検出器(センサ)とは?

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自動制御や計装を理解する上で「センサー」について理解しましょう。自動制御系は 「検出部」「操作部」「制御部」といった3つの分野で構成されています。その中で「センサー」は検出部を構成する重要な役目を担っています。このページでは、初心者の方でもわかりやすいように、センサーについてやさしく解説しています。

検出器(センサ)の役割

自動制御における検出器とは、温度や圧力などの物理量を検知する部分と、検知したデータを電気信号に変換する部分から成り立っています。検知したデータは遠方にある制御装置に渡されます。

温度や圧力などの物理量を電気信号に変換する主な技術として、起電力変換法・インピーダンス変換法・パルス変換法があります。変位や圧力に換算(1次変換)してから電気量に変換(2次変換)するものと、直接物理量を電気量に変換するものがあります。

1次変換起電力変換インピーダンス変換パルス変換
R変換L変換C変換
圧力変位

  • ブルドン管
  • ベローズ
  • ダイヤフラムなど
流量差圧

  • オリフィス
  • ベンチュリ
  • ノズルなど

面積、容積


作動変圧器式

超音波式
レベル変位

  • フロート
  • ディスブレーザ

超音波式
温度変位

  • バイメタル
  • 熱膨張

熱電対

抵抗、サーミスタ

透磁率

光学式
湿度
振動・加速度変位、圧力
圧電素子

導電率

変位

変位
速度・回転数遠心力
タコジェネレータ


周波数
長さ
角度
重量
濃度
成分

検出器(センサ)の動作原理

起電力変換法

ホール素子という磁気センサを利用しています。半導体のY軸方向に電流(I)、Z軸方向から磁界(B)を与えると、X軸方向に電流と磁束密度に比例した起電力(E)が発生するホール効果を利用して電圧を誘起しています。

起電力変換法

抵抗変換法

導体の抵抗とその断面積、長さには次の関係式が成り立ちます。

R=ρl/A (Ω)
ρ : 導体の固有抵抗(Ω/m) 、 l : 長さ(m) 、 A : 断面積(㎡)

この関係を利用して、変位を抵抗線の長さに変換する方法です。

抵抗変換法

インダクタンス変換法

差動変圧器という、可動鉄心をもつ変圧器のコイルに誘起する起電力を利用しています。1次コイルに交流電圧を印加すると、2次コイルにe1、e2の電圧が発生します。鉄心が中心にある時は、e1=e2となり、E=0となります。

鉄心が上に動くとe1>e2、鉄心が下に動くとe1<e2となり、e1とe2の差を電圧として取り出すことができます。

差動変圧器を利用した方法は、精度が高く、安定しており、測定範囲も自由にとれるなど、利点があり広く用いられています。

インダクタンス変換法

静電容量変換法

コンデンサは、電極間隔・電極面積・電極間の誘電体の状態によって、静電容量が変化します。その特性を利用して検出する方法です。

(a)3枚の電極で2個のコンデンサを構成したもので、中央の電極を上下すると、一方のコンデンサの静電容量が増加し、他方は減少します。

(b)一方の電極を水平に動かすと、電極面積が変化し静電容量が増減します。

(c)2枚の電極間に誘電体を挿入し、水平に動かすと静電容量が増減します。

静電容量変換法

パルス変換法

光源と受光部の間に固定・移動の2枚のスリットを設けます。測定対象を移動スリット側におくと、スリットを通過する光が断続し、受光部は変位に比例したパルスが現れます。このパルスをデジタルカウンターで計数し、変位を求めます。

センサーは位置や温度・圧力といった物理量を検知し、検知した物理量を電気信号に変換する装置です。この変換された電気信号は制御部に渡します。センサーを人間に例えると、目や鼻などの感覚器官にあたるといえます。
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