 Pro 系列，长 285 mm，提供 IP66、IP67 和 IP69K 环境等级，包含红光、绿光、蓝光和白光 LED（图 4）。

WLS27 Pro 系列的所有灯具都能以不同的速度和模式显示多色动画，并能进行分段，因此非常适合叉车引导系统。WLS27 Pro 灯具在铝制框架中采用防碎的共聚物外壳，能够抗破损和抗冲击。IP69K 等级使其能在恶劣的冲洗和户外环境中正常工作。该系列集成了定时器和计数器功能，能利用脉冲信号显示时间或数量信息，包括距离和位置。

WLS27 Pro 灯具可与 Q5X 多功能激光传感器相结合，实现叉车引导系统（图 5）。Q5X 的检测范围为 50 mm 至 5 m。其他特性包括：

• 能可靠检测透明和反光物体、多色目标、金属光泽背景中的黑色目标、黑色背景中的黑色目标以及深色物体（<0.1% 反光的黑色目标）
• 双重示教模式同时测量光强度和距离
• 可 270 度旋转，以适应各种安装限制
• 可通过 IO-link、远程示教、板载用户界面或可选的远程传感器显示屏进行编程

通用照明选择

Banner 的 WLB32ZC285PBQMB 是 285 mm 长的超亮 LED 灯具，具有 750 lm 的均匀光输出和无眩光“光辉”（图 6）。它来自 WLB32 系列，该系列包括长度为 285 至 1130 mm 的灯具，照明等级为 750 至 3000 lm。这些灯具设计用于工作站、机器照明、控制柜和生产线中。

WLB32 灯条可以通过“菊花链”形成连续长度的照明，只需最少的接线，同时每个灯条保持独立工作。其他特性包括：

• 高/低/关 (High/Low/Off) 开关
• 防碎窗和金属外壳
• 使用磁性或角形支架或卡扣进行灵活安装
• 某些型号有护眼功能，可阻挡侧面眩光
• 某些型号带运动检测功能

结语

在确定工业照明解决方案时，需要考虑到各种性能、成本和环境因素。在越来越多的场景中，LED 灯是极具吸引力的选择。与传统照明技术相比，LED 灯具的照明灵活性和可靠性更好，能效更高，使用寿命更长，维护需求更少。因此，虽然 LED 的初始安装成本可能高于其他照明技术，但 LED 除了提供卓越的照明解决方案外，还能降低使用寿命成本。

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