素晴らしい！センサーの知識を包括的にまとめたもの

英語では Sensor または Transducer とも呼ばれるセンサーは、New Webster Dictionary では「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、ある形態のエネルギーを別の形態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」を指すのに「トランスデューサー」も使用します。

センサーは、通常、感知要素と変換要素で構成され、情報を測定し、ユーザーが情報を認識できるようにする検出デバイスです。変換を通じて、センサー内のデータまたは値情報は、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電気信号またはその他の必要な出力形式に変換されます。

01. センサー開発の歴史

1883 年、世界初のサーモスタットが正式に発売されました。このサーモスタットは、ウォーレン S. ジョンソンという発明家によって作成されました。このサーモスタットは、センサーとセンシング技術を利用して、温度をある程度の精度で維持することができます。当時、それは非常に強力な技術でした。

1940 年代後半に、最初の赤外線センサーが登場しました。その後も数多くのセンサーが開発されてきました。現在までに、世界中には 35,000 種類以上のセンサーがあり、その数と用途は非常に複雑です。今がセンサーやセンサー技術にとって最も熱い時期であると言えます。

1987 年、ADI (アナログ デバイセズ) は新しいセンサーの研究開発への投資を開始しました。このセンサーは他のセンサーとは異なります。 MEMSセンサーと呼ばれるもので、マイクロエレクトロニクスやマイクロマシニング技術を用いて製造された新しいタイプのセンサーです。従来のセンサーと比較して、小型、軽量、低コスト、低消費電力、高信頼性、大量生産に適しており、統合とインテリジェント化が容易という特徴があります。 ADI は、業界で最も早く MEMS 研究開発を行った企業です。

1991 年に、アナログ・デバイセズは、主に自動車のエアバッグ衝突監視に使用される業界初の High-g MEMS デバイスをリリースしました。その後、多くのMEMSセンサーが開発され、携帯電話や照明、水温検知などの精密機器に広く使われるようになりました。 2010 年の時点で、世界中で約 600 のユニットが MEMS の研究開発と生産に従事していました。

02. センサー技術開発の 3 つの段階

フェーズ 1: 1969 年以前

主に構造センサーとして現れます。構造センサーは、構造パラメーターの変化を使用して信号を感知し、変換します。例: 金属材料が弾性変形するときの抵抗の変化を利用して電気信号を変換する抵抗ひずみセンサー。

第2期：1969年から約20年後

1970 年代に開発が始まった固体センサーは、半導体、誘電体、磁性材料などの固体コンポーネントで構成され、材料の特定の特性を利用して作られています。たとえば、熱電効果、ホール効果、光感度効果を使用して、それぞれ熱電対センサー、ホール センサー、光センサーを作成します。

1970 年代後半、集積技術、分子合成技術、マイクロエレクトロニクス技術、コンピューター技術の発展により、集積センサーが登場しました。

一体型センサには、センサ自体を一体化したものと、センサ以降の回路を一体化したものの2種類があります。このタイプのセンサーは主に、低コスト、高信頼性、良好なパフォーマンス、および柔軟なインターフェイスという特徴を備えています。

統合センサーは非常に急速に発展しており、現在センサー市場の約 2/3 を占めています。低価格化、多機能化、シリアル化の方向で開発を進めています。

第 3 段階：一般に 20 世紀末から現在までを指します。

いわゆるインテリジェント センサーとは、データを検出、自己診断、処理し、外部情報に適応する機能を指します。マイコン技術と検出技術を組み合わせた製品です。

1980 年代には、インテリジェント センサーが開発され始めたばかりでした。現時点では、インテリジェント測定は主にマイクロプロセッサに基づいていました。センサー信号調整回路、マイクロコンピューター、メモリー、インターフェースがチップに統合され、センサーにある程度の人工知能が与えられました。

1990年代にはインテリジェント測定技術がさらに改良され、自己診断機能、メモリー機能、マルチパラメータ測定機能、ネットワーク通信機能などを備え、センサーの初段階からインテリジェンスが実現されました。

03. センサーの種類

現在、世界には国際的な標準や規範が不足しており、権威ある標準タイプのセンサーは策定されていません。それらは、単純な物理センサー、化学センサー、バイオセンサーにのみ分類できます。

たとえば、物理センサーには、音、力、光、磁気、温度、湿度、電気、放射線などが含まれます。化学センサーには、各種ガスセンサー、酸塩基pH値、イオン化、分極、化学吸着、電気化学反応などが含まれます。生体センサーには、酵素電極や生体電気メディエーターなどが含まれます。製品の使用と生成過程との因果関係は複雑に絡み合っており、厳密に分類することは困難です。

センサーの分類と名前に基づいて、主に次の種類があります。

(1) 変換原理により、物理センサー、化学センサー、生物学センサーに分類できます。

(2) センサーの検出情報に応じて、音響センサー、光センサー、熱センサー、力センサー、磁気センサー、ガスセンサー、湿度センサー、圧力センサー、イオンセンサー、放射線センサーに分類できます。

(3) 電源供給方式により、アクティブセンサーとパッシブセンサーに分類できます。

(4) 出力信号に応じて、アナログ出力、デジタル出力、スイッチセンサーに分類できます。

(5) センサーに使用される材料に応じて、以下に分類できます。 半導体材料。結晶材料。セラミック材料;有機複合材料。金属材料。ポリマー材料;超電導材料。光ファイバー材料。ナノマテリアルやその他のセンサー。

(6) エネルギー変換に応じて、エネルギー変換センサーとエネルギー制御センサーに分類できます。

(7) 製造プロセスに応じて、機械加工技術に分類できます。複合的かつ統合された技術。薄膜および厚膜技術。セラミック焼結技術。 MEMS技術。電気化学技術およびその他のセンサー。

世界中で製品化されているセンサーは約26,000種類あります。私の国にはすでに約14,000の種類があり、そのほとんどは従来の種類と品種です。 7,000以上の品種が商品化可能ですが、医療、科学研究、微生物学、化学分析などの特殊な品種には依然として不足や不足があり、技術革新の余地が大きいです。

04. センサーの機能

センサーの機能は通常、人間の 5 つの主要な感覚器官と比較されます。

感光センサー - 視覚

音響センサー - 聴覚

ガスセンサー - 匂い

化学センサー - 味覚

感圧式、温度感知式の流体センサー - タッチ

①物理センサー：力、熱、光、電気、磁気、音などの物理的影響に基づく。

②化学センサー：化学反応の原理に基づく。

③生体センサー：酵素、抗体、ホルモンなどの分子認識機能に基づく。

コンピューター時代、人間は脳シミュレーションの問題を解決しました。これは、0 と 1 を使用して情報をデジタル化し、ブール論理を使用して問題を解決することに相当します。今はポストコンピューター時代であり、私たちは五感をシミュレートし始めています。

しかし、人間の五感をシミュレートするということは、センサーをより鮮明に表す用語です。比較的成熟したセンサー技術は、依然として工業用測定でよく使用される力、加速度、圧力、温度などの物理量です。視覚、聴覚、触覚、嗅覚、味覚などの実際の人間の感覚は、センサーという観点から見ると、そのほとんどがあまり成熟していません。

物理量としては視覚と聴覚が比較的優れていると考えられますが、触覚は比較的劣ります。匂いや味については、生化学的な量の測定を伴うため、そのメカニズムは比較的複雑であり、技術的にはまだ成熟した段階にはありません。

センサーの市場は実際にはアプリケーションによって動かされます。たとえば、化学産業では、圧力センサーと流量センサーの市場が非常に大きいです。自動車業界では、回転速度や加速度などのセンサーの市場が非常に大きいです。微小電気機械システム (MEMS) に基づく加速度センサーは現在技術的に比較的成熟しており、自動車産業の需要に大きく貢献しています。

センサーの概念が「出現」する前、初期の測定機器には実際にセンサーがありましたが、それらは機器セット全体のコンポーネントとして登場しました。したがって、1980 年以前は、中国でセンサーを紹介する教科書は「非電気量の電気測定」と呼ばれていました。

センサーの概念の出現は、実際には測定機器の段階的なモジュール化の結果です。それ以来、センサーは機器システム全体から分離され、機能デバイスとして研究、製造、販売されてきました。

05. センサーに関する一般的な専門用語

センサーが成長し、開発し続けるにつれて、私たちはセンサーについての理解を深めています。以下の 30 の一般的な用語を要約します。

1. 範囲: 測定範囲の上限と下限の間の代数的な差。

2. 精度: 測定結果と真の値の間の一致度。

3. 通常、センシティブ要素と変換要素で構成されます。

敏感な要素とは、測定値に直接（または応答）できるセンサーの部分を指します。

変換要素とは、感知要素によって感知された（または応答された）測定値を、送信および（または）測定のために電気信号に変換できるセンサーの部分を指します。

出力が特定の標準信号である場合、それは送信機と呼ばれます。

4. 測定範囲: 許容誤差範囲内の測定値の範囲。

5. 再現性: 以下のすべての条件下で、同じ測定量を複数回連続して測定した結果間の一貫性の度合い。

同じ測定者、同じ観察者、同じ測定器、同じ場所、同じ使用条件、短期間での繰り返し。

6. 分解能: 指定された測定範囲内でセンサーが検出できる測定量の最小変化。

7. しきい値: センサー出力に測定可能な変化を生じさせる、測定量の最小変化。

8. ゼロ位置：平衡状態など、出力の絶対値が最小となる状態。

9. 直線性: 検量線が特定の限界と一致する度合い。

10. 非直線性: 検量線が特定の指定された直線から逸脱する度合い。

11. 長期安定性: 指定された時間内で許容値を維持するセンサーの能力。

12. 固有振動数：抵抗がないときのセンサーの自由（外力なし）振動周波数。

13. 応答性: 出力中に変化する測定量の特性。

14. 補償された温度範囲: センサーが範囲内および指定された制限内でゼロ バランスを維持するために補償された温度範囲。

15. クリープ：測定機械の環境条件が一定の場合の、指定時間内の出力の変化。

16. 絶縁抵抗：特に指定のない限り、室温において規定の直流電圧を印加したとき、センサの規定の絶縁部分間に測定した抵抗値を指します。

17. 励起: センサーを適切に動作させるために加えられる外部エネルギー (電圧または電流)。

18. 最大励磁: 屋内条件下でセンサーに印加できる励起電圧または電流の最大値。

19. 入力インピーダンス: 出力端が短絡されたときにセンサーの入力端で測定されるインピーダンス。

20. 出力: 外部測定量の関数であるセンサーによって生成される電気量。

21. 出力インピーダンス: 入力端が短絡されたときにセンサーの出力端で測定されるインピーダンス。

22. ゼロ出力: 市街地条件下で適用される測定量がゼロの場合のセンサーの出力。

23. ヒステリシス：測定値が指定範囲内で増加または減少したときの出力の最大差。

24. 遅延: 入力信号の変化に対する出力信号の変化の時間遅延。

25. ドリフト: 一定の時間間隔内での、測定とは無関係なセンサー出力の変化量。

26. ゼロドリフト: 屋内条件下での、指定された時間間隔でのゼロ出力の変化。

27. 感度: センサー出力の増分と対応する入力の増分の比率。

28. 感度ドリフト: 感度の変化によって生じる検量線の傾きの変化。

29. 温度感度ドリフト: 感度の変化によって引き起こされる感度ドリフト。

30. 熱ゼロドリフト: 周囲温度の変化によって引き起こされるゼロドリフト。

06. センサーの応用分野

センサーは広く使用されている検出デバイスであり、環境監視、交通管理、医療健康、農業および畜産、防火、製造、航空宇宙、電子製品などの分野で使用されています。測定中の情報を感知し、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、感知し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ます。

①産業制御：産業オートメーション、ロボット、検査機器、自動車産業、造船など

産業用制御アプリケーションは、自動車製造、製品プロセス制御、産業機械、特殊機器、自動生産装置などで使用される各種センサーなど、プロセス変数（温度、液面、圧力、流量、流量など）を測定するために広く使用されています。など）、電子特性（電流、電圧など）および物理量（動き、速度、荷重、強度）を測定し、従来の近接/位置センサーは急速に開発されています。

同時に、スマートセンサーは、人間と機械を結びつけ、ソフトウェアとビッグデータ分析を組み合わせることで、物理学と材料科学の限界を打ち破ることができ、世界の仕組みを変えるでしょう。インダストリー 4.0 のビジョンでは、エンドツーエンドのセンサー ソリューションとサービスが生産現場に復活します。これにより、より賢明な意思決定が促進され、業務効率が向上し、生産量が増加し、エンジニアリング効率が向上し、業績が大幅に向上します。

②電子製品：スマートウェアラブル、通信エレクトロニクス、家庭用電化製品など。

センサーは主にスマートウェアラブルや電子製品の3Cエレクトロニクスに使用されており、アプリケーション分野では携帯電話が最大の割合を占めています。携帯電話の生産の大幅な増加と携帯電話の新しい機能の継続的な増加により、センサー市場に機会と課題がもたらされています。カラースクリーン携帯電話やカメラ付き携帯電話の市場シェアの増加により、この分野におけるセンサーアプリケーションの割合が増加しています。

このほか、グループ電話やコードレス電話に使用される超音波センサー、磁気記憶媒体に使用される磁界センサーなどが大きく伸びると考えられます。

ウェアラブル アプリケーションの観点からは、センサーは不可欠なコンポーネントです。

たとえば、フィットネス トラッカーやスマート ウォッチは、活動レベルや基本的な健康パラメータを追跡するのに役立つ日常のライフスタイル デバイスになりつつあります。実際、手首に装着するこれらの小さなデバイスには、人々が活動レベルや心臓の健康状態を測定するのに役立つ多くのテクノロジーが組み込まれています。

一般的なフィットネス ブレスレットやスマート ウォッチには、約 16 個のセンサーが組み込まれています。価格によっては、それ以上のセンサーが組み込まれている製品もあります。これらのセンサーは、他のハードウェア コンポーネント (バッテリー、マイク、ディスプレイ、スピーカーなど) および強力なハイエンド ソフトウェアとともに、フィットネス トラッカーまたはスマート ウォッチを構成します。

現在、ウェアラブルデバイスの応用分野は、時計、メガネ、靴などの外付けから、電子皮膚などの幅広い分野に広がっています。

③航空・軍事：航空宇宙技術、軍事工学、宇宙探査など。

航空分野では、搭載されるコンポーネントの安全性と信頼性が非常に高くなります。これは、さまざまな場所で使用されるセンサーに特に当てはまります。

たとえば、ロケットが離陸するとき、非常に高い離陸速度 (マッハ 4 または時速 3000 マイル以上) により、空気によってロケットの表面とロケットの本体に多大な圧力と力が生じ、非常に過酷な環境が生み出されます。したがって、これらの力を監視して、力が本体の設計制限内に留まっていることを確認するには、圧力センサーが必要です。離陸中、圧力センサーはロケット表面を流れる空気にさらされ、データを測定します。このデータは、将来の車体設計をガイドするためにも使用され、車体の信頼性、密閉性、安全性を高めます。また、異常が発生した場合には、圧力センサーのデータが非常に重要な分析ツールとなります。

たとえば、航空機の組み立てでは、センサーを使用してリベット穴を非接触で確実に測定できます。また、航空機ミッションの着陸装置、翼コンポーネント、胴体、エンジンの測定に使用できる変位センサーと位置センサーがあり、信頼性が高く正確な測定値を提供できます。測定値の決定。

④家庭生活：スマートホーム、家電など

ワイヤレスセンサーネットワークの徐々に普及により、情報家電とネットワーク技術の急速な発展が促進されました。ホームネットワークの主要機器は、単一のマシンから複数の家電製品に拡大しました。ワイヤレスセンサーネットワークをベースとしたスマートホームネットワーク制御ノードは、家庭内の内部ネットワークと外部ネットワークの接続、および内部ネットワーク間の情報家電や機器の接続のための基本プラットフォームを提供します。

家電製品にセンサーノードを組み込み、無線ネットワークでインターネットに接続することで、人々はより快適・便利で人間らしいスマートホーム環境を提供できます。遠隔監視システムは家電製品を遠隔操作することができ、画像センシングデバイスを通じて家族の安全をいつでも見守ることができます。センサー ネットワークは、スマート幼稚園の設立、子供の早期教育環境の監視、子供の活動軌跡の追跡に使用できます。

⑤ 交通管理：交通、都市交通、スマート物流など

交通管理では、道路の両側に設置された無線センサーネットワークシステムを使用して、道路状況、水の蓄積状況、道路騒音、粉塵、ガスなどのパラメータをリアルタイムで監視し、道路保護の目的を達成できます。環境保護と歩行者の健康保護。

高度道路交通システム（ITS）は、従来の交通システムをベースに開発された新しいタイプの交通システムです。情報、通信、制御、コンピュータ技術などの現代通信技術を交通分野に統合し、「人・クルマ・道路・環境」を有機的に結合します。既存の交通施設に無線センサーネットワーク技術を加えることで、現代の交通機関の課題である安全性、円滑性、省エネ、環境保護などの課題を根本的に解決するとともに、輸送業務の効率化を図ることができます。

⑥ 環境モニタリング：環境モニタリングと予測、気象試験、水文試験、エネルギー環境保護、地震試験など。

環境の監視と予測の観点からは、無線センサー ネットワークは、作物の灌漑状況、土壌空気の状態、家畜や家禽の環境と移動状況、無線土壌生態学、広域表面監視などの監視に使用できます。惑星探査、気象・地理調査、洪水監視など。無線センサーネットワークに基づいて、降雨量、河川水位、土壌水分を複数のセンサーで監視し、生態学的多様性を記述する鉄砲水の予測を行うことで、生態学的監視を行うことができます。動物の生息地。鳥、小動物、昆虫を追跡することによって、個体群の複雑性を研究することもできます。

人間の環境品質への関心が高まるにつれ、実際の環境試験プロセスでは、持ち運びが容易で、複数の試験対象の継続的な動的モニタリングを実現できる分析機器や機器が必要になることが多くなっています。新しいセンサー技術の助けを借りて、上記のニーズを満たすことができます。

例えば、大気監視の過程において、窒化物、硫化物等は人々の生産や生活に重大な影響を与える汚染物質です。

窒素酸化物の中でもSO2は酸性雨や酸性ミストの主な原因です。従来の方法でも SO2 の含有量を測定できますが、その方法は複雑であり、精度が十分ではありません。最近、研究者らは、特定のセンサーが亜硫酸塩を酸化する可能性があり、酸化プロセス中に酸素の一部が消費され、それにより電極の溶存酸素が減少し、電流効果が発生することを発見しました。センサーを使用することで亜硫酸塩含有量の値を効果的に取得できるため、迅速なだけでなく信頼性も高くなります。

窒化物の場合、窒素酸化物センサーを監視に使用できます。窒素酸化物センサーの原理は、酸素電極を用いて亜硝酸塩を消費する特定の細菌を発生させ、溶存酸素濃度の変化を計算することで窒素酸化物の含有量を算出します。生成されたバクテリアは硝酸塩をエネルギーとして利用し、この硝酸塩のみをエネルギーとして利用するため、実際の適用プロセスにおいてユニークであり、他の物質の干渉の影響を受けません。外国の研究者の中には、膜の原理を利用してより詳細な研究を行い、空気中の非常に低い濃度の NO2 を間接的に測定した人もいます。

⑦ 医療健康：医療診断、医療健康、ヘルスケアなど。

国際的に有名な医療業界の巨人を含む国内外の多くの医療研究機関は、医療分野でのセンサー技術の応用において重要な進歩を遂げてきました。

たとえば、米国のジョージア工科大学は、圧力センサーと無線通信回路を備えた体内埋め込みセンサーを開発しています。この装置は導電性金属と絶縁膜で構成されており、共振回路の周波数変化に応じた圧力変化を検出することができ、役割を果たした後は体液に溶解する。

近年、無線センサーネットワークは、人体のさまざまな生理学的データのモニタリング、病院での医師や患者の行動の追跡と監視、病院での薬剤管理など、医療システムやヘルスケアで広く使用されています。

⑧ 防火：大規模作業場、倉庫管理、空港、駅、埠頭、大規模工業団地の安全監視など。

建物の継続的な修理により、安全上の問題が発生する可能性があります。時折起こる地殻の小さな揺れは目に見える被害を引き起こさないかもしれませんが、柱に潜在的な亀裂が発生し、次の地震で建物が倒壊する可能性があります。従来の方法を使用した検査では、多くの場合、数カ月にわたって建物を閉鎖する必要がありますが、センサーネットワークを備えたスマートビルは、管理部門に状態情報を伝え、優先順位に応じて一連の自己修復作業を自動的に実行できます。

社会の発展に伴い、安全な生産の概念は人々の心に深く根付き、安全な生産に対する人々の要求はますます高まっています。事故が頻繁に発生する建設業界では、建設作業員の身の安全を確保し、建設現場での建設資材、設備、その他の資産の保全をどのように確保するかが建設部門の最優先事項です。

⑨農業および畜産：農業の近代化、畜産など。

農業もワイヤレス センサー ネットワークの使用にとって重要な分野です。

例えば、「北西部有利作物生産精密管理システム」の導入以来、西部地域の有力農産物を中心に特別な技術研究、システム統合、典型的な応用実証が行われてきました。リンゴ、キウイ、サルビア、メロン、トマトなどの主要作物と、西部の乾燥と雨の多い生態環境の特徴を生かし、ワイヤレスセンサーネットワーク技術を精密農業生産に応用することに成功しました。作物の生育環境をリアルタイムに収集するセンサーネットワークの先進技術を農業生産に応用し、現代農業の発展を新たな技術的に支えます。

⑩その他の分野：複雑な機械の監視、実験室の監視など

ワイヤレス センサー ネットワークは、現在の情報分野で注目されているトピックの 1 つであり、特殊な環境で信号を収集、処理、送信するために使用できます。無線温湿度センサーネットワークはPICマイクロコントローラーに基づいており、温湿度センサーネットワークノードのハードウェア回路は統合湿度センサーとデジタル温度センサーを使用して設計されており、無線トランシーバーモジュールを介してコントロールセンターと通信します。 、システムセンサーノードは低消費電力、信頼性の高いデータ通信、優れた安定性、高い通信効率を備えており、環境検出に広く使用できます。