Ähnlich wie unsere Sinnesorgane nehmen Sensoren ihre Umgebung war: Sie können sehen, hören, fühlen, riechen und schmecken.

Ähnlich wie unsere Sinnesorgane nehmen Sensoren ihre Umgebung war: Sie können sehen, hören, fühlen, riechen und schmecken. Und wie unsere Sinne die Informationen an das Gehirn weitergeben, geben Sensoren die gesammelten Daten an eine Datenverarbeitung weiter, um sie auszuwerten und entsprechende Reaktionen auszulösen. (Bild: Lassedesignen - stock.adobe.com)

Schon seit der Antike beschäftigten sich Menschen mit der Konstruktion verschiedener Arten von Sensoren. Dabei sind die technischen Lösungen zur Erfassung der Daten sehr unterschiedlich.

Doch welche sind das und wo können sie eingesetzt werden? Wir geben Ihnen einen Überblick.

Was ist ein Sensor und was kann mit ihm bestimmt werden?

Ein Sensor ist eine Vorrichtung, die Größen und Stoffe sowie Eigenschaften der Umgebung oder eines Systems qualitativ oder quantitativ erfasst. Die Messung kann sowohl elektronisch als auch analog erfolgen.

Physikalische Messgrößen, die mit einem Sensor bestimmt werden können, sind beispielsweise

  • Wärmemenge
  • Temperatur
  • Feuchtigkeit
  • Druck
  • Schallfeldgröße
  • Helligkeit
  • Beschleunigung
  • Strom

Zu den chemischen Messgrößen und Stoffen gehören

  • CO2 (Luftqualität)
  • pH-Wert
  • Ionenstärke
  • Elektrochemisches Potential

Biologische Stoffe sind unter anderem

  • Glukose
  • Enzyme
  • Proteine
  • DNA und RNA

Im Wesentlichen dienen Sensoren drei Zwecken:

  • Sie identifizieren und quantifizieren Messgrößen oder Stoffe.
  • Sie lokalisieren Gegenstände.
  • Sie bestimmen Umweltbedingungen.

Seit wann gibt es Sensoren?

Sensoren sind schon seit der Antike bekannt. Bereits im dritten Jahrhundert vor Christus konstruierte Philon von Byzanz ein Gerät, das anzeigen konnte, wie Luft sich ausdehnt oder zusammenzieht, wenn die Temperatur sich ändert. Die moderne Entwicklung von Sensoren begann in den späten 1800er Jahren mit der Entdeckung des Photoeffekts durch Heinrich Hertz und der Entwicklung von Thermoelementen durch Thomas Seebeck. Die ersten Sensoren waren einfache, mechanische Bauteile, die sich abhängig von den Eigenschaften, die sie messen sollten, ausdehnten oder zusammenzogen. In den 1950er Jahren wurden elektrische Widerstandsthermometer entwickelt. Die 1960er brachten bedeutende Fortschritte in der Sensortechnologie, einschließlich der Entwicklung von Halbleitersensoren. In den 1980er Jahren entstanden mikroelektromechanische Systeme (MEMS), die es ermöglichten, Sensoren auf einem Chip herzustellen. Aktuell finden verschiedene Sensortechnologie in zahlreichen Bereichen wie der Industrie, Medizin oder Luft- und Raumfahrt Anwendung. Mit der Entwicklung von künstlicher Intelligenz und dem Internet of Things (IoT) werden Sensoren intelligenter und können in Echtzeit Daten sammeln und analysieren, um Entscheidungen zu treffen und automatisierte Abläufe zu steuern.

Wie funktioniert ein Sensor?

Ein Sensor erfasst physikalische, chemische oder biologische Größen oder Stoffe. Die gemessene Größe dient als Eingangssignal. Sie wird durch physikalische oder chemische Effekte entsprechend einer festen Beziehung in eine Ausgangsgröße umgeformt, die weiterverarbeitet werden kann, meistens als elektrisches Signal. Beispielsweise nutzt eine Art von Sensoren den piezoelektrischen Effekt um Druck in Form von einer elektrischen Ladung darzustellen. Vom Sensor geht das Ausgangssignal an eine Datenverarbeitung weiter. Es steht dann anderen Geräten oder Systemen zur Verfügung, um Informationen über die Umgebung zu sammeln oder Steuerungsentscheidungen zu treffen. Eine Verarbeitung der Daten geschieht manuell oder, wie es bei den meisten aktuellen Sensoren der Fall ist, durch ein digitales Datenverarbeitungssystem.

Begriffserklärung, Definition und DIN bei Sensoren

Der Begriff Sensor leitet sich vom lateinischen Wort „sentire“ ab, das auf Deutsch „fühlen“ oder „empfinden“ heißt, denn ein Sensor nimmt die Umgebung ähnlich wie der Mensch wahr. Oft wird er auch als Detektor, Messgrößen-Aufnehmer oder Messfühler bezeichnet, die Abgrenzung ist hier fließend. In der Messkette ist der Sensor gemäß DIN 1319 der Teil, der auf die Messgröße unmittelbar anspricht. Die DIN 1319 besteht aus einer Reihe von Normen, die sich mit verschiedenen Aspekten der Messtechnik befassen:

  • DIN 1319-1: Grundlagen der Messtechnik - Teil 1: Grundbegriffe. Diese Norm legt die grundlegenden Begriffe und Definitionen fest, die in der Messtechnik verwendet werden, wie Messgröße, Messwert, Messabweichung, Messunsicherheit und Messbereich.
  • DIN 1319-2: Grundlagen der Messtechnik - Teil 2: Auswertung und Darstellung von Messdaten. In diesem Teil werden verschiedene statistische und mathematische Verfahren erläutert, die bei der Analyse von Messergebnissen angewendet werden können.
  • DIN 1319-3: Grundlagen der Messtechnik - Teil 3: Darstellung von Messunsicherheit. Diese Norm gibt Empfehlungen zur Schätzung, Berechnung und Darstellung der Unsicherheit von Messungen, um die Zuverlässigkeit und Vergleichbarkeit von Messergebnissen zu gewährleisten.
  • DIN 1319-4: Grundlagen der Messtechnik - Teil 4: Behandlung systematischer Einflüsse auf Messungen. In diesem Teil werden Methoden und Techniken beschrieben, um systematische Fehler zu erkennen, zu korrigieren oder zu minimieren, um genaue und zuverlässige Messergebnisse zu erhalten.

Oft werden zusätzlich zum eigentlichen Daten-Aufnehmer weitere Elemente der Messkette dem Sensor zugeordnet.

In einem Regelkreis sind Aktoren das Gegenstück zu den Sensoren. Der Sensor misst den Ist-Wert des Systems und wandelt die gemessenen Daten in ein analoges oder digitales elektrisches Signal. Dieses Signal wird mit einem gewünschten Sollwert oder einer Sollgröße verglichen. Basierend auf diesem Vergleich berechnet das Regelungssystem die erforderliche Steuerung oder Korrektur, um den Istwert dem Sollwert anzupassen; der Aktor setzt diese Steuerung oder Korrektur um. Dadurch wird das System stabilisiert oder in die gewünschte Betriebsart gebracht. Der Regelkreis arbeitet in der Regel mit Rückkopplung, was bedeutet, dass der Sensor den Ausgang des Systems erneut erfasst. Dieses Rückkopplungssignal wird wieder mit dem Sollwert verglichen, und das Regelungssystem berechnet die erforderliche Steuerung oder Korrektur. Dieser Prozess wiederholt sich kontinuierlich, um eine genaue Regelung der Ausgangsgröße sicherzustellen. Durch dieses Zusammenspiel von Sensoren, Regelungssystem und Aktoren ermöglicht der Regelkreis, Systeme in verschiedenen Anwendungen wie industrieller Automatisierung, Prozessregelung, Robotik und vielem mehr automatisch und präzise zu steuern.

Prinzip eines Regelkreises mit Sensoren und Aktoren.
Prinzip eines Regelkreises mit Sensoren und Aktoren. (Bild: Sabine Synkule)

Grenzen der Sensorik – Was kann aktuell nicht direkt mit einem Sensor bestimmt werden?

Es gibt physikalische Größen, die ein Sensor aufgrund ihrer Natur nicht direkt messen kann. Stattdessen werden sie oft indirekt durch komplexe Experimente oder theoretische Modelle erschlossen. Dunkle Materie, eine hypothetische Form von Materie, ist ein Beispiel dafür. Ihre Existenz wurde nachgewiesen, da sie aufgrund der Massenanziehungskraft mit sichtbarer Materie interagiert. Ähnlich wie dunkle Materie ist dunkle Energie eine hypothetische Energieform, die die beschleunigte Ausdehnung des Universums antreibt. Da ihre Natur und Zusammensetzung unbekannt sind, kann sie nicht direkt mit einem Sensor gemessen werden. Einige physikalische Theorien setzten hypothetische Teilchen vorraus, wie beispielsweise das Higgs-Boson oder Gravitonen. Diese Teilchen sind sehr schwer nachzuweisen und erfordern oft indirekte Messungen oder komplexe Experimente. Auch bestimmte Eigenschaften von Elementarteilchen wie ihre Masse oder Spin können nicht direkt mit einem Sensor gemessen werden. Stattdessen sind Experimente wie Kollisionen in Teilchenbeschleunigern nötig, um sie indirekt zu bestimmen. Herkömmliche Sensoren können auch einige Aspekte der Quantenphysik, wie die Verschränkung von Teilchen oder den quantenmechanischen Zustand eines Systems nicht erfassen.Hier sind spezielle Techniken und Experimente nötig, die auf den Prinzipien der Quantenphysik beruhen.

Regelkreis mit Sensoren in der industriellen Fertigung

In der industriellen Fertigung sind Sensoren unter anderem für  die Sicherheit verantwortlich. Dabei liefert der Sensor Informationen über den Ist-Wert des Systems, der mit einem Soll-Wert abgeglichen wird. Weicht der Ist-Wert zu stark vom Soll-Wert ab, ergreift das System über den Aktor Gegenmaßnahmen. Hier sind drei Reaktionen möglich, die üblicherweise gestuft auftreten:

  • Ausgleich: Der Regelkreislauf versucht den Soll-Wert wieder herzustellen
  • Alarm: Werden die Ausschläge aber zu stark bzw. geben die Ist-Werte einen Trend an, wird ein Alarm ausgelöst.
  • Abschaltung: Wird der Alarm zu lange ignoriert, schaltet das System nach Möglichkeit ab, um Folgeschäden oder einer Selbstzerstörung vorzubeugen.

Welche Einteilungen gibt es bei Sensoren?

Sensoren können nach verschiedenen Kriterien eingeteilt werde. Die gängigsten Einteilungen sind:

  • Nach Wirkungsweise beim Umformen der Größen (aktive und passive Sensoren)
  • Nach Anwendungsbereich (Interne und Externe Sensoren)
  • Nach Messprinzip
  • Nach Verwendungszweck
  • Anwendungsbereich
  • Nach Messgröße
  • Nach Baugröße
  • Nach Fertigungstechnik

Wie unterscheiden sich aktive und passive Sensoren?

Sensoren lassen sich in aktive und passive Sensoren einteilen, je nachdem, wie elektrische Energie erzeugt oder verwendet wird.

Aktive Sensoren (rechts) erzeugen aktiv ein Signal, mit dem sie eine Größe oder Eigenschaft messen können. Passive Sensoren (links) enthalten passive Bauteile, deren Parameter durch die Messgröße werden.
Aktive Sensoren (rechts) erzeugen aktiv ein Signal, mit dem sie eine Größe oder Eigenschaft messen können. Passive Sensoren (links) enthalten passive Bauteile, deren Parameter durch die Messgröße werden. (Bild: Sabine Synkule)

Aktive Sensoren beziehen die Energie aus einer Stromquelle. Sie erzeugen aktiv ein Signal, mit dem sie eine Größe oder Eigenschaft messen. Diese Art von Sensor enthält typischerweise eine eigene Stromversorgung und erzeugt ein elektrisches Signal als Ausgangssignal. Aktive IR-Sensoren (Infrarot-Sensoren) beispielsweise, senden LED-IR-Strahlung aus und erfassen das reflektierte Licht mit einem Empfänger. Das Sensorelement im Empfänger absorbiert die IR-Energie und erzeugt ein Ausgangssignal. Weitere Beispiele für aktive Sensoren sind aktive Ultraschall-Sensoren und Laser-Sensoren.

Passive Sensoren hingegen benötigen keine eigene Stromversorgung, sondern nutzen die Energie der Umgebung. Sie enthalten passive Bauteile, deren Parameter durch die Messgröße wie Temperatur, Druck oder Licht verändert werden und zeigen diese Änderung als elektrisches Signal an. Beispiele für passive Sensoren sind PIR- Sensoren (Passiv-Infrarot-Sensoren), die die IR-Strahlung erkennen, die von Objekten in ihrem Sichtfeld ausgeht. Häufig werden diese Sensoren für Sicherheitsalarm-Systeme und automatische Beleuchtungsanwendungen eingesetzt. Weitere Beispiele für passive Sensoren sind Thermometer oder Barometer.

Im Allgemeinen sind aktive Sensoren präziser und können genauer messen als passive Sensoren, da sie mehr Kontrolle über den Messprozess haben. Passive Sensoren sind jedoch oft einfacher und günstiger, da sie keine Stromversorgung benötigen und nicht so komplexe Schaltungen haben.

Wozu dienen interne und externe Sensoren?

Insbesondere in der Robotik werden Sensoren in interne und externe Sensoren eingeteilt:

Interne Sensoren sind innerhalb eines Systems oder einer Maschine angebracht, um internen Zuständen zu überwachen. Messgrößen sind hier beispielsweise Temperatur, Druck, Stromstärke, Spannung, Luftfeuchtigkeit oder Schwingungen. In der Regel sollen interne Sensoren den Betrieb eines Systems oder einer Maschine beobachten und optimieren. Zum Beispiel können interne Sensoren in Fahrerassistenzsystemen wie ADAS in einem Auto die Motortemperatur kontrollieren.

Welche Messprinzipien gibt es und wie funktionieren sie?

Es gibt zahlreiche Arten von Sensoren, die nach unterschiedlichen Messprinzipien arbeiten (Tabelle 1). Diese Prinzipien basieren auf verschiedenen physikalischen oder chemischen Effekten.

Sensorprinzip Arbeitsprinzip Anwendungsbeispiel

Mechanisch

Mechanische Bewegung/Durchbiegung Mikrofone, Drucksensoren, Beschleunigungssensoren

Resistiv

Änderung des Widerstands Potentiometer, Lichtschranken, Dehnungsmessstreifen

Piezoelektrisch

Umwandlung von Druck in elektrische Energie Ultraschallsensoren, Schwingungssensoren

Kapazitiv

Änderung der Kapazität Berührungssensoren, Feuchtigkeitssensoren

Thermoelektrisch

Umwandlung von Temperaturunterschieden in elektrische Energie Temperatursensoren, Wärmeflussmesser

Induktiv/Elektromagnetisch

Änderung des magnetischen Flusses Näherungssensoren, Geschwindigkeitssensoren

Optisch

Erfassung von Licht oder optischen Eigenschaften Lichtschranken, Fotodioden, Farbsensoren

Akustisch

Erfassung von Schallwellen Mikrofone, Schallpegelmesser, Ultraschallsensoren

Chemisch

Reaktion auf chemische Veränderungen Gasdetektoren, pH-Sensoren, Rauchmelder

 

Im Folgenden werden einige davon genauer erklärt:

Sensoren, die nach eine mechanischen Messprinzip arbeiten, basieren auf mechanischen Effekten, zum Beispiel Dehnung, Biegung oder Verformung. Sie messen Parameter wie Druck, Kraft, Dehnung oder Beschleunigung.

Bei resistiven Sensoren ändert sich der spezifische Widerstand des Sensormaterials proportional zur Messgröße, z. B. Temperatur oder Druck. Dabei führt die Widerstandsänderung zu einer Änderung der Spannung oder des Stroms, was z. B. ein einfacher Spannungsteiler oder eine Brückenschaltung erfasst.

Dehnungsmesstreifen bestehen aus Werkstoffen, bei denen sich durch Dehnung oder Stauchung der spezifische Widerstand ändert.
Dehnungsmesstreifen bestehen aus Werkstoffen, bei denen sich durch Dehnung oder Stauchung der spezifische Widerstand ändert. (Bild: Sabine Synkule)

Was sind Beispiele für resistive Sensoren?

Dehnungsmesstreifen bestehen aus Werkstoffen, bei denen sich durch Dehnung oder Stauchung der spezifische Widerstand ändert. Sie messen die Verformung oder Dehnung in einem Material.

Ein potentiometrischer Sensor besteht aus einem Widerstandselement, aus einem leitfähigen Material und einem beweglichen Schleifer, der Kontakt zum Widerstandselement hat. Wenn sich der Schleifer bewegt, ändert sich der Widerstand des Elements. Die Messgröße ist proportional zur Position des Schleifers. Ein solcher Sensor misst Abstand, Position oder Drehwinkel.

Ein Thermistorsensor beruht auf dem Prinzip, dass der elektrische Widerstand von Materialien mit der Temperatur variiert. Dabei ändert sich der Widerstand des Thermistors exponentiell mit der Temperatur und kann mit Hilfe eines Spannungsteilers gemessen werden

Piezoelektrische Sensoren nutzen den piezoelektrischen Effekt um Größen wie Druck, Spannung oder Kraft zu messen. Wenn eine äußere Kraft oder ein Druck auf den Sensor wirkt, verformt sich das piezoelektrische Material und es entsteht eine elektrische Ladung. Diese Ladung kann gemessen und ausgewertet werden, um die Kraft oder den Druck zu bestimmen.

Was ist der piezoelektrische Effekt?

Beim piezoelektrischen Effekt ensteht druch Druck eine elektrische Spannung im Material, da sich die Ladungsschwerpunkte in der Elementarzelle verschieben.
Beim piezoelektrischen Effekt ensteht druch Druck eine elektrische Spannung im Material, da sich die Ladungsschwerpunkte in der Elementarzelle verschieben. (Bild: Sabine Synkule)

Der piezoelektrische Effekt beschreibt die Eigenschaft einiger Materialien, eine elektrische Spannung zu erzeugen, wenn sie mechanischen Druck erfahren. Durch den Druck verschieben sich die Ladungsschwerpunkte in der Elementarzelle. Es entsteht ein Dipol und durch die Aufsummierung aller Elementarzellen eine messbare elektrische Spannung. Umgekehrt können diese Materialien sich verformen, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird.

Das Messprinzip kapazitiver Sensoren beruht darauf, dass sich bei einem Kondensator die Kapazität in Abhängigkeit von der Messgröße ändert. Diese Sensoren bestehen typischerweise aus zwei Elektroden, die in der Nähe voneinander platziert sind. In der Regel fungiert eine als Messelektrode und die andere als Abschirmelektrode. Zwischen den beiden Elektroden entsteht ein elektrisches Feld. Kommt ein Objekt in die Nähe des Sensors, ändert sich die Kapazität zwischen den Elektroden und somit auch das elektrische Feld. Diese Änderung wird vom Sensor erkannt und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Kapazitive Sensoren dienen beispielsweise zur Abstandsmessung.

Sensoren, die mit thermischen Messprinzipien arbeiten, messen Temperatur oder Wärmefluss und nutzen dafür die Temperaturabhängigkeit von Widerstand oder Spannung. Thermoelemente beruhen auf dem Seebeck-Effekt. Beispiele für thermische Sensoren sind Thermometer, Temperaturfühler oder Wärmestromsensoren.

Was ist der Seebeck-Effekt?

Der Seebeck-Effekt beschreibt das Phänomen, dass bei einem Temperaturgradienten in einem metallischen Material ein elektrisches Spannungspotential entsteht. Am wärmeren Ende gibt es mehr Elektronen mit hoher Energie und am kälteren Ende mehr mit niedriger Energie. Die Elektronen mit hoher Energie diffundieren zum kälteren Ende und die mit niedriger Energie zum wärmeren. Dadurch entsteht ein Stromfluss und die daraus resultierende Spannung ist von dem Temperaturgefälle und dem Leitermaterial abhängig. Um diese elektrische Spannung an den Leiterenden zu messen, muss der Rückleiter aus einem anderen Material als der Hinleiter sein.

Sensoren, deren Messprinzip auf dem magnetischen Feld beruht, nutzen Effekte wie Induktion oder den Hall-Effekt zur Messung von Parametern wie Strom, Abstand, Magnetfeldstärke oder Drehzahl.

Induktive Sensoren bestehen aus einer Spule, die mit Strom durchflossen ist. Nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion bildet sich dadurch ein magnetisches Feld. Bewegt sich ein metallischer Gegenstand in die Nähe der Spule, wird das Magnetfeld der Spule gestört. Die Änderung des Magnetfelds führt zur Induktion einer elektrischen Spannung in der Spule. Ein Schaltkreis erkennt die Spannung und gibt sie als Signal aus. Auf diese Weise können mithilfe von Eisenzahnungen Drehzahlen oder Geschwindigkeiten bestimmt werden.

Eine Form des induktiven Sensors ist der Wirbelstromsensor, der metallische Objekte erkennt. Hier ist die Spule Bestandteil eines Schwingkreises. Sie wird mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist. Bewegt sich ein metallisches Objekt durch das Magnetfeld der Spule entstehen nach dem Induktionsgesetzt Wirbelströme im Objekt. Diese Wirbelströme bewirken wiederum ein magnetisches Feld, dass dem der Spule entgegenwirkt. Dadurch ändert sich die Impedanz der Spule. Je näher die Spule dem Objekt kommt, desto größer sind die Wirbelströme und damit die Impedanz-Äderung.

Bei einem Wirbelstromsensor ist eine Spule teil eines Schwingkreises. Bewegt sich ein metallisches Objekt durch das Magnetfeld der Spule entstehen Wirbelströme im Objekt. Diese Wirbelströme bewirken ein magnetisches Feld, dass dem der Spule entgegenwirkt.
Bei einem Wirbelstromsensor ist eine Spule teil eines Schwingkreises. Bewegt sich ein metallisches Objekt durch das Magnetfeld der Spule entstehen Wirbelströme im Objekt. Diese Wirbelströme bewirken ein magnetisches Feld, dass dem der Spule entgegenwirkt. (Bild: Sabine Synkule)

Dadurch ändert sich die Impedanz der Spule. Je näher die Spule dem Objekt kommt, desto größer sind die Wirbelströme und damit die Impedanz-Äderung. Die veränderte Impedanz drückt sich durch eine Änderung der Phase und der Amplitude der Schwingung aus. Das Signal geht an einen Schmitt-Trigger, der bei einer bestimmten Veränderung den Ausgang schaltet. Über die Amplitude kann auch der Abstand des Objekts bestimmt werden.

Ein anderes (berührendes) Verfahren nutzt einen Tauchanker, also einen beweglichen Eisenkern, der in eine Spule eintaucht. Mit der Eintauchtiefe ändert sich die Induktivität bzw. der magnetische Widerstand derselben.

Funksensoren, Radar, Lidar oder Infrarot-Sensoren erzeugen elektromagnetischen Wellen, die sich durch den Raum ausbreiten und von Objekten reflektiert oder absorbiert werden. Ein Empfänger verarbeitet die reflektierten Wellen, um Informationen über die Position, Entfernung, Form oder Beschaffenheit der Objekte zu erhalten.

Funksensoren erzeugen elektromagnetischen Wellen, die von Objekten reflektiert oder absorbiert werden. Ein Empfänger verarbeitet die reflektierten Wellen.
Funksensoren erzeugen elektromagnetischen Wellen, die von Objekten reflektiert oder absorbiert werden. Ein Empfänger verarbeitet die reflektierten Wellen. (Bild: Sabine Synkule)

Jeder Typ arbeitet auf seine eigene Weise und verwendet elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Frequenzen oder Wellenlängen.

Wie funktioniert ein Radar-Sensor?

Ein Beispiel für die Funktionsweise eines elektromagnetischen Sensors ist das Radar, das elektromagnetische Wellen im Mikrowellenbereich verwendet. Es sendet kontinuierlich elektromagnetische Wellen aus und erfasst dann die reflektierten Wellen, die von Objekten zurückgeworfen werden. Anhand der Zeit, die benötigt wird, um die reflektierten Wellen zu empfangen, berechnet das Radar die Entfernung zum Objekt (Laufzeitmesung, Time-of-flight). Darüber hinaus kann es auch Informationen über die Geschwindigkeit, Richtung und Form des Objekts liefern.

Eine Hall-Sonde ist ein Sensor, der ein magnetisches Feld erkennt. Sie besteht aus einem möglichst dünnen dotierten Halbleitermaterial, durch das ein Strom fließt. Tritt ein magnetisches Feld senkrecht zur Stromrichtung auf, wird eine Spannung quer zur Stromrichtung erzeugt, die proportional zur magnetischen Feldstärke und zum Strom ist. Das Ausgangssignal kann verwendet werden, um die Stärke, Richtung und Position des magnetischen Feldes zu messen. Anwendungen sind z.B. in der Automobilindustrie zur Messung der Drehzahl und Position des Motors oder die Positionsbestimmung bei Industrierobotern.

Was ist der Hall-Effekt?

Prinzip Hall-Effekt
Beim Hall-Effekt wirkt in einem stromdurchflossenen Leiter die Lorentzkraft auf die beweglichen Ladungsträger, die so senkrecht zur Stromrichtung und zum magnetischen Feld abgelenkt werden. Dies führt zu einer elektrischen Spannung. (Bild: Sabine Synkule)

Befindet sich ein leitendes Objekt, in dem Strom fließt, in einem Magnetfeld, das senkrecht zur Stromrichtung ausgerichtet ist, wirkt die Lorentzkraft auf die beweglichen Ladungsträger. Bei einem Halbleiter sind das je nach Dotierung Elektronen und Löcher. Sie werden dann senkrecht zur Stromrichtung und zum magnetischen Feld abgelenkt. Dadurch entsteht auf der einen Leiterseite ein Ladungsträgerüberschuss, auf der anderen ein -mangel. Diese Ladungstrennung führt zu einer elektrischen Spannung, die direkt proportional zur Magnetfeldstärke ist. Außerdem ist sie indirekt proportional zur Ladungsträgerdichte: je weniger Ladungsträger vorhanden sind, desto schneller müssen sie sich bewegen, damit die Stromstärke unverändert bleibt. Auf schnellere Ladungsträger wirkt eine stärkere Lorentzkraft, was zu einer größeren Spannung führt. Deshalb werden für Hall-Sonden gerne Halbleiter verwendet, da hier die Ladungsträgerdichte kleiner ist, als in Metallen.

Auch Schallsensoren basieren auf elektromagnetischen Prinzipien. Diese Sensoren messen Schallwellen oder Ultraschall und nutzen zur Messung Effekte wie Druckänderungen oder Reflexionen von Schallwellen.

Ein Ultraschallsensor funktioniert ähnlich wie ein Radar, nur dass er statt elektromagnetischer Wellen Schallwellen aussendet, die für das menschliche Gehör nicht hörbar sind. Diese Schallwellen breiten sich im Raum aus und werden von einem Objekt reflektiert, das sich in der Nähe des Sensors befindet. Der Sensor empfängt dann die reflektierten Schallwellen und berechnet anhand der Laufzeit und Intensität des reflektierten Signals die Entfernung zum Objekt.

Akustiksensoren beruhen auf dem Prinzip der Induktion und bestehen aus einem Permanentmagneten und einer Kupferspule. Die Spule wird mit einer geringen elektrischen Spannung betrieben und ist mit einer Membran verbunden. Wenn Schallwellen auf die Membran treffen, wird die Spule entlang des Permanentmagneten bewegt und erzeugt dadurch Änderung der Spannung, die als Signal weitergeleitet werden kann.

Bei magnetoelastischen Sensoren kommen Materialien zum Einsatz, die ihre magnetischen Eigenschaften unter mechanischer Belastung ändern. Bei einer solchen Belastung ändert sich die Ausrichtung der magnetischen Momente im Material und es tritt eine Änderung im magnetischen Feld auf. Die Änderung im magnetischen Feld ist proportional zur mechanischen Belastung; sie wir von einem Empfänger erfasst.

Bei magnetoelastischen Sensoren ändert sich bei mechanischer Belastung die Ausrichtung der magnetischen Momente im Material und es tritt eine Änderung im magnetischen Feld auf.
Bei magnetoelastischen Sensoren ändert sich bei mechanischer Belastung die Ausrichtung der magnetischen Momente im Material und es tritt eine Änderung im magnetischen Feld auf. (Bild: Sabine Synkule)

Optische Sensoren erfassen und messen optische Signale und wandeln sie in messbare Ausgabesignale um. Sie nutzen optische Prinzipien wie Reflexion, Absorption, Streuung oder Beugung, um Informationen über bestimmte Parameter zu gewinnen, z. B. Abstand, Bewegung, Farbe oder Temperatur.

Optoelektronische Sensoren sind eine Untergruppe der optischen Sensoren und nutzen elektronische Komponenten, um die Informationen aus dem Licht zu gewinnen.

Welche Wellenlänge eignet sich für welche Anwendung?

  • Infrarotstrahlung eignet sich für Anwendungen, bei denen Wärmebildgebung oder Nachtsichtfähigkeit erforderlich sind. Typischerweise werden Wellenlängen im Bereich von 700 nm bis 14 μm verwendet.
  • Nahinfrarotes Licht im Bereich von 700 nm bis 2500 nm dient bei medizinischen Anwendungen zur Blutanalyse, Gewebeuntersuchung und Durchblutungsmessung.
  • Das sichtbare Lichtspektrum (400 nm bis 700 nm) kommt bei optischen Sensoren für Farberkennung, Positionierungssysteme, optische Encoder und optische Kommunikation vor.
  • Ultraviolettes Licht im Bereich von 10 nm bis 400 nm wird häufig für Anwendungen wie Lecksuche, UV-Spektroskopie, Wasserdesinfektion und Sterilisation verwendet.
  • Röntgen-Sensoren: Röntgenstrahlen werden für medizinische Bildgebung, Sicherheitskontrollen und industrielle Inspektionen eingesetzt. Die Wellenlänge von Röntgenstrahlen liegt im Bereich von 0,01 nm bis 10 nm.

Eine Art von optoelektronischen Sensoren erfasst durch die Reflexion des Lichts Informationen über die Umgebung, wie beispielsweise Infrarotsensoren.

Rauchsensoren basieren in der Regel auf der Streuung von Licht. Sie enthalten eine Lichtquelle, die kontinuierlich Licht aussendet. Wenn Rauchpartikel in die Umgebung des Rauchsensors gelangen, können sie das ausgesendete Licht der Lichtquelle streuen. Ein Detektor erfasst das gestreute Licht. Dadurch erhöht sich die Lichtintensität, die auf den Detektor trifft.

Andere optoelektronische Sensoren basieren auf Licht-Adsorption und nutzen den photoelektrischen Effekt, um Licht in elektrische Signale umzuwandeln. Zu ihnen gehören beispielsweise Fotodioden, Fototransistoren, Lichtschranken und Faseroptik-Sensoren, die jeweils unterschiedliche Funktionen erfüllen.

Was ist der photoelektrische Effekt?

Prinzip äußerer photoelektrischer Effekt, innerer photoelektrischer Effekt, Photoionisation
Beim äußeren photoelektrischen Effekt werden Elektronen aus einem Metall oder Halbleiter herausgelöst (links), beim inneren photoelektrischen Effekt nimmt Leitfähigkeit in einem Halbleiter durch die Bildung von Elektronen-Loch-Paaren zu (mitte), bei der Photoionisation werden Atome oder Moleküle durch die Einstrahlung von Licht ionisiert (rechts). (Bild: Sabine Synkule)

Der photoelektrische Effekt beschreibt, wie Elektronen durch Einstrahlung von Licht aus einer Bindung in einem Atom oder dem Valenz- oder Leitungsband eines Festkörpers herausgelöst werden. Dabei hängt die kinetische Energie der freigesetzten Elektronen von der Frequenz des einfallenden Lichts ab, nicht von dessen Intensität. Man unterscheidet den äußeren photoelektrischen Effekt, bei dem Elektronen aus einem Metall oder Halbleiter herausgelöst werden, und den inneren photoelektrischen Effekt, der die Zunahme der Leitfähigkeit in einem Halbleiter durch die Bildung von Elektronen-Loch-Paaren beschreibt. Bei der Photoionisation werden Atome oder Moleküle durch die Einstrahlung von Licht ionisiert.

Fotodioden sind Halbleiterbauelemente, die Licht absorbieren und in elektrische Signale umwandeln können. Wenn Licht auf die aktive Fläche einer Fotodiode fällt, erzeugt es Elektron-Loch-Paare im Halbleitermaterial. Diese Ladungsträger werden dann von einer Spannungsquelle abgezogen und erzeugen einen Strom, der proportional zur Intensität des Lichts ist.

Fototransistoren funktionieren ähnlich wie Fotodioden, jedoch haben sie zusätzlich eine Verstärkungsfunktion. Wenn Licht auf die aktive Fläche des Fototransistors fällt, wird ein Strom erzeugt, der den Basisstrom eines Transistors steuert und damit den Kollektorstrom verstärkt.

Ein Anwendungsbeispiel für optoelektronische Sensoren ist die Kamera. Hier kommen hauptsächlich CMOS- oder CCD-Sensoren zum Einsatz.

Chemische Sensoren messen chemische Parameter wie pH-Wert, Konzentration von bestimmten Molekülen oder Gase und nutzen Effekte wie Reaktionsgeschwindigkeit, Absorption oder Emission von Licht oder elektrischen Signalen. Beispiele dafür sind pH-Sensoren, Gassensoren oder Biosensoren.

Wie funktioniert die Signalverarbeitung?

Das elektrische Signal, das der Sensor erzeugt, ist oft sehr schwach und muss verstärkt werden, um Rauschen zu reduzieren und eine bessere Auflösung zu erzielen. Analoge Sensorsignale werden in digitale umgewandelt, bevor sie weiterverarbeitet werden können. Deshalb ist der Sensor nur das erste Glied einer Messkette.

Prinzip einer Messkette.
Prinzip einer Messkette. (Bild: Sabine Synkule)

Es folgt ein Signalverstärker, der die Amplitude des Signals erhöht, um es besser verarbeitbar zu machen.

Das verstärkte Signal ist immer noch analog, aber für viele Anwendungen ist eine digitale Verarbeitung erforderlich. Die Genauigkeit des Wandlers bestimmt die Auflösung der Messung.

Wie wandelt ein Analog/Digital-Wandler ein analoges Signal in ein digitales um?

Der Analog/Digital-Wandler (ADC) tastet das analoge Eingangssignal periodisch ab und nimmt regelmäßig Samples des Signals. Die Abtastrate bestimmt, wie oft pro Sekunde der Wandler ein Sample nimmt. Jedes abgetastete Sample wird quantisiert, das heißt, es wird einem bestimmten digitalen Wert zugeordnet. Dabei wird der analoge Spannungsbereich in diskrete Stufen aufgeteilt. Die Auflösung des Wandlers bestimmt die Anzahl der Stufen. Zum Beispiel hat ein 8-Bit-ADC 28, also 256, diskrete Stufen. Die quantisierten Werte sind in binärer Form dargestellt und codiert. Jede Stufe entspricht einer bestimmten Bitfolge. Die digitalen Werte werden seriell ausgegeben, das heißt, sie werden nacheinander als Bitstrom übertragen. Je nach ADC erfolgt die Ausgabe über einen parallelen oder seriellen Ausgang.

Nach der Digitalisierung kann das Signal weiterverarbeitet, analysiert oder in einem Computer oder Mikrocontroller gespeichert werden. Die Datenverarbeitung umfasst Berechnungen, Filterung, Kalibrierung und andere Operationen, um die Messung zu optimieren oder spezifische Informationen daraus zu extrahieren.

Je nach Anwendung enthält die Messkette zusätzliche Komponenten, wie zum Beispiel einen digitalen Signalprozessor (DSP), eine Kommunikationsschnittstelle oder eine Anzeigeeinheit für die Ergebnisse.

Smarte Sensoren können die Sensorsignale direkt vor Ort am Netzwerkrand (Edge) verarbeiten. Viele dieser intelligenten Sensoren integrieren bereits KI in ihr Design, wodurch sie sofort Entscheidungen treffen oder sensible Daten verarbeiten können, ohne diese an eine andere Stelle zu senden.

Die Autorin: Sabine Synkule

Sabine Synkule
(Bild: Sabine Synkule)

Durch ihr Elternhaus schon von Kindesbeinen an naturwissenschaftlich geprägt, war früh klar, dass Sabine Synkule auch beruflich einmal diese Richtung einschlagen würde. Nach einem Physikstudium und einer Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiterin entschied sie sich schließlich dafür, nicht mehr selbst zu forschen, sondern über die Ergebnisse der Forschung anderer zu berichten. So ist sie schließlich im Fachjournalismus gelandet und dort für die Bereich Messtechnik, Sensoren und Stromversorgung zuständig. Deshalb – und weil sowieso niemand ihren Nachnamen richtig ausspricht – wird sie auch gerne als die Power-Frau von Hüthig vorgestellt. Privat würde niemand auf die Idee kommen, dass ihr Beruf etwas mit Technik zu tun hat. So fragt sie keiner ihrer Bekannten jemals um Rat, wenn einmal ein Fernseher oder Computer kaputt ist. Ihre Expertise wird nur bei der Umsetzung aufwändiger Kochrezepte oder dem Erstellen neuer Strick- und Stickmuster eingeholt.

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