Überblick über Sensoren

Die allen Sensoren gemeinsame Hauptfunktion ist die Konvertierung: Sensoren (oder „Detektoren“) erfassen und messen physikalische Objekte oder Mengen, was von elektronischen Identifikationscodes auf speziell entwickelten Etiketten, bekannt als RFID-Chips (wobei RFID für Radiofrequenz-Identifikation steht), über die Menge an Hitze in einem Objekt, einer Flüssigkeit oder Person, die Bewegung eines Objekts, einer Person oder eines Tieres in ein elektronisch überwachtes Sichtfeld bis hin zu der Art der Beschleunigung eines Objektes, wie dem freien Fall oder der Rotation, reicht. Bei der Messung wandelt der Sensor die empfangenen Daten in Signale oder visuelle Anzeigen um, die dann von einem Menschen oder einem anderen elektronischen Gerät sinnvoll interpretiert werden können. Ein Sensor ist anders gesagt auch immer ein Wandler - ein Gerät, das eine Form der Energie oder eines Impulses in eine andere umwandelt.

 

Eine Art des Bewegungssensors kann beispielsweise in Industriemaschinen integriert und mit einem Sicherheitsschalter verbunden werden. Dies ermöglicht eine sichere Abschaltung, wenn der Schalter abweichende mechanische Bewegungen signalisiert, welche bei Fortbestehen die Gerätschaften beschädigen oder menschliche Arbeitskräfte in der Nähe gefährden könnten. Dieses Beispiel zeigt die Konvertierung einer Messung in ein Signal, welches in ein anderes, nicht-menschliches Gerät eingespeist wird. Natürlich wandeln viele Sensoren die Messungen aber auch in für das menschliche Auge bestimmte Skalen oder Anzeigen um. Das Quecksilber-Thermometer ist ein Beispiel einer allgegenwärtigen Art des Temperatursensors, der die Ausdehnung oder Kontraktion des Quecksilbers in eine lesbare Skala (Celsius oder Fahrenheit) umwandelt: Wenn das Quecksilber sich ausdehnt oder zusammenzieht, steigt oder fällt es in dem schmalen Hohlkörper innerhalb des Glases, auf dessen Außenoberfläche sich eine kalibrierte Temperaturskala befindet.

 

Das Quecksilber-Thermometer zeigt innerhalb der Temperaturbereiche, auf die es ausgelegt ist, ein wichtiges Merkmal, über das alle Sensoren verfügen müssen: Linearität.  Anders ausgedrückt: Die physikalischen Veränderungen im Detektormaterial, in diesem Fall Quecksilber, sind direkt proportional zu Veränderungen des gemessenen Objekts, der gemessenen Kraft, Bewegung oder Strahlung. Eine andere Art von Sensor, das Thermoelement reagiert ähnlich in linearer Art auf Temperaturveränderungen und erzeugt zur Wärmeveränderung proportionale Veränderungen einer Ausgangsspannung. Um Präzision zu gewährleisten, werden Sensoren sorgfältig so kalibriert, dass sie bewährten, geprüften und erprobten Skalen entsprechen.

 

In unserer auf elektronischer Vermittlung basierenden Zivilisation spielen Sensoren eine Schlüsselrolle für die ordnungsgemäße Funktion einer Vielzahl von Maschinen, Geräten, Fahrzeugen und Herstellungsprozessen. Vielen Menschen ist vielleicht überhaupt nicht bewusst, dass Sensoren hinter vielen Dingen stecken, die wir für selbstverständlich nehmen, wie beispielsweise Beschleunigungssensoren, die dafür sorgen, dass der Bildschirm eines Mobiltelefons oder Tablets unabhängig von der Bewegung oder Rotation des Geräts immer richtig herum angezeigt wird, oder dass Sensoren an der sicheren Funktion von Autos und Flugzeugen beteiligt sind. Sie sind weit verbreitet in medizinischen Geräten, der Raumfahrttechnik, unzähligen Fertigungsverfahren und in der Robotertechnik, um nur einige Beispiele zu nennen.

 

Die Empfindlichkeit eines Sensors bestimmt seine Einsatzmöglichkeiten. Reagiert ein Sensor auf eine relativ große Veränderung in einem Medium mit einer relativ kleinen Veränderung in seinem Detektormaterial und der daraus resultierenden Ausgabe, so zeigt er eine geringe Empfindlichkeit. Manchmal sollen Sensoren jedoch minimale Veränderungen messen. In diesem Fall müssen sie eine hohe Empfindlichkeit aufweisen und aussagekräftig auf die geringste Veränderung im gemessenen Medium reagieren. Oft ist die Linearität solcher Sensoren auf einen streng abgegrenzten Bereich beschränkt, und ihre Präzision lässt außerhalb dieses Bereichs stark nach.

 

Hersteller von Sensoren müssen berücksichtigen, welchen Einfluss ein Sensor auf das hat, was er erfasst oder misst: Taucht man beispielsweise ein Quecksilber-Thermometer in eine Tasse mit heißem Tee, kühlt dies die Flüssigkeit ab, da das Thermometer Wärmeenergie aus dem Medium, in das es eingetaucht wird, absorbiert. Meist ist ein gewisses Maß an Einflussnahme durch den Sensor unvermeidbar, durch ausgesprochene Sorgfalt und großen Erfindungsreichtum versucht man aber sicherstellen, dass dieser Effekt so gering wie möglich ist. Eine Methode, diesen Effekt zu minimieren, besteht darin, sich bei der Konstruktion des Sensors auf eine maximale Verkleinerung zu konzentrieren: Je geringer die physikalische Größe eines Sensors, desto geringer ist sein physikalischer Einfluss auf sein Medium. Heute transformiert die Technologie der mikroelektromechanischen Systeme (MEMS) die Fertigung von Sensoren, da sie die Konstruktion von Mikro-Detektoren mit praktisch mikroskopischen Maßen ermöglicht. Diese Sensoren verfügen typischerweise über schnellere Reaktionszeiten und sind wesentlich empfindlicher als ihre größeren Gegenstücke.

 

Die Geschichte des Sensors
 

Schon immer hat die Menschheit mit verschiedenen Arten von Sensoren experimentiert, spätestens seit Philon von Byzanz im dritten Jahrhundert vor Christus ein Gerät konstruierte, das die Expansion und Kontraktion von Luft als Reaktion auf Temperaturveränderungen anzeigen konnte. Im 17. Jahrhundert baute der italienische Astronom und Physiker Galileo Galilei die erste Version eines Thermometers (das Thermoskop - erfahren Sie hier mehr darüber). Einige Jahrzehnte später, im Jahr 1784, hatte der englische Ingenieur George Atwood den ersten Beschleunigungssensor entwickelt, obwohl dieser lediglich als Instrument für den Beweis der Newtonschen Gesetze diente, bis er im späten 20. Jahrhundert als Vorrichtung mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten entdeckt wurde (die Funktion der Auto-Rotation von Smartphones und Tablets basiert beispielsweise auf Beschleunigungssensoren - erfahren Sie hier mehr darüber).

 

Bisweilen bleiben Entdeckungen kreativer Wissenschaftlicher jahrzehnte- oder sogar jahrhundertelang ungenutzt, bis Anwendungsmöglichkeiten für sie ersonnen wurden. So wurde beispielsweise die Infrarotstrahlung (im wörtlichen Sinne die Strahlung einer Wellenlänge unter der des sichtbaren Rotlichts) im Jahr 1800 von dem deutschen Astronomen William Herschel entdeckt. Drei Jahrzehnte später, im Jahr 1831, erschuf der italienische Physiker Melloni eine Thermosäule, die in der Lage war, die Wärme einer Testperson in zehn Meter Entfernung zu erfassen (d. h. Infrarotstrahlung zu empfangen). Aber erst in den 1970ern wurden tatsächlich Infrarotsensoren entwickelt, die in speziellen Kameras „Wärme“-Bilder von Menschen oder Tieren erstellen konnten.

 

Die Not in der Zeit des Zweiten Weltkriegs machte in vielerlei Hinsicht erfinderisch. Die Wegbereiter des Radiofrequenz-Identifikations- oder RFID-Chips und des Bewegungssensors wurden während dieser Zeit äußerst eilig entwickelt, wobei die Radartechnologie von einer Entdeckung aus dem 19. Jahrhundert profitierte und die RFID-Technologie sich aus einfachen IFF-Transpondern zur Wahrnehmung der charakteristischen Geräusche feindlicher oder verbündeter Flugzeuge entwickelte (mehr über Bewegungssensoren und RFID-Chips erfahren sie hier und hier).

 

Jeder, der einmal auf einer elektronischen Badezimmerwaage stand, hat schon einen Dehnmess-Sensor benutzt, wahrscheinlich ohne es zu wissen. Dieser spezielle Typ des Wandlers konvertiert mechanische Kraft wie Dehnen oder Zusammendrücken in Änderungen des elektrischen Widerstands – wird die Dehnungsmessfolie zusammengedrückt oder gedehnt, ändert sich ihr elektrischer Widerstand. Im Jahr 1938, lange bevor elektronische Badezimmerwaagen existierten, fertigten die amerikanischen Ingenieure Arthur Ruge und Edward Simmons den ersten variablen Dehnmessstreifen.

 

Wichtige technische Elemente
 

Alle Sensoren haben die wichtigsten technischen Elemente gemeinsam: Sie sollten Linearität aufweisen (so dass sie Messungen liefern, die den tatsächlichen Änderungen im überwachten Medium akkurat entsprechen), sie sollten entsprechend anerkannten und bewährten Messskalen kalibriert sein, und sie sollten nicht außerhalb des Toleranzbereichs verwendet werden, für dessen akkurate Messung sie entwickelt wurden (anderenfalls werden ihre Linearität und Empfindlichkeit verfälscht). Sie sollten das gemessene Medium so wenig wie möglich beeinflussen: Taucht man beispielsweise den Glaskolben eines Quecksilber-Thermometers in einen Becher mit heißem Wasser, wird dies das Medium, welches das Thermometer messen soll, beeinflussen, indem es das Wasser abkühlt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Technische/wissenschaftliche Illustration von Sensoren

 

 

 

 

 

Sensor-Typ	Versionen	Was erfasst wird	Beschreibung
RFID-Chip	Passiv (Empfang eines Abfragesignals von einem RFID-Lesegerät); batteriebetrieben aktiv (Übermittlung eines ID-Signals in bestimmten Intervallen)	Der RFID-Chip reagiert auf ein eingehendes Abfragesignal eines RFID-Lesegeräts	Radiofrequenz-Identifikations-Chips können einfache elektronisch kodierte Daten wie eine einzelne Seriennummer oder komplexere Produktbeschreibungen speichern, die mit Hilfe eines RFID-Lesegeräts erfasst und angezeigt werden können
Temperatursensor	Thermometer, Thermoelemente und Widerstandsthermometer, entweder als Kontakt- oder als Nichtkontaktsensoren	Veränderungen der Wärmeenergie eines Objekts oder Mediums, entweder durch Expansion und Kontraktion eines physikalischen Materials oder durch Veränderungen in der elektrischen Leitfähigkeit eines Leiters	Verschiedene Temperatursensoren sind auf den Einsatz in unterschiedlichen Wärmeumgebungen ausgelegt. Einige, wie Thermoelemente und Widerstandsthermometer, bleiben bei sehr hohen Temperaturen empfindlich und präzise, während andere, beispielsweise viele Thermometer, empfindlich für niedrige Temperaturen sind
Beschleunigungs-Sensor	Piezoelektrisch, piezoresistiv, magnetoresistiv, Hall-Effekt, Wärmeübertragung, kapazitiv	Beschleunigungsbewegung, ausgelöst durch Schwingung, Rotation, Neigung, Schwerkraft, freien Fall oder Kollision. Veränderungen des Ausschlags einer gefederten Prüflast innerhalb des Sensors als Reaktion auf Beschleunigungskräfte	Der Ausschlag wird vom Sensor in ein Maß der Beschleunigungskraft, welche ihn verursacht hat, umgewandelt. Der Sensor berücksichtigt auch die Ebene, auf der die Beschleunigung stattfindet
Infrarotsensor	Passiv (Empfang der thermischen Infrarotstrahlung eines Objekts); aktiv (Ausstrahlung von IR über LED oder IR-Laser).	Infrarotstrahlung mit der Wellenlänge 0,7 - 14µ	IR-Sensoren erfassen Strahlung unterhalb der Wellenlänge sichtbaren Rotlichts, wobei es sich im Grunde um Wärmestrahlung handelt. Sie können verwendet werden, um IR-Strahlung in Bilder umzuwandeln, wie in IR-Kameras, oder sie können als Teil eines Sicherheitssystems zur Erfassung der Anwesenheit sich bewegender Eindringlinge eingesetzt werden
Bewegungssensor	Lokale Abtastung (sichtbarer IR-Lichtstrahl aus LED oder Laser, piezoelektrisch, piezoresistiv, Kontaktschalter); Bereichsabtastung (Video, aktiver oder passiver IR-Bewegungssensor, Ultraschallbewegungsdetektor, Mikrowellen-Doppler-Sensor)	Bewegung von Objekten, Menschen oder Tieren.	Bewegungssensoren wandeln die Bewegung eines Eindringlings in einem festgelegten Gebiet oder Sichtfeld in ein elektrisches Signal um, welches dann als Eingabe für zahlreiche Anwendungen und Systeme fungieren kann, wie beispielsweise Sicherheitssysteme, automatische Lichtsysteme, automatische Türen und Schalter für die Sicherheitsabschaltung in Maschinen

 

 

 

Sensoren aus Herstellersicht
 

Sensoren wurden von Ingenieuren schon immer äußerst erfinderisch und arbeitssparend eingesetzt. RFID-Sensoren beispielsweise haben durch ihre Integration in Smartphones nicht nur zur Schaffung eines papierlosen Zahlungssystems beigetragen. Durch die Schaltung automatischer Türöffnungssysteme in Sicherheitszonen für Personen, die den erforderlichen RFID-Chip tragen, haben sie auch Sicherheitsprozeduren enorm vereinfacht und Logistik und Transport sowie Cross-Docking-Prozesse revolutioniert (hier erfahren Sie mehr).

 

Beschleunigungssensoren sind nicht nur durch ihren Einsatz für die Autorotation der Displays von Digitalkameras, Smartphones und Tablets allgegenwärtig, sie werden auch häufig in Navigationssystemen moderner Luft- und Raumfahrtgeräte genutzt (hier erfahren Sie mehr).

 

Mittlerweile werden aktuelle Infrarotsensoren oft in Schwermaschinen und Elektrogeräte eingebaut, wo sie beim Auftreten abweichender und potenziell gefährlicher Temperaturen für eine sichere Abschaltung sorgen.

 

Mit Schaltern verbundene Bewegungssensoren führen ähnliche Funktionen aus, indem sie potenziell riskante Bewegungen beweglicher Bauteile erfassen, welche auf abgenutzte Lager oder andere Mängel, die ohne rasche Abschaltung möglicherweise enorme Kosten zur Folge haben, hindeuten können. Auch in privaten und gewerblichen Sicherheitssystemen werden sie häufig für das Aufspüren von Eindringlingen genutzt.

 

Temperatursensoren in Form von Thermoelementen finden sich häufig in Chemiewerken, wo sie sehr hohe Temperaturen aushalten und kleine Temperaturveränderungen, die auf chemische Reaktionen hinweisen, überwachen. Das neue Feld der Nanothermometrie ermöglicht die Messung von Temperaturunterschieden zwischen Partikeln, die kleiner als ein Mikrometer sind.

 

 

 

 

 

Kurzer Überblick über die verschiedenen oben aufgelisteten Sensor-Typen

 

RFID-Sensoren

 

RFID-Sensoren lesen mit Hilfe von Funkwellen statt physischem oder visuellem Kontakt kabellos kodierte, elektronisch in speziell dafür konstruierten RFID-Chips verschlüsselte Daten aus. Sie können Informationen auf kurze Entfernung erfassen (wie beispielsweise Identifikationschips von Haus- oder Nutztieren, die von Tierärzten subdermal injiziert werden) oder über viel größere Entfernungen, beispielsweise für die Identifizierung von Produkten in Warenlagern oder im Güterverkehr.

 

Temperatursensoren

 

Temperatursensoren, von Quecksilberthermometern über Thermostate bis hin zu Thermoelementen, messen präzise Änderungen der Wärmeenergie eines Körpers oder einer Flüssigkeit und wandeln die Messungen in eine bestehende Temperaturskala wie Grad Kelvin, Celsius oder Fahrenheit um. Unterschiedlich konstruierte Temperatursensoren sind für bestimmte Bereiche empfindlich, außerhalb dieser Bereiche können sich ungenaue oder verfälschte Messwerte ergeben (d. h. ihre Linearität lässt nach – hier erfahren Sie mehr).

 

Beschleunigungssensoren

 

Beschleunigungssensoren erfassen Änderungen in der Rotation oder Geschwindigkeit eines Objekts relativ zur Schwerkraft, gewöhnlich durch elektrische Veränderungen in piezoelektrischen Kristallen oder Kapazitätsvariationen zwischen elektrisch empfindlichen Mikrostrukturen (lesen Sie hier mehr über Beschleunigungssensoren).

 

Infrarotsensoren

 

Infrarotsensoren erfassen Strahlungen im nicht-sichtbaren Bereich des Rotlichtspektrums, die mit der Abgabe von Wärmeenergie verbunden sind. Die am häufigsten verwendeten IR-Sensoren sind „passiv“ und werden so bezeichnet, da sie einfach Wärmestrahlung von einem warmen Körper, der in ein vorgegebenes Feld eindringt, empfangen. Sie werden häufig in privaten und gewerblichen Sicherheitssystemen eingesetzt, (lesen Sie hier mehr), sowie in wärmeempfindlichen Kameras.

 

 

Bewegungssensoren

 

In Sicherheitssystemen sowie auch in Fertigungsverfahren ebenfalls häufig eingesetzt werden Bewegungssensoren, die darauf ausgelegt sind, Bewegungen von Objekten (wie beweglichen Bauteilen oder Fahrzeugen) oder menschlichen Eindringlingen in ein festgelegtes Sicht- oder Überwachungsfeld zu erfassen. Einige senden Signale aus und „lesen“ dann das Vorliegen eines Eindringens anhand der Veränderungen in der erhaltenen Rückmeldung, während andere Signale erfassen, die der Eindringling von Natur aus aussendet, wie beispielsweise Infrarotstrahlung. In der Welt der Sicherheitssysteme sind sie allgegenwärtig, sie können aber auch mit Sicherheitsschaltern verbunden werden, um Maschinen bei Erfassung von abweichenden und potenziell gefährlichen oder schädlichen Bewegungen abzuschalten (lesen Sie hier mehr über Bewegungssensoren).