電圧

センサが情報交換する最も一般的な方法の1つは、電圧出力によるものです。この形式の出力は、測定値、または測定量に比例して頻繁に反応するため、幅広いセンサに対して柔軟に対応できます。

一般的なタイプとその原則

圧電センサ: これらは、材料が応力を受けると電圧が発生するという圧電現象に基づいています。水晶や特定のセラミックのような圧電材料は、機械的ひずみに反応して電圧を生成し、加速度計、マイクロフォン、および特定の種類の圧力センサに頻繁に使用されます。動的な変化、特に速い動きや振動を感知する能力が、これらを完璧にします。

図1 : 圧電ディスク

太陽光発電センサ: 電圧はこれらのセンサによって光エネルギーから生成されます。太陽電池や太陽電池が光に当たると、電圧が発生します。これらのセルは一般にシリコンのような半導体材料で作られています。光の強度は、生成される電圧の量を決定します。十分な光がある場合、一般的に、電源や光強度測定に利用されます。

図2 : 太陽電池

他にも電圧ベースのセンサがあり、それぞれ動作の基本が異なります。例えば、温度変化に応じて電圧を生成する熱電対や、磁場が存在する場合に電圧を出力するホール効果センサがあります。

負荷インピーダンスが電圧ベースのセンサに与える影響

負荷インピーダンスは、電圧出力センサの全体的な性能に大きな影響を与える可能性があります。負荷（多くの場合、アンプや測定機器）の入力インピーダンスは、センサがベストな状態で機能するために、センサの出力インピーダンスよりも大幅に高くなければなりません。

分圧は、センサの出力インピーダンスに対して負荷インピーダンスが低すぎる場合に発生することがあります。これにより、センサの出力電圧が低下し、測定の不正確さにつながります。さらに、特に急速に変化する特性を検出するセンサでは、センサの動的応答に影響を与え、信号の遅延や歪みを引き起こす可能性があります。

圧電センサは内部インピーダンスが高いため、信号減衰を避けるためにインピーダンスが高いアンプとリンクすることが望ましいことです。太陽光発電センサのエネルギー変換効率と直線性は、負荷インピーダンスの範囲で動作できるにもかかわらず、接続された負荷によって異なることがあります。

実際のアプリケーションでは、インピーダンス特性が使用する電圧出力センサのニーズを満たすように、インタフェース電子機器を設計し選択する際に注意することが重要です。

電流

検出されたパラメータと電流の間の直接的かつ直線的な関係は、電流出力センサによって頻繁に提供されます。電流出力センサは、測定に関連して変化する電流信号を生成することによって機能します。電流信号は、その性質上、特に長いケーブル回線上で外部ノイズや干渉の攻撃を受けにくいという利点があります。

電流出力が生成される方法

光伝導モードのフォトダイオード: フォトダイオードと呼ばれる半導体デバイスは、光に反応して電気を発生させます。逆バイアスフォトダイオードは、光伝導モードで動作しているときにダイオードの順方向バイアス方向とは逆方向に供給される電圧を受けるフォトダイオードです。このような状況では、光子がダイオードに衝突すると電子正孔対が生成されます。これらのキャリアは逆バイアスによって加速され、光の量に比例する光電流を生成します。光伝導モードは光起電力モードよりも高速に応答できますが、より多くのノイズを生成することもあります。

図3 : フォトダイオード

電流出力を生成するための他の技術には次のものがあります。

トランジスタベースのセンサ: これはトランジスタ固有の特性を利用しています。トランジスタの電流は特定の状況下で変化する可能性があり、この変化は測定される量に関連している場合があります。

電気化学センサ: このセンサはガスの検出に頻繁に使用され、電極で特定の化学反応が発生すると電気を発生させます。

負荷条件の重要性

センサの電流出力は通常、既知の負荷抵抗を通過することを意図しており、これを超えると電流に対応する電圧が増加します。センサの性能は負荷の種類によって大きく影響されます。

負荷抵抗: 負荷抵抗の選択は必須です。非直線性、狭い信号範囲、または飽和は不一致の結果として生じる場合があります。例えば、1Vから5Vの電圧幅は、250オームの負荷を横断して機能するように意図した4mA～20mAの電流ループセンサによって生成されます。この電圧幅は、異なる負荷抵抗を使用すると変化してしまいます。

接地とシールド: 電流信号に不要なノイズを注入するグランドループを防ぐためには、適切なグランドが必要です。シールドは、外部の電磁障害から伝送をシールドするために必要とされる場合もあります。

ケーブルの長さ: 4～20mAシステムのような電流出力センサの利点の1つは、信号がケーブル長を延長してもケーブル間の電圧変化に抵抗することです。一方、非常に長いケーブルは静電容量を発生し、信号の帯域幅を減少させる可能性があります。

電流出力センサは距離とノイズ耐性に優れるというメリットがありますが、状況とインタフェース電子機器がセンサ要件と意図された用途に一致することを確認することが重要です。

注意: 負荷基準を満たしたときに正確な測定値を得るだけでなく、センサをできる限り長持ちさせ、その間に最高の性能を発揮させることも重要です。

抵抗

抵抗ベースのセンサは、特定の物理的または環境的特性の変化に応じて変化する電気抵抗に基づいて動作します。抵抗が変化する物理パラメータを理解できる電気信号に変換するためには、適切なインタフェース回路がしばしば必要とされます。

可変抵抗センサ

サーミスタ: サーミスタは半導体ベースの温度に敏感な抵抗器です。温度はそれらの抵抗に大きく影響します。正の温度係数 (PTC) と負の温度係数 (NTC) はサーミスタの2つの主要なタイプです。温度が上昇すると、PTCサーミスタの抵抗が増加するのに対し、NTCサーミスタの抵抗は低下します。サーミスタは感度が高いため、制限された温度範囲内で正確な温度測定を必要とするアプリケーションで頻繁に使用されます。

図4 : NTCサーミスタの抵抗と温度

測温抵抗体 (RTD): 精密温度センサ、または、RTDは、金属素子で構成されます。選択される素子の金属 (白金、ニッケル、銅) は通常、アプリケーションのニーズ、特に機器のセンサ入力に依存します。RTDは温度に対して直線的に抵抗が上昇するため、広い温度範囲にわたって高精度で予測可能です。長期的な安定性は産業用と科学用アプリケーションにおいて不可欠であるため、抵抗-サーミスタ (RTD) はほぼ直線的な抵抗温度接続を持つため、サーミスタの代わりに使用されます。

図5 : 異なるタイプのRTDに対する抵抗と温度

抵抗が変化するその他のセンサには、光強度によって抵抗が変化するフォトレジスタと、機械的な力によって抵抗が変化するひずみゲージがあります。

励起電圧 / 電流の影響

自己発熱: 抵抗ベースのセンサに電圧または電流を印加すると、電力消費が発生し、センサが過熱します。適切に制御されていないと、サーミスタやRTDなどの温度センサのこの自己発熱は不正確な測定値につながる可能性があります。したがって、励起電流は最小限に抑える必要があります。

信号対雑音比 (SNR): SNRは励起電圧または電流の大きさによって影響を受ける場合があります。より大きな信号は励起の増加によって生じることがあり、特に電磁障害が存在する領域で、ノイズレベルが上昇することもあります。

直線性: センサの出力の直線性は、使用される刺激のタイプに依存する可能性があります。特定の励起レベルでは、より直線的な挙動を示すセンサもあります。

ブリッジ回線: ホイートストンブリッジ回路では、抵抗の変化が不均衡と定量化可能な電圧差をもたらす場合、抵抗センサが頻繁に使用されます。センサの感度と出力範囲を決定するためには、このようなブリッジに与えられる励起電圧が重要です。

結論として、抵抗ベースのセンサは異なるパラメータを測定する信頼できる方法を提供しますが、精度、安定性、最高の性能を保証するためには、励起源に大きな配慮が必要です。

周波数

測定された物理パラメータの大きさにしばしば比例する出力周波数を持つ信号は、周波数ベースのセンサによって生成されます。特に、これらのセンサは安定性とノイズ耐性を提供し、他の出力タイプとは一線を画します。

振動センサと周波数変調技術

振動センサ: 外部入力でこれらのセンサを振動させたり、自然に振動したりすることができます。自然な共振周波数を変化させる外部の影響の一例として、水晶共振器の温度や圧力があります。物理的変化の量は、外部刺激によってもたらされる周波数シフトを測定することによって推定することができます。

周波数変調技術: センサがいつも自然に周波数出力を生成するわけではない可能性があります。このような状況では、センサの一次出力 (電圧や抵抗など) をさまざまな方法で変調して周波数信号を生成することができます。一般的な技術として周波数変調 (FM) があり、センサの出力に基づいて搬送波の周波数を変更します。この目的でよく使われる電子回路には、電圧・周波数コンバータやPLLの電圧制御発振器 (VCO) があります。

周波数ベースの測定の利点

オフセットおよびドリフトに対する高い耐性: アナログ信号と比較して、信号の周波数はオフセット誤差や長期ドリフトの影響を受けにくいです。周波数にDC成分がないため、DCオフセットに関連する問題は自然に減少します。

ノイズに対する堅牢性: 信号の周波数、特にデジタルシステムでは、振幅に基づくノイズに対して非常に抵抗力があります。信号周波数はノイズの影響を受けませんが、信号振幅は変化します。これにより、電気的に大きな環境でも、送信される信号の品質が変わらないことが保証されます。

高分解能と高精度: 高品質の発振器を使用する場合、周波数ベースの測定は非常に高い精度を持つことができます。

多くのセンシングアプリケーションでは、周波数ベースのセンサとそれに付随する変調技術は、特に高精度とノイズ耐性が必要な場合に、信頼性の高いオプションを提供します。シンプルなアナログセンサは初期設定もシンプルかもしれませんが、精度と信頼性の長期的な利点は複雑さを上回ることが頻繁にあります。