Sensoren

Sensoren sind heute überall. Egal ob im industriellen Einsatz oder bei der Heimvernetzung. Sie liefern Werte, die sich zur Steuerung einsetzen und auswerten lassen. In diesem Beitrag geben wir einen Überblick der unterschiedlichen Arten und deren Einsatzgebiete.

Sensoren Definition

Sensoren dienen grundsätzlich dazu, Zustände zu erfassen und diese Messwerte elektronisch zu übertragen und verwertbar zu machen. Das Gegenstück stellen Aktoren dar, welche die aufgenommenen Maße verwenden, um eine Steuerung durchzuführen. Alltägliche Beispiele sind Sensoren in Thermostaten. Weitere zeigen wir nachfolgend.

Arten von Sensoren mit Beispielen

Diese Messfühler werden in vielen Bereichen eingesetzt. Zur Unterscheidung unterschiedlicher Typen gibt es verschiedene Möglichkeiten. So können diese beispielsweise nach ihrem Wirkprinzip kategorisiert werden (beispielsweise optisch, mechanisch oder magnetisch). Sie lassen sich auch grob als induktiv oder passiv bezeichnen. Je nachdem, ob sie Energie verwenden oder abgeben. Auch ihr Verwendungszweck lässt sich als Grundlage für die Einordnung heranziehen. Der folgende Überblick ordnet die Sensoren und Beispiele nach Wirkprinzip.

Piezoelektrische Sensoren

Die Funktion dieser Fühler basiert auf dem piezoelektrischen Effekt. Piezokristalle wie a-Quarz werden verformt und ändern dadurch die elektrische Ladung auf ihrer Oberfläche. Und ohne es zu wissen, trägt heute fast jeder Piezoelektrische Sensoren mit sich herum. Denn sie stecken in so gut wie jedem Smartphone. Dort sorgen sie als Beschleunigungssensor dafür, dass das Smarthone erkennen kann, in welcher Lage es gerade gehalten wird und ob sich die Ausrichtung ändert. Auch Airbags im Auto funktionieren nach diesem Prinzip, um die Wucht eines Aufpralls zu erkennen und darauf reagieren zu können.

Optische Sensoren

Optische oder optoelektrische Sensoren erfassen Licht eines bestimmten Spektrums und nutzen die daraus gewonnenen Daten zur Erkennung von Objekten. Sie kommen unter anderem bei Lichtschranken zum Einsatz. Dort sendet eine Lichtquelle einen Lichtstrahl an einen Empfänger. Wird dieser für das menschliche Auge nicht sichtbare Strahl von einem Hindernis unterbrochen, folgt eine Reaktion.

Mechanische Sensoren

Ein einfaches Beispiel mechanischer Sensoren stellt die Federwaage dar. In dieser steckt eine Schraubenfeder, die durch das Gewicht eines angehängten Gegenstandes gedehnt wird. Diese Dehnung wird durch eine angebrachte Skala visualisiert, welche anzeigt, wie schwer ein Objekt in Gramm oder Kilogramm ist. Diese grundlegende Funktionsweise lässt sich auf alle Sensoren dieser Art übertragen.

Kapazitive und Induktive Sensoren

Kapazitive Fühler basieren auf der Erkennung von Veränderungen bei der elektrischen Kapazität, während induktive Messfühler mit einem Magnetfeld arbeiten. Bekanntes Beispiel für kapazitive Fühler ist ein Regensensor. Durch den Regen ändert sich Kapazität der Oberfläche und signalisiert, dass es regnet. Induktive Sensoren oder Näherungsschalter arbeiten magnetisch. Ein bekanntes Beispiel für induktive Sensoren ist der Metalldetektor. Dieser ist in der Lage Metall zu erkennen und von anderen Materialien zu unterscheiden. Im Folgenden erklären wir beispielhaft den Aufbau und die Funktionsweise eines induktiven Sensors.

Funktionsweise von Sensoren

Verschiedene Arten von Sensoren funktionieren je unterschiedlich. In diesem Fall erklären wir die Funktionsweise und die Bestandteile eines induktiven Sensors. Kernstück ist ein Oszillator, welcher Schwingungen erzeugt, die über einen nach vorne gerichteter aktiver Fläche weitergegeben werden. Damit eine Erkennung erfolgt, muss sich ein metallenes Objekt vor diesem Bereich befinden. Dieses Objekt entzieht dem Schwingkreis der Spule des Oszillators Energie. Diese Abnahme wird erkannt und sorgt für die Erkennung des Materials.

Einsatzgebiete für Sensoren

Erkennung der Luftqualität

Luftgütesensoren ermitteln die Qualität der Atemluft in geschlossenen Räumen. Dazu kommen Metalloxide zum Einsatz, die auf Gase in der Luft reagieren. Neben dem Vorhandensein eines bestimmten Stoffes lässt sich durch den Grad der Veränderung bei der elektrischen Leitfähigkeit auch die Konzentration ermitteln. Meist sind entsprechende Systeme an eine automatische Belüftung gekoppelt, um zu lüften. Diese können als Teil einer Hausautomation fungieren.

Sensoren für die Hausautomation

Im Smart Home sind Fühler zwangsläufig notwendig, um Daten für die Steuerung bestimmter Abläufe zu gewinnen und eine tatsächliche Automatisierung zu erreichen. So kann vernetztes Thermostat die Heizungsleistung an die Umgebungstemperatur anpassen, um Heizkosten zu sparen. Dadurch stellt der Bereich der Hausautomation ein gutes Beispiel für das Zusammenspiel von Sensoren und Aktoren dar. Und durch die verstärkte Digitalisierung gewinnen Messfühler in der Industrie immer weiter an Bedeutung.

Sensoren für die Industrie 4.0

Sensoren und Automation gehen Hand in Hand mit der Digitalisierung. Sogenannte Smarte Sensoren bieten beispielsweise mehr als das Erfassen von Messwerten. Dadurch, dass sie Daten direkt auswerten, können diese ohne Zwischenschritt an andere Systeme weitergeben. Das erhöht auch die Sicherheit von Industrieanlagen, die durch die Zusammenführung unterschiedlicher Datenquellen bessere Entscheidungen ermöglichen. Selbiges gilt für Autos und im Speziellen für autonome Autos, de möglichst viele Daten benötigen, um den Straßenverkehr zu bewältigen.

Sensoren im Auto

Dazu sind moderne Autos bereits mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet, die das Fahren vereinfachen und sicherer machen sollen. Rückfahrsensoren sind im Kfz-Bereich beispielsweise schon seit vielen Jahren üblich und erleichtern das Einparken. Werden die Daten an einen Einparkassistenten weitergegeben, erfolgt das Parken fast ohne die Hilfe des Fahrers. Daneben sind Regensensoren durchaus üblich und schalten die Scheibenwischer je nach Wetterverhältnissen ein und aus. Der Sensoreinsatz steigt beim autonomen Fahren signifikant an.

Für die Steuerung vollautonomer Fahrzeuge wird der Einsatz von Sensoren unerlässlich, um die Erkennung der Umgebung und dadurch eine sichere Navigation zu ermöglichen. Wichtigstes Instrument ist Lidar (Light Detecting And Ranging). Hierbei wird ein Laser genutzt, um die Entfernung und Geschwindigkeit von Objekten in der Umgebung zu bestimmen. Im Gegensatz zur Radar-Technik sind die erhaltenen Daten genauer. Zusätzlich liefern Kameras Bilder der Umgebung.