過剰ゲインとは?センサの選定基準として使用する方法

2018年1月24日

過剰ゲインとは何なのか、自分の用途に必要な過剰ゲインはどれぐらいであるのかを理解することは、適切なセンサ技術を選定する上で重要です。 この記事では、過剰ゲインとは何か、どのように測定するのかについて説明し、センシング分野のさまざまな産業環境に必要とされる過剰ゲインのレベルについて一般的な目安をご紹介します。 

ブラケットを検出する光電センサ

過剰ゲインとは?

過剰ゲインとは、信頼性の高いセンサ動作に必要とされる最小光エネルギーを示す尺度となるものです。

センサから投光される光信号は、ある一定レベルの性能が得られるように工場で較正されています。しかし、汚れ、ほこり、煙、湿度などの検知環境の汚染により、信号減衰が生じることがあります。 過剰ゲインは、このような減衰を克服するための余分な検知エネルギーとして考えることができます。

過剰ゲインの測定

過剰ゲインは次の式で表すことができます。

過剰ゲイン = 受光素子に当たる光エネルギー / センサ増幅器のしきい値

しきい値とは、センサの出力を「オン」または「オフ」に切り替えるためにセンサ増幅器に必要とされる検知エネルギーのレベルのことです。 

過剰ゲインが光学センサに重要になる理由

光電センサの仕様の中で重要な要素である過剰ゲイン曲線は、XY軸にプロットされます。特定のセンサまたは検知システムで使用可能な過剰ゲインが距離の関数として示されています。 過剰ゲイン曲線は、完全に清浄な空気と受光器の最大ゲインを条件としてプロットされています。 

重要な前提条件

各用途で検知機能を最適化するために、過剰ゲインの使用についていくつかの前提条件があります。

  1. ターゲット検出を妥協することなく、可能な限り高い過剰ゲインの設定を使用してください。ほとんどの検知状況で、過剰ゲインと検知信頼性は相互に密接に関連しています。
  2. 用途に合った最適な過剰ゲインを持つセンサを選択してください。

 

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画像:回帰反射型QS18光電センサの過剰ゲイン曲線の例 

適切なセンサ技術の選定基準として過剰ゲインを使用する方法

過剰ゲイン (EG) 一般条件
1.5x 清浄空気:レンズや反射板に汚れがない 
5x 軽度の汚れ:レンズや反射板に汚れやほこりが わずかに 堆積している。 レンズは定期的に清掃されている。 
10x 中程度の汚れ:レンズや反射板が明らかに汚染している。
50x 重度の汚れ:レンズがかなり汚染している。濃霧、霧、ほこり、煙、または油膜がある。 レンズがあまり清掃されていない。

検知エリアの一般条件が分かっている場合は、それに合った過剰ゲインレベルを目安として使用することで、センサの光エネルギーが減衰して完全に失われないようにします。

この目安には、センサの段階的なずれや検知環境の小さい変化などの微妙な検知変数のための安全係数も反映されています。

清浄空気 - 1.5x 過剰ゲイン (EG)

完全に清浄な動作環境では、1.5x の過剰ゲイン (動作に最小限必要なエネルギーより 50% 多い) を提案します。「清浄空気」の環境は、半導体産業や製薬産業などで見られます。このような環境では、センサのレンズや反射板に汚れが全く堆積していません。

軽度の汚れ - 5x EG

オフィスや清潔な工場は「軽度の汚れ」環境として特徴付けることができます。この場合、センサのレンズや反射板には、ほこり、汚れ、油脂、水分がわずかに堆積している状態です。レンズは定期的に清掃されています。「軽度の汚れ」環境では、過剰ゲインはセンサ動作に最小限必要なレベルの5倍になります。

中程度の汚れ – 10x EG

「中程度の汚れ」環境では、レンズや反射板に明らかな汚染が確認できます。この環境も定期的な洗浄が行われていると考えられます。「中程度の汚れ」環境は、重工業、食品加工、自動車産業で見られます。バナーでは、このような環境には最小限必要な過剰ゲインの10倍を推奨しています。 

重度の汚れ – 50x EG

鋳物工場、採掘作業、タイルの窯、屋外などに見られる環境は「重度の汚れ」と見なされます。これは、レンズや反射板がひどく汚染され、清掃が最小限であるためです。この環境には、濃霧、霧、ほこり、煙、または油膜があることがあります。

このような環境にはバナーには50倍の過剰ゲインを推奨しています。ただし、過剰ゲインが50xを超えると、紙や紙と同じぐらいの光学濃度を持つ材料も透過されますので注意が必要です。 

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