Näherungssensoren

Halbleiter

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Ein Überblick über Näherungssensoren

Näherungssensoren sind heutzutage in zahlreichen unterschiedlichen Varianten erhältlich, doch sie alle weisen stets dieselben grundlegenden Eigenschaften auf. Näherungssensoren können verschiedenste Objekte (im technischen Bereich spricht man auch von „Zielen“) in ihrer näheren Umgebung erkennen, indem sie ein Feld oder einen Strahl aus elektromagnetischer Strahlung emittieren und die Änderungen des Feldes bzw. der Strahlen messen, das bzw. die wieder zu dem Sensor zurück kommt / kommen. Da für diese Erkennung keinerlei physischer Kontakt erforderlich ist, kommen Näherungssensoren mit relativ wenigen mechanischen Teilen aus und verringern somit Abnutzungs- und Verschleißerscheinungen für eine längere Betriebsdauer des jeweiligen Equipments, an dem sie angebracht sind.

Abhängig von der Materialzusammensetzung des Ziels werden verschiedenste Sensoren benötigt. So sind beispielsweise Ziele aus Kunststoff „unsichtbar“ für optische Näherungsschalter, während metallische Gegenstände nicht von induktiven Sensoren erkannt werden.

Ebenso weisen die unterschiedlichen Näherungssensoren verschiedene Größen ihres „Nahbereichs“ auf. Die größtmögliche Erkennungsreichweite wird auch als „Nennbereich“ bezeichnet. Dieser Nennbereich kann bei manchen Sensoren jedoch noch angepasst werden, sodass entweder weiter entfernte Objekte oder Gegenstände in unmittelbarer Nähe erkannt werden. Sensoren, die auf ausgesprochen kurze Reichweiten ausgelegt sind, werden oftmals in Form von Berührungssensoren realisiert.

Näherungssensoren können darüber hinaus auch im Hinblick auf ihre Erkennungsmechanismen unterteilt werden. Gleichwohl jede Kategorie nochmals aus zahlreichen Untergruppen besteht, lauten die Hauptgruppen von Näherungssensoren Akustisch, Kapazitiv, Induktiv, Infrarot und Piezoelektrisch.

Zu weiteren Näherungssensoren zählen Laser-Entfernungsmesser, Doppler-Effekt-Sensoren, Passiv-Infrarot-Sensoren, aktive und passive Sonar-Sensoren und passive optische Sensoren mit Ladungsübertragung.

Die Geschichte des Näherungssensors

Menschen selbst sind auch Näherungssensoren: Augen, Ohren und Nasen erkennen „Ziele“ visuell, akustisch und über den Geruchssinn. Frühwarnsysteme wie „Stolperdrähte“ als Warnung vor Tieren oder Einbrechern gehen bereits auf bis zu mehrere Jahrhunderte zurück. Mit fortschreitender Technik und dem Aufkommen elektrischer Geräte wurde auch die Entwicklung komplexerer Näherungssensoren möglich, die speziell auf bestimmte Anwendungen und Ziele zugeschnitten werden können. Der US-amerikanische Physiker Edwin Hall entdeckte 1869 den sogenannten Hall-Effekt, der auch heute noch die Grundlage vieler Näherungssensoren mit Magnetfeld darstellt. Im neunzehnten und zwanzigsten Jahrhundert bekam die Entwicklung der verschiedensten Näherungssensoren einen gewaltigen Schub, da Industrie und Handel ebenso wie technische Innovationen eine hohe Nachfrage nach diesen Sensoren bildeten – bis heute hält diese Entwicklung nahezu ungebrochen an.

Technische Aspekte von Näherungssensoren

Ultraschall-Näherungsschalter erzeugen hochfrequente Schallwellen mit Hilfe eines piezoelektrischen Senders und messen im Anschluss die Änderungen des Echos, das an einem bewegten oder feststehenden Ziel abprallt.
Kapazitive Näherungsschalter erkennen Änderungen der elektrischen Kapazität von metallischen und nicht-metallischen Zielen gleichermaßen, wenn diese sich dem Kondensator des Geräts nähern bzw. sich davon entfernen;
Induktive Näherungsschalter emittieren ein hochfrequentes Magnetfeld über eine Spule und registrieren dann metallische Ziele (insbesondere elektromagnetische Gegenstände), wenn diese in das Magnetfeld eintreten und einen Teil seiner Energie absorbieren;
Photoelektrische Näherungssensoren (auch Lichtschranken genannt) bestehen aus zwei Komponenten: An der einen Seite emittieren sie einen Lichtstrahl, während sie auf der anderen Seite metallische und nicht-metallische Gegenstände registrieren, sobald diesen den Strahl unterbrechen; bei einer anderen Variante sind Sender und Empfänger in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, sodass die Reflexion des Strahls gemessen wird, sobald der Strahl an dem Ziel abprallt und zurück zum Sensor gelangt;
Hall-Effekt-Näherungssensoren verfügen über zwei dünne Halbleiter, durch die ein Strom hindurch fließt; wird dann ein Magnetfeld senkrecht zur Flussrichtung des Stroms angelegt, steigt die Spannung von 0V geringfügig an, sodass das Gerät die Spannungsänderung (für gewöhnlich in Mikrovolt) misst, die auftritt, wenn ein Magnet sich den Halbleitern nähert bzw. sich davon entfernt. Diese Sensoren werden oftmals als Tankfüllstandsanzeige verwendet: Wenn ein Magnet, das an einem schwimmenden Gegenstand an der Oberfläche das jeweiligen Kraftstoffs angebracht ist, seine Höhe verändert, tritt in dem senkrecht zu dem Magneten angebrachten Halbleiter eine Spannungsänderung auf.

Wo kommen Näherungssensoren zum Einsatz?

Näherungssensoren werden heutzutage nahezu überall eingesetzt: Angefangen bei all den „Parktronics“ Systemen in Stoßstangen von Fahrzeugen zur Verhinderung von Unfällen beim Zurücksetzen, über automatische Türen, die mit Hilfe einer piezoresistiven Sensorplatte unter einer Bodenmatte auf den Druck von Schritten reagieren, bis hin zu Infrarot-gestützten Alarmsystemen.

Im industriellen Bereich kommen sie zur Messung von Vibrationen an Maschinen mit drehenden Wellen zum Einsatz, sowie zur Überwachung der Stabilität des oberen Totpunktes von Kurbelwellen in Kolbenmotoren.

Inwiefern unterscheiden sich Näherungssensoren von anderen Sensoren?

Ebenso wie alle anderen Sensoren wandeln auch Näherungssensoren eine einfließende Energie zum Auslesen und Messen in ein anderes Medium um. So unterscheiden sich Näherungssensoren vor allen Dingen dadurch, dass sie – obwohl sie Energieformen verwenden können, die auch andere Sensoren benutzen (z. B. thermische Strahlung) – nicht in erster Linie Wärmemessgeräte (wie z. B. Thermometer) sind: Ihre Hauptaufgabe ist es, ein physisches Ziel in einem festgelegten Bereich zu registrieren, den der Sensor überwacht.