中学技術【センサの種類とはたらき】光・温度・距離・人感の違いと選び方をわかりやすく解説

はじめに

近づくと開く自動ドア。
入ると点いて、しばらくすると消えるトイレの照明。
設定した温度になると、ふっと静かになるエアコン。
どれも毎日あたりまえに使っていますが、なぜ機械のほうが気づけるのか、考えたことはありますか。

答えは、そこにセンサが入っているからです。
センサは、周りのようすをはかって電気の信号に変える部品で、人でいえば目や耳や皮ふにあたります。
これがないと、機械は外のようすを何ひとつ知ることができません。
逆に言えば、どのセンサが入っているかが分かれば、その機械が何を見て動いているのかまで読み取れるということですね。

この記事では、まずセンサが計測制御の中でどんな役わりをしているのかを確かめます。
次に、中学校で覚えておきたい四つのセンサを、しくみと使われ方の両方から整理します。
光、温度、距離、人感の四つです。
最後に、実習でつまずきやすいしきい値の決め方と、誤作動の直し方を扱います。
途中には例題を二つ置きました。
どのセンサを選ぶかを考える問題と、しきい値をいくつにするかを決める問題です。
どちらも定期テストで問われやすい形なので、手を止めてノートに書きながら読んでみてくださいね。
授業を休んでしまった人も、この記事だけで追いつけるように書いています。

センサを3つの順で整理する

この単元は、「役わり」「種類」「境目」の三つに分けると、一気に見通しがよくなります。
一つ目は役わり。
センサが計測制御のどこにいて、何をしている部品なのかをつかみます。
二つ目は種類。
光・温度・距離・人感の四つを、しくみと使われ方でセットにして覚えます。
三つ目は境目。
しきい値という数値の意味と決め方を知り、誤作動を自分で直せるようにします。
この順で追いかけると、はじめて見る機械でも「これは何をはかっているのか」を考えられるようになりますよ。

ポイント1：センサは機械の感覚

まずは、センサがどんな仕事をしている部品なのかをつかんでいきましょう。
ここを飛ばすと、種類の名前を並べただけの暗記になってしまいます。
センサは、目に見える周りのようすを、コンピュータが読める数値に変える部品です。

センサがしていること

計測制御のどこにいるのか

計測制御システムは、入力、判断、出力という三つの流れでできています。
センサが受け持つのは、いちばん最初の入力です。
センサがはかった値をコンピュータが受け取り、あらかじめ決めておいた条件と比べて判断します。
その判断にしたがって、モータやランプ、ブザーといったアクチュエータが動く。
この一本の流れを思い出せると、センサの役わりがはっきりします。
自動ドアなら、人を見つけるのがセンサ、開けると決めるのがコンピュータ、実際に扉を動かすのがモータですね。
三つのどれが欠けても、自動では動きません。

何をはかりたいかで種類が決まる

センサの名前には、たいてい「何をはかるか」がそのまま付いています。
光センサは明るさ、温度センサはあたたかさ、距離センサは物までの長さ、人感センサは人の動きですね。
ですからセンサを選ぶときは、部品の名前から探すのではなく、まず「何を知りたいのか」から考えます。
暗くなったら点けたいのなら、知りたいのは明るさですから光センサ。
暑くなったらファンを回したいのなら、知りたいのは温度ですから温度センサ。
この順で考えると、選ぶのに迷わなくなりますよ。
テストでも、場面を示して「どのセンサを使うか」を答えさせる問題がよく出ますよ。

ポイント2：代表的な4つのセンサ

ここからは、中学校で覚えておきたい四つのセンサを見ていきます。
しくみと使われ方をセットにして覚えるのが、いちばん定着しますよ。
光・温度・距離・人感。この四つを押さえれば、身の回りの自動化はほとんど説明できます。

光センサ ― 明るさで抵抗が変わる

温度センサ ― サーミスタで熱をはかる

温度センサの代表はサーミスタです。
こちらも、温度によって電気の通しやすさが変わる部品なんですよ。
多くのものは、温度が上がるほど抵抗が小さくなります。
光センサと考え方はまったく同じで、変わるきっかけが光か熱かのちがいだけです。
身の回りでは、エアコンが設定した温度で止まるのも、電気ポットがふっとうしたら切れるのも、この温度センサのはたらきです。
生物育成で学んだハウスの温度管理も同じですね。
暑くなったらファンを回す、という制御に使われています。
テストでは、サーミスタという名前と「温度で抵抗が変わる」の二つがそのまま問われます。

距離センサと人感センサのちがい

この二つは、テストでよく取りちがえられます。
距離センサは、自分から超音波や赤外線を出して、はね返ってきたものを受け取ります。
超音波式は往復にかかった時間から、赤外線式は反射してくる角度から、物までの長さを求めます。
自分で出しているので、荷物でも台車でも、はね返りさえあれば反応します。
いっぽう人感センサは、人の体から出ている赤外線をとらえるだけで、自分からは何も出しません。
とらえているのは熱の変化なので、じっと動かずにいると見失ってしまうんですよ。
自動ドアが荷物にも反応するのは、距離センサを使っているからなんですね。

ポイント3：しきい値と誤作動

最後は、実習でいちばんつまずくところです。
センサをつないだのに思ったように動かない。
その原因のほとんどは、この一つの数値にあります。
しきい値は、教科書から写すものではなく、自分の場所ではかって決めるものです。

しきい値は動かす動かさないの境目

センサから返ってくる値は、少しずつ変わる連続した数です。
ですから、どこから動かすのかを、こちらではっきり決めてやらなければいけません。
この境目になる数値を、しきい値といいます。
プログラムでは、もし明るさがしきい値より小さければランプを点ける、という形の分岐で書きます。
センサをつないだのに思ったように動かない、という失敗のほとんどは、この値を決めていないか、決め方が合っていないかのどちらかなんですよ。
つまり、回路や配線よりも先に確かめるべき場所だということですね。
しきい値は、プログラムの中でいちばん大事な一行だと思ってください。

しきい値は測ってから決める

誤作動の原因と直し方

うまく動かないときは、あわてて回路を組み直す前に、三つを確かめてください。
一つ目は、取り付ける向きと位置です。
光センサが天井の照明の真下を向いていれば、いつまでも昼だと判断してしまいます。
二つ目は、まわりからの余計な光や熱です。
窓からの日ざしや暖房の風は、センサをかんたんにだまします。
三つ目は、しきい値の境目ぴったりで動かしていないかどうか。
境目に張りついた値は、点いたり消えたりをくり返します。
少し幅を持たせると、動きが落ち着きますよ。
この三つを順に見ていけば、たいていの誤作動は自分で直せるようになります。

おわりに

今日たどってきたのは、センサの役わり、四つの種類、そしてしきい値の三つでした。
センサは計測制御の入力を受け持ち、周りのようすを数値に変える。
光は明るさ、温度はあたたかさ、距離は物までの長さ、人感は人の動きをはかる。
そして、動かす境目のしきい値は、自分ではかった数から決める。
この筋道でつながって見えたなら、もうこの単元は自分のものですよ。

最後に一つだけお願いです。
記事の中に出てきた例題を、もう一度ノートで確かめてみてください。
夜の通路に、暗くなってから人が通ったときだけ点く明かりをつけるなら、どのセンサを使うでしょうか。
昼が800、夜が200のとき、しきい値はいくつから試すとよいでしょうか。
読んで分かった気になるのと、自分の手で説明できるのとでは、テストでの手ごたえがまるで変わりますよ。

ご視聴ありがとうございました。
この記事の内容を動画でも解説しています。
ぜひご覧ください。

中学技術【センサの種類とはたらき】光・温度・距離・人感の違いと選び方をわかりやすく解説

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