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センシング技術とその用途

産業用センサの導入

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センサは、物理量、化学量、または生物学的量を高精度で再現性に優れた測定をするために使用されます。その信頼性により、ヘルスケアから社会インフラ、製造業に至るまで、さまざまな業界で幅広く使用されています。

一般的に使用されるセンサは次のとおりです。

機械式センサ

機械式センサには多くの測定原理がありますが、圧力、流量、振動、距離、速度、加速度、力などの機械的変化とひずみ、または応力を電気信号として検出します。例えば、圧力を電気信号に変換して圧力を検出する圧力センサは、圧力伝送器または圧力変換器とも呼ばれますが、ひずみゲージ式、半導体ピエゾ抵抗式、静電容量式、シリコンレゾナント式などの測定原理として知られています。検知原理としては、抵抗素子や共振器などのセンサ素子が、被測定物と接触する薄い弾性ダイアフラム(極薄膜)の上に形成させ、そのセンサ素子の部分が受けた圧力によって変位される物理的変化を、抵抗、静電容量、周波数などの電気的変化として検出します。

機械式センサの仕組み
機械式センサにおける振動子の異なる動作

熱センサ

熱センサは、測定対象の温度、熱、熱流束/容量、および熱伝導率を検出するセンサです。私たちの生活の中で最もよく知られているタイプの温度センサは温度計で、固体、液体、気体の温度を測定するために使用されます。熱センサにはさまざまな種類があり、多様な用途に応じた検出機能を備えていますが、多くの場合は、工業用熱電対、またはサーミスタです。熱電対は、熱電効果の原理に基づいています。サーミスタは、温度によって電気抵抗が変化する酸化物半導体です。

電気センサ

電気センサは、プロセスフローの電気特性の変化を測定するために使用されます。測定される典型的な電気的特性には、電圧、電流、電界強度、電荷の存在、抵抗、および静電容量が含まれます。

磁気センサ

磁気センサは、磁束、強度、方向などの磁場の変化と外乱を検出します。回転、角度、方向、存在、電流をすべて監視できます。磁気センサは、完全な磁場を測定するグループと、磁場のベクトル成分を測定するグループの2つのグループに分けられます。ベクトル成分は、磁場の個々の点です。純粋な磁場測定に加えて、用途としては、電流、電気、電子機器、および移動物体や周辺環境といった外部環境を認識(検出)する外界センサなどと組み合わせ、多種多様なセンサへと幅広く利用しています。

磁気センサの仕組み

電磁流量計の動作原理はファラデーの法則を応用しています。ファラデーの法則では、磁界の中を液体が流れるときに発生する起電力が流速に比例します。起電力は、フレミングの右手の法則により、流体の運動と磁場の方向に垂直な方向に発生します。

光・放射線センサ

光センサや放射線センサは、光または放射線のさまざまな波長と周波数を検出します。これらのセンサは、プロセス産業において、X線、赤外線、超音波、電波、音響周波数の測定に使用されます。近年、放射線除去の観点から、光の波長の原理を用いた測定が増加しています。例えば、分光分析では、物質から放出、吸収、散乱される光のスペクトルを測定、および分析することにより、物質の成分を特定することができます。分子と光の相互作用の原理を利用して、分子の形態と構造、およびそれらの化学情報を取得することもできます。これにより、測定対象に対し、非破壊的かつ非接触の測定と分析を実行することができ、得られる情報は使用する光の波長に依存します。

化学センサ

化学センサは、組成、特定の元素やイオンの存在、濃度、化学活性などの化学情報を人間が読み取れる信号に変換して検出します。化学情報は、分析物の化学反応または調査したシステムの物理的特性に由来する場合があります。特定のコンポーネントに対して高い感度を持っていますが、感度を持たないコンポーネントもあります。通常、物質は複数の成分で構成されており、測定対象の標的成分のみの濃度と組成比を検出するために化学センサが使用されます。化学センサには、物質成分に対する高感度と高選択性が必要です。

バイオ(生体)センサ

バイオセンサは、電気的、あるいは光学的信号を発する生物特有の分子識別機能を利用し、対象の状態または物質を検出します。それらは化学センサの一種とも考えられ、電気化学的方法を利用して、酵素や抗体の作用により変化する化学物質の濃度や組成を検出します。これらの酵素、抗体、微生物、DNA、および細胞はセンサの一部として使用され、生物由来の機能を組み込むことにより、バイオセンサは測定対象の分子レベルで識別できる高選択性を提供します。

バイオセンサの測定原理

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