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《振動噪音科普專欄》甚麼是「感測器」(sensor)及「物理量」(physical quantity)?

 
在振動噪音量測時,代表振動量的大小,最常度量的「物理量」 (physical quantity)就是加速度(acceleration)。而代表聲音的物理量就是聲音壓力。當我們要量測物體振動的加速度、或是物體發出聲音的聲音壓力,就需要有對應的「感測器」(sensor)來進行量測。本單元就來說明甚麼是「感測器」(sensor)?以及甚麼是「物理量」 (physical quantity)

甚麼是「感測器」(sensor)呢?簡單的說,能將「物理量」 (physical quantity)轉換成電的訊號(electrical signal),就是「感測器」。為了將電壓轉換成正確的物理量值,就必須知道這個「感測器」的「靈敏度」,有關「感測器」的「靈敏度」我們再另闢單元討論。

那麼甚麼是「物理量」呢?在力學領域的「物理量」(physical quantity)、或稱物理參數(physical parameter),可以FMLT因次分析(dimensional analysis)來說明。

1.      Fforce力的代號,若以國際單位(International System of Units),通常以SI制單位稱之。力的單位為牛頓,SI制單位符號:N
2.      Mmass質量的代號,以SI制單位為例,質量的單位為公斤,SI制單位符號:kg
3.      Llength長度的代號,以SI制單位為例,長度的單位為公尺,SI制單位符號:m
4.      Ttime時間的代號,以SI制單位為例,時間的單位為秒,SI制單位符號:s

在力學領域的「物理量」可由牛頓第二定律,變數符號方程式:f=ma,物理量方程式:力=質量X加速度,進行說明。其中,

1.      f:力的變數符號,FMLT因次符號:FSI制單位:N
2.      m:質量的變數符號,FMLT因次符號:MSI制單位:kg
3.      a:加速度的變數符號,FMLT因次符號:L/T^2SI制單位:m/s^2

FMLT因次分析,寫出對應f=ma的因次分析,可得到:F=ML/T^2,因此,N=kg·m/s^2。在力學領域,常見的「物理量」都可以由FMLT的因次分析,以及實際的SI制單位,寫出對應的因次分析與單位之關係,例如:

1.      幾何參數:如面積,A=L^2SI制單位:m^2。體積:V=L^3SI制單位:m^3
2.      材料性質:如密度,ρ=M/L^3SI制單位:kg/m^3。楊氏係數,E=F/L^2SI制單位:N/m^2=Pa
3.      振動參數:如位移,x=LSI制單位:m。速度,v=L/TSI制單位:m/s。加速度,a=L/T^2SI制單位:m/s^2
4.      聲音參數:如聲音壓力,p= F/L^2SI制單位:N/m^2=Pa

通常「感測器」量測得到之電的訊號為電壓(voltage),可以傳送到電腦得到此「物理量」的時間歷程(time history)訊號。常用的振動噪音量測「感測器」名稱及對應的「物理量」與「SI制單位」,類舉如下:

1.      位移感測器【位移計】位移m
2.      速度感測器【速度計】速度m/s
3.      加速度感測器【加速度規】→加速度m/s^2
4.      聲音壓力感測器【麥克風】聲音壓力N/m^2=Pa
5.      力感測器→力→N


綜合本單元的說明:

1.          「感測器」(sensor):能將「物理量」 (physical quantity)轉換成電的訊號(electrical signal),這個電的訊號通常為「電壓」 (voltage)
2.          藉由「感測器」的「靈敏度」:可將度量的「電壓」數值,轉換成正確的「物理量」數值。我們再另闢單元討論「感測器」的「靈敏度」。
3.          在力學領域的「物理量」:可以由FMLT因次分析(dimensional analysis)來說明。FMLT分別為力、質量、長度、時間的因次代號。
4.          國際單位系統(International System of Units):通常以SI制單位稱之,源自法文:Système international,簡寫SI,代表國際單位。
5.          FMLT因次代號所對應的SI制單位:分別為力F=N、質量M=kg、長度L=m、時間T=s
6.          牛頓第二定律:變數符號方程式:f=ma。物理量方程式:力=質量X加速度。FMLT因次分析F=ML/T^2SI制單位:N=kg·m/s^2
7.          力學及振動噪音領域,常見的「物理量」:如面積、體積、密度、楊氏係數、位移、速度、加速度、聲音壓力等,均可以寫出對應的【FMLT因次分析】、以及【SI制單位】。

本單元簡單說明【甚麼是「感測器」(sensor)?】,也同時說明了【甚麼是「物理量」(physical quantity)?】的觀念,以及【FMLT之因次分析】與【SI制單位】的說明,希望對讀者有所幫助。

以上個人看法,請多指教!

王栢村

2018.01.16