センサーの正しさを保つ：校正と補正

センサーが出す信号を、正しい値として使うための工夫を説明する。出力のずれと温度による変化、製造後に行う校正、回路で行う補正、雑音の減らし方、信号をデジタルにして計算で直す流れを扱う。

測れることと、正しく測れることは違う

センサーは、温度や圧力、動きなどを電気の信号に変える。ただし、変えた信号が、いつも正しい値を示すとは限らない。同じ作り方をしても、センサーの一つ一つに、わずかなばらつきがあるからである。また、まわりの温度が変わると、センサーの出力がずれることもある。

機器が正しく動くためには、センサーの値が、本当の値に近くなければならない。そのため、センサーには、正しさを保つための工夫が組み込まれている。このページでは、その考え方を見ていく。

出力のずれには、いくつかの種類がある

センサーの出力のずれは、おもに次の種類に分けられる。

一つは、何も測っていないときにも、出力がゼロにならないずれである。たとえば、圧力のセンサーが、圧力がかかっていないのに、少し出力する。二つめは、測る量が大きくなるときの出力の増え方が、本来の割合と違うずれである。三つめは、温度などの周りの条件で、出力がずれることである。さらに、時間がたつうちに出力がゆっくり変わることもある。

これらのずれを、できるだけ小さくするのが、正しさを保つ工夫の目的である。

製造のあとに、基準と見比べる：校正

ずれを直すための基本は、校正である。製造したセンサーを、決まった条件に置き、本当の値を知っている基準と見比べる。たとえば、圧力のセンサーに、正確に分かっている圧力をかけて、出力がどれだけずれているかを測る。

ずれの大きさが分かったら、直すための補正の値を、センサーの中のメモリに記録する。センサーを使うときには、この値を使って出力を直す。部品ごとにばらつきがあるので、補正の値も部品ごとに違う。

校正は、製造の最後のテストの工程で行われる。数多くのセンサーを、決まった条件の下で一度に測るので、テストの装置とやり方が大切になる。

温度による変化を直す

センサーの出力は、温度でずれることが多い。そこで、センサーのそばに温度センサーを置き、温度を同時に測る。いくつかの温度で、センサーの出力のずれを調べておき、実際に使うときには、そのときの温度に応じて出力を直す。

この計算は、センサーと同じチップに作った小さな計算の回路で行うことが多い。計算の回路が、測ったばかりの値と、記録しておいた補正の値から、直した値を作り出す。

雑音を減らす

センサーの信号は、とても小さい。そのため、回路が出す雑音や、まわりの機器から入る雑音が、信号を乱しやすい。雑音を減らすための工夫は、いくつかある。

信号を大きくする増幅器を、センサーのすぐそばに置く。すると、信号が配線を通るあいだに雑音が加わる前に、信号を大きくできる。また、同じ値を何回も測って平均すれば、ランダムな雑音は小さくなる。さらに、必要な範囲の周波数だけを通すフィルターで、余分な雑音を除く方法もある。

デジタルにして、計算で整える

現在のセンサーの多くは、信号をデジタルに変えてから、計算で整える。アナログの回路だけで直すよりも、細かく柔軟に直せるからである。

流れは、次のとおりである。センサーが出した小さな信号を増幅し、デジタルの値に変える。計算の回路で、記録した補正の値を使って、ずれを直す。直した値を、機器の中心の回路に渡す。アナログとデジタルの半導体が、一つのセンサーの中で一緒に働いている。

長く使うために

センサーは、製造した直後だけでなく、長い間使われる。時間がたつと、部品の性質がゆっくり変わり、出力がずれていくことがある。この変わり方の小ささも、センサーの品質の一つである。

そのため、センサーの設計では、材料や構造を、性質が変わりにくいものにする。また、製造のあとに、熱や湿気を加える試験をして、長く使っても出力が大きくずれないか確かめる。

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