センサはトランスデューサとも呼ばれ、データ収録システム(別名DAQまたはDASシステム)全体の基本的な構成要素の1つです。データ収録システムは下記の構成が一般的です。

  • センサ
  • シグナルコンディショナ
  • A/Dコンバータ(ADC)
  • 信号の収録と解析のためのDAQソフトウェアを搭載したコンピュータ

センサの機能とは?

センサとは何かを理解する最も簡単な方法は、センサの機能を知ることです。

センサは環境の変化を検出し、他のシステムに出力するデバイスです。物理現象をアナログ電圧(または、場合によってはデジタル信号)に変換し、人間が読み取り可能な表示に変換し送信します。

最もよく知られているセンサの1つはマイクです。マイクは音声エネルギーを電気信号に変換し、増幅,出力,収録,および再生できます。

センサは私たちの日常生活で使用されています。たとえば、一般的な水銀温度計は、温度の計測に使用される非常に古いタイプのセンサです。着色された水銀を使用することは、この化学物質(水銀)が温度の変化に対して線形の反応をするという現象に依存しています。

ケースに温度値をマークすることにより、温度計を見て温度を確認できます。大きさに応じて視覚的に精度は多少制限がありますが体温計測などの目的では十分です。

この種類の温度計は視覚的な表示以外出力はありません。オーブンやキッチンの窓の外では便利ですが、産業・研究データ収録にこのセンサは役立ちません。なぜならば、値を記録するためにデジタル化できる出力が必要だからです。そのため温度センサは温度やその他の物理現象を計測し、表示,収録,解析できる出力を提供するために開発されました。

現在使用されている最も一般的で人気のあるセンサについて詳しく学びましょう。

センサの種類

画像元:Electronics Hub

物理現象を計測するために開発されたセンサは多くの種類があります。

  • 熱電対,RTD,サーミスタ:温度計測
  • ひずみゲージ:計測物のひずみを計測(圧力,張力,重量なども含む)
  • ロードセル:重量と負荷を計測
  • LVDTセンサ:距離の変位を計測
  • 加速度センサ:振動と衝撃の計測
  • マイク:音波を計測
  • 電流センサ:ACまたはDC電流の計測
  • 変圧器:高電圧の計測
  • 光センサ:光の検出,データの送信,および従来のセンサの置き換え
  • カメラセンサ:単一および連続2D画像のキャプチャ
  • デジタルセンサ:離散値オン/オフカウント,線形および回転エンコード,位置計測
  • 測位センサ(GPS):GPS,GLONASS,およびその他の測位衛星システムに基づいて、縦方向の緯度の位置を収録するために使用されます。精度の異なるGPSセンサを利用できます。

センサのタイプに応じて、その出力は、電圧,電流,抵抗,または時間とともに変化する別の電圧,電流,抵抗になります。一部のセンサはデジタル出力を備えており、各バイトのスケーリングされたデータまたはスケーリングされていないデータを出力します。これらのアナログセンサの出力は通常、次のセクションで説明するシグナルコンディショナの入力に接続されます。

次に、主要なセンサタイプについて簡単に説明します。

温度センサ

温度計測用の最も一般的で人気のあるセンサは次のとおりです。

  • 熱電対
  • サーミスタ
  • RTD
  • 赤外線温度検出器

さまざまなタイプの温度センサ. (左から、熱電対,サーミスタ,RTD)

熱電対は、自動車のダッシュボードに表示されるエンジン温度から医薬品製造で計測される温度まで、あらゆる用途で、すべての業界から何らかの方法で温度計測用に使用されています。

温度センサの主な特性

センサタイプ サーミスタ RTD 熱電対
温度範囲 -100~325℃ -200~650℃ 200~1750℃
精度 0.05から1.5℃ 0.1~1℃ 0.5~5℃
安定性@100℃ 0.2℃ /年 0.05℃ /年 さまざま
直線性 指数関数的 非常に線形 非線形
必要な電力 定電圧または定電流 定電圧または定電流 電源供給不要
応答速度
(応答時間)
高速
0.12~10秒
一般的に遅い
1~50秒
高速
0.10~10秒
対電気ノイズ ほとんど影響を受けない
高抵抗のみ
ほとんど影響を受けない 影響を受けやすい/冷接点補償
費用 低から中

熱電対

熱電対は、比較的低いコストと信頼性で最も使用されている温度センサです。熱電対はゼーベック効果を利用しています。ゼーベック効果とは両端で互いに接触している1組の異種金属が温度の変化にさらされると、小さな電位が生じることです。

異なる種類の金属を組み合わせると、さまざまな計測範囲で使用できます。これらは「タイプ」と呼ばれます。最も使用されるのはタイプKで、クロメルとアルメルを組み合わせているため、計測温度が-200℃~1350℃(-330°F~2460°F)と広範囲に使用できます。その他の一般的なタイプは、J,T,E,R,S,B,N,Cです。

熱電対タイプJ,K,T,およびEは、卑金属熱電対とも呼ばれます。タイプR,S,およびBの熱電対は、高温アプリケーションで使用される貴金属熱電対として知られています。

熱電対からの出力は、計測システムによって線形化する必要があります。

また、冷接点補償(CJC)と組み合わせる必要があります。「熱接点」は熱電対アセンブリの計測端であり、もう一方の端は基準点で通常設置される冷接点です。冷接点補償は、これらの冷接点によって生成される電圧の影響を取り除き、より正確な温度計測を実現します。

熱電対の課題

これらのセンサのマイクロボルトおよびミリボルト出力は非常に小さいため、計測システムが絶縁されていないと、電気的ノイズおよび干渉が発生する可能性があります。信号に入るコモンモード電圧を除去するためのより良い方法は、絶縁すること以外ありません。

ノイズを低減するもう1つの方法は、計測システムをセンサのできるだけ近くに配置することです。長い信号線を回避することは、信号の信頼性を最大化し、コストを削減するために重要な構成方法です。

CJCが不十分であると、読み取り値が正しくなくなります。CJCにおいて、確実な基準を供給するために、周囲温度の変化から保護する必要があります。このためより良いシステムはCJCの各チャネルに個別のCJCチップを使用します。CJCは、アルミニウムの固体ブロックからフライス加工され、正確に組み立てられて可能な限り最高の基準を達成します。

RTDセンサ

熱電対と比較して、RTD(測温抵抗体)は一般に計測範囲内でより直線的でドリフトがありません。ただしプラチナを使用しており、構造がより複雑であるため熱電対よりも高価です。

通常、RTDは医薬品などのアプリケーションで使用されます。このアプリケーションでは、正確な温度計測を長期間行う必要があります。ただし、600°Cは範囲外のため、高温の「接触」アプリケーションには熱電対が適しています。

電源供給不要の熱電対とは異なり、RTDは計測システムから電源を供給する必要があります。

RTDは、温度に対して非常に直線的に変化する電気抵抗を介して温度を計測します。RTDはコアで2線式センサですが、1本または2本の線(3線および4線フックアップ)を追加すると、自己発熱とリード線抵抗に対する補償が向上するため推奨されます。

RTDセンサのタイプ

Pt100(「PT」=プラチナおよび「100」= 0℃で100Ω)およびPt1000は、RTDセンサの最も一般的なタイプです。Pt200,Pt500,Pt2000 センサなどのタイプもあります。

ノイズを低減するもう1つの方法は、計測システムをセンサのできるだけ近くに配置することです。長い信号線を回避することは、信号の忠実度を最大化し、コストを削減するために重要な構成方法です。

サーミスタ

サーミスタは小さなビーズ,ディスク,ウエハ,または他の形状にプレスし、高温で焼結された金属酸化物からなる半導体の一部です。最後にエポキシまたはガラスでコーティングされています。

電流がサーミスタを通過するとサーミスタの両端の電圧を読み取り、その温度を決定できます。標準的なサーミスタの抵抗は、25℃で2000Ω、温度係数は3.9パーセントです。

サーミスタは安価で応答が速いですが、線形ではなく範囲が限定されており、プローブ内に取り付けられない限り、比較的壊れやすいものです。

さまざまな温度センサの長所と短所

  長所 短所 最適なアプリケーション
熱電対
  • 広い計測範囲
  • 駆動用電源供給不要
  • 接続が簡単
  • 頑丈
  • 安価
  • 非線形
  • CJCリファレンスが必要
  • 本質的に非絶縁
  • 工場,プロセス,および工業用温度監視における数千のアプリケーション
  • 自動車環境試験
  • 内燃およびハイブリッドエンジンのテスト
  • 電気モーターとタービンのテスト
  • 医療,ヘルスケアのモニタリング
  • 航空宇宙エンジンおよび制御システムのテスト
RTD
  • 最も安定
  • 最も正確
  • 熱電対より直線的
  • 高価
  • 駆動用電源が必要
  • 小さな∆R
  • 絶対抵抗が低い
  • 自己発熱
  • リード抵抗エラー
  • 応答速度
  • 耐振動性
  • サイズ
  • 医薬品,医薬品製造
  • 食品加工
  • 正確な科学的計測
サーミスタ
  • 高出力レベル
  • 早い反応
  • 簡単インストール
  • 非常に安価
  • 出力は、抵抗の変化から温度計測値に変換する必要があります
  • 200℃までの限定範囲
  • 壊れやすい
  • 電気回路監視
  • 自動車エンジン用途
  • 家電
  • 火災警報
  • サーモスタット制御

ひずみゲージセンサ

ひずみゲージを供試体の最適な位置に接着します。供試体を曲げたり、ひねったりしてストレスを掛けるとひずみゲージの抵抗値が直線的に変化しそれを計測します。演算を使用してひずみや応力、その他の力を計算することもできます。

一般的な単一ひずみゲージ
※画像提供:Cristian V [CC BY 4.0(https://creativecommons.org/licenses/ by / 4.0)]

ひずみゲージアプリケーション

  • ひずみと応力の計測
  • 重量と荷重の計測
  • 力計測
  • 衝撃および振動計測

ひずみゲージの長所

  • センサ自体は安価
  • 静的計測と動的計測が同等に優れている
  • 幅広いアプリケーションで有用

ひずみゲージの短所

  • 運用には専門知識が必要
  • ひずみアンプが比較的複雑
  • 温度環境によっては計測に影響が出る

ロードセルセンサ(荷重センサ)

4つのひずみゲージセンサを所定の形状の剛体に永久的に貼り付けると、ロードセルと呼ばれる別のセンサが作られます。これは本質的に力または圧力センサです。

最もよく知られているロードセルは、デジタル体重計の下部に設置されているものです。体重計を踏んでロードセルを圧縮すると、マイクロコントローラが計測、kg(lbs)の値に変換し出力します。

「バー」または「(ベンディング)ビーム」ロードセルは、産業用計量アプリケーションで一般的に使用されます。センサの自由端に力が加えられている間、バーの一端は構造物に固定されています。

この力により、ロードセルの上部と下部、および両端に組み込まれている4つのひずみゲージが、ロードセル構造にかかる力の付加または除去に応じて、引っ張りまたは圧縮されます。ひずみゲージによる抵抗の小さな変化は、DAQシステム内で質量に変換されます。

一般的なビームロードセル
※画像提供:ダラセレス[CC BY-SA(https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

ロードセルは、多くの形状とサイズで利用できます。非常に小さなスペースと小さな荷重用のものや、数十万トンの大きな荷重用のものなどがあります。

ロードセルアプリケーション

  • 材料試験 - 一貫性を保つために製造された部品の計量
  • 航空宇宙 - ジェットエンジンの推力,車輪および車台への負荷
  • 海上技術 - 係留索の張力
  • 輸送用機器 - エンジン,高速道路トラック計量ステーションのトルク計測
  • 一般産業 - 製紙工場および金属工場での張力と力の計測
  • 医療/ヘルスケア - 乳児用保育器の体重計、種々の理学療法機器
  • 建設 - エレベーターのケーブル力,足場の力
  • エンターテイメント - アクロバットの巻き上げに使用されるケーブルのケーブル張力テスト
  • 石油化学 - 石油およびガス掘削ツールへの力の計測
  • 一般 - 体重計,デジタル食品計量器

ロードセルの利点

  • 正確で再現性のある計測
  • 非常に小さな負荷から数十万kgまで利用可能
  • さまざまなアプリケーション向けにさまざまな形状とサイズで使用可能

ロードセルの欠点

  • 計測は周囲温度の影響を受ける可能性があります
  • 比較的高価な動ひずみアンプが必要

LVDTセンサ

LVDT(線形可変差動変圧器)変換器は、比較的短い距離において線形変位/位置を計測するために使用されます。それらは、ロッドを含むチューブで構成されています。チューブの基部は固定位置に取り付けられ、ロッドの先端は動くものに固定されています。

LVDTセンサの断面 ※画像:Wikimedia Commons

ロッドがチューブから引き抜かれるか、スライドして戻されると、センサは、ロッドの開始点から最大たわみまでのロッドの位置の信号を出力します。ロッドはチューブの内部に触れないため、実質的に摩擦がありません。また、LVDT自体には電子機器が含まれていないため、過酷な環境でも使用できます。

LVDTアプリケーション

  • 産業全般,工場,プロセス計測アプリケーション
  • 航空宇宙 - アクチュエーターと制御面のテスト
  • 輸送用機器 - トラックと列車本体の間の車高の監視
  • 石油化学 - 掘削ツールの配置

LVDTの長所

  • 非常に正確で再現性のある計測
  • 実質的に摩擦がないため長寿命
  • マイクロメートルオーダから0.7 m(27インチ)まで利用可能
  • 絶対出力(電源復旧後、読み取り値は正しい値に戻ります)
  • さまざまなアプリケーション向けにさまざまなタイプとサイズで利用可能

LVDTの短所

  • 計測は周囲温度の影響を受ける可能性有り
  • AC励起が必要

振動センサ - 加速度センサ

加速度センサは、機械や基本的に動くものの振動や衝撃を計測するために使用されます。それらの出力は、変位と速度を計算するために積分および二重積分することもできます。

動的計測を行うための加速度センサは、圧電加速度センサを使用します。水晶振動子に応力が加わると、応力に比例した電荷イオンが放出されます。このタイプのセンサは、電荷型のシグナルコンディショナに接続されます。一方最も使用されている加速度センサはIEPE(別名ICP®)センサです。IEPEはアンプ内蔵のため、より安価なシグナルコンディショナで使用できます。

DEWESoft DAQシステムに接続された2つの加速度センサとモーダルハンマー

別の原理に基づいた可変容量型の加速度センサもあり、それほど要求が厳しくない産業用アプリケーションで使用されています。

近年では、ナビゲーションアプリケーション,タブレット,スマートフォンの向き,自動車のテスト,モーションキャプチャに使用されるMEMSベースの加速度センサも一般的になってきました。

加速度センサアプリケーション

  • 全産業にわたるあらゆる種類の衝撃および振動試験
  • 航空宇宙 - 胴体のひずみおよび応力テスト,ジェット,ロケットエンジンの振動テスト
  • 輸送用機器 - 壊れやすい部品の輸送中の衝撃と振動の記録
  • 自動車 - ボディパネルの衝撃と振動、乗客の快適性テスト、エンジンの振動
  • 人体振動試験
  • ねじりおよび回転振動試験

加速度センサの利点

  • 容易な接続
  • 動的および静的計測に利用
  • さまざまなアプリケーション向けにさまざまなタイプとサイズで利用可能
  • 電荷出力型センサは外部電源不要
  • IEPEセンサは、長いケーブルと安価なケーブルおよび簡便なシグナルコンディショニング

加速度センサの短所

  • センサは、過度の衝撃によって損傷する可能性があります
  • 電荷出力型センサには、IEPEセンサよりも高価なシグナルコンディショナが必要
  • センサの取り付けには専門知識が必要です

音響センサ - マイクロフォン

エンターテインメント業界での使用に加えて、マイクロフォンは、音とノイズを解析および計測するためのデータ収録で使用するために製造されています。

一般的な音響計測マイク ※画像はGRAS Instruments提供

マイクロフォンは、騒音と振動の研究,人間の聴覚の研究,自動車のパス・バイ・ノイズなどで使用されています。

マイクロフォンアプリケーション

  • 全産業にわたるあらゆる種類の騒音および振動試験
  • 航空宇宙 - ジェットエンジンの騒音試験
  • 輸送 - 壊れやすい品目の輸送中の衝撃と振動の記録
  • 自動車 - エンジンノイズ,パス・バイ・ノイズテスト,ブレーキノイズテスト
  • 医療 - 周囲騒音影響調査、聴力検査

マイクロフォンの長所

  • 接続が簡単 - 入手が容易な50ΩBNCケーブルを使用
  • さまざまなアプリケーション向けにさまざまなタイプで利用可能
  • 設置が簡単

マイクロフォンの短所

  • 比較的高価なセンサ
  • 落としたり、取り扱いを誤ると破損する可能性があります
  • 一部のマイクロフォンは、シグナルコンディショナからファンタム電源を必要とします

電流センサ

電圧と同様に電流は、モニタおよび解析目的で計測する最も基本的なエネルギ形式の1つです。電力のエネルギの品質をテストする場合でも、ハイブリッド電気自動車や機械のエネルギー消費をテストする場合でも、電力は非常に重要です。

小~中レベルの電流の場合、電流シャントを使用して電流を電圧に変換できます。シャントは基本的に、電流を計測する回路に直接取り付けられる抵抗です。

市場に出回っているシャント抵抗式以外の電流センサとトランスデューサのほとんどは、誘導を利用した方法または関連する方法で動作するため、回路の一部(回路内に接続されない)になりません。これにより、はるかに高い電流を計測できます。以下に示すのは、一般的な電流クランプセンサです。電流によって生成される電磁界を検出して計測するデバイスです。センサ出力は、DAQシステムが表示,収録,後で解析できる比例電圧です。

設置が困難な場所や、回路を切断することができない状況でも、設置が簡単なロゴスキーコイルがあります。高精度アプリケーション用のゼロフラックスおよびフラックスゲート電流センサもあり、特に電力品質および関連分野で使用されるセンサです。幅広い種類の電流センサとトランスデューサがあり、あらゆる種類のアプリケーション向けに設計されています。

DEWESoftの電流クランプ

電流センサ用途

  • エネルギー生産と配電 - 電力品質試験,化石燃料,および原子力発電所のモニタリング
  • 航空宇宙 - エンジンおよび電力システムのテスト
  • 自動車 - 電気システムテスト,ハイブリッド,電気モーターテスト
  • 輸送 - 電気地下鉄車両,第三軌道とパンタグラフのテスト,電気エネルギ配電センタ

電流センサの長所

  • ACケーブルに取り付けやすいクランプモデル
  • ACアプリケーション用のパッシブおよびパワードクランプ
  • 長寿命オペレーション

電流センサの欠点

  • 比較的高価なセンサ
  • DCクランプ,ロゴスキー,フラックスセンサには外部電源が必要

変圧計器用変圧器 電圧トランス VT - 電位トランス PT

電流と同様に電圧は、モニタリングおよび解析目的で計測する最も基本的なエネルギ形態の1つです。電力エネルギーの品質をテストする場合でも、ハイブリッド電気自動車や機械のエネルギ消費をテストする場合でも、電力は非常に重要です。

世界中のほぼすべてのDAQシステムとデータロガーは、0~10Vまたは0~50Vの範囲の低電圧と中電圧を直接入力でき、電圧を下げるためのトランスデューサは必要ありません。SIRIUS-HVモジュールなどのDAQシステムでは高電圧で使用できるシグナルコンデショナが内蔵されており、50Vから約1000V(1200V,1600V))までの電圧を直接かつ安全に入力し、内部で降圧してデジタル化,表示,および収録できます。

しかし、より高電圧で、またはどんな場合でも、生命にかかわる電流および電圧が存在する場合は、高電圧トランスを使用して高電圧を降圧し、テストオペレータを危険な電圧および電流から隔離することが不可欠です。このようなデバイスは、電圧トランス(VT)または電位トランス(PT)と呼ばれます。

一般的な変圧器

一般的なPTは、トランスを使用して非常に高い電位(10kVより高い場合もある)を安全なレベルまで下げます。モニタリング対象の回路と直列または並列して配置できます。トランスの1次巻線は、2次巻線に比べて巻き数が多くなっています。

接続されているDAQシステムのインピーダンスは通常非常に高いため、流れる電流はごくわずかであり、PTの2次巻線にはほとんど負荷がかかりません。ほとんどのPTは50~200Vを出力し、ほぼすべてのDAQシステムで使用できます。

PTは屋外での使用と屋内での使用を目的として設計されています。電気計測アプリケーション用に設計されたものもあります。電圧をさらに下げるために中間トランスの後にコンデンサのバンクを使用する純粋なトランスタイプの代替品もあります。比較的低い降圧比の中間変圧器は、高い降圧比を持つ従来の巻線変圧器よりも安価であるため、これらはより安価になり得ます。

電圧トランスのアプリケーション

  • エネルギー生産と配電 - 高圧送電線の試験,発電機と主電力網の同期
  • 航空宇宙 - エンジンおよび電力システムのテスト
  • 自動車 - 電気システムテスト,ハイブリッド,電気モーターテスト
  • 輸送 - 電気地下鉄車両,3番目のレールとパンタグラフのテスト,電気エネルギ配電センタ

変圧器の長所

  • 高電圧,高電流を安全に扱えるように変換
  • ほとんどのモデルは外部電源を必要としません
  • 長寿命

変圧器の短所

  • 高価

光学式センサ

現在のセンサ市場には、光学式センサがいくつかあります。

  • 光量の計測,IR(赤外線),UV(紫外線)
  • 物体距離,物体の有無検出
  • 従来のセンサの置き換え

光量の計測,IR,UV

センサの周囲の光の量を検出または計測するためのアプリケーションは無数にあります。容易に想像できる簡単な例として、照明のオン-オフの自動スイッチに光検出器が使用されています。

携帯電話にも光センサが付いているので、画面の明るさを自動的に調整されます。今日のほとんどの車は、昼光が終わると自動的にヘッドランプをオンにし、接近車両が検出されると夜間にハイビームをオン/オフします。カメラは、露出を正しく設定するために周囲光を計測します。

上記のアプリケーション(およびその他)に使用される主な技術には、太陽光発電,フォトセル,またはフォトレジスターが含まれます。これらの技術は光を検出して計測するように設計されています。

光学式センサのほとんどは人間の可視スペクトル用に設計されていますが、一部は赤外線(IR)スペクトル内、さらには紫外(UV)スペクトル内でも機能するように設計されています。IRスペクトルは、多くのロボットシステムが使用するものであり、家庭用テレビのリモコンでも使用されています。IR放射は人間の目では見ることができませんが、高線量では私たちの目に損傷を与える可能性があるため、多くのアプリケーションの中で安全にIRスペクトルを検出することは重要です。

一般的なフォトセル ※画像はパブリックドメイン
By Levan jgarkava - own work, Public Domain
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7726138

フォトセルは、フォトレジスタまたはLDR(光依存抵抗器)とも呼ばれ、セルに当たる光の量に比例して出力が変化するため、光の存在と量を検出できます。セルには、通常硫化カドミウムから作られたパターンがあります。セルに光が当たっていない状態では、セルの抵抗は高く、セルに光が当たるとその抵抗は光の量に比例して低下します。

適切なシグナルコンディショナと組み合わせて、オン/オフセンサとして、または光の強度を計測するために使用されます。セルの化学的性質に基づいて、これらの小さくて安価なセルは、赤外線スペクトルまで検出できます。

物体距離,物体の有無検出

フォトディテクタ(光検出器、別名近接センサ)、ならびに半導体ベースの類似品(フォトダイオード)は、物体の有無検出または物体間の距離を計測するために使用されます。

工場のプロセスラインを含むさまざまな産業用アプリケーションで使用され、ベルト上の製品の間隔が適切であることを確認したり、製品がベルト上の所定の位置にあることを検出します。これらは自動車アプリケーション、例えば他の車や物体の存在の検出,警報システム,CDおよびDVDドライブにも使用されます。

CDドライブからの一般的な光検出器
Jacopo Werther / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

従来のセンサの置き換え

ひずみゲージ,加速度センサ,温度センサなどの従来のセンシング技術の強化と置き換えを行うために、光学式センサを使用してセンシングする技術も増えています。

光ファイバー伝送

センサのパフォーマンスに加えて、別のメリットは銅ケーブルを使用する場合と比較して、センサデータ自体が光ファイバーを使用して伝送されることです。

光ファイバーケーブルの構造
※画像:Wikimedia Commons
(https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f0/Fiber-optic-construction.png )

信号をある地点から別の地点に送信するために、電気伝送の代わりに光ファイバーが使用されています。身近では、光ファイバーを使用してテレビやインターネットを従来のケーブルよりも速い伝送速度で家庭に届けられています。光ファイバー伝送には、電気伝送に比べて次のようないくつかの明確な利点もあります。

  • 磁気干渉の影響を受けない
  • 抵抗と加熱に対する耐性
  • 信号損失のない非常に長い信号伝送経路
  • 複数の信号線を1本の細いケーブルに減らすことができます
  • 非常に高い帯域幅

光学式センサの用途

  • ライトの自動オン/オフ,警報システム
  • 工場プロセスアプリケーション,組立ライン,コンベアシステム
  • ロボット工学,移動方向,および検出
  • 煙探知機
  • 医療サンプル分析
  • レーザー距離計,暗視ゴーグル
  • 自動ドア

光学センサの長所

  • 光ファイバー伝送は非常に高速で、電磁干渉や他の外力による干渉の影響を受けない
  • 光学式センサは非接触であるため長寿命
  • ほとんどの光学センサは安価で非常に小さい

光学センサの短所

  • フォトセル(別名フォトレジスタ)は、光の変化に反応するのが比較的遅い

カメラセンサ

私たちはカメラを写真や映画を撮影するためにのみ使用されるものと考えていますが、あらゆる種類の産業用および科学用アプリケーションでも使用されています。工場では、単一および連続のイメージセンサカメラ(ビデオカメラ)を使用して、さまざまな製造および組み立てラインプロセスをモニタリングおよび制御しています。

DEWESoftの産業用高速DS-CAMビデオカメラ

カメラは、DAQシステム計測アプリケーションの重要な部分でもあります。実際、DEWESoftのDAQシステムは、1つまたは複数のビデオカメラを使用して、記録しているアナログおよびデジタルデータと同期してビデオを記録できます。

ビデオと同期したアナログおよびデジタルデータを示すDEWESoft DAQシステム:
https://youtu.be/RwSPUk7yK9U

プロフェッショナルカメラとコンシューマカメラ

安価なWebカメラを使用して、一部のDAQシステムの記録にビデオを追加することが可能です。一方、より優れたレンズとカメラのフレームレートを使用して、記録中のプロセスやデータ取得サンプルレートに同期させる機能を備えた産業用カメラもあります。

たとえば、ここに示すDS-CAM-600は、フルHD解像度で1秒あたり最大336フレーム、画像のサイズを縮小した場合は1秒あたり最大600フレームを出力できます。また、カメラはIP 67に準拠して密閉されているため、湿った場所やほこりの多い場所など、過酷な環境で使用できます。DEWESoft DAQシステム内では、複数のカメラを同時に使用して、テスト対象のオブジェクトの異なる視野角を解析できます。

DEWESoft社は2000年代初頭に一般的なウェブカメラをDAQシステムに追加しました。次のステップは、フレームレートを正確に制御でき、より優れた解像度と速度を提供する産業用カメラを使用することでした。

機械的な取り付けと頑丈な構造は、どのセンサにとっても重要であり、今日の最高の産業用マシンビジョンカメラに組み込まれています。

赤外線またはサーマルカメラ

赤外線カメラは科学および産業用アプリケーションでも使用されることがあり、DAQアプリケーションのもう1つの重要なセンサです。赤外線カメラは視野内の温度を「見る」ことができるため、非接触で温度を計測するのに最適な方法です。

【動画】同期されたアナログデータ、IRおよび標準カメラを使用したDewesoft Xからのデータファイルのエクスポート

赤外線は発電所のトラブルシューティングに非常に役立ちます。これは、通常よりも高温の電源と発電機が問題を示しているためです。IRカメラを使用して一見すると、トラブルスポットを簡単に確認できます。

同じことが自動車のブレーキ試験にも当てはまります。IRカメラを使用すると、動作中のブレーキの正確な温度を計測し、さまざまな条件下でブレーキが加熱および冷却する速度を正確に計測できます。最近では、夜間に車が視界に入る前に人や他の熱エネルギー源を検出できるため、ADAS(高度運転支援システム)でますます使用されています。

まったく異なるスペクトルを「見る」ことができることで、今日のほとんどすべてのテストおよび計測アプリケーションに多くの可能性が見いだされます。IRカメラの最も有名なメーカーはFLIRであり、DEWESoftは多くのカメラをDAQシステムに統合しているため、上図の例に示すように、アナログおよびデジタルセンサデータと同期して連続的なサーモグラフィデータを取得できます。

高速カメラ

高速カメラは、非常に速く変化するイベントをキャプチャするのに役立ちます。おそらく、風船が割れるスローモーションのリプレイや、水の入ったグラスを破壊するのを見たことがあるでしょう。これらのビデオは、高速ビデオカメラで撮影されたものです。

Photronの高速ビデオカメラの品揃え

Photronの高速カメラは、毎秒最大500,000枚の写真をキャプチャします。このデータはRAMにキャプチャされ、すぐに再生できます。DEWESoft DAQシステムをPhotronカメラと同期させて、両方を同時にスタートできます。テストが終了すると、高速ビデオはすぐにDEWESoft DAQシステムに転送され、他のデータと自動的に同期されます。他のセンサからのすべてのデータと完全に同期して再生できます。

【動画】DEWESoft DAQ機器とソフトウェアを使用したヒューズスイッチテストのビデオ

概要

カメラはエンジニアが記録するデータに独自の関連性を持たせ、さまざまな研究や試験に重要な情報を追加し解析を容易にします。

カメラセンサアプリケーション

  • 産業用カメラ:工場自動化とプロセス制御; 自動車通過騒音試験,風洞試験,ブレーキ試験; 航空宇宙管制面試験,脱出スライド試験,エンジン試験
  • 赤外線カメラ:エネルギおよび電力試験,自動車ADAS(高度運転支援システム)
  • 高速カメラ:弾道テスト; 流体力学研究; 材料試験; 自動車衝突試験; 航空宇宙風洞試験

カメラセンサの利点

  • 産業用カメラ:IP67環境保護、同期出力; 最大600 fpsのフレームレート,センサデータとテスト中のオブジェクトの画像の直接比較
  • 赤外線カメラ:非接触温度計測,リアルタイムでのセンサデータと熱画像の直接比較
  • 高速カメラ:毎秒最大500,000フレームのキャプチャ

カメラセンサの短所

  • 産業用カメラ:ウェブカメラよりも高価
  • 赤外線カメラ:高価、IRはガラスを通して「視認する」ことができない
  • 高速カメラ:非常に高価、サンプルレートが高いため収録時間が短い、被写体に多くの周辺光またはDC光が必要

デジタルセンサ

デジタルセンサについて説明する場合、通常は線形または角度位置に関連する離散値(イベント)を出力するセンサと、計測物が近くに存在することを検出するために使用されるセンサを指します。最も一般的に使用されているデジタルセンサを見てみましょう。

近接センサ

近接センサは、接触することなく近接物体を検出でき、出力パルスまたは電圧信号として出力できます。近接センサにはいくつかのタイプがあり、検出する必要のある計測物の構成に基づいて選択されます。

一般的な近接センサ

ロータリエンコーダ

ロータリエンコーダは、 360度の回転あたりに最大数千の分解能で使用できるため、優れた角度分解能を有します。つまり、1°よりはるかに細かい角度分解能で計測できます。多くのエンコーダは回転方向も検出でき、一部のアプリケーションでは不可欠です。

一般的なロータリエンコーダ

インクリメンタルエンコーダ

インクリメンタルエンコーダは、位置と方向の相対的な変化を計測します。 絶対位置(角度)はトラッキングしません。

インクリメンタルエンコーダは、動きと方向の変化を示すAおよびB信号を出力します。インクリメンタルエンコーダは、特定の位置(原点)に「もどる」または基準にすることができます。原点にもどると、Z出力信号が生成されます。インクリメンタルエンコーダは、最も一般的なタイプのエンコーダです。

リニアエンコーダ

リニアエンコーダは、直線経路に沿った位置を計測します。内部に円形プレートがあり、シャフトの位置を計測できるロータリエンコーダとは異なり、ほとんどのリニアエンコーダは外部スケールに沿って移動し、スケール上のマーキングから位置を決定します。

リニアエンコーダ ※画像供給:ハイデンハイン

身近な例としてインクジェットプリンタで使用されています。印刷中にリニアエンコーダを使用して、プリントヘッドをスケールに沿って前後に正確に移動します。このようなアプリケーションでは、高い分解能と精度が必要とされています。

リニアエンコーダで使用される最も一般的な検知技術は光学式ですが、磁気,容量,誘導技術を採用するエンコーダもあります。光学式エンコーダは、最高の精度と分解能を出力しますが、汚染物質が動作に干渉しないように注意が必要です。

アナログとデジタルの両方の出力リニアエンコーダがあります。 前のセクションで説明したインクリメンタルロータリエンコーダと非常によく似たAおよびB出力のため、 DEWESoftシステムはデジタル出力により適しています。

ギアトゥース(ギア歯)センサ

この角度ベースのセンサは、周囲に歯がある歯車と、歯が通り過ぎると検出されるように配置された近接センサで構成されます。この近接センサは通常ホール効果タイプですが、他のタイプもあります。モニタリングする回転シャフトにギアを取り付ける必要があります。

近接センサ付きギアの歯

ホール効果近接センサは、磁石と通過する歯車の歯との間のギャップにある磁束の変化を検出します。最新のシステムでは、信号は方向に影響されないバイナリ方形波に変換され、停止するまでギア速度に追従でき、電源投入直後に通過する最初のギアの歯を検出します。

ほとんどのホール効果センサは、通過する歯車の歯を検出できるだけでなく、ディスクやプレートの穴、さまざまなディスクやプレートに追加された鉄の変化点(ボルトなど)、ドライブシャフトやカムシャフトのノッチを検出するためにも使用できます。

デジタルセンサアプリケーション

  • 近接センサ:回転シャフトの回転数をカウント(タコメータアプリケーション); 生産ラインを通過する部品を数える; 交差点車両検出(道路に埋設)
  • ロータリエンコーダ:モータ,コンベヤー,充填システム,ピックアンドプレースシステムの速度計測,機械の速度,位置,距離の計測(パルプおよび紙,金属製造)
  • リニアエンコーダ:CNCマシン,インクジェットプリンタ; レーザースキャナー; ピックアンドプレース製造システム,ロボット工学
  • ギア歯センサ:回転シャフトのRPMの計測。エンジン燃焼分析; ねじりおよび回転振動の研究

デジタルセンサの長所

  • 近接センサ:非常に信頼性が高い; 低価格; 静電容量タイプは厚さの計測にも使用可能。誘導型は水や泥などの影響を低減
  • ロータリエンコーダ:高速/低遅延,高解像度; 信頼性が高く正確
  • リニアエンコーダ:ロータリエンコーダと同じ
  • ギア歯センサ:通常、非常に頑丈で壊れにくい。初期および運用コストが非常に低い

デジタルセンサの短所

  • 近接センサ:制限された検出距離(~70mm); 外部電源が必要
  • ロータリエンコーダ:磁気エンコーダでRFおよびEM干渉が発生する可能性があります。光学式エンコーダで光干渉の可能性
  • リニアエンコーダ:ロータリエンコーダと同じ
  • ギア歯センサ:限られた検出距離。エンコーダと比較して角度分解能が限られているため、シャフトの360°回転の周りに数百または数千のステップが必要

まとめ

センサとは何か、それらがどのように機能するか、そして、非常に広範囲のモニタリングおよびテストアプリケーションにセンサをどのように適用できるかについて、理解を深めていただければ幸いです。センシング技術は常に進歩を続けており、センサはますます改善されており、正確で再現性のある計測を行うためにさらなる効率的な方法が考えられています。センサベースのテクノロジ自体は常に進化しています。

このマメ知識はセンシング技術の一端に触れただけです。反射超音波を使用して距離を計測する超音波センサ、ガスや蒸気を検出する化学センサなど、現在利用可能なセンサは他にもたくさんあります。