Sensoren

Einführung zu Sensoren und Wandlern

Sensoren und Wandler spielen eine immer größere Rolle heutzutage. So verfügen beispielsweise die meisten Autos, die in den letzten zehn Jahren gebaut worden sind, über Sensoren, die den Fahrer beim Zurücksetzen vor möglichen Hindernissen warnen können. Diese Sensoren erkennen das Auftreten jedes beliebigen Hindernisses hinter dem Fahrzeug.

Nichtsdestotrotz werden Sensoren nicht immer in solch hochentwickelten Anwendungen eingesetzt. Feuchtigkeitssensoren und Thermostate können zum Beispiel Heiz-/Klimaanlagen ansteuern. Ein Beispiel für einen wesentlich simpler gestalteten Sensor ist das Quecksilber innerhalb eines herkömmlichen Thermometers. Das Quecksilber dehnt sich je nach Temperatur aus bzw. zieht sich zusammen, was wiederum das Ablesen der Temperatur über eine Messskala neben der Substanz ermöglicht. Elektrische Sensoren mögen wesentlich komplexer erscheinen, bei genauerem Hinsehen lässt sich jedoch das Gegenteil erkennen.

Eine beliebte Anwendung von Sensoren sind sogenannte Lichtsensoren. Diese Sensoren können Lampen je nach der Intensität des Umgebungslichtes beziehungsweise auf die Störung eines Funkfeldes hin einschalten. Letzteren Prinzips bedienen sich die meisten Bewegungsmelder.

Es gibt Unmengen an verschiedenen Anwendungen für Sensoren. Von der Temperaturregelung Ihres Ofens, die dafür sorgt, dass Ihr Kuchen bei konstanter Temperatur gebacken wird, bis zu den Sensoren in Ihrer Digitalkamera, die für die Fokussierung auf das Objekt sorgen, das Sie fotografieren möchten, und die Linsen entsprechend einstellen: Sensoren finden sich gleichermaßen in einfachen und komplexen Anwendungen, sowie in preiswerten und kostspieligen Geräten.

Was sich im Laufe der Jahre bei Sensoren besonders geändert hat, ist ihre Empfindlichkeit. Sensoren von heute sind in der Lage, sehr geringe Veränderungen von Temperatur, Luftdruck, Feuchtigkeit, Stromstärke und so weiter aufzuspüren. Dies ermöglicht sehr präzise Fertigungsverfahren, sowie sehr präzise Steuerungsmöglichkeiten von Geräten und Maschinen.

Eine der wichtigsten Anwendungen von Sensoren liegt jedoch in medizinischen Gerätschaften. Medizinische Geräte können gefährliche Veränderungen von Herzfrequenz, Blutdruck und ähnlichem aufspüren, und erlauben Ärzten somit, akkurate Diagnosen zu stellen und angemessene Behandlungen zu veranlassen, was in manchen Fällen den Unterschied zwischen Leben und Tod ausmachen kann. Die in medizinischen Geräten eingesetzten Sensoren sind mittlerweile so hochentwickelt, dass sie Analyte selbst bei sehr geringem Vorkommen registrieren können.

Was sind Sensoren und wie funktionieren sie?

Ganz einfach ausgedrückt, ist ein Sensor ein elektronisches Gerät, das eine physikalische Größe misst und in ein Signal umwandelt, dieses dann an ein Gerät weiterleitet, an dem es von einer Person abgelesen werden kann. Ein Voltmeter, beispielsweise, registriert die Spannung an einer Leitung, wandelt sie in ein Signal um und gibt mithilfe des Signals entweder eine digitale oder eine analoge Anzeige aus, die eine Person lesen und verstehen kann.

Im Bereich Elektronik gibt es den Ansatz einer idealen Komponenten zum Einen und der tatsächlichen Komponente zum Anderen, die oftmals nicht ganz miteinander übereinstimmen. Ein idealer Sensor würde zum Beispiel nur die Größe registrieren, die er messen soll, würde die Messung dieser Größe selbst nicht beeinflussen und würde keinerlei andere Größe registrieren, die die vorgesehene Messung beeinträchtigen könnte. In der Praxis werden Sensoren jedoch oftmals gestört und ihre Sensibilität ist niemals perfekt.

Andere elektronische Komponenten können verwendet werden, um Fehler aufgrund von Sensibilität, Interferenz seitens anderer physikalischer Größen und ähnliches zu erkennen. Dies ermöglicht die Entwicklung ausgesprochen akkurater Sensoren, gleichwohl immer ein gewisses Maß an Verbesserungen möglich ist. Glücklicherweise erarbeiten Elektro-Ingenieure und Wissenschaftler stets neue Möglichkeiten zur Verbesserung von Genauigkeit und Empfindlichkeit von Sensoren, um immer akkuratere Messungen verschiedenster physikalischer Größen durchführen zu können.

Neben den Kontrollmöglichkeiten der Interferenz mit dem jeweiligen Signal für mehr Genauigkeit, gibt es weitere Arten von Geräten, die als Sensoren verwendet werden können. Ein Temperatursensor kann zum Beispiel einen Thermistor, ein Thermoelement oder ähnliche Apparate mit unterschiedlicher Genauigkeit verwenden. Dank der so zahlreichen verschiedenen Optionen, auf die Elektro-Ingenieure bei der Entwicklung von Sensoren zurückgreifen können, können Sensoren gebaut werden, die unter nahezu jeden erdenklichen Bedingungen eingesetzt werden - selbst im Vakuum im Weltall oder auf anderen Planeten. Sensoren ermöglichen es uns, die Welt zu entdecken - von den Tiefen des Ozeans bis in die unendlichen Weiten des Weltalls - und bieten uns den Komfort, unser Umfeld zu kontrollieren, indem sie unsere Klimaanlage einschalten oder uns darüber informieren, dass jemand unser Grundstück betreten hat, indem ein Bewegungsmelder die Beleuchtung aktiviert hat.

Was sind Wandler?

Ein Wandler ist ein elektrisches Gerät, das sich durch die Fähigkeit auszeichnet, ein elektrisches Signal aufzugreifen und es in ein elektrisches Signal anderer Art umzuwandeln. Sensoren sind eine Form von Wandlern, gleichwohl nicht alle Messwandler für den Bau von Sensoren vorgesehen sind.

Ein Beispiel hierfür ist ein Wandler, der an ein lichtempfindliches Bauteil gekoppelt wird. Registriert dieses Bauteil eine Veränderung der Beleuchtung, kann der Messwandler dieses elektrische Signal aufnehmen, es in ein anderes elektrisches Signal umwandeln und dieses Signal verwenden, um eine Lampe ein- oder auszuschalten. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit eines Messwandlers besteht darin, ein Signal eines Feuchtigkeitssensors aufzunehmen und in ein Signal umzuwandeln, das an einer digitalen Anzeige dargestellt werden und Personen sehr genau über die Feuchtigkeit in einem Raum bzw. in dem Bereich, in dem der Sensor angebracht ist, informieren kann.

Messwandler werden in einer Unmenge verschiedenster Anwendungen eingesetzt. Man findet sie in Antennen, in Datengeräten für Computer, und in nahezu jeder nur erdenklichen Anwendung, in der ein Signal von einer Form in eine andere Form umgewandelt werden muss, um es verarbeiten zu können.

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Sensoren und Messwandler sind in vielen verschiedenen Ausführungen erhältlich. Oftmals sind sie speziell auf die jeweilige Anwendung ausgelegt. Messwandler können als elektrische Komponenten erworben und installiert werden. Für die Ausführung einer bestimmten Funktion sollten sie jedoch von einem Fachmann installiert werden.

Absolutdruck-Sensoren

Absolutdruck-Sensoren werden zur Messung des Drucks in Flüssigkeiten, Feststoffen und Gasen verwendet. Sie sind von zentraler Bedeutung für viele verschiedene Anwendungen und kommen in zahlreichen Bereichen zum Einsatz. IC-Versionen dieser Sensoren sind lediglich integrierte Schaltkreise mit all den verschiedenen Komponenten, die für eine bestimmte Art von Drucksensoren erforderlich sind. Ein sogenannter Absolutdruck-Sensor verwendet ein perfektes Vakuum als Referenz gegenüber dem gemessenen Druck.

Drucksensoren dieser Art sind sehr geläufig und sind dank verbesserter Technologien und Produktionsverfahren in den meisten Fällen sehr kostengünstig.

Beschleunigungssensoren ICs

Falls Sie jemals Ihr Handy verwendet haben um herauszufinden, wie schnell Sie sich bewegen, haben Sie einen Beschleunigungssensor in Aktion erlebt. Ein Beschleunigungssensor ist ein Gerät zur Messung der tatsächlichen Beschleunigung. Unter tatsächlicher Beschleunigung versteht man die Beschleunigung, die Sie fühlen können; gemessen wird sie im Verhältnis zur Fallbeschleunigung. Immer, wenn von dem Begriff G-Kraft die Rede ist, dreht es sich um tatsächliche Beschleunigung.

Beschleunigungssensoren können verwendet werden, um die Position eines Geräts, die Beschleunigung eines Geräts, und vieles mehr zu messen. Diese Sensoren sind sehr geläufig und befinden sich in einer Vielzahl verschiedenster Geräte, angefangen bei Ihrem Smartphone bis hin zu Ihrem Auto.

Farbsensoren

Farbsensoren werden genau dafür verwendet, was der Name voraussagt. Diese Sensoren haben viele verschiedene Herausforderungen zu meistern, darunter der Einfluss des Reflexionsvermögens der Oberfläche, auf der eine Farbe gemessen wird, auf die Messung selbst. Hierfür kommen diverse Technologien zum Einsatz.

Farbsensoren eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen. Oftmals werden sie in Produktionsprozessen eingesetzt, bei denen die Farbkonsistenz der Produkte sichergestellt werden muss. Darüber hinaus können sie auch in technologisch sehr ausgereiften Anwendungen eingesetzt werden. So eignen sie sich zum Beispiel für verschiedenste Anwendungen im Bereich Astronomie um die Farbe von Sternen und anderen Objekten zu messen, damit Wissenschaftler vielerlei Erkenntnisse über die Natur der beobachteten Objekte sammeln können.

Lichtsensoren ICs

Lichtsensoren zählen zu den am häufigsten verwendeten Sensoren überhaupt. Verwendet werden sie zum Ein- und Ausschalten von Lampen; dabei tragen sie dazu bei, Energie zu sparen, indem die Außenbeleuchtung tagsüber ausgeschaltet bleibt. Genau aus diesem Grund kommen sie in nahezu jeder Straßenbeleuchtungsanlage der Welt zum Einsatz.

Lichtsensoren verfügen über einige ausschlaggebende Vorteile gegenüber anderen Methoden zur Steuerung der Zeiten, zu denen die Beleuchtung ein- bzw. ausgeschaltet werden soll. Wenn zum Beispiel Straßenlaternen mit Zeitschaltuhren gekoppelt wären, würden sie sich irgendwann rundum den Sonnenuntergang einschalten und ungefähr bei Sonnenaufgang wieder abschalten. Dabei kann es oftmals vorkommen – z.B. bei Gewittern, Stürmen usw. –, dass das natürliche Licht außen sehr dämmerig ist und Straßenlaternen angeschaltet werden müssen.  Lichtsensoren gewährleisten, dass Straßenlaternen bei Bedingungen mit unzureichender Helligkeit eingeschaltet werden. Demselben Zweck dienen sie auch im häuslichen Gebrauch und ähnlichem.

Hall-Effekt Sensor-ICs

Bei einem Hall-Effekt-Sensor wird ein Messwandler verwendet, um Veränderungen innerhalb eines magnetischen Feldes zu registrieren. Ein solcher Sensor wird oftmals für Schaltungen, zur Registrierung eines Stromflusses, der Bestimmung einer Position und vielem mehr verwendet. Einer der Vorteile eines Hall-Effekt-Sensors liegt darin, dass er die Stromstärke eines Schaltkreises messen kann, ohne die Stromstärke zu verändern, da er nicht direkt in den Schaltkreis integriert ist.

Bildsensoren ICs

Im Grunde ist Jeder mit Bildsensoren und dem Umgang damit vertraut. Die geläufigste Anwendung von Bildsensoren liegt im Inneren von Digitalkameras, wo ein CCD-Bildsensor Licht auffängt und in ein Bild umwandelt.

Bildsensoren können in einer Vielzahl verschiedenster Anwendungen eingesetzt werden. Sie können in den zuvor genannten Digitalkameras eingesetzt werden, eignen sich zum Scannen gedruckter Medien sowie für viele weitere Zwecke. Diese Sensoren werden ständig weiterentwickelt und verbessert, wobei die neuesten Sensoren auf dem Markt ausgesprochen hohe Pixeldichten erreichen und somit die Erzeugung von Bildern mit sehr hoher Qualität ermöglichen - selbst bei preiswerten Digitalkameras.

Neigungssensoren ICs

Neigungssensoren kommen in einer Unmenge verschiedenster Anwendungen zum Einsatz. Sie messen die Steigung einer Piste, die Neigung eines Fahrzeugs und vieles mehr. Eingesetzt werden können sie in Flugzeugen, um deren Ausrichtung zum Boden zu messen, sowie in Autos und Transportfahrzeugen um zu erkennen, ob das Fahrzeug Gefahr läuft umzukippen, und sogar in Smartphones oder ähnlichen Geräten, sozusagen als eine Art Wasserwaage, da der Sensor erkennt, ob das jeweilige Gerät in Bezug zur Erde geneigt ist oder nicht.

Näherungssensoren ICs

Näherungssensoren zählen zu den wichtigsten Bestandteilen einer Sicherheitsausrüstung. Sie können erkennen, ob sich eine Person unterhalb eines Garagentors befindet und verhindern in einem solchen Fall dessen Schließung; sie können elektrische Signale messen um zu erkennen, ob sich eine Person in der Nähe eines Fahrzeugs befindet, das in Begriff ist, sich in Bewegung zu setzen, und ähnliches. Näherungssensoren eignen sich hervorragend für Sicherheitsgeräte, Schutzvorrichtungen und vieles mehr. Dabei können sie viele verschiedene Arten von Sensoren verwenden, um die Informationen zu bekommen, die sie benötigen um zu überprüfen, ob sich eine Person in der Nähe eines Gefahrenbereichs aufhält oder nicht.

Temperatursensoren

Temperatursensoren stellen eine weitere geläufige Anwendungsform von Messwandlern dar. Sie nehmen einfach die jeweiligen Temperaturdaten auf und wandeln sie entweder insofern um, als dass die Werte von einer Personen abgelesen werden können, oder aber sie verwenden diese Daten, um eine Klimaanlage einzuschalten oder ähnliches. Es gibt viele verschiedene Arten von Temperatursensoren, darunter Thermoelemente, Thermistoren und viele mehr. Ausgewählt werden können sie auf der Grundlage ihres Preises, der vorgesehenen Anwendung und ähnliches.

Feuchtigkeitssensoren

Feuchtigkeitssensoren werden sehr häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen der Feuchtigkeitsgehalt der Luft streng überwacht werden muss, oftmals zum Schutz diverser Gerätschaften. Großangelegte Netzwerkräume verfügen beispielsweise über innen angebrachte Feuchtigkeitssensoren, um die Feuchtigkeit mithilfe der Lüftung in einem für die Geräte sicheren Bereich zu halten, und um die Feuchtigkeit entsprechend zu steuern. Darüber hinaus werden Feuchtigkeitssensoren in Privathaushalten eingesetzt, um ein gewisses Maß an Komfort zu gewährleisten. Im Außenbereich können Feuchtigkeitssensoren wichtige Informationen bereitstellen, um zum Beispiel Aussagen darüber fällen zu können, ob es regnen wird oder nicht.