私たちは、太陽光の強さや風速など、あらゆる環境が何らかのアナログ特性を表す世界に住んでいます。しかし、デジタル信号の再生と送信が容易になったため、技術はますますデジタル化に向かって進歩しています。これら2つの領域間のギャップを埋めるために、 センサー が機能し、これらの物理的特性を1つの領域から別の領域に変換します。
最近の在宅勤務文化の高まりにより、今ではほぼすべての人がマイク、スピーカー、ウェブカメラのセットを所有しています。目的はさまざまですが、これらのデバイスは私たちの生活に欠かせないものとなり、私たちに大きな影響を与えているセンサーに他なりません。
この記事では、センサーと、センサー技術が重要な役割を果たすいくつかのアプリケーションについて簡単に説明します。また、各アプリケーションの例として、業界グレードのセンサーをいくつか検討します。これにより、テクノロジーをより深く理解できるようになります。
センサーとは何ですか?
センサーは「トランスデューサー」とも呼ばれ、電気装置や機械装置を通じて周囲の世界とやりとりするのに役立ちます。このテクノロジーは、環境の特性、またはその特性の経時的変化を測定または検出します。1800年代後半に銅抵抗器をベースにした最初の温度センサーの1つが開発されて以来、センサー技術は急速に進歩しました。最近では、周囲を見渡しても、あらゆるところにさまざまな形のセンサーが見られます。スマートフォン、ノートパソコン、自動車、電子レンジなど、あらゆるものに、おそらく少なくとも1つのセンサーが搭載されています。
センサーにはどんな種類がありますか?
記録する特性に応じて、センサーには2つのタイプがあります。センサーが、それが存在するシステムの外部の環境に関するデータを取得する場合、それは 外受容 センサーです。「Extero」は外部または周囲からのという意味で、一般的な例としては、カメラ、 LiDAR、 レーダー、 超音波/ソナーセンサーなどがあります。それとは対照的に、センサーがシステム自体に関するデータを記録する場合、そのセンサーは 固有受容覚 です。「Proprios」は内部または独自のものを意味し、一般的な例としては GPS、 慣性計測装置 (IMU)、 位置センサーなどがあります。センサーは、提供する出力の種類に基づいて、デジタルまたはアナログに分類されます。
センサーは何に使用されますか?産業アプリケーション
センサーは考えられるあらゆる場所で使用できます。「センサーは、 医療用途における診断、燃料電池やバッテリー、太陽光発電などのエネルギー源の性能向上、人々の健康や安全、セキュリティの向上、宇宙や既知の宇宙を探索するためのセンサー、環境モニタリングの向上を通じて、世界を改善できます」と電気化学協会は述べています。ここで、センサーが重要な役割を果たすアプリケーションのいくつかを見てみましょう。
製造業
進行中の第四次産業革命（インダストリー4.0）により、センシング技術は製造プロセスの中核部分となっています。センサーにより、業界ではプロセスを監視、制御、自動化し、安全性を高めることができます。センサーは、運用効率の向上、資産管理の改善、より迅速な製品開発など、製造業においてさまざまなメリットをもたらします。
製造に使用されるセンサーの種類は次のとおりです。
これらは製造業界で最も一般的なものの一部です。温度センサーは、温度変化を測定し、プロセス中の熱の流れを監視および制御できるようにする重要なコンポーネントです。これらのセンサーは、パイプに供給される熱を常に追跡して水道管の凍結を防止したり、監視されていない場合は装置と人間の両方にとって致命的となる可能性のある負荷のかかった電気機械で発生する熱を制限したりすることで役立ちます。
一部の標準的な温度検知技術では、出力電圧または抵抗の変化に応じて温度を示します。赤外線センサーは、物体や物質の表面と接触せずに、その物体や物質から放射される赤外線エネルギーの一部を遮断することで温度を検出するため、大規模な温度測定にも使用されます。
圧力センサーは、環境内の圧力を測定し、それを電気信号に変換する装置です。この信号は可変電圧または可変電流であり、その範囲はメーカーによって異なります。潜在的な用途としては、コンプレッサー、シリンダータンク、油圧の圧力監視などが挙げられます。また、機器の漏れを検出する上で重要な役割を果たし、不必要な資産の損失を回避するのに役立ちます。
このような目的のために、 MLH08KPSB01A産業用圧力センサー Honeywellの製品がその好例です。これらは 耐久性の高い圧力センサー 6 barから550 barの範囲で動作し、複数の出力オプションを備えているため、柔軟性が大幅に向上し、既存のシステムとの互換性も向上します。MLHシリーズ センサーには、特定用途向け集積回路テクノロジが搭載されており、価値とパフォーマンスが向上します。業界標準とともに 電気コネクタ 圧力ポートにより、信頼性とユーザーの柔軟性が向上します。
これらのセンサーは、チューブまたはパイプ内の液体またはガスの流量を測定します。フローセンサーは、流体の物理的特性の変化を測定し、電気的または機械的なサブシステムを使用してその流量を計算します。これらは、流量を維持する必要があるアプリケーション（ICエンジンへの燃料の送り込みなど）に不可欠です。医療業界、HVAC、さまざまなインテリジェント エネルギー アプリケーションでは、フロー センサーが広く使用されています。
トップについて学ぶ スマート製造で使用されるセンサー。
自動車産業
アルゴンヌ国立研究所のレポートによると、自動車センサー市場は利便性、快適性、安全性、効率性、環境保護に対する需要の高まりによって牽引されています。増加に伴い、 電気自動車技術 最近では、センサーだけに依存した自動運転などのシステムが実装されつつあります。
自動車業界で使用される重要なセンサーの種類には、次のようなものがあります。
ライダー
LiDARセンシングでは、環境内に光線を照射し、反射された光線を測定して環境を完全にマッピングします。LiDARには通常、複数の積み重ねられた光源を備えた回転要素が含まれており、シーンの形状を評価するのに最適な3Dポイント クラウド マップを出力します。光源を備えたアクティブセンサーなので、環境の照明の影響を受けません。そのため、LiDARは、照明条件が劣悪または変化する状況で動作する場合、カメラと同じ課題に直面することはありません。
超音波センサーとも呼ばれるこれらは駐車支援装置として使用され、車両を安全かつ便利に駐車するのに役立ちます。近接センサーは高周波の音波パルスを発し、それが車の近くにある障害物によって反射されます。センサーは反射したパルスを受信し、跳ね返りにかかる時間を計算します。
こうした技術を実際に製品として実装する前にプロトタイプを作成することは不可欠であり、そのためにはInvenSenseの MOD_CH101-03-01近接センサー などのセンサーが使用されます。検知距離は300 ～ 1,200 mmで、最大電圧はわずか1.98 Vで動作します。モジュールの電子インターフェースは標準の8ピン フラット フレックス ケーブルを介して行われ、視野角は45˚ です。
酸素センサー
自動車用途では、酸素センサーは車両の排気システム内の酸素ガスレベルの測定結果を評価します。これらのセンサーは、排気ガス中の酸素濃度と空気中の酸素濃度を比較することにより、エンジンに入る空燃比を間接的に計算します。これまでに見てきたセンサーと同様に、酸素センサーは酸素レベルに比例した出力として可変電圧レベルを提供します。酸素センサーの用途は自動車に限らず、医療用途でも広く使用されています。
現代の車両に使用されているセンサー技術について詳しく学びます 。
AIを活用したモノのインターネット
最近のセンサー技術の進歩により、私たちはスマートセンサーの新しい時代を目の当たりにしています 。これらの「スマート センサー」には、ベース センサーと、収集されたデータをフィルタリングまたは処理して信頼性の高い出力信号を提供する専用のマイクロプロセッサが含まれています。これらのセンサーにAIベースのソフトウェアを組み合わせることで、センサーデータをローカルで収集した後、簡単に エッジコンピューティング を実行できます。これらのセンサーは、Wi-Fi、Bluetooth、ZigBeeなどのさまざまな通信規格に準拠しており、AIoTに導入されています。
これらのアプリケーションに使用されるセンサーの一部は次のとおりです。
イメージセンサーは、光子を電気信号に変換して光学画像を電子的に表示または保存できるソリッドステートデバイスです。IoTでは、カメラによる遠隔監視に使用され、AIと組み合わせることで、カメラのフレーム内にある人間の顔を検出し、追跡することができます。
そのようなセンサーの優れた例としては、OmniVision Technologiesの OV04686-H67Aイメージ センサー が挙げられます。この1/3インチ センサーは、120 fpsで1080pの解像度をサポートし、クラス最高の低照度および赤外線パフォーマンスを実現します。OV04686は最大3 Vの電圧で動作し、アクティブ モードで163 mA、スタンバイ モードで1 mAという低消費電力を実現します。
IMUセンサー
IMUセンサーは、慣性力または機械的励起により物体が受ける加速度を測定します。これらは通常、加速度計、ジャイロスコープ、場合によっては磁力計で構成されます。これら3つのセンサーを使用して、移動システムのピッチ、ロール、および方向を示します。IMUセンサーは、スマートウォッチやスマートフォンでユーザーのフィットネス活動を追跡するために広く使用されており、IoTを活用してチャートやグラフなどのユーザーフレンドリーな形式で情報と統計を表示します。
Boschの BHI260AP AIスマート センサー は、IMUセンサーがAIと統合されている例です。このスマート センサーには、32ビットのプログラム可能なマイクロコントローラーと6軸IMUがすべて1つのパッケージに含まれています。さまざまなフィットネス動作を自動的に追跡し、相対的および絶対的な方向を提供できます。これらすべては、フィットネス追跡用の自己学習型AIソフトウェア プラットフォームのサポートにより可能になりました。BHI260APは1.8 Vで動作し、定格消費電力は386 μAと非常に低くなります。
湿度センサーは環境内の湿度レベルを検出します。湿度センサーとしては、静電容量型、抵抗型、熱伝導型などが一般的です。医薬品処理を含む医療機器など、水分レベルの制御が必要な場所で使用されます。気象監視システムでも、IoTやその他のテクノロジーを通じて湿度を遠隔監視するためにこれらのセンサーを使用します。
センサー技術の未来
センサーの用途が拡大するにつれて、センサーの需要も増加します。注目すべき点の1つは、信頼性の高いセンサーが不足すると、ほとんどの自動化産業が機能不全に陥るということです。そのため、高品質のセンサーを製造することが不可欠であり、メーカー間の競争の激化に伴い、センサーはかつてないほど安価になっています。物理パラメータの正確なデータ収集も、自動化に使用されるセンサーの決定要因となります。したがって、コスト要因が大幅に増加したとしても、信頼性要因はセンサーの優先要件となります。
さらに、 AIテクノロジー の進歩により、センサーから生成される正確なデータセットが必要になります。このデータは分類や回帰問題のためのAIモデルのトレーニングに使用され、将来的にはセンサーがよりスマートで正確になります。
