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センサー（Sensor）

「センサー」とは、指定された測定値を感知し、それを定められた規則に従って使用可能な出力信号に変換できるデバイスのことです。

センサーの定義

国家規格 GB7665-87 では、センサーを次のように定義しています。
「指定された測定値を感知し、特定の規則に従ってそれを使用可能な信号に変換できるデバイスまたはデバイス。通常、感知素子と変換素子で構成される。」
センサーは、情報の送信、処理、保存、表示、記録、制御の要件を満たすために、測定された情報を感知し、検出された情報を電気信号または特定のルールに従って出力されるその他の必要な形式の情報に変換できる検出デバイスであり、自動検出と自動制御を実現するための主要なリンクです。

New Webster Dictionary では、「センサー」は「あるシステムから電力を受け取り、通常は別の形式で 2番目のシステムに電力を送信するデバイス」と定義されています。
この定義によれば、センサーの機能は、ある種類のエネルギーを別の形式のエネルギーに変換することであるため、多くの学者は「センサー（Sensor）」を指すのに「トランスデューサー（Transducer）」を使用します。

基礎的なテーマの研究では、センサーがより重要な位置を占めています。現代の科学技術の発展は、マクロな視点からは数千光年にもわたる広大な宇宙を観察する必要があり、ミクロな視点からは地球の世界を観察する必要があるなど、多くの新しい分野に進出しています。
nmほどの小さな粒子を垂直に観測するためには、数十万年にわたる天体の進化を、数秒という短い反応で観察する必要があります。また、超高温、極低温、超高圧、超高圧など、物質の理解を深め、新エネルギーや新素材の開発に重要な役割を果たす様々な極限技術の研究も行われています。
真空、超強磁場、超弱磁場など。人間の感覚器官では直接得られない大量の情報は、適切なセンサーがなければ当然得られません。

多くの基礎科学研究の最初の障害は、物体の情報を取得することが難しいことにありますが、いくつかの新しいメカニズムや高感度の検出センサーの出現が、この分野のブレークスルーにつながることがよくあります。
一部のセンサーの開発は、多くの場合、一部のエッジ主題の開発の先駆者となります。
センサーはすでに工業生産、宇宙開発、海洋探査、環境保護、資源調査、医療診断、生物工学、さらには文化財保護など幅広い分野に浸透しています。
広大な宇宙から広大な海洋、さまざまな複雑なエンジニアリング システムに至るまで、現代のほぼすべてのプロジェクトはさまざまなセンサーと切り離せないと言っても過言ではありません。
経済の発展と社会の進歩の促進におけるセンサー技術の重要な役割は非常に明白であることがわかります。世界中の国々がこの分野の発展を非常に重視しています。近い将来、センサー技術は飛躍的に進歩し、その重要な地位にふさわしい新たなレベルに到達すると信じています。

センサーの原理

センサー動作原理の分類
物理センサーは、圧電効果、磁歪現象、イオン化、分極、熱電気、光電気、磁気電気、その他の効果などの物理的効果を応用します。
測定された信号量の小さな変化が電気信号に変換されます。化学センサーには、化学吸着や電気化学反応などの因果関係のあるセンサーがあり、測定される信号量の微小な変化も電気信号に変換されます。
センサーに±15Vの電源を供給すると、励起回路の水晶発振器が400Hzの方形波を生成し、AC励起電源がTDA2030パワーアンプを介して生成され、固定された1次コイルから回転する2次コイルに伝送されます。
AC電源は、シャフト上の整流回路とフィルター回路を介して±5VのDC電源を得て、オペアンプAD822の動作電源として使用します。
基準電源AD589とデュアルオペアンプAD822で構成された安定化電源により、±4.5Vの高精度DC電源を生成し、ブリッジ電源とアンプやV/Fコンバータの動作電源を兼ねる電源です。
弾性シャフトがねじりを受けると、ストレインブリッジで検出したmVレベルのひずみ信号が計器用アンプAD620で1.5v±1vの強い信号に増幅され、V/F変換器LM131で周波数信号に変換されます。
回転する一次コイルは固定された二次コイルに伝達され、ハウジング上の信号処理回路によってフィルタリングおよび整形され、弾性ベアリングのトルクに比例した周波数信号が得られます。
この信号は TTLレベルであり、専用の 2次回路に提供することができ、2次計器または周波数計の表示をコンピュータに直接送信して処理することもできます。
レゾルバの動的リングと固定リング間の隙間はわずか数十分の1ミリで、センサーシャフトの上部は金属シェルで密閉され、効果的なシールドを形成しているため、強力な耐干渉性能を備えています。
センサーの中には、物理式と化学式のどちらにも分類できないものがあります。
ほとんどのセンサーは物理的原理で作動します。
化学センサーには信頼性の問題、大量生産の可能性、価格の問題など、多くの技術的な問題があります。これらの問題が解決されれば、化学センサーの応用は大きく伸びると考えられます。

センサーの用途

　1. 人体からの赤外線マイクロ波を利用してドアを開閉する自動ドア
　2. 感煙抵抗器を使用して煙の濃度を測定し警報目的を達成する煙警報器
　3. 携帯電話およびデジタル光学センサーを使用したカメラで画像をキャプチャします。
　4. 電子天秤は、機械センサー (導体ひずみゲージ技術) を使用してひずみゲージに対する物体の圧力を測定し、重量測定の目的を達成します。
　5. 水位アラーム、温度アラーム、湿度アラーム、光学式アラームなど…

スマートセンサーは、航空宇宙、航空、国防、科学技術、工業生産や農業生産などのさまざまな分野で広く使用されています。
例えば、ロボット工学の分野では、スマートセンサーによってロボットが人間のような顔や脳の機能を持ち、さまざまな現象を認識し、さまざまな動作を行うことができるなど、幅広い応用が期待されています。
工業生産では、特定の製品品質指標 (粘度、硬度、表面仕上げ、組成、色、味など) を、従来のセンサーを使用してオンラインで迅速かつ直接測定および制御することができません。
スマート センサーを使用すると、製品の品質指標に機能的に関連する生産プロセス内の特定の量 (温度、圧力、流量など) を直接測定できます。

センサーの分類

センサーは、変換原理^＊、用途、出力信号の種類、製造に使用される材料とプロセスなど、さまざまな観点から分類できます。
(＊変換原理 = センサー動作の基本的な物理的または化学的効果)
センサーは、その動作原理に従って、物理センサーと化学センサーの 2つのカテゴリに分類できます。

センサーの動作原理の分類

物理センサーは、圧電効果、磁歪現象、イオン化、分極、熱電気、光電、磁気電気およびその他の効果。測定された信号量の小さな変化が電気信号に変換されます。
化学センサーには、化学吸着や電気化学反応などの因果関係のあるセンサーがあり、測定される信号量の微小な変化も電気信号に変換されます。
一部のセンサーは、物理的カテゴリーにも化学的カテゴリーにも分類できません。ほとんどのセンサーは物理原理に基づいて動作します。
化学センサーには、信頼性の問題、大規模生産の可能性、価格の問題など、多くの技術的課題があります。これらの問題が解決されれば、化学センサーの応用は大きく伸びると考えられます。

一般的なセンサーの応用分野と動作原理を以下の表に示します。

1. センサーは用途に応じて分類されます。
　感圧センサーおよび力感知センサー 位置センサー
　液面センサー エネルギー消費センサー
　速度センサー 加速度センサー
　放射線センサー 温度センサー
　24GHzレーダーセンサー

2. センサーはその原理に従って分類されます。
　振動センサー、湿度センサー、磁気センサー、ガスセンサー、真空センサー、バイオセンサーなど

3. センサーは出力信号に従って分類されます。
　アナログセンサー - 測定された非電気量をアナログ電気信号に変換します。
　デジタル センサー - 測定された非電気量をデジタル出力信号に変換します (直接変換および間接変換を含む)。
　デジタル センサー - 測定された信号量を周波数信号または短周期信号出力に変換します (直接変換または間接変換を含む)。
　スイッチセンサー - 測定信号が特定のしきい値に達すると、センサーはそれに応じて設定されたローレベルまたはハイレベル信号を出力します。

4. センサーは材質に応じて分類されます。
外部要因の影響下で、すべての材料は対応する特徴的な反応を起こします。これらの材料のうち、外部の影響に最も敏感な材料、つまり機能的特性を備えた材料が、センサーの感応要素の製造に使用されます。 使用される材料の観点から、センサーは次のカテゴリに分類できます。

　(1) 使用される材料の種類によると、金属、ポリマー、セラミック、混合物
　(2) 材料の物性による：導体、絶縁体、半導体、磁性体
　(3) 材料の結晶構造による：単結晶、多結晶、アモルファス材料

新材料の使用と密接に関係するセンサー開発作業は、次の 3 つの方向に要約できます。

　(1) 既知の材料における新しい現象、効果、反応を探索し、センサー技術での実用化を可能にする。​
　(2) 新しい材料を探索し、それらの既知の現象、効果、反応を応用してセンサー技術を向上させます。​
　(3) 新材料の研究に基づいて新たな現象、新たな効果、反応を探索し、センサー技術に実装する。

現代のセンサー製造の進歩は、センサー技術用の新素材と高感度コンポーネントの開発の度合いにかかっています。 センサー開発の基本的な傾向は、半導体および誘電体材料の応用と密接に関連しています。

5. センサーは製造プロセスに従って分類されます。
　一体型センサー
　薄膜センサー
　厚膜センサー
　セラミックセンサー
集積センサーは、シリコンベースの半導体集積回路を製造するための標準プロセス技術を使用して製造されます。
通常、測定信号の前処理に使用されるいくつかの回路も同じチップ上に統合されます。
薄膜センサーは、対応する感応材料の薄膜を誘電体基板 (基板) 上に堆積することによって形成されます。ハイブリッドプロセスを使用する場合、回路の一部をこの基板上に製造することもできます。
厚膜センサーは、通常 Al2O3 からなるセラミック基板上に対応する材料のスラリーをコーティングし、熱処理して厚膜を形成することによって作られます。
セラミック センサーは、標準的なセラミック プロセスまたはその変形 (ゾルゲルなど) を使用して製造されます。
適切な準備操作の後、成形された部品は高温で焼結されます。厚膜センサーとセラミックセンサーの 2つのプロセスには多くの共通の特徴があり、ある点では厚膜プロセスはセラミックプロセスのバリエーションと考えることができます。
各プロセス技術には独自の長所と短所があります。研究、開発、生産に必要な資本投資が少なく、センサーパラメータの安定性が高いため、セラミックセンサーと厚膜センサーの使用はより合理的です。

6. センサーは測定目的に応じて分類されています。
物理センサーは、測定対象物質の物理的性質が大きく変化する特性を利用して作られています。
化学センサーは、化学物質の組成や濃度などの化学量を電気量に変換できる高感度素子で構成されています。
バイオセンサーとは、さまざまな生物や生体物質の特性を利用して、生物内の化学成分を検出・識別するセンサーです。

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