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Sensor
Ein Sensor (von lateinisch sentire, deutsch „fühlen“ oder „empfinden“), auch als Detektor, (Messgrößen- oder Mess-)Aufnehmer oder (Mess-)Fühler bezeichnet, …
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Grundidee und Funktion
Ein Sensor, auch Detektor, Messgrößenaufnehmer, Aufnehmer oder Messfühler genannt, ist ein technisches Bauteil, das Eigenschaften seiner Umgebung erfasst. Dazu gehören physikalische Größen wie Wärmemenge, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schallfeldgrößen, Helligkeit und Beschleunigung sowie chemische Größen wie pH-Wert, Ionenstärke und elektrochemisches Potential. Sensoren können außerdem die stoffliche Beschaffenheit einer Umgebung bestimmen. Die Erfassung erfolgt qualitativ, also als Feststellung eines Zustands, oder quantitativ als Messwert. Physikalische, chemische oder biologische Effekte wandeln die erfasste Größe in ein elektrisches Signal um, das weiterverarbeitet werden kann.
Nach DIN 1319-1 ist ein Messgrößenaufnehmer der Teil einer Messeinrichtung, der unmittelbar auf die Messgröße anspricht. Er bildet damit das erste Element einer Messkette. Gemäß DIN 1319-2 gehört der Aufnehmer zu den Messumformern. Bleibt die physikalische Größe an Eingang und Ausgang gleich, zählt er außerdem zu den Messwandlern. Die Grenzen zwischen Sensor, Messgrößenaufnehmer, Messfühler, Messgerät und Messeinrichtung sind fließend, weil zum Sensor neben dem eigentlichen Aufnehmer teilweise weitere Elemente der Messkette gerechnet werden. Auch in der Fachliteratur sind verwandte Begriffe nicht immer eindeutig definiert.
Sensoren lassen sich unter anderem nach Baugröße, Fertigungstechnik, Einsatzgebiet, Verwendungszweck und Wirkprinzip einteilen.
Aktive und passive Sensoren
Die Einteilung in aktive und passive Sensoren richtet sich danach, wie beim eigentlichen Messverfahren elektrische Energie erzeugt oder verwendet wird.
Aktive Sensoren erzeugen durch ihr Messprinzip selbst ein elektrisches Signal, beispielsweise auf elektrodynamischer oder piezoelektrischer Grundlage. Sie sind Spannungserzeuger und benötigen für die eigentliche Messung keine elektrische Hilfsenergie. Aufgrund der zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien können sie häufig nur Änderungen einer Messgröße erkennen: Im statischen oder quasistatischen Zustand wird meist keine Energie geliefert. Eine Ausnahme ist das Thermoelement, das bei einer konstanten Temperaturdifferenz fortlaufend Spannung erzeugt. Manche aktiven Sensoren lassen sich durch Umkehrung ihres Messprinzips auch als Aktoren einsetzen; ein dynamisches Mikrofon kann beispielsweise als Lautsprecher verwendet werden. Beispiele sind Thermoelemente mit thermoelektrischem Effekt, Lichtsensoren mit photoelektrischem Effekt und Drucksensoren mit piezoelektrischem Effekt.
Passive Sensoren enthalten passive Bauteile, deren Parameter sich durch die Messgröße verändern. Eine Primärelektronik formt diese Parameter mithilfe von außen zugeführter Hilfsenergie in elektrische Signale um. Passive Sensoren können dadurch auch statische und quasistatische Messgrößen bestimmen. Deshalb ist die überwiegende Zahl der Sensoren passiv aufgebaut. Beispiele sind Wägezellen, Widerstandsthermometer, Dehnungsmessstreifen und Magnetfeldsensoren wie die Hall-Sonde.
Viele moderne Sensoren besitzen zusätzlich eine umfangreiche, extern versorgte Sekundärelektronik. Daraus folgt jedoch nicht automatisch, dass sie passive Sensoren sind: Entscheidend ist das eigentliche Messverfahren.
Mess- und Wirkprinzipien
Das Wirkprinzip beschreibt den Effekt, auf dessen Grundlage ein Sensor arbeitet. Ein Wirkprinzip kann in vielen unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden. Die im Artikel genannten Zuordnungen sind Beispiele und keine vollständige Liste.
Mechanische Sensoren sind beispielsweise Manometer, Dehnungshebel, Federwaagen, Hebelwaagen und Thermometer. Das thermoelektrische Prinzip wird beim Thermoelement genutzt. Resistive Sensoren erfassen eine Messgröße über eine Änderung des elektrischen Widerstands; dazu gehören Dehnungsmessstreifen (DMS), Hitzdraht, Halbleiter-DMS und Pt100. Das piezoelektrische Prinzip wird etwa bei Beschleunigungssensoren eingesetzt.
Kapazitive Verfahren finden sich unter anderem in Druck-, Regen- und Luftfeuchtesensoren. Induktive Sensoren werden beispielsweise als Neigungsmesser, Kraftsensoren und Wegaufnehmer verwendet. Zu optischen Sensoren gehören CCD-Sensor und Fotozelle. Akustische Prinzipien dienen etwa der Füllstandsmessung, der Doppelbogenkontrolle und der Ultraschall-Durchflussmessung. Magnetische Sensoren sind beispielsweise Hall-Sensoren und Reed-Kontakte.
Verwendungszwecke, Auflösung und Standards
Sensoren können nach der Art ihres Einsatzes unterschieden werden. Sensoren zum Nachweis von Strahlung, etwa Licht, Röntgenstrahlung oder Teilchen, heißen Strahlungs- beziehungsweise Teilchendetektoren. Ein gewöhnliches Mikrofon ist ein Sensor für den Schallwechseldruck.
Bei Sensoren werden verschiedene Formen der Auflösung betrachtet. Die temporale Auflösung ist die Zeit zwischen zwei Aufnahmen. Die spektrale Auflösung wird durch die Bandbreite der Spektralkanäle und die Anzahl der verschiedenen Bänder beschrieben. Die radiometrische Auflösung bezeichnet die kleinste Differenz der Strahlungsmenge, die ein Sensor unterscheiden kann. Die geometrische Auflösung ist die räumliche Auflösung, beispielsweise die Größe eines Pixels.
Eine weitere Einteilung erfolgt nach Standards. Genannt werden NAMUR-Sensoren nach Vorgaben der Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regeltechnik in der chemischen Industrie sowie KTA-geprüfte Sensoren für den Einsatz in Kernkraftwerken.
Digitale und virtuelle Sensoren
In der Automatisierung werden analoge Regelungssysteme zunehmend durch digitale Systeme ersetzt. Daher wächst der Bedarf an Sensoren mit digitalem Ausgangssignal. Ein einfacher Aufbau entsteht, wenn ein A/D-Umsetzer, also ein Analog-Digital-Umsetzer, direkt in das Sensorsystem eingebunden wird. Eine mögliche Grundlage ist die Delta-Sigma-Modulationstechnik. Sie ermöglicht ein unmittelbar ermitteltes digitales Ausgangssignal, wodurch zwischen Sensor und ADU keine Störungen auftreten. Weitere Vorteile sind eine hohe Linearität durch Rückkopplung, ein ständiger Selbsttest ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand durch Nutzung des Grenzzyklus der Sigma-Delta-Technik sowie eine hohe Amplitudenauflösung und Dynamik.
Ein Nachteil besteht darin, dass die erzeugte Pulsweitenmodulation (PWM) häufig nicht unmittelbar ausgewertet werden kann und zunächst gefiltert werden muss. Dies kann mit einem analogen Filter und anschließender Analog-Digital-Umsetzung oder vollständig digital geschehen. Außerdem bleibt der Übertragungsweg zum auswertenden System analog und damit störanfällig. Einfache Druck- und Temperatursensoren besitzen deshalb oft einen echten digitalen Datenausgang, der über einen seriellen oder parallelen Bus angebunden ist. Weit verbreitet sind I²C und Serial Peripheral Interface.
Virtuelle Sensoren oder Softsensoren sind nicht als körperliche Bauteile vorhanden, sondern in Software realisiert. Sie berechnen Werte aus den Messwerten realer Sensoren. Grundlage ist ein empirisch erlerntes oder physikalisches Modell. Sie kommen zum Einsatz, wenn reale Sensoren zu teuer sind, in einer Umgebung nicht bestehen können oder schnell verschleißen. Sie eignen sich außerdem für Größen, die nicht direkt messbar sind, weil keine passenden Hardware-Sensoren im Prozess eingesetzt werden können, oder für Prozesse, die sich zur Kalibrierung und Wartung klassischer Sensoren nicht anhalten lassen. Virtuelle Sensoren werden bereits in der chemischen Industrie verwendet und zunehmend auch in anderen Industriezweigen wie der Kunststoffindustrie.
Molekulare Sensoren und Anwendungsgebiete
Molekulare Sensoren beruhen auf einem einzelnen Molekül. Bindet dieses ein weiteres Molekül oder wird es mit Photonen bestrahlt, verändern sich auslesbare Eigenschaften. Fluoreszenzmarkierte Sensoren können durch Änderungen ihres Emissionsspektrums mehr als zwei Zustände erfassen. Ein solcher Sensor kann deshalb auch als molekulares Schließsystem verwendet werden.
Sensoren werden in der Technik, in den Lebenswissenschaften Biologie und Medizin sowie verstärkt in den Naturwissenschaften eingesetzt. CCD-Bildsensoren und Teilchenzähler dienen beispielsweise Anwendungen in Astronomie, Geodäsie und Raumfahrt. Beschleunigungssensoren können genutzt werden, um für das Krafttraining relevante Deskriptoren zu gewinnen.
In automatisierten technischen Prozessen arbeiten Sensoren als Signalgeber. Die erfassten Werte oder Zustände werden meist elektrisch beziehungsweise elektronisch verstärkt und in einer Steuerung verarbeitet, die weitere Schritte auslöst. Die anschließende Signalverarbeitung findet zunehmend bereits im Sensor statt. Sensoren mit Mikroprozessor oder Mikrosystem verfügen dadurch über eine Form integrierter „Intelligenz“ und werden als Smart-Sensoren bezeichnet.
