光センサ（赤外）

Cat.No.100-820 取 扱 説 明 書 光 センサ( 赤 外 ) PS-218 この 取 扱 説 明 書 をよくお 読 みのうえ, 安 全 事 項 警 告 内 容 を 充 分 ご 理 解 いただき, 正 しくご 使 用 ください いつでもこの 取 扱 説 明 書 が 使 用 できるように 大 切 に 保 管 ください

目 次 はじめに 1 概 要 2 構 成 品 2 構 成 品 2 必 要 関 連 機 器 2 推 奨 関 連 機 器 2 センサの 設 定 3 背 景 3 赤 外 線 放 射 3 理 論 3 注 意 事 項 5 視 野 5 出 力 と 強 度 5 検 知 器 の 温 度 制 御 6 非 接 触 での 温 度 センサのシミュレーション 6 実 験 例 8 太 陽 熱 放 射 8 強 度 と 距 離 8 強 度 と 温 度 8 冷 却 8 強 度 と 放 射 率 8 放 射 出 力 と 電 球 による 入 力 9 熱 力 学 の 第 2 法 則 9 KRS-5 窓 の 透 過 率 9 仕 様 9

光 センサ( 赤 外 ) PS-218 1 はじめに このたびは 光 センサ( 赤 外 )PS-218 をお 買 い 上 げいただきまことにありがとうございます ご 利 用 の 際 に,この 取 扱 説 明 書 をよくお 読 みいただき, 本 器 の 機 能 を 十 分 に 生 かして 安 全 に 正 しくご 使 用 ください ご 使 用 に 際 しての 安 全 上 の 注 意 事 項 この 取 扱 説 明 書 および 製 品 には, 安 全 にご 使 用 いただくためのいろいろ な 表 示 をしています その 内 容 を 理 解 することなく 誤 った 取 り 扱 いをす ることによって 生 じる 内 容 を 次 のように 規 定 しています この 取 扱 説 明 書 に 記 載 されている 内 容 をよく 理 解 してからご 使 用 くださ い 注 記 装 置 を 正 しく 使 用 していただくためのヒント 的 情 報 を 示 しています

2 概 要 概 要 光 センサ( 赤 外 )PS-218 は 広 範 なスペクトル 域 にわたって 赤 外 線 強 度 を 測 定 します 光 センサ( 赤 外 )を 用 いて 黒 体 放 射,ステファン ボルツマンの 法 則, 放 射 による 熱 の 流 れ, 太 陽 の 放 射 輝 度, 非 接 触 温 度 測 定 など,さまざまな 現 象 を 学 習 することができます 窒 素 封 入 されたセンサの 臭 沃 化 タリウム(KRS-5) 窓 つきシリコンベースサーモパイル( 熱 電 対 列 ) は,0.7~30μmのフラットなスペクトル 感 度 を 有 し, 放 射 強 度 は 最 大 500W/m 2 まで 測 定 できます 一 体 型 のサーミスタが 検 知 器 の 温 度 を 測 定 し, 検 知 器 からの 放 射 を 計 算 することができます PASPORTインターフェイスと 併 用 し, 毎 秒 最 大 100 個 のサンプルからサーモパイル 電 圧, 放 射 強 度, 検 知 器 の 温 度 を 測 定, 記 録 することができます 注 記 この 取 扱 説 明 書 の DataStuio に 関 する 記 述 は,DataStuio バージョン 1.9.7r8 に 基 づいておりますので,ご 使 用 の DataStuio のバージョンによっては 異 なる 場 合 があります 構 成 品 シャッタ (ネジとワッシャ 付 き) 構 成 品 光 センサ( 赤 外 ) PS-218 シャッタ(ネジとワッシャ 付 き) センサハンドル 図 1: 構 成 図 光 センサ( 赤 外 ) センサハンドル 必 要 関 連 機 器 コンピュータ PASPORT インターフェイス DataStuio または DataStuio Lite ソフトウェア 推 奨 関 連 機 器 PASPORT Extension Cor PS-2500 Aperture Bracket OS-853 Thermal Cavity TD-8580

光 センサ( 赤 外 ) PS-218 3 センサの 設 定 PASPORT インターフェイスに 光 センサ( 赤 外 )を 直 接,または PASPORT Extension Cor を 使 って 接 続 します コンピュータを 使 用 する 場 合 は,インターフェイスを USB ポートに 接 続 し, DataStuio を 起 動 します 初 期 設 定 では,センサの 取 込 速 度 は 100Hz です これを 変 更 する には,DataStuio で 実 験 の 設 定 ウィンドウを 開 くか,Xplorer GLX の センサスクリーン を 開 きます 対 象 物 の 温 度 を 測 定 す るためにセンサを 設 定 するには, 非 接 触 での 温 度 センサのシミュ レーション (6ページ)をご 参 照 ください 必 要 であれば,センサハンドルをセンサの 1/-20 スレッドコネクタ に 接 続 します このコネクタには 他 の 1/-20 ネジを 使 用 することも できます シャッタは 必 ずしも 必 要 とは 限 りませんが, 検 知 器 の 温 度 を 制 御 す るのに 便 利 です 同 梱 のネジとワッシャを 使 用 し, 図 2のようにシ ャッタを 取 り 付 けます ネジの 代 わりにセンサハンドルを 使 用 する こともできます 図 2:センサハンドルと シャッタの 取 り 付 け 赤 外 線 強 度 を 測 定 するには, 手 や 太 陽 などの 物 体 の 表 面 にセンサを 向 け,DataStuio または PASPORT インターフェイスでデータの 記 録 を 開 始 します DataStuio では, 強 度 はデジタル 表 示 ウィンドウに 自 動 的 に 表 示 されます DataStuio または Xplorer GLX では,データはグラフ, 数 表, またはメータでも 表 示 できます 背 景 赤 外 線 放 射 あらゆる 物 体 は 赤 外 線 を 放 出 します 物 体 の 単 位 面 積 あたりの 放 射 出 力 は,ステファン ボルツマ ンの 法 則 で 示 されます I = εσt ここで,T は 物 体 の 表 面 の 絶 対 温 度,σはステファン ボルツマン 定 数 (5.670 10-8 W m -2 K - ) です 放 射 率 εは 各 物 体 表 面 に 固 有 の 値 で,その 範 囲 は 0 から 1 です ε= 1 の 物 体 は, 黒 体 と 呼 ばれます 理 論 無 限 平 面 とみなされる 形 状 の 温 度 Ts の 黒 体 と, 線 源 に 平 行 で 面 積 A の 平 らな 検 知 器 表 面 があると します 無 限 平 面 からの 放 射 は 平 面 波 として 伝 搬 するので, 線 源 から 検 知 器 までの 電 力 潮 流 (Ps)は, 線 源 と 検 知 器 の 距 離 にかかわらず, 線 源 上 の 検 知 器 と 同 じ 面 積 の 部 分 から 放 出 される 放 射 と 同 一 になり ます

背 景 P s = A σt s 検 知 器 自 体 もまた,ステファン ボルツマンの 法 則 に 従 って 放 射 します 検 知 器 の 温 度 が T であれば, 検 知 器 から 放 出 される 放 射 出 力 は 次 のようになります 線 源 P = A σt したがって, 検 知 器 によって 吸 収 される 正 味 の 出 力 は 次 のように なります P = A σ ( T s T ) サーモパイル センサが 測 定 する 正 味 の 強 度 は, 正 味 の 出 力 を 検 知 器 の 面 積 で 割 ることで 算 出 されます 図 3: 理 論 放 射 によって 検 知 器 のアクティブな 領 域 に 流 れる 正 味 の 出 力 (Ps - P)は,センサの 他 の 部 分 へ の 伝 導 により, 検 知 器 から 流 出 します その 出 力 のうち, 一 定 の 割 合 がサーモパイルを 通 じて 伝 導 され,これによりサーモパイル 上 で 温 度 差 ( T)が 生 じます サーモパイルは T に 比 例 する 電 圧 (V)を 発 生 させます センサの 温 度 がターゲット 線 源 の 温 度 よりも 高 い 場 合, 正 味 の 出 力 はセンサから 流 出 し, T と V はマイナスになります 正 味 の 放 射 出 力 (P)はサーモパイル 上 の 電 力 潮 流 に 比 例 しますが,このサーモパイル 上 の 電 力 潮 流 は T に 比 例 し,さらに T は V に 比 例 します つまり,V は P に 比 例 することになります V = R P 定 数 R は 検 知 器 の 応 答 度 です 光 センサ( 赤 外 )の R は 約 31 V/W です センサはサーモパイルから 生 じた 電 圧 を 増 幅 し,デジタル 信 号 に 変 換 します センサのマイクロプ ロセッサが 強 度 を 計 算 します( 入 射 電 力 を 検 知 器 の 面 積 2.25 mm 2 で 割 ります) サーモパイルの 電 圧 と 強 度 データは,PASPORT インターフェイスまたはコンピュータにデジタル 的 に 送 信 されます *サーモパイルとは? サーモパイル( 熱 電 対 列 )は,サーモカップル( 熱 電 対 ) を 直 列 に 接 続 したものです サーモカップルは,2 つの 異 なる 金 属 を 結 合 したものです 温 度 の 異 なる 2 つのサーモカップルが 直 列 に 接 続 されると, 温 度 差 に 比 例 する 電 圧 がサーモカップル 間 に 生 じます この 電 圧 は 通 常, 非 常 に 小 さなものですが,サーモパイル では 多 数 のサーモカップルを 接 続 することで 大 きな 電 圧 が 発 生 します( 図 を 参 照 ) 光 センサ( 赤 外 )のサーモ パイルは,シリコンでエッチング 処 理 を 施 した 120 の 結 合 部 から 構 成 されます サーモカップルのペア サーモパイル 図 :サーモパイル

光 センサ( 赤 外 ) PS-218 5 注 意 事 項 視 野 線 源 の 物 体 とセンサの 配 置 には2つの 簡 単 な 方 法 があります 1 つ 目 の 方 法 では, 線 源 を 無 限 平 面 とみなします 放 射 は 平 面 波 として 線 源 から 伝 搬 し, 線 源 から の 距 離 が 大 きくなっても 強 度 は 大 きくなりません このような 配 置 では,センサのアクティブな 領 域 に 入 射 する 放 射 電 力 は, 線 源 の 同 じ 面 積 の 領 域 からの 放 射 電 力 と 等 しくなります この 近 似 はセ ンサの 視 野 (92 ) 全 体 を 線 源 がカバーする 場 合 にもっとも 精 度 が 高 くなります もう 1 つの 配 置 方 法 は 線 源 を 点 とみなすものです この 場 合, 点 源 から 放 出 される 放 射 の 強 度 は, 逆 二 乗 の 法 則 に 従 います 点 源 は,アクティブな 領 域 全 体 を 照 射 するために,8 の 視 野 内 に 収 ま る 必 要 があります 放 射 が 窓 とアクティブな 領 域 に 対 して 法 線 を 成 すよう, 線 源 はセンサのすぐ 前 に 置 くことが 理 想 的 です 考 慮 に 入 れないその 他 の 放 射 線 源 は,92 の 視 野 外 に 配 置 します 窓 アクティブ 領 域 図 5: 視 野 出 力 と 強 度 センサは 正 味 の 強 度,つまり 正 味 の 出 力 を 検 知 器 のアクティブな 領 域 で 割 ったものを 測 定 します 正 味 の 出 力 の 公 式 は P = IA です ここで,Iは 測 定 した 正 味 の 強 度,Aは 検 知 器 の 面 積 2.25 mm 2 です 正 味 の 出 力 は,すべての 外 部 線 源 からの 入 射 出 力 (Ps)から, 検 知 器 からの 放 射 出 力 を 引 いた 値 で す( P = P A σt ) s 面 線 源 は 92 の 視 野 全 体 をカバーする 点 線 源 は 8 内 に 収 まる 干 渉 源 は 92 の 視 野 外 に 配 置 する 検 知 器 の 温 度 Tは, 一 体 化 されたサーミスタによって 測 定 されます 注 記 検 知 器 の 温 度 をDataStuioに 表 示 させるには, 実 験 の 設 定 ウィンドウで 測 定 項 目 の 温 度 にチェックを 入 れ, 単 位 を K に 設 定 します Xplorer GLXでは, センサスクリーンで 設 定 します

6 注 意 事 項 検 知 器 の 温 度 制 御 高 温 の 物 体 のそばにセンサを 置 くと 検 知 器 の 温 度 は 高 くなり, 物 体 から 検 知 器 を 離 すと 検 知 器 の 温 度 は 下 がります 検 知 器 の 温 度 を 一 定 に 保 った 状 態 で 複 数 の 強 度 測 定 を 行 うには, 測 定 と 測 定 の 間 では,すべての 高 温 の 物 体 から 検 知 器 を 離 し, 検 知 器 を 冷 却 します その 後, 測 定 する 物 体 の 近 く にセンサを 置 き, 検 知 器 の 温 度 を 監 視 します 検 知 器 の 温 度 が 一 定 の 値 に 達 したら, 強 度 を 記 録 し ます または,センサにシャッタを 取 り 付 け,それを 開 閉 することで 温 度 を 制 御 することもできます 非 接 触 での 温 度 センサのシミュレーション センサによって 記 録 されたデータと 校 正 定 数 に 基 づき, 物 体 の 温 度 を 計 算 することができます ターゲットとなる 物 体 が 黒 体 とみなされる 場 合,サーモパイルの 電 圧 は 次 のようになります V = k( T s T ) ここでk は, 温 度 既 知 の 物 体 を 用 いて 実 験 的 に 求 められる 定 数 です また, 検 知 器 のアクティブな 領 域 の 温 度 T も 把 握 しておく 必 要 があります 組 み 込 みのサーミス タは T を 直 接 測 定 するわけではなく,サーモパイルの 反 対 側 の 温 度 (T- T)を 測 定 します し かし, T は 常 に T(ケルビン 単 位 で 測 定 )よりもはるかに 小 さいので,サーミスタの 温 度 は T にかなり 近 似 されます 注 記 検 知 器 の 温 度 を DataStuio に 表 示 させるには, 実 験 の 設 定 ウィンドウで 測 定 項 目 の 温 度 にチェックを 入 れ 単 位 を K に 設 定 します 注 記 この 測 定 値 は 検 知 器 の 温 度 です ターゲットの 物 体 の 温 度 と 間 違 えないようにし てください 定 数 k は 使 用 される 特 定 のセンサの 特 性,ターゲットとなる 物 体 の 表 面 と 完 全 な 黒 体 とのずれ, 空 気 といった 媒 介 など,それぞれの 測 定 の 設 定 に 特 有 の 要 素 に 左 右 されます できるだけ 精 度 の 高 い 結 果 を 得 るために, 測 定 対 象 となる 未 知 の 温 度 の 物 体 に 類 似 する 既 知 の 温 度 の 物 体 を 用 いて,k の 値 を 実 験 的 に 求 めます 温 度 校 正 のために, 温 度 を 変 化 させることができ,かつその 温 度 を 直 接 測 定 できる 物 体 が 必 要 です カップ 1 杯 のお 湯 を 使 うと 便 利 です しかし 理 想 的 には, 放 射 率 が 1 に 近 くなるよう, 表 面 がつや 消 しのものが 良 いでしょう また, 温 度 を 直 接 測 定 するための 温 度 センサも 必 要 です PASCO 高 速 応 答 プローブ(PS-2135) は 微 小 な 変 化 にも 迅 速 に 反 応 するので,この 用 途 に 適 しています このプローブを 温 度 センサ (PS-2125)などとともに 使 用 します または Xplorer GLX の 温 度 ポートにプローブを 直 接 接 続 し ます カップの 表 面 がセンサの 視 野 全 体 をカバーするよう, 光 センサ( 赤 外 )をカップの 近 くに 置 きます (ただし 接 触 させないこと) こうすることで, 表 面 が 無 限 平 面 とみなされ, 物 体 とセンサ 間 の 距

光 センサ( 赤 外 ) PS-218 7 離 が 意 味 を 持 たなくなります 高 速 応 答 温 度 プローブの 端 を,カップの 中 (センサが 向 いている 側 に 近 い 方 )に 入 れます ( Ts T )を 計 算 し,( Ts T )とサーモパイル 電 圧 の 関 係 をグラフ 表 示 するよう,DataStuio ソ フトウェアを 設 定 します 注 記 T s は 温 度 プローブによって 測 定 された 温 度,T はセンサの 内 蔵 サーミスタによっ て 測 定 された 温 度 です カップに 70 程 度 のお 湯 を 注 ぎます 氷 を 入 れられる 程 度 に 余 裕 を 残 しますが,お 湯 の 表 面 がセン サの 視 野 よりも 上 になるようにします DataStuio ソフトウェアで 開 始 ボタンをクリックして,データの 記 録 を 開 始 します グラフウィンドウの フィット 機 能 を 使 用 して,( Ts T )- 電 圧 のグラフに, 一 次 フィット を 適 用 します もっともよくフィットする 直 線 の 傾 きがk になります このk 値 を 使 用 し, 次 の 形 式 の 計 算 を 作 成 します T = + 1/ ( kv T ) ここで,V はサーモパイルの 電 圧,T は 検 知 器 の 温 度 です 温 度 が 未 知 の 物 体 の 赤 外 データを 取 り ます T が, 計 算 される 物 体 の 温 度 です 湯 に 氷 を 加 えていったときの, 線 源 の 実 際 の 温 度 ( 上 ), 検 知 器 の 温 度 ( 中 央 ), 電 圧 ( 下 ) 図 6:データ1

8 実 験 例 図 7:(T s - T )- 電 圧 グラフ 実 験 例 太 陽 熱 放 射 太 陽 からの 放 射 強 度 を 測 定 し,これを 空 の 別 の 部 分 からの 放 射 強 度 と 比 較 します( 空 の 温 度 を 測 定 する 場 合, 太 陽 および 他 の 物 体 ( 木 や 建 造 物 など)が 視 野 にないことを 確 認 します) 雲 の 有 無 や 太 陽 の 角 度 は, 放 射 強 度 にどのような 影 響 を 与 えるでしょうか 強 度 測 定 によると, 太 陽 から 放 射 される 総 出 力 はどれくらいになるでしょうか 表 面 温 度 は 何 度 でしょうか 強 度 と 距 離 距 離 の 関 数 として, 強 度 をグラフ 化 します 小 さな 電 球 のフィラメントなどといった 点 の 線 源 と, ホットプレートなどの 大 きな 線 源 を 比 較 します 強 度 と 温 度 物 体 の 温 度 (または 物 体 とセンサとの 温 度 差 )は, 正 味 の 強 度 とどのような 関 係 があるでしょうか 冷 却 高 温 の 物 体 が 冷 えていく 時 の 温 度 を 測 定 し, 放 射 強 度 を 測 定 します 温 度 変 化 の 割 合 と, 総 放 射 出 力 を 比 較 します また, 総 温 度 変 化 と 総 放 射 出 力 も 比 較 します 放 射 以 外 に 何 が 熱 損 失 の 原 因 とな っているでしょうか 強 度 と 放 射 率 Thermal Cavity TD-8580 を 使 用 し, 同 一 温 度 の 異 なる 表 面 から 放 出 される 放 射 強 度 を 測 定 します 表 面 の 色 と 質 感 は, 放 射 強 度 にどのような 影 響 を 与 えるでしょうか 表 面 からの 強 度 と, 同 一 温 度 の 穴 からの 強 度 を 比 較 します 図 8:Thermal Cavity (TD-8580)

光 センサ( 赤 外 ) PS-218 9 放 射 出 力 と 電 球 による 入 力 小 さな 電 球 に 加 えられる 電 圧 と 電 流,および 電 球 から 放 出 される 放 射 出 力 を 測 定 します 入 力 電 力 と 総 放 射 出 力 を 計 算 します 注 記 PASCO 社 の EM-8627 は,この 実 験 に 適 した 電 球 25 個 をパックにしたものです こ の 電 球 は 電 球 ソケット(EM-8630,10 個 パック)と,300mA 2V の 電 源 とととも 使 用 できます PASPORT 電 圧 / 電 流 センサ PS-2115 を 用 いて, 電 球 に 供 給 される 電 力 を 測 定 することができます 熱 力 学 の 第 2 法 則 熱 力 学 の 第 2 法 則 によると, 熱 は 高 温 の 物 体 から 低 温 の 物 体 に 向 かって 流 れる 傾 向 があります 熱 は 放 射 を 通 じて 伝 わるので, 物 体 が 互 いに 接 触 している 必 要 はありません センサよりも 温 度 が 低 い 物 体 の 正 味 放 射 強 度 を 測 定 します エネルギーはどの 方 向 に 流 れるでしょ うか 物 体 とセンサが 同 じ 温 度 になるまで 待 ちます エネルギーの 流 れはどうなるでしょうか KRS-5 窓 の 透 過 率 図 9:KRS-5 窓 の 透 過 率 仕 様 アクティブ 領 域 のサイズ 1.5 1.5mm 素 子 面 積 2.25 mm 2 サーモカップル 結 合 数 120 視 野 8 または 92 ( 詳 細 については 視 野 を 参 照 ) 強 度 範 囲 -500~500 W/m 2 ( 最 大 ) 0~1000 W/m 2 ( 直 線 ) スペクトル 応 答 0.7~30μm においてフラット 窓 材 質 KRS-5( 透 過 率 グラフを 参 照 ) 封 入 ガス 窒 素 応 答 度 31±7 V/W

M100820D1102TY001 2011.02.01TD (D-665)