Erfassen von Eigenschaften Überblick über Sensoren
Dank Halbleitern finden sich selbst in kleinsten Geräten, wie Smartwatches, Beschleunigungsmesser, Bewegungssensoren und kapazitive Touchscreens. In der Industrie sind Sensoren und Näherungsschalter absolut unverzichtbar, da sie Mensch & Maschine schützen.
Was sind Sensoren?
Allgemein bezeichnet „Sensor“ jedes technische Bauteil, das selbstständig bestimmte physikalische oder chemische Größen und Eigenschaften in der Umgebung oder von Objekten erfasst. Dies kann beispielsweise die Temperatur, Helligkeit oder auch Beschleunigung sein. In diesem Sinne ähneln Sensoren also unseren Sinnesorganen – nur, dass sie im Gegensatz zu letzteren auch Dinge registrieren, die für Menschen sonst unsichtbar blieben oder zu gefährlich wären. Wichtige Eigenschaft von Sensoren ist die Konvertierung von Messdaten in Signale oder visuelle Anzeigen. So können diese dann von einem Menschen oder einem elektronischen Gerät sinnvoll interpretiert werden. Ein Sensor ist somit auch immer ein Wandler, also ein Gerät, das eine Form der Energie oder eines Impulses in eine andere umwandelt. Ob in der Industrie, im Fahrzeugbau, in der Medizintechnik oder in alltäglichen Geräten – Sensortechnik ermöglicht präzise Messung, Kontrolle und Automatisierung.
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Wie funktionieren Sensoren?
Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Arten von Sensoren, die jeweils eine andere physikalische Größe messen, sowohl elektronisch als auch analog. Auf die wichtigsten Typen gehen wir weiter unten ein. Zunächst genügt es festzuhalten, dass alle Sensoren, ungeachtet von der eigentlichen Funktionsweise, über ein Merkmal verfügen müssen: Linearität. Am einfachsten lässt sich diese Eigenschaft anhand des Quecksilberthermometers aufzeigen. Das Thermometer zeigt innerhalb der Temperaturbereiche, auf die es ausgelegt ist, physikalische Veränderungen im Detektormaterial, in diesem Fall Quecksilber. Die Veränderungen der Umgebungstemperatur wirken sich direkt proportional zu Veränderungen des gemessenen Objekts aus und können bequem auf einer Skala abgelesen werden.
Allerdings fehlt dem Flüssigkeitsthermometer noch ein wichtiges Element: die eingangs erwähnte Konvertierung. Diese kommt bei der moderneren Variante, dem Digitalthermometer, ins Spiel. Der Temperaturfühler dieses Messgeräts reagiert ebenfalls linearer, indem sich Temperaturveränderungen direkt proportional auf die Ausgangsspannung auswirken, die das entsprechende Messergebnis liefern.
Vergleich der wichtigsten Sensoren und deren Funktionsweise
Die verschiedenen Sensortypen unterscheiden sich hinsichtlich Messgröße, Genauigkeit, Kosten und Anwendungsbereich. Temperatursensoren sind besonders in Industrie und Haushaltsgeräten verbreitet. Drucksensoren werden vor allem in Automotive- und Prozesskontrollsystemen eingesetzt. Beschleunigungssensoren finden sich in Smartphones, Drohnen und Maschinenüberwachung, Lichtsensoren in Beleuchtung und Kameras, Feuchtigkeitssensoren in Klimaanlagen und Industrieprozessen, Gassensoren in Sicherheitssystemen und Umweltmonitoring, und Positionssensoren in Robotik und CNC-Maschinen.
Temperatursensoren
Temperatursensoren erfassen die Temperatur eines Mediums (Luft, Flüssigkeit, Festkörper) und wandeln sie in elektrische Signale um. Typische Sensortypen sind Thermoelemente, Widerstandsthermometer (RTD) und Halbleiter-Temperatursensoren. Thermoelemente arbeiten nach dem Seebeck-Effekt, sind sehr robust und für hohe Temperaturen geeignet, jedoch nur mäßig genau. Halbleitersensoren sind kompakt und preiswert, jedoch auf moderate Temperaturbereiche beschränkt. Anwendungen finden sich in der Industrie, in Klimaanlagen, Haushaltsgeräten und der Automobiltechnik.
Drucksensoren
Drucksensoren messen den Druck von Gasen oder Flüssigkeiten. Zu den verbreiteten Technologien zählen piezoelektrische, kapazitive und piezoresistive Sensoren. Piezoelektrische Sensoren reagieren schnell auf Druckänderungen, eignen sich aber nicht für Dauermessungen. Kapazitive Sensoren bieten hohe Genauigkeit, sind jedoch empfindlich gegenüber Verschmutzungen. Piezoresistive Sensoren sind kostengünstig, liefern mittelpräzise Messwerte und werden häufig in MEMS-Systemen eingesetzt. Typische Anwendungsgebiete sind die Automobilindustrie, die Medizin und industrielle Prozesskontrollen.
Beschleunigungssensoren
Beschleunigungssensoren messen Beschleunigungskräfte und ermöglichen die Erfassung von Bewegung oder Neigung. MEMS-Sensoren sind miniaturisiert, stromsparend und weit verbreitet in Smartphones. Kapazitive Sensoren messen die Verschiebung einer Masse innerhalb eines Kondensators, während piezoelektrische Sensoren dynamische Bewegungen wie Vibrationen oder Stöße detektieren. MEMS-Sensoren sind kompakt, haben aber einen begrenzten Messbereich. Piezoelektrische Sensoren eignen sich für schnelle Bewegungen, jedoch nicht für statische Beschleunigung. Sie finden Anwendung in Smartphones, Fahrzeugen, Drohnen und Maschinenüberwachungen.
Lichtsensoren
Lichtsensoren messen Lichtintensität oder -wellenlänge. Fotowiderstände (LDR) verändern ihren Widerstand bei Lichteinfall, sind günstig, jedoch relativ langsam. Photodioden reagieren schneller und liefern ein lineares Signal, während Phototransistoren das Signal zusätzlich verstärken. Lichtsensoren werden unter anderem zur automatischen Beleuchtungssteuerung, in Kameras und Solarmodulen eingesetzt.
Positionssensoren
Positionssensoren erfassen die Lage, Entfernung oder Drehung eines Objekts. Potentiometer messen analog über Widerstandsänderungen, induktive Sensoren und Hall-Sensoren arbeiten berührungslos über Magnetfelder und Encoder liefern digitale, hochpräzise Positionsdaten. Typische Anwendungsfelder sind Robotik, CNC-Maschinen, Fahrzeuge und Motorsteuerungen.
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