産業オートメーションに適したセンサーを選ぶ

センサーは、製造業における電子情報機器の基本的な種類であり、開発中の新しい電子機器の特別な部品でもある。

センサー産業は、その高い技術内容、良好な経済効果、強力な普及能力、幅広い市場見通しにより、大きな発展が見込まれるハイテク産業として国内外から認められている。

電子情報産業の活況に牽引され、センサー産業は一定の産業基盤を形成し、技術革新、自主研究開発、成果転換、競争力において著しい発展を遂げ、国家経済の発展促進に重要な貢献を果たしている。

情報化時代の到来とともに、センサーは自然や生産の分野で人々が情報を得るための主要な手段・方法となった。

現代の工業生産、特に自動化された生産工程では、様々なセンサーが生産工程の様々なパラメーターを監視・制御するために使用され、設備が正常または最適な状態で作動し、高品質の製品を生産することを保証している。基礎研究において、センサーは傑出した地位を占めている。

今やセンサーは、工業生産、宇宙開発、海洋探知、環境保護、資源調査、医療診断、生物工学、さらには文化財保護など、極めて幅広い分野に浸透している。

経済の発展と社会進歩の促進におけるセンサー技術の重要な役割は明らかである。統計数字によると、世界のインテリジェントセンサー市場の年間収入は10%のペースで増加する。

現在、プロセッサーを搭載したセンサーデバイスの数は世界で6500万台で、この数は2019年までに2兆8000億台に達する。

センサー選定のポイント

センサーの知識もまた、比較的大きな電気的分野であり、熟達するには豊富な経験が必要である。詳しくは今後説明しますが、今日は主に選択についてお話します。

1.被測定物と出力条件からタイプを決定する

特定の測定タスクを実行するには、まずどのような原理のセンサーを使用するかを検討する必要がある。そのためには、様々な要素を注意深く分析して決定する必要がある。

例えば、流量計を例にとると、電磁流量計、渦流量計、超音波流量計などがあり、流量計を選定する際の具体的な対象によって異なる。

さらに、2線式や4線式の電流信号、0～20mA、4～20mA、0～10Vの電圧信号、あるいは何らかのプロトコル通信など、どのような出力モードを使用する必要があるかについても言及する必要がある。

2.感度に基づく選択

一般に、センサーの線形範囲内では、センサーの感度を高くすることが望ましい。感度が十分に高い場合にのみ、測定された変化に対応する出力信号の値が比較的大きくなるからである。

さらに、この感度は信号処理に有利である。ただし、センサーの感度が高い場合、被測定物とは無関係な外部干渉信号が増幅系で増幅され、測定精度に影響を与えることがあるので注意が必要である。

そのため、センサー自体のS/N比を高くし、外部から侵入する干渉信号をできるだけ減らす必要がある。

センサーの感度は方向性がある。測定対象が単一ベクトルであり、高い指向性が要求される場合は、他の方向の感度が低い別のセンサーを選択すべきである。測定対象が多次元ベクトルである場合、センサーの交差感度はできるだけ小さくする必要がある。

3.周波数応答特性の決定

センサーの周波数応答特性は、被測定物の周波数範囲を決定するものであり、許容周波数範囲内で歪みのない状態を保たなければならない。

実際には、センサーの応答には常に一定の遅延があり、遅延時間はできるだけ短い方が望ましい。センサーの周波数応答が高ければ高いほど、測定できる信号周波数範囲は広くなる。

動的測定では、大きな誤差を避けるために、信号の特性（定常、過渡、ランダムなど）に基づいて応答特性を決定する必要がある。

4.センサーの安定性による

センサーを一定期間使用した後、センサーの性能を維持する能力を安定性と呼ぶ。センサーの長期安定性に影響を与える要因は、センサーの構造だけでなく、主にセンサーの使用環境に関係している。

従って、センサーの安定性を確保するためには、センサーが強い環境適応性を持たなければならない。

センサーの選定にあたっては、使用環境を調査し、具体的な使用環境に応じて適切なセンサーを選定するか、あるいは環境からの影響を低減するための適切な対策を講じる必要がある。

5.センサーの範囲と精度が最も難しいペアである

精度はセンサーの重要な性能指標であり、測定システム全体の測定精度に関連する重要なリンクである。しかし、センサーの精度はそのレンジによって制限される。

一般に、レンジが大きくなるほど精度は低下するが、高精度のセンサーはレンジが不足する可能性が非常に高い。そのため、高精度で大きなレンジのセンサーは非常に高価になる。

そのため、センサーを選択する際には、これらの点を考慮して調整する必要がある。

サンプリングセンサーを選択する際には、そのデバイスがアプリケーションの基本的な動作条件を満たすことができることを確認する必要があります（メーカーが提供するデータシートを参照することができます）。

最も重要な運転条件は以下の6つである：

• 温度範囲；
• スペック
• 保護レベル；
• 電圧範囲；
• ディスクリートまたはアナログ出力；
• パラメータの変更、すなわち「変更可能なパラメータが有益かどうか」。

IO-Linkを使ったセンサーの使用を考える場合、他にも考慮すべきことが6つある：

• 応答速度；
• 感知範囲；
• 繰り返しの正確さ；
• 電気接続；
• 設置タイプ；
• ビジュアル表示：そのアプリケーションにおいて、センサーに可視表示が必要かどうか。

現代の工業生産、特に自動化された生産工程では、様々なセンサーが生産工程の様々なパラメーターを監視・制御するために使用され、設備が正常または最適な状態で作動し、製品が最高の品質を達成できるようにしている。

したがって、多くの優れたセンサーがなければ、現代の生産はその基盤を失うと言える。次に、製造業で最も一般的なセンサーの種類を、応用技術や知見とともに詳しく紹介する。

最も一般的なセンサーの種類

1. 近接センサー

近接センサは、物理的な接触なしに近傍の物体の存在を検出します。ディスクリート出力デバイスです。

通常、磁気式近接センサは、アクチュエータに設置された磁石を感知することにより、アクチュエータが特定の位置に達したかどうかを検出します。

ある会社からアクチュエータを購入し、別の会社から磁気近接センサを購入するのは一般的に良い考えではありません。センサメーカーはそのセンサがX、Y、Zアクチュエータと互換性があると言っているかもしれませんが、実際には磁石や取り付け位置が変わるとセンシングに問題が生じる可能性があります。

例えば、磁石が正しい位置にないときにセンサが通電したり、通電しなかったりすることがあります。アクチュエータメーカーがアクチュエータに適合した近接センサを提供している場合は、これらのセンサを優先すべきです。

トランジスタ式近接センサは可動部がなく、寿命が長い。バネ式近接センサは、機械的接点を使用し、寿命は短いが、トランジスタ式より安価である。バネ式センサは、AC電源を必要とするアプリケーションや高温環境で動作するアプリケーションに最適です。

2. ポジションセンサー

位置センサはアナログ出力を持ち、アクチュエータに取り付けられた磁石の位置インジケータに基づいてアクチュエータの位置を表示する。制御の観点からは、位置センサーは大きな柔軟性を提供します。制御エンジニアは、コンポーネントの変化に合わせて一連のセットポイント値を設定することができます。

これらの位置センサは（近接センサのように）磁石をベースにしているため、センサとアクチュエータは（可能であれば）同じメーカーから購入するのがベストです。IO-Link 機能を使用すれば、位置センサからデータを取得することができ、制御を簡素化し、パラメータを設定することができます。

3. 誘導型センサー

誘導型近接センサは、ファラデーの法則を利用して物体の存在またはアナログ出力位置を測定します。誘導型センサを選択する際に最も重要な要素は、センサが検出する金属タイプを決定することであり、これにより検出範囲が決定されます。

ブラックメタルに比べ、カラーメタルの検出範囲は50%以上減少します。メーカーの製品マニュアルには、必要なサンプル選択に関する情報が記載されているはずです。

4. 圧力・真空センサー

圧力センサーまたは真空センサーが、インペリアル（ポンド／平方インチ）とメートル（バール）の両方の圧力範囲を測定できることを確認する。割り当てられたスペースに最も適した形状とサイズを指定する。

装置を設置する際には、オペレータが使いやすいように、センサをインジケータライト付きにするか、表示画面付きにするかを検討する。設定値の迅速な変更が必要な場合は、IO-Link 構成の圧力センサや真空センサを検討することができます。

5. フローセンサー

圧力センサや真空センサと同様に、流量センサも流量範囲、サイズ、可変設定値に基づいて選択することができます。表示オプションはセンサ注文時に指定できます。

比較的低流量の流量センサーは、装置の特定のエリアまたは装置全体に選択することができる。

6. 光学センサー

光センサーの最も一般的なタイプは、光電散乱、反射、貫通ビームである。レーザーセンサーや光ファイバーセンシングデバイスも光センサーの範疇に入る。

光電センサーは、主に光線を反射または遮断することで物体を検出する存在センサーです。低コスト、汎用性、高信頼性により、これらのセンサーは製造業界で最も広く使用されています。

拡散型光電センサーはリフレクターを必要としません。近くの物体の存在を検出するために使用される費用対効果の高いセンサーです。

スルービーム光電センサーは最も長い検知範囲を提供できる。このセンサーは、送信ユニットと受信ユニットが別々に2箇所に設置されています。ガレージドアの安全センサーはビームセンサーです。ビームが遮断されると、ターゲットが存在することを示します。

スロット型光電センサーは興味深い透過型光電センサーの一種で、送信機と受信機をコンパクトなユニットにまとめたものです。スロット型センサは小さな部品の有無を検出するために使用されます。

反射型光電センサーはセンサーと反射板を持ち、中距離の存在検知に使用されます。精度とコストの点で、これらのセンサーは拡散センサーと透過型センサーの中間に位置します。

光ファイバーセンシングデバイスは、存在検知と距離検知に使用されます。これらの多機能センサーのパラメータは、様々な色、背景、距離範囲を検出するために調整することができます。

レーザーセンサーは長距離の存在検知に使用でき、短距離の測定用途には最も正確である。

ビジョンセンサは、バーコード読み取り、計数、形状確認などに使用できます。ビジョンセンサは、カメラシステムが高価で複雑な状況でも使用できる、経済的で効率的な視覚アプリケーションです。

ビジョンセンサーは、バーコード読み取り、個々の部品の追跡、部品に合わせたプロセスステップの実行に使用されます。センサーは、コンポーネント上に存在する部品数の機能性を確認することができます。ビジョンセンサーは、指定されたカーブやその他の形状が達成されたかどうかを判断することができます。

これらのセンサーは光を扱うため、周囲の明るさや背景の反射率を考慮し、できるだけ使用環境に近い条件でセンサーをテストすることが極めて重要である。

ほとんどのアプリケーションでは、ビジョンセンサをハウジング内に設置し、外部光源から隔離することをお勧めします。センサのテスト時にはビジョンセンサメーカーの協力を得ることをお勧めします。また、適切なフィールドバスを選択することも忘れないでください。

信号変換器は、センサからのアナログ出力信号を変換器上のバイナリ信号に変換するか、IO-Link プロセスデータに変換します。

7. その他のセンサー

(1) マグネットスイッチ：

シリンダーに使用されるセンサーの専門名称であり、主にシリンダーピストンの位置を検出するために使用される。通常、お客様の用途に応じてシリンダメーカーから提供されます。その名の通り、電磁誘導によって対象物を検出するため、検出精度は比較的低い。

(2) 近接スイッチ：

また、近接スイッチは電磁誘導の原理に基づいて設計・製造されているため、金属製の対象物しか測定できず、検出距離には若干の差がある。 異種金属.

現在、近接スイッチに一般的に使用されている検出距離は以下の通りである：1mm、2mm、4mm、8mm、12mmなど。近接スイッチには通常、埋め込み型と非埋め込み型の2種類があります。

いわゆる埋込型とは、近接スイッチの検出ヘッドが金属ターゲットをその円周方向には検出せず、その前方の金属ターゲットのみを検出することを指し、センサ検出ヘッドは金属製の取り付けブラケットを露出させることなく取り付けることができる。

いわゆる非埋込型とは、近接スイッチの検出ヘッドが前方の金属ターゲットと円周方向の金属ターゲットの両方を同時に検出するもので、誤判定を避けるために、センサ検出ヘッドが金属製の取付金具を一定距離露出させ、円周方向の一定範囲に金属ターゲットがないことが必要です。

近接スイッチの検出精度は磁気スイッチよりも高い。近接スイッチは通常、製品の有無の判定や冶具の位置決めなど、位置精度の要求が比較的低い状況で使用されます。

(3) 光電スイッチ：

光電検出方式は、高精度、高速応答、非接触の利点を持ち、複数のパラメータを測定することができます。センサーの構造はシンプルで柔軟性があるため、光電センサーは検出や制御に広く使用されています。

光電スイッチには、反射型光電センサー、透過型光電センサー、反射板で光を反射させる光電センサーの3種類がある。

後者2つは対象物による陰影によって検出され、前者は対象物を透過した光を反射することによって達成される。

したがって、後者の2つは通常、検出距離が長く、精度が高い。光電センサーは検出精度が比較的高いため、通常、製品やワークの正確な位置の検出や、ステッピングシステムやサーボシステムのフィードバック装置として使用されます。

(4) 光ファイバーセンサー：

光ファイバーセンサーも光電変換を利用した検出素子の一種です。光電スイッチに比べ、検出対象物が小さく、検出距離が長く、精度が高い。

そのため、光ファイバーセンサーは通常、より精密な検出用途や、ステッピング・システムやサーボ・システムの位置決めフィードバック装置に使用される。

(5) グリッド

グリッドも光電信号を利用したセンサーである。グリッドの検出エリアは広いので、エリアセンサとも呼ばれます。グリッドの主な応用分野は、機器間のインターロックや安全機能、特に人を保護するための機能です。

(6) 熱電対：

熱電対は主に周囲の温度を検知するために使用される。

(7) レーザー検出器：

レーザー検出器の主な機能は、対象物の外形寸法を正確に測定することである。

(8) 産業用カメラ：

産業用カメラは、工学分野では一般的にCCD（Charge-coupled Device：電荷結合素子）とも呼ばれ、主に対象物の外形や位置を検出するために使用されます。現在のCCD技術の向上により、高解像度の産業用カメラは精密な計測分野にも応用できるようになりました。

(9) エンコーダー：

エンコーダの動作原理から、インクリメンタル型とアブソリュート型に分けられる。インクリメンタルエンコーダは、変位を周期的な電気信号に変換し、この電気信号をカウントパルスに変換します。

アブソリュートエンコーダは、位置ごとに特定のデジタルコードに対応しているため、その表示は計測の開始位置と終了位置にのみ関係し、途中の計測プロセスには関係しません。

エンコーダは通常、ステッピング・モータやサーボ・モータを使用するクローズド・ループまたはセミ・クローズド・ループ制御システムで使用される。

(10) マイクロスイッチ：

マイクロスイッチは接点タイプのセンサーで、主に機器間の接続や機器の安全・保護扉の状態検出に使用されます。