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各種センサーのご紹介

 

 

弊社では、20種類を超えるセンサーユニットの開発を行いました。その中でケースに収納を行ったセンサーの詳細仕様です。

イニシャルコストを抑える為、３Ｄプリンタを用いたＡＢＳで作成したケースに収納されています。その為、一般射出成型品より見栄えが悪い点をご容赦下さい。

 

弊社では、20種類を超えるセンサーユニットの開発を行いました。その中でケースに収納を行ったセンサー仕様です。

センサーの接続台数は、消費電流（USBアダプター使用時は、USBアダプターの消費電流も含み）合計が500ｍA以内である必要が有ります。

また、通信速度で、Hi-Speedタイプとstandardは、混在接続ができません。USBアダプターを2台接続しHi-Speed系とstandard系に分ける必要が

有ります。

 

センサー　一覧

NO.	ユニット名	消費電流（ｍA）	通信速度	データロガー対応	備　考
1	電流電圧	30	Hi-Speed	〇
2	高感度気温・湿度・気圧	30	Hi-Speed	〇
3	加速度・ジャイロ	32	Hi-Speed	〇
4	照度	30	Hi-Speed	〇
5	カラー	31	Hi-Speed	―
6	放射温度	30	standard	〇
7	Co2,Voc	95	standard	〇
8	Co2,Voc(温度補償型)	95	standard	〇
9	K型熱電対	30	standard	〇
10	DIOモジュール	120	Hi-Speed	―
11	超高感度加速度	22	Hi-Speed	〇
12	サーモグラフィ	36	Hi-Speed	―
13	USBアダプター	110	Hi-Speed	〇
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センサーとセンサー間、センサーとUSBアダプター等の接続には、一般市販のＬＡＮケーブルを用います。

これは、安価にワイヤリングを可能する為に、市販のLANケーブルを使用する方式としました。LANケーブルはノイズに強いツイストペアの構造であり

また、高周波インピーダンスも100Ωと低い為、更にノイズ除去に優れています。

更に、ノンシールドのUTP型、シールド付きのSTP型、屋外敷設用と種類も豊富な点も、本システムでLANケーブルを採用した理由です。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

センサーのコネクタ部には2個のLEDが実装されています。電源が供給されると、2個のLED両方が点灯します。

センサーと通信が行われると、その瞬間LEDが消灯しますが、通常は消灯が確認できない程、高速で通信が行われます。

 

LANケーブルは、0.5ｍｍ（24AWG）×4Pの一般的な太さのケーブルをご使用下さい。許容電流は約2Aです。これ以外の直径3.8mm極細LANケーブル0.25mm（AWG30）×4Ｐの物は、許容電流が約0.3Aと少ない、また、フラットの薄型LANケーブルも心線の太さが細い為、許容電流が不足し、発熱や発火の恐れが有りますので、必ず0.5mm（24AWG）×4Pの一般的な太さのLANケーブルをご使用下さい。

 

センサーとセンサー間、センサーとUSBアダプター等の接続は、マルチドロップ接続（芋づる式）です。

使用するセンサーの通信速度がHi-Speed型とstandard型の両方有る場合は、Hi-Speed用USBアダプター、standard用USBアダプターと2系統

用いる必要が有ります。(※しかし、Hi-Speed型センサーをstandardの速度で接続する場合を除く)

一台のUSBアダプターには、最大8台迄接続が可能（一部制限有り）で2個のLANケーブル用のコネクタが有ります。各々ケーブルの総延長は20ｍ

まで接続可能です。例えば4分岐スプリッターを使用し5mのLANケーブル4本でセンサーを接続した場合、5ｍ×４本＝総延長20ｍとなります。

つまり、センサーを接続するＬＡＮケーブルの総和が20ｍ以内と言う事です。

 

 

USBアダプターには、2個のコネクタが実装されていますので、右側のコネクタで20ｍ、左側のコネクタ20ｍ、センサーの総数は8台と成ります。

左右独立して信号をドライブする回路があり、各々20ｍと成っています。20ｍの距離制限は、LANケーブルの線間の静電容量の関係で発生しています。

 

また、センサーの電源、USBアダプターの電源は、パソコンの電源をUSB2.0端子から供給を受けています。USB2.0の規格では、5V/500ｍA（2.5W）

が最大供給電力とされています。

この為、USBアダプター内に500ｍA以上の電力供給を受けない様に、保護回路が内蔵しています。

パソコンのUSBからの供給能力が500ｍAとし、USBアダプターで110ｍAが消費され、残りの390ｍAが各センサーで利用できる電力です。

ＤＩＯモジュール、Co2,VoCセンサー以外は、平均32ｍAで、12台接続可能と成りますが、これらの混在も考慮して8台としています。

DIOモジュールでは、入出力を確認する為のLEDが実装され、消費電流が大きく成ります。この為、台数制限が発生します。

 

センサーの種類によって、Hi-Speed型とstandard型に分かれます、standard型センサーは、Hi-Speed型センサーと共存できず、USBアダプターを別

に準備して、Hi-Speed系とstandard系と分離して接続する必要が有ります。

これは、センサー自体の応答速度がパソコン等からの高速なデータ要求に追従できない場合が発生する為です、また、高速なデータ要求に対してセンサーの

データ更新が間に合わず、同じデータを繰り返して返す等が発生する為です。（Hi-Speed型でも、内部フィルタの設定等により、同一データの繰り返しが

発生します）

 

Hi-Speed型でのデータ収集は最大200μS/Dataですので、1秒間に5,000データ、1分間で30万データと膨大でデータ収集後にExcelで解析するには

1分間のデータだけでも非現実的なデータ量と成ります。

standard型でのデータ収集は最大8ｍS/Dataで、1秒間に125データ、1分間で7,500データ、1時間で45万データです。

その為、現実的に、どの程度のサンプリング周期でデータを必要とするのか？を検討後にHi-Speedとstandardを分離して接続するかstandardのみにするか

の接続方法を決定して下さい。

 

センサーには、センサーを識別する為の個別のIDが有ります。その為、同一センサーを同一センサーネットワーク上で使用する場合は、アドレスが重複

してしまいます。

この重複を避ける為、センサー内に任意にアドレスを変更する回路が実装されています。アドレスは110パターンの中から任意に選択可能です。

 

データーロガー等で使用する場合、8点、16点、24点等の数多い電圧入力等が考えられます。現在提供している電圧のセンサーは、１台で１点入力なので

24点を測定したい場合、24台の電流・電圧センサーが必要となり、24種類のアドレス（ID）が必要となり、重複は許されません。

この為、ご注文時に、お持ちのセンサーのアドレスと重複しないアドレスをご指定頂く事で、任意のアドレスに変更が可能です。

 

 

図は、5個のセンサーを接続した場合の構成例です。5個のセンサーは、全て異なるアドレス（ID）が必要と成ります。

 

 

センサー内部には、センサーに過電圧が印加された、LANケーブルにノイズが畳乗した場合を想定し、充実した保護回路が設けられています。

※保護回路は、センサーネットワークを不慮な原因での障害を保護する為で、センサー自体を保護する回路では有りません、特に外部接続するセンサーでは

最大定格内でご使用下さい。

 

1. LCフィルタ

　LANケーブルの接続コネクタ部には、過度なノイズ信号を除去する為の10Mhzで300Ω以上・100Mhzで1ｋΩ以上のインピーダンス特性を持つ

　LCフィルタ回路が実装され、センサー回路内部にノイズの侵入を阻止しています。

2.過電圧・静電気阻止

　ESDや過電圧保護の為、６V以上電圧が印加された場合ブレークダウンし、回路を保護する回路を実装しています。

この回路は、LANケーブル側からの印加、センサー側からの印加を防止する為に2重の保護回路を実装しています。

3.アイソレーションによる電位の分離

　外部との接続が必要な熱電対センサーや、電流、電圧センサー等では、GNDラインに電位差が有ると、このGNDラインに電流が流れ正確な測定が

　できません。完全にGNDラインを独立させる為に、25kV/μSの特性を持つ、電源及び各信号を完全に独立したアイソレーション回路を実装しています。

　このアイソレーション回路は、全てのセンサーの内部回路に実装されています。

　DIOモジュールでは、アイソレーション後に、更にフォトカプラでアイソレーションを行っています。

4.アドレス変換回路

　同一センサーの複数接続を可能とする為、センサーユニットのアドレスを任意に変更可能な、アドレス変換回路を実装しています。

　この実現により、100種類以上のアドレス(ID)の設定が可能となりました。

5.モニタLED

　モニタ用LED（加速度センサを除く）は、アイソレーション後のセンサーデバイスに直接供給されている電気信号にて点灯させています。

これにより、完全に分離されたアイソレーション前（LANケーブル側）の故障なのか？アイソレーション後（センサーデバイス側）なのかの切り分けが容易

に成ります。

 

 

USBアダプター内部にも、各種保護回路やネットワークを安定して通信を行う為の回路が組み込まれています。

 

1. LCフィルタ

　センサーユニット同様に、LANケーブルの接続コネクタ部には、過度なノイズ信号を除去する為の10Mhzで300Ω以上・100Mhzで1ｋΩ以上の

インピーダンス特性を持つLCフィルタ回路が実装され、センサー回路内部にノイズの侵入を阻止しています。

2. コモンモードフィルタ

　パソコンから供給された電源は、DC/DCコンバーターでアイソレーションされ、LANケーブルを介してセンサーユニットに供給されます。

この供給する電源の安定化を増す為、出力側にコモンモードフィルタを実装し、安定した電源供給を行っています、

3.過電圧・静電気阻止

　センサーユニットに接続する為のLANケーブルの出力側にSDや過電圧保護の為、６V以上電圧が印加された場合ブレークダウンし、回路を保護する回路を

実装しています。これにより、センサーユニット側、USBアダプター側の両方で保護回路が動作します。

4.アイソレーションによる電位の分離

　センサーユニットに供給する電源は、パソコンのUSB経由で受電後、DC/DCコンバーターでアイソレーションしフィルタを経由して供給されます

同様に信号ラインも、パソコンのUSB信号を変換後に、アイソレーションされてフィルタを経由してセンサーユニットへと接続されます。

この為、接続しているLANケーブルにノイズが印加されたとしても、アイソレーション回路で分離されている為、USB経由でノイズ等がパソコンに逆流

する事は有りません。

5.過電流供給保護

　USB2.0の規格である5V/500ｍA以内の電流供給とする為、これを超える電流が流れた場合、電流によって抵抗値が変化するポリレジスタが実装され

過電流時には、自動的に過電流を阻止します。

ポリレジスタの特徴である自己復帰機能で、過電流が収束すると、自己復帰して通常利用が可能です。

6.モニタLED

　モニタ用LEDは、アイソレーション後の信号で点灯させています。

これにより、分離されたアイソレーション前（USBケーブル側）の故障なのか？アイソレーション後（LANケーブル側）なのかの切り分けが容易

に成ります。

 

 

 

各センサーの個別仕様のご紹介

 

 

センサーユニットの個別仕様を、ご紹介します。

 

 

 

測定・計測では絶対外せない、電流・電圧センサーユニットです。市販の各種センサーのアナログ出力を受けてデータ収集を実施可能他、直接電圧測定

が可能です。1台のセンサーユニットで電圧と電流の両方が測定可能です。

測定精度を維持する為、入力部には過電圧・過電流保護回路は実装されていません。必ず定格内で有る事を確認して接続して下さい。

 

DC入力ですので。AC計測はできません。AC測定時は、信号変換器等でDC変換を行ってご使用下さい。

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気温・湿度の測定は一般的ですが、このセンサーの最大の特徴は気圧測定の分解能に有ります。利用時の気圧に関係しますが、最小で1.6cm（理論値）

高さの違いが気圧の変化より読み取る事ができます。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

このセンサーで気圧を用いて高さを計測する場合、気圧が常に一定していない点と、気温で空気密度が変化して、気圧が変化する点、センサーが１℃の

温度の違いで±0.013ｈPa変化する点を考慮すると、基準点にセンサーを設置し、移動先にセンサーを設置しその差分の気圧から高さを求める方法が

一番誤差の少ない測定方法と成ります。

※絶対精度：センサー固有の精度で全く同じ場所に設置しても、例えば湿度で一方は50％、他方は53%を示す事が有ります。気圧も同様に±0.6hPaの

　違いが有りますので、同じ場所に置いても両者には違いが発生しますが、この違いを考慮して高さ測定等を行う必要が有ります。

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このセンサーは、加速度のX,Y,Z軸方向とジャイロのX,Y,Z軸方向の動きを検出する6軸センサーです。このセンサーには、形状の関係でLED表示部は無く

50Cmのケーブルが引き出されています。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

加速度やジャイロセンサーでは、ノイズ電圧密度と呼ばれるセンサー自身が発生するノイズが有ります。その為、分解能が16Bitで有っても数Bitは

自己発生ノイズの為、加速度やジャイロの微小な変化はノイズに埋もれてしまい測定できないので注意が必要です。

説明にある「G」とは加速度の単位で、SI単位系で言う9.80665ｍ/S2の事です。

加速度とジャイロを混同している方が多いので、その違いを説明します。加速度は、単位時間内の速度の変化量です。1秒後に停止状態から9.8ｍ移動

した加速度は、1G（9.8ｍ/S２）です。9.8ｍ進んだ後に、その速度を維持した場合の加速度は0です。その速度から1秒後に停止した場合はー１Gと

成ります。

ジャイロは、回転角度の事です。フィギアスケートの羽生結弦選手が4回転ルッツを飛んだ時の時間は、0.781秒と言う事です。360°×4=1,440°の

回転に成ります。1,440°/0.781Sec=1843°/Sの回転量と言う事に成ります。同じ時間に三回転のジャンプの場合は、回転量は少なく成ります。

つまり、１秒間にどの位回転したかを測定するのがジャイロです。加速度を測定する場合でも、移動には多少でも回転方向に動きが発生し、加速度

ジャイロ共に測定値が現れるので、誤解が多いと思います

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照度センサーは、何Luxの明るさ？を測定するセンサーです。半導体の光センサーの場合、特に赤外線を強く検出する傾向が有る為、このセンサーでは

２つの光センサーで光全体と赤外線を測定し、光全体から人間が見えない赤外線を差し引く処理を行い、可視光に近い照度を測定しています。

満月の夜で0.2Lux、町の街灯の下で100Lux、茶の間で200Lux、TV局のスタジオで1,000Lux,野球のナイター照明が2,000Luxだそうです。

センサーは、蓄積時間が長い程、暗闇の感度が上がります。逆に明るい場所では蓄積時間を短くして使用します。

 

照度を改善する事で、作業ミスの改善等の報告も有ります。また、無人状態での蛍光灯等切り忘れ検出等、様々利用方法が考えられます。

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カラーセンサーは、R(赤)、G（緑）、B（青）の三原色に、C（透明（明るさ））を加えた4色で色を判断します。

残念ながらセンサーには、レンズ等の光学系の部品・装置を付加していない為、検出距離は、1cm以内迄接近させないと正確な検出はできません。

また、反射色を検出できる十分な光源準備と外来光等の影響の為、色が正確に測定できない場合がありますので、外来光を遮断する等を行う必要が有ります。

色合いの調整は、光蓄積時間とゲインの調整で行う事が可能です。

 

本カラーセンサーには、光学系が付加しておりません。安価で様々な倍率のアクリルレンズが市販されています。測定対象物との距離を検討の上最適なレンズをご使用下さい。

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放射温度センサーは、物体から放出される赤外線から温度を非接触で測定します。

残念ながらセンサーには、レンズ等の光学系の部品・装置を付加していない為、検出距離は、数1cm以内迄接近させないと正確な検出はできません。

 

 

本センサーには、光学系が付加しておりません。安価で様々な倍率のアクリルレンズが市販されています。測定対象物との距離を検討の上最適なレンズをご使用下さい。

 

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Co2、Voc（揮発性有機化合物）センサーは、Co2は、二酸化炭素ですが、Vocとは、常温、常圧で気化しやすい有機化合物で、ホルムアルデヒドや

ベンゼン、トルエン、アセトン、キシレン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、ジクロロエタン等、他にも様々な物が有ります。

このセンサーは、揮発性有機化合物の総量のみを測定し、物質別の量は測定できません、これらでシックハウス症候群、化学物質過敏症等の症例や

大気汚染防止法による、モニタリング、公表、指定物質の排出抑制基準などが規定されています。

			Co2濃度   360~400ppm 自然大気濃度 ～1000ppm 建築物環境衛生基準値 ～3000ppm 眠気、集中力欠如等 ～5000ppm 労働衛生上の基準 5000～ 目まい、倦怠感等

 このセンサーでは、導入時に48時間のエージング時間、測定開始前20分のコンデショニング時間が必要です。これは、センサー内部でヒーターを用いて気化

させる等の処理を行っている為で、他のセンサーに比較して消費電流も95mAと約3台分の電力を消費します。

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 Co2、Vocセンサーの温湿度補正の為、センサーユニット内に、Co2,Vocセンサーと温度・湿度センサーの2つのセンサーが入っています。

温度、湿度で測定データを補正することで測定精度が高まります。

他の機能は、同様です。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

温湿度補正を行う事で、精度及びレスポンスも改善が見られます。センサー内部でヒーターを使用している為、消費電湯が増加している為このセンサーの8台接続はできませんので、ご容赦下さい。

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測定対象物に直接接触させて温度測定を行いますので、非常に正確に温度測定が可能です。熱電対を用いる事で測定範囲が－200℃～+1350℃の温度を

±1.5℃の誤差で測定可能です（熱電対の精度含まず）コールドジャンクションの補正温度計測も内臓しています。

熱電対の取付けは、業界標準のOMEGAのミニチュアコネクタを採用し、測定温度に合わせて市販の熱電対を自由に選択可能です。

 

このセンサーはサンプリング時間、5/20/80/320ｍSに対応して分解能が12/14/16/18Bitと変化します。必要精度に合わせてご使用下さい。

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 DC24Vの4点コモンでの電圧入力が8点、4点コモンでのトランジスタ出力が8点で、入力8点、出力8点のDIO（デジタル入出力）ユニットです。

入力、出力共にフォトカップラでアイソレーションを行っています。又、入出力確認用のLEDも実装されています。

 

　　

 

 

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超高感度加速度センサーは、低ノイズ、低ドリフト、20Bit分解能の加速度センサーで、X・Y・Z軸を測定する加速度センサーです。

このセンサーは、センサーをテーブルの上に置き、人間の話声でのテーブル振動を測定できる程の高感度のセンサーです。

加速度ジャイロセンサーユニットと比較しても、ノイズレートは1/12、温度精度は倍以上、温度ドリフトは1/20の性能です。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

性能比較

加速度・ジャイロセンサーと超高感度センサーでの性能比較の実施例です。無振テーブル上では無く、一般の作業机の上での実験です。

 

 

 

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サーモグラフィは、2次元で、温度分布が解る画期的なセンサーですが、解像度が上がれば上がる程、そのデータ量は膨大になり、定点観測（測定）には

データ量の点から決してコストコストパフォーマンスが良いセンサーとは言えません。この課題を解決する為8×8ピクセル（64ピクセル）でデータを

収集し、そのデータをバイリニア補間法で、32×32ピクセル（1024ピクセル）に補間演算を行う方法を実現する事で、少ない生データで2次元の

温度監視を可能としました。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

モーターを用いた実験例

 

 

 

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