Sensor - Sensa (English spelling) sensor

Japanese: センサー - せんさー（英語表記）sensor

It is an engineering term derived from the Latin sēnsus, just like the biological term sensorium. It is sometimes translated as detector, but there is no set translation that is more appropriate. There are differences in how the term is defined; some simply refer to a signal detector or pick up, while others broaden it to include a signal converter or transducer, or even a signal transmission device, that is, the entrance to a signal or information processing device. In the case of a digital thermometer, for example, the sensor is the part that detects temperature using a thermistor or the like and converts it into an electrical signal. In other words, a sensor functions as an information intake for a system or device to achieve a certain purpose.

Humans receive stimuli from the outside world through their five senses, send signals to the brain, and move muscles according to commands from the brain. Therefore, just as the five senses (sight, hearing, touch, smell, and taste) are indispensable in human social life, the role played by sensors corresponding to these senses is also valuable in the world of science and technology.

While the brain corresponds to a computer, sensors are closely related and can be considered an "intermediary" that inputs signals from the outside world into the computer. Technology combining computers and sensors is widely used, from robots to space systems. There are many different types of sensors, and they can be classified in many different ways, such as by principle, by measured variables, or by application. Here, we will look at sensors from as many perspectives as possible.

[Minoru Tamukai]

Classification based on composition

There are basic sensors, combination sensors, and application sensors. Thermocouples used to measure temperature are basic sensors. An example of a combination sensor is one that detects the dry-bulb and wet-bulb temperatures and measures relative humidity. An example of an application sensor is one that uses an infrared sensor to measure the heat rays emitted by the human body and displays the temperature distribution of the body's surface temperature on a cathode ray tube (CRT).

[Minoru Tamukai]

Classification by mechanism

They are divided into structural and physical sensors. Structural sensors use the laws of motion and electromagnetic induction, and an example of this is a pressure gauge that detects pressure as a corresponding change in capacitance after extracting the pressure as a displacement using a diaphragm or the like. Structural sensors have become available with excellent accuracy and reliability, and are widely used as industrial sensors.

Physical property sensors utilize the inherent physical properties of a substance. Examples include pressure sensors, light sensors, magnetic field sensors, gas sensors, and humidity sensors that use the physical properties of semiconductors and ceramics. Physical property sensors can be miniaturized using IC and thin-film materials and advanced manufacturing technology, and can be mass-produced to reduce cost. They have features such as no moving parts, high reliability, and easy maintenance. They are widely used for general use in home appliances, automobiles, etc.

[Minoru Tamukai]

Classification by detection function

This classification includes spatial quantities, mechanical quantities, thermal quantities, electromagnetic quantities, optical quantities, chemical quantities, visual quantities, and auditory quantities. Specifically, there are sensors for temperature, humidity, pressure, flow rate, rotation speed, gas, and light. Of these, temperature sensors are the most common and widely used. Applications are becoming more diverse, with wristwatches now incorporating temperature sensors.

[Minoru Tamukai]

Classification by conversion method

These are classified according to their transformation processes: mechanical, thermal, electrical, magnetic, electromagnetic, optical, electrochemical, enzymatic, and microbial. Novel examples include visible light sensors that use the photoelectric effect of amorphous materials, and biosensors that use biotechnology to detect gas components and trace substances.

[Minoru Tamukai]

Classification by use

They are classified according to their intended use, such as industrial, consumer, medical, scientific, and space use. In terms of the required accuracy, for consumer use, sensors that can be used within an accuracy range of 1-10%, that can be mass-produced, and that are inexpensive are required, so physical property sensors such as gas leak detection sensors are often used. For industrial use, process control sensors used in the manufacture of iron or petrochemical products require an accuracy of 0.1-1%, and structural sensors such as electromagnetic flowmeters are often used. Higher accuracy than this is required for precision experiments or calibration, where an accuracy of 0.001-0.1% is required, and quantum or frequency type sensors are mainly used. An example of a quantum type is the SQUID magnetometer, and an example of a frequency type is the quartz thermometer.

[Minoru Tamukai]

Material Classification

The classification is based on the main materials used in the sensors, such as semiconductor sensors, ceramic sensors, and enzyme sensors.

[Minoru Tamukai]

Classification by detection signal type

There are analog sensors, digital sensors, frequency sensors, binary sensors, etc. Since the physical quantities to be measured are often originally analog quantities, there are a great many types and numbers of analog sensors. There are only a few digital sensors, such as encoder-type displacement sensors. Examples of frequency sensors include vortex flowmeters and quartz thermometers. Binary sensors output two values, on and off, and are widely used in photoelectric switches, proximity switches, etc.

[Minoru Tamukai]

Classification by principle/phenomenon

There are a great many principles and phenomena used in sensors, but here we will pick out and explain a few of them.

[Minoru Tamukai]

Temperature Sensor

We have already shown some examples, but this is the most popular sensor that is widely used, from old ones like bimetal to new ones using optical fiber. (1) Thermoelectric thermometers work on the principle of the Seebeck effect, where a closed circuit is made by shorting both ends of two kinds of metal conductors, and when there is a temperature difference between the two connection points, an electric current flows in the circuit. The electromotive force that generates this electric current is called thermoelectromotive force, and is determined only by the temperature difference between the two ends. Examples of combinations of two kinds of metals include copper and constantan, chromel and alumel, and platinum and platinum-rhodium, and the relationship between temperature and thermoelectromotive force for these has already been specified in JIS (Japanese Industrial Standards). The measurable temperature range is -200 to +2000°C. (2) Resistance thermometers utilize the property that the electrical resistance of metals or semiconductors changes with temperature. Those using platinum wire can withstand harsh environments and have stable characteristics, so they are widely used for precision temperature measurement and industrial purposes. For industrial use, 0°C 100 ohms is common, and the temperature and resistance are also specified in the JIS. In this case, a resistance change of about 40 ohms is obtained from 0 to 100°C. Thermistors made of semiconductor materials have a large change in resistance, are small and inexpensive, and are used in large quantities as temperature sensors for home appliances and automobiles. (3) Radiation thermometers measure the thermal radiation emitted from an object using infrared sensors, etc., and have the advantage of being able to measure without contact, making them more suitable for measuring an area rather than a specific point. For example, they are used to measure the temperature distribution inside a furnace in a steelworks, the temperature distribution of a steel plate in a rolling process, and the temperature distribution on the Earth's surface from a satellite. (4) Transistor thermometers use an ordinary transistor as a temperature sensor, and when a current is passed between the base and emitter of a silicon transistor, they have a temperature coefficient of about minus 2 millivolts per degree Celsius. Using this, temperatures from minus 50 to plus 200°C can be measured. (5) A quartz thermometer utilizes the change in the resonant frequency of a quartz oscillator due to temperature, and has the features of having a sensitivity of 1/1000°C, a stability of 1/100°C over a month, and the ability to obtain a frequency output.

[Minoru Tamukai]

Pressure Sensor

Pressure measurement is widely used in the process industry along with temperature and flow rate, and is also used in pressure switches that detect pressure on and off in the mechanical industry. There are many types of pressure sensors, and sensors with suitable principles are used depending on the magnitude and accuracy of the pressure to be measured. There are many types of pressure sensors that measure pressure close to atmospheric pressure and have many uses. The displacement of diaphragms, bellows, Bourdon tubes, etc. due to pressure is converted into an electrical quantity in the form of a capacitance change, inductance change, frequency change, or strain. For example, a semiconductor pressure sensor is a diaphragm made by etching a single crystal silicon plate, impurities are diffused on its surface, and strain is simultaneously detected as a change in resistance value. It is small, inexpensive, highly accurate, and has a wide range of applications. The phenomenon of applying pressure to a semiconductor crystal and causing a change in resistance is called the piezoresistance effect.

[Minoru Tamukai]

Flow Sensor

Many flow meters measure the flow rate of gas or liquid flowing through a pipe, and multiply this by the cross-sectional area of the pipe to obtain the flow rate. Electromagnetic flow meters are sensors that utilize the principle that the average flow rate in a pipe is proportional to the electromotive force, according to the law of electromagnetic induction. They can measure liquids with a conductivity of 5 microsiemens (5 μS/cm) or more. As a flow meter with no obstacles in the flow path, they are widely used in water supply and sewage, the chemical industry, and the pulp and paper industry. Ultrasonic flow meters use a transducer attached to the outer wall of a pipe to take advantage of the difference in the transmission and propagation time of ultrasonic waves when they are traveling against the flow and when they are traveling with the flow, and obtain a flow rate signal from the difference, and are only applicable to liquids.

A vortex flowmeter is a flowmeter that places a rod in the flow and obtains the flow velocity from the number of vortices that occur downstream. This phenomenon can be observed in everyday life when a flag flutters in the wind or when vortices form downstream of a bridge girder. A vortex flowmeter has the advantage that it obtains a signal at the frequency at which the rod vibrates due to the vortices. It can measure both gases and liquids, making it a flowmeter with a very wide range of applications. A differential pressure flowmeter uses the principle that a restrictor is placed in the middle of a pipe and the differential pressure generated before and after the restrictor is proportional to the flow rate. The restrictor is called an orifice, Venturi tube, etc. depending on its shape, and has long been used in large quantities as a gas and liquid flowmeter.

[Minoru Tamukai]

Magnetic Sensor

Magnetic sensors are constructed using physical phenomena such as electromagnetic induction, ferromagnetic properties, or the Josephson effect. The use of magnetic fields allows for non-contact position detection, and they can be used in relatively poor environments, making them highly reliable sensors. Examples of flow rate sensors include electromagnetic flowmeters, Hall elements, and SQUIDs (super conducting quantum interference devices). Hall elements have a resolution of about 10 ^-7 T (tesla) as a magnetic field sensor, and when used as a magnetic field detection element, they can be used to create brushless DC motors, that is, motors without mechanical contacts. SQUIDs use the Josephson effect in superconductivity to create extremely sensitive magnetic field sensors with a resolution of about 10 ^-14 T. For your information, the geomagnetic field is about 3×10 ^-5 T, so you can see how high the resolution is. Therefore, they can be used as medical sensors because they can measure magnetic fields of 10 ^-12 to 10 ^-13 T generated by the heart and brain. Temperature sensors that utilize the phenomenon in which magnetic properties change with temperature, or the phenomenon in which ferromagnetism disappears and transitions to paramagnetism at a specific temperature specific to the material, are also widely used.

[Minoru Tamukai]

Home appliance sensors

Home appliances can be broadly divided into electrical appliances related to food, clothing and shelter, and electronic products related to culture and entertainment, such as audio and video. The former use sensors mainly detect analog, while the latter are often used to detect on/off signals. A system that protects human life and property from disasters and crime is called a security system, and when it is applied to an ordinary home, it is called home security. Disaster prevention and crime prevention sensors are at the center, and familiar ones such as gas leak alarms, intrusion detectors using ultrasonic or infrared, and bath water level and temperature checkers are quite widespread.

[Minoru Tamukai]

"Sensor Technology Handbook Planning and Editing Committee, 'Sensor Technology Handbook' (1983, Japan Management Association)" ▽ "Sensor Encyclopedia" (1983, Nikkan Kogyo Shimbun)

[Reference item] | Thermistor | SQUID

The five senses and sensors
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The five senses and sensors

The relationship between living organisms and machines
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The relationship between living organisms and machines

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

生物学用語の感覚器のsensoriumと同じくラテン語のsēnsusからつくられた工学用語。検出器などと訳す場合もあるが、適切な訳語は定まっていない。単に信号検出器signal detector, pick upにとどめるか、信号変換器signal convertor, transducer、さらには信号伝送装置、つまり信号あるいは情報の処理装置の入口までに広げるか、その範囲の取り方に広狭の差異があるからである。デジタル温度計を例にとれば、温度をサーミスターなどにより検出し、電気信号に変える役目をする部分がセンサーに相当する。すなわち、センサーは、ある目的を達成するためのシステムまたは装置のための情報の取入れ口として機能するものである。

　人間は外界からの刺激を五感を介して受け入れて、その信号を脳へ送り、脳からの指令により筋肉を動かしている。したがって人間の社会生活において五感（視覚、聴覚、触覚、嗅覚(きゅうかく)、および味覚）が不可欠であるように、科学技術の世界においてもこれらに対応するセンサーの果たす役割は貴重である。

　頭脳はコンピュータと対応しているが、センサーは外界からの信号をコンピュータへ入れるための「なかだち」ともいえる密接な関係にある。コンピュータとセンサーとの組合せ技術はロボットから宇宙を対象とするシステムまで広範に適用されている。センサーは多種多様あり、分類法も原理別、測定変量別、応用対象別などさまざまな考え方ができる。ここではできるだけ多くの観点から眺めてみることにする。

［田向　稔］

構成からみた分類

基本センサー、組合せセンサー、応用センサーとなる。温度測定に使う熱電対は基本センサーである。乾球と湿球の温度を検出し、相対湿度を測定する例を組合せセンサーとよぶ。人体が発する熱線を赤外線センサーで測定し、身体の表面温度の温度分布を陰極線管（CRT）上に表示するのは応用センサーの例である。

［田向　稔］

機構による分類

構造形、物性形に分かれる。構造形センサーは運動の法則や電磁誘導の法則を用いたもので、圧力をダイヤフラムなどで変位として取り出したあと、これに応じたキャパシタンスの変化として検出する圧力計がこの例である。構造形センサーは精度も信頼性も優れたものが得られるようになって、工業用センサーとして広く使用されている。

　物性形センサーは物質固有の物理特性を利用したものである。半導体やセラミックスなどの物理的特性を用いた圧力センサー、光センサー、磁界センサー、ガスセンサー、湿度センサーがこの例である。物性形センサーは、ICや薄膜の材料と進歩した製造技術を活用した小型化と、大量生産による低コスト化が可能であり、可動部がなく、信頼性が高く、保守が簡単などの特長をもっている。家庭電器、自動車などの一般使用者向けに幅広く使用されている。

［田向　稔］

検知機能による分類

この分類には空間量、力学量、熱学量、電磁気学量、光学量、化学量、視覚、聴覚などがある。具体的には、温度、湿度、圧力、流量、回転数、ガス、光のセンサーである。これらのなかで温度センサーがもっとも多く、かつ幅広く使用されている。腕時計が温度センサーを内蔵するなど、用途も多様化している。

［田向　稔］

変換方法による分類

これは力学的、熱学的、電気的、磁気的、電磁的、光学的、電気化学的、酵素化学的、微生物学的変換作用による分類である。目新しい例としては、アモルファス（非晶質）材料の光電効果を用いた可視光センサー、バイオテクノロジー（生命工学）を応用してガス成分や微量物質を検出するバイオセンサーなどがある。

［田向　稔］

用途による分類

工業用、民生用、医療用、理化学用、宇宙用などの用途による分け方である。これらを要求される精度で考えると、民生用は、精度1～10％の範囲で使用でき、大量生産が可能で安価なものが要求されるため、ガス漏れ検知センサーのように物性形センサーが多く使用される。工業用のうち鉄または石油化学製品などの製造用として使用されるプロセス制御用センサーは0.1～1％の精度が要求され、電磁流量計のような構造形センサーが多く使用されている。これ以上の高精度を必要とするのは精密実験ないしは校正の用途であり、0.001～0.1％の領域の精度が要求され、おもに量子形や周波数形センサーが用いられる。量子形の例はSQUID(スキッド)磁束計、周波数形の例は水晶温度計がある。

［田向　稔］

材料的分類

半導体センサー、セラミックセンサー、酵素センサーなど、センサーに使用するおもな材料から分類したものである。

［田向　稔］

検出信号形態による分類

アナログセンサー、デジタルセンサー、周波数形センサー、二値形センサーなどがある。測定対象の物理量がもともとアナログ量が多いため、アナログセンサーの種類および数が非常に多い。デジタルセンサーはエンコーダ式の変位センサーぐらいで数は少ない。周波数形センサーの例は渦(うず)流量計や水晶温度計がある。二値形センサーはオン・オフ二つの値を出力するもので、光電スイッチ、近接スイッチなど幅広く使われている。

［田向　稔］

原理・現象による分類

非常に多くの原理・現象がセンサーに使用されているが、ここではそのいくつかを拾い上げて解説する。

［田向　稔］

温度センサー

すでにいくつかの例を示したが、バイメタルのように古くから使用されているものから、光ファイバー使用の新しいものまで、広範に使われているもっともポピュラーなセンサーである。（1）熱電温度計は、2種類の金属導体の両端を短絡して閉回路をつくり、二つの接続点間に温度差があると回路中に電流が流れるゼーベック効果を原理としている。この電流を発生させる起電力を熱起電力といい、両端の温度差のみで決まる。2種類の金属の組合せ例として、銅とコンスタンタン、クロメルとアルメル、白金と白金ロジウムなどがあり、これらはすでに温度と熱起電力の関係がJIS(ジス)（日本工業規格）に定められている。測定可能な温度範囲はマイナス200～プラス2000℃である。（2）抵抗温度計は、金属または半導体の電気抵抗が温度により変化する特性を利用したもので、白金線を用いたものが条件の悪い環境でも耐えられ、かつ特性が安定しているため、精密温度測定用から工業用まで広く使用されている。工業用としては0℃100オームが一般的で、これもJISに温度と抵抗値が規定されている。この場合、0～100℃で約40オームの抵抗値変化が得られる。半導体材料を用いたサーミスターは抵抗値変化が大きく、小型、安価であり、家庭電器や自動車用温度センサーとして大量に使用されている。（3）放射温度計は、物体から発生する熱放射を赤外線センサーなどにより測定するもので、非接触測定ができる特長があるため、特定の点の計測より面の計測に適している。たとえば製鉄所における炉中の温度分布、圧延工程の鉄板の温度分布、人工衛星からの地球表面の温度分布測定などに使用される。（4）トランジスタ温度計は、普通のトランジスタを温度センサーとしたもので、シリコントランジスタのベース―エミッタ間に電流を流すと、1℃当りマイナス2ミリボルト程度の温度係数をもつ。これを利用してマイナス50～プラス200℃の温度測定ができる。（5）水晶温度計は、水晶振動子の共振周波数の温度による変化を利用し、感度が1000分の1℃、安定度は1か月で100分の1℃であり、周波数出力が得られる特長がある。

［田向　稔］

圧力センサー

圧力測定は温度、流量とともにプロセス工業の分野で広く使われているほか、機械工業において圧力をオン・オフ的に検出する圧力スイッチにも用いられている。圧力センサーも種類は多く、測定圧力の大きさ、精度などにより、それぞれ適した原理のセンサーが使用されている。大気圧に近い圧力を測定する圧力センサーが用途も種類も多い。ダイヤフラム、ベローズ、ブルドン管などが圧力により変位するのを、容量変化、インダクタンス変化、周波数変化またはひずみの形で電気量に変換する。たとえば半導体圧力センサーは、シリコン単結晶の板をエッチングにより加工してダイヤフラムとし、その表面に不純物を拡散させ、ひずみを抵抗値変化として同時に検出するもので、小型、安価、かつ精度も高く応用範囲も広い。このように半導体結晶に圧力を加え抵抗変化を生ずる現象をピエゾ抵抗効果という。

［田向　稔］

流量センサー

パイプ中を流れる気体または液体の流速を測定し、これにパイプの断面積を掛けることで流量を得るものが多い。電磁流量計は、電磁誘導の法則により、パイプ中の平均流速が起電力に比例する原理を利用したセンサーである。5マイクロジーメンス（5μS/cm）以上の導電率がある液体が測定できる。流路中に障害物がない流量計として、上下水用、化学工業用、紙パルプ工業用などに幅広く使われている。超音波流量計は、パイプ外壁に取り付けた送受波器により、超音波の透過伝播(でんぱ)時間が流れに逆らう場合と流れに沿う場合とで異なることを利用し、その差から流量信号を得るものであり、用途は液体に限られる。

　渦流量計は、流れの中に棒を置き、下流に発生する渦の数から流速を得る流量計である。この現象は、旗が風にはためくことや、橋桁(はしげた)の下流に渦ができることで日常観測できる。渦流量計は、渦により棒が振動する周波数で信号が得られる特長がある。測定可能な流体は気体、液体どちらでもよく、非常に応用範囲が広い流量計である。差圧式流量計は、パイプの途中に絞りを入れ、その前後に発生する差圧が流量に比例する原理を用いたものである。絞りは、その形によりオリフィス、ベンチュリー管などとよばれ、古くから気体、液体用流量計として大量に使用されている。

［田向　稔］

磁気センサー

電磁誘導、強磁性体の特性、またはジョセフソン効果などの物理現象を用いて構成されたものが磁気センサーである。磁界を用いることで非接触に位置検出ができ、比較的悪い環境でも使用可能なため、信頼性の高いセンサーが得られる特長がある。流量センサーで実例をあげた電磁流量計、ホール素子、SQUID（super conducting quantum interference devices超電導量子干渉素子）などのセンサーがある。ホール素子は磁界センサーとして10^-7T（テスラ）程度の分解能をもつほか、磁界の検出素子として用いるとブラシレス直流モーター、つまり機械的な接点がないモーターが得られる。超電導現象におけるジョセフソン効果を用いたものがSQUIDで、10^-14T程度の分解能をもったきわめて高い感度の磁界センサーが得られる。ちなみに地磁気は3×10^-5T程度であるから、いかに分解能が高いかがわかる。したがって、心臓や脳から発生する10^-12～10^-13Tの磁界が測定できるので医用センサーとしても使用できる。磁気特性が温度により変化する現象や、材料固有の特定温度において強磁性が消失し常磁性へ転移する現象を利用した温度センサーも多く使用されている。

［田向　稔］

家庭電器のセンサー

家庭電器は大別して衣食住に関係する電化製品と、オーディオ、ビデオなど教養、娯楽に関係する電子製品に分けられる。センサーの使われ方も、前者はアナログ検出が主であるのに対し、後者はオン・オフ信号の検出を目的にするものが多い。災害や犯罪などから人命や財産を守るためのシステムをセキュリティシステムとよんでおり、これが一般家庭に適用される場合をホームセキュリティとよんでいる。防災、防犯センサーが中心であり、ガス漏れ警報、超音波や赤外線を用いた侵入検知器、風呂(ふろ)の水位、湯温チェックなど身近なものはかなり普及している。

［田向　稔］

『センサ技術ハンドブック企画・編集委員会編『センサ技術ハンドブック』（1983・日本能率協会）』▽『『センサ百科』（1983・日刊工業新聞社）』

[参照項目] | サーミスター | SQUID

五感とセンサー

生体と機械との関係

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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