さまざまな種類のセンサーとその動作

自動化の時代はすでに始まっています。現在使用しているもののほとんどは自動化できます。自動化されたデバイスを最初に設計するには、センサーについて知る必要があります。これらは、人間の介入なしに物事を行うのに役立つモジュール/デバイスです。私たちが日常的に使用している携帯電話やスマートフォンでも、ホールセンサー、近接センサー、加速度計、タッチスクリーン、マイクなどのセンサーが搭載されています。これらのセンサーは、外界のパラメーターを感知して与える電気機器の目、耳、鼻として機能します。デバイスまたはマイクロコントローラーへの読み取り。

センサーとは？

センサーは、力、圧力、ひずみ、光などの物理量を感知/検出し、それを電気信号などの目的の出力に変換して、加えられた物理量を測定するために使用できるデバイスとして定義できます。まれに、センサーだけでは得られた信号を分析するのに十分でない場合があります。このような場合、センサーの出力電圧レベルを、使用するエンドデバイスに対して望ましい範囲に維持するために、信号調整ユニットが使用されます。

で信号調節ユニット、センサの出力は、増幅された濾過または所望の出力電圧に変更してもよいです。たとえば、マイクを考えると、オーディオ信号を検出して出力電圧（ミリボルト単位）に変換し、出力回路の駆動が困難になります。そのため、信号強度を上げるために信号調整ユニット（増幅器）が使用されます。ただし、フォトダイオード、LDRなどのすべてのセンサーに信号調整が必要なわけではありません。

ほとんどのセンサーは独立して動作することはできません。したがって、十分な入力電圧を印加する必要があります。さまざまなセンサーの動作範囲は異なりますが、操作中に考慮する必要があります。そうしないと、センサーが恒久的に損傷する可能性があります。

センサーの種類：

市場で入手可能なさまざまなタイプのセンサーを見て、それらの機能、動作、アプリケーションなどについて説明します。次のようなさまざまなセンサーについて説明します。

光センサー
- IRセンサー（IRトランスミッター/ IR LED）
- フォトダイオード（IRレシーバー）
- 光依存抵抗器
温度センサー
- サーミスタ
- 熱電対
圧力/力/重量センサー
- ひずみゲージ（圧力センサー）
- ロードセル（重量センサー）
位置センサー
- ポテンショメータ
- エンコーダー
ホールセンサー（磁場検出）
フレックスセンサー
サウンドセンサー
- マイクロフォン
超音波センサー
タッチセンサー
PIRセンサー
傾斜センサー
- 加速度計
ガスセンサー

プロジェクトまたはアプリケーションに基づいて、目的のセンサーを選択する必要があります。先に述べたように、それらを機能させるためには、それらの仕様に基づいて適切な電圧を印加する必要があります。

ここで、さまざまなセンサーの動作原理と、それが日常生活やそのアプリケーションのどこで見られるかを見てみましょう。

IR LED：

IRトランスミッターとも呼ばれます。赤外線を放射するために使用されます。これらの周波数の範囲は、マイクロ波周波数よりも大きくなります（つまり、> 300GHzから数百THz）。赤外線LEDによって生成された光線は、以下で説明するフォトダイオードによって感知できます。IRLEDとフォトダイオードのペアはIRセンサーと呼ばれます。IRセンサーの仕組みは次のとおりです。

フォトダイオード（光センサー）：

光線を検出するために使用され、主にIRレシーバーとして使用される 半導体デバイスです。その構造は通常のPN接合ダイオードと似ていますが、動作原理が異なります。 PN接合は、逆バイアスされたときに小さなリーク電流を許容することがわかっているため、このプロパティは光線を検出するために使用されます。フォトダイオードは、光線がPN接合に当たるように構成されており、印加した光の強度に基づいて漏れ電流が増加します。したがって、このようにして、フォトダイオードを 使用して光線を感知 し、回路を流れる電流を維持することができます。ここで、IRセンサーを備えたフォトダイオードの動作を確認してください。

フォトダイオードを使用して、太陽光の強度が低下すると点灯する基本的な自動街路灯を作成できます。ただし、フォトダイオードは少量の光が当たっても動作するので注意が必要です。

LDR（光依存抵抗器）：

名前自体が光の強さに依存する抵抗器を指定しているように。それは、光による伝導を意味する光伝導性の原理に基づいて機能します。それは一般的に硫化カドミウムで構成されています。光がLDRに当たると、その抵抗は減少し、導体と同様に機能します。光が当たらない場合、その抵抗はほぼMΩの範囲にあるか、理想的には開回路として機能します。LDRで考慮すべき1つの注意点は、光がその表面に正確に焦点を合わせていないと応答しないということです。

トランジスタを使用した適切な回路を使用すると、光の利用可能性を検出するために使用できます。R2（ベースとエミッタ間の抵抗）をLDRに置き換えた分圧器バイアストランジスタは、光検出器として機能します。LDRに基づくさまざまな回路をここで確認してください。

サーミスタ（温度センサー）：

サーミスタを使用して 、温度の変化 を検出できます。温度係数が負であるため、温度が上昇すると抵抗が減少します。そのため、サーミスタの抵抗は温度の上昇に応じて変化する可能性があり、サーミスタを流れる電流が増加します。この電流の変化を使用して、温度の変化量を決定できます。サーミスタの用途は、温度上昇を検出し、トランジスタ回路のリーク電流を制御することで、安定性の維持に役立ちます。これは、サーミスタがDCファンを自動的に制御するための簡単なアプリケーションの1つです。

熱電対（温度センサー）：

温度変化を検出 できるもう1つのコンポーネントは熱電対です。その構造では、2つの異なる金属が結合して接合部を形成します。その主な原理は、2つの異なる金属の接合部が加熱されるか、高温にさらされると、それらの端子間の電位が変化することです。したがって、変化する電位をさらに使用して、温度の変化量を測定できます。

ひずみゲージ（圧力/力センサー）：

ひずみゲージは 、負荷がかかったときの圧力 を 検出するために 使用され ます。 これは抵抗の原理に基づいて機能します。抵抗はワイヤの長さに正比例し、その断面積に反比例することがわかっています（R =ρl/ a）。ここでも同じ原理を使用して負荷を測定できます。フレキシブルボードでは、下図のようにワイヤーがジグザグに配置されています。そのため、その特定のボードに圧力がかかると、そのボードはある方向に曲がり、ワイヤの全長と断面積が変化します。これにより、ワイヤの抵抗が変化します。このようにして得られた抵抗は非常に微小（数オーム）であり、ホイートストンブリッジの助けを借りて決定することができます。ひずみゲージは、ブリッジの4つのアームの1つに配置され、残りの値は変更されません。したがって、抵抗が変化するときに圧力がかかると、ブリッジを流れる電流が変化し、圧力を計算できます。

ひずみゲージは、主に飛行機の翼が耐えることができる圧力の量を計算するために使用され、特定の道路などで許容される車両の数を測定するためにも使用されます。

ロードセル（重量センサー）：

ロードセルは、力などの物理量を測定し、電気信号の形で出力を与えるひずみゲージに似ています。ロードセルに張力がかかると、その構造が変化して抵抗が変化し、最後にホイートストンブリッジを使用してその値を校正できます。これは、ロードセルを使用して重量を測定する方法に関するプロジェクトです。

ポテンショメータ：

ポテンショメータを 使用して位置を検出し ます。通常、スイッチのさまざまな極にさまざまな範囲の抵抗が接続されています。ポテンショメータは、ロータリータイプまたはリニアタイプのいずれかです。回転式では、回転可能な長いシャフトにワイパーが接続されています。シャフトが回転すると、ワイパーの位置が変化し、結果として生じる抵抗が変化して、出力電圧が変化します。したがって、出力を較正して、その位置の変化を検出することができます。

エンコーダー：

位置の変化を検出するために、エンコーダを使用することもできます。円形の回転可能な円盤状の構造で、間に特定の開口部があり、IR光線または光線が通過したときにわずかな光線しか検出されません。さらに、これらの光線は、特定の位置を表すデジタルデータ（バイナリの観点から）にエンコードされます。

ホールセンサ：

名前自体は、ホール効果に作用するセンサーであることを示しています。これは、磁場が電流が流れる導体に近づくと（電界の方向に垂直に）、与えられた導体の両端に電位差が生じると定義できます。この特性を使用して、 ホールセンサーを使用して磁場を検出し、 電圧の観点から出力を提供します。ホールセンサーが磁石の1つの極しか検出できないように注意する必要があります。

ホールセンサーは、フラップカバー（磁石が入っている）が画面上で閉じられたときに画面をオフにするのに役立ついくつかのスマートフォンで使用されています。これは、ドアアラームにおけるホール効果センサーの実用的なアプリケーションの1つです。

フレックスセンサー：

FLEXセンサーは、 形状が変化したり曲がったりすると抵抗 が変化するトランスデューサーです。FLEXセンサーの長さは2.2インチ、または指の長さです。図に示します。簡単に言えば、センサー端子の抵抗は、曲げると増加します。この抵抗の変化は、私たちがそれらを読めない限り、何の役にも立ちません。手元のコントローラーは電圧の変化しか読み取れません。そのために、分圧回路を使用します。これにより、電圧の変化として抵抗の変化を導き出すことができます。Flexセンサーの使用方法についてはこちらをご覧ください。

マイク（サウンドセンサー）：

マイクはすべてのスマートフォンまたは携帯電話で見ることができます。オーディオ信号を検出し、それらを小電圧（mV）電気信号に変換できます。マイクには、コンデンサーマイク、クリスタルマイク、カーボンマイクなど、さまざまな種類があります。各タイプのマイクは、それぞれ静電容量、圧電効果、抵抗などの特性に作用します。圧電効果に作用する水晶マイクの動作を見てみましょう。圧力または振動の下で比例した交流電圧を生成するバイモルフ結晶が使用されます。ダイアフラムはドライブピンを介して水晶に接続されており、音声信号がダイアフラムに当たると前後に移動します。この動きにより、駆動ピンの位置が変化し、水晶に振動が発生するため、印加された音声信号に対して交流電圧が生成されます。得られた電圧は、信号の全体的な強度を高めるために増幅器に供給されます。マイクをベースにしたさまざまな回路をご紹介します。

Arduinoなどのマイクロコントローラーを使用して、デシベルでマイクの値を変換することもできます。

超音波センサー：

超音波とは、周波数の範囲に他なりません。その範囲は可聴範囲（> 20 kHz）よりも広いため、スイッチを入れてもこれらの音声信号を感知することはできません。これらの超音波を感知できるのは、特定のスピーカーとレシーバーだけです。この超音波センサーは 、超音波送信機とターゲットの間の距離を計算するために使用され、ターゲットの速度を測定するためにも使用されます。

超音波センサーHC-SR04 を使用して、2cm〜400cmの範囲の距離を3mmの精度で測定できます。このモジュールがどのように機能するかを見てみましょう。 HCSR04モジュールは、「トリガー」ピンを約10us高くすると、超音波範囲で音の振動を生成します。これにより、音速で8サイクルの音波バーストが送信され、オブジェクトに当たった後、エコーピンで受信されます。音の振動が戻るのにかかる時間に応じて、適切なパルス出力を提供します。超音波がセンサーに戻るまでにかかる時間に基づいて、物体の距離を計算できます。超音波センサーの詳細については、こちらをご覧ください。

超音波センサーには多くの用途があります。自動運転車や移動ロボットなどの障害物を回避するために利用できます。同じ原理が、侵入者のミサイルや飛行機を検出するためのレーダーでも使用されます。蚊は超音波を感知することができます。そのため、超音波は蚊よけ剤として使用できます。

タッチセンサー：

この世代では、ほとんどの人がワイドスクリーンを備えたスマートフォンを使用していると言えます。それでは、このタッチスクリーンがどのように機能するかを見てみましょう。基本的に、 抵抗膜式タッチスクリーンと静電容量式タッチスクリーンの 2種類のタッチセンサーがあります。これらのセンサーの動作について簡単に説明します。

抵抗タッチスクリーンは、 ベースに抵抗シートを有し、これらの両方の画面下の導電性シートがシートに印加される小さい電圧を有するエアギャップによって分離されています。画面を押すかタッチすると、導電性シートがそのポイントで抵抗性シートに接触し、その特定のポイントで電流が流れ、ソフトウェアが場所を検知し、関連するアクションが実行されます。

一方、静電 容量式タッチ は、私たちの体で利用可能な静電荷に作用します。画面はすでにすべての電界で充電されています。画面に触れると、体内を流れる静電荷により閉回路が形成されます。さらに、ソフトウェアが実行する場所とアクションを決定します。ハンドグローブを着用すると、指とスクリーンの間に伝導がないため、静電容量式タッチスクリーンが機能しないことがわかります。

PIRセンサー：

PIRセンサーはパッシブ赤外線センサーの略です。これらは、人間、動物、または物の 動きを検出するために使用されます 。赤外線には反射の性質があることを私たちは知っています。赤外線が物体に当たると、ターゲットの温度に応じて赤外線の特性が変化し、この受信信号が物体や生物の動きを決定します。物体の形状が変わっても、反射した赤外線の性質により、物体を正確に区別することができます。これが完全に機能するセンサーまたはPIRセンサーです。

加速度計（傾斜センサー）：

加速度センサーは、特定の方向への傾きや動きを感知できます。地球の重力による加速力に基づいて動作します。その小さな内部部分は非常に敏感なので、それらは位置の小さな外部変化に反応します。傾斜すると圧電結晶が結晶に乱れを生じ、X、Y、Z軸に対する正確な位置を決定する電位を生成します。

これらは、プロセッサのリード線の破損を避けるために、携帯電話やラップトップでよく見られます。デバイスが落下すると、加速度計は落下状態を検出し、ソフトウェアに基づいてそれぞれのアクションを実行します。これが加速度計を使ったいくつかのプロジェクトです。

ガスセンサー：

産業用アプリケーションでは、ガスセンサーがガス漏れの検出に大きな役割を果たします。そのようなデバイスがそのようなエリアにインストールされていない場合、それは最終的に信じられないほどの災害につながります。これらのガスセンサーは、検出するガスの種類によってさまざまな種類に分類されます。このセンサーがどのように機能するか見てみましょう。金属シートの下には、電流が流れる端子に接続された検出素子があります。ガス粒子が検知素子に当たると、元素の抵抗が変化し、それを流れる電流も変化して最終的にガスを検出できるように、化学反応が発生します。

最後に、センサーは、物理量を測定する作業を簡単にするためだけでなく、デバイスを自動化するために使用されるだけでなく、災害のある生物を支援するためにも使用されると結論付けることができます。