Was ist ein induktiver Sensor, ein aktiver Sensor und ein passiver Sensor? Wir sagen es Ihnen!
Sie sind beinahe überall. In der Küche, im Auto, im Flur, in unserem Smartphone. Sensoren sind in unserem Alltag omnipräsent. Jeden Tag werden neue Produkte entwickelt, die mithilfe von Sensoren funktionieren. Sowohl in Privathaushalten als auch in der Industrie sind Sensoren nicht mehr wegzudenken. Die Branche boomt und Experten sagen voraus, dass sich die Verkaufszahlen von Sensoren in den kommenden Jahren weiterhin vervielfachen werden. Doch was ist ein Sensor eigentlich genau? Welche Sensoren Arten gibt es und wie funktionieren aktive Sensoren, passive Sensoren oder auch induktive Sensoren?
- Was ist ein Sensor?
- Was ist der Unterschied zwischen einem aktiven und passiven Sensor?
- Welche Klassifikationen für Sensoren gibt es?
- Mit welchem Sensor kann was gemessen werden?
- Wo kommen Sensoren zum Einsatz?
- Wie funktionieren Sensoren im Auto?
- Wie funktioniert die Blutzuckermessung mit einem Sensor?
- Welche Eigenschaften charakterisieren einen Sensor?
- Was ist beim Sensor kaufen zu beachten?
Aufgrund der hohen Nachfrage haben wir diesen Artikel aktualisiert und um die Fragestellung „Wie funktionieren Sensoren im Auto?“ und „Wie funktioniert die Blutzuckermessung mit einem Sensor?“ ergänzt.
Was ist ein Sensor?
Der Begriff Sensor hat seinen Ursprung im Lateinischen. „Sentire“ bedeutet in der Sprache der Römer so viel wie „fühlen“ oder auch „empfinden“. Und genau das machen Sensoren genau gesehen. Sie sind auch unter den Bezeichnungen Aufnehmer, Detektor und Messefühler bekannt und sind Bauteile, die bestimmte chemische oder physikalische Eigenschaften oder die stoffliche Beschaffenheit ihrer Umgebung quantitativ oder qualitativ als Messgröße erfassen können.
Beispiele für häufig gemessene physikalische Eigenschaften sind:
- Temperatur
- Feuchtigkeit
- Druck
- Helligkeit
- Beschleunigung
- Wärmemenge
Zu messbaren chemischen Eigenschaften gehören unter anderem pH-Wert, Ionenstärke und elektrochemisches Potential. Da es für diese und viele weiteren Eigenschaften unterschiedliche Sensoren benötigt, gibt es zahlreiche verschiedene Sensoren und Einsatzgebiete für die jeweiligen Messfühler.
Was ist der Unterschied zwischen einem aktiven Sensor und passiven Sensor?
Mit der Bezeichnung des aktiven Sensors und des passiven Sensors wird unterschieden, ob der Sensor für die Messung elektrische Hilfsenergie benötigt oder nicht.
Aktive Sensoren erzeugen aufgrund des Messprinzips ein elektrisches Signal, z. B. elektrodynamisch oder piezoelektrisch. Diese Sensoren sind also selbst Spannungserzeuger und benötigen keine elektrische Hilfsenergie. Zu den aktiven Sensoren zählen beispielsweise Thermoelemente, Lichtsensoren oder Drucksensoren.
Passive Sensoren enthalten passive Bauteile, deren Parameter durch die Messgröße verändert werden. Durch eine Primärelektronik werden diese Parameter in elektrische Signale umgeformt. Dabei wird eine von außen zugeführte Hilfsenergie benötigt. Passive Sensoren sind unter anderem Magnetfeldsensoren oder Ultraschallsensoren.
Welche Klassifikationen für Sensoren gibt es?
Sensoren können nicht nur in aktiv und passiv unterteilt werden. Es gibt verschiedene übliche Klassifikationen von Sensoren. Die Kategorisierung in interne und externe Sensoren beispielsweise beschreibt, ob Sensoren die Eigenschaften an dem Roboter oder in der Umgebung messen. Interne Sensoren messen beispielsweise die Geschwindigkeit, Temperatur oder den Ladezustand der eingebauten Batterie. Ein Beispiel für Messungen von externen Sensoren ist die Abstandsbestimmung zu anderen Objekten mithilfe von Infrarot, Ultraschall oder ähnlichen Technologien.
Ein entscheidender Unterschied zwischen Sensoren stellt zudem das vom Sensor verwendete Messprinzip dar. Es gibt zahlreiche verschiedene Messprinzipien und Beispiele für die nach dieser Vorgehensweise unterschiedenen Sensortypen sind resistive, induktive, kapazitive, piezoelektrische, optoelektrische, elektrochemische und magnetoelastische Sensoren. Desweiteren sind hier Magnetfeldsensoren und Temperatursensoren zu nennen.
Abstandsmesser, Durchflusssensoren, Drehzahlmessung – geht es letztendlich darum die Sensoren anzuwenden und einzusetzen, dann kommt es in erster Linie darauf an, was der jeweilige Sensor misst. Nachfolgend werden einige Sensortypen sortiert nach Messgrößen vorgestellt.
Mit welchem Sensor kann was gemessen werden?
Wie funktioniert Abstandsmessung mit Sensoren?
Abstandssensor, Wegaufnehmer, Wegmesssystem, Wegsensor, Positionssensor sind nur einige der Bezeichnungen eines Sensors, mit dem sich der Abstand zwischen einem Objekt und dem Bezugspunkt oder Längenänderungen messen lassen. Zur Bestimmung des Abstands werden verschiedene Techniken angewandt.
So lässt sich der Abstand beispielsweise über die Signallaufzeit bestimmen: Ein Signal wird vom Sensor mit einer gegebenen Geschwindigkeit ausgesendet und es wird die Zeit gemessen, die das Signal benötigt, um beim Objekt anzukommen. Mit der gemessenen Zeit und Geschwindigkeit, lässt sich der vom Signal zurückgelegte Weg und damit der Abstand vom Sensor zum Objekt bestimmen.
Befinden sich Sensor und Objekt nicht auf einer Achse und das Objekt ist in Bewegung, muss nach dem Prinzip der Triangulation auch der Winkel sprich die Positionen der Objekte zueinander mit einberechnet werden. Auch die Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal lassen auf den Abstand eines Objektes zum Sensor schließen.
Mit Zeitdifferenz, Periodendauer und Phasenverschiebung kann der Abstandswert berechnet werden. Beispiele für Abstandssensoren sind Laserscanner, induktive und optische Abstandssensoren, Ultraschallsensoren, Radar und Potentiometergeber.
Was ist ein Durchflusssensor?
Mit dem Begriff der Durchflusssensoren werden alle Sensoren zusammengefasst, die den Durchfluss einer Flüssigkeit oder eines Gases nutzen. Bestimmt wird hier entweder der Volumendurchfluss oder der Massendurchfluss. Diese Sensoren werden häufig aus wirtschaftlichen Gründen beispielsweise als Teil eines Liefervertrages oder zur Besteuerung eingesetzt. In Chargenprozessen in der Industrie ermöglichen sie es zudem im richtigen Verhältnis zu mischen. Auch in der Medizintechnik findet dieser Sensortyp Anwendung. Das sogenannte Flowmeter misst den Blutstrom und lässt so auf wichtige gesundheitskritische Werte schließen.
Was ist ein Drucksensor?
Die am häufigsten genutzten Drucksensoren sind:
- Absolutdrucksensoren
- Differenzdrucksensoren
- Relativdrucksensoren
Bei Absolutdrucksensoren kann die Druckmessung auf Vakuum mit einem Druck von 0 bar erfolgen. Bei Differenzdrucksensoren wird hingegen die Druckdifferenz zwischen zwei Messkammern unterschiedlichen Drucks gemessen.
Auch Relativdrucksensoren vergleichen verschiedene Druckwerte. Hier wird der relative Druck jedoch auf den atmosphärischen Luftdruck bezogen gemessen. Die Druckmessung kann in gasförmigen, flüssigen sowie an festen Medien gemessen werden. Beispiele für Drucksensoren sind Barometer zur Bestimmung des Luftdrucks und Altimeter, die mithilfe der Druckmessung die Höhe bestimmen. Auch in Tauchcomputern werden Drucksensoren zur Tiefenmessung im Computer eingesetzt.
Was ist ein Näherungsschalter?
Näherungsschalter oder auch Annäherungssensoren reagieren auf Annäherungen ohne direkten Kontakt. Man unterteilt Annäherungsschalter in drei Arten:
- Die induktiven Näherungssensoren reagieren auf Metall und Nicht-Metall und erkennen den Materialunterschied mithilfe eines elektromagnetischen Feldes.
- Bei kapazitiven Sensoren hingegen wird eine sich ändernde elektrische Kapazität einer Elektrode genutzt, um die Annäherung von Flüssigkeiten und Gegenständen zu melden. Zur Kontaktbetätigung bei Magnetfeldern werden magnetische Näherungssensoren eingesetzt, die meist mit sogenannten Reed-Relais arbeiten.
- Lichtschranken detektieren die Unterbrechung eines Lichtstrahls und können so Bewegungen registrieren. Sie werden häufig für selbsttätig schließende Türen und in Alarmanlagen zur Erkennung von Einbrechern eingesetzt. Ein sehr übliches Einsatzgebiet sind Sicherheitsmaßnahmen sowie die Positionserkennung von Werkstücken in der industriellen Fertigung.
Aus privaten Haushalten kennen wir Näherungsschalter häufig von der Beleuchtung in Treppenhäusern, Garagen oder Eingangsbereichen. Hier reagiert der Näherungssensor auf das Öffnen einer Tür oder Bewegung und die Beleuchtung wird für eine bestimmte Dauer eingeschaltet.
Was ist ein optoelektronischer Sensor?
Die Bezeichnung des optoelektronischen Sensors hört sich im ersten Moment eher erschreckend komplex an. Es handelt sich hierbei um Lichtsensoren oder auch optische Detektoren, die unter Anwendung des photoelektrischen Effekts Licht in ein elektrisches Signal umwandeln und so die einfallende Strahlung angeben. Beispiele für solche Sensoren sind Fotodioden, Fotozellen und Bildsensoren. Diese Sensoren finden in der Kameraelektronik, Robotik sowie bei komplexen Sehapparaten für medizinische Zwecke Anwendung.
Was ist ein Temperatursensor?
Temperatursensoren liefern ein elektrisches Signal als Maß für die Temperatur. Es werden dabei meistens elektronische oder elektrische Bauteile wie Heißleiter (NTC) oder Kaltleiter (PTC) eingesetzt, die ihren Widerstand temperaturbedingt verändern oder die direkt ein verarbeitbares elektrisches Signal liefern.
Weitere bekannte Verfahren sind Pyrometer und Wärmebildkameras, sowie mechanisch arbeitende Temperaturschalter wie beispielsweise Bimetallschalter. Diese betätigen durch die Krümmung eines Bimetalles einen Schalter und finden in Haushaltsgeräten wie Toastern und Wasserkochern Einsatz. Temperatursensoren werden auch als Wärmefühler, Wärmesensoren oder Temperaturfühler bezeichnet.
Hinweis: Galileo Galilei erfand im 17. Jahrhundert den Vorgänger des Thermometers. Er nannte es damals „Thermoskop“.
Wo kommen Sensoren zum Einsatz?
Sensoren kommen heutzutage in zahlreichen Gebieten zum Einsatz. Die Anwendungsfelder scheinen unendlich und beginnen in unserem alltäglichen Leben. Unser täglicher Umgang mit Technologie wird von der Nutzung von Sensoren und den auf dessen Befehle hin schaltenden Aktoren bestimmt. In Kaffeemaschinen, Heizungen, Waschmaschinen, Autos und vielen alltäglichen Maschinen und Anlagen mehr sind diese kleinen Bauteile eingebaut und liefern Signale für die Steuerung.
Doch nicht nur in Privathaushalten, auch in große Industriemaschinen und Anlagen finden zahlreiche Sensoren Anwendung. Der Automatisierungstrend von Produktions-, Logistik-, und Fabrikprozessen ist inzwischen zu einem bedeutendem wirtschaftlichen Erfolgsfaktor geworden. Was früher gemessen wurde, wird mit modernen Mess- oder Überwachungsgeräten erfasst und leistungsfähige Signalverarbeitungssysteme ermöglichen anschließend die zielgerechte Steuerung. Sensoren sind in Bereichen wie der Positionserfassung und Qualitätskontrolle nicht mehr wegzudenken.
Eine bedeutende Rolle spielen Sensoren auch in der Umwelttechnik. Hier müssen fortlaufend aktuelle Werte erfasst werden, um sicher zu stellen, dass Grenzwerte nicht überschritten werden. Eine solche Erfassung wäre ohne Sensoren nicht möglich. Kohlekraftwerke erfassen laufend Emissionen und auch Kläranlagen müssen überwachen, dass das gereinigte Wasser in Reinheit und pH-Wert örtliche Gewässer nicht belastet.
Wie funktionieren Sensoren im Auto?
Als Augen und Ohren zugleich sind Sensoren buchstäblich das A und O der modernen Fahrzeugtechnik. Vom Tachometer bis zum Parkassistenten sind Autos heutzutage mehr denn je auf Messwerte von Sensoren angewiesen.
Hier ein paar Beispiele für die modernste Sensorentechnik am Auto:
Wer noch nichts von Lidar-Sensoren gehört hat, der kennt zumindest den Bremsassistenten. Und genau der funktioniert mit den Lidar-Sensoren, die mittels Laserstrahlen Lichtwellen aussenden und darüber Abstand und Geschwindigkeit ermitteln. Der Notfall-Bremsassistent funktioniert auch per Lidar-Sensoren und liefert dem Bordcomputer die nötigen Informationen, um im schlimmsten Fall bei Personen und Objekten eine Vollbremsung auszulösen.
Radarsensoren finden bereits seit Jahrzehnten Einsatz im Auto, haben jedoch seit der Entwicklung des autonomen Fahrens in Sachen Abstandsmessung an Bedeutung zugenommen. Das Radar misst die Entfernung und die Geschwindigkeit, indem es Radiowellen ausstößt. Abhängig von der Zeit, in der die Radiowellen am entfernten Objekt abprallen und wieder zurückkommen, kann der Abstand zu diesem Objekt berechnet werden. Das Prinzip ähnelt dem der Lidar-Sensoren, allerdings haben Radarsensoren eine größere Reichweite.
Piepst es beim Einparken, verdanken wir das den Ultraschallsensoren. Bis zu einer Reichweite von 15 Metern können diese ähnlich des Prinzips der Radarsensoren den Abstand zu anderen Objekten bestimmten. Mit Ultraschallsensoren wird beim Auto zudem der tote Winkel überwacht.
Wie funktioniert die Blutzuckermessung mit einem Sensor?
Die klassische Blutzuckermessung gehört zum Alltag eines jeden Diabetikers: Um den Blutzucker zu messen, wird mehrmals täglich ein bisschen Blut benötigt. Das ständige Stechen kann schnell lästig werden und führt manchmal sogar zu Entzündungen der Haut.
Neben der herkömmlichen Methode gibt es inzwischen auch digitale Messgeräte, die den Blutzucker ohne Stechen über einen Sensor messen. Dieser kleine, runde Sensor wird abhängig vom Produkt am Oberarm oder am Bauch aufgeklebt. Er ist mit einem Messfaden verbunden, der in das Unterhautfettgewebe eingeführt wird. Die Messergebnisse werden auf einem Lesegerät angezeigt.
Der Sensor muss etwa alle zwei Wochen ausgetauscht werden.
Was ist CGM?
CGM steht für die kontinuierliche Glukosemessung. Anders als bei der klassischen Blutzuckermessung wird über den Sensor nicht direkt der Blutzucker, sondern der sogenannte Gewebezucker bestimmt. Es handelt sich dabei um den Glukosewert des Unterhautfettgewebes und nicht des Blutes.
Der Gewebezuckerwert kann dem Blutzuckerwert um einige Minuten hinterherhinken. Vor allem bei einem raschen Anstieg des Blutzuckerspiegels kann es zu Abweichungen zwischen den beiden Werten kommen.
Hinweis: Die Blutzuckermessung ohne Stechen geht auch durch sogenannte BZM-Geräte. Diese messen den Blutzucker mittels eines Lasers über die Feuchtigkeit auf der Haut.
Welche Eigenschaften charakterisieren einen Sensor?
Zu bedeutenden Eigenschaften, die einen Sensor charakterisieren gehören:
- Ungenauigkeit
- Messbereich
- Messempfindlichkeit
- Auflösung
- Linearität bzw. Nichtlinearität
Die Ungenauigkeit befasst sich mit den Fehlern eines Sensors. Messungen sind grundsätzlich fehlerbehaftet, wichtig ist jedoch die Unterscheidung zwischen systematischen und zufälligen Fehlern. Systematische Fehler hängen vom Sensor ab und sind beispielsweise mit der schlechten Qualität des Sensors oder dessen fälschlicher Einstellung verbunden. Zufällige Fehler sind Abweichungen der Ergebnisse bei Messungen für die gleiche Größe unter den gleichen Umständen.
Haben wir beispielsweise einen Temperatursensor, der schlecht kalibriert ist, dann misst dieser vielleicht 29 °C obwohl der wahre Temperaturwert 30 °C beträgt. Hierbei handelt es sich um einen systematischen Fehler. Verändern wir nun die Temperatur und die anderen Bedingungen nicht und führen mehrere Messungen mit dem Temperatursensor durch, dann erhalten wir vielleicht Werte wie 29,01 °C, 28,95 °C und 29,4 °C dabei handelt es sich nun um zufällige Fehler, denn der Sensor müsste theoretisch bei gleichen Bedingungen und gleicher Temperatur immer denselben Wert messen.
Der Messbereich gibt den Bereich eines physikalischen Signals an, der von einem Sensor gemessen werden kann. Kann ein Temperatursensor also Temperaturen zwischen 0 °C und 30 °C messen, dann ist dies der Messbereich des Sensors.
Die Messempfindlichkeit beschreibt das Verhältnis zwischen einer Änderung am Ausgangssignal bei einer Änderung am Eingangssignal. Die Messempfindlichkeit gibt uns also Informationen darüber, wie empfindlich der Sensor auf Änderungen am Eingang reagiert.
Unter der Auflösung versteht man den kleinsten Änderungsschritt des Eingangssignals, den der Sensor erfassen kann.
Was ist beim Sensor kaufen zu beachten?
Die erste Frage, die man sich beim Sensor kaufen stellen sollte, ist die nach der zu bestimmenden Messgröße. Soll der Sensor die Temperatur, Geschwindigkeit, Druck, etc. messen können? Anschließend sollte das Anwendungsszenario möglichst genau geplant werden, um zu erkennen, welches Messprinzip unter den gegebenen Bedingungen angemessen arbeitet.
- Wie genau muss der Sensor messen?
- In welcher Form soll ein Signal ausgegeben werden?
- Wie wird die Stromversorgung des Sensors realisiert?
- Wie empfindlich soll der Sensor reagieren?
Möchten Sie beispielsweise das Ein- und Ausschalten der Beleuchtung in der Garage automatisieren, dann sollte der Bewegungssensor empfindlich genug reagieren, um die Beleuchtung anzuschalten, wenn Sie die Garage betreten. Das Licht sollte wohl jedoch nicht jedes Mal, wenn eine Stechmücke oder eine Biene am Sensor vorbeifliegt, eingeschaltet werden.
Tipp: Grundsätzlich gilt bei Sensoren; je präziser, desto teurer. Nehmen Sie es bei Ihrer Anwendung für den Sensor nicht ganz so genau, können Sie sich statt des Präzisionssensors für einen etwas ungenaueren (dennoch hochwertigen) Sensor entscheiden.
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